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WO2021106482A1 - 圧縮装置 - Google Patents

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WO2021106482A1
WO2021106482A1 PCT/JP2020/040480 JP2020040480W WO2021106482A1 WO 2021106482 A1 WO2021106482 A1 WO 2021106482A1 JP 2020040480 W JP2020040480 W JP 2020040480W WO 2021106482 A1 WO2021106482 A1 WO 2021106482A1
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WO
WIPO (PCT)
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anode
catalyst layer
cathode
diffusion layer
flow path
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/JP2020/040480
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
貴之 中植
嘉久和　孝
洋三 喜多
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Original Assignee
Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd filed Critical Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
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Priority to CN202080006813.5A priority patent/CN113227459A/zh
Publication of WO2021106482A1 publication Critical patent/WO2021106482A1/ja
Priority to US17/395,944 priority patent/US20210372379A1/en
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Ceased legal-status Critical Current

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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • This disclosure relates to a compression device.
  • Patent Document 1 discloses that in an electrochemical hydrogen pump in which hydrogen pressurization is performed, an anode gas diffusion layer is formed from a material having elasticity and conductivity of carbon fibers.
  • Patent Document 2 discloses that the anode gas diffusion layer is composed of a metal porous body in an electrochemical hydrogen pump in which hydrogen pressurization is performed.
  • the compression device of one aspect (aspect) of the present disclosure includes an anode catalyst layer in contact with one main surface of the electrolyte membrane, an anode catalyst layer in contact with the other main surface of the electrolyte membrane, and a cathode catalyst layer in contact with the other main surface of the electrolyte membrane.
  • An anode support including the above, an anode separator provided on the anode support and having a fluid flow path on the main surface on the anode support side through which the anode fluid flows, and a voltage between the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer.
  • a voltage applyer for applying a voltage is provided, and when the voltage applyer applies the voltage, protons taken out from the anodic fluid supplied to the anodic catalyst layer are transferred to the anodic catalyst layer via the electrolyte membrane. It is a compression device that is moved to and generates compressed hydrogen, and the bending strength of the metal sheet is higher than the bending strength of the carbon porous sheet.
  • the compression device of one aspect of the present disclosure has an effect that damage to the carbon porous sheet of the anode diffusion layer can be reduced as compared with the conventional case.
  • FIG. 1A is a diagram showing an example of an electrochemical hydrogen pump according to the first embodiment.
  • FIG. 1B is an enlarged view of a portion B of the electrochemical hydrogen pump of FIG. 1A.
  • FIG. 2A is a diagram showing an example of an electrochemical hydrogen pump according to the first embodiment.
  • FIG. 2B is an enlarged view of a portion B of the electrochemical hydrogen pump of FIG. 2A.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of an anode support and an anode separator in the electrochemical hydrogen pump of the second embodiment of the first embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of an analysis model of the structural analysis simulation.
  • FIG. 1A is a diagram showing an example of an electrochemical hydrogen pump according to the first embodiment.
  • FIG. 1B is an enlarged view of a portion B of the electrochemical hydrogen pump of FIG. 1A.
  • FIG. 2A is a diagram showing an example of an electrochemical hydrogen pump according to the first embodiment.
  • FIG. 2B is an enlarged
  • FIG. 5A is a diagram for explaining the maximum tensile stress acting on the anode gas diffusion layer in the ventilation hole when an external force (compressive force) is applied to the anode gas diffusion layer for the analysis model of the example.
  • FIG. 5B is a diagram for explaining the maximum tensile stress acting on the anode gas diffusion layer in the anode gas flow path when an external force (compressive force) is applied to the anode gas diffusion layer for the analysis model of the comparative example.
  • FIG. 6 is a diagram showing an example of an electrochemical hydrogen pump according to a fourth embodiment of the first embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram showing an example of an anode support and an anode separator in the electrochemical hydrogen pump of the third embodiment.
  • the anode diffusion layer is a carbon porous body formed from carbon fibers, the anode diffusion layer has corrosion resistance at a lower cost than when a metal porous body is used. It is possible to secure it.
  • the present inventors have found that the electrochemical hydrogen pump disclosed in Patent Document 1 has the following problems.
  • the anode diffusion layer containing the carbon porous body may be damaged by the differential pressure (high pressure) between the cathode electrode and the anode electrode generated during the hydrogen boosting operation of the electrochemical hydrogen pump.
  • the anode diffusion layer may break in the gas flow path provided in the anode separator due to the above differential pressure.
  • the compression device of the first aspect of the present disclosure is on the anode catalyst layer, the anode catalyst layer in contact with one main surface of the electrolyte membrane, the cathode catalyst layer in contact with the other main surface of the electrolyte membrane, and the anode catalyst layer.
  • An anode diffusion layer including a carbon porous sheet, a cathode gas diffusion layer provided on the cathode catalyst layer, and an anode support provided on the anode diffusion layer and including a metal sheet having a plurality of vents.
  • anode separator provided on the anode support and having a fluid flow path through which the anode fluid flows on the main surface on the anode support side, and a voltage applyer for applying a voltage between the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer.
  • the compression device of this embodiment can reduce damage to the carbon porous sheet of the anode diffusion layer as compared with the conventional case.
  • the anode diffusion layer is provided on the anode separator by the differential pressure between the cathode electrode and the anode electrode generated during the hydrogen boosting operation of the compressor. There is a possibility of breakage in the fluid flow path.
  • the bending strength of the metal sheet of the anode support is higher than the bending strength of the carbon porous sheet.
  • the carbon porous sheet has relatively few sharp parts confirmed in the conventional metal porous body. Therefore, even if such a carbon porous sheet is pressed against the electrolyte membrane, the compression device of this embodiment can reduce the possibility of damaging the electrolyte membrane as compared with the conventional metal porous body.
  • the anode support including the metal sheet is provided on the main surface of the pair of main surfaces of the anode diffusion layer, which is opposite to the main surface on the anode catalyst layer side.
  • the main surface on the anode catalyst layer side is in a highly acidic environment because of the interface with the anode catalyst layer, but the main surface on the opposite side is not in a highly acidic environment because it is separated from the anode catalyst layer. Therefore, the anode support including the metal sheet is not required to have high corrosion resistance, so that the cost can be reduced.
  • the air permeability in the thickness direction of the anode support may be larger than the air permeability in the thickness direction of the carbon porous sheet.
  • the air permeability in the thickness direction of the anode support is the air permeability in the thickness direction of the carbon porous sheet. It is possible to appropriately suppress a decrease in the efficiency of the compression device as compared with the case where the degree is less than the degree.
  • the compression device of the third aspect of the present disclosure is the compression device of the first aspect or the second aspect, and a part of a plurality of ventilation holes may straddle the edge of the fluid flow path.
  • the anode diffuses from this vent. No anodic fluid is supplied to the layer.
  • the vent of the metal sheet straddles the edge of the fluid flow path, the anode fluid is supplied to the anode diffusion layer from the vent.
  • a part of the plurality of ventilation holes straddles the edge of the fluid flow path, so that a part of the ventilation holes does not straddle the edge of the fluid flow path and crosses the fluid flow path. It is possible to improve the diffusibility of the anode fluid from the anode diffusion layer to the anode catalyst layer as compared with the case where it is present on the constituent rib portions.
  • the diameter of at least a part of the plurality of ventilation holes in the direction across the fluid flow path is the fluid flow. It may be smaller than the width of the road.
  • the opening In the anode diffusion layer when there is an opening whose shape changes, such as a groove (recess) forming a hole or a fluid flow path, when an external force (compressive force) is applied to the anode diffusion layer, the opening In the anode diffusion layer in, higher stress is generated than in other parts (stress concentration).
  • the tensile stress acting on the anode diffusion layer is maximized near the center of the hole, and the larger the diameter of the hole, the larger the maximum tensile stress.
  • the tensile stress acting on the anode diffusion layer is maximized near the center of the width of the fluid flow path, and the larger the width of the fluid flow path, the larger the maximum tensile stress.
  • the compression device of this embodiment when the anode support is provided between the anode diffusion layer and the anode separator, the magnitude relationship between the diameter of the ventilation hole and the width of the fluid flow path is set as described above. ..
  • the carbon porous sheet of the anode diffusion layer has the cathode electrode and the cathode electrode generated during the hydrogen boosting operation of the compression device, as compared with the case where the diameter of the ventilation hole is larger than the width of the fluid flow path. Damage caused by the differential pressure between the anode electrodes can be suppressed.
  • the compression device according to the fifth aspect of the present disclosure is any one of the compression devices according to the first to fourth aspects, and the carbon porous sheet may be a carbon sintered sheet.
  • a carbon sintered body has higher rigidity than a molded product obtained by mixing carbon powder with a resin or the like and drying and solidifying or drying and curing the carbon powder.
  • plastic foamed carbon has high bending strength. Therefore, in the compression device of this embodiment, when the carbon porous sheet is a carbon sintered sheet, the bending strength of the anode diffusion layer is appropriately secured.
  • the compression device of the sixth aspect of the present disclosure may be provided with a conductive layer on the surface of the anode support in any one of the compression devices of the first to fifth aspects.
  • a non-conductive oxide film may be formed by oxidizing the components of the metal sheet to oxygen in the atmosphere. Then, for example, the contact resistance between the anode support and the anode separator increases, which makes it difficult to obtain continuity between the two. Further, for example, the contact resistance between the anode support and the anode diffusion layer increases, which makes it difficult to obtain conduction between the two.
  • the above problems can be appropriately suppressed by providing a conductive layer on the surface of the anode support.
  • the thickness of the anode diffusion layer may be larger than the thickness of the anode support in any one of the compression devices of the first to sixth aspects.
  • a sufficient distance between the metal sheet and the anode catalyst layer that creates a highly acidic atmosphere is secured as compared with the case where the thickness of the anode diffusion layer is smaller than the thickness of the anode support. can do. Therefore, as the metal sheet, an inexpensive material having low corrosion resistance can be utilized.
  • the compression device of the eighth aspect of the present disclosure is any one of the compression devices of the first to seventh aspects, and the metal sheet may be composed of one metal steel plate.
  • the compression device of this embodiment can improve the efficiency of the assembly work by reducing the number of parts as compared with the case where the metal sheet is composed of a plurality of metal steel plates.
  • the anode support may be integrated with the anode separator in any one of the compression devices of the first to eighth aspects.
  • the metal sheet of the anode support and the anode separator are integrated by diffusion bonding, so that the voids at the joints disappear, so that the contact between the two is contacted.
  • the resistance can be reduced.
  • the efficiency of the assembly work can be improved by reducing the number of parts.
  • the anode support may be integrated with the anode diffusion layer in any one of the compression devices of the first to eighth aspects.
  • the compression device of this embodiment can improve the efficiency of the assembly work by reducing the number of parts.
  • anode fluid of the above compression device various types of gases and liquids are assumed.
  • hydrogen-containing gas can be mentioned as the anode fluid.
  • water electrolyzer liquid water can be mentioned as the anode fluid.
  • the configuration and operation of the electrochemical hydrogen pump which is an example of the compression device, will be described when the anode fluid is a hydrogen-containing gas.
  • FIG. 1A and 2A are diagrams showing an example of an electrochemical hydrogen pump according to the first embodiment.
  • FIG. 1B is an enlarged view of a portion B of the electrochemical hydrogen pump of FIG. 1A.
  • FIG. 2B is an enlarged view of a portion B of the electrochemical hydrogen pump of FIG. 2A.
  • FIG. 1A shows a vertical cross section of the electrochemical hydrogen pump 100 including a straight line passing through the center of the electrochemical hydrogen pump 100 and the center of the cathode gas lead-out manifold 50 in a plan view.
  • FIG. 2A shows the vertical direction of the electrochemical hydrogen pump 100 including a straight line passing through the center of the electrochemical hydrogen pump 100, the center of the anode gas introduction manifold 27, and the center of the anode gas lead-out manifold 30 in a plan view.
  • a cross section is shown.
  • the electrochemical hydrogen pump 100 includes at least one hydrogen pump unit 100A.
  • a plurality of hydrogen pump units 100A are laminated on the electrochemical hydrogen pump 100.
  • the number of hydrogen pump units 100A is not limited to this. That is, the number of hydrogen pump units 100A can be set to an appropriate number based on operating conditions such as the amount of hydrogen boosted by the electrochemical hydrogen pump 100.
  • the hydrogen pump unit 100A includes an electrolyte membrane 11, an anode electrode AN, a cathode electrode CA, an anode support 60, a cathode separator 16, an anode separator 17, and an insulator 21. Then, in the hydrogen pump unit 100A, the electrolyte membrane 11, the anode catalyst layer 13, the cathode catalyst layer 12, the cathode gas diffusion layer 15, the cathode gas diffusion layer 14, the anode support 60, the anode separator 17 and the cathode separator 16 are laminated. There is.
  • the anode electrode AN is provided on one main surface of the electrolyte membrane 11.
  • the anode electrode AN is an electrode including an anode catalyst layer 13 and an anode gas diffusion layer 15.
  • an annular seal member 43 is provided so as to surround the periphery of the anode catalyst layer 13, and the anode catalyst layer 13 is appropriately sealed by the seal member 43.
  • the cathode electrode CA is provided on the other main surface of the electrolyte membrane 11.
  • the cathode electrode CA is an electrode including a cathode catalyst layer 12 and a cathode gas diffusion layer 14.
  • an annular seal member 42 is provided so as to surround the periphery of the cathode catalyst layer 12, and the cathode catalyst layer 12 is appropriately sealed by the seal member 42.
  • the electrolyte membrane 11 is sandwiched between the anode electrode AN and the cathode electrode CA so as to be in contact with each of the anode catalyst layer 13 and the cathode catalyst layer 12.
  • the laminate of the cathode electrode CA, the electrolyte membrane 11 and the anode electrode AN is referred to as a membrane-electrode assembly (hereinafter referred to as MEA: Membrane Electrode Assembly).
  • the electrolyte membrane 11 is a polymer membrane having proton conductivity.
  • the electrolyte membrane 11 may have any structure as long as it has proton conductivity.
  • examples of the electrolyte membrane 11 include, but are not limited to, a fluorine-based polymer electrolyte membrane and a hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane.
  • Nafion registered trademark, manufactured by DuPont
  • Aciplex registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Corporation
  • the like can be used as the electrolyte membrane 11.
  • the anode catalyst layer 13 is provided so as to be in contact with one main surface of the electrolyte membrane 11.
  • the anode catalyst layer 13 contains, for example, platinum as the catalyst metal, but is not limited thereto.
  • the cathode catalyst layer 12 is provided so as to be in contact with the other main surface of the electrolyte membrane 11.
  • the cathode catalyst layer 12 includes, but is not limited to, platinum as the catalyst metal.
  • Examples of the catalyst carrier of the cathode catalyst layer 12 and the anode catalyst layer 13 include, but are not limited to, carbon black, carbon particles such as graphite, and conductive oxide particles.
  • the cathode catalyst layer 12 and the anode catalyst layer 13 fine particles of the catalyst metal are supported on the catalyst carrier in a highly dispersed manner. Further, in order to increase the electrode reaction field, a proton-conducting ionomer component is generally added to the cathode catalyst layer 12 and the anode catalyst layer 13.
  • the cathode gas diffusion layer 14 is provided on the cathode catalyst layer 12. Further, the cathode gas diffusion layer 14 is made of a porous material and has conductivity and gas diffusivity. Further, it is desirable that the cathode gas diffusion layer 14 has elasticity so as to appropriately follow the displacement and deformation of the constituent members generated by the differential pressure between the cathode electrode CA and the anode electrode AN during the operation of the electrochemical hydrogen pump 100. ..
  • a member made of carbon fiber is used as the cathode gas diffusion layer 14.
  • a porous carbon fiber sheet such as carbon paper, carbon cloth, or carbon felt may be used.
  • a carbon fiber sheet as the base material of the cathode gas diffusion layer 14.
  • a sintered body of metal fibers made of titanium, a titanium alloy, stainless steel, or the like a sintered body of metal particles made of these materials, or the like may be used.
  • the anode gas diffusion layer 15 is provided on the anode catalyst layer 13. Further, the anode gas diffusion layer 15 is made of a porous material and has conductivity and gas diffusivity. Further, it is desirable that the anode gas diffusion layer 15 has high rigidity capable of suppressing displacement and deformation of constituent members generated by the differential pressure between the cathode electrode CA and the anode electrode AN during the operation of the electrochemical hydrogen pump 100.
  • the anode gas diffusion layer 15 is a layer containing the carbon porous body sheet 15S.
  • the carbon porous sheet 15S for example, a sintered body made of carbon particles can be used.
  • the anode support 60 is a member provided on the anode gas diffusion layer 15 and including a metal sheet 60S having a plurality of ventilation holes (not shown in FIGS. 1A and 1B). Further, the metal sheet 60S of the anode support 60 is formed from the carbon porous sheet 15S of the anode gas diffusion layer 15 so as not to be destroyed by the differential pressure between the cathode electrode CA and the anode electrode AN during the operation of the electrochemical hydrogen pump 100. It is desirable that the bending strength is high. Further, it is desirable that the anode support 60 has high rigidity capable of suppressing displacement and deformation of the constituent members generated by the differential pressure.
  • the bending strength of the metal sheet 60S is obtained by the metal material tensile test method of JIS standard Z2241: 2011.
  • the bending strength of the carbon porous sheet 15S is determined by the room temperature bending strength test method for fine ceramics of JIS standard R1601: 2008.
  • the bending strength of the metal sheet 60S composed of SUS316L may be 480 MPa or more, and the bending strength of the carbon porous sheet 15S may be 48 MPa or more.
  • a metal sheet 60S for example, punching metal or the like can be used.
  • the hole patterns such as the shape and arrangement of the ventilation holes of the metal sheet 60S will be described in the second embodiment.
  • the thickness of the carbon porous sheet 15S is larger than the thickness of the metal sheet 60S.
  • the thickness of the carbon porous sheet 15S is 1.5 times or more the thickness of the metal sheet 60S.
  • the above metal sheet 60S may be made of a metal such as titanium or stainless steel, but is not limited thereto.
  • a metal such as titanium or stainless steel
  • SUS316 and SUS316L are excellent in cost performance among various types of stainless steel, and have good characteristics from the viewpoint of acid resistance and hydrogen embrittlement resistance.
  • the above metal sheet 60S may be composed of one metal steel plate.
  • the efficiency of the assembly work can be improved by reducing the number of parts as compared with the case where the metal sheet 60S is composed of a plurality of metal steel plates.
  • the anode separator 17 is a member provided on the anode support 60 and provided with an anode gas flow path 33 through which hydrogen-containing gas flows on the main surface on the anode support 60 side.
  • the cathode separator 16 is a member provided on the cathode electrode CA and provided with a cathode gas flow path 32 through which hydrogen-containing gas flows on the main surface on the cathode electrode CA side.
  • the above-mentioned anode separator 17 and cathode separator 16 may be made of a metal such as titanium or stainless steel, for example. That is, the base material of the metal sheet 60S and the base material of the anode separator 17 and the cathode separator 16 may be the same.
  • SUS316 and SUS316L have good characteristics in terms of acid resistance and hydrogen embrittlement resistance among various types of stainless steel.
  • a recess is provided in the central portion of each of the cathode separator 16 and the anode separator 17.
  • the cathode gas diffusion layer 14 is housed in the recess of the cathode separator 16, and the anode gas diffusion layer 15 and the anode support 60 are housed in the recess of the anode separator 17.
  • the hydrogen pump unit 100A is formed by sandwiching the above MEA between the cathode separator 16 and the anode separator 17.
  • Each of the anode gas flow path 33 and the cathode gas flow path 32 may be a serpentine-shaped flow path including a plurality of U-shaped folded portions and a plurality of straight line portions in a plan view.
  • the straight portion of the cathode gas flow path 32 extends in the direction perpendicular to the paper surface of FIG. 1A
  • the straight portion of the anode gas flow path 33 extends in the direction perpendicular to the paper surface of FIG. 2A. ing.
  • anode gas flow path 33 and cathode gas flow path 32 are examples and are not limited to this example.
  • the anode gas flow path and the cathode gas flow path may be composed of a plurality of linear flow paths.
  • a serpentine-shaped cathode gas flow path is not always necessary. High-pressure gas can be discharged from the cathode electrode CA to the outside simply by providing a communication hole that communicates inside and outside the recess of the cathode separator.
  • An annular and flat insulator 21 provided so as to surround the circumference of the MEA may be sandwiched between the conductive cathode separator 16 and the anode separator 17. Thereby, a short circuit between the cathode separator 16 and the anode separator 17 can be appropriately prevented.
  • the electrochemical hydrogen pump 100 includes a first end plate and a second end plate provided on both ends in the stacking direction in the hydrogen pump unit 100A, and the hydrogen pump unit 100A, the first end plate and the second end plate.
  • a fastener 25 for fastening the above in the stacking direction is provided.
  • the cathode end plate 24C and the anode end plate 24A correspond to the above-mentioned first end plate and second end plate, respectively. That is, the anode end plate 24A is an end plate provided on the anode separator 17 located at one end in the stacking direction in which the members of the hydrogen pump unit 100A are laminated. Further, the cathode end plate 24C is an end plate provided on the cathode separator 16 located at the other end in the stacking direction in which the members of the hydrogen pump unit 100A are laminated.
  • the fastener 25 may have any configuration as long as the hydrogen pump unit 100A, the cathode end plate 24C and the anode end plate 24A can be fastened in the stacking direction.
  • examples of the fastener 25 include bolts and nuts with disc springs.
  • the bolt of the fastener 25 may be configured to penetrate only the anode end plate 24A and the cathode end plate 24C, but in the electrochemical hydrogen pump 100 of the present embodiment, the bolt has three stages. Each member of the hydrogen pump unit 100A, the cathode feeding plate 22C, the cathode insulating plate 23C, the anode feeding plate 22A, the anode insulating plate 23A, the anode end plate 24A and the cathode end plate 24C are penetrated.
  • the end face of the cathode separator 16 located at the other end in the stacking direction and the end face of the anode separator 17 located at one end in the stacking direction are the cathode feeding plate 22C, the cathode insulating plate 23C, and the cathode insulating plate 23C, respectively.
  • a desired fastening pressure is applied to the hydrogen pump unit 100A by the fastener 25 so as to be sandwiched between the cathode end plate 24C and the anode end plate 24A via the anode feeding plate 22A and the anode insulating plate 23A, respectively.
  • the three-stage hydrogen pump unit 100A is appropriately held in the laminated state by the fastening pressure of the fastener 25 in the above-mentioned stacking direction, and the electrochemical hydrogen pump Since the bolt of the fastener 25 penetrates each of the 100 members, the movement of each of these members in the in-plane direction can be appropriately suppressed.
  • the cathode gas flow path 32 through which the hydrogen (H 2 ) -containing cathode gas (hereinafter, hydrogen) flowing out from each of the cathode gas diffusion layers 14 of the hydrogen pump unit 100A flows. Is communicated.
  • hydrogen hydrogen
  • a configuration in which each of the cathode gas flow paths 32 communicates with each other will be described with reference to the drawings.
  • the cathode gas lead-out manifold 50 has a through hole provided in each member of the three-stage hydrogen pump unit 100A and the cathode end plate 24C, and a non-penetration provided in the anode end plate 24A. It is composed of a series of holes. Further, the cathode end plate 24C is provided with a cathode gas lead-out path 26.
  • the cathode gas lead-out path 26 may be composed of a pipe through which hydrogen discharged from the cathode electrode CA flows. The cathode gas lead-out path 26 communicates with the cathode gas lead-out manifold 50.
  • the cathode gas lead-out manifold 50 communicates with one end of each cathode gas flow path 32 of the hydrogen pump unit 100A via each of the cathode gas passage paths 34.
  • the hydrogen that has passed through the respective cathode gas flow paths 32 and the cathode gas passage paths 34 of the hydrogen pump unit 100A is merged at the cathode gas lead-out manifold 50. Then, the merged hydrogen is guided to the cathode gas lead-out path 26.
  • each cathode gas flow path 32 of the hydrogen pump unit 100A communicates with each other via the respective cathode gas passage path 34 and the cathode gas lead-out manifold 50 of the hydrogen pump unit 100A.
  • An O-ring is provided between the cathode separator 16 and the anode separator 17, between the cathode separator 16 and the cathode feeding plate 22C, and between the anode separator 17 and the anode feeding plate 22A so as to surround the cathode gas lead-out manifold 50 in a plan view.
  • An annular sealing member 40 such as the above is provided, and the cathode gas lead-out manifold 50 is appropriately sealed by the sealing member 40.
  • the anode end plate 24A is provided with an anode gas introduction path 29.
  • the anode gas introduction path 29 may be composed of a pipe through which the hydrogen-containing gas supplied to the anode electrode AN flows.
  • the anode gas introduction path 29 communicates with the tubular anode gas introduction manifold 27.
  • the anode gas introduction manifold 27 is composed of each member of the three-stage hydrogen pump unit 100A and a series of through holes provided in the anode end plate 24A.
  • the anode gas introduction manifold 27 communicates with one end of each anode gas flow path 33 of the hydrogen pump unit 100A via each of the first anode gas passage paths 35.
  • the hydrogen-containing gas supplied from the anode gas introduction path 29 to the anode gas introduction manifold 27 is distributed to each of the hydrogen pump units 100A through the first anode gas passage paths 35 of the hydrogen pump unit 100A. Then, while the distributed hydrogen-containing gas passes through the anode gas flow path 33, the hydrogen-containing gas is supplied from the anode gas diffusion layer 15 to the anode catalyst layer 13.
  • the anode end plate 24A is provided with an anode gas lead-out path 31.
  • the anode gas lead-out path 31 may be composed of a pipe through which the hydrogen-containing gas discharged from the anode electrode AN flows.
  • the anode gas lead-out path 31 communicates with the tubular anode gas lead-out manifold 30.
  • the anode gas lead-out manifold 30 is composed of each member of the three-stage hydrogen pump unit 100A and a series of through holes provided in the anode end plate 24A.
  • the anode gas lead-out manifold 30 communicates with the other end of each anode gas flow path 33 of the hydrogen pump unit 100A via each of the second anode gas passage paths 36.
  • the hydrogen-containing gas that has passed through the respective anode gas flow paths 33 of the hydrogen pump unit 100A is supplied to the anode gas lead-out manifold 30 through each of the second anode gas passage paths 36, and is merged there. Then, the merged hydrogen-containing gas is guided to the anode gas lead-out path 31.
  • anode gas introduction manifold 27 and the anode gas lead-out manifold 30 are provided in plan view.
  • An annular seal member 40 such as an O-ring is provided so as to surround the anode gas introduction manifold 27 and the anode gas lead-out manifold 30 are appropriately sealed by the seal member 40.
  • the electrochemical hydrogen pump 100 includes a voltage applyer 102.
  • the voltage applyer 102 is a device that applies a voltage between the anode catalyst layer 13 and the cathode catalyst layer 12. Specifically, the high potential of the voltage applicator 102 is applied to the anode catalyst layer 13, and the low potential of the voltage applicator 102 is applied to the cathode catalyst layer 12.
  • the voltage applyer 102 may have any configuration as long as a voltage can be applied between the anode catalyst layer 13 and the cathode catalyst layer 12.
  • the voltage applyer 102 may be a device that adjusts the voltage applied between the anode catalyst layer 13 and the cathode catalyst layer 12.
  • the voltage applyer 102 includes a DC / DC converter when connected to a DC power source such as a battery, a solar cell, or a fuel cell, and AC when connected to an AC power source such as a commercial power source. It is equipped with a / DC converter.
  • the voltage applyr 102 for example, the voltage applied between the anode catalyst layer 13 and the cathode catalyst layer 12 and the anode catalyst layer 13 and the cathode so that the electric power supplied to the hydrogen pump unit 100A becomes a predetermined set value. It may be a power type power source in which the current flowing between the catalyst layers 12 is adjusted.
  • the terminal on the low potential side of the voltage adapter 102 is connected to the cathode feeding plate 22C, and the terminal on the high potential side of the voltage adapter 102 is connected to the anode feeding plate 22A.
  • the cathode feeding plate 22C is in electrical contact with the cathode separator 16 located at the other end in the stacking direction
  • the anode feeding plate 22A is in contact with the anode separator 17 located at one end in the stacking direction. They are in electrical contact.
  • the protons extracted from the hydrogen-containing gas supplied to the anode catalyst layer 13 by the voltage applyer 102 applying the above voltage are passed through the electrolyte membrane 11. It is moved to the cathode catalyst layer 12 to generate compressed hydrogen.
  • a dew point adjuster for example, a humidifier
  • the hydrogen-containing gas of the external hydrogen supply source may be generated by, for example, a water electrolyzer.
  • the hydrogen supply system includes, for example, a temperature detector that detects the temperature of the electrochemical hydrogen pump 100, a hydrogen reservoir that temporarily stores hydrogen discharged from the cathode electrode CA of the electrochemical hydrogen pump 100, and hydrogen storage.
  • a pressure detector or the like for detecting the hydrogen gas pressure in the vessel may be provided.
  • the configuration of the above-mentioned electrochemical hydrogen pump 100 and various devices (not shown) in the hydrogen supply system are examples and are not limited to this example.
  • a dead-end structure is adopted in which all the hydrogen in the anode gas supplied to the anode electrode AN through the anode gas introduction manifold 27 is boosted by the cathode electrode CA without providing the anode gas lead-out manifold 30 and the anode gas lead-out path 31. May be good.
  • the following operations may be performed by, for example, a controller arithmetic circuit (not shown) reading a control program from the controller storage circuit. However, it is not always essential to perform the following operations on the controller. The operator may perform some of the operations.
  • a low-pressure hydrogen-containing gas is supplied to the anode electrode AN of the electrochemical hydrogen pump 100, and the voltage of the voltage adapter 102 is supplied to the electrochemical hydrogen pump 100.
  • hydrogen (H 2 ) generated by the cathode electrode CA can be boosted by increasing the pressure loss of the hydrogen derivation path by using a flow rate regulator (not shown).
  • a flow rate regulator (not shown).
  • the hydrogen derivation path for example, the cathode gas derivation path 26 of FIG. 1A can be mentioned.
  • the flow rate regulator include a back pressure valve and a regulating valve provided in the hydrogen derivation path.
  • the electrochemical hydrogen pump 100 of the present embodiment can reduce the damage to the carbon porous sheet 15S of the anode gas diffusion layer 15 as compared with the conventional case.
  • the anode gas diffusion layer 15 generates a cathode electrode CA and an anode during the hydrogen boosting operation of the electrochemical hydrogen pump 100.
  • the differential pressure between the electrodes AN may cause breakage in the anode gas flow path 33 provided in the anode separator 17.
  • the strength of the metal sheet 60S of the anode support 60 is carbonized.
  • the strength higher than that of the porous sheet 15S it is possible to reduce the possibility that the carbon porous sheet 15S of the anode gas diffusion layer 15 is damaged by the above differential pressure.
  • the carbon porous sheet 15S has relatively few confirmed sharp parts as the anode gas diffusion layer as compared with the conventionally used metal porous sheet. Therefore, in the electrochemical hydrogen pump 100 of the present embodiment, even if such a carbon porous sheet 15S is pressed against the electrolyte membrane 11, there is a possibility that the electrolyte membrane 11 will be damaged as compared with the conventional metal porous sheet. Can be reduced.
  • the electrochemical hydrogen pump 100 of the first embodiment is the electricity of the first embodiment except that the air permeability of the anode support 60 in the thickness direction is larger than the air permeability of the carbon porous sheet 15S in the thickness direction. It is the same as the chemical hydrogen pump 100.
  • the air permeability means the number of Garley seconds (in other words, the air permeability resistance), and the time required for a specified volume of air to permeate the object to be measured per unit area and unit pressure difference. It is represented by. That is, the smaller this value is, the easier it is for air to pass through the object to be measured.
  • a method for measuring the air permeability for example, a method based on JIS standard P8177 can be mentioned.
  • the electrochemical hydrogen pump 100 of this embodiment may be the same as the electrochemical hydrogen pump 100 of the first embodiment except for the above-mentioned features.
  • the electrochemical hydrogen pump 100 of the second embodiment is the same as the electrochemical hydrogen pump 100 of the first embodiment except for the configurations of the anode support 60 and the anode separator 17 described below.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of an anode support and an anode separator in the electrochemical hydrogen pump of the second embodiment of the first embodiment.
  • FIG. 3A shows a perspective view of the metal sheet 60S of the anode support 60 and the anode separator 17.
  • FIG. 3B shows a cross-sectional view of the portion BB of FIG. 3A.
  • FIG. 3C shows a plan view of the metal sheet 60S of the anode support 60 of FIG. 3A.
  • the metal sheet 60S is a metal member having a plurality of ventilation holes 61.
  • the plurality of ventilation holes may have any shape.
  • examples of the shape of the ventilation holes include, but are not limited to, a perfect circle, an ellipse, a track shape composed of a pair of straight lines and a pair of semicircles, a square and a triangle.
  • vent hole 61 in a perfect circle, it is generated during the hydrogen boosting operation of the electrochemical hydrogen pump 100 as compared with the case where it is formed in another shape having the same area. It is possible to suppress the stress concentration of the anode gas diffusion layer 15 in the ventilation hole 61 due to the differential pressure between the cathode electrode CA and the anode electrode AN.
  • the arrangement of the plurality of ventilation holes 61 may be any arrangement.
  • a method of arranging a plurality of vent holes 61 arranging them in a staggered pattern so that the intersection angle ⁇ of the two lines connecting the centers of the vent holes 61 on both sides is 60 ° (60 ° staggered arrangement).
  • Arrangement in a staggered pattern so that the intersection angle ⁇ is 45 ° (45 ° staggered arrangement), arrangement in parallel so that the intersection angle ⁇ is 90 °, and the like can be mentioned. Not limited to.
  • the unit area is as compared with the case where these are arranged in other forms.
  • the hole area of the ventilation hole 61 can be maximized. Therefore, in this case, it becomes easy to secure the diffusibility of the hydrogen-containing gas from the anode gas diffusion layer 15 to the anode catalyst layer 13.
  • Examples of the method for processing the ventilation holes 61 in the metal sheet include, but are not limited to, punching, laser processing, and etching processing.
  • a taper may be provided in the cross-sectional view of the holes, or for example, the holes may be drilled from both sides of the metal sheet to make it difficult to taper.
  • a part of the plurality of ventilation holes 61 straddles the edge 33A of the anode gas flow path 33 provided in the anode separator 17
  • at least a part of the plurality of ventilation holes 61 is the anode gas flow path. It means straddling the edge 33A of 33.
  • a part of the plurality of ventilation holes 61 may exist on the groove portion forming the anode gas flow path 33 without straddling the edge 33A of the anode gas flow path 33.
  • At least a part of the plurality of ventilation holes 61 has a diameter of 200 in the direction across the anode gas flow path 33 provided in the anode separator 17.
  • L1 is smaller than the width L2 of the anode gas flow path 33 (L1 ⁇ L2). That is, when a straight portion of the sirpentine-shaped anode gas flow path 33 is viewed in cross section, a plurality of sirpentine-shaped anode gas flow paths 33 are formed on the main surface of the anode separator 17 on the anode support 60 side along the direction 200 crossing the anode gas flow path 33. The unevenness of is provided. These recesses form a groove in the anode gas flow path 33. Further, these convex portions form a rib portion of the anode gas flow path 33.
  • the "diameter L1 of at least a part of the plurality of ventilation holes 61 in the direction across the anode gas flow path 33 provided in the anode separator 17" means that the plurality of ventilation holes 61 have these ventilation holes 61. It means that it is the average diameter of.
  • the rib portions of the anode gas diffusion layer 15 and the anode gas flow path 33 provided in the anode separator 17 are reproduced on a computer (model by mesh division). ). That is, in the analysis model of the comparative example, the anode support 60 in the analysis model of the example is not modeled.
  • the thickness of the anode gas diffusion layer 15 and the thickness of the anode support 60 are modeled to be 0.25 mm and 0.3 mm, respectively.
  • the plurality of ventilation holes 61 of the anode support 60 are modeled so as to be arranged as shown in FIG. 3 with respect to the rib portion of the anode gas flow path 33. That is, in the direction 200 crossing the anode gas flow path 33, the diameter L1 of the ventilation hole 61 is smaller than the width L2 of the anode gas flow path 33 (L1 ⁇ L2), and in a plan view, a plurality of perfect circles.
  • the ventilation holes 61 are arranged in a 60 ° staggered arrangement so that at least a part of the ventilation holes 61 straddles the edge 33A of the anode gas flow path 33.
  • ⁇ Analysis conditions> The following values were given as physical property conditions to the calculation target region (mesh division region) corresponding to the "anode gas diffusion layer 15" in each of the analysis model of the example and the analysis model of the comparative example. These values were given by assuming the physical property values of a general carbon gas diffusion layer (for example, porosity: about 24.4%). -Young's modulus E: 12.63 GPa Poisson's ratio ⁇ ; 0.17 Further, the calculation target area corresponding to the "anode support 60" and the "rib portion of the anode gas flow path 33" in the analysis model of the example, and the "rib portion of the anode gas flow path 33" in the analysis model of the comparative example. The general physical property conditions of stainless steel are given to the calculation target area corresponding to.
  • 70 MPa is uniform on each boundary surface of the calculation target region corresponding to the contact surface where the anode gas diffusion layer 15 and the anode catalyst layer are in contact with each other.
  • Compressive stress was applied. This compressive stress was applied, for example, by assuming that the maximum value of the differential pressure between the cathode electrode CA and the anode electrode AN of the electrochemical hydrogen pump 100 is about 70 MPa.
  • FIG. 5A is a diagram for explaining the maximum tensile stress acting on the anode gas diffusion layer in the ventilation hole when an external force (compressive force) is applied to the anode gas diffusion layer for the analysis model of the example.
  • FIG. 5B is a diagram for explaining the maximum tensile stress acting on the anode gas diffusion layer in the anode gas flow path when an external force (compressive force) is applied to the anode gas diffusion layer for the analysis model of the comparative example.
  • an external force is applied to the anode gas diffusion layer 15. Then, a higher stress is generated in the anode gas diffusion layer 15 at the opening than in other parts (stress concentration).
  • the tensile stress acting on the anode gas diffusion layer 15 is maximized near the center of the hole, and the larger the diameter of the hole, the larger the maximum tensile stress ⁇ max . Further, the tensile stress acting on the anode gas diffusion layer 15 becomes maximum near the center of the width of the gas flow path, and the larger the width of the gas flow path, the larger the maximum tensile stress ⁇ max .
  • the maximum tensile stress ⁇ max acting on the anode gas diffusion layer 15 in the ventilation hole 61 was calculated and found to be about 35 MPa.
  • a plurality of ventilation holes 61 are provided, and the maximum tensile stress ⁇ max is almost the same value in any of the ventilation holes 61.
  • the maximum tensile stress ⁇ max acting on the anode gas diffusion layer 15 in the anode gas flow path 33 was calculated and found to be about 154 MPa.
  • the maximum tensile stress ⁇ max of the latter is the former. It was about 4.4 times the maximum tensile stress ⁇ max.
  • the breaking strength of a general carbon gas diffusion layer (for example, void ratio: about 24.4%) is about 48 MPa, between the anode gas diffusion layer 15 and the anode separator 17.
  • the carbon porous sheet 15S of the anode gas diffusion layer 15 is broken in the anode gas flow path 33 due to the differential pressure between the cathode electrode CA and the anode electrode AN of the electrochemical hydrogen pump 100. there's a possibility that.
  • the electrochemical hydrogen pump 100 of the present embodiment when the anode support 60 is provided between the anode gas diffusion layer 15 and the anode separator 17, the direction 200 passes through the anode gas flow path 33.
  • the magnitude relationship between the two is set so that the diameter L1 of the pore 61 is smaller than the width L2 of the anode gas flow path 33 (L1 ⁇ L2).
  • the cathode of the electrochemical hydrogen pump 100 is compared with the case where the diameter L1 of the ventilation hole 61 is equal to or larger than the width L2 of the anode gas flow path 33 (L1 ⁇ L2). It is possible to prevent the carbon porous sheet 15S of the anode gas diffusion layer 15 from being damaged by the differential pressure between the electrode CA and the anode electrode AN.
  • the ventilation hole 61 of the metal sheet 60S of the anode support 60 does not straddle the edge 33A of the anode gas flow path 33 provided in the anode separator 17, but is on the rib portion constituting the anode gas flow path 33.
  • the hydrogen-containing gas is not supplied to the anode gas diffusion layer 15 from the ventilation holes 61.
  • the ventilation hole 61 of the metal sheet 60S straddles the edge 33A of the anode gas flow path 33, the hydrogen-containing gas is supplied from the ventilation hole 61 to the anode gas diffusion layer 15.
  • a part of the plurality of ventilation holes 61 straddles the edge 33A of the anode gas flow path 33, so that a part of the ventilation holes 61 is the anode gas flow path 33. It is possible to improve the diffusibility of the hydrogen-containing gas from the anode gas diffusion layer 15 to the anode catalyst layer 13 as compared with the case where the gas is present on the rib portion constituting the anode gas flow path 33 without straddling the edge 33A. it can.
  • the electrochemical hydrogen pump 100 of this embodiment may be the same as the electrochemical hydrogen pump 100 of the first embodiment of the first embodiment or the first embodiment except for the above-mentioned features.
  • the electrochemical hydrogen pump 100 of the third embodiment is the same as the electrochemical hydrogen pump 100 of the first embodiment except that the carbon porous sheet 15S is a carbon sintered body sheet.
  • a carbon sintered body has higher rigidity than a molded product obtained by mixing carbon powder with a resin or the like and drying and solidifying or drying and curing the carbon powder.
  • plastic foamed carbon has high bending strength.
  • the carbon porous sheet 15S is a carbon sintered body sheet, the bending strength of the anode gas diffusion layer 15 is appropriately secured.
  • Examples of the carbon sintered body include glassy carbon (glassy carbon), diamond-like carbon (DLC), and plastic foamed carbon (PFC) sintered body.
  • glassy carbon glassy carbon
  • DLC diamond-like carbon
  • PFC plastic foamed carbon
  • the electrochemical hydrogen pump 100 of this embodiment is the same as the electrochemical hydrogen pump 100 of any one of the first embodiment and the first embodiment-the second embodiment except for the above-mentioned features. May be good.
  • the electrochemical hydrogen pump 100 of the fourth embodiment is the same as the electrochemical hydrogen pump 100 of the first embodiment except that the conductive layer 70 is provided on the surface of the anode support 60.
  • FIG. 6 is a diagram showing an example of an electrochemical hydrogen pump according to a fourth embodiment of the first embodiment.
  • a non-conductive oxide film may be formed by oxidizing the components of the metal sheet 60S to oxygen in the atmosphere. is there.
  • the metal sheet 60S is a stainless steel member such as SUS316 or SUS316L
  • a passivation film containing highly acid-resistant chromium oxide is formed on the surface of the metal sheet 60S. Then, for example, the contact resistance between the anode support 60 and the anode separator 17 increases, which makes it difficult to obtain continuity between the two. Further, for example, the contact resistance between the anode support 60 and the anode gas diffusion layer 15 increases, which makes it difficult to obtain continuity between the two.
  • a conductive layer 70 having desired acid resistance and conductivity is provided at an appropriate position on the surface of the metal sheet 60S of the anode support 60. ..
  • the conductive layer 70 may be of any kind as long as it has the desired acid resistance and conductivity.
  • the conductive layer 70 may be, for example, an electrolytic plating film or an electroless plating film of a precious metal such as platinum or gold, or a coating film of a carbon material by spray coating.
  • the conductive layer 70 can also be obtained, for example, by cutting out a commercially available coating material manufactured by a rolling roll by press molding to a desired size, and then diffusing joining the coating material to the surface of the metal sheet 60S. It is possible.
  • the electrochemical hydrogen pump 100 of the present embodiment by providing the conductive layer 70 on the surface of the metal sheet 60S of the anode support 60, it is possible to appropriately suppress the increase in contact resistance between the above members. it can.
  • the electrochemical hydrogen pump 100 of this embodiment is the same as the electrochemical hydrogen pump 100 of any one of the first embodiment and the first embodiment-the second embodiment except for the above-mentioned features. May be good.
  • the electrochemical hydrogen pump 100 of the second embodiment is the same as the electrochemical hydrogen pump 100 of the first embodiment except that the anode support 60 is integrated with the anode separator 17.
  • the metal sheet 60S of the anode support 60 and the anode separator 17 may be integrated by diffusion bonding.
  • the gap at the joint between the metal sheet 60S of the anode support 60 and the anode separator 17 disappears, so that the contact resistance between the two can be reduced.
  • the efficiency of the assembly work of the hydrogen pump unit 100A can be improved by reducing the number of parts.
  • the electrochemical hydrogen pump 100 of the present embodiment is the same as the electrochemical hydrogen pump 100 of any of the first embodiment and the first embodiment to the fourth embodiment except for the above-mentioned features. May be good.
  • the electrochemical hydrogen pump 100 of the modified example of the second embodiment is the same as the electrochemical hydrogen pump 100 of the first embodiment except that the anode support 60 is integrated with the anode gas diffusion layer 15. ..
  • an appropriate resin or the like for example, ionomer
  • the number of parts of the electrochemical hydrogen pump 100 of this modified example can be reduced. Then, in the electrochemical hydrogen pump 100 of this modification, when a plurality of hydrogen pump units 100A are laminated, the efficiency of the assembly work of the hydrogen pump unit 100A can be improved.
  • the electrochemical hydrogen pump 100 of this modification is any of the first embodiment, the first embodiment-4th embodiment, and the second embodiment of the first embodiment and the first embodiment. May be similar to.
  • the electrochemical hydrogen pump 100 of the third embodiment is the same as the electrochemical hydrogen pump 100 of the first embodiment except for the configurations of the anode support 160 and the anode separator 17 described below.
  • FIG. 7 is a diagram showing an example of an anode support and an anode separator in the electrochemical hydrogen pump of the third embodiment.
  • FIG. 7 shows a perspective view of the metal sheet 160S of the anode support 160 and the anode separator 17.
  • the metal sheet 160S is a metal member having a plurality of ventilation holes 161.
  • the plurality of ventilation holes 161 are track-shaped through elongated holes provided in the metal sheet 160S and composed of a pair of straight portions and a pair of semicircular portions.
  • the plurality of ventilation holes 161 are arranged so as to be arranged in a staggered pattern in a plan view. Further, the straight portion of the ventilation hole 161 extends parallel to the direction 200 crossing the anode gas flow path 33 provided in the anode separator 17.
  • the major axis L3 of the ventilation hole 161 is smaller than the width L2 of the anode gas flow path 33 (L3 ⁇ L2).
  • the plurality of ventilation holes 161 are arranged from the ventilation holes 161 arranged so as to be contained in the region facing the groove portion forming the anode gas flow path 33, and from the above region. A part thereof protrudes, and a part thereof has a ventilation hole 161 provided in a region facing the rib portion constituting the anode gas flow path 33.
  • the former ventilation hole 161 exists on the groove portion forming the anode gas flow path 33 without straddling the edge 33A of the anode gas flow path 33.
  • the ventilation holes 161 in the first and third rows from the front form the anode gas flow path 33. It is provided so as to fit in the area facing the groove portion to be formed.
  • vent hole 161 straddles the edge 33A of the anode gas flow path 33 provided in the anode separator 17.
  • a part of the ventilation holes 161 in the second row from the front protrudes from the region facing the groove portion forming the anode gas flow path 33, and the ribs forming the anode gas flow path 33 are formed. It is provided in the area facing the portion.
  • the action and effect of the electrochemical hydrogen pump 100 of the present embodiment can be easily understood by taking into consideration the action and effect of the electrochemical hydrogen pump 100 of the second embodiment of the first embodiment. Is omitted.
  • the electrochemical hydrogen pump 100 of the present embodiment is a modification of the first embodiment, the first embodiment-4th embodiment, the second embodiment, and the second embodiment. It may be the same as any of the electrochemical hydrogen pumps 100.
  • the first embodiment, the first embodiment of the first embodiment, the fourth embodiment, the second embodiment, the modified examples of the second embodiment, and the third embodiment are combined with each other unless the other party is excluded from each other. It doesn't matter.
  • the MEA of the electrochemical hydrogen pump 100, the anode separator 17, the anode support 60, and the like can be applied to other compression devices such as a water electrolyzer.
  • One aspect of the present disclosure can be used for a compression device capable of reducing damage to the carbon porous sheet of the anode diffusion layer as compared with the conventional case.
  • Electrolyte film 12 Cathode catalyst layer 13: Anode catalyst layer 14: Anode gas diffusion layer 15: Anode gas diffusion layer 15S: Carbon porous sheet 16: Cathode separator 17: Anode separator 21: Insulator 22A: Anode feeding plate 22C : Anode feeding plate 23A: Anode insulating plate 23C: Anode insulating plate 24A: Anode end plate 24C: Cathode end plate 25: Fastener 26: Cathode gas lead-out path 27: Anode gas introduction manifold 29: Anode gas introduction path 30: Anode gas Derivation manifold 31: Anode gas derivation path 32: Anode gas flow path 33: Anode gas flow path 34: Anode gas passage path 35: First anode gas passage path 36: Second anode gas passage path 40: Seal member 42: Seal member 43: Seal member 50: Cathode gas lead-out manifold 60: Anode support 60S: Metal sheet 61:

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Abstract

圧縮装置は、電解質膜と、電解質膜の一方の主面に接するアノード触媒層と、電解質膜の他方の主面に接するカソード触媒層と、アノード触媒層上に設けられ、カーボン多孔体シートを含むアノード拡散層と、カソード触媒層上に設けられるカソードガス拡散層と、アノードガス拡散層上に設けられ、複数の通気孔を有する金属シートを含むアノード支持体と、アノード支持体上に設けられ、当該アノード支持体側の主面にアノード流体が流れる流体流路を備えるアノードセパレーターと、アノード触媒層とカソード触媒層との間に電圧を印加する電圧印加器と、を備える。圧縮装置は、電圧印加器が上記の電圧を印加することで、アノード触媒層に供給されたアノード流体から取り出されたプロトンを、電解質膜を介してカソード触媒層に移動させ、圧縮された水素を生成する。金属シートの曲げ強度が、カーボン多孔体シートの曲げ強度よりも高い。

Description

圧縮装置
　本開示は圧縮装置に関する。
　近年、地球温暖化などの環境問題、石油資源の枯渇などのエネルギー問題から、化石燃料に代わるクリーンな代替エネルギー源として、水素が注目されている。水素は燃焼しても基本的に水しか放出せず、地球温暖化の原因となる二酸化炭素が排出されずかつ窒素酸化物などもほとんど排出されないので、クリーンエネルギーとして期待されている。また、水素を燃料として高効率に利用する装置として、例えば、燃料電池があり、自動車用電源向け、家庭用自家発電向けに開発および普及が進んでいる。
　来るべき水素社会では、水素を製造することに加えて、水素を高密度で貯蔵し、小容量かつ低コストで輸送または利用することが可能な技術開発が求められている。特に、分散型のエネルギー源となる燃料電池の普及促進には、水素供給インフラを整備する必要がある。また、水素を安定的に供給するために、高純度の水素を製造、精製、高密度貯蔵する様々な検討が行われている。
　例えば、特許文献１では、水素昇圧が行われる電気化学式水素ポンプにおいて、アノードガス拡散層が、炭素繊維の弾性及び導電性を有する材料から形成されることが開示されている。
　また、特許文献２では、水素昇圧が行われる電気化学式水素ポンプにおいて、アノードガス拡散層が、金属多孔体で構成されることが開示される。
特表２００８－５１８３８７号公報 特開２０１９－１５７１９０号公報
　本開示は、一例として、アノード拡散層のカーボン多孔体シートの損傷を従来よりも軽減し得る圧縮装置を提供することを課題とする。
　上記課題を解決するため、本開示の一態様（aspect）の圧縮装置は、電解質膜と、電解質膜の一方の主面に接するアノード触媒層と、電解質膜の他方の主面に接するカソード触媒層と、アノード触媒層上に設けられ、カーボン多孔体シートを含むアノード拡散層と、カソード触媒層上に設けられるカソードガス拡散層と、アノード拡散層上に設けられ、複数の通気孔を有する金属シートを含むアノード支持体と、アノード支持体上に設けられ、アノード支持体側の主面にアノード流体が流れる流体流路を備えるアノードセパレーターと、前記アノード触媒層と前記カソード触媒層との間に電圧を印加する電圧印加器と、を備え、前記電圧印加器が前記電圧を印加することで、前記アノード触媒層に供給されたアノード流体から取り出されたプロトンを、前記電解質膜を介して前記カソード触媒層に移動させ、圧縮された水素を生成する圧縮装置であって、金属シートの曲げ強度が、カーボン多孔体シートの曲げ強度よりも高い。
　本開示の一態様の圧縮装置は、アノード拡散層のカーボン多孔体シートの損傷を従来よりも軽減し得るという効果を奏する。
図１Ａは、第１実施形態の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。 図１Ｂは、図１Ａの電気化学式水素ポンプのＢ部の拡大図である。 図２Ａは、第１実施形態の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。 図２Ｂは、図２Ａの電気化学式水素ポンプのＢ部の拡大図である。 図３は、第１実施形態の第２実施例の電気化学式水素ポンプにおけるアノード支持体およびアノードセパレーターの一例を示す図である。 図４は、構造解析シミュレーションの解析モデルの一例を示す図である。 図５Ａは、実施例の解析モデルについてアノードガス拡散層に外力（圧縮力）を与える際の通気孔におけるアノードガス拡散層に作用する最大引張応力を説明するための図である。 図５Ｂは、比較例の解析モデルについてアノードガス拡散層に外力（圧縮力）を与える際のアノードガス流路におけるアノードガス拡散層に作用する最大引張応力を説明するための図である。 図６は、第１実施形態の第４実施例の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。 図７は、第３実施形態の電気化学式水素ポンプにおけるアノード支持体およびアノードセパレーターの一例を示す図である。
　特許文献２に開示された電気化学式水素ポンプでは、アノードガス拡散層に金属多孔体を使用しているが、高い酸性環境下で耐食性を確保するため、アノードガス拡散層は、高コストとなりやすい。
　特許文献１に開示された電気化学式水素ポンプでは、アノード拡散層が、炭素繊維から形成されるカーボン多孔体であるため、アノード拡散層は、金属多孔体を用いる場合に比べ、低コストで耐食性を確保することが可能である。しかしながら、本発明者らは、検討の結果、特許文献１に開示された電気化学式水素ポンプには、以下の問題があることを発見した。
　具体的には、カーボン多孔体を含むアノード拡散層が、電気化学式水素ポンプの水素昇圧運転時に発生するカソード電極およびアノード電極間の差圧（高圧）によって損傷する可能性を見出した。例えば、アノード拡散層が、上記の差圧によってアノードセパレーターに設けられたガス流路で破断する可能性がある。
　そこで、本発明者らは、以下の本開示の一態様に想到した。
　すなわち、本開示の第１態様の圧縮装置は、電解質膜と、電解質膜の一方の主面に接するアノード触媒層と、電解質膜の他方の主面に接するカソード触媒層と、アノード触媒層上に設けられ、カーボン多孔体シートを含むアノード拡散層と、カソード触媒層上に設けられるカソードガス拡散層と、アノード拡散層上に設けられ、複数の通気孔を有する金属シートを含むアノード支持体と、アノード支持体上に設けられ、アノード支持体側の主面にアノード流体が流れる流体流路を備えるアノードセパレーターと、アノード触媒層とカソード触媒層との間に電圧を印加する電圧印加器と、を備え、
　電圧印加器が上記の電圧を印加することで、アノード触媒層に供給されたアノード流体から取り出されたプロトンを、電解質膜を介してカソード触媒層に移動させ、圧縮された水素を生成する圧縮装置であって、金属シートの曲げ強度が、カーボン多孔体シートの曲げ強度よりも高い。
　かかる構成によると、本態様の圧縮装置は、アノード拡散層のカーボン多孔体シートの損傷を従来よりも軽減し得る。
　例えば、仮に、アノード拡散層とアノードセパレーターとの間にアノード支持体を設けない場合、アノード拡散層が、圧縮装置の水素昇圧運転時に発生するカソード電極およびアノード電極間の差圧によってアノードセパレーターに設けられた流体流路で破断する可能性がある。
　これに対して、本態様の圧縮装置は、アノード拡散層とアノードセパレーターとの間にアノード支持体を設ける場合において、アノード支持体の金属シートの曲げ強度をカーボン多孔体シートの曲げ強度よりも高くすることで、アノード拡散層のカーボン多孔体シートが、上記の差圧によって損傷する可能性を低減することができる。
　また、カーボン多孔体シートには、従来の金属多孔体で確認された鋭利な部分が比較的少ない。よって、本態様の圧縮装置は、このようなカーボン多孔体シートが電解質膜に押圧されても、従来の金属多孔体に比べて、電解質膜に損傷を与える可能性を低減することができる。
　さらに、金属シートを含むアノード支持体は、アノード拡散層の一対の主面のうちアノード触媒層側の主面と反対側の主面上に設けられている。アノード触媒層側の主面は、アノード触媒層との界面のため、高い酸性環境下にあるが、反対側の主面は、アノード触媒層から離れているため、高い酸性環境下にはない。従って、金属シートを含むアノード支持体は、高い耐食性を求められないので、低コストにすることが可能になる。
　本開示の第２態様の圧縮装置は、第１態様の圧縮装置において、アノード支持体の厚み方向の透気度は、カーボン多孔体シートの厚み方向の透気度よりも大きくてもよい。
　アノード支持体の厚み方向の透気度が大きい程、アノード拡散層からアノード触媒層へのアノード流体の拡散性を確保しやすくなる。つまり、本態様の圧縮装置は、アノード拡散層とアノードセパレーターとの間にアノード支持体を設けた場合において、アノード支持体の厚み方向の透気度が、カーボン多孔体シートの厚み方向の透気度以下である場合に比べて、圧縮装置の効率の低下を適切に抑制することができる。
　本開示の第３態様の圧縮装置は、第１態様または第２態様の圧縮装置において、複数の通気孔の一部は、流体流路の縁上を跨いでもよい。
　仮に、アノード支持体の金属シートの通気孔が、アノードセパレーターに設けられた流体流路の縁上を跨ぐことなく、流体流路を構成するリブ部上に存在する場合、この通気孔からアノード拡散層にアノード流体が供給されない。逆に、金属シートの通気孔が、上記の流体流路の縁上を跨ぐとき、この通気孔からアノード拡散層にアノード流体が供給される。
　よって、本態様の圧縮装置は、複数の通気孔の一部が流体流路の縁上を跨ぐことで、かかる通気孔の一部が流体流路の縁上を跨ぐことなく、流体流路を構成するリブ部上に存在する場合に比べて、アノード拡散層からアノード触媒層へのアノード流体の拡散性を向上させることができる。
　本開示の第４態様の圧縮装置は、第１態様から第３態様のいずれか一つの圧縮装置において、複数の通気孔の少なくとも一部の、流体流路を横断する方向の径は、流体流路の幅よりも小さてもよい。
　アノード拡散層を支持する部材において、孔または流体流路を構成する溝部（凹部）などの形状が変化する開口部が存在する場合、アノード拡散層に外力（圧縮力）が与えられると、開口部におけるアノード拡散層には、他の部分よりも高い応力が発生する（応力集中）。そして、一般的に、孔の中心付近におけて、アノード拡散層に作用する引張応力が最大になるとともに、孔の径が大きい程、この最大引張応力が大きい。また、流体流路の幅の中心付近において、アノード拡散層に作用する引張応力が最大になるとともに、流体流路の幅が大きい程、この最大引張応力が大きい。
　そこで、本態様の圧縮装置は、アノード拡散層とアノードセパレーターとの間にアノード支持体を設けた場合において、通気孔の径と流体流路の幅との大小関係を以上の如く設定している。これにより、本態様の圧縮装置は、通気孔の径が流体流路の幅以上である場合に比べて、アノード拡散層のカーボン多孔体シートが、圧縮装置の水素昇圧運転時に発生するカソード電極およびアノード電極間の差圧によって損傷することを抑制できる。
　本開示の第５態様の圧縮装置は、第１態様から第４態様のいずれか一つの圧縮装置において、カーボン多孔体シートは、カーボン焼結体のシートであってもよい。
　一般的に、カーボン焼結体は、カーボン粉末を樹脂等と混ぜ、乾燥固化あるいは乾燥硬化させた成形体に比べて剛性が高い。特に、プラスチックフォームドカーボンは、曲げ強度が高い。よって、本態様の圧縮装置は、カーボン多孔体シートがカーボン焼結体のシートであると、アノード拡散層の曲げ強度が適切に確保される。
　本開示の第６態様の圧縮装置は、第１態様から第５態様のいずれか一つの圧縮装置において、アノード支持体の表面には、導電層が設けられていてもよい。
　アノード支持体の金属シートの表面には、金属シートの成分が、例えば、大気中の酸素に酸化されることで、非導電性の酸化皮膜（不動態皮膜）が形成される場合がある。すると、例えば、アノード支持体とアノードセパレーターとの間の接触抵抗が増加することで両者間の導通が得にくくなる。また、例えば、アノード支持体とアノード拡散層との間の接触抵抗が増加することで両者間の導通が得にくくなる。
　そこで、本態様の圧縮装置は、アノード支持体の表面に導電層を設けることで、以上の問題を適切に抑制することができる。
　本開示の第７態様の圧縮装置は、第１態様から第６態様のいずれか一つの圧縮装置において、アノード拡散層の厚みは、アノード支持体の厚みより大きくてもよい。
　かかる構成によると、本態様の圧縮装置は、アノード拡散層の厚みが、アノード支持体の厚みより小さい場合に比べて、金属シートと、高い酸性雰囲気になるアノード触媒層との距離を十分に確保することができる。よって、金属シートは、耐食性の低い、安価な材料を活用することができる。
　本開示の第８態様の圧縮装置は、第１態様から第７態様のいずれか一つの圧縮装置において、金属シートは、１枚の金属鋼板で構成されていてもよい。
　かかる構成によると、本態様の圧縮装置は、金属シートを複数枚の金属鋼板で構成する場合に比べて、部品点数を削減することで、組立作業の効率化を図ることができる。
　本開示の第９態様の圧縮装置は、第１態様から第８態様のいずれか一つの圧縮装置において、アノード支持体は、アノードセパレーターと一体化されていてもよい。
　かかる構成によると、本態様の圧縮装置は、例えば、アノード支持体の金属シートとアノードセパレーターとが拡散接合で一体化されることで、互いの接合部の空隙が消失するので、両者間の接触抵抗を低減することができる。また、本態様の圧縮装置は、部品点数を削減することで、組立作業の効率化を図ることができる。
　本開示の第１０態様の圧縮装置は、第１態様から第８態様のいずれか一つの圧縮装置において、アノード支持体は、アノード拡散層と一体化されていてもよい。
　アノード支持体およびアノード拡散層間に、適宜の樹脂など（例えば、アイオノマー）を設けることで、両者を一体化することができる。すると、本態様の圧縮装置は、部品点数を削減することで、組立作業の効率化を図ることができる。
　以下、添付図面を参照しながら、本開示の実施形態について説明する。なお、以下で説明する実施形態は、いずれも上記の各態様の一例を示すものである。よって、以下で示される形状、材料、構成要素、および、構成要素の配置位置および接続形態などは、あくまで一例であり、請求項に記載されていない限り、上記の各態様を限定するものではない。また、以下の構成要素のうち、上記の各態様の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、図面において、同じ符号が付いたものは、説明を省略する場合がある。図面は理解しやすくするために、それぞれの構成要素を模式的に示したもので、形状および寸法比などについては正確な表示ではない場合がある。
　（第１実施形態）
　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、液体の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、圧縮装置の一例である電気化学式水素ポンプの構成および動作について説明する。
　［装置構成］
　図１Ａおよび図２Ａは、第１実施形態の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。図１Ｂは、図１Ａの電気化学式水素ポンプのＢ部の拡大図である。図２Ｂは、図２Ａの電気化学式水素ポンプのＢ部の拡大図である。
　なお、図１Ａには、平面視において電気化学式水素ポンプ１００の中心と、カソードガス導出マニホールド５０の中心と、を通過する直線を含む電気化学式水素ポンプ１００の垂直断面が示されている。また、図２Ａには、平面視において電気化学式水素ポンプ１００の中心と、アノードガス導入マニホールド２７の中心と、アノードガス導出マニホールド３０の中心と、を通過する直線を含む電気化学式水素ポンプ１００の垂直断面が示されている。
　図１Ａおよび図２Ａに示す例では、電気化学式水素ポンプ１００は、少なくとも一つの水素ポンプユニット１００Ａを備える。
　なお、電気化学式水素ポンプ１００には、複数の水素ポンプユニット１００Ａが積層されている。例えば、図１Ａおよび図２Ａでは、３段の水素ポンプユニット１００Ａが積層されているが、水素ポンプユニット１００Ａの個数はこれに限定されない。つまり、水素ポンプユニット１００Ａの個数は、電気化学式水素ポンプ１００が昇圧する水素量などの運転条件をもとに適宜の数に設定することができる。
　水素ポンプユニット１００Ａは、電解質膜１１と、アノード電極ＡＮと、カソード電極ＣＡと、アノード支持体６０と、カソードセパレーター１６と、アノードセパレーター１７と、絶縁体２１と、を備える。そして、水素ポンプユニット１００Ａにおいて、電解質膜１１、アノード触媒層１３、カソード触媒層１２、アノードガス拡散層１５、カソードガス拡散層１４、アノード支持体６０、アノードセパレーター１７およびカソードセパレーター１６が積層されている。
　アノード電極ＡＮは、電解質膜１１の一方の主面上に設けられている。アノード電極ＡＮは、アノード触媒層１３と、アノードガス拡散層１５とを含む電極である。なお、平面視において、アノード触媒層１３の周囲を囲むように環状のシール部材４３が設けられ、アノード触媒層１３が、シール部材４３で適切にシールされている。
　カソード電極ＣＡは、電解質膜１１の他方の主面上に設けられている。カソード電極ＣＡは、カソード触媒層１２と、カソードガス拡散層１４とを含む電極である。なお、平面視において、カソード触媒層１２の周囲を囲むように環状のシール部材４２が設けられ、カソード触媒層１２が、シール部材４２で適切にシールされている。
　以上により、電解質膜１１は、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２のそれぞれと接触するようにして、アノード電極ＡＮとカソード電極ＣＡとによって挟持されている。なお、カソード電極ＣＡ、電解質膜１１およびアノード電極ＡＮの積層体を膜－電極接合体（以下、ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）という。
　電解質膜１１は、プロトン伝導性を備える高分子膜である。電解質膜１１は、プロトン伝導性を備えていれば、どのような構成であってもよい。例えば、電解質膜１１として、フッ素系高分子電解質膜、炭化水素系高分子電解質膜を挙げることができるが、これらに限定されない。具体的には、例えば、電解質膜１１として、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標、デュポン社製）、Ａｃｉｐｌｅｘ（登録商標、旭化成株式会社製）などを用いることができる。
　アノード触媒層１３は、電解質膜１１の一方の主面に接するように設けられている。アノード触媒層１３は、触媒金属として、例えば、白金を含むが、これに限定されない。
　カソード触媒層１２は、電解質膜１１の他方の主面に接するように設けられている。カソード触媒層１２は、触媒金属として、例えば、白金を含むが、これに限定されない。
　カソード触媒層１２およびアノード触媒層１３の触媒担体としては、例えば、カーボンブラック、黒鉛などのカーボン粒子、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１２およびアノード触媒層１３では、触媒金属の微粒子が、触媒担体に高分散に担持されている。また、これらのカソード触媒層１２およびアノード触媒層１３中には、電極反応場を大きくするために、プロトン伝導性のイオノマー成分を加えることが一般的である。
　カソードガス拡散層１４は、カソード触媒層１２上に設けられている。また、カソードガス拡散層１４は、多孔性材料で構成され、導電性およびガス拡散性を備える。さらに、カソードガス拡散層１４は、電気化学式水素ポンプ１００の動作時にカソード電極ＣＡおよびアノード電極ＡＮ間の差圧で発生する構成部材の変位、変形に適切に追従するような弾性を備える方が望ましい。なお、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、カソードガス拡散層１４として、カーボン繊維で構成した部材が用いられている。例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルトなどの多孔性のカーボン繊維シートでもよい。なお、カソードガス拡散層１４の基材として、カーボン繊維シートを用いなくもよい。例えば、カソードガス拡散層１４の基材として、チタン、チタン合金、ステンレススチールなどを素材とする金属繊維の焼結体、これらを素材とする金属粒子の焼結体などを用いてもよい。
　アノードガス拡散層１５は、アノード触媒層１３上に設けられている。また、アノードガス拡散層１５は、多孔性材料で構成され、導電性およびガス拡散性を備える。さらに、アノードガス拡散層１５は、電気化学式水素ポンプ１００の動作時にカソード電極ＣＡおよびアノード電極ＡＮ間の差圧で発生する構成部材の変位、変形を抑制可能な高剛性であることが望ましい。
　具体的には、アノードガス拡散層１５は、カーボン多孔体シート１５Ｓを含む層である。カーボン多孔体シート１５Ｓとして、例えば、カーボン粒子を素材とする焼結体を用いることができる。
　アノード支持体６０は、アノードガス拡散層１５上に設けられ、複数の通気孔（図１Ａおよび図１Ｂでは図示せず）を有する金属シート６０Ｓを含む部材である。また、アノード支持体６０の金属シート６０Ｓは、電気化学式水素ポンプ１００の動作時にカソード電極ＣＡおよびアノード電極ＡＮ間の差圧により、破壊しないように、アノードガス拡散層１５のカーボン多孔体シート１５Ｓよりも曲げ強度が高いことが望ましい。また、アノード支持体６０は、上記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。
　ここで、曲げ試験では、最初に引張破壊が生じるため、一般的には、曲げ強度と引張強度と同等である。したがって、金属シート６０Ｓの曲げ強度は、ＪＩＳ規格Ｚ２２４１：２０１１の金属材料引張試験方法により求められる。
　また、カーボン多孔体シート１５Ｓの曲げ強度は、ＪＩＳ規格Ｒ１６０１：２００８のファインセラミックスの室温曲げ強さ試験方法により求められる。
　例えば、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、ＳＵＳ３１６Ｌで構成される金属シート６０Ｓの曲げ強度は、４８０ＭＰａ以上であり、カーボン多孔体シート１５Ｓの曲げ強度は、４８ＭＰａ以上であってもよい。
　このような金属シート６０Ｓとして、例えば、パンチングメタルなどを用いることができる。なお、金属シート６０Ｓの通気孔の形状および配列などの孔パターンは、第２実施例で説明する。
　また、カーボン多孔体シート１５Ｓの厚みは、金属シート６０Ｓの厚みよりも大きい方が望ましい。例えば、カーボン多孔体シート１５Ｓの厚みが、金属シート６０Ｓの厚みの１．５倍以上であることが望ましい。このようにすることで、カーボン多孔体シート１５Ｓの厚みが、金属シート６０Ｓの厚みより小さい場合に比べて、金属シート６０Ｓと、高い酸性雰囲気になるアノード触媒層１３との距離を十分に確保することができる。よって、金属シート６０Ｓは、耐食性の低い、安価な材料を活用することができる。
　以上の金属シート６０Ｓは、チタン、ステンレスなどの金属で構成されていてもよいが、これらに限定されない。金属シート６０Ｓをステンレスで構成する場合、ＳＵＳ３１６およびＳＵＳ３１６Ｌは、様々な種類のステンレスの中で、コストパフォーマンスに優れており、耐酸性および耐水素脆性などの視点で特性がよい。
　また、以上の金属シート６０Ｓは、１枚の金属鋼板で構成されていてもよい。これにより、金属シート６０Ｓを複数枚の金属鋼板で構成する場合に比べて、部品点数を削減することで、組立作業の効率化を図ることができる。
　アノードセパレーター１７は、アノード支持体６０上に設けられ、アノード支持体６０側の主面に水素含有ガスが流れるアノードガス流路３３を備える部材である。カソードセパレーター１６は、カソード電極ＣＡ上に設けられ、カソード電極ＣＡ側の主面に水素含有ガスが流れるカソードガス流路３２を備える部材である。
　以上のアノードセパレーター１７およびカソードセパレーター１６は、例えば、チタン、ステンレスなどの金属で構成されていてもよい。つまり、金属シート６０Ｓの基材とアノードセパレーター１７およびカソードセパレーター１６の基材とは同じであってもよい。アノードセパレーター１７およびカソードセパレーター１６をステンレスで構成する場合、ＳＵＳ３１６およびＳＵＳ３１６Ｌは、様々な種類のステンレスの中で、耐酸性および耐水素脆性などの視点で特性がよい。
　カソードセパレーター１６およびアノードセパレーター１７のそれぞれの中央部には、凹部が設けられている。カソードセパレーター１６の凹部に、カソードガス拡散層１４が収容され、アノードセパレーター１７の凹部に、アノードガス拡散層１５およびアノード支持体６０が収容されている。
　このようにして、カソードセパレーター１６およびアノードセパレーター１７で上記のＭＥＡを挟むことにより、水素ポンプユニット１００Ａが形成されている。
　アノードガス流路３３およびカソードガス流路３２はそれぞれ、平面視において、例えば、複数のＵ字状の折り返す部分と複数の直線部分とを含むサーペンタイン状の流路であってもよい。なお、ここでは、カソードガス流路３２の直線部分は、図１Ａの紙面に垂直な方向に延伸しており、アノードガス流路３３の直線部分は、図２Ａの紙面に垂直な方向に延伸している。
　ただし、以上のアノードガス流路３３およびカソードガス流路３２は、例示であって、本例に限定されない。例えば、アノードガス流路およびカソードガス流路は、複数の直線状の流路により構成されていてもよい。また、サーペンタイン状のカソードガス流路は必ずしも必要はない。カソードセパレーターの凹部の内外を連通する連通孔を設けるだけで、高圧ガスをカソード電極ＣＡから外部に放出することができる。
　なお、導電性のカソードセパレーター１６およびアノードセパレーター１７の間には、ＭＥＡの周囲を囲むように設けられた環状かつ平板状の絶縁体２１が挟み込まれていてもよい。これにより、カソードセパレーター１６およびアノードセパレーター１７の短絡を適切に防止することができる。
　ここで、電気化学式水素ポンプ１００は、水素ポンプユニット１００Ａにおける、積層方向の両端上に設けられた第１端板および第２端板と、水素ポンプユニット１００Ａ、第１端板および第２端板を積層方向に締結する締結器２５と、を備える。
　なお、図１Ａおよび図２Ａに示す例では、カソード端板２４Ｃおよびアノード端板２４Ａがそれぞれ、上記の第１端板および第２端板のそれぞれに対応する。つまり、アノード端板２４Ａは、水素ポンプユニット１００Ａの各部材が積層された積層方向において、一方の端に位置するアノードセパレーター１７上に設けられた端板である。また、カソード端板２４Ｃは、水素ポンプユニット１００Ａの各部材が積層された積層方向において、他方の端に位置するカソードセパレーター１６上に設けられた端板である。
　締結器２５は、水素ポンプユニット１００Ａ、カソード端板２４Ｃおよびアノード端板２４Ａを積層方向に締結することができれば、どのような構成であってもよい。
　例えば、締結器２５として、ボルトおよび皿ばね付きナットなどを挙げることができる。
　このとき、締結器２５のボルトは、アノード端板２４Ａおよびカソード端板２４Ｃのみを貫通するように構成してもよいが、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、かかるボルトは、３段の水素ポンプユニット１００Ａの各部材、カソード給電板２２Ｃ、カソード絶縁板２３Ｃ、アノード給電板２２Ａ、アノード絶縁板２３Ａ、アノード端板２４Ａおよびカソード端板２４Ｃを貫通している。そして、上記の積層方向において他方の端に位置するカソードセパレーター１６の端面、および、上記の積層方向において一方の端に位置するアノードセパレーター１７の端面をそれぞれ、カソード給電板２２Ｃとカソード絶縁板２３Ｃおよびアノード給電板２２Ａとアノード絶縁板２３Ａのそれぞれを介して、カソード端板２４Ｃおよびアノード端板２４Ａのそれぞれで挟むようにして、締結器２５により水素ポンプユニット１００Ａに所望の締結圧が付与されている。
　以上により、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、３段の水素ポンプユニット１００Ａが、上記の積層方向において、締結器２５の締結圧により積層状態で適切に保持されるとともに、電気化学式水素ポンプ１００の各部材を締結器２５のボルトが貫通しているので、これらの各部材の面内方向における移動を適切に抑えることができる。
　ここで、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれのカソードガス拡散層１４から流出する水素（Ｈ２）含有のカソードガス（以下、水素）が流れるカソードガス流路３２が連通されている。以下、図面を参照しながら、カソードガス流路３２のそれぞれが連通する構成について説明する。
　まず、図１Ａに示すように、カソードガス導出マニホールド５０は、３段の水素ポンプユニット１００Ａの各部材およびカソード端板２４Ｃに設けられた貫通孔、および、アノード端板２４Ａに設けられた非貫通孔の連なりによって構成されている。また、カソード端板２４Ｃには、カソードガス導出経路２６が設けられている。カソードガス導出経路２６は、カソード電極ＣＡから排出される水素が流通する配管で構成されていてもよい。そして、カソードガス導出経路２６は、上記のカソードガス導出マニホールド５０と連通している。
　さらに、カソードガス導出マニホールド５０は、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれのカソードガス流路３２の一方の端部と、カソードガス通過経路３４のそれぞれを介して連通している。これにより、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれのカソードガス流路３２およびカソードガス通過経路３４を通過した水素が、カソードガス導出マニホールド５０で合流される。そして、合流された水素がカソードガス導出経路２６に導かれる。
　このようにして、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれのカソードガス流路３２は、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれのカソードガス通過経路３４およびカソードガス導出マニホールド５０を介して連通している。
　カソードセパレーター１６およびアノードセパレーター１７の間、カソードセパレーター１６およびカソード給電板２２Ｃの間、アノードセパレーター１７およびアノード給電板２２Ａの間には、平面視において、カソードガス導出マニホールド５０を囲むように、Ｏリングなどの環状のシール部材４０が設けられ、カソードガス導出マニホールド５０が、このシール部材４０で適切にシールされている。
　図２Ａに示す如く、アノード端板２４Ａには、アノードガス導入経路２９が設けられている。アノードガス導入経路２９は、アノード電極ＡＮに供給される水素含有ガスが流通する配管で構成されていてもよい。そして、アノードガス導入経路２９は、筒状のアノードガス導入マニホールド２７に連通している。なお、アノードガス導入マニホールド２７は、３段の水素ポンプユニット１００Ａの各部材およびアノード端板２４Ａに設けられた貫通孔の連なりによって構成されている。
　また、アノードガス導入マニホールド２７は、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれのアノードガス流路３３の一方の端部と、第１アノードガス通過経路３５のそれぞれを介して連通している。これにより、アノードガス導入経路２９からアノードガス導入マニホールド２７に供給された水素含有ガスは、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれの第１アノードガス通過経路３５を通じて、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれに分配される。そして、分配された水素含有ガスがアノードガス流路３３を通過する間に、アノードガス拡散層１５からアノード触媒層１３に水素含有ガスが供給される。
　また、図２Ａに示す如く、アノード端板２４Ａには、アノードガス導出経路３１が設けられている。アノードガス導出経路３１は、アノード電極ＡＮから排出される水素含有ガスが流通する配管で構成されていてもよい。そして、アノードガス導出経路３１は、筒状のアノードガス導出マニホールド３０に連通している。なお、アノードガス導出マニホールド３０は、３段の水素ポンプユニット１００Ａの各部材およびアノード端板２４Ａに設けられた貫通孔の連なりによって構成されている。
　また、アノードガス導出マニホールド３０が、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれのアノードガス流路３３の他方の端部と、第２アノードガス通過経路３６のそれぞれを介して連通している。これにより、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれのアノードガス流路３３を通過した水素含有ガスが、第２アノードガス通過経路３６のそれぞれを通じてアノードガス導出マニホールド３０に供給され、ここで合流される。そして、合流された水素含有ガスが、アノードガス導出経路３１に導かれる。
　カソードセパレーター１６およびアノードセパレーター１７の間、カソードセパレーター１６およびカソード給電板２２Ｃの間、アノードセパレーター１７およびアノード給電板２２Ａの間には、平面視において、アノードガス導入マニホールド２７およびアノードガス導出マニホールド３０を囲むようにＯリングなどの環状のシール部材４０が設けられ、アノードガス導入マニホールド２７およびアノードガス導出マニホールド３０が、シール部材４０で適切にシールされている。
　図１Ａおよび図２Ａに示すように、電気化学式水素ポンプ１００は、電圧印加器１０２を備える。
　電圧印加器１０２は、アノード触媒層１３とカソード触媒層１２との間に電圧を印加する装置である。具体的には、電圧印加器１０２の高電位が、アノード触媒層１３に印加され、電圧印加器１０２の低電位が、カソード触媒層１２に印加されている。電圧印加器１０２は、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２間に電圧を印加できれば、どのような構成であってもよい。例えば、電圧印加器１０２は、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２間に印加する電圧を調整する装置であってもよい。このとき、電圧印加器１０２は、バッテリ、太陽電池、燃料電池などの直流電源と接続されているときは、ＤＣ／ＤＣコンバータを備え、商用電源などの交流電源と接続されているときは、ＡＣ／ＤＣコンバータを備える。
　また、電圧印加器１０２は、例えば、水素ポンプユニット１００Ａに供給する電力が所定の設定値となるように、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２間に印加される電圧、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２間に流れる電流が調整される電力型電源であってもよい。
　なお、図１Ａおよび図２Ａに示す例では、電圧印加器１０２の低電位側の端子が、カソード給電板２２Ｃに接続され、電圧印加器１０２の高電位側の端子が、アノード給電板２２Ａに接続されている。カソード給電板２２Ｃは、上記の積層方向において他方の端に位置するカソードセパレーター１６と電気的に接触しており、アノード給電板２２Ａは、上記の積層方向において一方の端に位置するアノードセパレーター１７と電気的に接触している。
　このようにして、電気化学式水素ポンプ１００は、電圧印加器１０２が上記の電圧を印加することで、アノード触媒層１３に供給された水素含有ガスから取り出されたプロトンを、電解質膜１１を介してカソード触媒層１２に移動させ、圧縮された水素を生成する。
　図示を省略するが、上記の電気化学式水素ポンプ１００を備える水素供給システムを構築することもできる。この場合、水素供給システムの水素供給動作において必要となる機器は適宜、設けられる。
　例えば、水素供給システムには、アノードガス導出経路３１を通じてアノード電極ＡＮから排出される高加湿状態の水素含有ガスと、アノードガス導入経路２９を通して外部の水素供給源から供給される低加湿状態の水素含有ガスとが混合された混合ガスの露点を調整する露点調整器（例えば、加湿器）が設けられていてもよい。このとき、外部の水素供給源の水素含有ガスは、例えば、水電解装置で生成されてもよい。
　また、水素供給システムには、例えば、電気化学式水素ポンプ１００の温度を検出する温度検出器、電気化学式水素ポンプ１００のカソード電極ＣＡから排出された水素を一時的に貯蔵する水素貯蔵器、水素貯蔵器内の水素ガス圧を検出する圧力検出器などが設けられていてもよい。
　なお、上記の電気化学式水素ポンプ１００の構成、および、水素供給システムにおける図示しない様々な機器は例示であって、本例に限定されない。
　例えば、アノードガス導出マニホールド３０およびアノードガス導出経路３１を設けずに、アノードガス導入マニホールド２７を通してアノード電極ＡＮに供給するアノードガス中の水素を全てカソード電極ＣＡで昇圧するデッドエンド構造が採用されてもよい。
　[動作]
　以下、電気化学式水素ポンプ１００の水素昇圧動作の一例について、図面を参照しながら説明する。
　以下の動作は、例えば、図示しない制御器の演算回路が、制御器の記憶回路から制御プログラムを読み出すことにより行われてもよい。ただし、以下の動作を制御器で行うことは、必ずしも必須ではない。操作者が、その一部の動作を行ってもよい。
　まず、電気化学式水素ポンプ１００のアノード電極ＡＮに低圧の水素含有ガスが供給されるとともに、電圧印加器１０２の電圧が電気化学式水素ポンプ１００に給電される。
　すると、アノード電極ＡＮのアノード触媒層１３において、酸化反応で水素分子がプロトンと電子とに分離する（式（１））。プロトンは電解質膜１１内を伝導してカソード触媒層１２に移動する。電子は電圧印加器１０２を通じてカソード触媒層１２に移動する。
　そして、カソード触媒層１２において、還元反応で水素分子が再び生成される（式（２））。なお、プロトンが電解質膜１１中を伝導する際に、所定水量の水が、電気浸透水としてアノード電極ＡＮからカソード電極ＣＡにプロトンと同伴して移動することが知られている。
　このとき、図示しない流量調整器を用いて、水素導出経路の圧損を増加させることにより、カソード電極ＣＡで生成された水素（Ｈ２）を昇圧することができる。なお、水素導出経路として、例えば、図１Ａのカソードガス導出経路２６を挙げることができる。また、流量調整器として、例えば、水素導出経路に設けられた背圧弁、調整弁などを挙げることができる。
　　　アノード電極：Ｈ２（低圧）→２Ｈ＋＋２ｅ－　　　・・・（１）
　　　カソード電極：２Ｈ＋＋２ｅ－→Ｈ２（高圧）　　　・・・（２）
　このようにして、電気化学式水素ポンプ１００では、電圧印加器１０２で電圧を印加することで、アノード電極ＡＮに供給される水素含有ガス中の水素がカソード電極ＣＡにおいて昇圧される。これにより、電気化学式水素ポンプ１００の水素昇圧動作が行われ、カソード電極ＣＡで昇圧された水素は、例えば、図示しない水素貯蔵器に一時的に貯蔵される。また、水素貯蔵器で貯蔵された水素は、適時に、水素需要体に供給される。なお、水素需要体として、例えば、水素を用いて発電する燃料電池などを挙げることができる。
　以上のとおり、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、アノードガス拡散層１５のカーボン多孔体シート１５Ｓの損傷を従来よりも軽減し得る。
　例えば、仮に、アノードガス拡散層１５とアノードセパレーター１７との間にアノード支持体６０を設けない場合、アノードガス拡散層１５が、電気化学式水素ポンプ１００の水素昇圧運転時に発生するカソード電極ＣＡおよびアノード電極ＡＮ間の差圧によってアノードセパレーター１７に設けられたアノードガス流路３３で破断する可能性がある。
　これに対して、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、アノードガス拡散層１５とアノードセパレーター１７との間にアノード支持体６０を設ける場合において、アノード支持体６０の金属シート６０Ｓの強度をカーボン多孔体シート１５Ｓの強度よりも高くすることで、アノードガス拡散層１５のカーボン多孔体シート１５Ｓが、上記の差圧によって損傷する可能性を低減することができる。
　また、カーボン多孔体シート１５Ｓには、アノードガス拡散層として、従来使用された金属多孔体シートに比べ、確認された鋭利な部分が比較的少ない。よって、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、このようなカーボン多孔体シート１５Ｓが電解質膜１１に押圧されても、従来の金属多孔体シートに比べて、電解質膜１１に損傷を与える可能性を低減することができる。
　（第１実施例）
　第１実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、アノード支持体６０の厚み方向の透気度が、カーボン多孔体シート１５Ｓの厚み方向の透気度よりも大きいこと以外は、第１実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様である。
　ここで、透気度とは、ガーレー秒数（言い換えると、透気抵抗度）のことをいい、単位面積および単位圧力差当たり、規定された体積の空気が、測定対象物を透過に要する時間で表される。つまり、この値が小さい程、空気が測定対象物を通過しやすいことを示す。なお、透気度の測定法として、例えば、ＪＩＳ規格Ｐ８１７７に基づいた方法などを挙げることができる。
　このように、アノード支持体６０の厚み方向の透気度が大きい程、アノードガス拡散層１５からアノード触媒層１３への水素含有ガスの拡散性を確保しやすくなる。つまり、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、アノードガス拡散層１５とアノードセパレーター１７との間にアノード支持体６０を設けた場合において、アノード支持体６０の厚み方向の透気度が、カーボン多孔体シート１５Ｓの厚み方向の透気度以下である場合に比べて、電気化学式水素ポンプ１００の効率の低下を適切に抑制することができる。
　本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、上記の特徴以外は、第１実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様であってもよい。
　（第２実施例）
　第２実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、以下に説明するアノード支持体６０およびアノードセパレーター１７の構成以外は、第１実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様である。
　図３は、第１実施形態の第２実施例の電気化学式水素ポンプにおけるアノード支持体およびアノードセパレーターの一例を示す図である。図３（ａ）には、アノード支持体６０の金属シート６０Ｓおよびアノードセパレーター１７の斜視図が示されている。図３（ｂ）には、図３（ａ）のＢ－Ｂ部を断面視した図が示されている。図３（ｃ）には、図３（ａ）のアノード支持体６０の金属シート６０Ｓを平面視した図が示されている。
　金属シート６０Ｓは、上記のとおり、複数の通気孔６１を有する金属部材である。
　ここで、複数の通気孔は、どのような形であってもよい。例えば、通気孔の形として、正円、楕円、一対の直線部分および一対の半円部で構成されるトラック形状、四角および三角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、図３に示すように、通気孔６１を正円で構成することで、これを面積が同一の他の形状で構成する場合に比べて、電気化学式水素ポンプ１００の水素昇圧運転時に発生するカソード電極ＣＡおよびアノード電極ＡＮ間の差圧に起因する、通気孔６１におけるアノードガス拡散層１５の応力集中を抑制することができる。
　また、複数の通気孔６１の配列は、どのような配列であってもよい。例えば、複数の通気孔６１の配列方法として、両隣の通気孔６１の中心を結んだ２つの線の交差角θが６０°であるように千鳥状に配列すること（６０°千鳥配列）、同交差角θが４５°であるように千鳥状に配列すること（４５°千鳥配列）、同交差角θが９０°であるように並列に並べて配列すること、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、図３（ｃ）に示すように、複数の通気孔６１の配列が、６０°千鳥配列（θ＝６０°）であると、これらを他の形態で配列する場合に比べて、単位面積あたりの通気孔６１の孔面積を最も大きくできる。よって、この場合、アノードガス拡散層１５からアノード触媒層１３への水素含有ガスの拡散性を確保しやすくなる。
　金属シートへの通気孔６１の加工方法は、例えば、打ち抜き加工、レーザー加工、エッチング加工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、金属シートへの孔加工をエッチング加工で行うと、他の加工方法の場合に比べて、金属シートのそりなどが発生しにくいので都合がよい。
　なお、金属シートへの孔加工時に、孔の断面視においてテーパーが付いてもよいし、例えば、金属シートの両面から孔加工を施すことでテーパーが付きにくくしてもよい。
　ここで、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００では、図３に示すように、複数の通気孔６１の一部は、アノードセパレーター１７に設けられたアノードガス流路３３の縁３３Ａ上を跨いでいる。
　なお、「複数の通気孔６１の一部が、アノードセパレーター１７に設けられたアノードガス流路３３の縁３３Ａ上を跨ぐ」とは、複数の通気孔６１の少なくとも一部が、アノードガス流路３３の縁３３Ａ上を跨ぐことを意味する。例えば、複数の通気孔６１の一部は、アノードガス流路３３の縁３３Ａ上を跨ぐことなく、アノードガス流路３３を構成する溝部上に存在していてもよい。
　また、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００では、図３に示すように、複数の通気孔６１の少なくとも一部の、アノードセパレーター１７に設けられたアノードガス流路３３を横断する方向２００の径Ｌ１は、アノードガス流路３３の幅Ｌ２よりも小さい（Ｌ１＜Ｌ２）。つまり、サーペンタイン状のアノードガス流路３３の直線部分を断面視した場合において、アノードセパレーター１７のアノード支持体６０側の主面に、アノードガス流路３３を横断する方向２００に沿って、複数個の凹凸が設けられている。そして、これらの凹部が、アノードガス流路３３の溝部を構成している。また、これらの凸部が、アノードガス流路３３のリブ部を構成している。
　なお、「複数の通気孔６１の少なくとも一部の、アノードセパレーター１７に設けられたアノードガス流路３３を横断する方向の径Ｌ１」とは、複数の通気孔６１については、これらの通気孔６１の平均径であることを意味する。
　[構造解析シミュレーション]
　アノードガス拡散層に外力（圧縮力）を与える際の開口部におけるアノードガス拡散層に作用する応力集中の現象を、以下の構造解析シミュレーションで数値化した。なお、構造解析シミュレーションは、様々な公知の解析ソフト（例えば、ＡＮＳＹＳ社　ＷｏｒｋＢｅｎｃｈ）で行うことができる。よって、解析ソフトの説明は省略する。
　＜解析モデル＞
　実施例の解析モデルとして、図４に示すように、アノードガス拡散層１５（カーボン多孔体シート１５Ｓ）、アノード支持体６０（金属シート６０Ｓ）、および、アノードセパレーター１７に設けられたアノードガス流路３３のリブ部をそれぞれ、コンピュータ上に再現（メッシュ分割によるモデル化）した。
　また、比較例の解析モデルとして、図示を省略するが、アノードガス拡散層１５、および、アノードセパレーター１７に設けられたアノードガス流路３３のリブ部をそれぞれ、コンピュータ上に再現（メッシュ分割によるモデル化）した。つまり、比較例の解析モデルでは、実施例の解析モデルにおけるアノード支持体６０がモデル化されていない。
　なお、実施例の解析モデルにおいて、アノードガス拡散層１５の厚みおよびアノード支持体６０の厚みがそれぞれ、０．２５ｍｍおよび０．３ｍｍになるようにモデル化されている。また、アノード支持体６０の複数の通気孔６１は、アノードガス流路３３のリブ部に対して、図３の如く配列するようにモデル化されている。つまり、アノードガス流路３３を横断する方向２００において、通気孔６１の径Ｌ１は、アノードガス流路３３の幅Ｌ２よりも小さく（Ｌ１＜Ｌ２）、かつ、平面視において、複数の正円の通気孔６１は、通気孔６１の少なくとも一部がアノードガス流路３３の縁３３Ａ上を跨ぐように、６０°千鳥配列で置かれている。
　＜解析条件＞
　実施例の解析モデルおよび比較例の解析モデルのそれぞれにおける「アノードガス拡散層１５」に対応する計算対象領域（メッシュ分割領域）には、物性条件として、以下の値を付与した。なお、これらの値は、一般的なカーボン製のガス拡散層（例えば、空隙率：約２４．４％程度）の物性値を想定することで付与した。
・ヤング率Ｅ：１２．６３ＧＰａ
・ポアソン比ν；０．１７
　また、実施例の解析モデルにおける「アノード支持体６０」および「アノードガス流路３３のリブ部」に対応する計算対象領域、および、比較例の解析モデルにおける「アノードガス流路３３のリブ部」に対応する計算対象領域には、一般的なステンレスの物性条件を付与した。
　また、実施例の解析モデルおよび比較例の解析モデルの荷重条件として、アノードガス拡散層１５とアノード触媒層とが接触する接触面に対応する計算対象領域のそれぞれの境界面に、７０ＭＰａの均一な圧縮応力を付与した。なお、この圧縮応力は、例えば、電気化学式水素ポンプ１００のカソード電極ＣＡおよびアノード電極ＡＮ間の差圧の最大値が約７０ＭＰａ程度であることを想定することで付与した。
　以上の解析モデルおよび解析条件は、例示であって本例に限定されない。
　＜解析結果＞
　図５Ａは、実施例の解析モデルについてアノードガス拡散層に外力（圧縮力）を与える際の通気孔におけるアノードガス拡散層に作用する最大引張応力を説明するための図である。図５Ｂは、比較例の解析モデルについてアノードガス拡散層に外力（圧縮力）を与える際のアノードガス流路におけるアノードガス拡散層に作用する最大引張応力を説明するための図である。
　アノードガス拡散層１５を支持する部材において、孔またはガス流路を構成する溝部（凹部）などの形状が変化する開口部が存在する場合、アノードガス拡散層１５に外力（圧縮力）が与えられると、開口部におけるアノードガス拡散層１５には、他の部分よりも高い応力が発生する（応力集中）。
　そして、一般的に、孔の中心付近におけて、アノードガス拡散層１５に作用する引張応力が最大になるとともに、孔の径が大きい程、この最大引張応力σｍａｘが大きい。また、ガス流路の幅の中心付近において、アノードガス拡散層１５に作用する引張応力が最大になるとともに、ガス流路の幅が大きい程、この最大引張応力σｍａｘが大きい。
　そこで、実施例の解析モデルにおいて、図５Ａに示す如く、通気孔６１におけるアノードガス拡散層１５に作用する最大引張応力σｍａｘを計算したところ、約３５ＭＰａであった。なお、実施例の解析モデルでは、図４に示す如く、複数の通気孔６１が設けられているが、いずれの通気孔６１においても、上記の最大引張応力σｍａｘはほぼ同じ値であった。
　また、比較例の解析モデルにおいて、図５Ｂに示す如く、アノードガス流路３３におけるアノードガス拡散層１５に作用する最大引張応力σｍａｘを計算したところ、約１５４ＭＰａであった。
　このように、アノードガス拡散層１５とアノードセパレーター１７との間に、アノード支持体６０を設ける場合と、アノード支持体６０を設けない場合とを比較すると、後者の最大引張応力σｍａｘは、前者の最大引張応力σｍａｘに比べて、約４．４倍であった。
　そして、一般的なカーボン製のガス拡散層（例えば、空隙率：約２４．４％程度）の破断強度が約４８ＭＰａ程度であることを考慮すると、アノードガス拡散層１５とアノードセパレーター１７との間に、アノード支持体６０を設けない場合、電気化学式水素ポンプ１００のカソード電極ＣＡおよびアノード電極ＡＮ間の差圧によって、アノードガス拡散層１５のカーボン多孔体シート１５Ｓが、アノードガス流路３３で破断する可能性がある。
　以上のとおり、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、アノードガス拡散層１５とアノードセパレーター１７との間にアノード支持体６０を設けた場合において、アノードガス流路３３を横断する方向２００の通気孔６１の径Ｌ１が、アノードガス流路３３の幅Ｌ２よりも小さくなるように、両者の大小関係を設定している（Ｌ１＜Ｌ２）。これにより、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、通気孔６１の径Ｌ１が、アノードガス流路３３の幅Ｌ２以上である場合（Ｌ１≧Ｌ２）に比べて、電気化学式水素ポンプ１００のカソード電極ＣＡおよびアノード電極ＡＮ間の差圧によってアノードガス拡散層１５のカーボン多孔体シート１５Ｓが損傷することを抑制することができる。
　また、仮に、アノード支持体６０の金属シート６０Ｓの通気孔６１が、アノードセパレーター１７に設けられたアノードガス流路３３の縁３３Ａ上を跨ぐことなく、アノードガス流路３３を構成するリブ部上に存在する場合、この通気孔６１からアノードガス拡散層１５に水素含有ガスが供給されない。逆に、金属シート６０Ｓの通気孔６１が、上記のアノードガス流路３３の縁３３Ａ上を跨ぐとき、この通気孔６１からアノードガス拡散層１５に水素含有ガスが供給される。
　よって、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、複数の通気孔６１の一部がアノードガス流路３３の縁３３Ａ上を跨ぐことで、かかる通気孔６１の一部がアノードガス流路３３の縁３３Ａ上を跨ぐことなく、アノードガス流路３３を構成するリブ部上に存在する場合に比べて、アノードガス拡散層１５からアノード触媒層１３への水素含有ガスの拡散性を向上させることができる。
　本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、上記の特徴以外は、第１実施形態または第１実施形態の第１実施例の電気化学式水素ポンプ１００と同様であってもよい。
　（第３実施例）
　第３実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、カーボン多孔体シート１５Ｓが、カーボン焼結体のシートであること以外は、第１実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様である。
　一般的に、カーボン焼結体は、カーボン粉末を樹脂等と混ぜ、乾燥固化あるいは乾燥硬化させた成形体に比べて剛性が高い。特に、プラスチックフォームドカーボンは、曲げ強度が高い。
　よって、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、カーボン多孔体シート１５Ｓがカーボン焼結体のシートであることで、アノードガス拡散層１５の曲げ強度が適切に確保される。
　なお、カーボン焼結体として、例えば、グラッシーカーボン（ガラス状炭素）、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）、プラスチックフォームドカーボン（ＰＦＣ）の焼結体などを挙げることができる。
　本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、上記の特徴以外は、第１実施形態および第１実施形態の第１実施例－第２実施例のいずれかの電気化学式水素ポンプ１００と同様であってもよい。
　（第４実施例）
　第４実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、アノード支持体６０表面に、導電層７０が設けられていること以外は、第１実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様である。
　図６は、第１実施形態の第４実施例の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。
　アノード支持体６０の金属シート６０Ｓの表面には、金属シート６０Ｓの成分が、例えば、大気中の酸素に酸化されることで、非導電性の酸化皮膜（不動態皮膜）が形成される場合がある。金属シート６０Ｓが、例えば、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌなどのステンレス製の部材である場合、この金属シート６０Ｓの表面には、高い耐酸性の酸化クロムを含む不動態皮膜が形成される。すると、例えば、アノード支持体６０とアノードセパレーター１７との間の接触抵抗が増加することで両者間の導通が得にくくなる。また、例えば、アノード支持体６０とアノードガス拡散層１５との間の接触抵抗が増加することで両者間の導通が得にくくなる。
　そこで、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００では、図６に示す如く、アノード支持体６０の金属シート６０Ｓの表面の適所に、所望の耐酸性および導電性を有する導電層７０が設けられている。
　導電層７０は、所望の耐酸性および導電性を備えていれば、どのような種類のものであってもよい。
　導電層７０は、例えば、白金、金などの貴金属の電解メッキ膜または無電解メッキ膜であってもよいし、スプレーコートによる炭素材料のコート膜であってもよい。
　また、導電層７０は、例えば、圧延ロールで製造された市販のコート材を、所望のサイズにプレス成形で切り出した後、このコート材を金属シート６０Ｓの表面に拡散接合することで得ることも可能である。
　以上のとおり、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、アノード支持体６０の金属シート６０Ｓの表面に導電層７０を設けることで、上記の部材間の接触抵抗の増加を適切に抑制することができる。
　本実施例の電気化学式水素ポンプ１００は、上記の特徴以外は、第１実施形態および第１実施形態の第１実施例－第２実施例のいずれかの電気化学式水素ポンプ１００と同様であってもよい。
　（第２実施形態）
　第２実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、アノード支持体６０が、アノードセパレーター１７と一体化されていること以外は、第１実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様である。
　例えば、アノード支持体６０の金属シート６０Ｓとアノードセパレーター１７とが拡散接合で一体化されていてもよい。
　これにより、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、アノード支持体６０の金属シート６０Ｓとアノードセパレーター１７との接合部の空隙が消失するので、両者間の接触抵抗を低減することができる。また、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、複数の水素ポンプユニット１００Ａを積層する場合、部品点数を削減することで、水素ポンプユニット１００Ａの組立作業の効率化を図ることができる。
　本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、上記の特徴以外は、第１実施形態および第１実施形態の第１実施例－第４実施例のいずれかの電気化学式水素ポンプ１００と同様であってもよい。
　（変形例）
　第２実施形態の変形例の電気化学式水素ポンプ１００は、アノード支持体６０が、アノードガス拡散層１５と一体化されていること以外は、第１実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様である。
　例えば、アノード支持体６０およびアノードガス拡散層１５間に、適宜の樹脂など（例えば、アイオノマー）を設けることで、両者を一体化することができる。
　これにより、本変形例の電気化学式水素ポンプ１００は、部品点数を削減することができる。すると、本変形例の電気化学式水素ポンプ１００は、複数の水素ポンプユニット１００Ａを積層する場合、水素ポンプユニット１００Ａの組立作業の効率化を図ることができる。
　本変形例の電気化学式水素ポンプ１００は、上記の特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の第１実施例－第４実施例および第２実施形態のいずれかの電気化学式水素ポンプ１００と同様であってもよい。
　（第３実施形態）
　第３実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、以下に説明するアノード支持体１６０およびアノードセパレーター１７の構成以外は、第１実施形態の電気化学式水素ポンプ１００と同様である。
　図７は、第３実施形態の電気化学式水素ポンプにおけるアノード支持体およびアノードセパレーターの一例を示す図である。図７には、アノード支持体１６０の金属シート１６０Ｓおよびアノードセパレーター１７の斜視図が示されている。
　金属シート１６０Ｓは、複数の通気孔１６１を有する金属部材である。
　図７に示すように、複数の通気孔１６１は、金属シート１６０Ｓに設けられた、一対の直線部分および一対の半円部で構成されるトラック形状の貫通長孔である。
　複数の通気孔１６１は、平面視において千鳥状に並ぶように配列されている。また、通気孔１６１の直線部分は、アノードセパレーター１７に設けられたアノードガス流路３３を横断する方向２００に対して平行に延伸している。そして、通気孔１６１の長径Ｌ３は、アノードガス流路３３の幅Ｌ２よりも小さい（Ｌ３＜Ｌ２）。
　ここで、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、複数の通気孔１６１は、アノードガス流路３３を構成する溝部に対向する領域内に収まるように配置された通気孔１６１と、上記領域から一部がはみ出しており、その一部が、アノードガス流路３３を構成するリブ部に対向する領域に設けられた通気孔１６１と、がある。
　前者の通気孔１６１は、アノードガス流路３３の縁３３Ａ上を跨ぐことなく、アノードガス流路３３を構成する溝部上に存在している。図７に示す例では、上記方向２００と直交する方向において、３列に並んでいる通気孔１６１のうち、手前から１列目および３列目の通気孔１６１が、アノードガス流路３３を構成する溝部に対向する領域内に収まるように設けられている。
　後者の通気孔１６１は、アノードセパレーター１７に設けられたアノードガス流路３３の縁３３Ａ上を跨いでいる。図７に示す例では、手前から２列目の通気孔１６１は、その一部が、アノードガス流路３３を構成する溝部に対向する領域からはみ出しており、アノードガス流路３３を構成するリブ部に対向する領域に設けられている。
　なお、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００が奏する作用効果は、第１実施形態の第２実施例の電気化学式水素ポンプ１００が奏する作用効果を参酌することにより容易に理解することができるので説明を省略する。
　本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、上記の特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の第１実施例－第４実施例、第２実施形態および第２実施形態の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。
　なお、第１実施形態、第１実施形態の第１実施例－第４実施例、第２実施形態、第２実施形態の変形例および第３実施形態は、互いに相手を排除しない限り、互いに組み合わせても構わない。
　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ＭＥＡ、アノードセパレーター１７およびアノード支持体６０などは、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、アノード拡散層のカーボン多孔体シートの損傷を従来よりも軽減し得る圧縮装置に利用することができる。
１１　　　：電解質膜
１２　　　：カソード触媒層
１３　　　：アノード触媒層
１４　　　：カソードガス拡散層
１５　　　：アノードガス拡散層
１５Ｓ　　：カーボン多孔体シート
１６　　　：カソードセパレーター
１７　　　：アノードセパレーター
２１　　　：絶縁体
２２Ａ　　：アノード給電板
２２Ｃ　　：カソード給電板
２３Ａ　　：アノード絶縁板
２３Ｃ　　：カソード絶縁板
２４Ａ　　：アノード端板
２４Ｃ　　：カソード端板
２５　　　：締結器
２６　　　：カソードガス導出経路
２７　　　：アノードガス導入マニホールド
２９　　　：アノードガス導入経路
３０　　　：アノードガス導出マニホールド
３１　　　：アノードガス導出経路
３２　　　：カソードガス流路
３３　　　：アノードガス流路
３４　　　：カソードガス通過経路
３５　　　：第１アノードガス通過経路
３６　　　：第２アノードガス通過経路
４０　　　：シール部材
４２　　　：シール部材
４３　　　：シール部材
５０　　　：カソードガス導出マニホールド
６０　　　：アノード支持体
６０Ｓ　　：金属シート
６１　　　：通気孔
７０　　　：導電層
１００　　：電気化学式水素ポンプ
１００Ａ　：水素ポンプユニット
１０２　　：電圧印加器
１６０　　：アノード支持体
１６０Ｓ　：金属シート
１６１　　：通気孔
ＡＮ　　　：アノード電極
ＣＡ　　　：カソード電極

Claims (10)

  1. 　電解質膜と、
    　前記電解質膜の一方の主面に接するアノード触媒層と、
    　前記電解質膜の他方の主面に接するカソード触媒層と、
    　前記アノード触媒層上に設けられ、カーボン多孔体シートを含むアノード拡散層と、
    　前記カソード触媒層上に設けられるカソードガス拡散層と、
    　前記アノード拡散層上に設けられ、複数の通気孔を有する金属シートを含むアノード支持体と、
    　前記アノード支持体上に設けられ、当該アノード支持体側の主面にアノード流体が流れる流体流路を備えるアノードセパレーターと、
    　前記アノード触媒層と前記カソード触媒層との間に電圧を印加する電圧印加器とを備え、
    　前記電圧印加器が前記電圧を印加することで、前記アノード触媒層に供給されたアノード流体から取り出されたプロトンを、前記電解質膜を介して前記カソード触媒層に移動させ、圧縮された水素を生成する圧縮装置であって、
    　前記金属シートの曲げ強度が、前記カーボン多孔体シートの曲げ強度よりも高い、圧縮装置。
  2. 　前記アノード支持体の厚み方向の透気度は、前記カーボン多孔体シートの厚み方向の透気度よりも大きい請求項１に記載の圧縮装置。
  3. 　前記複数の通気孔の一部は、前記流体流路の縁上を跨ぐ請求項１または２に記載の圧縮装置。
  4. 　前記複数の通気孔の少なくとも一部の、前記流体流路を横断する方向の径は、前記流体流路の幅よりも小さい請求項１－３のいずれか１項に記載の圧縮装置。
  5. 　前記カーボン多孔体シートは、カーボン焼結体のシートである請求項１－４のいずれか１項に記載の圧縮装置。
  6. 　前記アノード支持体の表面には、導電層が設けられる請求項１－５のいずれか１項に記載の圧縮装置。
  7. 　前記アノード拡散層の厚みは、前記アノード支持体の厚みより大きい請求項１－６のいずれか１項に記載の圧縮装置。
  8. 　前記金属シートは、１枚の金属鋼板で構成される請求項１－７のいずれか１項に記載の圧縮装置。
  9. 　前記アノード支持体は、前記アノードセパレーターと一体化されている請求項１－８のいずれか１項に記載の圧縮装置。
  10. 　前記アノード支持体は、前記アノード拡散層と一体化されている請求項１－８のいずれか１項に記載の圧縮装置。
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