(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池の電気化学セルへ燃料とりわけ水素を電解質膜送るためのガス拡散部にガスを送るためのマニホルド孔がシート材に設けられているガス拡散層を提供する。【解決手段】ガスが通過する複数の貫通孔が設けられたガス拡散部２４及びガス拡散部２４と異なる領域に設けられた、ガスが流通するマニホルド孔２５を備える複数のシート材２２を備え、複数のシート材２２が積層されているガス拡散層２０。【選択図】図２Ａ
2018062707.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスが通過する複数の貫通孔が設けられたガス拡散部および前記ガス拡散部と異なる領域に設けられた、ガスが流通するマニホルド孔を備える複数のシート材を備え、前記複数のシート材が積層されている、ガス拡散層。
【請求項２】
前記シート材は、前記ガス拡散部の外周のうち前記マニホルド孔を囲まない領域に設けられたシール部と、隣接する前記シート材との間で互いを位置合わせするための位置合わせ部とを備え、前記位置合わせ部は、前記シール部の外側に設けられる、請求項１記載のガス拡散層。
【請求項３】
前記位置合わせ部は、前記シール部と前記マニホルド孔の間に設けられる、請求項２記載のガス拡散層。
【請求項４】
前記位置合わせ部は、前記マニホルド孔よりも前記シール部に近い側に設けられている、請求項３記載のガス拡散層。
【請求項５】
前記位置合わせ部は、前記シール部の周辺に設けられている、請求項４記載のガス拡散層。
【請求項６】
前記シート材は、複数の前記位置合わせ部を備え、前記複数の位置合わせ部は、前記ガス拡散部を介して対極位置に設けられている、請求項２−５のいずれか１項に記載のガス拡散層。
【請求項７】
前記複数のシート材の少なくとも１つは、前記貫通孔同士を連絡する連絡路を備える、請求項１−６のいずれか１項に記載のガス拡散層。
【請求項８】
前記複数のシート材のうち最も外側に位置する前記シート材は、他の前記シート材に比べ前記連絡路の数が少ない、請求項７記載のガス拡散層。
【請求項９】
前記複数のシート材のうち、隣り合う前記シート材同士は接着している、請求項１−８のいずれか１項に記載のガス拡散層。
【請求項１０】
前記連絡路は、前記連絡路が設けられた前記シート材と隣り合う、同一の前記シート材に設けられた貫通孔同士を連絡する、請求項７または８に記載のガス拡散層。
【請求項１１】
前記連絡路は、前記連絡路が設けられた前記シート材に隣り合う、異なる前記シート材に設けられた貫通孔同士を連絡する請求項７、８および１０のいずれか１項に記載のガス拡散層。
【請求項１２】
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、
アノードガスが流れるガス流路が設けられた第１プレートと、
カソードガスが流れるガス流路が設けられた第２プレートと
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、請求項１−１１のいずれか１項に記載のガス拡散層を含む電気化学式水素ポンプ。
【請求項１３】
前記連絡路は、前記第１プレートのガス流路の垂直線上に位置する前記シート材の貫通孔と前記第１プレート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前記シート材の貫通孔とを連絡する請求項１２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】
本開示はガス拡散層および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、水素ガスが注目されている。水素ガス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。水素ガス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、水素ガスを製造することはもとより、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。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、高純度の水素ガス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、流体が通過する三角形の貫通孔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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４７３３３８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１は、外部からガスを送るためのマニホルドについて検討されておらず、本文献からは支持部材３０にガスをどのように送るかについては知ることができない。
【０００６】
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、ガス拡散部にガスを送るためのマニホルド孔がシート材に設けられているガス拡散層を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本開示の一態様のガス拡散層は、ガスが通過する複数の貫通孔が設けられたガス拡散部および前記ガス拡散部と異なる領域に設けられた、ガスが流通するマニホルド孔を備える複数のシート材を備え、前記複数のシート材が積層されている。
【発明の効果】
【０００８】
本開示の一態様によれば、ガス拡散部にガスを送るためのマニホルド孔がシート材に設けられているガス拡散層が得られる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、第１実施形態のガス拡散層のシート材の一例を示す図である。
【図２Ａ】図２Ａは、第２実施形態のガス拡散層の一例を示す図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、第２実施形態のガス拡散層の一例を示す図である。
【図３Ａ】図３Ａは、第２実施形態のガス拡散層の一例を示す図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、第２実施形態のガス拡散層の一例を示す図である。
【図４Ａ】図４Ａは、第３実施形態のガス拡散層の一例を示す図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、第３実施形態の変形例のガス拡散層の一例を示す図である。
【図５Ａ】図５Ａは、第３実施形態のガス拡散層のシート材の一例を示す図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、第３実施形態のガス拡散層のシート材の一例を示す図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは、第３実施形態のガス拡散層のシート材の一例を示す図である。
【図６】図６は、第３実施形態の第１実施例のガス拡散層の一例を示す図である。
【図７】図７は、第３実施形態の第３実施例のガス拡散層の一例を示す図である。
【図８】図８は、第３実施形態の第４実施例のガス拡散層の一例を示す図である。
【図９】図９は、第４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４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１１】図１１は、第４実施形態の実施例の電気化学式水素ポンプにおけるガス拡散層の一例を示す図である。
【図１２】図１２は、従来のガス拡散層の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（第１実施形態）
例えば、高圧の水素ガスを得るための電気化学式水素ポンプでは、固体分子膜（電解質膜）に送るガスが外部へリークしないように、ＭＥＡ（電解質膜−ガス拡散層−触媒層）の両側からガスケットなどが設けられ、ＭＥＡと一体化して予め組み立てられる。ＭＥＡの外側には、これを機械的に固定するとともに、隣接するＭＥＡ同士を互いに電気的に直列に接続するための導電性のセパレータ板が配置される。ＭＥＡのガス拡散層と接触するセパレータ板の部分には、ＭＥＡにガスを供給するとともに、ＭＥＡから余剰のガスを運び去るためのガス流路が形成されている。このガス流路は、セパレータ板と別に設けることもできるが、セパレータ板の表面にガス流路を溝状に形成することが一般的である。
【００１１】
ここで、例えば、ＭＥＡとセパレータ板とを交互に複数、重ねて積層する場合、セパレータ板のそれぞれのガス流路に適量のガスを供給するには、セパレータ板のそれぞれにおいて、適宜の管路から流体経路を分岐させ、これらの分岐先が、セパレータ板のそれぞれのガス流路に連結するように構成する必要がある。このような管路のことをマニホルドという。
【００１２】
そこで、本開示の第１の態様のガス拡散層は、ガスが通過する複数の貫通孔が設けられたガス拡散部およびガス拡散部と異なる領域に設けられた、ガスが流通するマニホルド孔を備える複数のシート材を備え、複数のシート材が積層されている。
【００１３】
このように、ＭＥＡのガス拡散層を複数のシート材の積層体で構成するとともに、このシート材の適所にマニホルド孔を設けることにより、例えば、ＭＥＡとセパレータ板とを交互に複数、重ねて積層する場合、複数のセパレータ板へのガス供給が適切に行われる。つまり、ＭＥＡとセパレータ板とを交互に複数、重ねて積層する場合、シート材のガス拡散部とセパレータ板のガス流路とを対置させ、シート材のマニホルド孔とセパレータ板のマニホルド孔とを対置させることで、マニホルドを簡易に形成することができる。これにより、セパレータ板のそれぞれのガス流路がマニホルドに連通するので、マニホルドから適量のガスがセパレータ板のそれぞれのガス流路に供給され得る。
【００１４】
以下、添付図面を参照しつつ、第１実施形態の具体例について説明する。
【００１５】
以下で説明する具体例は、第１実施形態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、上記の第１実施形態を限定するものではない（他の実施形態も同じ）。また、以下の構成要素のうち、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。
【００１６】
［装置構成］
図１は、第１実施形態のガス拡散層のシート材の一例を示す図である。
【００１７】
図１に示す例では、シート材２２は、ガス拡散部２４と、マニホルド孔２５と、を備える。
【００１８】
ガス拡散部２４は、ガスが通過する複数の貫通孔が設けられている。ガス拡散部２４の構成の一例は、第３実施形態で説明する。マニホルド孔２５は、ガス拡散部２４と異なる領域に設けられ、ガスが流通する開口である。マニホルド孔２５は、かかる開口であれば、どのような構成でもよい。例えば、図１では、マニホルド孔２５の形状は、矩形状であるが、円形状であってもよい。また、図１では、マニホルド孔２５は、ガス拡散部２４の両側に設けられているが、これに限らない。
【００１９】
ここで、ガス拡散層は、複数のシート材２２を備える。そして、複数のシート材２２が積層されている。例えば、複数のシート材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。積層状態のシート材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。この場合、シート材２２の接合面におけるマニホルド孔２５のシールが不要となる。ガス拡散層の構成の一例は、第２実施形態で説明する。
【００２０】
このように、ＭＥＡのガス拡散層を複数のシート材２２の積層体で構成するとともに、このシート材２２の適所にマニホルド孔２５を設けることにより、例えば、ＭＥＡとセパレータ板とを交互に複数、重ねて積層する場合、複数のセパレータ板へのガス供給が適切に行われる。つまり、ＭＥＡとセパレータ板とを交互に複数、重ねて積層する場合、シート材２２のガス拡散部２４とセパレータ板のガス流路とを対置させ、シート材２２のマニホルド孔２５とセパレータ板のマニホルド孔とを対置させることで、マニホルドを簡易に形成することができる。これにより、セパレータ板のそれぞれのガス流路がマニホルドに連通するので、マニホルドから適量のガスがセパレータ板のそれぞれのガス流路に供給され得る。
【００２１】
（第２実施形態）
第１実施形態のガス拡散層は、上記のとおり、マニホルド孔を備える複数のシート材の積層体で構成されている。
【００２２】
ここで、シート材のガス拡散部には、複数の微細な貫通孔が設けられており、シート材を積層するとき、ガス拡散部の貫通孔の位置ずれを抑制すべく、シート材（ガス拡散部）の高精度な位置合わせが必要である。よって、シート材の適所に高精度な位置合わせを行うための手段（位置合わせ部）を設けることが不可欠となる。また、シート材の適所には、ガス拡散部のガスが外部へリークしないようにシール部を設ける必要がある。
【００２３】
そこで、シート材に、位置合わせ部、シール材およびマニホルド孔をどのように設けるかについて鋭意検討が行われ、以下の知見が得られた。なお、以下の説明では、位置合わせ部として、位置合わせ孔を例に挙げるが、これに限定されない（例えば、図３Ａおよび図３Ｂ参照）。
【００２４】
まず、位置合わせ部、シール部およびマニホルド孔の位置関係について検討した。
【００２５】
位置合わせ孔は、シール部で囲まれた領域外に設ける必要がある。これは、シール部で囲まれた領域内に位置合わせ孔を設けると、位置合わせ孔が、ガスのリーク経路になる可能性があるからである。
【００２６】
本開示の第２の態様のガス拡散層は、第１の態様のガス拡散層において、シート材は、ガス拡散部の外周のうちマニホルド孔を囲まない領域に設けられたシール部と、隣接するシート材との間で互いを位置合わせするための位置合わせ部とを備え、位置合わせ部は、シール部の外側に設けられてもよい。
【００２７】
また、シール部と平行に、位置合わせ孔と通るように引いた仮想線の領域内は、シール材に外力が作用するときに応力集中を生む要因を極力排除すべく、ガス拡散部以外のシート材に何も加工を施さなくてもよい。これは以下の理由による。
【００２８】
例えば、複数のシート材の位置合わせの前後において、位置合わせ孔に位置合わせ用のピンを挿入および排出する際に、シート材に外力が作用する場合がある。このとき、断面が一様なシート材の一部に孔があいていると、ほかの部分よりも応力が高くなる（応力集中）。よって、この場合、応力集中によるシート材のひずみの面内バラツキが発生する。このため、仮に仮想線の領域内にマニホルド孔が存在すると、領域外にマニホルド孔が存在する場合に比べ、ガス拡散部に近い側でシート材のひずみの面内バラツキが起こるので、ガス拡散部への悪影響が顕著になると考えられる。例えば、シート材のひずみの面内バラツキによりガス拡散部の貫通孔の位置ずれが発生する場合がある。
【００２９】
また、シート材にマニホルド孔を形成する際に生じる微小なバリなども考慮する必要がある。つまり、仮に仮想線の領域内にマニホルド孔が存在すると、領域外にマニホルド孔が存在する場合に比べ、ガス拡散部に近い側で上記の微小なバリが発生するので、ガス拡散部への悪影響が顕著になると考えられる。例えば、マニホルド孔の微小なバリによりシート材のガス拡散部の所望の水平度を保つことが困難となる場合がある。
【００３０】
すなわち、本開示の第３の態様のガス拡散層は、以上の知見に基づいて案出されたものであり、第２の態様のガス拡散層において、シート材は、ガス拡散部の外周のうちマニホルド孔を囲まない領域に設けられたシール部と、隣接するシート材との間で互いを位置合わせするための位置合わせ部とを備え、位置合わせ部は、シール部とマニホルド孔の間に設けられる。
【００３１】
次に、位置合わせ孔とシール部との間の最適な位置関係について検討した。
【００３２】
位置合わせ孔を、極力、ガス拡散部に接近させることで、位置合わせ孔とガス拡散部との間の距離が最短なるので、位置合わせ孔とガス拡散部との間で生じるひずみの影響要因を減らすことができる。その結果、ガス拡散部の貫通孔の位置ずれを適切に抑制できる。
【００３３】
つまり、位置合わせ孔は、可能な限りガス拡散部に接近し得るように、シール部の周辺の近傍に設けてもよい。
【００３４】
すなわち、本開示の第４の態様のガス拡散層は、以上の知見に基づいて案出されたものであり、第３の態様のガス拡散層において、位置合わせ部は、マニホルド孔よりもシール部に近い側に設けられていてもよい。また、本開示の第５の態様のガス拡散層は、第４の態様のガス拡散層において、位置合わせ部は、シール部の周辺に設けられていてもよい。
【００３５】
さらに、本開示の第６の態様のガス拡散層は、第２の態様−第５の態様のいずれかのガス拡散層において、シート材は、複数の位置合わせ部を備え、複数の位置合わせ部は、ガス拡散部を介して対極位置に設けられていてもよい。
【００３６】
かかる構成によると、例えば、位置合わせ孔に位置合わせ用のピンを挿入および排出する際に、シート材に作用する外力がシート材の面内で均等にかかるので、複数の位置合わせ部がガス拡散部を介して対極位置に設けられない場合に比べ、シート材の応力分布の面内バラツキを抑制できる。
【００３７】
このようにして、本態様のガス拡散層は、複数のシート材を積層するとき、ガス拡散部の貫通孔の位置ずれを抑制すべく、シート材の高精度な位置合わせを行い得る。
【００３８】
［装置構成］
図２Ａ、図２Ｂ、図３Ａおよび図３Ｂは、第２実施形態のガス拡散層の一例を示す図である。図２Ｂでは、図２Ａのガス拡散層２０のＢ−Ｂ部の断面が示されている。図３Ｂでは、図３Ａのガス拡散層２０のＢ−Ｂ部の断面が示されている。
【００３９】
図２Ａおよび図３Ａに示すように、ガス拡散層２０は複数のシート材２２を備える。なお、図２Ａおよび図３Ａでは、便宜上、シート材２２が分離したように描かれているが、これらのシート材２２は、上記のとおり、溶接、溶着またはロウ付けなどで一体的に接合されている。
【００４０】
シート材２２は、シール部２７を備える。シール部２７は、シート材２２のガス拡散部２４の外周のうちマニホルド孔２５を囲まない領域に設けられている。具体的、図２Ａおよび図３Ａに示すように、シール部２７は、最上層のシート材２２に設けられている。これにより、ガス拡散層２０は、ガス拡散部２４のガスが外部へリークしないように構成されている。なお、シール部２７は、シート材２２の一体的な接合により、下層のシート材２２同士の接合部には設ける必要がない。
【００４１】
シール部２７は、ガス拡散部２４のガスが外部へリークしないように、ガス拡散部２４をシールできれば、どのような構成であってもよい。シール部２７としては、例えば、Ｏリングなどを例示できる。また、ガス拡散部２４が囲まれたシール部２７の外周形は、矩形状でよいし、円形状でもよい。
【００４２】
シート材２２はそれぞれ、位置合わせ部２６を備える。位置合わせ部２６は、隣接するシート材２２との間で互いを位置合わせするためのものである。位置合わせ部２６は、隣接するシート材２２との間で互いを位置合わせできれば、どのような構成であってもよい。位置合わせ部２６として、図２Ａおよび図２Ｂに示された位置合わせ孔２６Ａを用いてもよいし、図３Ａおよび図３Ｂに示された位置合わせ突起２６Ｂを用いてもよい。
【００４３】
ここで、位置合わせ部２６は、シール部２７で囲まれた領域外に設ける必要がある。これは、シール部２７で囲まれた領域内に位置合わせ部２６を設けると、位置合わせ部２６が、ガスのリーク経路になる可能性があるからである。
【００４４】
また、位置合わせ部２６は、シール部２７とマニホルド孔２５の間に設けられる。本例では、位置合わせ部２６は、シール部２７の周辺に設けられている。具体的には、４個の位置合わせ部２６が、矩形状のシール部２７の四隅近傍のそれぞれに設けられている。これは、以下の理由による。
【００４５】
例えば、複数のシート材２２の位置合わせの前後において、位置合わせ孔２６Ａに位置合わせ用のピンを挿入および排出する際に、シート材２２に外力が作用する場合がある。このとき、断面が一様なシート材２２の一部に孔があいていると、ほかの部分よりも応力が高くなる（応力集中）。よって、この場合、応力集中によるシート材２２のひずみの面内バラツキが発生する。このため、仮に位置合わせ孔２６Ａを結んだ仮想線１００の領域内にマニホルド孔が存在すると、領域外にマニホルド孔２５が存在する場合に比べ、ガス拡散部２４に近い側でシート材２２のひずみの面内バラツキが起こるので、ガス拡散部２４への悪影響が顕著になると考えられる。例えば、シート材２２のひずみの面内バラツキよって、ガス拡散部２４の貫通孔の位置ずれが発生する場合がある。
【００４６】
また、シート材２２にマニホルド孔２５を形成する際に生じる微小なバリなども考慮する必要がある。つまり、仮に仮想線１００の領域内にマニホルド孔が存在すると、領域外にマニホルド孔２５が存在する場合に比べ、ガス拡散部２４に近い側で上記の微小なバリが発生するので、ガス拡散部２４への悪影響が顕著になると考えられる。例えば、マニホルド孔２５の微小なバリによって、シート材２２のガス拡散部２４の所望の水平度を保つことが困難となる場合がある。
【００４７】
さらに、位置合わせ部２６を、極力、ガス拡散部２４に接近させることで、位置合わせ部２６とガス拡散部２４との間の距離が最短なるので、位置合わせ部２６とガス拡散部２４との間で生じるひずみの影響要因を減らすことができる。その結果、ガス拡散部２４の貫通孔の位置ずれを適切に抑制できる。
【００４８】
つまり、位置合わせ部２６は、可能な限りガス拡散部２４に接近し得るように、シール部２７の周辺の近傍に設けてもよい。
【００４９】
また、シート材２２は、複数の位置合わせ部２６を備え、複数の位置合わせ部２６は、ガス拡散部２４を介して対極位置に設けられている。具体的には、ガス拡散部２４の平面視において、ガス拡散部２４の中心を通って互いに直交するＸ軸およびＹ軸を引いたとき、第１象限に存在する位置合わせ部２６と第３象限に存在する位置合わせ部２６とは、上記の中心を挟んで反対側に位置する。第２象限に存在する位置合わせ部２６と第４象限に存在する位置合わせ部２６とは、上記の中心を挟んで反対側に位置する。
【００５０】
以上により、例えば、位置合わせ孔２６Ａに位置合わせ用のピンを挿入および排出する際に、シート材２２に作用する外力がシート材２２の面内で均等にかかるので、複数の位置合わせ部２６がガス拡散部２４を介して対極位置に設けられない場合に比べ、シート材２２の応力分布の面内バラツキを抑制できる。
【００５１】
このようにして、本実施形態のガス拡散層２０は、複数のシート材２２を積層するとき、ガス拡散層２０の貫通孔の位置ずれを抑制すべく、シート材２２の高精度な位置合わせを行い得る。
【００５２】
なお、本実施形態のガス拡散層２０は、上記特徴以外は、第１実施形態のガス拡散層２０と同様に構成してもよい。
【００５３】
（第３実施形態）
ガス拡散層を流れるガスの拡散が不均一となる可能性について鋭意検討が行われ、以下の知見が得られた。
【００５４】
ガス拡散層内のガスの流れ方向が、特許文献１の如く並行かつ一方向であると、ガス拡散層を流れるガスの拡散が不均一化する場合がある。
【００５５】
例えば、特許文献１の支持部材３０において、適宜の流路部材のガス流路を通じて支持部材３０の貫通孔３１にガスが流入する構成を取る場合、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貫通孔３１にはガスを流すことができない。よって、この場合、支持部材３０のガスの拡散が不均一になり、このようなガス拡散の不均一による電気化学セルの反応過電圧の増大、すなわち、消費電力の増加を招く恐れがある。
【００５６】
そこで、発明者らは、ガス拡散層におけるガス拡散を従来よりも均一化させるために、貫通孔同士が連絡する連絡路をガス拡散層に設けるという着想に到達した。
【００５７】
すなわち、本開示の第７の態様のガス拡散層は、第１の態様−第６の態様のいずれかのガス拡散層において、複数のシート材の少なくとも１つは、隣接するシート材において他の貫通孔と分離して、連通していない貫通孔同士を連絡する連絡路を備えていてもよい。
【００５８】
かかる構成によると、本態様のガス拡散層は、従来に比べガスの拡散性に配慮したガス拡散層が得られる。つまり、ガス拡散層のシート材が連絡路を備えることで、適宜の流路部材からガス拡散層内を通過する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シート材を積層させることで、ガス拡散層内のガス流れの向きを任意に設定できる。これにより、ガス拡散層のガスの拡散性が向上する。
【００５９】
また、例えば、適宜の流路部材のガス流路を通じてガス拡散層の貫通孔にガスを流入させる構成を取る場合、シート材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ガス拡散層の貫通孔にはガスが流れずに、ガス拡散層のガスの拡散が不均一化する恐れがある。しかし、本態様のガス拡散層では、上記の連絡路を介して、このようなガス拡散層の貫通孔にもガスを流すことができるので、ガスの拡散が不均一化することを抑制できる。
【００６０】
また、本開示の第８の態様のガス拡散層は、本開示の第７の態様のガス拡散層において、複数のシート材のうち最も外側に位置するシート材の１つは、前記シート材は、他の前記シート材に比べ前記連絡路の数が少なくてもよい。この最も外側に位置するシート材の１つは、触媒層と接触する。
【００６１】
かかる構成によると、ガスの拡散の均一性が向上する。これは、貫通孔と連絡路とは通常、形状が異なるためそれぞれの開口面積も異なる。開口面積が異なると貫通孔と連絡路とで流体抵抗が異なり、ガスの流れやすさが異なり、ガスの拡散の不均一化の要因となる。連絡路の数を低減することで、触媒層の全域に対して、より均一にガスを供給することができる。
【００６２】
また、本開示の第９の態様のガス拡散層は、本開示の第１−第８のいずれか１つの態様のガス拡散層において、複数のシート材のうち、隣り合うシート材同士は接着していてもよい。
【００６３】
かかる構成により、ガス拡散層に高い圧力がかかる条件下においても、積層体中のシート同士のずれが低減され、隣り合うシートの貫通孔同士がずれてガスの拡散性が低下する可能性が低減される。
【００６４】
また、本開示の第１０の態様のガス拡散層は、本開示の第７または第８の態様のガス拡散層において、連絡路は、連絡路が設けられたシート材と隣り合う、同一のシート材に設けられた貫通孔同士を連絡してもよい。
【００６５】
かかる構成により、隣接するシートに連絡路を設けない場合に比べガスを均一に拡散し得る。
【００６６】
また、本開示の第１１の態様のガス拡散層は、本開示の第７、第８及び第１０のいずれか１つの態様のガス拡散層において、前記連絡路は、前記連絡路が設けられた前記シート材に隣り合う、異なる前記シート材に設けられた貫通孔同士を連絡してもよい。
【００６７】
かかる構成により、隣接するシートに連絡路を設けない場合に比べガスを均一に拡散し得る。
【００６８】
［装置構成］
図４Ａは、第３実施形態のガス拡散層の断面の一例を示す図である。図４Ａでは、ガス拡散層２０のガス拡散部２４の断面が示されている。
【００６９】
図５Ａ、図５Ｂ及ぶ図５Ｃは、第１実施形態のガス拡散層のシート材の一例を示す図である。図５Ａ、図５Ｂ及ぶ図５Ｃでは、シート材２２のガス拡散部２４を平面視した図が示されている。
【００７０】
図４Ａに示すように、ガス拡散層２０は、ガスが通過する、複数の貫通孔２１を有するシート材２２を備える。貫通孔２１は同一のシート材２２内の他の貫通孔２１と分離され、連通していない。また、ガス拡散層２０の少なくとも１つのシート材２２は、同一のシート２２材内の他の貫通孔２１と分離され、連通していない貫通孔２１同士を連絡する連絡路２３を備える。ガス拡散層２０は、複数の貫通孔２１を有するシート材２２を備え、ガス拡散層２０の少なくとも１つのシート材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。
【００７１】
図４Ａに示す例では、ガス拡散層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ガス拡散層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、ガス拡散層２０に設けられている。これにより、連絡路２３は、連絡路２３が設けられたシート材２２に隣り合う、シート材２２において、他の貫通孔２１と分離され、連通していない貫通孔２１同士を連絡する。なお、ガス拡散層２０の他の例は、変形例で説明する。
【００７２】
ガス拡散層２０を平面視した場合、例えば、図５Ａに示すように、ガス拡散層２０のシート材２２を構成する金属板のガス拡散部２４Ａ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（例えば、約５０μｍ程度）の丸孔であってもよい。金属板の材質として、例えば、ステンレス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５Ａの金属板は、上記の連絡路を備えていない。図５Ａは、ガス拡散部２４Ａである金属シートの一方の主面を上面にしたときの平面図である。
【００７３】
また、図５Ｂに示すように、ガス拡散層２０のシート材２２を構成する金属板のガス拡散部２４Ｂ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（例えば、約５０μｍ程度）の丸孔であってもよい。金属板の材質として、例えば、ステンレス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。図５Ｂは、ガス拡散部２４Ｂである金属シートの一方の主面を上面にしたときの平面図である。
【００７４】
図５Ｂ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形成されているとも言える。そして、例えば、ガス拡散部２４Ｂとガス拡散部２４Ａ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。
【００７５】
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（例えば、約５０μｍ程度）の丸孔である場合、連絡路２３Ｂは、幅が数十μｍ程度（例えば、約５０μｍ程度）のスリットであってもよい。
【００７６】
また、図５Ｃに示すように、ガス拡散層２０のシート材２２を構成する金属板のガス拡散部２４Ｃ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（例えば、約５０μｍ程度）の丸孔であってもよい。金属板の材質として、例えば、ステンレス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。図５Ｃは、ガス拡散部２４Ｃである金属シートの一方の主面を上面にしたときの平面図である。
【００７７】
図５Ｃ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、ガス拡散部２４Ａとガス拡散部２４Ｃ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。
【００７８】
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（例えば、約５０μｍ程度）の丸孔である場合、連絡路２３Ｃは、幅が数十μｍ程度（例えば、約５０μｍ程度）のスリットであってもよい。
【００７９】
以上により、本実施形態のガス拡散層２０は、従来に比べガスを均一に拡散し得る。つまり、ガス拡散層２０が連絡路２３を備えることで、ガス拡散層２０内を通過する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シート材２２をガス拡散層２０に積層させることで、ガス拡散層２０内のガス流れの向きを任意に設定できる。これにより、ガス拡散層２０のガスの拡散性が向上する。
【００８０】
なお、連絡路２３の配置パターンが異なるシート材２２の組合せはどのようなものであってもよい。例えば、ガス拡散部２４Ｃとは配置パターンが異なる金属板は、連絡路２３Ｃの位置が横にずれた金属板でもよいし、ガス拡散部２４Ｂを備える金属板でもよい。
【００８１】
また、例えば、図示しない流路部材のガス流路を通じてガス拡散層２０の貫通孔２１にガスを流入させる構成を取る場合、ガス拡散層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ガス拡散層２０の貫通孔２１にはガスが流れずに、ガス拡散層２０のガスの拡散が不均一化する恐れがある。しかし、本実施形態のガス拡散層２０では、上記の連絡路２３を介して、このようなガス拡散層２０の貫通孔２１にもガスを流すことができるので、ガスの拡散が不均一化することを抑制できる。
【００８２】
なお、図５Ｂ及び図５Ｃのガス拡散部２４Ｂ及びガス拡散部２４Ｃには、次のことが示されている。まず、シート材の同一主面に、貫通孔と連絡路とが設けられている。また、シート材の同一主面における、貫通孔と連絡路の開口面積が異なる。具体的には、シート材の同一主面における連絡路の開口面積が、貫通孔の開口面積よりも大きい。また、シート材の同一主面における貫通孔と連絡路の数が異なる。具体的には、シート材の同一主面における貫通孔の数が連絡路の数より多い。
【００８３】
なお、本実施形態のガス拡散層２０は、上記特徴以外は、第１実施形態または第２実施形態のガス拡散層２０と同様に構成してもよい。
【００８４】
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。
【００８５】
（変形例）
図４Ｂは、第１実施形態の変形例のガス拡散層の一例を示す図である。図４Ｂでは、ガス拡散層２０のガス拡散部２４の断面が示されている。
【００８６】
図４Ｂに示すように、ガス拡散層２０は、ガスが通過する、複数の貫通孔２１を有するシート材２２を備える。また、ガス拡散層２０の少なくとも１つのシート材２２は、貫通孔２１同士を連絡する連絡路２３を備える。
【００８７】
図４Ｂ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）のうちのガス拡散層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、ガス拡散層２０に設けられている。これにより、連絡路２３は、連絡路２３が設けられたシート材２２に隣り合うシート材２２の貫通孔２１同士を連絡する。
【００８８】
なお、ガス拡散層２０を平面視した場合のガス拡散層２０のシート材２２を構成する金属板のガス拡散部については、第３実施形態と同様であるので説明を省略する。
【００８９】
以上により、本変形例のガス拡散層２０は、従来に比べガスを均一に拡散し得る。本変形例のガス拡散層２０の作用および効果の詳細は、第３実施形態のガス拡散層２０の作用および効果と同様であるので説明は省略する。
【００９０】
本変形例のガス拡散層２０は、上記特徴以外は、第３実施形態のガス拡散層２０と同様に構成してもよい。
【００９１】
（第１実施例）
図６は、第３実施形態の第１実施例のガス拡散層の一例を示す図である。図６では、ガス拡散層２０のガス拡散部２４の断面が示されている。
【００９２】
本実施例のガス拡散層２０は、第３実施形態または第３実施形態の変形例のガス拡散層２０において、ガス拡散層２０のうち触媒層３Ａと接触するシート材２２（以下、コンタクトシート材２２という場合がある）は、他の層に比べ連絡路の数が少ない。なお、図６では、図４Ａのガス拡散層２０にコンタクトシート材２２を設ける例を示しているが、図４Ｂのガス拡散層２０に、このようなコンタクトシート材２２を設けても構わない。
【００９３】
例えば、コンタクトシート材２２を構成する金属板は、連絡路を備えない図５Ａの金属板であってもよいが、これに限定されない。また、コンタクトシート材２２と異なる金属シートは、図５Ｂのガス拡散部２４Ｂ及び図５Ｃのガス拡散部２４Ｃの少なくとも一方であってもよいが、これに限定されない。また、図５Ａ−図５Ｃに示されるように、金属シート上の貫通孔の開口面積よりも開口していない領域の面積の方が大きい。従って、シート材の同一主面のうち、ガス拡散層が隣接する触媒層上の領域において、貫通孔の開口面積よりも開口していない領域の面積の方が大きい。
【００９４】
ガス拡散層２０のシート材２２は連絡路２３の数が少ない程、アノード触媒層３Ａとシート材２２との間の接触面積が増える。よって、コンタクトシート材２２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が他の層と接触する場合に比べ増えるので、コンタクトシート材２２とアノード触媒層３Ａとの間の接触抵抗を低減できる。
【００９５】
また、ガス拡散層２０のシート材２２の連絡路２３の数が多くなる場合、このシート材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、シート材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の数が多いシート材２２が触媒層３Ａと接触する場合、ガス拡散層２０から触媒層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、本実施例のガス拡散層２０では、連絡路２３の数が少ないコンタクトシート材２２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。
【００９６】
本実施例のガス拡散層２０は、上記特徴以外は、第３実施形態または第３実施形態の変形例のガス拡散層２０と同様に構成してもよい。
【００９７】
（第２実施例）
本実施例のガス拡散層２０は、第１実施形態、第２実施形態、第３実施形態、第３実施形態の変形例および第３実施形態の第１実施例のいずれかのガス拡散層２０において、ガス拡散層２０の隣り合うシート材２２同士は接着している。例えば、隣り合うシート材２２を構成する金属板同士が焼結することで溶接され、これにより、隣り合うシート材２２同士が適切に接着される。
【００９８】
本実施例のガス拡散層２０は、上記特徴以外は、第１実施形態、第２実施形態、第３実施形態、第３実施形態の変形例および第３実施形態の第１実施例のいずれかのガス拡散層２０と同様に構成してもよい。
【００９９】
（第３実施例）
図７は、第３実施形態の第３実施例のガス拡散層の一例を示す図である。
【０１００】
本実施例のガス拡散層２０は、第３実施形態、第３実施形態の変形例および第３実施形態の第１実施例のいずれかのガス拡散層２０において、連絡路２３は、連絡路２３が設けられたシート材２２に隣り合う同一のシート材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が設けられたシート材２２の下方の同一のシート材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、ガス拡散層２０の主面と平行な方向に偏倚している。
【０１０１】
また、図７に示すように、連絡路２３が設けられたシート材２２の上方のシート材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が設けられたシート材２２の上方のシート材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。
【０１０２】
ガス拡散層２０が連絡路２３を備えることで、ガス拡散層２０内を通過するガスを、ガス拡散層２０を貫通する方向だけではなく、ガス拡散層２０の主面と平行な方向にも送ることができる。よって、ガス拡散層２０のガスの拡散性が向上する。
【０１０３】
本実施例のガス拡散層２０は、上記特徴以外は、第３実施形態、第３実施形態の変形例および第３実施形態の第１実施例のいずれかのガス拡散層２０と同様に構成してもよい。
【０１０４】
（第４実施例）
図８は、第３実施形態の第４実施例のガス拡散層の一例を示す図である。
【０１０５】
本実施例のガス拡散層２０は、第３実施形態、第３実施形態の変形例、第３実施形態の第１実施例および第３実施例のいずれかのガス拡散層２０において、連絡路２３は、連絡路２３が設けられたシート材２２に隣り合う、異なるシート材２２Ｕおよびシート材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が設けられたシート材２２の上方のシート材２２Ｕの貫通孔２１Ｕと下方のシート材２２Ｄの貫通孔２１Ｕ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、ガス拡散層２０の主面と平行な方向に偏倚している。
【０１０６】
ガス拡散層２０が連絡路２３を備えることで、ガス拡散層２０内を通過するガスを、ガス拡散層２０を貫通する方向だけではなく、ガス拡散層２０の主面と平行な方向にも送ることができる。よって、ガス拡散層２０のガスの拡散性が向上する。
【０１０７】
本実施例のガス拡散層２０は、上記特徴以外は、第３実施形態、第３実施形態の変形例、第３実施形態の第１実施例および第３実施例のいずれかのガス拡散層２０と同様に構成してもよい。
【０１０８】
（第４実施形態）
第４実施形態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、アノードガスが流れるガス流路が設けられた第１プレートと、カソードガスが流れるガス流路が設けられた第２プレートと、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、を備える。そして、上記のアノードガス拡散層は、第１実施形態、第２実施形態、第３実施形態の変形例および第３実施形態の第１−第４実施例のいずれかのガス拡散層を含む。
【０１０９】
以上により、本実施形態の電気化学式水素ポンプにおけるアノードガス拡散層は、複数のシート材を積層するとき、アノードガス拡散層の貫通孔の位置ずれを抑制すべく、シート材の高精度な位置合わせを行い得る。また、アノードガス拡散層は、高圧による電解質膜の押し付けに耐え得る程度の剛性を確保し得るとともに、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が連絡路を備えることで、第１プレート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層をアノードガス拡散層に積層させることで、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のアノードガスの拡散性が向上するので、電気化学式水素ポンプ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。
【０１１０】
また、本開示の態様の電気化学式水素ポンプは、上記第４実施形態の電気化学式水素ポンプにおいて、連絡路は、第１プレートのガス流路の垂直線上に位置するシート材の貫通孔と第１プレート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前記シート材の貫通孔とを連絡してもよい。
【０１１１】
かかる構成により、第１プレートにおいて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シートの貫通孔に連通路を介してガス流路の垂直線上に位置するシートの貫通孔を流れるガスが流入するので、ガス拡散の均一性が向上する。
【０１１２】
［装置構成］
図９および図１０は、第４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。
【０１１３】
電気化学式水素ポンプ１６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、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。
【０１１４】
図１０に示すように、電解質膜４は、一対の主面４Ｕ、４Ｄを備える。電解質膜４の一方の主面４Ｕは上面（おもて面）であり、電解質膜４の他方の主面４Ｄは下面（うら面）である。
【０１１５】
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、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。
【０１１６】
カソード触媒層３Ｃは、電解質膜４の一方の主面４Ｕ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。
【０１１７】
アノード触媒層３Ａは、電解質膜４の他方の主面４Ｄ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。
【０１１８】
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。
【０１１９】
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。なお、カソードガス拡散層２Ｃは、下記のアノードガス拡散層２Ａのような複数のシートの積層体でなく、単一のシートであってもよい。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、シート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。
【０１２０】
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、高圧による電解質膜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、高圧による電解質膜４の押し付けに耐え得る程度の剛性があれば、どのようなものであってもよい。本実施形態では、アノードガス拡散層２Ａは、ガス拡散層２０を含む。このガス拡散層２０は、上記の通り、ガス拡散層２０のそれぞれのシート材２２を、例えば、金属板などで構成することで、高圧による電解質膜４の押し付けに耐え得る程度の剛性を確保し得る。なお、ガス拡散層２０は、第１実施形態、第２実施形態、第３実施形態の変形例および第１実施形態の第１−第４実施例のいずれかのガス拡散層２０と同様であるので詳細な説明を省略する。
【０１２１】
このようにして、ＭＥＡ１５は、電解質膜４と、電解質膜４の一対の主面４Ｕ、４Ｄのそれぞれに設けられたカソード触媒層３Ｃおよびアノード触媒層３Ａと、カソード触媒層３Ｃの上面に設けられたカソードガス拡散層２Ｃと、アノード触媒層３Ａの下面に設けられたアノードガス拡散層２Ａと、を備える。そして、これらの各層が積層状態で接合されている。
【０１２２】
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の下面に当接するように配されている。
【０１２３】
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。
【０１２４】
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の上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。
【０１２５】
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の単セルが得られる。
【０１２６】
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の高電位側端子が、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。この場合、電圧印加器１３は、バッテリ、太陽電池、燃料電池などの直流電源と接続されているときは、ＤＣ／ＤＣコンバータを備え、商用電源などの交流電源と接続されているときは、ＡＣ／ＤＣコンバータを備える。
【０１２７】
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。
【０１２８】
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。
【０１２９】
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。
【０１３０】
図９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。
【０１３１】
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。
【０１３２】
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、燃料電池車）の燃料などに使用される。
【０１３３】
以上より、本実施形態のアノードガス拡散層２Ａは、複数のシート材２２を積層するとき、アノードガス拡散層２Ａの貫通孔２１の位置ずれを抑制すべく、シート材２２の高精度な位置合わせを行い得る。また、アノードガス拡散層２Ａは、高圧による電解質膜４の押し付けに耐え得る程度の剛性を確保し得るとともに、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２Ａが連絡路２３を備えることで、第１プレート１Ａからアノードガス拡散層２Ａ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層をアノードガス拡散層２Ａに積層させることで、アノードガス拡散層２Ａ内の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２Ａのアノードガスの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。
【０１３４】
［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９および図１０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。
【０１３５】
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。
【０１３６】
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。
【０１３７】
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））。
【０１３８】
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。
【０１３９】
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。
【０１４０】
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。
【０１４１】
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。
【０１４２】
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。
【０１４３】
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。
【０１４４】
（実施例）
図１１は、第４実施形態の実施例の電気化学式水素ポンプにおけるガス拡散層の一例を示す図である。
【０１４５】
本実施例の電気化学式水素ポンプ１６は、第４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、第１プレート１Ａのガス流路１４Ａの垂直線上に位置するガス拡散層２０の貫通孔２１Ｄと第１プレート１Ａのガス流路１４Ａが設けられていない部分（以下、リブＬＢ）の垂直線上に位置するガス拡散層２０の貫通孔２１Ｕとを連絡する。なお、貫通孔２１Ｕと貫通孔２１Ｄとは、連絡路２３の長さ分、ガス拡散層２０の主面と平行な方向に偏倚している。
【０１４６】
本実施例では、第１プレート１Ａのガス流路１４Ａを通じてガス拡散層２０の貫通孔２１Ｄにアノードガスを流入させる構成が取られている。このため、ガス拡散層２０が上記の連絡路を備えないと、第１プレート１Ａのガス流路１４Ａが設けられていないリブＬＢの垂直線上に位置するガス拡散層２０の貫通孔２１Ｕにはアノードガスが流れずに、ガス拡散層２０のアノードガスの拡散が不均一化する恐れがある。
【０１４７】
例えば、第１プレート１ＡのリブＬＢの横寸法は、およそ数百μｍ（例えば、約５００μｍ程度）である場合、貫通孔２１Ｄおよび貫通孔２１Ｕの直径は、高圧による電解質膜４の破断を防止するため、およそ数十μｍ程度（例えば、約５０μｍ程度）に設定する必要がある。この場合、ガス拡散層２０が、連絡路を設けないと、リブＬＢの垂直線上に位置する貫通孔２１Ｕにアノードガスが流れない。
【０１４８】
そこで、本実施例では、上記の構成により、ガス拡散層２０の連絡路２３を介して、ガス拡散層２０の貫通孔２１Ｕにもアノードガスが流れるので、以上のアノードガスの拡散の不均一化を抑制できる。
【０１４９】
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４実施形態の電気化学式水素ポンプ１６と同様に構成してもよい。また、以上の貫通孔２１およびリブＬＢの形状および寸法は例示であって、本例に限定されない。
【０１５０】
なお、第１実施形態、第２実施形態、第３実施形態、第３実施形態の変形例、第３実施形態の第１−第４実施例、第４実施形態および第４実施形態の実施例は、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。
【０１５１】
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】
【０１５２】
本開示の一態様によれば、例えば、ガス拡散部にガスを送るためのマニホルド孔がシート材に設けられているガス拡散層が得られる。よって、本開示の一態様は、例えば、電気化学式水素ポンプに利用できる。
【符号の説明】
【０１５３】
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      ：触媒層（アノード触媒層）
３Ｃ      ：カソード触媒層
４        ：電解質膜
４Ｄ      ：主面
４Ｕ      ：主面
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
１６      ：電気化学式水素ポンプ
２０      ：ガス拡散層
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      ：シート材
２２Ｄ    ：シート材
２２Ｕ    ：シート材
２３      ：連絡路
２３Ｂ    ：連絡路
２３Ｃ    ：連絡路
２４      ：ガス拡散部
２４Ａ    ：ガス拡散部
２４Ｂ    ：ガス拡散部
２４Ｃ    ：ガス拡散部
２５      ：マニホルド孔
２６      ：位置合わせ部
２６Ａ    ：位置合わせ孔
２６Ｂ    ：位置合わせ突起
２７      ：シール部
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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