JP2018059181A - ガス拡散デバイスおよび電気化学式水素ポンプ - Google Patents

ガス拡散デバイスおよび電気化学式水素ポンプ Download PDF

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Abstract

【課題】溝加工および曲げ加工を行わずに、ガス流路を金属板に適切に設けることができるガス拡散デバイス、およびガス拡散デバイスを含む電気化学式水素ポンプを提供する。
【解決手段】ガス拡散デバイスは、ガスを拡散させる、金属製の第１のガス拡散層１と、第１のガス拡散層１の少なくとも一方の主面上に設けられ、ガスが流通するマニホルド孔３，４，７，８及びマニホルド孔と連通するガス流路６を備える第１の金属板５とを備え、ガス流路は、第１の金属板を貫通している。
【選択図】図１Ａ

Description

本開示はガス拡散デバイスおよび電気化学式水素ポンプに関する。
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、燃料電池の開発および普及が進んでいる。
来るべき水素社会では、水素を製造することに加えて、水素ガスを高密度で貯蔵し、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の促進には、燃料供給インフラを整備する必要がある。また、燃料供給インフラに水素を安定的に供給するために、高純度の水素ガスを精製および昇圧する様々な提案が行われている。
例えば、特許文献１では、高圧水素製造装置において、ガス拡散層を介して電解質膜にガスを供給するためのガス流路が、セパレータ板に溝状に設けられている。そして、カソード側が高圧になっても、電解質膜とカソード給電体との接触抵抗が増えないように、カソード給電体を固体高分子膜に押圧して密着させ得る押圧手段が開示されている。
特許文献２では、高差圧用電気化学セルの電解質膜の支持部材が、電解質膜に接触するガス拡散層として用いられている。つまり、支持部材の一方の面には、複数の矩形の溝部が形成され、他方の面には複数の菱形の溝部が形成されている。そして、両方の溝部同士の重畳部が、ガスが通過するガス流路を構成している。これにより、従来のメッシュタイプのガス拡散層で発生する恐れがあった流体流路の詰まりを抑制できるとともに、電気化学セルの高圧側と低圧側との差圧に耐え得る剛性を確保できる。よって、電解質膜の破損点に至るような変形が支持部材の支持により抑制される。
特開２００５−１７９７８０号公報 特開２００６−７０３２２号公報
しかし、従来例は、電解質膜にガスを送るためにガス流路の加工を流路部材に施す場合の問題について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、溝加工および曲げ加工を行わずに、ガス流路を金属板に適切に設けることができるガス拡散デバイスを提供する。また、本開示の一態様は、このようなガス拡散デバイスを備える電気化学式水素ポンプを提供する。
上記課題を解決するため、本開示の一態様のガス拡散デバイスは、ガスを拡散させる、金属製の第１のガス拡散層と、第１のガス拡散層の少なくとも一方の主面上に設けられ、ガスが流通するマニホルド孔およびマニホルド孔と連通するガス流路を備える第１の金属板と、を備え、ガス流路は、第１の金属板を貫通している。
また、本開示の一態様の電気化学式水素ポンプは、一対の主面を備える電解質膜と、電解質膜の一方の主面に設けられたカソード触媒層と、電解質膜の他方の主面に設けられたアノード触媒層と、カソード触媒層に設けられたカソードガス拡散デバイスと、アノード触媒層に設けられたアノードガス拡散デバイスと、カソード触媒層および前記アノード触媒層の間に電圧を印加する電圧印加器と、を備え、アノードガス拡散デバイスは、上記のガス拡散デバイスを含む。
本開示の一態様のガス拡散デバイスは、溝加工および曲げ加工を行わずに、金属板にガス流路を適切に設けることができるという効果を奏する。
図１Ａは、第１実施形態のガス拡散デバイスの一例を示す図である。 図１Ｂは、第１実施形態の変形例のガス拡散デバイスの一例を示す図である。 図２は、第１実施形態の実施例のガス拡散デバイスの一例を示す図である。 図３Ａは、第２実施形態のガス拡散デバイスにおけるガス拡散部を構成する積層体の層の一例を平面視した図である。 図３Ｂは、第２実施形態のガス拡散デバイスにおけるガス拡散部を構成する積層体の層の一例を平面視した図である。 図３Ｃは、第２実施形態のガス拡散デバイスにおけるガス拡散部を構成する積層体の層の一例を平面視した図である。 図３Ｄは、第２実施形態のガス拡散デバイスにおけるガス拡散部の断面の一例を示す図である。 図４は、第２実施形態の変形例のガス拡散デバイスにおけるガス拡散部の一例を示す図である。 図５は、第３実施形態のガス拡散デバイスの一例を示す図である。 図６は、第４実施形態のガス拡散デバイスの一例を示す図である。 図７は、第５実施形態のガス拡散デバイスの一例を示す図である。 図８は、第６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９は、第６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。
（第１実施形態）
電解質膜へガスを送るために金属板に施されるガス流路の加工について鋭意検討が行われ、以下の知見が得られた。
例えば、薄い金属板に段差をつける曲げ加工により金属板にガス流路を形成できる。しかし、この場合、ガス拡散層に高圧がかかると、ガス拡散層を支持する金属板は変形しやすい。また、例えば、従来例の如く、流路部材に溝を加工する場合、流路部材に所定の厚みが必要となる。つまり、薄い金属板にガス流路の均一な溝加工を施すことは困難であるので、従来例の装置では、デバイスの小型化に限界がある。そこで、発明者は、金属板を貫通する貫通孔でガス流路を構成するという着想に到達した。
すなわち、第１実施形態のガス拡散デバイスは、ガスを拡散させる、金属製の第１のガス拡散層と、第１のガス拡散層の少なくとも一方の主面上に設けられ、ガスが流通するマニホルド孔およびマニホルド孔と連通するガス流路を備える第１の金属板とを備え、ガス流路は、第１の金属板を貫通している。
かかる構成によると、本実施形態のガス拡散デバイスは、溝加工および曲げ加工を行わずに、金属板にガス流路を適切に設けることができる。つまり、金属板に段差をつける曲げ加工により金属板にガス流路を形成する場合に比べ、ガス拡散層に高圧がかかる場合でもガス拡散デバイスの変形量を低減できる。また、ガス流路に溝が加工された流路部材よりも厚みが薄い金属板に、ガス流路を適切に設けることができる。
以上により、本実施形態のガス拡散デバイスでは、ガス拡散層へのガス分配性を適切に確保しながら、ガス拡散層に高圧がかかる場合であっても、金属板でデバイスの変形を適切に抑制し得る。
以下、添付図面を参照しつつ、第１実施形態の具体例について説明する。
以下で説明する具体例は、第１実施形態の一例を示すものである。よって、以下で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態などは、請求項に記載されていない限り、上記の第１実施形態を限定するものではない（他の実施形態も同じ）。また、以下の構成要素のうち、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。また、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。
［装置構成］
図１Ａは、第１実施形態のガス拡散デバイスの一例を示す図である。図１Ａ（ａ）は、ガス拡散デバイス９の第１のガス拡散層１を平面視した図である。図１Ａ（ｂ）は、ガス拡散デバイス９の第１の金属板５を平面視した図である。
図１Ａ（ｃ）は、ガス拡散デバイス９の断面図である。つまり、図１Ａ（ｃ）では、図１Ａ（ａ）および図１Ａ（ｂ）に平面視で示された部材が積層された場合のＣ−Ｃ部に対応するガス拡散デバイス９の断面が示されている。
図１Ａ（ｃ）に示すように、ガス拡散デバイス９は、第１のガス拡散層１と、第１の金属板５と、を備える。
第１のガス拡散層１は、ガスを拡散させる金属製部材である。第１のガス拡散層１は、ガスを拡散させる金属製部材であれば、どのような構成であっても構わない。第１のガス拡散層１は、例えば、ステンレススチール、チタン、チタン合金、アルミニウム合金などの金属で構成されていてもよい。第１のガス拡散層１の厚みは、数百μｍ程度（例えば、約４００μｍ程度）であってもよい。これらの材質および数値は例示であって、本例に限定されない。
図１Ａ（ａ）および図１Ａ（ｃ）に示すように、第１のガス拡散層１は、ガス拡散部２４と、ガスが流通するマニホルド孔３およびマニホルド孔４と、を備える。ガス拡散部２４は、貫通孔などの多孔構造によりガスを拡散するように構成されている。詳細は第２実施形態で説明する。
第１の金属板５は、第１のガス拡散層１の少なくとも一方の主面上に設けられている。本実施形態のガス拡散デバイス９では、第１の金属板５は、第１のガス拡散層１の一方の主面と面接触するように設けられている。第１の金属板５は、金属鋼板であってもよい。第１の金属板５の材質として、例えば、ステンレススチール、チタン、チタン合金、アルミニウム合金などを用いることができる。第１の金属板５の厚みは、数十μｍ程度（例えば、約５０μｍ程度）であってもよい。これらの材質および数値は例示であって、本例に限定されない。
図１Ａ（ｂ）および図１Ａ（ｃ）に示すように、第１の金属板５は、ガス導入用のマニホルド孔７およびガス導出用のマニホルド孔８と、ガス流路６と、を備える。
マニホルド孔７およびマニホルド孔８はそれぞれ、第１のガス拡散層１のマニホルド孔３およびマニホルド孔４のそれぞれと対置するように配されている。
つまり、ガス拡散デバイス９の筒状のガス導入マニホルドが、マニホルド孔７とマニホルド孔３とによって形成されている。ガス拡散デバイス９の筒状のガス導出マニホルドが、マニホルド孔８とマニホルド孔４とによって形成されている。
ガス流路６は、第１の金属板５のマニホルド孔と連通する。また、ガス流路６は、第１の金属板５を貫通している。ガス流路６は、第１の金属板５のマニホルド孔と連通するとともに、第１の金属板５を貫通していれば、どのような構成であっても構わない。
本実施形態のガス拡散デバイス９では、第１の金属板５のガス流路６は、マニホルド孔７と連通し、マニホルド孔８に向けて直線状に延伸するとともにマニホルド孔８とは接続しない複数のスリット孔３６Ｄと、マニホルド孔８と連通し、マニホルド孔７に向けて直線状に延伸するとともにマニホルド孔７とは連通しない複数のスリット孔３６Ｕと、で構成されている。つまり、第１の金属板５は、スリット孔３６Ｄを備える第１金属層５Ｄとスリット孔３６Ｕを備える第２金属層５Ｕとを、これらのスリット孔３６Ｄおよびスリット孔３６Ｕ同士が重なり合うように一体的に接合することにより形成されている。そして、スリット孔３６Ｄおよびスリット孔３６Ｕ同士の重なり合う部分が、第１の金属板５を貫通するガス流路６のスリット孔３６を構成している。この場合、マニホルド孔７は、複数のガス流路６の一端と連通することで、ガス拡散部２４へのガス導入に用いられる。つまり、ガス流路６のスリット孔３６とガス拡散部２４との接触部分を通過したガスが、ガス拡散部２４へ送られる。また、マニホルド孔８は、複数のガス流路６の他端と連通することで、ガス拡散部２４からのガス導出に用いられる。つまり、ガス拡散部２４を通過した余剰のガスが、ガス流路６のスリット孔３６とガス拡散部２４との接触部分へ送られる。
なお、図１Ａでは図示を省略しているが、本実施形態のガス拡散デバイス９では、第１のガス拡散層１と対向していない第１の金属板５の主面には、スリット孔３６を塞ぐための金属製部材が配されている。かかる金属製部材は、実施例で説明する第２の金属板１０であってもよい。
［動作］
以下、図１Ａを参照しながら、第１実施形態のガス拡散デバイス９の動作の一例を説明する。なお、以下の動作の一部または全部は、図示しない制御器の制御プログラムにより行われても構わない。制御器は、制御機能を有するものであれば、どのような構成であっても構わない。制御器は、例えば、演算回路と、制御プログラムを記憶する記憶回路と、を備える。演算回路として、例えば、ＭＰＵ、ＣＰＵなどが例示される。記憶回路として、例えば、メモリが例示される。制御器は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよいし、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもよい。
まず、マニホルド孔７に外部からガスが供給される。すると、マニホルド孔７は、第１の金属板５のガス流路６の一端と連通しているので、マニホルド孔７からガス流路６にガスが送られる。
このとき、ガス流路６を流通するガスの一部は、第１のガス拡散層１のガス拡散部２４へ送られる。ガス拡散部２４は、第２実施形態で説明するガス拡散作用を備える。よって、ガス流路６から第１の金属板５と対向していないガス拡散部２４の主面（以下、反対面）へと向かうガスが、ガス拡散部２４で均一に拡散されながら、ガス拡散部２４の反対面を通過できる。これにより、ガス拡散部２４の反対面に配された図示しない部材（例えば、触媒層など）に均一にガスが供給される。
ガス拡散部２４の反対面を通過しなかった余剰のガスは、第１の金属板５のガス流路６の他端と連通したマニホルド孔８に送られ、外部へ排出される。
以上により、本実施形態のガス拡散デバイス９は、溝加工および曲げ加工を行わずに、第１の金属板５にガス流路６を適切に設けることができる。つまり、金属板に段差をつける曲げ加工により金属板にガス流路を形成する場合に比べ、第１のガス拡散層１に高圧がかかる場合でもガス拡散デバイス９の変形量を低減できる。また、ガス流路に溝が加工された流路部材よりも厚みが薄い第１の金属板５に、ガス流路６を適切に設けることができる。
よって、ガス拡散デバイス９では、第１のガス拡散層１へのガス分配性を適切に確保しながら、第１のガス拡散層１に高圧がかかる場合であっても、第１の金属板５でデバイスの変形を適切に抑制し得る。具体的には、ガス拡散デバイス９では、第１のガス拡散層１に、マニホルド孔７およびマニホルド孔８と連通するガス流路６を備える第１の金属板５が積層することで、第１のガス拡散層１のガス拡散部２４へのガスの分配性が確保される。また、第１のガス拡散層１と第１の金属板５とが積層していることでガス拡散デバイス９の適切な剛性が得られ、第１のガス拡散層１に高圧がかかる場合でもガス拡散デバイス９の変形を抑制できる。
また、本実施形態のガス拡散デバイス９では、第１の金属板５と第１のガス拡散層１とは、溶接、ロウ付け、溶着などで金属接合させて一体的に結合されていてもよい。例えば、ガス拡散デバイス９は、厚みが約２ｍｍ以下の金属接合体であってもよい。なお、この数値は例示であって、本例に限定されない。
仮に、第１の金属板５と第１のガス拡散層１とを一体的に構成しない場合、第１のガス拡散層１に高圧がかかると、第１のガス拡散層１がスリット孔３６の端部に当接した状態でずれる場合がある。この場合、第１のガス拡散層１の損傷が発生する可能性があるが、本実施形態のガス拡散デバイス９では、上記の第１の金属板５と第１のガス拡散層１との一体的な接合により、このような可能性を低減できる。
また、本実施形態のガス拡散デバイス９では、第１の金属板５の主面と第１のガス拡散層１の主面とが、例えば、拡散接合などにより面接合が行われていてもよい。これにより、第１の金属板５と第１のガス拡散層１とを機械的な締結部材で固定して積層する場合に比べ、両者の接合部の空隙が消失するのでガス拡散デバイス９の接触抵抗（電気抵抗）を低減できる。すると、例えば、ガス拡散デバイス９を電気化学式水素ポンプなどに用い、ガス拡散デバイス９に所望の電圧を印加する場合は、電気化学式水素ポンプに必要な消費電力の増加を抑制できる。
（変形例）
図１Ｂは、第１実施形態の変形例のガス拡散デバイスの一例を示す図である。図１Ｂ（ａ）は、ガス拡散デバイス９の第１のガス拡散層１を平面視した図である。図１Ｂ（ｂ）は、ガス拡散デバイス９の第１の金属板１０５を平面視した図である。図１Ｂ（ｃ）は、ガス拡散デバイス９の断面図である。つまり、図１Ｂ（ｃ）では、図１Ｂ（ａ）および図１Ｂ（ｂ）に平面視で示された部材が積層された場合のＣ−Ｃ部に対応するガス拡散デバイス９の断面が示されている。
図１Ｂ（ｃ）に示すように、ガス拡散デバイス９は、第１のガス拡散層１と、第１の金属板１０５と、を備える。第１のガス拡散層１は、第１実施形態のガス拡散デバイス９と同様であるので説明を省略する。
第１の金属板１０５は、第１のガス拡散層１の少なくとも一方の主面上に設けられている。本変形例のガス拡散デバイス９では、第１の金属板１０５は、第１のガス拡散層１の一方の主面と面接触するように設けられている。第１の金属板１０５は、金属鋼板であってもよい。第１の金属板１０５の材質として、例えば、ステンレススチール、チタン、チタン合金、アルミニウム合金などを用いることができる。第１の金属板１０５の厚みは、数十μｍ程度（例えば、約５０μｍ程度）であってもよい。これらの材質および数値は例示であって、本例に限定されない。
図１Ｂ（ｂ）および図１Ｂ（ｃ）に示すように、第１の金属板１０５は、ガス導入用のマニホルド孔７およびガス導出用のマニホルド孔８と、ガス流路１０６と、を備える。
マニホルド孔７およびマニホルド孔８はそれぞれ、第１のガス拡散層１のマニホルド孔３およびマニホルド孔４のそれぞれと対置するように配されている。
つまり、ガス拡散デバイス９の筒状のガス導入マニホルドが、マニホルド孔７とマニホルド孔３とによって形成されている。ガス拡散デバイス９の筒状のガス導出マニホルドが、マニホルド孔８とマニホルド孔４とによって形成されている。
ガス流路１０６は、第１の金属板１０５のマニホルド孔と連通する。また、ガス流路１０６は、第１の金属板１０５を貫通している。ガス流路１０６は、第１の金属板１０５のマニホルド孔と連通するとともに、第１の金属板１０５を貫通していれば、どのような構成であっても構わない。
本変形例のガス拡散デバイス９では、第１の金属板１０５のガス流路１０６は、マニホルド７およびマニホルド８の間の領域において、サーペンタイン状に延伸するスリット孔１３６で構成されている。スリット孔１３６の一端が、マニホルド孔７と連通し、他端がマニホルド孔８と連通している。これにより、第１の金属板１０５は、複数の金属層を一体的に接合する必要がないので、１枚の金属層で構成することができる。この場合、マニホルド孔７は、複数のガス流路１０６の一端と連通することで、ガス拡散部２４へのガス導入に用いられる。つまり、ガス流路１０６のスリット孔１３６とガス拡散部２４との接触部分を通過したガスが、ガス拡散部２４へ送られる。また、マニホルド孔８は、複数のガス流路６の他端と連通することで、ガス拡散部２４からのガス導出に用いられる。つまり、ガス拡散部２４を通過した余剰のガスが、ガス流路１０６のスリット孔１３６とガス拡散部２４との接触部分へ送られる。
なお、本変形例のガス拡散デバイス９の動作およびその作用効果は、第１実施形態のガス拡散デバイス９と同様であるので説明を省略する。
また、本変形例のガス拡散デバイス９は、上記特徴以外は、第１実施形態のガス拡散デバイス９と同様であってもよい。
（実施例）
図２は、第１実施形態の実施例のガス拡散デバイスの一例を示す図である。図２（ａ）は、ガス拡散デバイス９の第１のガス拡散層１を平面視した図である。図２（ｂ）は、ガス拡散デバイス９の第１の金属板５を平面視した図である。図２（ｃ）は、ガス拡散デバイス９の第２の金属板１０を平面視した図である。
図２（ｄ）は、ガス拡散デバイス９の断面図である。つまり、図２（ｄ）では、図２（ａ）、図２（ｂ）および図２（ｃ）に平面視で示された部材が積層された場合のＤ−Ｄ部に対応するガス拡散デバイス９の断面が示されている。
図２に示す例では、ガス拡散デバイス９は、第１のガス拡散層１と、第１の金属板５と、第２の金属板１０と、を備える。第１のガス拡散層１および第１の金属板５は、第１実施形態のガス拡散デバイス９と同様であるので説明を省略する。なお、図２では、図１Ａのガス拡散デバイス９に、第２の金属板１０を設ける構成を図示しているが、図１Ｂのガス拡散デバイス９に第２の金属板１０を設けてもよい。
本実施例のガス拡散デバイス９は、第１実施形態のガス拡散デバイス９において、第１の金属板５の主面のうち、第１のガス拡散層１と対向していない主面（以下、反対面）上に第１のガス拡散層１のガス流路６を塞ぐ第２の金属板１０を備える。具体的には、第１の金属板５の複数のスリット孔３６が、第２の金属板１０によって反対面から覆われている。
また、第２の金属板１０は、ガス導入用のマニホルド孔１１およびガス導出用のマニホルド孔１２を備える。第２の金属板１０のマニホルド孔１１およびマニホルド孔１２はそれぞれ、第１の金属板５のマニホルド孔７およびマニホルド孔８のそれぞれと対置するように配されている。
つまり、ガス拡散デバイス９の筒状のガス導入マニホルドが、マニホルド孔１１とマニホルド孔７とマニホルド孔３とによって形成されている。ガス拡散デバイス９の筒状のガス導出マニホルドが、マニホルド孔１２とマニホルド孔８とマニホルド孔４とによって形成されている。
第２の金属板１０の材質としては、例えば、ステンレススチール、チタン、チタン合金、アルミニウム合金などを用いることができる。第２の金属板１０の厚みは、数十μｍ程度（例えば、約５０μｍ程度）であってもよい。これらの材質および数値は例示であって、本例に限定されない。
以上により、本実施例のガス拡散デバイス９では、第２の金属板１０によって、ガス流路６を流通するガスが、第１の金属板５の反対面から外部へ漏れることが適切に抑制される。
また、本実施例のガス拡散デバイス９では、第２の金属板１０と第１の金属板５と第１のガス拡散層１とは、溶接、ロウ付け、溶着などで金属接合させて一体的に結合されていてもよい。例えば、第２の金属板１０の主面と第１の金属板５の主面と第１のガス拡散層の主面が、拡散接合などにより面接合が行われていてもよい。これにより、第２の金属板１０と第１の金属板５と第１のガス拡散層１とを機械的な締結部材で固定して積層する場合に比べ、互いの接合部の空隙が消失するのでガス拡散デバイス９の接触抵抗（電気抵抗）を低減できる。すると、例えば、ガス拡散デバイス９を電気化学式水素ポンプなどに用い、ガス拡散デバイス９に所望の電圧を印加する場合は、電気化学式水素ポンプに必要な消費電力の増加を抑制できる。
なお、本実施例のガス拡散デバイス９は、上記特徴以外は、第１実施形態または第１実施形態の変形例のガス拡散デバイス９と同様であってもよい。
（第２実施形態）
図３Ｄは、第２実施形態のガス拡散デバイスにおけるガス拡散部の断面の一例を示す図である。図３Ａ、図３Ｂおよび図３Ｃは、第２実施形態のガス拡散デバイスにおけるガス拡散部を構成する積層体の層の一例を平面視した図である。
本実施形態のガス拡散デバイス９は、第１実施形態または第１実施形態の実施例のガス拡散デバイス９において、第１のガス拡散層１は、複数の貫通孔２１を有する金属板の積層体２０を含む。
具体的には、図３Ｄに示すように、積層体２０は、ガスが通過する、複数の貫通孔２１を有する層２２を備える。また、積層体２０の少なくとも１層２２は、貫通孔２１同士を連絡する連絡路２３を備える。積層体２０は、複数の貫通孔２１を有する層２２を備え、積層体２０の少なくとも１層２２が、貫通孔２１同士を連絡する連絡路２３を備えていれば、どのような構成であってもよい。
図３Ｄに示す例では、積層体２０を貫通する方向に延伸するガス流路（以下、基準ガス流路）を構成する貫通孔２１および連絡路２３の両端部と、基準ガス流路から枝分かれし、隣の基準ガス流路に至るように積層体２０の主面と平行な方向に延伸するガス流路を構成する連絡路２３とが、積層体２０に設けられている。これにより、連絡路２３は、連絡路２３が設けられた層２２に隣り合う層２２の貫通孔２１同士を連絡する。
なお、ガス拡散部２４の他の例は、変形例で説明する。
このような積層体２０を平面視した場合、例えば、図３Ａに示すように、積層体２０の層２２を構成する矩形状の金属板２２Ａに、複数の貫通孔２１Ａが、縦および横に等間隔ピッチでマトリクス状（格子状）に形成されていてもよい。貫通孔２１Ａの形状は、どのような形状でも構わない。貫通孔２１Ａは、例えば、直径が数十μｍ程度（例えば、約５０μｍ程度）の丸孔であってもよい。なお、図３Ａの金属板２２Ａは、上記の連絡路を備えていない。
また、図３Ｂに示すように、積層体２０の層２２を構成する矩形状の金属板２２Ｂに、複数の貫通孔２１Ｂが、縦および横に等間隔ピッチで形成されていてもよい。貫通孔２１Ｂの形状は、どのような形状でも構わない。貫通孔２１Ｂは、例えば、直径が数十μｍ程度（例えば、約５０μｍ程度）の丸孔であってもよい。
図３Ｂに示す例では、隣接する貫通孔２１Ｂの中心が結ばれると、二点鎖線で示す菱形Ｓとなるように、貫通孔２１Ｂが縦および横に配列されている。本例では、連絡路２３Ｂは、隣り合う菱形Ｓのそれぞれの中心ＰＢを斜めに結ぶ開口となるように形成されている。また、連絡路２３Ｂは、貫通孔２１Ｂ同士が連絡路２３Ｂを横断せずに結ばれる第１方向と平行な方向に延伸しているとも言える。また、連絡路２３Ｂは、第１方向と異なる方向で隣り合う貫通孔２１Ｂ同士のうち離間距離のより長い隣り合う貫通孔２１Ｂ同士（縦方向および横方向に隣り合う貫通孔２１Ｂ同士）を結ぶ直線の中点（ＰＢ）を結ぶ開口となるよう形成されているとも言える。そして、例えば、金属板２２Ｂと金属板２２Ａとを積層する場合、貫通孔２１Ａと貫通孔２１Ｂとが重なり合うとともに、貫通孔２１Ａと連絡路２３Ｂの両端部とが重なり合うように、貫通孔２１Ｂおよび連絡路２３Ｂが配列されている。よって、この場合、連絡路２３Ｂは、貫通孔２１Ａ同士を連絡することができる。
連絡路２３Ｂは、どのような形状でも構わない。例えば、貫通孔２１Ｂが、直径が数十μｍ程度（例えば、約５０μｍ程度）の丸孔である場合、連絡路２３Ｂは、幅が数十μｍ程度（例えば、約５０μｍ程度）のスリットであってもよい。
また、図３Ｃに示すように、積層体２０の層２２を構成する矩形状の金属板２２Ｃに、複数の貫通孔２１Ｃが形成されていてもよい。貫通孔２１Ｃの形状は、どのような形状でも構わない。貫通孔２１Ｃは、例えば、直径が数十μｍ程度（例えば、約５０μｍ程度）の丸孔であってもよい。
図３Ｃに示す例では、連絡路２３Ｃを横断せずに、隣接する貫通孔２１Ｃの中心が結ばれると、二点鎖線で示す傾斜直線Ｌとなるように、貫通孔２１Ｃが縦および横に配列されている。本例では、連絡路２３Ｃは、横方向に隣り合う貫通孔２１Ｃ同士を結ぶ直線を三等分した場合の２つの中間点ＰＣを横に結ぶ開口となるように形成されている。そして、例えば、金属板２２Ａと金属板２２Ｃと積層する場合、貫通孔２１Ａと貫通孔２１Ｃとが重なり合うとともに、貫通孔２１Ａと連絡路２３Ｃの両端部とが重なり合うように、貫通孔２１Ｃおよび連絡路２３Ｃが配列されている。よって、この場合、連絡路２３Ｃは、貫通孔２１Ａ同士を連絡することができる。
連絡路２３Ｃは、どのような形状でも構わない。例えば、貫通孔２１Ｃが、直径が数十μｍ程度（例えば、約５０μｍ程度）の丸孔である場合、連絡路２３Ｃは、幅が数十μｍ程度（例えば、約５０μｍ程度）のスリットであってもよい。
以上により、本実施形態のガス拡散デバイス９は、第１のガス拡散層１のガス拡散部２４を流れるガスの拡散が不均一化する恐れを適切に抑制できる。
つまり、第１のガス拡散層１が、適宜の流路部材のガス流路を通じてガス拡散部２４の貫通孔にガスを流入させる構成を取る場合、第１のガス拡散層１が上記の連絡路を備えないと、流路部材のガス流路が設けられていない部分の垂直線上に位置するガス拡散部２４の貫通孔にはガスが流れずに、ガス拡散部２４のガスの拡散が不均一化する恐れがある。しかし、本実施形態の第１のガス拡散層１は、上記の連絡路２３を介して、このようなガス拡散部２４の貫通孔２１にもガスを流すことができるので、ガスの拡散が不均一化することを適切に抑制できる。
また、本実施形態のガス拡散デバイス９では、ガス拡散部２４の複数の層２２を構成する金属板２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃを、例えば、溶接、ロウ付け、溶着などで金属接合させているので、ガス拡散部２４への押圧に対して、ガス拡散デバイス９の変形が適切に抑制される。
なお、本実施形態のガス拡散デバイス９は、上記特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の変形例および第１実施形態の実施例のいずれかのガス拡散デバイス９と同様であってもよい。
また、以上の貫通孔２１および連絡路２３の形状および寸法などは例示であって、本例に限定されない。
（変形例）
図４は、第２実施形態の変形例のガス拡散デバイスにおけるガス拡散部の一例を示す図である。
本実施形態のガス拡散デバイス９は、第１実施形態または第１実施形態の実施例のガス拡散デバイス９において、第１のガス拡散層１は、ガスを拡散させる金属焼結体５０を含む。つまり、本変形例のガス拡散デバイス９では、特開２００９−２７７５８３号公報などに開示されている金属焼結体５０が、第１のガス拡散層１のガス拡散部２４を構成する。
具体的には、図４に示すように、金属焼結体５０は、金属粉を焼結することで得られ、骨格部５１および複数の空孔部５２からなる多孔質化された構成を備える。
空孔部５２は、直径が数十μｍ程度（例えば、約５０μｍ程度）の空間であって互いに連通している。これにより、ガスが、金属焼結体５０をその厚み方向に通過するとき、ガスを分散することができる。なお、金属焼結体５０は、平滑に表面処理されている。金属焼結体５０の厚みは、第１のガス拡散層１の厚みとほぼ同じになるように平滑化処理をしてもよい。
以上により、本変形例のガス拡散デバイス９は、第１のガス拡散層１のガス拡散部２４を流れるガスの拡散が不均一化する恐れを適切に抑制できる。
つまり、第１のガス拡散層１が、適宜の流路部材のガス流路を通じてガス拡散部２４にガスを流入させる構成を取る場合、第１のガス拡散層１が上記の金属焼結体５０を備えないと、流路部材のガス流路が設けられていない部分の垂直線上に位置するガス拡散部２４にはガスが流れずに、ガス拡散部２４のガスの拡散が不均一化する恐れがある。しかし、本実施形態の第１のガス拡散層１は、上記の金属焼結体５０の空孔部５２を介して、このようなガス拡散部２４にもガスを流すことができるので、ガスの拡散が不均一化することを適切に抑制できる。
なお、本変形例のガス拡散デバイス９は、上記特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の変形例および第１実施形態の実施例のいずれかのガス拡散デバイス９と同様であってもよい。また、以上の空孔部５２の寸法は例示であって、本例に限定されない。
（第３実施形態）
［装置構成］
図５は、第３実施形態のガス拡散デバイスの一例を示す図である。図５（ａ）は、ガス拡散デバイス９の第１の金属板５Ｂを平面視した図である。図５（ｂ）は、ガス拡散デバイス９の第１のガス拡散層１を平面視した図である。図５（ｃ）は、ガス拡散デバイス９の第１の金属板５Ａを平面視した図である。
図５（ｄ）は、ガス拡散デバイス９の断面図である。つまり、図５（ｄ）では、図５（ａ）、図５（ｂ）および図５（ｃ）に平面視で示された部材が積層された場合のＤ−Ｄ部に対応するガス拡散デバイス９の断面が示されている。
図５に示す例では、ガス拡散デバイス９は、第１の金属板５Ａと、第１のガス拡散層１と、第１の金属板５Ｂと、を備える。第１のガス拡散層１は、第１実施形態のガス拡散デバイス９と同様であるので説明を省略する。
第３実施形態の第１の態様のガス拡散デバイス９は、第１実施形態、第１実施形態の実施例、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ガス拡散デバイス９において、第１のガス拡散層１の両方の主面にそれぞれ第１の金属板５Ａ、５Ｂが設けられ、一方の第１の金属板５Ａに設けられるマニホルド孔は、一方の第１の金属板５Ａに設けられたガス流路６Ａにガスを導入する第１の導入用マニホルド孔７Ａを含み、他方の第１の金属板５Ｂに設けられるマニホルド孔は、他方の第１の金属板５Ｂに設けられたガス流路６Ｂからのガスが導出される第２の導出用マニホルド孔８Ｂを含む。
また、第３実施形態の第２の態様のガス拡散デバイス９は、第３実施形態の第１の態様のガス拡散デバイス９において、一方の第１の金属板５Ａに設けられたマニホルド孔は、第２の導出用マニホルド孔８Ｂと連通する第１の導出用マニホルド孔８Ａを含み、一方の第１の金属板５Ａに設けられたガス流路６Ａは、第１の導出用マニホルド孔８Ａと連通しない。
また、第３実施形態の第３の態様のガス拡散デバイス９は、第３実施形態の第１の態様または第２の態様のガス拡散デバイス９において、他方の第１の金属板５Ｂに設けられたマニホルド孔は、第１の導入用マニホルド孔７Ａと連通する第２の導入用マニホルド孔７Ｂを含み、他方の第１の金属板５Ｂに設けられたガス流路６Ｂは、第２の導入用マニホルド孔７Ｂと連通しない。
また、第３実施形態の第４の態様のガス拡散デバイス９は、第３実施形態の第１−第３の態様のいずれかのガス拡散デバイス９において、他方の第１の金属板５Ｂには、ガス流路６Ｂが設けられていない領域に第１のガス拡散層１から流入したガスを拡散するガス拡散部３１が設けられている。
具体的には、図５に示すように、第１の金属板５Ａの第１の導入用マニホルド孔７Ａは、第１のガス拡散層１のマニホルド孔３を介して、第１の金属板５Ｂの第２の導入用マニホルド孔７Ｂと対置するように配されている。
第１の金属板５Ａの第１の導出用マニホルド孔８Ａは、第１のガス拡散層１のマニホルド孔４を介して、第１の金属板５Ｂの第２の導出用マニホルド孔８Ｂと対置するように配されている。
つまり、ガス拡散デバイス９の筒状のガス導入マニホルドが、第１の導入用マニホルド孔７Ａとマニホルド孔３と第２の導入用マニホルド孔７Ｂとによって形成されている。ガス拡散デバイス９の筒状のガス導出マニホルドが、第１の導出用マニホルド孔８Ａとマニホルド孔４と第２の導出用マニホルド孔８Ｂとによって形成されている。
また、第１の金属板５Ａのガス流路６Ａは、第１の導入用マニホルド孔７Ａと連通し、ここから第１の金属板５Ａの中央部付近にまで互いに平行に延伸する複数のスリット孔３６Ａで構成されている。つまり、スリット孔３６Ａは、第１の導出用マニホルド孔８Ａとは連通しない。
また、第１の金属板５Ｂのガス流路６Ｂは、第２の導出用マニホルド孔８Ｂと連通し、ここから第１の金属板５Ｂの中央部付近にまで互いに平行に延伸する複数のスリット孔３６Ｂで構成されている。つまり、スリット孔３６Ｂは、第２の導入用マニホルド孔７Ｂとは連通しない。
また、第１の金属板５Ｂのガス拡散部３１は、第１のガス拡散層１のガス拡散部２４に対向する第１の金属板５Ｂの部分のうち、ガス流路６Ｂが設けられていない箇所に所定の等間隔ピッチで配された複数の貫通孔３１Ａで構成されている。
なお、図５では図示を省略しているが、本実施形態のガス拡散デバイス９では、第１のガス拡散層１と対向していない第１の金属板５Ａの主面には、スリット孔３６Ａを塞ぐための適宜の金属製部材（例えば、上記の第２の金属板１０など）が配されていてもよい。
［動作］
以下、図５を参照しながら、第３実施形態のガス拡散デバイス９の動作の一例を説明する。なお、以下の動作の一部または全部は、図示しない制御器の制御プログラムにより行われても構わない。制御器は、制御機能を有するものであれば、どのような構成であっても構わない。制御器は、例えば、演算回路と、制御プログラムを記憶する記憶回路と、を備える。演算回路として、例えば、ＭＰＵ、ＣＰＵなどが例示される。記憶回路として、例えば、メモリが例示される。制御器は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよいし、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもよい。
まず、第１の導入用マニホルド孔７Ａに外部からガスが供給される。すると、第１の導入用マニホルド孔７Ａは、第１の金属板５Ａのガス流路６Ａの一端と連通しているので、第１の導入用マニホルド孔７Ａからガス流路６Ａにガスが送られる。
このとき、ガス流路６Ａを流通するガスは全量、第１のガス拡散層１のガス拡散部２４へ送られる。ガス拡散部２４は、上記で説明したガス拡散作用を備える。よって、ガス流路６Ａから第１の金属板５Ａと対向していないガス拡散部２４の主面（以下、反対面）へと向かうガスが、ガス拡散部２４で均一に拡散されながら、ガス拡散部２４の反対面を通過し、第１の金属板５Ｂへ送られる。
第１の金属板５Ｂでは、ガス拡散部２４で拡散されたガスは、貫通孔３１Ａとガス流路６Ｂを通じて、第１の金属板５Ｂ上に配された図示しない適宜の部材（例えば、触媒層など）に供給される。
第１の金属板５Ｂを通過しなかった余剰のガスは、第１の金属板５Ｂのガス流路６Ｂの一端と連通した第２の導出用マニホルド孔８Ｂに送られ、外部へ排出される。
以上により、本実施形態のガス拡散デバイス９は、第１の金属板５Ａのガス流路６Ａを第１の導出用マニホルド孔８Ａと連通させないことで、第１の金属板５Ａのガス流路６Ａを流通するガスを全量、第１のガス拡散層１のガス拡散部２４から第１の金属板５Ｂへと送ることができる。
また、ガス拡散部２４で拡散された適量のガスを、貫通孔３１Ａとガス流路６Ｂを通じて適宜の部材（例えば、触媒層など）に供給できるとともに、ガス拡散部２４の余剰のガスを第２の導出用マニホルド孔８Ｂを通じて外部へ排出できる。よって、ガス拡散部２４の余剰のガスが第１の金属板５Ａに戻ることが抑制されるので、ガス拡散部２４のガスの流れがスムーズになる。
なお、本実施形態のガス拡散デバイス９では、第１の金属板５Ａのガス流路６Ａの流路長が、第１の導入用マニホルド孔７Ａから第１の金属板５Ａの中央部近傍までの距離に設定され、第１の金属板５Ｂのガス流路６Ｂの流路長が、第１の金属板５Ｂの中央部近傍から第２の導出用マニホルド孔８Ｂまでの距離に設定されている。しかし、これらの流路長は例示であって、本例に限定されない。つまり、ガス流路６Ａおよびガス流路６Ｂの流路長は、第１のガス拡散層１のガス拡散部２４に、ガスを可能な限り均一に供給し得る距離に設定してもよい。このとき、ガス拡散部２４の多孔度および圧損、第１のガス拡散層１の厚み、ガスの物性などを考慮して所望の値に設定する必要がある。
また、本実施形態のガス拡散デバイス９では、第１の金属板５Ａと第１のガス拡散層１と第１の金属板５Ｂとは、溶接、ロウ付け、溶着などで金属接合させて一体的に結合されていてもよい。例えば、第１の金属板５Ａの主面と第１のガス拡散層１の主面と第１の金属板５Ｂの主面とが、拡散接合などにより面接合が行われていてもよい。これにより、第１の金属板５Ａと第１のガス拡散層１と第１の金属板５Ｂとを機械的な締結部材で固定して積層する場合に比べ、互いの接合部の空隙が消失するのでガス拡散デバイス９の接触抵抗（電気抵抗）を低減できる。すると、例えば、ガス拡散デバイス９を電気化学式水素ポンプなどに用い、ガス拡散デバイス９に所望の電圧を印加する場合は、電気化学式水素ポンプに必要な消費電力の増加を抑制できる。
なお、本実施形態のガス拡散デバイス９は、上記特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の変形例、第１実施形態の実施例、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ガス拡散デバイス９と同様であってもよい。
（第４実施形態）
図６は、第４実施形態のガス拡散デバイスの一例を示す図である。図６（ａ）は、ガス拡散デバイス９の第２のガス拡散層１３を平面視した図である。図６（ｂ）は、ガス拡散デバイス９の第１の金属板５Ｂを平面視した図である。図６（ｃ）は、ガス拡散デバイス９の第１のガス拡散層１を平面視した図である。図６（ｄ）は、ガス拡散デバイス９の第１の金属板５Ａを平面視した図である。
図６（ｅ）は、ガス拡散デバイス９の断面図である。つまり、図６（ｅ）では、図６（ａ）、図６（ｂ）、図６（ｃ）および図６（ｄ）に平面視で示された部材が積層された場合のＥ−Ｅ部に対応するガス拡散デバイス９の断面が示されている。
図６に示す例では、ガス拡散デバイス９は、第２のガス拡散層１３と、第１の金属板５Ａと、第１のガス拡散層１と、第１の金属板５Ｂと、を備える。第１の金属板５Ａ、第１のガス拡散層１および第１の金属板５Ｂは、第３実施形態のガス拡散デバイス９と同様であるので説明を省略する。
第４実施形態の第１の態様のガス拡散デバイス９は、第３実施形態の第１−第４の態様のいずれかのガス拡散デバイス９において、他方の第１の金属板５Ｂの主面のうち、第１のガス拡散層１と対向していない主面上にガスを拡散する第２のガス拡散層１３を備える。
また、第４実施形態の第２の態様のガス拡散デバイス９は、第４実施形態の第１の態様のガス拡散デバイス９において、第２のガス拡散層１３には、第２の導入用マニホルド孔７Ｂと連通する第３の導入用マニホルド孔７Ｃと第２の導出用マニホルド孔８Ｂと連通する第３の導出用マニホルド孔８Ｃが設けられている。
具体的には、図６に示すように、第１の金属板５Ｂの第２の導入用マニホルド孔７Ｂは、第２のガス拡散層１３の第３の導入用マニホルド孔７Ｃと対置するように配されている。
第１の金属板５Ｂの第２の導出用マニホルド孔８Ｂは、第２のガス拡散層１３の第３の導出用マニホルド孔８Ｃと対置するように配されている。
つまり、ガス拡散デバイス９の筒状のガス導入マニホルドが、第１の導入用マニホルド孔７Ａとマニホルド孔３と第２の導入用マニホルド孔７Ｂと第３の導入用マニホルド孔７Ｃとによって形成されている。ガス拡散デバイス９の筒状のガス導出マニホルドが、第１の導出用マニホルド孔８Ａとマニホルド孔４と第２の導出用マニホルド孔８Ｂと第３の導出用マニホルド孔８Ｃとによって形成されている。
第２のガス拡散層１３は、第２のガス拡散層１３を通過するガスを拡散できれば、どのような構成であっても構わない。本実施形態のガス拡散デバイス９では、第２のガス拡散層１３のガス拡散部３２は、例えば、第１の金属板５Ｂを介して第１のガス拡散層１のガス拡散部２４に対向する部分に、等間隔ピッチで配された複数の貫通孔３２Ａで構成されている。
なお、第２のガス拡散層１３は、ガスを拡散させる金属製部材であれば、どのような構成であっても構わない。第２のガス拡散層１３は、例えば、ステンレススチール、チタン、チタン合金、アルミニウム合金などの金属で構成されていてもよい。第２のガス拡散層１３の厚みは、数十μｍ程度（例えば、約５０μｍ程度）であってもよい。これらの材質および数値は例示であって、本例に限定されない。
また、図６では図示を省略しているが、本実施形態のガス拡散デバイス９では、第１のガス拡散層１と対向していない第１の金属板５Ａの主面には、スリット孔３６Ａを塞ぐための適宜の金属製部材（例えば、上記の第２の金属板１０など）が配されていてもよい。
以上により、本実施形態のガス拡散デバイス９は、第１の金属板５Ａのガス流路６Ａを第１の導出用マニホルド孔８Ａと連通させないことで、第１の金属板５Ａのガス流路６Ａを流通するガスを全量、第１のガス拡散層１のガス拡散部２４から第１の金属板５Ｂへと送り、更に第２のガス拡散層１３へと送ることができる。
そして、第２のガス拡散層１３では、第１のガス拡散層１のガス拡散部２４で拡散された適量のガスが、第２のガス拡散層１３で更に拡散される。特に、第２のガス拡散層１３のガス拡散部３２には、等間隔ピッチで複数の貫通孔３２Ａが設けられているので、第２のガス拡散層１３上に配された図示しない適宜の部材（例えば、触媒層など）の全域にガスを万遍なく均一に供給できる。
また、本実施形態のガス拡散デバイス９では、第１の金属板５Ａと第１のガス拡散層１と第１の金属板５Ｂと第２のガス拡散層１３とは、溶接、ロウ付け、溶着などで金属接合させて一体的に結合されていてもよい。例えば、第１の金属板５Ａの主面と第１のガス拡散層１の主面と第１の金属板５Ｂの主面と第２のガス拡散層１３の主面とが、拡散接合などにより面接合が行われていてもよい。これにより、第１の金属板５Ａと第１のガス拡散層１と第１の金属板５Ｂと第２のガス拡散層１３とを機械的な締結部材で固定して積層する場合に比べ、互いの接合部の空隙が消失するのでガス拡散デバイス９の接触抵抗（電気抵抗）を低減できる。すると、例えば、ガス拡散デバイス９を電気化学式水素ポンプなどに用い、ガス拡散デバイス９に所望の電圧を印加する場合は、電気化学式水素ポンプに必要な消費電力の増加を抑制できる。
なお、本実施形態のガス拡散デバイス９は、上記特徴以外は、第３実施形態の第１−第４の態様のいずれかのガス拡散デバイス９と同様であってもよい。
（第５実施形態）
図７は、第５実施形態のガス拡散デバイスの一例を示す図である。図７（ａ）は、ガス拡散デバイス９の第２のガス拡散層１３を平面視した図である。図７（ｂ）は、ガス拡散デバイス９の第１の金属板５ＢＢを平面視した図である。図７（ｃ）は、ガス拡散デバイス９の第１のガス拡散層１を平面視した図である。図７（ｄ）は、ガス拡散デバイス９の第１の金属板５ＡＡを平面視した図である。
図７（ｅ）は、ガス拡散デバイス９の断面図である。つまり、図７（ｅ）では、図７（ａ）、図７（ｂ）、図７（ｃ）および図７（ｄ）に平面視で示された部材が積層された場合のＥ−Ｅ部に対応するガス拡散デバイス９の断面が示されている。
図７に示す例では、ガス拡散デバイス９は、第２のガス拡散層１３と、第１の金属板５ＡＡと、第１のガス拡散層１と、第１の金属板５ＢＢと、を備える。第１のガス拡散層１および第２のガス拡散層１３は、第４実施形態のガス拡散デバイス９と同様であるので説明を省略する。
第５実施形態の第１の態様のガス拡散デバイス９は、第３実施形態の第１−第４の態様および第４実施形態の第１−第２の態様のいずれかのガス拡散デバイス９において、一方の第１の金属板５ＡＡに設けられたガス流路は、第１の導入用マニホルド孔７Ａと連通する、複数の平行なガス流路６ＡＡを含み、複数のガス流路６ＡＡは、流路の長さが異なる。
また、第５実施形態の第２の態様のガス拡散デバイス９は、第３実施形態の第１−第４の態様、第４実施形態の第１−第２の態様および第５実施形態の第１の態様のいずれかのガス拡散デバイス９において、他方の第１の金属板５ＢＢに設けられたガス流路は、第２の導出用マニホルド孔８Ｂと連通する、複数の平行なガス流路６ＢＢを含み、複数のガス流路６ＢＢは、流路の長さが異なる。
具体的には、図６に示すように、第１の金属板５ＡＡのガス流路６ＡＡは、第１の導入用マニホルド孔７Ａと連通し、互いに平行に延伸する複数のスリット孔３６ＡＡで構成され、これらのスリット孔３６ＡＡの長さが不均一に構成されている。第１の金属板５ＢＢのガス流路６ＢＢは、第２の導出用マニホルド孔８Ｂと連通し、互いに平行に延伸する複数のスリット孔３６ＢＢで構成され、これらのスリット孔３６ＢＢの長さが不均一に構成されている。
以上により、本実施形態のガス拡散デバイス９は、第１の金属板５ＡＡのガス流路６ＡＡの長さを不均一に構成することで、第１のガス拡散層１のガス拡散部２４における第１の導入用マニホルド孔７Ａと近接する部分から遠隔する部分に至るまで万遍なく、ガス流路６ＡＡからガス拡散部２４にガスが供給される。また、第１の金属板５ＢＢのガス流路６ＢＢの長さを不均一に構成することで、第１のガス拡散層１のガス拡散部２４における第２の導出用マニホルド孔８Ｂと近接する部分から遠隔する部分に至るまで万遍なく、ガス拡散部２４からガス流路６ＢＢに余剰のガスが排出される。
なお、ガス流路６ＡＡおよびガス流路６ＢＢの流路長は、第１のガス拡散層１のガス拡散部２４に、ガスを可能な限り均一に供給し得る距離に設定してもよい。このとき、ガス拡散部２４の多孔度および圧損、第１のガス拡散層１の厚み、ガスの物性などを考慮して所望の値に設定する必要がある。
また、本実施形態のガス拡散デバイス９は、上記特徴以外は、第３実施形態の第１−第４の態様および第４実施形態の第１−第２の態様のいずれかのガス拡散デバイス９と同様であってもよい。
（第６実施形態）
［装置構成］
図８および図９は、第６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９は、図８のＡ部の拡大図である。
本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、一対の主面を備える電解質膜１４と、電解質膜１４の一方の主面に設けられたカソード触媒層１５と、電解質膜１４の他方の主面に設けられたアノード触媒層１６と、カソード触媒層１５に設けられたカソードガス拡散デバイス１７と、アノード触媒層１６に設けられたアノードガス拡散デバイス１０９と、カソード触媒層１５およびアノード触媒層１６の間に電圧を印加する電圧印加器１９と、を備える。
電気化学式水素ポンプ１００の単セル１００Ａは、電解質膜１４、カソード触媒層１５、アノード触媒層１６、カソードガス拡散デバイス１７およびアノードガス拡散デバイス１０９を備える。よって、図８の電気化学式水素ポンプ１００は、３段の単セル１００Ａが積層されたスタックを構成しているが、単セル１００Ａの段数はこれに限定されない。つまり、単セル１００Ａの段数は、電気化学式水素ポンプ１００の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。
積層状態の単セル１００Ａを適切に保持するには、単セル１００Ａの最上層のカソードガス拡散デバイス１７の端面および最下層のアノードガス拡散デバイス１０９の端面をそれぞれ、図示しない絶縁板などを介して端板２６Ｕおよび端板２６Ｄで挟み、単セル１００Ａに所望の締結圧をかける必要がある。そこで、端板２６Ｕおよび端板２６Ｄの適所に、単セル１００Ａに締結圧をかけるための皿ばねを備える複数の締結部材２７（例えば、端板２６Ｕおよび端板２６Ｄの間を貫通するボルトとナットなど）が設けられている。
端板２６Ｕには、カソードガス拡散デバイス１７からのカソードガスが流通するカソードガス導出配管３０が設けられている。つまり、カソードガス導出配管３０は、単セル１００Ａに設けられた図示しないカソードガス導出マニホルドに連通している。
また、端板２６Ｕには、アノードガス拡散デバイス１０９からの余剰のアノードガスが流通するアノードガス導出配管２９も設けられている。つまり、アノードガス導出配管２９は、積層状態の単セル１００Ａに設けられたアノードガス導出マニホルド２９Ａに連通している。なお、カソードガス拡散デバイス１７およびアノードガス拡散デバイス１０９の間には、平面視において、アノードガス導出マニホルド２９Ａを囲むようにＯリングなどのシール部材４０が設けられ、アノードガス導出マニホルド２９Ａが、シール部材４０で適切にシールされている。
端板２６Ｄには、アノードガス拡散デバイス１０９に供給されるアノードガスが流通するアノードガス導入配管２８が設けられている。つまり、アノードガス導入配管２８は、積層状態の単セル１００Ａに設けられたアノードガス導入マニホルド２８Ａに連通している。なお、カソードガス拡散デバイス１７およびアノードガス拡散デバイス１０９の間には、平面視において、アノードガス導入マニホルド２８Ａを囲むようにＯリングなどのシール部材４０が設けられ、アノードガス導入マニホルド２８Ａが、シール部材４０で適切にシールされている。
電解質膜１４は、プロトン（Ｈ＋）を透過可能なプロトン伝導性高分子膜である。電解質膜１４はプロトン伝導性高分子膜であれば、どのような膜であってもよい。例えば、電解質膜１４として、フッ素系高分子電解質膜などを挙げることができる。具体的には、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）などを用いることができる。
カソード触媒層１５は、上記のとおり、電解質膜１４の一方の主面（例えば、おもて面）に設けられている。なお、平面視において、カソード触媒層１５の周囲を囲むようにＯリングなどのシール部材４１が設けられ、カソード触媒層１５が、シール部材４１で適切にシールされている。カソード触媒層１５は、例えば、触媒金属として白金を含むが、これに限定されない。
アノード触媒層１６は、上記のとおり、電解質膜１４の他方の主面（例えば、うら面）に設けられている。なお、平面視において、アノード触媒層１６の周囲を囲むようにＯリングなどのシール部材４２が設けられ、アノード触媒層１６が、シール部材４２で適切にシールされている。アノード触媒層１６は、例えば、触媒金属としてＲｕＩｒＦｅＯｘを含むが、これに限定されない。
カソード触媒層１５もアノード触媒層１６も、触媒の調製方法としては、種々の方法を挙げることができるので、特に限定されない。例えば、触媒の担体としては、導電性多孔質物質粉末、炭素系粉末などを挙げることができる。炭素系粉末としては、例えば、黒鉛、カーボンブラック、電気導電性を有する活性炭などの粉末を挙げることができる。カーボンなどの担体に、白金若しくは他の触媒金属を担持する方法は、特に限定されない。例えば、粉末混合または液相混合などの方法を用いてもよい。後者の液相混合としては、例えば、触媒成分コロイド液にカーボンなどの担体を分散させ、吸着させる方法などが挙げられる。また、必要に応じて活性酸素除去材を担体として、白金若しくは他の触媒金属を上記と同様の方法で担持することができる。白金などの触媒金属の担体への担持状態は、特に限定されない。例えば、触媒金属を微粒子化し、高分散で担体に担持してもよい。
カソードガス拡散デバイス１７は、カソードガス拡散層１７Ａと、カソードセパレータ１７Ｂとを備える。カソードガス拡散層１７Ａは、カソード触媒層１５に接するように設けられている。カソードセパレータ１７Ｂは、カソードガス拡散層１７Ａを収容する収容部を備える。カソードガス拡散層１７Ａとしては、例えば、高弾性の黒鉛化炭素繊維、または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などで構成され、ペーパー状にしたものを用いることができる。なお、前者の黒鉛化炭素繊維を用いる場合、炭素繊維を、例えば、2000℃以上で熱処理すると黒鉛結晶が発達し黒鉛繊維に変化する。
カソードセパレータ１７Ｂには、カソードセパレータ１７Ｂの収容部と連通し、カソードガスをカソードガス導出配管３０に送るためのカソードガス導出マニホルドが設けられているが、本カソードガス導出マニホルドは一般的な構成なので図示および詳細な説明は省略する。
アノードガス拡散デバイス１０９は、第１実施形態、第１実施形態の実施例、第２実施形態、第２実施形態の変形例、第３実施形態の第１−第４の態様、第４実施形態の第１−第２の態様および第５実施形態の第１−第２の態様のいずれかのガス拡散デバイス９を含む。アノードガス拡散デバイス１０９は、アノード触媒層１６に接するように設けられている。アノードガス拡散デバイス１０９は、高圧による電解質膜１４の押し付けに耐え得る程度の剛性を備える。なお、アノードガス拡散デバイス１０９の積層構成は、以上に述べたガス拡散デバイス９と同様であるので詳細な説明は省略する。
電圧印加器１９は、上記のとおり、カソード触媒層１５およびアノード触媒層１６の間に電圧を印加する。具体的には、電圧印加器１９のマイナス端子は、導電性のカソードガス拡散デバイス１７に接続され、電圧印加器１９のプラス端子が、導電性のアノードガス拡散デバイス１０９に接続されている。電圧印加器１９は、カソード触媒層１５およびアノード触媒層１６の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。
［動作］
以下、図９および図１０を参照しながら本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００の動作について説明する。なお、以下の動作の一部または全部は、図示しない制御器の制御プログラムにより行われても構わない。制御器は、制御機能を有するものであれば、どのような構成であっても構わない。制御器は、例えば、演算回路と、制御プログラムを記憶する記憶回路と、を備える。演算回路として、例えば、ＭＰＵ、ＣＰＵなどが例示される。記憶回路として、例えば、メモリが例示される。制御器は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよいし、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもよい。
まず、電圧印加器１９により、カソードガス拡散デバイス１７とアノードガス拡散デバイス１０９との間に電圧を印加する。制御器は、電圧印加器１９の動作を制御する。例えば、制御器は、電圧印加器１９の動作のＯＮ／ＯＦＦを制御してもよい。また、制御器は、電圧印加器１９が印加する電圧の大きさを制御してもよい。
次に、アノードガス導入配管２８を通じて、アノードガスがアノードガス拡散デバイス１０９に供給される。すると、アノードガス中の水素は、アノード触媒層１６上で電子を遊離してプロトン（Ｈ＋）となる（式（１））。遊離した電子は、電圧印加器１９を介してカソード触媒層１５へと移動する。なお、アノードガスとして、例えば、水素含有の改質ガス、水電解法で生成される水素含有ガスなどを挙げることができる。
一方、プロトンは、水分子を同伴しながら電解質膜１４内を透過し、カソード触媒層１５に移動する。カソード触媒層１５では、電解質膜１４を透過したプロトンと、電子とによる還元反応が行われ、カソードガス（水素ガス）が生成される（式（２））。
これにより、ＣＯ２ガスなどの不純物を含む水素ガス（アノードガス）から高効率に水素ガスの純化が行われる。なお、アノードガスには、不純物としてＣＯガスを含有する場合がある。この場合、ＣＯガスは、アノード触媒層１６などの触媒活性を低下させるので、ＣＯガスは、図示しないＣＯ除去器（例えば、変成器、ＣＯ選択酸化器など）で除去する方がよい。
そして、カソードガス導出配管３０の圧損を増やし、電圧印加器１９の電圧Ｅを上げることで、カソードガス拡散デバイス１７のガス圧力が上昇し、カソードガス圧が高圧になる。具体的には、アノードのガス圧Ｐ１、カソードのガス圧Ｐ２および電圧印加器１９の電圧Ｅの関係は、以下の式（３）で定式化される。
アノード：Ｈ２（低圧）→２Ｈ＋＋２ｅ− ・・・（１）
カソード：２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２（高圧） ・・・（２）
Ｅ＝（ＲＴ／２Ｆ）ｌｎ（Ｐ２／Ｐ１）＋ｉｒ・・・（３）
式（３）において、Ｒは気体定数（８.３１４５Ｊ／Ｋ・ｍｏｌ）、Ｔは温度（Ｋ）、Ｆはファラデー定数（９６４８５Ｃ／ｍｏｌ）、Ｐ２はカソードのガス圧、Ｐ１はアノードのガス圧、ｉは電流密度（Ａ／ｃｍ２）、ｒはセル抵抗（Ω・ｃｍ２）である。
式（３）から、電圧印加器１９の電圧Ｅを上げることで、カソードのガス圧Ｐ２を上昇し得ることが容易に理解できる。なお、カソードガス導出配管３０の圧損は、例えば、カソードガス導出配管３０に設けられた開閉弁の開度により増減させることができる。
そして、カソードガス拡散デバイス１７のガス圧が所定値以上になると、カソードガス導出配管３０の圧損を減らすことで（例えば、開閉弁の開度を大きくすることで）、カソードガス拡散デバイス１７のカソードガスが、カソードガス導出配管３０を通じて図示しない高圧水素タンクへ充填される。一方、カソードガス拡散デバイス１７のガス圧が所定圧力未満になると、カソードガス導出配管３０の圧損を増やすことで（例えば、開閉弁の開度を小さくすることで）、カソードガス拡散デバイス１７と高圧水素タンクとが遮断される。これにより、高圧水素タンクのカソードガスが、カソードガス拡散デバイス１７に逆流することが抑制される。
このようにして、電気化学式水素ポンプ１００により、高純度のカソードガス（水素ガス）が、所望の目標圧力に昇圧され、高圧水素タンクへ充填される。
以上により、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、アノードガス拡散デバイス１０９の第１のガス拡散層１へのガス分配性を適切に確保しながら、カソードガス拡散デバイス１７のガス圧が高圧になる場合であっても、アノードガス拡散デバイス１０９により電解質膜１４およびアノード触媒層１６の変形を適切に抑制し得る。
具体的には、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、例えば、図１Ａに示すように、アノードガス拡散デバイス１０９の第１のガス拡散層１に、マニホルド孔７およびマニホルド孔８と連通するガス流路６を備える第１の金属板５が積層することで、第１のガス拡散層１のガス拡散部２４へのガスの分配性が確保される。
また、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、アノードガス拡散デバイス１０９を構成する金属板が積層することで、アノードガス拡散デバイス１０９の適切な剛性が得られ、アノードガス拡散デバイス１０９の第１のガス拡散層１に高圧がかかる場合でもアノードガス拡散デバイス１０９の変形を抑制できる。
また、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、アノードガス拡散デバイス１０９を構成する金属板が、例えば、溶接、ロウ付け、溶着などで金属接合させて一体的に結合されていてもよい。例えば、アノードガス拡散デバイス１０９を構成する金属板が、拡散接合などにより面接合が行われていてもよい。これにより、これらの金属板を機械的な締結部材で固定して積層する場合に比べ、互いの接合部の空隙が消失するのでアノードガス拡散デバイス１０９の接触抵抗（電気抵抗）を低減できる。すると、アノードガス拡散デバイス１０９に所望の電圧を印加する際の電気化学式水素ポンプ１００に必要な消費電力の増加を抑制できる。
なお、第１実施形態、第１実施形態の実施例、第１実施形態の変形例、第２実施形態、第２実施形態の変形例、第３実施形態、第４実施形態、第５実施形態および第６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。
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できる。
本開示の一態様は、溝加工および曲げ加工を行わずに、ガス流路を金属板に適切に設けることができるガス拡散デバイスを提供する。よって、本開示の一態様は、例えば、電気化学式水素ポンプに利用できる。
１ ：第１のガス拡散層
３ ：マニホルド孔
４ ：マニホルド孔
５ ：第１の金属板
５Ａ ：第１の金属板
５ＡＡ ：第１の金属板
５Ｂ ：第１の金属板
５ＢＢ ：第１の金属板
６ ：ガス流路
６Ａ ：ガス流路
６ＡＡ ：ガス流路
６Ｂ ：ガス流路
６ＢＢ ：ガス流路
７ ：マニホルド孔
７Ａ ：第１の導入用マニホルド孔
７Ｂ ：第２の導入用マニホルド孔
７Ｃ ：第３の導入用マニホルド孔
８ ：マニホルド孔
８Ａ ：第１の導出用マニホルド孔
８Ｂ ：第２の導出用マニホルド孔
８Ｃ ：第３の導出用マニホルド孔
９ ：ガス拡散デバイス
１０ ：第２の金属板
１１ ：マニホルド孔
１２ ：マニホルド孔
１３ ：第２のガス拡散層
１４ ：電解質膜
１５ ：カソード触媒層
１６ ：アノード触媒層
１７ ：カソードガス拡散デバイス
１７Ａ ：カソードガス拡散層
１７Ｂ ：カソードセパレータ
１９ ：電圧印加器
２０ ：積層体
２１ ：貫通孔
２１Ａ ：貫通孔
２１Ｂ ：貫通孔
２１Ｃ ：貫通孔
２２ ：層
２２Ａ ：金属板
２２Ｂ ：金属板
２２Ｃ ：金属板
２３ ：連絡路
２３Ｂ ：連絡路
２３Ｃ ：連絡路
２４ ：ガス拡散部
２６Ｄ ：端板
２６Ｕ ：端板
２７ ：締結部材
２８ ：アノードガス導入配管
２８Ａ ：アノードガス導入マニホルド
２９ ：アノードガス導出配管
２９Ａ ：アノードガス導出マニホルド
３０ ：カソードガス導出配管
３１ ：ガス拡散部
３１Ａ ：貫通孔
３２ ：ガス拡散部
３２Ａ ：貫通孔
３６ ：スリット孔
３６Ａ ：スリット孔
３６ＡＡ ：スリット孔
３６Ｂ ：スリット孔
３６ＢＢ ：スリット孔
４０ ：シール部材
４１ ：シール部材
４２ ：シール部材
５０ ：金属焼結体
５１ ：骨格部
５２ ：空孔部
１００ ：電気化学式水素ポンプ
１００Ａ ：単セル
１０９ ：アノードガス拡散デバイス

Claims (13)

  1. ガスを拡散させる、金属製の第１のガス拡散層と、
    前記第１のガス拡散層の少なくとも一方の主面上に設けられ、ガスが流通するマニホルド孔および前記マニホルド孔と連通するガス流路を備える第１の金属板とを備え、
    前記ガス流路は、前記第１の金属板を貫通している、ガス拡散デバイス。
  2. 前記第１の金属板の主面のうち、前記第１のガス拡散層と対向していない主面上に前記ガス流路を塞ぐ第２の金属板を備える、請求項１記載のガス拡散デバイス。
  3. 前記第１のガス拡散層は、複数の貫通孔を有する金属板の積層体を含む、請求項１または２記載のガス拡散デバイス。
  4. 前記第１のガス拡散層は、ガスを拡散させる金属焼結体を含む、請求項１または２記載のガス拡散デバイス。
  5. 前記第１のガス拡散層の両方の主面にそれぞれ前記第１の金属板が設けられ、
    一方の前記第１の金属板に設けられる前記マニホルド孔は、前記一方の第１の金属板に設けられた前記ガス流路にガスを導入する第１の導入用マニホルド孔を含み、
    他方の前記第１の金属板に設けられる前記マニホルド孔は、前記他方の第１の金属板に設けられた前記ガス流路からのガスが導出される第２の導出用マニホルド孔を含む、請求項１−４のいずれか１項に記載のガス拡散デバイス。
  6. 前記一方の第１の金属板に設けられた前記マニホルド孔は、前記第２の導出用マニホルド孔と連通する第１の導出用マニホルド孔を含み、前記一方の第１の金属板に設けられたガス流路は、前記第１の導出用マニホルド孔と連通しない、請求項５記載のガス拡散デバイス。
  7. 前記他方の第１の金属板に設けられた前記マニホルド孔は、前記第１の導入用マニホルド孔と連通する第２の導入用マニホルド孔を含み、前記他方の第１の金属板に設けられた前記ガス流路は、前記第２の導入用マニホルド孔と連通しない、請求項５または６に記載のガス拡散デバイス。
  8. 前記他方の第１の金属板には、前記ガス流路が設けられていない領域に前記第１のガス拡散層から流入したガスを拡散するガス拡散部が設けられている、請求項５−７のいずれか１項に記載のガス拡散デバイス。
  9. 前記他方の第１の金属板の主面のうち、前記第１のガス拡散層と対向していない主面上にガスを拡散する第２のガス拡散層を備える、請求項５−８のいずれか１項に記載のガス拡散デバイス。
  10. 前記第２のガス拡散層には、前記第２の導入用マニホルド孔と連通する第３の導入用マニホルド孔と前記第２の導出用マニホルド孔と連通する第３の導出用マニホルド孔が設けられている、請求項９記載のガス拡散デバイス。
  11. 前記一方の第１の金属板に設けられた前記ガス流路は、前記第１の導入用マニホルド孔と連通する、複数の平行なガス流路を含み、前記複数のガス流路は、流路の長さが異なる、請求項５−１０のいずれか１項に記載のガス拡散デバイス。
  12. 前記他方の第１の金属板に設けられた前記ガス流路は、前記第２の導出用マニホルド孔
    と連通する、複数の平行なガス流路を含み、前記複数のガス流路は、流路の長さが異なる、請求項５−１１のいずれか１項に記載のガス拡散デバイス。
  13. 一対の主面を備える電解質膜と、
    前記電解質膜の一方の主面に設けられたカソード触媒層と、
    前記電解質膜の他方の主面に設けられたアノード触媒層と、
    前記カソード触媒層に設けられたカソードガス拡散デバイスと、
    前記アノード触媒層に設けられたアノードガス拡散デバイスと、
    前記カソード触媒層および前記アノード触媒層の間に電圧を印加する電圧印加器と、
    を備え、
    前記アノードガス拡散デバイスは、請求項１−１２のいずれか１項に記載のガス拡散デバイスを含む、電気化学式水素ポンプ。
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