JP2004510311A - 電気化学セルにおける活性領域の圧縮を維持するための装置及び方法 - Google Patents

Abstract

電気化学セルは第１の電極と、第２の電極と、前記電極間にその電極と密接に接触するように配置されたプロトン交換膜と、第１の電極と電気連絡して配置された圧力パッドと、を含む。圧力パッドは導電性シートであり、セル内の圧力変動に適合できる構造を有する。圧力パッドの製造方法は、導電性部材にディンプルまたは波形を配置する工程を含む。セル内で圧縮を維持する方法は第１の電極に導電性部材と圧縮部材とを配置する工程と、セルに負荷をかけセル部品を圧縮する行程と、導電性部材を介して電気連絡を維持する工程と、を含む。

Description

【０００１】
（関連出願のクロスレファレンス）
この出願は２０００年９月２７日に出願された米国暫定特許出願番号第６０／２３５，８７２号、２０００年９月２７日に出願された米国暫定特許出願番号第６０／２３５，６２９号、及び２０００年９月２７日に出願された米国暫定特許出願番号第６０／２３５，８７１号の利益を主張する。これらの３つの出願については参照によりその全体内容を明細書に組み込むものとする。
【０００２】
（技術分野）
この出願は電気化学セルに関し、特に電気化学セルの活性領域内での圧縮を維持するための装置に関する。
【０００３】
（背景技術）
電気化学セルはエネルギ変換装置であり、通常電解電池（セル：ｃｅｌｌ）または燃料電池のいずれかに分類される。プロトン交換膜電解セルは電解により水を分解し水素ガスと酸素ガスとを発生させることにより水素発生器として機能することができる。図１で、アノード送り（フィード：ｆｅｅｄ）電解セルを１０で示し、以後「セル１０」と呼ぶ。反応水１２が酸素電極（例えば、アノード）１４からセル１０に送り込まれ、そこで化学反応が起こり酸素ガス１６、電子及び水素イオン（プロトン）が形成される。化学反応は、アノード１４に接続された電源１８の正端子と、水素電極（例えば、カソード）２０に接続された電源１８の負端子とにより促進される。酸素ガス１６と水との第１の部分２２とはセル１０から放出され、プロトンと水の第２の部分２４とはプロトン交換膜２６を横切ってカソード２０まで移動する。カソード２０では、水素ガス２８が形成され、燃料として使用するために除去される。水の第２の部分２４は水素ガスを同伴し、これもまたカソード２０から除去される。
【０００４】
図１の構成と同じ構成を使用する水電解セルの別の型はカソード送りセルである。カソード送りセルでは、プロセス水は水素電極側から供給される。水の一部はカソードから膜を横切ってアノードまで移動する。アノードとカソードに接続された電源により、水素イオンと酸素ガスが発生する化学反応が促進される。過剰なプロセス水は膜を通過せずにセルのカソード側から出て行く。
【０００５】
典型的な燃料電池もまた図１の構成と同じ一般構成を使用する。水素ガスは水素電極（燃料電池のアノード）に導入され、酸素または空気などの酸素含有ガスが酸素電極（燃料電池のカソード）に導入される。燃料電池動作用の水素ガスは純粋な水素供給源、炭化水素、メタノールまたは燃料電池動作に適した純度レベルの水素を供給する任意の他の供給源から得ることができる。水素ガスはアノードで電気化学的に反応しプロトン及び電子が形成され、電子はアノードから、電気的に接続された外部負荷を通って流れ、プロトンは膜を通ってカソードまで移動する。カソードでは、プロトンと電子は酸素と反応し水が形成される。
【０００６】
従来の電気化学セルシステムは一般にスタックとして配列された１以上の個々のセルを含み、動作流体はスタック構造内に形成された入出力コンジットを介してセルを通るように誘導される。スタック内のセルは連続配列され、各々がカソードと、プロトン交換膜と、アノードとにより規定される膜電極アセンブリ（以後「ＭＥＡ」と呼ぶ）を含む。各セルは典型的にはさらに、カソードと流体連絡（ｆｌｕｉｄ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）された第１の流れ場とアノードと流体連絡された第２の流れ場とを含む。ＭＥＡは流れ場内に配置されたスクリーンパックまたはバイポーラプレートなどの流れ場支持膜によりどちらか一方の側または両側で支持されてもよく、膜の水和及び／またはＭＥＡからまたはＭＥＡへの流体移動を促進するように構成されてもよい。
【０００７】
図２では、アノード送り電解セル、カソード送り電解セル、または燃料電池としての動作に適した従来の電気化学セルシステムを３０で示しており、以後「セルシステム３０」と呼ぶ。セルシステム３０はアノード１４、カソード２０及びプロトン交換膜２６により規定されるＭＥＡを含む。アノード１４及びカソード２０により少なくとも１つの側に制限されたその側に近接する領域はそれぞれ流れ場３２、３４を規定する。流れ場支持部材３６はアノード１４に隣接して配置され、フレーム３８及びセルセパレータプレート４０により流れ場３２内に保持される。流れ場支持部材４２はカソード２０に隣接して配置され、フレーム５０および圧力パッドセパレータプレート４４により流れ場３４内で保持される。圧力パッド４６は圧力パッドセパレータプレート４４とセルセパレータプレート４８との間に配置される。セル部品、特にフレーム３８、５０及びセルセパレータプレート４０、４８は適したマニホルドまたは他のコンジットと共に形成され、セルシステム３０を通る流体連絡が促進される。
【０００８】
セルシステム内、特にセルを横切るように圧力差がしばしば生じる。そのような圧力差によりＭＥＡの表面領域上で圧力分布の変動が生じることがある。圧力差を補償し、様々な動作条件下で長期にわたり様々なセル部品間で密接な接触を維持するために、圧力パッド４６を介してセル部品に圧縮が加えられる。しかしながら、圧力パッド４６は一般にシステム流体及び／またはセル膜材料と適合しない材料から作製されるので、圧力パッド４６はしばしば圧力パッドセパレータプレートによりセルの活性領域から分離され、及び／または保護ケーシング（図示せず）内に封入される。
【０００９】
現存の圧力パッドは所期の目的には適しているが、特に電解セルの部品の圧縮とＭＥＡ支持に関しては、とりわけ高圧で、改良する必要がある。そのため、セル環境と適合し、セル部品の均一な圧縮を提供すると共にＭＥＡを支持し、これにより電解セルの最適性能が得られる圧力パッドが必要とされる。
【００１０】
（発明の開示）
上記欠点及び短所は第１の電極と、第２の電極と、それらの電極間にその電極と密接に接触するように配置されたプロトン交換膜と、第１の電極と電気連絡して配置された圧力パッドと、を備える電気化学セルにより解決される。圧力パッドは導電性シートであり、セル内の圧力変動に適合する構造を有する。圧力パッドを形成する方法は導電部材にディンプルまたは波形を配置する工程と、必要に応じて導電部材中にエラストマー材料（ｅｌａｓｔｏｍｅｒｉｃ　ｍａｔｅｒｉａｌ）を組み入れる工程とを、含む。セル内での圧縮を維持する方法は、第１の電極に導電性部材と、必要に応じてエラストマー部材とを配置する工程と、負荷をかけてセル部品を圧縮する行程と、導電部材を通して電気連絡を維持する工程と、を含む。
【００１１】
上記および他の特徴と利点は以下の詳細な説明および図面により当業者であれば認識され理解されるであろう。
【００１２】
（発明を実施するための最良の形態）
図面について説明する。図面は例示にすぎず限定するものではない。いくつかの図面において同様の要素には同様の符号を付する。
【００１３】
この明細では、電気化学セル内で活性領域の圧縮を維持するための新規装置及び方法が開示されている。活性領域は一般に電気的に連結された電極及び、セルの２以上の電気的に連結された電極間の空間を意味する。圧縮装置、例えば以下で説明するような圧力パッドはセルの電極の１つに近接して配置される。他の圧縮装置はさらに他の電極に近接させて配置してもよい。圧力パッドはセル環境と適合するように選択されたエラストマー材料と一体に形成することができる導電性材料を含み、典型的には電極に隣接する流れ場に配置される。そこではシステム流体にさらされる。
【００１４】
以下の開示は水素、酸素、水を使用するプロトン交換膜電気化学セルに関連して説明してあるが、他の型の電気化学セルおよび／または電解質に用いられてもよく、例えばリン酸などが挙げられるがこれに限定されるものではない。様々な反応物を使用することもでき、例えば水素、ホウ素、酸素、空気、塩素及びヨウ素が挙げられるがこれらに限定されるものではない。特別な型の電気化学セルに関して通常理解されるように、異なる反応物および／または異なる電解質を使用するとそれに伴い流れ及び反応が変化する。さらに、以下の説明はアノード送り電解セルに関するものであるが、カソード送り電解セル、燃料電池、及び再生燃料電池もまた開示した実施の形態の範囲内に入ることを、当業者であれば理解すべきである。
【００１５】
図３では、セルの活性領域において圧縮を改善することができる圧力パッドの例示的な実施の形態を組み入れた電気化学セルシステムが６０で示してある。セルシステム６０は典型的にはセルシステムの一部としてスタックで使用される複数のセルを含む。セルシステム６０を電解セルとして使用する場合、電力入力は一般に約１．４８Ｖから約３．０Ｖであり、電流密度は約５０Ａ／ｆｔ^２（１平方フィートあたりのアンペア数）から約４０００Ａ／ｆｔ^２である。燃料電池として使用する場合、電力出力は約０．４Ｖから約１Ｖであり、電流密度は約０．１Ａ／ｆｔ^２から約１０，０００Ａ／ｆｔ^２である。燃料電池の寸法や構成によっては１０，０００Ａ／ｆｔ^２を超える電流密度も得られるかもしれない。スタック内のセル数および各セルの寸法はセル電力出力及び／またはガス産出量要求に対し拡大縮小することができる。
【００１６】
セルシステム６０は実質的には図２を参照して示した、上記セルシステム３０と同様である。特に、セルシステム６０は第１の電極（例えば、アノード）６４と、それとは反対側に配置された第２の電極（例えば、カソード）６６とを有するプロトン交換膜６２により規定されるＭＥＡを含む。アノード６４及びカソード６６により少なくとも１つの側に制限されその側に近接する領域はそれぞれ流れ場６８、７０を規定する。流れ場支持部材７２はアノード６４に隣接して配置され、フレーム７４及びセルセパレータプレート７８により流れ場６８内に保持されてもよい。ガスケット７６は必要に応じてフレーム７４とセルセパレータプレート７８との間に配置され、流れ場６８を効果的に封止する。
【００１７】
流れ場支持部材８０はカソード６６に隣接して配置してもよい。圧力パッド８２は典型的には流れ場支持部材８０とセルセパレータプレート８４との間に配置される。流れ場支持部材８０と圧力パッド８２はフレーム８６とセルセパレータプレート８４により流れ場７０内に保持される。圧力パッド８２は好ましくはセル環境と適合する材料から作製されるので、セルシステム６０は一般には圧力パッドセパレータプレートが無くても動作する。ガスケット８８は必要に応じてフレーム８６とセルセパレータプレート８４との間に配置され、効果的に流れ場７０を封止する。セル部品、特にフレーム７４、８６、セルセパレータプレート７８、８４およびガスケット７６、８８は適したマニホルドまたは他のコンジットと共に形成され、セルシステム６０を通過する流体連絡が促進される。
【００１８】
膜６２は電気化学セルの動作条件下で好ましくは固体またはゲルである電解質を含む。膜６２を作製することができる有用な材料としては、プロトン伝導性イオノマー類及びイオン交換樹脂類が挙げられる。有用なプロトン伝導性イオノマー類としてはアルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩、プロトン酸またはプロトン酸塩を含む錯体が挙げられる。上記塩で有用な対イオン類としてはハロゲンイオン、過塩素イオン、チオシナートイオン、トリフルオロメタンスルホイオン、フッ化ホウ酸（ボロフルオリック：ｂｏｒｏｆｌｕｏｒｉｃ）イオンなどが挙げられる。そのような塩の代表的な例としては、フッ化リチウム、ヨウ化ナトリウム、ヨウ化リチウム、過塩素酸リチウム、チオシアン酸ナトリウム、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム、フッ化ホウ酸リチウム、ヘキサフルオロリン酸リチウム、リン酸、硫酸、トリフルオロメタン硫酸などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。アルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩、プロトン酸、またはプロトン酸塩は、ポリエーテル、ポリエステル、またはポリイミドなどの１以上の極性ポリマー類と、あるいは上記極性ポリマーをセグメントとして含むネットワークまたは架橋ポリマーと錯化される。有用なポリエーテル類としては、ポリエチレングリコール、ポリエチレングリコールモノエーテル及びポリエチレングリコールジエーテルなどのポリオキシアルキレン類；これらのポリマー類のうちの少なくとも１つのコポリマー類、例えばポリ（オキシエチレン−コ−オキシプロピレン）グリコール、ポリ（オキシエチレン−コ−オキシプロピレン）グリコールモノエーテル、およびポリ（オキシエチレン−コ−オキシプロピレン）グリコールジエーテルなど；エチレンジアミンと上記ポリオキシアルキレン類との縮合生成物；およびエステル類、例えば上記ポリオキシアルキレン類のリン酸エステル類、脂肪族カルボン酸エステル類または芳香族カルボン酸エステル類が挙げられる。例えば、ポリエチレングリコールとジアルキルシロキサン類、無水マレイン酸とのコポリマー類、またはポリエチレングリコールエーテルとメタクリル酸とのコポリマー類は十分なイオン伝導性を示し有用であることが当分野では周知である。
【００１９】
プロトン伝導性材料として有用なイオン交換樹脂としては、炭化水素−及びフルオロカーボン−型樹脂が挙げられる。炭化水素型イオン交換樹脂としては、フェノール樹脂、フェノール−ホルムアルデヒドなどの縮合樹脂、ポリスチレン、ポリスチレン−ジビニルベンゼンコポリマー類、スチレン−ブタジエンコポリマー類、スチレン−ジビニルベンゼン−塩化ビニルターポリマー類などが挙げられる。これらの樹脂はスルホン化によりカチオン交換能力が付与され、あるいはクロロメチル化後、対応する第四アミンに転化することによりアニオン交換能力が付与される。
【００２０】
フルオロカーボン型イオン交換樹脂としてはテトラフルオロエチレン−パーフルオロスルホニルエトキシビニルエーテルまたはテトラフルオロエチレン−ヒドロキシル化（パーフルオロビニルエーテル）コポリマー類の水和物が挙げられる。例えば燃料電池のカソードで酸化および／または酸耐性が望ましい場合、スルホン酸、カルボン酸および／またはリン酸官能性を有するフルオロカーボン型樹脂が好ましい。フルオロカーボン型樹脂は典型的にはハロゲン、強酸及び塩基による酸化に対し優れた耐性を示す。スルホン酸基官能性を有するフルオロカーボン型樹脂の１つの族はナフィオン（ＮＡＦＩＯＮ、登録商標）樹脂（デラウェア州ウィルミントンのＥ．Ｉ．デュポンドヌムール社（Ｅ．Ｉ．ｄｕ　Ｐｏｎｔ　ｄｅ　Ｎｅｍｏｕｒｓ　ａｎｄ　Ｃｏｍｐａｎｙ）から市販されている）である。
【００２１】
アノード６４及びカソード６６は必要とされる電気化学反応を実行する（すなわち、水を電気分解し水素と酸素を生成する）のに適した触媒材料から作製される。アノード６４およびカソード６６に適した材料としては、白金、パラジウム、ロジウム、炭素、金、タンタル、タングステン、ルテニウム、イリジウム、オスミウム、それらの合金などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。アノード６４およびカソード６６は接着剤により膜６２上に配置してもよく、あるいは膜に隣接し、接触させて配置してもよい。
【００２２】
流れ場支持部材７２、８０はシステム流体の通過が可能とし、好ましくは導電性である。そのような支持部材７２、８０は例えば、スクリーンパックまたはバイポーラプレートを含んでもよい。スクリーンパックとしては１以上の穴の開いたシートの層または金属ストランドから形成された織メッシュが挙げられる。スクリーンパックを作製するのに使用してもよい典型的な金属としてはニオブ、ジルコニウム、タンタル、チタン、炭素鋼、ステンレス鋼、ニッケル、コバルトおよびそれらの合金が挙げられるが、それらに限定されるものではない。バイポーラプレートは一般に炭素またはポリマーバインダを組み入れた炭素複合構造である。バイポーラプレートは金属から作製してもよい。バイポーラプレートを作製するのに使用することができる典型的な金属としては、ニオブ、ジルコニウム、タンタル、チタン、炭素鋼、ステンレス鋼、ニッケル、コバルト及びこれらの合金が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００２３】
改善した圧縮は圧力パッド８２を介してセルシステム６０内で維持される。圧力パッド８２は流れ場７０と直接接触するように配置され、膜６２のアノードまたはカソード側のいずれかのセルセパレータプレートと隣接するように位置決めされる。さらに、圧力パッド８２は膜６２の両側に配置してもよいこと、圧力パッド８２は流れ場支持部材のいずれかまたはその両方の代わりにセルシステム６０の流れ場のいずれかまたはその両方内に配置してもよいことを理解すべきである。
【００２４】
圧力パッド８２の例示的な実施の形態は、セル内で均一に圧縮力を分散するように構成された導電性材料を含む。適した導電性材料としては、導電性金属及びそれらの合金及び超合金、例えば、銅；銀；金；クロム；ジルコニウム；タンタル；チタン；ニオブ；鉄及び鉄合金、例えばステンレス鋼などの鋼；ニッケル及びニッケル合金、例えばハステロイ（ＨＡＳＴＥＬＬＯＹ、登録商標）（インジアナ州ココモ所在のヘインズインターナショナル（Ｈａｙｎｅｓ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ）から市販されている）；コバルト及びコバルト超合金、例えばエルギロイ（ＥＬＧＩＬＯＹ、登録商標）（イリノイ州エルジン所在のエルギロイ（Ｅｌｇｉｌｏｙ、登録商標）リミテッドパートナーシップ（Ｌｉｍｉｔｅｄ　Ｐａｒｔｎｅｒｓｈｉｐ）から市販されている）およびＭＰ３５Ｎ（登録商標、ニューヨーク州ライ所在のマリーランドスペシャルティワイヤ社（Ｍａｒｙｌａｎｄ　Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ　Ｗｉｒｅ，Ｉｎｃ．）から市販されている）；ハフニウム；およびタングステンが挙げられるが、それらに限定されるものではない。とりわけ、その強度、耐久性、有用性、低コスト、延性、低密度、および電気化学セル環境との適合性のためチタンが好ましい。使用することができる他の材料としては、導電性炭素、導電性ポリマー類、および前記材料の混合物が挙げられるが、それらに限定されるものではない。
【００２５】
均一に圧縮力を分散するのを支援するために、圧力パッド８２はさらにエラストマー材料を含んでも良い。適したエラストマー材料としては、シリコーン類、例えばフルオロシリコーン類；フルオロエラストマー類、例えばカルレズ（ＫＡＬＲＥＺ、登録商標）（Ｅ．Ｉ．デュポン　ド　ヌムール社から市販されている）、ヴィトン（ＶＩＴＯＮ、登録商標）（Ｅ．Ｉ．デュポン　ド　ヌムール社から市販されている）、フルオレル（ＦＬＵＯＲＥＬ、登録商標）（ミネソタ州セントポール所在のミネソタマイニング＆マニュファクチュアリング社（Ｍｉｎｎｅｓｏｔａ　Ｍｉｎｉｎｇ　ａｎｄ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｃｏｍｐａｎｙ）から市販されている）；およびそれらの組み合わせが挙げられるが、それらに限定されるものではない。
【００２６】
エラストマー材料は、当分野において周知のように典型的には導電性粒状材料を組み込むことにより、それ自体導電性としてもよい。適した導電性粒状材料としては、上記導電性金属とそれらの合金および超合金が挙げられるが、それらに限定されるものではなく、好ましくは銅およびニッケルである。導電性材料でコートされた非導電性粒子、例えば銀コートガラス球、および導電性粒状炭素、例えばアセチレンブラック、導電性ファーネスブラック、超伝導性ファーネスブラック、エキストラ伝導性ファーネスブラック、気相成長カーボンファイバ、カーボンナノチューブ、などもまた有益である。銅、ニッケル、導電性炭素またはそれらの組合せは、その導電率、有用性、低コストおよび電気化学セル環境との適合性のため好ましい。粒子の特別な形状は重要ではなく、球、板、ひげ結晶（ウィスカー：ｗｈｉｓｋｅｒ）、チューブ、延伸ワイヤ、フレーク、短繊維、非規則形状粒子などが挙げられる。適した粒子サイズおよび量は広く変動し、選択した特別な材料、圧力パッドの所望のエラストマー特性および導電率、材料のコスト、圧力パッドのサイズ、製造方法、および他の考慮すべき事項を含む（それらに限定されるものではない）因子に基づき、当業者であれば容易に決定できる。導電性フィラー粒子の厳密なサイズ、形状および組成に関係なく、ポリマー樹脂全体に十分に分散させるべきである。そのような組成物および製造方法は例えば米国特許第４，０１１，３６０号、第５，０８２，５９６号、第５，２９６，５７０号、第５，４９８，６４４号、第５，５８５，０３８号および第５，６５６，６９０号において説明されている。
【００２７】
導電性材料およびエラストマー材料のどちらも好ましくはシステム流体および膜６２の材料と適合する。圧力パッド８２は必要に応じて多孔質とされ、水またはシステムガスを通過させることができ、高圧時にセル部品間の密接な接触を維持することができる。圧力パッド８２は高圧に耐え、長期間にわたり動作できるように構成される。特に、圧力パッド８２は約１００ｐｓｉ（ｐｏｕｎｄ　ｐｅｒ　ｓｑｕａｒｅ　ｉｎｃｈ）２５０ｐｓｉ、５００ｐｓｉ、２０００ｐｓｉ、５０００ｐｓｉ、より好ましくは約１０，０００ｐｓｉまでの圧力、あるいはそれを超える圧力に耐えるように構成される。圧力パッド８２は１０，０００ｐｓｉを超える圧力に耐えるような構成および寸法とすることができる。
【００２８】
圧力パッド８２の１つの例示的な実施の形態を図４Ａおよび図４Ｂに示す。圧力パッド８２は導電性波形シート９０を備え、その上にエラストマー部材９２が配置されている。圧力パッドセパレータプレートが部品の１つではないセルの設計に組み入れられる場合、波形シート９０の表面は露出し、圧力パッド８２と隣接して配置されたセル構造との間の電気連絡が促進される。波形シート９０の反対に隆起した部分９４はそのような露出表面を規定する「ピーク」を形成する。隆起部分９４の中間のくぼんだ部分９８は「トラフ」を形成する。波形シート９０は一般に、圧力パッド８２がセル動作中に圧縮された時に圧力パッド８２のしわまたは変形が生じないように隆起部分９４の縦の縁が（図４Ｂで示されるように）わずかな半径により規定される湾曲表面９６を含むように形成される。波形シート９０はスタンピング、鋳造、機械加工、または他の周知の技術により形成されてもよい。
【００２９】
様々な手段のうちの任意の１つによりエラストマー部材９２をくぼんだ部分９８に配置してもよい。１つの例示的な手段は隆起部分９４間にストックエラストマー材料を配置する工程と、その後にエラストマー材料を溶融し、波形シート９０のくぼんだ部分９８により形成されたトラフが実質的に溶融エラストマー材料により満たされるようにする工程と、溶融エラストマー材料を硬化させる工程とを必要とする。ストックエラストマー材料は典型的には、エラストマー部材９２を波形シート９０に接着させることが十分可能な作用物質を含む。くぼんだ部分９８に配置された硬化エラストマー材料の量は、最終圧力パッド８２内の隆起部分９４が露出されたままで圧力パッド８２と隣接構造との間の電気接触が確実に維持されるようなものとすべきである。波形シート９０の表面にエラストマー材料を配置する他の例示的な手段は、波形シート９０を金型（図示せず）内に配置し、波形シート９０の周りに多量の材料を射出成形する工程を含む。
【００３０】
セル構造内に配置する場合、圧力パッド８２は典型的には、一面をセルセパレータプレートにより、反対面を流れ場支持部材または電極のいずれかにより支持される。圧力パッド８２の波形構造のために、面に垂直に加えられた力により圧力パッド８２は印加された力に対し垂直方向に弾力的に変形する。さらに、波形構造のために、圧力パッド８２は支持セルセパレータプレートおよび流れ場支持部材または電極のいずれかにより印加された圧力変動に応じて曲がり、順応することができ、これにより圧力パッド８２を横切って電気連絡を維持することができる。
【００３１】
電気化学セルの活性領域内での圧縮を維持するように構成された圧力パッドの他の例示的な実施の形態を図５において包括的に１８２で示す。圧力パッド１８２は複数の開口１９７が設けられた波形シート１９０を含む。開口１９７は矢印１９９により示された方向でエラストマー部材１９２を縫うように通すことができるような構成、配置、寸法とされる。開口１９７を縫うように通るエラストマー部材１９２により圧力パッド１８２にねじれ弾性が付与され、これにより圧力パッド１８２を組み入れたセル内では圧縮を維持することができる。隆起部分１９４を介して、圧力パッドとセルシステムの隣接して配置された構造との間では電気連絡が維持される。
【００３２】
図６Ａから図６Ｅでは、圧力パッドの他の例示的な実施の形態が２８２で示されている。圧力パッド２８２は導電性シート２９０上に形成された複数のディンプル２９６を備える。ディンプル２９６は図示されているように角錐台形状としてもよく、あるいは直線形状などの同様の構成としてもよく、あるいは圧力下で弾力的に変形することができ、シート２９０と隣接して配置された表面間で電気接触を維持することができる任意の他の形状と類似するように構成してもよい。図５に参照して上述したのと同じ様式で開口（図示せず）もディンプル２９６に設け、その開口にエラストマー材料を縫うように通してもよい。図６Ｂの２９２で示されるように、エラストマー材料をシート２９０に隣接させて配置し、圧力パッド２８２の表面に垂直な方向およびその表面に沿った方向の両方向でシート２９０に弾力性を提供してもよい。エラストマー材料は図６Ｂに示されるように、ディンプル２９６が突出する表面とは反対のシート２９０表面に配置してもよい。または、エラストマー材料２９２は図６Ｃに示すようにディンプル２９６に隣接するシート２９０表面上に配置してもよく、図６Ｄに示すようにディンプル２９６で規定される空洞内に配置してもよく、あるいは図６Ｅに示すようにディンプル２９６に縫うように通して配置してもよい。
【００３３】
図７から図９には、ディンプルを備える圧力パッドの他の例示的な実施の形態が３８２で示されている。ディンプル３９６は半球形状でスタンピングされ、あるいはそうでなければ導電性シート３９０上に配置されている。シート３９０上にディンプル３９６を配列すると圧力パッド３８２に弾力性が付与され、予測性が高く実質的には均一なばね定数を実現することができ、これにより圧力下でセルシステム部品の実質的に均一な圧縮が得られる。
【００３４】
ディンプル３９６自体は実質的には圧縮できず剛体であり、あるいは圧力下では折り畳めるように構成してもよい。図８では、ディンプル３９６は圧縮されいない状態で示されている。応力線３９８または一連の応力点が各ディンプル３９６の断面近くの円周上に延在する。シート３９０の厚さＡ、ディンプル３９６の数、各ディンプル３９６の高さＢ、および各ディンプル３９６と隣接するディンプルとの距離Ｃは、シート３９０の形成材料および圧力パッド３８２を組み入れたセルシステムの動作圧力により決定され、最適化される。寸法Ａ、ＢおよびＣはそれぞれ、ディンプル３９６のばね速度が予め選択された圧縮範囲内にあるように規定される。圧力パッド３８２がセルシステム内に配置され、ディンプル３９６がセルシステム内の表面３９９と係合しその表面により支持された場合、図９の矢印３９５で示されるように、圧縮力がシート３９０に垂直な方向で圧力パッド３８２に加えられと、ディンプルは応力線３９８で「折り畳まれ」、キノコ形状の要素に似たものとなる。
【００３５】
任意の数の圧力パッド３８２を積み重ね、セルを圧縮することができる。圧力パッド３８２を積み重ねた構成では、積み重ねた圧力パッドが共に嵌合しないようにディンプル３９６をわずかに球根状にしてもよく、そのため１つの圧力パッドのディンプルは隣接して配置された圧力パッドのディンプルにより形成された空洞内にぴったり収容されることはない。図１０Ａに示されるように、ディンプル３９６に隣接してシート３９０上にエラストマー部材３９２を配置することにより圧力パッド３８２の圧縮をさらに促進してもよい。または、シート３９０の反対面にエラストマー部材３９２を配置することにより圧縮パッド３８２の圧縮を促進してもよい。図１０Ｂに示されるように、エラストマー部材３９２はディンプル３９６により形成された空洞内に配置される。エラストマー部材はまた、ディンプル内およびいずれかの表面あるいは両表面上の両方に配置してもよい。
【００３６】
一体に形成された導電性のエラストマー材料の複数の層を使用して圧力パッドを規定する場合、流体の流れを誘導するように様々な層を構成することができる。例えば、各層の導電性のエラストマー材料を織り、所定の多孔性を層に付与することができる。隣接する層の多孔性を変える、すなわち、勾配のある形態とすることができ、層間の流体連絡を制御することができる。そのような勾配により、膜への流体分配が改善されるだけでなく、電気化学反応に必要な電圧も減少する。さらにそのような勾配によりＭＥＡとの構造的な一体性が改善され、これにより流れ場支持部材の必要性が排除される（あるいは実質的に減少する）可能性がある。
【００３７】
図１１において４６４で示される圧力パッドの他の例示的な実施の形態では、導電性部材自体を圧縮可能なように構成することができる。導電性部材は別個の圧縮部材無しで、例えば導電性部材にエラストマー材料を配置する必要無く、圧縮することができる。そのような実施の形態では、圧力パッドは、圧縮力の下で折り畳めるように構成された複数の同心配列の導電部材から形成することができる。
【００３８】
圧力パッド４６４は複数の折り畳み可能な導電性部材４７０と、同心の交互パターンで配列された複数の仕切り部材４７１と、を備える。各折り畳み可能な導電性部材４７０および各仕切り部材４７１はループまたはリングを形成するように構成される。各ループの直径が変化し、これにより同心の交互パターンが規定される。仕切り部材４７１は圧力パッド４６４の全形を維持し、個々の折り畳み可能な導電性部材４７０が互いに重ならないようにする。仕切り部材４７１は折り畳み可能な導電性部材４７０に対し、印加した力の方向に垂直な方向に折り畳み可能な導電性部材４７０が変形できるような寸法とされる。
【００３９】
典型的には、折り畳み可能な導電性部材４７０および仕切り部材４７１は圧力分散プレート４７４により支持される。圧力分散プレート４７４は平面部材を備え、その上に折り畳み可能な導電性部材４７０と仕切り部材４７１とを配置することができる。平面部材を貫く開口４７５によりその対向する表面を横切る流体連絡が維持される。
【００４０】
圧力分散プレート４７４はさらに折り畳み可能な導電性部材４７０と仕切り部材４７１とを保持するためのリップ４７６または同様の特徴を含んでもよく、これにより次の部材／プレートアセンブリの積み重ねを促進することができ、このためセルスタック内に配置される流れ場支持部材が排除され、またはその数が減少する。
【００４１】
図１２および図１３では、圧力パッド４６４に組み入れることができる折り畳み可能な導電性部材４７０の例示的な実施の形態が示されている。図１２では、折り畳み可能な導電性部材４７０はコイルばね４８０を含む。コイルばね４８０は、コイルばね４８０が組み込まれたセルに垂直に印加される力に対し個々のそれぞれのコイル４８１に角度がつくように傾斜される。コイルばね４８０の傾斜によりコイルばね４８０は弾力的に変形することができ、これにより弾力性に有意の対応する変化を与えずに、個々のコイルばね４８０をかなりの距離、圧縮することができる。図１２では、傾斜コイルばね４８０が静止状態で示されている（何の力もかかっていない）。コイルばね４８０の各コイル４８１はコイルばね４８０の一般平面から角度θ_１だけ傾斜している。図１３では、各コイル４８１に作用する力Ｆはコイルばね４８０を圧縮し、そのためコイル４８１はコイルばね４８０の一般平面Ｐに対し角度θ_２だけ傾斜している。その角度θ_２は角度θ_１よりも小さい。コイルばね４８０のそのような特徴により、かなり大きな圧縮距離にわたりほぼ一定な圧力を圧力パッドにより作用させることができる。
【００４２】
好ましい実施の形態を参照して開示内容について説明してきたが、当業者であれば、開示の範囲内で様々な変更が可能であること、その要素を等価なものに置換することが可能であることは理解されるであろう。さらに、特別な状況および材料をこの開示の教示に適合させるために、この開示の本質的な範囲内で多くの変更を行ってもよい。そのため、この開示内容は、この開示を実行するために意図された最良の形態として開示されている特別な実施の形態に限定されるべきではなく、この開示内容は添付の請求の範囲内にある全ての実施の形態を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のアノード送り電解セルの概略図である。
【図２】セル部品の空間的な関係を示す従来の電気化学セルシステムの断面概略図である。
【図３】セル部品と圧力パッドの空間的な関係を示す電気化学セルシステムの断面概略図である。
【図４Ａ】波形間に配置されたエラストマー部材を有する波形圧力パッドの一部の斜視図である。
【図４Ｂ】波形間に配置されたエラストマー部材を有する波形圧力パッドの一部の側断面図である。
【図５】波形にエラストマー部材を縫うように通した波形圧力パッドの一部の斜視図である。
【図６Ａ】角錐台形状のディンプルを有する圧力パッドの一部の斜視図である。
【図６Ｂ−Ｅ】角錐台形状のディンプルを有し、そこにエラストマー材料が配置されている圧力パッドの一部の側断面図である。
【図８】半球状のディンプルを有する圧力パッドの一部の側断面図である。
【図９】圧縮力が加えられた半球状のディンプルを有する圧力パッドの一部の側断面図である。
【図１０Ａ】半球状のディンプルと、その上に配置されたエラストマー部材とを有する圧力パッドの一部の側断面図である。
【図１０Ｂ】半球状のディンプルと、その上に配置されたエラストマー部材とを有する圧力パッドの一部の側断面図である。
【図１１】圧縮可能な導電部材と、圧力分散プレート上に配置された仕切り部材とを有する圧力パッドの斜視分解組立図である。
【図１２】圧縮性導電部材として使用することができる傾斜コイルバネの側断面図である。
【図１３】圧縮可能な導電部材として使用することができる傾斜コイルばねの側断面図である。

Claims (43)

1. 第１の電極と、
   第２の電極と、
   前記第１の電極と前記第２の電極との間に、それらと密接に接触して配置されたプロトン交換膜と、
   前記第１の電極と電気連絡して配置され、セル内の圧力変動に適合できる構造を有する導電性シートを含む圧力パッドと、
   を備える電気化学セル。
2. 前記シートは表面上に配置されたディンプルを有する部材を備え、前記ディンプルにより前記電気化学セルを横切る圧力変動に応じて前記圧力シートに弾力性が付与される請求項１記載の電気化学セル。
3. さらに、前記ディンプルに配置されたエラストマー部材を備える請求項２記載の電気化学セル。
4. 前記シートはその中に配置された波形を含み、前記波形により前記電気化学セルを横切る方向の圧力変動に応じて前記圧力パッドに弾力性が付与される請求項１記載の電気化学セル。
5. さらに、波形に配置されたエラストマー部材を備える請求項４記載の電気化学セル。
6. 前記エラストマー部材は前記波形を横切って縫うように通される請求項５記載の電気化学セル。
7. 第１の電極と、
   第２の電極と、
   前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置された膜と、
   前記第１の電極と電気連絡して配置され、前記第１の電極と、前記第２の電極と、前記膜とを支持するように構成された、導電性圧縮部材を備える圧力パッドと、
   を備える電気化学セル。
8. 前記導電性圧縮部材は傾斜コイルばねである請求項７記載の電気化学セル。
9. さらに、導電性圧縮部材に隣接して配置された仕切り部材を備える請求項７記載の電気化学セル。
10. 前記導電性圧縮部材はリングを形成するように配列される請求項７記載の電気化学セル。
11. 導電性平面部材と、
    前記平面部材の第１の表面に配置され、前記セル内の圧力変動に応じて前記圧力パッドに弾力性を付与するように構成された複数の導電性ディンプルと、
    を備える電気化学セル用の弾力的な圧力パッド。
12. 前記ディンプルは半球形状である請求項１１記載の圧力パッド。
13. 前記ディンプルはそれぞれ、そのディンプルが圧力下で折り畳まれる点を規定する応力点を有する請求項１２記載の圧力パッド。
14. 前記ディンプルは角錐台形状である請求項１１記載の圧力パッド。
15. さらに、前記ディンプルに配置されたエラストマー部材を備える請求項１４記載の圧力パッド。
16. 前記ラストマー部材は前記ディンプルに隣接する前記平面部材の前記第１の表面に配置される請求項１５記載の圧力パッド。
17. 前記エラストマー部材は、前記平面部材の反対表面により規定される前記平面部材の第２の表面に配置される請求項１５記載の圧力パッド。
18. 前記エラストマー部材は前記ディンプルにより規定される空洞内に配置される請求項１５記載の圧力パッド。
19. 前記エラストマー部材はフルオロシリコーン、フルオロエラストマー、またはこれらの組み合わせである請求項１５記載の圧力パッド。
20. 前記導電性平面部材は銅、銀、金、クロム、ジルコニウム、タンタル、チタン、ニオブ、鉄、ニッケル、コバルト、ハフニウム、タングステン、それらの合金、導電性炭素、導電性ポリマー、または前記材料の組み合わせである請求項１１記載の圧力パッド。
21. さらに、前記ディンプルを縫うように通されたエラストマー部材を備える請求項１５記載の圧力パッド。
22. 前記圧力パッドは前記電気化学セル内の電極と流体連絡して配置される請求項１１記載の圧力パッド。
23. 電気化学セル内の電極と流体接続して配置されると共に導電性波形部材を備える弾力的な圧力パッド。
24. さらに、前記波形部材に配置されたエラストマー部材を備える請求項２３記載の圧力パッド。
25. 前記エラストマー部材は、前記波形部材の隆起部分により形成される２つの隆起部分間に長手方向に延在するように配置される請求項２４記載の圧力パッド。
26. 前記エラストマー部材は前記波形部材の前記隆起部分を横切って縫うように通される請求項２４記載の圧力パッド。
27. 前記エラストマー部材は導電性である請求項２４記載の圧力パッド。
28. 前記導電性波形部材は、銅、銀、金、クロム、ジルコニウム、タンタル、チタン、ニオブ、鉄、ニッケル、コバルト、ハフニウム、タングステン、それらの合金、導電性炭素、導電性ポリマー材料、または前記材料の組み合わせである請求項２３記載の圧力パッド。
29. 前記エラストマー部材はフルオロシリコーン、フルオロエラストマーまたはそれらの組み合わせである請求項２４記載の圧力パッド。
30. 導電性圧縮部材を備える電気化学セル用圧力パッド。
31. 前記導電性圧縮部材は傾斜コイルばねである請求項３０記載の電気化学セル。
32. さらに前記導電性圧縮部材に隣接して配置された仕切り部材を備える請求項３０記載の電気化学セル。
33. 前記導電性圧縮部材はリングを形成するように配列される請求項３０記載の電気化学セル。
34. 導電性部材にディンプルを配置する工程を含む弾力的な圧力パッドの製造方法。
35. 前記導電性部材に前記ディンプルを配置する工程は、前記導電性部材をスタンピングしディンプルを形成させる工程を含む請求項３４記載の方法。
36. 前記導電性部材に前記ディンプルを配置する工程は、前記導電性部材を鋳造しそれにディンプルを形成させる工程を含む請求項３４記載の方法。
37. さらに、前記ディンプルにエラストマー部材を配置する工程を含む請求項３４記載の方法。
38. 前記ディンプルに前記エラストマー部材を配置する前記工程は、前記ディンプルに前記エラストマー部材を縫うように通す工程を含む請求項３７記載の方法。
39. 導電性部材に波形を配置する工程を含む弾力的な圧力パッドの製造方法。
40. さらに、前記波形にエラストマー部材を配置する工程を含む請求項３９記載の方法。
41. 前記波形にエラストマー部材を配置する工程は前記波形を横切って前記エラストマー部材を縫うように通す工程を含む請求項４０記載の方法。
42. 電気化学セルの電極に導電性部材と圧縮部材とを配置する工程と、
    前記セルに負荷をかけセル部品を圧縮する工程と、
    前記導電部材を介して前記電極と外部負荷との間の電気連絡を維持する工程と、
    を含む電気化学セル内で圧縮を維持する方法。
43. 電極に圧縮可能な導電部材を配置する工程と、
    セルに負荷をかけ前記セル部品を圧縮する行程と、
    前記導電部材を介して前記電極と外部負荷との間の電気連絡を維持する工程と、
    を含む電気化学セル内で圧縮を維持する方法。