(57)【要約】膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）（２０５）と、セルセパレータ板（２４５）と、複数の圧縮可能な炭素材料層（４００）と、を有する電気化学セルを開示する。セルセパレータ板（２４５）は、ＭＥＡ（２０５）の１つの側に配置され、ＭＥＡ（２０５）からセルセパレータ板（２４５）まで延在する流動場（２２５）を規定する。複数の圧縮可能な層（４００）は、流動場内に配置された炭素材料を含み、そのため、セルの負荷は、複数の圧縮可能な層の圧縮により実質的に規定される。
2009503254.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）と、
前記ＭＥＡの１つの側に配置され、前記ＭＥＡからセルセパレータ板まで延在する流動場を規定するセルセパレータ板と、
前記流動場内に配置され、セルの負荷が、複数の圧縮可能な層の圧縮により実質的に規定される、炭素を含む複数の圧縮可能な層と、
を備える電気化学セル。
【請求項２】
前記複数の圧縮可能な層は、前記ＭＥＡから前記セルセパレータ板までの流動場を占める、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項３】
前記ＭＥＡは水素電極と酸素電極と、を備え、前記複数の圧縮可能な層は前記水素電極に近接して配置される、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項４】
前記複数の圧縮可能な層は２層を超える層である、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項５】
前記複数の圧縮可能な層はカーボン紙、ランダム炭素繊維布、炭素ストランドの織布、マルチストランド炭素の織布、または前記の少なくとも１つを含む任意の組み合わせを含む、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項６】
前記複数の圧縮可能な層の各々は、約７０％またはそれ以上の無負荷多孔度を有する、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項７】
前記複数の圧縮可能な層の各々は、約０．０２０インチ（０．０５１ｃｍ）またはそれ以下の無負荷厚を有する、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項８】
前記複数の圧縮可能な層の各々は、約０．０１５インチ（０．０３８ｃｍ）またはそれ以下の無負荷厚を有し、約７５％またはそれ以上の無負荷多孔度を有し、
圧縮可能な層の数は６またはそれ以上である、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項９】
前記第１のセルセパレータ板とは反対のＭＥＡの側に配置され、前記ＭＥＡから前記第２のセルセパレータ板へ延在する第２の流動場を規定する第２のセルセパレータ板と、
前記第２の流動場内に配置された流動場部材と、
をさらに備える、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項１０】
前記流動場部材は、スクリーンパックと多孔質板と、を備え、前記多孔質板はＭＥＡに隣接する、請求項９に記載の電気化学セル。
【請求項１１】
前記複数の圧縮可能な層の少なくとも１つは、前記層内に形成された流路を含み、前記複数の層内での側方流動が増加する、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項１２】
前記流路の少なく主１つは前記個々の層の縁まで延在する、請求項１１に記載の電気化学セル。
【請求項１３】
前記流路は、スルーカットを含む、請求項１１に記載の電気化学セル。
【請求項１４】
前記流路は、エンボスプロファイルを含む、請求項１１に記載の電気化学セル。
【請求項１５】
前記セルセパレータ板と前記複数の圧縮可能な層との間に配置された、導電性の多孔質補強材料の１つまたは複数の層をさらに備える、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項１６】
前記補強材料は金属スクリーンを含む、請求項１５に記載の電気化学セル。
【請求項１７】
膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）と、
前記ＭＥＡの１つの側に配置され、前記ＭＥＡからセルセパレータ板まで延在する流動場を規定するセルセパレータ板と、
前記流動場内に配置され、カーボン紙、ランダム炭素繊維布、炭素ストランドの織布、マルチストランド炭素の織布、または前記の少なくとも１つを含む任意の組み合わせを含み、前記ＭＥＡから前記セルセパレータ板までの流動場を占める、複数の圧縮可能な層と、
を備え、
前記複数の圧縮可能な層の少なくとも１つは前記層内に形成された流路を含み、前記複数の層内の側方流動が増加する、電気化学セル。
【請求項１８】
前記第１のセルセパレータ板とは反対の前記ＭＥＡの側に配置され、前記ＭＥＡから前記第２のセルセパレータ板へ延在する第２の流動場を規定する第２のセルセパレータ板と、
前記第２の流動場内に配置された流動場部材と、
をさらに備える、請求項１７に記載の電気化学セル。
【請求項１９】
前記流動場部材は、スクリーンパックと多孔質板と、を備え、前記多孔質板は前記ＭＥＡに隣接する、請求項１８に記載の電気化学セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般に電気化学セル、特に電気化学セル流動場（フローフィールド：ｆｌｏｗ  ｆｉｅｌｄ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気化学セルは、電解セルまたは燃料電池として分類してもよい、エネルギー変換装置である。プロトン交換膜電解セルは、電解により水を分解し水素および酸素ガスを生成させることにより、水素発生器として機能することができ、水素を酸素と共に電気化学的に反応させ電気を発生させることにより燃料電池として機能することができる。図１について説明すると、この図は、典型的なアノードフィード電解セル１００の部分断面図であり、プロセス水１０２が酸素電極（アノード）１１６側でセル１００中に送り込まれ、酸素ガス１０４、電子、および水素イオン（プロトン）１０６が形成される。反応はアノード１１６に電気接続された電源１２０の正端子および水素電極（カソード）１１４に接続された電源１２０の負端子により促進される。酸素ガス１０４およびプロセス水１０８の一部はセル１００から出て行くが、プロトン１０６および水１１０はプロトン交換膜１１８を横切ってカソード１１４まで移動し、そこで、水素ガス１１２が形成される。
【０００３】
図１で示したのと同じ構造を使用する別の典型的な水電解セルはカソードフィードセルであり、この場合、プロセス水は水素電極の側で供給される。水の一部はカソードから膜を横切ってアノードに移動し、そこで、水素イオンおよび酸素ガスが、アノードおよびカソードを横切って電源と接続させることにより促進される反応により形成される。プロセス水の一部はカソード側でセルから出て行き、膜を通過しない。
【０００４】
典型的な燃料電池は、図１で示したものと同じ一般構造を使用する。水素ガスは水素電極（燃料電池におけるアノード）に導入されるが、酸素、または、空気などの酸素含有ガスは、酸素電極（燃料電池におけるカソード）に導入される。水はまた、フィードガスと共に導入させることができる。燃料電池動作のための水素ガスは、純粋水素源、炭化水素、メタノールまたは燃料電池動作に適した純度（すなわち、触媒を汚染せず、またはセル動作を妨害しない純度）で水素を供給する任意の他の水素源に由来することができる。水素ガスは、アノードで電気化学的に反応し、プロトンおよび電子を発生させ、この場合、電子はアノードから電気的に接続された外部負荷を通って流れ、プロトンは膜を通ってカソードまで移動する。カソードでは、プロトンおよび電子が酸素と反応し水を形成し、これはさらに、膜を通ってカソードまで引き込まれる任意のフィード水を含む。アノードおよびカソードを横切る電位を利用して、外部負荷に電力を供給することができる。
【０００５】
別の実施形態では、１つまたは複数の電気化学セルを１つのシステム内で使用して、水を電解し水素および酸素を発生させる、水素および酸素を必要に応じて水に変換して戻すことにより電気を発生させる、の両方を実施してもよい。そのようなシステムは一般に、再生燃料電池システムと呼ばれる。
【０００６】
電気化学セルシステムは典型的には、１つのスタック内に配列された多くの個々のセルを含み、作動流体（ｗｏｒｋｉｎｇ  ｆｌｕｉｄ）がスタック構造内に形成された入力および出力コンジット（ｃｏｎｄｕｉｔ）を介してセルを通って誘導される。スタック内のセルは連続的に配列され、各々がカソードと、プロトン交換膜（ＰＥＭ）と、アノードとを含む。カソードおよびアノードは別個の層としてもよく、または膜と一体的に配列させてもよい。各カソード／膜／アノードアセンブリ（以後、「膜電極アセンブリ」、または「ＭＥＡ」）は典型的には、カソードと流体を連通する第１の流動場およびアノードと流体を連通する第２の流動場を有する。ＭＥＡはさらに、流動場内に配置されたスクリーンパックまたはバイポーラ板により両側で支持されてもよい。スクリーンパックまたはバイポーラ板はＭＥＡへの流体移動、およびＭＥＡからの流体移動、膜水和を促進してもよく、ＭＥＡに対する機械的支持を提供してもよい。
【０００７】
様々な動作条件下で、長い期間にわたり、セル構成要素間での密接な接触を維持するために、セル構成要素に均一な圧縮を適用する。電気化学セル内で均一な圧縮力を提供するために圧力パッドまたは他の圧縮手段がしばしば使用される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
現行の内部構成要素はそれらの所期の目的に適しているが、依然として改善する必要があり、特に、より低いコスト、重量、サイズでのセル効率に関しての改善が必要である。したがって、高圧および低抵抗率が維持されても動作することができ、低コストで低いプロファイル構成を提供することができる電気化学セルの改善された内部セル構成要素が必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の実施形態は、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）と、セルセパレータ板と、複数の圧縮可能な炭素材料層と、を有する電気化学セルを含む。セルセパレータ板は、ＭＥＡの１つの側に配置され、ＭＥＡからセルセパレータ板まで延在する流動場を規定する。複数の圧縮可能な層は、流動場内に配置された炭素材料を含み、そのため、セルの負荷（ｌｏａｄｉｎｇ）は、複数の圧縮可能な層の圧縮により実質的に規定される。
【００１０】
本発明の別の実施形態は、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）と、セルセパレータ板と、複数の圧縮可能な炭素材料層と、を有する電気化学セルを含む。セルセパレータ板は、ＭＥＡの１つの側に配置され、ＭＥＡからセルセパレータ板まで延在する流動場を規定する。複数の圧縮可能な層は、流動場内に配置された、カーボン紙、ランダム炭素繊維布、炭素ストランドの織布、マルチストランド（ｍｕｌｔｉ−ｓｔｒａｎｄ）炭素の織布、または前述の任意の組み合わせを含み、そのため、複数の圧縮可能な層はＭＥＡからセルセパレータ板までの流動場を占める。複数の圧縮可能な層の少なくとも１つは、層中に形成された流路（ｆｌｏｗ  ｃｈａｎｎｅｌ）を含み、これにより、複数の層内での側方流動（ｌａｔｅｒａｌ  ｆｌｏｗ）が増大する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図面について説明する。図面において同様の要素は同様の符号を付す。
【００１２】
本明細書では、セル内に戦略的に配置された、導電性の弾性的に圧縮可能で、かつ水素適合性（ｃｏｍｐａｔｉｂｌｅ）の炭素構成要素を有する電気化学セルに対する新規実施形態を開示する。
【００１３】
本明細書での開示は、水素、酸素、および水を使用するプロトン交換膜（ＰＥＭ）電気化学セルに関して記載されているが、本明細書で開示した本発明の１つの実施形態および教示にしたがい、別の型の電気化学セルおよび／または電解質および／または反応物を使用してもよい。異なる反応物および／または異なる電解質を適用すると、その特別な型の電気化学セルに関連して普通に理解されるように、それ相応に流れ及び反応が変化することは理解される。
【００１４】
図２について説明すると、アノードフィード電解セル、カソードフィード電解セル、燃料電池、または再生燃料電池としての動作に適した電気化学セル（セル）２００を、拡大組立等角図において示す。このように、後述する考察はアノードフィード電解セルに関するが、カソードフィード電解セル、燃料電池、および再生燃料電池もまた企図される。セル２００は典型的には、電気化学セルシステムの一部としてセルスタック内で使用される複数のセルのうちの１つである。セル２００を電解セルとして使用する場合、パワー入力は一般に約１．４８ボルトと約３．０ボルトとの間であり、電流密度は約５０Ａ／ｆｔ2（アンペア／平方フィート）と約４，０００Ａ／ｆｔ2との間である。燃料電池として使用する場合、パワー出力は約０．４ボルトと約１ボルトの間、約０．１Ａ／ｆｔ2と約１０，０００Ａ／ｆｔ2との間である。スタック内のセル数および個々のセルの寸法は、セルパワー出力および／またはガス出力要求に対し拡張可能（スケーラブル：ｓｃａｒａｂｌｅ）である。したがって、電気化学セル２００の適用は、用途により直列または並列のいずれかで電気的に配列された複数のセル２００を含んでもよい。整合ピン３００を使用してセル２００の構成要素の整合を維持してもよい。
【００１５】
セルは様々な圧力、例えば、約１００ｐｓｉまでもしくはそれを超える、約５００ｐｓｉまでもしくはそれを超える、約２５００ｐｓｉまでもしくはそれを超える、またはさらには約１０，０００ｐｓｉまでもしくはそれを超える、などで動作させてもよい。１つの実施形態では、セル２００は、第１の電極（例えば、カソード）２１０およびプロトン交換膜（膜）２２０の反対側に配置された第２の電極（例えば、アノード）２１５を有する膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）２０５を含み、ここで、図３を参照することにより最もよくわかる。それぞれ、電極２１０および電極２１５に流体を連通された例示的な流動場２２５，２３０は一般に、それぞれ、各電極２１０および電極２１５の少なくとも１つの側面に近接する、またはその側面に結合された領域により規定される。流動場部材２３５は、電極２１０とセルセパレータ板２４５の間の流動場２２５内に配置してもよい。フレーム２６０は一般に、流動場２２５を取り囲み、必要に応じて用いるガスケット２６５は、フレーム２６０とセルセパレータ板２４５の間に配置されてもよく、これは、一般に、フレーム２６０と、セルセパレータ板２４５と、電極２１０によりセル２００の１つの側で規定される反応チャンバ内の密閉を増強させるためである。密閉特徴(sealing feature)２７０をフレーム２６０上で密閉を増強するために使用してもよい。
【００１６】
別の流動場部材２４０は、流動場２３０内に配置してもよい。フレーム２７５は一般に、流動場部材２４０を取り囲み、セルセパレータ板２８０は酸素電極２１５と対向する流動場部材２４０と隣接して配置され、ガスケット２８５はフレーム２７５とセルセパレータ板２８０との間に配置され、これは、一般に、フレーム２７５と、セルセパレータ板２８０と、膜２２０の酸素側により規定される反応チャンバ内の密閉を増強させるためである。密閉特徴２７７をフレーム２７５上で密閉を増強するために使用してもよい。
【００１７】
セル構成要素、特にセルセパレータ板（マニホルドとも呼ばれる）２４５，２８０、フレーム２６０，２７５、およびガスケット２６５，２８５は、適したマニホルドまたは流体流のための他のコンジットを用いて形成させてもよい。
【００１８】
１つの実施形態では、膜２２０は、好ましくは、電気化学セルの動作条件下で固体またはゲルである電解質を含む。有用な材料としてはプロトン伝導性アイオノマー(ionomer)およびイオン交換樹脂が挙げられる。有用なプロトン伝導性アイオノマーとしては、アルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩、プロトン酸、またはプロトン酸塩を含む錯体が挙げられる。有用な錯体形成試薬としては、アルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩、ならびにプロトン酸およびプロトン酸塩が挙げられる。上記塩において有用な対イオンとしては、ハロゲンイオン、過塩素酸イオン、チオシアン酸イオン、トリフルオロメタンスルホン酸イオン、フルオロホウ酸イオン、などが挙げられる。そのような塩の代表的な例としては、フッ化リチウム、ヨウ化ナトリウム、ヨウ化リチウム、過塩素酸リチウム、チオシアン酸ナトリウム、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム、フルオロホウ酸リチウム、ヘキサフルオロリン酸リチウム、リン酸、硫酸、トリフルオロメタンスルホン酸、などが挙げられるが、それらに限定されない。アルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩、プロトン酸、またはプロトン酸塩は、１つまたは複数の極性ポリマー類、例えば、ポリエーテル、ポリエステル、もしくはポリイミド、またはセグメントとして上記極性ポリマーを含むネットワークまたは架橋ポリマーと錯化される。有用なポリエーテル類としては、ポリオキシアルキレン類、例えば、ポリエチレングリコール、ポリエチレングリコールモノエーテル、およびポリエチレングリコールジエーテル；これらのポリエーテル類の少なくとも１つのコポリマー類、例えば、ポリ（オキシエチレン−コ−オキシプロピレン）グリコール、ポリ（オキシエチレン−コ−オキシプロピレン）グリコールモノエーテル、およびポリ（オキシエチレン−コ−オキシプロピレン）グリコールジエーテル；エチレンジアミンの上記ポリオキシアルキレン類との縮合生成物；ならびにエステル類、例えば、上記ポリオキシアルキレン類のリン酸エステル類、脂肪族カルボン酸エステル類または芳香族カルボン酸エステル類が挙げられる。例えば、ポリエチレングリコールのジアルキルシロキサン類、無水マレイン酸との、またはポリエチレングリコールモノエチルのメタクリル酸とのコポリマー類は、有用な十分なイオン伝導性を示すことが当技術分野において公知である。
【００１９】
プロトン伝導性材料として有用なイオン交換樹脂類としては、炭化水素−およびフルオロカーボン型樹脂類が挙げられる。炭化水素型イオン交換樹脂類としては、フェノール樹脂類、フェノール−ホルムアルデヒドなどの縮合樹脂類、ポリスチレン、スチレン−ジビニルベンゼンコポリマー類、スチレン−ブタジエンコポリマー類、スチレン−ジビニルベンゼン−ビニルクロリドターポリマー類、などが挙げられ、これらには、スルホン化によりカチオン交換能力が付与され、またはクロロメチル化、続いて、対応する四級アミンへの変換によりアニオン交換能力が付与される。
【００２０】
フルオロカーボン型イオン交換樹脂類としては、テトラフルオロエチレン−パーフルオロスルホニルエトキシビニルエーテルの水和物またはテトラフルオロエチレン−ヒドロキシル化（パーフルオロビニルエーテル）コポリマー類が挙げられる。例えば、燃料電池のカソードで、酸化および／または酸耐性が望ましい場合、スルホン酸、カルボン酸および／またはリン酸官能性を有するフルオロカーボン型樹脂類が好ましい。フルオロカーボン型樹脂類は典型的には、ハロゲン、強酸および強塩基による酸化に対し優れた耐性を示す。スルホン酸基官能性を有するフルオロカーボン型樹脂類の１つのファミリーは、ナフィオン（ＮＡＦＩＯＮ）（商標）樹脂類（Ｅ．Ｉ．デュポンドヌムールアンドカンパニー（Ｅ．Ｉ．ｄｕ  Ｐｏｎｔ  ｄｅ  Ｎｅｍｏｕｒｓ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐａｎｙ）、ウィルミントン、ＤＥから市販されている）である。
【００２１】
電極２１０および電極２１５は必要とされる電気化学反応（すなわち、水の電解および水素の生成）を実行するのに適した触媒を含む。適した触媒としては、白金、パラジウム、ロジウム、炭素、金、タンタル、タングステン、ルテニウム、イリジウム、オスミウム、前記触媒の少なくとも１つの合金、などを含む材料が挙げられるが、それらに限定されない。電極２１０および電極２１５は、膜２２０上で形成させることができ、または膜２２０に隣接させ、接触させて層にしてもよい。
【００２２】
１つの実施形態では、流動場部材２４０は、多孔質板支持部材２４４と組み合わせたスクリーンパックまたはバイポーラ板２４２を含み、多孔質板２４４はＭＥＡ２０５に隣接する。スクリーンまたはバイポーラ板２４２および多孔質板２４４は、膜２２０を支持することができ、システム流体を通過させ、好ましくは電流を伝導させるものであることが望ましい。１つの実施形態では、スクリーンは穴あきシートの層または金属もしくはストランドから形成された織メッシュを含んでもよい。これらのスクリーンは典型的には、金属類、例えば、ニオブ、ジルコニウム、タンタル、チタン、炭素鋼、ステンレス鋼、ニッケル、コバルト、および前記金属の少なくとも１つを含む合金を有する。スクリーン内の開口の形状は、卵形、円形、および六角形からダイヤモンドおよび他の細長い形状の範囲とすることができる。バイポーラ板は、一般に、繊維状炭素またはポリテトラフルオロエチレンもしくはＰＴＦＥ（商標名テフロン（ＴＥＦＬＯＮ）（登録商標）でＥ．Ｉ．デュポンドヌムールアンドカンパニーから市販されている）を含浸させた繊維状炭素を含む多孔質構造である。しかしながら、バイポーラ板は炭素またはＰＴＦＥ含浸炭素に限定されず、スクリーンのために使用される前記材料、例えば、ニオブ、ジルコニウム、タンタル、チタン、炭素鋼、ステンレス鋼、ニッケル、コバルト、および関連合金類のいずれかから作製してもよい。
【００２３】
ここで図３の説明をすると、セルセパレータ板２４５およびＭＥＡ２０５は、ＭＥＡ２０５からセルセパレータ板２４５まで延在する流動場２２５を規定する。１つの実施形態では、ＭＥＡ２０５の水素側の流動場部材２３５は、流動場２２５内に配置された炭素材料から作製された複数の圧縮可能な層４００を含み、そのため、セル２００の負荷は、複数の圧縮可能な層４００の圧縮により実質的に規定される。本明細書で規定されるように、圧縮可能なという用語は、弾性変形および場合によってはいくらかの塑性変形により圧縮させることができる材料を示す。１つの実施形態では、層４００はカーボン紙、ランダム炭素繊維布、炭素ストランドの織布、マルチストランド炭素の織布、または前記材料のいずれかを有する任意の組み合わせから作製される。層４００のための例示的な材料は東レ株式会社（Ｔｏｒａｙ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ）から入手可能なＴＧＰ−Ｈ−１２０炭素繊維紙である。流動場として機能するために、複数の層４００の各層は多孔質であるべきである。例示的な実施形態では、層４００の各々は約７０％もしくはそれ以上、または約７５％もしくはそれ以上、または約７８％の無負荷（ｕｎｌｏａｄｅｄ）多孔度を有する。組み立てたセル２００において圧縮性を提供するために、２を超える、例えば、６層もしくはそれ以上の、または例えば７層の、複数の層４００を使用することが望ましい。しかしながら、本発明の実施形態は任意の特定の量の層４００に限定されない。例示的な実施形態では、各層４００の無負荷厚は、約０．０２０インチ（０．０５１ｃｍ）もしくはそれ以下、または約０．０１５インチ（０．０３８ｃｍ）もしくはそれ以下である。約０．０１５インチの厚さのＴＧＰ−Ｈ−１２０炭素繊維材料のいくつかの層を有する実施形態では、約５０〜４００ｐｓｉ（ポンド／平方フィート）の負荷で、約０．００７〜約０．０２１の圧縮が観察された。図３で示したもののなどの１つの実施形態では、複数の圧縮可能な層４００がＭＥＡ２０５からセルセパレータ板２４５までの流動場２２５を占める。
【００２４】
別の実施形態では、ここで図４を参照して説明すると、導電性の多孔質補強（ｓｔｉｆｆｅｎｉｎｇ）材料２９０の１つまたは複数の層が、セルセパレータ板２４５と複数の圧縮可能な層４００との間に配置されてもよく、これにより、圧縮可能な層４００に対するさらなる支持が提供され、ＭＥＡ２０５の活性領域全体に、より均質な負荷配分が提供される。さらに、補強材料２９０の多孔性により、流動場２２５内での横および／または縦方向の流れが改善される可能性がある。例示的な実施形態では、補強材料層２９０は、金属スクリーン、エッチングされた金属板、または流動場部材２４０のために使用されるような同様の材料から製造されてもよい。
【００２５】
流動場部材２４０において使用されるものなどのスクリーンパックの代わりに、本明細書で開示されるように、流動場部材２３５のために複数の圧縮可能な層４００を使用することにより、実験データから、図５において例示的な実施形態に対して示されている、入り口（ｉｎｌｅｔ）圧力の関数として流動場２２５を横切る流れ拡散速度を実質的に改善することができるという予想外の利点が示される。
【００２６】
ここで、図５について説明すると、本発明の例示的な実施形態に関する実験データの２つのデータ曲線が示されている。第１のデータ曲線４１０は、流動場部材（例えば、図３の要素２４０、しかし、水素側）の一部としてスクリーンパックおよび圧力パッド（図示しないが、当技術分野では公知）を有する流動場を横切る実験拡散速度の結果を示す。第２のデータ曲線４２０は、同様に構成されているが、流動場部材として、ＴＧＰ−Ｈ−１２０炭素繊維紙の７層配列（例えば、図３の要素４００）などの本発明の実施形態を有する流動場を横切る実験拡散速度の結果を示す。
【００２７】
図５を参照するとわかるように、例示的な複数の層４００を横切る流れ拡散速度は、約１０ポンド／平方インチ（ｐｓｉ）の入り口圧力で、約５，０００ミリリットル／分（ｍｌ／ｍｉｎ）またはそれ以上、約２０ｐｓｉの入り口圧力で約１２，０００ｍｌ／ｍｉｎまたはそれ以上であることがわかる。より特定的には、例示的な複数の層４００を横切る流れ拡散速度は、約２．５ポンド／平方インチ（ｐｓｉ）の入り口圧力で、約２，０００ミリリットル／分（ｍｌ／ｍｉｎ）またはそれ以上、約１０ｐｓｉの入り口圧力で約７，０００ｍｌ／ｍｉｎまたはそれ以上、および約２０ｐｓｉの入り口圧力で約１９，０００ｍｌ／ｍｉｎまたはそれ以上であることがわかる。
【００２８】
図５は、特別な、同じセル構造（例えば、活性領域、入り口ポートおよびセルフレームなど）を有する２つの試験セルに対する特別な拡散速度を示すが、他のセル構造でも、同様な関連する改善が観察される可能性があることは認識されるであろう。特別な流動場を横切る拡散速度を分析することにより、本発明の実施形態に関連する、図５により示される利点は、例えば、金属スクリーンパックよりも大きな多孔度を有し、ゴム圧力パッドよりもクリープに対しより耐性のある層状炭素流動場（複数の層４００）の使用に起因すると考えられる。
【００２９】
圧力パッドを有するスクリーンパックに比べた場合の、本明細書で開示した複数の圧縮可能な層４００の実験試験から観察された別の予想外の利点は、複数の圧縮可能な層４００が、ＭＥＡ２０５の活性領域に横切ってより均一な負荷配分を提供し、集中した高い負荷のホットスポット（ｈｏｔ  ｓｐｏｔ）が実質的に少ないことであった。
【００３０】
別の実施形態では、ここで図６〜８を参照すると、複数の層４００の各々は、層内に形成された流路（フローチャネル：ｆｌｏｗ  ｃｈａｎｎｅｌ）４３０，４３５を含んでもよく、これにより、複数の層４００内および流動場２２５内での側方流動が増大する。１つの実施形態では、流路４３０，４３５の少なくとも１つが、符号４３１，４３６で示されるように、個々の層４００の縁まで延在する。例示的な流路４３０，４３５は、スルーカット（ｔｈｒｏｕｇｈ−ｃｕｔ）またはエンボスプロファイル（ｅｍｂｏｓｓｅｄ  ｐｒｏｆｉｌｅ）としてもよい。説明目的で、図６はスルーカット流路４３０と、エンボス流路４４０の両方を示す。しかしながら、任意の層４００がスルーカット、エンボス流路、またはそれらの組み合わせを有してもよいことは認識されると思われる。例示的なエンボスプロファイル４４０の断面図を図８に示す。本発明の実施形態を、流路４３０，４３５に対しある形状を有するように示したが、これは説明目的のためにすぎず、本発明の実施形態は、本明細書で開示した目的に適した任意の形状プロファイルを有してもよいことは認識されると思われる。
【００３１】
前記を考慮して、本発明のいくつかの実施形態は下記利点のいくつかを有する：より低い重量、サイズおよびコストを有する低プロファイルセル構造；より数の少ないめっき部品、これに起因する、製造プロセス工程およびプロセス時間の減少ならびに、典型的に環境に有害な、メッキでしばしば使用される化学薬品の使用の減少；ならびに、導電性で、弾性圧縮可能で、典型的な金属−ゴム複合圧力パッドおよびメッキ金属スクリーンパックにとって代わるのに適した水素適合性流動場部材である。
【００３２】
本発明について例示的な実施形態を参照して記述してきたが、当業者であれば、本発明の範囲から逸脱せずに、様々な変更が可能であること、それらの要素の代わりに等価物を用いてもよいことは理解されると思われる。さらに、本発明の本質的な範囲から逸脱せずに、本発明の教示に特別な状況または材料を適合させるために多くの改変を行ってもよい。そのため、本発明は、本発明を実行するために企図された最良モードまたは唯一のモードとして開示された特別な示威し形態に限定されるべきではなく、本発明は、添付の特許請求の範囲内にあるすべての実施形態を含むものである。さらに、第１、第２、などの用語の使用は、いずれの順序または重要性を示すものではなく、むしろ、第１、第２、などの用語は、１つの要素と他の要素とを識別するために使用される。さらに、１つの（ａ、ａｎ）などの用語の使用は、量を制限するものではなく、むしろ、言及した項目の少なくとも１つの存在を示す。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の１つの実施形態により使用するための電気化学反応を示す部分電気化学セルの概略図である。
【図２】本発明の１つの実施形態による、例示的な電気化学セルの拡大組立等角図である。
【図３】図２に示したものとは別の電気化学セルの拡大概略図である。
【図４】図２に示したものとは別の電気化学セルの拡大概略図である。
【図５】本発明の例示的な実施形態の動作特性を示す曲線の組を示す図である。
【図６】本発明の１つの実施形態による、圧縮可能な層の別の構造を示す図である。
【図７】本発明の１つの実施形態による、圧縮可能な層の別の構造を示す図である。
【図８】図６の層の一部を通る断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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