(57)【要約】      （修正有）【課題】電気化学セルにより生成される電気信号を最大化しつつ電気化学セルの総面積を最小化することができる電気化学セルの寸法の決定方法の提供。【解決手段】電気化学セルの総面積Ｓｔはアクティブ領域Ｚａと締結領域Ｚｆによって画定され，本発明にかかる方法は、アクティブ領域のアスペクト比を表す調整変数Ｒｆの関数として総面積Ｓｔを表す第１のパラメータの変動を表す第１のコスト関数Ｆを決定するステップと、電気化学セルの所定の物理モデルから、調整変数Ｒｆの関数として、生成された電気信号Ｕを表す第２のパラメータの変動を表す第２のコスト関数Ｇを決定するステップと、第１及び第２のコスト関数（Ｆ，Ｇ）から、複合コスト関数（Ｃｃ：Ｃｖ）を決定し、複合コスト関数（Ｃｃ：Ｃｖ）を最適化し、それによって第１及び第２のコスト関数（Ｆ，Ｇ）を共同で最適化する調整変数Ｒｆの値を特定するステップと、を含む。【選択図】図４Ａ
2019216088.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンピュータによって実行され、動作時に電気化学セル（１）により生成される電気信号（Ｕ）を最大化しつつ電気化学セル（１）の総面積（Ｓｔ）を最小化することができる電気化学セル（１）の寸法を決定する方法であって、
前記電気化学セルは、
電解質膜（１１）により互いに分離された２つの電極（１２，１３）から形成された膜電極接合体（１０）であって、２つの保持プレート（２０）の間で接触している膜電極接合体（１０）を備え、
前記電気化学セル（１）の総面積（Ｓｔ）は、
長さ（Ｌａ）及び幅（ｌａ）により規定され、長さ（Ｌａ）が幅（ｌａ）よりも長いアスペクト比を有する細長形状のアクティブ領域であって、その領域において、各保持プレート（２０）が前記電解質膜（１１）の平面と反対の方向に変形しやすいアクティブ領域（Ｚａ）と、
前記アクティブ領域（Ｚａ）を囲む締結領域であって、その領域において、各保持プレート（２０）が前記膜電極接合体（１０）に締結されている締結領域（Ｚｆ）と、
によって、前記電解質膜（１１）の平面に平行な平面内に規定され、
前記方法は、
ａ．前記アクティブ領域（Ｚａ）の前記アスペクト比を表す調整変数
2019216088.tif 000037
の関数として、前記総面積（Ｓｔ）を表す第１のパラメータ
2019216088.tif 000038
の変動を表す第１のコスト関数（Ｆ）を決定するステップと、
ｂ．前記コンピュータで実行された前記電気化学セル（１）の所定の物理モデルから、前記調整変数
2019216088.tif 000039
の関数として前記生成された電気信号（Ｕ）を表す第２のパラメータ
2019216088.tif 000040
の前記変動を表す第２のコスト関数（Ｇ）を決定するステップと、
ｃ．前記第１及び第２のコスト関数（Ｆ，Ｇ）からいわゆる複合コスト関数（Ｃｃ；Ｃｖ）を決定し、前記複合コスト関数（Ｃｃ；Ｃｖ）を最適化し、ゆえに、前記第１及び第２のコスト関数（Ｆ，Ｇ）を共同で最適化する前記調整変数
2019216088.tif 000041
の値
2019216088.tif 000042
を特定するステップと、
を含む、方法。
【請求項２】
前記所定の物理モデルは、値が前記アクティブ領域（Ｚａ）内の保持プレート（２０）の局所変形に依存する電気抵抗（Ｒｃｅｌｌ）の関数として、前記生成された電気信号（Ｕ）の、与えられた動作条件の下での変動を与え、前記局所変形自身は前記調整変数
2019216088.tif 000043
に依存する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
ステップａ〜ｃを数回実施し、各実施において、前記所定の物理モデルは、動作中の前記電気化学セルの各種動作条件に対応して、前記生成された電気信号（Ｕ）の異なる変動を与えることで、前記調整変数
2019216088.tif 000044
の複数の最適値
2019216088.tif 000045
が特定されるステップと、
前記総面積（Ｓｔ）に対する所定の目標値、及び／又は前記生成された電気信号（Ｕ）に対する所定の目標値に応じて、前記特定された最適値
2019216088.tif 000046
のうち１つを選択するステップｄと、を含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
ステップａ〜ｃの繰り返し中、前記生成された電気信号（Ｕ）の前記変動は、前記動作中の電気化学セルに印加される電気信号（ｉ）の所与の値に対応する、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記第１のパラメータ
2019216088.tif 000047
、前記第２のパラメータ
2019216088.tif 000048
及び前記調整変数
2019216088.tif 000049
は正規化されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記第１のコスト関数（Ｆ）は、前記調整変数
2019216088.tif 000050
が１又は０に近づくと、それぞれ最適化される傾向があり、
前記第２のコスト関数（Ｇ）は、前記調整変数
2019216088.tif 000051
が０又は１に近づくと、それぞれ最適化される傾向がある、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記第１のパラメータ
2019216088.tif 000052
は、前記第１のコスト関数（Ｆ）が減少又は増加関数となるようにそれぞれ選択され、前記第２のパラメータ
2019216088.tif 000053
は、前記第２のコスト関数（Ｇ）が増加又は減少関数となるようにそれぞれ選択される、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記第１のパラメータ
2019216088.tif 000054
は、前記第１のコスト関数（Ｆ）の最小化又は最大化がそれぞれ、総面積（Ｓｔ）を最小にする傾向があるように選択され、前記第２のパラメータ
2019216088.tif 000055
は、前記第２のコスト関数（Ｇ）の最小化又は最大化がそれぞれ、電気信号（Ｕ）を最大にする傾向があるように選択される、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記複合コスト関数（Ｃｖ）は、前記第１のパラメータ
2019216088.tif 000056
及び前記第２のパラメータ
2019216088.tif 000057
の対応する値から、前記調整変数
2019216088.tif 000058
の各値に対して形成されたベクトル
2019216088.tif 000059
のノルム（ｄＲｆ）であり、
前記調整変数
2019216088.tif 000060
の前記特定された値
2019216088.tif 000061
は、前記複合コスト関数（Ｃｖ）の極値に対応する、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記複合コスト関数（Ｃｃ）は、場合により前記第１のコスト関数（Ｆ）及び前記第２のコスト関数（Ｇ）の線形結合であり、
前記調整変数
2019216088.tif 000062
の前記特定された値
2019216088.tif 000063
は前記複合コスト関数（Ｃｃ）の極値に対応する、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか一項に記載の前記方法を用いて前記電気化学セル（１）の寸法を決定するステップと、
前記アクティブ領域（Ｚａ）の前記アスペクト比が前記調整変数
2019216088.tif 000064
の前記特定された値
2019216088.tif 000065
の関数となるように前記電気化学セル（１）を製造するステップと、
を含む、電気化学セル（１）の製造方法。
【請求項１２】
前記アクティブ領域（Ｚａ）の前記アスペクト比は、前記複合コスト関数（Ｃｃ；Ｃｖ）が前記調整変数
2019216088.tif 000066
の前記特定された値
2019216088.tif 000067
に対応する極値から所定の割合以下の偏差を有する前記調整変数
2019216088.tif 000068
の範囲
2019216088.tif 000069
で選択される、
請求項１１に記載の製造方法。
【請求項１３】
コンピュータによって実行可能な、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の決定方法を実行する命令を含む、データ記憶媒体。
【請求項１４】
電気化学セル（１）の寸法を決定する装置であって、
プロセッサ及びメモリを備え、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の決定方法を実行するように構成されたコンピュータと、
前記コンピュータに前記アクティブ領域（Ｚａ）の面積（Ｓａ）の値及び前記締結領域（Ｚｆ）の寸法（ｄｆ）の値を与えるためのデータを入力する手段と、
前記調整変数
2019216088.tif 000070
の少なくとも１つの特定された値を出力する手段と、
を備える、装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の分野は、少なくとも１つの電気化学セルを含む、燃料電池スタック及び電気分解装置などの電気化学的発電装置の分野であり、その膜電極接合体は、とりわけ接着剤接合により、２つの保持プレートに締結されており、後者は例えばプリント回路基板であってもよい。本発明は、特に、電気化学セルの寸法の決定方法及びそのような電気化学セルの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池スタック又は電気分解装置などの電気化学的発電装置は、従来から、少なくとも１つの電気化学セルを含み、そのアノード及びカソードは、電解質膜により互いに電気的に絶縁され、セルは、連続的に導入される反応物間の電気化学反応が起こる場所である。電極及び電解質膜のスタックは、膜電極接合体（ＭＥＡ）と呼ばれる。
【０００３】
電気化学セルは、従来から、膜電極接合体と接触するように配置された２つの保持プレートを備える。電気化学セルのスタックの場合には、バイポーラプレートと呼ばれる保持プレートは、反応物を電極に流動的に分配し、かつ後者と電気的に接続するのに好適である。
【０００４】
これらの保持プレートはＰＣＢ（プリント回路基板）技術で製作することができる。こうして、図１Ａに示すように、特許文献１には、電気化学セル１用のＰＣＢ保持プレート２０が記載されている。各保持プレート２０は、電気絶縁材料から成る絶縁基板２１を備え、その内面には流体分配チャネル２２を形成する構造体が含まれている。導電性ストリップは内面に配置されて、それは、一対の分配チャネル２２を分離する縦壁に沿って延びて、電極を電気的にバイアスできるように膜電極接合体１０と接触する。
【０００５】
動作時、分配チャネルの、特にカソード側の絶対圧力は、燃料電池スタックの場合、１バールから数バールのオーダーとすることができ、電気分解装置の場合、数十バールのオーダーとすることができる。圧縮端部プレートの使用を要しないように、特許文献１では、繊維補強接着剤を用いることが規定され、これにより、保持プレートを、膜電極接合体の両側で互いに組み付けたままにすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００４／０２２４１９０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、動作時のかかる電気化学セルの特性又は電気化学的性能を改良することが必要とされている。
【０００８】
本発明の目的は少なくとも部分的に先行技術の欠点を対処することであり、より詳細には、保持プレート、例えばＰＣＢ保持プレートを備える電気化学セルの寸法を決定し、それにより、電気化学セルが生成する電気信号を最大化しつつ電気化学セルの総面積の最小化することができる方法を提供することにある。そして、このような寸法で製作された電気化学セルは、単位質量当たりエネルギー密度を良くするための良好な電気化学的性能を出すことができる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
このため、本発明の一つの主題は、コンピュータによって実行され、動作中の電気化学セルにより生成される電気信号を最大化しつつ電気化学セルの総面積を最小化することができる電気化学セルの寸法の決定方法であって、
電気化学セルは、
電解質膜により互いに分離された２つの電極から形成された膜電極接合体であって、２つの保持プレートの間で接触している膜電極接合体を備え、
電気化学セルの総面積は、
長さ及び幅により規定され、長さが幅よりも長いアスペクト比を有する細長形状のアクティブ領域であって、その領域内で各保持プレートが電解質膜の平面に反対方向に変形しやすいアクティブ領域、及び
アクティブ領域を囲む締結領域であって、その領域内で、各保持プレートが膜電極接合体に締結されている締結領域、によって電解質膜の平面に平行な平面内に規定される、方法である。
【００１０】
本発明にかかる方法は少なくとも、
ａ．前記アクティブ領域の前記アスペクト比を表す調整変数の関数として総面積を表す第１のパラメータの変動を表す第１のコスト関数を決定するステップと、
ｂ．コンピュータで実行される電気化学セルの所定の物理モデルから、調整変数の関数として、生成された電気信号を表す第２のパラメータの変動を表す第２のコスト関数を決定するステップと、
ｃ．第１及び第２のコスト関数から、いわゆる複合コスト関数を決定し、複合コスト関数を最適化し、それによって第１及び第２のコスト関数を共同で最適化する調整変数の値を特定するステップと、を含む。
【００１１】
本方法の特定の好ましい非限定的な態様は以下のとおりである。
【００１２】
所定の物理モデルは、与えられた動作条件、すなわち、予め定められた動作条件の下で、電気抵抗の値は、アクティブ領域内の保持プレートの局所変形に依存し、前記局所変形自身は調整変数に依存する電気抵抗の関数として、前記生成された電気信号の変動を与えることができる。
【００１３】
方法は、
ステップａ〜ｃを数回実施し、各実施において、物理モデルは、動作中の電気化学セルの各種動作条件に対応する前記生成された電気信号の異なる変動を与えることで、調整変数の複数の最適値が特定されるステップと、
総面積に対する所定の目標値及び／又は生成された電気信号に対する所定の目標値に応じて前記特定された最適値のうち１つを選択するステップｄと、
を含んでもよい。
【００１４】
ステップａ〜ｃの繰り返し中、前記生成された電気信号の前記変動は、動作中の電気化学セルに印加された電気信号の所与の値に対応することができる。
【００１５】
好ましくは、第１のパラメータ、第２のパラメータ及び調整変数は正規化されている。
【００１６】
好ましくは、第１のコスト関数は、調整変数が１又は０に近づくと、それぞれ最適化される傾向があり、第２のコスト関数は調整変数が０又は１に近づくと、それぞれ最適化される傾向がある。
【００１７】
好ましくは、第１のパラメータは、第１のコスト関数が減少又は増加関数となるようにそれぞれ選択され、第２のパラメータは、第２のコスト関数が増加又は減少関数となるようにそれぞれ選択される。
【００１８】
好ましくは、第１のパラメータは、第１のコスト関数の最小化又は最大化がそれぞれ、総面積を最小化する傾向があるように選択され、第２のパラメータは、第２のコスト関数の最小化又は最大化がそれぞれ、電気信号を最大化する傾向があるように選択される。
【００１９】
好ましくは、複合コスト関数は、第１のパラメータ及び第２のパラメータの対応する値から調整変数の各値に対して形成されるベクトルのノルムであり、調整変数の特定された値は、複合コスト関数の極値に対応する。
【００２０】
好ましくは、複合コスト関数は、場合により第１のコスト関数及び第２のコスト関数の線形結合であり、調整変数の特定された値は、複合コスト関数の極値に対応する。
【００２１】
本発明はまた、先行する特徴のいずれか１つに記載の方法を用いて電気化学セルの寸法を決定するステップと、アクティブ領域のアスペクト比が調整変数の特定された値の関数となるように電気化学セルを製造するステップと、を含む、電気化学セルの製造方法に関する。
【００２２】
好ましくは、アクティブ領域のアスペクト比は、複合コスト関数が調整変数の特定された値に対応する極値から所定の割合以下の偏差を有する調整変数の範囲で選択される。
【００２３】
本発明はまた、コンピュータによって実行可能な、先行する特徴のいずれか１つに記載の決定方法を実行する命令を含むコンピュータプログラム及びデータ記憶媒体に関する。
【００２４】
本発明はまた、先行する特徴のいずれか１つに記載の決定方法を実行するように構成された、プロセッサ及びメモリを備えるコンピュータと、アクティブ領域の面積の値及び締結領域の寸法の値をコンピュータに与えるためにデータを入力する手段と、調整変数の少なくとも１つの特定された値を出力する手段と、を備える、電気化学セルの寸法を決定する装置に関する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
添付図面を参照して非限定例によって与えられた、本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明を読むと、本発明の他の態様、目的、利点及び特徴がより明らかになるであろう。
【図１Ａ】既に説明した、先行技術の一例にかかるＰＣＢ保持プレートを備えた電気化学セルの概略断面図である。
【図１Ｂ】一実施形態にかかるＰＣＢ保持プレートを備えた電気化学セルの概略断面図である。
【図２Ａ】周辺締結領域Ｚｆに囲まれたアクティブ領域Ｚａを示す保持プレートの概略上面図である。
【図２Ｂ】アクティブ領域の細長い部分のアスペクト比を表す調整変数〜Ｒｆの関数として、総面積Ｓｔの変動の一例を示すグラフである。
【図２Ｃ】調整変数〜Ｒｆの関数として、総面積Ｓｔを表す正規化されたパラメータ〜Ｓｔの変動の一例を示すグラフである。
【図３Ａ】異なるアスペクト比を有する簡略化した２つの保持プレートに、同一の均一な圧力を印加した結果、異なる局所変形を受けた保持プレートの斜視図である。
【図３Ｂ】異なるアスペクト比を有する簡略化した２つの保持プレートに、同一の均一な圧力を印加した結果、異なる局所変形を受けた保持プレートの斜視図である。
【図３Ｃ】様々なアスペクト比に対する保持プレートの幅間の電気接触抵抗Ｒｃｙの変動を示すグラフである。
【図３Ｄ】調整変数〜Ｒｆの関数として電圧Ｕの変動の一例を示すグラフである。
【図３Ｅ】調整変数〜Ｒｆの関数として電圧Ｕを表す正規化されたパラメータ〜ＰＵの変動の一例を示すグラフである。
【図４Ａ】調整変数〜Ｒｆの関数として正規化されたパラメータ〜Ｓｔ及び〜ＰＵの変動の一例を示すグラフである。
【図４Ｂ】正規化されたパラメータ〜Ｓｔの関数として正規化されたパラメータ〜ＰＵの変動の一例を示すグラフである。
【図４Ｃ】コスト関数Ｆ及びＧの線形結合、すなわち、〜Ｓｔ＝Ｆ（〜Ｒｆ）及び〜ＰＵ＝Ｇ（〜Ｒｆ）である複合コスト関数Ｃｃを示すグラフである。
【００２６】
上記図面の簡単な説明において用いた符号を説明する。
2019216088.tif 000003
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【発明を実施するための形態】
【００２７】
図面及び残りの説明では、同一又は類似の要素を参照するために同一の参考符号が使用される。また、各種要素は図面の明瞭化のため、一定の縮尺で示されていない。また、各種実施形態及び変形例は互いに排他的ではなく、互いに組み合わせることができる。特に指示しない限り、「実質的に」、「約」、及び「オーダーの」という用語は、１０％以内を意味するものである。
【００２８】
本発明は特に、接着剤接合によって膜電極接合体に締結された保持プレートを備える電気化学セルの寸法の決定方法に関する。この決定方法が、前記決定方法を実行するように構成された（プロセッサ及びメモリを備えた）コンピュータによって実行される。保持プレートは、例えば、ＰＣＢ（プリント回路基板）保持プレートであってもよい。方法は電気化学セルの総面積及び動作中の電気化学セルによって生成される電気信号の両方、それによって、放出電力を最適化することを可能にする。
【００２９】
燃料電池スタックを参照し、特に、カソードに酸素を、アノードに水素を供給するＰＥＭ（プロトン交換膜）燃料電池スタックを参照して、各種実施形態及び変形例を説明する。しかし、本発明は任意の燃料電池スタックに、特に、低温、すなわち２００°Ｃ未満の温度で動作する燃料電池スタックに、及び低温電気化学的電気分解装置、例えば水から水素及び酸素を生成する電気分解装置に適用する。
【００３０】
図１Ｂは一実施形態にかかるＰＣＢ保持プレート２０を備えた電気化学セル１の概略部分断面図である。しかし、例えば、打ち抜き加工された金属シート又はグラファイト充填複合材料で作られ、成形により製造されたプレートのような他の技術の保持プレートを使用してもよい。
【００３１】
本明細書では、残りの説明上、Ｘ軸及びＹ軸が電気化学セル１の主平面に平行な平面を形成し、Ｚ軸がセルの厚み方向に向いた直交３次元直接座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を定義する。
【００３２】
電気化学セル１は、互いに電解質膜１１により分離されたアノード１２及びカソード１３から形成された膜電極接合体１０を含む。膜電極接合体１０は保持プレート２０間に配置され、それらは、反応種を電極１２，１３にもたらし、かつ後者を電気的に接続するのに好適である。これらはまた、電気化学反応中に生成された熱を取り除くのも好適である。
【００３３】
各電極１２，１３は、ガス拡散層（ＧＤＬ）及び電解質膜１１とこのガス拡散層との間に配置されたアクティブ層を含む。アクティブ層は電気化学反応の場所である。これらは電解質膜１１とのアノード１２及びカソード１３のそれぞれの界面で酸化及び還元反応を可能にする材料を含む。拡散層は、保持プレート２０の分配回路２２とアクティブ層との間で反応種及び電気化学反応によって生成された生成物を拡散させる多孔性材料から成る。
【００３４】
電解質膜１１は、本明細書ではプロトン交換膜である。これにより、アノード１２からカソード１３にプロトンを拡散させることができ、アノード１２及びカソード１３は互いに対向し、プロトンは場合によって膜内でＨ３Ｏ＋イオンの形態をとる。また、それは、アノード１２及びカソード１３を互いに電気的に絶縁する。
【００３５】
各保持プレート２０はＰＣＢ（プリント回路基板）、すなわち、それは、電気絶縁材料から作られた絶縁基板２１を含み、その上を通って電気接続要素が延びている。それは、縦壁２３により対ごとに分離された流体分配チャネル２２を含む内面２１．１を有し、後者は電極の一方と接触しており、それに電位を印加するのに好適である。
【００３６】
絶縁基板２１は電気絶縁材料から作られた剛性又は任意選択的に可撓性基板である。それは互いに反対側にある内面２１．１と外面２１．２を有する。内面２１．１は膜電極接合体１０に向けられ、電極１２，１３の一方と電気的に接触する。絶縁基板２１の最大厚さは約数ミリメートル、例えば１ｍｍ〜６ｍｍとすることができ、好ましくは２ｍｍである。さらに絶縁材料は水性媒体に対して不活性である、すなわち、湿気に対して不活性である。したがって、それはＰＦ４材料、すなわち、ガラス繊維強化エポキシ樹脂であってもよい。
【００３７】
流体分配回路は保持プレート２０の内面２１．１を構成することによって形成される。内面２１．１をこのように構成することで、流体を電極にもたらすとともに、電極から流体を取り除くのに好適な流体分配チャネル２２を画定する。これらの分配チャネル２２は内面２１．１から絶縁基板２１内に製作される溝の形態をとる。分配チャネル２２は対ごとに縦壁２３により分離されている。縦壁２３は反対側の側面２３．２及び端面２３．１により、境界を定められている。縦壁２３はそれらの端面２３．１を介して膜電極接合体１０と接触する。
【００３８】
導電性接触部分２４は縦壁２３の端面２３．１に配置されている。これらの導電性接触部分２４は導電性材料から作られ、電極を外部電気回路に電気的に接続するのに好適である。こうして導電性接触部分２４は対応する電極と電気的に接触する。本例では、端面２３．１は少なくとも部分的に導電性接触部分２４によりコーティングされており、横方向に分配チャネル２２の境界を定める側面２３．２は概ね、導電性接触部分２４にコーティングされていない。所与の縦壁２３の端面２３．１上に延びている導電性接触部分２４は互いに接合し、連続的な導電性ストリップを形成してもよいし、互いに別体であり、別体の導電性パッドを形成してもよい。導電性接触部分２４の厚みは約数十〜数百マイクロメートル、例えば１０μｍ〜５００μｍとすることができ、好ましくは７０μｍである。これらは、銅、金、ニッケル金、クロム、タングステンチタン又は任意の他の好適な導電性材料から選択される材料から作ることができる。
【００３９】
少なくとも１つのバイアス導電トラック２５は絶縁基板２４の外面２１．２の上に延びている。それは、導電性接触部分２４に電気的に接続されており、電気化学的発電装置の外部電気回路に対する接続を確実にする。バイアス導電トラック２５の厚みは、数十〜数百マイクロメートルのオーダー、例えば１０μｍ〜５００μｍとすることができ、好ましくは７０μｍである。それらは銅，金，ニッケル金，クロム，タングステンチタン，又は任意の他の好適な導電性材料から選択される材料から作ることができる。
【００４０】
絶縁基板２１は外面２１．２から内面２１．１まで、より正確には、Ｚ軸に沿って縦壁２３の端面２３．１まで延びた貫通オリフィス２６を含む。こうして貫通オリフィス２６は縦壁２３を通って延びており、端面２３．１上に開いている。これらは導電性材料の形態をとる電気コネクタ２７を含み、バイアス導電トラック２５を導電性接触部分２４に接続する。したがって、電気コネクタ２７に関連付けられた貫通オリフィス２６は、導電性バイアを形成する。貫通オリフィス２６の直径は数十〜数百マイクロメートルのオーダー、例えば５０μｍ〜５００μｍとすることができる。それらは、ＸＹ平面における横寸法が同程度の大きさという意味で、トレンチの形態ではなく、穴の形態をとることが好ましい。電気コネクタ２７のＸＹ平面における厚さは、数十〜数百マイクロメートルのオーダー、例えば１０μｍ〜１００μｍとすることができ、好ましくは７０μｍである。それらは銅、金、ニッケル金、クロム、タングステンチタン、又は任意の他の好適な導電性材料から選択される材料から作ることができる。貫通オリフィス２６は、特に電気コネクタ２７によって気密に差し込まれていることが好ましい。
【００４１】
電気化学的発電装置は、その発電装置が燃料電池スタックである場合は、バイアス導電トラック２５を電気負荷に電気的に接続し、その発電装置が電気分解装置である場合は、電圧源に電気的に接続する外部電気回路（図示せず）を含む。電気負荷は、電気化学セル１に電流値をくわえるのに好適であり、それに応じて、電気負荷の端末間に電圧Ｕを印加する。電気化学セル１により生成された電圧は０．７Ｖのオーダーとすることができる。電気分解器の場合は、電圧源は電気化学セル１の電極に電気的に接続されており、アノード１２とカソード１３との間のＤＣ電位差を印加するのに好適である。印加された電圧は、アノード１２にかけられた電位がカソード１３にかけられた電位より高いという意味で正である。その印加電位は１．３Ｖ〜３Ｖとすることができ、例えば、約５０ｍＡ／ｃｍ２〜４Ａ／ｃｍ２の電流密度に対しては約１．８Ｖである。こうして、電圧を印加することで、アノード１２で水を酸化し、電気回路を通じてカソード１３まで電子を流し、カソード１３でプロトンを還元することが可能になる。
【００４２】
こうして、導電性接触部分２４は、膜電極接合体１０のアクティブ領域Ｚａの外側に配置されたリモート導電性バイアではなく、縦壁２３に配置された導電性バイア２７によってバイアス導電トラック２５に直接接続されている。縦壁２３に導電性バイア２７をこのように配置することによって、各導電性接触部分２４が、同じように、バイアス導電トラック２５に接続されているという意味で、保持プレート２０の電気的特性の良好な空間的均一性を確保することを可能になる。このようにして、導電性接触部分２４の電気的アクセス抵抗は実質的に均一である。
【００４３】
加えて、互いに別体であり、各パッド２４が、一つの導電性バイア２７によって一つのバイアス導電トラック２５に接続されているパッドの形態で導電性接触部分２４を製作することができる。こうして、所与の縦壁２３の導電性接触部分２４はもはや連続的なストリップを形成せず、互いに別体のパッドとなる。これにより、良好な機械的接触と、導電性接触パッド２４の対応する電極への良好な貫通を確保することができ、これによって電気接触抵抗Ｒｃを低減することができる。したがって、電気化学セル１の電気的性能が改善される。
【００４４】
電気化学セル１は電解質膜１１の平面に平行なＸＹ平面の総面積Ｓｔを有する。この総面積Ｓｔはいわゆるアクティブ領域Ｚａといわゆる締結領域Ｚｆによって画定される。
【００４５】
アクティブ領域Ｚａは膜電極接合体１０が配置される、かつより正確にはＭＥＡの電極１２、１３は配置される電解質膜１１の平面に平行なＸＹ平面にある。これは電気化学反応が起こる領域内の問題である。
【００４６】
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【００４７】
面積Ｓａは電気化学セル１が所望の電力を与えるように予め決められていてもよく、所望の電力は、電流印加型（ｉｍｐｏｓｅｄ−ｃｕｒｒｅｎｔ  ｒｅｇｉｍｅ）で動作している場合、セルにかけられる電流密度に対して最適化され、電圧に対しても最適化されている。
【００４８】
アクティブ領域Ｚａでは、保持プレート２０は、電極１２、１３と接触しており、後者に締結されない。さらに、動作時に、圧力が分配チャネル２２に印加されている。例として、圧力は、電気分解器の場合、アノード側で１バールのオーダーで、カソード側で数十バールのオーダーであってもよいし、あるいは、燃料電池スタックの場合、１〜数バールであってもよい。したがって、保持プレート２０は、ＭＥＡ１０から離れてそれに垂直なＺ方向に変形を受けやすく、それにより、電気接触抵抗Ｒｃの局所変形をもたらす場合がある。電気接触抵抗Ｒｃは、電気化学セルの電気抵抗Ｒｃｅｌｌの要因のうちの１つである。この電気抵抗Ｒｃｅｌｌはとりわけセルの各種要素（電気コネクタＲｃｅ、膜Ｒｍ、電極ＲＧＤＬ）の電気抵抗の合計に、かつ各保持プレート２０と、それが接触する電極１２、１３との間の接触抵抗Ｒｃに依存する。接触抵抗Ｒｃはとりわけ、保持プレート２０と膜電極接合体１０との間の機械的接触の良し悪しに依存する。したがって、分配チャネル２２を流れる流体の圧力に応じて、保持プレート２０と電極１２、１３との間の界面における関連接触抵抗Ｒｃは、局所値において変動を呈する場合がある。
【００４９】
さらに電気化学セル１の総面積Ｓｔは、保持プレート２０を互いに締結可能な保持プレート２０間に配置された接着剤材料２が位置する周辺締結領域Ｚｆによって画定される。したがって、保持プレート２０を互いにクランプする力を印加する端部プレートを使用する必要はない。こうして、電気化学セル１は小型化され、それによって単位質量当たり及び単位体積当たりエネルギー密度は改善される。
【００５０】
周辺締結領域Ｚｆは、電解質膜１１の平面に平行なＸＹ平面において、膜電極接合体１０の周りに縦方向に延びている。より正確には、本例では、各保持プレート２０に対して、接着剤材料２のストリップは締結領域Ｚｆを通じて縦方向に延びており、絶縁基板２１及び電解質膜１１と接触する。ここでは、接着剤材料２のストリップの幅に対応する、ＸＹ平面における締結領域Ｚｆの横寸法（幅）ｄｆは予め定められ、電気化学セルに要求される機械的強度に依存する（とりわけ使用する接着剤材料の特性に依存する）。幅ｄｆは膜電極接合体１０のボーダー間の距離と定義され、より正確には、長さＬａのＸ軸又は幅ｌａのＹ軸に沿った電極１２、１３のボーダーと保持プレート２０のボーダーとの間の距離と定義される。
【００５１】
こうして、接着剤材料２により、保持プレート２０は締結領域Ｚｆにおいて互いに締結され、したがって、電気化学セルの動作中に、特に分配チャネル２２を流れる流体の圧力により、Ｚ軸に沿って変形されにくい。
【００５２】
図２Ａは保持プレート２０の概略上面図である。アクティブ領域Ｚａはハッチングで示され、細長い形状（Ｌａ＞ｌａ）、ここでは矩形形状を有している。上述したように、それは締結領域Ｚｆの縦方向の範囲にわたって一定の幅ｄｆを有する締結領域Ｚｆに連続的に接している。こうして、電気化学セル１の総面積Ｓｔは、アクティブ領域Ｚａの面積Ｓａと締結領域Ｚｆの面積Ｓｆの合計から形成されている。ここでは、これは、長さＬｔ及び幅ｌｔからなる矩形形状を有する。
【００５３】
ここで、所与のレベルの電気化学的性能のために、電気化学セル１の質量を制限し、それによって、単位質量当たり電力密度を改善する必要がある。こうするため、本明細書における１つのアプローチは、電気化学セル１に印加された電流Ｉに対応する所定のアクティブ面積Ｓａに対して、かつ所望の機械的強度を確保できる所定の締結寸法ｄｆに対して、電気化学セル１の総面積Ｓｔを最小化することにある。
【００５４】
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【００５５】
こうするために、総面積Ｓｔをまず、ここでは矩形形状からなるアクティブ領域の特定の場合に、アクティブ領域Ｚａの長さＬａの関数として以下の関係式で表す。
【数１】
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この場合、パラメータＳｔは最小化され、長さＬａは調整変数であり、アクティブ領域Ｚａの面積Ｓａ及び締結領域Ｚｆの幅ｄｆは予め定められている。
【００５６】
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【００５７】
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【００５８】
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【００５９】
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【００６０】
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【００６１】
変形された保持プレート２０の弓ｈｘｙの空間分布は、有限要素シミュレーションソフトウェアパッケージ、ここでは、ソフトウェアパッケージＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ  Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎにより、保持プレートの機械的挙動をシミュレーションすることによって得られる。ここでは、保持プレート２０は分配チャネルを含まないプレートの形態をとる簡略化した基板である。保持プレートの周辺領域は静止して維持されおり、締結領域Ｚｆに相当する。この周辺領域によって境界をつけられた中央領域は、アクティブ領域Ｚａに対応し、１バールの均一な圧力の印加により、Ｚ軸に沿って自由に変形する。保持プレート２０は１．６ｍｍの厚みを有し、ヤング率が２４ｋＮ／ｍｍ２であり、かつポアソン比は０．１３６であるという点で、材料ＦＲ４（ガラス繊維強化エポキシ樹脂）と同等な材料から作られる。
【００６２】
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【００６３】
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【００６４】
したがって、電気化学セル１の電気化学的性能を最適化し、それによって、動作中の電気化学セルによって生成される電気信号、ここでは、アクティブ領域Ｚａの所定の面積Ｓａに対する電圧Ｕを最大化することが必要とされている。
【００６５】
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【００６６】
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【００６７】
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【００６８】
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【００６９】
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【００７０】
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【００７１】
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【００７２】
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【００７３】
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【００７４】
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【００７５】
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【００７６】
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【００７７】
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【００７８】
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【００７９】
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【００８０】
こうして、電気化学セルの寸法の決定方法により、確かに、細長いアクティブ領域Ｚａのアスペクト比の最適値、すなわち、電気化学セルが限られた質量、ゆえに、単位質量当たり良好なエネルギー密度だけでなく、良好な電気化学的性能も有する値を特定することが可能になる。
【００８１】
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【００８２】
これまで特定の実施形態について説明してきた。様々な変形及び修正が当業者には明らかとなるであろう。
【００８３】
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【００８４】
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【００８５】
ステップａ〜ｃのそれぞれを実施している間、物理モデルは、動作条件に応じて、生成された電気信号の異なる変動を与え、後者は、ステップの一実施と次の実施とでは異なる。したがって、それは、電気化学セルの伝熱流体の入口温度を変更し、流体反応物の流速を変更し、あるいは、動作中の電気化学セルに適用される任意の他のパラメータを変更してもよい。好ましくは、電気化学セルによって生成される電気信号Ｕの各種変動は電気化学セルに印加される同一の電気信号、ここでは、電流密度ｉの同一の値に対応する。
【００８６】
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【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図４Ａ】
2019216088.tif 000081
【図４Ｂ】
2019216088.tif 000082
【図４Ｃ】
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【外国語明細書】
2019216088000001.pdf