特許 7281656 圧縮装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-05-18

(45)【発行日】2023-05-26

(54)【発明の名称】圧縮装置

(51)【国際特許分類】

   C25B 1/02 20060101AFI20230519BHJP

   C25B 1/04 20210101ALI20230519BHJP

   C25B 9/00 20210101ALI20230519BHJP

   C25B 9/05 20210101ALI20230519BHJP

   C25B 9/23 20210101ALI20230519BHJP

   C25B 13/02 20060101ALI20230519BHJP

【ＦＩ】

C25B1/02

C25B1/04

C25B9/00 A

C25B9/00 Z

C25B9/05

C25B9/23

C25B13/02 302

【請求項の数】 1

(21)【出願番号】P 2023514832

(86)(22)【出願日】2022-11-28

(86)【国際出願番号】 JP2022043659

【審査請求日】2023-03-02

(31)【優先権主張番号】P 2021208952

(32)【優先日】2021-12-23

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【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】中植 貴之

(72)【発明者】

【氏名】酒井 修

(72)【発明者】

【氏名】喜多 洋三

(72)【発明者】

【氏名】可児 幸宗

【審査官】松村 駿一

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－２１８６２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１５－５０４１１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２５７９６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１５７１６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０２２／１０２１９３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】川崎暢之,針生栄次,石川博之,中沢孝治,岡部昌規，差圧式高圧水電解セルの気密構造に関する研究，Honda R&D Technical Review，株式会社 本田技術研究所 〒321-3393 栃木県芳賀郡，2013年09月01日，Vol.25, No.2，p.131-137

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ２５Ｂ １／０２

Ｃ２５Ｂ １／０４

Ｃ２５Ｂ ９／００

Ｃ２５Ｂ ９／０５

Ｃ２５Ｂ ９／２３

Ｃ２５Ｂ １３／０２

(57)【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上に設けられたアノード、前記電解質膜の他方の主面上に設けられたカソード、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む、少なくとも１つの圧縮ユニットと、
前記アノードと前記カソードとの間に電圧を印加する電圧印加器と、を備え、
前記電圧印加器により電圧を印加することで、アノードに供給される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に移動させ、圧縮水素を生成する圧縮装置であって、
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、
前記カソード端板と前記他方の端に位置するカソードセパレーターとの間、または、前記アノード端板と前記一方の端に位置するアノードセパレーターとの間に設けられた板状部材とを備え、
前記板状部材には、圧縮水素を溜めるための凹部と、前記凹部の外周を囲む溝部とが設けられ、
前記溝部には、シール材と、前記シール材の外縁に隣接し、前記シール材を囲むリング材とが設けられ、
前記溝部の外周面および前記リング材の外周面はともに、前記溝部の開口に向かって広がるように勾配が設けられている、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、非特許文献１には、水の電気分解によって水素および酸素の分離が行われ、電解質膜を介して低圧の水素から高圧の水素が生成される差圧式高圧水電解装置（以下、水電解装置）が提案されている。

【0006】

水電解装置は、水を電気分解によって水素および酸素を発生させるべく、固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜の両面に設けられたアノード触媒層およびカソード触媒層と、これらの触媒層の両側に設けられた、アノード給電体およびカソード給電体と、が配設されている。なお、カソード触媒層およびカソード給電体を含むカソード、電解質膜、および、アノード触媒層およびアノード給電体を含むアノードの積層体を膜－電極接合体（以下、ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）という。

【0007】

そして、非特許文献１の水電解セルは、ＭＥＡと、ＭＥＡを保持するとともに、水の供給、余剰水の排出および酸素の流通のための常圧流路を備えるアノードセパレーターおよび樹脂枠と、高圧の水素排出のための高圧ガス流路を備えるカソードセパレーターと、によって構成されている。

【0008】

また、水電解装置では、カソードで生成する高圧の水素量に合わせて、水電解セルが複数積層されており、積層体の積層方向両端には電圧を印加するための端子が設けられ、これにより、水電解セルに電流を流すことができるとともに、アノード給電体に水が供給される。すると、ＭＥＡのアノード側において、水が電気分解によってプロトンが生成される。プロトンは、電解質膜を透過することでカソード側に移動し、カソード給電体で電子と再結合することで高圧の水素が生成される。そして、水素は、カソードセパレーターに設けられた高圧ガス流路を介して水電解装置から排出される。一方、アノード側では、アノードで生成された酸素が、余剰の水ととともにアノードセパレーターおよび樹脂枠に設けられた常圧流路を介して水電解装置から排出される。

【0009】

ここで、水電解装置では、水電解によって得られた水素を圧縮するので、カソード給電体側の水素ガス圧が高圧になる。これにより、セパレーターなどが変形することで、水電解セルを構成する各部材間の接触抵抗が増加する可能性がある。

【0010】

そこで、非特許文献１では、水電解装置において、締結部材（ボルト）を用いて、複数の水電解セルを含む積層体をエンドプレート（両端板）によって密着させる構造が提案されている。また、上端のエンドプレートと積層体の上端に対応するセパレーターとの間には、密閉空間が存在しており、この密閉空間には、高圧の水素が導入されている。さらに、この密閉空間には弾性体（バネ）が設けられている。

【0011】

以上の構成により、水電解セル中の高圧ガスによって、セパレーターなどが外側に膨らむように変形する応力がこれらの部材に作用しても、弾性体の反力および密閉空間の高圧水素ガス圧力によって、上記変形を抑制することができる。

【0012】

特許文献１には、低圧の水素含有ガスがアノードに供給され、電気化学的にプロトンのみが電解質膜を透過することで、カソードで高圧の水素が精製される電気化学式水素ポンプが提案されている。なお、電気化学式水素ポンプの電気化学セルの構成は、アノード流体が水素含有ガスであること以外は、非特許文献１の水電解セルの構成と同様であるので説明を省略する。

【0013】

特許文献１においても、上記と同様、カソード給電体側の水素ガス圧が高圧になることで、セパレーターなどが変形すると、電気化学セルを構成する各部材間の接触抵抗が増加する可能性がある。そこで、特許文献１では、上下端のエンドプレート（両端板）と隣接するセパレーターとの間の空間に、カソードで生成された高圧の水素を導入することで、上記変形が抑制されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0014】

【文献】特開２０１９－２１８６２４号公報

【非特許文献】

【0015】

【文献】「差圧式高圧水電解セルの気密構造に関する研究」本田技研工業株式会社Honda R&D Technical Review vol.25 No.2(Oct 2013)

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0016】

本開示は、一例として、圧縮水素を溜めるための凹部をシールするシール材のシール性を従来よりも改善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】

【0017】

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、前記電解質膜の一方の主面上に設けられたアノード、前記電解質膜の他方の主面上に設けられたカソード、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む、少なくとも１つの圧縮ユニットと、前記アノードと前記カソードとの間に電圧を印加する電圧印加器と、を備え、前記電圧印加器により電圧を印加することで、アノードに供給される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に移動させ、圧縮水素を生成する圧縮装置であって、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、前記カソード端板と前記他方の端に位置するカソードセパレーターとの間、または、前記アノード端板と前記一方の端に位置するアノードセパレーターとの間に設けられた板状部材とを備え、前記板状部材には、圧縮水素を溜めるための凹部と、前記凹部の外周を囲む溝部と、が設けられ、前記溝部には、シール材と、前記シール材の外縁に隣接し、前記シール材を囲むリング材とが設けられ、前記溝部の外周面および前記リング材の外周面はともに、前記溝部の開口に向かって広がるように勾配が設けられている。

【発明の効果】

【0018】

本開示の一態様の圧縮装置は、圧縮水素を溜めるための凹部をシールするシール材のシール性を従来よりも改善し得る、という効果を奏することができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【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2】図２は、図１のバイポーラプレートおよび水素ポンプユニットの一例を示す図である。

【図3】図３は、図２のバイポーラプレートの分解斜視図を示す図である。

【図4】図４は、図２のバイポーラプレートを上方から見た図である。

【図5】図５は、図１の第１圧力形成部材の一例を図１のバイポーラプレートおよび水素ポンプユニットと共に示す図である。

【図6】図６は、図５の第１圧力形成部材の分解斜視図を示す図である。

【図7】図７は、図５の第１圧力形成部材を上方から見た図である。

【図8】図８は、図１の第２圧力形成部材の一例を図１のバイポーラプレートおよび水素ポンプユニットと共に示す図である。

【図9】図９は、図８の第２圧力形成部材の分解斜視図を示す図である。

【図10】図１０は、図８の第２圧力形成部材を上方から見た図である。

【図11】図１１は、Ｏリングの内部に存在する高圧のカソードガスによってＯリングの一部が隙間内にはみ出す現象の一例を示す図である。

【図12】図１２は、図１の第１圧力形成部材の一例を示す図である。

【図13】図１３は、図１の第１圧力形成部材におけるＯリング溝およびリング材の一例を示す図である。

【図14A】図１４Ａは、構造解析で使用した２次元解析モデルの一例を示す図である。

【図14B】図１４Ｂは、構造解析による結果の一例を示す図である。

【図15】図１５は、図１の第１圧力形成部材におけるＯリング溝およびリング材の一例を示す図である。

【図16】図１６は、構造解析による結果の一例を示す図である。

【図17】図１７は、図１の第２圧力形成部材の一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

非特許文献１は、上側の端板の底面中央部に、円筒状の大きな凹部が形成されており、上端側のセパレーター全体を凹部内に挿入させ、これにより、端板とセパレーターとで、高圧ガスを導入するための密閉空間が形成されている。しかしながら、上記密閉空間をシールするためのシール構成については十分に検討されていない。

【0021】

また、特許文献１は、上下の両端板と隣接するセパレーターとの間の空間に高圧水素を導入することが提案されているが、上記空間のシールするためのシール構成については十分に検討されていない。

【0022】

そこで、本開示の一態様の圧縮装置は、電解質膜、電解質膜の一方の主面上に設けられたアノード、電解質膜の他方の主面上に設けられたカソード、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む、少なくとも１つの圧縮ユニットと、アノードとカソードとの間に電圧を印加する電圧印加器と、を備え、電圧印加器により電圧を印加することで、アノードに供給される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に移動させ、圧縮水素を生成する圧縮装置であって、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、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、カソード端板と他方の端に位置するカソードセパレーターとの間、または、アノード端板と一方の端に位置するアノードセパレーターとの間に設けられた板状部材とを備え、板状部材には、圧縮水素を溜めるための凹部と、凹部の外周を囲む溝部とが設けられ、溝部には、シール材と、シール材の外縁に隣接し、シール材を囲むリング材とが設けられ、溝部の外周面およびリング材の外周面はともに、溝部の開口に向かって広がるように勾配が設けられている。

【0023】

かかる構成によると、本態様の圧縮装置は、圧縮水素を溜めるための凹部をシールするシール材のシール性を従来よりも改善し得る。

【0024】

具体的には、シール材で凹部がシールされる際に、シール材に当接する部材間には、シール材で囲まれた領域の圧縮水素のガス圧によって隙間が発生する場合がある。この場合、仮に、シール材を囲むリング材が設けられていないときは、シール材の一部が、シール材の内部に存在する圧縮水素のガス圧によって上記の隙間内にはみ出す可能性がある。すると、シール材が破損することで、シール材のシール性が低下する可能性がある。

【0025】

これに対して、本態様の圧縮装置は、シール材の外縁に隣接するようにシール材を囲むリング材を設けることで、シール材が上記隙間内にはみ出すことが抑制され、その結果、シール材が破損することが改善される。

【0026】

ここで、以下、溝部の外周面およびリング材の外周面が、溝部の開口面に対して直交する場合におけるシール材のシール性の問題について検討する。例えば、溝部として一般的な円筒溝が形成されているときは、リング材として一般的な円筒状のバックアップリングが使用される。

【0027】

しかし、上記の場合、シール材が上記隙間内にはみ出すことは抑制されるが、円筒状のリング材が、シール材の内部に存在する圧縮水素のガス圧をシール材を介して受けることに起因して変形しても、リング材が隙間を埋めるようには変形しない場合がある。このため、この隙間を通じて圧縮水素が外部に漏洩しやすくなる。

【0028】

これに対して、本態様の圧縮装置は、上記の如く、リング材および溝部の外周面が、溝部の開口に向かって広がるように勾配が設けられている。よって、本態様の圧縮装置は、シール材の内部に存在する圧縮水素のガス圧によってシール材に当接する部材間に隙間が発生しても、上記ガス圧は、リング材の外周面を溝部の外周面に対して下方に滑らす方向に作用するので、リング材の一部が、隙間を埋めるように隙間内に進入しやすくなる。これにより、本態様の圧縮装置は、溝部の外周面およびリング材の外周面が、溝部の開口面に対して直交する場合に比べて、上記隙間を通じて、シール材の内部に存在する圧縮水素が外部に漏洩する可能性を低減することができる。なお、隙間内に進入したリング材の一部が破損する可能性はあるが、リング材の存在によりシール材が隙間内にはみ出し破損することは抑制されるので、シール材の内部に存在する圧縮水素が外部に漏洩する可能性は低減される。

【0029】

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。

【0030】

（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、液水を挙げることができる。

【0031】

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、上記の圧縮ユニットを備える圧縮装置の一例として、水素ポンプユニットを備え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。

【0032】

［装置構成］
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。なお、説明の便宜上、「上」および「下」を同図の如く取っている（他の図面においても同じ）。

【0033】

図１に示すように、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１０と、第１圧力形成部材４４と、第２圧力形成部材４６と、電圧印加器１０２と、を備える。そして、電気化学式水素ポンプ１００には、複数段の水素ポンプユニット１０が積層されている。例えば、図１では、５個の水素ポンプユニット１０が積層されているが、水素ポンプユニット１０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。

【0034】

また、図１に示す例では、アノードセパレーターとして機能するプレートおよびカソードセパレーターとして機能するプレートが一体化されている。具体的には、バイポーラプレート（双極板）２９のそれぞれが、隣接する水素ポンプユニット１０のうちの一方のカソードセパレーターとして機能するプレートと、隣接する水素ポンプユニット１０のうちの他方のアノードセパレーターとして機能するプレートと、を備える。

【0035】

ただし、図１に示す如く、最上段のバイポーラプレート２９は、カソードセパレーターとしてのみ機能するように構成されている。具体的には、最上段のバイポーラプレート２９の上面は、第１圧力形成部材４４の空間ＳＣと接触しており、この上面は、水素含有ガスが流れるアノードガス流路が設けられていない。第１圧力形成部材４４には、水素ポンプユニット１０のカソードで生成された圧縮水素を含むカソードガスを溜めるための空間ＳＣが形成されている。つまり、最上段のバイポーラプレート２９の上面は、第１圧力形成部材４４の空間ＳＣを封止するための蓋として機能している。

【0036】

また、最下段の水素ポンプユニット１０は、最下段のバイポーラプレート２９のカソードセパレーターとして機能するプレートと、第２圧力形成部材４６のアノードセパレーターとして機能するプレートとによって、構成されている。具体的には、第２圧力形成部材４６の上面には、水素含有ガスが流れるアノードガス流路（図１では図示せず）が設けられている。第２圧力形成部材４６には、水素ポンプユニット１０のカソードで生成された圧縮水素を含むカソードガスを溜めるための空間ＳＡが形成されている。

【0037】

なお、以上のバイポーラプレート２９、水素ポンプユニット１０、第１圧力形成部材４４および第２圧力形成部材４６の詳細な構成は後で説明する。

【0038】

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１０のそれぞれが積層された方向（以下、積層方向）の両端上に設けられたカソード端板１５およびアノード端板１６と、締結器１７と、を備える。具体的には、アノード端板１６は、水素ポンプユニット１０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上に設けられている。カソード端板１５は、水素ポンプユニット１０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上に設けられている。なお、締結器１７は、電気化学式水素ポンプ１００の積層体を構成する各部材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。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。締結器１７の詳細な構成は第３実施例で説明する。

【0039】

図１に示すように、電気化学式水素ポンプ１００は、カソード端板１５と第１圧力形成部材４４との間には、流体集配部材１１および絶縁板１３が上方からこの順に積層されている。なお、第１圧力形成部材４４と絶縁板１３とは、積層の順番が逆であってもよい。アノード端板１６と第２圧力形成部材４６との間には、流体集配部材１４、絶縁板１２および封止板４８が下方からこの順に積層されている。

【0040】

流体集配部材１４の側面の適所には、水素ポンプユニット１０のアノードから排出される低圧（例えば、常圧～数ＭＰａ程度）の水素含有ガスが流出する流出口（図示せず）と、水素ポンプユニット１０を適温に制御するための冷却媒体（例えば、水）が流出する流出口（図示せず）と、水素ポンプユニット１０のカソードから排出される高圧（例えば、数ＭＰａ～数十ＭＰａ程度）のカソードガスが通過する排出口１４Ａと、が設けられている。排出口１４Ａは、流体集配部材１１に設けられたガス経路を介して、第１カソードガス導出マニホールド３５に連通している。

【0041】

第１カソードガス導出マニホールド３５は、図１に示す如く、複数のバイポーラプレート２９、第１圧力形成部材４４、絶縁板１３、第２圧力形成部材４６、封止板４８および絶縁板１２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。そして、電気化学式水素ポンプ１００は、バイポーラプレート２９内に設けられた連絡路（図１の点線参照）を介して、水素ポンプユニット１０のそれぞれのカソードから排出されたカソードガスが、第１カソードガス導出マニホールド３５で合流するように構成されている。また、電気化学式水素ポンプ１００は、第１圧力形成部材４４内に設けられた連絡路（図１の点線参照）を介して、第１カソードガス導出マニホールド３５と第１圧力形成部材４４の空間ＳＣとが連通するように構成されている。さらに、電気化学式水素ポンプ１００は、第２圧力形成部材４６内に設けられた連絡路（図１の点線参照）を介して、第１カソードガス導出マニホールド３５と第２圧力形成部材４６の空間ＳＡにカソードガスとが連通するように構成されている。図１では図示を省略するが、流体集配部材１４における水素含有ガス流出口および冷却媒体流出口はそれぞれ、上記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る、アノードガス導出マニホールドおよび冷却媒体導出マニホールドのそれぞれと連通している。

【0042】

流体集配部材１１の側面の適所には、水素ポンプユニット１０のアノードに供給される低圧（例えば、常圧～数ＭＰａ程度）の水素含有ガスが流入する流入口（図示せず）と、水素ポンプユニット１０を適温に制御するための冷却媒体（例えば、水）が流入する流入口（図示せず）と、水素ポンプユニット１０のカソードから排出される高圧（例えば、数ＭＰａ～数十ＭＰａ程度）のカソードガスが通過する排出口１１Ａと、が設けられている。排出口１１Ａは、流体集配部材１１に設けられたガス経路を介して、第２カソードガス導出マニホールド３６に連通している。

【0043】

第２カソードガス導出マニホールド３６は、図１に示す如く、複数のバイポーラプレート２９、第１圧力形成部材４４、絶縁板１３、第２圧力形成部材４６、封止板４８および絶縁板１２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。そして、電気化学式水素ポンプ１００は、バイポーラプレート２９内に設けられた連絡路（図１の点線参照）を介して、水素ポンプユニット１０のそれぞれのカソードから排出されたカソードガスが、第２カソードガス導出マニホールド３６で合流するように構成されている。また、電気化学式水素ポンプ１００は、第１圧力形成部材４４内に設けられた連絡路（図１の点線参照）を介して、第２カソードガス導出マニホールド３６と第１圧力形成部材４４の空間ＳＣとが連通するように構成されている。さらに、電気化学式水素ポンプ１００は、第２圧力形成部材４６内に設けられた連絡路（図１の点線参照）を介して、第２カソードガス導出マニホールド３６と第２圧力形成部材４６の空間ＳＡにカソードガスとが連通するように構成されている。図１では図示を省略するが、流体集配部材１１における水素含有ガス流入口および冷却媒体流入口はそれぞれ、上記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る、アノードガス導入マニホールドおよび冷却媒体導入マニホールドのそれぞれと連通している。

【0044】

なお、図１の点線で示された連絡路の詳細な構成は後で説明する。

【0045】

絶縁板１３は、第１圧力形成部材４４と流体集配部材１１との間に挿入されており、これにより、バイポーラプレート２９と、流体集配部材１１、カソード端板１５および締結器１７との間が適切に絶縁されている。絶縁板１３の素材として、ゴム、樹脂（例えば、ＰＥＮ、ＰＥＴなど）、ガラス、ガラスエポキシ材などの材料を挙げることができるが、これらに限定されない。

【0046】

絶縁板１２は、封止板４８と流体集配部材１４との間に挿入されており、これにより、バイポーラプレート２９および第２圧力形成部材４６と、流体集配部材１４、アノード端板１６および締結器１７との間が適切に絶縁されている。絶縁板１２の素材として、ゴム、樹脂（例えば、ＰＥＮ、ＰＥＴなど）、ガラス、ガラスエポキシ材などの材料を挙げることができるが、これらに限定されない。

【0047】

封止板４８は、第２圧力形成部材４６の空間ＳＡを封止するための蓋として機能しており、これにより、空間ＳＡに溜まった高圧のカソードガスが封止される。封止板４８の素材としては、ステンレス、金、チタン、ゴム、樹脂（例えば、ＰＥＮ、ＰＥＴなど）、ガラス、ガラスエポキシ材などの材料を挙げることができるが、これらに限定されない。ただし、封止板４８の素材として、ステンレスを用いる場合は、耐酸性および耐水素脆性などの特性に優れているＳＵＳ３１６Ｌを使用することが望ましい。また、封止板４８の素材として、樹脂などの絶縁部材を用いる場合は、封止板４８と絶縁板１２とが一体化されていてもよい。

【0048】

電圧印加器１０２は、水素ポンプユニット１０のアノードとカソード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、アノードに印加され、電圧印加器１０２の低電位が、カソードに印加されている。電圧印加器１０２は、アノードおよびカソード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、アノードおよびカソード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。

【0049】

また、電圧印加器１０２は、例えば、水素ポンプユニット１０に供給する電力が所定の設定値となるように、アノードおよびカソード間に印加される電圧、アノードおよびカソード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。

【0050】

なお、図１に示す例では、電圧印加器１０２の低電位側の端子１０１が、最上段のバイポーラプレート２９に接続され、電圧印加器１０２の高電位側の端子１０３が、第２圧力形成部材４６に接続されているが、これに限定されない。電圧印加器１０２の低電位側の端子１０１は、第１圧力形成部材４４に接続されていてもよい。

【0051】

ただし、図１に示す如く、電圧印加器１０２の低電位側の端子１０１を最上段のバイポーラプレート２９に接続することで、最上段のバイポーラプレート２９よりも上方に配された第１圧力形成部材４４に対して、金メッキなどの表面処理が不要となる。これにより、第１圧力形成部材４４の製造コストを低減することができる。

【0052】

さらに、図１に示す例では、最上段のバイポーラプレート２９および第２圧力形成部材４６が集電板と兼用されている。よって、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、プレートの兼用化によりプレートの個数を削減できるので、装置の製造コストを低減することができる。

【0053】

また、電気化学式水素ポンプ１００においては、流体集配部材１１、第１圧力形成部材４４、バイポーラプレート２９、第２圧力形成部材４６および流体集配部材１４はいずれも、高圧の圧縮水素に曝されるので、これらの部材は、ＳＵＳ３１６Ｌで構成されている。これは、ＳＵＳ３１６Ｌが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からである。これに対して、カソード端板１５、アノード端板１６および締結器１７はいずれも、水素に曝されないので、これらの部材は、ＳＵＳ３１６Ｌよりも安価なクロムモリブデン鋼（例えば、ＳＣＭ４５）で構成されている。

【0054】

＜バイポーラプレートおよび水素ポンプユニットの構成＞
図２は、図１のバイポーラプレートおよび水素ポンプユニットの一例を示す図である。

【0055】

図３は、図２のバイポーラプレートの分解斜視図を示す図である。具体的には、バイポーラプレート２９を構成する一対の部材を図２のＡ－Ａ部から斜視した図、および、両者を一体化した図が示されている。なお、図３では、説明の便宜上、ＭＥＡおよびＯリングを省略した図が示されている。

【0056】

図４は、図２のバイポーラプレートを上方から見た図である。具体的には、バイポーラプレート２９を構成する部材を図２のＢ－Ｂ部から平面視した図が示されている。

【0057】

上記のとおり、水素ポンプユニット１０のそれぞれにおいて、バイポーラプレート２９が、隣接する水素ポンプユニット１０のうちの一方のアノードセパレーターとして機能するプレートと、隣接する水素ポンプユニット１０のうちの他方のカソードセパレーターとして機能するプレートと、備える。図２に示す例では、上段側のバイポーラプレート２９の一部が、カソードセパレーターを構成するとともに、下段側のバイポーラプレート２９の一部が、アノードセパレーターを構成している。

【0058】

以下の説明では、カソードセパレーターとして機能するプレートをカソードセパレーター２９Ａといい、アノードセパレーターとして機能するプレートをアノードセパレーター２９Ｂという。

【0059】

ここで、図３に示すように、バイポーラプレート２９のそれぞれにおけるカソードセパレーター２９Ａとアノードセパレーター２９Ｂとは面接合により一体化されている。例えば、カソードセパレーター２９Ａおよびアノードセパレーター２９Ｂは、一対の金属プレートの拡散接合などで接合することができる。なお、「拡散接合」とは、ＪＩＳ規格によれば、「母材を密着させ、母材の融点以下の温度条件で、塑性変形をできるだけ生じない程度に加圧して、接合面間に生じる原子の拡散を利用して接合する方法」と定義されている。

【0060】

また、カソードセパレーター２９Ａおよびアノードセパレーター２９Ｂが面接合する前における、アノードセパレーター２９Ｂの接合面には、水素ポンプユニット１０の温度を適温に調整するための冷却媒体が流れる冷却流路６０が設けられている。この冷却流路６０の両端はそれぞれ、冷却媒体導入マニホールド６１および冷却媒体導出マニホールド６２のそれぞれと連通している。

【0061】

図２に示すように、水素ポンプユニット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２９Ａと、アノードセパレーター２９Ｂと、枠体２８と、面シール材４０と、を備える。そして、水素ポンプユニット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、カソードセパレーター２９Ａおよびアノードセパレーター２９Ｂが積層されている。

【0062】

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。

【0063】

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。

【0064】

ここで、一般的に、電気化学式水素ポンプ１００では、カソード触媒層２３およびアノード触媒層２４が電解質膜２１に一体的に接合された触媒層付き膜ＣＣＭ（Catalyst Coated Membrane）が使用されることが多い。

【0065】

そこで、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、触媒層付き膜ＣＣＭのアノード触媒層２４およびカソード触媒層２３のそれぞれに、上記のアノード給電体２５およびカソード給電体２２がそれぞれ設けられている。

【0066】

以上により、電解質膜２１は、アノードＡＮとカソードＣＡとによって挟持されている。

【0067】

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。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。

【0068】

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。

【0069】

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。

【0070】

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。

【0071】

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。

【0072】

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。

【0073】

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。

【0074】

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、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。

【0075】

アノードセパレーター２９Ｂは、アノードＡＮ上に積層された部材である。カソードセパレーター２９Ａは、カソードＣＡ上に積層された部材である。

【0076】

アノードセパレーター２９ＢのアノードＡＮ側のアノードＡＮに対向する面の中央部は、アノード給電体２５が接触している。そして、この中央部に、図４に示す如く、平面視において、サーペンタイン状のアノードガス流路３０が設けられている。アノードガス流路３０の両端はそれぞれ、アノードガス導入マニホールド３１およびアノードガス導出マニホールド３２のそれぞれと連通している。

【0077】

カソードセパレーター２９ＡのカソードＣＡ側のカソードＣＡに対向する面の中央部には、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。つまり、凹部は、水素ポンプユニット１０のカソードＣＡで生成された圧縮水素を含むカソードガスを溜めるための空間Ｓ（図３参照）に相当する。

【0078】

ここで、図３に示すように、アノードセパレーター２９Ｂには、カソードガスが流れる第１カソードガス導出マニホールド３５と、カソードガスが流れる第２カソードガス導出マニホールド３６と、カソードセパレーター２９Ａの凹部（空間Ｓ）から流入したカソードガスを第１カソードガス導出マニホールド３５および第２カソードガス導出マニホールド３６のそれぞれに導くための連絡路３７および連絡路３８のそれぞれと、が設けられている。

【0079】

具体的には、連絡路３７は、カソードセパレーター２９Ａおよびアノードセパレーター２９Ｂが面接合する前におけるアノードセパレーター２９Ｂの接合面上の流路溝で構成されている。この流路溝は、平面視において、カソードセパレーター２９ＡのアノードＡＮ側の主面に設けられたＯリング溝５０およびＯリング溝５１を跨ぐように直線状に延伸している。そして、流路溝の一端が、カソードセパレーター２９Ａの凹部（空間Ｓ）の底面の縁部近傍で上下に延伸する連通孔７０を介して、当該凹部内と連通している。流路溝の他端が、第１カソードガス導出マニホールド３５に接続されている。連絡路３７は、カソードセパレーター２９Ａおよびアノードセパレーター２９Ｂが面接合で一体化されることで適切にガスシールされる。

【0080】

電気化学式水素ポンプ１００の水素圧縮動作中、カソードＣＡで生成された高圧のカソードガスは、カソードセパレーター２９Ａの凹部（空間Ｓ）内に溜まり、その後、カソードガスは、図３の点線矢印で示す如く、空間Ｓから連通孔７０および連絡路３７をこの順に流れて、第１カソードガス導出マニホールド３５に供給される。

【0081】

連絡路３８は、カソードセパレーター２９Ａおよびアノードセパレーター２９Ｂが面接合する前におけるアノードセパレーター２９Ｂの接合面上の流路溝で構成されている。この流路溝は、平面視において、カソードセパレーター２９Ａに設けられたＯリング溝５０およびＯリング溝５２を跨ぐように直線状に延伸している。そして、流路溝の一端が、カソードセパレーター２９Ａの凹部（空間Ｓ）の底面の縁部近傍で上下に延伸する連通孔７１を介して、当該凹部内と連通している。流路溝の他端が、第２カソードガス導出マニホールド３６に接続されている。連絡路３８は、カソードセパレーター２９Ａおよびアノードセパレーター２９Ｂが面接合で一体化されることで適切にガスシールされる。

【0082】

電気化学式水素ポンプ１００の水素圧縮動作中、カソードＣＡで生成された高圧のカソードガスは、カソードセパレーター２９Ａの凹部（空間Ｓ）内に溜まり、その後、カソードガスは、図３の点線矢印で示す如く、空間Ｓから連通孔７１および連絡路３８をこの順に流れて、第２カソードガス導出マニホールド３６に供給される。

【0083】

このようにして、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２９Ｂの連絡路３７および連絡路３８のそれぞれを通じて、カソードセパレーター２９Ａの空間Ｓからアノードセパレーター２９Ｂの第１カソードガス導出マニホールド３５および第２カソードガス導出マニホールド３６のそれぞれに高圧のカソードガスを適切に供給することができる。

【0084】

なお、本例では、連絡路３７および連絡路３８、および、連通孔７０および連通孔７１はそれぞれ、平面視において、第１カソードガス導出マニホールド３５の中心と第２カソードガス導出マニホールド３６の中心とを結ぶ直線上に設けられているが、これに限定されない。連絡路および連通孔の配置位置および形状は、カソードセパレーター２９Ａの凹部（空間Ｓ）から流入したカソードガスをカソードガス導出マニホールドに導くことができれば、どのような箇所および形状であってもよい。また、連絡路および連通孔の個数は１個であってもよいし、３個以上であってもよい。

【0085】

以上のカソードセパレーター２９Ａおよびアノードセパレーター２９Ｂは、例えば、チタン、ステンレス、金などの金属シートで構成されていてもよいが、これに限定されない。例えば、カソードセパレーター２９Ａおよびアノードセパレーター２９Ｂの基材は、カーボン、または、表面に金属膜が形成され樹脂などで構成されていてもよい。なお、カソードセパレーター２９Ａおよびアノードセパレーター２９Ｂをステンレスで構成する場合、カソードセパレーター２９Ａおよびアノードセパレーター２９Ｂの素材としてＳＵＳ３１６Ｌを使用することが望ましい。これは、ＳＵＳ３１６Ｌが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からである。

【0086】

このようにして、カソードセパレーター２９Ａおよびアノードセパレーター２９Ｂによって、上記のＭＥＡを挟むことにより、水素ポンプユニット１０が形成されている。

【0087】

ここで、図２に示すように、カソードＣＡの外周を囲むＯリング４５が設けられている。具体的には、カソードセパレーター２９Ａには、カソードＣＡ側の主面上に、平面視において、当該主面のカソードＣＡに対向する領域を囲むＯリング溝５０が設けられ、Ｏリング４５が、Ｏリング溝５０に保持されている。これにより、カソードＣＡに存在する高圧のカソードガスは、Ｏリング４５によってシールされ、Ｏリング４５で囲まれた領域内から外部に漏れることが適切に抑制される。

【0088】

また、Ｏリング溝５０は、電解質膜２１のカソードＣＡ側の主面のうち、カソードＣＡが設けられていない領域に面している。図２に示す例では、電解質膜２１は、カソードＣＡが収容された凹部の側壁を跨ぐように幅広に設けられ、Ｏリング４５は、電解質膜２１の幅広部に当接するように設けられている。Ｏリング４５（他のＯリングも同じ）として、例えば、耐酸性および耐水素脆性の視点からフッ素ゴム系のＯリングを用いることができるが、これに限定されない。

【0089】

枠体２８は、電解質膜２１の外周を囲むように設けられた部材である。枠体２８の基材として、例えば、耐酸性および耐水素脆性の視点から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。なお、絶縁性の枠体２８により、水素ポンプユニット１０内における、カソードセパレーター２９Ａおよびアノードセパレーター２９Ｂ間を適切に短絡しにくく構成することができる。

【0090】

面シール材４０は、アノードセパレーター２９ＢのアノードＡＮ側の主面のアノードＡＮに対向する領域の外周上に設けられている。また、面シール材４０は、電解質膜２１のアノードＡＮ側の主面のうち、アノードＡＮが設けられていない領域、および枠体２８のアノードＡＮ側の主面に面している。図２に示す例では、電解質膜２１は、アノードＡＮの外周端を跨ぐように幅広に設けられ、面シール材４０の主面と、電解質膜２１の幅広部と枠体２８の主面とが接触している。面シール材４０の基材として、例えば、耐酸性および耐水素脆性の視点からフッ素ゴム、フッ素樹脂などを挙げることができるが、これらに限定されない。なお、絶縁性の面シール材４０により、水素ポンプユニット１０内における、カソードセパレーター２９Ａおよびアノードセパレーター２９Ｂ間を適切に短絡しにくく構成することができる。

【0091】

本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００においては、電解質膜２１と枠体２８とを別体で構成しているが、両者を一体化してもよい。また、このような枠体２８を設けなくてもよい。例えば、水素ポンプユニット１０内における、カソードセパレーター２９Ａおよびアノードセパレーター２９Ｂ間は、枠体２８を設けなくても、面シール材４０で短絡しにくく構成することが可能である。

【0092】

図２に示すように、カソードセパレーター２９Ａには、第１カソードガス導出マニホールド３５を囲むＯリング溝５１が設けられている。そして、Ｏリング４１が、Ｏリング溝５１に保持されている。カソードセパレーター２９Ａには、第２カソードガス導出マニホールド３６を囲むＯリング溝５２が設けられている。そして、Ｏリング４２が、Ｏリング溝５２に保持されている。

【0093】

ここで、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、Ｏリング４１およびＯリング４２はそれぞれ、アノードセパレーター２９ＢのアノードＡＮ側の主面に当接している。つまり、Ｏリング４１およびＯリング４２はそれぞれ、両隣のバイポーラプレート２９に対応する、カソードセパレーター２９Ａおよびアノードセパレーター２９Ｂの両方に当接している。そして、面シール材４０は、アノードセパレーター２９ＢのアノードＡＮ側の主面のうち、Ｏリング４１およびＯリング４２が当接している領域上には設けられていない。また、枠体２８は、Ｏリング４１およびＯリング４２が配設されている領域には設けられていない。

【0094】

具体的には、枠体２８には、一対の貫通孔（円形の開口部）のそれぞれの外形が、Ｏリング溝５１およびＯリング溝５１のそれぞれの外形と同じになるように、貫通孔が形成されている。また、面シール材４０には、一対の貫通孔（円形の開口部）のそれぞれの外形が、Ｏリング溝５１およびＯリング溝５１のそれぞれの外形と同じになるように、貫通孔が形成されている。そして、枠体２８および面シール材４０に設けられた貫通孔で構成される円柱空間が、Ｏリング４１を収容するとともに、円柱空間に設けられたＯリング４１の内部が、第１カソードガス導出マニホールド３５の一部を構成する。また、枠体２８および面シール材４０に設けられた貫通孔で構成される円柱空間が、Ｏリング４２を収容するとともに、円柱空間に設けられたＯリング４２の内部が、第２カソードガス導出マニホールド３６の一部を構成する。

【0095】

＜第１圧力形成部材の構成＞
図５は、図１の第１圧力形成部材の一例を図１のバイポーラプレートおよび水素ポンプユニットと共に示す図である。

【0096】

図６は、図５の第１圧力形成部材の分解斜視図を示す図である。具体的には、第１圧力形成部材４４を構成する一対の部材を図５のＡ－Ａ部から斜視した図、および、両者を一体化した図が示されている。なお、図５の第１圧力形成部材４４では、説明の便宜上、Ｏリング４５Ｃのみが示されている。また、図６では、Ｏリングを省略した図が示されている。

【0097】

図７は、図５の第１圧力形成部材を上方から見た図である。具体的には、第１圧力形成部材４４を構成する部材を図５のＢ－Ｂ部から平面視した図が示されている。

【0098】

図５および図６に示すように、プレート４４Ａには、カソードガスを溜めるための空間ＳＣが形成され、プレート４４Ｂには、カソードガスが流れる第１カソードガス導出マニホールド１３５および第２カソードガス導出マニホールド１３６と、第２カソードガス導出マニホールド１３６から流入したカソードガスを空間ＳＣに導くための連絡路１３８が設けられている。空間ＳＣから溢れたカソードガスは、連絡路１３７を通じて第１カソードガス導出マニホールド１３５に導かれる。

【0099】

ここで、プレート４４Ａの構成は、以下に説明するＯリング４５ＣおよびＯリング溝５０Ｃの構成以外は、カソードセパレーター２９Ａの構成と同様である。具体的には、例えば、カソードセパレーター２９Ａの空間Ｓおよびプレート４４Ａの空間ＳＣは同一形状である。また、カソードセパレーター２９Ａの連通孔７０およびプレート４４Ａの連通孔１７０は同一形状であり、カソードセパレーター２９Ａの連通孔７１およびプレート４４Ａの連通孔１７１は同一形状である。よって、プレート４４Ａの構成の詳細な説明は省略する。

【0100】

また、プレート４４Ｂの構成は、プレート４４Ｂの連絡路１３７および連絡路１３８が設けられた面に冷却流路が設けられていないこと、および、プレート４４Ｂの連絡路１３７および連絡路１３８が設けられた面と反対側の面にアノード流体流路が設けられていない以外は、アノードセパレーター２９Ｂの構成と同様である。具体的には、例えば、アノードセパレーター２９Ｂの連絡路３７およびプレート４４Ｂの連絡路１３７は同一形状であり、アノードセパレーター２９Ｂの連絡路３８およびプレート４４Ｂの連絡路１３８は同一形状である。よって、プレート４４Ｂの構成の詳細な説明は省略する。

【0101】

電気化学式水素ポンプ１００の水素圧縮動作開始後の適時において、カソードＣＡで生成されたカソードガスが第２カソードガス導出マニホールド１３６を通過する際に、第２カソードガス導出マニホールド１３６から分岐したカソードガスは、図６の点線矢印で示す如く、連絡路１３８および連通孔１７１をこの順に流れて、プレート４４Ａの凹部（空間ＳＣ）に供給される。なお、空間ＳＣがカソードガスで満たされると、空間ＳＣから溢れたカソードガスは、図６の点線矢印で示す如く、連通孔１７０および連絡路１３７をこの順に流れて、第１カソードガス導出マニホールド１３５に導かれる。

【0102】

このようにして、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、プレート４４Ｂの連絡路１３８を通じて、プレート４４Ｂの第２カソードガス導出マニホールド１３６からプレート４４Ａの空間ＳＣに高圧のカソードガスを適切に供給することができる。

【0103】

ここで、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、図１および図５に示すように、カソード端板１５と他方の端に位置するカソードセパレーター２９Ａとの間に設けられ、カソードガスを溜めるための空間ＳＣの外周を囲むＯリング４５Ｃが設けられている。具体的には、プレート４４Ａには、空間ＳＣが形成された側の主面（プレート４４Ａおよびプレート４４Ｂ間の接合面と反対側の主面）上に、平面視において、空間ＳＣの領域を囲むＯリング溝５０Ｃが設けられ、Ｏリング４５Ｃが、Ｏリング溝５０Ｃに保持されている。これにより、空間ＳＣに存在する高圧のカソードガスは、Ｏリング４５Ｃによってシールされ、Ｏリング４５Ｃで囲まれた領域内から外部に漏れることが適切に抑制される。なお、Ｏリング４５Ｃが、本開示の「シール材」の一例に対応する。また、プレート４４Ａが、本開示の「板状部材」の一例に対応する。

【0104】

さらに、図５の寸法Ｌおよび寸法ＬＣで示すように、Ｏリング４５Ｃで囲まれた領域の面積は、Ｏリング４５で囲まれた領域の面積よりも大きい。図５に示す例では、Ｏリング４５Ｃの外縁で囲まれた領域の面積が、Ｏリング４５の外縁で囲まれた領域の面積よりも大きい。

【0105】

このようにして、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２９Ｂ、アノードＡＮ、電解質膜２１、カソードＣＡ、およびカソードセパレーター２９Ａの積層方向から見る平面視において、Ｏリング４５の外縁は、Ｏリング４５Ｃの外縁内に収まっている。なお、このとき、上記の積層方向から見る平面視において、Ｏリング４５Ｃの外縁は、カソードセパレーター２９Ａの外縁内に収まっている。

【0106】

＜第２圧力形成部材の構成＞
図８は、図１の第２圧力形成部材の一例を図１のバイポーラプレートおよび水素ポンプユニットと共に示す図である。

【0107】

図９は、図８の第２圧力形成部材の分解斜視図を示す図である。具体的には、第２圧力形成部材４６を構成する一対の部材を図８のＡ－Ａ部から斜視した図、および、両者を一体化した図が示されている。なお、図８の第２圧力形成部材４６では、説明の便宜上、Ｏリング４５Ａのみが示されている。また、図９では、Ｏリングを省略した図が示されている。

【0108】

図１０は、図８の第２圧力形成部材を上方から見た図である。具体的には、第２圧力形成部材４６を構成する部材を図８のＢ－Ｂ部から平面視した図が示されている。

【0109】

図８および図９に示すように、プレート４６Ａには、カソードガスを溜めるための空間ＳＡが形成され、プレート４６Ｂには、カソードガスが流れる第１カソードガス導出マニホールド２３５および第２カソードガス導出マニホールド２３６と、第１カソードガス導出マニホールド２３５から流入したカソードガスを空間ＳＡに導くための連絡路２３７が設けられている。空間ＳＡから溢れたカソードガスは、連絡路２３８を通じて第２カソードガス導出マニホールド２３６に導かれる。

【0110】

ここで、プレート４６Ａの構成は、以下に説明するＯリング４５ＡおよびＯリング溝５０Ａの構成以外は、カソードセパレーター２９Ａの構成と同様である。具体的には、例えば、カソードセパレーター２９Ａの空間Ｓおよびプレート４６Ａの空間ＳＡは同一形状である。また、カソードセパレーター２９Ａの連通孔７０およびプレート４６Ａの連通孔２７０は同一形状であり、カソードセパレーター２９Ａの連通孔７１およびプレート４６Ａの連通孔２７１は同一形状である。よって、プレート４６Ａの構成の詳細な説明は省略する。

【0111】

また、プレート４６Ｂの構成は、アノードセパレーター２９Ｂの構成と同様である。具体的には、例えば、アノードセパレーター２９Ｂの連絡路３７およびプレート４６Ｂの連絡路２３７は同一形状であり、アノードセパレーター２９Ｂの連絡路３８およびプレート４６Ｂの連絡路２３８は同一形状である。また、プレート４６Ｂには、アノードセパレーター２９Ｂと同様、プレート４６Ｂの連絡路２３７および連絡路２３８が設けられた面に冷却流路２６０（図９参照）が設けられるとともに、プレート４６Ｂの連絡路２３７および連絡路２３８が設けられた面と反対側の面にアノードガス流路２３０（図１０参照）が設けられている。よって、プレート４６Ｂの構成の詳細な説明は省略する。

【0112】

電気化学式水素ポンプ１００の水素圧縮動作開始後の適時において、カソードＣＡで生成されたカソードガスが第１カソードガス導出マニホールド２３５を通過する際に、第１カソードガス導出マニホールド２３５から分岐したカソードガスは、図９の点線矢印で示す如く、連絡路２３７および連通孔２７０をこの順に流れて、プレート４６Ａの凹部（空間ＳＡ）に供給される。なお、空間ＳＡがカソードガスで満たされると、空間ＳＡから溢れたカソードガスは、図９の点線矢印で示す如く、連通孔２７１および連絡路２３８をこの順に流れて、第２カソードガス導出マニホールド２３６に導かれる。

【0113】

このようにして、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、プレート４６Ｂの連絡路２３７を通じて、プレート４６Ｂの第１カソードガス導出マニホールド２３５からプレート４６Ａの空間ＳＡに高圧のカソードガスを適切に供給することができる。

【0114】

ここで、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、図１および図８に示すように、アノード端板１６と一方の端に位置するアノードセパレーター（本例では、プレート４６Ｂ）との間に設けられ、カソードガスを溜めるための空間ＳＡの外周を囲むＯリング４５Ａが設けられている。具体的には、プレート４６Ａには、空間ＳＡが形成された側の主面（プレート４６Ａおよびプレート４６Ｂ間の接合面と反対側の主面）上に、平面視において、空間ＳＡの領域を囲むＯリング溝５０Ａが設けられ、Ｏリング４５Ａが、Ｏリング溝５０Ａに保持されている。これにより、空間ＳＡに存在する高圧のカソードガスは、Ｏリング４５Ａによってシールされ、Ｏリング４５Ａで囲まれた領域内から外部に漏れることが適切に抑制される。

【0115】

さらに、図８の寸法Ｌおよび寸法ＬＡで示すように、Ｏリング４５Ａで囲まれた領域の面積は、Ｏリング４５で囲まれた領域の面積よりも大きい。図８に示す例では、Ｏリング４５Ａの外縁で囲まれた領域の面積が、Ｏリング４５の外縁で囲まれた領域の面積よりも大きい。

【0116】

このようにして、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２９Ｂ、アノードＡＮ、電解質膜２１、カソードＣＡ、およびカソードセパレーター２９Ａの積層方向から見る平面視において、Ｏリング４５の外縁は、Ｏリング４５Ｃの外縁内に収まっている。なお、このとき、上記の積層方向から見る平面視において、Ｏリング４５Ａの外縁は、カソードセパレーター２９Ａの外縁内に収まっている。

【0117】

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１０を構成する部材間の接触抵抗を従来よりも適切に低減し得る。

【0118】

具体的には、Ｏリング４５Ｃで囲まれた領域のカソードガスのガス圧は、水素ポンプユニット１０における、Ｏリング４５で囲まれた領域のカソードガスのガス圧とほぼ同等の高圧である。また、Ｏリング４５Ｃで囲まれた領域のカソードガスのガス圧によってカソードセパレーター２９Ａに付与される荷重は、カソードセパレーター２９Ａが、Ｏリング４５で囲まれた領域のカソードガスのガス圧に起因してカソード端板１５側に撓むことを抑えるように作用する。これにより、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１０を構成する部材間の隙間が発生しにくくなる。

【0119】

ここで、仮に、Ｏリング４５Ｃで囲まれた領域の面積がＯリング４５で囲まれた領域の面積よりも小さいと、平面視において、Ｏリング４５で囲まれた領域の一部が、Ｏリング４５Ｃで囲まれた領域の中に収まらない。すると、上記領域の一部に対向するカソードセパレーター２９Ａの部分が、カソード端板１５側に撓む可能性がある。

【0120】

これに対して、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、Ｏリング４５Ｃで囲まれた領域の面積をＯリング４５で囲まれた領域の面積よりも大きくすることで、平面視において、前者の領域によって後者の領域の全体を収めることができる。このため、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、Ｏリング４５で囲まれた領域に対向するカソードセパレーター２９Ａ全域に上記の撓み変形を抑える荷重を付与することができるので、水素ポンプユニット１０を構成する部材間の接触抵抗を従来よりも適切に低減し得る。

【0121】

さらに、Ｏリング４５Ａで囲まれた領域のカソードガスのガス圧は、水素ポンプユニット１０における、Ｏリング４５で囲まれた領域のカソードガスのガス圧とほぼ同等の高圧である。また、Ｏリング４５Ａで囲まれた領域のカソードガスのガス圧によってアノードセパレーターに付与される荷重は、アノードセパレーターがＯリング４５で囲まれた領域のカソードガスのガス圧に起因してアノード端板１６側に撓むことを抑えるように作用する。これにより、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１０を構成する部材間の隙間が発生しにくくなる。

【0122】

ここで、仮に、Ｏリング４５Ａで囲まれた領域の面積がＯリング４５で囲まれた領域の面積よりも小さいと、平面視において、Ｏリング４５で囲まれた領域の一部が、Ｏリング４５Ａで囲まれた領域の中に収まらない。すると、上記領域の一部に対向するアノードセパレーターの部分が、アノード端板１６側に撓む可能性がある。

【0123】

これに対して、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、Ｏリング４５Ａで囲まれた領域の面積をＯリング４５で囲まれた領域の面積よりも大きくすることで、平面視において、前者の領域によって後者の領域の全体を収めることができる。このため、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、Ｏリング４５で囲まれた領域に対向するアノードセパレーター全域に上記の撓み変形を抑える荷重を付与することができるので、水素ポンプユニット１０を構成する部材間の接触抵抗を従来よりも適切に低減し得る。

【0124】

例えば、図５に示す例においては、仮に、Ｏリング４５Ｃの外縁で囲まれた領域の面積がＯリング４５の外縁で囲まれた領域の面積よりも小さいと、平面視において、Ｏリング４５の外縁で囲まれた領域の一部が、Ｏリング４５Ｃの外縁で囲まれた領域の中に収まらない。

【0125】

すると、上記領域の一部に対向するカソードセパレーター２９Ａの部分が、カソード端板１５側に撓む可能性があるが、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、図５に示す如く、Ｏリング４５Ｃの外縁で囲まれた領域の面積をＯリング４５の外縁で囲まれた領域の面積よりも大きくすることで、以上のような不都合を軽減することができる。具体的には、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２９Ｂ、アノードＡＮ、電解質膜２１、カソードＣＡ、およびカソードセパレーター２９Ａの積層方向から見る平面視において、Ｏリング４５の外縁がＯリング４５Ｃの外縁内に収まることで、Ｏリング４５の外縁で囲まれた領域に対向するカソードセパレーター２９Ａ全域に上記の撓み変形を抑える荷重を付与することができる。

【0126】

なお、Ｏリング４５およびＯリング４５Ｃのそれぞれの外縁を基準に、以上の領域面積の大小関係を定める理由は、以下のとおりである。

【0127】

Ｏリング４５およびＯリング４５Ｃは、これらに当接する部材の押圧によって上下方向につぶれることでシール力を発揮する。ここで、電気化学式水素ポンプ１００の水素圧縮動作中は、図５の拡大図の細い矢印で示す如く、Ｏリング４５Ｃ（Ｏリング４５も同じ）に対して内縁から外縁に向かう方向（水平方向）にカソードガスのガス圧力が付与されるので、Ｏリング４５Ｃは、Ｏリング溝５０Ｃの側部に密着するように圧縮変形する。すると、Ｏリング４５Ｃの線径が垂直方向に拡大する方向に、Ｏリング４５Ｃの弾性力が、Ｏリング４５Ｃに当接する部材に作用する。換言すると、図５の拡大図の太い矢印で示すように、Ｏリング４５Ｃの外縁までの領域でＯリング４５Ｃに当接するプレート４４Ａおよびカソードセパレーター２９Ａのそれぞれには、上記のカソードガスのガス圧およびシール力に起因するＯリング４５Ｃの弾性力が上向きおよび下向きのそれぞれの方向に作用する。そして、このことは、Ｏリング４５およびＯリング４５Ｃのそれぞれの外縁に基づいて以上の領域面積の大小関係を定めることが、水素ポンプユニット１０を構成する各部材に作用する押圧力の導出において適当であることを意味する。

【0128】

また、図８に示す例においては、仮に、Ｏリング４５Ａの外縁で囲まれた領域の面積がＯリング４５の外縁で囲まれた領域の面積よりも小さいと、平面視において、Ｏリング４５の外縁で囲まれた領域の一部が、Ｏリング４５Ａの外縁で囲まれた領域の中に収まらない。

【0129】

すると、上記領域の一部に対向するアノードセパレーターの部分が、アノード端板１６側に撓む可能性があるが、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、図８に示す如く、Ｏリング４５Ａの外縁で囲まれた領域の面積をＯリング４５の外縁で囲まれた領域の面積よりも大きくすることで、以上のような不都合を軽減することができる。具体的には、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２９Ｂ、アノードＡＮ、電解質膜２１、カソードＣＡ、およびカソードセパレーター２９Ａの積層方向から見る平面視において、Ｏリング４５の外縁がＯリング４５Ａの外縁内に収まることで、Ｏリング４５の外縁で囲まれた領域に対向するアノードセパレーター全域に上記の撓み変形を抑える荷重を付与することができる。

【0130】

＜第１圧力形成部材におけるＯリング溝およびリング材の構成＞
図１１は、Ｏリングの内部に存在する高圧のカソードガスによってＯリングの一部が隙間内にはみ出す現象の一例を示す図である。図１２は、図１の第１圧力形成部材の一例を示す図である。

【0131】

図１２に示すように、第１圧力形成部材４４において、リング材９０は、Ｏリング４５Ｃの外縁に隣接し、Ｏリング４５Ｃを囲むバックアップリングである。リング材９０は、Ｏリング溝５０Ｃに保持されている。なお、リング材９０の材料として、例えば、耐酸性および耐水素脆性の視点からＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＣＴＦＥ（ポリクロロトリフルオロエチレン）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）などを挙げることができるが、これらに限定されない。ただし、リング材９０は、ＰＴＦＥよりも曲げ弾性率が高い材料で構成する方が適当である。以下の表１には、上記樹脂材料のそれぞれの曲げ弾性率および引張強度に関する物性データが示されている。

【0132】

【表1】

ここで、Ｏリング４５Ｃで空間ＳＣがシールされる際に、Ｏリング４５Ｃに当接する部材間には、Ｏリング４５Ｃで囲まれた領域のカソードガスのガス圧によって、図１１に示す如く、隙間Ｇが発生する場合がある。この場合、Ｏリング４５Ｃを囲むリング材が設けられていないときは、Ｏリング４５Ｃの一部が、Ｏリング４５Ｃの内部に存在するカソードガスのガス圧によって隙間Ｇ内にはみ出す可能性がある（図１１参照）。すると、Ｏリング４５Ｃが破損することで、Ｏリング４５Ｃのシール性が低下する可能性がある。

【0133】

これに対して、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、Ｏリング４５Ｃの外縁に隣接するようにＯリング４５Ｃを囲むリング材９０を設けることで、Ｏリング４５Ｃが隙間Ｇ内にはみ出すことが抑制され、その結果、Ｏリング４５Ｃが破損することが改善される。

【0134】

ここで、以下、Ｏリング溝５０Ｃの外周面およびリング材９０の外周面が、Ｏリング溝５０Ｃの開口面に対して直交する場合におけるＯリング４５Ｃのシール性の問題について検討する。例えば、Ｏリング溝として一般的な円筒溝が形成されているときは、リング材として一般的な円筒状のバックアップリングが使用される。

【0135】

しかし、上記の場合、Ｏリング４５Ｃが隙間Ｇ内にはみ出すことが抑制されるが、円筒状のリング材が、Ｏリング４５Ｃの内部に存在するカソードガスのガス圧をＯリング４５Ｃを介して受けることに起因して変形しても、リング材が隙間Ｇを埋めるようには変形しない場合がある。このため、この隙間Ｇを通じてカソードガスが外部に漏洩しやすくなる。

【0136】

そこで、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、上記の問題を軽減すべく、リング材９０の外周面およびＯリング溝５０Ｃの外周面がともに、Ｏリング溝５０Ｃの開口に向かって広がるように勾配が設けられている。

【0137】

図１３は、図１の第１圧力形成部材におけるＯリング溝およびリング材の一例を示す図である。

【0138】

図１３に示す例では、リング材９０は、第１リング部９０Ａと、第２リング部９０Ｂとを備える。

【0139】

第１リング部９０Ａは、Ｏリング４５Ｃの外縁に隣接するようにＯリング４５Ｃを囲む円筒部材で構成されている。第１リング部９０Ａの内側面とＯリング４５Ｃの外縁とが接触するとともに、第１リング部９０Ａの両端面がそれぞれ、Ｏリング溝５０Ｃの底面およびバイポーラプレート２９の主面のそれぞれと接触するように、Ｏリング溝５０Ｃ内に配されている。第１リング部９０Ａの材料として、例えば、ＰＣＴＦＥを用いることができるが、これに限定されない。

【0140】

第２リング部９０Ｂは、断面が直角三角形である環状部材で構成されている。第２リング部９０Ｂは、断面視において直角を構成する２辺のうちの短辺（角度θに直目するときの隣辺）を含む水平面がバイポーラプレート２９の主面と面接触するとともに、上記２辺のうちの長辺（角度θに直目するときの対辺）を含む鉛直面が、第１リング部９０Ａの外側面と面接触するように、Ｏリング溝５０Ｃ内に配されている。そして、第２リング部９０Ｂの断面視における、直角と相対する斜辺を含む傾斜側面は、Ｏリング溝５０Ｃの傾斜側面と面接触している。第２リング部９０Ｂの材料として、例えば、ＰＥＥＫを用いることができるが、これに限定されない。

【0141】

このように、図１３に示す例では、第２リング部９０Ｂの傾斜側面が、本開示の「リング材の外周面」の一例に対応する。また、Ｏリング溝５０Ｃの傾斜側面が、本開示の「溝部の外周面」の一例に対応する。

【0142】

図１３の角度θは、電気化学式水素ポンプ１００の運転条件、ならびに、リング材９０およびＯリング４５Ｃの形状、材質などに基づいて適宜の値に設定することができるが、一例として、約６０°程度であってもよい。

【0143】

以上のとおり、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、カソードガスを溜めるための凹部（空間ＳＣ）をシールするＯリング４５Ｃのシール性を従来よりも改善し得る。具体的には、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、第２リング部９０Ｂの傾斜側面およびＯリング溝５０Ｃの傾斜側面が、Ｏリング溝５０Ｃの開口に向かって広がるように勾配が設けられている。よって、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、Ｏリング４５Ｃの内部に存在するカソードガスのガス圧によってＯリング４５Ｃに当接する部材間に隙間Ｇ（図１１参照）が発生しても、上記ガス圧は、第２リング部９０Ｂの傾斜側面をＯリング溝５０Ｃの傾斜側面に対して下方に滑らす方向に作用するので、第２リング部９０Ｂの一部（断面視における角度θを構成する部分）が、隙間Ｇを埋めるように隙間Ｇ内に進入しやすくなる。これにより、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、Ｏリング溝５０Ｃの外周面およびリング材の外周面が、Ｏリング溝５０Ｃの開口面に対して直交する場合に比べて、上記隙間Ｇを通じて、Ｏリング４５Ｃの内部に存在するカソードガスが外部に漏洩する可能性を低減することができる。なお、隙間Ｇ内に進入したリング材９０の一部が破損する可能性はあるが、リング材９０の存在によりＯリング４５Ｃが隙間Ｇ内にはみ出し破損することは抑制されるので、Ｏリング４５Ｃの内部に存在するカソードガスが外部に漏洩する可能性は低減される。

【0144】

また、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、リング材９１が、第１リング部９０Ａと第２リング部９０Ｂとを備えるので、第１リング部９０Ａおよび第２リング部９０Ｂのそれぞれに適した曲げ弾性率の材料を選択することができる。

【0145】

なお、以上のＯリング溝５０Ｃおよびリング材９０は例示であって、本例に限定されない。リング材の他の例は、第１変形例で説明する。

【0146】

［構造解析（シミュレーション）］
本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００が奏する作用効果について、以下の構造解析によって検証した。

【0147】

＜解析ソフト＞
以下の構造解析は、市販の構造解析ソフトである「Ａｎｓｙｓ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ（
登録商標）」により行われた。

【0148】

＜解析モデルおよび解析条件＞
図１４Ａは、構造解析で使用した２次元解析モデルの一例を示す図である。

【0149】

図１４Ａの解析モデルにおいて、物性条件として、プレート４４Ａおよびバイポーラプレート２９のそれぞれに対応に対応する各解析領域内のメッシュ（図示せず）に対して、ＳＵＳ３１６Ｌの曲げ弾性率を付与した。

【0150】

第１リング部９０Ａに対応する解析領域の大きさは、１．２５ｍｍ×２．４ｍｍであり、物性条件として、この解析領域内のメッシュ（図示せず）に対して、ＰＣＴＦＥの曲げ弾性率（表１参照）を付与した。

【0151】

第２リング部９０Ｂに対応する解析領域の大きさは、隣辺の長さが１．３９ｍｍであって角度θが６０°であり、物性条件として、この解析領域内のメッシュ（図示せず）に対して、ＰＫＫＥの曲げ弾性率（表１参照）を付与した。

【0152】

上記解析領域以外は空間である。つまり、第１リング部９０Ａおよび第２リング部９０Ｂのそれぞれに対応する各解析領域と、バイポーラプレート２９に対応する解析領域との間には、隙間Ｇに対応する、０．２ｍｍの空間を設定した。

【0153】

解析モデルにおいて、境界条件として、第１リング部９０Ａに対応する解析領域内のメッシュに対して、図１４Ａの矢印の如く、１４５ＭＰａの押圧力を付与した。また、以上の部材間の境界に対応する解析領域内のメッシュに対して、摩擦係数として、０．１を付与した。

【0154】

＜解析結果＞
図１４Ｂは、構造解析による結果の一例を示す図である。図１４Ｂには、解析領域内のメッシュにおける応力分布のコンター図が示されており、グレースケールの色が淡くなるほど、応力が高い領域である。また、第１リング部９０Ａおよび第２リング部９０Ｂに対応する解析領域において、応力の計算結果の一例が数値で出力されている。

【0155】

図１４Ｂで示すように、太い矢印で示す如く、第２リング部９０Ｂに対応する解析領域の角部が隙間Ｇを埋めるように隙間Ｇ内に進入する現象が確認された。この解析領域の上方には、上記現象に起因する空間２００が形成されていることがわかる。以上により、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００が奏する作用効果を構造解析によって検証することができた。

【0156】

（第１変形例）
第１変形例の電気化学式水素ポンプ１００は、以下に説明する第１圧力形成部材４４におけるリング材１９０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。

【0157】

図１５は、図１の第１圧力形成部材におけるＯリング溝およびリング材の一例を示す図である。

【0158】

図１５に示すように、リング材１９０は、Ｏリング４５Ｃの外縁に隣接し、Ｏリング４５Ｃを囲むバックアップリングである。リング材１９０は、Ｏリング溝５０Ｃに保持されている。なお、リング材１９０の材料として、例えば、耐酸性および耐水素脆性の視点からＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＣＴＦＥ（ポリクロロトリフルオロエチレン）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）などを挙げることができるが、これらに限定されない。ただし、リング材１９０は、ＰＴＦＥよりも曲げ弾性率が高い材料で構成する方が適当である。

【0159】

図１５に示す例では、リング材１９０は、鉛直面がＯリング４５Ｃの外縁に隣接するようにＯリング４５Ｃを囲み、断面が台形である環状部材で構成されている。リング材１９０は、断面視において水平下面がバイポーラプレート２９の主面と面接触するとともに、水平上面がＯリング溝５０Ｃの底面に面接触するようにＯリング溝５０Ｃ内に配されている。そして、リング材１９０の断面視における、鉛直線と相対する斜辺を含む傾斜側面は、Ｏリング溝５０Ｃの傾斜側面と面接触している。リング材１９０の材料として、例えば、ＰＥＥＫを用いることができるが、これに限定されない。

【0160】

図１５の角度θは、電気化学式水素ポンプ１００の運転条件、ならびに、リング材９０およびＯリング４５Ｃの形状、材質などに基づいて適宜の値に設定することができるが、一例として、約６０°程度であってもよい。

【0161】

このように、図１５に示す例では、リング材１９０の傾斜側面が、本開示の「リング材の外周面」の一例に対応する。また、Ｏリング溝５０Ｃの傾斜側面が、本開示の「溝部の外周面」の一例に対応する。

【0162】

以上のとおり、本変形例の電気化学式水素ポンプ１００は、リング材１９０の傾斜側面およびＯリング溝５０Ｃの傾斜側面がともに、Ｏリング溝５０Ｃの開口に向かって広がるように勾配が設けられている。よって、本変形例の電気化学式水素ポンプ１００は、Ｏリング４５Ｃの内部に存在するカソードガスのガス圧によって、Ｏリング４５Ｃに当接する部材間に隙間Ｇ（図１１参照）が発生しても、上記ガス圧は、リング材１９０の傾斜側面をＯリング溝５０Ｃの傾斜側面に対して下方に滑らす方向に作用するので、リング材１９０の一部（断面視における角度θを構成する部分）が、隙間Ｇを埋めるように隙間Ｇ内に進入しやすくなる。これにより、本変形例の電気化学式水素ポンプ１００は、Ｏリング溝の外周面およびリング材の外周面が、Ｏリング溝５０Ｃの開口面に対して直交する場合に比べて、上記隙間Ｇを通じて、Ｏリング４５Ｃの内部に存在するカソードガスが外部に漏洩する可能性を低減することができる。

【0163】

また、本変形例の電気化学式水素ポンプ１００では、リング材１９０が単一の部材で構成されているので、上記のリング材９０に比べて、部品点数を削減することができる。

【0164】

［構造解析（シミュレーション）］
本変形例の電気化学式水素ポンプ１００が奏する作用効果について、以下の構造解析によって検証した。

【0165】

＜解析ソフト＞
以下の構造解析は、市販の構造解析ソフトである「Ａｎｓｙｓ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ（
登録商標）」により行われた。

【0166】

＜解析モデルおよび解析条件＞
本変形例の解析モデルおよび解析条件は、実施形態の解析モデルおよび解析条件の参酌により容易に理解できるので説明を省略する。

【0167】

＜解析結果＞
図１６は、構造解析による結果の一例を示す図である。図１６には、解析領域内のメッシュにおける応力分布のコンター図が示されており、グレースケールの色が淡くなるほど、応力が高い領域である。

【0168】

図１６で示すように、リング材１９０に対応する解析領域の角部が隙間Ｇを埋めるように隙間Ｇ内に進入する現象が確認された。これにより、本変形例の電気化学式水素ポンプ１００が奏する作用効果を構造解析によって検証することができた。

【0169】

本変形例の電気化学式水素ポンプ１００は、上記特徴以外は、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。

【0170】

（第２変形例）
図１７は、第２実施形態の第２変形例の電気化学式水素ポンプにおける第２圧力形成部材の一例を示す図である。

【0171】

図１７に示すように、第２圧力形成部材４６において、リング材９１は、Ｏリング４５Ａの外縁に隣接し、Ｏリング４５Ａを囲むバックアップリングである。リング材９１は、Ｏリング溝５０Ｃに保持されている。なお、リング材９１の材料として、例えば、耐酸性および耐水素脆性の視点からＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＣＴＦＥ（ポリクロロトリフルオロエチレン）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）などを挙げることができるが、これらに限定されない。

【0172】

本変形例の電気化学式水素ポンプ１００では、リング材９１の外周面およびＯリング溝５０Ａの外周面がともに、Ｏリング溝５０Ａの開口に向かって広がるように勾配が設けられている。このようなＯリング溝５０Ａおよびリング材９１の構成は、上記の第１圧力形成部材４４の説明から容易に理解できるので詳細な説明を省略する。

【0173】

また、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、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説明を省略する。

【0174】

本変形例の電気化学式水素ポンプ１００は、上記特徴以外は、実施形態または実施形態の第１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。

【0175】

（第３変形例）
上記では、水素ポンプユニット１０が積層された積層体の上下方向のそれぞれに、第１圧力形成部材４４および第２圧力形成部材４６がそれぞれ配置されているが、これに限定されない。積層体の上下方向のいずれか一方にのみ、圧力形成部材が配置されていてもよい。この場合、圧力形成部材が配置されていない側の端板の撓み剛性を、圧力形成部材が配置されている側の端板の撓み剛性よりも高くすることで対向可能である。

【0176】

本変形例の電気化学式水素ポンプ１００は、上記特徴以外は、実施形態および実施形態の第１変形例－第２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。

【0177】

実施形態および実施形態の第１変形例－第３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。

【0178】

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のシール構成は、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】

【0179】

本開示の一態様は、圧縮水素を溜めるための凹部をシールするシール材のシール性を従来よりも改善し得る。

【符号の説明】

【0180】

１０ ：水素ポンプユニット
１１ ：流体集配部材
１１Ａ ：排出口
１２ ：絶縁板
１３ ：絶縁板
１４ ：流体集配部材
１４Ａ ：排出口
１５ ：カソード端板
１６ ：アノード端板
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
２８ ：枠体
２９ ：バイポーラプレート
２９Ａ ：カソードセパレーター
２９Ｂ ：アノードセパレーター
３０ ：アノードガス流路
３１ ：アノードガス導入マニホールド
３２ ：アノードガス導出マニホールド
３５ ：第１カソードガス導出マニホールド
３６ ：第２カソードガス導出マニホールド
３７ ：連絡路
３８ ：連絡路
４０ ：面シール材
４１ ：Ｏリング
４２ ：Ｏリング
４４ ：第１圧力形成部材
４４Ａ ：プレート
４４Ｂ ：プレート
４５ ：Ｏリング
４５Ａ ：Ｏリング
４５Ｃ ：Ｏリング
４６ ：第２圧力形成部材
４６Ａ ：プレート
４６Ｂ ：プレート
４８ ：封止板
５０ ：Ｏリング溝
５０Ａ ：Ｏリング溝
５０Ｃ ：Ｏリング溝
５１ ：Ｏリング溝
５２ ：Ｏリング溝
６０ ：冷却流路
６１ ：冷却媒体導入マニホールド
６２ ：冷却媒体導出マニホールド
７０ ：連通孔
７１ ：連通孔
９０ ：リング材
９０Ａ ：第１リング部
９０Ｂ ：第２リング部
９１ ：リング材
１００ ：電気化学式水素ポンプ
１０１ ：端子
１０２ ：電圧印加器
１０３ ：端子
１３５ ：第１カソードガス導出マニホールド
１３６ ：第２カソードガス導出マニホールド
１３７ ：連絡路
１３８ ：連絡路
１７０ ：連通孔
１７１ ：連通孔
１９０ ：リング材
２００ ：空間
２３０ ：アノードガス流路
２３５ ：第１カソードガス導出マニホールド
２３６ ：第２カソードガス導出マニホールド
２３７ ：連絡路
２３８ ：連絡路
２６０ ：冷却流路
２７０ ：連通孔
２７１ ：連通孔
ＡＮ ：アノード
ＣＡ ：カソード
ＣＣＭ ：触媒層付き膜
Ｇ ：隙間
Ｓ ：空間
ＳＡ ：空間
ＳＣ ：空間

【要約】

圧縮水素を生成する圧縮装置は、電解質膜、前記電解質膜の一方の主面上に設けられたアノード、前記電解質膜の他方の主面上に設けられたカソード、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む、少なくとも１つの圧縮ユニットを備え、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、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、前記カソード端板と前記他方の端に位置するカソードセパレーターとの間、または、前記アノード端板と前記一方の端に位置するアノードセパレーターとの間に設けられた板状部材とを備え、前記板状部材には、圧縮水素を溜めるための凹部と、前記凹部の外周を囲む溝部とが設けられ、前記溝部には、シール材と、前記シール材の外縁に隣接し、前記シール材を囲むリング材と、が設けられ、前記溝部の外周面および前記リング材の外周面はともに、前記溝部の開口に向かって広がるように勾配が設けられている。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14A】

【図14B】

【図15】

【図16】

【図17】