(57)【要約】  圧縮装置は、電解質膜と、電解質膜の一方の主面に接するアノード触媒層と、電解質膜の他方の主面に接するカソード触媒層と、アノード触媒層上に設けられ、カーボン多孔体シートを含むアノード拡散層と、カソード触媒層上に設けられるカソードガス拡散層と、アノードガス拡散層上に設けられ、複数の通気孔を有する金属シートを含むアノード支持体と、アノード支持体上に設けられ、当該アノード支持体側の主面にアノード流体が流れる流体流路を備えるアノードセパレーターと、アノード触媒層とカソード触媒層との間に電圧を印加する電圧印加器と、を備える。圧縮装置は、電圧印加器が上記の電圧を印加することで、アノード触媒層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、電解質膜を介してカソード触媒層に移動させ、圧縮された水素を生成する。金属シートの曲げ強度が、カーボン多孔体シートの曲げ強度よりも高い。
2021106482.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接するアノード触媒層と、
前記電解質膜の他方の主面に接するカソード触媒層と、
前記アノード触媒層上に設けられ、カーボン多孔体シートを含むアノード拡散層と、
前記カソード触媒層上に設けられるカソードガス拡散層と、
前記アノード拡散層上に設けられ、複数の通気孔を有する金属シートを含むアノード支持体と、
前記アノード支持体上に設けられ、当該アノード支持体側の主面にアノード流体が流れる流体流路を備えるアノードセパレーターと、
前記アノード触媒層と前記カソード触媒層との間に電圧を印加する電圧印加器とを備え、
前記電圧印加器が前記電圧を印加することで、前記アノード触媒層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、前記電解質膜を介して前記カソード触媒層に移動させ、圧縮された水素を生成する圧縮装置であって、
前記金属シートの曲げ強度が、前記カーボン多孔体シートの曲げ強度よりも高い、圧縮装置。
【請求項２】
前記アノード支持体の厚み方向の透気度は、前記カーボン多孔体シートの厚み方向の透気度よりも大きい請求項１に記載の圧縮装置。
【請求項３】
前記複数の通気孔の一部は、前記流体流路の縁上を跨ぐ請求項１または２に記載の圧縮装置。
【請求項４】
前記複数の通気孔の少なくとも一部の、前記流体流路を横断する方向の径は、前記流体流路の幅よりも小さい請求項１−３のいずれか１項に記載の圧縮装置。
【請求項５】
前記カーボン多孔体シートは、カーボン焼結体のシートである請求項１−４のいずれか１項に記載の圧縮装置。
【請求項６】
前記アノード支持体の表面には、導電層が設けられる請求項１−５のいずれか１項に記載の圧縮装置。
【請求項７】
前記アノード拡散層の厚みは、前記アノード支持体の厚みより大きい請求項１−６のいずれか１項に記載の圧縮装置。
【請求項８】
前記金属シートは、１枚の金属鋼板で構成される請求項１−７のいずれか１項に記載の圧縮装置。
【請求項９】
前記アノード支持体は、前記アノードセパレーターと一体化されている請求項１−８のいずれか１項に記載の圧縮装置。
【請求項１０】
前記アノード支持体は、前記アノード拡散層と一体化されている請求項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、水素昇圧が行われる電気化学式水素ポンプにおいて、アノードガス拡散層が、炭素繊維の弾性及び導電性を有する材料から形成されることが開示されている。【０００５】
また、特許文献２では、水素昇圧が行われる電気化学式水素ポンプにおいて、アノードガス拡散層が、金属多孔体で構成されることが開示される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２００８−５１８３８７号公報
【特許文献２】特開２０１９−１５７１９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本開示は、一例として、アノード拡散層のカーボン多孔体シートの損傷を従来よりも軽減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】
【０００８】
上記課題を解決するため、本開示の一態様（aspect）の圧縮装置は、電解質膜と、電解質膜の一方の主面に接するアノード触媒層と、電解質膜の他方の主面に接するカソード触媒層と、アノード触媒層上に設けられ、カーボン多孔体シートを含むアノード拡散層と、カソード触媒層上に設けられるカソードガス拡散層と、アノード拡散層上に設けられ、複数の通気孔を有する金属シートを含むアノード支持体と、アノード支持体上に設けられ、アノード支持体側の主面にアノード流体が流れる流体流路を備えるアノードセパレーターと、前記アノード触媒層と前記カソード触媒層との間に電圧を印加する電圧印加器と、を備え、前記電圧印加器が前記電圧を印加することで、前記アノード触媒層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、前記電解質膜を介して前記カソード触媒層に移動させ、圧縮された水素を生成する圧縮装置であって、金属シートの曲げ強度が、カーボン多孔体シートの曲げ強度よりも高い。
【発明の効果】
【０００９】
本開示の一態様の圧縮装置は、アノード拡散層のカーボン多孔体シートの損傷を従来よりも軽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実施形態の第２実施例の電気化学式水素ポンプにおけるアノード支持体およびアノードセパレーターの一例を示す図である。
【図４】図４は、構造解析シミュレーションの解析モデルの一例を示す図である。
【図５Ａ】図５Ａは、実施例の解析モデルについてアノードガス拡散層に外力（圧縮力）を与える際の通気孔におけるアノードガス拡散層に作用する最大引張応力を説明するための図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、比較例の解析モデルについてアノードガス拡散層に外力（圧縮力）を与える際のアノードガス流路におけるアノードガス拡散層に作用する最大引張応力を説明するための図である。
【図６】図６は、第１実施形態の第４実施例の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。
【図７】図７は、第３実施形態の電気化学式水素ポンプにおけるアノード支持体およびアノードセパレーター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２に開示された電気化学式水素ポンプでは、アノードガス拡散層に金属多孔体を使用しているが、高い酸性環境下で耐食性を確保するため、アノードガス拡散層は、高コストとなりやすい。
【００１２】
特許文献１に開示された電気化学式水素ポンプでは、アノード拡散層が、炭素繊維から形成されるカーボン多孔体であるため、アノード拡散層は、金属多孔体を用いる場合に比べ、低コストで耐食性を確保することが可能である。しかしながら、本発明者らは、検討の結果、特許文献１に開示された電気化学式水素ポンプには、以下の問題があることを発見した。
【００１３】
具体的には、カーボン多孔体を含むアノード拡散層が、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）によって損傷する可能性を見出した。例えば、アノード拡散層が、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ガス流路で破断する可能性がある。
【００１４】
そこで、本発明者らは、以下の本開示の一態様に想到した。
【００１５】
すなわち、本開示の第１態様の圧縮装置は、電解質膜と、電解質膜の一方の主面に接するアノード触媒層と、電解質膜の他方の主面に接するカソード触媒層と、アノード触媒層上に設けられ、カーボン多孔体シートを含むアノード拡散層と、カソード触媒層上に設けられるカソードガス拡散層と、アノード拡散層上に設けられ、複数の通気孔を有する金属シートを含むアノード支持体と、アノード支持体上に設けられ、アノード支持体側の主面にアノード流体が流れる流体流路を備えるアノードセパレーターと、アノード触媒層とカソード触媒層との間に電圧を印加する電圧印加器と、を備え、
電圧印加器が上記の電圧を印加することで、アノード触媒層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、電解質膜を介してカソード触媒層に移動させ、圧縮された水素を生成する圧縮装置であって、金属シートの曲げ強度が、カーボン多孔体シートの曲げ強度よりも高い。
【００１６】
かかる構成によると、本態様の圧縮装置は、アノード拡散層のカーボン多孔体シートの損傷を従来よりも軽減し得る。
【００１７】
例えば、仮に、アノード拡散層とアノードセパレーターとの間にアノード支持体を設けない場合、アノード拡散層が、圧縮装置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セパレーターに設けられた流体流路で破断する可能性がある。
【００１８】
これに対して、本態様の圧縮装置は、アノード拡散層とアノードセパレーターとの間にアノード支持体を設ける場合において、アノード支持体の金属シートの曲げ強度をカーボン多孔体シートの曲げ強度よりも高くすることで、アノード拡散層のカーボン多孔体シートが、上記の差圧によって損傷する可能性を低減することができる。
【００１９】
また、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、本態様の圧縮装置は、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。
【００２０】
さらに、金属シートを含むアノード支持体は、アノード拡散層の一対の主面のうちアノード触媒層側の主面と反対側の主面上に設けられている。アノード触媒層側の主面は、アノード触媒層との界面のため、高い酸性環境下にあるが、反対側の主面は、アノード触媒層から離れているため、高い酸性環境下にはない。従って、金属シートを含むアノード支持体は、高い耐食性を求められないので、低コストにすることが可能になる。
【００２１】
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、アノード支持体の厚み方向の透気度は、カーボン多孔体シートの厚み方向の透気度よりも大きくてもよい。
【００２２】
アノード支持体の厚み方向の透気度が大きい程、アノード拡散層からアノード触媒層へのアノード流体の拡散性を確保しやすくなる。つまり、本態様の圧縮装置は、アノード拡散層とアノードセパレーターとの間にアノード支持体を設けた場合において、アノード支持体の厚み方向の透気度が、カーボン多孔体シートの厚み方向の透気度以下である場合に比べて、圧縮装置の効率の低下を適切に抑制することができる。
【００２３】
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、複数の通気孔の一部は、流体流路の縁上を跨いでもよい。
【００２４】
仮に、アノード支持体の金属シートの通気孔が、アノードセパレーターに設けられた流体流路の縁上を跨ぐことなく、流体流路を構成するリブ部上に存在する場合、この通気孔からアノード拡散層にアノード流体が供給されない。逆に、金属シートの通気孔が、上記の流体流路の縁上を跨ぐとき、この通気孔からアノード拡散層にアノード流体が供給される。
【００２５】
よって、本態様の圧縮装置は、複数の通気孔の一部が流体流路の縁上を跨ぐことで、かかる通気孔の一部が流体流路の縁上を跨ぐことなく、流体流路を構成するリブ部上に存在する場合に比べて、アノード拡散層からアノード触媒層へのアノード流体の拡散性を向上させることができる。
【００２６】
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、複数の通気孔の少なくとも一部の、流体流路を横断する方向の径は、流体流路の幅よりも小さてもよい。
【００２７】
アノード拡散層を支持する部材において、孔または流体流路を構成する溝部（凹部）などの形状が変化する開口部が存在する場合、アノード拡散層に外力（圧縮力）が与えられると、開口部におけるアノード拡散層には、他の部分よりも高い応力が発生する（応力集中）。そして、一般的に、孔の中心付近におけて、アノード拡散層に作用する引張応力が最大になるとともに、孔の径が大きい程、この最大引張応力が大きい。また、流体流路の幅の中心付近において、アノード拡散層に作用する引張応力が最大になるとともに、流体流路の幅が大きい程、この最大引張応力が大きい。
【００２８】
そこで、本態様の圧縮装置は、アノード拡散層とアノードセパレーターとの間にアノード支持体を設けた場合において、通気孔の径と流体流路の幅との大小関係を以上の如く設定している。これにより、本態様の圧縮装置は、通気孔の径が流体流路の幅以上である場合に比べて、アノード拡散層のカーボン多孔体シートが、圧縮装置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損傷することを抑制できる。
【００２９】
本開示の第５態様の圧縮装置は、第１態様から第４態様のいずれか一つの圧縮装置において、カーボン多孔体シートは、カーボン焼結体のシートであってもよい。
【００３０】
一般的に、カーボン焼結体は、カーボン粉末を樹脂等と混ぜ、乾燥固化あるいは乾燥硬化させた成形体に比べて剛性が高い。特に、プラスチックフォームドカーボンは、曲げ強度が高い。よって、本態様の圧縮装置は、カーボン多孔体シートがカーボン焼結体のシートであると、アノード拡散層の曲げ強度が適切に確保される。
【００３１】
本開示の第６態様の圧縮装置は、第１態様から第５態様のいずれか一つの圧縮装置において、アノード支持体の表面には、導電層が設けられていてもよい。
【００３２】
アノード支持体の金属シートの表面には、金属シートの成分が、例えば、大気中の酸素に酸化されることで、非導電性の酸化皮膜（不動態皮膜）が形成される場合がある。すると、例えば、アノード支持体とアノードセパレーターとの間の接触抵抗が増加することで両者間の導通が得にくくなる。また、例えば、アノード支持体とアノード拡散層との間の接触抵抗が増加することで両者間の導通が得にくくなる。
【００３３】
そこで、本態様の圧縮装置は、アノード支持体の表面に導電層を設けることで、以上の問題を適切に抑制することができる。
【００３４】
本開示の第７態様の圧縮装置は、第１態様から第６態様のいずれか一つの圧縮装置において、アノード拡散層の厚みは、アノード支持体の厚みより大きくてもよい。
【００３５】
かかる構成によると、本態様の圧縮装置は、アノード拡散層の厚みが、アノード支持体の厚みより小さい場合に比べて、金属シートと、高い酸性雰囲気になるアノード触媒層との距離を十分に確保することができる。よって、金属シートは、耐食性の低い、安価な材料を活用することができる。
【００３６】
本開示の第８態様の圧縮装置は、第１態様から第７態様のいずれか一つの圧縮装置において、金属シートは、１枚の金属鋼板で構成されていてもよい。
【００３７】
かかる構成によると、本態様の圧縮装置は、金属シートを複数枚の金属鋼板で構成する場合に比べて、部品点数を削減することで、組立作業の効率化を図ることができる。
【００３８】
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、アノード支持体は、アノードセパレーターと一体化されていてもよい。
【００３９】
かかる構成によると、本態様の圧縮装置は、例えば、アノード支持体の金属シートとアノードセパレーターとが拡散接合で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。また、本態様の圧縮装置は、部品点数を削減することで、組立作業の効率化を図ることができる。
【００４０】
本開示の第１０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、アノード支持体は、アノード拡散層と一体化されていてもよい。
【００４１】
アノード支持体およびアノード拡散層間に、適宜の樹脂など（例えば、アイオノマー）を設けることで、両者を一体化することができる。すると、本態様の圧縮装置は、部品点数を削減することで、組立作業の効率化を図ることができる。
【００４２】
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。
【００４３】
（第１実施形態）
上記の圧縮装置のアノード流体は、様々な種類のガス、液体が想定される。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。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、液体の水を挙げることができる。
【００４４】
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。
【００４５】
［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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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、アノード支持体６０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、アノード支持体６０、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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
電解質膜１１は、プロトン伝導性を備える高分子膜である。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。
【００５４】
アノード触媒層１３は、電解質膜１１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。
【００５５】
カソード触媒層１２は、電解質膜１１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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
具体的には、アノードガス拡散層１５は、カーボン多孔体シート１５Ｓを含む層である。カーボン多孔体シート１５Ｓとして、例えば、カーボン粒子を素材とする焼結体を用いることができる。
【００６１】
アノード支持体６０は、アノードガス拡散層１５上に設けられ、複数の通気孔（図１Ａおよび図１Ｂでは図示せず）を有する金属シート６０Ｓを含む部材である。また、アノード支持体６０の金属シート６０Ｓ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間の差圧により、破壊しないように、アノードガス拡散層１５のカーボン多孔体シート１５Ｓよりも曲げ強度が高いことが望ましい。また、アノード支持体６０は、上記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。
【００６２】
ここで、曲げ試験では、最初に引張破壊が生じるため、一般的には、曲げ強度と引張強度と同等である。したがって、金属シート６０Ｓの曲げ強度は、ＪＩＳ規格Ｚ２２４１：２０１１の金属材料引張試験方法により求められる。
【００６３】
また、カーボン多孔体シート１５Ｓの曲げ強度は、ＪＩＳ規格Ｒ１６０１：２００８のファインセラミックスの室温曲げ強さ試験方法により求められる。
【００６４】
例えば、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、ＳＵＳ３１６Ｌで構成される金属シート６０Ｓの曲げ強度は、４８０ＭＰａ以上であり、カーボン多孔体シート１５Ｓの曲げ強度は、４８ＭＰａ以上であってもよい。
【００６５】
このような金属シート６０Ｓとして、例えば、パンチングメタルなどを用いることができる。なお、金属シート６０Ｓの通気孔の形状および配列などの孔パターンは、第２実施例で説明する。
【００６６】
また、カーボン多孔体シート１５Ｓの厚みは、金属シート６０Ｓの厚みよりも大きい方が望ましい。例えば、カーボン多孔体シート１５Ｓの厚みが、金属シート６０Ｓの厚みの１．５倍以上であることが望ましい。このようにすることで、カーボン多孔体シート１５Ｓの厚みが、金属シート６０Ｓの厚みより小さい場合に比べて、金属シート６０Ｓと、高い酸性雰囲気になるアノード触媒層１３との距離を十分に確保することができる。よって、金属シート６０Ｓは、耐食性の低い、安価な材料を活用することができる。
【００６７】
以上の金属シート６０Ｓは、チタン、ステンレスなどの金属で構成されていてもよいが、これらに限定されない。金属シート６０Ｓをステンレスで構成する場合、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、耐酸性および耐水素脆性などの視点で特性がよい。
【００６８】
また、以上の金属シート６０Ｓは、１枚の金属鋼板で構成されていてもよい。これにより、金属シート６０Ｓを複数枚の金属鋼板で構成する場合に比べて、部品点数を削減することで、組立作業の効率化を図ることができる。
【００６９】
アノードセパレーター１７は、アノード支持体６０上に設けられ、アノード支持体６０側の主面に水素含有ガスが流れるアノードガス流路３３を備える部材である。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、カソード電極ＣＡ側の主面に水素含有ガスが流れるカソードガス流路３２を備える部材である。
【００７０】
以上の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は、例えば、チタン、ステンレスなどの金属で構成されていてもよい。つまり、金属シート６０Ｓの基材と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の基材とは同じであってもよい。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をステンレスで構成する場合、ＳＵＳ３１６およびＳＵＳ３１６Ｌは、様々な種類のステンレスの中で、耐酸性および耐水素脆性などの視点で特性がよい。
【００７１】
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。カソードセパレーター１６の凹部に、カソードガス拡散層１４が収容され、アノードセパレーター１７の凹部に、アノードガス拡散層１５およびアノード支持体６０が収容されている。
【００７２】
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。
【００７３】
アノードガス流路３３およびカソードガス流路３２はそれぞれ、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流路であってもよい。なお、ここでは、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おり、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。
【００７４】
ただし、以上のアノードガス流路３３およびカソードガス流路３２は、例示であって、本例に限定されない。例えば、アノードガス流路および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。また、サーペンタイン状のカソードガス流路は必ずしも必要はない。カソードセパレーターの凹部の内外を連通する連通孔を設けるだけで、高圧ガスをカソード電極ＣＡから外部に放出することができる。
【００７５】
なお、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が挟み込まれていてもよい。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の短絡を適切に防止することができる。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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から流出する水素（Ｈ２）含有のカソードガス（以下、水素）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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【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、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。
【００８７】
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に供給される水素含有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。
【００８８】
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に供給された水素含有ガスは、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、分配された水素含有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に水素含有ガスが供給される。
【００８９】
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から排出される水素含有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。
【００９０】
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を通過した水素含有ガスが、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、合流された水素含有ガスが、アノードガス導出経路３１に導かれる。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
このようにして、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１１を介してカソード触媒層１２に移動させ、圧縮された水素を生成する。
【００９７】
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。
【００９８】
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ガスは、例えば、水電解装置で生成されてもよい。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
[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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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１Ａ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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
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のカーボン多孔体シート１５Ｓの損傷を従来よりも軽減し得る。
【０１１０】
例えば、仮に、アノードガス拡散層１５とアノードセパレーター１７との間にアノード支持体６０を設けない場合、アノードガス拡散層１５が、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セパレーター１７に設けられたアノードガス流路３３で破断する可能性がある。
【０１１１】
これに対して、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１７との間にアノード支持体６０を設ける場合において、アノード支持体６０の金属シート６０Ｓの強度をカーボン多孔体シート１５Ｓの強度よりも高くすることで、アノードガス拡散層１５のカーボン多孔体シート１５Ｓが、上記の差圧によって損傷する可能性を低減することができる。
【０１１２】
また、カーボン多孔体シート１５Ｓには、アノードガス拡散層として、従来使用された金属多孔体シートに比べ、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、従来の金属多孔体シートに比べて、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】
（第１実施例）
第１実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、アノード支持体６０の厚み方向の透気度が、カーボン多孔体シート１５Ｓの厚み方向の透気度よりも大きいこと以外は、第１実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様である。
【０１１４】
ここで、透気度とは、ガーレー秒数（言い換えると、透気抵抗度）のことをいい、単位面積および単位圧力差当たり、規定された体積の空気が、測定対象物を透過に要する時間で表される。つまり、この値が小さい程、空気が測定対象物を通過しやすいことを示す。なお、透気度の測定法として、例えば、ＪＩＳ規格Ｐ８１７７に基づいた方法などを挙げることができる。
【０１１５】
このように、アノード支持体６０の厚み方向の透気度が大きい程、アノードガス拡散層１５からアノード触媒層１３への水素含有ガスの拡散性を確保しやすくなる。つまり、本実施例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１７との間にアノード支持体６０を設けた場合において、アノード支持体６０の厚み方向の透気度が、カーボン多孔体シート１５Ｓの厚み方向の透気度以下である場合に比べて、電気化学式水素ポンプ１００の効率の低下を適切に抑制することができる。
【０１１６】
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。
【０１１７】
（第２実施例）
第２実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、以下に説明するアノード支持体６０およびアノードセパレーター１７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。
【０１１８】
図３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アノード支持体およびアノードセパレーターの一例を示す図である。図３（ａ）には、アノード支持体６０の金属シート６０Ｓおよびアノードセパレーター１７の斜視図が示されている。図３（ｂ）には、図３（ａ）のＢ−Ｂ部を断面視した図が示されている。図３（ｃ）には、図３（ａ）のアノード支持体６０の金属シート６０Ｓを平面視した図が示されている。
【０１１９】
金属シート６０Ｓは、上記のとおり、複数の通気孔６１を有する金属部材である。
【０１２０】
ここで、複数の通気孔は、どのような形であってもよい。例えば、通気孔の形として、正円、楕円、一対の直線部分および一対の半円部で構成されるトラック形状、四角および三角などを挙げることができるが、これらに限定されない。
【０１２１】
ただし、図３に示すように、通気孔６１を正円で構成することで、これを面積が同一の他の形状で構成する場合に比べて、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間の差圧に起因する、通気孔６１におけるアノードガス拡散層１５の応力集中を抑制することができる。
【０１２２】
また、複数の通気孔６１の配列は、どのような配列であってもよい。例えば、複数の通気孔６１の配列方法として、両隣の通気孔６１の中心を結んだ２つの線の交差角θが６０°であるように千鳥状に配列すること（６０°千鳥配列）、同交差角θが４５°であるように千鳥状に配列すること（４５°千鳥配列）、同交差角θが９０°であるように並列に並べて配列すること、などを挙げることができるが、これらに限定されない。
【０１２３】
ただし、図３（ｃ）に示すように、複数の通気孔６１の配列が、６０°千鳥配列（θ＝６０°）であると、これらを他の形態で配列する場合に比べて、単位面積あたりの通気孔６１の孔面積を最も大きくできる。よって、この場合、アノードガス拡散層１５からアノード触媒層１３への水素含有ガスの拡散性を確保しやすくなる。
【０１２４】
金属シートへの通気孔６１の加工方法は、例えば、打ち抜き加工、レーザー加工、エッチング加工などを挙げることができるが、これらに限定されない。
【０１２５】
ただし、金属シートへの孔加工をエッチング加工で行うと、他の加工方法の場合に比べて、金属シートのそりなどが発生しにくいので都合がよい。
【０１２６】
なお、金属シートへの孔加工時に、孔の断面視においてテーパーが付いてもよいし、例えば、金属シートの両面から孔加工を施すことでテーパーが付きにくくしてもよい。
【０１２７】
ここで、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００では、図３に示すように、複数の通気孔６１の一部は、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の縁３３Ａ上を跨いでいる。
【０１２８】
なお、「複数の通気孔６１の一部が、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の縁３３Ａ上を跨ぐ」とは、複数の通気孔６１の少なくとも一部が、アノードガス流路３３の縁３３Ａ上を跨ぐことを意味する。例えば、複数の通気孔６１の一部は、アノードガス流路３３の縁３３Ａ上を跨ぐことなく、アノードガス流路３３を構成する溝部上に存在していてもよい。
【０１２９】
また、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００では、図３に示すように、複数の通気孔６１の少なくとも一部の、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を横断する方向２００の径Ｌ１は、アノードガス流路３３の幅Ｌ２よりも小さい（Ｌ１＜Ｌ２）。つまり、サーペンタイン状のアノードガス流路３３の直線部分を断面視した場合において、アノードセパレーター１７のアノード支持体６０側の主面に、アノードガス流路３３を横断する方向２００に沿って、複数個の凹凸が設けられている。そして、これらの凹部が、アノードガス流路３３の溝部を構成している。また、これらの凸部が、アノードガス流路３３のリブ部を構成している。
【０１３０】
なお、「複数の通気孔６１の少なくとも一部の、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を横断する方向の径Ｌ１」とは、複数の通気孔６１については、これらの通気孔６１の平均径であることを意味する。
【０１３１】
[構造解析シミュレーション]
アノードガス拡散層に外力（圧縮力）を与える際の開口部におけるアノードガス拡散層に作用する応力集中の現象を、以下の構造解析シミュレーションで数値化した。なお、構造解析シミュレーションは、様々な公知の解析ソフト（例えば、ＡＮＳＹＳ社  ＷｏｒｋＢｅｎｃｈ）で行うことができる。よって、解析ソフトの説明は省略する。
【０１３２】
＜解析モデル＞
実施例の解析モデルとして、図４に示すように、アノードガス拡散層１５（カーボン多孔体シート１５Ｓ）、アノード支持体６０（金属シート６０Ｓ）、および、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のリブ部をそれぞれ、コンピュータ上に再現（メッシュ分割によるモデル化）した。
【０１３３】
また、比較例の解析モデルとして、図示を省略するが、アノードガス拡散層１５、および、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のリブ部をそれぞれ、コンピュータ上に再現（メッシュ分割によるモデル化）した。つまり、比較例の解析モデルでは、実施例の解析モデルにおけるアノード支持体６０がモデル化されていない。
【０１３４】
なお、実施例の解析モデルにおいて、アノードガス拡散層１５の厚みおよびアノード支持体６０の厚みがそれぞれ、０．２５ｍｍおよび０．３ｍｍになるようにモデル化されている。また、アノード支持体６０の複数の通気孔６１は、アノードガス流路３３のリブ部に対して、図３の如く配列するようにモデル化されている。つまり、アノードガス流路３３を横断する方向２００において、通気孔６１の径Ｌ１は、アノードガス流路３３の幅Ｌ２よりも小さく（Ｌ１＜Ｌ２）、かつ、平面視において、複数の正円の通気孔６１は、通気孔６１の少なくとも一部がアノードガス流路３３の縁３３Ａ上を跨ぐように、６０°千鳥配列で置かれている。
【０１３５】
＜解析条件＞
実施例の解析モデルおよび比較例の解析モデルのそれぞれにおける「アノードガス拡散層１５」に対応する計算対象領域（メッシュ分割領域）には、物性条件として、以下の値を付与した。なお、これらの値は、一般的なカーボン製のガス拡散層（例えば、空隙率：約２４．４％程度）の物性値を想定することで付与した。
・ヤング率Ｅ：１２．６３ＧＰａ
・ポアソン比ν；０．１７
また、実施例の解析モデルにおける「アノード支持体６０」および「アノードガス流路３３のリブ部」に対応する計算対象領域、および、比較例の解析モデルにおける「アノードガス流路３３のリブ部」に対応する計算対象領域には、一般的なステンレスの物性条件を付与した。
【０１３６】
また、実施例の解析モデルおよび比較例の解析モデルの荷重条件として、アノードガス拡散層１５とアノード触媒層とが接触する接触面に対応する計算対象領域のそれぞれの境界面に、７０ＭＰａの均一な圧縮応力を付与した。なお、この圧縮応力は、例えば、電気化学式水素ポンプ１００のカソード電極ＣＡおよびアノード電極ＡＮ間の差圧の最大値が約７０ＭＰａ程度であることを想定することで付与した。
【０１３７】
以上の解析モデルおよび解析条件は、例示であって本例に限定されない。
【０１３８】
＜解析結果＞
図５Ａは、実施例の解析モデルについてアノードガス拡散層に外力（圧縮力）を与える際の通気孔におけるアノードガス拡散層に作用する最大引張応力を説明するための図である。図５Ｂは、比較例の解析モデルについてアノードガス拡散層に外力（圧縮力）を与える際のアノードガス流路におけるアノードガス拡散層に作用する最大引張応力を説明するための図である。
【０１３９】
アノードガス拡散層１５を支持する部材において、孔またはガス流路を構成する溝部（凹部）などの形状が変化する開口部が存在する場合、アノードガス拡散層１５に外力（圧縮力）が与えられると、開口部におけるアノードガス拡散層１５には、他の部分よりも高い応力が発生する（応力集中）。
【０１４０】
そして、一般的に、孔の中心付近におけて、アノードガス拡散層１５に作用する引張応力が最大になるとともに、孔の径が大きい程、この最大引張応力σｍａｘが大きい。また、ガス流路の幅の中心付近において、アノードガス拡散層１５に作用する引張応力が最大になるとともに、ガス流路の幅が大きい程、この最大引張応力σｍａｘが大きい。
【０１４１】
そこで、実施例の解析モデルにおいて、図５Ａに示す如く、通気孔６１におけるアノードガス拡散層１５に作用する最大引張応力σｍａｘを計算したところ、約３５ＭＰａであった。なお、実施例の解析モデルでは、図４に示す如く、複数の通気孔６１が設けられているが、いずれの通気孔６１においても、上記の最大引張応力σｍａｘはほぼ同じ値であった。
【０１４２】
また、比較例の解析モデルにおいて、図５Ｂに示す如く、アノードガス流路３３におけるアノードガス拡散層１５に作用する最大引張応力σｍａｘを計算したところ、約１５４ＭＰａであった。
【０１４３】
このように、アノードガス拡散層１５とアノードセパレーター１７との間に、アノード支持体６０を設ける場合と、アノード支持体６０を設けない場合とを比較すると、後者の最大引張応力σｍａｘは、前者の最大引張応力σｍａｘに比べて、約４．４倍であった。
【０１４４】
そして、一般的なカーボン製のガス拡散層（例えば、空隙率：約２４．４％程度）の破断強度が約４８ＭＰａ程度であることを考慮すると、アノードガス拡散層１５とアノードセパレーター１７との間に、アノード支持体６０を設けない場合、電気化学式水素ポンプ１００のカソード電極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のカーボン多孔体シート１５Ｓが、アノードガス流路３３で破断する可能性がある。
【０１４５】
以上のとおり、本実施例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１７との間にアノード支持体６０を設けた場合において、アノードガス流路３３を横断する方向２００の通気孔６１の径Ｌ１が、アノードガス流路３３の幅Ｌ２よりも小さくなるように、両者の大小関係を設定している（Ｌ１＜Ｌ２）。これにより、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、通気孔６１の径Ｌ１が、アノードガス流路３３の幅Ｌ２以上である場合（Ｌ１≧Ｌ２）に比べて、電気化学式水素ポンプ１００のカソード電極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のカーボン多孔体シート１５Ｓが損傷することを抑制することができる。
【０１４６】
また、仮に、アノード支持体６０の金属シート６０Ｓの通気孔６１が、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の縁３３Ａ上を跨ぐことなく、アノードガス流路３３を構成するリブ部上に存在する場合、この通気孔６１からアノードガス拡散層１５に水素含有ガスが供給されない。逆に、金属シート６０Ｓの通気孔６１が、上記のアノードガス流路３３の縁３３Ａ上を跨ぐとき、この通気孔６１からアノードガス拡散層１５に水素含有ガスが供給される。
【０１４７】
よって、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、複数の通気孔６１の一部がアノードガス流路３３の縁３３Ａ上を跨ぐことで、かかる通気孔６１の一部がアノードガス流路３３の縁３３Ａ上を跨ぐことなく、アノードガス流路３３を構成するリブ部上に存在する場合に比べて、アノードガス拡散層１５からアノード触媒層１３への水素含有ガスの拡散性を向上させることができる。
【０１４８】
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。
【０１４９】
（第３実施例）
第３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が、カーボン焼結体のシートであること以外は、第１実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様である。
【０１５０】
一般的に、カーボン焼結体は、カーボン粉末を樹脂等と混ぜ、乾燥固化あるいは乾燥硬化させた成形体に比べて剛性が高い。特に、プラスチックフォームドカーボンは、曲げ強度が高い。
【０１５１】
よって、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がカーボン焼結体のシートであることで、アノードガス拡散層１５の曲げ強度が適切に確保される。
【０１５２】
なお、カーボン焼結体として、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）、プラスチックフォームドカーボン（ＰＦＣ）の焼結体などを挙げることができる。
【０１５３】
本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、上記の特徴以外は、第１実施形態および第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。
【０１５４】
（第４実施例）
第４実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、アノード支持体６０表面に、導電層７０が設けられていること以外は、第１実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様である。
【０１５５】
図６は、第１実施形態の第４実施例の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。
【０１５６】
アノード支持体６０の金属シート６０Ｓの表面には、金属シート６０Ｓの成分が、例えば、大気中の酸素に酸化されることで、非導電性の酸化皮膜（不動態皮膜）が形成される場合がある。金属シート６０Ｓが、例えば、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌなどのステンレス製の部材である場合、この金属シート６０Ｓの表面には、高い耐酸性の酸化クロムを含む不動態皮膜が形成される。すると、例えば、アノード支持体６０とアノードセパレーター１７との間の接触抵抗が増加することで両者間の導通が得にくくなる。また、例えば、アノード支持体６０とアノードガス拡散層１５との間の接触抵抗が増加することで両者間の導通が得にくくなる。
【０１５７】
そこで、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００では、図６に示す如く、アノード支持体６０の金属シート６０Ｓの表面の適所に、所望の耐酸性および導電性を有する導電層７０が設けられている。
【０１５８】
導電層７０は、所望の耐酸性および導電性を備えていれば、どのような種類のものであってもよい。
【０１５９】
導電層７０は、例えば、白金、金などの貴金属の電解メッキ膜または無電解メッキ膜であってもよいし、スプレーコートによる炭素材料のコート膜であってもよい。
【０１６０】
また、導電層７０は、例えば、圧延ロールで製造された市販のコート材を、所望のサイズにプレス成形で切り出した後、このコート材を金属シート６０Ｓの表面に拡散接合することで得ることも可能である。
【０１６１】
以上のとおり、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、アノード支持体６０の金属シート６０Ｓの表面に導電層７０を設けることで、上記の部材間の接触抵抗の増加を適切に抑制することができる。
【０１６２】
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。
【０１６３】
（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、アノード支持体６０が、アノードセパレーター１７と一体化されていること以外は、第１実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様である。
【０１６４】
例えば、アノード支持体６０の金属シート６０Ｓとアノードセパレーター１７とが拡散接合で一体化されていてもよい。
【０１６５】
これにより、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、アノード支持体６０の金属シート６０Ｓとアノードセパレーター１７と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。また、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、複数の水素ポンプユニット１００Ａを積層する場合、部品点数を削減することで、水素ポンプユニット１００Ａの組立作業の効率化を図ることができる。
【０１６６】
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。
【０１６７】
（変形例）
第２実施形態の変形例の電気化学式水素ポンプ１００は、アノード支持体６０が、アノードガス拡散層１５と一体化されていること以外は、第１実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様である。
【０１６８】
例えば、アノード支持体６０およびアノードガス拡散層１５間に、適宜の樹脂など（例えば、アイオノマー）を設けることで、両者を一体化することができる。
【０１６９】
これにより、本変形例の電気化学式水素ポンプ１００は、部品点数を削減することができる。すると、本変形例の電気化学式水素ポンプ１００は、複数の水素ポンプユニット１００Ａを積層する場合、水素ポンプユニット１００Ａの組立作業の効率化を図ることができる。
【０１７０】
本変形例の電気化学式水素ポンプ１００は、上記の特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の第１実施例−第４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。
【０１７１】
（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、以下に説明するアノード支持体１６０およびアノードセパレーター１７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。
【０１７２】
図７は、第３実施形態の電気化学式水素ポンプにおけるアノード支持体およびアノードセパレーターの一例を示す図である。図７には、アノード支持体１６０の金属シート１６０Ｓおよびアノードセパレーター１７の斜視図が示されている。
【０１７３】
金属シート１６０Ｓは、複数の通気孔１６１を有する金属部材である。
【０１７４】
図７に示すように、複数の通気孔１６１は、金属シート１６０Ｓに設けられた、一対の直線部分および一対の半円部で構成されるトラック形状の貫通長孔である。
【０１７５】
複数の通気孔１６１は、平面視において千鳥状に並ぶように配列されている。また、通気孔１６１の直線部分は、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を横断する方向２００に対して平行に延伸している。そして、通気孔１６１の長径Ｌ３は、アノードガス流路３３の幅Ｌ２よりも小さい（Ｌ３＜Ｌ２）。
【０１７６】
ここで、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、複数の通気孔１６１は、アノードガス流路３３を構成する溝部に対向する領域内に収まるように配置された通気孔１６１と、上記領域から一部がはみ出しており、その一部が、アノードガス流路３３を構成するリブ部に対向する領域に設けられた通気孔１６１と、がある。
【０１７７】
前者の通気孔１６１は、アノードガス流路３３の縁３３Ａ上を跨ぐことなく、アノードガス流路３３を構成する溝部上に存在している。図７に示す例では、上記方向２００と直交する方向において、３列に並んでいる通気孔１６１のうち、手前から１列目および３列目の通気孔１６１が、アノードガス流路３３を構成する溝部に対向する領域内に収まるように設けられている。
【０１７８】
後者の通気孔１６１は、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の縁３３Ａ上を跨いでいる。図７に示す例では、手前から２列目の通気孔１６１は、その一部が、アノードガス流路３３を構成する溝部に対向する領域からはみ出しており、アノードガス流路３３を構成するリブ部に対向する領域に設けられている。
【０１７９】
なお、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が奏する作用効果を参酌することにより容易に理解することができるので説明を省略する。
【０１８０】
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４実施例、第２実施形態および第２実施形態の変形例のいずれかの電気化学式水素ポンプ１００と同様であってもよい。
【０１８１】
なお、第１実施形態、第１実施形態の第１実施例−第４実施例、第２実施形態、第２実施形態の変形例および第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。
【０１８２】
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。
【０１８３】
例えば、電気化学式水素ポンプ１００のＭＥＡ、アノードセパレーター１７およびアノード支持体６０などは、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】
【０１８４】
本開示の一態様は、アノード拡散層のカーボン多孔体シートの損傷を従来よりも軽減し得る圧縮装置に利用することができる。
【符号の説明】
【０１８５】
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
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
６０      ：アノード支持体
６０Ｓ    ：金属シート
６１      ：通気孔
７０      ：導電層
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
１６０    ：アノード支持体
１６０Ｓ  ：金属シート
１６１    ：通気孔
ＡＮ      ：アノード電極
ＣＡ      ：カソード電極
【図１Ａ】
2021106482.tif 000003
【図１Ｂ】
2021106482.tif 000004
【図２Ａ】
2021106482.tif 000005
【図２Ｂ】
2021106482.tif 000006
【図３】
2021106482.tif 000007
【図４】
2021106482.tif 000008
【図５Ａ】
2021106482.tif 000009
【図５Ｂ】
2021106482.tif 000010
【図６】
2021106482.tif 000011
【図７】
2021106482.tif 000012
【国際調査報告】
2021106482.tif 000013
2021106482.tif 000014
2021106482.tif 000015
2021106482.tif 000016