(57)【要約】【課題】アノードガス拡散層に設けられたアノードガス流路からアノード触媒層への水素含有ガスの拡散を従来よりも均一化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、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、アノード触媒層および前記カソード触媒層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、前記カソード触媒層上に移動させ、かつ昇圧する装置であって、アノードガス拡散層は、アノードセパレーター側の主面にアノードガス流路が設けられ、アノードガス流路は、当該アノードガス流路の延伸方向に対して垂直な断面において、複数のリブを間に挟んで複数の溝が形成されており、複数のリブの側面の透気度は、溝の底面の透気度より小さい。【選択図】図３
2020172672.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、
前記アノード触媒層および前記カソード触媒層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、
前記アノードガス拡散層は、前記アノードセパレーター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は、当該アノードガス流路の延伸方向に対して垂直な断面において、複数のリブを間に挟んで複数の溝が形成されており、前記複数のリブの側面の透気度は、前記溝の底面の透気度より小さい電気化学式水素ポンプ。
【請求項２】
前記複数のリブの気孔率が前記アノードガス拡散層の前記リブ以外の部分の気孔率よりも小さい請求項１に記載の電気化学式水素ポンプ。
【請求項３】
前記複数のリブの側面に前記溝の底面よりも透気度の小さい層が設けられている請求項１に記載の電気化学式水素ポンプ。
【請求項４】
前記複数のリブの側面に親水層が設けられている請求項１または２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。例えば、特許文献１には、固体高分子形の電気化学式水素ポンプが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１７−２１８６６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本開示は、一例として、アノードガス拡散層に設けられたアノードガス流路からアノード触媒層への水素含有ガスの拡散を従来よりも均一化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】
【０００６】
上記課題を解決するため、本開示の一態様(aspect)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、前記アノード触媒層および前記カソード触媒層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、かつ昇圧する装置であって、前記アノードガス拡散層は、前記アノードセパレーター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は、当該アノードガス流路の延伸方向に対して垂直な断面において、複数のリブを間に挟んで複数の溝が形成されており、前記複数のリブの側面の透気度は、前記溝の底面の透気度より小さい。
【発明の効果】
【０００７】
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に設けられたアノードガス流路からアノード触媒層への水素含有ガスの拡散を従来よりも均一化し得るという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【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３】図３は、第１実施形態の電気化学式水素ポンプにおけるアノードガス拡散層の一例を示す図である。
【図４】図４は、第１実施形態の第１実施例の電気化学式水素ポンプにおけるアノードガス拡散層の一例を示す図である。
【図５Ａ】図５Ａは、流体解析シミュレーションの解析モデルの一例を示す図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、流体解析シミュレーションの解析モデルの一例を示す図である。
【図６】図６は、第１実施形態の第２実施例の電気化学式水素ポンプにおける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２実施形態の電気化学式水素ポンプにおける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】
【０００９】
電気化学式水素ポンプの水素昇圧動作の高効率化には、電気化学式水素ポンプのアノードガス拡散層のガス拡散性を適切に確保する必要がある。例えば、アノードガス流路内に存在する水素含有ガスの流れを所望の流量で制御できない場合、アノードガス流路からアノード触媒層への水素含有ガスの拡散が、アノード触媒層の面内において不均一化する。すると、電気化学式水素ポンプの電解質膜における電流密度分布が偏ることで、電気化学式水素ポンプの電力損失が発生する。
【００１０】
ここで、アノードガス拡散層に設けられたアノードガス流路が、その延伸方向に対して垂直な断面において、リブを間に挟んで溝を構成する場合、所定量の水素含有ガスが、多孔性のリブの両隣の溝のうちの一方の溝から他方の溝へリブを通じてリークすると、アノードガス流路内に存在する水素含有ガスの流れを所望の流量で制御できない可能性がある。
【００１１】
そこで、発明者らは、アノードガス拡散層に設けられたアノードガス流路内に存在する水素含有ガスの流れを所望の流量で制御する視点から電気化学式水素ポンプの水素昇圧動作の高効率化について鋭意検討を行い、以下の本開示の一態様に想到した。
【００１２】
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、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、アノード触媒層およびカソード触媒層間に電圧を印加する電圧印加器と、を備え、電圧印加器が上記の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、かつ昇圧する装置であって、アノードガス拡散層は、アノードセパレーター側の主面にアノードガス流路が設けられ、アノードガス流路は、当該アノードガス流路の延伸方向に対して垂直な断面において、複数のリブを間に挟んで複数の溝が形成されており、複数のリブの側面の透気度は、溝の底面の透気度より小さい。
【００１３】
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に設けられたアノードガス流路からアノード触媒層への水素含有ガスの拡散を従来よりも均一化し得る。
【００１４】
具体的には、アノードガス拡散層に設けられたアノードガス流路が、その延伸方向に対して垂直な断面において、リブを間に挟んで溝を構成する場合、所定量の水素含有ガスが、多孔性のリブの両隣の溝のうちの一方の溝から他方の溝へリブを通じてリークすると、アノードガス流路内に存在する水素含有ガスの流れを所望の流量で制御できない可能性がある。この場合、アノードガス流路からアノード触媒層への水素含有ガスの拡散が、アノード触媒層の面内において不均一化する恐れがある。
【００１５】
しかし、本態様の電気化学式水素ポンプは、リブの側面の透気度を溝の底面の透気度より小さくすることで、両者の透気度の大小関係が同程度あるいは本態様と逆である場合に比べて、水素含有ガスがリブを通じてリークしにくく構成することができる。つまり、アノードガス流路内を流れる水素含有ガスは、透気度が小さいリブの側面を通過しにくい。これにより、本態様の電気化学式水素ポンプは、アノードガス流路内に存在する水素含有ガスの流れを所望の流量で制御し得るので、アノードガス流路からアノード触媒層への水素含有ガスの拡散がアノード触媒層の面内において均一化しやすくなる。すると、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の電解質膜における電流密度分布の偏りを抑制することで、電気化学式水素ポンプの電力損失を従来よりも低減することができる。
【００１６】
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、複数のリブの気孔率が、リブ以外の部分の気孔率よりも小さくもよい。
【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、アノードガス拡散層に設けられたアノードガス流路のリブと当該リブ以外の部分との間で気孔率の大小を適切に設定することで、水素含有ガスがリブを通じてリークしにくく構成することができる。つまり、アノードガス流路内を流れる水素含有ガスは、気孔率が小さいリブを通過しにくい。これにより、本態様の電気化学式水素ポンプは、アノードガス流路内に存在する水素含有ガスの流れを所望の流量で制御し得るので、アノードガス流路からアノード触媒層への水素含有ガスの拡散がアノード触媒層の面内において均一化しやすくなる。
【００１８】
本開示の第３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、複数のリブの側面に溝の底面よりも透気度の小さい層が設けられていてもよい。
【００１９】
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に設けられたアノードガス流路のリブの側面に溝の底面よりも透気度の小さい層（以下、ガスバリア層）を設けることで、水素含有ガスがリブを通じてリークしにくく構成することができる。つまり、アノードガス流路内を流れる水素含有ガスは、透気度が小さいガスバリア層を通過しにくい。これにより、本態様の電気化学式水素ポンプは、アノードガス流路内に存在する水素含有ガスの流れを所望の流量で制御し得るので、アノードガス流路からアノード触媒層への水素含有ガスの拡散がアノード触媒層の面内において均一化しやすくなる。
【００２０】
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。
【００２１】
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態様または第２態様の電気化学式水素ポンプにおいて、複数のリブの側面に親水層が設けられていてもよい。
【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、アノードガス流路内に存在する水が、リブの側面に設けられた親水層になじむことで移動しやすくなる。すると、アノードガス流路内に存在する水が、例えば、水素含有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。
【００２３】
以下、添付図面を参照しつつ、本開示の実施形態について説明する。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、構成要素の配置位置および接続形態などは、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、本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。また、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。
【００２４】
（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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
アノード触媒層１３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。
【００３４】
カソード触媒層１２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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
ここで、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００において、アノードガス拡散層１５には、様々な機能が付与されることが多い。例えば、アノードガス拡散層１５は、水素含有ガスをアノード触媒層１３の面内均一に供給する機能を有する。また、例えば、アノードガス拡散層１５は、アノード触媒層１３を適度の湿潤状態に維持するとともに、アノード電極ＡＮにおける過剰な水を排水する水マネジメント機能を有する。また、例えば、アノードガス拡散層１５は、電子移動パスを形成する集電性機能を有する。
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。特に、カーボン結合がアモルファス構造であるアモルファスカーボンは、カーボン結合が結晶構造であるカーボンに比べて剛性が高いので、カーボン多孔体シートは、アモルファスカーボンで構成される方が望ましい。
【００３９】
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。
【００４０】
また、アノードガス拡散層１５の基材として、必ずしも、単一の材料を用いる必要はなく、例えば、上記の金属材料およびカーボン材料の混合材料を用いてもよい。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
アノードガス拡散層１５は、アノードセパレーター１７側の主面にアノードガス流路３３が設けられている。そして、アノードガス流路３３は、アノードガス流路３３の延伸方向に対して垂直な断面（図２Ｂ参照）において、図３に示す如く、複数のリブ３３Ｒを間に挟んで複数の溝３３Ｇが形成されており、複数のリブ３３Ｒの側面３３ＲＳの透気度は、溝３３Ｇの底面３３ＧＢの透気度より小さい。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のアノードセパレーター１７側の主面に対して設けることができる。ここで、透気度とは、ガーレー秒数（言い換えると、透気抵抗度）で表され、単位面積および単位圧力差当たり、規定された体積の空気の透過に要する時間である。透気度の測定法として、例えば、ＪＩＳ規格Ｐ８１７７に基づいた方法などを挙げることができる。
なお、リブ３３Ｒの側面３３ＲＳの透気度および溝３３Ｇの底面３３ＧＢの透気度を制御するための詳細な構成は、実施例で説明する。
【００４５】
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３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。ただし、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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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、かつ昇圧する装置である。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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に供給する水素含有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。
また、水素含有ガスとは、水素（Ｈ２）を含有するガスであれば、どのようなものであってもよい。水素含有ガスは、例えば、純水素ガスであってもよいし、純水素ガスよりも水素濃度の低いガスであってもよい。例えば、水素含有ガスは、水電解で生成された水素でもよいし、炭化水素原料の改質反応で生成された改質ガスでもよい。
【００７３】
[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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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、アノードセパレーター１７側の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。
【００８１】
また、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に設けられたアノードガス流路３３からアノード触媒層１３への水素含有ガスの拡散を従来よりも均一化し得る。
【００８２】
具体的には、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が、その延伸方向に対して垂直な断面において、リブ３３Ｒを間に挟んで溝３３Ｇを構成する場合、所定量の水素含有ガスが、多孔性のリブ３３Ｒの両隣の溝３３Ｇのうちの一方の溝３３Ｇから他方の溝３３Ｇへリブ３３Ｒを通じてリークすると、アノードガス流路３３内に存在する水素含有ガスの流れを所望の流量で制御できない可能性がある。この場合、アノードガス流路３３からアノード触媒層１３への水素含有ガスの拡散が、アノード触媒層１３の面内において不均一化する恐れがある。
【００８３】
しかし、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、リブ３３Ｒの側面３３ＲＳの透気度を溝３３Ｇの底面３３ＧＢの透気度より小さくすることで、両者の透気度の大小関係が同程度あるいは本実施形態と逆である場合に比べて、水素含有ガスが、リブ３３Ｒを通じてリークしにくく構成することができる。つまり、アノードガス流路３３内を流れる水素含有ガスは、透気度が小さいリブ３３Ｒの側面３３ＲＳを通過しにくい。これにより、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、アノードガス流路３３内に存在する水素含有ガスの流れを所望の流量で制御し得るので、アノードガス流路３３からアノード触媒層１３への水素含有ガスの拡散がアノード触媒層１３の面内において均一化しやすくなる。すると、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の電解質膜１１における電流密度分布の偏りを抑制することで、電気化学式水素ポンプ１００の電力損失を従来よりも低減することができる。
【００８４】
（第１実施例）
図４は、第１実施形態の第１実施例の電気化学式水素ポンプにおけるアノードガス拡散層の一例を示す図である。
【００８５】
本実施例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。
【００８６】
本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、リブ３３Ｒの気孔率が、アノードガス拡散層１５のリブ３３Ｒ以外の部分の気孔率よりも小さい。
図４に示す例では、本実施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、アノードセパレーター１７側の主面を含む第１層１５Ａ（以下、第１層１５Ａ）と、アノード触媒層１３側の主面を含む第２層１５Ｂ（以下、第２層１５Ｂ）と、を備える。そして、第１層１５Ａと第２層１５Ｂとの間の境界面が溝３３Ｇの底面３３ＧＢを構成しており、リブ３３Ｒが、かかる境界面に対して垂直に立設している。よって、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、リブ３３Ｒを構成する第１層１５Ａの気孔率が、アノードガス拡散層１５のリブ３３Ｒ以外の部分を構成する第２層１５Ｂの気孔率よりも小さい。
なお、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００では、アノードガス流路３３の延伸方向に対して垂直な断面におけるリブ３３Ｒおよび溝３３Ｇの形状が矩形状であるが、これに限定されない。
以上の気孔率は、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、第１層１５Ａおよび第２層１５Ｂ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。
【００８７】
[製法]
次に、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００におけるアノードガス拡散層１５の製法の一例について説明する。図４のアノードガス拡散層１５は、例えば、複数のシートを積層することで、以下の如く製作することができる。
なお、このような複数のシートは、例えば、導電性粒子の密度が異なるシートであってもよい。つまり、複数のシートのそれぞれの混合材料において、導電性粒子および樹脂製のバインダーの比率を変化させることで、シートを焼成した場合のシートの焼成体の気孔率を適宜、制御することができる。具体的には、導電性粒子およびバインダーの混合材料内の導電性粒子の密度が大きいほど、シートを焼成した場合のシートの気孔率が小さい。導電性粒子は、例えば、カーボン粒子でもよいが、これに限定されない。
まず、導電性粒子および樹脂製のバインダーの比率が所望の値になるように導電性粒子とバインダーを混合した後、ペースト状の混合材料をシート成型機でシート状に成型することで、混合材料内の導電性粒子の密度が大きい方のシート（以下、第１シート）を作成する。なお、このとき、適宜の金型を用いて、アノードガス流路３３を構成する溝３３Ｇの部分を、第１シートに対して、例えば、平面視においてサーペンタイン状に形成する。
次に、導電性粒子および樹脂製のバインダーの比率が所望の値になるように導電性粒子とバインダーとを混合した後、ペースト状の混合材料をシート成型機でシート状に成型することで、混合材料内の導電性粒子の密度が小さい方のシート（以下、第２シート）を作成する。
次に、第１シートと第２シートとを重ね合わせ、プレス成型または押し出し成型によって、第１シートおよび第２シートの積層体の外形を加工する。
次に、第１シートおよび第２シートの積層体を、例えば、空気または窒素などの不活性ガスを満たした焼成炉内で焼成する。このとき、第１シートおよび第２シートに含まれるバインダーは焼成過程で除去される。これにより、第１シートおよび第２シートの多孔性の焼成体が得られる。
このようにして、図４のアノードガス拡散層１５が得られる。つまり、上記の第１シートの焼成体が、図４のアノードガス拡散層１５の第１層１５Ａに相当する。また、上記の第２シートの焼成体が、図４のアノードガス拡散層１５の第２層１５Ｂに相当する。
なお、以上のアノードガス拡散層１５の製法は例示であって、本例に限定されない。
【００８８】
[流体解析シミュレーション]
次に、図４のアノードガス拡散層１５の解析モデルをコンピュータ上に再現（メッシュ分割によるモデル化）することで行われた流体解析シミュレーションについて説明する。
【００８９】
以下の流体解析シミュレーション技術を活用することにより、リブ３３Ｒおよび第２層１５Ｂ間の気孔率の大小と、第２層１５Ｂを拡散するガス流量との間の関係を、解析モデルの入力条件を変更するだけで定量的に把握し得るので、リブ３３Ｒおよび第２層１５Ｂの気孔率に関する設計指針を容易に得ることができる。
【００９０】
なお、流体解析シミュレーションは、汎用熱流体解析ソフトウェア「ＡＮＳＹＳ  Ｆｌｕｅｎｔ」（登録商標）用いて行われた。ただし、このような流体解析シミュレーションは、他の様々な公知の解析ソフトウェアでも行うことができる。
【００９１】
＜解析モデルおよび解析条件＞
図５Ａおよび図５Ｂは、流体解析シミュレーションの解析モデルの一例を示す図である。図５Ａには、アノードガス拡散層１５の第２層１５Ｂに対応する解析対象領域を、アノード触媒層１３側の主面から平面視した図である。図５Ｂは、図５ＡのＢ−Ｂ部分の断面図である。
【００９２】
図５Ａおよび図５Ｂに示すように、アノードガス拡散層１５の第１層１５Ａに対応する解析対象領域に、幅ＬＧおよび深さＤＧの空間をサーペンタイン状にモデル化することにより（以下、空間解析領域）、アノードガス拡散層１５のアノードガス流路３３を解析モデル上に再現した。なお、本例では、空間解析領域における幅ＬＧと深さＤＧとを同じ寸法に設定した。
【００９３】
また、解析モデルにおいて、アノードガス流路３３のリブ３３Ｒに対応する解析対象領域（以下、リブ解析領域）の幅ＬＲと上記の幅ＬＧとを同じ寸法に設定した。つまり、空間解析領域の延伸方向に対して垂直な断面において、空間解析領域およびリブ解析領域の形状は、正四角形である。
【００９４】
さらに、解析モデルにおいて、アノードガス拡散層１５の第２層１５Ｂに対応する解析対象領域（以下、第２層解析領域）の厚みＴＡとリブ解析領域の厚みＴＢとを同じ寸法に設定した。
【００９５】
次に、解析モデルの条件１、条件２および条件３として、リブ解析領域の気孔率Ｐ１、および、第２層解析領域の気孔率Ｐ２を、以下の表１の如く設定した。
このとき、空間解析領域の一方の端にモデル化された水素流入口ＩＮ（図５Ａ参照）から、６．４１×１０−６[ｍ３／ｓ]の流量で水素（Ｈ２）が、本空間解析領域に流入するように条件を設定した。また、リブ解析領域よりも下方の領域には、水素が拡散しないように条件を設定した。なお、表１の第２層解析領域の気孔率Ｐ２（＝５０％）は、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し得る視点から固定した。
【００９６】
【表１】
2020172672.tif 000003
【００９７】
＜解析結果＞
解析モデルの条件１、条件２および条件３のそれぞれについて、第２層解析領域の上面Ｕ（図５Ｂ参照）を通過する水素（Ｈ２）の流量（以下、水素通過流量）を計算した。その結果、条件１における水素通過流量Ｑ１が２．８×１０−６[ｍ３／ｓ]であり、条件２における水素通過流量Ｑ２が２．６×１０−６[ｍ３／ｓ]であり、条件３における水素通過流量Ｑ３が１．８×１０−６[ｍ３／ｓ]であった。なお、これらの水素通過流量と水素流入口ＩＮからの水素流入流量（６．４１×１０−６[ｍ３／ｓ]）との差分が、空間解析領域の他方の端にモデル化された水素流出口ＯＵＴ（図５Ａ参照）から流出する水素流量に相当する。
以上の計算結果から、リブ解析領域の気孔率Ｐ１が第２層解析領域の気孔率Ｐ２よりも小さい場合（条件１および条件２）における水素通過流量Ｑ１および水素通過流量Ｑ２は、両者の気孔率が同じ場合（条件３）における水素通過流量Ｑ３に比べて多い。つまり、前者の場合（条件１および条件２）は、後者の場合（条件３）に比べて、リブ解析領域を通じて水素がリークしにくくなっていることが、流体解析シミュレーションにより検証できた。
特に、条件１から条件２までの間の水素通過流量の増量（Ｑ１−Ｑ２＝０．２×１０−６[ｍ３／ｓ]）が少ないのに対して、条件２から条件３までの間の水素通過流量の増量（Ｑ２−Ｑ３＝０．８×１０−６[ｍ３／ｓ]）が多い。よって、第２層１５Ｂの気孔率を、例えば、約５０％程度に設定する場合、リブ３３Ｒの気孔率を、例えば、約３０％以下に設定することが望ましいと考えられる。
なお、上記の熱流体解析ソフトウェア、解析モデルおよび解析条件などは、例示であって本例に限定されない。
以上により、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、アノードガス拡散層１５に設けられたアノードガス流路３３のリブ３３Ｒと当該リブ３３Ｒ以外の第２層１５Ｂとの間で気孔率の大小を適切に設定することで、水素含有ガスがリブ３３Ｒを通じてリークしにくく構成することができる。つまり、アノードガス流路３３内を流れる水素含有ガスは、気孔率が小さいリブ３３Ｒを通過しにくい。これにより、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、アノードガス流路３３内に存在する水素含有ガスの流れを所望の流量で制御し得るので、アノードガス流路３３からアノード触媒層１３への水素含有ガスの拡散がアノード触媒層１３の面内において均一化しやすくなる。
【００９８】
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、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。
【００９９】
（第２実施例）
図６は、第１実施形態の第２実施例の電気化学式水素ポンプにおけるアノードガス拡散層の一例を示す図である。
【０１００】
本実施例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。
【０１０１】
図６に示すように、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、複数のリブ３３Ｒの側面３３ＲＳに溝３３Ｇの底面３３ＧＢよりも透気度の小さい層（以下、ガスバリア層６０）が設けられている。
【０１０２】
ガスバリア層６０は、溝３３Ｇの底面３３ＧＢよりも透気度の小さい層であれば、どのような構成であってもよい。ガスバリア層６０として、例えば、高分子材料で構成される樹脂層などを挙げることができる。
このような高分子材料としては、例えば、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＦＥＰ（テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体）、ＰＶＤＦ（ポリビニリデンフルオライド）、ＥＴＦＥ（テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体）、ＰＣＴＦＥ（ポリクロロトリフルオロエチレン）、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）などを用いることができる。ただし、上記高分子材料の中でも、ＰＴＦＥが、耐熱性、撥水性、耐薬品性の観点から望ましい。なお、ＰＴＦＥの原料は、例えば、ディスパージョン状態または粉末状態で使用することができる。
【０１０３】
[製法]
次に、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００におけるアノードガス拡散層１５の製法の一例について説明する。図６のガスバリア層６０は、例えば、以下の如く、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のリブ３３Ｒの側面３３ＲＳに高分子材料を塗布することで形成することができる。
まず、例えば、ディスペンサー装置（商品名：武蔵エンジニアリング株式会社製、ＭＬ-８０８ＧＸ）を用いて、リブ３３Ｒの側面３３ＲＳに対してディスパージョン状態の高分子材料をノズル先端から適量、吐出する。すると、リブ３３Ｒの側面３３ＲＳに、所望の厚みで高分子材料の塗布膜が形成される。
次に、リブ３３Ｒの側面３３ＲＳに形成した塗布膜を、例えば、乾燥炉内で乾燥させると、図６のガスバリア層６０が得られる。
なお、上記のガスバリア層６０の材料および製法は例示であって、本例に限定されない。例えば、ガスバリア層６０として、例えば、ゴム製の薄いシートをリブ３３Ｒの側面３３ＲＳに貼り付けてもよい。このようなシートの材料として、例えば、シリコーンゴム、ニトリルブタジエンゴム、フッ素ゴム、天然ゴムなどを用いることができる。ただし、上記の中でも、シリコーンゴムが耐熱性、撥水性、耐薬品性の観点から望ましい。
【０１０４】
以上により、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、アノードガス拡散層１５に設けられたアノードガス流路３３のリブ３３Ｒの側面３３ＲＳに溝３３Ｇの底面３３ＧＢよりも透気度の小さいガスバリア層６０を設けることで、水素含有ガスがリブ３３Ｒを通じてリークしにくく構成することができる。つまり、アノードガス流路３３内を流れる水素含有ガスは、透気度が小さいガスバリア層６０を通過しにくい。これにより、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、アノードガス流路３３内に存在する水素含有ガスの流れを所望の流量で制御し得るので、アノードガス流路３３からアノード触媒層１３への水素含有ガスの拡散がアノード触媒層１３の面内において均一化しやすくなる。
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、第１実施形態または第１実施形態の第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。
【０１０５】
（第２実施形態）
図７は、第２実施形態の電気化学式水素ポンプにおけるアノードガス拡散層の一例を示す図である。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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。
そこで、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、図７に示すように、複数のリブ３３Ｒの側面３３ＲＳに親水層６１が設けられている。
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、この焼結体のカーボン粒子に、例えば、薬剤、電解酸化、オゾン、酸素プラズマなどの処理を行い、カルボキシル基、水酸基、カルボニル基など親水性官能基を設けることで、図７に示す如く、親水層６１を構成してもよい。
以上により、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、アノードガス流路３３内に存在する水が、リブ３３Ｒの側面３３ＲＳに設けられた親水層６１になじむことで移動しやすくなる。すると、アノードガス流路３３内に存在する水が、例えば、水素含有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。
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実施形態および第１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。
なお、第１実施形態、第１実施形態の第１実施例−第２実施例および第２実施形態は、互いに相手を排除しない限り、互いに組み合わせてもよい。
【０１０８】
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】
【０１０９】
本開示の一態様は、例えば、アノードガス拡散層に設けられたアノードガス流路からアノード触媒層への水素含有ガスの拡散を従来よりも均一化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】
【０１１０】
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
１５Ａ          ：第１層
１５Ｂ          ：第２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
３３Ｇ          ：溝
３３ＧＢ        ：底面
３３Ｒ          ：リブ
３３ＲＳ        ：側面
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
６０            ：ガスバリア層
６１            ：親水層
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
ＡＮ            ：アノード電極
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３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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