JP2024502251A

JP2024502251A - 燃料電池スタックとともに用いるためのガス拡散方法

Info

Publication number: JP2024502251A
Application number: JP2023537627A
Authority: JP
Inventors: ワットン、ジェームズ; フォスター、サイモン
Original assignee: Intelligent Energy Ltd
Current assignee: Intelligent Energy Ltd
Priority date: 2021-01-11
Filing date: 2022-01-11
Publication date: 2024-01-18
Also published as: KR20230130022A; EP4275241A1; CA3203624A1; WO2022148886A1; US20240047722A1

Abstract

カソードおよびアノードのうちの１つまたは複数の活性領域にわたる流体の拡散を管理する側面がここに開示され、当該側面は、ＭＥＡ（２０）内で効率よく流体を分散させる方法を含み、この方法では、封止ガスケット（５０）で流体収容空間が形成され、ガスケットは、燃料電池のアノードおよびカソードの少なくとも一方に配置され、流体収容空間と流体連通する少なくとも１つの入口（１４０）と、当該ガスケット（５０）を介して流体収容空間と流体連通する少なくとも１つの出口（１４５）とを備えて構成され、流体収容空間には、少なくとも１つの入口プレナム（１８６）を生成するのに適合するように構成された、２つの端壁および２つの側壁を備えた、ほぼ平坦な長方形の多孔質ガス拡散層（４０）が挿入され、ガス拡散層（４０）の少なくとも１つの端部および流体収容空間の環状壁の周囲に少なくとも１つの入口プレナム（１８６）が形成され、また、１つの出口プレナム（１８８）が形成され、入口プレナム（１８６）に沿った流体の流れに対する抵抗は、出口（１４５）に流体接続されるように構成された出口プレナム（１８８）へと、全体的に当該インサートの幅を等しく横切って流体伝送を強制するように構成されたガス拡散インサートを、横切って流れる流体に対する抵抗に対してバランスされる。【選択図】図５

Description

関連出願の参照

このＰＣＴ出願は、２０２１年１月１１日に出願された英国特許出願第２１００３２５．６号および２０２１年１月１１日に出願された米国仮特許出願第６３／１３６，０６７号に対する優先権を主張し、それぞれの開示は参照によりその全体がここに記載されているように、ここに組み込まれる。

この開示は、全般的には、燃料電池および燃料電池スタックとともに使用するためのガス拡散に関する。

燃料電池は、化学反応によって電気を生成する装置である。すべての燃料電池は、それぞれアノードおよびカソードと呼ばれる２つの電極を具備する。電気を発生させる反応は電極で起こる。

燃料電池は、共有マニホールドと流体燃料が出入りする燃料電池スタック内に互いに隣接して配置されたときに最大の有用性を有する。

図１は、従来の燃料電池１０の主要構成要素を示している。構成要素は、ＭＥＡ「膜電極アセンブリ」２０を含み、これは、アノードサイド２２およびカソードサイド２４と、カソードおよびアノードのそれぞれに面するガス拡散層「ＧＤＬ」とを具備するように構成される。組み立て中の構造的完全性を向上させるために、フレームまたは強化されたエッジ２３を設けて良い。燃料電池は電子を輸送することによって電気を生成する。アノードサイドの触媒は水素からの電子の分離を促進し、それによってプロトンと電子が形成される。プロトンはＭＥＡを通って移動し、カソードサイドで酸素とともに水を形成し、電子がＭＥＡの周りを流れて電気を生成する。燃料電池の効率は２つのプロセスと直接相関している。まず、ＧＤＬは、アノードおよびカソードの全体に流体を均一かつ拡散的に分散させて、可能な限り多くのＭＥＡ表面にわたって反応を触媒するように構成されている。２番目の水は、水素と酸素が電極内に拡散できるようにＭＥＡの細孔を開いた状態に保つために、保水（膜の導電性を維持するために必要）と水の放出の間でバランスを取る必要がある。

燃料電池スタックにおいて、スタック内の１つ、または複数のセルが公称範囲外で動作すると、スタックの効率が変化する。性能の変動により燃料が過剰に使用されると、その使用により効率が低下する。個々のセルがガス状流体燃料を区々として拡散し、その差が公称変動を超える場合、デッドゾーンによりセルの有効面積が減少し、効率の低下を引き起こす。

個々の燃料電池から燃料電池スタックを形成するのは面倒なプロセスであり、自動化によって効率を向上させることができるけれども、非常に軽量のコンポーネントは組み立て中に簡単に外れてしまい、ばらつきや配置ミスが発生し、これらすべてが上述した非効率や燃料電池コンポーネントの漏れの原因となることがある。したがって、燃料電池スタックの効率を向上させるためには、そのようなばらつきや配置ミスをなくすことが望ましい。

効率を向上させ、各燃料電池内のガス拡散インサートの動きを低減し、それによって組立ての変動および流体の流れの変動を低減する例示的な実施の側面が、ここに開示される。

各燃料電池は、一対のセパレータプレートによって囲まれている。これらのセパレータプレートは封止ガスケットと係合してセルを密閉し、ＧＤＬなどのセルのコンポーネントに圧縮を加えることができる。場合によっては、これらのセパレータプレートが単極である場合がある。これは、特定のプレートが１つの燃料電池とのみ係合するため、セルごとに必要なセパレータプレートの数が２つであることを意味する。他の実装において、バイポーラセパレータプレートを使用することができる。この場合、セパレータプレートは２つの隣接するセル間で共有され、第１のセルのアノードサイドと、隣接するセルのカソードサイドとに接触する。バイポーラプレートを使用する構成では、ｎ個の燃料電池の構成に対してｎ＋１枚のセパレータプレートが必要である。当業者であれば、記載された発明がモノポーラアーキテクチャおよびバイポーラアーキテクチャの両方に適用されることを理解するであろう。

拡散インサートの大部分を通る流体の流れを効率的に導き、もって、少なくとも水素燃料が、それに隣接するアノードの大部分の上を流れるようにする、入口プレナムおよび出口プレナムを、ガス拡散インサートまたは層の周囲に形成することによって、ガス拡散インサートの効率を改善し、その移動を低減する例示的実装の側面が、ここに開示される。

入口プレナムおよび出口プレナムを、ガス拡散インサートまたは層の周囲に形成することによって、ガス拡散インサートの効率を改善し、その移動を低減する例示的実装の側面が、ここに開示され、この例示的実装の側面は、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を含み、これは、イオン移動膜と、ガス拡散アセンブリと流体連通するアノードおよびカソードのうちの少なくとも一方とで構成された効率的な流体分布を有する膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を含み、これは流体収容空間を形成する封止ガスケット、第１のインターフェース、ガスケットを通じて流体収容空間と流体連通する少なくとも１つの入口、ガスケットを通じて流体収容空間と流体連通する少なくとも１つの出口、２つの端壁および２つの側壁を具備して流体収容空間内に適合するように構成された全体的に平面状の長方形の多孔質ガス拡散インサート（４０）を具備し、これにより、第１のインターフェースはイオン移動膜に対してシール可能であり、少なくとも１つの入口プレナムがガス拡散インサートの少なくとも１つの端部およびキャビティの環状壁の周りに形成される。入口プレナムに沿った流体の流れに対する抵抗は、出口に流体接続するように構成された出口プレナムへの、インサートの幅全体にわたって略均一に流体輸送を促すように構成されたガス拡散インサートを横切る流体の流れに対する抵抗に対してバランスが取られている。

場合によっては、ＭＥＡは、ガス拡散インサートの少なくとも１つの縁部および流体収容空間の環状壁の周囲に形成された少なくとも１つの出口プレナムをさらに有する。

場合によっては、ガスケットは長方形の流体収容空間を形成する。場合によっては、ＭＥＡ、さらに入口プレナムは、ＧＤＬの端部とガスケットの入口端との間にある。場合によっては、出口プレナムは、ＧＤＬの端部とガスケットの出口端部との間にある。

場合によっては、流体収容空間はほぼ長方形であり、流体収容空間内に延在し、封止ガスケットに対してＧＤＬを部分的にシールする入口キャッチを備えて構成される。場合によっては、流体収容空間はほぼ長方形であり、流体収容空間内に延在し、封止ガスケットに対してＧＤＬを部分的に封止する出口キャッチを備えて構成される。

場合によっては、入口端壁ギャラリと入口側壁ギャラリとが流体的に接続され、入口プレナムを形成する。場合によっては、出口端壁ギャラリと出口側壁ギャラリとが流体接続されて、出口プレナムを形成する。場合によっては、入口キャッチと出口キャッチとが協働して、燃料電池スタック内のセル間でＧＤＬを一貫して配置する。

先の例におけるいくつかの例では、端壁入口ギャラリと長方形のＧＤＬ端壁との比は、約１：１～約１：５、約１：１～約１：４．５、約１：１～約１：４、約１：１～約１：３．５、約１：１～約１：３、約１：１～約１：２．５、約１：１～約１：２、約１：１～約１：１．５約１：１～約１：０の間である。

先の例におけるいくつかの例では、端壁出口ギャラリと長方形のＧＤＬ端壁との比は、約１：１～約１：５、約１：１～約１：４．５、約１：１～約１：４、約１：１～約１：３．５、約１：１～約１：３、約１：１～約１：２．５、約１：１～約１：２、、約１：１～約１：１．５、および約１：１～約１：０の間である。

さきの例におけるいくつかの例では、側壁入口ギャラリと長方形のＧＤＬ側壁（２５６）との比は、約１：１～約１：５、約１：１～約１：４．５、約１：１～約１：４、約１：１～約１：３．５、約１：１～約１：３、約１：１～約１：２．５、約１：１～約１：２、約１：１～約１：１．５、および約１：１～約１：０の間である。

先の例におけるいくつかの例では、出口側壁ギャラリと長方形のＧＤＬ側壁（２５６）との比は、約１：１～約１：５、約１：１～約１：４．５、約１：１～約１：４、約１：１～約１：３．５、約１：１～約１：３、約１：１～約１：２．５、約１：１～約１：２、約１：１～約１：１．５、および約１：１～約１：０の間である。

ＭＥＡ内で効率的に流体を分配する方法の側面がここに開示され、これは、封止ガスケットによって流体収容空間を形成するステップであって、封止ガスケットは燃料電池のアノードおよびカソードの少なくとも一方の上に配置され、流体収容空間と流体連通する少なくとも１つの入口、および、当該ガスケットを介して流体収容空間と流体連通する少なくとも１つの出口を具備する、上記流体収容空間を形成するステップと、全般的に平坦な長方形の多孔質ガス拡散層を挿入するステップであって、多孔質ガス拡散層は、２つの端壁および２つの側壁を具備し、当該ガス拡散層の少なくとも１つの端部および流体収容空間の環状壁の周りに形成される少なくとも１つの入口プレナムと、１つの出口プレナムを形成するように構成される、上記多孔質ガス拡散層を挿入するステップとを含み、入口プレナムに沿った流体の流れに対する抵抗は、出口に流体接続するように構成された出口プレナムへと向かう、当該ガス拡散層インサートの幅全体にわたってほぼ均等に流体輸送を促すように構成されたガス拡散インサートを横切る流体の流れに対する抵抗に対してバランスが取られている。

この出願は、添付の図面と併せて読むことにより一層理解される。主題を説明する目的で、図面には主題の例示的な側面が示されている。しかしながら、実際に開示されている図は必ずしも縮尺通りではなく、代わりに本発明の原理を説明することに重点が置かれている。図面において、同様の参照番号は、異なる図を通して対応する部分を示す。

図１は典型的な単極燃料電池の主要構成要素の側面断面図である。図２Ａは本開示の一側面に従う燃料電池の組立側面図を示す。図２Ｂは本発明の一側面に従う燃料電池スタックを示す図である。図２Ｃは、図２Ｂの一部の拡大図を示す。図３は、本開示の一側面に従う流体の流れを示す燃料電池のアノードサイドの上面図である。図４Ａは、ガスケットによって形成されたボリュームの上面図を示す。図４Ｂは、本開示の一側面に従う燃料電池のアノードサイドの部分分解上面図を示す。図４Ｃは、ＧＤＬが移動するときの図４Ａの図の部分分解上面図を示す。図５は、本発明の一側面に従う流体の流れを示す燃料電池のアノードサイドの上面図である。図６は、本開示に従って成形されたガスケットおよび長方形のＧＤＬを具備する例の側面を示す。図７は、長方形の封止ガスケットにおける長方形のＧＤＬの例の側面を示す。図８は、長方形の封止ガスケットにおける長方形のＧＤＬの例の側面を示す。図９は、成形された封止ガスケットにおける長方形のＧＤＬの例の側面を示す。図１０は、成形された封止ガスケットにおける長方形のＧＤＬの例の側面を示す。図１１は、成形された封止ガスケットにおける長方形のＧＤＬの例の側面を示す。図１２は、成形された封止ガスケットにおける長方形のＧＤＬの例の側面を示す。図１３は、成形された封止ガスケットにおける長方形のＧＤＬの例の側面を示す。図１４は、成形された封止ガスケットにおける長方形のＧＤＬの例の側面を示す。

以下に、本開示の例示の追加の側面について、図面を参照して詳細に説明する。とくに記載されない限り、同様の参照番号は全体を通して同様の要素を指す。

燃料電池は多層サンドイッチ構造である（全般的には図１および図２Ａを参照）。図２Ａから図２Ｃは、アノードおよびカソードを備えて構成されたＭＥＡ２０を示しており、アノード２２およびカソード２４のそれぞれは、ＧＤＬ４０および封止ガスケットを受け入れるように構成されている。第１の封止ガスケット５０は流体入口を有し、第２の封止ガスケット５０’は流体出口を有する。入口および出口は、燃料電池および燃料電池スタックのコントローラ（図示せず）の動作に応じて、制御された方法で流体を供給するように構成されている。１つのセルのサンドイッチは、各側部に導電性セパレータプレート６０を備えて完成する。これらは流体フローフィールドプレートとしても知られ、電気接触が可能な導電性、流体不透過性材料で形成される。サンドイッチが形成されると、ＧＤＬを保持するように構成される流体封じ込め空間または容積「Ｖ」がＭＥＡのアノードサイドおよびカソードサイドのそれぞれに構築される。

第１のインターフェース７０は、アノード２２、ＧＤＬ４０、および第１の封止ガスケット５０の間に形成される。第２のインターフェース７５は、カソード２４、ＧＤＬ４０、第２の封止ガスケット５０の間に形成される。

ＧＤＬ４０は、ＭＥＡアノードおよびカソード表面（場合によっては、少なくとも片面に溝またはチャネルを有して良い）からの移動を支援し、ＭＥＡ横断拡散および面内拡散（すなわち、ＧＤＬ（４０）の平面に平行）をサポートするように構成された多孔質拡散材料であり、アノード流体のアクセス、ＭＥＡの活性アノード表面全体の良好な輸送、およびＭＥＡのカソード表面を横切るカソード流体の良好な輸送が実現される。長方形のＧＤＬは、高価なＧＤＬ材料を最も効率的かつコスト効率よく使用する方法である。切り欠きやタブが伸びていると、高価な廃棄物が発生する（全般的には、Ｂｅｎｓｏｎに付与された米国特許８，３２３，８４６を参照）。

複数の燃料電池３０が燃料電池スタック１００内に配置されるとき、共通の燃料供給マニホールド１２０が形成され、共通の出口マニホールド１２５が形成され、流体１３０が燃料供給マニホールド１２０を介して各燃料電池の入口に供給され、未使用の燃料、生成水、窒素、または他の汚染物質１３５からなる排出物が、共通の出口マニホールド１２５を通じて除去される。図２Ｃは、スタック内のいくつかの燃料電池、燃料供給マニホールドおよび出口マニホールドの部分拡大図を示す。燃料流体は、１５０Ａから１５０Ｎに沿って各燃料電池スタックに輸送されることが示されている。排出物の除去は出口マニホールド１３５を介してなされるように示されている。

ＧＤＬを通って活性アノードを通過する効率的な流体の流れを図３に示す。この図は動作の側面を示すものであり、構造デバイスの例を示すものではない。アノードガスケット５０用の流体入口１４０および流体出口１４５は、それぞれ、ＧＤＬ４０の周りに形成されるギャップである必須のプレナムと連通しており、それによって、燃料電池に流入する流体（１４２）は、アノード表面上をガス流「ＧＦ」として移動し、流体出口を通じて排出される（１４７）。

図４Ａは、ガスケットによって形成される体積「Ｖ」を示す。図４Ａおよび４Ｂは、燃料電池１５０のアノードサイドの上面図を示す（図を簡略化するために導電性プレートは除去されている）。図４Ａは、長方形のＧＤＬがガスケットによって形成された長方形の格納容器内に完全に配置されている理想的な状態を示す。ただし、理論的に可能であることが必ずしも現実的であるとは限らない。図４Ｃは、燃料電池に対する劣化への影響と、その後の、動作不良の燃料電池スタックにおける効率への影響を示している。

ＧＤＬを介してアノードを水素で完全かつ均一に浸すことが運用上の目標である。ＧＤＬ４０が、ガスケット５０とＧＤＬとの間に形成されるプレナム１６０の中心に配置される場合、効率は非常に高くなるはずである。図４Ａおよび４Ｂは、ガスケットの入口端５２の中心にある流体入口１４０と、ガスケットの出口端５４の中心にある出口を示している。ＧＤＬ４０が第１および第２の側壁５６および５８から等距離に維持される場合、プレナムの周りの流体の流れに対する圧力抵抗は、各側壁５６／５８の下方で等しく、プレナムに沿った側方の流れが、ＧＤＬの流体の流れに対する抵抗に抗してバランスされるようになる。ＧＤＬは、プレナムに沿った経路よりも流れに対する抵抗が小さくなければならず、それによって活性アノード２２表面上の拡散が最大化され、デッドゾーン「ＤＺ」が回避され、高い動作効率がサポートされる。ただし、図４Ｂに示すように、ＧＤＬが壁から予め定められた位置に設定および保持されていない場合、プレナムの一部が収縮して流体が均一に供給されなくなり、流体がＧＤＬ内に均一に拡散しなくなるため、１つ、または複数のデッドゾーン「ＤＺ」が生じる。このＤＺは、プレナム（またはギャラリ）を流れ下る抵抗がＧＤＬに流れ込む抵抗よりも小さく、それによって流体がＧＤＬに流入せず、周囲を通過する領域である。組み立て中に、スタック内の燃料電池の重要な部分に１つ以上のＧＤＬが回動して、その結果、そのセルの効率が低下することが観察された。さらに、スタック内の非効率的な燃料電池は、発電量が少ないだけでなく、パージに必要な水素も多くなる。この「最も弱いリンク」により、パージされて無駄になる燃料の損失が発生する。燃料の損失はエネルギー効率の低下につながる。プレナム内にＧＤＬを配置するためのカットアウトまたはタブを備えた複雑なＧＤＬ構造を利用する構成では、製品のコストが上昇し、無駄が発生する。

図５は、図４Ｂを参照して説明したように、位置決め変動を最小化または排除する長方形のＧＤＬを示す。この実施例において、長方形のＧＤＬ４０が側壁５６／５８のそれぞれにしっかりと取り付けられ、ＧＤＬの側壁とガスケットとの間に部分的にシールされた領域を形成する。エッジ間の密着嵌めまたは締まり嵌めで十分である。スタックの組み立て中にＧＤＬ材料がある程度圧縮されると、この部分的なシールの形成が促進される場合がある。

典型的には、平面型燃料電池の場合、ＭＥＡ４０は、それぞれアノード面およびカソード面を形成する両側の電極層の間に挟まれた薄いポリマー層として製造される。ＭＥＡの面は、好ましくは、ＭＥＡの構造的完全性に対する損傷のリスクを低減しながら、入口および出口ポートおよび他のマニホールドの形成を可能にするように強化された周辺領域（またはフレーム（２３））によって取り囲まれた中央の活性領域を有する。この強化された周辺領域では、ＭＥＡはさまざまなひずみによる損傷を受けにくくなり、電極の薄い活性領域よりも効果的に力が加わる。このような強化されたＭＥＡが使用される場合、ＭＥＡの中央の活性領域への支持の不足により、組み立て中に燃料電池が圧縮されるときＭＥＡ内で構造的破損が発生するリスクを回避するために、プレナムがＭＥＡの強化された周辺領域を覆って配置されることが好ましい。

位置決めは、出口端壁５４および入口端壁５２から等距離である必要はない。入口１４０と出口１４５を対角の隅に配置することによって、流体はＧＤＬのより広い領域にわたって流れる。入口プレナム１８６は、入口１４０に流体接続されて形成される。出口プレナム１８８は、出口１４５に流体接続されて形成される。しかし、この配置はスタック内で燃料電池の不均一な動作を引き起こす変動性の問題を解決する一方で、各セルにデッドゾーン「ＤＺ」が生じ、前述したように効率が低下する。図５を参照して説明される実施例は、ＧＤＬを繰り返し配置する能力を改善するけれども、それ自体の損失の一部を被る。図６は、図５の実施例によって生じるデッドゾーンと、図４Ａおよび図４Ｂの実施例によって生じる回転欠陥との間の妥協点を示す。

図６において、入口ギャラリまたはプレナムと出口プレナムまたはギャラリが形成されている。ＧＤＬ４０ディフューザーは、平面の下および面内に均一に拡散する必要がある。場合によっては、ＧＤＬは、軸方向に依存する透過性を有するように形成される。したがって、ある面内方向における流体輸送速度は、別の面内方向におけるガス輸送速度とは異なる場合がある。この場合、ディフューザシートは、プレナム間または入口１４０からＧＤＬシートの中央領域への最も効果的かつ均一なガス輸送が達成されるように有利に配向されて良い。場合によっては、ＧＤＬ材料は、この軸依存性を提供する繊維の配向（例えば、織ったマット）を有することがあり、繊維は、好ましくは、ＧＤＬの中心への水素輸送を支援するためにセルを横切る方向に配向されて良い。ＧＤＬ材料全体にわたる最適な拡散速度をサポートするには、燃料電池の組み立て中、つまりすべてのスタックプレートが一緒に圧縮されて燃料電池アセンブリを形成するときに、ＧＤＬ材料が大幅に押しつぶされたり圧縮されたりしてはならない。好ましくは、封止ガスケット材料５０は、ＧＤＬ材料よりも硬い（圧縮性が低い）ように選択される。非独占的な例示的な材料は、東レによって製造されるガス拡散媒体ＴＧＰ－Ｈグレードの炭素繊維紙である。場合によっては、ガスケットは１００から４００ミクロンの範囲の厚さを有し、ＧＤＬは１５０から５００ミクロンの範囲の厚さを有する。場合によっては、封止ガスケットの厚さは２２５ミクロン、ＧＤＬシートの厚さは３００ミクロンで、少なくとも７５ミクロン圧縮するように構成されており、組み立て時にセルをシールし、大幅な圧縮化の下でなくＧＤＬを所定の位置に保持する。場合によっては、大幅な圧縮とは、５％以下の圧縮である。場合によっては、大幅な圧縮とは１０％以下の圧縮である。場合によっては、大幅な圧縮とは、１５％以下の圧縮である。場合によっては、大幅な圧縮とは、２０％以下の圧縮である。場合によっては、大幅な圧縮とは、圧力流に対するＧＤＬ抵抗を増大させる加圧流体流に対する抵抗を指し、その結果、デッドゾーンの閾値パーセンテージを超えて先の圧縮が生じる。場合によっては、そのしきい値は２％を超える。場合によっては、そのしきい値は３％を超える。場合によっては、そのしきい値は４％を超える。場合によっては、そのしきい値は５％を超える。場合によっては、そのしきい値は６％を超える。場合によっては、そのしきい値は７％を超える。場合によっては、そのしきい値は８％を超える。場合によっては、そのしきい値は９％を超える。場合によっては、そのしきい値は１０％を超える。

ＧＤＬは、その中で流体の流れと拡散を提供するように構成された多孔質材料であるけれども、ＧＤＬ自体とガスケットの環状内壁との間にセパレータを形成するのに十分な構造を提供する。図６は、長方形ＧＤＬ４０と協働してデッドゾーンを最小化し、および／または長方形ＧＤＬを位置決めする、成形された封止ガスケット２０２を備えた燃料電池２００を示す。開示の目的のために、封止ガスケットは、容積「Ｖ」を形成するように構成された連続した環状壁を具備する。

成形された封止ガスケット２０２は、２つの入口ステップ壁２２０Ａおよび２２０Ｂで形成される。これらのステップ壁は平面内で９０度離れて配置され、容積「Ｖ」の一部を移動させて入口キャッチ２２１を形成する。ガスケットの反対側の角には、２つの出口ステップ壁２２２Ａおよび２２２Ｂが形成される。成形された封止ガスケット２０２は、２つの入口ステップ壁２２０Ａおよび２２０Ｂで形成される。これらのステップ壁は平面内で９０度離れて配置され、容積「Ｖ」の一部を移動させて入口キャッチ２２１を形成する。ガスケットの反対側の角には、２つの出口ステップ壁２２２Ａおよび２２２Ｂが形成される。これらのステップ壁は、平面内で約９０度離れて配置され、容積「Ｖ」の一部を置き換えて出口キャッチ２２３を形成する。ガスケットに形成されたキャッチは、ＧＤＬを一貫して予想通りに位置決めする。この配置は、同じ寸法のガスケットおよび同じ材料で形成された同じＧＤＬを使用する複数の燃料電池上に実質的に同じ寸法の入口および出口プレナムを形成するように構成される。燃料電池ごとのプレナムの変動は、構成要素を挟んだときのガスケットおよび／またはＧＤＬの歪みの変動に限定されます。ここでの経験とテストにより、そのような変動は無視でき、プレナムを通る一貫した所定の流体の流れやＧＤＬを通る拡散に悪影響を及ぼさないことが示されている。

図６は、ＧＤＬの長さまたは幅と比較した入口ギャラリの長さおよび出口ギャラリの長さを示すけれども、その数値は、ＧＤＬに対するギャラリ比に関して限定することを意図したものではない。図７～１４は、実験したいくつかの追加の実装を示している。比率の違いごとに図を示すのは非常に負担がかかる。したがって、これらの数値は限界を設定するものではなく、ＧＤＬの長さまたは幅に対する入口および出口ギャラリの比率のスペクトルを表す。どちらを選択するかは、ＧＤＬが構成されている材料、ギャラリの幅および／または形状、または燃料電池の動作条件に依存する可能性がある。当業者（当業者）が理解するであろうことは、本開示の範囲は、ギャラリの下への圧力に対する抵抗と、デッドゾーンを制限するために利用されるＧＤＬを横切る圧力に対する抵抗との間のバランスに関するものであるということであり、これは、場合によっては、アクティブ領域内のデッドゾーンを制限するため、一貫した高い動作効率を実現します。図６～１４に関して、これらの効率は、長方形ＧＤＬの組み立ての単純さとコストの利点によってもたらされ、成形されたＧＤＬを使用することによって生じる無駄を排除する。

図７および図８は、封止ガスケット内の長方形のＧＤＬを示す。図８は、複数の入口と出口を示す。図７に示される例示的なガスケット／ＧＤＬの組み合わせ２５０は、２つの端壁２５４および２つの側壁２５６で構成された長方形のＧＤＬを捕捉するための成形された環状内壁を具備しない長方形の封止ガスケット２５２を具備する。長方形の入口端壁ギャラリ２０４は入口プレナム１８６に対応し、これは、入口１４０に流体接続されて形成されるけれども、入口側壁までは延在しない。この例において、出口端壁ギャラリ２０８は、出口１４５に流体接続されて形成される出口プレナム１８８に対応するけれども、出口側壁までは延在しない。

図８に示される例示的なガスケット／ＧＤＬの組み合わせ２６０は、同様に成形されたキャッチのない長方形である封止ガスケット２６２を具備し、入口端壁ギャラリ２０４は、複数の入口１４０および１４０’に流体接続される入口プレナム１８６に対応するけれども、入口側壁までは延在しない。この例において、出口端壁ギャラリ２０８は、複数の出口１４５および１４５’に流体接続される出口プレナム１８８に対応するけれども、出口側壁までは延在しない。複数の入口と出口を追加すると、勾配の急峻さを軽減したり、複数の分圧勾配を形成して流体をＧＤＬ内に均一に拡散させることができる。

図９および図１０は、図６に示されるものよりも短い入口側壁ギャラリ２０６および短い出口側壁ギャラリ２１０を具備する入口および出口プレナムを示す。図９および図１０に示される図は、改善された位置決め安定性を具備する。図９に示す例示的なガスケット／ＧＤＬ形成プレナム２６５は、平面内で９０度離れて配置されたステップ壁を備えた成形封止ガスケット２６７を提供し、容積「Ｖ」の一部を置き換えて入口キャッチ２２１を形成する。成形されたシールの出口キャッチ２２３は出口キャッチ２２３を提供する。キャッチは、図６の例を参照して説明したように機能する。図１０は、複数の入口１４０および１４０’および複数の出口１４５および１４５’を提供するという点で図９とは異なる。

図１１に示す例示的なガスケット／ＧＤＬの組み合わせ２７５は、ステップ壁２２０Ａおよび２２０Ｂによって形成された入口キャッチ２２１を備えた形状の封止ガスケット２７７を具備し、ＧＤＬ４０の角を捕らえて位置決めする。成形された封止ガスケット２７５の対角線のコーナに設けられた、出口端壁ギャラリ２０８の１つの一部からの突出部２２４は、真っ直ぐな出口バリア２２５を形成し、これは、ＧＤＬ４０に対して効果的にシールし、入口キャッチと協働して、ｘ方向およびｙ方向のうちの１つの位置決めを実現する。

図１２および図１３は、テーパ状の入口プレナムおよび出口プレナムを開示している。図１２に示す例示的なガスケット／ＧＤＬの組み合わせ２８０は、角度がついたまたは先細りの入口側壁ギャラリ２０６および出口側壁ギャラリ２１０を備えた形状の封止ガスケット２８２を具備する。この例において、入口端壁ギャラリ２０４も、出口端壁ギャラリ２０６も存在しない。むしろ、入口１４０は入口側壁ギャラリ２０６に流体接続され、出口は出口側壁ギャラリ２０８に流体接続される。長方形のＧＤＬは、この構成では各端部で確実に保持される。

図１３に示される例示的なガスケット／ＧＤＬの組み合わせ２８５は、傾斜したまたは先細りの入口端壁ギャラリ２０４、側壁ギャラリ２０６、出口端壁２０８および出口側壁ギャラリ２１０を伴うプレナムを形成する封止ガスケット２８７を具備する。端壁ギャラリと側壁ギャラリの両方にガスが供給されると、入口キャッチ２２１が長方形のＧＤＬの第１の角をシールするように形成される。出口キャッチ２２３は、第１の角から対角に配向された長方形のＧＤＬの第２の角をシールするように形成される。この例において、デッドゾーンを最小限に抑えることができる。ただし、組み立て中に長方形のＧＤＬが移動する可能性（およびスタック内の燃料電池間の効率および一貫性に対するその影響）は、図６～１２を参照して説明した例よりも高い。しかしながら、適切な環境とアセンブリ制御の下では、この例ではアクティブ領域のデッドゾーンはより小さくなって良い。

図１４に示す例示的なガスケット／ＧＤＬの組み合わせ２９０は、入口および出口プレナムを形成する封止ガスケット２９２を具備する。入口１４０は入口プレナム１８６に流体接続されており、入口プレナム１８６は入口端壁ギャラリ２０４から２つの傾斜した側壁ギャラリ２０６Ｂおよび２０６Ａに及ぶ流体接続領域である。側壁ギャラリは、一般に第１および第２の側壁５６および５８の延長部分である拡張ガスケット領域２９５を介してシールされ、側壁は長方形のＧＤＬ４０の縁部に対してシールする。出口１４５は出口プレナム１８８に流体接続されており、出口プレナム１８８は出口端壁ギャラリ２０８から２つの傾斜した側壁ギャラリ２１０Ｂおよび２１０Ａに及ぶ流体接続領域である。側壁ギャラリは、第１および第２の側壁５６および５８の全体的に拡張された部分である拡張ガスケット領域２９５を介してシールされ、側壁は長方形のＧＤＬ４０の縁部に対してシールする。

例示的な図に示すような、封止ガスケットと長方形のＧＤＬの環状壁との間に形成される入口および／または出口ギャラリの比率は、限定することを意図したものではない。

入口端壁ギャラリ（２０４）対長方形ＧＤＬ端壁（２５４）の比は、約１：１～約１：５、約１：１～約１：４．５、約１：１～約１：４、約１：１～約１：３．５、約１：１～約１：３、約１：１～約１：２．５、約１：１～約１：２、約１：１～約１：１．５、および約１：１～約１：０である。出口端壁ギャラリ（２０６）対長方形ＧＤＬ端壁（２５４）の比は、約１：１～約１：５、約１：１～約１：４．５、約１：１～約１：４、約１：１～約１：３．５、約１：１～約１：３、約１：１～約１：２．５、約１：１～約１：２、、約１：１～約１：１．５、そして約１：１～約１：０である。入口側壁ギャラリ（２０６）対長方形ＧＤＬ側壁（２５６）は、約１：１～約１：５、約１：１～約１：４．５、約１：１～約１：４、約１：１～約１：３．５、、約１：１～約１：３、約１：１～約１：２．５、約１：１～約１：２、約１：１～約１：１．５、約１：１～約１：０の間である。出口側壁ギャラリ（２１０）対長方形ＧＤＬ側壁（２５６）の比は、約１：１～約１：５、約１：１～約１：４．５、約１：１～約１：４、約１：１～約１：３．５、約１：１～約１：３、約１：１～約１：２．５、約１：１～約１：２、約１：１～約１：１．５、および約１：１～約１：０である。

上述の説明のための側面は例示的なものであり、互いに限定するものではないことが理解されるであろう。

この開示は、種々の図面の種々の側面に関連して説明されてきたけれども、その広範な発明概念から逸脱することなく、上述の側面に変更を加えることができることが当業者には理解されよう。したがって、この開示は開示された側面に限定されず、特許請求の範囲によって定義される、この開示の精神および範囲内の変更を網羅するものであることが理解される。

複数の個別の側面に関連して先に説明された、これら開示の特徴は、単一の側面において組み合わせて提供されてもよい。逆に、単一の側面に関連して説明される、当該開示の種々の特徴は、個別に提供されて良いし、または任意のサブコンビネーションで提供されて良い。最後に、所定の側面は一連のステップの一部またはより一般的な構造の一部として説明されて良いけれども、各ステップはそれ自体独立した側面であり、他と組み合わせることができると考えて良い。

ここでの値の範囲の記載は、ここで別段の記載がない限り、その範囲内にあるそれぞれの個別の値を個別に参照する簡略的な方法として機能することを単に意図しており、個別の各値は、あたかもここで個別に記載されているかのようにここに組み込まれる。ここに記載されるすべての方法は、ここに別段の記載がない限り、または文脈と明らかに矛盾しない限り、任意の適切な順序で実行することができる。

リストが提示される場合、別段の記載がない限り、そのリストの個々の要素、およびそのリストのすべての組み合わせが別個の実施例であることを理解されたい。例えば、「Ａ、Ｂ、またはＣ」として提示された実施例のリストは、「Ａ」、「Ｂ」、「Ｃ」、「ＡまたはＢ」、「ＡまたはＣ」、「ＢまたはＣ」または「Ａ、Ｂ、またはＣ」と解釈されるべきである。

Claims

効率的な流体分布を具備する膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）において、
イオン移動膜（２０）と、
アノード（２２）およびカソード（２４）のうちの１つと、
ガス拡散アセンブリとを有し、
上記ガス拡散アセンブリは、
容積「Ｖ」を具備する流体収容空間を形成する封止ガスケット（５０／５０’）と、
第１のインターフェース（７０）と、
上記ガスケットを介して上記流体収容空間と流体連通する少なくとも１つの入口（１４０）と、
上記ガスケットを介して上記流体収容空間と流体連通する少なくとも１つの出口（１４５）と、
上記流体収容空間内に適合するように構成された、２つの端壁と２つの側壁を有するほぼ平面状の長方形の多孔質ガス拡散層（ＧＤＬ）（４０）であって、これにより、上記第１のインターフェースはイオン移動膜に対してシール可能である、上記ＧＤＬ（４０）と、
上記ＧＤＬの少なくとも１つの縁部および上記流体収容空間の環状壁の周囲に形成された、少なくとも１つの入口プレナム（１８６）と、
上記ガス拡散インサートＧＤＬの少なくとも１つの縁部および上記流体収容空間の環状壁の周囲に形成される、少なくとも１つの出口プレナム（１８８）とを有し、
入口キャッチ（２２１）および出口キャッチ（２２３）が、上記ＧＤＬを位置決めするために、上記ガスケットの互いに対角の角に設けられ、
各キャッチは、上記ＧＤＬとの平面内で互いに９０度に配置された２つのステップ壁部を具備し、
各キャッチは、上記ボリュームＶの一部を置き換え、
各キャッチは、上記封止ガスケットに対して上記ＧＤＬを部分的にシールすることを特徴とする膜電極アセンブリ。
上記入口プレナム（１８６）が、上記ＧＤＬの端部（２５４）と上記ガスケットの上記入口端部（５２）との間にある、請求項１に記載の膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）。
上記出口プレナム（１８８）が、上記ＧＤＬの端部（２５４）と上記ガスケットの上記出口端部（５４）との間にある、請求項１に記載の膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）。
入口端壁ギャラリ（２０４）および入口側壁ギャラリ（２０６）が流体接続されて上記入口プレナム（１８６）を形成する、請求項１～３のいずれかに記載の膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）。
出口端壁ギャラリ（２０８）および出口側壁ギャラリ（２１０）が流体接続されて、上記出口プレナム（１８８）を形成する、請求項１～４のいずれかに記載の膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）。
端壁入口ギャラリと長方形のＧＤＬ端壁との比が、１：１～１：５、１：１～１：４．５、１：１～１：４、１：１～１：３．５、１：１～１：３、１：１～１：２．５、１：１～１：２、１：１～１：１．５、および１：１～１：０である先行する請求項のいずれかに記載の膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）。
端壁出口ギャラリと長方形のＧＤＬ端壁との比が、１：１～１：５、１：１～１：４．５、１：１～１：４、１：１～１：３．５、１：１～１：３、１：１～１：２．５、１：１～１：２、１：１～１：１．５、および１：１～１：０の間である、請求項１に記載の膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）。
上記横方向壁入口ギャラリと上記長方形ＧＤＬ側壁（２５６）との比率が１：１～１：５、１：１～１：４．５、１：４、１：１～１：３．５、１：１～１：３、１：１～１：２．５、１：１～１：２、１：１～１：１．５、および１：１～１：０である先行する請求項のいずれかに記載の膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）。
横方向出口壁ギャラリと長方形ＧＤＬ側壁（２５６）との比率が１：１～１：５、１：１～１：４．５、１：１～１：４、１：１～１：３．５、１：１～１：３、１：１～１：２．５、１：１～１：２、１：１～１：１．５、および１：１～１：０である先行する請求項のいずれかに記載の膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）。