(57)【要約】【課題】従来に比べて、簡易な構成で電解質膜（カソード触媒層）とカソードガス拡散層との間の接触抵抗を低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、一対の主面を備える電解質膜と、電解質膜の一方の主面に設けられたカソード触媒層と、電解質膜の他方の主面に設けられたアノード触媒層と、カソード触媒層に対して設けられたカソードガス拡散層と、アノード触媒層に対して設けられたアノードガス拡散層と、カソード触媒層およびアノード触媒層の間に電圧を印加する電圧印加器と、を備え、カソードガス拡散層は、複数の通気孔を備える金属シートと金属繊維焼結シートとを備え、金属シートは、カソード触媒層に隣接している。【選択図】図３
2018109217.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の主面を備える電解質膜と、
前記電解質膜の一方の主面に設けられたカソード触媒層と、
前記電解質膜の他方の主面に設けられたアノード触媒層と、
前記カソード触媒層に対して設けられたカソードガス拡散層と、
前記アノード触媒層に対して設けられたアノードガス拡散層と、
前記カソード触媒層および前記アノード触媒層の間に電圧を印加する電圧印加器と、を備え、
前記カソードガス拡散層は、複数の通気孔を備える金属シートと金属繊維焼結シートとを備え、前記金属シートは、前記カソード触媒層に隣接している電気化学式水素ポンプ。
【請求項２】
前記金属シートの主面は、前記カソード触媒層の主面より面積が大きい請求項１に記載の電気化学式水素ポンプ。
【請求項３】
前記カソードガス拡散層を納める凹部を備えるセパレータと、
前記電解質膜、前記カソード触媒層、前記アノード触媒層、前記カソードガス拡散層、
前記アノードガス拡散層および前記セパレータの積層体を締結する締結器と、を備え、
前記締結器による前記積層体の締結前に、前記カソードガス拡散層は、前記凹部の厚み方向にはみ出して配設されており、
前記金属シートは、該金属シートの厚み以下で、前記凹部の厚み方向にはみ出している請求項１または２に記載の電気化学式水素ポンプ。
【請求項４】
前記金属シートの主面は、前記金属繊維焼結シートの主面より面積が大きく、前記金属繊維焼結シートは、前記カソード触媒層と隣接しない方の前記金属シートの主面に隣接している請求項３に記載の電気化学式水素ポンプ。
【請求項５】
前記金属シートは、前記金属繊維焼結シートよりも外周囲の長さが大きい請求項３に記載の電気化学式水素ポンプ。
【請求項６】
前記凹部は、前記金属シートの主面の面積よりも開口面積が大きい第１凹部と、前記金属シートの主面の面積よりも小さい開口面積の第２凹部と、を備える請求項４に記載の電気化学式水素ポンプ。
【請求項７】
前記凹部外周の前記セパレータ上に、前記カソードガス拡散層を流れる水素の漏洩をシールするシール構造を備える請求項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】
前記金属シートの前記通気孔は、前記金属繊維焼結シートに隣接する主面側の開口部の開口面積が、他方の主面側の開口部の開口面積より小さい請求項１−７のいずれか１項に記載の電気化学式水素ポンプ。
【請求項９】
前記カソードガス拡散層を納める凹部を備えるセパレータと、
前記電解質膜、前記カソード触媒層、前記アノード触媒層、前記カソードガス拡散層、前記アノードガス拡散層および前記セパレータの積層体を締結する締結器と、を備える請求項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、燃料電池の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し得る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の促進には、燃料供給インフラを整備する必要がある。また、燃料供給インフラに水素を安定的に供給するために、高純度の水素を精製および昇圧する様々な提案が行われている。
【０００４】
例えば、電解質膜に設けられたアノードとカソードとの間に電圧をかけて、アノード側に供給された水を電気分解することで、カソード側に高圧状態の水素を製造する高圧水素製造装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、水素（カソードガス）が高圧になっても、電解質膜とカソード給電体との接触抵抗が増加しにくくなるように、皿バネまたはコイルバネなどを用いてカソード給電体を電解質膜に押圧して密着させ得る押圧手段が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
また、電気化学セル用の給電体が金属繊維積層体を備え、金属繊維と金属繊維の間にチタン粗粒子を充填するとともに、給電体の表面をチタン微粒子で敷き詰める構成が提案されている（例えば、特許文献３参照）。これにより、給電体と膜電極接合体との間の密着性を向上しながら、金属繊維による膜電極接合体の損傷が低減されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−３４２５８７号公報
【特許文献２】特開２００６−７０３２２号公報
【特許文献３】特開２００２−６９６８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、従来例は、簡易な構成で電解質膜とカソード給電体との間の接触抵抗を低減すること、および、電解質膜の損傷を低減することについて十分に検討されていない。
【０００９】
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、従来に比べて、簡易な構成で電解質膜（カソード触媒層）とカソードガス拡散層との間の接触抵抗を低減し得る電気化学式水素ポンプを提供する。また、従来に比べて、電解質膜の損傷を低減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】
【００１０】
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、一対の主面を備える電解質膜と、前記電解質膜の一方の主面に設けられたカソード触媒層と、前記電解質膜の他方の主面に設けられたアノード触媒層と、前記カソード触媒層に対して設けられたカソードガス拡散層と、前記アノード触媒層に対して設けられたアノードガス拡散層と、
前記カソード触媒層および前記アノード触媒層の間に電圧を印加する電圧印加器と、を備え、前記カソードガス拡散層は、複数の通気孔を備える金属シートと金属繊維焼結シートとを備え、前記金属シートは、前記カソード触媒層に隣接している。
【発明の効果】
【００１１】
本開示の一態様の電気化学式水素ポンプは、従来に比べて、簡易な構成で電解質膜（カソード触媒層）とカソードガス拡散層との間の接触抵抗を低減し得るという効果を奏する。また、本開示の一態様の電気化学式水素ポンプは、従来に比べて、電解質膜の損傷を低減し得るという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１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２】図２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３】図３は、第１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４】図４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デバイスの一例を示す図である。
【図５】図５は、第１実施形態の電気化学式水素ポンプの単セルの締結動作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カソードセパレータ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カソ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】
【００１３】
特許文献２でも、上記のとおり、電解質膜とカソード給電体との接触抵抗を低減する構成の検討が行われているが、カソード給電体を電解質膜に押圧して密着させるための押圧手段を設ける必要があるので、部品点数が増える。よって、特許文献２の高圧水素製造装置では、部品点数の増加により、装置構成が複雑化するとともに、製造コストが嵩む可能性がある。
【００１４】
特許文献３でも、上記のとおり、給電体と膜電極接合体との間の密着性を向上しながら、金属繊維による膜電極接合体の損傷を低減する構成の検討が行われているが、金属繊維に導電性材料粉末を充填する手法では、給電体の表面を十分に平滑化することは困難である。この理由は以下の通りである。
【００１５】
特許文献３では、金属繊維と金属繊維の間にチタン粗粒子を充填し、給電体の表面をチタン微粒子で埋めているが、給電体の表面をチタン微粒子のみで敷き詰めるようにチタン粒子の供給を制御することは難しい。仮に給電体の表面にチタン粗粒子が存在する場合、給電体の表面は、チタン粗粒子により部分的に凹凸状態となる。よって、特許文献３の電気化学セル用の給電体では、給電体の表面の凹凸によって膜電極接合体が損傷する可能性がある。
【００１６】
そこで、本開示の第１の態様の電気化学式水素ポンプは、以上の知見に基づいて案出できたものであり、一対の主面を備える電解質膜と、電解質膜の一方の主面に設けられたカソード触媒層と、電解質膜の他方の主面に設けられたアノード触媒層と、カソード触媒層に対して設けられたカソードガス拡散層と、アノード触媒層に対して設けられたアノードガス拡散層と、カソード触媒層およびアノード触媒層の間に電圧を印加する電圧印加器と、を備え、カソードガス拡散層は、複数の通気孔を備える金属シートと金属繊維焼結シートとを備え、金属シートは、カソード触媒層に隣接している。
【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、従来に比べて簡易な構成で電解質膜（カソード触媒層）とカソードガス拡散層との間の接触抵抗を低減し得る。具体的には、電気化学式水素ポンプの動作時に、電気化学式水素ポンプのカソードガスが高圧状態になると、電解質膜がカソードガスを通さないので、アノードガス拡散層、アノード触媒層および電解質膜に高圧がかかる。すると、アノードガス拡散層、アノード触媒層および電解質膜のそれぞれが圧縮変形する。このとき、カソードガス拡散層の金属繊維焼結シートが弾性体であるので、金属繊維焼結シートの弾性力により、上記の圧縮変形が生じた場合でも、金属シートと電解質膜（カソード触媒層）との接触を適切に維持できる。よって、本態様の電気化学式水素ポンプは、特許文献２の如く金属シートを電解質膜（カソード触媒層）に押圧するための専用の部材が不要であるので、特許文献２に比べて簡易な構成で上記の接触抵抗を低減し得る。
【００１８】
また、本態様の電気化学式水素ポンプは、従来に比べて、電解質膜の損傷を低減し得る。具体的には、カソード触媒層に隣接する金属シートの表面を、特許文献３の導電性材料粉末からなる粉末層よりも平滑に形成できる。つまり、この粉末層は、上記のとおり、チタン粗粒子により部分的に凹凸状態となる可能性があるが、金属シートの表面は、精密な金属表面処理により、このような凹凸を粉末層に比べて緩和できる。よって、本態様の電気化学式水素ポンプは、特許文献３に比べて電解質膜の損傷を低減し得る。
【００１９】
本開示の第２の態様の電気化学式水素ポンプは、第１の態様の電気化学式水素ポンプにおいて、金属シートの主面は、カソード触媒層の主面より面積が大きい。
【００２０】
かかる構成によると、本態様の電気化学式水素ポンプは、カソード触媒層の主面全体を電気接触面として構成できる。よって、金属シートの主面の面積がカソード触媒層の主面の面積よりも小さい場合に比べて、カソード触媒層を有効に活用できるので電気化学式水素ポンプの水素加圧性を向上できる。
【００２１】
本開示の第３の態様の電気化学式水素ポンプは、第１の態様または第２の態様の電気化学式水素ポンプにおいて、カソードガス拡散層を納める凹部を備えるセパレータと、電解質膜、カソード触媒層、アノード触媒層、カソードガス拡散層、アノードガス拡散層およびセパレータの積層体を締結する締結器と、を備える。また、この場合、電気化学式水素ポンプは、締結器による積層体の締結前に、カソードガス拡散層は、凹部の厚み方向にはみ出して配設されており、金属シートは、該金属シートの厚み以下で、凹部の厚み方向にはみ出している。
【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、カソードガス拡散層がセパレータの凹部から凹部の厚み方向にはみ出しているので、カソードガス拡散層のはみ出し量分、締結器により金属繊維焼結シートを圧縮できる。よって、アノードガス拡散層、アノード触媒層および電解質膜のそれぞれが圧縮変形した場合でも、金属繊維焼結シートが、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、金属シートと電解質膜（カソード触媒層）との間の接触を適切に維持できる。
【００２３】
また、金属シートが金属シートの厚み以下で、凹部の厚み方向にはみ出しているので、凹部の側面が金属シートの側面に対する摺動ガイドとして機能する。すると、金属繊維焼結シートが凹部からはみ出すことなく、金属繊維焼結シートを凹部の厚み方向にスムーズに弾性変形（伸縮）できる。
【００２４】
本開示の第４の態様の電気化学式水素ポンプは、第３の態様の電気化学式水素ポンプにおいて、金属シートの主面は、金属繊維焼結シートの主面より面積が大きく、金属繊維焼結シートは、カソード触媒層と隣接しない方の金属シートの主面に隣接している。
【００２５】
本開示の第５の態様の電気化学式水素ポンプは、第３の態様の電気化学式水素ポンプにおいて、金属シートは、金属繊維焼結シートよりも外周囲の長さが大きい。
【００２６】
以上の金属シートおよび金属繊維焼結シートの大小関係および両者の配置関係で、カソードガス拡散層の金属シートおよび金属繊維焼結シートを凹部に納めた場合、凹部の側面と金属繊維焼結シートの側面との間に適宜の隙間を設けることができる。すると、金属繊維焼結シートを凹部の厚み方向に圧縮する際に、この厚み方向に垂直な面方向への金属繊維焼結シートの変形（伸び）が、この隙間の存在により適切に行われる。
【００２７】
本開示の第６の態様の電気化学式水素ポンプは、第１の態様から第５の態様のいずれかの電気化学式水素ポンプにおいて、凹部外周のセパレータ上に、カソードガス拡散層を流れる水素の漏洩をシールするシール構造を備える。
【００２８】
かかる構成によると、セパレータの主面を利用して、カソードガス拡散層を適切にシールすることができる。
【００２９】
以下、添付図面を参照しつつ、第１実施形態、第２実施形態および第３実施形態の具体例について説明する。以下で説明する具体例は、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。
【００３０】
（第１実施形態）
［装置構成］
図１および図２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２は、図１のＡ部の拡大図である。
【００３１】
図１および図２に示すように、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、電解質膜１４と、カソード触媒層１５と、アノード触媒層１６と、アノードガス拡散デバイス９と、電圧印加器１９と、締結器２７と、カソードガス拡散層３１と、カソードセパレータ３２と、を備える。アノードガス拡散デバイス９は、アノードガス拡散層２４を備えるアノード本体１と、アノードガス流路板５と、アノード端板１０と、を備える。
【００３２】
電気化学式水素ポンプ１００の単セル１００Ａは、電解質膜１４と、カソード触媒層１５と、アノード触媒層１６と、カソードガス拡散層３１と、カソードセパレータ３２と、アノードガス拡散デバイス９と、を備える。よって、図１の電気化学式水素ポンプ１００は、３段の単セル１００Ａが積層されたスタックを構成しているが、単セル１００Ａの段数はこれに限定されない。つまり、単セル１００Ａの段数は、電気化学式水素ポンプ１００の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。
【００３３】
締結器２７は、電解質膜１４、カソード触媒層１５、アノード触媒層１６、カソードガス拡散層３１、アノードガス拡散層２４およびカソードセパレータ３２の積層体１００Ｂを締結する。
【００３４】
つまり、上記の積層体１００Ｂを備える単セル１００Ａを複数個、積層状態で適切に保持するには、単セル１００Ａの最上層のカソードセパレータ３２の端面および最下層のアノードガス拡散デバイス９の端面をそれぞれ、図示しない絶縁板などを介して端板２６Ｕおよび端板２６Ｄで挟み、単セル１００Ａに所望の締結圧をかける必要がある。そこで、端板２６Ｕおよび端板２６Ｄの適所に、単セル１００Ａに締結圧をかけるための皿ばねなどを備える複数の締結器２７が設けられている。
【００３５】
締結器２７は、上記の積層体１００Ｂを締結できれば、どのような構成であってもよい。締結器２７として、例えば、端板２６Ｕおよび端板２６Ｄの間を貫通するボルト、および皿ばね付きナットなどを例示できる。
【００３６】
端板２６Ｕには、カソードガス拡散層３１からのカソードガスが流通するカソードガス導出配管３０が設けられている。つまり、カソードガス導出配管３０は、積層状態の単セル１００Ａに設けられた筒状のカソードガス導出マニホルド（図示せず）に連通している。なお、カソードセパレータ３２およびアノードガス拡散デバイス９の間には、平面視において、カソードガス導出マニホルドを囲むように図示しないＯリングなどのシール部材が設けられ、カソードガス導出マニホルドが、このシール部材で適切にシールされている。
【００３７】
また、端板２６Ｕには、アノードガス拡散デバイス９からの余剰のアノードガスが流通するアノードガス導出配管２９も設けられている。つまり、アノードガス導出配管２９は、積層状態の単セル１００Ａに設けられた筒状のアノードガス導出マニホルド２９Ａに連通している。なお、カソードセパレータ３２およびアノードガス拡散デバイス９の間には、平面視において、アノードガス導出マニホルド２９Ａを囲むようにＯリングなどのシール部材４０が設けられ、アノードガス導出マニホルド２９Ａが、シール部材４０で適切にシールされている。
【００３８】
端板２６Ｄには、アノ−ドガス拡散デバイス９に供給されるアノードガスが流通するアノードガス導入配管２８が設けられている。つまり、アノードガス導入配管２８は、積層状態の単セル１００Ａに設けられた筒状のアノードガス導入マニホルド２８Ａに連通している。なお、カソードセパレータ３２およびアノードガス拡散デバイス９の間には、平面視において、アノードガス導入マニホルド２８Ａを囲むようにＯリングなどのシール部材４０が設けられ、アノードガス導入マニホルド２８Ａが、シール部材４０で適切にシールされている。
【００３９】
電解質膜１４は、一対の主面を備える。電解質膜１４は、プロトン（Ｈ＋）を透過可能なプロトン伝導性高分子膜である。電解質膜１４はプロトン伝導性高分子膜であれば、どのような膜であってもよい。例えば、電解質膜１４として、フッ素系高分子電解質膜などを挙げることができる。具体的には、例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標、デュポン社製）、Ａｃｉｐｌｅｘ（商品名、旭化成株式会社製）などを用いることができる。
【００４０】
カソード触媒層１５は、電解質膜１４の一方の主面（例えば、おもて面）に設けられている。なお、平面視において、カソード触媒層１５の周囲を囲むようにＯリング、ガスケットなどのシール部材４１が設けられ、カソード触媒層１５が、シール部材４１で適切にシールされている。つまり、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、カソードセパレータ３２の凹部３５（図３参照）の外周のカソードセパレータ３２上に、カソードガス拡散層３１を流れるカソードガス（水素）の漏洩をシールするシール構造を備える。これにより、カソードセパレータ３２の主面を利用して、カソード触媒層１５およびカソードガス拡散層３１を適切にシールできる。カソード触媒層１５は、例えば、触媒金属として白金を含むが、これに限定されない。
【００４１】
カソードガス拡散層３１は、カソード触媒層１５に対して設けられている。カソードガス拡散層３１の詳細な構成は後で説明する。
【００４２】
アノード触媒層１６は、電解質膜１４の他方の主面（例えば、うら面）に設けられている。なお、平面視において、アノード触媒層１６の周囲を囲むようにＯリング、ガスケットなどのシール部材４２が設けられ、アノード触媒層１６が、シール部材４２で適切にシールされている。つまり、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２４の外周のアノード本体１上に、アノードガス拡散層２４を流れるアノードガスの漏洩をシールするシール構造を備える。これにより、アノード本体１の主面を利用して、アノード触媒層１６およびアノードガス拡散層２４を適切にシールできる。アノード触媒層１６は、例えば、触媒金属としてＲｕＩｒＦｅＯｘを含むが、これに限定されない。
【００４３】
アノードガス拡散デバイス９のアノードガス拡散層２４は、アノード触媒層１６に対して設けられている。アノードガス拡散デバイス９の詳細な構成は後で説明する。
【００４４】
カソード触媒層１５もアノード触媒層１６も、触媒の調製方法としては、種々の方法を挙げることができるので、特に限定されない。例えば、触媒の担体としては、導電性多孔質物質粉末、炭素系粉末などを挙げることができる。炭素系粉末としては、例えば、黒鉛、カーボンブラック、電気導電性を有する活性炭などの粉末を挙げることができる。カーボンなどの担体に、白金若しくは他の触媒金属を担持する方法は、特に限定されない。例えば、粉末混合または液相混合などの方法を用いてもよい。後者の液相混合としては、例えば、触媒成分コロイド液にカーボンなどの担体を分散させ、吸着させる方法などが挙げられる。また、必要に応じて活性酸素除去材を担体として、白金若しくは他の触媒金属を上記と同様の方法で担持することができる。白金などの触媒金属の担体への担持状態は、特に限定されない。例えば、触媒金属を微粒子化し、高分散で担体に担持してもよい。
【００４５】
電圧印加器１９は、カソード触媒層１５およびアノード触媒層１６の間に電圧を印加する。具体的には、電圧印加器１９の低電位側端子は、導電性のカソードセパレータ３２に接続され、電圧印加器１９の高電位側端子が、導電性のアノードガス拡散デバイス９に接続されている。電圧印加器１９は、カソード触媒層１５およびアノード触媒層１６の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。
【００４６】
［カソードガス拡散層の構成］
図３は、第１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３（ａ）は、カソードガス拡散層３１をカソードセパレータ３２の凹部３５に納めた場合のカソードガス拡散層３１およびカソードセパレータ３２の断面図を示した図である。図３（ｂ）は、カソードガス拡散層３１の金属シート３１ＡのＢ−Ｂ部を平面視した図である。図３（ｃ）は、カソードガス拡散層３１の金属シート３１Ａおよび金属繊維焼結シート３１Ｂの境界領域（Ｃ部）を拡大した図である。図３（ｄ）は、カソードガス拡散層３１を金属繊維焼結シート３１Ｂ側から斜視した図である。
【００４７】
カソードガス拡散層３１は、金属シート３１Ａと金属繊維焼結シート３１Ｂとを備える。
【００４８】
金属シート３１Ａは、複数の通気孔３１ＡＨを備え、カソード触媒層１５に隣接している。金属シート３１Ａは、通気孔３１ＡＨ以外の部分は、ガス通気性を備えないように構成されている。また、通気孔３１ＡＨ以外の部分は、金属繊維焼結シート３１Ｂに比べて剛性が高い。例えば、金属シート３１Ａは、厚みが数十μｍ〜数百μｍ程度（例えば、約１００μｍ程度）の金属鋼板であってもよい。なお、このような金属シート３１Ａは、例えば、金属の鋳造および圧延を行うことで製造し得る。金属の鋳造および圧延の製法は公知であるので詳細な説明を省略する。
【００４９】
金属シート３１Ａの主面は、カソード触媒層１５の主面より面積が大きい。具体的には、金属シート３１Ａからカソード触媒層１５を平面視した場合、カソード触媒層１５を全体が金属シート３１Ａより覆われている。
【００５０】
これにより、カソード触媒層１５の主面全体を電気接触面として構成できる。よって、金属シート３１Ａの主面の面積がカソード触媒層１５の主面の面積よりも小さい場合に比べて、カソード触媒層１５を有効に活用できるので電気化学式水素ポンプ１００の水素加圧性を向上できる。
【００５１】
また、金属シート３１Ａの複数の通気孔３１ＡＨは、縦および横に等間隔ピッチでマトリクス状（格子状）に形成されていてもよい。通気孔３１ＡＨは、例えば、直径が数十μｍ程度（例えば、約２０μｍ程度）の丸孔であってもよい。金属シート３１Ａの材質は、例えば、ステンレススチール、チタン、チタン合金、アルミニウム合金などであってもよい。なお、通気孔３１ＡＨの直径は、例えば、金属繊維焼結シート３１Ｂの金属繊維３１ＢＦを貫通しにくくなるように、金属繊維３１ＢＦの太さ以下としてもよい。理由は、仮に通気孔３１ＡＨの直径を金属繊維３１ＢＦの太さよりも小さくすると、金属繊維焼結シート３１Ｂの金属繊維３１ＢＦが、通気孔３１ＡＨを貫通することを抑制し、カソード触媒層１５（電解質膜１４）の損傷が低減する可能性があるからである。
【００５２】
以上により、金属シート３１Ａは、通気孔３１ＡＨ以外の部分における所望の剛性および所望の電気伝導性、並びに、通気孔３１ＡＨにおける所望のガス通気性を備える。なお、以上の金属シート３１Ａの材質および形状は例示であって、本例に限定されない。
【００５３】
金属繊維焼結シート３１Ｂは、カソードガス拡散層３１に必要な弾性、電気伝導性およびガス通気性を確保し得るように構成されている。このような金属繊維焼結シート３１Ｂとして、例えば、金属繊維３１ＢＦを不織布状にして焼結した金属繊維焼結体を用いることができる。不織布状の金属繊維焼結体は、金属繊維３１ＢＦが３次状に構成されて互いの接点が焼結されている。よって、不織布状の金属繊維焼結体の電気伝導性が高い。また、金属繊維３１ＢＦが３次状に構成されているので、不織布状の金属繊維焼結体のガス分散性にも優れている。金属繊維３１ＢＦの材質は、例えば、ステンレススチール、チタン、チタン合金、アルミニウム合金などであってもよい。なお、この金属繊維３１ＢＦの材質は例示であって、本例に限定されない。
【００５４】
以上のカソードガス拡散層３１では、金属シート３１Ａと金属繊維焼結シート３１Ｂとを中心軸を揃えた状態で、金属シート３１Ａと金属繊維焼結シート３１Ｂとが、溶接、ロウ付け、溶着などで金属接合させて一体的に結合されていてもよい。例えば、金属シート３１Ａの主面と金属繊維焼結シート３１Ｂの主面とが、拡散接合などにより面接合が行われていてもよい。
【００５５】
ここで、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、図３（ａ）に示すように、カソードセパレータ３２は、カソードガス拡散層３１を納める凹部３５を備える。
【００５６】
そして、締結器２７による積層体１００Ｂ（図１参照）の締結前には、カソードガス拡散層３１は、凹部３５の厚み方向にはみ出して配設されており、金属シート３１Ａは、この金属シート３１Ａの厚みＥｃｔ以下で、凹部３５の厚み方向にはみ出している。
【００５７】
また、平面視において、金属シート３１Ａの表面形状は、凹部３５の開口形状とほぼ同形であり、金属シート３１Ａの表面積は、凹部３５の開口面積よりも僅かに小さい。カソードガス拡散層３１の金属シート３１Ａを、このような凹部３５に納めると、金属シート３１Ａの側面と凹部３５の側面との間には、金属シート３１Ａが凹部３５に対してスムーズに摺動できる程度の隙間しか形成されていない。よって、凹部３５の側面が金属シート３１Ａの側面に対する摺動ガイドとして機能する。すると、金属繊維焼結シート３１Ｂは凹部３５からはみ出すことなく、金属繊維焼結シート３１Ｂを凹部３５の厚み方向にスムーズに弾性変形（伸縮）できる。
【００５８】
なお、凹部３５からの金属シート３１Ａの厚み方向のはみ出し量Ｅｃｄは、電気化学式水素ポンプ１００の動作時に、アノードガス拡散層２４、アノード触媒層１６および電解質膜１４のそれぞれの圧縮量などを考慮して適宜の値に設定される。
【００５９】
図３（ｄ）に示すように、金属シート３１Ａの主面は、金属繊維焼結シート３１Ｂの主面より面積が大きく、金属繊維焼結シート３１Ｂは、カソード触媒層１５と隣接しない方の金属シート３１Ａの主面に隣接している。つまり、金属シート３１Ａは、金属繊維焼結シート３１Ｂよりも外周囲の長さが大きい。この場合、平面視において、金属繊維焼結シート３１Ｂの表面積は、金属シート３１Ａの表面積よりも小さい。
【００６０】
よって、以上の金属シート３１Ａおよび金属繊維焼結シート３１Ｂの大小関係および両者の配置関係で、カソードガス拡散層３１の金属シート３１Ａおよび金属繊維焼結シート３１Ｂを凹部３５に納めた場合、図３（ａ）に示すように金属繊維焼結シート３１Ｂの側面と凹部３５の側面との間には、凹部３５の側面からの離隔距離Ｌ１に相当する筒状の隙間Ｓが金属繊維焼結シート３１Ｂの側面に沿うように形成されている。これにより、金属繊維焼結シート３１Ｂを凹部３５の厚み方向に圧縮する際に、この厚み方向に垂直な面方向への金属繊維焼結シート３１Ｂの変形（伸び）が、この隙間Ｓの存在により適切に行われる。
【００６１】
なお、図３（ａ）に示すように、カソードセパレータ３２は、マニホルド孔３２Ｃと、凹部３５内のカソードガスをマニホルド孔３２Ｃに送るためのカソードガス連通経路３２Ｂと、を備える。つまり、単セル１００Ａが積層された場合、筒状のカソードガス導出マニホルドが、アノードガス拡散デバイス９に設けられたマニホルド孔３２Ａ（図４参照）と、マニホルド孔３２Ｃとによって形成される。これにより、カソードガス拡散層３１からカソードガス連通経路３２Ｂを通じて高圧状態のカソードガスを取り出すことができる。
【００６２】
［アノードガス拡散デバイスの構成］
図４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デバイスの一例を示す図である。図４（ａ）は、アノードガス拡散デバイス９のアノード本体１を平面視した図である。図４（ｂ）は、アノードガス拡散デバイス９のアノードガス流路板５を平面視した図である。図４（ｃ）は、アノードガス拡散デバイス９のアノード端板１０を平面視した図である。
【００６３】
図４（ｄ）は、アノードガス拡散デバイス９の断面図である。つまり、図４（ｄ）では、図４（ａ）、図４（ｂ）および図４（ｃ）に平面視で示されたアノードガス拡散デバイス９のＤ−Ｄ部の断面が示されている。
【００６４】
図４（ｄ）に示すように、アノードガス拡散デバイス９は、アノード本体１と、アノードガス流路板５と、アノード端板１０を備える。
【００６５】
アノード本体１は、アノードガスを拡散させる金属製部材である。アノード本体１は、アノードガスを拡散させる金属製部材であれば、どのような構成であっても構わない。アノード本体１は、例えば、ステンレススチール、チタン、チタン合金、アルミニウム合金などの金属で構成されていてもよい。アノード本体１の厚みは、数百μｍ程度（例えば、約４００μｍ程度）であってもよい。これらの材質および数値は例示であって、本例に限定されない。
【００６６】
図４（ａ）および図４（ｄ）に示すように、アノード本体１は、アノードガス拡散層２４と、アノードガス導入用のマニホルド孔３およびアノードガス導出用のマニホルド孔４と、を備える。
【００６７】
アノード本体１に設けられたアノードガス拡散層２４は、通気孔を備える金属板の積層体、多孔構造の金属粉の焼結体などを用いて、アノードガスを拡散し得るように構成されている。
【００６８】
アノードガス流路板５は、アノード本体１の主面上に設けられている。本実施形態のアノードガス拡散デバイス９では、アノードガス流路板５は、アノード本体１の主面と面接触するように設けられている。
【００６９】
アノードガス流路板５の材質として、例えば、ステンレススチール、チタン、チタン合金、アルミニウム合金などを用いることができる。アノードガス流路板５の厚みは、数十μｍ程度（例えば、約５０μｍ程度）であってもよい。これらの材質および数値は例示であって、本例に限定されない。
【００７０】
図４（ｂ）および図４（ｄ）に示すように、アノードガス流路板５は、アノードガス導入用のマニホルド孔７およびアノードガス導出用のマニホルド孔８と、アノードガス流路６と、を備える。
【００７１】
マニホルド孔７およびマニホルド孔８はそれぞれ、アノード本体１のマニホルド孔３およびマニホルド孔４のそれぞれと対置するように配されている。
【００７２】
本実施形態のアノードガス拡散デバイス９では、アノードガス流路板５のアノードガス流路６は、マニホルド孔７およびマニホルド孔８の両方と連通する複数のスリット孔３６で構成されている。この場合、マニホルド孔７は、複数のアノードガス流路６の一端と連通することで、アノードガス拡散層２４へのアノードガス導入に用いられる。つまり、アノードガス流路６のスリット孔３６とアノードガス拡散層２４との接触部分を通過したアノードガスが、アノードガス拡散層２４へ送られる。また、マニホルド孔８は、複数のアノードガス流路６の他端と連通することで、アノードガス拡散層２４からのアノードガス導出に用いられる。
【００７３】
アノード端板１０は、アノードガス流路板５の主面のうち、アノード本体１と対向していない主面（以下、反対面）上に設けられている。具体的には、アノードガス流路板５の複数のスリット孔３６が、アノード端板１０によって反対面から覆われている。
【００７４】
アノード端板１０の材質としては、例えば、ステンレススチール、チタン、チタン合金、アルミニウム合金などを用いることができる。アノード端板１０の厚みは、数十μｍ程度（例えば、約５０μｍ程度）であってもよい。これらの材質および数値は例示であって、本例に限定されない。
【００７５】
また、アノード端板１０は、アノードガス導入用のマニホルド孔１１およびアノードガス導出用のマニホルド孔１２を備える。アノード端板１０のマニホルド孔１１およびマニホルド孔１２はそれぞれ、アノードガス流路板５のマニホルド孔７およびマニホルド孔８のそれぞれと対置するように配されている。
【００７６】
以上により、単セル１００Ａが積層される場合、アノードガス導入マニホルド２８Ａが、マニホルド孔１１とマニホルド孔７とマニホルド孔３とカソードセパレータ３２のマニホルド孔とによって形成されている。アノードガス導出マニホルド２９Ａが、マニホルド孔１２とマニホルド孔８とマニホルド孔４とカソードセパレータ３２のマニホルド孔とによって形成されている。
【００７７】
本実施形態のアノードガス拡散デバイス９では、アノード端板１０とアノードガス流路板５とアノード本体１とが、溶接、ロウ付け、溶着などで金属接合させて一体的に結合されていてもよい。例えば、アノード端板１０の主面とアノードガス流路板５の主面とアノード本体１の主面とが、拡散接合などにより面接合が行われていてもよい。これにより、アノード端板１０とアノードガス流路板５とアノード本体１とを機械的な締結部材で固定して積層する場合に比べて、互いの接合部の空隙が消失するのでアノードガス拡散デバイス９の接触抵抗（電気抵抗）を低減できる。すると、アノードガス拡散デバイス９に所望の電圧を印加する場合、電気化学式水素ポンプ１００に必要な消費電力の増加を抑制できる。
【００７８】
［締結器による単セルの締結動作］
図５は、第１実施形態の電気化学式水素ポンプの単セルの締結動作の一例を示す図である。
【００７９】
なお、図５には、カソードセパレータ３２、カソードガス拡散層３１、電解質膜１４の主面のそれぞれにカソード触媒層１５およびアノード触媒層１６がそれぞれ塗布された部材（以下、電解質膜（触媒層付）１４Ａ）、アノードガス拡散層２４およびアノード本体１の断面、が示されている。
【００８０】
まず、図５（ａ）に示すように、カソードガス拡散層３１と、電解質膜（触媒層付）１４Ａと、アノードガス拡散層２４とが対向するように、これらが位置合わせされる。
【００８１】
次に、図５（ｂ）に示すように、カソードガス拡散層３１、電解質膜（触媒層付）１４Ａおよびアノードガス拡散層２４が積層される。このとき、カソードガス拡散層３１の金属シート３１Ａと電解質膜（触媒層付）１４Ａとアノードガス拡散層２４とは接触するが、締結器２７による締結力は付与されていないので、カソードセパレータ３２の主面と電解質膜（触媒層付）１４Ａとの間には、カソードガス拡散層３１の金属シート３１Ａの厚み方向のはみ出し量Ｅｃｄ相当の隙間が形成されている。また、カソードガス拡散層３１の金属繊維焼結シート３１Ｂの側面と凹部３５の側面との間にも、凹部３５の側面からの離隔距離Ｌ１に相当する筒状の隙間Ｓが形成されている。
【００８２】
次に、図５（ｃ）に示すように、締結器２７による積層体１００Ｂの締結が行われる。すると、締結器２７の締結力により、カソードガス拡散層３１の金属繊維焼結シート３１Ｂが圧縮されるとともに、カソードガス拡散層３１の金属シート３１Ａの主面と電解質膜（触媒層付）１４Ａの主面とアノードガス拡散層２４の主面とが密着する。この場合、金属繊維焼結シート３１Ｂの圧縮量（厚み）は、上記のはみ出し量Ｅｃｄと等しい。つまり、カソードセパレータ３２の主面と電解質膜（触媒層付）１４Ａとの間の隙間が消失するので、金属繊維焼結シート３１Ｂの圧縮前の元の厚みＴ１から圧縮後の厚みＴ２を引いた値が、上記のはみ出し量Ｅｃｄと等しい。また、金属繊維焼結シート３１Ｂを凹部３５の厚み方向に圧縮する際に、この厚み方向に垂直な面方向へ金属繊維焼結シート３１Ｂが伸びるので、凹部３５の側面からの離隔距離Ｌ２は、上記の離隔距離Ｌ１よりも小さくなる（つまり、Ｌ１＞Ｌ２）。
【００８３】
以上により、電気化学式水素ポンプ１００の運転前の電気化学式水素ポンプ１００の単セル１００Ａの締結が完了する。
【００８４】
［電気化学式水素ポンプの動作］
以下、図面を参照しながら、第１実施形態の電気化学式水素ポンプ１００の動作（運転）の一例を説明する。
【００８５】
なお、以下の動作の一部または全部は、図示しない制御器の制御プログラムにより行われても構わない。制御器は、制御機能を有するものであれば、どのような構成であっても構わない。制御器は、例えば、演算回路と、制御プログラムを記憶する記憶回路と、を備える。演算回路として、例えば、ＭＰＵ、ＣＰＵなどが例示される。記憶回路として、例えば、メモリが例示される。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。
【００８６】
まず、電圧印加器１９により、カソードセパレータ３２とアノードガス拡散デバイス９との間に電圧を印加する。
【００８７】
次に、アノードガス導入配管２８を通じて、アノードガスがアノードガス拡散デバイス９に供給される。具体的には、図４のマニホルド孔７にアノードガス導入配管２８からアノードガスが供給される。すると、マニホルド孔７は、アノードガス流路板５のアノードガス流路６の一端と連通しているので、マニホルド孔７からアノードガス流路６にガスが送られる。
【００８８】
このとき、アノードガス流路６を流通するアノードガスの一部は、アノード本体１のアノードガス拡散層２４へ送られる。アノードガス拡散層２４はガス拡散作用を備えるので、アノードガス流路６からアノードガス流路板５と対向していないアノードガス拡散層２４の主面（以下、反対面）へと向かうアノードガスが、アノードガス拡散層２４で均一に拡散されながら、この反対面を通過できる。これにより、アノードガス拡散層２４の反対面に配されたアノード触媒層１６に均一にアノードガスが供給される。なお、上記の反対面を通過しなかった余剰のアノードガスは、アノードガス流路板５のアノードガス流路６の他端と連通したマニホルド孔８に送られ、アノードガス導出配管２９へ排出される。なお、アノードガスとして、例えば、水素含有の改質ガス、水電解法で生成される水素含有ガスなどを挙げることができる。
【００８９】
以上により、アノードガス中の水素は、アノード触媒層１６上で電子を遊離してプロトン（Ｈ＋）となる（式（１））。遊離した電子は、電圧印加器１９を介してカソード触媒層１５へと移動する。
【００９０】
一方、プロトンは、水分子を同伴しながら電解質膜１４内を透過し、カソード触媒層１５に移動する。カソード触媒層１５では、電解質膜１４を透過したプロトンと、電子とによる還元反応が行われ、カソードガス（水素ガス）が発生する（式（２））。
【００９１】
これにより、ＣＯ２ガスなどの不純物を含む水素ガス（アノードガス）から高効率に水素ガスの純化が行われる。なお、アノードガスには、不純物としてＣＯガスを含有する場合がある。この場合、ＣＯガスは、アノード触媒層１６などの触媒活性を低下させるので、ＣＯガスは、図示しないＣＯ除去器（例えば、変成器、ＣＯ選択酸化器など）で除去する方がよい。
【００９２】
そして、カソードガス導出配管３０の圧損を増やし、電圧印加器１９の電圧Ｅを上げることで、カソードのガス圧Ｐ２が高圧になる。具体的には、アノードのガス圧Ｐ１、カソードのガス圧Ｐ２および電圧印加器１９の電圧Ｅの関係は、以下の式（３）で定式化される。
【００９３】
アノード：Ｈ２（低圧）→２Ｈ＋＋２ｅ−      ・・・（１）
カソード：２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２（高圧）      ・・・（２）
Ｅ＝（ＲＴ／２Ｆ）ｌｎ（Ｐ２／Ｐ１）＋ｉｒ・・・（３）
式（３）において、Ｒは気体定数（８.３１４５Ｊ／Ｋ・ｍｏｌ）、Ｔは温度（Ｋ）、Ｆはファラデー定数（９６４８５Ｃ／ｍｏｌ）、Ｐ２はカソードのガス圧、Ｐ１はアノードのガス圧、ｉは電流密度（Ａ／ｃｍ２）、ｒはセル抵抗（Ω・ｃｍ２）である。
【００９４】
式（３）から、電圧印加器１９の電圧Ｅを上げることで、カソードのガス圧Ｐ２を上昇させ得ることが容易に理解できる。なお、カソードガス導出配管３０の圧損は、例えば、カソードガス導出配管３０に設けられた開閉弁の開度により増減させることができる。
【００９５】
そして、カソードガス拡散層３１のガス圧が所定圧力以上になると、カソードガス導出配管３０の圧損を減らすことで（例えば、開閉弁の開度を大きくすることで）、カソードガス拡散層３１のカソードガスが、カソードガス導出配管３０を通じて図示しない高圧水素タンクへ充填される。一方、カソードガス拡散層３１のガス圧が所定圧力未満になると、カソードガス導出配管３０の圧損を増やすことで（例えば、開閉弁の開度を小さくすることで）、カソードガス拡散層３１と高圧水素タンクとが遮断される。これにより、高圧水素タンクのカソードガスが、カソードガス拡散層３１に逆流することが抑制される。
【００９６】
このようにして、電気化学式水素ポンプ１００により、高純度のカソードガス（水素ガス）が、所望の目標圧力に昇圧され、高圧水素タンクへ充填される。
【００９７】
以上のカソードガスの昇圧動作では、カソードのガス圧Ｐ２が高圧になることで、電解質膜１４、アノード触媒層１６およびアノードガス拡散層２４が押圧される。すると、この押圧によって、電解質膜１４、アノード触媒層１６およびアノードガス拡散層２４はそれぞれ圧縮される。このとき、カソード触媒層１５とカソードガス拡散層３１との間の密着性が低いと、両者間で隙間が生じやすい。仮に、カソード触媒層１５とカソードガス拡散層３１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１９で印加する電圧Ｅが増加することにより、電気化学式水素ポンプ１００の運転効率を低下させる恐れがある。
【００９８】
そこで、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３１は、締結器２７による積層体１００Ｂの締結前には、図３に示すように、カソードセパレータ３２の凹部３５からその厚み方向に、はみ出し量Εｃｄ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３１の金属繊維焼結シート３１Ｂは、積層体１００Ｂの締結では、図５（ｃ）に示すように、締結器２７によって、はみ出し量Εｃｄ分だけ圧縮されている。
【００９９】
以上により、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、従来に比べて簡易な構成で電解質膜１４とカソードガス拡散層３１との間の接触抵抗を低減し得る。具体的には、電気化学式水素ポンプ１００の動作時に、電気化学式水素ポンプ１００のカソードガスが高圧状態になると、電解質膜１４がカソードガスを通さないので、アノードガス拡散層２４、アノード触媒層１６および電解質膜１４に高圧がかかる。すると、アノードガス拡散層２４、アノード触媒層１６および電解質膜１４のそれぞれが圧縮変形する。このとき、カソードガス拡散層３１の金属繊維焼結シート３１Ｂが弾性体であるので、金属繊維焼結シート３１Ｂの弾性力により、上記の圧縮変形が生じた場合でも、金属シート３１Ａと電解質膜１４（カソード触媒層１５）との接触を適切に維持できる。
【０１００】
具体的には、カソードガス拡散層３１がカソードセパレータ３２の凹部３５から凹部３５の厚み方向にはみ出しているので、カソードガス拡散層３１のはみ出し量Ｅｃｄ分、締結器２７により金属繊維焼結シート３１Ｂを圧縮できる。よって、アノードガス拡散層２４、アノード触媒層１６および電解質膜１４のそれぞれが圧縮変形した場合でも、金属繊維焼結シート３１Ｂが、締結器２７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、金属シート３１Ａと電解質膜１４（カソード触媒層１５）との間の接触を適切に維持できる。よって、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、特許文献２の如く金属シート３１Ａを電解質膜（カソード触媒層）に押圧するための専用の部材が不要であるので、特許文献２に比べて簡易な構成で上記の接触抵抗を低減し得る。
【０１０１】
また、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、従来に比べて、電解質膜１４の損傷を低減し得る。
【０１０２】
具体的には、特許文献３では、金属繊維と金属繊維の間にチタン粗粒子を充填し、給電体の表面をチタン微粒子で埋めているが、給電体の表面をチタン微粒子のみで敷き詰めるようにチタン粒子の供給を制御することは難しい。仮に給電体の表面にチタン粗粒子が存在する場合、給電体の表面は、チタン粗粒子により部分的に凹凸状態となる。よって、特許文献３の電気化学セル用の給電体では、給電体の表面の凹凸によって膜電極接合体が損傷する可能性がある。これに対して、金属シート３１Ａの表面は、精密な金属表面処理により、このような凹凸を粉末層に比べて緩和できる。よって、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、特許文献３に比べて電解質膜１４の損傷を低減し得る。
【０１０３】
（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カソードセパレータの一例を示す図である。
【０１０４】
本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、第１の態様−第５の態様のいずれかの電気化学式水素ポンプ１００において、カソードセパレータ１３２の凹部１３５は、金属シート３１Ａの主面の面積よりも開口面積が大きい第１凹部１３５Ａと、金属シート３１Ａの主面の面積よりも小さい開口面積の第２凹部１３５Ｂと、を備える。
【０１０５】
つまり、平面視において、第１凹部１３５Ａの開口面積が、金属シート３１Ａの表面積よりも大きい。また、側面視において、第１凹部１３５Ａの開口深さＥｃｇ１（カソードセパレータ１３２の主面からの段差量）が、金属シート３１Ａの厚みＥｃｔよりも小さい。
【０１０６】
第２凹部１３５Ｂの開口は、平面視において、第１凹部１３５Ａの開口と同軸状に形成されている。そして、第２凹部１３５Ｂの開口面積が、金属繊維焼結シート３１Ｂの表面積よりも大きく、かつ、金属シート３１Ａの表面積よりも小さい。また、側面視において、第２凹部１３５Ｂの開口深さＥｃｇ２（第１凹部１３５Ａの底面からの段差量）が、金属繊維焼結シート３１Ｂの厚みよりも小さい。
【０１０７】
カソードガス拡散層３１の金属シート３１Ａおよび金属繊維焼結シート３１Ｂを、このような凹部１３５に納めると、締結器２７による積層体１００Ｂ（図１参照）の締結前には、カソードガス拡散層３１は、凹部１３５の厚み方向にはみ出して配設されており、金属シート３１Ａは、この金属シート３１Ａの厚みＥｃｔ以下で、凹部１３５の厚み方向にはみ出している。凹部１３５からの金属シート３１Ａの厚み方向のはみ出し量Ｅｃｄは、金属繊維焼結シート３１Ｂの厚みから第２凹部１３５Ｂの開口深さＥｃｇ２を引いた値と金属シート３１Ａの厚みＥｃｔとの合算値と、第１凹部１３５Ａの開口深さＥｃｇ１との間の差分である。これにより、はみ出し量Ｅｃｄを適切に設定できる。なお、このはみ出し量Ｅｃｄは、電気化学式水素ポンプ１００の動作時に、アノードガス拡散層２４、アノード触媒層１６および電解質膜１４のそれぞれの圧縮量などを考慮して適宜の値に設定される。
【０１０８】
また、金属繊維焼結シート３１Ｂの側面と第２凹部１３５Ｂの側面との間には、第２凹部１３５Ｂの側面からの離隔距離Ｌ３に相当する筒状の隙間Ｓが金属繊維焼結シート３１Ｂの側面に沿うように形成されている。
【０１０９】
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３１がカソードセパレータ１３２の凹部１３５から凹部１３５の厚み方向にはみ出しているので、カソードガス拡散層３１のはみ出し量Ｅｃｄ分、締結器２７により金属繊維焼結シート３１Ｂを圧縮できる。よって、アノードガス拡散層２４、アノード触媒層１６および電解質膜１４のそれぞれが圧縮変形した場合でも、金属繊維焼結シート３１Ｂが、締結器２７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、金属シート３１Ａと電解質膜１４（カソード触媒層１５）との間の接触を適切に維持できる。
【０１１０】
また、締結器２７による積層体１００Ｂの締結が行われると、金属シート３１Ａの主面と第１凹部１３５Ａの底面とが面接触する、よって、この接触部分でも電気導電性を確保し得るので、電圧印加器１９の印加電圧を低減できる。
【０１１１】
また、第１凹部１３５Ａの寸法（例えば、開口部の直径）の精度は、第１実施形態（図３）の凹部３５の寸法精度に比べて高くする必要がない。よって、カソードセパレータ１３２の製造コストを低減できる。
【０１１２】
本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、上記特徴以外は、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。
【０１１３】
（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カソードガス拡散層の一例を示す図である。図７には、カソードガス拡散層１３１の金属シート１３１Ａおよび金属繊維焼結シート３１Ｂの境界領域を拡大した断面図が示されている。
【０１１４】
本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、第１の態様−第５の態様および第２実施形態のいずれかの電気化学式水素ポンプ１００において、カソードガス拡散層１３１の金属シート１３１Ａの通気孔１３１ＡＨは、金属繊維焼結シート３１Ｂに隣接する主面側の開口部の開口面積が、他方の主面側の開口部の開口面積より小さい。例えば、通気孔１３１ＡＨは、金属繊維焼結シート３１Ｂに隣接する主面側から他方の主面側に向かう方向に広がるテーパ孔であってもよい。
【０１１５】
ここで、金属シート１３１Ａの通気孔１３１ＡＨを、例えば、レーザーまたはエッチングなどで形成すると、通気孔１３１ＡＨは、ストレート孔とはならずにテーパ孔となることが多い。具体的には、レーザー光の入射側およびエッチングマスクの配置側の金属シート１３１Ａの通気孔１３１ＡＨの開口部の開口面積が、他方の開口部の開口面積よりも大きくなる傾向がある。
【０１１６】
そこで、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、通気孔１３１ＡＨの開口部の開口面積が小さい金属シート１３１Ａの主面を金属繊維焼結シート３１Ｂに隣接させている。
【０１１７】
これにより、金属シート１３１Ａを上記と逆に配置する場合に比べて、金属繊維焼結シート３１Ｂの金属繊維が通気孔１３１ＡＨを貫通しにくくなるので、カソード触媒層１５（電解質膜１４）が損傷する可能性を低減できる。
【０１１８】
本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、上記特徴以外は、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。
【０１１９】
なお、第１実施形態、第２実施形態および第３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構わない。
【０１２０】
また、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できる。
【産業上の利用可能性】
【０１２１】
本開示の一態様は、従来に比べて、簡易な構成で電解質膜（カソード触媒層）とカソードガス拡散層との間の接触抵抗を低減し得る電気化学式水素ポンプに利用できる。
【符号の説明】
【０１２２】
１          ：アノード本体
３          ：マニホルド孔
４          ：マニホルド孔
５          ：アノードガス流路板
６          ：アノードガス流路
７          ：マニホルド孔
８          ：マニホルド孔
９          ：アノードガス拡散デバイス
１０        ：アノード端板
１１        ：マニホルド孔
１２        ：マニホルド孔
１４        ：電解質膜
１５        ：カソード触媒層
１６        ：アノード触媒層
１９        ：電圧印加器
２４        ：アノードガス拡散層
２６Ｄ      ：端板
２６Ｕ      ：端板
２７        ：締結器
２８        ：アノードガス導入配管
２８Ａ      ：アノードガス導入マニホルド
２９        ：アノードガス導出配管
２９Ａ      ：アノードガス導出マニホルド
３０        ：カソードガス導出配管
３１        ：カソードガス拡散層
３１Ａ      ：金属シート
３１ＡＨ    ：通気孔
３１Ｂ      ：金属繊維焼結シート
３１ＢＦ    ：金属繊維
３２        ：カソードセパレータ
３２Ａ      ：マニホルド孔
３２Ｂ      ：カソードガス連通経路
３２Ｃ      ：マニホルド孔
３５        ：凹部
３６        ：スリット孔
４０        ：シール部材
４１        ：シール部材
４２        ：シール部材
１００      ：電気化学式水素ポンプ
１００Ａ    ：単セル
１００Ｂ    ：積層体
１３１      ：カソードガス拡散層
１３１Ａ    ：金属シート
１３１ＡＨ  ：通気孔
１３２      ：カソードセパレータ
１３５      ：凹部
１３５Ａ    ：第１凹部
１３５Ｂ    ：第２凹部
【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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