JP6979637B2 - 圧縮装置 - Google Patents

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Description

本開示は圧縮装置に関する。
近年、地球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することが可能な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。また、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検討が行われている。
例えば、特許文献１では、水素の精製および圧縮を行うための装置として、固体高分子電解質膜、電極およびセパレーターの積層体がエンドプレートで挟み込んで締結されたイオンポンプ（水素ポンプ）が提案されている。
特表２００８−５１８３８７号公報
本開示の一態様（aspect）は、一例として、カーボン多孔体シートで構成されるカソードガス拡散層とカソードセパレーターとの間の接触抵抗を従来よりも低減し得る圧縮装置を提供することを課題とする。
上記課題を解決するため、本開示の一態様の圧縮装置は、電解質膜、前記電解質膜の一方の主面に接するアノード触媒層と、前記電解質膜の他方の主面に接するカソード触媒層と、前記アノード触媒層に接するアノードガス拡散層と、前記カソード触媒層に接するカソードガス拡散層と、前記カソードガス拡散層上に設けられたカソードセパレーターと、前記アノード触媒層および前記カソード触媒層の間に電圧を印加する電圧印加器と、を備え、前記電圧印加器により前記電圧を印加することで、前記アノード触媒層上に供給されたアノード流体から取り出されたプロトンを、前記電解質膜を介して、前記カソード触媒層上に移動させ、圧縮された水素を生成する装置であって、前記カソードガス拡散層は、カーボン多孔体シートを含み、前記カソードセパレーター側の第１表面層の気孔率が、前記第１表面層よりも内側の層の気孔率よりも小さい。
本開示の一態様の圧縮装置は、カーボン多孔体シートで構成されるカソードガス拡散層とカソードセパレーターとの間の接触抵抗を従来よりも低減し得るという効果を奏する。
図１Ａ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１Ｂは、図１Ａの電気化学式水素ポンプのＢ部の拡大図である。 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の電気化学式水素ポンプのＢ部の拡大図である。 図３は、第１実施形態の電気化学式水素ポンプのカソードガス拡散層の一例を示す図である。 図４は、第２実施形態の電気化学式水素ポンプのカソードガス拡散層の一例を示す図である。 図５Ａ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５Ｂは、図５Ａの電気化学式水素ポンプのＢ部の拡大図である。
特許文献１に開示された水素ポンプでは、カソードガス拡散層がカーボン多孔体で構成されているが、カソードセパレーターとの間の接触抵抗の低減において改善の余地があることを見出した。これは、高圧のカソード側ではセパレーターが変形し易く、この変形に伴い、カソードセパレーターとカソードガス拡散層の接触抵抗が増加する可能性があるからである。
ここで、本発明者は鋭意検討した結果、カソードガス拡散層について、カソードセパレーター側の第１表面層の気孔率を、第１表面層よりも内側の層の気孔率よりも小さくすることで、カソードセパレーターとカソードガス拡散層の接触抵抗が増加する可能性を低減し得ることを見出した。
すなわち、本開示の一態様の圧縮装置は、電解質膜、電解質膜の一方の主面に接するアノード触媒層と、電解質膜の他方の主面に接するカソード触媒層と、アノード触媒層に接するアノードガス拡散層と、カソード触媒層に接するカソードガス拡散層と、カソードガス拡散層上に設けられたカソードセパレーターと、アノード触媒層およびカソード触媒層の間に電圧を印加する電圧印加器と、を備え、電圧印加器により電圧を印加することで、アノード触媒層上に供給されたアノード流体から取り出されたプロトンを、電解質膜を介して、カソード触媒層上に移動させ、圧縮された水素を生成する装置であって、カソードガス拡散層は、カーボン多孔体シートを含み、カソードセパレーター側の第１表面層の気孔率が、第１表面層よりも内側の層の気孔率よりも小さい。
かかる構成によると、本態様の圧縮装置は、カーボン多孔体シートで構成されるカソードガス拡散層とカソードセパレーターとの間の接触抵抗を従来よりも低減し得る。
具体的には、カソードガス拡散層において、第１表面層の気孔率が小さいほど、第１表面層とカソードセパレーターとの間の接触抵抗が小さい。よって、本態様の圧縮装置は、第１表面層の気孔率を、第１表面層よりも内側の層の気孔率よりも小さくすることで、カソードガス拡散層の第１表面層とカソードセパレーターとの間の接触抵抗を低減することができる。その結果、本態様の圧縮装置は、水素圧縮動作を高効率に維持することができる。また、第１表面層よりも内側の層の気孔率が、第１表面層よりも大きいので、第１表面層よりも内側の層の気孔率を第１表面層と同様に小さい気孔率にする場合に比べ、カソードガス拡散層のガス拡散性を向上することができる。
本開示の第２態様の圧縮装置は、第１態様の圧縮装置において、カソードガス拡散層は、第１表面層にカーボン粒子と樹脂を含む層が含まれていてもよい。
かかる構成によると、本態様の圧縮装置は、カソードガス拡散層が、例えば、カーボン繊維シートで構成される場合、カソードセパレーターに接触する側のカーボン繊維シートのカーボン繊維間にカーボン粒子と樹脂とを含浸させることで、カーボン繊維シートにおいて、カソードセパレーター側の第１表面層の気孔率を低減することができる。
また、本態様の圧縮装置は、カソードガス拡散層が、例えば、カーボン繊維シートで構成される場合、カーボン繊維シートのカーボン繊維間に樹脂を含浸させることで、カーボン繊維間の接合力を上げることができる。これにより、本態様の圧縮装置は、水素圧縮動作の開始および停止の繰り返しが行われる際のカーボン繊維シートの歪みに対する耐久性を向上させることができる。
本開示の第３態様の圧縮装置は、第１態様または第２態様の圧縮装置において、カソードガス拡散層は、第１表面層の厚み方向の抵抗率が、第１表面層よりも内側の層の厚み方向の抵抗率よりも小さくてもよい。
かかる構成によると、上記のとおり、本態様の圧縮装置は、第１表面層の厚み方向の抵抗率を第１表面層よりも内側の層の厚み方向の抵抗率より小さくすることで、カソードガス拡散層の第１表面層とカソードセパレーターとの間の接触抵抗を低減することができる。
本開示の第４態様の圧縮装置は、第１態様から第３態様のいずれか一つの圧縮装置において、カソードガス拡散層は、第１表面層の体積密度が、第１表面層よりも内側の層の体積密度よりも大きくてもよい。
カソードガス拡散層において、第１表面層の体積密度が大きいほど、第１表面層とカソードセパレーターとの間の接触面積が大きい。よって、本態様の圧縮装置は、第１表面層の体積密度を、第１表面層よりも内側の層の体積密度よりも大きくすることで、カソードガス拡散層の第１表面層とカソードセパレーターとの間の接触抵抗を低減することができる。
本開示の第５態様の圧縮装置は、第２態様の圧縮装置において、第１表面層よりも内側の層は、カーボン粒子と樹脂を含み、第１表面層よりも内側の層に含まれるカーボン粒子の体積密度は、第１表面層に含まれるカーボン粒子の体積密度よりも小さくてもよい。
第１表面層よりも内側の層に含まれるカーボン粒子の体積密度が小さいほど、第１表面層よりも内側の層の面内方向におけるガス拡散性が向上する。よって、本態様の圧縮装置は、上記の構成により、カソードガス拡散層の面内方向におけるガス拡散性を適切に確保することができる。
また、本態様の圧縮装置は、第１表面層よりも内側の層が、例えば、カーボン繊維シートで構成される場合、カーボン繊維シートのカーボン繊維間に樹脂を含浸させることで、カーボン繊維間の接合力を上げることができる。これにより、本態様の圧縮装置は、水素圧縮動作の開始および停止の繰り返しが行われる際のカーボン繊維シートの歪みに対する耐久性を向上させることができる。
本開示の第６態様の圧縮装置は、第１態様から第５態様のいずれか一つの圧縮装置において、カソードセパレーターには、カソードガス拡散層から排出された、上記の圧縮された水素を含むカソードガスが流入するマニホールド孔と、第１表面層とマニホールド孔を連絡する第１連絡路とが設けられ、第１表面層は、少なくとも、第１連絡路と接する表面から第１表面層の内側の層に接する表面に至るまでの経路の気孔率が２０％以上であってもよい。
仮に、第１表面層の気孔率が２０％未満である場合、第１表面層のガス拡散性を適切に確保できない恐れがある。そこで、本態様の圧縮装置は、第１表面層において、少なくとも、第１連絡路と接する表面から第１表面層よりも内側の層に接する表面に至るまでの経路の気孔率を２０％以上にすることで、カソードガスが本経路を拡散しやすくなるように構成することができる。すると、カソードガスは、第１連絡路を通じてマニホールド孔に容易に排出される。
本開示の第７態様の圧縮装置は、第１態様から第５態様のいずれか一つの圧縮装置において、カソードセパレーターには、カソードガス拡散層から排出された、上記の圧縮された水素を含むカソードガスが流入するマニホールド孔と、第１表面層よりも内側の層とマニホールド孔を連絡する第２連絡路とが設けられ、第１表面層よりも内側の層は、気孔率が２０％以上であってもよい。ここで、本開示の第８態様の圧縮装置は、第７態様の圧縮装置において、第１表面層は、気孔率が２０％未満であってもよい。
仮に、第１表面層よりも内側の層の気孔率が２０％未満である場合、この内側の層のガス拡散性を適切に確保できない恐れがある。そこで、本態様の圧縮装置は、第１表面層よりも内側の層の気孔率を２０％以上にすることで、カソードガスがこの内側の層を拡散しやすくなるように構成することができる。すると、カソードガスは、第２連絡路を通じてマニホールド孔に容易に排出される。
また、本態様の圧縮装置は、第１表面層の気孔率を２０％未満にすることで、カソードガス拡散層の第１表面層とカソードセパレーターとの間の接触抵抗を低減することができる。
このように、本態様の圧縮装置は、カソードガス拡散層のガス拡散性の向上と、カソードガス拡散層とカソードセパレーターとの間の接触抵抗を低減とを両立させることができる。
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）
以上の圧縮装置のアノード流体は、アノードにおける酸化反応でプロトンを生成する流体であれば、様々な種類のガス、液体が想定される。例えば、圧縮装置が電気化学式水素ポンプである場合、アノード流体として、水素含有ガスなどを挙げることができる。また、例えば、圧縮装置が水電解装置である場合、アノード流体として、液水などを挙げることができる。そこで、以下の実施形態では、アノード流体が水素含有ガスである場合において、圧縮装置の一例である電気化学式水素ポンプの構成および動作について説明する。
［装置構成］
図１Ａおよび図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１Ｂは、図１Ａの電気化学式水素ポンプのＢ部の拡大図である。図２Ｂは、図２Ａの電気化学式水素ポンプのＢ部の拡大図である。
なお、図１Ａ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、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１Ａおよび図２Ａ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、電気化学式水素ポンプ１００には、複数の水素ポンプユニット１００Ａが積層されている。例えば、図１Ａおよび図２Ａでは、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の個数はこれに限定されない。つまり、水素ポンプユニット１００Ａの個数は、電気化学式水素ポンプ１００が圧縮する水素量などの運転条件をもとに適宜の数に設定することができる。
水素ポンプユニット１００Ａは、電解質膜１１と、アノード電極ＡＮと、カソード電極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。そして、水素ポンプユニット１００Ａにおいて、電解質膜１１、アノード触媒層１３、カソード触媒層１２、アノードガス拡散層１５、カソードガス拡散層１４、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が積層されている。
アノード電極ＡＮは、電解質膜１１の一方の主面上に設けられている。アノード電極ＡＮは、アノード触媒層１３と、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。
カソード電極ＣＡは、電解質膜１１の他方の主面上に設けられている。カソード電極ＣＡは、カソード触媒層１２と、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、アノード電極ＡＮとカソード電極ＣＡとによって挟持されている。なお、カソード電極ＣＡ、電解質膜１１およびアノード電極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、電解質膜１１は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の一方の主面に接している。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の他方の主面に接している。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の触媒担体は、例えば、カーボンブラック、黒鉛などのカーボン粒子、導電性の酸化物粒子などを挙げることができるが、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、プロトン伝導性のイオノマー成分を加えることが一般的である。
カソードガス拡散層１４は、カソード触媒層１２に接している。また、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。さらに、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電極ＣＡおよびアノード電極ＡＮ間の差圧で発生する構成部材の変位、変形に適切に追従するような弾性を備える方が望ましい。
ここで、カソードガス拡散層１４は、図３に示すように、カーボン多孔体シート１４Ｓを含み、カソードセパレーター１６側の第１表面層１４Ａの気孔率が、第１表面層１４Ａよりも内側の層１４Ｍの気孔率よりも小さい。
なお、これらの気孔率は、例えば、水銀ポロシメータ（株式会社島津製作所製の「オートポアIII９４１０」）で評価可能である。この装置は、細孔への水銀の圧入を利用して、数ｎｍ〜５００μｍ程度の気孔径を有する気孔の容積を測定することができる。そして、第１表面層１４Ａおよび第１表面層１４Ａよりも内側の層１４Ｍのそれぞれの気孔の容積と固体部分とから、これらの気孔率を知ることができる。
カソードガス拡散層１４において、第１表面層１４Ａの気孔率を、第１表面層１４Ａよりも内側の層１４Ｍの気孔率よりも小さくするための具体的な構成は、実施例で説明する。
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として、カーボン繊維で構成したカーボン多孔体シート１４Ｓが用いられている。例えば、カーボン多孔体シート１４Ｓは、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルトなどの多孔性のカーボン繊維シートでもよい。ただし、カーボン多孔体シート１４Ｓの基材として、カーボン繊維を用いなくもよい。
また、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、カーボン多孔体シート１４Ｓの全体の厚みＴに対して、第１表面層１４Ａの厚みｔは、カソードガス拡散層１４のガス拡散性の低下を抑制する観点から、０＜ｔ／Ｔ＜１の関係性をもって設定される。なお、第１表面層１４Ａよりも内側の層１４Ｍが、カーボン多孔体シート１４Ｓの厚み方向において、中間に位置する中間層を備えてもよい。詳細は、第２実施形態で説明する。
アノードガス拡散層１５は、アノード触媒層１３に接している。また、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。さらに、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電極ＣＡおよびアノード電極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。
なお、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、アノードガス拡散層１５は、カーボン多孔体シートを備えてもよい。この場合、カーボン多孔体シートの基材として、カーボン粒子、カーボン繊維などを素材とする焼結体を用いることができる。
ただし、アノードガス拡散層１５の基材は、上記の焼結体に限定されない。例えば、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を用いることもできる。また、アノードガス拡散層１５の基材として、例えば、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。
アノードセパレーター１７は、アノード電極ＡＮのアノードガス拡散層１５上に設けられている。カソードセパレーター１６は、カソード電極ＣＡのカソードガス拡散層１４上に設けられている。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。
図１Ａおよび図２Ａに示すように、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の主面は、カソードガス流路を設けずに平面で構成されている。これにより、カソードセパレーター１６の主面にカソードガス流路を設ける場合に比べて、カソードガス拡散層１４のカーボン多孔体シート１４Ｓとカソードセパレーター１６との間で接触面積を大きくすることができる。すると、電気化学式水素ポンプ１００は、カーボン多孔体シート１４Ｓとカソードセパレーター１６との間の接触抵抗を低減することができる。
これに対して、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２Ａの紙面に垂直な方向に延伸している。ただし、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。
ここで、電気化学式水素ポンプ１００は、水素ポンプユニット１００Ａにおける、積層方向の両端上に設けられた第１端板および第２端板と、水素ポンプユニット１００Ａ、第１端板および第２端板を積層方向に締結する締結器２５と、を備える。
なお、図１Ａおよび図２Ａに示す例では、カソード端板２４Ｃおよびアノード端板２４Ａがそれぞれ、上記の第１端板および第２端板のそれぞれに対応する。つまり、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１７上に設けられた端板である。また、カソード端板２４Ｃは、水素ポンプユニット１００Ａの各部材が積層された積層方向において、他方の端に位置するカソードセパレーター１６上に設けられた端板である。
締結器２５は、水素ポンプユニット１００Ａ、カソード端板２４Ｃおよびアノード端板２４Ａを積層方向に締結することができれば、どのような構成であってもよい。
例えば、締結器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が、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、かかるボルトは、３段の水素ポンプユニット１００Ａの各部材、カソード給電板２２Ｃ、カソード絶縁板２３Ｃ、アノード給電板２２Ａ、アノード絶縁板２３Ａ、アノード端板２４Ａおよびカソード端板２４Ｃを貫通している。そして、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の端面、および、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１７の端面をそれぞれ、カソード給電板２２Ｃとカソード絶縁板２３Ｃおよびアノード給電板２２Ａとアノード絶縁板２３Ａ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。
以上により、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、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、締結器２５の締結圧により積層状態で適切に保持されるとともに、電気化学式水素ポンプ１００の各部材を締結器２５のボルトが貫通しているので、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。
ここで、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が連通されている。以下、図面を参照しながら、カソードガス拡散層１４のそれぞれが連通する構成について説明する。
まず、図１Ａに示す如く、カソードガス導出マニホールド５０は、３段の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。また、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、カソード電極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、上記のカソードガス導出マニホールド５０と連通している。
さらに、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拡散層１４の適所と、第１連絡路３４Ａ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のそれぞれのカソードガス拡散層１４および第１連絡路３４Ａ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導出経路２６に導かれる。図１Ａおよび図１Ｂに示す例では、カソードセパレーター１６には、カソードガス拡散層１４から排出された、上記の圧縮された水素を含むカソードガスが流入するマニホールド孔５０Ａと、第１表面層１４Ａ（図３参照）とマニホールド孔５０Ａを連絡する第１連絡路３４Ａとが設けられている。このような第１連絡路３４Ａは、例えば、カソードセパレーター１６に設けられた溝および孔で構成されていてもよい。そして、第１表面層１４Ａは、少なくとも、第１連絡路３４Ａと接する表面Ｓ１から第１表面層１４Ａよりも内側の層１４Ｍ（図３参照）に接する表面Ｓ２に至るまでの経路の気孔率が２０％以上である。
ここで、第１表面層１４Ａの全域の気孔率を２０％以上にする必要はない。例えば、第１表面層１４Ａは、図１Ｂの網掛け模様を変更することで示すように、上下に延伸する第１連絡路３４Ａの部分の直下の領域のみが２０％以上であってもよい。つまり、この場合、カソードセパレーター１６の凹部の底面に接触する第１表面層１４Ａのほぼ全域は、上記直下の領域の気孔率よりも低い２０％未満の気孔率（例えば、ほぼゼロ％）であってもよい。これにより、第１表面層１４Ａの全域の気孔率を２０％以上にする場合に比べて、第１表面層１４Ａとカソードセパレーター１６との間の接触抵抗を低減することができる。
なお、以上の第１表面層１４Ａとマニホールド孔５０Ａを連絡する連絡路は、本例に限定されない。このような連絡路の他の例は、第３実施形態で説明する。
このようにして、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は、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれの第１連絡路３４Ａおよびカソードガス導出マニホールド５０を介して連通している。
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２Ａ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、アノード電極ＡＮに供給されるアノードガスが流通する配管で構成されていてもよい。なお、このようなアノードガスとして、例えば、水蒸気を含む水素含有ガスなどを挙げることができる。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、３段の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に供給されたアノードガスは、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、分配されたアノードガス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にアノードガスが供給される。
また、図２Ａ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、アノード電極ＡＮから排出されるアノードガス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、３段の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を通過したアノードガスが、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、合流されたアノードガスが、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１Ａおよび図２Ａ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、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２間に電圧を印加する装置である。つまり、電気化学式水素ポンプ１００は、電圧印加器１０２により上記の電圧を印加することで、アノード触媒層１３上に供給された水素含有ガスから取り出されたプロトンを、電解質膜１１を介してカソード触媒層１２上に移動させ、圧縮された水素を生成する装置である。
具体的には、電圧印加器１０２の高電位が、アノード触媒層１３に印加され、電圧印加器１０２の低電位が、カソード触媒層１２に印加されている。電圧印加器１０２は、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２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、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２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、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２間に印加される電圧、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２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１Ａおよび図２Ａ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。
図示を省略するが、上記の電気化学式水素ポンプ１００を備える水素システムを構築することもできる。この場合、水素システムの水素圧縮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を通じてアノード電極ＡＮから排出される高加湿状態の水素含有のアノードガスと、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含有のアノード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、外部の水素供給源の水素含有のアノードガスは、例えば、水電解装置で生成されてもよい。
また、水素システムには、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のカソード電極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を通してアノード電極ＡＮに供給するアノードガス中の水素を全てカソード電極ＣＡで圧縮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。また、以下では、電気化学式水素ポンプ１００のアノード電極ＡＮに、アノードガスとして、水蒸気を含む水素含有ガスが供給される場合について説明する。
まず、電気化学式水素ポンプ１００のアノード電極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、アノード電極ＡＮのアノード触媒層１３において、水素分子が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、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電極ＡＮからカソード電極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、カソード電極ＣＡで生成された水素（Ｈ２）を圧縮することができる。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。この場合、水素導出経路の圧損を増加させるとは、水素導出経路に設けられた背圧弁、調整弁の開度を小さくすることに対応する。
アノード電極：Ｈ２（低圧）→２Ｈ＋＋２ｅ− ・・・（１）
カソード電極：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が上記の電圧を印加することで、アノード電極ＡＮに供給される水素含有ガスから取り出されたプロトンを、電解質膜１１を介してカソード電極ＣＡに移動させる。すると、カソード電極ＣＡで圧縮された水素（Ｈ２）が生成する。これにより、電気化学式水素ポンプ１００の水素圧縮動作が行われ、カソード電極ＣＡで圧縮された水素は、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。
以上のとおり、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、カーボン多孔体シートで構成されるカソードガス拡散層１４とカソードセパレーター１６との間の接触抵抗を従来よりも低減し得る。
具体的には、カソードガス拡散層１４において、第１表面層１４Ａの気孔率が小さいほど、第１表面層１４Ａとカソードセパレーター１６との間の接触抵抗が小さい。よって、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、第１表面層１４Ａの気孔率を、第１表面層１４Ａよりも内側の層１４Ｍの気孔率よりも小さくすることで、カソードガス拡散層１４の第１表面層１４Ａとカソードセパレーター１６との間の接触抵抗を低減することができる。その結果、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、水素圧縮動作を高効率に維持することができる。
また、第１表面層１４Ａよりも内側の層１４Ｍの気孔率が、第１表面層１４Ａよりも大きいので、第１表面層１４Ａよりも内側の層１４Ｍの気孔率を第１表面層１４Ａと同様に小さい気孔率にする場合に比べ、カソードガス拡散層１４のガス拡散性を向上することができる。このとき、仮に、第１表面層１４Ａの気孔率が２０％未満である場合、第１表面層１４Ａのガス拡散性を適切に確保できない恐れがある。そこで、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、第１表面層１４Ａにおいて、少なくとも、第１連絡路３４Ａと接する表面Ｓ１から第１表面層１４Ａよりも内側の層１４Ｍに接する表面Ｓ２に至るまでの経路の気孔率を２０％以上にすることで、カソードガスが本経路を拡散しやすくなるように構成することができる。すると、カソードガスは、第１連絡路３４Ａを通じてマニホールド孔５０Ａに容易に排出される。
（第１実施例）
第１実施例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拡散層１４の構成以外は、第１実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様である。
本実施例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、第１表面層１４Ａにカーボン粒子と樹脂を含む層が含まれる。
カソードガス拡散層１４は、カーボン繊維シートで構成されていてもよい。この場合、第１表面層１４Ａにおけるカーボン粒子と樹脂を含む層は、カソードセパレーター１６に接触する側の第１表面層１４Ａのカーボン繊維間にカーボン粒子と樹脂とが含浸した層であってもよい。これにより、第１表面層１４Ａの導電性の向上、および、カソードセパレーター１６との間の接触性の向上を図ることができる。
上記のカーボン粒子は、人造黒鉛粒子であってもよいし、天然黒鉛粒子であってもよい。人造黒鉛粒子は、例えば、導電性カーボンブラックなどを挙げることができる。導電性カーボンブラックとして、アセチレンブラック、ケッチンブラックなどを用いることができる。これらの中でも、カーボン粒子は、導電性に優れている観点からアセチレンブラックを使用することが望ましいが、これに限定されない。
また、上記の樹脂の材料としては、例えば、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＦＥＰ（テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体）、ＰＶＤＦ（ポリビニリデンフルオライド）、ＥＴＦＥ（テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体）、ＰＣＴＦＥ（ポリクロロトリフルオロエチレン）、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）などが挙げることができる。これらの中でも、樹脂材料は、耐熱性、撥水性、耐薬品性の観点からＰＴＦＥを使用することが望ましいが、これに限定されない。なお、ＰＴＦＥの原料は、例えば、ディスパージョン状態（液体状）、粉末状態などで使用することができる。
ここで、カソードガス拡散層１４がカーボン繊維シートで構成される場合、第１表面層１４Ａにおけるカーボン粒子と樹脂を含む層は、例えば、以下の如く、カーボン繊維シートの表面に対して、カーボン粒子と樹脂を含浸させることで形成することができる。
まず、カーボン粒子および樹脂粉末を溶媒に分散させた溶液がカーボン繊維シートの表面に含浸するように、この溶液をカーボン繊維シートに均一に塗布する。
次に、カーボン繊維シートの表面に含浸した溶液を、例えば、所定の温度で、乾燥および焼成させる。すると、カーボン繊維シートの表面層（第１表面層１４Ａ）に、カーボン粒子と樹脂を含む層が含まれる。これにより、本実施例のカソードガス拡散層１４を得ることができる。
なお、上記のカソードガス拡散層１４の製法および構成は例示であって、本例に限定されない。
また、上記の溶液の塗布方法は、例えば、スプレー塗布法、バーコーダー塗布法、転写塗布法、ディップ塗布法などを挙げることができるが、これらに限定されない。
以上により、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が、例えば、カーボン繊維シートで構成される場合、カソードセパレーター１６に接触する側のカーボン繊維シートのカーボン繊維間にカーボン粒子と樹脂とを含浸させることで、カーボン繊維シートにおいて、カソードセパレーター１６側の第１表面層１４Ａの気孔率を低減することができる。
また、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、カソードガス拡散層１４が、例えば、カーボン繊維シートで構成される場合、カーボン繊維シートのカーボン繊維間に樹脂を含浸させることで、カーボン繊維間の接合力を上げることができる。これにより、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、水素圧縮動作の開始および停止の繰り返しが行われる際のカーボン繊維シートの歪みに対する耐久性を向上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）
第２実施例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拡散層１４の構成以外は、第１実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様である。
本実施例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、第１表面層１４Ａの厚み方向の抵抗率が、第１表面層１４Ａよりも内側の層１４Ｍの厚み方向の抵抗率よりも小さい。
なお、このような抵抗率は、例えば、１ｋＨｚ交流抵抗計（敦賀電気株式会社製の「ＭＯＤＥＬ３５６６」）などで評価することができる。
本実施例の電気化学式水素ポンプは、第１表面層１４Ａの厚み方向の抵抗率を、第１表面層１４Ａよりも内側の層１４Ｍの厚み方向の抵抗率よりも小さくすることで、カソードガス拡散層１４の第１表面層１４Ａとカソードセパレーター１６との間の接触抵抗を低減することができる。
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実施形態または第１実施例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）
第３実施例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拡散層１４の構成以外は、第１実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様である。
本実施例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、第１表面層１４Ａの体積密度が、第１表面層１４Ａよりも内側の層１４Ｍの体積密度よりも大きい。
なお、以上の体積密度は、例えば、研磨加工により測定したい層のみを残して、これを試料とし、定容積膨張法（株式会社島津製作所製 乾式自動密度計アキュピック1340）で評価可能である。この装置は、試料室と膨張室がバルブで接続した構造になっており、ヘリウムガスを充填し、バルブの開閉操作による、試料室と膨脹室の圧力の変化から、試料の体積密度を測定することができる。
カソードガス拡散層１４において、第１表面層１４Ａの体積密度が大きいほど、第１表面層１４Ａとカソードセパレーター１６との間の接触面積が大きい。よって、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、第１表面層１４Ａの体積密度を、第１表面層１４Ａよりも内側の層１４Ｍの体積密度よりも大きくすることで、カソードガス拡散層１４の第１表面層１４Ａとカソードセパレーター１６との間の接触抵抗を低減することができる。
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実施形態および第１実施例−第２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実施例）
第４実施例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拡散層１４の構成以外は、第１実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様である。
本実施例の電気化学式水素ポンプ１００では、第１表面層１４Ａよりも内側の層１４Ｍは、カーボン粒子と樹脂を含み、第１表面層１４Ａよりも内側の層１４Ｍに含まれるカーボン粒子の体積密度は、第１表面層１４Ａに含まれるカーボン粒子の体積密度よりも小さい。
第１表面層１４Ａよりも内側の層１４Ｍに含まれるカーボン粒子は、例えば、第１実施形態の第１実施例で説明したカーボン粒子と同様、人造黒鉛粒子であってもよいし、天然黒鉛粒子であってもよい。これらの中でも、カーボン粒子は、導電性に優れている観点からアセチレンブラックを使用することが望ましいが、これに限定されない。
また、第１表面層１４Ａよりも内側の層１４Ｍに含まれる樹脂の材料は、第１実施形態の第１実施例で説明した樹脂材料と同様、ＰＴＦＥ、ＦＥＰ、ＰＶＤＦ、ＥＴＦＥ、ＰＣＴＦＥ、または、ＰＦＡなどであってもよい。これらの中でも、樹脂材料は、耐熱性、撥水性、耐薬品性の観点からＰＴＦＥを使用することが望ましいが、これに限定されない。
なお、第１表面層１４Ａよりも内側の層１４Ｍに含まれるカーボン粒子の体積密度は、例えば、例えば、研磨加工により測定したい層のみを残して、これを試料とし、定容積膨張法（株式会社島津製作所製 乾式自動密度計アキュピック1340）で評価可能である。この装置は、試料室と膨張室がバルブで接続した構造になっており、ヘリウムガスを充填し、バルブの開閉操作による、試料室と膨脹室の圧力の変化から、試料の体積密度を測定することができる。
第１表面層１４Ａよりも内側の層１４Ｍに含まれるカーボン粒子の体積密度が小さいほど、第１表面層１４Ａよりも内側の層１４Ｍの面内方向におけるガス拡散性が向上する。よって、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、上記の構成により、カソードガス拡散層１４の面内方向におけるガス拡散性を適切に確保することができる。
また、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、第１表面層１４Ａよりも内側の層１４Ｍが、例えば、カーボン繊維シートで構成される場合、カーボン繊維シートのカーボン繊維間に樹脂を含浸させることで、カーボン繊維間の接合力を上げることができる。これにより、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、水素圧縮動作の開始および停止の繰り返しが行われる際のカーボン繊維シートの歪みに対する耐久性を向上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実施形態および第１実施例−第３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４は、第２実施形態の電気化学式水素ポンプのカソードガス拡散層の一例を示す図である。
本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、カソードガス拡散層１４のカソード触媒層１２側の第２表面層１４Ｂの厚み方向の抵抗率は、第１表面層１４Ａよりも内側の層の厚み方向の抵抗率よりも小さい。ここで、図４に示すように、第１表面層１４Ａよりも内側の層は、カーボン多孔体シート１４Ｓの厚み方向において、中間に位置する中間層１４Ｃを備える。
なお、第２表面層１４Ｂおよび中間層１４Ｃの抵抗率は、例えば、１ｋＨｚ交流抵抗計（敦賀電気株式会社製の「ＭＯＤＥＬ３５６６」）などで評価することができる。
ここで、カソードガス拡散層１４がカーボン繊維シートで構成される場合、第１表面層１４Ａ、第２表面層１４Ｂおよび中間層１４Ｃは、例えば、以下の如く、第１のカーボン繊維シートおよび第２のカーボン繊維シートの表面（おもて面）に対して、カーボン粒子と樹脂を含浸させることで形成することができる。
まず、カーボン粒子および樹脂粉末を溶媒に分散させた溶液が第１のカーボン繊維シートの表面に含浸するように、この溶液を第１のカーボン繊維シートの表面に均一に塗布する。
次に、第１のカーボン繊維シートに含浸した溶液を、例えば、所定の温度で、乾燥および焼成させる。すると、第１のカーボン繊維シートの表面層（以下、第１表面層１４Ａ）に、カーボン粒子と樹脂を含む層が含まれる。
また、カーボン粒子および樹脂粉末を溶媒に分散させた溶液が第２のカーボン繊維シートの表面に含浸するように、この溶液を第２のカーボン繊維シートの表面に均一に塗布する。
次に、第２のカーボン繊維シートに含浸した溶液を、例えば、所定の温度で、乾燥および焼成させる。すると、第２のカーボン繊維シートの表面層（以下、第２表面層１４Ｂ）に、カーボン粒子と樹脂を含む層が含まれる。
その後、第１のカーボン繊維シートの裏面と第２のカーボン繊維シートの裏面とが接触するように、第１のカーボン繊維シートおよび第２のカーボン繊維シートを接合する。すると、これらの接合部が、カーボン粒子と樹脂を含む層を備える中間層１４Ｃに相当する。
ここで、第１表面層１４Ａおよび第２表面層１４Ｂの気孔率は、中間層１４Ｃの気孔率よりも小さい。また、第１表面層１４Ａおよび第２表面層１４Ｂの体積密度は、中間層１４Ｃの体積密度よりも大きい。換言すると、中間層１４Ｃに含まれるカーボン粒子の体積密度は、第１表面層１４Ａおよび第２表面層１４Ｂに含まれるカーボン粒子の体積密度よりも小さい。
以上により、本実施例のカソードガス拡散層１４を得ることができる。つまり、カソードセパレーター１６側の第１表面層１４Ａの厚み方向の抵抗率を、中間層１４Ｃの厚み方向の抵抗率よりも小さくすることができる。また、カソード触媒層１２側の第２表面層１４Ｂの厚み方向の抵抗率を、中間層１４Ｃの厚み方向の抵抗率よりも小さくすることができる。
なお、上記のカソードガス拡散層１４の製法および構成は例示であって、本例に限定されない。例えば、カーボン粒子および樹脂粉末を溶媒に分散させた溶液を、所望の厚みのカーボン繊維シートの全域に含浸させた後、このカーボン繊維シートの表面および裏面にそれぞれ、カーボン粒子および樹脂粉末を溶媒に分散させた溶液をさらに均一に塗布することで、第１表面層１４Ａ、第２表面層１４Ｂおよび中間層１４Ｃを形成してもよい。
また、上記の溶液の塗布方法は、例えば、スプレー塗布法、バーコーダー塗布法、転写塗布法、ディップ塗布法などを挙げることができるが、これらに限定されない。
カソードガス拡散層１４において、カソード触媒層１２側の第２表面層１４Ｂの厚み方向の抵抗率が小さいほど、第２表面層１４Ｂとカソード触媒層１２との間の接触抵抗が小さい。よって、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、第２表面層１４Ｂの厚み方向の抵抗率を、中間層１４Ｃの厚み方向の抵抗率よりも小さくすることで、カソードガス拡散層１４の第２表面層１４Ｂとカソード触媒層１２との間の接触抵抗を低減することができる。その結果、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、水素圧縮動作を高効率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、カソードガス拡散層１４が、例えば、カーボン繊維シートで構成される場合、カーボン繊維シートのカーボン繊維間に樹脂を含浸させることで、カーボン繊維間の接合力を上げることができる。これにより、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、水素圧縮動作の開始および停止の繰り返しが行われる際のカーボン繊維シートの歪みに対する耐久性を向上させることができる。
また、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、中間層１４Ｃの体積密度（中間層１４Ｃに含まれるカーボン粒子の体積密度）を小さくすることで、カソードガス拡散層１４の面内方向におけるガス拡散性を適切に確保することができる。
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実施形態および第１実施形態の第１実施例−第４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実施形態）
図５Ａ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５Ｂは、図１Ａの電気化学式水素ポンプのＢ部の拡大図である。なお、図５Ａ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１表面層１４Ａとマニホールド孔５０Ａを連絡する連絡路以外は、第１実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様である。
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拡散層１４の適所と、第２連絡路３４Ｂ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のそれぞれのカソードガス拡散層１４および第２連絡路３４Ｂ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導出経路２６に導かれる。図５Ａおよび図５Ｂに示す例では、カソードセパレーター１６には、カソードガス拡散層１４から排出された、上記の圧縮された水素を含むカソードガスが流入するマニホールド孔５０Ａと、第１表面層１４Ａよりも内側の層１４Ｍ（図３参照）とマニホールド孔５０Ａを連絡する第２連絡路３４Ｂとが設けられている。このような第２連絡路３４Ｂは、例えば、カソードセパレーター１６に設けられた孔で構成されていてもよい。そして、第１表面層１４Ａよりも内側の層１４Ｍは、気孔率が２０％以上である。また、第１表面層１４Ａは、気孔率が２０％未満である。
なお、これらの気孔率は、例えば、上記の水銀ポロシメータ（株式会社島津製作所製の「オートポアIII９４１０」）で評価可能である。
このようにして、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は、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれの第２連絡路３４Ｂおよびカソードガス導出マニホールド５０を介して連通している。
仮に、第１表面層１４Ａよりも内側の層１４Ｍの気孔率が２０％未満である場合、この内側の層１４Ｍのガス拡散性を適切に確保できない恐れがある。そこで、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、第１表面層１４Ａよりも内側の層１４Ｍの気孔率を２０％以上にすることで、カソードガスがこの内側の層１４Ｍを拡散しやすくなるように構成することができる。すると、カソードガスは、第２連絡路３４Ｂを通じてマニホールド孔５０Ａに容易に排出される。
また、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、第１表面層１４Ａの気孔率を２０％未満にすることで、カソードガス拡散層１４の第１表面層１４Ａとカソードセパレーター１６との間の接触抵抗を低減することができる。つまり、第１表面層１４Ａの気孔率が小さいほど、第１表面層１４Ａとカソードセパレーター１６との間の接触面積が大きくなるので、両者間の接触抵抗を低減することができる。かかる観点からは、第１表面層１４Ａの気孔率は、ほぼゼロ％であることが望ましい。第１表面層１４Ａは、例えば、気孔率がほぼゼロ％のカーボンシートで構成されていてもよい。
このように、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、カソードガス拡散層１４のガス拡散性の向上と、カソードガス拡散層１４とカソードセパレーター１６との間の接触抵抗を低減とを両立させることができる。
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４実施例および第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。
なお、第１実施形態、第１実施形態の第１実施例−第４実施例、第２実施形態および第３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および他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本開示を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本開示の精神を逸脱することなく、その構造および／または機能の詳細を実質的に変更することができる。例えば、以上で説明したカソードガス拡散層１４は、水電解装置などの他の圧縮装置にも適用することができる。
本開示の一態様は、カーボン多孔体シートで構成されるカソードガス拡散層とカソードセパレーターとの間の接触抵抗を従来よりも低減し得る圧縮装置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
１４Ａ ：第１表面層
１４Ｂ ：第２表面層
１４Ｃ ：中間層
１４Ｓ ：カーボン多孔体シート
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
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
３３ ：アノードガス流路
３４Ａ ：第１連絡路
３４Ｂ ：第２連絡路
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
５０Ａ ：マニホールド孔
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 ：アノード電極
ＣＡ ：カソード電極

Claims (9)

  1. 電解質膜、
    前記電解質膜の一方の主面に接するアノード触媒層と、
    前記電解質膜の他方の主面に接するカソード触媒層と、
    前記アノード触媒層に接するアノードガス拡散層と、
    前記カソード触媒層に接するカソードガス拡散層と、
    前記アノード触媒層および前記カソード触媒層の間に電圧を印加することで、前記アノード触媒層上に供給されたアノード流体から取り出されたプロトンを、前記電解質膜を介して、前記カソード触媒層上に移動させ、圧縮された水素を生成する圧縮装置に用いる膜・電極接合体であって、
    前記カソードガス拡散層は、カーボン多孔体シートを含み、前記カソード触媒層側と反対側の第１表面層の気孔率が、前記第１表面層よりも内側の層の気孔率よりも小さい、
    膜・電極接合体。
  2. 前記カソードガス拡散層は、前記第１表面層にカーボン粒子と樹脂を含む層が含まれる、請求項１に記載の膜・電極接合体。
  3. 前記カソードガス拡散層は、前記第１表面層の厚み方向の抵抗率が、前記第１表面層よりも内側の層の厚み方向の抵抗率よりも小さい、請求項１または２に記載の膜・電極接合体。
  4. 前記カソードガス拡散層は、前記第１表面層の体積密度が、前記第１表面層よりも内側の層の体積密度よりも大きい、請求項１から３のいずれか１項に記載の膜・電極接合体。
  5. 前記第１表面層よりも内側の層は、カーボン粒子と樹脂を含み、前記第１表面層よりも内側の層に含まれる前記カーボン粒子の体積密度は、前記第１表面層に含まれる前記カーボン粒子の体積密度よりも小さい、請求項２に記載の膜・電極接合体。
  6. 前記第１表面層の気孔率が２０％以上である、請求項１から５のいずれか１項に記載の膜・電極接合体。
  7. 前記第１表面層よりも内側の層は、気孔率が２０％以上である、請求項１から５のいずれか１項に記載の膜・電極接合体。
  8. 前記第１表面層は、気孔率が２０％未満である、請求項７に記載の膜・電極接合体。
  9. 請求項１―８のいずれか１項に記載の膜・電極接合体と、前記カソードガス拡散層の第１表面層上に設けられたカソードセパレーターとを備える、
    圧縮装置。
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