(57)【要約】      （修正有）【課題】最適動作点（電圧）を変更してもカソードの組成が流路にわたり均一で劣化の少ない電気化学セルの提供。【解決手段】次のものを備える第１の電気化学セル：プロトン交換膜の両側に第１のアノード（１４１）と第１のカソードを有する第１の膜／電極アセンブリ（１４）；第１のアセンブリ（１４）の両側に配置された第１及び第２のフローガイド（５）；次のものを備える第２の電気化学セル：プロトン交換膜の両側に第２のアノード（１１１）と第２のカソードを有する第２の膜／電極アセンブリ（１１０）；第２の膜／電極アセンブリ（１１３）の両側にある第３及び第４のフローガイド（５）。第１及び第３のフローガイドは同一の幾何学的形状を有し；第１のアノード（１４１）及び第２のアノード（１１１）は、第１及び第２のプロトン交換膜のそれぞれの面上の電極触媒材料の表面密度の分布が異なるものとなっている。【選択図】図２
2019179759.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学反応器（４）用の組み立て済みの電気化学セル（１）であって、
−次のものを備える第１の電気化学セル：
−第１のプロトン交換膜（１４３）と、前記プロトン交換膜の各側に配置されているとともに、それぞれ電極触媒材料を含む第１のアノード（１４１）及び第１のカソードとを有する第１の膜／電極アセンブリ（１４）；
−前記第１の膜／電極アセンブリ（１４）の両側に配置された第１及び第２のフローガイド（５）；
−次のものを備える第２の電気化学セル：
−第２のプロトン交換膜（１１３）と、前記プロトン交換膜の各側に配置されているとともに、それぞれ電極触媒材料を含む第２のアノード（１１１）及び第２のカソードとを有する第２の膜／電極アセンブリ（１１０）；
−第２の膜／電極アセンブリ（１１３）の両側に配置された第３及び第４のフローガイド（５）；
−を備え、次のことを特徴とする：
−前記第１及び第３のフローガイドは同一の幾何学的形状を有する；
−前記第２及び第４のフローガイドは同一の幾何学的形状を有する；
−前記第１のアノード（１４１）及び前記第２のアノード（１１１）は、前記第１及び第２のプロトン交換膜のそれぞれの面上の電極触媒材料の表面密度の分布が異なるものとなっているか、又は前記第１のカソード（１４２）及び前記第２のカソード（１１２）は、前記第１及び第２のプロトン交換膜（１４３、１１３）のそれぞれの面上の電極触媒材料の表面密度の分布が異なるものとなっており、前記第１のプロトン交換膜（１４３）は、前記第１のアノード（１４１）及び前記第１のカソード（１４２）によって完全に覆われた中央部分（９０）を有しており、前記第２のプロトン交換膜（１１３）は、前記第２のアノード（１１１）及び前記第２のカソード（１１２）によって覆われていない区域（９７）を有する中央部分（９０）を有している、
組み立て済みの電気化学セル（１）。
【請求項２】
前記第１のアノード及び前記第２のアノードは同一の電極触媒材料を含み、前記第１のカソード及び前記第２のカソードは同一の電極触媒材料を含む、
請求項１に記載の組み立て済みの電気化学セル（１）。
【請求項３】
前記第２のアノード（１１１）及び前記第２のカソード（１１２）は、前記第２のプロトン交換膜（１１３）の法線に沿って投影した時に同一の形状を有する、
請求項１又は２に記載の組み立て済みの電気化学セル（１）。
【請求項４】
前記覆われていない区域の少なくとも一部（９７）は、前記第２のアノード及び第２のカソードの複数の凹部によって画定され、前記凹部は、前記第２のアノード内及び前記第２のカソード内に均一に分布している、
請求項１〜３のいずれかに記載の組み立て済みの電気化学セル（１）。
【請求項５】
前記各凹部は同一の幾何学的形状を有する、
請求項４に記載の組み立て済みの電気化学セル（１）。
【請求項６】
前記覆われていない区域（９７）は、前記第２のアノードの少なくとも１つの陥凹部と前記第２のカソードの１つの陥凹部とによって画定される、
請求項１〜３のいずれかに記載の組み立て済みの電気化学セル（１）。
【請求項７】
前記第１のアノードによる前記第１のプロトン交換膜に対する重なり領域の１０〜８０％にあたる前記第２のプロトン交換膜の表面積を前記第２のアノードが覆っている、
請求項１〜６のいずれかに記載の組み立て済みの電気化学セル（１）。
【請求項８】
前記第２のアノードは一体のものとして形成されており、また前記第２のカソードは一体のものとして形成されている、
請求項１〜７のいずれかに記載の組み立て済みの電気化学セル（１）。
【請求項９】
前記第２のアノードはいくつかの別々の部品で構成されており、また前記第２のカソードはいくつかの別々の部品で構成されている、
請求項１〜７のいずれかに記載の組み立て済みの電気化学セル（１）。
【請求項１０】
−前記第１及び第３のフローガイドはフローチャネルを有し、これらの異なるフローチャネルを通る流れが前記アノードと同一の長さに渡っており；又は
前記第２及び第４のフローガイドはフローチャネルを有し、これらの異なるフローチャネルを通る流れが前記カソードと同一の長さに渡っている、
請求項８又は９に記載の組み立て済みの電気化学セル（１）。
【請求項１１】
前記第２のアノードは、前記第１のアノードと同じ幅にわたって延びる少なくとも１つの部分を有する、
請求項１〜１０のいずれかに記載の組み立て済みの電気化学セル（１）。
【請求項１２】
電気化学セルのスタックを備える電気化学反応器（４）であって、前記スタックは請求項１〜１１のいずれかに記載の組み立て済みの電気化学セル（１）を有する、
電気化学反応器（４）。
【請求項１３】
電気化学セルのスタックを備える燃料電池であって、前記スタックは請求項１〜１１のいずれかに記載の組み立て済みの電気化学セルを有する、
燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はプロトン交換膜電気化学反応器に関し、例えば水の電気分解によって二水素（dihydrogen）を生成するための電解槽、又は電気を供給するための燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
プロトン交換膜電気化学反応器は３００℃未満の運転温度で使用される。ここでプロトン交換膜は固体電解質を形成している。低温用途では、リン酸を添加した（loaded with phosphoric acid）ポリベンズイミダゾール型の膜が一般に使用される。
【０００３】
特に燃料電池は通常、基本となるセルの積み重ねを有しており、その中で連続的に導入される２つの反応物が電気化学反応を起こす。燃料をアノードと接触させ、さらに燃焼性物質をカソードと接触させる。
【０００４】
反応は２つの半反応に分けられ、一方はアノード／膜の界面で、他方はカソード／膜の界面で起こる。半反応は２つの電極と電子伝導体との間にイオン伝導体がある場合にのみ起こり得る。
【０００５】
流体を入口及び出口のコレクターから反応区域に接触させるが、それらは概ねスタックを直接通過する。流体は概ねバイポーラプレートの流路によってコレクターとその反応区域との間に導かれるが、このバイポーラプレートはまた、電気伝導機能及びセルの重ね合わせに対する締め付け力の伝達機能も有する。各コレクターは、燃料電池内を循環する様々な流体の混合を防ぐシールによって囲まれている。
【０００６】
電気化学反応器の寸法の決定は、積み重ねられたセルの数及びそれらの活性表面積を、最終用途を意図して事前に定めておくことが常である。動作中のセルの固有の性能は動作条件によって事前に決めておくことができる。基準となる電気化学セルで試験することによって分極曲線を決めることができる。セルの電圧は、所定の動作条件に応じた電流密度の関数としてこの分極曲線から特定することが可能である。積層された電気化学セルは同一であることから、この分極曲線からあらゆるセルの動作条件を見つけることが可能である。
【０００７】
所定の用途に対する最適動作点の選択は、エネルギー効率を目的としてなされることが常であり、これはセル電圧が電気化学反応の効率に直接影響することに依っており：すなわち電圧が低いほど熱の放出が大きくなり電気効率が低下する。このため、最適動作点を得るためにセル電圧と電流密度を決めることになる。
【０００８】
単位セルの最適動作点を得るための電圧に対する、企図した最終用途向けの総電圧の比によって積み重ねられるセルの数が決められる。積み重ねられた電気化学セルは同一であることから、最適動作点を得るための電力密度に対する、企図された最終用途向けの総電力の比によってセルの活性表面積が決められる。次いで、膜／電極アセンブリの活性表面の幾何学形状が決められ、さらにこれらのアノード及びカソードの幾何学形状を決めることができる。
【０００９】
一旦、活性表面の幾何学的形状を決めれば、バイポーラプレートの設計と寸法が決まる。特に、流体フローコレクター、フローガイドチャネル、及びシールの位置が決まる。
【００１０】
特定の用途向けの燃料電池を設計するために、膜／電極アセンブリ及びバイポーラプレートの既存の設計が一般に再利用されている。寸法を決めてこの活性表面積を得るために、本質的には、意図した用途に必要な活性表面積を決める必要があり、さらにスタックの有する電気化学セルの数を選択する必要がある。
【００１１】
既存の設計と比較して電力を増大させた新しい燃料電池を設計したい場合、積み重ねて直列に接続した電気化学セルの数、または並列に接続したスタックの数を増やすことが一般に容易である。
【００１２】
対照的に、既存の設計と比較して電力が低減された新しい燃料電池を設計したい場合、この新しい燃料電池の動作点を修正することで、各セルによって生成される電流密度を減らし、その動作電圧を上げるのが一般的である。しかしながら、このような動作点の変更は、燃料電池の使われ方も変える。実際、各セルを通過する反応物のマスフローは、設計上の数値よりも低い。各電気化学セルで生成された水の排出によって、その後の問題として反応物の流路の閉塞につながる場合がある。また、１つの電気化学セルのみが異なる動作点を有する場合、この動作点を管理することは他の電気化学セルの動作点と比較して難しい。
【００１３】
米国特許第６９１１２７７号明細書では、この問題を解決するために、反応バッフル内に可動バッフルを挿入することが提案されている。この可動バッフルの位置を能動的に制御することによって、活性領域の異なる流路からの反応物の供給を圧力損失の関数として調整することが可能である。しかしながら、この能動的な制御の管理は複雑であり、燃料電池にとって追加的な故障要因となる。そのような解決策では、膜／電極アセンブリ及びバイポーラプレートの既知の設計を再利用しているにも関わらず、燃料電池の電力コストも悪化する。また電気化学セルの動作電圧の上昇により劣化が早まり、耐用年数が減少する。
【００１４】
特開２０１３−０８５９９９号公報には、ガス流を処理するためにいくつかの電気化学セルが直列に接続されたものが記載されている。
【００１５】
欧州特許出願公開第２３３７１２７号には電気化学セルが記載されている。カソードの組成は流路に渡り不均一なものとなっている。
【００１６】
国際公開第２０１２／１３０９３２号には電気化学セルが記載されている。カソードの組成は流路に渡り不均一なものとなっている。
【発明の概要】
【００１７】
本発明の目的は、上記の問題点のうちの１つ以上を解決することである。本発明は、請求項に記載されるような電気化学反応器用の組み立て済みの電気化学セルに関する。
【００１８】
本発明はまた、従属請求項に記載の変形例に関する。当業者の観点に則り、従属請求項及び明細書に記載の変形例の各特徴を独立請求項に記載の特徴と個別に組み合わせでもよく、また中間形態を一般化することまでは要しないと考えられる。
【００１９】
本発明はまた、添付の請求項に記載の電気化学反応器に関する。
【００２０】
本発明はさらに電気化学セルのスタックを備える燃料電池に関するものであり、前記スタックは上述したような組み立て済みの電気化学セルを備えるものである。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
本発明の他の特徴及び利点を明らかにするため、添付の図面を以下の通り参照しつつ説明するが、これらはガイドに過ぎずまた発明を限定するものではない。
【図１】燃料電池用の膜／電極アセンブリの積層体及びバイポーラプレートの例の分解斜視図。
【図２】本発明の一実施形態に係る燃料電池用のスタックの断面図。
【図３】本発明の一実施形態に係る燃料電池のバイポーラプレート。
【図４】本発明を実施するための膜／電極アセンブリの様々な構成の一つ。
【図５】本発明を実施するための膜／電極アセンブリの様々な構成の一つ。
【図６】本発明を実施するための膜／電極アセンブリの様々な構成の一つ。
【図７】本発明を実施するための膜／電極アセンブリの様々な構成の一つ。
【図８】本発明を実施するための膜／電極アセンブリの様々な構成の一つ。
【図９】本発明を実施するための膜／電極アセンブリの様々な構成の一つ。
【図１０】本発明を実施するための膜／電極アセンブリの様々な構成の一つ。
【図１１】本発明を実施するための膜／電極アセンブリの様々な構成の一つ。
【図１２】本発明を実施するための膜／電極アセンブリの様々な構成の一つ。
【図１３】本発明を実施するための膜／電極アセンブリの様々な構成の一つ。
【図１４】本発明を実施するための膜／電極アセンブリの様々な構成の一つ。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１は、燃料電池４のセル１の積層体の概略を示す分解斜視図である。燃料電池４は、複数のセル１を重ね合わせたものである。セル１の形式は、プロトン交換膜または高分子電解質膜を有するものである。
【００２３】
燃料電池４は、燃料供給源４０を有する。ここで、燃料供給源４０は、二水素を各セル１の入口に供給する。燃料電池４はまた燃焼ソース４２を備える。ここで、燃焼ソース４２は、空気を入口に供給するところ、各セル１において空気中の酸素が酸化剤として使用されている。各セル１は排気チャネルも備える。また１つ以上のセル１が反応区域の冷却回路を有する。
【００２４】
各セル１は、膜／電極接合体（membrane/electrode assembly）１４またはＭＥＡ１４を備える。膜電極接合体１４は、固体電解質１４３を備えるが、カソード（図示せず）及びアノード１４１は電解質の両側に配置され、この電解質１４３上に固定されている。電解質層１４３は、セル内に存在するガスに対して不透過性でありながら、プロトン伝導が可能な膜となっている。電解質層はまた、アノード１４１とカソードとの間の電子の透過を防止する。電解質１４３は、例えば100℃を超える動作温度で使用されるように設計されているが、通常の動作温度は180℃である。前記電解質１４３は、例えば、リン酸をドープしたポリベンズイミダゾール（PBI）でもよい。
【００２５】
バイポーラプレート５が隣接するMEAの各組の間に配置されている。MEAの各面には、バイポーラプレート５が反応区域に対する反応物フローガイドが形成されている。ここで、各バイポーラプレート５によって、対向する外面上にアノード流路及びカソード流路が画定される。バイポーラプレート５はまた、２つの連続する膜／電極アセンブリ間にある、液体冷却剤のための流路を画定する。バイポーラプレート５はそれぞれ、それ自体公知の方法で２枚の組み立てられた導電性金属シートで形成されてもよく、係るシートは例えばステンレス鋼製またはチタン合金、アルミニウム合金、ニッケル合金またはタンタル合金製でもよい。さらに各シートがそれぞれの外面を画定する。バイポーラプレート５は他の方法によって作製してもよく、例えば、炭素−ポリマー複合材料からの成形または射出成形でもよい。さらにバイポーラプレート５を一体の部分として形成してもよい。バイポーラプレート５の外面は、前記一体の部分によって画定される。各セル１は、アノードとバイポーラプレートとの間に配置されたガス拡散層（図示せず）をさらに備えていてもよく、カソードと他のバイポーラプレートとの間に配置された他のガス拡散層を備えていてもよい。膜／電極アセンブリ１４は補強材を備えていてもよいが、ここには示していない。
【００２６】
それ自体知られている方法であるが、燃料電池４の作動中、ＭＥＡ１４とバイポーラプレート５との間を空気が流れるとともに、このＭＥＡ１４と他のバイポーラプレート５との間に二水素が流れる。バイポーラプレート５は特にＭＥＡ１４の両側の反応物の流れを案内する機能を有する。アノードでは、二水素がイオン化されてプロトンが生成され、ＭＥＡ１４と交差する。この反応によって生成された電子がバイポーラプレート５によって集められる。次に生成された電子が、燃料電池４に接続されている電気負荷に供されて電流が形成される。カソードでは、酸素が還元され、プロトンと反応して水が生成される。アノード及びカソードでの反応は以下のように記述される。
【数１】
2019179759.tif 000003
アノードにおいて；
【数２】
2019179759.tif 000004
カソードにおいて。
【００２７】
動作中、燃料電池４のセル１はアノードとカソードとの間に１Ｖ程度の直流電圧を発生させることが典型的である。
【００２８】
燃焼ソース４２は、セル１の入口に所定の圧力で空気を導入するための圧縮機を備えることが典型的である。係る圧縮機が例えば設定圧力の空気圧を受け取るが、さらに圧縮機の回転速度を可変とすることで空気圧を調整できる。
【００２９】
バイポーラプレート５及び膜／電極アセンブリ１４を積み重ねるのは、複数の集電体を形成することを目的としている。この目的のためにそれぞれの孔がバイポーラプレート５を貫通しており、さらに膜／電極アセンブリ１４を貫通している。バイポーラプレート５及び膜／電極アセンブリ１４の孔を互いに対向して配置させることで様々な集電装置が形成される。
【００３０】
図３はバイポーラプレート５の例の概略を表す平面図であり、本発明の一実施形態に係る燃料電池用のものである。ここでバイポーラプレート５のシート５０が平面視で示されている。図示されていないシールが図示されていないMEAに対して押し付けられている。図示されているシート５０の面は、膜／電極アセンブリのアノードに面するように配置されている。
【００３１】
またバイポーラプレート５は、長手方向の第１の端部にある孔５９１及び５９２を備え、長手方向の第２の端部にある孔５９５及び５９６をさらに備える。中央区域５４において、バイポーラプレート５は、孔５９１及び５９２の近くに孔５９３を備え、さらに孔５９５及び５９６の近くに孔５９４を備える。
【００３２】
孔５９１は、例えば燃料供給コレクターを形成するために用いられ、また孔５９６は、例えば、燃焼残留物及び未使用燃料を排出するためのコレクターを形成するために用いられる。孔５９３は、例えば液体冷却剤を供給するためのコレクターを中央領域５４に対して形成するのに用いられ、また孔５９４は、例えば、この液体冷却剤を排出するためのコレクターを形成するのに用いられる。孔５９２は、例えば、燃焼性物質（combustive）を供給するためのコレクターを形成するのに用いられ、また孔５９５は、例えば、生成した水と未使用の燃焼性物質とを排出するためのコレクターを形成するのに用いられる。中央区域５４は全体として燃料電池の反応区域に対応している。中央領域５４は流路を備える。均質化区域５２は、中央区域と孔５９１及び５９２との間に形成されることが好ましい。均質化区域５５は、中央区域と孔５９５及び５９６との間に形成されることが好ましい。
【００３３】
この例では、反応物質の流れの一般的な方向（矢印５９２と５９５を接合する矢印によって識別される）は、液体冷却剤の流れの方向（矢印５９３と５９４を接合する矢印によって定義される）に対して直角である。無論、本発明は、反応物の流れの方向と冷却流体の流れの方向とが異なる燃料電池にも適用される。
【００３４】
図２は、本発明の一実施形態に係る燃料電池４の電気化学セルのスタックの部分断面図である。係るスタックでは、燃料電池４が、少なくとも２種類の電気化学セルの集合体を備える。
【００３５】
燃料電池４は、第１の種類の電気化学電池をいくつか備える。これらの電気化学セルは、それらの動作点において公称単位電力を供給するように設計されている。第１の種類の各電気化学セルは、アノード１４１、カソード１４２及びプロトン交換膜１４３を有する膜／電極アセンブリ１４を備える。アノード１４１及びカソード１４２はそれぞれ、それ自体既知の様式の電極触媒材料を有する。第１の種類の各電気化学セルは、反応領域内の２つのフローガイドの間に配置されており、ここではバイポーラプレート５の面によって画定されている。
【００３６】
燃料電池４は、第２の種類の電気化学セルをさらに備える。第２の種類の電気化学セルの供給する電力が、第１の種類の電気化学セルよりも低くなるように設計されている。第２の種類の電気化学セルは、アノード１１１を有する膜／電極アセンブリ１１０を備え、さらにカソード１１２及びプロトン交換膜１１３を備える。アノード１１１及びカソード１１２はそれぞれ、それ自体既知の様式の電極触媒材料を備える。第２の種類の電気化学セルは反応区域内の２つのフローガイドの間に配置されており、ここではバイポーラプレート５の面によって画定されている。
【００３７】
バイポーラプレート５のそれぞれは、アノードに面して配置された流路５４１と、カソードに面して配置された流路５４２と、流体を冷却するための流路５４３とを備える。
【００３８】
バイポーラプレート５における孔並びに膜／電極アセンブリ１４及び１１０における孔が対向して配置されていることで、様々な集電体を形成することができる。
【００３９】
燃料電池４の製造コストを低減できるように、反応区域内の流れを画定するバイポーラプレートのフローガイドが、第１の種類の電気化学セルと第２の種類の電気化学セルとで、同じ幾何学的形状及び同じ組成を有する。反応区域の外側では、バイポーラプレート５が、異なる幾何学的形状及び組成を有していてもよい。バイポーラプレート５は、第１の種類の電気化学セルと第２の種類の電気化学セルとで同じ幾何学的形状及び同じ組成を有することが好ましい。同様に、製造コストを削減するために、プロトン交換膜１１３は、プロトン交換膜１４３と同じ幾何学的形状及び同じ組成を有する。このような構成によってもまた、燃料電池４のスタックの機械的挙動を変えることを回避できる。
【００４０】
第１の種類のセルと第２の種類のセルとの間の電力に差があることで、燃料電池４の電力を、第１の種類の電気化学セルの公称電力の倍数とは異なる所望の値に微調整できる。ここでは、電極触媒材料の表面密度の分布がアノード１１１（及び／又はカソード１１２）のそれとは異なるアノード１４１（及び／又はカソード１４２）を用いることで第１の種類のセルと第２の種類のセルとの間の電力の差を得る。アノード１１１及び１４１は、同一の（全く同一の、one and the same）電極触媒材料で構成される。カソード１１２及び１４２は、同一の（全く同一の、one and the same）電極触媒材料を使用する。そのような構成によって、さらにアノード１１１（及び／またはカソード１１２）に使用される電極触媒材料の量を減らせるため、一般に高価な上記材料のコストを削減できる。
【００４１】
特に、アノード１１１とアノード１４１との間（及び／またはカソード１１２とカソード１４２との間）の電極触媒材料の表面密度の分布の差は、アノード１４１（及び／またはカソード１４２）を、それらのプロトン交換膜１４３の中心部を完全に覆うように形成することで作られるが、一方、プロトン交換膜１１３は、アノード１１１（及び／またはカソード１１２）によって覆われていない区域を有する中央部分を備える。
【００４２】
また、そのような構成により、全ての電気化学セルに対して同一の（全く同一の、one and the same）動作点（セル電圧及び電流密度）を使用できる。したがって、燃料電池４の電力は、最も正確に定められ（dimensioned most correctly）、この時、膜／電極アセンブリ１１０を含む電気化学セルのために個々の動作点の管理を必要とせず、またこの電気化学セルの劣化が加速することもない。さらに、バイポーラプレート５並びにプロトン交換膜１４３及び１１３の幾何学的形状が保持されているので、第１の種類の電気化学セルを通した場合も、第２の種類の電気化学セルを通した場合も同一の流動条件が得られる。
【００４３】
図４は、第１の種類の電気化学セル用の膜／電極アセンブリ１４の一例の概略を表す平面である。プロトン交換膜１４３の中央部９０はアノード１４１によって完全に覆われている。この中央部９０は、図２に示すように、バイポーラプレート５の中央部５４に重なるように設計されている。ここで、プロトン交換膜１４３はさらに穴９１〜９６を備えており、バイポーラプレート５の孔５９１〜５９６とそれぞれ重なるように設計されている。プロトン交換膜１４３と反対側の面では、カソードが中央部分９０を完全に覆っている。プロトン交換膜１４３の法線方向に投影したときに、アノード１４１とカソード１４２は同一の幾何学的形状を有することが好ましく：実際には、膜／電極アセンブリの電気化学反応の表面積は、アノードとカソードとの間の重なりに依っているので、アノードとカソードとの間の重なりを最大にすることによってこの反応領域を最適化することが望ましい。
【００４４】
本例では、アノード１４１及びカソード１４２の電極触媒材料の組成が均一であるため、それぞれの表面密度が均一である。簡便にするためにアノード１４１の幾何学的形状は長方形である。
【００４５】
図５〜図１４は、第２の種類の電気化学セル用の膜／電極アセンブリ１１３の異なる例の概略を示す平面図である。プロトン交換膜１１３の中央部９０は、アノード１１１によって部分的に覆われている。中央部分９０の区域９７は、アノード１１１によって覆われていない。プロトン交換膜１１３の反対面では、カソードが中央部分９０の区域を部分的に覆う。中央部分９０の区域９７はこのカソードによって覆われていない。プロトン交換膜１１３の法線方向に投影したときに、アノード１１１及びカソード１１２は同一の幾何学的形状を有することが好ましい。したがって、以下の実施例では、アノード１１１の幾何学的形状のみを説明する。
【００４６】
図５〜７に示す例では、アノード１１１が一体として形成されている。ここで、膜１１３が覆っている区域において、アノード１１１の均一な組成を有しており、その電極触媒材料はアノード１４１の表面密度と同一の表面密度を有している。このように構成することで、電気化学反応のために導入された空気が均一に寄与し、さらにこの空気中での完全な燃焼反応が起きるのに有利である。実際には、導入された空気の酸素をすべて消費することで、反応しない酸素を圧縮するために不必要にエネルギーを失うことがないようにすることが好ましい。そのような構成はまた、アノードにおける電気化学反応を均質化することで、特定のフロー区域で溢れる危険性を減らすことを可能にする。
【００４７】
図５の例では、アノード１１１は、排気口９５、９６の近傍に形成されている。アノード１１１は反応領域の幅方向に沿った長方形の帯の形をしている。幅方向を孔５９１及び５９６を結ぶ線に対して垂直な方向とし、長さをこの線接合孔５９１、５９２に平行な方向とする。区域９７は入口穴９１及び９２の近くに配置されている。
【００４８】
図６の例では、アノード１１１が導入孔９１、９２の近傍に形成されている。アノード１１１は反応領域の幅方向に沿った長方形の帯の形をしている。区域９７は排気口９５及び９６の近くに配置されている。
【００４９】
図７の例ではアノード１１１がプロトン交換膜１１３の中央部に形成されており、区域９７はアノード１１１の両側に形成されており、一方は吸気孔９１及び９２の近くに、他方は排気孔またはポート９５及び９６の近くにある。アノード１１１は反応領域の幅方向に沿った長方形の帯の形をしている。
【００５０】
図８〜図１０の例では、アノード１１１がいくつかの別々の要素から形成されている。ここで、膜１１３が覆っている区域上で、アノード１１１は均一な組成を有しており、アノード１４１の表面密度と同一の表面密度の電極触媒材料からなっている。このような構成は、発生する熱の集中または発生する電力の集中を回避する上で特に好ましい。そのような構成により反応によって生成された熱の熱勾配を広げることで電気的損失を減らすことができ、または運転が均質化される。
【００５１】
図８の例では、アノード電極１１１が、排気口９５、９６の近傍に形成された要素と、吸気口９１、９２の近傍に形成された要素とからなる。アノード１１１の要素は区域９７によって分離されている。要素１１１は、反応領域の幅方向に延びる三角形の形をしている。
【００５２】
図９の例では、アノード電極１１１が、排気口９５、９６の近傍に形成された要素と、吸気口９１、９２の近傍に形成された要素とからなる。アノード１１１の要素は区域９７によって分離されている。一方では排気口９５、９６の近くに、他方では吸気孔９１、９２の近くに三角形の区域９７が形成されている。要素１１１は、反応領域の幅の方向に延びる台形の形をしている。
【００５３】
図１０の例では、アノード１１１は、入口孔９１、９２と排気口９５、９６との間に分配された、いくつかの別々の矩形帯によって形成されている。アノード１１１は、反応区域の幅方向に沿って延びる矩形帯の形状を有する。アノード１１１の各バンドは区域９７によって分離されている。
【００５４】
図１１〜１４の例では、アノード１１１のパターンに従って分布する複数の区域９７を挿入することによってアノード１１１が形成される。区域９７は、例えば長方形または円形の、アノード１１１内の小さな凹部で形成することができる。凹部は、アノード１１１内に均一に分布していることが好ましい。各凹部は同じ形状を有することが好ましい。
【００５５】
図１１の例では、凹部の表面密度は比較的低い。ここで、アノード１１１の有効な表面は、アノード１４１の表面の８０％を占める。アノード１１１は、吸気口９１、９２の近傍から排気口９５、９６の近傍まで延びている。
【００５６】
図１２の例では、凹部の表面密度が比較的高い。ここで、アノード１１１の有効な表面は、アノード１４１の表面の５０％を占める。アノード電極１１１は、吸気口９１、９２の近傍から排気口９５、９６の近傍まで延びている。
【００５７】
図１３の例では、アノード１１１のいくつかのバンド１１４〜１１６が、入口孔９１、９２と排気口９５、９６との間に連続して配置されている。バンド１１４〜１１６は、区域９７の凹部とは異なる割合となっている。本例において、バンド１１４は、凹部の割合２０％からなり（図１１の例と同じ構造）、バンド１１５は、凹部の割合５０％からなり（図１２の例と同じ構造）、バンド１１６は、凹部の割合８０％からなる。上記構成により、例えば、電気化学反応及び熱の放出を適切な場所に局在化させることができる。アノード１１１の各バンド１１４〜１１６は反応区域の幅の方向に延びる。
【００５８】
図１４の例ではアノード１１１が排気口９５、９６の近傍に形成されている。アノード１１１は反応区域の幅方向に沿った長方形の帯の形をしている。ここで、アノード１１１は、図１１の例と同じ凹部の構造を有する。矩形区域９７もまた、これらの入口孔とアノード１１１との間であって、入口孔９１及び９２の近くに配置されている。
【００５９】
図３〜図１４の例では、様々な流路５４１を通る反応物の流れが、同一の（全く同一の、one and the same）長さを有するアノード１１１に沿っているため、電気化学反応は、これらの異なる流路５４１に対して同等である。
【００６０】
アノード１１１及び１４１及び／またはカソード１１２及び１４２の形成はそれ自体公知の方法によって行ってもよく、例えば、スクリーン印刷または電極触媒インクを用いた印刷で行ってもよい。そのようなプロセスは、例えば、図１１〜１４を参照して説明したようなパターンを有する凹部を作るのに特に適していることがわかる。
【００６１】
アノード１４１の厚さに対してアノード１１１の厚さを調節することを考慮してもよく、これによりそれらの電極触媒材料の表面密度を区別してもよい。またアノード１１１を形成するために堆積されたインクとアノード１４１を形成するために堆積されたインクとの間で電極触媒材料の濃度を異なるものとしてもよい。
【００６２】
アノード１１１を備える電気化学セルがスタックの一端に配置されていることが好ましい。実際には、スタックの端に自然対流が起きるため、そのようなセルは、スタックの中央にあるセルよりもよく冷却されることが通常である。この種の電気化学セルでは、より高い電力密度及びより低いエネルギー効率に修正された動作点を有することがあるため、自然対流によって、より多くの熱を発生するこのセルの冷却を行うことができる。
【００６３】
本発明について、アノード及びカソードの流路を構成するバイポーラプレートについて以上の通り説明した。しかしながら、反応物の流れに対して障害物を形成する多孔質型のネットワークを有するバイポーラプレートを使用することも想定してもよい。
【００６４】
本発明について、二水素燃料を供給される燃料電池について以上の通り説明した。無論、本発明は例えばメタノールのような他の種類の燃料を使用する燃料電池にも適用可能である。
【００６５】
本発明について、燃料電池への適用を以上の通り説明した。無論、本発明は例えば電解槽のような他のプロトン交換膜電気化学反応器にも適用可能である。このような場合には、バイポーラプレート５を、それぞれの電解電圧で分極されたフローガイドと置き換えてもよい。
【００６６】
本発明について、第１の種類の電気化学セルと第２の種類の電気化学セルとのアセンブリが同一の（全く同一の、one and the same）電気化学反応器内に備わる例を用いて上記の通り説明した。なおまた、第１の一連の電気化学反応器に第１の種類の電気化学セルを使用し、さらに相異なる第２の一連の電気化学反応器に第２の種類の電気化学セルを使用することを考慮してもよい。したがって、製造ユニットでは、大きく異なる動作性能を有するこれら２つの一連の反応器を形成してもよく、一方でこれにより同一の設計のプロトン交換膜及びフローガイドを用いることで利益を得てもよい。これら２種類の電気化学反応器では、それらの動作点及びそれらの流体の流れの状態を規定するための同等の試験から利益を得ることができる。
【００６７】
この場合、同一の（全く同一の、one and the same）一連の電気化学反応器における電気化学セルは同一である。実際には、電極触媒材料の表面密度が全く同一の分布になっている電気化学セルを重ね合わせると、反応に関する電流密度はセルのスタック内に同一であり、これは、バイポーラプレートの平面内に電気的損失を生じる電流を発生させることを回避するものである。
【００６８】
第２の種類の電気化学セルを備える電気化学反応器に関して、これらのセルの動作条件が、実用上、第１の種類の電気化学セルのものとは異なっていてもよい。第１の種類の電気化学セルの動作は、温度、圧力、相対湿度、化学量論比及び電流密度の特定の動作条件の関数として流動条件を得るために特に規定されている。これらの運転条件によって、セル内を循環する反応物の流れを計算することができる。セルは、燃料電池内で電気化学反応によって生成された液体の水を正しく排出するように設計されており、これがアノードとカソードの両方に存在してもよい。流路内の液体の水の排出能力を評価するための主な基準は、流れ内の圧力損失である。流路内の圧力損失がしきい値を下回ると、液体の水はもはや反応物の流れによって排出することはできない。流路の通路断面積に応じるが、圧力損失のしきい値は通常10〜100 mbarである。
【００６９】
同一の動作条件を有する、第２のタイプの電気化学セルに関して、同一の（全く同一の、one and the same）電流密度に対する反応物の質量流量も同じ割合で減少する。その結果、第２の種類の電気化学セルと第１の種類の電気化学セルに対する同一の水準の体積流量と圧力損失とを維持するように動作パラメータを変更することが可能である。例えば、第１の種類の電気化学セルが反応物の圧力２バールに対して設計されており、第２の種類の電気化学セルのアノードの表面積が第１の種類の電気化学セルのアノードの表面積の６０％にまで減らされている場合、第２のタイプの電気化学セル用の反応物の圧力は１．２バールに減らすことができ、これにより同じ割合で質量流量を減らすことができ、一方で体積流量と圧力損失を維持することができる。
【図１】
2019179759.tif 000005
【図２】
2019179759.tif 000006
【図３】
2019179759.tif 000007
【図４】
2019179759.tif 000008
【図５】
2019179759.tif 000009
【図６】
2019179759.tif 000010
【図７】
2019179759.tif 000011
【図８】
2019179759.tif 000012
【図９】
2019179759.tif 000013
【図１０】
2019179759.tif 000014
【図１１】
2019179759.tif 000015
【図１２】
2019179759.tif 000016
【図１３】
2019179759.tif 000017
【図１４】
2019179759.tif 000018
【外国語明細書】
2019179759000001.pdf