WO2021111775A1 - 電気化学デバイス - Google Patents

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WO2021111775A1
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cathode
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hydrogen pump
electrochemical
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尾沼　重徳
嘉久和　孝
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パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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Definitions

  • This disclosure relates to electrochemical devices.
  • renewable energy has become widespread in place of fossil fuels, which are a factor in the release of greenhouse gases.
  • renewable energies such as solar power and wind power are generally unstable due to factors such as climate change, so it is not always possible to use the electricity generated by renewable energies. Absent.
  • Patent Document 1 in order to improve the conductivity and corrosion resistance of a separator for a fuel cell, a conductive layer containing conductive particles, an intermediate layer, and a conductive carbon layer are provided on the surface of the metal base sheet of the separator. A laminated configuration has been proposed.
  • Patent Document 1 does not fully study the improvement of durability and reliability of electrochemical devices.
  • an object of the present disclosure to provide, as an example, an electrochemical device in which the durability and reliability of the device can be improved as compared with the conventional case.
  • the electrochemical device of one aspect of the present disclosure includes an electrolyte membrane, an anode provided on one main surface of the electrolyte membrane, and the other main surface of the electrolyte membrane.
  • a cathode provided on the surface, an anode separator provided on the anode, and a cathode separator provided on the cathode are provided.
  • At least one of the anode separator and the cathode separator includes a metal base sheet and a conductive layer provided on the metal base sheet and containing a metal oxide and a metal hydroxide.
  • the electrochemical device of one aspect of the present disclosure has an effect that the durability and reliability of the device can be improved as compared with the conventional case.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of an electrochemical hydrogen pump according to an embodiment.
  • FIG. 2A is an enlarged view of part A in the electrochemical hydrogen pump of FIG.
  • FIG. 2B is a diagram showing an example of an anode separator in the electrochemical hydrogen pump of the first embodiment of the embodiment, and is an enlarged view of part B of FIG.
  • FIG. 2C is a diagram showing an example of a cathode separator in the electrochemical hydrogen pump of the second embodiment of the embodiment, and is an enlarged view of part C of FIG.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of a method for producing a conductive layer containing chromium oxide and chromium hydroxide on a metal substrate sheet.
  • the separator is composed of a four-layer laminate of a metal base sheet, a conductive layer, an intermediate layer, and a conductive carbon layer.
  • the durability and reliability of the apparatus become lower due to a decrease in adhesiveness between the layers of the laminate, generation of voids between the layers of the laminate, and the like. descend.
  • the separator is, for example, a stainless steel member
  • a passivation film containing highly corrosion-resistant chromium oxide is formed on the surface of the member.
  • the present disclosers have found that the durability and reliability of an electrochemical device can be improved by utilizing the technique of introducing a proton into such a passivation film, and the following disclosures are made. I came up with one aspect.
  • the electrochemical device of the first aspect of the present disclosure is provided on the electrolyte membrane, the anode provided on one main surface of the electrolyte membrane, the cathode provided on the other main surface of the electrolyte membrane, and the anode.
  • the anode separator provided in the above and the cathode separator provided on the cathode are provided, and at least one of the anode separator and the cathode separator is provided on the metal base sheet and the metal base sheet, and the metal oxide and the cathode separator are provided. It includes a conductive layer containing a metal hydroxide.
  • the electrochemical device of the present disclosure can improve the durability and reliability of the device as compared with the conventional one.
  • the electrochemical device of this embodiment a conductive layer containing a metal oxide and a metal hydroxide obtained by modifying a passivation film existing on a metal surface is used. Therefore, the electrochemical device of this embodiment can reduce the number of layers of the laminate constituting the anode separator as compared with the separator disclosed in Patent Document 1. Further, the electrochemical device of this embodiment can reduce the number of layers of the laminate constituting the cathode separator as compared with the separator disclosed in Patent Document 1.
  • the electrochemical device of this embodiment can suppress the deterioration of the adhesiveness between the layers of the above-mentioned laminate and the generation of voids between the layers of the laminate, and as a result, improve the durability and reliability of the apparatus. be able to. Further, in the electrochemical device of this embodiment, the number of layers of the above-mentioned laminate can be reduced, so that the cost of the separator can be reduced.
  • the electrochemical device of the second aspect of the present disclosure is the electrochemical device of the first aspect, and the metal hydroxide may be produced by introducing a proton into the layer containing the metal oxide.
  • the electrochemical device of this embodiment can appropriately improve the content of the metal hydroxide having high conductivity in the layer containing the metal oxide having low conductivity.
  • the electrochemical device of the third aspect of the present disclosure is the electrochemical device of the first or second aspect, in which the metal oxide may be chromium oxide and the metal hydroxide may be chromium hydroxide.
  • the electrochemical device of the fourth aspect of the present disclosure is the electrochemical device of any one of the first to third aspects, and the metal base sheet may be made of stainless steel.
  • a passivation film containing chromium oxide is formed on the surface of stainless steel by oxidizing chromium, which is a component of stainless steel, to oxygen in the atmosphere. Therefore, in the electrochemical device of this embodiment, the metal base sheet is made of stainless steel, so that a passivation film containing highly corrosion-resistant chromium oxide can be easily formed on the surface of the metal base sheet.
  • the electrochemical device of the fifth aspect of the present disclosure is the electrochemical device of the fourth aspect, and the metal base sheet may be composed of SUS316 or SUS316L.
  • SUS316 and SUS316L are excellent in cost performance, and have good characteristics from the viewpoint of corrosion resistance and hydrogen embrittlement resistance. Therefore, in the electrochemical device of this embodiment, by configuring the above-mentioned metal base sheet with SUS316 or SUS316L, it is possible to reduce the cost of the metal base sheet while appropriately maintaining the performance of the electrochemical device. it can.
  • the sixth aspect of the present disclosure is the electrochemical device of the fourth aspect, wherein the metal base sheet is 4401-316-00-I or 4436-316-00-I, or 4404-316-03. It may be composed of -I, 4432-316-03-I or 4436-316-91-I.
  • SUS316 of the Japanese Industrial Standards corresponds to 4401-316-00-I or 4436-316-00-I in the international standard (ISO) 15510.
  • the Japanese Industrial Standard SUS316L corresponds to 4404-316-03-I, 4432-316-03-I or 4436-316-91-I4401-316-00-I in ISO 15510.
  • the metal base sheet is composed of 1.4401 or 1.4436, or 1.4404, 1.4432 or 1.4435. It may have been done.
  • JIS SUS316 corresponds to the European Standards (EN) 1.4401 or 1.4436.
  • EN European Standards
  • the Japanese Industrial Standard SUS316L corresponds to 1.4404, 1.4432 or 1.4435 in the European standard.
  • the electrochemical device of the eighth aspect of the present disclosure is the electrochemical device of the fourth aspect, and the metal base sheet may be composed of S31600 or S31603.
  • JIS Japanese Industrial Standards
  • UNS American Standards
  • SUS316L corresponds to the American Standard S31603.
  • the electrochemical device of the ninth aspect of the present disclosure is the electrochemical device of the fourth aspect, and the metal base sheet may be composed of S31608 or S31603.
  • SUS316 of Japanese Industrial Standards corresponds to S31608 of Chinese Standards (GB).
  • the Japanese Industrial Standard SUS316L corresponds to the Chinese Standard S31603.
  • the electrochemical device according to the tenth aspect of the present disclosure is the electrochemical device according to any one of the first to ninth aspects, and the conductive layer may have a layer thickness of 0.001 ⁇ m or more and 5 ⁇ m or less.
  • the electrochemical device according to the eleventh aspect of the present disclosure is the electrochemical device according to any one of the first to tenth aspects, wherein the conductive layer has a fluorine concentration of 0.1 atomic% or more and a lithium concentration. It may contain at least one of 0.01 atomic% or more of lithium.
  • the conductivity of the conductive layer is improved, and the corrosion resistance of the conductive layer is improved to prevent deterioration.
  • anode fluid at the anode of the electrochemical device Various types of gases and liquids are assumed as the anode fluid at the anode of the electrochemical device and the cathode fluid at the cathode.
  • hydrogen-containing gas can be mentioned as the anode fluid.
  • the anode fluid may include water vapor, liquid water, or the like.
  • hydrogen-containing gas and oxidant gas can be mentioned as the anode fluid and the cathode fluid, respectively.
  • the configuration and operation of the electrochemical hydrogen pump which is an example of the electrochemical device, will be described when the anode fluid is a hydrogen-containing gas.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of an electrochemical hydrogen pump according to an embodiment.
  • FIG. 2A is an enlarged view of part A in the electrochemical hydrogen pump of FIG.
  • the electrochemical hydrogen pump 100 includes a hydrogen pump unit 100A and a hydrogen pump unit 100B.
  • the hydrogen pump unit 100A is provided at a position above the hydrogen pump unit 100A.
  • the number of hydrogen pump units 100A and hydrogen pump unit 100B are shown, but the number of hydrogen pump units is not limited to this example. That is, the number of hydrogen pump units can be set to an appropriate number based on operating conditions such as the amount of hydrogen boosted by the cathode CA of the electrochemical hydrogen pump 100, for example.
  • the hydrogen pump unit 100A includes an electrolyte membrane 11, an anode AN, a cathode CA, a first cathode separator 16, and an intermediate separator 17.
  • the hydrogen pump unit 100B includes an electrolyte membrane 11, an anode AN, a cathode CA, an intermediate separator 17, and a first anode separator 18.
  • the intermediate separator 17 functions as an anode separator of the hydrogen pump unit 100A and also as a cathode separator of the hydrogen pump unit 100B. That is, in the electrochemical hydrogen pump 100 of the present embodiment, the anode separator of the hydrogen pump unit 100A and the cathode separator of the hydrogen pump unit 100B are integrally configured, but the present invention is not limited to this.
  • anode separator 17 may be configured separately.
  • the portion of the intermediate separator 17 that functions as an anode separator is referred to as a second anode separator 17A.
  • the portion of the intermediate separator 17 that functions as a cathode separator is referred to as a second cathode separator 17C.
  • the anode AN is provided on one main surface of the electrolyte membrane 11.
  • the anode AN is an electrode including an anode catalyst layer 13 and an anode gas diffusion layer 15.
  • the cathode CA is provided on the other main surface of the electrolyte membrane 11.
  • the cathode CA is an electrode including a cathode catalyst layer 12 and a cathode gas diffusion layer 14.
  • An electrolyte membrane 11 is provided between the first cathode separator 16 and the second anode separator 17A, and between the second cathode separator 17C and the first anode separator 18 so as to surround the MEA in a plan view.
  • An annular sealing member (not shown) is sandwiched.
  • An annular and flat insulator may be provided between the first cathode separator 16 and the second anode separator 17A, and between the second cathode separator 17C and the first anode separator 18.
  • the electrolyte membrane 11 has proton conductivity.
  • the electrolyte membrane 11 may have any structure as long as it has proton conductivity.
  • examples of the electrolyte membrane 11 include, but are not limited to, a fluorine-based polymer electrolyte membrane and a hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane.
  • Nafion registered trademark, manufactured by DuPont
  • Aciplex registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Corporation
  • the like can be used as the electrolyte membrane 11.
  • the anode catalyst layer 13 is provided on one main surface of the electrolyte membrane 11.
  • the anode catalyst layer 13 contains, for example, platinum as the catalyst metal, but is not limited thereto.
  • the cathode catalyst layer 12 is provided on the other main surface of the electrolyte membrane 11.
  • the cathode catalyst layer 12 includes, but is not limited to, platinum as the catalyst metal.
  • Examples of the catalyst carrier of the cathode catalyst layer 12 and the anode catalyst layer 13 include, but are not limited to, carbon black, carbon powder such as graphite, and conductive oxide powder.
  • the cathode catalyst layer 12 and the anode catalyst layer 13 fine particles of the catalyst metal are supported on the catalyst carrier in a highly dispersed manner. Further, in order to increase the electrode reaction field, a proton-conducting ionomer component is generally added to the cathode catalyst layer 12 and the anode catalyst layer 13.
  • the cathode gas diffusion layer 14 is provided on the cathode catalyst layer 12. Further, the cathode gas diffusion layer 14 is made of a porous material and has conductivity and gas diffusivity. Further, it is desirable that the cathode gas diffusion layer 14 has elasticity so as to appropriately follow the displacement and deformation of the constituent members generated by the differential pressure between the cathode CA and the anode AN during the operation of the electrochemical hydrogen pump 100.
  • a member made of carbon fiber is used as the cathode gas diffusion layer 14.
  • a porous carbon fiber sheet such as carbon paper, carbon cloth, or carbon felt may be used. It is not necessary to use a carbon fiber sheet as the base material of the cathode gas diffusion layer 14.
  • a sintered body of metal fibers made of titanium, a titanium alloy, stainless steel, or the like a sintered body of metal powder made of these materials, or the like may be used.
  • the anode gas diffusion layer 15 is provided on the anode catalyst layer 13. Further, the anode gas diffusion layer 15 is made of a porous material and has conductivity and gas diffusivity. Further, it is desirable that the anode gas diffusion layer 15 has high rigidity capable of suppressing displacement and deformation of the constituent members generated by the differential pressure between the cathode CA and the anode AN during the operation of the electrochemical hydrogen pump 100.
  • a member made of a thin plate of a titanium powder sintered body is used as the anode gas diffusion layer 15, but the present invention is not limited to this. That is, as the base material of the anode gas diffusion layer 15, for example, a sintered body of metal fibers made of titanium, a titanium alloy, stainless steel, or the like, or a sintered body of metal powder made of these materials can be used. However, carbon porous materials can also be used. Further, as the base material of the anode gas diffusion layer 15, for example, an expanded metal, a metal mesh, a punching metal, or the like can be used.
  • the first anode separator 18 is a conductive member provided on the anode AN of the hydrogen pump unit 100B. Specifically, a recess for accommodating the anode gas diffusion layer 15 of the hydrogen pump unit 100B may be provided in the central portion of the main surface of the first anode separator 18.
  • the second anode separator 17A is a conductive member provided on the anode AN of the hydrogen pump unit 100A. Specifically, a recess for accommodating the anode gas diffusion layer 15 of the hydrogen pump unit 100A may be provided in the central portion of the main surface of the second anode separator 17A.
  • the first anode separator 18 and the second anode separator 17A are provided on the metal base sheet 23 (see FIG. 2B) and the metal base sheet 23, respectively, to form a metal oxide and a metal hydroxide. It includes a conductive layer CL (see FIG. 2B).
  • the conductive layer CL is the conductive layer 21A containing chromium oxide and chromium hydroxide. That is, in this example, the metal oxide of the conductive layer CL is chromium oxide, and the metal hydroxide of the conductive layer CL is chromium hydroxide.
  • the detailed configuration of the conductive layer 21A will be described in the first embodiment.
  • the metal base sheet 23 may be made of stainless steel.
  • a passivation film containing chromium oxide (not shown) is formed on the surface of stainless steel by oxidizing chromium, which is a component of stainless steel, to oxygen in the atmosphere. Therefore, in the electrochemical hydrogen pump 100 of the present embodiment, the metal base sheet 23 is made of stainless steel to easily form a passivation film containing highly corrosion-resistant chromium oxide on the surface of the metal base sheet 23. be able to.
  • the metal base sheet 23 may be composed of SUS316, SUS316L, or the like.
  • SUS316 and SUS316L are excellent in cost performance, and have good characteristics from the viewpoint of corrosion resistance and hydrogen embrittlement resistance. Therefore, in the electrochemical hydrogen pump 100 of the present embodiment, the metal base sheet 23 is composed of SUS316 or SUS316L, so that the performance of the electrochemical hydrogen pump 100 is appropriately maintained and the cost of the metal base sheet 23 is low. Can be achieved.
  • chromium oxide and chromium hydroxide are examples of the metal oxide and the metal hydroxide contained in the conductive layer CL, respectively, and are not limited to this example.
  • Other examples of such metal oxides and metal hydroxides include, for example, iron oxides and iron hydroxides.
  • nickel oxide, nickel hydroxide and the like can be mentioned.
  • Other examples include molybdenum oxide and molybdenum hydroxide.
  • the first cathode separator 16 is a conductive member provided on the cathode CA of the hydrogen pump unit 100A. Specifically, a recess for accommodating the cathode gas diffusion layer 14 of the hydrogen pump unit 100A is provided in the central portion of the main surface of the first cathode separator 16.
  • the second cathode separator 17C is a conductive member provided on the cathode CA of the hydrogen pump unit 100B. Specifically, a recess for accommodating the cathode gas diffusion layer 14 of the hydrogen pump unit 100B is provided in the central portion of the main surface of the second cathode separator 17C.
  • the first cathode separator 16 and the second cathode separator 17C are provided on the metal base sheet 33 (see FIG. 2C) and the metal base sheet 33, respectively, to form a metal oxide and a metal hydroxide. It includes a conductive layer CL (see FIG. 2C).
  • the conductive layer CL is the conductive layer 31A (see FIG. 2C) containing chromium oxide and chromium hydroxide. That is, in this example, the metal oxide of the conductive layer CL is chromium oxide, and the metal hydroxide of the conductive layer CL is chromium hydroxide.
  • the detailed configuration of the conductive layer 31A will be described in the second embodiment.
  • the hydrogen pump unit 100A is formed by sandwiching the MEA between the first cathode separator 16 and the second anode separator 17A. Further, the hydrogen pump unit 100B is formed by sandwiching the MEA between the first anode separator 18 and the second cathode separator 17C.
  • a concavo-convex 20 (see FIG. 2) is provided on the main surface of the first anode separator 18 in contact with the anode gas diffusion layer 15 on the anode AN side, and this recess is the anode gas flow path groove. It constitutes 25. Further, a concavo-convex 20 (see FIG. 2) is provided on the main surface of the second anode separator 17A in contact with the anode gas diffusion layer 15 on the anode AN side, and this recess constitutes the anode gas flow path groove 25.
  • the anode gas flow path groove 25 is formed in a serpentine shape including, for example, a plurality of U-shaped folded portions and a plurality of straight portions in a plan view.
  • an anode gas flow path groove 25 is an example and is not limited to this example.
  • the anode gas flow path may be formed by a plurality of linear flow paths.
  • the electrochemical hydrogen pump 100 includes a voltage applyer 102.
  • the voltage applyer 102 is a device that applies a voltage between the anode catalyst layer 13 and the cathode catalyst layer 12. Specifically, the high potential of the voltage applicator 102 is applied to the anode catalyst layer 13, and the low potential of the voltage applicator 102 is applied to the cathode catalyst layer 12.
  • the voltage applyer 102 may have any configuration as long as a voltage can be applied between the anode catalyst layer 13 and the cathode catalyst layer 12.
  • the voltage applyer 102 may be a device that adjusts the voltage applied between the anode catalyst layer 13 and the cathode catalyst layer 12.
  • the voltage applyr 102 for example, the voltage applied between the anode catalyst layer 13 and the cathode catalyst layer 12 so that the electric power supplied to the electrochemical hydrogen pump 100 becomes a predetermined set value, the anode catalyst layer 13 and the voltage applyer 102 It may be a power supply type power source in which the current flowing between the cathode catalyst layers 12 is adjusted.
  • the terminal on the low potential side of the voltage applyer 102 is connected to the cathode feeding plate, and the terminal on the high potential side of the voltage adapter 102 is connected to the anode feeding plate.
  • the cathode feeding plate is provided, for example, in the first cathode separator 16 of the hydrogen pump unit 100A.
  • the anode feeding plate is provided, for example, on the first anode separator 18 of the hydrogen pump unit 100B.
  • the cathode feeding plate and the anode feeding plate are in electrical contact with each of the first cathode separator 16 and the first anode separator 18, respectively.
  • the electrochemical hydrogen pump 100 when the voltage applyer 102 applies the above voltage, hydrogen in the hydrogen-containing gas supplied on the anode catalyst layer 13 is moved onto the cathode catalyst layer 12. And it is a device that boosts the voltage. That is, in the electrochemical hydrogen pump 100, the proton (H + ) extracted from the hydrogen-containing gas at the anode AN moves to the cathode CA via the electrolyte membrane 11, and the hydrogen-containing gas is generated at the cathode CA. ..
  • the hydrogen-containing gas is, for example, a high-pressure hydrogen gas containing water vapor discharged from the cathode CA.
  • the electrochemical hydrogen pump 100 includes an anode gas supply path 40 for supplying hydrogen-containing gas to the anode AN from the outside, a cathode gas discharge path 50 for discharging hydrogen-containing gas from the cathode CA to the outside, and a cathode gas discharge path 50.
  • anode gas supply path 40 for supplying hydrogen-containing gas to the anode AN from the outside
  • a cathode gas discharge path 50 for discharging hydrogen-containing gas from the cathode CA to the outside
  • a cathode gas discharge path 50 for discharging hydrogen-containing gas from the cathode CA to the outside.
  • a fastener (not shown) fastens each member of the electrochemical hydrogen pump 100, the first insulating plate, the first end plate, the second insulating plate, and the second end plate in the above-mentioned stacking direction.
  • the fastener may have any configuration as long as such members can be fastened in the above-mentioned stacking direction.
  • bolts and nuts with disc springs can be mentioned as fasteners.
  • the bolts of the fastener may penetrate only the first end plate and the second end plate, and the bolts are the members, the first insulating plate, the first end plate, and the first of the electrochemical hydrogen pump 100. 2
  • the insulating plate and the second end plate may be penetrated.
  • the end face of the first cathode separator 16 and the end face of the first anode separator 18 are sandwiched between the first end plate and the second end plate, respectively, via the first insulating plate and the second insulating plate, respectively.
  • the fastening device applies the desired fastening pressure to the electrochemical hydrogen pump 100.
  • each of the above members is laminated and integrated in the stacking direction by the fastener.
  • FIG. 1 a schematic diagram of the flow of the hydrogen-containing gas is indicated by a thin alternate long and short dash arrow.
  • the electrochemical hydrogen pump 100 includes an anode gas supply path 40.
  • the anode gas supply path 40 is provided at an appropriate position in each member of the electrochemical hydrogen pump 100, for example, in the vertical flow path 40H extending in the vertical direction, and in the appropriate positions of the second anode separator 17A and the first anode separator 18. It is configured by a series of a first transverse flow path 40A and a second transverse flow path 40B that are provided and extend in the horizontal direction. Specifically, the vertical flow path 40H communicates with the anode AN of the hydrogen pump unit 100A via the first horizontal flow path 40A provided in the second anode separator 17A.
  • the first transverse flow path 40A may be connected to the end of the serpentine-shaped anode gas flow path groove 25 provided in the second anode separator 17A.
  • the vertical flow path 40H communicates with the anode AN of the hydrogen pump unit 100B via the second horizontal flow path 40B provided in the first anode separator 18.
  • the second transverse flow path 40B may be connected to the end of the serpentine-shaped anode gas flow path groove 25 provided in the first anode separator 18.
  • the hydrogen-containing gas from the outside circulates in this order through the vertical flow path 40H, the first horizontal flow path 40A, and the anode AN of the hydrogen pump unit 100A, as shown by the arrow of the alternate long and short dash line in FIG.
  • the longitudinal flow path 40H, the second horizontal flow path 40B, and the anode AN of the hydrogen pump unit 100B are circulated in this order. That is, the hydrogen-containing gas in the vertical flow path 40H is shunted so as to flow through both the first horizontal flow path 40A and the second horizontal flow path 40B. Then, the hydrogen-containing gas is supplied to the electrolyte membrane 11 via the anode gas diffusion layer 15.
  • FIG. 1 a schematic diagram of the flow of the hydrogen-containing gas is indicated by a thin alternate long and short dash arrow.
  • the electrochemical hydrogen pump 100 includes a cathode gas discharge path 50.
  • the cathode gas discharge path 50 is provided at an appropriate position in each member of the electrochemical hydrogen pump 100, for example, in a vertical flow path 50H extending in the vertical direction, and in an appropriate position in each of the first cathode separator 16 and the second cathode separator 17C. It is composed of a series of a first transverse flow path 50A and a second transverse flow path 50B that are provided and extend in the horizontal direction.
  • the vertical flow path 50H communicates with the cathode CA of the hydrogen pump unit 100A via the first horizontal flow path 50A provided in the first cathode separator 16.
  • the vertical flow path 50H communicates with the cathode CA of the hydrogen pump unit 100B via the second horizontal flow path 50B provided in the second cathode separator 17C.
  • the high-pressure hydrogen-containing gas boosted by the cathode CA of the hydrogen pump unit 100A flows through the first horizontal flow path 50A and the vertical flow path 50H in this order as shown by the arrow of the alternate long and short dash line in FIG. .. After that, the hydrogen-containing gas is discharged to the outside of the electrochemical hydrogen pump 100. Further, the high-pressure hydrogen-containing gas boosted by the cathode CA of the hydrogen pump unit 100B flows through the second horizontal flow path 50B and the vertical flow path 50H in this order as shown by the arrow of the alternate long and short dash line in FIG. After that, the hydrogen-containing gas is discharged to the outside of the electrochemical hydrogen pump 100. That is, the hydrogen-containing gases of both the first transverse channel 50A and the second transverse channel 50B merge at the longitudinal channel 50H.
  • the above configuration of the electrochemical hydrogen pump 100 is an example, and is not limited to this example.
  • a dead-end structure that boosts the total amount of hydrogen in the hydrogen-containing gas supplied to the anode gas flow path groove 25 of the hydrogen pump unit 100A and the hydrogen pump unit 100B
  • one of the hydrogen-containing gas from the anode gas flow path groove 25 may be provided at an appropriate position in the electrochemical hydrogen pump 100.
  • about 80% of the hydrogen in the hydrogen-containing gas supplied from the anode gas flow path groove 25 is consumed in the steady operation, or about 90% in the case of a large amount, and the unconsumed hydrogen-containing gas is not shown. It is discharged to the outside of the hydrogen pump unit 100A through the anode gas discharge path. This unconsumed hydrogen-containing gas is recycled, mixed with the newly supplied hydrogen-containing gas, and then supplied again to the anode gas supply path 40 of 100 A.
  • controller arithmetic circuit (not shown) reading a control program from the controller storage circuit.
  • controller arithmetic circuit
  • the operator may perform some of the operations.
  • a low-pressure hydrogen-containing gas is supplied to the anode AN of the electrochemical hydrogen pump 100, and the voltage of the voltage applicator 102 is applied to the electrochemical hydrogen pump 100.
  • the protons extracted from the hydrogen-containing gas supplied to the anode AN move to the cathode CA via the electrolyte membrane 11, and a hydrogen boosting operation is performed in which boosted hydrogen is generated. ..
  • hydrogen molecules are separated into protons and electrons (Equation (1)). Protons conduct in the electrolyte membrane 11 and move to the cathode catalyst layer 12. Electrons move to the cathode catalyst layer 12 through the voltage applyer 102.
  • Equation (2) hydrogen molecules are generated again in the cathode catalyst layer 12 (Equation (2)). It is known that when protons conduct through the electrolyte membrane 11, a predetermined amount of water moves from the anode AN to the cathode CA as electroosmotic water along with the protons.
  • the hydrogen-containing gas generated by the cathode CA of the electrochemical hydrogen pump 100 is boosted by the cathode CA.
  • the hydrogen-containing gas can be boosted by the cathode CA by increasing the pressure loss of the cathode gas lead-out path by using a flow rate regulator (not shown).
  • the flow rate regulator include a back pressure valve and a regulating valve provided in the cathode gas lead-out path.
  • the hydrogen-containing gas is discharged from the cathode CA of the electrochemical hydrogen pump 100 to the outside through the cathode gas discharge path 50.
  • the flow rate regulator is to increase the opening degree of a valve such as a back pressure valve or a control valve.
  • hydrogen supplied through the cathode gas lead-out path is temporarily stored in a hydrogen reservoir (not shown), for example. Further, the hydrogen stored in the hydrogen reservoir is supplied to the hydrogen demander in a timely manner.
  • hydrogen demanders include fuel cells that generate electricity using hydrogen.
  • the electrochemical hydrogen pump 100 of the present embodiment can improve the durability and reliability of the apparatus as compared with the conventional case.
  • the electrochemical hydrogen pump 100 of the present embodiment a conductive layer CL containing a metal oxide and a metal hydroxide obtained by modifying a passivation film existing on a metal surface is used.
  • a conductive layer containing chromium oxide and chromium hydroxide obtained by modifying the passivation film existing on the surface of stainless steel is used. Therefore, the electrochemical hydrogen pump 100 of the present embodiment has a number of layers of laminates constituting the first anode separator 18 and the second anode separator 17A (hereinafter referred to as the anode separator) as compared with the separator disclosed in Patent Document 1. Can be reduced.
  • the electrochemical hydrogen pump 100 of the present embodiment has a number of layers of laminates constituting the first cathode separator 16 and the second cathode separator 17C (hereinafter referred to as the cathode separator) as compared with the separator disclosed in Patent Document 1. Can be reduced.
  • the electrochemical hydrogen pump 100 of the present embodiment can suppress the deterioration of the adhesiveness between the layers of the laminated body and the generation of voids between the layers of the laminated body, and as a result, the durability and reliability of the apparatus. Can be improved. Further, in the electrochemical hydrogen pump 100 of the present embodiment, the number of layers of the above-mentioned laminate can be reduced, so that the cost of the anode separator and the cathode separator can be reduced.
  • the electrochemical hydrogen pump 100 of this embodiment is the same as the electrochemical hydrogen pump 100 of the embodiment except for the configuration of the anode separator described below.
  • FIG. 2B is a diagram showing an example of an anode separator in the electrochemical hydrogen pump of the first embodiment of the embodiment, and is an enlarged view of part B of FIG. Note that FIG. 2B shows the portion B of the first anode separator 18 of the hydrogen pump unit 100B. Since the second anode separator 17A of the hydrogen pump unit 100A is configured in the same manner as the first anode separator 18 of the hydrogen pump unit 100B, illustration and description thereof will be omitted.
  • a metal base sheet 23 made of stainless steel for example, SUS316, SUS316L, etc.
  • the stainless steel sheet 21 of the above is integrated by diffusion bonding.
  • the oxide film existing on the surface layer of the metal base sheet 23 is removed by etching or the like in advance, and then diffusion bonding is performed. As a result, the gaps between the joints disappear, so that the contact resistance of the electrochemical hydrogen pump 100 can be reduced.
  • the rigidity of the anode separator is appropriately ensured by forming the metal base sheet 23 of the anode separator with a stainless steel plate having a thickness of 1.5 mm to 2 mm or more.
  • the metal base sheet 23 of the anode separator is formed with a serpentine-shaped anode gas flow path groove 25 in a plan view by providing unevenness 20 in a cross-sectional view by etching or shaving the main surface, for example. Has been done. Then, only the portion of the convex portion 22 of the metal base sheet 23 facing the anode AN and one main surface of the sheet 21 are integrated by diffusion bonding.
  • an anode gas flow path groove having an uneven shape in a cross-sectional view for uniformly supplying the hydrogen-containing gas through which the electrochemical reaction is performed to the anode gas diffusion layer 15. 25 is provided.
  • the main surface of the anode gas diffusion layer 15 does not come into contact with the inner surface of the anode gas flow path groove 25, but only with the convex portion 22 via the conductive layer 21A containing chromium oxide and chromium hydroxide and the sheet 21. Contact.
  • a conductive layer 21A having a layer thickness of 0.001 ⁇ m or more and 5 ⁇ m or less (for example, about 0.01 ⁇ m) is formed on the other main surface of the sheet 21, a conductive layer 21A having a layer thickness of 0.001 ⁇ m or more and 5 ⁇ m or less (for example, about 0.01 ⁇ m) is formed.
  • the conductive layer 21A is excellent in conductivity and corrosion resistance, and the anode gas diffusion layer 15 is provided on the conductive layer 21A. That is, it is desirable to provide the conductive layer 21A and the sheet 21 having high conductivity and corrosion resistance only in the portion of the anode separator that comes into contact with the anode gas diffusion layer 15.
  • the conductive layer 21A is modified by electrochemically injecting protons (H + ) into a passivation film containing chromium oxide existing on the surface of the sheet 21. It is a layer containing chromium hydroxide and chromium oxide. That is, the chromium hydroxide in the conductive layer 21A is generated by introducing a proton into the passivation film containing chromium oxide.
  • the conductive layer 21A may contain at least one of fluorine having a fluorine concentration of 0.1 atomic% or more and lithium having a lithium concentration of 0.01 atomic% or more. Then, the conductivity of the conductive layer 21A is improved, and the corrosion resistance of the conductive layer 21A is improved so that the quality of the conductive layer 21A is less likely to be deteriorated.
  • the electrochemical hydrogen pump 100 of the present embodiment can appropriately improve the content of highly conductive chromium hydroxide in the passivation film containing chromium oxide having low conductivity.
  • the sheet 21 provided with the above conductive layer 21A can be easily obtained, for example, by punching a commercially available coating material manufactured by a rolling roll with an appropriate press die.
  • a commercially available coating material having a circular shape having a diameter of about 80 mm to 130 mm and having a portion corresponding to the sirpentine-shaped anode gas flow path groove 25 in a plan view is cut out by press molding, and then this is performed.
  • the circular coating material may be diffusion-bonded to the metal base sheet 23.
  • a passivation film containing highly corrosion-resistant chromium oxide is formed on the anode separator portion where the conductive layer 21A and the sheet 21 are not provided.
  • the above-mentioned configuration and manufacturing method of the anode separator is an example, and is not limited to this example.
  • the electrochemical hydrogen pump 100 of this embodiment may be the same as the electrochemical hydrogen pump 100 of the embodiment except for the above-mentioned features.
  • the electrochemical hydrogen pump 100 of this embodiment is the same as the electrochemical hydrogen pump 100 of the embodiment except for the configuration of the cathode separator described below.
  • FIG. 2C is a diagram showing an example of a cathode separator in the electrochemical hydrogen pump of the second embodiment of the embodiment, and is an enlarged view of part C of FIG. Note that FIG. 2C shows the C portion of the first cathode separator 16 of the hydrogen pump unit 100A. Since the second cathode separator 17C of the hydrogen pump unit 100B has the same configuration as the first cathode separator 16 of the hydrogen pump unit 100A, illustration and description thereof will be omitted.
  • a metal base sheet 33 made of stainless steel for example, SUS316, SUS316L, etc.
  • the stainless steel sheet 31 of the above is integrated by diffusion bonding. As a result, the gaps between the joints disappear, so that the contact resistance of the electrochemical hydrogen pump 100 can be reduced.
  • the oxide film existing on the surface layer of the metal base sheet 33 is removed by etching or the like in advance, and then diffusion bonding is performed.
  • the metal base sheet 33 of the cathode separator is formed with a recess for accommodating the cathode gas diffusion layer 14 by, for example, etching or shaving the main surface. Then, only the bottom surface of the recess of the metal base sheet 33 and one main surface of the sheet 31 are integrated by diffusion bonding.
  • the gas pressure in the cathode gas diffusion layer 14 is high. Therefore, it is not always necessary to provide a flow path groove on the bottom surface of the recess of the metal base sheet 33 of the cathode separator, and by providing a communication hole for communicating the inside and outside of the recess at an appropriate position on the metal base sheet 33, the electrochemical hydrogen can be provided. A hydrogen-containing gas can be discharged to the outside of the pump 100. At this time, the main surface of the cathode gas diffusion layer 14 may be in surface contact with the entire bottom surface of the recess of the metal base sheet 33 of the cathode separator, for example.
  • a conductive layer 31A having a layer thickness of 0.001 ⁇ m or more and 5 ⁇ m or less (for example, about 0.01 ⁇ m) is formed on the other main surface of the sheet 31, a conductive layer 31A having a layer thickness of 0.001 ⁇ m or more and 5 ⁇ m or less (for example, about 0.01 ⁇ m) is formed.
  • the conductive layer 31A is excellent in conductivity and corrosion resistance, and the cathode gas diffusion layer 14 is provided on the conductive layer 31A. That is, it is desirable to provide the conductive layer 31A and the sheet 31 having high conductivity and corrosion resistance only in the portion of the cathode separator that comes into contact with the cathode gas diffusion layer 14.
  • the conductive layer 31A was modified by, as an example, electrochemically injecting protons (H + ) into a passivation film containing chromium oxide existing on the surface of the sheet 31.
  • a layer containing chromium hydroxide and chromium oxide that is, the chromium hydroxide in the conductive layer 31A is generated by introducing a proton into the passivation film containing chromium oxide.
  • the conductive layer 31A may contain at least one of fluorine having a fluorine concentration of 0.1 atomic% or more and lithium having a lithium concentration of 0.01 atomic% or more. Then, the conductivity of the conductive layer 21A is improved, and the corrosion resistance of the conductive layer 21A is improved so that the quality of the conductive layer 21A is less likely to be deteriorated.
  • the electrochemical hydrogen pump 100 of the present embodiment can appropriately improve the content of highly conductive chromium hydroxide in the passivation film containing chromium oxide having low conductivity.
  • the sheet 31 provided with the above conductive layer 31A can be easily obtained, for example, by punching a commercially available coating material manufactured by a rolling roll with an appropriate press die.
  • a commercially available coating material may be cut out by press molding so as to have a circular shape having a diameter of about 80 mm to 130 mm, and then the circular coating material may be diffusion-bonded to the metal base sheet 33.
  • a passivation film containing highly corrosion-resistant chromium oxide may be formed on the portion of the cathode separator not provided with the conductive layer 31A and the sheet 31.
  • the above-mentioned configuration and manufacturing method of the cathode separator are examples, and are not limited to this example.
  • the electrochemical hydrogen pump 100 of this embodiment may be the same as the electrochemical hydrogen pump 100 of the embodiment except for the above-mentioned features.
  • Test piece of Example A member in which a sheet 31 having a conductive layer 31A and a metal base sheet 33 are diffusion-bonded.
  • Test piece of Comparative Example 1 A test piece of Example except that a sheet on which graphite is vapor-deposited was used. Same member as the test piece of Comparative Example 2: The same member and evaluation method as the test piece of the example except that the sheet on which graphite was vapor-deposited was used. Electrochemical measurement was performed by immersing three electrodes consisting of a reference electrode (mercury-mercury sulfate-sulfuric acid solution) in an appropriate pH 3 sulfuric acid aqueous solution.
  • a reference electrode mercury-mercury sulfate-sulfuric acid solution
  • Test piece of Example Member of sheet 31 provided with conductive layer 31A
  • Test piece of Comparative Example 1 Same sheet member as test piece of Example except that graphite is vapor-deposited
  • Test piece of Comparative Example 2 Graphene The same sheet member and evaluation result as the test piece of the example except that is vapor-deposited.
  • the test piece of Comparative Example 1 and the test piece of Comparative Example 2 1 MPa or more is applied. Under the pressure, the area resistance including the contact resistance was 3 m ⁇ cm 2 or less. Therefore, it was verified that the test piece of the example had sufficient performance in conductivity like the carbon-based test piece of Comparative Example 1 and the test piece of Comparative Example 2.
  • Test piece of Example A member in which a sheet 31 provided with a conductive layer 31A and a metal base sheet 33 are diffusion-bonded.
  • Test piece of Comparative Example 1 A test piece of Example except that a sheet on which graphite was vapor-deposited was used. Same member as the test piece of Comparative Example 2: The same member and evaluation result as the test piece of Example except that the sheet on which graphene was vapor-deposited was used. The test piece of Example, the test piece of Comparative Example 1 and the comparative example. In any of the test pieces No. 2 , the area resistance including the contact resistance was larger than the area resistance in the case of the above-mentioned sheet alone, but it was 3 m ⁇ cm 2 or less under a pressure of 1 MPa or more. Therefore, it was verified that the test piece of the example had sufficient performance in conductivity like the carbon-based test piece of Comparative Example 1 and the test piece of Comparative Example 2.
  • the embodiment, the first embodiment of the embodiment, and the second embodiment of the embodiment may be combined with each other as long as the other party is not excluded from each other.
  • the MEA, anode separator, and cathode separator of the electrochemical hydrogen pump 100 of the embodiment can be applied to the MEA, anode separator, and cathode separator of other electrochemical devices such as a water electrolyzer and a fuel cell, respectively.
  • Electrolyte film 12 Cathode catalyst layer 13: Anode catalyst layer 14: Cathode gas diffusion layer 15: Anode gas diffusion layer 16: First cathode separator 17: Intermediate separator 17A: Second anode separator 17C: Second cathode separator 18: First anode separator 20: Concavo-convex 21: Sheet 21A: Conductive layer 22: Convex portion 23: Metal substrate sheet 25: Anode gas flow path groove 31: Sheet 31A: Conductive layer 33: Metal substrate sheet 40: Anode gas supply path 40A: 1st horizontal flow path 40B: 2nd horizontal flow path 40H: Vertical flow path 50: Cathode gas discharge path 50A: 1st horizontal flow path 50B: 2nd horizontal flow path 50H: Vertical flow path 100: Electrochemical hydrogen pump 100A: Hydrogen pump Unit 100B: Hydrogen pump unit 102: Voltage applyer AN: Anode CA: Cathode CL: Conductive layer

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Abstract

電気化学デバイスは、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アノードセパレーターと、前記カソード上に設けられたカソードセパレーターと、を備え、前記アノードセパレーターおよび前記カソードセパレーターの少なくとも一方は、金属基材シートと、前記金属基材シート上に設けられ、金属酸化物および金属水酸化物を含む導電層とを備える。

Description

電気化学デバイス
　本開示は電気化学デバイスに関する。
　近年、地球温暖化の問題から温室効果ガス放出の要因となる化石燃料に代えて、再生可能エネルギーの普及が進んでいる。しかし、太陽光、風力などの再生可能エネルギーは、一般的に、気候変動の要因などで不安定であることが多いので、再生可能エネルギーで発生した電力を使いたいときに常に使用できるとは限らない。
　このため、再生可能エネルギーで発生した電力の余剰時には、例えば、余剰電力を利用した水素の生成および貯蔵が行われる。このとき、水素生成は、水電解装置で行うことができる。また、タンクへの水素貯蔵は、電気化学式水素ポンプで行うことができる。そして、再生可能エネルギーで発生した電力の不足時には、タンクに貯蔵された水素を燃料として利用する燃料電池の発電によって、再生可能エネルギーの需給バランスを適切に取ることができる。
　つまり、クリーンな水素社会の構築を目指すべく、再生可能エネルギーの電力を用いて、水素を生成、貯蔵および利用する際には、以上の燃料電池、水電解装置および電気化学式水素ポンプなどの様々な電気化学デバイスの関与が必要であるので、従来から、このような電気化学デバイスの開発が行われている。
　例えば、特許文献１には、燃料電池用のセパレーターの導電性および耐食性を改善すべく、セパレーターの金属基材シートの表面に、導電性粒子を含む導電性層、中間層および導電性炭素層が積層された構成が提案されている。
特許５３５３２０５号公報
　しかし、特許文献１は、電気化学デバイスの耐久性および信頼性の向上について十分に検討されていない。
　そこで、本開示は、一例として、装置の耐久性および信頼性が従来よりも向上し得る電気化学デバイス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に、本開示の一態様(aspect)の電気化学デバイスは、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アノードセパレーターと、前記カソード上に設けられたカソードセパレーターと、を備え、
　前記アノードセパレーターおよび前記カソードセパレーターの少なくとも一方は、金属基材シートと、前記金属基材シート上に設けられ、金属酸化物および金属水酸化物を含む導電層とを備える。
　本開示の一態様の電気化学デバイスは、装置の耐久性および信頼性が従来よりも向上し得るという効果を奏する。
図１は、実施形態の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。 図２Ａは、図１の電気化学式水素ポンプにおけるＡ部を拡大した図である。 図２Ｂは、実施形態の第１実施例の電気化学式水素ポンプおけるアノードセパレーターの一例を示す図であって、図１のＢ部を拡大した図である。 図２Ｃは、実施形態の第２実施例の電気化学式水素ポンプおけるカソードセパレーターの一例を示す図であって、図１のＣ部を拡大した図である。 図３は、金属基材シート上の酸化クロムおよび水酸化クロムを含む導電層の製法の一例を示す図である。
　電気化学デバイスの耐久性および信頼性の向上について検討が行われ、以下の知見が得られた。
　特許文献１では、上記のとおり、セパレーターが、金属基材シート、導電性層、中間層および導電性炭素層の４層の積層体で構成されている。そして、一般的に、セパレーターを構成する積層体の層数が増える程、積層体の層間における接着性の低下、積層体の層間における空隙発生などに起因して、装置の耐久性および信頼性が低下する。
　ところで、セパレーターが、例えば、ステンレス製の部材である場合、この部材の表面には、高耐食性の酸化クロムを含む不動態皮膜が形成される。
　ここで、国際公開第２００８／１３６３０６号において、このような不動態皮膜中に、プロトン（Ｈ＋）を電気化学的に注入することで、不動態皮膜の電気伝導性が向上することが報告されている。
　そこで、本開示者らは、このような不動態皮膜中にプロトンを導入する技術を活用することで、電気化学デバイスの耐久性および信頼性を向上し得ることを見出して、以下の本開示の一態様に想到した。
　すなわち、本開示の第１態様の電気化学デバイスは、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アノードセパレーターと、カソード上に設けられたカソードセパレーターと、を備え、アノードセパレーターおよびカソードセパレーターの少なくとも一方は、金属基材シートと、金属基材シート上に設けられ、金属酸化物および金属水酸化物を含む導電層とを備える。
　かかる構成によると、本開示の電気化学デバイスは、装置の耐久性および信頼性が従来よりも向上し得る。
　具体的には、本態様の電気化学デバイスは、金属表面に存在する不動態皮膜を改質した金属酸化物および金属水酸化物を含む導電層が用いられている。よって、本態様の電気化学デバイスは、特許文献１に開示されたセパレーターに比べて、アノードセパレーターを構成する積層体の層数を減らすことができる。また、本態様の電気化学デバイスは、特許文献１に開示されたセパレーターに比べて、カソードセパレーターを構成する積層体の層数を減らすことができる。
　これにより、本態様の電気化学デバイスは、上記の積層体の層間における接着性の低下、積層体の層間における空隙発生を抑制することができ、その結果、装置の耐久性および信頼性を向上させることができる。また、本態様の電気化学デバイスは、上記の積層体の層数を減らすことができるので、セパレーターの低コスト化を図ることができる。
　本開示の第２態様の電気化学デバイスは、第１態様の電気化学デバイスにおいて、金属水酸化物は、金属酸化物を含む層にプロトンを導入することによって生成されていてもよい。
　かかる構成によると、本態様の電気化学デバイスは、導電性が低い金属酸化物を含む層において、導電性が高い金属水酸化物の含有率を適切に向上させることができる。
　本開示の第３態様の電気化学デバイスは、第１態様または第２態様の電気化学デバイスにおいて、金属酸化物は、酸化クロムであり、金属水酸化物は、水酸化クロムであってもよい。
　本開示の第４態様の電気化学デバイスは、第１態様から第３態様のいずれか一つの電気化学デバイスにおいて、金属基材シートは、ステンレスによって構成されていてもよい。
　ステンレスの表面には、一般的に、ステンレスの成分であるクロムが大気中の酸素に酸化されることで、酸化クロムを含む不動態皮膜が形成される。よって、本態様の電気化学デバイスは、金属基材シートをステンレスによって構成することで、金属基材シートの表面に、高耐食性の酸化クロムを含む不動態皮膜を容易に形成することができる。
　本開示の第５態様の電気化学デバイスは、第４態様の電気化学デバイスにおいて、金属基材シートは、ＳＵＳ３１６またはＳＵＳ３１６Ｌによって構成されていてもよい。
　ＳＵＳ３１６およびＳＵＳ３１６Ｌは、様々な種類のステンレスの中で、コストパフォーマンスに優れており、耐食性および耐水素脆性などの視点で特性がよい。よって、本態様の電気化学デバイスは、上記の金属基材シートをＳＵＳ３１６またはＳＵＳ３１６Ｌによって構成することで、電気化学デバイスの性能を適切に維持しながら、金属基材シートの低コスト化を図ることができる。
　本開示の第６態様の電気化学デバイスは、第４態様の電気化学デバイスにおいて、金属基材シートは、４４０１－３１６－００－Ｉまたは４４３６－３１６－００－Ｉ、または、４４０４－３１６－０３－Ｉ、４４３２－３１６－０３－Ｉまたは４４３６－３１６－９１－Ｉによって構成されていてもよい。
　ここで、日本工業規格（ＪＩＳ）のＳＵＳ３１６は、国際規格（ＩＳＯ）１５５１０では、４４０１－３１６－００－Ｉまたは４４３６－３１６－００－Ｉが対応する。日本工業規格のＳＵＳ３１６Ｌは、ＩＳＯ １５５１０では、４４０４－３１６－０３－Ｉ、４４３２－３１６－０３－Ｉまたは４４３６－３１６－９１－Ｉ４４０１－３１６－００－Ｉが対応する。
　本開示の第７態様の電気化学デバイスは、第４態様の電気化学デバイスにおいて、金属基材シートは、１．４４０１または１．４４３６、または、１．４４０４、１．４４３２または１．４４３５によって構成されていてもよい。
　ここで、日本工業規格（ＪＩＳ）のＳＵＳ３１６は、欧州規格（ＥＮ）では、１．４４０１または１．４４３６が対応する。日本工業規格のＳＵＳ３１６Ｌは、欧州規格では、１．４４０４、１．４４３２または１．４４３５が対応する。
　本開示の第８態様の電気化学デバイスは、第４態様の電気化学デバイスにおいて、金属基材シートは、Ｓ３１６００またはＳ３１６０３によって構成されていてもよい。
　ここで、日本工業規格（ＪＩＳ）のＳＵＳ３１６は、米国規格（ＵＮＳ）では、Ｓ３１６００が対応する。日本工業規格のＳＵＳ３１６Ｌは、米国規格では、Ｓ３１６０３が対応する。
　本開示の第９態様の電気化学デバイスは、第４態様の電気化学デバイスにおいて、金属基材シートは、Ｓ３１６０８またはＳ３１６０３によって構成されていてもよい。
　ここで、日本工業規格（ＪＩＳ）のＳＵＳ３１６は、中国規格（ＧＢ）では、Ｓ３１６０８が対応する。日本工業規格のＳＵＳ３１６Ｌは、中国規格では、Ｓ３１６０３が対応する。
　本開示の第１０態様の電気化学デバイスは、第１態様から第９態様のいずれか一つの電気化学デバイスにおいて、導電層は、層の厚みが０．００１μｍ以上、５μｍ以下であってもよい。
　本開示の第１１態様の電気化学デバイスは、第１態様から第１０態様のいずれか一つの電気化学デバイスにおいて、導電層は、フッ素濃度が０．１原子％以上のフッ素、および、リチウム濃度が０．０１原子％以上のリチウムの少なくともいずれか一方を含んでいてもよい。
　かかる構成によると、導電層の導電性が向上するとともに、導電層の耐食性が向上して変質しにくくなる。
　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。
　（実施形態）
　電気化学デバイスのアノードにおけるアノード流体、および、カソードにおけるカソード流体は、様々な種類のガス、液体が想定される。例えば、電気化学デバイス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、水素含有ガスを挙げることができる。また、例えば、電気化学デバイスが水電解装置である場合、アノード流体として、水蒸気、液体の水などを挙げることができる。また、例えば、電気化学デバイスが燃料電池である場合、アノード流体およびカソード流体として、それぞれ、水素含有ガスおよび酸化剤ガス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、電気化学デバイス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]
　＜電気化学式水素ポンプの全体構成＞
　図１は、実施形態の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。図２Ａは、図１の電気化学式水素ポンプにおけるＡ部を拡大した図である。
　図１に示すように、電気化学式水素ポンプ１００は、水素ポンプユニット１００Ａおよび水素ポンプユニット１００Ｂを備える。なお、水素ポンプユニット１００Ａが、水素ポンプユニット１００Ａに対して上側の位置に設けられている。
　ここでは、２個の水素ポンプユニット１００Ａおよび水素ポンプユニット１００Ｂが示されているが、水素ポンプユニットの個数は、本例に限定されない。つまり、水素ポンプユニットの個数は、例えば、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡで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、第１カソードセパレーター１６と、中間セパレーター１７と、を備える。水素ポンプユニット１００Ｂは、電解質膜１１と、アノードＡＮと、カソードＣＡと、中間セパレーター１７と、第１アノードセパレーター１８と、を備える。このように、中間セパレーター１７は、水素ポンプユニット１００Ａのアノードセパレーターとして機能するとともに、水素ポンプユニット１００Ｂのカソードセパレーターとして機能する。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のアノードセパレーターおよび水素ポンプユニット１００Ｂのカソードセパレーターは一体に構成されているが、これに限定されない。図示を省略するが、これらのアノードセパレーターおよびカソードセパレーターは別体で構成されていてもよい。なお、説明の便宜上、中間セパレーター１７のうちのアノードセパレーターとして機能する部分を、第２アノードセパレーター１７Ａという。中間セパレーター１７のうちのカソードセパレーターとして機能する部分を、第２カソードセパレーター１７Ｃという。
　図２Ａに示すように、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、アノードガス拡散層１５とを含む電極である。
　カソード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。
　以上により、水素ポンプユニット１００Ａおよび水素ポンプユニット１００Ｂでは、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２のそれぞれが電解質膜１１に接触するようにして、電解質膜１１がアノード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を含むセルを膜－電極接合体（以下、ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）という。
　第１カソードセパレーター１６および第２アノードセパレーター１７Ａの間、および、第２カソードセパレーター１７Ｃおよび第１アノードセパレーター１８の間には、電解質膜１１が設けられ、平面視においてＭＥＡの周囲を囲むように設けられた環状のシール部材（図示せず）が挟み込まれている。なお、第１カソードセパレーター１６および第２アノードセパレーター１７Ａの間、および、第２カソードセパレーター１７Ｃおよび第１アノードセパレーター１８の間に、環状かつ平板状の絶縁体が、設けられていてもよい。
　以上により、第１カソードセパレーター１６および第２アノードセパレーター１７Ａの間の短絡および第２カソードセパレーター１７Ｃおよび第１アノードセパレーター１８の間の短絡、が防止されている。
　＜ＭＥＡの構成＞
　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の一方の主面上に設けられている。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の他方の主面上に設けられている。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、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上に設けられている。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。なお、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。なお、カソードガス拡散層１４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、カソードガス拡散層１４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粉体の焼結体などを用いてもよい。
　アノードガス拡散層１５は、アノード触媒層１３上に設けられている。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。
　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として、チタン粉体焼結体の薄板で構成した部材が用いられているが、これに限定されない。つまり、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ができるが、カーボン多孔体も使用可能である。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もできる。
　＜アノードセパレーターの構成＞
　第１アノードセパレーター１８は、水素ポンプユニット１００ＢのアノードＡＮ上に設けられた導電性の部材である。具体的には、第１アノードセパレーター１８の主面の中央部には、水素ポンプユニット１００Ｂのアノードガス拡散層１５を収納する凹部が設けられていてもよい。
　第２アノードセパレーター１７Ａは、水素ポンプユニット１００ＡのアノードＡＮ上に設けられた導電性の部材である。具体的には、第２アノードセパレーター１７Ａの主面の中央部には、水素ポンプユニット１００Ａのアノードガス拡散層１５を収納する凹部が設けられていてもよい。
　ここで、以上の第１アノードセパレーター１８および第２アノードセパレーター１７Ａはそれぞれ、金属基材シート２３（図２Ｂ参照）と、金属基材シート２３上に設けられ、金属酸化物および金属水酸化物を含む導電層ＣＬ（図２Ｂ参照）と、を備える。
　ここで、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、導電層ＣＬは、酸化クロムおよび水酸化クロムを含む導電層２１Ａである。つまり、本例では、導電層ＣＬの金属酸化物は、酸化クロムであり、導電層ＣＬの金属水酸化物は、水酸化クロムである。なお、導電層２１Ａの詳細な構成は第１実施例で説明する。
　金属基材シート２３は、ステンレスによって構成されていてもよい。ステンレスの表面には、一般的に、ステンレスの成分であるクロムが大気中の酸素に酸化されることで、図示しない酸化クロムを含む不動態皮膜が形成される。よって、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、金属基材シート２３をステンレスによって構成することで、金属基材シート２３の表面に、高耐食性の酸化クロムを含む不動態皮膜を容易に形成することができる。
　例えば、金属基材シート２３は、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌなどで構成されていてもよい。ＳＵＳ３１６およびＳＵＳ３１６Ｌは、様々な種類のステンレスの中で、コストパフォーマンスに優れており、耐食性および耐水素脆性などの視点で特性がよい。よって、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、金属基材シート２３をＳＵＳ３１６またはＳＵＳ３１６Ｌによって構成することで、電気化学式水素ポンプ１００の性能を適切に維持しながら、金属基材シート２３の低コスト化を図ることができる。
　なお、以上の酸化クロムおよび水酸化クロムはそれぞれ、導電層ＣＬに含まれる金属酸化物および金属水酸化物のそれぞれの一例であって、本例に限定されない。このような金属酸化物および金属水酸化物の他の例として、例えば、鉄酸化物および鉄水酸化物などを挙げることができる。また、例えば、ニッケル酸化物、およびニッケル水酸化物などをあげることができる。その他、モリブデン酸化物、およびモリブデン水酸化物などをあげることができる。
　＜カソードセパレーターの構成＞
　第１カソードセパレーター１６は、水素ポンプユニット１００ＡのカソードＣＡ上に設けられた導電性の部材である。具体的には、第１カソードセパレーター１６の主面の中央部には、水素ポンプユニット１００Ａのカソードガス拡散層１４を収納する凹部が設けられている。
　第２カソードセパレーター１７Ｃは、水素ポンプユニット１００ＢのカソードＣＡ上に設けられた導電性の部材である。具体的には、第２カソードセパレーター１７Ｃの主面の中央部には、水素ポンプユニット１００Ｂのカソードガス拡散層１４を収納する凹部が設けられている。
　ここで、以上の第１カソードセパレーター１６および第２カソードセパレーター１７Ｃはそれぞれ、金属基材シート３３（図２Ｃ参照）と、金属基材シート３３上に設けられ、金属酸化物および金属水酸化物を含む導電層ＣＬ（図２Ｃ参照）と、を備える。
　ここで、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、導電層ＣＬは、酸化クロムおよび水酸化クロムを含む導電層３１Ａ（図２Ｃ参照）である。つまり、本例では、導電層ＣＬの金属酸化物は、酸化クロムであり、導電層ＣＬの金属水酸化物は、水酸化クロムである。なお、導電層３１Ａの詳細な構成は第２実施例で説明する。
　金属基材シート３３は、ステンレスによって構成されていてもよい。ステンレスの表面には、一般的に、ステンレスの成分であるクロムが大気中の酸素に酸化されることで、図示しない酸化クロムを含む不動態皮膜が形成される。よって、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、金属基材シート３３をステンレスによって構成することで、金属基材シート３３の表面に、高耐食性の酸化クロムを含む不動態皮膜を容易に形成することができる。
　例えば、金属基材シート３３は、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌなどで構成されていてもよい。ＳＵＳ３１６およびＳＵＳ３１６Ｌは、様々な種類のステンレスの中で、コストパフォーマンスに優れており、耐食性および耐水素脆性などの視点で特性がよい。よって、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、金属基材シート３３をＳＵＳ３１６またはＳＵＳ３１６Ｌによって構成することで、電気化学式水素ポンプ１００の性能を適切に維持しながら、金属基材シート３３の低コスト化を図ることができる。
　以上のようにして、第１カソードセパレーター１６および第２アノードセパレーター１７Ａで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。また、第１アノードセパレーター１８および第２カソードセパレーター１７ＣでＭＥＡを挟むことにより、水素ポンプユニット１００Ｂが形成されている。
　なお、図１に示すように、アノードガス拡散層１５と接触する第１アノードセパレーター１８のアノードＡＮ側の主面に凹凸２０（図２参照）が設けられ、この凹部が、アノードガス流路溝２５を構成している。また、アノードガス拡散層１５と接触する第２アノードセパレーター１７ＡのアノードＡＮ側の主面に凹凸２０（図２参照）が設けられ、この凹部が、アノードガス流路溝２５を構成している。
　アノードガス流路溝２５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に形成されている。但し、このようなアノードガス流路溝２５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形成されていてもよい。
　なお、以上の酸化クロムおよび水酸化クロムはそれぞれ、導電層ＣＬに含まれる金属酸化物および金属水酸化物のそれぞれの一例であって、本例に限定されない。このような金属酸化物および金属水酸化物の他の例として、例えば、鉄酸化物および鉄水酸化物などを挙げることができる。また、例えば、ニッケル酸化物、およびニッケル水酸化物などをあげることができる。その他、モリブデン酸化物、およびモリブデン水酸化物などをあげることができる。
　＜電圧印加器の構成＞
　図１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とカソード触媒層１２との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、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。具体的には、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、電気化学式水素ポンプ１００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、図示を省略するが、電圧印加器１０２の低電位側の端子がカソード給電板に接続され、電圧印加器１０２の高電位側の端子がアノード給電板に接続されている。カソード給電板は、例えば、水素ポンプユニット１００Ａの第１カソードセパレーター１６に設けられている。アノード給電板は、例えば、水素ポンプユニット１００Ｂの第１アノードセパレーター１８に設けられている。そして、カソード給電板およびアノード給電板はそれぞれ、第１カソードセパレーター１６および第１アノードセパレーター１８のそれぞれと電気的に接触している。
　このように、電気化学式水素ポンプ１００は、電圧印加器１０２が上記の電圧を印加することで、アノード触媒層１３上に供給された水素含有ガス中の水素を、カソード触媒層１２上に移動させ、かつ昇圧する装置である。つまり、電気化学式水素ポンプ１００では、アノードＡＮにおいて水素含有ガスから取り出されたプロトン（Ｈ＋）が、電解質膜１１を介してカソードＣＡに移動することで、カソードＣＡにおいて水素含有ガスが生成される。なお、水素含有ガスは、例えば、カソードＣＡから排出される水蒸気を含む高圧の水素ガスである。
　なお、電気化学式水素ポンプ１００には、外部からアノードＡＮに水素含有ガスを供給させるためのアノードガス供給経路４０と、カソードＣＡから水素含有ガスを外部に排出するためのカソードガス排出経路５０と、が設けられているが、これらの経路の詳細な構成は後で説明する。
　＜電気化学式水素ポンプの締結構成＞
　図１および図２Ａに示すように、第１カソードセパレーター１６、中間セパレーター１７および第１アノードセパレーター１８はこの順番に、電気化学式水素ポンプ１００内のアノードガス拡散層１５、アノード触媒層１３、電解質膜１１、カソード触媒層１２、およびカソードガス拡散層１４の積層方向と同一方向に積層されている。
　ここで、図示を省略するが、電気化学式水素ポンプ１００の第１カソードセパレーター１６の外面には、例えば、第１絶縁板を介して高剛性の第１端板が設けられている。また、電気化学式水素ポンプ１００の第１アノードセパレーター１８の外面には、例えば、第２絶縁板を介して高剛性の第２端板が設けられている。
　そして、図示しない締結器が、電気化学式水素ポンプ１００の各部材、第１絶縁板、第１端板、第２絶縁板および第２端板を上記の積層方向に締結している。
　締結器は、このような各部材を上記の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、締結器のボルトは、第１端板および第２端板のみを貫通してもよいし、ボルトは、電気化学式水素ポンプ１００の各部材、第１絶縁板、第１端板、第２絶縁板および第２端板を貫通してもよい。そして、第１カソードセパレーター１６の端面、および、第１アノードセパレーター１８の端面をそれぞれ、第１絶縁板および第２絶縁板のそれぞれを介して、第１端板および第２端板のそれぞれで挟むようにして、締結器により電気化学式水素ポンプ１００に所望の締結圧が付与されている。
　なお、締結器のボルトが、電気化学式水素ポンプ１００の各部材、第１絶縁板、第１端板、第２絶縁板および第２端板を貫通する構成を取る場合、電気化学式水素ポンプ１００の各部材が、上記の積層方向において、締結器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。
　このようにして、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、以上の部材がそれぞれ、締結器によって積層方向に積層されて一体化されている。
　＜水素含有ガスの流路構成＞
　以下、図１を参照しながら、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮに水素含有ガスを供給するための流路構成の一例を説明する。なお、図１では、水素含有ガスの流れの模式図が細い一点鎖線の矢印で示されている。
　図１に示すように、電気化学式水素ポンプ１００は、アノードガス供給経路４０を備える。
　アノードガス供給経路４０は、例えば、電気化学式水素ポンプ１００の各部材の適所に設けられ、鉛直方向に延伸する縦流路４０Ｈと、第２アノードセパレーター１７Ａおよび第１アノードセパレーター１８のそれぞれの適所に設けられ、水平方向に延伸する第１横流路４０Ａおよび第２横流路４０Ｂとの連なりによって構成されている。具体的には、縦流路４０Ｈは、第２アノードセパレーター１７Ａに設けられた第１横流路４０Ａを介して、水素ポンプユニット１００ＡのアノードＡＮと連通している。例えば、この第１横流路４０Ａと、第２アノードセパレーター１７Ａに設けられたサーペンタイン状のアノードガス流路溝２５の端部とが接続していてもよい。また、縦流路４０Ｈは、第１アノードセパレーター１８に設けられた第２横流路４０Ｂを介して、水素ポンプユニット１００ＢのアノードＡＮと連通している。例えば、この第２横流路４０Ｂと、第１アノードセパレーター１８に設けられたサーペンタイン状のアノードガス流路溝２５の端部とが接続していてもよい。
　以上の構成により、外部からの水素含有ガスは、図１の一点鎖線の矢印で示す如く、縦流路４０Ｈ、第１横流路４０Ａおよび水素ポンプユニット１００ＡのアノードＡＮをこの順番に流通するとともに、縦流路４０Ｈ、第２横流路４０Ｂおよび水素ポンプユニット１００ＢのアノードＡＮをこの順番に流通する。つまり、縦流路４０Ｈの水素含有ガスは、第１横流路４０Ａおよび第２横流路４０Ｂの両方を流れるように分流する。すると、水素含有ガスが、アノードガス拡散層１５を介して電解質膜１１に供給される。
　次に、図１を参照しながら、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡから水素含有ガスを外部に排出するための流路構成の一例を説明する。なお、図１では、水素含有ガスの流れの模式図が細い一点鎖線の矢印で示されている。
　図１に示すように、電気化学式水素ポンプ１００は、カソードガス排出経路５０を備える。
　カソードガス排出経路５０は、例えば、電気化学式水素ポンプ１００の各部材の適所に設けられ、鉛直方向に延伸する縦流路５０Ｈと、第１カソードセパレーター１６および第２カソードセパレーター１７Ｃのそれぞれの適所に設けられ、水平方向に延伸する第１横流路５０Ａおよび第２横流路５０Ｂとの連なりによって構成されている。具体的には、縦流路５０Ｈは、第１カソードセパレーター１６に設けられた第１横流路５０Ａを介して、水素ポンプユニット１００ＡのカソードＣＡと連通している。また、縦流路５０Ｈは、第２カソードセパレーター１７Ｃに設けられた第２横流路５０Ｂを介して、水素ポンプユニット１００ＢのカソードＣＡと連通している。
　以上の構成により、水素ポンプユニット１００ＡのカソードＣＡで昇圧された高圧の水素含有ガスは、図１の一点鎖線の矢印で示す如く、第１横流路５０Ａおよび縦流路５０Ｈをこの順番に流通する。その後、水素含有ガスは、電気化学式水素ポンプ１００外へ排出される。また、水素ポンプユニット１００ＢのカソードＣＡで昇圧された高圧の水素含有ガスは、図１の一点鎖線の矢印で示す如く、第２横流路５０Ｂおよび縦流路５０Ｈをこの順番に流通する。その後、水素含有ガスは、電気化学式水素ポンプ１００外へ排出される。つまり、第１横流路５０Ａおよび第２横流路５０Ｂの両方の水素含有ガスは、縦流路５０Ｈで合流する。
　なお、以上の電気化学式水素ポンプ１００の構成は例示であって、本例に限定されない。例えば、水素ポンプユニット１００Ａおよび水素ポンプユニット１００Ｂのアノードガス流路溝２５に供給する水素含有ガス中の水素を全量、昇圧するデッドエンド構造ではなく、アノードガス流路溝２５から水素含有ガスの一部を排出するためのアノードガス排出経路（図示せず）を電気化学式水素ポンプ１００の適所に設けてもよい。この際、アノードガス流路溝２５から供給される水素含有ガス中の水素は、定常運転においては、８割程度、もしくは多い場合では、９割程度消費され、未消費の水素含有ガスが図示しないアノードガス排出経路を通じて、水素ポンプユニット１００Ａの外に排出される。この未消費の水素含有ガスはリサイクルされ、新たに供給される水素含有ガスとともに混合された後、１００Ａのアノードガス供給経路４０に、再度、供給される。
　［動作］
　以下、実施形態の電気化学式水素ポンプ１００の動作の一例について図面を参照しながら説明する。
　なお、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に印加される。すると、電気化学式水素ポンプ１００において、アノードＡＮに供給する水素含有ガスから取り出されたプロトンが、電解質膜１１を介してカソードＣＡに移動し、昇圧された水素が生成される水素昇圧動作が行われる。具体的には、アノード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。
　　　アノード：Ｈ２（低圧）→２Ｈ＋＋２ｅ－　　　・・・（１）
　　　カソード：２Ｈ＋＋２ｅ－→Ｈ２（高圧）　　　・・・（２）
　電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡで生成された水素含有ガスは、カソードＣＡで昇圧される。例えば、図示しない流量調整器を用いて、カソードガス導出経路の圧損を増加させることにより、カソードＣＡで水素含有ガスを昇圧させることができる。なお、流量調整器として、例えば、カソードガス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。
　ここで、適時に、流量調整器を用いて、カソードガス導出経路の圧損を低下させると、水素含有ガスが、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡからカソードガス排出経路５０を通じて外部へ排出される。流量調整器を用いて、カソードガス導出経路の圧損を低下させるとは、背圧弁、調整弁などの弁の開度を大きくすることである。
　なお、カソードガス導出経路を通じて供給される水素は、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、装置の耐久性および信頼性が従来よりも向上し得る。
　具体的には、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、金属表面に存在する不動態皮膜を改質した金属酸化物および金属水酸化物を含む導電層ＣＬが用いられている。例えば、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、ステンレスの表面に存在する不動態皮膜を改質した酸化クロムおよび水酸化クロムを含む導電層が用いられている。よって、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、特許文献１に開示されたセパレーターに比べて、第１アノードセパレーター１８および第２アノードセパレーター１７Ａ（以下、アノードセパレーター）を構成する積層体の層数を減らすことができる。また、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、特許文献１に開示されたセパレーターに比べて、第１カソードセパレーター１６および第２カソードセパレーター１７Ｃ（以下、カソードセパレーター）を構成する積層体の層数を減らすことができる。
　これにより、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、上記の積層体の層間における接着性の低下、積層体の層間における空隙発生を抑制することができ、その結果、装置の耐久性および信頼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、上記の積層体の層数を減らすことができるので、アノードセパレーターおよびカソードセパレーターの低コスト化を図ることができる。
　（第１実施例）
　本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、以下に説明するアノードセパレーターの構成以外は、実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様である。
　図２Ｂは、実施形態の第１実施例の電気化学式水素ポンプにおけるアノードセパレーターの一例を示す図であって、図１のＢ部を拡大した図である。なお、図２Ｂには、水素ポンプユニット１００Ｂの第１アノードセパレーター１８のＢ部が図示されている。水素ポンプユニット１００Ａの第２アノードセパレーター１７Ａは、水素ポンプユニット１００Ｂの第１アノードセパレーター１８と同様に構成されているので図示および説明を省略する。
　以下、アノードセパレーターの具体例について図面を参照しながら、詳細に説明する。
　本実施例の電気化学式水素ポンプ１００では、例えば、厚みが１．５ｍｍから２ｍｍ以上のステンレス製（例えば、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌなど）の金属基材シート２３と、厚みが０．１～０．５ｍｍ程度のステンレス製のシート２１とが拡散接合で一体化されている。拡散接合の際、金属基材シート２３の表層に存在する酸化被膜は、事前にエッチングなどにより除去された後、拡散接合される。これにより、互いの接合部の空隙が消失するので、電気化学式水素ポンプ１００の接触抵抗を低減することができる。また、電気化学式水素ポンプ１００の動作時には、例えば、カソードＣＡおよびアノードＡＮ間に１ＭＰａ～８２ＭＰａ程度の高圧がかかる。そこで、本実施例では、アノードセパレーターの金属基材シート２３を厚みが１．５ｍｍから２ｍｍ以上のステンレス板で構成することで、アノードセパレーターの剛性が適切に確保されている。
　ここで、アノードセパレーターの金属基材シート２３は、例えば、主面に対してエッチングまたは削り加工により、断面視において凹凸２０を設けることで、平面視においてサーペンタイン状のアノードガス流路溝２５が形成されている。そして、金属基材シート２３の凸部２２のアノードＡＮに対向する部分のみとシート２１の一方の主面とが拡散接合で一体化されている。
　つまり、電気化学式水素ポンプ１００では、アノードセパレーターの主面には、電気化学反応が行われる水素含有ガスをアノードガス拡散層１５に均一に供給するための断面視において凹凸状のアノードガス流路溝２５が設けられる。この場合、アノードガス拡散層１５の主面は、アノードガス流路溝２５の内面とは接触せずに、酸化クロムおよび水酸化クロムを含む導電層２１Ａおよびシート２１を介して凸部２２とのみ接触する。
　シート２１の他方の主面には、層の厚みが、０．００１μｍ以上、５μｍ以下（例えば、０．０１μｍ程度）の導電層２１Ａが形成されている。そして、導電層２１Ａは、導電性および耐食性に優れており、この導電層２１Ａ上にアノードガス拡散層１５が設けられている。つまり、アノードガス拡散層１５に接触するアノードセパレーターの部分にのみ、導電性および耐食性が高い導電層２１Ａおよびシート２１を設けることが望ましい。
　ここで、図３に示すように、導電層２１Ａは、一例として、シート２１の表面に存在する酸化クロムを含む不動態皮膜に、電気化学的にプロトン（Ｈ＋）を注入することで改質した水酸化クロムおよび酸化クロムを含む層である。つまり、導電層２１Ａ中の水酸化クロムは、酸化クロムを含む不動態皮膜にプロトンを導入することによって生成される。
　また、このとき、導電層２１Ａは、フッ素濃度が０．１原子％以上のフッ素、および、リチウム濃度が０．０１原子％以上のリチウムの少なくともいずれか一方を含んでいてもよい。すると、導電層２１Ａの導電性が向上するとともに、導電層２１Ａの耐食性が向上して変質しにくくなる。
　以上により、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、導電性が低い酸化クロムを含む不動態皮膜において、導電性が高い水酸化クロムの含有率を適切に向上させることができる。
　なお、酸化クロムを含む不動態皮膜に、電気化学的にプロトン（Ｈ＋）を注入する手法、および、不動態皮膜中にフッ素およびリチウムを注入する手法は、公知（国際公開第２００８／１３６３０６号）であるので詳細な説明は省略する。
　以上の導電層２１Ａを備えるシート２１は、一例として、圧延ロールで製造された市販のコート材を、適宜のプレス金型で打ち抜き加工することで、容易に得ることができる。例えば、直径が８０ｍｍ～１３０ｍｍ程度の円形であって、平面視においてサーペンタイン状のアノードガス流路溝２５に対応する部分が開口になるように、市販のコート材をプレス成形で切り出した後、この円形のコート材が金属基材シート２３と拡散接合されてもよい。
　また、図示を省略するが、導電層２１Ａおよびシート２１が設けられていないアノードセパレーターの部分は、高耐食性の酸化クロムを含む不動態皮膜が形成されている。
　上記のアノードセパレーターの構成および製法は例示であって、本例に限定されない。
　本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、上記の特徴以外は、実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様であってもよい。
　（第２実施例）
　本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セパレーターの構成以外は、実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様である。
　図２Ｃは、実施形態の第２実施例の電気化学式水素ポンプにおけるカソードセパレーターの一例を示す図であって、図１のＣ部を拡大した図である。なお、図２Ｃには、水素ポンプユニット１００Ａの第１カソードセパレーター１６のＣ部が図示されている。水素ポンプユニット１００Ｂの第２カソードセパレーター１７Ｃは、水素ポンプユニット１００Ａの第１カソードセパレーター１６と同様に構成されているので図示および説明を省略する。
　以下、カソードセパレーターの具体例について図面を参照しながら、詳細に説明する。
　本実施例の電気化学式水素ポンプ１００では、例えば、厚みが１．５ｍｍから２ｍｍ以上のステンレス製（例えば、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌなど）の金属基材シート３３と、厚みが０．１～０．５ｍｍ程度のステンレス製のシート３１とが拡散接合で一体化されている。これにより、互いの接合部の空隙が消失するので、電気化学式水素ポンプ１００の接触抵抗を低減することができる。拡散接合の際、金属基材シート３３の表層に存在する酸化被膜は、事前にエッチングなどにより除去された後、拡散接合される。
　ここで、カソードセパレーターの金属基材シート３３は、例えば、主面に対してエッチングまたは削り加工により、カソードガス拡散層１４を収納する凹部が形成されている。そして、金属基材シート３３の凹部の底面のみとシート３１の一方の主面とが拡散接合で一体化されている。
　つまり、電気化学式水素ポンプ１００の動作時には、カソードガス拡散層１４内のガス圧が高圧である。よって、カソードセパレーターの金属基材シート３３の凹部の底面に流路溝を必ずしも設ける必要がなく、金属基材シート３３の適所に、凹部の内外を連通させる連通孔を設けることで、電気化学式水素ポンプ１００の外部に水素含有ガスを放出することができる。このとき、カソードガス拡散層１４の主面は、例えば、カソードセパレーターの金属基材シート３３の凹部の底面全体と面接触していてもよい。
　シート３１の他方の主面には、層の厚みが、０．００１μｍ以上、５μｍ以下（例えば、０．０１μｍ程度）の導電層３１Ａが形成されている。そして、導電層３１Ａは、導電性および耐食性に優れており、この導電層３１Ａ上にカソードガス拡散層１４が設けられている。つまり、カソードガス拡散層１４に接触するカソードセパレーターの部分にのみ、導電性および耐食性が高い導電層３１Ａおよびシート３１を設けることが望ましい。
　ここで、図示を省略するが、導電層３１Ａは、一例として、シート３１の表面に存在する酸化クロムを含む不動態皮膜に、電気化学的にプロトン（Ｈ＋）を注入することで改質した水酸化クロムおよび酸化クロムを含む層である。つまり、導電層３１Ａ中の水酸化クロムは、酸化クロムを含む不動態皮膜にプロトンを導入することによって生成される。
　また、このとき、導電層３１Ａは、フッ素濃度が０．１原子％以上のフッ素、および、リチウム濃度が０．０１原子％以上のリチウムの少なくともいずれか一方を含んでいてもよい。すると、導電層２１Ａの導電性が向上するとともに、導電層２１Ａの耐食性が向上して変質しにくくなる。
　以上により、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、導電性が低い酸化クロムを含む不動態皮膜において、導電性が高い水酸化クロムの含有率を適切に向上させることができる。
　なお、酸化クロムを含む不動態皮膜に、電気化学的にプロトン（Ｈ＋）を注入する手法、および、不動態皮膜中にフッ素およびリチウムを注入する手法は、公知（国際公開第２００８／１３６３０６号）であるので詳細な説明は省略する。
　以上の導電層３１Ａを備えるシート３１は、一例として、圧延ロールで製造された市販のコート材を、適宜のプレス金型で打ち抜き加工することで、容易に得ることができる。例えば、直径が８０ｍｍ～１３０ｍｍ程度の円形になるように、市販のコート材をプレス成形で切り出した後、この円形のコート材が金属基材シート３３と拡散接合されてもよい。
　また、図示を省略するが、導電層３１Ａおよびシート３１が設けられていないカソードセパレーターの部分は、高耐食性の酸化クロムを含む不動態皮膜が形成されていてもよい。
　上記のカソードセパレーターの構成および製法は例示であって、本例に限定されない。
　本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、上記の特徴以外は、実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様であってもよい。
　＜カソードセパレーターの評価＞
　（Ａ）耐食性の評価
・テストピース
　本評価では、以下のテストピースを使用した。
　実施例のテストピース：導電層３１Ａを備えるシート３１と金属基材シート３３とが拡散接合された部材
　比較例１のテストピース：グラファイトが蒸着されたシートを使用した以外は、実施例のテストピースと同一の部材
　比較例２のテストピース：グラフェンが蒸着されたシートを使用した以外は、実施例のテストピースと同一の部材
・評価方法
　本評価では、テストピースを作用極、対極（白金）および参照極（水銀－硫酸水銀－硫酸溶液）からなる３電極を適宜のｐＨ３の硫酸水溶液に浸漬させることで電気化学測定を行った。
　なお、本電気化学測定では、電気化学式水素ポンプ１００の動作電圧相当の所定の電圧を、約１００時間、作用電極と参照電極の間に印加した後、テストピースと対極に流れる電流を測定した。
・評価結果
　実施例のテストピース、比較例１のテストピースおよび比較例２のテストピースの何れにおいても、腐食電流密度が、０．１μＡ／ｃｍ２以下であった。よって、実施例のテストピースは、カーボン系の比較例１のテストピースおよび比較例２のテストピースと同様、耐食性において十分な性能を有することが検証された。
　（Ｂ）導電性の評価
　（Ｂ－１）シート単体の評価
・テストピース
　本評価では、以下のテストピースを使用した。
　実施例のテストピース：導電層３１Ａを備えるシート３１の部材
　比較例１のテストピース：グラファイトが蒸着されていること以外は、実施例のテストピースと同一のシート部材
　比較例２のテストピース：グラフェンが蒸着されていること以外は、実施例のテストピースと同一のシート部材
・評価結果
　実施例のテストピース、比較例１のテストピースおよび比較例２のテストピースの何れにおいても、１ＭＰａ以上の加圧下において、接触抵抗を含む面積抵抗が、３ｍΩｃｍ２以下であった。よって、実施例のテストピースは、カーボン系の比較例１のテストピースおよび比較例２のテストピースと同様、導電性において十分な性能を有することが検証された。
　（Ｂ－２）セパレーターの評価
・テストピース
　本評価では、以下のテストピースを使用した。
　実施例のテストピース：導電層３１Ａを備えるシート３１と金属基材シート３３とが拡散接合された部材
　比較例１のテストピース：グラファイトが蒸着されたシートを使用した以外は、実施例のテストピースと同一の部材
　比較例２のテストピース：グラフェンが蒸着されたシートを使用した以外は、実施例のテストピースと同一の部材
・評価結果
　実施例のテストピース、比較例１のテストピースおよび比較例２のテストピースの何れにおいても、接触抵抗を含む面積抵抗が、上記のシート単体の場合の面積抵抗よりも大きくなったが、１ＭＰａ以上の加圧下において、３ｍΩｃｍ２以下であった。よって、実施例のテストピースは、カーボン系の比較例１のテストピースおよび比較例２のテストピースと同様、導電性において十分な性能を有することが検証された。
　なお、実施形態、実施形態の第１実施例および実施形態の第２実施例は、互いに相手を排除しない限り、互いに組み合わせても構わない。
　また、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、実施形態の電気化学式水素ポンプ１００のＭＥＡ、アノードセパレーターおよびカソードセパレーターはそれぞれ、水電解装置および燃料電池などの他の電気化学デバイスのＭＥＡ、アノードセパレーターおよびカソードセパレーターに適用することができる。
　本開示の一態様は、装置の耐久性および信頼性が従来よりも向上し得る電気化学デバイス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　　　：第１カソードセパレーター
１７　　　：中間セパレーター
１７Ａ　　：第２アノードセパレーター
１７Ｃ　　：第２カソードセパレーター
１８　　　：第１アノードセパレーター
２０　　　：凹凸
２１　　　：シート
２１Ａ　　：導電層
２２　　　：凸部
２３　　　：金属基材シート
２５　　　：アノードガス流路溝
３１　　　：シート
３１Ａ　　：導電層
３３　　　：金属基材シート
４０　　　：アノードガス供給経路
４０Ａ　　：第１横流路
４０Ｂ　　：第２横流路
４０Ｈ　　：縦流路
５０　　　：カソードガス排出経路
５０Ａ　　：第１横流路
５０Ｂ　　：第２横流路
５０Ｈ　　：縦流路
１００　　：電気化学式水素ポンプ
１００Ａ　：水素ポンプユニット
１００Ｂ　：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
ＣＬ　　　：導電層

Claims (11)

  1. 　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アノードセパレーターと、
    　前記カソード上に設けられたカソードセパレーターと、
    　を備え、
    　前記アノードセパレーターおよび前記カソードセパレーターの少なくとも一方は、金属基材シートと、前記金属基材シート上に設けられ、金属酸化物および金属水酸化物を含む導電層とを備える、電気化学デバイス。
  2. 　前記金属水酸化物は、金属酸化物を含む層にプロトンを導入することによって生成される、請求項１に記載の電気化学デバイス。
  3. 　前記金属酸化物は、酸化クロムであり、前記金属水酸化物は、水酸化クロムである、請求項１または２に記載の電気化学デバイス。
  4. 　前記金属基材シートは、ステンレスによって構成される、請求項１－３のいずれか１項に記載の電気化学デバイス。
  5. 　前記金属基材シートは、ＳＵＳ３１６またはＳＵＳ３１６Ｌによって構成される、請求項４に記載の電気化学デバイス。
  6. 　前記金属基材シートは、４４０１－３１６－００－Ｉまたは４４３６－３１６－００－Ｉ、または、４４０４－３１６－０３－Ｉ、４４３２－３１６－０３－Ｉまたは４４３６－３１６－９１－Ｉによって構成される、請求項４に記載の電気化学デバイス。
  7. 　前記金属基材シートは、１．４４０１または１．４４３６、または、１．４４０４、１．４４３２または１．４４３５によって構成される、請求項４に記載の電気化学デバイス。
  8. 　前記金属基材シートは、Ｓ３１６００またはＳ３１６０３によって構成される、請求項４に記載の電気化学デバイス。
  9. 　前記金属基材シートは、Ｓ３１６０８またはＳ３１６０３によって構成される、請求項４に記載の電気化学デバイス。
  10. 　前記導電層は、層の厚みが０．００１μｍ以上、５μｍ以下である、請求項１－９のいずれか一項に記載の電気化学デバイス。
  11. 　前記導電層は、フッ素濃度が０．１原子％以上のフッ素、および、リチウム濃度が０．０１原子％以上のリチウムの少なくともいずれか一方を含む、請求項１－１０のいずれか一項に記載の電気化学デバイス。
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