(57)【要約】  ポリマー電解質膜燃料電池スタックであって、第１のバイポーラ板と、第２のバイポーラ板と、カソード、アノード（１０３）、およびカソードとアノードとの間に介在するポリマー膜を備える電気化学パッケージ（１０１）と、第１のバイポーラ板とアノードとの間に配置されるアノード区画（１０９）であって、少なくとも１つの入口（１０８）および少なくとも１つの出口を備えるアノード区画（１０９）と、第２のバイポーラ板とカソードとの間に配置されるカソード区画であって、少なくとも１つの入口および少なくとも１つの出口を備えるカソード区画と、を備え、アノード区画（１０９）の幾何学的面積は、アノード（１０３）の幾何学的面積よりも大きいか、または、カソード区画の幾何学的面積は、カソードの幾何学的面積よりも大きい、ポリマー電解質膜燃料電池スタック。【選択図】図１ａ
2013522822.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポリマー電解質膜燃料電池スタックであって、
第１のバイポーラ板と、
第２のバイポーラ板と、
カソード、アノード、および前記カソードと前記アノードとの間に介在するポリマー膜を備える電気化学パッケージと、
前記第１のバイポーラ板と前記アノードとの間に配置されるアノード区画であって、少なくとも１つの入口および少なくとも１つの出口を備えるアノード区画と、
前記第２のバイポーラ板と前記カソードとの間に配置されるカソード区画であって、少なくとも１つの入口および少なくとも１つの出口を備えるカソード区画と、
を備え、前記アノード区画の幾何学的面積は、前記アノードの幾何学的面積よりも大きい、ポリマー電解質膜燃料電池スタック。
【請求項２】
前記アノード区画の前記少なくとも１つの入口のいずれかと前記アノードとの間の最短距離がｍであり、前記アノード区画の同じ前記少なくとも１つの入口と前記アノード区画の前記少なくとも１つの出口のいずれかとの間の最短距離がＬであり、ｍ／Ｌが１％から３０％の範囲である、請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
ｍ／Ｌが２％から２５％の範囲である、請求項２に記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
ｍ／Ｌが４％から１５％の範囲である、請求項２に記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記アノード区画の前記少なくとも１つの出口のいずれかと前記アノードとの間の最短距離がｎであり、前記アノード区画の前記少なくとも１つの入口のいずれかと前記アノード区画の同じ前記少なくとも１つの出口との間の最短距離がＬであり、ｎ／Ｌが１％から３０％の範囲である、請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
ｎ／Ｌが１％から１５％の範囲である、請求項５に記載の燃料電池スタック。
【請求項７】
ｎ／Ｌが２％から１０％の範囲である、請求項５に記載の燃料電池スタック。
【請求項８】
前記アノード区画内に配置される流れ場をさらに備える、請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項９】
前記流れ場は、有孔成形金属薄板、金属発泡体、黒鉛発泡体、拡張金属メッシュ、金属ワイヤーメッシュ、および焼結多孔質金属薄板から選択される、請求項８に記載の燃料電池スタック。
【請求項１０】
前記流れ場は、有孔成形金属薄板、金属発泡体、黒鉛発泡体、拡張金属メッシュ、金属ワイヤーメッシュ、および焼結多孔質金属薄板から選択される少なくとも２つの材料を含む、請求項９に記載の燃料電池スタック。
【請求項１１】
前記第１のバイポーラ板は、無孔成形金属薄板である、請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項１２】
前記無孔成形金属薄板は、前記アノードと直接接触する突起をさらに備える、請求項１１に記載の燃料電池スタック。
【請求項１３】
前記カソード区画内に配置される流れ場をさらに備える、請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項１４】
前記カソードの幾何学的面積は、前記アノードの幾何学的面積に等しい、請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項１５】
前記アノード区画の幾何学的形状は、実質的に矩形状であり、前記矩形の片側に少なくとも１つの入口と、前記矩形の反対側に少なくとも１つの出口とを有する、請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項１６】
前記アノード区画の幾何学的形状は、曲線状である、請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項１７】
前記アノード区画の幾何学的面積は、２ｃｍ２から２４００ｃｍ２の範囲である、請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項１８】
前記アノードの幾何学的面積は、２ｃｍ２から２０００ｃｍ２の範囲である、請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項１９】
ポリマー電解質膜燃料電池スタックであって、
第１のバイポーラ板と、
第２のバイポーラ板と、
カソード、アノード、および前記カソードと前記アノードとの間に介在するポリマー膜を備える電気化学パッケージと、
前記第１のバイポーラ板と前記アノードとの間に配置されるアノード区画であって、少なくとも１つの入口および少なくとも１つの出口を備えるアノード区画と、
前記第２のバイポーラ板と前記カソードとの間に配置されるカソード区画であって、少なくとも１つの入口および少なくとも１つの出口を備えるカソード区画と、
を備え、前記カソード区画の幾何学的面積は、前記カソードの幾何学的面積よりも大きい、ポリマー電解質膜燃料電池スタック。
【請求項２０】
前記カソード区画の前記少なくとも１つの入口のいずれかと前記カソードとの間の最短距離がｍであり、前記カソード区画の同じ前記少なくとも１つの入口と前記カソード区画の前記少なくとも１つの出口のいずれかとの間の最短距離がＬであり、ｍ／Ｌが１％から３０％の範囲である、請求項１９に記載の燃料電池スタック。
【請求項２１】
ｍ／Ｌが２％から２５％の範囲である、請求項２０に記載の燃料電池スタック。
【請求項２２】
ｍ／Ｌが４％から１５％の範囲である、請求項２０に記載の燃料電池スタック。
【請求項２３】
前記カソード区画の前記少なくとも１つの出口のいずれか１つと前記カソードとの間の最短距離がｎであり、前記カソード区画の前記少なくとも１つの入口のいずれかと前記カソード区画の同じ前記少なくとも１つの出口との間の最短距離がＬであり、ｎ／Ｌが１％から３０％の範囲である、請求項１９に記載の燃料電池スタック。
【請求項２４】
ｎ／Ｌが１％から１５％の範囲である、請求項２３に記載の燃料電池スタック。
【請求項２５】
ｎ／Ｌが２％から１０％の範囲である、請求項２３に記載の燃料電池スタック。
【請求項２６】
前記カソード区画内に配置される流れ場をさらに備える、請求項１９に記載の燃料電池スタック。
【請求項２７】
前記流れ場は、有孔成形金属薄板、金属発泡体、黒鉛発泡体、拡張金属メッシュ、金属ワイヤーメッシュ、および焼結多孔質金属薄板から選択される、請求項２６に記載の燃料電池スタック。
【請求項２８】
前記流れ場は、有孔成形金属薄板、金属発泡体、黒鉛発泡体、拡張金属メッシュ、金属ワイヤーメッシュ、および焼結多孔質金属薄板から選択される少なくとも２つの材料を含む、請求項２７に記載の燃料電池スタック。
【請求項２９】
前記第１のバイポーラ板は、無孔成形金属薄板である、請求項１９に記載の燃料電池スタック。
【請求項３０】
前記無孔成形金属薄板は、前記カソードと直接接触する突起をさらに備える、請求項２９に記載の燃料電池スタック。
【請求項３１】
前記アノード区画内に配置される流れ場をさらに備える、請求項１９に記載の燃料電池スタック。
【請求項３２】
前記アノードの幾何学的面積は、前記カソードの幾何学的面積に等しい、請求項１９に記載の燃料電池スタック。
【請求項３３】
前記カソード区画の幾何学的形状は、実質的に矩形状であり、前記矩形の片側に少なくとも１つの入口と、前記矩形の反対側に少なくとも１つの出口とを有する、請求項１９に記載の燃料電池スタック。
【請求項３４】
前記カソード区画の幾何学的形状は、曲線状である、請求項１９に記載の燃料電池スタック。
【請求項３５】
前記カソード区画の幾何学的面積は、２ｃｍ２から２４００ｃｍ２の範囲である、請求項１９に記載の燃料電池スタック。
【請求項３６】
前記カソードの幾何学的面積は、２ｃｍ２から２０００ｃｍ２の範囲である、請求項１９に記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［０００１］本開示は、概して、ポリマー電解質膜燃料電池の分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
［０００２］一般的なポリマー電解質膜（「ＰＥＭ」）燃料電池は、電解質として機能するポリマー膜、ポリマー膜の片側上のアノード、および膜の他方側上のカソードを備える電気化学パッケージ（ＥＣＰ）を備える。アノードは、アノード電極触媒を備える。燃料ガスからの反応物質、例えば水素は、アノード電極触媒と接触し、解離してプロトンを生成する場合がある。ポリマー膜は、適切に含水すると、膜を通してアノードからカソードへプロトンを移動させる。カソードは、カソード電極触媒を備える。カソードガスからの反応物質、例えば酸素は、カソード電極触媒上で活性化酸素種を形成することができ、これがプロトンと反応して水を形成する。そのような単一の燃料電池を電気的に直列に接続して、「燃料電池スタック」を形成することができる。
【発明の概要】
【０００３】
［０００３］本開示は、第１のバイポーラ板と、第２のバイポーラ板と、カソード、アノード、およびカソードとアノードとの間に介在するポリマー膜を備える電気化学パッケージ（ＥＣＰ）とを備える、ポリマー電解質膜燃料電池スタックを提供する。ＥＣＰは、第１のバイポーラ板と第２のバイポーラ板との間に配置される。
【０００４】
［０００４］本開示によれば、ポリマー電解質膜燃料電池スタックは、第１のバイポーラ板とアノードとの間に配置されるアノード区画と、第２のバイポーラ板とカソードとの間に配置されるカソード区画とを備える。アノード区画は、ガスが区画に入出してもよいように、少なくとも１つの入口および少なとも１つの出口を備える。ある特定の実施形態において、アノード区画の幾何学的面積は、アノードの幾何学的面積よりも大きい。他の実施形態において、カソード区画の幾何学的面積は、カソードの幾何学的面積よりも大きい。さらなる実施形態において、アノード区画の幾何学的面積は、アノードの幾何学的面積よりも大きく、カソード区画の幾何学的面積は、カソードの幾何学的面積よりも大きい。
【０００５】
［０００５］ある特定の実施形態において、アノード区画および／またはカソード区画内に流れ場が配置され、この流れ場は、例えば、有孔成形金属薄板、金属発泡体、黒鉛発泡体、拡張金属メッシュ、金属ワイヤーメッシュ、および焼結多孔質金属薄板から選択されてもよい。
【０００６】
［０００６］ある特定の実施形態において、アノード区画および／またはカソード区画内に配置される流れ場は、有孔成形金属薄板、金属発泡体、黒鉛発泡体、拡張金属メッシュ、金属ワイヤーメッシュ、および焼結多孔質金属薄板から選択される少なくとも２つの要素を含んでもよい。
【０００７】
［０００７］本明細書において開示される燃料電池のさらなる実施形態において、第１のバイポーラ板は、無孔成形金属薄板である。そのような成形薄板の例には、アノードと直接接触する突起を備える成形金属薄板が含まれる。
【０００８】
［０００８］本開示による燃料電池スタックのいくつかの実施形態において、アノードの幾何学的面積は、カソードの幾何学的面積と同じである。他の実施形態において、アノードの幾何学的面積は、カソードの幾何学的面積とは異なる。
［０００９］
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１ａ】本開示に記載される燃料電池スタックのある特定の実施形態である。
【図１ｂ】本開示に記載される燃料電池スタックのある特定の実施形態である。
【図１ｃ】本開示に記載される燃料電池スタックのある特定の実施形態である。
【図２】燃料電池スタックの別の実施形態である。
【図３】燃料電池スタックの性能を比較した実験データである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
［００１０］本明細書において開示される場合、膜電極アセンブリ（「ＭＥＡ」）は、片側にアノードを、および反対側にカソードを備えるポリマー膜を備える。ガス拡散層（「ＧＤＬ」）として知られる導電媒体は、ＭＥＡの２つの側の一方または両方に隣接して取り付けるか、またはそれに据え付けることができる。ガス拡散層は、カーボン紙、グラファイトクロス、もしくは他の多孔質、可撓性、および導電性の材料、またはそれらの複合集合体で作製することができる。
【００１１】
［００１１］ある特定の実施形態において、電極触媒は、ポリマー膜の表面上に直接適用することができる。追加的実施形態において、電極触媒は、ポリマー膜に隣接した触媒層内に組み込むことができる。代替として、電極触媒は、ガス拡散層上に適用することができ、次いでこれを、電極触媒がガス拡散層とポリマー膜との間に介在するように、ポリマー膜に化学的に取り付けるか、機械的に取り付けるか、またはそれに隣接して設置する。ある特定の実施形態において、ガス拡散層は、燃料電池が機能する上で必要とされない。
【００１２】
［００１２］本明細書において開示される場合、電気化学パッケージ（「ＥＣＰ」）は、（１）ガス拡散層が両側に取り付けられた、（２）１つのガス拡散層だけが片側に取り付けられた、または（３）ガス拡散層が取り付けられていないＭＥＡを備えるコンポーネントを指す。したがって、アノードは、ガス拡散層が取り付けられていても、または取り付けられていなくても、アノード触媒を含有するＥＣＰの一部を指し、カソードは、カソード触媒を含有するＥＣＰの一部を指す。電極は、アノードまたはカソードを指す。
【００１３】
［００１３］本明細書において使用される場合、アノードは、燃料電池内の燃料ガス（すなわち、アノードガス）に曝露される。燃料ガスからの反応物質、例えば水素は、アノード触媒と接触すると、触媒反応を生じる場合がある。
【００１４】
［００１４］本明細書において使用される場合、カソードは、酸化剤ガス（すなわち、カソードガス）に曝露される。カソードガスからの反応物質、例えば酸素は、カソード触媒と接触すると、触媒反応を生じる場合がある。
【００１５】
［００１５］本明細書において使用される場合、燃料電池コンポーネントは、触媒と直接接触できる、触媒層と直接接触できる、またはガス拡散層と直接接触できる場合、ＥＣＰの電極と直接接触する。本明細書において使用される場合、アノードまたはカソードの幾何学的面積は、燃料電池産業の当業者により一般にアノードまたはカソードの有効面積と呼ばれる、電極触媒により被覆される、または他の様式で電極触媒と直接接触するポリマー膜の一部の投影平面面積を指す。
【００１６】
［００１６］本明細書において使用される場合、バイポーラ板としても知られる隔離板は、導電性ガスバリアを指す。バイポーラ板は、例えば、黒鉛または金属を含むことができる。アノード区画は、第１のバイポーラ板とアノードとの間の空間を指し、一方カソード区画は、第２のバイポーラ板とカソードとの間の空間を指す。本明細書において使用される場合、燃料電池区画は、アノード区画またはカソード区画のいずれかを指す。
【００１７】
［００１７］燃料電池区画は、平面方向におけるその周縁部において、ガスシールにより包囲することができる。ガスシールは、燃料電池区画のガスの入口または出口として機能する開口部を有する。区画の入口および出口は、入口およびガス源を接続する、または出口およびガス出口点を接続する流体導管であるガスマニホールドと流体的に接続される。ガスシールの一例は、アノードまたはカソード区画へのガスの入出を可能とする開口部を有するガスケットである。
【００１８】
［００１８］本明細書において使用される場合、流れ場は、バイポーラ板と平行な平面方位においてＥＣＰとバイポーラ板との間に配置される構造要素であり、ガスを通過させ、１つ以上のガスマニホールドからの入口および出口を有するガスシールにより、その周縁部において包囲されている。構造的支持がない場合、燃料電池区画は、燃料電池スタックの組み立て中の圧力下で崩壊し、電極のかなりの部分が反応物質ガスに接触できなくなる可能性がある。したがって、流れ場は、圧力下で完全に崩壊することがないように、ある程度の構造的完全性を有するべきである。
【００１９】
［００１９］また、流れ場は、反応物質ガスの電極への均一な分配を促進するべきである。流れ場と電極との間の接触面積は、電極のほとんどの面積が反応物質ガスと接触可能でありながら、まだ良好な導電性を維持するように、小さくなるべきである。さらに、流れ場が反応物質ガス流の過度の圧力降下を生成しないことが望ましい。
【００２０】
［００２０］開放流れ場は、流れ場内の任意の点が、いくつかの流体経路に属する、すなわち複数の流体経路がその点で交差する構造を指す。例えば、開放流れ場において、流体は、流れ場内の任意の点から出口までの２つ以上の経路に従うことができる。対照的に、入口および出口を連結する別個のチャネルを有する流れ場においては、１つのチャネル内の流体は、出口に向かうそのチャネルにより画定される１つの経路にのみ従うことができる。
【００２１】
［００２１］開放流れ場として好適な１つの材料は、多孔質発泡体である。一片の発泡体は、連結帯の相互接続ネットワークおよび金属発泡体の輪郭により画定される幾何学的境界内の相互接続された空隙を有する、網状構造を有する。この独特の構造により、非圧縮状態の発泡材料は、例えば６０％超、７０％超、７５％超、８０％超、８５％超、９０％超、９５％超、および９８％超などのような、５０％超に達する空隙率を有することができる。
【００２２】
［００２２］相互接続された空隙のネットワークは、発泡体全体にわたり延在する経路を形成する。したがって、その幾何学的境界上の１つの点において多孔質構造に進入する流体は、発泡体内の場所またはその別の境界に達するために、いくつかの異なる経路に従ってもよい。発泡体は、金属または黒鉛から作製されていてもよい。例えば、金属発泡体は、Ｐｏｒｖａｉｒ  Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．から市販されている。また、黒鉛発泡体も、例えば、米国テキサス州ディケーターのＰｏｃｏ  Ｇｒａｐｈｉｔｅ，Ｉｎｃ．から市販されている。
【００２３】
［００２３］開放流れ場として適切な多孔質構造の別の例は、拡張金属メッシュを含む。拡張金属メッシュは、均一に切り込まれ、延伸されてある特定の幾何学的形状、例えばダイヤモンド形状の開口部が形成された、固体金属の薄板から作製される。標準的な拡張金属において、ダイヤモンド形状の開口部の各列は、隣の開口部からずれており、不均一構造を形成する。標準的な拡張金属薄板は、圧延されて平坦な拡張金属を形成することができる。金属ワイヤーメッシュもまた、開放流れ場として適切な多孔質構造である。金属ワイヤーメッシュは、金属ワイヤを互いに編む、または溶接することにより作製することができる。金属ワイヤーメッシュおよび拡張金属メッシュは両方とも、例えば、米国ペンシルバニア州ニュータウンのＭｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｍｅｔａｌｓ，Ｉｎｃ．から市販されている。開放流れ場として使用される場合、拡張金属メッシュおよび金属ワイヤーメッシュは、まず非平坦な幾何学的形状を形成するように加工されてもよい。
【００２４】
［００２４］開放流れ場として適切な多孔質構造のさらなる例は、有孔成形金属薄板である。本明細書において使用される場合、成形金属薄板は、非平坦な幾何学的形状を有する金属薄板を指す。成形金属薄板は、隆起またはエンボス加工された表面を有してもよい。成形金属薄板は、起伏する隆線および溝を有する波形金属薄板であってもよい。また、成形金属薄板は、断続的な陥凹および突起を有してもよい。
【００２５】
［００２５］十分な数の孔を備えると、成形金属薄板は、開放流れ場として使用されてもよく、燃料電池区画内でほとんど制限を受けずに流体を流動させる。そのような有孔金属薄板は、例えば、円形穴、六角形穴、正方形穴、長穴等の反復した孔の配列を有してもよい。有孔金属薄板は、起伏する隆線および溝、または陥凹および突起、または他の幾何学的形状を形成するように型打ちすることができる。市販されている有孔金属薄板の一例は、米国フロリダ州タンパのＭｃＮｉｃｈｏｌｓ  Ｃｏ．から入手することができる。
【００２６】
［００２６］無孔成形金属薄板もまた、開放流れ場として機能することができる。一例は、突起配列を有する成形金属薄板である。突起の先端はＥＣＰに接触し、ＥＣＰと金属薄板の残りの部分との間に連続的な空隙空間を形成する。その結果、流体は連続的な空隙の１つの点から別の点に、複数の経路を通って移動することができる。この場合、成形金属薄板は、バイポーラ板とＥＣＰとの間に介在することができる。しかしながら、バイポーラ板がガス隔壁および流れ場の両方として機能するように、バイポーラ板自体を成形金属薄板とすることができる。
【００２７】
［００２７］成形金属薄板は、型打ち等の薄板金属成形プロセスにより作製されてもよい。また、成形金属薄板は、金属薄板の厚さが変動するように、例えばエッチングおよびレーザ彫刻によって表面材料の一部を除去することにより、チャネルを形成されてもよい。成形金属薄板の隆起表面と、ＥＣＰ等の隣接平坦表面との間に、包囲されたチャネルが形成されてもよい。
【００２８】
［００２８］開放流れ場とは対照的に、いくつかの非開放流れ場は、物理的に隔離され互いに区別される複数の別個の流動経路を含有する。後者の一例は、その表面上に成形された別個のチャネルを有する黒鉛バイポーラ板である。各チャネルは、入口を燃料電池区画の出口に接続する。そのような場合、チャネルの隆線および谷部は、バイポーラ板のバルク構造とＥＣＰとの間に空間を形成し、流体が通過するための包囲された経路を形成する。この構造において、ＥＣＰ内へのガス拡散とは別に、ガス流体のバルクは、チャネル内で入口から出口に流動する。チャネルの構成は変動してもよく、例えば、チャネルは、複数のチャネルに分割されてもよく、また複数のチャネルが１つに融合してもよく、したがって、流れ場内に複数のチャネルが交差する場所を形成する。しかしながら、そのような場所の数には限界があり、流れ場の大部分において、ガス流体は、ガス流体が存在するチャネルのセクションにより画定される１つのみの経路を有する。
【００２９】
［００２９］本明細書において使用される場合、燃料電池区画の形状は、平面方向における区画の形状を指す。この区画は、任意の二次元形状、例えば、多角形、曲線状、またはこれらの組み合わせであってもよい。燃料電池区画の幾何学的面積は、平面方向におけるアノードまたはカソード区画の面積である。燃料電池区画を封止する（ただし、流体のために、ある特定の入口および出口は開いたままとする）ためにガスケットが使用される場合、燃料電池区画の幾何学的形状および幾何学的面積の両方は、ガスケットの中空中心部の形状およびサイズにより決定される。
【００３０】
［００３０］本開示のいくつかの実施形態において、燃料電池区画の形状は、実質的に矩形であり、これは、形状が、４つの直角を有する四角形であってもよいことを意味するが、矩形の４つの角の１つ以上が丸いそのような実施形態も含む。ある特定の実施形態において、燃料電池区画の入口は、矩形の１つの辺に位置してもよく、一方出口は、反対側に位置する。
【００３１】
［００３１］本開示の他の実施形態において、燃料電池区画の形状は曲線状、例えば、円形、楕円形、または長円形である。燃料電池区画はまた、中心に中空部分を有するように、例えば環の形状となるように構成されてもよい。しかしながら、燃料電池区画の中空部分および外側周縁部は、任意の形状、矩形状または曲線状をとってもよい。これらの設計において、燃料電池区画の入口は中空部分の周縁部に位置してもよく、出口は外側周縁部に位置してもよく、またはこの逆でもよい。
【００３２】
［００３２］本明細書に開示される燃料電池スタックのある特定の実施形態において、アノード区画の幾何学的面積は、アノードの幾何学的面積よりも大きい。他の実施形態において、カソード区画の幾何学的面積は、カソードの幾何学的面積よりも大きい。追加的な実施形態において、アノード区画および／またはカソード区画の幾何学的面積は、それぞれアノードおよび／またはカソードの幾何学的面積と同じである。例えば、燃料電池区画の幾何学的面積は、２ｃｍ２から２４００ｃｍ２の範囲であってもよく、一方、電極の幾何学的面積は、２ｃｍ２から２０００ｃｍ２の範囲であってもよい。
【００３３】
［００３３］したがって、燃料電池区画の幾何学的面積は、例えば、ある特定の実施形態において、５０ｃｍ２から１５００ｃｍ２、７５ｃｍ２から１２５０ｃｍ２、１００ｃｍ２から１０００ｃｍ２、１５０ｃｍ２から７５０ｃｍ２、１７５ｃｍ２から５００ｃｍ２、および２００ｃｍ２から３５０ｃｍ２などのように、２５ｃｍ２から２０００ｃｍ２の範囲であってもよい。他の実施形態において、燃料電池区画の幾何学的面積は、５ｃｍ２から７５ｃｍ２、１０ｃｍ２から５０ｃｍ２、および１５ｃｍ２から３５ｃｍ２などのように、例えば、２ｃｍ２から１００ｃｍ２の範囲であってもよい。追加的実施形態において、燃料電池区画の幾何学的面積は、９００ｃｍ２から１７００ｃｍ２、１０００ｃｍ２から１５００ｃｍ２、および１１００ｃｍ２から１３００ｃｍ２などのように、例えば、８００ｃｍ２から２０００ｃｍ２の範囲であってもよい。
【００３４】
［００３４］同様に、電極の幾何学的面積は、例えば、ある特定の実施形態において、５０ｃｍ２から１５００ｃｍ２、７５ｃｍ２から１２５０ｃｍ２、１００ｃｍ２から１０００ｃｍ２、１５０ｃｍ２から７５０ｃｍ２、１７５ｃｍ２から５００ｃｍ２、および２００ｃｍ２から３００ｃｍ２などのように、２５ｃｍ２から２０００ｃｍ２の範囲であってもよい。他の実施形態において、燃料電池区画の幾何学的面積は、５ｃｍ２から７５ｃｍ２、１０ｃｍ２から５０ｃｍ２、および１５ｃｍ２から３５ｃｍ２などのように、例えば、２ｃｍ２から１００ｃｍ２の範囲であってもよい。追加的実施形態において、燃料電池区画の幾何学的面積は、７００ｃｍ２から１５００ｃｍ２、８００ｃｍ２から１３００ｃｍ２、および９００ｃｍ２から１１００ｃｍ２などのように、例えば、６００ｃｍ２から２０００ｃｍ２の範囲であってもよい。
【００３５】
［００３５］本明細書に開示される燃料電池スタックの一実施形態において、アノード区画の少なくとも１つの入口のいずれかとアノードとの間の最短距離をｍとし、アノード区画の同じ少なくとも１つの入口とアノード区画の少なくとも１つの出口との間の最短距離をＬとすると、ｍ／Ｌの値は、１から３０の範囲である。さらに、この値は、例えば、１％から２０％、１％から１５％、２％から２５％、２％から２０％、２％から１５％、２％から１０％、３％から２０％、３％から１５％、３％から１０％、４％から１５％、４％から１０％、４％から８％、５％から１２％、５％から８％、および６％から１０％の範囲であってもよい。
【００３６】
［００３６］本明細書において開示される別の実施形態において、アノード区画の少なくとも１つの出口のいずれかとアノードとの間の最短距離をｎとし、アノード区画の少なくとも１つの入口のいずれかとアノード区画の同じ少なくとも１つの出口との間の最短距離をＬとすると、ｎ／Ｌの値は、１から３０の範囲である。さらに、この値は、例えば、１％から２０％、１％から１５％、２％から２５％、２％から２０％、２％から１５％、２％から１０％、３％から２０％、３％から１５％、３％から１０％、３％から８％、および３％から６％の範囲であってもよい。
【００３７】
［００３７］本明細書に開示される燃料電池スタックの追加的実施形態において、カソード区画の少なくとも１つの入り口のいずれかとカソードとの間の最短距離がｍであり、カソード区画の同じ少なくとも１つの入口とカソード区画の少なくとも１つの出口との間の最短距離がＬである場合、ｍ／Ｌの値は、１％から３０％、例えば、１％から２０％、１％から１５％、２％から２５％、２％から２０％、２％から１５％、２％から１０％、３％から２０％、３％から１５％、３％から１０％、４％から１５％、４％から１０％、４％から８％、５％から１２％、５％から８％、および６％から１０％の範囲である。
【００３８】
［００３８］本明細書において開示されるさらなる実施形態において、カソード区画の少なくとも１つの出口のいずれかとカソードとの間の最短距離がｎであり、カソード区画の少なくとも１つの入口のいずれかとカソード区画の同じ少なくとも１つの出口との間の最短距離がＬである場合、ｎ／Ｌの値は、１％から３０％、例えば、１％から２０％、１％から１５％、２％から２５％、２％から２０％、２％から１５％、２％から１０％、３％から２０％、３％から１５％、３％から１０％、３％から８％、および３％から６％の範囲である。
【００３９】
［００３９］本明細書において使用される場合、入口とアノードとの間、または入口と出口との間の最短距離は、流体が入口からアノードまたは出口まで移動することができる最短距離を意味する。したがって、アノードとある特定の入口との間にバリアが存在しない場合、最短距離は、アノードと入口とを結ぶ直線の最短長さである。同様に、燃料電池区画の入口と出口との間にバリアが存在しない場合、最短距離は、入口と出口とを結ぶ直線の長さである。しかしながら、その直線に交差するバリアが存在する場合、ガス流はバリアの周囲を移動しなければならないため、入口と出口との間の移動距離にガス流の距離が加わる。空隙率が高く（例えば、５０％超）、構造材料の長さスケール（すなわち、金属発泡体の連結帯の直径）が小さい（例えば、ミリメートル以下のオーダー、例えば、１ミクロンから５００ミクロンの範囲）金属発泡体の場合等の開放流れ場の場合、流体が構造材料を迂回するために移動する余分な距離は無視可能となる場合がある。
【００４０】
［００４０］本明細書に開示される燃料電池スタックのある特定の実施形態において、流れ場は、燃料電池区画全体を占有することができる。この場合、流れ場の形状および幾何学的面積は、燃料電池区画と実質的に同じである。ある特定の他の実施形態において、流れ場は、燃料電池区画の一部のみを占め、区画内のある特定の空間を非占有状態とすることができる。さらなる実施形態において、流れ場は、異なる材料を含んでもよい。例えば、流れ場の１つのセクションは金属発泡体を含んでもよく、一方他のセクションは、金属スクリーン、金属メッシュ、拡張金属薄板、黒鉛発泡体、有孔もしくは無孔成形金属薄板、または焼結多孔質金属薄板を含有してもよい。
【００４１】
［００４１］図１ａは、本明細書に開示される燃料電池スタックの実施形態を示す。部品１０４は、ガスケットを表す。部品１０１は、部品１０４の前に設置されるＥＣＰを表す。斜線を付けた領域１０３は、アノードの、観察者から離れたＥＣＰ１０１の側にある部分を表す。例示のために、アノード１０３の領域以外のＥＣＰ１０１は、透明なものとして示されている。図１ａに示されていないバイポーラ板は、単純化のために、ガスケット１０４の後ろに位置している。この実施形態において、ガスケット１０４は、中空中心部を有し、一方ＥＣＰ１０１およびバイポーラ板は、平坦表面を有する。組み立てられた燃料電池において、ＥＣＰ１０１、ガスケット１０４、およびバイポーラ板は、互いに圧着され、ガスケット１０４の中心部を包囲してアノード区画１０９を形成する。
【００４２】
［００４２］斜線を付けた領域１０７は、ガスケット１０４の表面のそれ以外の部分より引っ込んでおり、ＥＣＰ１０１に押し付けられるとチャネルを形成する。チャネル１０７は、櫛状に配設された一連の開口部１０８ａ〜１０８ｉを有する。アノードガスは、開口部１０５を通ってチャネル１０７に進入する。アノードガスは、チャネル１０７から開口部１０８ａ〜１０８ｉを通ってアノード区画１０９に流入する。したがって、開口部１０８ａ〜１０８ｉは、アノード区画の入口である。
【００４３】
［００４３］図１ａに示されるように、アノード１０３および開口部１０８ａ〜１０８ｉは、互いに隣接していない。開口部１０８ａ〜１０８ｉの先端は全て線Ａ上にあり、一方アノードの周縁部は線Ｂ上にある。この場合、線Ａおよび線Ｂは、それらの間の最短距離が、線Ａおよび線Ｂの両方に垂直な仮想上の直線となるように実質的に平行であり、その長さは１０２として示されている。
【００４４】
［００４４］さらに、この実施形態において、線Ａおよび線Ｂは平行であるため、開口部１０８ａ〜１０８ｉのいずれかからアノードまでの最短距離は同じである。しかしながら、これは、線Ａおよび線Ｂが平行ではない、および／または曲線である燃料電池スタックの実施形態においては成り立たないことになる。そのような場合、アノード区画への入口の１つだけが、アノードへの最短距離を有することができる可能性がある。
【００４５】
［００４５］例えば、図１ｂは、図１ｂ中の線Ｂが線Ａから離れるように下向きに傾斜しているという点で図１ａに示される実施形態とは異なる実施形態を示す。結果として、開口部１０８ａのみが線Ｂまでの最短距離を有する。図１ｃにおいて、線Ｂは半円形であり、この図に示される実施形態においては開口部１０８ｅのみが線Ｂまでの最短距離を有する。アノード区画の入口とアノードとの間の位置関係の変形は数多くある。それにもかかわらず、アノード区画の１つ以上の入口のいずれかとアノードとの間の最短距離には、唯一の一意の値のみが存在する。
【００４６】
［００４６］図２は、本開示による燃料電池スタックにおける別の実施形態を示す。図１ａおよび図２中の同じ部品は、同じ番号で標示されている。斜線を付けた領域２０７は、アノード区画１０９への開口部２０８ａ〜２０８ｉを有するチャネルを表す。開口部２０８ａ〜２０８ｉは、アノード区画の出口である。アノード区画１０９からのガスは、開口部２０８ａ〜２０８ｉを通ってチャネル２０７に進入し、開口部２０５を通ってガスケット１０４から出る。この実施形態において、アノード１０３の周縁部である線Ｃは、開口部２０８ａ〜２０８ｉ全ての先端が存在する線Ｄから分離している。
【００４７】
［００４７］アノード区画への入口とアノードとの間の空間は、開放流れ場で占有され得るか、または空洞のまま残され、その間に緩衝ゾーンを形成する。アノードガスは別個の入口を通ってアノード区画に進入するため、入口のすぐ近くのガスの分布は、不均一となる可能性がある。いかなる具体的な理論にも束縛されないが、緩衝ゾーンを形成することにより、アノードと接触する前に複数のアノードガス流が混合してより均質な流れに発達することができ、これは燃料電池の性能を向上させる。一方、アノードとアノード区画の出口との間の緩衝ゾーンは、液体水をＥＣＰの不活性領域に蓄積させ、ひいてはその領域における望ましくない電気化学反応を低減することにより、燃料電池の性能に有益となる場合がある。
【００４８】
［００４８］図３は、アノードがアノード区画の入口にすぐ隣接して存在する燃料電池スタック（スタックＢ）と比較した、アノード区画の入口とアノードとの間に不活性領域が存在する燃料電池スタック（スタックＡ）のスタック電圧を示す。スタックＡは、そのスタック電圧が約０．９３Ｖに低下するまでに約３４００時間動作することが認められた。しかしながら、スタックＢは、そのスタック電圧が約０．９３Ｖに降下するまでに約２０００時間しか動作しなかった。
【００４９】
［００４９］本発明の精神から逸脱せずに、様々な修正および変形を行うことができることが、当業者には明らかであろう。本発明は、特許請求の範囲およびその均等物に含まれる限り、そのような修正および変形の全てを包含する。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
2013522822.tif 000004
【図１ｃ】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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