(57)【要約】      （修正有）【課題】従来よりもフラディングを抑制し、水素昇圧動作時の効率を向上し得る電気化学式水素ポンプを提供する。【解決手段】電気化学式水素ポンプのカソードガス拡散層１４は、カソード触媒層１２側の主面に撥水性のカーボン繊維層１４Ｒを備え、締結器の締結により圧縮されている。カーボン繊維層１４Ｒを備えることで、カーボン繊維層１４Ｒの外側に存在するカソードＣＡの水が、カーボン繊維層１４Ｒの撥水作用により、カソードＣＡおよびアノードＡＮ間の差圧によってアノードＡＮに押し戻されることが抑制される。その結果、カーボン繊維層１４Ｒの外側に存在する水は、水素とともにカソードＣＡから外部に排出されやすくなる。【選択図】図１Ｂ
2020020037.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、
前記電解質膜の一方の主面上に設けられたアノード触媒層と、
前記電解質膜の他方の主面上に設けられたカソード触媒層と、
前記アノード触媒層上に設けられたアノードガス拡散層と、
前記カソード触媒層上に設けられたカソードガス拡散層と、
前記アノードガス拡散層上に設けられたアノードセパレーターと、
前記カソードガス拡散層上に設けられたカソードセパレーターと、
前記電解質膜、前記アノード触媒層、前記カソード触媒層、前記アノードガス拡散層、前記カソードガス拡散層、前記アノードセパレーターおよび前記カソードセパレーターが積層された、少なくとも１つの水素ポンプユニットにおける、前記積層された方向の両端上に設けられた、第１端板および第２端板と、
前記少なくとも１つの水素ポンプユニットおよび前記第１端板および第２端板を前記積層された方向に締結する締結器と、
前記アノード触媒層と前記カソード触媒層との間に電圧を印加する電圧印加器とを備え、
前記電圧印加器が前記電圧を印加することで、前記アノード触媒層上に供給された水素含有ガス中の水素を、前記カソード触媒層上に移動させ、かつ昇圧する電気化学式水素ポンプであって、
前記カソードガス拡散層は、前記カソード触媒層側の主面に撥水性のカーボン繊維層を備え、前記締結器の締結により圧縮されている電気化学式水素ポンプ。
【請求項２】
前記締結器の締結による前記カソードガス拡散層の前記積層された方向の圧縮量は、前記電気化学式水素ポンプが上限値まで昇圧しているときの前記電解質膜、前記アノード触媒層および前記アノードガス拡散層のそれぞれの前記積層された方向のひずみ量の合算値以上である請求項１に記載の電気化学式水素ポンプ。
【請求項３】
前記締結器の締結による前記カソードガス拡散層の前記積層された方向の圧縮量は、前記締結器による締結前の前記カソードガス拡散層の厚みの２０％から３０％の大きさである請求項１または２に記載の電気化学式水素ポンプ。
【請求項４】
前記締結器の締結による前記カソードガス拡散層の前記積層された方向の圧縮量は、前記締結器による締結前の前記カソードガス拡散層の厚みの１０％以上の大きさである請求項１または２に記載の電気化学式水素ポンプ。
【請求項５】
前記撥水性のカーボン繊維層の前記カソード触媒層側の主面上に、撥水性樹脂とカーボンブラックとを含む撥水層を備える請求項１−４のいずれか１項に記載の電気化学式水素ポンプ。
【請求項６】
前記撥水性のカーボン繊維層は、前記カソード触媒層側の主面側に、撥水性樹脂とカーボンブラックとを含む撥水層との混合層を備える請求項１−５のいずれか１項に記載の電気化学式水素ポンプ。
【請求項７】
前記アノードガス拡散層は、複数の通気孔を備える金属シートを含み、前記カーボン繊維層は含まない請求項１−６のいずれか１項に記載の電気化学式水素ポンプ。
【請求項８】
前記アノードガス拡散層は、前記アノード触媒層側の主面に撥水性の層を備える請求項７に記載の電気化学式水素ポンプ。
【請求項９】
前記少なくとも１つの水素ポンプユニットが、複数の前記水素ポンプユニットである請求項１−７のいずれか１項に記載の電気化学式水素ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は電気化学式水素ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球の温暖化などの環境問題、石油資源の枯渇などのエネルギー問題から、化石燃料に代わるクリーンな代替エネルギー源として、水素が注目されている。水素は燃焼しても基本的に水しか放出せず、地球温暖化の原因となる二酸化炭素が排出されずかつ窒素酸化物などもほとんど排出されないので、クリーンエネルギーとして期待されている。また、水素を燃料として高効率に利用する装置として、例えば、燃料電池があり、自動車用電源向け、家庭用自家発電向けに開発および普及が進んでいる。
【０００３】
来るべき水素社会では、水素を製造することに加えて、水素を高密度で貯蔵し、小容量かつ低コストで輸送または利用することが可能な技術開発が求められている。特に、分散型のエネルギー源となる燃料電池の普及促進には、水素供給インフラを整備する必要がある。また、水素を安定的に供給するために、高純度の水素を製造、精製、高密度貯蔵する様々な検討が行われている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、水素の精製および圧縮を行うための装置として、固体高分子電解質膜、電極およびセパレータの積層体がエンドプレートで挟み込んで締結されたイオンポンプが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２００８−５１８３８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来例では、電気化学式水素ポンプの水素昇圧動作時の効率向上について十分検討されていない。
【０００７】
本開示の一態様（aspect）は、このような事情に鑑みてなされたものであり、従来よりも水素昇圧動作時の効率を向上し得る電気化学式水素ポンプを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本開示の一態様の電気化学式水素ポンプは、電解質膜と、前記電解質膜の一方の主面上に設けられたアノード触媒層と、前記電解質膜の他方の主面上に設けられたカソード触媒層と、前記アノード触媒層上に設けられたアノードガス拡散層と、前記カソード触媒層上に設けられたカソードガス拡散層と、前記アノードガス拡散層上に設けられたアノードセパレーターと、前記カソードガス拡散層上に設けられたカソードセパレーターと、前記電解質膜、前記アノード触媒層、前記カソード触媒層、前記アノードガス拡散層、前記カソードガス拡散層、前記アノードセパレーターおよび前記カソードセパレーターが積層された、少なくとも１つの水素ポンプユニットにおける、前記積層された方向の両端上に設けられた、第１端板および第２端板と、前記少なくとも１つの水素ポンプユニットおよび前記第１端板および第２端板を前記積層された方向に締結する締結器と、前記アノード触媒層と前記カソード触媒層との間に電圧を印加する電圧印加器とを備え、前記電圧印加器が前記電圧を印加することで、前記アノード触媒層上に供給された水素含有ガス中の水素を、前記カソード触媒層上に移動させ、かつ昇圧する電気化学式水素ポンプであって、前記カソードガス拡散層は、前記カソード触媒層側の主面に撥水性のカーボン繊維層を備え、前記締結器の締結により圧縮されている。
【発明の効果】
【０００９】
本開示の一態様の電気化学式水素ポンプは、従来よりも水素昇圧動作時の効率を向上し得るという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１Ａ】図１Ａは、実施形態の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、図１Ａの電気化学式水素ポンプのＢ部の拡大図である。
【図２Ａ】図２Ａは、実施形態の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、図２Ａの電気化学式水素ポンプのＢ部の拡大図である。
【図３】図３は、実施形態の電気化学式水素ポンプを備える水素供給システムの一例を示す図である。
【図４】図４は、実施形態の電気化学式水素ポンプのカソードガス拡散層の一例を示す図である。
【図５Ａ】図５Ａは、カソードガス拡散層が厚み方向に圧縮した場合におけるカソードガス拡散層の面圧（圧力）とひずみ量との間の関係の一例を示す図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、カソードガス拡散層が厚み方向に圧縮した場合におけるカソードガス拡散層の面圧（圧力）と抵抗との間の関係の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
固体高分子電解質膜（以下、電解質膜）による電気化学式水素ポンプでは、アノードの水素含有ガス中の水素（Ｈ２）をプロトン化してカソードに移動させ、プロトン（Ｈ＋）をカソードで水素（Ｈ２）に戻すことで水素が高圧化される。このとき、電解質膜の高プロトン伝導度の確保には、電解質膜を所望の湿潤状態に維持することが必要である。つまり、電解質膜を湿潤状態は、電解質膜の電気抵抗と直結しており、電気化学式水素ポンプのセル抵抗を左右する重要な要因となる。そこで、電気化学式水素ポンプは、例えば、アノードに供給する水素含有ガスを加湿器により予め加湿する構成を取ることが多い。
【００１２】
ところで、電気化学式水素ポンプのアノードとカソードとの間に電流が流れるとき、プロトンがアノードからカソードに水を同伴しながら電解質膜を移動する。このとき、アノードからカソードに移動した水は、電気化学式水素ポンプの動作温度が所定温度以上の場合、水蒸気として存在するが、カソードの水素ガス圧が高圧になる程、液体の水として存在する割合が増加する。そして、カソードに液体の水が存在する場合、かかる水の一部は、カソードおよびアノード間の差圧によってアノードに押し戻される。このとき、アノードに押し戻される水の量は、カソードの水素ガス圧が高圧になる程、増加する。すると、カソードの水素ガス圧が上昇するに連れて、アノードに押し戻された水によってアノードのフラディングが発生しやすくなる。このようなフラディングが発生することにより、アノードで水素含有ガスの拡散性が阻害される場合、電気化学式水素ポンプの拡散抵抗の増加が増加する可能性があるので、電気化学式水素ポンプの水素昇圧動作の効率が低下する恐れがある。
【００１３】
また、カソードの水素ガス圧が高圧になる程、電解質膜、アノード触媒層およびアノードガス拡散層における水素ガス圧による圧縮量（ひずみ量）が大きくなる。すると、カソード触媒層とカソードガス拡散層との間で隙間が生じやすいので、両者間の接触抵抗が増加する可能性がある。そこで、出願人による先行特許の電気化学式水素ポンプにおいて、締結器による電気化学式水素ポンプの締結前には、カソードセパレーターの凹部に収納したカソードガス拡散層を凹部からその厚み方向に所定の大きさではみ出して配設する構成を提案した。つまり、締結器の締結によってカソードガス拡散層をその厚み方向に圧縮させ得るので、カソードの水素ガス圧が高圧になっても、カソードガス拡散層が、締結器による圧縮後の厚みから圧縮前の厚みに戻る方向に弾性変形することにより、カソード触媒層とカソードガス拡散層との間の接触を適切に維持することができる。
【００１４】
ところが、締結器の締結によってカソードガス拡散層をその厚み方向に圧縮させる構成を取ると、アノードで上記のフラディングの発生を助長させる可能性がある。具体的には、以上の構成を取ることでカソードガス拡散層の空隙が少なくなるので、カソードガス拡散層内の水素の流れが妨げられる。すると、水素の流れとともにカソード外に排水される水の減少によって、カソードガス拡散層に一時的に滞留する水の量が増える。その結果、カソードおよびアノード間の差圧によってアノードに押し戻される水の量がさらに増加するので、アノードでフラディングの発生が助長される。
【００１５】
そこで、発明者らは、鋭意検討を行った結果、カソードガス拡散層がカソード触媒層側の主面に撥水性のカーボン繊維層を備えることで、以上のアノードにおけるフラッディング発生を抑制し得ることを見出し、以下の本開示の一態様に想到した。
【００１６】
すなわち、本開示の第１態様の電気化学式水素ポンプは、電気化学式水素ポンプは、電解質膜と、電解質膜の一方の主面上に設けられたアノード触媒層と、電解質膜の他方の主面上に設けられたカソード触媒層と、アノード触媒層上に設けられたアノードガス拡散層と、カソード触媒層上に設けられたカソードガス拡散層と、アノードガス拡散層上に設けられたアノードセパレーターと、カソードガス拡散層上に設けられたカソードセパレーターと、電解質膜、アノード触媒層、カソード触媒層、アノードガス拡散層、カソードガス拡散層、アノードセパレーターおよびカソードセパレーターが積層された、少なくとも１つの水素ポンプユニットにおける、上記積層された方向の両端上に設けられた、第１端板および第２端板と、少なくとも１つの水素ポンプユニットおよび第１端板および第２端板を上記積層された方向に締結する締結器と、アノード触媒層とカソード触媒層との間に電圧を印加する電圧印加器とを備え、電圧印加器が上記電圧を印加することで、アノード触媒層上に供給された水素含有ガス中の水素を、カソード触媒層上に移動させ、かつ昇圧する電気化学式水素ポンプであって、カソードガス拡散層は、カソード触媒層側の主面に撥水性のカーボン繊維層を備え、締結器の締結により圧縮されている。
【００１７】
かかる構成によると、本態様の電気化学式水素ポンプは、従来よりも水素昇圧動作時の効率を向上し得る。
【００１８】
具体的には、本態様の電気化学式水素ポンプは、カソードガス拡散層がカソード触媒層側のカソードガス拡散層の主面に撥水性のカーボン繊維層を備えることで、カーボン繊維層の外側に存在するカソードの水が、カーボン繊維層の撥水作用により、カソードおよびアノード間の差圧によってアノードに押し戻されることが抑制される。その結果、カーボン繊維層の外側に存在する水は、水素とともにカソードから外部に排出されやすくなる。なお、カーボン繊維層の外側とは、カーボン繊維層を基準にして、カソード触媒層側をカーボン繊維層の内側としたときの反対側に相当する。
【００１９】
以上により、本態様の電気化学式水素ポンプは、カソードガス拡散層が撥水性のカーボン繊維層を備えない場合に比べて、アノードのフラディング発生が抑制され、アノードで水素含有ガスの拡散性が阻害される可能性を低減することができる。よって、本態様の電気化学式水素ポンプは、電気化学式水素ポンプの拡散抵抗の増加を軽減することで、水素昇圧動作時の効率に向上することができる。
【００２０】
また、本態様の電気化学式水素ポンプでは、電気化学式水素ポンプの動作時にアノードおよびカソード間の差圧によって電解質膜、アノード触媒層およびアノードガス拡散層のそれぞれが圧縮変形しても、カソードガス拡散層が、締結器による圧縮後の厚みから圧縮前の元の厚みに戻る方向に弾性変形することにより、カソード触媒層とカソードガス拡散層との間の接触を適切に維持することができる。
【００２１】
本開示の第２態様の電気化学式水素ポンプは、第１態様の電気化学式水素ポンプにおいて、締結器の締結によるカソードガス拡散層の上記積層された方向の圧縮量は、電気化学式水素ポンプが上限値まで昇圧しているときの電解質膜、アノード触媒層およびアノードガス拡散層のそれぞれの上記積層された方向のひずみ量の合算値以上であってもよい。
【００２２】
かかる構成によると、本態様の電気化学式水素ポンプは、電気化学式水素ポンプが上限値まで昇圧しているときの電解質膜、アノード触媒層およびアノードガス拡散層のそれぞれの上記積層された方向のひずみ量の合算値を考慮して、締結器の締結によるカソードガス拡散層の上記積層された方向の圧縮量を適切に決定している。よって、本態様の電気化学式水素ポンプは、電気化学式水素ポンプが上限値まで昇圧している場合でも、カソード触媒層とカソードガス拡散層との間の接触を適切に維持することができる。
【００２３】
本開示の第３態様の電気化学式水素ポンプは、第１態様または第２態様の電気化学式水素ポンプにおいて、締結器の締結によるカソードガス拡散層の上記積層された方向の圧縮量は、締結器による締結前のカソードガス拡散層の厚みの２０％から３０％の大きさであってもよい。
【００２４】
締結器の締結によるカソードガス拡散層の上記積層された方向の圧縮量が締結器による締結前のカソードガス拡散層の厚みの２０％から３０％の大きさであることが、カソードガス拡散層の抵抗を安定的に低い値に保つ視点において望ましい。なお、このことは、カソードガス拡散層をその厚み方向に圧縮させる試験によって確認した。詳細は第２実施例で説明する。
【００２５】
本開示の第４態様の電気化学式水素ポンプは、第１態様または第２態様の電気化学式水素ポンプにおいて、締結器の締結によるカソードガス拡散層の上記積層された方向の圧縮量は、締結器による締結前のカソードガス拡散層の厚みの１０％以上の大きさであってもよい。
【００２６】
締結器の締結によるカソードガス拡散層の上記積層された方向の圧縮量が締結器による締結前のカソードガス拡散層の厚みの１０％以上の大きさであることが、カソードガス拡散層の抵抗の増加を適切に抑制する視点において望ましい。なお、このことは、カソードガス拡散層をその厚み方向に圧縮させる試験によって確認した。詳細は第２実施例で説明する。
【００２７】
本開示の第５態様の電気化学式水素ポンプは、第１態様から第４態様のいずれか一つの電気化学式水素ポンプにおいて、撥水性のカーボン繊維層のカソード触媒層側の主面上に、撥水性樹脂とカーボンブラックとを含む撥水層を備えてもよい。
【００２８】
かかる構成によると、本態様の電気化学式水素ポンプは、撥水性樹脂とカーボンブラックとを含む撥水層を備えることで、撥水性のカーボン繊維層とともに撥水層によってカソードガス拡散層の撥水性を効果的に発現させることができる。
【００２９】
また、本態様の電気化学式水素ポンプは、カーボン繊維層とカソード触媒層との間に上記の撥水層を設けることで、かかる撥水層が、カソード触媒層および電解質膜にカーボン繊維が突き刺さることを適切に抑制可能な防護膜の機能を果たすこともできる。
【００３０】
本開示の第６態様の電気化学式水素ポンプは、第１態様から第５態様のいずれか一つの電気化学式水素ポンプにおいて、撥水性のカーボン繊維層は、カソード触媒層側の主面側に、撥水性樹脂とカーボンブラックとを含む撥水層との混合層を備えてもよい。
【００３１】
かかる構成によると、本態様の電気化学式水素ポンプは、混合層において、カーボン繊維に撥水性を持たせるだけでなく、カーボン繊維間の空隙に、撥水性樹脂およびカーボンブラックが入り込むことで、カソードガス拡散層の撥水性を効果的に発現させることができる。
【００３２】
本開示の第７態様の電気化学式水素ポンプは、第１態様から第６態様のいずれか一つの電気化学式水素ポンプにおいて、アノードガス拡散層は、複数の通気孔を備える金属シートを含み、上記のカーボン繊維層は含まなくてもよい。
【００３３】
金属シートは、一般的に、カーボン繊維層に比べて剛性が高い。そこで、本態様の電気化学式水素ポンプは、アノードガス拡散層がカーボン繊維層を含まないように構成することにより、アノードガス拡散層を、電気化学式水素ポンプの動作時にアノードおよびカソード間の差圧によって構成部材が変位、変形することを抑制可能な高剛性に構成することができる。
【００３４】
本開示の第８態様の電気化学式水素ポンプは、第７態様の電気化学式水素ポンプにおいて、アノードガス拡散層は、アノード触媒層側の主面に撥水性の層を備えてもよい。
【００３５】
かかる撥水性の層では、アノードに存在する水は、アノードの水素含有ガスの流れによって、水素含有ガスとともにアノード外に移動しやすい。このため、本態様の電気化学式水素ポンプは、アノードガス拡散層がアノード触媒層側の主面に撥水性の層を備えることで、アノードガス拡散層に過剰な水が滞留する状態を改善できるので、アノードのフラッディング発生を適切に抑制することができる。
【００３６】
本開示の第９態様の電気化学式水素ポンプは、第１態様から第７態様のいずれか一つの電気化学式水素ポンプにおいて、少なくとも１つの水素ポンプユニットが、複数の水素ポンプユニットであってもよい。
【００３７】
以下、添付図面を参照しながら、本開示の実施形態について説明する。なお、以下で説明する実施形態は、いずれも上記の各態様の一例を示すものである。よって、以下で示される形状、材料、構成要素、および、構成要素の配置位置および接続形態などは、あくまで一例であり、請求項に記載されていない限り、上記の各態様を限定するものではない。また、以下の構成要素のうち、上記の各態様の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、図面において、同じ符号が付いたものは、説明を省略する場合がある。図面は理解しやすくするために、それぞれの構成要素を模式的に示したもので、形状および寸法比などについては正確な表示ではない場合がある。
【００３８】
（実施形態）
[電気化学式水素ポンプの構成]
図１Ａおよび図２Ａは、実施形態の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。図１Ｂは、図１Ａの電気化学式水素ポンプのＢ部の拡大図である。図２Ｂは、図２Ａの電気化学式水素ポンプのＢ部の拡大図である。
【００３９】
なお、図１Ａには、平面視において電気化学式水素ポンプ１００の中心と、カソードガス導出マニホールド５０の中心と、を通過する直線を含む電気化学式水素ポンプ１００の垂直断面が示されている。また、図２Ａには、平面視において電気化学式水素ポンプ１００の中心と、アノードガス導入マニホールド２７の中心と、アノードガス導出マニホールド３０の中心と、を通過する直線を含む電気化学式水素ポンプ１００の垂直断面が示されている。
【００４０】
図１Ａおよび図２Ａに示す例では、電気化学式水素ポンプ１００は、少なくとも一つの水素ポンプユニット１００Ａを備える。
【００４１】
なお、電気化学式水素ポンプ１００には、複数の水素ポンプユニット１００Ａが積層されている。例えば、図１Ａおよび図２Ａでは、３段の水素ポンプユニット１００Ａが積層されているが、水素ポンプユニット１００Ａの個数はこれに限定されない。つまり、水素ポンプユニット１００Ａの個数は、電気化学式水素ポンプ１００が昇圧する水素量などの運転条件をもとに適宜の数に設定することができる。
【００４２】
水素ポンプユニット１００Ａは、電解質膜１１と、アノードＡＮと、カソードＣＡと、カソードセパレーター１６と、アノードセパレーター１７と、絶縁体２１と、を備える。そして、水素ポンプユニット１００Ａにおいて、電解質膜１１、アノード触媒層１３、カソード触媒層１２、アノードガス拡散層１５、カソードガス拡散層１４、アノードセパレーター１７およびカソードセパレーター１６が積層されている。
【００４３】
アノードＡＮは、電解質膜１１の一方の主面に設けられている。アノードＡＮは、アノード触媒層１３と、アノードガス拡散層１５とを含む電極である。なお、平面視において、アノード触媒層１３の周囲を囲むように環状のシール部材４３が設けられ、アノード触媒層１３が、シール部材４３で適切にシールされている。
【００４４】
カソードＣＡは、電解質膜１１の他方の主面に設けられている。カソードＣＡは、カソード触媒層１２と、カソードガス拡散層１４とを含む電極である。なお、平面視において、カソード触媒層１２の周囲を囲むように環状のシール部材４２が設けられ、カソード触媒層１２が、シール部材４２で適切にシールされている。
【００４５】
以上により、電解質膜１１は、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２のそれぞれと接触するようにして、アノードＡＮとカソードＣＡとによって挟持されている。なお、カソードＣＡ、電解質膜１１およびアノードＡＮの積層体を膜−電極接合体（以下、ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）という。
【００４６】
電解質膜１１は、プロトン伝導性を備える。電解質膜１１は、プロトン伝導性を備えていれば、どのような構成であってもよい。例えば、電解質膜１１として、フッ素系高分子電解質膜、炭化水素系高分子電解質膜を挙げることができるが、これらに限定されない。具体的には、例えば、電解質膜１１として、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標、デュポン社製）、Ａｃｉｐｌｅｘ（登録商標、旭化成株式会社製）などを用いることができる。
【００４７】
アノード触媒層１３は、電解質膜１１の一方の主面に設けられている。アノード触媒層１３は、触媒金属として、例えば、白金を含むが、これに限定されない。
【００４８】
カソード触媒層１２は、電解質膜１１の他方の主面に設けられている。カソード触媒層１２は、触媒金属として、例えば、白金を含むが、これに限定されない。
【００４９】
カソード触媒層１２およびアノード触媒層１３の触媒担体としては、例えば、カーボンブラック、黒鉛などの炭素粉体、導電性の酸化物粉体などが挙げられるが、これらに限定されない。
【００５０】
なお、カソード触媒層１２およびアノード触媒層１３では、触媒金属の微粒子が、触媒担体に高分散に担持されている。また、これらのカソード触媒層１２およびアノード触媒層１３中には、電極反応場を大きくするために、水素イオン伝導性のイオノマー成分を加えることが一般的である。
【００５１】
カソードガス拡散層１４は、カソード触媒層１２上に設けられている。また、カソードガス拡散層１４は、多孔性材料で構成され、導電性およびガス拡散性を備える。さらに、カソードガス拡散層１４は、電気化学式水素ポンプ１００の動作時にカソードＣＡおよびアノードＡＮ間の差圧で発生する構成部材の変位、変形に適切に追従するような弾性を備える方が望ましい。なお、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、カソードガス拡散層１４として、カーボン繊維で構成した部材が用いられている。例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルトなどの多孔性のカーボン繊維シートでもよい。なお、カソードガス拡散層１４の基材として、カーボン繊維シートを用いなくもよい。例えば、カソードガス拡散層１４の基材として、チタン、チタン合金、ステンレススチールなどを素材とする金属繊維の焼結体、これらを素材とする金属粉体の焼結体などを用いてもよい。
【００５２】
但し、カソードガス拡散層１４の基材が、カーボン繊維シートでない場合、カソード触媒層１２側の主面に撥水性のカーボン繊維層が設けられる。
【００５３】
また、図１Ｂおよび図２Ｂに示すように、カソードガス拡散層１４は、カソード触媒層１２側の主面に撥水性のカーボン繊維層１４Ｒを備える。例えば、カーボン繊維で構成されたカソードガス拡散層１４にフッ素系樹脂などの撥水性樹脂を含む材料を塗布することで、カーボン繊維層１４Ｒのカーボン繊維に撥水性を発現させてもよい。また、カーボン繊維で構成されたカソードガス拡散層１４に、このような撥水性樹脂を含む材料を含浸させることで、カーボン繊維に撥水性を発現させてもよい。なお、撥水性樹脂を含む材料として、例えば、ＰＴＦＥの微粉末を溶媒に分散させた溶液などを挙げることができる。また、かかる材料の塗布方法として、例えば、スプレー塗布法などを挙げることができる。但し、このような撥水性のカーボン繊維層１４Ｒの形成方法および構成は例示であって、本例に限定されない。
【００５４】
例えば、カソードガス拡散層１４の全てが、撥水性のカーボン繊維層１４Ｒであってもよい。このようなカソードガス拡散層１４は、カソードガス拡散層１４が、カーボン繊維層で構成され、このカーボン繊維層に撥水性樹脂を含む溶液を含浸させることで作製される。
【００５５】
つまり、本開示では、カソードガス拡散層１４は、少なくともカソード触媒層１２側の主面が、撥水性のカーボン繊維層１４Ｒであればよい。
【００５６】
なお、水素ポンプユニット１００ＡのカソードＣＡは、フッ素系樹脂などの撥水性樹脂とカーボンブラックとを含む撥水層を備えてもよいが、このような撥水層の具体例は第２実施例および第３実施例で説明する。
【００５７】
アノードガス拡散層１５は、アノード触媒層１３上に設けられている。また、アノードガス拡散層１５は、多孔性材料で構成され、導電性およびガス拡散性を備える。さらに、アノードガス拡散層１５は、電気化学式水素ポンプ１００の動作時にカソードＣＡおよびアノードＡＮ間の差圧で発生する構成部材の変位、変形を抑制可能な高剛性であることが望ましい。
【００５８】
なお、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、アノードガス拡散層１５として、チタン粉体焼結体の薄板で構成した部材が用いられているが、これに限定されない。つまり、アノードガス拡散層１５の基材として、上記の如く、例えば、チタン、チタン合金、ステンレススチールなどを素材とする金属繊維の焼結体、これらを素材とする金属粉体の焼結体を用いることができる。また、アノードガス拡散層１５の基材として、例えば、エキスパンドメタル、金属メッシュ、パンチングメタルなどを用いることもできる。
【００５９】
アノードセパレーター１７は、アノードＡＮのアノードガス拡散層１５上に設けられた部材である。カソードセパレーター１６は、カソードＣＡのカソードガス拡散層１４上に設けられた部材である。
【００６０】
そして、カソードセパレーター１６およびアノードセパレーター１７のそれぞれの中央部には、凹部が設けられている。これらの凹部のそれぞれに、カソードガス拡散層１４およびアノードガス拡散層１５がそれぞれ収容されている。
【００６１】
このようにして、カソードセパレーター１６およびアノードセパレーター１７で上記のＭＥＡを挟むことにより、水素ポンプユニット１００Ａが形成されている。
【００６２】
カソードガス拡散層１４と接触するカソードセパレーター１６の主面には、平面視において、例えば、複数のＵ字状の折り返す部分と複数の直線部分とを含むサーペンタイン状のカソードガス流路３２が設けられている。そして、カソードガス流路３２の直線部分は、図１Ａの紙面に垂直な方向に延伸している。但し、このようなカソードガス流路３２は、例示であって、本例に限定されない。例えば、カソードガス流路は、複数の直線状の流路により構成されていてもよい。
【００６３】
アノードガス拡散層１５と接触するアノードセパレーター１７の主面には、平面視において、例えば、複数のＵ字状の折り返す部分と複数の直線部分とを含むサーペンタイン状のアノードガス流路３３が設けられている。そして、アノードガス流路３３の直線部分は、図２Ａの紙面に垂直な方向に延伸している。但し、このようなアノードガス流路３３は、例示であって、本例に限定されない。例えば、アノードガス流路は、複数の直線状の流路により構成されていてもよい。
【００６４】
また、導電性のカソードセパレーター１６およびアノードセパレーター１７の間には、ＭＥＡの周囲を囲むように設けられた環状かつ平板状の絶縁体２１が挟み込まれている。これにより、カソードセパレーター１６およびアノードセパレーター１７の短絡が防止されている。
【００６５】
ここで、電気化学式水素ポンプ１００は、水素ポンプユニット１００Ａにおける、積層方向の両端上に設けられた第１端板および第２端板と、水素ポンプユニット１００Ａ、第１端板および第２端板を積層方向に締結する締結器２５と、を備える。
【００６６】
なお、図１Ａおよび図２Ａに示す例では、カソード端板２４Ｃおよびアノード端板２４Ａがそれぞれ、上記の第１端板および第２端板のそれぞれに対応する。つまり、アノード端板２４Ａは、水素ポンプユニット１００Ａの各部材が積層された積層方向において、一方の端に位置するアノードセパレーター１７上に設けられた端板である。また、カソード端板２４Ｃは、水素ポンプユニット１００Ａの各部材が積層された積層方向において、他方の端に位置するカソードセパレーター１６上に設けられた端板である。
【００６７】
締結器２５は、水素ポンプユニット１００Ａ、カソード端板２４Ｃおよびアノード端板２４Ａを積層方向に締結することができれば、どのような構成であってもよい。
【００６８】
例えば、締結器２５として、ボルトおよび皿ばね付きナットなどを挙げることができる。
【００６９】
このとき、締結器２５のボルトは、アノード端板２４Ａおよびカソード端板２４Ｃのみを貫通するように構成してもよいが、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、かかるボルトは、３段の水素ポンプユニット１００Ａの各部材、カソード給電板２２Ｃ、カソード絶縁板２３Ｃ、アノード給電板２２Ａ、アノード絶縁板２３Ａ、アノード端板２４Ａおよびカソード端板２４Ｃを貫通している。そして、上記の積層方向において他方の端に位置するカソードセパレーター１６の端面、および、上記の積層方向において一方の端に位置するアノードセパレーター１７の端面をそれぞれ、カソード給電板２２Ｃとカソード絶縁板２３Ｃおよびアノード給電板２２Ａとアノード絶縁板２３Ａのそれぞれを介して、カソード端板２４Ｃおよびアノード端板２４Ａのそれぞれで挟むようにして、締結器２５により水素ポンプユニット１００Ａに所望の締結圧が付与されている。
【００７０】
以上により、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、３段の水素ポンプユニット１００Ａが、上記の積層方向において、締結器２５の締結圧により積層状態で適切に保持されるとともに、電気化学式水素ポンプ１００の各部材を締結器２５のボルトが貫通しているので、これらの各部材の面内方向における移動を適切に抑えることができる。
【００７１】
ここで、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれのカソードガス拡散層１４から流出するカソードガスが流れるカソードガス流路３２が連通されている。以下、図面を参照しながら、カソードガス流路３２のそれぞれが連通する構成について説明する。
【００７２】
まず、図１Ａに示すように、カソードガス導出マニホールド５０は、３段の水素ポンプユニット１００Ａの各部材およびカソード端板２４Ｃに設けられた貫通孔、および、アノード端板２４Ａに設けられた非貫通孔の連なりによって構成されている。また、カソード端板２４Ｃには、カソードガス導出経路２６が設けられている。カソードガス導出経路２６は、カソードＣＡから排出される水素（Ｈ２）が流通する配管で構成されていてもよい。そして、カソードガス導出経路２６は、上記のカソードガス導出マニホールド５０と連通している。
【００７３】
さらに、カソードガス導出マニホールド５０は、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれのカソードガス流路３２の一方の端部と、カソードガス通過経路３４のそれぞれを介して連通している。これにより、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれのカソードガス流路３２およびカソードガス通過経路３４を通過した水素が、カソードガス導出マニホールド５０で合流される。そして、合流された水素がカソードガス導出経路２６に導かれる。
【００７４】
このようにして、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれのカソードガス流路３２は、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれのカソードガス通過経路３４およびカソードガス導出マニホールド５０を介して連通している。
【００７５】
カソードセパレーター１６およびアノードセパレーター１７の間、カソードセパレーター１６およびカソード給電板２２Ｃの間、アノードセパレーター１７およびアノード給電板２２Ａの間には、平面視において、カソードガス導出マニホールド５０を囲むように、Ｏリングなどの環状のシール部材４０が設けられ、カソードガス導出マニホールド５０が、このシール部材４０で適切にシールされている。
【００７６】
図２Ａに示す如く、アノード端板２４Ａには、アノードガス導入経路２９が設けられている。アノードガス導入経路２９は、アノードＡＮに供給される水素含有ガスが流通する配管で構成されていてもよい。そして、アノードガス導入経路２９は、筒状のアノードガス導入マニホールド２７に連通している。なお、アノードガス導入マニホールド２７は、３段の水素ポンプユニット１００Ａの各部材およびアノード端板２４Ａに設けられた貫通孔の連なりによって構成されている。
【００７７】
また、アノードガス導入マニホールド２７は、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれのアノードガス流路３３の一方の端部と、第１アノードガス通過経路３５のそれぞれを介して連通している。これにより、アノードガス導入経路２９からアノードガス導入マニホールド２７に供給された水素含有ガスは、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれの第１アノードガス通過経路３５を通じて、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれに分配される。そして、分配された水素含有ガスがアノードガス流路３３を通過する間に、アノードガス拡散層１５からアノード触媒層１３に水素含有ガスが供給される。
【００７８】
また、図２Ａに示す如く、アノード端板２４Ａには、アノードガス導出経路３１が設けられている。アノードガス導出経路３１は、アノードＡＮから排出される水素含有ガスが流通する配管で構成されていてもよい。そして、アノードガス導出経路３１は、筒状のアノードガス導出マニホールド３０に連通している。なお、アノードガス導出マニホールド３０は、３段の水素ポンプユニット１００Ａの各部材およびアノード端板２４Ａに設けられた貫通孔の連なりによって構成されている。
【００７９】
また、アノードガス導出マニホールド３０が、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれのアノードガス流路３３の他方の端部と、第２アノードガス通過経路３６のそれぞれを介して連通している。これにより、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれのアノードガス流路３３を通過した水素含有ガスが、第２アノードガス通過経路３６のそれぞれを通じてアノードガス導出マニホールド３０に供給され、ここで合流される。そして、合流された水素含有ガスが、アノードガス導出経路３１に導かれる。
【００８０】
カソードセパレーター１６およびアノードセパレーター１７の間、カソードセパレーター１６およびカソード給電板２２Ｃの間、アノードセパレーター１７およびアノード給電板２２Ａの間には、平面視において、アノードガス導入マニホールド２７およびアノードガス導出マニホールド３０を囲むようにＯリングなどの環状のシール部材４０が設けられ、アノードガス導入マニホールド２７およびアノードガス導出マニホールド３０が、シール部材４０で適切にシールされている。
【００８１】
図１Ａおよび図２Ａに示すように、電気化学式水素ポンプ１００は、電圧印加器１０２を備える。
【００８２】
電圧印加器１０２は、アノード触媒層１３とカソード触媒層１２との間に電圧を印加する装置である。これにより、電気化学式水素ポンプ１００は、電圧印加器１０２がこの電圧を印加することで、アノード触媒層１３上に供給された水素含有ガス中の水素を、カソード触媒層１２上に移動させ、かつ昇圧する。
【００８３】
具体的には、電圧印加器１０２の高電位が、アノード触媒層１３に印加され、電圧印加器１０２の低電位が、カソード触媒層１２に印加されている。電圧印加器１０２は、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２間に電圧を印加できれば、どのような構成であってもよい。例えば、電圧印加器１０２は、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２間に印加する電圧を調整する装置であってもよい。このとき、電圧印加器１０２は、バッテリ、太陽電池、燃料電池などの直流電源と接続されているときは、ＤＣ／ＤＣコンバータを備え、商用電源などの交流電源と接続されているときは、ＡＣ／ＤＣコンバータを備える。
【００８４】
また、電圧印加器１０２は、例えば、水素ポンプユニット１００Ａに供給する電力が所定の設定値となるように、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２間に印加される電圧、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２間に流れる電流が調整される電力型電源であってもよい。
【００８５】
なお、図１Ａおよび図２Ａに示す例では、電圧印加器１０２の低電位側の端子が、カソード給電板２２Ｃに接続され、電圧印加器１０２の高電位側の端子が、アノード給電板２２Ａに接続されている。カソード給電板２２Ｃは、上記の積層方向において他方の端に位置するカソードセパレーター１６と電気的に接触しており、アノード給電板２２Ａは、上記の積層方向において一方の端に位置するアノードセパレーター１７と電気的に接触している。
【００８６】
［水素供給システムの構成］
図３は、実施形態の電気化学式水素ポンプを備える水素供給システムの一例を示す図である。
【００８７】
図３に示すように、本実施形態の水素供給システム２００には、アノードガス導出経路３１を通じてアノードＡＮから排出される高加湿状態の水素含有ガスと、アノードガス導入経路２９を通じて外部の水素供給源から供給される低加湿状態の水素含有ガスとが混合された混合ガスの露点を調整する露点調整器１１５が設けられている。つまり、水素供給システム２００では、露点調整器１１５により露点調整が行われた混合ガスが、アノードガス導入経路２９を通じて電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮに供給される構成が取られている。なお、このとき、外部の水素供給源の水素含有ガスは、例えば、図示しない水電解装置で生成されてもよい。
【００８８】
以上により、本実施形態の水素供給システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００の水素昇圧動作を従来よりも高効率に維持することができる。具体的には、仮に、上記の混合ガスの加湿量が不十分な場合、電解質膜１１のプロトン伝導性が低下する可能性があるが、本実施形態の水素供給システム２００では、かかる混合ガスの露点を適切に調整できるので、このような可能性を低減することができる。また、仮に、上記の混合ガスの加湿量が過剰な場合、混合ガス中の水蒸気が凝縮することで、凝縮水により電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮでフラディングが発生する可能性があるが、本実施形態の水素供給システム２００では、かかる混合ガスの露点を適切に調整できるので、このような可能性を低減することができる。
【００８９】
露点調整器１１５は、混合ガスの露点を調整することができれば、どのような構成であってもよいが、露点調整器１１５は、例えば、バブラー式の装置を備えていてもよい。かかるバブラー式の装置は、例えば、温水を貯えるバブリングタンク、温水の加熱器、温水温度の検知器などで構成される場合がある。この場合、バブリングタンク内の温水の温度を調整することにより、混合ガスの加湿量を制御することができる。つまり、温水を潜らせた後の混合ガスの露点は、温水の温度とほぼ等しくなる。よって、露点調整器１１５は、温水を潜らせる前の混合ガスの湿潤状態に対応して、混合ガスを加湿することも除湿することもできるので、混合ガスを加湿する加湿器としても混合ガスを除湿する除湿器としても機能することができる。
【００９０】
ところで、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮから排出される水素含有ガスの露点が高い場合、水素含有ガス中の水蒸気が、水素含有ガスの温度低下によりアノードガス導出経路３１で凝縮する可能性がある。すると、アノードガス導出経路３１における水素含有ガスの流通が不安定になる可能性がある。また、アノードガス導出経路３１を通じて水素含有ガス中の水が露点調整器１１５に流入すると、露点調整器１１５による混合ガスの露点調整が不安定になる可能性がある。
【００９１】
そこで、本実施形態の水素供給システム２００には、外部の水素供給源から供給される水素含有ガスと混合される前のアノードＡＮから排出される水素含有ガスに含まれる水分を凝縮する凝縮器１１３が設けられている。つまり、凝縮器１１３は、アノードＡＮの水素ガス排出口と露点調整器１１５との間のアノードガス導出経路３１に設けられている。なお、凝縮器１１３で水素含有ガスから凝縮した凝縮水を排出するための水排出経路（図示せず）は、凝縮器１１３と一体に設けてもよいし、凝縮器１１３とは別個にアノードガス導出経路３１に設けてもよい。
【００９２】
また、上記の機器以外に、電気化学式水素ポンプ１００の水素昇圧動作、水素供給システム２００の水素供給動作において必要となる機器は適宜、設けられる。
【００９３】
例えば、水素供給システム２００には、電気化学式水素ポンプ１００の温度を検知する温度検知器、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡから排出された水素を一時的に貯蔵する水素貯蔵器、水素貯蔵器内の水素ガス圧を検知する圧力検知器、アノードガス導出経路３１を適時に開閉できる電磁弁、電気化学式水素ポンプ１００と水素貯蔵器の間の水素が流れる経路を適時に開閉できる電磁弁などが設けられていてもよい。
【００９４】
また、水素供給システム２００には、例えば、水素供給システム２００の動作を制御する制御器が設けられていてもよい。かかる制御器は、例えば、演算回路（図示せず）と、制御プログラムを記憶する記憶回路（図示せず）と、を備える。演算回路として、例えば、ＭＰＵ、ＣＰＵなどを挙げることができる。記憶回路として、例えば、メモリなどを挙げることができる。制御器は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよいし、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもよい。
【００９５】
また、水素供給システム２００には、例えば、タッチパネル式の表示器が設けられていてもよい。これにより、水素供給システム２００の動作状態の表示、作業者による水素供給システム２００への制御指令の入力などを行うことができる。
【００９６】
なお、以上の電気化学式水素ポンプ１００の構成、および、水素供給システム２００の構成は例示であって、本例に限定されない。
【００９７】
例えば、アノードガス導出マニホールド３０およびアノードガス導出経路３１を設けずに、アノードガス導入マニホールド２７を通じてアノードＡＮに供給する水素含有ガスを全てカソードＣＡで昇圧するデッドエンド構造が採用されてもよい。
【００９８】
また、例えば、アノードガス流路３３には、上記のとおり、水素含有ガスが流れ、カソードガス流路３２には、上記のとおり、水素（Ｈ２）が流れるが、これらのガス中の水素濃度は、１００％でなくてもよい。所望濃度の水素が含まれる水素含有ガスが流れればよい。
【００９９】
［動作］
以下、電気化学式水素ポンプ１００の水素昇圧動作の一例について、図面を参照しながら説明する。
【０１００】
以下の動作は、例えば、図示しない制御器の演算回路が、制御器の記憶回路から制御プログラムを読み出すことにより行われてもよい。ただし、以下の動作を制御器で行うことは、必ずしも必須ではない。操作者が、その一部の動作を行ってもよい。
【０１０１】
まず、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮに低圧の水素含有ガスが供給されるとともに、電圧印加器１０２の電圧が電気化学式水素ポンプ１００に給電される。
【０１０２】
すると、アノードＡＮのアノード触媒層１３において、酸化反応で水素含有ガス中の水素分子が水素イオン（プロトン）と電子とに分離する（式（１））。プロトンは電解質膜１１内を伝導してカソード触媒層１２に移動する。電子は電圧印加器１０２を通じてカソード触媒層１２に移動する。
【０１０３】
そして、カソード触媒層１２において、還元反応で水素分子が再び生成される（式（２））。なお、プロトンが電解質膜１１中を伝導する際に、所定水量の水が、電気浸透水としてアノードＡＮからカソードＣＡにプロトンと同伴して移動することが知られている。
【０１０４】
このとき、図示しない流量調整器を用いて、水素導出経路の圧損を増加させることにより、カソードＣＡで生成された水素（Ｈ２）を昇圧することができる。なお、水素導出経路として、例えば、図１Ａおよび図３のカソードガス導出経路２６を挙げることができる。
また、流量調整器として、例えば、水素導出経路に設けられた背圧弁、調整弁などを挙げることができる。
【０１０５】
アノード：Ｈ２（低圧）→２Ｈ＋＋２ｅ−      ・・・（１）
カソード：２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２（高圧）      ・・・（２）
このようにして、電気化学式水素ポンプ１００では、電圧印加器１０２で電圧を印加することで、アノードＡＮに供給される水素含有ガス中の水素がカソードＣＡにおいて昇圧される。これにより、電気化学式水素ポンプ１００の水素昇圧動作が行われ、カソードＣＡで昇圧された水素は、例えば、図示しない水素貯蔵器に一時的に貯蔵される。また、水素貯蔵器で貯蔵された水素は、適時に、水素需要体に供給される。なお、水素需要体として、例えば、水素を用いて発電する燃料電池などを挙げることができる。
【０１０６】
本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、カソードガス拡散層１４がカソード触媒層１２側のカソードガス拡散層１４の主面に撥水性のカーボン繊維層１４Ｒを備えることで、従来よりも水素昇圧動作時の効率を向上し得る。以下、理由を詳細に説明する。
【０１０７】
電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮとカソードＣＡとの間に電流が流れるとき、プロトンがアノードＡＮからカソードＣＡに水を同伴しながら電解質膜１１を移動する。このとき、アノードＡＮからカソードＣＡに移動した水は、電気化学式水素ポンプ１００の動作温度が所定温度以上の場合、水蒸気として存在するが、カソードＣＡの水素ガス圧が高圧になる程、液体の水として存在する割合が増加する。そして、カソードＣＡに液体の水が存在する場合、かかる水の一部は、カソードＣＡおよびアノードＡＮ間の差圧によってアノードＡＮに押し戻される。このとき、アノードＡＮに押し戻される水の量は、カソードＣＡの水素ガス圧が高圧になる程、増加する。すると、カソードＣＡの水素ガス圧が上昇するに連れて、アノードＡＮに押し戻された水によってアノードＡＮのフラディングが発生しやすくなる。このようなフラディングが発生することにより、アノードＡＮで水素含有ガスの拡散性が阻害される場合、電気化学式水素ポンプ１００の拡散抵抗の増加が増加する可能性があるので、電気化学式水素ポンプ１００の水素昇圧動作の効率が低下する恐れがある。
【０１０８】
ここで、電気化学式水素ポンプ１００の水素昇圧動作では、カソードＣＡの水素ガス圧が高圧になることで、電解質膜１１、アノード触媒層１３およびアノードガス拡散層１５が押圧される。すると、この押圧によって、電解質膜１１、アノード触媒層１３およびアノードガス拡散層１５はそれぞれ圧縮される。よって、カソードＣＡの水素ガス圧が高圧になる程、電解質膜１１、アノード触媒層１３およびアノードガス拡散層１５における水素ガス圧による圧縮量（ひずみ量）が大きくなる。このとき、仮に、カソード触媒層１２とカソードガス拡散層１４との間の密着性が低いと、両者間で隙間が生じやすい。そして、カソード触媒層１２とカソードガス拡散層１４との間で隙間が生じる場合、両者間の接触抵抗が増加する。すると、電圧印加器１０２で印加する電圧が増加することにより、電気化学式水素ポンプ１００の水素昇圧動作の効率を低下させる恐れがある。
【０１０９】
そこで、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、締結器２５による水素ポンプユニット１００Ａの締結前には、カソードセパレーター１６の凹部に収納したカソードガス拡散層１４を凹部からその厚み方向に所定の大きさではみ出して配設している。
【０１１０】
具体的には、図４に示すように、カソードガス拡散層１４は、締結器２５による水素ポンプユニット１００Ａの締結前は、カソードセパレーター１６の凹部からその厚み方向に、所望のはみ出し量Ｅ分、はみ出すように構成されている。また、カソードガス拡散層１４は、水素ポンプユニット１００Ａの締結の際には、締結器２５の締結力によって、水素ポンプユニット１００Ａの各部材が積層された積層方向に、上記のはみ出し量Ｅ分だけ圧縮される。つまり、締結器２５の締結によってカソードガス拡散層１４をその厚み方向に圧縮させ得るので、カソードＣＡの水素ガス圧が高圧になっても、カソードガス拡散層１４が、締結器２５による圧縮後の厚み（Ｔ−Ｅ）から圧縮前の厚みＴに戻る方向に弾性変形することにより、カソード触媒層１２とカソードガス拡散層１４との間の接触を適切に維持することができる。
【０１１１】
ところが、締結器２５の締結によってカソードガス拡散層１４をその厚み方向に圧縮させる構成を取ると、アノードＡＮで上記のフラディングの発生を助長させる可能性がある。具体的には、以上の構成を取ることでカソードガス拡散層１４の空隙が少なくなるので、カソードガス拡散層１４内の水素の流れが妨げられる。すると、水素の流れとともにカソードＣＡ外に排水される水の減少によって、カソードガス拡散層１４に一時的に滞留する水の量が増える。その結果、カソードＣＡおよびアノードＡＮ間の差圧によってアノードＡＮに押し戻される水の量がさらに増加するので、アノードＡＮでフラディングの発生が助長される。
【０１１２】
しかし、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、上記のとおり、カソードガス拡散層１４がカソード触媒層１２側のカソードガス拡散層１４の主面に撥水性のカーボン繊維層１４Ｒを備えることで、カーボン繊維層１４Ｒの外側に存在するカソードＣＡの水が、カーボン繊維層１４Ｒの撥水作用により、カソードＣＡおよびアノードＡＮ間の差圧によってアノードＡＮに押し戻されることが抑制される。その結果、カーボン繊維層１４Ｒの外側に存在する水は、水素とともにカソードＣＡから外部に排出されやすくなる。なお、カーボン繊維層１４Ｒの外側とは、カーボン繊維層１４Ｒを基準にして、カソード触媒層１２側をカーボン繊維層１４Ｒの内側としたときの反対側に相当する。換言すれば、カーボン繊維層１４Ｒを基準にして、カソードセパレーター１６側に相当する。
【０１１３】
以上により、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、カソードガス拡散層１４が撥水性のカーボン繊維層１４Ｒを備えない場合に比べて、アノードＡＮのフラディング発生が抑制され、アノードＡＮで水素含有ガスの拡散性が阻害される可能性を低減することができる。よって、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、電気化学式水素ポンプ１００の拡散抵抗の増加を軽減することで、水素昇圧動作時の効率に向上することができる。
【０１１４】
（第１実施例）
本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、締結器２５の締結によるカソードガス拡散層１４の上記の積層方向の圧縮量が、電気化学式水素ポンプ１００が上限値まで昇圧しているときの電解質膜１１、アノード触媒層１３およびアノードガス拡散層１５のそれぞれの上記の積層方向のひずみ量の合算値以上であること以外、実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様である。よって、両者に共通する構成の説明は省略する。
【０１１５】
ここで、電気化学式水素ポンプ１００の上限値は、水素供給システム２００の構成および運転条件などをもとに適宜の数に設定することができる。電気化学式水素ポンプ１００の上限値は、例えば、約２０ＭＰａであってもよいし、約４０ＭＰａであってもよいし、約８０ＭＰａであってもよい。
【０１１６】
このようにして、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、電気化学式水素ポンプ１００が上限値まで昇圧しているときの電解質膜１１、アノード触媒層１３およびアノードガス拡散層１５のそれぞれの上記の積層方向のひずみ量の合算値を考慮して、締結器２５の締結によるカソードガス拡散層１４の上記の積層方向の圧縮量を適切に決定している。よって、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、電気化学式水素ポンプ１００が上限値まで昇圧している場合でも、カソードガス拡散層１４が、締結器２５による圧縮後の厚み（Ｔ−Ｅ）から圧縮前の元の厚みＴに戻る方向に弾性変形することにより、カソード触媒層１２とカソードガス拡散層１４との間の接触を適切に維持することができる。
【０１１７】
本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、上記の特徴以外は、実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様であってもよい。
【０１１８】
（第２実施例）
本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、水素ポンプユニット１００Ａの各部材が積層された積層方向における締結器２５の締結によるカソードガス拡散層１４の圧縮量を、以下に説明する範囲に設定すること以外、実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様である。よって、両者に共通する構成の説明は省略する。
【０１１９】
締結器２５の締結によるカソードガス拡散層１４の積層方向（厚み方向）の圧縮量が、所定の適量よりも小さい場合、カソードＣＡの水素ガス圧が高圧になると、電解質膜１１、アノード触媒層１３およびアノードガス拡散層１５の積層方向のひずみに対して適切に追従しにくくなる可能性がある。この場合、カソード触媒層１２とカソードガス拡散層１４との間の接触を適切に維持することが困難になり、その結果、カソード触媒層１２とカソードガス拡散層１４との間の接触抵抗が増加する。
【０１２０】
逆に、締結器２５の締結によるカソードガス拡散層１４の積層方向（厚み方向）の圧縮量が、所定の適量よりも大きい場合、カソードガス拡散層１４の積層方向（厚み方向）への圧縮力が高くなる。そして、このとき、かかる圧縮力は、電解質膜１１、アノード触媒層１３およびアノードガス拡散層１５を押しつぶす方向に作用する。すると、例えば、水が通過するパスが減少したアノード触媒層１３上に水が滞留することで、アノードＡＮでフラディングが発生しやすくなる。
【０１２１】
そこで、締結器２５の締結によるカソードガス拡散層１４の積層方向（厚み方向）の圧縮量の適量範囲を、以下のカソードガス拡散層をその厚み方向に圧縮させる試験によって確認した。
【０１２２】
図５Ａは、カソードガス拡散層が厚み方向に圧縮した場合におけるカソードガス拡散層の面圧（圧力）とひずみ量との間の関係の一例を示す図である。なお、図５Ａの縦軸のひずみ量（％）は、カソードガス拡散層の厚み方向におけるカソードガス拡散層の圧縮量を、カソードガス拡散層が厚み方向に圧縮する前のカソードガス拡散層の厚みで割った値である。
【０１２３】
図５Ｂは、カソードガス拡散層が厚み方向に圧縮した場合におけるカソードガス拡散層の面圧（圧力）と抵抗との間の関係の一例を示す図である。
【０１２４】
図５Ａおよび図５Ｂで示されたデータは、適宜の圧縮試験機（図示せず）の載台に、カソードガス拡散層を載せ、カソードガス拡散層に対して圧縮力の付与および圧縮力の解放を繰り返すことで得られた実測値を模式的に表したものである。なお、図５Ｂで示されたデータは、カソードガス拡散層の抵抗を実測するための電極をカソードガス拡散層に接するように配置することで得られた。
【０１２５】
カソードガス拡散層のひずみ量が１０％に対応するカソードガス拡散層の面圧Ｐ１（図５Ａ参照）よりも低い圧力範囲において、図５Ｂに示すように、カソードガス拡散層の抵抗が急増することが分かった。よって、締結器２５の締結によるカソードガス拡散層１４の上記の積層方向の圧縮量は、締結器２５による締結前のカソードガス拡散層１４の厚みの１０％以上の大きさであることが望ましい。これにより、カソードガス拡散層１４とカソード触媒層１２との間で抵抗の増加を適切に抑制することができる。
【０１２６】
また、カソードガス拡散層のひずみ量が２０％に対応するカソードガス拡散層の面圧Ｐ２（図５Ａ参照）以上の圧力範囲において、図５Ｂに示すように、カソードガス拡散層の抵抗が低い値になることが分かった。よって、締結器２５の締結によるカソードガス拡散層１４の上記の積層方向の圧縮量は、締結器２５による締結前のカソードガス拡散層１４の厚みの２０％以上の大きさであることが望ましい。これにより、カソードガス拡散層１４とカソード触媒層１２との間で抵抗を安定的に低い値に保つことができる。
【０１２７】
なお、図５Ａに示すように、カソードガス拡散層１４の変形における限界を考慮して、締結器２５の締結によるカソードガス拡散層１４の上記の積層方向の圧縮量は、締結器２５による締結前のカソードガス拡散層１４の厚みの３０％以下の大きさであることが望ましい。
【０１２８】
本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、上記の特徴以外は、実施形態または第１実施例の電気化学式水素ポンプ１００と同様であってもよい。
【０１２９】
（第３実施例）
本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、撥水性のカーボン繊維層１４Ｒのカソード触媒層１２側の主面上に、撥水性樹脂とカーボンブラックとを含む撥水層を備えること以外は、実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様である。よって、両者に共通する構成の説明は省略する。
【０１３０】
例えば、カーボン繊維で構成されたカソードガス拡散層１４に、フッ素系樹脂などの撥水性樹脂およびカーボンブラックを含む材料を塗布することで、撥水性のカーボン繊維層１４Ｒのカソード触媒層１２側の主面上に、撥水層が形成される。つまり、この場合、カソードガス拡散層１４の撥水性のカーボン繊維層１４Ｒに、上記の撥水層が積層されている。なお、撥水性樹脂およびカーボンブラックを含む材料として、例えば、ＰＴＦＥの微粉末およびカーボンブラックを溶媒に分散させた溶液などを挙げることができる。また、かかる材料の塗布方法として、例えば、スプレー塗布法などを挙げることができる。
なお、上記塗布時間を長くすることで、上記溶液の一部を撥水性のカーボン繊維層１４Ｒ内に含浸させ、撥水性のカーボン繊維層１４Ｒと撥水層との混合層を、上記積層された撥水層と併せて設けてもよい。但し、このような撥水層の形成方法および構成は例示であって、本例に限定されない。
【０１３１】
以上により、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、撥水性樹脂とカーボンブラックとを含む撥水層を備えることで、撥水性のカーボン繊維層１４Ｒとともに撥水層によってカソードガス拡散層１４の撥水性を効果的に発現させることができる。
【０１３２】
また、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、カーボン繊維層１４Ｒとカソード触媒層１２との間に上記の撥水層を設けることで、かかる撥水層は、カソード触媒層１２および電解質膜１１にカーボン繊維が突き刺さることを適切に抑制可能な防護膜の機能を果たすこともできる。
【０１３３】
本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、上記の特徴以外は、実施形態および実施形態の第１実施例−第２実施例のいずれかの電気化学式水素ポンプ１００と同様であってもよい。
【０１３４】
（第４実施例）
本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、撥水性のカーボン繊維層１４Ｒが、カソード触媒層１２側の主面側に、撥水性樹脂とカーボンブラックとを含む撥水層との混合層を備える以外は、実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様である。よって、両者に共通する構成の説明は省略する。
【０１３５】
例えば、カーボン繊維で構成されたカソードガス拡散層１４に、フッ素系樹脂などの撥水性樹脂およびカーボンブラックを含む材料を含浸させることで、撥水性のカーボン繊維層１４Ｒと、撥水性樹脂とカーボンブラックとを含む撥水層との混合層が形成される。つまり、この場合、撥水性のカーボン繊維層１４Ｒの主面上に撥水層は積層されず、撥水性の混合層のみが設けられている。なお、撥水性樹脂およびカーボンブラックを含む材料として、例えば、ＰＴＦＥの微粉末およびカーボンブラックを溶媒に分散させた溶液などを挙げることができる。但し、このような撥水性の混合層の形成方法および構成は例示であって、本例に限定されない。
【０１３６】
以上により、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、混合層において、カーボン繊維に撥水性を持たせるだけでなく、カーボン繊維間の空隙に、撥水性樹脂およびカーボンブラックが入り込むことで、カソードガス拡散層１４の撥水性を効果的に発現させることができる。
【０１３７】
本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、上記の特徴以外は、実施形態および実施形態の第１実施例−第３実施例のいずれかの電気化学式水素ポンプ１００と同様であってもよい。
【０１３８】
（第１変形例）
本変形例の電気化学式水素ポンプ１００は、アノードガス拡散層１５は、複数の通気孔を備える金属シートを含み、カーボン繊維層は含まないこと以外は、実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様である。よって、両者に共通する構成の説明は省略する。
【０１３９】
複数の通気孔を備える金属シートとして、例えば、金属繊維焼結体または金属粉体焼結体をシート状にした金属部材などを挙げることができる。このような金属シートは、一般的に、カーボン繊維層に比べて剛性が高い。そこで、本変形例の電気化学式水素ポンプ１００は、アノードガス拡散層１５が、カーボン繊維層を含まないように構成することにより、アノードガス拡散層１５を、電気化学式水素ポンプ１００の動作時にアノードＡＮおよびカソードＣＡ間の差圧によって構成部材が変位、変形することを抑制可能な高剛性に構成することができる。つまり、かかる構成により、アノードガス拡散層１５の弾性率は、カソードガス拡散層１４の弾性率よりも高い。
【０１４０】
本変形例の電気化学式水素ポンプ１００は、上記の特徴以外は、実施形態および実施形態の第１実施例−第４実施例のいずれかの電気化学式水素ポンプ１００と同様であってもよい。
【０１４１】
（第２変形例）
本変形例の電気化学式水素ポンプ１００は、アノードガス拡散層１５が、アノード触媒層１３側の主面に撥水性の層を備えること以外は、実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様である。よって、両者に共通する構成の説明は省略する。
【０１４２】
例えば、アノードガス拡散層１５が、金属繊維焼結体または金属粉体焼結体で構成されている場合、フッ素系樹脂などの撥水性樹脂を含む材料を、上記の金属繊維焼結体または金属粉体焼結体に含浸させることで、金属繊維または金属粉体に撥水性を発現させもよい。なお、撥水性樹脂を含む材料として、例えば、ＰＴＦＥの微粉末を溶媒に分散させた溶液などを挙げることができる。但し、このような撥水性の層の形成方法および構成は例示であって、本例に限定されない。
【０１４３】
かかる撥水性の層では、アノードＡＮに存在する水は、アノードＡＮの水素含有ガスの流れによって、水素含有ガスとともにアノードＡＮ外のアノードガス導出マニホールド３０に移動しやすい。このため、本変形例の電気化学式水素ポンプ１００は、アノードガス拡散層１５がアノード触媒層１３側の主面に撥水性の層を備えることで、アノードガス拡散層１５に過剰な水が滞留する状態を改善できるので、アノードＡＮのフラッディング発生を適切に抑制することができる。
【０１４４】
本変形例の電気化学式水素ポンプ１００は、上記の特徴以外は、実施形態、実施形態の第１実施例−第４実施例および実施形態の第１変形例のいずれかの電気化学式水素ポンプ１００と同様であってもよい。
【０１４５】
（第３変形例）
第３実施例および第４実施例の電気化学式水素ポンプ１００では、撥水性樹脂とカーボンブラックとを含む撥水層を、撥水性樹脂およびカーボンブラックを含む材料を塗布または含浸させて、作製しているが、これに限定されない。
【０１４６】
本変形例では、撥水性樹脂とカーボンブラックとを含む撥水層のシートを作製し、このシートがカーボン繊維層上に設けられる。本シートは、例えば、カーボンブラックとＰＴＦＥなどのエラストマーを混錬、圧延した多孔性のシート材料などを用いられる。
【０１４７】
本変形例の電気化学式水素ポンプ１００は、上記の特徴以外は、実施形態、実施形態の第１実施例−第４実施例および実施形態の第１変形例−第２変形例のいずれかの電気化学式水素ポンプ１００と同様であってもよい。
【０１４８】
なお、実施形態、実施形態の第１実施例−第４実施例および実施形態の第１変形例−第３変形例は、互いに相手を排除しない限り、互いに組み合わせても構わない。
【０１４９】
上記説明から、当業者にとっては、本開示の多くの改良および他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本開示を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本開示の精神を逸脱することなく、その構造および／または機能の詳細を実質的に変更することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１５０】
本開示の一態様は、従来よりも水素昇圧動作時の効率を向上し得る電気化学式水素ポンプに利用することができる。
【符号の説明】
【０１５１】
１１      ：電解質膜
１２      ：カソード触媒層
１３      ：アノード触媒層
１４      ：カソードガス拡散層
１４Ｒ    ：カーボン繊維層
１５      ：アノードガス拡散層
１６      ：カソードセパレーター
１７      ：アノードセパレーター
２１      ：絶縁体
２２Ａ    ：アノード給電板
２２Ｃ    ：カソード給電板
２３Ａ    ：アノード絶縁板
２３Ｃ    ：カソード絶縁板
２４Ａ    ：アノード端板
２４Ｃ    ：カソード端板
２５      ：締結器
２６      ：カソードガス導出経路
２７      ：アノードガス導入マニホールド
２９      ：アノードガス導入経路
３０      ：アノードガス導出マニホールド
３１      ：アノードガス導出経路
３２      ：カソードガス流路
３３      ：アノードガス流路
３４      ：カソードガス通過経路
３５      ：第１アノードガス通過経路
３６      ：第２アノードガス通過経路
４０      ：シール部材
４２      ：シール部材
４３      ：シール部材
５０      ：カソードガス導出マニホールド
１００    ：電気化学式水素ポンプ
１００Ａ  ：水素ポンプユニット
１０２    ：電圧印加器
１１３    ：凝縮器
１１５    ：露点調整器
２００    ：水素供給システム
ＡＮ      ：アノード
ＣＡ      ：カソード
【図１Ａ】
2020020037.tif 000003
【図１Ｂ】
2020020037.tif 000004
【図２Ａ】
2020020037.tif 000005
【図２Ｂ】
2020020037.tif 000006
【図３】
2020020037.tif 000007
【図４】
2020020037.tif 000008
【図５Ａ】
2020020037.tif 000009
【図５Ｂ】
2020020037.tif 000010