JP2007505998A - 電解槽セルの配置 - Google Patents
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Abstract
本発明のある幾つかの実施形態は、電解質層(例えばMEA)の表面の水の分散が改善された電解槽セルを提供する。特にある幾つかの実施形態は、水が電解質層の活性面全体に、より均一に分散され、延いては電解質層の活性領域上で、反応速度がより均一になるという結果につながり得る滑らかで平らな表面を有する少なくとも二つの多孔質金属層と組み合わせて配置されたフローフィールドプレートを含む電解槽セルを提供する。他の関連する実施形態はまた、電気化学セルの製造と組立てに関するコストを削減し得る単純化を含む。
Description
[優先権主張]
本出願は、2003年9月22日に出願された米国特許仮出願第60/504,220号および第60/504,223号の35USC119(e)の下での恩典を請求する。また米国特許仮出願第60/504,220号および第60/504,223号の各々の全内容は、引用によってここに組み込まれている。更に本出願はまた、2004年8月13日に出願された、その全内容がここに引用によって組み込まれている「フローフィールドプレートの配置」(Flow Field Plate Arrangement)という名称の米国出願第[Attorney Ref:9351−444]の一部継続出願である。
本出願は、2003年9月22日に出願された米国特許仮出願第60/504,220号および第60/504,223号の35USC119(e)の下での恩典を請求する。また米国特許仮出願第60/504,220号および第60/504,223号の各々の全内容は、引用によってここに組み込まれている。更に本出願はまた、2004年8月13日に出願された、その全内容がここに引用によって組み込まれている「フローフィールドプレートの配置」(Flow Field Plate Arrangement)という名称の米国出願第[Attorney Ref:9351−444]の一部継続出願である。
本発明は、電気化学セルに関し、また特に電解槽セルの種々の配置に関する。
電解槽セルは、水(H2O)を水素(H2)と酸素(O2)とに電気分解するために電気を使用する電気化学セルの1つのタイプである。一般に電解槽は、陽極電極と、陰極電極と、陽極電極と陰極電極間に配置された電解質層と、を含む。特定の電解槽セルの特定の配置は、構成部分と材料と使用される技術とに依存する。例えば陽子交換隔膜(Proton Exchange Membrane:PEM)電解槽セルにおいては、電解質層は隔膜電極アセンブリ(Membrane Electrode Assembly:MEA)内に配置された陽子交換隔膜である。
従来の電解槽セルの設計では、陽極と陰極は、織られた金属スクリーン、メッシュなどの多数の層を含む。これらのスクリーンは、電気分解反応が発生する電解質層(例えばMEA)の表面に電荷を分配させる。これら従来の電解槽セルは、スクリーンが比較的多孔質であるので、動作時に水がスクリーンのエッジに導入されて、これらのスクリーンによって占められる領域全体に分配されることが期待されるように配置される。しかしながら水の横方向への分配は、スクリーンのもつれたエッジによって妨げられる。同様の理由から、これらのスクリーンはまた、電気分解反応が起きる電解質層の表面からの生成物ガスの排出を妨げる。したがって一部には織られたスクリーンの層によって引き起こされる流れに対する妨害のせいで、従来の電解槽セルは本来的に、利用可能な反応領域がよく使用できなくなる、すなわち時折の過剰浸水(flooding)および/または反応抑止(poisoning)という結果を招く、水と生成物ガスの流れを制限する制約された流れの領域を含む。理解できるようにその結果、効率と全体性能は一般に低下する。
他の電解槽セル設計では、織られた金属スクリーンの層の代わりに、フローフィールドプレートが使用される。このような構成ではプロセスガス/流体は、特定のフローフィールドプレートの前面に配置されたフローフィールド構造体を通して電解質層の近傍に供給され、またそこから排出される。典型的には、フローフィールドプレートとMEAとの間にはガス拡散媒体(Gas Diffusion Media:GDM)も含まれる。しかしながらPEM電解槽セルに関しては、フローフィールドプレートとMEAとの間の接触抵抗は一般に高く、これは望ましいことではない。従来のフローフィールド構造体は水のための非常に多くの場所と累積する汚染物とをもたらし、電解槽セルの過剰浸水および/または反応抑止の危険を増加させるので、大抵のフローフィールドプレートに亘るプロセスガス/流体の流れと圧力と温度とを制御することもまた困難である。
本発明の一実施形態の態様によれば、陽極フローフィールドプレートと、陰極フローフィールドプレートと、前記陽極および陰極フローフィールドプレート間に配置された電解質層と、前記陽極フローフィールドプレートと前記電解質層との間に配置された第1、第2の平坦なスクリーンとを含む電解槽セルであって、前記スクリーンの各々はそれぞれの多数の開口部を有し、また電気的に伝導性であることを特徴とする電解槽セルが提供される。
ある幾つかの実施形態では、前記第1のスクリーンは前記電解質層に隣接しており、前記第1のスクリーンの開口部は前記第2のスクリーンの開口部より小さい。ある幾つかの関連する実施形態では、前記第1のスクリーンの開口部間の間隔は前記第2のスクリーンの開口部間の間隔より小さい。
ある幾つかの実施形態では、前記第1、第2のスクリーンの開口部は、六角形、円形、正方形、三角形の少なくとも一つである形状を有する。
ある幾つかの実施形態では、電解槽セルは、複数のマニホルド開口と、前記マニホルド開口のうちの二つを流体的に接続するフローフィールドであって、すべてが同じ長さを持っていて前記フローフィールドによって覆われた領域上に第1のプロセスガス/流体と前記第1のプロセスガス/流体に関連する電気化学反応によって生成された熱との両者を均一に分配させるように配置された複数の開放面フローチャネルを有するフローフィールドとを含む、前記陽極フローフィールドプレートと前記陰極フローフィールドプレートのうちの少なくとも一つを有する。ある幾つかの関連する実施形態では、前記マニホルド開口の一部は同じ面積を有する。ある幾つかの関連する実施形態では、前記マニホルド開口の一部は同じ寸法を有する。
ある幾つかの実施形態では陽極および陰極フローフィールドプレートは形状が円形であって、各々は中心領域とこの中心領域を取り囲む周辺領域とを有し、中心領域内にはフローフィールドが配置され、周辺領域には複数のマニホルド開口が配置される。ある幾つかの関連する実施形態では、開放面フローチャネル(流動溝)は順次に、マニホルド開口のうちの第1の開口に流体的に連通する第1の直線部分と、曲がりくねった部分と、弧状部分と、マニホルド開口のうちの第2の開口に流体的に連通する第2の直線部分と、を含む。
ある幾つかの実施形態では、陽極および陰極フローフィールドプレートは形状が矩形であって、開放面フローチャネルは、フローフィールドプレートの長さに沿って延びる複数の実質的にまっすぐで平行な主要なフローチャネルからなる。
ある幾つかの実施形態では、マニホルド開口の一部は、プロセスガス/流体を供給または排出するために使用され、これらのマニホルド開口の各々は、プロセスガス/流体を供給または排出するためにも使用される他のマニホルド開口と実質的に同じ面積を有する。ある幾つかの関連する実施形態では、それぞれのプロセスガス/流体を供給または排出するために使用されるマニホルド開口のすべては、実質的に同じ寸法を有する。
ある幾つかの実施形態では、陽極および陰極フローフィールドプレートのうちの少なくとも一つは、すべて実質的に同じ長さであって背面上に冷却剤を均一に分配させるように配置された複数の開口面フローチャネルを背面に有する冷却剤フローフィールドを含む。
ある幾つかの実施形態では、陽極および陰極フローフィールドプレートのうちの少なくとも一つは、フローフィールドプレートを貫通して延びる第1のスロットであって、前面上の開放面フローチャネルと流体的に連通して背面上の第1のマニホルド開口と流体的に連通する第1のスロットと、フローフィールドプレートを貫通して延びる第2のスロットであって、前面上の開放面フローチャネルと流体的に連通して背面上の第2のマニホルド開口と流体的に連通する第2のスロットと、を含む。ある幾つかの関連する実施形態では、陽極および陰極フローフィールドプレートのうちの少なくとも一つはまた、背面の一部分の上で第1のマニホルド開口から第1のスロットまで延びる開口延長部の第1のセットと、背面の一部分の上で第2のマニホルド開口から第2のスロットまで延びる開口延長部の第2のセットと、を含む。
本発明のもう一つの実施形態の態様によれば、第1のフローフィールドプレートと、第2のフローフィールドプレートと、前記第1、第2のフローフィールドプレート間に配置された電解質層と、前記第1のフローフィールドプレートと前記電解質層との間に配置された第1、第2の平坦なスクリーンとを含む電気化学セルであって、前記スクリーンの各々はそれぞれの多数の開口部を有することを特徴とする電気化学セルが提供される。
本発明のもう一つの実施形態の態様によれば、第1のフローフィールドプレートと、第2のフローフィールドプレートと、前記第1、第2のフローフィールドプレート間に配置された電解質層と、前記第1のフローフィールドプレートと前記電解質層との間に配置された第1、第2の平坦なスクリーンとを含む電気化学セルであって、前記スクリーンの各々はそれぞれの多数の開口部を含む少なくとも一つの電気化学セルを有することを特徴とする電気化学セルスタックが提供される。
ある幾つかの実施形態では、第1、第2のフローフィールドプレートのうちの少なくとも一つは、複数のマニホルド開口と、前記マニホルド開口のうちの二つを流体的に接続するフローフィールドであって、すべてが同じ長さを持っていて前記フローフィールドによって覆われた領域上に第1のプロセスガス/流体と前記第1のプロセスガス/流体に関連する電気化学反応によって生成された熱との両者を均一に分配させるように配置された複数の開放面フローチャネルを有するフローフィールドと、を含む。ある幾つかの関連する実施形態では、前記マニホルド開口の一部は同じ面積を有する。
ある幾つかの実施形態では、第1、第2のフローフィールドプレートは形状が円形であって、各々は中心領域とこの中心領域を取り囲む周辺領域とを有し、中心領域内にはフローフィールドが配置され、周辺領域には複数のマニホルド開口が配置される。ある幾つかの関連する実施形態では開放面フローチャネルの各々は順次に、マニホルド開口のうちの第1の開口に流体的に連通する第1の直線部分と、曲がりくねった部分と、弧状部分と、マニホルド開口のうちの第2の開口に流体的に連通する第2の直線部分と、を含む。
ある幾つかの実施形態では、第1、第2のフローフィールドプレートは形状が矩形であって、開放面フローチャネルは、フローフィールドプレートの長さに沿って延びる複数の
実質的にまっすぐで平行な主要なフローチャネルからなる。
実質的にまっすぐで平行な主要なフローチャネルからなる。
ある幾つかの実施形態では、マニホルド開口の一部は、プロセスガス/流体を供給または排出するために使用され、これらのマニホルド開口の各々は、プロセスガス/流体を供給または排出するためにも使用される他のマニホルド開口と実質的に同じ面積を有する。ある幾つかの関連する実施形態では、プロセスガス/流体を供給または排出するために使用されるマニホルド開口のすべては、実質的に同じ寸法を有する。
ある幾つかの実施形態では、第1、第2のフローフィールドプレートのうちの少なくとも一つは、すべて実質的に同じ長さであって背面上に冷却剤を均一に分配させるように配置された複数の開放面フローチャネルを背面に有する冷却剤フローフィールドを含む。
ある幾つかの実施形態では、第1、第2のフローフィールドプレートのうちの少なくとも一つは、フローフィールドプレートを貫通して延びる第1のスロットであって、前面上の開放面フローチャネルと流体的に連通して背面上の第1のマニホルド開口と流体的に連通する第1のスロットと、フローフィールドプレートを貫通して延びる第2のスロットであって、前面上の開放面フローチャネルと流体的に連通して背面上の第2のマニホルド開口と流体的に連通する第2のスロットと、を含む。
本発明の他の態様と特徴は、本発明の特定の実施形態の下記の説明を吟味すれば、当業者にとって明らかになるであろう。
本発明のよりよい理解のために、また本発明がどのように実施され得るかをより明確に示すために、例として本発明の実施形態の態様を示す付属図面を参照する。
本発明のある幾つかの実施形態は、電解質層(例えばMEA)の表面上における水の分配が改善された電解槽セルを提供する。特にある幾つかの実施形態は、水が電解質層の活性表面全体に、より均一に分配される、そしてまた電解質層の活性領域上でのより均一な反応速度をもたらし得る少なくとも2つの多孔質金属層と組み合わせて配置されたフローフィールドプレートを含む電解槽セルを提供する。以下に説明される他の関連する実施形態はまた、電気化学セルの製造と組立てに関連するコストを削減できる単純化を含む。
従来から陽極フローフィールドプレートは通常、各フローフィールドプレートに関連するプロセスガス/流体の種々の化学量のせいで、陰極フローフィールドプレートと比較して異なる構成を有する。これら種々の化学量はしばしば、各プロセスガス/流体の種々の量が各それぞれのフローフィールドプレート上に収容されることを必要とし、今度はこの各フローフィールドプレートは、各それぞれのプレート上のフローフィールドチャネルが電解質層の他方側の上の対応するフローフィールドプレートより多い量または少ない量を支持することを要求する。この結果、陽極フローフィールドプレート上のフローフィールド構造を画定するリブがしばしば、対応する陰極フローフィールドプレート上のリブに対してオフセットされることになる。このずれの結果から生じるせん断力は、フローフィールドプレート間に配置された電解質隔膜を損傷する可能性がある。フローフィールドプレート間のずれは、ある幾つかの特定の場合には、電気化学セル内のプロセスガス/流体の分配を妨げ、それによって効率を低下させる可能性もある。もう一つの結果は、これらの差異がフローフィールドプレートの製造と組立てとを複雑でコスト高にすることである。
隔膜に対するせん断力を減らし、フローフィールドプレート間の密封を単純化するために、本出願人の同時係属中の米国特許出願第10/109,002号(2002年3月29日出願)に記載の例によるフローフィールドプレート構造とプレート配列との態様が使用できる。本出願人の同時係属中の米国特許出願第10/109,002号の全内容は、引用によってここに組み入れられている。
本出願人の同時係属中の米国特許出願第10/109,002号に開示されているように、組立ての後に陽極フローフィールドチャネルと陰極フローフィールドチャネルとのかなりの部分は、これら2つのプレート間に配置された電解質隔膜に関して互いに真反対に配置される。したがって陽極フローフィールドプレート上のリブのかなりの部分は、陰極フローフィールドプレート上のリブの対応するかなりの部分と整合する。これは今後、「リブトゥリブ」パターンマッチングと記述される。
本出願人の同時係属中の米国特許出願第09/855,018号(2001年5月15日出願)に記載された例によるフローフィールドプレートの態様はまた、フローフィールドプレートとこれら2つのプレート間に配置された電解質隔膜との間の効果的な密封を与えるために使用できる。本出願人の同時係属中の米国特許出願第09/855,018号の全内容は、引用によってここに組み入れられている。
本出願人の同時係属中の米国特許出願第09/855,018号に開示されているように、それぞれのマニホルド開口からの特定のプロセスガス/流体の入口流れは、フローフィールドプレートの前面(活性面)の真上では発生せず、むしろプロセスガス/流体は先ず、それぞれのマニホルド開口からフローフィールドプレートの背面(受動面)の一部の上にガイドされ、それからこの背面から前面に延びる「背面供給」開口を通ってガイドされる。前面の一部分は、電気化学セルスタックが組み立てられるときに前面の上でそれぞれのマニホルド開口から密封的に分離される活性領域を画定する。プロセスガス/流体の入口流れが発生する背面の部分は、それぞれのマニホルド開口と流体的に連通する開放面ガス/流体フローフィールドチャネルを有する。背面供給開口は、活性領域と、それぞれのマニホルド開口と流体的に連通する開放面ガス/流体フローフィールドチャネルとの間に流体的連通を与えるために背面から前面まで延びている。したがって本出願人の同時係属中の米国特許出願第09/855,018号において与えられた例で説明されているように、隔膜の周辺周りの連続した経路には、隔膜とフローフィールドプレートとの間の密封を作ることができる。
従来技術の例では、隔膜と、典型的にはこの隔膜の周辺周りにあるフローフィールドプレートの前面上の活性領域との間の密封は、このフローフィールドプレートの前面上の活性領域からそれぞれのマニホルド開口に通じる開放面フローフィールドチャネルによって中断される。対照的に本出願人の前述の同時係属中の米国特許出願第09/855,018号によれば、プロセスガス/流体は、各フローフィールドプレートの背面から背面供給開口と通して前面の活性領域に供給され、また密封面は背面供給開口と各フローフィールドプレートの前面のそれぞれのマニホルド開口(単数または複数)とを分離する。背面(受動面あるいは不活性面)から前面(活性面)に流体を流すこの方法は、この説明では「背面供給」と呼ばれる。当業者は、ガス/流体が前面の活性領域から背面に、それから同様な仕方でもう一つのマニホルド開口に排出され得ることを認めるであろう。
本出願人の同時係属中の米国特許出願第10/845,263号(2004年5月14日出願)に記載された例によるフローフィールドプレート配置の態様はまた、フローフィールドプレートとこれら2つの電極間に配置された隔膜との間に効果的な密封を与えるために使用できる。本出願人の同時係属中の米国特許出願第10/845,263号の全内容は、引用によってここに組み入れられている。
本出願人の同時係属中の米国特許出願第10/845,263号に開示されているように、それぞれのマニホルド開口からの特定のプロセスガス/流体の入口流れは、フローフィールドプレートの前面(活性面)の直上では発生せず、むしろプロセスガス/流体は先ず、それぞれのマニホルド開口から、隣接する電気化学セルに含まれる反対向きの相補的活性表面の一部の上にガイドされ、それからそこを通ってフローフィールドプレートの前面に延びる「相補的活性側供給」開口を通ってガイドされる。本出願人の同時係属中の米国特許出願第10/845,263号に説明されている例によれば、隔膜とフローフィールドプレートとの間の密封は、本出願人の同時係属中の米国特許出願第09/855,018号に説明されている例のように、フローフィールドプレートが受動面を持つことを必要とせずに、隔膜の周辺周りの連続した経路に作ることができる。
本出願人の同時係属中の米国特許出願第10/845,263号に記載された例によるフローフィールドプレート配置の態様はまた、電気化学セルスタックに使用される陽極および陰極フローフィールドプレート両者のための個別フローフィールドプレート設計の使用を可能にする対称的フローフィールドプレート配置に備えをする。すなわちある幾つかの実施形態では、電気化学セルスタックでの使用のために使用される陽極および陰極フローフィールドプレートは、実質的に同じである。
再び上記では、特定の電気化学セル内で使用され生成される種々のプロセスガス/流体は典型的には、互いに異なる化学量を有することが注目された。したがって慣例によれば、電気化学セルの性能を最適化するために、対応するプロセスガス/流体のためにフローフィールドプレート上に設けられる各それぞれのマニホルド開口は、各プロセスガス/流体が、対応する化学量に関する仕方で供給および/または排出されるように、サイズ決めされる。
例えば水素駆動燃料セルに関しては、消費される1酸素分子ごとに2個の水素分子が消費される。このことは、対応する陰極フローフィールドプレート上を流れる酸素の対応する化学量よりもそれぞれの陽極フローフィールドプレート上をより多くの水素が流れることを要求する。これは、オキシダントのための入力および出力マニホルド開口よりも水素のための入力および出力マニホルド開口を大きくすることによって達成される。
しかしながら、もし酸素の供給源として空気が使用されるならば、上述の相対的サイズ決めは逆にされる。空気は単に約20%酸素であり、したがって必要な酸素の化学量を供給するためには、純粋の酸素が供給される場合よりもかなり多くの空気が必要とされる。したがってオキシダントのための入口および出口マニホルド開口は水素燃料のためのマニホルド開口より大きくされる。
もう一つの例では水供給電解槽に関して、生成される1酸素分子(O2)ごとに2個の水素分子(H2)が生成される。これは、対応する陽極フローフィールドプレートの上を流れる酸素の対応する化学量よりそれぞれの陰極フローフィールドプレート上をより多くの水素が流れるという結果を生じる。典型的には電解槽での使用に適応したフローフィールドプレートは、オキシダントのための入力および出力マニホルド開口より大きい水素用の入力および出力マニホルド開口を持ち、更に陰極フローフィールドプレート上のフローフィールドチャネルの幅は、電解質層の陰極側の水素の相対的に大きい体積を収容するために、陽極フローフィールドプレート上のフローフィールドチャネルの幅より広くされる。
本出願人の同時係属中の米国特許出願第[Attorney Ref:9351−444]号(2004年8月13日出願)に記載されている例によるフローフィールドプレート配置の態様は、互いに同じサイズである種々のプロセスガス/流体の一つに各々のマニホルド開口が対応する多数のマニホルド開口を備える。言い換えれば例えば、1個のフローフィールドプレート上の水素と酸素のために設けられた入口マニホルド開口は、実質的に同じ面積を有し、ある幾つかの特定の実施形態ではこれらはまた、実質的に同じ寸法を有する。本出願人の同時係属中の米国特許出願第[Attorney Ref:9351−444]号の全内容は引用によってここに組み入れられている。本出願人の同時係属中の米国特許出願第[Attorney Ref:9351−444]号は、本発明が上記の恩典を請求している本出願人の米国特許仮出願第60/495,092号(2003年8月15日出願)に基づいていることも注目される。
燃料セル反応と電気分解反応は、典型的には発熱性であって、前述の反応が温度依存性であるので、一般に温度調整は電気化学セルスタックの設計における重要な考慮事項である。特に適切な温度調整は、所望の電気化学反応の調整のための制御点を与え、ある幾つかの場合には、起こり得る望ましくない反応を抑制する助けとなる。熱はプロセスガス/流体によって電気化学セルから運び出すことができるが、それでもなお動作中に発生する熱を放散させるために構成要素であるフローフィールドプレートの背面を流れる別の冷却剤流を供給することは、しばしば必要になる。従来の温度調整方式は、全体的電気化学セルスタック温度を考慮しているだけである。電気化学セル内の特定の領域の(例えばフローフィールドプレートの異なる領域に亘る)温度は、従来の熱放散技術がこのような注意深い温度制御が可能ではないので、調整できない。これに対して図3A〜3H、図4に関して以下に説明される本発明のある幾つかの実施形態は、フローフィールドプレートに、フローフィールドプレートの表面全体に熱を均等に分配させるように配置されたそれぞれのフローフィールド構造を与えている。
すべてが一つのタイプの多数の電気化学セルが実際に、プロセスガス/流体供給、排出路、電気接続部、調整装置といった共通の特徴要素を有するスタックに配置できることは一般に理解されている。すなわち電気化学セルモジュールは典型的には、一つの電気化学セルスタックを形成するように直列に接続された多数の個別の電気化学セルから構成される。この電気化学セルモジュールはまた、関連する構造要素と、機械システムと、ハードウエアと、ファームウエアと、この電気化学セルモジュールの機能および動作をサポートするソフトウエアと、の適当な組合せを含む。このような品目は限定されることなく配管、センサー、調整器、集電器、シール、絶縁体、および電気機械コントローラを含む。
上述のようにフローフィールドプレートは典型的には、各々が特定のプロセスガス/流体のための対応する細長い分配チャネルの一部分として役立つ多数のマニホルド開口を含む。ある幾つかの実施形態では電解槽セルの陰極は、入力プロセスガス/流体を供給されることを必要とせず、水素ガスと水だけが排出されることを必要とする。このような電解槽セルでは、フローフィールドプレートは、陰極のための入力マニホルド開口を必要とせず、出力マニホルド開口を必要とする。対照的に燃料セルの典型的な実施形態は、陽極と陰極両者のために入力および出力マニホルド開口を利用する。しかしながら燃料セルはまた、プロセス反応物が燃料セルに供給されるが燃料セルから循環排出されない行き止まりモードでも動作できる。このような実施形態では入口マニホルド開口だけが設けられる。
多数の異なる電気化学セル技術が存在しており、一般に本発明は、すべてのタイプの電気化学セルに適用可能であると期待される。本発明の極めて特定的な例示的実施形態は、陽子交換隔膜(Proton Exchange Membrane:PEM)電解槽セルでの使用のために開発された。種々の他のタイプの電解槽セルは、限定されることなく固体ポリマー水電解槽(Solid Polymer Water Electrolyzers:SPWE)を含む。同様に種々のタイプの燃料セルは限定されることなくアルカリ燃料セル(AFC)、直接メタノール燃料セル(DMFC)、溶融炭酸塩燃料セル(MCFC)、燐酸燃料セル(PAFC)、固体酸化物燃料セル(SOFC)、および再生燃料セル(RFC)を含む。
図1を参照すると、電気化学セルモジュールの動作に関連した幾つかの一般的考慮事項を示すためにここで説明される、今後単に電解槽セルモジュール100と呼ばれる陽子交換隔膜(PEM)電解槽セルモジュールの単純化した模式図が示されている。各々のモジュールが一つ以上の電気化学セルを含む電気化学セルモジュールの種々の構成に本発明が適用可能であることは理解されるべきである。当業者は、PEM燃料セルが図1に示すPEM電解槽セルモジュール100に類似の構成を持つことを認めるであろう。
電解槽セルモジュール100は、陽極電極21と陰極電極41とを含む。陽極電極21は、水入力ポート22と水/酸素出力ポート24とを含む。同様に陰極電極41は、水入力ポート42と水/水素出力ポート44とを含む。電解質隔膜30は陽極電極21と陰極電極41との間に配置される。
電解槽セルモジュール100はまた、陽極電極21と電解質隔膜30との間に第1の触媒層23を含み、また陰極電極41と電解質隔膜30との間に第2の触媒層43を含む。ある幾つかの実施形態では、これら第1、第2の触媒層23、43は陽極および陰極電極21、41上にそれぞれ堆積される。
陽極電極21と陰極電極41との間に電圧源115が接続される。
動作時に水入力ポート22を経由して陽極電極21に水が導入される。水は、電解質隔膜30と第1の触媒層23の存在下において、下記に与えられる反応(1)にしたがって電気化学的に解離する。
(1) H2O → 2H++2e-+1/2O2
反応(1)の化学生成物は、水素イオン(すなわち陽イオン)と電子と酸素である。水素イオンは、電解質隔膜30を通り抜けて陰極電極41に達するが一方、電子は電圧源115を通して引き出される。溶解した酸素分子を含む水は、水/酸素出力ポート24を介して引き出される。
反応(1)の化学生成物は、水素イオン(すなわち陽イオン)と電子と酸素である。水素イオンは、電解質隔膜30を通り抜けて陰極電極41に達するが一方、電子は電圧源115を通して引き出される。溶解した酸素分子を含む水は、水/酸素出力ポート24を介して引き出される。
同時に、隔膜30の陰極側に水分を供給するために、水入力ポート42を介して陰極電極41に追加の水が導入される。
水素イオン(すなわち陽子)は、電解質隔膜30と第2の触媒層43との存在下において下記に与えられる反応(2)にしたがって電気化学的に水素分子に還元される。すなわち陽極電極21における反応(1)によって生成された電子とイオン化された水素原子は、陰極電極41における反応(2)で電気化学的に消費される。
(2) 2H2 ++2e- → H2
溶解した水素分子を含む水は、水/水素出力ポート44を介して引き出される。電気化学反応(1)、(2)は互いに相補的であって、電気化学的に生成される1個の酸素分子(O2)ごとに2個の水素分子(H2)が電気化学的に生成されることを示している。
溶解した水素分子を含む水は、水/水素出力ポート44を介して引き出される。電気化学反応(1)、(2)は互いに相補的であって、電気化学的に生成される1個の酸素分子(O2)ごとに2個の水素分子(H2)が電気化学的に生成されることを示している。
同様に構成されたPEM燃料セルでは、反応(2)、(1)は陽極と陰極でそれぞれ逆になる。これは、電圧源115を負荷で置き換えて、陽極電極21に水素を、陰極電極41に酸素を供給することによって達成される。この負荷は、図1の陽極および陰極電極21、41それぞれの上で示される極性とは反対の極性を有する生成された電位を使用するように接続される。このようなPEM燃料セルの生成物は、水、熱および電位を含む。
さて図2を参照すると、電解槽セルモジュール100’の分解斜視図が示されている。簡潔化と単純化のために、図2には単に1個の電気化学セルの複数の要素が示されている。すなわち電解槽セルモジュール100’は、ただ1個の電解槽セルを含む。しかしながら電解槽セルスタックは通常、互いに積み重ねられた多数の電解槽セルを含む。電解槽セルスタック100’のこの電解槽セルは、陽極フローフィールドプレート120と陰極フローフィールドプレート130とこれら陽極および陰極フローフィールドプレート120、130間に配置された隔膜電極アセンブリ(Membrane Electrode Assembly:MEA)124とを含む。再び陽極および陰極フローフィールドプレート120、130に関する呼称「前面」および「背面」は、MEA124に関するそれぞれの向きを示している。フローフィールドプレートの「前面」はMEA124に面する側であるが、「背面」はMEA124から離れる方を向いている。
簡単に言えば各フローフィールドプレート120、130は入口領域と出口領域とを有する。この特定の実施形態では明確化のために、入口領域と出口領域は、各フローフィールドプレートの反対側端部それぞれに配置される。しかしながら種々の他の配置も可能である。各フローフィールドプレート120、130はまた、入口領域を出口領域に流体的に接続して、MEA124にプロセスガス/流体を分配するための構造を与える多数の開放面フローチャネルを含む。本発明の実施形態の態様による陽極フローフィールドプレートの例は、図3A〜3Hを参照しながら下記に説明される。本発明の一実施形態の態様による陰極フローフィールドプレートの一例は、図4を参照しながら以下、詳細に説明される。
MEA124は、陽極触媒層(図示せず)と陰極触媒層(図示せず)との間に配置された固体電解質(例えば陽子交換隔膜)125を含む。
電解槽セルモジュール100’の電解槽セルはまた、陽極触媒層と陽極フローフィールドプレート120との間に配置された第1のガス拡散媒体(GDM)122と、陰極触媒層と陰極フローフィールドプレート130との間に配置された第2のGDM126とを含む。GDM122、126は、プロセス流体およびガスのMEA124の触媒表面への拡散を容易にする。GDM122、126はまた、陽極および陰極フィールドプレート120、130の各々と固体電解質125(例えば陽子交換隔膜)との間の導電性を向上させる。
電解槽セルの要素は、電解槽セルモジュール100’の支持要素によって封入される。特に電解槽セルモジュール100’の支持要素は、陽極端部プレート102と陰極端部プレート104とを含んでおり、これらの間には電解槽セルとその他の要素とが適当に配置される。本実施形態では陰極端部プレート104は、プロセスガス/流体の供給と排出のための接続ポートを備えている。これらの接続ポートは、以下更に詳細に説明される。
陽極および陰極端部プレート102、104間に配置された他の要素は、陽極絶縁体プレート112と陽極集電プレート116と陰極集電プレート118と陰極絶縁体プレート114をそれぞれ含む。種々の実施形態では種々の数の電気化学セルが、集電プレート116、118間に配置される。このような実施形態では各電気化学セルを構成する要素は、所望の出力を生成する電気化学セルスタックを与えるように順次、適当に反復される。多くの実施形態では種々のプロセスガス/流体が互いに隔離されることを保証するために必要とされるように、プレート間に密封手段が設けられる。
電解槽セルモジュール100’を全体的に保持するために、陽極端部プレート102のねじ付き内腔にねじ止めされて(または他の方法で固定されて)陰極端部プレート104の対応する平坦な内腔を貫通するタイロッド131が設けられている。アセンブリ全体をしっかり締めるため、また個別の電気化学セルの種々の要素が全体的に保持されることを保証するためにナット、座金またはその他の固定手段が設けられる。
上記のように、プロセスガス、流体、冷却剤などを供給し、また排出するための手段を与えるために、電気化学セルスタックへの種々の接続ポートが含まれる。ある幾つかの実施形態では、電気化学セルスタックへの種々の接続ポートは、ペアで設けられる。接続ポートの各ペアの一方は、陰極端部プレート(例えば陰極端部プレート104)に配置され、他方は陽極端部プレート(例えば陽極端部プレート102)に適当に配置される。他の実施形態ではこれら種々の接続ポートは、陽極または陰極端部プレートのどちらかだけに配置される。これらの接続ポートのための種々の配置が本発明の種々の実施形態において与えられ得ることは、当業者によって認められるであろう。
引き続いて図2を参照すると陰極端部プレート104は、第1、第2の水/酸素接続ポート106、107と第1、第2の冷却剤接続ポート108、109と第1、第2の水/水素接続ポート110、111とを有する。これらのポート106〜111は、MEA124と、第1、第2のガス拡散媒体122、126と、陽極および陰極フローフィールドプレート120、130と、第1、第2の集電プレート116、118と、第1、第2の絶縁体プレート112、114と、に含まれるマニホルド開口と流体的に連通するように配置される。上記のプレートすべてのマニホルド開口は、細長い入口チャネルと出口チャネルの3セットを形成するように整列している。
電解槽セルモジュール100’は、触媒反応を容易にするように動作可能である。上記のように水は、MEA124の陽極触媒層で解離して、陽子と電子と酸素分子とを形成する。固体電解質(例えば陽子交換隔膜)125は、陽極触媒層から陰極触媒層への陽子の移動を容易にする。自由電子の大部分は、固体電解質125を貫通せず、その代わりに電圧源によって与えられる起電力の結果として集電プレート116、118を介して電圧源(例えば図1の電圧源115)を通って流れる。MEA124の陰極触媒層により、反応(2)にしたがって陽子と電子は、水素分子に還元される。それぞれ陽極と陰極で生成される酸素と水素は、これらの電極に供給される水に溶解される。酸素と水素はそれぞれの水/ガスの流れが加圧されたままになっている限り、溶解されたままになっている。
同時に電解槽セルモジュール100’を通る冷却剤の流れは、接続ポート108、109と前述のプレートの冷却剤マニホルド開口とを介して電解槽セル(単数または複数)に供給される。電解槽セル反応は発熱性であって反応速度は温度に敏感であるので、冷却剤の流れは電解槽セル反応で発生した熱を取り除いて燃料セルスタックの温度が上昇するのを防止し、それによって電解槽セル反応を安定なレベルに調整する。冷却剤は、スタックの冷却を可能にする十分な熱交換を与えることのできるガスまたは流体である。既知の冷却剤の例は限定されることなく水、脱イオン水、油、エチレングリコール、およびプロピレングリコールを含む。電解槽セルのある幾つかの実施形態は、陽極電極と陰極電極とに供給される水が電解槽セル(単数または複数)からの十分な量の熱放散を与えるので、別の冷却剤流を必要としない。
図2に示すフローフィールドプレート120、130は矩形である。本発明の他の実施形態では、フローフィールドプレートは電気化学セルスタックの特定の設計に適した如何なる形状でもよい。もう一つの例として、図3A〜3Hと図4を参照して以下に説明されるフローフィールドプレートは、円形である。これらのフローフィールドプレートは、単にこれらの形状が円形であって矩形でないという理由で、図2に示した電解槽セルモジュール100’での使用に適さない。
さて図3Aを参照すると、円形の陽極フローフィールドプレート220の前面が示されている。この陽極フローフィールドプレート220の前面は、中心領域201とこの中心領域201を取り囲む周辺領域202とを有する。
この特定の実施形態では周辺領域202は、6個のマニホルド開口を含む。これら6個のマニホルド開口のうちの3個は、入力のために使用される。陽極水入口マニホルド開口136と陽極冷却剤入口マニホルド開口138と第2の陽極水入口マニホルド開口140とが存在する。その他の3個のマニホルド開口は、相補的出力のために使用される。陽極水/酸素出口マニホルド開口137と陽極冷却剤出口マニホルド開口139と陽極水/水素出口マニホルド開口141とが存在する。ある幾つかの実施形態では、第2の陽極水入口マニホルド開口140と水/水素出口マニホルド開口141は両者とも、それぞれの電解槽セルで生成される水素のための出力として使用される。
従来の設計とは対照的に、陽極水/酸素マニホルド開口136、137はそれぞれ、陽極水/水素マニホルド開口140、141と実質的に同じ面積を有する。ある幾つかの実施形態では図3Aに示すように、陽極水/酸素マニホルド開口136、137は同様に互いに実質的に同じ面積を有する。陽極冷却剤マニホルド開口138、139もまた、マニホルド開口136、137および140、141と同じサイズである。互いに関するマニホルド開口の相対的サイズ決めが本質的ではないこと、および各々が特定の用途の要件に依存して異なるサイズでよいことは留意されるべきである。しかしながらある幾つかの実施形態では、マニホルド開口のすべてを同じサイズにすることは、フローフィールドプレートの設計を単純化し、おそらくは関連する製造および組立てのコストを削減する。
周辺領域はまた、電解槽セルモジュールを組み立てるために使用されるタイロッド(図示せず)を収容するために多数の貫通孔(スルーホール)221を含む。
さて図3C〜3Eを参照し、更に図3Aを参照すると、陽極フローフィールドプレート220の前面の中心領域201は、水フローフィールド132を含む。この水フローフィールド132は、水入口マニホルド開口136を水/酸素出口マニホルド開口137に流体的に接続する多数の開放面チャネルを含む。しかしながらこの実施形態では水は直接、入口マニホルド開口136から陽極フローフィールドプレート220の前面上を出口マニホルド開口137に流れることはできず、また水/酸素もフローフィールド132から陽極フローフィールドプレート220の前面上を直接、出口マニホルド開口137に流れることはできない。図3A〜3Hに示す本発明の本実施形態は好都合には、上記引用によって組み込まれた本出願人の同時係属中の米国出願第09/855,018号に記載されたような「背面供給」を使用する。フローフィールド132とマニホルド開口136、137との間の水/酸素の流れは、下記に更に詳細に説明されるであろう。
プロセスガス/流体の漏れと混合とを防止するために使用されるシールを収容するために、種々のマニホルド開口136〜141と貫通孔221の周りには密封面200が設けられる。この密封面200は、フローフィールド132と種々のマニホルド開口136〜141とを完全に封入して形成される。この特定の実施形態では密封面200は、種々のマニホルド開口136〜141を互いに、また陽極フローフィールドプレート220の前面上のフローフィールド132から、完全に分離することが意図されている。ある幾つかの実施形態では密封面200は、陽極フローフィールドプレート220の周りの異なる位置で異なる深さ(図3Aの平面に垂直な方向に)および/または異なる幅(図3Aの平面内で)を持つことができる。他の実施形態では密封面200は、前面と面一であり得る。
この特定の実施形態では密封面200は、フローフィールドプレート220の外側エッジの周りの隆起した部分223と、種々のマニホルド開口136〜141と貫通孔221との内側エッジの周りの隆起した部分222とによって境界が定められている。
また水入口マニホルド開口136と水/酸素出口マニホルド開口137とにそれぞれ隣接して設けられるスロット280、280’のセットが含まれる。これらのスロット280、280’は陽極フローフィールドプレート220の厚さを貫通し、それによって陽極フローフィールドプレート220の前面と背面とを流体的に接続する。スロット280、280’の各セットは、多数の開口の集まりとして示されている。しかしながら他の実施形態ではスロット280、280’の各セットは、単一の開口として設けられてもよい。本出願人の同時係属中の米国出願第09/855,018号を参照すると、スロット280、280’のセットはまた「背面供給」開口として知られている。
特に図3A、3Cを参照すると、本発明の一実施形態の態様による陽極フローフィールドプレート220の前面の水フローフィールド132のために使用できる一つの例示的パターンが示されている。この水フローフィールド132は、スロット280、280’と流体的に連通している多数の水フローチャネル171を含む。これらの水フローチャネル171は、それぞれ多数のリブ172によって画定される。この特定の実施形態では、3個のリブ172によって画定された2個の水フローチャネル171が2個の対応するスロット280、280’を流体的に接続している。
各水フローチャネル171は、第1の直線部分171aと曲がりくねった部分171bと弧状部分171cと第2の直線部分171dとを有する。第1、第2の直線部分171a、171dは、それぞれのスロット280、280’と流体的に連通している。水フローチャネル171のすべてをずらせて収容するために、水フローチャネル171のうちのどのチャネルの部分171a、171b、171c、171dの各々も、水フローチャネル171のうちの隣のチャネルのそれらの部分とそれぞれ比較して異なる長さに延びている。例えば水フローチャネル171のあるものは、より長い直線部分171a、171dと、より短い曲がりくねった部分171bと、より短い弧状部分171cとを有するが、他のものは、より短い直線部分171a、171dと、より長い曲がりくねった部分171bと、より長い弧状部分171cとを有する。しかしながらフローフィールド132上で実質的に均一な熱分布と恐らくは実質的に均一な反応速度も達成するために、フローチャネル171の各々の内部の水は好適には、他のフローチャネル171のいずれのチャネル内の水とも実質的に同じ熱交換履歴を受ける。ある幾つかの実施形態では、これはフローチャネル171のすべてを実質的に同じ全長にすることによって達成される。
陽極フローフィールドプレート220の背面は、図3Bに示されている。この特定の実施形態では陽極フローフィールドプレート220の背面は、多数の開放面フローチャネルを有する任意の冷却剤フローフィールド144を含む。この冷却剤フローフィールド144は、陽極冷却剤入口マニホルド開口138を陽極冷却剤出口マニホルド開口139に流体的に接続する。この背面はまた、マニホルド開口136、137、140、141を冷却剤フローフィールド144とマニホルド開口138、139から分離する密封面400を含む。ある幾つかの実施形態では、組み立てられた電気化学セル内でプロセスガス/流体の漏れまたは混合を防止するために、密封面400にシールが取り付けられる。
密封面400は、マニホルド開口136、137、140、141の各々の周りと、まとめて冷却剤フローフィールド144の周りとマニホルド開口138,139の周りの隆起した部分224によって画定される。この密封面400は、所望であり得るように陽極フローフィールドプレート220の周りの異なる位置で変化する深さおよび/または幅を持つことができる。しかしながら前面の密封面200が水フローフィールド132から種々のマニホルド開口136〜141のすべてを完全に分離するのに対して、密封面400は冷却剤フローフィールド144からマニホルド開口136、137、140、141だけを完全に分離して、冷却剤がマニホルド138、139を介して冷却剤フローフィールド144に、またそこから流れることを可能にしている。
他の実施形態、例えば空冷式(すなわち吸気式)電気化学スタックでは、周囲空気が冷却剤として使用される。このような場合および他の実施形態では、冷却剤フローフィールド144は省略できる。
さて図3B〜3Hを参照すると陽極フローフィールドプレート220の背面では、マニホルド開口136、137は各々、開口延長部281、281’のそれぞれのセットを有する。開口延長部281、281’の各セットは、対応するスロット280、280’間に延びる突起部282、282’のそれぞれのセットを備えている。突起部282、282’の各セットは、フローチャネル284、284’のそれぞれのセットを画定する。フローチャネル284、284’のこれらのセットは、それぞれマニホルド開口136、137の対応するエッジに手前で止まっており、それによってスロット280、280’と対応するマニホルド開口136、137との間の水の流れを容易にしている。密封面400は、冷却剤フローフィールド144およびその他のマニホルド開口138〜141から開口延長部281、281’とスロット280、280’とをまとめて分離している。
マニホルド開口140、141はまた、開口延長部181、181’のそれぞれのセットを有する。開口延長部181、181’の各セットは、対応するマニホルド開口140、141の方に延びる突起部182、182’のそれぞれのセットを備えている。突起部182、182’の各セットは、これらが相補的に構成された陰極フローフィールドプレート230上の対応するスロット180、180’の間に延びるように製造される(図4に示す)。
陽極フローフィールドプレート220の背面上で突起部182、182’のセットは、それぞれマニホルド開口140、141の対応するエッジの手前で止まり、それによってそれぞれのスロット180、180’と対応するマニホルド開口140、141との間の水/水素の流れを容易にするフローチャネル184、184’の対応するセットを画定する。密封面400は、冷却剤フローフィールド144とその他のマニホルド開口136〜139から開口延長部181、181’(および最終的にはそれぞれのスロット180、180’)をまとめて分離している。
特に図3B、3F、3Gを参照すると、本発明の一実施形態の態様による陽極フローフィールドプレート220の背面における冷却剤フローフィールド144のフローチャネルのために使用できる一例示的パターンが示されている。特に冷却剤フローフィールド144は、冷却剤入口マニホルド開口138を冷却剤出口マニホルド開口139に流体的に接続する多数の冷却剤フローチャネル191を含む。冷却剤フローチャネル191は、それぞれの多数のリブ192によって画定される。この特定の実施形態では冷却剤フローチャネル191の各々は、2つのリブ192によって画定される。各冷却材フローチャネル191は、第1の直線部分191aと、曲がりくねった部分191bと、弧状部分191cと、第2の直線部分191dとを有する。第1、第2の直線部分191a、191dは、冷却剤入口開口138と冷却剤出口開口139とにそれぞれ流体的に連通している。
冷却剤フローチャネル191のすべてをずらせて収容するために、冷却剤フローチャネル191のうちのどのチャネルの部分191a、191b、191c、191dの各々も冷却剤フローチャネル191のうちの隣のチャネルのそれらの部分とそれぞれ比較して異なる長さに延びている。例えば冷却剤フローチャネル191のあるものは、より長い直線部分191aおよび/または191dと、より短い曲がりくねった部分191bと、より短い弧状部分191cとを有するが、他のものは、より短い直線部分191a、191dと、より長い曲がりくねった部分191bと、より長い弧状部分191cとを有する。しかしながらフローフィールド144上で実質的に均一な熱分布を達成するために、フローチャネル191の各々における冷却剤は好適には、その他のフローチャネル191のいずれのチャネル内の冷却剤とも実質的に同じ熱交換履歴を受ける。本発明のある幾つかの実施形態では、これはフローチャネル191のすべてを実質的に同じ全長にすることによって達成される。
動作時に水は、水入口マニホルド開口136から出て、陽極フローフィールドプレート220の背面の開口延長部281のフローチャネル284を通って流れる。それから水は、フローチャネル284の端部においてスロット280を通って流れ、背面を去って陽極フローフィールドプレート220の前面のフローチャネル171に入る。特に水は、スロット280からフローチャネル171の第1の直線部分171aに流れ込む。それから水は、曲がりくねった部分171bと弧状部分171cとを通って流れ、続いて第2の直線部分171dを通ってスロット280’に流入する。水と酸素の組合せ物は、スロット280’を経由して陽極フローフィールドプレート220の前面を去って、背面の開口延長部281’のフローチャネル284’に入る。水と酸素のこの組合せ物は、フローチャネル284’から流れ出て、水/酸素マニホルド開口137に流れ込む。
水はフローチャネル171に沿って流れるので、水の少なくとも一部分はGDM全面に拡散し、MEAの陽極触媒層で反応する。当業者は、陽極触媒層で反応する水が前述の反応(1)にしたがって水素イオンと自由電子と酸素分子とに解離することによって、そうすることを認めるであろう。酸素は反応しない水に溶解したまま残り(水の流れは通常、加圧されているので)、フローチャネル171から運び出される。水素イオンは、電解質層を横切ってそれぞれの陰極フローフィールドプレート(例えば図4に示すような)に移動し、そこでこれらの水素イオンは前述の反応(2)にしたがって水素分子に還元される。
同時に、陽極フローフィールドプレートの背面(図3Bに示す)では、冷却剤は陽極冷却剤入口マニホルド開口138に入り、フローチャネル191を通って流れ、最後に陽極冷却剤出口マニホルド開口139を経由して冷却剤フローフィールド144を出る。特に冷却剤は、冷却剤入口マニホルド開口138から冷却剤フローチャネル191の第1の直線部分191aに流れ込む。それから冷却剤は、曲がりくねった部分191bと弧状部分191cとを通って流れ、引き続いて第2の直線部分191dを通って冷却剤出口マニホルド開口139に流入する。
さて図4を参照すると、陽極フローフィールドプレート220に類似の特徴要素配置を含む陰極フローフィールドプレート230の前面が示されている。この特定の実施形態では陰極フローフィールドプレート230の前面は、陽極フローフィールドプレート220と実質的に同じ配置を持っている。これら二つのプレートの組合せは、以下更に論じられるであろう。
陰極フローフィールドプレート230は、円形であって、中心領域301とこの中心領域301を取り囲む周辺領域302とを有する。この特定の実施形態では周辺領域302は、6個のマニホルド開口を含む。これら6個のマニホルド開口のうちの3個は、入力のために使用される。陰極水入口マニホルド開口156と陰極冷却剤入口マニホルド開口158と第2の陰極水入口マニホルド開口160とが存在する。他の3個のマニホルド開口は、相補的出力のために使用される。陰極水/酸素出口マニホルド開口157と陰極冷却剤出口マニホルド開口159と陰極水/水素出口マニホルド開口161とが存在する。ある幾つかの実施形態では陰極水入口マニホルド開口160と水/水素出口マニホルド開口161は両者とも、それぞれの電解槽セルで生成される水素のための出力として使用される。
電解槽セルスタックを全体的に固定するためにタイロッド(図示せず)が貫通する周辺領域302には多数の貫通孔231が設けられている。
陰極フローフィールドプレート230の前面は、複数の開放面チャネルを含む水素フローフィールド142を備えている。このフローフィールド142は、マニホルド開口156、157を互いに流体的に接続する。しかしながら水素と水の組合せ物は直接、フローフィールド142からマニホルド開口160、161に、またはマニホルド開口160、161から直接、陰極フローフィールドプレート230の前面に流れない。フローフィールド142とマニホルド開口160、161それぞれとの間の水素の流れは、以下更に詳細に説明されるであろう。
陰極フローフィールドプレート230上には、第2の水入口マニホルド開口160と水/水素出口マニホルド開口161とにそれぞれ隣接してスロット180、180’のセットが設けられる。スロット180、180’のセットは陰極フローフィールドプレート230の厚さを貫通し、それによって陰極フローフィールドプレート230の前面と背面との間に流体的連通を与える。特にスロット180、180’のセットは、陰極フローフィールドプレート230の前面のフローフィールド142と直接流体的に連通しており、陰極フローフィールドプレート230の背面のマニホルド開口160、161と直接流体的に連通している。
スロット180、180’の各セットは、多数の開口の集まりとして示されている。しかしながら他の実施形態ではスロット180、180’の各セットは、単一の開口として設けることもできる。本出願人の同時係属中の米国出願第09/855,018号を参照すると、スロット180、180’のセットはまた「背面供給」開口として知られている。
フローフィールド142と種々のマニホルド開口156〜161の周りには密封面300が設けられている。この密封面300は、プロセスガス/流体の漏れまたは混合を防止するためのシールを収容する。密封面300は、種々のマニホルド開口156〜161を互いに、またフローフィールド142から完全に分離するように配置される。密封面300は、陰極フローフィールドプレート230の周りの異なる位置で変化する深さ(図4の平面に垂直な方向に)および/または幅(図4の平面内で)を持つことができる。
この特定の実施形態では陰極フローフィールドプレート230の背面は、実質的に平坦であり、ここでは詳細に説明しない。当業者は、貫通孔221とスロット180、180’と種々のマニホルド開口156〜161とが陰極フローフィールドプレート230の厚さを貫通することを認めるであろう。したがって陰極フローフィールドプレートが非常に薄くなければ、陰極フローフィールドプレートの背面ではこれらの特徴要素だけが目立つであろう。
動作時に水は、スロット180を通って流れ、背面を去って陰極フローフィールドプレート230の前面のフローフィールド142のフローチャネルに入る。水はフローフィールド142のフローチャネルに沿って流れるので、水は電解質(例えば電解質隔膜)の陰極側を水和する。当業者は、動作時に水素イオンが電解質層を横切って陰極フローフィールドプレート230に移動し、ここで前述の反応(2)にしたがって水素イオンが水素分子に還元されることを認めるであろう。水と水素の組合せ物は、スロット180’を経由して陰極フローフィールドプレート230の前面を離れる。
ある幾つかの実施形態では電気化学セルスタックが組み立てられるとき、1個の電気化学セルの陽極フローフィールドプレートの背面は、隣接する電気化学セルの陰極フローフィールドプレートの背面に接する。種々のマニホルド開口は、それらの端部で端部プレートの一つ以上に含まれるそれぞれのポートに流体的に接続可能である電気化学セルスタックを貫通して延びるダクトまたは細長いチャネルを形成するために、互いに整列するように配置される。
特に図3Bと4を参照すると陽極および陰極フローフィールドプレート220、230は、互いに隣接するように設計された背面を有する。更に陽極フローフィールドプレート220と陰極フローフィールドプレート230には、電気化学セルスタックを貫通して延びる6個のダクトまたは細長いチャネルを形成するために、種々のマニホルド開口136〜141および156〜161は、それぞれ互いに整列している。
ある幾つかの実施形態では、陽極フローフィールドプレート220の背面の密封面400と陰極フローフィールドプレート230の滑らかな背面との間に、これら2個のプレート間の密封を達成するために、シールが配置される。引き続いて陰極フローフィールドプレート230のマニホルド開口160、161と陽極フローフィールドプレート220の開口延長部181、181’のそれぞれのセットはそれぞれ、陰極フローフィールドプレート230の背面の異なる部分を有する2つの対応するチャンバを画定する。
同様の配置において陽極フローフィールドプレート220のマニホルド開口136、137とそれぞれの開口延長部281、281’とはそれぞれ、陰極フローフィールドプレート230の背面の他の異なる部分を有する他の2つのチャンバを画定する。
図3A〜3H、4Aを参照すると、動作時に水は、陽極および陰極マニホルド開口136、156によって形成されたダクトを通って流れ、陽極および陰極フローフィールドプレート220、230の背面によって画定された前述のチャンバに流れる。1個の電解槽セルごとに水は、前述のように陽極フローフィールドプレート220の前面に流れる。いったん水と酸素の組合せ物が電解槽セルを出ると、この組合せ物は、陽極および陰極マニホルド開口137および157によって形成されたダクトを通って流れ、電解槽セルスタックを離れる。
同様に水はまた、陽極および陰極マニホルド開口140、160によって形成されたダクトを通って陽極および陰極フローフィールドプレート220、230の背面によって画定された他の前述のチャンバに流れる。それから1個の電解槽セルごとに水は、前述のようにそれぞれの陰極フローフィールドプレート230の前面に流れる。いったん水と水素の組合せ物が電解槽セルを出ると、この組合せ物は陽極および陰極マニホルド開口141、161によって形成されたダクトを通って流れ、電解槽セルスタックを離れる。
代替の一実施形態では例えば、開口延長部181、181’のセットと突起部182,182’のそれぞれのセットは、陽極フローフィールドプレート220の背面の代わりに、陰極フローフィールドプレート230の背面に配置される。このような実施形態では密封面は、陰極フローフィールドプレート230の背面に設けられ、これがマニホルド開口160、161と、開口延長部181、181’の関連セットと、突起部182、182’のそれぞれのセットと、対応するスロット180,180’と、をまとめて封入するように構成される。
もう一つの代替実施形態として特定のプロセスガス/流体のための開口延長部のセットは、動作時にその前面にこの特定のプロセスガス/流体を生成するフローフィールドプレートの背面に設けられる。したがってスロットのセットは、フローフィールドプレートの前面をフローフィールドプレートの背面に流体的に接続する各プレートに設けることができる。
もう一つの代替実施形態では陽極および陰極フローフィールドプレートの各々は、水/酸素の流れと水/水素の流れの両者のための開口延長部のセットを備える。それから実際に、フローフィールドプレートの前面に貫通して延びるスロットに向かってそれぞれのマニホルド開口(単数または複数)から延びるプレートの、部分的に一方に、部分的にプレートの他方に、延長チャンバが設けられるであろう。この構成は、フローフィールドプレートの各々の厚さが減らされる場合に望ましい。
他の実施形態では、陽極および陰極フローフィールドプレートは同じである。このような実施形態では陽極フローフィールドプレートに背面だけが冷却剤フローフィールドを備えている場合の冷却剤チャネルの深さの半分まで陽極および陰極フローフィールドプレートの各々に冷却剤チャネルを設けることが望ましい可能性がある。これは冷却剤の流れのために同じ広さの空間を維持し、それでもなお各フローフィールドプレートをより薄くすることを可能にするであろう。更にもしある幾つかの実施形態の場合のように陽極および陰極フローフィールドプレートが同じであれば、1スタックのセルすべてを構成するために単一のフローフィールドプレート設計が使用できる。この単純化は、次には製造段階での単純化をもたらし、これはより低い製造コストと、より短い組み立て時間とにつながり得る。
関連する実施形態では、電気化学セルスタックが組み立てられるときにフローフィールドプレートのマニホルド開口が整列することを保証するために、マニホルド開口は同じ寸法を持つばかりでなく、フローフィールドプレートの仮想軸に関して対称に配置される。理解できるように冷却剤開口もまた、スタックが組み立てられるとき整列しなくてはならない。これはまた、冷却剤開口もまた同じ仮想軸に関して対称に配置されなくてはならないことを意味する。
さて図5を参照すると、電解槽セル500の拡大・単純化断面図が示されている。電解槽セル500は、陽極フローフィールドプレート512と、陰極フローフィールドプレート513と、これら陽極および陰極フローフィールドプレート512、513の間に配置された隔膜電極アセンブリ(MEA)514とを含む。更に陰極フローフィールドプレート513とMEA514との間にはGDM515が配置されている。電解槽セル500はまた、陽極フローフィールドプレート512とMEA514との間に配置された2つの平らなスクリーン516、517を含む。典型的にはこれらのスクリーン516、517の形状は、使用されるフローフィールドプレートの形状に従う。スクリーン516、517は図6A〜7Bを参照しながら以下更に詳細に説明される。
この特定の例では陽極および陰極フローフィールドプレート512、513は、実質的に互いに同じである。したがって陽極フローフィールドプレート512上の開放面フローチャネル522は、陰極フローフィールドプレート513上の開放面フローチャネル523と整列している。このタイプの配置は、上記に引用によって組み込まれた本出願人の同時係属中の米国特許出願第10/109,002号に記載されたように「リブトゥリブ」パターンマッチングと呼ばれることに注意されたい。
動作時にMEA514の陽極側で水は、フローフィールドチャネル522を通って流れながら陽極フローフィールドプレート512の領域全面に広がる。水の一部は第2、第1のスクリーン517、516を順次に通って濾過され、MEA514の表面で反応する。上記に詳述したように、反応(1)にしたがってMEA514の陽極側で酸素が生成される。前述のように典型的には水に溶解したこの酸素は順次、MEA514の表面から第1、第2のスクリーン516、517を通って移動し、それからフィールドチャネル522に入る。引き続いて生成物酸素と未反応の水は、陽極フローフィールドプレート512のそれぞれのマニホルド開口(図示せず)を通って電解槽セル500を出て行く。MEA514の陽極表面から第1、第2のスクリーン516、517を経由して陽極フローフィールドプレート512それぞれのマニホルド開口までの酸素のこの移送は、酸素が従来の織られたスクリーンの絡まった開口部を通って移動しなくてはならない多数の従来スクリーンを使用するよりもかなり効率的である。
同様にMEA514の陰極側で水は、フローフィールドチャネル523を通って陰極フローフィールドプレート513の領域全面に広がる。上記に詳述したように、反応(2)にしたがってMEA514の陰極側で水素が生成される。典型的には水に溶解したこの水素は、MEA514の表面からGDM515を通ってMEA514の表面からフィールドチャネル523に移動する。引き続いて生成物水素と未反応の水は、陰極フローフィールドプレート513の他のそれぞれのマニホルド開口(図示せず)を通って電解槽セル500を出て行く。
さて図6A〜7Bを参照すると、ある幾つかの実施形態では、より丈夫な構造を提供するために第2のスクリーン517は第1のスクリーン516より厚い。特にある幾つかの実施形態では第1のスクリーン516は約0.003インチ以下の厚さを有し、第2のスクリーン517は約0.01インチ以下の厚さを有する。更にスクリーン516、517の両者とも、いずれかのスクリーンの一部が組み立てられる電解槽セルの隔膜に刺し傷を付けないように、滑らかで平らであることが好ましい。更に平坦なスクリーンは、流れに対して前述の織られたスクリーンの従来の層と同じ妨害を与えない。
更に図5を参照すると、ある幾つかの実施形態ではMEA514の陽極側において水と酸素の流れのために比較的妨害のない経路を提供するために、第2のスクリーン517の開口部のサイズは第1のスクリーン516の開口部のサイズより大きい。単に一例として示すように、第1のスクリーン513の第1の開口部は一般に図6Bの530で示され、また同様に第2の開口部は一般に図7Bの540で示される。
更に特に図6Bを参照すると、ある幾つかの実施形態では第1の平坦なスクリーン516は、0.004”〜0.025”にサイズ決めされた開口部を有する。図6Bに単に例として示すように第1のスクリーン516は、2.49×10-4平方インチの面積を有する六角形の開口部(例えば開口部530)と、平行な辺の間の0.017”の間隔とを有する。更に第1のスクリーン516の開口部間の間隔は、約0.005インチ以下である。
更に特に図7Bを参照すると、ある幾つかの実施形態では第2の平坦なスクリーン517は、0.020”〜0.040”にサイズ決めされた開口部を有する。単に例として示すように第2のスクリーン517は、5.57×10-4平方インチの面積を有する六角形の開口部(例えば開口部540)と、平行な辺の間の0.0254”の間隔とを有する。更に第2のスクリーン517の開口部間の間隔は、約0.01インチ以下である。
ある幾つかの実施形態では第1のスクリーン516の開口部間の間隔は、第2のスクリーン517の開口部間の間隔より小さい(例えば図6B、7Bに示すように0.005”対0.010”)。これは、MEA514に直接接触する第1のスクリーン516がより開いた面積を、したがってより良好な質量搬送特性を持つように、意図的に行われ得る。すなわち水は、第1のスクリーン516を透過して流れるためのより大きな空間と、反応が行われるためのより広い表面積とを有する。第1のスクリーン516とフローフィールドプレート512との間に配置される第2のスクリーン517は、フローフィールドチャネル522内に潰れ込まないように第2のスクリーン517を支持するためにより大きな機械強度を与える、また第2のスクリーン517一面の、また陽極フローフィールドプレート512への2次元的電子伝導のためにより厚い導電体を与える、より厚い間隔を有する。
ある幾つかの実施形態では第1、第2のスクリーン516、517の両者は、開口部の周りにそれぞれの固いエッジを持っている。これらそれぞれの固いエッジは、電解槽セル500が組み立てられるときにスクリーン516、517の周辺が陽極フローフィールドプレート512のフローフィールドチャネル内に曲がり込み、延いてはフローチャネル522の一部を塞ぐのを防止する。それぞれの固いエッジはまた、スクリーン516、517のために機械的/構造的支持を与え、また組立て中にスクリーン516、517のエッジがMEA514に刺し傷を与えるのを防止する。
電解槽セルのための二重スクリーン配置の例示的実施形態が説明されてきたが、当業者は、代替実施形態ではスクリーン516、517のうちの一方または両方が比較的滑らかで平らな面を有する多孔質金属層で置き換えられ得ることを認めるであろう。例えばスクリーン516、517のうちの一方または両方は、それぞれの焼結物層で置き換えることができる。更に他の代替実施形態では、MEA514の陰極側のGDM515は、MEA514の陰極側における水および/または水素の流れを改善し、また恐らくはMEA514と陰極フローフィールドプレート513との間の導電性を改善するために、二重スクリーン構成で置き換えることができる。
上記の説明は本発明の実施形態の態様による例を与えているが、本発明が付属の請求項の公正な意味と範囲から逸脱せずに、容易に修正と変更を加えることができることは認められるであろう。したがって説明されたことは、本発明の実施形態のある幾つかの態様の適用を単に例示するものである。したがって付属の請求項の範囲内で本発明が特定的にここに説明されたものとは別のように実施され得ることは理解されるべきである。
21:陽極
22:ガス/流体入力ポート
23:触媒
24:ガス/流体出力ポート
30:電解質
41:陰極
42:ガス/流体入力ポート
43:触媒
44:ガス/流体出力ポート
115:電圧源
22:ガス/流体入力ポート
23:触媒
24:ガス/流体出力ポート
30:電解質
41:陰極
42:ガス/流体入力ポート
43:触媒
44:ガス/流体出力ポート
115:電圧源
Claims (36)
- 陽極フローフィールドプレートと、
陰極フローフィールドプレートと、
前記陽極および陰極フローフィールドプレート間に配置された電解質層と、
前記陽極フローフィールドプレートと前記電解質層との間に配置された第1、第2のスクリーンとを含む電解槽セルであって、前記スクリーンの各々はそれぞれの多数の開口部を有し、また導電性である電解槽セル。 - 前記第1のスクリーンは前記電解質層に隣接する、請求項1に記載の電解槽セル。
- 前記第1のスクリーンの開口部は前記第2のスクリーンの開口部より小さい、請求項2に記載の電解槽セル。
- 前記第1のスクリーンの開口部間の間隔は前記第2のスクリーンの開口部間の間隔より小さい、請求項3に記載の電解槽セル。
- 前記第1のスクリーンの開口部のサイズは0.004”〜0.025”の範囲内にある、請求項1に記載の電解槽セル。
- 前記第2のスクリーンの開口部のサイズは0.020”〜0.040”の範囲内にある、請求項5に記載の電解槽セル。
- 前記第1のスクリーンは前記第2のスクリーンより薄い、請求項1に記載の電解槽セル。
- 前記第1のスクリーンの厚さは0.003インチ以下である、請求項1に記載の電解槽セル。
- 前記第2のスクリーンの厚さは0.01インチ以下である、請求項8に記載の電解槽セル。
- 前記第1、第2のスクリーンの開口部は、六角形、円形、正方形、および三角形の少なくとも一つである形状を有する、請求項1に記載の電解槽セル。
- 前記第1のスクリーンの開口部の最大寸法は、約0.017インチである、請求項1に記載の電解槽セル。
- 前記第2のスクリーンの開口部の最大寸法は、約0.0254インチである、請求項11に記載の電解槽セル。
- 前記第1のスクリーンの開口部間の間隔は0.005インチ以下である、請求項1に記載の電解槽セル。
- 前記第2のスクリーンの開口部間の間隔は0.01インチ以下である、請求項13に記載の電解槽セル。
- 前記陽極フローフィールドプレートと前記陰極フローフィールドプレートとのうちの少なくとも一つは、
複数のマニホルド開口と、
前記マニホルド開口のうちの二つを流体的に接続するフローフィールドであって、すべてが同じ長さを持っていて前記フローフィールドによって覆われた領域上に第1のプロセスガス/流体と前記第1のプロセスガス/流体に関連する電気化学反応によって生成された熱との両者を均一に分散させるように配置された複数の開放面フローチャネルを有するフローフィールドとを含む、請求項1に記載の電解槽セル。 - 前記マニホルド開口の一部は同じ面積を有する、請求項15に記載の電解槽セル。
- マニホルド開口のうちの幾つかが同じ寸法を有している、請求項15に記載の電解槽セル。
- 前記陽極および陰極フローフィールドプレートは円形形状であり、かつそれぞれ中心領域と中心領域を包囲した周辺領域を有しており、中心領域内にフローフィールドが配置され、周辺領域に複数のマニホルド開口が配列される、請求項15に記載の電解槽セル。
- 前記開放面フローチャネルがそれぞれ、前記マニホルド開口のうちの第1のマニホルド開口と連通した第1の真っ直ぐな部分と、屈曲した部分と、前記マニホルド開口のうちの第2のマニホルド開口と連通した円弧状部分とを順次含んでいる、請求項18に記載の電解槽セル。
- 前記陽極および陰極フローフィールドプレートは長方形の形状であり、前記開放面チャネルは、前記フローフィールドプレートの長さに沿って延長する複数の実質的に真っ直ぐでかつ平行な主フローチャンネルで構成されている、請求項15に記載の電解槽セル。
- 前記マニホルド開口のうちの幾つかが、処理ガス/流体を供給または排出するために用いられ、これらのマニホルド開口はそれぞれ、処理ガス/流体を供給または排出するために用いられる他のマニホルド開口と実質的に同じ面積を有している、請求項15に記載の電解槽セル。
- 処理ガス/流体を供給または排出するために用いられ前記マニホルド開口の全部はまた実質的に同じ寸法を有している、請求項21に記載の電解槽セル。
- 前記陽極および陰極フローフィールドプレートのうちの少なくとも1つが、後面に、すべて実質的に同じ長さを有しかつ前記後面上に冷却剤を均一的に分配するようになされた複数の開放面フローチャネルを有する冷却剤フローフィールド含んでいる、請求項1に記載の電解槽セル。
- 前記陽極および陰極フローフィールドプレートのうちの少なくとも1つが、前面上の開放面フローチャネルと流体連通しかつ後面上の第1のマニホルド開口と流体連通している、そのフローフィールドプレートを貫通した第1のスロットと、
前記前面上の開放面フローチャネルと流体連通しかつ前記後面上の第2のマニホルド開口と流体連通している、そのフローフィールドプレートを貫通した第2のスロットと、
を含む請求項1に記載の電解槽セル。 - 前記陽極および陰極フローフィールドプレートのうちの少なくとも1つが、
前記後面の一部分上で、前記第1のマニホルド開口から前記第1のスロットまで延長した第1の組の開口延長部と、
前記後面の一部分上で、前記第2のマニホルド開口から前記第2のスロットまで延長した第2の組の開口延長部と、
を含む、請求項24に記載の電解槽セル。 - 第1のフローフィールドプレートと、
第2のフローフィールドプレートと、
前記第1のフローフィールドプレートと第2のフローフィールドプレートの間に配置された電解質層と、
前記第1のフローフィールドプレートと前記電解質層とに間に配置され、それぞれ所定数の開口部を有する第1および第2のスクリーンと、
を含む電気化学セル。 - 第1のフローフィールドプレートと、
第2のフローフィールドプレートと、
前記第1のフローフィールドプレートと第2のフローフィールドプレートの間に配置された電解質層と、
前記第1のフローフィールドプレートと前記電解質層とに間に配置され、それぞれ所定数の開口部を有する第1および第2のスクリーンと、
を含む少なくとも1つの電気化学セルを有する電気化学セルスタック。 - 前記第1および第2のフローフィールドプレートのうちの少なくとも1つが、
複数のマニホルド開口と、
すべて実質的に同じ長さでありかつ第1の処理ガス/流体とこの第1の処理ガス/流体を含む電気化学反応によって発生された熱との両方を、前記フローフィールドで覆われた領域上に均一に分配するようになされた複数の開放面フローチャンネルを有し、前記マニホルド開口のうちの2つを流体連結するフローフィールドと、
を含む請求項27に記載の電気化学セルスタック。 - 前記マニホルド開口のうちの幾つかが、同じ面積を有する請求項28に記載の電気化学セルスタック。
- 前記第1および第2のフローフィールドプレートが円形の形状であり、かつそれぞれ、中心領域と、この中心領域を包囲した周辺領域を有しており、前記中心領域内にフローフィールドが配置され、前記周辺領域に複数のマニホルド開口が配列されている請求項28に記載の電気化学セルスタック。
- 前記開放面フローチャネルがそれぞれ、前記マニホルド開口のうちの第1のマニホルド開口と連通した第1の真っ直ぐな部分と、屈曲した部分と、前記マニホルド開口のうちの第2のマニホルド開口と連通した円弧状部分とを順次含んでいる、請求項30に記載の電気化学セルスタック。
- 前記第1および第2のフローフィールドプレートは長方形の形状であり、前記開放面チャネルは、前記フローフィールドプレートの長さに沿って延長する複数の実質的に真っ直ぐでかつ平行な主フローチャンネルで構成されている、請求項28に記載の電気化学セルスタック。
- 前記マニホルド開口のうちの幾つかが、処理ガス/流体を供給または排出するために用いられ、これらのマニホルド開口はそれぞれ、処理ガス/流体を供給または排出するために用いられる他のマニホルド開口と実質的に同じ面積を有している、請求項28に記載の電気化学セルスタック。
- 処理ガス/流体を供給または排出するために用いられ前記マニホルド開口の全部はまた実質的に同じ寸法を有している、請求項33に記載の電気化学セルスタック。
- 前記第1および第2のフローフィールドプレートのうちの少なくとも1つが、後面に、すべて実質的に同じ長さを有しかつ前記後面上に冷却剤を均一的に分配するようになされた複数の開放面フローチャネルを有する冷却剤フローフィールド含んでいる、請求項28に記載の電気化学セルスタック。
- 前記第1および第2のフローフィールドプレートのうちの少なくとも1つが、前面上の開放面フローチャネルと流体連通しかつ後面上の第1のマニホルド開口と流体連通している、そのフローフィールドプレートを貫通した第1のスロットと、
前記前面上の開放面フローチャネルと流体連通しかつ前記後面上の第2のマニホルド開口と流体連通している、そのフローフィールドプレートを貫通した第2のスロットと、
を含む、請求項28に記載の電気化学セルスタック。
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