(57)【要約】【課題】水素の圧力が高圧になってもセパレータや端板の変形が極めて小さく抑制できる電気化学式水素ポンプを提供すること。【解決手段】電気化学式水素ポンプ４２は、カソード端セパレータ３０と、単電池セルｍ１ａ〜ｍ３ａと、アノード端セパレータ２９とが順に積層された積層体と、積層体を格納する圧力空間４０を形成するカソードライナー３３およびアノードライナー２５と、一部がカソードライナー３３の貫通孔から圧力空間４０の外部に突出するカソード端板１４ｂと、一部がアノードライナー２５の貫通孔から圧力空間４０の外部に突出するアノード端板１３ｂと、積層体を格納する圧力空間４０を形成する圧力空間形成部とを備え、アノード端板１３ｂおよびカソード端板１４ｂのうち少なくとも一方は、圧力空間４０と電気化学式水素ポンプ４２の外部とを連通する圧力経路ｐ３を有する。【選択図】図３Ａ
2020186461.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソード端セパレータと、
カソード絶縁板と、
カソードセパレータ、カソード拡散層、電解質膜、アノード拡散層、アノードセパレータを含む少なくとも１つの単電池セルと、
アノード絶縁板と、
アノード端セパレータと、
が順に積層された積層体と、
一端が前記カソード端セパレータと接するカソード端板と、
一端が前記アノード端セパレータと接するアノード端板と、
前記カソード端板の他端および前記アノード端板の他端が貫通する貫通孔を有するとともに、前記積層体を格納する圧力空間を形成する圧力空間形成部と、
を備え、
前記アノード端板および前記カソード端板のうち少なくとも一方は、前記圧力空間と電気化学式水素ポンプの外部とを連通する圧力経路を有することを特徴とする電気化学式水素ポンプ。
【請求項２】
前記圧力空間形成部は、前記カソード端セパレータを覆うように構成されたカソードライナーと、前記アノード端セパレータを覆うように構成され、前記カソードライナーと対になって前記圧力空間を形成するアノードライナーと、
を備えることを特徴とする請求項１記載の電気化学式水素ポンプ。
【請求項３】
前記対となったカソードライナーおよびアノードライナーの外周に少なくともカーボン繊維およびガラス繊維のうち一方を巻き付けて形成した繊維層を備えることを特徴とする請求項２記載の電気化学式水素ポンプ。
【請求項４】
前記圧力経路は、前記アノード拡散層に供給される水素が通過するアノードガス経路および前記カソード拡散層から排出される水素が通過するカソードガス経路と連通しないことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の電気化学式水素ポンプ。
【請求項５】
前記圧力経路には、前記圧力空間に高圧の流体を注入することにより、前記圧力空間内の圧力を、電気化学式水素ポンプとしての設計圧力以上の圧力に加圧した状態に保つためのポンプが接続されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の電気化学式水素ポンプ。
【請求項６】
前記高圧の流体が常温下で液体である物質であることを特徴とする請求項５記載の電気化学式水素ポンプ。
【請求項７】
前記高圧の流体が常温下で気体である物質であることを特徴とする請求項５記載の電気化学式水素ポンプ。
【請求項８】
前記圧力空間形成部は、前記カソード端板を挟んで前記積層体と対向する位置に配置されたカソードマンドレルと、前記アノード端板を挟んで前記積層体と対向する位置に配置されたアノードマンドレルと、前記カソード端板の他端および前記アノード端板の他端が外部に突出するように、前記積層体、前記カソードマンドレルおよび前記アノードマンドレルの外周に樹脂フィルムを巻き付けることにより構成され、前記圧力空間を形成するガスバリア層と、
を備えることを特徴とする請求項１記載の電気化学式水素ポンプ。
【請求項９】
前記ガスバリア層の外周に少なくともカーボン繊維およびガラス繊維のうち一方を巻き付けて形成した繊維層を備えることを特徴とする請求項８記載の電気化学式水素ポンプ。
【請求項１０】
請求項３記載の電気化学式水素ポンプの製造方法であって、
前記積層体、前記カソード端板および前記アノード端板をプレス機で加圧し、
前記対となったカソードライナーおよびアノードライナーの外周に少なくともカーボン繊維およびガラス繊維のうち一方を巻き付け、
前記巻き付けられた少なくとも一方のカーボン繊維およびガラス繊維を加熱により硬化させることで前記繊維層を形成する、
ことを含む、電気化学式水素ポンプの製造方法。
【請求項１１】
請求項９記載の電気化学式水素ポンプの製造方法であって、
前記積層体、前記カソード端板および前記アノード端板をプレス機で加圧し、
前記ガスバリア層の外周に少なくともカーボン繊維およびガラス繊維のうち一方を巻き付け、
前記巻き付けられた少なくとも一方のカーボン繊維およびガラス繊維のうちを加熱により硬化させることで前記繊維層を形成する、
ことを含む、電気化学式水素ポンプの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気化学式水素ポンプおよび電気化学式水素ポンプの製造方法に関するものである。特に、水素を圧縮する電気化学式水素ポンプに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水素を燃料とする家庭用燃料電池は、その開発の進展とともに普及が進んでいる。さらに近年、家庭用燃料電池と同様に、水素を燃料とする燃料電池車の量産、市販が開始されるに至った。しかしながら、家庭用燃料電池が既存の都市ガスと既存の商用電力を利用できるのと異なり、燃料電池車には水素インフラが不可欠である。このため、燃料電池車が今後拡大普及するには、水素インフラとしての水素ステーションの拡充が必要である。しかしながら、現在の水素ステーショには、大規模な設備と用地が必要であり、膨大な費用を必要とする。この点が燃料電池車普及のための大きな課題となっている。
【０００３】
そこで、大型の水素ステーションに代わるものとして、コンパクトで安価な小型の家庭用水素充填装置の開発が望まれている。この小型水素充填装置の開発の中で最も重要なのは、水素を圧縮する圧縮機の開発であり、現在注目されているのは、電気化学的に水素を昇圧できる電気化学式水素ポンプである。電気化学式水素ポンプは、従来の機械式水素圧縮装置に比べ、コンパクトであること、効率が高いこと、機械的動作部分がないのでメンテナンスが必要ないこと、騒音がほとんどないなどメリットが多く、その実用化開発が切望されている。
【０００４】
現在、小型水素充填装置用として想定されている方式は、家庭用燃料電池の燃料改質装置を使って発生した水素を、燃料電池としての運転が停止している時に、電気化学式水素ポンプを使って電気化学的に水素を圧縮する方法である。このような電気化学式水素ポンプによれば、前記のメリットの他、下記メリットがある。すなわち、燃料改質装置を使って発生した水素の濃度は高々７５％であるが、これを燃料電池車に必要な、ほぼ１００％の水素に純化し、かつ、燃料電池車に充填可能な超高圧力まで原理的には昇圧可能である。
また、その構造は家庭用燃料電池の中の発電スタックとほぼ同様である。よって、既に量産化されている燃料電池の部材の生産ラインをそのまま利用し、部材のコストを低減できる可能性がある。
【０００５】
一方、燃料電池の発電スタックと異なる点は、低圧水素を供給するアノード極に比べ、カソード極の圧力が燃料電池車に水素を充填できる超高圧となる必要があり、両極の間に介在する電解質膜の支持構造には特殊構造が必要なことである。
【０００６】
＜従来例１：燃料電池の発電スタックを電気化学式水素ポンプとして使用する例＞
図１Ａ、図１Ｂに従来の燃料電池の発電スタック１の構造を示す。図１Ａは従来の燃料電池の発電スタック１のカソード出入口を含む断面、図１Ｂはアノード出入口を含む断面を示す。従来の燃料電池の発電スタック１は複数の単電池（以降、単電池のことをセルと呼ぶ）を積層するのが一般的であるが、図１Ａ、図１Ｂにおいては、３つセル、つまり、ｍ１、ｍ２、ｍ３を積層した場合を示す。このうち最上段の第一セルｍ１について説明する。
【０００７】
アノード電極層３およびカソード電極層４が形成された電解質膜２の両面をアノード拡散層５およびカソード拡散層６で挟み込む。その外側をアノードセパレータ７およびカソードセパレータ８で挟み込み、これを第一セルｍ１とする。また、アノード拡散層５およびカソード拡散層６の周囲には、ガスが外部にもれないようにシール９ｂおよびシール９ａが、また電解質膜２の周囲には、シール９ｃが、それぞれ取り付いている。第二セルｍ２、第三セルｍ３も同様に積層し、下から第三セルｍ３、第二セルｍ２、第一セルｍ１の順で積み重ねた後、その外側をアノード絶縁板１１およびカソード絶縁板１２で挟み込む。さらにその外側を、アノード端板１３およびカソード端板１４で挟み込んだ後、これらをボルト１５とナット１０で締結する。
【０００８】
燃料電池の発電スタック１を水素ポンプとして使用する場合は、アノード入口１６を低圧水素を供給するために使用し、アノード出口１７を余剰な低圧水素を回収するために使用する。つまり、アノード入口１６から低圧水素を供給し、アノード入口マニホールド２１ａと、各単セルのアノード入口横導入路２１ｂと、各単セルのアノード入口縦導入路２１ｃを通して、アノード拡散層５に低圧の水素を流す。余剰な低圧の水素は、各セルのアノード出口縦導入路２１ｄと、アノード出口横導入路２１ｅと、アノード出口マニホールド２１ｆを通して、アノード出口１７から回収する。
【０００９】
一方、下記の電気化学反応によって発生する各単セルのカソード拡散層６内の高圧の水素は、カソード入口縦導入路２２ｃと、カソード入口横導入路２２ｂと、カソード入口マニホールド２２ａを通して、カソード入口１８から取り出す。場合によっては、余剰な高圧の水素は、カソード出口縦導入路２２ｄと、カソード出口横導入路２２ｅと、カソード出口マニホールド２２ｆを通して、カソード出口１９から取り出すことも可能であるが、通常は、カソード出口１９は使わないので封止する。
【００１０】
このように、アノード拡散層５に低圧の水素を流した状態で、電源２０により、第三セルｍ３のアノードセパレータ７と第一セルｍ１のカソードセパレータ８の間に電圧をかける。すると、各セルのアノード電極層３では、式１に示すように、水素がプロトンと電子に解離する。
アノード電極：Ｈ２（低圧）→２Ｈ＋＋２ｅ−  …  （式１）
【００１１】
アノード電極層３で解離したプロトンは、水分子を同伴して電解質膜２を移動し、電子は、アノード拡散層５からアノードセパレータ７を通り、他のセルおよび電源２０を介してカソードセパレータ８およびカソード拡散層６、さらにはカソード電極層４に移動する。また、カソード電極層４側では、式２に示すように、電解質膜２を移動してきたプロトンと、カソード拡散層６から伝わってきた電子とによる還元反応が行われ、水素が生成される。このとき、カソード入口１８を閉止するとカソード拡散層６内の水素ガス圧が上昇し、高圧の水素ガスとなる。
カソード電極：２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２（高圧）  …  （式２）
【００１２】
ここで、アノード側の水素の圧力Ｐ１とカソード側の水素の圧力Ｐ２と電圧Ｅとの関係は、以下の式３で示される。
Ｅ＝（ＲＴ／２Ｆ）ｌｎ（Ｐ２／Ｐ１）＋ｉｒ  …  （式３）
【００１３】
式３において、気体定数（８．３１４５Ｊ／Ｋ・ｍｏｌ）をＲ、セルの温度（Ｋ）をＴ、ファラデー定数（９６４８５Ｃ／ｍｏｌ）をＦ、自然対数をｌｎ、カソード側圧力をＰ２、アノード側圧力をＰ１、電流密度（Ａ／ｃｍ２）をｉ、セル抵抗（Ω・ｃｍ２）をｒで示している。式３から明らかなように、電圧Ｅを上げれば、カソード側の水素の圧力Ｐ２が上昇することが分かる。
【００１４】
現在の燃料電池車に搭載する水素タンクは、７０ＭＰａ〜７５ＭＰａ程度の高圧の水素を貯蔵できることが求められ。そして、この水素タンクに水素を充填するために、水素圧縮機は、水素を８０ＭＰａ以上の高圧に昇圧できることが求められている。今後、この水素の圧力をさらに高くすることが求められていくと予想できる。
電気化学式水素ポンプは、このような超高圧に耐える構造とするため、アノード端板１３およびカソード端板１４の剛性を確保するとともに、複数のボルト１５の直径を大きくして、ボルトの総断面積を確保し、ボルトの許容応力に対して十分な安全率を確保する必要がある。したがって、水素に要求される圧力が高くなるにつれて、本来、水素を昇圧する電気化学反応に関連する部分（図１Ａの１ａで示す部分）だけではなく、ボルトを設置するためだけの部分（図１Ａの１ｂで示す部分）の体積も増加し、小型化・軽量化を妨げる原因となっていた。
【００１５】
＜従来例２：特許文献１と特許文献２に基づく電気化学式水素ポンプの例＞
このような課題を解決する方法として、特許文献１には、水素ポンプなどの水素関連デバイスを、水素貯蔵タンクの内部に収納することが開示されている。
さらに、特許文献２には、特許文献１に開示されているアルミの容器よりも、さらに軽量化を期待できる樹脂容器の密閉方法が開示されている。特許文献２には、分割された２つの熱可塑性の樹脂ライナー（容器）を、熱溶着によって精度良く接合する方法が開示されている。
【００１６】
図２Ａ、図２Ｂには、特許文献１と特許文献２に基づいて、ボルトで締結するためだけに必要な部分（図１Ａの１ｂで示す部分）を無くし、電気化学反応に関連する部分（図１Ａの１ａで示す部分）を積層して、水素貯蔵タンクに収納した電気化学式水素ポンプ３６の構造を示している。図２Ａは、カソード出入口を含む断面、図２Ｂはアノード出入口を含む断面である。
【００１７】
積層方向の中心軸ｄ周りの直径Ｄ２は、図１Ａ、図１Ｂの従来の燃料電池の発電スタック１の直径Ｄ１と比べて、ボルト１５を設置する必要がないので、小さくなっている。また、カソード端板１４ａとアノード端板１３ａは、タンク構造との接続を行うためにロッド部２４ａとロッド部２３ａを有する形状となっている。
図２Ａに示す断面において、ロッド部２４ａとロッド部２３ａにはカソードガス経路ｐ１が形成され、図２Ｂに示す断面において、ロッド部２４ａとロッド部２３ａにはアノードガス経路ｐ２が形成されている。カソードガス経路ｐ１は、カソード拡散層６ａを収納する空間と連通し、アノードガス経路ｐ２は、アノード拡散層５ａを収納する空間と連通している。
【００１８】
＜従来例２の組立手順＞
次に、従来例２の電気化学式水素ポンプ３６の組立手順を説明する。以下において、従来例１と同様に、単電池セルが３つ積層される場合を説明する。
【００１９】
（１）図２Ｃに示すように、アノード端板１３ａのロッド部２３ａに、アノードライナー２５とＯリング２６を挿入したあと、ナット１０ａでアノードライナー２５とアノード端板１３ａを固定する。
（２）プレス機（図示せず）のベース治具２７に、アノード治具２８を置いた後、このアノード治具２８に上記のアノードライナー２５と一体となったアノード端板１３ａを置く。
（３）その上に、アノード端セパレータ２９、アノード絶縁板１１ａ、第三セルｍ３ａ、第二セルｍ２ａ、第一セルｍ１ａ、カソード絶縁板１２ａ、カソード端セパレータ３０、カソード端板１４ａ、バネ３１、バネ押さえ３２の順に積層する。カソード端板１４ａのロッド部２４ａには、予めＯリング２６ａを取り付けておく。
【００２０】
（４）次に、図２Ｄに示すように、カソードライナー３３の広い方の開口部を下向きにしてカソード端板１４ａのロッド部２４ａに挿入し、さらに、カソード治具３４を置く。この状態では、バネ３１には力が加わっていない状態なので、カソードライナー３３とアノードライナー２５の間には隙間δがある。
【００２１】
（５）次に、図２Ｅに示すように、プレス機の押さえヘッド３５でカソード治具３４を下方（矢印αの方向）に力を加えていき、カソードライナー３３とアノードライナー２５を密着させる。
（６）ここで、アノード治具２８とカソード治具３４は、ヘッド部２８ａ、３４ａがベース部２８ｂ、３４ｂにベアリング６２を介して支持されているので、カソードライナー３３とアノードライナー２５を密着させる力をかけたまま、本従来例２の電気化学式水素ポンプ３６を中心軸ｄの周りに矢印ｗのように回転させることができる。このように本従来例２の電気化学式水素ポンプ３６を回転させながら、カソードライナー３３とアノードライナー２５のつなぎ目βをレーザー光（図示せず）によって溶着する。
【００２２】
（７）次に、図２Ｆに示すように、ボルト１５ａとナット１０ｂにより、カソード治具３４とアノード治具２８の間の距離が一定になるように固定した後、プレス機から取り外す。さらに、この従来例２の電気化学式水素ポンプ３６を、中心軸ｄの周りに矢印ｗのように回転させながら、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂を含浸させたカーボン繊維やガラス繊維などの補強材３７を、ＦＷ法によって繰り返し巻き付ける。次に、ボルト１５ａとナット１０ｂを取り外し、本従来例２の電気化学式水素ポンプ３６をカソード治具３４とアノード治具２８から取り外した状態（図２Ａや図２Ｂに示す）で、上記の熱硬化性樹脂を熱硬化させて樹脂製のアノードライナー２５やカソードライナー３３を補強する繊維強化樹脂層３７ａを形成する。
【００２３】
（８）図２Ｇには、従来例２の電気化学式水素ポンプ３６の、カソード通電ロッド３８ａおよびアノード通電ロッド３８ｂを含む断面を示す。図２Ｇに示すように、カソード通電ロッド３８ａは、カソード端セパレータ３０を貫通させて、カソードセパレータ８ａにネジ３９ａによって固定する。アノード通電ロッド３８ｂは、アノード端セパレータ２９を貫通させて、アノードセパレータ７ａに同じくネジ３９ｂによって固定する。電気化学反応を発生させる際には、カソード通電ロッド３８ａとアノード通電ロッド３８ｂの間に電圧をかける。
なお、カソード通電ロッド３８ａとアノード通電ロッド３８ｂは、カソードセパレータ８ａやアノードセパレータ７ａとは通電可能であるが、カソード端板１４ａやアノード端板１３ａとは電気的に絶縁するため、絶縁材によって被覆されている。
【００２４】
図１Ａ、図１Ｂに示す従来例１の燃料電池の発電スタック１を電気化学式水素ポンプとして使った場合は、ボルトを設置するための部分（図１Ａの１ｂで示す部分）にボルトを使って水素ポンプを締結している。これに対し、従来例２の電気化学式水素ポンプ３６は、ボルトを設置するための部分（図１Ａの１ｂで示す部分）を必要とせず、ボルトの代わりに熱硬化性樹脂を含浸させたカーボン繊維やガラス繊維を、電気化学反応に関連する部分を収納するアノードライナーやカソードライナーに、ＦＷ法によって繰り返し巻き付けることで水素ポンプの積層部分を締結する。
【００２５】
さらに、特許文献３には、上記の樹脂製のアノードライナーやカソードライナーを用いず、かつ、ボルトを設置するための部分も不要とする締結方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２６】
【特許文献１】特許第４８９８４１２号公報
【特許文献２】特開２０１３−１７６９７５号公報
【特許文献３】特許第６０００６１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２７】
しかしながら、従来例２の電気化学式水素ポンプ３６には、次のような性能上の課題があることが判明した。以下にこの課題を説明する。
図２Ｈに示す従来例２の電気化学式水素ポンプ３６において、水素貯蔵タンクの内部であって、かつ、アノード端セパレータ２９、アノード絶縁板１１ａ、第三セルｍ３ａ、第二セルｍ２ａ、第一セルｍ１ａ、カソード絶縁板１２ａおよびカソード端セパレータ３０を有する積層体の外となる空間を圧力空間４０とする。この場合、カソード入口１８ａとカソード出口１９ａとカソード拡散層６ａと連通するカソードガス経路ｐ１は、圧力空間４０にも連通している。したがって、カソード拡散層６ａと圧力空間４０は、必ず同じ圧力である。
【００２８】
一方、カソード拡散層６ａを含む高圧となる空間を、中心軸ｄに対して垂直な平面に投影した図形をγ（図２Ｉに示す）、端板が水素貯蔵タンクの内部の高圧ガスに接触している部分を、中心軸ｄに対して垂直な平面に投影した図形をε（図２Ｊに示す）とする。例えば、第一セルｍ１ａのカソードセパレータ８ａが、カソード拡散層６ａ内部の高圧ガスによってカソード端板１４ａに向かう方向へ押される力は、図形γの面積にカソード拡散層６内部の高圧ガスの圧力値を乗じたものである。また、カソード端板１４ａが、水素貯蔵タンクの内部の高圧ガスによって第一セルｍ１ａに向かう方向へ押される力は、図２Ｊの図形εの面積に水素貯蔵タンクの内部の高圧ガスの圧力値を乗じた値ある。この内、図形εａの面積に水素貯蔵タンクの内部の高圧ガスの値を乗じた値の相当する力は、アノード端板１３ａが水素貯蔵タンクの内部の高圧ガスによって第一セルｍ１ａの方向へ押される力と大きさが同じで方向が逆であり相殺する。したがって、カソード端板１４ａが水素貯蔵タンクの内部の高圧ガスによって第一セルｍ１ａの方向へ押される力は、図形εｂの面積に水素貯蔵タンクの内部の高圧ガスの値を乗じた値となる。
【００２９】
しかしながら、図形εｂの面積は、図形γの面積よりも小さく、この差の分だけカソードセパレータ８ａにかかる力の方が、カソード端板１４ａにかかる力よりも大きい。このため、カソードセパレータ８ａとカソード端板１４ａには、変形が発生する。また、この変形は、カソード拡散層６ａ内の水素の圧力が大きいほど大きくなる。この変形のシミュレーション結果を模式的に描いたのが図２Ｈである。
【００３０】
図２Ｈによれば、水素貯蔵タンクの内部のガスの圧力により、端板とセパレータが変形し、カソード拡散層６ａを収納しているカソードセパレータ８ａの凹部の深さが拡大しており、積層方向の中心軸ｄの付近で最も深くなっていることがわかる。よって、カソード拡散層６ａとカソードセパレータ８ａ、さらに、カソード拡散層６ａとカソード電極層４ａの接触面圧が低下し、接触抵抗が増大する原因となっている。
一定の水素を昇圧するための電流は一定であるが、接触抵抗が増加すると、この電流を流すために必要な電圧が大きくなり、一定の水素を昇圧するための電力がより多く必要になる、つまり、効率の低下を意味する。
【００３１】
したがって、本発明の目的は、水素の圧力が高圧になってもセパレータや端板の変形が極めて小さく抑制できる電気化学式水素ポンプおよび電気化学式水素ポンプの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３２】
上記課題を解決するために、本発明の電気化学式水素ポンプは、カソード端セパレータと、カソード絶縁板と、カソードセパレータ、カソード拡散層、電解質膜、アノード拡散層、アノードセパレータを含む少なくとも１つの単電池セルと、アノード絶縁板と、アノード端セパレータと、が順に積層された積層体と、一端が前記カソード端セパレータと接するカソード端板と、一端が前記アノード端セパレータと接するアノード端板と、前記カソード端板の他端および前記アノード端板の他端が貫通する貫通孔を有するとともに、前記積層体を格納する圧力空間を形成する圧力空間形成部と、を備え、前記アノード端板および前記カソード端板のうち少なくとも一方は、前記圧力空間と電気化学式水素ポンプの外部とを連通する圧力経路を有する。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、電気化学式水素ポンプの通電開始以前に、外部からカソード拡散層やアノード拡散層を含む空間とは別の圧力経路を通じて、積層体を格納する圧力空間を設計圧力よりも高い値まで加圧することができる。つまり、この圧力経路は、カソード拡散層を収納する空間やアノード拡散層を収納する空間とは連通してないので、これらの空間の圧力を上げてしまうことはない。したがって、カソード拡散層を含む空間の圧力が設計圧力以下ならば、セパレータにかかる力を端板にかかる力よりも大きくなることを防止できるので、セパレータと端板の変形を極めて小さく抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１Ａ】燃料電池発電スタック（従来例１）の一般的構造のカソードマニホールドを含む模式断面図
【図１Ｂ】前記従来例１の一般的構造のアノードマニホールドを含む模式断面図
【図２Ａ】特許文献１と特許文献２に基づく燃料電池発電スタック（従来例２）のカソードマニホールドを含む模式断面図
【図２Ｂ】前記従来例２のアノードマニホールドを含む模式断面図
【図２Ｃ】前記従来例２の積層作業途中の模式断面図
【図２Ｄ】前記従来例２の積層作業完了後かつ圧縮作業前の模式断面図
【図２Ｅ】前記従来例２のライナー溶着作業完了後の模式断面図
【図２Ｆ】前記従来例２の繊維強化樹脂層形成完了後の模式断面図
【図２Ｇ】前記従来例２の通電ロッド取り付け完了後の模式断面図
【図２Ｈ】前記従来例２のカソード経路が高圧となり、端板やセパレータに変形が発生した時の模式断面図
【図２Ｉ】前記従来例２のカソード拡散層を含む高圧となる空間の積層方向軸に垂直な平面に投影した図
【図２Ｊ】前記従来例２の端板が水素貯蔵タンクの内部の高圧ガスに接触している部分を積層方向の軸と垂直な平面に投影した図形
【図３Ａ】本発明の実施の形態１における電気化学式水素ポンプのカソードマニホールドを含む模式断面図
【図３Ｂ】本発明の実施の形態１における電気化学式水素ポンプのアノードマニホールドを含む模式断面図マニホールドを含む模式断面図
【図３Ｃ】本発明の実施の形態１における電気化学式水素ポンプの通電ロッド取り付け後の模式断面図
【図３Ｄ】本発明の実施の形態１における電気化学式水素ポンプの、通電評価前に圧力空間を加圧する状態の模式断面図
【図４】電気化学式水素ポンプの評価装置の模式断面図
【図５】従来の燃料電池の発電スタック（従来例１）、特許文献１および特許文献２における電気化学式水素ポンプ（従来例２）、および、本発明の実施の形態例１〜２における電気化学式水素ポンプを、図４の電気化学式水素ポンプの評価装置で評価した結果を示す図
【図６Ａ】本発明の実施の形態２における電気化学式水素ポンプのカソードマニホールドを含む模式断面図
【図６Ｂ】本発明の実施の形態２における電気化学式水素ポンプのアノードマニホールドを含む模式断面図マニホールドを含む模式断面図
【図６Ｃ】本発明の実施の形態２における電気化学式水素ポンプの積層作業途中の模式断面図
【図６Ｄ】本発明の実施の形態２における電気化学式水素ポンプの圧縮作業途中の模式断面図
【図６Ｅ】本発明の実施の形態２における電気化学式水素ポンプの繊維強化樹脂層形成完了後の模式断面図
【図６Ｆ】本発明の実施の形態２における電気化学式水素ポンプの通電ロッド取り付け後の模式断面図
【図６Ｇ】本発明の実施の形態２における電気化学式水素ポンプの、通電評価前に圧力空間を加圧する状態の模式断面図
【発明を実施するための形態】
【００３５】
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。
（実施の形態１）
図３Ａは本発明の実施の形態１における電気化学式水素ポンプ４２のカソード出入口を含む断面、図３Ｂはアノード出入口を含む断面を示す。
【００３６】
＜全体構成＞
図３Ａと図３Ｂにおいて、電気化学式水素ポンプ４２は、従来例２の電気化学式水素ポンプ３６と同様に単電池セルが３つ積層される場合を示す。各部の構成、組立手順は従来例２の電気化学式水素ポンプ３６とほぼ同じである。つまり、アノード端板１３ｂ、アノード端セパレータ２９、アノード絶縁板１１ａ、第三セルｍ３ａ、第二セルｍ２ａ、第一セルｍ１ａ、カソード絶縁板１２ａ、カソード端セパレータ３０、カソード端板１４ｂ、バネ３１、バネ押さえ３２の順に積層され、アノードライナー２５とカソードライナー３３内に収納されている。アノードライナー２５およびカソードライナー３３は、圧力空間４０を形成する圧力空間形成部として機能する。なお、圧力空間形成部を図３Ａにおける上下から積層体を挟み込むアノードライナー２５およびカソードライナー３３で構成しているが、左右から積層体を挟み込むライナーで構成されてもよい。また、圧力空間形成部を構成するライナーの個数は、３個以上であってもよい。
【００３７】
また、上記アノードライナー２５とカソードライナー３３の外面には、アノードライナー２５とカソードライナー３３を補強する繊維強化樹脂層３７ａが設けられている。この繊維強化樹脂層３７ａは、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂を含浸させたカーボン繊維やガラス繊維を、ＦＷ法によって繰り返し巻き付け、上記の熱硬化性樹脂を熱硬化させることによって形成されている。
さらに、図３Ｃに示すように、電気化学式水素ポンプ４２には、カソードセパレータ８ａとアノードセパレータ７ａの間に電圧をかけるための、カソード通電ロッド３８ａとアノード通電ロッド３８ｂが取り付けられている。
【００３８】
＜圧力空間＞
本実施の形態１の電気化学式水素ポンプ４２が、従来例２の電気化学式水素ポンプ３６と異なるのは、カソード端板１４ｂとアノード端板１３ｂの構造である。つまり、カソード端板１４ｂとアノード端板１３ｂには、カソード拡散層６ａと外部を連通させるカソードガス経路ｐ１（図３Ａに示す）と、アノード拡散層５ａと外部を連通させるアノードガス経路ｐ２（図３Ｂに示す）の他に、圧力空間４０と外部を連通させる圧力経路ｐ３（図３Ａに示す）が設けられている。しかも、この圧力経路ｐ３は、カソードガス経路ｐ１やアノードガス経路ｐ２とは連通しない構造となっている。
【００３９】
＜圧力空間の作用＞
圧力空間４０は、カソード拡散層６ａを収納する空間やアノード拡散層５ａを収納する空間とは独立しているので、圧力空間４０の入口４０ａから、水ポンプで高圧の水を、つまり常温（２３℃）下で液体である高圧水を送り込めば、圧力空間４０の圧力を、カソード拡散層６ａを収納する空間やアノード拡散層５ａを収納する空間とは異なる値に設定できる。このような圧力設定方法としては、例えば、図３Ｄに示すように、圧力空間４０に水ポンプ５５ｅで高圧水を供給し、圧力空間４０の空気を十分に追い出した後、２方弁５５ｃを閉じてさらに水ポンプ５５ｅで水を押し込み、圧力空間４０の圧力がカソード拡散層６ａを収納する空間やアノード拡散層５ａを収納する空間よりも高くなったところで、２方弁５５ｄを閉じてから水ポンプ５５ｅを外すことが例示できる。
【００４０】
したがって、圧力空間４０の圧力を電気化学式水素ポンプとしての設計圧力よりも高い値まで加圧すれば、各端板１３ｂ，１４ｂにかかる力を、各セパレータ７ａ，８ａにかかる力よりも大きく維持することが可能であり、各セパレータ７ａ，８ａと各端板１３ｂ，１４ｂの変形を極めて小さく抑制できる。このため、カソード拡散層６ａが収納されている空間の積層方向への広がりが抑制され、接触抵抗の増加も抑えられる。したがって、一定量の水素を昇圧するときに、より高い電圧が必要となって電気化学式水素ポンプとしての効率が低下する、ということを抑制できる。また、圧力空間４０に高圧水を送り込むことで、安価であり、微量の水が外部に漏れても環境を汚さないという効果が得られる。圧力空間４０に送り込む高圧の流体のうち、常温下で液体である物質としては、エタノールやオイル等が例示できる。エタノールやオイルを利用すれば、０℃以下でも凍結せず、安定的に加圧状態を維持できるという効果が得られる。
【００４１】
なお、圧力空間４０に送り込む高圧の流体としては、常温下で気体の物質であってもよく、例えば空気や不活性ガス等を送り込んでもよい。空気を利用すれば、安価であり、微量の空気が外部に漏れても環境を汚さないという効果が得られる。窒素、アルゴン、ネオンなどの不活性ガスを利用すれば、積層体内部の微量の水素が圧力空間４０に漏れても爆燃気にならないという効果が得られる。
【００４２】
＜評価装置＞
図４は、電気化学式水素ポンプ４２の評価装置４３の模式断面図である。評価装置４３は、電源２０で電気化学式水素ポンプ４２に電流を流し、水素ボンベ４４とレギュレータ４５で電気化学式水素ポンプ４２に低圧水素を供給する。この低圧水素は、バブラー４６とヒーター４７によって加湿されている。電気化学式水素ポンプ４２で使用されなかった余剰水素は、気液分離装置４８と冷却装置４９で露点を下げる。また、高圧側では、圧力計５０で圧力を測定し、その下流の排気バルブ５１は常時は閉にし、圧力が一定値以上になると開にする。
ただし、排気バルブ５１の開度は圧力損失が十分に大きく発生するように調整される。つまり、排気バルブ５１を通過した後の水素の圧力が、排気バルブ５１で発生した圧力損失によって、ほぼ大気圧（大気圧の１．０５倍程度）にまで低下するように排気バルブ５１の開度が設定される。
【００４３】
ほぼ大気圧程度にまで減圧された水素は気液分離装置４８ａと冷却装置４９ａによって露点を下げられ、窒素ボンベ５２から供給される窒素によって希釈装置５３の内部で希釈された後、屋外へ通じる排気口５４に流出する。
なお、以降のプロセスにおいて、ヒーター４７の温度を６５℃、冷却装置４９，４９ａの温度を２０℃に設定した。
【００４４】
＜評価プロセス＞
本願の水素ポンプを評価するにためのプロセスを説明する。
（１）図４のように、本実施の形態１における電気化学式水素ポンプ４２を評価装置４３にセットする。
（２）３方弁５５を大気開放位置（矢印Ａ）から密閉位置（矢印Ｂ）に切り替える。
（３）希釈用の窒素ボンベのバルブ５５ａを操作して。希釈装置５３に窒素を流す。
（４）水素ボンベ４４のバルブ５５ｂとレギュレータ４５を操作して、低圧（圧力比０．０５）の水素を電気化学式水素ポンプ４２に供給する。
（５）電源２０をＯＮにし、電極面積から計算して１．０（Ａ／ｃｍ２）となるように電流値を設定する。
（６）圧力計５０が目標圧力（圧力比１００）に達するまで、圧力比が１０.０上昇するごとに電源に表示される電圧と電流を記録する。記録した電流と電圧から抵抗を算出する。
（７）電源２０をＯＦＦにし、各バルブの操作により水素の供給を停止し、続いて希釈用の窒素の供給を停止する。
（８）最後に３方弁５５を密閉位置（矢印Ｂ）から大気開放位置（矢印Ａ）に切り替える。
（９）本実施の形態１における電気化学式水素ポンプ４２を取り外す。
【００４５】
＜評価結果＞
図５の折れ線ｇ１は、上記評価プロセスにおいて、従来の燃料電池の発電スタック１を電気化学式水素ポンプとして使った従来例１のデータを、圧力比を横軸に、抵抗比を縦軸にとってプロットした線図である。同様に、図５の折れ線ｇ２およびｇ３は、上記評価プロセスにおいて、従来例２の電気化学式水素ポンプ３６および本実施の形態１における電気化学式水素ポンプ４２のそれぞれのデータを、圧力比を横軸に、抵抗比を縦軸にとってプロットした線図である。
【００４６】
折れ線ｇ１によると、従来例１では、圧力比の上昇とともに抵抗比が増加している。これは、各セルｍ１，ｍ２，ｍ３のカソード拡散層６内の水素の圧力により、カソードセパレータ８とアノードセパレータ７が撓み、カソード拡散層６が収納されている空間が積層方向への広がることにより、カソード拡散層６と、カソードセパレータ８およびカソード拡散層６と、アノード電極層３との接触圧力が低下し、接触抵抗が増加したものと考えられる。
【００４７】
一方、折れ線ｇ２によると、従来例２では、圧力比の上昇に伴う抵抗比の増加は、従来例１と比べて約３分の１程度に減少しているが、依然として圧力比５０以上の領域で急激に増加している。これは、図２Ｈに示すように、次のような理由があるためと考えられる。
【００４８】
圧力空間４０とカソード拡散層６ａ内の圧力が同じである。
カソード端板１４ａが圧力空間４０内の高圧ガスから圧力を受ける面積は、カソードセパレータ８ａがカソード拡散層６ａ内の高圧ガスから圧力を受ける面積より小さい。
したがって、カソード端板１４ａが圧力空間４０内の高圧ガスから受ける力は、カソードセパレータ８ａがカソード拡散層６ａ内の高圧ガスから受ける力より小さい。
よって、カソード端板１４ａとカソードセパレータ８ａには変形が生じる。
この変形により、カソード拡散層６ａを収納しているカソードセパレータ８ａの凹部の深さが拡大し、よって、カソード拡散層６ａとカソードセパレータ８ａ、さらに、カソード拡散層６ａとカソード電極層４ａの接触面圧が低下し、接触抵抗が増大する。
一定の水素を昇圧するための電流は一定であるが、接触抵抗が増加すると、この電流を流すために必要な電圧が大きくなる。
なお、上記の変形は、アノード端板１３ａとアノードセパレータ７ａの間にも同様に発生する。
【００４９】
これに対し、折れ線ｇ３に示す本実施の形態１における電気化学式水素ポンプ４２では、圧力比の上昇とともに抵抗はほとんど増加していない。
このようになる理由は次のように考えられる。
【００５０】
圧力空間４０には、図３Ｄに示す方法で水ポンプ５５ｅで高圧水を供給することにより、予め圧力比１１０の圧力を与えてある。つまり、水ポンプ５５ｅから圧力空間４０に水を注入し、圧力空間４０内の空気を十分に追い出した後、２方弁５５ｃを閉じてさらに水ポンプ５５ｅで水を押し込み、圧力比１１０になったところで２方弁５５ｄを閉じてから水ポンプ５５ｅを外す。
したがって、たとえカソード拡散層６ａ内の高圧ガスの圧力比が１００になっても、カソード端板１４ｂが圧力空間４０内の高圧水から受ける力は、カソードセパレータ８ａが、カソード拡散層６ａ内の高圧ガスから受ける力より小さくなることがなく、カソード端板１４ｂとカソードセパレータ８ａの変形によって、カソード拡散層６ａを収納しているカソードセパレータ８ａの凹部の深さの拡大が抑制される。よって、カソード拡散層６ａとカソードセパレータ８ａ、さらに、カソード拡散層６ａとカソード電極層４ａの接触面圧は低下せず、接触抵抗が増加しない。
したがって、一定の水素を昇圧するための電流は一定であり、接触抵抗も増加しないので、この電流を流すために必要な電圧もほぼ一定となると考えられる。
【００５１】
（実施の形態２）
図６Ａは本発明の実施の形態２における電気化学式水素ポンプ５６のカソード出入口を含む断面、図６Ｂはアノード出入口を含む断面を示す。
【００５２】
＜全体構成＞
本実施の形態２の電気化学式水素ポンプ５６において、カソード端板１４ｃとアノード端板１３ｃの構造は実施の形態１と同様である。つまり、カソード端板１４ｃとアノード端板１３ｃには、カソード拡散層６ａと外部を連通させるカソードガス経路ｐ１（図６Ａに示す）と、アノード拡散層５ａと外部を連通させるアノードガス経路ｐ２（図６Ｂに示す）の他に、圧力空間４０ｂと外部を連通させる圧力経路ｐ３（図６Ａに示す）が設けられている。しかも、この圧力経路ｐ３は、カソードガス経路ｐ１やアノードガス経路ｐ２とは連通しない構造となっている。
【００５３】
電気化学式水素ポンプ５６が、実施の形態１と異なるのは、特許文献３に基づいてアノードライナー２５とカソードライナー３３を廃止して、圧力空間４０ｂを形成する圧力空間形成部として、アノードマンドレル５７、カソードマンドレル６０およびガスバリア層６３を採用している点である。しかも、特許文献３とは異なり、発泡スチロール製のマンドレルを除去せずに、マンドレルがとりつけられた状態で、圧力空間４０ｂが外部から高圧水によって加圧される。
【００５４】
＜実施の形態２の組立手順＞
次に、本発明の実施の形態２における電気化学式水素ポンプ５６の組立手順を説明する。
以下には、実施の形態１と同様の単電池セルが３つ積層される場合を説明する。
（１）図６Ｃに示すように、アノード端板１３ｃのロッド部２３ｂにアノードマンドレル５７とアノード口金５８とＯリング２６ｂを挿入したあと、ナット１０ｃでアノード端板１３ｃとアノード口金５８を固定する。
（２）組立に使用するプレス機（図示せず）のベース治具２７に、アノード治具２８を置いた後、このアノード治具２８に上記のようにアノードマンドレル５７とアノード口金５８と一体となったアノード端板１３ｃを置く。
（３）その上に、アノード端セパレータ２９、アノード絶縁板１１ａ、第三セルｍ３ａ、第二セルｍ２ａ、第一セルｍ１ａ、カソード絶縁板１２ａ、カソード端セパレータ３０、カソード端板１４ｃ、センターマンドレル５９、カソードマンドレル６０、バネ３１、カソード口金６１の順に積層する。カソード端板１４ｃのロッド部２４ｂには、予めＯリング２６ｃを取り付けておく。この状態ではバネ３１には力が加わっていないので、カソードマンドレル６０とカソード口金６１の間には隙間δａがある。なお、圧力空間形成部を図６Ｃにおける上下から積層体を挟み込むアノードマンドレル５７およびカソードマンドレル６０を含んで構成しているが、左右から積層体を挟み込むマンドレルで構成されてもよい。また、圧力空間形成部を構成するマンドレルの個数は、３個以上であってもよい。
【００５５】
（４）次に、図６Ｄに示すように、上記カソード口金６１を下方に押しつけるようにカソード治具３４を置いた後、プレス機の押さえヘッド３５で下方に力を加えていく。この力を加えたままの状態で、ボルト１５ａとナット１０ｂにより、カソード治具３４とアノード治具２８の間の距離が一定になるように固定する。
（５）次に、図６Ｅに示すように、アノード治具２８、本実施の形態２の電気化学式水素ポンプ５６、カソード治具３４が一体となった状態で、プレス機から取り外す。ここで、アノード治具２８のヘッド部２８ａはベース部２８ｂにベアリング６２によって支持され、カソード治具３４のヘッド部３４ａはベース部３４ｂにベアリング６２によって支持されているので、カソード治具３４とアノード治具２８およびボルト１５ａとナット１０ｂが一体となった部分を固定して、本実施の形態２の電気化学式水素ポンプ５６を積層方向の中心軸ｄの周りに矢印ｗのように回転させることができる。
（６）次に、この回転自在な構造を利用して、特許文献３に基づき、本実施の形態２の電気化学式水素ポンプ５６の外面に、ビニールアルコール系の樹脂からなるガスバリア部材のフィルムを巻き付け、ガスバリア層６３を形成する。さらに、ガスバリア層６３の外面に、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂を含浸させたカーボン繊維やガラス繊維をＦＷ法によって繰り返し巻き付け、補強材３７とする。
【００５６】
（７）次に、ボルト１５ａとナット１０ｂを除去し、本実施の形態２の電気化学式水素ポンプ５６をカソード治具３４とアノード治具２８から取り外した状態（図６Ａおよび図４Ｂに示す）で、上記の熱硬化性樹脂を熱硬化させてガスバリア層６３を補強する繊維強化樹脂層３７ｃを形成する。
（８）図６Ｆには、本実施の形態２の電気化学式水素ポンプ５６のカソード通電ロッド３８ａおよびアノード通電ロッド３８ｂを含む断面を示す。図６Ｆに示すように、カソードセパレータ８ａには、カソード通電ロッド３８ａをネジ３９ａによって固定し、アノードセパレータ７ａには、アノード通電ロッド３８ｂを同じくネジ３９ｂによって固定する。電気化学反応を発生させる際には、カソード通電ロッド３８ａとアノード通電ロッド３８ｂの間に電圧をかける。なお、カソード通電ロッド３８ａとアノード通電ロッド３８ｂは、カソードセパレータ８ａやアノードセパレータ７ａとは通電可能であるが、カソード端板１４ａやアノード端板１３ａとは電気的に絶縁するため、絶縁材によって被覆されている。
（９）なお、特許文献３とは異なり、発泡スチロール製の各マンドレル５７，５９，６０を除去せずに、各マンドレル５７，５９，６０が取り付けられた状態で、圧力空間４０ｂが外部から高圧水によって加圧される。ここで、圧力空間４０ｂの加圧を高圧の水ではなく、実施の形態１で例示したエタノールやオイル等の液体、空気や不活性ガス等の気体で行ってもよい。
【００５７】
＜実施の形態２の評価＞
本実施の形態２の評価にあたっても、実施の形態１と同様に、事前に圧力空間４０ｂには、水ポンプ５５ｅで高圧水を供給することにより、予め圧力比１１０の圧力を与えた。なお、本実施の形態２の電気化学式水素ポンプ５６においては、アノードマンドレル５７とセンターマンドレル５９とカソードマンドレル６０を除去せずに上記の加圧を行うため、図６Ｇに示すように、圧力によって、アノードマンドレル５７とセンターマンドレル５９とカソードマンドレル６０は収縮変形している。
次に、実施の形態１の評価と同様に、評価装置４３を用いて評価を行った。
【００５８】
＜実施例２の評価結果＞
図５の折れ線ｇ４は、上記評価プロセスにおいて、本実施の形態２の電気化学式水素ポンプ５６のデータを、圧力比を横軸に、抵抗比を縦軸にとってプロットした線図である。折れ線ｇ４によれば、圧力比が上昇しても、抵抗比はほとんど上昇していない。
よって、図６Ｇにおいて、カソード端板１４ａとカソードセパレータ８ａの変形に起因して、カソード拡散層６ａを収納しているカソードセパレータ８ａの凹部の深さが拡大することが抑制される。このため、カソード拡散層６ａとカソードセパレータ８ａ、さらに、カソード拡散層６ａとカソード電極層４ａの接触面圧は低下せず、接触抵抗の増加が抑えられていることが分かる。しかも、実施の形態１は、熱可塑性の樹脂製であるアノードライナー２５とカソードライナー３３を使用していたのに対し、本実施の形態２は、樹脂製のライナーより軽量な発泡スチロール製のアノードマンドレル５７とセンターマンドレル５９とカソードマンドレル６０を使用している。このため、本実施の形態２の電気化学式水素ポンプ５６としては、実施の形態１と比べて、約５％重量を軽減できた。つまり、ほぼ同等の性能をより軽量な構成で実現できたと言える。
【００５９】
（特徴）
なお、本発明の電気化学式水素ポンプは、下記特徴を有する。
カソード端セパレータと、カソード絶縁板と、カソードセパレータ、カソード拡散層、電解質膜、アノード拡散層、アノードセパレータを含む少なくとも１つの単電池セルと、アノード絶縁板と、アノード端セパレータと、が順に積層された積層体と、一端が前記カソード端セパレータと接するカソード端板と、一端が前記アノード端セパレータと接するアノード端板と、前記カソード端板の他端および前記アノード端板の他端が貫通する貫通孔を有するとともに、前記積層体を格納する圧力空間を形成する圧力空間形成部と、を備え、前記アノード端板および前記カソード端板のうち少なくとも一方は、前記圧力空間と前記電気化学式水素ポンプの外部とを連通する圧力経路を有する。
【００６０】
前記圧力空間形成部は、前記カソード端セパレータを覆うように構成されたカソードライナーと、前記アノード端セパレータを覆うように構成され、前記カソードライナーと対になって前記圧力空間を形成するアノードライナーと、を備えてもよい。
【００６１】
前記対となったカソードライナーおよびアノードライナーの外周に少なくともカーボン繊維およびガラス繊維のうち一方を巻き付けて形成した繊維層を備えてもよい。
【００６２】
前記圧力経路は、前記アノード拡散層に供給される水素が通過するアノードガス経路および前記カソード拡散層から排出される水素が通過するカソードガス経路と連通しなくてもよい。
【００６３】
前記圧力経路には、前記圧力空間に高圧の流体を注入することにより、前記圧力空間内の圧力を、電気化学式水素ポンプとしての設計圧力以上の圧力に加圧した状態に保つためのポンプが接続されていてもよい。
【００６４】
前記高圧の流体が常温下で液体である物質であってもよい。
【００６５】
前記高圧の流体が常温下で気体である物質であってもよい。
【００６６】
前記圧力空間形成部は、前記カソード端板を挟んで前記積層体と対向する位置に配置されたカソードマンドレルと、前記アノード端板を挟んで前記積層体と対向する位置に配置されたアノードマンドレルと、前記カソード端板の他端および前記アノード端板の他端が外部に突出するように、前記積層体、前記カソードマンドレルおよび前記アノードマンドレルの外周に樹脂フィルムを巻き付けることにより構成され、前記圧力空間を形成するガスバリア層と、を備えてもよい。
【００６７】
前記ガスバリア層の外周に少なくともカーボン繊維およびガラス繊維のうち一方を巻き付けて形成した繊維層を備えてもよい。
【００６８】
本発明の電気化学式水素ポンプの製造方法は、下記特徴を有する。
前記積層体、前記カソード端板および前記アノード端板をプレス機で加圧し、前記対となったカソードライナーおよびアノードライナーの外周に少なくともカーボン繊維およびガラス繊維のうち一方を巻き付け、前記巻き付けられた少なくとも一方のカーボン繊維およびガラス繊維を加熱により硬化させることで前記繊維層を形成する、ことを含む。
【００６９】
前記積層体、前記カソード端板および前記アノード端板をプレス機で加圧し、前記ガスバリア層の外周に少なくともカーボン繊維およびガラス繊維のうち一方を巻き付け、前記巻き付けられた少なくとも一方のカーボン繊維およびガラス繊維のうちを加熱により硬化させることで前記繊維層を形成する、ことを含む。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明の電気化学式水素ポンプは、水素充填装置用の水素圧縮装置として利用できる。さらに、本発明の電気化学式水素ポンプの構造は、水を電気分解して水素と酸素を発生させる電気化学式水電解装置としても利用可能である。
【符号の説明】
【００７１】
１  発電スタック
２  電解質膜
３  アノード電極層
４、４ａ  カソード電極層
５、５ａ  アノード拡散層
６、６ａ  カソード拡散層
７、７ａ  アノードセパレータ
８、８ａ  カソードセパレータ
９ａ、９ｂ、９ｃ  シール
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ  ナット
１１、１１ａ  アノード絶縁板
１２、１２ａ  カソード絶縁板
１３、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ  アノード端板
１４、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ  カソード端板
１５、１５ａ  ボルト
１６  アノード入口
１７  アノード出口
１８、１８ａ  カソード入口
１９、１９ａ  カソード出口
２０  電源
２１ａ  アノード入口マニホールド
２１ｂ  アノード入口横導入路
２１ｃ  アノード入口縦導入路
２１ｄ  アノード出口縦導入路
２１ｅ  アノード出口横導入路
２１ｆ  アノード出口マニホールド
２２ａ  カソード入口マニホールド
２２ｂ  カソード入口横導入路
２２ｃ  カソード入口縦導入路
２２ｄ  カソード出口縦導入路
２２ｅ  カソード出口横導入路
２２ｆ  カソード出口マニホールド
２３ａ、２３ｂ  アノード端板のロッド部
２４ａ、２４ｂ  カソード端板のロッド部
２５  アノードライナー
２６、２６ａ、２６ｂ、２６ｃ  Ｏリング
２７  ベース治具
２８  アノード治具
２８ａ、３４ａ  ヘッド部
２８ｂ、３４ｂ  ベース部
２９  アノード端セパレータ
３０  カソード端セパレータ
３１  バネ
３２  バネ押さえ
３３  カソードライナー
３４  カソード治具
３５  押さえヘッド
３６  従来例２の電気化学式水素ポンプ
３７  補強材
３７ａ  繊維強化樹脂層
３７ｃ  繊維強化樹脂層
３８ａ  カソード通電ロッド
３８ｂ  アノード通電ロッド
３９ａ、３９ｂ  ネジ
４０、４０ｂ  圧力空間
４０ａ  入口
４２  実施の形態１の電気化学式水素ポンプ
４３  評価装置
４４  水素ボンベ
４５  レギュレータ
４６  バブラー
４７  ヒーター
４８、４８ａ  気液分離装置
４９、４９ａ  冷却装置
５０  圧力計
５１  排気バルブ
５２  窒素ボンベ
５３  希釈装置
５４  排気口
５５  ３方弁
５５ａ、５５ｂ  バルブ
５５ｃ、５５ｄ  ２方弁
５５ｅ  水ポンプ
５６  実施の形態２の電気化学式水素ポンプ
５７  アノードマンドレル
５８  アノード口金
５９  センターマンドレル
６０  カソードマンドレル
６１  カソード口金
６２  ベアリング
６３  ガスバリア層
Ｄ１、Ｄ２  直径
ｄ  中心軸
ｇ１、ｇ２、ｇ３、ｇ４  評価結果を示すグラフ内の折れ線
ｍ１、ｍ１ａ  第一セル
ｍ２、ｍ２ａ  第二セル
ｍ３、ｍ３ａ  第三セル
ｐ１  カソードガス経路
ｐ２  アノードガス経路
ｐ３  圧力経路
α、ｗ  方向
β  つなぎ目
δ、δａ  隙間
ε、εａ、εｂ、γ  図形
【図１Ａ】
2020186461.tif 000003
【図１Ｂ】
2020186461.tif 000004
【図２Ａ】
2020186461.tif 000005
【図２Ｂ】
2020186461.tif 000006
【図２Ｃ】
2020186461.tif 000007
【図２Ｄ】
2020186461.tif 000008
【図２Ｅ】
2020186461.tif 000009
【図２Ｆ】
2020186461.tif 000010
【図２Ｇ】
2020186461.tif 000011
【図２Ｈ】
2020186461.tif 000012
【図２Ｉ】
2020186461.tif 000013
【図２Ｊ】
2020186461.tif 000014
【図３Ａ】
2020186461.tif 000015
【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
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【図６Ｆ】
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【図６Ｇ】
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