JP2024161631A - 電気化学式水素ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】アノードおよびカソード間の差圧に起因して生じる問題を従来よりも軽減し得る電気化学式水素ポンプを提供する。
【解決手段】電気化学式水素ポンプは、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と、電解質膜の他方の主面上に設けられたカソードと、アノード上に設けられたアノードセパレーターと、カソード上に設けられたカソードセパレーターと、アノードとカソードとの間に電圧を印加する電圧印加器とを備え、電圧印加器によって上記電圧を印加することで、アノードに供給される水素含有ガス中の水素を、電解質膜を介して前記カソードに移動させ、圧縮水素を生成する装置である。アノードは、アノード触媒層と、アノードガス拡散層を含み、アノードガス拡散層は、アノードセパレーター側の主面の表面粗さが、アノード触媒層側の主面の表面粗さより大きい。
【選択図】図１Ａ

Description

本開示は電気化学式水素ポンプに関する。

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生成せず、地球温暖化の原因となる二酸化炭素が排出されずかつ窒素酸化物などもほとんど排出されないので、クリーンエネルギーとして期待されている。また、水素を燃料として高効率に利用する装置として、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には、アノードガス拡散層が金属多孔体シートで構成された電気化学式水素ポンプが記載されている。

また、特許文献２には、多孔質金属フロー構造がチタン粉末焼結体で構成された電気化学セルが記載されている。そして、このチタン粉末焼結体について、研磨加工またはエッチング加工により主面の表面粗さを低減することが提案されている。

特開２０１９－１５７１９０号公報 特許第６６０８２７７号公報

本開示の一態様（aspect）は、一例として、アノードおよびカソード間の差圧に起因して生じる問題を従来よりも軽減し得る電気化学式水素ポンプ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と、前記電解質膜の他方の主面上に設けられたカソードと、前記アノード上に設けられたアノードセパレーターと、前記カソード上に設けられたカソードセパレーターと、前記アノードと前記カソードとの間に電圧を印加する電圧印加器とを備え、前記電圧印加器が前記電圧を印加することで、前記アノードに供給される水素含有ガス中の水素を、前記電解質膜を介して前記カソードに移動させ、圧縮水素を生成する電気化学式水素ポンプであって、前記アノードは、アノード触媒層と、アノードガス拡散層を含み、前記アノードガス拡散層は、前記アノードセパレーター側の主面の表面粗さが、前記アノード触媒層側の主面の表面粗さより大きい。

本開示の一態様の電気化学式水素ポンプは、アノードおよびカソード間の差圧に起因して生じる問題を従来よりも軽減し得る、という効果を奏する。

図１Ａは、実施形態の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。 図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、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、アノードガス拡散層の主面の表面粗さと撥水性との関係を検証するための実験結果の一例を示す写真である。

電気化学式水素ポンプでは、電気化学式水素ポンプのカソードに存在する水が、カソードおよびアノード間の差圧によって電解質膜を介してアノードに浸透する。すると、このような電気化学式水素ポンプは、アノードでフラッディングが発生することで、水素圧縮動作の効率が低下する可能性がある。

また、電気化学式水素ポンプでは、カソードおよびアノード間の差圧によって電解質膜がアノード触媒層を介してアノードガス拡散層に押し付けられたとき、アノードガス拡散層の主面の凹凸による電解質膜の破膜が発生する可能性がある。

そこで、本開示者らは、以上の問題に対して鋭意検討を行った結果、アノードガス拡散層の一対の主面の表面粗さを適切に設定することで、電気化学式水素ポンプのカソードおよびアノード間の差圧に起因して生じる問題を軽減し得ることを見出して、以下の本開示の一態様に想到した。

なお、特許文献２においては、上記のとおり、チタン粉末焼結体の研磨加工またはエッチング加工によって本焼結体の主面の表面粗さを低減することが提案されているが、これは、電気化学セルにおける構成部材間の接触抵抗低減のために行われる加工である。つまり、特許文献２では、アノードガス拡散層の一対の主面の表面粗さの大小関係については検討されていない。

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と、電解質膜の他方の主面上に設けられたカソードと、アノード上に設けられたアノードセパレーターと、カソード上に設けられたカソードセパレーターと、アノードとカソードとの間に電圧を印加する電圧印加器とを備え、電圧印加器が上記電圧を印加することで、アノードに供給される水素含有ガス中の水素を、電解質膜を介してカソードに移動させ、圧縮水素を生成する電気化学式水素ポンプであって、アノードは、アノード触媒層と、アノードガス拡散層を含み、アノードガス拡散層は、アノードセパレーター側の主面の表面粗さが、アノード触媒層側の主面の表面粗さより大きい。

かかる構成によると、本態様の電気化学式水素ポンプは、アノードおよびカソード間の差圧に起因して生じる問題を従来よりも軽減し得る。

具体的には、アノードセパレーター側のアノードガス拡散層の主面の表面粗さをアノード触媒層側のアノードガス拡散層の主面の表面粗さより大きくすることにより、両主面の表面粗さの大小関係が逆である場合に比べて、アノードセパレーター側のアノードガス拡散層の主面における撥水性が向上する。これにより、本態様の電気化学式水素ポンプは、アノードセパレーター側のアノードガス拡散層の主面の撥水作用によって、アノードに存在する水が、水素含有ガスとともに外部に排水されやすくなる。すると、本態様の電気化学式水素ポンプは、アノードでフラディングが発生することが抑制され、アノードのフラディングで水素含有ガスの拡散性が阻害される可能性を低減することができる。よって、本態様の電気化学式水素ポンプは、水素圧縮動作の効率低下を抑制することができる。

また、アノード触媒層側のアノードガス拡散層の主面の表面粗さをアノードセパレーター側のアノードガス拡散層の主面の表面粗さより小さくすることにより、両主面の表面粗さの大小関係が逆である場合に比べて、アノード触媒層側のアノードガス拡散層の主面を平滑にすることができる。これにより、本態様の電気化学式水素ポンプは、アノードおよびカソード間の差圧によって電解質膜がアノード触媒層を介してアノードガス拡散層に押し付けられたとき、アノードガス拡散層の主面の凹凸による電解質膜の破膜を抑制することができる。

このようにして、本態様の電気化学式水素ポンプは、アノードガス拡散層の両主面の表面粗さの大小関係を適切に設定することで、アノードにおけるフラディングの抑制と電解質膜の破膜の抑制とを適切に両立させることができる。

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において、アノードガス拡散層は、金属多孔体シートを含む部材であってもよい。

本開示の第３態様の電気化学式水素ポンプは、第２態様の電気化学式水素ポンプにおいて、金属多孔体シートは、金属粒子焼結体シートであってもよい。

本開示の第４態様の電気化学式水素ポンプは、第１態様から第３態様のいずれか一つの電気化学式水素ポンプにおいて、アノードガス拡散層は、アノード触媒層側の主面の表面粗さＲａが４．５μｍ以下、または、アノード触媒層側の主面の表面粗さＲｚが２０μｍ以下であってもよい。

かかる構成によると、本態様の電気化学式水素ポンプにおいて、アノード触媒層側のアノードガス拡散層の主面の表面粗さＲａが４．５μｍ以下、または、アノード触媒層側のアノードガス拡散層の主面の表面粗さＲｚを２０μｍ以下にすることで、本主面の表面粗さが以上の値を上回る場合に比べて、アノードガス拡散層は、アノード触媒層側の主面の凹凸を適切に小さ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、アノードガス拡散層は、アノードセパレーター側の主面の表面粗さＲａが６μｍ以上、または、アノードセパレーター側の主面の表面粗さＲｚが２５μｍ以上であってもよい。

かかる構成によると、本態様の電気化学式水素ポンプにおいて、アノードセパレーター側のアノードガス拡散層の主面の表面粗さＲａを６μｍ以上、または、アノードセパレーター側のアノードガス拡散層の主面の表面粗さＲｚを２５μｍ以上にすることで、本主面の表面粗さが以上の値を下回る場合に比べて、アノードガス拡散層は、アノードセパレーター側の主面の撥水性を適切に向上させることができる。

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。

（実施形態）
［装置構成］
図１Ａおよび図２Ａは、実施形態の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。図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が圧縮する水素量などの運転条件をもとに適宜の数に設定することができる。

水素ポンプユニット１００Ａは、電解質膜１１と、アノードＡＮと、カソードＣＡと、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、電解質膜１１は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。電解質膜１１は、厚みが薄くするほど、プロトン導電性および水素分子の透過性が向上する。しかし、電解質膜１１の厚みが薄くすると、電解質膜１１の機械強度は低下する。このため、電解質膜１１の厚みは、例えば、７μｍ以上、１００μｍ以下であってもよい。

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。具体的には、アノード触媒層１３の主面と電解質膜の主面とが接触している。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。具体的には、カソード触媒層１２の主面と電解質膜１１の主面とが接触している。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を挙げることができるが、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。具体的には、カソードガス拡散層１４の主面とカソード触媒層１２の主面とが接触している。また、カソードガス拡散層１４は、多孔性材料で構成され、導電性およびガス拡散性を備える。さらに、カソードガス拡散層１４は、電気化学式水素ポンプ１００の動作時にカソードＣＡおよびアノードＡＮ間の差圧で発生する構成部材の変位、変形に適切に追従するような弾性を備える方が望ましい。

カソードガス拡散層１４は、カーボン繊維で構成されたカーボン多孔体シートであってもよい。例えば、カーボン多孔体シートは、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が、これらに限定されない。

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。具体的には、アノードガス拡散層１５の主面とアノード触媒層１３の主面とが接触している。また、アノードガス拡散層１５は、多孔性材料で構成され、導電性およびガス拡散性を備える。さらに、アノードガス拡散層１５は、電気化学式水素ポンプ１００の動作時にカソードＣＡおよびアノードＡＮ間の差圧で発生する構成部材の変位、変形を抑制可能な高剛性であることが望ましい。

アノードガス拡散層１５は、多孔体シート１５Ｓを備える部材である。多孔体シート１５Ｓは、金属多孔体シートであってもよいし、カーボン多孔体シートであってもよい。金属多孔体シートとして、例えば、チタン粒子、ステンレス粒子などで構成される金属粒子焼結体シートを挙げることができる。カーボン多孔体シートとして、例えば、カーボン粒子焼結体シートを挙げることができる。なお、アノードガス拡散層１５（多孔体シート１５Ｓ）の厚みは、例えば、０．１ｍｍ以上、１ｍｍ以下であってもよい。

本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００においては、アノードガス拡散層１５は、アノードセパレーター１７側の主面１５Ａの表面粗さが、アノード触媒層１３側の主面１５Ｂの表面粗さより大きい。

ここで、アノードセパレーター１７側のアノードガス拡散層１５の主面１５Ａの表面粗さをアノード触媒層１３側のアノードガス拡散層１５の主面１５Ｂの表面粗さより大きくすることにより、両主面１５Ａ、１５Ｂの表面粗さの大小関係が逆である場合に比べて、アノードセパレーター１７側のアノードガス拡散層１５の主面１５Ａにおける撥水性が向上する。この理由は、以下のとおりである。

一般的に、固体表面の撥水性は、固体表面上を静止した液体の表面が固体表面に接するところで液面と固体表面がなす角に相当する接触角の大きさによって定式化されている。固体表面が粗い場合における接触角θ_Aと固体表面が平滑な場合における接触角θ_Bとの関係は、一例として、下記Ｗｅｎｚｅｌの式（１）で表される。

ｃｏｓθ_A＝γ（γ_SG－γ_SL）／γ_LG＝γｃｏｓθ_B・・・（１）
式（１）において、γ_SG、γ_LGおよびγ_SLはそれぞれ、固体－気体間、液体－気体間、固体－液体間のそれぞれの界面自由エネルギーを表している。このとき、式（１）のγは、ラフネスファクターといい、表面粗さが付与された固体表面の見かけの面積の割合を示し、「１」以上の値となる。つまり、以上のＷｅｎｚｅｌの式（１）に従う場合、固体の表面エネルギーが、表面粗さが大きい方の固体表面では見かけ上、γ倍になるとされており、表面粗さが大きい固体表面における固体－液体間の接触面積増大によって、表面粗さが小さい固体表面に比べて撥水性が強調されることがわかる。

また、アノード触媒層１３側のアノードガス拡散層１５の主面１５Ｂの表面粗さをアノードセパレーター１７側のアノードガス拡散層１５の主面１５Ａの表面粗さより小さくすることにより、両主面１５Ａ、１５Ｂの表面粗さの大小関係が逆である場合に比べて、アノード触媒層１３側のアノードガス拡散層１５の主面１５Ｂを平滑にすることができる。

なお、以上のアノードガス拡散層１５を製造する方法、および、以上のアノードガス拡散層１５の主面の表面粗さと撥水性との関係を検証した実験結果については実施例で説明する。

さらに、アノードガス拡散層１５は、アノード触媒層１３およびアノードセパレーター１７との間で所望の導電性を確保するために、多孔体シート１５Ｓの少なくとも両主面に導電性コーティングが施されている。

例えば、メッキまたはＣＶＤコートなどを用いて、多孔体シート１５Ｓの両主面が、高導電性のシート状のコーティング膜で覆われていてもよいし、多孔体シート１５Ｓを構成する電極粒子の表面が、高導電性のコーティング膜で覆われていてもよい。

このようなコーティング膜として、抵抗が小さい白金メッキ膜などを挙げることができるが、これに限定されない。例えば、コーティング膜の素材として、白金の他、金、ルテニウムなどの他の貴金属、ダイヤモンドライクカーボン、金属炭化物、金属窒化物などを用いることもできる。

コーティング膜の厚みは、多孔体シート１５Ｓの厚みの１／１００以下に設定されていてもよい。このようなコーティング膜の厚みは、例えば、蛍光Ｘ線分析などで測定することができる。

アノードセパレーター１７は、アノードＡＮのアノードガス拡散層１５上に設けられている。カソードセパレーター１６は、カソードＣＡのカソードガス拡散層１４上に設けられている。そして、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のそれぞれの中央部には、凹部が設けられている。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１００Ａが形成されている。

図１Ａおよび図２Ａに示すように、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の主面は、カソードガス流路を設けずに平面で構成されている。これにより、カソードセパレーター１６の主面にカソードガス流路を設ける場合に比べて、カソードガス拡散層１４とカソードセパレーター１６との間で接触面積を大きくすることができる。すると、電気化学式水素ポンプ１００は、カソードガス拡散層１４とカソードセパレーター１６との間の接触抵抗を低減することができる。

これに対して、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２Ａの紙面に垂直な方向に延伸している。

ただし、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、アノードガス流路は、必ずしも金属シートの表面に設けられた流路溝で構成する必要はない。例えば、アノードガス流路は、金属シートの厚み方向に貫通する複数の細孔によって構成されていてもよい。この金属シートは、アノードガス拡散層１５を支持するためのパンチングメタルなどの支持板であってもよい。この場合、例えば、水素含有ガスが金属シートの中央部から金属シートの周囲端に向かって金属シートの面内を流れる間に、水素含有ガスの一部が、上記細孔を介してアノードガス拡散層１５に供給される。

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、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、カソードガス拡散層１４のそれぞれが連通する構成について説明する。

まず、図１Ａに示す如く、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ＣＡから排出される水素（Ｈ₂）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拡散層１４の適所と、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拡散層１４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拡散層１４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。なお、水素含有ガスとして、例えば、メタンガスなどを含有する都市ガス、およびプロパンを主成分とするＬＰＧなどの改質反応により発生する低圧状態の改質ガス、水の電気分解により発生する低圧状態の水素ガスなどを挙げることができる。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ＡＮとカソードＣＡとの間に電圧を印加する装置である。つまり、電気化学式水素ポンプ１００は、電圧印加器１０２が上記電圧を印加することで、アノードＡＮに供給された水素含有ガス中の水素を、電解質膜１１を介してカソード触媒層１２上に移動させ、圧縮水素を生成する装置である。

具体的には、電圧印加器１０２の高電位が、アノードＡＮに印加され、電圧印加器１０２の低電位が、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。例えば、電圧印加器１０２は、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。

図示を省略するが、上記の電気化学式水素ポンプ１００を備える水素システムを構築することもできる。この場合、水素システムの水素圧縮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。

また、水素システムには、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。

[動作]
以下、電気化学式水素ポンプ１００の水素圧縮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。以下の例では、制御器により動作を制御する場合について説明する。

まず、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮに低圧の水素含有ガスが供給されるとともに、電圧印加器１０２の電圧が電気化学式水素ポンプ１００に給電される。なお、電解質膜１１が湿潤された状態で、電解質膜１１のプロトンを伝導性が向上するので、水素含有ガスは、図示しない加湿器により加湿されることが多い。

すると、アノードＡＮのアノード触媒層１３において、水素分子がプロトンと電子とに分離する（式（２））。プロトンは電解質膜１１内を伝導してカソード触媒層１２に移動する。電子は電圧印加器１０２を通じてカソード触媒層１２に移動する。

そして、カソード触媒層１２において、水素分子が再び生成される（式（３））。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。

アノード：Ｈ₂（低圧）→２Ｈ⁺＋２ｅ^- ・・・（２）
カソード：２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｈ₂（高圧） ・・・（３）
このとき、図示しない流量調整器を用いて、適宜の水素導出経路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（Ｈ₂）を圧縮することができる。なお、水素導出経路として、例えば、図２Ａ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、カソードガス導出経路２６に設けられた背圧弁、調整弁などを挙げることができる。この場合、カソードガス導出経路２６の圧損を増加させるとは、カソードガス導出経路２６に設けられた背圧弁、調整弁の開度を小さくすることに対応する。

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が上記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中の水素がカソードＣＡにおいて圧縮される。これにより、電気化学式水素ポンプ１００の水素圧縮動作が行われる。なお、このとき、この水素圧縮動作により、アノードＡＮでは、水素含有ガス中の水素量が減少するとともに、水素含有ガス中の水蒸気が結露しやすくなる。また、カソードＣＡに存在する水が、カソードＣＡおよびアノードＡＮ間の差圧によって電解質膜１１を介してアノードＡＮに浸透する。つまり、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００においては、アノードＡＮの水素含有ガス出口の近傍において、フラディングが発生しやすい。

次に、カソードＣＡで圧縮された水素は、適時に、図示しない水素需要体に供給される。なお、水素需要体として、例えば、水素を一時的に貯蔵する水素貯蔵器、水素インフラの配管、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。例えば、水素需要体の一例である水素貯蔵器で貯蔵された水素は、適時に、水素需要体の一例である燃料電池に供給されてもよい。

以上のとおり、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間の差圧に起因して生じる問題を従来よりも軽減し得る。

具体的には、アノードセパレーター１７側のアノードガス拡散層１５の主面１５Ａの表面粗さをアノード触媒層１３側のアノードガス拡散層１５の主面１５Ｂの表面粗さより大きくすることにより、両主面１５Ａ、１５Ｂの表面粗さの大小関係が逆である場合に比べて、アノードセパレーター１７側のアノードガス拡散層１５の主面１５Ａにおける撥水性が向上する。これにより、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、アノードセパレーター１７側のアノードガス拡散層１５の主面１５Ａの撥水作用によって、アノードＡＮに存在する水が、水素含有ガスとともに外部に排水されやすくなる。すると、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、アノードＡＮでフラディングが発生することが抑制され、アノードＡＮのフラディングで水素含有ガスの拡散性が阻害される可能性を低減することができる。よって、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、水素圧縮動作の効率低下を抑制することができる。

また、アノード触媒層１３側のアノードガス拡散層１５の主面１５Ｂの表面粗さをアノードセパレーター１７側のアノードガス拡散層１５の主面１５Ａの表面粗さより小さくすることにより、両主面１５Ａ、１５Ｂの表面粗さの大小関係が逆である場合に比べて、アノード触媒層１３側のアノードガス拡散層１５の主面１５Ｂを平滑にすることができる。これにより、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間の差圧によって電解質膜１１がアノード触媒層１３を介してアノードガス拡散層１５に押し付けられたとき、アノードガス拡散層１５の主面１５Ｂの凹凸による電解質膜１１の破膜を抑制することができる。

このようにして、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、アノードガス拡散層１５の両主面１５Ａ、１５Ｂの表面粗さの大小関係を適切に設定することで、アノードＡＮにおけるフラディングの抑制と電解質膜１１の破膜の抑制とを適切に両立させることができる。

（実施例）
＜第１実施例＞
上記のとおり、アノード触媒層１３側のアノードガス拡散層１５の主面１５Ｂの表面粗さは、アノードセパレーター１７側のアノードガス拡散層１５の主面１５Ａの表面粗さより小さい。

具体的には、例えば、アノード触媒層１３側のアノードガス拡散層１５の主面１５Ｂの表面粗さＲａが４．５μｍ以下、または、アノード触媒層１３側のアノードガス拡散層１５の主面１５Ｂの表面粗さＲｚが２０μｍ以下であることが適当である。

これにより、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００において、アノード触媒層１３側のアノードガス拡散層１５の主面１５Ｂの表面粗さＲａが４．５μｍ以下、または、アノード触媒層１３側のアノードガス拡散層１５の主面１５Ｂの表面粗さＲｚを２０μｍ以下にすることで、本主面１５Ｂの表面粗さが以上の値を上回る場合に比べて、アノードガス拡散層１５は、アノード触媒層１３側の主面１５Ｂの凹凸を適切に小さくすることができる。例えば、アノード触媒層１３側のアノードガス拡散層１５の主面１５Ｂの凹凸の大きさを電解質膜１１の厚みとの関係に対して適切に設定することで、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間の差圧によって電解質膜１１がアノード触媒層１３を介してアノードガス拡散層１５に押し付けられたとき、アノードガス拡散層１５の主面１５Ｂの凹凸による電解質膜１１の破膜が抑制される。また、アノード触媒層１３側のアノードガス拡散層１５の主面１５Ｂの表面粗さＲａが２μｍ以上、または、アノード触媒層１３側のアノードガス拡散層１５の主面１５Ｂの表面粗さＲｚが１０μｍ以上であることが望ましい。これよりも上記主面１５Ｂの表面粗さを小さくすると、アノードガス拡散層１５の穴径を小さくする必要があり、アノードＡＮに供給された水素含有ガスがアノード触媒層１３に適切に供給されにくくなるためである。

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、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＞
上記のとおり、アノードセパレーター１７側のアノードガス拡散層１５の主面１５Ａの表面粗さは、アノード触媒層１３側のアノードガス拡散層１５の主面１５Ｂの表面粗さより大きい。

具体的には、例えば、アノードセパレーター１７側のアノードガス拡散層１５の主面１５Ａの表面粗さＲａが６μｍ以上、または、アノードセパレーター１７側のアノードガス拡散層１５の主面１５Ａの表面粗さＲｚが２５μｍ以上であることが適当である。

これにより、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００において、アノードセパレーター１７側のアノードガス拡散層１５の主面１５Ａの表面粗さＲａを６μｍ以上、または、アノードセパレーター１７側のアノードガス拡散層１５の主面１５Ａの表面粗さＲｚを２５μｍ以上にすることで、本主面１５Ａの表面粗さが以上の値を下回る場合に比べて、アノードガス拡散層１５は、アノードセパレーター１７側の主面１５Ａの撥水性を適切に向上させることができる。また、アノードセパレーター１７側のアノードガス拡散層１５の主面１５Ａの表面粗さＲａが２０μｍ以下、または、アノードセパレーター１７側のアノードガス拡散層１５の主面１５Ａの表面粗さＲｚは１００μｍ以下であることが望ましい。これは、上記主面１５Ａの表面粗さが大きくなるほど、アノードセパレーター１７との接触抵抗が悪化し、電気化学式水素ポンプ１００の効率が低下するからである。

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、実施形態または第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。

＜アノードガス拡散層の成形法＞
次に、以上のアノードガス拡散層１５の成形法について説明する。

上記のとおり、アノードガス拡散層１５は、多孔体シート１５Ｓを含み、多孔体シート１５Ｓの一例が金属粒子焼結体シートである。

そこで、このような金属粒子焼結体シートの成形法として、例えば、プレス成形法などを挙げることができる。このとき、金属粒子基材をプレス成形で加工するための上下の金型の表面粗さが異なると、表面粗さが異なる主面を備える金属粒子焼結体シートが得ることができる。金属粒子焼結体シートの成形法は、プレス成形法に限定されない。例えば、金属粒子焼結体シートの成形は、例えば、金属粒子射出成形法などで行われてもよい。

なお、以上のプレス成形法または金属粒子射出成形法に用いる金属粒子の材料として、例えば、チタン、ステンレスなどを挙げることができる。金属粒子としてチタン粒子を使用する場合、チタン粒子の製法としては、水素化脱水素法またはガスアトマイズ法などを挙げることができる。

＜アノードガス拡散層の主面の表面粗さと撥水性との関係を検証した実験＞
図３は、アノードガス拡散層の主面の表面粗さと撥水性との関係を検証するための実験結果の一例を示す写真である。図３の上段には鳥瞰写真が示されており、下段には斜視写真が示されている。

本検証実験では、表面粗さが大きい表面Ａを備える円盤状のチタン粒子焼結体シートおよび表面粗さが小さい表面Ｂを備える円盤状のチタン粒子焼結体シートを作製した。

なお、表面Ａおよび表面Ｂの表面粗さを表すための「算術平均粗さ」および「最大高さ」が、接触式表面粗さ測定機（株式会社ミツトヨ製の「サーフテストＳＪ―２１０」）を用いて、ＪＩＳ Ｂ０６０１：２００１に基づいて測定され、これらの測定結果は、以下の通りであった。

・表面Ａ
表面粗さ（算術平均高さ）Ｒａ：６．６μｍ／表面粗さ（最大高さ）Ｒｚ：３８．４μｍ
・表面Ｂ
表面粗さ（算術平均高さ）Ｒａ：２．７μｍ／表面粗さ（最大高さ）Ｒｚ：１６．５μｍ
次に、底面の外形が、チタン粒子焼結体シートの外形とほぼ同形のシャーレを準備した。そして、チタン粒子焼結体シートのそれぞれを、これらの裏面がシャーレのそれぞれの底面と接触するように、シャーレ内に固定した。その後、シャーレ内のそれぞれに同量の水を入れた。すると、シャーレ内の水は、チタン粒子焼結体シート中を浸透するが、その一部は、チタン粒子焼結体シートのそれぞれの表面Ａおよび表面Ｂ上を濡らすように溢れた。この状態で、チタン粒子焼結体シートの表面Ａおよび表面Ｂにおける水の濡れ性を観察した。

図３に示すように、表面粗さが大きい表面Ａでは、チタン粒子焼結体シート上に存在する水の端部、および、水によって濡れていない固体表面が観察され、これにより、表面Ａは、表面Ｂに比べて撥水性が高いことがわかる。

これに対して、表面粗さが小さい表面Ｂでは、チタン粒子焼結体シートのほぼ全域に亘って水が濡れ広がることが観察され、これにより、表面Ｂは、表面Ａに比べて撥水性が低いことがわかる。

なお、以上の検証実験の方法および表面粗さを表すためのデータなどは例示であって、本例に限定されない。

実施形態および第１実施形態の第１実施例－第２実施例、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。

本開示の一態様は、アノードおよびカソード間の差圧に起因して生じる問題を従来よりも軽減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
１５ ：アノードガス拡散層
１５Ａ ：主面
１５Ｂ ：主面
１５Ｓ ：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
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
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
ＡＮ ：アノード
ＣＡ ：カソード

Claims (5)

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と、
   前記電解質膜の他方の主面上に設けられたカソードと、
   前記アノード上に設けられたアノードセパレーターと、
   前記カソード上に設けられたカソードセパレーターと、
   前記アノードと前記カソードとの間に電圧を印加する電圧印加器とを備え、
   前記電圧印加器が前記電圧を印加することで、前記アノードに供給される水素含有ガス中の水素を、前記電解質膜を介して前記カソードに移動させ、圧縮水素を生成する電気化学式水素ポンプであって、
   前記アノードは、アノード触媒層と、アノードガス拡散層を含み、
   前記アノードガス拡散層は、前記アノードセパレーター側の主面の表面粗さが、前記アノード触媒層側の主面の表面粗さより大きい電気化学式水素ポンプ。
2. 前記アノードガス拡散層は、金属多孔体シートを含む請求項１に記載の電気化学式水素ポンプ。
3. 前記金属多孔体シートは、金属粒子焼結体シートである請求項２に記載の電気化学式水素ポンプ。
4. 前記アノードガス拡散層は、前記アノード触媒層側の主面の表面粗さＲａが４．５μｍ以下、または、前記アノード触媒層側の主面の表面粗さＲｚが２０μｍ以下である請求項１－３のいずれか１項に記載の電気化学式水素ポンプ。
5. 前記アノードガス拡散層は、前記アノードセパレーター側の主面の表面粗さＲａが６μｍ以上、または、前記アノードセパレーター側の主面の表面粗さＲｚが２５μｍ以上である請求項１－４のいずれか１項に記載の電気化学式水素ポンプ。

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