JP7421587B2 - 電気化学式昇圧セル - Google Patents
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Description
本発明は、電気化学式昇圧セルに関する。
電気化学式昇圧セルは、電解質膜と、電解質膜の一方の面に設けられたカソード電極と、電解質膜の他方の面に設けられたアノード電極とを備える。アノード電極は、アノード触媒層とアノード給電体とを含む。電気化学式昇圧セルは、アノード給電体に水蒸気を含む水素ガスを供給した状態でカソード電極とアノード電極との間に電圧を印加することで、カソード電極に高圧水素ガスを発生させる。
この種の電気化学式昇圧セルにおいて、例えば、特許文献１には、複数の通気孔を有する複数の金属シートが積層された積層体からなるアノードガス拡散層（アノード給電体）が開示されている。
ところで、電気化学式昇圧セルでは、電解質膜の中央部分が外周部分に比べて高温になる。この場合、電解質膜の中央部分が乾燥しないように水蒸気の供給量が調整されると、電解質膜の外周部とアノード給電体の外周部との間に液水が滞留し易くなる。そうすると、滞留水によって水素ガスがアノード触媒層に供給され難くなるため、アノード触媒層の外周部において電気化学反応が阻害されるおそれがある。
本発明は、上述した課題を解決することを目的とする。
本発明の一態様は、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に設けられたカソード電極と、前記電解質膜の他方の面に設けられたアノード電極と、を備え、前記アノード電極は、アノード触媒層とアノード給電体とを含み、前記アノード給電体に水分を含む水素ガスを供給した状態で前記カソード電極と前記アノード電極との間に電圧を印加することで、前記カソード電極に前記水素ガスよりも高圧の高圧水素ガスを発生させる電気化学式昇圧セルであって、前記アノード給電体の外周の第１端部から第２端部に向かって前記アノード給電体の面方向に沿って前記水素ガスを流通させるための流路部材を備え、前記アノード給電体は、前記アノード触媒層が位置する方向を向く第１面と、前記アノード触媒層が位置する方向とは反対方向を向く第２面とを含み、前記アノード給電体は、第１多孔質体、第２多孔質体及び第３多孔質体が前記第１面から前記第２面に向かって順次積層された複数の第１部位と、前記第１多孔質体、前記第３多孔質体及び前記第２多孔質体が前記第１面から前記第２面に向かって順次積層された複数の第２部位と、を有し、前記第２多孔質体の空隙率は、前記第１多孔質体の空隙率よりも大きく、前記第３多孔質体の空隙率は、前記第２多孔質体の空隙率よりも大きく、前記複数の第１部位と前記複数の第２部位とは、前記第１端部から前記アノード給電体の面方向内方に向かって交互に配置されている、電気化学式昇圧セルである。
本発明によれば、第２多孔質体の空隙率が第１多孔質体の空隙率よりも大きく、第３多孔質体の空隙率が第２多孔質体の空隙率よりも大きい。そのため、アノード給電体において、水素ガスは、第３多孔質体に流れ易くなる。また、第２部位の第３多孔質体の位置は、第１部位の第３多孔質体の位置よりもアノード触媒層に近い。さらに、第１端部からアノード給電体の面方向内方に向かって第１部位と第２部位とを交互に配置している。
この場合、水素ガスが第１部位から第２部位に流れるときにアノード触媒層に向かう方向の水素ガスの流れ（第１流れ）が発生する。また、水素ガスが第２部位から第１部位に流れるときにアノード触媒層から離れる方向の水素ガスの流れ（第２流れ）が発生する。つまり、第１端部からアノード給電体の面方向内方に向かって第１流れと第２流れとが交互に発生する。第１流れは、水素ガスをアノード触媒層に供給する。第２流れは、アノード給電体と電解質膜との間に発生した液水をアノード給電体の内孔に導く。よって、電解質膜の外周部とアノード給電体の外周部との間に発生した液水は、アノード給電体を流通する水素ガスによって電解質膜の中央部分に運ばれる。これにより、アノード給電体の外周部と電解質膜との間に液水が滞留することを抑制できるため、アノード触媒層の外周部において滞留水によって電気化学反応が阻害されることを抑制できる。
図１に示すように、本発明の一実施形態に係る電気化学式昇圧セル１０（以下、単に「昇圧セル１０」ということがある）は、図示しない水素タンク等から供給された低圧の水素ガスを電気化学反応により高圧の水素ガス（高圧水素ガス）に昇圧する。昇圧セル１０は、複数積層されて図示しない昇圧セルスタックを構成する。昇圧セル１０には、矢印Ｘ方向に沿った圧縮荷重（締付荷重）が付与される（図２参照）。
図１～図３において、昇圧セル１０は、支持部材１２、流路部材１４及びＭＥＡ１６（Membrane Electrode Assembly）を備える。なお、昇圧セル１０は、支持部材１２、流路部材１４及びＭＥＡ１６を矢印Ｘ方向から挟持する図示しない一対のセパレータを有する。昇圧セル１０の中央部には、高圧水素ガスを導出させるための水素ガス導出流路１８が矢印Ｘ方向に貫通形成されている（図１参照）。
支持部材１２は、板状部材である。支持部材１２は、例えば、樹脂材料によって構成されている。支持部材１２の一方の面（矢印Ｘ１方向の面）の中央部には、流路部材１４が配置される円形状の第１凹部２０が形成されている（図２及び図３参照）。支持部材１２の外周部には、入口流路２２及び出口流路２４が形成されている。
図２に示すように、入口流路２２は、支持部材１２の他方の面（矢印Ｘ２方向の面）に開口している。入口流路２２は、支持部材１２の矢印Ｙ１方向の端部に位置する。入口流路２２は、第１凹部２０の内側面２０ａに開口する。入口流路２２は、水蒸気（水分）を含む低圧の水素ガスをＭＥＡ１６に導入するための孔である。
図３に示すように、出口流路２４は、支持部材１２の矢印Ｙ２方向の端部に位置する。出口流路２４は、第１凹部２０の内側面２０ａに開口する。出口流路２４は、入口流路２２に対して第１凹部２０の周方向に１８０°ずれて位置する（図１参照）。換言すれば、入口流路２２と出口流路２４とは、水素ガス導出流路１８を挟むように位置している。出口流路２４は、支持部材１２の他方の面に開口している。
図２及び図３において、流路部材１４は、支持部材１２の第１凹部２０に配置される。流路部材１４の矢印Ｘ１方向の面の中央部には、円形状の第２凹部２６が形成されている。第２凹部２６には、後述するアノード給電体４６が配置される。流路部材１４の外周部には、複数の供給流路２８と、排出流路３０とが形成されている。
図１及び図２に示すように、複数の供給流路２８は、入口流路２２に連通する。複数の供給流路２８は、アノード給電体４６の外周の第１端部５２に水蒸気を含む水素ガスを導入する。図１及び図３に示すように、排出流路３０は、出口流路２４に連通する。排出流路３０は、アノード給電体４６の外周の第２端部５４から導出される排ガスを出口流路２４に導く。
図２及び図３において、ＭＥＡ１６は、電解質膜３２、カソード電極３４及びアノード電極３６を有する。ＭＥＡ１６は、アノード電極３６に供給された水素ガスを電気化学的に昇圧してカソード電極３４に高圧水素ガスを発生させる。
電解質膜３２は、水素イオン伝導性（プロトン伝導性）を有する。電解質膜３２は、例えば、固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜）である。固体高分子電解質膜は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜である。電解質膜３２は、アノード電極３６及びカソード電極３４に挟持される。電解質膜３２は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質を使用することができる。
カソード電極３４は、電解質膜３２の一方（矢印Ｘ１方向）の面３２ａに設けられている。カソード電極３４は、カソード触媒層３８と、カソード給電体４０とを有する。カソード触媒層３８は、電解質膜３２の面３２ａに接合されている。カソード触媒層３８は、例えば、白金等の触媒粒子を担持したカーボン多孔質体で構成される。カソード給電体４０は、カソード触媒層３８で発生した高圧水素ガスを導出するためのガス拡散層を兼ねている。
アノード電極３６は、電解質膜３２の他方（矢印Ｘ２方向）の面３２ｂに設けられている。アノード電極３６は、アノード触媒層４２と、保護シート４４と、アノード給電体４６とを有する。アノード触媒層４２は、電解質膜３２の面３２ｂに接合されている。アノード触媒層４２は、例えば、カソード触媒層３８と同様に構成される。アノード給電体４６は、アノード触媒層４２に水蒸気を含む水素ガスを供給するためのガス拡散層を兼ねている。すなわち、アノード給電体４６は、多孔質部材である。
保護シート４４は、アノード触媒層４２とアノード給電体４６との間に配置される。保護シート４４は、カソード触媒層３８で発生した高圧水素ガスによって電解質膜３２がアノード給電体４６（多孔質部材）に押されて損傷することを防止する。保護シート４４は、水蒸気を含む水素ガスが透過可能に構成されている。
アノード給電体４６は、アノード触媒層４２が位置する方向（矢印Ｘ１方向）を向く第１面４８と、アノード触媒層４２が位置する方向とは反対方向（矢印Ｘ２方向）を向く第２面５０とを含む。
図４に示すように、アノード給電体４６は、円形状を有する。アノード給電体４６の外周は、第１端部５２と第２端部５４とを有する。第１端部５２は、アノード給電体４６の矢印Ｙ１方向の端部である。第２端部５４は、アノード給電体４６の矢印Ｙ２方向の端部である。第１端部５２と第２端部５４とは、水素ガス導出流路１８を挟むように位置する。
換言すれば、第１端部５２は、アノード給電体４６の外周のうち線分Ｌよりも矢印Ｙ１方向に位置する。なお、線分Ｌは、アノード給電体４６の厚さ方向（矢印Ｘ方向）と矢印Ｙ１方向とに直交すると共にアノード給電体４６の中心点Ｏを通る。第１端部５２は、アノード給電体４６の周方向に１８０°以下の範囲に亘って延在する。第２端部５４は、アノード給電体４６の外周のうち線分Ｌよりも矢印Ｙ２方向に位置する。第２端部５４は、アノード給電体４６の周方向に１８０°以下の範囲に亘って延在する。
第１端部５２には、複数の供給流路２８（図２参照）から水蒸気を含む水素ガスが導入される。アノード給電体４６を流通した排ガスは、第２端部５４から排出流路３０（図３参照）に導出される。
アノード給電体４６は、複数の第１部位５６と、複数の第２部位５８とを有する。各第１部位５６は、アノード給電体４６の中心点Ｏを中心とした円環部である。複数の第１部位５６の直径は、互いに異なる。各第２部位５８は、アノード給電体４６の中心点Ｏを中心とした円環部である。複数の第２部位５８の直径は、互いに異なる。
複数の第１部位５６と複数の第２部位５８とは、アノード給電体４６の径方向内方に向かって交互に配置されている。換言すれば、複数の第１部位５６と複数の第２部位５８とは、第１部位５６からアノード給電体４６の面方向内方（矢印Ｙ２方向）に向かって交互に配置されている。また、複数の第１部位５６と複数の第２部位５８とは、アノード給電体４６の中央部から第２端部５４（矢印Ｙ２方向）に向かって交互に配置されている。第１部位５６と第２部位５８とは、アノード給電体４６の径方向に互いに隣接する。
複数の第１部位５６の第１幅Ｗ１は、互いに同じである。第１幅Ｗ１は、第１部位５６と第２部位５８との並び方向に沿った第１部位５６の長さである。換言すれば、第１幅Ｗ１は、アノード給電体４６の径方向に沿った第１部位５６の長さである。複数の第２部位５８の第２幅Ｗ２は、互いに同一である。第２幅Ｗ２は、第１部位５６と第２部位５８との並び方向に沿った第２部位５８の長さである。換言すれば、第２幅Ｗ２は、アノード給電体４６の径方向に沿った第２部位５８の長さである。各第２部位５８の第２幅Ｗ２は、各第１部位５６の第１幅Ｗ１と同一である。ただし、各第２部位５８の第２幅Ｗ２は、各第１部位５６の第１幅Ｗ１よりも大きくても小さくてもよい。
図５及び図６において、第１部位５６の厚さ（矢印Ｘ方向に沿った長さ）は、第２部位５８の厚さ（矢印Ｘ方向に沿った長さ）と同じである。第１部位５６は、第１多孔質体６０、第２多孔質体６２及び第３多孔質体６４が第１面４８から第２面５０に向かって順次積層されて形成されている。第１多孔質体６０、第２多孔質体６２及び第３多孔質体６４の各々は、メッシュ部材である。
第２多孔質体６２の空隙率は、第１多孔質体６０の空隙率よりも大きい。第３多孔質体６４は、第２多孔質体６２の空隙率よりも大きい。第２多孔質体６２の厚さＤ２（矢印Ｘ方向に沿った長さ）は、第１多孔質体６０の厚さＤ１（矢印Ｘ方向に沿った長さ）よりも厚い。第３多孔質体６４の厚さＤ３（矢印Ｘ方向に沿った長さ）は、第２多孔質体６２の厚さＤ２よりも厚い。
第２多孔質体６２を形成するメッシュ線の外径は、第１多孔質体６０を形成するメッシュ線の外径よりも大きい。第３多孔質体６４を形成するメッシュ線の外径は、第２多孔質体６２を形成するメッシュ線の外径よりも大きい。
第１多孔質体６０は、第２多孔質体６２及び第３多孔質体６４の各々の空隙率よりも小さい空隙率を有する緻密層である。これにより、高圧水素ガスにより保護シート４４がアノード給電体４６に押されて変形することを第１多孔質体６０によって抑制できる。
第２多孔質体６２は、第１多孔質体６０の空隙率よりも大きく且つ第３多孔質体６４の空隙率よりも小さい空隙率を有する中間層である。これにより、緻密層である第１多孔質体６０が第３多孔質体６４に押されて変形することを第２多孔質体６２によって抑制できる。第２多孔質体６２は、第１多孔質体６０よりも水蒸気を含む水素ガスが流通し易い。
第３多孔質体６４は、高圧水素ガスの押圧力を受ける強度層である。第３多孔質体６４は、第１多孔質体６０及び第２多孔質体６２の各々の空隙率よりも大きい空隙率を有する。そのため、第３多孔質体６４は、第１多孔質体６０及び第２多孔質体６２よりも水蒸気を含む水素ガスが流通し易い。
第２部位５８は、第１多孔質体６０、第３多孔質体６４及び第２多孔質体６２が第１面４８から第２面５０に向かって順次積層されて形成されている。すなわち、第１部位５６と第２部位５８とは、第２多孔質体６２と第３多孔質体６４との位置が入れ替わっている点以外同じ構成である。互いに隣り合う第１部位５６と第２部位５８とにおいて、第１部位５６の第３多孔質体６４と第２部位５８の第３多孔質体６４とは互いに隣接する（アノード給電体４６の面方向に重なる）。
このように構成される昇圧セル１０は、以下のように動作する。
図２に示すように、水蒸気を含む水素ガスは、昇圧セル１０の入口流路２２から供給流路２８を介してアノード給電体４６の第１端部５２に導入される。アノード給電体４６の第１端部５２に導入された水素ガスは、図４～図６に示すように、アノード給電体４６の第１端部５２から第２端部５４に向かって流れながらアノード触媒層４２に供給される。
具体的に、水素ガスは、アノード給電体４６の第１端部５２から第２端部５４に向かって第１部位５６と第２部位５８とを交互に流れる。この時、水素ガスは、第１部位５６の第３多孔質体６４と第２部位５８の第３多孔質体６４とに流れ易い。
そのため、図５及び図６に示すように、水素ガスが第１部位５６から第２部位５８に流れるときにアノード触媒層４２に向かう方向（矢印Ｘ１方向）の水素ガスの流れ（第１流れＦ１）が発生する。また、水素ガスが第２部位５８から第１部位５６に流れるときにアノード触媒層４２から離れる方向（矢印Ｘ２方向）の水素ガスの流れ（第２流れＦ２）が発生する。つまり、第１端部５２からアノード給電体４６の面方向内方に向かって第１流れＦ１と第２流れＦ２とが交互に発生する。第１流れＦ１は、水素ガスをアノード触媒層４２に導く。第２流れＦ２は、アノード給電体４６と電解質膜３２との間に発生した液水をアノード給電体４６の内孔に導く。
この場合、アノード給電体４６の第１端部５２と電解質膜３２の外周部との間に発生した液水は、アノード給電体４６を流通する水素ガスによって電解質膜３２の中央部分に運ばれる（図５参照）。これにより、アノード給電体４６の第１端部５２と電解質膜３２の外周部との間に滞留する液水の量を減らしながら電解質膜３２の中央部分を加湿することができる。また、アノード給電体４６の第２端部５４と電解質膜３２の外周部との間に発生した液水は、アノード給電体４６の第２流れＦ２によって排出流路３０に排出され易くなる（図６参照）。よって、電解質膜３２の含水分布の均一化を図ることができると共にアノード給電体４６の外周部と電解質膜３２の外周部との間の液水の滞留を抑制できる。
アノード給電体４６とカソード給電体４０との間に電圧が印加されると、アノード触媒層４２では、供給された水素ガスが電気化学反応によってプロトン（水素イオン）に変換される。アノード触媒層４２で発生したプロトンは、電解質膜３２の内部を通りカソード触媒層３８に導かれる。カソード触媒層３８では、電解質膜３２から導かれたプロトンが電気化学反応により高圧水素ガスに変換される。カソード触媒層３８で発生した高圧水素ガスは、水素ガス導出流路１８（図１参照）を介して図示しない外部配管に導出される。
アノード給電体４６を流通した未反応の水素ガス（アノード触媒層４２で消費されなかった水素ガス）と水蒸気は、排ガスとしてアノード給電体４６で発生した液水と共に排出流路３０を介して出口流路２４に排出される。出口流路２４から排出された未反応の水素ガスは、例えば、入口流路２２に再び流入して再利用される。
本実施形態は、以下の効果を奏する。
本実施形態によれば、第２多孔質体６２の空隙率が第１多孔質体６０の空隙率よりも大きく、第３多孔質体６４の空隙率が第２多孔質体６２の空隙率よりも大きい。そのため、アノード給電体４６において、水素ガスは、第３多孔質体６４に流れ易くなる。また、第２部位５８の第３多孔質体６４の位置は、第１部位５６の第３多孔質体６４の位置よりもアノード触媒層４２に近い。さらに、第１端部５２からアノード給電体４６の面方向内方に向かって第１部位５６と第２部位５８とを交互に配置している。
この場合、電解質膜３２の外周部とアノード給電体４６の外周部との間に発生した液水は、アノード給電体４６を流通する水素ガスによって電解質膜３２の中央部分に運ばれる。これにより、アノード給電体４６の外周部と電解質膜３２との間に液水が滞留することを抑制できるため、アノード触媒層４２の外周部において滞留水によって電気化学反応が阻害されることを抑制できる。
第１多孔質体６０、第２多孔質体６２及び第３多孔質体６４の積層方向において、第３多孔質体６４の厚さＤ３は、第２多孔質体６２の厚さＤ２よりも厚い。
このような構成によれば、第１部位５６の第３多孔質体６４と第２部位５８の第３多孔質体６４とを互いに隣接させることができる。これにより、第１流れＦ１及び第２流れＦ２を効率よく発生させることができる。
複数の第１部位５６の各々は、環状に延在している。複数の第２部位５８の各々は、環状に延在している。
このような構成によれば、アノード給電体４６の構成を簡素にできる。
（変形例）
次に、変形例に係るアノード給電体４６ａについて説明する。なお、変形例において、上述したアノード給電体４６と同一の構成については同一の参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。図７～図９に示すように、アノード給電体４６ａにおいて、複数の第１部位５６の第１幅Ｗ１と複数の第２部位５８の第２幅Ｗ２とは、アノード給電体４６ａの中央部から外周に向かって（径方向外方に向かって）徐々に狭くなっている。換言すれば、第１幅Ｗ１と第２幅Ｗ２とは、アノード給電体４６ａの中央部から第１端部５２（矢印Ｙ１方向）に向かって徐々に狭くなっている。また、第１幅Ｗ１と第２幅Ｗ２とは、アノード給電体４６の中央部から第２端部５４（矢印Ｙ２方向）に向かって徐々に狭くなっている。
次に、変形例に係るアノード給電体４６ａについて説明する。なお、変形例において、上述したアノード給電体４６と同一の構成については同一の参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。図７～図９に示すように、アノード給電体４６ａにおいて、複数の第１部位５６の第１幅Ｗ１と複数の第２部位５８の第２幅Ｗ２とは、アノード給電体４６ａの中央部から外周に向かって（径方向外方に向かって）徐々に狭くなっている。換言すれば、第１幅Ｗ１と第２幅Ｗ２とは、アノード給電体４６ａの中央部から第１端部５２（矢印Ｙ１方向）に向かって徐々に狭くなっている。また、第１幅Ｗ１と第２幅Ｗ２とは、アノード給電体４６の中央部から第２端部５４（矢印Ｙ２方向）に向かって徐々に狭くなっている。
本変形例は、以下の効果を奏する。
複数の第１部位５６と複数の第２部位５８とは、アノード給電体４６ａの中央部から第１端部５２に向かって第１部位５６と第２部位５８との並び方向に沿った幅が徐々に狭くなるように形成されている。
このような構成によれば、アノード給電体４６ａの外周部における第１流れＦ１及び第２流れＦ２の発生回数をアノード給電体４６ａの中央部における第１流れＦ１及び第２流れＦ２の発生回数よりも多くすることができる。これにより、アノード給電体４６ａの外周部と電解質膜３２の外周部との間に液水が滞留することを一層抑制できる。
なお、本発明は、上述した実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を取り得る。
本実施形態は、以下の内容を開示している。
上記実施形態は、電解質膜（３２）と、前記電解質膜の一方の面（３２ａ）に設けられたカソード電極（３４）と、前記電解質膜の他方の面（３２ｂ）に設けられたアノード電極（３６）と、を備え、前記アノード電極は、アノード触媒層（４２）とアノード給電体（４６、４６ａ）とを含み、前記アノード給電体に水分を含む水素ガスを供給した状態で前記カソード電極と前記アノード電極との間に電圧を印加することで、前記カソード電極に前記水素ガスよりも高圧の高圧水素ガスを発生させる電気化学式昇圧セル（１０）であって、前記アノード給電体の外周の第１端部（５２）から第２端部（５４）に向かって前記アノード給電体の面方向に沿って前記水素ガスを流通させるための流路部材（１４）を備え、前記アノード給電体は、前記アノード触媒層が位置する方向を向く第１面（４８）と、前記アノード触媒層が位置する方向とは反対方向を向く第２面（５０）とを含み、前記アノード給電体は、第１多孔質体（６０）、第２多孔質体（６２）及び第３多孔質体（６４）が前記第１面から前記第２面に向かって順次積層された複数の第１部位（５６）と、前記第１多孔質体、前記第３多孔質体及び前記第２多孔質体が前記第１面から前記第２面に向かって順次積層された複数の第２部位（５８）と、を有し、前記第２多孔質体の空隙率は、前記第１多孔質体の空隙率よりも大きく、前記第３多孔質体の空隙率は、前記第２多孔質体の空隙率よりも大きく、前記複数の第１部位と前記複数の第２部位とは、前記第１端部から前記アノード給電体の面方向内方に向かって交互に配置されている、電気化学式昇圧セルを開示している。
上記の電気化学式昇圧セルにおいて、前記第１多孔質体、前記第２多孔質体及び前記第３多孔質体の積層方向において、前記第３多孔質体の厚さ（Ｄ３）は、前記第２多孔質体の厚さ（Ｄ２）よりも厚くてもよい。
上記の電気化学式昇圧セルにおいて、前記複数の第１部位と前記複数の第２部位とは、前記アノード給電体の中央部から前記第１端部に向かって前記第１部位と前記第２部位との並び方向に沿った幅（Ｗ１、Ｗ２）が徐々に狭くなるように形成されてもよい。
上記の電気化学式昇圧セルにおいて、前記複数の第１部位の各々は、環状に延在し、前記複数の第２部位の各々は、環状に延在してもよい。
１０…電気化学式昇圧セル １４…流路部材
３２…電解質膜 ３４…カソード電極
４６、４６…アノード給電体 ４８…第１面
５０…第２面 ５２…第１端部
５４…第２端部 ５６…第１部位
５８…第２部位 ６０…第１多孔質体
６２…第２多孔質体 ６４…第３多孔質体
３２…電解質膜 ３４…カソード電極
４６、４６…アノード給電体 ４８…第１面
５０…第２面 ５２…第１端部
５４…第２端部 ５６…第１部位
５８…第２部位 ６０…第１多孔質体
６２…第２多孔質体 ６４…第３多孔質体
Claims (4)
- 電解質膜と、
前記電解質膜の一方の面に設けられたカソード電極と、
前記電解質膜の他方の面に設けられたアノード電極と、を備え、
前記アノード電極は、アノード触媒層とアノード給電体とを含み、
前記アノード給電体に水分を含む水素ガスを供給した状態で前記カソード電極と前記アノード電極との間に電圧を印加することで、前記カソード電極に前記水素ガスよりも高圧の高圧水素ガスを発生させる電気化学式昇圧セルであって、
前記アノード給電体の外周の第１端部から第２端部に向かって前記アノード給電体の面方向に沿って前記水素ガスを流通させるための流路部材を備え、
前記アノード給電体は、前記アノード触媒層が位置する方向を向く第１面と、前記アノード触媒層が位置する方向とは反対方向を向く第２面とを含み、
前記アノード給電体は、
第１多孔質体、第２多孔質体及び第３多孔質体が前記第１面から前記第２面に向かって順次積層された複数の第１部位と、
前記第１多孔質体、前記第３多孔質体及び前記第２多孔質体が前記第１面から前記第２面に向かって順次積層された複数の第２部位と、を有し、
前記第２多孔質体の空隙率は、前記第１多孔質体の空隙率よりも大きく、
前記第３多孔質体の空隙率は、前記第２多孔質体の空隙率よりも大きく、
前記複数の第１部位と前記複数の第２部位とは、前記第１端部から前記アノード給電体の面方向内方に向かって交互に配置されている、電気化学式昇圧セル。 - 請求項１記載の電気化学式昇圧セルであって、
前記第１多孔質体、前記第２多孔質体及び前記第３多孔質体の積層方向において、前記第３多孔質体の厚さは、前記第２多孔質体の厚さよりも厚い、電気化学式昇圧セル。 - 請求項１又は２に記載の電気化学式昇圧セルであって、
前記複数の第１部位と前記複数の第２部位とは、前記アノード給電体の中央部から前記第１端部に向かって前記第１部位と前記第２部位との並び方向に沿った幅が徐々に狭くなるように形成されている、電気化学式昇圧セル。 - 請求項１～３のいずれか１項に記載の電気化学式昇圧セルであって、
前記複数の第１部位の各々は、環状に延在し、
前記複数の第２部位の各々は、環状に延在している、電気化学式昇圧セル。
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|---|---|---|---|---|
| US20090136789A1 (en) | 2007-10-31 | 2009-05-28 | Pien Shyhing M | Integrated Flow Field (IFF) Structure |
| JP2018109221A (ja) | 2017-01-05 | 2018-07-12 | 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 |
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| JP2009151972A (ja) * | 2007-12-19 | 2009-07-09 | Honda Motor Co Ltd | 燃料電池の発電停止方法、その発電起動方法及び燃料電池システム |
| JP4856770B2 (ja) * | 2009-02-18 | 2012-01-18 | 本田技研工業株式会社 | 水電解装置 |
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| WO2019189061A1 (ja) * | 2018-03-30 | 2019-10-03 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池 |
| EP3901330A4 (en) * | 2018-12-19 | 2022-03-23 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | ELECTROCHEMICAL HYDROGEN PUMP |
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Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20090136789A1 (en) | 2007-10-31 | 2009-05-28 | Pien Shyhing M | Integrated Flow Field (IFF) Structure |
| JP2018109221A (ja) | 2017-01-05 | 2018-07-12 | 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 |
| JP2018154865A (ja) | 2017-03-16 | 2018-10-04 | 株式会社東芝 | 電気化学反応装置 |
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