JP7193569B2 - 電気化学式水素ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、水素イオン伝導性を有する電解質膜を利用した電気化学式水素ポンプに関する。

水素イオン伝導性を有する電解質膜の両面に触媒層及び電極を設けた電気化学セルは、燃料電池や、水電解装置や、電気化学式水素ポンプ等に用いられている。例えば、電気化学式水素ポンプは、水電解装置と同様な構成であり、１段のみで燃料電池電気自動車等に必要な高圧水素を生み出すことができる。電気化学式水素ポンプは、機械式水素圧縮機に比べて小型で作動音が小さいといった利点がある。

電気化学式水素ポンプにおいて、電解質膜の触媒層には給電体が接合されており、電解質膜は給電体によって挟持されて電解質膜・電極構造体が構成される。給電体には、例えば撥水処理を行ったカーボン繊維層や金属メッシュの積層体等の導電性を有する多孔質の材料が用いられる（特許文献１）。また、電気化学式水素ポンプでは、電解質膜に差圧が作用するため、アノード側の給電体に隣接してセパレータ等の支持部材が配置される。

特開２０２０－０２００３７号公報

電気化学式水素ポンプにおいて、電解質膜は、抵抗の増大を防ぐためにある程度の水分が含まれている必要がある。そのため、電気化学セルに供給するアノードガス（例えば、水素ガス）には、事前にバブラー等で水分（水蒸気）が添加されている。

ところが、電気化学水素ポンプの運転条件やレイアウト条件によっては、温度が所定温度以上となり、電解質膜が乾燥傾向となる場合がある。その結果、電解質膜の抵抗値が増大して、両極間の電位差が上昇しすぎるのを防止するため、電気化学セルで処理する水素の量が制約されてしまうという問題がある。

電解質膜への水分の供給量を増大させるべく、給電体の素材を変えることが考えられるが、差圧が作用した条件の下で、給電体と支持部材との摩擦抵抗が増大する場合があり、摩耗によって生じた破片により給電体の通気孔が閉塞するという問題が生じる。

そこで、一実施形態は、電解質膜の乾燥を防ぎつつ、給電体の通気孔の閉塞を防止できる電気化学式水素ポンプを提供することを目的とする。

以下に開示の一観点は、水素イオン伝導性を有する電解質膜と、前記電解質膜の一方の主面側に積層されたアノード給電体と、前記アノード給電体に対向配置される支持部材と、前記電解質膜の他方の主面側に積層されたカソード給電体と、を有する単位セルを備え、前記アノード給電体は、複数の通気孔を有する親水性の導電性材料によって形成されると共に、前記支持部材と対向する面に撥水処理が施されており、前記アノード給電体には、前記電解質膜から離れた側の主面から前記電解質膜に近接した側の主面に連通する前記通気孔が設けられ、前記通気孔の断面積は、前記電解質膜に近接するにしたがって徐々に増大する、電気化学式水素ポンプにある。

上記観点の電気化学式水素ポンプによれば、アノード給電体を親水性としているため、電解質膜の乾燥を防ぐことができる。また、アノード給電体が支持部材側に押圧されたとしても、撥水処理された部分が支持部材に対して容易に滑ることができるため、相互の摩耗を防いでアノード給電体の閉塞を防止できる。

実施形態に係る電気化学式水素ポンプを含む水素圧縮機の構成を示す概略図である。 図１の電気化学式水素ポンプの断面図である。 図２の湿潤領域に配置される単位セルの構成を示す断面図である。 図２の乾燥領域に配置される単位セルの構成を示す断面図である。

以下、電気化学式水素ポンプについて好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

本実施形態に係る水素圧縮機１０は、図１に示すように、水素供給部１２と、電気化学式水素ポンプ１４と、電源装置１６とを有する。水素供給部１２は、電気化学式水素ポンプ１４に水素ガスを供給する部分であり、水素供給源１８と電気化学式水素ポンプ１４の導入ポート２０とを結ぶ水素ガス導入路２２を有している。水素ガス導入路２２の途上には、バブラー２４が設けられている。バブラー２４は、水を貯留した容器内に水素ガスを気泡として通過させることで、水素ガスに水蒸気を含有させる。水素ガス中の水蒸気の含有量は、容器内部の水温によって調整を行う。

電気化学式水素ポンプ１４は、導入ポート２０と、排出ポート２６と、高圧水素ポート２８とを有する。導入ポート２０は、水素ガス導入路２２を通じて水素供給部１２の水素ガスが導入される。電解質膜５８（図３参照）で高圧側に輸送されなかった水素ガスが集められて排出される。電気化学式水素ポンプ１４の排出ポート２６は、循環流路３０を介して、バブラー２４に接続されている。

高圧水素ポート２８は、後述する単位セル４６のカソード側に連通しており、高圧に圧縮された水素ガスが流出する。

電源装置１６は、電気化学式水素ポンプ１４の各単位セル４６に駆動電力を供給することで、高圧水素ガスを発生させる。本実施形態の水素圧縮機１０は、概略以上のように構成される。以下、電気化学式水素ポンプ１４の構成について説明する。

図２に示すように、電気化学式水素ポンプ１４は、複数の単位セル４６が厚さ方向に積層してなるセル積層体３２を備える。セル積層体３２の積層方向の一端には第１端板３４が配置され、セル積層体３２の積層方向の他端には第２端板３６が配置されている。セル積層体３２は、第１端板３４と第２端板３６とにより挟持され、所定の締め付け荷重が付与される。

第１端板３４及び第２端板３６は、セル積層体３２より大きな平面形状に形成されている。第１端板３４の外周部と第２端板３６との外周部とを架け渡すように、側部３８が設けられている。側部３８は、セル積層体３２の外周部を囲み、セル積層体３２が配置された内部空間３８ａを気密に仕切る。側部３８には、導入ポート２０が設けられる。また、側部３８の導入ポート２０と対向する部分には、排出ポート２６が設けられている。

内部空間３８ａにおいて、導入ポート２０に隣接する部分には、複数の単位セル４６のアノード側に連通する分配流路４０が設けられている。分配流路４０は、図の矢印に示すように、導入ポート２０から導入された水素ガスを分配し、各単位セル４６のアノード側に供給する。

また、内部空間３８ａにおいて、排出ポート２６に隣接する部分には複数の単位セル４６のアノード側に連通する集合流路４２が設けられている。集合流路４２では、矢印に示すように各単位セル４６で消費されなかった余分な水素ガスが合流し、排出ポート２６から排出される。

セル積層体３２の中央部には、各単位セル４６を厚さ方向に貫通した連通孔４４が形成されている。連通孔４４は、各単位セル４６のカソード側に連通する。連通孔４４は、高圧水素ポート２８に接続されており、各単位セル４６のカソード側と高圧水素ポート２８とを連通させる。各単位セル４６で圧縮された高圧水素ガスは、連通孔４４を通じて高圧水素ポート２８に導かれる。

上記のセル積層体３２において、水素ガスの圧縮動作に伴って各単位セル４６から熱が発生する。各単位セル４６の熱は、主に第１端板３４と第２端板３６側から排熱される。そのため、第１端板３４及び第２端板３６に隣接する単位セル４６ｂでは、運転時の温度が比較的低くなり、積層方向の中央付近の単位セル４６ａ、４６ｃでは、運転中の温度が相対的に高くなる。

また、分配流路４０で加湿された水素ガスが分配される際の流量分配により、導入ポート２０に対向する部分の単位セル４６ａ及び比較的低温な単位セル４６ｂにおいて、十分な量の水分が確保される一方で、中央付近の単位セル４６ｃで水分が不足する傾向がある。

そこで、本実施形態では、以下に説明するように、セル積層体３２の単位セル４６ａ、４６ｂは、凝縮水の排水性に優れた第１セル構造４８（図３参照）とし、乾燥しやすい単位セル４６ｃは水分供給能力を高めた第２セル構造５０（図４参照）としている。

図３に示すように、第１セル構造４８は、電解質膜・電極構造体（以下、「ＭＥＡ５６」という。）と、アノードセパレータ５２と、カソードセパレータ５４と、流路部材５５（支持部材）とを備える。ＭＥＡ５６は、アノードセパレータ５２及びカソードセパレータ５４により挟持される。アノードセパレータ５２及びカソードセパレータ５４は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、或いはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属薄板の断面を波形にプレス成形して構成される。

ＭＥＡ５６は、電解質膜５８と、電解質膜５８の一方の面に設けられたアノード電極６０と、電解質膜５８の他方の面に設けられたカソード電極６２とを有する。電解質膜５８は、例えば、固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜）であり、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜よりなる。電解質膜５８は、そのアノード側が繊維状の骨格を含む保護シート（図示せず）で補強されてもよい。また、電解質膜５８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。電解質膜５８は、アノード電極６０及びカソード電極６２に挟持される。

詳細は図示しないが、アノード電極６０は、電解質膜５８の一方の面に接合されるアノード触媒層を有する。アノード触媒層は、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。アノード触媒層の上にはアノード給電体６４が積層される。

アノード給電体６４は、金属やカーボン等の導電性を有する材料によって形成された板状の部材でありＭＥＡ５６のアノード触媒層に当接してＭＥＡ５６に電流を供給する。アノード給電体６４は、アノード触媒層に、水素ガスを供給するガス拡散層を兼ねており、複数の通気孔６８を有している。なお、アノード給電体６４の通気孔６８は、多孔質又は多層メッシュ構造等の水素ガスを厚さ方向に流通させる流路構造で構成される。

アノード給電体６４は、異なる径の通気孔６８が形成された複数の金属メッシュを複数重ねて積層したものであってもよい。すなわち、通気孔６８は必ずしも１本で厚さ方向に貫通するものに限定されず、複数の孔が厚さ方向に連通して構成されてもよい。この場合、図中の通気孔６８の径の変化は、厚さ方向に存在する各層の孔のサイズを反映している。アノード給電体６４は、例えば、メッシュ径の異なる金属メッシュで構成してもよく、又は直径の異なる炭素繊維シートを積層して構成してもよい。

また、通気孔６８は、電解質膜５８から離れた側の主面から電解質膜５８に近接した側の主面に貫通しした孔として設けられてもよい。この場合には、通気孔６８の断面積は、電解質膜５８に近接した側の主面に接近するにしたがって徐々に増大する。通気孔６８を含むアノード給電体６４の表面は、厚さ方向の全域に亘って撥水加工が施されており、撥水剤で覆われている。

カソード電極６２は、電解質膜５８の他方の面に接合されるカソード触媒層を有する。カソード触媒層の上にはカソード給電体６６が積層される。カソード給電体６６は、例えば、メッシュ径の異なる複数の金属メッシュを積層して構成される。カソード給電体６６を構成する各金属メッシュの孔のサイズ（メッシュ径）は、ＭＥＡ５６に接近する層ほど細かくなる。

ＭＥＡ５６とカソードセパレータ５４との間には、カソード電極６２を通じて圧縮された水素ガスが流れる高圧水素排出流路７０が設けられている。高圧水素排出流路７０は、図２のセル積層体３２を厚さ方向に貫通する連通孔４４に連通する。

図３に示すように、ＭＥＡ５６とアノードセパレータ５２との間には、ＭＥＡ５６を支持する流路部材５５が配置される。流路部材５５は、アノードセパレータ５２側に形成された流路溝７２が形成されている。流路溝７２は、流路幅方向に間隔を開けて複数設けられている。導入ポート２０から流入した水素ガスは、流路溝７２を通じてＭＥＡ５６に供給される。

流路溝７２は、図の紙面に垂直な方向に延びている。流路溝７２の幅方向側には凸部７４が形成されている。凸部７４はアノードセパレータ５２に当接して、ＭＥＡ５６を支持する。流路溝７２の図の紙面手前側の端部は、分配流路４０に連通する。また、流路溝７２の図の紙面奥側の端部は、集合流路４２に連通する。流路溝７２には、図の紙面手前側から紙面奥側に向かう向きで水素ガスが流通する。

流路部材５５の流路溝７２の奥部７２ｃには、貫通孔７６の一端が開口している。貫通孔７６は、流路部材５５を厚さ方向に貫通し、貫通孔７６の他端は流路部材５５のＭＥＡ５６側の面に開口する。貫通孔７６の他端は、アノード給電体６４の通気孔６８に接続され、流路溝７２と通気孔６８とを連通させる。貫通孔７６は、流路溝７２の延在方向（図の紙面奥行き方向）に間隔を開けて複数配置されている。

第１セル構造４８は以上のように構成される。次に、第２セル構造５０について図４を参照しつつ説明する。なお、第２セル構造５０の構成において図３の第１セル構造４８と同様の構成には、同一符号を付してその詳細な説明は省略する。

図４に示すように、第２セル構造５０は、ＭＥＡ５６Ａと、アノードセパレータ５２と、カソードセパレータ５４と、流路部材５５をと備える。ＭＥＡ５６Ａは、電解質膜５８と、電解質膜５８の一方の面に設けられたアノード電極６０Ａと、電解質膜５８の他方の面に設けられたカソード電極６２とを有する。すなわち、第２セル構造５０において、アノード電極６０Ａ以外の構成は第１セル構造４８と同様であるので説明を省略する。

アノード電極６０Ａは、図示しないアノード触媒層と、アノード触媒層の上に積層されたアノード給電体６４Ａを備える。アノード触媒層は、電解質膜５８の一方の面に接合された触媒層であり、第１セル構造４８のアノード触媒層と同じである。アノード給電体６４Ａは、アノード触媒層の上に積層される。

本実施形態のアノード給電体６４Ａは、複数の通気孔７８を有する導電性材料によって形成されると共に、電解質膜５８から離れた側の主面６４ａにのみ撥水処理が施されている。アノード給電体６４Ａは、電解質膜５８に近接した側に設けられた内側給電体８０と、電解質膜５８から離れた側に設けられた外側給電体８２と、を有している。

内側給電体８０は、金属やカーボン等の導電性を有する親水性材料によって形成された板状の部材でありＭＥＡ５６Ａのアノード触媒層に当接している。ここで、親水性材料とは、静止した水をその材料の表面に接触させた際に、水の自由表面と材料の表面とのなす角（接触角）が９０°以下となる材料である。内側給電体８０は、撥水加工が施されておらず、第１セル構造４８のアノード給電体６４よりも、通気孔７８の内部に水分を保持しやすい。内側給電体８０（図４参照）の部分を貫通する通気孔７８ａの内径は、外側給電体８２を貫通する部分の通気孔７８ｂの内径よりも大きなサイズに形成されている。

外側給電体８２は、金属やカーボン等の導電性を有する材料によって形成された板状の部材であり、内側給電体８０の上（外側）に積層されている。外側給電体８２は、撥水加工が行われている。そのため、外側給電体８２を貫通する通気孔７８ｂの内表面は、撥水層で覆われている。なお、外側給電体８２の通気孔７８ｂと内側給電体８０を貫通する通気孔７８ａとは、繋がって形成されている。内側給電体８０の通気孔７８ａの内径は、外側給電体８２の通気孔７８ｂの内径よりも大きい。

第２セル構造５０は以上のように構成され、以下、実施形態に係る電気化学式水素ポンプ１４の作用について説明する。

図１に示すように、電気化学式水素ポンプ１４には、バブラー２４を通じて加湿された水素ガスが供給される。図２に示すように、導入ポート２０から水素ガスが流入し、分配流路４０で分配されて各単位セル４６に供給される。

図３に示す第１セル構造４８の単位セル４６ａ、４６ｂでは、水素ガスは、流路部材５５の流路溝７２を流れて供給される。流路溝７２を流れる水素ガスの一部は、貫通孔７６を通じてアノード給電体６４に供給される。水素ガスは、アノード給電体６４の通気孔６８を通じてアノード触媒層に供給されて触媒反応によりプロトン（Ｈ⁺イオン）に変換され、プロトンは電圧の作用下に電解質膜５８の内部をカソード電極６２側に輸送される。プロトンは、カソード触媒層において電気化学反応により水素ガス（高圧）に変換される。その結果、カソード電極６２からは、圧縮された水素ガスが放出される。高圧の水素ガスは、高圧水素排出流路７０を通じて、図２の連通孔４４に集められ、高圧水素ポート２８から排出される。

水素ガスに含まれる水蒸気の一部は、電解質膜５８の加湿に用いられる。電解質膜５８の余剰な水分は、圧力勾配によってアノード電極６０側に戻り、アノード電極６０側に結露水が生じる。結露水は撥水処理が施されたアノード給電体６４によってスムーズに排出され、流路部材５５の流路溝７２を流れる水素ガスと共に排出される。

一方、単位セル４６のうち、第２セル構造５０を有する単位セル４６ｃでは、図４に示す流路溝７２を通じて水素ガスが供給される。第２セル構造５０のアノード給電体６４Ａは、内側給電体８０が親水性となっている。そのため、水分を保持する能力が高く、電解質膜５８の乾燥を防止できる。また、アノード給電体６４Ａに形成された通気孔７８は、電解質膜５８に接近するにしたがってその断面積が増大する形状に形成されている。これにより、通気孔７８に負圧が発生し、より効果的に水蒸気（水分）をアノード触媒層の近傍に供給できる。

外側給電体８２は、内側給電体８０と流路部材５５との間に配置されている。カソード側とアノード側との差圧によってＭＥＡ５６Ａがアノード側に付勢され、それに伴って外側給電体８２が流路部材５５に向けて押圧される。外側給電体８２は、撥水処理が施されており、潤滑性に優れる撥水層で覆われている。そのため、外側給電体８２と流路部材５５とは相対的に滑りやすくなっている。この状態で、外側給電体８２と流路部材５５とは、部材の熱膨張や、圧力変動に伴う双方向の変形や、外部からの振動により互いに摺動する。外側給電体８２と流路部材５５との相互の摩耗が撥水層によって抑制されるため、摩耗による破片を生じにくく、その結果、通気孔７８ｂの閉塞が防止される。このように、第２セル構造５０においては、電解質膜５８の乾燥を防ぐことができる、かつ通気孔７８ｂの閉塞を防ぐことで水素ガスの処理量を維持できる。

本実施形態の電気化学式水素ポンプ１４は、以下の効果を奏する。

本実施形態の電気化学式水素ポンプ１４は、水素イオン伝導性を有する電解質膜５８と、電解質膜５８の一方の主面側に積層されたアノード給電体６４、６４Ａと、アノード給電体６４、６４Ａに対向配置される支持部材（例えば、流路部材５５又はアノードセパレータ５２）と、電解質膜５８の他方の主面側に積層されたカソード給電体６６と、を有する単位セル４６を備え、アノード給電体６４Ａは、複数の通気孔７８を有する親水性の導電性材料によって形成されると共に、支持部材と対向する面に撥水処理が施されている。

上記の構成によれば、電解質膜５８に十分な量の水分を供給できる。また、アノード給電体６４Ａが支持部材側に押圧されたとしても、撥水処理された部分で支持部材に対して相対的に滑らせることができるため、相互の摩耗を防ぐことができ、アノード給電体６４Ａの通気孔７８ｂの閉塞を防止できる。

上記の電気化学式水素ポンプ１４において、アノード給電体６４Ａには、電解質膜５８から離れた側の主面から電解質膜５８に近接した側の主面に貫通する通気孔７８が設けられ、通気孔７８の断面積は、電解質膜５８に近接するにしたがって徐々に増大してもよい。この構成によれば、通気孔７８の内部に負圧が発生するため、より効率的に水蒸気を電解質膜５８に供給できる。

上記の電気化学式水素ポンプ１４において、アノード給電体６４Ａは、電解質膜５８に近接した側に設けられた親水性の内側給電体８０と、電解質膜５８から離れた側に設けられた外側給電体８２と、を有し、外側給電体８２に撥水処理が施されてもよい。この構成によれば、簡単な構造で電解質膜５８から離れた側の主面にのみ撥水処理が施されたアノード給電体６４Ａを構成できる。

上記の電気化学式水素ポンプ１４において、内側給電体８０の通気孔７８ａは外側給電体８２の通気孔７８ｂよりも大きくてもよい。

上記の電気化学式水素ポンプ１４においてアノード給電体６４の全域に撥水処理を施してなる第１セル構造４８の単位セル４６ａ、４６ｂと、アノード給電体６４Ａの電解質膜５８から離れた側の主面側に撥水処理が施された第２セル構造５０の単位セル４６ｃとが厚さ方向に複数積層されたセル積層体３２を有し、第２セル構造５０の単位セル４６ｃは、セル積層体３２の積層方向の端部から離間した位置に配置されてもよい。

この構成の電気化学式水素ポンプ１４によれば、高温になり乾燥しやすい電解質膜５８に対して十分な量の水分を供給することができ、電解質膜５８の乾燥を防ぐことでき、水素ガスの処理量を維持できる。

上記において、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の改変が可能なことは言うまでもない。

１４…電気化学式水素ポンプ ３２…セル積層体
４６、４６ａ、４６ｂ、４６ｃ…単位セル ４８…第１セル構造
５０…第２セル構造 ５８…電解質膜
６４、６４Ａ…アノード給電体 ６６…カソード給電体
６８、７８、７８ａ、７８ｂ…通気孔 ７６…貫通孔
８０…内側給電体 ８２…外側給電体

Claims (4)

1. 水素イオン伝導性を有する電解質膜と、
   前記電解質膜の一方の主面側に積層されたアノード給電体と、
   前記アノード給電体に対向配置される支持部材と、
   前記電解質膜の他方の主面側に積層されたカソード給電体と、
   を有する単位セルを備え、
   前記アノード給電体は、複数の通気孔を有する親水性の導電性材料によって形成されると共に、前記支持部材と対向する面に撥水処理が施されており、
   前記アノード給電体には、前記電解質膜から離れた側の主面から前記電解質膜に近接した側の主面に連通する前記通気孔が設けられ、
   前記通気孔の断面積は、前記電解質膜に近接するにしたがって徐々に増大する、
   電気化学式水素ポンプ。
2. 請求項１記載の電気化学式水素ポンプであって、
   前記アノード給電体は、前記電解質膜に近接した側に設けられた親水性の内側給電体と、前記電解質膜から離れた側に設けられた外側給電体と、を有し、
   前記外側給電体に撥水処理が施されている、電気化学式水素ポンプ。
3. 請求項２記載の電気化学式水素ポンプであって、
   前記内側給電体の前記通気孔は、前記外側給電体の前記通気孔よりも大きい、電気化学式水素ポンプ。
4. 請求項１～３のいずれか１項に記載の電気化学式水素ポンプであって、
   前記アノード給電体の全域に撥水処理を施してなる第１セル構造の単位セルと、前記アノード給電体の前記電解質膜から離れた側の主面側に撥水処理が施された第２セル構造の単位セルと、が厚さ方向に複数積層されたセル積層体を有し、
   前記第２セル構造の単位セルは、前記セル積層体の積層方向の端部から離間した位置に配置されている、電気化学式水素ポンプ。

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