(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜をアノードとカソードで挟持した電気化学セルを複数積層したスタックと、
前記スタックの積層方向における両端に設けられた一対の絶縁板と、
前記一対の絶縁板のそれぞれの外側に設けられた一対の端板と、
前記アノードとカソード間に電圧を印加する電圧印加器と、を備え、
前記電圧印加器により電圧を印加することで、前記アノードに供給されたアノード流体から取り出されたプロトンを、前記カソードに移動させ、圧縮された水素を生成する圧縮装置であって、
前記一対の端板の少なくとも一方には、圧縮された水素を含むカソードガスが通流するカソードガス流路が設けられ、
前記カソードガス流路が設けられた端板は、第１の領域が第１の鋼材で構成され、前記第１の領域と異なる第２の領域が第２の鋼材で構成され、かつ前記第２の領域に前記カソードガス流路が設けられてなく、前記第１の領域に前記カソードガス流路が設けられ、前記第１の鋼材は、前記第２の鋼材よりも水素脆化耐性が高く、前記第２の鋼材は、前記第１の鋼材よりも剛性が高い、圧縮装置。
【請求項２】
前記カソードガス流路が設けられた端板は、前記カソードガス流路が設けられた第１端板と、前記第１端板の外側に設けられた第２端板とを備え、前記第１端板は、前記第１の鋼材で構成され、前記第２端板は、前記第２の鋼材で構成される、請求項１に記載の圧縮装置。
【請求項３】
前記第１の鋼材は、ニッケル当量が２６．３質量％以上を満たす、請求項１または２に記載の圧縮装置。
【請求項４】
前記第１の鋼材は、日本工業規格（ＪＩＳ）で、ＳＵＳ３１６またはＳＵＳ３１６Ｌを含む、請求項１−３のいずれか１項に記載の圧縮装置。
【請求項５】
前記第１の鋼材は、国際規格（ＩＳＯ）１５５１０で、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を含む、請求項１−３のいずれか１項に記載の圧縮装置。
【請求項６】
前記第１の鋼材は、欧州規格（ＥＮ）で、１．４４０１または１．４４３６、または、１．４４０４、１．４４３２または１．４４３５を含む、請求項１−３のいずれか１項に記載の圧縮装置。
【請求項７】
前記第１の鋼材は、米国規格（ＵＮＳ）で、Ｓ３１６００またはＳ３１６０３を含む、請求項１−３のいずれか１項に記載の圧縮装置。
【請求項８】
前記第１の鋼材は、中国規格（ＧＢ）で、Ｓ３１６０８またはＳ３１６０３を含む、請求項１−３のいずれか１項に記載の圧縮装置。
【請求項９】
前記第２の鋼材は、クロムモリブデン鋼を含む、請求項１−８のいずれか１項に記載の圧縮装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は圧縮装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球の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生成せず、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は燃料電池があり、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】
例えば、燃料電池車の燃料として使用される水素は、一般的に、数十ＭＰａに圧縮された高圧状態で車内の水素タンクに貯蔵される。そして、このような高圧の水素は、一般的に、低圧（常圧）の水素を機械式の圧縮装置によって圧縮することで得られる。【０００４】
ところで、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し得る技術開発が求められている。特に、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り、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提案が行われている。【０００５】
そこで、例えば、特許文献１では、電解質膜を挟んで配されたアノードおよびカソード間に所望の電圧を印加することによって、水素含有ガス中の水素の精製および昇圧が行われる電気化学式水素ポンプが提案されている。なお、カソード、電解質膜およびアノードの積層体を膜−電極接合体（以下、ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）という。このとき、アノードに供給される水素含有ガスは、不純物が混入していてもよい。例えば、水素含有ガスは、製鉄工場などからの副次生成の水素ガスでもよいし、都市ガスを改質した改質ガスでもよい。【０００６】
また、例えば、特許文献２では、水の電気電解で発生した低圧の水素がＭＥＡを用いて昇圧される差圧式の水電解装置が提案されている。【０００７】
また、例えば、特許文献３では、アノード触媒層の少なくとも一部の層が、アノードガス拡散層との混合層であることで、水素圧縮効率が向上し得る電気化学式水素ポンプが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１５−１１７１３９号公報
【特許文献２】特許第６３８２８８６号公報
【特許文献３】特開２０１９−１６３５２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本開示は、一例として、電気化学セルを積層したスタックを両側から保持するための端板の特性が、従来よりも向上し得る圧縮装置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】
【００１０】
上記の課題を解決するため、本開示の一態様(aspect)の圧縮装置は、電解質膜をアノードとカソードで挟持した電気化学セルを複数積層したスタックと、前記スタックの積層方向における両端に設けられた一対の絶縁板と、前記一対の絶縁板のそれぞれの外側に設けられた一対の端板と、前記アノードとカソード間に電圧を印加する電圧印加器と、を備え、前記電圧印加器により電圧を印加することで、前記アノードに供給されたアノード流体から取り出されたプロトンを、前記カソードに移動させ、圧縮された水素を生成する圧縮装置であって、前記一対の端板の少なくとも一方には、圧縮された水素を含むカソードガスが通流するカソードガス流路が設けられ、
前記カソードガス流路が設けられた端板は、前記カソードガス流路の外周面を含む第１の領域が第１の鋼材で構成され、前記第１の領域と異なる第２の領域が第２の鋼材で構成され、前記第１の鋼材は、前記第２の鋼材よりも水素脆化耐性が高く、前記第２の鋼材は、前記第１の鋼材よりも剛性が高い。
【発明の効果】
【００１１】
本開示の一態様の圧縮装置は、電気化学セルを積層したスタックを両側から保持するための端板の特性が、従来よりも向上し得るという効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【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Ｂ部の拡大図である。
【図２】図２は、第２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３】図３は、第３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。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
電気化学セルを積層したスタックを両側から保持するための端板の特性向上について検討が行われ、以下の知見が得られた。
【００１４】
電気化学式の圧縮装置は、複数の電気化学セルを積層したスタックを備える。ここで、電気化学セルのそれぞれにおいて、一対のセパレーターのそれぞれが、電気化学セルのアノードおよびカソードのそれぞれを外側から挟んでいる。そして、電気化学セルとセパレーターを交互に重ねて、電気化学セルを、例えば、数十から数百個程度、積層して、その積層体（スタック）を両側から、一対の絶縁板などを介して一対の端板で挟み、両端板を複数の締結器（例えば、ボルトとナット）で締め付けるのが一般的な積層締結構造である。
【００１５】
ここで、電気化学セルを積層したスタックを両側から保持するための上記一対の端板（以下、端板と略す場合がある）は、高剛性の素材で構成する必要がある。これは、以下の理由による。
【００１６】
圧縮装置の運転中、スタックのカソードには、数十ＭＰａ（例えば、約４０ＭＰａまたは約８０ＭＰａ程度）の高圧の水素が存在する。このとき、端板の剛性が十分でないと、カソードに存在する水素の圧力によって、端板が外側に膨らむように変形する可能性がある。すると、このような変形に対して、スタックの部材の弾性変形が追従できない場合、スタックの部材間に隙間が発生することで、これらの部材間の接触抵抗が増加する場合がある。その結果、圧縮装置の水素圧縮効率が低下する可能性がある。よって、端板は、圧縮装置の運転中において、スタックの各部材を密着させ得る高剛性の素材で構成する必要がある。
【００１７】
また、電気化学セルを積層したスタックを両側から保持するための端板は、水素脆化耐性が高い素材で構成する必要がある。これは、以下の理由による。
【００１８】
圧縮装置の運転中、スタックのカソードに存在する数十ＭＰａの高圧の水素は、端板に設けられたカソードガス流路を通過することで圧縮装置外に排出されることが多い。よって、このような端板は、水素脆化が生じにくい素材を用いて構成する必要がある。
【００１９】
本開示者らは、以上の状況を鑑みて鋭意検討した結果、特性が異なる２種の素材を用いて端板を構成するという着想に到達した。
【００２０】
すなわち、本開示の第１態様の圧縮装置は、電解質膜をアノードとカソードで挟持した電気化学セルを複数積層したスタックと、スタックの積層方向における両端に設けられた一対の絶縁板と、一対の絶縁板のそれぞれの外側に設けられた一対の端板と、アノードとカソード間に電圧を印加する電圧印加器と、を備え、電圧印加器により電圧を印加することで、アノードに供給されたアノード流体から取り出されたプロトンを、カソードに移動させ、圧縮された水素を生成する圧縮装置であって、一対の端板の少なくとも一方には、圧縮された水素を含むカソードガスが通流するカソードガス流路が設けられ、カソードガス流路が設けられた端板は、カソードガス流路の外周面を含む第１の領域が第１の鋼材で構成され、第１の領域と異なる第２の領域が第２の鋼材で構成され、第１の鋼材は、第２の鋼材よりも水素脆化耐性が高く、第２の鋼材は、第１の鋼材よりも剛性が高い。
【００２１】
かかる構成によると、本態様の圧縮装置は、電気化学セルを積層したスタックを両側から保持するための端板の特性が、従来よりも向上し得る。
【００２２】
具体的には、第１の領域には、カソードで圧縮された水素を含むカソードガスが通流するカソードガス流路が設けられている。よって、本態様の圧縮装置は、第１の領域を、第２の領域よりも水素脆化耐性が高い第１の鋼材を用いて構成することで、第１の領域の水素脆化が生じにくく構成することができる。また、本態様の圧縮装置は、第２の領域を、第１の領域よりも高剛性の第２の鋼材を用いて構成することで、カソードＣＡに存在する水素の圧力によって、第１の領域および第２の領域を含む端板全体が外側に膨らむ変形を生じにくくすることができる。
【００２３】
つまり、本態様の圧縮装置は、端板を単一種類の素材で構成する場合に比べて、端板の特性を向上させることができる。
【００２４】
本開示の第２態様の圧縮装置は、第１態様の圧縮装置において、カソードガス流路が設けられた端板は、カソードガス流路が設けられた第１端板と、第１端板の外側に設けられた第２端板とを備え、第１端板は、第１の鋼材で構成され、第２端板は、第２の鋼材で構成されていてもよい。
【００２５】
かかる構成によると、第１端板には、カソードで圧縮された水素を含むカソードガスが通流するカソードガス流路が設けられている。よって、本態様の圧縮装置は、第１端板を、第２端板よりも水素脆化耐性が高い第１の鋼材を用いて構成することで、第１端板の水素脆化が生じにくく構成することができる。また、本態様の圧縮装置は、第２端板を、第１端板よりも高剛性の第２の鋼材を用いて構成することで、カソードＣＡに存在する水素の圧力によって、第１端板および第２端板を含む端板全体が外側に膨らむ変形を生じにくくすることができる。
【００２６】
本開示の第３態様の圧縮装置は、第１態様または第２態様の圧縮装置において、第１の鋼材は、ニッケル当量が２６．３質量％以上を満たすものであってもよい。
【００２７】
一般的に、鋼材は、ニッケル当量の値が高いほど、鋼材の水素脆化が生じにくい。よって、本態様の圧縮装置は、第１の鋼材として、ニッケル当量が２６．３質量％以上である材料を選択することで、ニッケル当量が２６．３質量％未満である材料を選択する場合に比べて、第１の鋼材の水素脆化耐性を向上させることができる。
【００２８】
ところで、日本国では、高圧ガス保安法において、水素脆化に対する耐性の観点から、高圧の水素が存在する構造体に使用可能な素材が規定されている。つまり、高圧ガス保安法「圧縮水素スタンド技術基準解説、第２版」において、例えば、構造体の鋼材として、ＳＵＳ３１６Ｌ、ＳＵＨ６６０などのステンレス材料に制限されている。
【００２９】
ここで、端板の素材として、例えば、ＳＵＨ６６０に比べて汎用性が高く、安価なＳＵＳ３１６Ｌを使用する場合、端板の剛性を上げるには、端板の重量およびサイズが大きくなる。よって、この場合、端板の高剛性化には限界がある。
【００３０】
これに対して、端板の素材として、例えば、特殊用途鋼であるＳＵＨ６６０を使用する場合、端板の材料コストが上がるという問題がある。また、端板の製造、加工に要する時間がかかるという問題がある。つまり、ＳＵＨ６６０は、一般的に流通していないので短時間で端板を製造、加工することが困難である。
【００３１】
そこで、本開示の第４態様の圧縮装置は、第１態様から第３態様のいずれか一つの圧縮装置において、第１の鋼材は、ＳＵＳ３１６またはＳＵＳ３１６Ｌを含むものであってもよい。
【００３２】
かかる構成によると、本態様の圧縮装置は、第１の鋼材として、ＳＵＳ３１６またはＳＵＳ３１６Ｌを選択することで、ＳＵＨ６６０を選択する場合に比べて、端板のコスト上昇を抑制しながら水素脆化耐性を向上させることができる。
【００３３】
本開示の第５態様の圧縮装置は、第１態様から第３態様のいずれか一つの圧縮装置において、第１の鋼材は、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を含むものであってもよい。
【００３４】
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−Ｉが対応する。
【００３５】
本開示の第６態様の圧縮装置は、第１態様から第３態様のいずれか一つの圧縮装置において、第１の鋼材は、１．４４０１または１．４４３６、または、１．４４０４、１．４４３２または１．４４３５を含むものであってもよい。
【００３６】
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。
【００３７】
本開示の第７態様の圧縮装置は、第１態様から第３態様のいずれか一つの圧縮装置において、第１の鋼材は、Ｓ３１６００またはＳ３１６０３を含むものであってもよい。
【００３８】
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。
【００３９】
本開示の第８態様の圧縮装置は、第１態様から第３態様のいずれか一つの圧縮装置において、第１の鋼材は、Ｓ３１６０８またはＳ３１６０３を含むものであってもよい。
【００４０】
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。
【００４１】
本開示の第９態様の圧縮装置は、第１態様から第８態様のいずれか一つの圧縮装置において、第２の鋼材は、クロムモリブデン鋼を含むものであってもよい。
【００４２】
かかる構成によると、本態様の圧縮装置は、第２の鋼材として、ＳＵＳ３１６Ｌよりも水素脆化耐性が低いが、ＳＵＳ３１６Ｌよりも安価であって剛性が高いクロムモリブデン鋼を選択することで、ＳＵＳ３１６Ｌを選択する場合に比べて、端板のコスト上昇を抑制しながら剛性を向上させることができる。
【００４３】
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。
【００４４】
（第１実施形態）
上記圧縮装置のアノード流体は、アノードにおける酸化反応でプロトンを生成する流体であれば、様々な種類のガス、液体が想定される。
【００４５】
例えば、圧縮装置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。この場合、アノード触媒層で、水素含有ガス中の水素（Ｈ２）の酸化反応が行われる。
【００４６】
また、例えば、圧縮装置が水電解装置である場合、アノード流体として、液水を挙げることができる。この場合、アノード触媒層で、水の電気分解反応が行われる。
【００４７】
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、圧縮装置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。
【００４８】
［装置構成］
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は、図１ＡのＢ部の拡大図である。
【００４９】
図１Ａおよび図１Ｂに示す例では、電気化学式水素ポンプ１００は、電解質膜２１をアノードＡＮとカソードＣＡで挟持した電気化学セル１０を複数積層したスタックを備える。
【００５０】
なお、図１Ａでは、３個の電気化学セル１０が積層されているが、電気化学セル１０の個数はこれに限定されない。つまり、電気化学セル１０の個数は、電気化学式水素ポンプ１００が圧縮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。
【００５１】
電気化学セル１０は、電解質膜２１と、アノードＡＮと、カソードＣＡと、カソードセパレーター２７と、アノードセパレーター２６と、絶縁体２８と、を備える。
【００５２】
そして、電気化学セル１０において、電解質膜２１、アノード触媒層２４、カソード触媒層２３、アノード給電体２５、カソード給電体２２、アノードセパレーター２６およびカソードセパレーター２７が積層されている。
【００５３】
アノードＡＮは、電解質膜２１の一方の主面上に設けられている。アノードＡＮは、アノード触媒層２４と、アノード給電体２５とを含む電極である。なお、アノードセパレーター２６上には、平面視において、アノードＡＮのアノード触媒層２４の周囲を囲むようにＯリング４５が設けられている。これにより、アノードＡＮが、Ｏリング４５で適切にシールされている。
【００５４】
カソードＣＡは、電解質膜２１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２３と、カソード給電体２２とを含む電極である。なお、カソードセパレーター２７上には、平面視において、カソードＣＡのカソード触媒層２３の周囲を囲むようにＯリング４５が設けられている。これにより、カソードＣＡが、Ｏリング４５で適切にシールされている。
【００５５】
以上により、電解質膜２１は、アノード触媒層２４およびカソード触媒層２３のそれぞれと接触するようにして、アノードＡＮとカソードＣＡとによって挟持されている。
【００５６】
電解質膜２１は、プロトン伝導性を備える高分子膜である。電解質膜２１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。
【００５７】
例えば、電解質膜２１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２１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。
【００５８】
アノード触媒層２４は、電解質膜２１の一方の主面に接するように設けられている。アノード触媒層２４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。
【００５９】
カソード触媒層２３は、電解質膜２１の他方の主面に接するように設けられている。カソード触媒層２３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。
【００６０】
カソード触媒層２３およびアノード触媒層２４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。
【００６１】
なお、カソード触媒層２３およびアノード触媒層２４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２３およびアノード触媒層２４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。
【００６２】
カソード給電体２２は、カソード触媒層２３上に設けられている。また、カソード給電体２２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、カソード給電体２２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、カソード給電体２２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、カソード給電体２２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、カソード給電体２２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。
【００６３】
アノード給電体２５は、アノード触媒層２４上に設けられている。また、アノード給電体２５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、アノード給電体２５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。
【００６４】
具体的には、アノード給電体２５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、カーボンなどを素材とした繊維焼結体、粉体焼結体、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てもよい。
【００６５】
アノードセパレーター２６は、アノードＡＮ上に設けられた部材である。カソードセパレーター２７は、カソードＣＡ上に設けられた部材である。具体的には、アノードセパレーター２６の中央部には凹部が設けられ、この凹部内に、アノード給電体２５が収容されている。また、カソードセパレーター２７の中央部には凹部が設けられ、この凹部内に、カソード給電体２２が収容されている。
【００６６】
以上のアノードセパレーター２６およびカソードセパレーター２７は、例えば、チタン、ステンレスなどの金属シートで構成されていてもよい。この金属シートをステンレスで構成する場合、ＳＵＳ３１６Ｌは、様々な種類のステンレスの中で、耐酸性および耐水素脆性などの特性に優れている。
【００６７】
図１Ａに示すように、カソード給電体２２と接触するカソードセパレーター２７の主面は、カソードガス流路を設けずに平面で構成されている。これにより、カソードセパレーター２７の主面にカソードガス流路を設ける場合に比べて、カソード給電体２２とカソードセパレーター２７との間で接触面積を大きくすることができる。すると、電気化学式水素ポンプ１００は、カソード給電体２２とカソードセパレーター２７との間の接触抵抗を低減することができる。
【００６８】
これに対して、アノード給電体２５と接触するアノードセパレーター２６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３５が設けられている。そして、アノードガス流路３５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、このようなアノードガス流路３５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。
【００６９】
また、電気化学式水素ポンプ１００の電気化学セル１０のそれぞれにおいて、カソードセパレーター２７およびアノードセパレーター２６の間には、電解質膜２１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２８が挟み込まれている。絶縁体２８の基材として、例えば、フッ素ゴムなどを挙げることができるが、これに限定されない。これにより、電気化学セル１０内におけるカソードセパレーター２７およびアノードセパレーター２６間の短絡を適切に防止することができる。
【００７０】
さらに、隣り合うカソードセパレーター２７およびアノードセパレーター２６が接触する領域の平面視において、熱媒体流路６０が設けられている。ここでは、熱媒体流路６０は、カソードセパレーター２７のアノードセパレーター２６側の主面に設けられた流路溝で構成されているが、これに限定されない。熱媒体流路６０は、アノードセパレーター２６の主面に設けられていてもよい。これにより、電気化学式水素ポンプ１００の動作時において、熱媒体流路６０を流れる熱媒体の温度、流量などを制御することで、電気化学セル１０の温調を適切に行うことができる。熱媒体として、例えば、液水、不凍液などを挙げることができるが、これらに限定されない。
【００７１】
なお、図示を省略しているが、上記の隣り合うカソードセパレーター２７およびアノードセパレーター２６は、これらが一体化されたバイポーラプレート（双極板）であってもよい。この場合、バイポーラプレート（双極板）は、隣り合う電気化学セル１０の一方のアノードセパレーター２６として機能するとともに、電気化学セル１０の他方のカソードセパレーター２７として機能する。これにより、電気化学式水素ポンプ１００の部品点数を削減することができる。例えば、セパレーターの個数を削減できるとともに、セパレーター間に設けられたシール部材を無くすことができる。また、アノードセパレーター２６とカソードセパレーター２７とが一体化されることで、互いの接合部の空隙が消失するので、両者間の接触抵抗を低減することができる。
【００７２】
このようにして、カソードセパレーター２７およびアノードセパレーター２６で上記のＭＥＡを挟むことにより、電気化学セル１０が形成されている。
【００７３】
図１Ａに示すように、電気化学式水素ポンプ１００は、電気化学セル１０を積層したスタックの積層方向における両端に設けられた一対の給電板１１および給電板１２と、給電板１１および給電板１２のそれぞれの外側に設けられた一対の絶縁板１３および絶縁板１４と、絶縁板１３および絶縁板１４のそれぞれの外側に設けられた一対の第１端板１５Ａおよび第１端板１６Ａと、第１端板１５Ａおよび第１端板１６Ａのそれぞれの外側に設けられた一対の第２端板１５Ｂおよび第２端板１６Ｂと、を備える。
【００７４】
また、電気化学式水素ポンプ１００は、上記スタック、給電板１１および給電板１２、絶縁板１３および絶縁板１４、第１端板１５Ａおよび第１端板１６Ａ、および、第２端板１５Ｂおよび第２端板１６Ｂを積層方向に締結するための締結器１７と、を備える。
【００７５】
図１Ａに示す例では、第１端板１５Ａおよび第２端板１５Ｂは、電気化学セル１０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カソードセパレーター２７上に、給電板１１および絶縁板１３を介して設けられたカソード端板である。第１端板１６Ａおよび第２端板１６Ｂは、電気化学セル１０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アノードセパレーター２６上に、給電板１２および絶縁板１４を介して設けられたアノード端板である。
【００７６】
図１Ａに示すように、第１端板１５Ａには、カソードＣＡで圧縮された水素を含むカソードガスが通流するカソードガス流路４０と、外部からアノードＡＮに供給される水素含有ガスが通流するアノードガス供給流路４１とが設けられている。また、第１端板１６Ａには、アノードＡＮから排出される水素含有ガスが通流するアノードガス排出流路４２と、図示を省略しているが、カソードＣＡで圧縮された水素を含むカソードガスが通流するカソードガス流路と、が設けられている。
【００７７】
ただし、第１端板１５Ａおよび第１端板１６Ａにおける上記のガス流路の構成は例示であって、本例に限定されない。例えば、カソードガスが通流するカソードガス流路は、第１端板１５Ａおよび第１端板１６Ａのいずれか一方のみに設けられていてもよい。また、例えば、第１端板１５Ａに、アノードＡＮから排出される水素含有ガスが通流するアノードガス排出流路が設けられるとともに、第１端板１６Ａに、外部からアノードＡＮに供給される水素含有ガスが通流するアノードガス供給流路が設けられていてもよい。
【００７８】
ここで、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、以上の端板のガス流路の構成を考慮して、カソードガス流路が設けられた端板は、カソードガス流路の外周面を含む第１の領域が第１の鋼材で構成され、第１の領域と異なる第２の領域が第２の鋼材で構成され、第１の鋼材は、第２の鋼材よりも水素脆化耐性が高く、第２の鋼材は、第１の鋼材よりも剛性が高い。
【００７９】
図１Ａに示す例では、第１端板１５Ａおよび第１端板１６Ａはそれぞれ、第２端板１５Ｂおよび第２端板１６Ｂのそれぞれよりも水素脆化耐性が高い。第２端板１５Ｂおよび第２端板１６Ｂはそれぞれ、第１端板１５Ａおよび第１端板１６Ａのそれぞれよりも剛性が高い。
【００８０】
ここで、図１Ａに示すように、カソードガス流路４０が、第２端板１５Ｂに設けられなく、かつ、第１端板１５Ａに設けられている場合、第１端板１５Ａが、「カソードガス流路４０の外周面４０Ｓを含む第１の領域」に対応する。なお、カソードガス流路４０の外周面４０Ｓとは、カソードガス流路４０が、図１Ａに示す如く、貫通孔である場合、この貫通孔を構成する孔表面のことをいう。また、第２端板１５Ｂが、「第１の領域と異なる第２の領域」に対応する。
【００８１】
なお、第１端板１５Ａおよび第１端板１６Ａの素材例は第１実施例で説明する。第２端板１５Ｂおよび第２端板１６Ｂの素材例は第２実施例で説明する。また、「第１の領域」および「第２の領域」の他の構成例は第３実施形態で説明する。
【００８２】
締結器１７は、電気化学セル１０を積層したスタック、給電板１１および給電板１２、絶縁板１３および絶縁板１４、第１端板１５Ａおよび第１端板１６Ａ、および、第２端板１５Ｂおよび第２端板１６Ｂを、上記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。例えば、締結器１７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。
【００８３】
これにより、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、複数個の電気化学セル１０が、上記の積層方向において、締結器１７の締結圧により積層状態で適切に保持される。すると、電気化学セル１０の各部材間でシール部材のシール性が適切に発揮されるとともに、各部材間の接触抵抗が低減する。
【００８４】
なお、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、締結器１７のボルトが、第１端板１５Ａおよび第１端板１６Ａ、および、第２端板１５Ｂおよび第２端板１６Ｂの両方を貫通することで、複数の電気化学セル１０が、上記の積層方向において締結器１７の締結圧により積層状態で適切に保持されているが、かかる保持構造は例示であって、これに限定されない。締結器１７による電気化学セル１０の他の保持構造は、第２実施形態で説明する。
【００８５】
図１Ａの第１端板１５Ａには、アノードガス導入経路３２が設けられている。アノードガス導入経路３２は、例えば、アノードＡＮに供給される水素含有ガスが流通する配管で構成されていてもよい。
【００８６】
そして、アノードガス導入経路３２は、アノードガス供給流路４１を介して、筒状のアノードガス導入マニホールド３０に連通している。なお、アノードガス導入マニホールド３０は、電気化学セル１０の各部材に設けられた貫通孔の連なりによって構成されている。
【００８７】
本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、電気化学セル１０のそれぞれにおいて、電気化学セル１０のアノードＡＮとは反対側のアノードセパレーター２６の主面に、アノードガス導入マニホールド３０と上記アノードガス流路３５とを連絡する第１連絡路３２Ａが設けられている。例えば、第１連絡路３２Ａは、アノードセパレーター２６に設けられた流路溝および連絡孔で構成されていてもよい。この第１連絡路３２Ａは、サーペンタイン状のアノードガス流路３５の一方の端部とアノードガス導入マニホールド３０との間を延伸している。
【００８８】
このようにして、アノードガス導入マニホールド３０は、電気化学セル１０のそれぞれのアノードガス流路３５の一方の端部と、第１連絡路３２Ａ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３２からアノードガス導入マニホールド３０に供給された水素含有ガスは、電気化学セル１０のそれぞれの第１連絡路３２Ａを通じて、電気化学セル１０のそれぞれに分配される。そして、分配された水素含有ガスがアノードガス流路３５を通過する間に、アノード給電体２５からアノード触媒層２４に水素含有ガスが供給される。
【００８９】
図１Ａの第１端板１６Ａには、アノードガス導出経路３３が設けられている。アノードガス導出経路３３は、例えば、アノードＡＮから排出される水素含有ガスが流通する配管で構成されていてもよい。
【００９０】
そして、アノードガス導出経路３３は、アノードガス排出流路４２を介して、筒状のアノードガス導出マニホールド３１に連通している。なお、アノードガス導出マニホールド３１は、電気化学セル１０の各部材に設けられた貫通孔の連なりによって構成されている。
【００９１】
本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、電気化学セル１０のそれぞれにおいて、電気化学セル１０のアノードＡＮとは反対側のアノードセパレーター２６の主面に、アノードガス導出マニホールド３１とアノードガス流路３５とを連絡する第２連絡路３２Ｂが設けられている。例えば、第２連絡路３２Ｂは、アノードセパレーター２６に設けられた流路溝および連絡孔で構成されていてもよい。この第２連絡路３２Ｂは、サーペンタイン状のアノードガス流路３５の他方の端部とアノードガス導出マニホールド３１との間を延伸している。
【００９２】
このようにして、アノードガス導出マニホールド３１は、電気化学セル１０のそれぞれのアノードガス流路３５の他方の端部と、第２連絡路３２Ｂのそれぞれを介して連通している。これにより、電気化学セル１０のそれぞれのアノードガス流路３５を通過した水素含有ガスが、第２連絡路３２Ｂのそれぞれを通じてアノードガス導出マニホールド３１に供給され、ここで合流される。そして、合流された水素含有ガスが、アノードガス導出経路３３に導かれる。
【００９３】
図１Ａの第１端板１５Ａには、カソードガス導出経路３４が設けられている。カソードガス導出経路３４は、例えば、カソードＣＡで圧縮された水素を含むカソードガスが流通する配管で構成されていてもよい。なお、上記のとおり、図示を省略しているが、第１端板１６Ａにも、カソードガス導出経路３４と同様のカソードガス導出経路が設けられている。
【００９４】
そして、カソードガス導出経路３４は、カソードガス流路４０を介して、筒状のカソードガス導出マニホールド（図示せず）に連通している。なお、カソードガス導出マニホールドは、電気化学セル１０の各部材に設けられた貫通孔の連なりによって構成されている。
【００９５】
本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、電気化学セル１０のそれぞれにおいて、カソードセパレーター２７には、カソードセパレーター２７の凹部内とカソードガス導出マニホールド内とを連通する連通経路（図示せず）が設けられている。
【００９６】
これにより、電気化学式水素ポンプ１００の動作時に、上記のカソードガスは、連通経路、カソードガス導出マニホールドおよびカソードガス流路４０をこの順番に通過することで、カソードガス導出経路３４に排出される。
【００９７】
図１Ａに示すように、電気化学式水素ポンプ１００は、電圧印加器５０を備える。
【００９８】
電圧印加器５０は、アノードＡＮとカソードＣＡ間に電圧を印加する装置である。具体的には、電圧印加器５０の高電位が、アノードＡＮに印加され、電圧印加器５０の低電位が、カソードＣＡに印加されている。電圧印加器５０は、アノードＡＮおよびカソードＣＡ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５０は、アノードＡＮおよびカソードＣＡ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５０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。
【００９９】
また、電圧印加器５０は、例えば、電気化学セル１０に給電する電圧が所定の設定値となるように、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間に印加される電圧が調整される電圧型電源であってもよい。
【０１００】
なお、図１Ａに示す例では、電圧印加器５０の低電位側の端子が、給電板１１に接続され、電圧印加器５０の高電位側の端子が、給電板１２に接続されている。給電板１１は、上記の積層方向において一方の端に位置するカソードセパレーター２７と電気的に接触しており、給電板１２は、上記の積層方向において他方の端に位置するアノードセパレーター２６と電気的に接触している。
【０１０１】
このようにして、電気化学式水素ポンプ１００は、電圧印加器５０により上記電圧を印加することで、アノードＡＮに供給された水素含有ガスから取り出されたプロトンを、電解質膜２１を介してカソードＣＡに移動させ、カソードＣＡで圧縮された水素を生成する。
【０１０２】
図示を省略しているが、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。
【０１０３】
例えば、水素供給システムには、アノードＡＮから排出される高加湿状態の水素含有ガスと、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。なお、外部の水素供給源は、例えば、水電解装置、改質器、水素タンクなどであってもよい。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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。例えば、アノードガス導出マニホールド３１を設けずに、アノードガス導入マニホールド３０を通してアノードＡＮに供給する水素含有ガス中の水素を全てカソードＣＡで圧縮するデッドエンド構造が採用されてもよい。
【０１０６】
[動作]
以下、電気化学式水素ポンプ１００の水素圧縮動作の一例について、図面を参照しながら説明する。
【０１０７】
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。
【０１０８】
まず、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮに、アノードガス導入経路３２を流れる低圧の水素含有ガスが、アノードガス供給流路４１、アノードガス導入マニホールド３０および第１連絡路３２Ａを通じて供給されるとともに、電圧印加器５０の電圧が電気化学式水素ポンプ１００に給電される。なお、アノードＡＮを通過した水素含有ガスは、第２連絡路３２Ｂ、アノードガス導出マニホールド３１およびアノードガス排出流路４２を通じて、アノードガス導出経路３３に排出される。
【０１０９】
すると、アノードＡＮのアノード触媒層２４において、酸化反応で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２１内を伝導してカソード触媒層２３に移動する。電子は電圧印加器５０を通じてカソード触媒層２３に移動する。
【０１１０】
そして、カソード触媒層２３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２１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。
【０１１１】
このとき、図示しない流量調整器を用いて、第１端板１５Ａに設けられたカソードガス導出経路３４の圧損を増加させることにより、カソードＣＡで生成された水素（Ｈ２）を圧縮することができる。なお、流量調整器として、例えば、カソードガス導出経路３４に設けられた背圧弁、調整弁などを挙げることができる。
【０１１２】
アノード：Ｈ２（低圧）→２Ｈ＋＋２ｅ−      ・・・（１）
カソード：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５０により電圧を印加することで、アノードＡＮに供給される水素含有ガスから取り出されたプロトンを、カソードＣＡに移動させ、カソードＣＡで圧縮された水素が生成される。これにより、電気化学式水素ポンプ１００の水素圧縮動作が行われ、カソードＣＡで圧縮された水素を含むカソードガスは、連絡経路、カソードガス導出マニホールドおよびカソードガス流路４０を通過した後、カソードガス導出経路３４を通じて、例えば、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。
【０１１３】
以上のとおり、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、電気化学セル１０を複数積層したスタックを両側から保持するためのカソード端板およびアノード端板の特性が、従来よりも向上し得る。
【０１１４】
具体的には、第１端板１５Ａおよび第１端板１６Ａには、カソードＣＡで圧縮された水素を含むカソードガスが通流するカソードガス流路が設けられている。よって、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、第１端板１５Ａおよび第１端板１６Ａを、第２端板１５Ｂおよび第２端板１６Ｂよりも水素脆化耐性が高い素材を用いて構成することで、第１端板１５Ａおよび第１端板１６Ａの水素脆化が生じにくく構成することができる。また、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、第２端板１５Ｂおよび第２端板１６Ｂを、第１端板１５Ａおよび第１端板１６Ａよりも高剛性の素材を用いて構成することで、カソードＣＡに存在する水素の圧力によって、第１端板および第２端板を含む端板全体が外側に膨らむ変形を生じにくくすることができる。また、第２端板１５Ｂおよび第２端板１６Ｂには、カソードＣＡで圧縮された水素を含むカソードガスが通流するカソードガス流路が設けられていないので、第１端板１５Ａおよび第１端板１６Ａよりも水素脆化耐性が低い素材を用いても構わない。
【０１１５】
つまり、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、カソード端板およびアノード端板を単一種類の素材で構成する場合に比べて、カソード端板およびアノード端板の特性を向上させることができる。
【０１１６】
（第１実施例）
第１実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、以下に説明する第１端板１５Ａおよび第１端板１６Ａの素材以外、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】
ＳＵＳ３１６およびＳＵＳ３１６Ｌは、様々な種類のステンレスの中で耐酸性および水素脆化耐性などの視点で高い特性を備える。よって、第１端板１５Ａおよび第１端板１６Ａは、ＳＵＳ３１６またはＳＵＳ３１６Ｌを含むことが望ましい。
【０１１８】
また、一般的に、鋼材は、ニッケル当量の値が高いほど、鋼材の水素脆化が生じにくい。つまり、第１端板１５Ａおよび第１端板１６Ａは、ニッケル当量の増加に伴って水素環境の使用可能な範囲が拡大する。よって、第１端板１５Ａおよび第１端板１６Ａは、ニッケル当量が２６．３質量％以上を満たすことが望ましい。
【０１１９】
ここで、素材のニッケル当量は、以下の式（３）によって求めることができる。
【０１２０】
ニッケル当量（質量％）＝１２．６×Ｃ＋０．３５×Ｓｉ＋１．０５×Ｍｎ＋Ｎｉ＋０．６５×Ｃｒ＋０．９８×Ｍｏ・・・（３）
式（３）において、Ｃは炭素、Ｓｉはケイ素、Ｍｎはマンガン、Ｎｉはニッケル、Ｃｒはクロム、および、Ｍｏはモリブデンの各質量分率の値（％）を示す。
【０１２１】
以上により、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、第１端板１５Ａおよび第１端板１６Ａの素材として、ニッケル当量が２６．３質量％以上である材料を選択することで、ニッケル当量が２６．３質量％未満である材料を選択する場合に比べて、第１端板１５Ａおよび第１端板１６Ａの水素脆化耐性を向上させることができる。
【０１２２】
また、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、第１端板１５Ａおよび第１端板１６Ａの素材として、ＳＵＳ３１６またはＳＵＳ３１６Ｌを選択することで、ＳＵＨ６６０を選択する場合に比べて、第１端板１５Ａおよび第１端板１６Ａのコスト上昇を抑制しながら水素脆化耐性を向上させることができる。
【０１２３】
本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、上記特徴以外は、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。
【０１２４】
（第２実施例）
第２実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、以下に説明する第２端板１５Ｂおよび第２端板１６Ｂの素材以外、第１実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様である。
【０１２５】
第２端板１５Ｂおよび第２端板１６Ｂには、カソードＣＡで圧縮された水素を含むカソードガスが通流するカソードガス流路が設けられていないので、第２端板１５Ｂおよび第２端板１６Ｂの素材として、クロムモリブデン鋼を含むことが望ましい。
【０１２６】
以上により、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、第２端板１５Ｂおよび第２端板１６Ｂの素材として、ＳＵＳ３１６Ｌよりも水素脆化耐性が低いが、ＳＵＳ３１６Ｌよりも安価であって剛性が高いクロムモリブデン鋼を選択することで、ＳＵＳ３１６Ｌを選択する場合に比べて、第２端板１５Ｂおよび第２端板１６Ｂのコスト上昇を抑制しながら剛性を向上させることができる。
【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。
【０１２８】
（第２実施形態）
図２は、第２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。
【０１２９】
第１実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、締結器１７のボルトが、第１端板１５Ａおよび第１端板１６Ａ、および、第２端板１５Ｂおよび第２端板１６Ｂの両方を貫通するように構成したが、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、図２に示す如く、かかるボルトが、第２端板１５Ｂおよび第２端板１６Ｂのみを貫通するように構成している。
【０１３０】
つまり、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、第１端板１１５Ａおよび第１端板１１６Ａの外形が、締結器１７のボルトと当たらないように、第２端板１５Ｂおよび第２端板１６Ｂの外形よりも小さくなっている。
【０１３１】
以上により、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、第１端板１１５Ａおよび第１端板１１６Ａの小型化によって、第１端板１１５Ａおよび第１端板１１６Ａの製造コストを低減することができる。また、第１端板１１５Ａおよび第１端板１１６Ａの小型化によって、電気化学式水素ポンプ１００の積層構造体の熱容量が小さくなるので、積層構造体の昇温、温度維持に要するエネルギーを削減することができる。これは、積層構造体を起動時に昇温が必要な場合には、電気化学式水素ポンプ１００の起動時間を短縮できることを意味する。
【０１３２】
なお、仮に、第１端板１１５Ａおよび第１端板１１６Ａの小型化によって、これらの剛性が低くなる場合、例えば、第１端板１１５Ａおよび第１端板１１６Ａよりも剛性が高い第２端板１５Ｂおよび第２端板１６Ｂの厚みを増すことで対応可能である。この場合、第２端板１５Ｂおよび第２端板１６Ｂの素材として、例えば、安価なクロムモリブデン鋼を用いることで、第２端板１５Ｂおよび第２端板１６Ｂの材料コストの上昇を抑制することができる。
【０１３３】
本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、上記特徴以外は、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。
【０１３４】
（第３実施形態）
図３は、第３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。
【０１３５】
本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、以下に説明する端板の構成以外は、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】
図３に示す例では、端板２１５の第１部分２１５Ａは、平面視において、電気化学セル１０のカソードＣＡを囲み、絶縁板１３と当接する環状体で構成されている。端板２１５の第２部分２１５Ｂは、平面視において第１部分２１５Ａを外側から覆うように第１部分２１５Ａに当接する平板部と、第１部分２１５Ａの開口を塞ぐように開口内に装着されて絶縁板１３に当接する突出部と、を備える。つまり、端板２１５は、第１部分２１５Ａと第２部分２１５Ｂとを組み合わせることによって平板状に形成されている。そして、締結器１７のボルトは、図３に示すように、第１部分２１５Ａおよび第２部分２１５Ｂが積層された箇所で貫通する。
【０１３７】
端板２１６の第１部分２１６Ａは、平面視において、電気化学セル１０のアノードＡＮを囲み、絶縁板１４と当接する環状体で構成されている。端板２１６の第２部分２１６Ｂは、平面視において第１部分２１６Ａを外側から覆うように第１部分２１６Ａに当接する平板部と、第１部分２１６Ａの開口を塞ぐように開口内に装着されて絶縁板１４に当接する突出部と、を備える。つまり、端板２１６は、第１部分２１６Ａと第２部分２１６Ｂとを組み合わせることによって平板状に形成されている。そして、締結器１７のボルトは、図３に示すように、第１部分２１６Ａおよび第２部分２１６Ｂが積層された箇所で貫通する。
【０１３８】
さらに、端板２１５の第１部分２１５Ａおよび端板２１６の第１部分２１６Ａはそれぞれ、端板２１５の第２部分２１５Ｂおよび端板２１６の第２部分２１６Ｂのそれぞれよりも水素脆化耐性が高い。端板２１５の第２部分２１５Ｂおよび端板２１６の第２部分２１６Ｂはそれぞれ、端板２１５の第１部分２１５Ａおよび端板２１６の第１部分２１６Ａのそれぞれよりも剛性が高い。
【０１３９】
ここで、図３に示すように、カソードガス流路４０が、端板２１５の第２部分２１５Ｂに設けられてなく、かつ、端板２１５の第１部分２１５Ａに設けられている場合、端板２１５の第１部分２１５Ａが、「カソードガス流路４０の外周面４０Ｓを含む第１の領域」に対応する。なお、カソードガス流路４０の外周面４０Ｓとは、カソードガス流路４０が、図３に示す如く、貫通孔である場合、この貫通孔を構成する孔表面のことをいう。また、端板２１５の第２部分２１５Ｂが、「第１の領域と異なる第２の領域」に対応する。
【０１４０】
なお、端板２１５において、第１部分２１５Ａと第２部分２１５Ｂとは、接合されていないが、溶接、拡散接合などにより接合され一体的に構成されていてもよい。同様に、端板２１６において、第１部分２１６Ａと第２部分２１６Ｂとは、接合されていないが、溶接、拡散接合などにより接合され一体的に構成されていてもよい。
【０１４１】
本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００が奏する作用効果は、第１実施形態の電気化学式水素ポンプ１００が奏する作用効果を参酌することにより容易に理解できるので説明を省略する。
【０１４２】
本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、上記特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の第１実施例−第２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。
【０１４３】
なお、第１実施形態、第１実施形態の第１実施例−第２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。
【０１４４】
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。例えば、電気化学式水素ポンプ１００の端板は、水電解装置などの他の圧縮装置にも適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１４５】
本開示の一態様は、電気化学セルを積層したスタックを両側から保持するための端板の特性が、従来よりも向上し得る圧縮装置に利用することができる。
【符号の説明】
【０１４６】
１０      ：電気化学セル
１１      ：給電板
１２      ：給電板
１３      ：絶縁板
１４      ：絶縁板
１５Ａ    ：第１端板
１５Ｂ    ：第２端板
１６Ａ    ：第１端板
１６Ｂ    ：第２端板
１７      ：締結器
２１      ：電解質膜
２２      ：カソード給電体
２３      ：カソード触媒層
２４      ：アノード触媒層
２５      ：アノード給電体
２６      ：アノードセパレーター
２７      ：カソードセパレーター
２８      ：絶縁体
３０      ：アノードガス導入マニホールド
３１      ：アノードガス導出マニホールド
３２      ：アノードガス導入経路
３２Ａ    ：第１連絡路
３２Ｂ    ：第２連絡路
３３      ：アノードガス導出経路
３４      ：カソードガス導出経路
３５      ：アノードガス流路
４０      ：カソードガス流路
４０Ｓ    ：外周面
４１      ：アノードガス供給流路
４２      ：アノードガス排出流路
４５      ：Ｏリング
５０      ：電圧印加器
６０      ：熱媒体流路
１００    ：電気化学式水素ポンプ
１１５Ａ  ：第１端板
１１６Ａ  ：第１端板
２１５    ：端板
２１５Ａ  ：第１部分
２１５Ｂ  ：第２部分
２１６    ：端板
２１６Ａ  ：第１部分
２１６Ｂ  ：第２部分
ＡＮ      ：アノード
ＣＡ      ：カソード
【要約】
圧縮装置は、電解質膜をアノードとカソードで挟持した電気化学セルを複数積層したスタックと、スタックの積層方向における両端に設けられた一対の絶縁板と、一対の絶縁板のそれぞれの外側に設けられた一対の端板と、アノードとカソード間に電圧を印加する電圧印加器と、を備え、電圧印加器により電圧を印加することで、アノードに供給されたアノード流体から取り出されたプロトンを、カソードに移動させ、圧縮された水素を生成する圧縮装置であって、一対の端板の少なくとも一方には、圧縮された水素を含むカソードガスが通流するカソードガス流路が設けられ、カソードガス流路が設けられた端板は、カソードガス流路の外周面を含む第１の領域が第１の鋼材で構成され、第１の領域と異なる第２の領域が第２の鋼材で構成され、第１の鋼材は、第２の鋼材よりも水素脆化耐性が高く、第２の鋼材は、第１の鋼材よりも剛性が高い。【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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