电化学式升压电池的制作方法

1.本发明涉及一种电化学式升压电池。


背景技术：

2.电化学式升压电池具有电解质膜、被设置于电解质膜的一表面的阴极电极和被设置于电解质膜的另一表面的阳极电极。阳极电极包含阳极催化剂层和阳极供电体。电化学式升压电池在向阳极供电体供给包含水蒸气的氢气的状态下在阴极电极与阳极电极之间施加电压，据此使阴极电极产生高压氢气。
3.在这种电化学式升压电池中，例如，在日本发明专利公开公报特开2018-109221号中公开一种由层叠体构成的阳极气体扩散层(阳极供电体)，该层叠体由具有多个通气孔的多个金属片层叠而成。


技术实现要素：

4.另外，在电化学式升压电池中，电解质膜的中央部分的温度比外周部分高。在此情况下，当调整水蒸气的供给量以使电解质膜的中央部分不干燥时，在电解质膜的外周部与阳极供电体的外周部之间容易滞留液态水。于是，由于滞留水而导致氢气难以被供给至阳极催化剂层，因此，在阳极催化剂层的外周部，电化学反应可能会受到阻碍。
5.本发明的目的在于解决上述的技术问题。
6.本发明的一方式为一种电化学式升压电池，该电化学式升压电池具有电解质膜、阴极电极和阳极电极，其中，所述阴极电极被设置于所述电解质膜的一表面；所述阳极电极被设置于所述电解质膜的另一表面，所述阳极电极包含阳极催化剂层和阳极供电体，在向所述阳极供电体供给包含水分的氢气的状态下在所述阴极电极与所述阳极电极之间施加电压，据此使所述阴极电极产生比所述氢气的压力高的高压氢气，其特征在于，具有流路部件，该流路部件用于使所述氢气沿着所述阳极供电体的表面方向从所述阳极供电体的外周的第1端部向第2端部流通，所述阳极供电体包含第1表面和第2表面，其中，所述第1表面朝向所述阳极催化剂层所在的方向；所述第2表面朝向与所述阳极催化剂层所在的方向相反的方向，所述阳极供电体具有多个第1部位和多个第2部位，其中，所述多个第1部位由第1多孔体、第2多孔体和第3多孔体以从所述第1表面到所述第2表面的方式依次层叠而成；所述多个第2部位由所述第1多孔体、所述第3多孔体和所述第2多孔体以从所述第1表面到所述第2表面的方式依次层叠而成，所述第2多孔体的孔隙率(porosity)比所述第1多孔体的孔隙率大，所述第3多孔体的孔隙率比所述第2多孔体的孔隙率大，所述多个第1部位和所述多个第2部位以从所述第1端部到所述阳极供电体的表面方向内侧的方式交替配置。
7.根据本发明，第2多孔体的孔隙率比第1多孔体的孔隙率大，第3多孔体的孔隙率比第2多孔体的孔隙率大。因此，在阳极供电体中，氢气容易在第3多孔体中流动。另外，第2部位的第3多孔体的位置比第1部位的第3多孔体的位置靠近阳极催化剂层。而且，以从第1端部到阳极供电体的表面方向内侧的方式交替配置第1部位和第2部位。
8.在此情况下，当氢气从第1部位流向第2部位时，产生朝向阳极催化剂层的方向的氢气的流向(第1流向)。另外，当氢气从第2部位流向第1部位时，产生从阳极催化剂层离开的方向的氢气的流向(第2流向)。即，以从第1端部到阳极供电体的表面方向内侧的方式交替产生第1流向和第2流向。第1流向用于将氢气供给至阳极催化剂层。第2流向用于将阳极供电体与电解质膜之间产生的液态水导向阳极供电体的内孔。据此，在电解质膜的外周部与阳极供电体的外周部之间产生的液态水被在阳极供电体中流通的氢气输送至电解质膜的中央部分。据此，能够抑制在阳极供电体的外周部与电解质膜之间滞留液态水，从而能够抑制在阳极催化剂层的外周部，电化学反应受到滞留水的阻碍。
9.上述的目的、特征和优点根据参照附图说明的以下的实施方式的说明应容易地理解。
附图说明
10.图1是本发明一实施方式所涉及的电化学式升压电池的示意俯视图。
11.图2是沿图1的ii-ii纵剖视图。
12.图3是沿图1的iii-iii纵剖视图。
13.图4是从厚度方向观察图2的阳极供电体的俯视说明图。
14.图5是图1的阳极供电体的第1剖面说明图。
15.图6是图1的阳极供电体的第2剖面说明图。
16.图7是从厚度方向观察变形例所涉及的阳极供电体的俯视说明图。
17.图8是图7的阳极供电体的第1剖面说明图。
18.图9是图7的阳极供电体的第2剖面说明图。
具体实施方式
19.如图1所示，本发明的一实施方式所涉及的电化学式升压电池10(以下，有时简称为“升压电池10”)将从未图示的氢储罐等供给的低压的氢气通过电化学反应升压为高压的氢气(高压氢气)。升压电池10通过层叠多个而构成未图示的升压电池堆。升压电池10被施加有沿箭头x方向的压缩载荷(紧固载荷)(参照图2)。
20.在图1～图3中，升压电池10具有支承部件12、流路部件14和mea16(membrane electrode assembly：膜电极)。此外，升压电池10具有从箭头x方向夹持支承部件12、流路部件14和mea16的未图示的一对隔板。在升压电池10的中央部，沿箭头x方向贯穿形成有用于使高压氢气导出的氢气导出流路18(参照图1)。
21.支承部件12为板状部件。支承部件12例如由树脂材料构成。在支承部件12的一表面(箭头x1方向的表面)的中央部，形成有配置流路部件14的圆形的第1凹部20(参照图2和图3)。在支承部件12的外周部形成有入口流路22和出口流路24。
22.如图2所示，入口流路22在支承部件12的另一表面(箭头x2方向上的表面)开口。入口流路22位于支承部件12的箭头y1方向上的端部。入口流路22在第1凹部20的内侧面20a开口。入口流路22为用于将包含水蒸气(水分)的低压的氢气导向mea16的孔。
23.如图3所示，出口流路24位于支承部件12的箭头y2方向上的端部。出口流路24在第1凹部20的内侧面20a开口。出口流路24相对于入口流路22位于沿第1凹部20的周向偏移
180
°
的位置(参照图1)。换言之，入口流路22和出口流路24以隔着氢气导出流路18的方式设置。出口流路24在支承部件12的另一表面开口。
24.在图2和图3中，流路部件14被配置于支承部件12的第1凹部20。在流路部件14的箭头x1方向上的一表面的中央部形成有圆形的第2凹部26。在第2凹部26上配置有后述的阳极供电体46。在流路部件14的外周部形成有多个供给流路28，并形成有排出流路30。
25.如图1和图2所示，多个供给流路28与入口流路22连通。多个供给流路28向阳极供电体46的外周的第1端部52导入包含水蒸气的氢气。如图1和图3所示，排出流路30与出口流路24连通。排出流路30将从阳极供电体46的外周的第2端部54导出的废气导向出口流路24。
26.在图2和图3中，mea16具有电解质膜32、阴极电极34和阳极电极36。mea16对供给至阳极电极36的氢气进行电化学升压，使阴极电极34产生高压氢气。
27.电解质膜32具有氢离子传导性(质子传导性)。电解质膜32例如为固体高分子电解质膜(阳离子交换膜)。固体高分子电解质膜例如为含有水分的全氟磺酸的薄膜。电解质膜32被阳极电极36和阴极电极34夹持。电解质膜32除了氟系电解质以外，还可以使用hc(烃)系电解质。
28.阴极电极34被设置于电解质膜32的一(箭头x1方向)表面32a。阴极电极34具有阴极催化剂层38和阴极供电体40。阴极催化剂层38与电解质膜32的表面32a接合。阴极催化剂层38例如由担载有铂等催化剂粒子的碳多孔体构成。阴极供电体40兼作气体扩散层，该气体扩散层用于导出阴极催化剂层38所产生的高压氢气。
29.阳极电极36被设置于电解质膜32的另一(箭头x2方向)表面32b。阳极电极36具有阳极催化剂层42、保护片44和阳极供电体46。阳极催化剂层42与电解质膜32的表面32b接合。阳极催化剂层42例如与阴极催化剂层38同样地构成。阳极供电体46兼作气体扩散层，该气体扩散层用于向阳极催化剂层42供给包含水蒸气的氢气。即，阳极供电体46为多孔部件。
30.保护片44被配置于阳极催化剂层42与阳极供电体46之间。保护片44防止电解质膜32被阴极催化剂层38所产生的高压氢气向阳极供电体46(多孔部件)推压而损伤。保护片44构成为包含水蒸气的氢气能够透过。
31.阳极供电体46包含第1表面48和第2表面50，所述第1表面48朝向阳极催化剂层42所在的方向(箭头x1方向)；所述第2表面50朝向与阳极催化剂层42所在的方向相反的方向(箭头x2方向)。
32.如图4所示，阳极供电体46形成圆形。阳极供电体46的外周具有第1端部52和第2端部54。第1端部52为阳极供电体46的箭头y1方向上的端部。第2端部54为阳极供电体46的箭头y2方向上的端部。第1端部52和第2端部54以隔着氢气导出流路18的方式设置。
33.换言之，第1端部52位于阳极供电体46的外周中的比线段l靠箭头y1方向的位置。此外，线段l与阳极供电体46的厚度方向(箭头x方向)和箭头y1方向正交，并且通过阳极供电体46的中心点o。第1端部52在阳极供电体46的周向上涵盖180
°
以下的范围延伸。第2端部54位于阳极供电体46的外周中的比线段l靠箭头y2方向的位置。第2端部54在阳极供电体46的周向上涵盖180
°
以下的范围延伸。
34.从多个供给流路28(参照图2)向第1端部52导入包含水蒸气的氢气。在阳极供电体46中流通的废气从第2端部54向排出流路30(参照图3)导出。
35.阳极供电体46具有多个第1部位56和多个第2部位58。各第1部位56为以阳极供电
体46的中心点o为中心的圆环部。多个第1部位56的直径相互不同。各第2部位58为以阳极供电体46的中心点o为中心的圆环部。多个第2部位58的直径相互不同。
36.多个第1部位56和多个第2部位58向阳极供电体46的径向内侧交替配置。换言之，多个第1部位56和多个第2部位58以从第1部位56到阳极供电体46的表面方向内侧(箭头y2方向)的方式交替配置。另外，多个第1部位56和多个第2部位58以从阳极供电体46的中央部到第2端部54(箭头y2方向)的方式交替配置。第1部位56和第2部位58在阳极供电体46的径向上相互邻接。
37.多个第1部位56的第1宽度w1相互相同。第1宽度w1为第1部位56沿着第1部位56和第2部位58的排列方向上的长度。换言之，第1宽度w1为第1部位56沿着阳极供电体46的径向上的长度。多个第2部位58的第2宽度w2相互相同。第2宽度w2为第2部位58沿着第1部位56和第2部位58的排列方向上的长度。换言之，第2宽度w2为第2部位58沿着阳极供电体46的径向上的长度。各第2部位58的第2宽度w2与各第1部位56的第1宽度w1相同。但是，各第2部位58的第2宽度w2可以大于各第1部位56的第1宽度w1，也可以比其小。
38.在图5和图6中，第1部位56的厚度(沿着箭头x方向上的长度)与第2部位58的厚度(沿着箭头x方向上的长度)相同。第1部位56由第1多孔体60、第2多孔体62和第3多孔体64以从第1表面48到第2表面50的方式依次层叠而形成。第1多孔体60、第2多孔体62和第3多孔体64分别为网状部件。
39.第2多孔体62的孔隙率比第1多孔体60的孔隙率大。第3多孔体64的孔隙率比第2多孔体62的孔隙率大。第2多孔体62的厚度d2(沿着箭头x方向上的长度)比第1多孔体60的厚度d1(沿着箭头x方向上的长度)厚。第3多孔体64的厚度d3(沿着箭头x方向上的长度)比第2多孔体62的厚度d2厚。
40.形成第2多孔体62的网状线的外径比形成第1多孔体60的网状线的外径大。形成第3多孔体64的网状线的外径比形成第2多孔体62的网状线的外径大。
41.第1多孔体60为具有比第2多孔体62和第3多孔体64各自的孔隙率小的孔隙率的致密层。据此，能够通过第1多孔体60抑制保护片44被高压氢气向阳极供电体46推压而变形。
42.第2多孔体62为具有比第1多孔体60的孔隙率大且比第3多孔体64的孔隙率小的孔隙率的中间层。据此，能够通过第2多孔体62抑制作为致密层的第1多孔体60被向第3多孔体64推压而变形。在第2多孔体62中，包含水蒸气的氢气比在第1多孔体60中容易流通。
43.第3多孔体64为承受高压氢气的推压力的强度层。第3多孔体64具有比第1多孔体60和第2多孔体62各自的孔隙率大的孔隙率。因此，在第3多孔体64中，包含水蒸气的氢气比在第1多孔体60和第2多孔体62中容易流通。
44.第2部位58由第1多孔体60、第3多孔体64和第2多孔体62以从第1表面48到第2表面50的方式依次层叠而形成。即，除了第2多孔体62与第3多孔体64的位置调换这一点以外，第1部位56和第2部位58的结构均相同。在相互相邻的第1部位56和第2部位58，第1部位56的第3多孔体64与第2部位58的第3多孔体64相互邻接(在阳极供电体46的表面方向上重叠。
45.这样构成的升压电池10如以下这样进行动作。
46.如图2所示，包含水蒸气的氢气从升压电池10的入口流路22通过供给流路28被导入阳极供电体46的第1端部52。如图4～图6所示，被导入阳极供电体46的第1端部52的氢气以从阳极供电体46的第1端部52到第2端部54的方式流动，同时被供给至阳极催化剂层42。
47.具体而言，氢气以从阳极供电体46的第1端部52到第2端部54的方式交替地流过第1部位56和第2部位58。此时，氢气容易在第1部位56的第3多孔体64和第2部位58的第3多孔体64中流动。
48.因此，如图5和图6所示，当氢气从第1部位56流向第2部位58时，产生朝向阳极催化剂层42的方向(箭头x1方向)的氢气的流向(第1流向f1)。另外，当氢气从第2部位58流向第1部位56时，产生从阳极催化剂层42离开的方向(箭头x2方向)的氢气的流向(第2流向f2)。即，以从第1端部52到阳极供电体46的表面方向内侧的方式交替产生第1流向f1和第2流向f2。第1流向f1用于将氢气导向阳极催化剂层42。第2流向f2用于将阳极供电体46与电解质膜32之间产生的液态水导向阳极供电体46的内孔。
49.在此情况下，在阳极供电体46的第1端部52与电解质膜32的外周部之间所产生的液态水被在阳极供电体46中流通的氢气输送至电解质膜32的中央部分(参照图5)。据此，能够减少在阳极供电体46的第1端部52与电解质膜32的外周部之间滞留的液态水的量，同时能够对电解质膜32的中央部分进行加湿。另外，在阳极供电体46的第2端部54与电解质膜32的外周部之间所产生的液态水容易被阳极供电体46的第2流向f2排出至排出流路30(参照图6)。据此，能够实现电解质膜32的含水分布的均匀化，并且能够抑制阳极供电体46的外周部与电解质膜32的外周部之间的液态水的滞留。
50.当对阳极供电体46与阴极供电体40之间施加电压时，在阳极催化剂层42中，所供给的氢气通过电化学反应而被转换为质子(氢离子)。在阳极催化剂层42中所产生的质子通过电解质膜32的内部而被导向阴极催化剂层38。在阴极催化剂层38中，从电解质膜32导入的质子通过电化学反应而被转换为高压氢气。在阴极催化剂层38中所产生的高压氢气通过氢气导出流路18(参照图1)而被向未图示的外部配管导出。
51.在阳极供电体46中流通的未反应的氢气(在阳极催化剂层42中未被消耗的氢气)和水蒸气作为废气与在阳极供电体46所产生的液态水一起，通过排出流路30被向出口流路24排出。被从出口流路24排出的未反应的氢气例如再次流入入口流路22而被再利用。
52.本实施方式实现以下的效果。
53.根据本实施方式，第2多孔体62的孔隙率比第1多孔体60的孔隙率大，第3多孔体64的孔隙率比第2多孔体62的孔隙率大。因此，在阳极供电体46，氢气容易在第3多孔体64中流动。另外，第2部位58的第3多孔体64的位置比第1部位56的第3多孔体64的位置靠近阳极催化剂层42。并且，以从第1端部52到阳极供电体46的表面方向内侧的方式交替配置第1部位56和第2部位58。
54.在此情况下，在电解质膜32的外周部与阳极供电体46的外周部之间产生的液态水被在阳极供电体46中流通的氢气输送至电解质膜32的中央部分。据此，能够抑制在阳极供电体46的外周部与电解质膜32之间滞留液态水，从而能够抑制在阳极催化剂层42的外周部，电化学反应受到滞留水的阻碍。
55.在第1多孔体60、第2多孔体62和第3多孔体64的层叠方向上，第3多孔体64的厚度d3比第2多孔体62的厚度d2厚。
56.根据这样的结构，能够使第1部位56的第3多孔体64与第2部位58的第3多孔体64相互邻接。据此，能够高效地产生第1流向f1和第2流向f2。
57.多个第1部位56分别呈环状延伸。多个第2部位58分别呈环状延伸。
58.根据这样的结构，能够简化阳极供电体46的结构。
59.(变形例)接着，说明变形例所涉及的阳极供电体46a。此外，在变形例中，针对与上述的阳极供电体46相同的结构标注相同的附图标记，并省略其详细的说明。如图7～图9所示，在阳极供电体46a中，多个第1部位56的第1宽度w1和多个第2部位58的第2宽度w2随着从阳极供电体46a的中央部靠向外周(靠向径向外侧)而逐渐变窄。换言之，第1宽度w1和第2宽度w2随着从阳极供电体46a的中央部靠向第1端部52(箭头y1方向)而逐渐变窄。另外，第1宽度w1和第2宽度w2随着从阳极供电体46的中央部靠向第2端部54(箭头y2方向)而逐渐变窄。
60.本变形例实现以下的效果。
61.多个第1部位56和多个第2部位58形成为，沿着第1部位56和第2部位58的排列方向的宽度随着从阳极供电体46a的中央部靠向第1端部52而逐渐变窄。
62.根据这样的结构，能够使阳极供电体46a的外周部中的第1流向f1和第2流向f2的产生次数比阳极供电体46a的中央部中的第1流向f1和第2流向f2的产生次数多。据此，能够进一步抑制在阳极供电体46a的外周部与电解质膜32的外周部之间滞留液态水。
63.此外，本发明不限于上述的实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内能够采用各种结构。
64.本实施方式公开以下的内容。
65.上述实施方式公开一种电化学式升压电池(10)，该电化学式升压电池具有电解质膜(32)、阴极电极(34)和阳极电极(36)，其中，所述阴极电极被设置于所述电解质膜的一表面(32a)；所述阳极电极被设置于所述电解质膜的另一表面(32b)，所述阳极电极包含阳极催化剂层(42)和阳极供电体(46、46a)，在向所述阳极供电体供给包含水分的氢气的状态下在所述阴极电极与所述阳极电极之间施加电压，据此使所述阴极电极产生比所述氢气的压力高的高压氢气，其特征在于，具有流路部件(14)，该流路部件用于使所述氢气沿着所述阳极供电体的表面方向从所述阳极供电体的外周的第1端部(52)向第2端部(54)流通，所述阳极供电体包含第1表面(48)和第2表面(50)，其中，所述第1表面朝向所述阳极催化剂层所在的方向；所述第2表面朝向与所述阳极催化剂层所在的方向相反的方向，所述阳极供电体具有多个第1部位(56)和多个第2部位(58)，其中，所述多个第1部位由第1多孔体(60)、第2多孔体(62)和第3多孔体(64)以从所述第1表面到所述第2表面的方式依次层叠而成；所述多个第2部位由所述第1多孔体、所述第3多孔体和所述第2多孔体以从所述第1表面到所述第2表面的方式依次层叠而成，所述第2多孔体的孔隙率比所述第1多孔体的孔隙率大，所述第3多孔体的孔隙率比所述第2多孔体的孔隙率大，所述多个第1部位和所述多个第2部位以从所述第1端部到所述阳极供电体的表面方向内侧的方式交替配置。
66.在上述的电化学式升压电池中，可以为，在所述第1多孔体、所述第2多孔体和所述第3多孔体的层叠方向上，所述第3多孔体的厚度(d3)比所述第2多孔体的厚度(d2)厚。
67.在上述的电化学式升压电池中，可以为，所述多个第1部位和所述多个第2部位形成为，沿着所述第1部位和所述第2部位的排列方向的宽度(w1、w2)随着从所述阳极供电体的中央部靠向所述第1端部而逐渐变窄。
68.在上述的电化学式升压电池中，可以为，所述多个第1部位分别呈环状延伸，所述多个第2部位分别呈环状延伸。

技术特征：
1.一种电化学式升压电池(10)，该电化学式升压电池具有电解质膜(32)、阴极电极(34)和阳极电极(36)，其中，所述阴极电极被设置于所述电解质膜的一表面(32a)；所述阳极电极被设置于所述电解质膜的另一表面(32b)，所述阳极电极包含阳极催化剂层(42)和阳极供电体(46、46a)，在向所述阳极供电体供给包含水分的氢气的状态下在所述阴极电极与所述阳极电极之间施加电压，据此使所述阴极电极产生比所述氢气的压力高的高压氢气，其特征在于，具有流路部件(14)，该流路部件用于使所述氢气沿着所述阳极供电体的表面方向从所述阳极供电体的外周的第1端部(52)向第2端部(54)流通，所述阳极供电体包含第1表面(48)和第2表面(50)，其中，所述第1表面朝向所述阳极催化剂层所在的方向；所述第2表面朝向与所述阳极催化剂层所在的方向相反的方向，所述阳极供电体具有多个第1部位(56)和多个第2部位(58)，其中，所述多个第1部位由第1多孔体(60)、第2多孔体(62)和第3多孔体(64)以从所述第1表面到所述第2表面的方式依次层叠而成；所述多个第2部位由所述第1多孔体、所述第3多孔体和所述第2多孔体以从所述第1表面到所述第2表面的方式依次层叠而成，所述第2多孔体的孔隙率比所述第1多孔体的孔隙率大，所述第3多孔体的孔隙率比所述第2多孔体的孔隙率大，所述多个第1部位和所述多个第2部位以从所述第1端部到所述阳极供电体的表面方向内侧的方式交替配置。2.根据权利要求1所述的电化学式升压电池，其特征在于，在所述第1多孔体、所述第2多孔体和所述第3多孔体的层叠方向上，所述第3多孔体的厚度(d3)比所述第2多孔体的厚度(d2)厚。3.根据权利要求1或2所述的电化学式升压电池，其特征在于，所述多个第1部位和所述多个第2部位形成为：沿着所述第1部位和所述第2部位的排列方向的宽度(w1、w2)随着从所述阳极供电体的中央部靠向所述第1端部而逐渐变窄。4.根据权利要求1或2所述的电化学式升压电池，其特征在于，所述多个第1部位分别呈环状延伸，所述多个第2部位分别呈环状延伸。

技术总结
本发明提供一种电化学式升压电池。在电化学式升压电池(10)中，阳极供电体(46)具有以从第1端部(52)到表面方向内侧的方式交替配置的多个第1部位(56)和多个第2部位(58)。第1部位(56)由第1多孔体(60)、第2多孔体(62)和第3多孔体(64)依次层叠而成。第2部位(58)由第1多孔体(60)、第3多孔体(64)和第2多孔体(62)依次层叠而成。第2多孔体(62)的孔隙率比第1多孔体(60)的孔隙率大，第3多孔体(64)的孔隙率比第2多孔体(62)的孔隙率大。据此，能够抑制在阳极供电体的外周部与电解质膜之间滞留液态水。供电体的外周部与电解质膜之间滞留液态水。供电体的外周部与电解质膜之间滞留液态水。


技术研发人员：菅井智
受保护的技术使用者：本田技研工业株式会社
技术研发日：2023.02.28
技术公布日：2023/9/25