JP7735341B2 - 電気化学モジュール - Google Patents

Description

本発明は、電解質膜を複数積層した電気化学モジュールに関する。

近年、より多くの人々に、手ごろで、信頼でき、持続可能かつ先進的なエネルギーを届けるべく、エネルギー利用の効率化に貢献する電気化学モジュールに関する研究開発が行われている。

このような電気化学モジュールとして、例えば、差圧式高圧水電解装置や電気化学式水素ポンプ等がある。これらの電気化学モジュールは、電解質膜を含む単位セルを複数積層した構造を有する（例えば、特許文献１）。各々の単位セルは、電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟んだ膜電極構造体と、アノード電極及びカソード電極の各々にガスや水等の流体を供給する流路と、流路を形成する一対のセパレータ板と、を有する。

特開２０１６－８９２２９号公報

電気化学モジュールにおいて、電気化学反応による処理量を増加させる場合には、単位セルの積層数を増加させる必要がある。ところが、単位セルの積層数を増加させると、電気化学モジュールが単位セルの積層方向に大型化してしまう。

本発明は、上述の課題を解決することを目的とする。

以下の開示の一観点は、電解質膜と前記電解質膜を挟むアノード電極とカソード電極とを有する膜電極構造体を複数積層した電気化学モジュールであって、複数の前記膜電極構造体は、前記アノード電極同士が向かい合う第１領域と、前記カソード電極同士が向かい合う第２領域とが積層方向に交互に現れるように積層され、前記第１領域と前記第２領域の少なくとも一方に、隣接する２つの前記膜電極構造体に共有される共通流路を備えた、電気化学モジュールにある。

上述の電気化学モジュールは、電気化学反応の処理量を増加させつつ、積層方向の寸法増加を抑制できる。

図１は、実施形態に係る水素ポンプの斜視図である。 図２は、図１の水素ポンプの分解斜視図である。 図３は、図１の電気化学モジュールの断面図である。

図１に示される実施形態に係る水素ポンプ１０は、電気化学反応により水素を昇圧する電気化学式水素ポンプである。水素ポンプ１０は、余剰な電力で製造した水素を圧縮して貯蔵するエネルギー貯蔵システムや、移動体に水素を供給する水素ステーション等に利用される。

図２に示されるように、水素ポンプ１０は、電気化学モジュール１２と、一対の絶縁プレート１４と、シリンダユニット１６と、一対のエンドプレート１８と、スタットボルト２０と、を有する。電気化学モジュール１２は、複数の単位構造２２を積層した構造を有する。本明細書において、電気化学モジュール１２の単位構造２２が積層される方向（膜電極構造体３４の厚さ方向）は、積層方向と呼ばれる。また、積層方向において、一方の方向（図１の下方）は第１方向と呼ばれ、第１方向と反対の方向は第２方向と呼ばれる。

電気化学モジュール１２は、一対の絶縁プレート１４で挟まれてエンドプレート１８から絶縁される。シリンダユニット１６は、一方のエンドプレート１８と、絶縁プレート１４との間に配置される。シリンダユニット１６は、弾性部材を内蔵し、電気化学モジュール１２に所定の圧縮力を付与する。

一対のエンドプレート１８は、電気化学モジュール１２及びシリンダユニット１６を積層方向の第１方向と第２方向とから挟み込み、電気化学モジュール１２に所定の締結荷重を付与する。エンドプレート１８の締結荷重は、複数のスタットボルト２０を一対のエンドプレート１８に取り付け、ナット２４で締め込むことで発生される。

電気化学モジュール１２は、円柱形状を有する。電気化学モジュール１２は、中心部に積層方向に延びる第１連通孔２６を有する。第１連通孔２６は電気化学反応で電解質膜３４ａから出力される水素の流路となる（図３参照）。第１連通孔２６は、絶縁プレート１４、シリンダユニット１６及びエンドプレート１８の各々の中心部に設けられた、第１連通孔２８に連通する。

電気化学モジュール１２は、その側部に冷媒を供給する一対の冷媒給排部３０と、低圧の水素ガスを供給する一対の水素給排部３２とを有する。図２に示されるように、一対の冷媒給排部３０は、周方向に１８０°離れて配置される。一方の冷媒給排部３０は、冷媒を供給する第２連通孔３０ａを有し、他方の冷媒給排部３０は冷媒を排出する第３連通孔３０ｂを有する。また、一対の水素給排部３２は、周方向に１８０°離れて配置される。水素給排部３２は、冷媒給排部３０と周方向に９０°離れた位置に配置される。一方の水素給排部３２は、水素を供給する第４連通孔３２ａを有し、他方の水素給排部３２は水素を排出する第５連通孔３２ｂを有する。一対の水素給排部３２を結ぶ方向は、第３方向と呼ばれ、一対の冷媒給排部３０を結ぶ方向は第４方向と呼ばれる。この第３方向と第４方向とは直交する。

電気化学モジュール１２は、複数の単位構造２２を積層して構成される。なお、本明細書では、単位構造２２は、積層方向に繰り返される構造の最小単位を指す用語として使用される。本実施形態では、後述されるように、１つの単位構造２２に２層の電解質膜３４ａが含まれる。また、電気化学モジュール１２を構成する単位構造２２の積層数は、図示の例に限定されない。実用的な処理量を実現する電気化学モジュール１２は、数層～数百層の単位構造２２を含み得る。以下、電気化学モジュール１２及び単位構造２２の詳細が説明される。

図３に示される電気化学モジュール１２では、２つの単位構造２２が積層されている。各々の単位構造２２は、第１膜電極構造体３４１と、第２膜電極構造体３４２と、第１サポートプレート３６１と、第２サポートプレート３６２と、導電プレート３８と、スペーサ４０と、パッキン４２と、耐圧胴部４４と、を主な構成部材として有する。第１膜電極構造体３４１と第２膜電極構造体３４２とは、膜電極構造体３４と総称される。

膜電極構造体３４は、電解質膜３４ａと、アノード電極３４ｂとカソード電極３４ｃと、樹脂枠３４ｄとを備える。電解質膜３４ａ、アノード電極３４ｂ及びカソード電極３４ｃは、電気化学反が行われる反応領域３５Ａに位置し、樹脂枠３４ｄは、反応領域３５Ａを取り囲む周辺領域３５Ｂに位置する。アノード電極３４ｂは供給された水素ガスからＨ^＋イオン（プロトン）を生成する。電解質膜３４ａは、アノード電極３４ｂのプロトンをカソード電極３４ｃに移動させる。カソード電極３４ｃは、プロトンから水素ガスを生成する。膜電極構造体３４は、アノード電極３４ｂと、カソード電極３４ｃとの間に電圧が印加されることで、アノード電極３４ｂからカソード電極３４ｃに水素ガスを移動させる。

樹脂枠３４ｄは、電解質膜３４ａに接合されて電解質膜３４ａを支持する円形リング状の樹脂部材である。樹脂枠３４ｄは、膜電極構造体３４の周辺領域３５Ｂに位置し、電解質膜３４ａ（反応領域３５Ａ）の周囲を囲む。樹脂枠３４ｄは、パッキン４２及び耐圧胴部４４と当接して、膜電極構造体３４の隙間を封止して、水素ガスの漏洩を阻止する。

第１膜電極構造体３４１は、アノード電極３４ｂが第１方向を向き、カソード電極３４ｃが第２方向を向く向きで配置された膜電極構造体３４である。第２膜電極構造体３４２は、アノード電極３４ｂが第２方向を向き、カソード電極３４ｃが第１方向を向く向きで配置された膜電極構造体３４である。電気化学モジュール１２において、第１膜電極構造体３４１と、第２膜電極構造体３４２とは、積層方向に交互に配置される。

第１膜電極構造体３４１と、これの第２方向に隣接する第２膜電極構造体３４２との間には、カソード電極３４ｃが向き合った第１領域４６が形成される。２つの単位構造２２の接合部分に、第２領域４８が形成される。すなわち、第２領域４８は、一方の単位構造２２に属する第１膜電極構造体３４１と、他の単位構造２２に属する第２膜電極構造体３４２との間に形成される。第１領域４６と、第２領域４８とは、積層方向に交互に現れる。

第１領域４６には、一対の導電プレート３８と、スペーサ４０とが配置される。一対の導電プレート３８は、スペーサ４０を積層方向から挟み込む。一方の導電プレート３８は、第１膜電極構造体３４１のカソード電極３４ｃに当接し、他方の導電プレート３８は、第２膜電極構造体３４２のカソード電極３４ｃに当接する。導電プレート３８は、多孔質の導電材料よりなる。導電プレート３８は、第１膜電極構造体３４１及び第２膜電極構造体３４２のカソード電極３４ｃで発生した水素を透過させる。また、導電プレート３８は、カソード電極３４ｃに電流を供給する給電経路の一部を構成する。

スペーサ４０は、一対の導電プレート３８の間に位置する。スペーサ４０は、例えば、ステンレス鋼等の導電性と適度な弾性を有する金属プレートから形成される。スペーサ４０は、導電プレート３８を介して第１領域４６で向かい合う一対のカソード電極３４ｃを電気的に接続する。スペーサ４０は、平坦部４０ａと平坦部４０ａから積層方向に突出した複数の板バネ部４０ｂとを有する。平坦部４０ａが一方の導電プレート３８に当接し、板バネ部４０ｂが他方の導電プレート３８に当接することで、一対の導電プレート３８を離間させる。

スペーサ４０は、一対の導電プレート３８の間に水素ガスが流通可能なカソード共通流路５０を形成する。カソード共通流路５０は、積層方向に隣接する第１膜電極構造体３４１及び第２膜電極構造体３４２に共有される流路である。カソード共通流路５０は、一対のカソード電極３４ｃで生成された水素ガスを集めて、第１連通孔２６、２８（図２）に向けて流通させる。

第１領域４６の、周辺領域３５Ｂには、パッキン４２と、耐圧胴部４４とが配置される。パッキン４２は、耐圧胴部４４の内側に位置し、反応領域３５Ａを取り囲む円形のリング状に形成される。パッキン４２は、ゴム等の弾性材料によって形成される。パッキン４２は、第１膜電極構造体３４１の樹脂枠３４ｄと第２膜電極構造体３４２の樹脂枠３４ｄとに密着し、カソード共通流路５０を封止する。

耐圧胴部４４は、円形リング状に形成される。耐圧胴部４４の内径は、パッキン４２の外径よりも大きい。耐圧胴部４４は、カソード共通流路５０の内圧によって変形しない強度を有する。耐圧胴部４４は、パッキン４２の周囲を取り囲み、パッキン４２の膨張を阻止して、パッキン４２の気密性を保つ。

第２領域４８には、一方の単位構造２２に属する第１サポートプレート３６１と、他方の単位構造２２に属する第２サポートプレート３６２とが配置される。第２領域４８において、第１サポートプレート３６１と第２サポートプレート３６２とは、拡散接合等の方法によって接合されて一体的なサポートプレート３６を形成する。サポートプレート３６は、第１領域４６と第２領域４８のとの圧力差による膜電極構造体３４の変形応力を受け止める。また、サポートプレート３６は、第２領域４８に水素ガスが流通可能なアノード共通流路５２を形成する。

第１サポートプレート３６１と第２サポートプレート３６２とは、同一形状の部材である。第１サポートプレート３６１は、膜電極構造体３４に向かい合う外面３６ａが、第２方向側に配置される。第２サポートプレート３６２は、膜電極構造体３４に向かい合う外面３６ａが、第１方向側に配置される。すなわち、第１サポートプレート３６１と第２サポートプレート３６２とは、積層方向に互いに逆向きに配置されている。積層された単位構造２２の内部では、第１サポートプレート３６１及び第２サポートプレート３６２が互いに接合されて一体的化されたサポートプレート３６を構成する。

第１サポートプレート３６１及び第２サポートプレート３６２は、外面３６ａに、開放溝５２ａを有する。開放溝５２ａは、膜電極構造体３４の反応領域３５Ａに向かい合う部分に配置される。開放溝５２ａは、第３方向に延在する。開放溝５２ａは、膜電極構造体３４に向けて開口する。開放溝５２ａは、アノード共通流路５２の一部を構成し、第１膜電極構造体３４１及び第２膜電極構造体３４２に低圧の水素ガスを供給する。

また、第１サポートプレート３６１は、第２サポートプレート３６２に向き合う内面３６ｂに、閉鎖溝５２ｂと冷媒溝５４ａとを有する。閉鎖溝５２ｂは、膜電極構造体３４の反応領域３５Ａの外側に位置する。つまり、閉鎖溝５２ｂは、周辺領域３５Ｂに位置する。閉鎖溝５２ｂは、第１サポートプレート３６１と、第２サポートプレート３６２とが接合されると、積層方向に閉じられた流路を構成する。閉鎖溝５２ｂは、貫通孔５２ｃを介して外面３６ａの開放溝５２ａに連通する。アノード共通流路５２は、閉鎖溝５２ｂ、貫通孔５２ｃ及び開放溝５２ａとで構成される。アノード共通流路５２は、第３方向の一端が第４連通孔３２ａに連通し、第３方向の他端が第５連通孔３２ｂに連通する。アノード共通流路５２は、サポートプレート３６に隣接する２つの膜電極構造体３４に共有され、水素ガスを流通させる。

冷媒溝５４ａは、図３の紙面に垂直な方向である第４方向に延びる。冷媒溝５４ａは、第１サポートプレート３６１と第２サポートプレート３６２とが接合されると、積層方向に閉塞され、第４方向に延在する冷媒流路５４を構成する。冷媒流路５４は、冷媒として例えば水を流通させる。冷媒流路５４は、電気化学反応によって発熱した膜電極構造体３４を冷却する。

第２領域４８を挟む一対のアノード電極３４ｂは、互いに電気的に絶縁される。これらのアノード電極３４ｂの導通を阻止するべく、サポートプレート３６の少なくとも一部は、絶縁体で構成されることが好ましい。

第１方向の端部に位置する第１サポートプレート３６１と、第２方向の端部に位置する第２サポートプレート３６２とには、それぞれ端部セパレータ５６が取り付けられている。端部セパレータ５６は、第１サポートプレート３６１の内面３６ｂ及び第２サポートプレート３６２の内面３６ｂをそれぞれ覆う。端部セパレータ５６は、閉鎖溝５２ｂ及び冷媒溝５４ａを積層方向に閉塞し、水素ガス及び冷媒の漏洩を阻止する。

電気化学モジュール１２において、第１領域４６を挟む一対の膜電極構造体３４のカソード電極３４ｃが互いに電気的に接続される。また、第１領域４６を挟む膜電極構造体３４のアノード電極３４ｂが互いに電気的に接続される。すなわち、１つの単位構造２２に属するアノード電極３４ｂ同士が互いに電気的に接続され、カソード電極３４ｃ同士がスペーサ４０を介して互いに電気的に接続される。この場合、図示のように、電源装置５８は、各々の単位構造２２のアノード電極３４ｂとカソード電極３４ｃとのそれぞれに、並列に駆動電流を供給してもよい。

また、電気化学モジュール１２において、複数の単位構造２２が直列に接続されてもよい。この場合には、例えば、第１方向側に位置する単位構造２２のアノード電極３４ｂは、第２方向側に隣接する単位構造２２のカソード電極３４ｃに電気的に接続される。このような接続を全ての単位構造２２に対して行うことで、複数の単位構造２２の直列接続が実現される。

本実施形態の電気化学モジュール１２は、以上のように構成される。電気化学モジュール１２は、以下のように動作する。

電気化学モジュール１２のサポートプレート３６のアノード共通流路５２には、水素給排部３２を通じて低圧の水素ガスが供給される。水素ガスは、膜電極構造体３４のアノード電極３４ｂに供給される。

膜電極構造体３４は、電気化学的に水素ガスを高圧側のカソード共通流路５０に移動させる。膜電極構造体３４による水素ガスの移動は、圧力差に抗して行われる。その結果、水素ガスが昇圧される。２つの膜電極構造体３４で生成された水素ガスは、カソード共通流路５０を通じて第１連通孔２６、２８に導かれる。以上のようにして、電気化学モジュール１２は、水素ガスを昇圧させる。

以上に説明された本実施形態の電気化学モジュール１２は、一対のカソード電極３４ｃが向かい合う第１領域４６に、第１膜電極構造体３４１と第２膜電極構造体３４２とに共有されるカソード共通流路５０を有する。このため、電気化学モジュール１２は、膜電極構造体３４毎に一対のセパレータを配置する従来の装置に比べて、セパレータの枚数を減らすことができ、電気化学モジュール１２は、積層方向の寸法を抑制できる。

（第１実施形態の変形例１）
以上の説明では、水素ポンプ１０の電気化学モジュール１２の例が示されたが、本実施形態はこれに限定されない。電気化学モジュール１２は、水電解装置に利用できる。この場合には、電気化学モジュール１２は、アノード共通流路５２から供給された水を電気分解し、カソード共通流路５０に水素ガスを発生させ、アノード共通流路５２に酸素ガスを発生させる。

（第１実施形態の変形例２）
電気化学モジュール１２は、電解質膜３４ａにＯＨ^－イオンを移動させるアニオン伝導膜を用いて水電解装置を構成できる。この場合には、膜電極構造体３４のアノード電極３４ｂ及びカソード電極３４ｃの向きが、図３と逆向きに配置される。また、第１領域４６にサポートプレート３６が配置され、第２領域４８に導電プレート３８及びスペーサ４０が配置される。第２領域４８のアノード共通流路５２が第１連通孔２６、２８に連通する。また第１領域４６のカソード共通流路５０は、第４連通孔３２ａ及び第５連通孔３２ｂに連通する。この場合には、電気化学モジュール１２には、カソード共通流路５０から水が供給される。電気化学モジュール１２は、カソード共通流路５０から水素を出力し、アノード共通流路５２から高圧の酸素ガスを出力する。

上述した開示に関し、さらに以下の付記が開示される。

（付記１）開示の一観点は、電解質膜３４ａと前記電解質膜を挟むアノード電極３４ｂとカソード電極３４ｃとを有する膜電極構造体３４を複数積層した電気化学モジュール１２であって、複数の前記膜電極構造体は、前記アノード電極同士が向かい合う第１領域４６と、前記カソード電極同士が向かい合う第２領域４８とが積層方向に交互に現れるように積層され、前記第１領域と前記第２領域の少なくとも一方に、隣接する２つの前記膜電極構造体に共有される共通流路５０、５２を備える。この電気化学モジュールは、共通流路へのセパレータの配置が不要となるため、積層方向の寸法を抑制できる。

（付記２）付記１記載の電気化学モジュールであって、前記共通流路は、前記第１領域及び前記第２領域の各々に設けられてもよい。この電気化学モジュールは、共通流路を増やすことで、さらに積層方向の寸法を抑制できる。

（付記３）付記２記載の電気化学モジュールであって、前記第１領域及び前記第２領域のいずれか一方の前記共通流路は、隣接する２つの前記膜電極構造体で昇圧された高圧流体を流通させてもよい。この電気化学モジュールは、高圧に耐える厚手のセパレータを不要とすることで、積層方向の厚さを抑制できる。

（付記４）付記３記載の電気化学モジュールは、前記高圧流体を流通させる前記共通流路に配置され、隣接する２つの前記膜電極構造体を離間させるスペーサ４０を有してもよい。この電気化学モジュールは、第１領域に形成される共通流路の閉塞を防止できる。

（付記５）付記４記載の電気化学モジュールであって、前記スペーサは、隣接する前記膜電極構造体の電極同士を電気的に導通させてもよい。この電気化学モジュールは、配線構造を簡素化できる。

（付記６）付記３～５のいずれか１に記載の電気化学モジュールは、低圧の流体が流通する前記共通流路に配置され、隣接する２つの前記膜電極構造体に流体を供給するサポートプレート３６を備えてもよい。この電気化学モジュールは、圧力差によって低圧側の共通流路の閉塞を防止できる。

（付記７）付記６記載の電気化学モジュールは、前記サポートプレートが内部に冷媒を流通させる冷媒流路５４を有し、前記冷媒流路は、隣接する２つの前記膜電極構造体を冷却してもよい。この電気化学モジュールは、２つの膜電極構造体を１つのサポートプレートで冷却できるため、積層方向の厚さをさらに抑制できる。

（付記８）付記６又は７記載の電気化学モジュールであって、前記サポートプレートは、隣接する前記膜電極構造体の電極同士の電気的な導通を阻止してもよい。この電気化学モジュールは、単位構造の間を電気的に絶縁することで、複数の単位構造を直列に接続することを可能とする。

なお、本発明は、上述した開示に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得る。

１０…水素ポンプ １２…電気化学モジュール
２２…単位構造 ２６、２８…第１連通孔
３４…膜電極構造体 ３４ａ…電解質膜
３４ｂ…アノード電極 ３４ｃ…カソード電極
３６…サポートプレート ４０…スペーサ
４６…第１領域 ４８…第２領域
５４…冷媒流路 ３４１…第１膜電極構造体
３４２…第２膜電極構造体

Claims (6)

1. 電解質膜と前記電解質膜を挟むアノード電極とカソード電極とを有する膜電極構造体を複数積層した電気化学モジュールであって、
   複数の前記膜電極構造体は、前記アノード電極同士が向かい合う第１領域と、前記カソード電極同士が向かい合う第２領域とが積層方向に交互に現れるように積層され、
   前記第１領域及び前記第２領域のそれぞれは、隣接する２つの前記膜電極構造体に共有される共通流路を備え、
   前記第１領域及び前記第２領域のいずれか一方の前記共通流路には、内部に冷媒を流通させる冷媒流路を有するサポートプレートが配置され、
   前記冷媒流路は、隣接する２つの前記膜電極構造体を冷却する、電気化学モジュール。
2. 請求項１記載の電気化学モジュールであって、前記第１領域及び前記第２領域のいずれか他方の前記共通流路は、隣接する２つの前記膜電極構造体で昇圧された高圧流体を流通させる、電気化学モジュール。
3. 請求項２記載の電気化学モジュールであって、前記高圧流体を流通させる前記共通流路に配置され、隣接する２つの前記膜電極構造体を離間させるスペーサを有する、電気化学モジュール。
4. 請求項３記載の電気化学モジュールであって、前記スペーサは、隣接する前記膜電極構造体の電極同士を電気的に導通させる、電気化学モジュール。
5. 請求項１～４のいずれか１項に記載の電気化学モジュールであって、前記サポートプレートが配置される前記共通流路には、低圧の流体が流通する、電気化学モジュール。
6. 請求項５記載の電気化学モジュールであって、前記サポートプレートは、隣接する前記膜電極構造体の電極同士の電気的な導通を阻止する、電気化学モジュール。