JP2018104770A - ガス拡散デバイスおよび電気化学式水素ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】従来に比べ、ガス流路からのガスを通過させる貫通孔が金属シートの適切な位置に設けられているガス拡散デバイスを提供する。【解決手段】ガス拡散デバイスは、ガス流路を備える第１の金属シートと、ガス流路から供給されるガスが通過する複数の貫通孔を備える、１つ以上の第２の金属シートとを備え、第１の金属シートに隣接する第２の金属シートにおいて、ガス流路の縁下に位置する貫通孔は、当該ガス流路の縁に沿う所定の線下に位置する貫通孔よりも少ない。【選択図】図５

Description

本開示はガス拡散デバイスおよび電気化学式水素ポンプに関する。

近年、地球の温暖化などの環境問題、石油資源の枯渇などのエネルギー問題から、化石燃料に代わるクリーンな代替エネルギー源として、水素が注目されている。水素は燃焼しても水しか放出せず、地球温暖化の原因となる二酸化炭素および窒素酸化物などが排出されないので、クリーンエネルギーとして期待されている。水素を燃料として利用する装置としては、例えば、燃料電池があり、自動車用電源向け、家庭用自家発電向けに、燃料電池の開発および普及が進んでいる。そして、来るべき水素社会では、水素を製造することはもとより、水素を高密度で貯蔵し、小容量かつ低コストで輸送または利用し得る技術開発が求められている。更に、燃料電池の普及の促進には、燃料供給インフラを整備する必要がある。そこで、高純度の水素を精製および昇圧する様々な提案が行われている。

例えば、電解質膜に設けられたアノードとカソードとの間に電圧をかけて、アノード側に供給された水を電気分解することで、カソード側に高圧状態の水素を製造する高圧水素製造装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、例えば、特許文献２には、図９に示すように、高差圧用電気化学セルの電解質膜の支持部材１３０が、電解質膜に接触するガス拡散層として用いられている。つまり、支持部材１３０の一方の面には、複数の矩形の凹部が形成され、他方の面には複数の菱形の凹部が形成されている。そして、両方の凹部同士の重畳部が、流体が通過する貫通孔１３１を構成している。これにより、従来のメッシュタイプのガス拡散層で発生する恐れがあった流体流路の詰まりを抑制できるとともに、電気化学セルの高圧側と低圧側との差圧に耐え得る剛性を確保できる。よって、電解質膜の破損点に至るような変形が支持部材１３０の支持により抑制される。

特開２００１−３４２５８７号公報 特開２００５−１７９７８０号公報

しかし、従来例は、ガス拡散層を構成する金属シートに、適宜の流路部材のガス流路から供給されるガスが通過するための貫通孔をどのように配置するかについては十分に検討されていない。

本開示の一態様(aspect)は、このような事情に鑑みてなされたものであり、従来に比べ、ガス流路からのガスを通過させる貫通孔が金属シートの適切な位置に設けられているガス拡散デバイスを提供する。また、本開示の一態様は、このようなガス拡散デバイスを備える電気化学式水素ポンプを提供する。

上記課題を解決するため、本開示の一態様のガス拡散デバイスは、ガス流路を備える第１の金属シートと、前記ガス流路から供給されるガスが通過する複数の貫通孔を備える、１つ以上の第２の金属シートとを備え、前記第１の金属シートに隣接する前記第２の金属シートにおいて、前記ガス流路の縁下に位置する前記貫通孔は、当該ガス流路の前記縁に沿う所定の線下に位置する貫通孔よりも少ない。

また、本開示の一態様の電気化学式水素ポンプは、一対の主面を備える電解質膜と、前記電解質膜の一方の主面に設けられたカソード触媒層と、前記電解質膜の他方の主面に設けられたアノード触媒層と、前記カソード触媒層に設けられたカソードガス拡散デバイスと、前記アノード触媒層に設けられたアノードガス拡散デバイスと、前記カソード触媒層および前記アノード触媒層の間に電圧を印加する電圧印加器と、を備え、前記アノードガス拡散デバイスは、上記記載のガス拡散デバイスを含む。

本開示の一態様のガス拡散デバイスおよび電気化学式水素ポンプは、従来に比べ、ガス流路からのガスを通過させる貫通孔が金属シートの適切な位置に設けられている、という効果を奏する。

図１は、第１実施形態の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。 図２は、第１実施形態の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。 図３は、第１実施形態の電気化学式水素ポンプのカソードガス拡散デバイスの一例を示す図である。 図４は、第１実施形態の電気化学式水素ポンプのアノードガス拡散デバイスの一例を示す図である。 図５は、第１実施形態のアノードガス拡散デバイスを構成する金属シートの一例を示す図である。 図６は、第１実施形態の第１変形例のアノードガス拡散デバイスを構成する金属シートの一例を示す図である。 図７は、第１実施形態の第２変形例のアノードガス拡散デバイスを構成する金属シートの一例を示す図である。 図８は、第２実施形態のアノードガス拡散デバイスを構成する金属シートの一例を示す図である。 図９は、従来のガス拡散層の一例を示す図である。

ガス拡散層を構成する金属シートに、適宜の流路部材のガス流路から供給されるガスが通過するための貫通孔をどのように配置するかについて鋭意検討が行われ、以下の知見が得られた。

金属シートに設ける貫通孔が多い程、一般的に、金属シートの強度は低下する。特に、流路部材のガス流路を通じて金属シートの貫通孔にガスを流入させる構成を取る場合、金属シートに、かかる貫通孔をどのように配置するかは、金属シートの強度設計において重要な要素となる。例えば、金属シートの貫通孔がガス流路の縁下に位置する場合は、金属シートがガス流路上で押圧されると、この貫通孔の部分に曲げ応力が集中するので好ましくない。

そこで、本開示の第１の態様のガス拡散デバイスは、ガス流路を備える第１の金属シートと、ガス流路から供給されるガスが通過する複数の貫通孔を備える、１つ以上の第２の金属シートとを備え、第１の金属シートに隣接する第２の金属シートにおいて、ガス流路の縁下に位置する貫通孔は、当該ガス流路の縁に沿う所定の線下に位置する貫通孔よりも少ない。

かかる構成によると、本態様のガス拡散デバイスは、従来に比べ、ガス流路からのガスを通過させる貫通孔が金属シートの適切な位置に設けられている。

ここで、「ガス流路の縁に沿う所定の線」とは、ガス流路の縁線に略並行な所定の線を意味する。ガス流路の縁線とは、第１の金属シートにおいて、ガス流路とガス流路外の領域との境界線を意味する。略並行は、ガス流路の縁線と所定の線とのなす角度が±５度の範囲内にあることを意味する。

具体的には、第２の金属シートの貫通孔が、第１の金属シートのガス流路の縁下に位置する場合、第２の金属シートがガス流路上で押圧されると、この貫通孔の部分に曲げ応力が集中する。このため、第２の金属シートにおいて、ガス流路の縁下に位置する貫通孔の数が多い程、第２の金属シートが押圧により下方に曲がる恐れ、貫通孔にクラックなどの損傷が発生する恐れがある。しかし、本態様のガス拡散デバイスは、ガス流路の縁下に位置する貫通孔を、当該ガス流路の縁に沿う所定の線下に位置する貫通孔よりも少なくすることにより、第２の金属シートが押圧により下方に曲がりにくく構成されている。また、貫通孔にクラックなどの損傷が発生することを抑制し得るように構成されている。

本開示の第２の態様のガス拡散デバイスは、第１の態様のガス拡散デバイスにおける、第１の金属シートに隣接する第２の金属シートにおいて、ガス流路下に位置する貫通孔と、ガス流路外の第１の金属シートの領域下に位置するとともに、当該貫通孔に隣接する貫通孔との距離（以下、第１距離）は、ガス流路下に位置する、複数の貫通孔間の距離（以下、第２距離）よりも長い。

かかる構成によると、本態様のガス拡散デバイスでは、第１距離が第２距離よりも長いので、例えば、第２の金属シートの面内において貫通孔を均一な間隔で配置する場合に比べて、第２の金属シートの貫通孔が、第１の金属シートのガス流路の縁下に位置する可能性が低くなる。よって、第２の金属シートが押圧により下方に曲がる可能性、貫通孔にクラックなどの損傷が発生する可能性を低減できる。

また、第１距離を長くする程、ガス流路からのガス通過に寄与しない第２の金属シートの貫通孔の数を少なくできるので、第２の金属シートの貫通孔の総数増加が抑制され、第２の金属シートの強度を適切に確保できる。更に、第２距離を所望の長さに設定することで、ガス流路からのガス通過に寄与する第２の金属シートの貫通孔を、第２の金属シートの貫通孔の総数増加を抑制しつつ必要な数、設けることができる。

本開示の第３の態様のガス拡散デバイスは、第１の態様のガス拡散デバイスにおける、第１の金属シートに隣接する第２の金属シートにおいて、ガス流路下に位置する複数の貫通孔の単位面積当たりの数は、ガス流路外の第１の金属シートの領域下に位置する複数の貫通孔の単位面積当たりの数よりも多い。

かかる構成によると、本態様のガス拡散デバイスでは、前者の貫通孔の単位面積当たりの数が後者の貫通孔の単位面積当たりの数よりも多いので、例えば、第２の金属シートの面内で貫通孔を均等に配置する場合に比べて、第２の金属シートの貫通孔が、第１の金属シートのガス流路の縁下に位置する可能性が低くなる。よって、第２の金属シートが押圧により下方に曲がる可能性、貫通孔にクラックなどの損傷が発生する可能性を低減できる。

また、ガス流路からのガス通過に寄与しない第２の金属シートの貫通孔の数を少なくできるので、第２の金属シートの貫通孔の総数増加が抑制され、第２の金属シートの強度を適切に確保できる。更に、ガス流路からのガス通過に寄与する第２の金属シートの貫通孔を、第２の金属シートの貫通孔の総数増加を抑制しつつ必要な数、設けることができる。

本開示の第３の態様のガス拡散デバイスは、第１の態様のガス拡散デバイスにおいて、複数の第２の金属シートが、第１の金属シートに近い順に第１層から第３層まで少なくとも積層されており、第２層の第２の金属シートには、第１層の第２の金属シートにおいてガス流路下に位置する貫通孔と、第３層の第２の金属シートにおいてガス流路外の第１の金属シートの領域下に位置する貫通孔とを連絡する連絡路を備える。

かかる構成によると、本態様のガス拡散デバイスは、従来に比べガスを均一に拡散し得る。つまり、第２層の第２の金属シートが連絡路を備えることで、第１の金属シートのガス流路から複数の第２の金属シート内を通過するガスを一方向だけではなく、任意の方向に送ることができる。すると、連絡路の配置パターンが異なる第２の金属シートを積層させることで、ガス拡散デバイス内のガス流れの向きを任意に設定できる。これにより、ガス拡散デバイスのガス拡散性が向上する。

また、第１の金属シートのガス流路を通じて第１層の第２の金属シートの貫通孔にガスを流入させる構成を取っているので、第２層の第２の金属シートが連絡路を備えない場合、第１の金属シートのガス流路外の部分の垂直線上に位置する第２の金属シートの貫通孔にはガスが流れない。すると、ガス拡散デバイスのガス拡散が不均一化する恐れがある。しかし、本態様のガス拡散デバイスでは、上記の連絡路を介して、このような第２の金属シートの貫通孔にもガスを流すことができるので、ガス拡散デバイスのガス拡散が不均一化することを抑制できる。

本開示の一態様の電気化学式水素ポンプは、一対の主面を備える電解質膜と、電解質膜の一方の主面に設けられたカソード触媒層と、電解質膜の他方の主面に設けられたアノード触媒層と、カソード触媒層に設けられたカソードガス拡散デバイスと、アノード触媒層に設けられたアノードガス拡散デバイスと、カソード触媒層およびアノード触媒層の間に電圧を印加する電圧印加器と、を備え、アノードガス拡散デバイスは、第１の態様−第３の態様のいずれかのガス拡散デバイスを含む。

かかる構成によると、本態様の電気化学式水素ポンプは、従来に比べ、適切にカソード触媒層とカソードガス拡散層との間の接触抵抗の増加を抑制し得る。

具体的には、電気化学式水素ポンプの動作時に、電気化学式水素ポンプのカソードガスが高圧状態になると、電解質膜がカソードガスを通さないので、アノードガス拡散デバイス、アノード触媒層および電解質膜に高圧がかかる。このとき、アノードガス拡散デバイスを構成する第２の金属シートが圧縮変形しやすい場合、カソードガス拡散層とカソード触媒層との間の密着性が低下し、両者間で隙間が生じやすい。仮に、カソードガス拡散層とカソード触媒層との間で隙間が生じる場合、両者間の接触抵抗が増加する。しかし、本態様の電気化学式水素ポンプは、第２の金属シートが押圧により下方に曲がりにくく構成されているので、カソードガス拡散層とカソード触媒層との間の接触抵抗の増加を抑制できる。よって、本態様の電気化学式水素ポンプは、電圧印加器で印加する電圧の増加、ひいては、電気化学式水素ポンプの運転効率の低下を抑制できる。

以下、添付図面を参照しつつ、上記の本開示の各態様の実施形態について説明する。

以下で説明する実施形態は、本開示の各態様の一例を示すものである。よって、以下で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態などは、請求項に記載されていない限り、本開示の各態様を限定するものではない。また、以下の構成要素のうち、本態様の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、図面において、同じ符号が付いたものは、説明を省略する場合がある。また、図面は理解しやすくするために、それぞれの構成要素を模式的に示したもので、形状および寸法比などについては正確な表示ではない場合がある。

（第１実施形態）
［装置構成］
図１および図２は、第１実施形態の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。図２は、図１のＡ部の拡大図である。

図１および図２に示すように、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、電解質膜１４と、カソード触媒層１５と、アノード触媒層１６と、カソードガス拡散デバイス３１と、アノードガス拡散デバイス９と、電圧印加器１９と、締結器２７と、を備える。

カソードガス拡散デバイス３１は、カソードガス拡散層３１Ａと、カソードセパレータ３１Ｂと、を備える。アノードガス拡散デバイス９は、アノードガス拡散層２４を備えるアノード本体１と、アノードガス流路板５と、アノード端板１０と、を備える。

カソードガス拡散デバイス３１およびアノードガス拡散デバイス９の詳細な構成は後で説明する。

電気化学式水素ポンプ１００の単セル１００Ａは、電解質膜１４と、カソード触媒層１５と、アノード触媒層１６と、カソードガス拡散デバイス３１と、アノードガス拡散デバイス９と、を備える。よって、図１の電気化学式水素ポンプ１００は、３段の単セル１００Ａが積層されたスタックを構成しているが、単セル１００Ａの段数はこれに限定されない。つまり、単セル１００Ａの段数は、電気化学式水素ポンプ１００の水素量などの運転条件をもとに適宜の数に設定することができる。

締結器２７は、電解質膜１４、カソード触媒層１５、アノード触媒層１６、カソードガス拡散層３１Ａ、およびアノードガス拡散層２４の積層体１００Ｂを締結する。

つまり、上記の積層体１００Ｂを備える単セル１００Ａを複数個、積層状態で適切に保持するには、単セル１００Ａの最上層のカソードガス拡散デバイス３１の端面および最下層のアノードガス拡散デバイス９の端面をそれぞれ、図示しない絶縁板などを介して端板２６Ｕおよび端板２６Ｄで挟み、単セル１００Ａに所望の締結圧をかける必要がある。そこで、端板２６Ｕおよび端板２６Ｄの適所に、単セル１００Ａに締結圧をかけるための皿ばねなどを備える複数の締結器２７が設けられている。

締結器２７は、上記の積層体１００Ｂを締結できれば、どのような構成であってもよい。締結器２７として、例えば、端板２６Ｕおよび端板２６Ｄの間を貫通するボルト、および皿ばね付きナットなどを例示できる。

端板２６Ｕには、カソードガス拡散デバイス３１からのカソードガスが流通するカソードガス導出配管３０が設けられている。つまり、カソードガス導出配管３０は、積層状態の単セル１００Ａに設けられた筒状のカソードガス導出マニホルド（図示せず）に連通している。なお、カソードガス拡散デバイス３１およびアノードガス拡散デバイス９の間には、平面視において、カソードガス導出マニホルドを囲むように図示しないＯリングなどのシール部材が設けられ、カソードガス導出マニホルドが、このシール部材で適切にシールされている。

また、端板２６Ｕには、アノードガス拡散デバイス９からの余剰のアノードガスが流通するアノードガス導出配管２９も設けられている。つまり、アノードガス導出配管２９は、積層状態の単セル１００Ａに設けられた筒状のアノードガス導出マニホルド２９Ａに連通している。なお、カソードガス拡散デバイス３１およびアノードガス拡散デバイス９の間には、平面視において、アノードガス導出マニホルド２９Ａを囲むようにＯリングなどのシール部材４０が設けられ、アノードガス導出マニホルド２９Ａが、シール部材４０で適切にシールされている。

端板２６Ｄには、アノ−ドガス拡散デバイス９に供給されるアノードガスが流通するアノードガス導入配管２８が設けられている。つまり、アノードガス導入配管２８は、積層状態の単セル１００Ａに設けられた筒状のアノードガス導入マニホルド２８Ａに連通している。なお、カソードガス拡散デバイス３１およびアノードガス拡散デバイス９の間には、平面視において、アノードガス導入マニホルド２８Ａを囲むようにＯリングなどのシール部材４０が設けられ、アノードガス導入マニホルド２８Ａが、シール部材４０で適切にシールされている。

電解質膜１４は、一対の主面を備える。電解質膜１４は、プロトン（Ｈ^＋）を透過可能なプロトン伝導性高分子膜である。電解質膜１４はプロトン伝導性高分子膜であれば、どのような膜であってもよい。例えば、電解質膜１４として、フッ素系高分子電解質膜などを挙げることができる。具体的には、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）などを用いることができる。

カソード触媒層１５は、電解質膜１４の一方の主面（例えば、おもて面）に設けられている。なお、平面視において、カソード触媒層１５の周囲を囲むようにＯリング、ガスケットなどのシール部材４１が設けられ、カソード触媒層１５が、シール部材４１で適切にシールされている。カソード触媒層１５は、例えば、触媒金属として白金を含むが、これに限定されない。

アノード触媒層１６は、電解質膜１４の他方の主面（例えば、うら面）に設けられている。なお、平面視において、アノード触媒層１６の周囲を囲むようにＯリング、ガスケットなどのシール部材４２が設けられ、アノード触媒層１６が、シール部材４２で適切にシールされている。アノード触媒層１６は、例えば、触媒金属としてＲｕＩｒＦｅＯｘを含むが、これに限定されない。

カソード触媒層１５もアノード触媒層１６も、触媒の調製方法としては、種々の方法を挙げることができるので、特に限定されない。例えば、触媒の担体としては、導電性多孔質物質粉末、炭素系粉末などを挙げることができる。炭素系粉末としては、例えば、黒鉛、カーボンブラック、電気導電性を有する活性炭などの粉末を挙げることができる。カーボンなどの担体に、白金若しくは他の触媒金属を担持する方法は、特に限定されない。例えば、粉末混合または液相混合などの方法を用いてもよい。後者の液相混合としては、例えば、触媒成分コロイド液にカーボンなどの担体を分散させ、吸着させる方法などが挙げられる。また、必要に応じて活性酸素除去材を担体として、白金若しくは他の触媒金属を上記と同様の方法で担持することができる。白金などの触媒金属の担体への担持状態は、特に限定されない。例えば、触媒金属を微粒子化し、高分散で担体に担持してもよい。

電圧印加器１９は、カソード触媒層１５およびアノード触媒層１６の間に電圧を印加する。具体的には、電圧印加器１９の低電位側端子は、導電性のカソードガス拡散デバイス３１に接続され、電圧印加器１９の高電位側端子が、導電性のアノードガス拡散デバイス９に接続されている。電圧印加器１９は、カソード触媒層１５およびアノード触媒層１６の間に電圧を印加できれば、どのような構成であってもよい。

［カソードガス拡散デバイスの構成］
図３は、第１実施形態の電気化学式水素ポンプのカソードガス拡散デバイスの一例を示す図である。

カソードガス拡散デバイス３１は、カソード触媒層１５に設けられている。具体的には、カソードガス拡散デバイス３１のカソードガス拡散層３１Ａは、電解質膜１４と対向していないカソード触媒層１５の主面上に設けられている。また、カソードガス拡散層３１Ａは、所望の弾性、所望の電気伝導性および所望のガス通気性を備えていれば、どのような構成であってもよい。例えば、カソードガス拡散層３１Ａは、図示しない金属繊維の焼結体で構成されていてもよい。金属繊維の材質は、例えば、ステンレススチール、チタン、チタン合金、アルミニウム合金などであってもよい。なお、この金属繊維の材質は例示であって、本例に限定されない。

カソードガス拡散デバイス３１のカソードセパレータ３１Ｂは、カソードガス拡散層３１Ａから導出されたカソードガスが流れる凹部３５を備える。そして、カソードガス拡散層３１Ａは、凹部３５に収納されるとともに、締結器２７による積層体１００Ｂの締結前に、凹部３５からその厚み方向に、はみ出して配設されている。凹部３５からのカソードガス拡散層３１Ａの厚み方向のはみ出し量Ｅｃｄは、電気化学式水素ポンプ１００の動作時における、アノードガス拡散層２４、アノード触媒層１６および電解質膜１４のそれぞれの圧縮量などを考慮して適宜の値に設定される。

また、カソードセパレータ３１Ｂは、カソードガスが流れるマニホルド孔３２Ｃと、凹部３５内のカソードガスをマニホルド孔３２Ｃに導出するカソードガス連通経路３２Ｂとを備える。つまり、単セル１００Ａが積層された場合、筒状のカソードガス導出マニホルドが、アノードガス拡散デバイス９に設けられたマニホルド孔３２Ａ（図４参照）と、マニホルド孔３２Ｃとによって形成される。これにより、カソードガス拡散層３１Ａからカソードガス連通経路３２Ｂを通じて高圧状態のカソードガスを取り出すことができる。

［アノードガス拡散デバイスの構成］
図４は、第１実施形態の電気化学式水素ポンプのアノードガス拡散デバイスの一例を示す図である。図４（ａ）は、アノードガス拡散デバイス９のアノード本体１を平面視した図である。図４（ｂ）は、アノードガス拡散デバイス９のアノードガス流路板５を平面視した図である。図４（ｃ）は、アノードガス拡散デバイス９のアノード端板１０を平面視した図である。

図４（ｄ）は、アノードガス拡散デバイス９の断面図である。つまり、図４（ｄ）では、図４（ａ）、図４（ｂ）および図４（ｃ）に平面視で示されたアノードガス拡散デバイス９のＤ−Ｄ部の断面が示されている。

アノードガス拡散デバイス９は、アノード触媒層１６に設けられている。具体的には、アノードガス拡散デバイス９のアノードガス拡散層２４は、電解質膜１４と対向していないアノード触媒層１６の主面上に設けられている。

図４（ａ）および図４（ｄ）に示すように、アノードガス拡散デバイス９のアノード本体１は、アノードガス拡散層２４と、アノードガス導入用のマニホルド孔３およびアノードガス導出用のマニホルド孔４と、を備える。アノード本体１は、例えば、ステンレススチール、チタン、チタン合金、アルミニウム合金などの金属で構成されていてもよい。アノード本体１の厚みは、数百μｍ程度（例えば、約４００μｍ程度）であってもよい。これらの材質および厚みは例示であって、本例に限定されない。なお、アノードガス拡散層２４は、１つ以上の金属シートで構成されているが、詳細は後で説明する。

アノードガス拡散デバイス９のアノードガス流路板５は、アノード本体１の主面上に設けられている。本実施形態のアノードガス拡散デバイス９では、アノードガス流路板５は、アノード本体１の主面と面接触している。

アノードガス流路板５の材質として、例えば、ステンレススチール、チタン、チタン合金、アルミニウム合金などを用いることができる。アノードガス流路板５の厚みは、数十μｍ程度（例えば、約５０μｍ程度）であってもよい。これらの材質および厚みは例示であって、本例に限定されない。

図４（ｂ）および図４（ｄ）に示すように、アノードガス流路板５は、アノードガス導入用のマニホルド孔７およびアノードガス導出用のマニホルド孔８を備える。

マニホルド孔７およびマニホルド孔８はそれぞれ、アノード本体１のマニホルド孔３およびマニホルド孔４のそれぞれと対置するように配されている。

アノードガス流路板５のアノードガス流路６は、図４（ｂ）に示す如く、一端がマニホルド孔７と連通し、他端がマニホルド孔８の両方と連通するサーペンタイン状のスリット孔３６で構成されていてもよいし、図示を省略するが、マニホルド孔７およびマニホルド孔８と連通する複数の直線状のスリット孔で構成されていてもよい。

マニホルド孔７は、スリット孔３６の一端と連通することで、アノードガス拡散層２４へのアノードガス導入に用いられる。つまり、アノードガス流路６のスリット孔３６とアノードガス拡散層２４との接触部分を通過したアノードガスが、アノードガス拡散層２４へ送られる。また、マニホルド孔８は、スリット孔３６の他端と連通することで、アノードガス拡散層２４からのアノードガス導出に用いられる。

アノードガス拡散デバイス９のアノード端板１０は、アノードガス流路板５の主面のうち、アノード本体１と対向していない主面（以下、反対面）上に設けられている。具体的には、アノードガス流路板５のサーペンタイン状のスリット孔３６が、アノード端板１０によって反対面から覆われている。

アノード端板１０の材質としては、例えば、ステンレススチール、チタン、チタン合金、アルミニウム合金などを用いることができる。アノード端板１０の厚みは、数十μｍ程度（例えば、約５０μｍ程度）であってもよい。これらの材質および厚みは例示であって、本例に限定されない。

また、アノード端板１０は、アノードガス導入用のマニホルド孔１１およびアノードガス導出用のマニホルド孔１２を備える。アノード端板１０のマニホルド孔１１およびマニホルド孔１２はそれぞれ、アノードガス流路板５のマニホルド孔７およびマニホルド孔８のそれぞれと対置するように配されている。

以上により、単セル１００Ａが積層される場合、アノードガス導入マニホルド２８Ａが、マニホルド孔１１とマニホルド孔７とマニホルド孔３とカソードセパレータ３１Ｂのマニホルド孔とによって形成されている。アノードガス導出マニホルド２９Ａが、マニホルド孔１２とマニホルド孔８とマニホルド孔４とカソードセパレータ３１Ｂのマニホルド孔とによって形成されている。

なお、アノード端板１０とアノードガス流路板５とアノード本体１とが、溶接、ロウ付け、溶着などで金属接合させて一体的に結合されていてもよい。例えば、アノード端板１０の主面とアノードガス流路板５の主面とアノード本体１の主面とが、拡散接合などにより面接合が行われていてもよい。これにより、アノード端板１０とアノードガス流路板５とアノード本体１とを機械的な締結部材で固定して積層する場合に比べて、互いの接合部の空隙が消失するのでアノードガス拡散デバイス９の接触抵抗（電気抵抗）を低減できる。すると、アノードガス拡散デバイス９に所望の電圧を印加する場合、電気化学式水素ポンプ１００に必要な消費電力の増加を抑制できる。

次に、図面を参照しながら、アノードガス拡散デバイス９（アノードガス拡散層２４）を構成する金属シートの詳細について説明する。

図５は、第１実施形態のアノードガス拡散デバイスを構成する金属シートの一例を示す図である。図５（ａ）は、アノードガス流路６が形成されている領域２００（図４参照）において、アノードガス拡散デバイス９を斜視した図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）のＢ−Ｂ部におけるアノードガス拡散デバイス９（アノードガス拡散層２４）を構成する第２の金属シート２２を第１の金属シート２１（アノードガス流路板５およびアノード端板１０）とともに断面視した図である。

図５に示すように、アノードガス拡散デバイス９のアノードガス拡散層２４は、アノードガス流路６から供給されるアノードガスが通過する複数の貫通孔２３を備える、１つ以上の第２の金属シート２２を備える。図５には、第２の金属シート２２のうちの、第１の金属シート２１に隣接する第２の金属シート２２Ａのみが示されている。第２の金属シート２２Ａ上に積層される第２の金属シート２２の具体例は第２実施形態で説明する。

なお、図５では、アノードガス流路６を備える第１の金属シート２１は、アノードガス流路板５とアノード端板１０とによって構成されているが、これに限定されない。第１の金属シート２１は、アノードガス流路が溝状に設けられている単一の金属部材であってもよい。

第２の金属シート２２は、貫通孔２３以外の部分は、ガス通気性を備えないように構成されている。例えば、第２の金属シート２２は、厚みが数十μｍ〜数百μｍ程度の金属鋼板であってもよいが、これに限定されない。この第２の金属シート２２は、例えば、金属の鋳造および圧延を行うことで製造し得る。金属の鋳造および圧延の製法は公知であるので詳細な説明を省略する。

第２の金属シート２２の材質として、例えば、ステンレススチール、チタン、チタン合金、アルミニウム合金などを用いることができる。

ここで、本実施形態のアノードガス拡散デバイス９では、図５に示すように、第１の金属シート２１に隣接する第２の金属シート２２Ａにおいて、アノードガス流路６の縁３８下に位置する貫通孔は、アノードガス流路６の縁３８に沿う所定の線３００下に位置する貫通孔２３よりも少ない。貫通孔２３は、例えば、直径が数十μｍ程度（例えば、約５０μｍ程度）の丸孔であってもよい。また、第２の金属シート２２Ａは、前者の貫通孔が後者の貫通孔２３よりも少ないものであれば、どのような構成であってもよい。

図５に示す例では、第２の金属シート２２Ａの複数の貫通孔２３は、第１の金属シート２１のアノードガス流路６を区画するリブ３７の端部（つまり、縁３８）のそれぞれからアノードガス流路６側に所定の水平距離だけ隔てた位置において、アノードガス流路６の縁線に略並行な一対の線３００に沿って、等間隔ピッチで並んでいる。これらの貫通孔２３は、アノードガス流路６のアノードガスが通過する開口部として構成されている。よって、貫通孔２３は、アノードガス流路６からのアノードガスの通過に寄与する。

また、本実施形態のアノードガス拡散デバイス９では、第２の金属シート２２Ａの貫通孔２３は、第１の金属シート２１のアノードガス流路６を区画するリブ３７には対向していない。よって、図５では、アノードガス流路６の縁３８下に位置する第２の金属シート２２Ａの領域には、貫通孔が設けられていない。但し、線３００下に位置する貫通孔２３の数よりも少ない数であれば、アノードガス流路６の縁３８下に位置するように貫通孔を設けても構わない。

以上により、本実施形態のアノードガス拡散デバイス９は、従来に比べ、アノードガス流路６からのガスを通過させる貫通孔２３が第２の金属シート２２Ａの適切な位置に設けられている。

具体的には、図５（ａ）の二点鎖線に示すような第２の金属シート２２Ａの貫通孔Ｐが、仮に、第１の金属シート２１のアノードガス流路６の縁３８下に位置する場合、カソードガス拡散層３１Ａのガス圧により第２の金属シート２２Ａがアノードガス流路６上で押圧されると、この貫通孔Ｐの部分に曲げ応力が集中する。このため、第２の金属シート２２Ａにおいて、第１の金属シート２１のアノードガス流路６の縁３８下に位置する貫通孔の数が多い程、第２の金属シート２２Ａが押圧により下方に曲がる恐れ、貫通孔にクラックなどの損傷が発生する恐れがある。

しかし、本実施形態のアノードガス拡散デバイス９は、アノードガス流路６の縁３８下に位置する貫通孔を、当該アノードガス流路６の縁３８に沿う所定の線３００下に位置する貫通孔２３よりも少なくすることにより、第２の金属シート２２Ａが押圧により下方に曲がりにくく構成されている。また、貫通孔にクラックなどの損傷が発生することを抑制し得るように構成されている。

なお、以上の第２の金属シート２２の材質、厚み、および、第２の金属シート２２の貫通孔２３の形状などは例示であって、本例に限定されない。

［電気化学式水素ポンプの動作］
以下、図面を参照しながら、実施形態の電気化学式水素ポンプ１００の動作（運転）の一例を説明する。

なお、以下の動作の一部または全部は、図示しない制御器の制御プログラムにより行われても構わない。制御器は、制御機能を有するものであれば、どのような構成であっても構わない。制御器は、例えば、演算回路と、制御プログラムを記憶する記憶回路と、を備える。演算回路として、例えば、ＭＰＵ、ＣＰＵなどが例示される。記憶回路として、例えば、メモリが例示される。制御器は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよいし、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもよい。

まず、電圧印加器１９により、カソードガス拡散デバイス３１とアノードガス拡散デバイス９との間に電圧を印加する。

次に、アノードガス導入配管２８を通じて、アノードガスがアノードガス拡散デバイス９に供給される。具体的には、図４のマニホルド孔７にアノードガス導入配管２８からアノードガスが供給される。すると、マニホルド孔７は、アノードガス流路６の一端と連通しているので、マニホルド孔７からアノードガス流路６にアノードガスが送られる。

このとき、アノードガス流路６を流通するアノードガスの一部は、アノード本体１のアノードガス拡散層２４へ送られる。アノードガス拡散層２４はガス拡散作用を備えるので、アノードガス流路６からアノードガス流路板５と対向していないアノードガス拡散層２４の主面（以下、反対面）へと向かうアノードガスが、アノードガス拡散層２４で均一に拡散されながら、この反対面を通過できる。これにより、アノードガス拡散層２４の反対面に配されたアノード触媒層１６に均一にアノードガスが供給される。なお、上記の反対面を通過しなかった余剰のアノードガスは、アノードガス流路６の他端と連通したマニホルド孔８に送られ、アノードガス導出配管２９へ排出される。なお、アノードガスとして、例えば、水素含有の改質ガス、水電解法で生成される水素含有ガスなどを挙げることができる。

以上により、アノードガス中の水素は、アノード触媒層１６上で電子を遊離してプロトン（Ｈ^＋）となる（式（１））。遊離した電子は、電圧印加器１９を介してカソード触媒層１５へと移動する。

一方、プロトンは、水分子を同伴しながら電解質膜１４内を透過し、カソード触媒層１５に移動する。カソード触媒層１５では、電解質膜１４を透過したプロトンと、電子とによる還元反応が行われ、カソードガス（水素ガス）が発生する（式（２））。

これにより、ＣＯ_２ガスなどの不純物を含む水素ガス（アノードガス）から高効率に水素ガスの純化が行われる。なお、アノードガスには、不純物としてＣＯガスを含有する場合がある。この場合、ＣＯガスは、アノード触媒層１６などの触媒活性を低下させるので、ＣＯガスは、図示しないＣＯ除去器（例えば、変成器、ＣＯ選択酸化器など）で除去する方がよい。

そして、カソードガス導出配管３０の圧損を増やし、電圧印加器１９の電圧Ｅを上げることで、カソードのガス圧Ｐ２が高圧になる。具体的には、アノードのガス圧Ｐ１、カソードのガス圧Ｐ２および電圧印加器１９の電圧Ｅの関係は、以下の式（３）で定式化される。

アノード：Ｈ_２（低圧）→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ ・・・（１）
カソード：２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２（高圧） ・・・（２）
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は温度（Ｋ）、Ｆはファラデー定数（９６４８５Ｃ／ｍｏｌ）、Ｐ２はカソードのガス圧、Ｐ１はアノードのガス圧、ｉは電流密度（Ａ／ｃｍ^２）、ｒはセル抵抗（Ω・ｃｍ^２）である。

式（３）から、電圧印加器１９の電圧Ｅを上げることで、カソードのガス圧Ｐ２を上昇させ得ることが容易に理解できる。なお、カソードガス導出配管３０の圧損は、例えば、カソードガス導出配管３０に設けられた開閉弁の開度により増減させることができる。

そして、カソードガス拡散層３１Ａのガス圧が所定圧力以上になると、カソードガス導出配管３０の圧損を減らすことで（例えば、開閉弁の開度を大きくすることで）、カソードガス拡散層３１Ａのカソードガスが、カソードガス導出配管３０を通じて図示しない高圧水素タンクへ充填される。一方、カソードガス拡散層３１Ａのガス圧が所定圧力未満になると、カソードガス導出配管３０の圧損を増やすことで（例えば、開閉弁の開度を小さくすることで）、カソードガス拡散層３１Ａと高圧水素タンクとが遮断される。これにより、高圧水素タンクのカソードガスが、カソードガス拡散層３１Ａに逆流することが抑制される。

このようにして、電気化学式水素ポンプ１００により、高純度のカソードガス（水素ガス）が、所望の目標圧力に昇圧され、高圧水素タンクへ充填される。

以上のカソードガスの昇圧動作では、カソードのガス圧Ｐ２が高圧になることで、電解質膜１４、アノード触媒層１６およびアノードガス拡散層２４が押圧される。すると、この押圧によって、電解質膜１４、アノード触媒層１６およびアノードガス拡散層２４はそれぞれ圧縮される。このとき、カソードガス拡散層３１Ａと電解質膜１４（カソード触媒層１５）との間の密着性が低いと、両者間で隙間が生じやすい。仮に、カソードガス拡散層３１Ａと電解質膜１４（カソード触媒層１５）との間で隙間が生じる場合、両者間の接触抵抗が増加する。すると、電圧印加器１９で印加する電圧Ｅが増加することにより、電気化学式水素ポンプ１００の運転効率を低下させる恐れがある。

そこで、カソードガス拡散層３１Ａは、締結器２７による積層体１００Ｂの締結前には、図３に示すように、カソードセパレータ３１Ｂの凹部３５からその厚み方向に、はみ出し量Εｃｄ分、はみ出すように構成されている。また、カソードガス拡散層３１Ａは、積層体１００Ｂの締結では、図１および図２に示すように、締結器２７によって、はみ出し量Εｃｄ分だけ圧縮されている。よって、アノードガス拡散層２４、アノード触媒層１６および電解質膜１４のそれぞれが圧縮変形した場合でも、カソードガス拡散層３１Ａが、締結器２７による圧縮後の厚みから圧縮前の厚みに戻る方向に弾性変形することにより、カソードガス拡散層３１Ａと電解質膜１４（カソード触媒層１５）との間の接触を適切に維持できる。

また、アノードガス拡散デバイス９を構成する第２の金属シート２２Ａが圧縮変形しやすい場合、カソードガス拡散層３１Ａと電解質膜１４（カソード触媒層１５）との間の密着性が低下し、両者間で隙間が生じやすい。しかし、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、アノードガス流路６の縁３８下に位置する貫通孔を、アノードガス流路６の縁３８に沿う所定の線３００下に位置する貫通孔２３よりも少なくすることにより、第２の金属シート２２Ａが押圧により下方に曲がりにくく構成されているので、カソードガス拡散層３１Ａと電解質膜１４（カソード触媒層１５）の間の接触抵抗の増加を抑制できる。

以上により、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、電圧印加器１９で印加する電圧の増加、ひいては、電気化学式水素ポンプ１００の運転効率の低下を抑制できる。

（第１変形例）
図６は、第１実施形態の第１変形例のアノードガス拡散デバイスを構成する金属シートの一例を示す図である。図６（ａ）は、アノードガス流路６が形成されている領域２００（図４参照）において、アノードガス拡散デバイス９を斜視した図である。図６（ｂ）は、図６（ａ）のＢ−Ｂ部におけるアノードガス拡散デバイス９（アノードガス拡散層２４）を構成する第２の金属シート２２を第１の金属シート２１とともに断面視した図である。なお、図６には、第２の金属シート２２のうちの、第１の金属シート２１に隣接する第２の金属シート２２Ａのみが示されている。

本変形例のアノードガス拡散デバイス９は、第１実施形態のアノードガス拡散デバイス９における、第１の金属シート２１に隣接する第２の金属シート２２Ａにおいて、第１の金属シート２１のアノードガス流路６下に位置する貫通孔２３と、アノードガス流路６外の第１の金属シート２１の領域下に位置するとともに、貫通孔２３に隣接する貫通孔２３Ｈとの第１距離Ｌｂは、アノードガス流路６下に位置する、複数の貫通孔２３間の第２距離Ｌａよりも長い。

図６に示す例では、第２の金属シート２２Ａの複数の貫通孔２３は、第１の金属シート２１のアノードガス流路６を区画するリブ３７の端部（つまり、縁３８）のそれぞれからアノードガス流路６側に所定の水平距離だけ隔てた位置において、アノードガス流路６の縁線に略並行な一対の線３００に沿って等間隔ピッチで並んでいる。このとき、図６に示す如く、線３００に直交する水平方向において隣接する貫通孔２３同士は、第２距離Ｌａだけ離れている。これらの貫通孔２３は、アノードガス流路６のアノードガスが通過する開口部として構成されている。よって、貫通孔２３は、アノードガス流路６からのアノードガスの通過に寄与する。

また、第２の金属シート２２Ａの複数の貫通孔２３Ｈは、第１の金属シート２１のアノードガス流路６を区画するリブ３７の端部（つまり、縁３８）のそれぞれからリブ３７側に所定の水平距離だけ隔てた位置において、アノードガス流路６の縁線に略並行な一対の線４００に沿って、上記の貫通孔２３のピッチよりも大きい等間隔ピッチで並んでいる。このとき、図６に示す如く、線４００に直交する水平方向において隣接する貫通孔２３と貫通孔２３Ｈとは、第２距離Ｌａよりも長い第１距離Ｌｂだけ離れている。なお、これらの貫通孔２３Ｈは、リブ３７で覆われているので、アノードガス流路６からのアノードガスの通過に寄与しない。

以上により、本変形例のアノードガス拡散デバイス９では、第１距離Ｌｂが第２距離Ｌａよりも長いので、例えば、第２の金属シート２２Ａの面内において貫通孔を均一な間隔で配置する場合に比べて、第２の金属シート２２Ａの貫通孔が、第１の金属シート２１のアノードガス流路６の縁３８下に位置する可能性が低くなる。よって、第２の金属シート２２Ａが押圧により下方に曲がる可能性、貫通孔にクラックなどの損傷が発生する可能性を低減できる。

また、第１距離Ｌｂを長くする程、アノードガス流路６からのアノードガスの通過に寄与しない第２の金属シート２２Ａの貫通孔２３Ｈの数を少なくできるので、第２の金属シート２２Ａの貫通孔の総数増加が抑制され、第２の金属シート２２Ａの強度を適切に確保できる。更に、第２距離Ｌａを所望の長さに設定することで、アノードガス流路６からのアノードガスの通過に寄与する第２の金属シート２２Ａの貫通孔２３を、第２の金属シート２２Ａの貫通孔の総数増加を抑制しつつ必要な数、設けることができる。

本変形例のアノードガス拡散デバイス９は、上記特徴以外は、第１実施形態のアノードガス拡散デバイス９と同様であってもよい。

（第２変形例）
図７は、第１実施形態の第２変形例のアノードガス拡散デバイスを構成する金属シートの一例を示す図である。図７（ａ）は、アノードガス流路６が形成されている領域２００（図４参照）において、アノードガス拡散デバイス９を斜視した図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）のＢ−Ｂ部におけるアノードガス拡散デバイス９（アノードガス拡散層２４）を構成する第２の金属シート２２を第１の金属シート２１とともに断面視した図である。なお、図７には、第２の金属シート２２のうちの、第１の金属シート２１に隣接する第２の金属シート２２Ａのみが示されている。

本変形例のアノードガス拡散デバイス９は、第１実施形態のアノードガス拡散デバイス９における、第１の金属シート２１に隣接する第２の金属シート２２Ａにおいて、第１の金属シート２１のアノードガス流路６下に位置する複数の貫通孔２３の単位面積当たりの数は、アノードガス流路６外の第１の金属シート２１の領域下に位置する複数の貫通孔２３Ｈの単位面積当たりの数よりも多い。

図７に示す例では、第２の金属シート２２Ａの複数の貫通孔２３は、第１の金属シート２１のアノードガス流路６を区画するリブ３７の端部（つまり、縁３８）のそれぞれからアノードガス流路６側に所定の水平距離だけ隔てた位置において、アノードガス流路６の縁線に略並行な一対の線３００に沿って等間隔ピッチで並んでいる。このとき、図７に示す如く、単位面積Ｎａを取ると、線３００に沿って配された４個の貫通孔２３が２列に並んでおり、その結果、貫通孔２３の単位面積Ｎａ当たりの数は８個である。これらの貫通孔２３は、アノードガス流路６のアノードガスが通過する開口部として構成されている。よって、貫通孔２３は、アノードガス流路６からのアノードガスの通過に寄与する。

また、第２の金属シート２２Ａの複数の貫通孔２３Ｈは、第１の金属シート２１のアノードガス流路６を区画するリブ３７の端部（つまり、縁３８）のそれぞれからリブ３７側に所定の水平距離だけ隔てた位置において、アノードガス流路６の縁線に略並行な一対の線５００に沿って、上記の貫通孔２３のピッチよりも大きい等間隔ピッチで並んでいる。このとき、図７に示す如く、単位面積Ｎａと同一面積となるように、単位面積Ｎｂを取ると、線５００に沿って配された３個の貫通孔２３Ｈが２列に並んでおり、その結果、貫通孔２３Ｈの単位面積Ｎｂ当たりの数は、貫通孔２３の単位面積Ｎａ当たりの数よりも少ない、６個である。なお、これらの貫通孔２３Ｈは、リブ３７で覆われているので、アノードガス流路６からのアノードガスの通過に寄与しない。

以上により、本変形例のアノードガス拡散デバイス９では、貫通孔２３の単位面積Ｎａ当たりの数が、貫通孔２３Ｈの単位面積Ｎｂ当たりの数よりも多いので、例えば、第２の金属シート２２Ａの面内で貫通孔を均等に配置する場合に比べて、第２の金属シート２２Ａの貫通孔が、第１の金属シート２１のアノードガス流路６の縁３８下に位置する可能性が低くなる。よって、第２の金属シート２２Ａが押圧により下方に曲がる可能性、貫通孔にクラックなどの損傷が発生する可能性を低減できる。

また、アノードガス流路６からのアノードガスの通過に寄与しない第２の金属シート２２Ａの貫通孔２３Ｈの数を少なくできるので、第２の金属シート２２Ａの貫通孔の総数増加が抑制され、第２の金属シート２２Ａの強度を適切に確保できる。更に、アノードガス流路６からのアノードガスの通過に寄与する第２の金属シート２２Ａの貫通孔２３を、第２の金属シート２２Ａの貫通孔の総数増加を抑制しつつ必要な数、設けることができる。

本変形例のアノードガス拡散デバイス９は、上記特徴以外は、第１実施形態のアノードガス拡散デバイス９と同様であってもよい。

（第２実施形態）
図８は、第２実施形態のアノードガス拡散デバイスを構成する金属シートの一例を示す図である。

図８（ａ）は、アノードガス拡散デバイス９（アノードガス拡散層２４）を構成する第１層の第２の金属シート２２Ａを平面視した図である。図８（ｂ）は、アノードガス拡散デバイス９（アノードガス拡散層２４）を構成する第２層の第２の金属シート２２Ｂを平面視した図である。図８（ｃ）は、アノードガス拡散デバイス９（アノードガス拡散層２４）を構成する第３層の第２の金属シート２２Ｃを平面視した図である。

なお、図８（ａ）では、第１層の第２の金属シート２２Ａとして、第１実施形態（図５）の第２の金属シート２２Ａが図示されているが、これに限定されない。図８（ａ）の第１層の第２の金属シート２２Ａは、第１実施形態の第１変形例（図６）の第２の金属シート２２Ａでもよいし、第１実施形態の第２変形例（図７）の第２の金属シート２２Ａでもよい。

図８（ｄ）は、アノードガス拡散デバイス９の断面図である。つまり、図８（ｄ）では、図８（ａ）、図８（ｂ）および図８（ｃ）に平面視で示されたアノードガス拡散デバイス９のＤ−Ｄ部の断面が示されている。

本実施形態のアノードガス拡散デバイス９は、第１実施形態のアノードガス拡散デバイス９において、複数の第２の金属シート２２が、第１の金属シート２１に近い順に第１層から第３層まで少なくとも積層されており、第２層の第２の金属シート２２Ｂには、第１層の第２の金属シート２２Ａにおいてアノードガス流路６下に位置する貫通孔２３Ｄと、第３層の第２の金属シート２２Ｃにおいてアノードガス流路６外の第１の金属シート２１の領域下に位置する貫通孔２３Ｕとを連絡する連絡路２５を備える。

図８に示す例では、連絡路２５は、連絡路２５が設けられた第２層の第２の金属シート２２Ｂの上方の第３層の第２の金属シート２２Ｃの貫通孔２３Ｕと、下方の第１層の第２の金属シート２２Ａの貫通孔２３Ｄとを連絡する。この場合、貫通孔２３Ｕと貫通孔２３Ｄとは、連絡路２５の長さ分、第２の金属シート２２の主面と平行な方向に偏倚している。

連絡路２５は、このような貫通孔２３Ｕおよび貫通孔２３Ｄ同士を連絡できれば、どのような構成であってもよい。例えば、貫通孔２３Ｕおよび貫通孔２３Ｄが、直径が数十μｍ程度の丸孔である場合、連絡路２５は、幅が数十μｍ程度の長円状のスリット孔であってもよい。これらの貫通孔２３Ｕ、貫通孔２３Ｄおよび連絡路２５の形状および寸法は例示であって、本例に限定されない。

以上により、本実施形態のアノードガス拡散デバイス９は、従来に比べアノードガスを均一に拡散し得る。つまり、第２層の第２の金属シート２２Ｂが連絡路２５を備えることで、第１の金属シート２１のアノードガス流路６から複数の第２の金属シート２２内を通過するアノードガスを一方向だけではなく、任意の方向に送ることができる。すると、連絡路２５の配置パターンが異なる第２の金属シート２２を積層させることで、アノードガス拡散デバイス９内のアノードガス流れの向きを任意に設定できる。これにより、アノードガス拡散デバイス９のガス拡散性が向上する。

また、第１の金属シート２１のアノードガス流路６を通じて第１層の第２の金属シート２２Ａの貫通孔２３Ｄにガスを流入させる構成を取っているので、第２層の第２の金属シート２２Ｂが連絡路を備えない場合、第１の金属シート２１のアノードガス流路６外のリブ３７の領域の垂直線上に位置する第３層の第２の金属シート２２Ｃの貫通孔２３Ｕにはアノードガスが流れない。すると、アノードガス拡散デバイス９のガス拡散が不均一化する恐れがある。しかし、本実施形態のアノードガス拡散デバイス９では、上記の連絡路２５を介して、このような第３層の第２の金属シート２２Ｃの貫通孔２３Ｕにもアノードガスを流すことができるので、アノードガス拡散デバイス９のガス拡散が不均一化することを抑制できる。

本実施形態のアノードガス拡散デバイス９は、上記特徴以外は、第１実施形態のアノードガス拡散デバイス９と同様であってもよい。

なお、第１実施形態、第１実施形態の第１変形例、第１実施形態の第２変形例および第２実施形態は、互いに相手を排除しない限り、互いに組み合わせても構わない。

また、上記説明から、当業者にとっては、本開示の多くの改良および他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本開示を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本開示の精神を逸脱することなく、その構造および／または機能の詳細を実質的に変更できる。

本開示の一態様は、従来に比べ、ガス流路からのガスを通過させる貫通孔が金属シートの適切な位置に設けられているガス拡散デバイスに利用できる。

１ ：アノード本体
３ ：マニホルド孔
４ ：マニホルド孔
５ ：アノードガス流路板
６ ：アノードガス流路
７ ：マニホルド孔
８ ：マニホルド孔
９ ：アノードガス拡散デバイス
１０ ：アノード端板
１１ ：マニホルド孔
１２ ：マニホルド孔
１４ ：電解質膜
１５ ：カソード触媒層
１６ ：アノード触媒層
１９ ：電圧印加器
２１ ：第１の金属シート
２２ ：第２の金属シート
２２Ａ ：第２の金属シート
２２Ｂ ：第２の金属シート
２２Ｃ ：第２の金属シート
２３ ：貫通孔
２３Ｄ ：貫通孔
２３Ｈ ：貫通孔
２３Ｕ ：貫通孔
２４ ：アノードガス拡散層
２５ ：連絡路
２６Ｄ ：端板
２６Ｕ ：端板
２７ ：締結器
２８ ：アノードガス導入配管
２８Ａ ：アノードガス導入マニホルド
２９ ：アノードガス導出配管
２９Ａ ：アノードガス導出マニホルド
３０ ：カソードガス導出配管
３１ ：カソードガス拡散デバイス
３１Ａ ：カソードガス拡散層
３１Ｂ ：カソードセパレータ
３２Ａ ：マニホルド孔
３２Ｂ ：カソードガス連通経路
３２Ｃ ：マニホルド孔
３５ ：凹部
３６ ：スリット孔
３７ ：リブ
３８ ：縁
４０ ：シール部材
４１ ：シール部材
４２ ：シール部材
１００ ：電気化学式水素ポンプ
１００Ａ ：単セル
１００Ｂ ：積層体

Claims (5)

1. ガス流路を備える第１の金属シートと、前記ガス流路から供給されるガスが通過する複数の貫通孔を備える、１つ以上の第２の金属シートとを備え、前記第１の金属シートに隣接する前記第２の金属シートにおいて、前記ガス流路の縁下に位置する前記貫通孔は、当該ガス流路の前記縁に沿う所定の線下に位置する貫通孔よりも少ない、ガス拡散デバイス。
2. 前記第１の金属シートに隣接する前記第２の金属シートにおいて、前記ガス流路下に位置する貫通孔と、前記ガス流路外の前記第１の金属シートの領域下に位置するとともに、当該貫通孔に隣接する貫通孔との距離は、前記ガス流路下に位置する、複数の貫通孔間の距離よりも長い、請求項１記載のガス拡散デバイス。
3. 前記第１の金属シートに隣接する第２の金属シートにおいて、前記ガス流路下に位置する複数の貫通孔の単位面積当たりの数は、前記ガス流路外の前記第１の金属シートの領域下に位置する複数の貫通孔の単位面積当たりの数よりも多い、請求項１記載のガス拡散デバイス。
4. 複数の第２の金属シートが、前記第１の金属シートに近い順に第１層から第３層まで少なくとも積層されており、前記第２層の前記第２の金属シートには、前記第１層の前記第２の金属シートにおいて前記ガス流路下に位置する貫通孔と、前記第３層の前記第２の金属シートにおいて前記ガス流路外の前記第１の金属シートの領域下に位置する貫通孔とを連絡する連絡路を備える、請求項１記載のガス拡散デバイス。
5. 一対の主面を備える電解質膜と、
   前記電解質膜の一方の主面に設けられたカソード触媒層と、
   前記電解質膜の他方の主面に設けられたアノード触媒層と、
   前記カソード触媒層に設けられたカソードガス拡散デバイスと、
   前記アノード触媒層に設けられたアノードガス拡散デバイスと、
   前記カソード触媒層および前記アノード触媒層の間に電圧を印加する電圧印加器と、
   を備え、
   前記アノードガス拡散デバイスは、請求項１−４のいずれか１項に記載のガス拡散デバイスを含む、電気化学式水素ポンプ。
   

Images