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CN112771209A - 电化学式氢泵 - Google Patents

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CN112771209A
CN112771209A CN201980063476.0A CN201980063476A CN112771209A CN 112771209 A CN112771209 A CN 112771209A CN 201980063476 A CN201980063476 A CN 201980063476A CN 112771209 A CN112771209 A CN 112771209A
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hydrogen pump
electrochemical hydrogen
porous body
layer
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CN201980063476.0A
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中植贵之
鹈饲邦弘
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Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
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Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
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Abstract

一种电化学式氢泵，具备：电解质膜；阳极电极，其设置在电解质膜侧的一个主面上；阴极电极，其设置在电解质膜的另一个主面上；以及阳极隔板，其设置在阳极电极上，阳极电极具备设置在电解质膜的一个主面上的阳极催化剂层和设置在阳极催化剂层上的阳极气体扩散层，阳极气体扩散层具备碳多孔体片，所述碳多孔体片为粉末成形体。

Description

电化学式氢泵
技术领域
本公开涉及电化学式氢泵。
背景技术
近年来，由于全球变暖等环境问题、石油资源的枯竭等能源问题，氢作为替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放出水，不会排出成为全球变暖的原因的二氧化碳，并且几乎不排出氮氧化物等，因此作为清洁能源而备受期待。另外，作为以氢为燃料来高效使用的装置，例如有燃料电池，面向汽车用电源、面向家庭用私人发电的开发和普及正在不断推进。
在即将到来的氢社会，除制造氢之外，还需要开发能够高密度储存氢并以小容量且低成本输送或者利用的技术。特别是为了促进成为分散型能源的燃料电池的普及，需要配备氢供给公共基础设施。另外，为了稳定地供给氢，进行了制造、精制(纯化)、高密度储存高纯度氢的各种研究。
例如，在专利文献1中公开了一种阳极供电体，其在进行氢精制和氢升压的电化学式氢泵中，具备使用纤维直径不同的两种钛金属纤维分别构成的第一供电体部和第二供电体部。由此，降低了电解质膜的损伤，并且能量效率提高。
另外，在专利文献2中公开了一种通过对由钛粉末烧结体构成的供电体的基底部实施压制加工从而基底部的表层部的空隙率比基底部的空隙率低的阳极供电体。由此，能够使表层部的致密化以及平滑化提高，因此能够降低电解质膜的损伤。
在先技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2001-342587号公报
专利文献2:日本特开2012-180553号公报
发明内容
本公开的一个方式(aspect)的课题是作为一例提供一种就阳极气体扩散层而言能够比金属制的阳极气体扩散层降低成本的电化学式氢泵。
为了解决上述课题，本公开的一个方式的电化学式氢泵具备：电解质膜；阳极电极，其设置在所述电解质膜的一个主面上；阴极电极，其设置在所述电解质膜的另一个主面上；以及阳极隔板，其设置在所述阳极电极上，所述阳极电极具备设置在所述电解质膜的一个主面上的阳极催化剂层、和设置在所述阳极催化剂层上的阳极气体扩散层，阳极气体扩散层具备作为粉末成形体的碳多孔体片。
本公开的一个方式的电化学式氢泵取得了就阳极气体扩散层而言与金属制的阳极气体扩散层相比能够降低成本的效果。
附图说明
图1A是表示第1实施方式的电化学式氢泵的一例的图。
图1B是图1A的电化学式氢泵的B部的放大图。
图2A是表示第1实施方式的电化学式氢泵的一例的图。
图2B是图2A的电化学式氢泵的B部的放大图。
图3是表示第1实施方式的电化学式氢泵中的碳多孔体片的一例的图。
图4是表示第1实施方式的电化学式氢泵中的碳多孔体片的基于拉曼光谱法的分析结果的一例的图。
图5是表示第1实施方式的第2实施例的电化学式氢泵中的碳多孔体片的一例的图。
图6是表示第1实施方式的第3实施例的电化学式氢泵中的碳多孔体片的气孔率的测定值的一例的图。
具体实施方式
在专利文献1和专利文献2中均使用了金属制的气体扩散层，但是在金属制的情况下，为了确保在酸性环境下的耐腐蚀性，需要利用贵金属进行的表面镀敷，这成为成本上升的主要原因。因此，本发明人研究了在酸性环境下具有耐腐蚀性且低成本的碳系的气体扩散层的使用，但发现了由于高的阴极压力的影响而使阳极气体扩散层会向阳极隔板的流路压曲的问题。
因此，本发明人进行了深入研究，结果发现为了降低发生上述压曲的可能性而在阳极电极设置作为粉末成形体的碳多孔体片，并构思到以下的本公开的一个方式。另外，本发明人进行了深入研究，结果发现为了降低发生上述压曲的可能性而在阳极电极设置包含非晶碳的碳多孔体片，并构思到以下的本公开的一个方式。
即，本公开的第1方式的电化学式氢泵具备：电解质膜；阳极电极，其设置在电解质膜的一个主面上；阴极电极，其设置在电解质膜的另一个主面上；以及阳极隔板，其设置在阳极电极上，阳极电极具备设置在电解质膜的一个主面上的阳极催化剂层和设置在阳极催化剂层上的阳极气体扩散层，阳极气体扩散层具备碳多孔体片，所述碳多孔体片为粉末成形体。
根据该构成，本方式的电化学式氢泵，就阳极气体扩散层而言能够比金属制的阳极气体扩散层降低成本，并且能够降低向阳极隔板压曲的可能性。
具体而言，本方式的电化学式氢泵，通过用粉末成形体构成碳多孔体片，与例如用碳纤维构成碳多孔体片的情况相比，能够提高刚性。
另外，本公开的第2方式的电化学式氢泵具备：电解质膜；阳极电极，其设置在电解质膜的一个主面上；阴极电极，其设置在电解质膜的另一个主面上；以及阳极隔板，其设置在阳极电极上，阳极电极具备设置在电解质膜的一个主面上的阳极催化剂层和设置在阳极催化剂层上的阳极气体扩散层，阳极气体扩散层具备阳极隔板侧的第1表面层包含非晶碳的碳多孔体片，通过拉曼光谱分析，碳多孔体片为D/G＞1.0。
根据该构成，本方式的电化学式氢泵，就阳极气体扩散层而言能够比金属制的阳极气体扩散层降低成本，并且能够降低向阳极隔板压曲的可能性。
具体而言，在包含非晶碳的碳多孔体片中，如在以往的金属多孔体中所确认到的那样的锐利的部分较少。因此，本方式的电化学式氢泵，即使这样的碳多孔体片被向电解质膜推压，与以往的金属多孔体相比，也能够降低对电解质膜造成损伤的可能性。
另外，一般地，碳键为非晶结构的非晶碳与碳键为晶体结构的碳相比，刚性高。因此，本方式的电化学式氢泵，通过以碳多孔体片通过拉曼光谱分析而为D/G＞1.0的方式包含非晶碳，能够适当地确保阳极气体扩散层的刚性。
本公开的第3方式的电化学式氢泵，在第1方式或第2方式的电化学式氢泵的基础上，碳多孔体片的至少阳极隔板侧的第1表面层的厚度方向的杨氏模量可以为2.5GPa以上。
根据该构成，本方式的电化学式氢泵，在对碳多孔体片的厚度方向上的压缩强度为期望值(例如20MPa)时，与阳极隔板侧的第1表面层的厚度方向的杨氏模量小于2.5GPa的情况相比，能够抑制由于电化学式氢泵的氢升压运行时产生的阴极电极和阳极电极间的差压(高压)而使阳极气体扩散层变形。例如，本方式的电化学式氢泵能够降低由于上述的差压而在设置于阳极隔板的流路中阳极气体扩散层压曲的可能性。
本公开的第4方式的电化学式氢泵，在第1方式或第2方式的电化学式氢泵的基础上，碳多孔体片的至少阳极隔板侧的第1表面层的厚度方向的杨氏模量可以为7.8GPa以上。
根据该构成，本方式的电化学式氢泵，在对碳多孔体片的厚度方向上的压缩强度为期望值(例如40MPa)时，与阳极隔板侧的第1表面层的厚度方向的杨氏模量小于7.8GPa的情况相比，能够抑制由于电化学式氢泵的氢升压运行时产生的阴极电极和阳极电极间的差压(高压)而使阳极气体扩散层变形。例如，本方式的电化学式氢泵能够降低由于上述的差压而在设置于阳极隔板的流路中阳极气体扩散层压曲的可能性。
本公开的第5方式的电化学式氢泵，在第1方式或第2方式的电化学式氢泵的基础上，碳多孔体片的至少阳极隔板侧的第1表面层的弯曲强度可以为10MPa以上。
根据该构成，本方式的电化学式氢泵，在对碳多孔体片的厚度方向上的压缩强度为期望值(例如20MPa)时，与阳极隔板侧的第1表面层的弯曲强度小于10MPa情况相比，能够抑制由于电化学式氢泵的氢升压运行时产生的阴极电极和阳极电极间的差压(高压)而使阳极气体扩散层变形。例如，本方式的电化学式氢泵能够降低由于上述的差压而在设置于阳极隔板的流路中阳极气体扩散层压曲的可能性。
本公开的第6方式的电化学式氢泵，在第1方式或第2方式的电化学式氢泵的基础上，碳多孔体片的至少阳极隔板侧的第1表面层的弯曲强度可以为20MPa以上。
根据该构成，本方式的电化学式氢泵，在对碳多孔体片的厚度方向上的压缩强度为期望值(例如40MPa)时，与阳极隔板侧的第1表面层的弯曲强度小于20MPa情况相比，能够抑制由于电化学式氢泵的氢升压运行时产生的阴极电极和阳极电极间的差压(高压)而使阳极气体扩散层变形。例如，本方式的电化学式氢泵能够降低由于上述的差压而在设置于阳极隔板的流路中阳极气体扩散层压曲的可能性。
本公开的第7方式的电化学式氢泵，在第1方式、第2方式、第3方式以及第5方式中的任一种电化学式氢泵的基础上，碳多孔体片的至少阳极隔板侧的第1表面层的气孔率可以为45％以下。另外，本公开的第8方式的电化学式氢泵，在第1方式、第2方式、第4方式以及第6方式中的任一种电化学式氢泵的基础上，碳多孔体片的至少阳极隔板侧的第1表面层的气孔率可以为39％以下。
本公开的第9方式的电化学式氢泵，在第7方式的电化学式氢泵的基础上，碳多孔体片的阳极催化剂层侧的第2表面层的气孔率可以为45％以下。另外，本公开的第10方式的电化学式氢泵，在第8方式的电化学式氢泵的基础上，碳多孔体片的阳极催化剂层侧的第2表面层的气孔率可以为39％以下。
本公开的第11方式的电化学式氢泵，在第1方式～第10方式中的任一种电化学式氢泵的基础上，碳多孔体片的阳极隔板侧的第1表面层的刚性可以高于比该第1表面层靠内侧的层的刚性。另外，本公开的第12方式的电化学式氢泵，在第11方式的电化学式氢泵的基础上，碳多孔体片的阳极催化剂层侧的第2表面层的刚性可以高于比该第2表面层靠内侧的层的刚性。
根据以上构成，本方式的电化学式氢泵，能够抑制由于电化学式氢泵的氢升压运行时产生的阴极电极和阳极电极间的差压(高压)而使阳极气体扩散层变形。例如，本方式的电化学式氢泵能够降低由于上述的差压而在设置于阳极隔板的流路中阳极气体扩散层压曲的可能性。
本公开的第13方式的电化学式氢泵，在第1方式～第12方式中的任一种电化学式氢泵的基础上，碳多孔体片的阳极隔板侧的第1表面层的气孔率可以低于比该第1表面层靠内侧的层的气孔率。另外，本公开的第14方式的电化学式氢泵，在第13方式的电化学式氢泵的基础上，碳多孔体片的阳极催化剂层侧的第2表面层的气孔率可以低于比该第2表面层靠内侧的层的气孔率。
在此，在碳多孔体片例如为以碳粒子为原材料的烧结体的情况下，碳多孔体片的气孔率越低，构成碳多孔体片的碳粒子彼此的缩颈(粒子间的结合)越增加。于是，能够使碳多孔体片的刚性提高。由此，本方式的电化学式氢泵能够使阳极隔板侧的第1表面层的刚性提高。另外，本方式的电化学式氢泵能够使阳极催化剂层侧的第2表面层的刚性提高。其结果，能够抑制由于电化学式氢泵的氢升压运行时产生的阴极电极和阳极电极间的差压而使阳极气体扩散层变形。例如，本方式的电化学式氢泵能够降低由于上述的差压而在设置于阳极隔板的流路中阳极气体扩散层压曲的可能性。
本公开的第15方式的电化学式氢泵，在第1方式～第14方式中的任一种电化学式氢泵的基础上，碳多孔体片的峰值气孔直径可以比电解质膜的膜厚小。
在碳多孔体片的峰值气孔直径为电解质膜的膜厚以上的情况下，起因于电解质膜由于电化学式氢泵的氢升压运行时产生的阴极电极和阳极电极间的差压而陷入碳多孔体片的气孔内的情况，有电解质膜断裂的可能性。但是，本方式的电化学式氢泵，通过使碳多孔体片的峰值气孔直径比电解质膜的膜厚小，能够降低这样的可能性。
本公开的第16方式的电化学式氢泵，在第1方式～第15方式中的任一种电化学式氢泵的基础上，碳多孔体片整体的气孔率可以为20％以上。
假设在碳多孔体片整体的气孔率小于20％的情况下，有可能不能够适当地确保阳极气体扩散层向阳极催化剂层的气体扩散性。但是，本方式的电化学式氢泵，通过使碳多孔体片整体的气孔率为20％以上，在阳极气体扩散层中容易形成与外部连通的气孔(连通孔)，因此能确保阳极气体扩散层向阳极催化剂层的气体扩散性。由此，能够将来自阳极隔板的阳极气体通过阳极气体扩散层而向阳极催化剂层适当地供给。
然而，在电化学式氢泵的阳极电极与阴极电极间流动电流时，质子与水相伴从阳极电极向阴极电极在电解质膜中移动。此时，从阳极电极移动到阴极电极的水(电渗水)，在电化学式氢泵的工作温度为规定温度以上的情况下，作为水蒸气而存在，但阴极电极的氢气压力越高，则作为液体的水而存在的比例越增加。而且，在阴极电极存在液体的水的情况下，该水的一部分由于阴极电极和阳极电极间的差压而被压回到阳极电极。此时，阴极电极的氢气压力越高，则被压回到阳极电极的水量越增加。于是，由于随着阴极电极的氢气压力上升而被压回到阳极电极的水而容易发生阳极电极的淹没(flooding)。而且，在由于发生这样的淹没而导致在阳极电极气体扩散性被损害的情况下，有可能由于电化学式氢泵的扩散阻力增加而导致电化学式氢泵的氢升压工作的效率降低。
因此，本公开的第17方式的电化学式氢泵，在第1方式～第16方式中的任一种电化学式氢泵的基础上，阳极气体扩散层的阳极催化剂层侧的第2表面层可以为疏水性(拨水性)。
根据该构成，本方式的电化学式氢泵，通过使阳极气体扩散层的阳极催化剂层侧的第2表面层为疏水性，能够通过阳极气体的流动而将被压回到阳极电极的水快速地向外部排出。因此，能抑制淹没的发生，其结果，能够在阳极电极适当维持气体扩散性。
一般而言，在高温和高加湿的条件(例如约60℃左右)下，电解质膜的质子传导率上升，电化学式氢泵的氢升压工作的效率提高。另外，如上所述，在电化学式氢泵的阳极电极与阴极电极之间流动电流时，质子与水相伴从阳极电极向阴极电极在电解质膜中移动。而且，从阳极电极移动到阴极电极的电渗水的一部分与高压的氢气一起从阴极电极向外部排出。
在此，当在阳极电极与阴极电极之间流动的电流密度变大时，电渗水的量增加，并且向阴极电极外排出的电渗水的量增加。在该情况下，电化学式氢泵的电解质膜容易干燥，因此有可能电化学式氢泵的氢升压工作的效率降低。
因此，本公开的第18方式的电化学式氢泵，在第1方式～第17方式中的任一种电化学式氢泵的基础上，阳极气体扩散层的阳极隔板侧的第1表面层可以为亲水性。
根据该构成，本方式的电化学式氢泵，通过使阳极气体扩散层的阳极隔板侧的第1表面层为亲水性，能够对该第1表面层赋予保水功能。因而，容易通过阳极气体扩散层向电解质膜供给阳极气体中的水分，因此能够降低电化学式氢泵的电解质膜干燥的可能性。
以下，参照附图对本公开的实施方式进行说明。再者，以下说明的实施方式均表示上述的各方式的一例。因此，以下示出的形状、材料、构成要素、以及构成要素的配置位置和连接形态等毕竟仅为一例，只要没有记载在权利要求中，就并不限定上述的各方式。另外，关于以下的构成要素之中的、表示上述各方式的最上位概念的独立权利要求中未记载的构成要素，作为任意的构成要素进行说明。另外，在附图中，带有相同标记的部分，有时省略说明。附图是为了容易理解而示意地示出各个构成要素的图，关于形状和尺寸比例等，有时不是准确的显示。
(第1实施方式)
[装置结构]
图1A和图2A是表示第1实施方式的电化学式氢泵的一例的图。图1B是图1A的电化学式氢泵的B部的放大图。图2B是图2A的电化学式氢泵的B部的放大图。
再者，在图1A中示出电化学式氢泵100的垂直截面，其在俯视下包含通过电化学式氢泵100的中心和阴极气体导出歧管50的中心的直线。另外，在图2A中示出电化学式氢泵100的垂直截面，其在俯视下包含通过电化学式氢泵100的中心、阳极气体导入歧管27的中心和阳极气体导出歧管30的中心的直线。
在图1A和图2A所示的例子中，电化学式氢泵100具备至少一个氢泵单元100A。
再者，在电化学式氢泵100中，层叠有多个氢泵单元100A。例如，在图1A和图2A中，层叠有3段氢泵单元100A，但氢泵单元100A的个数不限定于此。也就是说，氢泵单元100A的个数能够基于电化学式氢泵100升压的氢量等的运行条件而设定为适当的数量。
氢泵单元100A具备电解质膜11、阳极电极AN、阴极电极CA、阴极隔板16、阳极隔板17和绝缘体21。而且，在氢泵单元100A中，电解质膜11、阳极催化剂层13、阴极催化剂层12、阳极气体扩散层15、阴极气体扩散层14、阳极隔板17以及阴极隔板16被层叠。
阳极电极AN设置在电解质膜11的一个主面上。阳极电极AN是包含阳极催化剂层13和阳极气体扩散层15的电极。再者，以在俯视下包围阳极催化剂层13的周围的方式设置有环状的密封构件43，阳极催化剂层13被密封构件43适当地密封。
阴极电极CA设置在电解质膜11的另一个主面上。阴极电极CA是包含阴极催化剂层12和阴极气体扩散层14的电极。再者，以在俯视下包围阴极催化剂层12的周围的方式设置有环状的密封构件42，阴极催化剂层12被密封构件42适当地密封。
根据以上所述，电解质膜11以与阳极催化剂层13和阴极催化剂层12分别接触的方式被阳极电极AN和阴极电极CA夹持。再者，将阴极电极CA、电解质膜11和阳极电极AN的层叠体称为膜-电极接合体(以下称为MEA：Membrane Electrode Assembly(膜电极组件))。
电解质膜11具有质子传导性。电解质膜11如果具有质子传导性则为怎样的构成都可以。例如，作为电解质膜11，能够列举出氟系高分子电解质膜、烃系高分子电解质膜，但不限定于这些。具体而言，例如，作为电解质膜11，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13设置在电解质膜11的一个主面上。阳极催化剂层13包含例如铂作为催化剂金属，但不限定于此。
阴极催化剂层12设置在电解质膜11的另一个主面上。阴极催化剂层12包含例如铂作为催化剂金属，但不限于此。
作为阴极催化剂层12和阳极催化剂层13的催化剂载体，能够列举出例如炭黑、石墨等的碳粒子、导电性的氧化物粒子等，但不限定于这些。
再者，在阴极催化剂层12和阳极催化剂层13中，催化剂金属的微粒子高分散地担载在催化剂载体上。另外，在这些阴极催化剂层12和阳极催化剂层13中，为了增大电极反应场所，一般添加氢离子传导性的离聚物成分。
阴极气体扩散层14设置在阴极催化剂层12上。另外，阴极气体扩散层14用多孔性材料构成，具有导电性和气体扩散性。而且，希望阴极气体扩散层14具有适当地追随在电化学式氢泵100工作时由于阴极电极CA和阳极电极AN间的差压而产生的构成构件的位移、变形那样的弹性。再者，在本实施方式的电化学式氢泵100中，作为阴极气体扩散层14，使用了由碳纤维构成的构件。例如，也可以是碳纸、碳布、碳毡等的多孔性的碳纤维片。再者，作为阴极气体扩散层14的基材，也可以不使用碳纤维片。例如，作为阴极气体扩散层14的基材，也可以使用以钛、钛合金、不锈钢等为原材料的金属纤维的烧结体、以它们为原材料的金属粒子的烧结体等。
阳极气体扩散层15设置在阳极催化剂层13上。另外，阳极气体扩散层15用多孔性材料构成，具有导电性和气体扩散性。而且，希望阳极气体扩散层15具有能够抑制电化学式氢泵100工作时由于阴极电极CA和阳极电极AN间的差压而产生的构成构件的位移、变形的高刚性。
在此，在本实施方式的电化学式氢泵100中，阳极气体扩散层15具备作为粉末成形体的碳多孔体片。该粉末成形体可以由例如以碳粒子为原材料的烧结体(碳粉末烧结体)的片构成。
具体而言，例如，如图3所示，阳极气体扩散层15可以具备阳极隔板17侧的第1表面层15B包含非晶碳的碳多孔体片15S。作为碳多孔体片15S，如上述那样，能够使用以碳粒子为原材料的烧结体的片。在该情况下，碳多孔体片15S的碳粒子由碳键为非晶结构的非晶碳构成。这样的非晶碳的刚性高。也就是说，碳多孔体片15S中的非晶碳的比率越高，则碳多孔体片15S的刚性越高。因此，碳多孔体片15S的阳极隔板17侧的第1表面层15B的刚性高于比该第1表面层15B靠内侧的层15A的刚性。
这样，碳多孔体片15S是被构成为第1表面层15B的一个主面与阳极隔板17的主面接触、并且第1表面层15B的另一个主面与内侧的层15A的一个主面接触的层叠体。而且，内侧的层15A的另一个主面与阳极催化剂层13接触。
再者，作为非晶碳，能够列举出例如玻璃碳(玻璃状碳)、类金刚石碳(DLC)等。
另外，在本实施方式的电化学式氢泵100中，相对于碳多孔体片15S的整体的厚度T，与阳极隔板17的主面接触的刚性高的层的厚度t以0＜t/T≤1的关系被设定。也就是说，在两者的厚度的关系为t/T＝1的情况下，碳多孔体片15S的整体由包含非晶碳的层构成。
阳极隔板17是设置在阳极电极AN上的构件。阴极隔板16是设置在阴极电极CA上的构件。而且，在阴极隔板16和阳极隔板17各自的中央部设置有凹部。在这些凹部中分别收纳有阴极气体扩散层14和阳极气体扩散层15。
这样，通过用阴极隔板16和阳极隔板17夹持上述的MEA，来形成了氢泵单元100A。
在与阴极气体扩散层14接触的阴极隔板16的主面，设置有在俯视下包含例如多个U字状的折回部分和多个直线部分的蛇形形状的阴极气体流路32。而且，阴极气体流路32的直线部分在与图1A的纸面垂直的方向上延伸。但是，这样的阴极气体流路32为例示，并不限定于本例。例如，阴极气体流路也可以采用多个直线状的流路构成。
在与阳极气体扩散层15接触的阳极隔板17的主面，设置有在俯视下包含例如多个U字状的折回部分和多个直线部分的蛇形形状的阳极气体流路33。而且，阳极气体流路33的直线部分在与图2A的纸面垂直的方向上延伸。但是，这样的阳极气体流路33为例示，并不限定于本例。例如，阳极气体流路也可以采用多个直线状的流路构成。
另外，在导电性的阴极隔板16和阳极隔板17之间，夹入有以包围MEA的周围的方式设置的环状且平板状的绝缘体21。由此，防止了阴极隔板16和阳极隔板17的短路。
在此，电化学式氢泵100具备：在氢泵单元100A的层叠方向的两端上设置的第1端板及第2端板、和在层叠方向将氢泵单元100A、第1端板和第2端板缔结的缔结器25。
再者，在图1A和图2A所示的例子中，阴极端板24C以及阳极端板24A分别与上述的第1端板以及第2端板各自对应。也就是说，阳极端板24A是设置于在氢泵单元100A的各构件所层叠的层叠方向上位于一端的阳极隔板17上的端板。另外，阴极端板24C是设置于在氢泵单元100A的各构件所层叠的层叠方向上位于另一端的阴极隔板16上的端板。
缔结器25，如果能够在层叠方向上将氢泵单元100A、阴极端板24C以及阳极端板24A缔结，则为怎样的构成都可以。
例如，作为缔结器25，能够列举出螺栓和带盘簧的螺母等。
此时，缔结器25的螺栓可以以仅贯通阳极端板24A和阴极端板24C的方式构成，但在本实施方式的电化学式氢泵100中，该螺栓贯通了3段氢泵单元100A的各构件、阴极供电板22C、阴极绝缘板23C、阳极供电板22A、阳极绝缘板23A、阳极端板24A以及阴极端板24C。而且，将在上述层叠方向上位于另一端的阴极隔板16的端面以及在上述层叠方向上位于一端的阳极隔板17的端面分别经由阴极供电板22C和阴极绝缘板23C、以及阳极供电板22A和阳极绝缘板23A来用阴极端板24C以及阳极端板24A分别夹持，从而利用缔结器25对氢泵单元100A赋予期望的缔结压力。
根据以上所述，在本实施方式的电化学式氢泵100中，3段氢泵单元100A在上述的层叠方向上利用缔结器25的缔结压力以层叠状态适当地保持，并且，缔结器25的螺栓贯通了电化学式氢泵100的各构件，因此，能够适当地抑制这些各构件在面内方向上的移动。
在此，在本实施方式的电化学式氢泵100中，氢泵单元100A各自的从阴极气体扩散层14流出的阴极气体流动的阴极气体流路32连通。以下，参照附图对阴极气体流路32各自连通的构成进行说明。
首先，如图1A所示，阴极气体导出歧管50通过在3段氢泵单元100A的各构件及阴极端板24C设置的贯通孔和设置在阳极端板24A的非贯通孔的连接而构成。另外，在阴极端板24C设置有阴极气体导出路径26。阴极气体导出路径26可以由从阴极电极CA排出的氢(H2)流通的配管构成。而且，阴极气体导出路径26与上述的阴极气体导出歧管50连通。
而且，阴极气体导出歧管50经由各阴极气体通过路径34与氢泵单元100A各自的阴极气体流路32的一个端部连通。由此，通过了氢泵单元100A各自的阴极气体流路32和阴极气体通过路径34的氢在阴极气体导出歧管50中被合流。而且，被合流的氢被引导到阴极气体导出路径26。
这样，氢泵单元100A各自的阴极气体流路32，经由氢泵单元100A各自的阴极气体通过路径34和阴极气体导出歧管50而连通。
在阴极隔板16和阳极隔板17之间、阴极隔板16和阴极供电板22C之间、阳极隔板17和阳极供电板22A之间，以在俯视下包围阴极气体导出歧管50的方式设置有O形环等的环状的密封构件40，阴极气体导出歧管50被该密封构件40适当地密封。
如图2A所示，在阳极端板24A设置有阳极气体导入路径29。阳极气体导入路径29可以由向阳极电极AN供给的阳极气体流通的配管构成。再者，作为这样的阳极气体，例如能够列举出包含水蒸气的含氢气体等。而且，阳极气体导入路径29与筒状的阳极气体导入歧管27连通。再者，阳极气体导入歧管27通过在3段氢泵单元100A的各构件及阳极端板24A设置的贯通孔的连接而构成。
另外，阳极气体导入歧管27经由各第1阳极气体通过路径35与氢泵单元100A各自的阳极气体流路33的一个端部连通。由此，从阳极气体导入路径29供给到阳极气体导入歧管27的阳极气体通过氢泵单元100A各自的第1阳极气体通过路径35而被分配到各氢泵单元100A。而且，在被分配的阳极气体通过阳极气体流路33的期间，从阳极气体扩散层15向阳极催化剂层13供给阳极气体。
另外，如图2A所示，在阳极端板24A设置有阳极气体导出路径31。阳极气体导出路径31可以由从阳极电极AN排出的阳极气体流通的配管构成。而且，阳极气体导出路径31与筒状的阳极气体导出歧管30连通。再者，阳极气体导出歧管30通过在3段氢泵单元100A的各构件及阳极端板24A设置的贯通孔的连接而构成。
另外，阳极气体导出歧管30经由各阳极气体通过路径36与氢泵单元100A各自的阳极气体流路33的另一个端部连通。由此，通过了氢泵单元100A各自的阳极气体流路33的阳极气体通过各第2阳极气体通过路径36而被供给到阳极气体导出歧管30，并在此被合流。而且，被合流的阳极气体被引导到阳极气体导出路径31。
在阴极隔板16和阳极隔板17之间、阴极隔板16和阴极供电板22C之间、阳极隔板17和阳极供电板22A之间，以在俯视下包围阳极气体导入歧管27和阳极气体导出歧管30的方式设置有O形环等的环状的密封构件40，阳极气体导入歧管27和阳极气体导出歧管30被密封构件40适当地密封。
如图1A和图2A所示，电化学式氢泵100具备电压施加器102。
电压施加器102是在阳极催化剂层13与阴极催化剂层12之间施加电压的装置。具体而言，电压施加器102的高电位被施加于阳极催化剂层13，电压施加器102的低电位被施加于阴极催化剂层12。电压施加器102如果能够在阳极催化剂层13与阴极催化剂层12之间施加电压，则不论为怎样的构成都可以。例如，电压施加器102可以是调整在阳极催化剂层13与阴极催化剂层12之间施加的电压的装置。此时，电压施加器102在与蓄电池(battery)、太阳能电池、燃料电池等直流电源连接时具有DC/DC转换器，在与商用电源等交流电源连接时具有AC/DC转换器。
另外，电压施加器102例如也可以是以向氢泵单元100A供给的电力成为规定的设定值的方式对施加在阳极催化剂层13与阴极催化剂层12之间的电压、在阳极催化剂层13与阴极催化剂层12之间流动的电流进行调整的电力型电源。
再者，在图1A和图2A所示的例子中，电压施加器102的低电位侧的端子与阴极供电板22C连接，电压施加器102的高电位侧的端子与阳极供电板22A连接。阴极供电板22C与在上述层叠方向上位于另一端的阴极隔板16电接触，阳极供电板22A与在上述层叠方向上位于一端的阳极隔板17电接触。
虽然省略图示，但是也能够构建具备上述电化学式氢泵100的氢供给系统。在该情况下，适当地设置有在氢供给系统的氢供给工作中所需要的设备。
例如，在氢供给系统中可以设置有调整混合气体的露点的露点调整器(例如加湿器)，所述混合气体是通过阳极气体导出路径31而从阳极电极AN排出的高加湿状态的含氢的阳极气体、和通过阳极气体导入路径29而从外部的氢供给源供给的低加湿状态的含氢的阳极气体混合而成的气体。此时，外部的氢供给源的含氢的阳极气体可以采用例如水解装置生成。
另外，在氢供给系统中可以设置有例如检测电化学式氢泵100的温度的温度检测器、暂时储存从电化学式氢泵100的阴极电极CA排出的氢的氢储存器、检测氢储存器内的氢气压力的压力检测器等。
再者，上述的电化学式氢泵100的构成和氢供给系统中的未图示的各种设备为例示，不限定于本例。
例如，可以采用不设置阳极气体导出歧管30和阳极气体导出路径31而将通过阳极气体导入歧管27向阳极电极AN供给的阳极气体中的氢全部在阴极电极CA升压的死端(deadend)结构。
[工作]
以下，参照附图对电化学式氢泵100的氢升压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取控制程序来进行。但是，使用控制器进行以下的工作未必是必需的。操作者可以进行其一部分的工作。另外，以下对向电化学式氢泵100的阳极电极AN供给作为阳极气体的包含水蒸气的含氢气体的情况进行说明。
首先，向电化学式氢泵100的阳极电极AN供给低压的含氢气体，并且向电化学式氢泵100供给电压施加器102的电压。
于是，在阳极电极AN的阳极催化剂层13中，由于氧化反应，氢分子分离为氢离子(质子)和电子(式(1))。质子在电解质膜11内传导而向阴极催化剂层12移动。电子通过电压施加器102向阴极催化剂层12移动。
而且，在阴极催化剂层12中，由于还原反应而再次生成氢分子(式(2))。再者，可知在质子在电解质膜11中传导时，规定水量的水作为电渗水与质子相伴从阳极电极AN向阴极电极CA移动。
此时，通过使用未图示的流量调整器使氢导出路径的压力损失增加，从而能够将在阴极电极CA生成的氢(H2)升压。再者，作为氢导出路径，能够列举出例如图2A的阴极气体导出路径26。另外，作为流量调整器，能够列举出例如设置在氢导出路径中的背压阀、调整阀等。
阳极电极：H2(低压)→2H++2e-…(1)
阴极电极：2H++2e-→H2(高压)…(2)
这样，在电化学式氢泵100中，通过使用电压施加器102施加电压，向阳极电极AN供给的含氢气体中的氢在阴极电极CA中被升压。由此，进行电化学式氢泵100的氢升压工作，在阴极电极CA中被升压了的氢暂时储存在例如未图示的氢储存器中。另外，在氢储存器中储存的氢适时地被供给到氢需要体。再者，作为氢需要体，例如能够列举出使用氢来发电的燃料电池等。
[拉曼光谱分析]
以下，参照附图来对电化学式氢泵100中的碳多孔体片15S的利用拉曼光谱法得到的分析结果的一例进行说明。
＜拉曼光谱分析装置的规格＞
碳多孔体片15S的激光拉曼光谱分析是使用以下规格的拉曼光谱分析装置HR-800-UV(HORIBA JOBIN YVON公司制)进行的。
·测定波数范围：400～2100cm-1
·光源/波长：Ar激光器/514nm
·激光器功率：50mW(在激光器出口附近的强度)
·激光器光斑直径：约1μmφ
·衍射光栅：600gr/mm
·检测器：CCD
＜分析结果＞
图4是表示第1实施方式的电化学式氢泵中的碳多孔体片的利用拉曼光谱法得到的分析结果的一例的图。对于图4的拉曼光谱的横轴，作为与能量成比例的单位，取波数(波长的倒数)(cm-1)，对于纵轴，取散射光的强度。
图4的拉曼光谱，当以高斯分布分离时，如该图所示可知包含拉曼峰在约1600cm-1附近的光谱(G带)、拉曼峰在约1350cm-1附近的光谱(D1带)、拉曼峰在约1500cm-1附近的光谱(D2带)、拉曼峰在约1200cm-1附近的光谱(D3带)。
在此，G带可以认为是来自结晶状态的碳的光谱。另外，D1带、D2带和D3带(以下称为D带)可以认为是来自非晶状态的碳。也就是说，可以认为D带与G带之间的散射光强度的积分值(以下称为积分强度)之比(D(＝D1+D2+D3)/G)越大，碳多孔体片15S中所含的非晶状态的碳量越多。
因此，当测定各能带的积分强度时，G带为1671，D1带为2870，D2带为853，D3带为708。
由此，可知D带与G带之间的积分强度之比(D/G)为2.651。另外，也可知D带之中的与特征性的拉曼峰(约1350cm-1附近)对应的D1带与G带之间的积分强度之比(D1/G)为1.717。
这样，在本实施方式的电化学式氢泵100中，通过拉曼光谱分析明确可知碳多孔体片15S的结晶性低至D带与G带之间的积分强度之比(D/G)超过“1”的程度。
如以上所述，本实施方式的电化学式氢泵100，就阳极气体扩散层15而言能够比金属制的阳极气体扩散层降低成本，并且能够降低向阳极隔板17压曲的可能性。
具体而言，本实施方式的电化学式氢泵100，通过用粉末成形体构成碳多孔体片15S，与例如用碳纤维构成碳多孔体片的情况相比，能够提高刚性。
另外，包含非晶碳的碳多孔体片15S，如在以往的金属多孔体中所确认到的那样的锐利的部分较少。因此，本实施方式的电化学式氢泵100，即使这样的碳多孔体片15S被向电解质膜11推压，与以往的金属多孔体相比，也能够降低对电解质膜11造成损伤的可能性。
另外，一般地，碳键为非晶结构的非晶碳与碳键为晶体结构的碳相比，刚性高。因此，本实施方式的电化学式氢泵100，通过碳多孔体片15S以通过拉曼光谱分析而为D/G＞1.0的方式包含非晶碳，从而能适当地确保阳极气体扩散层15的刚性。
另外，本实施方式的电化学式氢泵100，碳多孔体片15S的阳极隔板17侧的第1表面层15B的刚性高于比该第1表面层15B靠内侧的层15A的刚性。因此，能够抑制由于电化学式氢泵100的氢升压运行时产生的阴极电极CA和阳极电极AN间的差压(高压)而使阳极气体扩散层15变形。例如，本实施方式的电化学式氢泵100能够降低由于上述的差压而在设置于阳极隔板17的阳极气体流路33中阳极气体扩散层15压曲的可能性。
(第1实施例)
第1实施例的电化学式氢泵100，除了以下说明的碳多孔体片15S的构成以外，与第1实施方式的电化学式氢泵100同样。
在本实施例的电化学式氢泵100中，碳多孔体片15S的阳极隔板17侧的第1表面层15B的气孔率低于比该第1表面层15B靠内侧的层15A的气孔率。
再者，上述的气孔率能够使用水银孔隙率计(商品名：オートポアIII9410，株式会社岛津制作所制)来评价。该装置能够利用水银向细孔的压入来测定具有数nm～500μm左右的气孔直径的气孔的容积。而且，能够根据第1表面层15B及内侧的层15A各自的气孔的容积和固体部分知道它们的气孔率。
在此，在碳多孔体片15S例如为以碳粒子为原材料的烧结体的情况下，碳多孔体片15S的气孔率越低，则构成碳多孔体片15S的碳粒子彼此的缩颈(粒子间的结合)越增加。于是，能够使碳多孔体片15S的刚性提高。由此，本实施例的电化学式氢泵100，能够使碳多孔体片15S的阳极隔板17侧的第1表面层15B的刚性提高。其结果，能够抑制由于电化学式氢泵100的氢升压运行时产生的阴极电极CA和阳极电极AN间的差压而使阳极气体扩散层15变形。例如，本实施例的电化学式氢泵100，能够降低由于上述的差压而在设置于阳极隔板17的阳极气体流路33中阳极气体扩散层15压曲的可能性。
本实施例的电化学式氢泵100，除了上述的特征以外，可以与第1实施方式的电化学式氢泵100同样。
(第2实施例)
第2实施例的电化学式氢泵100，除了以下说明的碳多孔体片15S的构成以外，与第1实施方式的电化学式氢泵100同样。
在本实施例的电化学式氢泵100中，如图5所示，碳多孔体片15S的比第1表面层15B靠内侧的层15A可以是位于碳多孔体片15S的厚度方向的中间的中间层。因此，该中间层的刚性比阳极隔板17侧的第1表面层15B的刚性低。在该情况下，中间层例如可以由碳键为晶体结构的碳构成。另外，在碳多孔体片15S例如为以碳粒子为原材料的烧结体的情况下，中间层的气孔率可以高于第1表面层15B的气孔率。
另外，在本实施例的电化学式氢泵100中，如图5所示，碳多孔体片15S的阳极催化剂层13侧的第2表面层15C的刚性高于比第2表面层15C靠内侧的层15A(中间层)的刚性。在该情况下，碳多孔体片15S阳极催化剂层13侧的第2表面层15C的气孔率可以低于比第2表面层15C靠内侧的层15A(中间层)的气孔率。
以上的气孔率能够使用水银孔隙率计(商品名：オートポアIII9410，株式会社岛津制作所制)来评价。
在此，在碳多孔体片15S例如为以碳粒子为原材料的烧结体的情况下，碳多孔体片15S的气孔率越低，则构成碳多孔体片15S的碳粒子彼此的缩颈(粒子间的结合)越增加。于是，能够使碳多孔体片15S的刚性提高。由此，本实施例的电化学式氢泵100能够使阳极隔板17侧的第1表面层15B和阳极催化剂层13侧的第2表面层15C的刚性提高。其结果，能够抑制由于电化学式氢泵100的氢升压运行时产生的阴极电极CA和阳极电极AN间的差压而使阳极气体扩散层15变形。例如，本实施例的电化学式氢泵100能够降低由于上述的差压而在设置于阳极隔板17的阳极气体流路33中阳极气体扩散层15压曲的可能性。
本实施例的电化学式氢泵100，除了上述的特征以外，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同样。
(第3实施例)
图6是表示第1实施方式的第3实施例的电化学式氢泵中的碳多孔体片的气孔率的测定值的一例的图。
首先，在图6(a)中，使用例如水银孔隙率计(商品名：オートポアIII9410，株式会社岛津制作所制)测定了厚度为约250μm的碳多孔体片的气孔率，结果该气孔率为约29％。
接着，如图6(b)所示，将图6(a)的碳多孔体片的一个主面在厚度方向上研磨了约50μm左右(单面研磨)。然后，在图6(b)中，使用例如水银孔隙率计(商品名：オートポアIII9410，株式会社岛津制作所制)测定了厚度为约200μm的碳多孔体片的气孔率，结果该气孔率为约32％。
接着，如图6(c)所示，将图6(b)的碳多孔体片的另一个主面在厚度方向上进一步研磨了约50μm左右(两面研磨)。然后，在图6(c)中，使用例如水银孔隙率计(商品名：オートポアIII9410，株式会社岛津制作所制)测定了厚度为约150μm的碳多孔体片的气孔率，结果该气孔率为约34％。
从以上的碳多孔体片的气孔率的测定结果可知，在图6(a)的碳多孔体片中混合存在气孔率大的中间层和气孔率小的表面层。也就是说，图6(a)的碳多孔体片可以如第2实施例(图5)所示那样是具备第1表面层15B、内侧的层15A(中间层)以及第2表面层15C的碳多孔体片15S。
再者，在该碳多孔体片例如为以碳粒子为原材料的烧结体的情况下，气孔率大的中间层相当于碳粒子为低密度的区域。气孔率小的表面层相当于碳粒子为高密度的区域。
再者，中间层和表面层的气孔率的大小不同的碳多孔体片例如可以是以期望的温度和期望的压力烧结而成的压粉体，但不限定于此。这样的碳多孔体片也能够通过使表面层的碳粒子的粒径比中间层的碳粒子的粒径小来形成。
本实施例的电化学式氢泵100取得的作用效果与第2实施例的电化学式氢泵100取得的作用效果同样，因此省略说明。
另外，本实施例的电化学式氢泵100，除了上述的特征以外，可以与第1实施方式以及第1实施方式的第1实施例～第2实施例之中的任一电化学式氢泵100同样。
(第4实施例)
第4实施例的电化学式氢泵100，除了以下说明的碳多孔体片15S的构成以外，与第1实施方式的电化学式氢泵100同样。
首先，在对碳多孔体片15S的厚度方向上的压缩强度为16MPa或60MPa的情况下，测定了碳多孔体片15S的气孔率、弯曲强度以及厚度方向的杨氏模量，结果得到了以下的值。
上述的气孔率的测定是使用水银孔隙率计(商品名：オートポアIII9410，株式会社岛津制作所制)进行的。另外，上述的弯曲强度和杨氏模量的测定分别通过JIS标准R1601“精细陶瓷的弯曲强度试验方法”和JIS标准R1602“精细陶瓷的弹性模量试验方法”中所记载的三点弯曲试验来进行。再者，杨氏模量的测定是在弯曲试验中的应力-应变曲线的直线区域中算出的。
＜压缩强度为16MPa的情况＞
·气孔率：47％
·弯曲强度：8MPa
·杨氏模量：1.5GPa
＜压缩强度为60MPa的情况＞
·气孔率：33％
·弯曲强度：30MPa
·杨氏模量：13GPa
在此，可以认为对碳多孔体片15S的厚度方向上的压缩强度与碳多孔体片15S的弯曲强度及杨氏模量存在直线性的倾向强的正的相关关系。另外，可以认为对碳多孔体片15S的厚度方向上的压缩强度与碳多孔体片15S的气孔率存在直线性的倾向强的负的相关关系。
因此可知：如果根据上述的测定数据的直线近似来算出在对碳多孔体片15S的厚度方向上的压缩强度为期望值(例如20MPa)的情况下的为了抑制碳多孔体片15S的破损而所需要的气孔率的上限值、弯曲强度的下限值以及厚度方向的杨氏模量的下限值，则分别为45％、10MPa以及2.5GPa。
也就是说，在本实施例的电化学式氢泵100中，碳多孔体片15S的至少阳极隔板17侧的第1表面层15B的厚度方向的杨氏模量可以为2.5GPa以上。另外，碳多孔体片15S的至少阳极隔板17侧的第1表面层15B的弯曲强度可以为10MPa以上。在这些情况下，碳多孔体片15S的至少阳极隔板17侧的第1表面层15B的气孔率为45％以下。再者，此时，碳多孔体片15S的至少阳极催化剂层13侧的第2表面层15C的气孔率可以为45％以下。
根据以上所述，本实施例的电化学式氢泵100，在对碳多孔体片15S的厚度方向上的压缩强度为期望值(例如20MPa)时，与阳极隔板17侧的第1表面层15B的厚度方向的杨氏模量小于2.5GPa的情况相比，能够抑制由于电化学式氢泵100的氢升压运行时产生的阴极电极CA和阳极电极AN间的差压(高压)而使阳极气体扩散层15变形。另外，本实施例的电化学式氢泵100，与阳极隔板17侧的第1表面层15B的弯曲强度小于10MPa的情况相比，能够抑制由于电化学式氢泵100的氢升压运行时产生的阴极电极CA和阳极电极AN间的差压(高压)而使阳极气体扩散层15变形。例如，本实施例的电化学式氢泵100能够降低由于上述的差压而在设置于阳极隔板17的阳极气体流路33中阳极气体扩散层15压曲的可能性。
再者，当对碳多孔体片15S的厚度方向上的压缩强度为约20MPa左右时，具备这样的碳多孔体片15S的电化学式氢泵100能够用于各种用途。例如，电化学式氢泵100，能够在以约15MPa左右向利用卡车等输送的小型氢容器中填充氢时使用。另外，电化学式氢泵100，在以约15MPa左右或约20MPa左右向利用卡车或专用车等输送的将多个氢容器集中地固定而成的氢集装格填充氢时也能够使用。
另外可知，当根据上述的测定数据的直线近似算出在对碳多孔体片15S的厚度方向上的压缩强度为期望值(例如40MPa)的情况下为了抑制碳多孔体片15S的破损而所需要的气孔率的上限值、弯曲强度的下限值以及厚度方向的杨氏模量的下限值，则分别为39％、20MPa以及7.8GPa。
也就是说，在本实施例的电化学式氢泵100中，碳多孔体片15S的至少阳极隔板17侧的第1表面层15B的厚度方向的杨氏模量可以为7.8GPa以上。另外，碳多孔体片15S的至少阳极隔板17侧的第1表面层15B的弯曲强度可以为20MPa以上。在这些情况下，碳多孔体片15S的至少阳极隔板17侧的第1表面层15B的气孔率为39％以下。再者，此时，碳多孔体片15S的至少阳极催化剂层13侧的第2表面层15C的气孔率可以为39％以下。
根据以上所述，本实施例的电化学式氢泵100，在对碳多孔体片15S的厚度方向上的压缩强度为期望值(例如40MPa)时，与阳极隔板17侧的第1表面层15B的厚度方向的杨氏模量小于7.8GPa的情况相比，能够抑制由于电化学式氢泵100的氢升压运行时产生的阴极电极CA和阳极电极AN间的差压(高压)而使阳极气体扩散层15变形。另外，本实施例的电化学式氢泵100，与阳极隔板17侧的第1表面层15B的弯曲强度小于20MPa的情况相比，能够抑制由于电化学式氢泵100的氢升压运行时产生的阴极电极CA和阳极电极AN间的差压(高压)而使阳极气体扩散层15变形。例如，本实施例的电化学式氢泵100能够降低由于上述的差压而在设置于阳极隔板17的阳极气体流路33中阳极气体扩散层15压曲的可能性。
再者，当对碳多孔体片15S的厚度方向上的压缩强度为约40MPa左右时，具备这样的碳多孔体片15S的电化学式氢泵100能够用于各种用途。例如，电化学式氢泵100能够在叉车或燃料电池车用的氢供给设备中作为氢压缩机使用。具体而言，电化学式氢泵100例如能够在从以约15MPa左右填充了氢的氢容器向氢蓄压器供给约40MPa左右的高压氢时使用。
本实施例的电化学式氢泵100，除了上述的特征以外，可以与第1实施方式以及第1实施方式的第1实施例～第3实施例之中的任一电化学式氢泵100同样。
(第5实施例)
第5实施例的电化学式氢泵100，除了以下说明的碳多孔体片15S的构成以外，与第1实施方式的电化学式氢泵100同样。
在本实施例的电化学式氢泵100中，碳多孔体片15S的峰值气孔直径比电解质膜11的膜厚小。电解质膜11的膜厚例如为约20μm～约50μm左右，但不限定于此。
再者，上述的峰值气孔直径能够使用水银孔隙率计(商品名：オートポアIII9410，株式会社岛津制作所制)来评价。该装置能够利用水银向细孔的压入来测定数nm～500μm左右的气孔直径的分布。而且，能够从该气孔直径分布知道峰值气孔直径。
在碳多孔体片15S的峰值气孔直径为电解质膜11的膜厚以上的情况下，起因于电解质膜11由于电化学式氢泵100的氢升压运行时产生的阴极电极CA和阳极电极AN间的差压而陷入碳多孔体片15S的气孔内的情况，有电解质膜11断裂的可能性。但是，本实施例的电化学式氢泵100通过使碳多孔体片15S的峰值气孔直径比电解质膜11的膜厚小，能够降低这样的可能性。
本实施例的电化学式氢泵100，除了上述的特征以外，可以与第1实施方式以及第1实施方式的第1实施例～第4实施例之中的任一电化学式氢泵100同样。
(第6实施例)
第6实施例的电化学式氢泵100除了以下说明的碳多孔体片15S的构成以外，与第1实施方式的电化学式氢泵100同样。
在本实施例的电化学式氢泵100中，碳多孔体片15S的整体的气孔率为20％以上。
再者，上述的气孔率能够使用水银孔隙率计(商品名：オートポアIII9410，株式会社岛津制作所制)来评价。该装置能够利用水银向细孔的压入来测定具有数nm～500μm左右的气孔直径的气孔的容积。而且，能够根据碳多孔体片15S的整体的气孔的容积和固体部分知道其气孔率。
在碳多孔体片15S的整体的气孔率小于20％的情况下，有可能不能够适当地确保阳极气体扩散层15向阳极催化剂层13的气体扩散性。但是，本实施例的电化学式氢泵100，通过使碳多孔体片15S的整体的气孔率为20％以上，在阳极气体扩散层15中容易形成与外部连通的气孔(连通孔)，因此能确保阳极气体扩散层15向阳极催化剂层13的气体扩散性。由此，能够将来自阳极隔板17的阳极气体通过阳极气体扩散层15向阳极催化剂层13适当地供给。
本实施例的电化学式氢泵100，除了上述的特征以外，可以与第1实施方式以及第1实施方式的第1实施例～第5实施例之中的任一电化学式氢泵100同样。
(第2实施方式)
第2实施方式的电化学式氢泵100，除了阳极气体扩散层15的阳极催化剂层13侧的第2表面层15C为疏水性以外，与第1实施方式的电化学式氢泵100同样。
在电化学式氢泵100的阳极电极AN和阴极电极CA间流动电流时，质子与水相伴从阳极电极AN向阴极电极CA在电解质膜11中移动。此时，从阳极电极AN移动到阴极电极CA的水(电渗水)在电化学式氢泵100的工作温度为规定温度以上的情况下作为水蒸气而存在，但阴极电极CA的氢气压力越高，作为液体的水而存在的比例越增加。而且，在阴极电极CA存在液体的水的情况下，该水的一部分由于阴极电极CA和阳极电极AN间的差压而被压回到阳极电极AN。此时，阴极电极CA的氢气压力越高，被压回到阳极电极AN的水的量越增加。于是，由于随着阴极电极CA的氢气压力上升而被压回到阳极电极AN的水而容易发生阳极电极AN的淹没(flooding)。而且，在由于发生这样的淹没而在阳极电极AN气体扩散性被损害的情况下，有可能由于电化学式氢泵100的扩散阻力增加而导致电化学式氢泵100的氢升压工作的效率降低。
因此，本实施方式的电化学式氢泵100被构成为：通过使阳极气体扩散层15的阳极催化剂层13侧的第2表面层15C为疏水性，从而通过阳极气体的流动而将被压回到阳极电极AN的水快速地向外部排出。因此，能抑制淹没的发生，其结果，能够在阳极电极AN适当地维持气体扩散性。
再者，在阳极气体扩散层15为以碳粒子为原材料的烧结体的情况下，可以通过向该烧结体涂敷包含氟系树脂等的疏水性树脂的材料来使阳极气体扩散层15的阳极催化剂层13侧的第2表面层15C的碳粒子呈现疏水性。另外，也可以通过使上述的烧结体浸渗这样的包含疏水性树脂的材料来使阳极气体扩散层15的阳极催化剂层13侧的第2表面层15C的碳粒子呈现疏水性。
作为包含疏水性树脂的材料，例如能够列举出使PTFE的微粉末分散在溶剂中而成的溶液等。另外，作为包含疏水性树脂的材料的涂敷方法，例如能够列举出喷雾涂敷法等。
但是，以上的疏水性的第2表面层15C的形成方法和构成为例示，并不限定于本例。
本实施方式的电化学式氢泵100，除了上述的特征以外，可以与第1实施方式和以及第1实施方式的第1实施例～第6实施例之中的任一电化学式氢泵100同样。
(第3实施方式)
第3实施方式的电化学式氢泵100，除了阳极气体扩散层15的阳极隔板17侧的第1表面层15B为亲水性以外，与第1实施方式的电化学式氢泵100同样。
一般地，电解质膜11在高温及高加湿的条件(例如约60℃左右)下质子传导率上升，电化学式氢泵100的氢升压工作的效率提高。另外，如上述那样，在电化学式氢泵100的阳极电极AN和阴极电极CA之间流动电流时，质子与水相伴从阳极电极AN向阴极电极CA在电解质膜11中移动。而且，从阳极电极AN移动到阴极电极CA的电渗水的一部分与高压的氢气一起从阴极电极CA向外部排出。
在此，当在阳极电极AN与阴极电极CA之间流动的电流密度变大时，电渗水的量增加，并且排出至阴极电极CA外的电渗水的量增加。在该情况下，电化学式氢泵100的电解质膜11容易干燥，因此有可能电化学式氢泵100的氢升压工作的效率降低。
因此，本实施方式的电化学式氢泵100被构成为：通过使阳极气体扩散层15的阳极隔板17侧的第1表面层15B为亲水性，来对该第1表面层15B赋予保水功能。因此，容易通过阳极气体扩散层15向电解质膜11供给阳极气体中的水分，因此能够降低电化学式氢泵100的电解质膜11干燥的可能性。
再者，在阳极气体扩散层15为以碳粒子为原材料的烧结体的情况下，通过对该碳粒子进行例如药剂、电解氧化、臭氧、氧等离子体等的处理，例如设置羧基、羟基、羰基等含氧官能团，能够使该碳粒子呈现亲水性。
但是，以上的亲水性的第1表面层15B的形成方法和构成为例示，并不限定于本例。
本实施方式的电化学式氢泵100，除了上述的特征以外，可以与第1实施方式、第1实施方式的第1实施例～第6实施例和第2实施方式之中的任一电化学式氢泵100同样。
再者，第1实施方式、第1实施方式的第1实施例～第6实施例、第2实施方式以及第3实施方式，只要不相互排斥对方，就可以相互组合。例如，电化学式氢泵100可以使阳极气体扩散层15的阳极催化剂层13侧的第2表面层15C为疏水性，并且使阳极气体扩散层15的阳极隔板17侧的第1表面层15B为亲水性。
根据上述说明，对于本领域技术人员来说，本公开的许多改良和其他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，出于教导本领域技术人员的目的而提供了实施本公开的最佳的方式。能够不脱离本公开的精神而实质地变更其结构和/或功能的细节。
产业上的可利用性
本公开的一方式能够利用于电化学式氢泵，该电化学式氢泵就阳极气体扩散层而言能够比金属制的阳极气体扩散层降低成本。
附图标记说明
11：电解质膜
12：阴极催化剂层
13：阳极催化剂层
14：阴极气体扩散层
15：阳极气体扩散层
15A：内侧的层
15B：第1表面层
15C：第2表面层
15S：碳多孔体片
16：阴极隔板
17：阳极隔板
21：绝缘体
22A：阳极供电板
22C：阴极供电板
23A：阳极绝缘板
23C：阴极绝缘板
24A：阳极端板
24C：阴极端板
25：缔结器
26：阴极气体导出路径
27：阳极气体导入歧管
29：阳极气体导入路径
30：阳极气体导出歧管
31：阳极气体导出路径
32：阴极气体流路
33：阳极气体流路
34：阴极气体通过路径
35：第1阳极气体通过路径
36：第2阳极气体通过路径
40：密封构件
42：密封构件
43：密封构件
50：阴极气体导出歧管
100：电化学式氢泵
100A：氢泵单元
102：电压施加器
AN：阳极电极
CA：阴极电极。

Claims (18)

1.一种电化学式氢泵，具备：
电解质膜；
阳极电极，其设置在所述电解质膜的一个主面上；
阴极电极，其设置在所述电解质膜的另一个主面上；和
阳极隔板，其设置在所述阳极电极上，
所述阳极电极具备设置在所述电解质膜的一个主面上的阳极催化剂层和设置在所述阳极催化剂层上的阳极气体扩散层，
所述阳极气体扩散层具备碳多孔体片，所述碳多孔体片为粉末成形体。
2.一种电化学式氢泵，具备：
电解质膜；
阳极电极，其设置在所述电解质膜的一个主面上；
阴极电极，其设置在所述电解质膜的另一个主面上；和
阳极隔板，其设置在所述阳极电极上，
所述阳极电极具备设置在所述电解质膜的一个主面上的阳极催化剂层和设置在所述阳极催化剂层上的阳极气体扩散层，
所述阳极气体扩散层具备阳极隔板侧的第1表面层包含非晶碳的碳多孔体片，
所述碳多孔体片通过拉曼光谱分析为D/G＞1.0。
3.根据权利要求1或2所述的电化学式氢泵，
所述碳多孔体片的至少所述阳极隔板侧的第1表面层的厚度方向的杨氏模量为2.5GPa以上。
4.根据权利要求1或2所述的电化学式氢泵，
所述碳多孔体片的至少所述阳极隔板侧的第1表面层的厚度方向的杨氏模量为7.8GPa以上。
5.根据权利要求1或2所述的电化学式氢泵，
所述碳多孔体片的至少所述阳极隔板侧的第1表面层的弯曲强度为10MPa以上。
6.根据权利要求1或2所述的电化学式氢泵，
所述碳多孔体片的至少所述阳极隔板侧的第1表面层的弯曲强度为20MPa以上。
7.根据权利要求1、2、3和5中的任一项所述的电化学式氢泵，
所述碳多孔体片的至少所述阳极隔板侧的第1表面层的气孔率为45％以下。
8.根据权利要求1、2、4和6中的任一项所述的电化学式氢泵，
所述碳多孔体片的至少所述阳极隔板侧的第1表面层的气孔率为39％以下。
9.根据权利要求7所述的电化学式氢泵，
所述碳多孔体片的所述阳极催化剂层侧的第2表面层的气孔率为45％以下。
10.根据权利要求8所述的电化学式氢泵，
所述碳多孔体片的所述阳极催化剂层侧的第2表面层的气孔率为39％以下。
11.根据权利要求1～10中的任一项所述的电化学式氢泵，
所述碳多孔体片的所述阳极隔板侧的第1表面层的刚性高于比所述第1表面层靠内侧的层的刚性。
12.根据权利要求11所述的电化学式氢泵，
所述碳多孔体片的所述阳极催化剂层侧的第2表面层的刚性高于比所述第2表面层靠内侧的层的刚性。
13.根据权利要求1～12中的任一项所述的电化学式氢泵，
所述碳多孔体片的所述阳极隔板侧的第1表面层的气孔率低于比所述第1表面层靠内侧的层的气孔率。
14.根据权利要求13所述的电化学式氢泵，
所述碳多孔体片的所述阳极催化剂层侧的第2表面层的气孔率低于比所述第2表面层靠内侧的层的气孔率。
15.根据权利要求1～14中的任一项所述的电化学式氢泵，
所述碳多孔体片的峰值气孔直径比所述电解质膜的膜厚小。
16.根据权利要求1～15中的任一项所述的电化学式氢泵，
所述碳多孔体片整体的气孔率为20％以上。
17.根据权利要求1～16中的任一项所述的电化学式氢泵，
所述阳极气体扩散层的所述阳极催化剂层侧的第2表面层为疏水性。
18.根据权利要求1～17中的任一项所述的电化学式氢泵，
所述阳极气体扩散层的所述阳极隔板侧的第1表面层为亲水性。
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