JP7336703B2 - 電気化学式水素ポンプ - Google Patents
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Description
[装置構成]
図2Aおよび図3A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2Bは、図2AのB部の拡大図である。図3Bは、図3AのB部の拡大図である。
ここで、上記水素ポンプユニット100Aの各部材とは、電解質膜11、アノードAN、カソードCA、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を意味する。また、カソード端板24Cから他方の端に位置するカソードセパレーター16までの部材とは、カソード端板24C、他方の端に位置するカソードセパレーター16およびカソード端板24Cと他方の端に位置するカソードセパレーター16との間に積層された部材を意味する。本実施の形態では、具体的には、カソード端板24C、カソード絶縁板23C、カソード給電板22Cおよび他方の端に位置するカソードセパレーター16を意味する。
また、上記の固定部材は、水素ポンプユニット100Aの各部材が積層された方向に少なくともカソード端板24Cから電気化学式水素ポンプ100の他方の端に位置するカソードセパレーター16までの部材を固定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、固定部材は、図2Aおよび図3Aに示す如く、少なくとも1つの水素ポンプユニット100Aをアノード端板24Aおよびカソード端板24Cで挟んだ状態で締結する締結器25であってもよい。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。
つまり、本実施の形態において、固定部材は、カソード端板24Cから電気化学式水素ポンプ100の他方の端に位置するカソードセパレーター16までの部材に加え、更に、アノード端板24Aから電気化学式水素ポンプ100の一方の端に位置するアノードセパレーター17までの部材についても、水素ポンプユニット100Aの各部材が積層された方向への移動をさせないよう構成されている。なお、アノード端板24Aから電気化学式水素ポンプ100の一方の端に位置するアノードセパレーター17までの部材とは、アノード端板24A、一方の端に位置するアノードセパレーター17およびアノード端板24Aと一方の端に位置するアノードセパレーター17との間に積層された部材を意味する。本実施の形態では、具体的には、アノード端板24A、アノード絶縁板23A、アノード給電板22Aおよび一方の端に位置するアノードセパレーター17を意味する。
以下、電気化学式水素ポンプ100の水素昇圧動作の一例について、図面を参照しながら説明する。
カソード:2H++2e-→H2(高圧) ・・・(2)
このようにして、電気化学式水素ポンプ100では、電圧印加器102で電圧を印加することで、アノードANに供給される水素がカソードCAにおいて昇圧される。これにより、電気化学式水素ポンプ100の水素昇圧動作が行われ、カソードCAで昇圧された水素は、例えば、図示しない水素貯蔵器に一時的に貯蔵される。また、水素貯蔵器で貯蔵された水素は、適時に、水素需要体に供給される。なお、水素需要体として、例えば、水素を用いて発電する燃料電池などを挙げることができる。
以下、第1の伝圧部材の具体的な構成について、図面を参照しながら説明する。
図4Aは、第1実施形態の第1実施例の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。図4Aには、電気化学式水素ポンプ100の第一空間60内の第1の伝圧部材が示されている。
図4Bは、第1実施形態の第2実施例の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。
図4Bには、電気化学式水素ポンプ100の第一空間60内の第1の伝圧部材が示されている。
図4Cは、第1実施形態の第3実施例の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。図4Cには、電気化学式水素ポンプ100の第一空間60内の第1の伝圧部材が示されている。
図4Dは、第1実施形態の第4実施例の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。図4Dには、電気化学式水素ポンプ100の第一空間60内の第1の伝圧部材が示されている。
図4Eは、第1実施形態の第5実施例の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。図4Eには、電気化学式水素ポンプ100の第一空間60内の第1の伝圧部材が示されている。
第1実施形態の電気化学式水素ポンプ100では、第一空間60は、カソード端板24Cの中央部に設けられた凹部によって構成されている。しかし、このような第一空間60は、例示であって本例に限定されない。以下、第一空間の他の例について、図面を参照しながら説明する。
図5Aは、第1実施形態の第1変形例の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。図5Aには、カソード端板24Cと他方の端に位置するカソードセパレーター16との間に設けられた第一空間61が示されている。
図5Bは、第1実施形態の第2変形例の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。図5Bには、カソード端板24Cと他方の端に位置するカソードセパレーター16との間に設けられた第一空間62が示されている。
図5Cは、第1実施形態の第3変形例の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。図5Cには、カソード端板24Cと他方の端に位置するカソードセパレーター16との間に設けられた第一空間63が示されている。
図6は、第2実施形態の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。
図7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。
以下、第2の伝圧部材の具体的な構成について、図面を参照しながら説明する。
図8Aは、第3実施形態の第1実施例の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。図8Aには、電気化学式水素ポンプ100の第二空間65内の第2の伝圧部材が示されている。
図8Bは、第3実施形態の第2実施例の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。図8Bには、電気化学式水素ポンプ100の第二空間65内の第2の伝圧部材が示されている。
図8Cは、第3実施形態の第3実施例の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。図8Cには、電気化学式水素ポンプ100の第二空間65内の第2の伝圧部材が示されている。
図8Dは、第3実施形態の第4実施例の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。図8Dには、電気化学式水素ポンプ100の第二空間65内の第2の伝圧部材が示されている。
図8Eは、第3実施形態の第5実施例の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。図8Eには、電気化学式水素ポンプ100の第二空間65内の第2の伝圧部材が示されている。
第3実施形態の電気化学式水素ポンプ100では、第二空間65は、アノード端板24Aの中央部に設けられた凹部によって構成されている。しかし、このような第二空間65は、例示であって本例に限定されない。以下、第二空間の他の例について、図面を参照しながら説明する。
図9Aは、第3実施形態の第1変形例の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。図9Aには、アノード端板24Aと一方の端に位置するアノードセパレーター17との間に設けられた第二空間66が示されている。
図9Bは、第3実施形態の第2変形例の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。図9Bには、アノード端板24Aと一方の端に位置するアノードセパレーター17との間に設けられた第二空間67が示されている。
図9Cは、第3実施形態の第3変形例の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。図9Cには、アノード端板24Aと一方の端に位置するアノードセパレーター17との間に設けられた第二空間68が示されている。
図10は、第4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。
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
21 :絶縁体
22A :アノード給電板
22C :カソード給電板
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
26A :カソードガス導出経路
26B :カソードガス導出配管
27 :アノードガス導入マニホールド
29 :アノードガス導入経路
30 :アノードガス導出マニホールド
31 :アノードガス導出経路
32 :カソードガス流路
33 :アノードガス流路
34 :カソードガス通過経路
35 :第1アノードガス通過経路
36 :第2アノードガス通過経路
40 :シール部材
42 :シール部材
43 :シール部材
50 :カソードガス導出マニホールド
51 :カソードガス供給経路
52 :カソードガス供給経路
60 :第一空間
61 :第一空間
62 :第一空間
63 :第一空間
65 :第二空間
66 :第二空間
67 :第二空間
68 :第二空間
70A :柱状部材
70C :柱状部材
71A :柱状部材
71C :柱状部材
72A :柱状部材
72C :柱状部材
73A :多孔性部材
73C :多孔性部材
74A :弾性部材
74C :弾性部材
80A :アノード板部材
80C :カソード板部材
90 :連通流路部材
100 :電気化学式水素ポンプ
100A :水素ポンプユニット
102 :電圧印加器
AN :アノード
CA :カソード
Claims (19)
- 電解質膜、前記電解質膜の一方の主面上に設けられたアノード、前記電解質膜の他方の主面上に設けられたカソード、前記アノード上に積層されたアノードセパレーター、および前記カソード上に積層されたカソードセパレーターを含む、少なくとも1つの水素ポンプユニットと、
前記積層された方向において、一方の端に位置する前記アノードセパレーター上に設けられたアノード端板と、
前記積層された方向において、他方の端に位置する前記カソードセパレーター上に設けられたカソード端板と、
少なくとも前記カソード端板から前記他方の端に位置するカソードセパレーターまでの部材について、前記積層された方向への移動をさせないための固定部材と、
前記カソード端板と前記他方の端に位置するカソードセパレーターとの間に設けられた第一空間に前記カソードで生成される水素を供給する第1のガス流路と、
前記第一空間に設けられ、前記他方の端に位置するカソードセパレーターからの押圧を前記カソード端板に伝える第1の伝圧部材と、
前記カソード端板と前記他方の端に位置するカソードセパレーターとの間に設けられたカソード板部材と、を備え、
前記第1の伝圧部材は、前記カソード端板および前記カソード板部材の間において、前記カソード端板と別体または一体に設けられている柱状部材を含み、前記カソード板部材はカソード給電板を含み、前記柱状部材は、前記カソード端板および前記カソード給電板の間に設けられ、前記柱状部材は絶縁部材である電気化学式水素ポンプ。 - 電解質膜、前記電解質膜の一方の主面上に設けられたアノード、前記電解質膜の他方の主面上に設けられたカソード、前記アノード上に積層されたアノードセパレーター、および前記カソード上に積層されたカソードセパレーターを含む、少なくとも1つの水素ポンプユニットと、
前記積層された方向において、一方の端に位置する前記アノードセパレーター上に設けられたアノード端板と、
前記積層された方向において、他方の端に位置する前記カソードセパレーター上に設けられたカソード端板と、
少なくとも前記カソード端板から前記他方の端に位置するカソードセパレーターまでの部材について、前記積層された方向への移動をさせないための固定部材と、
前記カソード端板と前記他方の端に位置するカソードセパレーターとの間に設けられた第一空間に前記カソードで生成される水素を供給する第1のガス流路と、
前記第一空間に設けられ、前記他方の端に位置するカソードセパレーターからの押圧を前記カソード端板に伝える第1の伝圧部材と、を備え、
前記第1の伝圧部材は、多孔性部材を含む電気化学式水素ポンプ。 - 電解質膜、前記電解質膜の一方の主面上に設けられたアノード、前記電解質膜の他方の主面上に設けられたカソード、前記アノード上に積層されたアノードセパレーター、および前記カソード上に積層されたカソードセパレーターを含む、少なくとも1つの水素ポンプユニットと、
前記積層された方向において、一方の端に位置する前記アノードセパレーター上に設けられたアノード端板と、
前記積層された方向において、他方の端に位置する前記カソードセパレーター上に設けられたカソード端板と、
少なくとも前記カソード端板から前記他方の端に位置するカソードセパレーターまでの部材について、前記積層された方向への移動をさせないための固定部材と、
前記カソード端板と前記他方の端に位置するカソードセパレーターとの間に設けられた第一空間に前記カソードで生成される水素を供給する第1のガス流路と、
前記第一空間に設けられ、前記他方の端に位置するカソードセパレーターからの押圧を前記カソード端板に伝える第1の伝圧部材と、を備え、
前記固定部材は、更に、前記アノード端板から前記一方の端に位置するアノードセパレーターまでの部材について、前記積層された方向への移動をさせないための部材であり、
前記アノード端板と前記一方の端に位置するアノードセパレーターとの間に設けられた第二空間に前記カソードで生成された水素を供給する第2のガス流路と、
前記第二空間に設けられ、前記一方の端に位置するアノードセパレーターからの押圧を前記アノード端板に伝える第2の伝圧部材と、を備える電気化学式水素ポンプ。 - 電解質膜、前記電解質膜の一方の主面上に設けられたアノード、前記電解質膜の他方の主面上に設けられたカソード、前記アノード上に積層されたアノードセパレーター、および前記カソード上に積層されたカソードセパレーターを含む、少なくとも1つの水素ポンプユニットと、
前記積層された方向において、一方の端に位置する前記アノードセパレーター上に設けられたアノード端板と、
前記積層された方向において、他方の端に位置する前記カソードセパレーター上に設けられたカソード端板と、
少なくとも前記カソード端板から前記他方の端に位置するカソードセパレーターまでの部材について、前記積層された方向への移動をさせないための固定部材と、
前記カソード端板と前記他方の端に位置するカソードセパレーターとの間に設けられた第一空間に前記カソードで生成される水素を供給する第1のガス流路と、
前記第一空間に設けられ、前記他方の端に位置するカソードセパレーターからの押圧を前記カソード端板に伝える第1の伝圧部材と、を備え、
前記アノードは、アノードガス拡散層を含み、
前記カソードは、カソードガス拡散層を含み、
前記アノードガス拡散層の弾性率は、前記カソードガス拡散層の弾性率よりも高い電気化学式水素ポンプ。 - 電解質膜、前記電解質膜の一方の主面上に設けられたアノード、前記電解質膜の他方の主面上に設けられたカソード、前記アノード上に積層されたアノードセパレーター、および前記カソード上に積層されたカソードセパレーターを含む、少なくとも1つの水素ポンプユニットと、
前記積層された方向において、一方の端に位置する前記アノードセパレーター上に設けられたアノード端板と、
前記積層された方向において、他方の端に位置する前記カソードセパレーター上に設けられたカソード端板と、
少なくとも前記カソード端板から前記他方の端に位置するカソードセパレーターまでの部材について、前記積層された方向への移動をさせないための固定部材と、
前記カソード端板と前記他方の端に位置するカソードセパレーターとの間に設けられた第一空間に前記カソードで生成される水素を供給する第1のガス流路と、
前記第一空間に設けられ、前記他方の端に位置するカソードセパレーターからの押圧を前記カソード端板に伝える第1の伝圧部材と、を備え、
前記第1の伝圧部材は、前記カソードに含まれるカソードガス拡散層と同等の弾性率を備える電気化学式水素ポンプ。 - 前記カソード端板と前記他方の端に位置するカソードセパレーターとの間に設けられたカソード板部材を備え、
前記第1の伝圧部材は、前記カソード端板および前記カソード板部材の間において、前記カソード端板と別体または一体に設けられている柱状部材を含む請求項2-5のいずれか1項に記載の電気化学式水素ポンプ。 - 前記カソード板部材と前記他方の端に位置するカソードセパレーターとが、前記固定部材に含まれるボルトで貫通されている請求項6に記載の電気化学式水素ポンプ。
- 前記カソード板部材はカソード絶縁板を含み、
前記柱状部材は、前記カソード端板および前記カソード絶縁板の間に設けられている請求項6に記載の電気化学式水素ポンプ。 - 前記カソード板部材はカソード給電板を含み、
前記柱状部材は、前記カソード端板および前記カソード給電板の間に設けられている請求項6に記載の電気化学式水素ポンプ。 - 前記第1の伝圧部材は、弾性部材を含む請求項3または4に記載の電気化学式水素ポンプ。
- 前記アノード端板と前記一方の端に位置するアノードセパレーターとの間に設けられたアノード板部材を備え、
前記第2の伝圧部材は、前記アノード端板および前記アノード板部材の間において、前記アノード端板と別体または一体に設けられている柱状部材を含む請求項3に記載の電気化学式水素ポンプ。 - 前記アノード板部材と前記一方の端に位置するアノードセパレーターとが、前記固定部材に含まれるボルトで貫通されている、請求項11に記載の電気化学式水素ポンプ。
- 前記アノード板部材はアノード絶縁板を含み、
前記柱状部材は、前記アノード端板および前記アノード絶縁板の間に設けられている請求項11に記載の電気化学式水素ポンプ。 - 前記アノード板部材はアノード給電板を含み、
前記柱状部材は、前記アノード端板および前記アノード給電板の間に設けられている請求項11に記載の電気化学式水素ポンプ。 - 前記柱状部材は絶縁部材である請求項14に記載の電気化学式水素ポンプ。
- 前記第2の伝圧部材は、多孔性部材である請求項3に記載の電気化学式水素ポンプ。
- 前記第2の伝圧部材は、弾性部材である請求項3に記載の電気化学式水素ポンプ。
- 前記第2の伝圧部材は、前記カソードに含まれるカソードガス拡散層と同等の弾性率を備える請求項3に記載の電気化学式水素ポンプ。
- 前記固定部材が、前記少なくとも1つの水素ポンプユニットを前記アノード端板および前記カソード端板で挟んだ状態で締結する締結器である請求項1-5のいずれか1項に記載の電気化学式水素ポンプ。
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