JP6356127B2 - 電気化学セルで使用するためのバイポーラプレートの設計 - Google Patents
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Description
[0001]本出願は、参照によりそれらの全体が本明細書に組み入れられる２０１３年４月３０日付けで出願された米国仮出願第６１／８１７，６６４号、および２０１２年８月１７日付けで出願された米国仮出願第６１／６８４，２７８号の優先権を主張する。
[0002]本発明の開示は、電気化学セルを対象とし、より特定には、高圧または高差圧電気化学セルで使用するためのバイポーラプレートの設計を対象とする。
[0003]電気化学セルは、通常燃料電池または電解セルとして分類されるが、化学反応により電流を発生させたり、または電流の流れを使用して化学反応を誘導したりするために使用されるデバイスである。燃料電池は、燃料の化学エネルギー（例えば水素、天然ガス、メタノール、ガソリンなど）と酸化剤（空気または酸素）とを、電気と、熱および水の廃棄物とに変換する。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。
[0004]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。例えばプロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池は、電解質として高分子のイオン伝導膜を利用している。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。電子はカソードへの回路を通って流れて電気を発生させ、その一方で陽子は電解質膜を介してカソードに放散する。カソードでは、水素の陽子が（カソードに供給された）電子および酸素と結合して、水および熱を生産する。
[0005]電解セルは、それとは逆に稼働する燃料電池の代表である。基礎的な電解セルは、外部の電位が適用されると水を水素と酸素ガスとに分解することによって水素発生器として機能する。水素燃料電池または電解セルの基礎的な技術は、例えば電気化学的な水素の加圧、精製、または膨張などの電気化学的な水素の操作に適用できる。電気化学的な水素の操作は、水素の管理に従来使用されていた機械システムの実用的な代替物として出現した。エネルギーキャリアーとしての水素の商業化の成功および「水素経済」の長期的持続可能性は主に、燃料電池、電解セル、および他の水素の操作／管理システムの効率および費用対効果によって決まる。
[0006]１つの燃料電池は、作動中、一般的に約１ボルトを生産できる。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。燃料電池は連続して一緒にスタックされ、それぞれのセルはカソード、電解質膜、およびアノードを包含する。各カソード／膜／アノード接合体は、「膜電極接合体」、または「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、機械的な支持体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体とを供給し、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供給する。典型的には、バイポーラプレートは、例えばステンレス鋼、チタンなどの金属と、例えばグラファイトなどの非金属の電気導体とから作製される。
[0007]加えて、典型的な燃料電池スタックは、燃料および酸化体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、未反応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を包含する場合もある。
[0008]図１は、従来技術の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。例示されているように、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「膜電極接合体」（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。
[0009]加えて、従来技術のＰＥＭ燃料電池１０は、セル内のＭＥＡの両側に導電性のガス拡散層（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への機械的な支持体を提供する。ＧＤＬ５は、電解質膜に面する側に電極７Ａおよび７Ｃが配置された織布または不織布のカーボンクロス（carbon cloth）を含み得る。場合によっては、電極７Ａおよび７Ｃは、隣接するＧＤＬ５または電解質膜８のいずれかの上にコーティングされた電極触媒（electrocatalyst）材料を包含する。炭素繊維ベースのＧＤＬは、特に細孔パラメーターの制御が難しいという理由で、高差圧セルの性能要件を満たさないことが一般的である。いくつかの高圧または高差圧燃料電池は、従来のＧＤＬと組み合わせて、またはその代わりに「フリット」タイプの高密度に焼結された金属のスクリーンパック、エキスパンドメタル、金属発泡体、または立体的な多孔質金属基板を使用することにより、バイポーラプレート２中に形成された従来のランドチャネル型の流れ場４と組み合わせてＭＥＡに構造的な支持体を提供する。いくつかの高圧または高差圧セルでは、金属発泡体または立体的な多孔質金属基板が、同様に従来のチャネルタイプの流れ場４の代わりに使用できる。
[0010]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、立体的な多孔質金属流れ場または従来のチャネルタイプ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。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。
[0011]多孔質金属フロー構造の使用は、高圧または高差圧電気化学セル作動の物理的な制限および性能の不利益の一部を克服するが、このような電気化学セルは通常、セル内に高圧流体が含有されるというさらなる課題に直面する。典型的には、高圧または高差圧電気化学セルは円柱形であり、すなわちこのようなセルは円形状の圧力境界を有することから、セル内の流体圧力のバランスをとるために、このようなセルは円周方向に生じる円周応力を頼るようになる。しかしながら、円形のセルの外形はセルスタックおよびマニホールドの形状の設計を複雑にすることから、セル製造のための材料利用が最適でなくなる。したがって、電気化学セルの設計を向上させることにより、セル設計とセルスタックの拡張性にフレキシビリティーをもたせ、マニホールドの形状を簡単にし、製造のための材料利用を最大化するという継続的な課題がある。
[0012]本発明の開示は、高圧または高差圧作動のための電気化学セルの設計を対象とする。特に、本発明の開示は、これらに限定されないが、燃料電池、電解セル、水素精製装置、水素エキスパンダー（hydrogen expander）、および水素圧縮機などの高圧または高差圧電気化学セルで使用するためのバイポーラプレートの設計を対象とする。
[0013]本発明の開示の第一の形態は、高圧または高差圧下での作動で使用するための電気化学セルである。電気化学セルは、第一の電極、第二の電極、およびその間に取り入れた電解質膜を含む。電気化学セルは、少なくとも１つのバイポーラプレート、および少なくとも１つのバイポーラプレートと第一の電極との間の第一のフロー構造をさらに含む。電気化学セルの少なくとも１つのバイポーラプレートは、非円形のベース形状を有しており、少なくとも１つのバイポーラプレートの厚さは、少なくとも１つのバイポーラプレートを製造するために選択された材料の降伏強度、第一のフロー構造の厚さ、およびセル作動中における第一のフロー構造中の最大の意図される流体圧力に基づき決定される。
[0014]本発明の開示の他の形態は、高圧または高差圧下での作動で使用するための電気化学セルの製造方法である。本方法は、以下の工程：第一の電極、第二の電極、およびその間の電解質膜を提供すること、第一のバイポーラプレートを製造するための材料を選択すること、第一のバイポーラプレートを製造するために選択された材料の降伏強度を計算すること、計算された降伏強度、第一のバイポーラプレートに隣接して配置される第一のフロー構造の厚さ、およびセル作動中における第一のフロー構造中の最大の意図される流体圧力に基づき第一のバイポーラプレートの厚さを決定することを含む。本方法は、決定された厚さを使用して第一のバイポーラプレートを製造すること（ここで第一のバイポーラプレートは非円形の形状を有する）、電解質膜の一方の側に第一のバイポーラプレートを提供すること、および第一のバイポーラプレートと第一の電極との間に第一のフロー構造を提供することをさらに含む。
[0015]添付の図面は、本明細書に取り入れられてその一部を構成し、本発明の実施態様を例示し、説明と共に本発明の様々な形態の原理を解説するのに役立つ。
[0024]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、特許請求された発明を制限しないと理解されるものとする。
[0025]以下、本発明の開示に合致する所定の実施形態について述べ、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。本発明の開示を高差圧電気化学セル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、これらに限定されないが高圧および低圧電気化学システムなどの様々な種類の電気化学セルで採用できることが理解されよう。
[0026]本発明の開示は、高圧または高差圧下で作動する電気化学セルで使用するためのバイポーラプレートの設計を対象とする。例示的な実施態様において、高圧または差圧下での作動で使用するための電気化学セルは、非円形の外部圧力境界を有し、すなわち電気化学セルは、非円形の外形を有する。典型的な実施態様において、電気化学セルは、全体的に長方形の外形を有する。このような実施態様の一つにおいて、電気化学セルは、完全に長方形の外形を有する。他の実施態様において、電気化学セルは、正方形の外形を有する。さらにその他の実施態様において、電気化学セルは、「レーストラック」型の外形、すなわち図３Ｂで表されるような側面が半楕円形の実質的に長方形の形状を有する。このような典型的な電気化学セルのバイポーラプレートは、非円形のベース形状を有する。例えば、例示的な電気化学セルが全体的に長方形の外形を有する場合、それに対応する１つまたはそれより多くのバイポーラプレートも、全体的に長方形のベース形状を有する。追加の実施態様において、バイポーラプレートは、セル組立て体中の端部が鋭くならないように角を丸くした全体的に長方形の外形を有する。
[0027]図２は、長方形の形状を有する高差圧電気化学セル２０の断面図を示す。図２で例示されるように、セル２０は、両側にフロー構造２２および２８を有する膜−電極−接合体（ＭＥＡ）４０を含む。フロー構造２２および２８は、それぞれバイポーラプレート３０および３１で取り囲まれており、これらのバイポーラプレートはスタック中の隣接するセルから電気化学セル２０を隔てている。
[0028]高差圧下での作動のためにセルが使用される場合、電気化学セル中のフロー構造の１つは、作動中、電解質膜の他方の側のフロー構造よりも高い流体圧力に晒される。以下、作動中に、より高い流体圧力に晒されるフロー構造は、「高圧フロー構造」と称し、比較的低い流体圧力を受けるフロー構造は、「低圧フロー構造」と称する。図２に表された実施態様において、フロー構造２２を、高圧フロー構造と指定し、フロー構造２８を、低圧フロー構造と指定する。いくつかの実施態様において、セルスタック中の各電気化学セルは、２つのバイポーラプレートを含み、そのうち一方はセルの高圧側に存在し、他方はセルの低圧側に存在する。図２に表された実施態様において、バイポーラプレート３０はセル２０の高圧側に置かれ、バイポーラプレート３１はセル２０の低圧側に置かれる。いくつかの他の実施態様において、セルスタック中の２つの隣接する電気化学セルは、バイポーラプレートを共有しており、すなわちスタックがｎ個のセルを含む場合、スタック中のバイポーラプレートの合計数は、（ｎ＋１）個である。このような実施態様において、単一のバイポーラプレートは、プレートの両側に流れ場機構を有していてもよく、例えば、一方の側が１つのセルの低圧フロー構造を支持し、他方の側が隣接するセルの高圧フロー構造を支持する。
[0029]高差圧セルの典型的な実施態様において、高圧フロー構造２２は、フロー構造−ＭＥＡのインターフェースにおいて、すなわち電解質膜に面する側で、低圧フロー構造２８よりも小さい表面積を有する。図２で例示されるように、フロー構造−ＭＥＡインターフェースにおける高圧の場２２の境界は、完全に低圧フロー構造２８の境界に包含される。このような配列において、高圧フロー構造２２から電解質膜に作用する高い流体圧力は、膜の他方の側に配置された低圧フロー構造２８によって提供される構造的な支持体によって連続的にバランスが保たれる。低圧フロー構造２８によって提供される均一で連続的な支持体は、膜の破損を引き起こすことがわかっている膜上の高い応力点から保護する役割がある。低圧フロー構造２８によって提供される補強はさらに、高圧下で膜が過度に曲がらないようにするため、膜の破裂を防ぐ。
[0030]図２はさらに、高圧側のバイポーラプレート３０と電解質膜との間に提供されるシール２５を示し、シール２５は、連続した低圧フロー構造に対する高圧側のシーリングが達成されるように、その全体が膜に面する側の低圧の場の外周内に含まれている。またシール２５（本明細書では高圧側シールとも称される）は、高圧ガスの漏れを防ぐために低圧フロー構造２８とで膜を挟んでいる。このような配列は、低圧側におけるあらゆる不連続部分（例えば、低圧フロー構造によって支持されていない膜のあらゆる部分、またはバイポーラプレートと低圧フロー構造との間のあらゆるギャップ）が高圧に晒されないようにする。典型的な実施態様において、全セルスタック中の高圧側シールは全て、それぞれの低圧フロー構造の外周内にある。
[0031]いくつかの実施態様において、バイポーラプレートが非円形のベース形状を有する場合、隣接するフロー構造も非円形の形状を有する。図３Ａは、長方形の形状を有する例示的な高差圧電気化学セルのフロー構造の平面図を示す。このような実施態様において、フロー構造２２および２８は、長方形の外形を有する。図３で例示されるように、高圧フロー構造２２の外周は、電解質膜に面する側の低圧フロー構造の外周内にその全体が含まれている。またシール２５は、連続した低圧フロー構造に対する高圧側のシーリングが達成されるように、膜に面する側の低圧フロー構造の外周内に含まれている。
[0032]他の実施態様において、セル中の１つまたはそれより多くのバイポーラプレートのベース形状は、セル中のフロー構造の形状と一致していない。例えば、長方形のベース形状を有するバイポーラプレートが、円形の形状を有する隣接するフロー構造を支持していてもよい。同様に、高差圧セル中の高圧および低圧フロー構造が異なる形状を有していてもよい。図３Ｂは、高圧フロー構造２２および低圧フロー構造２８が異なる形状を有する例示的な高差圧電気化学セルのフロー構造の平面図を示す。図３Ｂで例示されるように、低圧フロー構造２８は、角を丸くした長方形の外形を有するが、高圧フロー構造２２および高圧側シール２５は、「レーストラック」型の外形を有する。図３Ｂで示されるように、高圧フロー構造２２の外周、同様にシール２５の外周は、低圧フロー構造２８の外周内にその全体が含まれる。
[0033]例示的な実施態様において、フロー構造２２、２８は、金属発泡体または他の多孔質金属基板を使用して製造される。このような実施態様の一つにおいて、開口したセル状のフロー構造は、例えば金属発泡体、焼結された金属フリット（sintered metal frit）、または他のあらゆる多孔質金属などの高度に多孔質な金属材料を圧縮することによって形成される。多孔質金属材料としては、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、ニッケル−スズ合金などの金属合金が挙げられる。所定の実施形態において、低圧フロー構造２８は、高圧フロー構造２２の密度レベルより大きい密度レベルに圧縮される。さらに、いくつかの実施態様において、一方の側に微孔性材料層（ＭＰＬ）と共に圧縮された多孔質金属マトリックスを積層することにより、フロー構造が形成される。追加の実施態様において、電極触媒が膜電極接合体に統合されていない場合、ＭＰＬは、電極触媒層でコーティングされる。得られた積層構造は、電気化学セル中に、膜に隣接して配置された電極触媒層と共に配置してもよい。ＭＰＬが使用されないいくつかの実施態様において、電極触媒層は、電解質膜に面する側の圧縮された多孔質金属基板上に直接コーティングしてもよい。
[0034]図４は、電気化学セル２０の典型的な実施態様におけるバイポーラプレート３０の設計考察を表するために、図２に記載の領域５０の拡大図を示す。高圧下で作動させる電気化学セルで使用するためのバイポーラプレート３１を設計するのに類似の設計考察を使用してもよい。図４で例示されるように、バイポーラプレート３０は長方形の外形を有しているが、これは、電気化学セル２０が長方形の外部圧力境界を有することを示す。このような電気化学セルにおいて、内部の流体圧力が高圧シール（すなわちシール２５）を介してバイポーラプレート３０に伝えられることにより、バイポーラプレートが張力下に置かれる。すなわちバイポーラプレート３０は、セル作動中に引張部材として機能する。バイポーラプレート中で発生した軸引張力が作動中に内部の流体圧力のバランスを保つことにより、セルの外部圧力境界の***／屈曲が防がれる。
[0035]典型的な実施態様において、バイポーラプレート３０は、張力部材に関する設計の必要条件に基づいて設計される。バイポーラプレート３０を有効な張力部材として機能させるためには、セル内部の流体圧力を、プレートの軸方向の断面積（「面積ｐｌａｔｅ」）と共に考察する必要がある。以下の方程式（１）で示されるように、バイポーラプレート３０中で生じた引張応力（「Ｆｙ」）は、作動中にフロー構造２２中で生じた内部の流体圧力（「Ｐｆｌｕｉｄ」）の関数である。
[0037]式中、「面積ｆｌｏｗ−ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ」は、フロー構造２２の軸方向の断面積を示し、「厚さｆｌｏｗ−ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ」および「厚さｐｌａｔｅ」は、図４で示されるように、それぞれフロー構造２２の厚さおよびバイポーラプレート３０の厚さを示し、「幅ｆｌｏｗ−ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ」および「幅ｐｌａｔｅ」は、それぞれフロー構造２２の幅およびバイポーラプレート３０の幅を示す。方程式（１）に基づいて、Ｆｙは、厚さｐｌａｔｅに対する厚さｆｌｏｗ−ｓｔｒｕｃｔｕｒｅの比率にＰｆｌｕｉｄを掛けた値に比例するともいえる。したがってバイポーラプレート材料の降伏強度（すなわち、プレートの特定量の永久歪みが起こる応力の量）が事前にわかっている場合、バイポーラプレート３０の厚さは、予め決められた量の引張応力に耐えるように調節できる。したがって、典型的な実施態様において、バイポーラプレート３０の厚さは、バイポーラプレート材料の降伏強度に基づき決定される。例えば、電気化学セル２０の意図した作動上の圧力、フロー構造２２の厚さ、およびセルの幅（すなわち、フロー構造２０とバイポーラプレート３０との幅）がわかっている場合、バイポーラプレート３０の厚さは、材料の降伏強度に基づいて最適化できる。これは、バイポーラプレートを、バイポーラプレート／外部圧力境界の歪みを引き起こすことなくそれに作用する軸引張力の結果生じる応力に耐えるようにすることができる。選ばれた実施態様において、バイポーラプレート３０の厚さは、材料の降伏強度に反比例し、すなわち、材料の降伏強度が高ければ高いほど、バイポーラプレートの厚さを薄くできる。バイポーラプレートの厚さを薄くすることは、電気化学セルをよりコンパクト且つ軽量にする可能性がある。いくつかの例示的な実施態様において、バイポーラプレート３０の厚さは、約０．０３ｍｍから約３ｍｍの範囲であってもよい。例えば、バイポーラプレート３０の厚さは、約０．０３ｍｍから約１ｍｍ、約０．５ｍｍから約２ｍｍ、約０．１ｍｍから約１ｍｍ、約０．２ｍｍから約０．８ｍｍ、約０．４ｍｍから約０．６ｍｍなどの範囲であってもよい。
[0038]一実施態様において、バイポーラプレート３０は、図４で示されるように、フロー構造を含有／支持するためのポケットが内部に形成された材料の単一の部品から製造される。他の実施態様において、バイポーラプレート３０は、図５で例示されるような「二部品」の設計を有する。このような実施態様において、プレート３０は、２つの別個の部品を含み、すなわちフロー構造のためのポケットが形成された枠組み部品３０Ａと、１つの全体的に平坦なプレート３０Ｂとを含む。２つの部品は、それらのインターフェース３５で結合されており、ここで結合方法は、破損を起こすことなくフロー構造からの圧力による力を平坦なプレート３０Ｂに透過させるのに十分な程度の強さである。このような実施態様において、厚さｐｌａｔｅは、平坦なプレート３０Ｂの厚さを指す。結合方法としては、これらに限定されないが、接着剤での結合、溶接、ポリマーでの熱接合などが挙げられる。
[0039]典型的な実施態様において、バイポーラプレート３０は、アルミニウム、鋼、ステンレス鋼、チタン、銅、Ｎｉ−Ｃｒ合金、インコネル、または他のあらゆる導電性材料から作製できる。一実施態様において、バイポーラプレート３０は、片側または両側に、クラッド材料、例えばステンレス鋼とのアルミニウムクラッドを含む。図６は、平坦なプレート３０Ｂがクラッド材料を含む「二部品」のバイポーラプレート３０を例示する。クラッド法は、両方の金属固有の利点を提供する。例えば、ステンレス鋼−クラッドアルミニウムから製造されたバイポーラプレートの場合、セル作動中にステンレス鋼はアルミニウムのコアを腐食から保護すると同時に、例えば高い強度重量比、高い熱伝導率および導電率などのアルミニウムの優れた材料特性をもたらす。
[0040]いくつかの実施態様において、バイポーラプレート３０は、枠組み部品３０Ａと平坦なプレート３０Ｂとをかみ合わせるためのかみ合い機構４０を有する「二部品」の設計を含んでいてもよい。かみ合い機構４０は、枠組み部品３０Ａと平坦なプレート３０Ｂとを一緒に固定するのに十分な程度のはめ合わせの形状に成形できる。例えば、枠組み部品３０Ａは、かみ合い機構４０の第一の部分４１を包含していてもよく、平坦なプレート３０Ｂは、かみ合い機構４０の第二の部分４３を包含していてもよい。第一の部分４１および第二の部分４３は、枠組み部品３０Ａと平坦なプレート３０Ｂとの間に固定された連結が提供されるように設計されていてもよい。連結は、例えばバイポーラプレート３０を供給するために取り外し可能な連結であってもよい。
[0041]図７および８で示されるように、第一の部分４１は、１つまたはそれより多くの突出部４２を含んでいてもよく、第二の部分４３は、１つまたはそれより多くの凹部４４を含んでいてもよい。さらに第一の部分４１および第二の部分４３が、様々な連結メカニズムを含む場合も考慮される。突出部４２は、凹部４４とかみ合うように設計されていてもよい。加えて、突出部４２は、枠組み部品３０Ａの底部表面３１に配置された、枠組み部品３０Ａから外部に向かって伸長する突起部または***部を包含していてもよい。凹部３４は、平坦なプレート３０Ｂの上面３３に配置された、平坦なプレート３０Ｂから内部に向かって伸長する溝またはへこみを包含していてもよい。一実施態様において、図７で示されるように、枠組み部品３０Ａは、１つの突出部４２を包含し、平坦なプレート３０Ｂは、１つの凹部４４を包含する。しかしながら、枠組み部品３０Ａが、複数の突出部４２、例えば２、４、１０、２５、または１００個の突出部を含む場合も考慮される。さらに、平坦なプレート３０Ｂは、それに対応する数の凹部４４を含んでいてもよい。図８は、枠組み部品３０Ａが４つの突出部４２を含み、平坦なプレート３０Ｂがそれに対応する４つの凹部４４を含む一実施態様を示す。
[0042]他の実施態様において、枠組み部品３０Ａおよび平坦なプレート３０Ｂはそれぞれ、少なくとも１つの突出部４２および少なくとも１つの凹部４４を含んでいてもよい。加えて、枠組み部品３０Ａは、凹部４４を包含していてもよいし、平坦なプレート３０Ｂは、突出部４２を包含していてもよい。
[0043]図７および８で示されるように、かみ合い機構４０は、様々な形状およびサイズを含んでいてもよい。例えば、突出部４２および凹部４４は、円柱形、円形、楕円形、長方形、または正方形の形状に成形されてもよい。加えて、突出部４２および凹部４４は、様々な多角形の形状を包含していてもよい。いくつかの実施態様において、枠組み部品２０Ａおよび平坦なプレート３０Ｂは、異なる形状を有する複数のかみ合い機構４０を包含していてもよい。他の実施態様において、枠組み部品３０Ａおよび平坦なプレート３０Ｂ上の全てのかみ合い機構４０は同じであってもよい。
[0044]突出部４２および凹部４４は、あらゆる好適な形状および寸法であってもよい。例えば、突出部４２および凹部４４を、流体の通過を阻止するシーリングのかみ合わせが形成されるような形状または大きさにしてもよい。いくつかの実施態様において、突出部４２が凹部４４内に入りスライドして凹部４４とかみ合うように突出部４２が設計されるように、突出部４２は凹部４４よりもわずかに大きいサイズを有していてもよい。例えば、突出部４２は、凹部４４内でスライドしてもよいし、凹部４４は、長さが約１ｍｍ未満から約５０ｍｍを超える範囲であってもよく、例えば約２ｍｍから約４０ｍｍ、約３ｍｍから約３０ｍｍ、約４ｍｍから約２０ｍｍ、約４ｍｍから約１０ｍｍの範囲であってもよい。突出部４２は、長さが約１ｍｍ未満から約５０ｍｍを超える範囲であってもよい。一実施態様において、突出部４２は、長さが約５ｍｍであってもよいし、凹部４４は、長さが約５ｍｍであってもよい。さらなる実施態様において、突出部４２は、長さが５ｍｍであってもよいし、凹部４４は、長さが５．０５ｍｍであってもよい。
[0045]突出部４２および凹部４４は、第一および第二の表面３１、３３に対して様々な角度で配向されていてもよい。例えば、突出部４２および凹部４４は、第一および第二の表面３１、３３に対して直角であってもよい。他の実施態様において、突出部４２は、第一の表面３１と約２から約９０度の範囲の第一の角度をなしていてもよく、凹部４４は、第二の表面３３と約−４５から約＋９０度の範囲の第二の角度をなしていてもよい。第二の角度は第一の角度と等しくてもよいし、またはそれより大きくてもよい。
[0046]さらに、突出部４２または凹部４４が、そこをガスのフローが通るように設計された１つまたはそれより多くの通路５０を包含する場合も考慮される（図７および８）。枠組み表面２０Ａ上の通路５０は、平坦なプレート３０Ｂ上の通路５０に合わせて配置されてもよい。いくつかの実施態様において、通路５０は、枠組み表面３０Ａおよび平坦なプレート３０Ｂ中にランダムに取り付けられた多孔質の穴を包含していてもよい。ガスは、通路５０に入って燃料電池１０に流動できる。
[0047]他の実施態様において、かみ合い機構４０は、第一および第二のプレートをシーリングによりかみ合わせるのに好適な様々な連結部を包含していてもよい。例えば、かみ合い機構４０は、シールの押えおよびシール、Ｏ−リングの押え、またはＯ−リングを包含していてもよい。
[0048]突出部４２および凹部４４は、枠組み表面３０Ａおよび平坦なプレート３０Ｂ上に規則的またはランダムなパターンで取り付けられてもよい。例えば、突出部４２および凹部４４は、第一および第二の表面３１、３３の外部との境界の周りに取り付けられてもよい。加えて、または代替として、突出部４２および凹部４４は、各プレートの中心の近くに取り付けられてもよい。突出部４２および凹部４４の取り付けは、散在的になされてもよいし、または一様の配置でなされてもよい。いくつかの実施態様において、突出部４２および凹部４４は、結合する表面３１、３３での剪断応力が最小化されるように取り付けられる。
[0049]突出部４２および凹部４４は、例えば、ステンレス鋼、アルミニウム、グラファイト、ポリマー、および様々な複合材料で形成されてもよい。いくつかの実施態様において、突出部４２および凹部４４は、同じ材料を含んでいてもよい。他の実施態様において、突出部４２は第一の材料を含んでいてもよいし、凹部４４は第二の材料を含んでいてもよく、ここで第一および第二の材料は異なる。さらに、凹部４４が、突出部４２内で拡張してシーリングによるかみ合わせが形成されるように設計された弾性重合体を包含する場合も考慮される。好適な弾性重合体としては、例えば、ＥＰＤＭ、Ｖｉｔｏｎ（登録商標）、およびネオプレンが挙げられる。
[0050]枠組み表面３０Ａおよび平坦なプレート３０Ｂは、１つまたはそれより多くの追加の連結メカニズムでさらに固定されてもよく、このような連結メカニズムとしては、インターフェース３５での例えば結合剤、溶接、ろう付け、はんだ付け、拡散接合、爆着、超音波溶接、レーザー溶接、抵抗溶接、または焼結が挙げられる。一実施態様において、結合剤としては、接着剤が挙げられる。好適な接着剤としては、例えば、エポキシ、シアノアクリレート、熱可塑性シート（熱融着した熱可塑性シートなど）、ウレタン、および他のポリマーが挙げられる。かみ合い機構４０と結合剤とをすり合わせることにより、枠組み表面３０Ａと平坦なプレート３０Ｂとをシーリングにより固定できる。他の実施態様において、結合剤を使用しないかみ合い機構４０の摩擦適合は、枠組み表面３０Ａと平坦なプレート３０Ｂとをシーリングにより固定できる。
[0051]かみ合い機構４０は、枠組み表面３０Ａと平坦なプレート３０Ｂとの入れ子配置を提供するものでもよい。例えば、図７および８で示されるように、枠組み表面３０Ａは、平坦なプレート３０Ｂ内に入れ子になっていてもよい。入れ子配置は、強く安全な連結部を提供できるために、枠組み表面３０Ａと平坦なプレート３０Ｂとを一緒に固定するのに必要な接着剤の剪断強度は小さくなる。例えば、突出部４２によってもたらされる剪断力は、枠組み表面３０Ａと平坦なプレート３０Ｂとを固定するための全体的により強い材料を作り出す可能性がある。また入れ子配置は、例えば別の方法で腐食を引き起こす可能性がある冷却剤などの流体ストリームへの曝露からバイポーラプレート３０の材料を隔離することもできる。加えて、入れ子配置は、燃料電池スタック中で枠組み表面３０Ａと平坦なプレート３０Ｂとの迅速で簡単な組立てを達成する可能性があることから、修理費用を低減させる。
[0052]枠組み表面３０Ａと平坦なプレート３０Ｂとが一緒に入れ子になった場合、それらは、燃料電池スタック中の第一の燃料電池と第二の燃料電池との間の熱伝達を容易にすることができる。またかみ合い機構４０のシーリング配置も、流体が燃料電池１０に入らないようにできるため、セルへの流体の漏れにより引き起こされる電解腐食を低減する。このようなことにより、より長い寿命と高い性能を有する電気化学セルを提供できる。
[0053]加えて、本発明の開示の非円形の外形を有する電気化学セル（すなわち非円柱形のセルスタック）は、円形の外形を有する電気化学セルを超える所定の利点を有する。例えば、非円形の外形は、セルのマニホールド設計または流体の分配システムを改良する必要なく、２次元（セルの数およびセルの幅）における設計の柔軟性および拡張性を可能にする。非円柱形のセルスタック、特に長方形の外形のスタックは、クロスフロー型のスタック設計の選択肢などの簡単なマニホールドの形状を可能にする。加えて、非円形の外形は、大量生産における最大限の材料利用を可能にすることから、全体的な製造コストを低くする。
[0054]本発明の他の実施態様は、本明細書の考察および本明細書において開示された発明の実施から当業者には明らかであると予想される。本明細書および実施例は、単なる例示とみなされ、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提示されるものとする。
２ バイポーラプレート
４ 流れ場
５ ガス拡散層（ＧＤＬ）
７Ａ アノード
７Ｃ カソード
８ 電解質膜
１０ ＰＥＭ燃料電池
２０ 高差圧電気化学セル
２２、２８ フロー構造
２５ シール
３０、３１ バイポーラプレート
４０ 膜−電極−接合体（ＭＥＡ）
２２ 高圧の場
５０ 領域
３０Ａ 枠組み部品、枠組み表面
３０Ｂ 平坦なプレート
３３ 平坦なプレートの上面
３４ 凹部
３５ インターフェース
４０ かみ合い機構
４１ かみ合い機構の第一の部分
４２ 突出部
４３ かみ合い機構の第二の部分
４４ 凹部
５０ 通路
４ 流れ場
５ ガス拡散層（ＧＤＬ）
７Ａ アノード
７Ｃ カソード
８ 電解質膜
１０ ＰＥＭ燃料電池
２０ 高差圧電気化学セル
２２、２８ フロー構造
２５ シール
３０、３１ バイポーラプレート
４０ 膜−電極−接合体（ＭＥＡ）
２２ 高圧の場
５０ 領域
３０Ａ 枠組み部品、枠組み表面
３０Ｂ 平坦なプレート
３３ 平坦なプレートの上面
３４ 凹部
３５ インターフェース
４０ かみ合い機構
４１ かみ合い機構の第一の部分
４２ 突出部
４３ かみ合い機構の第二の部分
４４ 凹部
５０ 通路
Claims (17)
- 第一の電極、第二の電極、およびその間に配置された電解質膜、
電解質膜の一方の側における第一のバイポーラプレートと、電解質膜のもう一方の側における第二のバイポーラプレート、
第一のバイポーラプレートと第一の電極との間における、流れ場と多孔質ガス拡散層を含む第一のフロー構造、及び
第二のバイポーラプレートと第二の電極との間における、流れ場と多孔質ガス拡散層を含む第二のフロー構造、
を含む電気化学セルであって、
少なくとも１つのバイポーラプレートは、非円形のベース形状を有し、
電気化学セルが、非円形の外形を有し、
第一のフロー構造が、第一の電極に面する側に沿って第一の平坦な表面を含み、第二のフロー構造が、第二の電極に面する側に沿って第二の平坦な表面を含み、ここで第一の平坦な表面の外周は、第二の平坦な表面の外周よりも小さく、
第一のバイポーラプレートが２つの部品から設計され、ここで一方の部品は、第一のフロー構造の周りに枠組みを形成し、他方の部品は、全体的に平坦なプレートであり、
さらに第一のフロー構造は第一の厚さを有し、第一のバイポーラプレートは第二の厚さを有し、第二の厚さは、第一のバイポーラプレートを形成するのに使用される材料の降伏強度、第一の厚さ、および電気化学セルの作動中における第一のフロー構造中の最大の意図される流体圧力に基づいて決定され、
前記第二の厚さは、前記第一の厚さに、前記第一のバイポーラプレートを形成するのに使用される材料の降伏強度に対する前記第一のフロー構造中の最大の意図される流体圧力の比を掛けたものに等しいかまたはそれより大きい、上記電気化学セル。 - 電気化学セルが、全体的に長方形の外形を有する、請求項１に記載の電気化学セル。
- 第一のフロー構造の外縁の周りにシールをさらに含む、請求項１に記載の電気化学セル。
- 第一および第二のフロー構造のうち少なくとも１つが、多孔質基板を含む、請求項１に記載の電気化学セル。
- 電気化学セルの製造方法であって、該方法は、
第一の電極、第二の電極、およびその間の電解質膜を提供すること、
第一の厚さを有する第一のフロー構造を提供すること、
第一のバイポーラプレートを製造するための材料を選択すること、
第一のバイポーラプレートを製造するために選択された材料の降伏強度を計算すること、
計算された降伏強度、第一のバイポーラプレートに隣接して配置される第一のフロー構造の第一の厚さ、および電気化学セルの作動中における第一のフロー構造中の最大の意図される流体圧力に基づき第一のバイポーラプレートの厚さを決定すること、
決定された第一のバイポーラプレートの厚さを使用して、非円形の形状を有する第一のバイポーラプレートを製造すること、
電解質膜の一方の側に第一のバイポーラプレートを提供すること、
第一のバイポーラプレートと第一の電極との間に第一のフロー構造を提供すること、
第二のバイポーラプレートを提供すること、
第二のバイポーラプレートと第二の電極との間に第二のフロー構造を提供すること、
を含み、
電気化学セルが非円形の外形を有し、
第一のフロー構造が、第一の電極に面する側に沿って第一の平坦な表面を含み、第二のフロー構造が、第二の電極に面する側に沿って第二の平坦な表面を含み、ここで第一の平坦な表面の外周は、第二の平坦な表面の外周よりも小さく、
第一のバイポーラプレートが２つの部品から設計され、ここで一方の部品は、第一のフロー構造の周りに枠組みを形成し、他方の部品は、全体的に平坦なプレートであり、
前記第一のバイポーラプレートの厚さは、前記第一の厚さに、前記計算された降伏強度に対する前記第一のフロー構造中の最大の意図される流体圧力の比を掛けたものに等しいかまたはそれより大きい、上記方法。 - 第一のバイポーラプレートが、全体的に長方形の形状を有する、請求項５に記載の方法。
- 第二のフロー構造が、圧縮された多孔質金属基板を含む、請求項５に記載の方法。
- 第二のフロー構造が、第一のフロー構造の密度より大きい密度レベルに圧縮される、請求項７に記載の方法。
- 第二のフロー構造が、圧縮された多孔質金属基板上に積層された少なくとも１種の微孔性材料層を含む、請求項７に記載の方法。
- 第一のフロー構造が、多孔質基板を含む、請求項５に記載の方法。
- 第一のフロー構造が、多孔質金属基板を含む、請求項１０に記載の方法。
- 第一のフロー構造が、多孔質金属基板上に積層された少なくとも１つの微孔性材料層を含む、請求項１１に記載の方法。
- 第一の平坦な表面の外周が、第二の平坦な表面の外周内に含まれる、請求項５に記載の方法。
- 第一のバイポーラプレートが、セル作動中に張力部材として機能するように設計される、請求項５に記載の方法。
- 第一のバイポーラプレートが、クラッド材料を含む、請求項５に記載の方法。
- クラッド材料が、アルミニウムにステンレス鋼が付与された材料である、請求項１５に記載の方法。
- 全体的に平坦なプレートが、クラッド材料から設計される、請求項５に記載の方法。
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