(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、
前記電解質膜の一方の主面上に設けられたアノード触媒層と、
前記電解質膜の他方の主面上に設けられたカソード触媒層と、
前記アノード触媒層上に設けられたアノードガス拡散層と、
前記アノードガス拡散層上に設けられたアノードセパレーターと、
前記アノード触媒層と前記カソード触媒層との間に電圧を印加する電圧印加器とを備え、
前記電圧印加器が前記電圧を印加することで、前記アノード触媒層上に供給された水素含有ガス中の水素を、前記カソード触媒層上に移動させ、かつ昇圧する電気化学式水素ポンプであって、
前記アノードガス拡散層は、炭素繊維と前記炭素繊維と異なる炭素材を含み、前記アノードセパレーター側の第１表面層の気孔率が、前記アノード触媒層側の第２表面層の気孔率よりも大きいカーボン多孔体シートを含む電気化学式水素ポンプ。
【請求項２】
前記カーボン多孔体シートは、前記第１表面層の炭素密度が、前記第２表面層の炭素密度よりも低い請求項１に記載の電気化学式水素ポンプ。
【請求項３】
前記カーボン多孔体シートは、前記第１表面層の前記炭素材の密度が、前記第２表面層の前記炭素材の密度よりも低い請求項１または２に記載の電気化学式水素ポンプ。
【請求項４】
前記カーボン多孔体シートは、前記炭素材が、熱硬化性樹脂の炭化物である請求項１から３のいずれか１項に記載の電気化学式水素ポンプ。
【請求項５】
前記カーボン多孔体シートは、前記第１表面層の前記炭素繊維の密度が、前記第２表面層の前記炭素繊維の密度よりも低い請求項１から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】
前記カーボン多孔体シートは、前記第１表面層に水素含有ガスが流通する流路が設けられている請求項１から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】
前記カーボン多孔体シートは、前記第２表面層に撥水層が含まれる請求項１から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】
前記カーボン多孔体シートは、前記第２表面層上に撥水層が設けられる請求項１から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９】
前記撥水層は、撥水性樹脂とカーボンブラックを含む請求項７または８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開発および普及が進んでいる。【０００３】
来るべき水素社会では、水素を製造することに加えて、水素を高密度で貯蔵し、小容量かつ低コストで輸送または利用することが可能な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促進には、水素供給インフラを整備する必要がある。また、水素を安定的に供給するために、高純度の水素を製造、精製、高密度貯蔵する様々な検討が行われている。【０００４】
例えば、特許文献１では、固体高分子電解質膜、給電体およびセパレーターの積層体をエンドプレートで挟んだ状態で、エンドプレートを貫通する締結ボルトにより積層体が締結された高圧水素製造装置が提案されている。この高圧水素製造装置において、高圧側のカソード給電体および低圧側のアノード給電体間に、所定圧以上の差圧が生じると、固体高分子電解質膜および低圧側のアノード給電体が変形する。すると、高圧側のカソード給電体および固体高分子電解質膜間の接触抵抗が増加する。そこで、特許文献１の高圧水素製造装置に、固体高分子電解質膜および低圧側のアノード給電体が変形しても、高圧側のカソード給電体を固体高分子電解質膜に押圧して密着させる皿バネ、コイルバネなどの押圧手段が設けられている。これにより、高圧側のカソード給電体および固体高分子電解質膜間の接触抵抗の増加を抑制することができる。【０００５】
また、例えば、特許文献２では、チタン粉末の焼結体で構成される給電体のベース部にプレス加工を施すことで、ベース部の表層部の空隙率がベース部の空隙率よりも低いアノード給電体が開示されている。これにより、表層部の緻密化および平滑化を向上させることができるので、電解質膜の損傷が低減される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−７０３２２号公報
【特許文献２】特開２０１２−１８０５５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本開示の一態様（aspect）は、一例として、アノードガス拡散層における水によるフラディングの発生を従来よりも抑制し得る電気化学式水素ポンプを提供することを課題とする。
【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、電解質膜と、前記電解質膜の一方の主面上に設けられたアノード触媒層と、前記電解質膜の他方の主面上に設けられたカソード触媒層と、前記アノード触媒層上に設けられたアノードガス拡散層と、前記アノードガス拡散層上に設けられたアノードセパレーターと、前記アノード触媒層と前記カソード触媒層との間に電圧を印加する電圧印加器とを備え、前記電圧印加器が前記電圧を印加することで、前記アノード触媒層上に供給された水素含有ガス中の水素を、前記カソード触媒層上に移動させ、かつ昇圧する装置であって、前記アノードガス拡散層は、炭素繊維と前記炭素繊維と異なる炭素材を含み、前記アノードセパレーター側の第１表面層の気孔率が、前記アノード触媒層側の第２表面層の気孔率よりも大きいカーボン多孔体シートを含む。
【発明の効果】
【０００９】
本開示の一態様の電気化学式水素ポンプは、アノードガス拡散層における水によるフラディングの発生を従来よりも抑制し得るという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１Ａ】図１Ａ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１Ｂ】図１Ｂは、図１Ａの電気化学式水素ポンプのＢ部の拡大図である。
【図２Ａ】図２Ａ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２Ｂ】図２Ｂは、図２Ａの電気化学式水素ポンプのＢ部の拡大図である。
【図３】図３は、第１実施形態の電気化学式水素ポンプにおけるカーボン多孔体シート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におけるカーボン多孔体シートのＳＥＭによる断面画像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におけるカーボン多孔体シートのＳＥＭによる断面画像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におけるカーボン多孔体シートのＳＥＭによる断面画像の一例を示す図である。
【図５】図５は、第２実施形態の電気化学式水素ポンプにおけるカーボン多孔体シートの一例を示す図である。
【図６Ａ】図６Ａは、第３実施形態の電気化学式水素ポンプにおけるカーボン多孔体シートの一例を示す図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、第３実施形態の変形例の電気化学式水素ポンプにおけるカーボン多孔体シートの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
特許文献１および特許文献２では、多孔性材料で構成される給電体における水による流路閉塞（以下、フラディング）の問題については検討されていない。
【００１２】
ここで、例えば、電気化学式水素ポンプのアノード電極およびカソード電極間に電流が流れるとき、プロトンがアノード電極からカソード電極に水を同伴しながら電解質膜を移動する。このとき、アノード電極からカソード電極に移動した水（電気浸透水）は、電気化学式水素ポンプの動作温度が所定温度以上の場合、水蒸気として存在するが、カソード電極の水素ガス圧が高圧になる程、液体の水として存在する割合が増加する。そして、カソード電極に液体の水が存在する場合、かかる水の一部は、カソード電極およびアノード電極間の差圧によってアノード電極に押し戻され、アノード電極に押し戻される水の量は、カソード電極の水素ガス圧が高圧になる程、増加する。すると、カソード電極の水素ガス圧が上昇するに連れて、アノード電極に押し戻された水によってアノード電極のアノードガス拡散層でフラディングが発生しやすくなる。そして、このようなフラディングが発生することにより、アノード電極でガス拡散性が阻害される場合、電気化学式水素ポンプの拡散抵抗が増加することで、電気化学式水素ポンプの水素昇圧動作の効率が低下する恐れがある。
【００１３】
そこで、本開示の第１態様の電気化学式水素ポンプは、電解質膜と、電解質膜の一方の主面上に設けられたアノード触媒層と、電解質膜の他方の主面上に設けられたカソード触媒層と、アノード触媒層上に設けられたアノードガス拡散層と、アノードガス拡散層上に設けられたアノードセパレーターと、アノード触媒層とカソード触媒層との間に電圧を印加する電圧印加器とを備え、電圧印加器が上記の電圧を印加することで、アノード触媒層上に供給された水素含有ガス中の水素を、カソード触媒層上に移動させ、かつ昇圧する装置であって、アノードガス拡散層は、炭素繊維と炭素繊維と異なる炭素材を含み、アノードセパレーター側の第１表面層の気孔率が、アノード触媒層側の第２表面層の気孔率よりも大きいカーボン多孔体シートを含む。
【００１４】
例えば、本開示の第２態様の電気化学式水素ポンプは、第１態様の電気化学式水素ポンプにおいて、上記カーボン多孔体シートは、第１表面層の炭素密度が、第２表面層の炭素密度よりも低くてもよい。
【００１５】
以上の構成によると、本態様の電気化学式水素ポンプは、アノードガス拡散層における水によるフラディングの発生を従来よりも抑制し得る。
【００１６】
具体的には、カーボン多孔体シートのアノードセパレーター側の第１表面層の気孔率を大きくすることで、カーボン多孔体シート内に存在する水を、例えば、カーボン多孔体シートにおける水素含有ガスの流れによって、カーボン多孔体シート外に排水しやすくなる。また、カーボン多孔体シートのアノード触媒層側の第２表面層の気孔率を小さくすることで、カソード電極およびアノード電極間の差圧によってアノード電極に押し戻された水が、第２表面層を通過することを抑制することができる。
【００１７】
以上により、本態様の電気化学式水素ポンプは、アノードガス拡散層における水によるフラディングの発生が抑制され、その結果、アノード電極でガス拡散性を適切に維持することができる。
【００１８】
本開示の第３態様の電気化学式水素ポンプは、第１態様または第２態様の電気化学式水素ポンプにおいて、カーボン多孔体シートは、第１表面層の炭素材の密度が、第２表面層の炭素材の密度よりも低くてもよい。
【００１９】
かかる構成によると、本態様の電気化学式水素ポンプは、カーボン多孔体シートに含まれる炭素材の密度の高低差によって、カーボン多孔体シートにおいて、第１表面層と第２表面層との間で気孔率の大小関係を適切に設定することができる。
【００２０】
本開示の第４態様の電気化学式水素ポンプは、第１態様から第３態様のいずれか一つの電気化学式水素ポンプにおいて、カーボン多孔体シートは、炭素材が、熱硬化性樹脂の炭化物であってもよい。
【００２１】
熱硬化性樹脂は、加熱により重合する高分子材料で構成されており、硬化して元に戻らない樹脂である。この場合、カーボン多孔体シートに含まれる炭素材として、熱硬化性樹脂の炭化物を用いることができる。例えば、熱硬化性樹脂が含浸した炭素繊維シートを焼成すると、炭素繊維および熱硬化性樹脂の炭化物が含まれる、高剛性、高導電性および高いガス拡散性のカーボン多孔体シートを得ることができる。
【００２２】
本開示の第５態様の電気化学式水素ポンプは、第１態様から第４態様のいずれか一つの電気化学式水素ポンプにおいて、カーボン多孔体シートは、第１表面層の炭素繊維の密度が、第２表面層の炭素繊維の密度よりも低くてもよい。
【００２３】
かかる構成によると、本態様の電気化学式水素ポンプは、カーボン多孔体シートに含まれる炭素繊維の密度の高低差によって、カーボン多孔体シートにおいて、第１表面層と第２表面層との間で気孔率の大小関係を適切に設定することができる。
【００２４】
本開示の第６態様の電気化学式水素ポンプは、第１態様から第５態様のいずれか一つの電気化学式水素ポンプにおいて、カーボン多孔体シートは、第１表面層に、水素含有ガスが流通する流路が設けられていてもよい。
【００２５】
かかる構成によると、本態様の電気化学式水素ポンプは、カーボン多孔体シートのアノードセパレーター側の第１表面層に流路を設けることで、かかる流路内に存在する水を、例えば、カーボン多孔体シートにおける水素含有ガスの流れによって、カーボン多孔体シート外に排水しやすくなる。これにより、本態様の電気化学式水素ポンプは、アノードガス拡散層における水によるフラディングの発生が抑制され、その結果、アノード電極でガス拡散性を適切に維持することができる。
【００２６】
また、本態様の電気化学式水素ポンプは、カーボン多孔体シートのアノードセパレーター側の第１表面層に、例えば、金型成型などを用いて水素含有ガスが流通する流路を簡易に設けることができる。よって、本態様の電気化学式水素ポンプは、例えば、金属製のアノードセパレーターに水素含有ガスが流通する流路を切削加工する場合に比べて、流路を形成しやすくなる。
【００２７】
本開示の第７態様の電気化学式水素ポンプは、第１態様から第６態様のいずれか一つの電気化学式水素ポンプにおいて、カーボン多孔体シートは、第２表面層に撥水層が含まれていてもよい。また、本開示の第８態様の電気化学式水素ポンプは、第１態様から第６態様のいずれか一つの電気化学式水素ポンプにおいて、カーボン多孔体シートは、第２表面層上に撥水層が設けられていてもよい。
【００２８】
かかる構成によると、本態様の電気化学式水素ポンプは、アノード触媒層側の第２表面層に含まれる撥水層、または、アノード触媒層側の第２表面層上に設けられた撥水層により、カーボン多孔体シートに撥水性を付与することができる。すると、カソード電極およびアノード電極間の差圧によってアノード電極に押し戻された水を、上記の撥水層において水素含有ガスの流れによって速やかに外部に排水することができる。よって、本態様の電気化学式水素ポンプは、アノードガス拡散層における水によるフラディングの発生が抑制され、その結果、アノード電極でガス拡散性を適切に維持することができる。
【００２９】
本開示の第９態様の電気化学式水素ポンプは、第７態様または第８態様の電気化学式水素ポンプにおいて、撥水層は、撥水性樹脂とカーボンブラックを含むものであってもよい。
【００３０】
かかる構成によると、本態様の電気化学式水素ポンプは、撥水層が撥水性樹脂とカーボンブラックを含むことで、アノードガス拡散層の撥水性を適切に発現させることができる。
【００３１】
以下、添付図面を参照しながら、本開示の実施形態について説明する。なお、以下で説明する実施形態は、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、および、構成要素の配置位置および接続形態などは、あくまで一例であり、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、上記の各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。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。
【００３２】
（第１実施形態）
［装置構成］
図１Ａおよび図２Ａ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１Ｂは、図１Ａの電気化学式水素ポンプのＢ部の拡大図である。図２Ｂは、図２Ａの電気化学式水素ポンプのＢ部の拡大図である。
【００３３】
なお、図１Ａには、平面視において電気化学式水素ポンプ１００の中心と、カソードガス導出マニホールド５０の中心と、を通過する直線を含む電気化学式水素ポンプ１００の垂直断面が示されている。また、図２Ａには、平面視において電気化学式水素ポンプ１００の中心と、アノードガス導入マニホールド２７の中心と、アノードガス導出マニホールド３０の中心と、を通過する直線を含む電気化学式水素ポンプ１００の垂直断面が示されている。
【００３４】
図１Ａおよび図２Ａに示す例では、電気化学式水素ポンプ１００は、少なくとも一つの水素ポンプユニット１００Ａを備える。
【００３５】
なお、電気化学式水素ポンプ１００には、複数の水素ポンプユニット１００Ａが積層されている。例えば、図１Ａおよび図２Ａでは、３段の水素ポンプユニット１００Ａが積層されているが、水素ポンプユニット１００Ａの個数はこれに限定されない。つまり、水素ポンプユニット１００Ａの個数は、電気化学式水素ポンプ１００が昇圧する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。
【００３６】
水素ポンプユニット１００Ａは、電解質膜１１と、アノード電極ＡＮと、カソード電極ＣＡと、カソードセパレーター１６と、アノードセパレーター１７と、絶縁体２１と、を備える。そして、水素ポンプユニット１００Ａにおいて、電解質膜１１、アノード触媒層１３、カソード触媒層１２、アノードガス拡散層１５、カソードガス拡散層１４、アノードセパレーター１７およびカソードセパレーター１６が積層されている。
【００３７】
アノード電極ＡＮは、電解質膜１１の一方の主面上に設けられている。アノード電極ＡＮは、アノード触媒層１３と、アノードガス拡散層１５とを含む電極である。なお、平面視において、アノード触媒層１３の周囲を囲むように環状のシール部材４３が設けられ、アノード触媒層１３が、シール部材４３で適切にシールされている。
【００３８】
カソード電極ＣＡは、電解質膜１１の他方の主面上に設けられている。カソード電極ＣＡは、カソード触媒層１２と、カソードガス拡散層１４とを含む電極である。なお、平面視において、カソード触媒層１２の周囲を囲むように環状のシール部材４２が設けられ、カソード触媒層１２が、シール部材４２で適切にシールされている。
【００３９】
以上により、電解質膜１１は、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２のそれぞれと接触するようにして、アノード電極ＡＮとカソード電極ＣＡとによって挟持されている。なお、カソード電極ＣＡ、電解質膜１１およびアノード電極ＡＮの積層体を膜−電極接合体（以下、ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）という。
【００４０】
電解質膜１１は、プロトン伝導性を備える。電解質膜１１は、プロトン伝導性を備えていれば、どのような構成であってもよい。例えば、電解質膜１１として、フッ素系高分子電解質膜、炭化水素系高分子電解質膜を挙げることができるが、これらに限定されない。具体的には、例えば、電解質膜１１として、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。
【００４１】
アノード触媒層１３は、電解質膜１１の一方の主面上に設けられている。アノード触媒層１３は、触媒金属として、例えば、白金を含むが、これに限定されない。
【００４２】
カソード触媒層１２は、電解質膜１１の他方の主面上に設けられている。カソード触媒層１２は、触媒金属として、例えば、白金を含むが、これに限定されない。
【００４３】
カソード触媒層１２およびアノード触媒層１３の触媒担体としては、例えば、カーボンブラック、黒鉛などのカーボン粒子、導電性の酸化物粒子などが挙げられるが、これらに限定されない。
【００４４】
なお、カソード触媒層１２およびアノード触媒層１３では、触媒金属の微粒子が、触媒担体に高分散に担持されている。また、これらのカソード触媒層１２およびアノード触媒層１３中には、電極反応場を大きくするために、水素イオン伝導性のイオノマー成分を加えることが一般的である。
【００４５】
カソードガス拡散層１４は、カソード触媒層１２上に設けられている。また、カソードガス拡散層１４は、多孔性材料で構成され、導電性およびガス拡散性を備える。さらに、カソードガス拡散層１４は、電気化学式水素ポンプ１００の水素昇圧動作時にカソード電極ＣＡおよびアノード電極ＡＮ間の差圧で発生する構成部材の変位、変形に適切に追従するような弾性を備える方が望ましい。
【００４６】
ここで、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１４は、カソードセパレーター１６の凹部に収容されるとともに、締結器２５による水素ポンプユニット１００Ａの締結前に、図示を省略するが、かかる凹部からその厚み方向に、はみ出して配設されている。このため、締結器２５による水素ポンプユニット１００Ａの締結時において、カソードガス拡散層１４の厚みが、凹部からのはみ出し量分、圧縮変形する。これは以下の理由による。
【００４７】
電気化学式水素ポンプ１００の水素昇圧動作時には、カソード電極ＣＡおよびアノード電極ＡＮ間の差圧によって、アノードガス拡散層１５、アノード触媒層１３および電解質膜１１に高圧が付与されることで、アノードガス拡散層１５、アノード触媒層１３および電解質膜１１が圧縮変形する。しかし、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、上記の構成により、カソードガス拡散層１４が、アノードガス拡散層１５、アノード触媒層１３および電解質膜１１の変形に追従するように、締結器２５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ができる。これにより、カソード触媒層１２とカソードガス拡散層１４との間の接触を適切に維持できる。
【００４８】
なお、カソードガス拡散層１４として、カーボン繊維で構成した部材が用いられている。例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルトなどの多孔性のカーボン繊維シートでもよい。カソードガス拡散層１４の基材として、カーボン繊維シートを用いなくもよい。例えば、カソードガス拡散層１４の基材として、チタン、チタン合金、ステンレススチールなどを素材とする金属繊維の焼結体、これらを素材とする金属粒子の焼結体などを用いてもよい。
【００４９】
アノードガス拡散層１５は、アノード触媒層１３上に設けられている。また、アノードガス拡散層１５は、多孔性材料で構成され、導電性およびガス拡散性を備える。さらに、アノードガス拡散層１５は、電気化学式水素ポンプ１００の水素昇圧動作時にカソード電極ＣＡおよびアノード電極ＡＮ間の差圧で発生する構成部材の変位、変形を抑制可能な高剛性であることが望ましい。
【００５０】
ここで、図３は、第１実施形態の電気化学式水素ポンプにおけるカーボン多孔体シートの一例を示す図である。
【００５１】
アノードガス拡散層１５は、炭素繊維と炭素繊維と異なる炭素材を含み、アノードセパレーター１７側の第１表面層１５Ｂの気孔率が、アノード触媒層１３側の第２表面層１５Ａの気孔率よりも大きいカーボン多孔体シート１５Ｓを備える。なお、このようなカーボン多孔体シート１５Ｓは、一例として、第１表面層１５Ｂの炭素密度が、第２表面層１５Ａの炭素密度よりも低くてもよい。
【００５２】
また、カーボン多孔体シート１５Ｓは、上記の炭素材が、熱硬化性樹脂の炭化物であってもよい。この場合、カーボン多孔体シート１５Ｓは、例えば、熱硬化樹脂および炭素繊維を素材とする焼成体であってもよい。具体的には、熱硬化性樹脂は、加熱により重合する高分子材料で構成されており、硬化して元に戻らない樹脂である。そこで、例えば、熱硬化性樹脂が含浸した炭素繊維シートを焼成すると、炭素繊維および熱硬化性樹脂の炭化物が含まれる、高剛性、高導電性および高いガス拡散性のカーボン多孔体シート１５Ｓを得ることができる。詳細は後で説明する。
【００５３】
ここで、以上のカーボン多孔体シート１５Ｓにおいて、例えば、カーボン多孔体シート１５Ｓに含まれる炭素繊維の密度の高低差によって、第１表面層１５Ｂと第２表面層１５Ａとの間で気孔率の大小関係を適切に設定することができる。つまり、本例のカーボン多孔体シート１５Ｓは、第１表面層１５Ｂの炭素繊維の密度が、第２表面層１５Ａの炭素繊維の密度よりも低い。これにより、第１表面層１５Ｂの気孔率を第２表面層１５Ａの気孔率よりも大きくすることができる。
【００５４】
また、以上のカーボン多孔体シート１５Ｓにおいて、例えば、カーボン多孔体シート１５Ｓに含まれる炭素材の密度の高低差によって、第１表面層１５Ｂと第２表面層１５Ａとの間で気孔率の大小関係を適切に設定することもできる。つまり、本例のカーボン多孔体シート１５Ｓは、第１表面層１５Ｂの炭素材の密度が、第２表面層１５Ａの炭素材の密度よりも低い。具体的には、カーボン多孔体シート１５Ｓが、例えば、熱硬化性樹脂が含侵した炭素繊維シートの焼成体である場合、焼成前における炭素繊維シート中の熱硬化性樹脂の含浸量が多い程、焼成後における炭素材の密度が高くなる。よって、本例のカーボン多孔体シート１５Ｓは、焼成前における、第１表面層１５Ｂの熱硬化性樹脂の含浸量が、第２表面層１５Ａの熱硬化性樹脂の含浸量よりも少ない。
【００５５】
なお、以上の熱硬化性樹脂として、例えば、フェノール樹脂などを挙げることができるが、これに限定されない。
【００５６】
また、カーボン多孔体シート１５Ｓにおける気孔径および気孔率は、例えば、水銀ポロシメータ（商品名：オートポアIII９４１０、株式会社島津製作所製）で評価可能であるが、これに限定されない。この水銀ポロシメータは、細孔への水銀の圧入を利用して、数ｎｍ〜５００μｍ程度の気孔径を有する気孔の容積を測定することができる。そして、第１表面層１５Ｂおよび第２表面層１５Ａのそれぞれの気孔の容積と固体部分とから、これらの気孔率を知ることができる。
【００５７】
また、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、図３に示す如く、カーボン多孔体シート１５Ｓは、第１表面層１５Ｂの一方の主面が、アノードセパレーター１７の主面と接触するとともに、第１表面層１５Ｂの他方の主面が、第２表面層１５Ａの一方の主面と接触するように構成された積層体であってもよい。そして、図３に示す如く、第２表面層１５Ａの他方の主面がアノード触媒層１３と接触していてもよい。
【００５８】
なお、図３のカーボン多孔体シート１５Ｓは、単一の炭素繊維シートで作製されてもよいし、複数の炭素繊維シートで作製されてもよい。
【００５９】
前者の場合、焼成前において、炭素繊維シートの片面のみに熱硬化性樹脂を含浸させることでカーボン多孔体シート１５Ｓを得ることができる。
【００６０】
後者の場合、焼成前において、熱硬化性樹脂の含浸量が異なる２枚の炭素繊維シートを積層することでカーボン多孔体シート１５Ｓを得ることができる。なお、この場合、炭素繊維シートの積層数は、３層以上でもよい。例えば、第１表面層１５Ｂに対応する炭素繊維シートと第２表面層１５Ａに対応する炭素繊維シートとの間に、熱硬化性樹脂が含侵した炭素繊維シートの焼成体を含み、第１表面層１５Ｂよりも気孔率が小さく、かつ、第２表面層１５Ａよりも気孔率が大きい中間層（図示せず）などが設けられていてもよい。
【００６１】
次に、第１実施形態の電気化学式水素ポンプ１００におけるカーボン多孔体シート１５ＳのＳＥＭによる断面観察の結果の一例について、図面を参照しながら説明する。
【００６２】
図４Ａ、図４Ｂおよび図４Ｃは、第１実施形態の電気化学式水素ポンプにおけるカーボン多孔体シートのＳＥＭによる断面画像の一例を示す図である。
【００６３】
図４Ａには、カーボン多孔体シート１５Ｓの断面の一部を５００倍の倍率で観察した画像が示されている。図４Ｂには、図４ＡのＢ部の拡大画像（２０００倍）が示されている。図４Ｃには、図４ＢのＣ部の拡大画像（５０００倍）が示されている。
【００６４】
なお、ＳＥＭによる断面観察は、以下の電子銃の条件で行われた。
・加速電圧：４ｋＶ
・エミッション電流：ＳＳ４０
また、カーボン多孔体シート１５Ｓとして、炭素繊維と炭素材（フェノール樹脂系の熱硬化樹脂の炭化物）を含む東海カーボン株式会社製の炭素繊維シート（商品名：トカレフレックス）が使用された。
【００６５】
図４Ｃに示すように、炭素繊維間の隙間（図中の暗い部分）に、熱硬化樹脂の炭化物（図中の明るい部分）が存在することを確認することができた。つまり、このような炭化物が、炭素繊維間の隙間を埋めるので、焼成前における、炭素繊維シートに含浸する熱硬化性樹脂の含浸量を適宜、制御することで、炭素繊維シートの気孔率を所望の値に調整することができる。
【００６６】
なお、図４ＡのＢ部の上方に存在する最上層の明るい部分は、Ｂ部の炭素繊維が延伸する方向と異なる方向に延伸する炭素繊維を切断する際に発生した炭素繊維のダメージ部である。また、図４ＡのＢ部の下方に存在する空洞部（図中の暗い部分）は、炭素繊維を切断する際に発生した炭素繊維のクラックである。
【００６７】
アノードセパレーター１７は、アノード電極ＡＮ上に設けられた部材である。カソードセパレーター１６は、カソード電極ＣＡ上に設けられた部材である。そして、カソードセパレーター１６およびアノードセパレーター１７のそれぞれの中央部には、凹部が設けられている。これらの凹部のそれぞれに、カソードガス拡散層１４およびアノードガス拡散層１５がそれぞれ収容されている。
【００６８】
このようにして、カソードセパレーター１６およびアノードセパレーター１７で上記のＭＥＡを挟むことにより、水素ポンプユニット１００Ａが形成されている。
【００６９】
カソードガス拡散層１４と接触するカソードセパレーター１６の主面には、平面視において、例えば、複数のＵ字状の折り返す部分と複数の直線部分とを含むサーペンタイン状のカソードガス流路３２が設けられている。そして、カソードガス流路３２の直線部分は、図１Ａの紙面に垂直な方向に延伸している。ただし、このようなカソードガス流路３２は、例示であって、本例に限定されない。例えば、カソードガス流路は、複数の直線状の流路により構成されていてもよい。
【００７０】
アノードガス拡散層１５と接触するアノードセパレーター１７の主面には、平面視において、例えば、複数のＵ字状の折り返す部分と複数の直線部分とを含むサーペンタイン状のアノードガス流路３３が設けられている。そして、アノードガス流路３３の直線部分は、図２Ａの紙面に垂直な方向に延伸している。ただし、このようなアノードガス流路３３は、例示であって、本例に限定されない。例えば、アノードガス流路は、複数の直線状の流路により構成されていてもよい。
【００７１】
また、導電性のカソードセパレーター１６およびアノードセパレーター１７の間には、ＭＥＡの周囲を囲むように設けられた環状かつ平板状の絶縁体２１が挟み込まれている。これにより、カソードセパレーター１６およびアノードセパレーター１７の短絡が防止されている。
【００７２】
ここで、電気化学式水素ポンプ１００は、水素ポンプユニット１００Ａにおける、積層方向の両端上に設けられた第１端板および第２端板と、水素ポンプユニット１００Ａ、第１端板および第２端板を積層方向に締結する締結器２５と、を備える。
【００７３】
なお、図１Ａおよび図２Ａに示す例では、カソード端板２４Ｃおよびアノード端板２４Ａがそれぞれ、上記の第１端板および第２端板のそれぞれに対応する。つまり、アノード端板２４Ａは、水素ポンプユニット１００Ａの各部材が積層された積層方向において、一方の端に位置するアノードセパレーター１７上に設けられた端板である。また、カソード端板２４Ｃは、水素ポンプユニット１００Ａの各部材が積層された積層方向において、他方の端に位置するカソードセパレーター１６上に設けられた端板である。
【００７４】
締結器２５は、水素ポンプユニット１００Ａ、カソード端板２４Ｃおよびアノード端板２４Ａを積層方向に締結することができれば、どのような構成であってもよい。
【００７５】
例えば、締結器２５として、ボルトおよび皿ばね付きナットなどを挙げることができる。
【００７６】
このとき、締結器２５のボルトは、アノード端板２４Ａおよびカソード端板２４Ｃのみを貫通するように構成してもよいが、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、かかるボルトは、３段の水素ポンプユニット１００Ａの各部材、カソード給電板２２Ｃ、カソード絶縁板２３Ｃ、アノード給電板２２Ａ、アノード絶縁板２３Ａ、アノード端板２４Ａおよびカソード端板２４Ｃを貫通している。そして、上記の積層方向において他方の端に位置するカソードセパレーター１６の端面、および、上記の積層方向において一方の端に位置するアノードセパレーター１７の端面をそれぞれ、カソード給電板２２Ｃとカソード絶縁板２３Ｃおよびアノード給電板２２Ａとアノード絶縁板２３Ａのそれぞれを介して、カソード端板２４Ｃおよびアノード端板２４Ａのそれぞれで挟むようにして、締結器２５により水素ポンプユニット１００Ａに所望の締結圧が付与されている。
【００７７】
以上により、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、３段の水素ポンプユニット１００Ａが、上記の積層方向において、締結器２５の締結圧により積層状態で適切に保持されるとともに、電気化学式水素ポンプ１００の各部材を締結器２５のボルトが貫通しているので、これらの各部材の面内方向における移動を適切に抑えることができる。
【００７８】
ここで、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれのカソードガス拡散層１４から流出するカソードガス（水素）が流れるカソードガス流路３２が連通されている。以下、図面を参照しながら、カソードガス流路３２のそれぞれが連通する構成について説明する。
【００７９】
まず、図１Ａに示すように、カソードガス導出マニホールド５０は、３段の水素ポンプユニット１００Ａの各部材およびカソード端板２４Ｃに設けられた貫通孔、および、アノード端板２４Ａに設けられた非貫通孔の連なりによって構成されている。また、カソード端板２４Ｃには、カソードガス導出経路２６が設けられている。カソードガス導出経路２６は、カソード電極ＣＡから排出される水素（Ｈ２）が流通する配管で構成されていてもよい。そして、カソードガス導出経路２６は、上記のカソードガス導出マニホールド５０と連通している。
【００８０】
さらに、カソードガス導出マニホールド５０は、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれのカソードガス流路３２の一方の端部と、カソードガス通過経路３４のそれぞれを介して連通している。これにより、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれのカソードガス流路３２およびカソードガス通過経路３４を通過した水素が、カソードガス導出マニホールド５０で合流される。そして、合流された水素がカソードガス導出経路２６に導かれる。
【００８１】
このようにして、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれのカソードガス流路３２は、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれのカソードガス通過経路３４およびカソードガス導出マニホールド５０を介して連通している。
【００８２】
カソードセパレーター１６およびアノードセパレーター１７の間、カソードセパレーター１６およびカソード給電板２２Ｃの間、アノードセパレーター１７およびアノード給電板２２Ａの間には、平面視において、カソードガス導出マニホールド５０を囲むように、Ｏリングなどの環状のシール部材４０が設けられ、カソードガス導出マニホールド５０が、このシール部材４０で適切にシールされている。
【００８３】
図２Ａに示す如く、アノード端板２４Ａには、アノードガス導入経路２９が設けられている。アノードガス導入経路２９は、アノード電極ＡＮに供給されるアノードガスが流通する配管で構成されていてもよい。なお、このようなアノードガスとして、例えば、水蒸気を含む水素含有ガスなどを挙げることができる。そして、アノードガス導入経路２９は、筒状のアノードガス導入マニホールド２７に連通している。なお、アノードガス導入マニホールド２７は、３段の水素ポンプユニット１００Ａの各部材およびアノード端板２４Ａに設けられた貫通孔の連なりによって構成されている。
【００８４】
また、アノードガス導入マニホールド２７は、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれのアノードガス流路３３の一方の端部と、第１アノードガス通過経路３５のそれぞれを介して連通している。これにより、アノードガス導入経路２９からアノードガス導入マニホールド２７に供給されたアノードガスは、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれの第１アノードガス通過経路３５を通じて、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれに分配される。そして、分配されたアノードガスがアノードガス流路３３を通過する間に、アノードガス拡散層１５からアノード触媒層１３にアノードガスが供給される。
【００８５】
また、図２Ａに示す如く、アノード端板２４Ａには、アノードガス導出経路３１が設けられている。アノードガス導出経路３１は、アノード電極ＡＮから排出されるアノードガスが流通する配管で構成されていてもよい。そして、アノードガス導出経路３１は、筒状のアノードガス導出マニホールド３０に連通している。なお、アノードガス導出マニホールド３０は、３段の水素ポンプユニット１００Ａの各部材およびアノード端板２４Ａに設けられた貫通孔の連なりによって構成されている。
【００８６】
また、アノードガス導出マニホールド３０が、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれのアノードガス流路３３の他方の端部と、第２アノードガス通過経路３６のそれぞれを介して連通している。これにより、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれのアノードガス流路３３を通過したアノードガスが、第２アノードガス通過経路３６のそれぞれを通じてアノードガス導出マニホールド３０に供給され、ここで合流される。そして、合流されたアノードガスが、アノードガス導出経路３１に導かれる。
【００８７】
カソードセパレーター１６およびアノードセパレーター１７の間、カソードセパレーター１６およびカソード給電板２２Ｃの間、アノードセパレーター１７およびアノード給電板２２Ａの間には、平面視において、アノードガス導入マニホールド２７およびアノードガス導出マニホールド３０を囲むようにＯリングなどの環状のシール部材４０が設けられ、アノードガス導入マニホールド２７およびアノードガス導出マニホールド３０が、シール部材４０で適切にシールされている。
【００８８】
図１Ａおよび図２Ａに示すように、電気化学式水素ポンプ１００は、電圧印加器１０２を備える。
【００８９】
電圧印加器１０２は、アノード触媒層１３とカソード触媒層１２との間に電圧を印加する装置である。つまり、電気化学式水素ポンプ１００は、電圧印加器１０２が上記の電圧を印加することで、アノード触媒層１３上に供給された水素含有ガス中の水素を、カソード触媒層１２上に移動させ、かつ昇圧する装置である。
【００９０】
具体的には、電圧印加器１０２の高電位が、アノード触媒層１３に印加され、電圧印加器１０２の低電位が、カソード触媒層１２に印加されている。電圧印加器１０２は、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２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。例えば、電圧印加器１０２は、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２間に印加する電圧を調整する装置であってもよい。このとき、電圧印加器１０２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。
【００９１】
また、電圧印加器１０２は、例えば、水素ポンプユニット１００Ａに供給する電力が所定の設定値となるように、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２間に印加される電圧、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２間に流れる電流が調整される電力型電源であってもよい。
【００９２】
なお、図１Ａおよび図２Ａに示す例では、電圧印加器１０２の低電位側の端子が、カソード給電板２２Ｃに接続され、電圧印加器１０２の高電位側の端子が、アノード給電板２２Ａに接続されている。カソード給電板２２Ｃは、上記の積層方向において他方の端に位置するカソードセパレーター１６と電気的に接触しており、アノード給電板２２Ａは、上記の積層方向において一方の端に位置するアノードセパレーター１７と電気的に接触している。
【００９３】
図示を省略するが、上記の電気化学式水素ポンプ１００を備える水素供給システムを構築することもできる。この場合、水素供給システムの水素供給動作において必要となる機器は適宜、設けられる。
【００９４】
例えば、水素供給システムには、アノードガス導出経路３１を通じてアノード電極ＡＮから排出される高加湿状態の水素含有のアノードガスと、アノードガス導入経路２９を通して外部の水素供給源から供給される低加湿状態の水素含有のアノードガスとが混合された混合ガスの露点を調整する露点調整器（例えば、加湿器）が設けられていてもよい。このとき、外部の水素供給源の水素含有のアノードガスは、例えば、水電解装置で生成されてもよい。
【００９５】
また、水素供給システムには、例えば、電気化学式水素ポンプ１００の温度を検出する温度検出器、電気化学式水素ポンプ１００のカソード電極ＣＡから排出された水素を一時的に貯蔵する水素貯蔵器、水素貯蔵器内の水素ガス圧を検出する圧力検出器などが設けられていてもよい。
【００９６】
なお、上記の電気化学式水素ポンプ１００の構成、および、水素供給システムにおける図示しない様々な機器は例示であって、本例に限定されない。
【００９７】
例えば、アノードガス導出マニホールド３０およびアノードガス導出経路３１を設けずに、アノードガス導入マニホールド２７を通してアノード電極ＡＮに供給するアノードガス中の水素を全てカソード電極ＣＡで昇圧するデッドエンド構造が採用されてもよい。
【００９８】
[動作]
以下、電気化学式水素ポンプ１００の水素昇圧動作の一例について、図面を参照しながら説明する。
【００９９】
以下の動作は、例えば、図示しない制御器の演算回路が、制御器の記憶回路から制御プログラムを読み出すことにより行われてもよい。ただし、以下の動作を制御器で行うことは、必ずしも必須ではない。操作者が、その一部の動作を行ってもよい。また、以下では、電気化学式水素ポンプ１００のアノード電極ＡＮに、アノードガスとして、水蒸気を含む水素含有ガスが供給される場合について説明する。
【０１００】
まず、電気化学式水素ポンプ１００のアノード電極ＡＮに低圧の水素含有ガスが供給されるとともに、電圧印加器１０２の電圧が電気化学式水素ポンプ１００に給電される。
【０１０１】
すると、アノード電極ＡＮのアノード触媒層１３において、酸化反応で水素分子が水素イオン（プロトン）と電子とに分離する（式（１））。プロトンは電解質膜１１内を伝導してカソード触媒層１２に移動する。電子は電圧印加器１０２を通じてカソード触媒層１２に移動する。
【０１０２】
そして、カソード触媒層１２において、還元反応で水素分子が再び生成される（式（２））。なお、プロトンが電解質膜１１中を伝導する際に、所定水量の水が、電気浸透水としてアノード電極ＡＮからカソード電極ＣＡにプロトンと同伴して移動することが知られている。
【０１０３】
このとき、図示しない流量調整器を用いて、水素導出経路の圧損を増加させることにより、カソード電極ＣＡで生成された水素（Ｈ２）を昇圧することができる。なお、水素導出経路として、例えば、図２Ａのカソードガス導出経路２６を挙げることができる。また、流量調整器として、例えば、水素導出経路に設けられた背圧弁、調整弁などを挙げることができる。
【０１０４】
アノード電極：Ｈ２（低圧）→２Ｈ＋＋２ｅ−      ・・・（１）
カソード電極：２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２（高圧）      ・・・（２）
このようにして、電気化学式水素ポンプ１００では、電圧印加器１０２が上記の電圧を印加することで、アノード電極ＡＮに供給される水素含有ガス中の水素がカソード電極ＣＡにおいて昇圧される。これにより、電気化学式水素ポンプ１００の水素昇圧動作が行われ、カソード電極ＣＡで昇圧された水素は、例えば、図示しない水素貯蔵器に一時的に貯蔵される。また、水素貯蔵器で貯蔵された水素は、適時に、水素需要体に供給される。なお、水素需要体として、例えば、水素を用いて発電する燃料電池などを挙げることができる。
【０１０５】
ここで、例えば、電気化学式水素ポンプ１００のアノード電極ＡＮおよびカソード電極ＣＡ間に電流が流れるとき、プロトンがアノード電極ＡＮからカソード電極ＣＡに水を同伴しながら電解質膜１１を移動する。このとき、アノード電極ＡＮからカソード電極ＣＡに移動した水（電気浸透水）は、電気化学式水素ポンプ１００の動作温度が所定温度以上の場合、水蒸気として存在するが、カソード電極ＣＡの水素ガス圧が高圧になる程、液体の水として存在する割合が増加する。そして、カソード電極ＣＡに液体の水が存在する場合、かかる水の一部は、カソード電極ＣＡおよびアノード電極ＡＮ間の差圧によってアノード電極ＡＮに押し戻され、アノード電極ＡＮに押し戻される水の量は、カソード電極ＣＡの水素ガス圧が高圧になる程、増加する。すると、カソード電極ＣＡの水素ガス圧が上昇するに連れて、アノード電極ＡＮに押し戻された水によってアノード電極ＡＮのアノードガス拡散層１５でフラディングが発生しやすくなる。そして、このようなフラディングが発生することにより、アノード電極ＡＮでガス拡散性が阻害される場合、電気化学式水素ポンプ１００の拡散抵抗が増加することで、電気化学式水素ポンプ１００の水素昇圧動作の効率が低下する恐れがある。
【０１０６】
そこで、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、上記のとおり、アノードガス拡散層１５は、炭素繊維と炭素繊維と異なる炭素材を含み、アノードセパレーター１７側の第１表面層１５Ｂの気孔率が、アノード触媒層１３側の第２表面層１５Ａの気孔率よりも大きいカーボン多孔体シート１５Ｓを備える。これにより、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、アノードガス拡散層１５における水によるフラディングの発生を従来よりも抑制し得る。
【０１０７】
具体的には、カーボン多孔体シート１５Ｓのアノードセパレーター１７側の第１表面層１５Ｂの気孔率を大きくすることで、カーボン多孔体シート１５Ｓ内に存在する水を、例えば、カーボン多孔体シート１５Ｓにおける水素含有ガスの流れによって、カーボン多孔体シート１５Ｓ外に排水しやすくなる。また、カーボン多孔体シート１５Ｓのアノード触媒層１３側の第２表面層１５Ａの気孔率を小さくすることで、カソード電極ＣＡおよびアノード電極ＡＮ間の差圧によってアノード電極に押し戻された水が、第２表面層１５Ａを通過することを抑制することができる。
【０１０８】
以上により、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、アノードガス拡散層１５における水によるフラディングの発生が抑制され、その結果、アノード電極ＡＮでガス拡散性を適切に維持することができる。
【０１０９】
ここで、特許文献１および特許文献２の電気化学式水素ポンプでは、ガス拡散層がチタンなどの金属材料で構成されている。そして、ガス拡散層をチタンなどの金属材料で構成する場合、白金などの貴金属による表面メッキが必要になる。これは以下の理由による。
【０１１０】
ガス拡散層をチタンなどの金属材料で構成するとき、金属材料が触媒層を介してプロトン伝導性の電解質膜と接触する。そして、この電解質膜（高分子膜）は、プロトン導電性を得るために、硫酸基を側鎖として構成されることが多い。すると、湿潤状態の水素含有ガスをガス拡散層に供給するとき、金属材料が、強酸性の水分と接触することで、金属材料から金属イオンが水分中に溶出する恐れがある。
【０１１１】
つまり、ガス拡散層を金属材料で構成する場合、ガス拡散層が酸性状態での金属イオン溶出を抑制する必要がある。例えば、このような金属材料の表面に、酸性状態においてイオン溶出が起きにくい貴金属による表面メッキを施すことで、金属材料の表面に導電性被膜を形成することが多いが、このことが、電気化学式水素ポンプのコストアップの要因になる。なお、金属材料の表面に酸化被膜を形成する方法は、ガス拡散層の導電性が低下するので望ましくない。
【０１１２】
そこで、発明者らは、ガス拡散層の酸性状態における金属イオン溶出を抑制すべく、酸性環境下で耐腐食性があり、かつ低コストの炭素系のガス拡散層の使用を検討したが、カソード電極ＣＡにおける圧力の影響でアノードガス拡散層１５がアノードセパレーター１７に設けられたアノードガス流路３３で座屈するという課題を発見した。
【０１１３】
本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、このような課題に鑑みて、上記のとおり、カーボン多孔体シート１５Ｓを、熱硬化性樹脂が含侵した炭素繊維シートの焼成体で構成している。例えば、熱硬化性樹脂が含侵した炭素繊維シートは、窒素ガスなどを満たした還元雰囲気内で予め焼成するとよい。
【０１１４】
以上により、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、焼成により熱硬化性樹脂が炭素化することで、炭素材と炭素繊維とが互いに補強し合うので、カーボン多孔体シート１５Ｓの高剛性を実現することができる。これにより、電気化学式水素ポンプ１００の水素昇圧運転時に発生するカソード電極ＣＡおよびアノード電極ＡＮ間の差圧によって、カーボン多孔体シート１５Ｓが変形することが抑制される。例えば、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、上記の差圧によって、アノードセパレーター１７に設けられたアノードガス流路３３でカーボン多孔体シート１５Ｓが座屈する可能性を低減することができる。
【０１１５】
また、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、焼成により熱硬化性樹脂が炭素化することで、炭化物の導電体を得ることができる。これにより、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、この導電体と炭素繊維とが接触するので、カーボン多孔体シート１５Ｓの高導電性を実現することができる。
【０１１６】
また、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、焼成により熱硬化性樹脂が炭素化することで、カーボン多孔体シート１５Ｓにおいて外部と通じた気孔（連通孔）が形成されやすくなるので、カーボン多孔体シート１５Ｓの高いガス拡散性を実現することができる。
【０１１７】
また、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、熱硬化性樹脂が含浸した炭素繊維シートを予め焼成することで、熱硬化性樹に由来する水素含有ガスの水分中の有機成分を低減することができる。つまり、水素含有ガスの水分中に溶出した有機成分は、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２の反応性、および、電解質膜１１のプロトン伝導性などを阻害するコンタミ成分となり得るが、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、上記の構成により、このような不都合を軽減することができる。
【０１１８】
（第２実施形態）
図５は、第２実施形態の電気化学式水素ポンプにおけるカーボン多孔体シートの一例を示す図である。
【０１１９】
本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、以下に説明するカーボン多孔体シート１５Ｓの構成および製法、および、アノードセパレーター１７の構成以外は、第１実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様である。
【０１２０】
本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、図５に示すように、カーボン多孔体シート１５Ｓは、第１表面層１５Ｂに、水素含有ガスが流通する流路３３Ａが設けられている。つまり、アノードセパレーター１７に設けられたアノードガス流路３３（図１Ｂおよび図２Ｂ参照）に代えて、流路３３Ａが、カーボン多孔体シート１５Ｓの第１表面層１５Ｂに設けられている。
【０１２１】
流路３３Ａは、例えば、気孔率が異なる複数の炭素繊維シートを積層することで、以下の如く、カーボン多孔体シート１５Ｓ内に形成することができる。なお、このような複数の炭素繊維シート、例えば、炭素繊維の密度が異なる炭素繊維シートであってもよい。
【０１２２】
また、図５の炭素繊維シートの積層数は、例示であって本例に限定されない。例えば、第１表面層１５Ｂに対応する炭素繊維シートと第２表面層１５Ａに対応する炭素繊維シートとの間に、熱硬化性樹脂が含侵した炭素繊維シートの焼成体を含み、第１表面層１５Ｂよりも気孔率が小さく、かつ、第２表面層１５Ａよりも気孔率が大きい中間層（図示せず）が設けられていてもよい。
【０１２３】
まず、炭素繊維の密度が低い方の炭素繊維シート（以下、第１の炭素繊維シート）に対して、適宜の金型（図示せず）を用いて、流路３３Ａを構成するスリットを、例えば、平面視においてサーペンタイン状に成型加工する。
【０１２４】
次に、第１の炭素繊維シートの表面に、熱硬化性樹脂を塗布する。すると、第１の炭素繊維シートの表面のうち、上記のスリットが形成されていない部分から熱硬化性樹脂が含浸する。なお、このとき、第１の炭素繊維シートのスリットが熱硬化性樹脂で封孔されないように、熱硬化性樹脂の流動性が適宜、設定されている。
【０１２５】
次に、炭素繊維の密度が高い方の炭素繊維シート（以下、第２の炭素繊維シート）の表面に、熱硬化性樹脂を塗布する。すると、第２の炭素繊維シートの表面全域から熱硬化性樹脂が含浸する。
【０１２６】
次に、熱硬化性樹脂が含浸した第１の炭素繊維シートと、熱硬化性樹脂が含浸した第２の炭素繊維シートとを重ね合わせる。すると、両者の熱硬化性樹脂の重合作用により、第１の炭素繊維シートと第２の炭素繊維シートとが接着する。
【０１２７】
次に、第１の炭素繊維シートおよび第２の炭素繊維シートの積層体を、例えば、窒素ガスなどを満たした還元雰囲気内で焼成する。
【０１２８】
このようにして、図５のカーボン多孔体シート１５Ｓが得られる。つまり、熱硬化性樹脂が含浸した第１の炭素繊維シートの焼成体が、図５のカーボン多孔体シート１５Ｓのアノードセパレーター１７側の第１表面層１５Ｂに相当する。また、熱硬化性樹脂が含浸した第２の炭素繊維シートの焼成体が、図５のカーボン多孔体シート１５Ｓのアノード触媒層１３側の第２表面層１５Ａに相当する。
【０１２９】
なお、以上のカーボン多孔体シート１５Ｓの製法および構成は例示であって、本例に限定されない。
【０１３０】
以上により、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、カーボン多孔体シート１５Ｓのアノードセパレーター１７側の第１表面層１５Ｂに流路３３Ａを設けることで、かかる流路３３Ａ内に存在する水を、例えば、カーボン多孔体シート１５Ｓにおける水素含有ガスの流れによって、カーボン多孔体シート１５Ｓ外に排水しやすくなる。これにより、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、アノードガス拡散層１５における水によるフラディングの発生が抑制され、その結果、アノード電極ＡＮでガス拡散性を適切に維持することができる。
【０１３１】
また、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、カーボン多孔体シート１５Ｓのアノードセパレーター１７側の第１表面層１５Ｂに、例えば、金型成型などを用いて水素含有ガスが流通する流路３３Ａを簡易に設けることができる。よって、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、例えば、金属製のアノードセパレーター１７に水素含有ガスが流通する流路を切削加工する場合に比べて、流路を形成しやすくなる。
【０１３２】
本実施形態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と同様であってもよい。
【０１３３】
（第３実施形態）
図６Ａは、第３実施形態の電気化学式水素ポンプにおけるカーボン多孔体シートの一例を示す図である。
【０１３４】
第３実施形態の電気化学式水素ポンプ１００のカーボン多孔体シート１５Ｓは、第２表面層１１５Ａに撥水層１５Ｈが含まれる以外は、第１実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様である。
【０１３５】
上記のとおり、カソード電極ＣＡの水素ガス圧が上昇するに連れて、アノード電極ＡＮに押し戻された水によってアノード電極ＡＮのアノードガス拡散層１５でフラディングが発生しやすくなる。
【０１３６】
そこで、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、アノード触媒層１３側の第２表面層１１５Ａに含まれる撥水層１５Ｈにより、カーボン多孔体シート１５Ｓに撥水性を付与している。例えば、第２表面層１１５Ａが、炭素繊維を素材とする焼結体である場合、上記の焼結体に、フッ素系樹脂などの撥水性樹脂を含む材料を含浸させることで、図６Ａに示す如く、この第２表面層１１５Ａが撥水層１５Ｈを含むように、カーボン多孔体シート１５Ｓを構成してもよい。すると、カソード電極ＣＡおよびアノード電極ＡＮ間の差圧によってアノード電極ＡＮに押し戻された水を、上記の撥水層１５Ｈにおいて水素含有ガスの流れによって速やかに外部に排水することができる。よって、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、アノードガス拡散層１５における水によるフラディングの発生が抑制され、その結果、アノード電極ＡＮでガス拡散性を適切に維持することができる。
【０１３７】
なお、撥水性樹脂を含む材料として、例えば、ＰＴＦＥの微粉末を溶媒に分散させた溶液などを挙げることができる。
【０１３８】
また、撥水層１５Ｈは、撥水性樹脂とカーボンブラックを含む層であってもよい。この場合、撥水性樹脂およびカーボンブラックを含む材料を第２表面層１１５Ａに含浸させることで、第２表面層１１５Ａに含まれる撥水層１５Ｈが形成される。なお、撥水性樹脂およびカーボンブラックを含む材料として、例えば、ＰＴＦＥの微粉末およびカーボンブラックを溶媒に分散させた溶液などを挙げることができる。これにより、撥水層１５Ｈが撥水性樹脂とカーボンブラックを含むことで、アノードガス拡散層１５の撥水性を適切に発現させることができる。
【０１３９】
なお、以上の撥水層１５Ｈの製法および構成は例示であって、本例に限定されない。
【０１４０】
本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、上記の特徴以外は、第１実施形態または第２実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様であってもよい。
【０１４１】
（変形例）
図６Ｂは、第３実施形態の変形例の電気化学式水素ポンプにおけるカーボン多孔体シートの一例を示す図である。
【０１４２】
本変形例の電気化学式水素ポンプ１００のカーボン多孔体シート１５Ｓは、第２表面層１１５Ａ上に撥水層１５Ｈが設けられている以外は、第１実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様である。
【０１４３】
本変形例の電気化学式水素ポンプ１００では、アノード触媒層１３側の第２表面層１１５Ａ上に設けられた撥水層１５Ｈにより、カーボン多孔体シート１５Ｓに撥水性を付与している。例えば、第２表面層１１５Ａに、フッ素系樹脂などの撥水性樹脂を含む材料を塗布することで、図６Ｂに示す如く、第２表面層１１５Ａ上に撥水層１５Ｈを形成することができる。すると、カソード電極ＣＡおよびアノード電極ＡＮ間の差圧によってアノード電極ＡＮに押し戻された水を、上記の撥水層１５Ｈにおいて水素含有ガスの流れによって速やかに外部に排水することができる。よって、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、アノードガス拡散層１５における水によるフラディングの発生が抑制され、その結果、アノード電極ＡＮでガス拡散性を適切に維持することができる。
【０１４４】
なお、撥水性樹脂を含む材料として、例えば、ＰＴＦＥの微粉末を溶媒に分散させた溶液などを挙げることができる。また、撥水性樹脂を含む材料の塗布方法として、例えば、スプレー塗布法などを挙げることができる。
【０１４５】
また、撥水層１５Ｈは、撥水性樹脂とカーボンブラックを含む層であってもよい。この場合、撥水性樹脂およびカーボンブラックを含む材料を第２表面層１１５Ａに塗布させることで、第２表面層１１５Ａ上に撥水層１５Ｈが形成される。なお、撥水性樹脂およびカーボンブラックを含む材料として、例えば、ＰＴＦＥの微粉末およびカーボンブラックを溶媒に分散させた溶液などを挙げることができる。また、撥水性樹脂およびカーボンブラックを含む材料の塗布方法として、例えば、スプレー塗布法などを挙げることができる。これにより、撥水層１５Ｈが撥水性樹脂とカーボンブラックを含むことで、アノードガス拡散層１５の撥水性を適切に発現させることができる。
【０１４６】
なお、以上の撥水層１５Ｈの製法および構成は例示であって、本例に限定されない。
【０１４７】
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実施形態または第２実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様であってもよい。
【０１４８】
なお、第１実施形態、第２実施形態、第３実施形態および第３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。
【０１４９】
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することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１５０】
本開示の一態様は、アノードガス拡散層における水によるフラディングの発生を従来よりも抑制し得る電気化学式水素ポンプに利用することができる。
【符号の説明】
【０１５１】
１１            ：電解質膜
１２            ：カソード触媒層
１３            ：アノード触媒層
１４            ：カソードガス拡散層
１５            ：アノードガス拡散層
１５Ａ          ：第２表面層
１５Ｂ          ：第１表面層
１５Ｈ          ：撥水層
１５Ｓ          ：カーボン多孔体シート
１６            ：カソードセパレーター
１７            ：アノードセパレーター
２１            ：絶縁体
２２Ａ          ：アノード給電板
２２Ｃ          ：カソード給電板
２３Ａ          ：アノード絶縁板
２３Ｃ          ：カソード絶縁板
２４Ａ          ：アノード端板
２４Ｃ          ：カソード端板
２５            ：締結器
２６            ：カソードガス導出経路
２７            ：アノードガス導入マニホールド
２９            ：アノードガス導入経路
３０            ：アノードガス導出マニホールド
３１            ：アノードガス導出経路
３２            ：カソードガス流路
３３            ：アノードガス流路
３３Ａ          ：流路
３４            ：カソードガス通過経路
３５            ：第１アノードガス通過経路
３６            ：第２アノードガス通過経路
４０            ：シール部材
４２            ：シール部材
４３            ：シール部材
５０            ：カソードガス導出マニホールド
１００          ：電気化学式水素ポンプ
１００Ａ        ：水素ポンプユニット
１０２          ：電圧印加器
１１５Ａ        ：第２表面層
ＡＮ            ：アノード電極
ＣＡ            ：カソード電極
【要約】
電気化学式水素ポンプは、電解質膜と、電解質膜の一方の主面上に設けられたアノード触媒層と、電解質膜の他方の主面上に設けられたカソード触媒層と、アノード触媒層上に設けられたアノードガス拡散層と、アノードガス拡散層上に設けられたアノードセパレーターと、アノード触媒層とカソード触媒層との間に電圧を印加する電圧印加器とを備え、電圧印加器が上記の電圧を印加することで、アノード触媒層上に供給された水素含有ガス中の水素を、カソード触媒層上に移動させ、かつ昇圧する装置であって、アノードガス拡散層は、炭素繊維と炭素繊維と異なる炭素材を含み、アノードセパレーター側の第１表面層の気孔率が、アノード触媒層側の第２表面層の気孔率よりも大きいカーボン多孔体シートを含む。【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
0006719076.tif 000008
【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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