(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に接するアノード触媒層と、
前記電解質膜の他方の主面に接するカソード触媒層と、
前記アノード触媒層に接するアノードガス拡散層と、
前記カソード触媒層に接するカソードガス拡散層と、
前記アノード触媒層および前記カソード触媒層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、前記アノード触媒層側の第１表面層の気孔率が、前記第１表面層よりも内側の層の気孔率よりも小さいカーボン多孔体シートを備える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表面層の密度が、前記第１表面層よりも内側の層の密度よりも大きい請求項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表面層と反対側の第２表面層の密度が、前記第２表面層よりも内側の層の密度よりも大きい請求項１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、前記第１表面層のカーボン粒子径が、前記第１表面層よりも内側の層のカーボン粒子径よりも小さい請求項１または２に記載の電気化学式水素ポンプ。
【請求項５】
前記カーボン多孔体シートは、前記第１表面層と反対側の第２表面層のカーボン粒子径が、前記第２表面層よりも内側の層のカーボン粒子径よりも小さい請求項１または３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表面層のピーク気孔径が前記電解質膜の膜厚よりも小さい請求項１−５のいずれか１項に記載の電気化学式水素ポンプ。
【請求項７】
前記カーボン多孔体シートは、前記第１表面層の気孔率が２０％以上である請求項１−５のいずれか１項に記載の電気化学式水素ポンプ。
【請求項８】
前記カーボン多孔体シートは、前記第１表面層と反対側の第２表面層の気孔率が２０％以上である請求項７に記載の電気化学式水素ポンプ。
【請求項９】
前記カーボン多孔体シートは、前記第１表面層の気孔率が４５％以下である請求項１−７のいずれか１項に記載の電気化学式水素ポンプ。
【請求項１０】
前記カーボン多孔体シートは、前記第１表面層の気孔率が３９％以下である請求項１−７のいずれか１項に記載の電気化学式水素ポンプ。
【請求項１１】
前記カーボン多孔体シートは、前記第１表面層と反対側の第２表面層の気孔率が４５％以下である請求項９に記載の電気化学式水素ポンプ。
【請求項１２】
前記カーボン多孔体シートは、前記第１表面層と反対側の第２表面層の気孔率が３９％以下である請求項１０に記載の電気化学式水素ポンプ。
【請求項１３】
前記カーボン多孔体シートは、前記第１表面層に撥水層が含まれる請求項１−１２のいずれか１項に記載の電気化学式水素ポンプ。
【請求項１４】
前記カーボン多孔体シートは、前記第１表面層上に撥水層が設けられている請求項１−１２のいずれか１項に記載の電気化学式水素ポンプ。
【請求項１５】
前記カーボン多孔体シートは、前記第１表面層と反対側の第２表面層に保水層が含まれる請求項１−１４のいずれか１項に記載の電気化学式水素ポンプ。
【請求項１６】
前記カーボン多孔体シートは、前記第１表面層と反対側の第２表面層上に保水層が設けられている請求項１−１４のいずれか１項に記載の電気化学式水素ポンプ。
【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、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。【０００５】
また、例えば、特許文献２では、金属粉末の焼結体上にカーボンおよび樹脂からなるＭＰＬ（Micro Porous layer）が配された多孔性の給電体が開示されている。これにより、給電体と電解質膜との接触性を向上するとともに、給電体に最適な気孔率を設定することができる。また、給電体と電解質膜との接触による電解質膜の損傷を抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−１８０５５３号公報
【特許文献２】特表２０１５−５２６８４０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に接するアノード触媒層と、前記電解質膜の他方の主面に接するカソード触媒層と、前記アノード触媒層に接するアノードガス拡散層と、前記カソード触媒層に接するカソードガス拡散層と、前記アノード触媒層および前記カソード触媒層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、前記アノード触媒層側の第１表面層の気孔率が、前記第１表面層よりも内側の層の気孔率よりも小さいカーボン多孔体シートを備える。
【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４】図４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５】図５は、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気孔率の測定値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。
【図７Ａ】図７Ａは、第４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７Ｂ】図７Ｂは、第４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に接するアノード触媒層と、電解質膜の他方の主面に接するカソード触媒層と、アノード触媒層に接するアノードガス拡散層と、カソード触媒層に接するカソードガス拡散層と、アノード触媒層およびカソード触媒層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、アノード触媒層側の第１表面層の気孔率が、第１表面層よりも内側の層の気孔率よりも小さいカーボン多孔体シートを備える。
【００１４】
ここで、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表面層の密度が、第１表面層よりも内側の層の密度よりも大きくてもよい。
【００１５】
また、例えば、本開示の第３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表面層と反対側の第２表面層の密度が、第２表面層よりも内側の層の密度よりも大きくてもよい。
【００１６】
また、例えば、本開示の第４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、上記カーボン多孔体シートは、第１表面層のカーボン粒子径が、第１表面層よりも内側の層のカーボン粒子径よりも小さくてもよい。
【００１７】
また、例えば、本開示の第５態様の電気化学式水素ポンプは、第１態様または第３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表面層と反対側の第２表面層のカーボン粒子径が、第２表面層よりも内側の層のカーボン粒子径よりも小さくてもよい。
【００１８】
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。
【００１９】
具体的には、カーボン多孔体シートのアノード触媒層側の第１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１表面層を通過することを抑制することができる。また、カーボン多孔体シートにおける第１表面層よりも内側の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アノード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。
【００２０】
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。
【００２１】
また、以上の構成によると、本態様の電気化学式水素ポンプは、電気化学式水素ポンプの水素昇圧運転時に発生するカソード電極およびアノード電極間の差圧（高圧）によって、アノードガス拡散層が変形することが抑制される。
【００２２】
具体的には、カーボン多孔体シートが、例えば、カーボン粒子を素材とする焼結体（カーボン粉末焼結体）である場合、カーボン多孔体シートの気孔率が低い程、カーボン多孔体シートを構成するカーボン粒子同士のネッキング（粒子間の結合）が増加する。つまり、カーボン多孔体シートの密度が大きい程、カーボン多孔体シートを構成するカーボン粒子同士のネッキング（粒子間の結合）が増加する。すると、カーボン多孔体シートの剛性を向上させることができる。
【００２３】
これにより、本態様の電気化学式水素ポンプは、上記の第１表面層および第２表面層のいずれか一方、または、両方の剛性を向上させることができる。その結果、電気化学式水素ポンプの水素昇圧運転時に発生するカソード電極およびアノード電極間の差圧によって、アノードガス拡散層が変形することが抑制される。例えば、本態様の電気化学式水素ポンプは、上記の差圧によって、アノードセパレーターに設けられた流路でアノードガス拡散層が座屈する可能性を低減することができる。
【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表面層のピーク気孔径が電解質膜の膜厚よりも小さくてもよい。
【００２５】
仮に、第１表面層のピーク気孔径が電解質膜の膜厚以上である場合、電気化学式水素ポンプの水素昇圧運転時に発生するカソード電極およびアノード電極間の差圧によって、電解質膜が第１表面層の気孔内に落ち込むことに起因して電解質膜が破断する可能性がある。しかし、本態様の電気化学式水素ポンプは、第１表面層のピーク気孔径を電解質膜の膜厚よりも小さくすることで、このような可能性を低減することができる。
【００２６】
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表面層の気孔率が２０％以上であってもよい。
【００２７】
本開示の第８態様の電気化学式水素ポンプは、第７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表面層と反対側の第２表面層の気孔率が２０％以上であってもよい。
【００２８】
仮に、第１表面層および第２表面層の気孔率が２０％未満である場合、カーボン多孔体シートのアノード触媒層へのガス拡散性を適切に確保できない恐れがある。しかし、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気孔率を２０％以上にすることで、カーボン多孔体シート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のアノード触媒層へのガス拡散性が確保され得る。これにより、カーボン多孔体シートを通じてアノードガスをアノード触媒層に適切に供給することができる。
【００２９】
本開示の第９態様の電気化学式水素ポンプは、第１態様から第７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表面層の気孔率が４５％以下であってもよい。また、本開示の第１０態様の電気化学式水素ポンプは、第１態様から第７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表面層の気孔率が３９％以下であってもよい。
【００３０】
本開示の第１１態様の電気化学式水素ポンプは、第９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表面層と反対側の第２表面層の気孔率が４５％以下であってもよい。また、本開示の第１２態様の電気化学式水素ポンプは、第１０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表面層と反対側の第２表面層の気孔率が３９％以下であってもよい。
【００３１】
以上の構成によると、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気孔率を４５％以下にすることで、カーボン多孔体シートの剛性を所望の値以上に維持することができる。すると、カーボン多孔体シートへの厚み方向に対する圧縮強度が所望の値（例えば、２０ＭＰａ）において、カーボン多孔体シートの気孔率が４５％を上回る場合に比べて、電気化学式水素ポンプの水素昇圧運転時に発生するカソード電極およびアノード電極間の差圧（高圧）によって、アノードガス拡散層が変形することが抑制される。
【００３２】
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気孔率を３９％以下にすることで、カーボン多孔体シートの剛性を所望の値以上に維持することができる。すると、カーボン多孔体シートへの厚み方向に対する圧縮強度が所望の値（例えば、４０ＭＰａ）において、カーボン多孔体シートの気孔率が３９％を上回る場合に比べて、電気化学式水素ポンプの水素昇圧運転時に発生するカソード電極およびアノード電極間の差圧（高圧）によって、アノードガス拡散層が変形することが抑制される。
【００３３】
ところで、上記のとおり、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。
【００３４】
そこで、本開示の第１３態様の電気化学式水素ポンプは、第１態様から第１２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表面層に撥水層が含まれていてもよい。また、本開示の第１４態様の電気化学式水素ポンプは、第１態様から第１２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表面層上に撥水層が設けられていてもよい。
【００３５】
かかる構成によると、本態様の電気化学式水素ポンプは、第１表面層に含まれる撥水層、または、第１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アノードガスの流れによって速やかに外部に排出することができる。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。
【００３６】
一般に、電解質膜は、高温および高加湿の条件（例えば、約６０℃程度）で、プロトン伝導率が上がり、電気化学式水素ポンプの水素昇圧動作の効率が向上する。また、上記のとおり、電気化学式水素ポンプのアノード電極とカソード電極との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。そして、アノード電極からカソード電極に移動した電気浸透水の一部は、カソード電極から高圧の水素ガスとともに外部へ排出される。
【００３７】
ここで、アノード電極とカソード電極との間を流れる電流密度が大きくなると、電気浸透水の量が増加するとともに、カソード電極外に排出される電気浸透水の量が増加する。この場合、電気化学式水素ポンプの電解質膜が乾燥しやすくなるので、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。
【００３８】
そこで、本開示の第１５態様の電気化学式水素ポンプは、第１態様から第１４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表面層と反対側の第２表面層に保水層が含まれていてもよい。また、本開示の第１６態様の電気化学式水素ポンプは、第１態様から第１４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表面層と反対側の第２表面層上に保水層が設けられていてもよい。
【００３９】
かかる構成によると、本態様の電気化学式水素ポンプは、第２表面層に含まれる保水層、または、第２表面層上に設けられた保水層により、カーボン多孔体シートに保水性を付与することができる。すると、カーボン多孔体シートを通じてアノードガス中の水分を電解質膜に供給しやすくなるので、電気化学式水素ポンプの電解質膜が乾燥する可能性を低減することができる。
【００４０】
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。
【００４１】
（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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
アノード触媒層１３は、電解質膜１１の一方の主面に接している。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。
【００５１】
カソード触媒層１２は、電解質膜１１の他方の主面に接している。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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
カソードガス拡散層１４は、カソード触媒層１２に接している。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。なお、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。なお、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。
【００５５】
アノードガス拡散層１５は、アノード触媒層１３に接している。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。
【００５６】
ここで、アノードガス拡散層１５は、図３に示すように、アノード触媒層１３側の第１表面層１５Ａの気孔率が、第１表面層１５Ａよりも内側の層１５Ｂ（ここでは、アノードセパレーター１７側の層）の気孔率よりも小さいカーボン多孔体シート１５Ｓを備える。つまり、カーボン多孔体シート１５Ｓは、第１表面層１５Ａの密度が、第１表面層１５Ａよりも内側の層１５Ｂの密度よりも大きい。
【００５７】
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１５Ａのカーボン粒子径が、第１表面層１５Ａよりも内側の層１５Ｂのカーボン粒子径よりも小さくてもよい。これにより、第１表面層１５Ａの気孔率を第１表面層１５Ａよりも内側の層１５Ｂの気孔率よりも小さくすることができる。
【００５８】
なお、カーボン多孔体シート１５Ｓとして、例えば、カーボン粒子を素材とする焼結体を用いることができる。
【００５９】
ただし、カーボン多孔体シート１５Ｓの第１表面層１５Ａおよび第１表面層１５Ａよりも内側の層１５Ｂにおける気孔率の大小関係は、必ずしも、これらのカーボン粒子径の大小により実現しなくてもよい。例えば、第１表面層１５Ａのカーボン粒子径が第１表面層１５Ａよりも内側の層１５Ｂのカーボン粒子径と同じでも、カーボン粒子と樹脂とを含むＭＰＬにより第１表面層１５Ａを構成すると、第１表面層１５Ａの気孔率を第１表面層１５Ａよりも内側の層１５Ｂの気孔率よりも小さくすることができる。
【００６０】
なお、カーボン多孔体シート１５Ｓにおけるカーボン粒子径、気孔径および気孔率は、カーボン多孔体シート１５Ｓの断面Ｘ線ＣＴ（Ｃｏｍｐｕｔｅｄ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ：コンピューター断層撮影）を行い得るＣＴ装置（商品名：Ｘｒａｄｉａ ５２０ Ｖｅｒｓa、Ｚｅｉｓｓ製）で測定することができる。つまり、試料にＸ線を照射して透過像を観察することにより、試料の内部構造を知ることができる。このとき、試料を回転および移動させながら観察される試料の連続透過像を再構成することにより、試料の三次元再構成像を得ることができ、その結果、試料の内部のナノメートルレベルからミリメートルレベルの三次元構造観察、定量解析を行うことができる。そして、このようにして得られた画像から、カーボン多孔体シート１５Ｓにおけるカーボン粒子径、気孔径および気孔率を測定することができる。
【００６１】
また、カーボン多孔体シート１５Ｓにおけるカーボン粒子径、気孔径および気孔率は、研磨加工が施されたカーボン多孔体シート１５Ｓの断面をＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）で観察し得る装置（商品名：ＪＳＭ−７９００Ｆ、日本電子株式会社製）で測定することもできる。
【００６２】
ここで、カーボン多孔体シート１５Ｓにおける気孔径および気孔率については、上記の断面Ｘ線ＣＴ、ＳＥＭ観察以外の方法でも測定可能である。このような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）でも評価可能である。この装置は、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１５Ａおよび第１表面層１５Ａよりも内側の層１５Ｂ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。
【００６３】
なお、以上の測定装置は、例示であって本例に限定されない。また、以上の測定装置は、カーボン多孔体シート１５Ｓの気孔径などに応じて適宜、使い分けてもよい。
【００６４】
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１５Ａよりも内側の層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１５Ａよりも内側の層１５Ｂの他方の主面が、第１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、第１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。
【００６５】
また、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、カーボン多孔体シート１５Ｓの全体の厚みＴに対して、第１表面層１５Ａの厚みｔは、０＜ｔ／Ｔ＜１の関係性をもって設定される。
【００６６】
なお、この場合、第１表面層１５Ａよりも内側の層１５Ｂの厚みは、図３に示す如く、（Ｔ−ｔ）であってもよい。また、第１表面層１５Ａと第１表面層１５Ａよりも内側の層１５Ｂとの間に、カーボン粒子を含む中間層（図示せず）が設けられていてもよいし、第１表面層１５Ａと反対側の第２表面層が設けられていてもよい。後者の場合の詳細な構成は、第２実施形態で説明する。
【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およびカソード触媒層１２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、アノード触媒層１３側の第１表面層１５Ａの気孔率が、アノードセパレーター１７側の第１表面層１５Ａよりも内側の層１５Ｂの気孔率よりも小さ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のアノード触媒層１３側の第１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ＡＮに押し戻された水が第１表面層１５Ａを通過することを抑制することができる。また、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１５Ａよりも内側の層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におけるアノード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。
【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】
また、特許文献１の電気化学式水素ポンプの如く、チタン粉末などの金属粉末の焼結体でアノードガス拡散層を構成する場合、微視的には鋭利な部位が確認された。
【０１１０】
これに対して、本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、従来の金属多孔体で確認された鋭利な部分が比較的少ない。また、第１表面層１５Ａを構成するカーボン粒子の粒子径が小さい程、カーボン粒子の鋭利な部分が小さくなる。よって、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が電解質膜１１に押圧されても、特許文献１の電気化学式水素ポンプに比べて、電解質膜１１に損傷を与える可能性を低減することができる。
【０１１１】
また、特許文献２の電気化学式水素ポンプの如く、金属粉末の焼結体上に、カーボンおよび樹脂を含むＭＰＬを塗布することで積層体を形成する場合、金属粉末とＭＰＬを構成する材料とが異種材料であるので、両者間の結合力が弱い。よって、この場合、電気化学式水素ポンプの昇降圧によって積層体の面内方向に力がかかると、金属粉末の焼結体とＭＰＬとが剥がれる恐れがある。
【０１１２】
これに対して、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の第１表面層１５Ａと第１表面層１５Ａよりも内側の層１５Ｂとを同種のカーボン粒子を素材とする焼結体で構成している。よって、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、特許文献２の電気化学式水素ポンプに比べて、第１表面層１５Ａと第１表面層１５Ａよりも内側の層１５Ｂとが剥がれにくい。
【０１１３】
さらに、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、金属製のガス拡散層を使用している。そして、ガス拡散層が金属製の場合、酸性環境下での耐腐食性を確保するため、貴金属による表面メッキが必要になり、このことが、コスト上昇の要因になる。そこで、発明者らは、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、カソード電極における高圧の影響でアノードガス拡散層がアノードセパレーターのアノードガス流路で座屈するという課題を発見した。
【０１１４】
そこで、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、カーボン多孔体シート１５Ｓのアノード触媒層１３側の第１表面層１５Ａの気孔率を、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１５Ａよりも内側の層１５Ｂの気孔率よりも小さくしている。よって、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、カソード電極ＣＡおよびアノード電極ＡＮ間の差圧によって発生する押圧を、第１表面層１５Ａよりも内側の層１５Ｂに比べて剛性が高い第１表面層１５Ａの面で支えることができる。具体的には、カーボン多孔体シート１５Ｓがカーボン粒子を素材とする焼結体である場合、カーボン多孔体シート１５Ｓの気孔率が低い程、カーボン多孔体シート１５Ｓを構成するカーボン粒子同士のネッキング（粒子間の結合）が増加する。つまり、カーボン多孔体シート１５Ｓの密度が大きい程、カーボン多孔体シート１５Ｓを構成するカーボン粒子同士のネッキング（粒子間の結合）が増加する。すると、カーボン多孔体シート１５Ｓの剛性を向上させることができる。
【０１１５】
以上のようにして、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のガス拡散性を適切に確保しながら、カーボン多孔体シート１５Ｓの第１表面層１５Ａの剛性を向上させている。その結果、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。
【０１１６】
（第２実施形態）
第２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。
【０１１７】
図４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。
【０１１８】
本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、カーボン多孔体シート１５Ｓは、第１表面層１５Ａと反対側の第２表面層１５Ｃの密度が、第２表面層１５Ｃよりも内側の層１５Ｂの密度よりも大きい。このようなカーボン多孔体シート１５Ｓは、一例として、第２表面層１５Ｃのカーボン粒子径が、第２表面層１５Ｃよりも内側の層１５Ｂのカーボン粒子径よりも小さくてもよい。
【０１１９】
ここで、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、図４に示すように、カーボン多孔体シート１５Ｓは、アノード触媒層１３側の第１表面層１５Ａとアノードセパレーター１７側の第２表面層１３Ｃとを含み、これらの第１表面層１５Ａと第２表面層１５Ｃよりも内側の層１５Ｂが、カーボン多孔体シート１５Ｓの厚み方向の中間に位置する中間層である。そして、カーボン多孔体シート１５Ｓが、例えば、カーボン粒子を素材とする焼結体である場合、第１表面層１５Ａおよび第２表面層１５Ｃの気孔率が、この中間層の気孔率よりも低くてもよい。
【０１２０】
以上の構成によると、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、カソード電極ＣＡおよびアノード電極ＡＮ間の差圧によって発生する押圧を、第２表面層１５Ｃよりも内側の層１５Ｂに比べて剛性が高い第２表面層１５Ｃの面で支えることができる。具体的には、カーボン多孔体シート１５Ｓがカーボン粒子を素材とする焼結体である場合、カーボン多孔体シート１５Ｓの気孔率が低い程、カーボン多孔体シート１５Ｓを構成するカーボン粒子同士のネッキング（粒子間の結合）が増加する。つまり、カーボン多孔体シート１５Ｓの密度が大きい程、カーボン多孔体シート１５Ｓを構成するカーボン粒子同士のネッキング（粒子間の結合）が増加する。すると、カーボン多孔体シート１５Ｓの剛性を向上させることができる。
【０１２１】
以上のようにして、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のガス拡散性を適切に確保しながら、カーボン多孔体シート１５Ｓの第２表面層１５Ｃの剛性を向上させている。その結果、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。
【０１２２】
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。
【０１２３】
（第１実施例）
第１実施例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。
【０１２４】
本実施例の電気化学式水素ポンプ１００では、カーボン多孔体シート１５Ｓは、第１表面層１５Ａのピーク気孔径が電解質膜１１の膜厚よりも小さい。電解質膜１１の膜厚は、例えば、約２０μｍ〜約５０μｍ程度であるが、これに限定されない。
【０１２５】
なお、このようなピーク気孔径は、例えば、上記の様々な測定装置を用いて測定可能である。
【０１２６】
仮に、第１表面層１５Ａのピーク気孔径が電解質膜１１の膜厚以上である場合、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、電解質膜１１が第１表面層１５Ａの気孔内に落ち込むことに起因して電解質膜１１が破断する可能性がある。しかし、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、第１表面層１５Ａのピーク気孔径を電解質膜１１の膜厚よりも小さくすることで、このような可能性を低減することができる。
【０１２７】
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。
【０１２８】
（第２実施例）
第２実施例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の構成以外は、第２実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様である。
【０１２９】
まず、以下、カーボン多孔体シート１５Ｓの気孔率の測定値の一例について説明する。
【０１３０】
図５は、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気孔率の測定値の一例を示す図である。
【０１３１】
まず、図５（ａ）では、厚みが約２５０μｍのカーボン多孔体シートの気孔率を、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）で測定したところ、この気孔率は、約２９％であった。
【０１３２】
次に、図５（ａ）のカーボン多孔体シートの一方の主面を、図５（ｂ）に示すように、約５０μｍ程度、厚み方向に研磨した（片面研磨）。そして、図５（ｂ）では、厚みが約２００μｍのカーボン多孔体シートの気孔率を、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）で測定したところ、この気孔率は、約３２％であった。
【０１３３】
次に、図５（ｂ）のカーボン多孔体シートの他方の主面を、図５（ｃ）に示すように、約５０μｍ程度、厚み方向にさらに研磨した（両面研磨）。そして、図５（ｃ）では、厚みが約１５０μｍのカーボン多孔体シートの気孔率を、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）で測定したところ、この気孔率は、約３４％であった。
【０１３４】
以上のカーボン多孔体シートの気孔率の測定結果から、図５（ａ）のカーボン多孔体シートには、気孔率が大きい中間層と気孔率が小さい表面層とが混在することがわかる。つまり、図５（ａ）のカーボン多孔体シートは、図４に示す如く、第１表面層１５Ａ、内側の層１５Ｂ（中間層）および第２表面層１５Ｃを備えるカーボン多孔体シート１５Ｓであってもよい。
【０１３５】
なお、このカーボン多孔体シートが、例えば、カーボン粒子を素材とする焼結体である場合、気孔率が大きい中間層は、カーボン粒子が低密度の領域に相当する。気孔率が小さい表面層は、カーボン粒子が高密度の領域に相当する。
【０１３６】
気孔率の大小が中間層と表面層とで異なるカーボン多孔体シートは、例えば、所望の温度および所望の圧力で焼結された圧紛体であってもよいが、これに限定されない。このようなカーボン多孔体シートは、表面層のカーボン粒子の粒子径を、中間層のカーボン粒子の粒子径よりも小さくすることで形成することもできる。
【０１３７】
以上のとおり、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００では、カーボン多孔体シート１５Ｓは、第１表面層１５Ａの気孔率が２０％以上である。また、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００では、カーボン多孔体シート１５Ｓは、第１表面層１５Ａおよび第２表面層１５Ｃの気孔率が２０％以上であってもよい。
【０１３８】
なお、このような気孔率は、例えば、上記の様々な測定装置を用いて測定可能である。
【０１３９】
仮に、第１表面層１５Ａおよび第２表面層１５Ｃの気孔率が２０％未満である場合、カーボン多孔体シート１５Ｓのアノード触媒層１３へのガス拡散性を適切に確保できない恐れがある。しかし、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、カーボン多孔体シート１５Ｓの気孔率を２０％以上にすることで、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のアノード触媒層１３へのガス拡散性が確保され得る。これにより、カーボン多孔体シート１５Ｓを通じてアノードセパレーター１７からのアノードガスをアノード触媒層１３に適切に供給することができる。
【０１４０】
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、第２実施形態および、これらの実施形態の第１実施例のいずれかの電気化学式水素ポンプ１００と同様であってもよい。
【０１４１】
（第３実施例）
第３実施例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の構成以外は、第２実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様である。
【０１４２】
まず、カーボン多孔体シート１５Ｓへの厚み方向に対する圧縮強度が１６ＭＰａまたは６０ＭＰａである場合において、カーボン多孔体シート１５Ｓの気孔率を測定したところ、前者の気孔率が４７％であり、後者の気孔率が３３％であった。
【０１４３】
なお、これらの気孔率の測定は、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）で行った。
【０１４４】
ここで、カーボン多孔体シート１５Ｓへの厚み方向に対する圧縮強度と、カーボン多孔体シート１５Ｓの気孔率とは、直線的な傾向が強い負の相関関係があると考えられる。
【０１４５】
そこで、カーボン多孔体シート１５Ｓへの厚み方向に対する圧縮強度が所望の値（例えば、２０ＭＰａ）の場合における、カーボン多孔体シート１５Ｓの破損を抑制するために必要な気孔率の上限値を、上記の測定データの直線近似から算出すると、４５％であることがわかる。
【０１４６】
よって、この場合、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００では、カーボン多孔体シート１５Ｓは、アノード触媒層１３側の第１表面層１５Ａの気孔率が４５％以下であるとよい。このとき、カーボン多孔体シート１５Ｓは、第１表面層１５Ａと反対側の第２表面層１５Ｃの気孔率が４５％以下であってもよい。
【０１４７】
以上により、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、カーボン多孔体シート１５Ｓの気孔率を４５％以下にすることで、カーボン多孔体シート１５Ｓの剛性を所望の値以上に維持することができる。すると、カーボン多孔体シート１５Ｓへの厚み方向に対する圧縮強度が所望の値（例えば、２０ＭＰａ）において、カーボン多孔体シート１５Ｓの気孔率が４５％を上回る場合に比べて、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（高圧）によって、アノードガス拡散層１５が変形することが抑制される。例えば、本実施例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でアノードガス拡散層１５が座屈する可能性を低減することができる。
【０１４８】
なお、カーボン多孔体シート１５Ｓへの厚み方向に対する圧縮強度が約２０ＭＰａ程度であると、このようなカーボン多孔体シート１５Ｓを備える電気化学式水素ポンプ１００は、様々な用途に利用することができる。例えば、電気化学式水素ポンプ１００は、トラックなどで輸送する小型の水素容器に、約１５ＭＰａ程度で水素を充填する際に使用することができる。また、電気化学式水素ポンプ１００は、トラックまたはユニック車などで輸送する、複数本の水素容器がまとめて固定された水素カードルに、約１５ＭＰａ程度または約２０ＭＰａ程度で水素を充填する際にも使用することができる。
【０１４９】
また、カーボン多孔体シート１５Ｓへの厚み方向に対する圧縮強度が所望の値（例えば、４０ＭＰａ）の場合における、カーボン多孔体シート１５Ｓの破損を抑制するために必要な気孔率の上限値を、上記の測定データの直線近似から算出すると、３９％であることがわかる。
【０１５０】
よって、この場合、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００では、カーボン多孔体シート１５Ｓは、アノード触媒層１３側の第１表面層１５Ａの気孔率が３９％以下であるとよい。このとき、カーボン多孔体シート１５Ｓは、第１表面層１５Ａと反対側の第２表面層１５Ｃの気孔率が３９％以下であってもよい。
【０１５１】
以上により、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、カーボン多孔体シート１５Ｓの気孔率を３９％以下にすることで、カーボン多孔体シート１５Ｓの剛性を所望の値以上に維持することができる。すると、カーボン多孔体シート１５Ｓへの厚み方向に対する圧縮強度が所望の値（例えば、４０ＭＰａ）において、カーボン多孔体シート１５Ｓの気孔率が３９％を上回る場合に比べて、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（高圧）によって、アノードガス拡散層１５が変形することが抑制される。例えば、本実施例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でアノードガス拡散層１５が座屈する可能性を低減することができる。
【０１５２】
なお、カーボン多孔体シート１５Ｓへの厚み方向に対する圧縮強度が約４０ＭＰａ程度であると、このようなカーボン多孔体シート１５Ｓを備える電気化学式水素ポンプ１００は、様々な用途に利用することができる。例えば、電気化学式水素ポンプ１００は、フォークリフトまたは燃料電池車用の水素供給設備において、水素圧縮機として使用することができる。具体的には、電気化学式水素ポンプ１００は、例えば、約１５ＭＰａ程度で水素が充填された水素容器から、約４０ＭＰａ程度の高圧水素を水素蓄圧器に供給する際に使用することができる。
【０１５３】
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、第２実施形態および、これらの実施形態の第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と同様であってもよい。
【０１５４】
（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。
【０１５５】
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１表面層１５Ａに撥水層１５Ｈが含まれる以外は、第２実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様である。
【０１５６】
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。
【０１５７】
そこで、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、第１表面層１５Ａ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、カーボン多孔体シート１５Ｓの第１表面層１５Ａが、カーボン粒子を素材とする焼結体である場合、上記の焼結体に、このような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、カーボン多孔体シート１５Ｓの第１表面層１５Ａが撥水層１５Ｈを含むように、第１表面層１５Ａ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においてアノードガスの流れによって速やかに外部に排出することができる。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。
【０１５８】
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。
【０１５９】
ただし、以上の撥水層１５Ｈの形成方法および構成は例示であって、本例に限定されない。
【０１６０】
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、第２実施形態およびこれらの第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と同様であってもよい。
【０１６１】
（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。
【０１６２】
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１表面層１５Ａ上に撥水層１５Ｈが設けられている以外は、第２実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様である。
【０１６３】
本変形例の電気化学式水素ポンプ１００では、第１表面層１５Ａ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１表面層１５Ａ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１表面層１５Ａ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においてアノードガスの流れによって速やかに外部に排出することができる。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。
【０１６４】
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。
【０１６５】
ただし、以上の撥水層１５Ｈの形成方法および構成は例示であって、本例に限定されない。
【０１６６】
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２実施形態および、これらの実施形態の第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と同様であってもよい。
【０１６７】
（第４実施形態）
図７Ａは、第４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。
【０１６８】
第４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１表面層１５Ａと反対側の第２表面層１５Ｃに保水層１５Ｆが含まれる以外は、第２実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様である。
【０１６９】
一般に、電解質膜１１は、高温および高加湿の条件（例えば、約６０℃程度）で、プロトン伝導率が上がり、電気化学式水素ポンプ１００の水素昇圧動作の効率が向上する。また、上記のとおり、電気化学式水素ポンプ１００のアノード電極ＡＮとカソード電極ＣＡとの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。そして、アノード電極ＡＮからカソード電極ＣＡに移動した電気浸透水の一部は、カソード電極ＣＡから高圧の水素ガスとともに外部へ排出される。
【０１７０】
ここで、アノード電極ＡＮとカソード電極ＣＡとの間を流れる電流密度が大きくなると、電気浸透水の量が増加するとともに、カソード電極ＣＡ外に排出される電気浸透水の量が増加する。この場合、電気化学式水素ポンプ１００の電解質膜１１が乾燥しやすくなるので、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。
【０１７１】
そこで、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、第２表面層１５Ｃに含まれる保水層１５Ｆにより、カーボン多孔体シート１５Ｓに保水性を付与している。例えば、カーボン多孔体シート１５Ｓの第２表面層１５Ｃが、カーボン粒子を素材とする焼結体である場合、この焼結体のカーボン粒子に、例えば、薬剤、電解酸化、オゾン、酸素プラズマなどの処理を行い、カルボキシル基、水酸基、カルボニル基など親水性官能基を設けることで、図７Ａに示す如く、カーボン多孔体シート１５Ｓの第２表面層１５Ｃが保水層１５Ｆを含むように、第２表面層１５Ｃを構成してもよい。
【０１７２】
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に保水性を付与することでカーボン多孔体シート１５Ｓを通じてアノードガス中の水分を電解質膜１１に供給しやすくなるので、電気化学式水素ポンプ１００の電解質膜１１が乾燥する可能性を低減することができる。
【０１７３】
ただし、以上の保水層１５Ｆの形成方法および構成は例示であって、本例に限定されない。
【０１７４】
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、第２実施形態、これらの実施形態の第１実施例−第３実施例、第３実施形態および第３実施形態の変形例のいずれかの電気化学式水素ポンプ１００と同様であってもよい。
【０１７５】
（変形例）
図７Ｂは、第４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。
【０１７６】
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１表面層１５Ａと反対側の第２表面層１５Ｃ上に保水層１５Ｆが設けられている以外は、第２実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様である。
【０１７７】
本変形例の電気化学式水素ポンプ１００では、第２表面層１５Ｃ上に設けられた保水層１５Ｆにより、カーボン多孔体シート１５Ｓに保水性を付与している。例えば、薬剤、電解酸化、オゾン、酸素プラズマなどの処理を行い、カルボキシル基、水酸基、カルボニル基など親水性官能基が設けられたカーボン粒子を含む保水層１５Ｆを、図７Ｂに示す如く、第２表面層１５Ｃ上に積層してもよい。
【０１７８】
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に保水性を付与することでカーボン多孔体シート１５Ｓを通じてアノードガス中の水分を電解質膜１１に供給しやすくなるので、電気化学式水素ポンプ１００の電解質膜１１が乾燥する可能性を低減することができる。
【０１７９】
ただし、以上の保水層１５Ｆの形成方法および構成は例示であって、本例に限定されない。
【０１８０】
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２実施形態、これらの実施形態の第１実施例−第３実施例、第３実施形態および第３実施形態の変形例のいずれかの電気化学式水素ポンプ１００と同様であってもよい。
【０１８１】
なお、第１実施形態、第２実施形態、これらの実施形態の第１実施例−第３実施例、第３実施形態、第３実施形態の変形例、第４実施形態および第４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。例えば、電気化学式水素ポンプ１００は、カーボン多孔体シート１５Ｓに、図６Ａまたは図６Ｂに示すような撥水性を付与するとともに、図７Ａまたは図７Ｂに示すような保水性を付与してもよい。
【０１８２】
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】
【０１８３】
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】
【０１８４】
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１表面層
１５Ｂ          ：内側の層
１５Ｃ          ：第２表面層
１５Ｆ          ：保水層
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
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
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に接するアノード触媒層と、電解質膜の他方の主面に接するカソード触媒層と、アノード触媒層に接するアノードガス拡散層と、カソード触媒層に接するカソードガス拡散層と、アノード触媒層およびカソード触媒層間に電圧を印加する電圧印加器と、を備え、電圧印加器がこ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る。アノードガス拡散層は、アノード触媒層側の第１表面層の気孔率が、前記第１表面層よりも内側の層の気孔率よりも小さいカーボン多孔体シートを備える。【図１Ａ】
0006719075.tif 000002
【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４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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