(57)【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、前記カソード側の表面に第１の導電層を備えるカソードセパレーターと、を備え、前記カソードは、カソードガス拡散層を含み、前記カソードセパレーターは、前記カソードガス拡散層を収納する凹部が設けられ、前記第１の導電層は、前記凹部の底面にのみ設けられている。
2021111774.tif 000002
【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、前記カソード側の表面に第１の導電層を備えるカソードセパレーターと、
を備え、
前記カソードは、カソードガス拡散層を含み、
前記カソードセパレーターは、前記カソードガス拡散層を収納する凹部が設けられ、前記第１の導電層は、前記凹部の底面にのみ設けられている、電気化学デバイス。
【請求項２】
前記カソードセパレーターは、前記カソード側と反対側の表面に第２の導電層が設けられている、請求項１に記載の電気化学デバイス。
【請求項３】
前記第１の導電層は、前記カソードセパレーターの基材シートに前記第１の導電層の導電材料が設けられたシートが拡散接合されることにより、設けられている、請求項１または２に記載の電気化学デバイス。
【請求項４】
前記アノードセパレーターの前記アノード側の表面に第３の導電層が設けられ、
前記第３の導電層は、前記アノードセパレーターの表面のうち、前記アノードに対向する領域上にのみ設けられている、請求項１−３のいずれか１項に記載の電気化学デバイス。
【請求項５】
前記アノードセパレーターは、前記アノード側の主面に凹凸が設けられ、前記第３の導電層は、前記凸部のアノードに対向する部分上にのみ設けられている、請求項４に記載の電気化学デバイス。
【請求項６】
前記第３の導電層は、前記アノードセパレーターの基材シートに前記第３の導電層の導電材料が設けられたシートが拡散接合されることにより、設けられている、請求項４または５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、高分子電解質形燃料電池のセパレーターの高強度化および高耐食性に関する技術が提案されている。具体的には、セパレーターの金属基体の主面にガスを流通するための溝部が設けられ、金属基体の表面全域に亘って、カーボン粒子などの導電材料を含む樹脂層が電着により形成されている。そして、金属基体の溝部を覆うように、ガス拡散層と金属基体とが一体的に設けられている。これにより、セパレーターの高強度化および高耐食性化が可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−２８０６３６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セパレーターの低コスト化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、セパレーターのコストが従来よりも低減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、前記カソード側の表面に第１の導電層を備えるカソードセパレーターと、を備え、カソードは、カソードガス拡散層を含み、カソードセパレーターは、カソードガス拡散層を収納する凹部が設けられ、第１の導電層は、凹部の底面にのみ設けられている。
【発明の効果】
【００１０】
本開示の一態様の電気化学デバイスは、セパレーターのコストが従来よりも低減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、実施形態の変形例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】
【００１２】
電気化学デバイスのセパレーターの低コスト化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、セパレーターの金属基体の表面全域に亘って、カーボン粒子などの導電材料含有の樹脂層が電着によりコーティングされている。具体的には、燃料電池のガス拡散層と金属基体との間の接触抵抗の低減に寄与しない、溝部の内面にも樹脂層がコーティングされている。また、金属基体の表面のうちガス拡散層と対向しない側部にも、樹脂層がコーティングされている。よって、特許文献１の燃料電池では、このような樹脂層の材料の消費によりセパレーターのコストが上がるという問題がある。
【００１４】
そこで、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、前記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、カソード側の表面に第１の導電層を備えるカソードセパレーターと、を備え、カソードは、カソードガス拡散層を含み、カソードセパレーターは、カソードガス拡散層を収納する凹部が設けられ、第１の導電層は、凹部の底面にのみ設けられている。
【００１５】
かかる構成によると、本態様の電気化学デバイスは、カソードセパレーターのコストが従来よりも低減し得る。
【００１６】
具体的には、本態様の電気化学デバイスでは、第１の導電層が、カソードセパレーターの表面のうち、カソードガス拡散層とカソードセパレーターとの間の接触抵抗の低減に寄与する、カソードに対向する領域上にのみ設けられている。よって、本態様の電気化学デバイスは、カソードガス拡散層とカソードセパレーターとの間の接触抵抗の増加を適切に軽減しながら、第１の導電層のコーティングコストを従来に比べて削減することができる。
【００１７】
また、電気化学デバイスが、例えば、カソードから高圧状態のカソードガスを外部に放出するデバイスである場合、カソードセパレーターには、カソードガス拡散層を収納する凹部を設ける場合がある。この場合、電気化学デバイスの動作時には、カソードガス拡散層内のガス圧が高圧になる。よって、カソードセパレーターの凹部の底面に流路溝を必ずしも設ける必要がなく、カソードセパレーターの適所に、凹部の内外を連通させる連通孔を設けることで、電気化学デバイスの外部にカソードガスを放出することができる。よって、本態様の電気化学デバイスは、第１の導電層を、カソードセパレーターの凹部の底面にのみ設けることで、上記の作用効果を奏することができる。
【００１８】
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、カソードセパレーターは、カソード側と反対側の表面に第２の導電層が設けられていてもよい。
【００１９】
ここで、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。
【００２０】
特許文献１では、カーボン粒子などの導電材料含有の樹脂層が電着によりコーティングされている。しかし、本開示者らが鋭意検討を行った結果、特許文献１に記載の導電性の樹脂層は、厚みムラ、ピンホールなどが発生する可能性があると考えられる。これは、特許文献１の如く、流路溝のための凹凸が形成された金属基体の主面に樹脂層を設けると、この凹凸が要因となって樹脂層に厚みムラ、ピンホールなどが発生しやすいと考えられるからである。そして、この金属基体を備える電気化学デバイスでは、電気化学デバイスの耐久性および信頼性の視点で不都合が生じやすくなる。例えば、電気化学デバイスにおいて、ガス拡散層が設けられたセパレーターに、所望の電圧を印加する場合、導電層の厚みムラによってガス拡散層およびセパレーター間を流れる電流が不均一化することで、電流集中に起因する発熱で電気化学デバイスの過昇温が発生する場合、または電流集中個所での燃料欠乏による過電圧上昇にともない電極劣化し、耐久性が損なわれる場合がある。これにより、電気化学デバイスの耐久性および信頼性が劣化する可能性がある。
【００２１】
そこで、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、第１の導電層は、カソードセパレーターの基材シートに第１の導電層の導電材料が設けられたシートが拡散接合されることにより、設けられていてもよい。
【００２２】
かかる構成によると、本態様の電気化学デバイスでは、カソードセパレーターの基材シートに対して、従来に比べて、厚みが均一であって、平面度および表面粗さが小さい第１の導電層を一体的に形成することができる。これは、第１の導電層の導電材料が設けられるシートには流路溝用の凹凸が形成されていないからである。
【００２３】
このようにして、本態様の電気化学デバイスは、カソードセパレーターが、厚みが均一であって、平面度および表面粗さが小さい第１の導電層を備えることで、カソードセパレーターとカソードガス拡散層との間の接触面積が適切に確保される。その結果、本態様の電気化学デバイスは、カソードセパレーターおよびカソードガス拡散層間の接触抵抗の増加を抑制できるとともに、装置の耐久性および信頼性の劣化を軽減することができる。
【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態様の電気化学デバイスにおいて、アノードセパレーターのアノード側の表面に第３の導電層が設けられ、第３の導電層は、アノードセパレーターの表面のうち、アノードに対向する領域上にのみ設けられていてもよい。
【００２５】
かかる構成によると、本態様の電気化学デバイスは、アノードセパレーターのコストが従来よりも低減し得る。
【００２６】
具体的には、本態様の電気化学デバイスでは、第３の導電層が、アノードセパレーターの表面のうち、アノードガス拡散層とアノードセパレーターとの間の接触抵抗の低減に寄与する、アノードに対向する領域上にのみ設けられている。よって、本態様の電気化学デバイスは、アノードガス拡散層とアノードセパレーターとの間の接触抵抗の増加を適切に軽減しながら、第３の導電層のコーティングコストを従来に比べて削減することができる。
【００２７】
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、アノードセパレーターは、アノード側の主面に凹凸が設けられ、第３の導電層は、凸部のアノードに対向する部分上にのみ設けられていてもよい。
【００２８】
電気化学デバイスでは、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流体を拡散層に均一に供給するための凹凸状の流路溝を設ける場合がある。この場合、拡散層の主面は、流路溝（凹部）の内面とは接触しない。よって、本態様の電気化学デバイスは、第３の導電層を、アノードセパレーターの凸部のアノードに対向する部分上にのみ設けることで、上記の作用効果を奏することができる。
【００２９】
本開示の第６態様の電気化学デバイスは、第４態様または第５態様の電気化学デバイスにおいて、第３の導電層は、アノードセパレーターの基材シートに第３の導電層の導電材料が設けられたシートが拡散接合されることにより、設けられていてよい。
【００３０】
以上の構成によると、本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。
【００３１】
つまり、本態様の電気化学デバイスでは、アノードセパレーターの基材シートに対して、従来に比べて、厚みが均一であって、平面度および表面粗さが小さい第３の導電層を一体的に形成することができる。これは、第３の導電層の導電材料が設けられるシートには流路溝用の開口部が形成されているが、第３の導電層の導電材料は、この開口部以外の箇所に設けられているからである。
【００３２】
このようにして、本態様の電気化学デバイスは、アノードセパレーターが、厚みが均一であって、平面度および表面粗さが小さい第３の導電層を備えることで、アノードセパレーターとアノードガス拡散層との間の接触面積が適切に確保される。その結果、本態様の電気化学デバイスは、アノードセパレーターおよびアノードガス拡散層間の接触抵抗の増加を抑制できるとともに、装置の耐久性および信頼性の劣化を軽減することができる。
【００３３】
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。
【００３４】
（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。
【００３５】
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。
【００３６】
[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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
＜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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
＜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る。
【００５４】
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る。
【００５５】
なお、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、例えば、チタン、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌなどの金属で構成された基材シートであってもよいが、これに限定されない。
【００５６】
ここで、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、アノードＡＮ側の表面に第３の導電層２１を備える。そして、第３の導電層２１が、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の表面のうち、アノードＡＮに対向する領域上にのみ設けられている。なお、第３の導電層２１の詳細な構成は第１実施例で説明する。
【００５７】
＜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。
【００５８】
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。
【００５９】
なお、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、例えば、チタン、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌなどの金属で構成された基材シートであってもよいが、これに限定されない。
【００６０】
ここで、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、カソードＣＡ側の表面に第１の導電層３１を備える。そして、第１の導電層３１が、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の表面のうち、カソードＣＡに対向する領域上にのみ設けられている。なお、第１の導電層３１の詳細な構成は第２実施例で説明する。
【００６１】
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。
【００６２】
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２Ｂ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２Ｂ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。
【００６３】
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。
【００６４】
＜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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
＜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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
＜水素含有ガスの経路構成＞
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
［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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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、調整弁等の弁の開度を大きくすることである。
【００９２】
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。
【００９３】
以上のとおり、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、アノードセパレーターのコストが従来よりも低減し得る。
【００９４】
具体的には、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、第３の導電層２１が、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）の表面のうち、アノードガス拡散層１５とアノードセパレーターとの間の接触抵抗の低減に寄与する、アノードＡＮに対向する領域上にのみ設けられている。よって、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、アノードガス拡散層１５とアノードセパレーターとの間の接触抵抗の増加を適切に軽減しながら、第３の導電層２１のコーティングコストを従来に比べて削減することができる。
【００９５】
また、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、カソードセパレーターのコストが従来よりも低減し得る。
【００９６】
具体的には、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、第１の導電層３１が、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）の表面のうち、カソードガス拡散層１４とカソードセパレーターとの間の接触抵抗の低減に寄与する、カソードＣＡに対向する領域上にのみ設けられている。よって、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、カソードガス拡散層１４とカソードセパレーターとの間の接触抵抗の増加を適切に軽減しながら、第１の導電層３１のコーティングコストを従来に比べて削減することができる。
【００９７】
（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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
図２Ｂに示すように、アノードセパレーターは、アノードＡＮ側の主面に凹凸２０が設けられ、第３の導電層２１は、アノードセパレーターの凸部２２のアノードＡＮに対向する部分上にのみ設けられている。また、第３の導電層２１は、アノードセパレーターの基材シート２３に第３の導電層２１の導電材料２１Ｂが設けられたシート２１Ａが拡散接合されることにより、設けられている。
【０１０１】
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。
【０１０２】
本実施例の電気化学式水素ポンプ１００では、例えば、厚みが２ｍｍ以上のステンレス製（例えば、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌなど）またはチタン製の基材シート２３と、厚みが０．１〜０．５ｍｍ程度のステンレス製またはチタン製のシート２１Ａ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。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基材シート２３を厚みが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。
【０１０３】
ここで、アノードセパレーターの基材シート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、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２１Ａの一方の主面とが拡散接合で一体化されている。
【０１０４】
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が設けられている。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、第３の導電層２１を介して凸部２２とのみ接触する。
【０１０５】
シート２１Ａの他方の主面には、厚みが１μｍ以下（例えば、０．００１μｍ〜０．１μｍ程度）の導電材料２１Ｂの皮膜がコーティングされている。そして、導電材料２１Ｂの皮膜は、導電性および耐食性に優れており、この皮膜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第３の導電層２１を設けることが望ましい。導電材料２１Ｂの皮膜は、例えば、物理蒸着法などの適宜の成膜方法を用いて、シート２１Ａ上に導電材料２１Ｂを堆積させることで形成ことができる。
【０１０６】
なお、導電材料２１Ｂとして、例えば、ダイヤモンドライクカーボン、グラファイト、グラフェンなどを挙げることができるが、これらに限定されない。
【０１０７】
以上の導電材料２１Ｂの皮膜を備えるシート２１Ａ（第３の導電層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基材シート２３と拡散接合されてもよい。
【０１０８】
また、図示を省略するが、第３の導電層２１が設けられていないアノードセパレーターの部分は、高耐食性の酸化皮膜が形成されていてもよい。このような酸化皮膜は、例えば、ステンレス、チタンの表面に形成される不動態皮膜であってもよい。
【０１０９】
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。
【０１１０】
以上のとおり、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、第３の導電層２１を、アノードセパレーターの凸部２２のアノードＡＮに対向する部分上にのみ設けることで、アノードガス拡散層１５とアノードセパレーターとの間の接触抵抗の増加を適切に軽減しながら、第３の導電層２１のコーティングコストを従来に比べて削減することができる。
【０１１１】
ここで、特許文献１では、カーボン粒子などの導電材料含有の樹脂層が電着によりコーティングされている。しかし、本開示者らが鋭意検討を行った結果、特許文献１に記載の導電性の樹脂層は、厚みムラ、ピンホールなどが発生する可能性があると考えられる。これは、特許文献１の如く、流路溝のための凹凸が形成された金属基体の主面に樹脂層を設けると、この凹凸が要因となって樹脂層に厚みムラ、ピンホールなどが発生しやすいと考えられるからである。そして、この金属基体を備える電気化学デバイスでは、電気化学デバイスの耐久性および信頼性の視点で不都合が生じやすくなる。例えば、電気化学デバイスにおいて、ガス拡散層が設けられたセパレーターに、所望の電圧を印加する場合、導電層の厚みムラによってガス拡散層およびセパレーター間を流れる電流が不均一化することで、電流集中に起因する発熱で電気化学デバイスの過昇温が発生する場合、または電流集中個所での燃料欠乏による過電圧上昇にともない電極劣化し、耐久性が損なわれる場合がある。これにより、電気化学デバイスの耐久性および信頼性が劣化する可能性がある。
【０１１２】
これに対して、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、第３の導電層２１は、アノードセパレーターの基材シート２３に第３の導電層２１の導電材料２１Ｂが設けられたシート２１Ａが拡散接合されることにより、設けられている。
【０１１３】
以上の構成によると、本実施例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。つまり、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００では、アノードセパレーターの基材シート２３に対して、従来に比べて、厚みが均一であって、平面度および表面粗さが小さい第３の導電層２１を一体的に形成することができる。これは、シート２１Ａには流路溝用の開口部が形成されているが、第３の導電層２１の導電材料２１Ｂは、この開口部以外の箇所に設けられているからである。
【０１１４】
このようにして、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が、厚みが均一であって、平面度および表面粗さが小さい第３の導電層２１を備えることで、アノードセパレーターとアノードガス拡散層１５との間の接触面積が適切に確保される。その結果、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およびアノードガス拡散層１５間の接触抵抗の増加を抑制できるとともに、装置の耐久性および信頼性の劣化を軽減することができる。
【０１１５】
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。
【０１１６】
（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。
【０１１７】
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。
【０１１８】
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。
【０１１９】
図１に示すように、カソードセパレーターは、カソードガス拡散層１４を収納する凹部が設けられ、第１の導電層３１は、この凹部の底面にのみ設けられている。また、図２Ｃに示すように、第１の導電層３１は、カソードセパレーターの基材シート３３に第１の導電層３１の導電材料３１Ｂが設けられたシート３１Ａが拡散接合されることにより、設けられている。
【０１２０】
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。
【０１２１】
本実施例の電気化学式水素ポンプ１００では、例えば、厚みが２ｍｍ以上のステンレス製（例えば、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌなど）またはチタン製の基材シート３３と、厚みが０．１〜０．５ｍｍ程度のステンレス製またはチタン製のシート３１Ａ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。
【０１２２】
ここで、カソードセパレーターの基材シート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、基材シート３３の凹部の底面のみとシート３１Ａの一方の主面とが拡散接合で一体化されている。
【０１２３】
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、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。
【０１２４】
シート３１Ａの他方の主面には、厚みが１μｍ以下（例えば、０．００１μｍ〜０．１μｍ程度）の導電材料３１Ｂの皮膜がコーティングされている。そして、導電材料３１Ｂの皮膜は、導電性および耐食性に優れており、この皮膜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第１の導電層３１を設けることが望ましい。導電材料３１Ｂの皮膜は、例えば、物理蒸着法などの適宜の成膜方法を用いて、シート３１Ａ上に導電材料３１Ｂを堆積させることで形成ことができる。
【０１２５】
なお、導電材料３１Ｂとして、例えば、ダイヤモンドライクカーボン、グラファイト、グラフェンなどを挙げることができるが、これらに限定されない。
【０１２６】
以上の導電材料３１Ｂの皮膜を備えるシート３１Ａ（第１の導電層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された後、この円形のコート材が基材シート３３と拡散接合されてもよい。
【０１２７】
また、図示を省略するが、第１の導電層３１が設けられていないカソードセパレーターの部分は、高耐食性の酸化皮膜が形成されていてもよい。このような酸化皮膜は、例えば、ステンレス、チタンの表面に形成される不動態皮膜であってもよい。
【０１２８】
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。
【０１２９】
以上のとおり、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、第１の導電層３１を、カソードセパレーターの凹部の底面にのみ設けることで、カソードガス拡散層１４とカソードセパレーターとの間の接触抵抗の増加を適切に軽減しながら、第１の導電層３１のコーティングコストを従来に比べて削減することができる。
【０１３０】
ここで、特許文献１では、本開示者らが鋭意検討を行った結果、上記のとおり、電気化学デバイスの耐久性および信頼性が劣化する可能性がある。
【０１３１】
これに対して、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、第１の導電層３１は、カソードセパレーターの基材シート３３に第１の導電層３１の導電材料３１Ｂが設けられたシート３１Ａが拡散接合されることにより、設けられている。
【０１３２】
以上の構成によると、本実施例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。つまり、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００では、カソードセパレーターの基材シート３３に対して、従来に比べて、厚みが均一であって、平面度および表面粗さが小さい第１の導電層３１を一体的に形成することができる。これは、第１の導電層３１の導電材料３１Ｂが設けられるシート３１Ａには流路溝用の凹凸が形成されていないからである。
【０１３３】
このようにして、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、カソードセパレーターが、厚みが均一であって、平面度および表面粗さが小さい第１の導電層３１を備えることで、カソードセパレーターとカソードガス拡散層１４との間の接触面積が適切に確保される。その結果、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、カソードセパレーターおよびカソードガス拡散層１４間の接触抵抗の増加を抑制できるとともに、装置の耐久性および信頼性の劣化を軽減することができる。
【０１３４】
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。
【０１３５】
（変形例）
図３は、実施形態の変形例の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。
【０１３６】
本変形例の電気化学式水素ポンプ１００は、カソードセパレーターのカソードＣＡ側と反対側の表面に第２の導電層６０が設けられていること以外、実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様である。具体的には、本変形例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の間に第２の導電層６０が設けられ、これらの部材が一体に形成されていてもよい。例えば、アノードセパレーターおよびカソードセパレーターの基材シートと、ステンレス製またはチタン製のシートと、が拡散接合で一体化されていてもよい。これにより、本変形例の電気化学デバイスは、アノードセパレーターおよびカソードセパレーターの基材シートに対して、従来に比べて、厚みが均一であって、平面度および表面粗さが小さい第２の導電層６０を一体的に形成することができる。
【０１３７】
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、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。
【０１３８】
なお、実施形態、実施形態の第１実施例、実施形態の第２実施例および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。
【０１３９】
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。
【０１４０】
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】
【０１４１】
本開示の一態様は、セパレーターのコストが従来よりも低減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】
【０１４２】
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      ：第３の導電層
２１Ａ    ：シート
２１Ｂ    ：導電材料
２２      ：凸部
２３      ：基材シート
２５      ：アノードガス流路溝
３１      ：第１の導電層
３１Ａ    ：シート
３１Ｂ    ：導電材料
３３      ：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
６０      ：第２の導電層
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
【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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【手続補正書】
【提出日】令和3年9月30日(2021.9.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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、前記カソード側の表面にコーティングされた第１の導電材料の皮膜を備えるカソードセパレーターと、
を備え、
前記カソードは、カソードガス拡散層を含み、
前記カソードセパレーターは、前記カソードガス拡散層を収納する凹部が設けられ、前記第１の導電材料の皮膜は、前記凹部の底面にのみ設けられている、電気化学デバイス。
【請求項２】
前記カソードセパレーターは、前記カソード側と反対側の表面に導電層が設けられている、請求項１に記載の電気化学デバイス。
【請求項３】
前記第１の導電材料の皮膜は、前記カソードセパレーターの基材シートに接合しているシート上に設けられている、請求項１または２に記載の電気化学デバイス。
【請求項４】
前記アノードセパレーターの前記アノード側の表面にコーティングされた第２の導電材料の皮膜が設けられ、
前記第２の導電材料の皮膜は、前記アノードセパレーターの表面のうち、前記アノードに対向する領域上にのみ設けられている、請求項１−３のいずれか１項に記載の電気化学デバイス。
【請求項５】
前記アノードセパレーターは、前記アノード側の主面に凹凸が設けられ、前記第２の導電材料の皮膜は、前記凸部のアノードに対向する部分上にのみ設けられている、請求項４に記載の電気化学デバイス。
【請求項６】
前記第２の導電材料の皮膜は、前記アノードセパレーターの基材シートに接合しているシート上に設けられている、請求項４または５に記載の電気化学デバイス。
【国際調査報告】
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