WO2020095836A1 - 電気化学式水素ポンプ - Google Patents

電気化学式水素ポンプ Download PDF

Info

Publication number
WO2020095836A1
WO2020095836A1 PCT/JP2019/043015 JP2019043015W WO2020095836A1 WO 2020095836 A1 WO2020095836 A1 WO 2020095836A1 JP 2019043015 W JP2019043015 W JP 2019043015W WO 2020095836 A1 WO2020095836 A1 WO 2020095836A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
cathode
space portion
anode
space
stacking direction
Prior art date
Application number
PCT/JP2019/043015
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
徳彦 川畑
酒井　修
鵜飼　邦弘
貴之 中植
Original Assignee
パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 filed Critical パナソニックＩｐマネジメント株式会社
Priority to CN201980071921.8A priority Critical patent/CN112955584A/zh
Priority to JP2020556040A priority patent/JPWO2020095836A1/ja
Priority to US17/288,094 priority patent/US20210376339A1/en
Publication of WO2020095836A1 publication Critical patent/WO2020095836A1/ja

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04097—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/17—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof
    • C25B9/19—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms
    • C25B9/23—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms comprising ion-exchange membranes in or on which electrode material is embedded
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/60—Constructional parts of cells
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
    • C25B9/73—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type
    • C25B9/75—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type having bipolar electrodes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
    • C25B9/73—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type
    • C25B9/77—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type having diaphragms
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04201—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the present disclosure relates to an electrochemical hydrogen pump that compresses hydrogen.
  • Electrochemical hydrogen pumps have many advantages over conventional mechanical hydrogen compressors, such as compactness, high efficiency, no maintenance required because there are no mechanical operating parts, and almost no noise. There is a strong demand for its development and practical application.
  • the method envisioned for small hydrogen filling devices uses an electrochemical hydrogen pump to generate hydrogen generated by the fuel reformer of a home fuel cell when the fuel cell operation is stopped. This is a method of electrochemically compressing hydrogen.
  • Such an electrochemical hydrogen pump has the following merits in addition to the merits described above.
  • the concentration of hydrogen that can be generated using the fuel reformer is at most 75%, but the electrochemical hydrogen pump generates hydrogen at a concentration of almost 100%, which is required for fuel cell vehicles. be able to. Further, the electrochemical hydrogen pump can, in principle, raise the pressure of the hydrogen to an extremely high pressure at which the fuel cell vehicle can be filled.
  • the structure of the electrochemical hydrogen pump is almost the same as the power generation stack in a home fuel cell. Therefore, there is a possibility that the cost of the member can be reduced by using the production line of the member of the fuel cell that has already been mass-produced as it is.
  • the electrochemical hydrogen pump unlike the fuel cell power generation stack, requires a special structure to support the electrolyte membrane interposed between the anode and cathode electrodes. The reason is that the pressure of the cathode must be made extremely higher than the pressure of the anode supplying low-pressure hydrogen so that the fuel cell vehicle can be filled with hydrogen.
  • FIG. 1A and 1B show a structure of a conventional fuel cell power generation stack 1.
  • FIG. 1A is a schematic cross-sectional view including a cathode entrance and exit of the power generation stack 1.
  • FIG. 1B is a schematic cross-sectional view including an anode inlet / outlet of the power generation stack 1.
  • a single battery cell m1 In the power generation stack 1, as shown in FIGS. 1A and 1B, a single battery cell m1, a single battery cell m2, and a single battery cell m3 are stacked.
  • the single battery cell may be referred to as a “single cell” or a “cell”. Further, here, the case where three single battery cells are stacked is given as an example, but the number of single battery cells is not limited to this.
  • the single battery cell m1, the single battery cell m2, and the single battery cell m3 all have the same structure.
  • the uppermost unit cell m1 will be described.
  • the anode diffusion layer 5 and the cathode diffusion layer 6 sandwich the electrolyte membrane 2 having the anode electrode layer 3 and the cathode electrode layer 4 formed therein. Further, the anode separator 7 and the cathode separator 8 are sandwiched on the outside thereof.
  • a seal 9b is provided around the anode diffusion layer 5
  • a seal 9a is provided around the cathode diffusion layer 6
  • a seal 9c is provided around the electrolyte membrane 2. It is provided.
  • the single battery cell m2 and the single battery cell m3 have the same laminated structure as the single battery cell m1. After stacking the single battery cell m3, the single battery cell m2, and the single battery cell m1 in order from the bottom, the outside thereof is sandwiched between the anode insulating plate 11 and the cathode insulating plate 12. Further, after sandwiching the outer side between the anode end plate 13 and the cathode end plate 14, the bolt 15 and the nut 10 are fastened.
  • the anode inlet 16 is used as a low-pressure hydrogen supply port, and the anode outlet 17 is used to recover surplus low-pressure hydrogen. That is, the low-pressure hydrogen supplied from the anode inlet 16 passes through the anode inlet manifold 21a, the anode inlet lateral introduction path 21b of each unit cell, and the anode inlet vertical introduction path 21c of each unit cell, and the anode diffusion layer. Inflow to 5. Excess hydrogen is recovered from the anode outlet 17 through the anode outlet vertical introduction passage 21d, the anode outlet horizontal introduction passage 21e, and the anode outlet manifold 21f of each unit cell.
  • the high-pressure hydrogen in the cathode diffusion layer 6 of each unit cell which is generated by an electrochemical reaction to be described later, passes through the cathode inlet vertical introduction passage 22c, the cathode inlet horizontal introduction passage 22b, and the cathode inlet manifold 22a, and then enters the cathode inlet. Taken out from 18.
  • the cathode outlet 19 is not used normally, it is sealed, but in some cases, the high-pressure hydrogen is passed through the cathode outlet vertical introduction passage 22d, the cathode outlet horizontal introduction passage 22e, and the cathode outlet manifold 22f. It is also possible to take out from the cathode outlet 19.
  • the protons dissociated in the anode electrode layer 3 move along with the water molecules in the electrolyte membrane 2.
  • the electrons dissociated in the anode electrode layer 3 pass from the anode diffusion layer 5 through the anode separator 7 and the other unit cells and the power source 20 to the cathode separator 8 and the cathode diffusion layer 6, and further the cathode electrode layer 4. Move to.
  • R is a gas constant (8.3145 J / K ⁇ mol)
  • T is a temperature (K) of a single battery cell
  • F is a Faraday constant (96485 C / mol)
  • P2 is a cathode side pressure
  • P1 is an anode.
  • the side pressure, i is the current density (A / cm 2 )
  • r is the single cell resistance ( ⁇ ⁇ cm 2 ).
  • FIG. 1C is a diagram showing a part of a cross section including a cathode inlet / outlet of the power generation stack 1 shown in FIG. 1A.
  • the state in which the space in which the cathode diffusion layer 6 is housed expands due to the increase in the hydrogen pressure P2 on the cathode side is represented by only one single battery cell (for example, single battery cell m1).
  • the space in which the cathode diffusion layer 6 is housed expands in the stacking direction (vertical direction in the drawing), the contact pressure between the cathode diffusion layer 6 and the cathode separator 8, and the cathode diffusion layer 6 and the cathode electrode layer 4.
  • the contact pressure with and decreases, and the contact resistance increases.
  • the current for boosting a certain amount of hydrogen is constant, but the voltage required to flow this current becomes large, and more electric power is required for raising a certain amount of hydrogen. That is, the efficiency of the hydrogen pump is reduced.
  • FIG. 2 shows a schematic cross-sectional view of the electrochemical hydrogen pump 23 of Patent Document 1.
  • FIG. 2 the same components as those in FIGS. 1A to 1C are designated by the same reference numerals.
  • the electrochemical hydrogen pump 23 is created as follows.
  • the anode insulating plate 11 the single battery cell m3, the single battery cell m2, the single battery cell m1, and the cathode insulating plate 12 are housed.
  • the lid type end plate 14b with the flat spring 14d, the folder 14c and the cylinder 14a attached is placed on the box type end plate 13a.
  • a press machine (not shown) is used to compress the box-type end plate 13a and the lid-type end plate 14b until they come into close contact with each other. In this compressed state, the box-type end plate 13a and the lid-type end plate 14b are fixed by the bolts 15.
  • the cylinder 14a is mounted in the space 14ba inside the lid-type end plate 14b via the seal 9d.
  • the cylinder 14a is movable in the ⁇ y directions (vertical direction in the drawing) within the space 14ba.
  • the anode insulating plate 11, the single battery cell m1, the single battery cell m2, the single battery cell m3, and the cathode insulating plate 12 are subjected to the restoring force of the flat spring 14d via the cylinder 14a and the folder 14c. Is pressed against the bottom surface of the box-shaped end plate 13a.
  • the electrode layers on the anode side and the cathode side, the diffusion layers, and the separators are pressed against the electrolyte membrane inside the single battery cells m1, the single battery cells m2, and the single battery cells m3. Therefore, the contact resistance can be suppressed low.
  • each of the box-type end plate 13a and the lid-type end plate 14b must be sufficiently large. Therefore, there is a problem that the weight of each member becomes extremely large, it is difficult to handle as a household hydrogen filling device, and it becomes an obstacle to cost reduction.
  • An object of one aspect of the present disclosure is to provide an electrochemical hydrogen pump that can realize a lightweight and compact structure and can suppress a decrease in efficiency due to an increase in contact resistance.
  • An electrochemical hydrogen pump includes at least one unit cell having an anode separator, an anode diffusion layer, an anode electrode layer, an electrolyte membrane, a cathode electrode layer, a cathode diffusion layer, and a cathode separator, An anode side member and a cathode side member provided so as to sandwich one unit cell, and a pressure space is provided at a position sandwiching the anode diffusion layer and the cathode diffusion layer, and the pressure space is It includes an anode pressure space provided in the anode side member and a cathode pressure space provided in the cathode side member.
  • an electrochemical hydrogen pump that can realize a lightweight and compact structure and can suppress a decrease in efficiency due to an increase in contact resistance.
  • Schematic cross-sectional view including a cathode inlet / outlet of a conventional fuel cell power generation stack A schematic cross-sectional view including an anode inlet / outlet of a conventional fuel cell power generation stack The figure which shows an example of the state in a part of cross section shown to FIG. 1A.
  • FIG. 1 Schematic cross-sectional view of the electrochemical hydrogen pump of Patent Document 1
  • FIG. 1 A schematic cross-sectional view including a cathode manifold of an electrochemical hydrogen pump according to Embodiment 2 of the present disclosure
  • FIG. 3A is a schematic cross section including the cathode inlet / outlet of the electrochemical hydrogen pump 24 of the present embodiment.
  • FIG. 3B is a schematic cross-sectional view including the anode inlet / outlet of the electrochemical hydrogen pump 24 of the present embodiment.
  • the electrochemical hydrogen pump 24 shown in FIGS. 3A and 3B has three unit cells m1, m2, and m3 stacked in the same manner as the power generation stack 1 shown in FIGS. 1A and 1B.
  • the electrochemical hydrogen pump 24 includes, in order from the bottom, an anode end plate 13, an anode insulating plate 11, an A end separator 7a, a single battery cell m3, a single battery cell m2, a single battery cell m1, a C end separator 8a, and a C pressure plate 8b.
  • the cathode insulating plate 12 and the cathode end plate 14 are laminated, and they are fastened together by bolts 15 and nuts 10 in a state where they are in close contact with each other.
  • the power source 20 is connected to each of the A-end separator 7a and the C pressure plate 8b.
  • the A-end separator 7a and the C pressure plate 8b correspond to an example of “power supply connecting member”.
  • the electrochemical hydrogen pump 24 is different from the above-described power generation stack 1 and the electrochemical hydrogen pump 23 in that it includes an anode pressure space 27 and a cathode pressure space 28 (both correspond to an example of the pressure space).
  • the anode pressure space 27 is formed in the anode insulating plate 11 (an example of the anode side member).
  • the cathode pressure space 28 is formed in the C pressure plate 8b (an example of a cathode side member).
  • the anode pressure space 27 communicates with a cathode inlet manifold 22a (an example of a cathode manifold) via a cathode inlet horizontal introduction passage 22g and a cathode inlet vertical introduction passage 22h. Further, the anode pressure space 27 communicates with the cathode outlet manifold 22f (an example of the cathode manifold) via the cathode outlet horizontal introduction passage 22i and the cathode outlet vertical introduction passage 22j.
  • the cathode pressure space 28 communicates with the cathode inlet manifold 22a via the cathode inlet horizontal introduction passage 22k and the cathode inlet vertical introduction passage 22l. Further, the cathode pressure space 28 communicates with the cathode outlet manifold 22f via the cathode outlet horizontal introduction passage 22m and the cathode outlet vertical introduction passage 22n.
  • the various introduction paths 22g to 22n shown in FIG. 3A correspond to examples of the "first introduction path”.
  • the various introduction paths 22b to 22e shown in FIG. 3A correspond to an example of "second introduction path”.
  • the anode pressure space 27 and the cathode pressure space 28 are, for example, cylindrical shapes having a central axis parallel to the stacking direction ( ⁇ y directions in the drawing, in other words, the vertical direction in the drawing).
  • the space including the first space portion (for example, the anode pressure space 27) and the second space portion (for example, the introduction passages 22g and 22i) may be called the anode pressure space.
  • the first space portion is formed so as to include the cathode diffusion layer 6 when viewed from the stacking direction (directly above; the same applies hereinafter).
  • the second space portion communicates with the first space portion and the cathode manifold (for example, the cathode inlet manifold 22a and the cathode outlet manifold 22f), and at least a part of the second space portion overlaps with the first space portion when viewed in a direction perpendicular to the stacking direction. It is formed so as to include the second introduction path (for example, the introduction paths 22b to 22e) when viewed from the stacking direction at a position where it does not become.
  • the space including the third space portion (for example, the cathode pressure space 28) and the fourth space portion (the introduction paths 22k and 22m) may be referred to as the cathode pressure space.
  • the third space portion is formed so as to include the cathode diffusion layer 6 when viewed in the stacking direction.
  • the fourth space portion communicates with the third space portion and the cathode manifold (for example, the cathode inlet manifold 22a and the cathode outlet manifold 22f), and at least a part of the fourth space portion and the third space portion when viewed from a direction perpendicular to the stacking direction. It is formed so as to include the second introduction paths (for example, the introduction paths 22b to 22e) when viewed from the stacking direction without overlapping.
  • first space portion and the third space portion have a shape corresponding to the cathode diffusion layer 6, and the second space portion and the fourth space portion have a shape corresponding to the second introduction path.
  • Their shape is preferably circular.
  • the electrolyte membrane 2 is a cation permeable membrane, and for example, Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (trade name, manufactured by Asahi Kasei Corporation), or the like can be used.
  • An anode electrode layer 3 containing, for example, a RuIrFeOx catalyst is provided on the surface of the electrolyte membrane 2 on the anode side.
  • a cathode electrode layer 4 containing, for example, a platinum catalyst is provided on the surface of the electrolyte membrane 2 on the cathode side.
  • the anode diffusion layer 5 needs to be able to withstand the pressing of the electrolyte membrane 2 by the high pressure hydrogen in the cathode diffusion layer 6. Therefore, as the anode diffusion layer 5, for example, a conductive porous body such as a titanium fiber sintered body or a titanium powder sintered body whose surface is plated with platinum can be used.
  • the cathode diffusion layer 6 is, for example, highly elastic graphitized carbon fiber (carbon fiber processed at a high temperature of 2000 ° C. or higher to be graphitized), or platinum-plated on the surface of a titanium powder sintered body. It is possible to use a paper-like porous body or the like that has been subjected to the above.
  • the seals 9a to 9j the anode insulating plate 11, and the cathode insulating plate 12, for example, those manufactured by compression molding of fluorine rubber can be used.
  • the seals 9a, 9e, 9j have, for example, a surrounding shape (for example, an annular shape) having the same central axis as the central axis of the cathode pressure space 28 (or the anode pressure space 27). Further, the seals 9d, 9f, 9g, 9h, 9i, 9k have, for example, a surrounding shape (for example, an annular shape) having a central axis parallel to the central axis of the cathode pressure space 28 (or the anode pressure space 27).
  • the anode end plate 13, the A end separator 7a, the anode separator 7, the cathode separator 8, the C end separator 8a, the C pressure plate 8b, and the cathode end plate 14 are formed of, for example, a SUS316L plate material to form a diffusion layer. It is possible to use the one in which a space for storing is formed.
  • the seal 9f surrounds the cathode inlet horizontal introduction passage 22k and the cathode inlet vertical introduction passage 22l that connect the cathode inlet manifold 22a and the cathode pressure space 28.
  • the seal 9g surrounds the cathode outlet horizontal introduction passage 22m and the cathode outlet vertical introduction passage 22n which connect the cathode outlet manifold 22f and the cathode pressure space 28.
  • the center lines of the seals 9e, 9f, and 9g are set to 9ec, 9fc, and 9gc, respectively.
  • the figure ⁇ shown in FIG. 3C is a figure obtained by projecting 9ec, 9fc, and 9gc onto one plane perpendicular to the stacking direction, that is, the ⁇ y direction (the vertical direction in the figure; the same applies below).
  • the seal 9j surrounds the anode pressure space 27.
  • the seal 9h surrounds the cathode inlet horizontal introduction passage 22g and the cathode inlet vertical introduction passage 22h that connect the cathode inlet manifold 22a and the anode pressure space 27.
  • the seal 9i surrounds the cathode outlet lateral introduction passage 22i and the cathode outlet vertical introduction passage 22j that connect the cathode outlet manifold 22f and the anode pressure space 27.
  • the center lines of the seals 9h, 9j, and 9i are set to 9hc, 9jc, and 9ic.
  • the figure ⁇ shown in FIG. 3C is a figure obtained by projecting 9hc, 9jc, and 9ic on one plane perpendicular to the stacking direction, that is, the ⁇ y directions. This figure ⁇ is congruent with the figure ⁇ .
  • the seal 9a surrounds the cathode diffusion layer 6.
  • the seal 9d surrounds the cathode inlet horizontal introduction passage 22b and the cathode inlet vertical introduction passage 22c that allow the cathode inlet manifold 22a and the cathode diffusion layer 6 to communicate with each other.
  • the seal 9k surrounds the cathode outlet lateral introduction passage 22e and the cathode outlet vertical introduction passage 22d which connect the cathode outlet manifold 22f and the cathode diffusion layer 6 to each other.
  • the center lines of the seals 9a, 9d, and 9k are set to 9ac, 9dc, and 9kc, respectively.
  • the figure ⁇ shown in FIG. 3C is a figure obtained by projecting 9ac, 9dc, and 9kc onto one plane perpendicular to the stacking direction, that is, the ⁇ y directions. This figure ⁇ is congruent with figures ⁇ and ⁇ .
  • the figures ⁇ and ⁇ correspond to an example of “first figure”.
  • the figure ⁇ corresponds to an example of “second figure”.
  • each seal shown in FIG. 3A has only to have an area capable of surrounding the target (for example, the anode pressure space 27, the cathode pressure space 28, the cathode electrode layer 6, various introduction passages), and all The seal areas need not be the same.
  • the high-pressure hydrogen is also guided to the cathode pressure space 28 and the anode pressure space 27.
  • the cathode separator 8 of the single battery cell m1 has the cathode pressure space 28, the cathode inlet horizontal introduction passage 22k, the cathode inlet vertical introduction passage 22l, and the cathode outlet horizontal introduction through the C pressure plate 8b and the cathode end separator 8a. It receives a force (product of pressure of hydrogen and area of figure ⁇ ) in the -y direction due to high-pressure hydrogen in the passage 22m and the cathode outlet vertical introduction passage 22n.
  • the cathode separator 8 of the unit cell m1 has a high pressure in the cathode diffusion layer 6, the cathode inlet horizontal introduction passage 22b, the cathode inlet vertical introduction passage 22c, the cathode outlet horizontal introduction passage 22e, and the cathode outlet vertical introduction passage 22d. It receives a force (product of hydrogen pressure and area of figure ⁇ ) in the + y direction due to hydrogen.
  • the force in the -y direction and the force in the + y direction cancel each other out, so that the force applied to the cathode separator 8 of the single battery cell m1 becomes small. As a result, the cathode separator 8 is slightly bent.
  • the above "force due to hydrogen in the anode pressure space 27" means the anode pressure space 27, the cathode inlet horizontal introduction passage 22g, the cathode inlet vertical introduction passage 22h, the cathode outlet horizontal introduction passage 22i, and the cathode outlet vertical introduction passage.
  • the force due to hydrogen in 22j product of hydrogen pressure and area of ⁇ ).
  • the electrochemical hydrogen pump 24 it is possible to prevent the space in which the cathode diffusion layer 6 is stored from expanding in the stacking direction ( ⁇ y direction). Therefore, it is possible to suppress an increase in contact resistance due to a decrease in contact pressure between the cathode diffusion layer 6 and the cathode separator 8 and a contact pressure between the cathode diffusion layer 6 and the cathode electrode layer 4.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of the evaluation device 31 for the electrochemical hydrogen pump 24.
  • the evaluation device 31 includes a power supply 20, a hydrogen cylinder 32, a valve 45 thereof, a regulator 33, a bubbler 34, a heater 35, a gas-liquid separation device 36, a cooling device 37, a pressure gauge 38, an exhaust valve 39, It has a nitrogen cylinder 40, its valve 44, a diluter 41, an exhaust port 42, and a three-way valve 43.
  • the evaluation device 31 causes a current to flow from the power source 20 to the electrochemical hydrogen pump 24, and supplies low-pressure hydrogen to the electrochemical hydrogen pump 24 by the hydrogen cylinder 32 and the regulator 33.
  • the low pressure hydrogen is humidified by the bubbler 34 and the heater 35.
  • the pressure gauge 38 measures the hydrogen pressure.
  • the exhaust valve 39 downstream of the pressure gauge 38 is basically in a closed state, and is opened when the pressure of hydrogen exceeds a certain value.
  • the opening degree of the exhaust valve 39 is adjusted so that pressure loss is sufficiently generated. That is, the opening degree of the exhaust valve 39 is set so that the pressure of hydrogen passing through the exhaust valve 39 is reduced to almost atmospheric pressure (about 1.05 times the atmospheric pressure) due to the pressure loss generated in the exhaust valve 39. Adjusted.
  • the dew point of hydrogen depressurized to approximately atmospheric pressure can be lowered by the gas-liquid separator 36 and the cooling device 37. After that, the hydrogen is diluted inside the diluting device 41 by the nitrogen supplied from the nitrogen cylinder 40, and then discharged from the exhaust port 42 to the outside or the like.
  • the electrochemical hydrogen pump 24 is connected to the evaluation device 31.
  • the three-way valve 43 is switched from the atmosphere open side (arrow A) to the closed side (arrow B).
  • the valve 44 of the nitrogen cylinder 40 is operated to supply nitrogen from the nitrogen cylinder 40 to the diluter 41.
  • the valve 45 of the hydrogen cylinder 32 and the regulator 33 are operated to supply low-pressure (pressure ratio 0.05) hydrogen to the electrochemical hydrogen pump 24.
  • the power supply 20 is turned on, and the current value is set so as to be 1.0 (A / cm 2 ) calculated from the electrode area.
  • the pressure gauge 38 reaches the target pressure (pressure ratio 100), the voltage and current displayed on the power supply 20 are recorded every time the pressure ratio increases by 10.0.
  • the resistance is calculated from the recorded current and voltage.
  • the power supply 20 is turned off, the valve 45 is operated to stop the supply of hydrogen, and then the valve 44 is operated to stop the supply of nitrogen.
  • the three-way valve 43 is switched from the closed side (arrow B) to the atmosphere open side (arrow A).
  • the electrochemical hydrogen pump 24 is removed from the evaluation device 31.
  • FIG. 7 shows evaluation results of the electrochemical hydrogen pump 24, the power generation stack 1, and the electrochemical hydrogen pump 23.
  • the horizontal axis represents the pressure ratio and the vertical axis represents the resistance ratio.
  • each circular plot point a indicates a pressure ratio and a resistance ratio obtained as a result of performing the above evaluation process on the power generation stack 1.
  • Each square plot point b indicates the pressure ratio and resistance ratio obtained as a result of performing the above evaluation process on the electrochemical hydrogen pump 24.
  • Each triangular plot point e indicates the pressure ratio and resistance ratio obtained as a result of performing the above evaluation process on the electrochemical hydrogen pump 23.
  • the resistance ratio increases as the pressure ratio increases. This is because the cathode separator 8 and the anode separator 7 are bent by the pressure of hydrogen in the cathode diffusion layer 6 of each of the unit cells m1, m2, m3, and the space in which the cathode diffusion layer 6 is housed is the stacking direction ( ⁇ y It is considered that the contact pressure between the cathode diffusion layer 6 and the cathode separator 8 and the contact pressure between the cathode diffusion layer 6 and the anode electrode layer 4 decreased due to the spread of the contact resistance.
  • the box-type end plate 13a and the lid-type end plate 14b In order for the box-type end plate 13a and the lid-type end plate 14b not to be deformed at all, it is necessary that the box-type end plate 13a and the lid-type end plate 14b have extremely high rigidity, and the thickness of each component is increased. There is a need.
  • the weight of the electrochemical hydrogen pump 23 is about 2.5 times that of the power generation stack 1. It was Therefore, the electrochemical hydrogen pump 23 is too heavy and difficult to handle as a household hydrogen pump.
  • the resistance ratio increases with the increase of the pressure ratio, but the increasing resistance ratio is equal to that of each plot point a. It is suppressed to about 1/3.
  • the reason why the increase in resistance is suppressed in this way is that the force due to the pressure of hydrogen in the cathode diffusion layer 6 and the force due to the pressure of hydrogen in the cathode pressure space 28 and the anode pressure space 27 cancel each other out, and the cathode separator This is because the bending of the anode 8 and the anode separator 7 is suppressed.
  • the increase in resistance is larger than at each plot point e.
  • the reason is that the cathode end plate 14 is slightly bent in the + y direction and the anode end plate 13 is slightly bent in the ⁇ y direction, and these bends are dispersed in each separator, so that the storage space of the cathode diffusion layer 6 is slightly increased. It is thought that it spread. That is, it is considered that the contact pressure between the cathode diffusion layer 6 and the cathode separator 8 and the contact pressure between the cathode diffusion layer 6 and the cathode electrode layer 4 decreased, and the contact resistance slightly increased.
  • the weight of the electrochemical hydrogen pump 24 is smaller than that of the power generation stack 1. , About 1.1 times. Therefore, the weight of the electrochemical hydrogen pump 24 was such that there is no problem in handling as a household hydrogen pump.
  • the electrochemical hydrogen pump 24 of the present embodiment is suitable for home use as long as it has specifications that allow an increase in resistance shown at each plot point b.
  • the high-pressure hydrogen generated in the cathode diffusion layer 6 of the unit cells m1 to m3 is guided to the anode pressure space 27 and the cathode pressure space 28. Therefore, even if the anode separator 7 and the cathode separator 8 are pushed by the hydrogen pressure in the cathode diffusion layer 6, they are pushed back by the hydrogen pressure in the anode pressure space 27 and the cathode pressure space 28. Therefore, the bending of each of the anode separator 7 and the cathode separator 8 can be suppressed to be extremely small.
  • the space in which the cathode diffusion layer 6 is housed can be suppressed from expanding in the stacking direction, and the increase in contact resistance can be suppressed. As a result, it is possible to suppress that a higher voltage is required when boosting a certain amount of hydrogen and the efficiency of the electrochemical hydrogen pump is reduced.
  • the electrochemical hydrogen pump 24 of the present embodiment does not require a member having high rigidity (for example, the box-type end plate 13a and the lid-type end plate 14b shown in FIG. 2), and thus has a lightweight and compact structure. Can be realized. Therefore, it does not hinder cost reduction and is easy to handle.
  • the anode pressure space 27 includes the first space portion and the second space portion
  • the cathode pressure space 28 includes the third space portion and the fourth space portion. The total area of the parts can be reduced and the resistance ratio can be suppressed at a level sufficient for pump performance.
  • FIG. 4 is a schematic cross section including the cathode inlet / outlet of the electrochemical hydrogen pump 25 of the present embodiment.
  • the electrochemical hydrogen pump 25 includes, in order from the bottom, an anode end plate 13, an anode insulating plate 11, an A end separator 7a, a single battery cell m3, a single battery cell m2, a single battery cell m1, a C end separator 8a, and a cathode insulating plate 12.
  • the cathode end plate 14 is laminated and fastened with the bolt 15 and the nut 10 in a state where they are in close contact with each other.
  • An anode pressure space 27 is formed in the anode insulating plate 11 (an example of an anode side member).
  • a cathode pressure space 28 is formed in the cathode insulating plate 12 (an example of a cathode side member).
  • the anode pressure space 27 communicates with the cathode inlet manifold 22a and the cathode outlet manifold 22f.
  • the cathode pressure space 28 also communicates with the cathode inlet manifold 22a and the cathode outlet manifold 22f.
  • the power source 20 is connected to, for example, the A end separator 7a and the C end separator 8a.
  • the A-end separator 7a and the C-end separator 8a correspond to an example of "power supply connecting member".
  • the seal 9j surrounds the anode pressure space 27.
  • the figure ⁇ shown in FIG. 3D is a figure obtained by projecting 9jc on one plane perpendicular to the stacking direction, that is, the ⁇ y directions.
  • the seal 9e surrounds the cathode pressure space 28.
  • the figure ⁇ shown in FIG. 3D is a figure obtained by projecting 9ec on one plane perpendicular to the stacking direction, that is, the ⁇ y directions.
  • the figure ⁇ is congruent with the figure ⁇ .
  • FIG. 3D the figure ⁇ described in the first embodiment is shown in an overlapping manner.
  • the figure ⁇ is a figure obtained by projecting the center lines 9ac, 9dc, 9kc of the seals 9a, 9d, 9k on one plane perpendicular to the stacking direction, that is, the ⁇ y directions.
  • the figures ⁇ and ⁇ correspond to an example of the “third figure”.
  • the figure ⁇ shown in FIG. 3D corresponds to an example of “fourth figure”.
  • the force of hydrogen in the anode pressure space 27 pushing the anode separator 7 in the + y direction via the A-end separator 7a causes hydrogen in the cathode diffusion layer 6 to move the anode separator 7 in the ⁇ y direction via the electrolyte membrane 2. Greater than pushing force. Therefore, the cathode separator 8 of the unit cell m3 receives the force F2 that is pressed in the + y direction.
  • F1 and F2 have the same size and opposite directions.
  • FIG. 7 shows the result of performing the evaluation process described in the first embodiment on the electrochemical hydrogen pump 25 of the present embodiment.
  • each circular plot point d indicates a pressure ratio and a resistance ratio obtained as a result of performing the above evaluation process on the electrochemical hydrogen pump 25.
  • each plot point d has almost no difference from each plot point e showing the evaluation result of the electrochemical hydrogen pump 23 of Patent Document 1. Therefore, in the electrochemical hydrogen pump 25 of the present embodiment, it is understood that the deflection of the cathode separator 8 and the anode separator 7 is suppressed to the same extent as the electrochemical hydrogen pump 23 of Patent Document 1. It is considered that this is because the forces F1 and F2 act in the direction of compressing the single battery cells m1, m2, and m3, as shown in FIG.
  • the areas of the graphic ⁇ and the graphic ⁇ are larger than the area of the graphic ⁇ , respectively. Therefore, in the electrochemical hydrogen pump 25, the force in the + y direction that tends to separate the cathode end plate 14 from the C-end separator 8a or the force in the -y direction that separates the anode end plate 13 from the A-end separator 7a is It is larger than the electrochemical hydrogen pump 24 of the first embodiment. Therefore, in the electrochemical hydrogen pump 25, the fastening force of the bolt 15 needs to be 1.7 times larger than that in the electrochemical hydrogen pump 24. As a result of modifying the wall thickness so as to maintain the strength of each component in accordance with this fastening force, the weight of the electrochemical hydrogen pump 25 was 1.8 times the weight of the electrochemical hydrogen pump 24.
  • the electrochemical hydrogen pump 25 is twice as heavy as the electrochemical hydrogen pump 24, it is possible to obtain the effect of suppressing the increase in resistance.
  • FIG. 5 is a schematic cross section including the cathode inlet / outlet of the electrochemical hydrogen pump 26 of the present embodiment.
  • the battery cells m1a, m2a, m3a each have an anode separator 7, an anode diffusion layer 5, an anode electrode layer 3, an electrolyte membrane 2, a seal 9c, a cathode electrode layer 4, and a cathode diffusion layer 6. These constituent elements are the same as the constituent elements of the electrochemical hydrogen pump 25 of the first embodiment.
  • the unit cells m1a, m2a, m3a each have a first cathode separator 8c and a second cathode separator 8d instead of the cathode separator 8 described in the first embodiment.
  • the first cathode separator 8c is provided with a cathode inlet vertical introduction passage 22o and a cathode inlet horizontal introduction passage 22p which communicate with the storage portion of the cathode diffusion layer 6 on the inlet side. Further, the first cathode separator 8c is provided with a cathode outlet vertical introduction passage 22q and a cathode outlet horizontal introduction passage 22r which communicate with the storage portion of the cathode diffusion layer 6 on the outlet side.
  • the second cathode separator 8d is provided with a cathode inlet vertical introduction passage 22s and a cathode inlet horizontal introduction passage 22t which communicate with the cathode inlet manifold 22a on the inlet side. Further, the second cathode separator 8d is provided with a cathode outlet vertical introduction passage 22u and a cathode outlet horizontal introduction passage 22v which communicate with the cathode outlet manifold 22f on the outlet side.
  • the cathode inlet manifold 22a communicates with the storage portion (inlet side) of the cathode diffusion layer 6, and the cathode outlet manifold 22f communicates with the storage portion (outlet side) of the cathode diffusion layer 6.
  • the electrochemical hydrogen pump 26 includes, in order from the bottom, the anode end plate 13, the anode insulating plate 11, the first A end separator 7b, the second A end separator 7c, the single battery cells m1a, m2a, m3a and the first end.
  • the 1C end separator 8e, the second C end separator 8f, the cathode insulating plate 12, and the cathode end plate 14 are laminated, and these are fastened with a bolt 15 and a nut 10.
  • a cathode inlet horizontal introduction passage 29k and a cathode inlet vertical introduction passage 29l are formed in the first A-end separator 7b. Further, a cathode outlet horizontal introduction passage 29o and a cathode outlet vertical introduction passage 29p are formed in the first A-end separator 7b.
  • a cathode inlet horizontal introduction passage 29i and a cathode inlet vertical introduction passage 29j are formed in the second A-end separator 7c. Further, a cathode outlet horizontal introduction passage 29m and a cathode outlet vertical introduction passage 29n are formed in the second A-end separator 7c.
  • a cathode inlet horizontal introduction passage 29c and a cathode inlet vertical introduction passage 29d are formed in the first C-end separator 8e. Further, a cathode outlet horizontal introduction passage 29g and a cathode outlet vertical introduction passage 29h are formed in the first C-end separator 8e.
  • a cathode inlet horizontal introduction passage 29a and a cathode inlet vertical introduction passage 29b are formed in the second C-end separator 8f. Further, a cathode outlet horizontal introduction passage 29e and a cathode outlet vertical introduction passage 29f are formed in the second C-end separator 8f.
  • An anode pressure space 27 is formed in the anode insulating plate 11 (an example of an anode side member). Further, a cathode pressure space 28 is formed in the first C-end separator 8e (an example of a cathode side member).
  • the cathode inlet manifold 22a communicates with the cathode pressure space 28 via the cathode inlet horizontal introduction passage 29a, the cathode inlet vertical introduction passage 29b, the cathode inlet horizontal introduction passage 29c, and the cathode inlet vertical introduction passage 29d.
  • the cathode inlet manifold 22a communicates with the anode pressure space 27 via the cathode inlet horizontal introduction passage 29i, the cathode inlet vertical introduction passage 29j, the cathode inlet horizontal introduction passage 29k, and the cathode inlet vertical introduction passage 29l.
  • the cathode outlet manifold 22f communicates with the cathode pressure space 28 via the cathode outlet horizontal introduction passage 29e, the cathode outlet vertical introduction passage 29f, the cathode outlet horizontal introduction passage 29g, and the cathode outlet vertical introduction passage 29h.
  • the cathode outlet manifold 22f communicates with the anode pressure space 27 via the cathode outlet horizontal introduction passage 29m, the cathode outlet vertical introduction passage 29n, the cathode outlet horizontal introduction passage 29o, and the cathode outlet vertical introduction passage 29p.
  • the seals 30a to 30l have, for example, a surrounding shape (for example, an annular shape) having a central axis parallel to the central axis of the cathode pressure space 28 (or the anode pressure space 27).
  • the various introduction passages 29a to 29p shown in FIG. 5 correspond to an example of a "first introduction passage” that connects the cathode manifold and the pressure space. Further, the various introduction paths 22o to 22v shown in FIG. 5 correspond to an example of the “second introduction path”.
  • the power source 20 is connected to, for example, the first A end separator 7b and the second C end separator 8f.
  • the 1st A end separator 7b and the 2nd C end separator 8f are equivalent to an example of a "power supply connection member.”
  • the first space portion for example, the anode pressure space 27
  • the second space portion for example, the introduction passages 22k and 22o
  • the fifth space portion for example, the introduction passages 22i and 22m.
  • the space including and may be called the anode pressure space.
  • the first space portion is formed so as to include the cathode diffusion layer 6 when viewed from the stacking direction.
  • the second space portion communicates with the first space portion, is a position where at least a part of the second space portion does not overlap with the first space portion when viewed from a direction perpendicular to the stacking direction, and the second introduction path (when viewed from the stacking direction).
  • the fifth space portion communicates with the second space portion and the cathode manifold (for example, the cathode inlet manifold 22a, the cathode outlet manifold 22f), and at least a part of the fifth space portion overlaps with the second space portion when viewed in a direction perpendicular to the stacking direction. It is formed so as to include a part of the second introduction path (for example, the introduction paths 22s, 22t, 22u, 22v) when viewed from the stacking direction at a position that does not become.
  • the third space portion (for example, the cathode pressure space 28), the fourth space portion (for example, the introduction passages 29c and 29g), and the sixth space portion (for example, the introduction passages 29a and 29e).
  • the third space portion is formed so as to include the cathode diffusion layer 6 when viewed in the stacking direction.
  • the fourth space portion communicates with the third space portion, is a position where at least a part of the third space portion does not overlap with the third space portion when viewed from a direction perpendicular to the stacking direction, and is the second introduction when viewed from the stacking direction.
  • the sixth space portion communicates with the fourth space portion and the cathode manifold, is a position where at least a part of the sixth space portion does not overlap with the fourth space portion when viewed from the direction perpendicular to the stacking direction, and is the second when viewed from the stacking direction. It is formed so as to include a part of the introduction path (for example, the introduction paths 22s, 22t, 22u, 22v).
  • the entire second introduction path is included in at least one of the second space portion and the fifth space portion.
  • the entire second introduction path is included in at least one of the fourth space portion and the sixth space portion.
  • first space portion and the third space portion have a shape corresponding to the cathode diffusion layer 6
  • second space portion and the fourth space portion have a shape corresponding to the second introduction path
  • fifth space portion It is preferable that the sixth space portion and the sixth space portion have a shape corresponding to the first introduction path. Their shape is preferably circular.
  • the seal 30a surrounds the cathode inlet horizontal introduction passage 29k and the cathode inlet vertical introduction passage 29l.
  • the seal 30b surrounds the cathode inlet horizontal introduction passage 29i and the cathode inlet vertical introduction passage 29j.
  • the seal 30c surrounds the cathode outlet horizontal introduction passage 29o and the cathode outlet vertical introduction passage 29p.
  • the seal 30d surrounds the cathode outlet horizontal introduction passage 29m and the cathode outlet vertical introduction passage 29n.
  • the center lines of the seals 9j, 30a, 30b, 30c, and 30d are set to 9jc, 30ac, 30bc, 30cc, and 30dc.
  • the figure ⁇ shown in FIG. 3E is a figure obtained by projecting 9jc, 30ac, 30bc, 30cc, and 30dc on one plane perpendicular to the stacking direction, that is, the ⁇ y directions.
  • the seal 9e surrounds the cathode pressure space 28.
  • the seal 30e surrounds the cathode inlet horizontal introduction passage 29c and the cathode inlet vertical introduction passage 29d.
  • the seal 30f surrounds the cathode inlet horizontal introduction passage 29a and the cathode inlet vertical introduction passage 29b.
  • the seal 30g surrounds the cathode outlet horizontal introduction passage 29g and the cathode outlet vertical introduction passage 29h.
  • the seal 30h surrounds the cathode outlet horizontal introduction passage 29e and the cathode outlet vertical introduction passage 29f.
  • the center lines of the seals 9e, 30e, 30f, 30g, and 30h are set to 9ec, 30ec, 30fc, 30gc, and 30hc, respectively.
  • the figure ⁇ shown in FIG. 3E is a figure obtained by projecting 9ec, 30ec, 30fc, 30gc, and 30hc onto one plane perpendicular to the stacking direction, that is, the ⁇ y directions.
  • the seal 9a surrounds the cathode diffusion layer 6.
  • the seal 30i surrounds the cathode inlet horizontal introduction passage 22p and the cathode inlet vertical introduction passage 22o.
  • the seal 30j surrounds the cathode inlet horizontal introduction passage 22t and the cathode inlet vertical introduction passage 22s.
  • the seal 30k surrounds the cathode exit horizontal introduction passage 22r and the cathode exit vertical introduction passage 22q.
  • the seal 30l surrounds the cathode exit horizontal introduction passage 22v and the cathode exit vertical introduction passage 22u.
  • the center lines of the seals 9a, 30i, 30j, 30k, and 30l are set to 9ac, 30ic, 30jc, 30kc, and 30lc.
  • the figure ⁇ shown in FIG. 3E is a figure obtained by projecting 9ac, 30ic, 30jc, 30kc, and 30lc on one plane perpendicular to the stacking direction, that is, the ⁇ y directions.
  • the figure ⁇ described in the first embodiment is shown in an overlapping manner.
  • the figure ⁇ is a figure obtained by projecting the center lines 9ec, 9fc, 9gc of the seals 9e, 9f, 9g on one plane perpendicular to the stacking direction, that is, the ⁇ y directions.
  • the figures ⁇ , ⁇ , and ⁇ correspond to an example of “fifth figure”.
  • the figure ⁇ shown in FIG. 3E corresponds to an example of “sixth figure”.
  • the high-pressure hydrogen in the cathode diffusion layer 6 pushes the anode separator 7 in the ⁇ y direction through the electrolyte membrane 2 and the high-pressure hydrogen in the anode pressure space 27 causes the first A-side separator 7b and the second A-side end.
  • the force that pushes up the anode separator 7 in the + y direction via the separator 7c has the same magnitude and the opposite direction.
  • FIG. 7 shows the result of performing the evaluation process described in the first embodiment on the electrochemical hydrogen pump 26 of the present embodiment.
  • each diamond-shaped plot point c indicates a pressure ratio and a resistance ratio obtained as a result of performing the above evaluation process on the electrochemical hydrogen pump 26.
  • each plot point c is almost the same as each plot point b showing the evaluation result of the electrochemical hydrogen pump 24 of the first embodiment. Therefore, in the electrochemical hydrogen pump 26 of the present embodiment, it is understood that the bending of the first cathode separator 8c, the second cathode separator 8d, and the anode separator 7 is suppressed to the same extent as the electrochemical hydrogen pump 24. ..
  • the area of the figure ⁇ is smaller than the area of the figure ⁇ composed of 9fc, 9gc, and 9ec. Therefore, in the electrochemical hydrogen pump 26, the force in the + y direction for separating the cathode end plate 14 from the unit cells m1a, m2a, m3a is smaller than that in the electrochemical hydrogen pump 24. Therefore, in the electrochemical hydrogen pump 26, the fastening force of the bolt 15 can be made 0.8 times as large as that in the electrochemical hydrogen pump 24.
  • the weight of the electrochemical hydrogen pump 26 is 0.8 times the weight of the electrochemical hydrogen pump 24.
  • the electrochemical hydrogen pump 26 can obtain the effect of suppressing the increase in resistance to the same extent as the electrochemical hydrogen pump 24, and the weight thereof is about 0.8 times that of the electrochemical hydrogen pump 24. It can be said that it is easy to handle for household use.
  • each introduction path (29e, 29f, 29g, 29h) to be communicated is provided in a plurality of steps.
  • each lateral introduction path can be shortened as compared with the case where each of the above introduction paths is provided in a stepped manner (electrochemical hydrogen pump 24 of the first embodiment). Therefore, the diameter of the seal surrounding each lateral introduction passage can be reduced. Therefore, the force in the + y direction and the ⁇ y direction due to the high-pressure hydrogen can be reduced while suppressing the increase in resistance, and the fastening force of the bolt, and thus the weight of the electrochemical hydrogen pump 26, can be reduced.
  • the anode pressure space 27 includes the first space portion, the second space portion, and the fifth space portion
  • the cathode pressure space 28 is the third space portion and the fourth space portion. Since it includes the portion and the sixth space portion, the total area of the space portion can be reduced, and the resistance ratio can be suppressed at a level sufficient for pump performance.
  • Table 1 shows the presence / absence and structure of the pressure space, the resistance ratio when operating at a pressure ratio of 100, and the pressure space projected in the stacking direction in Examples of the related art and Examples of Embodiments 1 to 3.
  • the area (projected area) of the figure is a list.
  • the numerical values 96, 28, 4, and 26 shown in the row of "resistance ratio at pressure ratio 100" in Table 1 are the y-coordinate values of the rightmost points of a, b, c, and d in FIG. is there.
  • the numerical values 49, 100, and 31 shown in the row of “projected area” in Table 1 are the hatched area of each figure in FIGS. 3C, 3D, and 3E, and the hatched area of FIG. 3D is 100. It is expressed by the ratio.
  • the resistance ratio at the pressure ratio of 100 is 96, whereas in the examples of the first to third embodiments, even the largest resistance ratio is about one third of 96. It is extremely small and at a level that poses no practical problems as a hydrogen compressor.
  • the resistance ratio at the pressure ratio 100 is 4, and it can be suppressed to an extremely small value compared with the resistance ratio of each of the examples according to the first and third embodiments.
  • the area (that is, the projected area) of the figure in which the pressure space is projected in the stacking direction is 100, and the projections of the examples according to the first and third embodiments are performed. It is larger than the area.
  • the second embodiment is particularly preferable from the viewpoint of reducing the resistance ratio.
  • the first and third embodiments although the resistance ratio is larger than that in the second embodiment, the pressure space is reduced in the stacking direction while suppressing the resistance ratio to a level where there is no practical problem as a hydrogen compressor.
  • the area of the projected figure can be suppressed to less than half that of the second embodiment. Therefore, the robust structure as in the second embodiment is unnecessary, and the weight can be reduced. Therefore, the first and third embodiments can realize a lightweight and compact structure most suitable for a home hydrogen compressor.
  • the electrochemical hydrogen pump of the present disclosure includes at least one unit cell having an anode separator, an anode diffusion layer, an anode electrode layer, an electrolyte membrane, a cathode electrode layer, a cathode diffusion layer, and a cathode separator, and the at least one unit cell.
  • An anode side member and a cathode side member provided so as to sandwich the cell.
  • a pressure space is provided at a position sandwiching the anode diffusion layer and the cathode diffusion layer, and the pressure space is an anode pressure space provided in the anode side member and a cathode pressure provided in the cathode side member. Including space.
  • the electrochemical hydrogen pump of the present disclosure may further include a power supply connecting member connected to a power supply between the at least one unit cell and at least one of the anode side member and the cathode side member. Good. Further, the pressure space may be located outside the power supply connecting member in the stacking direction of the at least one unit cell.
  • the pressure space may communicate with the cathode manifold via the first introduction passage. Further, the cathode electrode layer may communicate with the cathode manifold via a second introduction path.
  • the pressure space has a cylindrical shape having a central axis parallel to the stacking direction of the at least one unit cell, and has the same central axis as the central axis of the pressure space. It may be surrounded by a seal having.
  • the first introduction passage and the second introduction passage may be surrounded by a seal having a central axis parallel to the central axis of the pressure space.
  • the first figure formed by projecting the seal surrounding the pressure space and the seal surrounding the first introduction path onto one plane perpendicular to the stacking direction is the cathode.
  • the seal surrounding the electrode layer and the seal surrounding the second introduction path may be combined with the second figure projected on the plane.
  • the third figure formed by projecting the seal surrounding the pressure space and the seal surrounding the first introduction path onto one plane perpendicular to the stacking direction is the cathode. Even if the seal surrounding the electrode layer and the seal surrounding the second introduction path have a larger area than the fourth figure formed by projecting on the plane, and the fourth figure is included in the third figure. Good.
  • a seal surrounding the first introduction path and the second introduction path are provided.
  • the area of a fifth figure formed by projecting a seal surrounding the path onto one plane perpendicular to the stacking direction is such that each of the first introduction path and the second introduction path is provided in a stepped shape.
  • the seal surrounding the first introduction passage and the seal surrounding the second introduction passage may have a smaller area than the sixth figure projected on the plane.
  • the anode pressure space has a first space portion formed to include the cathode diffusion layer when viewed from the stacking direction, the first space portion, and the first space portion.
  • the formed 2nd space part may be included.
  • the cathode pressure space communicates with a third space portion formed so as to include the cathode diffusion layer when viewed from the stacking direction, the third space portion and the cathode manifold, and the stacking direction.
  • a fourth space formed at a position where at least a part thereof does not overlap with the third space when viewed from the vertical direction and including the second introduction path when viewed from the stacking direction; May be included.
  • the anode pressure space communicates with the first space portion formed so as to include the cathode diffusion layer when viewed from the stacking direction. However, it is formed at a position where at least a part thereof does not overlap with the first space portion when viewed from a direction perpendicular to the stacking direction and includes a part of the second introduction path when viewed from the stacking direction.
  • the second space portion is communicated with the second space portion and the cathode manifold, and at least part of the second space portion does not overlap with the second space portion when viewed from a direction perpendicular to the stacking direction.
  • a fifth space formed so as to include a part of the second introduction path when viewed from the direction.
  • the cathode pressure space communicates with a third space portion formed so as to include the cathode diffusion layer when viewed from the stacking direction, and from a direction perpendicular to the stacking direction.
  • a fourth space formed at a position where at least a part thereof does not overlap with the third space when viewed, and including a part of the second introduction path when viewed from the stacking direction, When communicating with the fourth space portion and the cathode manifold, at least a part of the fourth space portion does not overlap with the fourth space portion when viewed from a direction perpendicular to the stacking direction, and the second position when viewed from the stacking direction.
  • a sixth space portion formed so as to include a part of the introduction path.
  • the entire second introduction path may be included in at least one of the second space portion and the fifth space portion. Further, when viewed in the stacking direction, the entire second introduction path may be included in at least one of the fourth space portion and the sixth space portion.
  • the electrochemical hydrogen pump of the present disclosure can be used as a hydrogen compression device for a hydrogen filling device. Further, the structure of the electrochemical hydrogen pump of the present disclosure can also be used as an electrochemical water electrolysis device that electrolyzes water to generate hydrogen and oxygen.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

軽量かつコンパクトな構造を実現でき、かつ、接触抵抗の増加による効率の低下を抑制できる電気化学式水素ポンプ。電気化学式水素ポンプ（２４）は、アノードセパレータ（７）、アノード拡散層（５）、アノード電極層（３）、電解質膜（２）、カソード電極層（４）、カソード拡散層（６）、およびカソードセパレータ（８）を有する単電池セル（ｍ１～ｍ３）と、アノード拡散層（５）およびカソード拡散層（６）を挟み込む位置に圧力空間が設けられている。圧力空間は、アノード側部材に設けられるアノード圧力空間（２７）、および、カソード側部材に設けられるカソード圧力空間（２８）を含む。

Description

電気化学式水素ポンプ
　本開示は、水素を圧縮する電気化学式水素ポンプに関する。
　水素を燃料とする家庭用燃料電池は、その開発の進展とともに普及が進んでいる。さらに、近年では、家庭用燃料電池と同様に、水素を燃料とする燃料電池車の量産、市販が開始されるに至っている。しかしながら、家庭用燃料電池が既存の都市ガスおよび既存の商用電力を利用できるのに対し、燃料電池車には水素インフラが不可欠である。
　したがって、今後、燃料電池車が拡大普及するためには、水素インフラとしての水素ステーションの拡充が必要である。しかしながら、現在の水素ステーションには大規模な設備および用地が必要であり、膨大な費用がかかる。この点が、燃料電池車が普及するために解決すべき大きな課題となっている。
　そこで、大型の水素ステーションに代わるものとして、コンパクトで安価な小型の家庭用水素充填装置の開発が望まれている。この小型水素充填装置の開発において最も重要なことは、水素を圧縮する圧縮機の開発であり、現在、電気化学的に水素を昇圧できる電気化学式水素ポンプが注目されている。
　電気化学式水素ポンプは、従来の機械式水素圧縮装置に比べ、コンパクトであること、効率が高いこと、機械的動作部分がないのでメンテナンスが必要ないこと、騒音がほとんどないこと、といった多くのメリットがあり、その開発および実用化が切望されている。
　現在、小型水素充填装置用として想定されている方式は、家庭用燃料電池の燃料改質装置を使って発生した水素を、燃料電池としての運転が停止している時に、電気化学式水素ポンプを使って電気化学的に水素を圧縮する方法である。このような電気化学式水素ポンプによれば、上述したメリットのほかにも以下のメリットがある。
　すなわち、燃料改質装置を使って発生させることができる水素の濃度は高々７５％であるが、電気化学式水素ポンプでは、燃料電池車に必要とされる、ほぼ１００％の濃度の水素を発生させることができる。さらに、電気化学式水素ポンプでは、その水素を、原理的には、燃料電池車に充填可能な超高圧力まで昇圧することができる。
　また、電気化学式水素ポンプの構造は、家庭用燃料電池の中の発電スタックとほぼ同様である。よって、既に量産化されている燃料電池の部材の生産ラインをそのまま利用し、部材のコストを低減できる可能性がある。
　一方、電気化学式水素ポンプでは、燃料電池の発電スタックと異なり、アノード極とカソード極との間に介在する電解質膜を支持する構造として、特殊な構造が必要となる。その理由は、燃料電池車に水素を充填できるように、カソード極の圧力を、低圧水素を供給するアノード極の圧力よりも、極めて高圧にする必要があるためである。
　図１Ａ、図１Ｂに従来の燃料電池の発電スタック１の構造を示す。図１Ａは、発電スタック１のカソード出入り口を含む模式断面図である。図１Ｂは、発電スタック１のアノード出入り口を含む模式断面図である。
　発電スタック１では、図１Ａ、図１Ｂに示すように、単電池セルｍ１、単電池セルｍ２、単電池セルｍ３が積層されている。単電池セルは、「単セル」または「セル」と言ってもよい。また、ここでは、３つの単電池セルが積層される場合を例に挙げるが、単電池セルの数は、これに限定されない。
　単電池セルｍ１、単電池セルｍ２、単電池セルｍ３は、全て同じ構造である。ここでは例として、最上段の単電池セルｍ１について説明する。
　単電池セルｍ１では、アノード電極層３およびカソード電極層４が形成された電解質膜２を、アノード拡散層５およびカソード拡散層６が挟み込んでいる。さらに、その外側をアノードセパレータ７およびカソードセパレータ８が挟み込でいる。
　また、ガスが外部に漏れないようにするために、アノード拡散層５の周囲にはシール９ｂが、カソード拡散層６の周囲にはシール９ａが、電解質膜２の周囲にはシール９ｃが、それぞれ設けられている。
　単電池セルｍ２および単電池セルｍ３は、単電池セルｍ１と同様の積層構造である。下から順に単電池セルｍ３、単電池セルｍ２、単電池セルｍ１を積み重ねた後、その外側をアノード絶縁板１１およびカソード絶縁板１２で挟み込む。さらに、その外側をアノード端板１３およびカソード端板１４で挟み込んだ後、ボルト１５とナット１０で締結する。
　この発電スタック１を水素ポンプとして使用する場合、アノード入口１６は低圧水素の供給口として使用され、アノード出口１７は余剰な低圧水素を回収するために使用される。つまり、アノード入口１６から供給された低圧水素は、アノード入口マニホールド２１ａと、各単電池セルのアノード入口横導入路２１ｂと、各単電池セルのアノード入口縦導入路２１ｃを通って、アノード拡散層５に流入する。余剰な水素は、各単電池セルのアノード出口縦導入路２１ｄと、アノード出口横導入路２１ｅと、アノード出口マニホールド２１ｆを通ってアノード出口１７から回収される。
　一方、後述の電気化学反応によって発生する各単電池セルのカソード拡散層６内の高圧水素は、カソード入口縦導入路２２ｃ、カソード入口横導入路２２ｂ、およびカソード入口マニホールド２２ａを介して、カソード入口１８から取り出される。
　なお、通常、カソード出口１９は使われないので封止されているが、場合によっては、上記高圧水素を、カソード出口縦導入路２２ｄ、カソード出口横導入路２２ｅ、およびカソード出口マニホールド２２ｆを介して、カソード出口１９から取り出すことも可能である。
　このように、アノード拡散層５に低圧の水素を流した状態で、電源２０により、単電池セルｍ３のアノードセパレータ７と単電池セルｍ１のカソードセパレータ８との間に電圧をかける。これにより、各単電池セルのアノード電極層３では、式（１）に示すように、水素がプロトンと電子とに解離する。
　アノード電極：Ｈ２（低圧）→２Ｈ＋＋２ｅ－・・・（１）
　アノード電極層３で解離したプロトンは、水分子を同伴して電解質膜２を移動する。一方、アノード電極層３で解離した電子は、アノード拡散層５からアノードセパレータ７を通り、他の単電池セルおよび電源２０を介して、カソードセパレータ８およびカソード拡散層６、さらにはカソード電極層４に移動する。
　また、カソード電極側では、下記式（２）に示すように、電解質膜２を移動してきたプロトンと、カソード拡散層６から伝わってきた電子とによる還元反応が行われ、水素が生成される。このとき、カソード入口１８を閉止すると、カソード拡散層６内の水素ガス圧が上昇し、高圧の水素ガスとなる。
　カソード電極：２Ｈ＋＋２ｅ－→Ｈ２（高圧）・・・（２）
　ここで、アノード側の水素の圧力Ｐ１と、カソード側の水素の圧力Ｐ２と、電圧Ｅとの関係は、下記式（３）で示される。
　Ｅ＝（ＲＴ／２Ｆ）ｌｎ（Ｐ２／Ｐ１）＋ｉｒ・・・（３）
　式（３）において、Ｒは気体定数（８．３１４５Ｊ／Ｋ・ｍｏｌ）、Ｔは単電池セルの温度（Ｋ）、Ｆはファラデー定数（９６４８５Ｃ／ｍｏｌ）、Ｐ２はカソード側圧力、Ｐ１はアノード側圧力、ｉは電流密度（Ａ／ｃｍ２）、ｒは単電池セル抵抗（Ω・ｃｍ２）を示している。
　式（３）から明らかなように、電圧を上げればカソード側の水素の圧力Ｐ２が上昇することが分かる。
　しかしながら、カソード側の水素の圧力Ｐ２が上昇し、アノード側の水素の圧力Ｐ１との差圧が大きくなるにつれ、カソード拡散層６とカソードセパレータ８との接触圧力、および、カソード拡散層６とカソード電極層４との接触圧力が低下し、抵抗が増大する。その結果、電気化学式水素ポンプとしての効率が低下するという問題がある。
　図１Ｃを参照して、この現象を説明する。図１Ｃは、図１Ａに示した発電スタック１のカソード出入り口を含む断面の一部を示す図である。図１Ｃでは、カソード拡散層６が収納されている空間が、カソード側の水素の圧力Ｐ２の上昇により膨張した様子を１つの単電池セル（例えば、単電池セルｍ１）のみにおいて表現している。
　カソード側の水素の圧力Ｐ２が上昇すると、図１Ｃに示すように、カソードセパレータ８には、上方向の矢印で示す力Ａ１が加わり、アノードセパレータ７には、下方向の矢印で示す力Ａ２が加わる。よって、カソードセパレータ８は上方へ撓み、アノードセパレータ７は下方へ撓む。
　これにより、カソード拡散層６が収納されている空間が積層方向（図中の上下方向）に広がり、カソード拡散層６とカソードセパレータ８との接触圧力、および、カソード拡散層６とカソード電極層４との接触圧力が低下し、接触抵抗が増大する。一定の水素を昇圧するための電流は一定であるが、この電流を流すために必要な電圧が大きくなり、一定の水素を昇圧するための電力がより多く必要になる。つまり、水素ポンプとしての効率が低下する。
　したがって、発電スタック１を水素ポンプとして使って昇圧できる水素の圧力はあまり高くないため、燃料電池車に水素を十分に充填することはできない。そこで、一般的な燃料電池の発電スタックを水素ポンプとして使用し、高圧側と低圧側の圧力差があってもセパレータの変位が生じないようにする構造が提案されている（例えば特許文献１参照）。
　図２に、特許文献１の電気化学式水素ポンプ２３の模式断面図を示す。図２では、図１Ａ～図１Ｃと同じ構成要素には同一の符号を付している。
　電気化学式水素ポンプ２３は、以下のように作成される。
　まず、箱型端板１３ａの中に、下から順に、アノード絶縁板１１、単電池セルｍ３、単電池セルｍ２、単電池セルｍ１、カソード絶縁板１２を収容する。
　次に、サラバネ１４ｄ、フォルダー１４ｃ、およびシリンダー１４ａが取り付けられた状態の蓋型端板１４ｂを箱型端板１３ａの上に載置する。
　次に、プレス機（図示略）を用いて、箱型端板１３ａと蓋型端板１４ｂとが密着するまで圧縮する。この圧縮状態のときに、ボルト１５で箱型端板１３ａと蓋型端板１４ｂとを固定する。
　なお、シリンダー１４ａは、シール９ｄを介して蓋型端板１４ｂの内部の空間１４ｂａに取り付けられる。シリンダー１４ａは、空間１４ｂａ内において、±ｙ方向（図中の上下方向）に移動自在である。
　＜電気化学式水素ポンプ２３の作用＞
　電気化学式水素ポンプ２３では、アノード絶縁板１１、単電池セルｍ１、単電池セルｍ２、単電池セルｍ３、およびカソード絶縁板１２は、シリンダー１４ａおよびフォルダー１４ｃを介してサラバネ１４ｄの復元力を受けることにより、箱型端板１３ａの底面に押しつけられている。これにより、単電池セルｍ１、単電池セルｍ２、単電池セルｍ３それぞれの内部では、アノード側とカソード側それぞれの電極層、拡散層、およびセパレータは、電解質膜に押し付けられる。よって、接触抵抗を低く抑制できる。
　この状態から、電気化学反応によりカソード側の水素の圧力が高くなると、カソードセパレータには電解質膜から離れようとする力が働く。しかしながら、カソード側の水素は空間１４ｂａにも案内されているので、この水素の圧力により、シリンダー１４ａには、カソードセパレータを電解質膜に近づけようとする力が働く。結局、両方の力が相殺されることになる。したがって、アノード側とカソード側それぞれの電極層、拡散層、およびセパレータが電解質膜に押し付けられる力は、水素の圧力の大きさに関わらず、サラバネ１４ｄの復元力による力だけに保たれることになる。
　よって、アノード側とカソード側とで差圧があっても、セパレータに撓みが生じることがなく、接触抵抗は増加しないとされている。
特開２００６－３１６２８８号公報
　しかしながら、図２に示した構成において、接触抵抗の増加が十分小さくなるようにセパレータの撓みを抑制するためには、箱型端板１３ａおよび蓋型端板１４ｂそれぞれの剛性を十分大きくする必要がある。すなわち、水素の圧力が高圧になっても、セパレータの±ｙ方向への変形が極めて小さくなるようにする必要がある。
　そのためには、箱型端板１３ａおよび蓋型端板１４ｂそれぞれの肉厚を十分に大きくしなければならない。よって、各部材の重量が極めて大きくなり、家庭用水素充填装置としては取り扱いが困難であり、かつ、コスト低減の障害となるという問題がある。
　本開示の一態様の目的は、軽量かつコンパクトな構造を実現でき、かつ、接触抵抗の増加による効率の低下を抑制できる電気化学式水素ポンプを提供することである。
　本開示の一態様に係る電気化学式水素ポンプは、アノードセパレータ、アノード拡散層、アノード電極層、電解質膜、カソード電極層、カソード拡散層、およびカソードセパレータを有する少なくとも１つの単電池セルと、前記少なくとも１つの単電池セルを挟むように設けられるアノード側部材およびカソード側部材と、を備え、前記アノード拡散層および前記カソード拡散層を挟み込む位置に圧力空間が設けられており、前記圧力空間は、前記アノード側部材に設けられるアノード圧力空間、および、前記カソード側部材に設けられるカソード圧力空間を含む。
　本開示によれば、軽量かつコンパクトな構造を実現でき、かつ、接触抵抗の増加による効率の低下を抑制できる電気化学式水素ポンプを提供することができる。
従来の燃料電池の発電スタックのカソード出入り口を含む模式断面図 従来の燃料電池の発電スタックのアノード出入り口を含む模式断面図 図１Ａに示した断面の一部における状態の一例を示す図 特許文献１の電気化学式水素ポンプの模式断面図 本開示の実施の形態１に係る電気化学式水素ポンプのカソードマニホールドを含む模式断面図 本開示の実施の形態１に係る電気化学式水素ポンプのアノードマニホールドを含む模式断面図 本開示の実施の形態１に係る電気化学式水素ポンプの各シールの中心線を、積層方向と垂直な１つの平面に投影した各図形を示す図 本開示の実施の形態２に係る電気化学式水素ポンプの各シールの中心線を、積層方向と垂直な１つの平面に投影した各図形を示す図 本開示の実施の形態３に係る電気化学式水素ポンプの各シールの中心線を、積層方向と垂直な１つの平面に投影した各図形を示す図 本開示の実施の形態２に係る電気化学式水素ポンプのカソードマニホールドを含む模式断面図 本開示の実施の形態３に係る電気化学式水素ポンプのカソードマニホールドを含む模式断面図 電気化学式水素ポンプの評価装置の模式断面図 従来の燃料電池の発電スタック、特許文献１の電気化学式水素ポンプ、および、本開示の実施の形態１～３に係る電気化学式水素ポンプを、図６の電気化学式水素ポンプの評価装置で評価した結果を示す図
　以下、本開示の各実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、各図において共通する構成要素については同一の符号を付し、それらの説明は適宜省略する。
　（実施の形態１）
　本開示の実施の形態１に係る電気化学式水素ポンプ２４について、図３Ａ、図３Ｂを用いて説明する。図３Ａは、本実施の形態の電気化学式水素ポンプ２４のカソード出入り口を含む模式断面である。図３Ｂは、本実施の形態の電気化学式水素ポンプ２４のアノード出入り口を含む模式断面図である。
　＜全体構成＞
　図３Ａ、図３Ｂに示す電気化学式水素ポンプ２４は、図１Ａ、図１Ｂに示した発電スタック１と同様に、３つの単電池セルｍ１、ｍ２、ｍ３が積層されている。
　電気化学式水素ポンプ２４は、下から順に、アノード端板１３、アノード絶縁板１１、Ａ端セパレータ７ａ、単電池セルｍ３、単電池セルｍ２、単電池セルｍ１、Ｃ端セパレータ８ａ、Ｃ圧力プレート８ｂ、カソード絶縁板１２、カソード端板１４が積層され、それらが互いに密着した状態でボルト１５とナット１０により締結された構造である。
　電源２０は、Ａ端セパレータ７ａおよびＣ圧力プレート８ｂのそれぞれに接続される。Ａ端セパレータ７ａおよびＣ圧力プレート８ｂは、「電源接続部材」の一例に相当する。
　電気化学式水素ポンプ２４は、アノード圧力空間２７およびカソード圧力空間２８（ともに、圧力空間の一例に相当）を備える点が、上述した発電スタック１および電気化学式水素ポンプ２３と異なる。
　アノード圧力空間２７は、アノード絶縁板１１（アノード側部材の一例）に形成されている。また、カソード圧力空間２８は、Ｃ圧力プレート８ｂ（カソード側部材の一例）に形成されている。
　アノード圧力空間２７は、カソード入口横導入路２２ｇおよびカソード入口縦導入路２２ｈを介して、カソード入口マニホールド２２ａ（カソードマニホールドの一例）と連通している。また、アノード圧力空間２７は、カソード出口横導入路２２ｉおよびカソード出口縦導入路２２ｊを介して、カソード出口マニホールド２２ｆ（カソードマニホールドの一例）と連通している。
　カソード圧力空間２８は、カソード入口横導入路２２ｋおよびカソード入口縦導入路２２ｌを介して、カソード入口マニホールド２２ａと連通している。また、カソード圧力空間２８は、カソード出口横導入路２２ｍおよびカソード出口縦導入路２２ｎを介して、カソード出口マニホールド２２ｆと連通している。
　なお、図３Ａに示した各種導入路２２ｇ～２２ｎは、「第１導入路」の一例に相当する。また、図３Ａに示した各種導入路２２ｂ～２２ｅは、「第２導入路」の一例に相当する。
　アノード圧力空間２７およびカソード圧力空間２８は、例えば、積層方向（図中の±ｙ方向。換言すれば、図中の上下方向）と平行な中心軸を有する円筒形状である。
　なお、本実施の形態において、第１空間部（例えば、アノード圧力空間２７）と、第２空間部（例えば、導入路２２ｇ、２２ｉ）とを含む空間を、アノード圧力空間と言ってもよい。第１空間部は、積層方向（真上。以下同様）から見たときにカソード拡散層６を包含するように形成されている。第２空間部は、第１空間部およびカソードマニホールド（例えば、カソード入口マニホールド２２ａ、カソード出口マニホールド２２ｆ）と連通し、積層方向と垂直な方向からみたときに第１空間部と少なくとも一部が重ならない位置であって積層方向からみたときに第２導入路（例えば、導入路２２ｂ～２２ｅ）を包含するように形成されている。
　また、本実施の形態において、第３空間部（例えば、カソード圧力空間２８）と、第４空間部（導入路２２ｋ、２２ｍ）とを含む空間を、カソード圧力空間と言ってもよい。第３空間部は、積層方向からみたときにカソード拡散層６を包含するように形成されている。第４空間部は、第３空間部およびカソードマニホールド（例えば、カソード入口マニホールド２２ａ、カソード出口マニホールド２２ｆ）と連通し、積層方向と垂直な方向から見たときに第３空間部と少なくとも一部が重ならない位置であって積層方向から見たときに第２導入路（例えば、導入路２２ｂ～２２ｅ）を包含するように形成されている。
　また、第１空間部と第３空間部は、カソード拡散層６に対応した形状であり、第２空間部と第４空間部は、第２導入路に対応した形状であることが好ましい。それらの形状は円形であることが好ましい。
　＜各部品の説明＞
　電解質膜２は、陽イオン透過膜であり、例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標、デュポン社製）、Ａｃｉｐｌｅｘ（商品名、旭化成株式会社製）等を用いることができる。電解質膜２のアノード側の面には、例えばＲｕＩｒＦｅＯｘ触媒を含むアノード電極層３が設けられている。電解質膜２のカソード側の面には、例えば白金触媒を含むカソード電極層４が設けられている。
　アノード拡散層５は、カソード拡散層６内の高圧水素による電解質膜２の押し付けに耐え得る必要がある。そのため、アノード拡散層５としては、例えば、チタン繊維焼結体またはチタン粉末焼結体の表面に白金メッキを施したもの等、導電性の多孔質体を用いることができる。
　カソード拡散層６としては、例えば、高弾性な黒鉛化炭素繊維（炭素繊維を２０００℃以上の高温で処理して黒鉛化を進行させたもの）、または、チタン粉末焼結体の表面に白金メッキを施した多孔質体等であって、ペーパー状にしたものを用いることができる。
　シール９ａ～９ｊ、アノード絶縁板１１、およびカソード絶縁板１２としては、例えば、フッソゴムを圧縮成形によって製作したものを用いることができる。
　シール９ａ、９ｅ、９ｊは、例えば、カソード圧力空間２８（またはアノード圧力空間２７）の中心軸と同一の中心軸を有する囲繞形状（例えば、円環状）である。また、シール９ｄ、９ｆ、９ｇ、９ｈ、９ｉ、９ｋは、例えば、カソード圧力空間２８（またはアノード圧力空間２７）の中心軸と平行な中心軸を有する囲繞形状（例えば、円環状）である。
　アノード端板１３、Ａ端セパレータ７ａ、アノードセパレータ７、カソードセパレータ８、Ｃ端セパレータ８ａ、Ｃ圧力プレート８ｂ、およびカソード端板１４は、例えば、ＳＵＳ３１６Ｌの板材を切削加工することにより、拡散層を収納する空間などが形成されたものを用いることができる。
　＜圧力空間＞
　シール９ｅは、カソード圧力空間２８を取り囲んでいる。
　シール９ｆは、カソード入口マニホールド２２ａとカソード圧力空間２８とを連通させるカソード入口横導入路２２ｋおよびカソード入口縦導入路２２ｌを取り囲んでいる。
　シール９ｇは、カソード出口マニホールド２２ｆとカソード圧力空間２８とを連通させるカソード出口横導入路２２ｍおよびカソード出口縦導入路２２ｎを取り囲んでいる。
　ここで、シール９ｅ、９ｆ、９ｇそれぞれの中心線を、９ｅｃ、９ｆｃ、９ｇｃとする。この場合、図３Ｃに示す図形αは、９ｅｃと９ｆｃと９ｇｃを、積層方向つまり±ｙ方向（図中の上下方向。以下同じ）に垂直な１つの平面上に投影した図形である。
　シール９ｊは、アノード圧力空間２７を取り囲んでいる。
　シール９ｈは、カソード入口マニホールド２２ａとアノード圧力空間２７とを連通させるカソード入口横導入路２２ｇおよびカソード入口縦導入路２２ｈを取り囲んでいる。
　シール９ｉは、カソード出口マニホールド２２ｆとアノード圧力空間２７とを連通させるカソード出口横導入路２２ｉおよびカソード出口縦導入路２２ｊを取り囲んでいる。
　ここで、シール９ｈ、９ｊ、９ｉそれぞれの中心線を、９ｈｃ、９ｊｃ、９ｉｃとする。この場合、図３Ｃに示す図形βは、９ｈｃ、９ｊｃ、９ｉｃを、積層方向つまり±ｙ方向に垂直な１つの平面上に投影した図形である。この図形βは、図形αと合同である。
　シール９ａは、カソード拡散層６を取り囲んでいる。
　シール９ｄは、カソード入口マニホールド２２ａとカソード拡散層６とを連通させるカソード入口横導入路２２ｂおよびカソード入口縦導入路２２ｃを取り囲んでいる。
　シール９ｋは、カソード出口マニホールド２２ｆとカソード拡散層６とを連通させるカソード出口横導入路２２ｅおよびカソード出口縦導入路２２ｄを取り囲んでいる。
　ここで、シール９ａ、９ｄ、９ｋそれぞれの中心線を、９ａｃ、９ｄｃ、９ｋｃとする。この場合、図３Ｃに示す図形γは、９ａｃ、９ｄｃ、９ｋｃを、積層方向つまり±ｙ方向に垂直な１つの平面上に投影した図形である。この図形γは、図形α、βと合同である。
　図形α、βは、「第１の図形」の一例に相当する。また、図形γは、「第２の図形」の一例に相当する。
　なお、上記説明では、図形α、β、γが合同である場合を例に挙げて説明したが、これに限定されない。例えば、図形α、β、γのうち、少なくとも１つの図形の面積は、他の図形の面積より大きくてもよい。すなわち、図３Ａに示した各シールは、対象（例えば、アノード圧力空間２７、カソード圧力空間２８、カソード電極層６、各種導入路）を取り囲むことが可能な面積を有していればよく、全てのシールの面積が同じである必要はない。
　＜圧力空間の作用＞
　図１Ａ、図１Ｂに示した発電スタック１を水素ポンプとして使用する場合と同様に、図３Ｂに示したアノード入口１６からアノード出口１７に向かって低圧の水素を流した状態で、電源２０から電流を流すと、電気化学反応によって、水素ガスがカソード拡散層内６に発生する。このとき、図３Ａに示したカソード入口１８およびカソード出口１９を閉止しておくと、水素の容積は一定であるにも拘わらず、流した電流に比例してアノード側の水素がカソード側に移動する。よって、カソード拡散層６内の水素の圧力は徐々に上昇する。この圧力の上昇によって、カソードセパレータ８は＋ｙ方向に押され、アノードセパレータ７は電解質膜２とアノード拡散層５を介して－ｙ方向に押される。
　ここで、高圧になった水素は、カソード圧力空間２８およびアノード圧力空間２７にも案内される。
　よって、例えば、単電池セルｍ１のカソードセパレータ８は、Ｃ圧力プレート８ｂおよびカソード端セパレータ８ａを介して、カソード圧力空間２８、カソード入口横導入路２２ｋ、カソード入口縦導入路２２ｌ、カソード出口横導入路２２ｍ、およびカソード出口縦導入路２２ｎ内の高圧水素による－ｙ方向の力（水素の圧力と図形αの面積の積）を受ける。
　その一方で、単電池セルｍ１のカソードセパレータ８は、カソード拡散層６、カソード入口横導入路２２ｂ、カソード入口縦導入路２２ｃ、カソード出口横導入路２２ｅ、およびカソード出口縦導入路２２ｄ内の高圧水素による＋ｙ方向の力（水素の圧力と図形γの面積の積）を受ける。
　ここで、－ｙ方向の力と＋ｙ方向の力は互いに打ち消しあうので、単電池セルｍ１のカソードセパレータ８にかかる力は僅かとなる。その結果、カソードセパレータ８の撓みが僅かとなる。
　同様に、単電池セルｍ１のカソード拡散層６内の水素による力、単電池セルｍ２のカソード拡散層６内の水素による力、単電池セルｍ３のカソード拡散層６内の水素による力、アノード圧力空間２７等内の水素による力がそれぞれ打ち消しあう。よって、カソードセパレータ８およびアノードセパレータ７にかかる力は僅かであるので、それらの撓みは僅かとなる。なお、上記「アノード圧力空間２７等内の水素による力」とは、アノード圧力空間２７、カソード入口横導入路２２ｇ、カソード入口縦導入路２２ｈ、カソード出口横導入路２２ｉ、およびカソード出口縦導入路２２ｊ内の水素による力（水素の圧力とβの面積の積）をいう。
　以上のように、電気化学式水素ポンプ２４では、カソード拡散層６が収納されている空間が積層方向（±ｙ方向）へ広がることを抑制できる。よって、カソード拡散層６とカソードセパレータ８との接触圧力、および、カソード拡散層６とカソード電極層４との接触圧力の低下による、接触抵抗の増大を抑制できる。
　＜評価装置＞
　電気化学式水素ポンプ２４の評価装置３１について、図６を用いて説明する。図６は、電気化学式水素ポンプ２４の評価装置３１の模式断面図である。
　図６に示すように、評価装置３１は、電源２０、水素ボンベ３２、そのバルブ４５、レギュレータ３３、バブラー３４、ヒーター３５、気液分離装置３６、冷却装置３７、圧力計３８、排気バルブ３９、窒素ボンベ４０、そのバルブ４４、希釈装置４１、排気口４２、三方弁４３を有する。
　評価装置３１は、電源２０から電気化学式水素ポンプ２４へ電流を流し、水素ボンベ３２およびレギュレータ３３により、電気化学式水素ポンプ２４に低圧水素を供給する。この低圧水素は、バブラー３４およびヒーター３５によって加湿されている。
　電気化学式水素ポンプ２４で使用されなかった余剰水素は、気液分離装置３６および冷却装置３７により露点を下げられる。
　また、高圧側では圧力計３８で水素の圧力を測定する。圧力計３８の下流の排気バルブ３９は、基本的には閉状態であり、水素の圧力が一定値以上になると開状態となる。
　ただし、排気バルブ３９の開度は、圧力損失が十分に発生するように調整されるとする。つまり、排気バルブ３９を通過した水素の圧力が、排気バルブ３９で発生した圧力損失によって、ほぼ大気圧（大気圧の１．０５倍程度）にまで低下するように、排気バルブ３９の開度は調整される。
　ほぼ大気圧程度にまで減圧された水素は、気液分離装置３６および冷却装置３７によって露点を下げられる。その後、その水素は、窒素ボンベ４０から供給される窒素によって希釈装置４１の内部で希釈された後、排気口４２から屋外等へ排出される。
　＜評価プロセス＞
　評価装置３１を用いて、電気化学式水素ポンプ２４を評価するための評価プロセス（１）～（９）について、以下に説明する。なお、以下では、ヒーター３５は６５℃に設定し、冷却装置３７は２０℃に設定した場合を例に挙げて説明する。
　（１）図６に示したように、電気化学式水素ポンプ２４を評価装置３１に接続する。
　（２）三方弁４３を大気開放側（矢印Ａ）から密閉側（矢印Ｂ）へ切り替える。
　（３）窒素ボンベ４０のバルブ４４を操作して、窒素ボンベ４０から希釈装置４１へ窒素を供給する。
　（４）水素ボンベ３２のバルブ４５およびレギュレータ３３を操作して、低圧（圧力比０．０５）の水素を電気化学式水素ポンプ２４に供給する。
　（５）電源２０をＯＮにし、電極面積から計算して１．０（Ａ／ｃｍ２）となるように電流値を設定する。
　（６）圧力計３８が目標圧力（圧力比１００）に達するまでの間において、圧力比が１０.０上昇するごとに、電源２０に表示される電圧および電流を記録する。記録した電流および電圧から抵抗を算出する。
　（７）電源２０をＯＦＦにし、バルブ４５を操作して水素の供給を停止し、続いてバルブ４４を操作して窒素の供給を停止する。
　（８）三方弁４３を密閉側（矢印Ｂ）から大気開放側（矢印Ａ）に切り替える。
　（９）電気化学式水素ポンプ２４を評価装置３１から取り外す。
　＜評価結果＞
　発電スタック１（図１Ａ、図１Ｂ参照）を水素ポンプとして用い、上述した評価プロセスを行った。また、特許文献１の電気化学式水素ポンプ２３（図２参照）に対しても、上述した評価プロセスを行った。電気化学式水素ポンプ２４、発電スタック１、および電気化学式水素ポンプ２３それぞれの評価結果を図７に示す。図７において、横軸は圧力比、縦軸は抵抗比である。
　図７において、円形の各プロット点ａは、発電スタック１に対して上記評価プロセスを行った結果得られた圧力比および抵抗比を示している。また、四角形の各プロット点ｂは、電気化学式水素ポンプ２４に対して上記評価プロセスを行った結果得られた圧力比および抵抗比を示している。また、三角形の各プロット点ｅは、電気化学式水素ポンプ２３に対して上記評価プロセスを行った結果得られた圧力比および抵抗比を示している。
　なお、円形の各プロット点ｄについては後述の実施の形態２で説明し、菱形の各プロット点ｃについては後述の実施の形態３で説明する。
　発電スタック１の評価結果を示す各プロット点ａでは、圧力比の上昇とともに抵抗比が増加している。これは、単電池セルｍ１、ｍ２、ｍ３それぞれのカソード拡散層６内の水素の圧力により、カソードセパレータ８およびアノードセパレータ７が撓み、カソード拡散層６が収納されている空間が積層方向（±ｙ方向）へ広がったことにより、カソード拡散層６とカソードセパレータ８との接触圧力、および、カソード拡散層６とアノード電極層４との接触圧力が低下し、接触抵抗が増加したためと考えられる。
　一方、電気化学式水素ポンプ２３の評価結果を示す各プロット点ｅでは、圧力比が上昇しても、抵抗比は全く増加していない。これは、カソード拡散層６内の水素の圧力による力と、圧力空間１４ｂａ（図２参照）内の水素の圧力による力とが打ち消しあい、かつ、圧力空間１４ｂａ内の水素の圧力が高くなっても、箱型端板１３ａおよび蓋型端板１４ｂが全く変形しないためと考えられる。
　箱型端板１３ａおよび蓋型端板１４ｂが全く変形しないためには、箱型端板１３ａおよび蓋型端板１４ｂの剛性が極めて高いことが必要であり、各々の部品の肉厚を厚くする必要がある。図１Ａ、図１Ｂおよび図２に示した単電池セルｍ１、ｍ２、ｍ３を全て同じサイズとした場合、電気化学式水素ポンプ２３の重量は、発電スタック１と比べて、約２.５倍であった。よって、電気化学式水素ポンプ２３は、家庭用の水素ポンプとしては、重すぎて取り扱いが困難であるという問題がある。
　上述した各プロット点ａ、ｅに対し、電気化学式水素ポンプ２４の評価結果を示す各プロット点ｂでは、圧力比の上昇とともに抵抗比は増加するものの、増加する抵抗比は、各プロット点ａの約３分の１程度に抑制されている。
　このように抵抗の増加が抑制されている理由は、カソード拡散層６内の水素の圧力による力と、カソード圧力空間２８およびアノード圧力空間２７内の水素の圧力による力とが打ち消しあい、カソードセパレータ８およびアノードセパレータ７の撓みを抑制しているためである。
　一方で、各プロット点ｂでは、各プロット点ｅと比べて抵抗の増加が大きい。この理由は、カソード端板１４の＋ｙ方向への撓みやアノード端板１３の－ｙ方向への撓みが若干発生し、これらの撓みが各セパレータに分散し、カソード拡散層６の収納空間が若干広がったためと考えられる。すなわち、カソード拡散層６とカソードセパレータ８との接触圧力、および、カソード拡散層６とカソード電極層４との接触圧力が低下し、接触抵抗が若干増加したためと考えられる。
　しかしながら、図１Ａ、図１Ｂ、図３Ａ、および図３Ｂに示した単電池セルｍ１、ｍ２、ｍ３を全て同じサイズとした場合、電気化学式水素ポンプ２４の重量は、発電スタック１の重量と比べて、約１.１倍であった。よって、電気化学式水素ポンプ２４の重量は、家庭用の水素ポンプとしての取り扱いに問題がない重量であった。
　したがって、本実施の形態の電気化学式水素ポンプ２４は、各プロット点ｂに示した抵抗の増加が許容できる仕様であれば、家庭用として適している。
　本実施の形態の電気化学式水素ポンプ２４では、単電池セルｍ１～ｍ３のカソード拡散層６で発生した高圧の水素は、アノード圧力空間２７、カソード圧力空間２８に導かれる。したがって、アノードセパレータ７、カソードセパレータ８は、カソード拡散層６内の水素の圧力で押されても、アノード圧力空間２７、カソード圧力空間２８内の水素の圧力により押し返される。よって、アノードセパレータ７およびカソードセパレータ８それぞれの撓みを極めて小さく抑制できる。したがって、カソード拡散層６が収納されている空間が積層方向に広がることを抑制できるので、接触抵抗の増加を抑制できる。その結果、一定量の水素を昇圧するときに、より高い電圧が必要となって電気化学式水素ポンプとしての効率が低下する、ということを抑制できる。
　また、本実施の形態の電気化学式水素ポンプ２４は、剛性が高い部材（例えば、図２に示した箱型端板１３ａおよび蓋型端板１４ｂ等）を必要としないため、軽量かつコンパクトな構造を実現できる。よって、コスト低減の障害とならず、かつ、取り扱いが容易である。
　また、本実施の形態の電気化学式水素ポンプ２４は、アノード圧力空間２７が第１空間部および第２空間部を含み、カソード圧力空間２８が第３空間部および第４空間部を含むため、空間部の合計面積を減らすことができるとともに、ポンプ性能として十分なレベルで抵抗比を抑えることができる。
　（実施の形態２）
　本開示の実施の形態２に係る電気化学式水素ポンプ２５について、図４を用いて説明する。図４は、本実施の形態の電気化学式水素ポンプ２５のカソード出入り口を含む模式断面である。
　＜全体構成＞
　電気化学式水素ポンプ２５は、下から順に、アノード端板１３、アノード絶縁板１１、Ａ端セパレータ７ａ、単電池セルｍ３、単電池セルｍ２、単電池セルｍ１、Ｃ端セパレータ８ａ、カソード絶縁板１２、カソード端板１４が積層され、それらが互いに密着した状態でボルト１５とナット１０により締結された構造である。
　アノード絶縁板１１（アノード側部材の一例）には、アノード圧力空間２７が形成されている。また、カソード絶縁板１２（カソード側部材の一例）には、カソード圧力空間２８が形成されている。
　アノード圧力空間２７は、カソード入口マニホールド２２ａおよびカソード出口マニホールド２２ｆと連通している。また、カソード圧力空間２８も、カソード入口マニホールド２２ａおよびカソード出口マニホールド２２ｆと連通している。
　なお、図４では図示を省略しているが、電源２０は、例えば、Ａ端セパレータ７ａとＣ端セパレータ８ａとに接続される。Ａ端セパレータ７ａおよびＣ端セパレータ８ａは、「電源接続部材」の一例に相当する。
　＜圧力空間＞
　シール９ｊは、アノード圧力空間２７を取り囲んでいる。ここで、このシール９ｊの中心線を９ｊｃとすると、図３Ｄに示す図形δは、９ｊｃを、積層方向つまり±ｙ方向に垂直な１つの平面上に投影した図形である。
　シール９ｅは、カソード圧力空間２８を取り囲んでいる。ここで、このシール９ｅの中心線を９ｅｃとすると、図３Ｄに示す図形εは、９ｅｃを、積層方向つまり±ｙ方向に垂直な１つの平面上に投影した図形である。図形εは、図形δと合同である。
　図３Ｄでは、実施の形態１で説明した図形γを重ねて図示している。図形γは、上述したとおり、シール９ａ、９ｄ、９ｋそれぞれの中心線９ａｃ、９ｄｃ、９ｋｃを、積層方向つまり±ｙ方向に垂直な１つの平面上に投影した図形である。
　図形δ、εは、「第３の図形」の一例に相当する。また、図３Ｄに示した図形γは、「第４の図形」の一例に相当する。
　＜圧力空間の作用＞
　図３Ｄからわかるように、図形δおよび図形εそれぞれの面積は、図形γの面積より大きい。また、図形δおよび図形εは、図形γを包含している。したがって、カソード圧力空間２８内の水素がＣ端セパレータ８ａを介してカソードセパレータ８を－ｙ方向に押す力は、カソード拡散層６内の水素がカソードセパレータ８を＋ｙ方向に押す力よりも大きい。よって、単電池セルｍ１のカソードセパレータ８は、－ｙ方向に押し付けられる力Ｆ１を受ける。
　一方、アノード圧力空間２７内の水素がＡ端セパレータ７ａを介してアノードセパレータ７を＋ｙ方向に押す力は、カソード拡散層６内の水素が電解質膜２を介してアノードセパレータ７を－ｙ方向に押す力よりも大きい。よって、単電池セルｍ３のカソードセパレータ８は、＋ｙ方向に押し付けられる力Ｆ２を受ける。ここで、Ｆ１とＦ２とは、大きさが同じであり、向きが逆である。
　＜評価結果＞
　本実施の形態の電気化学式水素ポンプ２５に対して、実施の形態１で説明した評価プロセスを行った結果を図７に示す。図７において、円形の各プロット点ｄは、電気化学式水素ポンプ２５に対して上記評価プロセスを行った結果得られた圧力比および抵抗比を示している。
　図７において、各プロット点ｄは、特許文献１の電気化学式水素ポンプ２３の評価結果を示す各プロット点ｅとほとんど差が無い。よって、本実施の形態の電気化学式水素ポンプ２５では、特許文献１の電気化学式水素ポンプ２３と同程度にカソードセパレータ８およびアノードセパレータ７の撓みが抑制されていることがわかる。これは、図４に示したように、力Ｆ１、Ｆ２が、単電池セルｍ１、ｍ２、ｍ３を圧縮する方向に働いているためと考えられる。
　しかしながら、図３Ｄからわかるように、図形δおよび図形εの面積は、それぞれ、図形γの面積より広い。よって、電気化学式水素ポンプ２５において、カソード端板１４をＣ端セパレータ８ａから引き離そうとする＋ｙ方向の力、または、アノード端板１３をＡ端セパレータ７ａから引き離そうとする－ｙ方向の力は、実施の形態１の電気化学式水素ポンプ２４と比べて大きい。そのため、電気化学式水素ポンプ２５では、ボルト１５の締結力は、電気化学式水素ポンプ２４に比べて、１.７倍の大きさが必要であった。この締結力に合わせて各部品の強度を維持するように肉厚を修正した結果、電気化学式水素ポンプ２５の重量は、電気化学式水素ポンプ２４の重量の１.８倍となった。
　したがって、電気化学式水素ポンプ２５は、その重量が電気化学式水素ポンプ２４の２倍近くあるものの、抵抗の増大を抑制できるという効果を得ることができる。
　（実施の形態３）
　本開示の実施の形態３に係る電気化学式水素ポンプ２６について、図５を用いて説明する。図５は、本実施の形態の電気化学式水素ポンプ２６のカソード出入り口を含む模式断面である。
　＜全体構成＞
　図５に示す電気化学式水素ポンプ２６では、３つの単電池セルｍ１ａ、ｍ２ａ、ｍ３ａが積層されている。
　単電池セルｍ１ａ、ｍ２ａ、ｍ３ａの構成について説明する。
　単電池セルｍ１ａ、ｍ２ａ、ｍ３ａは、それぞれ、アノードセパレータ７、アノード拡散層５、アノード電極層３、電解質膜２、シール９ｃ、カソード電極層４、およびカソード拡散層６を有する。これらの構成要素は、実施の形態１の電気化学式水素ポンプ２５の各構成要素と同じである。
　本実施の形態では、単電池セルｍ１ａ、ｍ２ａ、ｍ３ａは、それぞれ、実施の形態１で説明したカソードセパレータ８の代わりに、第１カソードセパレータ８ｃおよび第２カソードセパレータ８ｄを有する。
　第１カソードセパレータ８ｃには、カソード拡散層６の収納部に入口側で連通するカソード入口縦導入路２２ｏおよびカソード入口横導入路２２ｐが設けられている。また、第１カソードセパレータ８ｃには、カソード拡散層６の収納部に出口側で連通するカソード出口縦導入路２２ｑおよびカソード出口横導入路２２ｒが設けられている。
　第２カソードセパレータ８ｄには、カソード入口マニホールド２２ａに入口側で連通するカソード入口縦導入路２２ｓおよびカソード入口横導入路２２ｔが設けられている。また、第２カソードセパレータ８ｄには、カソード出口マニホールド２２ｆに出口側で連通するカソード出口縦導入路２２ｕおよびカソード出口横導入路２２ｖが設けられている。
　したがって、カソード入口マニホールド２２ａは、カソード拡散層６の収納部（入口側）と連通し、カソード出口マニホールド２２ｆは、カソード拡散層６の収納部（出口側）と連通する。
　以上、単電池セルｍ１ａ、ｍ２ａ、ｍ３ａの構成について説明した。
　図５に示すように、電気化学式水素ポンプ２６は、下から順に、アノード端板１３、アノード絶縁板１１、第１Ａ端セパレータ７ｂ、第２Ａ端セパレータ７ｃ、単電池セルｍ１ａ、ｍ２ａ、ｍ３ａ、第１Ｃ端セパレータ８ｅ、第２Ｃ端セパレータ８ｆ、カソード絶縁板１２、カソード端板１４が積層され、それらがボルト１５とナット１０で締結された構造である。
　第１Ａ端セパレータ７ｂには、カソード入口横導入路２９ｋおよびカソード入口縦導入路２９ｌが形成されている。また、第１Ａ端セパレータ７ｂには、カソード出口横導入路２９ｏおよびカソード出口縦導入路２９ｐが形成されている。
　第２Ａ端セパレータ７ｃには、カソード入口横導入路２９ｉおよびカソード入口縦導入路２９ｊが形成されている。また、第２Ａ端セパレータ７ｃには、カソード出口横導入路２９ｍおよびカソード出口縦導入路２９ｎが形成されている。
　第１Ｃ端セパレータ８ｅには、カソード入口横導入路２９ｃおよびカソード入口縦導入路２９ｄが形成されている。また、第１Ｃ端セパレータ８ｅには、カソード出口横導入路２９ｇおよびカソード出口縦導入路２９ｈが形成されている。
　第２Ｃ端セパレータ８ｆには、カソード入口横導入路２９ａおよびカソード入口縦導入路２９ｂが形成されている。また、第２Ｃ端セパレータ８ｆには、カソード出口横導入路２９ｅおよびカソード出口縦導入路２９ｆが形成されている。
　アノード絶縁板１１（アノード側部材の一例）には、アノード圧力空間２７が形成されている。また、第１Ｃ端セパレータ８ｅ（カソード側部材の一例）には、カソード圧力空間２８が形成されている。
　カソード入口マニホールド２２ａは、カソード入口横導入路２９ａ、カソード入口縦導入路２９ｂ、カソード入口横導入路２９ｃ、およびカソード入口縦導入路２９ｄを介して、カソード圧力空間２８と連通する。
　また、カソード入口マニホールド２２ａは、カソード入口横導入路２９ｉ、カソード入口縦導入路２９ｊ、カソード入口横導入路２９ｋ、およびカソード入口縦導入路２９ｌを介して、アノード圧力空間２７と連通する。
　カソード出口マニホールド２２ｆは、カソード出口横導入路２９ｅ、カソード出口縦導入路２９ｆ、カソード出口横導入路２９ｇ、およびカソード出口縦導入路２９ｈを介して、カソード圧力空間２８と連通する。
　また、カソード出口マニホールド２２ｆは、カソード出口横導入路２９ｍ、カソード出口縦導入路２９ｎ、カソード出口横導入路２９ｏ、およびカソード出口縦導入路２９ｐを介して、アノード圧力空間２７と連通する。
　また、シール３０ａ～３０ｌは、例えば、カソード圧力空間２８（またはアノード圧力空間２７）の中心軸と平行な中心軸を有する囲繞形状（例えば、円環状）である。
　なお、図５に示した各種導入路２９ａ～２９ｐは、カソードマニホールドと圧力空間とを連通させる「第１導入路」の一例に相当する。また、図５に示した各種導入路２２ｏ～２２ｖは、「第２導入路」の一例に相当する。
　また、図５では図示を省略しているが、電源２０は、例えば、第１Ａ端セパレータ７ｂと第２Ｃ端セパレータ８ｆとに接続される。第１Ａ端セパレータ７ｂおよび第２Ｃ端セパレータ８ｆは、「電源接続部材」の一例に相当する。
　なお、本実施の形態において、第１空間部（例えば、アノード圧力空間２７）と、第２空間部（例えば、導入路２２ｋ、２２ｏ）と、第５空間部（例えば、導入路２２ｉ、２２ｍ）とを含む空間を、アノード圧力空間と言ってもよい。第１空間部は、積層方向から見たときにカソード拡散層６を包含するように形成されている。第２空間部は、第１空間部と連通し、積層方向と垂直な方向からみたときに第１空間部と少なくとも一部が重ならない位置であって積層方向からみたときに第２導入路（例えば、導入路２２ｓ、２２ｐ、２２ｏ、２２ｑ、２２ｒ、２２ｕ）の一部を包含するように形成されている。第５空間部は、第２空間部およびカソードマニホールド（例えば、カソード入口マニホールド２２ａ、カソード出口マニホールド２２ｆ）と連通し、積層方向と垂直な方向からみたときに第２空間部と少なくとも一部が重ならない位置であって積層方向からみたときに第２導入路（例えば、導入路２２ｓ、２２ｔ、２２ｕ、２２ｖ）の一部を包含するように形成されている。
　また、本実施の形態において、第３空間部（例えば、カソード圧力空間２８）と、第４空間部（例えば、導入路２９ｃ、２９ｇ）と、第６空間部（例えば、導入路２９ａ、２９ｅ）とを含む空間を、カソード圧力空間と言ってもよい。第３空間部は、積層方向からみたときにカソード拡散層６を包含するように形成されている。第４空間部は、第３空間部と連通し、積層方向と垂直な方向から見たときに第３空間部と少なくとも一部が重ならない位置であって積層方向から見たときに第２導入路（例えば、導入路２２ｓ、２２ｐ、２２ｏ、２２ｑ、２２ｒ、２２ｕ）の一部を包含するように形成されている。第６空間部は、第４空間部およびカソードマニホールドと連通し、積層方向と垂直な方向からみたときに第４空間部と少なくとも一部が重ならない位置であって積層方向からみたときに第２導入路（例えば、導入路２２ｓ、２２ｔ、２２ｕ、２２ｖ）の一部を包含するように形成されている。
　また、積層方向からみたときに、第２導入路全体が、第２空間部及び第５空間部の少なくとも一方に包含される。また、積層方向からみたときに、第２導入路全体が、第４空間部及び第６空間部の少なくとも一方に包含される。
　また、第１空間部と第３空間部は、カソード拡散層６に対応した形状であり、第２空間部と第４空間部は、第２導入路に対応した形状であり、第５空間部と第６空間部は、第１導入路に対応した形状であることが好ましい。それらの形状は円形であることが好ましい。
　＜圧力空間＞
　シール９ｊは、アノード圧力空間２７を取り囲んでいる。
　シール３０ａは、カソード入口横導入路２９ｋおよびカソード入口縦導入路２９ｌを取り囲んでいる。
　シール３０ｂは、カソード入口横導入路２９ｉおよびカソード入口縦導入路２９ｊを取り囲んでいる。
　シール３０ｃは、カソード出口横導入路２９ｏおよびカソード出口縦導入路２９ｐを取り囲んでいる。
　シール３０ｄは、カソード出口横導入路２９ｍおよびカソード出口縦導入路２９ｎを取り囲んでいる。
　ここで、シール９ｊ、３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄそれぞれの中心線を、９ｊｃ、３０ａｃ、３０ｂｃ、３０ｃｃ、３０ｄｃとする。この場合、図３Ｅに示す図形ξは、９ｊｃ、３０ａｃ、３０ｂｃ、３０ｃｃ、３０ｄｃを、積層方向つまり±ｙ方向に垂直な１つの平面上に投影した図形である。
　シール９ｅは、カソード圧力空間２８を取り囲んでいる。
　シール３０ｅは、カソード入口横導入路２９ｃおよびカソード入口縦導入路２９ｄを取り囲んでいる。
　シール３０ｆは、カソード入口横導入路２９ａおよびカソード入口縦導入路２９ｂを取り囲んでいる。
　シール３０ｇは、カソード出口横導入路２９ｇおよびカソード出口縦導入路２９ｈを取り囲んでいる。
　シール３０ｈは、カソード出口横導入路２９ｅおよびカソード出口縦導入路２９ｆを取り囲んでいる。
　ここで、シール９ｅ、３０ｅ、３０ｆ、３０ｇ、３０ｈそれぞれの中心線を、９ｅｃ、３０ｅｃ、３０ｆｃ、３０ｇｃ、３０ｈｃとする。この場合、図３Ｅに示す図形ηは、９ｅｃ、３０ｅｃ、３０ｆｃ、３０ｇｃ、３０ｈｃを、積層方向つまり±ｙ方向に垂直な１つの平面上に投影した図形である。
　シール９ａは、カソード拡散層６を取り囲んでいる。
　シール３０ｉは、カソード入口横導入路２２ｐおよびカソード入口縦導入路２２ｏを取り囲んでいる。
　シール３０ｊは、カソード入口横導入路２２ｔおよびカソード入口縦導入路２２ｓを取り囲んでいる。
　シール３０ｋは、カソード出口横導入路２２ｒおよびカソード出口縦導入路２２ｑを取り囲んでいる。
　シール３０ｌは、カソード出口横導入路２２ｖおよびカソード出口縦導入路２２ｕを取り囲んでいる。
　ここで、シール９ａ、３０ｉ、３０ｊ、３０ｋ、３０ｌそれぞれの中心線を、９ａｃ、３０ｉｃ、３０ｊｃ、３０ｋｃ、３０ｌｃとする。この場合、図３Ｅに示す図形θは、９ａｃ、３０ｉｃ、３０ｊｃ、３０ｋｃ、３０ｌｃを、積層方向つまり±ｙ方向に垂直な１つの平面上に投影した図形である。
　図３Ｅでは、実施の形態１で説明した図形αを重ねて図示している。図形αは、上述したとおり、シール９ｅ、９ｆ、９ｇそれぞれの中心線９ｅｃ、９ｆｃ、９ｇｃを、積層方向つまり±ｙ方向に垂直な１つの平面上に投影した図形である。
　図形ξ、η、θは、「第５の図形」の一例に相当する。また、図３Ｅに示した図形αは、「第６の図形」の一例に相当する。
　＜圧力空間の作用＞
　図３Ｅに示した図形ξと、図形ηと、図形θとは合同である。したがって、単電池セルｍ３ａのカソード拡散層６内の高圧水素が第１カソードセパレータ８ｃを介して第２カソードセパレータ８ｄを＋ｙ方向に押し上げようとする力と、カソード圧力空間２８内の高圧水素が第２カソードセパレータ８ｄを－ｙ方向に押し下げようとする力とは、大きさが同じであり、向きが逆である。
　また、カソード拡散層６内の高圧水素が電解質膜２を介してアノードセパレータ７を－ｙ方向に押し下げようとする力と、アノード圧力空間２７内の高圧水素が第１Ａ端セパレータ７ｂおよび第２Ａ端セパレータ７ｃを介してアノードセパレータ７を＋ｙ方向に押し上げようとする力とは、大きさが同じであり、向きが逆である。
　＜評価結果＞
　本実施の形態の電気化学式水素ポンプ２６に対して、実施の形態１で説明した評価プロセスを行った結果を図７に示す。図７において、菱形の各プロット点ｃは、電気化学式水素ポンプ２６に対して上記評価プロセスを行った結果得られた圧力比および抵抗比を示している。
　図７において、各プロット点ｃは、実施の形態１の電気化学式水素ポンプ２４の評価結果を示す各プロット点ｂとほとんど差が無い。よって、本実施の形態の電気化学式水素ポンプ２６では、電気化学式水素ポンプ２４と同程度に、第１カソードセパレータ８ｃ、第２カソードセパレータ８ｄ、およびアノードセパレータ７の撓みが抑制されていることがわかる。
　しかも、図３Ｅからわかるように、図形ηの面積は、９ｆｃ、９ｇｃ、および９ｅｃで構成される図形αの面積より狭い。よって、電気化学式水素ポンプ２６において、カソード端板１４を単電池セルｍ１ａ、ｍ２ａ、ｍ３ａから引き離そうとする＋ｙ方向の力は、電気化学式水素ポンプ２４と比べて小さい。そのため、電気化学式水素ポンプ２６では、ボルト１５の締結力を、電気化学式水素ポンプ２４に比べて、０.８倍の大きさにすることができた。
　この締結力に合わせて各部品の強度を維持するように肉厚を修正した結果、電気化学式水素ポンプ２６の重量は、電気化学式水素ポンプ２４の重量の０.８倍となった。
　したがって、電気化学式水素ポンプ２６は、電気化学式水素ポンプ２４と同程度に抵抗の増大を抑制できるという効果を得ることができるとともに、重量が電気化学式水素ポンプ２４の約０.８倍と軽いため、家庭用として取り扱いが容易であると言える。
　また、電気化学式水素ポンプ２６では、例えば、カソード圧力空間２８とカソード入口マニホールド２２ａとを連通させる各導入路（２９ａ、２９ｂ、２９ｃ、２９ｄ）、および、カソード圧力空間２８とカソード出口マニホールド２２ｆとを連通させる各導入路（２９ｅ、２９ｆ、２９ｇ、２９ｈ）を複数段の階段状に設けている。また、例えば、カソード電極部６とカソード入口マニホールド２２ａとを連通させる各導入路（２２ｔ、２２ｓ、２２ｐ、２２ｏ）および、カソード電極部６とカソード出口マニホールド２２ｆを連通させる各導入路（２２ｖ、２２ｕ、２２ｒ、２２ｑ）を、複数段の階段状に設けている。よって、上記各導入路を１段の階段状に設けた場合（実施の形態１の電気化学式水素ポンプ２４）に比べて、各横導入路の長さを短くできる。したがって、各横導入路を取り囲むシールの直径を小さくできる。よって、抵抗の増大を抑制しつつ、高圧水素による＋ｙ方向および－ｙ方向の力を小さくすることができ、ボルトの締結力、ひいては電気化学式水素ポンプ２６の重量を小さくすることができる。
　また、本実施の形態の電気化学式水素ポンプ２６は、アノード圧力空間２７が第１空間部、第２空間部、および第５空間部を含み、カソード圧力空間２８が第３空間部、第４空間部、および第６空間部を含むため、空間部の合計面積を減らすことができるとともに、ポンプ性能として十分なレベルで抵抗比を抑えることができる。
　以上、本開示の実施の形態１～３について説明した。以下、従来技術（例えば、図２に示した電気化学式水素ポンプ）と、実施の形態１～３の電気化学水素ポンプ２４～２６との比較について、下記表１を用いて説明する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１は、従来技術による実施例、実施の形態１～３による実施例について、圧力空間の有無および構造と、圧力比１００の運転を行った時の抵抗比と、圧力空間を積層方向に投影した図形の面積（投影面積）と、を一覧にしたものである。
　つまり、表１の「圧力比１００における抵抗比」の行に示される９６、２８、４、２６という数値は、図７のａ、ｂ、ｃ、ｄの各右端の点のｙ座標の値である。また、表１の「投影面積」の行に示される４９、１００、３１という数値は、図３Ｃ、図３Ｄ、図３Ｅの各図形のハッチング部の面積を、図３Ｄのハッチング部の面積を１００とした比で表したものである。
　従来技術による実施例では、圧力比１００における抵抗比が９６であるのに対し、実施の形態１～３による実施例では、最も大きい抵抗比であっても、９６の３分の１程度と十分に小さく、水素の圧縮機として実用上問題ないレベルである。
　特に、実施の形態２による実施例では、圧力比１００における抵抗比が４であり、実施の形態１、３による実施例それぞれの抵抗比と比べても極めて小さい値に抑制できている。しかしながら、このような低い抵抗比を実現するために、圧力空間を積層方向に投影した図形の面積（すなわち、投影面積）は１００となっており、実施の形態１、３による実施例それぞれの投影面積と比較すると大きくなっている。抵抗比を小さくする観点からは、実施の形態２は特に好ましい。ただし、端板は締結ボルトなどの部材を堅牢にする必要があり、重量が重く、取り扱い性の面で問題が生じる可能性がある。
　一方、実施の形態１、３による実施例では、抵抗比は実施の形態２よりも大きくなるものの、水素の圧縮機として実用上問題ないレベルに抵抗比を抑制しつつ、圧力空間を積層方向に投影した図形の面積を実施の形態２の半分以下に抑制できる。よって、実施の形態２のような堅牢な構造は不要になり、重量を軽減できる。そのため、実施の形態１、３は、家庭用の水素圧縮機として最適な軽量かつコンパクトな構造を実現できる。
　（本開示のまとめ）
　本開示のまとめは、以下のとおりである。
　本開示の電気化学式水素ポンプは、アノードセパレータ、アノード拡散層、アノード電極層、電解質膜、カソード電極層、カソード拡散層、およびカソードセパレータを有する少なくとも１つの単電池セルと、前記少なくとも１つの単電池セルを挟むように設けられるアノード側部材およびカソード側部材と、を備える。また、前記アノード拡散層および前記カソード拡散層を挟み込む位置に圧力空間が設けられており、前記圧力空間は、前記アノード側部材に設けられるアノード圧力空間、および、前記カソード側部材に設けられるカソード圧力空間を含む。
　なお、本開示の電気化学式水素ポンプにおいて、前記少なくとも１つの単電池セルと、前記アノード側部材および前記カソード側部材の少なくとも一方との間に、電源と接続される電源接続部材をさらに備えてもよい。また、前記圧力空間は、前記電源接続部材よりも、前記少なくとも１つの単電池セルの積層方向の外側に位置してもよい。
　また、本開示の電気化学式水素ポンプにおいて、前記圧力空間は、第１導入路を介してカソードマニホールドと連通してもよい。また、前記カソード電極層は、第２導入路を介して前記カソードマニホールドと連通してもよい。
　また、本開示の電気化学式水素ポンプにおいて、前記圧力空間は、前記少なくとも１つの単電池セルの積層方向と平行な中心軸を有する円筒形状であり、前記圧力空間の中心軸と同一の中心軸を有するシールで取り囲まれてもよい。
　また、本開示の電気化学式水素ポンプにおいて、前記第１導入路および前記第２導入路は、前記圧力空間の中心軸と平行な中心軸を有するシールで取り囲まれてもよい。
　また、本開示の電気化学式水素ポンプにおいて、前記圧力空間を取り囲むシールおよび前記第１導入路を取り囲むシールを、前記積層方向に垂直な１つの平面に投影してなる第１の図形は、前記カソード電極層を取り囲むシールおよび前記第２導入路を取り囲むシールを、前記平面に投影してなる第２の図形と合同でもよい。
　また、本開示の電気化学式水素ポンプにおいて、前記圧力空間を取り囲むシールおよび前記第１導入路を取り囲むシールを、前記積層方向に垂直な１つの平面に投影してなる第３の図形は、前記カソード電極層を取り囲むシールおよび前記第２導入路を取り囲むシールを、前記平面に投影してなる第４の図形よりも面積が大きく、前記第４の図形は、前記第３の図形に包含されてもよい。
　また、本開示の電気化学式水素ポンプにおいて、前記第１導入路および前記第２導入路のそれぞれが複数段の階段状に設けられた場合に、前記第１導入路を取り囲むシールおよび前記第２導入路を取り囲むシールを、前記積層方向と垂直な１つの平面に投影してなる第５の図形の面積は、前記第１導入路および前記第２導入路のそれぞれが１段の階段状に設けられた場合に、前記第１導入路を取り囲むシールおよび前記第２導入路を取り囲むシールを、前記平面に投影してなる第６の図形よりも面積が小さくてもよい。
　また、本開示の電気化学式水素ポンプにおいて、前記アノード圧力空間は、前記積層方向から見たときに前記カソード拡散層を包含するように形成された第１空間部と、前記第１空間部および前記カソードマニホールドと連通し、前記積層方向と垂直な方向からみたときに前記第１空間部と少なくとも一部が重ならない位置であって前記積層方向からみたときに前記第２導入路を包含するように形成された第２空間部と、を含んでもよい。また、前記カソード圧力空間は、前記積層方向からみたときに前記カソード拡散層を包含するように形成された第３空間部と、前記第３空間部および前記カソードマニホールドと連通し、前記積層方向と垂直な方向から見たときに前記第３空間部と少なくとも一部が重ならない位置であって前記積層方向から見たときに前記第２導入路を包含するように形成された第４空間部と、を含んでもよい。
　また、本開示の電気化学式水素ポンプにおいて、前記アノード圧力空間は、前記積層方向から見たときに前記カソード拡散層を包含するように形成された第１空間部と、前記第１空間部と連通し、前記積層方向と垂直な方向からみたときに前記第１空間部と少なくとも一部が重ならない位置であって前記積層方向からみたときに前記第２導入路の一部を包含するように形成された第２空間部と、前記第２空間部および前記カソードマニホールドと連通し、前記積層方向と垂直な方向からみたときに前記第２空間部と少なくとも一部が重ならない位置であって前記積層方向からみたときに前記第２導入路の一部を包含するように形成された第５空間部と、を含んでもよい。また、前記カソード圧力空間は、前記積層方向からみたときに前記カソード拡散層を包含するように形成された第３空間部と、前記第３空間部と連通し、前記積層方向と垂直な方向から見たときに前記第３空間部と少なくとも一部が重ならない位置であって前記積層方向から見たときに前記第２導入路の一部を包含するように形成された第４空間部と、前記第４空間部および前記カソードマニホールドと連通し、前記積層方向と垂直な方向からみたときに前記第４空間部と少なくとも一部が重ならない位置であって前記積層方向からみたときに前記第２導入路の一部を包含するように形成された第６空間部と、を含んでもよい。また、前記積層方向からみたときに、前記第２導入路全体が、前記第２空間部及び前記第５空間部の少なくとも一方に包含されてもよい。また、前記積層方向からみたときに、前記第２導入路全体が、前記第４空間部及び前記第６空間部の少なくとも一方に包含されてもよい。
　なお、本開示は、上記各実施の形態の説明に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の変形が可能である。
　本出願は、２０１８年１１月６日付で出願された日本国特許出願（特願２０１８－２０８９５８）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
　本開示の電気化学式水素ポンプは、水素充填装置用の水素圧縮装置として利用できる。さらに、本開示の電気化学式水素ポンプの構造は、水を電気分解して水素と酸素を発生させる電気化学式水電解装置としても利用可能である。
　１　発電スタック
　２　電解質膜
　３　アノード電極層
　４　カソード電極層
　５　アノード拡散層
　６　カソード拡散層
　７　アノードセパレータ
　７ａ　Ａ端セパレータ
　７ｂ　第１Ａ端セパレータ
　７ｃ　第２Ａ端セパレータ
　８　カソードセパレータ
　８ａ　Ｃ端セパレータ
　８ｂ　Ｃ圧力プレート
　８ｃ　第１カソードセパレータ
　８ｄ　第２カソードセパレータ
　８ｅ　第１Ｃ端セパレータ
　８ｆ　第２Ｃ端セパレータ
　９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、９ｅ、９ｆ、９ｇ、９ｈ、９ｉ、９ｊ、９ｋ、３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅ、３０ｆ、３０ｇ、３０ｈ、３０ｉ、３０ｊ、３０ｋ、３０ｌ　シール
　９ａｃ、９ｂｃ、９ｃｃ、９ｄｃ、９ｅｃ、９ｆｃ、９ｇｃ、９ｈｃ、９ｉｃ、９ｊｃ、９ｋｃ、３０ａｃ、３０ｂｃ、３０ｃｃ、３０ｄｃ、３０ｅｃ、３０ｆｃ、３０ｇｃ、３０ｈｃ、３０ｉｃ、３０ｊｃ、３０ｋｃ、３０ｌｃ　シール中心線
　１０　ナット
　１１　アノード絶縁板
　１２　カソード絶縁板
　１３　アノード端板
　１３ａ　箱型端板
　１４　カソード端板
　１４ａ　シリンダー
　１４ｂ　蓋型端板
　１４ｂａ　空間
　１４ｃ　フォルダー
　１４ｄ　サラバネ
　１５　ボルト
　１６　アノード入口
　１７　アノード出口
　１８　カソード入口
　１９　カソード出口
　２０　電源
　２１ａ　アノード入口マニホールド
　２１ｂ　アノード入口横導入路
　２１ｃ　アノード入口縦導入路
　２１ｄ　アノード出口縦導入路
　２１ｅ　アノード出口横導入路
　２１ｆ　アノード出口マニホールド
　２２ａ　カソード入口マニホールド
　２２ｂ、２２ｇ、２２ｋ、２２ｐ、２２ｔ、２９ａ、２９ｃ、２９ｉ、２９ｋ　カソード入口横導入路
　２２ｃ、２２ｈ、２２ｌ、２２ｏ、２２ｓ、２９ｂ、２９ｄ、２９ｊ、２９ｌ　カソード入口縦導入路
　２２ｄ、２２ｊ、２２ｎ、２２ｑ、２２ｕ、２９ｆ、２９ｈ、２９ｎ、２９ｐ　カソード出口縦導入路
　２２ｅ、２２ｉ、２２ｍ、２２ｒ、２２ｖ、２９ｅ、２９ｇ、２９ｍ、２９ｏ　カソード出口横導入路
　２２ｆ　カソード出口マニホールド
　２３、２４、２５、２６　電気化学式水素ポンプ
　２７　アノード圧力空間
　２８　カソード圧力空間
　３１　評価装置
　３２　水素ボンベ
　３３　レギュレータ
　３４　バブラー
　３５　ヒーター
　３６　気液分離装置
　３７　冷却装置
　３８　圧力計
　３９　排気バルブ
　４０　窒素ボンベ
　４１　希釈装置
　４２　排気口
　４３　三方弁
　４４　バルブ
　４５　バルブ
　Ａ、＋ｙ、－ｙ、±ｙ　方向
　ｍ１、ｍ２、ｍ３、ｍｌａ、ｍ２ａ、ｍ３ａ　単電池セル
　ａ、ｂ、ｃ、ｄ　プロット点
　Ｆ１、Ｆ２、Ａ１　力

Claims (10)

  1. 　アノードセパレータ、アノード拡散層、アノード電極層、電解質膜、カソード電極層、カソード拡散層、およびカソードセパレータを有する少なくとも１つの単電池セルと、
    　前記少なくとも１つの単電池セルを挟むように設けられるアノード側部材およびカソード側部材と、を備え、
    　前記アノード拡散層および前記カソード拡散層を挟み込む位置に圧力空間が設けられており、
    　前記圧力空間は、前記アノード側部材に設けられるアノード圧力空間、および、前記カソード側部材に設けられるカソード圧力空間を含む、
    　電気化学式水素ポンプ。
  2. 　前記少なくとも１つの単電池セルと、前記アノード側部材および前記カソード側部材の少なくとも一方との間に、電源と接続される電源接続部材をさらに備え、
    　前記圧力空間は、
    　前記電源接続部材よりも、前記少なくとも１つの単電池セルの積層方向の外側に位置している、
    　請求項１に記載の電気化学式水素ポンプ。
  3. 　前記圧力空間は、
    　第１導入路を介してカソードマニホールドと連通しており、
    　前記カソード電極層は、
    　第２導入路を介して前記カソードマニホールドと連通している、
    　請求項１に記載の電気化学式水素ポンプ。
  4. 　前記圧力空間は、
    　前記少なくとも１つの単電池セルの積層方向と平行な中心軸を有する円筒形状であり、
    　前記圧力空間の中心軸と同一の中心軸を有するシールで取り囲まれている、
    　請求項３に記載の電気化学式水素ポンプ。
  5. 　前記第１導入路および前記第２導入路は、
    　前記圧力空間の中心軸と平行な中心軸を有するシールで取り囲まれている、
    　請求項４に記載の電気化学式水素ポンプ。
  6. 　前記圧力空間を取り囲むシールおよび前記第１導入路を取り囲むシールを、前記積層方向に垂直な１つの平面に投影してなる第１の図形は、
    　前記カソード電極層を取り囲むシールおよび前記第２導入路を取り囲むシールを、前記平面に投影してなる第２の図形と合同である、
    　請求項５に記載の電気化学式水素ポンプ。
  7. 　前記圧力空間を取り囲むシールおよび前記第１導入路を取り囲むシールを、前記積層方向に垂直な１つの平面に投影してなる第３の図形は、
    　前記カソード電極層を取り囲むシールおよび前記第２導入路を取り囲むシールを、前記平面に投影してなる第４の図形よりも面積が大きく、
    　前記第４の図形は、前記第３の図形に包含される、
    　請求項５に記載の電気化学式水素ポンプ。
  8. 　前記第１導入路および前記第２導入路のそれぞれが複数段の階段状に設けられた場合に、前記第１導入路を取り囲むシールおよび前記第２導入路を取り囲むシールを、前記積層方向と垂直な１つの平面に投影してなる第５の図形の面積は、
    　前記第１導入路および前記第２導入路のそれぞれが１段の階段状に設けられた場合に、前記第１導入路を取り囲むシールおよび前記第２導入路を取り囲むシールを、前記平面に投影してなる第６の図形よりも面積が小さい、
    　請求項５に記載の電気化学式水素ポンプ。
  9. 　前記アノード圧力空間は、
    　前記積層方向から見たときに前記カソード拡散層を包含するように形成された第１空間部と、
    　前記第１空間部および前記カソードマニホールドと連通し、前記積層方向と垂直な方向からみたときに前記第１空間部と少なくとも一部が重ならない位置であって前記積層方向からみたときに前記第２導入路を包含するように形成された第２空間部と、
    　を含み、
    　前記カソード圧力空間は、
    　前記積層方向からみたときに前記カソード拡散層を包含するように形成された第３空間部と、
    　前記第３空間部および前記カソードマニホールドと連通し、前記積層方向と垂直な方向から見たときに前記第３空間部と少なくとも一部が重ならない位置であって前記積層方向から見たときに前記第２導入路を包含するように形成された第４空間部と、
    　を含む、
    　請求項３に記載の電気化学式水素ポンプ。
  10. 　前記アノード圧力空間は、
    　前記積層方向から見たときに前記カソード拡散層を包含するように形成された第１空間部と、
    　前記第１空間部と連通し、前記積層方向と垂直な方向からみたときに前記第１空間部と少なくとも一部が重ならない位置であって前記積層方向からみたときに前記第２導入路の一部を包含するように形成された第２空間部と、
    　前記第２空間部および前記カソードマニホールドと連通し、前記積層方向と垂直な方向からみたときに前記第２空間部と少なくとも一部が重ならない位置であって前記積層方向からみたときに前記第２導入路の一部を包含するように形成された第５空間部と、
    　を含み、
    　前記カソード圧力空間は、
    　前記積層方向からみたときに前記カソード拡散層を包含するように形成された第３空間部と、
    　前記第３空間部と連通し、前記積層方向と垂直な方向から見たときに前記第３空間部と少なくとも一部が重ならない位置であって前記積層方向から見たときに前記第２導入路の一部を包含するように形成された第４空間部と、
    　前記第４空間部および前記カソードマニホールドと連通し、前記積層方向と垂直な方向からみたときに前記第４空間部と少なくとも一部が重ならない位置であって前記積層方向からみたときに前記第２導入路の一部を包含するように形成された第６空間部と、
    　を含み、
    　前記積層方向からみたときに、前記第２導入路全体が、前記第２空間部及び前記第５空間部の少なくとも一方に包含され、
    　前記積層方向からみたときに、前記第２導入路全体が、前記第４空間部及び前記第６空間部の少なくとも一方に包含される、
    　請求項３に記載の電気化学式水素ポンプ。
     
PCT/JP2019/043015 2018-11-06 2019-11-01 電気化学式水素ポンプ WO2020095836A1 (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201980071921.8A CN112955584A (zh) 2018-11-06 2019-11-01 电化学式氢泵
JP2020556040A JPWO2020095836A1 (ja) 2018-11-06 2019-11-01 電気化学式水素ポンプ
US17/288,094 US20210376339A1 (en) 2018-11-06 2019-11-01 Electrochemical hydrogen pump

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018-208958 2018-11-06
JP2018208958 2018-11-06

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2020095836A1 true WO2020095836A1 (ja) 2020-05-14

Family

ID=70611186

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2019/043015 WO2020095836A1 (ja) 2018-11-06 2019-11-01 電気化学式水素ポンプ

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20210376339A1 (ja)
JP (1) JPWO2020095836A1 (ja)
CN (1) CN112955584A (ja)
WO (1) WO2020095836A1 (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7063979B1 (ja) 2020-12-25 2022-05-09 本田技研工業株式会社 電気化学的昇圧装置

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001131787A (ja) * 1999-10-29 2001-05-15 Shinko Pantec Co Ltd 電解セルの圧力補償構造
JP2006117987A (ja) * 2004-10-20 2006-05-11 Honda Motor Co Ltd 高圧水素製造装置
JP2007023343A (ja) * 2005-07-19 2007-02-01 Honda Motor Co Ltd 高圧水素製造装置
JP2015504116A (ja) * 2012-01-18 2015-02-05 エイチ−テック システムズ ゲー．エム．ベー．ハー．Ｈ−Ｔｅｃ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｇｍｂｈ 電解槽
JP2018109217A (ja) * 2017-01-05 2018-07-12 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 電気化学式水素ポンプ

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005268056A (ja) * 2004-03-18 2005-09-29 Central Japan Railway Co 水素供給システムおよび燃料電池システム
US20060199061A1 (en) * 2005-03-02 2006-09-07 Fiebig Bradley N Water management in bipolar electrochemical cell stacks
WO2008019300A2 (en) * 2006-08-04 2008-02-14 H2 Pump Llc Electrochemical hydrogen pump with standby mode
JP2011034837A (ja) * 2009-08-03 2011-02-17 Honda Motor Co Ltd 燃料電池システムの氷点下起動方法
CN103081195B (zh) * 2010-06-18 2015-12-02 myFC股份公司 电化学致动阀
JP5945481B2 (ja) * 2012-09-18 2016-07-05 本田技研工業株式会社 燃料電池の製造方法
US10826098B2 (en) * 2016-02-18 2020-11-03 Toray Industries, Inc. Composite polymer electrolyte membrane, membrane electrode assembly and solid polymer fuel cell using same
US10202696B2 (en) * 2016-06-06 2019-02-12 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Electrochemical hydrogen pump
JP6719054B2 (ja) * 2016-06-06 2020-07-08 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 電気化学式水素ポンプ
JP2018062707A (ja) * 2016-10-07 2018-04-19 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 ガス拡散層および電気化学式水素ポンプ
CN107302101B (zh) * 2017-07-07 2020-01-14 厦门大学 电化学式的氨气压缩装置及压缩方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001131787A (ja) * 1999-10-29 2001-05-15 Shinko Pantec Co Ltd 電解セルの圧力補償構造
JP2006117987A (ja) * 2004-10-20 2006-05-11 Honda Motor Co Ltd 高圧水素製造装置
JP2007023343A (ja) * 2005-07-19 2007-02-01 Honda Motor Co Ltd 高圧水素製造装置
JP2015504116A (ja) * 2012-01-18 2015-02-05 エイチ−テック システムズ ゲー．エム．ベー．ハー．Ｈ−Ｔｅｃ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｇｍｂｈ 電解槽
JP2018109217A (ja) * 2017-01-05 2018-07-12 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 電気化学式水素ポンプ

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7063979B1 (ja) 2020-12-25 2022-05-09 本田技研工業株式会社 電気化学的昇圧装置
JP2022102273A (ja) * 2020-12-25 2022-07-07 本田技研工業株式会社 電気化学的昇圧装置

Also Published As

Publication number Publication date
US20210376339A1 (en) 2021-12-02
JPWO2020095836A1 (ja) 2021-09-24
CN112955584A (zh) 2021-06-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zou et al. Electrochemical compression technologies for high-pressure hydrogen: current status, challenges and perspective
JP7249588B2 (ja) 電気化学式水素ポンプ
CN105452534B (zh) 氢精制升压装置
US6685821B2 (en) Method and system for producing high-pressure hydrogen
JP7209221B2 (ja) 電気化学式水素ポンプ
JP6719054B2 (ja) 電気化学式水素ポンプ
JP7336703B2 (ja) 電気化学式水素ポンプ
US11932953B2 (en) Compression apparatus
EP3254747B1 (en) Electrochemical hydrogen pump
US20230227987A1 (en) Compression apparatus
JP2019210543A (ja) 電気化学式ポンプ
JP2020007634A (ja) 電気化学式水素ポンプ
JP6667151B1 (ja) 水素昇圧システム
WO2022102193A1 (ja) 圧縮装置
WO2020095836A1 (ja) 電気化学式水素ポンプ
JP4884881B2 (ja) エネルギーステーション
JP7117543B2 (ja) 水素システムおよび水素システムの運転方法
JP6979634B1 (ja) 圧縮装置
JP6979636B1 (ja) 圧縮装置
JP7281655B2 (ja) 水素ポンプ用の電気化学セルおよび圧縮装置
US20230313788A1 (en) Compression apparatus
US20210323817A1 (en) Hydrogen system and method of operating hydrogen system
US20210399319A1 (en) Compression apparatus
EP4123058A1 (en) Hydrogen system and hydrogen system operation method
US20190368512A1 (en) Electrochemical pump

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 19881701

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2020556040

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 19881701

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1