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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023036642
(43)【公開日】2023-03-14
(54)【発明の名称】電気化学式水素ポンプ
(51)【国際特許分類】
C25B 9/00 20210101AFI20230307BHJP
C25B 1/02 20060101ALI20230307BHJP
C25B 9/23 20210101ALI20230307BHJP
C25B 9/77 20210101ALI20230307BHJP
C25B 9/05 20210101ALI20230307BHJP
C25B 9/60 20210101ALI20230307BHJP
C25B 11/032 20210101ALI20230307BHJP
【ＦＩ】
C25B9/00 Z
C25B1/02
C25B9/23
C25B9/77
C25B9/05
C25B9/60
C25B11/032
【審査請求】有
【請求項の数】5
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022195620
(22)【出願日】2022-12-07
(62)【分割の表示】P 2019051460の分割
【原出願日】2019-03-19
(31)【優先権主張番号】P 2018113854
(32)【優先日】2018-06-14
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(71)【出願人】
【識別番号】314012076
【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000556
【氏名又は名称】弁理士法人有古特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】鵜飼 邦弘
(72)【発明者】
【氏名】川畑 徳彦
(72)【発明者】
【氏名】酒井 修
(72)【発明者】
【氏名】脇田 英延
(72)【発明者】
【氏名】張 晋
(72)【発明者】
【氏名】可児 幸宗
(57)【要約】 （修正有）
【課題】カソードセパレーターおよびカソード間の接触抵抗の増加を簡易かつ適切に抑制し得る電気化学式水素ポンプを提供する。
【解決手段】電気化学式水素ポンプは、電解質膜、電解質膜の一方の主面に接するアノード、他方の主面に接するカソード、アノード上に積層されたアノードセパレーター、およびカソード上に積層されたカソードセパレーターを含み、アノードに供給された水素含有ガス中の水素をカソードに移動させかつ昇圧させる水素ポンプユニットと、上記積層された方向において、アノードセパレーター上に設けられたアノード端板と、カソードセパレーター上に設けられたカソード端板と、カソード端板から他方の端に位置するカソードセパレーターまでの部材について上記積層された方向への移動をさせないための第１固定部材と、カソード端板とカソードセパレーターとの間に設けられた第一空間にカソード上の水素を供給する第１のガス流路と、を備える。
【選択図】図２Ａ
【解決手段】電気化学式水素ポンプは、電解質膜、電解質膜の一方の主面に接するアノード、他方の主面に接するカソード、アノード上に積層されたアノードセパレーター、およびカソード上に積層されたカソードセパレーターを含み、アノードに供給された水素含有ガス中の水素をカソードに移動させかつ昇圧させる水素ポンプユニットと、上記積層された方向において、アノードセパレーター上に設けられたアノード端板と、カソードセパレーター上に設けられたカソード端板と、カソード端板から他方の端に位置するカソードセパレーターまでの部材について上記積層された方向への移動をさせないための第１固定部材と、カソード端板とカソードセパレーターとの間に設けられた第一空間にカソード上の水素を供給する第１のガス流路と、を備える。
【選択図】図２Ａ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
電解質膜、前記電解質膜の一方の主面に接するアノード、前記電解質膜の他方の主面に接するカソード、前記アノード上に積層されたアノードセパレーター、および前記カソード上に積層されたカソードセパレーターを含み、前記アノードに供給された水素含有ガス中の水素を前記カソードに移動させ、かつ昇圧させる、複数の水素ポンプユニットと、
前記積層された方向において、一方の端に位置する前記アノードセパレーター上に設けられたアノード端板と、
前記積層された方向において、他方の端に位置する前記カソードセパレーター上に設けられたカソード端板と、
少なくとも前記カソード端板から前記他方の端に位置するカソードセパレーターまでの部材について、前記積層された方向への移動をさせないための固定部材と、
前記カソード端板と前記カソードセパレーターとの間に設けられた空間に前記カソード上の水素を供給するガス流路と、を備え、
前記ガス流路は、前記複数の水素ポンプユニットのそれぞれの前記カソードセパレーターに設けられたカソードガス流路から導出されたカソードガスが流入するカソードガス導出マニホールドと前記カソードガス導出マニホールドと前記空間とを連絡する連絡路とを含む、電気化学式水素ポンプ。
前記積層された方向において、一方の端に位置する前記アノードセパレーター上に設けられたアノード端板と、
前記積層された方向において、他方の端に位置する前記カソードセパレーター上に設けられたカソード端板と、
少なくとも前記カソード端板から前記他方の端に位置するカソードセパレーターまでの部材について、前記積層された方向への移動をさせないための固定部材と、
前記カソード端板と前記カソードセパレーターとの間に設けられた空間に前記カソード上の水素を供給するガス流路と、を備え、
前記ガス流路は、前記複数の水素ポンプユニットのそれぞれの前記カソードセパレーターに設けられたカソードガス流路から導出されたカソードガスが流入するカソードガス導出マニホールドと前記カソードガス導出マニホールドと前記空間とを連絡する連絡路とを含む、電気化学式水素ポンプ。
【請求項2】
前記空間は、前記カソードの主面と平行に設けられる請求項１に記載の電気化学式水素ポンプ。
【請求項3】
前記カソードセパレーターの主面と平行な方向における前記空間の開口面積は、前記カソードの主面の面積以上である請求項１または２に記載の電気化学式水素ポンプ。
【請求項4】
前記カソードセパレーターの主面と平行な方向における前記空間の開口面積は、前記カソードセパレーターの主面の面積以下である請求項１－３のいずれか１項に記載の電気化学式水素ポンプ。
【請求項5】
前記アノードは、アノードガス拡散層を含み、
前記カソードは、カソードガス拡散層を含み、
前記アノードガス拡散層の弾性率は、前記カソードガス拡散層の弾性率よりも高い請求項１－４のいずれか１項に記載の電気化学式水素ポンプ。
前記カソードは、カソードガス拡散層を含み、
前記アノードガス拡散層の弾性率は、前記カソードガス拡散層の弾性率よりも高い請求項１－４のいずれか１項に記載の電気化学式水素ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は電気化学式水素ポンプに関する。
【背景技術】
【0002】
近年、地球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し得る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提案が行われている。
【0004】
例えば、特許文献１では、固体高分子電解質膜、給電体およびセパレーターの積層体をエンドプレートで挟んだ状態で、エンドプレートを貫通する締結ボルトにより積層体が締結された高圧水素製造装置が提案されている。この高圧水素製造装置において、高圧側のカソード給電体および低圧側のアノード給電体間に、所定圧以上の差圧が生じると、固体高分子電解質膜および低圧側のアノード給電体が変形する。すると、高圧側のカソード給電体および固体高分子電解質膜間の接触抵抗が増加する。
【0005】
そこで、特許文献１の高圧水素製造装置に、固体高分子電解質膜および低圧側のアノード給電体が変形しても、高圧側のカソード給電体を固体高分子電解質膜に押圧して密着させる皿バネ、コイルバネなどの押圧手段が設けられている。これにより、高圧側のカソード給電体および固体高分子電解質膜間の接触抵抗の増加を抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開２００６－７０３２２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、従来例は、カソードのガス圧が高圧になる場合のカソードセパレーターおよびカソード間の接触抵抗の増加については十分に検討されていない。本開示の一態様（aspect）は、このような事情に鑑みてなされたものであり、従来に比べて、水素ポンプユニットのカソードセパレーターおよびカソード間の接触抵抗の増加を簡易かつ適切に抑制し得る電気化学式水素ポンプを提供する。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記課題を解決するため、本開示の一態様の電気化学式水素ポンプは、電解質膜、前記電解質膜の一方の主面に接するアノード、前記電解質膜の他方の主面に接するカソード、前記アノード上に積層されたアノードセパレーター、および前記カソード上に積層されたカソードセパレーターを含み、前記アノードに供給された水素含有ガス中の水素を前記カソードに移動させ、かつ昇圧させる、少なくとも１つの水素ポンプユニットと、前記積層された方向において、一方の端に位置する前記アノードセパレーター上に設けられたアノード端板と、前記積層された方向において、他方の端に位置する前記カソードセパレーター上に設けられたカソード端板と、少なくとも前記カソード端板から前記他方の端に位置するカソードセパレーターまでの部材について、前記積層された方向への移動をさせないための第１固定部材と、前記カソード端板と前記カソードセパレーターとの間に設けられた第一空間に前記カソード上の水素を供給する第１のガス流路と、を備える。
【発明の効果】
【0009】
本開示の一態様の電気化学式水素ポンプは、従来に比べて、水素ポンプユニットのカソードセパレーターおよびカソード間の接触抵抗の増加を簡易かつ適切に抑制し得るという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【発明を実施するための形態】
【0011】
特許文献１の高圧水素製造装置では、エンドプレートを貫通する締結ボルトにより積層体が締結され、積層方向に圧縮されている。しかしながら、発明者らが鋭意検討した結果、カソードのガス圧が高圧であるため、カソードセパレーターが、これに近接するエンドプレート側に膨らむように変形し、これに伴いエンドプレートも積層体側と反対の方向である外側に向け膨らむよう変形することを見出した。また、上記積層体が複数であるとき、複数の積層体において、積層方向において端に位置するカソードセパレーターが、近接するエンドプレート側に変形する。この変形に伴い、エンドプレートも上記と同様に変形する。
【0012】
カソードセパレーターの上記変形に伴い、カソードセパレーターとカソード給電体の間には、特許文献１の段落［００２０］に記載の隙間よりも大きな隙間が生じ、この隙間を補うために、カソード給電体とカソードセパレーターとを電気的に接続する皿バネの距離が長くなり、皿バネの電気抵抗が増加する。
【0013】
これは、特許文献１の高圧水素製造装置に限らず、出願人による先行特許の電気化学式水素ポンプおいても同様である。
【0014】
例えば、図１Ａに示す如く、カソードガス拡散層１１４が、カソードセパレーター１１６の凹部に収納されるとともに、電解質膜１１１、カソード触媒層１１２、アノード触媒層１１３、カソードガス拡散層１１４、およびアノードガス拡散層１１５の積層体５００の締結前に、凹部からその厚み方向に所定の大きさＥｃｄではみ出して配設される構成が提案された。
【0015】
このとき、図１Ｂに示す如く、積層体５００の締結時において、カソードガス拡散層１１４を、はみ出し量Ｅｃｄ分、厚み方向に弾性変形する。
【0016】
ここで、この電気化学式水素ポンプの動作時に、積層体５００のカソードガス拡散層１１４のガス圧が高圧になると、電解質膜１１１がガスを通さないので、アノードガス拡散層１１５、アノード触媒層１１３および電解質膜１１１に高圧がかかる。すると、アノードガス拡散層１１５、アノード触媒層１１３および電解質膜１１１のそれぞれが圧縮変形する。しかし、このとき、カソードガス拡散層１１４が、締結器による圧縮後の厚みＴ２から圧縮前の厚みＴ１に戻る方向に弾性変形することにより、カソード触媒層１１２とカソードガス拡散層１１４との間の接触を適切に維持できる。
【0017】
しかしながら、上述の通り、カソードのガス圧が高圧になると、カソードセパレーター１１６が、これに近接する図示しないエンドプレート側（外側）に膨張するように変形するので、カソードセパレーター１１６の凹部の底面とカソードガス拡散層１１４との間に隙間が生じやすくなる。そこで、カソードセパレーター１１６とカソードガス拡散層１１４との電気的接触を確保するには、カソードセパレーター１１６の変形分も考慮して、カソードガス拡散層１１４のはみ出し量Ｅｃｄを更に大きくする必要がある。その結果、カソードのガス圧が高圧であるとき、カソードガス拡散層１１４の厚み方向の長さが長くなり、カソードガス拡散層１１４の厚み方向の電気抵抗が増加する。
【0018】
なお、この問題は、上記の出願人の先行特許の例に限らず、凹部が設けられていないカソードセパレーターの平面上にカソードガス拡散層が設けられている形態においても、同様に発生する。
【0019】
そこで、発明者らは、以上のカソードガス拡散層とカソードセパレーターとの間の電気抵抗の増加を、カソードセパレーター上に設けられたカソード端板とカソードセパレーターとの間に、カソードに連通する空間を形成することで簡易に抑制できることを見出し、以下の本開示の一態様に想到した。
【0020】
すなわち、本開示の第１態様の電気化学式水素ポンプは、電解質膜、電解質膜の一方の主面に接するアノード、電解質膜の他方の主面に接するカソード、アノード上に積層されたアノードセパレーター、およびカソード上に積層されたカソードセパレーターを含み、アノードに供給された水素含有ガス中の水素をカソードに移動させ、かつ昇圧させる、少なくとも１つの水素ポンプユニットと、上記積層された方向において、一方の端に位置するアノードセパレーター上に設けられたアノード端板と、上記積層された方向において、他方の端に位置するカソードセパレーター上に設けられたカソード端板と、少なくともカソード端板から他方の端に位置するカソードセパレーターまでの部材について、上記積層された方向への移動をさせないための第１固定部材と、カソード端板とカソードセパレーターとの間に設けられた第一空間にカソード上の水素を供給する第１のガス流路と、を備える。
【0021】
かかる構成によると、本態様の電気化学式水素ポンプは、従来に比べて、水素ポンプユニットのカソードセパレーターおよびカソード間の接触抵抗の増加を簡易かつ適切に抑制し得る。
【0022】
具体的には、水素ポンプユニットのカソード上の高圧の水素を、第１のガス流路を通じてカソード端板とカソードセパレーターとの間に設けられた第一空間に供給することができる。このため、第一空間内の水素ガス圧は、水素ポンプユニットのカソード内の水素ガス圧とほぼ同等の高圧である。すると、第一空間内の水素によってカソードセパレーターに付与される荷重は、カソード内の水素ガス圧に起因するカソードセパレーターの変形（たわみ）を抑えるように作用する。よって、本態様の電気化学式水素ポンプは、このような第一空間を設けない場合に比べて、水素ポンプユニットのカソードセパレーターおよびカソード間の隙間が発生しにくくなるので、両者間の接触抵抗の増加を簡易かつ適切に抑制することができる。
【0023】
ところで、特許文献１の高圧水素製造装置について、発明者らが更に鋭意検討した結果、アノードセパレーターは、アノード給電体から圧力を受けるので、これに近接するエンドプレート側（外側）に膨らむように変形し、これに伴いエンドプレートも積層体側と反対の方向である外側に向け膨らむよう変形することを見出した。すると、特許文献１の高圧水素製造装置では、アノードセパレーターの上記変形に伴い、カソードセパレーターとカソード給電体の間には、特許文献１の段落［００２０］に記載の隙間よりも大きな隙間が生じ、この隙間を補うために、カソード給電体とカソードセパレーターとを電気的に接続する皿バネの距離が長くなり、皿バネの電気抵抗が増加する。
【0024】
また、出願人による先行特許の電気化学式水素ポンプにおいても、カソードのガス圧が高圧になると、特許文献１と同様にアノードガス拡散層１１５が変形する。すると、アノードガス拡散層１１５の変形より圧力を受けたアノードガス流路部材（図示せず）は、これに近接する図示しないエンドプレート側（外側）に膨らむように変形し、これに伴いエンドプレートも積層体５００側と反対の方向である外側に向け膨らむよう変形する。このとき、カソードガス拡散層１１４と電解質膜１１１（カソード触媒層１１２）との電気的接触を確保するには、アノードガス流路部材、エンドプレートなどの変形分も考慮して、カソードガス拡散層１１４のはみ出し量Ｅｃｄを更に大きくする必要がある。その結果、カソードのガス圧が高圧であるとき、カソードガス拡散層１１４の厚み方向の長さが長くなり、カソードガス拡散層１１４の厚み方向の電気抵抗が増加する。なお、この問題は、上記の出願人の先行特許の例に限らず、凹部が設けられていないカソードセパレーターの平面上にカソードガス拡散層が設けられている形態においても、同様に発生する。
【0025】
そこで、発明者らは、以上のカソードガス拡散層と電解質膜（カソード触媒層）との間の電気抵抗の増加を、アノードセパレーター上に設けられたアノード端板とアノードセパレーターとの間に、カソードに連通する空間を形成することで簡易に抑制できることを見出し、以下の本開示の一態様に想到した。
【0026】
すなわち、本開示の第２態様の電気化学式水素ポンプは、第１態様の電気化学式水素ポンプにおいて、少なくともアノード端板から一方の端に位置するアノードセパレーターまでの部材について、上記積層された方向への移動をさせないための第２固定部材と、アノード端板とアノードセパレーターとの間に設けられた第二空間にカソード上の水素を供給する第２のガス流路を備えてもよい。
【0027】
かかる構成によると、本態様の電気化学式水素ポンプは、水素ポンプユニットのカソード上の高圧の水素を、第２のガス流路を通じてアノード端板とアノードセパレーターとの間に設けられた第二空間に供給することができる。このため、第二空間内の水素ガス圧は、水素ポンプユニットのカソード内の水素ガス圧とほぼ同等の高圧である。すると、第二空間内の水素によってアノードセパレーターに付与される荷重は、カソード内の水素ガス圧に起因するアノードセパレーターの変形を抑えるように作用する。よって、本態様の電気化学式水素ポンプは、このような第二空間を設けない場合に比べて、水素ポンプユニットのカソードおよび電解質膜間の隙間が発生しにくくなるので、両者間の接触抵抗の増加を簡易かつ適切に抑制することができる。
【0028】
本開示の第３態様の電気化学式水素ポンプは、第２態様の電気化学式水素ポンプにおいて、第一空間と第二空間は対向する位置に設けられていてもよい。
【0029】
かかる構成によると、第一空間内の水素によってカソードセパレーターに付与される荷重および第二空間内の水素によってアノードセパレーターに付与される荷重は、カソード内の水素ガス圧に起因する水素ポンプユニットの各部の変形を水素ポンプユニットの両端部から面内で均等に抑えるように作用する。よって、本態様の電気化学式水素ポンプは、第一空間と第二空間とを対向する位置に設けない場合に比べて、水素ポンプユニットの各部の変形を効果的に抑制することができる。
ここで、対向する位置に設けられるとは、第１空間の少なくとも一部と第２空間の少なくとも一部とが、上記積層された方向からみて重なる位置に設けられることを意味する。
ここで、対向する位置に設けられるとは、第１空間の少なくとも一部と第２空間の少なくとも一部とが、上記積層された方向からみて重なる位置に設けられることを意味する。
【0030】
本開示の第４態様の電気化学式水素ポンプは、第２態様または第３態様の電気化学式水素ポンプにおいて、第２のガス流路は、第一空間と第二空間とを連通させる連通流路を含んでもよい。
【0031】
かかる構成によると、本態様の電気化学式水素ポンプは、水素ポンプユニットのカソード上の高圧の水素を、第一空間と第二空間とを連通させる連通流路を通じて第二空間に供給することができる。
【0032】
本開示の第５態様の電気化学式水素ポンプは、第１態様から第４態様のいずれか一つの電気化学式水素ポンプにおいて、第一空間は、カソードの主面と平行に設けられていてもよい。
【0033】
かかる構成によると、第一空間内の水素ガス圧に基づいて、カソードセパレーターに伝わる荷重をカソードセパレーターの面内で均等に与えることができる。よって、本態様の電気化学式水素ポンプは、第一空間をカソードの主面と平行に設けない場合に比べて、第一空間内の水素によってカソードセパレーターに付与される荷重が、カソードセパレーターの変形を抑えるように効果的に作用する。
【0034】
本開示の第６態様の電気化学式水素ポンプは、第１態様から第５態様のいずれか一つの電気化学式水素ポンプにおいて、カソードセパレーターの主面と平行な方向における第一空間の開口面積は、カソードの主面の面積以上であってもよい。
【0035】
仮に、カソードセパレーターの主面と平行な方向における第一空間の開口面積が、カソードの主面の面積未満の場合、第一空間で覆われていないカソードに対向するカソードセパレーターの部分では、カソード内の水素ガス圧に起因する変形が起きる可能性がある。
【0036】
しかし、本態様の電気化学式水素ポンプは、上記の第一空間の開口面積をカソードの主面の面積以上に設定することで、カソードの主面全域を第一空間で覆うことができる。このため、第一空間内の水素ガス圧に基づいて、カソードに対向するカソードセパレーターの全域に荷重が伝わるので、上記の可能性を低減できる。
【0037】
本開示の第７態様の電気化学式水素ポンプは、第１態様から第６態様のいずれか一つの電気化学式水素ポンプにおいて、カソードセパレーターの主面と平行な方向における第一空間の開口面積は、カソードセパレーターの主面の面積以下であってもよい。
【0038】
本開示の第８態様の電気化学式水素ポンプは、第２態様から第４態様のいずれか一つの電気化学式水素ポンプにおいて、第二空間は、アノードの主面と平行に設けられていてもよい。
【0039】
かかる構成によると、第二空間内の水素ガス圧に基づいて、アノードセパレーターに伝わる荷重をアノードセパレーターの面内で均等に与えることができる。よって、本態様の電気化学式水素ポンプは、第二空間をアノードの主面と平行に設けない場合に比べて、第二空間内の水素によってアノードセパレーターに付与される荷重が、アノードセパレーターの変形を抑えるように効果的に作用する。
【0040】
本開示の第９態様の電気化学式水素ポンプは、第２態様から第５態様のいずれか一つの電気化学式水素ポンプにおいて、アノードセパレーターの主面と平行な方向における第二空間の開口面積は、アノードの主面の面積以上であってもよい。
【0041】
仮に、アノードセパレーターの主面と平行な方向における第二空間の開口面積が、アノードの主面の面積未満の場合、第二空間で覆われていないアノードに対向するアノードセパレーターの部分では、カソード内の水素ガス圧に起因する変形が起きる可能性がある。
【0042】
しかし、本態様の電気化学式水素ポンプは、上記の第二空間の開口面積をアノードの主面の面積以上に設定することで、アノードの主面全域を第二空間で覆うことができる。このため、第二空間内の水素ガス圧に基づいて、アノードに対向するアノードセパレーターの全域に荷重が伝わるので、上記の可能性を低減できる。
【0043】
本開示の第１０態様の電気化学式水素ポンプは、第２態様から第５態様および第９態様のいずれか一つの電気化学式水素ポンプにおいて、アノードセパレーターの主面と平行な方向における第二空間の開口面積は、アノードセパレーターの主面の面積以下であってもよい。
【0044】
本開示の第１１態様の電気化学式水素ポンプは、第１態様から第１０態様のいずれかの一つの電気化学式水素ポンプにおいて、アノードは、アノードガス拡散層を含み、カソードは、カソードガス拡散層を含み、アノードガス拡散層の弾性率は、カソードガス拡散層の弾性率よりも高くてもよい。
【0045】
以下、添付図面を参照しながら、本開示の実施形態について説明する。なお、以下で説明する実施形態は、いずれも上記の各態様の一例を示すものである。よって、以下で示される形状、材料、構成要素、および、構成要素の配置位置および接続形態などは、あくまで一例であり、請求項に記載されていない限り、上記の各態様を限定するものではない。また、以下の構成要素のうち、上記の各態様の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、図面において、同じ符号が付いたものは、説明を省略する場合がある。図面は理解しやすくするために、それぞれの構成要素を模式的に示したもので、形状および寸法比などについては正確な表示ではない場合がある。
【0046】
【0047】
なお、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、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３Ａには、平面視において電気化学式水素ポンプ１００の中心と、アノードガス導入マニホールド２７の中心と、アノードガス導出マニホールド３０の中心と、を通過する直線を含む電気化学式水素ポンプ１００の垂直断面が示されている。
【0048】
【0049】
なお、図２Ａおよび図３Ｂの電気化学式水素ポンプ１００には、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の段数はこれに限定されない。つまり、水素ポンプユニット１００Ａの段数は、電気化学式水素ポンプ１００が昇圧する水素量などの運転条件をもとに適宜の数に設定することができる。
【0050】
水素ポンプユニット１００Ａは、電解質膜１１と、アノードＡＮと、カソードＣＡと、カソードセパレーター１６と、アノードセパレーター１７と、絶縁体２１と、を備える。そして、水素ポンプユニット１００Ａは、アノードＡＮに供給された水素含有ガス中の水素をカソードＣＡに移動させ、かつ昇圧させる装置である。
【0051】
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、アノード触媒層１３上に設けられたアノードガス拡散層１５とを含む電極である。なお、平面視において、アノード触媒層１３の周囲を囲むように環状のシール部材４３が設けられ、アノード触媒層１３が、シール部材４３で適切にシールされている。
【0052】
カソードＣＡは、電解質膜１１の他方の主面に設けられている。カソードＣＡは、カソード触媒層１２と、カソード触媒層１２上に設けられたカソードガス拡散層１４とを含む電極である。なお、平面視において、カソード触媒層１２の周囲を囲むように環状のシール部材４２が設けられ、カソード触媒層１２が、シール部材４２で適切にシールされている。
【0053】
以上により、電解質膜１１は、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２のそれぞれと接触するようにして、アノード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の積層体を膜－電極接合体（以下、ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）という。
【0054】
電解質膜１１は、プロトン伝導性を備える。電解質膜１１は、プロトン伝導性を備えていれば、どのような構成であってもよい。例えば、電解質膜１１として、フッ素系高分子電解質膜、炭化水素系高分子電解質膜を挙げることができるが、これらに限定されない。具体的には、例えば、電解質膜１１として、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標、デュポン社製）、Ａｃｉｐｌｅｘ（登録商標、旭化成株式会社製）などを用いることができる。
【0055】
アノード触媒層１３は、電解質膜１１の一方の主面に設けられている。アノード触媒層１３は、触媒金属として、例えば、白金を含むが、これに限定されない。
【0056】
カソード触媒層１２は、電解質膜１１の他方の主面に設けられている。カソード触媒層１２は、触媒金属として、例えば、白金を含むが、これに限定されない。
【0057】
カソード触媒層１２およびアノード触媒層１３の触媒担体としては、例えば、カーボンブラック、黒鉛などの炭素粉体、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。
【0058】
なお、カソード触媒層１２およびアノード触媒層１３では、触媒金属の微粒子が、触媒担体に高分散に担持されている。また、これらのカソード触媒層１２およびアノード触媒層１３中には、電極反応場を大きくするために、水素イオン伝導性のイオノマー成分を加えることが一般的である。
【0059】
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。また、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。つまり、アノードガス拡散層１５の弾性率は、カソードガス拡散層１４の弾性率よりも高い。
【0060】
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、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ができる。
【0061】
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。また、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およびアノード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。つまり、カソードガス拡散層１４の弾性率は、アノードガス拡散層１５の弾性率よりも低い。
【0062】
カソードガス拡散層１４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末の焼結体などを用いることができる。また、カソードガス拡散層１４の基材に、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炭素材料を用いることもできる。更に、カーボンブラックとＰＴＦＥなどのエラストマーを混錬、圧延した多孔性のシート材料などを用いることもできる。
【0063】
アノードセパレーター１７は、アノードＡＮ上に積層された部材である。また、カソードセパレーター１６は、カソードＣＡ上に積層された部材である。そして、カソードセパレーター１６およびアノードセパレーター１７のそれぞれの中央部には、凹部が設けられている。これらの凹部のそれぞれに、カソードガス拡散層１４およびアノードガス拡散層１５がそれぞれ収容されている。
【0064】
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。
【0065】
カソードガス拡散層１４と接触するカソードセパレーター１６の主面には、平面視において、例えば、複数のＵ字状の折り返す部分と複数の直線部分とを含むサーペンタイン状のカソードガス流路３２が設けられている。そして、カソードガス流路３２の直線部分は、図２Ａの紙面に垂直な方向（図３Ａの紙面に平行な方向）に延伸している。但し、このようなカソードガス流路３２は、例示であって、本例に限定されない。例えば、カソードガス流路は、複数の直線状の流路により構成されていてもよい。
【0066】
アノードガス拡散層１５と接触するアノードセパレーター１７の主面には、平面視において、例えば、複数のＵ字状の折り返す部分と複数の直線部分とを含むサーペンタイン状のアノードガス流路３３が設けられている。そして、アノードガス流路３３の直線部分は、図３Ａの紙面に垂直な方向（図２Ａの紙面に平行な方向）に延伸している。但し、このようなアノードガス流路３３は、例示であって、本例に限定されない。例えば、アノードガス流路は、複数の直線状の流路により構成されていてもよい。
【0067】
また、導電性のカソードセパレーター１６およびアノードセパレーター１７の間には、ＭＥＡの周囲を囲むように設けられた環状かつ平板状の絶縁体２１が挟み込まれている。これにより、カソードセパレーター１６およびアノードセパレーター１７の短絡が防止されている。
【0068】
【0069】
アノード端板２４Ａは、アノードセパレーター１７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上に設けられた部材である。なお、「アノードセパレーター１７上」とは、アノードセパレーター１７の一対の主面のうち、アノードＡＮ側とは反対側の主面上を意味する。また、カソード端板２４Ｃは、カソードセパレーター１６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上に設けられた部材である。なお、「カソードセパレーター１６上」とは、カソードセパレーター１６の一対の主面のうち、カソードＣＡ側とは反対側の主面上を意味する。
【0070】
上記の第１固定部材は、少なくともカソード端板２４Ｃから他方の端に位置するカソードセパレーター１６までの部材について、カソードセパレーター１６が積層された積層方向への移動をさせないための部材である。なお、図２Ａおよび図３Ａでは、カソード端板２４Ｃから他方の端に位置するカソードセパレーター１６までの部材として、カソード端板２４Ｃ、カソード絶縁板２３Ｃ、カソード給電板２２Ｃおよびカソードセパレーター１６が図示されているが、これらの部材に限定されない。第１固定部材は、上記の積層方向に、少なくともカソード端板２４Ｃから他方の端に位置するカソードセパレーター１６までの部材を固定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、第１固定部材は、図２Ａおよび図３Ａに示す如く、水素ポンプユニット１００Ａに締結圧をかけるための締結器２５であってもよい。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。
上記の第２固定部材は、少なくともアノード端板２４Ａから一方の端に位置するアノードセパレーター１７までの部材について、アノードセパレーター１７が積層された積層方向への移動をさせないための部材である。なお、図２Ａおよび図３Ａでは、アノード端板２４Ａから一方の端に位置するアノードセパレーター１７までの部材として、アノード端板２４Ａ、アノード絶縁板２３Ａ、アノード給電板２２Ａおよびアノードセパレーター１７が図示されているが、これらの部材に限定されない。第２固定部材は、上記の積層方向に、少なくともアノード端板２４Ａから一方の端に位置するアノードセパレーター１７までの部材を固定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、第２固定部材は、図２Ａおよび図３Ａに示す如く、締結器２５であってもよい。つまり、第２固定部材は、第１固定部材と兼用されてもよい。
上記の第２固定部材は、少なくともアノード端板２４Ａから一方の端に位置するアノードセパレーター１７までの部材について、アノードセパレーター１７が積層された積層方向への移動をさせないための部材である。なお、図２Ａおよび図３Ａでは、アノード端板２４Ａから一方の端に位置するアノードセパレーター１７までの部材として、アノード端板２４Ａ、アノード絶縁板２３Ａ、アノード給電板２２Ａおよびアノードセパレーター１７が図示されているが、これらの部材に限定されない。第２固定部材は、上記の積層方向に、少なくともアノード端板２４Ａから一方の端に位置するアノードセパレーター１７までの部材を固定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、第２固定部材は、図２Ａおよび図３Ａに示す如く、締結器２５であってもよい。つまり、第２固定部材は、第１固定部材と兼用されてもよい。
【0071】
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。
【0072】
以上により、複数段（ここでは、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。
【0073】
なお、ここでは、詳細な説明および図示を省略するが、締結器２５に代えて、電気化学式水素ポンプの各部材の側面に樹脂製のシール材を設けることで、電気化学式水素ポンプを固定してもよい。
【0074】
【0075】
第一空間６０は、カソード端板２４Ｃとカソードセパレーター１６との間に設けられた空間であれば、どのような構成であってもよい。また、第１のガス流路は、第一空間６０にカソードＣＡ上の水素を供給することができれば、どのような構成であってもよい。
【0076】
例えば、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、図２Ａに示す如く、第１のガス流路は、筒状のカソードガス導出マニホールド５０と、カソードガス導出マニホールド５０と第一空間６０とを連通するカソードガス供給経路５１とを含む。
【0077】
ここで、第一空間６０は、カソード端板２４Ｃの中央部に設けられた凹部とカソード絶縁板２３Ｃの中央部に設けられた開口とによって構成されている。
【0078】
また、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の各部材に設けられた貫通孔およびアノード端板２４Ａおよびカソード端板２４Ｃ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。
【0079】
また、カソードガス供給経路５１は、カソード端板２４Ｃの凹部内（第一空間６０）とカソードガス導出マニホールド５０の他方の端部とを連通するカソード端板２４Ｃの主面に設けられた溝によって構成されている。
【0080】
ここで、図２Ａに示す如く、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ＣＡから排出される水素（Ｈ2）が流通する配管で構成されていてもよい。そして、カソードガス導出経路２６は、上記の第一空間６０と連通している。これにより、カソードガス導出経路２６は、第一空間６０およびカソードガス供給経路５１を介してカソードガス導出マニホールド５０に連通している。
【0081】
また、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、カソードガス供給経路５１および第一空間６０をこの順番に通過してから、カソードガス導出経路２６に導かれる。このようにして、第一空間６０内を高圧の水素が流通する。
【0082】
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。
【0083】
図３Ａ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ＡＮに供給される水素（Ｈ2）が流通する配管で構成されていてもよい。そして、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。
【0084】
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に水素が供給される。
【0085】
また、図３Ａ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ＡＮから排出される水素（Ｈ2）が流通する配管で構成されていてもよい。そして、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。
【0086】
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、合流された水素が、アノードガス導出経路３１に導かれる。
【0087】
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。
【0088】
【0089】
電圧印加器１０２は、アノードＡＮおよびカソード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１０２の高電位が、導電性のアノードＡＮに印加され、電圧印加器１０２の低電位が、導電性のカソードＣＡに印加されている。電圧印加器１０２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１０２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。
【0090】
なお、図２Ａおよび図３Ａに示す例では、電圧印加器１０２の低電位側の端子が、カソード給電板２２Ｃに接続され、電圧印加器１０２の高電位側の端子が、アノード給電板２２Ａに接続されている。カソード給電板２２Ｃは、上記の積層方向において他方の端に位置するカソードセパレーター１６と電気的に接触しており、アノード給電板２２Ａは、上記の積層方向において一方の端に位置するアノードセパレーター１７と電気的に接触している。
【0091】
なお、図示を省略するが、上記の電気化学式水素ポンプ１００を備える水素供給システムを構築することもできる。この場合、水素供給システムの水素供給動作において必要となる機器は適宜、設けられる。
【0092】
例えば、水素供給システムには、アノードガス導出経路３１を通じてアノードＡＮから排出される高加湿状態の水素（Ｈ2）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（Ｈ2）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は、例えば、水電解装置で生成されてもよい。
【0093】
また、水素供給システムには、例えば、電気化学式水素ポンプ１００の温度を検出する温度検出器、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡから排出された水素を一時的に貯蔵する水素貯蔵器、水素貯蔵器内の水素ガス圧を検出する圧力検出器などが設けられていてもよい。
【0094】
なお、上記の電気化学式水素ポンプ１００の構成、および、水素供給システムにおける図示しない様々な機器は例示であって、本例に限定されない。
【0095】
例えば、アノードガス導出マニホールド３０およびアノードガス導出経路３１を設けずに、アノードガス導入マニホールド２７を通してアノードＡＮに供給する水素を全てカソードＣＡで昇圧するデッドエンド構造が採用されてもよい。また、例えば、アノードガス流路３３およびカソードガス流路３２には、上記のとおり、水素（Ｈ2）が流れるが、水素濃度は、１００％でなくてもよい。水素が含まれる水素含有ガスが流れればよい。
【0096】
[動作]
以下、電気化学式水素ポンプ１００の水素昇圧動作の一例について、図面を参照しながら説明する。
以下、電気化学式水素ポンプ１００の水素昇圧動作の一例について、図面を参照しながら説明する。
【0097】
以下の動作は、例えば、図示しない制御器の演算回路が、制御器の記憶回路から制御プログラムを読み出すことにより行われてもよい。ただし、以下の動作を制御器で行うことは、必ずしも必須ではない。操作者が、その一部の動作を行ってもよい。
【0098】
まず、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮに低圧の水素が供給されるとともに、電圧印加器１０２の電圧が電気化学式水素ポンプ１００に給電される。
【0099】
すると、アノードＡＮのアノード触媒層１３において、酸化反応で水素分子が水素イオン（プロトン）と電子とに分離する（式（１））。プロトンは電解質膜１１内を伝導してカソード触媒層１２に移動する。電子は電圧印加器１０２を通じてカソード触媒層１２に移動する。
【0100】
そして、カソード触媒層１２において、還元反応で水素分子が再び生成される（式（２））。なお、プロトンが電解質膜１１中を伝導する際に、所定水量の水が、電気浸透水としてアノード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。
【0101】
このとき、図示しない流量調整器（例えば、配管に設けられた背圧弁、調整弁など）を用いて、水素導出経路（例えば、図２Ａのカソードガス導出経路２６）の圧損を増加させることにより、カソードＣＡで生成された水素を昇圧することができる。すると、カソード端板２４Ｃとカソードセパレーター１６との間に設けられた第一空間６０には、カソードガス導出マニホールド５０およびカソードガス供給経路５１を通じてカソードＣＡ上の高圧の水素が供給される。
【0102】
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１０２で電圧を印加することで、アノードＡＮに供給される水素がカソード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。
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１０２で電圧を印加することで、アノードＡＮに供給される水素がカソード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ＣＡで昇圧された水素は、例えば、図示しない水素貯蔵器に一時的に貯蔵される。また、水素貯蔵器で貯蔵された水素は、適時に、水素需要体に供給される。なお、水素需要体として、例えば、水素を用いて発電する燃料電池などを挙げることができる。
【0103】
ここで、以上の電気化学式水素ポンプ１００の水素昇圧動作では、カソードＣＡのガス圧が高圧になることで、電解質膜１１、アノード触媒層１３およびアノードガス拡散層１５が押圧される。すると、この押圧によって、電解質膜１１、アノード触媒層１３およびアノードガス拡散層１５はそれぞれ圧縮される。
【0104】
このとき、仮に、カソード触媒層１２とカソードガス拡散層１４との間の密着性が低いと、両者間で隙間が生じやすい。そして、カソード触媒層１２とカソードガス拡散層１４との間で隙間が生じる場合、両者間の接触抵抗が増加する。すると、電圧印加器１０２で印加する電圧が増加することにより、電気化学式水素ポンプ１００の運転効率を低下させる恐れがある。
【0105】
そこで、カソードガス拡散層１４は、締結器２５による水素ポンプユニット１００Ａの締結前は、カソードセパレーター１６の凹部からその厚み方向に、所望のはみ出し量分、はみ出すように構成されている。また、カソードガス拡散層１４は、水素ポンプユニット１００Ａの締結の際には、締結器２５の締結力によって、上記のはみ出し量分だけ圧縮される。
【0106】
このようにして、電気化学式水素ポンプ１００の動作時に、電解質膜１１、アノード触媒層１３およびアノードガス拡散層１５のそれぞれが圧縮変形しても、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は、締結器２５による圧縮後の厚みから圧縮前の元の厚みに戻る方向に弾性変形することにより、カソード触媒層１２とカソードガス拡散層１４との間の接触を適切に維持できる。
【0107】
また、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、従来に比べて、水素ポンプユニット１００Ａのカソードセパレーター１６およびカソードＣＡ間の接触抵抗の増加を簡易かつ適切に抑制し得る。
【0108】
具体的には、水素ポンプユニット１００ＡのカソードＣＡ上の高圧の水素を、カソードガス導出マニホールド５０およびカソードガス供給経路５１を通じてカソード端板２４Ｃとカソードセパレーター１６との間に設けられた第一空間６０に供給することができる。このため、第一空間６０内の水素ガス圧は、水素ポンプユニット１００ＡのカソードＣＡ内の水素ガス圧とほぼ同等の高圧である。すると、第一空間６０内の水素によってカソードセパレーター１６に付与される荷重は、カソードＣＡ内の水素ガス圧に起因するカソードセパレーター１６の変形を抑えるように作用する。よって、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、このような第一空間６０を設けない場合に比べて、水素ポンプユニット１００Ａのカソードセパレーター１６およびカソードＣＡ間の隙間が発生しにくくなるので、両者間の接触抵抗の増加を簡易かつ適切に抑制することができる。
【0109】
（第１実施例）
本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、第一空間６０が、カソードＣＡの主面と平行に設けられていること以外、第１実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様である。
本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、第一空間６０が、カソードＣＡの主面と平行に設けられていること以外、第１実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様である。
【0110】
以上の構成により、第一空間６０内の水素ガス圧に基づいて、カソードセパレーター１６に伝わる荷重をカソードセパレーター１６の面内で均等に与えることができる。よって、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、第一空間６０をカソードＣＡの主面と平行に設けない場合に比べて、第一空間６０内の水素によってカソードセパレーター１６に付与される荷重が、カソードセパレーター１６の変形（たわみ）を抑えるように効果的に作用する。
【0111】
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。
【0112】
（第２実施例）
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１６の主面と平行な方向における第一空間６０の開口面積が、カソードＣＡの主面の面積以上であること以外、第１実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様である。但し、このような第一空間６０の開口面積は、カソードセパレーター１６の主面の面積以下である。
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１６の主面と平行な方向における第一空間６０の開口面積が、カソードＣＡの主面の面積以上であること以外、第１実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様である。但し、このような第一空間６０の開口面積は、カソードセパレーター１６の主面の面積以下である。
【0113】
仮に、カソードセパレーター１６の主面と平行な方向における第一空間６０の開口面積が、カソードＣＡの主面の面積未満の場合（つまり、第一空間６０の開口面積＜カソードＣＡの主面の面積）、第一空間６０で覆われていないカソードＣＡに対向するカソードセパレーター１６の部分では、カソードＣＡ内の水素ガス圧に起因する変形が起きる可能性
がある。
がある。
【0114】
しかし、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、上記の第一空間６０の開口面積をカソードＣＡの主面の面積以上に設定することで（つまり、第一空間６０の開口面積≧カソードＣＡの主面の面積）、カソードＣＡの主面全域を第一空間６０で覆うことができる。このため、第一空間６０内の水素ガス圧に基づいて、カソードＣＡに対向するカソードセパレーター１６の全域に荷重が伝わるので、上記の可能性を低減できる。
【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、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。
【0116】
（変形例）
図４は、第１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。
図４は、第１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。
【0117】
図４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。
【0118】
本変形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ガス導出経路２６Ａの配置位置以外、第１実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様である。
【0119】
本変形例の電気化学式水素ポンプ１００では、カソードガス導出経路２６Ａを、図２Ａのカソードガス導出経路２６の如く、第一空間６０内から延伸するように引き回さずに、カソードガス導出マニホールド５０から延伸するように引き回している。
【0120】
なお、この場合、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。
【0121】
以上により、本変形例の電気化学式水素ポンプ１００は、水素ポンプユニット１００ＡのカソードＣＡ上の高圧の水素を、カソードガス導出マニホールド５０およびカソードガス供給経路５１を通じてカソード端板２４Ｃとカソードセパレーター１６との間に設けられた第一空間６０に供給することができる。つまり、第一空間６０内を高圧の水素が滞留する。
【0122】
なお、本変形例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が奏する作用効果と同様であるので詳細な説明を省略する。
【0123】
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。
【0124】
（第２実施形態）
図５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５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。
【0125】
図５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。
【0126】
本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、以下に説明する第二空間６１および第２のガス流路を備えること以外は、第１実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様である。
【0127】
【0128】
第二空間６１は、アノード端板２４Ａとアノードセパレーター１７との間に設けられた空間であれば、どのような構成であってもよい。また、第２のガス流路は、第二空間６１にカソードＣＡ上の水素を供給することができれば、どのような構成であってもよい。
【0129】
例えば、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、図５に示す如く、第２のガス流路は、筒状のカソードガス導出マニホールド５０と、カソードガス導出マニホールド５０と第二空間６１とを連通するカソードガス供給経路５２とを含む。なお、第２のガス流路の他の例は、変形例で説明する。
【0130】
ここで、第二空間６１は、アノード端板２４Ａの中央部に設けられた凹部とアノード絶縁板２３Ａの中央部に設けられた開口とによって構成されている。
【0131】
また、カソードガス導出マニホールド５０は、第１実施形態と同様に、３段の水素ポンプユニット１００Ａの各部材に設けられた貫通孔およびアノード端板２４Ａおよびカソード端板２４Ｃ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。
【0132】
また、カソードガス供給経路５２は、アノード端板２４Ａの凹部内（第二空間６１）とカソードガス導出マニホールド５０の一方の端部とを連通するアノード端板２４Ａの主面に設けられた溝によって構成されている。
【0133】
以上のとおり、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、水素ポンプユニット１００ＡのカソードＣＡ上の高圧の水素を、カソードガス導出マニホールド５０およびカソードガス供給経路５２を通じてアノード端板２４Ａとアノードセパレーター１７との間に設けられた第二空間６１に供給することができる。このため、第二空間６１内の水素ガス圧は、水素ポンプユニット１００ＡのカソードＣＡ内の水素ガス圧とほぼ同等の高圧である。すると、第二空間６１内の水素によってアノードセパレーター１７に付与される荷重は、カソードＣＡ内の水素ガス圧に起因するアノードセパレーター１７の変形を抑えるように作用する。よって、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、このような第二空間６１を設けない場合に比べて、水素ポンプユニット１００ＡのカソードＣＡのカソードガス拡散層１４および電解質膜１１（カソード触媒層１２）間の隙間が発生しにくくなるので、両者間の接触抵抗の増加を簡易かつ適切に抑制することができる。
【0134】
なお、電解質膜１１が、例えば、高分子電解質膜である場合、この高分子電解質膜は、湿潤状態で所望のプロトン伝導性を示す。このため、電気化学式水素ポンプ１００の水素昇圧動作の効率を所望の値を維持するには、電解質膜１１を湿潤状態に保つ必要がある。このとき、仮に、アノードセパレーター１７のアノードガス流路３３（図２Ｂ参照）などが水により閉塞されると、水素ポンプユニット１００Ａの水素供給が阻害される。つまり、アノードガス流路３３を通過する水素の流れの安定化は、電気化学式水素ポンプ１００の高効率な水素昇圧動作を行う際の重要な要素になるが、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、第二空間６１を設けない場合に比べて、水素ポンプユニット１００ＡのカソードＣＡ上の水素のガス圧に寄らず、アノードセパレーター１７の変形が抑制されるので、アノードセパレーター１７のアノードガス流路３３を通過する水素の流れを適切に安定化できる。
【0135】
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２実施例および第１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。
【0136】
（第１実施例）
本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、第一空間６０と第二空間６１が対向する位置に設けられていること以外、第２実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様である。
本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、第一空間６０と第二空間６１が対向する位置に設けられていること以外、第２実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様である。
【0137】
以上の構成により、第一空間６０内の水素によってカソードセパレーター１６に付与される荷重および第二空間６１内の水素によってアノードセパレーター１７に付与される荷重は、カソードＣＡ内の水素ガス圧に起因する水素ポンプユニット１００Ａの各部の変形を水素ポンプユニット１００Ａの両端部から面内で均等に抑えるように作用する。
【0138】
よって、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、第一空間６０と第二空間６１とを対向する位置に設けない場合に比べて、水素ポンプユニット１００Ａの各部の変形を効果的に抑制することができる。
【0139】
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２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。
【0140】
（第２実施例）
本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、第二空間６１が、アノードＡＮ（図２Ｂ参照）の主面と平行に設けられていること以外、第２実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様である。
本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、第二空間６１が、アノードＡＮ（図２Ｂ参照）の主面と平行に設けられていること以外、第２実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様である。
【0141】
以上の構成により、第二空間６１内の水素ガス圧に基づいて、アノードセパレーター１７に伝わる荷重をアノードセパレーター１７の面内で均等に与えることができる。よって、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、第二空間６１をアノードＡＮの主面と平行に設けない場合に比べて、第二空間６１内の水素によってアノードセパレーター１７に付与される荷重が、アノードセパレーター１７の変形（たわみ）を抑えるように効果的に作用する。
【0142】
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２実施形態または第２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。
【0143】
（第３実施例）
本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、アノードセパレーター１７の主面と平行な方向における第二空間６１の開口面積が、アノードＡＮ（図２Ｂ参照）の主面の面積以上であること以外、第２実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様である。但し、このような第二空間６１の開口面積は、アノードセパレーター１７の主面の面積以下である。
本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、アノードセパレーター１７の主面と平行な方向における第二空間６１の開口面積が、アノードＡＮ（図２Ｂ参照）の主面の面積以上であること以外、第２実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様である。但し、このような第二空間６１の開口面積は、アノードセパレーター１７の主面の面積以下である。
【0144】
仮に、アノードセパレーター１７の主面と平行な方向における第二空間６１の開口面積が、アノードＡＮの主面の面積未満の場合（つまり、第二空間６１の開口面積＜アノードＡＮの主面の面積）、第二空間６１で覆われていないアノードＡＮに対向するアノードセパレーター１７の部分では、カソードＣＡ内の水素ガス圧に起因する変形が起きる可能性がある。
【0145】
しかし、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、上記の第二空間６１の開口面積をアノードＡＮの主面の面積以上に設定することで（つまり、第二空間６１の開口面積≧アノードＡＮの主面の面積）、アノードＡＮの主面全域を第二空間６１で覆うことができる。このため、第二空間６１内の水素ガス圧に基づいて、アノードＡＮに対向するアノードセパレーター１７の全域に荷重が伝わるので、上記の可能性を低減できる。
【0146】
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２実施形態および第２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。
【0147】
（変形例）
図６は、第２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。
図６は、第２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。
【0148】
図６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。
【0149】
本変形例の電気化学式水素ポンプ１００は、以下に説明する第２のガス流路の構成以外、第２実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様である。
【0150】
本変形例の電気化学式水素ポンプ１００では、第２のガス流路は、第一空間６０と第二空間６１とを連通させる連通流路を含む。この場合、カソードガス導出マニホールド５０と第二空間６１とを連通するカソードガス供給経路５２（図５参照）を設けなくてもよい。
【0151】
具体的には、例えば、図６に示すように、カソードガス導出経路２６を構成するカソードガス導出配管２６Ｂから分岐する連通流路部材７０が、アノード端板２４Ａを貫通して第二空間６１にまで延伸している。つまり、図６に示す例では、この連通流路部材７０が、第一空間６０と第二空間６１とを連通させる部材であるが、連通流路部材の構成は、これに限定されない。例えば、連通流路部材は、カソードガス導出配管２６Ｂから分岐させずに、カソード端板２４Ｃおよびアノード端板２４Ａを貫通するように構成してもよい。
【0152】
以上により、本変形例の電気化学式水素ポンプ１００は、水素ポンプユニット１００ＡのカソードＣＡ上の高圧の水素を、連通流路部材７０を通じてアノード端板２４Ａとアノードセパレーター１７との間に設けられた第二空間６１に供給することができる。
【0153】
なお、本変形例の電気化学式水素ポンプ１００が奏する作用効果は、第２実施形態の電気化学式水素ポンプ１００が奏する作用効果と同様であるので詳細な説明を省略する。
【0154】
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２実施形態および第２実施形態の第１実施例－第３実施例のいずれかの電気化学式水素ポンプ１００と同様であってもよい。
【0155】
第１実施形態、第１実施形態の第１実施例－第２実施例、第１実施形態の変形例、第２実施形態、第２実施形態の第１実施例－第３実施例および第２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。
【0156】
上記説明から、当業者にとっては、本開示の多くの改良や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できる。
【産業上の利用可能性】
【0157】
本開示の一態様は、従来に比べて、水素ポンプユニットのカソードセパレーターおよびカソード間の接触抵抗の増加を簡易かつ適切に抑制し得る電気化学式水素ポンプに利用することができる。
【符号の説明】
【0158】
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 ：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
２６Ａ ：カソードガス導出経路
２６Ｂ ：カソードガス導出配管
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
５１ ：カソードガス供給経路
５２ ：カソードガス供給経路
６０ ：第一空間
６１ ：第二空間
７０ ：連通流路部材
１００ ：電気化学式水素ポンプ
１００Ａ ：水素ポンプユニット
１０２ ：電圧印加器
ＡＮ ：アノード
ＣＡ ：カソード
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 ：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
２６Ａ ：カソードガス導出経路
２６Ｂ ：カソードガス導出配管
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
５１ ：カソードガス供給経路
５２ ：カソードガス供給経路
６０ ：第一空間
６１ ：第二空間
７０ ：連通流路部材
１００ ：電気化学式水素ポンプ
１００Ａ ：水素ポンプユニット
１０２ ：電圧印加器
ＡＮ ：アノード
ＣＡ ：カソード
【図1A】
【図1B】
【図2A】
【図2B】
【図3A】
【図3B】
【図4】
【図5】
【図6】