JP2017218668A

JP2017218668A - 電気化学式水素ポンプ

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Publication number: JP2017218668A
Application number: JP2017002246A
Authority: JP
Inventors: 徳彦川畑; Norihiko Kawabata; 和也後川; Kazuya Atokawa; 信治吉野; Shinji Yoshino; 脇田　英延; Hidenobu Wakita; 英延脇田
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2016-06-06
Filing date: 2017-01-11
Publication date: 2017-12-14
Anticipated expiration: 2037-01-11
Also published as: JP6719054B2

Abstract

【課題】電気化学式水素ポンプにおいてガス拡散層とシールのスキマを無くすること。【解決手段】一方の面にアノード電極とアノード拡散層とが位置し、他方の面にカソード電極とアカソード拡散層とが位置する電解質膜と、上記アノード拡散層を取り囲む開口を有するアノードシールと、上記カソード拡散層を取り囲む開口を有するカソードシールと、上記アノードシールの外側に位置するアノードセパレータと、上記カソードシールの外側に位置するカソードセパレータと、を含み、上記アノード拡散層および上記カソード拡散層の外側面は第１傾斜面であり上記アノードシールおよび上記カソードシールの内曲面は第２傾斜面であり、上記第１傾斜面と上記第２傾斜面とは組み合わされ合わせ面を形成し、上記合わせ面は、上記カソード電極層と上記アノード電極に対して、傾斜している電気化学式水素ポンプを用いる。【選択図】図５

Description

本発明は、電気化学式水素ポンプに関するものである。特に、水素を圧縮する電気化学式水素ポンプに関するものである。

水素を燃料とする家庭用燃料電池は、その開発の進展とともに普及が進んでいる。さらに近年、家庭用燃料電池と同様に水素を燃料とする燃料電池車の量産、市販が開始されるに至った。しかしながら、家庭用燃料電池が既存の都市ガスと既存の商用電力を利用できるのと異なり、燃料電池車には水素インフラが不可決である。

従って、燃料電池車が今後拡大普及するには、水素インフラとしての水素ステーションの拡充が必要である。しかしながら、現在の水素ステーショには大規模な設備と用地が必要であり、したがって膨大な費用を必要とする。この点が燃料電池車普及のための解決すべき大きな課題となっている。

そこで、大型の水素ステーションに代わるものとして、コンパクトで安価な小型の家庭用水素充填装置の開発が望まれている。この小型水素充填装置の開発の中で最も重要なのは、水素を圧縮する圧縮機の開発であり、現在注目されているのは、電気化学的に水素を昇圧できる電気化学式水素ポンプである。

電気化学式水素ポンプは従来の機械式水素圧縮装置に比べ、コンパクトであること、効率が高いこと、機械的動作部分がないのでメンテナンスが必要ないこと、騒音がほとんどないなどメリットが多くその実用化開発が切望されている。

現在、小型水素充填装置用として想定されている方式は、家庭用燃料電池の燃料改質装置を使って発生した水素を、燃料電池としての運転が停止している時に、電気化学式水素ポンプを使って電気化学的に水素を圧縮する方法である。このような電気化学式水素ポンプによれば、前記のメリットのほか、高々７５％である燃料改質装置を使って発生した水素の濃度をほぼ１００％の水素に改善し、かつ、燃料電池車に充填可能な超高圧力まで原理的には昇圧可能である。

また、その構造は家庭用燃料電池の中の発電スタックとほぼ同様である。燃料電池の発電スタックと大きく異なる点は、低圧水素を供給するアノード極に比べ、カソード極の圧力が燃料電池車に水素を充填できる超高圧以上となる必要があり、両極の間に介在する電解質膜の支持構造には特殊構造が必要なことである。

図１に従来の燃料電池の発電スタック１の構造を示す。図１においては、アノード電極層３およびカソード電極層４が形成された電解質膜２の両面をアノード拡散層５およびカソード拡散層６で挟み込み、さらにその外側をアノードセパレータ７およびカソードセパレータ８で挟み込み、その外側をアノード絶縁板１１およびカソード絶縁板１２で挟み込んだあとボルト１３とナット１４で締結されている。

また、アノード拡散層５およびカソード拡散層６の周囲にはガスが外部にもれないようにアノードシール９およびカソードシール１０が取り付いている。燃料電池の発電スタック１を水素ポンプとして使用する場合は、アノード入り口１５は低圧水素を供給するために使用し、アノード出口１６は余剰の低圧水素を回収するために使用し、カソード入り口１７は高圧水素を取り出すために使用し、カソード出口１８は使わないので封止する。このように各配管口を接続し、アノード入り口１５から低圧水素を供給し、アノード流路７ａに低圧の水素を流した状態で電圧印加部１９によりアノードセパレータ７とカソードセパレータ８の間に電圧をかけると、アノード電極層３では、水素がプロトンと電子に式１で解離する。

アノード電極：Ｈ_２（低圧）→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻・・・（式１）
アノード電極層３で解離したプロトンは水分子を同伴して電解質膜２を移動し、電子はアノード拡散層５からアノードセパレータ７を通り、電圧印加部１９を介してカソードセパレータ８およびカソード拡散層６さらにはカソード電極層４に移動する。また、カソード電極側では、電解質膜２を移動してきたプロトンと、カソード拡散層６から伝わってきた電子とによる還元反応が行われ、水素が生成される。このとき、カソード入り口１７を閉止するとカソード流路８ｂ内の水素ガス圧が上昇し、高圧の水素ガスとなる。
カソード電極：２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２（高圧）・・・（式２）
ここでアノード側の水素の圧力Ｐ１とカソード側の水素の圧力Ｐ２と電圧Ｅとの関係は下の式３で示される。

Ｅ＝（ＲＴ／２Ｆ）ｌｎ（Ｐ２／Ｐ１）＋ｉｒ・・・（式３）
式１中において、気体定数（８．３１４５Ｊ／Ｋ・ｍｏｌ）をＲ、セルの温度ＫをＴ、ファラデー定数（９６４８５Ｃ／ｍｏｌ）をＦ、カソード側圧力をＰ２、アノード側圧力をＰ１、電流密度（Ａ／ｃｍ^２）をｉ、セル抵抗（Ω・ｃｍ^２）をｒで示している。

式３から明らかなように、電圧を上げればカソード側の水素の圧力Ｐ２が上昇することが分かる。

しかしながら、アノード拡散層５とアノードシール９の間、および、カソード拡散層６とカソードシール１０の間には、組み立てるためのアノード側スキマ２０およびカソード側スキマ２１が必ず必要である。

つまり、図２Ａの斜視図に示す直径φｄの円盤形状のアノード拡散層５を、図２Ｂの斜視図に示す内径φＤの穴（開口）を有する環形状のアノードシール９の穴（開口）の中に組み込むには、直径φｄよりも内径φＤが大きい必要がある。この結果組み込みが完了した後には図３の幅δのアノード側スキマ２０が発生する。なお、アノード側スキマ２０の幅δは、直径φｄと内径φＤの差のおよそ半分である。例えば、アノード拡散層５の大きさが直径φ１００ｍｍのときは、アノード側スキマ２０の幅δは０．１ｍｍ程度となるように直径φｄや内径φＤの基準寸法を設計するのが通常である。

なぜなら、直径φｄと内径φＤの差を小さく設計し過ぎると、アノード拡散層５やアノードシール９の製作上の寸法バラツキにより直径ｄと内径Ｄの大小関係が逆転し、アノード拡散層５をアノードシール９の穴（開口）の中に組み込めなくなる場合が発生するからである。さらに、アノード拡散層５やアノードシール９の製作後に寸法検査をして合格品だけを使用することも考えられるが、このようにするとアノード拡散層５やアノードシール９の歩留まりが低下し、コスト高になるという問題がある。従って、アノード拡散層５やアノードシール９の間には幅０．１ｍｍ程度のアノード側スキマ２０が必要である。

カソード拡散層６とカソードシール１０の場合も同様である。

このようにアノード側スキマ２０やカソード側スキマ２１を有する燃料電池の発電スタック１を水素ポンプとして使用して水素の昇圧を行う場合、高圧側の圧力が上昇するにつれて、このカソード側スキマ２１にかかった水素の圧力により、電解質膜２は高圧側（カソード側）から低圧側（アノード側）に押されるようになる。つまり、高圧側のカソード側スキマ２１から低圧側のアノード側スキマ２０に電解質膜２が垂れ込むように変形してしまうのである。この変形が甚だしくなると電解質膜２に亀裂が生じ、ついには破損に至ることになる。

よって、一般的な燃料電池の発電スタック１を水素ポンプとし使用して昇圧できる水素の圧力はあまり高くなく、燃料電池車へ水素の充填を行うには不十分であると報告されている。そこで、一般的な燃料電池の発電スタックを水素ポンプとして使用し、高圧側と低圧側の圧力差があっても電解質膜に破損が生じないように電解質膜を支持する構造が提案されている（特許文献１）。

図４に、特許文献１記載の電気化学式水素ポンプ２２の模式断面図を示す。特許文献１によれば、高圧がかかる領域つまりカソードシール１０の内側よりも、低圧領域の剛体、つまり、アノード拡散層５のほうが広くなるように構成されている。つまり、アノード側スキマ２０とカソード側スキマ２１とが、同じ位置でない。

このため、高圧が電解質膜２にかかってもその圧力は低圧側の高剛性のアノード拡散層５が受けることができる。したがって、電解質膜２は破損の要因となる曲げ力やせん断力は受けない。よって差圧があっても安全に電解質膜２を支持できるとされている。

国際公開第２０１５／０２００６５号

しかしながら、上記のような構成では、水素の圧縮のために有効に利用されるのはカソード電極層４の部分のみであり、アノード拡散層５がカソード拡散層６よりも広い部分は、高価なＴｉの金属焼結体を拡散層として使いながら有効に利用できない無駄な部分となる。

よって、水素ポンプの製作コストを低減するうえで解決すべき課題となっている。

さらに、上記のような構成では、高圧側のカソード側スキマ２１および低圧側のアノード側スキマ２０によって性能上の問題が発生することがわかってきた。つまり、水素ポンプとして運転中に高圧側のカソード側スキマ２１から低圧側のアノード側スキマ２０に高圧の水素に一部が逆拡散し、せっかく昇圧した水素の圧力が逆拡散によって低下するという問題がある。つまり、水素ポンプとしての効率が低下することになる。

したがって、本願の目的は、コスト抑制の障害とならないようにアノード拡散層の広さとカソード拡散層の広さをほぼ同じ大きさにし、かつ、性能低下なく、差圧による電解質膜の破損を防止できる電気化学式水素ポンプを提供することにある。

上記課題を解決するために、一方の面にアノード電極とアノード拡散層とが位置し、
他方の面にカソード電極とアカソード拡散層とが位置する電解質膜と、上記アノード拡散層を取り囲む開口を有するアノードシールと、上記カソード拡散層を取り囲む開口を有するカソードシールと、上記アノードシールの外側に位置するアノードセパレータと、上記カソードシールの外側に位置するカソードセパレータと、を含み、上記アノード拡散層および上記カソード拡散層の外側面は第１傾斜面であり、上記アノードシールおよび上記カソードシールの内曲面は第２傾斜面であり、上記第１傾斜面と上記第２傾斜面とで合わせ面を形成し、上記合わせ面は、上記カソード電極層と上記アノード電極に対して、傾斜している電気化学式水素ポンプを用いる。

本発明によれば、アノード拡散層５とアノードシール９の間のアノード側スキマ２０や、カソード拡散層６とカソードシール１０とのカソード側スキマ２１が存在しないので電解質膜２がガスに露呈することがない。従って、高圧側から低圧側への水素の濃度拡散に起因する性能低下が抑制される。

燃料電池の発電スタックの従来の一般的構造の模式断面図特許文献２におけるアノード拡散層の立体斜視図特許文献２におけるアノードシールの立体斜視図特許文献２におけるアノード拡散層とアノードシールを組み合わせた場合の立体斜視図特許文献１における電気化学式水素ポンプの模式断面図実施の形態１における電気化学式水素ポンプの模式断面図実施の形態１におけるアノード拡散層の破断斜視図実施の形態１におけるアノードシールの破断斜視図実施の形態１におけるカソード拡散層の破談斜視図実施の形態１におけるカソードシールの破断斜視図実施の形態１における電気化学式水素ポンプの、圧縮前の状態の模式断面図電気化学式水素ポンプの評価装置の模式断面図特許文献２における電気化学式水素ポンプ、および、実施の形態１〜３における電気化学式水素ポンプを図９の電気化学式水素ポンプの評価装置で評価した結果を示す図本発明の実施の形態２における電気化学式水素ポンプの模式断面図本発明の実施の形態３における電気化学式水素ポンプの締結前の状態での模式断面図本発明の実施の形態４における電気化学式水素ポンプの模式断面図

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図５は、実施の形態１における電気化学式水素ポンプ２３の模式断面図である。
＜全体構成＞実施の形態１における電気化学式水素ポンプ２３では、両面にアノード電極層３およびカソード電極層４が形成された電解質膜２を、アノード拡散層５およびカソード拡散層６、アノードセパレータ７およびカソードセパレータ８で挟み込んである。さらに、これらをアノード絶縁板１１およびカソード絶縁板１２で挟み込んだ後、ボルト１３とナット１４で締結されている。また、アノード拡散層５およびカソード拡散層６の周囲にはガスが外部にもれないようにアノードシール９およびカソードシール１０が取り付いている。

電解質膜２は、陽イオン透過膜であり、例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標、デュポン社製）、Ａｃｉｐｌｅｘ（商品名、旭化成株式会社製）等を用いることができる。電解質膜２のアノード側の面には、例えば、ＲｕＩｒＦｅＯｘ触媒を含むアノード電極層３を備え、カソード側の面には例えば白金触媒を含むカソード電極層４を備えている。

また、アノード拡散層５は、カソードセパレータ８内のカソード流路８ｂの高圧水素による電解質膜２の押し付けに耐え得る必要がある。カソード拡散層６としては、例えばチタン繊維焼結体またはチタン粉末焼結体の表面に白金メッキを施したもの等、導電性の多孔質体を用いることができる。

また、カソード拡散層６としては、例えば高弾性な黒鉛化炭素繊維（炭素繊維を２０００℃以上の高温で処理して黒鉛化を進行させたもの）や、チタン粉末焼結体の表面に白金メッキを施した多孔質体等でペーパー状にしたものを用いることができる。

また、アノードシール９およびカソードシール１０は、フッソゴムを圧縮成形によって製作したものを用いることができる。アノードセパレータ７およびカソードセパレータ８は、ＳＵＳ３１６Ｌの板材を切削加工することで、それぞれに、カソード流路８ｂ、アノード流路などを形成したものを用いることができる。

アノード拡散層５とアノードシール９の破断斜視図を図６Ａ，図６Ｂに示す。

図６Ａ，図６Ｂに示すように、アノード拡散層５の外側面を第１傾斜面α１とする。円環状のアノードシール９の内側面は２つの曲面で構成し、紙面上側は第２傾斜面β１、紙面下側は第３傾斜面γ１とする。

カソード拡散層６、カソードシール１０の破断斜視図を図７Ａ、図７Ｂに示す。

同様に、図７Ａ、図７Ｂに示すように、カソード拡散層６の外側面を第１傾斜面α２とする。円環状のカソードシール１０の内側面は、２つの曲面で構成し、紙面下側は第２傾斜面β２、紙面上側は第３傾斜面γ２とする。

なお、アノード拡散層５の外側面と、アノードシール９の内側面とを、傾斜させることが好ましい。つまり、これらの合わせ面Ｓ１が、電解質膜２（電極層）の表面の平面に対して、垂直でなく、傾斜していることが好ましい。

同様に、カソード拡散層６の外側面と、カソードシール１０の内側面とを、傾斜させることが好ましい。つまり、これらの合わせ面Ｓ２が、電解質膜２（電極層）の表面の平面に対して、垂直でなく、傾斜していることが好ましい。
こうすれば、図１で示したアノード側スキマ２０、カソード側スキマ２１が無くなる。

この合わせ面Ｓ１、Ｓ２とカソード電極層４の平面、アノード電極層３の平面とのなす角εは、９０度より小さいのが好ましい。

角εの範囲は、４５度±３０度がよい。好ましくは、４５度±２０度がよい。

なお、第３傾斜面γ１、γ２は、第１傾斜面α１、α２と第２傾斜面β１、β２との接触がしやすいように設けられている。第１傾斜面α１、α２と第２傾斜面β１、β２が接触して密着するには、アノードシール９やカソードシール１０が積層方向に圧縮される必要がある。圧縮によって縮んだ分の体積のシールを、第３傾斜面γ１、γ２が形成するスキマに収納することができる。
結果、このスキマがない場合と比べて、より小さな圧縮力で第１傾斜面α１、α２と第２傾斜面β１、β２を接触して密着させることができる。
また、下記で説明するが、組み立て時、圧縮で変形しやすいように設けられている。第３傾斜面γ１、γ２は、第２傾斜面β１、β２と異なるもので、傾斜角度が異なる。第３傾斜面γ１、γ２の代わりに、または、第３傾斜面γ１、γ２とともに、アノード拡散層５、カソード拡散層６の外周面に、第１傾斜面と異なる傾斜の第４傾斜面を設けてもよい。

なお、この１例では、第１、２、３傾斜面は、円錐台の外側面の一部分の形状である。

＜積み重ね手順＞
積み重ね手順を説明する。最初はアノード側の組立てである。図８に示すようにアノード絶縁板１１を組み立て台（図示せず）の上に置く。その上（紙面上方）にアノードセパレータ７を積み重ねる。このアノードセパレータ７の上に円環状のアノードシール９を置き、アノードシール９の第２傾斜面β１とアノード拡散層５の第１傾斜面α１を合わせるようにアノード拡散層５積み重ねる。そのあと、アノード電極層３とカソード電極層４が塗工された電解質膜２を積み重ねる。以降はカソード側の組立てである。上記電解質膜２の上に、先にカソード拡散層６を重ねたあと、カソード拡散層６の第１傾斜面α２と、円環状のカソードシール１０の内側面は第２傾斜面β２を合わせるようにカソードシール１０を積み重ねる。さらに、カソードセパレータ８、カソード絶縁板１２の順番に積み重ねる。

＜圧縮作業＞
次に、アノード絶縁板１１が置かれた組み立て台（図示せず）をプレス機（図示せず）に設置し、カソード絶縁板１２を上記組み立て台に向って下方に押し付けつることにより、圧縮力を加える。図８では圧縮力がかからない状態を表示しているので、アノード拡散層５よりもアノードシール９の厚さがδ１だけ厚くなっている。同様に、カソード拡散層６よりもカソードシール１０の方が、厚さがδ２だけ厚くなっている。

この状態から圧縮力をかけていくと、アノードシール９の厚みが弾性的に変形して薄くなり、この変形量に相当するアノードシール９の体積が、アノードシール９の外端面外側に向かう方向（矢印ｆ１で示す）やアノードシール９の紙面下側の第３傾斜面γ１に向かう方向（矢印ｇ１で示す）に変形する。この際、アノード拡散層５の第１傾斜面α１は、円環状のアノードシール９の紙面上側の第２傾斜面β１に次第に強く押し付けられる。このようにアノードシール９が圧縮力によって弾性変形するので、電解質膜２とアノード電極層３とアノードシール９の内端面β１で形成されていたスキマ４３を無くすることができる。

同様に、カソードシール１０も圧縮力によって厚みが弾性的に変形して薄くなり、この変形量に相当する容量がカソードシール１０の紙面上側の外端面外側に向かう方向（矢印ｆ２で示す）やカソードシール１０の紙面上側の第３傾斜面γ２に向かう方向（矢印ｇ２で示す）に変形する。このようなカソードシール１０の弾性変形により、カソード拡散層６とカソードシール１０とカソードセパレータ８で形成されていたスキマ４４を無くすることができる。

このように、本実施の形態の電気化学式水素ポンプにはアノード側スキマ２０やカソード側スキマ２１が存在しないので、電解質膜２がガスに露呈することがない。従って、高圧側から低圧側への水素の濃度拡散に起因する性能低下が抑制される。

＜評価装置＞
図９は電気化学式水素ポンプ２３の評価装置４０の模式断面図である。電気化学式水素ポンプ２３に電圧印加部１９で電流を流し、水素ボンベ２４とレギュレータ２５で電気化学式水素ポンプ２３に低圧水素を供給する。この低圧水素はバブラー２６とヒーター２７によって加湿されている。電気化学式水素ポンプ２３で使用されなかった余剰水素は気液分離装置２８と冷却装置２９で露点を下げる。また、高圧側では圧力計３０で圧力を測定し、その下流の排気バルブ３１は常時は閉にし、圧力が一定値以上になると開にする。

ただし、排気バルブ３１の開度は圧力損失が十分に発生するように調整される。つまり、排気バルブ３１を通過した後の水素の圧力が、排気バルブ３１で発生した圧力損失によって、ほぼ大気圧（大気圧の１．１倍程度）にまで低下するように排気バルブ３１の開度が設定される。

ほぼ大気圧程度にまで減圧された水素は気液分離装置３２と冷却装置３３によって露点を下げられ、窒素ボンベ３４から供給される窒素によって希釈装置３５の内部で希釈された後、屋外へ通じる排気口３６に流出する。

なお、以降のプロセスにおいて、ヒーター２７は６５（℃）、冷却装置２９と３３は（２０℃）に設定した。

＜評価プロセス＞
本願の水素ポンプを評価するにためのプロセスを説明する。
・図９のように、実施の形態１における電気化学式水素ポンプ２３を接続する。
・３方弁３７を大気開放位置（矢印Ａ）から密閉側（矢印Ｂ）に切り替える。
・希釈用の窒素ボンベのバルブ３８を操作して。希釈装置３５に窒素を流す。
・水素ボンベ２４のバルブ３９とレギュレータ２５を操作して、１．１（ＭＰａ）の水素を電気化学式水素ポンプ２３に供給する。
・電圧印加部１９をＯＮにし、電極面積から計算して１．０（Ａ／ｃｍ２）となるように電流値を設定する。
・５分間通電を継続する。５分後の圧力計３０の値を記録する。
・電圧印加部１９をＯＦＦにし、各バルブの操作により水素の供給を停止し、続いて希釈用の窒素の供給を停止する。
・最後に３方弁３７を密閉位置（矢印Ｂ）から大気開放側（矢印Ａ）に切り替える。
・上記（１）〜（８）の操作を５０回繰り返す。
（１０）本願の実施の形態１における電気化学式水素ポンプ２３とりはずす。

＜評価結果＞
図１０の折れ線ａは、上記プロセスの回数を横軸に、特許文献２における電気化学式水素ポンプ２２の各回数における圧力比を縦軸にとってプロットした線図である。

折れ線ｂは、上記プロセスの回数を横軸に、本願の実施の形態１における電気化学式水素ポンプ２３の各回数における圧力比を縦軸に、プロットした線図である。

折れ線ｂは、初回から５０回目まで、多少の変動はあるがほぼ毎回、圧力比が０．９８〜０．９９となっている。一方、折れ線ａは、折れ線ｂと比べると初回から圧力比が０．０１ポイントほど低く、５０回目付近になると急激に低下している。

折れ線ａにおいて、初回から圧力比が低い原因は、図４の特許文献２における電気化学式水素ポンプのカソード側スキマ２１からアノード側スキマ２０に向かって水素の濃度拡散が生じているためと考えられる。

また、折れ線ａにおいて、５０回目付近になると急激に低下している原因は、各回の通電初期において、電解質膜２を透過してきた水素とカソード側セパレータのカソード流路８ｂに残った空気中の酸素がカソード側スキマ２１の付近で燃焼反応を起こし、次第に電解質膜２にダメージが加わったためと考えられる。

これに対して、本願の実施の形態１における折れ線ｂにおいて、初回から５０回目までほぼ安定した圧力比となっており、圧縮効率の低下は発生していない。

従って、カソード側スキマ２１（図１）やアノード側スキマ２０（図１）のように電解質膜２がガスに露呈する場所が存在しない。結果、水素の逆拡散や電解質膜２の損傷が発生しにくくなっているものと考えられる。

なお、折れ線ｃ、ｄは、以下の実施の形態２のデータであり、後半で説明する。
（実施の形態２）
図１１は、実施の形態２における電気化学式水素ポンプ４１の模式断面図である。
＜全体構成＞
実施の形態２における電気化学式水素ポンプ４１が、実施の形態１における電気化学式水素ポンプ２３と異なる所は、アノードセパレータ７とカソードセパレータ８とに第１突起４５があることである。記載しない事項は、実施の形態１と同様である。

すなはち、アノードセパレータ７とカソードセパレータ８には第１突起４５が各々設けられており、組み立て時に第１突起４５がアノードシール９およびカソードシール１０を局部的に押さえつける構造になっていることである。

このことによってアノード拡散層５の外側面α１とアノードシール９の内側面β１や、カソード拡散層６の外側面α２とカソードシール１０の内側面β２を強く密着させることができる。

＜評価＞
図１０の折れ線ｃは、上記プロセスの回数を横軸に、実施の形態１と同様の上記プロセスに従って得られた本願の実施の形態２における電気化学式水素ポンプ４１の圧力比を縦軸にとってプロットした線図である。

図１０の折れ線ｃによると、本願の実施の形態２の電気化学式水素ポンプ４１は初回から５０回目まで、多少の変動はあるがほぼ毎回圧力比０．９８〜０．９９となっており、圧縮効率の低下は発生していない。

従って、特許文献２における電気化学式水素ポンプ２２のカソード側スキマ２１やアノード側スキマ２０のように電解質膜２がガスに露呈する場所が存在しないので水素の逆拡散や電解質膜の損傷が発生しにくくなっているものと考えられる。
（実施の形態３）
図１２は、実施の形態３における電気化学式水素ポンプ４２の締結前の状態での模式断面図である。

＜全体構成＞
実施の形態３における電気化学式水素ポンプ４２が、実施の形態１における電気化学式水素ポンプ４１と異なる所は、アノードシール９およびカソードシール１０に第２突起４６があることである。記載しない事項は、実施の形態１と同様である。

すなはち、アノードシール９およびカソードシール１０には、第２突起４６が設けられており、組み立て時に第２突起４６がアノードセパレータ７およびカソードセパレータ８に局部的に押さえつけられる構造になっている。このことによってアノード拡散層５の外側面とアノードシール９の内側面や、カソード拡散層６の外側面とカソードシール１０の内側面を強く密着させることができる。

＜評価＞
図１０の折れ線ｅは、上記プロセスの回数を横軸に、実施の形態１と同様の上記プロセスに従って得られた本願の実施の形態３における電気化学式水素ポンプ４２の圧力比を縦軸にとってプロットした線図である。

図１０の折れ線ｅによると、本願の実施の形態３の電気化学式水素ポンプ４２は初回から５０回目まで、多少の変動はあるがほぼ毎回圧力比０．９８〜０．９９となっており、圧縮効率の低下は発生していない。

従って、特許文献２における電気化学式水素ポンプ２２のカソード側スキマ２１やアノード側スキマ２０のように電解質膜２がガスに露呈する場所が存在しないので水素の逆拡散や電解質膜の損傷が発生しにくくなっているものと考えられる。

（効果）
なお、本発明の電気化学式水素ポンプは、アノードシールはアノード拡散層へ、また、カソードシールはカソード拡散層に、傾斜面を合わせ面として押し当てられ配置される。このことで、アノード拡散層とアノードシールのスキマ、および、カソード拡散層とカソードシールのスキマが生じることなく密着できる。結果、拡散層とシールの間にスキマが存在せず、電解質膜がガスに露呈することがないので、高圧側から低圧側への水素の濃度拡散に起因する性能低下が抑制されるので、家庭用の小型水素充填装置用の水素圧縮装置として最適なものとなる。

さらに、低圧側のアノード拡散層５を、反応に寄与しない領域にまで拡大する必要がないので高価なＴｉ金属焼結体で構成されるアノード拡散層５のコストを抑制できる。
（実施の形態４）
図１３は、実施の形態４における電気化学式水素ポンプ５０の模式断面図である。実施の形態１の図５に相当する図である。説明しない事項は、実施の形態１と同様である。

実施の形態４における電気化学式水素ポンプ５０が、実施の形態１における電気化学式水素ポンプ２３と異なる所は、カソードシール１０とカソード拡散層６との接続部分の構造である。同様に、アノード側の構造も同様である。

カソード拡散層６の上部、つまり、カソードセパレータ８側に、第４傾斜面Ζ２がある。
第４傾斜面Ζ２の傾きは、電解質膜２（電極層）の表面の平面に対して、垂直方向である。つまり、第４傾斜面Ζ２の傾きは、第２傾斜面α２と比較して、電解質膜２（電極層）の表面の平面に対して、より垂直である。

第１傾斜面α２の他に第４傾斜面Ζ２が形成されたカソード拡散層６とカソードセパレータ８の接触面積は、第４傾斜面Ζ２が形成されず第１傾斜面α２だけが形成されたカソード拡散層６とカソードセパレータ８の接触面積とくらべて大きい。従って両者の接触抵抗が小さく、よって、ＩＲ損を低減できるので電力効率が改善できる。アノード側も同様である。高圧の水素を得るために電力の効率化ができる。

なお、第４傾斜面Ζ２の傾きは、電解質膜２（電極層）の表面の平面に対して、最大垂直である。垂直を超えると、電気化学式水素ポンプ５０の組み立てが困難である。

（全体を通して）
実施の形態１〜４は、組み合わせることができる。例えば、実施の形態１のカソード側構造と、実施の形態２のアノード側の構造とを組み合わせることなどできる。

また、上記実施の形態では、カソード側とアノード側との両方へ適用されているが、カソード側のみ、アノード側のみへの適用でもよい。

本発明の水素充填装置用の水素圧縮装置として利用できる。

１発電スタック
２電解質膜
３アノード電極層
４カソード電極層
５アノード拡散層
６カソード拡散層
７アノードセパレータ
７ａアノード流路
８カソードセパレータ
８ｂカソード流路
９アノードシール
１０カソードシール
１１アノード絶縁板
１２カソード絶縁板
１３ボルト
１４ナット
１５アノード入り口
１６アノード出口
１７カソード入り口
１８カソード出口
１９電圧印加部
２０アノード側スキマ
２１カソード側スキマ
２２電気化学式水素ポンプ
２３電気化学式水素ポンプ
２４水素ボンベ
２５レギュレータ
２６バブラー
２７ヒーター
２８気液分離装置
２９冷却装置
３０圧力計
３１排気バルブ
３２気液分離装置
３３冷却装置
３４窒素ボンベ
３５希釈装置
３６排気口
３７３方弁
３８バルブ
３９バルブ
４０評価装置
４１電気化学式水素ポンプ
４２電気化学式水素ポンプ
４５第１突起
４６第２突起
４３、４４スキマ
５０電気化学式水素ポンプ
φｄ直径
φＤ直径
δ 幅
α１第１傾斜面
α２第１傾斜面
β１第２傾斜面
β２第２傾斜面
γ１第３傾斜面
γ２第３傾斜面
Ζ１第４傾斜面
Ζ２第４傾斜面
δ１寸法
δ２寸法

Claims

一方の面にアノード電極とアノード拡散層とが位置し、
他方の面にカソード電極とアカソード拡散層とが位置する電解質膜と、前記アノード拡散層を取り囲む開口を有するアノードシールと、
前記カソード拡散層を取り囲む開口を有するカソードシールと、
前記アノードシールの外側に位置するアノードセパレータと、
前記カソードシールの外側に位置するカソードセパレータと、を含み、
前記アノード拡散層、又は、前記カソード拡散層の外側面は第１傾斜面であり
前記アノードシール、又は、前記カソードシールの前記開口の内曲面は第２傾斜面であり、
前記第１傾斜面と前記第２傾斜面とで合わせ面を形成し、前記合わせ面は、前記カソード電極、又は、前記アノード電極に対して、傾斜している電気化学式水素ポンプ。
前記アノードシール、又は、前記カソードシールの内曲面は、前記第２傾斜面と異なる傾斜面である第３傾斜面をさらに有する請求項１記載の電気化学式水素ポンプ。
前記アノード拡散層、又は、前記カソード拡散層の外側面は、
前記第１傾斜面と異なる傾斜面である第４傾斜面をさらに有する請求項１または２記載の電気化学式水素ポンプ。
前記アノード拡散層、又は、前記カソード拡散層は、平板形状で、上下面の内、広い方の面を前記電解質膜側に向け配置され、
前記アノードシール、又は、前記カソードシールは、平板形状で、上下面の内、前記開口が大きい方の面を前記電解質膜側に向け配置された請求項１〜３のいずれか１項に記載の電気化学式水素ポンプ。
前記アノードシール、又は、前記カソードシールは、前記アノード拡散層、又は、前記カソード拡散層の厚さよりも厚い請求項１〜４のいずれか１項に記載の電気化学式水素ポンプ。
前記アノード拡散層と前記アノードシールとの間にスキマ、又は、前記カソード拡散層と前記カソードシールとの間にスキマが無い請求項１〜５のいずれか１項に記載の電気化学式水素ポンプ。
前記アノードセパレータ、又は、前記カソードセパレータには、第１突起が設けられており、
前記第１突起が前記アノードシール、又は、前記カソードシールを押さえつける構造になっている請求項１〜６のいずれか１項に記載の電気化学式水素ポンプ。
前記カソードシール、又は、前記アノードシールには、第２突起が設けられており、前記第２突起が前記アノードセパレータ、又は、前記カソードセパレータを押さえつける構造になっている請求項１〜７のいずれか１項に記載の電気化学式水素ポンプ。