JP2020007634A - 電気化学式水素ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】水素ポンプユニットを構成する部材間の接触抵抗の増加を簡易かつ適切に抑制し得る電気化学式水素ポンプを提供する。【解決手段】少なくとも３つ以上の積層された水素ポンプユニット１００の締結器２５の締結によりカソードガス拡散層が圧縮される厚みの大きさは、積層された水素ポンプユニットの両端の少なくとも一方の端に位置する水素ポンプユニットのカソードガス拡散層の方が、積層された水素ポンプユニットの両端に位置しない水素ポンプユニットのカソードガス拡散層よりも大きい。【選択図】図２Ａ

Description

本開示は電気化学式水素ポンプに関する。

近年、地球の温暖化などの環境問題、石油資源の枯渇などのエネルギー問題から、化石燃料に代わるクリーンな代替エネルギー源として、水素が注目されている。水素は燃焼しても基本的に水しか放出せず、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し得る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提案が行われている。

例えば、特許文献１では、固体高分子電解質膜、給電体およびセパレーターの積層体をエンドプレートで挟んだ状態で、エンドプレートを貫通する締結ボルトにより積層体が締結された高圧水素製造装置が提案されている。この高圧水素製造装置において、高圧側のカソード給電体および低圧側のアノード給電体間に、所定圧以上の差圧が生じると、固体高分子電解質膜および低圧側のアノード給電体が変形する。すると、高圧側のカソード給電体および固体高分子電解質膜間の接触抵抗が増加する。

そこで、特許文献１の高圧水素製造装置に、固体高分子電解質膜および低圧側のアノード給電体が変形しても、高圧側のカソード給電体を固体高分子電解質膜に押圧して密着させる皿バネ、コイルバネなどの押圧手段が設けられている。これにより、高圧側のカソード給電体および固体高分子電解質膜間の接触抵抗の増加を抑制することができる。

特開２００６−７０３２２号公報

しかし、従来例は、カソードのガス圧が高圧になる場合のカソードセパレーターおよびカソード給電体間の接触抵抗の増加については十分に検討されていない。

本開示の一態様（aspect）は、このような事情に鑑みてなされたものであり、従来に比べて、水素ポンプユニットを構成する部材間の接触抵抗の増加を簡易かつ適切に抑制し得る電気化学式水素ポンプを提供する。

上記課題を解決するため、本開示の一態様の電気化学式水素ポンプは、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触媒層、前記電解質膜の他方の主面上に設けられたカソード触媒層、前記アノード触媒層上に設けられたアノードガス拡散層、前記アノードガス拡散層上に設けられたアノードセパレーター、前記カソード触媒層上に設けられたカソードガス拡散層、および前記カソードガス拡散層上に設けられたカソードセパレーターを備える水素ポンプユニットと、少なくとも３つ以上の積層された前記水素ポンプユニットの積層方向の両端上に設けられた第１の端板および第２の端板と、前記第１の端板と前記第２の端板を締結して、前記水素ポンプユニットを積層方向に圧縮する締結器と、を備え、少なくとも３つ以上の積層された前記水素ポンプユニットの前記カソードガス拡散層から流出するカソードガスが流れるカソードガス流路は連通されており、前記締結器の締結により前記カソードガス拡散層が圧縮される厚みの大きさは、前記積層された水素ポンプユニットの両端の少なくとも一方の端に位置する前記水素ポンプユニットの前記カソードガス拡散層の方が、前記積層された水素ポンプユニットの両端に位置しない前記水素ポンプユニットの前記カソードガス拡散層よりも大きい。

本開示の一態様の電気化学式水素ポンプは、従来に比べて、水素ポンプユニットを構成する部材間の接触抵抗の増加を簡易かつ適切に抑制し得る。

図１Ａは、電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。 図１Ｂは、電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。 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Ｂ部の拡大図である。 図３Ａ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３Ｂは、図３ＡのＢ部の拡大図である。 図４は、第１実施形態の第１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５は、第１実施形態の第２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６Ａは、第１実施形態の第１変形例の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。 図６Ｂは、第１実施形態の第１変形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２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８は、第３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。

特許文献１の高圧水素製造装置では、エンドプレートを貫通する締結ボルトにより積層体が締結され、積層方向に圧縮されている。しかしながら、発明者らが鋭意検討した結果、カソードのガス圧が高圧であるため、カソードセパレーターが、これに近接するエンドプレート側に膨らむように変形し、これに伴いエンドプレートも積層体側と反対の方向である外側に向け膨らむよう変形することを見出した。また、上記積層体が複数であるとき、複数の積層体において、積層方向において端に位置するセパレーターが、近接するエンドプレート側に変形する。この変形に伴い、エンドプレートも上記と同様に変形する。

カソードセパレーターの上記変形に伴い、カソードセパレーターとカソード給電体の間には、特許文献１の段落［００２０］に記載の隙間よりも大きな隙間が生じ、この隙間を補うために、カソード給電体とカソードセパレーターとを電気的に接続する皿バネの距離が長くなり、皿バネの電気抵抗が増加する。

これは、特許文献１の高圧水素製造装置に限らず、出願人による先行特許の電気化学式水素ポンプおいても同様である。

例えば、図１Ａに示す如く、カソードガス拡散層１１４が、カソードセパレーター１１６の凹部に収納されるとともに、電解質膜１１１、カソード触媒層１１２、アノード触媒層１１３、カソードガス拡散層１１４、およびアノードガス拡散層１１５の積層体５００の締結前に、凹部からその厚み方向に所定の大きさＥではみ出して配設される構成が提案された。

このとき、図１Ｂに示す如く、積層体５００の締結時において、カソードガス拡散層１１４を、はみ出し量分、厚み方向に弾性変形する。

ここで、この電気化学式水素ポンプの動作時に、積層体５００のカソードガス拡散層１１４のガス圧が高圧になると、電解質膜１１１がガスを通さないので、アノードガス拡散層１１５、アノード触媒層１１３および電解質膜１１１に高圧がかかる。すると、アノードガス拡散層１１５、アノード触媒層１１３および電解質膜１１１のそれぞれが圧縮変形する。しかし、このとき、カソードガス拡散層１１４が、締結器による圧縮後の厚みΔＴから圧縮前の厚みＴに戻る方向に弾性変形することにより、カソード触媒層１１２とカソードガス拡散層１１４との間の接触を適切に維持できる。

しかしながら、上述の通り、カソードのガス圧が高圧になると、カソードセパレーター１１６が、これに近接する図示しないエンドプレート側（外側）に膨らむように変形するので、カソードセパレーター１１６の凹部の底面とカソードガス拡散層１１４との間に隙間が生じやすくなる。すると、両者間の接触抵抗が増加する可能性がある。その結果、電圧印加器で印加する電圧が増加することにより、電気化学式水素ポンプの運転効率を低下させる恐れがある。

そこで、発明者らは、カソードセパレーター１１６とカソードガス拡散層１１４との電気的接触を確保するには、カソードセパレーター１１６の変形量分を考慮して、カソードガス拡散層１１４のはみ出し量Ｅを更に大きくするという着想に到達し、以下の本開示の一態様に完成させた。

なお、この問題は、上記の出願人の先行特許の例に限らず、凹部が設けられていないカソードセパレーターの平面上にカソードガス拡散層が設けられている形態においても、同様に発生する。

すなわち、本開示の第１態様の電気化学式水素ポンプは、
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触媒層、電解質膜の他方の主面上に設けられたカソード触媒層、アノード触媒層上に設けられたアノードガス拡散層、アノードガス拡散層上に設けられたアノードセパレーター、カソード触媒層上に設けられたカソードガス拡散層、およびカソードガス拡散層上に設けられたカソードセパレーターを備える水素ポンプユニットと、
少なくとも３つ以上の積層された水素ポンプユニットの積層方向の両端上に設けられた第１の端板および第２の端板と、
第１の端板と第２の端板を締結して、水素ポンプユニットを積層方向に圧縮する締結器と、を備え、
少なくとも３つ以上の積層された水素ポンプユニットのカソードガス拡散層から流出するカソードガスが流れるカソードガス流路は連通されており、
締結器の締結によりカソードガス拡散層が圧縮される厚みの大きさは、積層された水素ポンプユニットの両端の少なくとも一方の端に位置する水素ポンプユニットのカソードガス拡散層の方が、積層された水素ポンプユニットの両端に位置しない水素ポンプユニットのカソードガス拡散層よりも大きい。

かかる構成によると、本態様の電気化学式水素ポンプは、従来に比べて、水素ポンプユニットを構成する部材間の接触抵抗の増加を簡易かつ適切に抑制し得る。

具体的には、積層された水素ポンプユニットの両端の少なくとも一方の端に位置する水素ポンプユニットでは、カソードガス拡散層のガス圧が高圧になると、水素ポンプユニットのセパレーターは、端板側（外側）に膨らむように変形する。

例えば、カソードガス拡散層のガス圧が高圧になると、カソード端板に近接する水素ポンプユニットのカソードセパレーターは、カソード端板側（外側）に膨らむように変形する。すると、この水素ポンプユニットにおいて、カソードセパレーターとカソードガス拡散層との間に隙間が生じやすくなる。

また、例えば、カソードガス拡散層のガス圧が高圧になると、アノード端板に近接する水素ポンプユニットのアノードセパレーターは、アノードガス拡散層から圧力を受けるので、アノード端板側（外側）に膨らむように変形する。すると、この水素ポンプユニットにおいて、カソードガス拡散層と電解質膜（カソード触媒層）との間に隙間が生じやすくなる。

しかし、本態様の電気化学式水素ポンプは、積層された水素ポンプユニットの両端の少なくとも一方の端に位置する水素ポンプユニットのカソードガス拡散層は、積層された水素ポンプユニットの両端に位置しない水素ポンプユニット（以下、中間部の水素ポンプユニットと略す場合がある）のカソードガス拡散層に比べて、締結器の締結によりカソードガス拡散層が圧縮される厚みが大きい。

よって、カソードセパレーターがカソード端板側（外側）に膨らむように変形しても、カソード端板に近接する水素ポンプユニットのカソードガス拡散層が、カソードセパレーターの変形に追従するように締結器による圧縮後の厚みから圧縮前の元の厚みに戻る方向に弾性変形することができる。これにより、本態様の電気化学式水素ポンプは、カソードセパレーターとカソードガス拡散層との間に隙間が生じる可能性を低減することができる。その結果、本態様の電気化学式水素ポンプは、上記の水素ポンプユニットにおいて、カソードセパレーターおよびカソードガス拡散層間の接触抵抗の増加を簡易かつ適切に抑制することができる。

また、アノードセパレーターがアノード端板側（外側）に膨らむように変形しても、アノード端板に近接する水素ポンプユニットのカソードガス拡散層が、アノードセパレーターの変形に追従するように締結器による圧縮後の厚みから圧縮前の元の厚みに戻る方向に弾性変形することができる。これにより、本態様の電気化学式水素ポンプは、カソードガス拡散層と電解質膜との間に隙間が生じる可能性を低減することができる。その結果、本態様の電気化学式水素ポンプは、上記の水素ポンプユニットにおいて、カソードガス拡散層および電解質膜間の接触抵抗の増加を簡易かつ適切に抑制することができる。

また、本態様の電気化学式水素ポンプでは、水素ポンプユニットのそれぞれのカソードガス拡散層から流出するカソードガスが流れるカソードガス流路は連通されている。よって、中間部の水素ポンプユニットでは、水素ポンプユニットの両隣の水素ポンプユニットの高圧の水素含有ガスによって、水素ポンプユニットを構成する部材の変形が抑制される。よって、中間部の水素ポンプユニットのカソードガス拡散層は、積層された水素ポンプユニットの両端の少なくとも一方の端に位置する水素ポンプユニットのカソードガス拡散層に比べて、締結器の締結によりカソードガス拡散層が圧縮される厚みが小さい場合でも、水素ポンプユニットを構成する部材間に隙間が生じにくい。つまり、中間部の水素ポンプユニットのカソードガス拡散層では、締結器による圧縮後の厚みから圧縮前の元の厚みに戻る方向への弾性変形量を、積層された水素ポンプユニットの両端の少なくとも一方の端に位置する水素ポンプユニットのカソードガス拡散層の弾性変形量に比べて小さくしても、水素ポンプユニットを構成する部材間に隙間が生じる可能性を低減することができる。

また、本態様の電気化学式水素ポンプでは、中間部の水素ポンプユニットのカソードガス拡散層の厚みを両端部の水素ポンプユニットのカソードガス拡散層の厚みと同じにした場合に比べ、中間部の水素ポンプユニットは、水素ポンプユニットの厚み方向の電気抵抗が小さくなる。従って、本態様の電気化学式水素ポンプは、中間部の水素ポンプユニットのカソードガス拡散層の厚みを両端部の水素ポンプユニットのカソードガス拡散層の厚みと同じにした場合に比べ、発熱量が小さくなる。また、弾性率が同じカソードガス拡散層を両端部と中間部の水素ポンプユニットに用いる場合、本態様の電気化学式水素ポンプでは、中間部の水素ポンプユニットは、両端部の水素ポンプユニットと比較してカソードガス拡散層が薄くなり、水素ポンプユニット自体も薄くなる。従って、本態様の電気化学式水素ポンプは、中間部の水素ポンプユニットのカソードガス拡散層の厚みを両端部の水素ポンプユニットのカソードガス拡散層の厚みと同じにした場合に比べ、電気化学式水素ポンプ全体の薄型化、軽量化をはかることができる。

以上により、本態様の電気化学式水素ポンプは、中間部の水素ポンプユニットを構成する部材間の接触抵抗の増加を簡易かつ適切に抑制することができる。また、本態様の電気化学式水素ポンプは、電気抵抗の低減、薄型化、軽量化などが可能となる。

本開示の第２態様の電気化学式水素ポンプは、第１態様の電気化学式水素ポンプであって、締結器による締結前において、積層された水素ポンプユニットの両端の少なくとも一方の端に位置する水素ポンプユニットのカソードガス拡散層の厚みが、積層された水素ポンプユニットの両端に位置しない水素ポンプユニットのカソードガス拡散層の厚みよりも大きくてもよい。

本開示の第３態様の電気化学式水素ポンプは、第１態様の電気化学式水素ポンプであって、カソードセパレーターは、カソードガス拡散層を設置する凹部が設けられ、締結器による締結前において、積層された水素ポンプユニットの両端の少なくとも一方の端に位置する水素ポンプユニットのカソードセパレーターの凹部から突出するカソードガス拡散層の厚みは、積層された水素ポンプユニットの両端に位置しない水素ポンプユニットのカソードセパレーターの凹部から突出するカソードガス拡散層の厚みよりも大きくてもよい。

以上の構成によると、本態様の電気化学式水素ポンプでは、積層された水素ポンプユニットの両端の少なくとも一方の端に位置する水素ポンプユニットのカソードガス拡散層が締結器の締結によって圧縮される厚みを、適切に、中間部の水素ポンプユニットのカソードガス拡散層が締結器の締結によって圧縮される厚みよりも大きくすることができる。

本開示の第４態様の電気化学式水素ポンプは、第３態様の電気化学式水素ポンプであって、積層された水素ポンプユニットの両端の少なくとも一方の端に位置する水素ポンプユニットのカソードセパレーターの凹部の深さは、積層された水素ポンプユニットの両端に位置しない水素ポンプユニットのカソードセパレーターの凹部の深さよりも浅くてもよい。

かかる構成によると、本態様の電気化学式水素ポンプは、水素ポンプユニットのそれぞれのカソードガス拡散層の厚みが同じ場合でも、積層された水素ポンプユニットの両端の少なくとも一方の端に位置する水素ポンプユニットのカソードガス拡散層が締結器の締結によって圧縮される厚みを、適切に、中間部の水素ポンプユニットのカソードガス拡散層が締結器の締結によって圧縮される厚みよりも大きくすることができる。

本開示の第５態様の電気化学式水素ポンプは、第１態様から第４態様のいずれか一つの電気化学式水素ポンプにおいて、積層された水素ポンプユニットの両端の少なくとも一方の端に位置する水素ポンプユニットのカソードガス拡散層のカソードセパレーター側の主面には、凸部が設けられていてもよい。

上記のとおり、カソード端板に近接する水素ポンプユニットのカソードガス拡散層のガス圧が高圧になると、この水素ポンプユニットのカソードセパレーターは、カソード端板側（外側）に膨らむように変形する。すると、カソードガス拡散層側のカソードセパレーターの主面は、高圧の水素含有ガスによって中央部の変形量が端部の変形量に比べて大きくなるように変形する。つまり、カソードセパレーターの主面が、高圧の水素含有ガスによってドーム状に変形する。

なお、かかる現象は、カソードガス拡散層を設置する凹部が設けているカソードセパレーター、および、このような凹部が設けられていないカソードセパレーターのいずれの形態においても発生する。

そこで、本態様の電気化学式水素ポンプは、カソードガス拡散層のカソードセパレーター側の主面に凸部を設けることで、カソードガス拡散層の主面が、高圧の水素含有ガスによってドーム状に変形するカソードセパレーターの主面と密着しやすいように構成されている。よって、本態様の電気化学式水素ポンプは、カソードガス拡散層の主面に凸部を設けない場合に比べて、カソードセパレーターとカソードガス拡散層との間に隙間が生じる可能性を低減することができる。

ところで、カソードガス拡散層の厚み方向の電気抵抗は、カソードガス拡散層の厚みに比例する。また、積層された水素ポンプユニットの両端の少なくとも一方の端に位置する水素ポンプユニットでは、中間部の水素ポンプユニットに比べて、締結器の締結により圧縮される厚みが大きい。よって、積層された水素ポンプユニットの両端の少なくとも一方の端に位置する水素ポンプユニットのカソードガス拡散層の厚み方向の電気抵抗は、中間部の水素ポンプユニットの厚み方向の電気抵抗よりも締結器による締結に伴って低下しやすい。

そこで、本開示の第６態様の電気化学式水素ポンプは、第１態様から第５態様のいずれか一つの電気化学式水素ポンプであって、締結器による締結前において、積層された水素ポンプユニットの両端の少なくとも一方の端に位置する水素ポンプユニットのカソードガス拡散層の厚み方向の電気抵抗が、積層された水素ポンプユニットの両端に位置しない水素ポンプユニットのカソードガス拡散層の厚み方向の電気抵抗よりも大きくてもよい。

かかる構成によると、本態様の電気化学式水素ポンプは、締結器による締結時において、水素ポンプユニットのそれぞれのカソードガス拡散層の厚み方向の電気抵抗を均一化させやすくすることができる。

つまり、本態様の電気化学式水素ポンプは、締結器による締結に伴って生じる水素ポンプユニットのそれぞれのカソードガス拡散層の厚み方向の電気抵抗低下のバラツキを、締結器による締結前における水素ポンプユニットのそれぞれのカソードガス拡散層の厚み方向の電気抵抗の不均一性で相殺させることができる。よって、本態様の電気化学式水素ポンプは、締結器による締結前において、水素ポンプユニットのそれぞれのカソードガス拡散層の厚み方向の電気抵抗が均等である場合に比べて、締結器による締結時における水素ポンプユニットのそれぞれのカソードガス拡散層の厚み方向の電気抵抗が均一化し得る。

本開示の第７態様の電気化学式水素ポンプは、第１態様から第６態様のいずれか一つの電気化学式水素ポンプにおいて、第１の端板と、積層された水素ポンプユニットのうち第１の端板側の端に位置する水素ポンプユニットとの間に、カソードガス流路から排出された水素含有ガスを貯える第一空間が設けられ、締結器の締結によりカソードガス拡散層が圧縮される厚みの大きさは、積層された水素ポンプユニットのうち第２の端板側の端に位置する水素ポンプユニットのカソードガス拡散層の方が、積層された水素ポンプユニットのうち第１の端板側の端に位置する水素ポンプユニットのカソードガス拡散層よりも大きくてもよい。

積層された水素ポンプユニットのうち第１の端板側の端に位置する水素ポンプユニット（以下、第１の端板側の水素ポンプユニット）と第１の端板との間に設けられた第一空間の水素含有ガス圧は、水素ポンプユニットのカソード内の水素含有ガス圧とほぼ同等の高圧である。すると、第一空間内の水素含有ガスによって、第１の端板側の水素ポンプユニットのセパレーターに付与される荷重は、カソード内の水素含有ガス圧に起因するセパレーターの変形（たわみ）を抑えるように作用する。

これに対して、積層された水素ポンプユニットのうち第２の端板側の端に位置する水素ポンプユニット（以下、第２の端板側の水素ポンプユニット）と第２の端板との間には、水素ポンプユニットのカソード内の水素含有ガス圧とほぼ同等の高圧の水素含有ガスを貯える空間が存在しない。このため、第２の端板側の水素ポンプユニットのセパレーターには、カソード内の水素含有ガス圧に起因するセパレーターの変形（たわみ）を抑えるような荷重が付与されない。つまり、第２の端板側の水素ポンプユニットでは、第１の端板側の水素ポンプユニットに比べて、水素ポンプユニットのカソード内の水素含有ガス圧によって、水素ポンプユニットを構成する部材間に隙間が生じやすくなる。

そこで、本態様の電気化学式水素ポンプは、締結器の締結によりカソードガス拡散層が圧縮される厚みの大きさを、第２の端板側の水素ポンプユニットのカソードガス拡散層の方を、第１の端板側の水素ポンプユニットのカソードガス拡散層よりも大きくすることで、第２の端板側の水素ポンプユニットを構成する部材間に隙間が生じる可能性を低減することができる。

本開示の第８態様の電気化学式水素ポンプは、第１態様から第６態様のいずれか一つの電気化学式水素ポンプにおいて、第２の端板と、積層された水素ポンプユニットのうち第２の端板側の端に位置する水素ポンプユニットとの間に、カソードガス流路から排出された水素含有ガスを貯える第二空間が設けられ、締結器の締結によりカソードガス拡散層が圧縮される厚みの大きさは、積層された水素ポンプユニットのうち第１の端板側に位置する水素ポンプユニットのカソードガス拡散層の方が、積層された水素ポンプユニットのうち第２の端板側の端に位置する水素ポンプユニットのカソードガス拡散層よりも大きくてもよい。

第２の端板側の水素ポンプユニットと第２の端板との間に設けられた第二空間の水素含有ガス圧は、水素ポンプユニットのカソード内の水素含有ガス圧とほぼ同等の高圧である。すると、第二空間内の水素含有ガスによって、第２の端板側の水素ポンプユニットのセパレーターに付与される荷重は、カソード内の水素含有ガス圧に起因するセパレーターの変形（たわみ）を抑えるように作用する。

これに対して、第１の端板側の水素ポンプユニットと第１の端板との間には、水素ポンプユニットのカソード内の水素含有ガス圧とほぼ同等の高圧の水素含有ガスを貯える空間が存在しない。このため、第１の端板側の水素ポンプユニットのセパレーターには、カソード内の水素含有ガス圧に起因するセパレーターの変形（たわみ）を抑えるような荷重が付与されない。つまり、第１の端板側の水素ポンプユニットでは、第２の端板側の水素ポンプユニットに比べて、水素ポンプユニットのカソード内の水素含有ガス圧によって、水素ポンプユニットを構成する部材間に隙間が生じやすくなる。

そこで、本態様の電気化学式水素ポンプは、締結器の締結によりカソードガス拡散層が圧縮される厚みの大きさを、第１の端板側の水素ポンプユニットのカソードガス拡散層の方を、第２の端板側の水素ポンプユニットのカソードガス拡散層よりも大きくすることで、第１の端板側の水素ポンプユニットを構成する部材間に隙間が生じる可能性を低減することができる。

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）
[装置構成]
図２Ａおよび図３Ａ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Ｂ部の拡大図である。図３Ｂは、図３ＡのＢ部の拡大図である。

図２Ａには、平面視において電気化学式水素ポンプ２００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２００の垂直断面が示されている。また、図３Ａには、平面視において電気化学式水素ポンプ２００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２００の垂直断面が示されている。

なお、図２Ａおよび図３Ａでは、同図の如く、「上」および「下」が示されている（図７および図８においても同じ）。但し、これらの図中の「上」および「下」は、あくまで、以下の説明の便宜上、付されたものであり、電気化学式水素ポンプ２００は、重力が作用する方向に対してどのような向きに置かれていても構わない。

図２Ａおよび図３Ｂに示す例では、電気化学式水素ポンプ２００は、少なくとも３つ以上の水素ポンプユニット１００を備える。

なお、図２Ａおよび図３Ｂの電気化学式水素ポンプ２００には、３つの水素ポンプユニット１００Ｕ、１００Ｍ、１００Ｄが積層されているが、水素ポンプユニット１００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１００の個数は、電気化学式水素ポンプ２００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１００Ｕ、１００Ｍ、１００Ｄはそれぞれ、電解質膜１１と、アノードＡＮと、カソードＣＡ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。

アノード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ＣＡは、電解質膜１１の他方の主面上に設けられている。カソードＣＡは、カソード触媒層１２と、カソードガス拡散層１４とを含む電極である。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ＡＮとカソードＣＡとによって挟持されている。なお、カソードＣＡ、電解質膜１１およびアノードＡＮ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。電解質膜１１は、プロトン伝導性を備えていれば、どのような構成であってもよい。例えば、電解質膜１１として、フッ素系高分子電解質膜、炭化水素系高分子電解質膜を挙げることができるが、これらに限定されない。具体的には、例えば、電解質膜１１として、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標、デュポン社製）、Ａｃｉｐｌｅｘ（登録商標、旭化成株式会社製）などを用いることができる。

アノード触媒層１３は、電解質膜１１の一方の主面上に設けられている。アノード触媒層１３は、触媒金属として、例えば、白金を含むが、これに限定されない。

カソード触媒層１２は、電解質膜１１の他方の主面上に設けられている。カソード触媒層１２は、触媒金属として、例えば、白金を含むが、これに限定されない。

カソード触媒層１２およびアノード触媒層１３の触媒担体としては、例えば、カーボンブラック、黒鉛などの炭素粉体、導電性の酸化物粉体などが挙げられるが、これらに限定されない。

なお、カソード触媒層１２およびアノード触媒層１３では、触媒金属の微粒子が、触媒担体に高分散に担持されている。また、これらのカソード触媒層１２およびアノード触媒層１３中には、電極反応場を大きくするために、水素イオ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。

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。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。また、アノードガス拡散層１５は、電気化学式水素ポンプ２００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。よって、アノードガス拡散層１５の弾性率は、カソードガス拡散層１４の弾性率よりも高い。

アノードガス拡散層１５の基材として、例えば、チタン、チタン合金、ステンレススチールなどを素材とする金属繊維の焼結体、これらを素材とする金属粉体の焼結体、エキスパンドメタル、金属メッシュ、パンチングメタルなどを用いることができる。

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。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。また、カソードガス拡散層１４は、電気化学式水素ポンプ２００の動作時にカソードおよびアノード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。よって、カソードガス拡散層１４の弾性率は、アノードガス拡散層１５の弾性率よりも低い。

カソードガス拡散層１４の基材として、例えば、チタン、チタン合金、ステンレススチールなどを素材とする金属繊維の焼結体、これらを素材とする金属粉末の焼結体などを用いることができる。また、カソードガス拡散層１４の基材に、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炭素材料を用いることもできる。更に、カーボンブラックとＰＴＦＥなどのエラストマーを混錬、圧延した多孔性のシート材料などを用いることもできる。

アノードセパレーター１７は、アノードガス拡散層１５上に設けられた部材である。また、カソードセパレーター１６は、カソードガス拡散層１４上に設けられた部材である。具体的には、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、カソードガス拡散層１４およびアノードガス拡散層１５のそれぞれを設置する凹部が設けられている。つまり、これらの凹部のそれぞれに、カソードガス拡散層１４およびアノードガス拡散層１５がそれぞれ収容されている。

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１００が形成されている。

カソードガス拡散層１４と接触するカソードセパレーター１６の主面には、平面視において、例えば、複数のＵ字状の折り返す部分と複数の直線部分とを含むサーペンタイン状のカソードガス流路３２が設けられている。そして、カソードガス流路３２の直線部分は、図２Ａの紙面に垂直な方向（図３Ａの紙面に平行な方向）に延伸している。但し、このようなカソードガス流路３２は、例示であって、本例に限定されない。例えば、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。

アノードガス拡散層１５と接触するアノードセパレーター１７の主面には、平面視において、例えば、複数のＵ字状の折り返す部分と複数の直線部分とを含むサーペンタイン状のアノードガス流路３３が設けられている。そして、アノードガス流路３３の直線部分は、図３Ａの紙面に垂直な方向（図２Ａの紙面に平行な方向）に延伸している。但し、このようなアノードガス流路３３は、例示であって、本例に限定されない。例えば、アノードガス流路は、複数の直線状の流路により構成されていてもよい。

また、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が挟み込まれている。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の短絡が防止されている。

ここで、図２Ａおよび図３Ａに示すように、電気化学式水素ポンプ２００は、水素ポンプユニット１００の積層方向の両端上に設けられた第１の端板（以下、カソード端板２４Ｃ）および第２の端板（以下、アノード端板２４Ａ）と、カソード端板２４Ｃとアノード端板２４Ａを締結して、水素ポンプユニット１００を積層方向に圧縮する締結器２５と、を備える。

つまり、アノード端板２４Ａは、水素ポンプユニット１００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１７Ｄ上に設けられた部材である。また、カソード端板２４Ｃは、水素ポンプユニット１００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１６Ｕ上に設けられた部材である。

締結器２５は、カソード端板２４Ｃとアノード端板２４Ａを締結して、水素ポンプユニット１００を積層方向に圧縮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、電気化学式水素ポンプ２００では、かかるボルトは、水素ポンプユニット１００Ｕ、１００Ｍ、１００Ｄをそれぞれ構成する部材、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１６Ｕ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１７Ｄ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１００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２００では、複数段（図２Ａおよび図３Ａでは、３つ）の水素ポンプユニット１００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２００を構成する部材を締結器２５のボルトが貫通しているので、これらの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２００では、水素ポンプユニット１００Ｕ、１００Ｍ、１００Ｄのそれぞれのカソードガス拡散層１４から流出するカソードガスが流れるカソードガス流路３２は連通されている。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２Ａに示すように、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１００Ｕ、１００Ｍ、１００Ｄのそれぞれの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ＣＡ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、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。

更に、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１００Ｕ、１００Ｍ、１００Ｄ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１００Ｕ、１００Ｍ、１００Ｄ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を通過した水素含有ガスが、カソードガス導出マニホールド５０で合流される。そして、合流された水素含有ガス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１００Ｕ、１００Ｍ、１００Ｄ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１００Ｕ、１００Ｍ、１００Ｄ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１６Ｕおよびカソード給電板２２Ｃの間、アノードセパレーター１７Ｄ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３Ａ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、水素ポンプユニット１００Ｕ、１００Ｍ、１００Ｄのそれぞれの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１００Ｕ、１００Ｍ、１００Ｄ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１００Ｕ、１００Ｍ、１００Ｄ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１００Ｕ、１００Ｍ、１００Ｄ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３Ａ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、水素ポンプユニット１００Ｕ、１００Ｍ、１００Ｄのそれぞれの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１００Ｕ、１００Ｍ、１００Ｄ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１００Ｕ、１００Ｍ、１００Ｄ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１６Ｕおよびカソード給電板２２Ｃの間、アノードセパレーター１７Ｄ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２Ａおよび図３Ａに示すように、電気化学式水素ポンプ２００は、電圧印加器１０２を備える。

電圧印加器１０２は、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間に電圧を印加する装置である。具体的には、電圧印加器１０２の高電位が、導電性のアノードＡＮに印加され、電圧印加器１０２の低電位が、導電性のカソードＣＡに印加されている。電圧印加器１０２は、アノードＡＮおよびカソードＣＡ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。

電圧印加器１０２は、例えば、アノードＡＮおよびカソードＣＡ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１００に供給する電力が所定の設定値となるように、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間に印加される電圧、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間に流れる電流が調整される電力型電源であってもよい。

なお、図２Ａおよび図３Ａ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１６Ｕ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１７Ｄと電気的に接触している。

ここで、本実施形態の電気化学式水素ポンプ２００では、締結器２５の締結によりカソードガス拡散層１４が圧縮される厚みの大きさは、積層された水素ポンプユニット１００の両端の少なくとも一方の端に位置する水素ポンプユニット１００のカソードガス拡散層１４の方が、積層された水素ポンプユニット１００の両端に位置しない水素ポンプユニット１００のカソードガス拡散層１４よりも大きい。かかるカソードガス拡散層１４の具体的な構成は第１実施例および第２実施例で説明する。

なお、図示を省略するが、上記の電気化学式水素ポンプ２００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、外部の水素供給源から供給される水素含有ガスは、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２００の温度を検出する温度検出器、電気化学式水素ポンプ２００のカソードＣＡから排出された水素含有ガス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２００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ＡＮに供給する水素含有ガスを全てカソードＣＡで昇圧するデッドエンド構造が採用されてもよい。

また、水素含有ガスは、例えば、水素濃度が約１００％のガスであってもよいし、水素濃度が１００％未満のガスであってもよい。

［動作］
以下、電気化学式水素ポンプ２００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２００のアノードＡＮに低圧の水素含有ガスが供給されるとともに、電圧印加器１０２の電圧が電気化学式水素ポンプ２００に給電される。

すると、アノードＡＮのアノード触媒層１３において、酸化反応で水素分子が水素イオン（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ＡＮからカソードＣＡにプロトンと同伴して移動することが知られている。

このとき、図示しない流量調整器（例えば、配管に設けられた背圧弁、調整弁など）を用いて、水素導出経路（例えば、図２Ａのカソードガス導出経路２６）の圧損を増加させることにより、カソードＣＡで生成された水素含有ガスを昇圧することができる。

アノード：Ｈ_２（低圧）→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ ・・・（１）
カソード：２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２（高圧） ・・・（２）
このようにして、電気化学式水素ポンプ２００では、電圧印加器１０２で電圧を印加することで、アノードＡＮに供給される水素含有ガスがカソード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２００の水素昇圧動作が行われ、カソードＣＡで昇圧された水素含有ガスは、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含有ガスは、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、水素含有ガス中の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。

ここで、以上の電気化学式水素ポンプ２００の水素昇圧動作では、カソードＣＡのガス圧が高圧になることで、電解質膜１１、アノード触媒層１３およびアノードガス拡散層１５が押圧される。すると、この押圧によって、電解質膜１１、アノード触媒層１３およびアノードガス拡散層１５はそれぞれ圧縮される。

このとき、仮に、カソード触媒層１２とカソードガス拡散層１４との間の密着性が低いと、両者間で隙間が生じやすい。そして、カソード触媒層１２とカソードガス拡散層１４との間で隙間が生じる場合、両者間の接触抵抗が増加する。すると、電圧印加器１０２で印加する電圧が増加することにより、電気化学式水素ポンプ２００の運転効率を低下させる恐れがある。

そこで、カソードガス拡散層１４は、締結器２５による水素ポンプユニット１００の締結前は、カソードセパレーター１６の凹部からその厚み方向に、所望のはみ出し量分、はみ出すように構成されている。また、カソードガス拡散層１４は、水素ポンプユニット１００の締結の際には、締結器２５の締結力によって、上記のはみ出し量分だけ圧縮される。

このようにして、電気化学式水素ポンプ２００の動作時に、電解質膜１１、アノード触媒層１３およびアノードガス拡散層１５のそれぞれが圧縮変形しても、本実施形態の電気化学式水素ポンプ２００では、カソードガス拡散層１４は、締結器２５による圧縮後の厚みから圧縮前の元の厚みに戻る方向に弾性変形することにより、カソード触媒層１２とカソードガス拡散層１４との間の接触を適切に維持できる。

更に、本実施形態の電気化学式水素ポンプ２００は、従来に比べて、水素ポンプユニット１００Ｕのカソードセパレーター１６およびカソードガス拡散層１４間の接触抵抗の増加を簡易かつ適切に抑制し得る。また、本実施形態の電気化学式水素ポンプ２００は、従来に比べて、水素ポンプユニット１００Ｄのカソードガス拡散層１４および電解質膜１１間の接触抵抗の増加を簡易かつ適切に抑制し得る。

具体的には、積層された水素ポンプユニット１００の両端の少なくとも一方の端に位置する水素ポンプユニット１００（図２Ａおよび図３Ａでは、カソード給電板２２Ｃに接触する上段の水素ポンプユニット１００Ｕまたはアノード給電板２２Ａに接触する下段の水素ポンプユニット１００Ｄ）のカソードガス拡散層１４のガス圧が高圧になると、かかる水素ポンプユニット１００のセパレーターは、端板側（外側）に膨らむように変形する。

例えば、水素ポンプユニット１００Ｕのカソードガス拡散層１４のガス圧が高圧になると、水素ポンプユニット１００Ｕのカソードセパレーター１６Ｕは、カソード端板２４Ｃ側（外側）に膨らむように変形する。すると、この水素ポンプユニット１００Ｕにおいて、カソードセパレーター１６Ｕとカソードガス拡散層１４との間に隙間が生じやすくなる。

また、例えば、水素ポンプユニット１００Ｄのカソードガス拡散層１４のガス圧が高圧になると、水素ポンプユニット１００Ｄのアノードセパレーター１７Ｄは、アノードガス拡散層１５から圧力を受けるので、アノード端板２４Ａ側（外側）に膨らむように変形する。すると、この水素ポンプユニット１００Ｄにおいて、カソードガス拡散層１４と電解質膜１１（カソード触媒層１２）との間に隙間が生じやすくなる。

しかし、本実施形態の電気化学式水素ポンプ２００は、水素ポンプユニット１００Ｕ、１００Ｄのカソードガス拡散層１４は、積層された水素ポンプユニット１００の両端に位置しない水素ポンプユニット１００（図２Ａおよび図３Ａでは、中段の水素ポンプユニット１００Ｍ）のカソードガス拡散層１４に比べて、締結器２５の締結によりカソードガス拡散層１４が圧縮される厚みが大きい。

よって、水素ポンプユニット１００Ｕのカソードセパレーター１６Ｕがカソード端板２４Ｃ側（外側）に膨らむように変形しても、この水素ポンプユニット１００Ｕのカソードガス拡散層１４が、カソードセパレーター１６Ｕの変形に追従するように締結器２５による圧縮後の厚みから圧縮前の元の厚みに戻る方向に弾性変形することができる。これにより、本実施形態の電気化学式水素ポンプ２００は、カソードセパレーター１６Ｕとカソードガス拡散層１４との間に隙間が生じる可能性を低減することができる。その結果、本実施形態の電気化学式水素ポンプ２００は、水素ポンプユニット１００Ｕにおいて、カソードセパレーター１６Ｕおよびカソードガス拡散層１４間の接触抵抗の増加を簡易かつ適切に抑制することができる。

また、水素ポンプユニット１００Ｄのアノードセパレーター１７Ｄがアノード端板２４Ａ側（外側）に膨らむように変形しても、この水素ポンプユニット１００Ｄのカソードガス拡散層１４が、アノードセパレーター１７Ｄの変形に追従するように締結器２５による圧縮後の厚みから圧縮前の元の厚みに戻る方向に弾性変形することができる。これにより、本実施形態の電気化学式水素ポンプ２００は、カソードガス拡散層１４と電解質膜１１（カソード触媒層１２）との間に隙間が生じる可能性を低減することができる。その結果、本実施形態の電気化学式水素ポンプ２００は、水素ポンプユニット１００Ｄにおいて、カソードガス拡散層１４および電解質膜１１間の接触抵抗の増加を簡易かつ適切に抑制することができる。

また、本実施形態の電気化学式水素ポンプ２００では、上記のとおり、水素ポンプユニット１００Ｕ、１００Ｍ、１００Ｄのそれぞれのカソードガス拡散層１４から流出するカソードガスが流れるカソードガス流路３２は連通されている。よって、中段の水素ポンプユニット１００Ｍでは、この水素ポンプユニット１００Ｍの両隣の水素ポンプユニット１００Ｕ、１００Ｄの高圧の水素含有ガスによって、水素ポンプユニット１００Ｍを構成する部材の変形が抑制される。このため、水素ポンプユニット１００Ｍのカソードガス拡散層１４が、水素ポンプユニット１００Ｕ、１００Ｄのカソードガス拡散層１４に比べて、締結器２５の締結によりカソードガス拡散層１４が圧縮される厚みが小さい場合でも、水素ポンプユニット１００Ｍを構成する部材間に隙間が生じにくい。つまり、水素ポンプユニット１００Ｍのカソードガス拡散層１４は、締結器２５による圧縮後の厚みから圧縮前の元の厚みに戻る方向への弾性変形量を、水素ポンプユニット１００Ｕ、１００Ｄのカソードガス拡散層１４の弾性変形量に比べて小さくしても、水素ポンプユニット１００Ｍを構成する部材間に隙間が生じる可能性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２００では、水素ポンプユニット１００Ｍのカソードガス拡散層１４の厚みを、水素ポンプユニット１００Ｕ、１００Ｄのカソードガス拡散層１４の厚みと同じにした場合に比べ、水素ポンプユニット１００Ｍは、水素ポンプユニット１００Ｍの厚み方向の電気抵抗が小さくなる。従って、本実施形態の電気化学式水素ポンプ２００は、水素ポンプユニット１００Ｍのカソードガス拡散層１４の厚みを水素ポンプユニット１００Ｕ、１００Ｄのカソードガス拡散層１４の厚みと同じにした場合に比べ、発熱量が小さくなる。また、弾性率が同じカソードガス拡散層１４を水素ポンプユニット１００Ｕ、１００Ｍ、１００Ｕに用いる場合、本実施形態の電気化学式水素ポンプ２００では、水素ポンプユニット１００Ｍは、水素ポンプユニット１００Ｕ、１００Ｄと比較してカソードガス拡散層１４が薄くなり、水素ポンプユニット１００Ｍ自体も薄くなる。従って、本実施形態の電気化学式水素ポンプ２００は、水素ポンプユニット１００Ｍのカソードガス拡散層１４の厚みを水素ポンプユニット１００Ｕ、１００Ｄのカソードガス拡散層１４の厚みと同じにした場合に比べ、電気化学式水素ポンプ２００全体の薄型化、軽量化をはかることができる。

以上により、本実施形態の電気化学式水素ポンプ２００は、中段の水素ポンプユニット１００Ｍを構成する部材間の接触抵抗の増加を簡易かつ適切に抑制することができる。また、本実施形態の電気化学式水素ポンプ２００は、電気抵抗の低減、薄型化、軽量化などが可能となる。

（第１実施例）
図４は、第１実施形態の第１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４（ａ）には、締結器２５による締結前における上段の水素ポンプユニット１００Ｕ（図２Ａおよび図３Ａ参照）のカソードセパレーター１６Ｕの凹部から突出するカソードガス拡散層１４Ｕの様子が示されている。

図４（ｂ）には、締結器２５による締結前における中段の水素ポンプユニット１００Ｍ（図２Ａおよび図３Ａ参照）のカソードセパレーター１６Ｍの凹部から突出するカソードガス拡散層１４Ｍの様子が示されている。

図４（ｃ）には、締結器２５による締結前における下段の水素ポンプユニット１００Ｄ（図２Ａおよび図３Ａ参照）のカソードセパレーター１６Ｄの凹部から突出するカソードガス拡散層１４Ｄの様子が示されている。

本実施例の電気化学式水素ポンプ２００では、図４（ａ）および図４（ｂ）に示す如く、締結器２５による締結前において、水素ポンプユニット１００Ｕのカソードガス拡散層１４Ｕの厚みＴＵが、水素ポンプユニット１００Ｍのカソードガス拡散層１４Ｍの厚みＴＭよりも大きい。よって、この場合、カソードセパレーター１６Ｕの凹部の深さとカソードセパレーター１６Ｍの凹部の深さとが同じであると、締結器２５による締結前において、カソードセパレーター１６Ｕの凹部から突出するカソードガス拡散層１４Ｕの厚みＥＵは、カソードセパレーター１６Ｍの凹部から突出するカソードガス拡散層１４Ｍの厚みＥＭよりも大きい。

また、本実施例の電気化学式水素ポンプ２００では、図４（ｂ）および図４（ｃ）に示す如く、締結器２５による締結前において、水素ポンプユニット１００Ｄのカソードガス拡散層１４Ｄの厚みＴＤが、水素ポンプユニット１００Ｍのカソードガス拡散層１４Ｍの厚みＴＭよりも大きい。よって、この場合、カソードセパレーター１６Ｄの凹部の深さとカソードセパレーター１６Ｍの凹部の深さとが同じであると、締結器２５による締結前において、カソードセパレーター１６Ｄの凹部から突出するカソードガス拡散層１４Ｄの厚みＥＤは、カソードセパレーター１６Ｍの凹部から突出するカソードガス拡散層１４Ｍの厚みＥＭよりも大きい。

以上の構成により、本実施例の電気化学式水素ポンプ２００では、水素ポンプユニット１００Ｕのカソードガス拡散層１４Ｕが締結器２５の締結によって圧縮される厚みを、適切に、水素ポンプユニット１００Ｍのカソードガス拡散層１４Ｍが締結器２５の締結によって圧縮される厚みよりも大きくすることができる。また、水素ポンプユニット１００Ｄのカソードガス拡散層１４Ｄが締結器２５の締結によって圧縮される厚みを、適切に、水素ポンプユニット１００Ｍのカソードガス拡散層１４Ｍが締結器２５の締結によって圧縮される厚みよりも大きくすることができる。

本実施例の電気化学式水素ポンプ２００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２００と同様であってもよい。

（第２実施例）
図５は、第１実施形態の第２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５（ａ）には、締結器２５による締結前における上段の水素ポンプユニット１００Ｕ（図２Ａおよび図３Ａ参照）のカソードセパレーター１６Ｕの凹部から突出するカソードガス拡散層１４Ｕの様子が示されている。

図５（ｂ）には、締結器２５による締結前における中段の水素ポンプユニット１００Ｍ（図２Ａおよび図３Ａ参照）のカソードセパレーター１６Ｍの凹部から突出するカソードガス拡散層１４Ｍの様子が示されている。

図５（ｃ）には、締結器２５による締結前における下段の水素ポンプユニット１００Ｄ（図２Ａおよび図３Ａ参照）のカソードセパレーター１６Ｄの凹部から突出するカソードガス拡散層１４Ｄの様子が示されている。

本実施例の電気化学式水素ポンプ２００では、図５（ａ）および図５（ｂ）に示す如く、水素ポンプユニット１００Ｕのカソードセパレーター１６Ｕの凹部の深さＺＵは、水素ポンプユニット１００Ｍのカソードセパレーター１６Ｍの凹部の深さＺＭよりも浅い。よって、この場合、締結器２５による締結前における、カソードガス拡散層１４Ｕの厚みＴＵとカソードガス拡散層１４Ｍの厚みＴＭとが同じであると、締結器２５による締結前において、カソードセパレーター１６Ｕの凹部から突出するカソードガス拡散層１４Ｕの厚みＥＵは、水素ポンプユニット１００Ｍのカソードセパレーター１６Ｍの凹部から突出するカソードガス拡散層１４Ｍの厚みＥＭよりも大きい。

また、本実施例の電気化学式水素ポンプ２００では、図５（ｂ）および図５（ｃ）に示す如く、水素ポンプユニット１００Ｄのカソードセパレーター１６Ｄの凹部の深さＺＤは、水素ポンプユニット１００Ｍのカソードセパレーター１６Ｍの凹部の深さＺＭよりも浅い。よって、この場合、締結器２５による締結前における、カソードガス拡散層１４Ｄの厚みＴＤとカソードガス拡散層１４Ｍの厚みＴＭとが同じであると、締結器２５による締結前において、カソードセパレーター１６Ｄの凹部から突出するカソードガス拡散層１４Ｄの厚みＥＤは、水素ポンプユニット１００Ｍのカソードセパレーター１６Ｍの凹部から突出するカソードガス拡散層１４Ｍの厚みＥＭよりも大きい。

以上の構成により、本実施例の電気化学式水素ポンプ２００は、水素ポンプユニット１００Ｕのカソードガス拡散層１４Ｕの厚みＴＵと水素ポンプユニット１００Ｍのカソードガス拡散層１４Ｍの厚みＴＭとが同じ場合でも、カソードガス拡散層１４Ｕが締結器２５の締結によって圧縮される厚みを、適切に、カソードガス拡散層１４Ｍが締結器２５の締結によって圧縮される厚みよりも大きくすることができる。また、水素ポンプユニット１００Ｄのカソードガス拡散層１４Ｄの厚みＴＤと水素ポンプユニット１００Ｍのカソードガス拡散層１４Ｍの厚みＴＭとが同じ場合でも、カソードガス拡散層１４Ｄが締結器２５の締結によって圧縮される厚みを、適切に、カソードガス拡散層１４Ｍが締結器２５の締結によって圧縮される厚みよりも大きくすることができる。

本実施例の電気化学式水素ポンプ２００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２００と同様であってもよい。

（第１変形例）
本変形例の電気化学式水素ポンプ２００は、積層された水素ポンプユニット１００の両端の少なくとも一方の端に位置する水素ポンプユニット１００のカソードガス拡散層１４のカソードセパレーター１６側の主面に、凸部が設けられていること以外は、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２００と同様である。

図６Ａおよび図６Ｂは、第１実施形態の第１変形例の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。

上記のとおり、カソード端板２４Ｃに近接する上段の水素ポンプユニット１００Ｕのカソードガス拡散層１４Ｕのガス圧が高圧になると、このカソードセパレーター１６Ｕは、カソード端板２４Ｃ側（外側）に膨らむように変形する。すると、カソードガス拡散層１４Ｕ側のカソードセパレーター１６Ｕの主面Ｓは、高圧の水素含有ガスによって中央部の変形量が端部の変形量に比べて大きくなるように変形する。つまり、カソードセパレーター１６Ｕの主面Ｓが、高圧の水素含有ガスによってドーム状に変形する。

なお、かかる現象は、図６Ａに示す如く、カソードガス拡散層１４Ｕを設置する凹部が設けているカソードセパレーター１６Ｕ、および、図６Ｂに示す如く、このような凹部が設けられていないカソードセパレーターのいずれの形態においても発生する。

そこで、本変形例の電気化学式水素ポンプ２００は、カソードガス拡散層１４Ｕのカソードセパレーター１６Ｕ側の主面に凸部７０を設けることで、カソードガス拡散層１４Ｕの主面が、高圧の水素含有ガスによってドーム状に変形するカソードセパレーター１６Ｕの主面Ｓと密着しやすいように構成されている。よって、本変形例の電気化学式水素ポンプ２００は、カソードガス拡散層１４Ｕの主面に凸部７０を設けない場合に比べて、カソードセパレーター１６Ｕとカソードガス拡散層１４Ｕとの間に隙間が生じる可能性を低減することができる。

本変形例の電気化学式水素ポンプ２００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２００と同様であってもよい。

（第２変形例）
カソードガス拡散層１４の厚み方向の電気抵抗は、カソードガス拡散層１４の厚みに比例する。また、上段の水素ポンプユニット１００Ｕおよび下段の水素ポンプユニット１００Ｄでは、中段の水素ポンプユニット１００Ｍに比べて、締結器２５の締結により圧縮される厚みが大きい。よって、水素ポンプユニット１００Ｕ、１００Ｄのカソードガス拡散層１４の厚み方向の電気抵抗は、水素ポンプユニット１００Ｍのカソードガス拡散層１４の厚み方向の電気抵抗よりも締結器２５による締結に伴って低下しやすい。

そこで、本変形例の電気化学式水素ポンプ２００は、締結器２５による締結前において、積層された水素ポンプユニット１００の両端の少なくとも一方の端に位置する水素ポンプユニット１００（図２Ａおよび図３Ａでは、水素ポンプユニット１００Ｕ、１００Ｄ）のカソードガス拡散層１４の厚み方向の電気抵抗を、積層された水素ポンプユニット１００の両端に位置しない水素ポンプユニット１００（図２Ａおよび図３Ａでは、水素ポンプユニット１００Ｍ）のカソードガス拡散層１４の厚み方向の電気抵抗よりも大きくするように構成されている。

締結器２５による締結前において、カソードガス拡散層１４の厚み方向の電気抵抗を増減させる構成は、どのようなものであってもよいが、例えば、多孔性のカソードガス拡散層１４の空隙率を変化させることで、カソードガス拡散層１４の厚み方向の電気抵抗を増減させることができる。つまり、この場合、締結器２５による締結前において、水素ポンプユニット１００Ｕ、１００Ｄのカソードガス拡散層１４の空隙率を、水素ポンプユニット１００Ｍのカソードガス拡散層１４の空隙率よりも高くするとよい。

また、例えば、カソードガス拡散層１４の材料を変えることで、カソードガス拡散層１４の厚み方向の電気抵抗を増減させることもできる。つまり、この場合、水素ポンプユニット１００Ｕ、１００Ｄでは、水素ポンプユニット１００Ｍに比べて、電気抵抗率が高い材料を用いるとよい。

以上の構成により、本変形例の電気化学式水素ポンプ２００は、締結器２５による締結時において、水素ポンプユニット１００Ｕ、１００Ｍ、１００Ｄのそれぞれのカソードガス拡散層１４の厚み方向の電気抵抗を均一化させやすくすることができる。

つまり、本変形例の電気化学式水素ポンプ２００は、締結器２５による締結に伴って生じる水素ポンプユニット１００Ｕ、１００Ｍ、１００Ｄのそれぞれのカソードガス拡散層１４の厚み方向の電気抵抗低下のバラツキを、締結器２５による締結前における水素ポンプユニット１００Ｕ、１００Ｍ、１００Ｄのそれぞれのカソードガス拡散層１４の厚み方向の電気抵抗の不均一性で相殺させることができる。

よって、本変形例の電気化学式水素ポンプ２００は、締結器２５による締結前において、水素ポンプユニット１００Ｕ、１００Ｍ、１００Ｄのそれぞれのカソードガス拡散層１４の厚み方向の電気抵抗が均等である場合に比べて、締結器２５による締結時における水素ポンプユニット１００Ｕ、１００Ｍ、１００Ｄのそれぞれのカソードガス拡散層１４の厚み方向の電気抵抗が均一化し得る。

なお、仮に、締結器２５による締結時における水素ポンプユニット１００Ｕ、１００Ｍ、１００Ｄのそれぞれのカソードガス拡散層１４の厚み方向の電気抵抗が不均一であると、電気化学式水素ポンプ２００の運転時（電流通電時）に、水素ポンプユニット１００Ｕ、１００Ｍ、１００Ｄ間で発熱量が異なることで水素ポンプユニット１００Ｕ、１００Ｍ、１００Ｄ間の動作温度が相違する恐れがある。しかし、本変形例の電気化学式水素ポンプ２００は、上記の構成により、このような不都合が生じる可能性を低減できる。

本変形例の電気化学式水素ポンプ２００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２実施例および第１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２００と同様であってもよい。

（第２実施形態）
図７は、第２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７には、平面視において電気化学式水素ポンプ２００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２００の垂直断面が示されている。

本実施形態の電気化学式水素ポンプ２００は、以下に説明する第一空間６０および第１ガス流路を備えること、および、上段の水素ポンプユニット１００Ｕと下段の水素ポンプユニット１００Ｄとで締結器２５の締結によりカソードガス拡散層１４（図２Ｂ参照）が圧縮される厚みが異なること以外は、第１実施形態の電気化学式水素ポンプ２００と同様である。

本実施形態の電気化学式水素ポンプ２００は、カソード端板２４Ｃと、水素ポンプユニット１００のうちカソード端板２４Ｃ側の端に位置する水素ポンプユニット１００Ｕとの間に、カソードガス流路３２から排出された水素含有ガスを貯える第一空間６０が設けられている。

また、電気化学式水素ポンプ２００は、カソード端板２４Ｃと水素ポンプユニット１００Ｕのカソードセパレーター１６Ｕとの間に設けられた第一空間６０にカソードＣＡで生成される水素含有ガスを供給するための第１ガス流路を備える。

第一空間６０は、カソード端板２４Ｃとカソードセパレーター１６Ｕとの間に設けられた空間であれば、どのような構成であってもよい。また、第１ガス流路は、第一空間６０にカソードＣＡで生成される水素含有ガスを供給するための流路であれば、どのような構成であってもよい。

例えば、本実施形態の電気化学式水素ポンプ２００では、図７に示す如く、第１ガス流路は、筒状のカソードガス導出マニホールド５０と、カソードガス導出マニホールド５０と第一空間６０とを連通するカソードガス供給経路５１とを備える。

ここで、第一空間６０は、カソード端板２４Ｃの中央部に設けられた凹部とカソード絶縁板２３Ｃの中央部に設けられた開口とによって構成されている。

また、カソードガス供給経路５１は、カソード端板２４Ｃの凹部内（第一空間６０）とカソードガス導出マニホールド５０の端部とを連通するカソード端板２４Ｃの主面に設けられた溝によって構成されている。

このようにして、本実施形態の電気化学式水素ポンプ２００は、水素ポンプユニット１００のカソードＣＡで生成される高圧の水素含有ガスを、カソードガス導出マニホールド５０およびカソードガス供給経路５１を通じてカソード端板２４Ｃとカソードセパレーター１６との間に設けられた第一空間６０に供給することができる。つまり、第一空間６０内に高圧の水素含有ガスを滞留させることができる。

ここで、水素ポンプユニット１００Ｕとカソード端板２４Ｃとの間に設けられた第一空間６０の水素含有ガス圧は、水素ポンプユニット１００のカソードＣＡ内の水素含有ガス圧とほぼ同等の高圧である。すると、第一空間６０内の水素含有ガスによって、水素ポンプユニット１００Ｕのカソードセパレーター１６Ｕに付与される荷重は、カソードＣＡ内の水素含有ガス圧に起因するカソードセパレーター１６Ｕの変形（たわみ）を抑えるように作用する。

これに対して、水素ポンプユニット１００Ｄとアノード端板２４Ａとの間には、水素ポンプユニット１００のカソードＣＡ内の水素含有ガス圧とほぼ同等の高圧の水素含有ガスを貯える空間が存在しない。このため、水素ポンプユニット１００Ｄのアノードセパレーター１７Ｄには、カソードＣＡ内の水素含有ガス圧に起因するアノードセパレーター１７Ｄの変形（たわみ）を抑えるような荷重が付与されない。つまり、水素ポンプユニット１００Ｄでは、水素ポンプユニット１００Ｕに比べて、水素ポンプユニット１００のカソードＣＡ内の水素含有ガス圧によって、水素ポンプユニット１００Ｄを構成する部材間に隙間が生じやすくなる。

そこで、本実施形態の電気化学式水素ポンプ２００は、締結器２５の締結によりカソードガス拡散層１４が圧縮される厚みの大きさが、水素ポンプユニット１００Ｄのカソードガス拡散層１４の方が、水素ポンプユニット１００Ｕのカソードガス拡散層１４よりも大きくなるように構成されている。なお、このとき、締結器２５の締結により水素ポンプユニット１００Ｕのカソードガス拡散層１４が圧縮される厚みは、締結器２５の締結により水素ポンプユニット１００Ｍのカソードガス拡散層１４が圧縮される厚みとほぼ同じであってもよい。

以上により、本実施形態の電気化学式水素ポンプ２００は、水素ポンプユニット１００Ｄを構成する部材間に隙間が生じる可能性を低減することができる。

本実施形態の電気化学式水素ポンプ２００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２実施例および第１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２００と同様であってもよい。

（第３実施形態）
図８は、第３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８には、平面視において電気化学式水素ポンプ２００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２００の垂直断面が示されている。

本実施形態の電気化学式水素ポンプ２００は、以下に説明する第二空間６１および第２ガス流路を備えること、および、上段の水素ポンプユニット１００Ｕと下段の水素ポンプユニット１００Ｄとで締結器２５の締結によりカソードガス拡散層１４（図２Ｂ参照）が圧縮される厚みが異なること以外は、第１実施形態の電気化学式水素ポンプ２００と同様である。

本実施形態の電気化学式水素ポンプ２００は、アノード端板２４Ａと、水素ポンプユニット１００のうちアノード端板２４Ａ側の端に位置する水素ポンプユニット１００Ｄとの間に、カソードガス流路３２から排出された水素含有ガスを貯える第二空間６１が設けられている。

また、電気化学式水素ポンプ２００は、アノード端板２４Ａと水素ポンプユニット１００Ｄのアノードセパレーター１７Ｄとの間に設けられた第二空間６１にカソードＣＡで生成される水素含有ガスを供給するための第２ガス流路を備える。

第二空間６１は、アノード端板２４Ａとアノードセパレーター１７Ｄとの間に設けられた空間であれば、どのような構成であってもよい。また、第２ガス流路は、第二空間６１にカソードＣＡで生成される水素含有ガスを供給するための流路であれば、どのような構成であってもよい。

例えば、本実施形態の電気化学式水素ポンプ２００では、図８に示す如く、第２ガス流路は、筒状のカソードガス導出マニホールド５０と、カソードガス導出マニホールド５０と第二空間６１とを連通するカソードガス供給経路５２とを備える。

ここで、第二空間６１は、アノード端板２４Ａの中央部に設けられた凹部とアノード絶縁板２３Ａの中央部に設けられた開口とによって構成されている。

また、カソードガス供給経路５２は、アノード端板２４Ａの凹部内（第二空間６１）とカソードガス導出マニホールド５０の端部とを連通するアノード端板２４Ａの主面に設けられた溝によって構成されている。

このようにして、本実施形態の電気化学式水素ポンプ２００は、水素ポンプユニット１００のカソードＣＡで生成される高圧の水素含有ガスを、カソードガス導出マニホールド５０およびカソードガス供給経路５２を通じてアノード端板２４Ａとアノードセパレーター１７Ｄとの間に設けられた第二空間６１に供給することができる。つまり、第二空間６１内に高圧の水素含有ガスを滞留させることができる。

ここで、水素ポンプユニット１００Ｄとアノード端板２４Ａとの間に設けられた第二空間６１の水素含有ガス圧は、水素ポンプユニット１００のカソードＣＡ内の水素含有ガス圧とほぼ同等の高圧である。すると、第二空間６１内の水素含有ガスによって、水素ポンプユニット１００Ｄのアノードセパレーター１７Ｄに付与される荷重は、カソードＣＡ内の水素含有ガス圧に起因するアノードセパレーター１７Ｄの変形（たわみ）を抑えるように作用する。

これに対して、水素ポンプユニット１００Ｕとカソード端板２４Ｃとの間には、水素ポンプユニット１００のカソードＣＡ内の水素含有ガス圧とほぼ同等の高圧の水素含有ガスを貯える空間が存在しない。このため、水素ポンプユニット１００Ｕのカソードセパレーター１６Ｕには、カソードＣＡ内の水素含有ガス圧に起因するカソードセパレーター１６Ｕの変形（たわみ）を抑えるような荷重が付与されない。つまり、水素ポンプユニット１００Ｕでは、水素ポンプユニット１００Ｄに比べて、水素ポンプユニット１００のカソードＣＡ内の水素含有ガス圧によって、水素ポンプユニット１００Ｕを構成する部材間に隙間が生じやすくなる。

そこで、本実施形態の電気化学式水素ポンプ２００は、締結器２５の締結によりカソードガス拡散層１４が圧縮される厚みの大きさが、水素ポンプユニット１００Ｕのカソードガス拡散層１４の方が、水素ポンプユニット１００Ｄのカソードガス拡散層１４よりも大きくなるように構成されている。なお、このとき、締結器２５の締結により水素ポンプユニット１００Ｄのカソードガス拡散層１４が圧縮される厚みは、締結器２５の締結により水素ポンプユニット１００Ｍのカソードガス拡散層１４が圧縮される厚みとほぼ同じであってもよい。

以上により、本実施形態の電気化学式水素ポンプ２００は、水素ポンプユニット１００Ｕを構成する部材間に隙間が生じる可能性を低減することができる。

本実施形態の電気化学式水素ポンプ２００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２実施例および第１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２００と同様であってもよい。

第１実施形態、第１実施形態の第１実施例−第２実施例、第１実施形態の第１変形例−第２変形例、第２実施形態および第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。

上記説明から、当業者にとっては、本開示の多くの改良や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できる。

本開示の一態様は、従来に比べて、水素ポンプユニットを構成する部材間の接触抵抗の増加を簡易かつ適切に抑制し得る電気化学式水素ポンプ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
１４Ｄ ：カソードガス拡散層
１４Ｍ ：カソードガス拡散層
１４Ｕ ：カソードガス拡散層
１５ ：アノードガス拡散層
１６ ：カソードセパレーター
１６Ｄ ：カソードセパレーター
１６Ｍ ：カソードセパレーター
１６Ｕ ：カソードセパレーター
１７ ：アノードセパレーター
１７Ｄ ：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
５１ ：カソードガス供給経路
５２ ：カソードガス供給経路
６０ ：第一空間
６１ ：第二空間
７０ ：凸部
１００ ：水素ポンプユニット
１００Ｄ ：水素ポンプユニット
１００Ｍ ：水素ポンプユニット
１００Ｕ ：水素ポンプユニット
１０２ ：電圧印加器
２００ ：電気化学式水素ポンプ
ＡＮ ：アノード
ＣＡ ：カソード

Claims (8)

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触媒層、前記電解質膜の他方の主面上に設けられたカソード触媒層、前記アノード触媒層上に設けられたアノードガス拡散層、前記アノードガス拡散層上に設けられたアノードセパレーター、前記カソード触媒層上に設けられたカソードガス拡散層、および前記カソードガス拡散層上に設けられたカソードセパレーターを備える水素ポンプユニットと、
   少なくとも３つ以上の積層された前記水素ポンプユニットの積層方向の両端上に設けられた第１の端板および第２の端板と、前記第１の端板と前記第２の端板を締結して、前記水素ポンプユニットを積層方向に圧縮する締結器と、を備え、
   少なくとも３つ以上の積層された前記水素ポンプユニットの前記カソードガス拡散層から流出するカソードガスが流れるカソードガス流路は連通されており、
   前記締結器の締結により前記カソードガス拡散層が圧縮される厚みの大きさは、前記積層された水素ポンプユニットの両端の少なくとも一方の端に位置する前記水素ポンプユニットの前記カソードガス拡散層の方が、前記積層された水素ポンプユニットの両端に位置しない前記水素ポンプユニットの前記カソードガス拡散層よりも大きい電気化学式水素ポンプ。
2. 前記締結器による締結前において、
   前記積層された水素ポンプユニットの両端の少なくとも一方の端に位置する前記水素ポンプユニットの前記カソードガス拡散層の厚みが、前記積層された水素ポンプユニットの両端に位置しない前記水素ポンプユニットの前記カソードガス拡散層の厚みよりも大きい請求項１に記載の電気化学式水素ポンプ。
3. 前記カソードセパレーターは、前記カソードガス拡散層を設置する凹部が設けられ、
   前記締結器による締結前において、
   前記積層された水素ポンプユニットの両端の少なくとも一方の端に位置する前記水素ポンプユニットの前記カソードセパレーターの凹部から突出する前記カソードガス拡散層の厚みは、前記積層された水素ポンプユニットの両端に位置しない前記水素ポンプユニットの前記カソードセパレーターの凹部から突出する前記カソードガス拡散層の厚みよりも大きい請求項１に記載の電気化学式水素ポンプ。
4. 前記積層された水素ポンプユニットの両端の少なくとも一方の端に位置する前記水素ポンプユニットの前記カソードセパレーターの凹部の深さは、前記積層された水素ポンプユニットの両端に位置しない前記水素ポンプユニットの前記カソードセパレーターの凹部の深さよりも浅い請求項３に記載の電気化学式水素ポンプ。
5. 前記積層された水素ポンプユニットの両端の少なくとも一方の端に位置する前記水素ポンプユニットの前記カソードガス拡散層の前記カソードセパレーター側の主面には、凸部が設けられている請求項１−４のいずれか１項に記載の電気化学式水素ポンプ。
6. 前記締結器による締結前において、
   前記積層された水素ポンプユニットの両端の少なくとも一方の端に位置する前記水素ポンプユニットの前記カソードガス拡散層の厚み方向の電気抵抗が、前記積層された水素ポンプユニットの両端に位置しない前記水素ポンプユニットの前記カソードガス拡散層の厚み方向の電気抵抗よりも大きい請求項１−５のいずれか１項に記載の電気化学式水素ポンプ。
7. 前記第１の端板と、前記積層された水素ポンプユニットのうち前記第１の端板側の端に位置する前記水素ポンプユニットとの間に、前記カソードガス流路から排出された水素含有ガスを貯える第一空間が設けられ、
   前記締結器の締結により前記カソードガス拡散層が圧縮される厚みの大きさは、前記積層された水素ポンプユニットのうち前記第２の端板側の端に位置する前記水素ポンプユニットの前記カソードガス拡散層の方が、前記積層された水素ポンプユニットのうち前記第１の端板側の端に位置する前記水素ポンプユニットの前記カソードガス拡散層よりも大きい請求項１−６のいずれか１項に記載の電気化学式水素ポンプ。
8. 前記第２の端板と、前記積層された水素ポンプユニットのうち前記第２の端板側の端に位置する前記水素ポンプユニットとの間に、前記カソードガス流路から排出された水素含有ガスを貯える第二空間が設けられ、
   前記締結器の締結により前記カソードガス拡散層が圧縮される厚みの大きさは、前記積層された水素ポンプユニットのうち前記第１の端板側に位置する前記水素ポンプユニットの前記カソードガス拡散層の方が、前記積層された水素ポンプユニットのうち前記第２の端板側の端に位置する前記水素ポンプユニットの前記カソードガス拡散層よりも大きい請求項１−６のいずれか１項に記載の電気化学式水素ポンプ。
   

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