(57)【要約】【課題】作動流体と電解質膜・電極接合体の電極との接触効率を改善し、作動流体の搬送効率の高い電気化学式圧縮機およびそれを用いたヒートポンプ装置を提供する。【解決手段】アノード給電板１２８に、電解質膜・電極接合体の第一電極が相対するアノード第一面１５８と、その反対側のアノード第二面１６０を貫くように作動流体が通過する拡散流路１５２を設けた構成としてある。これにより、電解質膜・電極接合体１３０の第一電極の全面に流速の遅い作動流体を均一に接触させることができ、作動流体の搬送効率を上げることができる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともアノード給電板と、電解質膜・電極接合体と、カソード給電板とで構成され、前記アノード給電板の電解質膜・電極接合体と相対する側と反対側には作動流体の貯留空間を設け、前記アノード給電板または前記アノード、カソード各給電板の両方に、前記各給電板と前記電解質膜・電極接合体の電極とが相対する面とその反対側の面を貫くように桟によって形成された拡散流路を備えた電気化学式圧縮機。
【請求項２】
拡散流路の形状が柱体を組合せた空間で構成された請求項１に記載の電気化学式圧縮機。
【請求項３】
アノード給電板またはアノード、カソード各給電板と電解質膜・電極接合体の電極が相対する面の拡散流路の断面積が、その反対側の面の拡散流路の断面積と異なる請求項１または２に記載の電気化学式圧縮機。
【請求項４】
アノード給電板またはアノード、カソード各給電板と電解質膜・電極接合体の電極が相対する面の拡散流路の断面積が、その反対側の面の拡散流路の断面積より広い請求項１から３のいずれか１項に記載の電気化学式圧縮機。
【請求項５】
拡散流路の断面形状を格子状に形成した請求項１から４のいずれか１項に記載の電気化学式圧縮機。
【請求項６】
給電板の桟を押える弾性部材とその弾性部材を押える固定板とを備え、前記弾性部材が前記桟のそれぞれに荷重がかかるように配置され、前記桟の長手方向の長さをａとしたとき、少なくとも前記弾性部材が前記桟の長手方向の中心線を中心にして０．５ａの範囲内に配置された請求項１から５のいずれか１項に記載の電気化学式圧縮機。
【請求項７】
弾性部材の各桟にかかる合成力の中心が前記桟の長手方向の中心線を中心にして０．２５ａの範囲内に配置された請求項６記載の電気化学式圧縮機。
【請求項８】
弾性部材が絶縁物もしくは絶縁処理された請求項６または７に記載の電気化学式圧縮機。
【請求項９】
弾性部材に前記弾性部材とアノード、カソード各給電板とが接触する面と前記弾性部材のそのほかの面とを連通する連通路を設けた請求項６から８のいずれか１項に記載の電気化学式圧縮機。
【請求項１０】
少なくとも、圧縮機、凝縮器、膨張機構、蒸発器を配管によって連結した冷媒回路を有し、前記圧縮機を請求項１から９のいずれか１項に記載の電気化学式圧縮機としたヒートポンプ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電気化学式圧縮機およびそれを用いたヒートポンプ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境保護に対する要求はますます強まってきており、エアコンやその他のヒートポンプ装置においても高効率化が強く要望されている。そのような中、通常の機械式圧縮機に代わり、新たな圧縮方式の一つとして燃料電池に用いられるような電解質膜・電極接合体を用いた「電気化学式圧縮」と呼ばれる方式が提唱されている。
上記「電気化学式圧縮」の原理は以下のようなものである。すなわち、電解質膜・電極接合体に電位差を与えると、その触媒層において電離反応によって作動流体の水素がプロトン（Ｈ＋）に変化し、電解質膜・電極接合体の電位の高い側から電位の低い側へと移動する。このとき、プロトンは、冷媒となる極性物質を伴って電解質膜の中を移動する。この現象を利用して冷媒を圧縮する圧縮機が「電気化学式圧縮機」である。
【０００３】
ここで、上記電気化学式圧縮は、その作動流体に、冷媒となる水、アルコール、アンモニアなどの極性物質と冷媒を圧縮するために必要な水素の混合物が用いられる。
【０００４】
上記、電気化学式圧縮機の冷凍能力向上および効率向上を図るためには、電解質膜・電極接合体の全面に均一に作動流体を接触させる必要がある。この課題に対して、開示された技術は無いが、類似の技術として燃料電池に使用されるセパレータがある。
【０００５】
従来の燃料電池のスタックは、少なくとも集電板、電解質膜・電極接合体、セパレータ、固定板とで構成されており、この構成部品の一つであるセパレータは、電解質膜・電極接合体の電極に作動流体を均一に接触させるという機能があり、セパレータに拡散流路を備えたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
図１８は、特許文献１に記載された従来の燃料電池に用いられているセルの分解斜視図である。図１９は、同文献に記載された従来の燃料電池のセパレータに用いられている拡散流路の平面図である。
【０００７】
図１８に示すように、燃料電池に用いられているセル２２は電解質膜・電極接合体３０を挟むように両側にセパレータ４４が配置されている。そして、このセル２２を複数個並べてそれらの両端を金属製の集電板４２で挟み、さらにその外側を固定板２６で締め付けてスタック２４を構成する。
【０００８】
セパレータ４４は電解質膜・電極接合体３０の電極と集電板を電気的に導通させるため、樹脂を含浸させた導電性の高い炭素材料からなる。また、図１９に示すように、セパレータ４４にはサーペンタイン形状の細溝からなる拡散流路４６が設けられている。
【０００９】
燃料電池の運転において、作動流体は改質機（図示せず）から圧力が高く、流速の速い状態でセパレータ４４に供給される。そのため、拡散流路４６をサーペンタイン形状の細溝からなる長い流路とすることで、電解質膜・電極接合体３０の電極の全面に均一に接触させることができ、効率よく電気を作り出すことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００６−３５１２２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上記従来の構成は、これをそのまま電気化学式圧縮機のシステムに適用しても、電解質膜・電極接合体の電極の全面に均一に作動流体を接触させることができない可能性がある。すなわち、電気化学式圧縮機を用いたシステムにおいては、電気化学式圧縮によって作動流体を搬送するため、作動流体の流速が遅く、サーペンタイン形状の細溝の拡散流路では、入口付近で作動流体のほとんどが反応してしまい、電解質膜・電極接合体の電極の全面に均一に作動流体を接触させることができない可能性があるのである。
【００１２】
本発明は、このような問題を解決すべくなしたもので、作動流体と電解質膜・電極接合体の電極との接触効率を改善し、作動流体の搬送効率の高い電気化学式圧縮機およびそれを用いたヒートポンプ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記目的を達成するために、本発明の電気化学式圧縮機およびそれを用いたヒートポンプ装置は、給電板に、電解質膜・電極接合体の電極が相対する面とその反対側の面を貫くように作動流体が通過する拡散流路を設けたものである。
【００１４】
これによって、流速の遅い作動流体を電解質膜・電極接合体の電極全面に均一に接触させることができ、作動流体の搬送効率を上げることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の電気化学式圧縮機およびそれを用いたヒートポンプ装置は、作動流体の搬送効率を上げることができるので、能力および効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ装置の構成を示す模式図
【図２】同実施の形態における電気化学式圧縮機の構成を示す模式図
【図３】同実施の形態における電解質膜・電極複合体の構成図
【図４】同実施の形態におけるアノード給電板を貫通する拡散流路の断面図
【図５】同実施の形態におけるアノード給電板の電解質膜・電極接合体の電極と相対する面の外観図
【図６】同実施の形態におけるアノード給電板の電解質膜・電極接合体の電極と相対する面と反対側の面の外観図
【図７】同実施の形態における電気化学式圧縮機内部の作動流体と電子の流れを示す概念図
【図８】同実施の形態における電気化学式圧縮機のアノード給電板に発生する歪を示す模式図
【図９】同実施の形態における桟部を押えずに固定した場合のアノード給電板の桟部の歪の３次元計測図
【図１０】同実施の形態におけるアノード給電板の桟部を押える弾性部材の配置を示す電気化学式圧縮機の断面図
【図１１】同実施の形態における電気化学式圧縮機に用いられる拡散流路を備えた給電板の平面図
【図１２】同実施の形態における桟部を押えずに固定した場合のアノード給電板と電解質膜・電極接合体との接触状態図
【図１３】同実施の形態におけるアノード給電板の桟部の押えが不十分な場合の弾性部材の配置例を示す平面図
【図１４】同実施の形態におけるアノード給電板の桟部を押えが不十分な場合のアノード給電板と電解質膜・電極接合体の接触状態図
【図１５】同実施の形態におけるアノード給電板の桟部を適切に押えた場合の弾性部材の配置例を示す平面図
【図１６】同実施の形態における弾性部材の配置とアノード給電板と電解質膜・電極接合体の接触状態図
【図１７】同実施の形態における弾性部材の構成図
【図１８】従来の燃料電池に用いられているセルの分解斜視図
【図１９】従来の燃料電池のセパレータに用いられている拡散流路の平面図
【発明を実施するための形態】
【００１７】
第１の発明は、電気化学式圧縮機であり、その電気化学式圧縮機は、少なくともアノード給電板と、電解質膜・電極接合体と、カソード給電板とで構成され、前記アノード給電板の電解質膜・電極接合体と相対する側と反対側に作動流体の貯留空間を設け、前記アノード給電板または前記アノード、カソード各給電板の両方に、前記各給電板と前記電解質膜・電極接合体の電極とが相対する面とその反対側の面を貫くように桟によって形成された拡散流路を備えた構成としてある。
【００１８】
これにより、流速の遅い作動流体を電解質膜・電極接合体の電極全面に均一に接触させることができ、作動流体の搬送効率が向上し、システム効率を向上できる。
【００１９】
第２の発明は、第１の発明において、前記拡散流路の形状は柱体を組合せた空間で形成してある。
【００２０】
これにより、簡単な形状の組合せで拡散流路を構成し、且つ、当該拡散流路を作動流体が流れる時に生じる抵抗を抑えることができるので、作動流体が効率よく電解質膜・電極接合体の電極と接触することができる。よって、作動流体の搬送効率を向上することができると共に、加工が容易な形状で拡散流路を構成することができるので加工コストを低減することができる。
【００２１】
第３の発明は、第１または第２の発明において、前記アノード給電板またはアノード、カソード各給電板と電解質膜・電極接合体の電極が相対する面の拡散流路の断面積は、その反対側の面の拡散流路の断面積と異なる構成としてある。
【００２２】
この構成により、作動流体が電解質膜・電極接合体の電極に接触する面積を、各給電板と電解質膜・電極接合体の電極が接触する面積より大きくすれば、作動流体が効率よく電解質膜・電極接合体の電極と接触することができ、作動流体の搬送効率を向上することができる。
【００２３】
第４の発明は、第１から第３のいずれか一つの発明において、前記アノード給電板またはアノード、カソード各給電板と電解質膜・電極接合体の電極が相対する面の拡散流路の断面積は、その面と反対側の面の拡散流路の断面積より広くなる構成としてある。
【００２４】
これにより、各給電板と電解質膜・電極接合体の電極との接触面積を維持しながら、作動流体が電解質膜・電極接合体の電極に接触する面積を最大限に拡大することができ、作動流体の搬送効率を上げることができる。
【００２５】
第５の発明は、第１から第４のいずれか一つの発明において、前記拡散流路の断面の形状は格子状としたものである。
【００２６】
これより、各給電板と電解質膜・電極接合体の電極との接触が均等になり、電解質膜・電極接合体の電極上での電流密度の偏りが少なくなって、圧縮機の運転の安定性を向上させることができると共に、加工が容易な形状で拡散流路を構成することができるので加工コストを低減することができる。
【００２７】
第６の発明は、第１から第５のいずれか一つの発明において、前記給電板の桟を押える弾性部材とその弾性部材を押える固定板とを更に備え、前記弾性部材が前記桟のそれぞれに荷重がかかるように配置され、前記桟の長手方向の長さをａとしたとき、少なくとも前記弾性部材が前記桟の長手方向の中心線を中心にして０．５ａの範囲内に配置された構成としてある。
【００２８】
これにより、歪によって接触の弱い範囲を弾性部材で効果的に押さえることができ、各給電板と電解質膜・電極接合体の第一電極との接触が改善できるとともに、歪の小さい範囲は作動流体を妨げることがないため、作動流体と電解質膜・電極接合体の第一電極の接触効率の維持ができ、電気化学式圧縮機の効率を向上できる。
【００２９】
第７の発明は、第６の発明において、前記弾性部材の各桟にかかる合成力の中心が前記桟の長手方向の中心線を中心にして０．２５ａの範囲内に配置された構成としてある。
【００３０】
これにより、歪の大きくなる部分に合力がかかるようなって、効率よく各給電板と電解質膜・電極接合体の第一電極との接触の改善が可能になる。
【００３１】
第８の発明は、第６または第７の発明において、前記弾性部材は絶縁物もしくは絶縁処理された構成としてある。
【００３２】
これにより、部材を増やすことなく簡便な構成で各給電板を固定板と絶縁することが可能になる。
【００３３】
第９の発明は、特に、第６から第８のいずれか一つの発明において、前記弾性部材に前記弾性部材とアノード、カソード各給電板が接触する面と弾性部材のそのほかの面とを連通する連通路を設けた構成としてある。
【００３４】
これにより、弾性部材内部の連通路も作動流体が電解質膜・電極接合体の第一電極に接触するための流路として活用できるため、さらに作動流体の接触効率を向上させることが可能になる。
【００３５】
第１０の発明は、ヒートポンプ装置であり、このヒートポンプ装置は、圧縮機、凝縮器、膨張機構、蒸発器を配管によって連結した冷媒回路を有し、前記圧縮機を第１から第９のいずれか一つの発明の電気化学式圧縮機とした構成としてある。
【００３６】
これにより、効率が向上した電気化学式圧縮機の搭載によってヒートポンプ装置の消費電力を低減し、省エネルギー化を実現することができる。
【００３７】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００３８】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ装置の構成を示す模式図である。
【００３９】
図１において、ヒートポンプ装置１０２は、少なくとも冷媒（図示せず）を圧縮するための電気化学式圧縮機１０４と、電気化学式圧縮機１０４によって圧縮した冷媒を凝縮させる凝縮器１１２と、凝縮された冷媒を膨張させる開度可変な膨張機構１１６と、膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器１１４とを備え、電気化学式圧縮機１０４と凝縮器１１２と膨張機構１１６と蒸発器１１４とを冷媒回路１１８によって環状に接続した主回路１２０から構成されている。
【００４０】
主回路１２０には、作動流体として、冷媒及び非凝縮性ガスが充填されている。冷媒は、凝縮性流体である極性物質であり、本実施の形態においては水を用いている。また、非凝縮性ガスは、電気化学的に活性なガスであり、主回路１２０において冷媒を圧縮するために用いられ、本実施の形態においては水素を用いている。
【００４１】
本発明において「電気化学的に活性なガス」とは、電離し、イオン化することで極性物質を伴って電解質膜１３４（図３参照）の中を電位の相対的に高い一方の面から電位の相対的に低い他方の面へと移動できる能力を有するガスのことである。
【００４２】
次に、電気化学式圧縮機１０４について説明する。
【００４３】
図２は、同実施の形態における電気化学式圧縮機の構成を示す模式図である。
【００４４】
図２において、電気化学式圧縮機１０４は、セル１２２を単独または複数重ねて構成されている。
【００４５】
セル１２２は、電解質膜・電極接合体１３０と、電解質膜・電極接合体１３０を挟むようにアノード給電板１２８とカソード給電板１３２とが外側に配置され、さらにその外側に固定板１２６を配置し、固定部材１６６によって固定されている。
【００４６】
また、アノード給電板１２８の電解質膜・電極接合体１３０と相対する側の反対側の外周部には吸入チャンバー１４８が配置されていて、吸入チャンバー１４８の内部には作動流体が貯まる貯留空間１５０が形成されている。
【００４７】
本実施の形態では吸入チャンバー１４８は固定板１２６とアノード給電板１２８の間に形成されているが、固定板１２６よりも外側に形成されていても同様の効果は得られる。
【００４８】
次に、電解質膜・電極接合体１３０について説明する。
【００４９】
図３は、同実施の形態における電解質膜・電極接合体の構成図である。
【００５０】
図３において、電解質膜・電極接合体１３０は、高分子材料からなる電解質膜１３４を挟むように配置されたアノード側の第一電極１５４とカソード側の第二電極１５６とから構成されている。
【００５１】
ここで、電解質膜１３４は、例えばナフィオン（デュポン社の登録商標）のようなパーフルオロスルホン酸膜が挙げられる。
【００５２】
第一電極１５４および第二電極１５６は、それぞれカーボンクロスのような導電性基材からなるガス拡散層１４０と、導電性基材に担持された触媒からなる触媒層１３８とで構成されている。
【００５３】
本実施の形態では、触媒層１３８には白金のような貴金属を含む触媒を用いているが、鉄のような卑金属を含む触媒や、金属を含まない触媒を用いてもよい。
【００５４】
次に、アノード給電板１２８の構成について説明する。
【００５５】
図４は、同実施の形態におけるアノード給電板を貫通する拡散流路の断面図、図５は、同実施の形態におけるアノード給電板の電解質膜・電極接合体の電極と相対する面の外観図、図６は、同実施の形態におけるアノード給電板の電解質膜・電極接合体の電極と相対する面と反対側の面の外観図である。
【００５６】
図４において、アノード給電板１２８は電解質膜・電極接合体１３０の第一電極１５４と相対するアノード第一面１５８と、アノード第一面１５８の反対側にアノード第二面１６０を有している。また、アノード第一面１５８とアノード第二面１６０を貫くように形成された柱体を組合せた形状の拡散流路１５２を備えており、拡散流路１５２は桟１６８で画定される。
【００５７】
図５および図６において、拡散流路１５２は、アノード第一面１５８側の第一断面１６２およびアノード第二面１６０側の第二断面１６４が共に格子形状である。また、第一断面１６２の断面積は第二断面１６４の断面積以上の面積を有している。
【００５８】
本発明において、「柱体」とは「合同な二つの平面図形を底面として持つ筒状の空間図形」であり、底面の形状は曲線のみからなる平面図形、直線のみからなる多角形の平面図形、曲線と直線を組合せた平面図形も含まれる。また、本実施の形態における拡散流路１５２は複数の柱体を組合せた形状であるが、単一の柱体からなる拡散流路も含まれる。
【００５９】
さらに、本発明において、「格子」形状にはアノード第二面１６０側の第二断面１６４のような連子格子の形状も含まれる。
【００６０】
なお、図４から図６には、代表例としてアノード給電板１２８を示し、構成を説明したが、カソード給電板１３２についても同様の構成である。
【００６１】
以上のように構成された電気化学式圧縮機およびそれを用いたヒートポンプ装置について、以下その動作、作用を説明する。
【００６２】
蒸発器１１４によって周囲の熱を吸収して蒸発した冷媒は、冷媒回路１１８を通って、電気化学式圧縮機１０４の吸入チャンバー１４８の貯留空間１５０に流入する。その後、電気化学式圧縮機１０４によって圧縮された冷媒は、凝縮器１１２へ流入し、凝縮器１１２にて周囲に放熱することにより凝縮し、その後、膨張機構１１６により減圧されて、再び、蒸発器１１４に戻る。
【００６３】
ここで、蒸発器１１４にて冷媒が蒸発する際に周囲の熱を奪う作用を利用して、例えば冷房等を行う。
【００６４】
また、凝縮器１１２にて冷媒が凝縮する際に周囲に熱を放熱する作用を利用して、例えば暖房等を行う。
【００６５】
次に、図２、図３及び図７に示した同実施の形態における電気化学式圧縮機内部の作動流体と電子の流れを示す概念図を用いて、電気化学式圧縮機の圧縮作用を説明する。
【００６６】
電気化学式圧縮機１０４の吸入チャンバー１４８に流入した作動流体は、アノード給電板１２８に設けられた拡散流路１５２を通過し、電解質膜・電極接合体１３０の第一電極１５４に均一に接触する。第一電極１５４と第二電極１５６の間には、第一電極１５４が電位的に高くなるように電圧をかけられており、図７に示すように、第一電極１５４側の触媒層１３８に接触した非凝縮性ガスの水素分子（Ｈ２）は電離反応により電子（ｅ−）を放出し、イオン化し、プロトン（Ｈ＋）となり、極性を有する。
【００６７】
その結果、非凝縮性ガスのプロトン（Ｈ＋）は電位差によって、第一電極１５４側から第二電極１５６側へ強制的に電解質膜１３４内を移動させられる。その際、極性物質である複数の冷媒の水分子（Ｈ２Ｏ）を引き連れて移動する。
【００６８】
そして、電解質膜１３４を通過した非凝縮性ガスのプロトン（Ｈ＋）は第二電極１５６側の触媒層１３８において先述の電離反応と逆の反応により電子（ｅ−）を受け取り、プロトン（Ｈ＋）の状態から元の水素分子（Ｈ２）の状態に戻る。
【００６９】
第一電極１５４と第二電極１５６の間にある電位差によって強制的に移動させられた非凝縮性ガスの一つのプロトン（Ｈ＋）が複数の冷媒の水分子（Ｈ２Ｏ）を第一電極１５４側から第二電極１５６側へ随伴することにより、冷媒の水分子（Ｈ２Ｏ）の密度が第一電極１５４側より第二電極１５６側の方が高くなる。すなわち、電解質膜・電極接合体１３０を隔てて冷媒の圧縮現象が起きる。この電気化学式圧縮機１０４によって動かされる作動流体の流れがシステム全体の流速を決める。
【００７０】
なお、本実施の形態では、冷媒として水を使用したが、冷媒としてアルコールやアンモニア等の自然冷媒を使用しても同様の効果が得られる。
ここで、上記電気化学式圧縮機１０４によって動かされる作動流体の流れの速度は、改質機から背圧がかかった状態で供給される燃料電池システムの作動流体の流速と比較すると遅い。
【００７１】
しかしながら、本実施の形態の電気化学式圧縮機１０４では、そのアノード給電板１２８は、アノード第一面１５８とアノード第二面１６０を貫くように形成された格子状の断面積をもつ柱体の組合せからなる拡散流路１５２を有するため、作動流体の流速が遅く、拡散流路１５２の壁面付近と拡散流路１５２の中心部の流速の差が小さいシステムにおいても、作動流体を効率よく均一に電解質膜・電極接合体１３０の第一電極１５４の全面に接触させることができる。よって、作動流体の搬送効率を向上させ、システム効率を向上させることができる。
【００７２】
ここで、アノード給電板１２８と電解質膜・電極接合体１３０の第一電極１５４が接触している部分は、作動流体と電解質膜・電極接合体１３０の第一電極１５４との接触効率が悪くなるため、できるだけ作動流体と第一電極１５４が接触する面積を広げる必要がある。しかし、先述した電離反応によって放出された電子を効率よく他方の電極に導くためにアノード給電板１２８と電解質膜・電極接合体１３０の第一電極１５４は均等な間隔で接触していることが望ましい。
【００７３】
また、本実施の形態の電気化学式圧縮機１０４は、アノード給電板１２８やカソード給電板１３２は導電性の高い材料であるため、先述した電離反応によって放出された電子を効率よく他方の電極へ導くことができる。
【００７４】
さらに、本実施の形態では、拡散流路１５２の形状が柱体を組合せた空間で構成されていることにより、簡単な形状の組合せで拡散流路を構成することで加工が容易にできる。
【００７５】
さらに、本実施の形態では、拡散流路１５２の流路断面積が第一断面１６２と第二断面１６４とで異なる、すなわち、作動流体が電解質膜・電極接合体１３０の第一電極１５４に接触する面積と、アノード給電板１２８と電解質膜・電極接合体１３０の第一電極１５４が接触する面積とを変えてあり、これにより作動流体の搬送効率を向上させることができる。
【００７６】
さらに、本実施の形態では、拡散流路１５２の流路断面積が第二断面１６４よりも第一断面１６２が広くしてあり、これによりアノード給電板１２８と電解質膜・電極接合体１３０の第一電極１５４との接触面積を維持しながら、作動流体が電解質膜・電極接合体１３０の第一電極１５４に接触する面積を最大限拡大することで作動流体の搬送効率を向上することができる。
【００７７】
さらに、本実施の形態では、拡散流路１５２の流路断面積の形状を格子状にすることにより、アノード給電板１２８と電解質膜・電極接合体１３０の第一電極１５４との接触の間隔を均等にでき、電解質膜・電極接合体１３０の第一電極１５４での電流密度の偏りが少なくなり、安定性が向上する。また、加工が容易な形状で拡散流路を構成することができる。
【００７８】
（実施の形態２）
本実施の形態は、アノード、カソード各給電板に生じる歪の影響を改善して、電気化学式圧縮機の効率をより向上させたものである。
【００７９】
図８は、電気化学式圧縮機のアノード給電板に発生する歪を示した模式図、図９は、桟部を押えずに固定した場合のアノード給電板の桟部の歪の３次元計測図、図１０は、アノード給電板の桟を押える弾性部材の配置を示す電気化学式圧縮機の断面図、図１１は、同実施の形態における電気化学式圧縮機に用いられる拡散流路を備えたアノード給電板の平面図、図１２は、桟部を押えずに固定した場合のアノード給電板と電解質膜・電極接合体との接触状態図である。
【００８０】
なお、実施の形態１と同一機能部材には同一符号を付して説明を省略する。
【００８１】
実施の形態１の図４および図６に示すように、アノード給電板１２８は、アノード給電板１２８を貫通する格子形状の拡散流路１５２を備えており、桟１６８の剛性が特に弱くなる。
【００８２】
その結果、図８および図９に示すように、セルを締結するためのボルト等の固定部材１６６の締結による力でアノード給電板１２８が歪み、アノード給電板１２８と電解質膜・電極接合体１３０の電極の接触が低下する可能性がある。
【００８３】
これは、図１０に示すように、桟１６８を押さえるようにアノード給電板１２８と固定板１２６の間に弾性部材２７６を配置し、桟１６８に発生する歪みと逆の方向に押さえることで、アノード給電板１２８と電解質膜・電極接合体１３０の電極の接触を改善することが可能である。しかしながら、拡散流路１５２を形成している桟１６８がそれぞれ独立しているため、弾性部材２７６の配置次第では押さえによる効果が十分発揮できなくなったり、弾性部材２７６が作動流体の拡散の妨げになったりする可能性がある。
【００８４】
まず、アノード給電板１２８の桟１６８を押えない場合の課題について説明する。
【００８５】
図８および図１１に示すように、アノード給電板１２８の電解質膜・電極接合体１３０の第一電極１５４と接触する面とは反対側には貯留空間１５０が形成されているため、固定部材１６６の締結力によるアノード給電板１２８を押える力が働かず、領域２７０は固定板１２６とアノード給電板１２８が接触しない。
【００８６】
さらに、アノード給電板１２８の領域２７０には、アノード給電板１２８を貫通する形状の拡散流路１５２があるため剛性が弱く、アノード給電板１２８の領域２７０にある桟１６８に歪が発生する。
【００８７】
つまり、固定部材１６６による締結によって、アノード給電板１２８の桟１６８は、図９に示すように、桟１６８の長手方向の中心位置の軸Ｘ２７２付近を頂点とするように歪が発生する。
【００８８】
その結果、アノード給電板１２８と電解質膜・電極接合体１３０の第一電極１５４との接触も、アノード給電板１２８に発生した歪とほぼ対応するように、アノード給電板１２８と電解質膜・電極接合体１３０の第一電極１５４との接触が弱くなる。これを図１２に示す。
【００８９】
図１２において、桟１６８の長辺の長さをａとした場合に、桟１６８の長手方向の中心位置の軸Ｘ２７２を中心に０．５ａの範囲の接触が弱く、桟１６８の長手方向の中心位置の軸Ｘ２７２を中心に０．５ａの範囲を低接触領域２７４と定義する。また、特に桟１６８の長手方向の中心位置の軸Ｘ２７２を中心に０．２５ａの範囲はほとんど接触していないことから、桟１６８の長手方向の中心位置の軸Ｘ２７２を中心に０．２５ａの範囲を極低接触領域２７８と定義する。
【００９０】
次に、上記桟１６８に発生する歪を解消するために弾性部材２７６を設けるが、この弾性部材２７６を設けてもその弾性部材２７６による押えが不十分な場合の課題について説明する。
【００９１】
図１３は、アノード給電板の桟の押えが不十分な場合の弾性部材の配置例を示す平面図、図１４は、アノード給電板の桟の押えが不十分な場合のアノード給電板と電解質膜・電極接合体の接触状態図である。
【００９２】
図１０に示すように、固定部材１６６の締結によって生じるアノード給電板１２８の歪を押えるためにセル２２を挟むように弾性部材２７６が配置されている。弾性部材２７６は固定板１２６によって固定され、アノード給電板１２８の領域２７０の桟１６８の一部を押えている。そして、
図１３に示すように、弾性部材２７６はアノード給電板１２８の領域２７０にほぼ均等な間隔となるように配置されている。
【００９３】
このような形で弾性部材２７６が設けられていると、図１４に示すように、アノード給電板１２８と電解質膜・電極接合体１３０の第一電極１５４との接触は弾性部材２７６が無い場合と比較して接触が改善されるものの、弾性部材２７６がアノード給電板１２８の領域２７０に均等に配置されているため、すべての桟１６８を十分に押えられず、低接触領域２７４において押えの不十分な桟１６８に対応する部分で、アノード給電板１２８と電解質膜・電極接合体１３０の第一電極１５４の接触が弱くなる（色が薄い）ことがわかる。
【００９４】
これに対し、以下に述べる本実施の形態の構成、つまり弾性部材２７６による押えが適切な場合は、アノード給電板１２８と電解質膜・電極接合体１３０の第一電極１５４の接触が改善され、電気化学式圧縮機の効率を向上させることができる。以下、これについて説明する。
【００９５】
図１５は、本実施の形態における弾性部材の配置を示したアノード給電板の平面図、図１６は、同実施の形態における弾性部材の配置とアノード給電板と電解質膜・電極接合体の接触状態図である。
【００９６】
図１５に示すように、本実施の形態では、アノード給電板１２８の歪が大きく、アノード給電板１２８と電解質膜・電極接合体１３０の第一電極１５４との接触が低くなる低接触領域２７４に対して、弾性部材２７６が集中して配置されている。さらに、弾性部材２７６は領域２７０内の全ての桟１６８を押えられるように例えば千鳥状に配置されている。また、弾性部材２７６によって桟１６８それぞれにかかる合成力の中心は、アノード給電板１２８と電解質膜・電極接合体１３０の第一電極１５４との接触が、特に低くなる極低接触領域２７８の範囲内にある。
【００９７】
このように配置した結果、図１６に示すように、桟１６８毎にかかる荷重の合成力の中心は極低接触領域２７８内にあるため、アノード給電板１２８と電解質膜・電極接合体１３０の第一電極１５４の接触が領域２７０内で均一に色が濃くなっており、改善されていることがわかる。
【００９８】
また、領域２７０の低接触領域２７４外の歪の比較的小さい範囲には作動流体の流れを妨げるものがないため、作動流体と電解質膜・電極接合体１３０の第一電極１５４の接触効率の維持ができる。よって、電気化学式圧縮機の効率を向上できる。
【００９９】
なお、本実施の形態では、弾性部材２７６は千鳥状に配置しているが、全ての桟１６８が押えられる配置であれば千鳥状以外の配置であっても、同様の効果が得られる。
【０１００】
次に、弾性部材２７６について説明する。
【０１０１】
図１７は、同実施形態における弾性部材の構成図である。
【０１０２】
図１７に示すように、弾性部材２７６はコイルスプリング形状の弾性体２８０と樹脂材料のような絶縁材料からなるカラー２８２から構成されている。弾性体２８０のカラー２８２と接する面と相対する面は固定板１２６と接し、カラー２８２の弾性体２８０と接する面と相対する面はセル１２２に接する。
【０１０３】
これにより、部材を増やすことなく簡便な構成でアノード給電板１２８およびカソード給電板１３２を固定板２２６と電気的に絶縁することが可能になる。
【０１０４】
なお、本実施の形態では、カラー２８２が絶縁材料であるが、弾性体２８０が絶縁材料でも、弾性体２８０もしくはカラー２８２の少なくとも一方が絶縁処理されていれば、同様の効果が得られる。
【０１０５】
また、本実施の形態では、弾性部材２７６は弾性体２８０とカラー２８２が別部材で構成されているが、弾性体２８０とカラー２８２が一体の部材でも同様の効果が得られる。
【０１０６】
さらに、弾性部材２７６の内部にはセル１２２と接する面とその他の面とを連通する連通路２８４が設けられている。
【０１０７】
これにより、弾性部材２７６内部の連通路２８４も作動流体が電解質膜・電極接合体１３０の第一電極に接触するための流路として活用できるため、さらに作動流体の接触効率を向上させることが可能になる。
【０１０８】
また、本実施の形態では、弾性体２８０はすべて同じサイズ、同じ特性のコイルスプリングを使用しているが、例えば皿バネのような形状のものでも同様の効果が得られる。また、弾性体２８０を配置する位置に応じてサイズ、種類、特性を変えることで、効果的に効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【０１０９】
以上のように、本発明にかかるヒートポンプ装置は、流速の遅い作動流体を電解質膜・電極接合体の電極全面に均一に接触させることができ、システム効率を向上することが可能になる。よって、エアコンだけでなく、ワインセラー等の冷蔵用のヒートポンプ装置等の用途に幅広く適用できる。
【符号の説明】
【０１１０】
１０４  電気化学式圧縮機
１１２  凝縮器
１１４  蒸発器
１１６  膨張機構
１１８  冷媒回路
１２８  アノード給電板
１３０  電解質膜・電極接合体
１３２  カソード給電板
１４８  吸入チャンバー
１５０  貯留空間
１５２  拡散流路
１６８  桟
２７６  弾性部材
２８４  連通路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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