JP2022178797A - Compression device - Google Patents
Compression device Download PDFInfo
- Publication number
- JP2022178797A JP2022178797A JP2021085846A JP2021085846A JP2022178797A JP 2022178797 A JP2022178797 A JP 2022178797A JP 2021085846 A JP2021085846 A JP 2021085846A JP 2021085846 A JP2021085846 A JP 2021085846A JP 2022178797 A JP2022178797 A JP 2022178797A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- anode
- cathode
- electrolyte membrane
- protective sheet
- hole
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Abstract
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.
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.
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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-
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
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
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
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
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
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,
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。
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
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
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
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(H2)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
[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
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
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
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(H2)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
アノード:H2(低圧)→2H++2e- ・・・(1)
カソード:2H++2e-→H2(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
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
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
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
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
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
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
(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
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
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
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
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
(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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
(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
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
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
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
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
(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
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
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
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
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
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
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
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
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
(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
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
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
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
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
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:
Claims (6)
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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2021085846A JP2022178797A (en) | 2021-05-21 | 2021-05-21 | Compression device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2021085846A JP2022178797A (en) | 2021-05-21 | 2021-05-21 | Compression device |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2022178797A true JP2022178797A (en) | 2022-12-02 |
Family
ID=84239292
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2021085846A Pending JP2022178797A (en) | 2021-05-21 | 2021-05-21 | Compression device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2022178797A (en) |
-
2021
- 2021-05-21 JP JP2021085846A patent/JP2022178797A/en active Pending
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP7249588B2 (en) | electrochemical hydrogen pump | |
WO2021140777A1 (en) | Compression apparatus | |
JP2023139143A (en) | electrochemical hydrogen pump | |
WO2021140779A1 (en) | Compression device | |
JP7117543B2 (en) | Hydrogen system and method of operating hydrogen system | |
JP2022178797A (en) | Compression device | |
JP7122548B1 (en) | compressor | |
JP7281646B1 (en) | compressor | |
WO2021140778A1 (en) | Compression apparatus | |
JP6998556B1 (en) | Anode separator for electrochemical hydrogen pump and electrochemical hydrogen pump | |
EP4219394A1 (en) | Compression device | |
JP7002045B1 (en) | Compressor and compressor control method | |
JP7281655B2 (en) | Electrochemical cells and compressors for hydrogen pumps | |
JP7281656B1 (en) | compressor | |
WO2022064817A1 (en) | Anode separator for electrochemical hydrogen pump, and electrochemical hydrogen pump | |
JP7016035B1 (en) | Compressor | |
WO2022149301A1 (en) | Compressor and method for controlling compressor | |
WO2023120042A1 (en) | Compression device | |
WO2023120043A1 (en) | Compression device | |
CN113840946A (en) | Compression device |