特許 7573440 燃料セルプレートおよび流れ構造設計

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-10-17

(45)【発行日】2024-10-25

(54)【発明の名称】燃料セルプレートおよび流れ構造設計

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/0258 20160101AFI20241018BHJP

   H01M 8/0247 20160101ALI20241018BHJP

   H01M 8/0273 20160101ALI20241018BHJP

   H01M 8/021 20160101ALI20241018BHJP

   H01M 8/0232 20160101ALI20241018BHJP

   H01M 8/10 20160101ALI20241018BHJP

   C25B 9/00 20210101ALI20241018BHJP

【ＦＩ】

H01M8/0258

H01M8/0247

H01M8/0273

H01M8/021

H01M8/0232

H01M8/10 101

C25B9/00 A

【請求項の数】 30

(21)【出願番号】P 2020539188

(86)(22)【出願日】2019-01-17

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2021-05-06

(86)【国際出願番号】 US2019013950

(87)【国際公開番号】W WO2019143781

(87)【国際公開日】2019-07-25

【審査請求日】2022-01-11

(31)【優先権主張番号】62/618,223

(32)【優先日】2018-01-17

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】505163578

【氏名又は名称】ヌヴェラ・フュエル・セルズ，エルエルシー

(74)【代理人】

【識別番号】100118902

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 修

(74)【代理人】

【識別番号】100106208

【弁理士】

【氏名又は名称】宮前 徹

(74)【代理人】

【識別番号】100196508

【弁理士】

【氏名又は名称】松尾 淳一

(72)【発明者】

【氏名】ガンビーニ，フィリッポ

(72)【発明者】

【氏名】バーンド，パトリック

(72)【発明者】

【氏名】ドミット，エドワード

(72)【発明者】

【氏名】バーガー，アンドリュー

【審査官】渡部 朋也

(56)【参考文献】

【文献】特開２０００－０９１２２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－０２６６９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１５／１８２４０４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００６－１８５８８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－０７３２３１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ８／０２－８／０２９７

Ｈ０１Ｍ ８／１０

Ｃ２５Ｂ ９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

長手方向軸に沿って積層される複数の電気化学セルを備えた電気化学セルスタックであって、前記複数の電気化学セルのうちの１つまたは複数は、
カソード触媒層、アノード触媒層、および、前記カソード触媒層と前記アノード触媒層との間に介在させられる高分子膜を備えた膜電極接合体と、
アノードプレートおよびカソードプレートであって、前記膜電極接合体は前記アノードプレートと前記カソードプレートとの間に介在させられる、アノードプレートおよびカソードプレートと、
前記カソードプレートと前記カソード触媒層との間に配置されるカソード流れ場であって、多孔質構造を備えたカソード流れ場と
を備え、
前記多孔質構造は、算術平均粗さが約２．５４μｍ（１００μインチ）未満であるように平滑である、前記多孔質構造の第１の側の１つまたは複数の表面領域を有し、前記１つまたは複数の表面領域は、前記膜電極接合体に面し、前記１つまたは複数の表面領域は、前記膜電極接合体のサブガスケットと合わせられた、
電気化学セルスタック。

【請求項2】

請求項１に記載の電気化学セルスタックであって、前記アノードプレートは、前記アノード触媒層に面するアノード流れ場を形成する複数のチャネルを規定する、電気化学セルスタック。

【請求項3】

請求項１に記載の電気化学セルスタックであって、前記アノードプレートまたは前記カソードプレートのうちの少なくとも１つは、コーティングされない３１６ステンレス鋼合金から形成される、電気化学セルスタック。

【請求項4】

請求項１に記載の電気化学セルスタックであって、前記アノードプレート上の１つまたは複数の表面の、１つまたは複数の一部分は、約０．３３０２μｍ（１３μインチ）から約０．７１１２μｍ（２８μインチ）の算術平均粗さを有する、電気化学セルスタック。

【請求項5】

請求項１に記載の電気化学セルスタックであって、前記アノードプレート上の１つまたは複数の表面の、１つまたは複数の一部分は、約０．１２７μｍ（５μインチ）から約０．８８９μｍ（３５μインチ）の算術平均粗さを有する、電気化学セルスタック。

【請求項6】

請求項１に記載の電気化学セルスタックであって、前記アノードプレートのすべての表面は、約０．３３０２μｍ（１３μインチ）から約０．７１１２μｍ（２８μインチ）の算術平均粗さを有する、電気化学セルスタック。

【請求項7】

請求項１に記載の電気化学セルスタックであって、前記カソードプレート上の１つまたは複数の表面の、１つまたは複数の一部分は、約０．３３０２μｍ（１３μインチ）から約０．７１１２μｍ（２８μインチ）の算術平均粗さを有する、電気化学セルスタック。

【請求項8】

請求項１に記載の電気化学セルスタックであって、前記カソードプレート上の１つまたは複数の表面の、１つまたは複数の一部分は、約０．１２７μｍ（５μインチ）から約０．８８９μｍ（３５μインチ）の算術平均粗さを有する、電気化学セルスタック。

【請求項9】

請求項１に記載の電気化学セルスタックであって、前記カソードプレートのすべての表面は、約０．３３０２μｍ（１３μインチ）から約０．７１１２μｍ（２８μインチ）の算術平均粗さを有する、電気化学セルスタック。

【請求項10】

請求項１に記載の電気化学セルスタックであって、前記多孔質構造の第１の側は、前記第１の側の算術平均粗さが約２．５４μｍ（１００μインチ）未満であるように平滑であり、前記第１の側は、前記膜電極接合体に面する、電気化学セルスタック。

【請求項11】

カソード触媒層、アノード触媒層、および、前記カソード触媒層と前記アノード触媒層との間に介在させられる高分子膜を備えた膜電極接合体と、
アノードプレートおよびカソードプレートであって、前記膜電極接合体は前記アノードプレートと前記カソードプレートとの間に介在させられる、アノードプレートおよびカソードプレートと、
前記カソードプレートと前記カソード触媒層との間に配置されるカソード流れ場であって、多孔質構造を備えたカソード流れ場と
を備えた電気化学セルであって、
前記多孔質構造は、算術平均粗さが約２．５４μｍ（１００μインチ）未満であるように平滑である、前記多孔質構造の第１の側の１つまたは複数の表面領域を有し、前記１つまたは複数の表面領域は、前記膜電極接合体に面し、前記１つまたは複数の表面領域は、前記膜電極接合体のサブガスケットと合わせられた、
電気化学セル。

【請求項12】

請求項１１に記載の電気化学セルであって、前記アノードプレートは、前記アノード触媒層に面するアノード流れ場を形成する複数のチャネルを規定する、電気化学セル。

【請求項13】

請求項１１に記載の電気化学セルであって、前記アノードプレートまたは前記カソードプレートのうちの少なくとも１つは、コーティングされない３１６ステンレス鋼合金から形成される、電気化学セル。

【請求項14】

請求項１１に記載の電気化学セルであって、前記アノードプレート上の１つまたは複数の表面の、１つまたは複数の一部分は、約０．３３０２μｍ（１３μインチ）から約０．７１１２μｍ（２８μインチ）の算術平均粗さを有する、電気化学セル。

【請求項15】

請求項１１に記載の電気化学セルであって、前記アノードプレート上の１つまたは複数の表面の、１つまたは複数の一部分は、約０．１２７μｍ（５μインチ）から約０．８８９μｍ（３５μインチ）の算術平均粗さを有する、電気化学セル。

【請求項16】

請求項１１に記載の電気化学セルであって、前記アノードプレートのすべての表面は、約０．３３０２μｍ（１３μインチ）から約０．７１１２μｍ（２８μインチ）の算術平均粗さを有する、電気化学セル。

【請求項17】

請求項１１に記載の電気化学セルであって、前記カソードプレート上の１つまたは複数の表面の、１つまたは複数の一部分は、約０．３３０２μｍ（１３μインチ）から約０．７１１２μｍ（２８μインチ）の算術平均粗さを有する、電気化学セル。

【請求項18】

請求項１１に記載の電気化学セルであって、前記カソードプレート上の１つまたは複数の表面の、１つまたは複数の一部分は、約０．１２７μｍ（５μインチ）から約０．８８９μｍ（３５μインチ）の算術平均粗さを有する、電気化学セル。

【請求項19】

請求項１１に記載の電気化学セルであって、前記カソードプレートのすべての表面は、約０．３３０２μｍ（１３μインチ）から約０．７１１２μｍ（２８μインチ）の算術平均粗さを有する、電気化学セル。

【請求項20】

カソードプレートと膜電極接合体との間に配置されるカソード流れ場を備えた電気化学セルであって、
前記カソード流れ場は多孔質構造を備え、
前記多孔質構造の第１の側の１つまたは複数の表面領域は、算術平均粗さが約２．５４μｍ（１００μインチ）未満であるように平滑であり、
前記第１の側は前記膜電極接合体に面し、
前記１つまたは複数の表面領域のうちの少なくとも１つは、前記膜電極接合体のサブガスケットと合わせられた、
電気化学セル。

【請求項21】

請求項２０に記載の電気化学セルであって、前記多孔質構造の前記第１の側全体は、算術平均粗さが約２．５４μｍ（１００μインチ）未満であるように平滑な表面である、電気化学セル。

【請求項22】

請求項２０に記載の電気化学セルであって、前記多孔質構造の第２の側は第１のカソード分配チャネルおよび第２のカソード分配チャネルを有し、該第１のカソード分配チャネルおよび第２のカソード分配チャネルは、前記カソードプレートに面する前記多孔質構造の表面内の凹所に据えられる、電気化学セル。

【請求項23】

請求項２２に記載の電気化学セルであって、前記多孔質構造は、前記第１のカソード分配チャネルおよび前記第２のカソード分配チャネルの全体を通して形成される複数の支持特徴部を含む、電気化学セル。

【請求項24】

請求項２０に記載の電気化学セルであって、前記多孔質構造は、少なくともニッケルおよびクロムを含む、電気化学セル。

【請求項25】

請求項２４に記載の電気化学セルスタックであって、前記多孔質構造は、約６０質量％から約８０質量％のニッケル濃度、および、約２０質量％から約４０質量％のクロム濃度を含み、前記多孔質構造の少なくとも１つの表面は、約３質量％から約５０質量％のクロム濃度を含む、電気化学セルスタック。

【請求項26】

請求項２４に記載の電気化学セルスタックであって、前記多孔質構造は、約３％から約６％のクロム濃度、約１０％から約２０％のスズ濃度、および、約７４％から約８７％のニッケル濃度を含む、電気化学セルスタック。

【請求項27】

請求項２６に記載の電気化学セルスタックであって、前記多孔質構造の少なくとも１つの表面は、約１０質量％から約４５質量％のクロム濃度を含む、電気化学セルスタック。

【請求項28】

請求項２４に記載の電気化学セルスタックであって、前記多孔質構造の第１の表面は、反対の第２の表面より高いクロム濃度を有する、電気化学セルスタック。

【請求項29】

請求項２８に記載の電気化学セルスタックであって、前記第１の表面は、約３質量％から約５０質量％の範囲に及ぶクロム濃度を有し、前記第２の表面は、約３質量％未満のクロム濃度を有する、電気化学セルスタック。

【請求項30】

請求項４から８のいずれか一項に記載の電気化学セルスタックであって、前記粗さは、前記アノードプレートまたはカソードプレート上へと、スタンピング、エッチング、研磨、または圧延加工される、電気化学セルスタック。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

[001]本出願は、２０１８年１月１７日に出願された、米国仮出願第６２／６１８，２２３号の利益を主張するものであり、その米国仮出願は、その全体が参照により組み込まれている。

【0002】

[002]本開示は、電気化学セル、より詳細には、改善されたプレートおよび流れ構造表面設計を伴う電気化学セルを対象とする。

【背景技術】

【0003】

[003]普通は燃料セルまたは電解セルと分類される電気化学セルは、化学反応から電流を発生させる、または、電流の流れを使用して化学反応を誘導するために使用されるデバイスである。例えば、燃料セルは、燃料（例えば、水素、天然ガス、メタノール、ガソリン、その他）および酸化剤（空気または酸素）の化学エネルギーを、電気、ならびに、熱および水の廃棄生成物へと変換する。基本的な燃料セルは、負帯電アノードと、正帯電カソードと、電解質と呼ばれるイオン伝導材料とを備える。

【0004】

[004]異なる燃料セル技術は、異なる電解質材料を利用する。プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料セルは、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燃料セルにおいて、水素原子が、アノードにおいて電子およびプロトン（水素イオン）へと電気化学的に分けられる。電子は、次いで、回路を通ってカソードに流れ、電気を発生させ、一方で、プロトンは、電解質膜を通ってカソードに拡散する。カソードにおいて、水素プロトンは、電子および酸素（カソードに供給される）と組み合わさって、水および熱を生成する。

【0005】

[005]電解セルは、逆に動作させられる燃料セルを表す。基本的な電解セルは、外部電位が付与されるときに、水を水素および酸素ガスへと分解することにより、水素発生器として機能する。水素燃料セルまたは電解セルの基本的な技術は、電気化学的水素圧縮、精製、または膨張などの電気化学的水素操作に応用され得る。電気化学的水素操作は、水素管理に対して従前から使用される機械的システムに対する存立可能な代替案として出現した。エネルギー担体としての水素の成功裏の商業化、および、「水素経済」の長期の持続可能性は、主として、燃料セル、電解セル、および他の水素操作／管理システムの、効率およびコスト有効度に依存する。

【0006】

[006]動作において、単一の燃料セルは、一般的には、約１ボルトを発生させることができる。所望される量の電力を得るために、個々の燃料セルは、燃料セルスタックを形成するために組み合わされ、燃料セルは、順次的に一体に積層される。各々の燃料セルは、カソードと、電解質膜と、アノードとを含み得る。カソード／膜／アノード接合体は、典型的にはバイポーラプレートにより両方の側で支持される、「膜電極接合体」すなわち「ＭＥＡ」の構成物である。反応物ガス、すなわち、燃料（例えば、水素）および酸化剤（例えば、空気または酸素）が、流れ場を通してＭＥＡの電極に供給される。機械的支持を提供することに加えて、バイポーラプレート（さらには流れ場プレートまたはセパレータプレートとして知られている）は、スタック内の個々のセルを物理的に分離し、一方で、それらのセルを電気的に接続する。燃料セルスタックは、燃料および酸化剤を、アノードおよびカソード流れ場それぞれに導くための、マニホールドおよび入口ポートを含み得る。燃料セルスタックは、さらには、過剰燃料および酸化剤を駆逐するための、排気マニホールドおよび出口ポートを含む。燃料セルスタックは、さらには、燃料セルスタックにより発生させられる熱を駆逐する助けとなる冷却剤流体を循環させるためのマニホールドを含み得る。

【0007】

[007]製造のコストを減少しながら、燃料セルの信頼性、性能特性、および堅牢性を改善することの継続する必要性が存する。例えば、燃料セルスタック内の構成要素の間の接触抵抗を減少することがしばしば望ましく、そのことは、化学反応が燃料セルスタックの中で起こるレートを増大することができる。一部の先の燃料セルスタックにおいて、セルの中のプレートは、接触抵抗を低下させるためにコーティングされてきた。しかしながら、コーティングされたプレートは、普通、燃料セルスタックを製造するコストを増大する。一部の事例において、接触抵抗を減少するためにコーティングを塗布することは、法外なコストになり得る。そのようなコーティングに対する代替案が、それゆえに望ましくあり得る。

【0008】

[008]加えて、燃料セルのＭＥＡにわたる燃料および／または酸化剤がリークすること（例えば、クロスオーバ）を防止するために、ＭＥＡを包囲するガスケットが、アノードおよびカソード区画を分離するために利用されてきた。しかしながら、ガスケットが、隣接する構造（例えば、流れ場構造）により破壊されるリスクを回避または低減するために、ガスケットの厚さが増大されてきたが、このことは、燃料セルの総体的な厚さおよび／または体積が増大することを結果的に生じさせることがある。より厚いガスケットを使用してガスケット破壊を防止することに対する代替案が、それゆえに望ましくあり得る。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

[009]開示される燃料セルプレートおよび流れ構造設計は、上記で論述された１つもしくは複数の問題、および／または、既存の技術に関する他の問題を克服することを対象とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

[010]１つの態様において、本開示は、電気化学セルスタックを対象とする。電気化学セルスタックは、長手方向軸に沿って積層される複数の電気化学セルを備え得る。複数の電気化学セルのうちの１つまたは複数は、カソード触媒層、アノード触媒層、およびカソード触媒層とアノード触媒層との間に介在させられる高分子膜を含む膜電極接合体を含み得る。複数の電気化学セルのうちの１つまたは複数は、さらには、アノードプレートおよびカソードプレートであって、膜電極接合体が、それらのアノードプレートとカソードプレートとの間に介在させられる、アノードプレートおよびカソードプレートと、カソードプレートとカソード触媒層との間に配置されるカソード流れ場とを含み得る。カソード流れ場は、多孔質構造を含み得る。アノードプレートは、アノード触媒層に面するアノード流れ場を形成する複数のチャネルを規定し得る。アノードプレートまたはカソードプレートのうちの少なくとも１つは、コーティングされない３１６ステンレス鋼合金から形成され得る。アノードプレート上の１つまたは複数の表面の、１つまたは複数の一部分は、約０．３３０２μｍ（１３μインチ）から約０．７１１２μｍ（２８μインチ）の算術平均粗さを有し得る。アノードプレート上の１つまたは複数の表面の、１つまたは複数の一部分は、約０．１２７μｍ（５μインチ）から約０．８８９μｍ（３５μインチ）の算術平均粗さを有し得る。複数の電気化学セルのうちの１つまたは複数は、すべての表面が約０．３３０２μｍ（１３μインチ）から約０．７１１２μｍ（２８μインチ）の算術平均粗さを有するアノードプレートを含み得る。複数の電気化学セルのうちの１つまたは複数は、約０．３３０２μｍ（１３μインチ）から約０．７１１２μｍ（２８μインチ）の算術平均粗さを有する、カソードプレート上の１つまたは複数の表面の、１つまたは複数の一部分を含み得る。複数の電気化学セルのうちの１つまたは複数は、約０．１２７μｍ（５μインチ）から約０．８８９μｍ（３５μインチ）の算術平均粗さを有する、カソードプレート上の１つまたは複数の表面の、１つまたは複数の一部分を含み得る。複数の電気化学セルのうちの１つまたは複数は、すべての表面が約０．３３０２μｍ（１３μインチ）から約０．７１１２μｍ（２８μインチ）の算術平均粗さを有するカソードプレートを含み得る。複数の電気化学セルのうちの１つまたは複数は、多孔質構造を含み得るものであり、その多孔質構造は、平滑である、多孔質構造の第１の側の１つまたは複数の表面領域を有し、１つまたは複数の表面領域は、膜電極接合体に面し、１つまたは複数の表面領域は、膜電極接合体のサブガスケットと位置合わせする。多孔質構造の第１の側は、第１の側の算術平均粗さが約２．５４μｍ（１００μインチ）未満であるように平滑であり得るものであり、第１の側は、膜電極接合体に面し得る。

【0011】

[011]別の態様において、本開示は、電気化学セルを対象とする。電気化学セルは、カソード触媒層、アノード触媒層、およびカソード触媒層とアノード触媒層との間に介在させられる高分子膜を備える膜電極接合体を含み得る。電気化学セルは、さらには、アノードプレートおよびカソードプレートであって、膜電極接合体が、それらのアノードプレートとカソードプレートとの間に介在させられ、カソードプレートが、カソード触媒層に隣接して配置される、アノードプレートおよびカソードプレートを含み得る。電気化学セルは、カソードプレートとカソード触媒層との間に配置されるカソード流れ場であって、多孔質構造を含む、カソード流れ場を含み得る。アノードプレートは、アノード触媒層に面するアノード流れ場を形成する複数のチャネルを規定し得る。アノードプレートまたはカソードプレートのうちの少なくとも１つは、コーティングされない３１６ステンレス鋼合金から形成され得る。アノードプレート上の１つまたは複数の表面の、１つまたは複数の一部分は、約０．３３０２μｍ（１３μインチ）から約０．７１１２μｍ（２８μインチ）の算術平均粗さを有し得る。アノードプレート上の１つまたは複数の表面の、１つまたは複数の一部分は、約０．１２７μｍ（５μインチ）から約０．８８９μｍ（３５μインチ）の算術平均粗さを有し得る。電気化学セルは、すべての表面が約０．３３０２μｍ（１３μインチ）から約０．７１１２μｍ（２８μインチ）の算術平均粗さを有するアノードプレートを含み得る。カソードプレート上の１つまたは複数の表面の、１つまたは複数の一部分は、約０．３３０２μｍ（１３μインチ）から約０．７１１２μｍ（２８μインチ）の算術平均粗さを有し得る。カソードプレート上の１つまたは複数の表面の、１つまたは複数の一部分は、約０．１２７μｍ（５μインチ）から約０．８８９μｍ（３５μインチ）の算術平均粗さを有し得る。電気化学セルは、すべての表面が約０．３３０２μｍ（１３μインチ）から約０．７１１２μｍ（２８μインチ）の算術平均粗さを有するカソードプレートを含み得る。多孔質構造は、平滑である、多孔質構造の第１の側の１つまたは複数の表面領域を有し得る。１つまたは複数の表面領域は、膜電極接合体に面し得る。１つまたは複数の表面領域は、膜電極接合体のサブガスケットと位置合わせし得る。

【0012】

[012]別の態様において、本開示は、カソードプレートと膜電極接合体との間に配置されるカソード流れ場を伴う電気化学セルを対象とする。カソード流れ場は、多孔質構造を含み得る。多孔質構造の第１の側の１つまたは複数の表面領域は、平滑であり得る。第１の側は、膜電極接合体に面し得るものであり、１つまたは複数の表面領域のうちの少なくとも１つは、膜電極接合体のサブガスケットと位置合わせし得る。多孔質構造の、第１の側全体は、平滑な表面であり得る。１つまたは複数の表面領域は、約２．５４μｍ（１００μインチ）未満の算術平均粗さを有する。多孔質構造の第２の側は、カソードプレートに面する多孔質構造の表面内の凹所に据えられる、第１のカソード分配チャネルと、第２のカソード分配チャネルとを有し得る。多孔質構造は、第１のカソード分配チャネルおよび第２のカソード分配チャネルの全体を通して形成される複数の支持特徴部を含み得る。多孔質構造は、少なくともニッケル、スズ、およびクロムを含み得る。多孔質構造は、約６０質量％から約８０質量％のニッケル濃度、および、約２０質量％から約４０質量％のクロム濃度を含み得るものであり、多孔質構造の少なくとも１つの表面は、約３質量％から約５０質量％のクロム濃度を含み得る。多孔質構造は、約３％から約６％のクロム濃度、約１０％から約２０％のスズ濃度、および、約７４％から約８７％のニッケル濃度を有し得る。多孔質構造の少なくとも１つの表面は、約１０質量％から約４５質量％のクロム濃度を含み得る。多孔質構造の第１の表面は、反対の第２の表面より高いクロム濃度を有し得る。第１の表面は、約３質量％から約５０質量％の範囲に及ぶクロム濃度を有し得るものであり、第２の表面は、約３質量％未満のクロム濃度を有する。

【0013】

[013]上述の全体的な説明、および、後に続く詳細な説明の両方は、請求される際、本開示について、単に例示的および解説的であり、限定的ではないということが理解されるべきである。

【0014】

[014]本明細書に組み込まれ、本明細書の部分の構成物である、添付図面は、本開示の実施形態を例解し、説明とともに、本開示の原理を解説するように働く。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】[015]例示的な実施形態による、一体に積層される複数の電気化学セル（例えば、燃料セル）の側面概略図である。

【図2】[016]例示的な実施形態による、図１の隣接する燃料セルの一部分の部分的に分解された側面斜視図である。

【図3】[017]例示的な実施形態による、図２のアノードプレートの正面図である。

【図4】[018]例示的な実施形態による、図２のカソードプレートの正面図である。

【図5】[019]例示的な実施形態による、図２のカソード流れ場の正面図である。

【図6】[020]例示的な実施形態による、図２のカソード流れ場の背面図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

[021]本開示の例示的な実施形態に対する言及が、今から詳細に為されることになり、それらの実施形態の例が、添付図面において例解される。可能である場合はいつでも、同じ参照番号が、同じまたは類する部分を指すために、図面の全体を通して使用されることになる。電気を発生させるための電気化学セルとの関係において説明されるが、本開示のデバイスおよび方法は、電解セル、水素精製器、水素エキスパンダ、および水素ポンプを含むが、それらに制限されない、様々なタイプの燃料セルまたは電気化学セルによって用いられ得るということが理解される。

【0017】

[022]本明細書の全体を通して、用語「概して平行な」および「概して垂直な」は、軸、平面、または、他の構成要素との関係において、１つまたは複数の構成要素の配置構成を説明するために使用され得る。「概して平行な」または「概して垂直な」と配置構成を説明するときに許容され得る、平行および垂直からのずれの度は変動し得る。許されるずれは、例えば、約１０度未満のずれ、約５度未満のずれ、および、約３度未満のずれ、約２度未満のずれ、および、約１度未満のずれなど、約２０度未満の外れであり得る。

【0018】

[023]図１は、例示的な実施形態による、燃料セルスタック１１の少なくとも一部分を形成するために、長手方向軸５に沿って一体に積層される複数の電気化学セル、例えば、燃料セル１０の側面概略側面図である。燃料セル１０は、一括して膜電極接合体（ＭＥＡ）１８と呼称され得る、さらには本明細書においてカソードと呼称され得るカソード触媒層１２と、さらには本明細書においてアノードと呼称され得るアノード触媒層１４と、カソード触媒層１２とアノード触媒層１４との間に配設されるプロトン交換膜（ＰＥＭ）１６とを備えることができる。ＰＥＭ１６は、純粋な高分子膜、または、他の材料を伴う複合膜を含むことができ、例えば、シリカ、ヘテロポリ酸、層状金属リン酸塩、リン酸塩、およびリン酸ジルコニウムが、高分子マトリクス内に埋め込まれ得る。ＰＥＭ１６は、プロトンに対して透過性であり得るものであり、一方で、電子を伝導しない。カソード触媒層１２およびアノード触媒層１４は、触媒を内包する多孔質炭素電極を含むことができる。例えば、白金、白金－コバルト合金、または非白金族金属であり得る触媒材料が、酸素および燃料の反応を増大することができる。一部の実施形態において、カソード触媒層１２およびアノード触媒層１４は、約１μｍの平均孔サイズを有し得る。

【0019】

[024]燃料セル１０は、２つのバイポーラプレート、例えば、カソードプレート２０およびアノードプレート２２を備えることができる。カソードプレート２０は、カソード触媒層１２に隣接して配置され得るものであり、アノードプレート２２は、アノード触媒層１４に隣接して配置され得る。ＭＥＡ１８は、カソードプレート２０とアノードプレート２２との間に介在させられ、それらのプレートの間で囲繞され得る。カソード区画１９が、ＭＥＡ１８とカソードプレート２０との間に形成され得るものであり、アノード区画２１が、ＭＥＡ１８とアノードプレート２２との間に形成され得る。カソードプレート２０およびアノードプレート２２は、電流コレクタの役割を果たし、それぞれの電極表面（例えば、アノード触媒層１４およびカソード触媒層１２）への燃料および酸化剤に対するアクセス流れ通路を提供し、燃料セル１０の動作の間に形成される水の除去のための流れ通路を提供することができる。カソードプレート２０およびアノードプレート２２は、さらには、冷却剤流体（例えば、水、グリコール、または、水グリコール混合物）に対する流れ通路を規定することができる。例えば、隣接する燃料セル１０のカソードプレート２０とアノードプレート２２との間に、冷却剤区画２３が形成され得るものであり、その冷却剤区画２３は、隣接する燃料セル１０の間で冷却剤流体を循環させるように構成される。燃料セル１０により発生させられる熱は、冷却剤流体に伝達され、冷却剤流体の循環により別のところに搬送され得る。カソードプレート２０およびアノードプレート２２は、例えば、アルミニウム、鋼、ステンレス鋼、チタン、銅、Ｎｉ－Ｃｒ合金、グラファイト、または、任意の他の適した電気伝導性材料から作製され得る。

【0020】

[025]一部の実施形態において、例えば、図１において例解されるように、燃料セル１０は、さらには、ＭＥＡ１８の各々の側で、燃料セル１０の中に、電気伝導性ガス拡散層（例えば、カソードガス拡散層２４およびアノードガス拡散層２６）を含み得る。ガス拡散層２４、２６は、セルの中でのガスおよび液体の輸送を可能にする拡散媒体として働き、電気的にカソードプレート２０、アノードプレート２２と、ＭＥＡ１８との間の伝導を提供し、燃料セル１０からの熱およびプロセス水の除去において助力となり、一部の事例において、ＰＥＭ１６に対する機械的支持を提供し得る。ガス拡散層２４、２６は、ＰＥＭ１６に面する側にコーティングされるカソード触媒層１２およびアノード触媒層１４を伴う、織布または不織布の炭素布を含むことができる。一部の実施形態において、カソード触媒層１２およびアノード触媒層１４は、隣接するＧＤＬ２４、２６またはＰＥＭ１６のいずれか上へとコーティングされ得る。一部の実施形態において、ガス拡散層２４、２６は、約１０μｍの平均孔サイズを有し得る。

【0021】

[026]燃料セル１０は、ＭＥＡ１８の各々の側に配置される流れ場をさらに含み得る。例えば、燃料セル１０は、本明細書においてさらに説明されるように、カソードプレート２０とＧＤＬ２４との間に配置される多孔質構造を含み得るカソード流れ場２８と、アノードプレート２２により形成され得るアノード流れ場３０とを含み得る。流れ場は、ＭＥＡ１８の各々の側の燃料および酸化剤が、場を通って流れる、および、ＭＥＡ１８に達することを可能にするように構成され得る。これらの流れ場は、カソードおよびアノード触媒層１２、１４への、燃料および酸化剤の均一な分配を手助けし得る。触媒層１２、１４への、燃料および酸化剤の均一な分配は、燃料セル１０の性能を増大し得る。ＧＤＬ２４は、カソード流れ場２８からのカソード触媒層１２の機械的保護を提供し得る。

【0022】

[027]図１においての１つの燃料セル１０のみが、カソード触媒層１２、アノード触媒層１４、プロトン交換膜１６、膜電極接合体（ＭＥＡ）１８、カソード区画１９、カソードプレート２０、アノード区画２１、アノードプレート２２、冷却剤区画２３、ガス拡散層２４、ガス拡散層２６、カソード流れ場２８、およびアノード流れ場３０に対する参照番号を含むが、スタック１１の他の燃料セル１０は、同じ要素を含み得るということが理解されるべきである。

【0023】

[028]燃料セルスタック１１は、さらには、燃料セル１０の積層されるカソードプレート２０およびアノードプレート２２の系列により規定される長手方向軸５に沿って延びる複数の流体マニホールド３１Ａ、３１Ｂを含み得る。流体マニホールド３１Ａ、３１Ｂは、燃料（例えば、水素）および酸化剤（例えば、酸素）を各々の燃料セル１０のＭＥＡ１８にフィードし、反応物生成物（例えば、未反応の燃料、未反応の酸化剤、および水）を各々の燃料セルのＭＥＡ１８から排出するために構成され得る。流体マニホールド３１Ａ、３１Ｂは、さらには、冷却剤流体を、冷却剤区画２３を通してフィードおよび排出するために構成され得る。流体マニホールド３１Ａ、３１Ｂ、カソード区画１９、アノード区画２１、および冷却剤区画２３を通る流れの方向は変動し得る。例えば、一部の実施形態において、マニホールドおよび区画を通る流れは並流であり得るものであり、一方で、他の実施形態において、流れ経路のうちの１つまたは複数は向流であり得る。例えば、一部の実施形態において、アノード区画２１を通る燃料の流れは、カソード区画１９を通る酸化剤の流れに対して向流であり得る。流体マニホールド３１Ａ、３１Ｂは、通路およびポートを介してＭＥＡ１８に流体接続し得る。特定のマニホールド、通路、およびポートが、本明細書において「フィード」、「排出」、「入口」または「出口」として識別されることがあるが、これらの名称は、流れの方向に基づいて決定され得るものであり、流れの方向は、切り替えられ得るということが理解されるべきである。流れの方向を変化させることは、これらの名称を変化させ得る。

【0024】

[029]図２は、隣接する燃料セル１０の一部分の部分的に分解された側面斜視図を示す。例えば、図２は、１つの燃料セル１０ＡのＭＥＡ１８Ａ、ＧＤＬ２４Ａ、およびアノードプレート２２、ならびにさらには、隣接する燃料セル１０Ｂのカソードプレート２０、カソード流れ場２８、ＭＥＡ１８Ｂ、およびＧＤＬ２４Ｂを示す。アノード区画２１は、ＭＥＡ１８Ａとアノードプレート２２との間に形成され得る。冷却剤区画２３は、隣接するアノードプレート２２とカソードプレート２０との間に形成され得る。カソード区画１９は、カソードプレート２０とＭＥＡ１８Ｂとの間に形成され得る。カソード区画１９は、カソード流れ場２８を内包し得る。図２において示されるように、燃料セル１０は、さらには上部および下部流体マニホールドと呼称され得る、流体マニホールド３１Ａ、３１Ｂを含み得る。流体マニホールド３１Ａおよび３１Ｂは、長手方向軸５に沿って延び得る。ＭＥＡ１８Ａ、１８Ｂは、ＰＥＭ１６の周りにサブガスケット２０２を備え得る。サブガスケット２０２は、プラスチックから作製され得る。所与のＭＥＡ（例えば、ＭＥＡ１８Ａ）のサブガスケット２０２は、アノード区画２１の中の燃料が、ＭＥＡ（例えば、ＭＥＡ１８Ａ）の他方の側のカソード区画１９（図示せず）内へとリークすることを防止し得る。

【0025】

[030]図３は、例示的な実施形態による、アノードプレート２２の正面図である。図３において可視の側は、ＭＥＡ１８のアノード側（すなわち、アノード触媒層１４およびガス拡散層２６）に面し、アノード区画２１の１つの側を規定するように構成される側である（例えば、図１および２を確認されたい）。アノードプレート２２は、いろいろなセクションを含み得る。これらのセクションは、例えば、第１のマニホールドセクション３１Ａおよび第２のマニホールドセクション３１Ｂ、第１のアノード分配チャネル６８および第２のアノード分配チャネル７０などの分配チャネルセクション、ならびに、アノード流れ場３０を含み得る。図３において示されるように、アノードプレート２２は、第１のマニホールドセクション３１Ａ内に、アノードフィードマニホールド３２と、カソード排出マニホールド５４と、冷却剤フィードマニホールド５６とを含み得るものであり、一方で、第２のマニホールドセクション３１Ｂは、アノード排出マニホールド４２と、カソードフィードマニホールド４４と、冷却剤排出マニホールド６２とを含み得る。各々のマニホールドに対する入口および出口の名称は、例えば、燃料セル１０を通る燃料、酸化剤、または冷却剤流体流れの、それぞれの流れ方向を切り替えることにより切り替えられ得るということが理解されるべきである。

【0026】

[031]各々のマニホールドの断面積は変動し得る。例えば、図３において示されるように、カソードフィードおよび排出マニホールド４４、５４は、冷却剤フィードおよび排出マニホールド５６、６２より大きい断面積を有し得るものであり、一方で、冷却剤フィードおよび排出マニホールド５６、６２は、アノードフィードおよび排出マニホールド３２、４２より大きい断面積を有し得る。各々の通路の断面積は、例えば、セルの数、ピークパワー動作状況においての電流密度、反応物の設計化学量論、入口冷却剤温度と出口冷却剤温度との間の差、個々のセルの流れ抵抗、活性区域のサイズ、流体圧力、および、流体流れレートを含む、種々の変数に基づいて決定され得る。１つまたは複数の通路の断面積は、高い流体流れレートの間などの、電気化学セルスタックの長さに沿った流体圧力変動を最小化するようにサイズ設定され得る。

【0027】

[032]第１のマニホールドセクション３１Ａおよび第２のマニホールドセクション３１Ｂの中のマニホールドの配置構成が、さらには変動し得る。図３において示されるように、マニホールドの配置構成は、第１のマニホールドセクション３１Ａと、第２のマニホールドセクション３１Ｂとの間で異なり得る。１つの例解的な例において、図３において示されるように、冷却剤フィードマニホールド５６は、アノードフィードマニホールド３２と、カソード排出マニホールド５４との間に配置され得るものであり、冷却剤排出マニホールド６２は、アノード排出マニホールド４２と、カソードフィードマニホールド４４との間に配置され得る。一部の実施形態において、カソード排出マニホールド５４は、冷却剤フィードマニホールド５６の左であり得るものであり、アノードフィードマニホールド３２は、冷却剤フィードマニホールド５６の右であり得るものであり、一方で、カソードフィードマニホールド４４は、冷却剤排出マニホールド６２の右であり得るものであり、アノード排出マニホールド４２は、冷却剤排出マニホールド６２の左であり得る。第１のマニホールドセクション３１Ａと、第２のマニホールドセクション３１Ｂとの間で、冷却剤マニホールドに相対的なアノードおよびカソードマニホールドの配置を取り替えることは、直線的横断流れよりむしろ、対角線交差向流の流れ、すなわち「ｚ流れ」を助長し得る。対角線交差向流の流れは、アノード区画２１およびカソード区画１９内の、燃料および酸化剤の改善された一様な分配を提供し得るものであり、そのことは、燃料セル性能を改善し得る。性能は、対角線交差向流の流れが、利用される活性区域を最大化し得るので、改善され得る。ｚ流れパターンにおいて、１つまたは複数の反応物に対する入口から出口までのストリーム経路距離は、流れ経路に関係なく、実質的に一様であり得る。この対称性は、流体が、流れ場の全体を通して一様に分布し流れることを結果的に生じさせ得る。流れ場３０の全体を通しての一様な流れ（図３に関して下記でさらに論考される）は、反応物組成物および冷却剤温度の、より一様な、および／または線形の勾配を結果的に生じさせ得るものであり、そのことは、セル温度の一様な、および／または線形の勾配を結果的に生じさせ得る。このことは、より高い性能、および／または、セルの間の性能においてのより低い相違を結果的に生じさせ得る。

【0028】

[033]第１の流体マニホールド３１Ａおよび第２の流体マニホールド３１Ｂの中央においての冷却剤マニホールド５６、６２の配置は、冷却剤区画の中央領域が、最も多い冷却剤流体流れを受けることを結果的に生じさせ得る。冷却剤区画の中央領域は、燃料セル１０の活性区域の中央領域に対応し得る。燃料セル１０の活性区域の中央領域は、増大される熱発生、および／または、活性区域の他の領域より高い動作温度に対する傾向に遭遇し得る。燃料セル１０の側部は、周囲冷却により冷却され得る。一部の実施形態において、より高い温度で動作する傾向があり得る燃料セル１０の領域は、最も多い冷却剤流体流れを受ける領域と対応し得る。

【0029】

[034]図３において示されるように、第１および第２のマニホールドセクション３１Ａ、３１Ｂとアノード流れ場３０との間に配設されるのが、第１および第２のアノード分配チャネル６８、７０である。第１のアノード分配チャネル６８は、アノードフィードマニホールド３２から供給される燃料を、アノード入口ポート３６を経て、アノード流れ場３０に分配するように構成され得る。第２のアノード分配チャネル７０は、アノード流れ場３０からの燃料（例えば、未反応の燃料）を収集し、燃料を、アノード出口ポート３８を通し、アノード排出マニホールド４２に導くように構成され得る。第１のアノード分配チャネル６８および第２のアノード分配チャネル７０は、ＭＥＡ１８とアノードプレート２２との間のサンドイッチであり、ＭＥＡ１８およびアノードプレート２２により規定され得る。第１のアノード分配チャネル６８および第２のアノード分配チャネル７０の周辺部は、図３において例解されるように、表面ガスケット４３により封止され得る。表面ガスケット４３は、シリコーン、Ｖｉｔｏｎ、Ｂｕｎａ、ポリエチレン、ポリプロピレンなどの高分子もしくはエラストマ材料、または、任意の他の適した封止材料から作製され得る。ガスケットの断面形状は、矩形、三角形、半円形、多歯（三角形）、または放物線状であり得る。形状は、容認可能なリークレート、動作圧力、許容誤差編成、または、他の有意な封止設計パラメータにより決定され得る。表面ガスケット４３は、射出成形、圧縮成形、ピックアンドプレース、ロボットディスペンシングなどの任意の知られている方法によって付与され得るものであり、成形プロセスを通して、または、感圧もしくは感温接着剤の助力によって、直接的に接着され得る。表面ガスケット４３の硬化は、熱硬化、紫外光硬化、または湿度硬化などの知られているプロセスにより成し遂げられ得る。一部の実施形態において、第１のアノード分配チャネル６８の幅、および、第２のアノード分配チャネル７０の幅は、アノード流れ場３０の幅に概して等しくあり得る。

【0030】

[035]第１のアノード分配チャネル６８は、アノード入口ポート３６を通して供給される燃料が、第１のアノード分配チャネル６８にわたって分配され、複数の開口部７４を通してアノード流れ場３０に導かれ得るように構成され得る。一部の実施形態において、各々の開口部７４は、第１のアノード分配チャネル６８の中で燃料へのいくらかの背圧を生成するためのオリフィスとして構成され得る。背圧は、第１のアノード分配チャネル６８の中での燃料の分配を助長し得るものであり、以て、第１のアノード分配チャネル６８が燃料によって十二分に充満させられるということを確実にする。一部の実施形態において、第１のアノード分配チャネル６８を十二分に充満させることは、燃料が、開口部７４の実質的にすべてを通ってアノード流れ場３０の実質的にすべてのチャネルに送達されることを可能にし得る。一部の実施形態において、第１のアノード分配チャネル６８を十二分に充満させることは、アノード流れ場３０を通る最も少ない抵抗の経路に沿って燃料の流れを短絡させることを防止し、または、その短絡させることのリスクを低減し得るものであり、その短絡させることは、利用されている活性区域の低減に起因して、燃料セル１０の性能を低減することがある。一部の実施形態において、オリフィス開口部７４は、第１のアノード分配チャネル６８を十二分に充満させることを確実にするために必要とされる最小量の背圧を可能にするようにサイズ設定され得る。図３において例解されるように、第２のアノード分配チャネル７０は、第１のアノード分配チャネル６８と同じに構成され得るものであり、複数のオリフィス形状の開口部７４が、アノード流れ場３０のチャネル、および、第２のアノード分配チャネル７０を流体接続する。開口部７４は、アノード流れ場３０内の対応するチャネルより小さい断面積を有し得る。アノード流れ場３０内のチャネルは、直線的経路として示されるが、波状またはジグザグ経路であってもよい。アノード流れ場３０内のチャネルは、概して正方形、半円形、放物線状、または、任意の他の形状である断面積を有する。

【0031】

[036]接合の間の燃料セル１０の圧縮、および、動作の間維持される圧縮された状態が、分配チャネルの中の流れ経路完全性を損なうことがある。例えば、燃料セル１０の圧縮は、分配チャネルの体積が減少することを引き起こし得るものであり、そのことは、燃料セル１０を通しての燃料、酸化剤、および冷却剤の流れを限定し、燃料セル１０にわたって圧力降下を増大することがある。燃料セル１０が圧縮されるときに、第１のアノード分配チャネル６８および第２のアノード分配チャネル７０の縮小または崩壊を、防止または最小化するために、第１のアノード分配チャネル６８および／または第２のアノード分配チャネル７０は、一部の実施形態において、分配チャネルの全体を通して広げられる複数の支持特徴部７６を含み得る。支持特徴部７６は、アノードプレート２２の統合された特徴部として形成され得る。支持特徴部７６は、第１のアノード分配チャネル６８および第２のアノード分配チャネル７０の全体を通して均一に隔置され得る。

【0032】

[037]図４は、例示的な実施形態による、カソードプレート２０の正面図である。図４において可視の側は、隣接するアノードプレート２２に面するように構成される側である（例えば、図２を確認されたい）。カソードプレート２０は、アノードプレート２２に類して、第１のマニホールドセクション３１Ａと、第２のマニホールドセクション３１Ｂとを含み得る。図４において示されるように、カソードプレートプレート２０は、第１のマニホールドセクション３１Ａ内に、アノードフィードマニホールド３２と、カソード排出マニホールド５４と、冷却剤フィードマニホールド５６とを含み得るものであり、一方で、第２のマニホールドセクション３１Ｂは、アノード排出マニホールド４２と、カソードフィードマニホールド４４と、冷却剤排出マニホールド６２とを含み得る。各々のマニホールドに対する「入口」または「出口」の名称は、例えば、燃料セル１０を通る燃料、酸化剤、または冷却剤流体の流れ方向を切り替えることにより切り替えられ得るということが理解されるべきである。

【0033】

[038]カソードプレート２０は、カソード区画１９およびカソード流れ場２８を、カソード入口通路４６を介してカソードフィードマニホールド４４と流体接続するように構成される、複数のカソード入口ポート４８を含み得る。カソードプレート２０は、さらには、カソード区画１９およびカソード流れ場２８を、カソード出口通路５２を介してカソード排出マニホールド５４と流体接続するように構成される、複数のカソード出口ポート５０を含み得る。カソード入口および出口通路４６、５２は、隣接する燃料セル１０のアノードプレート２２とカソードプレート２０との間に位置し得る。カソード入口および出口通路４６、５２、ならびに、カソードフィードおよび排出マニホールド４４、５４の周辺部は、図４において例解されるように、表面ガスケット４３により封止され得る。

【0034】

[039]カソード入口および出口ポート４８、５０は、図４において例解されるように、概して矩形の形状のものであり得る。カソードプレート２０は、図４において例解されるように、互いに概して垂直に配置構成され得る少なくとも２つの － 例えば、一部の実施形態において、３つの － カソード入口ポート４８を有するように構成され得る。カソードプレート２０は、図４において例解されるように、互いに概して垂直に配置構成される少なくとも２つのカソード出口ポート５０を有するように構成され得る。カソードプレート２０は、カソード入口通路４６の反対の両端部において配置される少なくとも１つのカソード入口ポート４８を有するように構成され得る。カソードプレート２０は、カソード出口通路５２の反対の両端部において配置される少なくとも１つのカソード出口ポート５０を有するように構成され得る。カソードプレートは、カソード入口通路４６の１つの端部において配置される２つのカソード入口ポート４８と、反対の端部において配置される１つのカソード入口ポート４８とを有するように構成され得る。１つの端部において配置される２つのカソード入口ポート４８は、互いに概して平行であり、カソード入口通路４６の反対の端部において配置されるカソード入口通路４６に概して垂直であり得る。本明細書において説明されるような、カソード入口ポート４８の形状および配置構成は、酸化剤の、それがカソード区画１９内へと流れる際の分配を助長し得る。一部の実施形態において、ポートの面積に対するポートの周長の比率を増大することは、ポートにわたる圧力降下を減少し得る。一部の実施形態において、ポートの垂直な配置構成は、ポートにわたる、より低い圧力降下を結果的に生じさせ得る。

【0035】

[040]複数のカソード入口ポート４８の総合的な入口面積は、カソード出口ポート５０の総合的な出口面積より大であり得る。総合的な入口面積未満の総合的な出口面積を有するカソード出口ポート５０は、カソード区画１９およびカソード流れ場２８を通る酸化剤流れへの背圧を生成することができる。そのような背圧は、カソード区画を横断する酸化剤の配分を助長し得る。

【0036】

[041]図４において示されるように、カソードプレート２０は、表面特徴部、例えば、カソード流れ場２８の側部に沿って、カソードプレート２０からＭＥＡ１８の方に、外に突出するカソード流れ場境界８８を含み得る（例えば、図２を確認されたい）。図４において示されるように、カソード流れ場境界８８は、カソードプレート２０の反対の両側部に沿って、第１の流体マニホールド３１Ａと、第２の流体マニホールド３１Ｂとの間にまたがり得る。カソード流れ場境界８８は、カソード流れ場２８を通ってカソード触媒層１２に流れることよりむしろ、カソード流れ場２８の外側に沿って流れることにより、カソード流れ場２８およびカソード触媒層１２を迂回する酸化剤の流れを防止する、または、その流れの量を低減するように構成され得る。例えば、カソード流れ場境界８８は、カソード流れ場２８の各々の側部で境界壁の役割を果たすことができ、以て、カソード流れ場２８を通る酸化剤流れを強制する。カソードプレート２０は、カソード流れ場境界８８の間の距離がカソード流れ場２８の幅にほぼ等しいように構成され得る。カソード流れ場境界８８は、カソード流れ場２８の深さに等しい量で、カソードプレート２０から突出するように構成され得る。カソード流れ場境界８８は、図４において示されるように、丸みを付けられた、または面取りされた外方隅部を伴う、概して矩形の形状のものであり得る。カソード流れ場境界８８は、流体が、実質的に開放の流れ面積を経由して、カソード流れ場２８の長さに沿って流れることを防止するために、カソード流れ場２８の縁部に沿って障壁を提供するように配置構成され得る。カソード流れ場境界８８は、（図４において示されるように）カソードプレート２０内へと形成され得るものであり、および／または、第２の材料をカソードプレート２０に付与することにより形成され得る（例えば、プレートにボンディングされる、高分子またはエラストマ）。

【0037】

[042]アノードプレート２２および／またはカソードプレート２０は、３１６Ｌステンレス鋼などの合金から製造され得る。一部の実施形態において、合金は、コーティングされない３１６Ｌステンレス鋼合金などのコーティングされない合金、または、３１６、３０４、３０４Ｌ、および／もしくは３１０などの、別のコーティングされないステンレス鋼合金であり得る。アノードプレート２２および／またはカソードプレート２０の、１つまたは複数の表面は、１つまたは複数のプレート表面と、他の表面との間の、より低い電気接触抵抗を手助けし得る表面粗さを有し得る。１つまたは複数のプレート表面と、他の表面との間の、より低い電気接触抵抗は、化学反応が燃料セルスタック１１の中で起こるレートを増大し得る。化学反応が燃料セルスタック１１の中で起こるレートを増大することは、燃料セルスタック１１の電流および／または電圧能力を増大し得る。ＭＥＡ１８Ａ上のＧＤＬ２６と、アノードプレート２２との間の、より低い電気接触抵抗は、アノード触媒層１４からＧＤＬ２６を通ってアノードプレート２２への電子の流れを増大し得る。アノードプレート２２とカソードプレート２０との間の、より低い電気接触抵抗は、隣接するアノードプレート２２とカソードプレート２０との間の電子の流れを増大し得る。カソードプレート２０とカソード流れ場２８との間の、より低い電気接触抵抗は、カソードプレート２０からカソード流れ場２８への電子の流れを増大し得る。カソード流れ場への電子の増大流れは、ＭＥＡ１８Ｂ上のＧＤＬ２４からの水素イオンが、水分子へと、酸素原子および電子と組み合わさるレートを増大し得る。

【0038】

[043]アノードプレート２２および／またはカソードプレート２０の表面粗さは、例えば、１つまたは複数の前に述べられたインターフェイスにおいてを含めて、プレートの表面にわたって実質的に一様であり得る。一部の実施形態において、アノードプレート２２および／またはカソードプレート２０の異なる表面は、異なる粗さパラメータを有し得る。一部の実施形態において、アノードプレート２２および／またはカソードプレート２０の、１つまたは複数の表面の、１つまたは複数の一部分は、約０．１２７μｍ（５μインチ）から約０．８８９μｍ（３５μインチ）、約０．２５４μｍ（１０μインチ）から約０．８８９μｍ（３５μインチ）、約０．３８１μｍ（１５μインチ）から約０．８８９μｍ（３５μインチ）、約０．５０８μｍ（２０μインチ）から約０．８８９μｍ（３５μインチ）、約０．６３５μｍ（２５μインチ）から約０．８８９μｍ（３５μインチ）、約０．７６２μｍ（３０μインチ）から約０．８８９μｍ（３５μインチ）、約０．１２７μｍ（５μインチ）から約０．７６２μｍ（３０μインチ）、約０．１２７μｍ（５μインチ）から約０．６３５μｍ（２５μインチ）、約０．１２７μｍ（５μインチ）から約０．５０８μｍ（２０μインチ）、約０．１２７μｍ（５μインチ）から約０．３８１μｍ（１５μインチ）、約０．１２７μｍ（５μインチ）から約０．２５４μｍ（１０μインチ）、約０．２５４μｍ（１０μインチ）から約０．７６２μｍ（３０μインチ）、約０．３３０２μｍ（１３μインチ）から約０．７１１２μｍ（２８μインチ）、約０．２５４μｍ（１０μインチ）から約０．６３５μｍ（２５μインチ）、約０．３８１μｍ（１５μインチ）から約０．５０８μｍ（２０μインチ）、約０．４０６４μｍ（１６μインチ）から約０．４８２６μｍ（１９μインチ）、約０．４３１８μｍ（１７μインチ）から約０．４５７２μｍ（１８μインチ）、約０．４４４５μｍ（１７．５μインチ）から約０．４６９９μｍ（１８．５μインチ）、約０．４４４５μｍ（１７．５μインチ）から約０．４５７２μｍ（１８μインチ）、約０．４４４５μｍ（１７．５μインチ）、約０．４５７２μｍ（１８μインチ）、または約０．４６９９μｍ（１８．５μインチ）の範囲に及ぶ算術平均粗さを有し得る。表面粗さは、例えば、形成する前、間、または後の、アノードプレート２２および／またはカソードプレート２０の、スタンピング、エッチング、研磨、または圧延加工を含む、種々の適した方法により生成され得る。一部の実施形態において、例えば、表面性状がアノードプレート２２および／またはカソードプレート２０内へとスタンピングされ得る場合、前に述べられたインターフェイスは、アノードプレート２２および／またはカソードプレート２０の隆起させられた特徴部（例えば、高い点）において一般的には起こるので、隆起させられた特徴部に対応する表面性状を伴って構成されるダイが利用され得る。このことは、工具複雑さを低減するのに有利であり得る。

【0039】

[044]一部の実施形態において、アノードプレート２２および／またはカソードプレート２０のすべての表面は、約０．１２７μｍ（５μインチ）から約０．８８９μｍ（３５μインチ）、約０．２５４μｍ（１０μインチ）から約０．８８９μｍ（３５μインチ）、約０．３８１μｍ（１５μインチ）から約０．８８９μｍ（３５μインチ）、約０．５０８μｍ（２０μインチ）から約０．８８９μｍ（３５μインチ）、約０．６３５μｍ（２５μインチ）から約０．８８９μｍ（３５μインチ）、約０．７６２μｍ（３０μインチ）から約０．８８９μｍ（３５μインチ）、約０．１２７μｍ（５μインチ）から約０．７６２μｍ（３０μインチ）、約０．１２７μｍ（５μインチ）から約０．６３５μｍ（２５μインチ）、約０．１２７μｍ（５μインチ）から約０．５０８μｍ（２０μインチ）、約０．１２７μｍ（５μインチ）から約０．３８１μｍ（１５μインチ）、約０．１２７μｍ（５μインチ）から約０．２５４μｍ（１０μインチ）、約０．２５４μｍ（１０μインチ）から約０．７６２μｍ（３０μインチ）、約０．３３０２μｍ（１３μインチ）から約０．７１１２μｍ（２８μインチ）、約０．２５４μｍ（１０μインチ）から約０．６３５μｍ（２５μインチ）、約０．３８１μｍ（１５μインチ）から約０．５０８μｍ（２０μインチ）、約０．４０６４μｍ（１６μインチ）から約０．４８２６μｍ（１９μインチ）、約０．４３１８μｍ（１７μインチ）から約０．４５７２μｍ（１８μインチ）、約０．４４４５μｍ（１７．５μインチ）から約０．４６９９μｍ（１８．５μインチ）、約０．４４４５から約０．４５７２μｍ（約１７．５から約１８μインチ）、約０．４４４５μｍ（１７．５μインチ）、約０．４５７２μｍ（１８μインチ）、または約０．４６９９μｍ（１８．５μインチ）の範囲に及ぶ算術平均粗さを有し得る。例えば、アノードプレート２２の１つの側の表面は、約０．３３０２μｍ（１３μインチ）から約０．７１１２μｍ（２８μインチ）の算術平均粗さを有し得る。一部の実施形態において、１つまたは複数のプレート表面は、約０．１２７μｍ（５μインチ）から約０．８８９μｍ（３５μインチ）の、１つまたは複数の算術平均粗さを有し得る。本明細書において開示される表面粗さ値は、標準スタイラス － 先端部半径：２μｍ、先端部角度：６０°を使用して、ＪＩＳ Ｂ０６０１－２００１によって測定され得る。

【0040】

[045]図５は、例示的な実施形態による、カソード流れ場２８の正面図である。図５において可視の側は、隣接するカソードプレート２０に面するように構成される側である（例えば、図２を確認されたい）。カソード流れ場２８は、多孔質構造、特に、多孔質３次元ネットワーク構造を有する多孔質金属製発泡体構造を含み得る。多孔質構造は、２つの反対向きの表面を伴うシート形状のものであり得る。多孔質構造は、２つの反対向きの表面を伴うシート形状のものであり得る。多孔質構造は、スクリーン、エキスパンデッドメタルメッシュ、および／または、穴あけ加工された金属シートであり得る。一部の実施形態において、多孔質金属製発泡体構造は、約５０μｍから約５００μｍの平均孔サイズを有し得る。一部の実施形態において、電気化学セルスタック内の第１の電気化学セルの多孔質構造の平均孔サイズは、電気化学セルスタック内の少なくとも１つの他の多孔質構造の、多孔質構造の平均孔サイズより約５％から約５０％大であり得る。カソード流れ場２８は、カソードプレート２０に面する多孔質金属製発泡体構造の表面内の凹所に据えられる、第１のカソード分配チャネル９０と、第２のカソード分配チャネル９２とを含み得る。カソード流れ場２８は、約０．２ｍｍから約１．５ｍｍの厚さを有し得るものであり、第１のカソード分配チャネル９０および／または第２のカソード分配チャネル９２は、構造の厚さの約１０％から構造厚さの約７５％だけ、カソード流れ場内の凹所に据えられ得る。

【0041】

[046]第１のカソード分配チャネル９０は、カソード流れ場２８の底部縁部に沿って、カソード流れ場２８の一方の側から他方の側に概して延び得る。第２のカソード分配チャネル９２は、カソード流れ場２８の頂部縁部に沿って、カソード流れ場２８の一方の側から他方の側に概して延び得る。カソード流れ場２８がカソードプレート２０に隣接して配置されるとき、カソード入口ポート４８は、第１のカソード分配チャネル９０と位置合わせされ得るものであり、カソード出口ポート５０は、第２のカソード分配チャネル９２と位置合わせされ得る。

【0042】

[047]カソード流れ場２８は、第１のカソード分配チャネル９０および／または第２のカソード分配チャネル９２の全体を通して形成される複数の支持特徴部９４を含み得る。支持特徴部９４は、概して円柱形、ディンプル形状のもの、または、他の適した形状であり得る。１つまたは複数の支持特徴部９４の高さは、第１のカソード分配チャネル９０および／または第２のカソード分配チャネル９２の凹所深さにほぼ等しくあり得る。第１のカソード分配チャネル９０、第２のカソード分配チャネル９２、および支持特徴部９４は、カソード流れ場２８を形成する多孔質金属製発泡体構造を、スタンピングする、圧延加工する、または、他の形で塑性変形させることにより形成され得る。

【0043】

[048]第１のカソード分配チャネル９０および第２のカソード分配チャネル９２は、酸化剤が多孔質金属製発泡体構造の孔内へと流れる前に沿って流れるための開放流れ経路を提供することにより、カソード流れ場２８の幅に沿った酸化剤の一様な流れ分配を助長するように構成され得る。支持特徴部９４は、第１のカソード分配チャネル９０および第２のカソード分配チャネル９２内へのカソードプレート２０の変形またはたわみを、防止または低減することにより、燃料セル１０が圧縮されるときに、第１のカソード分配チャネル９０および第２のカソード分配チャネル９２により提供される開放流れ経路を維持するために、適切な支持を提供するように構成され得る。支持特徴部９４は、電気化学コールスタックの機械的圧縮の間の支持を提供し得る。

【0044】

[049]カソード流れ場２８を作り上げる多孔質構造は、１つまたは複数の、金属および／または合金を含み得る。例えば、多孔質構造は、少なくとも、ニッケル（Ｎｉ）およびクロム（Ｃｒ）（例えば、ＮｉＣｒ）、または、ニッケル、スズ（Ｓｎ）、およびクロム（例えば、ＮｉＳｎＣｒ）の組合せを含み得る。多孔質構造のＮｉＣｒ実施形態に対して、クロムの質量による濃縮物は、約２０％から４０％の範囲に及ぶことができ、一方で、ニッケルは、残りの残量 － ６０％から８０％を占め得る。多孔質構造のＮｉＳｎＣｒ実施形態に対して、クロムの濃度は、約３％から６％の範囲に及ぶことができ、スズの濃度は、約１０％から２０％の範囲に及ぶことができ、一方で、ニッケルは、残量 － ７４％から８７％を占め得る。多孔質構造は、チタンまたは鋼を含み得る。

【0045】

[050]一部の実施形態において、多孔質構造の少なくとも１つの表面は、約３質量％から約５０質量％のクロム濃度を含む。例えば、カソード流れ場２８を形成する多孔質構造の、１つまたは両方の表面のクロム濃度は、約３質量％から約５０質量％、約５質量％から約４０質量％、または、約７質量％から約４０質量％の範囲に及び得る。多孔質金属体の表面のクロム濃度を増大することは、酸性環境において多孔質構造の耐食性を増大し得る。例えば、カソード流れ場２８を形成する多孔質金属体の表面のうちの少なくとも１つが、約３質量％から約５０質量％の範囲に及ぶクロム濃度を有するとき、多孔質金属体に隣接するバイポーラプレートは、カソードプレート２０においての実質的に酸性の環境において高耐食性であり得る。本明細書において説明されるような多孔質構造により提供され得る耐食性は、カソードプレート２０が、コーティングされないステンレス鋼から形成されることを可能にし得る。

【0046】

[051]一部の実施形態において、多孔質構造の一方の表面は、多孔質構造の他方の表面より高いクロム濃度を有し得る。そのような実例において、より高いクロム濃度を有する表面は、より高耐食性であり得る。より高いクロム濃度を有する表面は、ＭＥＡ１８に面するように配置構成され得る。一部の実施形態において、多孔質構造の、より高耐食性の表面は、約３質量％から約５０質量％の範囲に及ぶクロム濃度を有し得るものであり、一方で、金属多孔質構造の、より少ない耐食性表面は、約３質量％クロム未満のクロム濃度を有し得る。

【0047】

[052]多孔質構造は、１つまたは複数の電気めっきプロセスにより形成され得る。例えば、樹脂成形体が、初期に、３次元ネットワーク構造に対する基板として使用され得る。樹脂成形体は、ポリウレタン、メラミン、ポリプロピレン、ポリエチレン、または類するもののうちの、１つまたは複数を含み得る。樹脂成形体は、その３次元ネットワーク構造内に孔を含み得る。一部の実施形態において、樹脂成形体は、約８０％から約９８％の空隙率を有し得るものであり、約５０μｍから約５００μｍの孔サイズを有し得る。一部の実施形態において、樹脂成形体は、約１５０μｍから約５，０００μｍ、約２００μｍから２，０００μｍ、または、約３００μｍから約１，２００μｍの厚さを有し得る。

【0048】

[053]多孔質構造を形成するために、金属層が、樹脂成形体上へとめっきされ得る。多孔質構造のＮｉＣｒ実施形態に対して、例えば、ニッケル層およびクロム層が、樹脂成形体上へとめっきされ得る。多孔質構造のＮｉＳｎＣｒ実施形態に対して、例えば、ニッケル層、スズ層、およびクロム層が、樹脂成形体上へとめっきされ得る。樹脂成形体は、ニッケル粒子、スズ粒子、および／または炭素粒子などの伝導性金属の、無電解めっき、蒸気堆積、スパッタリング、および／または塗布などの電気的伝導処置を受けさせられ得る。ニッケル層および／またはスズ層が、処置された樹脂成形体の３次元構造またはスケルトンの表面上に電気的にめっきされ得る。例えば、樹脂成形体が伝導性層によってコーティングされるとき、ニッケル層が、電気めっきプロセスによって、樹脂成形体のスケルトン上に形成され得る。ニッケル層が形成される後、スズ層が、引き続いて、別の電気めっきプロセスによって、樹脂成形体のスケルトン上に形成され得る。代替的には、樹脂成形体が伝導性層によってコーティングされるとき、スズ層が最初に電気めっきされ、ニッケル層の電気めっきが後に続き得る。一部の実施形態において、化学蒸気堆積が、クロムを実質的にニッケルの構造に付加するために使用され得る。

【0049】

[054]一部の実施形態において、ニッケル層および／またはスズ層などの、１つまたは複数の金属層が、樹脂成形体のスケルトン上へとめっきされる後、クロム層が、電気めっきプロセスによって付加され得る。クロムめっき層は、多孔質構造の少なくとも１つの表面のクロム濃度が、約３質量％から約５０質量％になるように形成され得る。クロムめっき層がめっきされた後、または、ニッケルおよび／もしくはスズめっき層がめっきされる後、多孔質構造は、熱処置により初期の樹脂成形体を除去することにより形成され得る。例えば、多孔質構造は、約９００℃から約１３００℃の範囲内の温度で、不活性雰囲気、または、還元雰囲気内で加熱され得る。一部の実施形態において、多孔質構造は、ニッケルおよびクロムを含むが、スズを欠くことがある。

【0050】

[055]図６は、例示的な実施形態による、カソード流れ場２８の背面図である。図６において可視の側は、隣接するＭＥＡ１８Ｂに面するように構成される側である（例えば、図２を確認されたい）。カソード流れ場２８の少なくとも１つの側は、ＭＥＡ１８Ｂを破壊することを防止するために、実質的に平滑であり得る。カソード流れ場２８は、例えば、その厚さを低減する、および／または、その側のうちの１つもしくは複数を平滑化するために、圧延ミル内で圧延加工され得る。一部の実施形態において、カソード流れ場２８の領域１０２は、ＭＥＡ１８Ｂのサブガスケット２０２を押し得る。一部の実施形態において、カソード流れ場２８の領域１０２は、カソード流れ場２８の他の領域より平滑であり得る。カソード流れ場２８の領域１０２を、より平滑にすることは、サブガスケット２０２を破壊することを防止し得る。領域１０２は、例えば、領域１０２が平滑であり得るように、スタンピングダイによって平滑にスタンピングされ得る。領域１０２は、例えば、平滑にスタンピングされることの代わりに、または、そのことに加えて、それらの領域１０２の平滑さを増大するために、圧延ミル内で圧延加工プロセスを経ることがある。領域１０２は、領域１０２との接触を為す、圧延機の一部分上の、特殊な特徴部を伴う、専用化された圧延ダイを使用して、初期の圧延加工プロセスの間に、カソード流れ場２８の他の領域より平滑にされ得る。一部の実施形態において、領域１０２は、約２．５４μｍ（１００μインチ）未満の算術平均粗さを有し得る。結果として、領域１０２は、流れ場２８の後部表面の他の一部分の粗さと異なる粗さを有し得る。一部の実施形態において、流れ場２８の、全体の後部表面は、実質的に等しい粗さを有し得る。例えば、一部の実施形態において、流れ場２８の、全体の後部側の残りとともに、領域１０２は、平滑な表面であり得る。流れ場２８の、全体の後部表面は、約２．５４μｍ（１００μインチ）未満の算術平均粗さを有し得る。

【0051】

[056]上述の説明は、例解の目的のために提示されたものである。その説明は、網羅的ではなく、開示される寸分違わない形式または実施形態に限定されない。実施形態の修正および適合が、本明細書の考察、および、開示される実施形態の実践から明白であろう。

【0052】

[057]なおまた、例解的な実施形態が本明細書において説明されたが、範囲は、本開示に基づく均等な要素、修正、省略、組合せ（例えば、様々な実施形態にわたる態様の）、適合、および／または改変を有する一切の実施形態を含む。特許請求の範囲においての要素は、特許請求の範囲において用いられる文言に基づいて広範に解釈されるべきであり、本明細書において、または、本出願の手続処理の間に説明される例に限定されるべきではなく、それらの例は、非排他的と解されるべきである。さらに、開示される方法のステップは、ステップを並べ替えること、および／または、ステップを挿入もしくは削除することを含む、任意の様式で修正され得る。

【0053】

[058]用語「約」または「近似的に」は、本明細書において使用される際、当業者により決定されるような、個別の値に対する容認可能な誤差範囲の中を意味し、その誤差範囲は、部分的には、どのように値が測定または決定されるか、例えば、測定システムの制限に依存することになる。例えば、「約」は、当技術分野においての慣例によって、１または１を超える標準偏差の中を意味することがある。代替的には、「約」は、所与の値の１０％まで、５％まで、および、１％までなど、２０％までの範囲を意味することがある。

【0054】

[059]本開示の特徴部および利点は、詳細な明細書から明白であり、かくして、添付される特許請求の範囲は、本開示の真の趣旨および範囲の中に収まる、すべてのシステムおよび方法を包含するということが意図される。本明細書において使用される際、不定冠詞「ａ」および「ａｎ」は、「１つまたは複数の」を意味する。同様に、複数形用語の使用は、その用語が所与の文脈において曖昧さのないものでない限り、必ずしも複数を表象するとは限らない。「および」または「または」などの単語は、別段に具体的に指図されない限り、「および／または」を意味する。さらに、数多くの修正および変更が、本開示を考究することから、たやすく浮かぶことになるので、本開示を、例解および説明される、そのままの構築物および動作に限定することは所望されず、よって、本開示の範囲の中に収まる、すべての適した修正および均等物が、頼むところにされることがある。

【0055】

[060]本開示の他の実施形態が、本明細書の考察、および、本明細書においての本開示の実践から、当業者には明白であろう。本明細書および例は、単に例示的と考えられ、本開示の真の範囲および趣旨は、後に続く特許請求の範囲により指示されるということが意図される。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】