(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設けられた、アノードと、
前記電解質膜の他方の主面に設けられた、カソードと、
前記アノード上に設けられたアノードセパレーターと、
前記カソード上に設けられたカソードセパレーターと、
を備え、
前記アノードセパレーターおよび前記カソードセパレーターの少なくとも一方は、ステンレスによって構成される金属基材シートと、前記金属基材シート上に設けられ、前記金属基材シートに含まれる金属元素を構成元素とする金属酸化物および金属水酸化物を含む導電層とを備える、電気化学デバイス。
【請求項２】
前記金属酸化物は、酸化クロムであり、前記金属水酸化物は、水酸化クロムである、請求項１に記載の電気化学デバイス。
【請求項３】
前記金属基材シートは、ＳＵＳ３１６またはＳＵＳ３１６Ｌによって構成される、請求項１に記載の電気化学デバイス。
【請求項４】
前記金属基材シートは、４４０１−３１６−００−Ｉまたは４４３６−３１６−００−Ｉ、または、４４０４−３１６−０３−Ｉ、４４３２−３１６−０３−Ｉまたは４４３６−３１６−９１−Ｉによって構成される、請求項１に記載の電気化学デバイス。
【請求項５】
前記金属基材シートは、１．４４０１または１．４４３６、または、１．４４０４、１．４４３２または１．４４３５によって構成される、請求項１に記載の電気化学デバイス。
【請求項６】
前記金属基材シートは、Ｓ３１６００またはＳ３１６０３によって構成される、請求項１に記載の電気化学デバイス。
【請求項７】
前記金属基材シートは、Ｓ３１６０８またはＳ３１６０３によって構成される、請求項１に記載の電気化学デバイス。
【請求項８】
前記導電層は、層の厚みが０．００１μｍ以上、５μｍ以下である、請求項１−７のいずれか一項に記載の電気化学デバイス。
【請求項９】
前記導電層は、フッ素濃度が０．１原子％以上のフッ素、および、リチウム濃度が０．０１原子％以上のリチウムの少なくともいずれか一方を含む、請求項１−８のいずれか一項に記載の電気化学デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は電気化学デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化の問題から温室効果ガス放出の要因となる化石燃料に代えて、再生可能エネルギーの普及が進んでいる。しかし、太陽光、風力などの再生可能エネルギーは、一般的に、気候変動の要因などで不安定であることが多いので、再生可能エネルギーで発生した電力を使いたいときに常に使用できるとは限らない。【０００３】
このため、再生可能エネルギーで発生した電力の余剰時には、例えば、余剰電力を利用した水素の生成および貯蔵が行われる。このとき、水素生成は、水電解装置で行うことができる。また、タンクへの水素貯蔵は、電気化学式水素ポンプで行うことができる。そして、再生可能エネルギーで発生した電力の不足時には、タンクに貯蔵された水素を燃料として利用する燃料電池の発電によって、再生可能エネルギーの需給バランスを適切に取ることができる。【０００４】
つまり、クリーンな水素社会の構築を目指すべく、再生可能エネルギーの電力を用いて、水素を生成、貯蔵および利用する際には、以上の燃料電池、水電解装置および電気化学式水素ポンプなどの様々な電気化学デバイスの関与が必要であるので、従来から、このような電気化学デバイスの開発が行われている。【０００５】
例えば、特許文献１には、燃料電池用のセパレーターの導電性および耐食性を改善すべく、セパレーターの金属基材シートの表面に、導電性粒子を含む導電性層、中間層および導電性炭素層が積層された構成が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許５３５３２０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１は、電気化学デバイスの耐久性および信頼性の向上について十分に検討されていない。【０００８】
そこで、本開示は、一例として、装置の耐久性および信頼性が従来よりも向上し得る電気化学デバイス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】
【０００９】
上記の課題を解決するために、本開示の一態様(aspect)の電気化学デバイスは、電解質膜と、前記電解質膜の一方の主面に設けられた、アノードと、前記電解質膜の他方の主面に設けられた、カソードと、前記アノード上に設けられたアノードセパレーターと、前記カソード上に設けられたカソードセパレーターと、を備え、
前記アノードセパレーターおよび前記カソードセパレーターの少なくとも一方は、金属基材シートと、前記金属基材シート上に設けられ、金属酸化物および金属水酸化物を含む導電層とを備える。
【発明の効果】
【００１０】
本開示の一態様の電気化学デバイスは、装置の耐久性および信頼性が従来よりも向上し得るという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、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２Ａ】図２Ａは、図１の電気化学式水素ポンプにおけるＡ部を拡大した図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、実施形態の第１実施例の電気化学式水素ポンプおけるアノードセパレーターの一例を示す図であって、図１のＢ部を拡大した図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、実施形態の第２実施例の電気化学式水素ポンプおけるカソードセパレーターの一例を示す図であって、図１のＣ部を拡大した図である。
【図３】図３は、金属基材シート上の酸化クロムおよび水酸化クロムを含む導電層の製法の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
電気化学デバイスの耐久性および信頼性の向上について検討が行われ、以下の知見が得られた。
【００１３】
特許文献１では、上記のとおり、セパレーターが、金属基材シート、導電性層、中間層および導電性炭素層の４層の積層体で構成されている。そして、一般的に、セパレーターを構成する積層体の層数が増える程、積層体の層間における接着性の低下、積層体の層間における空隙発生などに起因して、装置の耐久性および信頼性が低下する。
【００１４】
ところで、セパレーターが、例えば、ステンレス製の部材である場合、この部材の表面には、高耐食性の酸化クロムを含む不動態皮膜が形成される。
【００１５】
ここで、国際公開第２００８／１３６３０６号において、このような不動態皮膜中に、プロトン（Ｈ＋）を電気化学的に注入することで、不動態皮膜の電気伝導性が向上することが報告されている。
【００１６】
そこで、本開示者らは、このような不動態皮膜中にプロトンを導入する技術を活用することで、電気化学デバイスの耐久性および信頼性を向上し得ることを見出して、以下の本開示の一態様に想到した。
【００１７】
すなわち、本開示の第１態様の電気化学デバイスは、電解質膜と、電解質膜の一方の主面に設けられた、アノードと、電解質膜の他方の主面に設けられた、カソードと、アノード上に設けられたアノードセパレーターと、カソード上に設けられたカソードセパレーターと、を備え、アノードセパレーターおよびカソードセパレーターの少なくとも一方は、金属基材シートと、金属基材シート上に設けられ、金属酸化物および金属水酸化物を含む導電層とを備える。
【００１８】
かかる構成によると、本開示の電気化学デバイスは、装置の耐久性および信頼性が従来よりも向上し得る。
【００１９】
具体的には、本態様の電気化学デバイスは、金属表面に存在する不動態皮膜を改質した金属酸化物および金属水酸化物を含む導電層が用いられている。よって、本態様の電気化学デバイスは、特許文献１に開示されたセパレーターに比べて、アノードセパレーターを構成する積層体の層数を減らすことができる。また、本態様の電気化学デバイスは、特許文献１に開示されたセパレーターに比べて、カソードセパレーターを構成する積層体の層数を減らすことができる。
【００２０】
これにより、本態様の電気化学デバイスは、上記の積層体の層間における接着性の低下、積層体の層間における空隙発生を抑制することができ、その結果、装置の耐久性および信頼性を向上させることができる。また、本態様の電気化学デバイスは、上記の積層体の層数を減らすことができるので、セパレーターの低コスト化を図ることができる。
【００２１】
本開示の第２態様の電気化学デバイスは、第１態様の電気化学デバイスにおいて、金属水酸化物は、金属酸化物を含む層にプロトンを導入することによって生成されていてもよい。
【００２２】
かかる構成によると、本態様の電気化学デバイスは、導電性が低い金属酸化物を含む層において、導電性が高い金属水酸化物の含有率を適切に向上させることができる。
【００２３】
本開示の第３態様の電気化学デバイスは、第１態様または第２態様の電気化学デバイスにおいて、金属酸化物は、酸化クロムであり、金属水酸化物は、水酸化クロムであってもよい。
【００２４】
本開示の第４態様の電気化学デバイスは、第１態様から第３態様のいずれか一つの電気化学デバイスにおいて、金属基材シートは、ステンレスによって構成されていてもよい。
【００２５】
ステンレスの表面には、一般的に、ステンレスの成分であるクロムが大気中の酸素に酸化されることで、酸化クロムを含む不動態皮膜が形成される。よって、本態様の電気化学デバイスは、金属基材シートをステンレスによって構成することで、金属基材シートの表面に、高耐食性の酸化クロムを含む不動態皮膜を容易に形成することができる。
【００２６】
本開示の第５態様の電気化学デバイスは、第４態様の電気化学デバイスにおいて、金属基材シートは、ＳＵＳ３１６またはＳＵＳ３１６Ｌによって構成されていてもよい。
【００２７】
ＳＵＳ３１６およびＳＵＳ３１６Ｌは、様々な種類のステンレスの中で、コストパフォーマンスに優れており、耐食性および耐水素脆性などの視点で特性がよい。よって、本態様の電気化学デバイスは、上記の金属基材シートをＳＵＳ３１６またはＳＵＳ３１６Ｌによって構成することで、電気化学デバイスの性能を適切に維持しながら、金属基材シートの低コスト化を図ることができる。
【００２８】
本開示の第６態様の電気化学デバイスは、第４態様の電気化学デバイスにおいて、金属基材シートは、４４０１−３１６−００−Ｉまたは４４３６−３１６−００−Ｉ、または、４４０４−３１６−０３−Ｉ、４４３２−３１６−０３−Ｉまたは４４３６−３１６−９１−Ｉによって構成されていてもよい。
【００２９】
ここで、日本工業規格（ＪＩＳ）のＳＵＳ３１６は、国際規格（ＩＳＯ）１５５１０では、４４０１−３１６−００−Ｉまたは４４３６−３１６−００−Ｉが対応する。日本工業規格のＳＵＳ３１６Ｌは、ＩＳＯ １５５１０では、４４０４−３１６−０３−Ｉ、４４３２−３１６−０３−Ｉまたは４４３６−３１６−９１−Ｉ４４０１−３１６−００−Ｉが対応する。
【００３０】
本開示の第７態様の電気化学デバイスは、第４態様の電気化学デバイスにおいて、金属基材シートは、１．４４０１または１．４４３６、または、１．４４０４、１．４４３２または１．４４３５によって構成されていてもよい。
【００３１】
ここで、日本工業規格（ＪＩＳ）のＳＵＳ３１６は、欧州規格（ＥＮ）では、１．４４０１または１．４４３６が対応する。日本工業規格のＳＵＳ３１６Ｌは、欧州規格では、１．４４０４、１．４４３２または１．４４３５が対応する。
【００３２】
本開示の第８態様の電気化学デバイスは、第４態様の電気化学デバイスにおいて、金属基材シートは、Ｓ３１６００またはＳ３１６０３によって構成されていてもよい。
【００３３】
ここで、日本工業規格（ＪＩＳ）のＳＵＳ３１６は、米国規格（ＵＮＳ）では、Ｓ３１６００が対応する。日本工業規格のＳＵＳ３１６Ｌは、米国規格では、Ｓ３１６０３が対応する。
【００３４】
本開示の第９態様の電気化学デバイスは、第４態様の電気化学デバイスにおいて、金属基材シートは、Ｓ３１６０８またはＳ３１６０３によって構成されていてもよい。
【００３５】
ここで、日本工業規格（ＪＩＳ）のＳＵＳ３１６は、中国規格（ＧＢ）では、Ｓ３１６０８が対応する。日本工業規格のＳＵＳ３１６Ｌは、中国規格では、Ｓ３１６０３が対応する。
【００３６】
本開示の第１０態様の電気化学デバイスは、第１態様から第９態様のいずれか一つの電気化学デバイスにおいて、導電層は、層の厚みが０．００１μｍ以上、５μｍ以下であってもよい。
【００３７】
本開示の第１１態様の電気化学デバイスは、第１態様から第１０態様のいずれか一つの電気化学デバイスにおいて、導電層は、フッ素濃度が０．１原子％以上のフッ素、および、リチウム濃度が０．０１原子％以上のリチウムの少なくともいずれか一方を含んでいてもよい。
【００３８】
かかる構成によると、導電層の導電性が向上するとともに、導電層の耐食性が向上して変質しにくくなる。
【００３９】
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。
【００４０】
（実施形態）
電気化学デバイスのアノードにおけるアノード流体、および、カソードにおけるカソード流体は、様々な種類のガス、液体が想定される。例えば、電気化学デバイスが電気化学式水素ポンプである場合、アノード流体として、水素含有ガスを挙げることができる。また、例えば、電気化学デバイスが水電解装置である場合、アノード流体として、水蒸気、液体の水などを挙げることができる。また、例えば、電気化学デバイスが燃料電池である場合、アノード流体およびカソード流体として、それぞれ、水素含有ガスおよび酸化剤ガスを挙げることができる。
【００４１】
そこで、以下の実施形態では、アノード流体が水素含有ガスである場合において、電気化学デバイスの一例である電気化学式水素ポンプの構成および動作について説明する。
【００４２】
[装置構成]
＜電気化学式水素ポンプの全体構成＞
図１は、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２Ａは、図１の電気化学式水素ポンプにおけるＡ部を拡大した図である。
【００４３】
図１に示すように、電気化学式水素ポンプ１００は、水素ポンプユニット１００Ａおよび水素ポンプユニット１００Ｂを備える。なお、水素ポンプユニット１００Ａが、水素ポンプユニット１００Ａに対して上側の位置に設けられている。
【００４４】
ここでは、２個の水素ポンプユニット１００Ａおよび水素ポンプユニット１００Ｂが示されているが、水素ポンプユニットの個数は、本例に限定されない。つまり、水素ポンプユニットの個数は、例えば、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡで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ＡＮと、カソードＣＡと、第１カソードセパレーター１６と、中間セパレーター１７と、を備える。水素ポンプユニット１００Ｂは、電解質膜１１と、アノードＡＮと、カソードＣＡと、中間セパレーター１７と、第１アノードセパレーター１８と、を備える。このように、中間セパレーター１７は、水素ポンプユニット１００Ａのアノードセパレーターとして機能するとともに、水素ポンプユニット１００Ｂのカソードセパレーターとして機能する。つまり、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のアノードセパレーターおよび水素ポンプユニット１００Ｂのカソードセパレーターは一体に構成されているが、これに限定されない。図示を省略するが、これらのアノードセパレーターおよびカソードセパレーターは別体で構成されていてもよい。なお、説明の便宜上、中間セパレーター１７のうちのアノードセパレーターとして機能する部分を、第２アノードセパレーター１７Ａという。中間セパレーター１７のうちのカソードセパレーターとして機能する部分を、第２カソードセパレーター１７Ｃという。
【００４６】
図２Ａに示すように、アノードＡＮは、電解質膜１１の一方の主面に設けられている。アノード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。
【００４７】
カソード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。
【００４８】
以上により、水素ポンプユニット１００Ａおよび水素ポンプユニット１００Ｂでは、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２のそれぞれが電解質膜１１に接触するようにして、電解質膜１１がアノードＡＮとカソードＣＡとによって挟持されている。なお、カソードＣＡ、電解質膜１１およびアノードＡＮを含むセルを膜−電極接合体（以下、ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）という。
【００４９】
第１カソードセパレーター１６および第２アノードセパレーター１７Ａの間、および、第２カソードセパレーター１７Ｃおよび第１アノードセパレーター１８の間には、電解質膜１１が設けられ、平面視においてＭＥＡの周囲を囲むように設けられた環状のシール部材（図示せず）が挟み込まれている。なお、第１カソードセパレーター１６および第２アノードセパレーター１７Ａの間、および、第２カソードセパレーター１７Ｃおよび第１アノードセパレーター１８の間に、環状かつ平板状の絶縁体が、設けられていてもよい。
【００５０】
以上により、第１カソードセパレーター１６および第２アノードセパレーター１７Ａの間の短絡および第２カソードセパレーター１７Ｃおよび第１アノードセパレーター１８の間の短絡、が防止されている。
【００５１】
＜ＭＥＡの構成＞
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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、黒鉛などの炭素粉体、導電性の酸化物粉体などが挙げられるが、これらに限定されない。
【００５５】
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、プロト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。
【００５６】
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ＣＡおよびアノード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粉体の焼結体などを用いてもよい。
【００５７】
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ＣＡおよびアノード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。
【００５８】
なお、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として、チタン粉体焼結体の薄板で構成した部材が用いられているが、これに限定されない。つまり、アノードガス拡散層１５の基材として、例えば、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粉体の焼結体を用いることができるが、カーボン多孔体も使用可能である。また、アノードガス拡散層１５の基材として、例えば、エキスパンドメタル、金属メッシュ、パンチングメタルなどを用いることもできる。
【００５９】
＜アノードセパレーターの構成＞
第１アノードセパレーター１８は、水素ポンプユニット１００ＢのアノードＡＮ上に設けられた導電性の部材である。具体的には、第１アノードセパレーター１８の主面の中央部には、水素ポンプユニット１００Ｂのアノードガス拡散層１５を収納する凹部が設けられていてもよい。
【００６０】
第２アノードセパレーター１７Ａは、水素ポンプユニット１００ＡのアノードＡＮ上に設けられた導電性の部材である。具体的には、第２アノードセパレーター１７Ａの主面の中央部には、水素ポンプユニット１００Ａのアノードガス拡散層１５を収納する凹部が設けられていてもよい。
【００６１】
ここで、以上の第１アノードセパレーター１８および第２アノードセパレーター１７Ａはそれぞれ、金属基材シート２３（図２Ｂ参照）と、金属基材シート２３上に設けられ、金属酸化物および金属水酸化物を含む導電層ＣＬ（図２Ｂ参照）と、を備える。
【００６２】
ここで、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、導電層ＣＬは、酸化クロムおよび水酸化クロムを含む導電層２１Ａである。つまり、本例では、導電層ＣＬの金属酸化物は、酸化クロムであり、導電層ＣＬの金属水酸化物は、水酸化クロムである。なお、導電層２１Ａの詳細な構成は第１実施例で説明する。
【００６３】
金属基材シート２３は、ステンレスによって構成されていてもよい。ステンレスの表面には、一般的に、ステンレスの成分であるクロムが大気中の酸素に酸化されることで、図示しない酸化クロムを含む不動態皮膜が形成される。よって、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、金属基材シート２３をステンレスによって構成することで、金属基材シート２３の表面に、高耐食性の酸化クロムを含む不動態皮膜を容易に形成することができる。
【００６４】
例えば、金属基材シート２３は、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌなどで構成されていてもよい。ＳＵＳ３１６およびＳＵＳ３１６Ｌは、様々な種類のステンレスの中で、コストパフォーマンスに優れており、耐食性および耐水素脆性などの視点で特性がよい。よって、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、金属基材シート２３をＳＵＳ３１６またはＳＵＳ３１６Ｌによって構成することで、電気化学式水素ポンプ１００の性能を適切に維持しながら、金属基材シート２３の低コスト化を図ることができる。
【００６５】
なお、以上の酸化クロムおよび水酸化クロムはそれぞれ、導電層ＣＬに含まれる金属酸化物および金属水酸化物のそれぞれの一例であって、本例に限定されない。このような金属酸化物および金属水酸化物の他の例として、例えば、鉄酸化物および鉄水酸化物などを挙げることができる。また、例えば、ニッケル酸化物、およびニッケル水酸化物などをあげることができる。その他、モリブデン酸化物、およびモリブデン水酸化物などをあげることができる。
【００６６】
＜カソードセパレーターの構成＞
第１カソードセパレーター１６は、水素ポンプユニット１００ＡのカソードＣＡ上に設けられた導電性の部材である。具体的には、第１カソードセパレーター１６の主面の中央部には、水素ポンプユニット１００Ａのカソードガス拡散層１４を収納する凹部が設けられている。
【００６７】
第２カソードセパレーター１７Ｃは、水素ポンプユニット１００ＢのカソードＣＡ上に設けられた導電性の部材である。具体的には、第２カソードセパレーター１７Ｃの主面の中央部には、水素ポンプユニット１００Ｂのカソードガス拡散層１４を収納する凹部が設けられている。
【００６８】
ここで、以上の第１カソードセパレーター１６および第２カソードセパレーター１７Ｃはそれぞれ、金属基材シート３３（図２Ｃ参照）と、金属基材シート３３上に設けられ、金属酸化物および金属水酸化物を含む導電層ＣＬ（図２Ｃ参照）と、を備える。
【００６９】
ここで、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、導電層ＣＬは、酸化クロムおよび水酸化クロムを含む導電層３１Ａ（図２Ｃ参照）である。つまり、本例では、導電層ＣＬの金属酸化物は、酸化クロムであり、導電層ＣＬの金属水酸化物は、水酸化クロムである。なお、導電層３１Ａの詳細な構成は第２実施例で説明する。
【００７０】
金属基材シート３３は、ステンレスによって構成されていてもよい。ステンレスの表面には、一般的に、ステンレスの成分であるクロムが大気中の酸素に酸化されることで、図示しない酸化クロムを含む不動態皮膜が形成される。よって、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、金属基材シート３３をステンレスによって構成することで、金属基材シート３３の表面に、高耐食性の酸化クロムを含む不動態皮膜を容易に形成することができる。
【００７１】
例えば、金属基材シート３３は、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌなどで構成されていてもよい。ＳＵＳ３１６およびＳＵＳ３１６Ｌは、様々な種類のステンレスの中で、コストパフォーマンスに優れており、耐食性および耐水素脆性などの視点で特性がよい。よって、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、金属基材シート３３をＳＵＳ３１６またはＳＵＳ３１６Ｌによって構成することで、電気化学式水素ポンプ１００の性能を適切に維持しながら、金属基材シート３３の低コスト化を図ることができる。
【００７２】
以上のようにして、第１カソードセパレーター１６および第２アノードセパレーター１７Ａで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。また、第１アノードセパレーター１８および第２カソードセパレーター１７ＣでＭＥＡを挟むことにより、水素ポンプユニット１００Ｂが形成されている。
【００７３】
なお、図１に示すように、アノードガス拡散層１５と接触する第１アノードセパレーター１８のアノードＡＮ側の主面に凹凸２０（図２参照）が設けられ、この凹部が、アノードガス流路溝２５を構成している。また、アノードガス拡散層１５と接触する第２アノードセパレーター１７ＡのアノードＡＮ側の主面に凹凸２０（図２参照）が設けられ、この凹部が、アノードガス流路溝２５を構成している。
【００７４】
アノードガス流路溝２５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に形成されている。但し、このようなアノードガス流路溝２５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形成されていてもよい。
【００７５】
なお、以上の酸化クロムおよび水酸化クロムはそれぞれ、導電層ＣＬに含まれる金属酸化物および金属水酸化物のそれぞれの一例であって、本例に限定されない。このような金属酸化物および金属水酸化物の他の例として、例えば、鉄酸化物および鉄水酸化物などを挙げることができる。また、例えば、ニッケル酸化物、およびニッケル水酸化物などをあげることができる。その他、モリブデン酸化物、およびモリブデン水酸化物などをあげることができる。
【００７６】
＜電圧印加器の構成＞
図１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。
【００７７】
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。具体的には、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。
【００７８】
また、電圧印加器１０２は、例えば、電気化学式水素ポンプ１００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。
【００７９】
なお、図示を省略するが、電圧印加器１０２の低電位側の端子がカソード給電板に接続され、電圧印加器１０２の高電位側の端子がアノード給電板に接続されている。カソード給電板は、例えば、水素ポンプユニット１００Ａの第１カソードセパレーター１６に設けられている。アノード給電板は、例えば、水素ポンプユニット１００Ｂの第１アノードセパレーター１８に設けられている。そして、カソード給電板およびアノード給電板はそれぞれ、第１カソードセパレーター１６および第１アノードセパレーター１８のそれぞれと電気的に接触している。
【００８０】
このように、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。つまり、電気化学式水素ポンプ１００では、アノードＡＮにおいて水素含有ガスから取り出されたプロトン（Ｈ＋）が、電解質膜１１を介してカソードＣＡに移動することで、カソードＣＡにおいて水素含有ガスが生成される。なお、水素含有ガスは、例えば、カソードＣＡから排出される水蒸気を含む高圧の水素ガスである。
【００８１】
なお、電気化学式水素ポンプ１００には、外部からアノードＡＮに水素含有ガスを供給させるためのアノードガス供給経路４０と、カソードＣＡから水素含有ガスを外部に排出するためのカソードガス排出経路５０と、が設けられているが、これらの経路の詳細な構成は後で説明する。
【００８２】
＜電気化学式水素ポンプの締結構成＞
図１および図２Ａに示すように、第１カソードセパレーター１６、中間セパレーター１７および第１アノードセパレーター１８はこの順番に、電気化学式水素ポンプ１００内のアノードガス拡散層１５、アノード触媒層１３、電解質膜１１、カソード触媒層１２、およびカソードガス拡散層１４の積層方向と同一方向に積層されている。
【００８３】
ここで、図示を省略するが、電気化学式水素ポンプ１００の第１カソードセパレーター１６の外面には、例えば、第１絶縁板を介して高剛性の第１端板が設けられている。また、電気化学式水素ポンプ１００の第１アノードセパレーター１８の外面には、例えば、第２絶縁板を介して高剛性の第２端板が設けられている。
【００８４】
そして、図示しない締結器が、電気化学式水素ポンプ１００の各部材、第１絶縁板、第１端板、第２絶縁板および第２端板を上記の積層方向に締結している。
【００８５】
締結器は、このような各部材を上記の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。
【００８６】
例えば、締結器として、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。
【００８７】
このとき、締結器のボルトは、第１端板および第２端板のみを貫通してもよいし、ボルトは、電気化学式水素ポンプ１００の各部材、第１絶縁板、第１端板、第２絶縁板および第２端板を貫通してもよい。そして、第１カソードセパレーター１６の端面、および、第１アノードセパレーター１８の端面をそれぞれ、第１絶縁板および第２絶縁板のそれぞれを介して、第１端板および第２端板のそれぞれで挟むようにして、締結器により電気化学式水素ポンプ１００に所望の締結圧が付与されている。
【００８８】
なお、締結器のボルトが、電気化学式水素ポンプ１００の各部材、第１絶縁板、第１端板、第２絶縁板および第２端板を貫通する構成を取る場合、電気化学式水素ポンプ１００の各部材が、上記の積層方向において、締結器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。
【００８９】
このようにして、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、以上の部材がそれぞれ、締結器によって積層方向に積層されて一体化されている。
【００９０】
＜水素含有ガスの流路構成＞
以下、図１を参照しながら、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮに水素含有ガスを供給するための流路構成の一例を説明する。なお、図１では、水素含有ガスの流れの模式図が細い一点鎖線の矢印で示されている。
【００９１】
図１に示すように、電気化学式水素ポンプ１００は、アノードガス供給経路４０を備える。
【００９２】
アノードガス供給経路４０は、例えば、電気化学式水素ポンプ１００の各部材の適所に設けられ、鉛直方向に延伸する縦流路４０Ｈと、第２アノードセパレーター１７Ａおよび第１アノードセパレーター１８のそれぞれの適所に設けられ、水平方向に延伸する第１横流路４０Ａおよび第２横流路４０Ｂとの連なりによって構成されている。具体的には、縦流路４０Ｈは、第２アノードセパレーター１７Ａに設けられた第１横流路４０Ａを介して、水素ポンプユニット１００ＡのアノードＡＮと連通している。例えば、この第１横流路４０Ａと、第２アノードセパレーター１７Ａに設けられたサーペンタイン状のアノードガス流路溝２５の端部とが接続していてもよい。また、縦流路４０Ｈは、第１アノードセパレーター１８に設けられた第２横流路４０Ｂを介して、水素ポンプユニット１００ＢのアノードＡＮと連通している。例えば、この第２横流路４０Ｂと、第１アノードセパレーター１８に設けられたサーペンタイン状のアノードガス流路溝２５の端部とが接続していてもよい。
【００９３】
以上の構成により、外部からの水素含有ガスは、図１の一点鎖線の矢印で示す如く、縦流路４０Ｈ、第１横流路４０Ａおよび水素ポンプユニット１００ＡのアノードＡＮをこの順番に流通するとともに、縦流路４０Ｈ、第２横流路４０Ｂおよび水素ポンプユニット１００ＢのアノードＡＮをこの順番に流通する。つまり、縦流路４０Ｈの水素含有ガスは、第１横流路４０Ａおよび第２横流路４０Ｂの両方を流れるように分流する。すると、水素含有ガスが、アノードガス拡散層１５を介して電解質膜１１に供給される。
【００９４】
次に、図１を参照しながら、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡから水素含有ガスを外部に排出するための流路構成の一例を説明する。なお、図１では、水素含有ガスの流れの模式図が細い一点鎖線の矢印で示されている。
【００９５】
図１に示すように、電気化学式水素ポンプ１００は、カソードガス排出経路５０を備える。
【００９６】
カソードガス排出経路５０は、例えば、電気化学式水素ポンプ１００の各部材の適所に設けられ、鉛直方向に延伸する縦流路５０Ｈと、第１カソードセパレーター１６および第２カソードセパレーター１７Ｃのそれぞれの適所に設けられ、水平方向に延伸する第１横流路５０Ａおよび第２横流路５０Ｂとの連なりによって構成されている。具体的には、縦流路５０Ｈは、第１カソードセパレーター１６に設けられた第１横流路５０Ａを介して、水素ポンプユニット１００ＡのカソードＣＡと連通している。また、縦流路５０Ｈは、第２カソードセパレーター１７Ｃに設けられた第２横流路５０Ｂを介して、水素ポンプユニット１００ＢのカソードＣＡと連通している。
【００９７】
以上の構成により、水素ポンプユニット１００ＡのカソードＣＡで昇圧された高圧の水素含有ガスは、図１の一点鎖線の矢印で示す如く、第１横流路５０Ａおよび縦流路５０Ｈをこの順番に流通する。その後、水素含有ガスは、電気化学式水素ポンプ１００外へ排出される。また、水素ポンプユニット１００ＢのカソードＣＡで昇圧された高圧の水素含有ガスは、図１の一点鎖線の矢印で示す如く、第２横流路５０Ｂおよび縦流路５０Ｈをこの順番に流通する。その後、水素含有ガスは、電気化学式水素ポンプ１００外へ排出される。つまり、第１横流路５０Ａおよび第２横流路５０Ｂの両方の水素含有ガスは、縦流路５０Ｈで合流する。
【００９８】
なお、以上の電気化学式水素ポンプ１００の構成は例示であって、本例に限定されない。例えば、水素ポンプユニット１００Ａおよび水素ポンプユニット１００Ｂのアノードガス流路溝２５に供給する水素含有ガス中の水素を全量、昇圧するデッドエンド構造ではなく、アノードガス流路溝２５から水素含有ガスの一部を排出するためのアノードガス排出経路（図示せず）を電気化学式水素ポンプ１００の適所に設けてもよい。この際、アノードガス流路溝２５から供給される水素含有ガス中の水素は、定常運転においては、８割程度、もしくは多い場合では、９割程度消費され、未消費の水素含有ガスが図示しないアノードガス排出経路を通じて、水素ポンプユニット１００Ａの外に排出される。この未消費の水素含有ガスはリサイクルされ、新たに供給される水素含有ガスとともに混合された後、１００Ａのアノードガス供給経路４０に、再度、供給される。
【００９９】
［動作］
以下、実施形態の電気化学式水素ポンプ１００の動作の一例について図面を参照しながら説明する。
【０１００】
なお、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。
【０１０１】
まず、電気化学式水素ポンプ１００のアノード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に印加される。すると、電気化学式水素ポンプ１００において、アノードＡＮに供給する水素含有ガスから取り出されたプロトンが、電解質膜１１を介してカソードＣＡに移動し、昇圧された水素が生成される水素昇圧動作が行われる。具体的には、アノードＡＮのアノード触媒層１３において、水素分子が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。そして、カソード触媒層１２において、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、所定量の水が、電気浸透水としてアノードＡＮからカソードＣＡにプロトンと同伴して移動することが知られている。
【０１０２】
アノード：Ｈ２（低圧）→２Ｈ＋＋２ｅ−      ・・・（１）
カソード：２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２（高圧）      ・・・（２）
電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡで生成された水素含有ガスは、カソードＣＡで昇圧される。例えば、図示しない流量調整器を用いて、カソードガス導出経路の圧損を増加させることにより、カソードＣＡで水素含有ガスを昇圧させることができる。なお、流量調整器として、例えば、カソードガス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。
【０１０３】
ここで、適時に、流量調整器を用いて、カソードガス導出経路の圧損を低下させると、水素含有ガスが、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡからカソードガス排出経路５０を通じて外部へ排出される。流量調整器を用いて、カソードガス導出経路の圧損を低下させるとは、背圧弁、調整弁などの弁の開度を大きくすることである。
【０１０４】
なお、カソードガス導出経路を通じて供給される水素は、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】
以上のとおり、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、装置の耐久性および信頼性が従来よりも向上し得る。
【０１０６】
具体的には、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、金属表面に存在する不動態皮膜を改質した金属酸化物および金属水酸化物を含む導電層ＣＬが用いられている。例えば、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、ステンレスの表面に存在する不動態皮膜を改質した酸化クロムおよび水酸化クロムを含む導電層が用いられている。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１に開示されたセパレーターに比べて、第１アノードセパレーター１８および第２アノードセパレーター１７Ａ（以下、アノードセパレーター）を構成する積層体の層数を減らすことができる。また、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、特許文献１に開示されたセパレーターに比べて、第１カソードセパレーター１６および第２カソードセパレーター１７Ｃ（以下、カソードセパレーター）を構成する積層体の層数を減らすことができる。
【０１０７】
これにより、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、上記の積層体の層間における接着性の低下、積層体の層間における空隙発生を抑制することができ、その結果、装置の耐久性および信頼性を向上させることができる。また、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、上記の積層体の層数を減らすことができるので、アノードセパレーターおよびカソードセパレーターの低コスト化を図ることができる。
【０１０８】
（第１実施例）
本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、以下に説明するアノードセパレーターの構成以外は、実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様である。
【０１０９】
図２Ｂは、実施形態の第１実施例の電気化学式水素ポンプにおけるアノードセパレーターの一例を示す図であって、図１のＢ部を拡大した図である。なお、図２Ｂには、水素ポンプユニット１００Ｂの第１アノードセパレーター１８のＢ部が図示されている。水素ポンプユニット１００Ａの第２アノードセパレーター１７Ａは、水素ポンプユニット１００Ｂの第１アノードセパレーター１８と同様に構成されているので図示および説明を省略する。
【０１１０】
以下、アノードセパレーターの具体例について図面を参照しながら、詳細に説明する。
【０１１１】
本実施例の電気化学式水素ポンプ１００では、例えば、厚みが１．５ｍｍから２ｍｍ以上のステンレス製（例えば、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌなど）の金属基材シート２３と、厚みが０．１〜０．５ｍｍ程度のステンレス製のシート２１とが拡散接合で一体化されている。拡散接合の際、金属基材シート２３の表層に存在する酸化被膜は、事前にエッチングなどにより除去された後、拡散接合される。これにより、互いの接合部の空隙が消失するので、電気化学式水素ポンプ１００の接触抵抗を低減することができる。また、電気化学式水素ポンプ１００の動作時には、例えば、カソードＣＡおよびアノードＡＮ間に１ＭＰａ〜８２ＭＰａ程度の高圧がかかる。そこで、本実施例では、アノードセパレーターの金属基材シート２３を厚みが１．５ｍｍから２ｍｍ以上のステンレス板で構成することで、アノードセパレーターの剛性が適切に確保されている。
【０１１２】
ここで、アノードセパレーターの金属基材シート２３は、例えば、主面に対してエッチングまたは削り加工により、断面視において凹凸２０を設けることで、平面視においてサーペンタイン状のアノードガス流路溝２５が形成されている。そして、金属基材シート２３の凸部２２のアノードＡＮに対向する部分のみとシート２１の一方の主面とが拡散接合で一体化されている。
【０１１３】
つまり、電気化学式水素ポンプ１００では、アノードセパレーターの主面には、電気化学反応が行われる水素含有ガスをアノードガス拡散層１５に均一に供給するための断面視において凹凸状のアノードガス流路溝２５が設けられる。この場合、アノードガス拡散層１５の主面は、アノードガス流路溝２５の内面とは接触せずに、酸化クロムおよび水酸化クロムを含む導電層２１Ａおよびシート２１を介して凸部２２とのみ接触する。
【０１１４】
シート２１の他方の主面には、層の厚みが、０．００１μｍ以上、５μｍ以下（例えば、０．０１μｍ程度）の導電層２１Ａが形成されている。そして、導電層２１Ａは、導電性および耐食性に優れており、この導電層２１Ａ上にアノードガス拡散層１５が設けられている。つまり、アノードガス拡散層１５に接触するアノードセパレーターの部分にのみ、導電性および耐食性が高い導電層２１Ａおよびシート２１を設けることが望ましい。
【０１１５】
ここで、図３に示すように、導電層２１Ａは、一例として、シート２１の表面に存在する酸化クロムを含む不動態皮膜に、電気化学的にプロトン（Ｈ＋）を注入することで改質した水酸化クロムおよび酸化クロムを含む層である。つまり、導電層２１Ａ中の水酸化クロムは、酸化クロムを含む不動態皮膜にプロトンを導入することによって生成される。
【０１１６】
また、このとき、導電層２１Ａは、フッ素濃度が０．１原子％以上のフッ素、および、リチウム濃度が０．０１原子％以上のリチウムの少なくともいずれか一方を含んでいてもよい。すると、導電層２１Ａの導電性が向上するとともに、導電層２１Ａの耐食性が向上して変質しにくくなる。
【０１１７】
以上により、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、導電性が低い酸化クロムを含む不動態皮膜において、導電性が高い水酸化クロムの含有率を適切に向上させることができる。
【０１１８】
なお、酸化クロムを含む不動態皮膜に、電気化学的にプロトン（Ｈ＋）を注入する手法、および、不動態皮膜中にフッ素およびリチウムを注入する手法は、公知（国際公開第２００８／１３６３０６号）であるので詳細な説明は省略する。
【０１１９】
以上の導電層２１Ａを備えるシート２１は、一例として、圧延ロールで製造された市販のコート材を、適宜のプレス金型で打ち抜き加工することで、容易に得ることができる。例えば、直径が８０ｍｍ〜１３０ｍｍ程度の円形であって、平面視においてサーペンタイン状のアノードガス流路溝２５に対応する部分が開口になるように、市販のコート材をプレス成形で切り出した後、この円形のコート材が金属基材シート２３と拡散接合されてもよい。
【０１２０】
また、図示を省略するが、導電層２１Ａおよびシート２１が設けられていないアノードセパレーターの部分は、高耐食性の酸化クロムを含む不動態皮膜が形成されている。
【０１２１】
上記のアノードセパレーターの構成および製法は例示であって、本例に限定されない。
【０１２２】
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、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２実施例）
本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、以下に説明するカソードセパレーターの構成以外は、実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様である。
【０１２４】
図２Ｃは、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ソードセパレーターの一例を示す図であって、図１のＣ部を拡大した図である。なお、図２Ｃには、水素ポンプユニット１００Ａの第１カソードセパレーター１６のＣ部が図示されている。水素ポンプユニット１００Ｂの第２カソードセパレーター１７Ｃは、水素ポンプユニット１００Ａの第１カソードセパレーター１６と同様に構成されているので図示および説明を省略する。
【０１２５】
以下、カソードセパレーターの具体例について図面を参照しながら、詳細に説明する。
【０１２６】
本実施例の電気化学式水素ポンプ１００では、例えば、厚みが１．５ｍｍから２ｍｍ以上のステンレス製（例えば、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌなど）の金属基材シート３３と、厚みが０．１〜０．５ｍｍ程度のステンレス製のシート３１とが拡散接合で一体化されている。これにより、互いの接合部の空隙が消失するので、電気化学式水素ポンプ１００の接触抵抗を低減することができる。拡散接合の際、金属基材シート３３の表層に存在する酸化被膜は、事前にエッチングなどにより除去された後、拡散接合される。
【０１２７】
ここで、カソードセパレーターの金属基材シート３３は、例えば、主面に対してエッチングまたは削り加工により、カソードガス拡散層１４を収納する凹部が形成されている。そして、金属基材シート３３の凹部の底面のみとシート３１の一方の主面とが拡散接合で一体化されている。
【０１２８】
つまり、電気化学式水素ポンプ１００の動作時には、カソードガス拡散層１４内のガス圧が高圧である。よって、カソードセパレーターの金属基材シート３３の凹部の底面に流路溝を必ずしも設ける必要がなく、金属基材シート３３の適所に、凹部の内外を連通させる連通孔を設けることで、電気化学式水素ポンプ１００の外部に水素含有ガスを放出することができる。このとき、カソードガス拡散層１４の主面は、例えば、カソードセパレーターの金属基材シート３３の凹部の底面全体と面接触していてもよい。
【０１２９】
シート３１の他方の主面には、層の厚みが、０．００１μｍ以上、５μｍ以下（例えば、０．０１μｍ程度）の導電層３１Ａが形成されている。そして、導電層３１Ａは、導電性および耐食性に優れており、この導電層３１Ａ上にカソードガス拡散層１４が設けられている。つまり、カソードガス拡散層１４に接触するカソードセパレーターの部分にのみ、導電性および耐食性が高い導電層３１Ａおよびシート３１を設けることが望ましい。
【０１３０】
ここで、図示を省略するが、導電層３１Ａは、一例として、シート３１の表面に存在する酸化クロムを含む不動態皮膜に、電気化学的にプロトン（Ｈ＋）を注入することで改質した水酸化クロムおよび酸化クロムを含む層である。つまり、導電層３１Ａ中の水酸化クロムは、酸化クロムを含む不動態皮膜にプロトンを導入することによって生成される。
【０１３１】
また、このとき、導電層３１Ａは、フッ素濃度が０．１原子％以上のフッ素、および、リチウム濃度が０．０１原子％以上のリチウムの少なくともいずれか一方を含んでいてもよい。すると、導電層２１Ａの導電性が向上するとともに、導電層２１Ａの耐食性が向上して変質しにくくなる。
【０１３２】
以上により、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、導電性が低い酸化クロムを含む不動態皮膜において、導電性が高い水酸化クロムの含有率を適切に向上させることができる。
【０１３３】
なお、酸化クロムを含む不動態皮膜に、電気化学的にプロトン（Ｈ＋）を注入する手法、および、不動態皮膜中にフッ素およびリチウムを注入する手法は、公知（国際公開第２００８／１３６３０６号）であるので詳細な説明は省略する。
【０１３４】
以上の導電層３１Ａを備えるシート３１は、一例として、圧延ロールで製造された市販のコート材を、適宜のプレス金型で打ち抜き加工することで、容易に得ることができる。例えば、直径が８０ｍｍ〜１３０ｍｍ程度の円形になるように、市販のコート材をプレス成形で切り出した後、この円形のコート材が金属基材シート３３と拡散接合されてもよい。
【０１３５】
また、図示を省略するが、導電層３１Ａおよびシート３１が設けられていないカソードセパレーターの部分は、高耐食性の酸化クロムを含む不動態皮膜が形成されていてもよい。
【０１３６】
上記のカソードセパレーターの構成および製法は例示であって、本例に限定されない。
【０１３７】
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、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。
【０１３８】
＜カソードセパレーターの評価＞
（Ａ）耐食性の評価
・テストピース
本評価では、以下のテストピースを使用した。
【０１３９】
実施例のテストピース：導電層３１Ａを備えるシート３１と金属基材シート３３とが拡散接合された部材
比較例１のテストピース：グラファイトが蒸着されたシートを使用した以外は、実施例のテストピースと同一の部材
比較例２のテストピース：グラフェンが蒸着されたシートを使用した以外は、実施例のテストピースと同一の部材
・評価方法
本評価では、テストピースを作用極、対極（白金）および参照極（水銀−硫酸水銀−硫酸溶液）からなる３電極を適宜のｐＨ３の硫酸水溶液に浸漬させることで電気化学測定を行った。
【０１４０】
なお、本電気化学測定では、電気化学式水素ポンプ１００の動作電圧相当の所定の電圧を、約１００時間、作用電極と参照電極の間に印加した後、テストピースと対極に流れる電流を測定した。
・評価結果
実施例のテストピース、比較例１のテストピースおよび比較例２のテストピースの何れにおいても、腐食電流密度が、０．１μＡ／ｃｍ２以下であった。よって、実施例のテストピースは、カーボン系の比較例１のテストピースおよび比較例２のテストピースと同様、耐食性において十分な性能を有することが検証された。
【０１４１】
（Ｂ）導電性の評価
（Ｂ−１）シート単体の評価
・テストピース
本評価では、以下のテストピースを使用した。
【０１４２】
実施例のテストピース：導電層３１Ａを備えるシート３１の部材
比較例１のテストピース：グラファイトが蒸着されていること以外は、実施例のテストピースと同一のシート部材
比較例２のテストピース：グラフェンが蒸着されていること以外は、実施例のテストピースと同一のシート部材
・評価結果
実施例のテストピース、比較例１のテストピースおよび比較例２のテストピースの何れにおいても、１ＭＰａ以上の加圧下において、接触抵抗を含む面積抵抗が、３ｍΩｃｍ２以下であった。よって、実施例のテストピースは、カーボン系の比較例１のテストピースおよび比較例２のテストピースと同様、導電性において十分な性能を有することが検証された。
【０１４３】
（Ｂ−２）セパレーターの評価
・テストピース
本評価では、以下のテストピースを使用した。
【０１４４】
実施例のテストピース：導電層３１Ａを備えるシート３１と金属基材シート３３とが拡散接合された部材
比較例１のテストピース：グラファイトが蒸着されたシートを使用した以外は、実施例のテストピースと同一の部材
比較例２のテストピース：グラフェンが蒸着されたシートを使用した以外は、実施例のテストピースと同一の部材
・評価結果
実施例のテストピース、比較例１のテストピースおよび比較例２のテストピースの何れにおいても、接触抵抗を含む面積抵抗が、上記のシート単体の場合の面積抵抗よりも大きくなったが、１ＭＰａ以上の加圧下において、３ｍΩｃｍ２以下であった。よって、実施例のテストピースは、カーボン系の比較例１のテストピースおよび比較例２のテストピースと同様、導電性において十分な性能を有することが検証された。
【０１４５】
なお、実施形態、実施形態の第１実施例および実施形態の第２実施例は、互いに相手を排除しない限り、互いに組み合わせても構わない。
【０１４６】
また、上記説明から、当業者にとっては、本開示の多くの改良および他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本開示を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本開示の精神を逸脱することなく、その構造および／または機能の詳細を実質的に変更することができる。
【０１４７】
例えば、実施形態の電気化学式水素ポンプ１００のＭＥＡ、アノードセパレーターおよびカソードセパレーターはそれぞれ、水電解装置および燃料電池などの他の電気化学デバイスのＭＥＡ、アノードセパレーターおよびカソードセパレーターに適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１４８】
本開示の一態様は、装置の耐久性および信頼性が従来よりも向上し得る電気化学デバイスに利用することができる。
【符号の説明】
【０１４９】
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
１６      ：第１カソードセパレーター
１７      ：中間セパレーター
１７Ａ    ：第２アノードセパレーター
１７Ｃ    ：第２カソードセパレーター
１８      ：第１アノードセパレーター
２０      ：凹凸
２１      ：シート
２１Ａ    ：導電層
２２      ：凸部
２３      ：金属基材シート
２５      ：アノードガス流路溝
３１      ：シート
３１Ａ    ：導電層
３３      ：金属基材シート
４０      ：アノードガス供給経路
４０Ａ    ：第１横流路
４０Ｂ    ：第２横流路
４０Ｈ    ：縦流路
５０      ：カソードガス排出経路
５０Ａ    ：第１横流路
５０Ｂ    ：第２横流路
５０Ｈ    ：縦流路
１００    ：電気化学式水素ポンプ
１００Ａ  ：水素ポンプユニット
１００Ｂ  ：水素ポンプユニット
１０２    ：電圧印加器
ＡＮ      ：アノード
ＣＡ      ：カソード
ＣＬ      ：導電層
【要約】
電気化学デバイスは、電解質膜と、前記電解質膜の一方の主面に設けられた、アノードと、前記電解質膜の他方の主面に設けられた、カソードと、前記アノード上に設けられたアノードセパレーターと、前記カソード上に設けられたカソードセパレーターと、を備え、前記アノードセパレーターおよび前記カソードセパレーターの少なくとも一方は、金属基材シートと、前記金属基材シート上に設けられ、金属酸化物および金属水酸化物を含む導電層とを備える。【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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