(57)【要約】【課題】圧縮性能の低下や各部材の高重量化を招くことなく、アノード側の圧力とカソード側の圧力との差圧による電解質膜の破損を防止すること。【解決手段】電気化学式水素ポンプ２４において、アノードセパレータ７、アノード拡散層５、電解質膜２、カソード拡散層６、カソードセパレータ８が順に積層され、アノードセパレータ７が、アノード拡散層５を収納する第１の凹部２５を有し、第１の凹部２５の底面２５ａは中央部が突出した椀型の湾曲面であり、カソードセパレータ８が、カソード拡散層６を収納する第２の凹部２７を有し、第２の凹部２７の底面２７ａは中央部が凹んだ椀型の湾曲面である。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードセパレータ、アノード拡散層、電解質膜、カソード拡散層、カソードセパレータが順に積層され、
前記アノードセパレータは、前記アノード拡散層を収納する第１の凹部を有し、前記第１の凹部の底面は中央部が突出した椀型の湾曲面であり、
前記カソードセパレータは、前記カソード拡散層を収納する第２の凹部を有し、前記第２の凹部の底面は中央部が凹んだ椀型の湾曲面であることを特徴とする電気化学式ポンプ。
【請求項２】
前記第１の凹部には、ガスを流す流路溝があり、
前記第２の凹部には、ガスを流す流路溝がある請求項１に記載の電気化学式ポンプ。
【請求項３】
前記アノード拡散層は、前記第１の凹部に加圧状態で配置され、
前記カソード拡散層は、前記第２の凹部に加圧状態で配置されている請求項１または２記載の電気化学式ポンプ。
【請求項４】
前記アノード拡散層は、外部からの力がかからない状態では、中央部が椀型に突出した形状であり、
前記カソード拡散層は、外部からの力がかからない状態では、外周部から中央部に向うに従い厚み方向に突出し、さらに中央部に向かうに従い反対方向に椀型に突出した形状である請求項１〜３のいずれか１項に記載の電気化学式ポンプ。
【請求項５】
前記アノードセパレータと接触する前記アノード拡散層の曲面の面積は、前記アノード拡散層に外部からの力がかからない状態では、前記アノードセパレータの前記湾曲面の、前記流路溝を加工する前の面積より大きく、
前記カソード拡散層の前記カソードセパレータと接触する曲面の面積は、前記カソード拡散層に外部からの力がかからない状態では、前記カソードセパレータの前記湾曲面の、前記流路溝を加工する前の面積より大きい請求項２〜４のいずれか１項に記載の電気化学式ポンプ。
【請求項６】
前記アノード拡散層または前記カソード拡散層は、外周部から中央部に至るにしたがって厚さが厚くなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電気化学式ポンプ。
【請求項７】
電解質膜と、
前記電解質膜の両面に隣接して配置される一対の板状の拡散層と、
前記拡散層の一方を収容する凹部を備え、前記凹部に収容した前記拡散層を前記電解質膜に向けて加圧する一対のセパレータと、を有し、
前記拡散層の直径は、前記セパレータによって加圧されない状態において、前記凹部の直径よりも小さく、前記セパレータによって加圧された状態において、前記凹部の直径と等しく、
前記セパレータによって加圧された状態における前記拡散層の高さは、前記セパレータによって加圧されない状態における前記拡散層の高さより低い電気化学式ポンプ。
【請求項８】
前記セパレータによって加圧されない状態において、前記拡散層の中央部は、前記拡散層の外周部よりも厚い請求項７記載の電気化学式ポンプ。
【請求項９】
前記アノードセパレータとアノード拡散層の側面における接触部で、前記電解質膜と反対側に空間ができるように、前記アノードセパレータの前記第１の凹部の側面と、前記アノード拡散層の側面は積層方向に対して傾斜している請求項１〜８のいずれか１項に記載の電気化学式ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気化学式水素ポンプに関するものである。特に、水素を圧縮する電気化学式水素ポンプに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、水素を燃料とする家庭用燃料電池の開発および普及が進んでいる。また、家庭用燃料電池と同様に水素を燃料とする燃料電池車の量産、市販が開始されている。
【０００３】
家庭用燃料電池は既存の都市ガスと既存の商用電力を利用できるのに対し、燃料電池車は水素インフラを必要とする。従って、燃料電池車が今後、広く普及するには、水素インフラとしての水素ステーションの拡充が必要である。
【０００４】
しかしながら、水素ステーションの建設には大規模な設備と用地が必要である。そのため、膨大な費用が必要となる。この点が燃料電池車普及のための解決すべき大きな課題となっている。
【０００５】
そこで、大型の水素ステーションに代わるものとして、コンパクトで安価な家庭用の小型水素充填装置の開発が望まれている。この小型水素充填装置の開発の中で最も重要なのは、水素を圧縮する圧縮機の開発であり、現在注目されているのは、電気化学的に水素を昇圧できる電気化学式水素ポンプである。
【０００６】
電気化学式水素ポンプは、従来の機械式水素圧縮装置に比べ、コンパクトであること、昇圧効率が高いこと、機械的動作部分がないのでメンテナンスを必要としないこと、騒音がほとんどないなど多くのメリットを有する。そのため、電気化学式水素ポンプの実用化が切望されている。
【０００７】
現在、家庭用燃料電池の燃料改質装置を使って発生させた水素を、電気化学式水素ポンプを使って電気化学的に圧縮することが考えられている。
【０００８】
このような電気化学式水素ポンプを小型水素充填装置に用いれば、上述したメリットのほか、次のようなメリットがある。すなわち、燃料改質装置を使って発生させた水素の濃度は７５％程度であるが、これをほぼ１００％の水素に純化し、かつ、燃料電池車に充填可能な超高圧力まで昇圧することが原理的に可能である。
【０００９】
また、電気化学式水素ポンプの構造は家庭用燃料電池の発電スタックと類似している。家庭用燃料電池の発電スタックと異なる点は、低圧水素を供給するアノード極に比べ、カソード極の圧力が燃料電池車に水素を充填できる程度の超高圧となる必要があることである。そのため、家庭用燃料電池の発電スタックを電気化学式水素ポンプとして利用する場合、両極の間に介在する電解質膜の支持構造を特殊な構造とする必要がある。
【００１０】
図１は、従来の燃料電池の発電スタック１の構造を説明する図である。図１に示すように、発電スタック１では、アノード電極層１０３およびカソード電極層１０４が形成された電解質膜１０２のそれぞれの面がアノード拡散層１０５およびカソード拡散層１０６によって挟み込まれる。
【００１１】
また、その外側がアノードセパレータ１０７およびカソードセパレータ１０８によって挟み込まれる。さらに、その外側がアノード絶縁板１１１およびカソード絶縁板１１２で挟み込まれる。さらにその外側がアノード端板１１３およびカソード端板１１４で挟み込まれる。さらに、アノード端板１１３とカソード端板１１４はボルト１１５とナット１１０とで挟み込まれるとともに、ボルト１１５とナット１１０は、互いに締結される。
【００１２】
アノード拡散層１０５およびカソード拡散層１０６の周囲にはガスが外部にもれないようにシール１０９が取り付けられている。燃料電池の発電スタック１を水素ポンプとして使用する場合は、アノード入り口１１６は低圧水素を供給するために使用され、アノード出口１１７は余剰な低圧水素を回収するために使用され、カソード入り口１１８は高圧水素を取り出すために使用され、カソード出口１１９は使用されないため、封止される。
【００１３】
なお、ここでは、発電スタック１が、電解質膜１０２、アノード拡散層１０５およびカソード拡散層１０６、アノードセパレータ１０７およびカソードセパレータ１０８などを含む一つのセルによって構成されている場合について説明した。しかし、通常、発電スタック１には、上述した構造のセルが複数個含まれる。
【００１４】
アノード入り口１１６から低圧水素が供給され、アノード側の流路溝１０７ａに低圧の水素が流入した状態で、電源２０によりアノードセパレータ１０７とカソードセパレータ１０８の間に電圧がかけられる。すると、アノード電極層１０３では、（１）式に示すように、水素がプロトンと電子に解離する。
【００１５】
Ｈ２（低圧）→２Ｈ＋＋２ｅ−・・・（１）
アノード電極層１０３で解離したプロトンは水分子を同伴して電解質膜１０２を移動し、電子はアノード拡散層１０５からアノードセパレータ１０７を通り、電源２０を介してカソードセパレータ１０８およびカソード拡散層１０６さらにはカソード電極層１０４に移動する。
【００１６】
カソード電極側では、（２）式に示すように、電解質膜１０２を移動してきたプロトンと、カソード拡散層１０６から移動してきた電子とによる還元反応が起き、水素が生成される。このとき、カソード入り口１１８が封止されているとカソード側の流路溝１０８ａ内の水素ガス圧が上昇し、高圧の水素ガスが生成される。
【００１７】
２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２（高圧）・・・（２）
ここでアノード側の水素の圧力Ｐ１とカソード側の水素の圧力Ｐ２と電圧Ｅとの関係は（３）式で示される。
【００１８】
Ｅ＝（ＲＴ／２Ｆ）ｌｎ（Ｐ２／Ｐ１）＋ｉｒ・・・（３）
（３）式中、気体定数（８．３１４５Ｊ／Ｋ・ｍｏｌ）をＲ、発電スタック１を構成するセルの温度（Ｋ）をＴ、ファラデー定数（９６４８５Ｃ／ｍｏｌ）をＦ、カソード側圧力（ＭＰａ）をＰ２、アノード側圧力（Ｐａ）をＰ１、電流密度（Ａ／ｃｍ２）をｉ、セル抵抗（Ω・ｃｍ２）をｒで示している。
【００１９】
（３）式から明らかなように、電圧を上げればカソード側圧力Ｐ２が上昇する。
【００２０】
図２Ａは、従来のアノード拡散層１０５の斜視図である。また、図２Ｂは、従来のアノードセパレータ１０７の斜視図である。また、図３は、従来のアノード拡散層１０５とアノードセパレータ１０７とを組み合わせた状態の斜視図である。
【００２１】
従来の発電スタック１において、アノード拡散層１０５がアノードセパレータ１０７の凹部に収容されるためには、アノード拡散層１０５の外周とアノードセパレータ１０７の凹部の側面との間に隙間が必要である。また、カソード拡散層１０６がカソードセパレータ１０８の凹部に収容されるためには、カソード拡散層１０６の外周とカソードセパレータ１０８の凹部の側面との間に隙間が必要である。
【００２２】
図２Ａに示すような直径がｄの円板形状のアノード拡散層１０５を、図２Ｂに示すアノードセパレータ１０７に形成された内径Ｄの凹部に組み込むには、直径ｄよりも内径Ｄが大きい必要がある。凹部の内径Ｄがアノード拡散層１０５の直径ｄよりも大きい場合、図３に示すように、アノード拡散層１０５の外周とアノードセパレータ１０７の凹部の側面との間には、幅Δのアノード側隙間１２１が形成される。なお、アノード側隙間１２１の幅Δは、直径ｄと内径Ｄの差のおよそ半分である。
【００２３】
アノード拡散層１０５の大きさが直径１００ｍｍのときは、アノード側隙間１２１の幅Δは、例えば、０．１ｍｍ程度となるように直径ｄや内径Ｄの基準寸法が設定される。
【００２４】
直径ｄと内径Ｄの差を０．１ｍｍよりも小さく設定すると、アノード拡散層１０５やアノードセパレータ１０７の製作上の寸法のバラツキにより、直径ｄと内径Ｄの大小関係が逆転し、アノード拡散層１０５をアノードセパレータ１０７の凹部に組み込めなくなる恐れがある。
【００２５】
なお、アノード側隙間１２１の幅Δを０．１ｍｍよりも小さく設定し、アノード拡散層１０５やアノードセパレータ１０７の製作後に寸法検査をして合格品だけを使用することも考えられる。しかし、このようにするとアノード拡散層１０５やアノードセパレータ１０７の歩留まりが低下し、コスト高になるという問題がある。従って、アノード拡散層１０５とアノードセパレータ１０７との間には幅０．１ｍｍ程度のアノード側隙間１２１を設定する必要がある。
【００２６】
また、カソード拡散層１０６とカソードセパレータ１０８との間に形成されるカソード側隙間１２２も幅が０．１ｍｍ程度となるように、カソード拡散層１０６の直径ｄおよびカソードセパレータ１０８の凹部の内径Ｄの基準寸法が設定される（図１参照）。
【００２７】
アノード側隙間１２１やカソード側隙間１２２を有する燃料電池の発電スタック１を水素ポンプとして使用して水素の昇圧を行う場合、高圧側の圧力が上昇するにつれて、このカソード側隙間１２２にかかった水素の圧力により、電解質膜１０２は高圧側（カソード側）から低圧側（アノード側）に押されるようになる。つまり、高圧側のカソード側隙間１２２から低圧側のアノード側隙間１２１に垂れ込むように電解質膜１０２が変形してしまうのである。この変形が大きくなると電解質膜１０２に亀裂が生じ、最終的に電解質膜１０２が破損に至ることになる。
【００２８】
よって、一般的な燃料電池の発電スタック１を水素ポンプとし使用して昇圧できる水素の圧力はあまり高くなく、燃料電池車へ水素の充填を行うには不十分である。
【００２９】
そこで、一般的な燃料電池の発電スタックを水素ポンプとして使用し、高圧側と低圧側の圧力差があっても電解質膜に破損が生じないように電解質膜を支持する構造が提案されている（特許文献１）。
【００３０】
図４は、従来の電気化学式水素ポンプ２３の縦断面図である。従来の電気化学式水素ポンプ２３では、高圧がかかるカソード拡散層２０６よりも、低圧領域のアノード拡散層２０５のほうが広くなるように構成されている。そのため、アノード側隙間２２１とカソード側隙間２２２とが、電解質膜２０２を挟んで対向する位置に配置されていない。
【００３１】
このため、高圧が電解質膜２０２にかかっても低圧側の高剛性のアノード拡散層２０５が電解質膜２０２を支持することができる。したがって、電解質膜２０２は破損の要因となる曲げ力やせん断力を受けない。よってアノード側隙間２２１に生じる圧力とカソード側隙間２２２に生じる圧力との間に差があっても安全に電解質膜２０２を支持できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３２】
【特許文献１】特許第６２４６２０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３３】
しかしながら、特許文献１に記載された構成では、水素の昇圧のために有効に利用されるのはカソード拡散層２０６の面積に対応する部分のみであり、アノード拡散層２０５においてカソード拡散層２０６よりも広い部分は、高価なＴｉの金属焼結体の拡散層であるにもかかわらず、有効に利用できない無駄な部分となる。よって、電気化学式水素ポンプ２３の製作コストを低減するうえで解決すべき課題となっている。
【００３４】
さらに、最近の研究により、上記のような構成では高圧側のカソード側隙間２２２および低圧側のアノード側隙間２２１を原因とする性能上の問題が発生することがわかってきた。すなわち、電気化学式水素ポンプ２３の運転中に、高圧側のカソード側隙間２２２から低圧側のアノード側隙間２２１に、高圧の水素の一部が逆拡散し、昇圧した水素の圧力が低下するという問題がある。つまり、電気化学式水素ポンプ２３の昇圧効率が低下することになる。
【００３５】
さらに、燃料電池車へ水素の充填を行うために水素を昇圧する際に、次のような問題が生じることが明らかになってきた。すなわち、カソードセパレータ２０８の流路溝２０８ａおよびカソード拡散層２０６の空隙に充満している水素の圧力が上昇するにつれて、カソードセパレータ２０８、カソード絶縁板２１２およびカソード端板２１４の中央部が図４におけるＹ１方向に変位する。また、電解質膜２０２、アノード拡散層２０５、アノードセパレータ２０７、アノード絶縁板２１１およびアノード端板２１３の中央部がＹ２方向に変位する。
【００３６】
これにより、カソード拡散層２０６とカソード電極層２０４、および、カソード拡散層２０６とカソードセパレータ２０８の中央付近の接触面圧が周囲よりも低下し、その結果、接触抵抗が増大し、電圧が上昇してしまうという問題があることが明らかになってきた。通常は、このような現象が生じないように、カソード端板２１４やアノード端板２１３の板厚を厚くして高剛性化する対策がとられるのが一般的である。しかしながら、このような対策では部材重量が極めて重くなり、各部材の取り扱いが困難となるという問題がある。
【００３７】
本発明は、コスト抑制の障害とならないようにアノード拡散層の広さとカソード拡散層の広さを同一にしたうえで、圧縮性能の低下や各部材の高重量化を招くことなく、アノード側の圧力とカソード側の圧力との差圧による電解質膜２の破損を防止する電気化学式水素ポンプを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３８】
上記課題を解決するために、本発明の電気化学式ポンプは、アノードセパレータ、アノード拡散層、電解質膜、カソード拡散層、カソードセパレータが順に積層され、アノードセパレータは、アノード拡散層を収納する第１の凹部を有し、第１の凹部の底面は中央部が突出した椀型の湾曲面であり、カソードセパレータは、カソード拡散層を収納する第２の凹部を有し、第２の凹部の底面は中央部が凹んだ椀型の湾曲面である。
【発明の効果】
【００３９】
本発明によれば、アノード拡散層とアノードセパレータとの間のアノード側隙間や、カソード拡散層とカソードセパレータとの間のカソード側隙間をなくすことができる。そのため、水素がカソード側隙間からアノード側隙間へ電解質膜を透過して濃度拡散することによる圧縮性能の低下が抑制される。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】従来の燃料電池の発電スタックの構造を説明する図
【図２Ａ】従来のアノード拡散層の斜視図
【図２Ｂ】従来のアノードセパレータの斜視図
【図３】従来のアノード拡散層とアノードセパレータとを組み合わせた状態の斜視図
【図４】従来の電気化学式水素ポンプの縦断面図
【図５】実施の形態１における電気化学式水素ポンプの縦断面図
【図６Ａ】実施の形態１におけるアノード拡散層の断面斜視図
【図６Ｂ】実施の形態１におけるカソード拡散層の断面斜視図
【図７Ａ】流路溝未加工時のアノードセパレータの断面斜視図
【図７Ｂ】流路溝加工後のアノードセパレータの断面斜視図
【図７Ｃ】流路溝未加工時のカソードセパレータの断面斜視図
【図７Ｄ】流路溝加工後のカソードセパレータの断面斜視図
【図８Ａ】電気化学式水素ポンプの組立手順を説明する縦断面図
【図８Ｂ】電気化学式水素ポンプの組立手順を説明する縦断面図
【図９】電気化学式水素ポンプの評価装置の回路図
【図１０】電気化学式水素ポンプの評価結果を示す図
【図１１】実施の形態２における電気化学式水素ポンプの縦断面図
【図１２】実施の形態３における電気化学式水素ポンプの縦断面図
【図１３】比較例おける電気化学式水素ポンプの縦断面図
【発明を実施するための形態】
【００４１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図５は、実施の形態１における電気化学式水素ポンプ２４の縦断面図である。
＜全体構成＞
実施の形態１における電気化学式水素ポンプ２４では、アノード電極層３およびカソード電極層４がそれぞれ形成された電解質膜２の両面が、アノード拡散層５とカソード拡散層６で挟まれ、その外側をアノードセパレータ７とカソードセパレータ８で挟み込まれている。
【００４２】
さらに、アノードセパレータ７とカソードセパレータ８の外側はそれぞれ、アノード絶縁板１１およびカソード絶縁板１２で挟み込まれ、さらにその外側がアノード端板１３およびカソード端板１４で挟み込まれる。さらに、上記各部品は、互いに密着するように、アノード端板１３およびカソード端板１４の外側からプレス機で加圧される。
【００４３】
この加圧状態がボルト１５とナット１０で維持されている。また、アノード拡散層５およびカソード拡散層６の周囲にはガスが外部にもれないようにシール９が取り付けられている。
【００４４】
電解質膜２は、陽イオン透過膜であり、電解質膜２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）等が用いられる。電解質膜２は、アノード側の面には、例えば、ＲｕＩｒＦｅＯｘ触媒を含むアノード電極層３を備え、カソード側の面には、例えば、白金触媒を含むカソード電極層４を備えている。
【００４５】
また、アノード拡散層５は、カソードセパレータ８内の流路溝８ａの高圧水素による電解質膜２の押し付けに耐える必要がある。このため、アノード拡散層５には、例えば表面に白金メッキを施したチタン繊維焼結体またはチタン粉末焼結体等、十分な剛性を有した導電性の多孔質体が用いられる。
【００４６】
また、カソード拡散層６には、例えば、表面に白金メッキを施した高弾性を有する黒鉛化炭素繊維（例えば、炭素繊維を２０００℃以上の高温で処理して黒鉛化を進行させたもの）、チタン繊維焼結体、または、チタン粉末焼結体等の多孔質体等をペーパー状にしたものが用いられる。
【００４７】
また、シール９には、フッソゴムを圧縮成形によって製作したものが用いられる。また、アノードセパレータ７およびカソードセパレータ８には、例えば、切削加工によって流路溝７ａ、８ａなどが形成されたＳＵＳ３１６Ｌの板材が用いられる。
＜アノード拡散層５とカソード拡散層６＞
図６Ａは、実施の形態１におけるアノード拡散層５の断面斜視図、図６Ｂは、実施の形態１におけるカソード拡散層６の断面斜視図である。
【００４８】
図６Ａに示すように、アノード拡散層５は、概して、板厚がｔ１、直径がｄ１の円板状に形成されている。アノード拡散層５は、外部から力がかけられていない状態では、円の中央部が椀型に寸法α１だけ突出した形状である。アノード拡散層５は、例えばチタン繊維焼結体またはチタン粉末焼結体の表面に白金メッキを施した板厚ｔ１の円板をプレス成形工法により変形させることにより、このような形状に成形される。アノード拡散層５は、外部から力がかけられて変形しても、外部からの力が除去されれば元の形状に復元するように、弾性変形の範囲内で使用される。
【００４９】
図６Ｂに示すように、カソード拡散層６は、概して、板厚がｔ１、直径がｄ１の円板状に形成されている。カソード拡散層６は、外部から力がかけられていない状態では、円の外周部から中央部に向かうにしたがって、図６Ｂにおいて下方向に寸法α２だけ突出した後、中央付近は椀型に寸法α３だけ上方に突出した形状である。
【００５０】
この中央の椀型の頂点の高さは外周部より寸法βだけ低い位置にある。カソード拡散層６には、例えば、チタン繊維焼結体またはチタン粉末焼結体の表面に白金メッキが施された板厚ｔ１の円板が用いられる。また、カソード拡散層６は、プレス成形工法によりこのような形状に成形される。カソード拡散層６は、外部から力がかけられて変形しても、外部からかけられた力が除去されれば元の形状に復元するように、弾性変形の範囲内で使用される。
【００５１】
図７Ａは、流路溝７ａ未加工時のアノードセパレータ７の断面斜視図、図７Ｂは、流路溝７ａ加工後のアノードセパレータ７の断面斜視図である。また、図７Ｃは、流路溝８ａ未加工時のカソードセパレータ８の断面斜視図、図７Ｄは、流路溝８ａ加工後のカソードセパレータ８の断面斜視図である。
＜アノードセパレータ７＞
図７Ａに示すように、アノードセパレータ７は、板厚がｔ２、直径がｄ２の円板状に形成されている。アノードセパレータ７は、アノード拡散層５と接触する方の面に、直径Ｄ１のアノード拡散層５収納用の凹部２５を有する。この凹部２５の側面付近の深さはＴ１である。一方、凹部２５の中央部は、側面に隣接する底面２５ａから寸法δだけ盛り上がっている。すなわち、底面２５ａは、椀型の湾曲した面である。
【００５２】
図７Ｂに示すように、アノードセパレータ７の底面２５ａにはアノードガス（低圧の水素ガス）が流れる蛇行した流路溝７ａが加工される。また、この凹部２５の外側には、ボルト１５を貫通させるボルト穴２６が設けられている。
【００５３】
カソードセパレータ８は、図７Ｃに示すように、板厚がｔ３、直径がｄ２の円板状に形成される。カソードセパレータ８は、カソード拡散層６と接触する方の面に、直径Ｄ１のカソード拡散層６収納用の凹部２７を有する。この凹部２７の側面付近の深さはＴ１である。一方、凹部２５の中央部は、側面に隣接する底面２７ａから寸法δだけ凹んでおり、底面２７ａは椀型の湾曲した面である。
【００５４】
図７Ｄに示すように、カソードセパレータ８の底面２７ａにはカソードガス（高圧の水素ガス）が流れる蛇行した流路溝８ａが加工される。また、この凹部２７の外側には、ボルト１５を貫通させるボルト穴２６とシール９が収納される溝２８が設けられている。
【００５５】
なお、アノードセパレータ７の凹部２５の直径Ｄ１、および、カソードセパレータ８の凹部２７の直径Ｄ１は、アノード拡散層５の直径ｄ１、および、カソード拡散層６の直径ｄ１より大きいことが好ましい。また、アノード拡散層５の中央部の突出寸法α１は、アノードセパレータ７のアノード拡散層５と接触する方の面の突出寸法δよりも大きいことが好ましい。
【００５６】
また、アノード拡散層５のアノードセパレータ７と接触する曲面２９の面積は、アノード拡散層５に外部からの力がかからない状態では、流路溝７ａを加工する前のアノードセパレータ７の凹部２５の底面２５ａの面積より大きいことが好ましい。
【００５７】
カソード拡散層６のカソードセパレータ８と接触する曲面３０の面積は、カソード拡散層６に外部からの力がかからない状態では、流路溝８ａを加工する前のカソードセパレータ８の凹部２７の底面２７ａの面積より大きいことが好ましい。
【００５８】
アノード拡散層５とカソード拡散層６の厚さｔ１は、アノードセパレータ７の凹部２５とカソードセパレータ８の凹部２７の側面付近の深さＴ１より約１０％厚いことが好ましい。
＜組立手順＞
次に、電気化学式水素ポンプ２４の組立手順について説明する。図８Ａおよび図８Ｂは、電気化学式水素ポンプ２４の組立手順を説明する縦断面図である。
【００５９】
まず、アノード端板１３が組み立て台（図示せず）の上に置かれる。その上にアノード絶縁板１１、アノードセパレータ７が積み重ねられる。このアノードセパレータ７の上にアノード拡散層５が置かれ、その上に電解質膜２が積み重ねられる。この時、直径ｄ１のアノード拡散層５が、直径Ｄ１のアノードセパレータ７の凹部２５の内側に嵌め込まれる。
【００６０】
さらに、電解質膜２の上にカソード拡散層６、カソードセパレータ８、カソード絶縁板１２、カソード端板１４が順に積み重ねられる。この時、カソードセパレータ８の溝２８には、予めシール９が嵌め込まれている。また、直径ｄ１のカソード拡散層６が、直径Ｄ１のカソードセパレータ８の凹部２７の内側に嵌め込まれる。
【００６１】
＜圧縮作業＞
次に、アノード端板１３が置かれた組み立て台（図示せず）は、プレス機（図示せず）に設置され、カソード端板１４が上記組み立て台に向って下方に押し付けられることにより、圧縮力が加えられる。カソード端板１４が組み立て台に向かって押しつけられた状態では、アノードセパレータ７とカソードセパレータ８とは、アノード拡散層５とカソード拡散層６とを電解質膜２に向けて加圧する。
【００６２】
図８Ａは、圧縮力がかけられていない状態の電気化学式水素ポンプ２４Ａを示している。直径ｄ１のアノード拡散層５は、直径Ｄ１のアノードセパレータ７の凹部２５の内側にはまり込んでいる。また、直径ｄ１のカソード拡散層６は、直径Ｄ１のカソードセパレータ８の凹部２７の内側にはまり込んでいる。
【００６３】
また、アノード拡散層５は、外周部付近の曲面２９がアノードセパレータ７と接触しているが、中央部では接触していない。同様に、カソード拡散層６は、外周部付近の曲面３０がカソードセパレータ８と接触しているが、中央部では接触していない。
【００６４】
また、アノード拡散層５の外周面５ａは、アノードセパレータ７の凹部２５の側面２５ｂと接触しておらず、カソード拡散層６の外周面６ａは、カソードセパレータ８の凹部２７の側面２７ｂと接触していない。
【００６５】
図８Ｂは、圧縮途中の状態の電気化学式水素ポンプ２４Ｂを示している。図８Ａに示す状態から、さらに圧縮力が加えられると、図８Ｂに示すように、アノード拡散層５の外周面５ａは、アノードセパレータ７の凹部２５の側面２５ｂに接触する。また、カソード拡散層６の外周面６ａは、カソードセパレータ８の凹部２７の側面２７ｂに接触する。
【００６６】
しかしこの段階でも、依然として、アノード拡散層５の中央部の曲面２９はアノードセパレータ７と接触していない。同様に、カソード拡散層６の中央部の曲面３０は、カソードセパレータ８と接触していない。
【００６７】
さらにこのまま圧縮力が加えられると、図５に示すように、アノード拡散層５の曲面２９は、アノードセパレータ７と全面にわたって接触する。同様に、カソード拡散層６の曲面３０は、カソードセパレータ８と全面にわたって接触する。
【００６８】
圧縮力が加えられる前は、アノード拡散層５のアノードセパレータ７と接触する曲面２９の面積は、アノードセパレータ７の流路溝７ａを加工する前の凹部２５の底面２５ａの面積より大きい。換言すれば、圧縮力が加えられる前は、アノード拡散層５の直径ｄ１は、アノードセパレータ７の凹部２５の直径Ｄ１よりも小さい。
【００６９】
従って、圧縮時において、アノード拡散層５は厚みと直交する方向に圧縮されながらアノードセパレータ７の凹部２５の中に押し込まれる。換言すれば、アノード拡散層５は、凹部２５に加圧状態で配置される。この圧縮力によりアノード拡散層５の外周面５ａは、アノードセパレータ７の凹部２５の側面２５ｂに押し当てられるため、アノード拡散層５とアノードセパレータ７との間のアノード側隙間２２１（図４）をなくすことができる。すなわち、アノード拡散層５の直径ｄ１がアノードセパレータ７の凹部２５の直径Ｄ１と等しくなる。このとき、アノード拡散層５の高さは、圧縮力が加えられる前のアノード拡散層５の高さよりも低くなる。なお、アノード拡散層５は厚み方向にも圧縮され、厚さはアノードセパレータ７の凹部２５の側面２５ｂ付近の深さＴ１と同じ寸法になる。
【００７０】
同様にして、圧縮力が加えられる前は、カソード拡散層６のカソードセパレータ８と接触する曲面３０の面積は、流路溝８ａを加工する前のカソードセパレータ８の凹部２７の底面２７ａの面積より大きい。換言すれば、圧縮力が加えられる前は、カソード拡散層６の直径ｄ１は、カソードセパレータ８の凹部２７の直径Ｄ１よりも小さい。
【００７１】
従って、カソード拡散層６は厚みと直交する方向に圧縮されながらカソードセパレータ８の凹部２７の中に押し込まれる。換言すれば、カソード拡散層６は、凹部２７に加圧状態で配置される。この圧縮力によりカソード拡散層６の外周面６ａは、カソードセパレータ８の凹部２７の側面２７ｂに押し当てられるので、カソード拡散層６とカソードセパレータ８との間のカソード側隙間２２２（図４参照）をなくすことができる。すなわち、カソード拡散層６の直径ｄ１がカソードセパレータ８の凹部２７の直径Ｄ１と等しくなる。このとき、カソード拡散層６の高さは、圧縮力が加えられる前のカソード拡散層６の高さよりも低くなる。なお、カソード拡散層６は厚み方向にも圧縮され、厚さはカソードセパレータ８の凹部２７の側面２７ｂ付近の深さＴ１と同じ寸法になる。
【００７２】
このような電気化学式水素ポンプ２４では、流路溝８ａ内およびカソード拡散層６の空隙に充満した水素の圧力が上昇するにつれて、電解質膜２がアノード拡散層５を厚み方向（Ｙ２方向）に圧縮する。さらには、アノード拡散層５がアノードセパレータ７の中央部分を押し下げる（Ｙ２方向に加圧する）。このとき、アノード拡散層５には、アノード拡散層５が平板の状態に近くなる方向（Ｙ２方向）に高圧水素の圧力が作用する。
【００７３】
従って、水素の昇圧に伴って、アノード拡散層５の外周面５ａおよびアノードセパレータ７の凹部２５の側面２５ｂの面圧が益々増加する。そのため、カソードセパレータ８内の水素が高圧になっても、アノード拡散層５とアノードセパレータ７との間のアノード側隙間１２１が存在しない状態を維持できる。
＜評価装置＞
図９は電気化学式水素ポンプ２４の評価装置３１の回路図である。電源１２０は、電気化学式水素ポンプ２４に電流を流す。水素ボンベ３２とレギュレータ３３は、電気化学式水素ポンプ２４に低圧水素を供給する。この低圧水素はバブラー３４とヒーター３５によって加湿されている。
【００７４】
気液分離装置３６と冷却装置３７は、電気化学式水素ポンプ２４で使用されなかった余剰水素の露点を下げる。また、高圧側では圧力計３８によって圧力が測定され、圧力計３８の下流の排気バルブ３９は常時は閉状態に維持され、圧力が一定値以上になると開状態にされる。
【００７５】
ただし、排気バルブ３９の開度は圧力損失が十分に発生するように調整される。つまり、排気バルブ３９を通過した後の水素の圧力が、排気バルブ３９で発生した圧力損失によって、ほぼ大気圧（大気圧の１．０５倍程度）にまで低下するように排気バルブ３９の開度が設定される。
【００７６】
ほぼ大気圧程度にまで減圧された水素の露点は気液分離装置３６と冷却装置３７によって下げられる。また、減圧された水素は、窒素ボンベ４０から供給される窒素によって希釈装置４１の内部で希釈された後、屋外へ通じる排気口４２に放出される。
【００７７】
なお、以降の評価プロセスでは、ヒーター３５の温度は６５（℃）、冷却装置３７の温度は、２０（℃）に設定される。
＜評価プロセス＞
電気化学式水素ポンプ２４を評価するにためのプロセスを説明する。
（１）図９に示すように、実施の形態１における電気化学式水素ポンプ２４を評価装置３１に接続する。
（２）３方弁４３を大気開放位置（矢印Ａ）から密閉側（矢印Ｂ）に切り替える。
（３）希釈用の窒素ボンベ４０のバルブ４４を操作して、希釈装置４１に窒素を流す。
（４）水素ボンベ３２のバルブ４５とレギュレータ３３を操作して、低圧（圧力比０．０５）の水素を電気化学式水素ポンプ２４に供給する。なお、圧力比とは、所定の圧力に対する、実際に印加された圧力の比である。
（５）電源１２０をＯＮにし、電極面積から計算して電流密度が１．０（Ａ／ｃｍ２）となるように電流値を設定する。
（６）圧力計３８が目標圧力（圧力比１．０）に達するまで、圧力比が０．０５上昇するごとに電源１２０に表示される電圧を記録する。
（７）電源１２０をＯＦＦにし、各バルブを操作して水素の供給を停止し、続いて希釈用の窒素の供給を停止する。
（８）最後に３方弁４３を密閉位置（矢印Ｂ）から大気開放側（矢印Ａ）に切り替える。（９）実施の形態１における電気化学式水素ポンプ２４とりはずす。
＜評価結果＞
図１０は、電気化学式水素ポンプ２４の評価結果を示す図である。図１０において、横軸は圧力比、縦軸は電圧比を示している。また、図１０におけるａは、特許文献１に記載された従来の電気化学式水素ポンプ２３の評価結果を示している。また、図１０におけるｂは、実施の形態１における電気化学式水素ポンプ２４の評価結果を示している。なお、電圧比とは、所定の基準電圧に対する、実際に印加された電圧の比である。
【００７８】
特許文献１に記載された従来の電気化学式水素ポンプ２３では、圧力比０．０５から圧力比０．６まで緩やかに電圧比が増加し、圧力比０．６から圧力比１．０までは急激に電圧比が増加している。実施の形態１における電気化学式水素ポンプ２４では、圧力比０．６まで緩やかに電圧比が増加し、その後、電圧比は急激に増加する。この傾向は従来の電気化学式水素ポンプ２３と同じである。
【００７９】
しかしながら、実施の形態１における電気化学式水素ポンプ２４の電圧比は、従来の電気化学式水素ポンプ２３と比べて、圧力比０．０５から０．６までの範囲において約０．２ポイント低く、性能が良化している。また、圧力比０．６から１．０の範囲において、実施の形態１における電気化学式水素ポンプ２４の電圧比と従来の電気化学式水素ポンプ２３の電圧比との差は、拡がっている。すなわち、実施の形態１における電気化学式水素ポンプ２４と従来の電気化学式水素ポンプ２３とを比較すると、特に、カソード側の圧力が上昇した際における電気化学式水素ポンプ２４の性能が良化しているといえる。
【００８０】
従来の電気化学式水素ポンプ２３の電圧比が高い原因は、電気化学式水素ポンプ２３のカソード側隙間２２２からアノード側隙間２２１に向かって水素の濃度拡散が生じているためと考えられる。すなわち、実施の形態１における電気化学式水素ポンプ２４はこの点が改善されているため、性能が向上していると考えられる。
【００８１】
なお、ｃは、実施の形態２に係る電気化学式水素ポンプの評価結果を示すデータである。これについては、後述する。
（実施の形態２）
図１１は、実施の形態２における電気化学式水素ポンプ４６の縦断面図である。図１１は、電気化学式水素ポンプ４６の組立時であって圧縮力がかけられる前の状態を示している。なお、実施の形態２における電気化学式水素ポンプ４６の組立後の状態は、実施の形態１における電気化学式水素ポンプ２４と同様である。
＜全体構成＞
電気化学式水素ポンプ４６では、カソード側に高圧の水素を蓄積する必要があるため、次のような問題が生じる。すなわち、カソードセパレータ８の流路溝８ａおよびカソード拡散層６の空隙内部に充満する水素の圧力が上昇するにつれて、カソード端板１４、カソード絶縁板１２、および、カソードセパレータ８の中央部は図１１における上方（Ｙ１方向）に変位する。また、電解質膜２、アノード拡散層５、アノードセパレータ７、アノード絶縁板１１、アノード端板１３の中央部は図１１における下方（Ｙ２方向）に変位する。
【００８２】
これらの変位により、カソード拡散層６とカソード電極層４、および、カソード拡散層６とカソードセパレータ８の中央付近の接触面圧が周囲よりも低下するため、接触抵抗が増大するとともに、電圧が上昇する。その結果、電気化学式水素ポンプの性能が低下するという問題がある。
【００８３】
図１０に示すように、特許文献１における電気化学式水素ポンプ２３や、実施の形態１における電気化学式水素ポンプ２４の評価結果において、圧力比０．６から圧力比１．０まで急激に電圧比が増加しているのはこのためであると考えられる。
【００８４】
通常、このような変位が性能に影響しないように、カソード端板１４やアノード端板１３の板厚を厚くして剛性を高くする対策がとられるのが一般的である。しかしながら、このような対策では部材重量が極めて重くなり、各部材の取り扱いが困難になるという問題がある。
【００８５】
そこで、実施の形態２における電気化学式水素ポンプ４６では、カソード拡散層６の厚みが中央ほど厚く形成されている。
【００８６】
カソード拡散層６の外周部の厚みはｔ１であるが、中央部の厚みはｔ４である（ｔ１＜ｔ４）。ｔ４は、例えば、ｔ１の１．０５倍である。このことにより、カソード拡散層６とカソード電極層４、および、カソード拡散層６とカソードセパレータ８の接触面圧は、カソード拡散層６における中央部のほうが大きくなる。
【００８７】
よって、カソード側の水素の圧力が上昇して、上記Ｙ１方向およびＹ２方向へ各部品が変位しても、カソード拡散層６とカソードセパレータ８、および、カソード拡散層６とカソード電極層４の接触面圧は、カソード拡散層６における外周部と中央部とでほぼ同等の大きさとすることができる。このため、電気化学式水素ポンプ４６の性能は低下しない。すなわち、カソード端板１４やアノード端板１３の板厚を厚くせずに電気化学式水素ポンプ４６の性能の低下を抑制することができる。
＜評価＞
図１０のｃは、実施の形態２における電気化学式水素ポンプ４６の評価結果を示す。
【００８８】
図１０に示すように、実施の形態２の電気化学式水素ポンプ４６は、圧力比０．０５から圧力比１．０の全領域に亘って、若干の電圧比の上昇はあるものの、電圧比の急激な増加は見られない。
【００８９】
これは、カソード側の水素の圧力が上昇しても、カソード拡散層６とカソードセパレータ８、および、カソード拡散層６とカソード電極層４の接触面圧の低下が、実施の形態１と比べて抑制されているためと考えられる。
【００９０】
すなわち、実施の形態２に係る電気化学式水素ポンプ４６では、カソード端板１４やアノード端板１３の板厚を厚くする必要はない。
（実施例３）
図１２は、実施の形態３における電気化学式水素ポンプ４６の縦断面図である。図１２は組立後の状態を示している。図１３は、比較例の電気化学式水素ポンプの縦断面図である。
【００９１】
＜全体構成＞
実施の形態１では、図５に示すようにアノードセパレータ７の凹部の側面２５ｂ（図８Ｂ）とアノード拡散層５の外周面５ａ（図８Ａ）は密着するように製作される。しかしながら、アノードセパレータ７やアノード拡散層５の製作上でのばらつきにより、図１３に示すように、アノードセパレータ７の凹部の側面２５ｂと、アノード拡散層５の外周面５ａの間には電解質膜２側にアノード側隙間３２１が発生してしまう場合がある。このようなアノード側隙間３２１が発生すると、カソード側の水素の圧力が高くなるにつれて、電解質膜２がアノード側隙間３２１に垂れ込み、ついには電解質膜２の破損にいたる危険性がある。
【００９２】
そこで、図１２のように、実施の形態３における電気化学式水素ポンプ４６では、アノードセパレータ７の凹部２５の側面２５ｂとアノード拡散層５の外周面５ａを、圧縮方向に対して傾斜させることにより、アノードセパレータ７の凹部の側面２５ｂと、アノード拡散層５の外周面５ａの密着部の近傍において電解質膜２と反対側にアノード側隙間４２１を発生さる。
【００９３】
このことによって電解質膜２の側においてアノードセパレータ７の凹部２５の側面２５ｂと、アノード拡散層５の外周面５ａを、電解質膜２側のアノード拡散層５の稜線において確実に密着させるものである。このように構成すれば製作上のばらつきがあっても、電解質膜２の側においてアノードセパレータ７の凹部の側面２５ｂと、アノード拡散層５の外周面５ａを確実に密着させることができるので、カソード側の水素の圧力が高くなっても電解質膜２がスキマに垂れ込んで破損にいたる危険性は回避できる。
【００９４】
＜評価＞
図１０のｅは、実施の形態３における電気化学式水素ポンプ４６の評価結果を示す。
図１０に示すように、実施の形態３における電気化学式水素ポンプ４６は、圧力比が１に近づくにつれ、実施の形態２における電気化学式水素ポンプ４６よりも電圧が高くなっている。これは、カソードの水素の圧力が高くなるにつれて電解質膜２がアノード拡散層５を電解質膜２と反対方向に押し込むことによって、アノード拡散層５が若干凹んで電解質膜２とカソード拡散層６の接触抵抗が増加したためと考えられる。しかしながら、この電圧上昇は極僅かであり、実用上問題ないと考えられる。
【００９５】
本発明の電気化学式水素ポンプは、下記特徴を有する。
【００９６】
アノード拡散層５は、概して円板状であるが、外部からの力がかからない状態では、円の中央部が椀型に突出した形状である。
【００９７】
カソード拡散層６は、概して円板状であるが、外部からの力がかからない状態では、円の端部から中央部に向うに従い厚み方向に突出した後、中央付近は椀型に反対方向に突出した形状である。この中央の椀型の頂点の高さは外周部より低い位置にある。
【００９８】
アノードセパレータ７は、概して円板状である。アノード拡散層５と接触する方の面には、アノード拡散層５収納用の凹部２５を有する。この凹部２５の深さは一定ではなく、底面２５ａは中央部が突出した椀型の湾曲面である。
【００９９】
カソードセパレータ８は、概して円板状である。カソード拡散層６と接触する方の面には、カソード拡散層６収納用の凹部２７を有する。この凹部２７の深さは一定ではなく、底面２７ａは中央部が凹んだ椀型の湾曲面である。
【０１００】
アノード拡散層５のアノードセパレータ７と接触する曲面２９の面積は、アノードセパレータ７の凹部２５の底面２５ａの、流路溝７ａを加工する前の面積より大きい。
【０１０１】
カソード拡散層６のカソードセパレータ８と接触する曲面３０の面積は、カソードセパレータ８の凹部２７の底面２７ａの、流路溝８ａを加工する前の面積より大きい。
【０１０２】
さらに、アノード拡散層５またはカソード拡散層６は、外周部から中央に至るにしたがって厚さが厚くなる。
アノードセパレータの凹部２５の側面２５ｂと、アノード拡散層５の外周面５ａの密着部の近傍において電解質膜２と反対側にアノード側隙間４２１がある。
【０１０３】
上記の特徴により、アノード拡散層５とアノードセパレータ７との間およびカソード拡散層６とカソードセパレータ８との間に隙間が発生することがなく、電解質膜２が水素に曝されることがない。よって、高圧側から低圧側への水素の濃度拡散に起因する電気化学式水素ポンプの性能低下が抑制される。
【０１０４】
また、カソード側の水素の圧力が上昇しても、カソード拡散層６とカソードセパレータ８との接触面圧、および、カソード拡散層６とカソード電極層４との接触面圧の低下が抑制される。従って、本発明の電気化学式水素ポンプは、家庭用の小型水素充填装置用の水素圧縮装置として最適なものとなる。
【産業上の利用可能性】
【０１０５】
本発明の電気化学式水素ポンプは、水素充填装置用の水素圧縮装置として利用できる。さらに、本発明の電気化学式水素ポンプの構造は、水を電気分解して水素と酸素を発生させる電気化学式水電解装置としても利用可能である。
【符号の説明】
【０１０６】
１  発電スタック
２、１０２、２０２  電解質膜
３、１０３  アノード電極層
４、１０４、２０４  カソード電極層
５、１０５、２０５  アノード拡散層
５ａ、６ａ  外周面
６、１０６、２０６  カソード拡散層
７、１０７、２０７  アノードセパレータ
７ａ、８ａ、１０７ａ、１０８ａ、２０８ａ  流路溝
８、１０８、２０８  カソードセパレータ
９、１０９  シール
１０、１１０  ナット
１１、１１１、２１１  アノード絶縁板
１２、１１２、２１２  カソード絶縁板
１３、１１３、２１３  アノード端板
１４、１１４、２１４  カソード端板
１５、１１５  ボルト
１１６  アノード入り口
１１７  アノード出口
１１８  カソード入り口
１１９  カソード出口
２０、１２０  電源
１２１、２２１，３２１，４２１  アノード側隙間
１２２、２２２  カソード側隙間
２３、２４、２４Ａ、２４Ｂ、４６  電気化学式水素ポンプ
２５、２７  凹部
２５ａ、２７ａ  底面
２５ｂ、２７ｂ  側面
２６  ボルト穴
２８  溝
２９、３０  曲面
３１  評価装置
３２  水素ボンベ
３３  レギュレータ
３４  バブラー
３５  ヒーター
３６  気液分離装置
３７  冷却装置
３８  圧力計
３９  排気バルブ
４０  窒素ボンベ
４１  希釈装置
４２  排気口
４３  ３方弁
４４  バルブ
４５  バルブ
【図１】
2019210543.tif 000003
【図２Ａ】
2019210543.tif 000004
【図２Ｂ】
2019210543.tif 000005
【図３】
2019210543.tif 000006
【図４】
2019210543.tif 000007
【図５】
2019210543.tif 000008
【図６Ａ】
2019210543.tif 000009
【図６Ｂ】
2019210543.tif 000010
【図７Ａ】
2019210543.tif 000011
【図７Ｂ】
2019210543.tif 000012
【図７Ｃ】
2019210543.tif 000013
【図７Ｄ】
2019210543.tif 000014
【図８Ａ】
2019210543.tif 000015
【図８Ｂ】
2019210543.tif 000016
【図９】
2019210543.tif 000017
【図１０】
2019210543.tif 000018
【図１１】
2019210543.tif 000019
【図１２】
2019210543.tif 000020
【図１３】
2019210543.tif 000021