(57)【要約】  本発明のある幾つかの実施形態は、電解質層（例えばＭＥＡ）の表面の水の分散が改善された電解槽セルを提供する。特にある幾つかの実施形態は、水が電解質層の活性面全体に、より均一に分散され、延いては電解質層の活性領域上で、反応速度がより均一になるという結果につながり得る滑らかで平らな表面を有する少なくとも二つの多孔質金属層と組み合わせて配置されたフローフィールドプレートを含む電解槽セルを提供する。他の関連する実施形態はまた、電気化学セルの製造と組立てに関するコストを削減し得る単純化を含む。
2007505998.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
陽極フローフィールドプレートと、
陰極フローフィールドプレートと、
前記陽極および陰極フローフィールドプレート間に配置された電解質層と、
前記陽極フローフィールドプレートと前記電解質層との間に配置された第１、第２のスクリーンとを含む電解槽セルであって、前記スクリーンの各々はそれぞれの多数の開口部を有し、また導電性である電解槽セル。
【請求項２】
前記第１のスクリーンは前記電解質層に隣接する、請求項１に記載の電解槽セル。
【請求項３】
前記第１のスクリーンの開口部は前記第２のスクリーンの開口部より小さい、請求項２に記載の電解槽セル。
【請求項４】
前記第１のスクリーンの開口部間の間隔は前記第２のスクリーンの開口部間の間隔より小さい、請求項３に記載の電解槽セル。
【請求項５】
前記第１のスクリーンの開口部のサイズは０．００４”〜０．０２５”の範囲内にある、請求項１に記載の電解槽セル。
【請求項６】
前記第２のスクリーンの開口部のサイズは０．０２０”〜０．０４０”の範囲内にある、請求項５に記載の電解槽セル。
【請求項７】
前記第１のスクリーンは前記第２のスクリーンより薄い、請求項１に記載の電解槽セル。
【請求項８】
前記第１のスクリーンの厚さは０．００３インチ以下である、請求項１に記載の電解槽セル。
【請求項９】
前記第２のスクリーンの厚さは０．０１インチ以下である、請求項８に記載の電解槽セル。
【請求項１０】
前記第１、第２のスクリーンの開口部は、六角形、円形、正方形、および三角形の少なくとも一つである形状を有する、請求項１に記載の電解槽セル。
【請求項１１】
前記第１のスクリーンの開口部の最大寸法は、約０．０１７インチである、請求項１に記載の電解槽セル。
【請求項１２】
前記第２のスクリーンの開口部の最大寸法は、約０．０２５４インチである、請求項１１に記載の電解槽セル。
【請求項１３】
前記第１のスクリーンの開口部間の間隔は０．００５インチ以下である、請求項１に記載の電解槽セル。
【請求項１４】
前記第２のスクリーンの開口部間の間隔は０．０１インチ以下である、請求項１３に記載の電解槽セル。
【請求項１５】
前記陽極フローフィールドプレートと前記陰極フローフィールドプレートとのうちの少なくとも一つは、
複数のマニホルド開口と、
前記マニホルド開口のうちの二つを流体的に接続するフローフィールドであって、すべてが同じ長さを持っていて前記フローフィールドによって覆われた領域上に第１のプロセスガス／流体と前記第１のプロセスガス／流体に関連する電気化学反応によって生成された熱との両者を均一に分散させるように配置された複数の開放面フローチャネルを有するフローフィールドとを含む、請求項１に記載の電解槽セル。
【請求項１６】
前記マニホルド開口の一部は同じ面積を有する、請求項１５に記載の電解槽セル。
【請求項１７】
マニホルド開口のうちの幾つかが同じ寸法を有している、請求項１５に記載の電解槽セル。
【請求項１８】
前記陽極および陰極フローフィールドプレートは円形形状であり、かつそれぞれ中心領域と中心領域を包囲した周辺領域を有しており、中心領域内にフローフィールドが配置され、周辺領域に複数のマニホルド開口が配列される、請求項１５に記載の電解槽セル。
【請求項１９】
前記開放面フローチャネルがそれぞれ、前記マニホルド開口のうちの第１のマニホルド開口と連通した第１の真っ直ぐな部分と、屈曲した部分と、前記マニホルド開口のうちの第２のマニホルド開口と連通した円弧状部分とを順次含んでいる、請求項１８に記載の電解槽セル。
【請求項２０】
前記陽極および陰極フローフィールドプレートは長方形の形状であり、前記開放面チャネルは、前記フローフィールドプレートの長さに沿って延長する複数の実質的に真っ直ぐでかつ平行な主フローチャンネルで構成されている、請求項１５に記載の電解槽セル。
【請求項２１】
前記マニホルド開口のうちの幾つかが、処理ガス／流体を供給または排出するために用いられ、これらのマニホルド開口はそれぞれ、処理ガス／流体を供給または排出するために用いられる他のマニホルド開口と実質的に同じ面積を有している、請求項１５に記載の電解槽セル。
【請求項２２】
処理ガス／流体を供給または排出するために用いられ前記マニホルド開口の全部はまた実質的に同じ寸法を有している、請求項２１に記載の電解槽セル。
【請求項２３】
前記陽極および陰極フローフィールドプレートのうちの少なくとも１つが、後面に、すべて実質的に同じ長さを有しかつ前記後面上に冷却剤を均一的に分配するようになされた複数の開放面フローチャネルを有する冷却剤フローフィールド含んでいる、請求項１に記載の電解槽セル。
【請求項２４】
前記陽極および陰極フローフィールドプレートのうちの少なくとも１つが、前面上の開放面フローチャネルと流体連通しかつ後面上の第１のマニホルド開口と流体連通している、そのフローフィールドプレートを貫通した第１のスロットと、
前記前面上の開放面フローチャネルと流体連通しかつ前記後面上の第２のマニホルド開口と流体連通している、そのフローフィールドプレートを貫通した第２のスロットと、
を含む請求項１に記載の電解槽セル。
【請求項２５】
前記陽極および陰極フローフィールドプレートのうちの少なくとも１つが、
前記後面の一部分上で、前記第１のマニホルド開口から前記第１のスロットまで延長した第１の組の開口延長部と、
前記後面の一部分上で、前記第２のマニホルド開口から前記第２のスロットまで延長した第２の組の開口延長部と、
を含む、請求項２４に記載の電解槽セル。
【請求項２６】
第１のフローフィールドプレートと、
第２のフローフィールドプレートと、
前記第１のフローフィールドプレートと第２のフローフィールドプレートの間に配置された電解質層と、
前記第１のフローフィールドプレートと前記電解質層とに間に配置され、それぞれ所定数の開口部を有する第１および第２のスクリーンと、
を含む電気化学セル。
【請求項２７】
第１のフローフィールドプレートと、
第２のフローフィールドプレートと、
前記第１のフローフィールドプレートと第２のフローフィールドプレートの間に配置された電解質層と、
前記第１のフローフィールドプレートと前記電解質層とに間に配置され、それぞれ所定数の開口部を有する第１および第２のスクリーンと、
を含む少なくとも１つの電気化学セルを有する電気化学セルスタック。
【請求項２８】
前記第１および第２のフローフィールドプレートのうちの少なくとも１つが、
複数のマニホルド開口と、
すべて実質的に同じ長さでありかつ第１の処理ガス／流体とこの第１の処理ガス／流体を含む電気化学反応によって発生された熱との両方を、前記フローフィールドで覆われた領域上に均一に分配するようになされた複数の開放面フローチャンネルを有し、前記マニホルド開口のうちの２つを流体連結するフローフィールドと、
を含む請求項２７に記載の電気化学セルスタック。
【請求項２９】
前記マニホルド開口のうちの幾つかが、同じ面積を有する請求項２８に記載の電気化学セルスタック。
【請求項３０】
前記第１および第２のフローフィールドプレートが円形の形状であり、かつそれぞれ、中心領域と、この中心領域を包囲した周辺領域を有しており、前記中心領域内にフローフィールドが配置され、前記周辺領域に複数のマニホルド開口が配列されている請求項２８に記載の電気化学セルスタック。
【請求項３１】
前記開放面フローチャネルがそれぞれ、前記マニホルド開口のうちの第１のマニホルド開口と連通した第１の真っ直ぐな部分と、屈曲した部分と、前記マニホルド開口のうちの第２のマニホルド開口と連通した円弧状部分とを順次含んでいる、請求項３０に記載の電気化学セルスタック。
【請求項３２】
前記第１および第２のフローフィールドプレートは長方形の形状であり、前記開放面チャネルは、前記フローフィールドプレートの長さに沿って延長する複数の実質的に真っ直ぐでかつ平行な主フローチャンネルで構成されている、請求項２８に記載の電気化学セルスタック。
【請求項３３】
前記マニホルド開口のうちの幾つかが、処理ガス／流体を供給または排出するために用いられ、これらのマニホルド開口はそれぞれ、処理ガス／流体を供給または排出するために用いられる他のマニホルド開口と実質的に同じ面積を有している、請求項２８に記載の電気化学セルスタック。
【請求項３４】
処理ガス／流体を供給または排出するために用いられ前記マニホルド開口の全部はまた実質的に同じ寸法を有している、請求項３３に記載の電気化学セルスタック。
【請求項３５】
前記第１および第２のフローフィールドプレートのうちの少なくとも１つが、後面に、すべて実質的に同じ長さを有しかつ前記後面上に冷却剤を均一的に分配するようになされた複数の開放面フローチャネルを有する冷却剤フローフィールド含んでいる、請求項２８に記載の電気化学セルスタック。
【請求項３６】
前記第１および第２のフローフィールドプレートのうちの少なくとも１つが、前面上の開放面フローチャネルと流体連通しかつ後面上の第１のマニホルド開口と流体連通している、そのフローフィールドプレートを貫通した第１のスロットと、
前記前面上の開放面フローチャネルと流体連通しかつ前記後面上の第２のマニホルド開口と流体連通している、そのフローフィールドプレートを貫通した第２のスロットと、
を含む、請求項２８に記載の電気化学セルスタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［優先権主張］
本出願は、２００３年９月２２日に出願された米国特許仮出願第６０／５０４，２２０号および第６０／５０４，２２３号の３５ＵＳＣ１１９（ｅ）の下での恩典を請求する。また米国特許仮出願第６０／５０４，２２０号および第６０／５０４，２２３号の各々の全内容は、引用によってここに組み込まれている。更に本出願はまた、２００４年８月１３日に出願された、その全内容がここに引用によって組み込まれている「フローフィールドプレートの配置」（Ｆｌｏｗ  Ｆｉｅｌｄ  Ｐｌａｔｅ  Ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）という名称の米国出願第［Ａｔｔｏｒｎｅｙ  Ｒｅｆ：９３５１−４４４］の一部継続出願である。
【０００２】
本発明は、電気化学セルに関し、また特に電解槽セルの種々の配置に関する。
【背景技術】
【０００３】
電解槽セルは、水（Ｈ2Ｏ）を水素（Ｈ2）と酸素（Ｏ2）とに電気分解するために電気を使用する電気化学セルの１つのタイプである。一般に電解槽は、陽極電極と、陰極電極と、陽極電極と陰極電極間に配置された電解質層と、を含む。特定の電解槽セルの特定の配置は、構成部分と材料と使用される技術とに依存する。例えば陽子交換隔膜（Ｐｒｏｔｏｎ  Ｅｘｃｈａｎｇｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ：ＰＥＭ）電解槽セルにおいては、電解質層は隔膜電極アセンブリ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）内に配置された陽子交換隔膜である。
【０００４】
従来の電解槽セルの設計では、陽極と陰極は、織られた金属スクリーン、メッシュなどの多数の層を含む。これらのスクリーンは、電気分解反応が発生する電解質層（例えばＭＥＡ）の表面に電荷を分配させる。これら従来の電解槽セルは、スクリーンが比較的多孔質であるので、動作時に水がスクリーンのエッジに導入されて、これらのスクリーンによって占められる領域全体に分配されることが期待されるように配置される。しかしながら水の横方向への分配は、スクリーンのもつれたエッジによって妨げられる。同様の理由から、これらのスクリーンはまた、電気分解反応が起きる電解質層の表面からの生成物ガスの排出を妨げる。したがって一部には織られたスクリーンの層によって引き起こされる流れに対する妨害のせいで、従来の電解槽セルは本来的に、利用可能な反応領域がよく使用できなくなる、すなわち時折の過剰浸水（ｆｌｏｏｄｉｎｇ）および／または反応抑止（ｐｏｉｓｏｎｉｎｇ）という結果を招く、水と生成物ガスの流れを制限する制約された流れの領域を含む。理解できるようにその結果、効率と全体性能は一般に低下する。
【０００５】
他の電解槽セル設計では、織られた金属スクリーンの層の代わりに、フローフィールドプレートが使用される。このような構成ではプロセスガス／流体は、特定のフローフィールドプレートの前面に配置されたフローフィールド構造体を通して電解質層の近傍に供給され、またそこから排出される。典型的には、フローフィールドプレートとＭＥＡとの間にはガス拡散媒体（Ｇａｓ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  Ｍｅｄｉａ：ＧＤＭ）も含まれる。しかしながらＰＥＭ電解槽セルに関しては、フローフィールドプレートとＭＥＡとの間の接触抵抗は一般に高く、これは望ましいことではない。従来のフローフィールド構造体は水のための非常に多くの場所と累積する汚染物とをもたらし、電解槽セルの過剰浸水および／または反応抑止の危険を増加させるので、大抵のフローフィールドプレートに亘るプロセスガス／流体の流れと圧力と温度とを制御することもまた困難である。
【発明の開示】
【０００６】
本発明の一実施形態の態様によれば、陽極フローフィールドプレートと、陰極フローフィールドプレートと、前記陽極および陰極フローフィールドプレート間に配置された電解質層と、前記陽極フローフィールドプレートと前記電解質層との間に配置された第１、第２の平坦なスクリーンとを含む電解槽セルであって、前記スクリーンの各々はそれぞれの多数の開口部を有し、また電気的に伝導性であることを特徴とする電解槽セルが提供される。
【０００７】
ある幾つかの実施形態では、前記第１のスクリーンは前記電解質層に隣接しており、前記第１のスクリーンの開口部は前記第２のスクリーンの開口部より小さい。ある幾つかの関連する実施形態では、前記第１のスクリーンの開口部間の間隔は前記第２のスクリーンの開口部間の間隔より小さい。
【０００８】
ある幾つかの実施形態では、前記第１、第２のスクリーンの開口部は、六角形、円形、正方形、三角形の少なくとも一つである形状を有する。
【０００９】
ある幾つかの実施形態では、電解槽セルは、複数のマニホルド開口と、前記マニホルド開口のうちの二つを流体的に接続するフローフィールドであって、すべてが同じ長さを持っていて前記フローフィールドによって覆われた領域上に第１のプロセスガス／流体と前記第１のプロセスガス／流体に関連する電気化学反応によって生成された熱との両者を均一に分配させるように配置された複数の開放面フローチャネルを有するフローフィールドとを含む、前記陽極フローフィールドプレートと前記陰極フローフィールドプレートのうちの少なくとも一つを有する。ある幾つかの関連する実施形態では、前記マニホルド開口の一部は同じ面積を有する。ある幾つかの関連する実施形態では、前記マニホルド開口の一部は同じ寸法を有する。
【００１０】
ある幾つかの実施形態では陽極および陰極フローフィールドプレートは形状が円形であって、各々は中心領域とこの中心領域を取り囲む周辺領域とを有し、中心領域内にはフローフィールドが配置され、周辺領域には複数のマニホルド開口が配置される。ある幾つかの関連する実施形態では、開放面フローチャネル（流動溝）は順次に、マニホルド開口のうちの第１の開口に流体的に連通する第１の直線部分と、曲がりくねった部分と、弧状部分と、マニホルド開口のうちの第２の開口に流体的に連通する第２の直線部分と、を含む。
【００１１】
ある幾つかの実施形態では、陽極および陰極フローフィールドプレートは形状が矩形であって、開放面フローチャネルは、フローフィールドプレートの長さに沿って延びる複数の実質的にまっすぐで平行な主要なフローチャネルからなる。
【００１２】
ある幾つかの実施形態では、マニホルド開口の一部は、プロセスガス／流体を供給または排出するために使用され、これらのマニホルド開口の各々は、プロセスガス／流体を供給または排出するためにも使用される他のマニホルド開口と実質的に同じ面積を有する。ある幾つかの関連する実施形態では、それぞれのプロセスガス／流体を供給または排出するために使用されるマニホルド開口のすべては、実質的に同じ寸法を有する。
【００１３】
ある幾つかの実施形態では、陽極および陰極フローフィールドプレートのうちの少なくとも一つは、すべて実質的に同じ長さであって背面上に冷却剤を均一に分配させるように配置された複数の開口面フローチャネルを背面に有する冷却剤フローフィールドを含む。
【００１４】
ある幾つかの実施形態では、陽極および陰極フローフィールドプレートのうちの少なくとも一つは、フローフィールドプレートを貫通して延びる第１のスロットであって、前面上の開放面フローチャネルと流体的に連通して背面上の第１のマニホルド開口と流体的に連通する第１のスロットと、フローフィールドプレートを貫通して延びる第２のスロットであって、前面上の開放面フローチャネルと流体的に連通して背面上の第２のマニホルド開口と流体的に連通する第２のスロットと、を含む。ある幾つかの関連する実施形態では、陽極および陰極フローフィールドプレートのうちの少なくとも一つはまた、背面の一部分の上で第１のマニホルド開口から第１のスロットまで延びる開口延長部の第１のセットと、背面の一部分の上で第２のマニホルド開口から第２のスロットまで延びる開口延長部の第２のセットと、を含む。
【００１５】
本発明のもう一つの実施形態の態様によれば、第１のフローフィールドプレートと、第２のフローフィールドプレートと、前記第１、第２のフローフィールドプレート間に配置された電解質層と、前記第１のフローフィールドプレートと前記電解質層との間に配置された第１、第２の平坦なスクリーンとを含む電気化学セルであって、前記スクリーンの各々はそれぞれの多数の開口部を有することを特徴とする電気化学セルが提供される。
【００１６】
本発明のもう一つの実施形態の態様によれば、第１のフローフィールドプレートと、第２のフローフィールドプレートと、前記第１、第２のフローフィールドプレート間に配置された電解質層と、前記第１のフローフィールドプレートと前記電解質層との間に配置された第１、第２の平坦なスクリーンとを含む電気化学セルであって、前記スクリーンの各々はそれぞれの多数の開口部を含む少なくとも一つの電気化学セルを有することを特徴とする電気化学セルスタックが提供される。
【００１７】
ある幾つかの実施形態では、第１、第２のフローフィールドプレートのうちの少なくとも一つは、複数のマニホルド開口と、前記マニホルド開口のうちの二つを流体的に接続するフローフィールドであって、すべてが同じ長さを持っていて前記フローフィールドによって覆われた領域上に第１のプロセスガス／流体と前記第１のプロセスガス／流体に関連する電気化学反応によって生成された熱との両者を均一に分配させるように配置された複数の開放面フローチャネルを有するフローフィールドと、を含む。ある幾つかの関連する実施形態では、前記マニホルド開口の一部は同じ面積を有する。
【００１８】
ある幾つかの実施形態では、第１、第２のフローフィールドプレートは形状が円形であって、各々は中心領域とこの中心領域を取り囲む周辺領域とを有し、中心領域内にはフローフィールドが配置され、周辺領域には複数のマニホルド開口が配置される。ある幾つかの関連する実施形態では開放面フローチャネルの各々は順次に、マニホルド開口のうちの第１の開口に流体的に連通する第１の直線部分と、曲がりくねった部分と、弧状部分と、マニホルド開口のうちの第２の開口に流体的に連通する第２の直線部分と、を含む。
【００１９】
ある幾つかの実施形態では、第１、第２のフローフィールドプレートは形状が矩形であって、開放面フローチャネルは、フローフィールドプレートの長さに沿って延びる複数の
実質的にまっすぐで平行な主要なフローチャネルからなる。
【００２０】
ある幾つかの実施形態では、マニホルド開口の一部は、プロセスガス／流体を供給または排出するために使用され、これらのマニホルド開口の各々は、プロセスガス／流体を供給または排出するためにも使用される他のマニホルド開口と実質的に同じ面積を有する。ある幾つかの関連する実施形態では、プロセスガス／流体を供給または排出するために使用されるマニホルド開口のすべては、実質的に同じ寸法を有する。
【００２１】
ある幾つかの実施形態では、第１、第２のフローフィールドプレートのうちの少なくとも一つは、すべて実質的に同じ長さであって背面上に冷却剤を均一に分配させるように配置された複数の開放面フローチャネルを背面に有する冷却剤フローフィールドを含む。
【００２２】
ある幾つかの実施形態では、第１、第２のフローフィールドプレートのうちの少なくとも一つは、フローフィールドプレートを貫通して延びる第１のスロットであって、前面上の開放面フローチャネルと流体的に連通して背面上の第１のマニホルド開口と流体的に連通する第１のスロットと、フローフィールドプレートを貫通して延びる第２のスロットであって、前面上の開放面フローチャネルと流体的に連通して背面上の第２のマニホルド開口と流体的に連通する第２のスロットと、を含む。
【００２３】
本発明の他の態様と特徴は、本発明の特定の実施形態の下記の説明を吟味すれば、当業者にとって明らかになるであろう。
【００２４】
本発明のよりよい理解のために、また本発明がどのように実施され得るかをより明確に示すために、例として本発明の実施形態の態様を示す付属図面を参照する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明のある幾つかの実施形態は、電解質層（例えばＭＥＡ）の表面上における水の分配が改善された電解槽セルを提供する。特にある幾つかの実施形態は、水が電解質層の活性表面全体に、より均一に分配される、そしてまた電解質層の活性領域上でのより均一な反応速度をもたらし得る少なくとも２つの多孔質金属層と組み合わせて配置されたフローフィールドプレートを含む電解槽セルを提供する。以下に説明される他の関連する実施形態はまた、電気化学セルの製造と組立てに関連するコストを削減できる単純化を含む。
【００２６】
従来から陽極フローフィールドプレートは通常、各フローフィールドプレートに関連するプロセスガス／流体の種々の化学量のせいで、陰極フローフィールドプレートと比較して異なる構成を有する。これら種々の化学量はしばしば、各プロセスガス／流体の種々の量が各それぞれのフローフィールドプレート上に収容されることを必要とし、今度はこの各フローフィールドプレートは、各それぞれのプレート上のフローフィールドチャネルが電解質層の他方側の上の対応するフローフィールドプレートより多い量または少ない量を支持することを要求する。この結果、陽極フローフィールドプレート上のフローフィールド構造を画定するリブがしばしば、対応する陰極フローフィールドプレート上のリブに対してオフセットされることになる。このずれの結果から生じるせん断力は、フローフィールドプレート間に配置された電解質隔膜を損傷する可能性がある。フローフィールドプレート間のずれは、ある幾つかの特定の場合には、電気化学セル内のプロセスガス／流体の分配を妨げ、それによって効率を低下させる可能性もある。もう一つの結果は、これらの差異がフローフィールドプレートの製造と組立てとを複雑でコスト高にすることである。
【００２７】
隔膜に対するせん断力を減らし、フローフィールドプレート間の密封を単純化するために、本出願人の同時係属中の米国特許出願第１０／１０９，００２号（２００２年３月２９日出願）に記載の例によるフローフィールドプレート構造とプレート配列との態様が使用できる。本出願人の同時係属中の米国特許出願第１０／１０９，００２号の全内容は、引用によってここに組み入れられている。
【００２８】
本出願人の同時係属中の米国特許出願第１０／１０９，００２号に開示されているように、組立ての後に陽極フローフィールドチャネルと陰極フローフィールドチャネルとのかなりの部分は、これら２つのプレート間に配置された電解質隔膜に関して互いに真反対に配置される。したがって陽極フローフィールドプレート上のリブのかなりの部分は、陰極フローフィールドプレート上のリブの対応するかなりの部分と整合する。これは今後、「リブトゥリブ」パターンマッチングと記述される。
【００２９】
本出願人の同時係属中の米国特許出願第０９／８５５，０１８号（２００１年５月１５日出願）に記載された例によるフローフィールドプレートの態様はまた、フローフィールドプレートとこれら２つのプレート間に配置された電解質隔膜との間の効果的な密封を与えるために使用できる。本出願人の同時係属中の米国特許出願第０９／８５５，０１８号の全内容は、引用によってここに組み入れられている。
【００３０】
本出願人の同時係属中の米国特許出願第０９／８５５，０１８号に開示されているように、それぞれのマニホルド開口からの特定のプロセスガス／流体の入口流れは、フローフィールドプレートの前面（活性面）の真上では発生せず、むしろプロセスガス／流体は先ず、それぞれのマニホルド開口からフローフィールドプレートの背面（受動面）の一部の上にガイドされ、それからこの背面から前面に延びる「背面供給」開口を通ってガイドされる。前面の一部分は、電気化学セルスタックが組み立てられるときに前面の上でそれぞれのマニホルド開口から密封的に分離される活性領域を画定する。プロセスガス／流体の入口流れが発生する背面の部分は、それぞれのマニホルド開口と流体的に連通する開放面ガス／流体フローフィールドチャネルを有する。背面供給開口は、活性領域と、それぞれのマニホルド開口と流体的に連通する開放面ガス／流体フローフィールドチャネルとの間に流体的連通を与えるために背面から前面まで延びている。したがって本出願人の同時係属中の米国特許出願第０９／８５５，０１８号において与えられた例で説明されているように、隔膜の周辺周りの連続した経路には、隔膜とフローフィールドプレートとの間の密封を作ることができる。
【００３１】
従来技術の例では、隔膜と、典型的にはこの隔膜の周辺周りにあるフローフィールドプレートの前面上の活性領域との間の密封は、このフローフィールドプレートの前面上の活性領域からそれぞれのマニホルド開口に通じる開放面フローフィールドチャネルによって中断される。対照的に本出願人の前述の同時係属中の米国特許出願第０９／８５５，０１８号によれば、プロセスガス／流体は、各フローフィールドプレートの背面から背面供給開口と通して前面の活性領域に供給され、また密封面は背面供給開口と各フローフィールドプレートの前面のそれぞれのマニホルド開口（単数または複数）とを分離する。背面（受動面あるいは不活性面）から前面（活性面）に流体を流すこの方法は、この説明では「背面供給」と呼ばれる。当業者は、ガス／流体が前面の活性領域から背面に、それから同様な仕方でもう一つのマニホルド開口に排出され得ることを認めるであろう。
【００３２】
本出願人の同時係属中の米国特許出願第１０／８４５，２６３号（２００４年５月１４日出願）に記載された例によるフローフィールドプレート配置の態様はまた、フローフィールドプレートとこれら２つの電極間に配置された隔膜との間に効果的な密封を与えるために使用できる。本出願人の同時係属中の米国特許出願第１０／８４５，２６３号の全内容は、引用によってここに組み入れられている。
【００３３】
本出願人の同時係属中の米国特許出願第１０／８４５，２６３号に開示されているように、それぞれのマニホルド開口からの特定のプロセスガス／流体の入口流れは、フローフィールドプレートの前面（活性面）の直上では発生せず、むしろプロセスガス／流体は先ず、それぞれのマニホルド開口から、隣接する電気化学セルに含まれる反対向きの相補的活性表面の一部の上にガイドされ、それからそこを通ってフローフィールドプレートの前面に延びる「相補的活性側供給」開口を通ってガイドされる。本出願人の同時係属中の米国特許出願第１０／８４５，２６３号に説明されている例によれば、隔膜とフローフィールドプレートとの間の密封は、本出願人の同時係属中の米国特許出願第０９／８５５，０１８号に説明されている例のように、フローフィールドプレートが受動面を持つことを必要とせずに、隔膜の周辺周りの連続した経路に作ることができる。
【００３４】
本出願人の同時係属中の米国特許出願第１０／８４５，２６３号に記載された例によるフローフィールドプレート配置の態様はまた、電気化学セルスタックに使用される陽極および陰極フローフィールドプレート両者のための個別フローフィールドプレート設計の使用を可能にする対称的フローフィールドプレート配置に備えをする。すなわちある幾つかの実施形態では、電気化学セルスタックでの使用のために使用される陽極および陰極フローフィールドプレートは、実質的に同じである。
【００３５】
再び上記では、特定の電気化学セル内で使用され生成される種々のプロセスガス／流体は典型的には、互いに異なる化学量を有することが注目された。したがって慣例によれば、電気化学セルの性能を最適化するために、対応するプロセスガス／流体のためにフローフィールドプレート上に設けられる各それぞれのマニホルド開口は、各プロセスガス／流体が、対応する化学量に関する仕方で供給および／または排出されるように、サイズ決めされる。
【００３６】
例えば水素駆動燃料セルに関しては、消費される１酸素分子ごとに２個の水素分子が消費される。このことは、対応する陰極フローフィールドプレート上を流れる酸素の対応する化学量よりもそれぞれの陽極フローフィールドプレート上をより多くの水素が流れることを要求する。これは、オキシダントのための入力および出力マニホルド開口よりも水素のための入力および出力マニホルド開口を大きくすることによって達成される。
【００３７】
しかしながら、もし酸素の供給源として空気が使用されるならば、上述の相対的サイズ決めは逆にされる。空気は単に約２０％酸素であり、したがって必要な酸素の化学量を供給するためには、純粋の酸素が供給される場合よりもかなり多くの空気が必要とされる。したがってオキシダントのための入口および出口マニホルド開口は水素燃料のためのマニホルド開口より大きくされる。
【００３８】
もう一つの例では水供給電解槽に関して、生成される１酸素分子（Ｏ2）ごとに２個の水素分子（Ｈ2）が生成される。これは、対応する陽極フローフィールドプレートの上を流れる酸素の対応する化学量よりそれぞれの陰極フローフィールドプレート上をより多くの水素が流れるという結果を生じる。典型的には電解槽での使用に適応したフローフィールドプレートは、オキシダントのための入力および出力マニホルド開口より大きい水素用の入力および出力マニホルド開口を持ち、更に陰極フローフィールドプレート上のフローフィールドチャネルの幅は、電解質層の陰極側の水素の相対的に大きい体積を収容するために、陽極フローフィールドプレート上のフローフィールドチャネルの幅より広くされる。
【００３９】
本出願人の同時係属中の米国特許出願第［Ａｔｔｏｒｎｅｙ  Ｒｅｆ：９３５１−４４４］号（２００４年８月１３日出願）に記載されている例によるフローフィールドプレート配置の態様は、互いに同じサイズである種々のプロセスガス／流体の一つに各々のマニホルド開口が対応する多数のマニホルド開口を備える。言い換えれば例えば、１個のフローフィールドプレート上の水素と酸素のために設けられた入口マニホルド開口は、実質的に同じ面積を有し、ある幾つかの特定の実施形態ではこれらはまた、実質的に同じ寸法を有する。本出願人の同時係属中の米国特許出願第［Ａｔｔｏｒｎｅｙ  Ｒｅｆ：９３５１−４４４］号の全内容は引用によってここに組み入れられている。本出願人の同時係属中の米国特許出願第［Ａｔｔｏｒｎｅｙ  Ｒｅｆ：９３５１−４４４］号は、本発明が上記の恩典を請求している本出願人の米国特許仮出願第６０／４９５，０９２号（２００３年８月１５日出願）に基づいていることも注目される。
【００４０】
燃料セル反応と電気分解反応は、典型的には発熱性であって、前述の反応が温度依存性であるので、一般に温度調整は電気化学セルスタックの設計における重要な考慮事項である。特に適切な温度調整は、所望の電気化学反応の調整のための制御点を与え、ある幾つかの場合には、起こり得る望ましくない反応を抑制する助けとなる。熱はプロセスガス／流体によって電気化学セルから運び出すことができるが、それでもなお動作中に発生する熱を放散させるために構成要素であるフローフィールドプレートの背面を流れる別の冷却剤流を供給することは、しばしば必要になる。従来の温度調整方式は、全体的電気化学セルスタック温度を考慮しているだけである。電気化学セル内の特定の領域の（例えばフローフィールドプレートの異なる領域に亘る）温度は、従来の熱放散技術がこのような注意深い温度制御が可能ではないので、調整できない。これに対して図３Ａ〜３Ｈ、図４に関して以下に説明される本発明のある幾つかの実施形態は、フローフィールドプレートに、フローフィールドプレートの表面全体に熱を均等に分配させるように配置されたそれぞれのフローフィールド構造を与えている。
【００４１】
すべてが一つのタイプの多数の電気化学セルが実際に、プロセスガス／流体供給、排出路、電気接続部、調整装置といった共通の特徴要素を有するスタックに配置できることは一般に理解されている。すなわち電気化学セルモジュールは典型的には、一つの電気化学セルスタックを形成するように直列に接続された多数の個別の電気化学セルから構成される。この電気化学セルモジュールはまた、関連する構造要素と、機械システムと、ハードウエアと、ファームウエアと、この電気化学セルモジュールの機能および動作をサポートするソフトウエアと、の適当な組合せを含む。このような品目は限定されることなく配管、センサー、調整器、集電器、シール、絶縁体、および電気機械コントローラを含む。
【００４２】
上述のようにフローフィールドプレートは典型的には、各々が特定のプロセスガス／流体のための対応する細長い分配チャネルの一部分として役立つ多数のマニホルド開口を含む。ある幾つかの実施形態では電解槽セルの陰極は、入力プロセスガス／流体を供給されることを必要とせず、水素ガスと水だけが排出されることを必要とする。このような電解槽セルでは、フローフィールドプレートは、陰極のための入力マニホルド開口を必要とせず、出力マニホルド開口を必要とする。対照的に燃料セルの典型的な実施形態は、陽極と陰極両者のために入力および出力マニホルド開口を利用する。しかしながら燃料セルはまた、プロセス反応物が燃料セルに供給されるが燃料セルから循環排出されない行き止まりモードでも動作できる。このような実施形態では入口マニホルド開口だけが設けられる。
【００４３】
多数の異なる電気化学セル技術が存在しており、一般に本発明は、すべてのタイプの電気化学セルに適用可能であると期待される。本発明の極めて特定的な例示的実施形態は、陽子交換隔膜（Ｐｒｏｔｏｎ  Ｅｘｃｈａｎｇｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ：ＰＥＭ）電解槽セルでの使用のために開発された。種々の他のタイプの電解槽セルは、限定されることなく固体ポリマー水電解槽（Ｓｏｌｉｄ  Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｗａｔｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｚｅｒｓ：ＳＰＷＥ）を含む。同様に種々のタイプの燃料セルは限定されることなくアルカリ燃料セル（ＡＦＣ）、直接メタノール燃料セル（ＤＭＦＣ）、溶融炭酸塩燃料セル（ＭＣＦＣ）、燐酸燃料セル（ＰＡＦＣ）、固体酸化物燃料セル（ＳＯＦＣ）、および再生燃料セル（ＲＦＣ）を含む。
【００４４】
図１を参照すると、電気化学セルモジュールの動作に関連した幾つかの一般的考慮事項を示すためにここで説明される、今後単に電解槽セルモジュール１００と呼ばれる陽子交換隔膜（ＰＥＭ）電解槽セルモジュールの単純化した模式図が示されている。各々のモジュールが一つ以上の電気化学セルを含む電気化学セルモジュールの種々の構成に本発明が適用可能であることは理解されるべきである。当業者は、ＰＥＭ燃料セルが図１に示すＰＥＭ電解槽セルモジュール１００に類似の構成を持つことを認めるであろう。
【００４５】
電解槽セルモジュール１００は、陽極電極２１と陰極電極４１とを含む。陽極電極２１は、水入力ポート２２と水／酸素出力ポート２４とを含む。同様に陰極電極４１は、水入力ポート４２と水／水素出力ポート４４とを含む。電解質隔膜３０は陽極電極２１と陰極電極４１との間に配置される。
【００４６】
電解槽セルモジュール１００はまた、陽極電極２１と電解質隔膜３０との間に第１の触媒層２３を含み、また陰極電極４１と電解質隔膜３０との間に第２の触媒層４３を含む。ある幾つかの実施形態では、これら第１、第２の触媒層２３、４３は陽極および陰極電極２１、４１上にそれぞれ堆積される。
【００４７】
陽極電極２１と陰極電極４１との間に電圧源１１５が接続される。
【００４８】
動作時に水入力ポート２２を経由して陽極電極２１に水が導入される。水は、電解質隔膜３０と第１の触媒層２３の存在下において、下記に与えられる反応（１）にしたがって電気化学的に解離する。
【００４９】
（１）  Ｈ2Ｏ  →  ２Ｈ+＋２ｅ-＋１／２Ｏ2
反応（１）の化学生成物は、水素イオン（すなわち陽イオン）と電子と酸素である。水素イオンは、電解質隔膜３０を通り抜けて陰極電極４１に達するが一方、電子は電圧源１１５を通して引き出される。溶解した酸素分子を含む水は、水／酸素出力ポート２４を介して引き出される。
【００５０】
同時に、隔膜３０の陰極側に水分を供給するために、水入力ポート４２を介して陰極電極４１に追加の水が導入される。
【００５１】
水素イオン（すなわち陽子）は、電解質隔膜３０と第２の触媒層４３との存在下において下記に与えられる反応（２）にしたがって電気化学的に水素分子に還元される。すなわち陽極電極２１における反応（１）によって生成された電子とイオン化された水素原子は、陰極電極４１における反応（２）で電気化学的に消費される。
【００５２】
（２）  ２Ｈ2+＋２ｅ-  →  Ｈ2
溶解した水素分子を含む水は、水／水素出力ポート４４を介して引き出される。電気化学反応（１）、（２）は互いに相補的であって、電気化学的に生成される１個の酸素分子（Ｏ2）ごとに２個の水素分子（Ｈ2）が電気化学的に生成されることを示している。
【００５３】
同様に構成されたＰＥＭ燃料セルでは、反応（２）、（１）は陽極と陰極でそれぞれ逆になる。これは、電圧源１１５を負荷で置き換えて、陽極電極２１に水素を、陰極電極４１に酸素を供給することによって達成される。この負荷は、図１の陽極および陰極電極２１、４１それぞれの上で示される極性とは反対の極性を有する生成された電位を使用するように接続される。このようなＰＥＭ燃料セルの生成物は、水、熱および電位を含む。
【００５４】
さて図２を参照すると、電解槽セルモジュール１００’の分解斜視図が示されている。簡潔化と単純化のために、図２には単に１個の電気化学セルの複数の要素が示されている。すなわち電解槽セルモジュール１００’は、ただ１個の電解槽セルを含む。しかしながら電解槽セルスタックは通常、互いに積み重ねられた多数の電解槽セルを含む。電解槽セルスタック１００’のこの電解槽セルは、陽極フローフィールドプレート１２０と陰極フローフィールドプレート１３０とこれら陽極および陰極フローフィールドプレート１２０、１３０間に配置された隔膜電極アセンブリ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）１２４とを含む。再び陽極および陰極フローフィールドプレート１２０、１３０に関する呼称「前面」および「背面」は、ＭＥＡ１２４に関するそれぞれの向きを示している。フローフィールドプレートの「前面」はＭＥＡ１２４に面する側であるが、「背面」はＭＥＡ１２４から離れる方を向いている。
【００５５】
簡単に言えば各フローフィールドプレート１２０、１３０は入口領域と出口領域とを有する。この特定の実施形態では明確化のために、入口領域と出口領域は、各フローフィールドプレートの反対側端部それぞれに配置される。しかしながら種々の他の配置も可能である。各フローフィールドプレート１２０、１３０はまた、入口領域を出口領域に流体的に接続して、ＭＥＡ１２４にプロセスガス／流体を分配するための構造を与える多数の開放面フローチャネルを含む。本発明の実施形態の態様による陽極フローフィールドプレートの例は、図３Ａ〜３Ｈを参照しながら下記に説明される。本発明の一実施形態の態様による陰極フローフィールドプレートの一例は、図４を参照しながら以下、詳細に説明される。
【００５６】
ＭＥＡ１２４は、陽極触媒層（図示せず）と陰極触媒層（図示せず）との間に配置された固体電解質（例えば陽子交換隔膜）１２５を含む。
【００５７】
電解槽セルモジュール１００’の電解槽セルはまた、陽極触媒層と陽極フローフィールドプレート１２０との間に配置された第１のガス拡散媒体（ＧＤＭ）１２２と、陰極触媒層と陰極フローフィールドプレート１３０との間に配置された第２のＧＤＭ１２６とを含む。ＧＤＭ１２２、１２６は、プロセス流体およびガスのＭＥＡ１２４の触媒表面への拡散を容易にする。ＧＤＭ１２２、１２６はまた、陽極および陰極フィールドプレート１２０、１３０の各々と固体電解質１２５（例えば陽子交換隔膜）との間の導電性を向上させる。
【００５８】
電解槽セルの要素は、電解槽セルモジュール１００’の支持要素によって封入される。特に電解槽セルモジュール１００’の支持要素は、陽極端部プレート１０２と陰極端部プレート１０４とを含んでおり、これらの間には電解槽セルとその他の要素とが適当に配置される。本実施形態では陰極端部プレート１０４は、プロセスガス／流体の供給と排出のための接続ポートを備えている。これらの接続ポートは、以下更に詳細に説明される。
【００５９】
陽極および陰極端部プレート１０２、１０４間に配置された他の要素は、陽極絶縁体プレート１１２と陽極集電プレート１１６と陰極集電プレート１１８と陰極絶縁体プレート１１４をそれぞれ含む。種々の実施形態では種々の数の電気化学セルが、集電プレート１１６、１１８間に配置される。このような実施形態では各電気化学セルを構成する要素は、所望の出力を生成する電気化学セルスタックを与えるように順次、適当に反復される。多くの実施形態では種々のプロセスガス／流体が互いに隔離されることを保証するために必要とされるように、プレート間に密封手段が設けられる。
【００６０】
電解槽セルモジュール１００’を全体的に保持するために、陽極端部プレート１０２のねじ付き内腔にねじ止めされて（または他の方法で固定されて）陰極端部プレート１０４の対応する平坦な内腔を貫通するタイロッド１３１が設けられている。アセンブリ全体をしっかり締めるため、また個別の電気化学セルの種々の要素が全体的に保持されることを保証するためにナット、座金またはその他の固定手段が設けられる。
【００６１】
上記のように、プロセスガス、流体、冷却剤などを供給し、また排出するための手段を与えるために、電気化学セルスタックへの種々の接続ポートが含まれる。ある幾つかの実施形態では、電気化学セルスタックへの種々の接続ポートは、ペアで設けられる。接続ポートの各ペアの一方は、陰極端部プレート（例えば陰極端部プレート１０４）に配置され、他方は陽極端部プレート（例えば陽極端部プレート１０２）に適当に配置される。他の実施形態ではこれら種々の接続ポートは、陽極または陰極端部プレートのどちらかだけに配置される。これらの接続ポートのための種々の配置が本発明の種々の実施形態において与えられ得ることは、当業者によって認められるであろう。
【００６２】
引き続いて図２を参照すると陰極端部プレート１０４は、第１、第２の水／酸素接続ポート１０６、１０７と第１、第２の冷却剤接続ポート１０８、１０９と第１、第２の水／水素接続ポート１１０、１１１とを有する。これらのポート１０６〜１１１は、ＭＥＡ１２４と、第１、第２のガス拡散媒体１２２、１２６と、陽極および陰極フローフィールドプレート１２０、１３０と、第１、第２の集電プレート１１６、１１８と、第１、第２の絶縁体プレート１１２、１１４と、に含まれるマニホルド開口と流体的に連通するように配置される。上記のプレートすべてのマニホルド開口は、細長い入口チャネルと出口チャネルの３セットを形成するように整列している。
【００６３】
電解槽セルモジュール１００’は、触媒反応を容易にするように動作可能である。上記のように水は、ＭＥＡ１２４の陽極触媒層で解離して、陽子と電子と酸素分子とを形成する。固体電解質（例えば陽子交換隔膜）１２５は、陽極触媒層から陰極触媒層への陽子の移動を容易にする。自由電子の大部分は、固体電解質１２５を貫通せず、その代わりに電圧源によって与えられる起電力の結果として集電プレート１１６、１１８を介して電圧源（例えば図１の電圧源１１５）を通って流れる。ＭＥＡ１２４の陰極触媒層により、反応（２）にしたがって陽子と電子は、水素分子に還元される。それぞれ陽極と陰極で生成される酸素と水素は、これらの電極に供給される水に溶解される。酸素と水素はそれぞれの水／ガスの流れが加圧されたままになっている限り、溶解されたままになっている。
【００６４】
同時に電解槽セルモジュール１００’を通る冷却剤の流れは、接続ポート１０８、１０９と前述のプレートの冷却剤マニホルド開口とを介して電解槽セル（単数または複数）に供給される。電解槽セル反応は発熱性であって反応速度は温度に敏感であるので、冷却剤の流れは電解槽セル反応で発生した熱を取り除いて燃料セルスタックの温度が上昇するのを防止し、それによって電解槽セル反応を安定なレベルに調整する。冷却剤は、スタックの冷却を可能にする十分な熱交換を与えることのできるガスまたは流体である。既知の冷却剤の例は限定されることなく水、脱イオン水、油、エチレングリコール、およびプロピレングリコールを含む。電解槽セルのある幾つかの実施形態は、陽極電極と陰極電極とに供給される水が電解槽セル（単数または複数）からの十分な量の熱放散を与えるので、別の冷却剤流を必要としない。
【００６５】
図２に示すフローフィールドプレート１２０、１３０は矩形である。本発明の他の実施形態では、フローフィールドプレートは電気化学セルスタックの特定の設計に適した如何なる形状でもよい。もう一つの例として、図３Ａ〜３Ｈと図４を参照して以下に説明されるフローフィールドプレートは、円形である。これらのフローフィールドプレートは、単にこれらの形状が円形であって矩形でないという理由で、図２に示した電解槽セルモジュール１００’での使用に適さない。
【００６６】
さて図３Ａを参照すると、円形の陽極フローフィールドプレート２２０の前面が示されている。この陽極フローフィールドプレート２２０の前面は、中心領域２０１とこの中心領域２０１を取り囲む周辺領域２０２とを有する。
【００６７】
この特定の実施形態では周辺領域２０２は、６個のマニホルド開口を含む。これら６個のマニホルド開口のうちの３個は、入力のために使用される。陽極水入口マニホルド開口１３６と陽極冷却剤入口マニホルド開口１３８と第２の陽極水入口マニホルド開口１４０とが存在する。その他の３個のマニホルド開口は、相補的出力のために使用される。陽極水／酸素出口マニホルド開口１３７と陽極冷却剤出口マニホルド開口１３９と陽極水／水素出口マニホルド開口１４１とが存在する。ある幾つかの実施形態では、第２の陽極水入口マニホルド開口１４０と水／水素出口マニホルド開口１４１は両者とも、それぞれの電解槽セルで生成される水素のための出力として使用される。
【００６８】
従来の設計とは対照的に、陽極水／酸素マニホルド開口１３６、１３７はそれぞれ、陽極水／水素マニホルド開口１４０、１４１と実質的に同じ面積を有する。ある幾つかの実施形態では図３Ａに示すように、陽極水／酸素マニホルド開口１３６、１３７は同様に互いに実質的に同じ面積を有する。陽極冷却剤マニホルド開口１３８、１３９もまた、マニホルド開口１３６、１３７および１４０、１４１と同じサイズである。互いに関するマニホルド開口の相対的サイズ決めが本質的ではないこと、および各々が特定の用途の要件に依存して異なるサイズでよいことは留意されるべきである。しかしながらある幾つかの実施形態では、マニホルド開口のすべてを同じサイズにすることは、フローフィールドプレートの設計を単純化し、おそらくは関連する製造および組立てのコストを削減する。
【００６９】
周辺領域はまた、電解槽セルモジュールを組み立てるために使用されるタイロッド（図示せず）を収容するために多数の貫通孔（スルーホール）２２１を含む。
【００７０】
さて図３Ｃ〜３Ｅを参照し、更に図３Ａを参照すると、陽極フローフィールドプレート２２０の前面の中心領域２０１は、水フローフィールド１３２を含む。この水フローフィールド１３２は、水入口マニホルド開口１３６を水／酸素出口マニホルド開口１３７に流体的に接続する多数の開放面チャネルを含む。しかしながらこの実施形態では水は直接、入口マニホルド開口１３６から陽極フローフィールドプレート２２０の前面上を出口マニホルド開口１３７に流れることはできず、また水／酸素もフローフィールド１３２から陽極フローフィールドプレート２２０の前面上を直接、出口マニホルド開口１３７に流れることはできない。図３Ａ〜３Ｈに示す本発明の本実施形態は好都合には、上記引用によって組み込まれた本出願人の同時係属中の米国出願第０９／８５５，０１８号に記載されたような「背面供給」を使用する。フローフィールド１３２とマニホルド開口１３６、１３７との間の水／酸素の流れは、下記に更に詳細に説明されるであろう。
【００７１】
プロセスガス／流体の漏れと混合とを防止するために使用されるシールを収容するために、種々のマニホルド開口１３６〜１４１と貫通孔２２１の周りには密封面２００が設けられる。この密封面２００は、フローフィールド１３２と種々のマニホルド開口１３６〜１４１とを完全に封入して形成される。この特定の実施形態では密封面２００は、種々のマニホルド開口１３６〜１４１を互いに、また陽極フローフィールドプレート２２０の前面上のフローフィールド１３２から、完全に分離することが意図されている。ある幾つかの実施形態では密封面２００は、陽極フローフィールドプレート２２０の周りの異なる位置で異なる深さ（図３Ａの平面に垂直な方向に）および／または異なる幅（図３Ａの平面内で）を持つことができる。他の実施形態では密封面２００は、前面と面一であり得る。
【００７２】
この特定の実施形態では密封面２００は、フローフィールドプレート２２０の外側エッジの周りの隆起した部分２２３と、種々のマニホルド開口１３６〜１４１と貫通孔２２１との内側エッジの周りの隆起した部分２２２とによって境界が定められている。
【００７３】
また水入口マニホルド開口１３６と水／酸素出口マニホルド開口１３７とにそれぞれ隣接して設けられるスロット２８０、２８０’のセットが含まれる。これらのスロット２８０、２８０’は陽極フローフィールドプレート２２０の厚さを貫通し、それによって陽極フローフィールドプレート２２０の前面と背面とを流体的に接続する。スロット２８０、２８０’の各セットは、多数の開口の集まりとして示されている。しかしながら他の実施形態ではスロット２８０、２８０’の各セットは、単一の開口として設けられてもよい。本出願人の同時係属中の米国出願第０９／８５５，０１８号を参照すると、スロット２８０、２８０’のセットはまた「背面供給」開口として知られている。
【００７４】
特に図３Ａ、３Ｃを参照すると、本発明の一実施形態の態様による陽極フローフィールドプレート２２０の前面の水フローフィールド１３２のために使用できる一つの例示的パターンが示されている。この水フローフィールド１３２は、スロット２８０、２８０’と流体的に連通している多数の水フローチャネル１７１を含む。これらの水フローチャネル１７１は、それぞれ多数のリブ１７２によって画定される。この特定の実施形態では、３個のリブ１７２によって画定された２個の水フローチャネル１７１が２個の対応するスロット２８０、２８０’を流体的に接続している。
【００７５】
各水フローチャネル１７１は、第１の直線部分１７１ａと曲がりくねった部分１７１ｂと弧状部分１７１ｃと第２の直線部分１７１ｄとを有する。第１、第２の直線部分１７１ａ、１７１ｄは、それぞれのスロット２８０、２８０’と流体的に連通している。水フローチャネル１７１のすべてをずらせて収容するために、水フローチャネル１７１のうちのどのチャネルの部分１７１ａ、１７１ｂ、１７１ｃ、１７１ｄの各々も、水フローチャネル１７１のうちの隣のチャネルのそれらの部分とそれぞれ比較して異なる長さに延びている。例えば水フローチャネル１７１のあるものは、より長い直線部分１７１ａ、１７１ｄと、より短い曲がりくねった部分１７１ｂと、より短い弧状部分１７１ｃとを有するが、他のものは、より短い直線部分１７１ａ、１７１ｄと、より長い曲がりくねった部分１７１ｂと、より長い弧状部分１７１ｃとを有する。しかしながらフローフィールド１３２上で実質的に均一な熱分布と恐らくは実質的に均一な反応速度も達成するために、フローチャネル１７１の各々の内部の水は好適には、他のフローチャネル１７１のいずれのチャネル内の水とも実質的に同じ熱交換履歴を受ける。ある幾つかの実施形態では、これはフローチャネル１７１のすべてを実質的に同じ全長にすることによって達成される。
【００７６】
陽極フローフィールドプレート２２０の背面は、図３Ｂに示されている。この特定の実施形態では陽極フローフィールドプレート２２０の背面は、多数の開放面フローチャネルを有する任意の冷却剤フローフィールド１４４を含む。この冷却剤フローフィールド１４４は、陽極冷却剤入口マニホルド開口１３８を陽極冷却剤出口マニホルド開口１３９に流体的に接続する。この背面はまた、マニホルド開口１３６、１３７、１４０、１４１を冷却剤フローフィールド１４４とマニホルド開口１３８、１３９から分離する密封面４００を含む。ある幾つかの実施形態では、組み立てられた電気化学セル内でプロセスガス／流体の漏れまたは混合を防止するために、密封面４００にシールが取り付けられる。
【００７７】
密封面４００は、マニホルド開口１３６、１３７、１４０、１４１の各々の周りと、まとめて冷却剤フローフィールド１４４の周りとマニホルド開口１３８，１３９の周りの隆起した部分２２４によって画定される。この密封面４００は、所望であり得るように陽極フローフィールドプレート２２０の周りの異なる位置で変化する深さおよび／または幅を持つことができる。しかしながら前面の密封面２００が水フローフィールド１３２から種々のマニホルド開口１３６〜１４１のすべてを完全に分離するのに対して、密封面４００は冷却剤フローフィールド１４４からマニホルド開口１３６、１３７、１４０、１４１だけを完全に分離して、冷却剤がマニホルド１３８、１３９を介して冷却剤フローフィールド１４４に、またそこから流れることを可能にしている。
【００７８】
他の実施形態、例えば空冷式（すなわち吸気式）電気化学スタックでは、周囲空気が冷却剤として使用される。このような場合および他の実施形態では、冷却剤フローフィールド１４４は省略できる。
【００７９】
さて図３Ｂ〜３Ｈを参照すると陽極フローフィールドプレート２２０の背面では、マニホルド開口１３６、１３７は各々、開口延長部２８１、２８１’のそれぞれのセットを有する。開口延長部２８１、２８１’の各セットは、対応するスロット２８０、２８０’間に延びる突起部２８２、２８２’のそれぞれのセットを備えている。突起部２８２、２８２’の各セットは、フローチャネル２８４、２８４’のそれぞれのセットを画定する。フローチャネル２８４、２８４’のこれらのセットは、それぞれマニホルド開口１３６、１３７の対応するエッジに手前で止まっており、それによってスロット２８０、２８０’と対応するマニホルド開口１３６、１３７との間の水の流れを容易にしている。密封面４００は、冷却剤フローフィールド１４４およびその他のマニホルド開口１３８〜１４１から開口延長部２８１、２８１’とスロット２８０、２８０’とをまとめて分離している。
【００８０】
マニホルド開口１４０、１４１はまた、開口延長部１８１、１８１’のそれぞれのセットを有する。開口延長部１８１、１８１’の各セットは、対応するマニホルド開口１４０、１４１の方に延びる突起部１８２、１８２’のそれぞれのセットを備えている。突起部１８２、１８２’の各セットは、これらが相補的に構成された陰極フローフィールドプレート２３０上の対応するスロット１８０、１８０’の間に延びるように製造される（図４に示す）。
【００８１】
陽極フローフィールドプレート２２０の背面上で突起部１８２、１８２’のセットは、それぞれマニホルド開口１４０、１４１の対応するエッジの手前で止まり、それによってそれぞれのスロット１８０、１８０’と対応するマニホルド開口１４０、１４１との間の水／水素の流れを容易にするフローチャネル１８４、１８４’の対応するセットを画定する。密封面４００は、冷却剤フローフィールド１４４とその他のマニホルド開口１３６〜１３９から開口延長部１８１、１８１’（および最終的にはそれぞれのスロット１８０、１８０’）をまとめて分離している。
【００８２】
特に図３Ｂ、３Ｆ、３Ｇを参照すると、本発明の一実施形態の態様による陽極フローフィールドプレート２２０の背面における冷却剤フローフィールド１４４のフローチャネルのために使用できる一例示的パターンが示されている。特に冷却剤フローフィールド１４４は、冷却剤入口マニホルド開口１３８を冷却剤出口マニホルド開口１３９に流体的に接続する多数の冷却剤フローチャネル１９１を含む。冷却剤フローチャネル１９１は、それぞれの多数のリブ１９２によって画定される。この特定の実施形態では冷却剤フローチャネル１９１の各々は、２つのリブ１９２によって画定される。各冷却材フローチャネル１９１は、第１の直線部分１９１ａと、曲がりくねった部分１９１ｂと、弧状部分１９１ｃと、第２の直線部分１９１ｄとを有する。第１、第２の直線部分１９１ａ、１９１ｄは、冷却剤入口開口１３８と冷却剤出口開口１３９とにそれぞれ流体的に連通している。
【００８３】
冷却剤フローチャネル１９１のすべてをずらせて収容するために、冷却剤フローチャネル１９１のうちのどのチャネルの部分１９１ａ、１９１ｂ、１９１ｃ、１９１ｄの各々も冷却剤フローチャネル１９１のうちの隣のチャネルのそれらの部分とそれぞれ比較して異なる長さに延びている。例えば冷却剤フローチャネル１９１のあるものは、より長い直線部分１９１ａおよび／または１９１ｄと、より短い曲がりくねった部分１９１ｂと、より短い弧状部分１９１ｃとを有するが、他のものは、より短い直線部分１９１ａ、１９１ｄと、より長い曲がりくねった部分１９１ｂと、より長い弧状部分１９１ｃとを有する。しかしながらフローフィールド１４４上で実質的に均一な熱分布を達成するために、フローチャネル１９１の各々における冷却剤は好適には、その他のフローチャネル１９１のいずれのチャネル内の冷却剤とも実質的に同じ熱交換履歴を受ける。本発明のある幾つかの実施形態では、これはフローチャネル１９１のすべてを実質的に同じ全長にすることによって達成される。
【００８４】
動作時に水は、水入口マニホルド開口１３６から出て、陽極フローフィールドプレート２２０の背面の開口延長部２８１のフローチャネル２８４を通って流れる。それから水は、フローチャネル２８４の端部においてスロット２８０を通って流れ、背面を去って陽極フローフィールドプレート２２０の前面のフローチャネル１７１に入る。特に水は、スロット２８０からフローチャネル１７１の第１の直線部分１７１ａに流れ込む。それから水は、曲がりくねった部分１７１ｂと弧状部分１７１ｃとを通って流れ、続いて第２の直線部分１７１ｄを通ってスロット２８０’に流入する。水と酸素の組合せ物は、スロット２８０’を経由して陽極フローフィールドプレート２２０の前面を去って、背面の開口延長部２８１’のフローチャネル２８４’に入る。水と酸素のこの組合せ物は、フローチャネル２８４’から流れ出て、水／酸素マニホルド開口１３７に流れ込む。
【００８５】
水はフローチャネル１７１に沿って流れるので、水の少なくとも一部分はＧＤＭ全面に拡散し、ＭＥＡの陽極触媒層で反応する。当業者は、陽極触媒層で反応する水が前述の反応（１）にしたがって水素イオンと自由電子と酸素分子とに解離することによって、そうすることを認めるであろう。酸素は反応しない水に溶解したまま残り（水の流れは通常、加圧されているので）、フローチャネル１７１から運び出される。水素イオンは、電解質層を横切ってそれぞれの陰極フローフィールドプレート（例えば図４に示すような）に移動し、そこでこれらの水素イオンは前述の反応（２）にしたがって水素分子に還元される。
【００８６】
同時に、陽極フローフィールドプレートの背面（図３Ｂに示す）では、冷却剤は陽極冷却剤入口マニホルド開口１３８に入り、フローチャネル１９１を通って流れ、最後に陽極冷却剤出口マニホルド開口１３９を経由して冷却剤フローフィールド１４４を出る。特に冷却剤は、冷却剤入口マニホルド開口１３８から冷却剤フローチャネル１９１の第１の直線部分１９１ａに流れ込む。それから冷却剤は、曲がりくねった部分１９１ｂと弧状部分１９１ｃとを通って流れ、引き続いて第２の直線部分１９１ｄを通って冷却剤出口マニホルド開口１３９に流入する。
【００８７】
さて図４を参照すると、陽極フローフィールドプレート２２０に類似の特徴要素配置を含む陰極フローフィールドプレート２３０の前面が示されている。この特定の実施形態では陰極フローフィールドプレート２３０の前面は、陽極フローフィールドプレート２２０と実質的に同じ配置を持っている。これら二つのプレートの組合せは、以下更に論じられるであろう。
【００８８】
陰極フローフィールドプレート２３０は、円形であって、中心領域３０１とこの中心領域３０１を取り囲む周辺領域３０２とを有する。この特定の実施形態では周辺領域３０２は、６個のマニホルド開口を含む。これら６個のマニホルド開口のうちの３個は、入力のために使用される。陰極水入口マニホルド開口１５６と陰極冷却剤入口マニホルド開口１５８と第２の陰極水入口マニホルド開口１６０とが存在する。他の３個のマニホルド開口は、相補的出力のために使用される。陰極水／酸素出口マニホルド開口１５７と陰極冷却剤出口マニホルド開口１５９と陰極水／水素出口マニホルド開口１６１とが存在する。ある幾つかの実施形態では陰極水入口マニホルド開口１６０と水／水素出口マニホルド開口１６１は両者とも、それぞれの電解槽セルで生成される水素のための出力として使用される。
【００８９】
電解槽セルスタックを全体的に固定するためにタイロッド（図示せず）が貫通する周辺領域３０２には多数の貫通孔２３１が設けられている。
【００９０】
陰極フローフィールドプレート２３０の前面は、複数の開放面チャネルを含む水素フローフィールド１４２を備えている。このフローフィールド１４２は、マニホルド開口１５６、１５７を互いに流体的に接続する。しかしながら水素と水の組合せ物は直接、フローフィールド１４２からマニホルド開口１６０、１６１に、またはマニホルド開口１６０、１６１から直接、陰極フローフィールドプレート２３０の前面に流れない。フローフィールド１４２とマニホルド開口１６０、１６１それぞれとの間の水素の流れは、以下更に詳細に説明されるであろう。
【００９１】
陰極フローフィールドプレート２３０上には、第２の水入口マニホルド開口１６０と水／水素出口マニホルド開口１６１とにそれぞれ隣接してスロット１８０、１８０’のセットが設けられる。スロット１８０、１８０’のセットは陰極フローフィールドプレート２３０の厚さを貫通し、それによって陰極フローフィールドプレート２３０の前面と背面との間に流体的連通を与える。特にスロット１８０、１８０’のセットは、陰極フローフィールドプレート２３０の前面のフローフィールド１４２と直接流体的に連通しており、陰極フローフィールドプレート２３０の背面のマニホルド開口１６０、１６１と直接流体的に連通している。
【００９２】
スロット１８０、１８０’の各セットは、多数の開口の集まりとして示されている。しかしながら他の実施形態ではスロット１８０、１８０’の各セットは、単一の開口として設けることもできる。本出願人の同時係属中の米国出願第０９／８５５，０１８号を参照すると、スロット１８０、１８０’のセットはまた「背面供給」開口として知られている。
【００９３】
フローフィールド１４２と種々のマニホルド開口１５６〜１６１の周りには密封面３００が設けられている。この密封面３００は、プロセスガス／流体の漏れまたは混合を防止するためのシールを収容する。密封面３００は、種々のマニホルド開口１５６〜１６１を互いに、またフローフィールド１４２から完全に分離するように配置される。密封面３００は、陰極フローフィールドプレート２３０の周りの異なる位置で変化する深さ（図４の平面に垂直な方向に）および／または幅（図４の平面内で）を持つことができる。
【００９４】
この特定の実施形態では陰極フローフィールドプレート２３０の背面は、実質的に平坦であり、ここでは詳細に説明しない。当業者は、貫通孔２２１とスロット１８０、１８０’と種々のマニホルド開口１５６〜１６１とが陰極フローフィールドプレート２３０の厚さを貫通することを認めるであろう。したがって陰極フローフィールドプレートが非常に薄くなければ、陰極フローフィールドプレートの背面ではこれらの特徴要素だけが目立つであろう。
【００９５】
動作時に水は、スロット１８０を通って流れ、背面を去って陰極フローフィールドプレート２３０の前面のフローフィールド１４２のフローチャネルに入る。水はフローフィールド１４２のフローチャネルに沿って流れるので、水は電解質（例えば電解質隔膜）の陰極側を水和する。当業者は、動作時に水素イオンが電解質層を横切って陰極フローフィールドプレート２３０に移動し、ここで前述の反応（２）にしたがって水素イオンが水素分子に還元されることを認めるであろう。水と水素の組合せ物は、スロット１８０’を経由して陰極フローフィールドプレート２３０の前面を離れる。
【００９６】
ある幾つかの実施形態では電気化学セルスタックが組み立てられるとき、１個の電気化学セルの陽極フローフィールドプレートの背面は、隣接する電気化学セルの陰極フローフィールドプレートの背面に接する。種々のマニホルド開口は、それらの端部で端部プレートの一つ以上に含まれるそれぞれのポートに流体的に接続可能である電気化学セルスタックを貫通して延びるダクトまたは細長いチャネルを形成するために、互いに整列するように配置される。
【００９７】
特に図３Ｂと４を参照すると陽極および陰極フローフィールドプレート２２０、２３０は、互いに隣接するように設計された背面を有する。更に陽極フローフィールドプレート２２０と陰極フローフィールドプレート２３０には、電気化学セルスタックを貫通して延びる６個のダクトまたは細長いチャネルを形成するために、種々のマニホルド開口１３６〜１４１および１５６〜１６１は、それぞれ互いに整列している。
【００９８】
ある幾つかの実施形態では、陽極フローフィールドプレート２２０の背面の密封面４００と陰極フローフィールドプレート２３０の滑らかな背面との間に、これら２個のプレート間の密封を達成するために、シールが配置される。引き続いて陰極フローフィールドプレート２３０のマニホルド開口１６０、１６１と陽極フローフィールドプレート２２０の開口延長部１８１、１８１’のそれぞれのセットはそれぞれ、陰極フローフィールドプレート２３０の背面の異なる部分を有する２つの対応するチャンバを画定する。
【００９９】
同様の配置において陽極フローフィールドプレート２２０のマニホルド開口１３６、１３７とそれぞれの開口延長部２８１、２８１’とはそれぞれ、陰極フローフィールドプレート２３０の背面の他の異なる部分を有する他の２つのチャンバを画定する。
【０１００】
図３Ａ〜３Ｈ、４Ａを参照すると、動作時に水は、陽極および陰極マニホルド開口１３６、１５６によって形成されたダクトを通って流れ、陽極および陰極フローフィールドプレート２２０、２３０の背面によって画定された前述のチャンバに流れる。１個の電解槽セルごとに水は、前述のように陽極フローフィールドプレート２２０の前面に流れる。いったん水と酸素の組合せ物が電解槽セルを出ると、この組合せ物は、陽極および陰極マニホルド開口１３７および１５７によって形成されたダクトを通って流れ、電解槽セルスタックを離れる。
【０１０１】
同様に水はまた、陽極および陰極マニホルド開口１４０、１６０によって形成されたダクトを通って陽極および陰極フローフィールドプレート２２０、２３０の背面によって画定された他の前述のチャンバに流れる。それから１個の電解槽セルごとに水は、前述のようにそれぞれの陰極フローフィールドプレート２３０の前面に流れる。いったん水と水素の組合せ物が電解槽セルを出ると、この組合せ物は陽極および陰極マニホルド開口１４１、１６１によって形成されたダクトを通って流れ、電解槽セルスタックを離れる。
【０１０２】
代替の一実施形態では例えば、開口延長部１８１、１８１’のセットと突起部１８２，１８２’のそれぞれのセットは、陽極フローフィールドプレート２２０の背面の代わりに、陰極フローフィールドプレート２３０の背面に配置される。このような実施形態では密封面は、陰極フローフィールドプレート２３０の背面に設けられ、これがマニホルド開口１６０、１６１と、開口延長部１８１、１８１’の関連セットと、突起部１８２、１８２’のそれぞれのセットと、対応するスロット１８０，１８０’と、をまとめて封入するように構成される。
【０１０３】
もう一つの代替実施形態として特定のプロセスガス／流体のための開口延長部のセットは、動作時にその前面にこの特定のプロセスガス／流体を生成するフローフィールドプレートの背面に設けられる。したがってスロットのセットは、フローフィールドプレートの前面をフローフィールドプレートの背面に流体的に接続する各プレートに設けることができる。
【０１０４】
もう一つの代替実施形態では陽極および陰極フローフィールドプレートの各々は、水／酸素の流れと水／水素の流れの両者のための開口延長部のセットを備える。それから実際に、フローフィールドプレートの前面に貫通して延びるスロットに向かってそれぞれのマニホルド開口（単数または複数）から延びるプレートの、部分的に一方に、部分的にプレートの他方に、延長チャンバが設けられるであろう。この構成は、フローフィールドプレートの各々の厚さが減らされる場合に望ましい。
【０１０５】
他の実施形態では、陽極および陰極フローフィールドプレートは同じである。このような実施形態では陽極フローフィールドプレートに背面だけが冷却剤フローフィールドを備えている場合の冷却剤チャネルの深さの半分まで陽極および陰極フローフィールドプレートの各々に冷却剤チャネルを設けることが望ましい可能性がある。これは冷却剤の流れのために同じ広さの空間を維持し、それでもなお各フローフィールドプレートをより薄くすることを可能にするであろう。更にもしある幾つかの実施形態の場合のように陽極および陰極フローフィールドプレートが同じであれば、１スタックのセルすべてを構成するために単一のフローフィールドプレート設計が使用できる。この単純化は、次には製造段階での単純化をもたらし、これはより低い製造コストと、より短い組み立て時間とにつながり得る。
【０１０６】
関連する実施形態では、電気化学セルスタックが組み立てられるときにフローフィールドプレートのマニホルド開口が整列することを保証するために、マニホルド開口は同じ寸法を持つばかりでなく、フローフィールドプレートの仮想軸に関して対称に配置される。理解できるように冷却剤開口もまた、スタックが組み立てられるとき整列しなくてはならない。これはまた、冷却剤開口もまた同じ仮想軸に関して対称に配置されなくてはならないことを意味する。
【０１０７】
さて図５を参照すると、電解槽セル５００の拡大・単純化断面図が示されている。電解槽セル５００は、陽極フローフィールドプレート５１２と、陰極フローフィールドプレート５１３と、これら陽極および陰極フローフィールドプレート５１２、５１３の間に配置された隔膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）５１４とを含む。更に陰極フローフィールドプレート５１３とＭＥＡ５１４との間にはＧＤＭ５１５が配置されている。電解槽セル５００はまた、陽極フローフィールドプレート５１２とＭＥＡ５１４との間に配置された２つの平らなスクリーン５１６、５１７を含む。典型的にはこれらのスクリーン５１６、５１７の形状は、使用されるフローフィールドプレートの形状に従う。スクリーン５１６、５１７は図６Ａ〜７Ｂを参照しながら以下更に詳細に説明される。
【０１０８】
この特定の例では陽極および陰極フローフィールドプレート５１２、５１３は、実質的に互いに同じである。したがって陽極フローフィールドプレート５１２上の開放面フローチャネル５２２は、陰極フローフィールドプレート５１３上の開放面フローチャネル５２３と整列している。このタイプの配置は、上記に引用によって組み込まれた本出願人の同時係属中の米国特許出願第１０／１０９，００２号に記載されたように「リブトゥリブ」パターンマッチングと呼ばれることに注意されたい。
【０１０９】
動作時にＭＥＡ５１４の陽極側で水は、フローフィールドチャネル５２２を通って流れながら陽極フローフィールドプレート５１２の領域全面に広がる。水の一部は第２、第１のスクリーン５１７、５１６を順次に通って濾過され、ＭＥＡ５１４の表面で反応する。上記に詳述したように、反応（１）にしたがってＭＥＡ５１４の陽極側で酸素が生成される。前述のように典型的には水に溶解したこの酸素は順次、ＭＥＡ５１４の表面から第１、第２のスクリーン５１６、５１７を通って移動し、それからフィールドチャネル５２２に入る。引き続いて生成物酸素と未反応の水は、陽極フローフィールドプレート５１２のそれぞれのマニホルド開口（図示せず）を通って電解槽セル５００を出て行く。ＭＥＡ５１４の陽極表面から第１、第２のスクリーン５１６、５１７を経由して陽極フローフィールドプレート５１２それぞれのマニホルド開口までの酸素のこの移送は、酸素が従来の織られたスクリーンの絡まった開口部を通って移動しなくてはならない多数の従来スクリーンを使用するよりもかなり効率的である。
【０１１０】
同様にＭＥＡ５１４の陰極側で水は、フローフィールドチャネル５２３を通って陰極フローフィールドプレート５１３の領域全面に広がる。上記に詳述したように、反応（２）にしたがってＭＥＡ５１４の陰極側で水素が生成される。典型的には水に溶解したこの水素は、ＭＥＡ５１４の表面からＧＤＭ５１５を通ってＭＥＡ５１４の表面からフィールドチャネル５２３に移動する。引き続いて生成物水素と未反応の水は、陰極フローフィールドプレート５１３の他のそれぞれのマニホルド開口（図示せず）を通って電解槽セル５００を出て行く。
【０１１１】
さて図６Ａ〜７Ｂを参照すると、ある幾つかの実施形態では、より丈夫な構造を提供するために第２のスクリーン５１７は第１のスクリーン５１６より厚い。特にある幾つかの実施形態では第１のスクリーン５１６は約０．００３インチ以下の厚さを有し、第２のスクリーン５１７は約０．０１インチ以下の厚さを有する。更にスクリーン５１６、５１７の両者とも、いずれかのスクリーンの一部が組み立てられる電解槽セルの隔膜に刺し傷を付けないように、滑らかで平らであることが好ましい。更に平坦なスクリーンは、流れに対して前述の織られたスクリーンの従来の層と同じ妨害を与えない。
【０１１２】
更に図５を参照すると、ある幾つかの実施形態ではＭＥＡ５１４の陽極側において水と酸素の流れのために比較的妨害のない経路を提供するために、第２のスクリーン５１７の開口部のサイズは第１のスクリーン５１６の開口部のサイズより大きい。単に一例として示すように、第１のスクリーン５１３の第１の開口部は一般に図６Ｂの５３０で示され、また同様に第２の開口部は一般に図７Ｂの５４０で示される。
【０１１３】
更に特に図６Ｂを参照すると、ある幾つかの実施形態では第１の平坦なスクリーン５１６は、０．００４”〜０．０２５”にサイズ決めされた開口部を有する。図６Ｂに単に例として示すように第１のスクリーン５１６は、２．４９×１０-4平方インチの面積を有する六角形の開口部（例えば開口部５３０）と、平行な辺の間の０．０１７”の間隔とを有する。更に第１のスクリーン５１６の開口部間の間隔は、約０．００５インチ以下である。
【０１１４】
更に特に図７Ｂを参照すると、ある幾つかの実施形態では第２の平坦なスクリーン５１７は、０．０２０”〜０．０４０”にサイズ決めされた開口部を有する。単に例として示すように第２のスクリーン５１７は、５．５７×１０-4平方インチの面積を有する六角形の開口部（例えば開口部５４０）と、平行な辺の間の０．０２５４”の間隔とを有する。更に第２のスクリーン５１７の開口部間の間隔は、約０．０１インチ以下である。
【０１１５】
ある幾つかの実施形態では第１のスクリーン５１６の開口部間の間隔は、第２のスクリーン５１７の開口部間の間隔より小さい（例えば図６Ｂ、７Ｂに示すように０．００５”対０．０１０”）。これは、ＭＥＡ５１４に直接接触する第１のスクリーン５１６がより開いた面積を、したがってより良好な質量搬送特性を持つように、意図的に行われ得る。すなわち水は、第１のスクリーン５１６を透過して流れるためのより大きな空間と、反応が行われるためのより広い表面積とを有する。第１のスクリーン５１６とフローフィールドプレート５１２との間に配置される第２のスクリーン５１７は、フローフィールドチャネル５２２内に潰れ込まないように第２のスクリーン５１７を支持するためにより大きな機械強度を与える、また第２のスクリーン５１７一面の、また陽極フローフィールドプレート５１２への２次元的電子伝導のためにより厚い導電体を与える、より厚い間隔を有する。
【０１１６】
ある幾つかの実施形態では第１、第２のスクリーン５１６、５１７の両者は、開口部の周りにそれぞれの固いエッジを持っている。これらそれぞれの固いエッジは、電解槽セル５００が組み立てられるときにスクリーン５１６、５１７の周辺が陽極フローフィールドプレート５１２のフローフィールドチャネル内に曲がり込み、延いてはフローチャネル５２２の一部を塞ぐのを防止する。それぞれの固いエッジはまた、スクリーン５１６、５１７のために機械的／構造的支持を与え、また組立て中にスクリーン５１６、５１７のエッジがＭＥＡ５１４に刺し傷を与えるのを防止する。
【０１１７】
電解槽セルのための二重スクリーン配置の例示的実施形態が説明されてきたが、当業者は、代替実施形態ではスクリーン５１６、５１７のうちの一方または両方が比較的滑らかで平らな面を有する多孔質金属層で置き換えられ得ることを認めるであろう。例えばスクリーン５１６、５１７のうちの一方または両方は、それぞれの焼結物層で置き換えることができる。更に他の代替実施形態では、ＭＥＡ５１４の陰極側のＧＤＭ５１５は、ＭＥＡ５１４の陰極側における水および／または水素の流れを改善し、また恐らくはＭＥＡ５１４と陰極フローフィールドプレート５１３との間の導電性を改善するために、二重スクリーン構成で置き換えることができる。
【０１１８】
上記の説明は本発明の実施形態の態様による例を与えているが、本発明が付属の請求項の公正な意味と範囲から逸脱せずに、容易に修正と変更を加えることができることは認められるであろう。したがって説明されたことは、本発明の実施形態のある幾つかの態様の適用を単に例示するものである。したがって付属の請求項の範囲内で本発明が特定的にここに説明されたものとは別のように実施され得ることは理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【０１１９】
【図１】電解槽セルモジュールの単純化した模式図である。
【図２】電解槽セルモジュールの分解斜視図である。
【図３Ａ】本発明の一実施形態の態様による陽極フローフィールドプレートの前面の模式図である。
【図３Ｂ】図３Ａに示す陽極フローフィールドプレートの背面の模式図である。
【図３Ｃ】図３Ａに示す陽極フローフィールドプレートの前面の水マニホルド開口とその隣接部分の拡大部分図である。
【図３Ｄ】図３ＣのＡ−Ａ線に沿って取られた陽極フローフィールドプレートの拡大部分断面図である。
【図３Ｅ】図３ＣのＢ−Ｂ線に沿って取られた陽極フローフィールドプレートの拡大部分断面図である。
【図３Ｆ】図３Ｂに示す陽極フローフィールドプレートの背面の冷却剤マニホルド開口とその隣接部分の拡大部分図である。
【図３Ｇ】図３ＦのＣ−Ｃ線に沿って取られた陽極フローフィールドプレートの拡大部分断面図である。
【図３Ｈ】図３Ｂに示す陽極フローフィールドプレートの背面のもう一つの水マニホルド開口とその隣接部分の拡大部分斜視図である。
【図４】本発明の一実施形態の態様による図３Ａに示す陽極フローフィールドプレートと一緒の使用に適した対応する陰極フローフィールドプレートの前面の模式図である。
【図５】本発明の一実施形態の態様による電解槽セルの拡大単純化断面図である。
【図６Ａ】本発明の一実施形態の態様による電解槽セルでの使用に適した第１のスクリーンの最上面の模式図である。
【図６Ｂ】図６Ａに示す第１のスクリーンの部分拡大図である。
【図７Ａ】本発明の一実施形態の態様による電解槽セルでの使用に適した第２のスクリーンの最上面の模式図である。
【図７Ｂ】図７Ａに示す第２のスクリーンの部分拡大図である。
【符号の説明】
【０１２０】
２１：陽極
２２：ガス／流体入力ポート
２３：触媒
２４：ガス／流体出力ポート
３０：電解質
４１：陰極
４２：ガス／流体入力ポート
４３：触媒
４４：ガス／流体出力ポート
１１５：電圧源
【図１】
2007505998.tif 000003
【図２】
2007505998.tif 000004
【図３Ａ】
2007505998.tif 000005
【図３Ｂ】
2007505998.tif 000006
【図３Ｃ】
2007505998.tif 000007
【図３Ｄ】
2007505998.tif 000008
【図３Ｅ】
2007505998.tif 000009
【図３Ｆ】
2007505998.tif 000010
【図３Ｇ】
2007505998.tif 000011
【図３Ｈ】
2007505998.tif 000012
【図４】
2007505998.tif 000013
【図５】
2007505998.tif 000014
【図６Ａ】
2007505998.tif 000015
【図６Ｂ】
2007505998.tif 000016
【図７Ａ】
2007505998.tif 000017
【図７Ｂ】
2007505998.tif 000018
【国際調査報告】
2007505998.tif 000019
2007505998.tif 000020