JP2023007150A - 電気化学デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】本開示は、一酸化炭素を含む水素含有ガスに酸素を混入させた場合、電気化学デバイスにおける水素含有ガスが供給される入口部近傍の電解質膜の局所的な薄膜化を抑制し、経時的に水素純度が低下し難い電気化学デバイスを提供する。【解決手段】本開示における電気化学デバイスは、電解質膜と、電解質膜の第１主面に配置されるアノード触媒層と、電解質膜の第２主面に配置されるカソード触媒層と、アノード触媒層を挟んで電解質膜と反対側に配置されるアノードガス拡散層と、カソード触媒層を挟んで電解質膜と反対側に配置されるカソードガス拡散層と、水素含有ガスおよび酸素をアノードガス拡散層に供給するように形成されたアノードガス流路と、を備える電気化学デバイスであって、アノードガス拡散層は、アノードガス流路の上流部分に対向する第１領域を有し、第１領域は親水性樹脂を含む。【選択図】図１

Description

本開示は、水素精製システムで利用する電気化学デバイスに関する。

特許文献１は、高純度の水素を精製する水素精製システムと、前記水素精製システムにおいて、アノードに、一酸化炭素を含む水素含有ガスを供給する場合には、酸素を水素含有ガスに混入させることによって、一酸化炭素による触媒被毒を抑制して水素を精製する方法とを開示する。この水素精製システムは、電解質膜を挟んで配置されるアノードとカソードとを設けた積層セル（本開示では、電気化学デバイスと記載、以下同じ）と、アノードに、一酸化炭素と酸素とを含む水素含有ガスを供給するガス供給装置と、アノードとカソードとの間に直流電流を流す電源と、を備える。

特開２０１５－１１７１３９号公報

本開示は、一酸化炭素を含む水素含有ガスに酸素を混入させた場合において生じ得る、水素含有ガスが供給される入口近傍の電解質膜の局所的な薄膜化を抑制し、経時的に水素純度が低下し難い電気化学デバイスを提供する。

本開示における電気化学デバイスは、電解質膜と、電解質膜の第１主面に配置されるアノード触媒層と、電解質膜の第２主面に配置されるカソード触媒層と、アノード触媒層を挟んで電解質膜と反対側に配置されるアノードガス拡散層と、カソード触媒層を挟んで電解質膜と反対側に配置されるカソードガス拡散層と、水素含有ガスおよび酸素をアノードガス拡散層に供給するように形成されたアノードガス流路と、を備える電気化学デバイスであって、アノードガス拡散層は、アノードガス流路の上流部分に対向する第１領域を有し、第１領域は親水性樹脂を含むことを特徴とする。

本開示における電気化学デバイスは、アノード入口を含む上流部分において酸素ガスの触媒への拡散が出口付近と比べて抑制されるため、アノード入口を含む上流部分に配置される触媒層で生成される過酸化水素が減少する。そのためアノード入口を含む上流部分に配置される触媒層の局所的な薄膜化が抑制され、経時的な精製水素純度の低下をし難くする効果を奏し得る。

実施の形態１に係る電気化学デバイスを含む水素精製システムの構成図 実施の形態２に係る電気化学デバイスを含む水素精製システムの構成図

（本開示の基礎となった知見等）
本発明を想到するに至った当時、一酸化炭素を含む水素含有ガスをアノードに供給しアノードとカソードとの間に電流を流し、カソードから純度の高い水素を取り出す電気化学デバイスは、カソードから排出される水素の純度を高く保つことが求められていた。
そのため、当概業界では、アノードに供給するガスに一酸化炭素が含まれる場合、アノード触媒へのＣＯ被毒が起こり、電気化学反応において熱力学的に求められる反応の理論電位（平衡電極電位）と、実際に反応が進行するときの電極の電位との差である過電圧が上昇してしまうことを課題とし、一酸化炭素と反応させて二酸化炭素を生成するための酸素をアノードへ同時に供給するという製品設計をすることが一般的であった。
そうした状況下において、水素含有ガスに一酸化炭素と酸素が含まれる場合に、一酸化炭素と酸素を含む水素含有ガスをアノードに供給しアノードとカソードとの間に電流を流し、カソードから純度の高い水素を取り出す電気化学デバイスの水素純度が長期運転時に低下するという課題があった。発明者らが鋭意検討した結果、アノードに添加された酸素ガスがアノード内においてヒドロキシラジカルを生成させて電解質膜を分解し、酸素が投入される入口近傍の電解質膜を経時的に薄膜化することが原因であることを突き止めた。薄膜化した電解質膜が水素以外の不純物ガスをカソード側に多く混入させるため水素純度を低下させるわけである。そこで、酸素が投入される水素含有ガス入口近傍の局所的な膜の薄膜化を抑制することにより、不純物ガスの透過量を減らし、水素純度の低下を防ぐという着想を得た。そして発明者らは、その着想を実現するために、本開示の主題を構成するに至った。
本開示は、アノードガス拡散層におけるアノードガス入口を含む上流部分に対向する領域が親水性樹脂を含み、アノードガス拡散層におけるアノードオフガス出口を含む下流部分に対向する領域が撥水性樹脂を含む電気化学デバイスを提供する。
以下、図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明、または、実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が必要以上に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。
なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図していない。

（実施の形態１）
以下、図１を用いて、実施の形態１に係る電気化学デバイス１０を説明する。

［１－１．構成］
図１において電気化学デバイス１０は、電解質膜５と、電解質膜５の第１主面に配置されるアノード触媒層１６と、電解質膜５の第２主面に配置されるカソード触媒層１８と、アノード触媒層１６を挟んで電解質膜５と反対側に配置されるアノードガス拡散層８と、カソード触媒層１８を挟んで電解質膜５と反対側に配置されるカソードガス拡散層７と、水素含有ガスおよび酸素をアノードガス拡散層８に供給するように形成されたアノードガス流路１５と、を備える。また電気化学デバイス１０は、アノードガス拡散層８が、アノードガス流路１５の上流部分に対向する第１領域６を有し、第１領域６は親水性樹脂を含む。アノードガス拡散層８は、アノードガス流路１５の下流部分に対向する第２領域９を有し、第２領域は、撥水性樹脂を含む。

アノード触媒層１６は、第１触媒粒子と、イオン交換樹脂と、を含む。具体的にアノード触媒層１６は、アノードガス流路１５からアノード触媒層１６に供給される水素含有ガスに含まれる水素を水素イオンに解離する電気化学反応を促進する機能を果たし、第１触媒粒子として、例えばＰｔ（白金）及びＲｕ（ルテニウム）を担持したカーボン粒子を含み、イオン交換樹脂である高分子電解質樹脂を含んでよい。
カソード触媒層１８は、第２触媒粒子と、イオン交換樹脂と、を含む。具体的にカソード触媒層１８は、アノード触媒層１６から電解質膜５を通ってカソード触媒層１８に移動する水素イオンから水素を生成する電気化学反応を促進する機能を果たし、第２触媒粒子として、例えばＰｔ（白金）を担持したカーボン粒子を含み、イオン交換樹脂である高分子電解質樹脂を含んでよい。
なお親水性樹脂は、アノード触媒層１６またはカソード触媒層１８で使用されているイオン交換樹脂と同一のイオン交換樹脂を含む樹脂であってよい。

アノード側セパレータ１１とカソード側セパレータ１３は、ガス透過性のない導電性部材である圧縮カーボンによって構成されている。アノード側セパレータ１１には、水素含有ガスであるアノードガスが水素含有ガス供給配管４３を介して水素含有ガス供給部３０から供給されるアノードガス入口１９が設けられる。またアノード側セパレータ１１には、アノードオフガスを排出するカソードオフガス出口２１が設けられ、アノードガス入口１９とカソードオフガス出口２１の間には、水素含有ガスをアノードに供給するアノードガス流路１５がアノード側セパレータ１１によって形成される。
また、カソード側セパレータ１３には、精製水素ガスを排出するカソードオフガス出口２１が設けられる。カソードガス拡散層７とカソード側セパレータ１３の間にはカソードガス流路１７が形成され、精製水素ガスをカソードオフガス出口２１に導く。

アノードガス拡散層８は、アノード触媒層１６への水素含有ガス及び酸素の供給と、アノード触媒層１６との間で電子の授受を行う機能を果たす。アノードガス拡散層８は、ガス透過性と電子伝導性を併せ持つ導電性カーボンペーパーで構成されてよい。
カソードガス拡散層７は、カソード触媒層１８で生成される精製水素ガスの排出と、カソード触媒層１８との間で電子の授受を行う機能を果たす。カソードガス拡散層７は、ガス透過性と電子伝導性を併せ持つ導電性カーボンペーパーで構成されてよい。
アノードガス拡散層８とカソードガス拡散層７は、導電性多孔質基材であるカーボン繊維からなるカーボンペーパーに樹脂がコーティングされている。

アノードガス流路１５における、例えば流路の上流から１／４までの領域に対向するアノードガス拡散層８には第１領域６が設けられ、第１領域６のコーティング樹脂には、親水性樹脂を用いる。親水性樹脂には、高分子の末端に、ヒドロキシル基、カルボニル基、アルデヒド基、カルボキシル基、アミノ基、ニトロ基、スルホン酸基などの、極性の高い官能基を持つ樹脂を用いることができる。親水性樹脂としては、例えばパーフルオロスルホン酸（ナフィオン）を用いてよい。アノード触媒層１６で使用する高分子電解質樹脂は、極性の高い官能基を持つ同様の樹脂を用いてよい。
アノードガス流路１５における、例えば流路の上流から１／４の位置より下流の領域に対向するアノードガス拡散層８には第２領域９が設けられ、第２領域のコーティング樹脂には、撥水性樹脂を用いる。撥水性樹脂としては、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を用いてよい。
また、電気化学デバイス１０には、アノード触媒層１６から電解質膜５を介してカソード触媒層１８に電流を流すための直流電源２５が接続されている。
水素含有ガス供給部３０は、例えば都市ガスから改質反応を利用して加湿された水素と二酸化炭素と一酸化炭素とからなる水素含有ガスを生成し供給する燃料改質器と、酸素含有ガスを供給する装置を含む。水素含有ガス供給部３０は、水素含有ガス供給配管４３を通してアノードガス入口１９に接続される。

また水素精製システム１は本実施の形態に係る電気化学デバイス１０を制御する制御部４０を備え、制御部４０は水素含有ガス供給部３０からの水素含有ガスの供給量の制御等をおこなう。
ここで本開示における制御部４０は、本開示における装置を制御できるものであればよい。制御部４０は様々な態様で実現可能である。例えば、制御部４０としてプロセッサを用いてもよい。制御部４０としてプロセッサを用いれば、プログラムを格納している記憶媒体からプログラムをプロセッサに読み込ませ、プロセッサによりプログラムを実行することで、各種処理を実行することが可能となる。このため、記憶媒体に格納されたプログラムを変更することで処理内容を変更できるので、制御内容の変更の自由度を高めることができる。プロセッサとしては、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、及び、ＭＰＵ（Ｍｉｃｒｏ－Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）などがある。記憶媒体としては、例えば、ハードディスク、フラッシュメモリ、及び、光ディスクなどがある。また、制御部４０としてプログラムの書き換えが不可能なワイヤードロジックを用いてもよい。制御部４０としてワイヤードロジックを用いれば、処理速度の向上に有効である。ワイヤードロジックとしては、例えば、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）などがある。また、制御部４０として、プロセッサとワイヤードロジックとを組み合わせて実現してもよい。制御部４０を、プロセッサとワイヤードロジックとを組み合わせて実現すれば、ソフトウェア設計の自由度を高めつつ、処理速度を向上することができる。また、制御部４０と、制御部４０と別の機能を有する回路とを、１つの半導体素子で構成してもよい。別の機能を有する回路としては、例えば、Ａ／Ｄ・Ｄ／Ａ変換回路などがある。また、制御部４０は、１つの半導体素子で構成してもよいし、複数の半導体素子で構成してもよい。複数の半導体素子で構成する場合、特許請求の範囲に記載の各制御を、互いに異なる半導体素子で実現してもよい。さらに、半導体素子と抵抗またはコンデンサなどの受動部品とを含む構成によって制御部４０を構成してもよい。

［１－２．動作］
以上のように構成された電気化学デバイス１０について、その動作と作用を以下で説明する。
まず、電気化学デバイス１０の温度を摂氏６０度に設定し、水素含有ガス供給部３０から水素８０％、二酸化炭素１８．５％、一酸化炭素３０ｐｐｍ、酸素１％の濃度の水素含有ガスを１００ｃｃ／ｍｉｎの流量で供給する。ここで水素含有ガスは摂氏６０度における飽和水蒸気圧を満たす量の水蒸気を含む。水素含有ガスは、アノードガス入口１９に供給され、直流電源２５によってアノード触媒層１６から電解質膜５を介してカソード触媒層１８に、例えば１５Ａの電流を流す。
次に、電気化学デバイス内での物質の反応と膜劣化との関係について説明する。アノード触媒層１６では、（化１）に示す、水素が水素イオン（Ｈ＋）と電子に解離する酸化反応が起こり、カソード触媒層１８では、（化２）に示す、水素イオン（Ｈ＋）と電子が結びついて水素が生成される還元反応が起こる。

（化１）と（化２）に示す電気化学反応によりアノード触媒層１６に供給された水素含有ガスから、カソード触媒層１８において水素を生成することができる。このとき、水素含有ガス中の水素のみがアノード側からカソード側へ移動するため、カソード側で高純度の水素を得ることができる。
（化１）と（化２）の反応と並行して、アノード触媒層１６では、（化３）に示す、水素含有ガスに含まれる一酸化炭素が酸素と反応して二酸化炭素ができる酸化反応が起こる。

（化３）の反応によって消費されなかった一酸化炭素は、アノード触媒層１６に吸着し、（化１）の水素反応が起こる触媒の反応面積を減少させる。水素反応の反応面積の減少が進むと、過電圧が上昇して水素精製のために必要な電力が多く必要となるので、一酸化炭素のアノード触媒層１６への吸着が起こらないように運転条件を設定する必要がある。
（化３）で一酸化炭素と反応しなかった残りの酸素は、（化４）で示す４電子反応、および（化５）で示す２電子反応に従って還元される。

（化５）で生成する過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）は、電解質膜を劣化させることが知られている。アノードガス流路１５に存在する酸素はアノードガス拡散層８の中を拡散し、アノード触媒層１６へ到達して（化５）で示す反応により酸素が消費され過酸化水素を生成する。したがってアノードガス流路１５の上流から下流へ行くほど酸素は消費されて濃度が低下し、アノードガス流路１５からアノード触媒層１６へ拡散する酸素の量も上流から下流へ行くほど減少する。アノードガス入口１９を含むアノードガス流路１５の上流部分に対向するカソードガス拡散層７の細孔には親水性樹脂が存在する。この親水性樹脂に水が吸着し細孔が吸着水によって塞がれることにより、アノードガス流路１５からアノード触媒層１６への酸素の拡散が抑制される。最も酸素濃度の高いアノードガス入口１９において、アノードガス流路１５からアノード触媒層１６への酸素の拡散を抑制することができるので、アノードガス入口１９に対向する領域に配置されるアノード触媒層１６において局所的な過酸化水素の生成を抑え、電解質膜５で局所的に起こり得る薄膜化を抑制することができる。その結果、水素純度が経時的の低下を抑制することができる。

上記の動作説明に基づいて電気化学デバイス１０の運転を行った。電気化学デバイス１０のカソードオフガス出口２１から排出される精製水素ガスのガス組成を分析したところ、運転開始時と、３０００時間運転後と比較してガス組成に変化は生じないという実験結果が得られた。

［１－３．効果等］
以上のように、本実施の形態に係る電気化学デバイス１０は、電解質膜と５、電解質膜５の第１主面に配置されるアノード触媒層１６と、電解質膜５の第２主面に配置されるカソード触媒層１８と、アノード触媒層１６を挟んで電解質膜５と反対側に配置されるアノードガス拡散層８と、カソード触媒層１８を挟んで電解質膜５と反対側に配置されるカソードガス拡散層７と、水素含有ガスおよび酸素をアノードガス拡散層８に供給するように形成されたアノードガス流路１５と、を備える電気化学デバイスであって、アノードガス拡散層８は、アノードガス流路１５の上流部分に対向する第１領域６を有し、第１領域６は親水性樹脂を含む。
これにより、アノードガス入口１９を含むアノードガス流路１５の上流部分において、酸素ガスのアノード触媒層１６への拡散が、アノードオフガス出口２３を含む下流部分と比べて抑制される。したがってアノードガス入口１９を含むアノードガス流路１５の上流部分のアノード触媒層１６で生成される過酸化水素の量が減少するため、局所的な薄膜化が抑制される。そのため、経時的な精製水素ガスの純度の低下を抑制することができる。

また本実施の形態において、アノードガス拡散層８は、アノードガス流路１５の下流部分に対向する第２領域９を有し、第２領域９は撥水性樹脂を含んでよい。
仮にアノードガス拡散層８の全体が親水性であると、水素含有ガスが含む水蒸気が液体の状態になってアノードガス拡散層８の細孔を塞ぐため、水素含有ガスの拡散が抑制されてアノード触媒層１６まで到達し難くなる。アノードガス流路１５の下流部分に対向するアノードガス拡散層８における第２領域９が撥水性樹脂を含むと、アノードガス拡散層８の細孔が開放状態のままになる。これによりアノードガスである水素含有ガスがアノードガス拡散層８からアノード触媒層１６へ拡散することが可能になるそのため電気化学反応により水素を精製することが可能になるというという効果を奏し得る。具体的にはアノードガス流路１５の上流部分に相対するアノードガス拡散層８は親水性樹脂を含むため、水蒸気が吸着して酸素の拡散を抑制するので電解質膜の劣化が抑えられる。そしてアノードガス流路１５の下流部分に相対するアノードガス拡散層８では、酸素濃度自体が低くなるため過剰な酸素拡散による電解質膜の劣化が生じにくい。

また本実施の形態において、アノード触媒層１６は、第１触媒粒子と、イオン交換樹脂と、を含み、カソード触媒層１８は、第２触媒粒子と、イオン交換樹脂と、を含み、親水性樹脂は、アノード触媒層１６またはカソード触媒層１８で使用されているイオン交換樹脂と同一のイオン交換樹脂を含む樹脂であってよい。
これにより、アノードガス拡散層８に用いた親水性樹脂が、長期運転中に微量に溶出しても触媒を被毒しない。そのため、電気化学デバイス１０の経時的な消費電力増加の要因となる懸念がない。

（実施の形態２）
以下、図２を用いて、実施の形態２に係る電気化学デバイス１０を説明する。

［２－１．構成］
実施の形態２に係る電気化学デバイス１０は、アノードガス拡散層８が、電解質膜５と逆側に配置される導電性多孔質基材からなるアノード導電性基材層１２と、第１導電性多孔質層であるアノード導電性多孔質層第１領域２７と、第２導電性多孔質層であるとアノード導電性多孔質層第２領域２９、を有し、アノード導電性多孔質層第１領域２７は第１領域にあって、導電性粒子と親水性樹脂を含み、アノード導電性多孔質層第２領域２９は第２領域にあって、導電性粒子と撥水性樹脂を含んでよい。また電気化学デバイス１０は、カソード触媒層１８を挟んで電解質膜５と反対側に配置されるカソード導電性基材層１４を有する。

具体的にアノード導電性多孔質層２８は、アノード触媒層１６への水素含有ガスおよび酸素の供給と、アノード触媒層１６との間で電子の授受を行う機能を果たす。ガス透過性と電子伝導性を併せ持つ導電性カーボンペーパーをアノード導電性基材層１２として用い、アノード導電性多孔質層第１領域２７において、導電性粒子として例えばカーボン粒子を、親水性樹脂として例えばパーフルオロスルホン酸を用いてよい。
アノード導電性多孔質層第１領域２７とアノード導電性多孔質層第２領域２９を形成する方法の一例を以下に挙げる。
パーフルオロスルホン酸の１０％のエタノールの懸濁液をカーボン粒子に対して重量比１０倍入れて混合し、超音波分散器で５分間分散させて、親水層インクを作成する。この親水層インクを導電性カーボンペーパーにスプレー塗工器で塗布し、乾燥させることでアノード導電性多孔質層第１領域２７を形成してよい。この方法によって親水性樹脂を導電性粒子に対して均一に形成することができるので、アノード導電性多孔質層第１領域２７により多くの水を吸着できるようになる。またカーボン粒子と親水性樹脂の混合比が変えられるので、アノード導電性多孔質層第１領域２７の親水樹脂の割合を自由に調整できる。したがってアノードガス入口１９を含むアノードガス流路１５の上流部分における酸素ガスのアノード触媒層１６への拡散量を抑制しやすい。
また、疎水性樹脂としてＰＴＦＥを用い、ＰＴＦＥの１０％のエタノールの懸濁液をカーボン粒子に対して１０倍入れて混合し、超音波分散器で５分間分散させ、撥水層インクを作成する。この撥水層インクをスプレー塗工器で塗布し、乾燥させることでアノード導電性多孔質層第２領域２９を形成してよい。

カソード導電性多孔質層２６は、カソード触媒層１８で生成する水素の排出と、カソード触媒層１８との間で電子の授受を行う機能を果たす。またガス透過性と電子伝導性を併せ持つ導電性カーボンペーパーをカソード導電性基材層１４として用いてよい。
カソード導電性多孔質層２６を形成する方法の一例を以下に挙げる。
導電性粒子としてカーボン粒子を疎水性樹脂としてＰＴＦＥを用い、ＰＴＦＥの１０％のエタノールの懸濁液をカーボン粒子に対して１０倍入れて混合し、超音波分散器で分散させ、撥水層インクを作成する。このインクを導電性カーボンペーパーに塗布し、乾燥させてカソード導電性多孔質層２６を形成してよい。

ここで、アノード導電性多孔質層２８とカソード導電性多孔質層２６における細孔の測定結果について説明する。カーボンペーパーによって構成されるアノード導電性基材層１２及びカソード導電性基材層１４の細孔径は数十～数百μｍである。これに対してカーボン粒子と樹脂とからなるアノード導電性多孔質層第１領域２７、アノード導電性多孔質層第２領域２９、カソード導電性多孔質層２６の細孔径は、十～百μｍの孔径を有する細孔である。導電性多孔質層の細孔径は、カーボンペーパーの細孔径よりも小さい。アノード導電性多孔質層第１領域２７では、親水性樹脂により細孔に水が吸着したとき、水により細孔が塞がれ易い形状となることがわかる。
また、電気化学デバイス１０には、アノード触媒層１６から電解質膜５を介してカソード触媒層１８へ電流を流すための直流電源２５が接続されている。

その他の構成は実施の形態１に係る電気化学デバイス１０と同様なので記載を省略する。

［２－２．動作］
以上のように構成された実施の形態２に係る電気化学デバイス１０について、その動作と作用を以下で説明する。
まず、電気化学デバイス１０の温度を摂氏６０度に設定し、水素含有ガス供給部３０から水素８０％、二酸化炭素１８．５％、一酸化炭素３０ｐｐｍ、酸素１％の濃度の水素含有ガスを１００ｃｃ／ｍｉｎの流量で供給する。ここで水素含有ガスは摂氏６０度における飽和水蒸気圧を満たす量の水蒸気を含む。水素含有ガスは、アノードガス入口１９に供給され、直流電源２５によってアノード触媒層１６から電解質膜５を介してカソード触媒層１８に、例えば１５Ａの電流を流す。
アノードガス流路１５に存在する酸素は、アノード導電性多孔質層２８の中を拡散しアノード触媒層１６へ到達して（化６）で示す反応により酸素が消費され過酸化水素を生成する。

アノードガス流路１５の上流から下流へ行くほど酸素は消費されて濃度が薄くなり、対向して設けられるアノード触媒層１６へ拡散する酸素の量も上流から下流へ行くほど少なくなる。アノードガス入口１９を含む上流部分に対向するアノード導電性多孔質層第１領域２７には親水性樹脂が存在する。この親水性樹脂に水が吸着し細孔が吸着水によって塞がれることにより、アノードガス流路１５からアノード触媒層１６への酸素の拡散が抑制される。最も酸素濃度の高いアノードガス入口１９において、アノードガス流路１５からアノード触媒層１６への酸素の拡散を抑制することができるので、アノードガス入口１９に対向する領域に配置されるアノード触媒層１６において局所的な過酸化水素の生成を抑え、電解質膜５で局所的に起こり得る薄膜化を抑制することができる。その結果、水素純度が経時的の低下を抑制することができる。

上記の動作説明に基づいて電気化学デバイス１０の運転を行った。電気化学デバイス１０のカソードオフガス出口２１から排出される精製水素ガスのガス組成を分析したところ、運転開始時と、５０００時間運転後と比較してガス組成に変化は生じないという実験結果が得られた。

［２－３．効果等］
以上のように、本実施の形態において、アノードガス拡散層８は、電解質膜５と逆側に配置される導電性多孔質基材からなる導電性基材層であるアノード導電性基材層１２と、アノード導電性多孔質層第１領域２７と、アノード導電性多孔質層第２領域２９と、を有し、アノード導電性多孔質層第１領域２７は導電性粒子と親水性樹脂を含み、アノード導電性多孔質層第２領域２９は導電性粒子と撥水性樹脂を含んでよい。
これにより、アノードガス入口１９を含むアノードガス流路１５の上流部分の酸素の拡散をより抑制できアノードガス入口１９近傍に配置されるアノード触媒層１６で生成される過酸化水素の量が減少する。したがってアノードガス入口１９近傍の電解質膜５の局所的な薄膜化を抑制し得る。そのため、経時的な精製水素純度の低下を抑制することができる。

また本実施の形態において、アノード導電性多孔質層第１領域２７およびアノード導電性多孔質層第２領域２９が含む導電性粒子はそれぞれ凝集体を含み、アノード導電性多孔質層第１領域２７が含む凝集体の大きさは、アノード導電性多孔質層第２領域２９が含む凝集体の大きさと比べて小さくてよい。
これによりアノード導電性多孔質層第１領域２７における凝集体同士の間隙が小さくなり、間隙によって形成される細孔が小さくし得る。その結果、アノードガス入口１９を含むアノードガス流路１５の上流部分に対向するアノード触媒層１６への酸素の拡散をより抑制できる。そのためアノードガス入口１９近傍に配置されるアノード触媒層１６で生成される過酸化水素の量が減少する。したがってアノードガス入口１９近傍の電解質膜５の局所的な薄膜化を抑制し得る。そのため、経時的な精製水素純度の低下を抑制することができる。
（他の実施の形態）

以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態１及び２を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用できる。また、上記実施の形態１及び２で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。

本開示は、電解質膜が薄膜化することを抑制する電気化学デバイスに適用可能である。具体的には、一酸化炭素を含む水素含有ガスから純度の高い水素を製造する水素精製システムに用いる電気化学デバイスなどに、本開示は適用可能である。

１ 水素精製システム
５ 電解質膜
６ 第１領域
７ カソードガス拡散層
８ アノードガス拡散層
９ 第２領域
１０ 電気化学デバイス
１１ アノード側セパレータ
１２ アノード導電性基材層
１３ カソード側セパレータ
１４ カソード導電性基材層
１５ アノードガス流路
１６ アノード触媒層
１７ カソードガス流路
１８ カソード触媒層
１９ アノードガス入口
２１ カソードオフガス出口
２３ アノードオフガス出口
２５ 直流電源
２６ カソード導電性多孔質層
２７ アノード導電性多孔質層第１領域
２８ アノード導電性多孔質層
２９ アノード導電性多孔質層第２領域
３０ 水素含有ガス供給部
４０ 制御部
４３ 水素含有ガス供給配管

Claims (5)

1. 電解質膜と、
   前記電解質膜の第１主面に配置されるアノード触媒層と、
   前記電解質膜の第２主面に配置されるカソード触媒層と、
   前記アノード触媒層を挟んで前記電解質膜と反対側に配置されるアノードガス拡散層と、
   前記カソード触媒層を挟んで前記電解質膜と反対側に配置されるカソードガス拡散層と、
   水素含有ガスおよび酸素を前記アノードガス拡散層に供給するように形成されたアノードガス流路と、
   を備える電気化学デバイスであって、
   前記アノードガス拡散層は、前記アノードガス流路の上流部分に対向する第１領域を有し、
   前記第１領域は親水性樹脂を含む、
   ことを特徴とする電気化学デバイス。
2. 前記アノードガス拡散層は、前記アノードガス流路の下流部分に対向する第２領域を有し、
   前記第２領域は撥水性樹脂を含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電気化学デバイス。
3. 前記アノード触媒層は、
   第１触媒粒子と、
   イオン交換樹脂と、
   を含み、
   前記カソード触媒層は、
   第２触媒粒子と、
   前記イオン交換樹脂と、
   を含み、
   前記親水性樹脂は、前記アノード触媒層または前記カソード触媒層で使用されているイオン交換樹脂と同一の前記イオン交換樹脂を含む樹脂である、ことを特徴とする請求項２に記載の電気化学デバイス。
4. 前記アノードガス拡散層は、
   前記電解質膜と逆側に配置される導電性多孔質基材からなる導電性基材層と、
   第１導電性多孔質層と、
   第２導電性多孔質層と、
   を有し、
   前記第１導電性多孔質層は前記第１領域にあって、導電性粒子と前記親水性樹脂を含み、
   前記第２導電性多孔質層は前記第２領域にあって、前記導電性粒子と前記撥水性樹脂を含む、
   ことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の電気化学デバイス。
5. 前記第１導電性多孔質層および前記第２導電性多孔質層が含む前記導電性粒子はそれぞれ凝集体を含み、前記第１導電性多孔質層が含む凝集体の大きさは、前記第２導電性多孔質層が含む凝集体の大きさと比べて小さい、ことを特徴とする請求項４に記載の電気化学デバイス。

Images