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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2023-09-07
(54)【発明の名称】ハイブリッド双極プレートおよびそれを作製する方法
(51)【国際特許分類】
C25B 9/23 20210101AFI20230831BHJP
C25B 13/02 20060101ALI20230831BHJP
C25B 1/04 20210101ALI20230831BHJP
C25B 9/00 20210101ALI20230831BHJP
C25B 9/63 20210101ALI20230831BHJP
【ＦＩ】
C25B9/23
C25B13/02 302
C25B1/04
C25B9/00 A
C25B9/63
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023509695
(86)(22)【出願日】2021-08-16
(85)【翻訳文提出日】2023-02-28
(86)【国際出願番号】 US2021046113
(87)【国際公開番号】W WO2022036311
(87)【国際公開日】2022-02-17
(31)【優先権主張番号】202041035043
(32)【優先日】2020-08-14
(33)【優先権主張国・地域又は機関】IN
(31)【優先権主張番号】202111028250
(32)【優先日】2021-06-23
(33)【優先権主張国・地域又は機関】IN
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】522203075
【氏名又は名称】オーミアム インターナショナル， インコーポレイテッド
(74)【代理人】
【識別番号】100078282
【弁理士】
【氏名又は名称】山本 秀策
(74)【代理人】
【識別番号】100113413
【弁理士】
【氏名又は名称】森下 夏樹
(74)【代理人】
【識別番号】100181674
【弁理士】
【氏名又は名称】飯田 貴敏
(74)【代理人】
【識別番号】100181641
【弁理士】
【氏名又は名称】石川 大輔
(74)【代理人】
【識別番号】230113332
【弁護士】
【氏名又は名称】山本 健策
(72)【発明者】
【氏名】バランタイン， アルネ
(72)【発明者】
【氏名】チャワン， ヴィカス デヴォジ
(72)【発明者】
【氏名】ベンカトラマン， ムラリダール
(72)【発明者】
【氏名】ラクシュマナン， バラスブラマニアン
(72)【発明者】
【氏名】カルッパイア， チョカリンガム
【テーマコード（参考）】
4K021
【Ｆターム（参考）】
4K021AA01
4K021BA02
4K021CA01
4K021CA07
4K021CA09
4K021CA10
4K021DB16
4K021DB31
4K021DB40
4K021DB43
4K021DB53
(57)【要約】
双極プレートは、アノード主側面上のアノード流動場と、アノード主側面の反対のカソード主側面上のカソード流動場とを有する、少なくとも１つの導電性プレートと、第１のプレナム面積を含有し、アノード主側面にわたって位置する、電気絶縁性の第１のキャッピングプレートと、第２のプレナム面積を含有し、カソード主側面にわたって位置する、電気絶縁性の第２のキャッピングプレートとを含む。少なくとも１つの導電性プレート、第１のキャッピングプレート、および第２のキャッピングプレートは、相互に接合される。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
双極プレートであって、アノード主側面上のアノード流動場と、前記アノード主側面の反対のカソード主側面上のカソード流動場とを有する、少なくとも１つの導電性プレートと、
第１のプレナム面積を含有し、前記アノード主側面にわたって位置する、電気絶縁性の第１のキャッピングプレートと、
第２のプレナム面積を含有し、前記カソード主側面にわたって位置する、電気絶縁性の第２のキャッピングプレートと
を備え、
前記少なくとも１つの導電性プレート、前記第１のキャッピングプレート、および前記第２のキャッピングプレートは、相互に接合される、双極プレート。
【請求項2】
前記少なくとも１つの導電性プレートは、炭素、金属、または金属合金を備え、前記第１および第２のキャッピングプレートは、電気絶縁性プラスチックを備え、前記アノードおよびカソード流動場のそれぞれは、肋材によって分離される、流体流チャネルを備える、請求項１に記載の双極プレート。
【請求項3】
前記少なくとも１つの導電性プレートは、第１の主側面上に前記アノード流動場を有する、導電性アノードプレートと、
第１の主側面上に前記カソード流動場を有する、導電性カソードプレートであって、前記カソードプレートの第２の主側面は、前記アノードプレートの第２の主側面に接触する、導電性カソードプレートと
を備える、請求項１に記載の双極プレート。
【請求項4】
前記第１および第２のキャッピングプレートは、成型プラスチックによって、相互ならびに前記アノードプレートおよび前記カソードプレートに接合される、請求項３に記載の双極プレート。
【請求項5】
前記少なくとも１つの導電性プレートは、前記アノード主側面上の前記アノード流動場と、前記アノード主側面の反対の前記カソード主側面上の前記カソード流動場とを含有する、一体型のアノードおよびカソードプレートを備える、請求項１に記載の双極プレート。
【請求項6】
前記第１および第２のキャッピングプレートは、溶剤接合によって、接着剤によって、または超音波溶接、レーザ溶接、またはマイクロ波もしくはＲＦ溶接によって発生される、直接接合によって、前記一体型のアノードおよびカソードプレートに接合される、請求項５に記載の双極プレート。
【請求項7】
前記一体型のアノードおよびカソードプレートは、前記アノードおよびカソード流動場を囲繞する、辺縁部分を含有し、前記第１および第２のキャッピングプレートは、前記接着剤によって前記一体型のアノードおよびカソードプレートの前記辺縁部分の両側に接合され、
流体上昇機開口部は、前記辺縁部分内の第３のプレナム面積を通して、および前記第１および第２のキャッピングプレート内の前記第１および第２のプレナム面積を通して延在する、請求項６に記載の双極プレート。
【請求項8】
前記第１および第２のキャッピングプレートは、３次元印刷プロセスによって前記少なくとも１つの導電性プレート上に形成される、請求項１に記載の双極プレート。
【請求項9】
請求項１に記載の双極プレートと、電解槽膜電極アセンブリとを備える、電解槽スタック。
【請求項10】
前記双極プレートと接触し、前記電解槽膜電極アセンブリの第１の側に位置する、アノード側ガス拡散層と、前記電解槽膜電極アセンブリの第２の側に位置する、カソード側ガス拡散層と
をさらに備える、請求項９に記載の電解槽スタック。
【請求項11】
前記カソード側ガス拡散層と接触する、第２の双極プレートをさらに備える、請求項１０に記載の電解槽スタック。
【請求項12】
複数の双極プレートをさらに備え、前記複数の双極プレートは、各双極プレートの前記アノード流動場が、第１のセルのアノード側に面し、各双極プレートの前記カソード流動場が、第２のセルのカソード側に面するようにスタックされ、前記スタック内の前記複数の双極プレートは、電気的に直列に接続される、請求項１１に記載の電解槽スタック。
【請求項13】
双極プレートを形成する方法であって、アノード主側面上のアノード流動場と、前記アノード主側面の反対のカソード主側面上のカソード流動場とを有する、少なくとも１つの導電性プレートを提供することと、
第１のプレナム面積を含有する、電気絶縁性の第１のキャッピングプレートが、前記アノード主側面にわたって位置するように、前記第１のキャッピングプレートを提供することと、
第２のプレナム面積を含有する、電気絶縁性の第２のキャッピングプレートが、前記第２の主側面にわたって位置するように、前記第２のキャッピングプレートを提供することと、
前記少なくとも１つの導電性プレート、第１のキャッピングプレート、および前記第２のキャッピングプレートを相互に接合することと
を含む、方法。
【請求項14】
前記アノードプレートおよび前記カソードプレートは、炭素、金属、または金属合金を備え、前記第１および第２のキャッピングプレートは、電気絶縁性プラスチックを備え、前記第１および第２の流動場のそれぞれは、肋材によって分離される、流体流チャネルを備える、請求項１３に記載の方法。
【請求項15】
前記少なくとも１つの導電性プレートを提供するステップは、前記カソードプレートの第２の側が、前記アノードプレートの第２の側に接触するように、第１の側に第２の流動場を有する導電性カソードプレートと接触して、第１の側に第１の流動場を有する導電性アノードプレートを設置することを含み、前記少なくとも１つの導電性プレート、第１のキャッピングプレート、および前記第２のキャッピングプレートを相互に接合するステップは、プラスチック射出成型によって、前記第１および第２のキャッピングプレートを、相互ならびに前記アノードプレートおよび前記カソードプレートに接合することを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項16】
前記電気絶縁性の第１のキャッピングプレートを提供するステップは、予め成型された第１のキャッピングプレートを提供することを含み、前記導電性カソードプレートと接触して前記導電性アノードプレートを設置するステップは、前記第１のキャッピングプレート上に前記アノードプレートを設置することと、前記アノードプレート上に前記カソードプレートを設置することとを含み、
前記電気絶縁性の第２のキャッピングプレートを提供するステップは、前記カソードプレートおよび前記第１のキャッピングプレート上に前記第２のキャッピングプレートを設置することを含み、
前記第１のキャッピングプレートおよび前記第２のキャッピングプレートを相互に接合するステップは、液体プラスチック材料を、チャネルを通して前記第１のキャッピングプレート、前記アノードプレート、前記カソードプレート、および前記第２のキャッピングプレートにわたって流動させ、続いて、前記液体プラスチック材料を固化させ、前記第１および第２のキャッピングプレートを相互ならびに前記アノードプレートおよび前記カソードプレートに接合することを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項17】
前記少なくとも１つの導電性プレート、第１のキャッピングプレート、および前記第２のキャッピングプレートを相互に接合するステップは、溶剤接合、接着剤接合、または超音波溶接、レーザ溶接、またはマイクロ波もしくはＲＦ溶接によって発生される、直接接合を含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項18】
前記少なくとも１つの導電性プレートは、前記アノード主側面上の前記アノード流動場と、前記アノード主側面の反対の前記カソード主側面上の前記カソード流動場とを含有する、一体型のアノードおよびカソードプレートを備える、請求項１３に記載の方法。
【請求項19】
前記一体型のアノードおよびカソードプレートは、前記アノード流動場および前記カソード流動場を囲繞する、辺縁部分を含有し、前記少なくとも１つの導電性プレート、第１のキャッピングプレート、および前記第２のキャッピングプレートを相互に接合するステップは、前記第１および第２のキャッピングプレートを、接着剤によって、前記一体型のアノードおよびカソードプレートの前記辺縁部分の両側に接合することを含み、
流体上昇機開口部は、前記辺縁部分内の第３のプレナム面積を通して、および前記第１および第２のキャッピングプレート内の前記第１および第２のプレナム面積を通して延在する、請求項１８に記載の方法。
【請求項20】
前記双極プレートを電解槽スタックの中に設置することをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
（関連出願の相互参照）
本願は、そのそれぞれの全内容が、参照することによって本明細書に組み込まれる、２０２０年８月１４日に出願された、印度仮特許出願第２０２０４１０３５０４３号、および２０２１年６月２３日に出願された、印度仮特許出願第２０２１１１０２８２５０号の利益を主張する。
本願は、そのそれぞれの全内容が、参照することによって本明細書に組み込まれる、２０２０年８月１４日に出願された、印度仮特許出願第２０２０４１０３５０４３号、および２０２１年６月２３日に出願された、印度仮特許出願第２０２１１１０２８２５０号の利益を主張する。
【0002】
（分野）
本開示は、概して、電解槽を対象とし、具体的には、電解槽のための双極プレートおよびその作製方法を対象とする。
本開示は、概して、電解槽を対象とし、具体的には、電解槽のための双極プレートおよびその作製方法を対象とする。
【背景技術】
【0003】
（背景）
陽子交換膜（ＰＥＭ）電解槽は、水を別個の水素流および酸素流に転換するために使用され得る。そのようなＰＥＭ電解槽は、各セルが、アノード電極とカソード電極との間に位置する、ポリマー電解質を含む、複数のセルを含む。アノード側およびカソード側の多孔性ガス拡散層が、個別のアノード電極およびカソード電極に隣接して位置する。ＰＥＭセルスタックは、導電性プレートによって分離された複数のセルをスタックすることによって形成され得る。
陽子交換膜（ＰＥＭ）電解槽は、水を別個の水素流および酸素流に転換するために使用され得る。そのようなＰＥＭ電解槽は、各セルが、アノード電極とカソード電極との間に位置する、ポリマー電解質を含む、複数のセルを含む。アノード側およびカソード側の多孔性ガス拡散層が、個別のアノード電極およびカソード電極に隣接して位置する。ＰＥＭセルスタックは、導電性プレートによって分離された複数のセルをスタックすることによって形成され得る。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0004】
一実施形態によると、双極プレートは、アノード主側面上のアノード流動場と、アノード主側面の反対のカソード主側面上のカソード流動場とを有する、少なくとも１つの導電性プレートと、第１のプレナム面積を含有し、アノード主側面にわたって位置する、電気絶縁性の第１のキャッピングプレートと、第２のプレナム面積を含有し、カソード主側面にわたって位置する、電気絶縁性の第２のキャッピングプレートとを含む。少なくとも１つの導電性プレート、第１のキャッピングプレート、および第２のキャッピングプレートは、相互に接合される。
【0005】
別の実施形態によると、双極プレートを形成する方法は、アノード主側面上のアノード流動場と、アノード主側面の反対のカソード主側面上のカソード流動場とを有する、少なくとも１つの導電性プレートを提供することと、第１のキャッピングプレートが、アノード主側面にわたって位置するように、第１のプレナム面積を含有する、電気絶縁性の第１のキャッピングプレートを提供することと、第２のキャッピングプレートが、第２の主側面にわたって位置するように、第２のプレナム面積を含有する、電気絶縁性の第２のキャッピングプレートを提供することと、少なくとも１つの導電性プレート、第１のキャッピングプレート、および第２のキャッピングプレートを相互に接合することとを含む。
【図面の簡単な説明】
【0006】
本開示の側面は、付随の図とともに熟読されると、以下の詳細な説明から最も深く理解される。本産業における標準的慣行に従って、種々の特徴が、縮尺通りに描かれていないことに留意されたい。実際に、議論の明確化のために、種々の特徴の寸法は、任意に拡大または縮小されている場合がある。
【0007】
【0008】
【0009】
【0010】
【0011】
【0012】
【0013】
【0014】
【0015】
【0016】
【0017】
【0018】
【0019】
【0020】
【0021】
【0022】
【0023】
【0024】
【0025】
【0026】
【発明を実施するための形態】
【0027】
（詳細な説明）
開示される実施形態は、例示的実施形態が示される付随の図を参照して、以降、より完全に説明される。しかしながら、前述は、多くの異なる形態において具現化され得、本明細書に述べられる例示的実施形態に限定されているものとして解釈されるべきではない。流体流は全て、別様に規定されない限り、導管（例えば、パイプおよび／またはマニホールド）を通して流動し得る。
開示される実施形態は、例示的実施形態が示される付随の図を参照して、以降、より完全に説明される。しかしながら、前述は、多くの異なる形態において具現化され得、本明細書に述べられる例示的実施形態に限定されているものとして解釈されるべきではない。流体流は全て、別様に規定されない限り、導管（例えば、パイプおよび／またはマニホールド）を通して流動し得る。
【0028】
本明細書に述べられる文書は全て、参照することによってそれらの全体として本明細書によって組み込まれる。単数形における物品の呼称は、別様に明示的に記載されるか、または文章から明白ではない限り、複数形における物品を含むものと理解されるべきであり、逆もまた同様である。文法的接続詞は、別様に明示的に記載されるか、または文章から明白ではない限り、結合される節、文、用語、および同等物のあらゆる離接的および接続的組み合わせを表現することを意図している。したがって、用語「または」は、概して、「および／または」を意味するものと理解されるべきであり、用語「および」も、概して、「および／または」を意味するものと理解されるべきである。
【0029】
本明細書における値の範囲の列挙は、本明細書において別様に示されない限り、限定することを意図しておらず、代わりに、ある範囲内にある、あらゆる値を個々に参照し、そのような範囲内の各別個の値は、本明細書に個々に列挙されている場合と同様に、本明細書に組み込まれる。用語「約」、「おおよそ」、または同等物は、数値を付随するとき、当業者によって、意図された目的に合わせて十分に動作すると理解されるであろうような任意の逸脱を含むものと解釈されるべきである。値および／または数値の範囲は、本明細書では、実施例として提供されるにすぎず、説明される実施形態の範囲に対する限界を成すものではない。あらゆる実施例または例示的文言（「例えば」、「等」、もしくは同等物）の使用は、実施形態をより良好に明らかにすること意図しているにすぎず、それらの実施形態の範囲に対する限定を課すものではない。本明細書では、いかなる言い回しも、任意の非請求要素を、開示される実施形態の実践に対して不可欠なものとして示しているものと解釈されるべきではない。
【0030】
図１は、Ｇｒｅｉｇ Ｃｈｉｓｈｏｌｍ ｅｔ ａｌ．による、Ｅｎｅｒｇｙ Ｅｎｖｉｒｏｎ． Ｓｃｉ．， ２０１４， ７， ３０２６－３０３２に公開された、「３Ｄ ｐｒｉｎｔｅｄ ｆｌｏｗ ｐｌａｔｅｓ ｆｏｒ Ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ ｏｆ ｗａｔｅｒ： Ａｎ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ａｎｄ ａｄａｐｔａｂｌｅ ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ ｄｅｖｉｃｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ」と題された論説に説明される、ＰＥＭ電解槽セルの斜視切取内部図である。ＰＥＭ電解槽１００は、流体流チャネル１０６および個別の開口部１０８、１０９、１１０を伴う、アノード側流動プレート１０２およびカソード側流動プレート１０４と、流動プレート１０２、１０４間に位置する、ＰＥＭポリマー電解質１１２と、電解質１１２とアノード側流動プレート１０２との間に位置する、アノード側ガス拡散層１１４と、アノード側ガス拡散層１１４と電解質１１２との間に位置する、アノード電極１１６と、電解質１１２とカソード側流動プレート１０４との間に位置する、カソード側ガス拡散層１１８と、カソード側ガス拡散層１１８と電解質１１２との間に位置する、カソード電極１２０とを含み得る、ＰＥＭ電解槽セルを備える。
【0031】
アノード側流動プレート１０２は、水入口開口部１０８と、酸素出口開口部１０９と、アノード側ガス拡散層１１４に面する流動プレート１０２の側面において水入口開口部１０８および酸素出口開口部１０９を接続する、水流チャネル（例えば、蛇行性の経路溝）１０６とを含んでもよい。アノード側ガス拡散層１１４は、多孔性のチタン層を含んでもよい。カソード側ガス拡散層１１８は、多孔性の炭素層を含んでもよい。アノード電極１１６は、イリジウム層等の任意の好適なアノード触媒を含んでもよい。カソード電極１２０は、白金層等の任意の好適なカソード触媒を含んでもよい。他の貴金属触媒層もまた、アノードおよび／またはカソード電極のために使用され得る。電解質１１２は、化学式Ｃ７ＨＦ１３Ｏ５Ｓ・Ｃ２Ｆ４を有する、スルホン化テトラフルオロエチレン系フルオロポリマー共重合体から構成される、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）膜等の任意の好適な陽子交換（例えば、水素イオン輸送）ポリマー膜を含んでもよい。
【0032】
動作時、水が、水入口開口部１０８を通して水流チャネル１０６の中に提供される。水は、水流チャネル１０６を通して、アノード側ガス拡散層１１４を通してアノード電極１１６まで流動する。水は、アノード電極１１６とカソード電極１２０との間への外部電流または電圧の印加に応じて、アノード電極１１６において酸素および水素に電気化学的に分離される。酸素は、アノード側ガス拡散層１１４を通してアノード側流動プレート１０２まで戻るように拡散し、酸素出口開口部１０９を通して電解槽１００から退出する。水素イオンが、電解質１１２を通してカソード電極１２０まで拡散し、次いで、カソード側ガス拡散層１１８およびカソード側流動プレート１０４内の水素出口開口部１１０を通して電解槽１００から退出する。
【0033】
多孔性のチタン層（例えば、シート）が、アノード側ガス拡散層（すなわち、輸送層）１１４として使用されてもよい。一実施形態では、アノード側ガス拡散層１１４として使用される多孔性のチタン層（例えば、シート）が、粉末プロセスによって形成される。一実施形態では、粉末プロセスは、テープ成形を含む。多孔性チタンシートが、焼結された後、これは、両面において（例えば、アノード電極側および流動プレート側において）、良好な伝導性および耐腐食性を提供するための、白金および／または金コーティング等の伝導性増強ならびに／もしくは耐腐食性コーティングでコーティングされてもよい。コーティングは、蒸発等の物理蒸着によって形成されてもよい。
【0034】
別の実施形態では、アノード側ガス拡散層１１４として使用される、多孔性のチタン層（例えば、シート）が、チタン粉末が、圧密化プロセスを使用して多孔性チタンシートにプレス加工される、粉末冶金技法によって形成される。圧密化されたシートが、次いで、焼結され、確立された冶金接合を伴うガス拡散層（例えば、シート）をもたらす。多孔性チタンシートは、４０～６０パーセントの多孔性を有し得る。
【0035】
従来の双極プレート構成では、アノードプレートおよびカソードプレート（すなわち、アノード流動プレートおよびカソード流動プレート）は、導電性材料から形成され、次いで、誘電材料とともに圧縮またはシールされ、双極プレート形成する。開示される実施形態は、双極分離器プレートを含む、電気化学セルのための双極プレートアセンブリを提供する。電気化学セルは、イオン輸送を可能にするように構成される、燃料電池、電解槽セル、または他のセルであってもよい。開示されるアセンブリは、従来の拡散接合プロセスよりコスト効率的である、接合プロセスを使用して形成される。さらに、アセンブリは、アノードプレートおよびカソードプレートが、従来のアノードプレートおよびカソードプレートに対して縮小された面積を有し、材料コストの削減につながり得るように構成される。
【0036】
開示される実施形態によると、複数のスタック要素はそれぞれ、ハイブリッドプレートによって境界され、各ハイブリッドプレートは、アノードプレートと、カソードプレートと、アノードプレートおよびカソードプレートの個別の側に位置する、キャッピングプレートとを含む。アノードプレート、カソードプレート、および２つのキャッピングプレートは、プラスチック等の非伝導性（すなわち、電気絶縁性）材料とともに接合される。開示される実施形態は、容易に打抜加工、エッチング、または別様に形成され得る、導電性の第１の要素とともに形成される、双極プレートセルアセンブリを含んでもよい。第１の要素は、純粋な金属、金属合金、または炭素を備えてもよい。第１の要素は、セル流動面積を生成するように構成されてもよい。アセンブリは、容易に第１の要素の上に成型され、流動特徴を生成する、電気絶縁性の第２の要素を含んでもよい。第２の要素は、プラスチックを備えてもよい。例えば、第２の要素は、プレナム面積、ならびにセルアセンブリおよびプレナム周界のシールを提供する、圧縮特徴および複数の特徴のための面積を含むように構成されてもよい。
【0037】
セルアセンブリはさらに、第１の要素および第２の要素上に接合される、または第１の要素と第２の要素との間の接続特徴を被覆するように定位置に成型される、第３の要素を含んでもよい。セルアセンブリはさらに、被覆が、第１および第２の要素を含むセルアセンブリの両側に要求される場合、ならびにそのときに、添加され得る、第４の要素の燃料電池を含んでもよい。ある用途に関して、伝導性増強コーティングを含むことが、有利であり得る。種々の実施形態によると、そのような伝導性増強コーティングは、セル流動面積を生成する第１の要素のみの上に設置されてもよい。ある用途に関して、腐食防止コーティングを含むことが、有利であり得る。種々の実施形態によると、そのような腐食防止コーティングは、セル流動面積を生成する第１の要素の金属部分のみの上に設置されてもよい。
【0038】
図２Ａは、種々の実施形態による、電気化学セル２００の３次元斜視分解図であり、図２Ｂは、組み立てられた構成にある、図２Ａの電気化学セル２００の垂直断面図である。図２Ａおよび２Ｂの電気化学セル２００は、第１のハイブリッドプレート２０２ａと、第２のハイブリッドプレート２０２ｂと、アノードガス拡散層２０４ａと、カソードガス拡散層２０４ｂと、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）２０６とを含んでもよい。ＭＥＡ２０６は、電解質膜１１２と、アノード１１６と、カソード１２０とを含んでもよい（例えば、図１および上記の関連する説明参照）。第１のハイブリッドプレート２０２ａおよび第２のハイブリッドプレート２０２ｂはそれぞれ、下記の図４Ａおよび４Ｂを参照してより詳細に説明されるように、付加的な構成要素を含んでもよい。第１のハイブリッドプレート２０２ａおよび第２のハイブリッドプレート２０２ｂは、それを通して流体がスタック内の隣接するセル２００間で流動する、整合された流体上昇チャネル２０８を有する。
【0039】
図３は、種々の実施形態による、複数の電気化学セル２００を含む、電気化学スタック３００の３次元斜視図である。電気化学スタック３００は、図２Ａおよび２Ｂに示される複数の電気化学セル２００をスタックすることによって形成されてもよい。本点について、電気化学スタック３００は、複数のＭＥＡ２０６を含んでもよい。ＭＥＡ２０６はそれぞれ、図２Ｂに示されるように、アノードガス拡散層２０４ａとカソードガス拡散層２０４ｂとの間に狭入されてもよい。第１のハイブリッドプレート２０２ａが、第１の電気化学セルのための上部ハイブリッドプレート２０２ａとして作用してもよく、ハイブリッドプレート２０２ａの上方に位置する、別の電気化学セル（図示せず）のための底部ハイブリッドプレートとして作用してもよい。同様に、各第２のハイブリッドプレート２０２ｂは、第１の電気化学セルのための底部プレートとして作用してもよく、ハイブリッドプレート２０２ｂの下方に位置する、さらに別の電気化学セル（図示せず）のための上部ハイブリッドプレートとして作用してもよい。
【0040】
図３に示されるように、電気化学スタック３００は、アノード端部プレート３０２と、カソード端部プレート３０４とを含んでもよい。アノード端部プレート３０２は、アノード入口３０８と、アノード出口３０９とを含んでもよい。アノード入口３０８は、入力として水を受容するように構成されてもよく、アノード出口３０９は、出力として、入力された水の電解によって発生される、酸素を提供するように構成されてもよい。カソード端部プレート３０４は、出力として、入力された水の電解によって発生される水素を提供するように構成され得る、水素出力部３１０を含んでもよい。アノード端部プレート３０２は、アノード電気接続部３１２を含んでもよく、カソード端部プレート３０４は、カソード電気接続部３１４を含んでもよい。電気化学スタック３００は、以下のように電解プロセスを実施するように構成されてもよい。アノード電気接続部３１２は、電圧源の一方の端子に接続されてもよく、カソード電気接続部３１４は、電圧源の反対の極性端子に接続されてもよい。アノード電気接続部３１２とカソード電気接続部３１４との間の電圧の印加が、アノード入口によって受容された水を電気分解させ、それによって、水分子を水素および酸素に解離させてもよい。
【0041】
図４Ａは、種々の実施形態による、ハイブリッドプレート２０２の３次元斜視分解図であり、図４Ｂは、組み立てられた構成にある、図４Ａのハイブリッドプレート２０２の垂直断面図である。図４Ａおよび４Ｂのハイブリッドプレートは、第１の予め成型されたキャッピングプレート４０２ａと、第２の予め成型されたキャッピングプレート４０２ｂとを含んでもよい。ハイブリッドプレートはさらに、アノードプレート４０４と、カソードプレート４０６とを含んでもよい。下記の図５Ａ－６Ｂを参照してより詳細に説明されるように、アノードプレート４０４およびカソードプレート４０６は、（例えば、図５Ａおよび６Ａの水平に直交する）直交方向に沿って配向され、十字流双極プレート２０２を形成する、個別のチャネル５０６および６０６を含んでもよい。代替として、個別のチャネル５０６および６０６は、平行方向に配向され、共流または向流双極プレート２０２を形成してもよい。
【0042】
図４Ａおよび４Ｂのハイブリッドプレートは、以下のように組み立てられてもよい。カソードプレート４０６は、第１の予め成型されたキャッピングプレート４０２ａにわたって設置されてもよい。アノードプレート４０４は、次いで、個別のアノードプレート４０４およびカソードプレート４０６内のチャネルが、相互に対して直交する配向を有するように、カソードプレート４０６にわたって設置されてもよい。第２の予め成型されたキャッピングプレート４０２ｂは、次いで、アノードプレート４０４にわたって設置されてもよい。アセンブリの種々の構成要素は、次いで、種々の方法において相互に固着されてもよい。例えば、プラスチック材料が、図９Ｂを参照してより詳細に説明されるように、アセンブリの周辺の周囲に成型されてもよい。
【0043】
図５Ａは、種々の実施形態による、アノードプレート４０４の上部平面図であり、図５Ｂは、図５Ａのアノードプレート４０４の上面斜視図であり、図５Ｃは、図５Ａのアノードプレート４０４の底面斜視図である。同様に、種々の実施形態により、図６Ａは、カソードプレート４０６の上部平面図であり、図６Ｂは、図６Ａのカソードプレート４０６の上面斜視図であり、図６Ｂは、図６Ａのカソードプレート４０６の底面斜視図である。
【0044】
アノードプレート４０４は、金属、金属合金、または炭素等の導電性材料を含んでもよい。アノードプレート４０４は、複数の打抜加工された特徴５０２を含んでもよい。例示的実施形態では、アノードプレート４０４は、約０．２ｍｍ等、０．１～０．５ｍｍの厚さを有してもよい。他の実施形態は、種々の他の厚さを有する、アノードプレート４０４を含んでもよい。さらに、打抜加工された特徴５０２は、アノードプレート４０４の活性側のみに形成されてもよい。本実施例では、打抜加工された特徴５０２は、アノードプレート４０４の上部表面上に、随意の流体流マニホールド５０５と、肋材５０７によって分離された、複数の平行チャネル５０６とを含む、流動場を含む。チャネル５０６は、流動マニホールド５０５に対して直角に延在してもよく、これは、流体をチャネル５０６を横断して分散させる。例えば、図５Ａに示されるように、チャネルは、水平方向に沿って形成される。アノードプレート４０４はさらに、複数の第１の成型加工で取り付けられた（例えば、プラスチック）フープ特徴５０４を含んでもよい。本実施例では、第１の成型加工で取り付けられたフープ特徴５０４は、プレナム面積５０８を形成するように構成される。
【0045】
カソードプレート４０６は、金属、金属合金、または炭素等の導電性材料を含んでもよい。カソードプレート４０６は、複数の打抜加工された特徴６０２を含んでもよい。例示的実施形態では、カソードプレート４０６は、約０．２ｍｍ等、０．１～０．５ｍｍの厚さを有してもよい。他の実施形態は、種々の他の厚さを有する、カソードプレート４０６を含んでもよい。さらに、打抜加工された特徴６０２は、カソードプレート４０６の活性側のみに形成されてもよい。本実施例では、打抜加工された特徴６０２は、カソードプレート４０６の上部表面上に、随意の流体流マニホールド６０５と、肋材６０７によって分離された、複数の平行チャネル６０６とを含む、流動場を含む。例えば、図６Ａに示されるように、チャネルは、水平方向に沿って形成されてもよい。カソードプレート４０６はさらに、複数の第２の成型加工で取り付けられたフープ特徴６０４を含んでもよい。本実施例では、第２の成型加工で取り付けられた（例えば、プラスチック）フープ特徴６０４は、プレナム面積６０８を形成するように構成される。
【0046】
図７Ａは、種々の実施形態による、キャッピングプレート４０２の上部平面図であり、図７Ｂは、図７Ａのキャッピングプレート４０２の一部の拡大斜視図である。キャッピングプレート４０２は、プラスチック等の電気絶縁材料を備えてもよい。キャッピングプレート４０２は、アノードプレート４０４またはカソードプレート４０６を支持するように構成される、中空フレーム７０２構造を含んでもよい（例えば、図４Ａ－６Ｂ参照）。キャッピングプレート４０２はさらに、それにわたってアノードプレート４０４またはカソードプレート４０６がフレーム７０２に固着され得る、開放面積７０４を含んでもよい。例示的実施形態では、キャッピングプレート４０２は、約０．８ｍｍ等、０．５～１ｍｍの厚さを有してもよい。他の実施形態は、種々の他の厚さを含んでもよい。キャッピングプレート４０２は、図９Ｂを参照して下記により詳細に説明されるように、液体プラスチックが接合プロセスにおいて流動することを可能にする、１つ以上の特徴７０６を含んでもよい。例えば、１つ以上の特徴７０６は、液体プラスチックが流動することを可能にするように構成される、流動チャネル、ポケット、または段特徴を含んでもよい。１つ以上の特徴７０６は、一実施形態では、約０．３ｍｍの深度を有してもよい。他の実施形態は、種々の他の深度を有する、１つ以上の特徴７０６を含んでもよい。キャッピングプレート４０２はさらに、１つ以上の開口７１０を含んでもよい。例えば、開口７１０は、ボルトが開口７１０を通して通過し、それによって、キャッピングプレートをハイブリッドプレートの他の構成要素（例えば、図４Ａおよび４Ｂ参照）、または下記の図８Ａおよび８Ｂを参照してより詳細に説明されるような成型インサートに固着させ得る、ボルト孔として構成されてもよい。キャッピングプレートはさらに、開放プレナム面積７０８を含んでもよい。プレナム面積７０８は、アノードプレートおよびカソードプレート内のプレナム面積５０８および６０８と整合され、スタック３００内の電気化学セル間に水、空気、および水素等の流体を輸送するための、流体上昇機チャネル２０８を形成する。
【0047】
上記に述べられる接合プロセスは、その中でハイブリッドプレートの構成要素（例えば、図４Ａおよび４Ｂ参照）がプラスチック材料の圧力注入を通してともに接合され得る、射出成型プロセスであってもよい。例えば、ある実施形態では、射出成型プロセスは、液体ポリスルホン（または別の好適な流動性プラスチック）の注入と、ハイブリッドプレートの種々の構成要素の圧密化とを含んでもよい。下記により詳細に説明されるように、本接合プロセスは、従来のアプローチにおいて使用される、金属合金プレートの拡散接合と対照的である。
【0048】
図８Ａは、種々の実施形態による、ハイブリッドプレートの形成において使用される、コア成型インサート８０１の３次元斜視図であり、図８Ｂは、図８Ａの成型インサート８０１の３次元拡大斜視図である。本例示的実施形態では、コア成型インサート８０１は、ハイブリッドプレートの構成要素（例えば、図４Ａおよび４Ｂ参照）をコア成型インサート８０１の空洞に締結するように構成される、５つのＭ２４の皿穴８０２を含んでもよい。コア成型インサート８０１はさらに、空洞の角のそれぞれに３つの１９／６４インチの突出ピン孔８０４と、プレナムインサート８０８間のそれぞれに１つずつ（合計で２８個の孔）とを含んでもよい。コア成型インサート８０１はさらに、プレナムインサート８０８間の内側面積を覆う、複数の１／２インチ突出孔８０６（合計で２８個の孔）を含んでもよい。他の実施形態は、種々の他のサイズおよび数の突出ピン孔を含んでもよい。図８Ｂの拡大図に示されるように、コア成型インサート８０１は、プレナムインサート８０８と、ボルト孔の形成のために使用され得る、隆起ランド８１０とを含んでもよい。コア成型インサート８０１はさらに、上記に述べられるように、液体プラスチックが射出成型接合プロセスの間に流動することを可能にするように構成され得る、見切面８１２と、ポケットまたは段特徴８１４とを含んでもよい。
【0049】
図９Ａは、種々の実施形態による、その上に組み立てられたハイブリッドプレート２０２の構成要素を伴う、コア成型インサート８０１の上面３次元図を示し、図９Ｂは、図９Ａの、その上に組み立てられたハイブリッドプレート２０２の構成要素を伴う、コア成型インサート８０１の上面３次元拡大図である。コア成型アセンブリはさらに、種々の突出ピン孔内に配設される、種々の突出ピン９０２（例えば、図８Ａの突出ピン孔８０２、８０４、および８０６参照）を含んでもよい。突出ピン９０２は、ハイブリッドプレート２０２の構成要素が、（例えば、射出成型による）接合プロセスを使用してともに接合された後、ハイブリッドプレート２０２を射出するために使用されてもよい。
【0050】
図９Ｂは、液体プラスチックが射出成型プロセスにおいて流動することを可能にするように構成される、チャネル９０４を含む、コア成型インサート８０１の縁の断面図を示す。液体プラスチックを注入し、ハイブリッドプレート２０２の構成要素を接合する前に、カバー（図示せず）が、コア成型インサート８０１にわたって設置され、構造を閉鎖してもよい。接合プロセスは、チャネル９０４の中にポリスルホンまたは他の注入可能なプラスチックの注入を含んでもよい。プレナムインサート８０８（例えば、図８Ｂおよび９Ｂ参照）は、液体プラスチックがキャッピングプレート４０２（例えば、図７Ａおよび７Ｂ参照）のプレナム面積７０８を充電しないように防止する。同様に、隆起ランド８１０は、液体プラスチックがキャッピングプレート４０２のボルト孔７１０（例えば、図７Ａおよび７Ｂ参照）を充填しないように防止するために使用されてもよい。接合プロセスの間に、コア成型インサート８０１は、循環水（図示せず）で囲繞され、液体プラスチックを冷却し、固体のハイブリッドプレートを生成してもよい。
【0051】
図１０Ａは、種々の実施形態による、コア成型インサート８０１から除去されている、ハイブリッドプレート２０２の上面３次元図であり、図１０Ｂは、図１０Ａのコア成型インサート８０１から除去された後の、ハイブリッドプレート２０２の平面図である。接合プロセスが、完了した後、カバー（図示せず）が、コア成型インサート８０１から除去されてもよい。突出ピン９０２が、次いで、コア成型インサート８０１からハイブリッドプレート２０２を除去するために使用されてもよい。本点について、ある力が、突出ピン９０２に印加され、注入ピンを上方に、コア成型インサート８０１を通して押し上げ、それによって、ハイブリッドプレート２０２をコア成型インサート８０１から外に押進してもよい。
【0052】
図１１は、種々の実施形態による、アノードプレートまたはカソードプレートに接合され得る、２つの分離可能な区分として形成される、キャッピングプレート７０２の平面図である。本点について、キャッピングプレートは、第１の区分７０２ａと、第２の区分７０２ｂとを含んでもよい。第１の区分７０２ａおよび第２の区分７０２ｂは、アノードプレート４０４またはカソードプレート４０６の縁にわたって嵌合されてもよい。第１の区分７０２ａおよび第２の区分７０２ｂは、プラスチック成型プロセス等の種々のプロセスを使用して、アノードプレート４０４またはカソードプレート４０６の縁に接合されてもよい。代替として、図１２Ａ－１５を参照してより詳細に説明されるように、第１の区分７０２ａおよび第２の区分７０２ｂは、糊着によって、溶媒プロセスを使用することによって、超音波溶接によって等、アノードプレート４０４またはカソードプレート４０６の縁に接合されてもよい。ある実施形態では、アノードプレート４０４またはカソードプレート４０６は、第１の区分７０２ａおよび第２の区分７０２ｂに機械式に係合し、それによって、第１の区分７０２ａおよび第２の区分７０２をアノードプレート４０４またはカソードプレート４０６に結合するように構成され得る、結合特徴１１０２を含んでもよい。
【0053】
図１２Ａ－１２Ｃは、種々の実施形態による、それによってプラスチック構成要素１２０２および金属構成要素１２０４が相互に接合され得る、溶剤接合プロセスを図示する。図１２Ａでは、プラスチック構成要素１２０２および金属構成要素１２０４は、溶媒プロセスによる接合に先立って、相互に対して整合されてもよい。例えば、プラスチック構成要素は、キャッピングプレート４０２ａまたは４０２ｂの縁であってもよい（例えば、図４Ａおよび４Ｂ参照）、もしくはキャッピングプレート７０２の第１の区分７０２ａまたは第２の区分７０２ｂの縁であってもよい（例えば、図１１参照）。同様に、金属構成要素１２０４は、アノードプレート４０４またはカソードプレート４０６の縁であってもよい（例えば、図４Ａ、４Ｂ、および１１参照）。溶媒１２０６が、図１２Ｂに示されるように、プラスチック構成要素１２０２と金属構成要素１２０４との間に適用されてもよい。溶媒１２０６は、プラスチック構成要素１２０２の一部１２０８を溶解するように作用してもよい。溶解された部分１２０８は、それによって、金属構成要素１２０４との接合部を形成し、それによって、図１２Ｃに示されるように、プラスチック構成要素１２０２および金属構成要素１２０４を相互に接合してもよい。接合プロセスの間に、プラスチック構成要素１２０２および金属構成要素１２０４は、圧力下でともに保持されてもよい。例えば、プラスチック構成要素１２０２および金属構成要素１２０４は、クランプを用いてともに保持されてもよい、または種々の他の締結デバイスを用いてともに保持されてもよい。
【0054】
図１３Ａ－１３Ｃは、種々の実施形態による、それによってプラスチック構成要素１２０２および金属構成要素１２０４が相互に接合され得る、接着剤接合プロセスを図示する。図１３Ａにおいて、プラスチック構成要素１２０２および金属構成要素１２０４は、接着剤接合プロセスによる接合に先立って、相互に対して整合されてもよい。例えば、プラスチック構成要素は、キャッピングプレート４０２ａまたは４０２ｂの縁（例えば、図４Ａおよび４Ｂ参照）であってもよい、もしくはキャッピングプレート７０２の第１の区分７０２ａまたは第２の区分７０２ｂの縁（例えば、図１１参照）であってもよい。同様に、金属構成要素１２０４は、アノードプレート４０４またはカソードプレート４０６の縁（例えば、図４Ａ、４Ｂ、および１１参照）であってもよい。接着剤１２１０が、図１３Ｂに示されるように、プラスチック構成要素１２０２と金属構成要素１２０４との間に適用されてもよい。接着剤１２１０は、図１３Ｃに示されるように、プラスチック構成要素１２０２と金属構成要素１２０４との間に接合部１２１２を形成し、それによって、プラスチック構成要素１２０２および金属構成要素１２０４を相互に接合するように作用してもよい。接合プロセスの間に、プラスチック構成要素１２０２および金属構成要素１２０４は、圧力下でともに保持されてもよい。例えば、プラスチック構成要素１２０２および金属構成要素１２０４は、クランプを用いてともに保持されてもよい、または種々の他の締結デバイスを用いてともに保持されてもよい。
【0055】
図１４Ａ－１４Ｃは、ある実施形態による、電気化学セル２０２の種々の図を図示する。本実施形態では、金属構成要素１２０４は、一体型のアノードおよびカソードプレート１２０４（すなわち、４０４／４０６）を備えてもよい。プレート１２０４は、ステンレス鋼プレートまたは別の好適な伝導性材料プレートを備えてもよい。一体型のアノードおよびカソードプレート１２０４は、プレート１２０４の一方の主側面上に、アノード肋材５０７によって分離された、アノードチャネル５０６を含有する、アノード流動場（すなわち、水流場）と、プレート１２０４の反対の主側面上に、カソード肋材６０７によって分離された、カソードチャネル６０６を含有する、カソード流動場（すなわち、水素流動場）とを含む。プレート１２０４はまた、水流動場および水素流動場の周辺の周囲に延在する、金属辺縁１４０２を含んでもよい。水／酸素プレナム面積５０８Ｗ／６０８Ｗは、辺縁１４０２の２つの対向側を通して延在する。水素プレナム面積５０８Ｈ／６０８Ｈは、辺縁１４０２の２つの付加的な対向側を通して延在し、十字流プレート１４０２を形成する。代替として、金属構成要素１２０４は、前述の実施形態に説明されるように、背中合わせに設置される、別個のアノードプレート４０４と、カソードプレート４０６とを備えてもよい。
【0056】
アノード側キャッピングプレート４０２Ａ（例えば、７０２）は、プレート１２０４上の水流場にわたって位置する。カソード側キャッピングプレート４０２Ｂは、プレート１２０４上の水素流動場にわたって位置する。カソード側キャッピングプレート４０２Ｂは、水素プレナム面積７０８Ｈをプレート１２０４の底部上の水素流動場まで流体的に接続する、流動チャネル１４０４を含む。カソード側キャッピングプレート４０２Ｂ内には、水および酸素プレナム面積７０８Ｗからプレート１２０４の底部上の水素流動場までのいかなるチャネルも、存在しない。
【0057】
アノード側キャッピングプレート４０２Ａは、水および酸素プレナム面積７０８Ｗをプレート１２０４の上の水流場に接続する、水および酸素流動チャネル（図示せず）を含む。アノード側キャッピングプレート４０２Ａ内には、水素プレナム面積７０８Ｈからプレート１２０４の上部上の水流場までのいかなるチャネルも、存在しない。
【0058】
図１４Ａに示されるように、接着剤１２１０が、キャッピングプレート４０２Ａ、４０２Ｂ上にコーティングされ、個別のキャッピングプレートに面する、プレート１２０４の辺縁１４０２の側面との接合部１２１２を形成する。したがって、各キャッピングプレート４０２Ａ、４０２Ｂは、プレート１２０４の辺縁１４０２の反対側に接合される。したがって、プレート１２０４は、本実施形態では、キャッピングプレート４０２Ａ、４０２Ｂのそれぞれに接合される。
【0059】
図１４Ａ－１４Ｃに示されるように、水素プレナム面積５０８Ｈ／６０８Ｈおよび７０８Ｈは、ともに水素上昇機チャネル２０８Ｈを形成する。水および酸素プレナム面積５０８Ｗ／６０８Ｗおよび７０８Ｗは、ともに水および酸素上昇機チャネル２０８Ｗを形成する。一実施形態では、水素上昇機チャネル２０８Ｈは、水および酸素上昇機チャネル２０８Ｗと異なる断面形状ならびに／もしくは面積を有してもよい。例えば、水素上昇機チャネル２０８Ｈは、水および酸素上昇機チャネル２０８Ｗより小さい断面積を有してもよい。水素上昇機チャネル２０８Ｈは、２つの凹面形の側壁を有し得る一方、水および酸素上昇機チャネル２０８Ｗは、平坦かつ凸面形の側面壁のみを有し、いかなる凹面形の側壁も有していない、略半円形の形状を有してもよい。
【0060】
図１４Ｄは、種々の実施形態による、接着剤によって接合されている、プラスチック構成要素１２０２および金属構成要素１２０４の垂直断面図である。本実施例では、プラスチック構成要素１２０２（例えば、図１１に示されるキャッピングプレート７０２の第１の区分７０２ａまたは第２の区分７０２ｂ）は、その中に金属構成要素１２０４が設置されている、スロットを含んでもよい。接着剤１２１０が、プラスチック構成要素１２０２および金属構成要素１２０４と接触し得る、スロット内に設置されてもよい。したがって、接着剤１２１０は、プラスチック構成要素１２０２と金属構成要素１２０４との間に接合部１２１２を形成してもよい。
【0061】
図１５は、種々の実施形態による、超音波溶接プロセスによって接合され得る、プラスチック構成要素１２０２および金属構成要素１２０４の垂直断面図である。本実施例では、プラスチック構成要素１２０４（例えば、図１１に示されるキャッピングプレートの第１の区分７０２ａまたは第２の区分７０２ｂ）は、その中に金属構成要素１２０４が設置されている、スロットを含んでもよい。トランスデューサ１５０２が、プラスチック構成要素１２０２および金属構成要素１２０４内に超音波振動を発生させるように構成されてもよい。超音波振動は、振動エネルギーをプラスチック構成要素１２０２および金属構成要素１２０４によって吸収させ、それによって、プラスチック構成要素１２０２および金属構成要素１２０４内に熱を発生させてもよい。熱は、プラスチック構成要素１２０２の一部を融解させ、それによって、第１の溶接部分１５０４および第２の溶接部分１５０６を発生させてもよい。プラスチック構成要素１２０２は、それによって第１の溶接部分１５０４および第２の溶接部分１５０６において金属構成要素１２０４に接合された状態になる。
【0062】
他の実施形態では、レーザ溶接を伴う、接合プロセスは、プラスチック構成要素１２０２を金属構成要素１２０４に接合するために使用されてもよい。さらなる実施形態では、プラスチック構成要素１２０２の個々の区分（例えば、図１１に示されるキャッピングプレートの第１の区分７０２ａまたは第２の区分７０２ｂ）は、マイクロ波／ＲＦエネルギー源を使用し、それによってプラスチック構成要素１２０２を金属構成要素に溶接する熱を発生させることによって、金属構成要素１２０４に接合されてもよい。
【0063】
他の実施形態では、圧密化接合プロセスが、プラスチック構成要素１２０２を金属構成要素１２０４に接合するために適用されてもよい。さらなる実施形態は、プラスチック構成要素１２０２と金属構成要素１２０４との間の熱膨張係数に合致し、プラスチック構成要素１２０２と、金属構成要素１２０４とを含み得る、電気化学セル（例えば、図２Ａおよび２Ｂ参照）の動作の間の温度変化に起因する、プラスチック構成要素１２０２と金属構成要素１２０４との間の機械的歪みを軽減するように発生され得る、界面層（図示せず）を含んでもよい。他の実施形態では、プラスチック構成要素１２０２と金属構成要素１２０４との間の接合部が、ナノ／マイクロスケール材料を分注することによって、および／またはナノ／マイクロスケールＣＶＤプロセスを使用することによって形成されてもよい。プラスチック構成要素１２０２および金属構成要素１２０４は、注入または圧縮成型もしくは打抜加工を使用して、別個に形成されてもよい。さらなる実施形態は、プラスチック構成要素１２０２を金属構成要素１２０４に接合するために、（例えば、エポキシ材料を使用して）液体から固体に硬化させ得る、接合層（図示せず）の使用を含んでもよい。例えば、接合層は、接合層への紫外線または他の光の印加によって、硬化されてもよい。
【0064】
図１６は、種々の実施形態による、金属構成要素１２０４の上に直接形成された、プラスチック構成要素１２０２の３次元斜視図である。例えば、３次元印刷プロセスが、実施され、金属構成要素上にプラスチック構成要素１２０２を形成してもよい。本実施例では、金属構成要素１２０４は、その上にプラスチック構成要素１２０２が形成される、直線状の縁１６０２を有してもよい。したがって、金属構成要素１２０４は、例えば、図１１に示されるように、直線状の縁を有する、アノードプレート４０４またはカソードプレート４０６であってもよい。代替として、金属構成要素１２０４は、第１の成型加工で取り付けられたフープ特徴５０４（例えば、図５Ａ－５Ｃ参照）を有する、アノードプレート４０４、または第２の成型加工で取り付けられたフープ特徴６０４（例えば、図６Ａ－６Ｃ参照）を有する、カソードプレート４０６であってもよい。したがって、プラスチック構成要素１２０２は、個別のアノード４０４またはカソードプレート４０６（図示せず）の第１の成型加工で取り付けられたフープ特徴５０４または第２の成型加工で取り付けられたフープ特徴６０５の上に直接形成されてもよい。
【0065】
種々の他の実施形態では、プラスチック構成要素１２０２は、ガラスまたは繊維補強プラスチックを含み、プラスチック構成要素１２０２の強度を改良してもよい。さらなる実施形態では、プラスチック構成要素１２０２および金属構成要素１２０４のうちの一方が、リベットタイプ特徴（図示せず）を含んでもよく、プラスチック１２０２および金属構成要素１２０４のうちの他方が、対応する孔を含んでもよい。リベットタイプ特徴および対応する孔は、一方の構成要素のリベットが、他方の構成要素の孔を通して押動され、それによって、２つの構成要素を相互に融合し得るように構成されてもよい。他の実施形態では、プラスチック構成要素１２０２および金属構成要素１２０４は、プラスチック構成要素１２０２および金属構成要素１２０４が機械的に継合されることを可能にし得る、相互係止式機械的特徴（図示せず）を有してもよい。例えば、プラスチック構成要素１２０２および金属構成要素１２０４のうちの少なくとも一方が、２つの構成要素が、継合されると、その２つの構成要素がともに滑動し得るが、引き離され得ないように、逆にピッチされた「サメの歯」特徴を有するように構成されてもよい。
【0066】
さらなる実施形態は、プラスチック構成要素１２０２と金属構成要素１２０４との間の界面にマーキング層（図示せず）を含んでもよい。マーキング層は、水素および／または酸素のいずれかと相互作用するように構成されてもよく、それによって、漏出に関する顕著な特徴として作用してもよい。上記に説明されるハイブリッドプレート２０２、２０２ａ、および２０２ｂ（例えば、図２Ａ、２Ｂ、４Ａ、４Ｂ、９Ａ、１０Ａ、１０Ｂ参照）は、直交流路を可能にするように構成されてもよい。例えば、アノードプレート４０４のチャネル５０６は、図４Ａおよび４Ｂに示されるようなハイブリッドプレート２０２を形成するとき、カソードプレート４０６のチャネル６０６に対して直交する構成に整合されてもよい。他の実施形態では、磁気要素（図示せず）が、磁場がＰＥＭ性能を増強するために使用され得るように、スタックのプラスチック部分１２０２に組み込まれてもよい。さらなる実施形態では、プラスチック構成要素１２０２と金属構成要素１２０４との間の二重シールが、上記に説明される接合方法のうちのいずれかを使用して形成されてもよい。したがって、二重シール（図示せず）間の空間が、通気孔または排出経路に指向されてもよい。種々の実施形態では、基準電極（例えば、薄い白金ワイヤ）が、アノード対カソードの分離を可能にするために、セルの水素側に組み込まれてもよい。
【0067】
種々の代替実施形態は、成型加工で取り付けられた電圧プローブワイヤを含んでもよい。例えば、プラスチック構成要素１２０２は、ワイヤまたはトレースが、伝導性の流動場要素（例えば、金属構成要素１２０４）に接続されるように、プラスチック構成要素１２０２の中に成型される、ワイヤまたはトレースを含んでもよい。ワイヤまたはトレースは、電圧測定が行われることを可能にし得る。同様に、１つ以上のダイオードまたはスイッチ（例えば、トランジスタ）が、ワイヤまたはトレースがセルの２つの側に接続する状態で、プラスチック構成要素１２０２に隣接して、その内側に、またはその上に搭載されてもよい。ダイオードまたはスイッチ（図示せず）は、電気化学セルの周囲のバイパス電流を制御または分岐させるために使用されてもよい。種々の実施形態では、プレナム面積５０８、６０８、および７０８は、セルの１つの階段状に連続式の段または複数の連続式の段のための入力プレバムおよび出力プレナムを形成してもよい。
【0068】
ハイブリッドプレート２０２（例えば、図４Ａおよび４Ｂ参照）は、種々の実施形態では、セルまたはセルの一部を通して流動する電流の測定を可能にするための電流感知要素（図示せず）を含んでもよい。さらなる実施形態では、プラスチック構成要素１２０２は、複数の金属構成要素１２０４のマトリクスを保持するように構成されてもよく、これは、横方向のトランジスタ、デバイス、スイッチ、または分岐部を介して直接並列に接続される、もしくは並列に切り替えられてもよい。電気化学スタックが、第１のプレートとしてアノード／冷却剤プレートと、第２のプレートとしてカソード／冷却剤プレートとともに組み立てられてもよい。第１および第２のプレートは、スタックに組み立てられてもよく、これは、液体冷却材を交互方式で要求する。代替として、付加的な層または経路が、冷却材経路が、アノード流動場およびカソード流動場を生成する層の間に形成されるように、２つの伝導性部片（例えば、図８Ａおよび８Ｂのコア成型インサート８０１）内に提供されてもよい。これらの実施形態では、冷却剤に面する材料が、アノードまたはカソードに面するために選択される材料と異なってもよい。
【0069】
種々の実施形態では、内側の伝導性のアノード層およびカソード層は、生成されている電気化学セルのために最適化され材料から形成されてもよい。ＰＥＭ燃料電池または水素圧送セルに関して、内側層は、伝導性炭素、薄箔黒鉛、コーティングされたステンレス鋼等を含んでもよい。ＰＥＭ電解槽セルに関して、アノード層は、コーティングされたステンレス鋼またはチタン材料であってもよく、カソード層は、伝導性炭素、薄箔黒鉛、コーティングされたステンレス鋼、または他の適切な金属層を含んでもよい。ＯＨ伝導性電解セルに関して、内側層は、そのセルの化学的性質にとって適切である、ニッケルまたは金属を含んでもよい。
【0070】
開示される実施形態は、従来のシステムに対する種々の利点を提供する。例えば、上記に説明される接合プロセスは、拡散接合より有意にコスト効率的である。さらに、ハイブリッドセル２０２（例えば、図４Ａおよび４Ｂ参照）は、対応する拡散接合されたセルより機械的に強力であってもよい。プラスチック構成要素１２０２（例えば、図７Ａおよび７Ｂのキャッピングプレート４０２）は、プラスチックが誘電材料であるため、セルの周囲に短絡を生成することなく、接合、糊着、または別様に継合され得る。さらに、プラスチック構成要素１２０２は、より容易に、シール隆起部を形成するように形成される一方で、金属打抜加工された構造は、そのようなシール隆起部の形成をより困難にする。中心金属部分１２０２（例えば、図４Ａおよび４Ｂのアノードプレート４０４およびカソードプレート４０６）は、図８Ａ－９Ｂを参照して上記に説明されるように、複雑なプレナム部分５０８、６０８、７０８が成型を介してプラスチックから形成される状態で、非常に容易に打抜加工されてもよい。さらに、任意のコーティングが、プラスチック構成要素１２０２を必然的にコーティングすることなく、中心打抜加工された金属部分１２０４のみの上に形成されてもよい。
【0071】
上記に説明される方法およびシステムが、実施例として述べられており、限定ではないことを理解されたい。多数の変形例、追加、省略、および他の修正が、当業者に明白となるであろう。加えて、上記の説明および図面における方法動作の順序または表現は、特定の順序が明白に要求される、もしくは別様に文脈から明白ではない限り、列挙される動作を実施する、本順序を要求することを意図していない。したがって、特定の実施形態が、示され、説明されているが、形態および詳細の種々の変更ならびに修正が、本開示の範囲から逸脱することなく、その中で成され得ることが、当業者に明白となるであろう。
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図5A】
【図5B-5C】
【図6A】
【図6B-6C】
【図7A】
【図7B】
【図8A】
【図8B】
【図9A】
【図9B】
【図10A】
【図10B】
【図11】
【図12A-12C】
【図13A-13C】
【図14A】
【図14B】
【図14C】
【図14D】
【図15】
【図16】
【国際調査報告】