(57)【要約】      （修正有）【課題】簡易かつ適切に電解質膜とカソード給電体との間の接触抵抗の増加を抑制する方法の提供。【解決手段】電気化学式水素ポンプ、一対の主面を備える電解質膜１４と、主面に設けたカソード触媒層１５と、アノード触媒層１６と、電解質膜の反対側のカソード触媒層面上に設けたカソードガス拡散層３１Ａと、カソードガス拡散層からのカソードガスが流れる凹部を備えるセパレータと、電解質膜の反対側のアノード触媒層の主面上に設けたアノードガス拡散層２４と、カソード触媒層とアノード触媒層の間に電圧を印加する電圧印加器と、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及びアノードガス拡散層の積層体１００Ｂを締結する締結器と、を備え、カソードガス拡散層は、凹部に収納され、積層体の締結前に、凹部からその厚み方向にはみ出して配設され、カソードガス拡散層の側面と凹部の側面との間に弾性部材を備える。【選択図】図２
2018090899.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、
前記電解質膜と対向していない前記カソード触媒層の主面上に設けられたカソードガス拡散層と、
前記カソードガス拡散層から導出されたカソードガスが流れる凹部を備えるセパレータと、
前記電解質膜と対向していない前記アノード触媒層の主面上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、
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、および前記アノードガス拡散層の積層体を締結する締結器と
を備え、
前記カソードガス拡散層は、前記凹部に収納され、前記積層体の締結前に、前記凹部からその厚み方向にはみ出して配設されており、前記カソードガス拡散層の側面と前記凹部の側面との間に弾性部材を備える、電気化学式水素ポンプ。
【請求項２】
前記積層体が締結前の前記カソードガス拡散層の厚みは、前記積層体の締結時において、前記カソードガス拡散層の圧縮された厚みの大きさが、動作時において、前記アノードガス拡散層、前記アノード触媒層および前記電解質膜のそれぞれの圧縮された厚みの大きさの合計値以上となるように、設定されている、請求項１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は、前記セパレータに対向する側が前記カソード触媒層に対向する側よりも剛性が高い、請求項１記載の電気化学式水素ポンプ。
【請求項４】
前記カソードガス拡散層は、前記カソード触媒層に対向する側が前記セパレータに対向する側よりも多孔度が高い、請求項１記載の電気化学式水素ポンプ。
【請求項５】
前記セパレータは、カソードガスが流れるマニホルド孔と、前記凹部内のカソードガスを前記マニホルド孔に導出するガス流路とを備える、請求項１記載の電気化学式水素ポンプ。
【請求項６】
前記カソードガス拡散層は、金属繊維の焼結体で構成される、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。
【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、水素ガスを高密度で貯蔵し、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、高純度の水素ガス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、給電体（ガス拡散層）および触媒層などからなるＭＥＡを用い、ＭＥＡのアノードとカソードの間に電圧をかけて、ＭＥＡのカソード側で高圧の水素ガス（カソードガス）を発生させる方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。このとき、高圧状態のカソードガスの押圧により、電解質膜およびアノード給電体などが変形すると、電解質膜とカソード給電体との間の接触抵抗が増加することが指摘されている（例えば、特許文献２、３参照）。
【０００５】
そこで、特許文献２では、カソードガスが高圧状態になっても、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、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。
【０００６】
また、特許文献３では、カソードガスが高圧状態になっても、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、予め弾性材料からなるカソード給電体を圧縮させることが提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【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２００６−１１１９２４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、簡易かつ適切に電解質膜とカソード給電体との間の接触抵抗の増加を抑制することについて十分に検討されていない。詳細は実施形態で説明する。
【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、簡易かつ適切に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の増加を抑制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、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、電解質膜と対向していないカソード触媒層の主面上に設けられたカソードガス拡散層と、カソードガス拡散層から導出されたカソードガスが流れる凹部を備えるセパレータと、電解質膜と対向していないアノード触媒層の主面上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、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、およびアノードガス拡散層の積層体を締結する締結器と、を備え、カソードガス拡散層は、凹部に収納され、積層体の締結前に、凹部からその厚み方向にはみ出して配設されており、カソードガス拡散層の側面と凹部の側面との間に弾性部材を備える。
【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、簡易かつ適切に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の増加を抑制し得る。
【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デバイス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積層体の締結動作の一例を示す図である。
【図６】図６は、第１実施形態の第１変形例の電気化学式水素ポンプのカソードガス拡散デバイスの一例を示す図である。
【図７】図７は、第１実施形態の第２変形例の電気化学式水素ポンプのカソードガス拡散デバイスの一例を示す図である。
【図８】図８は、第２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９】図９は、第２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１０】図１０は、第２実施形態の電気化学式水素ポンプのカソードガス拡散デバイスの一例を示す図である。
【図１１】図１１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デバイスの一例を示す図である。
【図１２】図１２は、第２実施形態の電気化学式水素ポンプの積層体の締結動作の一例を示す図である。
【図１３】図１３は、第２実施形態の電気化学式水素ポンプの昇圧動作における電解質膜、アノード触媒層およびアノードガス拡散層の変形の一例を示す図である。
【図１４】図１４は、第２実施形態の第７実施例の電気化学式水素ポンプのカソードガス拡散デバイス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および特許文献３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の増加を抑制する構成の検討が行われているが、未だ改善の余地がある。
【００１４】
例えば、特許文献２では、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、これにより、装置の複雑化およびコストアップにつながる。
【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、電解質膜と対向していないカソード触媒層の主面上に設けられたカソードガス拡散層と、カソードガス拡散層から導出されたカソードガスが流れる凹部を備えるセパレータと、電解質膜と対向していないアノード触媒層の主面上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、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、およびアノードガス拡散層の積層体を締結する締結器と、を備え、カソードガス拡散層は、凹部に収納され、積層体の締結前に、凹部からその厚み方向にはみ出して配設されており、カソードガス拡散層の側面と凹部の側面との間に弾性部材を備える。
【００１６】
かかる構成によると、第１の態様の電気化学式水素ポンプは、従来に比べ、簡易かつ適切に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の増加を抑制し得る。
【００１７】
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。しかし、このとき、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、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、カソード触媒層とカソードガス拡散層との間の接触を適切に維持できる。よって、カソードガス拡散層を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に記載された発明よりも簡易な構成で上記の接触抵抗の増加を抑制し得る。
【００１８】
ここで、締結前に凹部からカソードガス拡散層がはみ出していると、締結の際に、カソードガス拡散層は主面と垂直な方向においては締結圧により圧縮される一方、この主面と平行な方向に伸張する。すると、仮に、カソードガス拡散層の側面と凹部の側面との間に弾性部材を設けない場合は、カソードガス拡散層は凹部周縁において凹部からはみ出し、このはみ出した部分がカソード触媒層または電解質膜にダメージを与えてしまう可能性がある。しかし、本態様の電気化学式水素ポンプでは、上記の構成の如く、カソードガス拡散層の側面と凹部の側面との間に弾性部材を設けることで、カソードガス拡散層の主面と平行な方向へのカソードガス拡散層の伸張を吸収し、カソードガス拡散層が凹部周縁において凹部からはみ出す可能性を低減できる。
【００１９】
また、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、積層体が締結前のカソードガス拡散層の厚みは、積層体の締結時において、カソードガス拡散層の圧縮された厚みの大きさが、動作時において、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の圧縮された厚みの大きさの合計値以上となるように、設定されていてもよい。
【００２０】
特許文献３では、アノード給電体とカソード給電体の締結時に、予めカソード給電体をどの程度、圧縮変形させるかについて適切に知ることができない。例えば、特許文献３は、高圧水素製造装置の動作時に、カソードガスが高圧状態になることで生じるアノード給電体の圧縮量について検討されていない。しかし、本態様の電気化学式水素ポンプでは、上記の構成の如く、電気化学式水素ポンプの動作時における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の圧縮された厚みの大きさの合計値を考慮して、積層体の締結時におけるカソードガス拡散層の圧縮された厚みの大きさを決定しているので、特許文献３に記載された発明よりも適切に上記の接触抵抗の増加を抑制し得る。
【００２１】
また、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、カソードガス拡散層は、セパレータに対向する側がカソード触媒層に対向する側よりも剛性が高くてもよい。
【００２２】
積層体の締結力は、上記のカソードセパレータを通してカソードガス拡散層にかかる。よって、カソードセパレータに対向する側のカソードガス拡散層の剛性を、カソード触媒層に対向する側の剛性よりも高くすることで、逆の場合に比べ、締結力をカソードガス拡散層に均一にかけることが可能である。すると、カソードガス拡散層とカソード触媒層とを均一な圧力で接触させることができるので、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の増加を更に効果的に抑制できる。
【００２３】
また、本開示の第４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、カソードガス拡散層は、カソード触媒層に対向する側がセパレータに対向する側よりも多孔度が高くてもよい。
【００２４】
カソードガス拡散層の多孔度が高いほど、カソードガス拡散層のガス通気性が優れている。よって、カソード触媒層に対向する側のカソードガス拡散層の多孔度が高い方が、逆の場合に比べ、カソード触媒層からカソードガス拡散層にカソードガスを引き込むことが容易になる。また、カソードガス拡散層の多孔度が高いほど、カソードガス拡散層は押しつぶれやすい。よって、カソード触媒層に対向する側のカソードガス拡散層の多孔度が高い方が、逆の場合に比べ、カソード触媒層とカソードガス拡散層との間の密着性を向上できる。
【００２５】
また、本開示の第５の態様の電気化学式水素ポンプは、第１の態様の電気化学式水素ポンプにおいて、セパレータは、カソードガスが流れるマニホルド孔と、凹部内のカソードガスをマニホルド孔に導出するガス流路とを備えていてもよい。
【００２６】
かかる構成によると、高圧状態のカソードガス拡散層からガス流路を通じてカソードガスを取り出すことができる。
【００２７】
また、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、金属繊維の焼結体で構成されていてもよい。
【００２８】
かかる構成によると、カソードガス拡散層を金属繊維の焼結体で構成することで、複数の通気孔が設けられた金属鋼板により構成される場合に比べ、カソードガス拡散層に必要な弾性およびガス通気性が確保しやすくなる。
【００２９】
上記のとおり、特許文献２では、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、これにより、装置の複雑化およびコストアップにつながる。
【００３０】
また、特許文献３では、アノード給電体とカソード給電体の締結時に、予めカソード給電体をどのように圧縮変形させるかについて適切に知ることができない。例えば、特許文献３は、高圧水素製造装置の動作時に、高圧水素製造装置のカソードガスが高圧状態になることで電解質膜およびアノード給電体などの変形が面内で均一にならない問題について検討されていない。
【００３１】
そこで、本開示の第７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、電解質膜と対向していないカソード触媒層の主面上に設けられたカソードガス拡散層と、電解質膜と対向していないアノード触媒層の主面上に設けられたアノードガス拡散層と、カソードガス拡散層から導出されたカソードガスが流れる凹部を備えるセパレータと、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、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、セパレータの凹部の底面は、カソードガスの流れを仕切らない凸部を備え、カソードガス拡散層は、凹部に収納されるとともに、積層体の締結前に、凹部からその厚み方向にはみ出して配設されている。
【００３２】
かかる構成によると、従来に比べ、簡易かつ適切に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の増加を抑制し得る。
【００３３】
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、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。しかし、このとき、本態様の電気化学式水素ポンプでは、カソードガス拡散層は、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、カソード触媒層とカソードガス拡散層との間の接触を適切に維持できる。よって、カソードガス拡散層を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に記載された発明よりも簡易な構成で上記の接触抵抗の増加を抑制し得る。
【００３４】
また、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の高圧状態で発生する電解質膜、アノード触媒層およびアノードガス拡散層の変形は、これらの面内で均一にならない。例えば、アノードガス拡散層をアノード本体（アノードセパレータ）に収納する場合、アノード本体の剛性により、アノード本体の近傍のアノードガス拡散層の周縁部の圧縮量（厚み）は、中央部の圧縮量（厚み）よりも小さい。また、例えば、平面視において、アノード触媒層の周囲を囲むようにシール部材（例えば、ガスケットなど）を設ける場合、シール部材の剛性により、シール部材の近傍のアノード触媒層および電解質膜の周縁部の圧縮量（厚み）は、中央部の圧縮量（厚み）よりも小さい。ここで、仮に、セパレータの凹部の底面が、凸部が設けられていないフラットな面である場合、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した後のカソードガス拡散層の厚みは、中央部が周縁部に比べ厚くなる。すると、カソード触媒層とカソードガス拡散層との間の接触圧は、中央部が周縁部に比べ低くなるので、両者間の接触抵抗が面内で不均一になる可能性がある。しかし、本態様の電気化学式水素ポンプでは、セパレータの凹部の底面が凸部を備えることにより、上記の弾性変形した後のカソードガス拡散層の厚みを面内で均一化し得ることで、このような可能性を低減できる。つまり、特許文献３に記載された発明よりも適切に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の増加を抑制し得る。
【００３５】
また、本開示の第８の態様の電気化学式水素ポンプは、上記第７の態様の電気化学式水素ポンプにおいて、凸部は、凹部の底面の重心を含む領域に設けられていてもよい。
【００３６】
凹部の底面の重心において、アノード触媒層およびアノードガス拡散層の圧縮量が最も大きいと推測されるので、これにより、カソード触媒層とカソードガス拡散層との間の接触をより適切に維持できる。
【００３７】
また、本開示の第９の態様の電気化学式水素ポンプは、第７の態様または第８の態様の電気化学式水素ポンプにおいて、凸部は、凹部の周縁を除く領域に設けられていてもよい。
【００３８】
カソードセパレータの凹部にカソードガス拡散層を収納する場合、カソードセパレータの凹部の周縁を除く領域では、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の高圧化によって必然的に電解質膜、アノード触媒層およびアノードガス拡散層が押圧される。よって、この領域に凸部を設けることで、カソード触媒層およびカソードガス拡散層間の接触抵抗が面内で不均一になる可能性を効果的に低減できる。
【００３９】
また、本開示の第１０の態様の電気化学式水素ポンプは、第７の態様−第９の態様のいずれかの電気化学式水素ポンプにおいて、カソードガス拡散層の厚みの大きさは、セパレータの凹部周縁部の深さの大きさ以上であってもよい。
【００４０】
カソードセパレータの凹部の周縁部であっても、カソードセパレータの凹部にカソードガス拡散層を収納する場合、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の高圧化によって電解質膜、アノード触媒層およびアノードガス拡散層が押圧される。そこで、本態様の電気化学式水素ポンプは、以上の構成により、上記の周縁部も含めカソード触媒層およびカソードガス拡散層間の接触を適切に維持し得る。
【００４１】
また、本開示の第１１の態様の電気化学式水素ポンプは、第７の態様−第１０の態様のいずれか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、セパレータに対向する側がカソード触媒層に対向する側よりも剛性が高くてもよい。
【００４２】
積層体の締結力は、上記のカソードセパレータを通してカソードガス拡散層にかかる。よって、カソードセパレータに対向する側のカソードガス拡散層の剛性を、カソード触媒層に対向する側の剛性よりも高くすることで、逆の場合に比べ、締結力をカソードガス拡散層に均一にかけることが可能である。すると、カソードガス拡散層とカソード触媒層とを均一な圧力で接触させることができるので、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の増加を更に効果的に抑制できる。
【００４３】
また、本開示の第１２の態様の電気化学式水素ポンプは、第７の態様−第１１の態様のいずれか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、カソード触媒層に対向する側がセパレータに対向する側よりも多孔度が高くてもよい。
【００４４】
カソードガス拡散層の多孔度が高いほど、カソードガス拡散層のガス通気性が優れている。よって、カソード触媒層に対向する側のカソードガス拡散層の多孔度が高い方が、逆の場合に比べ、カソード触媒層からカソードガス拡散層にカソードガスを引き込むことが容易になる。また、カソードガス拡散層の多孔度が高いほど、カソードガス拡散層は押しつぶれやすい。よって、カソード触媒層に対向する側のカソードガス拡散層の多孔度が高い方が、逆の場合に比べ、カソード触媒層とカソードガス拡散層との間の密着性を向上できる。
【００４５】
また、本開示の第１３の態様の電気化学式水素ポンプは、第７の態様−第１２の態様のいずれか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、金属繊維の焼結体で構成されていてもよい。
【００４６】
かかる構成によると、カソードガス拡散層を金属繊維の焼結体で構成することで、複数の通気孔が設けられた金属鋼板により構成される場合に比べカソードガス拡散層に必要な弾性およびガス通気性が確保しやすくなる。
【００４７】
また、本開示の第１４の態様の電気化学式水素ポンプは、第７の態様−第１３の態様のいずれかの電気化学式水素ポンプにおいて、セパレータは、カソードガスが流れるマニホルド孔と、凹部内のカソードガスをマニホルド孔に導出するガス流路とを備えてもよい。
【００４８】
かかる構成によると、高圧状態のカソードガス拡散層からガス流路を通じてカソードガスを取り出すことができる。
【００４９】
以下、添付図面を参照しつつ、上記の本開示の各態様の実施形態について説明する。
【００５０】
以下で説明する実施形態は、本開示の各態様の一例を示すものである。よって、以下で示される数値、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、本開示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。
【００５１】
（第１実施形態）
［装置の全体構成］
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。
【００５２】
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、カソードガス拡散デバイス３１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、を備える。
【００５３】
カソードガス拡散デバイス３１は、カソードガス拡散層３１Ａと、カソードセパレータ３１Ｂ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。カソードガス拡散デバイス３１および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。
【００５４】
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、カソードガス拡散デバイス３１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。
【００５５】
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３１Ａ、およびアノードガス拡散層２４の積層体１００Ｂを締結する。
【００５６】
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ガス拡散デバイス３１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。
【００５７】
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。
【００５８】
端板２６Ｕには、カソードガス拡散デバイス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、カソードガス拡散デバイス３１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。
【００５９】
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、カソードガス拡散デバイス３１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。
【００６０】
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、カソードガス拡散デバイス３１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。
【００６１】
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（商標、旭化成株式会社製）などを用いることができる。
【００６２】
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。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。
【００６３】
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。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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。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。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の間に印加する電圧を調整する機器でも良く、電圧印加器１９として、例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ、ＡＣ／ＤＣコンバータなどを挙げることができる。この場合、ＤＣ／ＤＣコンバータは、電圧印加器１９が、バッテリなどの直流電源と接続された場合に用いられ、ＡＣ／ＤＣコンバータは、電圧印加器１９が、商用電源などの交流電源と接続された場合に用いられる。また、電圧印加器１９の低電位側端子が、導電性のカソードガス拡散デバイス３１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。
【００６６】
［カソードガス拡散デバイスの構成］
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デバイスの一例を示す図である。
【００６７】
カソードガス拡散デバイス３１は、上記のとおり、カソードガス拡散層３１Ａと、カソードセパレータ３１Ｂと、を備える。
【００６８】
カソードガス拡散層３１Ａは、電解質膜１４と対向していないカソード触媒層１５の主面上に設けられている。また、カソードガス拡散層３１Ａは、所望の弾性、所望の電気伝導性および所望のガス通気性を備えていれば、どのような構成であってもよい。カソードガス拡散層３１Ａの具体例は第３実施例で説明する。
【００６９】
本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、カソードセパレータ３１Ｂは、カソードガス拡散層３１Ａから導出されたカソードガスが流れる凹部３５を備える。
【００７０】
また、カソードガス拡散層３１Ａは、凹部３５に収納されるとともに、締結器２７による積層体１００Ｂの締結前に、凹部３５からその厚み方向に、はみ出して配設されている。凹部３５からのカソードガス拡散層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のそれぞれの圧縮された厚みの大きさの合計値以上の大きさである。
【００７１】
なお、このはみ出し量Ｅｃｄは、後述のとおり、積層体１００Ｂの締結力により圧縮されるカソードガス拡散層３１Ａの圧縮量Ｅｃｄ（厚み）と等しくてもよい。
【００７２】
カソードセパレータ３１Ｂは、カソードガスが流れるマニホルド孔３２Ｃと、凹部３５内のカソードガスをマニホルド孔３２Ｃに導出するカソードガス流路３３とを備える。
【００７３】
本実施形態のカソードガス拡散デバイス３１では、カソードガス流路３３は、マニホルド孔３２Ｃとカソードガス拡散層３１Ａとを連通する連通孔で構成されている。この連通孔は、例えば、図３に示す如く、凹部３５の底面から、カソードセパレータ３１Ｂの厚み方向に形成されたマニホルド孔３２Ｃにまで延伸していてもよい。また、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。
【００７４】
以上により、高圧状態のカソードガス拡散層３１Ａからカソードガス流路３３を通じてカソードガスを取り出すことができる。カソードガス流路３３を通過したカソードガスは、カソードガス導出マニホルドおよびカソードガス導出配管３０をこの順に流通する。
【００７５】
［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。
【００７６】
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部材が積層された場合のＤ−Ｄ部に対応するアノードガス拡散デバイス９の断面が示されている。
【００７７】
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。
【００７８】
アノード本体１は、アノードガスを拡散させる金属性部材である。アノード本体１は、アノードガスを拡散させる金属性部材であれば、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。
【００７９】
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。なお、アノードガス拡散層２４は、貫通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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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と連通し、マニホルド孔８に向けて直線状に延伸するとともにマニホルド孔８とは連通しない複数のスリット孔３６Ｄと、マニホルド孔８と連通し、マニホルド孔７に向けて直線状に延伸するとともにマニホルド孔７とは連通しない複数のスリット孔３６Ｕと、で構成されている。つまり、アノードガス流路板５は、スリット孔３６Ｄを備える第１金属層５Ｄとスリット孔３６Ｕを備える第２金属層５Ｕとを、これらのスリット孔３６Ｄおよびスリット孔３６Ｕ同士が重なり合うように一体的に接合することにより形成されている。そして、スリット孔３６Ｄおよびスリット孔３６Ｕ同士の重なり合う部分が、アノードガス流路板５を貫通するアノードガス流路６のスリット孔３６を構成している。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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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とカソードガス拡散デバイス３１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とカソードガス拡散デバイス３１のマニホルド孔とによって形成されている。
【００８９】
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、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。
【００９０】
［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。
【００９１】
なお、図５には、カソードセパレータ３１Ｂ、カソードガス拡散層３１Ａ、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。
【００９２】
まず、図５（ａ）に示すように、カソードガス拡散層３１Ａ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。
【００９３】
次に、図５（ｂ）に示すように、カソードガス拡散層３１Ａ、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３１Ｂ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。
【００９４】
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３１Ａが圧縮されるとともに、カソードガス拡散層３１Ａと電解質膜（触媒層付）１４Ａとアノードガス拡散層２４とが密着する。この場合、カソードガス拡散層３１Ａ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３１Ｂ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、カソードガス拡散層３１Ａ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。
【００９５】
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。
【００９６】
［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。
【００９７】
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。
【００９８】
まず、電圧印加器１９により、カソードガス拡散デバイス３１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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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））。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
そして、カソードガス拡散デバイス３１のガス圧が所定値以上になると、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）、カソードガス拡散デバイス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、カソードガス拡散デバイス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）、カソードガス拡散デバイス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、カソードガス拡散デバイス３１に逆流することが抑制される。
【０１０８】
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。
【０１０９】
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。そこで、電解質膜１４の圧縮された厚みをＥｍ、アノード触媒層１６の圧縮された厚みをＥａｃおよびアノードガス拡散層２４の圧縮された厚みをＥａｄとすると、これらのそれぞれが圧縮された厚みの合計値Ｅａｔは、以下の式（４）で表される。
【０１１０】
Ｅｍ＋Ｅａｃ＋Ｅａｄ＝Ｅａｔ・・・（４）
ここで、式（４）の合計値Ｅａｔが増えても、例えば、カソード触媒層１５とカソードガス拡散層３１Ａとの間の密着性が高いと、両者間で隙間が生じにくい。一方、カソード触媒層１５とカソードガス拡散層３１Ａ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３１Ａ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。
【０１１１】
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３１Ａは、締結器２７による積層体１００Ｂの締結前は、図３に示すように、カソードセパレータ３１Ｂ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３１Ａ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分だけ圧縮される。
【０１１２】
そして、上記のはみ出し量Ｅｃｄ（カソードガス拡散層３１Ａの圧縮された厚み）は、式（４）の合計値Ｅａｔとの間で、以下の式（５）で表される関係になるように、設定されている。
【０１１３】
つまり、積層体１００Ｂが締結前のカソードガス拡散層３１Ａの厚みＴ１は、積層体１００Ｂの締結時において、カソードガス拡散層３１Ａの圧縮された厚み（本例では、はみ出し量Ｅｃｄ）の大きさが、電気化学式水素ポンプ１００の動作時において、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のそれぞれの圧縮された厚みの大きさの合計値Ｅａｔ以上となるように、設定されている。
【０１１４】
Ｅｃｄ≧Ｅｍ＋Ｅａｃ＋Ｅａｄ＝Ｅａｔ・・・（５）
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、簡易かつ適切にカソード触媒層１５とカソードガス拡散層３１Ａとの間の接触抵抗の増加を抑制し得る。
【０１１５】
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、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に高圧がかかる。すると、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のそれぞれが圧縮変形する。しかし、このとき、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３１Ａは、締結器２７による圧縮後の厚みＴ２から圧縮前の元の厚みＴ１に戻る方向に弾性変形することにより、カソード触媒層１５とカソードガス拡散層３１Ａとの間の接触を適切に維持できる。よって、カソードガス拡散層３１Ａをカソード触媒層１５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に記載された発明よりも簡易な構成で上記の接触抵抗の増加を抑制し得る。
【０１１６】
また、電気化学式水素ポンプ１００の動作時における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のそれぞれの圧縮された厚みの大きさの合計値Ｅａｔを考慮して、積層体１００Ｂの締結時におけるカソードガス拡散層３１Ａの圧縮された厚みの大きさを決定しているので、特許文献３に記載された発明よりも適切に上記の接触抵抗の増加を抑制し得る。
【０１１７】
このようにして、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、電圧印加器１９で印加する電圧Ｅの増加、ひいては、電気化学式水素ポンプ１００の運転効率の低下を抑制できる。よって、電気化学式水素ポンプ１００の安定的な運転を行うことができる。
【０１１８】
なお、電解質膜１４の圧縮量Ｅｍ（厚み）、アノード触媒層１６の圧縮量Ｅａｃ（厚み）およびアノードガス拡散層２４の圧縮量Ｅａｄ（厚み）は、これらの構成材料および圧縮変形前の初期の厚みなどによって変化する。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の構成材料および初期の厚み毎に、カソードガス拡散層３１Ａのはみ出し量Ｅｃｄを事前に見積もる方がよい。
【０１１９】
また、上記の値は、電気化学式水素ポンプ１００の運転時のカソードのガス圧Ｐ２の大きさでも変化する。よって、電気化学式水素ポンプ１００の運転時のカソードのガス圧Ｐ２の最大値を目安に、はみ出し量Ｅｃｄを設定する方がよい。
【０１２０】
また、積層体１００Ｂの締結力は、少なくとも、カソードガス拡散層３１Ａをはみ出し量Εｃｄ分、圧縮するための圧縮力を発揮する必要があるが、これは、アノードガス導入マニホルド２８Ａ、アノードガス導出マニホルド２９Ａおよびカソードガス導出マニホルドのガスシール、電解質膜（触媒層付）１４Ａに対するガスシールを保つのに必要な圧力も考慮して設定する方がよい。
【０１２１】
（第１実施例）
第１実施形態の第１実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、第１実施形態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３１Ａは、カソードセパレータ３１Ｂに対向する側がカソード触媒層１５に対向する側よりも剛性が高い。
【０１２２】
積層体１００Ｂの締結力は、上記のカソードセパレータ３１Ｂを通してカソードガス拡散層３１Ａにかかる。よって、カソードセパレータ３１Ｂに対向する側のカソードガス拡散層３１Ａの剛性を、カソード触媒層１５に対向する側の剛性よりも高くすることで、逆の場合に比べ、締結力をカソードガス拡散層３１Ａに均一にかけることが可能である。よって、カソードガス拡散層３１Ａとカソード触媒層１５とを均一な圧力で接触させることができるので、カソード触媒層１５とカソードガス拡散層３１Ａとの間の接触抵抗の増加を更に効果的に抑制できる。
【０１２３】
なお、カソードガス拡散層３１Ａを、例えば、不織布状の金属繊維焼結体で構成する場合、カソードガス拡散層３１Ａの剛性の増減は、金属繊維焼結体の密度により調整できる。つまり、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００では、カソードセパレータ３１Ｂに対向する側の金属繊維焼結体の密度が、カソード触媒層１５に対向する側の金属繊維焼結体の密度よりも高い。
【０１２４】
ここでの剛性は、カソードガス拡散層３１Ａの曲げ剛性に相当する。この曲げ剛性は、静的試験法（曲げ試験）、横振動法、超音波法などでカソードガス拡散層３１Ａのヤング率を測定することで知ることができる。
【０１２５】
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と同様に構成してもよい。
【０１２６】
（第２実施例）
第１実施形態の第２実施例の電気化学式水素ポンプは、第１実施形態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３１Ａは、カソード触媒層１５に対向する側がカソードセパレータ３１Ｂに対向する側よりも多孔度が高い。
【０１２７】
カソードガス拡散層３１Ａの多孔度が高いほど、カソードガス拡散層３１Ａのガス通気性が優れている。よって、カソード触媒層１５に対向する側のカソードガス拡散層３１Ａの多孔度が高い方が、逆の場合に比べ、カソード触媒層１５からカソードガス拡散層３１Ａにカソードガスを引き込むことが容易になる。
【０１２８】
また、カソードガス拡散層３１Ａの多孔度が高いほど、カソードガス拡散層３１Ａは押しつぶれやすい。よって、カソード触媒層１５に対向する側のカソードガス拡散層３１Ａの多孔度が高い方が、逆の場合に比べ、カソード触媒層１５とカソードガス拡散層３１Ａとの間の密着性を向上できる。
【０１２９】
なお、カソードガス拡散層３１Ａを、例えば、不織布状の金属繊維焼結体で構成する場合、カソードガス拡散層３１Ａの多孔度の増減は、金属繊維焼結体の密度により調整できる。つまり、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００では、カソード触媒層１５に対向する側の金属繊維焼結体の密度が、カソードセパレータ３１Ｂに対向する側の金属繊維焼結体の密度よりも低い。
【０１３０】
カソードガス拡散層３１Ａの多孔度は、例えば、ガーレー試験機法などで測定できる透気度で表すことができる。
【０１３１】
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と同様に構成してもよい。
【０１３２】
（第３実施例）
第１実施形態の第３実施例の電気化学式水素ポンプ１００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において、カソードガス拡散層３１Ａは、金属繊維の焼結体で構成される。カソードガス拡散層３１Ａを金属繊維の焼結体で構成することで、複数の通気孔が設けられた金属鋼板により構成される場合に比べカソードガス拡散層３１Ａに必要な弾性およびガス通気性が確保しやすくなる。
【０１３３】
例えば、カソードガス拡散層３１Ａは、締結器２７の締結力による圧縮後の厚みＴ２から圧縮前の元の厚みＴ１に戻るような弾性体である必要がある。また、カソード触媒層１５とカソードガス拡散層３１Ａとの間の接触抵抗低減の必要性も含め、カソードガス拡散層３１Ａの電気伝導性は高い方がよい。
【０１３４】
そこで、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００では、カソードガス拡散層３１Ａが、例えば、チタン繊維の焼結体を不織布状にしてその表面に白金メッキを施した、金属繊維の焼結体で構成されていてもよい。
【０１３５】
不織布状の金属繊維焼結体は、金属繊維が３次元状に構成されて互いの接点が焼結されていることで、本金属繊維焼結体の電気伝導性が高い。また、金属繊維が３次元状に構成されているので、本金属繊維焼結体のガス分散性にも優れている。
【０１３６】
なお、例えば、黒鉛化炭素繊維で構成され、カーボン粒子をイオン伝導性樹脂でコーティングしてゴム状に混練しシート状に加工したもので、上記の不織布状の金属繊維焼結体の如く、弾性を備え、かつ電気伝導性の優れた材料であれば、カソードガス拡散層として用いることができる。
【０１３７】
また、カソードガス拡散層３１Ａは、その圧縮量（厚み）に対して、カソードガス拡散層３１Ａの電気伝導性の変化が小さい材料を用いる方がよい。例えば、カソードガス拡散層３１Ａの圧縮量（厚み）が大きくなるほど、カソードガス拡散層３１Ａの構成部材間の間隔が小さくなる。また、カソードガス拡散層３１Ａの構成部材間の接触面積が増加する。よって、カソードガス拡散層３１Ａの圧縮量（厚み）が大きくなるほど、カソードガス拡散層３１Ａの電気抵抗が低くなる傾向がある。
【０１３８】
ここで、電気化学式水素ポンプ１００の運転時と運転停止時とでは、カソードガス拡散層３１Ａの圧縮量（厚み）は異なる。また、電気化学式水素ポンプ１００の運転では、電気化学式水素ポンプ１００のカソードのガス圧Ｐ２が低圧から高圧に変化する。すると、カソードガス拡散層３１Ａの圧縮量（厚み）も変化する。よって、上記のとおり、電気化学式水素ポンプ１００の安定的な運転には、カソードガス拡散層３１Ａは、その圧縮量（厚み）の変化に対して、カソードガス拡散層３１Ａの電気抵抗（電気伝導性）の変化が小さい材料を用いる方がよい。
【０１３９】
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と同様に構成してもよい。
【０１４０】
（第１変形例）
図６は、第１実施形態の第１変形例の電気化学式水素ポンプのカソードガス拡散デバイスの一例を示す図である。
【０１４１】
図６に示すように、カソードガス拡散デバイス１３１は、カソードガス拡散層１３１Ａと、カソードセパレータ１３１Ｂと、を備える。カソードガス拡散層１３１Ａは、第１実施形態のカソードガス拡散層３１Ａと同様であるので説明を省略する。
【０１４２】
第１実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、カソードセパレータ３１Ｂは、カソードガス拡散層３１Ａから導出されたカソードガスが流れる凹部３５を備える例を説明したが、カソードセパレータの構成はこれに限定されない。
【０１４３】
本変形例の電気化学式水素ポンプ１００では、カソードセパレータ１３１Ｂは、図示しないマニホルド孔と、本マニホルド孔に連通するカソードガス流路１３３と、備える。
【０１４４】
カソードガス流路１３３は、カソードセパレータ１３１Ｂの主面に形成された溝部１３３Ａとリブ１３３Ｂとで構成されている。なお、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、カソードセパレータ１３１Ｂの図示しないマニホルド孔とによって形成される。
【０１４５】
これにより、高圧状態のカソードガス拡散層１３１Ａからカソードガス流路１３３の溝部１３３Ａを通じてカソードガスを取り出すことができる。溝部１３３Ａを通過したカソードガスは、カソードガス導出マニホルドおよびカソードガス導出配管３０をこの順に流通する。
【０１４６】
本変形例の電気化学式水素ポンプ１００は、上記の特徴以外は、第１実施形態および第１実施形態の第１実施例−第３実施例のいずれかの電気化学式水素ポンプ１００と同様に構成してもよい。
【０１４７】
（第２変形例）
図７は、第１実施形態の第２変形例の電気化学式水素ポンプのカソードガス拡散デバイスの一例を示す図である。
【０１４８】
図７に示すように、カソードガス拡散デバイス２３１は、カソードガス拡散層２３１Ａと、カソードセパレータ２３１Ｂと、弾性部材３７と、を備える。カソードセパレータ２３１Ｂは、カソードガス拡散層２３１Ａから導出されたカソードガスが流れる凹部２３５を備える。なお、カソードガス拡散層２３１Ａは、第１実施形態のカソードガス拡散層３１Ａと同様であるので説明を省略する。
【０１４９】
弾性部材３７は、カソードガス拡散層２３１Ａの側面とカソードセパレータ２３１Ｂの凹部２３５の側面との間に設けられている。
【０１５０】
弾性部材３７は、例えば、カソードガス拡散デバイス２３１の平面視においては、カソードガス拡散層２３１Ａの環状（例えば、矩形環状または円環状）の側面に沿うように環状（例えば、矩形環状または円環状）に形成されていてもよい。また、弾性部材３７の中心軸方向における寸法は、カソードガス拡散層２３１Ａの厚みよりも短くてもよい。例えば、弾性部材３７の中心軸方向における寸法が、図７に示す如く、カソードセパレータ２３１Ｂの凹部２３５の深さとほぼ同じであってもよい。
【０１５１】
カソードセパレータ２３１Ｂは、カソードガスが流れるマニホルド孔２３２Ｃと、凹部２３５内のカソードガスをマニホルド孔２３２Ｃに導出するカソードガス流路２３３とを備える。
【０１５２】
本変形例のカソードガス拡散デバイス２３１では、カソードガス流路２３３は、マニホルド孔２３２Ｃとカソードガス拡散層２３１Ａとを連通する連通孔で構成されている。この連通孔は、例えば、図７に示す如く、弾性部材３７が設けられていない凹部２３５の底面から、カソードセパレータ２３１Ｂの厚み方向に形成されたマニホルド孔２３２Ｃにまで延伸していてもよい。また、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２３２Ｃとによって形成される。
【０１５３】
以上により、高圧状態のカソードガス拡散層２３１Ａから、カソードセパレータ２３１Ｂのカソードガス流路２３３を通じて、カソードガスを取り出すことができる。カソードガス流路２３３を通過したカソードガスは、カソードガス導出マニホルドおよびカソードガス導出配管３０をこの順に流通する。
【０１５４】
このようにして、本変形例の電気化学式水素ポンプ１００では、従来に比べ、簡易かつ適切にカソード触媒層１５とカソードガス拡散層２３１Ａとの間の接触抵抗の増加を抑制し得る。
【０１５５】
具体的には、締結前に凹部２３５からカソードガス拡散層２３１Ａがはみ出していると、締結の際に、カソードガス拡散層２３１Ａの主面が、カソード触媒層１５の主面と密着することで、カソードガス拡散層２３１Ａは、その主面と垂直な方向（厚み方向）においては締結圧により圧縮される一方、本主面と平行な方向に伸張する。すると、仮に、カソードガス拡散層２３１Ａの側面と凹部２３５の側面との間に弾性部材３７を設けない場合は、カソードガス拡散層２３１Ａは、カソードセパレータ２３１Ｂの凹部２３５の周縁において凹部２３５からはみ出し、このはみ出した部分がカソード触媒層１５または電解質膜１４にダメージを与えてしまう可能性がある。
【０１５６】
しかしながら、本変形例の電気化学式水素ポンプ１００では、図７に示す如く、カソードガス拡散層２３１Ａの側面と凹部２３５の側面との間に弾性部材３７を設けることで、カソードガス拡散層２３１Ａの主面と平行な方向へのカソードガス拡散層２３１Ａの伸張を吸収し、カソードガス拡散層２３１Ａが凹部２３５の周縁において凹部２３５からはみ出す可能性を低減できる。
【０１５７】
弾性部材３７は、カソードガス拡散層２３１Ａの主面と平行な方向へのカソードガス拡散層２３１Ａの伸張を吸収し得る部材であれば、どのようなものであっても構わない。例えば、弾性部材３７は、カソードガス拡散層２３１Ａよりも剛性が低い材料により構成されている。弾性部材３７の材料として、例えば、ゴム、多孔性の樹脂などを用いることができるが、これらに限定されない。
【０１５８】
なお、第１実施形態、第１実施形態の第１実施例−第３実施例および第１実施形態の第１変形例のいずれの電気化学式水素ポンプ１００であっても、上記の弾性部材３７を設けることができる。つまり、本変形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、第１実施形態の第１実施例−第３実施例および第１実施形態の第１変形例のいずれかの電気化学式水素ポンプ１００と同様に構成してもよい。
【０１５９】
（第２実施形態）
［装置の全体構成］
図８および図９は、第２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９は、図８のＡ部の拡大図である。
【０１６０】
図８および図９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、カソードガス拡散デバイス３１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、を備える。
【０１６１】
カソードガス拡散デバイス３１は、カソードガス拡散層３１Ａと、カソードセパレータ３１Ｂ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。
【０１６２】
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、カソードガス拡散デバイス３１と、アノードガス拡散デバイス９と、を備える。よって、図８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。
【０１６３】
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３１Ａ、およびアノードガス拡散層２４の積層体１００Ｂを締結する。
【０１６４】
なお、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００の積層体１００Ｂの詳細な構成、単セル１００Ａの締結構成、アノードガスおよびカソードガスの配管構成、および、電圧印加器１９などは、第１実施形態の電気化学式水素ポンプ１００の構成と同様であるので詳細な説明を省略する。
【０１６５】
［カソードガス拡散デバイスの構成］
図１０は、第２実施形態の電気化学式水素ポンプのカソードガス拡散デバイスの一例を示す図である。
【０１６６】
カソードガス拡散デバイス３１は、上記のとおり、カソードガス拡散層３１Ａと、カソードセパレータ３１Ｂと、を備える。
【０１６７】
カソードガス拡散層３１Ａは、電解質膜１４と対向していないカソード触媒層１５の主面上に設けられている。また、カソードガス拡散層３１Ａは、所望の弾性、所望の電気伝導性および所望のガス通気性を備えていれば、どのような構成であってもよい。カソードガス拡散層３１Ａの具体例は第５実施例で説明する。
【０１６８】
本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、カソードセパレータ３１Ｂは、カソードガス拡散層３１Ａから導出されたカソードガスが流れる凹部３５を備える。
【０１６９】
また、凹部３５には、凹部３５内のカソードガスの流れを仕切るための仕切り部（リブ）は設けられておらず、カソードガス拡散層３１Ａが凹部３５に収納された場合、カソードガス拡散層３１Ａの主面のほぼ全域が凹部３５の底面に接触する。
【０１７０】
ここで、カソードセパレータ３１Ｂの凹部３５の底面は、カソードガスの流れを仕切らない凸部３５Ｔを備える。凹部３５の底面は、カソードガスの流れを仕切らない凸部３５Ｔを備えていれば、どのような構成であっても構わない。例えば、凹部３５の底面の中心が最も高くなるように、凸部３５Ｔが設けられていてもよい。この場合、凸部３５Ｔは、凹部３５の底面の周縁部から鉛直方向に距離Ｔｃｄまで、湾曲面状（椀状）に盛り上がる構成であってもよい。このような凸部３５Ｔの湾曲面の加工は、例えば、カソードセパレータ３１Ｂの凹部３５の底面切削により行い得る。なお、凸部３５Ｔの湾曲面の加工に代えて、面積が徐々に小さくなる金属薄膜を複数、積層することで凸部を形成してもよい。この場合、金属薄膜の厚み分の段差が発生するが、金属薄膜の厚みによって、凸部の距離Ｔｃｄを容易に調整することができる。また、カソードセパレータ３１Ｂの凹部３５の微細な切削加工に比べ、金属薄膜を積層するだけで凸部を簡易に形成し得る。
【０１７１】
カソードガス拡散層３１Ａは、凹部３５に収納されるとともに、締結器２７による積層体１００Ｂの締結前に、凹部３５からその厚み方向に、はみ出して配設されている。このとき、カソードガス拡散層３１Ａが弾性材料で構成されているので、凸部３５Ｔと対向しているカソードガス拡散層３１Ａの主面は、フラットな面から凸部３５Ｔの形状に沿うように弾性変形する。すると、凸部３５Ｔと対向していない反対側のカソードガス拡散層３１Ａの主面も、フラットな面から凸部３５Ｔと同様の形状に弾性変形して、鉛直方向に突出する。
【０１７２】
このとき、凹部３５からのカソードガス拡散層３１Ａの厚み方向のはみ出し量Ｅｃｄは、カソードガス拡散層３１Ａの中央部においては、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のそれぞれの圧縮された厚みの大きさの合計値以上の大きさである。
【０１７３】
なお、このはみ出し量Ｅｃｄは、後述のとおり、積層体１００Ｂの締結力により圧縮されるカソードガス拡散層３１Ａの中央部の圧縮量Ｅｃｄ（厚み）と等しくてもよい。
【０１７４】
［アノードガス拡散デバイスの構成］
図１１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デバイスの一例を示す図である。図１１（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１１（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１１（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。
【０１７５】
図１１（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１１（ｄ）では、図１１（ａ）、図１１（ｂ）および図１１（ｃ）に平面視で示された部材が積層された場合のＤ−Ｄ部に対応するアノードガス拡散デバイス９の断面が示されている。
【０１７６】
第２実施形態の電気化学式水素ポンプ１００のアノードガス拡散デバイス９の構成は、第１実施形態の電気化学式水素ポンプ１００のアノードガス拡散デバイス９の構成と同様であるので詳細な説明を省略する。
【０１７７】
［締結器による単セルの締結動作］
図１２は、第２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。
【０１７８】
なお、図１２には、カソードセパレータ３１Ｂ、カソードガス拡散層３１Ａ、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。
【０１７９】
まず、図１２（ａ）に示すように、カソードガス拡散層３１Ａ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。
【０１８０】
次に、図１２（ｂ）に示すように、カソードガス拡散層３１Ａ、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３１Ａの中央部と電解質膜（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。よって、カソードガス拡散層３１Ａの周縁部と電解質膜（触媒層付）１４Ａとは離間するとともに、カソードセパレータ３１Ｂ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。
【０１８１】
次に、図１２（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３１Ａが圧縮されるとともに、カソードガス拡散層３１Ａと電解質膜（触媒層付）１４Ａとアノードガス拡散層２４とが密着する。この場合、カソードガス拡散層３１Ａの圧縮量（厚み）は、中央部では上記のはみ出し量Ｅｃｄと等しく、周縁部では、中央部よりもおよそ距離Ｔｃｄ（図１０参照）だけ小さい。つまり、カソードセパレータ３１Ｂ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、カソードガス拡散層３１Ａの中央部の圧縮前の元の厚みＴ１から中央部の圧縮後の厚みＴ２を引いた値が、上記のはみ出し量Ｅｃｄと等しい。
【０１８２】
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。
【０１８３】
［電気化学式水素ポンプの動作］
第２実施形態の電気化学式水素ポンプ１００の動作（運転）は、以下のカソードガスの昇圧動作以外は、第１実施形態の電気化学式水素ポンプ１００の動作（運転）と同様であるので説明を省略する。
【０１８４】
本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００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。そこで、電解質膜１４の圧縮された厚みをＥｍ、アノード触媒層１６の圧縮された厚みをＥａｃおよびアノードガス拡散層２４の圧縮された厚みをＥａｄとすると、これらのそれぞれが圧縮された厚みの合計値Ｅａｔは、以下の式（４）で表される。
【０１８５】
Ｅｍ＋Ｅａｃ＋Ｅａｄ＝Ｅａｔ・・・（４）
ここで、式（４）の合計値Ｅａｔが増えても、例えば、カソード触媒層１５とカソードガス拡散層３１Ａとの間の密着性が高いと、両者間で隙間が生じにくい。一方、カソード触媒層１５とカソードガス拡散層３１Ａ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３１Ａ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。
【０１８６】
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３１Ａの中央部は、締結器２７による積層体１００Ｂの締結前は、図１０に示すように、カソードセパレータ３１Ｂ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３１Ａの中央部は、積層体１００Ｂの締結では、図１２（ｃ）に示すように、締結器２７によって、はみ出し量Εｃｄ分だけ圧縮される。
【０１８７】
そして、上記のはみ出し量Ｅｃｄ（カソードガス拡散層３１Ａの中央部の圧縮された厚み）は、式（４）の合計値Ｅａｔとの間で、以下の式（５）で表される関係になるように、設定されている。
【０１８８】
つまり、積層体１００Ｂが締結前のカソードガス拡散層３１Ａの厚みＴ１は、積層体１００Ｂの締結時において、カソードガス拡散層３１Ａの圧縮された厚み（本例では、はみ出し量Ｅｃｄ）の大きさが、電気化学式水素ポンプ１００の動作時において、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のそれぞれの圧縮された厚みの大きさの合計値Ｅａｔ以上となるように、設定されている。
【０１８９】
Ｅｃｄ≧Ｅｍ＋Ｅａｃ＋Ｅａｄ＝Ｅａｔ・・・（５）
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、簡易かつ適切にカソード触媒層１５とカソードガス拡散層３１Ａとの間の接触抵抗の増加を抑制し得る。
【０１９０】
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、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。しかし、このとき、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３１Ａは、締結器２７による圧縮後の厚みＴ２から圧縮前の元の厚みＴ１に戻る方向に弾性変形することにより、カソード触媒層１５とカソードガス拡散層３１Ａとの間の接触を適切に維持できる。よって、カソードガス拡散層３１Ａをカソード触媒層１５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に記載された発明よりも簡易な構成で上記の接触抵抗の増加を抑制し得る。
【０１９１】
また、図１３に示すように、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のカソードガスの高圧状態で発生する電解質膜１４、アノード触媒層１６およびアノードガス拡散層２４の変形は、これらの面内で均一にならない。なお、図１３（ａ）には、図５（ｃ）と同様に、電気化学式水素ポンプ１００のカソードガス昇圧動作前の積層体１００Ｂの断面が示されている。図１３（ｂ）には、電気化学式水素ポンプ１００のカソードガス昇圧動作時の積層体１００Ｂの断面が示されている。
【０１９２】
図１３（ｂ）に示すように、アノードガス拡散層２４をアノード本体１（アノードセパレータ）に収納する場合、アノード本体１の剛性により、アノード本体１の近傍のアノードガス拡散層２４の周縁部の圧縮量（厚み）は、中央部の圧縮量（厚み）よりも小さい。また、平面視において、アノード触媒層１６の周囲を囲むようにシール部材４２（例えば、ガスケットなど）を設ける場合、シール部材４２の剛性により、シール部材４２の近傍のアノード触媒層１６および電解質膜１４の周縁部の圧縮量（厚み）は、中央部の圧縮量（厚み）よりも小さい。
【０１９３】
ここで、仮に、カソードセパレータの凹部の底面が、凸部が設けられていないフラットな面である場合、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した後のカソードガス拡散層３１Ａの厚みは、中央部が周縁部に比べ厚くなる。すると、カソード触媒層１５とカソードガス拡散層３１Ａとの間の接触圧は、中央部が周縁部に比べ低くなるので、両者間の接触抵抗が面内で不均一になる可能性がある。しかし、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、カソードセパレータ３１Ｂの凹部３５の底面が凸部３５Ｔを備えることにより、上記の弾性変形した後のカソードガス拡散層３１Ａの厚みを面内で均一化し得ることで、このような可能性を低減できる。つまり、特許文献３に記載された発明よりも適切にカソード触媒層１５とカソードガス拡散層３１Ａとの間の接触抵抗の増加を抑制し得る。これにより、電解質膜（触媒層付）１４Ａにかかる電圧が面内で均一になるので、電解質膜（触媒層付）１４Ａの面内における水素から電子が遊離する酸化反応、プロトンと電子とによる還元反応（水素化反応）を均一に進行させ得る。
【０１９４】
このようにして、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の運転効率の低下を適切に抑制できる。
【０１９５】
なお、電解質膜１４の圧縮量Ｅｍ（厚み）、アノード触媒層１６の圧縮量Ｅａｃ（厚み）およびアノードガス拡散層２４の圧縮量Ｅａｄ（厚み）は、これらの構成材料および圧縮変形前の初期の厚みなどによって変化する。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の構成材料および初期の厚み毎に、カソードガス拡散層３１Ａのはみ出し量Ｅｃｄを事前に見積もる方がよい。
【０１９６】
また、上記の値は、電気化学式水素ポンプ１００の運転時のカソードのガス圧Ｐ２の大きさでも変化する。よって、電気化学式水素ポンプ１００の運転時のカソードのガス圧Ｐ２の最大値を目安に、はみ出し量Ｅｃｄを設定する方がよい。
【０１９７】
また、積層体１００Ｂの締結力は、少なくとも、カソードガス拡散層３１Ａをはみ出し量Εｃｄ分、圧縮するための圧縮力を発揮する必要があるが、これは、アノードガス導入マニホルド２８Ａ、アノードガス導出マニホルド２９Ａおよびカソードガス導出マニホルドのガスシール、電解質膜（触媒層付）１４Ａに対するガスシールを保つのに必要な圧力も考慮して設定する方がよい。
【０１９８】
（第１実施例）
第２実施形態の第１実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、第２実施形態の電気化学式水素ポンプ１００において、上記の凸部３５Ｔは、カソードセパレータ３１Ｂの凹部３５の底面の重心を含む領域に設けられている。
【０１９９】
凹部３５の底面の重心において、アノード触媒層１６およびアノードガス拡散層２４の圧縮量が最も大きいと推測されるので、これにより、カソード触媒層１５とカソードガス拡散層３１Ａとの間の接触をより適切に維持できる。
【０２００】
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２実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様に構成してもよい。
【０２０１】
（第２実施例）
第２実施形態の第２実施例の電気化学式水素ポンプ１００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１００において、上記の凸部は、カソードセパレータ３１Ｂの凹部３５の周縁を除く領域に設けられている。
【０２０２】
カソードセパレータ３１Ｂの凹部３５にカソードガス拡散層３１Ａを収納する場合、カソードセパレータ３１Ｂの凹部３５の周縁を除く領域では、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のカソードガスの高圧化によって必然的に電解質膜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。よって、この領域に凸部３５Ｔを設けることで、カソード触媒層１５およびカソードガス拡散層３１Ａ間の接触抵抗が面内で不均一になる可能性を効果的に低減できる。
【０２０３】
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１００と同様に構成してもよい。
【０２０４】
（第３実施例）
第２実施形態の第３実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、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１００において、カソードガス拡散層３１Ａの厚みＴ１の大きさは、カソードセパレータ３１Ｂの凹部３５の周縁部の深さの大きさ以上である。
【０２０５】
カソードセパレータ３１Ｂの凹部３５の周縁部であっても、カソードセパレータ３１Ｂの凹部３５にカソードガス拡散層３１Ａを収納する場合、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のカソードガスの高圧化によって電解質膜１４、アノード触媒層１６およびアノードガス拡散層２４が押圧される。そこで、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、以上の構成により、上記の周縁部を含めカソード触媒層１５およびカソードガス拡散層３１Ａ間の接触を適切に維持し得る。
【０２０６】
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１００と同様に構成してもよい。
【０２０７】
（第４実施例）
第２実施形態の第４実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、第２実施形態および第２実施形態の第１実施例−第３実施例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３１Ａは、カソードセパレータ３１Ｂに対向する側がカソード触媒層１５に対向する側よりも剛性が高い。
【０２０８】
なお、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００のカソードガス拡散層３１Ａが奏する作用および効果、カソードガス拡散層３１Ａの剛性の調整方法、カソードガス拡散層３１Ａの剛性の測定方法などは、第１実施形態の第１実施例の電気化学式水素ポンプ１００と同様であるので説明を省略する。
【０２０９】
（第５実施例）
第２実施形態の第５実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、第２実施形態および第２実施形態の第１実施例−第４実施例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３１Ａは、カソード触媒層１５に対向する側がカソードセパレータ３１Ｂに対向する側よりも多孔度が高い。
【０２１０】
なお、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００のカソードガス拡散層３１Ａが奏する作用および効果、カソードガス拡散層３１Ａの多孔度の調整方法、カソードガス拡散層３１Ａの多孔度の測定方法などは、第１実施形態の第２実施例の電気化学式水素ポンプ１００と同様であるので説明を省略する。
【０２１１】
（第６実施例）
第２実施形態の第６実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、第２実施形態および第２実施形態の第１実施例−第５実施例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３１Ａは、金属繊維の焼結体で構成される。
【０２１２】
なお、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００のカソードガス拡散層３１Ａが奏する作用および効果、カソードガス拡散層３１Ａを構成する金属繊維焼結体の具体例などは、第１実施形態の第３実施例の電気化学式水素ポンプ１００と同様であるので説明を省略する。
【０２１３】
（第７実施例）
図１４は、第２実施形態の第７実施例の電気化学式水素ポンプのカソードガス拡散デバイスの一例を示す図である。
【０２１４】
本実施形態の第７実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、第２実施形態および第２実施形態の第１実施例−第６実施例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３１Ｂは、カソードガスが流れるマニホルド孔３２Ｃと、カソードセパレータ３１Ｂの凹部３５内のカソードガスをマニホルド孔に導出するカソードガス流路３３とを備える。なお、カソードガス流路３３の詳細な構成およびカソードガス導出マニホルドの構成は、第１実施形態のカソードガス拡散デバイス３１と同様であるので説明を省略する。
【０２１５】
以上により、高圧状態のカソードガス拡散層３１Ａからカソードガス流路３３を通じてカソードガスを取り出すことができる。カソードガス流路３３を通過したカソードガスは、カソードガス導出マニホルドおよびカソードガス導出配管３０をこの順に流通する。
【０２１６】
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２実施形態および第２実施形態の第１実施例−第６実施例のいずれかの電気化学式水素ポンプ１００と同様に構成してもよい。
【０２１７】
なお、第１実施形態、第１実施形態の第１−第３実施例、第１実施形態の第１−第２変形例、第２実施形態および第２実施形態の第１−第７実施例は、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。
【０２１８】
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】
【０２１９】
本開示の一態様は、従来に比べ、簡易かつ適切に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の増加を抑制し得る電気化学式水素ポンプに利用できる。
【符号の説明】
【０２２０】
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
５Ｄ      ：第１金属層
５Ｕ      ：第２金属層
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
１４Ａ    ：電解質膜（触媒層付）
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      ：カソードガス拡散デバイス
３１Ａ    ：カソードガス拡散層
３１Ｂ    ：カソードセパレータ
３２Ａ    ：マニホルド孔
３２Ｃ    ：マニホルド孔
３３      ：カソードガス流路
３５      ：凹部
３５Ｔ    ：凸部
３６      ：スリット孔
３６Ｄ    ：スリット孔
３６Ｕ    ：スリット孔
３７      ：弾性部材
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    ：カソードガス拡散デバイス
１３１Ａ  ：カソードガス拡散層
１３１Ｂ  ：カソードセパレータ
１３３    ：カソードガス流路
１３３Ａ  ：溝部
１３３Ｂ  ：リブ
２３１    ：カソードガス拡散デバイス
２３１Ａ  ：カソードガス拡散層
２３１Ｂ  ：カソードセパレータ
２３２Ｃ  ：マニホルド孔
２３３    ：カソードガス流路
２３５    ：凹部
【図１】
2018090899.tif 000003
【図２】
2018090899.tif 000004
【図３】
2018090899.tif 000005
【図４】
2018090899.tif 000006
【図５】
2018090899.tif 000007
【図６】
2018090899.tif 000008
【図７】
2018090899.tif 000009
【図８】
2018090899.tif 000010
【図９】
2018090899.tif 000011
【図１０】
2018090899.tif 000012
【図１１】
2018090899.tif 000013
【図１２】
2018090899.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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