JP6811444B2 - 電気化学式水素ポンプ - Google Patents

電気化学式水素ポンプ Download PDF

Info

Publication number
JP6811444B2
JP6811444B2 JP2017016637A JP2017016637A JP6811444B2 JP 6811444 B2 JP6811444 B2 JP 6811444B2 JP 2017016637 A JP2017016637 A JP 2017016637A JP 2017016637 A JP2017016637 A JP 2017016637A JP 6811444 B2 JP6811444 B2 JP 6811444B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
catalyst layer
cathode
anode
electrolyte membrane
hydrogen pump
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.)
Active
Application number
JP2017016637A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2017145187A (ja
Inventor
藥丸　雄一
雄一 藥丸
岡市　敦雄
敦雄 岡市
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Original Assignee
Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd filed Critical Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Publication of JP2017145187A publication Critical patent/JP2017145187A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6811444B2 publication Critical patent/JP6811444B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/32—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by electrical effects other than those provided for in group B01D61/00
    • B01D53/326—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by electrical effects other than those provided for in group B01D61/00 in electrochemical cells
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/17—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof
    • C25B9/19—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B45/00—Pumps or pumping installations having flexible working members and specially adapted for elastic fluids
    • F04B45/04—Pumps or pumping installations having flexible working members and specially adapted for elastic fluids having plate-like flexible members, e.g. diaphragms
    • F04B45/047—Pumps having electric drive
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • H01M8/04171—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal using adsorbents, wicks or hydrophilic material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2256/00—Main component in the product gas stream after treatment
    • B01D2256/16—Hydrogen
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662—Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • H01M8/0687—Reactant purification by the use of membranes or filters
    • 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

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
  • Catalysts (AREA)
  • Electrodes For Compound Or Non-Metal Manufacture (AREA)

Description

本開示は電気化学式水素ポンプに関する。
近年、地球の温暖化等の環境問題、石油資源の枯渇等のエネルギー問題から、化石燃料に代わるクリーンな代替エネルギー源として、水素ガスが注目されている。水素ガスは燃焼しても水しか放出せず、地球温暖化の原因となる二酸化炭素及び窒素酸化物などが排出されないので、クリーンエネルギーとして期待されている。水素ガスを燃料として利用する装置としては、例えば、燃料電池があり、自動車用電源向け、家庭用自家発電向けに、燃料電池の開発及び普及が進んでいる。そして、来るべき水素社会では、水素ガスを製造することはもとより、水素ガスを高密度で貯蔵し、小容量かつ低コストで輸送又は利用し得る技術開発が求められている。更に、燃料電池の普及の促進には、燃料供給インフラを整備する必要がある。そこで、高純度の水素ガスを精製する様々な提案が行われている。
例えば、特許文献１には、電解質膜が挟持されたアノードとカソードとの間の電圧印加によって、水素ガスの精製及び昇圧が行われる水素精製昇圧システムが記載されている。なお、アノード、電解質膜及びカソードの積層構造体を膜−電極接合体（以下、ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）という。
ここで、アノードとカソードとの間に電流が流れる時、プロトンが、アノードからカソードへと、水分子を同伴しながら電解質膜を移動する。すると、カソードで水分子から水（浸透水）が生じる。そこで、特許文献１では、この水を水素ガスから効率良く分離するため、水素ガス流路中に水トラップ・ドレイン器が設けられている。水トラップ・ドレイン器は、ドレインバルブが設けられた一対の水トラップを備える。特許文献１の水素精製昇圧システムは、水トラップを交互に切り替えて、水素ガス流路から排水することで、水素精製昇圧システムの連続運転時にも水素ガス流路中の水を適時に除去可能に構成されている。これにより、高純度の水素が精製される。
特開２０１５−１１７１３９号公報
しかし、従来例は、水素ガス流路に水トラップ・ドレイン器を設ける場合の問題点については十分に検討されていない。本開示の一態様（aspect）は、このような事情に鑑みてなされたものであり、従来よりも簡易な構成で、水素ガスの精製及び昇圧を行い得る電気化学式水素ポンプを提供する。
上記課題を解決するため、本開示の一態様の電気化学式水素ポンプは、電解質膜と、前記電解質膜の一方の主面に設けられたカソード触媒層と、前記電解質膜の他方の主面に設けられたアノード触媒層と、内面にガス流路を備え、前記カソード触媒層及び前記アノード触媒層を挟持するように設けられた、一対のセパレータと、前記カソード触媒層及び前記アノード触媒層の間に電圧を印加する電圧印加部と、を備え、前記一方の主面は重力方向上側に配置され、前記カソード触媒層が親水性である。
本開示の一態様の電気化学式水素ポンプは、従来よりも簡易な構成で、水素ガスの精製及び昇圧を行い得る。
図１は、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２は、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３は、カソード触媒層の親水性の評価指標の説明に用いる図である。 図４は、実施形態の電気化学式水素ポンプの動作の説明に用いる図である。
水素ガス流路に水トラップ・ドレイン器を設ける場合の問題について鋭意検討が行われ、以下の知見が得られた。
水素ガス中の水を除去する目的で、従来例の如く水トラップ・ドレイン器を設けることは、システムの大型化を招く。また、水トラップ・ドレイン器の信頼性の確保が必要となる観点からシステムのコストが嵩む可能性がある。
そこで、発明者らは、ＭＥＡのカソードの浸透水を排水せずに、寧ろ、ＭＥＡの電解質膜の湿潤状態保持のために、この浸透水を有効に活用するという着想に到達した。
すなわち、本開示の一態様の電気化学式水素ポンプは、電解質膜と、前記電解質膜の一方の主面に設けられたカソード触媒層と、前記電解質膜の他方の主面に設けられたアノード触媒層と、内面にガス流路を備え、前記カソード触媒層及び前記アノード触媒層を挟持するように設けられた、一対のセパレータと、前記カソード触媒層及び前記アノード触媒層の間に電圧を印加する電圧印加部と、を備え、前記一方の主面は重力方向上側に配置され、前記カソード触媒層が親水性である。
かかる構成によると、従来よりも簡易な構成で、水素ガスの精製及び昇圧を行い得る。具体的には、ＭＥＡのカソード側には電解質膜を透過した水分子から浸透水が生じる。そこで、カソード触媒層を親水性にするとともに、浸透水が、電解質膜側へ移動し、電解質膜を均一に濡らすようにカソード触媒層を電解質膜よりも上方に配置することで、ＭＥＡの電解質膜の湿潤状態を適切に保持できる。よって、浸透水が有効に活用されるので、従来の水トラップ・ドレイン器を設ける必要性が低減される。また、水トラップ・ドレイン器を設ける場合でも、水トラップ・ドレイン器を簡易（例えば、小型）に構成できる。
また、上記の構成を取らない場合に比べ、電解質膜の主面（上面）に水を留まらせることが可能となり、電解質膜の保水性が均一に保持され得るので、電解質膜の劣化、電解質膜の膜抵抗及び反応過電圧の増加等を適切に抑制できる。よって、水素ガスの精製及び昇圧における省エネルギー化を図ることができる。
また、電解質膜を水で浸すことで電解質膜の洗浄が効果的に行われるので、電解質膜への不純物蓄積による膜劣化が抑制される。
以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。
なお、以下で説明する実施形態は、いずれも包括的又は具体的な例を示すものである。以下の実施形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態等は、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。また、以下の実施形態における構成要素のうち、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。
（実施形態）
［装置構成］
図１及び図２は、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。なお、図１及び図２において、「上」及び「下」がこれらの図面のように取られ、重力が「上」から「下」へ作用するものとする。
電気化学式水素ポンプ１６は、電解質膜４と、カソード触媒層３Ｃと、アノード触媒層３Ａと、カソードガス拡散層２Ｃと、アノードガス拡散層２Ａと、一対のセパレータ１Ｃ、１Ａと、電圧印加部１３と、を備える。
図２に示すように、電解質膜４は、一対の主面４Ｕ、４Ｄを備える。電解質膜４の一方の主面４Ｕは上面（あもて面）であり、電解質膜４の他方の主面４Ｄは下面（うら面）である。
電解質膜４は、プロトン（Ｈ＋）を透過可能なプロトン伝導性高分子膜である。電解質膜４はプロトン伝導性高分子膜であれば、どのような膜であってもよい。例えば、電解質膜４として、フッ素系高分子電解質膜等を挙げることができる。具体的には、例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標、デュポン社製）、Ａｃｉｐｌｅｘ（商品名、旭化成株式会社製）等を用いることができる。
カソード触媒層３Ｃは、電解質膜４の一方の主面４Ｕに設けられている。カソード触媒層３Ｃは、例えば、触媒金属として白金を含むが、これに限定されない。
アノード触媒層３Ａは、電解質膜４の他方の主面４Ｄに設けられている。アノード触媒層３Ａは、例えば、触媒金属としてＲｕＩｒＦｅＯｘを含むが、これに限定されない。
なお、カソード触媒層３Ｃもアノード触媒層３Ａも、触媒の調製方法としては、種々の方法を挙げることができるので、特に限定されない。例えば、触媒の担体としては、導電性多孔質物質粉末、炭素系粉末などを挙げることができる。炭素系粉末としては、例えば、黒鉛、カーボンブラック、電気導電性を有する活性炭等の粉末を挙げることができる。カーボン等の担体に、白金若しくは他の触媒金属を担持する方法は、特に限定されない。例えば、粉末混合又は液相混合等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等の担体を分散させ、吸着させる方法等が挙げられる。また、必要に応じて活性酸素除去材を担体として、白金若しくは他の触媒金属を上記と同様の方法で担持することができる。白金等の触媒金属の担体への担持状態は、特に限定されない。例えば、触媒金属を微粒子化し、高分散で担体に担持してもよい。
カソードガス拡散層２Ｃは、カソード触媒層３Ｃに設けられている。カソードガス拡散層２Ｃは、高圧による電解質膜４の押し付けに耐え得る程度の剛性が必要である。カソードガス拡散層２Ｃとしては、例えば、高弾性の黒鉛化炭素繊維、チタン粉末焼結体の表面に白金メッキを施した多孔質体等で構成され、ペーパー状にしたものを用いることができる。なお、前者の場合、例えば、炭素繊維を2000℃以上で熱処理すると黒鉛結晶が発達し黒鉛繊維に変化する。
アノードガス拡散層２Ａは、アノード触媒層３Ａに設けられている。アノードガス拡散層２Ａは、高圧による電解質膜４の押し付けに耐え得る程度の剛性が必要である。アノードガス拡散層２Ａとしては、例えば、チタン繊維焼結体又はチタン粉末焼結体の表面に白金メッキを施したもの等、導電性の多孔質体を用いることができる。
このようにして、ＭＥＡ１５は、電解質膜４と、電解質膜４の一対の主面４Ｕ、４Ｄのそれぞれに設けられたカソード触媒層３Ｃ及びアノード触媒層３Ａと、カソード触媒層３Ｃの上面に設けられたカソードガス拡散層２Ｃと、アノード触媒層３Ａの下面に設けられたアノードガス拡散層２Ａと、を備える。そして、これらの各層が積層状態で接合されている。
セパレータ１Ｃ、１Ａはそれぞれ、ガス流路１４Ｃ、１４Ａを備え、カソード触媒層３Ｃ及びアノード触媒層３Ａのそれぞれ、及び/又は、カソードガス拡散層２Ｃ及びアノードガス拡散層２Ａのそれぞれにガスを供給するための部材である。セパレータ１Ｃ、１Ａは、内面にガス流路を備え、カソード触媒層３Ｃ及びアノード触媒層３Ａを挟持するように設けられる。具体的には、セパレータ１Ｃは、平面視において、例えば、サーペンタイン状のガス流路１４Ｃが形成されており、このガス流路１４Ｃの形成領域がカソードガス拡散層２Ｃの上面に当接するように配されている。セパレータ１Ａは、平面視において、例えば、サーペンタイン状のガス流路１４Ａが形成されており、このガス流路１４Ａの形成領域がアノードガス拡散層２Ａの下面に当接するように配されている。そして、ＭＥＡ１５の上下面をそれぞれ、セパレータ１Ｃ、１Ａで挟持することにより電気化学式水素ポンプ１６の単セルが得られる。
電圧印加部１３は、カソード触媒層３Ｃ及びアノード触媒層３Ａの間に電圧を印加する。具体的には、電圧印加部１３のプラス端子は、導電性のセパレータ１Ａに接続され、電圧印加部１３のマイナス端子が、導電性のセパレータ１Ｃに接続されている。電圧印加部１３は、カソード触媒層３Ｃ及びアノード触媒層３Ａ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。
ここで、カソードガス拡散層２Ｃ及びアノードガス拡散層２Ａはそれぞれ、ＭＥＡ１５のカソード及びアノードにおける給電体である。つまり、カソードガス拡散層２Ｃ及びアノードガス拡散層２Ａは、セパレータ１Ｃ、１Ａと、カソード触媒層３Ｃ及びアノード触媒層３Ａとの間を通電する役割を備える。
また、カソードガス拡散層２Ｃ及びアノードガス拡散層２Ａは、セパレータ１Ｃ、１Ａのガス流路１４Ｃ、１４Ａと、カソード触媒層３Ｃ及びアノード触媒層３Ａとの間でガスを拡散させる役割も備える。例えば、セパレータ１Ａのガス流路１４Ａを流れる水素含有ガスは、アノードガス拡散層２Ａを通じてアノード触媒層３Ａの表面へと拡散する。
なお、必要に応じて、電気化学式水素ポンプ１６の単セルに冷却器等が設けられ、２セル以上に積層することで、複数の単セルからなるスタックを構成しても構わない。
図１に示すように、電気化学式水素ポンプ１６は、アノード室８とカソード室７とを備える。
アノード室８の内部は、アノード入口配管１１と連通するとともに、図示しない流体流路（例えば、配管、マニホールド等）を介してセパレータ１Ａのガス流路１４Ａとも連通している。これにより、アノード入口配管１１を流れる水素含有ガスは、アノード室８内に流入した後、セパレータ１Ａのガス流路１４Ａへと供給される。なお、水素含有ガスは、少なくとも水素ガス及び水分子（水蒸気）を含む。水素含有ガスとして、例えば、改質ガス、水電解法によるガス等を挙げることができる。
カソード室７の内部は、カソード出口配管１２と連通するとともに、図示しない流体流路（例えば、配管、マニホールド等）を介してセパレータ１Ｃのガス流路１４Ｃとも連通している。これにより、ＭＥＡ１５を通過した高純度の水素ガスは、セパレータ１Ｃのガス流路１４Ｃを流れて、カソード室７内に流入した後、カソード出口配管１２へと供給される。なお、カソード出口配管１２には、開閉弁９（例えば、電磁弁等）が設けられており、開閉弁９を適時に開閉することで、水素ガスが、高圧水素タンク１０内に貯えられる。そして、このような水素ガスは、図示しない水素利用機器（例えば、燃料電池車）の燃料等に使用される。
ここで、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１６は、重力が上から下へ作用する場合、電解質膜４の一方の主面４Ｕが上面であるとともに、カソード触媒層３Ｃは親水性である。カソード触媒層３Ｃは親水性は、アノード触媒層３Ａの親水性よりも大きいことが望ましい。なお、カソード触媒層３Ｃの表面に所望の表面処理を行い、保水層１９（図２参照）が存在することで、カソード触媒層３Ｃの親水性を適切に向上できる。表面処理の詳細は実施例で説明する。
また、本実施形態では、図３に示す如く、カソード触媒層３Ｃに水滴１７を垂らした時、カソード触媒層３Ｃの触媒層の表面と水滴１７の接線とが成す角度（接触角θ）をカソード触媒層３Ｃの親水性の評価指標に用い、この接触角θが、約９０°以下の場合、カソード触媒層３Ｃが、親水性であるものとする。
以上より、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１６は、従来よりも簡易な構成で、水素ガスの精製及び昇圧を行い得る。具体的には、ＭＥＡ１５のカソード側には電解質膜４を透過した水分子から浸透水が生じる。そこで、カソード触媒層３Ｃの親水性をアノード触媒層３Ａの親水性よりも大きくするとともに、浸透水が、電解質膜４側へ移動し、電解質膜４を均一に濡らすようにカソード触媒層３Ｃを電解質膜４よりも上方に配置することで、ＭＥＡ１５の電解質膜４の湿潤状態を適切に保持できる。よって、浸透水が有効に活用されるので、従来の水トラップ・ドレイン器を設ける必要性が低減される。また、水トラップ・ドレイン器を設ける場合でも、水トラップ・ドレイン器を簡易（例えば、小型）に構成できる。
また、上記の構成を取らない場合に比べ、電解質膜４の主面４Ｕ（上面）に水を留まらせることが可能となり、電解質膜４の保水性が均一に保持され得るので、電解質膜４の劣化、電解質膜４の膜抵抗及び反応過電圧の増加等を適切に抑制できる。よって、水素ガスの精製及び昇圧における省エネルギー化を図ることができる。
また、電解質膜４を水で浸すことで電解質膜４の洗浄が効果的に行われるので、電解質膜４への不純物蓄積による膜劣化が抑制される。
また、ＭＥＡ１５のアノードは、重力が作用する方向においてＭＥＡ１５の下側の電極であるので、アノード触媒層３Ａに水は滞留しにくくなる。よって、水素がプロトンと電子に解離する際のアノードでの反応抵抗の増加が抑制されるので、電気化学式水素ポンプ１６の水素ガスの精製及び昇圧に必要な消費電力アップを抑制できる。
［動作］
図４は、実施形態の電気化学式水素ポンプの動作の説明に用いる図である。
なお、以下の動作は、図示しない制御器の制御プログラムにより行われても構わない。制御器は、制御機能を有するものであれば、どのような構成であっても構わない。制御器は、例えば、演算回路と、制御プログラムを記憶する記憶回路と、を備える。演算回路として、例えば、ＭＰＵ、ＣＰＵ等が例示される。記憶回路として、例えば、メモリが例示される。制御器は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよいし、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもよい。
まず、電圧印加部１３により、ＭＥＡ１５のアノードとカソードの間に電圧を印加する。
次に、アノード入口配管１１を通じて、水素含有ガスをアノード室８に供給すると、水素含有ガス中の水素ガスは、アノード上で電子を遊離してプロトン（Ｈ＋）となる（式（１））。遊離した電子は、電圧印加部１３を介してカソードへと移動する。
一方、プロトンは、図４に示す如く、水分子を同伴しながら電解質膜４内を透過し、カソードに触れる。カソードでは、電解質膜４を透過したプロトンと、カソードガス拡散層２Ｃからの電子とによる還元反応が行われ、水素ガスが生成される（式（２））。
これにより、ＣＯ２ガス等の不純物を含む水素含有ガスから高効率に水素ガスの純化が行われる。つまり、カソードにおいて、水素含有ガスから水素ガスだけを取り出すことが可能となり、ＣＯ２ガス等の不純物は、ＭＥＡ１５において除去される。なお、水素含有ガスには、不純物としてＣＯガスを含有する場合がある。この場合、ＣＯガスは、アノード触媒層３Ａ等の触媒活性を低下させるので、ＣＯガスは、図示しないＣＯ除去器（例えば、変成器、ＣＯ選択酸化器等）で除去する方がよい。
そして、開閉弁９が閉止される場合、カソード室７内の水素ガスの圧力が上昇し、水素ガス圧が高圧になる。具体的には、アノードのガス圧Ｐ１、カソードのガス圧Ｐ２及び電圧印加部１３の電圧Ｅの関係は、以下の式（３）で定式化される。
アノード：Ｈ２（低圧）→２Ｈ＋＋２ｅ− ・・・（１）
カソード：２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２（高圧） ・・・（２）
Ｅ＝（ＲＴ／２Ｆ）ｌｎ（Ｐ２／Ｐ１）＋ｉｒ・・・（３）
式（３）において、Ｒは気体定数（８．３１４５Ｊ／Ｋ・ｍｏｌ）、ＴはＭＥＡ１５の温度（Ｋ）、Ｆはファラデー定数（９６４８５Ｃ／ｍｏｌ）、Ｐ２はカソードのガス圧、Ｐ１はアノードのガス圧、ｉは電流密度（Ａ／ｃｍ２）、ｒはセル抵抗（Ω・ｃｍ２）である。
式（３）から、電圧印加部１３の電圧Ｅを上げることで、カソードのガス圧Ｐ２を上昇し得ることが容易に理解できる。
よって、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１６では、開閉弁９を閉止し、電圧印加部１３の電圧Ｅを上げることで、カソード室７内の水素ガス圧を上昇させる。そして、水素ガス圧が所定圧以上になると、開閉弁９を開けてことで、カソード室７内の水素ガスが、カソード出口配管１２を通じて高圧水素タンク１０へ充填される。一方、カソード室７内の水素ガス圧が所定圧力未満になると、開閉弁９を閉めることで、カソード室７と高圧水素タンク１０とが遮断される。このため、高圧水素タンク１０の水素ガスがカソード室７に逆流することが抑制される。
このようにして、電気化学式水素ポンプ１６により、水素ガスが、所望の目標圧力に昇圧され、高圧水素タンク１０へ充填される。
なお、電解質膜４は、乾燥すると膜抵抗（ＩＲ損失）、水素がプロトンと電子に解離する際の反応抵抗（反応過電圧）が大きくなるだけでなく、破れ易くなる可能性がある。しかし、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１６は、上述のとおり、ＭＥＡ１５のカソードの浸透水を、ＭＥＡ１５の電解質膜４の湿潤状態保持のために有効に活用しているので、このような可能性が低減される。
（実施例）
以下、カソード触媒層３Ｃの表面処理の具体的な実施例について説明する。
カソード触媒層３Ｃの表面上に、親水性微粒子を含むペーストがコーティングされ、このペーストを凝固させる。これにより、カソード触媒層３Ｃの親水性が向上し、電解質膜４の保水性を向上させ得る。なお、吸湿性を備えるゼオライト、モルデナイト又はシリカゲル等の粒子を、カソード触媒層３Ｃの触媒と混合させてもよい。
上記ペーストのコーティング法として、例えば、ウエットコーティング法を用いることができる。ウエットコーティング法として、例えば、ナイフ又はドクターブレードコーティング法、押し出しコーティング法、スロットコーティング法、ローラーコーティング法等を用いることができる。
上記の親水性微粒子として、例えば、酸化ジルコニウム粒子を挙げることができる。この場合、ペーストは、溶媒中の細孔形成ポリマーの溶液及びポリマー溶液中に分散した酸化ジルコニウム粒子を含む組成物であることが好ましい。
細孔形成ポリマーとして、例えば、ポリスルホン（ＰＳＵ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリ（アクリロニトル）（ＰＡＮ）、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）、ポリメチルメタクリレート又はこれらのコポリマーがある。ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、フッ化ビニリデン（ＶＤＦ）のコポリマー及び主としてポリフッ化ビニリデンからなる有機ポリマーは、酸化／還元−抵抗及び膜形成特性の観点から特に好ましい。これらのうち、フッ化ビニリデン（ＶＤＦ）、ヘキサフルオロプロピレン（ＨＦＰ）及びクロロトリフルオロエチレン（ＣＴＦＥ）のターポリマーがその優れた膨潤特性、熱抵抗及び電極への接着性のために好ましい。他の好適な親水性ポリマーとして、例えば、ポリ（ビニルピロリドン）（ＰＶＰ）、架橋ポリビニルピロリドン（ＰＶＰＰ）、ポリ（ビニルアルコール）、ポリ（酢酸ビニル）、メチルセルロース及びポリエチレンオキシドがある。
ペーストは、例えば、ポリプロピレングリコール、グリセロール、グリセリンなどの多価アルコール、フタル酸ジブチル（ＤＢＰ）、フタル酸ジエチル（ＤＥＰ）、フタル酸ジウンデシル（ＤＵＰ）、エチレングリコール、トリプロピレングリコール、イソノナン酸及びネオデカン酸などの親水化及び安定化剤を含んでもよい。
このようなペーストをカソード触媒層３Ｃの表面にコーティングし、凝固させることで、カソード触媒層３Ｃに存在する浸透水が球状の液滴とならず、図３に示すような接触角θが９０°以下の膜状の液体となった。これにより、電解質膜４を湿潤状態に適切に保持することができる。
以上により、電解質膜４の劣化が抑制され、電解質膜４のプロトン伝導性能の低下を抑制できる。このため、電解質膜４の抵抗（ＩＲ損失）及び水素がプロトンと電子に解離する際の反応抵抗（反応過電圧）を低い状態で維持できるので、電気化学式水素ポンプ１６の水素ガスの精製及び昇圧の運転に必要な消費電力アップを抑制できる。
なお、以上の表面処理の方法及び材料等は例示であって、本例に限定されない。
（変形例）
実施形態の変形例の電気化学式水素ポンプ１６は、本開示の一態様の電気化学式水素ポンプ１６において、カソード触媒層３Ｃの親水性は、カソードガス拡散層２Ｃの親水性よりも大きい。
かかる構成によると、ＭＥＡ１５のカソードの浸透水が更に電解質膜４上に溜まりやすくなる。このため、上記の構成を取らない場合に比べ、電解質膜４の保水性が高い状態で保持され得る。なお、カソードガス拡散層２Ｃの親水性の向上には、カソードガス拡散層２Ｃの表面に、カソード触媒層３Ｃと同様の表面処理を行うとよい。
本変形例の電気化学式水素ポンプ１６は、上記特徴点以外は、実施形態の電気化学式水素ポンプ１６と同様に構成してもよい。
本開示の一態様は、例えば、電気化学式水素ポンプとして利用できる。
１Ａ ：セパレータ
１Ｃ ：セパレータ
２Ａ ：アノードガス拡散層
２Ｃ ：カソードガス拡散層
３Ａ ：アノード触媒層
３Ｃ ：カソード触媒層
４ ：電解質膜
４Ｄ ：主面
４Ｕ ：主面
７ ：カソード室
８ ：アノード室
９ ：開閉弁
１０ ：高圧水素タンク
１１ ：アノード入口配管
１２ ：カソード出口配管
１３ ：電圧印加部
１４Ａ ：ガス流路
１４Ｃ ：ガス流路
１５ ：ＭＥＡ
１６ ：電気化学式水素ポンプ

Claims (7)

  1. 電解質膜と、
    前記電解質膜の一方の主面に設けられたカソード触媒層と、
    前記電解質膜の他方の主面に設けられたアノード触媒層と、
    内面にガス流路を備え、前記カソード触媒層及び前記アノード触媒層を挟持するように設けられた、一対のセパレータと、
    前記カソード触媒層及び前記アノード触媒層の間に電圧を印加する電圧印加部と、
    を備え、
    前記一方の主面は重力方向上側に配置され、前記カソード触媒層が親水性である、電気化学式水素ポンプであって、
    前記カソード触媒層は、親水性微粒子を含むペーストをコーティングし、前記ペーストを凝固させることにより処理された表面を有し、前記ペーストは、溶媒中の細孔形成ポリマーの溶液及びポリマー溶液中に分散した酸化ジルコニウム粒子を含む、電気化学式水素ポンプ。
  2. 前記カソード触媒層の接触角は、９０°以下である、請求項１に記載の電気化学式水素ポンプ。
  3. 前記カソード触媒層の親水性は、前記アノード触媒層の親水性よりも大きい、請求項１に記載の電気化学式水素ポンプ。
  4. 前記カソード触媒層上に設けられたカソードガス拡散層と、前記アノード触媒層上に設けられたアノードガス拡散層と、を更に備える、請求項１に記載の電気化学式水素ポンプ。
  5. 前記カソード触媒層の親水性は、前記カソードガス拡散層の親水性よりも大きい請求項４に記載の電気化学式水素ポンプ。
  6. 前記細孔形成ポリマーは、ポリスルホン（ＰＳＵ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリ（アクリロニトル）（ＰＡＮ）、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）、ポリメチルメタクリレート又はこれらのコポリマーのいずれかである請求項１から５のいずれか１項に記載の電気化学式水素ポンプ。
  7. 前記ペーストは、さらに、ポリプロピレングリコール、グリセロール又はグリセリンを含む多価アルコール、フタル酸ジブチル（ＤＢＰ）、フタル酸ジエチル（ＤＥＰ）、フタル酸ジウンデシル（ＤＵＰ）、エチレングリコール、トリプロピレングリコール、イソノナン酸及びネオデカン酸のうちの少なくとも１つを含む請求項１から６のいずれか１項に記載の電気化学式水素ポンプ。
JP2017016637A 2016-02-16 2017-02-01 電気化学式水素ポンプ Active JP6811444B2 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016026785 2016-02-16
JP2016026785 2016-02-16

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2017145187A JP2017145187A (ja) 2017-08-24
JP6811444B2 true JP6811444B2 (ja) 2021-01-13

Family

ID=57963097

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2017016637A Active JP6811444B2 (ja) 2016-02-16 2017-02-01 電気化学式水素ポンプ

Country Status (3)

Country Link
US (1) US10550486B2 (ja)
EP (1) EP3208880B1 (ja)
JP (1) JP6811444B2 (ja)

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2018090899A (ja) * 2016-12-06 2018-06-14 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 電気化学式水素ポンプ
CN114395292B (zh) 2017-07-27 2023-03-10 旭化成株式会社 带导电性图案的制品
JP2019167280A (ja) * 2018-03-26 2019-10-03 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 水素生成システムとその運転方法
KR102598947B1 (ko) 2018-05-04 2023-11-06 현대자동차주식회사 연료전지 시스템 및 그의 제어방법
JP6765060B1 (ja) * 2018-11-05 2020-10-07 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 電気化学式水素圧縮装置および電気化学式水素圧縮装置の運転方法
JP7115250B2 (ja) * 2018-11-27 2022-08-09 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システムおよびその制御方法
JP7113313B2 (ja) * 2019-02-07 2022-08-05 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 水素生成システム
JP7113312B2 (ja) * 2019-02-07 2022-08-05 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 水素生成システム
JP7033701B2 (ja) * 2019-03-08 2022-03-11 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 水素生成システム
JP7220742B2 (ja) * 2021-05-24 2023-02-10 本田技研工業株式会社 電気化学セル、セル運転システム及びセル運転方法
US20230357941A1 (en) * 2022-05-06 2023-11-09 Ohmium International, Inc. Systems and methods for hydrogen and ammonia production

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4434116A (en) * 1981-06-26 1984-02-28 Diamond Shamrock Corporation Method for making a porous fluorinated polymer structure
JP3719178B2 (ja) * 2001-09-13 2005-11-24 ソニー株式会社 水素ガス製造充填装置及び電気化学装置
JP5781169B2 (ja) * 2010-12-27 2015-09-16 バラード パワー システムズ インコーポレイテッド 電気化学電池を用いた冷却構成
US20150064606A1 (en) * 2012-03-28 2015-03-05 Nv Bekaert Sa Assembly of a porous metal diffusion substrate and a polymeric separator membrane
ITMI20121736A1 (it) * 2012-10-16 2014-04-17 Industrie De Nora Spa Cella di elettrolisi di soluzioni alcaline
FR3007669B1 (fr) 2013-06-26 2018-07-20 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Dispositif de purification et de compression electrochimique de l'hydrogene a plusieurs etages
JP6299027B2 (ja) 2013-12-16 2018-03-28 国立大学法人山梨大学 水素精製昇圧システム及びその運転方法
US20170226647A1 (en) * 2014-08-05 2017-08-10 Vito Nv A device and method for the production of hydrogen peroxide

Also Published As

Publication number Publication date
JP2017145187A (ja) 2017-08-24
EP3208880B1 (en) 2019-09-04
US10550486B2 (en) 2020-02-04
US20170233878A1 (en) 2017-08-17
EP3208880A1 (en) 2017-08-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6811444B2 (ja) 電気化学式水素ポンプ
US5759712A (en) Surface replica fuel cell for micro fuel cell electrical power pack
Vincent et al. Solutions to the water flooding problem for unitized regenerative fuel cells: status and perspectives
KR102084568B1 (ko) 그래핀폼을 포함하는 가스유로/가스확산층 복합 기능 연료전지용 부재
JP2009026762A (ja) 濃縮燃料で作動する直接酸化燃料電池システム用の多孔質輸送構造体
JP2016051694A (ja) 改質器のない燃料電池と組み合わせた装置および方法
US9472821B2 (en) Operation method of polymer electrolyte fuel cell system and polymer electrolyte fuel cell system
JP6419790B2 (ja) 水素再生利用装置および操作方法
JP2021177484A (ja) 高分子電解質膜型燃料電池の過充電保護用可逆シャント
CN102106026A (zh) 燃料电池
JP4945887B2 (ja) セルモジュール及び固体高分子電解質型燃料電池
US20070184329A1 (en) Liquid feed fuel cell with orientation-independent fuel delivery capability
US20210197120A1 (en) Compression apparatus
CN116897449A (zh) 用于制造用于燃料电池的催化剂层的方法
Santos et al. Polymeric membranes for direct borohydride fuel cells: A comparative study
JP2014239017A (ja) ダイレクトメタノール型燃料電池の活性化方法
JP5475318B2 (ja) 固体高分子形燃料電池
JP4608958B2 (ja) 燃料電池
JP2007173159A (ja) 温度応答性材料含有電解質膜
WO2014014503A1 (en) Increased durability in hydrogen bromide cell stacks by inhibiting corrosion of hydrogen electrodes
JP2019114537A (ja) 燃料電池システム及び方法
JPH08287924A (ja) 固体高分子型燃料電池
JP2012079637A (ja) 燃料電池
JP2003151583A (ja) 固体高分子電解質膜および燃料電池
JP2006216403A (ja) 燃料電池

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20191106

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20201006

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20201110

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20201124

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20201201

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 6811444

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151