CN113840946A - 压缩装置 - Google Patents

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Abstract

压缩装置具备：电池组，将多个用阳极和阴极夹持电解质膜而形成的电化学单电池层叠而形成；一对绝缘板，设置于电池组的层叠方向上的两端；一对端板，设置于一对绝缘板各自的外侧；以及电压施加器，向阳极与阴极之间施加电压，通过利用电压施加器施加电压，使从供给到阳极的阳极流体取出的质子向阴极移动，生成被压缩了的氢，在一对端板的至少一方设置有供包含被压缩了的氢的阴极气体流通的阴极气体流路，设置有阴极气体流路的端板的包括阴极气体流路的外周面的第1区域由第1钢材构成，该端板的与第1区域不同的第2区域由第2钢材构成，第1钢材的耐氢脆性比第2钢材高，第2钢材的刚性比第1钢材高。

Description

压缩装置
技术领域
本公开涉及压缩装置。
背景技术
近年来，由于地球温暖化等环境问题、石油资源枯竭等能源问题，氢作为取代化石燃料的清洁替代能源而备受关注。氢即使燃烧也基本上仅释放出水，而不排放成为地球温暖化的原因的二氧化碳，并且也几乎不排放氮氧化物等，所以期待将其作为清洁能源。另外，作为将氢作为燃料高效率地加以利用的装置，有燃料电池，其面向汽车用电源、面向家庭用自家发电的开发及普及正在推进。
例如，作为燃料电池车的燃料而使用的氢，一般以被压缩为几十MPa的高压状态贮藏于车内的氢罐。并且，这样的高压的氢一般通过将低压(常压)的氢利用机械式压缩装置进行压缩而得到。
在即将到来的氢社会中，除了制造氢之外，还要求开发能够将氢以高密度贮藏并以小容量且低成本输送或利用的技术。尤其是，在燃料电池的普及促进中需要配备氢供给基础设施，为了稳定地供给氢，提出了制造、提纯、高密度地贮藏高纯度的氢的各种方案。
因此，例如，在专利文献1中，提出了通过向夹着电解质膜而配置的阳极与阴极之间施加期望的电压来进行含氢气体中的氢的提纯及升压的电化学式氢泵。此外，将阴极、电解质膜及阳极的层叠体称作膜-电极接合体(以下，记为MEA：Membrane ElectrodeAssembly)。此时，向阳极供给的含氢气体也可以混入有杂质。例如，含氢气体也可以是来自制铁工场等的附带生成的氢气，还可以是对城市煤气进行重整后的重整气体。
另外，例如，在专利文献2中提出了使用MEA对通过水的电解而产生的低压的氢进行升压的差压式水电解装置。
另外，例如，在专利文献3中提出了通过阳极催化剂层的至少一部分的层是与阳极气体扩散层的混合层而氢压缩效率能够提高的电化学式氢泵。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2015-117139号公报
专利文献2：日本专利第6382886号公报
专利文献3：日本特开2019-163521号公报
发明内容
发明所要解决的课题
本公开的课题在于，作为一例，提供一种用于从两侧保持层叠电化学单电池而得的电池组(stack)的端板的特性与以往相比能够提高的压缩装置。
用于解决课题的技术方案
为了解决上述课题，本公开的一方案(aspect)的压缩装置具备：电池组，将多个用阳极和阴极夹持电解质膜而形成的电化学单电池层叠而形成；一对绝缘板，设置于所述电池组的层叠方向上的两端；一对端板，设置于所述一对绝缘板各自的外侧；以及电压施加器，向所述阳极与所述阴极之间施加电压，通过利用所述电压施加器施加电压，使从供给到所述阳极的阳极流体取出的质子向所述阴极移动，生成被压缩了的氢，在所述一对端板的至少一方设置有供包含被压缩了的氢的阴极气体流通的阴极气体流路，设置有所述阴极气体流路的端板的包括所述阴极气体流路的外周面的第1区域由第1钢材构成，该端板的与所述第1区域不同的第2区域由第2钢材构成，所述第1钢材的耐氢脆性比所述第2钢材高，所述第2钢材的刚性比所述第1钢材高。
发明效果
本公开的一方案的压缩装置能够起到用于从两侧保持层叠电化学单电池而形成的电池组的端板的特性能够比以往提高这一效果。
附图说明
图1A是示出第1实施方式的电化学式氢泵的一例的图。
图1B是图1A的B部的放大图。
图2是示出第2实施方式的电化学式氢泵的一例的图。
图3是示出第3实施方式的电化学式氢泵的一例的图。
具体实施方式
关于用于从两侧保持层叠电化学单电池而形成的电池组的端板的特性提高，进行了研究，得到了以下的见解。
电化学式的压缩装置具备层叠多个电化学单电池而形成的电池组。在此，在各个电化学单电池中，一对分隔件各自分别从外侧夹住电化学单电池的阳极及阴极。并且，将电化学单电池和分隔件交替地重叠，将电化学单电池例如层叠几十～几百个左右，从两侧隔着一对绝缘板等利用一对端板夹住该层叠体(电池组)，利用多个紧固连结器(例如，螺栓和螺母)将两端板紧固，这是一般的层叠紧固连结构造。
在此，用于将层叠电化学单电池而形成的电池组从两侧保持的上述一对端板(以下，有时省略为端板)需要利用高刚性的材料来构成。这是基于以下的理由。
在压缩装置的运转中，在电池组的阴极存在几十MPa(例如，约40MPa或约80MPa左右)的高压的氢。此时，若端板的刚性不充分，则由于存在于阴极的氢的压力，端板有可能以向外侧鼓出的方式变形。于是，在电池组的构件的弹性变形对于这样的变形无法追随的情况下，存在因在电池组的构件间产生间隙而这些构件间的接触电阻增加的情况。其结果，存在压缩装置的氢压缩效率下降的可能性。由此，端板需要利用在压缩装置的运转中能使电池组的各构件紧贴的高刚性的材料来构成。
另外，用于将层叠有电化学单电池的电池组从两侧保持的端板需要利用耐氢脆性高的材料来构成。这是基于以下的理由。
在压缩装置的运转中，存在于电池组的阴极的几十MPa的高压的氢经常因通过设置于端板的阴极气体流路而向压缩装置外排出。由此，这样的端板需要使用不容易产生氢脆的材料来构成。
本公开人鉴于以上的状况进行了深入研究，结果想到了使用特性不同的2种材料来构成端板这一构思。
即，本公开的第1方案的压缩装置具备：电池组，将多个用阳极和阴极夹持电解质膜而形成的电化学单电池层叠而形成；一对绝缘板，设置于电池组的层叠方向上的两端；一对端板，设置于一对绝缘板各自的外侧；以及电压施加器，向阳极与阴极之间施加电压，通过利用电压施加器施加电压，使从供给到阳极的阳极流体取出的质子向阴极移动，生成被压缩了的氢，在一对端板的至少一方设置有供包含被压缩了的氢的阴极气体流通的阴极气体流路，设置有阴极气体流路的端板的包括阴极气体流路的外周面的第1区域由第1钢材构成，该端板的与第1区域不同的第2区域由第2钢材构成，第1钢材的耐氢脆性比第2钢材高，第2钢材的刚性比第1钢材高。
根据该结构，在本方案的压缩装置中，用于将层叠电化学单电池而形成的电池组从两侧保持的端板的特性能够比以往提高。
具体而言，在第1区域设置有供包括由阴极压缩后的氢的阴极气体流通的阴极气体流路。由此，本方案的压缩装置通过使用与第2区域相比耐氢脆性高的第1钢材来构成第1区域，能够构成为不容易产生第1区域的氢脆。另外，本方案的压缩装置通过使用与第1区域相比刚性高的第2钢材来构成第2区域，能够使得不容易因存在于阴极CA的氢的压力而产生包括第1区域及第2区域的端板整体向外侧鼓出的变形。
也就是说，本方案的压缩装置，与利用单一种类的材料来构成端板的情况相比，能够使端板的特性提高。
本公开的第2方案的压缩装置，可以在第1方案的压缩装置中，设置有阴极气体流路的端板包括设置有阴极气体流路的第1端板和设置于第1端板的外侧的第2端板，第1端板由第1钢材构成，第2端板由第2钢材构成。
根据该结构，在第1端板设置有供包括由阴极压缩后的氢的阴极气体流通的阴极气体流路。由此，本方案的压缩装置通过使用与第2端板相比耐氢脆性高的第1钢材来构成第1端板，能够构成为不容易产生第1端板的氢脆。另外，本方案的压缩装置，通过使用与第1端板相比刚性高的第2钢材来构成第2端板，能够使得不容易因存在于阴极CA的氢的压力而产生包括第1端板及第2端板的端板整体向外侧鼓出的变形。
本公开的第3方案的压缩装置，可以在第1方案或第2方案的压缩装置中，第1钢材的镍当量满足26.3质量％以上。
一般来说，钢材的镍当量的值越高，则越不容易产生钢材的氢脆。由此，本方案的压缩装置通过选择镍当量为26.3质量％以上的材料作为第1钢材，与选择镍当量小于26.3质量％的材料的情况相比，能够使第1钢材的耐氢脆性提高。
在日本，在高压气体安全法中，从对于氢脆的耐性的观点出发，规定了存在高压的氢的结构体能够使用的材料。也就是说，在高压气体安全法“压缩氢站技术基准解说，第2版”中，例如，作为结构体的钢材，限制为SUS316L、SUH660等不锈钢材料。
在此，在例如使用与SUH660相比通用性高且廉价的SUS316L作为端板的材料的情况下，要提高端板的刚性，端板的重量及尺寸会变大。由此，在该情况下，端板的高刚性化存在界限。
相对于此，在例如使用作为特殊用途钢的SUH660作为端板的材料的情况下，存在端板的材料成本上升这一问题。另外，存在会花费端板的制造、加工所需的时间这一问题。也就是说，由于SUH660没有一般地流通，所以难以在短时间内制造、加工端板。
因此，本公开的第4方案的压缩装置，可以在第1方案～第3方案中的任一方案的压缩装置中，第1钢材包括SUS316或者SUS316L。
根据该结构，本方案的压缩装置通过选择SUS316或者SUS316L作为第1钢材，与选择SUH660的情况相比，能够在抑制端板的成本上升的同时使耐氢脆性提高。
本公开的第5方案的压缩装置，可以是在第1方案～第3方案中的任一方案的压缩装置中，第1钢材包括4401-316-00-I或4436-316-00-I、或者4404-316-03-I、4432-316-03-I或4436-316-91-I。
在此，日本工业标准(JIS)的SUS316在国际标准(ISO)15510中与4401-316-00-I或4436-316-00-I对应。日本工业标准的SUS316L在ISO15510中与4404-316-03-I、4432-316-03-I或4436-316-91-I对应。
本公开的第6方案的压缩装置，可以在第1方案～第3方案中的任一方案的压缩装置中，第1钢材包括1.4401或1.4436、或者1.4404、1.4432或1.4435。
在此，日本工业标准(JIS)的SUS316在欧洲标准(EN)中与1.4401或1.4436对应。日本工业标准的SUS316L在欧洲标准中与1.4404、1.4432或1.4435对应。
本公开的第7方案的压缩装置，可以在第1方案～第3方案中的任一方案的压缩装置中，第1钢材包括S31600或者S31603。
在此，日本工业标准(JIS)的SUS316在美国标准(UNS)中与S31600对应。日本工业标准的SUS316L在美国标准中与S31603对应。
本公开的第8方案的压缩装置，可以在第1方案～第3方案中的任一方案的压缩装置中，第1钢材包括S31608或者S31603。
在此，日本工业标准(JIS)的SUS316在中国标准(GB)中与S31608对应。日本工业标准的SUS316L在中国标准中与S31603对应。
本公开的第9方案的压缩装置，可以在第1方案～第8方案中的任一方案的压缩装置中，第2钢材包括铬钼钢。
根据该结构，本方案的压缩装置，通过选择与SUS316L相比耐氢脆性低但与SUS316L相比廉价且刚性高的铬钼钢作为第2钢材，与选择SUS316L的情况相比，能够在抑制端板的成本上升的同时使刚性提高。
以下，一边参照附图，一边对本公开的实施方式进行说明。此外，以下说明的实施方式均示出上述的各方案的一例。由此，以下所示的形状、材料、构成要素及构成要素的配置位置及连接方式等只不过是一例，只要没有记载于权利要求，就不限定上述的各方案。另外，关于以下的构成要素中的没有记载于表示上述的各方案的最上位概念的独立权利要求的构成要素，作为任意的构成要素来说明。另外，在附图中，标注有相同符号的构成要素有时省略说明。附图为了容易理解而示意性地示出了各构成要素，关于形状及尺寸比等有时不是准确的表示。
(第1实施方式)
上述压缩装置的阳极流体只要是通过阳极中的氧化反应而生成质子的流体即可，可设想各种种类的气体、液体。
例如，在压缩装置是电化学式氢泵的情况下，作为阳极流体，能够举出含氢气体。在该情况下，在阳极催化剂层中，进行含氢气体中的氢(H2)的氧化反应。
另外，例如，在压缩装置是水电解装置的情况下，作为阳极流体，能够举出液态水。在该情况下，在阳极催化剂层中，进行水的电解反应。
因此，在以下的实施方式中，对在阳极流体是含氢气体的情况下作为压缩装置的一例的电化学式氢泵的结构及工作进行说明。
[装置结构]
图1A是示出第1实施方式的电化学式氢泵的一例的图。图1B是图1A的B部的放大图。
在图1A及图1B所示的例子中，电化学式氢泵100具备：层叠多个利用阳极AN和阴极CA夹持电解质膜21而形成的电化学单电池10而形成的电池组。
此外，在图1A中，层叠有3个电化学单电池10，电化学单电池10的个数不限定于此。也就是说，电化学单电池10的个数能够基于电化学式氢泵100压缩的氢量等运转条件而设定为适当的数量。
电化学单电池10具备电解质膜21、阳极AN、阴极CA、阴极分隔件27、阳极分隔件26及绝缘体28。
并且，在电化学单电池10中，电解质膜21、阳极催化剂层24、阴极催化剂层23、阳极供电体25、阴极供电体22、阳极分隔件26及阴极分隔件27被层叠。
阳极AN设置在电解质膜21的一方的主面上。阳极AN是包括阳极催化剂层24和阳极供电体25的电极。此外，在阳极分隔件26上以在俯视下包围阳极AN的阳极催化剂层24的周围的方式设置有O型圈45。由此，阳极AN由O型圈45合适地密封。
阴极CA设置在电解质膜21的另一方的主面上。阴极CA是包括阴极催化剂层23和阴极供电体22的电极。此外，在阴极分隔件27上以在俯视下包围阴极CA的阴极催化剂层23的周围的方式设置有O型圈45。由此，阴极CA由O型圈45合适地密封。
通过以上，电解质膜21以与阳极催化剂层24及阴极催化剂层23分别接触的方式由阳极AN和阴极CA夹持。
电解质膜21是具备质子传导性的高分子膜。电解质膜21只要具备质子传导性，不管是何种结构都行。
例如，作为电解质膜21，能够举出氟系高分子电解质膜、碳化氢系高分子电解质膜，但不限定于它们。具体而言，例如，作为电解质膜21，能够使用Nafion(注册商标，杜邦公司制)、Aciplex(注册商标，旭化成株式会社制)等。
阳极催化剂层24以与电解质膜21的一方的主面相接的方式设置。阳极催化剂层24例如包含铂作为催化剂金属，但不限定于此。
阴极催化剂层23以与电解质膜21的另一方的主面相接的方式设置。阴极催化剂层23例如包含铂作为催化剂金属，但不限定于此。
作为阴极催化剂层23及阳极催化剂层24的催化剂载体，例如可举出碳黑、石墨等碳颗粒、导电性的氧化物颗粒等，但不限定于它们。
此外，在阴极催化剂层23及阳极催化剂层24中，催化剂金属的微粒高分散地担载于催化剂载体。另外，在这些阴极催化剂层23及阳极催化剂层24中，一般为了增大电极反应场而添加质子传导性的离聚物(ionomer)成分。
阴极供电体22设置于阴极催化剂层23上。另外，阴极供电体22由多孔性材料构成，具备导电性及气体扩散性。而且，阴极供电体22优选具备合适地跟随在电化学式氢泵100工作时因阴极CA与阳极AN之间的差压而产生的构成构件的位移、变形的弹性。此外，在本实施方式的电化学式氢泵100中，作为阴极供电体22，使用由碳纤维构成的构件。例如，可以是碳纸、碳布、碳毡等多孔性的碳纤维片。此外，作为阴极供电体22的基材，也可以不使用碳纤维片。例如，作为阴极供电体22的基材，也可以使用以钛、钛合金、不锈钢等为材料的金属纤维的烧结体、以它们为材料的金属颗粒的烧结体等。
阳极供电体25设置于阳极催化剂层24上。另外，阳极供电体25由多孔性材料构成，具备导电性及气体扩散性。而且，阳极供电体25优选为能够抑制在电化学式氢泵100工作时因阴极CA与阳极AN之间的差压而产生的构成构件的位移、变形的高刚性。
具体而言，作为阳极供电体25的基材，例如可以使用以钛、钛合金、不锈钢、碳等为材料的纤维烧结体、粉体烧结体、网眼钢板(expanded metal)、金属网、冲孔金属板等。
阳极分隔件26是设置于阳极AN上的构件。阴极分隔件27是设置于阴极CA上的构件。具体而言，在阳极分隔件26的中央部设置有凹部，在该凹部内容纳有阳极供电体25。另外，在阴极分隔件27的中央部设置有凹部，在该凹部内容纳有阴极供电体22。
以上的阳极分隔件26及阴极分隔件27例如可以由钛、不锈钢等的金属片构成。在利用不锈钢构成该金属片的情况下，SUS316L在各种种类的不锈钢中，耐酸性及耐氢脆性等特性优异。
如图1A所示，与阴极供电体22接触的阴极分隔件27的主面不设置阴极气体流路而由平面构成。由此，与在阴极分隔件27的主面设置阴极气体流路的情况相比，能够在阴极供电体22与阴极分隔件27之间增大接触面积。于是，电化学式氢泵100能够降低阴极供电体22与阴极分隔件27之间的接触电阻。
相对于此，在与阳极供电体25接触的阳极分隔件26的主面设置有在俯视下例如包括多个U字状的折回部分和多个直线部分的蜿蜒状的阳极气体流路35。并且，阳极气体流路35的直线部分在与图1A的纸面垂直的方向上延伸。不过，这样的阳极气体流路35是例示，不限定于本例。例如，阳极气体流路也可以由多个直线状的流路构成。
另外，在电化学式氢泵100的电化学单电池10的各自中，在阴极分隔件27与阳极分隔件26之间夹入有以包围电解质膜21的周围的方式设置的环状且平板状的绝缘体28。作为绝缘体28的基材，例如能够举出氟橡胶等，但不限定于此。由此，能够合适地防止电化学单电池10内的阴极分隔件27与阳极分隔件26之间的短路。
而且，在相邻的阴极分隔件27及阳极分隔件26接触的区域的俯视下，设置有热介质流路60。在此，热介质流路60由设置于阴极分隔件27的阳极分隔件26侧的主面的流路槽构成，但不限定于此。热介质流路60也可以设置于阳极分隔件26的主面。由此，在电化学式氢泵100工作时，通过控制在热介质流路60中流动的热介质的温度、流量等，能够合适地进行电化学单电池10的温度调节。作为热介质，例如能够举出液态水、防冻液等，但不限定于它们。
此外，虽然省略了图示，但上述的相邻的阴极分隔件27及阳极分隔件26也可以是它们被一体化的双极性板(双极板)。在该情况下，双极性板(双极板)作为相邻的电化学单电池10的一方的阳极分隔件26发挥功能，并且作为电化学单电池10的另一方的阴极分隔件27发挥功能。由此，能够削减电化学式氢泵100的部件件数。例如，能够削减分隔件的个数，并且能够消除设置于分隔件间的密封构件。另外，通过阳极分隔件26和阴极分隔件27被一体化，彼此的接合部的空隙消失，因此能够降低两者间的接触电阻。
这样，通过利用阴极分隔件27及阳极分隔件26夹住上述的MEA而形成了电化学单电池10。
如图1A所示，电化学式氢泵100具备：设置于层叠电化学单电池10而形成的电池组的层叠方向上的两端的一对供电板11及供电板12、设置于供电板11及供电板12各自的外侧的一对绝缘板13及绝缘板14、设置于绝缘板13及绝缘板14各自的外侧的一对第1端板15A及第1端板16A以及设置于第1端板15A及第1端板16A各自的外侧的一对第2端板15B及第2端板16B。
另外，电化学式氢泵100具备上述电池组、供电板11及供电板12、绝缘板13及绝缘板14、第1端板15A及第1端板16A、以及用于将第2端板15B及第2端板16B在层叠方向上紧固连结的紧固连结器17。
在图1A所示的例子中，第1端板15A及第2端板15B是在电化学单电池10的各构件层叠的层叠方向上位于一方的端部的阴极分隔件27上隔着供电板11及绝缘板13而设置的阴极端板。第1端板16A及第2端板16B是在电化学单电池10的各构件层叠的层叠方向上位于另一方的端部的阳极分隔件26上隔着供电板12及绝缘板14而设置的阳极端板。
如图1A所示，在第1端板15A设置有供包括由阴极CA压缩后的氢的阴极气体流通的阴极气体流路40和供从外部向阳极AN供给的含氢气体流通的阳极气体供给流路41。另外，在第1端板16A设置有供从阳极AN排出的含氢气体流通的阳极气体排出流路42和虽然省略了图示但供包括由阴极CA压缩后的氢的阴极气体流通的阴极气体流路。
不过，第1端板15A及第1端板16A中的上述的气体流路的结构是例示，不限定于本例。例如，供阴极气体流通的阴极气体流路也可以仅设置于第1端板15A及第1端板16A的任一方。另外，例如，也可以在第1端板15A设置有供从阳极AN排出的含氢气体流通的阳极气体排出流路，并且在第1端板16A设置有供从外部向阳极AN供给的含氢气体流通的阳极气体供给流路。
在此，在本实施方式的电化学式氢泵100中，考虑以上的端板的气体流路的结构，在设置有阴极气体流路的端板中，包括阴极气体流路的外周面的第1区域由第1钢材构成，与第1区域不同的第2区域由第2钢材构成，第1钢材与第2钢材相比耐氢脆性高，第2钢材与第1钢材相比刚性高。
在图1A所示的例子中，第1端板15A及第1端板16A分别与第2端板15B及第2端板16B各自相比耐氢脆性高。第2端板15B及第2端板16B分别与第1端板15A及第1端板16A各自相比刚性高。
在此，如图1A所示，在阴极气体流路40没有设置于第2端板15B且设置于第1端板15A的情况下，第1端板15A对应于“包括阴极气体流路40的外周面40S的第1区域”。此外，阴极气体流路40的外周面40S在阴极气体流路40如图1A所示那样是贯通孔的情况下，是指构成该贯通孔的孔表面。另外，第2端板15B对应于“与第1区域不同的第2区域”。
此外，第1端板15A及第1端板16A的材料例将在第1实施例中说明。第2端板15B及第2端板16B的材料例将在第2实施例中说明。另外，“第1区域”及“第2区域”的其它的结构例将在第3实施方式中说明。
紧固连结器17只要能够将层叠电化学单电池10而形成的电池组、供电板11及供电板12、绝缘板13及绝缘板14、第1端板15A及第1端板16A以及第2端板15B及第2端板16B在上述层叠方向上紧固连结，则不管是何种结构都行。例如，作为紧固连结器17，能够举出螺栓及带盘簧螺母等。
由此，在本实施方式的电化学式氢泵100中，多个电化学单电池10在上述的层叠方向上由紧固连结器17的紧固连结压以层叠状态合适地被保持。于是，在电化学单电池10的各构件间密封构件的密封性被合适地发挥，并且各构件间的接触电阻降低。
此外，在本实施方式的电化学式氢泵100中，通过紧固连结器17的螺栓贯通第1端板15A及第1端板16A以及第2端板15B及第2端板16B双方，多个电化学单电池10在上述的层叠方向上由紧固连结器17的紧固连结压以层叠状态合适地被保持，但该保持构造是例示，不限定于此。紧固连结器17对电化学单电池10的其它的保持构造将在第2实施方式中说明。
在图1A的第1端板15A设置有阳极气体导入路径32。阳极气体导入路径32例如可以由供向阳极AN供给的含氢气体流通的配管构成。
并且，阳极气体导入路径32经由阳极气体供给流路41而连通于筒状的阳极气体导入歧管30。此外，阳极气体导入歧管30通过设置于电化学单电池10的各构件的贯通孔的相连而构成。
在本实施方式的电化学式氢泵100中，在各个电化学单电池10中，在与电化学单电池10的阳极AN相反一侧的阳极分隔件26的主面设置有将阳极气体导入歧管30与上述阳极气体流路35联络的第1联络路32A。例如，第1联络路32A可以由设置于阳极分隔件26的流路槽及联络孔构成。该第1联络路32A在蜿蜒状的阳极气体流路35的一方的端部与阳极气体导入歧管30之间延伸。
这样，阳极气体导入歧管30经由各个第1联络路32A与各个电化学单电池10的阳极气体流路35的一方的端部连通。由此，从阳极气体导入路径32供给到阳极气体导入歧管30的含氢气体通过电化学单电池10各自的第1联络路32A而分配给各个电化学单电池10。并且，在所分配的含氢气体通过阳极气体流路35的期间，从阳极供电体25向阳极催化剂层24供给含氢气体。
在图1A的第1端板16A设置有阳极气体导出路径33。阳极气体导出路径33例如可以由供从阳极AN排出的含氢气体流通的配管构成。
并且，阳极气体导出路径33经由阳极气体排出流路42而连通于筒状的阳极气体导出歧管31。此外，阳极气体导出歧管31通过设置于电化学单电池10的各构件的贯通孔的相连而构成。
在本实施方式的电化学式氢泵100中，在各个电化学单电池10中，在与电化学单电池10的阳极AN相反一侧的阳极分隔件26的主面设置有将阳极气体导出歧管31和阳极气体流路35联络的第2联络路32B。例如，第2联络路32B可以由设置于阳极分隔件26的流路槽及联络孔构成。该第2联络路32B在蜿蜒状的阳极气体流路35的另一方的端部与阳极气体导出歧管31之间延伸。
这样，阳极气体导出歧管31与电化学单电池10各自的阳极气体流路35的另一方的端部经由各个第2联络路32B而连通。由此，通过了电化学单电池10各自的阳极气体流路35的含氢气体通过各个第2联络路32B而向阳极气体导出歧管31供给，在此合流。并且，合流后的含氢气体被向阳极气体导出路径33引导。
在图1A的第1端板15A设置有阴极气体导出路径34。阴极气体导出路径34例如可以由供包括由阴极CA压缩后的氢的阴极气体流通的配管构成。此外，如上所述，虽然省略了图示，但在第1端板16A也设置有与阴极气体导出路径34同样的阴极气体导出路径。
并且，阴极气体导出路径34经由阴极气体流路40而连通于筒状的阴极气体导出歧管(未图示)。此外，阴极气体导出歧管通过设置于电化学单电池10的各构件的贯通孔的相连而构成。
在本实施方式的电化学式氢泵100中，在各个电化学单电池10中，在阴极分隔件27设置有将阴极分隔件27的凹部内与阴极气体导出歧管内连通的连通路径(未图示)。
由此，在电化学式氢泵100工作时，上述的阴极气体依次通过连通路径、阴极气体导出歧管及阴极气体流路40，从而向阴极气体导出路径34排出。
如图1A所示，电化学式氢泵100具备电压施加器50。
电压施加器50是向阳极AN与阴极CA之间施加电压的装置。具体而言，电压施加器50的高电位向阳极AN施加，电压施加器50的低电位向阴极CA施加。电压施加器50只要能够向阳极AN与阴极CA之间施加电压，则不管是何种结构都行。例如，电压施加器50可以是调整向阳极AN与阴极CA之间施加的电压的装置。此时，电压施加器50在与蓄电池、太阳能电池、燃料电池等直流电源连接时，具备DC/DC转换器，在与商用电源等交流电源连接时，具备AC/DC转换器。
另外，电压施加器50例如也可以是以使向电化学单电池10供电的电压成为预定的设定值的方式调整向阳极AN与阴极CA之间施加的电压的电压型电源。
此外，在图1A所示的例子中，电压施加器50的低电位侧的端子连接于供电板11，电压施加器50的高电位侧的端子连接于供电板12。供电板11与在上述的层叠方向上位于一方的端部的阴极分隔件27电接触，供电板12与在上述的层叠方向上位于另一方的端部的阳极分隔件26电接触。
这样，电化学式氢泵100通过利用电压施加器50施加上述电压，使从供给到阳极AN的含氢气体取出的质子经由电解质膜21而向阴极CA移动，生成由阴极CA压缩后的氢。
虽然省略了图示，但也能够构筑具备上述的电化学式氢泵100的氢供给***。在该情况下，在氢供给***的氢供给工作中需要的设备适当地被设置。
例如，在氢供给***可以设置有调整从阳极AN排出的高加湿状态的含氢气体和从外部的氢供给源供给的低加湿状态的含氢气体混合后的混合气体的露点的露点调整器(例如，加湿器)。此外，外部的氢供给源例如可以是水电解装置、重整器、氢罐等。
另外，在氢供给***例如也可以设置有检测电化学式氢泵100的温度的温度检测器、暂时贮藏从电化学式氢泵100的阴极CA排出的氢的氢贮藏器、检测氢贮藏器内的氢气压的压力检测器等。
此外，上述的电化学式氢泵100的结构及氢供给***中的未图示的各种设备是例示，不限定于本例。例如，也可以采用不设置阳极气体导出歧管31而将通过阳极气体导入歧管30而向阳极AN供给的含氢气体中的氢全部在阴极CA处压缩的闭端(dead end)构造。
[工作]
以下，一边参照附图，一边对电化学式氢泵100的氢压缩工作的一例进行说明。
以下的工作例如可以通过未图示的控制器的运算电路从控制器的存储电路读出控制程序来进行。不过，在控制器中进行以下的工作未必是必须的。也可以是操作者进行其一部分的工作。
首先，向电化学式氢泵100的阳极AN通过阳极气体供给流路41、阳极气体导入歧管30及第1联络路32A而供给在阳极气体导入路径32中流动的低压的含氢气体，并且向电化学式氢泵100供给电压施加器50的电压。此外，通过了阳极AN的含氢气体通过第2联络路32B、阳极气体导出歧管31及阳极气体排出流路42而向阳极气体导出路径33排出。
于是，在阳极AN的阳极催化剂层24中，通过氧化反应，氢分子分离成质子和电子(式(1))。质子在电解质膜21内传导而向阴极催化剂层23移动。电子通过电压施加器50而向阴极催化剂层23移动。
并且，在阴极催化剂层23中，通过还原反应而再次生成氢分子(式(2))。此外，已知当质子在电解质膜21中传导时，预定水量的水作为电渗水而从阳极AN向阴极CA与质子一起移动。
此时，通过使用未图示的流量调整器来使设置于第1端板15A的阴极气体导出路径34的压损增加，能够压缩由阴极CA生成的氢(H2)。此外，作为流量调整器，例如能够举出设置于阴极气体导出路径34的背压阀、调整阀等。
阳极：H2(低压)→2H++2e-…(1)
阴极：2H++2e-→H2(高压)…(2)
这样，在电化学式氢泵100中，通过利用电压施加器50施加电压，使从向阳极AN供给的含氢气体取出的质子向阴极CA移动，生成由阴极CA压缩后的氢。由此，进行电化学式氢泵100的氢压缩工作，包括由阴极CA压缩后的氢的阴极气体通过联络路径、阴极气体导出歧管及阴极气体流路40后，通过阴极气体导出路径34而例如暂时贮藏于氢贮藏器。另外，由氢贮藏器贮藏的氢适时向氢需要体供给。此外，作为氢需要体，例如能够举出使用氢来发电的燃料电池等。
如以上这样，在本实施方式的电化学式氢泵100中，用于将层叠多个电化学单电池10而形成的电池组从两侧保持的阴极端板及阳极端板的特性能够比以往提高。
具体而言，在第1端板15A及第1端板16A设置有供包括由阴极CA压缩后的氢的阴极气体流通的阴极气体流路。由此，本实施方式的电化学式氢泵100通过使用与第2端板15B及第2端板16B相比耐氢脆性高的材料构成第1端板15A及第1端板16A，能够构成为不容易产生第1端板15A及第1端板16A的氢脆。另外，本实施方式的电化学式氢泵100通过使用与第1端板15A及第1端板16A相比刚性高的材料构成第2端板15B及第2端板16B，能够使得不容易因存在于阴极CA的氢的压力而产生包括第1端板及第2端板的端板整体向外侧鼓出的变形。另外，由于在第2端板15B及第2端板16B没有设置供包括由阴极CA压缩后的氢的阴极气体流通的阴极气体流路，所以也可以使用与第1端板15A及第1端板16A相比耐氢脆性低的材料。
也就是说，本实施方式的电化学式氢泵100与利用单一种类的材料构成阴极端板及阳极端板的情况相比，能够使阴极端板及阳极端板的特性提高。
(第1实施例)
第1实施例的电化学式氢泵100，除了以下说明的第1端板15A及第1端板16A的材料以外，与第1实施方式的电化学式氢泵100是同样的。
SUS316及SUS316L在各种种类的不锈钢中，在耐酸性及耐氢脆性等方面具备高的特性。由此，第1端板15A及第1端板16A优选包含SUS316或SUS316L。
另外，一般来说，钢材的镍当量的值越高，则越不容易产生钢材的氢脆。也就是说，第1端板15A及第1端板16A伴随于镍当量的增加而氢环境的可使用范围扩大。由此，第1端板15A及第1端板16A优选镍当量满足26.3质量％以上。
在此，材料的镍当量能够通过以下的式(3)而求出。
镍当量(质量％)＝12.6×C+0.35×Si+1.05×Mn+Ni+0.65×Cr+0.98×Mo…(3)
在式(3)中，C表示碳的质量分数的值(％)，Si表示硅的质量分数的值(％)，Mn表示锰的质量分数的值(％)，Ni表示镍的质量分数的值(％)，Cr表示铬的质量分数的值(％)，Mo表示钼的质量分数的值(％)。
通过以上，本实施例的电化学式氢泵100通过选择镍当量为26.3质量％以上的材料作为第1端板15A及第1端板16A的材料，与选择镍当量小于26.3质量％的材料的情况相比，能够使第1端板15A及第1端板16A的耐氢脆性提高。
另外，本实施例的电化学式氢泵100通过选择SUS316或SUS316L作为第1端板15A及第1端板16A的材料，与选择SUH660的情况相比，能够在抑制第1端板15A及第1端板16A的成本上升的同时，使耐氢脆性提高。
本实施例的电化学式氢泵100除了上述特征以外，可以与第1实施方式的电化学式氢泵100是同样的。
(第2实施例)
第2实施例的电化学式氢泵100除了以下说明的第2端板15B及第2端板16B的材料以外，与第1实施方式的电化学式氢泵100是同样的。
由于在第2端板15B及第2端板16B没有设置供包括由阴极CA压缩后的氢的阴极气体流通的阴极气体流路，所以作为第2端板15B及第2端板16B的材料，优选包含铬钼钢。
通过以上，本实施例的电化学式氢泵100通过选择与SUS316L相比耐氢脆性低但与SUS316L相比廉价且刚性高的铬钼钢作为第2端板15B及第2端板16B的材料，与选择SUS316L的情况相比，能够在抑制第2端板15B及第2端板16B的成本上升的同时使刚性提高。
本实施例的电化学式氢泵100除了上述特征以外，可以与第1实施方式或第1实施方式的第1实施例的电化学式氢泵100是同样的。
(第2实施方式)
图2是示出第2实施方式的电化学式氢泵的一例的图。
第1实施方式的电化学式氢泵100构成为紧固连结器17的螺栓贯通第1端板15A及第1端板16A及第2端板15B及第2端板16B双方，但本实施方式的电化学式氢泵100，如图2所示，构成为该螺栓仅贯通第2端板15B及第2端板16B。
也就是说，在本实施方式的电化学式氢泵100中，第1端板115A及第1端板116A的外形以不与紧固连结器17的螺栓抵碰的方式比第2端板15B及第2端板16B的外形小。
通过以上，本实施方式的电化学式氢泵100通过第1端板115A及第1端板116A的小型化，能够降低第1端板115A及第1端板116A的制造成本。另外，通过第1端板115A及第1端板116A的小型化，电化学式氢泵100的层叠结构体的热容变小，因此能够削减层叠结构体的升温、温度维持所需的能量。这意味着：在起动层叠结构体时需要升温的情况下，能够缩短电化学式氢泵100的起动时间。
此外，在假设因第1端板115A及第1端板116A的小型化而它们的刚性变低的情况下，例如，能够通过增加与第1端板115A及第1端板116A相比刚性高的第2端板15B及第2端板16B的厚度来应对。在该情况下，通过例如使用廉价的铬钼钢作为第2端板15B及第2端板16B的材料，能够抑制第2端板15B及第2端板16B的材料成本的上升。
本实施方式的电化学式氢泵100除了上述特征以外，可以与第1实施方式及第1实施方式的第1实施例～第2实施例中的任一电化学式氢泵100是同样的。
(第3实施方式)
图3是示出第3实施方式的电化学式氢泵的一例的图。
本实施方式的电化学式氢泵100除了以下说明的端板的结构以外，与第1实施方式的电化学式氢泵100是同样的。
在图3所示的例子中，端板215的第1部分215A由在俯视下包围电化学单电池10的阴极CA且与绝缘板13抵接的环状体构成。端板215的第2部分215B具备：以在俯视下从外侧覆盖第1部分215A的方式与第1部分215A抵接的平板部和以堵住第1部分215A的开口的方式装配于开口内且与绝缘板13抵接的突出部。也就是说，端板215通过组合第1部分215A和第2部分215B而形成为平板状。并且，如图3所示，紧固连结器17的螺栓在第1部分215A及第2部分215B层叠的部位处贯通。
端板216的第1部分216A由在俯视下包围电化学单电池10的阳极AN且与绝缘板14抵接的环状体构成。端板216的第2部分216B具备以在俯视下从外侧覆盖第1部分216A的方式与第1部分216A抵接的平板部和以堵住第1部分216A的开口的方式装配于开口内且与绝缘板14抵接的突出部。也就是说，端板216通过组合第1部分216A和第2部分216B而形成为平板状。并且，如图3所示，紧固连结器17的螺栓在第1部分216A及第2部分216B层叠的部位处贯通。
而且，端板215的第1部分215A及端板216的第1部分216A分别与端板215的第2部分215B及端板216的第2部分216B的各个相比，耐氢脆性高。端板215的第2部分215B及端板216的第2部分216B分别与端板215的第1部分215A及端板216的第1部分216A的各个相比，刚性高。
在此，如图3所示，在阴极气体流路40没有设置于端板215的第2部分215B且设置于端板215的第1部分215A的情况下，端板215的第1部分215A对应于“包括阴极气体流路40的外周面40S的第1区域”。此外，阴极气体流路40的外周面40S在阴极气体流路40如图3所示那样是贯通孔的情况下，是指构成该贯通孔的孔表面。另外，端板215的第2部分215B对应于“与第1区域不同的第2区域”。
此外，在端板215中，第1部分215A和第2部分215B没有被接合，但也可以通过焊接、扩散接合等被接合而一体地构成。同样，在端板216中，第1部分216A和第2部分216B没有被接合，但也可以通过焊接、扩散接合等被接合而一体地构成。
本实施方式的电化学式氢泵100所起到的作用效果能够通过参照第1实施方式的电化学式氢泵100所起到的作用效果而容易地理解，因此省略说明。
本实施方式的电化学式氢泵100除了上述特征以外，可以与第1实施方式、第1实施方式的第1实施例～第2实施例及第2实施方式中的任一电化学式氢泵100是同样的。
此外，第1实施方式、第1实施方式的第1实施例～第2实施例、第2实施方式及第3实施方式只要不互相排除对方，就也可以互相组合。
另外，根据上述说明，对于本领域技术人员来说，本公开的很多改良及其它的实施方式是显而易见的。因此，上述说明应该仅作为例示来解释，以将执行本公开的最佳的方案向本领域技术人员教导的目的而被提供。能够不脱离本公开的精神地实质上变更其构造和/或功能的详情。例如，电化学式氢泵100的端板也能够应用于水电解装置等其它的压缩装置。
产业上的可利用性
本公开的一方案能够利用于用于从两侧保持层叠电化学单电池而形成的电池组的端板的特性能够比以往提高的压缩装置。
标号说明
10：电化学单电池
11：供电板
12：供电板
13：绝缘板
14：绝缘板
15A：第1端板
15B：第2端板
16A：第1端板
16B：第2端板
17：紧固连结器
21：电解质膜
22：阴极供电体
23：阴极催化剂层
24：阳极催化剂层
25：阳极供电体
26：阳极分隔件
27：阴极分隔件
28：绝缘体
30：阳极气体导入歧管
31：阳极气体导出歧管
32：阳极气体导入路径
32A：第1联络路
32B：第2联络路
33：阳极气体导出路径
34：阴极气体导出路径
35：阳极气体流路
40：阴极气体流路
40S：外周面
41：阳极气体供给流路
42：阳极气体排出流路
45：O型圈
50：电压施加器
60：热介质流路
100：电化学式氢泵
115A：第1端板
116A：第1端板
215：端板
215A：第1部分
215B：第2部分
216：端板
216A：第1部分
216B：第2部分
AN：阳极
CA：阴极

Claims (9)

1.一种压缩装置，具备：
电池组，将多个用阳极和阴极夹持电解质膜而形成的电化学单电池层叠而形成；
一对绝缘板，设置于所述电池组的层叠方向上的两端；
一对端板，设置于所述一对绝缘板各自的外侧；以及
电压施加器，向所述阳极与所述阴极之间施加电压，
通过利用所述电压施加器施加电压，使从供给到所述阳极的阳极流体取出的质子向所述阴极移动，生成被压缩了的氢，
在所述一对端板的至少一方设置有供包含被压缩了的氢的阴极气体流通的阴极气体流路，
设置有所述阴极气体流路的端板的包括所述阴极气体流路的外周面的第1区域由第1钢材构成，该端板的与所述第1区域不同的第2区域由第2钢材构成，
所述第1钢材的耐氢脆性比所述第2钢材高，所述第2钢材的刚性比所述第1钢材高。
2.根据权利要求1所述的压缩装置，
设置有所述阴极气体流路的端板具备设置有所述阴极气体流路的第1端板和设置于所述第1端板的外侧的第2端板，所述第1端板由所述第1钢材构成，所述第2端板由所述第2钢材构成。
3.根据权利要求1或2所述的压缩装置，
所述第1钢材的镍当量满足26.3质量％以上。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的压缩装置，
所述第1钢材包括SUS316或者SUS316L。
5.根据权利要求1～3中任一项所述的压缩装置，
所述第1钢材包括4401-316-00-I或4436-316-00-I、或者4404-316-03-I、4432-316-03-I或4436-316-91-I。
6.根据权利要求1～3中任一项所述的压缩装置，
所述第1钢材包括1.4401或1.4436、或者1.4404、1.4432或1.4435。
7.根据权利要求1～3中任一项所述的压缩装置，
所述第1钢材包括S31600或者S31603。
8.根据权利要求1～3中任一项所述的压缩装置，
所述第1钢材包括S31608或者S31603。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的压缩装置，
所述第2钢材包括铬钼钢。
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