(57)【要約】      （修正有）【課題】アノードガス拡散層の主面に設けられたアノードガス流路の応力集中によるアノードガス拡散層の損傷を従来よりも軽減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は、電解質膜１１、電解質膜の一方の主面に接するアノード触媒層１３と、電解質膜の他方の主面に接するカソード触媒層１２と、アノード触媒層に接するアノードガス拡散層１５と、カソード触媒層に接するカソードガス拡散層１４と、を備え、アノードガス拡散層１５は、前記アノード触媒層側と反対側の主面にアノードガス流路３３が設けられ、前記アノードガス流路の断面の屈曲部がＲ形状を有する。【選択図】図１Ｂ
2020152958.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜、
前記電解質膜の一方の主面に接するアノード触媒層と、
前記電解質膜の他方の主面に接するカソード触媒層と、
前記アノード触媒層に接するアノードガス拡散層と、
前記カソード触媒層に接するカソードガス拡散層と、を備え、
前記アノードガス拡散層は、前記アノード触媒層側と反対側の主面にアノードガス流路が設けられ、前記アノードガス流路の断面の屈曲部がＲ形状を有する電気化学式水素ポンプ。
【請求項２】
前記アノードガス流路の断面の底側の屈曲部がＲ形状を有する請求項１に記載の電気化学式水素ポンプ。
【請求項３】
前記アノードガス流路の断面の頂側の幅が前記アノードガス流路の断面の底側の幅に比べて小さい請求項１または２に記載の電気化学式水素ポンプ。
【請求項４】
前記アノードガス流路がリブを備え、前記リブの少なくとも一部の表面が撥水性である請求項１から３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では、固体高分子膜による電気化学式水素ポンプの膜−電極接合体（以下、ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）で水素を昇圧する際のＭＥＡのガス拡散層のシール構成が提案されている。
【０００５】
なお、このようなＭＥＡは、上記の電気化学式水素ポンプの他、例えば、固体高分子形燃料電池などでも使用されており、ＭＥＡのガス拡散層にガス流路を設けることが、すでに燃料電池で提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１７−２１８６６８号公報
【特許文献２】特開２０１４−１７５２８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本開示の一態様（aspect）は、一例として、アノードガス拡散層の主面に設けられたアノードガス流路の応力集中によるアノードガス拡散層の損傷を従来よりも軽減し得る電気化学式水素ポンプを提供することを課題とする。
【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、前記電解質膜の一方の主面に接するアノード触媒層と、前記電解質膜の他方の主面に接するカソード触媒層と、前記アノード触媒層に接するアノードガス拡散層と、前記カソード触媒層に接するカソードガス拡散層と、を備え、前記アノードガス拡散層は、前記アノード触媒層側と反対側の主面にアノードガス流路が設けられ、前記アノードガス流路の断面の屈曲部がＲ形状を有する。
【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、アノードガス拡散層の主面に設けられたアノードガス流路の応力集中によるアノードガス拡散層の損傷を従来よりも軽減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、第１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、第１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３Ａ】図３Ａは、第１実施形態の電気化学式水素ポンプのアノードガス拡散層の一例を示す図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、第１実施形態の電気化学式水素ポンプのアノードガス拡散層の一例を示す図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、第１実施形態の電気化学式水素ポンプのアノードガス拡散層の一例を示す図である。
【図３Ｄ】図３Ｄは、第１実施形態の電気化学式水素ポンプのアノードガス拡散層の一例を示す図である。
【図４Ａ】図４Ａは、アノードガス拡散層の主面に設けられたアノードガス流路の断面形状を構造解析シミュレーションで設計するための解析モデルの一例を示す図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、アノードガス拡散層の主面に設けられたアノードガス流路の断面形状を構造解析シミュレーションで設計するための解析モデルの一例を示す図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、アノードガス拡散層の主面に設けられたアノードガス流路の断面形状を構造解析シミュレーションで設計するための解析モデルの一例を示す図である。
【図４Ｄ】図４Ｄは、アノードガス拡散層の主面に設けられたアノードガス流路の断面形状を構造解析シミュレーションで設計するための解析モデルの一例を示す図である。
【図５Ａ】図５Ａは、図４Ａの解析モデルにおける解析結果の一例を示す図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、図４Ｂの解析モデルにおける解析結果の一例を示す図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは、図４Ｃの解析モデルにおける解析結果の一例を示す図である。
【図５Ｄ】図５Ｄは、図４Ｄの解析モデルにおける解析結果の一例を示す図である。
【図６】図６は、第２実施形態の電気化学式水素ポンプのアノードガス拡散層の一例を示す図である。
【図７】図７は、第３実施形態の電気化学式水素ポンプのアノードガス拡散層の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
特許文献２に記載の燃料電池には、上記のとおり、ＭＥＡのガス拡散層にガス流路が設けられている。
【００１２】
ここで、燃料電池の発電動作では、電極のガス圧は、電気化学式水素ポンプの水素昇圧動作における電極のガス圧のような高圧にならない。つまり、電気化学式水素ポンプの水素昇圧動作時には、電気化学式水素ポンプのカソード電極およびアノード電極間の差圧によって、電解質膜を介してアノード電極に高圧が付与されるが、このような差圧の影響は、特許文献２において検討されていない。
【００１３】
そこで、発明者らは、鋭意検討した結果、電気化学式水素ポンプのアノード電極に上記の高圧が付与されることで、アノードガス拡散層の主面に設けられたアノードガス流路の応力集中によってアノードガス拡散層が損傷する可能性を見出し、以下の本開示の一態様に想到した。
【００１４】
すなわち、本開示の第１態様の電気化学式水素ポンプは、電解質膜、電解質膜の一方の主面に接するアノード触媒層と、電解質膜の他方の主面に接するカソード触媒層と、アノード触媒層に接するアノードガス拡散層と、カソード触媒層に接するカソードガス拡散層と、を備え、アノードガス拡散層は、アノード触媒層側と反対側の主面にアノードガス流路が設けられ、アノードガス流路の断面の屈曲部がＲ形状を有する。
【００１５】
かかる構成によると、本態様の電気化学式水素ポンプは、アノードガス拡散層の主面に設けられたアノードガス流路の応力集中によるアノードガス拡散層の損傷を従来よりも軽減し得る。
【００１６】
具体的には、電気化学式水素ポンプのカソード電極およびアノード電極間の差圧によって、電解質膜を介してアノード電極に高圧が付与されるとき、アノードガス拡散層の主面に設けられたアノードガス流路の断面の形状が急に変化する屈曲部には、他の部分よりも大きい応力が発生する。
【００１７】
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の主面に設けられたアノードガス流路の断面の屈曲部がＲ形状を有することにより、カソード電極およびアノード電極間の差圧に基づくアノードガス流路の応力集中が緩和されるので、かかる応力集中によるアノードガス拡散層の損傷を抑制することができる。
【００１８】
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、アノードガス流路の断面の底側の屈曲部がＲ形状を有してもよい。
【００１９】
アノードガス拡散層の主面に設けられたアノードガス流路の断面の底側の屈曲部をＲ形状にすることで、アノードガス流路の屈曲部における応力集中が緩和することを、構造解析シミュレーションによって検証した。詳細は後で説明する。なお、「アノードガス流路の断面の底側」とは、アノードガス拡散層の、アノード触媒層側と反対側の主面における凹凸断面の凹側をいう。
【００２０】
以上により、本態様の電気化学式水素ポンプは、このような構造解析シミュレーションで得られた知見に基づいて、アノードガス拡散層の主面に設けられたアノードガス流路の断面の底側の屈曲部をＲ形状にすることで、アノードガス流路の応力集中によるアノードガス拡散層の損傷が効果的に抑制されている。
【００２１】
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、アノードガス流路の断面の頂側の幅がアノードガス流路の断面の底側の幅に比べて小さくてもよい。なお、「アノードガス流路の断面の頂側」とは、アノードガス拡散層の、アノード触媒層側と反対側の主面における凹凸断面の凸側をいう。
【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、アノードガス拡散層の主面に設けられたアノードガス流路の断面の頂側の幅がアノードガス流路の断面の底側の幅と等しい場合に比べて、アノードガス流路の断面積を大きくすることができる。これにより、本態様の電気化学式水素ポンプは、アノード電極におけるアノードガスのガス拡散性を向上させることができる。
【００２３】
ここで、例えば、電気化学式水素ポンプのアノード電極およびカソード電極間に電流が流れるとき、プロトンがアノード電極からカソード電極に水を同伴しながら電解質膜を移動する。このとき、アノード電極からカソード電極に移動した水（電気浸透水）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、カソード電極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、カソード電極に液体の水が存在する場合、かかる水の一部は、カソード電極およびアノード電極間の差圧によってアノード電極に押し戻され、アノード電極に押し戻される水の量は、カソード電極の水素ガス圧が高圧になる程、増加する。すると、カソード電極の水素ガス圧が上昇するに連れて、アノード電極に押し戻された水によってアノード電極のアノードガス拡散層でフラディングが発生しやすくなる。そして、このようなフラディングが発生することにより、アノード電極でガス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が増加することで、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。
【００２４】
そこで、本開示の第４態様の電気化学式水素ポンプは、第１態様から第３態様のいずれか一つの電気化学式水素ポンプにおいて、アノードガス流路がリブを備え、リブの少なくとも一部の表面が撥水性であってもよい。
【００２５】
かかる構成によると、本態様の電気化学式水素ポンプは、アノードガス拡散層の主面に設けられたアノードガス流路内に存在する水を、リブの少なくとも一部の表面を撥水性にすることで、例えば、アノードガスの流れによって、アノードガス流路外に排水しやすくなる。これにより、本態様の電気化学式水素ポンプは、アノードガス拡散層における水によるフラディングの発生が抑制され、その結果、アノード電極でガス拡散性を適切に維持することができる。
【００２６】
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。
【００２７】
（第１実施形態）
［装置構成］
図１Ａおよび図２Ａは、第１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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
水素ポンプユニット１００Ａは、電解質膜１１と、アノード電極ＡＮと、カソード電極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。
【００３２】
アノード電極ＡＮは、電解質膜１１の一方の主面上に設けられている。アノード電極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。
【００３３】
カソード電極ＣＡは、電解質膜１１の他方の主面上に設けられている。カソード電極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。
【００３４】
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、アノード電極ＡＮとカソード電極ＣＡとによって挟持されている。なお、カソード電極ＣＡ、電解質膜１１およびアノード電極ＡＮの積層体を、上記のＭＥＡという。
【００３５】
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。
【００３６】
アノード触媒層１３は、電解質膜１１の一方の主面に接している。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。
【００３７】
カソード触媒層１２は、電解質膜１１の他方の主面に接している。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。
【００３８】
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、黒鉛などのカーボン粒子、導電性の酸化物粒子などが挙げられるが、これらに限定されない。
【００３９】
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。
【００４０】
カソードガス拡散層１４は、カソード触媒層１２に接している。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電極ＣＡおよびアノード電極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粒子の焼結体などを用いてもよい。
【００４１】
アノードガス拡散層１５は、アノード触媒層１３に接している。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電極ＣＡおよびアノード電極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。
【００４２】
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は、カーボン多孔体シートを備えてもよい。この場合、カーボン多孔体シートの基材として、カーボン粒子、カーボン繊維などを素材とする焼結体を用いることができる。
【００４３】
ただし、アノードガス拡散層１５の基材は、上記の焼結体に限定されない。例えば、アノードガス拡散層１５の基材として、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もできる。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ができる。
【００４４】
アノードセパレーター１７は、アノード電極ＡＮ上に設けられた部材である。カソードセパレーター１６は、カソード電極ＣＡ上に設けられた部材である。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。
【００４５】
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。
【００４６】
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、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が設けられていてもよい。なお、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。ただし、このようなカソードガス流路３２の平面視の形状は、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、平面視において、複数の直線状の流路により構成されていてもよい。
【００４７】
アノードガス拡散層１５は、アノード触媒層１３側と反対側の主面（以下、第１主面）にアノードガス流路３３が設けられ、アノードガス流路３３の断面の屈曲部３３ＷがＲ（アール）形状を有する。例えば、アノードガス流路３３の断面の底側の屈曲部３３ＷがＲ形状を有する。なお、アノードガス流路３３は、例えば、金型成型などを用いて、アノードガス拡散層１５の第１主面に対して設けることができる。
【００４８】
ここで、図３Ａに示すように、アノードガス拡散層１５の第１主面に設けられたアノードガス流路３３の断面形状が略矩形である場合、屈曲部３３Ｗは、アノードガス流路３３の断面視において、アノードガス拡散層１５の厚み方向に対して、第１主面から平行に延伸する一対の側部の端のそれぞれと、この厚み方向に対して垂直に延伸する底部の両端のそれぞれとを結ぶ一対の円弧部であってもよい。
【００４９】
また、図３Ｂに示すように、アノードガス拡散層１５の第１主面に設けられたアノードガス流路３３の断面形状が逆Ｕ字形である場合、屈曲部３３Ｗは、アノードガス流路３３の断面視において、アノードガス拡散層１５の厚み方向に対して、第１主面から平行に延伸する一対の側部の端を結ぶ半円部であってもよい。
【００５０】
また、図３Ｃに示すように、アノードガス拡散層１５の第１主面に設けられたアノードガス流路３３の断面形状が略三角形である場合、屈曲部３３Ｗは、アノードガス流路３３の断面視において、アノードガス拡散層１５の厚み方向に対して、第１主面から斜めに延伸する一対の側部の端を結ぶ円弧部であってもよい。このとき、一対の側部は、等辺であってもよい。
【００５１】
また、図３Ｄに示すように、アノードガス拡散層１５の第１主面に設けられたアノードガス流路３３Ｂの断面形状が半円形である場合、屈曲部３３Ｗは、アノードガス流路３３の断面視において、アノードガス拡散層１５の第１主面から延伸する半円部であってもよい。
【００５２】
以上のように、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、アノードセパレーター１７には流路溝を設けずに、アノードセパレーター１７の平坦部に接触するアノードガス拡散層１５の第１主面に、平面視において、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、図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃまたは図３Ｄに示された断面形状のように構成されている。なお、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。
【００５３】
ただし、上記のアノードガス流路３３の断面形状およびアノードガス流路３３の断面の屈曲部３３Ｗは、例示であって本例に限定されない。また、上記のアノードガス流路３３の平面視の形状は、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、平面視において、複数の直線状の流路により構成されていてもよい。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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から流出する水素（Ｈ２）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。
【００６２】
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、カソード電極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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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、アノード電極ＡＮに供給されるアノードガスが流通する配管で構成されていてもよい。なお、このようなアノードガスとして、例えば、水蒸気を含む水素含有ガスなどを挙げることができる。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。
【００６７】
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に供給されたアノードガスは、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、分配されたアノード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にアノードガスが供給される。
【００６８】
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、アノード電極ＡＮから排出されるアノード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。
【００６９】
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を通過したアノードガスが、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、合流されたアノードガスが、アノードガス導出経路３１に導かれる。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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間に電圧を印加する装置である。つまり、電気化学式水素ポンプ１００は、電圧印加器１０２が上記の電圧を印加することで、アノード触媒層１３上に供給されたアノードガス中の水素を、カソード触媒層１２上に移動させ、かつ昇圧する装置である。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
図示を省略するが、上記の電気化学式水素ポンプ１００を備える水素供給システムを構築することもできる。この場合、水素供給システム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。
【００７７】
例えば、水素供給システムには、アノードガス導出経路３１を通じてアノード電極ＡＮから排出される高加湿状態の水素含有のアノードガスと、アノードガス導入経路２９を通し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のアノード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（例えば、加湿器）が設けられていてもよい。このとき、外部の水素供給源の水素含有のアノードガスは、例えば、水電解装置で生成されてもよい。
【００７８】
また、水素供給システムには、例えば、電気化学式水素ポンプ１００の温度を検出する温度検出器、電気化学式水素ポンプ１００のカソード電極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出する圧力検出器などが設けられていてもよい。
【００７９】
なお、上記の電気化学式水素ポンプ１００の構成、および、水素供給システムにおける図示しない様々な機器は例示であって、本例に限定されない。
【００８０】
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を通してアノード電極ＡＮに供給するアノードガス中の水素を全てカソード電極ＣＡで昇圧するデッドエンド構造が採用されてもよい。
【００８１】
[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。
【００８２】
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。また、以下では、電気化学式水素ポンプ１００のアノード電極ＡＮに、アノードガスとして、水蒸気を含む水素含有ガスが供給される場合について説明する。
【００８３】
まず、電気化学式水素ポンプ１００のアノード電極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。
【００８４】
すると、アノード電極ＡＮのアノード触媒層１３において、酸化反応で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。
【００８５】
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電極ＡＮからカソード電極ＣＡにプロトンと同伴して移動することが知られている。
【００８６】
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、カソード電極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２Ａ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。
【００８７】
アノード電極：Ｈ２（低圧）→２Ｈ＋＋２ｅ−      ・・・（１）
カソード電極：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が上記の電圧を印加することで、アノード電極ＡＮに供給される水素含有ガス中の水素がカソード電極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、カソード電極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。
【００８８】
本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、上記のとおり、アノードガス拡散層１５は、第１主面にアノードガス流路３３が設けられている。これにより、アノードガス拡散層１５に、例えば、金型成型などを用いてアノードガス流路３３を簡易に設けることができる。よって、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、例えば、金属製のアノードセパレーター１７に流路を切削加工する場合に比べて、流路を形成しやすくなる。
【００８９】
また、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、上記のとおり、アノードガス流路３３の断面の屈曲部３３ＷがＲ形状を有する。これにより、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、アノードガス拡散層１５の第１主面に設けられたアノードガス流路３３の応力集中によるアノードガス拡散層１５の損傷を従来よりも軽減し得る。
【００９０】
具体的には、電気化学式水素ポンプ１００のカソード電極ＣＡおよびアノード電極ＡＮ間の差圧によって、電解質膜１１を介してアノード電極ＡＮに高圧が付与されるとき、アノードガス拡散層１５の第１主面に設けられたアノードガス流路３３の断面の形状が急に変化する屈曲部には、他の部分よりも大きい応力が発生する。
【００９１】
そこで、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、アノードガス拡散層１５の第１主面に設けられたアノードガス流路３３の断面の屈曲部３３ＷをＲ形状にすることにより、カソード電極ＣＡおよびアノード電極ＡＮ間の差圧に基づくアノードガス流路３３の応力集中が緩和されるので、かかる応力集中によるアノードガス拡散層１５の損傷を抑制することができる。
【００９２】
（構造解析シミュレーション）
次に、アノードガス拡散層１５の第１主面に設けられたアノードガス流路３３の断面形状の構造解析シミュレーションによる設計の一例について説明する。
【００９３】
アノードガス流路３３の断面をコンピュータ上に再現（メッシュ分割によるモデル化）することで、以下の構造解析シミュレーションを行った。
【００９４】
これにより、アノードガス拡散層１５の断面の応力を数値化し得るとともに、コンピュータ画面上でアノードガス拡散層１５の断面の応力分布を可視化し得るので、アノードガス拡散層１５の第１主面に設けられたアノードガス流路３３の様々な断面形状の設計を簡便に行うことができる。
【００９５】
なお、このような構造解析シミュレーションは、様々な公知の構造解析ソフトで行うことができる。よって、構造解析ソフトの説明は省略する。
【００９６】
＜解析モデルおよび解析条件＞
図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃおよび図４Ｄは、アノードガス拡散層の第１主面に設けられたアノードガス流路の断面形状を構造解析シミュレーションで設計するための解析モデルの一例を示す図である。
【００９７】
図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃおよび図４Ｄの解析モデルのそれぞれにおいて、アノードガス拡散層１５に設けられたアノードガス流路３３に対応する領域の幅ＬＡ、ＬＢ、ＬＣ、ＬＤは、同じ寸法に設定されている。また、この領域のピッチＰＡ、ＰＢ、ＰＣ、ＰＤも、同じ寸法であって、上記の領域の幅ＬＡ、ＬＢ、ＬＣ、ＬＤの２倍の値に設定されている。つまり、上記の領域の幅ＬＡ、ＬＢ、ＬＣ、ＬＤは、アノードガス拡散層１５に対応する計算対象領域（メッシュ分割領域）における凸部の幅と等しい。
【００９８】
また、図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃおよび図４Ｄの解析モデルのそれぞれにおいて、アノードガス拡散層１５に対応する計算対象領域における紙面に垂直な方向の長さは、上記のピッチＰＡ、ＰＢ、ＰＣ、ＰＤと同じ寸法に設定されている。
【００９９】
ここで、図４Ａの実施例Ａの解析モデルは、矩形断面の屈曲部がＲ形状を有するアノードガス流路３３（図３Ａ）に相当するモデルである。なお、本解析モデルでは、アノードガス流路３３の屈曲部３３Ｗに対応する円弧部の曲率半径ＲＡは、例えば、上記の幅ＬＡが「Ｌ」である場合、「Ｌ／４」に設定されている。
【０１００】
図４Ｂの実施例Ｂの解析モデルは、断面形状が逆Ｕ字形のアノードガス流路３３（図３Ｂ）に相当するモデルである。なお、本解析モデルでは、アノードガス流路３３の屈曲部３３Ｗに対応する半円部の曲率半径ＲＢは、例えば、上記の幅ＬＢが「Ｌ」である場合、「Ｌ／２」に設定されている。
【０１０１】
図４Ｃの実施例Ｃの解析モデルは、三角形断面の屈曲部がＲ形状を有するアノードガス流路３３（図３Ｃ）に相当するモデルである。なお、本解析モデルでは、アノードガス流路３３の屈曲部３３Ｗに対応する円弧部の曲率半径ＲＣは、例えば、上記の幅ＬＣが「Ｌ」である場合、「Ｌ／５」に設定されている。
【０１０２】
図４Ｄの比較例の解析モデルは、断面形状が矩形のアノードガス流路に相当するモデルである。つまり、本解析モデルでは、アノードガス流路の断面の屈曲部がＲ形状を有しておらず、本断面の屈曲部は、直角に近い形態で折れている。
【０１０３】
また、実施例Ａ、実施例Ｂ、実施例Ｃおよび比較例の解析モデルにおいて、アノード電極ＡＮにおけるアノードガスのガス拡散性を同一条件で比較する視点で、アノードガス流路３３に対応する領域の断面積が同じになるよう、解析モデルのそれぞれの上下方向の長さが調整されている。
【０１０４】
さらに、実施例Ａ、実施例Ｂ、実施例Ｃおよび比較例の解析モデルの物性条件として、アノードガス拡散層１５に対応する計算対象領域（メッシュ分割領域）に、ヤング率Ｅとして１３ＧＰａを、ポアソン比νとして０．３を、それぞれ付与した。なお、これらのヤング率Ｅおよびポアソン比νは、例えば、アノードガス拡散層１５の基材としてカーボン多孔体を想定することで付与されている。
【０１０５】
また、実施例Ａ、実施例Ｂ、実施例Ｃおよび比較例の解析モデルの荷重条件として、アノードガス拡散層１５とアノード触媒層１３との接触面に対応する計算対象領域のそれぞれの境界面ＢＳに、４０ＭＰａの均一な圧縮応力を付与した。なお、この圧縮応力は、例えば、電気化学式水素ポンプ１００のカソード電極ＣＡおよびアノード電極ＡＮ間の差圧の最大値が約４０ＭＰａ程度であることを想定することで付与されている。
【０１０６】
ただし、以上の解析モデルおよび解析条件は、例示であって本例に限定されない。
【０１０７】
＜解析結果＞
図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃおよび図５Ｄはそれぞれ、図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃおよび図４Ｄのそれぞれの解析モデルにおける解析結果の一例を示す図である。つまり、図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃおよび図５Ｄには、上記の解析条件下での応力分布をグレースケールで示すとともに、最大応力σｍａｘが示されている。なお、図中のグレースケールの濃い部分は、淡い部分に比べて、応力が大きい領域を表している。
【０１０８】
実施例Ａの最大応力σｍａｘ（σｍａｘ＝１６１．１ＭＰａ）、実施例Ｂの最大応力σｍａｘ（σｍａｘ＝１３４．１ＭＰａ）、および、実施例Ｃの最大応力σｍａｘ（σｍａｘ＝１２４．４ＭＰａ）はいずれも、比較例の最大応力σｍａｘ（σｍａｘ＝２７３．０ＭＰａ）に比べて小さい。
【０１０９】
また、例えば、実施例Ｂの応力分布図および実施例Ｃの応力分布図と、比較例の応力分布図との比較から容易に理解できるとおり、実施例Ｂおよび実施例Ｃのグレースケールの濃い部分の面積が、比較例のグレースケールの濃い部分の面積よりも小さい。
【０１１０】
以上のとおり、アノードガス拡散層１５の第１主面に設けられたアノードガス流路３３の断面の底側の屈曲部３３ＷをＲ形状にすることで、アノードガス流路３３の屈曲部３３Ｗにおける応力集中が緩和することを、構造解析シミュレーションによる最大応力の数値化および応力分布の可視化によって検証することができた。
【０１１１】
よって、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、このような構造解析シミュレーションで得られた知見に基づいて、アノードガス拡散層１５の第１主面に設けられたアノードガス流路３３の断面の底側の屈曲部３３ＷをＲ形状にすることにより、アノードガス流路３３の応力集中によるアノードガス拡散層１５の損傷が効果的に抑制されている。
【０１１２】
特に、最大応力σｍａｘおよびグレースケールの濃い部分の面積が、実施例Ｃにおいて最小になる。よって、図３Ｃの如く、三角形断面の屈曲部３３ＷがＲ形状を有するアノードガス流路３３をアノードガス拡散層１５に設けるとき、アノードガス流路３３の屈曲部３３Ｗにおける応力集中を最も緩和し得ることが分かった。
【０１１３】
（第２実施形態）
図６は、第２実施形態の電気化学式水素ポンプのアノードガス拡散層の一例を示す図である。
【０１１４】
本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、以下に説明するアノードガス拡散層１５の構成以外は、第１実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様である。
【０１１５】
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の第１主面に設けられたアノードガス流路１３３の断面の頂側の幅Ｌ１が、このアノードガス流路１３３の断面の底側の幅Ｌ２に比べて小さい。
【０１１６】
具体的には、図６に示すように、アノードガス拡散層１５の第１主面に設けられたアノードガス流路１３３の断面形状が略台形である場合、屈曲部１３３Ｗは、アノードガス流路１３３の断面視において、アノードガス拡散層１５の厚み方向に対して、第１主面から斜めに延伸する一対の側部の端のそれぞれと、この厚み方向に対して垂直に延伸する底部の両端のそれぞれとを結ぶ一対の円弧部であってもよい。
【０１１７】
以上により、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、アノードガス拡散層１５の第１主面に設けられたアノードガス流路の断面の頂側の幅Ｌ１がアノードガス流路の断面の底側の幅Ｌ２と等しい場合に比べて、アノードガス流路１３３の断面積を大きくすることができる。これにより、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、アノード電極ＡＮにおけるアノードガスのガス拡散性を向上させることができる。
【０１１８】
本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、上記の特徴以外は、第１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。例えば、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００が奏する上記以外の作用効果は、第１実施形態の電気化学式水素ポンプ１００の作用効果と同様であるので説明を省略する。
【０１１９】
（第３実施形態）
図７は、第３実施形態の電気化学式水素ポンプのアノードガス拡散層の一例を示す図である。
【０１２０】
本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、以下に説明するアノードガス拡散層１５の構成以外は、第１実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様である。
【０１２１】
ここで、例えば、電気化学式水素ポンプ１００のアノード電極ＡＮおよびカソード電極ＣＡ間に電流が流れるとき、プロトンがアノード電極ＡＮからカソード電極ＣＡに水を同伴しながら電解質膜１１を移動する。このとき、アノード電極ＡＮからカソード電極ＣＡに移動した水（電気浸透水）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、カソード電極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、カソード電極ＣＡに液体の水が存在する場合、かかる水の一部は、カソード電極ＣＡおよびアノード電極ＡＮ間の差圧によってアノード電極ＡＮに押し戻され、アノード電極ＡＮに押し戻される水の量は、カソード電極ＣＡの水素ガス圧が高圧になる程、増加する。すると、カソード電極ＣＡの水素ガス圧が上昇するに連れて、アノード電極ＡＮに押し戻された水によってアノード電極ＡＮのアノードガス拡散層１５でフラディングが発生しやすくなる。そして、このようなフラディングが発生することにより、アノード電極ＡＮでガス拡散性が阻害される場合、電気化学式水素ポンプ１００の拡散抵抗が増加することで、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。
【０１２２】
そこで、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の第１主面に設けられたアノードガス流路３３がリブ３３Ｒを備え、リブ３３Ｒの少なくとも一部の表面が撥水性である。例えば、リブ３３Ｒの表面層３３Ｓの少なくとも一部が撥水層（図示せず）を含んでいてもよいし、リブ３３Ｒの表面層３３Ｓの少なくとも一部に撥水層（図示せず）が設けられていてもよい。これにより、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、このような撥水層により、アノードガス流路３３のリブ３３Ｒに撥水性が付与される。
【０１２３】
例えば、リブ３３Ｒが、カーボン粒子を素材とする焼結体である場合、この焼結体に、フッ素系樹脂などの撥水性樹脂を含む材料を含浸させることで、リブ３３Ｒの表面層３３Ｓの少なくとも一部が撥水層を含むように構成してもよい。また、例えば、リブ３３Ｒの表面層３３Ｓの少なくとも一部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、この表面層３３Ｓ上に撥水層を設けるように構成してもよい。
【０１２４】
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、撥水性樹脂を含む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。
【０１２５】
ただし、上記の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。
【０１２６】
以上により、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、アノードガス拡散層１５の第１主面に設けられたアノードガス流路３３内に存在する水を、リブ３３Ｒの少なくとも一部の表面を撥水性にすることで、例えば、アノードガスの流れによって、アノードガス流路３３外に排水しやすくなる。これにより、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、アノードガス拡散層１５における水によるフラディングの発生が抑制され、その結果、アノード電極ＡＮでガス拡散性を適切に維持することができる。
【０１２７】
本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、上記の特徴以外は、第１実施形態または第２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。例えば、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００が奏する上記以外の作用効果は、第１実施形態の電気化学式水素ポンプ１００の作用効果と同様であるので説明を省略する。
【０１２８】
（変形例）
上記では、リブ３３Ｒの少なくとも一部の表面に撥水性を付与することを説明したが、撥水性を付与する部分はこれに限定されない。例えば、アノードガス拡散層１５のアノード触媒層１３側の主面（以下、第２主面）が撥水性であってもよい。
【０１２９】
以上により、本変形例の電気化学式水素ポンプ１００は、カソード電極ＣＡおよびアノード電極ＡＮ間の差圧によってアノード電極ＡＮに押し戻された水を、上記の第２主面においてアノードガスの流れによって速やかに外部に排水することができる。よって、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における水によるフラディングの発生が抑制され、その結果、アノード電極ＡＮでガス拡散性を適切に維持することができる。
【０１３０】
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、第１実施形態、第２実施形態および第３実施形態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。
【０１３１】
なお、第１実施形態、第２実施形態、第３実施形態および第３実施形態の変形例は、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。
【０１３２】
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。
【０１３３】
例えば、アノードガス拡散層１５の第２主面のピーク気孔径が電解質膜１１の膜厚よりも小さい方が望ましい。電解質膜１１の膜厚は、例えば、約２０μｍ〜約５０μｍ程度であるが、これに限定されない。このようなピーク気孔径は、例えば、水銀ポロシメータ（商品名：オートポアIII９４１０、株式会社島津製作所製）で評価可能である。この装置は、細孔への水銀の圧入を利用して、数ｎｍ〜５００μｍ程度の気孔径を有する気孔の容積を測定することができる。そして、アノードガス拡散層１５の第２主面のそれぞれの気孔の容積と固体部分とから、これらの気孔率を知ることができる。なお、本測定装置は、例示であって本例に限定されない。
【０１３４】
仮に、アノードガス拡散層１５の第２主面のピーク気孔径が電解質膜１１の膜厚以上である場合、電気化学式水素ポンプ１００の水素昇圧運転時に発生するカソード電極ＣＡおよびアノード電極ＡＮ間の差圧によって、電解質膜１１が、かかる第２主面の気孔内に落ち込むことに起因して電解質膜１１が破断する可能性がある。しかし、本例の電気化学式水素ポンプ１００は、上記の第２主面のピーク気孔径を電解質膜１１の膜厚よりも小さくすることで、このような可能性を低減することができる。
【０１３５】
また、例えば、アノードガス拡散層１５は、アノード触媒層１３側の第２主面を含む表面層の気孔率が約３０％以上であることが望ましい。なお、このような気孔率は、例えば、上記の測定装置を用いて評価可能である。
【０１３６】
仮に、アノードガス拡散層１５における上記の表面層の気孔率が３０％未満である場合、アノードガス拡散層１５のアノード触媒層１３へのガス拡散性を適切に確保できない恐れがある。しかし、本例の電気化学式水素ポンプ１００は、この表面層の気孔率を３０％以上にすることで、アノードガス拡散層１５において外部と通じた気孔（連通孔）が形成されやすくなるので、アノードガス拡散層１５におけるアノード触媒層１３へのガス拡散性が確保され得る。これにより、アノードガス拡散層１５に設けられたアノードガス流路３３からのアノードガスをアノード触媒層１３に適切に供給することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１３７】
本開示の一態様は、アノードガス拡散層の主面に設けられたアノードガス流路の応力集中によるアノードガス拡散層の損傷を従来よりも軽減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】
【０１３８】
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
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
３３Ｂ          ：アノードガス流路
３３Ｒ          ：リブ
３３Ｓ          ：表面層
３３Ｗ          ：屈曲部
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
１３３          ：アノードガス流路
１３３Ｗ        ：屈曲部
ＡＮ            ：アノード電極
ＢＳ            ：境界面
ＣＡ            ：カソード電極
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図６】
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【図７】
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