JP7135147B1 - 電気化学式水素ポンプ - Google Patents
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Abstract
【課題】電解質膜の乾燥を効果的に抑えることができる電気化学式水素ポンプを提供する。【解決手段】電気化学式水素ポンプ１０の電気化学セル１２は、アノード電極５２とアノードセパレータ３８との間に設けられて水素ガス流路６６が形成された第１流路部材４２と、アノード電極５２と第１流路部材４２との間に設けられて水路８４が形成された第２流路部材４４と、を備え、第１流路部材４２と第２流路部材４４との間には、第１多孔質部材１１０が設けられ、第２流路部材４４とアノード電極５２との間には、第２多孔質部材１１４が設けられている。【選択図】図３
Description
本発明は、電気化学式水素ポンプに関する。
例えば、特許文献１には、水を電気分解して高圧な水素を発生させる差圧式高圧水電解装置が開示されている。差圧式高圧水電解装置は、電解質膜の両側にアノード電極及びカソード電極が配設されてなる電解質膜・電極構造体と、電解質膜・電極構造体の両側に配設されたアノードセパレータ及びカソードセパレータとを有する電気化学セルを備える。
この種の電気化学セルは、アノード電極に供給された水素ガス中の水素イオン（プロトン）を、電解質膜を介してカソード電極に移動させて当該カソード電極に高圧の水素ガスを発生させる電気化学式水素ポンプにも用いられる。
電気化学式水素ポンプにおいて、電解質膜には、抵抗の増大を防ぐためにある程度の水分が含まれている必要がある。そのため、電気化学式水素ポンプには、バブラー等の加湿装置で水分（水蒸気）が添加された水素ガスが配管を介して導入される。しかしながら、配管を流通する水素ガス中の水分が配管に結露した場合、電解質膜が乾燥し易くなる。
本発明は、このような課題を考慮してなされたものであり、電解質膜の乾燥を効果的に抑えることができる電気化学式水素ポンプを提供することを目的とする。
本発明の一態様は、水素イオン伝導性を有する電解質膜をアノード電極及びカソード電極で挟持する電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の両側に配設されたアノードセパレータ及びカソードセパレータと、を有する電気化学セルを備え、前記アノード電極に供給された水素ガスを電気化学的に昇圧して前記カソード電極に前記水素ガスよりも高圧の水素ガスを発生させる電気化学式水素ポンプであって、前記電気化学セルは、前記アノード電極と前記アノードセパレータとの間に設けられて前記水素ガスを前記アノード電極に導くための水素ガス流路が形成された第１流路部材と、前記アノード電極と前記第１流路部材との間に設けられて前記水素ガスを加湿するとともに前記電解質膜を冷却するための液水が流通する水路が形成された第２流路部材と、を備え、前記第１流路部材と前記第２流路部材との間には、前記水素ガス流路から前記水路への前記水素ガスの流通を許可するとともに前記液水の流通を阻止する第１多孔質部材が設けられ、前記第２流路部材と前記アノード電極との間には、前記水路から前記水素ガス及び水蒸気の流通を許可するとともに前記液水の流通を阻止する第２多孔質部材が設けられている、電気化学式水素ポンプである。
本発明によれば、電気化学セルの水素ガス流路に供給された水素ガスは、第１多孔質部材を介して水路に導入されて水路を流通する液水によって加湿される。そして、加湿された水素ガス（水蒸気を含む水素ガス）は、第２多孔質部材を介してアノード電極に導かれ、電解質膜を加湿する。つまり、水素ガスは、電気化学セルの内部で加湿される。そのため、電気化学式水素ポンプの外側の配管での結露（水分不足）による電解質膜の乾燥を抑えることができる。
また、電気化学セルの運転中に発熱する電解質膜を水路の液水によって冷却することができる。そのため、電解質膜の温度が過度に高くなり当該電解質膜が乾燥することを抑えることができる。さらに、電解質膜の温度が高くなるほど液水の温度が上昇して蒸発量（水蒸気量）が多くなるため、電解質膜の乾燥を効果的に抑えることができる。
以下、本発明に係る電気化学式水素ポンプについて好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら説明する。
図１及び図２に示すように、本発明の一実施形態に係る電気化学式水素ポンプ１０は、図示しない水素タンク等から外部配管を介して供給された低圧の水素ガスを電気化学的に高圧の水素ガスに昇圧する昇圧装置である。
電気化学式水素ポンプ１０は、電気化学セル１２が厚さ方向に複数積層されてなるセル積層体１４と、セル積層体１４の一端に設けられた第１エンドプレート１６ａと、セル積層体１４の他端に設けられた第２エンドプレート１６ｂとを備える。第１エンドプレート１６ａと第２エンドプレート１６ｂとは、図示しない複数のボルトで締結されている。これにより、セル積層体１４には、第１エンドプレート１６ａと第２エンドプレート１６ｂとによって締付荷重が付与される。セル積層体１４には、各電気化学セル１２に電気を供給するための図示しない電源装置が接続されている。
セル積層体１４、第１エンドプレート１６ａ及び第２エンドプレート１６ｂは、複数の電気化学セル１２の積層方向から見て円形状に形成されている（図２参照）。セル積層体１４の側方には、水素ガス入口部２０ａ、水素ガス出口部２０ｂ、水入口部２２ａ及び水出口部２２ｂが設けられている。
水素ガス入口部２０ａには、図示しない外部配管から水素ガスが導入される水素ガス入口ポート２４ａと、水素ガス入口ポート２４ａから導かれた水素ガスを各電気化学セル１２に分配する水素ガス分配流路２６ａとが設けられている。水素ガス出口部２０ｂには、各電気化学セル１２の水素ガス（未反応の水素ガス）が導出される水素ガス集合流路２６ｂと、水素ガス集合流路２６ｂの水素ガスを図示しない外部配管に導出する水素ガス出口ポート２４ｂとが設けられている。水素ガス入口部２０ａは、水素ガス出口部２０ｂに対してセル積層体１４の周方向に１８０°ずれた位置に設けられている。
水入口部２２ａには、図示しない外部配管から液水が導入される水入口ポート２８ａと、水入口ポート２８ａから導かれた液水を各電気化学セル１２に分配する水分配流路３０ａとが設けられている。水出口部２２ｂには、各電気化学セル１２を流通した液水が導出される水集合流路３０ｂと、水集合流路３０ｂの液水を図示しない外部配管に導出する水出口ポート２８ｂとが設けられている。水入口部２２ａは、水出口部２２ｂに対してセル積層体１４の周方向に１８０°ずれた位置に設けられている。具体的に、水素ガス入口部２０ａ、水素ガス出口部２０ｂ、水入口部２２ａ及び水出口部２２ｂは、セル積層体１４の周方向に９０°ずつ位置をずらして配置されている（図２参照）。
各電気化学セル１２の中央部には、各電気化学セル１２で発生した高圧の水素ガスを導出させるための水素ガス連通孔３２が形成されている（図１参照）。第２エンドプレート１６ｂの中央部には、水素ガス連通孔３２に連通する導出ポート３４が形成されている。
図３に示すように、電気化学セル１２は、電解質膜・電極構造体（以下、ＭＥＡ３６という）、アノードセパレータ３８、カソードセパレータ４０、第１流路部材４２、第２流路部材４４、第１中間部材４６及び第２中間部材４８を備える。ＭＥＡ３６は、電解質膜５０と、電解質膜５０の一方の面５０ａに設けられたアノード電極５２と、電解質膜５０の他方の面５０ｂに設けられたカソード電極５４とを有する。ＭＥＡ３６は、アノード電極５２に供給された水素ガスを電気化学的に昇圧してカソード電極５４に高圧の水素ガスを発生させる。
電解質膜５０は、水素イオン伝導性（プロトン伝導性）を有する。電解質膜５０は、例えば、固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜）である。固体高分子電解質膜は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜である。電解質膜５０は、アノード電極５２及びカソード電極５４に挟持される。電解質膜５０は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質を使用することができる。
アノード電極５２は、電解質膜５０の一方の面５０ａに接合されたアノード電極触媒層５６と、アノード電極触媒層５６に積層されたアノード給電体５８とを有する。アノード電極触媒層５６は、例えば、白金等の触媒粒子を担持したカーボン多孔質体で構成される。アノード給電体５８は、アノード電極触媒層５６に水素ガスを供給するためのガス拡散層を兼ねている。
カソード電極５４は、電解質膜５０の他方の面５０ｂに接合されたカソード電極触媒層６０と、カソード電極触媒層６０に積層されたカソード給電体６２とを有する。カソード電極触媒層６０は、例えば、アノード電極触媒層５６と同様に構成される。カソード給電体６２は、カソード電極触媒層６０で発生した高圧の水素ガスを後述する導出流路６４に導出するためのガス拡散層を兼ねている。
アノードセパレータ３８及びカソードセパレータ４０は、ＭＥＡ３６の両側に配設されている。アノードセパレータ３８及びカソードセパレータ４０は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、メッキ処理鋼板、或いはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板をプレス成形して形成される。また、アノードセパレータ３８及びカソードセパレータ４０は、カーボン部材等で形成してもよい。
アノードセパレータ３８の中央部には、水素ガス連通孔３２が形成されている（図４参照）。なお、詳細な図示は省略するが、水素ガス連通孔３２は、ＭＥＡ３６及びカソードセパレータ４０にも形成されている。カソードセパレータ４０のうちＭＥＡ３６に向かう面には、カソード電極５４で発生した高圧の水素ガスを水素ガス連通孔３２に導くための導出流路６４が形成されている。
図３及び図４に示すように、第１流路部材４２は、アノード電極５２とアノードセパレータ３８との間に設けられて水素ガスをアノード電極５２に導くための水素ガス流路６６が形成されている。
第１流路部材４２は、円形状の水素流路部材６８と、水素流路部材６８を支持する円環状の水素枠部材７０とを有する。水素流路部材６８の中央部には、水素ガス連通孔３２が形成されている（図４参照）。水素流路部材６８のうちアノードセパレータ３８側（矢印Ａ１方向）の面には、直線状に延在する複数の水素ガス流路溝７２と、複数の水素ガス流路溝７２の一端に繋がる水素ガス導入凹部７４と、複数の水素ガス流路溝７２の他端に繋がる水素ガス導出凹部７６とが形成されている。
水素ガス流路溝７２は、水素ガス連通孔３２に対して連通していない（図４参照）。各水素ガス流路溝７２の溝底面には、水素ガス流路溝７２を流通する水素ガスをＭＥＡ３６側（矢印Ａ２方向）に導くための複数の第１貫通孔７８が形成されている。複数の第１貫通孔７８は、水素ガス流路溝７２の延在方向に間隔を空けて設けられている。
図４において、水素枠部材７０のうちアノードセパレータ３８側（矢印Ａ１方向）の面には、水素ガス分配流路２６ａ（図１参照）と水素ガス導入凹部７４とを互いに連通する水素ガス導入接続溝８０と、水素ガス導出凹部７６の水素ガスを水素ガス集合流路２６ｂ（図１参照）に導く水素ガス導出接続溝８２とが形成されている。水素ガス導入接続溝８０は、水素ガス導出接続溝８２に対して水素枠部材７０の周方向に１８０°ずれて位置している。水素ガス流路６６は、水素ガス導入接続溝８０、水素ガス導入凹部７４、水素ガス流路溝７２、第１貫通孔７８、水素ガス導出凹部７６及び水素ガス導出接続溝８２を含む。
図３及び図４に示すように、第２流路部材４４は、アノード電極５２と第１流路部材４２との間に設けられて水素ガスを加湿するとともに電解質膜５０を冷却するための液水（冷却水）が流通する水路８４が形成されている。
第２流路部材４４は、円形状の第１水路部材８６と、第１水路部材８６を支持する円環状の第１水枠部材８８と、円形状の第２水路部材９０と、第２水路部材９０を支持する円環状の第２水枠部材９２とを有する。第１水路部材８６の中央部には、水素ガス連通孔３２が形成されている（図４参照）。
第１水路部材８６のうちアノードセパレータ３８とは反対側（矢印Ａ２方向）の面には、直線状に延在する複数の第１水流通溝９４ａと、複数の第１水流通溝９４ａの一端に繋がる第１水導入凹部９６ａと、複数の第１水流通溝９４ａの他端に繋がる第１水導出凹部９８ａとが形成されている。複数の第１水流通溝９４ａは、水素ガス流路溝７２の幅方向（水素ガス流路溝７２の延在方向と積層方向とに直交する方向）に延在している。
第１水流通溝９４ａは、水素ガス連通孔３２に連通していない（図４参照）。各第１水流通溝９４ａの溝底面には、第１貫通孔７８を流通した水素ガスを矢印Ａ２方向に導くための複数の第２貫通孔１００が形成されている。複数の第２貫通孔１００は、第１水流通溝９４ａの延在方向に間隔を空けて設けられている。複数の第２貫通孔１００は、積層方向から見て複数の第１貫通孔７８に重なる。
図４において、第１水枠部材８８のうちアノードセパレータ３８とは反対側（矢印Ａ２方向）の面には、第１水導入凹部９６ａに連通する第１水導入接続溝１０２ａと、第１水導出凹部９８ａに連通する第１水導出接続溝１０４ａとが形成されている。第１水導入接続溝１０２ａは、第１水導出接続溝１０４ａに対して第１水枠部材８８の周方向に１８０°ずれて位置している。
図３及び図４に示すように、第２水路部材９０及び第２水枠部材９２は、第１水路部材８６及び第１水枠部材８８よりも矢印Ａ２方向に位置するとともに第１水路部材８６及び第１水枠部材８８を上下反転させた形状を有する。すなわち、第２水路部材９０の中央部には、水素ガス連通孔３２が形成されている（図４参照）。第２水路部材９０のアノードセパレータ３８側（矢印Ａ１方向）の面には、直線状に延在する複数の第２水流通溝９４ｂと、複数の第２水流通溝９４ｂの一端に繋がる第２水導入凹部９６ｂと、複数の第２水流通溝９４ｂの他端に繋がる第２水導出凹部９８ｂとが形成されている。
複数の第２水流通溝９４ｂは、第１水流通溝９４ａの延在方向に沿って延在している。複数の第２水流通溝９４ｂは、積層方向から見て複数の第１水流通溝９４ａに重なる。換言すれば、第２水流通溝９４ｂは、第１水流通溝９４ａに対して積層方向（第２流路部材４４の厚さ方向）に連通している。つまり、第１水流通溝９４ａと第２水流通溝９４ｂとは、互いに連通して１つの水流通孔９４を形成している。
第２水流通溝９４ｂは、水素ガス連通孔３２に連通していない（図４参照）。各第２水流通溝９４ｂの溝底面には、第２貫通孔１００を流通した水素ガス及び水蒸気を矢印Ａ２方向に導くための複数の第３貫通孔１０６が形成されている。複数の第３貫通孔１０６は、第２水流通溝９４ｂの延在方向に間隔を空けて設けられている。複数の第３貫通孔１０６は、積層方向から見て複数の第２貫通孔１００に重なる。
第２水導入凹部９６ｂは、第１水導入凹部９６ａに対して積層方向（第２流路部材４４の厚さ方向）に連通している。つまり、第１水導入凹部９６ａと第２水導入凹部９６ｂとは、互いに連通して１つの水導入孔９６を形成している。
第２水導出凹部９８ｂは、第１水導出凹部９８ａに対して積層方向（第２流路部材４４の厚さ方向）に連通している。つまり、第１水導出凹部９８ａと第２水導出凹部９８ｂとは、互いに連通して１つの水導出孔９８を形成している。
図４において、第２水枠部材９２のうちアノードセパレータ３８側（矢印Ａ１方向）の面には、第２水導入凹部９６ｂに連通する第２水導入接続溝１０２ｂと、第２水導出凹部９８ｂに連通する第２水導出接続溝１０４ｂとが形成されている。
第２水導入接続溝１０２ｂは、第１水導入接続溝１０２ａに対して積層方向（第２流路部材４４の厚さ方向）に連通している。つまり、第１水導入接続溝１０２ａと第２水導入接続溝１０２ｂとは、互いに連通して１つの水導入接続孔１０２を形成している。水導入接続孔１０２は、水分配流路３０ａ（図１参照）に連通している。
第２水導出接続溝１０４ｂは、第１水導出接続溝１０４ａに対して積層方向（第２流路部材４４の厚さ方向）に連通している。つまり、第１水導出接続溝１０４ａと第２水導出接続溝１０４ｂとは、互いに連通して１つの水導出接続孔１０４を形成している。水導出接続孔１０４は、水集合流路３０ｂに連通している。第２流路部材４４の水路８４は、水導入接続孔１０２、水導入孔９６、水流通孔９４、水導出孔９８及び水導出接続孔１０４を含む。
図３及び図４において、第１水導出凹部９８ａ及び第２水導出凹部９８ｂには、水路８４（水流通孔９４）よりも下流側への水素ガスの流通を阻止するとともに液水の流通を許可するガス流通阻止部材１０８が設けられている。ガス流通阻止部材１０８は、第１水路部材８６と第２水路部材９０とによって挟持されている。このように、ガス流通阻止部材１０８を第１水導出凹部９８ａ及び第２水導出凹部９８ｂに設けることにより、ガス流通阻止部材１０８が水路８４の下流側に液水によって押し流されることが防止される。ガス流通阻止部材１０８は、多孔質体である。ガス流通阻止部材１０８は、例えば、酸化グラフェンにより構成される。ただし、ガス流通阻止部材１０８の構成材料は、適宜選択可能である。
ガス流通阻止部材１０８は、水流通孔９４よりも下流側に位置している。換言すれば、ガス流通阻止部材１０８は、最も下流側に位置する第３貫通孔１０６の下流側の近傍に位置している。ただし、ガス流通阻止部材１０８は、最も下流側に位置する第３貫通孔１０６よりも上流側に位置してもよい。換言すれば、ガス流通阻止部材１０８は、水流通孔９４に位置してもよい。
第１中間部材４６は、第１流路部材４２と第２流路部材４４との間に設けられている。第１中間部材４６は、円形状の第１多孔質部材１１０と、第１多孔質部材１１０を支持する円環状の第１支持枠部材１１２とを有する。第１多孔質部材１１０の中央部には、水素ガス連通孔３２が形成されている（図４参照）。
第１多孔質部材１１０は、全ての第１貫通孔７８を矢印Ａ２方向から覆うとともに全ての第２貫通孔１００を矢印Ａ１方向から覆うように設けられている。つまり、第１貫通孔７８と第２貫通孔１００との間には、第１多孔質部材１１０が介在されている。
第１多孔質部材１１０は、厚さ方向への液水の流通を阻止するとともに厚さ方向への水素ガスの流通を許可する。つまり、第１多孔質部材１１０は、水素ガス流路６６（第１貫通孔７８）から水路８４（第２貫通孔１００）への水素ガスの流通を許可するとともに水路８４から水素ガス流路６６への液水の流通を阻止する。第１多孔質部材１１０は、撥水性を有する。第１多孔質部材１１０は、例えば、ポリテトラフルオロエチレンにより構成された膜部材である。ただし、第１多孔質部材１１０の構成材料は、適宜選択可能である。
第２中間部材４８は、アノード電極５２と第２流路部材４４との間に設けられている。第２中間部材４８は、第１中間部材４６と同様に形成されている。具体的に、第２中間部材４８は、円形状の第２多孔質部材１１４と、第２多孔質部材１１４を支持する円環状の第２支持枠部材１１６とを有する。第２多孔質部材１１４の中央部には、水素ガス連通孔３２が形成されている（図４参照）。
第２多孔質部材１１４は、全ての第３貫通孔１０６を矢印Ａ２方向から覆うように設けられている。つまり、第３貫通孔１０６とアノード給電体５８との間には、第２多孔質部材１１４が介在されている。
第２多孔質部材１１４の厚さＤ２は、第１多孔質部材１１０の厚さＤ１よりも厚い。第２多孔質部材１１４は、厚さ方向に弾性変形可能に形成されている。つまり、第２多孔質部材１１４は、電解質膜５０が発熱することにより厚さ方向に膨張した際のクッション材としても機能する。
第２多孔質部材１１４は、厚さ方向への液水の流通を阻止するとともに厚さ方向への水素ガス及び水蒸気の流通を許可する。つまり、第２多孔質部材１１４は、水路８４（第３貫通孔１０６）からアノード給電体５８（ガス拡散層）への水素ガス及び水蒸気の流通を許可するとともに水路８４（第３貫通孔１０６）からアノード給電体５８への液水の流通を阻止する。第２多孔質部材１１４は、撥水性を有する。第２多孔質部材１１４は、例えば、ポリテトラフルオロエチレンにより構成された膜部材である。ただし、第２多孔質部材１１４の構成材料は、適宜選択可能である。
このように構成される電気化学式水素ポンプ１０は、以下のように動作する。
図１及び図２において、電気化学式水素ポンプ１０には、図示しない外部配管から液水（冷却水）及び水素ガスが供給される。電気化学式水素ポンプ１０において、液水は、水入口ポート２８ａから水分配流路３０ａを介して各電気化学セル１２に導入される。電気化学式水素ポンプ１０において、水素ガスは、水素ガス入口ポート２４ａから水素ガス分配流路２６ａを介して各電気化学セル１２に導入される。
図３及び図４に示すように、電気化学セル１２において、液水は、第２流路部材４４の水路８４（水導入接続孔１０２、水導入孔９６、水流通孔９４、水導出孔９８及び水導出接続孔１０４）を流通する。なお、水路８４を流通する液水は、水路８４が第１多孔質部材１１０によって水素ガス流路６６に対して仕切られているため水素ガス流路６６に流入することはない。
また、水路８４を流通する液水は、水路８４が第２多孔質部材１１４によってアノード給電体５８に対して仕切られているためアノード給電体５８に流入することはない。さらに、水路８４を流通する液水は、ガス流通阻止部材１０８を下流側に通過する。そして、図１及び図２において、第２流路部材４４の水路８４を流通した液水は、水集合流路３０ｂで集められて水出口ポート２８ｂを介して図示しない外部配管に導出される。電気化学式水素ポンプ１０の外側に導出された液水は、水入口ポート２８ａに再び流入して再利用される。
一方、図３及び図４に示すように、電気化学セル１２において、水素ガスは、第１流路部材４２の水素ガス流路６６（水素ガス導入接続溝８０、水素ガス導入凹部７４、水素ガス流路溝７２、水素ガス導出凹部７６及び水素ガス導出接続溝８２）を流通する。この際、水素ガス流路溝７２を流通する水素ガスは、第１多孔質部材１１０を介して水路８４（水流通孔９４）に流入する。水流通孔９４に流入した水素ガスは、水流通孔９４を流通する液水によって加湿された状態で第２多孔質部材１１４を通りアノード電極５２（アノード電極触媒層５６）に供給される。これにより、アノード電極触媒層５６には、水蒸気を含む水素ガスが供給される。
水流通孔９４を流通する水素ガスは、ガス流通阻止部材１０８よりも下流側に液水によって流されることはない。そのため、水流通孔９４を流通する水素ガスは、アノード電極５２に効率的に導かれる。
そして、図示しない電源装置によりアノード給電体５８とカソード給電体６２とに電圧が付与されると、アノード電極触媒層５６では、供給された水素ガスが電気化学反応によりプロトン（水素イオン）に変換される。アノード電極触媒層５６で発生したプロトンは、電解質膜５０の内部を通りカソード電極触媒層６０に導かれる。カソード電極触媒層６０では、電解質膜５０から導かれたプロトンが電気化学反応により高圧の水素ガスに変換される。カソード電極触媒層６０で発生した高圧の水素ガスは、カソード給電体６２を通り導出流路６４に導かれる。導出流路６４に導かれた高圧の水素ガスは、水素ガス連通孔３２及び導出ポート３４を介して図示しない外部配管に導出される（図１参照）。
図１において、第１流路部材４２の水素ガス流路６６を流通した未反応の水素ガス（アノード電極触媒層５６で消費されなかった水素ガス）は、水素ガス集合流路２６ｂで集められて水素ガス出口ポート２４ｂを介して図示しない外部配管に導出される。電気化学式水素ポンプ１０の外側に導出された未反応の水素ガス（低圧）は、水素ガス入口ポート２４ａに再び流入して再利用される。
本実施形態は、以下の効果を奏する。
本実施形態によれば、電気化学セル１２の水素ガス流路６６に供給された水素ガスは、第１多孔質部材１１０を介して水路８４に導かれて水路８４を流通する液水によって加湿される。そして、加湿された水素ガス（水蒸気を含む水素ガス）は、第２多孔質部材１１４を介してアノード電極５２に導かれる。すなわち、水素ガスは、電気化学セル１２の内部で加湿される。そのため、電気化学式水素ポンプ１０の外側の配管での結露（水分不足）による電解質膜５０の乾燥を抑えることができる。
また、電気化学セル１２の運転中に発熱する電解質膜５０を水路８４の液水によって冷却することができる。そのため、電解質膜５０の温度が過度に高くなり当該電解質膜５０が乾燥することを抑えることができる。さらに、電解質膜５０の温度が高くなるほど液水の温度が上昇して蒸発量（水蒸気量）が多くなるため、電解質膜５０の乾燥を効果的に抑えることができる。
第１多孔質部材１１０及び第２多孔質部材１１４は、撥水性を有する。
このような構成によれば、水路８４を流通する液水が第１多孔質部材１１０及び第２多孔質部材１１４を厚さ方向に通過することを効果的に抑えることができる。
第２多孔質部材１１４は、ＭＥＡ３６の積層方向に弾性変形可能に形成されている。
このような構成によれば、電気化学式水素ポンプ１０の昇圧時又は脱圧時にアノード電極５２側に作用する荷重変動を第２多孔質部材１１４によって効果的に受けることができる。また、電解質膜５０が発熱により積層方向に膨張した場合であっても、第２多孔質部材１１４をクッション材として機能させることができる。これにより、アノード給電体５８、第１流路部材４２及び第２流路部材４４の薄肉化を図ることができる。さらに、複数の電気化学セル１２を積層してセル積層体１４を形成する際に、第２多孔質部材１１４によって積層方向の公差変動を吸収することができる。この場合、電気化学セル１２の構成部材の積層方向の寸法公差を広く設定することが可能になるため、電気化学式水素ポンプ１０の製造工数の削減を図ることができる。
第２多孔質部材１１４の積層方向の厚さＤ２は、第１多孔質部材１１０の積層方向の厚さＤ１よりも厚い。
このような構成によれば、第２多孔質部材１１４のクッション材としての機能を高めることができる。
水路８４には、当該水路８４よりも下流側への水素ガスの流通を阻止するとともに液水の流通を許可するガス流通阻止部材１０８が設けられている。
このような構成によれば、水素ガスが液水によって水路８４よりも下流側に流されることを防止できるため、水路８４を流通して加湿された水素ガスをアノード電極５２に効率的に導くことができる。
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改変が可能である。
以上の実施形態をまとめると、以下のようになる。
上記実施形態は、水素イオン伝導性を有する電解質膜（５０）をアノード電極（５２）及びカソード電極（５４）で挟持する電解質膜・電極構造体（３６）と、前記電解質膜・電極構造体の両側に配設されたアノードセパレータ（３８）及びカソードセパレータ（４０）と、を有する電気化学セル（１２）を備え、前記アノード電極に供給された水素ガスを電気化学的に昇圧して前記カソード電極に前記水素ガスよりも高圧の水素ガスを発生させる電気化学式水素ポンプ（１０）であって、前記電気化学セルは、前記アノード電極と前記アノードセパレータとの間に設けられて前記水素ガスを前記アノード電極に導くための水素ガス流路（６６）が形成された第１流路部材（４２）と、前記アノード電極と前記第１流路部材との間に設けられて前記水素ガスを加湿するとともに前記電解質膜を冷却するための液水が流通する水路（８４）が形成された第２流路部材（４４）と、を備え、前記第１流路部材と前記第２流路部材との間には、前記水素ガス流路から前記水路への前記水素ガスの流通を許可するとともに前記液水の流通を阻止する第１多孔質部材（１１０）が設けられ、前記第２流路部材と前記アノード電極との間には、前記水路から前記水素ガス及び水蒸気の流通を許可するとともに前記液水の流通を阻止する第２多孔質部材（１１４）が設けられている、電気化学式水素ポンプを開示している。
上記の電気化学式水素ポンプにおいて、前記第１多孔質部材及び前記第２多孔質部材は、撥水性を有してもよい。
上記の電気化学式水素ポンプにおいて、前記第１多孔質部材及び前記第２多孔質部材は、ポリテトラフルオロエチレンにより構成されてもよい。
上記の電気化学式水素ポンプにおいて、前記第２多孔質部材は、前記電解質膜・電極構造体の積層方向に弾性変形可能に形成されてもよい。
上記の電気化学式水素ポンプにおいて、前記第２多孔質部材の積層方向の厚さは、前記第１多孔質部材の積層方向の厚さよりも厚くてもよい。
上記の電気化学式水素ポンプにおいて、前記水路には、当該水路よりも下流側への前記水素ガスの流通を阻止するとともに前記液水の流通を許可するガス流通阻止部材（１０８）が設けられてもよい。
上記の電気化学式水素ポンプにおいて、前記ガス流通阻止部材は、酸化グラフェンにより構成されてもよい。
１０…電気化学式水素ポンプ １２…電気化学セル
３６…ＭＥＡ（電解質膜・電極構造体） ３８…アノードセパレータ
４０…カソードセパレータ ４２…第１流路部材
４４…第２流路部材 ５０…電解質膜
５２…アノード電極 ５４…カソード電極
６６…水素ガス流路 ８４…水路
１０８…ガス流通阻止部材 １１０…第１多孔質部材
１１４…第２多孔質部材
３６…ＭＥＡ（電解質膜・電極構造体） ３８…アノードセパレータ
４０…カソードセパレータ ４２…第１流路部材
４４…第２流路部材 ５０…電解質膜
５２…アノード電極 ５４…カソード電極
６６…水素ガス流路 ８４…水路
１０８…ガス流通阻止部材 １１０…第１多孔質部材
１１４…第２多孔質部材
Claims (7)
- 水素イオン伝導性を有する電解質膜をアノード電極及びカソード電極で挟持する電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の両側に配設されたアノードセパレータ及びカソードセパレータと、を有する電気化学セルを備え、前記アノード電極に供給された水素ガスを電気化学的に昇圧して前記カソード電極に前記水素ガスよりも高圧の水素ガスを発生させる電気化学式水素ポンプであって、
前記電気化学セルは、
前記アノード電極と前記アノードセパレータとの間に設けられて前記水素ガスを前記アノード電極に導くための水素ガス流路が形成された第１流路部材と、
前記アノード電極と前記第１流路部材との間に設けられて前記水素ガスを加湿するとともに前記電解質膜を冷却するための液水が流通する水路が形成された第２流路部材と、を備え、
前記第１流路部材と前記第２流路部材との間には、前記水素ガス流路から前記水路への前記水素ガスの流通を許可するとともに前記液水の流通を阻止する第１多孔質部材が設けられ、
前記第２流路部材と前記アノード電極との間には、前記水路から前記水素ガス及び水蒸気の流通を許可するとともに前記液水の流通を阻止する第２多孔質部材が設けられている、電気化学式水素ポンプ。 - 請求項１記載の電気化学式水素ポンプであって、
前記第１多孔質部材及び前記第２多孔質部材は、撥水性を有する、電気化学式水素ポンプ。 - 請求項２記載の電気化学式水素ポンプであって、
前記第１多孔質部材及び前記第２多孔質部材は、ポリテトラフルオロエチレンにより構成されている、電気化学式水素ポンプ。 - 請求項１～３のいずれか１項に記載の電気化学式水素ポンプであって、
前記第２多孔質部材は、前記電解質膜・電極構造体の積層方向に弾性変形可能に形成されている、電気化学式水素ポンプ。 - 請求項４記載の電気化学式水素ポンプであって、
前記第２多孔質部材の積層方向の厚さは、前記第１多孔質部材の積層方向の厚さよりも厚い、電気化学式水素ポンプ。 - 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であって、
前記水路には、当該水路よりも下流側への前記水素ガスの流通を阻止するとともに前記液水の流通を許可するガス流通阻止部材が設けられている、電気化学式水素ポンプ。 - 請求項６記載の電気化学式水素ポンプであって、
前記ガス流通阻止部材は、酸化グラフェンにより構成されている、電気化学式水素ポンプ。
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