JP6998556B1 - 電気化学式水素ポンプ用アノードセパレータおよび電気化学式水素ポンプ - Google Patents

電気化学式水素ポンプ用アノードセパレータおよび電気化学式水素ポンプ Download PDF

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Abstract

電気化学式水素ポンプ用アノードセパレータは、サーペンタイン形状の第１のアノードガス流路と、サーペンタイン形状の第２のアノードガス流路と、第１のアノードガス流路および第２のアノードガス流路のそれぞれから排出されるアノードガスが流入するアノードガス排出マニホルドと、を備える。第１のアノードガス流路および第２のアノードガス流路は、アノードガス排出マニホルドに流入するアノードガスの向きと平行な所定の線により区切られる第１の領域および第２の領域にそれぞれ設けられている。

Description

本開示は、電気化学式水素ポンプ用アノードセパレータ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生成せず、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は燃料電池があり、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。
例えば、燃料電池車の燃料として使用される水素は、一般的に、数十ＭＰａに圧縮された高圧状態で車内の水素タンクに貯蔵される。そして、このような高圧の水素は、一般的に、低圧（常圧）の水素を機械式の圧縮装置によって圧縮することで得られる。
ところで、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、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り、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。
そこで、例えば、特許文献１では、電解質膜を挟んで配されたアノードおよびカソード間に所望の電圧を印加することによって、水素含有ガス中の水素の精製および昇圧が行われる電気化学式水素ポンプが提案されている。なお、カソード、電解質膜およびアノードの積層体を膜－電極接合体（以下、ＭＥＡ： Membrane Electrode Assembly）という。このとき、アノードに供給される水素含有ガスは、不純物が混入していてもよい。例えば、水素含有ガスは、製鉄工場などからの副次生成の水素ガスでもよいし、都市ガスを改質した改質ガスでもよい。
また、例えば、特許文献２では、水の電気電解で発生した低圧の水素がＭＥＡを用いて昇圧される差圧式の水電解装置が提案されている。
また、例えば、特許文献３では、アノード触媒層の少なくとも一部の層が、アノードガス拡散層との混合層であることで、水素圧縮効率が向上し得る電気化学式水素ポンプが提案されている。
特開２０１５－１１７１３９号公報 特許第６３８２８８６号公報 特開２０１９－１６３５２１号公報
本開示は、一例として、電気化学式水素ポンプの水素圧縮動作の効率を従来よりも向上させ得る電気化学式水素ポンプ用アノードセパレータを提供することを課題とする。
上記の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用アノードセパレータは、電気化学式水素ポンプに用いられる金属製のアノードセパレータであって、サーペンタイン形状の第１のアノードガス流路と、サーペンタイン形状の第２のアノードガス流路と、前記第１のアノードガス流路および前記第２のアノードガス流路のそれぞれから排出されるアノードガスが流入するアノードガス排出マニホルドと、を備え、前記第１のアノードガス流路および前記第２のアノードガス流路は、前記アノードガス排出マニホルドに流入するアノードガスの向きと平行な所定の線により区切られる第１の領域および第２の領域にそれぞれ設けられている。
また、本開示の一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た、アノードと、電解質膜の他方の主面に設けられた、カソードと、アノード上に設けられた、上記の電気化学式水素ポンプ用アノードセパレータと、前記アノードおよび前記カソード間に電圧を印加する電圧印加器と、を備え、前記電圧印加器により前記電圧を印加することで、前記アノード上に供給されたアノードガスから取り出されたプロトンを、前記電解質膜を介して、前記カソード上に移動させ、圧縮された水素を生成する。
本開示の一態様の電気化学式水素ポンプ用アノードセパレータは、電気化学式水素ポンプの水素圧縮動作の効率を従来よりも向上させ得る、という効果を奏することができる。
図１Ａ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１Ｂは、図１ＡのＢ部の拡大図である。 図２は、実施形態の実施例の電気化学式水素ポンプに用いられるアノードセパレータおよび端板の一例を斜視した図である。 図３Ａは、図２のアノードセパレータを平面視した図である。 図３Ｂは、図３ＡのＢ部の拡大図である。 図３Ｃは、図３ＡのＣ部の拡大図である。 図３Ｄは、図３ＡのＤ部の断面図である。
電気化学式水素ポンプの水素圧縮動作の効率について検討が行われ、以下の知見が得られた。
電気化学式水素ポンプでは、電気化学セルの耐圧性を確保するために金属製のアノードセパレータを用いる。金属製のアノードセパレータの表面にアノードガス流路を形成する方法として、例えば、アノードセパレータの切削による溝加工とエッチングによる溝加工とがあるが、金属材料の切削による溝加工は、金属材料のエッチングによる溝加工に比べて加工コストが高い。このため、アノードセパレータの表面をエッチングで溝加工する方が、アノードセパレータの表面を切削で溝加工する場合に比べて、アノードセパレータの加工コスト低減の観点で望ましい。しかし、アノードセパレータの表面にアノードガス流路を形成するために、アノードセパレータをエッチングで溝加工する場合、アノードセパレータを切削で溝加工する場合に比べて、流路溝が浅くなる。すると、アノードガス流路における圧力損失が増加することで、電気化学式水素ポンプの水素圧縮動作の効率が低下する。
そこで、本開示の第１態様の電気化学式水素ポンプ用アノードセパレータは、電気化学式水素ポンプに用いられる金属製のアノードセパレータであって、サーペンタイン形状の第１のアノードガス流路と、サーペンタイン形状の第２のアノードガス流路と、第１のアノードガス流路および第２のアノードガス流路のそれぞれから排出されるアノードガスが流入するアノードガス排出マニホルドと、を備え、第１のアノードガス流路および第２のアノードガス流路は、アノードガス排出マニホルドに流入するアノードガスの向きと平行な所定の線により区切られる第１の領域および第２の領域にそれぞれ設けられている。
かかる構成によると、本態様の電気化学式水素ポンプ用アノードセパレータは、電気化学式水素ポンプの水素圧縮動作の効率を従来よりも向上させ得る。これは、以下の理由による。
まず、本態様の電気化学式水素ポンプ用アノードセパレータは、アノードガス排出マニホルドに流入するアノードガスの向きと平行な所定の線により区切られる第１の領域および第２の領域のそれぞれに、サーペンタイン形状の第１のアノードガス流路および第２のアノードガス流路がそれぞれ設けられている（以下、アノードガス流路の分割構成）。
よって、本態様の電気化学式水素ポンプ用アノードセパレータは、アノードガス流路の分割構成を採用することで、このような分割構成を採用しない場合に比べて、アノードガス流路の流路数を増やすことが可能となり、その結果、アノードガス流路における圧力損失が低減される。つまり、本態様の電気化学式水素ポンプ用アノードセパレータは、アノードセパレータの表面にアノードガス流路を形成するために、アノードセパレータをエッチングで溝加工する場合でも、以上のアノードガス流路の分割構成を採用することで、アノードガス流路における圧力損失の増加を適切に抑制することができる。
これにより、本態様の電気化学式水素ポンプ用アノードセパレータは、アノードガス流路における圧力損失の増加に起因する、アノードガス供給装置の消費電力増加が抑制される。つまり、電気化学式水素ポンプの水素圧縮動作の効率低下が抑制される。
また、本態様の電気化学式水素ポンプ用アノードセパレータは、電気化学セルのガス拡散性を従来よりも向上させ得る。これは、以下の理由による。
サーペンタイン形状のアノードガス流路におけるアノードガスの拡散現象を、数値シミュレーションにて解析した結果、アノードガス流路のＵ字状の折り返し部分においてアノードへのガス拡散性が向上することを確認した。
また、上記のガス拡散性能の向上は、アノードガス流路の折り返し部分を構成する両隣の流路間においてより顕著であることを上記数値シミュレーションによって確認した。これは、アノードガスがアノードガス流路の折り返し部を通過する抵抗よりも、アノードガスが折り返し部から流出して、アノードガス拡散層を介して隣接する折り返し部に流入する（ショートカットする）抵抗の方が小さいため、折り返し部分間においてアノードガスがアノードへとより多く供給されるからである。つまり、サーペンタイン形状のアノードガス流路において、折り返し部分が多くなる程、アノードセパレータ上のアノードガス流路からアノードに供給されるアノードガス量が増えるので、電気化学セルのガス拡散性が向上すると考えられる。このため、本態様の電気化学式水素ポンプ用アノードセパレータは、アノードガス流路の分割構成を採用することで、このような分割構成を採用しない場合に比べて、アノードガス流路の折り返し部分を増やすことが可能となり、その結果、電気化学セルのガス拡散性が向上する。
本開示の第２態様の電気化学式水素ポンプ用アノードセパレータは、第１態様の電気化学式水素ポンプ用アノードセパレータにおいて、第１のアノードガス流路に流入するアノードガスが流れる第１のアノードガス供給マニホルドと、第２のアノードガス流路に流入するアノードガスが流れる第２のアノードガス供給マニホルドと、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用アノードセパレータは、第１のアノードガス供給マニホルドおよび第２のアノードガス供給マニホルドを設けることで、１つのアノードガス供給マニホルドが設けられる場合に比べて、アノードガス供給マニホルドにおける圧力損失の増加を抑制可能に構成することができる。
具体的には、電気化学式水素ポンプは、電気化学セルの積層数が増えるほど、アノードガス供給マニホルドにおける圧力損失が増加する。これにより、電気化学セルのそれぞれに分配されるアノードガス供給量の均等性が損なわれ、電気化学セルのそれぞれにおけるアノードガス供給量の偏りが生じる可能性がある。そして、電気化学セルのそれぞれにおけるアノードガス供給量の偏りは、電気化学セルにおけるアノードガス供給不足を招くことで、電気化学式水素ポンプの水素圧縮動作の効率低下の一因となり得る。
ここで、上記構成により、複数のアノードガス供給マニホルドが設けられるので、アノードガス供給マニホルドにおける圧力損失の増加が抑制され、電気化学式水素ポンプの水素圧縮動作の効率低下が抑制される。
本開示の第３態様の電気化学式水素ポンプ用アノードセパレータは、第２態様の電気化学式水素ポンプ用アノードセパレータにおいて、第１のアノードガス流路の第１のアノード入口と、第２のアノードガス流路の第２のアノード入口とは、隣り合っていてもよい。
本開示の第４態様の電気化学式水素ポンプ用アノードセパレータは、第２態様の電気化学式水素ポンプ用アノードセパレータにおいて、第１のアノードガス供給マニホルドの開口面積と第２のアノードガス供給マニホルドの開口面積との合計は、アノードガス排出マニホルドの開口面積よりも大きくてもよい。
かかる構成によると、本態様の電気化学式水素ポンプ用アノードセパレータは、第１のアノードガス供給マニホルドの開口面積と第２のアノードガス供給マニホルドの開口面積との合計を、アノードガス排出マニホルドの開口面積よりも大きくすることで、前者の開口面積の合計を、後者の開口面積以下にする場合に比べて、アノードガス供給マニホルドにおける圧力損失の増加を抑制可能に構成することができる。
これにより、本態様の電気化学式水素ポンプ用アノードセパレータは、電気化学式水素ポンプの水素圧縮動作の効率を従来よりも向上させ得る。具体的には、アノードガス供給マニホルドにおける圧力損失の増加に起因する、電気化学セルのそれぞれに分配されるアノードガス供給量の均等性悪化を軽減することができる。よって、電気化学セルのそれぞれにおけるアノードガス供給不足に陥ることが改善され、その結果、電気化学式水素ポンプの水素圧縮動作の効率低下が抑制される。
なお、アノードガス供給装置を用いて、アノードガス供給マニホルドにアノードガスが供給される場合は、アノードガス供給マニホルドにおける圧力損失の増加に起因する、アノードガス供給装置の消費電力上昇を抑制することもできる。
本開示の第５態様の電気化学式水素ポンプ用アノードセパレータは、第１態様から第４態様のいずれか一つの電気化学式水素ポンプ用アノードセパレータにおいて、第１のアノードガス流路と、第２のアノードガス流路とは、互いに交わることなくアノードガス排出マニホルドに接続されていてもよい。
かかる構成によると、本態様の電気化学式水素ポンプ用アノードセパレータは、第１のアノードガス流路と、第２のアノードガス流路とを、互いに交わることなくアノードガス排出マニホルドに接続することで、１つのアノードガス流路をアノードセパレータ内で敷設させる場合に比べて、アノードガス流路の流路長を短くすることができる。これにより、アノードガス流路における圧力損失を低減することができる。また、第１のアノードガス流路および第２のアノードガス流路のうちの一方が、水による流路閉塞（フラッディング）などが発生した場合であっても、他方の流路にはアノードガスを供給し続けることができる。
本開示の第６態様の電気化学式水素ポンプ用アノードセパレータは、第１態様から第５態様のいずれか一つの電気化学式水素ポンプ用アノードセパレータにおいて、第１のアノードガス流路および第２のアノードガス流路は共に、アノード入口から内部に進むに連れ、サーペンタイン形状の振幅の大きさが大きくなり、内部からアノード出口に進むに連れ、サーペンタイン形状の振幅の大きさが小さくなってもよい。
本開示の第７態様の電気化学式水素ポンプ用アノードセパレータは、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用アノードセパレータにおいて、第１のアノードガス流路は、複数の流路を備え、かつ複数の流路は、下流で合流し、流路数が減少していてもよい。
本開示の第８態様の電気化学式水素ポンプ用アノードセパレータは、第１態様から第７態様のいずれか一つの電気化学式水素ポンプ用アノードセパレータにおいて、第２のアノードガス流路は、複数の流路を備え、かつ複数の流路は、下流で合流し、流路数が減少していてもよい。
ここで、アノードガスが、アノードセパレータの電極対向部内のアノードガス流路を通過するとき、アノードガスの一部が電気化学セルの電気化学反応によってアノードからカソードに移動する。このため、アノードガス流路におけるアノードガスの流量は、アノードガスがアノードガス流路内を上流から下流に移動するに従って減少する。すると、アノードガス流路の流路断面積が上流側と下流側とで同一である場合、アノードガス流路のガス圧力は、上流側よりも下流で低下する。これにより、アノードガス流路の下流側において、アノードガス流路からアノードへのガスの供給圧が低下し、アノードガスがアノードに供給されにくくなる。そして、かかる現象は、電気化学セルのアノードガス流路の下流側におけるアノードガス供給不足を招くことで、電気化学式水素ポンプの水素圧縮動作の効率低下の一因となり得る。
しかし、本態様の電気化学式水素ポンプ用アノードセパレータは、アノードガス流路の下流側において、複数の流路が合流して流路数を減少させることで、アノードガス流路の流路断面積が上流側に比べて下流側で小さくなるので、アノードガス流路のガス圧力を適切に維持可能に構成することができる。
本開示の第９態様の電気化学式水素ポンプ用アノードセパレータは、第２態様から第４態様のいずれか一つの電気化学式水素ポンプ用アノードセパレータにおいて、所定の線は、第１のアノードガス供給マニホルドおよび第２のアノードガス供給マニホルドの中点とアノードガス排出マニホルドの中心とを結ぶ線であってもよい。
本開示の第１０態様の電気化学式水素ポンプ用アノードセパレータは、第１態様から第９態様のいずれか一つの電気化学式水素ポンプ用アノードセパレータにおいて、サーペンタイン形状は、所定の線（以下、中心線）を挟んで線対称であってもよい。
かかる構成によると、本態様の電気化学式水素ポンプ用アノードセパレータは、第１のアノードガス流路および第２のアノードガス流路のサーペンタイン形状が、中心線を挟んで線対称であることで、両者が中心線を挟んで非対称である場合に比べて、アノードセパレータの電極対向部において、アノードガスをアノードに均一に供給させることができる。
本開示の第１１態様の電気化学式水素ポンプ用アノードセパレータは、第２態様から第４態様のいずれかの電気化学式水素ポンプ用アノードセパレータにおいて、第１のアノードガス流路は、第１のアノードガス供給マニホルドから直線的に延伸した後、中心線側に曲がり、その後、アノードガス排出マニホルド側に曲がった後、第１のアノードガス流路のサーペンタイン形状が開始されてもよい。
本開示の第１２態様の電気化学式水素ポンプ用アノードセパレータは、第２態様から第４態様のいずれかの電気化学式水素ポンプ用アノードセパレータにおいて、第２のアノードガス流路は、第２のアノードガス供給マニホルドから直線的に延伸した後、中心線側に曲がり、その後、アノードガス排出マニホルド側に曲がった後、第２のアノードガス流路のサーペンタイン形状が開始されてもよい。
以上の構成によると、本態様の電気化学式水素ポンプ用アノードセパレータは、第１のアノードガス流路および第２のアノードガス流路の一方、または、両方を中心線側に寄せた後、サーペンタイン形状が開始されるので、アノードセパレータの中心線付近の電極対向部において、アノードガス流路が敷設されていないデットスペースを低減することができる。これにより、アノードガスをアノードにより均一に供給させることができる。
また、第１のアノードガス流路および第２のアノードガス流路の一方、または、両方を中心線側に寄せる構成を採用することで、第１のアノードガス供給マニホルドおよび第２のアノードガス供給マニホルド間を適切に離隔させることができる。これにより、本態様の電気化学式水素ポンプ用アノードセパレータは、第１のアノードガス供給マニホルドおよび第２のアノードガス供給マニホルドのそれぞれの外周に環状にシール部材を配置しやすくなるので、第１のアノードガス供給マニホルドおよび第２のアノードガス供給マニホルドのガスシール性を向上させやすくなる。
本開示の第１３態様の電気化学式水素ポンプ用アノードセパレータは、第１態様から第１２態様のいずれかの電気化学式水素ポンプ用アノードセパレータにおいて、第１のアノードガス流路および第２のアノードガス流路のそれぞれの流路幅に対する流路深さの比は、共に０．５以下であってもよい。
本開示の第１４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た、アノードと、電解質膜の他方の主面に設けられた、カソードと、アノード上に設けられた、第１態様から第１３態様のいずれかの一つの電気化学式水素ポンプ用アノードセパレータと、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、電圧印加器により上記電圧を印加することで、アノード上に供給されたアノードガスから取り出されたプロトンを、電解質膜を介して、ソード上に移動させ、圧縮された水素を生成する。
かかる構成によると、本態様の電気化学式水素ポンプは、水素圧縮動作の効率が従来よりも向上し得る。なお、本態様の電気化学式水素ポンプが奏する作用効果の詳細は、上記の第１態様から第１３態様のいずれかの一つの電気化学式水素ポンプ用アノードセパレータが奏する作用効果から容易に理解できるので説明を省略する。
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）
［装置構成］
図１Ａおよび図１Ｂ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１Ｂは、図１ＡのＢ部の拡大図である。
図１Ａおよび図１Ｂに示す例では、電気化学式水素ポンプ１００は、電解質膜２１がアノードＡＮとカソードＣＡで挟持された電気化学セル１０を複数積層したスタックと、電圧印加器５０と、を備える。
なお、図１Ａでは、３個の電気化学セル１０が積層されているが、電気化学セル１０の積層数はこれに限定されない。つまり、電気化学セル１０の積層数は、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。
電気化学セル１０は、電解質膜２１と、アノードＡＮと、カソードＣＡと、カソードセパレータ２７と、アノードセパレータ２６と、絶縁体２８と、を備える。そして、電気化学セル１０において、電解質膜２１、アノード触媒層２４、カソード触媒層２３、アノード給電体２５、カソード給電体２２、アノードセパレータ２６およびカソードセパレータ２７が積層されている。
アノードＡＮは、電解質膜２１の一方の主面上に設けられている。アノードＡＮは、アノード触媒層２４と、アノード給電体２５とを含む電極である。なお、アノードセパレータ２６上には、平面視において、アノードＡＮのアノード触媒層２４の周囲を囲むようにＯリング４５が設けられている。これにより、アノードＡＮが、Ｏリング４５で適切にシールされている。
カソードＣＡは、電解質膜２１の他方の主面上に設けられている。カソードＣＡは、カソード触媒層２３と、カソード給電体２２とを含む電極である。なお、カソードセパレータ２７上には、平面視において、カソードＣＡのカソード触媒層２３の周囲を囲むようにＯリング４５が設けられている。これにより、カソードＣＡが、Ｏリング４５で適切にシールされている。
電解質膜２１は、プロトン伝導性を備える高分子膜である。電解質膜２１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２１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２１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。
以上により、電解質膜２１は、アノード触媒層２４およびカソード触媒層２３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２１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。
アノード触媒層２４は、電解質膜２１の一方の主面に接するように設けられている。アノード触媒層２４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２３は、電解質膜２１の他方の主面に接するように設けられている。カソード触媒層２３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２３およびアノード触媒層２４の触媒担体としては、例えば、カーボンブラック、黒鉛などのカーボン粒子、導電性の酸化物粒子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２３およびアノード触媒層２４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２３およびアノード触媒層２４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。
カソード給電体２２は、カソード触媒層２３上に設けられている。また、カソード給電体２２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、カソード給電体２２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、変形に適切に追従するような弾性を備える方が望ましい。
本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、カソード給電体２２として、カーボン繊維で構成した部材が用いられている。例えば、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、カソード給電体２２の基材として、カーボン繊維シートを用いなくもよい。例えば、カソード給電体２２の基材として、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粒子の焼結体などを用いてもよい。
アノード給電体２５は、アノード触媒層２４上に設けられている。また、アノード給電体２５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、アノード給電体２５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、アノード給電体２５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、カーボンなどを素材とした繊維焼結体、粉体焼結体、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てもよい。
金属製のアノードセパレータ２６は、アノードＡＮ上に設けられた部材である。金属製のカソードセパレータ２７は、カソードＣＡ上に設けられた部材である。
カソードセパレータ２７およびアノードセパレータ２６のそれぞれの中央部には、凹部が設けられ、これらの凹部のそれぞれに、カソード給電体２２およびアノード給電体２５がそれぞれ収容される。
また、アノードセパレータ２６およびカソードセパレータ２７の上記凹部の外周部には、筒状のアノードガス供給マニホルド３２と筒状のアノードガス排出マニホルド３６が設けられている。
ここで、アノードガス供給マニホルド３２は、電気化学セル１０が積層状態であるとき、電気化学式水素ポンプ１００の構成部材のそれぞれの適所に設けられた貫通孔の連なりにより構成されている。そして、電気化学式水素ポンプ１００では、電気化学式水素ポンプ１００内に流入したアノードガスがアノードガス供給マニホルド３２で電気化学セル１０のそれぞれに分配され、これにより、アノードガスは、アノードガス供給マニホルド３２から電気化学セル１０のアノードＡＮに供給される。
アノードガス排出マニホルド３６は、電気化学セル１０が積層状態であるとき、電気化学式水素ポンプ１００の構成部材のそれぞれの適所に設けられた貫通孔の連なりにより構成されている。そして、電気化学式水素ポンプ１００では、電気化学セル１０のそれぞれから通過したアノードガスがアノードガス排出マニホルド３６で合流することで、アノードガスは、アノードガス排出マニホルド３６から電気化学式水素ポンプ１００外に排出される。なお、アノードガスとして、例えば、水素含有ガスを挙げることができる。この水素含有ガスは、例えば、水の電気分解で生成された水素ガスであってもよいし、炭化水素ガスの改質反応で生成された改質ガスであってもよい。
ここで、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００において、アノードガス供給マニホルド３２は、複数のマニホルドで構成され、アノードガス排出マニホルド３６は、１つのマニホルドで構成されている。そして、複数のアノードガス供給マニホルド３２の開口面積の合計は、１つのアノードガス排出マニホルド３６の開口面積よりも大きい。なお、以下に示す実施例では、１つのアノードガス供給マニホルド３２の開口面積と１つのアノードガス排出マニホルド３６の開口面積が同じであるが、これに限定されない。複数のアノードガス供給マニホルド３２の開口面積の合計が、１つのアノードガス排出マニホルド３６の開口面積よりも大きければ、１つのアノードガス供給マニホルド３２と１つのアノードガス排出マニホルド３６の開口面積の大小関係は任意である。アノードガス供給マニホルド３２およびアノードガス排出マニホルド３６の詳細な構成は、実施例で説明する。
また、図示を省略するが、平面視において、アノードガス排出マニホルド３６を約９０°程度回転させた箇所に、筒状のカソードガス排出マニホルドが設けられている。
図示しないカソードガス排出マニホルドは、電気化学セル１０が積層状態であるとき、電気化学式水素ポンプ１００の構成部材のそれぞれの適所に設けられた貫通孔の連なりにより構成されている。そして、電気化学式水素ポンプ１００では、電気化学セル１０のそれぞれのカソードＣＡで圧縮された高圧の水素（以下、圧縮水素）がカソードガス排出マニホルドで合流することで、圧縮水素は、カソードガス排出マニホルドから電気化学式水素ポンプ１００外に排出される。
図１Ａに示すように、カソード給電体２２と接触するカソードセパレータ２７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２７の主面にカソードガス流路を設ける場合に比べて、カソード給電体２２とカソードセパレータ２７との間で接触面積を大きくすることができる。これにより、電気化学式水素ポンプ１００は、カソード給電体２２とカソードセパレータ２７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、アノード給電体２５と接触するアノードセパレータ２６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形状の流路（以下、サーペンタイン流路３４）が設けられている。
以上のアノードセパレータ２６およびカソードセパレータ２７は、例えば、チタン、ステンレスなどの金属シートで構成されていてもよい。この金属シートをステンレスで構成する場合、ＳＵＳ３１６ＬまたはＳＵＨ６６０は、様々な種類のステンレスの中で、耐酸性および耐水素脆性などの特性に優れている。
また、電気化学式水素ポンプ１００の電気化学セル１０のそれぞれにおいて、カソードセパレータ２７およびアノードセパレータ２６の間には、電解質膜２１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２８が挟み込まれている。絶縁体２８の基材として、例えば、フッ素ゴムなどを挙げることができるが、これに限定されない。これにより、電気化学セル１０内におけるカソードセパレータ２７およびアノードセパレータ２６間の短絡を適切に防止することができる。
電圧印加器５０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。電圧印加器５０は、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間に電圧を印加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、電圧印加器５０の高電位側端子が、アノードＡＮに接続され、電圧印加器５０の低電位側端子が、カソードＣＡに接続されている。なお、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、電圧印加器５０の低電位側端子が、最上層のカソードセパレータ２７に接触する給電板１１に接続され、電圧印加器５０の高電位側端子が、最下層のアノードセパレータ２６に接触する給電板１２に接続されている。
電圧印加器５０として、例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ、ＡＣ／ＤＣコンバータなどを挙げることができる。ＤＣ／ＤＣコンバータは、電圧印加器５０が、太陽電池、燃料電池、バッテリなどの直流電源と接続された場合に用いられる。ＡＣ／ＤＣコンバータは、電圧印加器５０が、商用電源などの交流電源と接続された場合に用いられる。また、電圧印加器５０は、例えば、電気化学セル１０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。
このようにして電気化学式水素ポンプ１００は、電圧印加器５０を用いて、アノードＡＮおよびカソードＣＡの間で通電が行われる。つまり、電気化学式水素ポンプ１００は、電圧印加器５０によりアノードＡＮおよびカソードＣＡ間に電圧を印加することで、アノードＡＮ上に供給されたアノードガスから取り出されたプロトンを、電解質膜２１を介して、カソードＣＡ上に移動させ、圧縮された水素を生成する装置である。
次に、電気化学式水素ポンプ１００の複数の電気化学セル１０を締結するための構成について説明する。
複数個の電気化学セル１０を積層状態で適切に保持するには、電気化学セル１０の最上層のカソードセパレータ２７の端面、および最下層のアノードセパレータ２６の端面をそれぞれ、給電板１１と絶縁板１３、および給電板１２と絶縁板１４のそれぞれを介して、端板１５、および端板１６のそれぞれで挟み、電気化学セル１０に所望の締結圧をかける必要がある。
そこで、端板１５および端板１６の適所に、電気化学セル１０に締結圧をかけるための複数個の締結器１７が設けられている。締結器１７は、複数の電気化学セル１０を締結できれば、どのような構成であってもよい。締結器１７として、例えば、端板１５および端板１６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１５には、カソードガス導出流路４０が設けられている。カソードガス導出流路４０は、カソードＣＡから排出される圧縮水素が流通する配管で構成されていてもよい。
具体的には、カソードガス導出流路４０は、上記のカソードガス排出マニホルド（図示せず）に連通している。そして、カソードガス排出マニホルドは、電気化学セル１０のそれぞれのカソードＣＡと、図示しないカソードガス連絡路を介して連通している。これにより、電気化学セル１０のそれぞれのカソードＣＡから、カソードガス連絡路を通過した高圧の圧縮水素が、カソードガス排出マニホルドで合流される。そして、合流された圧縮水素は、カソードガス導出流路４０に導かれ、これにより、電気化学式水素ポンプ１００外に排出される。
カソードセパレータ２７およびアノードセパレータ２６の間には、平面視において、カソードガス排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、カソードガス排出マニホルドが、このシール部材で適切にシールされている。
また、端板１５には、アノードガス導入流路３０が設けられている。アノードガス導入流路３０は、アノードＡＮに供給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。具体的には、アノードガス導入流路３０は、端板１５に設けられたアノードガス供給流路３１を介して、上記のアノードガス供給マニホルド３２に連通している。そして、アノードガス供給マニホルド３２が、電気化学セル１０のそれぞれのサーペンタイン流路３４の流入側の端部と、アノードガス供給連絡路３３を介して連通している。
以上により、アノードガス導入流路３０から導かれ、アノードガス供給流路３１を通過したアノードガスが、電気化学セル１０のそれぞれのサーペンタイン流路３４およびアノードガス供給連絡路３３に連通したアノードガス供給マニホルド３２において、電気化学セル１０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、アノード給電体２５からアノード触媒層２４に供給される。
端板１６には、アノードガス導出流路３８が設けられている。アノードガス導出流路３８は、アノード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。具体的には、アノードガス排出流路３７は、端板１６に設けられたアノードガス排出流路３７を介して、上記のアノードガス排出マニホルド３６に連通している。そして、アノードガス排出マニホルド３６が、電気化学セル１０のそれぞれのサーペンタイン流路３４の流出側の端部と、アノードガス排出連絡路３５を介して連通している。
以上により、電気化学セル１０のそれぞれのサーペンタイン流路３４およびアノードガス排出連絡路３５を通過した余剰のアノードガスが、アノードガス排出マニホルド３６で合流される。そして、合流されたアノードガスが、アノードガス排出流路３７からアノードガス導出流路３８に導かれる。
なお、カソードセパレータ２７およびアノードセパレータ２６の間には、平面視において、アノードガス供給マニホルド３２およびアノードガス排出マニホルド３６を囲むようにＯリングなどのシール部材が設けられ、アノードガス供給マニホルド３２およびアノードガス排出マニホルド３６が、シール部材で適切にシールされている。
なお、ここで、本開示の「アノードガス流路」は、サーペンタイン流路３４と、アノードガス供給連絡路３３と、アノードガス排出連絡路３５とを含む流路で構成される。そして、「アノードガス流路」は、複数のアノードガス供給マニホルド３２のそれぞれと接続され、かつ、１つのアノードガス排出マニホルド３６で接続されている。このような「アノードガス流路」の詳細な構成は、実施例で説明する。
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、露点調整器（例えば、加湿器）が設けられていてもよい。この露点調整器は、例えば、アノードガス導出流路３８を通じて電気化学式水素ポンプ１００外に導出された余剰のアノードガスと、アノードガス導入流路３０を通じて適宜の水素ガス供給源から供給されたアノードガスとの間で混合されるガスの露点を調整する装置であってもよい。このとき、水素ガス供給源の供給圧を用いて、水素ガス供給源から露点調整器にアノードガスが供給されてもよいし、ポンプなどのアノードガス供給装置を用いて、水素ガス供給源から露点調整器にアノードガスが供給されてもよい。水素ガス供給源として、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から排出された圧縮水素を一時的に貯蔵する水素貯蔵器、水素貯蔵器内の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。
［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１Ａ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、必須ではない。操作者が、その一部の動作を行ってもよい。以下の例では、制御器により動作を制御する場合について、説明する。
まず、アノードガス導入流路３０を通じて導かれた低圧のアノードガスが、アノードガス供給流路３１、アノードガス供給マニホルド３２、アノードガス供給連絡路３３およびサーペンタイン流路３４の順に、これらの流路内を流れる際に、アノードガスが、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮに供給される。このとき、電圧印加器５０の電圧が、電気化学式水素ポンプ１００に給電される。
サーペンタイン流路３４を通過した余剰のアノードガスは、アノードガス排出連絡路３５、アノードガス排出マニホルド３６およびアノードガス排出流路３７の順に、これらの流路内を流れ、アノードガス導出流路３８を通じて電気化学式水素ポンプ１００外に導出される。なお、電気化学セル１０における以下の電気化学反応により、アノードガスがサーペンタイン流路３４を通過する際に、アノードガスの大半が、電気化学セル１０のアノードＡＮからカソードＣＡに移動する。このため、アノードガス導出流路３８を通じて電気化学式水素ポンプ１００外に導出される余剰のアノードガスの流量は、アノードガス供給マニホルド３２を通過するアノードガスの流量の数十％程度である。
以上により、アノードＡＮのアノード触媒層２４において、酸化反応で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２１内を伝導してカソード触媒層２３に移動する。電子は、電圧印加器５０を通じてカソード触媒層２３に移動する。そして、カソード触媒層２３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２１中を伝導する際に、所定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、カソードガスの排出流路（例えば、図１Ａのカソードガス導出流路４０）の圧力損失を増加させることにより、カソードＣＡで生成された水素を圧縮することができる。流量調整器として、例えば、カソードガス導出流路４０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５０によりアノードＡＮおよびカソードＣＡ間に電圧を印加することで、アノードＡＮに供給されるアノードガス中のプロトンを、カソードＣＡに移動させ、カソードＣＡで圧縮水素を生成する動作が行われる。
カソードＣＡで生成された圧縮水素は、カソードガス連絡路、カソードガス排出マニホルドおよびカソードガス導出流路４０をこれらの順に通過した後、図示しない水素需要体に供給される。水素需要体として、例えば、水素貯蔵器、水素インフラの配管、燃料電池などを挙げることができる。例えば、圧縮水素は、カソードガス導出流路４０を通じて、水素需要体の一例である水素貯蔵器に一時的に貯蔵されてもよい。また、水素貯蔵器で貯蔵された水素は、適時に、水素需要体の一例である燃料電池に供給されてもよい。
（実施例）
図２は、実施形態の実施例の電気化学式水素ポンプに用いられるアノードセパレータおよび端板の一例を斜視した図である。図３Ａは、図２のアノードセパレータを平面視した図である。図３Ｂは、図３ＡのＢ部の拡大図である。図３Ｃは、図３ＡのＣ部の拡大図である。図３Ｄは、図３ＡのＤ部の断面図である。
ただし、図面において、説明の便宜上、筒状のカソードガス排出マニホルドを構成する貫通孔の図示を省略している。また、図２において、３枚のアノードセパレータ２６、端板１５および端板１６以外の電気化学式水素ポンプ１００の構成部材の斜視図を省略するとともに、アノードセパレータ２６のそれぞれの電極対向部Ｇ内に設けられたアノードガス流路の図示を省略している。さらに、図３Ａにおいて、説明の便宜上、「上」、「下」、「右」および「左」を同図の如く取っている。
図２に示すように、アノードガス供給流路３１は、端板１５において、アノードガス導入流路３０から導入されるアノードガスを途中で２つに分岐することで、第１のアノードガス供給マニホルド３２Ａと第２のアノードガス供給マニホルド３２Ｂとに、それぞれ等量のアノードガスを分配できるように構成されている。ここで、第１のアノードガス供給マニホルド３２Ａでは、第１のアノードガス供給連絡路３３Ａに流入するアノードガスが流れる。第２のアノードガス供給マニホルド３２Ｂでは、第２のアノードガス供給連絡路３３Ｂに流入するアノードガスが流れる。
なお、アノードガス供給流路３１は、例えば、端板１５に設けられた開口部と流路溝とで構成されていてもよい。この場合、開口部の入口が、端板１５の側面に設けられたアノードガス導入流路３０と接続しており、開口部の出口が、端板１５の主面に加工された流路溝の中央部と接続している。そして、流路溝の両端部のそれぞれが、第１のアノードガス供給マニホルド３２Ａおよび第２のアノードガス供給マニホルド３２Ｂのそれぞれと接続している。
また、アノードガス排出流路３７は、端板１６において、アノードガス排出マニホルド３６から排出された余剰のアノードガスを、アノードガス導出流路３８に導くことができるように構成されている。ここで、アノードガス排出マニホルド３６では、第１のアノードガス排出連絡路３５Ａおよび第２のアノードガス排出連絡路３５Ｂを流れるアノードガスが合流する。
なお、アノードガス排出流路３７は、例えば、端板１６に設けられた開口部で構成されていてもよい。この場合、開口部の入口が、端板１６の主面でアノードガス排出マニホルド３６と接続しており、開口部の出口が、端板１６の側面に設けられたアノードガス導出流路３８と接続している。
また、図２および図３Ａに示すように、アノードセパレータ２６には、第１のアノードガス供給マニホルド３２Ａの一部を構成する断面が円形の貫通孔と、第２のアノードガス供給マニホルド３２Ｂの一部を構成する断面が円形の貫通孔と、アノードガス排出マニホルド３６の一部を構成する断面が円形の貫通孔と、が設けられている。そして、これらの貫通孔の開口面積が同じであってもよい。
このようにして、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００用のアノードセパレータ２６は、第１のアノードガス供給マニホルド３２Ａおよび第２のアノードガス供給マニホルド３２Ｂの開口面積の合計が、アノードガス排出マニホルド３６の開口面積よりも大きくなるように構成されている。これにより、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００用のアノードセパレータ２６は、電気化学式水素ポンプ１００の水素圧縮動作の効率を従来よりも向上させ得る。かかる作用効果の詳細は、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説明を省略する。
次に、アノードガス流路の詳細な構成について、図面を参照しながら説明する。
まず、図３Ａに示すように、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００用のアノードセパレータ２６は、アノードガス排出マニホルド３６に流入するアノードガスの向き３００と平行な所定の線により区切られる第１の領域２００Ｌおよび第２の領域２００Ｒのそれぞれに、サーペンタイン形状の第１のアノードガス流路およびサーペンタイン形状の第２のアノードガス流路がそれぞれ設けられている（以下、アノードガス流路の分割構成）。
なお、上記「アノードガスの向き３００と平行な所定の線」は、上下方向に延伸する中心直線ＣＬ（詳細は後述）であってもよいし、中心直線ＣＬとは異なる線であってもよい。前者の場合、アノードセパレータ２６は、中心直線ＣＬによって左右均等に、第１の領域２００Ｌと第２の領域２００Ｒとに区切られる。
上記のとおり、アノードセパレータ２６は、第１のアノードガス流路に流入するアノードガスが流れる第１のアノードガス供給マニホルド３２Ａと、第２のアノードガス流路に流入するアノードガスが流れる第２のアノードガス供給マニホルド３２Ｂと、を備える。そして、図３Ｂに示すように、第１のアノードガス流路のアノード入口ＩＮＡと、第２のアノードガス流路のアノード入口ＩＮＢとは、隣り合っている。
また、図３Ａに示すように、第１のアノードガス供給マニホルド３２Ａに接続された第１のアノードガス流路と、第２のアノードガス供給マニホルド３２Ｂに接続された第２のアノードガス流路とは、互いに交わることなくアノードガス排出マニホルド３６に接続されている。つまり、本開示の「第１のアノードガス流路」は、第１のアノードガス供給連絡路３３Ａと、第１のサーペンタイン流路３４Ａと、第１のアノードガス排出連絡路３５Ａと、を含み、アノードセパレータ２６の第１の領域２００Ｌで敷設された流路で構成される。また、本開示の「第２のアノードガス流路」は、第２のアノードガス供給連絡路３３Ｂと、第２のサーペンタイン流路３４Ｂと、第２のアノードガス排出連絡路３５Ｂと、を含み、アノードセパレータ２６の第２の領域２００Ｒで敷設された流路で構成される。
さらに、図３Ａに示すように、第１のアノードガス流路および第２のアノードガス流路は共に、アノード入口ＩＮＡ、ＩＮＢから内部に進むに連れ、サーペンタイン形状の振幅Ｗの大きさが大きくなり、内部からアノード出口に進むに連れ、サーペンタイン形状の振幅Ｗの大きさが小さくなる。つまり、アノードセパレータ２０の電極対向部Ｇの中央部において、第１のサーペンタイン流路３４Ａおよび第２のサーペンタイン流路３４Ｂのそれぞれが左右方向に延伸するサーペンタイン形状の振幅Ｗが最大になる。
なお、第１のアノードガス流路および第２のアノードガス流路は、例えば、適宜のエッチングなどを用いて、アノードセパレータ２６の主面に対して断面視において凹凸部を加工することで得ることができる。
ここで、アノードセパレータ２６の表面にアノードガス流路を形成する方法として、例えば、アノードセパレータ２６の切削による溝加工とエッチングによる溝加工とがあるが、金属材料の切削による溝加工は、金属材料のエッチングによる溝加工に比べてコストが高い。このため、アノードセパレータ２６の表面にアノードガス流路を形成するには、アノードセパレータ２６の表面をエッチングで溝加工する方が、アノードセパレータ２６の表面を切削で溝加工する場合に比べて、アノードセパレータ２６の加工コスト低減の観点で望ましい。ただし、アノードセパレータ２６をエッチングで溝加工する場合、アノードセパレータ２６を切削で溝加工する場合に比べて、流路溝が浅くなる。例えば、図３Ｄに示す如く、アノードセパレータ２６の表面にアノードガス流路を形成するためにアノードセパレータ２６をエッチングで溝加工すると、第１のアノードガス流路および第２のアノードガス流路のそれぞれの流路幅Ｌ１に対する流路深さＬ２の比（Ｌ２／Ｌ１）は、共に０．５以下であってもよい。なお、凹凸部のうちの図３Ｄの凹部が、アノードガスが流れる流路溝に相当しており、図３Ａには、黒線で示されている。また、凹凸部のうちの図３Ｄの凸部が、アノードセパレータ２６上のアノードＡＮを支える支持部に相当しており、図３Ａには、白線で示されている。
また、図３Ａに示すように、第１のサーペンタイン流路３４Ａのサーペンタイン形状と、第２のサーペンタイン流路３４Ｂのサーペンタイン形状とは、平面視において、第１のアノードガス供給マニホルド３２Ａおよび第２のアノードガス供給マニホルド３２Ｂの中点とアノードガス排出マニホルド３６の中心とを上下方向に結ぶ線（以下、中心直線ＣＬ）を挟んで線対称である。なお、「第１のアノードガス供給マニホルド３２Ａおよび第２のアノードガス供給マニホルド３２Ｂの中点」とは、図３Ａの如く、アノードセパレータ２６を平面視した場合において、第１のアノードガス供給マニホルド３２Ａの中心と第２のアノードガス供給マニホルド３２Ｂの中心とを左右方向に結ぶ線の中点のことをいう。
本例では、中心直線ＣＬから左側に離隔した位置における第１のサーペンタイン流路３４Ａの８つのＵ字状の折り返し部分と、中心直線ＣＬから右側に離隔した位置における第２のサーペンタイン流路３４Ｂの８つのＵ字状の折り返し部分と、が中心直線ＣＬを挟んで線対称に配置されている。また、中心直線ＣＬに近接した位置における第１のサーペンタイン流路３４Ａの７つのＵ字状の折り返し部分と、中心直線ＣＬに近接した位置における第２のサーペンタイン流路３４Ｂの７つのＵ字状の折り返し部分と、が中心直線ＣＬを挟んで線対称に配置されている。さらに、第１のサーペンタイン流路３４Ａの折り返し部分を結ぶ直線部分と、第２のサーペンタイン流路３４Ｂの折り返し部分を結ぶ直線部分と、が中心直線ＣＬを挟んで線対称に配置されている。このように、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００用のアノードセパレータ２６においては、アノードガス流路の分割構成を採用することで、このような分割構成を採用しない場合に比べて、アノードガス流路のＵ字状の折り返し部分を増やすことが可能になる。
図３Ａおよび図３Ｂに示すように、第１のアノードガス流路は、第１のアノードガス供給連絡路３３Ａにおいて、第１のアノードガス供給マニホルド３２Ａから上下方向に直線的に延伸した後、中心直線ＣＬ側に曲がり、その後、アノードガス排出マニホルド３６側に曲がった後、第１のサーペンタイン流路３４Ａのサーペンタイン形状が開始される。また、第２のアノードガス流路は、第２のアノードガス供給連絡路３３Ｂにおいて、第２のアノードガス供給マニホルド３２Ｂから上下方向に直線的に延伸した後、中心直線ＣＬ側に曲がり、その後、アノードガス排出マニホルド３６側に曲がった後、第２のサーペンタイン流路３４Ｂのサーペンタイン形状が開始される。
本例では、第１のアノードガス供給連絡路３３Ａおよび第２のアノードガス供給連絡路３３Ｂはそれぞれ、中心直線ＣＬとは離隔した位置に配された第１のアノードガス供給マニホルド３２Ａおよび第２のアノードガス供給マニホルド３２Ｂのそれぞれから、中心直線ＣＬに並行に延伸した後、中心直線ＣＬ側に近接するように、流路の向きが約９０°曲がっている。そして、第１のアノードガス供給連絡路３３Ａおよび第２のアノードガス供給連絡路３３Ｂはそれぞれ、中心直線ＣＬと近接した位置において、中心直線ＣＬに並行に延伸するように、流路の向きが再び約９０°曲がり、第１のサーペンタイン流路３４Ａおよび第２のサーペンタイン流路３４Ｂのそれぞれと接続している。
図３Ａおよび図３Ｃに示すように、第１のアノードガス流路および第２のアノードガス流路はそれぞれ、複数の流路を備え、かつ複数の流路は、下流で合流し、流路数が減少している。
本例では、第１のサーペンタイン流路３４Ａは、第１のアノードガス供給連絡路３３Ａに接続された６個の流路溝が下流で合流することで、第１のアノードガス排出連絡路３５Ａに接続された流路溝が半分（３個）に減少するように構成されている。また、第２のサーペンタイン流路３４Ｂは、第２のアノードガス供給連絡路３３Ｂに接続された６個の流路溝が下流で合流することで、第２のアノードガス排出連絡路３５Ｂに接続された流路溝が半分（３個）に減少するように構成されている。
なお、以上の電気化学式水素ポンプ１００用のアノードセパレータ２６、端板１５および端板１６の構成は例示であって、本例に限定されない。
例えば、上記では、アノードガス供給マニホルド３２の個数は２個であるが、これに限定されない。また、アノードガス供給マニホルド３２の流路断面は円形であるが、これにも限定されない。アノードガス供給マニホルド３２の個数および流路断面は、例えば、アノードガスの供給量などの電気化学式水素ポンプ１００の運転条件をもとに適宜の数および断面形状に設定することができる。
また、上記では、第１のサーペンタイン流路３４Ａおよび第２のサーペンタイン流路３４Ｂの流路数が、上流で６個であるが、これに限定されない。これらの流路数は、アノードガスの供給量などの電気化学式水素ポンプ１００の運転条件をもとに適宜の数に設定することができる。
また、上記では、第１のサーペンタイン流路３４Ａおよび第２のサーペンタイン流路３４Ｂの流路数が下流で半分（３個）になるように減少させているが、これに限定されない。例えば、第１のサーペンタイン流路３４Ａおよび第２のサーペンタイン流路３４Ｂの流路数を、第１のサーペンタイン流路３４Ａおよび第２のサーペンタイン流路３４Ｂをそれぞれ３つ以上の領域に分けて、複数回に亘って段階的に減少させてもよい。
本実施例の電気化学式水素ポンプ１００用のアノードセパレータ２６は、上記で説明した構成により、以下の様々な作用効果を奏することができる。
本実施例の電気化学式水素ポンプ１００用のアノードセパレータ２６は、電気化学式水素ポンプ１００の水素圧縮動作の効率を従来よりも向上させ得る。これは、以下の理由による。
まず、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００用のアノードセパレータ２６は、アノードガス流路の分割構成を採用することで、このような分割構成を採用しない場合に比べて、アノードガス流路の流路数を増やすことが可能となり、その結果、アノードガス供給における圧力損失が低減される。つまり、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００用のアノードセパレータ２６は、アノードセパレータ２６の表面にアノードガス流路を形成するために、アノードセパレータ２６をエッチングで溝加工する場合でも、以上のアノードガス流路の分割構成を採用することで、アノードガス流路における圧力損失の増加を適切に抑制することができる。これにより、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００用のアノードセパレータ２６は、アノードガス流路における圧力損失の増加に起因する、アノードガス供給装置の消費電力増加が抑制される。つまり、電気化学式水素ポンプ１００の水素圧縮動作の効率低下が抑制される。
また、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００用のアノードセパレータ２６は、電気化学セル１０のガス拡散性を従来よりも向上させ得る。これは、以下の理由による。
サーペンタイン形状のアノードガス流路におけるアノードガスの拡散現象を、数値シミュレーションにて解析した結果、アノードガス流路のＵ字状の折り返し部分においてアノードへのガス拡散性が向上することを確認した。
また、上記のガス拡散性能の向上は、アノードガス流路の折り返し部分を構成する両隣の流路間においてより顕著であることを上記数値シミュレーションによって確認した。これは、アノードガスがアノードガス流路の折り返し部を通過する抵抗よりも、アノードガスが折り返し部から流出して、アノードガス拡散層を介して隣接する折り返し部に流入する（ショートカットする）抵抗の方が小さいため、折り返し部分間においてアノードガスがアノードＡＮへとより多く供給されるからである。つまり、サーペンタイン形状のアノードガス流路において、折り返し部分が多くなる程、アノードセパレータ上のアノードガス流路からアノードＡＮに供給されるアノードガス量が増えるので、電気化学セル１０のガス拡散性が向上すると考えられる。このため、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００用のアノードセパレータ２６は、アノードガス流路の分割構成を採用することで、このような分割構成を採用しない場合に比べて、アノードガス流路の折り返し部分を増やすことが可能となり、その結果、電気化学セル１０のガス拡散性が向上する。
また、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００用のアノードセパレータ２６は、第１のアノードガス供給マニホルド３２Ａおよび第２のアノードガス供給マニホルド３２Ｂを設けることで、１つのアノードガス供給マニホルドが設けられる場合に比べて、アノードガス供給マニホルド３２における圧力損失の増加を抑制可能に構成することができる。
具体的には、電気化学式水素ポンプ１００は、電気化学セル１０の積層数が増えるほど、アノードガス供給マニホルド３２における圧力損失が増加する。これにより、電気化学セル１０のそれぞれに分配されるアノードガス供給量の均等性が損なわれ、電気化学セル１０のそれぞれにおけるアノードガス供給量の偏りが生じる可能性がある。そして、電気化学セル１０のそれぞれにおけるアノードガス供給量の偏りは、電気化学セル１０におけるアノードガス供給不足を招くことで、電気化学式水素ポンプ１００の水素圧縮動作の効率低下の一因となり得る。
ここで、上記構成により、複数のアノードガス供給マニホルド３２が設けられるので、アノードガス供給マニホルド３２における圧力損失の増加が抑制され、電気化学式水素ポンプ１００の水素圧縮動作の効率低下が抑制される。
また、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００用のアノードセパレータ２６は、第１のアノードガス供給マニホルド３２Ａおよび第２のアノードガス供給マニホルド３２Ｂの開口面積の合計を、１つのアノードガス排出マニホルド３６の開口面積よりも大きくすることで、前者の開口面積の合計を、後者の開口面積以下にする場合に比べて、アノードガス供給マニホルド３２における圧力損失の増加を抑制可能に構成することができる。
これにより、電気化学式水素ポンプ１００用のアノードセパレータ２６は、電気化学式水素ポンプ１００の水素圧縮動作の効率を従来よりも向上させ得る。具体的には、アノードガス供給マニホルド３２における圧力損失の増加に起因する、電気化学セル１０のそれぞれに分配されるアノードガス供給量の均等性悪化を軽減することができる。よって、電気化学セル１０のそれぞれにおけるアノードガス供給不足に陥ることが改善され、その結果、電気化学式水素ポンプ１００の水素圧縮動作の効率低下が抑制される。なお、アノードガス供給装置を用いて、アノードガス供給マニホルド３２にアノードガスが供給される場合は、アノードガス供給マニホルド３２における圧力損失の増加に起因する、アノードガス供給装置の消費電力上昇を抑制することもできる。
また、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００用のアノードセパレータ２６は、第１のアノードガス供給マニホルド３２Ａに接続された第１のアノードガス流路と、第２のアノードガス供給マニホルド３２Ｂに接続された第２のアノードガス流路とを、互いに交わることなくアノードガス排出マニホルド３６に接続することで、１つのアノードガス流路をアノードセパレータ２６内で敷設させる場合に比べて、アノードガス流路の流路長を短くすることができる。これにより、アノードガス流路における圧力損失を低減することができる。また、第１のアノードガス流路および第２のアノードガス流路のうちの一方が、水による流路閉塞（フラッディング）などが発生した場合であっても、他方の流路にはアノードガスを供給し続けることができる。
また、アノードガスが、アノードセパレータ２６の電極対向部Ｇ内のアノードガス流路を通過するとき、アノードガスの一部が電気化学セル１０の電気化学反応によってアノードＡＮからカソードＣＡに移動する。このため、アノードガス流路におけるアノードガスの流量は、アノードガスがアノードガス流路内を上流から下流に移動するに従って減少する。すると、アノードガス流路の流路断面積が上流側と下流側とで同一である場合、アノードガス流路のガス圧力は、上流側よりも下流で低下する。これにより、アノードガス流路の下流側において、アノードガス流路からアノードＡＮへのガスの供給圧が低下し、アノードガスがアノードＡＮに供給されにくくなる。そして、かかる現象は、電気化学セル１０のアノードガス流路の下流側におけるアノードガス供給不足を招くことで、電気化学式水素ポンプ１００の水素圧縮動作の効率低下の一因となり得る。
しかし、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００用のアノードセパレータ２６は、アノードガス流路の下流側において、複数の流路が合流して流路数を減少させることで、アノードガス流路の流路断面積が上流側に比べて下流側で小さくなるので、アノードガス流路のガス圧力を適切に維持可能に構成することができる。
また、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００用のアノードセパレータ２６は、第１のサーペンタイン流路３４Ａおよび第２のサーペンタイン流路３４Ｂのサーペンタイン形状が、中心直線ＣＬを挟んで線対称であることで、両者が中心直線ＣＬを挟んで非対称である場合に比べて、アノードセパレータの電極対向部Ｇにおいて、アノードガスをアノードＡＮに均一に供給させることができる。
また、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００用のアノードセパレータ２６は、第１のアノードガス流路および第２のアノードガス流路の一方、または、両方を中心直線ＣＬ側に寄せた後、サーペンタイン形状が開始されるので、アノードセパレータ２６の中心直線ＣＬ付近の電極対向部Ｇにおいて、アノードガス流路が敷設されていないデットスペースを低減することができる。これにより、アノードガスをアノードＡＮにより均一に供給させることができる。
また、第１のアノードガス流路および第２のアノードガス流路の一方、または、両方を中心直線ＣＬ側に寄せる構成を採用することで、第１のアノードガス供給マニホルド３２Ａおよび第２のアノードガス供給マニホルド３２Ｂ間を適切に離隔させることができる。これにより、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００用のアノードセパレータ２６は、図３Ａの一点鎖線で示す如く、第１のアノードガス供給マニホルド３２Ａおよび第２のアノードガス供給マニホルド３２Ｂのそれぞれの外周に環状にシール部材を配置しやすくなるので、第１のアノードガス供給マニホルド３２Ａおよび第２のアノードガス供給マニホルド３２Ｂのガスシール性を向上させやすくなる。
本実施例の電気化学式水素ポンプ１００用のアノードセパレータ２６は、上記特徴以外は、実施形態の電気化学式水素ポンプ１００用のアノードセパレータ２６と同様であってもよい。
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。
本開示の一態様は、電気化学式水素ポンプの水素圧縮動作の効率を従来よりも向上させ得る電気化学式水素ポンプ用アノードセパレータに利用することができる。
１０ ：電気化学セル
１１ ：給電板
１２ ：給電板
１３ ：絶縁板
１４ ：絶縁板
１５ ：端板
１６ ：端板
１７ ：締結器
２１ ：電解質膜
２２ ：カソード給電体
２３ ：カソード触媒層
２４ ：アノード触媒層
２５ ：アノード給電体
２６ ：アノードセパレータ
２７ ：カソードセパレータ
２８ ：絶縁体
３０ ：アノードガス導入流路
３１ ：アノードガス供給流路
３２ ：アノードガス供給マニホルド
３２Ａ ：第１のアノードガス供給マニホルド
３２Ｂ ：第２のアノードガス供給マニホルド
３３ ：アノードガス供給連絡路
３３Ａ ：第１のアノードガス供給連絡路
３３Ｂ ：第２のアノードガス供給連絡路
３４ ：サーペンタイン流路
３４Ａ ：第１のサーペンタイン流路
３４Ｂ ：第２のサーペンタイン流路
３５ ：アノードガス排出連絡路
３５Ａ ：第１のアノードガス排出連絡路
３５Ｂ ：第２のアノードガス排出連絡路
３６ ：アノードガス排出マニホルド
３７ ：アノードガス排出流路
３８ ：アノードガス導出流路
４０ ：カソードガス導出流路
４５ ：Ｏリング
５０ ：電圧印加器
１００ ：電気化学式水素ポンプ
２００Ｌ：第１の領域
２００Ｒ：第２の領域
３００ ：アノードガスの向き
ＡＮ ：アノード
ＣＡ ：カソード
ＣＬ ：中心直線
Ｇ ：電極対向部
ＩＮＡ ：アノード入口
ＩＮＢ ：アノード入口
Ｌ１ ：流路幅
Ｌ２ ：流路深さ
Ｗ ：振幅

Claims (14)

  1. 電気化学式水素ポンプに用いられる金属製のアノードセパレータであって、
    サーペンタイン形状の第１のアノードガス流路と、
    サーペンタイン形状の第２のアノードガス流路と、
    前記第１のアノードガス流路および前記第２のアノードガス流路のそれぞれから排出されるアノードガスが流入するアノードガス排出マニホルドと、を備え、
    前記第１のアノードガス流路および前記第２のアノードガス流路は、前記アノードガス排出マニホルドに流入するアノードガスの向きと平行な所定の線により区切られる第１の領域および第２の領域にそれぞれ設けられている、電気化学式水素ポンプ用アノードセパレータ。
  2. 前記第１のアノードガス流路に流入するアノードガスが流れる第１のアノードガス供給マニホルドと、前記第２のアノードガス流路に流入するアノードガスが流れる第２のアノードガス供給マニホルドと、を備える、請求項１に記載の電気化学式水素ポンプ用アノードセパレータ。
  3. 前記第１のアノードガス流路の第１のアノード入口と、前記第２のアノードガス流路の第２のアノード入口とは、隣り合っている、請求項２に記載の電気化学式水素ポンプ用アノードセパレータ。
  4. 前記第１のアノードガス供給マニホルドの開口面積と前記第２のアノードガス供給マニホルドの開口面積との合計は、前記アノードガス排出マニホルドの開口面積よりも大きい、請求項２に記載の電気化学式水素ポンプ用アノードセパレータ。
  5. 前記第１のアノードガス流路と、前記第２のアノードガス流路とは、互いに交わることなく前記アノードガス排出マニホルドに接続されている、請求項１―４のいずれか１項に記載の電気化学式水素ポンプ用アノードセパレータ。
  6. 前記第１のアノードガス流路および前記第２のアノードガス流路は共に、アノード入口から内部に進むに連れ、サーペンタイン形状の振幅の大きさが大きくなり、内部からアノード出口に進むに連れ、サーペンタイン形状の振幅の大きさが小さくなる、請求項１－５のいずれか１項に記載の電気化学式水素ポンプ用アノードセパレータ。
  7. 前記第１のアノードガス流路は、複数の流路を備え、かつ前記複数の流路は、下流で合流し、流路数が減少している、請求項１－６のいずれか１項に記載の電気化学式水素ポンプ用アノードセパレータ。
  8. 前記第２のアノードガス流路は、複数の流路を備え、かつ前記複数の流路は、下流で合流し、流路数が減少している、請求項１－７のいずれか１項に記載の電気化学式水素ポンプ用アノードセパレータ。
  9. 前記所定の線は、前記第１のアノードガス供給マニホルドおよび前記第２のアノードガス供給マニホルドの中点と前記アノードガス排出マニホルドの中心とを結ぶ線である、請求項２－４のいずれか１項に記載の電気化学式水素ポンプ用アノードセパレータ。
  10. 前記サーペンタイン形状は、前記所定の線を挟んで線対称である、請求項１－９のいずれか１項に記載の電気化学式水素ポンプ用アノードセパレータ。
  11. 前記第１のアノードガス流路は、前記第１のアノードガス供給マニホルドから直線的に延伸した後、前記第１のアノードガス供給マニホルドおよび前記第２のアノードガス供給マニホルドの中点と前記アノードガス排出マニホルドの中心とを結ぶ線側に曲がり、その後、前記アノードガス排出マニホルド側に曲がった後、前記第１のアノードガス流路のサーペンタイン形状が開始される、請求項２－４のいずれか１項に記載の電気化学式水素ポンプ用アノードセパレータ。
  12. 前記第２のアノードガス流路は、前記第２のアノードガス供給マニホルドから直線的に延伸した後、前記第１のアノードガス供給マニホルドおよび前記第２のアノードガス供給マニホルドの中点と前記アノードガス排出マニホルドの中心とを結ぶ線側に曲がり、その後、前記アノードガス排出マニホルド側に曲がった後、前記第２のアノードガス流路のサーペンタイン形状が開始される、請求項２－４のいずれか１項に記載の電気化学式水素ポンプ用アノードセパレータ。
  13. 前記第１のアノードガス流路および前記第２のアノードガス流路のそれぞれの流路幅に対する流路深さの比は、共に０．５以下である、請求項１－１２のいずれか１項に記載の電気化学式水素ポンプ用アノードセパレータ。
  14. 電解質膜と、
    前記電解質膜の一方の主面に設けられた、アノードと、
    前記電解質膜の他方の主面に設けられた、カソードと、
    前記アノード上に設けられた、請求項１－１３のいずれか１項に記載の電気化学式水素ポンプ用アノードセパレータと、
    前記アノードおよび前記カソード間に電圧を印加する電圧印加器と、を備え、
    前記電圧印加器により前記電圧を印加することで、前記アノード上に供給されたアノードガスから取り出されたプロトンを、前記電解質膜を介して、前記カソード上に移動させ、圧縮された水素を生成する、電気化学式水素ポンプ。
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