JP7825792B2 - electrochemical cell - Google Patents
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Description
本開示は、電気化学セルに関する。
本出願は、2024年3月27日付の日本国出願の特願2024-051441に基づく優先権を主張し、前記日本国出願に記載された全ての記載内容は、参照によって本明細書に援用される。
The present disclosure relates to electrochemical cells.
This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2024-051441 filed on March 27, 2024, the entire contents of which are incorporated herein by reference.
近年、クリーンエネルギーとして水素が注目されている。水素を安定的に保管するために、被水素化物に水素を付加することが検討されている。被水素化物に付加された水素は、需要地において脱水素反応によって取り出される。被水素化物は例えば、トルエンなどの有機物である。特許文献1は、被水素化物に水素を付加する有機ハイドライド製造装置である電気化学還元装置を開示する。In recent years, hydrogen has been attracting attention as a clean energy source. To ensure stable storage of hydrogen, studies have been conducted on adding hydrogen to materials to be hydrogenated. The hydrogen added to the materials to be hydrogenated is extracted through a dehydrogenation reaction at the point of demand. Materials to be hydrogenated are, for example, organic materials such as toluene. Patent Document 1 discloses an electrochemical reduction device, which is an organic hydride production device that adds hydrogen to materials to be hydrogenated.
電気化学還元装置は電解セルを備える。電解セルは、電解質膜で区画されたアノード部とカソード部とを備える。アノード部には水を含む第一流体が供給され、カソード部には被水素化物を含む第二流体が供給される。電解セルに直流電流が印加されることで、第一流体からプロトンが第二流体に移動し、被水素化物に水素が付加される。本明細書では、電解セルを電気化学セルと呼ぶ。アノード部からカソード部にプロトンが伝導することで被水素化物が水素化される電気化学セルは、プロトン伝導型の電気化学セルである。 The electrochemical reduction device comprises an electrolytic cell. The electrolytic cell comprises an anode section and a cathode section separated by an electrolyte membrane. A first fluid containing water is supplied to the anode section, and a second fluid containing the substance to be hydrided is supplied to the cathode section. When a direct current is applied to the electrolytic cell, protons move from the first fluid to the second fluid, and hydrogen is added to the substance to be hydrided. In this specification, the electrolytic cell is referred to as an electrochemical cell. An electrochemical cell in which the substance to be hydrided is hydrogenated by the conduction of protons from the anode section to the cathode section is a proton-conducting electrochemical cell.
本開示の電気化学セルは、水を含む第一流体が流れるアノード部と、被水素化物を含む第二流体が流れるカソード部と、前記アノード部と前記カソード部との間に配置される電解質膜と、を備える電気化学セルである。前記アノード部は、前記電解質膜の第一面に接触するように前記第一流体が流れる空間を形成する第一流れ場と、前記第一流れ場に配置された第一触媒層と、を備える。前記カソード部は、前記電解質膜の第二面に接触するように前記第二流体が流れる空間を形成する第二流れ場と、前記第二流れ場に配置された第二触媒層と、を備える。さらに、前記第一流れ場および前記第二流れ場の少なくとも一つの流れ場に配置された絶縁部材を備える。The electrochemical cell disclosed herein comprises an anode section through which a first fluid containing water flows, a cathode section through which a second fluid containing a substance to be hydrided flows, and an electrolyte membrane disposed between the anode section and the cathode section. The anode section comprises a first flow field that forms a space through which the first fluid flows so as to contact a first surface of the electrolyte membrane, and a first catalyst layer disposed in the first flow field. The cathode section comprises a second flow field that forms a space through which the second fluid flows so as to contact a second surface of the electrolyte membrane, and a second catalyst layer disposed in the second flow field. The cell further comprises an insulating member disposed in at least one of the first and second flow fields.
[本開示が解決しようとする課題]
プロトン伝導型の電気化学セルでは、カソード部に移動したプロトン同士が結合して水素が発生する副反応が生じる。この副反応は、電気化学セルのファラデー効率を低下させる場合がある。本明細書におけるファラデー効率は、電気化学セルに投入した全電荷量を100%としたとき、水素化に寄与した電荷量の割合である。
[Problem to be solved by the present disclosure]
In proton-conducting electrochemical cells, a side reaction occurs in which protons that have migrated to the cathode combine with each other to generate hydrogen. This side reaction can reduce the faradaic efficiency of the electrochemical cell. The faradaic efficiency in this specification is the percentage of the charge that contributed to hydrogenation when the total charge input to the electrochemical cell is taken as 100%.
上記副反応は、カソード部における第二流体が相対的に流れ難い領域で生じ易い。そのため、第二流体が相対的に流れ難い領域において上記副反応を低減することが望まれている。 The above-mentioned side reaction is likely to occur in areas in the cathode where the second fluid flows relatively slowly. Therefore, it is desirable to reduce the above-mentioned side reaction in areas where the second fluid flows relatively slowly.
本開示は、電気化学セルのファラデー効率を向上できる電気化学セルを提供することを目的の一つとする。 One of the objectives of this disclosure is to provide an electrochemical cell that can improve the faradaic efficiency of the electrochemical cell.
[本開示の効果]
本開示の電気化学セルは、ファラデー効率を向上できる。
[Effects of the present disclosure]
The electrochemical cells of the present disclosure can improve faradaic efficiency.
[本開示の実施形態の説明]
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。
Description of the embodiments of the present disclosure
First, embodiments of the present disclosure will be listed and described.
<1>本開示のプロトン伝導型の電気化学セルは、水を含む第一流体が流れるアノード部と、被水素化物を含む第二流体が流れるカソード部と、前記アノード部と前記カソード部との間に配置される電解質膜と、を備える電気化学セルである。前記アノード部は、前記電解質膜の第一面に接触するように前記第一流体が流れる空間を形成する第一流れ場と、前記第一流れ場に配置された第一触媒層と、を備える。前記カソード部は、前記電解質膜の第二面に接触するように前記第二流体が流れる空間を形成する第二流れ場と、前記第二流れ場に配置された第二触媒層と、を備える。さらに、前記第一流れ場および前記第二流れ場の少なくとも一つの流れ場に配置された絶縁部材を備える。 <1> The proton-conducting electrochemical cell disclosed herein is an electrochemical cell comprising an anode section through which a first fluid containing water flows, a cathode section through which a second fluid containing a substance to be hydrided flows, and an electrolyte membrane disposed between the anode section and the cathode section. The anode section comprises a first flow field that forms a space through which the first fluid flows so as to contact a first surface of the electrolyte membrane, and a first catalyst layer disposed in the first flow field. The cathode section comprises a second flow field that forms a space through which the second fluid flows so as to contact a second surface of the electrolyte membrane, and a second catalyst layer disposed in the second flow field. The cell further comprises an insulating member disposed in at least one of the first flow field and the second flow field.
第二流れ場では、プロトンが水素ガスに変化する副反応が生じ得る。この副反応は、電気化学セルのファラデー効率を低下させる場合がある。上記<1>に記載される電気化学セルでは、第一流れ場と第二流れ場の少なくとも一つの流れ場における絶縁部材が配置された領域は、アノード部、電解質膜、カソード部が積層した方向に沿った電流が流れない領域となる。電気化学セルがこのような非通電領域を有することで、副反応の発生頻度を低下させることができる。その結果、電気化学セルのファラデー効率を向上させることができる。In the second flow field, a side reaction may occur in which protons are converted into hydrogen gas. This side reaction may reduce the Faraday efficiency of the electrochemical cell. In the electrochemical cell described in <1> above, the region in at least one of the first and second flow fields where the insulating member is located is a region in which no current flows along the stacking direction of the anode section, electrolyte membrane, and cathode section. By having such a non-current-carrying region in the electrochemical cell, the frequency of side reactions occurring can be reduced. As a result, the Faraday efficiency of the electrochemical cell can be improved.
第二流れ場には相対的に第二流体が流れ難い領域が生じ得る。第二流体が流れ難い領域は例えば、第二流れ場における第二流体の入口から離れた領域、および第二流体の出口から離れた領域、具体的には後述する第一畝領域および第二畝領域である。特に流体が相対的に流れ難い領域に絶縁部材が配置されていれば、当該領域での上記副反応を低減することができ、ファラデー効率を効果的に向上させられる。 A region in the second flow field where it is relatively difficult for the second fluid to flow may occur. Regions where it is relatively difficult for the second fluid to flow include, for example, a region in the second flow field that is distant from the inlet for the second fluid and a region that is distant from the outlet for the second fluid, specifically the first ridge region and second ridge region described below. In particular, if an insulating member is placed in a region where it is relatively difficult for the fluid to flow, the above-mentioned side reactions in that region can be reduced, effectively improving the Faraday efficiency.
<2>上記<1>に記載の電気化学セルにおいて、前記少なくとも一つの流れ場は、前記電解質膜に向き合う導電板と、前記導電板と前記電解質膜との間に配置された多孔質の拡散層と、を備え、前記第一面に垂直で、かつ前記第一面から前記第二面に向かう第一方向から見て、前記絶縁部材は前記導電板の少なくとも一部に重複していても良い。 <2> In the electrochemical cell described in <1> above, the at least one flow field comprises a conductive plate facing the electrolyte membrane and a porous diffusion layer arranged between the conductive plate and the electrolyte membrane, and the insulating member may overlap at least a portion of the conductive plate when viewed from a first direction perpendicular to the first surface and from the first surface toward the second surface.
第一方向から見て導電板に重複する絶縁部材は、上述の非通電領域を形成し易い。 Insulating members that overlap the conductive plate when viewed from the first direction are likely to form the non-conductive areas described above.
<3>上記<2>に記載の電気化学セルにおいて、前記第二流れ場における前記導電板は、溝からなる流路を備え、前記流路は、前記導電板における前記拡散層に向き合う面に形成されていても良い。 <3> In the electrochemical cell described in <2> above, the conductive plate in the second flow field may have a flow path consisting of a groove, and the flow path may be formed on the surface of the conductive plate facing the diffusion layer.
溝からなる流路は、第二流れ場における第二流体の流通性を向上させる。その結果、第二流れ場において第二流体が第二触媒層に接触し易く、電気化学セルのファラデー効率が向上し易い。 The flow path consisting of the groove improves the flowability of the second fluid in the second flow field. As a result, the second fluid can more easily come into contact with the second catalyst layer in the second flow field, which can improve the Faraday efficiency of the electrochemical cell.
<4>上記<3>に記載の電気化学セルにおいて、前記流路は、第一流路と第二流路とを備え、前記第一流路は、並列された複数の第一溝を備え、前記第二流路は、並列された複数の第二溝を備え、平面視において前記複数の第一溝の少なくとも一部と、前記複数の第二溝の少なくとも一部と、が交互に配置されていても良い。 <4> In the electrochemical cell described in <3> above, the flow path may include a first flow path and a second flow path, the first flow path may include a plurality of first grooves arranged in parallel, and the second flow path may include a plurality of second grooves arranged in parallel, and at least a portion of the plurality of first grooves and at least a portion of the plurality of second grooves may be arranged alternately in a planar view.
上記構造を有する第一流路は、被水素化物を含む第二流体を第二流れ場の全体に速やかに拡散させ易い。上記構造を有する第二流路は、水素化物を第二流れ場から速やかに回収し易い。そのため、電気化学セルのファラデー効率が向上し易い。 A first flow path having the above structure can easily quickly diffuse the second fluid containing the substance to be hydrided throughout the entire second flow field. A second flow path having the above structure can easily quickly recover the hydride from the second flow field. This can easily improve the Faraday efficiency of the electrochemical cell.
<5>上記<4>に記載の電気化学セルにおいて、前記第一流路は第一連結溝を備え、前記複数の第一溝は前記第一連結溝から分岐するように延びており、前記第二流路は第二連結溝を備え、前記複数の第二溝は前記第二連結溝から分岐するように延びていてもよい。この場合、前記導電板は、前記第一連結溝に沿った帯状の第一畝領域と、前記第二連結溝に沿った帯状の第二畝領域と、を備える。前記第一畝領域は、前記第一連結溝から前記第二溝の端部までを含む。前記第二畝領域は、前記第二連結溝から前記第一溝の端部までを含む。前記絶縁部材は、前記第一方向から見て、前記第一畝領域の少なくとも一部と、前記第二畝領域の少なくとも一部に重複している。 <5> In the electrochemical cell described in <4> above, the first flow path may have a first connecting groove, and the multiple first grooves may extend so as to branch off from the first connecting groove, and the second flow path may have a second connecting groove, and the multiple second grooves may extend so as to branch off from the second connecting groove. In this case, the conductive plate may have a strip-shaped first ridge region along the first connecting groove and a strip-shaped second ridge region along the second connecting groove. The first ridge region extends from the first connecting groove to the end of the second groove. The second ridge region extends from the second connecting groove to the end of the first groove. The insulating member overlaps at least a portion of the first ridge region and at least a portion of the second ridge region when viewed from the first direction.
拡散層における第一畝領域と第二畝領域に対応する部分に絶縁部材を重複させることで、第二流れ場における副反応を効果的に低減できる。その結果、電気化学セルのファラデー効率が向上し易い。第一畝領域と第二畝領域の詳細については実施形態で詳しく述べる。 By overlapping the insulating member in the portions of the diffusion layer corresponding to the first and second ridge regions, side reactions in the second flow field can be effectively reduced. As a result, the Faraday efficiency of the electrochemical cell is likely to be improved. Details of the first and second ridge regions will be described in detail in the embodiments.
<6>上記<5>に記載の電気化学セルは、前記絶縁部材は、前記第一方向から見て、前記第一畝領域と前記第二畝領域の全体に重複していても良い。 <6> In the electrochemical cell described in <5> above, the insulating member may overlap the entire first ridge region and the entire second ridge region when viewed from the first direction.
第一畝領域と第二畝領域の全体に絶縁部材が重複することで、副反応をより効果的に低減できる。 By overlapping the insulating material over the entire first and second ridge regions, side reactions can be more effectively reduced.
<7>上記<2>から<6>のいずれかに記載の電気化学セルにおいて、前記絶縁部材は、前記電解質膜と前記拡散層との間、または前記拡散層と前記導電板との間に配置されるシートであっても良い。 <7> In the electrochemical cell described in any of <2> to <6> above, the insulating member may be a sheet arranged between the electrolyte membrane and the diffusion layer, or between the diffusion layer and the conductive plate.
シート状の絶縁部材は、第二流れ場における所望の位置に配置し易い。例えば、シート状の絶縁部材が電解質膜と拡散層とで挟まれることで、上述の非通電領域を容易に形成できる。シート状の絶縁部材が拡散層と導電板とで挟まれることでも、上述の非通電領域を容易に形成できる。上記<7>の構成とは異なり、シート状の絶縁部材は、第一流れ場における所望の位置に配置されても良い。 The sheet-shaped insulating member can be easily positioned at a desired position in the second flow field. For example, the above-mentioned non-conductive region can be easily formed by sandwiching the sheet-shaped insulating member between the electrolyte membrane and the diffusion layer. The above-mentioned non-conductive region can also be easily formed by sandwiching the sheet-shaped insulating member between the diffusion layer and the conductive plate. Unlike the configuration of <7> above, the sheet-shaped insulating member may be positioned at a desired position in the first flow field.
<8>上記<7>に記載の電気化学セルにおいて、前記シートは、前記導電板に一体化されていても良い。 <8> In the electrochemical cell described in <7> above, the sheet may be integrated with the conductive plate.
シート状の絶縁部材が導電板に一体化されていれば、絶縁部材と導電板との位置合わせが不要であり、電気化学セルの組み立て性が向上する。 If the sheet-shaped insulating member is integrated with the conductive plate, there is no need to align the insulating member with the conductive plate, improving the ease of assembly of the electrochemical cell.
<9>上記<2>から<6>のいずれかに記載の電気化学セルにおいて、前記絶縁部材は、前記拡散層に一体化された樹脂材料であっても良い。 <9> In the electrochemical cell described in any of <2> to <6> above, the insulating member may be a resin material integrated with the diffusion layer.
樹脂材料からなる絶縁部材が拡散層に一体化されていれば、絶縁部材と拡散層との位置合わせが不要であり、電気化学セルの組み立て性が向上する。この構成では、拡散層の空孔が樹脂材料によってふさがれるため、拡散層における第一流体または第二流体が流れる部分が少なくなる。そのため、圧力損失が低減される。 If an insulating member made of a resin material is integrated into the diffusion layer, alignment between the insulating member and the diffusion layer is not required, improving the assembly of the electrochemical cell. In this configuration, the pores in the diffusion layer are blocked by the resin material, reducing the areas in the diffusion layer through which the first or second fluid flows. This reduces pressure loss.
<10>上記<2>から<6>のいずれかに記載の電気化学セルにおいて、前記絶縁部材は、前記導電板に一体化された樹脂材料であっても良い。 <10> In the electrochemical cell described in any of <2> to <6> above, the insulating member may be a resin material integrated with the conductive plate.
樹脂材料からなる絶縁部材が導電板に一体化されていれば、絶縁部材と導電板との位置合わせが不要であり、電気化学セルの組み立て性が向上する。 If the insulating member made of a resin material is integrated with the conductive plate, there is no need to align the insulating member with the conductive plate, improving the ease of assembly of the electrochemical cell.
<11>上記<1>から<10>のいずれかに記載の電気化学セルにおいて、前記被水素化物はトルエンであっても良い。 <11> In the electrochemical cell described in any of <1> to <10> above, the substance to be hydrogenated may be toluene.
トルエンは、水素化によってメチルシクロヘキサン(以下、MCH)に変換される。MCHは、6つの水素原子を貯蔵できる。MCHは常温・常圧で液体であり、比較的安全に大量の水素を貯蔵できる。 Toluene is converted into methylcyclohexane (MCH) through hydrogenation. MCH can store six hydrogen atoms. MCH is a liquid at room temperature and pressure, allowing it to store large amounts of hydrogen relatively safely.
<12>上記<1>から<11>のいずれかに記載の電気化学セルにおいて、前記第一流体は水を主体としても良い。 <12> In the electrochemical cell described in any of <1> to <11> above, the first fluid may be mainly water.
水を主体とする第一流体は、純水、または純水を溶媒とする水溶液である。水を主体とする第一流体は、安価で容易に入手可能である。 The water-based first fluid is pure water or an aqueous solution with pure water as the solvent. Water-based first fluids are inexpensive and easily available.
[本開示の実施形態の詳細]
以下、本開示の電気化学セルの具体例を図面に基づいて説明する。図中の同一符号は同一または相当部分を示す。各図面が示す部材の大きさは、説明を明確にする目的で表現されており、必ずしも実際の寸法を表すものではない。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
[Details of the embodiment of the present disclosure]
Specific examples of electrochemical cells according to the present disclosure will be described below with reference to the drawings. The same reference numerals in the drawings indicate the same or corresponding parts. The dimensions of the components shown in the drawings are expressed for the purpose of clarity and do not necessarily represent actual dimensions. The present invention is not limited to these examples, but is defined by the claims, and all modifications within the meaning and scope of the claims are intended to be included.
<実施形態1>
≪有機ハイドライド製造装置の概要≫
図1は、プロトン伝導型の電気化学セル1を備える有機ハイドライド製造装置100の原理図である。有機ハイドライド製造装置100は、第一タンク101Tに貯留された第一流体101と、第二タンク102Tに貯留された第二流体102とを電気化学セル1に供給する。電気化学セル1は、電解質膜2で区画されたアノード部3とカソード部4とを備える。アノード部3とカソード部4には図示しない直流電源が接続されている。アノード部3には直流電源の陽極がつながれ、カソード部4には直流電源の陰極がつながれている。
<Embodiment 1>
<Outline of organic hydride manufacturing equipment>
1 is a principle diagram of an organic hydride manufacturing apparatus 100 equipped with a proton-conducting electrochemical cell 1. The organic hydride manufacturing apparatus 100 supplies a first fluid 101 stored in a first tank 101T and a second fluid 102 stored in a second tank 102T to the electrochemical cell 1. The electrochemical cell 1 is equipped with an anode section 3 and a cathode section 4 separated by an electrolyte membrane 2. A DC power supply (not shown) is connected to the anode section 3 and the cathode section 4. The anode section 3 is connected to the positive electrode of the DC power supply, and the cathode section 4 is connected to the negative electrode of the DC power supply.
第一流体101は、第一供給管101Aを通ってアノード部3に供給される。第一供給管101Aには、第一流体101をアノード部3に圧送する第一ポンプ101Pが配置されている。アノード部3には第一触媒層30が配置されている。電気化学反応によって、第一流体101に含まれる水(H2O)からプロトン(H+)と酸素(O2)と電子(e-)とが生成される。プロトンは、電解質膜2を通ってカソード部4に移動する。陽極で生成された電子は直流電源を介して陰極に流れる。アノード部3内の第一流体101は、第一排出管101Bを通って第一タンク101Tに排出される。 A first fluid 101 is supplied to the anode section 3 through a first supply pipe 101A. A first pump 101P that pumps the first fluid 101 to the anode section 3 is disposed in the first supply pipe 101A. A first catalyst layer 30 is disposed in the anode section 3. Protons (H + ), oxygen (O 2 ), and electrons (e − ) are generated from water (H 2 O) contained in the first fluid 101 by an electrochemical reaction. The protons move through the electrolyte membrane 2 to the cathode section 4. Electrons generated at the anode flow to the cathode via a DC power supply. The first fluid 101 in the anode section 3 is discharged to a first tank 101T through a first discharge pipe 101B.
水を含む第一流体101は水を主体とする流体であっても良い。例えば、第一流体101は純水または水溶液である。純水は市販のものを使用できる。純水は、電気化学セル1への循環によってイオンを含み得る。イオンは例えば、第一タンク101Tの構成材料の一部に由来する。第一流体101は、水蒸気でも良い。 The first fluid 101 containing water may be a fluid mainly composed of water. For example, the first fluid 101 is pure water or an aqueous solution. Commercially available pure water can be used. The pure water may contain ions due to circulation to the electrochemical cell 1. The ions may originate, for example, from some of the constituent materials of the first tank 101T. The first fluid 101 may also be water vapor.
第二流体102は、第二供給管102Aを通ってカソード部4に供給される。第二供給管102Aには、第二流体102をカソード部4に圧送する第二ポンプ102Pが配置されている。カソード部4には第二触媒層40が配置されている。電気化学反応によって、第二流体102に含まれる被水素化物は、第二触媒層40において電解質膜2を透過したプロトンと直流電源から供給された電子とを結合することで水素化され、水素化物が生成される。水素化物を含む第二流体102は、第二排出管102Bを通ってカソード部4から第二タンク102Tに排出される。 The second fluid 102 is supplied to the cathode section 4 through the second supply pipe 102A. A second pump 102P is disposed in the second supply pipe 102A, which pumps the second fluid 102 to the cathode section 4. A second catalyst layer 40 is disposed in the cathode section 4. The substances to be hydrided contained in the second fluid 102 are hydrogenated by an electrochemical reaction in the second catalyst layer 40 by combining protons that have permeated the electrolyte membrane 2 with electrons supplied from the DC power source, producing hydrides. The second fluid 102 containing the hydrides is discharged from the cathode section 4 to the second tank 102T through the second discharge pipe 102B.
第二流体102に含まれる被水素化物は例えば、1以上の芳香環を含む芳香族炭化水素化合物、または含窒素複素環式芳香族化合物である。上記の芳香族化合物の具体例はベンゼン、ナフタレン、アントラセン、ジフェニルエタン、ピリジン、ピリミジン、ピラジン、キノリン、イソキノリン、N-アルキルピロール(N-alkylpyrrole)、N-アルキルインドール(N-alkylindole)、N-アルキルジベンゾピロール(N-alkyldibenzopyrrole)である。芳香族炭化水素化合物または含窒素複素環式芳香族化合物における芳香環が1以上4以下の水素原子がアルキル基で置換されていてもよい。上記「アルキル」とは、炭素数が1以上6以下の直鎖アルキル基または分岐アルキル基である。アルキルベンゼンは例えばトルエン、エチルベンゼンである。ジアルキルベンゼンは例えばキシレンまたはジエチルベンゼンである。トリアルキルベンゼンは例えばメシチレンである。アルキルナフタレンは例えばメチルナフタレンである。本例の被水素化物はトルエン(図中ではTOLと表記)である。トルエンが水素化されることで生成される水素化物は、メチルシクロヘキサン(以下、MCHと表記)である。本例の電気化学セル1は、MCH電解合成セルとも言い、アノード部3およびカソード部4における反応は以下の通りである。
・3H2O→1.5O2+6H++6e-
・トルエン+6H++6e-→メチルシクロヘキサン
The substance to be hydrogenated contained in the second fluid 102 is, for example, an aromatic hydrocarbon compound containing one or more aromatic rings, or a nitrogen-containing heterocyclic aromatic compound. Specific examples of the aromatic compounds include benzene, naphthalene, anthracene, diphenylethane, pyridine, pyrimidine, pyrazine, quinoline, isoquinoline, N-alkylpyrrole, N-alkylindole, and N-alkyldibenzopyrrole. In the aromatic hydrocarbon compound or the nitrogen-containing heterocyclic aromatic compound, one to four hydrogen atoms in the aromatic ring may be substituted with an alkyl group. The "alkyl" mentioned above refers to a linear or branched alkyl group having one to six carbon atoms. Examples of alkylbenzenes include toluene and ethylbenzene. Examples of dialkylbenzenes include xylene and diethylbenzene. Examples of trialkylbenzenes include mesitylene. Examples of alkylnaphthalenes include methylnaphthalene. In this example, the substance to be hydrogenated is toluene (denoted as TOL in the figure). The hydride produced by hydrogenating toluene is methylcyclohexane (hereinafter denoted as MCH). The electrochemical cell 1 in this example is also called an MCH electrosynthesis cell, and the reactions in the anode section 3 and the cathode section 4 are as follows:
・3H 2 O → 1.5O 2 +6H + +6e -
Toluene + 6H + + 6e - → methylcyclohexane
≪電気化学セルの基本構成≫
図2に示されるように、電気化学セル1は、電解質膜2と第一流れ場5と第二流れ場6と第一触媒層30と第二触媒層40とを備える。
<Basic structure of an electrochemical cell>
As shown in FIG. 2, the electrochemical cell 1 includes an electrolyte membrane 2, a first flow field 5, a second flow field 6, a first catalyst layer 30, and a second catalyst layer 40.
電解質膜2は、プロトンを選択的に透過させる材料によって形成されている。電解質膜2によって、電気化学セル1内において第一流体101と第二流体102とが隔離される。電解質膜2の厚さは例えば5μm以上300μm以下である。5μm以上の厚さを有する電解質膜2は、第一流体101と第二流体102とを区画し易い。300μm以下の厚さを有する電解質膜2は、プロトンを透過させ易い。電解質膜2の厚さは10μm以上150μm以下でも良いし、20μm以上100μm以下でも良い。 The electrolyte membrane 2 is formed from a material that selectively allows protons to pass through. The electrolyte membrane 2 separates the first fluid 101 and the second fluid 102 within the electrochemical cell 1. The thickness of the electrolyte membrane 2 is, for example, 5 μm or more and 300 μm or less. An electrolyte membrane 2 having a thickness of 5 μm or more easily separates the first fluid 101 and the second fluid 102. An electrolyte membrane 2 having a thickness of 300 μm or less easily allows protons to pass through. The thickness of the electrolyte membrane 2 may be 10 μm or more and 150 μm or less, or may be 20 μm or more and 100 μm or less.
第一流れ場5は、アノード部3における第一流体101が流れる空間である。第一流れ場5の入口5Aと出口5Bはそれぞれ、図1に示されるように、第一供給管101Aと第一排出管101Bにつながっている。第一流れ場5は、電解質膜2の第一面21に接触するように第一流体101を流す。本例のアノード部3は、第一導電板31と第一拡散層32と枠シール部33とを備える。第一導電板31は、電解質膜2の第一面21に向き合う導電性の板材である。第一拡散層32は、第一導電板31と第一面21との間に配置される導電性の多孔質層である。本例の第一流れ場5は、第一導電板31と第一面21とで挟まれる空間に形成される。第一流れ場5は、第一拡散層32の空孔を含む。The first flow field 5 is a space in the anode section 3 through which the first fluid 101 flows. The inlet 5A and outlet 5B of the first flow field 5 are connected to the first supply pipe 101A and the first discharge pipe 101B, respectively, as shown in FIG. 1. The first flow field 5 allows the first fluid 101 to flow so as to contact the first surface 21 of the electrolyte membrane 2. The anode section 3 in this example includes a first conductive plate 31, a first diffusion layer 32, and a frame seal section 33. The first conductive plate 31 is a conductive plate material facing the first surface 21 of the electrolyte membrane 2. The first diffusion layer 32 is a conductive porous layer disposed between the first conductive plate 31 and the first surface 21. The first flow field 5 in this example is formed in the space between the first conductive plate 31 and the first surface 21. The first flow field 5 includes pores in the first diffusion layer 32.
第一導電板31は、電気化学セル1に電圧を印加する機能を有する。第一導電板31は、電気化学セル1内に第一流体101を封じ込める機能も有する。第一導電板31は、第一流体101に含まれる物質と反応し難い材料によって形成されることが求められる。第一導電板31は例えば、導電性材料と樹脂との複合材料から形成される板である。導電性材料は例えば、黒鉛またはカーボンブラックなどの炭素系材料である。樹脂は例えば、エポキシ(epoxy)樹脂、フェノール(phenol)樹脂、PA6またはPA66などのポリアミド(polyamide)樹脂、ポリオキシメチレン(Polyoxymethylene)樹脂、ポリテトラフルオロエチレン(polytetrafluoroethylene)樹脂などのフッ素樹脂、ポリフェニレンサルファイド(polyphenylenesulfide)樹脂である。複合材料は軽量で安価である上、金型成形によって容易に形成できる。第一導電板31は例えば被覆層を有する金属板でも良い。被覆層は、高い耐酸化性を有する材料、例えばプラチナで形成される。金属板は例えば、チタンまたはチタン合金によって形成される。第一導電板31における第一拡散層32と反対側の面には、図示しない電極板が配置されている。電極板には、図示しない直流電源の陽極がつながれる。The first conductive plate 31 has the function of applying a voltage to the electrochemical cell 1. The first conductive plate 31 also has the function of containing the first fluid 101 within the electrochemical cell 1. The first conductive plate 31 is required to be made of a material that is not easily reactive with the substances contained in the first fluid 101. The first conductive plate 31 is, for example, a plate made of a composite material of a conductive material and a resin. The conductive material is, for example, a carbon-based material such as graphite or carbon black. The resin is, for example, an epoxy resin, a phenol resin, a polyamide resin such as PA6 or PA66, a polyoxymethylene resin, a fluororesin such as polytetrafluoroethylene resin, or a polyphenylene sulfide resin. Composite materials are lightweight and inexpensive, and can be easily formed by molding. The first conductive plate 31 may be, for example, a metal plate with a coating layer. The coating layer is formed of a material with high oxidation resistance, such as platinum. The metal plate is formed of, for example, titanium or a titanium alloy. An electrode plate (not shown) is disposed on the surface of the first conductive plate 31 opposite the first diffusion layer 32. The electrode plate is connected to the anode of a DC power supply (not shown).
第一拡散層32は、電気化学セル1内ではアノード部3に供給された第一流体101を第一流れ場5の全体に拡散させる機能を有する。第一拡散層32は、金属材料によって形成された多孔質層である。第一拡散層32は例えば、チタンまたはチタン合金からなる3次元網目構造の多孔体と、前記多孔体の表面に形成された貴金属被膜とを有する。貴金属は例えばプラチナである。多孔体には、不織布のような多孔質層、または網目板が含まれる。多孔体は、大きさが異なる網目を有する複数の網目板を重ねたものでも良いし、網目形状が異なる複数の網目板を重ねたものでも良い。 In the electrochemical cell 1, the first diffusion layer 32 functions to diffuse the first fluid 101 supplied to the anode section 3 throughout the first flow field 5. The first diffusion layer 32 is a porous layer formed of a metal material. The first diffusion layer 32 has, for example, a porous body with a three-dimensional mesh structure made of titanium or a titanium alloy, and a precious metal coating formed on the surface of the porous body. The precious metal is, for example, platinum. The porous body includes a porous layer such as a nonwoven fabric, or a mesh plate. The porous body may be a stack of multiple mesh plates with different mesh sizes, or a stack of multiple mesh plates with different mesh shapes.
第一拡散層32は、電解質膜2と第一導電板31とに挟まれる。第一拡散層32は電解質膜2と第一導電板31とで挟まれることで、これらに押圧される。第一拡散層32の材質によっては、上記押圧によって第一拡散層32は圧縮され得る。金属材料によって形成された第一拡散層32は、複数の空孔を有するが、変形し難い。電気化学セル1内で電解質膜2と第一導電板31とに挟まれた状態の第一拡散層32の平均厚さは例えば、0.15mm以上3.0mm以下である。第一拡散層32が例えば金属材料によって形成されることで上記の押圧によって変形し難い場合には、電解質膜2と第一導電板31とに挟まれていない状態の第一拡散層32の平均厚さは、電解質膜2と第一導電板31とに挟まれた状態の第一拡散層32の平均厚さに実質的に等しい。第一拡散層32の平均厚さは、異なる3点以上の箇所の厚さの平均である。第一拡散層32の平均厚さが0.15mm以上であれば、第一導電板31と電解質膜2との隙間が十分に大きくなる。つまり、アノード部3内に十分な大きさの第一流れ場5が形成されるため、第一流れ場5の全体に第一流体101が拡散し易い。第一拡散層32の平均厚さが3.0mm以下であれば、第一導電板31と電解質膜2との隙間が大きくなり過ぎない。つまり、第一流れ場5が大きくなり過ぎないため、水の電気分解によって生成した酸素を含む第一流体101が、速やかに第一流れ場5から排出され易い。第一拡散層32の平均厚さは0.2mm以上2.5mm以下でも良いし、0.25mm以上2.0mm以下でも良い。The first diffusion layer 32 is sandwiched between the electrolyte membrane 2 and the first conductive plate 31. The first diffusion layer 32 is pressed between the electrolyte membrane 2 and the first conductive plate 31. Depending on the material of the first diffusion layer 32, the first diffusion layer 32 may be compressed by the pressure. A first diffusion layer 32 formed from a metal material has multiple pores but is resistant to deformation. The average thickness of the first diffusion layer 32 sandwiched between the electrolyte membrane 2 and the first conductive plate 31 in the electrochemical cell 1 is, for example, 0.15 mm to 3.0 mm. If the first diffusion layer 32 is formed from a metal material that is resistant to deformation by the pressure, for example, the average thickness of the first diffusion layer 32 when not sandwiched between the electrolyte membrane 2 and the first conductive plate 31 is substantially equal to the average thickness of the first diffusion layer 32 sandwiched between the electrolyte membrane 2 and the first conductive plate 31. The average thickness of the first diffusion layer 32 is the average of thicknesses at three or more different points. If the average thickness of the first diffusion layer 32 is 0.15 mm or more, the gap between the first conductive plate 31 and the electrolyte membrane 2 is sufficiently large. In other words, a first flow field 5 of sufficient size is formed in the anode portion 3, and the first fluid 101 can easily diffuse throughout the entire first flow field 5. If the average thickness of the first diffusion layer 32 is 3.0 mm or less, the gap between the first conductive plate 31 and the electrolyte membrane 2 is not too large. In other words, the first flow field 5 is not too large, and the first fluid 101 containing oxygen generated by the electrolysis of water can easily be discharged from the first flow field 5. The average thickness of the first diffusion layer 32 may be 0.2 mm or more and 2.5 mm or less, or 0.25 mm or more and 2.0 mm or less.
電気化学セル1内における第一拡散層32の空孔率は例えば、60%以上90%以下である。金属材料によって形成された第一拡散層32の弾性変形能は低いため、電気化学セル1から取り外された第一拡散層32の空孔率を、電気化学セル1内における第一拡散層32の空孔率とみなせば良い。空孔率が60%以上であれば、第一流れ場5の全体に第一流体101が拡散し易い。空孔率が90%以下であれば、第一拡散層32の強度が得られ易い。第一拡散層32の空孔率は例えば、65%以上85%以下でも良いし、68%以上80%以下でも良い。 The porosity of the first diffusion layer 32 within the electrochemical cell 1 is, for example, 60% or more and 90% or less. Because the first diffusion layer 32 formed from a metal material has low elastic deformability, the porosity of the first diffusion layer 32 removed from the electrochemical cell 1 can be considered to be the porosity of the first diffusion layer 32 within the electrochemical cell 1. If the porosity is 60% or more, the first fluid 101 is likely to diffuse throughout the entire first flow field 5. If the porosity is 90% or less, the strength of the first diffusion layer 32 is likely to be obtained. The porosity of the first diffusion layer 32 may be, for example, 65% or more and 85% or less, or 68% or more and 80% or less.
枠シール部33は第一拡散層32の外周を囲む。枠シール部33によって、第一流体101は第一拡散層32の外周より外部に漏れ出ることが防止される。そのため、本例の第一流れ場5は主として、電解質膜2の第一面21と第一導電板31との間であって枠シール部33に囲まれた空間から形成される。上記空間に第一拡散層32が配置されていることで、第一流体101は、第一拡散層32の空孔を流路として利用できる。枠シール部33の大きさは第一導電板31と第一拡散層32の大きさに応じて選択すると良い。本例では、枠シール部33の窓部の大きさは、第一拡散層32の大きさに概ね対応し、枠シール部33の外縁の大きさは第一導電板31の大きさに概ね対応する。枠シール部33は、第一流体101に対する耐性を有する電気絶縁材料によって形成されている。具体的な電気絶縁材料は、例えばエポキシ樹脂、フェノール樹脂、PA6またはPA66などのポリアミド樹脂、ポリオキシメチレン樹脂、フッ素樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂である。The frame seal portion 33 surrounds the outer periphery of the first diffusion layer 32. The frame seal portion 33 prevents the first fluid 101 from leaking out beyond the outer periphery of the first diffusion layer 32. Therefore, in this example, the first flow field 5 is primarily formed by the space between the first surface 21 of the electrolyte membrane 2 and the first conductive plate 31, surrounded by the frame seal portion 33. By disposing the first diffusion layer 32 in this space, the first fluid 101 can use the pores in the first diffusion layer 32 as a flow path. The size of the frame seal portion 33 can be selected based on the sizes of the first conductive plate 31 and the first diffusion layer 32. In this example, the size of the window portion of the frame seal portion 33 roughly corresponds to the size of the first diffusion layer 32, and the size of the outer edge of the frame seal portion 33 roughly corresponds to the size of the first conductive plate 31. The frame seal portion 33 is formed of an electrically insulating material that is resistant to the first fluid 101. Specific examples of the electrical insulating material include epoxy resin, phenol resin, polyamide resin such as PA6 or PA66, polyoxymethylene resin, fluororesin, and polyphenylene sulfide resin.
第一流れ場5に配置される第一触媒層30は、電解質膜2の第一面21に接触または近接している。第一触媒層30は第一流体101に含まれる水の電気分解を促進し、プロトンと酸素と電子が生成される。本例の第一触媒層30は、電解質膜2の第一面21に一体に形成されている。第一触媒層30は、第一拡散層32における少なくとも電解質膜2に接触する部分に一体に形成されていても良い。第一触媒層30は、電解質膜2および第一拡散層32とは独立した部材であっても良い。その場合、第一触媒層30は、電解質膜2と第一拡散層32との間に配置される。第一触媒層30は触媒を含む。触媒は例えば、RuO2、IrO2などの貴金属酸化物系の触媒である。この触媒は、金属ワイヤまたは金属メッシュからなる基材に、貴金属酸化物が分散担持された構造、または上記基材に貴金属酸化物がコーティングされた構造でもよい。第一触媒層30は、触媒を基材に接着するアイオノマーを含んでもよい。上記基材を構成する金属は、例えばCr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Nb、Mo、Ta、およびWからなる群から選択される1種の金属、または上記1種の金属を主成分とする合金である。IrO2が触媒に用いられる場合、上記基材にIrO2からなる薄膜がコーティングされた構造では、高価な貴金属の使用量が低減されるなどして製造コストが低減される。 The first catalyst layer 30 disposed in the first flow field 5 is in contact with or adjacent to the first surface 21 of the electrolyte membrane 2. The first catalyst layer 30 promotes the electrolysis of water contained in the first fluid 101, generating protons, oxygen, and electrons. In this example, the first catalyst layer 30 is integrally formed on the first surface 21 of the electrolyte membrane 2. The first catalyst layer 30 may also be integrally formed on at least a portion of the first diffusion layer 32 that contacts the electrolyte membrane 2. The first catalyst layer 30 may be a component independent of the electrolyte membrane 2 and the first diffusion layer 32. In this case, the first catalyst layer 30 is disposed between the electrolyte membrane 2 and the first diffusion layer 32. The first catalyst layer 30 includes a catalyst. The catalyst is, for example, a noble metal oxide-based catalyst such as RuO2 or IrO2 . This catalyst may have a structure in which the noble metal oxide is dispersed and supported on a substrate made of a metal wire or metal mesh, or a structure in which the noble metal oxide is coated on the substrate. The first catalyst layer 30 may include an ionomer that adheres the catalyst to the substrate. The metal constituting the substrate is, for example, one metal selected from the group consisting of Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Nb, Mo, Ta, and W, or an alloy containing the above metal as a main component. When IrO2 is used as a catalyst, a structure in which the substrate is coated with a thin film made of IrO2 reduces the amount of expensive precious metal used, thereby reducing production costs.
第二流れ場6は、カソード部4における第二流体102が流れる空間である。第二流れ場6の入口6Aと出口6Bはそれぞれ、図1に示されるように、第二供給管102Aと第二排出管102Bにつながっている。第二流れ場6は、電解質膜2の第二面22に接触するように第二流体102を流す。第二面22は、電解質膜2における第一面21とは反対側の面である。本例のカソード部4は、第二導電板41と第二拡散層42と枠シール部43と絶縁部材8とを備える。第二導電板41は、電解質膜2の第二面22に向き合う導電性の板材である。第二拡散層42は、第二導電板41と第二面22との間に配置される導電性の多孔質層である。本例の第二流れ場6は、第二導電板41と第二面22とで挟まれる空間に形成される。第二流れ場6は、第二拡散層42の空孔を含む。絶縁部材8については後ほど項目を設けて説明する。The second flow field 6 is a space in the cathode section 4 through which the second fluid 102 flows. The inlet 6A and outlet 6B of the second flow field 6 are connected to the second supply pipe 102A and the second discharge pipe 102B, respectively, as shown in FIG. 1. The second flow field 6 allows the second fluid 102 to flow so as to contact the second surface 22 of the electrolyte membrane 2. The second surface 22 is the surface of the electrolyte membrane 2 opposite the first surface 21. The cathode section 4 in this example includes a second conductive plate 41, a second diffusion layer 42, a frame seal portion 43, and an insulating member 8. The second conductive plate 41 is a conductive plate material facing the second surface 22 of the electrolyte membrane 2. The second diffusion layer 42 is a conductive porous layer disposed between the second conductive plate 41 and the second surface 22. The second flow field 6 in this example is formed in the space between the second conductive plate 41 and the second surface 22. The second flow field 6 includes pores in the second diffusion layer 42. The insulating member 8 will be described later in a separate section.
第二導電板41は、電気化学セル1に電圧を印加する機能を有する。第二導電板41は、電気化学セル1内に第二流体102を封じ込める機能も有する。第二導電板41は、第二流体102に含まれる物質と反応し難い材料によって形成されることが求められる。第二導電板41は例えば、上述した炭素系材料などの導電性材料と樹脂との複合材料から形成される板である。複合材料は軽量で安価である上、金型成形によって容易に形成できる。第二導電板41は例えば金属板でも良い。金属板は例えば、チタンまたはチタン合金によって形成されていても良いし、ステンレス鋼によって形成されていても良い。第二導電板41における第二拡散層42と反対側の面には、図示しない電極板が配置されている。電極板には図示しない直流電源の陰極がつながれている。 The second conductive plate 41 has the function of applying a voltage to the electrochemical cell 1. The second conductive plate 41 also has the function of containing the second fluid 102 within the electrochemical cell 1. The second conductive plate 41 is required to be formed from a material that is unlikely to react with substances contained in the second fluid 102. The second conductive plate 41 is, for example, a plate formed from a composite material of a conductive material, such as the carbon-based material described above, and a resin. Composite materials are lightweight and inexpensive, and can be easily formed by molding. The second conductive plate 41 may be, for example, a metal plate. The metal plate may be formed from, for example, titanium or a titanium alloy, or stainless steel. An electrode plate (not shown) is disposed on the surface of the second conductive plate 41 opposite the second diffusion layer 42. The electrode plate is connected to the cathode of a DC power supply (not shown).
第二拡散層42は、カソード部4に供給された第二流体102を第二流れ場6の全体に拡散させる機能を有する。第二拡散層42は、導電性材料によって形成された多孔質層である。第二拡散層42は例えば、炭素繊維を含む不織布である。炭素繊維を含む不織布は、複数の炭素繊維に交絡処理が施されることによって炭素繊維同士が絡み合わされたものである。交絡処理には例えばニードルパンチ、または水流が用いられる。 The second diffusion layer 42 has the function of diffusing the second fluid 102 supplied to the cathode section 4 throughout the second flow field 6. The second diffusion layer 42 is a porous layer formed from a conductive material. The second diffusion layer 42 is, for example, a nonwoven fabric containing carbon fibers. The nonwoven fabric containing carbon fibers is formed by subjecting multiple carbon fibers to an entanglement process, thereby entangling the carbon fibers with each other. The entanglement process can be performed, for example, by needle punching or water flow.
不織布によって形成された第二拡散層42は、高い弾性変形能を有する。電気化学セル1内では、高い弾性変形能を有する第二拡散層42が電解質膜2と第二導電板41とに挟まれることでこれらに押圧されると、第二拡散層42は圧縮される。この圧縮によって、第二拡散層42の平均厚さは小さくなる。電気化学セル1内で電解質膜2と第二導電板41とで挟まれた第二拡散層42の平均厚さは例えば、0.15mm以上3.0mm以下である。本明細書では、電気化学セル1における電解質膜2と第二導電板41との間の平均長さを、第二拡散層42の平均厚さとみなす。上記平均長さを求めるための測定数は、平面視した電解質膜2の中心位置での測定を含む3点以上である。The second diffusion layer 42, formed from a nonwoven fabric, has high elastic deformability. When the second diffusion layer 42, which has high elastic deformability, is sandwiched between the electrolyte membrane 2 and the second conductive plate 41 within the electrochemical cell 1 and pressed against them, the second diffusion layer 42 is compressed. This compression reduces the average thickness of the second diffusion layer 42. The average thickness of the second diffusion layer 42 sandwiched between the electrolyte membrane 2 and the second conductive plate 41 within the electrochemical cell 1 is, for example, 0.15 mm or more and 3.0 mm or less. In this specification, the average length between the electrolyte membrane 2 and the second conductive plate 41 in the electrochemical cell 1 is considered to be the average thickness of the second diffusion layer 42. The number of measurements required to determine the average length is three or more, including a measurement at the center of the electrolyte membrane 2 when viewed in plan.
圧縮状態の第二拡散層42の平均厚さが0.15mm以上であれば、電気化学セル1内における第二拡散層42の弾性変形量が大きくなり易い。その結果、第二拡散層42が、電解質膜2および第二導電板41に密着し易い。また、第二拡散層42の平均厚さが0.15mm以上であれば、第二導電板41と電解質膜2との隙間が十分に大きくなる。つまり、カソード部4内に十分な大きさの第二流れ場6が形成されるため、第二流れ場6の全体に第二流体102が拡散し易い。圧縮状態の第二拡散層42の平均厚さが3.0mm以下であれば、第二拡散層42の電気抵抗および電気化学セル1のセル抵抗の増大が低減され易い。また、第二拡散層42の平均厚さが3.0mm以下であれば、第二導電板41と電解質膜2との隙間が大きくなり過ぎない。つまり、第二流れ場6が大きくなり過ぎないため、第二触媒層40で生成した水素化物を含む第二流体102が、速やかに第二流れ場6から排出され易い。第二拡散層42の平均厚さは0.15mm以上3.0mm未満でも良いし、さらに0.2mm以上2.5mm以下でも良いし、0.25mm以上2.0mm以下でも良い。If the average thickness of the second diffusion layer 42 in the compressed state is 0.15 mm or more, the amount of elastic deformation of the second diffusion layer 42 within the electrochemical cell 1 is likely to be large. As a result, the second diffusion layer 42 is likely to adhere closely to the electrolyte membrane 2 and the second conductive plate 41. Furthermore, if the average thickness of the second diffusion layer 42 is 0.15 mm or more, the gap between the second conductive plate 41 and the electrolyte membrane 2 is sufficiently large. In other words, a sufficiently large second flow field 6 is formed within the cathode section 4, and the second fluid 102 is likely to diffuse throughout the entire second flow field 6. If the average thickness of the second diffusion layer 42 in the compressed state is 3.0 mm or less, increases in the electrical resistance of the second diffusion layer 42 and the cell resistance of the electrochemical cell 1 are likely to be reduced. Furthermore, if the average thickness of the second diffusion layer 42 is 3.0 mm or less, the gap between the second conductive plate 41 and the electrolyte membrane 2 is not too large. In other words, since the second flow field 6 does not become too large, the second fluid 102 containing the hydride produced in the second catalyst layer 40 is likely to be quickly discharged from the second flow field 6. The average thickness of the second diffusion layer 42 may be 0.15 mm or more and less than 3.0 mm, or may be 0.2 mm or more and 2.5 mm or less, or may be 0.25 mm or more and 2.0 mm or less.
電気化学セル1内における第二拡散層42の空孔率は例えば、40%以上98%以下である。不織布によって形成された第二拡散層42は圧縮によって変形するため、電気化学セル1から取り外された第二拡散層42の空孔率の測定結果に基づいて、電気化学セル1内における第二拡散層42の空孔率を求めれば良い。空孔率の求め方の一例は、後述する≪第二拡散層の構成≫の項目で説明する。空孔率が40%以上であれば、第二流れ場6の全体に第二流体102が拡散し易い。空孔率が98%以下であれば、第二拡散層42の強度が得られ易い。第二拡散層42の空孔率は例えば、45%以上97%以下でも良いし、50%以上96%以下でも良い。The porosity of the second diffusion layer 42 in the electrochemical cell 1 is, for example, 40% or more and 98% or less. Because the second diffusion layer 42 formed from nonwoven fabric deforms when compressed, the porosity of the second diffusion layer 42 in the electrochemical cell 1 can be determined based on the porosity measurement results of the second diffusion layer 42 removed from the electrochemical cell 1. An example of how to determine the porosity is explained in the section "Configuration of the Second Diffusion Layer" below. If the porosity is 40% or more, the second fluid 102 is likely to diffuse throughout the entire second flow field 6. If the porosity is 98% or less, the strength of the second diffusion layer 42 is likely to be obtained. The porosity of the second diffusion layer 42 may be, for example, 45% or more and 97% or less, or 50% or more and 96% or less.
枠シール部43は第二拡散層42の外周を囲む。枠シール部43によって、第二流体102は第二拡散層42の外周より外部に漏れ出ることが防止される。そのため、本例の第二流れ場6は主として、電解質膜2の第二面22と第二導電板41との間であって枠シール部43に囲まれた空間から形成される。上記空間に第二拡散層42が配置されていることで、第二流体102は、第二拡散層42の空孔を流路として利用できる。カソード部4の枠シール部43の構成材料、大きさなどの仕様は、アノード部3の枠シール部33の構成材料、大きさなどの仕様についての説明を参照すると良い。 The frame seal portion 43 surrounds the outer periphery of the second diffusion layer 42. The frame seal portion 43 prevents the second fluid 102 from leaking out beyond the outer periphery of the second diffusion layer 42. Therefore, in this example, the second flow field 6 is primarily formed by the space between the second surface 22 of the electrolyte membrane 2 and the second conductive plate 41, surrounded by the frame seal portion 43. By disposing the second diffusion layer 42 in this space, the second fluid 102 can use the pores of the second diffusion layer 42 as a flow path. For specifications such as the constituent materials and size of the frame seal portion 43 of the cathode portion 4, please refer to the explanation of the constituent materials, size, and other specifications of the frame seal portion 33 of the anode portion 3.
第二流れ場6に配置される第二触媒層40は、電解質膜2の第二面22に接触または近接している。第二触媒層40は、第二流体102に含まれる被水素化物とプロトンおよび電子との反応を促進し、その結果、水素化物が生成される。本例の第二触媒層40は、電解質膜2の第二面22に一体に形成されている。第二触媒層40は、第二拡散層42における少なくとも電解質膜2に接触する部分に一体に形成されていても良い。第二触媒層40は、電解質膜2および第二拡散層42とは独立した部材であっても良い。その場合、第二触媒層40は、電解質膜2と第二拡散層42との間に配置される。第二触媒層40は触媒を含む。触媒は例えば、第1触媒金属と第2触媒金属とを含む組成物である。第1触媒金属は、PtおよびPdの少なくとも一方の貴金属を含む。第2触媒金属は、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Mo、Ru、Sn、W、Re、Pb、およびBiからなる群より選択される1種または2種以上の金属である。触媒はカーボンを支持体とし、支持体の上に上記の金属または金属酸化物を担持させたものでもよい。第二触媒層40は、触媒を支持体に接着するアイオノマーを含んでもよい。その他、触媒は公知のものを利用できる。The second catalyst layer 40, located in the second flow field 6, is in contact with or adjacent to the second surface 22 of the electrolyte membrane 2. The second catalyst layer 40 promotes the reaction of the hydride contained in the second fluid 102 with protons and electrons, resulting in the production of hydrides. In this example, the second catalyst layer 40 is integrally formed on the second surface 22 of the electrolyte membrane 2. The second catalyst layer 40 may be integrally formed on at least a portion of the second diffusion layer 42 that contacts the electrolyte membrane 2. The second catalyst layer 40 may be a component independent of the electrolyte membrane 2 and the second diffusion layer 42. In this case, the second catalyst layer 40 is disposed between the electrolyte membrane 2 and the second diffusion layer 42. The second catalyst layer 40 includes a catalyst. The catalyst is, for example, a composition including a first catalytic metal and a second catalytic metal. The first catalytic metal includes at least one of the precious metals Pt and Pd. The second catalyst metal is one or more metals selected from the group consisting of Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Ru, Sn, W, Re, Pb, and Bi. The catalyst may be a carbon support on which the above metal or metal oxide is supported. The second catalyst layer 40 may contain an ionomer that adheres the catalyst to the support. Other known catalysts may also be used.
図1の有機ハイドライド製造装置100は通常、複数の電気化学セル1が積層された積層体を備える。積層体においては、隣り合う二つの電気化学セル1のうち、一つの電気化学セル1の第一導電板31と、残りの電気化学セル1の第二導電板41とが双極板を形成する。双極板では、双極板の第一面が第一導電板31として機能し、第一面と反対側の第二面が第二導電板41として機能する。従って、双極板の第一面には第一拡散層32が配置され、双極板の第二面には第二拡散層42が配置される。積層体の第一の端部と第二の端部にはそれぞれ、双極板ではなく第一導電板31と第二導電板41が配置される。 The organic hydride manufacturing apparatus 100 of FIG. 1 typically includes a stack of multiple electrochemical cells 1. In the stack, of two adjacent electrochemical cells 1, the first conductive plate 31 of one electrochemical cell 1 and the second conductive plate 41 of the remaining electrochemical cell 1 form a bipolar plate. In the bipolar plate, the first surface of the bipolar plate functions as the first conductive plate 31, and the second surface opposite the first surface functions as the second conductive plate 41. Therefore, a first diffusion layer 32 is disposed on the first surface of the bipolar plate, and a second diffusion layer 42 is disposed on the second surface of the bipolar plate. At the first and second ends of the stack, the first conductive plate 31 and the second conductive plate 41, rather than bipolar plates, are disposed, respectively.
電気化学セル1においては、電気化学セル1に投入された電荷が高効率で被水素化物の水素化に利用されること、すなわちファラデー効率の向上が望まれている。以下、電気化学セル1のファラデー効率を向上させる構成を説明する。In electrochemical cell 1, it is desirable that the charge input to electrochemical cell 1 be used to hydrogenate the substance to be hydrogenated with high efficiency, i.e., that the Faraday efficiency be improved. Below, we will explain the configuration for improving the Faraday efficiency of electrochemical cell 1.
≪第二流れ場における流路の構成≫
第二流れ場6は、第一流路61と第二流路62とを含む。本例の第一流路61と第二流路62とは直接つながっておらず、互いに独立している。さらに、カソード部4は、第一流路61の一部と第二流路62の一部とが並列された領域を有する。第一流路61と第二流路62の説明に当たっては主に図4を参照する。図4では、第二流体102のおおよその流れを太線矢印で示す。
<Configuration of flow path in second flow field>
The second flow field 6 includes a first flow path 61 and a second flow path 62. In this example, the first flow path 61 and the second flow path 62 are not directly connected to each other and are independent of each other. Furthermore, the cathode section 4 has a region in which a part of the first flow path 61 and a part of the second flow path 62 are parallel to each other. For the explanation of the first flow path 61 and the second flow path 62, please refer mainly to FIG. 4. In FIG. 4, the approximate flow of the second fluid 102 is indicated by thick arrows.
第一流路61は、第二流れ場6の入口6A(図1)に直接つながる流入端部61A(第一流入端部)と、第二流れ場6の出口6B(図1)に直接つながらない流出端部61B(第一流出端部)とを備える。入口6Aは、図1に示される第二供給管102Aの端部に直接つながっている。そのため、第二流体102は流入端部61Aを通って第一流路61に流入し易い。第一流路61は、第二流れ場6の全体に速やかに第二流体102を拡散させ、第二流体102に含まれる被水素化物が第二触媒層40に接触する機会を増加させる。一方、第一流路61の流出端部61Bは、第二流れ場6の出口6Bに直接つながっていないため、第一流路61内を流れる第二流体102が直接、出口6Bに排出されない。このような構成を備える第一流路61によって、第二流れ場6の全体に拡散した第二流体102がある程度第二流れ場6に滞留し、水素化物の生成が促進される。The first flow path 61 has an inlet end 61A (first inlet end) that is directly connected to the inlet 6A (FIG. 1) of the second flow field 6, and an outlet end 61B (first outlet end) that is not directly connected to the outlet 6B (FIG. 1) of the second flow field 6. The inlet 6A is directly connected to the end of the second supply pipe 102A shown in FIG. 1. Therefore, the second fluid 102 easily flows into the first flow path 61 through the inlet end 61A. The first flow path 61 quickly diffuses the second fluid 102 throughout the second flow field 6, increasing the opportunity for the hydrogenated substance contained in the second fluid 102 to come into contact with the second catalyst layer 40. On the other hand, because the outlet end 61B of the first flow path 61 is not directly connected to the outlet 6B of the second flow field 6, the second fluid 102 flowing through the first flow path 61 is not directly discharged to the outlet 6B. The first flow path 61 having such a configuration allows the second fluid 102 that has diffused throughout the second flow field 6 to remain in the second flow field 6 to a certain extent, thereby promoting the production of hydrides.
第二流路62は、第二流れ場6の入口6Aに直接つながらない流入端部62A(第二流入端部)と、第二流れ場6の出口6Bに直接つながる流出端部62B(第二流出端部)とを備える。第二流れ場6の入口6Aに直接つながらない第二流路62は、第二流れ場6の入口6Aから直接第二流体102を取り込むことなく、第二流れ場6中から第二流体102を取り込む。そのため、第二触媒層40に接触することなく電気化学セル1の外部に排出される被水素化物の量が低減され、水素化物の生成が促進される。一方、第二流路62は、第二流れ場6の出口6Bに直接つながっている。出口6Bは、図1に示される第二排出管102Bの端部に直接つながっている。そのため、第二流体102は流出端部62Bを通って第二流路62から排出され易い。このような構成を備える第二流路62によって、水素化物を含む第二流体102が電気化学セル1の外部に速やかに排出される。The second flow path 62 has an inlet end 62A (second inlet end) that is not directly connected to the inlet 6A of the second flow field 6, and an outlet end 62B (second outlet end) that is directly connected to the outlet 6B of the second flow field 6. The second flow path 62, which is not directly connected to the inlet 6A of the second flow field 6, takes in the second fluid 102 from within the second flow field 6 without taking in the second fluid 102 directly from the inlet 6A of the second flow field 6. This reduces the amount of hydride to be discharged to the outside of the electrochemical cell 1 without contacting the second catalyst layer 40, promoting hydride production. Meanwhile, the second flow path 62 is directly connected to the outlet 6B of the second flow field 6. The outlet 6B is directly connected to the end of the second discharge pipe 102B shown in FIG. 1. This allows the second fluid 102 to be easily discharged from the second flow path 62 through the outlet end 62B. This second flow path 62 configuration allows the hydride-containing second fluid 102 to be quickly discharged to the outside of the electrochemical cell 1.
第一流路61の一部と第二流路62の一部とが並列された領域では、第二流体102は、第一流路61から第二拡散層42に移動した後、第二触媒層40に接触しながら第二拡散層42内を第二流路62に向かって移動する。第二流路62に移動した第二流体102は速やかに第二流れ場6から排出される。従って、第二触媒層40への被水素化物の供給と、第二触媒層40からの水素化物の排出とが円滑に行われる。 In the region where part of the first flow path 61 and part of the second flow path 62 are parallel, the second fluid 102 moves from the first flow path 61 to the second diffusion layer 42, and then moves within the second diffusion layer 42 toward the second flow path 62 while contacting the second catalyst layer 40. The second fluid 102 that has moved to the second flow path 62 is quickly discharged from the second flow field 6. Therefore, the material to be hydrogenated is smoothly supplied to the second catalyst layer 40, and the hydrogenated material is smoothly discharged from the second catalyst layer 40.
第二流れ場6における第一流路61と第二流路62は、第二流れ場6における第二流体102の流通性を改善し、第二流れ場6における圧力損失を低下させる。そのため、電気化学セル1への第二流体102の供給量を大きくすることができる。第二流体102の供給量が大きくなると、第二触媒層40に被水素化物が供給され易く、かつ第二触媒層40の近くから水素化物が排除され易い。また、第二流体102の供給量が大きくなると、第二触媒層40の近くから水が排除され易い。水は、第一流体101から電解質膜2を透過して第二流体102に移動したもので、第二触媒層40における被水素化物の水素化を阻害する。被水素化物の速やかな供給、および水素化物と水の速やかな排出によって、電気化学セル1におけるファラデー効率が高くなる。The first flow path 61 and the second flow path 62 in the second flow field 6 improve the flowability of the second fluid 102 in the second flow field 6 and reduce pressure loss in the second flow field 6. This allows for a larger supply amount of the second fluid 102 to the electrochemical cell 1. Increasing the supply amount of the second fluid 102 makes it easier for the substance to be hydrided to be supplied to the second catalyst layer 40 and for the hydride to be removed from the vicinity of the second catalyst layer 40. Furthermore, increasing the supply amount of the second fluid 102 makes it easier for water to be removed from the vicinity of the second catalyst layer 40. Water migrates from the first fluid 101 through the electrolyte membrane 2 to the second fluid 102, and inhibits the hydrogenation of the substance to be hydrided in the second catalyst layer 40. The rapid supply of the substance to be hydrided and the rapid removal of the hydride and water increase the faradaic efficiency of the electrochemical cell 1.
本例の第一流路61と第二流路62は、第二導電板41に形成された溝である。溝の開口部は、第二拡散層42に面している。つまり、溝の開口部は、第二拡散層42の空孔につながるように配置されている。本例とは異なり、第一流路61と第二流路62は、第二拡散層42に形成された溝でも良い。 In this example, the first flow path 61 and the second flow path 62 are grooves formed in the second conductive plate 41. The openings of the grooves face the second diffusion layer 42. In other words, the openings of the grooves are positioned so as to connect to the pores in the second diffusion layer 42. Unlike this example, the first flow path 61 and the second flow path 62 may also be grooves formed in the second diffusion layer 42.
第二導電板41に形成された溝によって形成される第一流路61は、第二導電板41の全面に第二流体102を速やかに拡散させる。第二導電板41の全面に拡散した第二流体102は、第二触媒層40に接触し易い。水素化物を含む第二流体102は、第二拡散層42を通って第二流路62に排出される。第二導電板41に形成された溝によって形成される第二流路62は、水素化物を含む第二流体102を速やかに電気化学セル1の外部に排出する。これらのことから、電気化学セル1におけるファラデー効率が高くなる。 The first flow path 61 formed by the grooves formed in the second conductive plate 41 quickly diffuses the second fluid 102 over the entire surface of the second conductive plate 41. The second fluid 102 diffused over the entire surface of the second conductive plate 41 is likely to come into contact with the second catalyst layer 40. The second fluid 102 containing hydrides passes through the second diffusion layer 42 and is discharged to the second flow path 62. The second flow path 62 formed by the grooves formed in the second conductive plate 41 quickly discharges the second fluid 102 containing hydrides to the outside of the electrochemical cell 1. As a result, the Faraday efficiency of the electrochemical cell 1 is increased.
第一流路61と第二流路62を形成する溝の形状は特に限定されない。本例の第一流路61と第二流路62は互いに独立した構造の溝である。具体的には、第一流路61は複数の第一溝61dを備え、第二流路62は複数の第二溝62dを備える。平面視において、複数の第一溝61dの少なくとも一部と、複数の第二溝62dの少なくとも一部とは、第一溝61dと第二溝62dの延伸方向と直交する方向に交互に並列されている。本例の第一溝61dと第二溝62dとは、第二導電板41の下端から上端に向かう方向に延びる縦溝である。第一溝61dと第二溝62dとが交互に配置される領域が、上述した第一流路61の一部と第二流路62の一部とが並列された領域に相当する。The shapes of the grooves forming the first flow path 61 and the second flow path 62 are not particularly limited. In this example, the first flow path 61 and the second flow path 62 are grooves with structures independent of each other. Specifically, the first flow path 61 includes a plurality of first grooves 61d, and the second flow path 62 includes a plurality of second grooves 62d. In a plan view, at least some of the plurality of first grooves 61d and at least some of the plurality of second grooves 62d are alternately arranged in parallel in a direction perpendicular to the extension direction of the first grooves 61d and the second grooves 62d. In this example, the first grooves 61d and the second grooves 62d are vertical grooves extending in a direction from the lower end to the upper end of the second conductive plate 41. The region where the first grooves 61d and the second grooves 62d are alternately arranged corresponds to the region where a portion of the first flow path 61 and a portion of the second flow path 62 are arranged in parallel.
本例の第一流路61はさらに、複数の第一溝61dの下端同士をつなぐ第一連結溝61bと、第一連結溝61bとマニホールド4Aとをつなぐ供給溝61fと、を備える。複数の第一溝61dは、第一連結溝61bから分岐するように延びている。供給溝61fは、第一溝61dが延びる方向とは反対方向に第一連結溝61bから分岐するように延びている。供給溝61fは、第一流路61の流入端部61Aである。マニホールド4Aは、図1に示される第二供給管102Aの端部に直接つながっている。すなわち、供給溝61fは、マニホールド4Aによって図1に示される第二流れ場6の入口6Aに直接つながっている。入口6Aにつながる流入端部61Aでは第二流体102が流れ易い。一方、第一溝61dの端部61eは閉じている。端部61eは第一流路61の流出端部61Bである。閉口した端部61eからなる流出端部61Bでは、第二流体102が流れ難い。上記構造の溝からなる第一流路61の開口部は、第二拡散層42に面しているため、第二流体102が第一流路61から第二拡散層42の全体に速やかに拡散される。その結果、第二流体102に含まれる被水素化物が効率的に第二触媒層40に供給される。 In this example, the first flow path 61 further includes a first connecting groove 61b connecting the lower ends of the multiple first grooves 61d, and a supply groove 61f connecting the first connecting groove 61b and the manifold 4A. The multiple first grooves 61d extend branching off from the first connecting groove 61b. The supply groove 61f extends branching off from the first connecting groove 61b in the opposite direction to the extension of the first grooves 61d. The supply groove 61f is the inlet end 61A of the first flow path 61. The manifold 4A is directly connected to the end of the second supply pipe 102A shown in FIG. 1. That is, the supply groove 61f is directly connected to the inlet 6A of the second flow field 6 shown in FIG. 1 via the manifold 4A. The second fluid 102 flows easily through the inlet end 61A connected to the inlet 6A. On the other hand, the end 61e of the first groove 61d is closed. The end 61e is the outlet end 61B of the first flow path 61. The second fluid 102 does not easily flow through the outflow end 61B consisting of the closed end 61e. Since the opening of the first flow path 61 consisting of the groove with the above structure faces the second diffusion layer 42, the second fluid 102 is quickly diffused from the first flow path 61 throughout the second diffusion layer 42. As a result, the substance to be hydrogenated contained in the second fluid 102 is efficiently supplied to the second catalyst layer 40.
本例とは異なり、複数の第一溝61dのそれぞれはマニホールド4Aに直接つながっていてもよい。この場合、第一連結溝61bと供給溝61fは第二導電板41に形成されていない。その他、第一流路61は、複数の第一溝61dの一部が第一連結溝61bとつながり、残部のそれぞれがマニホールド4Aに直接つながる構成であってもよい。Unlike this example, each of the multiple first grooves 61d may be directly connected to the manifold 4A. In this case, the first connecting groove 61b and the supply groove 61f are not formed in the second conductive plate 41. Alternatively, the first flow path 61 may be configured such that some of the multiple first grooves 61d are connected to the first connecting groove 61b, and the remaining grooves are each directly connected to the manifold 4A.
本例の第二流路62はさらに、複数の第二溝62dの上端同士をつなぐ第二連結溝62bと、第二連結溝62bとマニホールド4Bとをつなぐ排出溝62fと、を備える。複数の第二溝62dは、第二連結溝62bから分岐するように延びている。排出溝62fは、第二溝62dが延びる方向とは反対方向に第二連結溝62bから分岐するように延びている。排出溝62fは第二流路62の流出端部62Bである。マニホールド4Bは、図1に示される第二排出管102Bの端部に直接つながっている。すなわち、排出溝62fは、マニホールド4Bによって図1に示される第二流れ場6の出口6Bに直接つながっている。出口6Bにつながる流出端部62Bでは第二流体102が流れ易い。一方、第二流路62への第二流体102の流入口である第二溝62dの端部62eは閉じている。端部62eは第二流路62の流入端部62Aである。閉口した端部62eからなる流入端部62Aでは、第二流体102が流れ難い。上記構造の溝からなる第二流路62の開口部は、第二拡散層42に面しているため、水素化物を含む第二流体102が第二触媒層40の近くから第二流路62に速やかに回収される。電解質膜2を通過した水も第二触媒層40の近くから第二流路62に速やかに回収される。 In this example, the second flow path 62 further includes a second connecting groove 62b connecting the upper ends of the multiple second grooves 62d, and a discharge groove 62f connecting the second connecting groove 62b to the manifold 4B. The multiple second grooves 62d extend branching off from the second connecting groove 62b. The discharge groove 62f extends branching off from the second connecting groove 62b in the opposite direction to the extension of the second grooves 62d. The discharge groove 62f is the outlet end 62B of the second flow path 62. The manifold 4B is directly connected to the end of the second discharge pipe 102B shown in FIG. 1. That is, the discharge groove 62f is directly connected to the outlet 6B of the second flow field 6 shown in FIG. 1 via the manifold 4B. The second fluid 102 flows easily through the outlet end 62B connected to the outlet 6B. Meanwhile, the end 62e of the second groove 62d, which serves as the inlet for the second fluid 102 into the second flow path 62, is closed. The end 62e is the inlet end 62A of the second flow channel 62. The second fluid 102 does not flow easily through the inlet end 62A that is the closed end 62e. The opening of the second flow channel 62 that is the groove of the above structure faces the second diffusion layer 42, so the second fluid 102 containing the hydride is quickly recovered from near the second catalyst layer 40 into the second flow channel 62. Water that has passed through the electrolyte membrane 2 is also quickly recovered from near the second catalyst layer 40 into the second flow channel 62.
本例とは異なり、複数の第二溝62dのそれぞれはマニホールド4Bに直接つながっていてもよい。この場合、第二連結溝62bと排出溝62fは第二導電板41に形成されていない。その他、第二流路62は、複数の第二溝62dの一部が第二連結溝62bとつながり、残部のそれぞれがマニホールド4Bに直接つながる構成であってもよい。ここで、マニホールド4Aにつながる溝の構成と、マニホールド4Bにつながる溝の構成とは、同じでもよいし、異なっていてもよい。Unlike this example, each of the multiple second grooves 62d may be directly connected to the manifold 4B. In this case, the second connecting groove 62b and the discharge groove 62f are not formed in the second conductive plate 41. Alternatively, the second flow path 62 may be configured such that some of the multiple second grooves 62d are connected to the second connecting groove 62b, and the remaining grooves are directly connected to the manifold 4B. Here, the configuration of the groove connected to the manifold 4A and the configuration of the groove connected to the manifold 4B may be the same or different.
図5は、図4における第一溝61dおよび第二溝62dと直交する方向で図1の電気化学セル1を切断した部分断面図である。図5には、第二拡散層42における第二流体102のおおよその流れを太線矢印で示す。さらに図5には、第一拡散層32における第一流体101のおおよその流れを太線矢印で示す。図5に示されるように、第一流路61の第一溝61dと第二流路62の第二溝62dとの間には畝部63が形成されている。第一溝61dおよび第二溝62dの開口部と畝部63は、第二拡散層42に覆われている。第一溝61dを流れる第二流体102の一部は、畝部63を覆う第二拡散層42を通過して、第二溝62dに流れ込む。その際、第二流体102に含まれる被水素化物が第二触媒層40で水素化され、水素化物が生成される。ここで、第二流体102の供給量が大きくなると、畝部63を通過する第二流体102の流速が大きくなり、第二触媒層40に速やかに被水素化物が供給されると共に、第二触媒層40から速やかに水素化物が回収される。 Figure 5 is a partial cross-sectional view of the electrochemical cell 1 of Figure 1 taken in a direction perpendicular to the first groove 61d and second groove 62d in Figure 4. In Figure 5, the thick arrows indicate the approximate flow of the second fluid 102 in the second diffusion layer 42. Furthermore, in Figure 5, the thick arrows indicate the approximate flow of the first fluid 101 in the first diffusion layer 32. As shown in Figure 5, a ridge 63 is formed between the first groove 61d of the first flow path 61 and the second groove 62d of the second flow path 62. The openings and ridges 63 of the first groove 61d and the second groove 62d are covered by the second diffusion layer 42. A portion of the second fluid 102 flowing through the first groove 61d passes through the second diffusion layer 42, which covers the ridges 63, and flows into the second groove 62d. At this time, the substance to be hydrogenated contained in the second fluid 102 is hydrogenated in the second catalyst layer 40, producing a hydride. Here, when the supply amount of the second fluid 102 increases, the flow rate of the second fluid 102 passing through the ridge portion 63 increases, and the material to be hydrogenated is quickly supplied to the second catalytic layer 40, and the hydrogenated material is quickly recovered from the second catalytic layer 40.
畝部63を通過する第二流体102の流速は、畝部63の幅に依存して大きくなり易い。畝部63の平均幅W1は、第一溝61dおよび第二溝62dの平均幅W2よりも大きいほど、畝部63を通過する第二流体102の流速が大きくなる。平均幅W1は例えば以下のようにして求められる。図4に示される各畝部63の長さにおける始端位置S1と終端位置E1と中間位置M1の幅を測定する。全ての幅の測定値を平均したものが、平均幅W1である。平均幅W2は例えば以下のようにして求められる。各第一溝61dおよび第二溝62dの長さにおける始端位置S2と終端位置E2と中間位置M2の幅を測定する。全ての幅の測定値を平均したものが、平均幅W2である。 The flow velocity of the second fluid 102 passing through the rib portion 63 tends to increase depending on the width of the rib portion 63. The larger the average width W1 of the rib portion 63 is compared to the average width W2 of the first groove 61d and the second groove 62d, the greater the flow velocity of the second fluid 102 passing through the rib portion 63. The average width W1 can be calculated, for example, as follows: Measure the widths at the start position S1, the end position E1, and the middle position M1 along the length of each rib portion 63 shown in Figure 4. The average width W1 is calculated by averaging all the measured widths. The average width W2 can be calculated, for example, as follows: Measure the widths at the start position S2, the end position E2, and the middle position M2 along the length of each first groove 61d and second groove 62d. The average width W2 is calculated by averaging all the measured widths.
平均幅W1と平均幅W2との比W1/W2は例えば1超50以下である。比W1/W2が大きいほど第二流体102の流速が大きくなる反面、第二流れ場6の圧力損失が大きくなるというトレードオフの関係がある。詳しくは、比W1/W2が大きくなるほど、第二流れ場6における第一溝61dおよび第二溝62dの数は減少する。第一溝61dおよび第二溝62dの数の減少は、第二流れ場6の圧力損失の増加を招く。つまり、電気化学セル1への第二流体102の供給量の上限が小さくなる。しかし、第一溝61dおよび第二溝62dの数の減少に伴う畝部63の平均幅W1の増加は、畝部63における第二流体102の流速を増加させる。畝部63における第二流体102の流速の増加は、電気化学セル1への第二流体102の供給量を増加させるよりも、ファラデー効率の増加をもたらし易い。比W1/W2が50以下であれば、第一溝61dおよび第二溝62dの数が減り過ぎない。比W1/W2が50以下であれば流速の増大および圧力損失の増大を低減する効果を良好に得られる。比W1/W2は例えば、2以上45以下でも良いし、5以上35以下でも良い。The ratio W1/W2 of the average width W1 to the average width W2 is, for example, greater than 1 and less than 50. As the ratio W1/W2 increases, the flow rate of the second fluid 102 increases, but the pressure loss in the second flow field 6 also increases, creating a trade-off. Specifically, as the ratio W1/W2 increases, the number of first grooves 61d and second grooves 62d in the second flow field 6 decreases. A decrease in the number of first grooves 61d and second grooves 62d increases the pressure loss in the second flow field 6. In other words, the upper limit of the amount of second fluid 102 supplied to the electrochemical cell 1 decreases. However, an increase in the average width W1 of the ridge portions 63 due to a decrease in the number of first grooves 61d and second grooves 62d increases the flow rate of the second fluid 102 in the ridge portions 63. An increase in the flow rate of the second fluid 102 in the ridge portions 63 is more likely to increase the Faraday efficiency than an increase in the amount of second fluid 102 supplied to the electrochemical cell 1. If the ratio W1/W2 is 50 or less, the number of first grooves 61d and second grooves 62d is not reduced too much. If the ratio W1/W2 is 50 or less, the effect of reducing an increase in flow velocity and an increase in pressure loss can be satisfactorily obtained. The ratio W1/W2 may be, for example, 2 or more and 45 or less, or 5 or more and 35 or less.
ここで、電気化学セル1の運転時の電流密度が大きな場合であっても、電気化学セル1は、90%以上、さらには95%以上といった高いファラデー効率を有することが望まれる。運転時の電流密度の大きさに応じて比W1/W2を高くすることで、高いファラデー効率が得られる。例えば、運転時の電流密度が1A/cm2未満である場合には比W1/W2が1超、さらには3以上、さらには5以上であれば、高いファラデー効率が得られる。例えば、運転時の電流密度が1A/cm2以上という、より大きな電流密度である場合には、比W1/W2が、5超40以下、さらには8以上38以下、10以上35以下であれば、高いファラデー効率が得られる。 Here, even when the current density during operation of the electrochemical cell 1 is high, it is desirable for the electrochemical cell 1 to have a high faradic efficiency of 90% or more, or even 95% or more. High faradic efficiency can be obtained by increasing the ratio W1/W2 according to the magnitude of the current density during operation. For example, when the current density during operation is less than 1 A/cm 2 , high faradic efficiency can be obtained when the ratio W1/W2 is greater than 1, or even greater than 3, or even greater than 5. For example, when the current density during operation is a higher current density of 1 A/cm 2 or more, high faradic efficiency can be obtained when the ratio W1/W2 is greater than 5 and less than 40, or even greater than 8 and less than 38, or greater than 10 and less than 35.
畝部63の平均幅W1は例えば、1mm以上50mm以下である。平均幅W1が1mm以上であれば、畝部63における第二流体102の流速が十分に大きくなり易い。平均幅W1が50mm以下であれば、第二流れ場6における第一溝61dおよび第二溝62dの数が十分に多くなるため、第二流れ場6の圧力損失が高くなり難い。平均幅W1は例えば、2mm以上45mm以下でも良いし、3mm以上40mm以下でも良い。 The average width W1 of the ridge portion 63 is, for example, 1 mm or more and 50 mm or less. If the average width W1 is 1 mm or more, the flow velocity of the second fluid 102 in the ridge portion 63 is likely to be sufficiently high. If the average width W1 is 50 mm or less, the number of first grooves 61d and second grooves 62d in the second flow field 6 is sufficiently large, making it difficult for the pressure loss in the second flow field 6 to be high. The average width W1 may be, for example, 2 mm or more and 45 mm or less, or 3 mm or more and 40 mm or less.
第一溝61dおよび第二溝62dの平均幅W2は例えば、0.5mm以上5mm以下である。平均幅W2が0.5mm以上であれば、第一流路61から第二流れ場6の全体に第二流体102が拡散し易く、かつ拡散した第二流体102が第二流路62に回収され易い。平均幅W2が5mm以下であれば、第二触媒層40に接触することなく第二流れ場6から排出される第二流体102の量が低減される。平均幅W2は例えば、0.6mm以上3mm以下でも良いし、0.8mm以上2mm以下でも良い。 The average width W2 of the first groove 61d and the second groove 62d is, for example, 0.5 mm or more and 5 mm or less. If the average width W2 is 0.5 mm or more, the second fluid 102 is more likely to diffuse from the first flow path 61 throughout the second flow field 6, and the diffused second fluid 102 is more likely to be recovered in the second flow path 62. If the average width W2 is 5 mm or less, the amount of second fluid 102 discharged from the second flow field 6 without coming into contact with the second catalyst layer 40 is reduced. The average width W2 may be, for example, 0.6 mm or more and 3 mm or less, or 0.8 mm or more and 2 mm or less.
第一溝61dおよび第二溝62dの平均深さdは例えば、0.5mm以上5mm以下である。平均深さdは例えば以下のようにして求められる。各第一溝61dおよび第二溝62dの長さにおける始端位置と終端位置と中間位置の深さを測定する。全ての深さの測定値を平均したものが、平均深さdである。平均深さdが0.5mm以上であれば、第二流れ場6における圧力損失が低下し易い。平均深さdが5mm以下であれば、第二導電板41の強度を保ちつつ、第二導電板41の厚さを薄くすることができる。第二導電板41の厚さが薄いことで、電気化学セル1の小型化が図れる。平均深さdは例えば、0.6mm以上3mm以下でも良いし、0.8mm以上2mm以下でも良い。第一溝61dおよび第二溝62dの深さは、第一溝61dおよび第二溝62dの長さに沿って一様でも良いし、変化しても良い。The average depth d of the first groove 61d and the second groove 62d is, for example, 0.5 mm or more and 5 mm or less. The average depth d can be determined, for example, as follows: The depths of each first groove 61d and second groove 62d are measured at the start, end, and middle positions along their length. The average depth d is the average of all measured depths. If the average depth d is 0.5 mm or more, the pressure loss in the second flow field 6 is likely to be reduced. If the average depth d is 5 mm or less, the thickness of the second conductive plate 41 can be reduced while maintaining the strength of the second conductive plate 41. A thinner second conductive plate 41 allows for a more compact electrochemical cell 1. The average depth d may be, for example, 0.6 mm or more and 3 mm or less, or 0.8 mm or more and 2 mm or less. The depths of the first groove 61d and the second groove 62d may be uniform or may vary along their lengths.
上述した構成とは異なり、図4における第一流路61の第一溝61dの端部61eと、第二流路62の第二連結溝62bとが、第一溝61dよりも細い溝でつながっていても良い。この場合でも、第一流路61は、流出端部61Bが流入端部61Aよりも第二流体102が流れ難い構造を有する。また、第二流路62の第二溝62dの端部62eと、第一流路61の第一連結溝61bとが、第二溝62dよりも細い溝でつながっていても良い。この場合でも、第二流路62は、流入端部62Aが流出端部62Bよりも第二流体102が流れ難い構造を有する。 In a configuration different from that described above, the end 61e of the first groove 61d of the first flow path 61 in FIG. 4 may be connected to the second connecting groove 62b of the second flow path 62 by a groove thinner than the first groove 61d. Even in this case, the first flow path 61 has a structure in which the second fluid 102 flows more slowly at the outlet end 61B than at the inlet end 61A. Furthermore, the end 62e of the second groove 62d of the second flow path 62 and the first connecting groove 61b of the first flow path 61 may be connected by a groove thinner than the second groove 62d. Even in this case, the second flow path 62 has a structure in which the second fluid 102 flows more slowly at the inlet end 62A than at the outlet end 62B.
≪第一流れ場における流路の構成≫
第一流れ場5は、図3に示されるように、第一流体101の流れを円滑にする流路50を備えていても良い。本例の流路50は、第一導電板31に形成される溝である。本例の流路50は、供給溝51と第一ベース溝52と複数の分岐溝53と第二ベース溝54と排出溝55とを備える。供給溝51は、第一導電板31を貫通するマニホールド3Aにつながっている。マニホールド3Aは、図1に示される第一供給管101Aの端部に直接つながっている。すなわち、供給溝51は、マニホールド3Aによって図1に示される第一流れ場5の入口5Aに直接つながっている。第一ベース溝52は、第一導電板31の下部に配置され、電気化学セル1の設置面に平行に延びている。第二ベース溝54は、第一導電板31の上部に配置され、第一ベース溝52に平行に延びている。分岐溝53の下端と上端はそれぞれ、第一ベース溝52と第二ベース溝54につながっている。分岐溝53は、第一ベース溝52から上方向に延びている。
<Configuration of flow path in first flow field>
As shown in FIG. 3 , the first flow field 5 may include a flow path 50 that facilitates the flow of the first fluid 101. In this example, the flow path 50 is a groove formed in the first conductive plate 31. In this example, the flow path 50 includes a supply groove 51, a first base groove 52, a plurality of branch grooves 53, a second base groove 54, and a discharge groove 55. The supply groove 51 is connected to a manifold 3A that penetrates the first conductive plate 31. The manifold 3A is directly connected to the end of the first supply pipe 101A shown in FIG. 1 . That is, the supply groove 51 is directly connected to the inlet 5A of the first flow field 5 shown in FIG. 1 via the manifold 3A. The first base groove 52 is located at the bottom of the first conductive plate 31 and extends parallel to the installation surface of the electrochemical cell 1. The second base groove 54 is located at the top of the first conductive plate 31 and extends parallel to the first base groove 52. The lower and upper ends of the branch groove 53 are connected to the first base groove 52 and the second base groove 54, respectively. The branch groove 53 extends upward from the first base groove 52.
排出溝55は、第一導電板31を貫通するマニホールド3Bにつながっている。マニホールド3Bは、図1に示される第一排出管101Bの端部に直接つながっている。すなわち、排出溝55は、マニホールド3Bによって第一流れ場5の出口5Bに直接つながっている。上記構成を備える流路50は、供給溝51から排出溝55までが全てつながったストレート流路である。流路50によって、第一流体101に含まれる水が第一流れ場5の全体に速やかに拡散される。また、流路50によって、第一触媒層30で生成した酸素が速やかに電気化学セル1の外部に排出される。本例とは異なり、流路50は、第一拡散層32に形成されていても良い。 The discharge groove 55 is connected to a manifold 3B that penetrates the first conductive plate 31. The manifold 3B is directly connected to the end of the first discharge pipe 101B shown in FIG. 1. That is, the discharge groove 55 is directly connected to the outlet 5B of the first flow field 5 by the manifold 3B. The flow path 50 having the above configuration is a straight flow path that is completely connected from the supply groove 51 to the discharge groove 55. The flow path 50 allows water contained in the first fluid 101 to be quickly diffused throughout the entire first flow field 5. The flow path 50 also allows oxygen generated in the first catalyst layer 30 to be quickly discharged to the outside of the electrochemical cell 1. Unlike this example, the flow path 50 may be formed in the first diffusion layer 32.
図5の太線矢印で示すように、ストレート流路では、分岐溝53から第一拡散層32に向かう第一流体101の流れと、第一拡散層32から分岐溝53に向かう第一流体101の流れとが形成され易い。 As shown by the thick arrows in Figure 5, in a straight flow path, a flow of the first fluid 101 from the branch groove 53 toward the first diffusion layer 32 and a flow of the first fluid 101 from the first diffusion layer 32 toward the branch groove 53 are likely to be formed.
本例とは異なり、第一流れ場5の流路50は、第二流れ場6の第一流路61および第二流路62と同様の構造の溝であっても良い。 Unlike this example, the flow path 50 of the first flow field 5 may be a groove having a structure similar to the first flow path 61 and the second flow path 62 of the second flow field 6.
≪非通電領域の形成≫
図1に示される電気化学セル1の第二流れ場6では、プロトンが水素ガスに変化する副反応が生じ得る。この副反応は、電気化学セル1のファラデー効率を低下させる。電気化学セル1内において、アノード部3と電解質膜2とカソード部4との積層方向に沿った電流が流れない非通電領域を形成することで、上記副反応の発生頻度を低下させることができる。非通電領域は、図2に示されるように、第一流れ場5と第二流れ場6の少なくとも一方に配置された絶縁部材8によって形成される。副反応の発生頻度が低下すると、電気化学セル1のファラデー効率が向上する。
<Formation of non-conductive areas>
In the second flow field 6 of the electrochemical cell 1 shown in FIG. 1 , a side reaction in which protons are converted into hydrogen gas may occur. This side reaction reduces the faradaic efficiency of the electrochemical cell 1. The frequency of the side reaction can be reduced by forming a non-current-carrying region in the electrochemical cell 1 where no current flows along the stacking direction of the anode section 3, the electrolyte membrane 2, and the cathode section 4. As shown in FIG. 2 , the non-current-carrying region is formed by an insulating member 8 disposed in at least one of the first flow field 5 and the second flow field 6. The reduced frequency of the side reaction improves the faradaic efficiency of the electrochemical cell 1.
絶縁部材8は例えば、第一面21に垂直で、かつ第一面21から第二面22に向かう第一方向から電気化学セル1を見たときに、第一導電板31および第二導電板41の少なくとも一方に重複する。絶縁部材8の数は単数でも複数でも良い。本例では、一つの絶縁部材8が、第二流れ場6において第二導電板41に重ねられている。 For example, when the electrochemical cell 1 is viewed perpendicular to the first surface 21 and from a first direction from the first surface 21 toward the second surface 22, the insulating member 8 overlaps at least one of the first conductive plate 31 and the second conductive plate 41. The number of insulating members 8 may be one or more. In this example, one insulating member 8 overlaps the second conductive plate 41 in the second flow field 6.
本例の絶縁部材8は矩形枠状のシートである。この絶縁部材8は、図6に示される第一畝領域65の少なくとも一部に重複している。第一畝領域65は、二点鎖線のハッチングで示される領域である。第一畝領域65は、第一流路61の第一連結溝61bに沿った帯状の領域である。第一畝領域65は、第一流路61の第一連結溝61bの溝縁から第二流路62の第二溝62dの端部62eまでを含む。本例では、図7に示されるように、絶縁部材8の下枠部が第一畝領域65の全体を覆うように絶縁部材8が配置されている。また、本例では、絶縁部材8は、第一連結溝61bに及んでいる。本例と異なり、絶縁部材8は、第二溝62dの一部であって端部62eに近い領域に及んでいても良い。絶縁部材8は、第一溝61dに対応する部分が切り欠かれていても良い。In this example, the insulating member 8 is a rectangular frame-shaped sheet. This insulating member 8 overlaps at least a portion of the first ridge region 65 shown in FIG. 6. The first ridge region 65 is the region indicated by dashed-dotted lines. The first ridge region 65 is a strip-shaped region along the first connecting groove 61b of the first flow path 61. The first ridge region 65 extends from the edge of the first connecting groove 61b of the first flow path 61 to the end 62e of the second groove 62d of the second flow path 62. In this example, as shown in FIG. 7, the insulating member 8 is arranged so that the lower frame portion of the insulating member 8 covers the entire first ridge region 65. Also, in this example, the insulating member 8 extends into the first connecting groove 61b. Unlike this example, the insulating member 8 may extend to a portion of the second groove 62d near the end 62e. The insulating member 8 may have a cutout in the portion corresponding to the first groove 61d.
絶縁部材8はさらに、図6に示される第二畝領域66の少なくとも一部に重複している。第二畝領域66は、二点鎖線のハッチングで示される領域である。第二畝領域66は、第二流路62の第二連結溝62bに沿った帯状の領域である。第二畝領域66は、第二流路62の第二連結溝62bの溝縁から第一流路61の第一溝61dの端部61eまでを含む。本例では、図7に示されるように、絶縁部材8の上枠部が第二畝領域66の全体を覆うように絶縁部材8が配置されている。また、本例では、絶縁部材8は、第二連結溝62bに及んでいる。本例とは異なり、絶縁部材8は、第一溝61dの一部であって端部61eに近い領域に及んでいても良い。絶縁部材8は、第二溝62dに対応する部分が切り欠かれていても良い。The insulating member 8 further overlaps at least a portion of the second ridge region 66 shown in FIG. 6. The second ridge region 66 is the region indicated by dashed-dotted lines. The second ridge region 66 is a strip-shaped region along the second connecting groove 62b of the second flow path 62. The second ridge region 66 extends from the groove edge of the second connecting groove 62b of the second flow path 62 to the end 61e of the first groove 61d of the first flow path 61. In this example, as shown in FIG. 7, the insulating member 8 is arranged so that the upper frame portion of the insulating member 8 covers the entire second ridge region 66. Also, in this example, the insulating member 8 extends into the second connecting groove 62b. Unlike this example, the insulating member 8 may extend to a portion of the first groove 61d near the end 61e. The insulating member 8 may have a cutout in the portion corresponding to the second groove 62d.
図7に示されるように、第二導電板41における絶縁部材8の窓部から露出する部分は、電気化学セル1の第一方向に電流が流れる通電領域7である。本例の第二流れ場6では、第一畝領域65および第二畝領域66は、第一溝61dおよび第二溝62dが交互に配置された領域に比較して第二流体102が流れ難い領域である。この第二流体102が流れ難い領域において第一方向に電流が流れると、副反応によって水素が発生し易い。本例では、枠状の絶縁部材8が第一畝領域65および第二畝領域66を覆うことで、第一畝領域65および第二畝領域66において第一方向に電流が流れない状態になり、副反応による水素の発生が低減される。その結果、電気化学セル1の高いファラデー効率が維持される。本例とは異なり、第一畝領域65と第二畝領域66とはそれぞれ、独立した絶縁部材8によって覆われていても良い。As shown in FIG. 7 , the portion of the second conductive plate 41 exposed through the window of the insulating member 8 is the current-carrying region 7 in which current flows in the first direction in the electrochemical cell 1. In the second flow field 6 of this example, the first ridge region 65 and the second ridge region 66 are regions in which the second fluid 102 has difficulty flowing compared to the region in which the first grooves 61d and the second grooves 62d are alternately arranged. When current flows in the first direction in this region in which the second fluid 102 has difficulty flowing, hydrogen is likely to be generated by a side reaction. In this example, the frame-shaped insulating member 8 covers the first ridge region 65 and the second ridge region 66, preventing current from flowing in the first direction in the first ridge region 65 and the second ridge region 66, thereby reducing the generation of hydrogen due to a side reaction. As a result, the high Faraday efficiency of the electrochemical cell 1 is maintained. Unlike this example, the first ridge region 65 and the second ridge region 66 may each be covered by an independent insulating member 8.
絶縁部材8は、流体に対する耐性を有する電気絶縁材料によって形成されている。絶縁部材8の抵抗率は例えば、103Ω・cm以上である。抵抗率は、104Ω・cm以上でも良いし、105Ω・cm以上でも良い。このような抵抗率を満たす材料は例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、PA6またはPA66などのポリアミド樹脂、ポリオキシメチレン樹脂、フッ素樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ガラス繊維、絶縁ゴム、または絶縁ワニスである。フッ素樹脂は例えば、ポリテトラフルオロエチレン樹脂、または四フッ化エチレンとパーフルオロエチレンとの共重合体である。 The insulating member 8 is formed of an electrically insulating material that is resistant to fluids. The resistivity of the insulating member 8 is, for example, 10 Ω·cm or more. The resistivity may be 10 Ω ·cm or more, or may be 10 Ω ·cm or more. Materials that satisfy this resistivity include, for example, epoxy resin, phenolic resin, polyamide resin such as PA6 or PA66, polyoxymethylene resin, fluororesin, polyphenylene sulfide resin, glass fiber, insulating rubber, and insulating varnish. The fluororesin is, for example, polytetrafluoroethylene resin or a copolymer of tetrafluoroethylene and perfluoroethylene.
シート状の絶縁部材8は、電解質膜2と第二拡散層42との間、または第二拡散層42と第二導電板41との間に配置される。このような位置に配置される絶縁部材8によって、第二導電板41の一部が絶縁される。本例とは異なり、シート状の絶縁部材8が第一流れ場5に配置される場合、絶縁部材8は、電解質膜2と第一拡散層32との間、または第一拡散層32と第一導電板31との間に配置されていれば良い。 The sheet-shaped insulating member 8 is disposed between the electrolyte membrane 2 and the second diffusion layer 42, or between the second diffusion layer 42 and the second conductive plate 41. The insulating member 8 disposed in this position insulates a portion of the second conductive plate 41. Unlike this example, when the sheet-shaped insulating member 8 is disposed in the first flow field 5, the insulating member 8 only needs to be disposed between the electrolyte membrane 2 and the first diffusion layer 32, or between the first diffusion layer 32 and the first conductive plate 31.
絶縁部材8は、第二導電板41に一体化されていても良い。例えば、絶縁部材8は、第二導電板41に接着剤などで固定される。この場合、絶縁部材8と第二導電板41との位置合わせが不要であり、電気化学セル1の組み立て性が向上する。絶縁部材8は、第二導電板41に一体化した樹脂材料であっても良い。樹脂材料は例えば第二導電板41に塗布される。この場合も、絶縁部材8と第二導電板41との位置合わせが不要であり、電気化学セル1の組み立て性が向上する。 The insulating member 8 may be integrated with the second conductive plate 41. For example, the insulating member 8 is fixed to the second conductive plate 41 with an adhesive or the like. In this case, alignment between the insulating member 8 and the second conductive plate 41 is not required, improving the ease of assembly of the electrochemical cell 1. The insulating member 8 may be a resin material integrated with the second conductive plate 41. The resin material is applied to the second conductive plate 41, for example. In this case, alignment between the insulating member 8 and the second conductive plate 41 is also not required, improving the ease of assembly of the electrochemical cell 1.
絶縁部材8は、第二拡散層42に一体化された樹脂材料であっても良い。この場合も、絶縁部材8と第二拡散層42との位置合わせが不要であり、電気化学セル1の組み立て性が向上する。樹脂材料は、第二拡散層42に塗布または含浸させることで、第二拡散層42に一体化されていても良い。この場合、第二拡散層42の空孔が樹脂材料によってふさがれる。そのため、第二拡散層42における樹脂材料が充填された箇所に第二流体102が流れなくなるので、カソード部4における圧力損失が低減される。この構成と、シート状の絶縁部材8とを併用しても良い。 The insulating member 8 may be a resin material integrated with the second diffusion layer 42. In this case, alignment between the insulating member 8 and the second diffusion layer 42 is not required, improving the ease of assembly of the electrochemical cell 1. The resin material may be integrated with the second diffusion layer 42 by applying or impregnating the second diffusion layer 42. In this case, the pores in the second diffusion layer 42 are blocked by the resin material. As a result, the second fluid 102 does not flow through the areas of the second diffusion layer 42 filled with the resin material, reducing pressure loss in the cathode section 4. This configuration may also be used in combination with a sheet-like insulating member 8.
≪第二拡散層の構成≫
第二拡散層42は、導電材料によって形成された多孔質層である。上述のように第二拡散層42は、電解質膜2と第二導電板41との間で圧縮されている。図8は、電気化学セル1の一部の構成の積層状態を示す概略図である。第二拡散層42と電解質膜2との境界1A、および第二拡散層42と第二導電板41との境界1Bに局所的な隙間があると、第二触媒層40の全面に均一的に第二流体102が行き渡り難くなる。また、電気化学セル1の運転時に第二流れ場6の内圧が変化した場合、上記局所的な隙間が形成される恐れがある。圧縮された第二拡散層42が所定以上の面圧で電解質膜2と第二導電板41とを押圧していれば、上記境界1A,1Bに局所的な隙間が形成され難い。また、電解質膜2の厚さは温度の変化または含水率の変化によって最大で20%程度変化し得る。例えば電解質膜2の厚さが200μmである場合、当該厚さは最大で40μm程度の変化が生じ得る。電気化学セル1の運転時と停止時とでは、温度および電気化学セル1内の水の流動状態などが異なるため、上記の電解質膜2の厚さの変化に起因して、最大で電解質膜2の厚さの20%程度の隙間が形成される恐れがある。上述のように第二拡散層42が所定以上の面圧で電解質膜2と第二導電板41とを押圧していれば、電解質膜2の厚さ変化に追従することができる。そのため、この場合でも上記境界1A,1Bに局所的な隙間が形成され難い。
<Configuration of the second diffusion layer>
The second diffusion layer 42 is a porous layer formed of a conductive material. As described above, the second diffusion layer 42 is compressed between the electrolyte membrane 2 and the second conductive plate 41. FIG. 8 is a schematic diagram showing the laminated state of a portion of the electrochemical cell 1. If local gaps exist at the boundary 1A between the second diffusion layer 42 and the electrolyte membrane 2 and at the boundary 1B between the second diffusion layer 42 and the second conductive plate 41, the second fluid 102 will not be uniformly distributed over the entire surface of the second catalyst layer 40. Furthermore, if the internal pressure of the second flow field 6 changes during operation of the electrochemical cell 1, these local gaps may be formed. If the compressed second diffusion layer 42 presses the electrolyte membrane 2 and the second conductive plate 41 with a surface pressure equal to or greater than a predetermined value, these local gaps are unlikely to be formed at the boundaries 1A and 1B. Furthermore, the thickness of the electrolyte membrane 2 may change by up to approximately 20% due to changes in temperature or moisture content. For example, if the thickness of the electrolyte membrane 2 is 200 μm, the thickness may change by up to approximately 40 μm. Because the temperature and the state of water flow within the electrochemical cell 1 differ between when the electrochemical cell 1 is operating and when it is stopped, the change in the thickness of the electrolyte membrane 2 may result in the formation of a gap of up to approximately 20% of the thickness of the electrolyte membrane 2. As described above, if the second diffusion layer 42 presses the electrolyte membrane 2 and the second conductive plate 41 with a surface pressure equal to or greater than a predetermined value, it can follow the change in the thickness of the electrolyte membrane 2. Therefore, even in this case, localized gaps are unlikely to form at the boundaries 1A and 1B.
電気化学セル1のカソード部4内で圧縮された状態における第二拡散層42の圧縮ひずみは、0.3以上0.8以下である。電気化学セル1内において圧縮された第二拡散層42に作用する面圧は例えば、0.5MPa以上である。面圧の上限は例えば0.8MPaである。後述する試験例4の図12に示されるように、面圧が大きくなるほど、圧縮ひずみも大きくなる。従って、0.5MPaの面圧における第二拡散層42の圧縮ひずみが0.3以上であれば、0.5MPa以上の面圧が作用するカソード部4内における第二拡散層42の圧縮ひずみも0.3以上である。本例の圧縮ひずみは例えば、0.5MPa以上0.8MPa以下の面圧によって圧縮された第二拡散層42の厚さの減少量λを圧縮前の第二拡散層42の初期厚さt0で割った値である。つまり、第二拡散層42の初期厚さt0と、0.5MPa以上0.8MPa以下の面圧によって圧縮された第二拡散層42の厚さt1とを用いて、減少量λはt0-t1と表わされる。従って、圧縮ひずみは、(t0-t1)/t0によって求められる。例えば、0.5MPaの面圧で1mmの初期厚さt0を有する第二拡散層42を圧縮したとき、第二拡散層42の厚さt1が0.7mmであれば、減少量λは0.3mmである。圧縮ひずみ=λ/t0であるので、この場合の圧縮ひずみは0.3である。The compressive strain of the second diffusion layer 42 when compressed within the cathode portion 4 of the electrochemical cell 1 is 0.3 or more and 0.8 or less. The surface pressure acting on the compressed second diffusion layer 42 within the electrochemical cell 1 is, for example, 0.5 MPa or more. The upper limit of the surface pressure is, for example, 0.8 MPa. As shown in Figure 12 of Test Example 4 described below, the greater the surface pressure, the greater the compressive strain. Therefore, if the compressive strain of the second diffusion layer 42 at a surface pressure of 0.5 MPa is 0.3 or more, the compressive strain of the second diffusion layer 42 within the cathode portion 4 subjected to a surface pressure of 0.5 MPa or more is also 0.3 or more. In this example, the compressive strain is, for example, the reduction in thickness λ of the second diffusion layer 42 compressed by a surface pressure of 0.5 MPa or more and 0.8 MPa or less, divided by the initial thickness t0 of the second diffusion layer 42 before compression. In other words, the reduction amount λ is expressed as t0 - t1, where t0 is the initial thickness of the second diffusion layer 42 and t1 is the thickness of the second diffusion layer 42 compressed with a surface pressure of 0.5 MPa or more and 0.8 MPa or less. Therefore, the compressive strain can be calculated by (t0 - t1)/t0. For example, when a second diffusion layer 42 having an initial thickness t0 of 1 mm is compressed with a surface pressure of 0.5 MPa, if the thickness t1 of the second diffusion layer 42 is 0.7 mm, the reduction amount λ is 0.3 mm. Since compressive strain = λ/t0, the compressive strain in this case is 0.3.
第二拡散層42の厚さt0,t1の測定は、JIS L 1096:2010のA法に準拠して測定する。具体的には、市販の厚さ測定装置を用いて、一定の時間および一定の面圧の下で第二拡散層42の厚さを測定する。上記時間は10秒間とする。初期厚さt0の測定における上記面圧は、0.7kPaとする。初期厚さt0は5点以上測定した厚さを平均した値である。厚さt1の測定では上記面圧を例えば0.5MPaに変更することで、初期厚さt0と同様にして求められる。厚さt0,t1は電気化学セル1に組付けられていない状態の第二拡散層42について測定する。第二拡散層42の初期厚さt0は例えば0.3mm以上3.5mm以下である。The thicknesses t0 and t1 of the second diffusion layer 42 are measured in accordance with Method A of JIS L 1096:2010. Specifically, the thickness of the second diffusion layer 42 is measured for a fixed time and under a fixed surface pressure using a commercially available thickness measuring device. The time is 10 seconds. The surface pressure used to measure the initial thickness t0 is 0.7 kPa. The initial thickness t0 is the average value of thicknesses measured at five or more points. The thickness t1 is measured in the same manner as the initial thickness t0 by changing the surface pressure to, for example, 0.5 MPa. The thicknesses t0 and t1 are measured for the second diffusion layer 42 when it is not assembled into the electrochemical cell 1. The initial thickness t0 of the second diffusion layer 42 is, for example, 0.3 mm or more and 3.5 mm or less.
上記圧縮ひずみが0.3以上0.8以下の第二拡散層42は優れた弾性変形能を有する。換言すれば、0.3以上0.8以下の圧縮ひずみを有する第二拡散層42は、所定の面圧が加えられた状態において第二拡散層42の厚さが初期厚さt0よりも小さくなるように変形する。このような弾性変形能を有する第二拡散層42は、上記面圧が小さくなった場合、または上記面圧が除かれた場合、初期厚さt0に近づくように、または初期厚さt0と同等の厚さとなるように再度変形する。このような第二拡散層42は、電解質膜2と第二導電板41との間で圧縮されたときに、圧縮前の厚さに戻ろうとして、カソード部4内で第二拡散層42を挟む電解質膜2と第二導電板41とを押圧する。そのため、第二拡散層42は電解質膜2と第二導電板41とに面接触し易い。従って、上記境界1A,1Bにおける局所的な隙間に起因するファラデー効率の低下が低減される。上記圧縮ひずみは、0.4以上でも良いし、0.5以上でも良いし、0.6以上でも良いし、0.7以上でも良い。A second diffusion layer 42 having a compressive strain of 0.3 to 0.8 inclusive has excellent elastic deformability. In other words, a second diffusion layer 42 having a compressive strain of 0.3 to 0.8 inclusive deforms so that its thickness becomes smaller than its initial thickness t0 when a predetermined surface pressure is applied. A second diffusion layer 42 having such elastic deformability re-deforms to approach or become equal to its initial thickness t0 when the surface pressure is reduced or removed. When compressed between the electrolyte membrane 2 and the second conductive plate 41, the second diffusion layer 42 attempts to return to its pre-compression thickness, pressing against the electrolyte membrane 2 and the second conductive plate 41 that sandwich the second diffusion layer 42 within the cathode section 4. Therefore, the second diffusion layer 42 is likely to come into surface contact with the electrolyte membrane 2 and the second conductive plate 41. This reduces the reduction in Faraday efficiency caused by local gaps at the boundaries 1A and 1B. The compressive strain may be 0.4 or more, 0.5 or more, 0.6 or more, or 0.7 or more.
多孔質層である第二拡散層42は、例えば以下の弾性変形特性を満たしても良い。
・弾性変形特性:0.5MPaの圧力を負荷した状態における第二拡散層42の厚さをtA、除荷後、0.7kPaの面圧下における第二拡散層42の厚さをtBとし、厚さの差tB-tAが40μm以上である。
The second diffusion layer 42, which is a porous layer, may satisfy the following elastic deformation characteristics, for example.
Elastic deformation characteristics: The thickness of the second diffusion layer 42 when subjected to a pressure of 0.5 MPa is tA, and the thickness of the second diffusion layer 42 when subjected to a surface pressure of 0.7 kPa after the load is removed is tB, and the thickness difference tB - tA is 40 μm or more.
上記厚さの差の測定方法の詳細は以下の通りである。5cm×5cmの試験片に0.5MPaの負荷をかける。保持時間は1分である。1分経過後、この負荷状態にて厚さtAを測定する。除荷後、1分経過後に0.7kPaの面圧下にて、厚さtBを測定する。厚さtBの測定方法は、上述した初期厚さt0の測定方法と同じである。 The details of the method for measuring the thickness difference are as follows: A load of 0.5 MPa is applied to a 5 cm x 5 cm test piece. The holding time is 1 minute. After 1 minute has passed, the thickness tA is measured under this load. After the load is removed, 1 minute has passed and the thickness tB is measured under a surface pressure of 0.7 kPa. The method for measuring thickness tB is the same as the method for measuring the initial thickness t0 described above.
上記厚さの差tB-tAが40μm以上である第二拡散層42は所定の圧力を受けても、当該圧力を受ける前の厚さに戻る能力が大きい、すなわち弾性変形能に優れる。上記厚さの差が大きいほど弾性変形能に優れる。上記厚さの差は、初期厚さt0および面圧にもよるが、50μm以上、60μm以上でもよい。上記厚さの差の上限は例えば初期厚さt0×0.9μmである。圧縮ひずみが0.6以上を満たす第二拡散層42は、代表的には上記弾性変形特性を満たす。 A second diffusion layer 42 with a thickness difference tB - tA of 40 μm or more has a high ability to return to the thickness it had before being subjected to a predetermined pressure, i.e., has excellent elastic deformation ability. The larger the thickness difference, the better the elastic deformation ability. The thickness difference depends on the initial thickness t0 and the surface pressure, but may be 50 μm or more, or 60 μm or more. The upper limit of the thickness difference is, for example, the initial thickness t0 x 0.9 μm. A second diffusion layer 42 with a compressive strain of 0.6 or more typically satisfies the above elastic deformation characteristics.
例えば、電解質膜2の第二面22に第二触媒層40が設けられている場合、第二触媒層40の表面が凹凸になっていることがある。第二拡散層42の弾性変形量が小さい場合には、当該凹凸に起因して例えば100μm以下程度の微小な隙間が第二触媒層40と第二拡散層42との間に局所的に生じ得る。この隙間は流体のスルーホールとなり得る。圧縮ひずみが0.3以上、さらには0.5以上、特に0.6以上といった弾性変形能に優れる第二拡散層42であれば、これらの隙間を埋めるように第二拡散層42が弾性変形できる。第二拡散層42が第二触媒層40の表面の微小な凹凸に追従して弾性変形することで、スルーホールとなり得るような隙間が生じ難い。For example, when a second catalyst layer 40 is provided on the second surface 22 of the electrolyte membrane 2, the surface of the second catalyst layer 40 may be uneven. If the elastic deformation of the second diffusion layer 42 is small, the unevenness may cause small gaps of, for example, 100 μm or less to form locally between the second catalyst layer 40 and the second diffusion layer 42. These gaps can become through-holes for the fluid. If the second diffusion layer 42 has excellent elastic deformability, such as a compressive strain of 0.3 or more, preferably 0.5 or more, and particularly 0.6 or more, the second diffusion layer 42 can elastically deform to fill these gaps. The second diffusion layer 42 elastically deforms to conform to the small unevenness on the surface of the second catalyst layer 40, making it less likely that gaps that could become through-holes will form.
上記圧縮ひずみを満たす第二拡散層42は例えば、炭素繊維を含む不織布である。炭素繊維を含む不織布は、上述のように互いに独立した複数の炭素繊維同士を交絡させたものであり、炭素繊維同士を固定するバインダーといった結合部を有していない。上記結合部を有さない不織布は弾性変形能が高い。上記圧縮ひずみを満たす限りにおいて、第二拡散層42は、炭素繊維を含む織布であっても良い。織布は、炭素繊維の縦糸と横糸とを交互に織り合わせたものである。炭素繊維を含む織布はカーボンクロスとも呼ばれる。炭素繊維を含むペーパーは、上記圧縮ひずみを満たさないと考えられる。ペーパーは、複数の炭素繊維と、炭素繊維を固定するバインダーとを有するものである。例えば、圧縮前のペーパーの厚さにもよるが、1MPaという大きな面圧が加えられた状態においても、ペーパーの厚さの変形量は20μm未満、さらには10μm程度である。このようなペーパーは例えば、0.5MPaの面圧が加えられた状態における圧縮ひずみが0.2未満であり、ほとんど変形しない。 The second diffusion layer 42 that satisfies the above compressive strain is, for example, a nonwoven fabric containing carbon fiber. As described above, a nonwoven fabric containing carbon fiber is made by entangling multiple independent carbon fibers and does not have any bonding parts such as binders that hold the carbon fibers together. Nonwoven fabrics that do not have the above bonding parts have high elastic deformability. As long as the second diffusion layer 42 satisfies the above compressive strain, it may be a woven fabric containing carbon fiber. The woven fabric is made by alternately weaving warp and weft threads of carbon fiber. Woven fabric containing carbon fiber is also called carbon cloth. Paper containing carbon fiber is not considered to satisfy the above compressive strain. The paper contains multiple carbon fibers and a binder that holds the carbon fibers in place. For example, depending on the thickness of the paper before compression, even when a large surface pressure of 1 MPa is applied, the deformation of the paper thickness is less than 20 μm, or even approximately 10 μm. For example, such paper has a compressive strain of less than 0.2 when subjected to a surface pressure of 0.5 MPa, and is hardly deformed.
第二拡散層42は、全体として上記圧縮ひずみが0.3以上であれば、上記圧縮ひずみが0.3未満の部材を含んでいても良い。例えば、第二拡散層42は、異なる圧縮ひずみを有する複数の不織布を積層した構成でも良いし、不織布と織布とを積層した構成でも良いし、不織布とペーパーとを積層した構成でも良いし、不織布と織布とペーパーとを積層した構成でも良い。 The second diffusion layer 42 may contain a component with a compressive strain of less than 0.3, as long as the overall compressive strain is 0.3 or greater. For example, the second diffusion layer 42 may be configured by laminating multiple nonwoven fabrics with different compressive strains, by laminating a nonwoven fabric and a woven fabric, by laminating a nonwoven fabric and paper, or by laminating a nonwoven fabric, a woven fabric, and paper.
不織布を形成する炭素繊維の平均直径は例えば、5μm以上100μm以下である。平均直径が5μm以上100μm以下である炭素繊維は細過ぎず、太過ぎない。細過ぎず太過ぎない炭素繊維によって形成された第二拡散層42は、優れた弾性変形能を有する。そのため、電解質膜2と第二導電板41との間で圧縮された第二拡散層42は、電解質膜2と第二導電板41とに密着し易い。上記平均直径が5μm以上100μm以下であり、かつ第二拡散層42の目付量が後述する範囲を満たす場合、第二拡散層42はより高い弾性変形能を有する。炭素繊維の平均直径は例えば、5μm以上80μm以下、5μm以上50μm以下、7μm以上30μm以下でもよい。 The average diameter of the carbon fibers forming the nonwoven fabric is, for example, 5 μm or more and 100 μm or less. Carbon fibers with an average diameter of 5 μm or more and 100 μm or less are neither too thin nor too thick. A second diffusion layer 42 formed from carbon fibers that are neither too thin nor too thick has excellent elastic deformability. Therefore, the second diffusion layer 42 compressed between the electrolyte membrane 2 and the second conductive plate 41 easily adheres to the electrolyte membrane 2 and the second conductive plate 41. When the average diameter is 5 μm or more and 100 μm or less and the basis weight of the second diffusion layer 42 satisfies the range described below, the second diffusion layer 42 has higher elastic deformability. The average diameter of the carbon fibers may be, for example, 5 μm or more and 80 μm or less, 5 μm or more and 50 μm or less, or 7 μm or more and 30 μm or less.
炭素繊維の平均直径は、複数の炭素繊維のそれぞれについて炭素繊維の断面の面積と等しい面積を有する円の直径を求め、これら直径を平均した値である。炭素繊維の平均直径は次のようにして求められる。第二拡散層42を、第二拡散層42の厚さに沿った方向に切断する。この切断によって、複数の炭素繊維の断面が露出される。第二拡散層42の断面を顕微鏡によって観察し、5つ以上の観察視野をとる。顕微鏡は例えば走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope)である。断面の観察倍率は例えば500倍以上3000倍以下である。1つの観察視野当たり3つ以上の炭素繊維について、各炭素繊維の断面積と同じ面積を有する円の直径を求める。5つ以上の全ての観察視野で求めた上記円の直径を平均する。求められた平均値が炭素繊維の平均直径である。 The average diameter of carbon fibers is calculated by averaging the diameter of a circle having an area equal to the cross-sectional area of each of the carbon fibers. The average diameter of carbon fibers is calculated as follows: The second diffusion layer 42 is cut in a direction along the thickness of the second diffusion layer 42. This cutting exposes the cross-sections of the carbon fibers. The cross-sections of the second diffusion layer 42 are observed using a microscope, and five or more observation fields are taken. The microscope is, for example, a scanning electron microscope. The magnification for observing the cross-sections is, for example, 500x or more and 3000x or less. For three or more carbon fibers per observation field, the diameter of a circle having an area equal to the cross-sectional area of each carbon fiber is calculated. The diameters of the circles calculated for all five or more observation fields are averaged. The calculated average value is the average diameter of the carbon fibers.
電気化学セル1内で圧縮された状態における第二拡散層42の空孔率は例えば、40%以上98%以下である。第二拡散層42の空孔率が上記範囲であれば、第二拡散層42の密度が低過ぎず高過ぎないため、第二拡散層42は優れた弾性変形能を有する。第二拡散層42の空孔は、第二流体102における流路である。従って、空孔率が40%以上であれば、第二拡散層42を第二流体102が透過し易い。また、第二拡散層42を透過する第二流体102の流速が大きくなり易い。空孔率が98%以下であれば、第二拡散層42の強度が保たれ易い。空孔率は例えば45%以上97%以下でも良いし、50%以上96%以下でも良い。空孔率は、第二拡散層42の断面を撮影した断面写真から求められる。断面写真を二値化処理し、実体部分と空孔部分の面積を求める。実体部分と空孔部分の合計面積に対する空孔部分の面積割合が空孔率である。電気化学セル1内における第二拡散層42の厚さの減少量が分かっていれば、圧縮状態における第二拡散層42の空孔率は計算によって求められる。The porosity of the second diffusion layer 42 when compressed within the electrochemical cell 1 is, for example, 40% or more and 98% or less. If the porosity of the second diffusion layer 42 is within this range, the density of the second diffusion layer 42 is neither too low nor too high, and the second diffusion layer 42 has excellent elastic deformability. The pores in the second diffusion layer 42 serve as flow paths for the second fluid 102. Therefore, a porosity of 40% or more facilitates permeation of the second fluid 102 through the second diffusion layer 42. Furthermore, the flow rate of the second fluid 102 passing through the second diffusion layer 42 is likely to be high. A porosity of 98% or less facilitates the maintenance of the strength of the second diffusion layer 42. The porosity may be, for example, 45% or more and 97% or less, or 50% or more and 96% or less. The porosity can be determined from a cross-sectional photograph of the cross section of the second diffusion layer 42. The cross-sectional photograph is binarized to determine the areas of the solid portion and the pore portion. The porosity is the ratio of the area of the pores to the total area of the solid and pores. If the amount of reduction in thickness of the second diffusion layer 42 in the electrochemical cell 1 is known, the porosity of the second diffusion layer 42 in the compressed state can be calculated.
第二拡散層42の目付量は例えば、50g/m2(グラム/平方メートル)以上400g/m2以下である。第二拡散層42の目付量が50g/m2以上であれば、第二拡散層42の密度が低くなり過ぎない。このような第二拡散層42は優れた弾性変形能を有する。そのため、電解質膜2と第二導電板41との間で圧縮された第二拡散層42は、電解質膜2と第二導電板41とに密着し易い。また、目付量が50g/m2以上であれば、第二拡散層42の導電性が高くなり易い。第二拡散層42の目付量が400g/m2以下であれば、第二拡散層42の密度が高くなり過ぎない。このような第二拡散層42は優れた弾性変形能を有する。そのため、電解質膜2と第二導電板41との間で圧縮された第二拡散層42は、電解質膜2と第二導電板41とに密着し易い。また、目付量が400g/m2以下であれば、第二拡散層42において流通に十分な空孔が形成され易い。目付量は例えば、55g/m2以上395g/m2以下でも良いし、60g/m2以上390g/m2以下でも良い。目付量は例えば、55g/m2以上200g/m2以下でも良いし、60g/m2以上150g/m2以下でも良い。目付量は、1平方メートル当たりの第二拡散層42の質量である。目付量は、第二拡散層42の質量を、第二拡散層42を平面視した状態での面積で除することで求められる。 The basis weight of the second diffusion layer 42 is, for example, 50 g/m 2 (grams per square meter) or more and 400 g/m 2 or less. When the basis weight of the second diffusion layer 42 is 50 g/m 2 or more, the density of the second diffusion layer 42 does not become too low. Such a second diffusion layer 42 has excellent elastic deformability. Therefore, the second diffusion layer 42 compressed between the electrolyte membrane 2 and the second conductive plate 41 easily adheres to the electrolyte membrane 2 and the second conductive plate 41. Furthermore, when the basis weight is 50 g/m 2 or more, the conductivity of the second diffusion layer 42 easily becomes high. When the basis weight of the second diffusion layer 42 is 400 g/m 2 or less, the density of the second diffusion layer 42 does not become too high. Such a second diffusion layer 42 has excellent elastic deformability. Therefore, the second diffusion layer 42 compressed between the electrolyte membrane 2 and the second conductive plate 41 easily adheres to the electrolyte membrane 2 and the second conductive plate 41. Furthermore, if the basis weight is 400 g/ m2 or less, pores sufficient for flow are likely to be formed in the second diffusion layer 42. The basis weight may be, for example, 55 g/ m2 or more and 395 g/ m2 or less, or 60 g/ m2 or more and 390 g/ m2 or less. The basis weight may be, for example, 55 g/ m2 or more and 200 g/ m2 or less, or 60 g/ m2 or more and 150 g/ m2 or less. The basis weight is the mass of the second diffusion layer 42 per square meter. The basis weight can be calculated by dividing the mass of the second diffusion layer 42 by the area of the second diffusion layer 42 in a plan view.
第二拡散層42が炭素繊維を含む不織布であり、目付量が50g/m2以上200g/m2以下であり、炭素繊維の平均直径が5μm以上50μm以下であると、第二拡散層42が高い弾性変形能を有し易く、電解質膜2と第二導電板41に密着する。第二拡散層42が電解質膜2と第二導電板41とに密着することで、電気化学セル1のファラデー効率が向上し得る。この効果は後述する試験例で具体的に説明する。 When the second diffusion layer 42 is a nonwoven fabric containing carbon fibers, has a basis weight of 50 g/ m2 or more and 200 g/ m2 or less, and has an average diameter of the carbon fibers of 5 μm or more and 50 μm or less, the second diffusion layer 42 is likely to have high elastic deformability and adheres closely to the electrolyte membrane 2 and the second conductive plate 41. The adherence of the second diffusion layer 42 to the electrolyte membrane 2 and the second conductive plate 41 can improve the Faraday efficiency of the electrochemical cell 1. This effect will be specifically explained in the test examples described later.
≪第一拡散層の構成≫
金属材料によって形成された第一拡散層32の圧縮ひずみは、第二拡散層42の圧縮ひずみよりも小さい。すなわち、第一拡散層32は、第二拡散層42に比べて相対的に変形し難い。第二拡散層42が弾性変形能を有する場合、カソード部4の内圧がアノード部3の内圧よりも高くなったときに、第二拡散層42が電解質膜2を強く押圧する恐れがある。第二拡散層42に押された電解質膜2が変形すると、電解質膜2が損傷する可能性がある。また、電解質膜2と第二拡散層42との境界1A、および第二拡散層42と第二導電板41との境界1Bに隙間ができる可能性がある。本例では、第二拡散層42に比べて相対的に変形し難い第一拡散層32が電解質膜2の変形を防止している。変形し難い第一拡散層32は、電解質膜2の第一面21を支持し、電解質膜2の過剰な変形を防止する。
<Configuration of the first diffusion layer>
The compressive strain of the first diffusion layer 32, which is made of a metal material, is smaller than the compressive strain of the second diffusion layer 42. That is, the first diffusion layer 32 is relatively less likely to deform than the second diffusion layer 42. If the second diffusion layer 42 has elastic deformability, the second diffusion layer 42 may strongly press against the electrolyte membrane 2 when the internal pressure of the cathode section 4 becomes higher than the internal pressure of the anode section 3. If the electrolyte membrane 2 is deformed by the second diffusion layer 42, the electrolyte membrane 2 may be damaged. Furthermore, gaps may be formed at the boundary 1A between the electrolyte membrane 2 and the second diffusion layer 42 and at the boundary 1B between the second diffusion layer 42 and the second conductive plate 41. In this example, the first diffusion layer 32, which is relatively less likely to deform than the second diffusion layer 42, prevents deformation of the electrolyte membrane 2. The less deformable first diffusion layer 32 supports the first surface 21 of the electrolyte membrane 2 and prevents excessive deformation of the electrolyte membrane 2.
<試験例1>
試験例1では、電気化学セル1の第二流れ場6に形成した第一流路61と第二流路62が、電気化学セル1のファラデー効率におよぼす影響を調べた。
<Test Example 1>
In Test Example 1, the influence of the first flow path 61 and the second flow path 62 formed in the second flow field 6 of the electrochemical cell 1 on the Faraday efficiency of the electrochemical cell 1 was investigated.
≪電気化学セルの構成≫
電気化学セル1を形成する電解質膜2、アノード部3、およびカソード部4の構成は以下の通りであった。
<Electrochemical cell configuration>
The electrolyte membrane 2, anode part 3, and cathode part 4 forming the electrochemical cell 1 were configured as follows.
・電解質膜2
電解質膜2はプロトン伝導性の薄膜であった。電解質膜2の厚さは180μm(マイクロメーター)であった。
・Electrolyte membrane 2
The electrolyte membrane 2 was a proton-conductive thin film and had a thickness of 180 μm (micrometers).
・アノード部3
第一触媒層30は、電解質膜2の第一面21に形成されている。第一触媒層30に含まれる触媒は酸化イリジウムである。第一触媒層30における酸化イリジウムの量は1.0mg(ミリグラム)/cm2である。
第一導電板31は、炭素系材料と樹脂との複合材料によって形成されている。第一導電板31における第一面21に向き合う面には溝によって形成された流路50が形成されている。流路50は、第一流れ場5の入口5Aと出口5Bとに直接つながるストレート流路である。流路50を形成する分岐溝53の平均幅は1mm(ミリメートル)、平均深さは1.5mmであった。隣り合う分岐溝53の間に形成される畝部の平均幅は1mmであった。
第一拡散層32はチタンの多孔体によって形成されている。チタンの多孔体の表面にはプラチナがコートされている。第一拡散層32の厚さは0.3mmであった。
Anode part 3
The first catalyst layer 30 is formed on the first surface 21 of the electrolyte membrane 2. The catalyst contained in the first catalyst layer 30 is iridium oxide. The amount of iridium oxide in the first catalyst layer 30 is 1.0 mg (milligram)/ cm2 .
The first conductive plate 31 is formed from a composite material of a carbon-based material and a resin. A flow path 50 formed by a groove is formed on the surface of the first conductive plate 31 facing the first surface 21. The flow path 50 is a straight flow path that directly connects to the inlet 5A and outlet 5B of the first flow field 5. The branch grooves 53 that form the flow path 50 had an average width of 1 mm (millimeter) and an average depth of 1.5 mm. The average width of the ridges formed between adjacent branch grooves 53 was 1 mm.
The first diffusion layer 32 was made of a porous titanium body. The surface of the porous titanium body was coated with platinum. The thickness of the first diffusion layer 32 was 0.3 mm.
・カソード部4
第二触媒層40は、電解質膜2の第二面22に形成されている。第二触媒層40に含まれる触媒は、プラチナおよびルテニウムが担持されたカーボンである。第二触媒層40における触媒の量は1.0mg/cm2である。
第二導電板41は、炭素系材料と樹脂との複合材料によって形成されている。第二導電板41における第二面22に向き合う面には溝によって形成された第一流路61および第二流路62が形成されている。第一流路61と第二流路62の第一溝61dおよび第二溝62dの平均幅W2は1.0mmであり、平均深さdは1.0mmである。第一溝61dと第二溝62dとの間に形成された畝部63の平均幅W1は25mmである。比W1/W2は、25であった。
第二拡散層42はカーボン不織布であった。カーボン不織布は、上述のように交絡処理により複数の炭素繊維が無秩序に絡まることで形成されている。第二拡散層42の初期厚さt0は1mmであり、電気化学セル1に組付けられた状態の第二拡散層42の厚さは0.3mmであった。
Cathode part 4
The second catalyst layer 40 is formed on the second surface 22 of the electrolyte membrane 2. The catalyst contained in the second catalyst layer 40 is carbon supported with platinum and ruthenium. The amount of catalyst in the second catalyst layer 40 is 1.0 mg/ cm2 .
The second conductive plate 41 is formed from a composite material of a carbon-based material and a resin. The surface of the second conductive plate 41 facing the second surface 22 is formed with a first flow path 61 and a second flow path 62, which are formed by grooves. The first grooves 61d and the second grooves 62d of the first flow path 61 and the second flow path 62 have an average width W2 of 1.0 mm and an average depth d of 1.0 mm. The ridge portions 63 formed between the first grooves 61d and the second grooves 62d have an average width W1 of 25 mm. The ratio W1/W2 was 25.
The second diffusion layer 42 was made of a carbon nonwoven fabric. The carbon nonwoven fabric was formed by randomly entangling multiple carbon fibers through the entanglement process described above. The initial thickness t0 of the second diffusion layer 42 was 1 mm, and the thickness of the second diffusion layer 42 after assembly into the electrochemical cell 1 was 0.3 mm.
≪試験条件≫
・アノード部3
第一流体101は純水であった。第一供給管101Aにはヒータが配置されており、第一流体101は第一流れ場5に供給される前に昇温される。第一流れ場5の入口5Aにおける第一流体101の温度は50℃以上であった。ヒータによる昇温は、第一流れ場5の出口5Bにおける第一流体101の温度が70℃以下となるように調整されている。試験時の電流密度は、1.0A/cm2(アンペア/平方センチメートル)、または1.5A/cm2である。1.5A/cm2の条件における第一流体101の流量は、1.0A/cm2の条件における第一流体101の流量よりも大きかった。電流密度は、第一導電板31と第二導電板41との間に流される電流を、電圧が印加される通電面積で割った値である。流量は、各分岐溝53において1分間に流れる第一流体101の量である。アノード部3への第一流体101の供給量は既知であるため、分岐溝53における流量は計算によって求められる。
<Test conditions>
Anode part 3
The first fluid 101 was pure water. A heater was disposed in the first supply pipe 101A, and the first fluid 101 was heated before being supplied to the first flow field 5. The temperature of the first fluid 101 at the inlet 5A of the first flow field 5 was 50°C or higher. The temperature increase by the heater was adjusted so that the temperature of the first fluid 101 at the outlet 5B of the first flow field 5 was 70°C or lower. The current density during the test was 1.0 A/ cm2 (amperes per square centimeter) or 1.5 A/ cm2 . The flow rate of the first fluid 101 under the 1.5 A/ cm2 condition was higher than the flow rate of the first fluid 101 under the 1.0 A/ cm2 condition. The current density is the current flowing between the first conductive plate 31 and the second conductive plate 41 divided by the current-carrying area to which the voltage is applied. The flow rate is the amount of the first fluid 101 flowing in each branch groove 53 per minute. Since the amount of the first fluid 101 supplied to the anode section 3 is known, the flow rate in the branch groove 53 can be found by calculation.
・カソード部4
第二流体102は、被水素化物としてトルエンを含む。トルエンは水素化によってMCHとなる。第二供給管102Aにはヒータが配置されており、第二流体102は第二流れ場6に供給される前に昇温される。第二流れ場6の入口6Aにおける第二流体102の温度は50℃以上であった。ヒータによる昇温は、第二流れ場6の出口6Bにおける第二流体102の温度が70℃以下となるように調整された。1.5A/cm2の条件における第二流体102の流量は、1.0A/cm2の条件における第二流体102の流量よりも大きかった。
Cathode part 4
The second fluid 102 contains toluene as a substance to be hydrogenated. The toluene is converted into MCH by hydrogenation. A heater is disposed in the second supply pipe 102A, and the second fluid 102 is heated before being supplied to the second flow field 6. The temperature of the second fluid 102 at the inlet 6A of the second flow field 6 was 50°C or higher. The temperature increase by the heater was adjusted so that the temperature of the second fluid 102 at the outlet 6B of the second flow field 6 was 70°C or lower. The flow rate of the second fluid 102 under the condition of 1.5 A/ cm2 was greater than the flow rate of the second fluid 102 under the condition of 1.0 A/ cm2 .
≪評価方法≫
電気化学セル1に通電し、所定時間経過ごとに第二タンク102Tから第二流体102を採取した。採取した第二流体102をガスクロマトグラフィーによって分析し、第二流体102に含まれるトルエン濃度を算出した。トルエン濃度は、第二流体102に含まれるトルエンとMCHの分子の数の合計を100%(パーセント)としたときのトルエンの分子の数をパーセンテージで表したものである。
Evaluation Method
Electricity was applied to the electrochemical cell 1, and the second fluid 102 was sampled from the second tank 102T at predetermined time intervals. The sampled second fluid 102 was analyzed by gas chromatography, and the toluene concentration contained in the second fluid 102 was calculated. The toluene concentration is expressed as a percentage of the number of toluene molecules when the total number of toluene and MCH molecules contained in the second fluid 102 is taken as 100% (percent).
カソード部4におけるファラデー効率を求めた。カソード部4では、トルエンの水素化に消費されなかったプロトン同士が結合する副反応によって水素が生成する。カソード部4における副反応は水素の生成反応のみである。従って、副反応によって生成した水素の体積を計測することで、電気化学セル1に投入した電荷の総量のうち、MCHの生成に利用されなかった電荷の量を計算によって求めることができる。電荷の総量から水素の生成に利用された電荷の量を引いた値が、MCHの生成に利用された電荷の量である。電荷の総量を100%としたときのMCHの生成に利用された電荷の量が、ファラデー効率である。ファラデー効率の単位は%である。 The faradaic efficiency in the cathode section 4 was determined. In the cathode section 4, hydrogen is produced by a side reaction in which protons not consumed in the hydrogenation of toluene combine. The only side reaction in the cathode section 4 is the hydrogen production reaction. Therefore, by measuring the volume of hydrogen produced by the side reaction, it is possible to calculate the amount of charge not used to produce MCH out of the total amount of charge input to the electrochemical cell 1. The amount of charge used to produce MCH is determined by subtracting the amount of charge used to produce hydrogen from the total amount of charge. The faradaic efficiency is the amount of charge used to produce MCH when the total amount of charge is 100%. The unit of faradaic efficiency is %.
所定時間経過ごとのトルエン濃度とファラデー効率の関係を図9のグラフに示す。グラフの横軸はトルエン濃度(mol%)、縦軸はファラデー効率(%)である。黒丸のプロットは、電流密度が1.0A/cm2の条件における測定結果である。ひし形のプロットは、電流密度が1.5A/cm2の条件における測定結果である。通電開始からの時間の経過に伴い第二流体102におけるトルエン濃度は減少する。従って、グラフの左側にあるプロットほど、通電開始から時間が経過したときに採取した第二流体102の測定結果を示す。 The relationship between the toluene concentration and the Faraday efficiency at each predetermined time interval is shown in the graph of FIG. 9 . The horizontal axis of the graph represents the toluene concentration (mol %), and the vertical axis represents the Faraday efficiency (%). The black circles represent the measurement results at a current density of 1.0 A/cm 2. The diamonds represent the measurement results at a current density of 1.5 A/cm 2. The toluene concentration in the second fluid 102 decreases with the passage of time from the start of current application. Therefore, the plots on the left side of the graph represent the measurement results of the second fluid 102 sampled after a longer time has passed since the start of current application.
≪評価結果≫
本試験において、カソード部4における第二流体102の流量は、アノード部3における第一流体101の流量よりもかなり大きい。しかし、本試験の電気化学セル1において内圧に起因する不具合は生じなかった。電気化学セル1に不具合が生じなかった理由は、カソード部4の第二流れ場6に配置された第一流路61と第二流路62とが、第二流れ場6における圧力損失を低減させたためであると推察される。
<Evaluation Results>
In this test, the flow rate of the second fluid 102 in the cathode section 4 was significantly greater than the flow rate of the first fluid 101 in the anode section 3. However, no malfunctions due to internal pressure occurred in the electrochemical cell 1 in this test. It is presumed that the reason no malfunctions occurred in the electrochemical cell 1 is because the first flow path 61 and the second flow path 62 arranged in the second flow field 6 of the cathode section 4 reduced the pressure loss in the second flow field 6.
図9のグラフに示されるように、電流密度が1.0A/cm2の条件において、第二流体102におけるトルエン濃度が10%であってもファラデー効率がほぼ99%以上であり、95%以上、さらには98%以上を維持することが明らかになった。また、電流密度が1.5A/cm2の条件において、第二流体102におけるトルエン濃度が10%であってもファラデー効率が90%以上を維持することが明らかになった。第二流体102の流量が大きく、ファラデー効率が高い電気化学セル1は、短時間で大量のMCHを生成することができる。 9 , it was revealed that, at a current density of 1.0 A/ cm2 , even when the toluene concentration in the second fluid 102 was 10%, the Faraday efficiency was approximately 99% or higher, and maintained at 95% or higher, and even at 98% or higher. It was also revealed that, at a current density of 1.5 A/ cm2 , even when the toluene concentration in the second fluid 102 was 10%, the Faraday efficiency was maintained at 90% or higher. An electrochemical cell 1 with a high flow rate of the second fluid 102 and high Faraday efficiency can produce a large amount of MCH in a short period of time.
<試験例1-2>
試験例1の電気化学セルとは比W1/W2の値が異なる第二の電気化学セル1および第三の電気化学セル1を用意し、第二の電気化学セル1と第三の電気化学セル1のファラデー効率を調べた。第二の電気化学セル1の比W1/W2は5であり、第三の電気化学セル1の比W1/W2は45であった。試験例1-2の試験条件は、試験例1における電流密度が1.0A/cm2の試験条件と同じであった。
<Test Example 1-2>
A second electrochemical cell 1 and a third electrochemical cell 1 were prepared, each having a different value of the ratio W1/W2 from that of the electrochemical cell of Test Example 1, and the Faraday efficiencies of the second electrochemical cell 1 and the third electrochemical cell 1 were examined. The ratio W1/W2 of the second electrochemical cell 1 was 5, and the ratio W1/W2 of the third electrochemical cell 1 was 45. The test conditions for Test Example 1-2 were the same as those for Test Example 1, where the current density was 1.0 A/ cm2 .
試験例1の電気化学セル1の測定結果と、第二の電気化学セル1の測定結果を図10のグラフに示す。図10の見方は図9と同じである。黒丸のプロットは、試験例1の電気化学セル1の測定結果である。三角のプロットは、第二の電気化学セル1の測定結果である。四角のプロットは、第三の電気化学セル1の測定結果である。The measurement results for electrochemical cell 1 of Test Example 1 and the measurement results for second electrochemical cell 1 are shown in the graph in Figure 10. The way to read Figure 10 is the same as Figure 9. The black circle plots are the measurement results for electrochemical cell 1 of Test Example 1. The triangle plots are the measurement results for second electrochemical cell 1. The square plots are the measurement results for third electrochemical cell 1.
図10に示されるように、比W1/W2が5である第二の電気化学セル1のファラデー効率は、トルエン濃度が10%であってもほぼ90%であり、高いファラデー効率を有することが明らかになった。また、トルエン濃度が同じである条件において、比W1/W2が45である第三の電気化学セル1のファラデー効率は、比W1/W2が25である第一の電気化学セル1のファラデー効率とほぼ同じであり、ほぼ99%以上であり、98%以上を維持していた。1A/cm2という比較的高い電流密度では、比W1/W2の値が大きくなるほど、トルエン濃度の減少に伴うファラデー効率の低下が生じ難いことが分かった。なお、この試験条件では、比W1/W2が50超である電気化学セル1では圧力損失が極めて大きく、その電気化学セル1のファラデー効率の評価は不可能であった。 As shown in Figure 10, the faradaic efficiency of the second electrochemical cell 1 with a W1/W2 ratio of 5 was nearly 90%, even when the toluene concentration was 10%, demonstrating high faradaic efficiency. Furthermore, under the same toluene concentration conditions, the faradaic efficiency of the third electrochemical cell 1 with a W1/W2 ratio of 45 was nearly the same as that of the first electrochemical cell 1 with a W1/W2 ratio of 25, reaching nearly 99% or higher and maintaining a value of 98% or higher. It was found that at a relatively high current density of 1 A/ cm² , the greater the value of the W1/W2 ratio, the less likely the faradaic efficiency to decrease with decreasing toluene concentration. Note that under these test conditions, the pressure loss was extremely large for electrochemical cells 1 with a W1/W2 ratio of more than 50, making it impossible to evaluate the faradaic efficiency of those electrochemical cells 1.
<試験例2>
試験例2では、第二流れ場6における畝部63の平均幅W1が、第二流れ場6における圧力損失とファラデー効率におよぼす影響を調べた。
<Test Example 2>
In Test Example 2, the influence of the average width W1 of the ridges 63 in the second flow field 6 on the pressure loss and Faraday efficiency in the second flow field 6 was investigated.
試験例2では、畝部63の平均幅W1が異なる複数の電気化学セル1を用意した。平均幅W1は、1mm超30mm以下の範囲から選択された3つの値のいずれかであった。平均幅W1以外の構成は、試験例1と同じである。各電気化学セル1に第一流体101と第二流体102を流通させ、各電気化学セル1における第二流れ場6の圧力損失と、各電気化学セル1のファラデー効率を測定した。第一流体101の供給量は、第一流れ場5の入口5Aにおける第一流体101の流量である。第二流体102の供給量は、第一流体101の供給量の0.5倍、1倍、2倍、または5倍であった。第二流体102の供給量は、第二流れ場6の入口6Aにおける第二流体102の流量である。第二流れ場6の圧力損失の測定結果を表1に、電気化学セル1のファラデー効率の測定結果を表2に示す。In Test Example 2, multiple electrochemical cells 1 were prepared with different average widths W1 of the ridge portions 63. The average width W1 was one of three values selected from the range of greater than 1 mm and less than or equal to 30 mm. Other than the average width W1, the configuration was the same as Test Example 1. A first fluid 101 and a second fluid 102 were passed through each electrochemical cell 1, and the pressure loss of the second flow field 6 in each electrochemical cell 1 and the Faraday efficiency of each electrochemical cell 1 were measured. The supply rate of the first fluid 101 was the flow rate of the first fluid 101 at the inlet 5A of the first flow field 5. The supply rate of the second fluid 102 was 0.5, 1, 2, or 5 times the supply rate of the first fluid 101. The supply rate of the second fluid 102 was the flow rate of the second fluid 102 at the inlet 6A of the second flow field 6. Table 1 shows the measurement results for the pressure loss of the second flow field 6, and Table 2 shows the measurement results for the Faraday efficiency of the electrochemical cell 1.
表1および表2における『100%TOL*0.4A/cm2*0.5h』は、電気化学セル1に通電する前の第二流体102に占めるトルエン濃度が100%であり、電流密度が0.4A/cm2の通電を30分行ったことを示す。『10%TOL*0.2A/cm2*0.5h』、および『5%TOL*0.2A/cm2*0.5h』も、通電前のトルエン濃度と、通電時の電流密度と、通電時間を示す。『第二流体の供給量』の欄に示す数値は、第一流体101の供給量に対する倍率である。例えば、『1倍』は、第二流体102の供給量が第一流体101の供給量と同じであることを意味する。『畝部の平均幅W1』の欄に示す数値は、最も小さい値を『1』とする比率である。表1のセル中には、第二流れ場6における圧力損失の値が示されている。第二流れ場6の圧力損失は、第二流れ場6の出口6Bにおける第二流体102の圧力と、第二流れ場6の入口6Aにおける第二流体102の圧力との差である。圧力損失の単位はkPa(キロパスカル)である。表2のセル中には、電気化学セル1のファラデー効率が示されている。ファラデー効率の単位は%である。測定していない条件に対応するセルには斜線が付されている。 In Tables 1 and 2, "100% TOL * 0.4 A/cm 2 * 0.5 h" indicates that the toluene concentration in the second fluid 102 before applying current to the electrochemical cell 1 was 100%, and that current was applied at a current density of 0.4 A/cm 2 for 30 minutes. "10% TOL * 0.2 A/cm 2 * 0.5 h" and "5% TOL * 0.2 A/cm 2 * 0.5 h" also indicate the toluene concentration before applying current, the current density during application, and the application time. The value shown in the "Supply rate of second fluid" column is a multiplier relative to the supply rate of the first fluid 101. For example, "1x" means that the supply rate of the second fluid 102 is the same as the supply rate of the first fluid 101. The value shown in the "Average width W1 of ridge portion" column is a ratio with the smallest value being "1". The cells in Table 1 show the pressure loss value in the second flow field 6. The pressure loss of the second flow field 6 is the difference between the pressure of the second fluid 102 at the outlet 6B of the second flow field 6 and the pressure of the second fluid 102 at the inlet 6A of the second flow field 6. The unit of the pressure loss is kPa (kilopascal). The faradaic efficiency of the electrochemical cell 1 is shown in the cells of Table 2. The unit of the faradaic efficiency is %. Cells corresponding to conditions where no measurement was performed are marked with diagonal lines.
表1に示されるように、畝部63の平均幅W1が大きくなるほど、第二流れ場6の圧力損失が大きくなる。なぜなら、畝部63の平均幅W1が大きくなるほど、第一溝61dおよび第二溝62dの数が減り、第二流れ場6において第二流体102が流れ難くなるからである。また、第二流体102の供給量が大きくなるほど、第二流れ場6の圧力損失が大きくなる。As shown in Table 1, the larger the average width W1 of the ridge portion 63, the greater the pressure loss in the second flow field 6. This is because, as the average width W1 of the ridge portion 63 increases, the number of first grooves 61d and second grooves 62d decreases, making it more difficult for the second fluid 102 to flow in the second flow field 6. Furthermore, the greater the supply amount of the second fluid 102, the greater the pressure loss in the second flow field 6.
表2に示されるように、畝部63の平均幅W1が大きくなるほど、電気化学セル1のファラデー効率が高くなる。また、電気化学セル1への第二流体102の流量が大きくなるほど、電気化学セル1のファラデー効率が高くなる。表1および表2の結果から、圧力損失の増大を低減できる範囲で、畝部63の平均幅W1と第二流体102の供給量を大きくすることで、効率的にMCHを生産できることが明らかになった。 As shown in Table 2, the larger the average width W1 of the ridge portion 63, the higher the Faraday efficiency of the electrochemical cell 1. Furthermore, the larger the flow rate of the second fluid 102 to the electrochemical cell 1, the higher the Faraday efficiency of the electrochemical cell 1. The results in Tables 1 and 2 reveal that MCH can be produced efficiently by increasing the average width W1 of the ridge portion 63 and the supply amount of the second fluid 102 within a range that reduces the increase in pressure loss.
≪比較例≫
比較例として、第一流れ場と第二流れ場の双方とも溝を有さない電気化学セルの圧力損失を考察した。比較例では、このような電気化学セルを比較セルと呼ぶ。比較セルでは、アノード部における第一拡散層の空孔によってのみ第一流れ場が形成され、カソード部における第二拡散層の空孔によってのみ第二流れ場が形成される。
Comparative Example
As a comparative example, we considered the pressure loss of an electrochemical cell in which neither the first nor second flow field had grooves. This electrochemical cell is called a comparative cell. In the comparative cell, the first flow field is formed solely by the pores in the first diffusion layer in the anode section, and the second flow field is formed solely by the pores in the second diffusion layer in the cathode section.
表1の結果から、トルエン濃度が100%の場合であって、第二流体の供給量が『1倍』の場合では、畝部の平均幅W1が『5』のときのポンプの圧力は、畝部の平均幅W1が『1』のときのポンプの圧力の3倍以上である。第二流体の供給量が『5倍』の場合では、畝部の平均幅W1が『5』のときのポンプの圧力は、畝部の平均幅W1が『1』のときのポンプの圧力の6倍以上である。つまり、畝部が大きくなるほど、ポンプの圧力が大きくなっている。 From the results in Table 1, when the toluene concentration is 100% and the supply amount of the second fluid is '1x', the pump pressure when the average ridge width W1 is '5' is more than three times the pump pressure when the average ridge width W1 is '1'. When the supply amount of the second fluid is '5x', the pump pressure when the average ridge width W1 is '5' is more than six times the pump pressure when the average ridge width W1 is '1'. In other words, the larger the ridges, the higher the pump pressure.
これらの結果から、第一流れ場にストレート流路を有し、第二流れ場に溝が形成されていない電気化学セルでは、第二流れ場における圧力損失が大きいと予想される。第一流れ場と第二流れ場の双方とも溝を有さない比較セルでは、圧力損失が極めて大きいと予想される。 From these results, it is expected that in electrochemical cells with straight flow paths in the first flow field and no grooves in the second flow field, the pressure loss in the second flow field will be large. In comparative cells with no grooves in either the first or second flow field, the pressure loss will be extremely large.
<試験例3>
試験例3では、電気化学セル1内への絶縁部材8の配置が、電気化学セル1のファラデー効率におよぼす影響を調べた。
<Test Example 3>
In Test Example 3, the influence of the placement of the insulating member 8 inside the electrochemical cell 1 on the faradic efficiency of the electrochemical cell 1 was investigated.
試験例3では、絶縁部材8が配置されていない二つの電気化学セル1を用意し、各電気化学セル1のファラデー効率を調べた。二つの電気化学セル1の相違点は、第二拡散層42の構成材料のみである。第二拡散層42は、カーボン不織布またはカーボンペーパーであった。第二導電板41における畝部63の平均幅W1は1超5以下の範囲から選択された値である。これらの電気化学セル1の通電領域7の面積は25cm2であった。通電前の第二流体102のトルエン濃度は100%、通電領域7の電流密度は0.4A/cm2であった。 In Test Example 3, two electrochemical cells 1 without an insulating member 8 were prepared, and the Faraday efficiency of each electrochemical cell 1 was examined. The only difference between the two electrochemical cells 1 was the material of the second diffusion layer 42. The second diffusion layer 42 was a carbon nonwoven fabric or carbon paper. The average width W1 of the ridge portion 63 in the second conductive plate 41 was a value selected from the range of more than 1 and not more than 5. The area of the current-carrying region 7 of these electrochemical cells 1 was 25 cm2 . The toluene concentration of the second fluid 102 before current application was 100%, and the current density of the current-carrying region 7 was 0.4 A/ cm2 .
試験例3ではさらに、絶縁部材8が配置された二つの電気化学セル1を用意し、各電気化学セル1のファラデー効率を調べた。二つの電気化学セル1の相違点は、第二拡散層42の構成材料のみである。第二拡散層42は、カーボン不織布またはカーボンペーパーであった。第二導電板41における畝部63の平均幅W1は1超5以下の範囲から選択された値である。各電気化学セル1に配置された絶縁部材8は、ポリテトラフルオロエチレン樹脂によって形成される矩形枠状のシートであった。絶縁部材8の抵抗率は1018Ω・cm以上であった。シートは、電解質膜2と第二拡散層42との間に配置されている。シートは、図6にハッチングを付して示される第一畝領域65と第二畝領域66とを覆っている。これらの電気化学セル1の通電領域7の面積は17cm2であった。通電前のトルエン濃度が100%、通電領域7の電流密度が0.4A/cm2であった。 In Test Example 3, two electrochemical cells 1 each having an insulating member 8 disposed therein were prepared, and the Faraday efficiency of each electrochemical cell 1 was examined. The only difference between the two electrochemical cells 1 was the material of the second diffusion layer 42. The second diffusion layer 42 was a carbon nonwoven fabric or carbon paper. The average width W1 of the ridge portion 63 in the second conductive plate 41 was a value selected from the range of greater than 1 and less than or equal to 5. The insulating member 8 disposed in each electrochemical cell 1 was a rectangular frame-shaped sheet formed of polytetrafluoroethylene resin. The resistivity of the insulating member 8 was 10 18 Ω·cm or greater. The sheet was disposed between the electrolyte membrane 2 and the second diffusion layer 42. The sheet covered the first ridge region 65 and the second ridge region 66, shown hatched in FIG. 6 . The area of the current-carrying region 7 of each electrochemical cell 1 was 17 cm 2. The toluene concentration before energization was 100%, and the current density in the current-carrying region 7 was 0.4 A/cm 2 .
表3に示されるように、第一畝領域65と第二畝領域66とを絶縁部材8によって絶縁することで、電気化学セル1のファラデー効率が高くなることが明らかになった。また、第二拡散層42がカーボン不織布によって形成されることで、電気化学セル1のファラデー効率が高くなることが明らかになった。特に、絶縁部材8を備え、かつ第二拡散層42がカーボン不織布によって形成されている電気化学セル1では、ファラデー効率が99%以上であった。 As shown in Table 3, it was found that insulating the first ridge region 65 and the second ridge region 66 with the insulating member 8 increases the Faraday efficiency of the electrochemical cell 1. It was also found that forming the second diffusion layer 42 from a carbon nonwoven fabric increases the Faraday efficiency of the electrochemical cell 1. In particular, the electrochemical cell 1 equipped with the insulating member 8 and having the second diffusion layer 42 formed from a carbon nonwoven fabric had a Faraday efficiency of 99% or more.
<試験例4>
試験例1から試験例3の電気化学セル1における第二拡散層42の圧縮ひずみを測定した。第二拡散層42はカーボン不織布によって形成されている。カーボン不織布を形成する炭素繊維の直径は10μmであった。圧縮前のカーボン不織布の厚さは1000μm、目付量は90g/cm2、空孔率は95.6%であった。このカーボン不織布を300μmの厚さに圧縮したときのカーボン不織布の目付量は90g/cm2、空孔率は86.7%である。圧縮ひずみは、圧縮された第二拡散層42の厚さの減少量λ(=t0-t1)を圧縮前の第二拡散層42の初期厚さt0で割った値である。
<Test Example 4>
The compressive strain of the second diffusion layer 42 in the electrochemical cells 1 of Test Examples 1 to 3 was measured. The second diffusion layer 42 was formed of a carbon nonwoven fabric. The diameter of the carbon fibers forming the carbon nonwoven fabric was 10 μm. Before compression, the carbon nonwoven fabric had a thickness of 1000 μm, a basis weight of 90 g/cm 2 , and a porosity of 95.6%. When this carbon nonwoven fabric was compressed to a thickness of 300 μm, the basis weight of the carbon nonwoven fabric was 90 g/cm 2 and the porosity was 86.7%. The compressive strain was calculated by dividing the reduction in thickness λ (= t0 - t1) of the compressed second diffusion layer 42 by the initial thickness t0 of the second diffusion layer 42 before compression.
カーボン不織布の初期厚さt0は、JIS L 1096:2010のA法に準拠する市販の厚さ測定装置、例えば株式会社テクロック製の定圧厚さ測定器PG-16J(測定子径:Φ25.2mm)を用いて測定する。初期厚さt0の測定は、カーボン不織布に0.7kPaの面圧を10秒間加えた状態で行った。 The initial thickness t0 of the carbon nonwoven fabric is measured using a commercially available thickness measurement device conforming to Method A of JIS L 1096:2010, such as the constant pressure thickness measurement device PG-16J (measuring probe diameter: Φ25.2 mm) manufactured by Teclock Corporation. The initial thickness t0 was measured by applying a surface pressure of 0.7 kPa to the carbon nonwoven fabric for 10 seconds.
図11は、第二拡散層42の圧縮ひずみを測定するための圧縮装置9の概略図である。圧縮装置9は、下部台座90と上部台座91とを備える。上部台座91は下方に移動可能に構成されている。圧縮装置9は、下部台座90と上部台座91との間に挟まれた部材に面圧を作用させる。圧縮装置9は、下部台座90と上部台座91との間に作用する面圧と、下部台座90と上部台座91との間隔を自動で測定できる。圧縮装置9は、市販の強度評価装置、例えば株式会社島津製作所製の微小強度評価試験機MST-I type HRである。 Figure 11 is a schematic diagram of a compression device 9 for measuring the compressive strain of the second diffusion layer 42. The compression device 9 comprises a lower pedestal 90 and an upper pedestal 91. The upper pedestal 91 is configured to be movable downward. The compression device 9 applies a surface pressure to a member sandwiched between the lower pedestal 90 and the upper pedestal 91. The compression device 9 can automatically measure the surface pressure acting between the lower pedestal 90 and the upper pedestal 91, and the distance between the lower pedestal 90 and the upper pedestal 91. The compression device 9 is a commercially available strength evaluation device, for example, a micro strength evaluation tester MST-I type HR manufactured by Shimadzu Corporation.
カーボン不織布の圧縮ひずみの測定に当たって、下部台座90の上に、下部保護板92、第二導電板41、第二拡散層42、第一導電板31、および上部保護板93の順に積層した。下部保護板92と上部保護板93は、第二導電板41と第一導電板31を損傷から保護すると共に、第二拡散層42に均等な面圧を作用させるためのものである。下部保護板92と上部保護板93とはステンレス鋼によって形成されている。下部台座90と上部台座91との間に挟まれる複数の部材のうち、厚さが変化する部材は第二拡散層42のみである。下部保護板92、第二導電板41、第一導電板31、および上部保護板93は剛性体であり、これらの厚さは実質的に変化しない。 When measuring the compressive strain of the carbon nonwoven fabric, a lower protective plate 92, second conductive plate 41, second diffusion layer 42, first conductive plate 31, and upper protective plate 93 were stacked in this order on top of the lower base 90. The lower protective plate 92 and upper protective plate 93 protect the second conductive plate 41 and first conductive plate 31 from damage and apply uniform surface pressure to the second diffusion layer 42. The lower protective plate 92 and upper protective plate 93 are made of stainless steel. Of the multiple components sandwiched between the lower base 90 and upper base 91, only the second diffusion layer 42 changes thickness. The lower protective plate 92, second conductive plate 41, first conductive plate 31, and upper protective plate 93 are rigid bodies, and their thicknesses do not substantially change.
圧縮装置9を作動させ、第二拡散層42に面圧を作用させる。第二拡散層42に作用させる面圧を徐々に増加させると共に、面圧の大きさに対応する上部台座91の移動距離を測定する。移動距離は、第二拡散層42の厚さの減少量λに等しいともいえる。初期厚さt0と移動距離とから、第二拡散層42の圧縮ひずみを求めた。具体的には、λ/t0=圧縮ひずみである。圧縮ひずみは無単位である。圧縮ひずみと面圧の関係を図12のグラフに示す。グラフの横軸は圧縮ひずみ、縦軸は面圧である。 The compression device 9 is operated to apply surface pressure to the second diffusion layer 42. The surface pressure applied to the second diffusion layer 42 is gradually increased while measuring the distance the upper base 91 moves in response to the magnitude of the surface pressure. The movement distance can be said to be equal to the reduction in thickness λ of the second diffusion layer 42. The compressive strain of the second diffusion layer 42 was calculated from the initial thickness t0 and the movement distance. Specifically, λ/t0 = compressive strain. Compressive strain is unitless. The relationship between compressive strain and surface pressure is shown in the graph in Figure 12. The horizontal axis of the graph represents compressive strain, and the vertical axis represents surface pressure.
試験例4では、カーボンクロスとカーボンペーパーについても圧縮ひずみを測定した。具体的には、カーボン不織布の代わりにカーボンクロスおよびカーボンペーパーのそれぞれの圧縮ひずみをカーボン不織布と同様の方法で測定した。その結果も図12のグラフに示す。In Test Example 4, the compressive strain was also measured for carbon cloth and carbon paper. Specifically, instead of carbon nonwoven fabric, the compressive strain of carbon cloth and carbon paper was measured in the same manner as for carbon nonwoven fabric. The results are also shown in the graph in Figure 12.
図12に示されるように、0.5MPaの面圧で加圧されたときのカーボン不織布の圧縮ひずみは0.3以上0.8以下、より詳細には0.6以上0.8以下であった。このように、カーボン不織布の厚さは圧縮によって大きく変化する。カーボン不織布は優れた弾性変形能を有する。このようなカーボン不織布からなる第二拡散層42が、図8に示されるように電解質膜2と第二導電板41との間で圧縮された場合、第二拡散層42は、圧縮力と同じ面圧で電解質膜2と第二導電板41とを押圧する。そのため、第二拡散層42が電解質膜2と第二導電板41に密着し、境界1A,1Bに局所的な隙間がほとんどできない。境界1A,1Bに局所的な隙間がほとんど存在しないことで、第二流体102が第二流れ場6の全体に行き渡り易い。その結果、電気化学セル1のファラデー効率が向上することが期待される。As shown in Figure 12, the compressive strain of the carbon nonwoven fabric when compressed at a surface pressure of 0.5 MPa was 0.3 to 0.8, more specifically, 0.6 to 0.8. Thus, the thickness of the carbon nonwoven fabric changes significantly with compression. Carbon nonwoven fabric has excellent elastic deformability. When a second diffusion layer 42 made of such a carbon nonwoven fabric is compressed between the electrolyte membrane 2 and the second conductive plate 41 as shown in Figure 8, the second diffusion layer 42 presses the electrolyte membrane 2 and the second conductive plate 41 with a surface pressure equal to the compressive force. As a result, the second diffusion layer 42 adheres closely to the electrolyte membrane 2 and the second conductive plate 41, resulting in almost no localized gaps at the boundaries 1A and 1B. The almost complete absence of localized gaps at the boundaries 1A and 1B facilitates the second fluid 102 to permeate the entire second flow field 6. As a result, the Faraday efficiency of the electrochemical cell 1 is expected to improve.
0.5MPaの面圧で加圧されたときのカーボンクロスの圧縮ひずみは0.3以上、より詳細には0.4以上であった。すなわち、カーボンクロスの厚さは加圧によってある程度変化する。このようなカーボンクロスからなる第二拡散層42が、図8に示されるように電解質膜2と第二導電板41との間に配置された場合、境界1A,1Bに隙間が出来にくい。When pressed with a surface pressure of 0.5 MPa, the compressive strain of the carbon cloth was 0.3 or more, more specifically, 0.4 or more. In other words, the thickness of the carbon cloth changes to some extent depending on the pressure. When a second diffusion layer 42 made of such carbon cloth is placed between the electrolyte membrane 2 and the second conductive plate 41 as shown in Figure 8, gaps are unlikely to form at the boundaries 1A and 1B.
上述のように、カーボンクロスとカーボン不織布では、面圧が0.1MPa程度と比較的小さくても圧縮ひずみが0.3以上を満たし、さらに面圧が大きくなっても圧縮ひずみが0.3以上を満たしている。電気化学セル1内における面圧は0.1MPaよりも大きいことから、電気化学セル1におけるカーボンクロスとカーボン不織布の圧縮ひずみは0.3以上を満たすといえる。As mentioned above, with carbon cloth and carbon nonwoven fabric, the compressive strain is 0.3 or greater even when the surface pressure is relatively small, at around 0.1 MPa, and even when the surface pressure is greater, the compressive strain remains 0.3 or greater. Because the surface pressure within electrochemical cell 1 is greater than 0.1 MPa, it can be said that the compressive strain of the carbon cloth and carbon nonwoven fabric in electrochemical cell 1 is 0.3 or greater.
0.5MPaの面圧で加圧されたときのカーボンペーパーの圧縮ひずみは0.2未満、より詳細には0.18以下であった。すなわち、カーボンペーパーの厚さは加圧によってほとんど変化しない。このようなカーボンペーパーからなる第二拡散層42が、図8に示されるように電解質膜2と第二導電板41との間に配置された場合、境界1A,1Bに隙間が出来やすい。When pressed with a surface pressure of 0.5 MPa, the compressive strain of the carbon paper was less than 0.2, more specifically, 0.18 or less. In other words, the thickness of the carbon paper changed little due to the pressure. When a second diffusion layer 42 made of such carbon paper is placed between the electrolyte membrane 2 and the second conductive plate 41 as shown in Figure 8, gaps are likely to form at the boundaries 1A and 1B.
電気化学セル1を大型化する、あるいは電気化学セル1の積層数を多くする場合、電気化学セルを構成する部材の寸法、および複数の電気化学セル1を締め付けるための締付圧力にばらつきが生じ得る。さらに、上記部材の経年による変形に起因した寸法のばらつきも生じ得る。弾性変形し難いカーボンペーパーからなる第二拡散層42を備える電気化学セル1では、これらのばらつきによって図8における境界1A,1Bに隙間が生じ易く、上記隙間に起因したファラデー効率の低下が生じ易いと考えられる。 When the electrochemical cell 1 is enlarged or the number of electrochemical cells 1 stacked is increased, variations can occur in the dimensions of the components that make up the electrochemical cell and in the clamping pressure used to clamp multiple electrochemical cells 1 together. Furthermore, dimensional variations can also occur due to deformation of the components over time. In electrochemical cells 1 that include a second diffusion layer 42 made of carbon paper, which is resistant to elastic deformation, these variations are likely to cause gaps at boundaries 1A and 1B in Figure 8, which are thought to be prone to reducing the Faraday efficiency due to these gaps.
一方、上記のばらつきがあった場合でも、カーボン不織布からなる第二拡散層42は弾性変形によって、電解質膜2と第二導電板41とに密着した状態を維持する。結果として、図8における境界1A,1Bに局所的な隙間が生じ難い。そのため、カーボン不織布からなる第二拡散層42を備える電気化学セル1では、長期にわたって高いファラデー効率が維持されると考えられる。 On the other hand, even if the above-mentioned variations exist, the second diffusion layer 42 made of carbon nonwoven fabric maintains a state of close contact with the electrolyte membrane 2 and the second conductive plate 41 due to elastic deformation. As a result, localized gaps are less likely to occur at the boundaries 1A and 1B in Figure 8. Therefore, it is believed that an electrochemical cell 1 equipped with a second diffusion layer 42 made of carbon nonwoven fabric can maintain high Faraday efficiency over a long period of time.
カーボン不織布からなる第二拡散層42を備える電気化学セル1を電気化学セルAとし、カーボンペーパーからなる第二拡散層42を備える電気化学セル1を電気化学セルBとして、両者を比較する。仮に、電気化学セルBに対し、電気化学セルAと同じポンプXを用いて、電気化学セルAと同じトルエンの流速を得ようとすると、ポンプXの出力が下限値以下となり、適切な流量を維持できない。ポンプXの出力を大きくすれば、電解前に電気化学セルB内の圧力損失が大きくなる。電解すれば水素が発生し易くなるため、さらに圧力損失が大きくなるため、電気化学セルBから液漏れが生じ得る。これらのことから、カーボン不織布を用いた電気化学セルAでは、カーボンペーパーを用いた電気化学セルBよりも、高いファラデー効率を得るための運用上の条件が広い。 Electrochemical cell 1 with a second diffusion layer 42 made of carbon nonwoven fabric is designated electrochemical cell A, and electrochemical cell 1 with a second diffusion layer 42 made of carbon paper is designated electrochemical cell B. If, for electrochemical cell B, the same pump X as electrochemical cell A is used to obtain the same toluene flow rate as electrochemical cell A, the output of pump X will fall below the lower limit, making it impossible to maintain an appropriate flow rate. Increasing the output of pump X increases the pressure loss within electrochemical cell B before electrolysis. Hydrogen is more likely to be generated during electrolysis, further increasing the pressure loss, potentially leading to leakage from electrochemical cell B. For these reasons, electrochemical cell A, which uses carbon nonwoven fabric, offers a wider range of operational conditions for achieving a high Faraday efficiency than electrochemical cell B, which uses carbon paper.
<試験例4-2>
試験例4とは空孔率および目付量が異なる複数のカーボン不織布X,Y,Zを用意し、試験例4と同じ条件で各カーボン不織布X,Y,Zの圧縮ひずみを測定した。
<Test Example 4-2>
A plurality of carbon nonwoven fabrics X, Y, and Z having different porosities and basis weights from those of Test Example 4 were prepared, and the compressive strain of each of the carbon nonwoven fabrics X, Y, and Z was measured under the same conditions as those of Test Example 4.
カーボン不織布Xの空孔率、目付量、および繊維径はそれぞれ、89.5%、71g/m2、および10μmであった。
カーボン不織布Yの空孔率、目付量、および繊維径はそれぞれ、84.0%、108g/m2、および10μmであった。
カーボン不織布Zの空孔率、目付量、および繊維径はそれぞれ、81.2%、127g/m2、および10μmであった。
上記空孔率は、1.0mmの厚さのカーボン不織布を0.3mmに圧縮した状態における値である。
The porosity, basis weight and fiber diameter of the carbon nonwoven fabric X were 89.5%, 71 g/m 2 and 10 μm, respectively.
The porosity, basis weight and fiber diameter of the carbon nonwoven fabric Y were 84.0%, 108 g/m 2 and 10 μm, respectively.
The porosity, basis weight and fiber diameter of the carbon nonwoven fabric Z were 81.2%, 127 g/m 2 and 10 μm, respectively.
The porosity is the value when a carbon nonwoven fabric having a thickness of 1.0 mm is compressed to 0.3 mm.
カーボン不織布X,Y,Zの圧縮ひずみは、0.6以上0.8以下の範囲であった。この試験によって、圧縮状態における空孔率が80%以上90%以下、目付量が70g/m2以上130g/m2以下、繊維径が5μm以上20μm以下の範囲であれば、圧縮ひずみが0.6以上0.8以下の不織布を構築できることが示された。これらカーボン不織布X,Y,Zは優れた弾性変形能を有するため、電気化学セル1の第二拡散層42に用いられた場合に試験例1から試験例3に示されるような高いファラデー効率の実現に寄与し得る。 The compressive strain of carbon nonwoven fabrics X, Y, and Z was in the range of 0.6 to 0.8. This test showed that a nonwoven fabric with a compressive strain of 0.6 to 0.8 can be constructed if the porosity in the compressed state is 80% to 90%, the basis weight is 70 g/ m2 to 130 g/ m2 , and the fiber diameter is 5 μm to 20 μm. These carbon nonwoven fabrics X, Y, and Z have excellent elastic deformability, and therefore, when used in the second diffusion layer 42 of the electrochemical cell 1, they can contribute to achieving high Faraday efficiency as shown in Test Examples 1 to 3.
1 電気化学セル
1A,1B 境界
2 電解質膜
21 第一面、22 第二面
3 アノード部
3A,3B マニホールド
30 第一触媒層、31 第一導電板、32 第一拡散層、33 枠シール部
4 カソード部
4A,4B マニホールド
40 第二触媒層、41 第二導電板、42 第二拡散層、43 枠シール部
5 第一流れ場
5A 入口、5B 出口
50 流路、51 供給溝、52 第一ベース溝、53 分岐溝
54 第二ベース溝、55 排出溝
6 第二流れ場
6A 入口、6B 出口
61 第一流路、61A 流入端部、61B 流出端部
61b 第一連結溝、61d 第一溝、61e 端部、61f 供給溝
62 第二流路、62A 流入端部、62B 流出端部
62b 第二連結溝、62d 第二溝、62e 端部、62f 排出溝
63 畝部
65 第一畝領域
66 第二畝領域
7 通電領域
8 絶縁部材
9 圧縮装置
90 下部台座、91 上部台座、92 下部保護板、93 上部保護板
100 有機ハイドライド製造装置
101 第一流体
101A 第一供給管、101B 第一排出管
101P 第一ポンプ、101T 第一タンク
102 第二流体
102A 第二供給管、102B 第二排出管
102P 第二ポンプ、102T 第二タンク
E1,E2 終端位置
S1,S2 始端位置
M1,M2 中間位置
W1 平均幅
W2 平均幅
d 平均深さ
1 Electrochemical cell 1A, 1B Boundary 2 Electrolyte membrane 21 First surface, 22 Second surface 3 Anode portion 3A, 3B Manifold 30 First catalyst layer, 31 First conductive plate, 32 First diffusion layer, 33 Frame seal portion 4 Cathode portion 4A, 4B Manifold 40 Second catalyst layer, 41 Second conductive plate, 42 Second diffusion layer, 43 Frame seal portion 5 First flow field 5A Inlet, 5B Outlet 50 Flow path, 51 Supply groove, 52 First base groove, 53 Branch groove 54 Second base groove, 55 Discharge groove 6 Second flow field 6A Inlet, 6B Outlet 61 First flow path, 61A Inlet end, 61B Outlet end 61b First connecting groove, 61d First groove, 61e End, 61f Supply groove 62 Second flow path, 62A Inlet end, 62B Outlet end 62b Second connecting groove, 62d Second groove, 62e End, 62f Discharge groove 63 Ridge portion 65 First ridge region 66 Second ridge region 7 Current-carrying region 8 Insulating member 9 Compression device 90 Lower base 91 Upper base 92 Lower protective plate 93 Upper protective plate 100 Organic hydride manufacturing apparatus 101 First fluid 101A First supply pipe 101B First discharge pipe 101P First pump 101T First tank 102 Second fluid 102A Second supply pipe 102B Second discharge pipe 102P Second pump 102T Second tank E1, E2 End positions S1, S2 Start position M1, M2 Middle position W1 Average width W2 Average width d Average depth
Claims (8)
前記アノード部は、
前記電解質膜の第一面に接触するように前記第一流体が流れる空間を形成する第一流れ場と、
前記第一流れ場に配置された第一触媒層と、を備え、
前記カソード部は、
前記電解質膜の第二面に接触するように前記第二流体が流れる空間を形成する第二流れ場と、
前記第二流れ場に配置された第二触媒層と、を備え、
さらに、
前記第一流れ場および前記第二流れ場の少なくとも一つの流れ場に配置された絶縁部材を備え、
前記少なくとも一つの流れ場は、前記電解質膜に向き合う導電板と、前記導電板と前記電解質膜との間に配置された多孔質の拡散層と、を備え、
前記第二流れ場における前記導電板は、溝からなる流路を備え、
前記流路は、前記導電板における前記拡散層に向き合う面に形成された第一流路と第二流路とを備え、
前記第一流路は、第一連結溝と、前記第一連結溝から分岐するように延びる複数の第一溝とを備え、
前記第二流路は、第二連結溝と、前記第二連結溝から分岐するように延びる複数の第二溝とを備え、
前記複数の第一溝は互いに並列され、前記複数の第二溝は、互いに並列されており、平面視において前記複数の第一溝の少なくとも一部と、前記複数の第二溝の少なくとも一部と、が交互に配置されており、
前記導電板は、前記第一連結溝に沿った帯状の第一畝領域と、前記第二連結溝に沿った帯状の第二畝領域と、を備え、
前記第一畝領域は、前記第一連結溝から前記第二溝の端部までを含み、
前記第二畝領域は、前記第二連結溝から前記第一溝の端部までを含み、
前記第一面に垂直で、かつ前記第一面から前記第二面に向かう第一方向から見て、前記絶縁部材は、前記第一畝領域の少なくとも一部と、前記第二畝領域の少なくとも一部に重複する、
電気化学セル。 An electrochemical cell comprising: an anode section through which a first fluid containing water flows; a cathode section through which a second fluid containing a substance to be hydrided flows; and an electrolyte membrane disposed between the anode section and the cathode section,
The anode section is
a first flow field that forms a space through which the first fluid flows so as to contact a first surface of the electrolyte membrane;
a first catalyst layer disposed in the first flow field;
The cathode section is
a second flow field that forms a space through which the second fluid flows so as to contact a second surface of the electrolyte membrane;
a second catalyst layer disposed in the second flow field;
moreover,
an insulating member disposed in at least one of the first flow field and the second flow field ;
the at least one flow field comprises a conductive plate facing the electrolyte membrane and a porous diffusion layer disposed between the conductive plate and the electrolyte membrane;
the conductive plate in the second flow field has a flow path formed by a groove;
the flow path includes a first flow path and a second flow path formed on a surface of the conductive plate facing the diffusion layer,
the first flow path includes a first connecting groove and a plurality of first grooves extending so as to branch off from the first connecting groove;
the second flow path includes a second connecting groove and a plurality of second grooves extending so as to branch off from the second connecting groove;
the plurality of first grooves are arranged in parallel with one another, the plurality of second grooves are arranged in parallel with one another, and at least some of the plurality of first grooves and at least some of the plurality of second grooves are arranged alternately in a plan view,
the conductive plate includes a first strip-shaped ridge region along the first connecting groove and a second strip-shaped ridge region along the second connecting groove;
the first ridge region includes an area from the first connecting groove to an end of the second groove,
the second ridge region includes from the second connecting groove to an end of the first groove,
When viewed from a first direction perpendicular to the first surface and from the first surface toward the second surface, the insulating member overlaps at least a portion of the first ridge region and at least a portion of the second ridge region.
Electrochemical cell.
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|---|---|---|---|---|
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|---|---|---|---|---|
| JP2006233249A (en) | 2005-02-23 | 2006-09-07 | Mitsubishi Electric Corp | Electrochemical element and method for producing the same |
| WO2013111586A1 (en) | 2012-01-24 | 2013-08-01 | Jx日鉱日石エネルギー株式会社 | Electrochemical reduction device and method for producing hydride of nitrogen-containing-heterocyclic aromatic compound or aromatic hydrocarbon compound |
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