(57)【要約】      （修正有）【課題】カソードおよびアノード間の差圧によってアノードガス拡散層に押圧された電解質膜が破断する可能性を従来よりも低減し得る電気化学式水素ポンプの提供。【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１０４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、カソード触媒層に設けられたカソードガス拡散層と、アノード触媒層に設けられたアノードガス拡散層１０２Ａと、カソード触媒層及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、アノードガス拡散層１０２Ａは、複数の通気孔が設けられた、複数の金属シートの積層体を備え、複数の金属シートのうち、アノード触媒層に隣接する第１の金属シートに設けられた複数の通気孔の最大孔径は、第１の金属シートに隣接する第２の金属シートの最大孔径よりも小さい電気化学式水素ポンプ。【選択図】図１
2018109221.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、
前記アノードガス拡散層は、複数の通気孔が設けられた、複数の金属シートの積層体を備え、前記複数の金属シートのうち、前記アノード触媒層に隣接する第１の金属シートに設けられた複数の通気孔の最大孔径は、前記第１の金属シートに隣接する第２の金属シートの最大孔径よりも小さい、電気化学式水素ポンプ。
【請求項２】
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、
前記アノードガス拡散層は、複数の通気孔が設けられた、複数の金属シートの積層体を備え、前記複数の金属シートのうち、アノード触媒層に隣接する第１の金属シートに設けられた複数の通気孔の平均孔径は、前記第１の金属シートの隣接する第２の金属シートの平均孔径よりも小さい、電気化学式水素ポンプ。
【請求項３】
前記アノードガス拡散層及び前記カソードガス拡散層のうち、前記アノードガス拡散層のみが、複数の通気孔が設けられた、複数の金属シートの積層体を備え、前記複数の金属シートのうち、前記アノード触媒層に隣接する第１の金属シートに設けられた複数の通気孔の最大孔径は、前記第１の金属シートに隣接する第２の金属シートの最大孔径よりも小さい、請求項１記載の電気化学式水素ポンプ。
【請求項４】
前記アノードガス拡散層及び前記カソードガス拡散層のうち、前記アノードガス拡散層のみが、複数の通気孔が設けられた、複数の金属シートの積層体を備え、前記複数の金属シートのうち、アノード触媒層に隣接する第１の金属シートに設けられた複数の通気孔の平均孔径は、前記第１の金属シートの隣接する第２の金属シートの平均孔径よりも小さい、請求項２記載の電気化学式水素ポンプ。
【請求項５】
前記第１の金属シートの主面における、前記複数の通気孔の表面積当たり数は、前記第２の金属シートの主面における、前記複数の通気孔の表面積当たり数よりも多い請求項１−４のいずれか１項に記載の電気化学式水素ポンプ。
【請求項６】
前記第１の金属シートの複数の通気孔の開口面積は、前記第２の金属シートの複数の通気孔の開口面積と同等以上である請求項１−５のいずれか１項に記載の電気化学式水素ポンプ。
【請求項７】
前記第１の金属シートは、前記第２の金属シートに比べて硬度が低い請求項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】
前記第２の金属シートの一対の主面のうち、第１の金属シートに隣接する主面の粗さは、前記第１の金属シートの一対の主面のうち、前記アノード触媒層に隣接する主面の粗さよりも大きい請求項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】
前記第１の金属シートの一対の主面のうち、第２の金属シートに隣接する主面の粗さは、前記第１の金属シートの一対の主面のうち、前記アノード触媒層に隣接する主面の粗さよりも大きい請求項１−８のいずれか１項に記載の電気化学式水素ポンプ。
【請求項１０】
前記複数の金属シートのうち、少なくとも１つの前記金属シートは、前記貫通孔同士を連絡する連絡路を備える請求項１−９のいずれか１項に記載の電気化学式水素ポンプ。
【請求項１１】
前記連絡路は、前記連絡路が設けられた金属シートに隣り合う同一の金属シートに設けられた貫通孔同士を連絡する請求項１０に記載の電気化学式水素ポンプ。
【請求項１２】
前記連絡路は、前記連絡路が設けられた金属シートに隣り合う異なる金属シートに設けられた貫通孔同士を連絡する請求項１０または１１に記載の電気化学式水素ポンプ。
【請求項１３】
前記積層体は、ガスを拡散させる金属焼結体の金属シートを含む請求項１−１２のいずれか１項に記載の電気化学式水素ポンプ。
【請求項１４】
前記第１の金属シートは、金属焼結体であり、前記第２の金属シートは、複数の通気孔が設けられた金属鋼板の積層体である、請求項１−１３のいずれか１項に記載の電気化学式水素ポンプ。
【請求項１５】
前記カソードガス拡散層は、複数の通気孔が設けられた第３の金属シートを含み、前記第３の金属シートの通気孔の平均孔径の分布は、前記第１の金属シートの平均孔径の分布よりも広い、請求項１−１４のいずれか１項に記載の電気化学式水素ポンプ。
【請求項１６】
前記第１の金属シートが、金属粉末焼結体であり、前記第３の金属シートが金属繊維焼結体である、請求項１５に記載の電気化学式水素ポンプ。
【請求項１７】
前記第１の金属シートは、金網であり、前記第２の金属シートは、複数の通気孔が設けられた金属鋼板の積層体である、請求項１−１６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。水素は燃焼しても水しか放出せず、地球温暖化の原因となる二酸化炭素および窒素酸化物などが排出されないので、クリーンエネルギーとして期待されている。水素を燃料として利用する装置としては、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。そして、来るべき水素社会では、水素を製造することはもとより、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。更に、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。そこで、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。
【０００３】
例えば、特許文献１には、図１２に示すように、高差圧用電気化学セルの電解質膜の支持部材３０が、電解質膜に接触するガス拡散層として用いられている。つまり、支持部材３０の一方の面には、複数の矩形の凹部が形成され、他方の面には複数の菱形の凹部が形成されている。そして、両方の凹部同士の重畳部が、流体が通過する貫通孔３１を構成している。これにより、従来のメッシュタイプのガス拡散層で発生する恐れがあった流体流路の詰まりを抑制できるとともに、電気化学セルの高圧側と低圧側との差圧に耐え得る剛性を確保できる。よって、電解質膜の破損点に至るような変形が支持部材３０の支持により抑制される。
【０００４】
また、特許文献２には、図１３に示すように、燃料電池の多孔質層４１、４２、４３を積層した積層体がガス拡散層として用いられている。多孔質層４１、４２、４３はそれぞれ、開口部４１ａ、４２ａ、４３ａを備える。そして、これらの開口部４１ａ、４２ａ、４３ａはそれぞれ、開口径が異なり、集電体３８から触媒層３６ａに向かって開口径が小さくなっている。これにより、燃料電池の出力およびエネルギー効率を向上できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４７３３３８０号公報
【特許文献２】特開２０００−５８０７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１では、電気化学セルの高圧側と低圧側との差圧によってガス拡散層の貫通孔上で電解質膜が押圧される場合の電解質膜の破断と、ガス拡散層の貫通孔の大きさとの関係について十分に検討されていない。また、特許文献２は、燃料電池のガス拡散層を対象としているので、ガス拡散層の開口部上で電解質膜が押圧される場合の電解質膜の破断という問題が想定されていない。
【０００７】
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、カソードおよびアノード間の差圧によってアノードガス拡散層に押圧された電解質膜が破断する可能性を従来よりも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】
【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、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、前記アノードガス拡散層は、複数の通気孔が設けられた、複数の金属シートの積層体を備え、前記複数の金属シートのうち、前記アノード触媒層に隣接する第１の金属シートに設けられた複数の通気孔の最大孔径は、前記第１の金属シートに隣接する第２の金属シートの最大孔径よりも小さい。
【０００９】
また、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、前記アノードガス拡散層は、複数の通気孔が設けられた、複数の金属シートの積層体を備え、前記複数の金属シートのうち、アノード触媒層に隣接する第１の金属シートに設けられた複数の通気孔の平均孔径は、前記第１の金属シートの隣接する第２の金属シートの平均孔径よりも小さい。
【発明の効果】
【００１０】
本開示の一態様の電気化学式水素ポンプは、カソードおよびアノード間の差圧によってアノードガス拡散層に押圧された電解質膜が破断する可能性を従来よりも低減し得るという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、アノードガス拡散層の通気孔上で、電気化学式水素ポンプのカソードおよびアノード間の差圧によって押圧された電解質膜の一例を断面視した図である。
【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アノードガス拡散層の一例を示す図である。
【図４Ａ】図４Ａ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４Ｂ】図４Ｂ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４Ｃ】図４Ｃ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５】図５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６Ａ】図６Ａは、第１実施形態の電気化学式水素ポンプの第１の金属シートおよび第２の金属シートのそれぞれに設けられた通気孔の孔径の個数分布の一例を示す図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、第１実施形態の電気化学式水素ポンプの第１の金属シートおよび第２の金属シートのそれぞれに設けられた通気孔の孔径の個数分布の一例を示す図である。
【図６Ｃ】図６Ｃは、第１実施形態の電気化学式水素ポンプの第１の金属シートおよび第２の金属シートのそれぞれに設けられた通気孔の孔径の個数分布の一例を示す図である。
【図７Ａ】図７Ａ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断面視した図である。
【図７Ｂ】図７Ｂ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断面視した図である。
【図８Ａ】図８Ａは、アノードガス拡散層の積層体の金属シートの一例を平面視した図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、アノードガス拡散層の積層体の金属シートの一例を平面視した図である。
【図８Ｃ】図８Ｃは、アノードガス拡散層の積層体の金属シートの一例を平面視した図である。
【図９】図９は、第２実施形態の第１実施例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断面視した図である。
【図１０】図１０は、第２実施形態の第２実施例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断面視した図である。
【図１１】図１１は、第２実施形態の変形例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断面視した図である。
【図１２】図１２は、従来のガス拡散層の一例を示す図である。
【図１３】図１３は、従来の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】
【００１２】
電気化学式水素ポンプのカソードおよびアノード間の差圧によってアノードガス拡散層の通気孔上で電解質膜が押圧される場合の電解質膜の破断と、本通気孔の大きさとの関係について鋭意検討が行われ、以下の知見が得られた。
【００１３】
例えば、図１に示すように、上記の差圧により、電解質膜１０４がアノードガス拡散層１０２Ａの通気孔１２５上で押圧される場合、可とう性の電解質膜１０４は、アノードガス拡散層１０２Ａの通気孔１２５で凹状に垂れる。すると、通気孔１２５のエッジ部１２５Ｅで電解質膜１０４が曲げられることにより、このエッジ部１２５Ｅにおける電解質膜１０４にクラックなどが発生して、電解質膜１０４が破断する可能性がある。
【００１４】
ここで、通気孔１２５を微細に加工する程、電解質膜１０４が通気孔１２５上で押圧されても、通気孔１２５における電解質膜１０４の垂れ込み量を低減できるので、電解質膜１０４が破断しにくくなる。
【００１５】
そこで、本開示の第１の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、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、カソード触媒層に設けられたカソードガス拡散層と、アノード触媒層に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、アノードガス拡散層は、複数の通気孔が設けられた、複数の金属シートの積層体を備え、複数の金属シートのうち、アノード触媒層に隣接する第１の金属シートに設けられた複数の通気孔の最大孔径は、第１の金属シートに隣接する第２の金属シートの最大孔径よりも小さい。
【００１６】
また、本開示の第２の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、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、カソード触媒層に設けられたカソードガス拡散層と、アノード触媒層に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、アノードガス拡散層は、複数の通気孔が設けられた、複数の金属シートの積層体を備え、複数の金属シートのうち、アノード触媒層に隣接する第１の金属シートに設けられた複数の通気孔の平均孔径は、第１の金属シートの隣接する第２の金属シートの平均孔径よりも小さい。
【００１７】
かかる構成によると、上記の第１の態様および第２の態様の電気化学式水素ポンプは、カソードおよびアノード間の差圧によってアノードガス拡散層に押圧された電解質膜が破断する可能性を従来よりも低減し得る。
【００１８】
具体的には、第１の金属シートの通気孔の最大孔径が第２の金属シートの通気孔の最大孔径よりも小さいので、両者の関係が逆の場合に比べて、第１の金属シートの通気孔における電解質膜の垂れ込みを抑制できる。
【００１９】
また、第１の金属シートの通気孔の平均孔径が第２の金属シートの通気孔の平均孔径よりも小さいので、両者の関係が逆の場合に比べて、第１の金属シートの通気孔における電解質膜の垂れ込みを抑制できる。
【００２０】
以上により、電気化学式水素ポンプのカソードおよびアノード間の差圧によって、第１の金属シートの通気孔上で電解質膜が押圧されても、この通気孔のエッジ部で電解質膜が曲げられることを抑制できるので、電解質膜が破断しにくくなる。
【００２１】
本開示の第３の態様の電気化学式水素ポンプは、第１の態様の電気化学式水素ポンプにおいて、アノードガス拡散層及びカソードガス拡散層のうち、アノードガス拡散層のみが、複数の通気孔が設けられた、複数の金属シートの積層体を備え、複数の金属シートのうち、アノード触媒層に隣接する第１の金属シートに設けられた複数の通気孔の最大孔径は、第１の金属シートに隣接する第２の金属シートの最大孔径よりも小さくてもよい。
【００２２】
かかる構成により、上記の第３の態様の電気化学式水素ポンプは、アノードガス拡散層が、複数の金属シートの積層体であるため、押圧による圧縮ひずみ量が低減される。また、カソードガス拡散層は、アノードガス拡散層よりも弾性の高い材料が選択可能となり、電解質膜の変形に対する追従性が向上する。つまり、カソードガス拡散層とカソード触媒層との接触抵抗の増加を抑制できる。また、第１の金属シートの最大孔径が第２の金属シートの最大孔径より小さいため電解質膜が破断する可能性を従来よりも低減し得る。
【００２３】
本開示の第４の態様の電気化学式水素ポンプは、第２の態様の電気化学式水素ポンプにおいて、アノードガス拡散層及びカソードガス拡散層のうち、アノードガス拡散層のみが、複数の通気孔が設けられた、複数の金属シートの積層体を備え、複数の金属シートのうち、アノード触媒層に隣接する第１の金属シートに設けられた複数の通気孔の平均孔径は、第１の金属シートの隣接する第２の金属シートの平均孔径よりも小さくてもよい。
【００２４】
かかる構成により、上記の第４の態様の電気化学式水素ポンプは、アノードガス拡散層が、複数の金属シートの積層体であるため、押圧による圧縮ひずみ量が低減される。また、カソードガス拡散層は、アノードガス拡散層よりも弾性の高い材料が選択可能となり、電解質膜の変形に対する追従性が向上する。つまり、カソードガス拡散層とカソード触媒層との接触抵抗の増加を抑制できる。また、第１の金属シートの最大孔径が第２の金属シートの最大孔径より小さいため電解質膜が破断する可能性を従来よりも低減し得る。
【００２５】
本開示の第５の態様の電気化学式水素ポンプは、第１の態様−第４の態様のいずれか１つの電気化学式水素ポンプにおいて、第１の金属シートの主面における、複数の通気孔の表面積当たり数は、第２の金属シートの主面における、複数の通気孔の表面積当たり数よりも多くてもよい。
【００２６】
アノード触媒層に隣接する第１の金属シートの通気孔が第２の金属シートの通気孔よりも小さくても、第１の金属シートの主面における通気孔の表面積当たり数を、第２の金属シートの主面における通気孔の表面積当たり数よりも多くすることで、第１の金属シートのガス拡散性を向上させることができる。
【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−第５の態様のいずれか１つの電気化学式水素ポンプにおいて、第１の金属シートの複数の通気孔の開口面積は、第２の金属シートの複数の通気孔の開口面積と同等以上であってもよい。
【００２８】
アノード触媒層に隣接する第１の金属シートの通気孔が第２の金属シートの通気孔よりも小さくても、第１の金属シートの通気孔の開口面積（全ての通気孔の開口面積の合計値）を第２の金属シートの通気孔の開口面積（全ての通気孔の開口面積の合計値）と同等以上にすることで、第１の金属シートのガス拡散性を向上させることができる。
【００２９】
本開示の第７の態様の電気化学式水素ポンプは、第１の態様−第６の態様のいずれか１つの電気化学式水素ポンプにおいて、第１の金属シートは、第２の金属シートに比べて硬度が低くてもよい。
【００３０】
金属シートの硬度が高い程、および、金属シートの通気孔の孔径が小さくなる程、金属シートの通気孔の加工が困難になる。そこで、本態様の電気化学式水素ポンプでは、第１の金属シートの硬度を第２の金属シートの硬度に比べて低くすることにより、第１の金属シートの通気孔の微細加工を容易にしている。また、第２の金属シートの硬度を第１の金属シートの硬度に比べて高くすることにより、第２の金属シートが高剛性化されている。
【００３１】
本開示の第８の態様の電気化学式水素ポンプは、第１の態様−第７の態様のいずれか１つの電気化学式水素ポンプにおいて、第２の金属シートの一対の主面のうち、第１の金属シートに隣接する主面の粗さは、第１の金属シートの一対の主面のうち、アノード触媒層に隣接する主面の粗さよりも大きい。また、本開示の第９の態様の電気化学式水素ポンプは、第１の態様−第８の態様のいずれかの電気化学式水素ポンプにおいて、第１の金属シートの一対の主面のうち、第２の金属シートに隣接する主面の粗さは、第１の金属シートの一対の主面のうち、アノード触媒層に隣接する主面の粗さよりも大きい。
【００３２】
かかる構成によると、第２の金属シートに隣接する第１の金属シートの主面および第１の金属シートに隣接する第２の金属シートの主面のうちのいずれか一方、または、両方に適宜の凹凸に形成することにより、これらの主面の間にアノードガスを拡散させることが可能となる。すると、このような凹凸を形成しない場合に比べて、第１の金属シートのガス拡散性が向上する。
【００３３】
また、本開示の第１０の態様の電気化学式水素ポンプは、第１の態様−第８の態様のいずれか１つの電気化学式水素ポンプにおいて、複数の金属シートのうち、少なくとも１つの金属シートは、貫通孔同士を連絡する連絡路を備えてもよい。
【００３４】
かかる構成によると、本態様の電気化学式水素ポンプは、従来に比べアノードガスを均一に拡散し得る。つまり、アノードガス拡散層の積層体の金属シートが連絡路を備えることで、適宜の流路部材からアノードガス拡散層内を通過するアノードガスを一方向だけではなく、任意の方向に送ることができる。すると、連絡路の配置パターンが異なる金属シートを積層させることで、アノードガス拡散層内のアノードガス流れの向きを任意に設定できる。これにより、アノードガス拡散層のガス拡散性が向上する。
【００３５】
また、例えば、適宜の流路部材のガス流路を通じてアノードガス拡散層の積層体の貫通孔にアノードガスを流入させる構成を取る場合、この積層体が上記の連絡路を備えないと、流路部材のガス流路が設けられていない部分の垂直線上に位置するアノードガス拡散層の積層体の貫通孔にはアノードガスが流れずに、アノードガス拡散層のガス拡散が不均一化する恐れがある。しかし、本態様の電気化学式水素ポンプのアノードガス拡散層では、上記の連絡路を介して、このようなアノードガス拡散層の積層体の貫通孔にもアノードガスを流すことができるので、アノードガス拡散層のガス拡散が不均一化することを抑制できる。
【００３６】
また、本開示の第１１の態様の電気化学式水素ポンプは、第１０の態様の電気化学式水素ポンプにおいて、上記の連絡路は、連絡路が設けられた金属シートに隣り合う同一の金属シートに設けられた貫通孔同士を連絡してもよい。
【００３７】
また、本開示の第１２の態様の電気化学式水素ポンプは、第１０の態様または第１１の態様の電気化学式水素ポンプにおいて、上記の連絡路は、連絡路が設けられた金属シートに隣り合う異なる金属シートに設けられた貫通孔同士を連絡してもよい。
【００３８】
アノードガス拡散層の積層体が、以上の連絡路を備えることで、積層体内を通過するアノードガスを、積層体を貫通する方向だけではなく、積層体の主面と平行な方向にも送ることができる。よって、アノードガス拡散層のガス拡散性が向上する。
【００３９】
また、本開示の第１３の態様の電気化学式水素ポンプは、第１の態様−第１２の態様のいずれか１つの電気化学式水素ポンプにおいて、アノードガス拡散層の積層体は、ガスを拡散させる金属焼結体の金属シートを含んでもよい。
【００４０】
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積層体が金属焼結体の金属シートを備えることで、積層体が、金属焼結体の金属シートを備えずに、通気孔が設けられた複数の金属鋼板で構成される場合に比べて、アノードガス拡散層に必要なガス通気性およびガス拡散性を確保しやすくなる。
【００４１】
本開示の第１４の態様の電気化学式水素ポンプは、第１の態様−第１３の態様のいずれか１つの電気化学式水素ポンプにおいて、第１の金属シートは、金属焼結体であり、第２の金属シートは、複数の通気孔が設けられた金属鋼板の積層体であってもよい。
【００４２】
かかる構成により、金属焼結体の方が金属鋼板よりも表面粗さが大きいので、第１の金属シートがアノード触媒層と接触する面積をより増加させることができ、アノードガスの拡散性を向上することができる。
【００４３】
本開示の第１５の態様の電気化学式水素ポンプは、第１の態様−第１４の態様のいずれか１つの電気化学式水素ポンプにおいて、カソードガス拡散層は、複数の通気孔が設けられた第３の金属シートを含み、第３の金属シートの通気孔の平均孔径の分布は、第１の金属シートの平均孔径の分布よりも広くてもよい。
【００４４】
かかる構成により、第３の金属シートがカソード触媒層と接触する応力の偏りを低減させることができるので、電気化学反応の反応過電圧の増加を抑制することができる。
【００４５】
本開示の第１６の態様の電気化学式水素ポンプは、第１５の態様の電気化学式水素ポンプにおいて、第１の金属シートが、金属粉末焼結体であり、第３の金属シートが金属繊維焼結体であってもよい。
【００４６】
かかる構成により、第３の金属シートがカソード触媒層と接触する応力の偏りを低減させつつ、第３の金属シートよりも剛性の高い第１の金属シートにより押力に対する圧縮ひずみ量の低減を図ることができるので、電気化学反応の反応過電圧の増加を抑制することができる。
【００４７】
本開示の第１７の態様の電気化学式水素ポンプは、第１の態様−第１６の態様のいずれか１つの電気化学式水素ポンプにおいて、第１の金属シートは、金網であり、第２の金属シートは、複数の通気孔が設けられた金属鋼板の積層体であってもよい。
【００４８】
金網の方が、金属鋼板に複数の通気孔を設ける場合よりも、通気孔を小さくかつ空隙率を向上し易い。従って、かかる構成により、押圧された電解質膜が破断する可能性を低減するだけでなく、第１の金属シートがアノード触媒層と接触する面積を増加させることができ、ガス拡散性を向上することができる。
【００４９】
以下、添付図面を参照しつつ、本開示の上記の各態様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。
【００５０】
（第１実施形態）
［装置構成］
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。
【００５１】
電気化学式水素ポンプ１６は、膜電極接合体１５（以下、ＭＥＡ１５）と、第１プレート１Ａと、第２プレート１Ｃと、電圧印加器１３と、を備える。ＭＥＡ１５は、電解質膜４と、カソード触媒層３Ｃと、アノード触媒層３Ａと、カソードガス拡散層２Ｃと、アノードガス拡散層２Ａと、を備え、これらの各層が積層状態で接合されている。
【００５２】
電解質膜４は、一対の主面を備える。また、電解質膜４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４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４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、電解質膜４として、例えば、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。
【００５３】
カソード触媒層３Ｃは、電解質膜４の一方の主面に設けられている。カソード触媒層３Ｃ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。
【００５４】
アノード触媒層３Ａは、電解質膜４の他方の主面に設けられている。アノード触媒層３Ａ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。
【００５５】
なお、カソード触媒層３Ｃもアノード触媒層３Ａ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。
【００５６】
カソードガス拡散層２Ｃは、カソード触媒層３Ｃに設けられている。カソードガス拡散層２Ｃとしては、例えば、高弾性の黒鉛化炭素繊維、またはチタン粉末焼結体の表面に白金メッキを施した多孔質体などで構成され、ペーパー状にしたものを用いることができる。なお、前者の黒鉛化炭素繊維を用いる場合、炭素繊維を、例えば、2000℃以上で熱処理すると黒鉛結晶が発達し黒鉛繊維に変化する。
【００５７】
アノードガス拡散層２Ａは、アノード触媒層３Ａに設けられている。アノードガス拡散層２Ａは、電気化学式水素ポンプ１６のカソードおよびアノード間の差圧による電解質膜４の押し付けに耐え得る程度の剛性が必要である。アノードガス拡散層２Ａは、本差圧による電解質膜４の押し付けに耐え得る程度の剛性があれば、どのような構成であってもよい。アノードガス拡散層２Ａの具体的な構成は後で説明する。
【００５８】
第１プレート１Ａ（セパレータ板）は、アノードガスが流れるガス流路１４Ａが設けられている。つまり、第１プレート１Ａは、アノードガス拡散層２Ａにアノードガスを供給するための部材である。具体的には、第１プレート１Ａは、平面視において、例えば、図示しないマニホルドに連通するサーペンタイン状のガス流路１４Ａが形成されており、このガス流路１４Ａの形成領域がアノードガス拡散層２Ａの主面に当接するように配されている。
【００５９】
なお、電解質膜４は、乾燥すると膜抵抗（ＩＲ損失）、水素がプロトンと電子に解離する際の反応抵抗（反応過電圧）が大きくなるだけでなく、破れ易くなる可能性があるので、アノードガスは、少なくとも水素ガスおよび水分子（水蒸気）を含む。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。
【００６０】
第２プレート１Ｃ（セパレータ板）は、カソードガスが流れるガス流路１４Ｃが設けられている。つまり、第２プレート１Ｃのガス流路１４Ｃには、カソードガス拡散層２Ｃからのカソードガスが流れている。具体的には、第２プレート１Ｃは、平面視において、例えば、図示しないマニホルドに連通するサーペンタイン状のガス流路１４Ｃが形成されており、このガス流路１４Ｃの形成領域がカソードガス拡散層２Ｃの主面に当接するように配されている。カソードガスとして、例えば、高純度の水素ガスなどを挙げることができる。
【００６１】
そして、ＭＥＡ１５の上下面をそれぞれ、第１プレート１Ａおよび第２プレート１Ｃで挟持することにより電気化学式水素ポンプ１６の単セルが構成されている。
【００６２】
電圧印加器１３は、カソード触媒層３Ｃおよびアノード触媒層３Ａの間に電圧を印加する。具体的には、電圧印加器１３の高電位側端子は、導電性の第１プレート１Ａに接続され、電圧印加器１３の低電位側端子が、導電性の第２プレート１Ｃに接続されている。電圧印加器１３は、カソード触媒層３Ｃおよびアノード触媒層３Ａ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。電圧印加器１３は、印加電圧を調整可能であってもよい。このとき、電圧印加器１３は、バッテリ、太陽電池、燃料電池等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、商用電源等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。
【００６３】
ここで、カソードガス拡散層２Ｃおよびアノードガス拡散層２Ａはそれぞれ、ＭＥＡ１５のカソードおよびアノードにおける給電体である。つまり、カソードガス拡散層２Ｃおよびアノードガス拡散層２Ａは、第１プレート１Ａおよび第２プレート１Ｃと、カソード触媒層３Ｃおよびアノード触媒層３Ａとの間を通電する役割を備える。
【００６４】
また、カソードガス拡散層２Ｃおよびアノードガス拡散層２Ａは、第１プレート１Ａのガス流路１４Ａおよび第２プレート１Ｃのガス流路１４Ｃと、カソード触媒層３Ｃおよびアノード触媒層３Ａとの間でガスを拡散させる役割も備える。例えば、第１プレート１Ａのガス流路１４Ａを流れるアノードガスは、アノードガス拡散層２Ａを通じてアノード触媒層３Ａの表面へと拡散する。
【００６５】
なお、必要に応じて、電気化学式水素ポンプ１６の単セルに冷却器などが設けられ、２セル以上に積層することで、複数の単セルからなるスタックを構成しても構わない。
【００６６】
図２に示すように、電気化学式水素ポンプ１６は、アノード室８とカソード室７とを備える。
【００６７】
アノード室８の内部は、アノード入口配管１１と連通するとともに、図示しない流体流路（例えば、配管、マニホールドなど）を介して第１プレート１Ａのガス流路１４Ａとも連通している。これにより、アノード入口配管１１を流れるアノードガスは、アノード室８内に流入した後、第１プレート１Ａのガス流路１４Ａへと供給される。
【００６８】
カソード室７の内部は、カソード出口配管１２と連通するとともに、図示しない流体流路（例えば、配管、マニホールドなど）を介して第２プレート１Ｃのガス流路１４Ｃとも連通している。これにより、ＭＥＡ１５を通過したカソードガス（水素ガス）は、第２プレート１Ｃのガス流路１４Ｃを流れて、カソード室７内に流入した後、カソード出口配管１２へと供給される。なお、カソード出口配管１２には、開閉弁９（例えば、電磁弁など）が設けられており、開閉弁９を適時に開閉することで、カソードガスが、高圧水素タンク１０内に貯えられる。そして、このようなカソードガスは、図示しない水素利用機器（例えば、燃料電池）の燃料などに使用される。
【００６９】
［アノードガス拡散層の構成］
図３、図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃおよび図５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には、アノードガス拡散層２Ａのガス拡散部５０の一部の領域１００における第１の金属シート２２Ｆを平面視した図が示されている。図４Ｂには、本領域１００における第２の金属シート２２Ｓを平面視した図が示されている。図４Ｃには、第１の金属シート２２Ｆおよび第２の金属シート２２Ｓを積層した状態における第１の金属シート２２Ｆを平面視した図が示されている。図５には、図４ＣのＢ−Ｂ部の断面が、電解質膜４とともに示されている。
【００７０】
図３に示すように、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１６では、アノードガス拡散層２Ａは、複数の通気孔（図３では図示せず）が設けられた、複数の金属シート２２の積層体２０を備える。なお、図３では、複数の金属シート２２が分離状態で図示されているが、実際は、金属シート２２は積層されている。そして、例えば、金属シート２２が、溶接、溶着またはロウ付けなどで一体的に接合されていてもよい。この場合、積層状態の金属シート２２の主面は、拡散接合などにより面接合が行われていてもよい。
【００７１】
また、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１６では、アノードガス拡散層２Ａ及びカソードガス拡散層２Ｃのうち、アノードガス拡散層２Ａのみが、複数の通気孔（図３では図示せず）が設けられた、複数の金属シート２２の積層体２０を備える。カソードガス拡散層２Ｃは、上記のとおり、例えば、高弾性の黒鉛化炭素繊維、またはチタン粉末焼結体の表面に白金メッキを施した多孔質体などで構成されている。
【００７２】
金属シート２２は、通気孔以外の部分は、ガス通気性を備えないように構成されている。例えば、金属シート２２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が、これに限定されない。この金属シート２２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。
【００７３】
図４Ａおよび図５に示すように、アノード触媒層３Ａに隣接する第１の金属シート２２Ｆには、例えば、複数の通気孔２５Ｆが、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２５Ｆの形状は、どのような形状でも構わない。通気孔２５Ｆは、例えば、図４Ａに示す如く、直径が数十μｍ程度の丸孔であってもよいし、図示を省略するが、短軸が数十μｍ程度の楕円形孔であってもよい。第１の金属シート２２Ｆの材質は実施例で説明する。
【００７４】
図４Ｂおよび図５に示すように、第１の金属シート２２Ｆに隣接する第２の金属シート２２Ｓには、例えば、複数の通気孔２５Ｓが、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２５Ｓの形状は、どのような形状でも構わない。通気孔２５Ｓは、例えば、図４Ｂに示す如く、直径が数十μｍ程度の丸孔であってもよいし、図示を省略するが、短軸が数十μｍ程度の楕円形孔であってもよい。第２の金属シート２２Ｓの材質は実施例で説明する。
【００７５】
ここで、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１６では、複数の金属シート２２のうち、アノード触媒層３Ａに隣接する第１の金属シート２２Ｆに設けられた複数の通気孔２５Ｆの最大孔径は、第１の金属シート２２Ｆに隣接する第２の金属シート２２Ｓに設けられた複数の通気孔２５Ｓの最大孔径よりも小さい。
【００７６】
なお、通気孔が、例えば、丸孔である場合は、「複数の通気孔の最大孔径」とは、複数の丸孔の直径の最大値をいう。
【００７７】
通気孔が、例えば、楕円形孔である場合は、「複数の通気孔の最大孔径」とは、複数の楕円形孔の長軸長さの最大値をいう。この理由は、電解質膜４が楕円形孔上で押圧された場合の電解質膜４の垂れ込み量が楕円形孔の長軸長さに支配されるからである。
【００７８】
また、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１６では、複数の金属シート２２のうち、アノード触媒層３Ａに隣接する第１の金属シート２２Ｆに設けられた複数の通気孔２５Ｆの平均孔径は、第１の金属シート２２Ｆに隣接する第２の金属シート２２Ｓに設けられた複数の通気孔２５Ｓの平均孔径よりも小さい。
【００７９】
なお、通気孔が、例えば、丸孔である場合は、「複数の通気孔の平均孔径」とは、複数の丸孔の直径の合計値を丸孔の個数で割った値をいう。
【００８０】
通気孔が、例えば、楕円形孔である場合は、「複数の通気孔の平均孔径」とは、複数の楕円形孔の長軸長さの合計値を楕円形孔の個数で割った値をいう。この理由は、電解質膜４が楕円形孔上で押圧された場合の電解質膜４の垂れ込み量が楕円形孔の長軸長さに支配されるからである。
【００８１】
また、図４Ａおよび図４Ｂに示すように、第１の金属シート２２Ｆの主面における、複数の通気孔２５Ｆの表面積当たり数は、第２の金属シート２２Ｓの主面における、複数の通気孔２５Ｓの表面積当たり数よりも多い。かかる構成によると、アノード触媒層３Ａに隣接する第１の金属シート２２Ｆの通気孔２５Ｆが第２の金属シート２２Ｓの通気孔２５Ｓよりも小さくても、第１の金属シート２２Ｆのガス拡散性を向上させることができる。
【００８２】
また、第１の金属シート２２Ｆの複数の通気孔２５Ｆの開口面積は、第２の金属シート２２Ｓの複数の通気孔２５Ｓの開口面積と同等以上である。かかる構成によると、アノード触媒層３Ａに隣接する第１の金属シート２２Ｆの通気孔２５Ｆが第２の金属シート２２Ｓの通気孔２５Ｓよりも小さくても、第１の金属シート２２Ｆのガス拡散性を向上させることができる。
【００８３】
なお、「第１の金属シート２２Ｆの通気孔２５Ｆの開口面積」および「第２の金属シート２２Ｓの通気孔２５Ｓの開口面積」とはそれぞれ、全ての通気孔２５Ｆおよび全ての通気孔２５Ｓの開口面積の合計値をいう。
【００８４】
本実施形態の電気化学式水素ポンプ１６では、以上の第１の金属シート２２Ｆと第２の金属シート２２Ｓとを積層する場合、図４Ｃに示すように、第１の金属シート２２Ｆの通気孔２５Ｆと第２の金属シート２２Ｓの通気孔２５Ｓとが、両者の通気孔２５Ｆおよび通気孔２５Ｓの開口の一部が重なるように配置されている。
【００８５】
これにより、第１の金属シート２２Ｆの通気孔２５Ｆと第２の金属シート２２Ｓの通気孔２５Ｓとが重なる部分が、平面視において、第１の金属シート２２Ｆおよび第２の金属シート２２Ｓの通気空間として形成されている。
【００８６】
なお、以上の第１の金属シート２２Ｆの通気孔２５Ｆおよび第２の金属シート２２Ｓの通気孔２５Ｓの形状、配置および寸法などは例示であって、本例に限定されない。
【００８７】
［動作］
以下、実施形態の電気化学式水素ポンプの動作について、図面を参照しながら説明する。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。
【００８８】
まず、電圧印加器１３により、ＭＥＡ１５のアノードとカソードの間に電圧を印加する。
【００８９】
次に、アノード入口配管１１を通じて、アノードガスをアノード室８に供給すると、アノードガス中の水素は、アノード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１３を介してカソードへと移動する。
【００９０】
一方、プロトンは、水分子を同伴しながら電解質膜４内を透過し、カソードに触れる。カソードでは、電解質膜４を透過したプロトンと、カソードガス拡散層２Ｃからの電子とによる還元反応が行われ、カソードガス（水素ガス）が生成される（式（２））。
【００９１】
これにより、ＣＯ２ガスなどの不純物を含むアノードガスから高効率にガスの純化が行われる。つまり、ＣＯ２ガスなどの不純物は、ＭＥＡ１５において除去される。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３Ａ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、開閉弁９が閉止される場合、カソード室７内のカソードガスの圧力が上昇し、カソードのガス圧が高圧になる。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１３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ＭＥＡ１５の温度（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１３の電圧Ｅを上げることで、カソードのガス圧Ｐ２を上昇し得ることが容易に理解できる。
【００９５】
よって、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１６では、開閉弁９を閉止し、電圧印加器１３の電圧Ｅを上げることで、カソード室７内のカソードのガス圧を上昇させる。そして、カソードのガス圧が所定圧以上になると、開閉弁９を開けることで、カソード室７内のカソードガスが、カソード出口配管１２を通じて高圧水素タンク１０へ充填される。一方、カソード室７内のカソードのガス圧が所定圧力未満になると、開閉弁９を閉めることで、カソード室７と高圧水素タンク１０とが遮断される。このため、高圧水素タンク１０のカソードガスがカソード室７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１６により、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１０へ充填される。
【００９７】
そして、このとき、電気化学式水素ポンプ１６のカソードおよびアノード間の差圧が生じ、本差圧によって電解質膜４がアノードガス拡散層２Ａに押圧されるが、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１６は、上記の差圧によってアノードガス拡散層２Ａに押圧された電解質膜４が破断する可能性を従来よりも低減し得る。
【００９８】
具体的には、電気化学式水素ポンプ１６のカソードおよびアノード間の差圧によって、電解質膜４が第１の金属シート２２Ｆの通気孔２５Ｆ上で押圧されるので、電解質膜４は、図５に示すように、この通気孔２５Ｆで凹状に垂れる。
【００９９】
しかし、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１６では、第１の金属シート２２Ｆの通気孔２５Ｆの最大孔径が第２の金属シート２２Ｓの通気孔２５Ｓの最大孔径よりも小さいので、両者の関係が逆の場合に比べて、第１の金属シート２２Ｆの通気孔２５Ｆにおける電解質膜４の垂れ込みを抑制できる。なお、この場合、第２の金属シート２２Ｓの通気孔２５Ｓを大きくすることで、第２の金属シート２２Ｓのガス拡散性を適切に確保することもできる。
【０１００】
また、第１の金属シート２２Ｆの通気孔２５Ｆの平均孔径が第２の金属シート２２Ｓの通気孔２５Ｓの平均孔径よりも小さいので、両者の関係が逆の場合に比べて、第１の金属シート２２Ｆの通気孔２５Ｆにおける電解質膜４の垂れ込みを抑制できる。なお、この場合、第２の金属シート２２Ｓの通気孔２５Ｓを大きくすることで、第２の金属シート２２Ｓのガス拡散性を適切に確保することもできる。
【０１０１】
以上により、電気化学式水素ポンプ１６のカソードおよびアノード間の差圧によって、第１の金属シート２２Ｆの通気孔２５Ｆ上で電解質膜４が押圧されても、この通気孔２５Ｆのエッジ部２５Ｅで電解質膜４が曲げられることを抑制できるので、電解質膜４が破断しにくくなる。
【０１０２】
ここで、例えば、図６Ａに示すように、第１の金属シート２２Ｆおよび第２の金属シート２２Ｓのそれぞれに設けられた通気孔２５Ｆ、２５Ｓの孔径の個数分布１００Ｆ、１００Ｓが何れも、半値幅がほぼ同様のガウス分布である場合、これらの通気孔２５Ｆ、２５Ｓの平均孔径の比較により、第１の金属シート２２Ｆおよび第２の金属シート２２Ｓの通気孔２５Ｆ、２５Ｓにおける電解質膜４の垂れ込み量の大小を適切に評価できる。この場合、第１の金属シート２２Ｆの通気孔２５Ｆの平均孔径を第２の金属シート２２Ｓの通気孔２５Ｓの平均孔径よりも小さくすることで、第１の金属シート２２Ｆの通気孔２５Ｆにおける電解質膜４の垂れ込み量を低減できる。
【０１０３】
しかし、例えば、図６Ｂに示すように、第１の金属シート２２Ｆの通気孔２５Ｆの孔径の個数分布１００Ｆの方が、第２の金属シート２２Ｓの通気孔２５Ｓの孔径の個数分布１００Ｓよりも半値幅よりも極端に小さく、かつ、第１の金属シート２２Ｆの通気孔２５Ｆの平均孔径が第２の金属シート２２Ｓの通気孔２５Ｓの平均孔径よりも大きい場合、これらの通気孔２５Ｆ、２５Ｓの平均孔径の比較では、第１の金属シート２２Ｆおよび第２の金属シート２２Ｓの通気孔２５Ｆ、２５Ｓにおける電解質膜４の垂れ込み量の大小を適切に評価できない場合がある。
【０１０４】
図６Ｂに示す例では、第２の金属シート２２Ｓの通気孔２５Ｓの平均孔径は第１の金属シート２２Ｆの通気孔２５Ｆの平均孔径よりも小さいにも関わらず、第１の金属シート２２Ｆの最小孔径以上の領域Ｇにおいては、第１の金属シート２２Ｆの通気孔２５Ｆの方が、第２の金属シート２２Ｓの通気孔２５Ｓよりも電解質膜４の垂れ込み量を低減できる可能性がある。この場合、第１の金属シート２２Ｆおよび第２の金属シート２２Ｓの通気孔２５Ｆ、２５Ｓの最大孔径の比較の方が、通気孔２５Ｆ、２５Ｓの平均孔径の比較に比べて、通気孔２５Ｆ、２５Ｓにおける電解質膜４の垂れ込み量の大小を適切に評価できる。
【０１０５】
また、例えば、図６Ｃに示すように、第２の金属シート２２Ｓの通気孔２５Ｓの孔径の個数分布１００Ｓが、ガウス分布とはならずに、通気孔２５Ｓの孔径が大きい側の通気孔２５Ｓの個数が尾を引くように多く、かつ、第１の金属シート２２Ｆの通気孔２５Ｆの平均孔径が第２の金属シート２２Ｓの通気孔２５Ｓの平均孔径よりも大きい場合、第１の金属シート２２Ｆおよび第２の金属シート２２Ｓの通気孔２５Ｆ、２５Ｓの平均孔径の比較では、第１の金属シート２２Ｆおよび第２の金属シート２２Ｓの通気孔における電解質膜の垂れ込み量の大小を適切に評価できない場合がある。
【０１０６】
図６Ｃに示す例では、第２の金属シート２２Ｓの通気孔２５Ｓの平均孔径は第１の金属シート２２Ｆの通気孔２５Ｆの平均孔径よりも小さいにも関わらず、第１の金属シート２２Ｆの最小孔径以上の領域Ｇにおいては、第１の金属シート２２Ｆの通気孔２５Ｆの方が、第２の金属シート２２Ｓの通気孔２５Ｓよりも電解質膜４の垂れ込み量を低減できる可能性がある。この場合、第１の金属シート２２Ｆおよび第２の金属シート２２Ｓの通気孔２５Ｆ、２５Ｓの最大孔径の比較の方が、通気孔２５Ｆ、２５Ｓの平均孔径の比較に比べて、通気孔２５Ｆ、２５Ｓにおける電解質膜４の垂れ込み量の大小を適切に評価できる。
【０１０７】
なお、以上の第１の金属シート２２Ｆおよび第２の金属シート２２Ｓの通気孔２５Ｆ、２５Ｓの孔径の個数分布１００Ｆ、１００Ｓは例示であって、本例に限定されない。
【０１０８】
（実施例）
第１実施形態の実施例の電気化学式水素ポンプ１６は、第１実施形態の電気化学式水素ポンプ１６において、第１の金属シート２２Ｆは、第２の金属シート２２Ｓに比べて硬度が低い。
【０１０９】
金属シート２２の硬度が高い程、および、金属シート２２の通気孔の孔径が小さくなる程、金属シート２２の通気孔の加工が困難になる。そこで、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１６では、第１の金属シート２２Ｆの硬度を第２の金属シート２２Ｓの硬度に比べて低くすることにより、第１の金属シート２２Ｆの通気孔２５Ｆの微細加工を容易にしている。また、第２の金属シート２２Ｓの硬度を第１の金属シート２２Ｆの硬度に比べて高くすることにより、第２の金属シート２２Ｓが高剛性化されている。
【０１１０】
なお、第１の金属シート２２Ｆの材質として、例えば、アルミニウムまたはステンレス（例えば、ＳＵＳ３０４）などを用いることができるが、これに限定されない。また、第２の金属シート２２Ｓの材質として、例えば、チタンまたはステンレス（例えば、ＳＵＳ６３１）などを用いることができるが、これに限定されない。
【０１１１】
本実施例の電気化学式水素ポンプ１６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１６と同様であってもよい。また、以上の第１の金属シート２２Ｆおよび第２の金属シート２２Ｓの材質は例示であって、本例に限定されない。
【０１１２】
（第１変形例）
第１実施形態の第１変形例の電気化学式水素ポンプ１６は、第１実施形態または第１実施形態の実施例の電気化学式水素ポンプ１６において、第２の金属シート２２Ｓの一対の主面のうち、第１の金属シート２２Ｆに隣接する主面の粗さは、第１の金属シート２２Ｆの一対の主面のうち、アノード触媒層３Ａに隣接する主面の粗さよりも大きい。また、第１の金属シート２２Ｆの一対の主面のうち、第２の金属シート２２Ｓに隣接する主面の粗さは、第１の金属シート２２Ｆの一対の主面のうち、アノード触媒層３Ａに隣接する主面の粗さよりも大きい。
【０１１３】
以上により、第２の金属シート２２Ｓに隣接する第１の金属シート２２Ｆの主面および第１の金属シート２２Ｆに隣接する第２の金属シート２２Ｓの主面のうちのいずれか一方、または、両方に適宜の凹凸に形成することにより、これらの主面の間にアノードガスを拡散させることが可能となる。すると、このような凹凸を形成しない場合に比べて、第１の金属シート２２Ｆのガス拡散性が向上する。
【０１１４】
例えば、図４Ｃに示すように、第１の金属シート２２Ｆと第２の金属シート２２Ｓとを積層する場合、第１の金属シート２２Ｆの通気孔２５Ｆの開口と第２の金属シート２２Ｓの通気孔２５Ｓの開口とが重ならない部分が存在する。しかし、本変形例の電気化学式水素ポンプ１６では、このような開口が重ならない部分に対応する第１の金属シート２２Ｆの通気孔２５Ｆにも、上記凹凸による隙間を介して、アノードガスを送ることができる。
【０１１５】
本変形例の電気化学式水素ポンプ１６は、上記特徴以外は、第１実施形態または第１実施形態の実施例の電気化学式水素ポンプ１６と同様であってもよい。なお、第１実施形態の実施例の電気化学式水素ポンプ１６の如く、第１の金属シート２２Ｆの硬度を第２の金属シート２２Ｓの硬度よりも低くする場合は、第１の金属シート２２Ｆの方が、第２の金属シート２２Ｓよりも主面に凹凸を形成しやすい。
【０１１６】
（第２変形例）
第１実施形態の第２変形例では、アノードガス拡散層２Ａの中の第１の金属シート２２Ｆが金属焼結体の金属シートであり、第２の金属シート２２Ｓが、金属剛板の積層体であることを特徴としている。
【０１１７】
このとき、金属焼結体の第１の金属シート２２Ｆに設けられた複数の通気孔の最大孔径は、金属剛板の積層体の第２の金属シート２２Ｓに設けられた通気孔の最大孔径よりも小さい。
【０１１８】
また、金属焼結体の第１の金属シート２２Ｆに設けられた複数の通気孔の平均孔径は、金属剛板の積層体の第２の金属シート２２Ｓに設けられた複数の通気孔の平均孔径よりも小さい。
【０１１９】
本変形例により、第１の金属シート２２Ｆが金属剛体であるときよりも、金属焼結体であるときの方が、第１の金属シート２２Ｆの表面の凹凸（表面粗さ）が大きく、表面積が大きくなるので、アノード触媒層と接触する面積をより増加させることができる。つまり、アノード触媒層に対するガス拡散性が向上する。
【０１２０】
なお、本変形例において、金属焼結体の一例は、金属粉末焼結体である。
【０１２１】
（第３変形例）
第１実施形態の第３変形例では、カソードガス拡散層２Ｃに複数の通気孔が設けられた第３の金属シート（図示せず）を含み、第３の金属シートに設けられた複数の通気孔の平均孔径の分布は、第１の金属シート２２Ｆに設けられた複数の通気孔の平均孔径の分布よりも広い。
【０１２２】
本変形例により、第３の金属シートがカソード触媒層と接触する応力の偏りを低減させつつ、第３の金属シートよりも剛性の高い第１の金属シートにより押力に対する圧縮ひずみ量の低減を図ることができるので、電気化学反応の反応過電圧の増加を抑制することができる。
【０１２３】
また、本変形例において、第１の金属シート２２Ｆが、金属粉末焼結体であり、第３の金属シートが、金属繊維焼結体であってもよい。このとき、第３の金属シートに設けられた複数の通気孔の平均孔径の分布を、第１の金属シート２２Ｆに設けられた複数の通気孔の平均孔径の分布よりも広くすることが可能になる。
【０１２４】
（第４変形例）
第１実施形態の第４変形例では、第１の金属シート２２Ｆは、金網であり、第２の金属シート２２Ｓは、複数の通気孔が設けられた金属鋼板の積層体であってもよい。
【０１２５】
金網の方が、金属鋼板に複数の通気孔を設ける場合よりも、通気孔を小さくかつ空隙率を向上し易い。
【０１２６】
従って、本変形例により、押圧された電解質膜が破断する可能性を低減するだけでなく、第１の金属シートがアノード触媒層と接触する面積を増加させることができ、ガス拡散性を向上することができる。
【０１２７】
（第２実施形態）
［装置構成］
図７Ａおよび図７Ｂ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断面視した図である。図７Ａおよび図７Ｂには、アノードガス拡散層２Ａの積層体２０の一部の断面が示されている。なお、アノード触媒層３Ａに隣接する積層体２０の部分には、上記のとおり、第１の金属シート２２Ｆおよび第２の金属シート２２Ｓが設けられているが、図７Ａおよび図７Ｂでは、これらの第１の金属シート２２Ｆおよび第２の金属シート２２Ｓの図示を省略している。
【０１２８】
図８Ａ、図８Ｂおよび図８Ｃは、アノードガス拡散層の積層体の金属シートの一例を平面視した図である。
【０１２９】
本実施形態の電気化学式水素ポンプ１６は、第１実施形態、第１実施形態の実施例および第１実施形態の第１変形例−第４変形例のいずれかの電気化学式水素ポンプ１６において、複数の金属シート２２のうち、少なくとも１つの金属シート２２は、貫通孔２１同士を連絡する連絡路２３を備える。
【０１３０】
具体的には、図７Ａおよび図７Ｂに示すように、積層体２０は、ガスが通過する、複数の貫通孔２１を有する金属シート２２を備える。また、積層体２０の複数の金属シート２２のうち、少なくとも１つの金属シート２２は、貫通孔２１同士を連絡する連絡路２３を備える。
【０１３１】
積層体２０は、複数の貫通孔２１を有する金属シート２２を備え、少なくとも１つの金属シート２２が、貫通孔２１同士を連絡する連絡路２３を備えていれば、どのような構成であってもよい。
【０１３２】
図７Ａに示す例では、積層体２０を貫通する方向に延伸するガス流路（以下、基準ガス流路）を構成する貫通孔２１および連絡路２３の両端部と、基準ガス流路から枝分かれし、隣の基準ガス流路に至るように積層体２０の主面と平行な方向に延伸するガス流路を構成する連絡路２３とが、積層体２０に設けられている。これにより、連絡路２３は、連絡路２３が設けられた金属シート２２に隣り合う、金属シート２２の貫通孔２１同士を連絡する。
【０１３３】
図７Ｂに示す例では、階段状に延伸するガス流路（以下、階段状ガス流路）のうちの積層体２０を貫通する方向に延伸する貫通路を構成する貫通孔２１と、階段状ガス流路のうち貫通路同士を連絡する連絡路２３とが、積層体２０に設けられている。これにより、連絡路２３は、連絡路２３が設けられた金属シート２２に隣り合う、金属シート２２の貫通孔２１同士を連絡する。
【０１３４】
積層体２０を平面視した場合、例えば、図８Ａに示すように、積層体２０の金属シート２２Ａに、複数の貫通孔２１Ａが、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。貫通孔２１Ａの形状は、どのような形状でも構わない。貫通孔２１Ａは、例えば、直径が数十μｍ程度の丸孔であってもよい。金属シート２２Ａの材質として、例えば、ステンレス（例えば、ＳＵＳ６３１）またはチタンなどを用いることができるが、これに限定されない。なお、図８Ａの金属シート２２Ａは、上記の連絡路を備えていない。
【０１３５】
また、図８Ｂに示すように、積層体２０の金属シート２２Ｂに、複数の貫通孔２１Ｂが、縦および横に等間隔ピッチで形成されていてもよい。貫通孔２１Ｂの形状は、どのような形状でも構わない。貫通孔２１Ｂは、例えば、直径が数十μｍ程度の丸孔であってもよい。金属シート２２Ｂの材質として、例えば、ステンレス（例えば、ＳＵＳ６３１）またはチタンなどを用いることができるが、これに限定されない。
【０１３６】
図８Ｂに示す例では、隣接する貫通孔２１Ｂの中心が結ばれると、二点鎖線で示す菱形Ｓとなるように、貫通孔２１Ｂが縦および横に配列されている。本例では、連絡路２３Ｂは、隣り合う菱形Ｓのそれぞれの中心ＰＢを斜めに結ぶ開口となるように形成されている。また、連絡路２３Ｂは、貫通孔２１Ｂ同士が連絡路２３Ｂを横断せずに結ばれる第１方向と平行な方向に延伸しているとも言える。また、連絡路２３Ｂは、第１方向と異なる方向で隣り合う貫通孔２１Ｂ同士のうち離間距離のより長い隣り合う貫通孔２１Ｂ同士（縦方向および横方向に隣り合う貫通孔２１Ｂ同士）を結ぶ直線の中点（ＰＢ）を結ぶ開口となるように形成されているとも言える。そして、例えば、金属シート２２Ｂと金属シート２２Ａとを積層する場合、貫通孔２１Ａと貫通孔２１Ｂとが重なり合うとともに、貫通孔２１Ａと連絡路２３Ｂの両端部とが重なり合うように、貫通孔２１Ｂおよび連絡路２３Ｂが配列されている。よって、この場合、連絡路２３Ｂは、貫通孔２１Ａ同士を連絡することができる。
【０１３７】
連絡路２３Ｂは、どのような形状でも構わない。例えば、貫通孔２１Ｂが、直径が数十μｍ程度の丸孔である場合、連絡路２３Ｂは、幅が数十μｍ程度のスリットであってもよい。
【０１３８】
また、図８Ｃに示すように、積層体２０の金属シート２２Ｃに、複数の貫通孔２１Ｃが形成されていてもよい。貫通孔２１Ｃの形状は、どのような形状でも構わない。貫通孔２１Ｃは、例えば、直径が数十μｍ程度の丸孔であってもよい。金属シート２２Ｃの材質として、例えば、ステンレス（例えば、ＳＵＳ６３１）またはチタンなどを用いることができるが、これに限定されない。
【０１３９】
図８Ｃに示す例では、連絡路２３Ｃを横断せずに、隣接する貫通孔２１Ｃの中心が結ばれると、二点鎖線で示す傾斜直線Ｌとなるように、貫通孔２１Ｃが縦および横に配列されている。本例では、連絡路２３Ｃは、横方向に隣り合う貫通孔２１Ｃ同士を結ぶ直線を三等分した場合の２つの中間点ＰＣを横に結ぶ開口となるように形成されている。そして、例えば、金属シート２２Ａと金属シート２２Ｃと積層する場合、貫通孔２１Ａと貫通孔２１Ｃとが重なり合うとともに、貫通孔２１Ａと連絡路２３Ｃの両端部とが重なり合うように、貫通孔２１Ｃおよび連絡路２３Ｃが配列されている。よって、この場合、連絡路２３Ｃは、貫通孔２１Ａ同士を連絡することができる。
【０１４０】
連絡路２３Ｃは、どのような形状でも構わない。例えば、貫通孔２１Ｃが、直径が数十μｍ程度の丸孔である場合、連絡路２３Ｃは、幅が数十μｍ程度のスリットであってもよい。
【０１４１】
以上により、アノードガス拡散層２Ａの積層体２０は、従来に比べアノードガスを均一に拡散し得る。つまり、積層体２０が連絡路２３を備えることで、積層体２０内を通過するアノードガスを一方向だけではなく、任意の方向に送ることができる。すると、連絡路２３の配置パターンが異なる金属シート２２を積層体２０に積層させることで、積層体２０内のアノードガスの流れの向きを任意に設定できる。これにより、アノードガス拡散層２Ａのガス拡散性が向上する。
【０１４２】
なお、連絡路２３の配置パターンが異なる金属シート２２の組合せはどのようなものであってもよい。例えば、金属シート２２Ｃとは配置パターンが異なる金属シートは、連絡路２３Ｃの位置が横にずれた金属シートでもよいし、金属シート２２Ｂでもよい。
【０１４３】
また、例えば、図示しない流路部材のガス流路を通じてアノードガス拡散層２Ａの積層体２０の貫通孔２１にアノードガスを流入させる構成を取る場合、この積層体２０が上記の連絡路を備えないと、流路部材のガス流路が設けられていない部分の垂直線上に位置するアノードガス拡散層２Ａの積層体２０の貫通孔２１にはアノードガスが流れずに、アノードガス拡散層２Ａのガス拡散が不均一化する恐れがある。しかし、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１６のアノードガス拡散層２Ａでは、上記の連絡路２３を介して、このようなアノードガス拡散層２Ａの積層体２０の貫通孔２１にもアノードガスを流すことができるので、アノードガス拡散層２Ａのガス拡散が不均一化することを抑制できる。
【０１４４】
以上により、アノードガス拡散層２Ａのガス拡散性が向上するので、電気化学式水素ポンプ１６の反応過電圧の増加を抑制できる。つまり、アノードガス中の水素がプロトンと電子に解離する際の反応抵抗（反応過電圧）の増大、すなわち、電気化学式水素ポンプ１６の水素圧縮運転に必要な消費電力の増加が従来よりも抑制される。
【０１４５】
また、アノードガス拡散層２Ａの積層体２０の金属シート２２は連絡路２３の数が少ない程、アノード触媒層３Ａと金属シート２２との間の接触面積が増える。ここで、図４Ａに示すように、アノード触媒層３Ａに隣接する第１の金属シート２２Ｆは、このような連絡路を備えないので、第１の金属シート２２Ｆとアノード触媒層３Ａとの間の接触面積は、アノード触媒層３Ａが、連絡路を備える金属シートに隣接する場合に比べ増える。よって、第１の金属シート２２Ｆとアノード触媒層３Ａとの間の拡散抵抗を適切に低減できる。
【０１４６】
また、アノードガス拡散層２Ａの積層体２０の金属シート２２の連絡路の数が多くなる場合、この金属シート２２の面内の流体抵抗のバラツキが増大する傾向がある。例えば、連絡路が多い領域とそうでない領域とが、金属シート２２の面内に混在する場合、連絡路２３の方が貫通孔２１よりも開口面積が大きいため、前者の領域が後者の領域に比べ流体抵抗が低くなる。すると、前者の領域が後者の領域よりもガスが流れやすくなる。このため、仮に連絡路２３の数が多い金属シート２２がアノード触媒層３Ａと接触する場合、アノードガス拡散層２Ａからアノード触媒層３Ａの全域にガスを万遍なく供給することが阻害される可能性がある。しかし、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１６のアノードガス拡散層２Ａでは、このような連絡路を備えない第１の金属シート２２Ｆがアノード触媒層３Ａと接触することで、このような可能性が低減される。
【０１４７】
なお、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１６は、上記特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の実施例および第１実施形態の第１変形例−第４変形例のいずれかの電気化学式水素ポンプ１６と同様であってもよい。
【０１４８】
また、以上の貫通孔２１および連絡路２３の形状および寸法は例示であって、本例に限定されない。
【０１４９】
（第１実施例）
図９は、第２実施形態の第１実施例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断面視した図である。図９には、アノードガス拡散層２Ａの積層体２０の一部の断面が示されている。なお、アノード触媒層３Ａに隣接する積層体２０の部分には、上記のとおり、第１の金属シート２２Ｆおよび第２の金属シート２２Ｓが設けられているが、図９では、これらの第１の金属シート２２Ｆおよび第２の金属シート２２Ｓの図示を省略している。
【０１５０】
本実施例の電気化学式水素ポンプ１６は、第２実施形態の電気化学式水素ポンプ１６において、連絡路２３は、連絡路２３が設けられた金属シート２２に隣り合う同一の金属シート２２Ｄに設けられた貫通孔２１ＬＤおよび貫通孔２１ＲＤ同士を連絡する。つまり、連絡路２３は、連絡路２３が設けられた金属シート２２の下方の同一の金属シート２２Ｄに存在する左の貫通孔２１ＬＤと右の貫通孔２１ＲＤとを連絡している。なお、貫通孔２１ＬＤと貫通孔２１ＲＤとは、連絡路２３の長さ分、積層体２０の主面と平行な方向に偏倚している。
【０１５１】
また、図９に示すように、連絡路２３が設けられた金属シート２２の上方の金属シート２２Ｕが、貫通孔２１ＬＤの直上の貫通孔２１Ｕを備えてもよい。この場合、連絡路２３は、貫通孔２１Ｕと貫通孔２１ＲＤとを連絡する。なお、連絡路２３が設けられた金属シート２２の上方の金属シート２２Ｕが、貫通孔２１ＲＤの直上の貫通孔（図示せず）を備えてもよい。この場合、連絡路２３は、上記の直上の貫通孔と貫通孔２１ＬＤとを連絡する。
【０１５２】
アノードガス拡散層２Ａの積層体２０が、上記の連絡路２３を備えることで、積層体２０内を通過するアノードガスを、積層体２０を貫通する方向だけではなく、積層体２０の主面と平行な方向にも送ることができる。よって、アノードガス拡散層２Ａのガス拡散性が向上する。
【０１５３】
本実施例の電気化学式水素ポンプ１６は、上記特徴以外は、第２実施形態の電気化学式水素ポンプ１６と同様であってもよい。
【０１５４】
（第２実施例）
図１０は、第２実施形態の第２実施例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断面視した図である。図１０には、アノードガス拡散層２Ａの積層体２０の一部の断面が示されている。なお、アノード触媒層３Ａに隣接する積層体２０の部分には、上記のとおり、第１の金属シート２２Ｆおよび第２の金属シート２２Ｓが設けられているが、図１０では、これらの第１の金属シート２２Ｆおよび第２の金属シート２２Ｓの図示を省略している。
【０１５５】
本実施例の電気化学式水素ポンプ１６は、第２実施形態または第２実施形態の第１実施例の電気化学式水素ポンプ１６において、連絡路２３は、連絡路２３が設けられた金属シート２２に隣り合う、異なる金属シート２２Ｕおよび金属シート２２Ｄに設けられた貫通孔２１Ｕおよび貫通孔２１Ｄ同士を連絡する。つまり、連絡路２３は、連絡路２３が設けられた金属シート２２の上方の金属シート２２Ｕの貫通孔２１Ｕと下方の金属シート２２Ｄの貫通孔２１Ｄとを連絡している。なお、貫通孔２１Ｕと貫通孔２１Ｄとは、連絡路２３の長さ分、積層体２０の主面と平行な方向に偏倚している。
【０１５６】
アノードガス拡散層２Ａの積層体２０が、上記の連絡路２３を備えることで、積層体２０内を通過するガスを、積層体２０を貫通する方向だけではなく、積層体２０の主面と平行な方向にも送ることができる。よって、アノードガス拡散層２Ａのガス拡散性が向上する。
【０１５７】
本実施例の電気化学式水素ポンプ１６は、上記特徴以外は、第２実施形態または第２実施形態の第１実施例の電気化学式水素ポンプ１６と同様であってもよい。
【０１５８】
（変形例）
図１１は、第２実施形態の変形例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断面視した図である。図１１には、アノードガス拡散層２Ａの積層体２０の一部の断面が示されている。なお、アノード触媒層３Ａに隣接する積層体２０の部分には、上記のとおり、第１の金属シート２２Ｆおよび第２の金属シート２２Ｓが設けられているが、図１１では、これらの第１の金属シート２２Ｆおよび第２の金属シート２２Ｓの図示を省略している。
【０１５９】
本変形例の電気化学式水素ポンプ１６は、第１実施形態、第１実施形態の実施例、第１実施形態の第１変形例−第４変形例、第２実施形態および第２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１６において、アノードガス拡散層２Ａの積層体２０は、ガスを拡散させる金属焼結体の金属シート２２２を含む。
【０１６０】
金属焼結体の金属シート２２２は、例えば、金属粉を焼結することで得られ、骨格部５４および複数の空孔部５３からなる多孔質化された構成を備える。空孔部５３は、直径が数十μｍ程度（例えば、約５０μｍ程度）の空間であって互いに連通している。これにより、アノードガスが、金属シート２２２をその厚み方向に通過するとき、アノードガスを拡散することができる。なお、金属シート２２２は、平滑に表面処理されている。
【０１６１】
以上により、本変形例の電気化学式水素ポンプ１６は、アノードガス拡散層２Ａの積層体２０が金属焼結体の金属シート２２２を備えることで、積層体２０が、金属焼結体の金属シートを備えずに、通気孔が設けられた複数の金属鋼板で構成される場合に比べて、アノードガス拡散層２Ａに必要なガス通気性およびガス拡散性を確保しやすくなる。
【０１６２】
本変形例の電気化学式水素ポンプ１６は、上記特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の実施例、第１実施形態の第１変形例−第４変形例、第２実施形態および第２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１６と同様であってもよい。
【０１６３】
なお、第１実施形態、第１実施形態の実施例、第１実施形態の第１変形例−第４変形例、第２実施形態、第２実施形態の第１実施例−第２実施例および第２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。
【０１６４】
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】
【０１６５】
本開示の一態様は、カソードおよびアノード間の差圧によってアノードガス拡散層に押圧された電解質膜が破断する可能性を従来よりも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】
【０１６６】
１Ａ      ：第１プレート
１Ｃ      ：第２プレート
２Ａ      ：アノードガス拡散層
２Ｃ      ：カソードガス拡散層
３Ａ      ：アノード触媒層
３Ｃ      ：カソード触媒層
４        ：電解質膜
７        ：カソード室
８        ：アノード室
９        ：開閉弁
１０      ：高圧水素タンク
１１      ：アノード入口配管
１２      ：カソード出口配管
１３      ：電圧印加器
１４Ａ    ：ガス流路
１４Ｃ    ：ガス流路
１５      ：ＭＥＡ（膜電極接合体）
１６      ：電気化学式水素ポンプ
２０      ：積層体
２１      ：貫通孔
２１Ａ    ：貫通孔
２１Ｂ    ：貫通孔
２１Ｃ    ：貫通孔
２１Ｄ    ：貫通孔
２１ＬＤ  ：貫通孔
２１ＲＤ  ：貫通孔
２１Ｕ    ：貫通孔
２２      ：金属シート
２２Ａ    ：金属シート
２２Ｂ    ：金属シート
２２Ｃ    ：金属シート
２２Ｄ    ：金属シート
２２Ｆ    ：第１の金属シート
２２Ｓ    ：第２の金属シート
２２Ｕ    ：金属シート
２３      ：連絡路
２３Ｂ    ：連絡路
２３Ｃ    ：連絡路
２５Ｅ    ：エッジ部
２５Ｆ    ：通気孔
２５Ｓ    ：通気孔
３０      ：支持部材
３１      ：貫通孔
３６ａ    ：触媒層
３８      ：集電体
４１      ：多孔質層
４１ａ    ：開口部
４２      ：多孔質層
４２ａ    ：開口部
４３      ：多孔質層
４３ａ    ：開口部
５０      ：ガス拡散部
５３      ：空孔部
５４      ：骨格部
１００    ：領域
１００Ｆ  ：個数分布
１００Ｓ  ：個数分布
１０２Ａ  ：アノードガス拡散層
１０４    ：電解質膜
１２５    ：通気孔
１２５Ｅ  ：エッジ部
２２２    ：金属シート
【図１】
2018109221.tif 000003
【図２】
2018109221.tif 000004
【図３】
2018109221.tif 000005
【図４Ａ】
2018109221.tif 000006
【図４Ｂ】
2018109221.tif 000007
【図４Ｃ】
2018109221.tif 000008
【図５】
2018109221.tif 000009
【図６Ａ】
2018109221.tif 000010
【図６Ｂ】
2018109221.tif 000011
【図６Ｃ】
2018109221.tif 000012
【図７Ａ】
2018109221.tif 000013
【図７Ｂ】
2018109221.tif 000014
【図８Ａ】
2018109221.tif 000015
【図８Ｂ】
2018109221.tif 000016
【図８Ｃ】
2018109221.tif 000017
【図９】
2018109221.tif 000018
【図１０】
2018109221.tif 000019
【図１１】
2018109221.tif 000020
【図１２】
2018109221.tif 000021
【図１３】
2018109221.tif 000022