(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電極と、
前記電解質膜の他方の主面上に設けられたカソード電極と、
前記アノード電極上に設けられたアノードセパレーターと、
を備え、
前記アノード電極は、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、前記アノード触媒層上に設けられたアノードガス拡散層とを備え、
前記アノードガス拡散層は、粉末成形体であるカーボン多孔体シートを備え、
前記カーボン多孔体シートは、少なくとも前記アノードセパレーター側の第１表面層の厚み方向のヤング率が、２．５ＧＰａ以上である、電気化学式水素ポンプ。
【請求項２】
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電極と、
前記電解質膜の他方の主面上に設けられたカソード電極と、
前記アノード電極上に設けられたアノードセパレーターと、
を備え、
前記アノード電極は、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、前記アノード触媒層上に設けられたアノードガス拡散層とを備え、
前記アノードガス拡散層は、アノードセパレーター側の第１表面層がアモルファスカーボンを含むカーボン多孔体シートを備え、
前記カーボン多孔体シートは、ラマン分光分析によりＤ／Ｇ＞１．０であり、
前記カーボン多孔体シートは、少なくとも前記アノードセパレーター側の第１表面層の厚み方向のヤング率が、２．５ＧＰａ以上である、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、少なくとも前記アノードセパレーター側の第１表面層の厚み方向のヤング率が、７．８ＧＰａ以上である、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、少なくとも前記アノードセパレーター側の第１表面層の曲げ強度が、１０ＭＰａ以上である、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、少なくとも前記アノードセパレーター側の第１表面層の曲げ強度が、２０ＭＰａ以上である、請求項４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、少なくとも前記アノードセパレーター側の第１表面層の気孔率が、４５％以下である、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７】
前記カーボン多孔体シートは、少なくとも前記アノードセパレーター側の第１表面層の気孔率が、３９％以下である、請求項６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、前記アノード触媒層側の第２表面層の気孔率が、４５％以下である、請求項６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、前記アノード触媒層側の第２表面層の気孔率が、３９％以下である、請求項８に記載の電気化学式水素ポンプ。
【請求項１０】
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電極と、
前記電解質膜の他方の主面上に設けられたカソード電極と、
前記アノード電極上に設けられたアノードセパレーターと、
を備え、
前記アノード電極は、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、前記アノード触媒層上に設けられたアノードガス拡散層とを備え、
前記アノードガス拡散層は、粉末成形体であるカーボン多孔体シートを備え、
前記カーボン多孔体シートは、前記アノードセパレーター側の第１表面層の剛性が、前記第１表面層よりも内側の層の剛性よりも高い、電気化学式水素ポンプ。
【請求項１１】
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電極と、
前記電解質膜の他方の主面上に設けられたカソード電極と、
前記アノード電極上に設けられたアノードセパレーターと、
を備え、
前記アノード電極は、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、前記アノード触媒層上に設けられたアノードガス拡散層とを備え、
前記アノードガス拡散層は、アノードセパレーター側の第１表面層がアモルファスカーボンを含むカーボン多孔体シートを備え、
前記カーボン多孔体シートは、ラマン分光分析によりＤ／Ｇ＞１．０であり、
前記カーボン多孔体シートは、前記アノードセパレーター側の第１表面層の剛性が、前記第１表面層よりも内側の層の剛性よりも高い、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、前記アノード触媒層側の第２表面層の剛性が、前記第２表面層よりも内側の層の剛性よりも高い請求項１０または１１に記載の電気化学式水素ポンプ。
【請求項１３】
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電極と、
前記電解質膜の他方の主面上に設けられたカソード電極と、
前記アノード電極上に設けられたアノードセパレーターと、
を備え、
前記アノード電極は、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、前記アノード触媒層上に設けられたアノードガス拡散層とを備え、
前記アノードガス拡散層は、粉末成形体であるカーボン多孔体シートを備え、
前記カーボン多孔体シートは、前記アノードセパレーター側の第１表面層の気孔率が、前記第１表面層よりも内側の層の気孔率よりも低い、電気化学式水素ポンプ。
【請求項１４】
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電極と、
前記電解質膜の他方の主面上に設けられたカソード電極と、
前記アノード電極上に設けられたアノードセパレーターと、
を備え、
前記アノード電極は、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、前記アノード触媒層上に設けられたアノードガス拡散層とを備え、
前記アノードガス拡散層は、アノードセパレーター側の第１表面層がアモルファスカーボンを含むカーボン多孔体シートを備え、
前記カーボン多孔体シートは、ラマン分光分析によりＤ／Ｇ＞１．０であり、
前記カーボン多孔体シートは、前記アノードセパレーター側の第１表面層の気孔率が、前記第１表面層よりも内側の層の気孔率よりも低い、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、前記アノード触媒層側の第２表面層の気孔率が、前記第２表面層よりも内側の層の気孔率よりも低い請求項１３または１４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から１５のいずれか１項に記載の電気化学式水素ポンプ。
【請求項１７】
前記カーボン多孔体シート全体の気孔率が２０％以上である請求項１から１６のいずれか１項に記載の電気化学式水素ポンプ。
【請求項１８】
前記アノードガス拡散層は、前記アノード触媒層側の第２表面層が撥水性である請求項１から１７のいずれか１項に記載の電気化学式水素ポンプ。
【請求項１９】
前記アノードガス拡散層は、前記アノードセパレーター側の第１表面層が親水性である請求項１から１８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、水素精製および水素昇圧が行われる電気化学式水素ポンプにおいて、繊維径が異なる二種のチタン金属繊維でそれぞれ構成されている第一の給電体部および第二の給電体部を備えるアノード給電体が開示されている。これにより、電解質膜の損傷の低減がされるとともに、エネルギー効率が向上する。【０００５】
また、特許文献２では、チタン粉末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２００１−３４２５８７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ついて、金属製のアノードガス拡散層よりもコストを低減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電極と、前記電解質膜の他方の主面上に設けられたカソード電極と、前記アノード電極上に設けられたアノードセパレーターと、を備え、前記アノード電極は、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、前記アノード触媒層上に設けられたアノードガス拡散層とを備え、アノードガス拡散層は、粉末成形体である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ついて、金属製のアノードガス拡散層よりもコストを低減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ラマン分光法による分析結果の一例を示す図である。
【図５】図５は、第１実施形態の第２実施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６】図６は、第１実施形態の第３実施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気孔率の測定値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ともに、金属製のガス拡散層を使用しているが、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、これが、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、高いカソード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流路に座屈してしまうという課題を発見した。
【００１２】
そこで、発明者らは、鋭意検討を行った結果、上記座屈が発生する可能性を低減すべく、アノード電極に、粉末成形体であるカーボン多孔体シートを設けることを見出し、以下の本開示の一態様に想到した。また、発明者らは、鋭意検討を行った結果、上記座屈が発生する可能性を低減すべく、アノード電極に、アモルファスカーボンを含むカーボン多孔体シートを設けることを見出し、以下の本開示の一態様に想到した。
【００１３】
すなわち、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電極と、電解質膜の他方の主面上に設けられたカソード電極と、アノード電極上に設けられたアノードセパレーターと、を備え、アノード電極は、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、アノード触媒層上に設けられたアノードガス拡散層とを備え、アノードガス拡散層は、粉末成形体であるカーボン多孔体シートを備える。
【００１４】
かかる構成によると、本態様の電気化学式水素ポンプは、アノードガス拡散層について、金属製のアノードガス拡散層よりもコストを低減しながら、アノードセパレーターへ座屈する可能性を低減し得る。
【００１５】
具体的には、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を粉末成形体で構成することで、例えば、カーボン多孔体シートをカーボン繊維で構成する場合に比べて剛性を上げることができる。
【００１６】
また、本開示の第２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電極と、電解質膜の他方の主面上に設けられたカソード電極と、アノード電極上に設けられたアノードセパレーターと、を備え、アノード電極は、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、アノード触媒層上に設けられたアノードガス拡散層とを備え、アノードガス拡散層は、アノードセパレーター側の第１表面層がアモルファスカーボンを含むカーボン多孔体シートを備え、カーボン多孔体シートは、ラマン分光分析によりＤ／Ｇ＞１．０である。
【００１７】
かかる構成によると、本態様の電気化学式水素ポンプは、アノードガス拡散層について、金属製のアノードガス拡散層よりもコストを低減しながら、アノードセパレーターへ座屈する可能性を低減し得る。
【００１８】
具体的には、アモルファスカーボンを含むカーボン多孔体シートには、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。よって、本態様の電気化学式水素ポンプは、このようなカーボン多孔体シートが電解質膜に押圧されても、従来の金属多孔体に比べて、電解質膜に損傷を与える可能性を低減することができる。
【００１９】
また、一般的に、カーボン結合がアモルファス構造であるアモルファスカーボンは、カーボン結合が結晶構造であるカーボンに比べて剛性が高い。よって、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が、ラマン分光分析によりＤ／Ｇ＞１．０であるように、アモルファスカーボンを含むことで、アノードガス拡散層の剛性が適切に確保される。
【００２０】
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、少なくともアノードセパレーター側の第１表面層の厚み方向のヤング率が、２．５ＧＰａ以上であってもよい。
【００２１】
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、アノードセパレーター側の第１表面層の厚み方向のヤング率が２．５ＧＰａ未満である場合に比べて、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。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。
【００２２】
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、カーボン多孔体シートは、少なくともアノードセパレーター側の第１表面層の厚み方向のヤング率が、７．８ＧＰａ以上であってもよい。
【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、アノードセパレーター側の第１表面層の厚み方向のヤング率が７．８ＧＰａ未満である場合に比べて、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。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５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、少なくともアノードセパレーター側の第１表面層の曲げ強度が、１０ＭＰａ以上であってもよい。
【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、アノードセパレーター側の第１表面層の曲げ強度が１０ＭＰａ未満である場合に比べて、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。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。
【００２６】
本開示の第６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、少なくともアノードセパレーター側の第１表面層の曲げ強度が、２０ＭＰａ以上であってもよい。
【００２７】
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、アノードセパレーター側の第１表面層の曲げ強度が２０ＭＰａ未満である場合に比べて、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。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。
【００２８】
本開示の第７態様の電気化学式水素ポンプは、第１態様、第２態様、第３態様および第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、少なくともアノードセパレーター側の第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８態様の電気化学式水素ポンプは、第１態様、第２態様、第４態様および第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、少なくともアノードセパレーター側の第１表面層の気孔率が、３９％以下であってもよい。
【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、アノード触媒層側の第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１０態様の電気化学式水素ポンプは、第８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、アノード触媒層側の第２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１態様から第１０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、アノードセパレーター側の第１表面層の剛性が、この第１表面層よりも内側の層の剛性よりも高くてもよい。また、本開示の第１２態様の電気化学式水素ポンプは、第１１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、アノード触媒層側の第２表面層の剛性が、この第２表面層よりも内側の層の剛性よりも高くてもよい。
【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、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。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。
【００３２】
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、アノードセパレーター側の第１表面層の気孔率が、この第１表面層よりも内側の層の気孔率よりも低くてもよい。また、本開示の第１４態様の電気化学式水素ポンプは、第１３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、アノード触媒層側の第２表面層の気孔率が、この第２表面層よりも内側の層の気孔率よりも低くてもよい。
【００３３】
ここで、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、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。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。これにより、本態様の電気化学式水素ポンプは、アノードセパレーター側の第１表面層の剛性を向上させることができる。また、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表面層の剛性を向上させることもできる。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。
【００３４】
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。
【００３５】
仮に、カーボン多孔体シート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、電解質膜がカーボン多孔体シート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、カーボン多孔体シート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。
【００３６】
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１５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全体の気孔率が２０％以上であってもよい。
【００３７】
仮に、カーボン多孔体シート全体の気孔率が２０％未満である場合、アノードガス拡散層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全体の気孔率を２０％以上にすることで、アノードガス拡散層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、アノードガス拡散層のアノード触媒層へのガス拡散性が確保される。これにより、アノードセパレーターからのアノードガスを、アノードガス拡散層を通じてアノード触媒層に適切に供給することができる。
【００３８】
ところで、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る。このとき、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。
【００３９】
そこで、本開示の第１７態様の電気化学式水素ポンプは、第１態様から第１６態様のいずれか一つの電気化学式水素ポンプにおいて、アノードガス拡散層は、アノード触媒層側の第２表面層が撥水性であってもよい。
【００４０】
かかる構成によると、本態様の電気化学式水素ポンプは、アノードガス拡散層のアノード触媒層側の第２表面層を撥水性にすることで、アノード電極に押し戻された水を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、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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
そこで、本開示の第１８態様の電気化学式水素ポンプは、第１態様から第１７態様のいずれか一つの電気化学式水素ポンプにおいて、アノードガス拡散層は、アノードセパレーター側の第１表面層が親水性であってもよい。
【００４４】
かかる構成によると、本態様の電気化学式水素ポンプは、アノードガス拡散層のアノードセパレーター側の第１表面層を親水性にすることで、この第１表面層に保水機能を付与することができる。よって、アノードガス拡散層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。
【００４５】
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。
【００４６】
（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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
ここで、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、アノードガス拡散層１５は、粉末成形体であるカーボン多孔体シートを備える。この粉末成形体は、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）のシートで構成されていてもよい。
【００６２】
具体的には、例えば、図３に示すように、アノードガス拡散層１５は、アノードセパレーター１７側の第１表面層１５Ｂがアモルファスカーボンを含むカーボン多孔体シート１５Ｓを備えてもよい。カーボン多孔体シート１５Ｓとして、上記のとおり、カーボン粒子を素材とする焼結体のシートを用いることができる。この場合、カーボン多孔体シート１５Ｓのカーボン粒子は、カーボン結合がアモルファス構造であるアモルファスカーボンで構成される。このようなアモルファスカーボンは、剛性が高い。つまり、カーボン多孔体シート１５Ｓ中のアモルファスカーボンの比率が高い程、カーボン多孔体シート１５Ｓの剛性が高い。よって、カーボン多孔体シート１５Ｓは、アノードセパレーター１７側の第１表面層１５Ｂの剛性が、この第１表面層１５Ｂよりも内側の層１５Ａの剛性よりも高い。
【００６３】
このように、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、内側の層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る。そして、内側の層１５Ａの他方の主面がアノード触媒層１３と接触している。
【００６４】
なお、アモルファスカーボンとして、例えば、グラッシーカーボン（ガラス状炭素）、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）などを挙げることができる。
【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、アノードセパレーター１７の主面と接触する剛性が高い層の厚みｔは、０＜ｔ／Ｔ≦１の関係性をもって設定される。つまり、両者の厚みの関係がｔ／Ｔ＝１の場合、カーボン多孔体シート１５Ｓの全体がアモルファスカーボンを含む層で構成される。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
[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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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で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。
【０１０３】
［ラマン分光分析］
以下、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のラマン分光法による分析結果の一例について、図面を参照しながら説明する。
【０１０４】
＜ラマン分光分析装置の仕様＞
カーボン多孔体シート１５Ｓのレーザーラマン分光分析は、以下の仕様のラマン分光分析装置ＨＲ−８００−ＵＶ（HORIBA JOBIN YVON 社製）で行われた。
・測定波数範囲：４００〜２１００ｃｍ−１
・光源／波長：Ａｒレーザー／５１４ｎｍ
・レーザーパワー：５０ｍＷ（レーザー出口付近での強度）
・レーザースポット径：約１μｍφ
・回折格子：６００ｇｒ／ｍｍ
・検出器：ＣＣＤ
＜分析結果＞
図４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ラマン分光法による分析結果の一例を示す図である。図４のラマンスペクトルの横軸には、エネルギーに比例する単位として波数(波長の逆数)（ｃｍ−１）が取られ、縦軸には、散乱光の強度が取られている。
【０１０５】
図４のラマンスペクトルは、ガウス分布で分離すると、同図に示すように、ラマンピークが約１６００ｃｍ−１付近のスペクトル（Ｇバンド）と、ラマンピークが約１３５０ｃｍ−１付近のスペクトル（Ｄ１バンド）と、ラマンピークが約１５００ｃｍ−１付近のスペクトル（Ｄ２バンド）と、ラマンピークが約１２００ｃｍ−１付近のスペクトル（Ｄ３バンド）と、が含まれていることがわかった。
【０１０６】
ここで、Ｇバンドは、結晶状態のカーボンに由来するスペクトルであると考えられる。また、Ｄ１バンド、Ｄ２バンドおよびＤ３バンド（以下、Ｄバンド）は、アモルファス状態のカーボンに由来すると考えられる。つまり、ＤバンドとＧバンドとの間における散乱光強度の積分値（以下、積分強度）の比（Ｄ（＝Ｄ１＋Ｄ２＋Ｄ３）／Ｇ）が大きいほど、カーボン多孔体シート１５Ｓに含まれるアモルファス状態のカーボン量が多いと考えられる。
【０１０７】
そこで、各バンドの積分強度を測定すると、Ｇバンドでは、１６７１であり、Ｄ１バンドでは、２８７０であり、Ｄ２バンドでは、８５３であり、Ｄ３バンドでは、７０８であった。
【０１０８】
これにより、ＤバンドとＧバンドとの間における積分強度の比（Ｄ／Ｇ）は、２．６５１であることがわかる。また、Ｄバンドのうちの特徴的なラマンピーク（約１３５０ｃｍ−１付近）に対応するＤ１バンドと、Ｇバンドとの間における積分強度の比（Ｄ１／Ｇ）は、１．７１７であることもわかる。
【０１０９】
このように、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、ラマン分光分析により、ＤバンドとＧバンドとの間における積分強度の比（Ｄ／Ｇ）が「１」を超える程度に（Ｄ／Ｇ＞１）、結晶性が低いことが明らかとなった。
【０１１０】
以上のとおり、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について、金属製のアノードガス拡散層よりもコストを低減しながら、アノードセパレーター１７へ座屈する可能性を低減し得る。
【０１１１】
具体的には、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を粉末成形体で構成することで、例えば、カーボン多孔体シートをカーボン繊維で構成する場合に比べて剛性を上げることができる。
【０１１２】
また、アモルファスカーボンを含む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。よって、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、このようなカーボン多孔体シート１５Ｓが電解質膜１１に押圧されても、従来の金属多孔体に比べて、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。
【０１１３】
また、一般的に、カーボン結合がアモルファス構造であるアモルファスカーボンは、カーボン結合が結晶構造であるカーボンに比べて剛性が高い。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、ラマン分光分析によりＤ／Ｇ＞１．０であるように、アモルファスカーボンを含むことで、アノードガス拡散層１５の剛性が適切に確保される。
【０１１４】
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の剛性が、この第１表面層１５Ｂよりも内側の層１５Ａの剛性よりも高い。このため、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。
【０１１５】
（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。
【０１１６】
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、アノードセパレーター１７側の第１表面層１５Ｂの気孔率が、この第１表面層１５Ｂよりも内側の層１５Ａの気孔率よりも低い。
【０１１７】
なお、上記の気孔率は、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。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１５Ｂおよび内側の層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。
【０１１８】
ここで、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、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。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。これにより、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のアノードセパレーター１７側の第１表面層１５Ｂ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、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。
【０１１９】
本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、上記の特徴以外は、第１実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様であってもよい。
【０１２０】
（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１実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様である。
【０１２１】
本実施例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の第１表面層１５Ｂよりも内側の層１５Ａ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ってもよい。よって、この中間層の剛性は、アノードセパレーター１７側の第１表面層１５Ｂの剛性よりも低い。この場合、中間層は、例えば、カーボン結合が結晶構造であるカーボンで構成されていてもよい。また、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、中間層の気孔率が、第１表面層１５Ｂの気孔率よりも高くてもよい。
【０１２２】
また、本実施例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、アノード触媒層１３側の第２表面層１５Ｃの剛性が、第２表面層１５Ｃよりも内側の層１５Ａ（中間層）の剛性よりも高い。この場合、カーボン多孔体シート１５Ｓは、アノード触媒層１３側の第２表面層１５Ｃの気孔率が、第２表面層１５Ｃよりも内側の層１５Ａ（中間層）の気孔率よりも低くてもよい。
【０１２３】
以上の気孔率は、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。
【０１２４】
ここで、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、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。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。これにより、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、アノードセパレーター１７側の第１表面層１５Ｂおよびアノード触媒層１３側の第２表面層１５Ｃ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、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。
【０１２５】
本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、上記の特徴以外は、第１実施形態または第１実施形態の第１実施例の電気化学式水素ポンプ１００と同様であってもよい。
【０１２６】
（第３実施例）
図６は、第１実施形態の第３実施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気孔率の測定値の一例を示す図である。
【０１２７】
まず、図６（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。
【０１２８】
次に、図６（ａ）のカーボン多孔体シートの一方の主面を、図６（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６（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。
【０１２９】
次に、図６（ｂ）のカーボン多孔体シートの他方の主面を、図６（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６（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。
【０１３０】
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６（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６（ａ）のカーボン多孔体シートは、第２実施例（図５）に示す如く、第１表面層１５Ｂ、内側の層１５Ａ（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。
【０１３１】
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。
【０１３２】
なお、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。
【０１３３】
本実施例の電気化学式水素ポンプ１００が奏する作用効果は、第２実施例の電気化学式水素ポンプ１００が奏する作用効果と同様であるので説明を省略する。
【０１３４】
また、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、上記の特徴以外は、第１実施形態および第１実施形態の第１実施例−第２実施例のいずれかの電気化学式水素ポンプ１００と同様であってもよい。
【０１３５】
（第４実施例）
第４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。
【０１３６】
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、曲げ強度および厚み方向のヤング率を測定したところ、以下の値が得られた。
【０１３７】
上記の気孔率の測定は、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。また、上記の曲げ強度およびヤング率の測定はそれぞれ、JIS規格  R1601「ファインセラミックスの曲げ強さ試験方法」およびJIS規格  R1602「ファインセラミックスの弾性率試験方法」に記載の３点曲げ試験によって行った。なお、ヤング率の測定は、曲げ試験での応力―ひずみ曲線の直線領域で算出した。
【０１３８】
＜圧縮強度が１６ＭＰａの場合＞
・気孔率：４７％
・曲げ強度：８ＭＰａ
・ヤング率：１．５ＧＰａ
＜圧縮強度が６０ＭＰａの場合＞
・気孔率：３３％
・曲げ強度：３０ＭＰａ
・ヤング率：１３ＧＰａ
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の曲げ強度およびヤング率とは、直線的な傾向が強い正の相関関係があると考えられる。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。
【０１３９】
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、曲げ強度の下限値および厚み方向のヤング率の下限値を、上記の測定データの直線近似から算出すると、それぞれ４５％、１０ＭＰａおよび２．５ＧＰａであることがわかる。
【０１４０】
つまり、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、少なくともアノードセパレーター１７側の第１表面層１５Ｂの厚み方向のヤング率が、２．５ＧＰａ以上であってもよい。また、カーボン多孔体シート１５Ｓは、少なくともアノードセパレーター１７側の第１表面層１５Ｂの曲げ強度が、１０ＭＰａ以上であってもよい。これらの場合、カーボン多孔体シート１５Ｓは、少なくともアノードセパレーター１７側の第１表面層１５Ｂの気孔率が、４５％以下である。なお、このとき、カーボン多孔体シート１５Ｓは、少なくともアノード触媒層１３側の第２表面層１５Ｃの気孔率が、４５％以下であってもよい。
【０１４１】
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、アノードセパレーター１７側の第１表面層１５Ｂの厚み方向のヤング率が２．５ＧＰａ未満である場合に比べて、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。また、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、アノードセパレーター１７側の第１表面層１５Ｂの曲げ強度が１０ＭＰａ未満である場合に比べて、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。
【０１４２】
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。
【０１４３】
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、曲げ強度の下限値および厚み方向のヤング率の下限値を、上記の測定データの直線近似から算出すると、それぞれ３９％、２０ＭＰａおよび７．８ＧＰａであることがわかる。
【０１４４】
つまり、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、少なくともアノードセパレーター１７側の第１表面層１５Ｂの厚み方向のヤング率が、７．８ＧＰａ以上であってもよい。また、カーボン多孔体シート１５Ｓは、少なくともアノードセパレーター１７側の第１表面層１５Ｂの曲げ強度が、２０ＭＰａ以上であってもよい。これらの場合、カーボン多孔体シート１５Ｓは、少なくともアノードセパレーター１７側の第１表面層１５Ｂの気孔率が、３９％以下である。なお、このとき、カーボン多孔体シート１５Ｓは、少なくともアノード触媒層１３側の第２表面層１５Ｃの気孔率が、３９％以下であってもよい。
【０１４５】
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、アノードセパレーター１７側の第１表面層１５Ｂの厚み方向のヤング率が７．８ＧＰａ未満である場合に比べて、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。また、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、アノードセパレーター１７側の第１表面層１５Ｂの曲げ強度が２０ＭＰａ未満である場合に比べて、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。
【０１４６】
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。
【０１４７】
本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、上記の特徴以外は、第１実施形態および第１実施形態の第１実施例−第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。
【０１４８】
（第５実施例）
第５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。
【０１４９】
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。
【０１５０】
なお、上記のピーク気孔径は、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。この装置は、細孔への水銀の圧入を利用して、数ｎｍ〜５００μｍ程度の気孔径の分布を測定することができる。そして、この気孔径分布からピーク気孔径を知ることができる。
【０１５１】
仮に、カーボン多孔体シート１５Ｓ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がカーボン多孔体シート１５Ｓ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、カーボン多孔体シート１５Ｓ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。
【０１５２】
本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、上記の特徴以外は、第１実施形態および第１実施形態の第１実施例−第４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。
【０１５３】
（第６実施例）
第６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。
【０１５４】
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の全体の気孔率が２０％以上である。
【０１５５】
なお、上記の気孔率は、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。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、カーボン多孔体シート１５Ｓの全体の気孔の容積と固体部分とから、この気孔率を知ることができる。
【０１５６】
仮に、カーボン多孔体シート１５Ｓの全体の気孔率が２０％未満である場合、アノードガス拡散層１５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の全体の気孔率を２０％以上にすることで、アノードガス拡散層１５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、アノードガス拡散層１５のアノード触媒層１３へのガス拡散性が確保される。これにより、アノードセパレーター１７からのアノードガスを、アノードガス拡散層１５を通じてアノード触媒層１３に適切に供給することができる。
【０１５７】
本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、上記の特徴以外は、第１実施形態および第１実施形態の第１実施例−第５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。
【０１５８】
（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、アノードガス拡散層１５のアノード触媒層１３側の第２表面層１５Ｃが撥水性であること以外は、第１実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様である。
【０１５９】
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に押し戻される。このとき、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。
【０１６０】
そこで、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のアノード触媒層１３側の第２表面層１５Ｃを撥水性にすることで、アノード電極ＡＮに押し戻された水をアノードガスの流れによって速やかに外部に排出するように構成されている。よって、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。
【０１６１】
なお、アノードガス拡散層１５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、アノードガス拡散層１５のアノード触媒層１３側の第２表面層１５Ｃのカーボン粒子に撥水性を発現させてもよい。また、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、アノードガス拡散層１５のアノード触媒層１３側の第２表面層１５Ｃのカーボン粒子に撥水性を発現させてもよい。
【０１６２】
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。
【０１６３】
ただし、以上の撥水性の第２表面層１５Ｃ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。
【０１６４】
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実施形態および第１実施形態の第１実施例−第６実施例のいずれかの電気化学式水素ポンプ１００と同様であってもよい。
【０１６５】
（第３実施形態）
第３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のアノードセパレーター１７側の第１表面層１５Ｂが親水性である以外は、第１実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様である。
【０１６６】
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。
【０１６７】
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。
【０１６８】
そこで、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のアノードセパレーター１７側の第１表面層１５Ｂを親水性にすることで、この第１表面層１５Ｂに保水機能を付与するように構成されている。よって、アノードガス拡散層１５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。
【０１６９】
なお、アノードガス拡散層１５が、カーボン粒子を素材とする焼結体である場合、このカーボン粒子に、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、例えば、カルボキシル基、水酸基、カルボニル基など含酸素官能基を設けることで、かかるカーボン粒子に親水性を発現させることができる。
【０１７０】
ただし、以上の親水性の第１表面層１５Ｂ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。
【０１７１】
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１実施形態の第１実施例−第６実施例および第２実施形態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。
【０１７２】
なお、第１実施形態、第１実施形態の第１実施例−第６実施例、第２実施形態および第３実施形態は、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、アノードガス拡散層１５のアノード触媒層１３側の第２表面層１５Ｃを撥水性にするとともに、アノードガス拡散層１５のアノードセパレーター１７側の第１表面層１５Ｂを親水性にしてもよい。
【０１７３】
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】
【０１７４】
本開示の一態様は、アノードガス拡散層について、金属製のアノードガス拡散層よりもコストを低減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】
【０１７５】
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          ：内側の層
１５Ｂ          ：第１表面層
１５Ｃ          ：第２表面層
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
【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４】
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【図５】
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【図６】
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