JP2020066803A - 電気化学式水素ポンプ - Google Patents

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Abstract

【課題】水素ポンプユニットのカソードセパレーター及びカソード間の接触抵抗の増加を適切に抑制し得る電気化学式水素ポンプの提供。【解決手段】電気化学式水素ポンプは、電解質膜、電解質膜上に設けられたアノード、カソード、アノードセパレーター１７およびカソードセパレーター１６を含む少なくとも１つの水素ポンプユニット１００Ａと、アノードセパレーター上に設けられたアノード端板２４Ａと、カソードセパレーター上に設けられたカソード端板２４Ｃと、少なくともカソード端板からカソードセパレーターまでの部材について、積層された方向への移動をさせないための固定部材と、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に設けられた第一空間６０にカソードで生成される水素を供給する第１のガス流路と、第一空間に設けられ、他方の端に位置するカソードセパレーターからの押圧をカソード端板に伝える第１の伝圧部材とを備える。【選択図】図２Ａ

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、水素を高密度で貯蔵し、小容量かつ低コストで輸送または利用し得る技術開発が求められている。特に、分散型のエネルギー源となる燃料電池の普及促進には、水素供給インフラを整備する必要がある。
そこで、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。
例えば、特許文献１では、固体高分子電解質膜、給電体およびセパレーターの積層体をエンドプレートで挟んだ状態で、エンドプレートを貫通する締結ボルトにより積層体が締結された高圧水素製造装置が提案されている。この高圧水素製造装置において、高圧側のカソード給電体および低圧側のアノード給電体間に、所定圧以上の差圧が生じると、固体高分子電解質膜および低圧側のアノード給電体が変形する。すると、高圧側のカソード給電体および固体高分子電解質膜間の接触抵抗が増加する。
そこで、特許文献１の高圧水素製造装置に、固体高分子電解質膜および低圧側のアノード給電体が変形しても、高圧側のカソード給電体を固体高分子電解質膜に押圧して密着させる皿バネ、コイルバネなどの押圧手段が設けられている。これにより、高圧側のカソード給電体および固体高分子電解質膜間の接触抵抗の増加を抑制することができる。
特開２００６−７０３２２号公報
しかしながら、従来例は、カソードセパレーターおよびカソード間の接触抵抗の増加については十分に検討されていない。本開示の一態様（aspect）は、このような事情に鑑みてなされたものであり、従来に比べて、水素ポンプユニットのカソードセパレーターおよびカソード間の接触抵抗の増加を適切に抑制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、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つの水素ポンプユニットと、前記積層された方向において、一方の端に位置する前記アノードセパレーター上に設けられたアノード端板と、前記積層された方向において、他方の端に位置する前記カソードセパレーター上に設けられたカソード端板と、少なくとも前記カソード端板から前記他方の端に位置するカソードセパレーターまでの部材について、前記積層された方向への移動をさせないための固定部材と、前記カソード端板と前記他方の端に位置するカソードセパレーターとの間に設けられた第一空間に前記カソードで生成される水素を供給する第１のガス流路と、前記第一空間に設けられ、前記他方の端に位置するカソードセパレーターからの押圧を前記カソード端板に伝える第１の伝圧部材と、を備える。
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、水素ポンプユニットのカソードセパレーターおよびカソード間の接触抵抗の増加を適切に抑制し得るという効果を奏する。
図１Ａは、電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。 図１Ｂは、電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。 図２Ａは、第１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２Ｂは、図２ＡのＢ部の拡大図である。 図３Ａは、第１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３Ｂは、図３ＡのＢ部の拡大図である。 図４Ａは、第１実施形態の第１実施例の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。 図４Ｂは、第１実施形態の第２実施例の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。 図４Ｃは、第１実施形態の第３実施例の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。 図４Ｄは、第１実施形態の第４実施例の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。 図４Ｅは、第１実施形態の第５実施例の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。 図５Ａは、第１実施形態の第１変形例の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。 図５Ｂは、第１実施形態の第２変形例の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。 図５Ｃは、第１実施形態の第３変形例の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。 図６は、第２実施形態の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。 図７は、第３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８Ａは、第３実施形態の第１実施例の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。 図８Ｂは、第３実施形態の第２実施例の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。 図８Ｃは、第３実施形態の第３実施例の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。 図８Ｄは、第３実施形態の第４実施例の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。 図８Ｅは、第３実施形態の第５実施例の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。 図９Ａは、第３実施形態の第１変形例の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。 図９Ｂは、第３実施形態の第２変形例の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。 図９Ｃは、第３実施形態の第３変形例の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。 図１０は、第４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。
特許文献１の高圧水素製造装置では、エンドプレートを貫通する締結ボルトにより積層体が締結され、積層方向に圧縮されている。しかしながら、発明者らが鋭意検討した結果、カソードのガス圧が高圧であるため、カソードセパレーターが、これに近接するエンドプレート側に膨らむように変形し、これに伴いエンドプレートも積層体側と反対の方向である外側に向け膨らむよう変形することを見出した。また、上記積層体が複数であるとき、複数の積層体において、積層方向において端に位置するセパレーターが、近接するエンドプレート側に変形する。この変形に伴い、エンドプレートも上記と同様に変形する。
カソードセパレーターの上記変形に伴い、カソードセパレーターとカソード給電体の間には、特許文献１の段落［００２０］に記載の隙間よりも大きな隙間が生じ、この隙間を補うために、カソード給電体とカソードセパレーターとを電気的に接続する皿バネの距離が長くなり、皿バネの電気抵抗が増加する。
これは、特許文献１の高圧水素製造装置に限らず、図１Ａおよび図１Ｂに示すような出願人による先行特許の電気化学式水素ポンプにおいても同様である。
例えば、図１Ａに示す如く、カソードガス拡散層１１４が、カソードセパレーター１１６の凹部に収納されるとともに、電解質膜１１１、カソード触媒層１１２、アノード触媒層１１３、カソードガス拡散層１１４、およびアノードガス拡散層１１５の積層体５００の締結前に、凹部からその厚み方向に所定の大きさＥｃｄではみ出して配設される構成が提案された。
このとき、図１Ｂに示す如く、積層体５００の締結時において、カソードガス拡散層１１４を、はみ出し量Ｅｃｄ分、厚み方向に弾性変形する。
ここで、この電気化学式水素ポンプの動作時に、積層体５００のカソードガス拡散層１１４のガス圧が高圧になると、アノードガス拡散層１１５、アノード触媒層１１３および電解質膜１１１に高圧がかかる。すると、アノードガス拡散層１１５、アノード触媒層１１３および電解質膜１１１のそれぞれが圧縮変形する。しかし、このとき、カソードガス拡散層１１４が、締結器による圧縮後の厚みＴ２から圧縮前の厚みＴ１に戻る方向に弾性変形することにより、カソード触媒層１１２とカソードガス拡散層１１４との間の接触を適切に維持することができる。
しかし、上記の通り、カソードのガス圧が高圧になると、カソードセパレーター１１６が、これに近接する図示しないエンドプレート側（外側）に膨らむように変形する。すると、カソードセパレーター１１６の凹部の底面とカソードガス拡散層１１４との間に隙間が生じやすくなるので、両者間の接触抵抗が増加する可能性がある。その結果、電圧印加器で印加する電圧が増加することにより、電気化学式水素ポンプの運転効率を低下させる恐れがある。
そこで、出願人による先行特許の電気化学式水素ポンプにおいて、カソードのガス圧が高圧になるときのカソードセパレーターおよびカソード間の接触抵抗の増加を、カソードセパレーター上に設けられたカソード端板とカソードセパレーターとの間にカソードに連通する空間を設ける構成が提案された。
ここで、カソードセパレーター上に設けられたカソード端板とカソードセパレーターとの間にカソードに連通する空間を設ける場合、カソードセパレーターおよびカソード間の接触抵抗の増加について更なる検討が行われ、以下の知見が得られた。
例えば、図１Ｂに示す如く、積層体５００の締結時において、カソードガス拡散層１１４を、はみ出し量Ｅｃｄ分、厚み方向に弾性変形すると、カソードガス拡散層１１４の圧縮応力がカソードセパレーター１１６の凹部の底面に作用する。このとき、カソードセパレーター１１６は、これに近接する図示しない上記の空間に高圧のガスを供給できないので、この空間側（外側）に膨らむように変形する。すると、カソードセパレーター１１６の凹部の底面とカソードガス拡散層１１４との間に隙間が生じやすくなるので、両者間の接触抵抗が増加する可能性がある。その結果、電圧印加器で印加する電圧が増加することにより、電気化学式水素ポンプの運転効率を低下させる恐れがある。
そこで、発明者らは、カソードセパレーターにカソードの圧縮応力が作用することに起因するカソードセパレーターおよびカソード間の接触抵抗の増加を、カソードセパレーターからの押圧をカソード端板に伝える伝圧部材を、上記の空間に設けることで、伝圧部材を設けない場合に比べ、抑制できることを見出した。
すなわち、本開示の第１態様の電気化学式水素ポンプは、電解質膜、電解質膜の一方の主面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つの水素ポンプユニットと、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、少なくともカソード端板から他方の端に位置するカソードセパレーターまでの部材について、積層された方向への移動をさせないための固定部材と、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に設けられた第一空間にカソードで生成される水素を供給する第１のガス流路と、第一空間に設けられ、他方の端に位置するカソードセパレーターからの押圧をカソード端板に伝える第１の伝圧部材と、を備える。
かかる構成によると、本態様の電気化学式水素ポンプは、伝圧部材を設けない場合に比べて、水素ポンプユニットのカソードセパレーターおよびカソード間の接触抵抗の増加を適切に抑制し得る。
第１に、本態様の電気化学式水素ポンプは、カソードのガス圧が高圧になるときのカソードセパレーターおよびカソード間の接触抵抗の増加が以下の如く抑制される。
本態様の電気化学式水素ポンプでは、水素ポンプユニットのカソードで生成される高圧の水素を、第１のガス流路を通じてカソード端板とカソードセパレーターとの間に設けられた第一空間に供給することができる。このため、第一空間内の水素ガス圧は、水素ポンプユニットのカソード内の水素ガス圧とほぼ同等の高圧である。すると、第一空間内の水素によってカソードセパレーターに付与される荷重は、カソード内の水素ガス圧に起因するカソードセパレーターのカソード端板側への変形（撓み）を抑えるように作用する。
ここで、仮に、カソードセパレーターがカソード端板側に撓むと、カソードセパレーターとカソードとの間で隙間が発生しやすい。そして、カソードセパレーターとカソードとの間で隙間が生じる場合、両者間の接触抵抗が増加する。
しかしながら、本態様の電気化学式水素ポンプは、上記のとおり、カソード端板とカソードセパレーターとの間に設けられた第一空間に高圧の水素ガスを供給することにより、カソードセパレーターがカソード端板側に撓みにくくなるように構成している。よって、本態様の電気化学式水素ポンプは、上記の第一空間を設けない場合に比べて、水素ポンプユニットのカソードセパレーターおよびカソード間の隙間が発生しにくいので、両者間の接触抵抗の増加を適切に抑制することができる。
第２に、本態様の電気化学式水素ポンプは、カソードセパレーターにカソードの圧縮応力が作用することに起因するカソードセパレーターおよびカソード間の接触抵抗の増加が以下の如く抑制される。
本態様の電気化学式水素ポンプでは、カソードの厚みが減る方向に弾性変形するとき、カソードの圧縮応力は、カソードセパレーターを第一空間側に押す方向に作用する。よって、カソードセパレーターからの押圧をカソード端板に伝える第１の伝圧部材を第一空間に設けない場合は、カソードセパレーターがカソード端板側に撓みやすくなる。
ここで、仮に、カソードセパレーターがカソード端板側に撓むと、カソードセパレーターとカソードとの間で隙間が発生しやすい。そして、カソードセパレーターとカソードとの間で隙間が生じる場合、両者間の接触抵抗が増加する。
しかしながら、本態様の電気化学式水素ポンプは、上記のとおり、カソードセパレーターからの押圧をカソード端板に伝える第１の伝圧部材を第一空間に設けることにより、カソードの厚みが減る方向に弾性変形するときにカソードセパレーターがカソード端板側に撓みにくくなるように構成している。よって、本態様の電気化学式水素ポンプは、上記の第１の伝圧部材を第一空間に設けない場合に比べて、水素ポンプユニットのカソードセパレーターおよびカソード間の隙間が発生しにくいので、両者間の接触抵抗の増加を適切に抑制することができる。
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、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に設けられたカソード板部材を備え、第１の伝圧部材は、カソード端板およびカソード板部材の間において、カソード端板と別体または一体に設けられている柱状部材を含んでいてもよい。
かかる構成によると、本態様の電気化学式水素ポンプは、カソード端板およびカソード板部材の間に第一空間を設ける場合、カソード端板と別体または一体に設けられた柱状部材を介して、カソード板部材からの押圧をカソード端板に適切に伝えることができる。
本開示の第３態様の電気化学式水素ポンプは、第２態様の電気化学式水素ポンプにおいて、カソード板部材と他方の端に位置するカソードセパレーターとが、固定部材に含まれるボルトで貫通されていてもよい。
かかる構成によると、本態様の電気化学式水素ポンプは、上記の積層方向において他方の端に位置するカソードセパレーターの変形に対して、第一空間の面方向の位置ずれが低減される。
本開示の第４態様の電気化学式水素ポンプは、第２態様の電気化学式水素ポンプにおいて、カソード板部材はカソード絶縁板を含み、柱状部材は、カソード端板およびカソード絶縁板の間に設けられていてもよい。
かかる構成によると、本態様の電気化学式水素ポンプは、カソード端板およびカソード絶縁板の間に設けられた柱状部材を介して、カソード絶縁板からの押圧をカソード端板に適切に伝えることができる。
本開示の第５態様の電気化学式水素ポンプは、第２態様の電気化学式水素ポンプにおいて、カソード板部材はカソード給電板を含み、柱状部材は、カソード端板およびカソード給電板の間に設けられていてもよい。ここで、本開示の第６態様の電気化学式水素ポンプは、第５態様の電気化学式水素ポンプにおいて、柱状部材は絶縁部材であってもよい。
かかる構成によると、本態様の電気化学式水素ポンプは、カソード端板およびカソード給電板の間に設けられた絶縁性の柱状部材を介して、カソード給電板からの押圧をカソード端板に適切に伝えることができる。
本開示の第７態様の電気化学式水素ポンプは、第１態様の電気化学式水素ポンプにおいて、第１の伝圧部材は多孔性部材を含んでいてもよい。
かかる構成によると、本態様の電気化学式水素ポンプは、第一空間に設けられた多孔性部材を介して、カソードセパレーターからの押圧をカソード端板に適切に伝えることができる。
また、本態様の電気化学式水素ポンプは、第１の伝圧部材として多孔性部材を用いることで、例えば、多孔性部材を第一空間のほぼ全域に設けた場合でも、第一空間におけるガス透過性を適切に確保することができる。
本開示の第８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、第１の伝圧部材は、弾性部材を含んでいてもよい。
かかる構成によると、本態様の電気化学式水素ポンプは、第一空間に設けられた弾性部材を介して、カソードセパレーターからの押圧をカソード端板に適切に伝えることができる。
また、本態様の電気化学式水素ポンプは、第１の伝圧部材として弾性部材を用いることで、仮に、カソードセパレーターがカソードの圧縮応力に起因して変形した場合でも、弾性部材がカソードセパレーターの変形に対して追従し得るので、カソードセパレーターからの押圧が、弾性部材を介してカソード端板に均等に伝わる。
本開示の第９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、固定部材は、更に、アノード端板から一方の端に位置するアノードセパレーターまでの部材について、積層された方向への移動をさせないための部材であり、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第二空間にカソードで生成された水素を供給する第２のガス流路と、第二空間に設けられ、一方の端に位置するアノードセパレーターからの押圧をアノード端板に伝える第２の伝圧部材と、を備えてもよい。
かかる構成によると、本態様の電気化学式水素ポンプは、カソードのガス圧が高圧になるときの水素ポンプユニットのカソードおよび電解質膜間の接触抵抗の増加が以下の如く抑制される。
水素ポンプユニットのカソード内の水素ガス圧に基づいて、アノードおよびアノードセパレーターに対しても荷重が伝わる。すると、水素ポンプユニットのカソード内の水素ガス圧が高圧である場合、アノードセパレーターがこの荷重により外側に押圧されることで変形する可能性がある。このとき、仮に、カソードの厚みが増える方向の弾性変形が、アノードセパレーターの変形に追従できない場合、水素ポンプユニットのカソードおよび電解質膜間に隙間が生じる可能性がある。すると、水素ポンプユニットのカソードおよび電解質膜間の接触抵抗が増加する可能性がある。
しかしながら、本態様の電気化学式水素ポンプでは、水素ポンプユニットのカソードで生成される高圧の水素を、第２のガス流路を通じてアノード端板とアノードセパレーターとの間に設けられた第二空間に供給することができる。このため、第二空間内の水素ガス圧は、水素ポンプユニットのカソード内の水素ガス圧とほぼ同等の高圧である。すると、第二空間内の水素によってアノードセパレーターに付与される荷重は、カソード内の水素ガス圧に起因するアノードセパレーターの変形を抑えるように作用する。よって、本態様の電気化学式水素ポンプは、このような第二空間を設けない場合に比べて、水素ポンプユニットのカソードおよび電解質膜間の隙間が発生しにくくなるので、両者間の接触抵抗の増加を適切に抑制することができる。
また、本態様の電気化学式水素ポンプは、アノードセパレーターにカソードの圧縮応力が作用することに起因する水素ポンプユニットのカソードおよび電解質膜間の接触抵抗の増加が以下の如く抑制される。
カソードの厚みが減る方向に弾性変形するとき、カソードの圧縮応力は、電解質膜を介してアノードセパレーターを第二空間側に押す方向に作用する。よって、アノードセパレーターからの押圧をアノード端板に伝える第２の伝圧部材を第二空間に設けない場合は、アノードセパレーターがアノード端板側に撓みやすくなる。このとき、仮に、カソードの厚みが増える方向の弾性変形が、アノードセパレーターの変形に追従できない場合、水素ポンプユニットのカソードおよび電解質膜間に隙間が生じる可能性がある。すると、水素ポンプユニットのカソードおよび電解質膜間の接触抵抗が増加する可能性がある。
しかしながら、本態様の電気化学式水素ポンプでは、上記のとおり、アノードセパレーターからの押圧をアノード端板に伝える第２の伝圧部材を第二空間に設けることにより、カソードの厚みが減る方向に弾性変形するときにアノードセパレーターがアノード端板側に撓みにくくなるように構成している。よって、本態様の電気化学式水素ポンプは、上記の第２の伝圧部材を第二空間に設けない場合に比べて、水素ポンプユニットのカソードおよび電解質膜間の隙間が発生しにくいので、両者間の接触抵抗の増加を適切に抑制することができる。
本開示の第１０態様の電気化学式水素ポンプは、第９態様の電気化学式水素ポンプにおいて、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アノード板部材を備え、第２の伝圧部材は、アノード端板およびアノード板部材の間において、アノード端板と別体または一体に設けられている柱状部材を含んでいてもよい。
かかる構成によると、本態様の電気化学式水素ポンプは、アノード端板およびアノード板部材の間に第二空間を設ける場合、アノード端板と別体または一体に設けられた柱状部材を介して、アノード板部材からの押圧をカソード端板に適切に伝えることができる。
本開示の第１１態様の電気化学式水素ポンプは、第１０態様の電気化学式水素ポンプにおいて、アノード板部材と一方の端に位置するアノードセパレーターとが、固定部材に含まれるボルトで貫通されていてもよい。
かかる構成によると、本態様の電気化学式水素ポンプは、上記の積層方向において一方の端に位置するアノードセパレーターの変形に対して、第二空間の面方向の位置ずれが低減される。
本開示の第１２態様の電気化学式水素ポンプは、第１０態様の電気化学式水素ポンプにおいて、アノード板部材はアノード絶縁板を含み、柱状部材は、アノード端板およびアノード絶縁板の間に設けられていてもよい。
かかる構成によると、本態様の電気化学式水素ポンプは、アノード端板およびアノード絶縁板の間に設けられた柱状部材を介して、アノード絶縁板からの押圧をアノード端板に適切に伝えることができる。
本開示の第１３態様の電気化学式水素ポンプは、第１０態様の電気化学式水素ポンプにおいて、アノード板部材はアノード給電板を含み、柱状部材は、アノード端板およびアノード給電板の間に設けられていてもよい。ここで、本開示の第１４態様の電気化学式水素ポンプは、第１３態様の電気化学式水素ポンプにおいて、柱状部材は絶縁部材であってもよい。
かかる構成によると、本態様の電気化学式水素ポンプは、アノード端板およびアノード給電板の間に設けられた絶縁性の柱状部材を介して、アノード給電板からの押圧をアノード端板に適切に伝えることができる。
本開示の第１５態様の電気化学式水素ポンプは、第９態様の電気化学式水素ポンプにおいて、第２の伝圧部材は多孔性部材を含んでいてもよい。
かかる構成によると、本態様の電気化学式水素ポンプは、第二空間に設けられた多孔性部材を介して、アノードセパレーターからの押圧をアノード端板に適切に伝えることができる。
また、本態様の電気化学式水素ポンプは、第２の伝圧部材として多孔性部材を用いることで、例えば、多孔性部材を第二空間のほぼ全域に設けた場合でも、第二空間におけるガス透過性を適切に確保することができる。
本開示の第１６態様の電気化学式水素ポンプは、第９態様の電気化学式水素ポンプにおいて、第２の伝圧部材は、弾性部材を含んでいてもよい。
かかる構成によると、本態様の電気化学式水素ポンプは、第二空間に設けられた弾性部材を介して、アノードセパレーターからの押圧をアノード端板に適切に伝えることができる。
また、本態様の電気化学式水素ポンプは、第２の伝圧部材として弾性部材を用いることで、仮に、アノードセパレーターがカソードの圧縮応力に起因して変形した場合でも、弾性部材がアノードセパレーターの変形に対して追従し得るので、アノードセパレーターからの押圧が、弾性部材を介してアノード端板に均等に伝わる。
本開示の第１７態様の電気化学式水素ポンプは、第１態様から第１６態様のいずれか一つの電気化学式水素ポンプにおいて、アノードは、アノードガス拡散層を含み、カソードは、カソードガス拡散層を含み、アノードガス拡散層の弾性率は、カソードガス拡散層の弾性率よりも高くてもよい。
本開示の第１８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、第１の伝圧部材は、カソードに含まれるカソードガス拡散層と同等の弾性率を備えてもよい。
かかる構成によると、本態様の電気化学式水素ポンプは、カソードガス拡散層の圧縮応力に起因するカソードセパレーターの変形が、カソードガス拡散層と同等の弾性率を備える第１の伝圧部材の厚みが減る方向の弾性変形で生じる反力により抑制される。つまり、カソードガス拡散層の弾性変形量と第１の伝圧部材の弾性変形量とがほぼ同じになるので、電気化学式水素ポンプの水素昇圧動作の進行に伴い、カソードガス拡散層が、圧縮後の厚みから圧縮前の厚みに戻る方向に弾性変形する際にも、上記の反力を適切に維持することができる。
本開示の第１９態様の電気化学式水素ポンプは、第９態様の電気化学式水素ポンプにおいて、第２の伝圧部材は、カソードに含まれるカソードガス拡散層と同等の弾性率を備えてもよい。
かかる構成によると、本態様の電気化学式水素ポンプは、カソードガス拡散層の圧縮応力に起因するアノードセパレーターの変形が、カソードガス拡散層と同等の弾性率を備える第２の伝圧部材の厚みが減る方向の弾性変形で生じる反力により抑制される。つまり、カソードガス拡散層の弾性変形量と第２の伝圧部材の弾性変形量とがほぼ同じになるので、電気化学式水素ポンプの水素昇圧動作の進行に伴い、カソードガス拡散層が、圧縮後の厚みから圧縮前の厚みに戻る方向に弾性変形する際にも、上記の反力を適切に維持することができる。
本開示の第２０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、固定部材が、少なくとも１つの水素ポンプユニットをアノード端板およびカソード端板で挟んだ状態で締結する締結器であってもよい。
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。
（第１実施形態）
[装置構成]
図２Ａおよび図３Ａは、第１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２Ｂは、図２ＡのＢ部の拡大図である。図３Ｂは、図３ＡのＢ部の拡大図である。
なお、図２Ａには、平面視において電気化学式水素ポンプ１００の中心と、カソードガス導出マニホールド５０の中心と、を通過する直線を含む電気化学式水素ポンプ１００の垂直断面が示されている。また、図３Ａには、平面視において電気化学式水素ポンプ１００の中心と、アノードガス導入マニホールド２７の中心と、アノードガス導出マニホールド３０の中心と、を通過する直線を含む電気化学式水素ポンプ１００の垂直断面が示されている。
図２Ａおよび図３Ｂに示す例では、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１００Ａを備える。
なお、図２Ａおよび図３Ｂの電気化学式水素ポンプ１００には、３段の水素ポンプユニット１００Ａが積層されているが、水素ポンプユニット１００Ａの段数はこれに限定されない。つまり、水素ポンプユニット１００Ａの段数は、電気化学式水素ポンプ１００が昇圧する水素量などの運転条件をもとに適宜の数に設定することができる。
水素ポンプユニット１００Ａは、電解質膜１１と、アノードＡＮと、カソードＣＡと、カソードセパレーター１６と、アノードセパレーター１７と、絶縁体２１と、を備える。
アノードＡＮは、電解質膜１１の一方の主面に設けられている。アノードＡＮは、アノード触媒層１３と、アノード触媒層１３上に設けられたアノードガス拡散層１５とを含む電極である。なお、平面視において、アノード触媒層１３の周囲を囲むように環状のシール部材４３が設けられ、アノード触媒層１３が、シール部材４３で適切にシールされている。
カソードＣＡは、電解質膜１１の他方の主面に設けられている。カソードＣＡは、カソード触媒層１２と、カソード触媒層１２上に設けられたカソードガス拡散層１４とを含む電極である。なお、平面視において、カソード触媒層１２の周囲を囲むように環状のシール部材４２が設けられ、カソード触媒層１２が、シール部材４２で適切にシールされている。
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。
電解質膜１１は、プロトン伝導性を備える。電解質膜１１は、プロトン伝導性を備えていれば、どのような構成であってもよい。例えば、電解質膜１１として、フッ素系高分子電解質膜、炭化水素系高分子電解質膜を挙げることができるが、これらに限定されない。具体的には、例えば、電解質膜１１として、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標、デュポン社製）、Ａｃｉｐｌｅｘ（登録商標、旭化成株式会社製）などを用いることができる。
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。
アノードガス拡散層１５は多孔性材料で構成され、導電性およびガス拡散性を備える。また、アノードガス拡散層１５は、電気化学式水素ポンプ１００の動作時にカソードＣＡおよびアノードＡＮ間の差圧で発生する構成部材の変位、変形を抑制可能な高剛性であることが望ましい。つまり、アノードガス拡散層１５の弾性率は、カソードガス拡散層１４の弾性率よりも高い。
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。つまり、カソードガス拡散層１４の弾性率は、アノードガス拡散層１１５の弾性率よりも低い。
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。
アノードセパレーター１７は、アノードＡＮ上に積層された部材である。また、カソードセパレーター１６は、カソードＣＡ上に積層された部材である。そして、カソードセパレーター１６およびアノードセパレーター１７のそれぞれの中央部には、凹部が設けられている。これらの凹部のそれぞれに、カソードガス拡散層１４およびアノードガス拡散層１５がそれぞれ収容されている。
このようにして、カソードセパレーター１６およびアノードセパレーター１７で上記のＭＥＡを挟むことにより、水素ポンプユニット１００Ａが形成されている。
カソードガス拡散層１４と接触するカソードセパレーター１６の主面には、平面視において、例えば、複数のＵ字状の折り返す部分と複数の直線部分とを含むサーペンタイン状のカソードガス流路３２が設けられている。そして、カソードガス流路３２の直線部分は、図２Ａの紙面に垂直な方向に延伸している。但し、このようなカソードガス流路３２は、例示であって、本例に限定されない。例えば、カソードガス流路は、複数の直線状の流路により構成されていてもよい。
アノードガス拡散層１５と接触するアノードセパレーター１７の主面には、平面視において、例えば、複数のＵ字状の折り返す部分と複数の直線部分とを含むサーペンタイン状のアノードガス流路３３が設けられている。そして、アノードガス流路３３の直線部分は、図３Ａの紙面に垂直な方向に延伸している。但し、このようなアノードガス流路３３は、例示であって、本例に限定されない。例えば、アノードガス流路は、複数の直線状の流路により構成されていてもよい。
また、導電性のカソードセパレーター１６およびアノードセパレーター１７の間には、ＭＥＡの周囲を囲むように設けられた環状かつ平板状の絶縁体２１が挟み込まれている。これにより、カソードセパレーター１６およびアノードセパレーター１７の短絡が防止されている。
図２Ａおよび図３Ａに示すように、電気化学式水素ポンプ１００は、アノード端板２４Ａと、カソード端板２４Ｃと、を備える。
アノード端板２４Ａは、水素ポンプユニット１００Ａの各部材が積層された方向において、電気化学式水素ポンプ１００の一方の端に位置するアノードセパレーター１７上に設けられた部材である。電気化学式水素ポンプ１００の一方の端に位置するアノードセパレーター１７とは、換言すると、アノード端板２４Ａの最も近くに位置するアノードセパレーター１７である。また、カソード端板２４Ｃは、水素ポンプユニット１００Ａの各部材の積層方向において、電気化学式水素ポンプ１００の他方の端に位置するカソードセパレーター１６上に設けられた部材である。電気化学式水素ポンプ１００の他方の端に位置するカソードセパレーター１６とは、換言すると、カソード端板２４Ｃの最も近くに位置するカソードセパレーター１６である。
また、図２Ａおよび図３Ａに示すように、電気化学式水素ポンプ１００は、少なくともカソード端板２４Ｃから電気化学式水素ポンプ１００の他方の端に位置するカソードセパレーター１６までの部材について、水素ポンプユニット１００Ａの各部材が積層された方向への移動をさせないための固定部材を備える。
ここで、上記水素ポンプユニット１００Ａの各部材とは、電解質膜１１、アノードＡＮ、カソードＣＡ、アノードセパレーター１７、およびカソードセパレーター１６を意味する。また、カソード端板２４Ｃから他方の端に位置するカソードセパレーター１６までの部材とは、カソード端板２４Ｃ、他方の端に位置するカソードセパレーター１６およびカソード端板２４Ｃと他方の端に位置するカソードセパレーター１６との間に積層された部材を意味する。本実施の形態では、具体的には、カソード端板２４Ｃ、カソード絶縁板２３Ｃ、カソード給電板２２Ｃおよび他方の端に位置するカソードセパレーター１６を意味する。
また、上記の固定部材は、水素ポンプユニット１００Ａの各部材が積層された方向に少なくともカソード端板２４Ｃから電気化学式水素ポンプ１００の他方の端に位置するカソードセパレーター１６までの部材を固定することができれば、どのような構成であってもよい。例えば、固定部材は、図２Ａおよび図３Ａに示す如く、少なくとも１つの水素ポンプユニット１００Ａをアノード端板２４Ａおよびカソード端板２４Ｃで挟んだ状態で締結する締結器２５であってもよい。締結器２５として、ボルトおよび皿ばね付きナットなどを挙げることができる。
このとき、締結器２５のボルトは、アノード端板２４Ａおよびカソード端板２４Ｃのみを貫通するように構成してもよい。
しかしながら、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、締結器２５のボルトは、アノード端板２４Ａおよびカソード端板２４Ｃ以外にも、水素ポンプユニット１００Ａの各部材、カソード端板２４Ｃと他方の端に位置するカソードセパレーター１６との間に設けられたカソード板部材８０Ｃ、アノード端板２４Ａと一方の端に位置するアノードセパレーター１７との間に設けられたアノード板部材８０Ａをも貫通している。
そして、上記の積層方向において、電気化学式水素ポンプ１００の他方の端に位置するカソードセパレーター１６の端面、および、上記の積層方向において、電気化学式水素ポンプ１００の一方の端に位置するアノードセパレーター１７の端面をそれぞれ、カソード板部材８０Ｃおよびアノード板部材８０Ａのそれぞれを介して、カソード端板２４Ｃおよびアノード端板２４Ａのそれぞれで挟むようにして、締結器２５により水素ポンプユニット１００Ａに所望の締結圧が付与されている。
つまり、本実施の形態において、固定部材は、カソード端板２４Ｃから電気化学式水素ポンプ１００の他方の端に位置するカソードセパレーター１６までの部材に加え、更に、アノード端板２４Ａから電気化学式水素ポンプ１００の一方の端に位置するアノードセパレーター１７までの部材についても、水素ポンプユニット１００Ａの各部材が積層された方向への移動をさせないよう構成されている。なお、アノード端板２４Ａから電気化学式水素ポンプ１００の一方の端に位置するアノードセパレーター１７までの部材とは、アノード端板２４Ａ、一方の端に位置するアノードセパレーター１７およびアノード端板２４Ａと一方の端に位置するアノードセパレーター１７との間に積層された部材を意味する。本実施の形態では、具体的には、アノード端板２４Ａ、アノード絶縁板２３Ａ、アノード給電板２２Ａおよび一方の端に位置するアノードセパレーター１７を意味する。
なお、カソード板部材８０Ｃは、例えば、カソード給電板２２Ｃと、カソード絶縁板２３Ｃとを含む部材である。アノード板部材８０Ａは、例えば、アノード給電板２２Ａと、アノード絶縁板２３Ａとを含む部材である。
以上により、３段の水素ポンプユニット１００Ａが、上記の積層方向において、カソード板部材８０Ｃおよびカソード板部材８０Ｃに最も近接するカソードセパレーター１６と、アノード板部材８０Ａおよびアノード板部材８０Ａに最も近接するアノードセパレーター１７とのそれぞれが締結器２５のボルトで貫通された状態で、締結器２５の締結圧により積層状態で適切に保持されている。よって、カソード板部材８０Ｃとアノード板部材８０Ａが締結器２５に含まれるボルトで貫通されているので、これらの各部材の面内方向における移動を適切に抑えることができる。これにより、上記の積層方向において他方の端に位置するカソードセパレーター１６の変形に対して、下記で説明する第一空間６０の面方向の位置ずれが低減される。また、上記の積層方向において、電気化学式水素ポンプ１００の一方の端に位置するアノードセパレーター１７の変形に対して、下記で説明する第二空間６５の面方向の位置ずれが低減される。
なお、ここでは、詳細な説明および図示を省略するが、締結器２５に代えて、電気化学式水素ポンプの各部材の側面に樹脂製のシール材を設けることで、電気化学式水素ポンプを固定してもよい。
図２Ａおよび図３Ａに示すように、電気化学式水素ポンプ１００は、カソード端板２４Ｃと他方の端に位置するカソードセパレーター１６との間に設けられた第一空間６０にカソードＣＡで生成される水素を供給する第１のガス流路を備える。
第一空間６０は、カソード端板２４Ｃと他方の端に位置するカソードセパレーター１６との間に設けられた空間であれば、どのような構成であってもよい。図２Ａおよび図３Ａに示す例では、第一空間６０は、カソード端板２４Ｃの中央部に設けられた凹部によって構成されている。つまり、第一空間６０は、カソード端板２４Ｃの中央部に設けられた凹部とカソード絶縁板２３Ｃとによって区画された空間である。なお、第一空間の他の例については変形例で説明する。
そして、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、図２Ａおよび図３Ａの矢印の如く、第１の伝圧部材が、第一空間６０に設けられている。第１の伝圧部材は、他方の端に位置するカソードセパレーター１６からの押圧をカソード端板２４Ｃに伝えることができれば、どのような構成であってもよい。なお、第１の伝圧部材の具体的な構成については実施例で説明する。
第１のガス流路は、第一空間６０にカソードＣＡで生成される水素を供給できれば、どのような構成であってもよい。例えば、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、図２Ａに示す如く、第１のガス流路は、筒状のカソードガス導出マニホールド５０と、カソードガス導出マニホールド５０と第一空間６０とを連通するカソードガス供給経路５１とを含む流路である。
また、カソードガス導出マニホールド５０は、水素ポンプユニット１００Ａの各部材に設けられた貫通孔およびアノード端板２４Ａおよびカソード端板２４Ｃに設けられた非貫通孔の連なりによって構成されている。
また、カソードガス供給経路５１は、カソード端板２４Ｃの凹部内（第一空間６０）とカソードガス導出マニホールド５０の他方の端部とを連通するカソード端板２４Ｃの主面に設けられた溝によって構成されている。
ここで、図２Ａに示す如く、カソード端板２４Ｃには、カソードガス導出経路２６が設けられている。カソードガス導出経路２６は、カソードＣＡから排出される水素（Ｈ２）が流通する配管で構成されていてもよい。そして、カソードガス導出経路２６は、上記の第一空間６０と連通している。これにより、カソードガス導出経路２６は、第一空間６０およびカソードガス供給経路５１を介してカソードガス導出マニホールド５０に連通している。
また、カソードガス導出マニホールド５０は、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれのカソードガス流路３２の一方の端部と、カソードガス通過経路３４のそれぞれを介して連通している。つまり、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれのカソードガス拡散層１４から流出するカソードガスが流れるカソードガス流路３２は連通されている。これにより、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれのカソードガス流路３２およびカソードガス通過経路３４を通過した水素が、カソードガス導出マニホールド５０で合流される。そして、合流された水素が、カソードガス供給経路５１および第一空間６０をこの順番に通過してから、カソードガス導出経路２６に導かれる。このようにして、第一空間６０内を高圧の水素が流通する。
カソードセパレーター１６およびアノードセパレーター１７の間、カソードセパレーター１６およびカソード給電板２２Ｃの間、アノードセパレーター１７およびアノード給電板２２Ａの間には、平面視において、カソードガス導出マニホールド５０を囲むように、Ｏリングなどの環状のシール部材４０が設けられ、カソードガス導出マニホールド５０が、このシール部材４０で適切にシールされている。
図３Ａに示す如く、アノード端板２４Ａには、アノードガス導入経路２９が設けられている。アノードガス導入経路２９は、アノードＡＮに供給される水素（Ｈ２）が流通する配管で構成されていてもよい。そして、アノードガス導入経路２９は、筒状のアノードガス導入マニホールド２７に連通している。なお、アノードガス導入マニホールド２７は、水素ポンプユニット１００Ａの各部材およびアノード端板２４Ａに設けられた貫通孔の連なりによって構成されている。
また、アノードガス導入マニホールド２７は、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれのアノードガス流路３３の一方の端部と、第１アノードガス通過経路３５のそれぞれを介して連通している。これにより、アノードガス導入経路２９からアノードガス導入マニホールド２７に供給された水素は、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれの第１アノードガス通過経路３５を通じて、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれに分配される。そして、分配された水素がアノードガス流路３３を通過する間に、アノードガス拡散層１５からアノード触媒層１３に水素が供給される。
また、図３Ａに示す如く、アノード端板２４Ａには、アノードガス導出経路３１が設けられている。アノードガス導出経路３１は、アノードＡＮから排出される水素（Ｈ２）が流通する配管で構成されていてもよい。そして、アノードガス導出経路３１は、筒状のアノードガス導出マニホールド３０に連通している。なお、アノードガス導出マニホールド３０は、水素ポンプユニット１００Ａの各部材およびアノード端板２４Ａに設けられた貫通孔の連なりによって構成されている。
また、アノードガス導出マニホールド３０が、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれのアノードガス流路３３の他方の端部と、第２アノードガス通過経路３６のそれぞれを介して連通している。これにより、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれのアノードガス流路３３を通過した水素が、第２アノードガス通過経路３６のそれぞれを通じてアノードガス導出マニホールド３０に供給され、ここで合流される。そして、合流された水素が、アノードガス導出経路３１に導かれる。
カソードセパレーター１６およびアノードセパレーター１７の間、カソードセパレーター１６およびカソード給電板２２Ｃの間、アノードセパレーター１７およびアノード給電板２２Ａの間には、平面視において、アノードガス導入マニホールド２７およびアノードガス導出マニホールド３０を囲むようにＯリングなどの環状のシール部材４０が設けられ、アノードガス導入マニホールド２７およびアノードガス導出マニホールド３０が、シール部材４０で適切にシールされている。
図２Ａおよび図３Ａに示すように、電気化学式水素ポンプ１００は、電圧印加器１０２を備える。
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。
また、電圧印加器１０２は、例えば、水素ポンプユニット１００Ａに供給する電力が所定の設定値となるように、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間に印加される電圧、アノードＡＮおよびカソードＣＡ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。
なお、図２Ａおよび図３Ａに示す例では、電圧印加器１０２の低電位側の端子が、カソード給電板２２Ｃに接続され、電圧印加器１０２の高電位側の端子が、アノード給電板２２Ａに接続されている。カソード給電板２２Ｃは、上記の積層方向において、電気化学式水素ポンプ１００の他方の端に位置するカソードセパレーター１６と電気的に接触しており、アノード給電板２２Ａは、上記の積層方向において、電気化学式水素ポンプ１００の一方の端に位置するアノードセパレーター１７と電気的に接触している。
なお、図示を省略するが、上記の電気化学式水素ポンプ１００を備える水素供給システムを構築することもできる。この場合、水素供給システムの水素供給動作において必要となる機器は適宜、設けられる。
例えば、水素供給システムには、アノードガス導出経路３１を通じてアノードＡＮから排出される高加湿状態の水素（Ｈ２）と、アノードガス導入経路２９を通して外部の水素供給源から供給される低加湿状態の水素（Ｈ２）とが混合された混合ガスの露点を調整する露点調整器（例えば、加湿器）が設けられていてもよい。このとき、外部の水素供給源の水素は、例えば、水電解装置で生成されてもよい。
また、水素供給システムには、例えば、電気化学式水素ポンプ１００の温度を検出する温度検出器、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡから排出された水素を一時的に貯蔵する水素貯蔵器、水素貯蔵器内の水素ガス圧を検出する圧力検出器などが設けられていてもよい。
なお、上記の電気化学式水素ポンプ１００の構成、および、水素供給システムにおける図示しない様々な機器は例示であって、本例に限定されない。
例えば、アノードガス導出マニホールド３０およびアノードガス導出経路３１を設けずに、アノードガス導入マニホールド２７を通してアノードＡＮに供給する水素を全てカソードＣＡで昇圧するデッドエンド構造が採用されてもよい。また、例えば、アノードガス流路３３およびカソードガス流路３２には、上記のとおり、水素（Ｈ２）が流れるが、水素濃度は、１００％でなくてもよい。水素が含まれる水素含有ガスが流れればよい。
[動作]
以下、電気化学式水素ポンプ１００の水素昇圧動作の一例について、図面を参照しながら説明する。
以下の動作は、例えば、図示しない制御器の演算回路が、制御器の記憶回路から制御プログラムを読み出すことにより行われてもよい。ただし、以下の動作を制御器で行うことは、必ずしも必須ではない。操作者が、その一部の動作を行ってもよい。
まず、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮに低圧の水素が供給されるとともに、電圧印加器１０２の電圧が電気化学式水素ポンプ１００に給電される。
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を用いて、水素導出経路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（Ｈ２）を昇圧することができる。すると、カソード端板２４Ｃとカソードセパレーター１６との間に設けられた第一空間６０には、カソードガス導出マニホールド５０およびカソードガス供給経路５１を通じてカソードＣＡで生成される高圧の水素が供給される。なお、水素導出経路として、例えば、図２Ａのカソードガス導出経路２６を挙げることができる。また、流量調整器として、例えば、水素導出経路に設けられた背圧弁、調整弁などを挙げることができる。
アノード：Ｈ２（低圧）→２Ｈ＋＋２ｅ− ・・・（１）
カソード：２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２（高圧） ・・・（２）
このようにして、電気化学式水素ポンプ１００では、電圧印加器１０２で電圧を印加することで、アノードＡＮに供給される水素がカソードＣＡにおいて昇圧される。これにより、電気化学式水素ポンプ１００の水素昇圧動作が行われ、カソードＣＡで昇圧された水素は、例えば、図示しない水素貯蔵器に一時的に貯蔵される。また、水素貯蔵器で貯蔵された水素は、適時に、水素需要体に供給される。なお、水素需要体として、例えば、水素を用いて発電する燃料電池などを挙げることができる。
ここで、以上の電気化学式水素ポンプ１００の水素昇圧動作では、カソードＣＡのガス圧が高圧になることで、電解質膜１１、アノード触媒層１３およびアノードガス拡散層１５が押圧される。すると、この押圧によって、電解質膜１１、アノード触媒層１３およびアノードガス拡散層１５はそれぞれ圧縮される。
このとき、仮に、カソード触媒層１２とカソードガス拡散層１４との間の密着性が低いと、両者間で隙間が生じやすい。そして、カソード触媒層１２とカソードガス拡散層１４との間で隙間が生じる場合、両者間の接触抵抗が増加する。すると、電圧印加器１０２で印加する電圧が増加することにより、電気化学式水素ポンプ１００の運転効率を低下させる恐れがある。
そこで、カソードガス拡散層１４は、締結器２５による水素ポンプユニット１００Ａの締結前は、カソードセパレーター１６の凹部からその厚み方向に、所望のはみ出し量分、はみ出すように構成されている。また、カソードガス拡散層１４は、水素ポンプユニット１００Ａの締結の際には、締結器２５の締結力によって、上記のはみ出し量分だけ圧縮される。
このようにして、電気化学式水素ポンプ１００の動作時に、電解質膜１１、アノード触媒層１３およびアノードガス拡散層１５のそれぞれが圧縮変形しても、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、カソードガス拡散層１４は、締結器２５による圧縮後の厚みから圧縮前の元の厚みに戻る方向に弾性変形することにより、カソード触媒層１２とカソードガス拡散層１４との間の接触を適切に維持することができる。
また、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、従来に比べて、水素ポンプユニット１００Ａのカソードセパレーター１６およびカソードＣＡ間の接触抵抗の増加を適切に抑制し得る。
第１に、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、カソードＣＡのガス圧が高圧になるときのカソードセパレーター１６およびカソードガス拡散層１４間の接触抵抗の増加が以下の如く抑制される。
本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、水素ポンプユニット１００ＡのカソードＣＡで生成される高圧の水素を、カソードガス導出マニホールド５０およびカソードガス供給経路５１を通じてカソード端板２４Ｃとカソード絶縁板２３Ｃとの間に設けられた第一空間６０に供給することができる。このため、第一空間６０内の水素ガス圧は、水素ポンプユニット１００ＡのカソードＣＡ内の水素ガス圧とほぼ同等の高圧である。すると、第一空間６０内の水素によってカソードセパレーター１６に付与される荷重は、カソードＣＡ内の水素ガス圧に起因するカソードセパレーター１６のカソード端板２４Ｃ側への変形（撓み）を抑えるように作用する。
ここで、仮に、カソードセパレーター１６がカソード端板２４Ｃ側に撓むと、カソードセパレーター１６とカソードガス拡散層１４との間で隙間が発生しやすい。そして、カソードセパレーター１６とカソードガス拡散層１４との間で隙間が生じる場合、両者間の接触抵抗が増加する。
しかしながら、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、上記のとおり、カソード端板２４Ｃとカソード絶縁板２３Ｃとの間に設けられた第一空間６０に高圧の水素ガスを供給することにより、カソードセパレーター１６がカソード端板２４Ｃ側に撓みにくくなるように構成している。よって、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、上記の第一空間６０を設けない場合に比べて、水素ポンプユニット１００Ａのカソードセパレーター１６およびカソードガス拡散層１４間の隙間が発生しにくいので、両者間の接触抵抗の増加を適切に抑制することができる。
第２に、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、カソードセパレーター１６にカソードガス拡散層１４の圧縮応力が作用することに起因するカソードセパレーター１６およびカソードガス拡散層１４間の接触抵抗の増加が以下の如く抑制される。
本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、カソードガス拡散層１４の厚みが減る方向に弾性変形するとき、カソードガス拡散層１４の圧縮応力は、カソードセパレーター１６を第一空間６０側に押す方向に作用する。よって、カソードセパレーター１６からの押圧をカソード端板２４Ｃに伝える第１の伝圧部材を第一空間６０に設けない場合は、カソードセパレーター１６がカソード端板２４Ｃ側に撓みやすくなる。
ここで、仮に、カソードセパレーター１６がカソード端板２４Ｃ側に撓むと、カソードセパレーター１６とカソードガス拡散層１４との間で隙間が発生しやすい。そして、カソードセパレーター１６とカソードガス拡散層１４との間で隙間が生じる場合、両者間の接触抵抗が増加する。
しかしながら、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、上記のとおり、カソードセパレーター１６からの押圧をカソード端板２４Ｃに伝える第１の伝圧部材を第一空間６０に設けることにより、カソードガス拡散層１４の厚みが減る方向に弾性変形するときにカソードセパレーター１６がカソード端板２４Ｃ側に撓みにくくなるように構成している。よって、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、上記の第１の伝圧部材を第一空間６０に設けない場合に比べて、水素ポンプユニット１００Ａのカソードセパレーター１６およびカソードガス拡散層１４間の隙間が発生しにくいので、両者間の接触抵抗の増加を適切に抑制することができる。
なお、図２Ａおよび図３Ａに示す例では、電気化学式水素ポンプ１００は、第一空間６０が、カソードＣＡの主面と平行に設けられている。
これにより、第一空間６０内の水素ガス圧に基づいて、カソードセパレーター１６に伝わる荷重をカソードセパレーター１６の面内で均等に与えることができる。よって、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、第一空間６０をカソードＣＡの主面と平行に設けない場合に比べて、第一空間６０内の水素によってカソードセパレーター１６に付与される荷重が、カソードセパレーター１６の変形（撓み）を抑えるように効果的に作用する。
また、図２Ａおよび図３Ａに示す例では、電気化学式水素ポンプ１００は、カソードセパレーター１６の主面と平行な方向における第一空間６０の開口面積が、カソードＣＡの主面の面積以上である。但し、このような第一空間６０の開口面積は、カソードセパレーター１６の主面の面積以下である。
仮に、カソードセパレーター１６の主面と平行な方向における第一空間６０の開口面積が、カソードＣＡの主面の面積未満の場合、第一空間６０で覆われていないカソードＣＡに対応するカソードセパレーター１６の部分では、カソードＣＡ内の水素ガス圧に起因する変形が起きる可能性がある。
しかしながら、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、上記の第一空間６０の開口面積をカソードＣＡの主面の面積以上に設定することで、カソードＣＡの主面全域を第一空間６０で覆うことができる。このため、第一空間６０内の水素ガス圧に基づいて、カソードＣＡに対向するカソードセパレーター１６の全域に荷重が伝わるので、上記の可能性を低減することができる。
（実施例）
以下、第１の伝圧部材の具体的な構成について、図面を参照しながら説明する。
＜第１実施例＞
図４Ａは、第１実施形態の第１実施例の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。図４Ａには、電気化学式水素ポンプ１００の第一空間６０内の第１の伝圧部材が示されている。
図４Ａに示す例では、第１の伝圧部材は、カソード端板２４Ｃおよびカソード板部材８０Ｃの間において、カソード端板２４Ｃと一体に設けられている柱状部材７０Ｃを含んでいる。本例では、柱状部材７０Ｃは、カソード端板２４Ｃおよびカソード絶縁板２３Ｃの間に設けられている。つまり、カソード端板２４Ｃと一体に設けられている柱状部材７０Ｃは、第一空間６０内で面状に均等に並ぶように配置されており、柱状部材７０Ｃの端部が、カソード絶縁板２３Ｃに接触している。なお、柱状部材７０Ｃの横断面の形状は、円形でもよいし、矩形でもよい。
以上の構成により、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、カソード端板２４Ｃおよびカソード絶縁板２３Ｃの間に設けられた柱状部材７０Ｃを介して、カソード絶縁板２３Ｃからの押圧をカソード端板２４Ｃに適切に伝えることができる。また、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００では、両隣の柱状部材７０Ｃの間に存在する空隙を介して、第一空間６０に水素（Ｈ２）を流通させることができる。
本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、上記の特徴以外は、第１実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様であってもよい。
＜第２実施例＞
図４Ｂは、第１実施形態の第２実施例の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。
図４Ｂには、電気化学式水素ポンプ１００の第一空間６０内の第１の伝圧部材が示されている。
図４Ｂに示す例では、第１の伝圧部材は、カソード端板２４Ｃおよびカソード板部材８０Ｃの間において、カソード端板２４Ｃと別体に設けられている柱状部材７１Ｃを含んでいる。本例では、柱状部材７１Ｃは、カソード端板２４Ｃおよびカソード給電板２２Ｃの間に設けられている。つまり、柱状部材７１Ｃは、第一空間６０内で面状に均等に並ぶように配置されており、柱状部材７１Ｃの一方の端部が、カソード端板２４Ｃの中央部に設けられた凹部の底面に接触し、他方の端部が、カソード給電板２２Ｃに接触している。但し、本例の場合は、柱状部材７１Ｃが、カソード絶縁板２３Ｃの中央部に設けられた開口部を介してカソード端板２４Ｃとカソード給電板２２Ｃとに接触するので、柱状部材７１Ｃは絶縁部材である。これにより、カソード端板２４Ｃおよびカソード給電板２２Ｃの短絡が防止されている。なお、柱状部材７１Ｃの横断面の形状は、円形でもよいし、矩形でもよい。
以上の構成により、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、カソード端板２４Ｃおよびカソード給電板２２Ｃの間に設けられた絶縁性の柱状部材７１Ｃを介して、カソード給電板２２Ｃからの押圧をカソード端板２４Ｃに適切に伝えることができる。
また、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００では、両隣の柱状部材７１Ｃの間に存在する空隙を介して、第一空間６０に水素（Ｈ２）を流通させることができる。
さらに、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００では、柱状部材７１Ｃとして弾性部材を用いる場合は、仮に、カソード給電板２２Ｃがカソードガス拡散層１４の圧縮応力に起因して変形した場合でも、柱状部材７１Ｃがカソード給電板２２Ｃの変形に対して伸縮し得るので、カソード給電板２２Ｃからの押圧が、柱状部材７１Ｃを介してカソード端板２４Ｃに均等に伝わる。
本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、上記の特徴以外は、第１実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様であってもよい。
＜第３実施例＞
図４Ｃは、第１実施形態の第３実施例の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。図４Ｃには、電気化学式水素ポンプ１００の第一空間６０内の第１の伝圧部材が示されている。
図４Ｃに示す例では、第１の伝圧部材は、カソード端板２４Ｃおよびカソード板部材８０Ｃの間において、カソード端板２４Ｃと別体に設けられている柱状部材７２Ｃを含んでいる。本例では、柱状部材７２Ｃは、カソード端板２４Ｃおよびカソード絶縁板２３Ｃの間に設けられている。つまり、柱状部材７２Ｃは、第一空間６０内で面状に均等に並ぶように配置されており、柱状部材７２Ｃの一方の端部が、カソード端板２４Ｃの中央部に設けられた凹部の底面に接触し、他方の端部が、カソード絶縁板２３Ｃに接触している。
以上の構成により、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、カソード端板２４Ｃおよびカソード絶縁板２３Ｃの間に設けられた柱状部材７２Ｃを介して、カソード絶縁板２３Ｃからの押圧をカソード端板２４Ｃに適切に伝えることができる。
また、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００では、両隣の柱状部材７２Ｃの間に存在する空隙を介して、第一空間６０に水素（Ｈ２）を流通させることができる。
さらに、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００では、柱状部材７２Ｃとして弾性部材を用いる場合は、仮に、カソード絶縁板２３Ｃがカソードガス拡散層１４の圧縮応力に起因して変形した場合でも、柱状部材７２Ｃがカソード絶縁板２３Ｃの変形に対して伸縮し得るので、カソード絶縁板２３Ｃからの押圧が、柱状部材７２Ｃを介してカソード端板２４Ｃに均等に伝わる。
本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、上記の特徴以外は、第１実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様であってもよい。
＜第４実施例＞
図４Ｄは、第１実施形態の第４実施例の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。図４Ｄには、電気化学式水素ポンプ１００の第一空間６０内の第１の伝圧部材が示されている。
図４Ｄに示す例では、第１の伝圧部材は、多孔性部材７３Ｃを含んでいる。第１の伝圧部材は、多孔性部材７３Ｃを含むものであれば、どのような構成であってもよい。
例えば、図４Ｄに示す如く、平板状の多孔性部材７３Ｃが、カソード端板２４Ｃの中央部に設けられた凹部（第一空間６０）内のほぼ全域に設けられており、多孔性部材７３Ｃの一方の主面とこの凹部の底面とが接触し、多孔性部材７３Ｃの他方の主面とカソード絶縁板２３Ｃの主面とが接触している。
なお、多孔性部材７３Ｃの基材として、例えば、アノードガス拡散層１５の基材などを挙げることができる。つまり、この場合、第１の伝圧部材は、アノードＡＮに含まれるアノードガス拡散層１５と同等の高剛性を備える。第一の伝圧部材の剛性が高いことで、カソード板部材８０Ｃからの押圧で第一の伝圧部材が変位するのが抑制でき、ひいては、第一空間６０へのカソード板部材８０Ｃの変位を抑制することができる。
以上の構成により、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、カソード端板２４Ｃおよびカソード絶縁板２３Ｃの間に設けられた多孔性部材７３Ｃを介して、カソード絶縁板２３Ｃからの押圧をカソード端板２４Ｃに適切に伝えることができる。特に、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００では、多孔性部材７３Ｃの主面のほぼ全面を介して、カソード絶縁板２３Ｃからの押圧がカソード端板２４Ｃに伝わるので、カソード絶縁板２３Ｃのカソード端板２４Ｃ側への撓みを効果的に抑制することができる。これにより、カソードガス拡散層１４がカソード端板２４Ｃ側にのびることを抑止することができる。
また、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、第１の伝圧部材として多孔性部材７３Ｃを用いることで、図４Ｄに示す如く、多孔性部材７３Ｃを第一空間６０のほぼ全域に設けた場合でも、第一空間６０におけるガス透過性を適切に確保することができる。
本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、上記の特徴以外は、第１実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様であってもよい。
＜第５実施例＞
図４Ｅは、第１実施形態の第５実施例の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。図４Ｅには、電気化学式水素ポンプ１００の第一空間６０内の第１の伝圧部材が示されている。
図４Ｅに示す例では、第１の伝圧部材は、弾性部材７４Ｃを含んでいる。第１の伝圧部材は、弾性部材７４Ｃを含むものであれば、どのような構成であってもよい。
例えば、図４Ｅに示す如く、平板状の弾性部材７４Ｃが、カソード端板２４Ｃの中央部に設けられた凹部（第一空間６０）内のほぼ全域に設けられており、弾性部材７４Ｃの一方の主面とこの凹部の底面とが接触し、弾性部材７４Ｃの他方の主面とカソード絶縁板２３Ｃの主面とが接触している。
なお、弾性部材７４Ｃの基材として、例えば、カソードガス拡散層１４の基材などを挙げることができる。つまり、この場合、第１の伝圧部材は、カソードＣＡに含まれるカソードガス拡散層１４と同等の弾性率を備える。
以上の構成により、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、カソード端板２４Ｃおよびカソード絶縁板２３Ｃの間に設けられた弾性部材７４Ｃを介して、カソード絶縁板２３Ｃからの押圧をカソード端板２４Ｃに適切に伝えることができる。特に、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００では、弾性部材７４Ｃの主面のほぼ全面を介して、カソード絶縁板２３Ｃからの押圧がカソード端板２４Ｃに伝わるので、カソード絶縁板２３Ｃのカソード端板２４Ｃ側への撓みを効果的に抑制することができる。
また、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、第１の伝圧部材として弾性部材７４Ｃを用いることで、仮に、カソード絶縁板２３Ｃがカソードガス拡散層１４の圧縮応力に起因して変形した場合でも、弾性部材７４Ｃがカソード絶縁板２３Ｃの変形に対して追従し得るので、カソード絶縁板２３Ｃからの押圧が、弾性部材７４Ｃを介してカソード端板２４Ｃに均等に伝わる。
また、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、カソードガス拡散層１４の圧縮応力に起因するカソード絶縁板２３Ｃの変形が、カソードガス拡散層１４と同等の弾性率を備える弾性部材７４Ｃの厚みが減る方向の弾性変形で生じる反力により抑制される。つまり、カソードガス拡散層１４の弾性変形量と弾性部材７４Ｃの弾性変形量とがほぼ同じになるので、電気化学式水素ポンプ１００の水素昇圧動作の進行に伴い、カソードガス拡散層１４が、圧縮後の厚みから圧縮前の厚みに戻る方向に弾性変形する際にも、上記の反力を適切に維持することができる。
本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、上記の特徴以外は、第１実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様であってもよい。
（変形例）
第１実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、第一空間６０は、カソード端板２４Ｃの中央部に設けられた凹部によって構成されている。しかし、このような第一空間６０は、例示であって本例に限定されない。以下、第一空間の他の例について、図面を参照しながら説明する。
＜第１変形例＞
図５Ａは、第１実施形態の第１変形例の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。図５Ａには、カソード端板２４Ｃと他方の端に位置するカソードセパレーター１６との間に設けられた第一空間６１が示されている。
図５Ａに示す例では、第一空間６１は、カソードセパレーター１６とカソード給電板２２Ｃとが接触する部分において、カソードセパレーター１６の中央部に設けられた凹部によって構成されている。つまり、第一空間６１は、カソードセパレーター１６の中央部に設けられた凹部とカソード給電板２２Ｃとによって区画された空間である。
なお、第一空間６１内には、カソードセパレーター１６からの押圧をカソード端板２４Ｃに伝える第１の伝圧部材が設けられている。この第１の伝圧部材の具体例は、第１実施形態の第１実施例−第５実施例の電気化学式水素ポンプ１００と同様であるので説明を省略する。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、第１実施形態の電気化学式水素ポンプ１００が奏する作用効果と同様であるので詳細な説明を省略する。
本変形例の電気化学式水素ポンプ１００は、上記の特徴以外は、第１実施形態および第１実施形態の第１実施例−第５実施例のいずれかの電気化学式水素ポンプ１００と同様であってもよい。
＜第２変形例＞
図５Ｂは、第１実施形態の第２変形例の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。図５Ｂには、カソード端板２４Ｃと他方の端に位置するカソードセパレーター１６との間に設けられた第一空間６２が示されている。
図５Ｂに示す例では、第一空間６２は、カソード給電板２２Ｃの中央部に設けられた凹部とカソード絶縁板２３Ｃの中央部に設けられた開口部とによって構成されている。つまり、第一空間６２は、カソード給電板２２Ｃの中央部に設けられた凹部とカソード絶縁板２３Ｃの中央部に設けられた開口部とカソード端板２４Ｃとによって区画された空間である。
なお、第一空間６２内には、カソードセパレーター１６からの押圧をカソード端板２４Ｃに伝える第１の伝圧部材が設けられている。この第１の伝圧部材の具体例は、第１実施形態の第１実施例−第５実施例の電気化学式水素ポンプ１００と同様であるので説明を省略する。但し、本例の場合は、第１の伝圧部材が、カソード絶縁板２３Ｃの中央部に設けられた開口部を介してカソード端板２４Ｃとカソード給電板２２Ｃとに接触するので、第１の伝圧部材は絶縁部材である。これにより、カソード端板２４Ｃおよびカソード給電板２２Ｃの短絡が防止されている。
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、第１実施形態の電気化学式水素ポンプ１００が奏する作用効果と同様であるので詳細な説明を省略する。
本変形例の電気化学式水素ポンプ１００は、上記の特徴以外は、第１実施形態および第１実施形態の第１実施例−第５実施例のいずれかの電気化学式水素ポンプ１００と同様であってもよい。
＜第３変形例＞
図５Ｃは、第１実施形態の第３変形例の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。図５Ｃには、カソード端板２４Ｃと他方の端に位置するカソードセパレーター１６との間に設けられた第一空間６３が示されている。
図５Ｃに示す例では、第一空間６３は、カソード給電板２２Ｃの中央部に設けられた凹部によって構成されている。つまり、第一空間６３は、カソード給電板２２Ｃの中央部に設けられた凹部とカソード絶縁板２３Ｃとによって区画された空間である。
なお、第一空間６３内には、カソードセパレーター１６からの押圧をカソード端板２４Ｃに伝える第１の伝圧部材が設けられている。この第１の伝圧部材の具体例は、第１実施形態の第１実施例−第５実施例の電気化学式水素ポンプ１００と同様であるので説明を省略する。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、第１実施形態の電気化学式水素ポンプ１００が奏する作用効果と同様であるので詳細な説明を省略する。
本変形例の電気化学式水素ポンプ１００は、上記の特徴以外は、第１実施形態および第１実施形態の第１実施例−第５実施例のいずれかの電気化学式水素ポンプ１００と同様であってもよい。
（第２実施形態）
図６は、第２実施形態の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。
図６には、平面視において電気化学式水素ポンプ１００の中心と、カソードガス導出マニホールド５０の中心と、を通過する直線を含む電気化学式水素ポンプ１００の垂直断面が示されている。
本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、以下に説明するカソードガス導出経路２６Ａの配置位置以外、第１実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様である。
本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、カソードガス導出経路２６Ａを、図２Ａのカソードガス導出経路２６の如く、第一空間６０内から延伸するように引き回さずに、カソードガス導出マニホールド５０から延伸するように引き回している。
なお、この場合、カソードガス導出マニホールド５０は、水素ポンプユニット１００Ａの各部材およびカソード端板２４Ｃに設けられた貫通孔、および、アノード端板２４Ａに設けられた非貫通孔の連なりによって構成されている。
以上により、本変形例の電気化学式水素ポンプ１００は、水素ポンプユニット１００ＡのカソードＣＡで生成される高圧の水素を、カソードガス導出マニホールド５０およびカソードガス供給経路５１を通じてカソード端板２４Ｃとカソードセパレーター１６との間に設けられた第一空間６０に供給することができる。つまり、第一空間６０内を高圧の水素が滞留する。
なお、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００が奏する作用効果は、第１実施形態の電気化学式水素ポンプ１００が奏する作用効果と同様であるので詳細な説明を省略する。
本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、上記の特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の第１実施例−第５実施例および第１実施形態の第１変形例−第３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。
（第３実施形態）
図７は、第３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７には、平面視において電気化学式水素ポンプ１００の中心と、カソードガス導出マニホールド５０の中心と、を通過する直線を含む電気化学式水素ポンプ１００の垂直断面が示されている。
本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、以下に説明する第二空間６５、第２のガス流路および第２の伝圧部材を備えること以外は、第１実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様である。
図７に示すように、電気化学式水素ポンプ１００は、アノード端板２４Ａと一方の端に位置するアノードセパレーター１７との間に設けられた第二空間６５にカソードＣＡ（図２Ｂ参照）で生成された水素を供給する第２のガス流路を備える。
第二空間６５は、アノード端板２４Ａと一方の端に位置するアノードセパレーター１７との間に設けられた空間であれば、どのような構成であってもよい。図７に示す例では、第二空間６５は、アノード端板２４Ａの中央部に設けられた凹部によって構成されている。つまり、第二空間６５は、アノード端板２４Ａの中央部に設けられた凹部とアノード絶縁板２３Ａとによって区画された空間である。なお、第二空間の他の例については変形例で説明する。
そして、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、図７の矢印の如く、第２の伝圧部材が、第二空間６５に設けられている。第２の伝圧部材は、一方の端に位置するアノードセパレーター１７からの押圧をアノード端板２４Ａに伝えることができれば、どのような構成であってもよい。なお、第２の伝圧部材の具体的な構成については実施例で説明する。
第２のガス流路は、第二空間６５にカソードＣＡで生成される水素を供給することができれば、どのような構成であってもよい。例えば、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、図７に示す如く、第２のガス流路は、筒状のカソードガス導出マニホールド５０と、カソードガス導出マニホールド５０と第二空間６５とを連通するカソードガス供給経路５２とを含む流路である。
また、カソードガス導出マニホールド５０は、第１実施形態と同様に、水素ポンプユニット１００Ａの各部材に設けられた貫通孔およびアノード端板２４Ａおよびカソード端板２４Ｃに設けられた非貫通孔の連なりによって構成されている。
そして、カソードガス供給経路５２は、アノード端板２４Ａの凹部内（第二空間６５）とカソードガス導出マニホールド５０の一方の端部とを連通するアノード端板２４Ａの主面に設けられた溝によって構成されている。
以上の構成により、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、カソードＣＡのガス圧が高圧になるときの水素ポンプユニット１００Ａのカソードガス拡散層１４および電解質膜１１（カソード触媒層１２）間の接触抵抗の増加が以下の如く抑制される。
水素ポンプユニット１００ＡのカソードＣＡ内の水素ガス圧に基づいて、アノードＡＮおよびアノードセパレーター１７に対しても荷重が伝わる。すると、水素ポンプユニット１００ＡのカソードＣＡ内の水素ガス圧が高圧である場合、アノードセパレーター１７がこの荷重により外側に押圧されることで変形する可能性がある。このとき、仮に、カソードガス拡散層１４の厚みが増える方向の弾性変形が、アノードセパレーター１７の変形に追従できない場合、水素ポンプユニット１００Ａのカソードガス拡散層１４および電解質膜１１（カソード触媒層１２）間に隙間が生じる可能性がある。すると、水素ポンプユニット１００Ａのカソードガス拡散層１４および電解質膜１１（カソード触媒層１２）間の接触抵抗が増加する可能性がある。
しかしながら、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、水素ポンプユニット１００ＡのカソードＣＡで生成される高圧の水素を、カソードガス導出マニホールド５０およびカソードガス供給経路５２を通じてアノード端板２４Ａとアノードセパレーター１７との間に設けられた第二空間６５に供給することができる。このため、第二空間６５内の水素ガス圧は、水素ポンプユニット１００ＡのカソードＣＡ内の水素ガス圧とほぼ同等の高圧である。すると、第二空間６５内の水素によってアノードセパレーター１７に付与される荷重は、カソードＣＡ内の水素ガス圧に起因するアノードセパレーター１７の変形を抑えるように作用する。よって、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、このような第二空間６５を設けない場合に比べて、水素ポンプユニット１００Ａのカソードガス拡散層１４および電解質膜１１（カソード触媒層１２）間の隙間が発生しにくくなるので、両者間の接触抵抗の増加を適切に抑制することができる。
また、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１７にカソードガス拡散層１４の圧縮応力が作用することに起因する水素ポンプユニットのカソードガス拡散層１４および電解質膜１１（カソード触媒層１２）間の接触抵抗の増加が以下の如く抑制される。
カソードガス拡散層１４の厚みが減る方向に弾性変形するとき、カソードガス拡散層１４の圧縮応力は、カソード触媒層１２、電解質膜１１、アノード触媒層１３およびアノードガス拡散層１５を介して、アノードセパレーター１７を第二空間６５側に押す方向に作用する。よって、アノードセパレーター１７からの押圧をアノード端板２４Ａに伝える第２の伝圧部材を第二空間６５に設けない場合は、アノードセパレーター１７がアノード端板２４Ａ側に撓みやすくなる。このとき、仮に、カソードガス拡散層１４の厚みが増える方向の弾性変形が、アノードセパレーター１７の変形に追従できない場合、水素ポンプユニット１００Ａのカソードガス拡散層１４および電解質膜１１（カソード触媒層１２）間に隙間が生じる可能性がある。すると、水素ポンプユニット１００Ａのカソードガス拡散層１４および電解質膜１１（カソード触媒層１２）間の接触抵抗が増加する可能性がある。
しかしながら、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、上記のとおり、アノードセパレーター１７からの押圧をアノード端板２４Ａに伝える第２の伝圧部材を第二空間６５に設けることにより、カソードガス拡散層１４の厚みが減る方向に弾性変形するときにアノードセパレーター１７がアノード端板２４Ａ側に撓みにくくなるように構成している。よって、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、第２の伝圧部材を第二空間６５に設けない場合に比べて、水素ポンプユニット１００Ａのカソードガス拡散層１４および電解質膜１１（カソード触媒層１２）間の隙間が発生しにくいので、両者間の接触抵抗の増加を適切に抑制することができる。
なお、電解質膜１１が、例えば、高分子電解質膜である場合、この高分子電解質膜は、湿潤状態で所望のプロトン伝導性を示す。このため、電気化学式水素ポンプ１００の水素昇圧動作の効率を所望の値を維持するには、電解質膜１１を湿潤状態に保つ必要がある。このとき、仮に、アノードセパレーター１７のアノードガス流路３３（図２Ｂ参照）などが水により閉塞されると、水素ポンプユニット１００Ａの水素供給が阻害される。つまり、アノードガス流路３３を通過する水素の流れの安定化は、電気化学式水素ポンプ１００の高効率な水素昇圧動作を行う際の重要な要素になる。このような観点から、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、第二空間６５を設けない場合、および、第２の伝圧部材を第二空間６５に設けない場合に比べて、水素ポンプユニット１００ＡのカソードＣＡで生成される水素のガス圧に寄らず、アノードセパレーター１７の変形が抑制されるので、アノードセパレーター１７のアノードガス流路３３を通過する水素の流れを適切に安定化することができる。
また、図７に示す例では、電気化学式水素ポンプ１００は、第一空間６０と第二空間６５が対向する位置に設けられている。
これにより、第一空間６０内の水素によってカソードセパレーター１６に付与される荷重および第二空間６５内の水素によってアノードセパレーター１７に付与される荷重は、カソードＣＡ内の水素ガス圧に起因する水素ポンプユニット１００Ａの各部の変形を水素ポンプユニット１００Ａの両端部から面内で均等に抑えるように作用する。
よって、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、第一空間６０と第二空間６５とを対向する位置に設けない場合に比べて、水素ポンプユニット１００Ａの各部の変形を効果的に抑制することができる。
また、図７に示す例では、電気化学式水素ポンプ１００は、第二空間６５が、アノードＡＮ（図２Ｂ参照）の主面と平行に設けられている。
これにより、第二空間６５内の水素ガス圧に基づいて、アノードセパレーター１７に伝わる荷重をアノードセパレーター１７の面内で均等に与えることができる。よって、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、第二空間６５をアノードＡＮの主面と平行に設けない場合に比べて、第二空間６５内の水素によってアノードセパレーター１７に付与される荷重が、アノードセパレーター１７の変形（撓み）を抑えるように効果的に作用する。
また、図７に示す例では、電気化学式水素ポンプ１００は、アノードセパレーター１７の主面と平行な方向における第二空間６５の開口面積が、アノードＡＮ（図２Ｂ参照）の主面の面積以上である。但し、このような第二空間６５の開口面積は、アノードセパレーター１７の主面の面積以下である。
仮に、アノードセパレーター１７の主面と平行な方向における第二空間６５の開口面積が、アノードＡＮの主面の面積未満の場合、第二空間６５で覆われていないアノードＡＮに対向するアノードセパレーター１７の部分では、カソードＣＡ内の水素ガス圧に起因する変形が起きる可能性がある。
しかしながら、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、上記の第二空間６５の開口面積をアノードＡＮの主面の面積以上に設定することで、アノードＡＮの主面全域を第二空間６５で覆うことができる。このため、第二空間６５内の水素ガス圧に基づいて、アノードＡＮに対向するアノードセパレーター１７の全域に荷重が伝わるので、上記の可能性を低減することができる。
本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、上記の特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の第１実施例−第５実施例、第１実施形態の第１変形例−第３変形例および第２実施形態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。
（実施例）
以下、第２の伝圧部材の具体的な構成について、図面を参照しながら説明する。
＜第１実施例＞
図８Ａは、第３実施形態の第１実施例の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。図８Ａには、電気化学式水素ポンプ１００の第二空間６５内の第２の伝圧部材が示されている。
図８Ａに示す例では、第２の伝圧部材は、アノード端板２４Ａおよびアノード板部材８０Ａの間において、アノード端板２４Ａと一体に設けられている柱状部材７０Ａを含んでいる。本例では、柱状部材７０Ａは、アノード端板２４Ａおよびアノード絶縁板２３Ａの間に設けられている。つまり、アノード端板２４Ａと一体に設けられている柱状部材７０Ａは、第二空間６５内で面状に均等に並ぶように配置されており、柱状部材７０Ａの端部が、アノード絶縁板２３Ａに接触している。なお、柱状部材７０Ａの横断面の形状は、円形でもよいし、矩形でもよい。
以上の構成により、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、アノード端板２４Ａおよびアノード絶縁板２３Ａの間に設けられた柱状部材７０Ａを介して、アノード絶縁板２３Ａからの押圧をアノード端板２４Ａに適切に伝えることができる。また、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００では、両隣の柱状部材７０Ａの間に存在する空隙を介して、第二空間６５に水素（Ｈ２）を滞留させることができる。
本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、上記の特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の第１実施例−第５実施例、第１実施形態の第１変形例−第３変形例、第２実施形態および第３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。
＜第２実施例＞
図８Ｂは、第３実施形態の第２実施例の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。図８Ｂには、電気化学式水素ポンプ１００の第二空間６５内の第２の伝圧部材が示されている。
図８Ｂに示す例では、第２の伝圧部材は、アノード端板２４Ａおよびアノード板部材８０Ａの間において、アノード端板２４Ａと別体に設けられている柱状部材７１Ａを含んでいる。本例では、柱状部材７１Ａは、アノード端板２４Ａおよびアノード給電板２２Ａの間に設けられている。つまり、柱状部材７１Ａは、第二空間６５内で面状に均等に並ぶように配置されており、柱状部材７１Ａの一方の端部が、アノード端板２４Ａの中央部に設けられた凹部の底面に接触し、他方の端部が、アノード給電板２２Ａに接触している。但し、本例の場合は、柱状部材７１Ａが、アノード絶縁板２３Ａの中央部に設けられた開口部を介してアノード端板２４Ａとアノード給電板２２Ａとに接触するので、柱状部材７１Ａは絶縁部材である。これにより、アノード端板２４Ａおよびアノード給電板２２Ａの短絡が防止されている。なお、柱状部材７１Ａの横断面の形状は、円形でもよいし、矩形でもよい。
以上の構成により、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、アノード端板２４Ａおよびアノード給電板２２Ａの間に設けられた絶縁性の柱状部材７１Ａを介して、アノード給電板２２Ａからの押圧をアノード端板２４Ａに適切に伝えることができる。
また、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００では、両隣の柱状部材７１Ａの間に存在する空隙を介して、第二空間６５に水素（Ｈ２）を滞留させることができる。
さらに、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００では、柱状部材７１Ａとして弾性部材を用いる場合は、仮に、アノード給電板２２Ａがカソードガス拡散層１４の圧縮応力に起因して変形した場合でも、柱状部材７１Ａがアノード給電板２２Ａの変形に対して伸縮し得るので、アノード給電板２２Ａからの押圧が、柱状部材７１Ａを介してアノード端板２４Ａに均等に伝わる。
本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、上記の特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の第１実施例−第５実施例、第１実施形態の第１変形例−第３変形例、第２実施形態および第３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。
＜第３実施例＞
図８Ｃは、第３実施形態の第３実施例の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。図８Ｃには、電気化学式水素ポンプ１００の第二空間６５内の第２の伝圧部材が示されている。
図８Ｃに示す例では、第２の伝圧部材は、アノード端板２４Ａおよびアノード板部材８０Ａの間において、アノード端板２４Ａと別体に設けられている柱状部材７２Ａを含んでいる。本例では、柱状部材７２Ａは、アノード端板２４Ａおよびアノード絶縁板２３Ａの間に設けられている。つまり、柱状部材７２Ａは、第二空間６５内で面状に均等に並ぶように配置されており、柱状部材７２Ａの一方の端部が、アノード端板２４Ａの中央部に設けられた凹部の底面に接触し、他方の端部が、アノード絶縁板２３Ａに接触している。
以上の構成により、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、アノード端板２４Ａおよびアノード絶縁板２３Ａの間に設けられた柱状部材７２Ａを介して、アノード絶縁板２３Ａからの押圧をアノード端板２４Ａに適切に伝えることができる。
また、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００では、両隣の柱状部材７２Ａの間に存在する空隙を介して、第二空間６５に水素（Ｈ２）を滞留させることができる。
さらに、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００では、柱状部材７２Ａとして弾性部材を用いる場合は、仮に、アノード絶縁板２３Ａがカソードガス拡散層１４の圧縮応力に起因して変形した場合でも、柱状部材７２Ａがアノード絶縁板２３Ａの変形に対して伸縮し得るので、アノード絶縁板２３Ａからの押圧が、柱状部材７２Ａを介してアノード端板２４Ａに均等に伝わる。
本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、上記の特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の第１実施例−第５実施例、第１実施形態の第１変形例−第３変形例、第２実施形態および第３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。
＜第４実施例＞
図８Ｄは、第３実施形態の第４実施例の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。図８Ｄには、電気化学式水素ポンプ１００の第二空間６５内の第２の伝圧部材が示されている。
図８Ｄに示す例では、第２の伝圧部材は、多孔性部材７３Ａを含んでいる。第２の伝圧部材は、多孔性部材７３Ａを含むものであれば、どのような構成であってもよい。
例えば、図８Ｄに示す如く、平板状の多孔性部材７３Ａが、アノード端板２４Ａの中央部に設けられた凹部（第二空間６５）内のほぼ全域に設けられており、多孔性部材７３Ａの一方の主面とこの凹部の底面とが接触し、多孔性部材７３Ａの他方の主面とアノード絶縁板２３Ａの主面とが接触している。
なお、多孔性部材７３Ａの基材として、例えば、アノードガス拡散層１５の基材などを挙げることができる。つまり、この場合、第２の伝圧部材は、アノードＡＮに含まれるアノードガス拡散層１５と同等の高剛性を備える。
以上の構成により、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、アノード端板２４Ａおよびアノード絶縁板２３Ａの間に設けられた多孔性部材７３Ａを介して、アノード絶縁板２３Ａからの押圧をアノード端板２４Ａに適切に伝えることができる。特に、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００では、多孔性部材７３Ａの主面のほぼ全面を介して、アノード絶縁板２３Ａからの押圧がアノード端板２４Ａに伝わるので、アノード絶縁板２３Ａのアノード端板２４Ａ側への撓みを効果的に抑制することができる。
また、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、第２の伝圧部材として多孔性部材７３Ａを用いることで、図８Ｄに示す如く、多孔性部材７３Ａを第二空間６５のほぼ全域に設けた場合でも、第二空間６５におけるガス透過性を適切に確保することができる。
本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、上記の特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の第１実施例−第５実施例、第１実施形態の第１変形例−第３変形例、第２実施形態および第３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。
＜第５実施例＞
図８Ｅは、第３実施形態の第５実施例の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。図８Ｅには、電気化学式水素ポンプ１００の第二空間６５内の第２の伝圧部材が示されている。
図８Ｅに示す例では、第２の伝圧部材は、弾性部材７４Ａを含んでいる。第２の伝圧部材は、弾性部材７４Ａを含むものであれば、どのような構成であってもよい。
例えば、図８Ｅに示す如く、平板状の弾性部材７４Ａが、アノード端板２４Ａの中央部に設けられた凹部（第二空間６５）内のほぼ全域に設けられており、弾性部材７４Ａの一方の主面とこの凹部の底面とが接触し、弾性部材７４Ａの他方の主面とアノード絶縁板２３Ａの主面とが接触している。
なお、弾性部材７４Ａの基材として、例えば、カソードガス拡散層１４の基材などを挙げることができる。つまり、この場合、第２の伝圧部材は、カソードＣＡに含まれるカソードガス拡散層１４と同等の弾性率を備える。
以上の構成により、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、アノード端板２４Ａおよびアノード絶縁板２３Ａの間に設けられた弾性部材７４Ａを介して、アノード絶縁板２３Ａからの押圧をアノード端板２４Ａに適切に伝えることができる。特に、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００では、弾性部材７４Ａの主面のほぼ全面を介して、アノード絶縁板２３Ａからの押圧がアノード端板２４Ａに伝わるので、アノード絶縁板２３Ａのアノード端板２４Ａ側への撓みを効果的に抑制することができる。
また、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、第２の伝圧部材として弾性部材７４Ａを用いることで、仮に、アノード絶縁板２３Ａがカソードガス拡散層１４の圧縮応力に起因して変形した場合でも、弾性部材７４Ａがアノード絶縁板２３Ａの変形に対して追従し得るので、アノード絶縁板２３Ａからの押圧が、弾性部材７４Ａを介してアノード端板２４Ａに均等に伝わる。
また、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、カソードガス拡散層１４の圧縮応力に起因するアノード絶縁板２３Ａの変形が、カソードガス拡散層１４と同等の弾性率を備える弾性部材７４Ａの厚みが減る方向の弾性変形で生じる反力により抑制される。つまり、カソードガス拡散層１４の弾性変形量と弾性部材７４Ａの弾性変形量とがほぼ同じになるので、電気化学式水素ポンプ１００の水素昇圧動作の進行に伴い、カソードガス拡散層１４が、圧縮後の厚みから圧縮前の厚みに戻る方向に弾性変形する際にも、上記の反力を適切に維持することができる。
本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、上記の特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の第１実施例−第５実施例、第１実施形態の第１変形例−第３変形例、第２実施形態および第３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。
（変形例）
第３実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、第二空間６５は、アノード端板２４Ａの中央部に設けられた凹部によって構成されている。しかし、このような第二空間６５は、例示であって本例に限定されない。以下、第二空間の他の例について、図面を参照しながら説明する。
＜第１変形例＞
図９Ａは、第３実施形態の第１変形例の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。図９Ａには、アノード端板２４Ａと一方の端に位置するアノードセパレーター１７との間に設けられた第二空間６６が示されている。
図９Ａに示す例では、第二空間６６は、アノードセパレーター１７とアノード給電板２２Ａとが接触する部分において、アノードセパレーター１７の中央部に設けられた凹部によって構成されている。つまり、第二空間６６は、アノードセパレーター１７の中央部に設けられた凹部とアノード給電板２２Ａとによって区画された空間である。
なお、第二空間６６内には、アノードセパレーター１７からの押圧をアノード端板２４Ａに伝える第２の伝圧部材が設けられている。この第２の伝圧部材の具体例は、第３実施形態の第１実施例−第５実施例の電気化学式水素ポンプ１００と同様であるので説明を省略する。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、第３実施形態の電気化学式水素ポンプ１００が奏する作用効果と同様であるので詳細な説明を省略する。
本変形例の電気化学式水素ポンプ１００は、上記の特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の第１実施例−第５実施例、第１実施形態の第１変形例−第３変形例、第２実施形態、第３実施形態および第３実施形態の第１実施例−第５実施例のいずれかの電気化学式水素ポンプ１００と同様であってもよい。
＜第２変形例＞
図９Ｂは、第３実施形態の第２変形例の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。図９Ｂには、アノード端板２４Ａと一方の端に位置するアノードセパレーター１７との間に設けられた第二空間６７が示されている。
図９Ｂに示す例では、第二空間６７は、アノード給電板２２Ａの中央部に設けられた凹部とアノード絶縁板２３Ａの中央部に設けられた開口部とによって構成されている。つまり、第二空間６７は、アノード給電板２２Ａの中央部に設けられた凹部と、アノード絶縁板２３Ａの中央部に設けられた開口部と、アノード端板２４Ａとによって区画された空間である。
なお、第二空間６７内には、アノードセパレーター１７からの押圧をアノード端板２４Ａに伝える第２の伝圧部材が設けられている。この第２の伝圧部材の具体例は、第３実施形態の第１実施例−第５実施例の電気化学式水素ポンプ１００と同様であるので説明を省略する。但し、本例の場合は、第２の伝圧部材が、アノード絶縁板２３Ａの中央部に設けられた開口部を介してアノード端板２４Ａとアノード給電板２２Ａとに接触するので、第１の伝圧部材は絶縁部材である。これにより、アノード端板２４Ａおよびアノード給電板２２Ａの短絡が防止されている。
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、第３実施形態の電気化学式水素ポンプ１００が奏する作用効果と同様であるので詳細な説明を省略する。
本変形例の電気化学式水素ポンプ１００は、上記の特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の第１実施例−第５実施例、第１実施形態の第１変形例−第３変形例、第２実施形態、第３実施形態および第３実施形態の第１実施例−第５実施例のいずれかの電気化学式水素ポンプ１００と同様であってもよい。
＜第３変形例＞
図９Ｃは、第３実施形態の第３変形例の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。図９Ｃには、アノード端板２４Ａと一方の端に位置するアノードセパレーター１７との間に設けられた第二空間６８が示されている。
図９Ｃに示す例では、第二空間６８は、アノード給電板２２Ａの中央部に設けられた凹部によって構成されている。つまり、第二空間６８は、アノード給電板２２Ａの中央部に設けられた凹部とアノード絶縁板２３Ａとによって区画された空間である。
なお、第二空間６８内には、アノードセパレーター１７からの押圧をアノード端板２４Ａに伝える第２の伝圧部材が設けられている。この第２の伝圧部材の具体例は、第３実施形態の第１実施例−第５実施例の電気化学式水素ポンプ１００と同様であるので説明を省略する。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、第３実施形態の電気化学式水素ポンプ１００が奏する作用効果と同様であるので詳細な説明を省略する。
本変形例の電気化学式水素ポンプ１００は、上記の特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の第１実施例−第５実施例、第１実施形態の第１変形例−第３変形例、第２実施形態、第３実施形態および第３実施形態の第１実施例−第５実施例のいずれかの電気化学式水素ポンプ１００と同様であってもよい。
（第４実施形態）
図１０は、第４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１０には、平面視において電気化学式水素ポンプ１００の中心と、カソードガス導出マニホールド５０の中心と、を通過する直線を含む電気化学式水素ポンプ１００の垂直断面が示されている。
本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、以下に説明する第２のガス流路の構成以外、第３実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様である。
本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、第２のガス流路は、第一空間６０と第二空間６５とを連通させる連通流路を含む流路である。この場合、カソードガス導出マニホールド５０と第二空間６５とを連通するカソードガス供給経路５２（図７参照）を設けなくてもよい。
具体的には、例えば、図１０に示すように、カソードガス導出経路２６を構成するカソードガス導出配管２６Ｂから分岐する連通流路部材９０が、アノード端板２４Ａを貫通して第二空間６５にまで延伸している。つまり、図１０に示す例では、この連通流路部材９０が、第一空間６０と第二空間６５とを連通させる部材であるが、連通流路部材の構成は、これに限定されない。例えば、連通流路部材は、カソードガス導出配管２６Ｂから分岐させずに、カソード端板２４Ｃおよびアノード端板２４Ａを貫通するように構成してもよい。
以上により、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１００ＡのカソードＣＡで生成される高圧の水素を、連通流路部材９０を通じてアノード端板２４Ａとアノードセパレーター１７との間に設けられた第二空間６５に供給することができる。
なお、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００が奏する作用効果は、第３実施形態の電気化学式水素ポンプ１００が奏する作用効果と同様であるので詳細な説明を省略する。
本変形例の電気化学式水素ポンプ１００は、上記の特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の第１実施例−第５実施例、第１実施形態の第１変形例−第３変形例、第２実施形態、第３実施形態、第３実施形態の第１実施例−第５実施例および第３実施形態の第１変形例−第３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。
第１実施形態、第１実施形態の第１実施例−第５実施例、第１実施形態の第１変形例−第３変形例、第２実施形態、第３実施形態、第３実施形態の第１実施例−第５実施例、第３実施形態の第１変形例−第３変形例および第４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。
上記説明から、当業者にとっては、本開示の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本開示を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本開示の精神を逸脱することなく、その構造および／または機能の詳細を実質的に変更することができる。
本開示の一態様は、従来に比べて、水素ポンプユニットのカソードセパレーターおよびカソード間の接触抵抗の増加を適切に抑制し得る電気化学式水素ポンプに利用することができる。
１１ ：電解質膜
１２ ：カソード触媒層
１３ ：アノード触媒層
１４ ：カソードガス拡散層
１５ ：アノードガス拡散層
１６ ：カソードセパレーター
１７ ：アノードセパレーター
２１ ：絶縁体
２２Ａ ：アノード給電板
２２Ｃ ：カソード給電板
２３Ａ ：アノード絶縁板
２３Ｃ ：カソード絶縁板
２４Ａ ：アノード端板
２４Ｃ ：カソード端板
２５ ：締結器
２６ ：カソードガス導出経路
２６Ａ ：カソードガス導出経路
２６Ｂ ：カソードガス導出配管
２７ ：アノードガス導入マニホールド
２９ ：アノードガス導入経路
３０ ：アノードガス導出マニホールド
３１ ：アノードガス導出経路
３２ ：カソードガス流路
３３ ：アノードガス流路
３４ ：カソードガス通過経路
３５ ：第１アノードガス通過経路
３６ ：第２アノードガス通過経路
４０ ：シール部材
４２ ：シール部材
４３ ：シール部材
５０ ：カソードガス導出マニホールド
５１ ：カソードガス供給経路
５２ ：カソードガス供給経路
６０ ：第一空間
６１ ：第一空間
６２ ：第一空間
６３ ：第一空間
６５ ：第二空間
６６ ：第二空間
６７ ：第二空間
６８ ：第二空間
７０Ａ ：柱状部材
７０Ｃ ：柱状部材
７１Ａ ：柱状部材
７１Ｃ ：柱状部材
７２Ａ ：柱状部材
７２Ｃ ：柱状部材
７３Ａ ：多孔性部材
７３Ｃ ：多孔性部材
７４Ａ ：弾性部材
７４Ｃ ：弾性部材
８０Ａ ：アノード板部材
８０Ｃ ：カソード板部材
９０ ：連通流路部材
１００ ：電気化学式水素ポンプ
１００Ａ ：水素ポンプユニット
１０２ ：電圧印加器
ＡＮ ：アノード
ＣＡ ：カソード

Claims (20)

  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つの水素ポンプユニットと、
    前記積層された方向において、一方の端に位置する前記アノードセパレーター上に設けられたアノード端板と、
    前記積層された方向において、他方の端に位置する前記カソードセパレーター上に設けられたカソード端板と、
    少なくとも前記カソード端板から前記他方の端に位置するカソードセパレーターまでの部材について、前記積層された方向への移動をさせないための固定部材と、
    前記カソード端板と前記他方の端に位置するカソードセパレーターとの間に設けられた第一空間に前記カソードで生成される水素を供給する第１のガス流路と、
    前記第一空間に設けられ、前記他方の端に位置するカソードセパレーターからの押圧を前記カソード端板に伝える第１の伝圧部材と、を備える電気化学式水素ポンプ。
  2. 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に設けられたカソード板部材を備え、
    前記第１の伝圧部材は、前記カソード端板および前記カソード板部材の間において、前記カソード端板と別体または一体に設けられている柱状部材を含む請求項１に記載の電気化学式水素ポンプ。
  3. 前記カソード板部材と前記他方の端に位置するカソードセパレーターとが、前記固定部材に含まれるボルトで貫通されている、請求項２に記載の電気化学式水素ポンプ。
  4. 前記カソード板部材はカソード絶縁板を含み、
    前記柱状部材は、前記カソード端板および前記カソード絶縁板の間に設けられている請求項２に記載の電気化学式水素ポンプ。
  5. 前記カソード板部材はカソード給電板を含み、
    前記柱状部材は、前記カソード端板および前記カソード給電板の間に設けられている請求項２に記載の電気化学式水素ポンプ。
  6. 前記柱状部材は絶縁部材である請求項５に記載の電気化学式水素ポンプ。
  7. 前記第１の伝圧部材は、多孔性部材を含む請求項１に記載の電気化学式水素ポンプ。
  8. 前記第１の伝圧部材は、弾性部材を含む請求項１に記載の電気化学式水素ポンプ。
  9. 前記固定部材は、更に、前記アノード端板から前記一方の端に位置するアノードセパレーターまでの部材について、前記積層された方向への移動をさせないための部材であり、
    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第二空間に前記カソードで生成された水素を供給する第２のガス流路と、
    前記第二空間に設けられ、前記一方の端に位置するアノードセパレーターからの押圧を前記アノード端板に伝える第２の伝圧部材と、を備える請求項１に記載の電気化学式水素ポンプ。
  10. 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アノード板部材を備え、
    前記第２の伝圧部材は、前記アノード端板および前記アノード板部材の間において、前記アノード端板と別体または一体に設けられている柱状部材を含む請求項９に記載の電気化学式水素ポンプ。
  11. 前記アノード板部材と前記一方の端に位置するアノードセパレーターとが、前記固定部材に含まれるボルトで貫通されている、請求項１０に記載の電気化学式水素ポンプ。
  12. 前記アノード板部材はアノード絶縁板を含み、
    前記柱状部材は、前記アノード端板および前記アノード絶縁板の間に設けられている請求項１０に記載の電気化学式水素ポンプ。
  13. 前記アノード板部材はアノード給電板を含み、
    前記柱状部材は、前記アノード端板および前記アノード給電板の間に設けられている請求項１０に記載の電気化学式水素ポンプ。
  14. 前記柱状部材は絶縁部材である請求項１３に記載の電気化学式水素ポンプ。
  15. 前記第２の伝圧部材は、多孔性部材である請求項９に記載の電気化学式水素ポンプ。
  16. 前記第２の伝圧部材は、弾性部材である請求項９に記載の電気化学式水素ポンプ。
  17. 前記アノードは、アノードガス拡散層を含み、
    前記カソードは、カソードガス拡散層を含み、
    前記アノードガス拡散層の弾性率は、前記カソードガス拡散層の弾性率よりも高い請求項１−１６のいずれか１項に記載の電気化学式水素ポンプ。
  18. 前記第１の伝圧部材は、前記カソードに含まれるカソードガス拡散層と同等の弾性率を備える請求項１に記載の電気化学式水素ポンプ。
  19. 前記第２の伝圧部材は、前記カソードに含まれるカソードガス拡散層と同等の弾性率を備える請求項９に記載の電気化学式水素ポンプ。
  20. 前記固定部材が、前記少なくとも１つの水素ポンプユニットを前記アノード端板および前記カソード端板で挟んだ状態で締結する締結器である請求項１に記載の電気化学式水素ポンプ。
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