WO2023120042A1 - 圧縮装置 - Google Patents

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WO2023120042A1
WO2023120042A1 PCT/JP2022/043659 JP2022043659W WO2023120042A1 WO 2023120042 A1 WO2023120042 A1 WO 2023120042A1 JP 2022043659 W JP2022043659 W JP 2022043659W WO 2023120042 A1 WO2023120042 A1 WO 2023120042A1
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cathode
ring
anode
separator
plate
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貴之 中植
修 酒井
洋三 喜多
幸宗 可児
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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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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Definitions

  • the present disclosure relates to compression devices.
  • Hydrogen has attracted attention as a clean alternative energy source to replace fossil fuels.
  • Hydrogen is expected to be a clean energy because it basically produces only water even if it is burned, does not emit carbon dioxide that causes global warming, and hardly emits nitrogen oxides.
  • hydrogen used as fuel for fuel cell vehicles is generally stored in a hydrogen tank inside the vehicle in a high-pressure state compressed to several tens of MPa.
  • Such high-pressure hydrogen is generally obtained by compressing low-pressure (normal pressure) hydrogen with a mechanical compressor.
  • Non-Patent Document 1 a differential pressure type high pressure water electrolyzer (hereinafter referred to as water electrolyzer) has been proposed.
  • a water electrolysis device is composed of a solid polymer electrolyte membrane, an anode catalyst layer and a cathode catalyst layer provided on both sides of the solid polymer electrolyte membrane, and a mixture of these catalyst layers in order to generate hydrogen and oxygen by electrolyzing water.
  • An anode current feeder and a cathode current feeder which are provided on both sides, are disposed.
  • a laminate of a cathode including a cathode catalyst layer and a cathode current feeder, an electrolyte membrane, and an anode including an anode catalyst layer and an anode current feeder is referred to as a membrane-electrode assembly (hereinafter, MEA: Membrane Electrode Assembly).
  • the water electrolysis cell of Non-Patent Document 1 includes an MEA, an anode separator and a resin frame that hold the MEA and have normal-pressure flow paths for supplying water, discharging excess water, and circulating oxygen, and a high-pressure and a cathode separator with high pressure gas passages for hydrogen discharge.
  • a plurality of water electrolysis cells are stacked in accordance with the amount of high-pressure hydrogen generated at the cathode, and terminals for applying voltage are provided at both ends of the stack in the stacking direction.
  • current can flow through the water electrolysis cell, and water is supplied to the anode current supply.
  • protons are generated by electrolysis of water on the anode side of the MEA. Protons move to the cathode side by permeating the electrolyte membrane, and recombine with electrons in the cathode power supply to generate high-pressure hydrogen. Hydrogen is then discharged from the water electrolyzer through the high-pressure gas flow path provided in the cathode separator.
  • oxygen produced at the anode is discharged from the water electrolyzer together with surplus water through normal pressure channels provided in the anode separator and the resin frame.
  • the hydrogen obtained by water electrolysis is compressed, so the hydrogen gas pressure on the cathode power supply side becomes high.
  • the separator and the like are deformed, which may increase the contact resistance between the members constituting the water electrolysis cell.
  • Non-Patent Document 1 proposes a structure in a water electrolysis device in which a laminate including a plurality of water electrolysis cells is adhered by end plates (both end plates) using fastening members (bolts). A closed space exists between the upper end plate and the separator corresponding to the upper end of the laminate, and high-pressure hydrogen is introduced into this closed space. Furthermore, an elastic body (spring) is provided in this sealed space.
  • Patent Document 1 proposes an electrochemical hydrogen pump in which a low-pressure hydrogen-containing gas is supplied to an anode, and only protons electrochemically permeate an electrolyte membrane to purify high-pressure hydrogen at the cathode.
  • the configuration of the electrochemical cell of the electrochemical hydrogen pump is the same as the configuration of the water electrolysis cell of Non-Patent Document 1, except that the anode fluid is a hydrogen-containing gas, so the description is omitted.
  • Patent Document 1 similarly to the above, if the separator and the like are deformed due to the high hydrogen gas pressure on the cathode power supply side, there is a possibility that the contact resistance between the members that make up the electrochemical cell will increase. Therefore, in Patent Document 1, the deformation is suppressed by introducing high-pressure hydrogen generated at the cathode into the space between the upper and lower end plates (both end plates) and the adjacent separators.
  • An object of the present disclosure is, as an example, to provide a compression device that can improve the sealing performance of a sealing material that seals a recess for storing compressed hydrogen.
  • a compression device includes an electrolyte membrane, an anode provided on one main surface of the electrolyte membrane, and an anode provided on the other main surface of the electrolyte membrane.
  • at least one compression unit comprising a cathode stacked on the anode, an anode separator stacked on the anode, and a cathode separator stacked on the cathode; and a voltage applicator for applying a voltage between the anode and the cathode. and, by applying a voltage from the voltage applicator, the protons extracted from the anode fluid supplied to the anode are moved to the cathode through the electrolyte membrane to generate compressed hydrogen.
  • the plate-like member is provided with a recess for storing compressed hydrogen and a groove surrounding the periphery of the recess, and the groove is provided with a sealing material and an outer edge of the sealing material.
  • a ring member surrounding the sealing member is provided, and both the outer peripheral surface of the groove and the outer peripheral surface of the ring member are provided with a gradient so as to widen toward the opening of the groove.
  • the compression device can provide an effect that the sealing performance of the sealing material that seals the concave portion for storing compressed hydrogen can be improved more than before.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of an electrochemical hydrogen pump according to an embodiment.
  • 2 is a diagram showing an example of the bipolar plate and hydrogen pump unit of FIG. 1.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view of the bipolar plate of FIG. 2.
  • FIG. 4 is a top view of the bipolar plate of FIG. 2.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of the first pressure-forming member of FIG. 1 together with the bipolar plate and hydrogen pump unit of FIG. 1; 6 is an exploded perspective view of the first pressure forming member of FIG. 5;
  • FIG. 7 is a top view of the first pressure forming member of FIG. 5;
  • FIG. 8 is a diagram showing an example of the second pressure forming member of FIG. 1 together with the bipolar plate and hydrogen pump unit of FIG.
  • FIG. 10 is a top view of the second pressure forming member of FIG. 8;
  • FIG. 11 is a diagram showing an example of a phenomenon in which a part of the O-ring protrudes into the gap due to the high-pressure cathode gas existing inside the O-ring.
  • 12 is a diagram illustrating an example of the first pressure forming member of FIG. 1;
  • FIG. 13 is a diagram showing an example of an O-ring groove and ring material in the first pressure forming member of FIG. 1;
  • FIG. 14A is a diagram showing an example of a two-dimensional analysis model used in structural analysis.
  • 14B is a diagram showing an example of a result of structural analysis
  • 15 is a diagram showing an example of an O-ring groove and ring material in the first pressure forming member of FIG. 1
  • FIG. 16 is a diagram showing an example of a result of structural analysis
  • 17 is a diagram illustrating an example of the second pressure forming member of FIG. 1;
  • Non-Patent Document 1 a large cylindrical recess is formed in the center of the bottom surface of the upper end plate, and the entire separator on the upper end side is inserted into the recess. A closed space is formed for introducing gas.
  • the seal configuration for sealing the closed space has not been sufficiently studied.
  • Patent Document 1 proposes to introduce high-pressure hydrogen into the space between the upper and lower end plates and the adjacent separators, but the sealing structure for sealing the space has not been sufficiently studied. do not have.
  • the compression device of one aspect of the present disclosure includes an electrolyte membrane, an anode provided on one main surface of the electrolyte membrane, a cathode provided on the other main surface of the electrolyte membrane, and an anode stacked on the anode.
  • At least one compression unit comprising a separator and a cathode separator stacked on the cathode; and a voltage applicator for applying a voltage between the anode and the cathode; , a compression device for moving protons extracted from the anode fluid supplied to the anode to the cathode through the electrolyte membrane to generate compressed hydrogen, the anode separator positioned at one end in the stacking direction Between the anode end plate provided above, the cathode end plate provided on the cathode separator located at the other end in the stacking direction, and the cathode end plate and the cathode separator located at the other end, Alternatively, a plate-like member provided between the anode end plate and the anode separator located at one end is provided, and the plate-like member has a recess for storing compressed hydrogen and a groove surrounding the outer periphery of the recess.
  • the groove is provided with a sealing material and a ring material adjacent to the
  • the compression device of this aspect can improve the sealing performance of the sealing material that seals the concave portion for storing compressed hydrogen.
  • a gap may be generated between the members in contact with the sealing material due to the gas pressure of the compressed hydrogen in the area surrounded by the sealing material.
  • the ring material surrounding the seal material is not provided, part of the seal material may protrude into the gap due to the gas pressure of the compressed hydrogen existing inside the seal material. Then, there is a possibility that the sealing performance of the sealing material is deteriorated due to the damage of the sealing material.
  • the compression device of this aspect by providing the ring material surrounding the seal material so as to be adjacent to the outer edge of the seal material, the seal material is suppressed from protruding into the gap, and as a result, the seal material is improved.
  • the cylindrical ring material receives the gas pressure of the compressed hydrogen existing inside the sealing material through the sealing material.
  • the ring material does not deform so as to fill the gap even if the ring material is deformed. Therefore, the compressed hydrogen is likely to leak outside through this gap.
  • the ring member and the outer peripheral surface of the groove are provided with a gradient so that they widen toward the opening of the groove. Therefore, in the compression device of this aspect, even if a gap is generated between the members contacting the sealing material due to the gas pressure of the compressed hydrogen existing inside the sealing material, the gas pressure prevents the outer peripheral surface of the ring material from moving into the groove. Since it acts in the direction of sliding downward on the outer peripheral surface, part of the ring material can easily enter the gap so as to fill the gap.
  • the compressed hydrogen existing inside the sealing material is released through the gap more than when the outer peripheral surface of the groove and the outer peripheral surface of the ring material are perpendicular to the opening surface of the groove. Possibility of leakage to the outside can be reduced. Although there is a possibility that part of the ring material that has entered the gap may be damaged, the presence of the ring material prevents the seal material from protruding into the gap and being damaged. The possibility of hydrogen leaking to the outside is reduced.
  • the anode fluid of the above compressor can include a hydrogen-containing gas.
  • the compression device is a water electrolysis device, liquid water can be used as the anode fluid.
  • an electrochemical hydrogen pump including a hydrogen pump unit will be described as an example of a compression device including the above compression unit 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.
  • “upper” and “lower” are taken as in the figure (the same applies to other drawings).
  • the electrochemical hydrogen pump 100 includes at least one hydrogen pump unit 10, a first pressure forming member 44, a second pressure forming member 46, and a voltage applicator 102.
  • a plurality of stages of hydrogen pump units 10 are stacked in the electrochemical hydrogen pump 100 .
  • the number of hydrogen pump units 10 is not limited to this. In other words, the number of hydrogen pump units 10 can be set to an appropriate number based on operating conditions such as the amount of hydrogen to be compressed by the electrochemical hydrogen pump 100 .
  • each of the bipolar plates (bipolar plates) 29 functions as a cathode separator for one of the adjacent hydrogen pump units 10 and as an anode separator for the other adjacent hydrogen pump unit 10. and a plate.
  • the uppermost bipolar plate 29 is configured to function only as a cathode separator. Specifically, the top surface of the uppermost bipolar plate 29 is in contact with the space SC of the first pressure forming member 44, and this top surface is not provided with an anode gas flow path through which the hydrogen-containing gas flows. A space SC is formed in the first pressure forming member 44 to store cathode gas containing compressed hydrogen generated at the cathode of the hydrogen pump unit 10 . That is, the upper surface of the uppermost bipolar plate 29 functions as a lid for sealing the space SC of the first pressure forming member 44 .
  • the lowermost hydrogen pump unit 10 is composed of a plate functioning as a cathode separator of the lowermost bipolar plate 29 and a plate functioning as an anode separator of the second pressure forming member 46 .
  • the upper surface of the second pressure forming member 46 is provided with an anode gas channel (not shown in FIG. 1) through which the hydrogen-containing gas flows.
  • a space SA is formed in the second pressure forming member 46 to store the cathode gas containing compressed hydrogen generated at the cathode of the hydrogen pump unit 10 .
  • the electrochemical hydrogen pump 100 is fastened to a cathode end plate 15 and an anode end plate 16 provided on both ends in the direction in which the hydrogen pump units 10 are stacked (hereinafter referred to as the stacking direction). and a vessel 17 .
  • the anode end plate 16 is provided on the anode separator positioned at one end in the stacking direction of the hydrogen pump units 10 .
  • the cathode end plate 15 is provided on the cathode separator located at the other end in the stacking direction of the hydrogen pump units 10 .
  • the fastening device 17 may have any configuration as long as it can fasten each member constituting the stack of the electrochemical hydrogen pump 100 in the stacking direction.
  • the fastener 17 can include a bolt and a nut with a disc spring. A detailed configuration of the fastener 17 will be described in a third embodiment.
  • the electrochemical hydrogen pump 100 has a fluid collection and distribution member 11 and an insulating plate 13 stacked in this order from above between the cathode end plate 15 and the first pressure forming member 44 . Note that the order of stacking the first pressure forming member 44 and the insulating plate 13 may be reversed. Between the anode end plate 16 and the second pressure forming member 46, the fluid collection/distribution member 14, the insulating plate 12 and the sealing plate 48 are laminated in this order from below.
  • An outflow port through which hydrogen-containing gas at a low pressure (for example, normal pressure to several MPa) discharged from the anode of the hydrogen pump unit 10 flows out, and a hydrogen pump are provided at appropriate locations on the side surface of the fluid distribution member 14.
  • An outflow port through which a cooling medium (eg, water) for controlling the unit 10 at an appropriate temperature flows out, and a high pressure (eg, several MPa to several tens of MPa) discharged from the cathode of the hydrogen pump unit 10. and an outlet 14A through which the cathode gas passes.
  • the discharge port 14A communicates with the first cathode gas lead-out manifold 35 via a gas passage provided in the fluid collection and distribution member 11 .
  • the first cathode gas outlet manifold 35 includes a plurality of bipolar plates 29, a first pressure forming member 44, an insulating plate 13, a second pressure forming member 46, a sealing plate 48 and an insulating plate 12. It is composed of a series of through holes provided in the In the electrochemical hydrogen pump 100, the cathode gas discharged from each cathode of the hydrogen pump unit 10 through a communication path (see the dotted line in FIG. 1) provided in the bipolar plate 29 is converted into a first cathode gas. It is configured to merge at the outlet manifold 35 .
  • the electrochemical hydrogen pump 100 is connected to the space SC between the first cathode gas outlet manifold 35 and the first pressure forming member 44 via a communication path (see the dotted line in FIG. 1) provided in the first pressure forming member 44. is configured to communicate with the Furthermore, the electrochemical hydrogen pump 100 is connected to the space SA between the first cathode gas outlet manifold 35 and the second pressure forming member 46 via a communication path (see the dotted line in FIG. 1) provided in the second pressure forming member 46. is configured to communicate with the cathode gas.
  • the hydrogen-containing gas outlet and cooling medium outlet of the fluid collection and distribution member 14 are respectively constituted by a series of through-holes provided in each of the above-described members. In communication with each of the media outlet manifolds.
  • an inlet through which hydrogen-containing gas at a low pressure (for example, normal pressure to several MPa) supplied to the anode of the hydrogen pump unit 10 flows, and a hydrogen pump.
  • An inlet into which a cooling medium (eg, water) flows to control the unit 10 at an appropriate temperature, and a high pressure (eg, several MPa to several tens of MPa) discharged from the cathode of the hydrogen pump unit 10. and an outlet 11A through which the cathode gas passes.
  • the discharge port 11A communicates with the second cathode gas lead-out manifold 36 via a gas passage provided in the fluid collection and distribution member 11 .
  • the second cathode gas outlet manifold 36 includes a plurality of bipolar plates 29, a first pressure forming member 44, an insulating plate 13, a second pressure forming member 46, a sealing plate 48 and an insulating plate 12. It is composed of a series of through holes provided in the In the electrochemical hydrogen pump 100, the cathode gas discharged from each cathode of the hydrogen pump unit 10 through a communication path (see the dotted line in FIG. 1) provided in the bipolar plate 29 is converted into a second cathode gas. It is configured to join at the outlet manifold 36 .
  • the electrochemical hydrogen pump 100 is connected to the space SC between the second cathode gas outlet manifold 36 and the first pressure forming member 44 via a communication path (see the dotted line in FIG. 1) provided in the first pressure forming member 44. is configured to communicate with the Further, the electrochemical hydrogen pump 100 is connected to the space SA between the second cathode gas outlet manifold 36 and the second pressure forming member 46 via a communication path (see dotted line in FIG. 1) provided in the second pressure forming member 46 . is configured to communicate with the cathode gas.
  • the hydrogen-containing gas inlet and cooling medium inlet of the fluid collection and distribution member 11 are respectively constituted by a series of through-holes provided in each of the above-described members. In communication with each of the media introduction manifolds.
  • Insulating plate 13 is interposed between first pressure forming member 44 and fluid distribution member 11 to provide isolation between bipolar plate 29 and fluid distribution member 11 , cathode endplate 15 and fastener 17 . properly insulated.
  • Examples of the material of the insulating plate 13 include, but are not limited to, materials such as rubber, resin (for example, PEN, PET, etc.), glass, and glass epoxy material.
  • the insulating plate 12 is interposed between the sealing plate 48 and the fluid distribution member 14, thereby separating the bipolar plate 29 and the second pressure forming member 46, the fluid distribution member 14, the anode end plate 16 and the fasteners. 17 is properly insulated.
  • Examples of the material of the insulating plate 12 include, but are not limited to, materials such as rubber, resin (for example, PEN, PET, etc.), glass, and glass epoxy material.
  • the sealing plate 48 functions as a lid for sealing the space SA of the second pressure forming member 46, thereby sealing the high-pressure cathode gas accumulated in the space SA.
  • materials for the sealing plate 48 include, but are not limited to, materials such as stainless steel, gold, titanium, rubber, resins (eg, PEN, PET, etc.), glass, and glass epoxy materials.
  • stainless steel is used as the material for the sealing plate 48, it is desirable to use SUS316L, which has excellent properties such as acid resistance and hydrogen embrittlement resistance.
  • an insulating member such as resin is used as the material of the sealing plate 48, the sealing plate 48 and the insulating plate 12 may be integrated.
  • the voltage applicator 102 is a device that applies voltage between the anode and cathode of the hydrogen pump unit 10 . Specifically, the high potential of voltage applicator 102 is applied to the anode, and the low potential of voltage applicator 102 is applied to the cathode.
  • the voltage applicator 102 may have any configuration as long as it can apply a voltage between the anode and the cathode.
  • voltage applicator 102 may be a device that regulates the voltage applied between the anode and cathode.
  • the voltage applicator 102 includes a DC/DC converter when connected to a DC power supply such as a battery, a solar battery, or a fuel cell, and an AC power supply when connected to an AC power supply such as a commercial power supply. /DC converter.
  • the voltage applicator 102 adjusts the voltage applied between the anode and the cathode and the current flowing between the anode and the cathode so that the power supplied to the hydrogen pump unit 10 has a predetermined set value. type power supply.
  • the terminal 101 on the low potential side of the voltage applicator 102 is connected to the uppermost bipolar plate 29, and the terminal 103 on the high potential side of the voltage applicator 102 is connected to the second pressure forming member. 46, but is not so limited.
  • the low potential side terminal 101 of the voltage applicator 102 may be connected to the first pressure forming member 44 .
  • the uppermost bipolar plate 29 and the second pressure forming member 46 are also used as current collector plates. Therefore, in the electrochemical hydrogen pump 100 of this embodiment, the number of plates can be reduced by sharing the plates, so that the manufacturing cost of the device can be reduced.
  • the fluid distribution member 11, the first pressure forming member 44, the bipolar plate 29, the second pressure forming member 46 and the fluid distribution member 14 are all exposed to high pressure compressed hydrogen.
  • these members are made of SUS316L. This is because SUS316L is superior in characteristics such as acid resistance and hydrogen embrittlement resistance among various types of stainless steel.
  • these members are constructed of chromium molybdenum steel (e.g., SCM45), which is less expensive than SUS316L.
  • ⁇ Configuration of Bipolar Plate and Hydrogen Pump Unit> 2 is a diagram showing an example of the bipolar plate and hydrogen pump unit of FIG. 1.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view of the bipolar plate of FIG. 2.
  • FIG. 3 the figure which abbreviate
  • FIG. 4 is a top view of the bipolar plate in FIG. Specifically, a plan view of the members forming the bipolar plate 29 from the BB portion of FIG. 2 is shown.
  • the bipolar plates 29 serve as anode separators for one of the adjacent hydrogen pump units 10 and as cathode separators for the other adjacent hydrogen pump units 10. With a plate that works.
  • part of the upper bipolar plate 29 constitutes a cathode separator
  • part of the lower bipolar plate 29 constitutes an anode separator.
  • a plate that functions as a cathode separator is called a cathode separator 29A
  • a plate that functions as an anode separator is called an anode separator 29B.
  • the cathode separator 29A and the anode separator 29B in each bipolar plate 29 are integrated by surface bonding.
  • the cathode separator 29A and the anode separator 29B can be joined by diffusion bonding of a pair of metal plates or the like.
  • diffusion bonding is defined as “adhering the base materials together, applying pressure to the extent that plastic deformation is minimized under temperature conditions below the melting point of the base materials, and atomic It is defined as a method of bonding using the diffusion of
  • the bonding surface of the anode separator 29B is provided with a cooling channel 60 through which a cooling medium flows for adjusting the temperature of the hydrogen pump unit 10 to an appropriate temperature.
  • Both ends of the cooling channel 60 communicate with a cooling medium introduction manifold 61 and a cooling medium outlet manifold 62, respectively.
  • the hydrogen pump unit 10 includes an electrolyte membrane 21, an anode AN, a cathode CA, a cathode separator 29A, an anode separator 29B, a frame 28, and a face sealing material 40.
  • electrolyte membrane 21, anode catalyst layer 24, cathode catalyst layer 23, anode power feeder 25, cathode power feeder 22, cathode separator 29A and anode separator 29B are laminated.
  • the anode AN is provided on one main surface of the electrolyte membrane 21 .
  • the anode AN is an electrode including an anode catalyst layer 24 and an anode power supply 25 .
  • the cathode CA is provided on the other main surface of the electrolyte membrane 21 .
  • Cathode CA is an electrode including cathode catalyst layer 23 and cathode power supply 22 .
  • the electrochemical hydrogen pump 100 may use a catalyst coated membrane CCM (catalyst coated membrane) in which the cathode catalyst layer 23 and the anode catalyst layer 24 are integrally bonded to the electrolyte membrane 21.
  • CCM catalyst coated membrane
  • the anode power feeder 25 and the cathode power feeder 22 are provided in the anode catalyst layer 24 and the cathode catalyst layer 23 of the catalyst layer-attached membrane CCM, respectively.
  • the electrolyte membrane 21 is sandwiched between the anode AN and the cathode CA.
  • the electrolyte membrane 21 is a polymer membrane with proton conductivity.
  • the electrolyte membrane 21 may have any configuration as long as it has proton conductivity.
  • Examples of the electrolyte membrane 21 include a fluorine-based polymer electrolyte membrane and a hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane, but are not limited to these.
  • Nafion registered trademark, manufactured by DuPont
  • Aciplex registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Corporation
  • the like can be used as the electrolyte membrane 21 .
  • the anode catalyst layer 24 is provided so as to be in contact with one main surface of the electrolyte membrane 21 .
  • the anode catalyst layer 24 contains, for example, platinum as a catalyst metal, but is not limited to this.
  • the cathode catalyst layer 23 is provided so as to be in contact with the other main surface of the electrolyte membrane 21 .
  • the cathode catalyst layer 23 contains, for example, platinum as a catalyst metal, but is not limited to this.
  • catalyst carriers for the cathode catalyst layer 23 and the anode catalyst layer 24 include, but are not limited to, carbon particles such as carbon black and graphite, and conductive oxide particles.
  • a proton-conducting ionomer component is generally added to the cathode catalyst layer 23 and anode catalyst layer 24 in order to increase the electrode reaction field.
  • the cathode power supply 22 is provided on the cathode catalyst layer 23 .
  • the cathode power supply 22 is made of a porous material and has electrical conductivity and gas diffusibility. Furthermore, it is desirable that the cathode power supply 22 has elasticity so as to appropriately follow the displacement and deformation of the constituent members caused by the differential pressure between the cathode CA and the anode AN during operation of the electrochemical hydrogen pump 100 .
  • a member made of carbon fiber is used as the cathode power feeder 22 .
  • porous carbon fiber sheets such as carbon paper, carbon cloth, and carbon felt may be used.
  • the carbon fiber sheet may not be used as the base material of the cathode power supply 22 .
  • a sintered body of metal fibers made of titanium, a titanium alloy, stainless steel, or the like, or a sintered body of metal particles made of these materials may be used as the base material of the cathode power supply body 22 .
  • the anode power feeder 25 is provided on the anode catalyst layer 24 .
  • the anode power supply 25 is made of a porous material and has electrical conductivity and gas diffusibility. Further, the anode power supply 25 preferably has high rigidity capable of suppressing the displacement and deformation of the constituent members caused by the differential pressure between the cathode CA and the anode AN during operation of the electrochemical hydrogen pump 100 .
  • the base material of the anode power supply 25 for example, fiber sintered bodies, powder sintered bodies, expanded metals, metal meshes, punching metals, etc. made of titanium, titanium alloys, stainless steel, carbon, etc. are used. may be used.
  • the anode separator 29B is a member laminated on the anode AN.
  • the cathode separator 29A is a member laminated on the cathode CA.
  • the anode feeder 25 is in contact with the central portion of the surface of the anode separator 29B facing the anode AN on the anode AN side.
  • a serpentine-shaped anode gas flow path 30 is provided in plan view. Both ends of the anode gas channel 30 communicate with the anode gas inlet manifold 31 and the anode gas outlet manifold 32, respectively.
  • a recess is provided in the center of the surface facing the cathode CA on the cathode CA side of the cathode separator 29A, and the cathode power supply 22 is accommodated in this recess. That is, the recess corresponds to the space S (see FIG. 3) for storing the cathode gas containing compressed hydrogen generated at the cathode CA of the hydrogen pump unit 10 .
  • the anode separator 29B includes a first cathode gas lead-out manifold 35 through which the cathode gas flows, a second cathode gas lead-out manifold 36 through which the cathode gas flows, and a concave portion (space S) of the cathode separator 29A. ) to the first cathode gas outlet manifold 35 and the second cathode gas outlet manifold 36, respectively.
  • the communication path 37 is composed of a channel groove on the bonding surface of the anode separator 29B before the cathode separator 29A and the anode separator 29B are surface-bonded.
  • the channel groove extends linearly across the O-ring groove 50 and the O-ring groove 51 provided on the main surface of the cathode separator 29A on the anode AN side.
  • One end of the channel groove communicates with the inside of the concave portion (space S) of the cathode separator 29A through a communication hole 70 extending vertically near the edge of the bottom surface of the concave portion (space S).
  • the other end of the channel groove is connected to the first cathode gas lead-out manifold 35 .
  • the communication path 37 is appropriately gas-sealed by integrating the cathode separator 29A and the anode separator 29B by surface bonding.
  • the high-pressure cathode gas generated at the cathode CA accumulates in the recessed portion (space S) of the cathode separator 29A, after which the cathode gas is released as indicated by the dotted line arrow in FIG. , through the communication hole 70 and the communication path 37 in this order from the space S, and supplied to the first cathode gas lead-out manifold 35 .
  • the communication path 38 is composed of a channel groove on the joint surface of the anode separator 29B before the cathode separator 29A and the anode separator 29B are surface-joined.
  • This channel groove extends linearly across the O-ring groove 50 and the O-ring groove 52 provided in the cathode separator 29A in plan view.
  • One end of the channel groove communicates with the interior of the recess (space S) of the cathode separator 29A through a communication hole 71 that extends vertically near the edge of the bottom surface of the recess (space S).
  • the other end of the channel groove is connected to the second cathode gas lead-out manifold 36 .
  • the communication path 38 is appropriately gas-sealed by integrating the cathode separator 29A and the anode separator 29B by surface bonding.
  • the high-pressure cathode gas generated at the cathode CA accumulates in the recessed portion (space S) of the cathode separator 29A, after which the cathode gas is released as indicated by the dotted line arrow in FIG. , through the communication hole 71 and the communication path 38 in this order from the space S, and supplied to the second cathode gas lead-out manifold 36 .
  • the electrochemical hydrogen pump 100 of the present embodiment is configured to convert the space S of the cathode separator 29A into the first cathode gas outlet manifold 35 of the anode separator 29B and the High-pressure cathode gas can be appropriately supplied to each of the second cathode gas outlet manifolds 36 .
  • the communication paths 37 and 38, and the communication holes 70 and 71 are located at the center of the first cathode gas outlet manifold 35 and the center of the second cathode gas outlet manifold 36, respectively, in plan view. Although it is provided on a straight line connecting , it is not limited to this.
  • the arrangement position and shape of the communication path and the communication hole may be any location and any shape as long as the cathode gas flowing from the concave portion (space S) of the cathode separator 29A can be led to the cathode gas outlet manifold.
  • the number of communication paths and communication holes may be one, or may be three or more.
  • the above cathode separator 29A and anode separator 29B may be composed of, for example, a sheet of metal such as titanium, stainless steel, or gold, but is not limited to this.
  • the base material of the cathode separator 29A and the anode separator 29B may be made of carbon or resin with a metal film formed on the surface.
  • SUS316L is desirable to use as the material for the cathode separator 29A and the anode separator 29B. This is because SUS316L is superior in characteristics such as acid resistance and hydrogen embrittlement resistance among various types of stainless steel.
  • the hydrogen pump unit 10 is formed by sandwiching the above MEA with the cathode separator 29A and the anode separator 29B.
  • an O-ring 45 surrounding the outer circumference of the cathode CA is provided.
  • the cathode separator 29A is provided with an O-ring groove 50 surrounding a region of the main surface facing the cathode CA in plan view on the main surface on the cathode CA side, and the O-ring 45 is provided with an O-ring groove 50. It is held in the ring groove 50 .
  • the high-pressure cathode gas present in the cathode CA is sealed by the O-ring 45 and is appropriately prevented from leaking outside from the area surrounded by the O-ring 45 .
  • the O-ring groove 50 faces a region of the main surface of the electrolyte membrane 21 on the cathode CA side where the cathode CA is not provided.
  • the electrolyte membrane 21 is provided with a wide width so as to straddle the side wall of the recess in which the cathode CA is accommodated, and the O-ring 45 is provided so as to abut on the wide portion of the electrolyte membrane 21.
  • a fluororubber-based O-ring can be used from the viewpoint of acid resistance and hydrogen embrittlement resistance, but it is not limited to this.
  • the frame 28 is a member provided so as to surround the outer periphery of the electrolyte membrane 21 .
  • Examples of the base material of the frame 28 include fluororubber from the viewpoint of acid resistance and hydrogen embrittlement resistance, but the base material is not limited to this. It should be noted that the insulating frame 28 makes it difficult for the cathode separator 29A and the anode separator 29B in the hydrogen pump unit 10 to be appropriately short-circuited.
  • the face seal material 40 is provided on the outer periphery of the region facing the anode AN on the anode AN side main face of the anode separator 29B.
  • the face seal material 40 faces a region of the main surface of the electrolyte membrane 21 on the anode AN side where the anode AN is not provided and the main surface of the frame 28 on the anode AN side.
  • the electrolyte membrane 21 is provided with a wide width so as to straddle the outer peripheral edge of the anode AN, and the main surface of the face seal material 40, the wide portion of the electrolyte membrane 21, and the main surface of the frame 28 are aligned. in contact.
  • Examples of the base material of the face seal material 40 include fluororubber and fluororesin from the viewpoint of acid resistance and hydrogen embrittlement resistance, but are not limited to these. It should be noted that the insulating face seal material 40 makes it difficult for the cathode separator 29A and the anode separator 29B in the hydrogen pump unit 10 to be appropriately short-circuited.
  • the electrolyte membrane 21 and the frame 28 are configured separately, but they may be integrated. Moreover, it is not necessary to provide such a frame 28 .
  • the space between the cathode separator 29A and the anode separator 29B in the hydrogen pump unit 10 can be configured so as to prevent a short circuit by using the face seal material 40 without providing the frame 28 .
  • the cathode separator 29A is provided with an O-ring groove 51 surrounding the first cathode gas lead-out manifold 35. As shown in FIG. The O-ring 41 is held in the O-ring groove 51 . An O-ring groove 52 surrounding the second cathode gas outlet manifold 36 is provided in the cathode separator 29A. The O-ring 42 is held in the O-ring groove 52 .
  • the O-rings 41 and 42 are in contact with the main surface of the anode separator 29B on the anode AN side.
  • the O-rings 41 and 42 are in contact with both the cathode separator 29A and the anode separator 29B corresponding to the bipolar plates 29 on both sides.
  • the surface sealant 40 is not provided on the region of the main surface of the anode AN side of the anode separator 29B where the O-rings 41 and 42 are in contact.
  • the frame 28 is not provided in the region where the O-rings 41 and 42 are arranged.
  • the frame 28 has through holes such that the outer shape of each of the pair of through holes (circular openings) is the same as the outer shape of each of the O-ring groove 51 and the O-ring groove 51 . formed. Further, through holes are formed in the face seal material 40 so that the outer shape of each of the pair of through holes (circular openings) is the same as the outer shape of each of the O-ring groove 51 and the O-ring groove 51 . ing.
  • the cylindrical space formed by the through-holes provided in the frame 28 and the face seal member 40 accommodates the O-ring 41, and the inside of the O-ring 41 provided in the cylindrical space leads out the first cathode gas. It forms part of the manifold 35 .
  • the cylindrical space formed by the through holes provided in the frame 28 and the face seal member 40 accommodates the O-ring 42, and the inside of the O-ring 42 provided in the cylindrical space leads out the second cathode gas. It forms part of the manifold 36 .
  • ⁇ Structure of First Pressure Forming Member> 5 is a diagram showing an example of the first pressure-forming member of FIG. 1 together with the bipolar plate and hydrogen pump unit of FIG. 1;
  • FIG. 6 is an exploded perspective view of the first pressure forming member of FIG. 5.
  • FIG. Specifically, a perspective view of a pair of members that constitute the first pressure forming member 44 from the AA section of FIG. 5 and a view of integrating the two are shown.
  • FIG. 6 shows a diagram in which the O-ring is omitted.
  • FIG. 7 is a top view of the first pressure forming member of FIG. Specifically, a plan view of the members constituting the first pressure forming member 44 from the BB portion of FIG. 5 is shown.
  • the plate 44A is provided with a space SC for accumulating the cathode gas
  • the plate 44B is provided with a first cathode gas outlet manifold 135 and a second cathode gas outlet manifold through which the cathode gas flows.
  • 136 and a communication path 138 for guiding the cathode gas flowing from the second cathode gas outlet manifold 136 to the space SC.
  • Cathode gas overflowing from the space SC is led to the first cathode gas lead-out manifold 135 through the communication path 137 .
  • the structure of the plate 44A is the same as the structure of the cathode separator 29A, except for the structure of the O-ring 45C and the O-ring groove 50C, which will be described below.
  • the space S of the cathode separator 29A and the space SC of the plate 44A have the same shape.
  • the communication hole 70 of the cathode separator 29A and the communication hole 170 of the plate 44A have the same shape, and the communication hole 71 of the cathode separator 29A and the communication hole 171 of the plate 44A have the same shape. Therefore, detailed description of the configuration of the plate 44A is omitted.
  • the plate 44B is configured such that no cooling flow path is provided on the surface of the plate 44B on which the communication paths 137 and 138 are provided, and that the communication paths 137 and 138 of the plate 44B are provided.
  • the configuration is the same as that of the anode separator 29B, except that the anode fluid flow channel is not provided on the surface opposite to the surface.
  • the communication path 37 of the anode separator 29B and the communication path 137 of the plate 44B have the same shape
  • the communication path 38 of the anode separator 29B and the communication path 138 of the plate 44B have the same shape. Therefore, detailed description of the configuration of the plate 44B is omitted.
  • the cathode gas generated at the cathode CA passes through the second cathode gas outlet manifold 136, the cathode gas branched from the second cathode gas outlet manifold 136 is , through the communication path 138 and the communication hole 171 in this order as indicated by the dotted line arrows in FIG.
  • the cathode gas overflowing from the space SC flows through the communication hole 170 and the communication path 137 in this order as indicated by the dotted line arrow in FIG. led to.
  • the electrochemical hydrogen pump 100 of this embodiment appropriately supplies high-pressure cathode gas from the second cathode gas outlet manifold 136 of the plate 44B to the space SC of the plate 44A through the communication path 138 of the plate 44B. be able to.
  • a An O-ring 45C surrounding the outer periphery of the space SC is provided.
  • the area of the space SC is surrounded in plan view.
  • An O-ring groove 50C is provided, and an O-ring 45C is held in the O-ring groove 50C.
  • the high-pressure cathode gas existing in the space SC is sealed by the O-ring 45C, and is appropriately prevented from leaking outside from the area surrounded by the O-ring 45C.
  • the O-ring 45C corresponds to an example of the "sealing material" of the present disclosure.
  • the plate 44A corresponds to an example of the "plate member" of the present disclosure.
  • the area surrounded by the outer edge of the O-ring 45C is larger than the area of the area surrounded by the outer edge of the O-ring 45C.
  • the outer edge of the O-ring 45 when viewed from above in the stacking direction of the anode separator 29B, the anode AN, the electrolyte membrane 21, the cathode CA, and the cathode separator 29A, the outer edge of the O-ring 45 is It is housed within the outer edge of the O-ring 45C. At this time, the outer edge of the O-ring 45C is accommodated within the outer edge of the cathode separator 29A in plan view in the stacking direction.
  • ⁇ Structure of Second Pressure Forming Member> 8 is a diagram showing an example of the second pressure forming member of FIG. 1 together with the bipolar plate and hydrogen pump unit of FIG. 1;
  • FIG. 9 is an exploded perspective view of the second pressure forming member of FIG. 8.
  • FIG. Specifically, a perspective view of a pair of members constituting the second pressure forming member 46 taken from AA in FIG. 8 and a view of integrating the two are shown.
  • FIG. 9 shows a diagram in which the O-ring is omitted.
  • FIG. 10 is a top view of the second pressure forming member of FIG. Specifically, a plan view of the members constituting the second pressure forming member 46 taken along line BB of FIG. 8 is shown.
  • the plate 46A is formed with a space SA for accumulating the cathode gas
  • the plate 46B is provided with a first cathode gas outlet manifold 235 and a second cathode gas outlet manifold through which the cathode gas flows.
  • 236 and a communication path 237 for guiding the cathode gas flowing from the first cathode gas lead-out manifold 235 to the space SA.
  • Cathode gas overflowing from the space SA is led to the second cathode gas lead-out manifold 236 through the communication path 238 .
  • the structure of the plate 46A is the same as the structure of the cathode separator 29A, except for the structure of the O-ring 45A and the O-ring groove 50A, which will be described below.
  • the space S of the cathode separator 29A and the space SA of the plate 46A have the same shape.
  • the communication hole 70 of the cathode separator 29A and the communication hole 270 of the plate 46A have the same shape, and the communication hole 71 of the cathode separator 29A and the communication hole 271 of the plate 46A have the same shape. Therefore, detailed description of the configuration of the plate 46A is omitted.
  • the configuration of the plate 46B is the same as the configuration of the anode separator 29B.
  • the communication path 37 of the anode separator 29B and the communication path 237 of the plate 46B have the same shape
  • the communication path 38 of the anode separator 29B and the communication path 238 of the plate 46B have the same shape.
  • the plate 46B is provided with a cooling channel 260 (see FIG. 9) on the surface on which the communicating paths 237 and 238 of the plate 46B are provided.
  • An anode gas flow path 230 (see FIG. 10) is provided on the surface opposite to the surface on which the communication path 238 is provided. Therefore, detailed description of the configuration of the plate 46B is omitted.
  • the cathode gas generated at the cathode CA passes through the first cathode gas outlet manifold 235, the cathode gas branched from the first cathode gas outlet manifold 235 is , through the communication path 237 and the communication hole 270 in this order as indicated by the dotted line arrows in FIG.
  • the cathode gas overflowing from the space SA flows through the communication hole 271 and the communication path 238 in this order as indicated by the dotted line arrows in FIG. led to.
  • the electrochemical hydrogen pump 100 of this embodiment appropriately supplies high-pressure cathode gas from the first cathode gas outlet manifold 235 of the plate 46B to the space SA of the plate 46A through the communication path 237 of the plate 46B. be able to.
  • a separator is provided between the anode end plate 16 and the anode separator (plate 46B in this example) located at one end.
  • An O-ring 45A is provided surrounding the outer periphery of the space SA for storing the cathode gas.
  • a An O-ring groove 50A is provided on the main surface of the plate 46A on which the space SA is formed (the main surface opposite to the joint surface between the plate 46A and the plate 46B), and an O-ring 45A is held in the O-ring groove 50A.
  • the high-pressure cathode gas present in the space SA is sealed by the O-ring 45A, and is appropriately prevented from leaking outside from the area surrounded by the O-ring 45A.
  • the area of the region surrounded by O-ring 45A is larger than the area of the region surrounded by O-ring 45A.
  • the area surrounded by the outer edge of the O-ring 45A is larger than the area of the area surrounded by the outer edge of the O-ring 45A.
  • the outer edge of the O-ring 45 when viewed from above in the stacking direction of the anode separator 29B, the anode AN, the electrolyte membrane 21, the cathode CA, and the cathode separator 29A, the outer edge of the O-ring 45 is It is housed within the outer edge of the O-ring 45C. At this time, the outer edge of the O-ring 45A is contained within the outer edge of the cathode separator 29A in plan view in the stacking direction.
  • the electrochemical hydrogen pump 100 of the present embodiment can appropriately reduce the contact resistance between the members forming the hydrogen pump unit 10 compared to the conventional one.
  • the gas pressure of the cathode gas in the area surrounded by the O-rings 45C is approximately the same as the gas pressure of the cathode gas in the area surrounded by the O-rings 45 in the hydrogen pump unit 10.
  • the load applied to the cathode separator 29A by the gas pressure of the cathode gas in the region surrounded by the O-rings 45C is caused by the gas pressure of the cathode gas in the region where the cathode separator 29A is surrounded by the O-rings 45. It acts to suppress bending toward the cathode end plate 15 side. As a result, in the electrochemical hydrogen pump 100 of this embodiment, gaps are less likely to occur between the members forming the hydrogen pump unit 10 .
  • part of the region surrounded by the O-ring 45 is the O-ring It does not fit within the area enclosed by 45C. Then, there is a possibility that the portion of the cathode separator 29A that faces part of the region will bend toward the cathode end plate 15 side.
  • the electrochemical hydrogen pump 100 of the present embodiment by making the area of the region surrounded by the O-ring 45C larger than the area of the region surrounded by the O-ring 45, the former The region can contain the entirety of the latter region. Therefore, the electrochemical hydrogen pump 100 of this embodiment can apply a load that suppresses the bending deformation to the entire area of the cathode separator 29A facing the area surrounded by the O-ring 45. Contact resistance between constituent members can be reduced more appropriately than before.
  • the gas pressure of the cathode gas in the area surrounded by the O-rings 45A is substantially the same as the gas pressure of the cathode gas in the area surrounded by the O-rings 45 in the hydrogen pump unit 10.
  • the load applied to the anode separator by the gas pressure of the cathode gas in the region surrounded by the O-rings 45A is caused by the gas pressure of the cathode gas in the region where the anode separator is surrounded by the O-rings 45A. It acts to suppress bending to the 16 side. As a result, in the electrochemical hydrogen pump 100 of this embodiment, gaps are less likely to occur between the members forming the hydrogen pump unit 10 .
  • part of the region surrounded by the O-ring 45 is the O-ring It does not fit within the area enclosed by 45A. Then, there is a possibility that the portion of the anode separator that faces part of the region will bend toward the anode end plate 16 .
  • the electrochemical hydrogen pump 100 of the present embodiment by making the area of the region surrounded by the O-ring 45A larger than the area of the region surrounded by the O-ring 45, the former The region can contain the entirety of the latter region. Therefore, the electrochemical hydrogen pump 100 of this embodiment can apply a load that suppresses the bending deformation to the entire area of the anode separator facing the area surrounded by the O-ring 45. The contact resistance between the members to be connected can be appropriately reduced than before.
  • the O-ring 45C is A portion of the area surrounded by the outer edge does not fit within the area surrounded by the outer edge of the O-ring 45C.
  • the portion of the cathode separator 29A that faces part of the above region may bend toward the cathode end plate 15.
  • the electrochemical hydrogen pump 100 of this embodiment as shown in FIG.
  • the outer edge of the O-ring 45 is 0 when viewed from above in the stacking direction of the anode separator 29B, the anode AN, the electrolyte membrane 21, the cathode CA, and the cathode separator 29A.
  • the reason for determining the size relationship of the above area areas based on the respective outer edges of the O-ring 45 and the O-ring 45C is as follows.
  • the O-ring 45 and the O-ring 45C exert their sealing force by being crushed in the vertical direction by the pressure of the member in contact with them.
  • the O-ring 45C is compressed and deformed so as to adhere to the side of the O-ring groove 50C.
  • the elastic force of the O-ring 45C acts on the members in contact with the O-ring 45C in the direction in which the wire diameter of the O-ring 45C expands in the vertical direction.
  • the elastic force of the O-ring 45C resulting from the sealing force acts upward and downward. This means that it is appropriate in deriving the pressing force acting on each member constituting the hydrogen pump unit 10 to determine the size relationship of the above regions based on the respective outer edges of the O-ring 45 and the O-ring 45C. means that
  • the O-ring 45 is A portion of the area surrounded by the outer edge does not fit within the area surrounded by the outer edge of the O-ring 45A.
  • the portion of the anode separator that faces part of the region may bend toward the anode end plate 16, but the electrochemical hydrogen pump 100 of this embodiment, as shown in FIG.
  • the outer edge of the O-ring 45 is 0 when viewed from above in the stacking direction of the anode separator 29B, the anode AN, the electrolyte membrane 21, the cathode CA, and the cathode separator 29A.
  • FIG. 11 is a diagram showing an example of a phenomenon in which a part of the O-ring protrudes into the gap due to the high-pressure cathode gas existing inside the O-ring.
  • 12 is a diagram illustrating an example of the first pressure forming member of FIG. 1; FIG.
  • the ring material 90 is a backup ring adjacent to the outer edge of the O-ring 45C and surrounding the O-ring 45C.
  • the ring member 90 is held in the O-ring groove 50C.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • PCTFE polychlorotrifluoroethylene
  • PEEK polyetheretherketone
  • the ring member 90 it is more suitable for the ring member 90 to be made of a material having a higher flexural modulus than PTFE. Table 1 below shows physical property data regarding the flexural modulus and tensile strength of each of the above resin materials.
  • the O-ring 45C is prevented from protruding into the gap G by providing the ring member 90 surrounding the O-ring 45C so as to be adjacent to the outer edge of the O-ring 45C. As a result, breakage of the O-ring 45C is improved.
  • the problem of sealing performance of the O-ring 45C when the outer peripheral surface of the O-ring groove 50C and the outer peripheral surface of the ring material 90 are perpendicular to the opening surface of the O-ring groove 50C will be examined below.
  • a general cylindrical groove is formed as the O-ring groove
  • a general cylindrical backup ring is used as the ring material.
  • the O-ring 45C is prevented from protruding into the gap G, but the cylindrical ring material receives the gas pressure of the cathode gas present inside the O-ring 45C via the O-ring 45C. Even if it is deformed due to this, the ring material may not be deformed so as to fill the gap G. Therefore, the cathode gas easily leaks to the outside through the gap G. As shown in FIG.
  • both the outer peripheral surface of the ring member 90 and the outer peripheral surface of the O-ring groove 50C are designed to widen toward the opening of the O-ring groove 50C in order to alleviate the above problem.
  • a slope is provided.
  • FIG. 13 is a diagram showing an example of an O-ring groove and ring material in the first pressure forming member of FIG.
  • the ring material 90 includes a first ring portion 90A and a second ring portion 90B.
  • the first ring portion 90A is composed of a cylindrical member surrounding the O-ring 45C so as to be adjacent to the outer edge of the O-ring 45C.
  • the inner surface of the first ring portion 90A and the outer edge of the O-ring 45C are in contact with each other, and both end surfaces of the first ring portion 90A are in contact with the bottom surface of the O-ring groove 50C and the main surface of the bipolar plate 29, respectively.
  • PCTFE for example, can be used as the material of the first ring portion 90A, but the material is not limited to this.
  • the second ring portion 90B is composed of an annular member having a right-angled triangular cross section.
  • the horizontal surface of the second ring portion 90B which includes the shorter side (adjacent side when facing the angle ⁇ ) of the two sides forming a right angle in a cross-sectional view, is in surface contact with the main surface of the bipolar plate 29, and the above-described A vertical plane including the longer side (opposite side when facing the angle ⁇ ) of the two sides is arranged in the O-ring groove 50C so as to be in surface contact with the outer surface of the first ring portion 90A.
  • the inclined side surface including the oblique side facing the right angle is in surface contact with the inclined side surface of the O-ring groove 50C.
  • PEEK can be used as the material of the second ring portion 90B, but the material is not limited to this.
  • the inclined side surface of the second ring portion 90B corresponds to an example of the "outer peripheral surface of the ring material" of the present disclosure.
  • the inclined side surface of the O-ring groove 50C corresponds to an example of the "outer peripheral surface of the groove" of the present disclosure.
  • the angle ⁇ in FIG. 13 can be set to an appropriate value based on the operating conditions of the electrochemical hydrogen pump 100 and the shapes and materials of the ring member 90 and the O-ring 45C. It may be to some extent.
  • the electrochemical hydrogen pump 100 of this embodiment can improve the sealing performance of the O-ring 45C that seals the recess (space SC) for accumulating the cathode gas.
  • the inclined side surface of the second ring portion 90B and the inclined side surface of the O-ring groove 50C are provided with a gradient such that they widen toward the opening of the O-ring groove 50C. ing. Therefore, in the electrochemical hydrogen pump 100 of the present embodiment, even if a gap G (see FIG.
  • the gas pressure acts in a direction to slide the inclined side surface of the second ring portion 90B downward with respect to the inclined side surface of the O-ring groove 50C, a portion of the second ring portion 90B (the portion forming the angle ⁇ in cross-sectional view) ) can easily enter the gap G so as to fill the gap G.
  • the outer peripheral surface of the O-ring groove 50C and the outer peripheral surface of the ring material are perpendicular to the opening surface of the O-ring groove 50C.
  • the possibility that the cathode gas present inside the O-ring 45C leaks to the outside can be reduced. Although there is a possibility that part of the ring material 90 that has entered the gap G may be damaged, the presence of the ring material 90 prevents the O-ring 45C from protruding into the gap G and being damaged. The possibility of the cathode gas present inside leaking to the outside is reduced.
  • the ring member 91 includes the first ring portion 90A and the second ring portion 90B.
  • a material with a flexural modulus can be selected.
  • O-ring groove 50C and the ring material 90 described above are merely examples, and are not limited to this example. Another example of the ring material will be described in the first modified example.
  • FIG. 14A is a diagram showing an example of a two-dimensional analysis model used in structural analysis.
  • the size of the analysis area corresponding to the first ring portion 90A is 1.25 mm ⁇ 2.4 mm. See Table 1).
  • the size of the analysis area corresponding to the second ring portion 90B is 1.39 mm in length of the adjacent side and 60° in angle ⁇ . was given the flexural modulus of PKKE (see Table 1).
  • the area other than the above analysis area is space. That is, a space of 0.2 mm corresponding to the gap G is set between each analysis region corresponding to each of the first ring portion 90A and the second ring portion 90B and the analysis region corresponding to the bipolar plate 29. bottom.
  • FIG. 14B is a diagram showing an example of a result of structural analysis; FIG. 14B shows a contour diagram of the stress distribution in the mesh within the analysis region, where the lighter the grayscale color, the higher the stress.
  • an example of stress calculation results is output as a numerical value.
  • the electrochemical hydrogen pump 100 of the first modified example is the same as the electrochemical hydrogen pump 100 of the embodiment except for the structure of the ring material 190 in the first pressure forming member 44, which will be described below.
  • FIG. 15 is a diagram showing an example of an O-ring groove and ring material in the first pressure forming member of FIG.
  • the ring material 190 is a backup ring adjacent to the outer edge of the O-ring 45C and surrounding the O-ring 45C.
  • the ring material 190 is held in the O-ring groove 50C.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • PCTFE polychlorotrifluoroethylene
  • PEEK polyetheretherketone
  • the ring member 190 it is more suitable for the ring member 190 to be made of a material having a higher flexural modulus than PTFE.
  • the ring material 190 is an annular member that surrounds the O-ring 45C so that the vertical surface is adjacent to the outer edge of the O-ring 45C and that has a trapezoidal cross section.
  • the ring material 190 is arranged in the O-ring groove 50C so that its horizontal lower surface is in surface contact with the main surface of the bipolar plate 29 and its horizontal upper surface is in surface contact with the bottom surface of the O-ring groove 50C in a cross-sectional view.
  • the inclined side surface including the oblique side facing the vertical line is in surface contact with the inclined side surface of the O-ring groove 50C.
  • PEEK can be used as the material of the ring member 190, but the material is not limited to this.
  • the angle ⁇ in FIG. 15 can be set to an appropriate value based on the operating conditions of the electrochemical hydrogen pump 100 and the shapes and materials of the ring member 90 and the O-ring 45C. It may be to some extent.
  • the inclined side surface of the ring material 190 corresponds to an example of the "outer peripheral surface of the ring material" of the present disclosure.
  • the inclined side surface of the O-ring groove 50C corresponds to an example of the "outer peripheral surface of the groove" of the present disclosure.
  • both the slanted side surface of the ring material 190 and the slanted side surface of the O-ring groove 50C are provided with a slope that widens toward the opening of the O-ring groove 50C. . Therefore, in the electrochemical hydrogen pump 100 of this modified example, even if a gap G (see FIG.
  • the ring material 190 is composed of a single member, so compared to the ring material 90 described above, the number of parts can be reduced.
  • FIG. 16 is a diagram showing an example of a result of structural analysis.
  • FIG. 16 shows a contour diagram of the stress distribution in the mesh within the analysis region, where the lighter the grayscale color, the higher the stress.
  • the electrochemical hydrogen pump 100 of this modification may be the same as the electrochemical hydrogen pump 100 of the embodiment except for the features described above.
  • FIG. 17 is a diagram showing an example of a second pressure forming member in an electrochemical hydrogen pump of a second modification of the second embodiment.
  • the ring material 91 is a backup ring adjacent to the outer edge of the O-ring 45A and surrounding the O-ring 45A.
  • the ring member 91 is held in the O-ring groove 50C.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • PCTFE polychlorotrifluoroethylene
  • PEEK polyetheretherketone
  • both the outer peripheral surface of the ring material 91 and the outer peripheral surface of the O-ring groove 50A are provided with a gradient so that they widen toward the opening of the O-ring groove 50A. Since the configuration of the O-ring groove 50A and the ring member 91 can be easily understood from the above description of the first pressure forming member 44, detailed description thereof will be omitted.
  • the electrochemical hydrogen pump 100 of this modification may be the same as the electrochemical hydrogen pump 100 of either the embodiment or the first modification of the embodiment, except for the features described above.
  • the first pressure forming member 44 and the second pressure forming member 46 are respectively arranged in the vertical direction of the stack in which the hydrogen pump units 10 are stacked, but the present invention is not limited to this.
  • the pressure forming member may be arranged only in one of the vertical directions of the laminate. In this case, the flexural rigidity of the end plate on the side where the pressure forming member is not arranged is made higher than the flexural rigidity of the end plate on the side where the pressure forming member is arranged.
  • the electrochemical hydrogen pump 100 of this modification may be the same as the electrochemical hydrogen pump 100 of the embodiment and any of the first and second modifications of the embodiment, except for the features described above.
  • the embodiment and the first modification to the third modification of the embodiment may be combined with each other as long as they do not exclude each other.
  • One aspect of the present disclosure can improve the sealing performance of a sealing material that seals a recess for storing compressed hydrogen.

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Abstract

圧縮水素を生成する圧縮装置は、電解質膜、前記電解質膜の一方の主面上に設けられたアノード、前記電解質膜の他方の主面上に設けられたカソード、前記アノード上に積層されたアノードセパレーター、および前記カソード上に積層されたカソードセパレーターを含む、少なくとも１つの圧縮ユニットを備え、前記積層された方向において、一方の端に位置する前記アノードセパレーター上に設けられたアノード端板と、他方の端に位置する前記カソードセパレーター上に設けられたカソード端板と、前記カソード端板と前記他方の端に位置するカソードセパレーターとの間、または、前記アノード端板と前記一方の端に位置するアノードセパレーターとの間に設けられた板状部材とを備え、前記板状部材には、圧縮水素を溜めるための凹部と、前記凹部の外周を囲む溝部とが設けられ、前記溝部には、シール材と、前記シール材の外縁に隣接し、前記シール材を囲むリング材と、が設けられ、前記溝部の外周面および前記リング材の外周面はともに、前記溝部の開口に向かって広がるように勾配が設けられている。

Description

圧縮装置
　本開示は圧縮装置に関する。
　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、非特許文献１には、水の電気分解によって水素および酸素の分離が行われ、電解質膜を介して低圧の水素から高圧の水素が生成される差圧式高圧水電解装置（以下、水電解装置）が提案されている。
　水電解装置は、水を電気分解によって水素および酸素を発生させるべく、固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜の両面に設けられたアノード触媒層およびカソード触媒層と、これらの触媒層の両側に設けられた、アノード給電体およびカソード給電体と、が配設されている。なお、カソード触媒層およびカソード給電体を含むカソード、電解質膜、および、アノード触媒層およびアノード給電体を含むアノードの積層体を膜－電極接合体（以下、ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）という。
　そして、非特許文献１の水電解セルは、ＭＥＡと、ＭＥＡを保持するとともに、水の供給、余剰水の排出および酸素の流通のための常圧流路を備えるアノードセパレーターおよび樹脂枠と、高圧の水素排出のための高圧ガス流路を備えるカソードセパレーターと、によって構成されている。
　また、水電解装置では、カソードで生成する高圧の水素量に合わせて、水電解セルが複数積層されており、積層体の積層方向両端には電圧を印加するための端子が設けられ、これにより、水電解セルに電流を流すことができるとともに、アノード給電体に水が供給される。すると、ＭＥＡのアノード側において、水が電気分解によってプロトンが生成される。プロトンは、電解質膜を透過することでカソード側に移動し、カソード給電体で電子と再結合することで高圧の水素が生成される。そして、水素は、カソードセパレーターに設けられた高圧ガス流路を介して水電解装置から排出される。一方、アノード側では、アノードで生成された酸素が、余剰の水ととともにアノードセパレーターおよび樹脂枠に設けられた常圧流路を介して水電解装置から排出される。
　ここで、水電解装置では、水電解によって得られた水素を圧縮するので、カソード給電体側の水素ガス圧が高圧になる。これにより、セパレーターなどが変形することで、水電解セルを構成する各部材間の接触抵抗が増加する可能性がある。
　そこで、非特許文献１では、水電解装置において、締結部材（ボルト）を用いて、複数の水電解セルを含む積層体をエンドプレート（両端板）によって密着させる構造が提案されている。また、上端のエンドプレートと積層体の上端に対応するセパレーターとの間には、密閉空間が存在しており、この密閉空間には、高圧の水素が導入されている。さらに、この密閉空間には弾性体（バネ）が設けられている。
　以上の構成により、水電解セル中の高圧ガスによって、セパレーターなどが外側に膨らむように変形する応力がこれらの部材に作用しても、弾性体の反力および密閉空間の高圧水素ガス圧力によって、上記変形を抑制することができる。
　特許文献１には、低圧の水素含有ガスがアノードに供給され、電気化学的にプロトンのみが電解質膜を透過することで、カソードで高圧の水素が精製される電気化学式水素ポンプが提案されている。なお、電気化学式水素ポンプの電気化学セルの構成は、アノード流体が水素含有ガスであること以外は、非特許文献１の水電解セルの構成と同様であるので説明を省略する。
　特許文献１においても、上記と同様、カソード給電体側の水素ガス圧が高圧になることで、セパレーターなどが変形すると、電気化学セルを構成する各部材間の接触抵抗が増加する可能性がある。そこで、特許文献１では、上下端のエンドプレート（両端板）と隣接するセパレーターとの間の空間に、カソードで生成された高圧の水素を導入することで、上記変形が抑制されている。
特開２０１９－２１８６２４号公報
「差圧式高圧水電解セルの気密構造に関する研究」本田技研工業株式会社Honda R&D Technical Review vol.25 No.2(Oct 2013)
　本開示は、一例として、圧縮水素を溜めるための凹部をシールするシール材のシール性を従来よりも改善し得る圧縮装置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(aspect)の圧縮装置は、電解質膜、前記電解質膜の一方の主面上に設けられたアノード、前記電解質膜の他方の主面上に設けられたカソード、前記アノード上に積層されたアノードセパレーター、および前記カソード上に積層されたカソードセパレーターを含む、少なくとも１つの圧縮ユニットと、前記アノードと前記カソードとの間に電圧を印加する電圧印加器と、を備え、前記電圧印加器により電圧を印加することで、アノードに供給されるアノード流体から取り出されたプロトンを、電解質膜を介してカソードに移動させ、圧縮水素を生成する圧縮装置であって、前記積層された方向において、一方の端に位置する前記アノードセパレーター上に設けられたアノード端板と、前記積層された方向において、他方の端に位置する前記カソードセパレーター上に設けられたカソード端板と、前記カソード端板と前記他方の端に位置するカソードセパレーターとの間、または、前記アノード端板と前記一方の端に位置するアノードセパレーターとの間に設けられた板状部材とを備え、前記板状部材には、圧縮水素を溜めるための凹部と、前記凹部の外周を囲む溝部と、が設けられ、前記溝部には、シール材と、前記シール材の外縁に隣接し、前記シール材を囲むリング材とが設けられ、前記溝部の外周面および前記リング材の外周面はともに、前記溝部の開口に向かって広がるように勾配が設けられている。
　本開示の一態様の圧縮装置は、圧縮水素を溜めるための凹部をシールするシール材のシール性を従来よりも改善し得る、という効果を奏することができる。
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２は、図１のバイポーラプレートおよび水素ポンプユニットの一例を示す図である。 図３は、図２のバイポーラプレートの分解斜視図を示す図である。 図４は、図２のバイポーラプレートを上方から見た図である。 図５は、図１の第１圧力形成部材の一例を図１のバイポーラプレートおよび水素ポンプユニットと共に示す図である。 図６は、図５の第１圧力形成部材の分解斜視図を示す図である。 図７は、図５の第１圧力形成部材を上方から見た図である。 図８は、図１の第２圧力形成部材の一例を図１のバイポーラプレートおよび水素ポンプユニットと共に示す図である。 図９は、図８の第２圧力形成部材の分解斜視図を示す図である。 図１０は、図８の第２圧力形成部材を上方から見た図である。 図１１は、Ｏリングの内部に存在する高圧のカソードガスによってＯリングの一部が隙間内にはみ出す現象の一例を示す図である。 図１２は、図１の第１圧力形成部材の一例を示す図である。 図１３は、図１の第１圧力形成部材におけるＯリング溝およびリング材の一例を示す図である。 図１４Ａは、構造解析で使用した２次元解析モデルの一例を示す図である。 図１４Ｂは、構造解析による結果の一例を示す図である。 図１５は、図１の第１圧力形成部材におけるＯリング溝およびリング材の一例を示す図である。 図１６は、構造解析による結果の一例を示す図である。 図１７は、図１の第２圧力形成部材の一例を示す図である。
　非特許文献１は、上側の端板の底面中央部に、円筒状の大きな凹部が形成されており、上端側のセパレーター全体を凹部内に挿入させ、これにより、端板とセパレーターとで、高圧ガスを導入するための密閉空間が形成されている。しかしながら、上記密閉空間をシールするためのシール構成については十分に検討されていない。
　また、特許文献１は、上下の両端板と隣接するセパレーターとの間の空間に高圧水素を導入することが提案されているが、上記空間のシールするためのシール構成については十分に検討されていない。
　そこで、本開示の一態様の圧縮装置は、電解質膜、電解質膜の一方の主面上に設けられたアノード、電解質膜の他方の主面上に設けられたカソード、アノード上に積層されたアノードセパレーター、およびカソード上に積層されたカソードセパレーターを含む、少なくとも１つの圧縮ユニットと、アノードとカソードとの間に電圧を印加する電圧印加器と、を備え、電圧印加器により電圧を印加することで、アノードに供給されるアノード流体から取り出されたプロトンを、電解質膜を介してカソードに移動させ、圧縮水素を生成する圧縮装置であって、積層された方向において、一方の端に位置するアノードセパレーター上に設けられたアノード端板と、積層された方向において、他方の端に位置するカソードセパレーター上に設けられたカソード端板と、カソード端板と他方の端に位置するカソードセパレーターとの間、または、アノード端板と一方の端に位置するアノードセパレーターとの間に設けられた板状部材とを備え、板状部材には、圧縮水素を溜めるための凹部と、凹部の外周を囲む溝部とが設けられ、溝部には、シール材と、シール材の外縁に隣接し、シール材を囲むリング材とが設けられ、溝部の外周面およびリング材の外周面はともに、溝部の開口に向かって広がるように勾配が設けられている。
　かかる構成によると、本態様の圧縮装置は、圧縮水素を溜めるための凹部をシールするシール材のシール性を従来よりも改善し得る。
　具体的には、シール材で凹部がシールされる際に、シール材に当接する部材間には、シール材で囲まれた領域の圧縮水素のガス圧によって隙間が発生する場合がある。この場合、仮に、シール材を囲むリング材が設けられていないときは、シール材の一部が、シール材の内部に存在する圧縮水素のガス圧によって上記の隙間内にはみ出す可能性がある。すると、シール材が破損することで、シール材のシール性が低下する可能性がある。
　これに対して、本態様の圧縮装置は、シール材の外縁に隣接するようにシール材を囲むリング材を設けることで、シール材が上記隙間内にはみ出すことが抑制され、その結果、シール材が破損することが改善される。
　ここで、以下、溝部の外周面およびリング材の外周面が、溝部の開口面に対して直交する場合におけるシール材のシール性の問題について検討する。例えば、溝部として一般的な円筒溝が形成されているときは、リング材として一般的な円筒状のバックアップリングが使用される。
　しかし、上記の場合、シール材が上記隙間内にはみ出すことは抑制されるが、円筒状のリング材が、シール材の内部に存在する圧縮水素のガス圧をシール材を介して受けることに起因して変形しても、リング材が隙間を埋めるようには変形しない場合がある。このため、この隙間を通じて圧縮水素が外部に漏洩しやすくなる。
　これに対して、本態様の圧縮装置は、上記の如く、リング材および溝部の外周面が、溝部の開口に向かって広がるように勾配が設けられている。よって、本態様の圧縮装置は、シール材の内部に存在する圧縮水素のガス圧によってシール材に当接する部材間に隙間が発生しても、上記ガス圧は、リング材の外周面を溝部の外周面に対して下方に滑らす方向に作用するので、リング材の一部が、隙間を埋めるように隙間内に進入しやすくなる。これにより、本態様の圧縮装置は、溝部の外周面およびリング材の外周面が、溝部の開口面に対して直交する場合に比べて、上記隙間を通じて、シール材の内部に存在する圧縮水素が外部に漏洩する可能性を低減することができる。なお、隙間内に進入したリング材の一部が破損する可能性はあるが、リング材の存在によりシール材が隙間内にはみ出し破損することは抑制されるので、シール材の内部に存在する圧縮水素が外部に漏洩する可能性は低減される。
　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）
　上記の圧縮装置のアノード流体は、様々な種類のガス、液体が想定される。例えば、圧縮装置が電気化学式水素ポンプである場合、アノード流体として、水素含有ガスを挙げることができる。また、例えば、圧縮装置が水電解装置である場合、アノード流体として、液水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、上記の圧縮ユニットを備える圧縮装置の一例として、水素ポンプユニットを備える電気化学式水素ポンプの構成および動作について説明する。
　［装置構成］
　図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。なお、説明の便宜上、「上」および「下」を同図の如く取っている（他の図面においても同じ）。
　図１に示すように、電気化学式水素ポンプ１００は、少なくとも一つの水素ポンプユニット１０と、第１圧力形成部材４４と、第２圧力形成部材４６と、電圧印加器１０２と、を備える。そして、電気化学式水素ポンプ１００には、複数段の水素ポンプユニット１０が積層されている。例えば、図１では、５個の水素ポンプユニット１０が積層されているが、水素ポンプユニット１０の個数はこれに限定されない。つまり、水素ポンプユニット１０の個数は、電気化学式水素ポンプ１００が圧縮する水素量などの運転条件をもとに適宜の数に設定することができる。
　また、図１に示す例では、アノードセパレーターとして機能するプレートおよびカソードセパレーターとして機能するプレートが一体化されている。具体的には、バイポーラプレート（双極板）２９のそれぞれが、隣接する水素ポンプユニット１０のうちの一方のカソードセパレーターとして機能するプレートと、隣接する水素ポンプユニット１０のうちの他方のアノードセパレーターとして機能するプレートと、を備える。
　ただし、図１に示す如く、最上段のバイポーラプレート２９は、カソードセパレーターとしてのみ機能するように構成されている。具体的には、最上段のバイポーラプレート２９の上面は、第１圧力形成部材４４の空間ＳＣと接触しており、この上面は、水素含有ガスが流れるアノードガス流路が設けられていない。第１圧力形成部材４４には、水素ポンプユニット１０のカソードで生成された圧縮水素を含むカソードガスを溜めるための空間ＳＣが形成されている。つまり、最上段のバイポーラプレート２９の上面は、第１圧力形成部材４４の空間ＳＣを封止するための蓋として機能している。
　また、最下段の水素ポンプユニット１０は、最下段のバイポーラプレート２９のカソードセパレーターとして機能するプレートと、第２圧力形成部材４６のアノードセパレーターとして機能するプレートとによって、構成されている。具体的には、第２圧力形成部材４６の上面には、水素含有ガスが流れるアノードガス流路（図１では図示せず）が設けられている。第２圧力形成部材４６には、水素ポンプユニット１０のカソードで生成された圧縮水素を含むカソードガスを溜めるための空間ＳＡが形成されている。
　なお、以上のバイポーラプレート２９、水素ポンプユニット１０、第１圧力形成部材４４および第２圧力形成部材４６の詳細な構成は後で説明する。
　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１０のそれぞれが積層された方向（以下、積層方向）の両端上に設けられたカソード端板１５およびアノード端板１６と、締結器１７と、を備える。具体的には、アノード端板１６は、水素ポンプユニット１０の積層方向において、一方の端に位置するアノードセパレーター上に設けられている。カソード端板１５は、水素ポンプユニット１０の積層方向において、他方の端に位置するカソードセパレーター上に設けられている。なお、締結器１７は、電気化学式水素ポンプ１００の積層体を構成する各部材を積層方向に締結することができれば、どのような構成であってもよい。例えば、締結器１７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。締結器１７の詳細な構成は第３実施例で説明する。
　図１に示すように、電気化学式水素ポンプ１００は、カソード端板１５と第１圧力形成部材４４との間には、流体集配部材１１および絶縁板１３が上方からこの順に積層されている。なお、第１圧力形成部材４４と絶縁板１３とは、積層の順番が逆であってもよい。アノード端板１６と第２圧力形成部材４６との間には、流体集配部材１４、絶縁板１２および封止板４８が下方からこの順に積層されている。
　流体集配部材１４の側面の適所には、水素ポンプユニット１０のアノードから排出される低圧（例えば、常圧～数ＭＰａ程度）の水素含有ガスが流出する流出口（図示せず）と、水素ポンプユニット１０を適温に制御するための冷却媒体（例えば、水）が流出する流出口（図示せず）と、水素ポンプユニット１０のカソードから排出される高圧（例えば、数ＭＰａ～数十ＭＰａ程度）のカソードガスが通過する排出口１４Ａと、が設けられている。排出口１４Ａは、流体集配部材１１に設けられたガス経路を介して、第１カソードガス導出マニホールド３５に連通している。
　第１カソードガス導出マニホールド３５は、図１に示す如く、複数のバイポーラプレート２９、第１圧力形成部材４４、絶縁板１３、第２圧力形成部材４６、封止板４８および絶縁板１２の各部材に設けられた貫通孔の連なりによって構成されている。そして、電気化学式水素ポンプ１００は、バイポーラプレート２９内に設けられた連絡路（図１の点線参照）を介して、水素ポンプユニット１０のそれぞれのカソードから排出されたカソードガスが、第１カソードガス導出マニホールド３５で合流するように構成されている。また、電気化学式水素ポンプ１００は、第１圧力形成部材４４内に設けられた連絡路（図１の点線参照）を介して、第１カソードガス導出マニホールド３５と第１圧力形成部材４４の空間ＳＣとが連通するように構成されている。さらに、電気化学式水素ポンプ１００は、第２圧力形成部材４６内に設けられた連絡路（図１の点線参照）を介して、第１カソードガス導出マニホールド３５と第２圧力形成部材４６の空間ＳＡにカソードガスとが連通するように構成されている。図１では図示を省略するが、流体集配部材１４における水素含有ガス流出口および冷却媒体流出口はそれぞれ、上記の各部材に設けられた貫通孔の連なりによって構成される、アノードガス導出マニホールドおよび冷却媒体導出マニホールドのそれぞれと連通している。
　流体集配部材１１の側面の適所には、水素ポンプユニット１０のアノードに供給される低圧（例えば、常圧～数ＭＰａ程度）の水素含有ガスが流入する流入口（図示せず）と、水素ポンプユニット１０を適温に制御するための冷却媒体（例えば、水）が流入する流入口（図示せず）と、水素ポンプユニット１０のカソードから排出される高圧（例えば、数ＭＰａ～数十ＭＰａ程度）のカソードガスが通過する排出口１１Ａと、が設けられている。排出口１１Ａは、流体集配部材１１に設けられたガス経路を介して、第２カソードガス導出マニホールド３６に連通している。
　第２カソードガス導出マニホールド３６は、図１に示す如く、複数のバイポーラプレート２９、第１圧力形成部材４４、絶縁板１３、第２圧力形成部材４６、封止板４８および絶縁板１２の各部材に設けられた貫通孔の連なりによって構成されている。そして、電気化学式水素ポンプ１００は、バイポーラプレート２９内に設けられた連絡路（図１の点線参照）を介して、水素ポンプユニット１０のそれぞれのカソードから排出されたカソードガスが、第２カソードガス導出マニホールド３６で合流するように構成されている。また、電気化学式水素ポンプ１００は、第１圧力形成部材４４内に設けられた連絡路（図１の点線参照）を介して、第２カソードガス導出マニホールド３６と第１圧力形成部材４４の空間ＳＣとが連通するように構成されている。さらに、電気化学式水素ポンプ１００は、第２圧力形成部材４６内に設けられた連絡路（図１の点線参照）を介して、第２カソードガス導出マニホールド３６と第２圧力形成部材４６の空間ＳＡにカソードガスとが連通するように構成されている。図１では図示を省略するが、流体集配部材１１における水素含有ガス流入口および冷却媒体流入口はそれぞれ、上記の各部材に設けられた貫通孔の連なりによって構成される、アノードガス導入マニホールドおよび冷却媒体導入マニホールドのそれぞれと連通している。
　なお、図１の点線で示された連絡路の詳細な構成は後で説明する。
　絶縁板１３は、第１圧力形成部材４４と流体集配部材１１との間に挿入されており、これにより、バイポーラプレート２９と、流体集配部材１１、カソード端板１５および締結器１７との間が適切に絶縁されている。絶縁板１３の素材として、ゴム、樹脂（例えば、ＰＥＮ、ＰＥＴなど）、ガラス、ガラスエポキシ材などの材料を挙げることができるが、これらに限定されない。
　絶縁板１２は、封止板４８と流体集配部材１４との間に挿入されており、これにより、バイポーラプレート２９および第２圧力形成部材４６と、流体集配部材１４、アノード端板１６および締結器１７との間が適切に絶縁されている。絶縁板１２の素材として、ゴム、樹脂（例えば、ＰＥＮ、ＰＥＴなど）、ガラス、ガラスエポキシ材などの材料を挙げることができるが、これらに限定されない。
　封止板４８は、第２圧力形成部材４６の空間ＳＡを封止するための蓋として機能しており、これにより、空間ＳＡに溜まった高圧のカソードガスが封止される。封止板４８の素材としては、ステンレス、金、チタン、ゴム、樹脂（例えば、ＰＥＮ、ＰＥＴなど）、ガラス、ガラスエポキシ材などの材料を挙げることができるが、これらに限定されない。ただし、封止板４８の素材として、ステンレスを用いる場合は、耐酸性および耐水素脆性などの特性に優れているＳＵＳ３１６Ｌを使用することが望ましい。また、封止板４８の素材として、樹脂などの絶縁部材を用いる場合は、封止板４８と絶縁板１２とが一体化されていてもよい。
　電圧印加器１０２は、水素ポンプユニット１０のアノードとカソード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、アノードに印加され、電圧印加器１０２の低電位が、カソードに印加されている。電圧印加器１０２は、アノードおよびカソード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、アノードおよびカソード間に印加する電圧を調整する装置であってもよい。このとき、電圧印加器１０２は、バッテリ、太陽電池、燃料電池などの直流電源と接続されているときは、ＤＣ／ＤＣコンバータを備え、商用電源などの交流電源と接続されているときは、ＡＣ／ＤＣコンバータを備える。
　また、電圧印加器１０２は、例えば、水素ポンプユニット１０に供給する電力が所定の設定値となるように、アノードおよびカソード間に印加される電圧、アノードおよびカソード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１に示す例では、電圧印加器１０２の低電位側の端子１０１が、最上段のバイポーラプレート２９に接続され、電圧印加器１０２の高電位側の端子１０３が、第２圧力形成部材４６に接続されているが、これに限定されない。電圧印加器１０２の低電位側の端子１０１は、第１圧力形成部材４４に接続されていてもよい。
　ただし、図１に示す如く、電圧印加器１０２の低電位側の端子１０１を最上段のバイポーラプレート２９に接続することで、最上段のバイポーラプレート２９よりも上方に配された第１圧力形成部材４４に対して、金メッキなどの表面処理が不要となる。これにより、第１圧力形成部材４４の製造コストを低減することができる。
　さらに、図１に示す例では、最上段のバイポーラプレート２９および第２圧力形成部材４６が集電板と兼用されている。よって、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、プレートの兼用化によりプレートの個数を削減できるので、装置の製造コストを低減することができる。
　また、電気化学式水素ポンプ１００においては、流体集配部材１１、第１圧力形成部材４４、バイポーラプレート２９、第２圧力形成部材４６および流体集配部材１４はいずれも、高圧の圧縮水素に曝されるので、これらの部材は、ＳＵＳ３１６Ｌで構成されている。これは、ＳＵＳ３１６Ｌが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からである。これに対して、カソード端板１５、アノード端板１６および締結器１７はいずれも、水素に曝されないので、これらの部材は、ＳＵＳ３１６Ｌよりも安価なクロムモリブデン鋼（例えば、ＳＣＭ４５）で構成されている。
　＜バイポーラプレートおよび水素ポンプユニットの構成＞
　図２は、図１のバイポーラプレートおよび水素ポンプユニットの一例を示す図である。
　図３は、図２のバイポーラプレートの分解斜視図を示す図である。具体的には、バイポーラプレート２９を構成する一対の部材を図２のＡ－Ａ部から斜視した図、および、両者を一体化した図が示されている。なお、図３では、説明の便宜上、ＭＥＡおよびＯリングを省略した図が示されている。
　図４は、図２のバイポーラプレートを上方から見た図である。具体的には、バイポーラプレート２９を構成する部材を図２のＢ－Ｂ部から平面視した図が示されている。
　上記のとおり、水素ポンプユニット１０のそれぞれにおいて、バイポーラプレート２９が、隣接する水素ポンプユニット１０のうちの一方のアノードセパレーターとして機能するプレートと、隣接する水素ポンプユニット１０のうちの他方のカソードセパレーターとして機能するプレートと、備える。図２に示す例では、上段側のバイポーラプレート２９の一部が、カソードセパレーターを構成するとともに、下段側のバイポーラプレート２９の一部が、アノードセパレーターを構成している。
　以下の説明では、カソードセパレーターとして機能するプレートをカソードセパレーター２９Ａといい、アノードセパレーターとして機能するプレートをアノードセパレーター２９Ｂという。
　ここで、図３に示すように、バイポーラプレート２９のそれぞれにおけるカソードセパレーター２９Ａとアノードセパレーター２９Ｂとは面接合により一体化されている。例えば、カソードセパレーター２９Ａおよびアノードセパレーター２９Ｂは、一対の金属プレートの拡散接合などで接合することができる。なお、「拡散接合」とは、ＪＩＳ規格によれば、「母材を密着させ、母材の融点以下の温度条件で、塑性変形をできるだけ生じない程度に加圧して、接合面間に生じる原子の拡散を利用して接合する方法」と定義されている。
　また、カソードセパレーター２９Ａおよびアノードセパレーター２９Ｂが面接合する前における、アノードセパレーター２９Ｂの接合面には、水素ポンプユニット１０の温度を適温に調整するための冷却媒体が流れる冷却流路６０が設けられている。この冷却流路６０の両端はそれぞれ、冷却媒体導入マニホールド６１および冷却媒体導出マニホールド６２のそれぞれと連通している。
　図２に示すように、水素ポンプユニット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ー２９Ａと、アノードセパレーター２９Ｂと、枠体２８と、面シール材４０と、を備える。そして、水素ポンプユニット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、カソードセパレーター２９Ａおよびアノードセパレーター２９Ｂ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。
　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。
　ここで、一般的に、電気化学式水素ポンプ１００では、カソード触媒層２３およびアノード触媒層２４が電解質膜２１に一体的に接合された触媒層付き膜ＣＣＭ（Catalyst Coated Membrane）が使用されることが多い。
　そこで、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、触媒層付き膜ＣＣＭのアノード触媒層２４およびカソード触媒層２３のそれぞれに、上記のアノード給電体２５およびカソード給電体２２がそれぞれ設けられている。
　以上により、電解質膜２１は、アノードＡＮとカソードＣＡとによって挟持されている。
　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。
　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。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。なお、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、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。
　アノードセパレーター２９Ｂは、アノードＡＮ上に積層された部材である。カソードセパレーター２９Ａは、カソードＣＡ上に積層された部材である。
　アノードセパレーター２９ＢのアノードＡＮ側のアノードＡＮに対向する面の中央部は、アノード給電体２５が接触している。そして、この中央部に、図４に示す如く、平面視において、サーペンタイン状のアノードガス流路３０が設けられている。アノードガス流路３０の両端はそれぞれ、アノードガス導入マニホールド３１およびアノードガス導出マニホールド３２のそれぞれと連通している。
　カソードセパレーター２９ＡのカソードＣＡ側のカソードＣＡに対向する面の中央部には、凹部が設けられ、この凹部内に、カソード給電体２２が収容されている。つまり、凹部は、水素ポンプユニット１０のカソードＣＡで生成された圧縮水素を含むカソードガスを溜めるための空間Ｓ（図３参照）に相当する。
　ここで、図３に示すように、アノードセパレーター２９Ｂには、カソードガスが流れる第１カソードガス導出マニホールド３５と、カソードガスが流れる第２カソードガス導出マニホールド３６と、カソードセパレーター２９Ａの凹部（空間Ｓ）から流入したカソードガスを第１カソードガス導出マニホールド３５および第２カソードガス導出マニホールド３６のそれぞれに導くための連絡路３７および連絡路３８のそれぞれと、が設けられている。
　具体的には、連絡路３７は、カソードセパレーター２９Ａおよびアノードセパレーター２９Ｂが面接合する前におけるアノードセパレーター２９Ｂの接合面上の流路溝で構成されている。この流路溝は、平面視において、カソードセパレーター２９ＡのアノードＡＮ側の主面に設けられたＯリング溝５０およびＯリング溝５１を跨ぐように直線状に延伸している。そして、流路溝の一端が、カソードセパレーター２９Ａの凹部（空間Ｓ）の底面の縁部近傍で上下に延伸する連通孔７０を介して、当該凹部内と連通している。流路溝の他端が、第１カソードガス導出マニホールド３５に接続されている。連絡路３７は、カソードセパレーター２９Ａおよびアノードセパレーター２９Ｂが面接合で一体化されることで適切にガスシールされる。
　電気化学式水素ポンプ１００の水素圧縮動作中、カソードＣＡで生成された高圧のカソードガスは、カソードセパレーター２９Ａの凹部（空間Ｓ）内に溜まり、その後、カソードガスは、図３の点線矢印で示す如く、空間Ｓから連通孔７０および連絡路３７をこの順に流れて、第１カソードガス導出マニホールド３５に供給される。
　連絡路３８は、カソードセパレーター２９Ａおよびアノードセパレーター２９Ｂが面接合する前におけるアノードセパレーター２９Ｂの接合面上の流路溝で構成されている。この流路溝は、平面視において、カソードセパレーター２９Ａに設けられたＯリング溝５０およびＯリング溝５２を跨ぐように直線状に延伸している。そして、流路溝の一端が、カソードセパレーター２９Ａの凹部（空間Ｓ）の底面の縁部近傍で上下に延伸する連通孔７１を介して、当該凹部内と連通している。流路溝の他端が、第２カソードガス導出マニホールド３６に接続されている。連絡路３８は、カソードセパレーター２９Ａおよびアノードセパレーター２９Ｂが面接合で一体化されることで適切にガスシールされる。
　電気化学式水素ポンプ１００の水素圧縮動作中、カソードＣＡで生成された高圧のカソードガスは、カソードセパレーター２９Ａの凹部（空間Ｓ）内に溜まり、その後、カソードガスは、図３の点線矢印で示す如く、空間Ｓから連通孔７１および連絡路３８をこの順に流れて、第２カソードガス導出マニホールド３６に供給される。
　このようにして、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、アノードセパレーター２９Ｂの連絡路３７および連絡路３８のそれぞれを通じて、カソードセパレーター２９Ａの空間Ｓからアノードセパレーター２９Ｂの第１カソードガス導出マニホールド３５および第２カソードガス導出マニホールド３６のそれぞれに高圧のカソードガスを適切に供給することができる。
　なお、本例では、連絡路３７および連絡路３８、および、連通孔７０および連通孔７１はそれぞれ、平面視において、第１カソードガス導出マニホールド３５の中心と第２カソードガス導出マニホールド３６の中心とを結ぶ直線上に設けられているが、これに限定されない。連絡路および連通孔の配置位置および形状は、カソードセパレーター２９Ａの凹部（空間Ｓ）から流入したカソードガスをカソードガス導出マニホールドに導くことができれば、どのような箇所および形状であってもよい。また、連絡路および連通孔の個数は１個であってもよいし、３個以上であってもよい。
　以上のカソードセパレーター２９Ａおよびアノードセパレーター２９Ｂは、例えば、チタン、ステンレス、金などの金属シートで構成されていてもよいが、これに限定されない。例えば、カソードセパレーター２９Ａおよびアノードセパレーター２９Ｂの基材は、カーボン、または、表面に金属膜が形成され樹脂などで構成されていてもよい。なお、カソードセパレーター２９Ａおよびアノードセパレーター２９Ｂをステンレスで構成する場合、カソードセパレーター２９Ａおよびアノードセパレーター２９Ｂの素材としてＳＵＳ３１６Ｌを使用することが望ましい。これは、ＳＵＳ３１６Ｌが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からである。
　このようにして、カソードセパレーター２９Ａおよびアノードセパレーター２９Ｂによって、上記のＭＥＡを挟むことにより、水素ポンプユニット１０が形成されている。
　ここで、図２に示すように、カソードＣＡの外周を囲むＯリング４５が設けられている。具体的には、カソードセパレーター２９Ａには、カソードＣＡ側の主面上に、平面視において、当該主面のカソードＣＡに対向する領域を囲むＯリング溝５０が設けられ、Ｏリング４５が、Ｏリング溝５０に保持されている。これにより、カソードＣＡに存在する高圧のカソードガスは、Ｏリング４５によってシールされ、Ｏリング４５で囲まれた領域内から外部に漏れることが適切に抑制される。
　また、Ｏリング溝５０は、電解質膜２１のカソードＣＡ側の主面のうち、カソードＣＡが設けられていない領域に面している。図２に示す例では、電解質膜２１は、カソードＣＡが収容された凹部の側壁を跨ぐように幅広に設けられ、Ｏリング４５は、電解質膜２１の幅広部に当接するように設けられている。Ｏリング４５（他のＯリングも同じ）として、例えば、耐酸性および耐水素脆性の視点からフッ素ゴム系のＯリングを用いることができるが、これに限定されない。
　枠体２８は、電解質膜２１の外周を囲むように設けられた部材である。枠体２８の基材として、例えば、耐酸性および耐水素脆性の視点から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。なお、絶縁性の枠体２８により、水素ポンプユニット１０内における、カソードセパレーター２９Ａおよびアノードセパレーター２９Ｂ間を適切に短絡しにくく構成することができる。
　面シール材４０は、アノードセパレーター２９ＢのアノードＡＮ側の主面のアノードＡＮに対向する領域の外周上に設けられている。また、面シール材４０は、電解質膜２１のアノードＡＮ側の主面のうち、アノードＡＮが設けられていない領域、および枠体２８のアノードＡＮ側の主面に面している。図２に示す例では、電解質膜２１は、アノードＡＮの外周端を跨ぐように幅広に設けられ、面シール材４０の主面と、電解質膜２１の幅広部と枠体２８の主面とが接触している。面シール材４０の基材として、例えば、耐酸性および耐水素脆性の視点からフッ素ゴム、フッ素樹脂などを挙げることができるが、これらに限定されない。なお、絶縁性の面シール材４０により、水素ポンプユニット１０内における、カソードセパレーター２９Ａおよびアノードセパレーター２９Ｂ間を適切に短絡しにくく構成することができる。
　本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００においては、電解質膜２１と枠体２８とを別体で構成しているが、両者を一体化してもよい。また、このような枠体２８を設けなくてもよい。例えば、水素ポンプユニット１０内における、カソードセパレーター２９Ａおよびアノードセパレーター２９Ｂ間は、枠体２８を設けなくても、面シール材４０で短絡しにくく構成することが可能である。
　図２に示すように、カソードセパレーター２９Ａには、第１カソードガス導出マニホールド３５を囲むＯリング溝５１が設けられている。そして、Ｏリング４１が、Ｏリング溝５１に保持されている。カソードセパレーター２９Ａには、第２カソードガス導出マニホールド３６を囲むＯリング溝５２が設けられている。そして、Ｏリング４２が、Ｏリング溝５２に保持されている。
　ここで、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、Ｏリング４１およびＯリング４２はそれぞれ、アノードセパレーター２９ＢのアノードＡＮ側の主面に当接している。つまり、Ｏリング４１およびＯリング４２はそれぞれ、両隣のバイポーラプレート２９に対応する、カソードセパレーター２９Ａおよびアノードセパレーター２９Ｂの両方に当接している。そして、面シール材４０は、アノードセパレーター２９ＢのアノードＡＮ側の主面のうち、Ｏリング４１およびＯリング４２が当接している領域上には設けられていない。また、枠体２８は、Ｏリング４１およびＯリング４２が配設されている領域には設けられていない。
　具体的には、枠体２８には、一対の貫通孔（円形の開口部）のそれぞれの外形が、Ｏリング溝５１およびＯリング溝５１のそれぞれの外形と同じになるように、貫通孔が形成されている。また、面シール材４０には、一対の貫通孔（円形の開口部）のそれぞれの外形が、Ｏリング溝５１およびＯリング溝５１のそれぞれの外形と同じになるように、貫通孔が形成されている。そして、枠体２８および面シール材４０に設けられた貫通孔で構成される円柱空間が、Ｏリング４１を収容するとともに、円柱空間に設けられたＯリング４１の内部が、第１カソードガス導出マニホールド３５の一部を構成する。また、枠体２８および面シール材４０に設けられた貫通孔で構成される円柱空間が、Ｏリング４２を収容するとともに、円柱空間に設けられたＯリング４２の内部が、第２カソードガス導出マニホールド３６の一部を構成する。
　＜第１圧力形成部材の構成＞
　図５は、図１の第１圧力形成部材の一例を図１のバイポーラプレートおよび水素ポンプユニットと共に示す図である。
　図６は、図５の第１圧力形成部材の分解斜視図を示す図である。具体的には、第１圧力形成部材４４を構成する一対の部材を図５のＡ－Ａ部から斜視した図、および、両者を一体化した図が示されている。なお、図５の第１圧力形成部材４４では、説明の便宜上、Ｏリング４５Ｃのみが示されている。また、図６では、Ｏリングを省略した図が示されている。
　図７は、図５の第１圧力形成部材を上方から見た図である。具体的には、第１圧力形成部材４４を構成する部材を図５のＢ－Ｂ部から平面視した図が示されている。
　図５および図６に示すように、プレート４４Ａには、カソードガスを溜めるための空間ＳＣが形成され、プレート４４Ｂには、カソードガスが流れる第１カソードガス導出マニホールド１３５および第２カソードガス導出マニホールド１３６と、第２カソードガス導出マニホールド１３６から流入したカソードガスを空間ＳＣに導くための連絡路１３８が設けられている。空間ＳＣから溢れたカソードガスは、連絡路１３７を通じて第１カソードガス導出マニホールド１３５に導かれる。
　ここで、プレート４４Ａの構成は、以下に説明するＯリング４５ＣおよびＯリング溝５０Ｃの構成以外は、カソードセパレーター２９Ａの構成と同様である。具体的には、例えば、カソードセパレーター２９Ａの空間Ｓおよびプレート４４Ａの空間ＳＣは同一形状である。また、カソードセパレーター２９Ａの連通孔７０およびプレート４４Ａの連通孔１７０は同一形状であり、カソードセパレーター２９Ａの連通孔７１およびプレート４４Ａの連通孔１７１は同一形状である。よって、プレート４４Ａの構成の詳細な説明は省略する。
　また、プレート４４Ｂの構成は、プレート４４Ｂの連絡路１３７および連絡路１３８が設けられた面に冷却流路が設けられていないこと、および、プレート４４Ｂの連絡路１３７および連絡路１３８が設けられた面と反対側の面にアノード流体流路が設けられていない以外は、アノードセパレーター２９Ｂの構成と同様である。具体的には、例えば、アノードセパレーター２９Ｂの連絡路３７およびプレート４４Ｂの連絡路１３７は同一形状であり、アノードセパレーター２９Ｂの連絡路３８およびプレート４４Ｂの連絡路１３８は同一形状である。よって、プレート４４Ｂの構成の詳細な説明は省略する。
　電気化学式水素ポンプ１００の水素圧縮動作開始後の適時において、カソードＣＡで生成されたカソードガスが第２カソードガス導出マニホールド１３６を通過する際に、第２カソードガス導出マニホールド１３６から分岐したカソードガスは、図６の点線矢印で示す如く、連絡路１３８および連通孔１７１をこの順に流れて、プレート４４Ａの凹部（空間ＳＣ）に供給される。なお、空間ＳＣがカソードガスで満たされると、空間ＳＣから溢れたカソードガスは、図６の点線矢印で示す如く、連通孔１７０および連絡路１３７をこの順に流れて、第１カソードガス導出マニホールド１３５に導かれる。
　このようにして、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、プレート４４Ｂの連絡路１３８を通じて、プレート４４Ｂの第２カソードガス導出マニホールド１３６からプレート４４Ａの空間ＳＣに高圧のカソードガスを適切に供給することができる。
　ここで、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、図１および図５に示すように、カソード端板１５と他方の端に位置するカソードセパレーター２９Ａとの間に設けられ、カソードガスを溜めるための空間ＳＣの外周を囲むＯリング４５Ｃが設けられている。具体的には、プレート４４Ａには、空間ＳＣが形成された側の主面（プレート４４Ａおよびプレート４４Ｂ間の接合面と反対側の主面）上に、平面視において、空間ＳＣの領域を囲むＯリング溝５０Ｃが設けられ、Ｏリング４５Ｃが、Ｏリング溝５０Ｃに保持されている。これにより、空間ＳＣに存在する高圧のカソードガスは、Ｏリング４５Ｃによってシールされ、Ｏリング４５Ｃで囲まれた領域内から外部に漏れることが適切に抑制される。なお、Ｏリング４５Ｃが、本開示の「シール材」の一例に対応する。また、プレート４４Ａが、本開示の「板状部材」の一例に対応する。
　さらに、図５の寸法Ｌおよび寸法ＬＣで示すように、Ｏリング４５Ｃで囲まれた領域の面積は、Ｏリング４５で囲まれた領域の面積よりも大きい。図５に示す例では、Ｏリング４５Ｃの外縁で囲まれた領域の面積が、Ｏリング４５の外縁で囲まれた領域の面積よりも大きい。
　このようにして、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、アノードセパレーター２９Ｂ、アノードＡＮ、電解質膜２１、カソードＣＡ、およびカソードセパレーター２９Ａの積層方向から見る平面視において、Ｏリング４５の外縁は、Ｏリング４５Ｃの外縁内に収まっている。なお、このとき、上記の積層方向から見る平面視において、Ｏリング４５Ｃの外縁は、カソードセパレーター２９Ａの外縁内に収まっている。
　＜第２圧力形成部材の構成＞
　図８は、図１の第２圧力形成部材の一例を図１のバイポーラプレートおよび水素ポンプユニットと共に示す図である。
　図９は、図８の第２圧力形成部材の分解斜視図を示す図である。具体的には、第２圧力形成部材４６を構成する一対の部材を図８のＡ－Ａ部から斜視した図、および、両者を一体化した図が示されている。なお、図８の第２圧力形成部材４６では、説明の便宜上、Ｏリング４５Ａのみが示されている。また、図９では、Ｏリングを省略した図が示されている。
　図１０は、図８の第２圧力形成部材を上方から見た図である。具体的には、第２圧力形成部材４６を構成する部材を図８のＢ－Ｂ部から平面視した図が示されている。
　図８および図９に示すように、プレート４６Ａには、カソードガスを溜めるための空間ＳＡが形成され、プレート４６Ｂには、カソードガスが流れる第１カソードガス導出マニホールド２３５および第２カソードガス導出マニホールド２３６と、第１カソードガス導出マニホールド２３５から流入したカソードガスを空間ＳＡに導くための連絡路２３７が設けられている。空間ＳＡから溢れたカソードガスは、連絡路２３８を通じて第２カソードガス導出マニホールド２３６に導かれる。
　ここで、プレート４６Ａの構成は、以下に説明するＯリング４５ＡおよびＯリング溝５０Ａの構成以外は、カソードセパレーター２９Ａの構成と同様である。具体的には、例えば、カソードセパレーター２９Ａの空間Ｓおよびプレート４６Ａの空間ＳＡは同一形状である。また、カソードセパレーター２９Ａの連通孔７０およびプレート４６Ａの連通孔２７０は同一形状であり、カソードセパレーター２９Ａの連通孔７１およびプレート４６Ａの連通孔２７１は同一形状である。よって、プレート４６Ａの構成の詳細な説明は省略する。
　また、プレート４６Ｂの構成は、アノードセパレーター２９Ｂの構成と同様である。具体的には、例えば、アノードセパレーター２９Ｂの連絡路３７およびプレート４６Ｂの連絡路２３７は同一形状であり、アノードセパレーター２９Ｂの連絡路３８およびプレート４６Ｂの連絡路２３８は同一形状である。また、プレート４６Ｂには、アノードセパレーター２９Ｂと同様、プレート４６Ｂの連絡路２３７および連絡路２３８が設けられた面に冷却流路２６０（図９参照）が設けられるとともに、プレート４６Ｂの連絡路２３７および連絡路２３８が設けられた面と反対側の面にアノードガス流路２３０（図１０参照）が設けられている。よって、プレート４６Ｂの構成の詳細な説明は省略する。
　電気化学式水素ポンプ１００の水素圧縮動作開始後の適時において、カソードＣＡで生成されたカソードガスが第１カソードガス導出マニホールド２３５を通過する際に、第１カソードガス導出マニホールド２３５から分岐したカソードガスは、図９の点線矢印で示す如く、連絡路２３７および連通孔２７０をこの順に流れて、プレート４６Ａの凹部（空間ＳＡ）に供給される。なお、空間ＳＡがカソードガスで満たされると、空間ＳＡから溢れたカソードガスは、図９の点線矢印で示す如く、連通孔２７１および連絡路２３８をこの順に流れて、第２カソードガス導出マニホールド２３６に導かれる。
　このようにして、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、プレート４６Ｂの連絡路２３７を通じて、プレート４６Ｂの第１カソードガス導出マニホールド２３５からプレート４６Ａの空間ＳＡに高圧のカソードガスを適切に供給することができる。
　ここで、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、図１および図８に示すように、アノード端板１６と一方の端に位置するアノードセパレーター（本例では、プレート４６Ｂ）との間に設けられ、カソードガスを溜めるための空間ＳＡの外周を囲むＯリング４５Ａが設けられている。具体的には、プレート４６Ａには、空間ＳＡが形成された側の主面（プレート４６Ａおよびプレート４６Ｂ間の接合面と反対側の主面）上に、平面視において、空間ＳＡの領域を囲むＯリング溝５０Ａが設けられ、Ｏリング４５Ａが、Ｏリング溝５０Ａに保持されている。これにより、空間ＳＡに存在する高圧のカソードガスは、Ｏリング４５Ａによってシールされ、Ｏリング４５Ａで囲まれた領域内から外部に漏れることが適切に抑制される。
　さらに、図８の寸法Ｌおよび寸法ＬＡで示すように、Ｏリング４５Ａで囲まれた領域の面積は、Ｏリング４５で囲まれた領域の面積よりも大きい。図８に示す例では、Ｏリング４５Ａの外縁で囲まれた領域の面積が、Ｏリング４５の外縁で囲まれた領域の面積よりも大きい。
　このようにして、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、アノードセパレーター２９Ｂ、アノードＡＮ、電解質膜２１、カソードＣＡ、およびカソードセパレーター２９Ａの積層方向から見る平面視において、Ｏリング４５の外縁は、Ｏリング４５Ｃの外縁内に収まっている。なお、このとき、上記の積層方向から見る平面視において、Ｏリング４５Ａの外縁は、カソードセパレーター２９Ａの外縁内に収まっている。
　以上のとおり、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、水素ポンプユニット１０を構成する部材間の接触抵抗を従来よりも適切に低減し得る。
　具体的には、Ｏリング４５Ｃで囲まれた領域のカソードガスのガス圧は、水素ポンプユニット１０における、Ｏリング４５で囲まれた領域のカソードガスのガス圧とほぼ同等の高圧である。また、Ｏリング４５Ｃで囲まれた領域のカソードガスのガス圧によってカソードセパレーター２９Ａに付与される荷重は、カソードセパレーター２９Ａが、Ｏリング４５で囲まれた領域のカソードガスのガス圧に起因してカソード端板１５側に撓むことを抑えるように作用する。これにより、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、水素ポンプユニット１０を構成する部材間の隙間が発生しにくくなる。
　ここで、仮に、Ｏリング４５Ｃで囲まれた領域の面積がＯリング４５で囲まれた領域の面積よりも小さいと、平面視において、Ｏリング４５で囲まれた領域の一部が、Ｏリング４５Ｃで囲まれた領域の中に収まらない。すると、上記領域の一部に対向するカソードセパレーター２９Ａの部分が、カソード端板１５側に撓む可能性がある。
　これに対して、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、Ｏリング４５Ｃで囲まれた領域の面積をＯリング４５で囲まれた領域の面積よりも大きくすることで、平面視において、前者の領域によって後者の領域の全体を収めることができる。このため、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、Ｏリング４５で囲まれた領域に対向するカソードセパレーター２９Ａ全域に上記の撓み変形を抑える荷重を付与することができるので、水素ポンプユニット１０を構成する部材間の接触抵抗を従来よりも適切に低減し得る。
　さらに、Ｏリング４５Ａで囲まれた領域のカソードガスのガス圧は、水素ポンプユニット１０における、Ｏリング４５で囲まれた領域のカソードガスのガス圧とほぼ同等の高圧である。また、Ｏリング４５Ａで囲まれた領域のカソードガスのガス圧によってアノードセパレーターに付与される荷重は、アノードセパレーターがＯリング４５で囲まれた領域のカソードガスのガス圧に起因してアノード端板１６側に撓むことを抑えるように作用する。これにより、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、水素ポンプユニット１０を構成する部材間の隙間が発生しにくくなる。
　ここで、仮に、Ｏリング４５Ａで囲まれた領域の面積がＯリング４５で囲まれた領域の面積よりも小さいと、平面視において、Ｏリング４５で囲まれた領域の一部が、Ｏリング４５Ａで囲まれた領域の中に収まらない。すると、上記領域の一部に対向するアノードセパレーターの部分が、アノード端板１６側に撓む可能性がある。
　これに対して、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、Ｏリング４５Ａで囲まれた領域の面積をＯリング４５で囲まれた領域の面積よりも大きくすることで、平面視において、前者の領域によって後者の領域の全体を収めることができる。このため、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、Ｏリング４５で囲まれた領域に対向するアノードセパレーター全域に上記の撓み変形を抑える荷重を付与することができるので、水素ポンプユニット１０を構成する部材間の接触抵抗を従来よりも適切に低減し得る。
　例えば、図５に示す例においては、仮に、Ｏリング４５Ｃの外縁で囲まれた領域の面積がＯリング４５の外縁で囲まれた領域の面積よりも小さいと、平面視において、Ｏリング４５の外縁で囲まれた領域の一部が、Ｏリング４５Ｃの外縁で囲まれた領域の中に収まらない。
　すると、上記領域の一部に対向するカソードセパレーター２９Ａの部分が、カソード端板１５側に撓む可能性があるが、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、図５に示す如く、Ｏリング４５Ｃの外縁で囲まれた領域の面積をＯリング４５の外縁で囲まれた領域の面積よりも大きくすることで、以上のような不都合を軽減することができる。具体的には、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、アノードセパレーター２９Ｂ、アノードＡＮ、電解質膜２１、カソードＣＡ、およびカソードセパレーター２９Ａの積層方向から見る平面視において、Ｏリング４５の外縁がＯリング４５Ｃの外縁内に収まることで、Ｏリング４５の外縁で囲まれた領域に対向するカソードセパレーター２９Ａ全域に上記の撓み変形を抑える荷重を付与することができる。
　なお、Ｏリング４５およびＯリング４５Ｃのそれぞれの外縁を基準に、以上の領域面積の大小関係を定める理由は、以下のとおりである。
　Ｏリング４５およびＯリング４５Ｃは、これらに当接する部材の押圧によって上下方向につぶれることでシール力を発揮する。ここで、電気化学式水素ポンプ１００の水素圧縮動作中は、図５の拡大図の細い矢印で示す如く、Ｏリング４５Ｃ（Ｏリング４５も同じ）に対して内縁から外縁に向かう方向（水平方向）にカソードガスのガス圧力が付与されるので、Ｏリング４５Ｃは、Ｏリング溝５０Ｃの側部に密着するように圧縮変形する。すると、Ｏリング４５Ｃの線径が垂直方向に拡大する方向に、Ｏリング４５Ｃの弾性力が、Ｏリング４５Ｃに当接する部材に作用する。換言すると、図５の拡大図の太い矢印で示すように、Ｏリング４５Ｃの外縁までの領域でＯリング４５Ｃに当接するプレート４４Ａおよびカソードセパレーター２９Ａのそれぞれには、上記のカソードガスのガス圧およびシール力に起因するＯリング４５Ｃの弾性力が上向きおよび下向きのそれぞれの方向に作用する。そして、このことは、Ｏリング４５およびＯリング４５Ｃのそれぞれの外縁に基づいて以上の領域面積の大小関係を定めることが、水素ポンプユニット１０を構成する各部材に作用する押圧力の導出において適当であることを意味する。
　また、図８に示す例においては、仮に、Ｏリング４５Ａの外縁で囲まれた領域の面積がＯリング４５の外縁で囲まれた領域の面積よりも小さいと、平面視において、Ｏリング４５の外縁で囲まれた領域の一部が、Ｏリング４５Ａの外縁で囲まれた領域の中に収まらない。
　すると、上記領域の一部に対向するアノードセパレーターの部分が、アノード端板１６側に撓む可能性があるが、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、図８に示す如く、Ｏリング４５Ａの外縁で囲まれた領域の面積をＯリング４５の外縁で囲まれた領域の面積よりも大きくすることで、以上のような不都合を軽減することができる。具体的には、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、アノードセパレーター２９Ｂ、アノードＡＮ、電解質膜２１、カソードＣＡ、およびカソードセパレーター２９Ａの積層方向から見る平面視において、Ｏリング４５の外縁がＯリング４５Ａの外縁内に収まることで、Ｏリング４５の外縁で囲まれた領域に対向するアノードセパレーター全域に上記の撓み変形を抑える荷重を付与することができる。
　＜第１圧力形成部材におけるＯリング溝およびリング材の構成＞
　図１１は、Ｏリングの内部に存在する高圧のカソードガスによってＯリングの一部が隙間内にはみ出す現象の一例を示す図である。図１２は、図１の第１圧力形成部材の一例を示す図である。
　図１２に示すように、第１圧力形成部材４４において、リング材９０は、Ｏリング４５Ｃの外縁に隣接し、Ｏリング４５Ｃを囲むバックアップリングである。リング材９０は、Ｏリング溝５０Ｃに保持されている。なお、リング材９０の材料として、例えば、耐酸性および耐水素脆性の視点からＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＣＴＦＥ（ポリクロロトリフルオロエチレン）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）などを挙げることができるが、これらに限定されない。ただし、リング材９０は、ＰＴＦＥよりも曲げ弾性率が高い材料で構成する方が適当である。以下の表１には、上記樹脂材料のそれぞれの曲げ弾性率および引張強度に関する物性データが示されている。
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 　ここで、Ｏリング４５Ｃで空間ＳＣがシールされる際に、Ｏリング４５Ｃに当接する部材間には、Ｏリング４５Ｃで囲まれた領域のカソードガスのガス圧によって、図１１に示す如く、隙間Ｇが発生する場合がある。この場合、Ｏリング４５Ｃを囲むリング材が設けられていないときは、Ｏリング４５Ｃの一部が、Ｏリング４５Ｃの内部に存在するカソードガスのガス圧によって隙間Ｇ内にはみ出す可能性がある（図１１参照）。すると、Ｏリング４５Ｃが破損することで、Ｏリング４５Ｃのシール性が低下する可能性がある。
　これに対して、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、Ｏリング４５Ｃの外縁に隣接するようにＯリング４５Ｃを囲むリング材９０を設けることで、Ｏリング４５Ｃが隙間Ｇ内にはみ出すことが抑制され、その結果、Ｏリング４５Ｃが破損することが改善される。
　ここで、以下、Ｏリング溝５０Ｃの外周面およびリング材９０の外周面が、Ｏリング溝５０Ｃの開口面に対して直交する場合におけるＯリング４５Ｃのシール性の問題について検討する。例えば、Ｏリング溝として一般的な円筒溝が形成されているときは、リング材として一般的な円筒状のバックアップリングが使用される。
　しかし、上記の場合、Ｏリング４５Ｃが隙間Ｇ内にはみ出すことが抑制されるが、円筒状のリング材が、Ｏリング４５Ｃの内部に存在するカソードガスのガス圧をＯリング４５Ｃを介して受けることに起因して変形しても、リング材が隙間Ｇを埋めるようには変形しない場合がある。このため、この隙間Ｇを通じてカソードガスが外部に漏洩しやすくなる。
　そこで、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、上記の問題を軽減すべく、リング材９０の外周面およびＯリング溝５０Ｃの外周面がともに、Ｏリング溝５０Ｃの開口に向かって広がるように勾配が設けられている。
　図１３は、図１の第１圧力形成部材におけるＯリング溝およびリング材の一例を示す図である。
　図１３に示す例では、リング材９０は、第１リング部９０Ａと、第２リング部９０Ｂとを備える。
　第１リング部９０Ａは、Ｏリング４５Ｃの外縁に隣接するようにＯリング４５Ｃを囲む円筒部材で構成されている。第１リング部９０Ａの内側面とＯリング４５Ｃの外縁とが接触するとともに、第１リング部９０Ａの両端面がそれぞれ、Ｏリング溝５０Ｃの底面およびバイポーラプレート２９の主面のそれぞれと接触するように、Ｏリング溝５０Ｃ内に配されている。第１リング部９０Ａの材料として、例えば、ＰＣＴＦＥを用いることができるが、これに限定されない。
　第２リング部９０Ｂは、断面が直角三角形である環状部材で構成されている。第２リング部９０Ｂは、断面視において直角を構成する２辺のうちの短辺（角度θに直目するときの隣辺）を含む水平面がバイポーラプレート２９の主面と面接触するとともに、上記２辺のうちの長辺（角度θに直目するときの対辺）を含む鉛直面が、第１リング部９０Ａの外側面と面接触するように、Ｏリング溝５０Ｃ内に配されている。そして、第２リング部９０Ｂの断面視における、直角と相対する斜辺を含む傾斜側面は、Ｏリング溝５０Ｃの傾斜側面と面接触している。第２リング部９０Ｂの材料として、例えば、ＰＥＥＫを用いることができるが、これに限定されない。
　このように、図１３に示す例では、第２リング部９０Ｂの傾斜側面が、本開示の「リング材の外周面」の一例に対応する。また、Ｏリング溝５０Ｃの傾斜側面が、本開示の「溝部の外周面」の一例に対応する。
　図１３の角度θは、電気化学式水素ポンプ１００の運転条件、ならびに、リング材９０およびＯリング４５Ｃの形状、材質などに基づいて適宜の値に設定することができるが、一例として、約６０°程度であってもよい。
　以上のとおり、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、カソードガスを溜めるための凹部（空間ＳＣ）をシールするＯリング４５Ｃのシール性を従来よりも改善し得る。具体的には、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、第２リング部９０Ｂの傾斜側面およびＯリング溝５０Ｃの傾斜側面が、Ｏリング溝５０Ｃの開口に向かって広がるように勾配が設けられている。よって、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、Ｏリング４５Ｃの内部に存在するカソードガスのガス圧によってＯリング４５Ｃに当接する部材間に隙間Ｇ（図１１参照）が発生しても、上記ガス圧は、第２リング部９０Ｂの傾斜側面をＯリング溝５０Ｃの傾斜側面に対して下方に滑らす方向に作用するので、第２リング部９０Ｂの一部（断面視における角度θを構成する部分）が、隙間Ｇを埋めるように隙間Ｇ内に進入しやすくなる。これにより、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、Ｏリング溝５０Ｃの外周面およびリング材の外周面が、Ｏリング溝５０Ｃの開口面に対して直交する場合に比べて、上記隙間Ｇを通じて、Ｏリング４５Ｃの内部に存在するカソードガスが外部に漏洩する可能性を低減することができる。なお、隙間Ｇ内に進入したリング材９０の一部が破損する可能性はあるが、リング材９０の存在によりＯリング４５Ｃが隙間Ｇ内にはみ出し破損することは抑制されるので、Ｏリング４５Ｃの内部に存在するカソードガスが外部に漏洩する可能性は低減される。
　また、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、リング材９１が、第１リング部９０Ａと第２リング部９０Ｂとを備えるので、第１リング部９０Ａおよび第２リング部９０Ｂのそれぞれに適した曲げ弾性率の材料を選択することができる。
　なお、以上のＯリング溝５０Ｃおよびリング材９０は例示であって、本例に限定されない。リング材の他の例は、第１変形例で説明する。
　［構造解析（シミュレーション）］
　本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００が奏する作用効果について、以下の構造解析によって検証した。
　＜解析ソフト＞
　以下の構造解析は、市販の構造解析ソフトである「Ａｎｓｙｓ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ（登録商標）」により行われた。
　＜解析モデルおよび解析条件＞
　図１４Ａは、構造解析で使用した２次元解析モデルの一例を示す図である。
　図１４Ａの解析モデルにおいて、物性条件として、プレート４４Ａおよびバイポーラプレート２９のそれぞれに対応に対応する各解析領域内のメッシュ（図示せず）に対して、ＳＵＳ３１６Ｌの曲げ弾性率を付与した。
　第１リング部９０Ａに対応する解析領域の大きさは、１．２５ｍｍ×２．４ｍｍであり、物性条件として、この解析領域内のメッシュ（図示せず）に対して、ＰＣＴＦＥの曲げ弾性率（表１参照）を付与した。
　第２リング部９０Ｂに対応する解析領域の大きさは、隣辺の長さが１．３９ｍｍであって角度θが６０°であり、物性条件として、この解析領域内のメッシュ（図示せず）に対して、ＰＫＫＥの曲げ弾性率（表１参照）を付与した。
　上記解析領域以外は空間である。つまり、第１リング部９０Ａおよび第２リング部９０Ｂのそれぞれに対応する各解析領域と、バイポーラプレート２９に対応する解析領域との間には、隙間Ｇに対応する、０．２ｍｍの空間を設定した。
　解析モデルにおいて、境界条件として、第１リング部９０Ａに対応する解析領域内のメッシュに対して、図１４Ａの矢印の如く、１４５ＭＰａの押圧力を付与した。また、以上の部材間の境界に対応する解析領域内のメッシュに対して、摩擦係数として、０．１を付与した。
　＜解析結果＞
　図１４Ｂは、構造解析による結果の一例を示す図である。図１４Ｂには、解析領域内のメッシュにおける応力分布のコンター図が示されており、グレースケールの色が淡くなるほど、応力が高い領域である。また、第１リング部９０Ａおよび第２リング部９０Ｂに対応する解析領域において、応力の計算結果の一例が数値で出力されている。
　図１４Ｂで示すように、太い矢印で示す如く、第２リング部９０Ｂに対応する解析領域の角部が隙間Ｇを埋めるように隙間Ｇ内に進入する現象が確認された。この解析領域の上方には、上記現象に起因する空間２００が形成されていることがわかる。以上により、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００が奏する作用効果を構造解析によって検証することができた。
　（第１変形例）
　第１変形例の電気化学式水素ポンプ１００は、以下に説明する第１圧力形成部材４４におけるリング材１９０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１５は、図１の第１圧力形成部材におけるＯリング溝およびリング材の一例を示す図である。
　図１５に示すように、リング材１９０は、Ｏリング４５Ｃの外縁に隣接し、Ｏリング４５Ｃを囲むバックアップリングである。リング材１９０は、Ｏリング溝５０Ｃに保持されている。なお、リング材１９０の材料として、例えば、耐酸性および耐水素脆性の視点からＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＣＴＦＥ（ポリクロロトリフルオロエチレン）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）などを挙げることができるが、これらに限定されない。ただし、リング材１９０は、ＰＴＦＥよりも曲げ弾性率が高い材料で構成する方が適当である。
　図１５に示す例では、リング材１９０は、鉛直面がＯリング４５Ｃの外縁に隣接するようにＯリング４５Ｃを囲み、断面が台形である環状部材で構成されている。リング材１９０は、断面視において水平下面がバイポーラプレート２９の主面と面接触するとともに、水平上面がＯリング溝５０Ｃの底面に面接触するようにＯリング溝５０Ｃ内に配されている。そして、リング材１９０の断面視における、鉛直線と相対する斜辺を含む傾斜側面は、Ｏリング溝５０Ｃの傾斜側面と面接触している。リング材１９０の材料として、例えば、ＰＥＥＫを用いることができるが、これに限定されない。
　図１５の角度θは、電気化学式水素ポンプ１００の運転条件、ならびに、リング材９０およびＯリング４５Ｃの形状、材質などに基づいて適宜の値に設定することができるが、一例として、約６０°程度であってもよい。
　このように、図１５に示す例では、リング材１９０の傾斜側面が、本開示の「リング材の外周面」の一例に対応する。また、Ｏリング溝５０Ｃの傾斜側面が、本開示の「溝部の外周面」の一例に対応する。
　以上のとおり、本変形例の電気化学式水素ポンプ１００は、リング材１９０の傾斜側面およびＯリング溝５０Ｃの傾斜側面がともに、Ｏリング溝５０Ｃの開口に向かって広がるように勾配が設けられている。よって、本変形例の電気化学式水素ポンプ１００は、Ｏリング４５Ｃの内部に存在するカソードガスのガス圧によって、Ｏリング４５Ｃに当接する部材間に隙間Ｇ（図１１参照）が発生しても、上記ガス圧は、リング材１９０の傾斜側面をＯリング溝５０Ｃの傾斜側面に対して下方に滑らす方向に作用するので、リング材１９０の一部（断面視における角度θを構成する部分）が、隙間Ｇを埋めるように隙間Ｇ内に進入しやすくなる。これにより、本変形例の電気化学式水素ポンプ１００は、Ｏリング溝の外周面およびリング材の外周面が、Ｏリング溝５０Ｃの開口面に対して直交する場合に比べて、上記隙間Ｇを通じて、Ｏリング４５Ｃの内部に存在するカソードガスが外部に漏洩する可能性を低減することができる。
　また、本変形例の電気化学式水素ポンプ１００では、リング材１９０が単一の部材で構成されているので、上記のリング材９０に比べて、部品点数を削減することができる。
　［構造解析（シミュレーション）］
　本変形例の電気化学式水素ポンプ１００が奏する作用効果について、以下の構造解析によって検証した。
　＜解析ソフト＞
　以下の構造解析は、市販の構造解析ソフトである「Ａｎｓｙｓ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ（登録商標）」により行われた。
　＜解析モデルおよび解析条件＞
　本変形例の解析モデルおよび解析条件は、実施形態の解析モデルおよび解析条件の参酌により容易に理解できるので説明を省略する。
　＜解析結果＞
　図１６は、構造解析による結果の一例を示す図である。図１６には、解析領域内のメッシュにおける応力分布のコンター図が示されており、グレースケールの色が淡くなるほど、応力が高い領域である。
　図１６で示すように、リング材１９０に対応する解析領域の角部が隙間Ｇを埋めるように隙間Ｇ内に進入する現象が確認された。これにより、本変形例の電気化学式水素ポンプ１００が奏する作用効果を構造解析によって検証することができた。
　本変形例の電気化学式水素ポンプ１００は、上記特徴以外は、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変形例）
　図１７は、第２実施形態の第２変形例の電気化学式水素ポンプにおける第２圧力形成部材の一例を示す図である。
　図１７に示すように、第２圧力形成部材４６において、リング材９１は、Ｏリング４５Ａの外縁に隣接し、Ｏリング４５Ａを囲むバックアップリングである。リング材９１は、Ｏリング溝５０Ｃに保持されている。なお、リング材９１の材料として、例えば、耐酸性および耐水素脆性の視点からＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＣＴＦＥ（ポリクロロトリフルオロエチレン）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）などを挙げることができるが、これらに限定されない。
　本変形例の電気化学式水素ポンプ１００では、リング材９１の外周面およびＯリング溝５０Ａの外周面がともに、Ｏリング溝５０Ａの開口に向かって広がるように勾配が設けられている。このようなＯリング溝５０Ａおよびリング材９１の構成は、上記の第１圧力形成部材４４の説明から容易に理解できるので詳細な説明を省略する。
　また、本変形例の電気化学式水素ポンプ１００が奏する作用効果は、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。
　本変形例の電気化学式水素ポンプ１００は、上記特徴以外は、実施形態または実施形態の第１変形例のいずれかの電気化学式水素ポンプ１００と同様であってもよい。
　（第３変形例）
　上記では、水素ポンプユニット１０が積層された積層体の上下方向のそれぞれに、第１圧力形成部材４４および第２圧力形成部材４６がそれぞれ配置されているが、これに限定されない。積層体の上下方向のいずれか一方にのみ、圧力形成部材が配置されていてもよい。この場合、圧力形成部材が配置されていない側の端板の撓み剛性を、圧力形成部材が配置されている側の端板の撓み剛性よりも高くすることで対向可能である。
　本変形例の電気化学式水素ポンプ１００は、上記特徴以外は、実施形態および実施形態の第１変形例－第２変形例のいずれかの電気化学式水素ポンプ１００と同様であってもよい。
　実施形態および実施形態の第１変形例－第３変形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、電気化学式水素ポンプ１００のシール構成は、水電解装置などの他の圧縮装置にも適用することができる。
　本開示の一態様は、圧縮水素を溜めるための凹部をシールするシール材のシール性を従来よりも改善し得る。
１０　　　　：水素ポンプユニット
１１　　　　：流体集配部材
１１Ａ　　　：排出口
１２　　　　：絶縁板
１３　　　　：絶縁板
１４　　　　：流体集配部材
１４Ａ　　　：排出口
１５　　　　：カソード端板
１６　　　　：アノード端板
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
２８　　　　：枠体
２９　　　　：バイポーラプレート
２９Ａ　　　：カソードセパレーター
２９Ｂ　　　：アノードセパレーター
３０　　　　：アノードガス流路
３１　　　　：アノードガス導入マニホールド
３２　　　　：アノードガス導出マニホールド
３５　　　　：第１カソードガス導出マニホールド
３６　　　　：第２カソードガス導出マニホールド
３７　　　　：連絡路
３８　　　　：連絡路
４０　　　　：面シール材
４１　　　　：Ｏリング
４２　　　　：Ｏリング
４４　　　　：第１圧力形成部材
４４Ａ　　　：プレート
４４Ｂ　　　：プレート
４５　　　　：Ｏリング
４５Ａ　　　：Ｏリング
４５Ｃ　　　：Ｏリング
４６　　　　：第２圧力形成部材
４６Ａ　　　：プレート
４６Ｂ　　　：プレート
４８　　　　：封止板
５０　　　　：Ｏリング溝
５０Ａ　　　：Ｏリング溝
５０Ｃ　　　：Ｏリング溝
５１　　　　：Ｏリング溝
５２　　　　：Ｏリング溝
６０　　　　：冷却流路
６１　　　　：冷却媒体導入マニホールド
６２　　　　：冷却媒体導出マニホールド
７０　　　　：連通孔
７１　　　　：連通孔
９０　　　　：リング材
９０Ａ　　　：第１リング部
９０Ｂ　　　：第２リング部
９１　　　　：リング材
１００　　　：電気化学式水素ポンプ
１０１　　　：端子
１０２　　　：電圧印加器
１０３　　　：端子
１３５　　　：第１カソードガス導出マニホールド
１３６　　　：第２カソードガス導出マニホールド
１３７　　　：連絡路
１３８　　　：連絡路
１７０　　　：連通孔
１７１　　　：連通孔
１９０　　　：リング材
２００　　　：空間
２３０　　　：アノードガス流路
２３５　　　：第１カソードガス導出マニホールド
２３６　　　：第２カソードガス導出マニホールド
２３７　　　：連絡路
２３８　　　：連絡路
２６０　　　：冷却流路
２７０　　　：連通孔
２７１　　　：連通孔
ＡＮ　　　　：アノード
ＣＡ　　　　：カソード
ＣＣＭ　　　：触媒層付き膜
Ｇ　　　　　：隙間
Ｓ　　　　　：空間
ＳＡ　　　　：空間
ＳＣ　　　　：空間

Claims (1)

  1. 　電解質膜、前記電解質膜の一方の主面上に設けられたアノード、前記電解質膜の他方の主面上に設けられたカソード、前記アノード上に積層されたアノードセパレーター、および前記カソード上に積層されたカソードセパレーターを含む、少なくとも１つの圧縮ユニットと、
    　前記アノードと前記カソードとの間に電圧を印加する電圧印加器と、を備え、
    　前記電圧印加器により電圧を印加することで、アノードに供給されるアノード流体から取り出されたプロトンを、電解質膜を介してカソードに移動させ、圧縮水素を生成する圧縮装置であって、
    　前記積層された方向において、一方の端に位置する前記アノードセパレーター上に設けられたアノード端板と、
    　前記積層された方向において、他方の端に位置する前記カソードセパレーター上に設けられたカソード端板と、
    　前記カソード端板と前記他方の端に位置するカソードセパレーターとの間、または、前記アノード端板と前記一方の端に位置するアノードセパレーターとの間に設けられた板状部材とを備え、
    　前記板状部材には、圧縮水素を溜めるための凹部と、前記凹部の外周を囲む溝部とが設けられ、
    　前記溝部には、シール材と、前記シール材の外縁に隣接し、前記シール材を囲むリング材とが設けられ、
    　前記溝部の外周面および前記リング材の外周面はともに、前記溝部の開口に向かって広がるように勾配が設けられている、圧縮装置。
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