JP2019163521A - 電気化学式水素ポンプ - Google Patents

Abstract

【解決手段】電気化学式水素ポンプは、電解質膜１１と、電解質膜の一方の主面に設けられ、アノード触媒層１３および多孔性かつ金属製のアノードガス拡散層１５を含むアノードと、電解質膜の他方の主面に設けられ、カソード触媒層１２および多孔性のカソードガス拡散層１４を含むカソードと、アノードおよびカソード間に電圧を印加する電圧印加器１０２と、を備え、電圧印加器で電圧を印加することで、アノード側に供給される水素がカソード側において昇圧され、アノード触媒層の少なくとも一部の層は、アノードガス拡散層との混合層１３Ａである。【効果】従来に比べて水素圧縮効率を向上し得る。【選択図】図１

Description

本開示は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す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。そこで、水素を安定的に供給するために、高純度の水素ガスを製造、精製、高密度貯蔵する様々な提案が行われている。

例えば、原料の水を電気分解して高圧の水素を生成する差圧式高圧水電解装置、水素含有ガスから高圧かつ高純度の水素ガスを生成する水素精製昇圧装置が提案されている。（例えば、特許文献１および特許文献２参照）
これらの装置は電気化学反応を利用しており、中心部の構造としては、電解質膜の一方の面にアノード触媒層が設けられ、他方の面にカソード触媒層が設けられている。そして、アノード触媒層の外側に多孔性のアノードガス拡散層（給電体）を積層するとともに、カソード触媒層の外側に多孔性のカソードガス拡散層（給電体）を積層する構造が採用されている。

特開２０１５−８６４５４号公報 国際公開第２０１５／０２００６５号公報

ところで、エネルギーの高効率な利用に向け、特許文献１に記載の差圧式高圧水電解装置および特許文献２に記載の水素精製昇圧装置においても、水素圧縮時の更なる効率向上が求められているが、これらの特許文献１および特許文献２では、かかる効率向上の検討が十分に行われていない。

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、従来に比べて水素圧縮効率を向上し得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、本開示の一態様の電気化学式水素ポンプは、電解質膜と、前記電解質膜の一方の主面に設けられ、アノード触媒層および多孔性かつ金属製のアノードガス拡散層を含むアノードと、前記電解質膜の他方の主面に設けられ、カソード触媒層および多孔性のカソードガス拡散層を含むカソードと、前記アノードおよびカソード間に電圧を印加する電圧印加器と、を備え、前記電圧印加器で電圧を印加することで、前記アノード側に供給される水素が前記カソード側において昇圧され、前記アノード触媒層の少なくとも一部の層は、前記アノードガス拡散層との混合層である。

本開示の一態様の電気化学式水素ポンプは、従来に比べて水素圧縮効率を向上し得るという効果を奏する。

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２Ａは、実施形態の電気化学式水素圧縮装置の一例を示す図である。 図２Ｂは、実施形態の電気化学式水素圧縮装置の一例を示す図である。

電気化学式水素ポンプの水素圧縮時の効率向上について鋭意検討が行われ、以下の知見が得られた。

電気化学式水素ポンプでは、電気化学式水素ポンプのカソードおよびアノード間の差圧によって、アノード触媒層およびアノードガス拡散層に高圧がかかる。このため、上記の差圧が大きい電気化学式水素ポンプの高圧運転時には、アノード触媒層は、本差圧に基づく圧縮力による圧縮変形が起こりやすい。これにより、アノード触媒層が緻密化して、アノードにおけるガス拡散性が阻害されやすくなる。

また、電気化学式水素ポンプの高圧運転時には、アノードからカソードへ水素イオン（プロトン）に同伴して移動した水が、上記の差圧によりアノードに戻る可能性がある。このとき、電気化学式水素ポンプのアノードでの水による流路閉塞が発生すると、アノード触媒層の緻密化および本流路閉塞によりアノードにおけるガス拡散性の阻害が助長される可能性がある。

そして、アノードにおけるガス拡散性が阻害される場合、電気化学式水素ポンプの過電圧が増加する。すると、電気化学式水素ポンプに必要な消費電力が増加するので、電気化学式水素ポンプの水素圧縮効率が低下する。

そこで、本開示の第１態様の電気化学式水素ポンプは、電解質膜と、電解質膜の一方の主面に設けられ、アノード触媒層および多孔性かつ金属製のアノードガス拡散層を含むアノードと、電解質膜の他方の主面に設けられ、カソード触媒層および多孔性のカソードガス拡散層を含むカソードと、アノードおよびカソード間に電圧を印加する電圧印加器と、を備え、電圧印加器で電圧を印加することで、アノード側に供給される水素がカソード側において昇圧され、アノード触媒層の少なくとも一部の層は、アノードガス拡散層との混合層である。

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、混合層は、アノードガス拡散層の孔にアノード触媒層が設けられていてもよい。

以上の構成によると、本態様の電気化学式水素ポンプは、従来に比べて水素圧縮効率を向上し得る。

具体的には、アノードガス拡散層は、多孔性かつ金属製であるので、アノード触媒層に比べて剛性が高い。よって、アノード触媒層は、アノードガス拡散層の孔にアノード触媒層が設けられている混合層を備えることにより、かかる混合層を備えない場合に比べて剛性が高い。このため、電気化学式水素ポンプのカソードおよびアノード間の差圧によってアノード触媒層に高圧がかかる場合であっても、アノード触媒層は、本差圧に基づく圧縮力による圧縮変形が起こりにくくなる。これにより、本態様の電気化学式水素ポンプは、従来に比べて、アノード触媒層が緻密化することを抑制でき、その結果、アノードにおけるガス拡散性が阻害されることを軽減できる。すると、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。

また、電気化学式水素ポンプのアノードでの水による流路閉塞が発生すると、アノード触媒層の緻密化および本流路閉塞によりアノードにおけるガス拡散性の阻害が助長される可能性があるが、本態様の電気化学式水素ポンプは、以上の構成により、このような可能性を低減できる。

本開示の第３態様の電気化学式水素ポンプは、第１態様または第２態様の電気化学式水素ポンプにおいて、混合層を含むアノード触媒層の厚みに対する、混合層の厚みの比率は１０％以上であってもよい。

仮に、アノード触媒層の厚みに対する、混合層の厚みの比率が１０％未満の場合、電気化学式水素ポンプの高圧運転時には、約９０％以上のアノード触媒層は、電気化学式水素ポンプのカソードおよびアノード間の差圧に基づく圧縮力による圧縮変形が起こりやすい。すると、アノード触媒層のかなりの部分が緻密化する可能性があるので、アノードにおけるガス拡散性の阻害を軽減する効果を十分に発揮しにくくなる可能性がある。

そこで、本態様の電気化学式水素ポンプでは、アノード触媒層の厚みに対する、混合層の厚みの比率が１０％以上に設定されている。

本開示の第４態様の電気化学式水素ポンプは、第１態様から第３態様のいずれか一つの電気化学式水素ポンプにおいて、混合層を含むアノード触媒層の厚みに対する、混合層の厚みの比率は９８％以下であってもよい。

仮に、アノード触媒層の厚みに対する、混合層の厚みの比率が９８％を上回る場合、カソード、電解質膜およびアノードなどを、例えば、締結器で固定して積層する際に、混合層以外のアノード触媒層の厚みを十分に確保できずに、混合層におけるアノードガス拡散層を構成する金属が電解質膜に接触することで、電解質膜を損傷させる恐れがある。

そこで、本態様の電気化学式水素ポンプでは、アノード触媒層の厚みに対する、混合層の厚みの比率が９８％以下に設定されている。

本開示の第５態様の電気化学式水素ポンプは、第１態様または第２態様の電気化学式水素ポンプにおいて、アノードガス拡散層の空隙率は１０％以上であってもよい。

仮に、アノードガス拡散層の空隙率が１０％未満の場合、アノードガス拡散層におけるガス拡散性を十分に確保しにくくなる可能性がある。

そこで、本態様の電気化学式水素ポンプでは、アノードガス拡散層の空隙率が１０％以上に設定されている。

本開示の第６態様の電気化学式水素ポンプは、第１態様、第２態様および第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、アノードガス拡散層の空隙率は８０％以下であってもよい。

仮に、アノードガス拡散層の空隙率は８０％を上回る場合、例えば、スラリー状の触媒材料をアノードガス拡散層上に塗布することで混合層を形成するとき、かかる触媒材料をアノードガス拡散層の孔に適切に設けることが困難になる可能性がある。また、電気化学式水素ポンプの長期運転時において、アノードガス拡散層の孔に設けられたアノード触媒層を適切に保持することが困難になる可能性がある。

そこで、本態様の電気化学式水素ポンプでは、アノードガス拡散層の空隙率が８０％以下に設定されている。

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、アノードガス拡散層は、金属繊維焼結体を含んでもよい。

本開示の第８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、アノードガス拡散層は、金属粉体焼結体を含んでもよい。

本開示の第９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、アノードガス拡散層は、複数の貫通孔が設けられた金属鋼板を含んでもよい。

以上の金属繊維焼結体、金属粉体焼結体および複数の貫通孔が設けられた金属鋼板はいずれも、アノードガス拡散層の基材として用いることができる。

なお、金属繊維焼結体、金属粉体焼結体および複数の貫通孔が設けられた金属鋼板は、一般的に、この順番にガス拡散性が高い。一方、複数の貫通孔が設けられた金属鋼板、金属粉体焼結体および金属繊維焼結体は、一般的に、この順番に剛性が高い。そこで、本態様の電気化学式水素ポンプは、電気化学式水素ポンプの運転条件などに合わせて、アノードガス拡散層の基材を、これらの金属繊維焼結体、金属粉体焼結体および複数の貫通孔が設けられた金属鋼板の中から適宜選択することができる。

以下、添付図面を参照しながら、本開示の上記の各態様の具体例について説明する。以下で説明する具体例は、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、数値、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、本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。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。

（実施形態）
［電気化学式水素ポンプの構成］
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。

図１に示す例では、電気化学式水素ポンプ１００は、電解質膜１１と、カソードＣＡと、アノードＡＮと、電圧印加器１０２と、を備える。

ここで、アノードＡＮは、電解質膜１１の一方の主面に設けられ、アノード触媒層１３および多孔性かつ金属製のアノードガス拡散層１５を含む。カソードＣＡは、電解質膜１１の他方の主面に設けられ、カソード触媒層１２および多孔性のカソードガス拡散層１４を含む。

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、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。

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。

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。

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。

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。

ここで、電気化学式水素ポンプ１００の高圧運転時には、アノード触媒層１３は、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡおよびアノードＡＮ間の差圧に基づく圧縮力による圧縮変形が起こりやすい。すると、アノード触媒層１３中の粉体状の触媒担体間の空隙を維持することが困難になり、アノード触媒層１３が緻密化する恐れがある。これにより、アノードＡＮにおけるガス拡散性が阻害されやすくなる。

そこで、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、アノード触媒層１３の少なくとも一部の層は、アノードガス拡散層１５との混合層１３Ａである。具体的には、混合層１３Ａは、アノードガス拡散層１５の孔にアノード触媒層１３が設けられている。例えば、アノードガス拡散層１５が、金属繊維焼結体または金属粉体焼結体を含む場合、金属繊維焼結体または金属粉体焼結体の空隙にアノード触媒層１３が設けられている。

また、例えば、アノードガス拡散層１５が、複数の貫通孔が設けられた金属鋼板を含む場合、金属鋼板の貫通孔にアノード触媒層１３が設けられている。このような混合層１３Ａの製法の一例は実施例で説明する。

なお、アノード触媒層１３は、上記のとおり、粉体状の触媒担体により構成されているので、アノード触媒層１３の緻密化が起こらない場合は、所望のガス透過性を備える。よって、アノードガス拡散層１５の孔（例えば、金属繊維焼結体の空隙、金属粉体焼結体の空隙、金属鋼板の貫通孔など）にアノード触媒層１３が設けられていても、アノードＡＮにおけるガス拡散性を適切に確保できる。

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。

具体的には、アノードガス拡散層１５は、金属繊維焼結体を含んでもよいし、金属粉体焼結体を含んでもよいし、複数の貫通孔が設けられた金属鋼板を含んでもよい。つまり、これらの金属繊維焼結体、金属粉体焼結体および金属鋼板はいずれも、アノードガス拡散層の基材として用いることができる。なお、金属繊維焼結体、金属粉体焼結体および金属鋼板は、一般的に、この順番にガス拡散性が高い。一方、金属鋼板、金属粉体焼結体および金属繊維焼結体は、一般的に、この順番に剛性が高い。そこで、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、電気化学式水素ポンプ１００の運転条件などに合わせて、アノードガス拡散層１５の基材を、これらの金属繊維焼結体、金属粉体焼結体および金属鋼板の中から適宜選択することができる。

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。

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。

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、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。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。さらに、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。

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。

ここで、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側に供給される水素がカソードＣＡ側において昇圧される。これにより、昇圧された水素を水素需要体に供給する電気化学式水素ポンプ１００の水素圧縮動作が行われる。なお、電気化学式水素ポンプ１００の水素圧縮動作の詳細は後で説明する。水素需要体として、例えば、家庭用または自動車用の燃料電池などを挙げることができる。

［電気化学式水素圧縮装置の構成］
図２Ａおよび図２Ｂは、実施形態の電気化学式水素圧縮装置の一例を示す図である。図２Ｂは、図２ＡのＢ部の拡大図である。

図２Ａおよび図２Ｂに示すように、電気化学式水素圧縮装置２００の単セル２００Ａ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１６と、アノードセパレータ１７と、絶縁体２１と、を備える。

カソードＣＡは、上記のとおり、カソード触媒層１２およびカソードガス拡散層１４で構成されている。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。

アノードＡＮは、上記のとおり、アノード触媒層１３およびアノードガス拡散層１５で構成されている。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。

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。

カソードセパレータ１６およびアノードセパレータ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。そして、カソードセパレータ１６およびアノードセパレータ１７で上記のＭＥＡを挟むことにより、単セル２００Ａが形成されている。

カソードガス拡散層１４と接触するカソードセパレータ１６の主面には、平面視において、例えば、サーペンタイン状または直線状のカソードガス流路３２が設けられている。アノードガス拡散層１５と接触するアノードセパレータ１７の主面には、平面視において、例えば、サーペンタイン状または直線状のアノードガス流路３３が設けられている。

また、導電性のカソードセパレータ１６およびアノードセパレータ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１６およびアノードセパレータ１７の短絡が防止されている。

なお、図２Ａの電気化学式水素圧縮装置２００は、３段の単セル２００Ａが積層されているが、単セル２００Ａの段数はこれに限定されない。単セル２００Ａの段数は、電気化学式水素圧縮装置２００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。

ここで、単セル２００Ａを複数個、積層状態で適切に保持するには、単セル２００Ａの最上層のカソードセパレータ１６の端面および最下層のアノードセパレータ１７の端面をそれぞれ、給電板２２Ｕと絶縁板２３Ｕおよび給電板２２Ｄと絶縁板２３Ｄのそれぞれを介して、端板２４Ｕおよび端板２４Ｄのそれぞれで挟み、単セル２００Ａに所望の締結圧をかける必要がある。

そこで、端板２４Ｕおよび端板２４Ｄの適所に、単セル２００Ａに締結圧をかけるための複数の締結器２５が設けられている。締結器２５は、複数の単セル２００Ａを締結できれば、どのような構成であってもよい。締結器２５として、例えば、端板２４Ｕおよび端板２４Ｄを貫通するボルト、および、皿ばね付きナットなどを例示できる。

端板２４Ｕ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側から排出される水素含有ガスが流通する配管で構成されていてもよい。具体的には、カソードガス導出経路２６は、積層状態の単セル２００Ａに設けられた筒状のカソードガス導出マニホルド（図示せず）に連通している。そして、この筒状のカソードガス導出マニホルドが、単セル２００Ａのそれぞれのカソードガス流路３２と、図示しないカソードガス連通経路を介して連通している。これにより、単セル２００Ａのそれぞれのカソードガス流路３２を通過した水素含有ガスが、カソードガス導出マニホルドで合流される。そして、合流された水素含有ガスが、カソードガス導出経路２６に導かれる。

カソードセパレータ１６およびアノードセパレータ１７の間には、平面視において、カソードガス導出マニホルドを囲むように、図示しないＯリングなどのシール部材が設けられ、カソードガス導出マニホルドが、このシール部材で適切にシールされている。

端板２４Ｄ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側に供給される水素含有ガスが流通する配管で構成されていてもよい。具体的には、アノードガス導入経路２９は、積層状態の単セル２００Ａに設けられた筒状のアノードガス導入マニホルド２７に連通している。そして、この筒状のアノードガス導入マニホルド２７が、単セル２００Ａのそれぞれのアノードガス流路３３の一方の端部と、図示しないアノードガス連通経路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からの水素含有ガスが、単セル２００Ａのそれぞれのアノードガス流路３３に連通したアノードガス導入マニホルド２７を通じて、単セル２００Ａのそれぞれに分配される。そして、分配された水素含有ガスが、アノードガス拡散層１５からアノード触媒層１３に供給される。

また、端板２４Ｄ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側から排出される水素含有ガスが流通する配管で構成されていてもよい。具体的には、アノードガス導出経路３１は、積層状態の単セル２００Ａに設けられた筒状のアノードガス導出マニホルド３０に連通している。そして、この筒状のアノードガス導出マニホルド３０が、単セル２００Ａのそれぞれのアノードガス流路３３の他方の端部と、図示しないアノードガス連通経路を介して連通している。これにより、単セル２００Ａのそれぞれのアノードガス流路３３を通過した水素含有ガスが、アノードガス導出マニホルド３０で合流される。そして、合流された水素含有ガスが、アノードガス導出経路３１に導かれる。

カソードセパレータ１６およびアノードセパレータ１７の間には、平面視において、アノードガス導入マニホルド２７およびアノードガス導出マニホルド３０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２７およびアノードガス導出マニホルド３０が、シール部材４０で適切にシールされている。

また、電圧印加器１０２の低電位側端子が、最上層のカソードセパレータ１６に接触する給電板２２Ｕに接続され、電圧印加器１０２の高電位側端子が、最下層のアノードセパレータ１７に接触する給電板２２Ｄに接続されている。

また、図示を省略するが、上記の電気化学式水素圧縮装置２００を備える水素供給システムを構築することもできる。

なお、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。

例えば、水素供給システムには、アノードガス導出経路３１を通じてアノード側から排出される水素含有ガスと、アノードガス導入経路２９を通して外部から供給される水素含有ガスとが混合された混合ガスの露点を調整する露点調整器（例えば、加湿器）が設けられていてもよい。このとき、所定の供給圧を有する外部のガス供給源（図示せず）から露点調整器に水素含有ガスが供給されてもよい。外部のガス供給源として、例えば、ガス貯蔵器（例えば、ガスボンベ）、ガス供給インフラなどを挙げることができる。

また、水素含有ガスとして、例えば、水素ガスを挙げることができる。この場合、水素ガスは、例えば、水電解装置で生成されてもよい。

また、水素供給システムには、例えば、電気化学式水素圧縮装置２００の温度を検出する温度検出器、電気化学式水素圧縮装置２００のカソードから排出された水素含有ガスを一時的に貯蔵する水素貯蔵器、水素貯蔵器内の水素含有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。

なお、上記の電気化学式水素圧縮装置２００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。例えば、アノードガス導出マニホルド３０およびアノードガス導出経路３１を設けずに、アノードガス導出マニホルド３０を通してアノードＡＮ側に供給する水素含有ガスを全てカソードＣＡ側で昇圧するデッドエンド構造が採用されてもよい。

［動作］
以下、電気化学式水素ポンプ１００の水素圧縮動作の一例について、図面を参照しながら説明する。

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。

まず、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮに低圧の水素含有ガスが供給されるとともに、電圧印加器１０２の電圧が電気化学式水素ポンプ１００に給電される。

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。

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。

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、水素含有ガスの導出経路（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で生成された水素ガスを昇圧することができる。よって、高圧状態の水素ガスを、例えば、図示しない水素貯蔵器に貯蔵することができる。

アノード：Ｈ_２（低圧）→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ ・・・（１）
カソード：２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２（高圧） ・・・（２）
ここで、電気化学式水素ポンプ１００において、小電力で効率的に水素を昇圧するには、電解質膜１１のプロトン伝導性を十分に確保する必要がある。電解質膜１１では、含水率が高い程、プロトン伝導率が高くなるので、電解質膜１１における十分な湿潤状態の維持が水素圧縮効率の向上に有効である。そこで、アノードＡＮ側に供給する水素含有ガスを加湿器で加湿する場合が多い。

しかし、仮に、加湿量が適量でない水素含有ガスをアノードＡＮに供給した場合、凝縮水によるガス供給流路の閉塞が起こりやすくなり、アノードＡＮにおけるガス拡散性が阻害される場合がある（フラッディング現象）。特に、電気化学式水素ポンプ１００の高圧運転時には、アノードＡＮからカソードＣＡへ水素イオン（プロトン）に同伴して移動した水が、電気化学式水素ポンプのカソードＣＡおよびアノードＡＮ間の差圧によりアノードＡＮに戻る可能性がある。すると、アノードＡＮにおいて、フラッディング現象がさらに発生しやすくなる。

そして、このようなフラッディング現象は、アノードＡＮにおけるガス拡散性の阻害を助長させる可能性がある。

そこで、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、上記のとおり、アノード触媒層１３の少なくとも一部の層は、アノードガス拡散層１５との混合層１３Ａで構成されている。

これにより、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、従来に比べて水素圧縮効率を向上し得る。

具体的には、アノードガス拡散層１５は、多孔性かつ金属製であるので、アノード触媒層１３に比べて剛性が高い。よって、アノード触媒層１３は、アノードガス拡散層１５の孔にアノード触媒層１３が設けられている混合層１３Ａを備えることにより、かかる混合層１３Ａを備えない場合に比べて剛性が高い。このため、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡおよびアノードＡＮ間の差圧によってアノード触媒層１３に高圧がかかる場合であっても、アノード触媒層１３は、本差圧に基づく圧縮力による圧縮変形が起こりにくくなる。これにより、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、従来に比べて、アノード触媒層１３が緻密化することを抑制でき、その結果、アノードＡＮにおけるガス拡散性が阻害されることを軽減できる。すると、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。

また、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮでの水による流路閉塞が発生すると、アノード触媒層１３の緻密化および本流路閉塞によりアノードＡＮにおけるガス拡散性の阻害が助長される可能性があるが、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、以上の構成により、このような可能性を低減できる。

（実施例）
［混合層の製法］
本実施例の電気化学式水素ポンプ１００では、スラリー状の触媒粉体をアノードガス拡散層１５の孔に含浸させることで混合層１３Ａが形成されている。これにより、混合層１３Ａを簡易に形成することができる。

具体的には、粉体状の触媒担体、イオノマー、必要に応じて添加される固形分などを、水またはアルコール類などの溶媒に分散させる。そして、このスラリーを十分に混合および分散することでスラリー状の触媒材料を作る。

次いで、このスラリー状の触媒材料をアノードガス拡散層１５上に所定厚みで塗布する。

このとき、スラリー状の触媒材料の粘度、溶媒中の固体成分比などを通常よりも低下させた状態でアノードガス拡散層１５上に触媒材料を塗布する。すると、触媒材料の一部は、アノードガス拡散層１５の孔の内部に浸透する。

その後、触媒材料の塗布膜を乾燥させ、触媒材料中の溶媒を揮発させることで、アノードガス拡散層１５の主面上および孔内に存在するアノード触媒層１３が固着する。

以上により、アノードガス拡散層１５の孔にアノード触媒層１３の一部が設けられた混合層１３Ａを形成できる。ここで、アノード触媒層１３の厚みに対する混合層１３Ａの厚みの比率は、スラリー状の触媒材料の粘度、固体成分比を制御することにより調整することができる。

なお、上記の混合層１３Ａの製法は例示であって、本例に限定されない。例えば、触媒材料をアノードガス拡散層１５上および電解質膜１１上の両方を塗布した後、これらの塗布膜を乾燥させてから、両者の塗布膜同士を貼り合せることで、混合層１３Ａを形成してもよい。

［混合層の厚みの比率］
本実施例の電気化学式水素ポンプ１００では、混合層１３ＡによりアノードＡＮにおけるガス拡散性の阻害を軽減する効果を十分に発揮する視点、または、電解質膜１１の損傷を抑制する視点から、以下に説明する混合層１３Ａの厚みが設定されている。

仮に、アノード触媒層１３の厚みに対する、混合層１３Ａの厚みの比率が１０％未満の場合、電気化学式水素ポンプ１００の高圧運転時には、約９０％以上のアノード触媒層１３は、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡおよびアノードＡＮ間の差圧に基づく圧縮力による圧縮変形が起こりやすい。すると、アノード触媒層１３のかなりの部分が緻密化する可能性があるので、アノードＡＮにおけるガス拡散性の阻害を軽減する効果を十分に発揮しにくくなる可能性がある。

そこで、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００では、アノード触媒層１３の厚みに対する、混合層１３Ａの厚みの比率が１０％以上に設定されている。

また、仮に、アノード触媒層１３の厚みに対する、混合層１３Ａの厚みの比率が９８％を上回る場合、カソードＣＡ、電解質膜１１およびアノードＡＮなどを、例えば、締結器２５で固定して積層する際に、混合層１３Ａ以外のアノード触媒層１３の厚みを十分に確保できずに、混合層１３Ａにおけるアノードガス拡散層１５を構成する金属が電解質膜１１に接触することで、電解質膜１１を損傷させる恐れがある。

そこで、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００では、アノード触媒層１３の厚みに対する、混合層１３Ａの厚みの比率が９８％以下に設定されている。

なお、上記の混合層１３Ａの厚みの比率は例示であって、本例に限定されない。

［アノードガス拡散層の空隙率］
本実施例の電気化学式水素ポンプ１００では、アノードガス拡散層１５におけるガス拡散性を十分に確保する視点、または、アノードガス拡散層１５の孔に混合層１３Ａを適切に設ける視点から、以下に説明するアノードガス拡散層１５の空隙率が設定されている。

仮に、アノードガス拡散層の空隙率が１０％未満の場合、アノードガス拡散層１５におけるガス拡散性を十分に確保しにくくなる可能性がある。

そこで、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００では、アノードガス拡散層１５の空隙率が１０％以上に設定されている。

また、仮に、アノードガス拡散層の空隙率は８０％を上回る場合、例えば、スラリー状の触媒材料をアノードガス拡散層１５上に塗布することで混合層１３Ａを形成するとき、かかる触媒材料をアノードガス拡散層１５の孔に適切に設けることが困難になる可能性がある。つまり、この場合、混合層１３Ａの塗布方式による形成に支障が生じる可能性がある。また、電気化学式水素ポンプ１００の長期運転時において、アノードガス拡散層１５の孔に設けられたアノード触媒層１３を適切に保持することが困難になる可能性がある。つまり、この場合、電気化学式水素ポンプ１００の長期運転時における耐久性に支障が生じる可能性がある。

そこで、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００では、アノードガス拡散層１５の空隙率が８０％以下に設定されている。

なお、上記のアノードガス拡散層の空隙率は例示であって、本例に限定されない。

本実施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。また、本実施例の電気化学式水素圧縮装置は、上記の特徴以外は、実施形態の電気化学式水素圧縮装置２００と同様であってもよい。

なお、実施形態および実施形態の第１実施例は、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。

上記説明から、当業者にとっては、本開示の多くの改良または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、従来に比べて水素圧縮効率を向上し得る電気化学式水素ポンプに利用することができる。

１１ ：電解質膜
１２ ：カソード触媒層
１３ ：アノード触媒層
１３Ａ ：混合層
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
１７ ：アノードセパレータ
２１ ：絶縁体
２２Ｄ ：給電板
２２Ｕ ：給電板
２３Ｄ ：絶縁板
２３Ｕ ：絶縁板
２４Ｄ ：端板
２４Ｕ ：端板
２５ ：締結器
２６ ：カソードガス導出経路
２７ ：アノードガス導入マニホルド
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
４０ ：シール部材
４２ ：シール部材
４３ ：シール部材
１００ ：電気化学式水素ポンプ
１０２ ：電圧印加器
２００ ：電気化学式水素圧縮装置
２００Ａ ：単セル
ＡＮ ：アノード
ＣＡ ：カソード

Claims (9)

1. 電解質膜と、
   前記電解質膜の一方の主面に設けられ、アノード触媒層および多孔性かつ金属製のアノードガス拡散層を含むアノードと、
   前記電解質膜の他方の主面に設けられ、カソード触媒層および多孔性のカソードガス拡散層を含むカソードと、
   前記アノードおよびカソード間に電圧を印加する電圧印加器と、を備え、
   前記電圧印加器で電圧を印加することで、前記アノード側に供給される水素が前記カソード側において昇圧され、
   前記アノード触媒層の少なくとも一部の層は、前記アノードガス拡散層との混合層である、電気化学式水素ポンプ。
2. 前記混合層は、前記アノードガス拡散層の孔にアノード触媒層が設けられている、請求項１記載の電気化学式水素ポンプ。
3. 前記混合層を含む前記アノード触媒層の厚みに対する、前記混合層の厚みの比率は１０％以上である、請求項１または２記載の電気化学式水素ポンプ。
4. 前記混合層を含む前記アノード触媒層の厚みに対する、前記混合層の厚みの比率は９８％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。
5. 前記アノードガス拡散層の空隙率は１０％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。
6. 前記アノードガス拡散層の空隙率は８０％以下である、請求項１、２および５のいずれか１項に記載の電気化学式水素ポンプ。
7. 前記アノードガス拡散層は、金属繊維焼結体を含む、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。
8. 前記アノードガス拡散層は、金属粉体焼結体を含む、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。
9. 前記アノードガス拡散層は、複数の貫通孔が設けられた金属鋼板を含む、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。