JP6360061B2 - 電気化学セルのための弾性フロー構造 - Google Patents
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Description
[001]本出願は、参照により本明細書に組み入れられる２０１２年１０月５日付けで出願された米国仮出願第６１／７１０，０７３号の利益を主張する。
発明の分野
[002]本発明の開示は、電気化学セルを対象とし、より具体的には、電気化学セルで使用するための弾性フロー構造の設計を対象とする。
[002]本発明の開示は、電気化学セルを対象とし、より具体的には、電気化学セルで使用するための弾性フロー構造の設計を対象とする。
[003]電気化学セルは通常、燃料電池として分類され、化学反応から電流を発生させるのに使用されるデバイスである。燃料電池技術は、例えば運搬用車両や携帯用の電力供給用途などの様々な技術にとって、従来の電源の有望な代替物を提供する。燃料電池は、燃料（例えば水素、天然ガス、メタノール、ガソリンなど）の化学エネルギーを酸素または他の酸化剤との化学反応を介して電気に変換する。この化学反応は、典型的には電気、熱、および水を生産する。基礎的な燃料電池は、負電荷を有するアノード、正電荷を有するカソード、および電解質と呼ばれるイオン伝導性材料を含む。
[004]様々な燃料電池技術において様々な電解質材料が利用されている。プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池は、例えば、電解質として高分子イオン伝導膜を利用する。水素ＰＥＭ燃料電池において、水素原子は、アノードで電気化学的に電子と陽子（水素イオン）とに分離する。アノードにおける電気化学反応は、２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ−である。
[005]反応によって生産された電子は、電気負荷回路を介してカソードに流れ、直流電流が生じる。この反応によって生産された陽子は電解質膜を介してカソードに拡散する。電解質は、負電荷を有する電子を通過させずに正電荷を有するイオンを通過させるように設計できる。
[008]電解質を介して陽子が通過した後、陽子は、カソードで電気負荷回路を通過した電子と反応できる。カソードでの電気化学反応により、Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏで示されるように、水および熱が生産される。
[007]１つの燃料電池は、作動中、一般的には約１ボルトを生産できる。特定の用途にとって望ましい量の電力を得るには、個々の燃料電池を組み合わせて燃料電池スタックを形成する。各セルがカソード、電解質膜、およびアノードを包含する燃料電池を、連続して一緒にスタックする。各カソード／膜／アノード接合体は、「膜電極接合体」（ＭＥＡ）を構成し、これは通常、バイポーラプレートの両面上に支持される。プレート中に形成されたチャネルまたは溝（これは、流れ場として知られている）を介してＭＥＡの電極にガス（水素および空気）が供給される。バイポーラプレート（これは、流れ場プレートまたはセパレータープレートとしても知られている）は、機械的な支持を提供することに加えて、スタック中の個々のセルを電気的に連結しつつ物理的に分離する。またバイポーラプレートは、集電装置としても作用し、チャネルを介してそれぞれの電極表面に燃料と酸化剤とを供給し、さらにセル作動中に形成された水を除去するためのチャネルを提供することができる。典型的には、バイポーラプレートは、例えばステンレス鋼、チタンなどの金属、および例えばグラファイトなどの非金属の電気導体から作製される。
[008]加えて、典型的な燃料電池スタックは、燃料および酸化剤をそれぞれアノードおよびカソードの流れ場に向かわせるためのマニホールドおよび注入口ポートを包含する。また燃料電池スタックは、個々のセルの作動中に生成した熱を吸収するための冷却剤流体をスタック内の内部チャネルに向かわせるためのマニホールドおよび注入口ポートを包含する場合もある。また燃料電池スタックは、過量のガスおよび冷却水を追い出すための排気マニホールドおよび出口ポートも包含する。
[009]図１は、ＰＥＭ燃料電池１０の様々な構成要素を示す概略的な分解組立図である。示した通り、バイポーラプレート２は、アノード７Ａ、カソード７Ｃ、および電解質膜８を含むＭＥＡの両側に配置されている。アノード７Ａに供給された水素原子は、電気化学的に電子と陽子（水素イオン）とに分けられる。電子は、電気回路（示さず）を介してカソード７Ｃに流れその過程で電気を発生させ、それと同時に陽子は、電解質膜８を介してカソード７Ｃに移動する。カソードでは、陽子は（カソードに供給された）電子および酸素と結合して、水および熱が生産される。
[010]加えて、ＰＥＭ燃料電池１０は、燃料電池内のＭＥＡの両側に導電性ガス拡散層（ＧＤＬ）５を含む。ＧＤＬ５は、セル内のガス及び液体の輸送を可能にする拡散媒体として機能し、バイポーラプレート２と電解質膜８との間で電気伝導をもたらし、セルから熱やプロセス水を除去するのに役立ち、場合によっては電解質膜８への機械的な支持を提供する。
[011]典型的な燃料電池において、電解質膜の両側の反応物であるガスは、流れ場を通って流動し、多孔質ＧＤＬを通って拡散して電解質膜に到達する。流れ場とＧＤＬとが隣接して配置されており、内部の流体ストリームで連結されていることから、以降特に他の規定がない限り、流れ場とＧＤＬとを集合的に「フロー構造」と称する。しかしながら、立体的な多孔質金属ＧＤＬと組み合わせて従来のチャネルタイプ流れ場を使用すること、従来のＧＤＬと組み合わせて立体的な多孔質金属流れ場を使用すること、または流れ場およびＧＤＬの両方として立体的な多孔質金属基板を使用することは、本発明の開示の範囲内である。
[012]電解質膜の両側の反応物であるガスは異なる圧力で存在することが多いため、ＭＥＡ全体で圧力差が生じる。圧力差は、ＭＥＡを高圧から低圧に移動させる力をＭＥＡ上にもたらす。この移動の結果、高圧側においてフロー構造とＭＥＡの接触表面との接触圧力の低下とそれらの分離が起こる可能性がある。圧力の低下とそれに続くＭＥＡの接触表面と高圧フロー構造との分離は、電気伝導を低下させ、それら２つの間の接触抵抗を増加させることにより、燃料電池の効率を低下させると考えられる。高圧作動による接触圧力の低下と分離によって、この非効率さを克服するために電気化学セル用フロー構造の設計を改善する継続的な必要性がある。
[013]本発明の開示は、電気化学セルで使用するための改善されたフロー構造の設計を対象とする。特に、本発明の開示は、電気化学セルと共に使用するための弾性フロー構造の設計を対象とする。このようなデバイスは、これらに限定されないが、燃料電池、電解セル、水素精製機、水素エキスパンダー（hydrogen expander）、および水素圧縮機などの高差圧下での電気化学セルの作動で使用される可能性がある。
[014]本発明の開示の一態様は、第一のフロー構造、第二のフロー構造、および第一のフロー構造と第二のフロー構造との間に配置された膜電極接合体を含み得る電気化学セルを対象とし；ここで第二のフロー構造は、第一のフロー構造より大きい剛性（stiffness）を有する。
[015]他の実施態様において、第一のフロー構造および第二のフロー構造の剛性は、第一のフロー構造の中心から第二のフロー構造の中心に向かう縦軸に実質的に平行な方向で測定できる。他の実施態様において、第一のフロー構造が膜電極接合体との物理的な接触を維持できるように、第一のフロー構造と第二のフロー構造との圧力差によって引き起こされる膜電極接合体の移動に対して弾性的に拡張するように第一のフロー構造が設計されていてもよい。他の実施態様において、第一のフロー構造および第二のフロー構造は、実質的に同じ特性を有する材料で構築されてもよく、第一のフロー構造の長さは、第二のフロー構造の長さより長くてもよく、ここで第一のフロー構造の長さおよび第二のフロー構造の長さは、前記縦軸に沿って測定される。
[016]他の実施態様において、第一のフロー構造は、第一の材料で構築されてもよく、第二のフロー構造は、第一の材料の弾性係数より大きい弾性係数を有する第二の材料で構築されてもよく、第一のフロー構造の長さは、第二のフロー構造の長さより短くてもよく、ここで第一のフロー構造の長さおよび第二のフロー構造の長さは、前記縦軸に沿って測定される。他の実施態様において、第一のフロー構造は、少なくとも２つの材料の層を包含していてもよく、少なくとも２つの材料の層のうち少なくとも１つは、第二のフロー構造材料の剛性より小さい剛性を有する。
[017]他の実施態様において、少なくとも１つの第二の層は、第二のフロー構造より長い長さを有していてもよいし、または第二のフロー構造の弾性係数より小さい弾性係数を有していてもよい。他の実施態様において、第一のフロー構造は、第二のフロー構造より低い弾性係数を有する材料で構築されてもよいし、第一のフロー構造の長さは、第二のフロー構造の長さより長くてもよく、ここで第一のフロー構造の長さおよび第二のフロー構造の長さは、前記縦軸に沿って測定される。他の実施態様において、第一のフロー構造は、電気化学セルのカソード側にあってもよいし、第二のフロー構造は、電気化学セルのアノード側にあってもよい。
[018]他の実施態様において、第一のフロー構造は、スチールウールを含んでいてもよい。他の実施態様において、第一のフロー構造は、ニッケルクロムなどの金属発泡体を含んでいてもよい。他の実施態様において、第一のフロー構造は、炭素繊維で作製されたクロス、紙、およびウールのうち少なくとも１つを含んでいてもよい。他の実施態様において、最大１４，０００ｐｓｉの差圧での作動時における電気化学セルのセル抵抗測定値は、０ｐｓｉの差圧での作動時における電気化学セルのセル抵抗測定値の６倍未満であってもよい。
[019]本発明の開示の別の態様は、第一のフロー構造、第二のフロー構造、および第一のフロー構造と第二のフロー構造との間に配置された膜電極接合体；一対のバイポーラプレート（ここで第一のフロー構造、第二のフロー構造、および膜電極接合体は、一対のバイポーラプレートの間に配置される）；ならびにばね機構（a spring mechanism）（ここでばね機構は、第一のフロー構造と第一のフロー構造に隣接するバイポーラプレートとの間に配置され、第一のフロー構造に、実質的に膜電極接合体に向かう方向で圧力をかける）を含み得る電気化学セルを対象とする。
[020]他の実施態様において、ばね機構は、プレートおよび少なくとも１つのらせん形の円板ばねを含んでいてもよい。他の実施態様において、ばね機構は、少なくとも１つのリーフ型ばねを含んでいてもよい。他の実施態様において、ばね機構は、少なくとも１つの波型ばねを含んでいてもよい。他の実施態様において、ばね機構は、少なくとも１つのディンプルプレートを含んでいてもよい。他の実施態様において、最大１４，０００ｐｓｉの差圧での作動時における電気化学セルのセル抵抗測定値は、０ｐｓｉの差圧での作動時における電気化学セルのセル抵抗測定値の６倍未満であってもよい。
[021]本発明の開示の別の態様は、電気化学セルを構築する方法を対象とし、本方法は、弾性係数、断面積、および長さを有する第一のフロー構造を選択すること；弾性係数、断面積、および長さを有する第二のフロー構造を選択すること；第一のフロー構造と第二のフロー構造との間に膜電極接合体を配置すること；一対のバイポーラプレートの間に第一のフロー構造、第二のフロー構造、および膜電極接合体を配置すること；および
第一のフロー構造を第一の圧縮状態に圧縮すること
を含んでいてもよく、ここで第一の圧縮状態は、作動中に第一のフロー構造が第二の拡張状態に拡張するような弾性係数、長さ、および断面積のうち少なくとも１つに基づく。
第一のフロー構造を第一の圧縮状態に圧縮すること
を含んでいてもよく、ここで第一の圧縮状態は、作動中に第一のフロー構造が第二の拡張状態に拡張するような弾性係数、長さ、および断面積のうち少なくとも１つに基づく。
[022]他の実施態様において、第一のフロー構造および第二のフロー構造を選択することにおいて、第一のフロー構造の弾性係数が、第二のフロー構造の弾性係数と実質的に同じになり、第一のフロー構造の長さが、第二のフロー構造の長さより長くなるように、第一のフロー構造が構成されていてもよい。他の実施態様において、第一のフロー構造および第二のフロー構造を選択することにおいて、第一のフロー構造の弾性係数は、第二のフロー構造の弾性係数より小さくし、第一のフロー構造の長さは、第二のフロー構造の長さより短いかまたはそれに等しくしてもよい。
[023]他の実施態様において、第一のフロー構造および第二のフロー構造を選択することにおいて、第一のフロー構造の弾性係数は、第二のフロー構造の弾性係数より小さくし、第一のフロー構造の長さは、第二のフロー構造の長さより長くしてもよい。他の実施態様において、１４，０００ｐｓｉより大きい差圧での作動時における電気化学セルのセル抵抗測定値は、０ｐｓｉの差圧での作動時における電気化学セルのセル抵抗測定値の６倍未満であってもよい。
[024]本発明の開示の別の態様は、電気化学セルの操作方法を対象とし、本方法は、第一の位置から第一の位置と異なる第二の位置に第一のフロー構造を圧縮すること、ここで第一の位置から第二の位置への移行中、第一のフロー構造は実質的に膜電極接合体と接触したままであり；ここで第一の位置から第二の位置への移行中、膜電極接合体の逆側における第二のフロー構造は実質的に膜電極接合体と接触したままであり；および第一のフロー構造を加圧して、第一の位置から第二の位置への第一のフロー構造の移行を引き起こし、膜電極接合体全体に差圧をもたらすことを含んでいてもよい。
[025]他の実施態様において、最大１４，０００ｐｓｉの差圧での作動時における電気化学セルのセル抵抗測定値は、０ｐｓｉの差圧での作動時における電気化学セルのセル抵抗測定値の６倍未満であってもよい。他の実施態様において、第二のフロー構造は、第一のフロー構造より大きい剛性を有していてもよい。
[026]前述の一般的な説明および以下の詳細な説明はいずれも単なる例示および説明であり、特許請求された開示を制限しないと理解されるものとする。
[027]添付の図面は、本明細書に組み込まれてその一部を構成し、本発明の開示の実施態様を説明と共に例示するものであり、本開示の原理を説明するのに役立つ。
[040]以下、開示された本発明の典型的な実施態様について詳細に述べ、その例を添付の図面で例示する。可能な限り、同じまたは類似の部品を指す場合は図面全体にわたり同じ参照番号を使用する。水素、酸素、および水を採用するＰＥＭ燃料電池に関して説明するが、本発明の開示のデバイスおよび方法は、高差圧下で作動する電気化学セルなど様々な種類の電気化学セルと共に採用できることが理解されよう。
[041]本発明の開示は、電気化学セルで使用するための弾性フロー構造の設計を対象とする。このような電気化学セルにおいて、十分なセルの電気伝導を維持し、圧力差の全範囲にわたりセル抵抗を低下させるために、一般的に各フロー構造とＭＥＡとの間に十分な接触圧力が維持できるように、弾性フロー構造が設計される。
[042]図２は、典型的な実施態様に係るＰＥＭ燃料電池２００の概略的な分解組立図である。燃料電池２００は、２つのバイポーラプレート２１０、２２０を含んでいてもよい。バイポーラプレート２１０は、燃料電池２００の高圧側に配置され、バイポーラプレート２２０は、燃料電池２００の低圧側に配置される。バイポーラプレートは、アルミニウム、鋼、ステンレス鋼、チタン、銅、Ｎｉ−Ｃｒ合金、または他のあらゆる導電性材料から作製できる。
[043]燃料電池２００は、バイポーラプレート２１０、２２０に加えて、膜電極接合体（「ＭＥＡ」）２３０を含んでいてもよく、ここで膜電極接合体２３０は、右側に第一のフロー構造２４０および左側に第二のフロー構造２５０を有していてもよい。示した通り、第一のフロー構造２４０は、ＭＥＡ２３０とバイポーラプレート２１０との間に配置され、第二のフロー構造２５０は、ＭＥＡ２３０とバイポーラプレート２２０との間に配置される。バイポーラプレート２１０、２２０は、燃料電池スタック中で燃料電池２００を隣接する燃料電池（示さず）から隔てている。いくつかの他の実施態様において（示さず）、セルスタック中の２つの隣接する燃料電池は、バイポーラプレートを共有していてもよい。
[044]ＭＥＡ２３０は、アノード２３１、カソード２３２、およびＰＥＭ２３３を含んでいてもよい。ＰＥＭ２３３は、アノード２３１とカソード２３２との間に配置されて、アノードとカソードとを互いに電気的に絶縁していてもよい。ＰＥＭ２３３は、純粋な高分子膜または複合膜を含んでいてもよく、ここで他の材料、例えばシリカ、ヘテロポリ酸、層状の金属リン酸塩、リン酸塩、およびリン酸ジルコニウムが高分子マトリックス中に埋め込まれていてもよい。ＰＥＭ２３３は、陽子を透過させることができるが電子を伝達させないものでよい。アノード２３１およびカソード２３２は、触媒を含有する多孔質炭素電極を含んでいてもよい。触媒材料、例えば白金は、酸素と燃料との反応の速度を高めることができる。ＭＥＡ２３０の寸法は、用途および負荷要件に応じて規模拡張してもよいし、または規模縮小してもよい。ＭＥＡ２３０の厚さは、ＰＥＭ２３３の厚さ、加えてアノード２３１およびカソード２３２における触媒材料の濃度に基づいていてもよい。
[045]第一のフロー構造２４０および第二のフロー構造２５０は、バイポーラプレート２１０、２２０とＭＥＡ２３０との間の電気伝導をもたらし、同時に燃料電池２００内のガスおよび液体を輸送するための媒体も供給する。加えて、第一のフロー構造２４０および第二のフロー構造２５０は、ＭＥＡ２３０に機械的な支持も提供できる。
[046]第一のフロー構造２４０および第二のフロー構造２５０は、「フリット」タイプの高密度に焼結された金属を含んでいてもよい。加えて、層状のフロー構造（すなわちスクリーンパックおよびエキスパンドメタル）を使用してもよい。金属発泡体から加工された立体的な多孔質基板または他の多孔質金属基板の使用も可能である。多孔質金属材料は、例えばステンレス鋼、チタン、アルミニウム、ニッケル、鉄などの金属、または例えばニッケルクロム合金などの金属合金を含んでいてもよい。高圧または高差圧セルにおいて、金属発泡体または立体的な多孔質金属基板は、従来のチャネルタイプ流れ場の代替物として使用できる。
[047]所定の実施形態において、高圧フロー構造は、スチールウールなどの金属製のウールで構成されていてもよい。ウールのフロー構造は、様々なグレードの鋼で作製されていてもよいし、または他の金属、例えばステンレス鋼、チタン、アルミニウム、ニッケル、鉄、ニッケル−クロム、もしくは別の金属合金で作製されていてもよい。加えて、ウールのフロー構造は、炭素、金、窒化チタンなどの耐食性コーティングを有する金属からも作製できる。他の実施態様において、フロー構造は、炭素繊維から、クロス、紙、またはウールのフロー構造の形態で作製できる。
[048]典型的な実施態様において、燃料電池２００は、高差圧での作動に使用でき、その間、燃料電池２００中の第一のフロー構造２４０は、作動中に、ＭＥＡ２３０の反対側の第二のフロー構造２５０より高い流体圧力に晒される。本発明の開示の目的に関して、第一のフロー構造は、「高圧フロー構造」を構成すると予想され、第二のフロー構造は、「低圧フロー構造」を構成すると予想される。
[049]燃料電池２００は、最大１５，０００ｐｓｉの差圧で作動できると考えられている。このような作動条件によって、燃料電池２００中のフロー構造は約１５，０００ｐｓｉに等しいかまたはそれより大きい応力レベルに圧縮され得る。高差圧燃料電池の典型的な実施態様において、低圧フロー構造（すなわち、第二のフロー構造２５０または燃料電池のアノード側）は、高圧フロー構造（すなわち、第一のフロー構造２４０または燃料電池のカソード側）の密度より大きい密度で形成されてもよい。
[050]上記で説明したように、第一のフロー構造２４０および第二のフロー構造２５０は、バイポーラプレート２１０、２２０とＭＥＡ２３０との間の電気伝導のための媒体として機能することに加えて、ＭＥＡ２３０に機械的な支持を提供できる。典型的な実施態様において、高圧側における第一のフロー構造２４０からのＭＥＡ２３０に作用する高圧流体は、低圧側における第二のフロー構造２５０によって提供される構造的な支持と対向していてもよい。
[051]図３Ａは、燃料電池３００の典型的な実施態様を例示する。図２で示されるように、燃料電池３００は、２つのバイポーラプレート３１０および３２０、ＭＥＡ３３０、第一のフロー構造３４０、ならびに第二のフロー構造３５０を含んでいてもよい。しかしながら、図３Ａで開示された実施態様は、ばね機構３６０をさらに含んでいてもよい。ばね機構３６０は、第一のフロー構造３４０と高圧バイポーラプレート３１０との間に取り付けられてもよい。
[052]ばね機構３６０は、例えば、図３Ｂで示されるようならせん形の円板ばね３６５、図３Ｃで示されるようなリーフ型ばね３６６、図３Ｄで示されるような波型ばね３６７、図３Ｅで示されるようなディンプルプレート３６８、またはその他の等価な機構を含んでいてもよい。ばね機構３６０は、第一のフロー構造３４０の縦軸３８０に実質的に平行に力３７０が加えられるように設計されていてもよい。上記で説明したように、燃料電池３００が高圧（すなわち最大１５，０００ｐｓｉ）で、結果として高差圧で作動する場合、カソード側の圧力の駆動力によってＭＥＡ３３０が低圧側に向かって移動するにつれて、低圧の流れ場は収縮してより薄くなると予想される。接触表面３９０でのＭＥＡ３３０と第一のフロー構造３４０との接触圧力の低下とそれらの分離を制限するために、実際にＭＥＡ３３０の移動に続いて第一のフロー構造が燃料電池３００の低圧側に向かって移動するように、ばね機構３６０は、第一のフロー構造に力３７０を働かせることができる。ばね機構３６０は、アルミニウム、鋼、ステンレス鋼、チタン、銅、Ｎｉ−Ｃｒ合金、炭素繊維または他のあらゆる等価な構造的な導電性材料で作製できる。
[053]図３Ｂは、ばね機構３６０の典型的な実施態様を例示しており、ここでばね機構３６０は、プレート３１０と少なくとも１つのらせん形の円板ばね３６５とを含んでいてもよい。複数のらせん形の円板ばね３６５を使用してもよい。プレート３１０は、プレート中の少なくとも１つまたは複数の凹部を有する実質的に平坦なプレート３１０になるように設計されていてもよく、各凹部は、１つのらせん形の円板ばね３６５を受けるのに好適な形態になっていてもよい。プレート３１０とらせん形の円板ばね３６５とが接合体を形成していてもよく、この接合体は、バイポーラプレート３１０と第一のフロー構造３４０との間に配置されていてもよい。プレート３１０は、隣接する第一のフロー構造３４０上で、１つまたはそれより多くのらせん形の円板ばね３６５の力を均一に分配させることができる。代替の実施態様において（示さず）、らせん形の円板ばね３６５または複数のばねは、平坦なプレート３１０にエッチングされていてもよい。らせん形の円板ばね３６５およびプレート３１０の寸法は、燃料電池３００全体の厚さが実質的に増加しないような寸法であってもよい。
[054]典型的な実施態様においてばね機構３６０は、接触表面３９０の分離によるセル抵抗の増加を制限するための、第一のフロー構造３４０とバイポーラプレート３１０との間の電気伝導媒体として作用する可能性がある。
[055]加えて、ばね機構３６０は、複数の個々のばねで構成されていてもよいし、または単一のばねを包含していてもよい。ばね機構３６０は、第一のフロー構造３４０全体にわたり均一な力がもたらされるように設計されていてもよい。ばね機構３６０は、一定または可変のばね定数を有していてもよい。ばね機構を弱めて、燃料電池の状態を迅速に平衡に戻すか、または燃料電池圧力の変動によって引き起こされる振動を抑制するようにしてもよい。
[056]図３Ｅは、ばね機構３６０の典型的な実施態様を例示しており、ここでばね機構は、ディンプルプレート３６８で構成することができる。ディンプルプレートは、ディンプルの突起でホイルを型押しすることにより形成してもよい。ディンプルプレートは、ばね状の特性を示し得る。ディンプルプレートは、アルミニウム、鋼、ステンレス鋼、チタン、銅、Ｎｉ−Ｃｒ合金、または他の導電性材料から作製できる。力３７０を生産するために、１つまたはそれより多くのディンプルプレートを使用してもよい。
[057]図４は、燃料電池４００の代替の実施態様を示す。図２および３Ａで示されるように、燃料電池４００は、２つのバイポーラプレート４１０および４２０、ＭＥＡ４３０、第一のフロー構造４４０、ならびに第二のフロー構造４５０を含んでいてもよい。しかしながら、図４に開示された実施態様は、図３Ａで例示したようなばね機構を利用しない。その代わりに、第一のフロー構造４４０が、より硬い構造的特性を示す第二のフロー構造４５０と比べてよりフレキシブルな構造的特性を示すことによってばねと実質的に同じように機能するように、第一のフロー構造４４０が設計されていてもよい。
[058]材料要素の剛性は、その要素の構造の特性である。すなわち剛性（ｋ）は、以下の方程式（１）で示されるように、断面積（Ａ）、要素の長さ（Ｌ）、および弾性係数（Ｅ）の関数である。
ｋ＝（ＡＥ）／Ｌ （１）
[059]構造または要素の剛性は、設計に影響する可能性があるため、弾性係数は、材料の選択に影響する可能性がある。たわみまたは圧縮が望ましくない場合に、高い弾性係数が求められる可能性があり、一方でフレキシビリティーまたは拡張が必要とされる場合、低い弾性係数が求められる可能性がある。
ｋ＝（ＡＥ）／Ｌ （１）
[059]構造または要素の剛性は、設計に影響する可能性があるため、弾性係数は、材料の選択に影響する可能性がある。たわみまたは圧縮が望ましくない場合に、高い弾性係数が求められる可能性があり、一方でフレキシビリティーまたは拡張が必要とされる場合、低い弾性係数が求められる可能性がある。
[060]図４で示されるように、第一のフロー構造４４０は、第二のフロー構造４５０の長さＬ２より長い長さＬ１を有していてもよい。方程式（１）に基づいて、同じ断面積と同じ弾性係数とを有する２つの要素は、剛性（ｋ）における差を有すると予想され、剛性（ｋ）における差は、要素の長さにおける差に依存する。例えば、第一のフロー構造４４０が、第二のフロー構造４５０の長さＬ２の２倍にあたる長さＬ１を有する場合、結果的に、第二のフロー構造４５０は第一のフロー構造の２倍「硬い」こととなる。
[061]図４で示されるような第一のフロー構造４４０および第二のフロー構造４５０は、実質的に同じ断面積と実質的に同じ弾性係数とを有する。それゆえに、第一のフロー構造４４０および第二のフロー構造４５０は、燃料電池４００内で以下のように作動する可能性がある。ＭＥＡ４３０全体に差圧が構築されると、その圧力によって発生した力が、ＭＥＡ４３０を第二のフロー構造４５０に移動させると予想される。図４に示した実施態様のケースにおいて、第二のフロー構造４５０は、第一のフロー構造４４０より実質的に「硬い」。「より硬い」第二のフロー構造４５０は、差圧によって発生した力の結果としてわずかに圧縮して弾性的に変形すると予想される。第二のフロー構造４５０の圧縮を最小にしながら、「ばね状」の第一のフロー構造４４０を、ＭＥＡ４３０の動きに応答してより顕著に収縮または拡張させることができる。ＭＥＡ４３０の動きに対応する第一のフロー構造４４０の拡張は、燃料電池４００の差圧が増加する際のＭＥＡ４３０と第一のフロー構造４４０との接触圧力および電気伝導を維持することを可能にする。
[062]代替の実施態様において、図４で示されるような第一のフロー構造４４０および第二のフロー構造４５０は、実質的に同じ断面積を有し、第一のフロー構造４４０は、第二のフロー構造４５０の弾性係数より小さい弾性係数を有し、第一のフロー構造４４０の長さＬ１は、第二のフロー構造４５０の長さＬ２より長い。方程式（１）に基づいて、第一のフロー構造４４０および第二のフロー構造４５０の長さおよび弾性係数における差の両方のために、第二のフロー構造４５０は、第一のフロー構造４５０より硬くなる。
[063]図５は、燃料電池５００の代替の実施態様を示す。図４で示されるように、燃料電池５００は、２つのバイポーラプレート５１０および５２０、ＭＥＡ５３０、第一のフロー構造５４０、ならびに第二のフロー構造５５０を含んでいてもよい。しかしながら、図５に示される実施態様は、異なる材料組成を有する第一のフロー構造５４０および第二のフロー構造５５０を包含する。例えば、第一のフロー構造５４０は、第二のフロー構造５５０の弾性係数より小さい弾性係数を有する材料を含んでいてもよい。方程式（１）に基づいて、第一のフロー構造５５０の長さＬ１は、第二のフロー構造５５０の長さＬ２と実質的に等しくてもよく、それでもなお第一のフロー構造５４０および第二のフロー構造５５０の弾性係数における差に応じて、「より硬い」第二の流れ場５５０と比べて「ばね状」の物理的特性を示す。例えば、第一および第二のフロー構造５４０、５５０の両方が、同じ断面積（Ａ）および同じ長さ（Ｌ）を有するが、第一のフロー構造５４０が、第二のフロー構造５５０の弾性係数値の半分にあたる弾性係数を有する場合、第二のフロー構造５５０は第一のフロー構造５４０の約２倍「硬い」こととなる。
[064]方程式（１）に基づいて、第一のフロー構造５４０の長さＬ１は、第二のフロー構造５５０の長さＬ２より短くてもよく、それでもなお「より硬い」第二のフロー構造５５０に比べて「ばね状」の物理的特性を示す。例えば、両方のフロー構造の断面積（Ａ）が同じであり、第二のフロー構造５５０の長さＬ２が第一のフロー構造５４０の長さＬ１の約２倍であり、第一のフロー構造５４０が第二のフロー構造５５０の４分の１の弾性係数を有する場合、第二のフロー構造５５０は、第一のフロー構造５４０の約２倍「硬い」こととなる。
[065]図６は、燃料電池６００の代替の実施態様を示す。図４および図５で示されるように、燃料電池６００は、２つのバイポーラプレート６１０および６２０、ＭＥＡ６３０、第一のフロー構造６４０、ならびに第二のフロー構造６５０を含んでいてもよい。しかしながら、図５に開示された実施態様のように、第一のフロー構造６４０は、ラミネートされた、または別の方法で連結された２つの層、すなわち第一の層６６０および第二の層６７０を含んでいてもよく、ここで第一のフロー構造６４０を含む２つの層は、組み合わされると、相対的な「硬い」第二のフロー構造と比較して「ばね状」になる。例えば、第一の層６６０は、第二のフロー構造６５０の弾性係数より小さい弾性係数を有する材料で構成されていてもよく、第二の層６７０は、第二のフロー構造６５０の長さＬ２より長い長さＬ４を有していてもよい。加えて、第一の層６６０は、第二のフロー構造６５０の弾性係数より小さい弾性係数を有する材料で構成されていてもよいし、第二の層６７０は、第二のフロー構造６５０の弾性係数より大きい弾性係数を有していてもよい。
[066]示された第一のフロー構造と第二のフロー構造との様々な可能性のある構造の例は、単なる典型例であり、本発明の開示は示された例に限定されず、その代わりに本発明の開示は、第一のフロー構造と第二のフロー構造との望ましい剛性の比率が達成されるように第一および第二のフロー構造を構築できるようなフロー構造のあらゆるバリエーションを包含する。
[067]方程式（１）に基づく様々な実施態様において、第一のフロー構造および第二のフロー構造の弾性係数および長さを変更して、２つのフロー構造間のコンプライアンス比（compliance ratio）を最適化することが可能である。コンプライアンス比が適正であれば、セル抵抗の増加を制限しつつ全範囲の差次的な作動圧力によってＭＥＡと各フロー構造との接触圧力が確実に維持される。
[068]弾性係数をちょうど超えるフロー構造を設計する際に考慮される可能性がある追加の要因としては、材料の細孔サイズ、表面粗さ、熱抵抗率、導電率、耐食性などが挙げられる。
[069]方程式（１）に関して上で論じられたように、材料要素の長さ（Ｌ）および弾性係数（Ｅ）を変化させると、フロー構造の剛性に影響を与えると予想される。他の実施態様において、フロー構造の剛性（ｋ）を変更するために、断面積（Ａ）を改変してもよい。例えば、フロー構造の有益な剛性またはコンプライアンス比を達成するために、フロー構造の長さまたは弾性係数を変化させるよりも、断面積を変更してもよい。断面積（Ａ）を変化させることに加えて、フロー構造は、不均一な断面積（Ａ）を含んでいてもよく、この断面積はフロー構造の長さに沿った領域中で様々であってもよい。例えば、フロー構造の長さに沿って不均一な断面積を有するフロー構造は、凸型の端部を有していてもよく、このような凸型の端部は、加圧下で平らになって各端部でフロー構造と接触する表面積を増加させる。
[070]上記で説明した実施態様を適用することにより、電気化学セル、特に高圧条件下で作動する電気化学セルの性能を改善することができる。事前テストから、弾性のカソードフロー構造は、電気化学セル内で作動圧力が増加するときのセル抵抗の増加を制限できることが実証された。図７は、３種の異なるフロー構造の立体配置のテスト結果を例示するグラフである。３種のフロー構造の立体配置は、３種の異なるカソードフロー構造の立体配置と組み合わされた硬いアノードフロー構造を含む。３種の異なるカソードフロー構造の立体配置は、硬いフロー構造、ばね機構、およびばね状フロー構造を含む。硬いフロー構造は、金属発泡体のカソードフロー構造を含む。ばね機構は、典型的な実施態様で説明したようなディンプルプレートを含む。ばね状フロー構造は、アノードフロー構造の弾性係数より小さい弾性係数と、アノードフロー構造の長さより長い長さとを有するフロー構造を含む。セルは、アノード電極、カソード電極、およびプロトン伝導性膜と共に、上記で示されたアノードおよびカソードフロー構造からなる。２つのバイポーラプレートを使用してセルを封入し、構造的な圧縮プレートおよびタイロッドを使用してセルを圧縮し、ガスシールをはめ込んだ。
[071]テストでは、電気化学セルのカソード側を少なくとも１３，０００ｐｓｉの圧力までガスで加圧することが行われた。各フロー構造の立体配置で、圧力を増加させながら、セル抵抗をＡＣミリオーム−メーターを使用して測定した。図７に、セル抵抗対カソードに適用した圧力のプロットを示すテスト結果を例示する。図７から、約４５ミリオームから約４６５ミリオームに増加させることによってカソードへの圧力を増加させた結果、硬いフロー構造は、最も大きくセル抵抗を増加させたことが示される。ばね状フロー構造は硬いフロー構造より優れた性能を発揮したが、ばね機構と同じではなかった。ばね機構が、テスト中最良の性能を発揮した。ばね機構のテスト中、セル抵抗は約７ミリオームから約３８ミリオームに増加した。
[072]ばね機構は最も低いセル抵抗の増加を示すことに加えて、ばね機構の初期抵抗は、テストされた他の全てのフロー構造の初期抵抗より小さい。
[073]図７は、「硬い」アノードフロー構造と、「ばね状」であるかまたはばね機構と組み合わされたカソードフロー構造との組み合わせは、より優れた電気化学セル性能および効率を達成できる圧力でのセル抵抗の増加を制限できることを例示する。
[074]図８は、典型的な実施態様に係るスチールウールのフロー構造８００の図画を示す。スチールウールのフロー構造８００は、紡糸されて一緒に束になりパッド状になった、複数の微細な軟鋼フィラメントで構成されていてもよい。スチールウールのフロー構造８００外縁の形状および厚さは、セルの設計および用途に基づき変更できる。代替の実施態様において、ウールのフロー構造は、様々なグレードの鋼フィラメントで作製してもよいし、または他の導電性フィラメント、例えばステンレス鋼、チタン、アルミニウム、ニッケル、鉄、ニッケル−クロム、他の金属合金、もしくは炭素繊維で作製してもよい。代替実施態様は、実質的に類似した特性を有する異なる構造を包含していてもよく、例えば、異なる金属合金で構成される金属発泡体を包含していてもよい。
[075]本明細書の考察および本明細書において開示された本発明の実施から、当業者には本発明の他の実施態様は明らかであると予想される。本明細書および実施例は単なる典型例とみなされものとし、本発明の真の範囲および本質は以下の特許請求の範囲で示される。
Claims (12)
- 第一のフロー構造、第二のフロー構造、および第一のフロー構造と第二のフロー構造との間に配置された膜電極接合体を含む電気化学セルであって、
第一のフロー構造が、第二のフロー構造より低い弾性係数を有する材料で構築され、 第一のフロー構造の長さが、第二のフロー構造の長さより長く、ここで第一のフロー構造の長さおよび第二のフロー構造の長さは、第一のフロー構造の中心から第二のフロー構造の中心に向かう縦軸に沿って測定され、
第二のフロー構造は、第一のフロー構造より大きい剛性を有し、第一のフロー構造および第二のフロー構造の剛性が、前記縦軸に実質的に平行な方向で測定され、
膜電極接合体において、第一のフロー構造はカソード側に配置され、第二のフロー構造はアノード側に配置され、
電気化学セルの作動時にカソード側とアノード側とで圧力差が存在するとき、第一のフロー構造が第二のフロー構造よりも高い流体圧力に晒される、上記電気化学セル。 - 第一のフロー構造と第二のフロー構造との圧力差によって引き起こされる膜電極接合体の移動に対して弾性的に拡張するように第一のフロー構造が設計されており、それにより第一のフロー構造の膜電極接合体との物理的な接触が維持される、請求項１に記載の電気化学セル。
- 第一のフロー構造が、第一の層および第二の層を含み、前記第一の層は、第二のフロー構造の材料の剛性より小さい剛性を有する、請求項１に記載の電気化学セル。
- 前記第二の層が、第二のフロー構造より長い長さを有するか、または第二のフロー構造の弾性係数より小さい弾性係数を有する、請求項３に記載の電気化学セル。
- 第一のフロー構造が、スチールウールを含む、請求項１に記載の電気化学セル。
- 第一のフロー構造が、ニッケルクロムを含む金属発泡体を含む、請求項１に記載の電気化学セル。
- 第一のフロー構造が、炭素繊維で作製されたクロス、紙、およびウールのうち少なくとも１つを含む、請求項１に記載の電気化学セル。
- 最大１４，０００ｐｓｉ（９６．５２７ＭＰａ）の差圧での作動時における電気化学セルのセル抵抗測定値が、０ｐｓｉ（０ＭＰａ）の差圧での作動時における電気化学セルのセル抵抗測定値の６倍未満である、請求項１に記載の電気化学セル。
- 電気化学セルを構築する方法であって、該方法は：
弾性係数、断面積、および長さを有する第一のフロー構造を選択すること；
弾性係数、断面積、および長さを有する第二のフロー構造を選択すること、ここで第一のフロー構造は第二のフロー構造より低い弾性係数を有する材料で構築され、第一のフロー構造の長さは第二のフロー構造の長さより長く、第一のフロー構造の長さおよび第二のフロー構造の長さは第一のフロー構造の中心から第二のフロー構造の中心に向かう縦軸に沿って測定され、第二のフロー構造は第一のフロー構造より大きい剛性を有し、第一のフロー構造および第二のフロー構造の剛性は前記縦軸に実質的に平行な方向で測定される；
第一のフロー構造と第二のフロー構造との間に膜電極接合体を配置すること、ここで電膜電極接合体において、第一のフロー構造はカソード側に配置され、第二のフロー構造はアノード側に配置され、電気化学セルの作動時にカソード側とアノード側とで圧力差が存在するとき、第一のフロー構造は第二のフロー構造よりも高い流体圧力に晒される；
一対のバイポーラプレートの間に第一のフロー構造、第二のフロー構造、および膜電極接合体を配置すること；および
第一のフロー構造を第一の圧縮状態に圧縮すること、ここで第一の圧縮状態は、作動中に第一のフロー構造が第二の拡張状態に拡張するような弾性係数、長さ、および断面積のうち少なくとも１つに基づく；
を含む、上記方法。 - １４，０００ｐｓｉ（９６．５２７ＭＰａ）より大きい差圧での作動時における電気化学セルのセル抵抗測定値が、０ｐｓｉ（０ＭＰａ）の差圧での作動時における電気化学セルのセル抵抗測定値の６倍未満である、請求項９に記載の方法。
- 電気化学セルの操作方法であって：
第一の位置から第一の位置と異なる第二の位置に第一のフロー構造を圧縮すること、ここで第一の位置から第二の位置への移行中、第一のフロー構造は実質的に膜電極接合体と接触したままであり、
第一の位置から第二の位置への移行中、膜電極接合体の逆側における第二のフロー構造は実質的に膜電極接合体と接触したままであり、
膜電極接合体において、第一のフロー構造はカソード側に配置され、第二のフロー構造はアノード側に配置され、
電気化学セルの作動時にカソード側とアノード側とで圧力差が存在するとき、第一のフロー構造は第二のフロー構造よりも高い流体圧力に晒される；および
第一のフロー構造を加圧して、第一の位置から第二の位置への第一のフロー構造の移行を引き起こし、膜電極接合体を通じて差圧をもたらすこと、ここで第一のフロー構造は第二のフロー構造より低い弾性係数を有する材料で構築され、
第一のフロー構造の長さは第二のフロー構造の長さより長く、第一のフロー構造の長さおよび第二のフロー構造の長さは第一のフロー構造の中心から第二のフロー構造の中心に向かう縦軸に沿って測定され、
第二のフロー構造は第一のフロー構造より大きい剛性を有し、第一のフロー構造および第二のフロー構造の剛性は前記縦軸に実質的に平行な方向で測定される；
を含む、上記操作方法。 - 最大１４，０００ｐｓｉ（９６．５２７ＭＰａ）の差圧での作動時における電気化学セルのセル抵抗測定値が、０ｐｓｉ（０ＭＰａ）の差圧での作動時における電気化学セルのセル抵抗測定値の６倍未満である、請求項１１に記載の方法。
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