(57)【要約】  電気化学セルスタックが提供される。電気化学セルスタックは、複数の電気化学セルを有する。各々の電気化学セルは、カソード触媒層、アノード触媒層、および触媒層とアノード層との間に介在させられる高分子膜を含む膜電極接合体を有する。各々の電気化学セルは、さらには、アノードプレートおよびカソードプレートであって、膜電極接合体が、それらのアノードプレートとカソードプレートとの間に介在させられる、アノードプレートおよびカソードプレートと、カソードプレートとカソード触媒層との間に配置されるカソード流れ場とを有する。カソード流れ場は、平均孔サイズを有する複数の孔を有する多孔質構造を含む。複数の電気化学セルは、電気化学セルスタックの第１の端部において配置される第１の電気化学セルを有する。第１の電気化学セルの多孔質構造は、複数の電気化学セルの多孔質構造の平均孔サイズより大である平均孔サイズを有する。および、第１の電気化学セルの多孔質構造は、複数の電気化学セルの多孔質構造の平均流れ抵抗より小である流れ抵抗を有する。
2021511635.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電気化学セルを備えた電気化学セルスタックであって、各々の電気化学セルは、
カソード触媒層、アノード触媒層、および、前記カソード触媒層と前記アノード触媒層との間に介在させられる高分子膜を備える膜電極接合体と、
アノードプレートおよびカソードプレートであって、前記膜電極接合体は、前記アノードプレートと前記カソードプレートとの間に介在させられる、アノードプレートおよびカソードプレートと、
前記カソードプレートと前記カソード触媒層との間に配置されるカソード流れ場であって、平均孔サイズを有する複数の孔を有する多孔質構造を備えたカソード流れ場と
を備え、
前記複数の電気化学セルは、前記電気化学セルスタックの第１の端部において配置される第１の電気化学セルを含み、
前記第１の電気化学セルの前記多孔質構造は、前記複数の電気化学セルの前記多孔質構造の平均孔サイズより大である平均孔サイズを有し、
前記第１の電気化学セルの前記多孔質構造は、前記複数の電気化学セルの前記多孔質構造の平均流れ抵抗より小である流れ抵抗を有する、
電気化学セルスタック。
【請求項２】
請求項１に記載の電気化学セルスタックであって、前記第１の電気化学セルの前記多孔質構造の前記平均孔サイズは、前記複数の電気化学セルの前記多孔質構造の前記平均孔サイズより約５％から約５０％大きい、電気化学セルスタック。
【請求項３】
請求項１または２に記載の電気化学セルスタックであって、前記第１の電気化学セルの前記多孔質構造の前記流れ抵抗は、前記複数の電気化学セルの前記多孔質構造の前記平均流れ抵抗より約５％から約５０％小さい、電気化学セルスタック。
【請求項４】
請求項３に記載の電気化学セルスタックであって、前記第１の電気化学セルの前記多孔質構造の前記流れ抵抗は、前記複数の電気化学セルの前記多孔質構造の前記平均流れ抵抗より約１５％小さい、電気化学セルスタック。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載の電気化学セルスタックであって、前記複数の電気化学セルは、前記第１の電気化学セルに対して前記スタックの反対の端部において配置される最後の電気化学セルを含み、前記最後の電気化学セルの前記多孔質構造は、前記複数の電気化学セルの前記多孔質構造の平均孔サイズより大である平均孔サイズを有する、電気化学セルスタック。
【請求項６】
請求項５に記載の電気化学セルスタックであって、前記最後の電気化学セルの前記多孔質構造の前記平均孔サイズは、前記複数の電気化学セルの前記多孔質構造の前記平均孔サイズより約５％から約５０％大きい、電気化学セルスタック。
【請求項７】
請求項５または６に記載の電気化学セルスタックであって、前記最後の電気化学セルの前記多孔質構造の流れ抵抗は、前記複数の電気化学セルの前記多孔質構造の前記平均流れ抵抗より約５％から約５０％小さい、電気化学セルスタック。
【請求項８】
請求項７に記載の電気化学セルスタックであって、前記最後の電気化学セルの前記多孔質構造の前記流れ抵抗は、前記複数の電気化学セルの前記多孔質構造の前記平均流れ抵抗より約１５％小さい、電気化学セルスタック。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか一項に記載の電気化学セルスタックであって、前記複数の電気化学セルは、前記第１の電気化学セルに隣接して配置される第２の電気化学セルを含み、前記第１の電気化学セルに隣接して配置される前記第２の電気化学セルの前記多孔質構造は、前記複数の電気化学セルの前記多孔質構造の前記平均孔サイズより大である平均孔サイズを有する、電気化学セルスタック。
【請求項１０】
請求項９に記載の電気化学セルスタックであって、前記第２の電気化学セルの前記多孔質構造の前記平均孔サイズは、前記複数の電気化学セルの前記多孔質構造の前記平均孔サイズより約５％から約５０％大きい、電気化学セルスタック。
【請求項１１】
請求項９または１０に記載の電気化学セルスタックであって、前記第２の電気化学セルの前記多孔質構造の流れ抵抗は、前記複数の電気化学セルの前記多孔質構造の前記平均流れ抵抗より約５％から約５０％小さい、電気化学セルスタック。
【請求項１２】
請求項１１に記載の電気化学セルスタックであって、前記第１の電気化学セルに隣接して配置される前記第２の電気化学セルの前記多孔質構造の前記流れ抵抗は、前記複数の電気化学セルの前記多孔質構造の前記平均流れ抵抗より約１５％小さい、電気化学セルスタック。
【請求項１３】
請求項１から１２のいずれか一項に記載の電気化学セルスタックであって、前記複数の電気化学セルは、前記最後の電気化学セルに隣接して配置される第３の電気化学セルを含み、前記最後の電気化学セルに隣接して配置される前記第３の電気化学セルの前記多孔質構造は、前記複数の電気化学セルの前記多孔質構造の前記平均孔サイズより大である平均孔サイズを有する、電気化学セルスタック。
【請求項１４】
請求項１３に記載の電気化学セルスタックであって、前記第３の電気化学セルの前記多孔質構造の前記平均孔サイズは、前記複数の電気化学セルの前記多孔質構造の前記平均孔サイズより約５％から約５０％大きい、電気化学セルスタック。
【請求項１５】
請求項１３または１４に記載の電気化学セルスタックであって、前記第３の電気化学セルの前記多孔質構造の流れ抵抗は、前記複数の電気化学セルの前記多孔質構造の前記平均流れ抵抗より約５％から約５０％小さい、電気化学セルスタック。
【請求項１６】
請求項１５に記載の電気化学セルスタックであって、前記第３の電気化学セルの前記多孔質構造の前記流れ抵抗は、前記複数の電気化学セルの前記多孔質構造の前記平均流れ抵抗より約５％小さい、電気化学セルスタック。
【請求項１７】
請求項１から１６のいずれか一項に記載の電気化学セルスタックであって、前記複数の電気化学セルのうちの少なくとも１つの前記多孔質構造は、ニッケルおよびクロムを含む、電気化学セルスタック。
【請求項１８】
請求項１７に記載の電気化学セルスタックであって、ニッケル濃度は、約６０質量％から約８０質量％の範囲に及び、クロム濃度は、約２０質量％から約４０質量％の範囲に及ぶ、電気化学セルスタック。
【請求項１９】
請求項１７に記載の電気化学セルスタックであって、前記少なくとも１つの電気化学セルの前記多孔質構造は、反対の第２の表面より高いクロム濃度を伴う第１の表面を有する、電気化学セルスタック。
【請求項２０】
請求項１９に記載の電気化学セルスタックであって、前記第１の表面の前記クロム濃度は、約３質量％から約５０質量％の範囲に及ぶ、電気化学セルスタック。
【請求項２１】
請求項２０に記載の電気化学セルスタックであって、前記反対の第２の表面は、約３質量％未満のクロム濃度を有する、電気化学セルスタック。
【請求項２２】
請求項１７に記載の電気化学セルスタックであって、クロム濃度は、約３質量％から約６質量％の範囲に及び、ニッケル濃度は、約７４質量％から約８７質量％の範囲に及ぶ、電気化学セルスタック。
【請求項２３】
請求項２２に記載の電気化学セルスタックであって、スズをさらに含む電気化学セルスタック。
【請求項２４】
請求項２３に記載の電気化学セルスタックであって、スズ濃度は、約１０質量％から約２０質量％の範囲に及ぶ、電気化学セルスタック。
【請求項２５】
請求項１から２４のいずれか一項に記載の電気化学セルスタックであって、前記第１の電気化学セルの前記多孔質構造は、前記カソードプレートに面する前記多孔質構造の前記表面内へとスタンピングされた、複数の相互嵌合させられたフィードチャネルおよび排出チャネルを有し、前記フィードチャネルは、第１のカソード分配チャネルにおいて開始し、前記第１のカソード分配チャネルと流体連通し、第２のカソード分配チャネルの方に延び、前記排出チャネルは、前記第２のカソード分配チャネルにおいて終了し、前記第２のカソード分配チャネルと流体連通し、前記第１のカソード分配チャネルの方に延びる、電気化学セルスタック。
【請求項２６】
請求項２５に記載の電気化学セルスタックであって、前記フィードチャネルおよび前記排出チャネルの幅および深さの一方または双方は、前記多孔質構造の長さに沿って変動する、電気化学セルスタック。
【請求項２７】
請求項２６に記載の電気化学セルスタックであって、前記フィードチャネルの前記幅は、前記第１のカソード分配チャネルから離れて前記第２のカソード分配チャネルの方に延びると狭くなり、前記排出チャネルの前記幅は、前記第１のカソード分配チャネルから離れて前記第２のカソード分配チャネルの方に延びると広くなる、電気化学セルスタック。
【請求項２８】
請求項２６に記載の電気化学セルスタックであって、前記フィードチャネルの前記深さは、前記第１のカソード分配チャネルから離れて前記第２のカソード分配チャネルの方に延びると減少し、前記排出チャネルの前記深さは、前記第１のカソード分配チャネルから離れて前記第２のカソード分配チャネルの方に延びると増大する、電気化学セルスタック。
【請求項２９】
請求項２６に記載の電気化学セルスタックであって、前記フィードチャネルの断面積は、前記第１のカソード分配チャネルから離れて前記第２のカソード分配チャネルの方に延びると減少し、前記排出チャネルの断面積は、前記第１のカソード分配チャネルから離れて前記第２のカソード分配チャネルの方に延びると増大する、電気化学セルスタック。
【請求項３０】
請求項２９に記載の電気化学セルスタックであって、前記フィードチャネルの前記断面積は、酸化剤が、前記フィードチャネルの外に流れ、前記多孔質構造内へと拡散するレートにほぼ等しいレートで減少し、前記排出チャネルの前記断面積は、酸化剤が、前記多孔質構造の外に前記排出チャネル内へと流れるレートにほぼ等しいレートで増大し、それによって、前記フィードチャネルおよび前記排出チャネルを通る酸化剤のほぼ一定の速度を維持する、電気化学セルスタック。
【請求項３１】
請求項２５に記載の電気化学セルスタックであって、前記多孔質構造は、前記フィードチャネルと前記排出チャネルとの間に形成される、１つまたは複数のランドセクションを含み、前記１つまたは複数のランドセクションの厚さは、前記多孔質構造の長さに沿って変動する、電気化学セルスタック。
【請求項３２】
長手方向軸に沿って積層される複数の電気化学セルを備えた電気化学セルスタックであって、各々の電気化学セルは、
カソード触媒層、アノード触媒層、および、前記カソード触媒層と前記アノード触媒層との間に介在させられる高分子膜を備えた膜電極接合体と、
アノードプレートおよびカソードプレートであって、前記膜電極接合体は、前記アノードプレートと前記カソードプレートとの間に介在させられ、前記アノードプレートは、前記アノード触媒層に面するアノード流れ場を形成する複数のチャネルを規定する、アノードプレートおよびカソードプレートと、
前記カソードプレートと前記カソード触媒層との間に配置されるカソード流れ場であって、多孔質構造を備えたカソード流れ場と
を備え、
前記アノード流れ場を形成する前記複数のチャネルは、概して正方形の形状の、波形にされたチャネルであり、前記複数のチャネルは、前記アノード触媒層を横断する燃料の流れを導くように構成された、アノード側に対し開放のアノードチャネルを含み、前記複数のチャネルは、さらには、冷却剤流れを導くように構成された、逆の側に対し開放の冷却剤チャネルを含み、
前記複数の電気化学セルは、前記電気化学セルスタックの第１の端部において配置される第１の電気化学セルを含み、
前記第１の電気化学セルの前記多孔質構造は、前記複数の電気化学セルの前記多孔質構造の平均孔サイズより大である平均孔サイズを有し、
前記第１の電気化学セルの前記多孔質構造は、前記複数の電気化学セルの前記多孔質構造の平均流れ抵抗より小である流れ抵抗を有する、
電気化学セルスタック。
【請求項３３】
請求項３２に記載の電気化学セルスタックであって、前記冷却剤チャネルは、各々、Ａの冷却剤チャネル幅を有し、前記アノードチャネルは、各々、Ｂのアノードチャネル幅を有し、前記アノードチャネル幅Ｂに対する前記冷却剤チャネル幅Ａの比率は、約１より大であり、約６未満である、電気化学セルスタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[001]本出願は、２０１８年１月１７日に出願された、米国仮出願第６２／６１８，１４６号、および、２０１８年１月１７日に出願された、米国仮出願第６２／６１８，２２８号に対する優先権の利益を主張するものであり、それらの米国仮出願の各々は、その全体が参照により本明細書に組み込まれている。
【０００２】
[002]本開示は、電気化学セルおよび電気化学セルスタック、より詳細には、電気化学セルスタックに対するカソード流れ場分配を対象とする。
【背景技術】
【０００３】
[003]普通は燃料セルまたは電解セルと分類される電気化学セルは、化学反応から電流を発生させる、または、電流の流れを使用して化学反応を誘導するために使用されるデバイスである。例えば、燃料セルは、燃料（例えば、水素、天然ガス、メタノール、ガソリン、その他）および酸化剤（空気または酸素）の化学エネルギーを、電気、ならびに、熱および水の廃棄生成物へと変換する。基本的な燃料セルは、負帯電アノードと、正帯電カソードと、電解質と呼ばれるイオン伝導材料とを備える。
【０００４】
[004]異なる燃料セル技術は、異なる電解質材料を利用する。プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料セルは、例えば、電解質として高分子イオン伝導膜を利用する。水素ＰＥＭ燃料セルにおいて、水素原子が、アノードにおいて電子およびプロトン（水素イオン）へと電気化学的に分けられる。電子は、次いで、回路を通ってカソードに流れ、電気を発生させ、一方で、プロトンは、電解質膜を通ってカソードに拡散する。カソードにおいて、水素プロトンは、電子および酸素（カソードに供給される）と組み合わさって、水および熱を生成する。
【０００５】
[005]電解セルは、逆に動作させられる燃料セルを表す。基本的な電解セルは、外部電位が付与されるときに、水を水素および酸素ガスへと分解することにより、水素発生器として機能する。水素燃料セルまたは電解セルの基本的な技術は、電気化学的水素圧縮、精製、または膨張などの電気化学的水素操作に応用され得る。電気化学的水素操作は、水素管理に対して従前から使用される機械的システムに対する存立可能な代替案として出現した。エネルギー担体としての水素の成功裏の商業化、および、「水素経済」の長期の持続可能性は、主として、燃料セル、電解セル、および他の水素操作／管理システムの、効率およびコスト有効度に依存する。
【０００６】
[006]動作において、単一の燃料セルは、一般的には、約１ボルトを発生させることができる。所望される量の電力を得るために、個々の燃料セルは、燃料セルスタックを形成するために組み合わされ、燃料セルは、順次的に一体に積層される。各々の燃料セルは、カソードと、電解質膜と、アノードとを含み得る。カソード／膜／アノード接合体は、典型的にはバイポーラプレートにより両方の側で支持される、「膜電極接合体」すなわち「ＭＥＡ」の構成物である。反応物ガス、すなわち、燃料（例えば、水素）および酸化剤（例えば、空気または酸素）が、流れ場を通してＭＥＡの電極に供給される。機械的支持を提供することに加えて、バイポーラプレート（さらには流れ場プレートまたはセパレータプレートとして知られている）は、スタック内の個々のセルを物理的に分離し、一方で、それらのセルを電気的に接続する。典型的な燃料セルスタックは、燃料および酸化剤を、アノードおよびカソード流れ場それぞれに導くための、マニホールドおよび入口ポートを含む。燃料セルスタックは、さらには、過剰燃料および酸化剤を駆逐するための、排気マニホールドおよび出口ポートを含む。燃料セルスタックは、さらには、燃料セルスタックにより発生させられる熱を駆逐する助けとなる冷却剤流体を循環させるためのマニホールドを含み得る。
【０００７】
[007]上記で説明されたように、水が、電気への燃料および酸化剤の変換の副生成物としてカソードにおいて発生させられる。この水は、典型的には、反応物ガス、例えば、酸素の流れによって、電気化学セルから除去される。水の非効率的な除去は、電気化学セルのフラッディングを招き得る。電気化学セルのフラッディングは、反応物ガス流れの低減または完全な停止を招き得る。水の過剰蓄積は、個々の電気化学セルの故障を招くことがあり、そのことは、次いで、電気化学セルスタックの不安定性および／または故障を招くことがある。
【０００８】
[008]典型的な電気化学セルスタックにおいて、端部電気化学セルは、中間に配置される電気化学セルとは異なる動作温度を有し得る。典型的には、これらの端部電気化学セルの動作温度は、端部電気化学セルの中間に配置される電気化学セルの動作温度より小であり、そのことは、端部電気化学セルは、１つの熱生成近隣電気化学セルを有するのみであり、しかるに、中間に配置される電気化学セルは、２つの熱生成近隣電気化学セルからの熱に遭遇するという事実によるものである。端部セルが１つの熱生成近隣電気化学セルのみからの熱にまさに遭遇するのみではなく、それらの端部セルは、さらには、電気化学セルスタックを収容する、電流抽出プレートおよび端部プレートなどの、電気化学セルスタック接合体の端部構成要素を通して雰囲気とより直接的に接触し、かくして、伝導性冷却を受けさせられる。
【０００９】
[009]いかなる個別の理論にも束縛されることなく、端部セルの増大される冷却は、水の蓄積を招き得るものであり、そのことは、個々のセルおよび電気化学セルスタックの性能に有害に影響を及ぼし得る。この問題点に対処する試行は、電気化学セルのすべての全体を通して均一な動作温度を維持するための取り組みで、端部セルに隣接して配置されるヒータを追加することを含む。しかしながら、そのようなヒータの追加は、電気化学セルスタック接合体に、不必要な複雑さ、重量、寄生エネルギー、および空間消費を加える。よって、電気化学セル内の、特に端部電気化学セル内の水蓄積の量を制御する、改善された電気化学セルスタック設計に対する必要性が実在する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
[010]前に述べられた電気化学セルスタック設計考慮事項を考慮して、本開示は、上記のことに対して定められる問題、および／または、既存の技術に関する他の問題のうちの、１つまたは複数を克服することを対象とする、電気化学セルスタックを対象とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
[011]１つの態様において、本開示は、電気化学セルスタックを対象とする。電気化学セルスタックは、複数の電気化学セルを含み得る。各々の電気化学セルは、カソード触媒層、アノード触媒層、およびカソード触媒層とアノード触媒層との間に介在させられる高分子膜を備える膜電極接合体を含み得る。各々の電気化学セルは、さらには、アノードプレートおよびカソードプレートであって、膜電極接合体が、それらのアノードプレートとカソードプレートとの間に介在させられる、アノードプレートおよびカソードプレートと、カソードプレートとカソード触媒層との間に配置されるカソード流れ場であって、平均孔サイズを有する複数の孔を有する多孔質構造を含む、カソード流れ場とを含み得る。一部の実施形態において、複数の電気化学セルは、スタックの第１の端部において配置される第１の電気化学セルを含み得る。一部の実施形態において、第１の電気化学セルの多孔質構造は、複数の電気化学セルの多孔質構造の平均孔サイズより大である平均孔サイズを有し得る。一部の実施形態において、第１の電気化学セルの多孔質構造は、複数の電気化学セルの多孔質構造の平均流れ抵抗より小である流れ抵抗を有し得る。一部の実施形態において、第１の電気化学セルの多孔質構造は、複数の電気化学セルの多孔質構造のものより大である流れ寸法（すなわち、厚さ）を有し得る。
【００１２】
[012]一部の実施形態において、第１の電気化学セルの多孔質構造の平均孔サイズは、複数の電気化学セルの多孔質構造の平均孔サイズより約５％から約５０％大である。他の実施形態において、第１の電気化学セルの多孔質構造の流れ抵抗は、複数の電気化学セルの多孔質構造の平均流れ抵抗より約５％から約５０％小である。なおも他の実施形態において、第１の電気化学セルの多孔質構造の流れ抵抗は、複数の電気化学セルの多孔質構造の平均流れ抵抗より約１５％小である。
【００１３】
[013]一部の実施形態において、複数の電気化学セルは、第１の電気化学セルに対してスタックの反対の端部において配置される最後の電気化学セルを含み、最後の電気化学セルの多孔質構造は、複数の電気化学セルの多孔質構造の平均孔サイズより大である平均孔サイズを有する。一部の実施形態において、最後の電気化学セルの多孔質構造の平均孔サイズは、複数の電気化学セルの多孔質構造の平均孔サイズより約５％から約５０％大である。一部の実施形態において、最後の電気化学セルの多孔質構造の流れ抵抗は、複数の電気化学セルの多孔質構造の平均流れ抵抗より約５％から約５０％小である。一部の実施形態において、最後の電気化学セルの多孔質構造の流れ抵抗は、複数の電気化学セルの多孔質構造の平均流れ抵抗より約１５％小である。
【００１４】
[014]一部の実施形態において、複数の電気化学セルは、第１の電気化学セルに隣接して配置される第２の電気化学セルを含み、第１の電気化学セルに隣接して配置される第２の電気化学セルの多孔質構造は、複数の電気化学セルの多孔質構造の平均孔サイズより大である平均孔サイズを有する。一部の実施形態において、第２の電気化学セルの多孔質構造の平均孔サイズは、複数の電気化学セルの多孔質構造の平均孔サイズより約５％から約５０％大である。一部の実施形態において、第２の電気化学セルの多孔質構造の流れ抵抗は、複数の電気化学セルの多孔質構造の平均流れ抵抗より約５％から約５０％小である。一部の実施形態において、最後の電気化学セルの多孔質構造の流れ抵抗は、複数の電気化学セルの多孔質構造の平均流れ抵抗より約１５％小である。
【００１５】
[015]一部の実施形態において、複数の電気化学セルは、最後の電気化学セルに隣接して配置される第３の電気化学セルを含み、最後の電気化学セルに隣接して配置される第３の電気化学セルの多孔質構造は、複数の電気化学セルの多孔質構造の平均孔サイズより大である平均孔サイズを有する。一部の実施形態において、第３の電気化学セルの多孔質構造の平均孔サイズは、複数の電気化学セルの多孔質構造の平均孔サイズより約５％から約５０％大である。一部の実施形態において、第３の電気化学セルの多孔質構造の流れ抵抗は、複数の電気化学セルの多孔質構造の平均流れ抵抗より約５％から約５０％小である。一部の実施形態において、第３の電気化学セルの多孔質構造の流れ抵抗は、複数の電気化学セルの多孔質構造の平均流れ抵抗より約５％小である。
【００１６】
[016]一部の実施形態において、複数の電気化学セルのうちの少なくとも１つの多孔質構造は、ニッケルおよびクロムを含む。一部の実施形態において、ニッケル濃度は、約６０質量％から約８０質量％の範囲に及び、クロム濃度は、約２０質量％から約４０質量％の範囲に及ぶ。一部の実施形態において、少なくとも１つの電気化学セルの多孔質構造は、反対の第２の表面より高いクロム濃度を伴う第１の表面を有する。一部の実施形態において、第１の表面のクロム濃度は、約３質量％から約５０質量％の範囲に及ぶ。一部の実施形態において、反対の第２の表面は、約３質量％未満のクロム濃度を有する。一部の実施形態において、クロム濃度は、約３質量％から約６質量％の範囲に及び、ニッケル濃度は、約７４質量％から約８７質量％の範囲に及ぶ。
【００１７】
[017]一部の実施形態において、複数の電気化学セルのうちの少なくとも１つの多孔質構造は、スズをさらに含む。一部の実施形態において、スズ濃度は、約１０質量％から約２０質量％の範囲に及ぶ。
【００１８】
[018]一部の実施形態において、多孔質構造は、カソードプレートに面する多孔質構造の表面内へとスタンピングされた、複数の相互嵌合させられたフィードチャネルおよび排出チャネルを有し、フィードチャネルは、第１のカソード分配チャネルにおいて開始し、第１のカソード分配チャネルと流体連通し、第２のカソード分配チャネルの方に延び、排出チャネルは、第２のカソード分配チャネルにおいて終了し、第２のカソード分配チャネルと流体連通し、第１のカソード分配チャネルの方に延びる。一部の実施形態において、フィードチャネルおよび排出チャネルの、幅および／または深さは、多孔質構造の長さに沿って変動する。一部の実施形態において、フィードチャネルの幅は、第１のカソード分配チャネルから離れて第２のカソード分配チャネルの方に延びると狭くなり、排出チャネルの幅は、第１のカソード分配チャネルから離れて第２のカソード分配チャネルの方に延びると広くなる。一部の実施形態において、フィードチャネルの深さは、第１のカソード分配チャネルから離れて第２のカソード分配チャネルの方に延びると減少し、排出チャネルの深さは、第１のカソード分配チャネルから離れて第２のカソード分配チャネルの方に延びると増大する。
【００１９】
[019]一部の実施形態において、フィードチャネルの断面積は、第１のカソード分配チャネルから離れて第２のカソード分配チャネルの方に延びると減少し、排出チャネルの断面積は、第１のカソード分配チャネルから離れて第２のカソード分配チャネルの方に延びると増大する。一部の実施形態において、フィードチャネルの断面積は、酸化剤が、フィードチャネルの外に流れ、多孔質構造内へと拡散するレートにほぼ等しいレートで減少し、排出チャネルの断面積は、酸化剤が、排出チャネル内へと、多孔質構造の外に流れるレートにほぼ等しいレートで増大し、以て、フィードチャネルおよび排出チャネルを通る、酸化剤のほぼ一定の速度を維持する。
【００２０】
[020]一部の実施形態において、多孔質構造は、フィードチャネルと排出チャネルとの間に形成される、１つまたは複数のランドセクションを含み、１つまたは複数のランドセクションの厚さは、多孔質構造の長さに沿って変動する。
【００２１】
[021]別の態様において、本開示は、電気化学セルスタックを対象とする。電気化学セルスタックは、複数の電気化学セルを含み得る。各々の電気化学セルは、カソード触媒層、アノード触媒層、およびカソード触媒層とアノード触媒層との間に介在させられる高分子膜を備える膜電極接合体を含み得る。各々の電気化学セルは、アノードプレートおよびカソードプレートであって、膜電極接合体が、それらのアノードプレートとカソードプレートとの間に介在させられ、アノードプレートが、アノード触媒層に面するアノード流れ場を形成する複数のチャネルを規定する、アノードプレートおよびカソードプレートも含み得る。各々の電気化学セルは、さらには、カソードプレートとカソード触媒層との間に配置されるカソード流れ場であって、多孔質構造を含む、カソード流れ場を含み得る。一部の実施形態において、アノード流れ場を形成する複数のチャネルは、概して正方形の形状の、波形にされたチャネルであり、複数のチャネルは、アノード触媒層を横断する燃料の流れを導くように構成される、アノード側に対し開放のアノードチャネルを含み、複数のチャネルは、さらには、冷却剤流れを導くように構成される、逆の側に対し開放の冷却剤チャネルを含む。一部の実施形態において、複数の電気化学セルは、電気化学セルスタックの第１の端部において配置される第１の電気化学セルを含む。一部の実施形態において、第１の電気化学セルの多孔質構造は、複数の電気化学セルの多孔質構造の平均孔サイズより大である平均孔サイズを有する。一部の実施形態において、第１の電気化学セルの多孔質構造は、複数の電気化学セルの多孔質構造の平均流れ抵抗より小である流れ抵抗を有する。
【００２２】
[022]一部の実施形態において、冷却剤チャネルは、各々、Ａの冷却剤チャネル幅を有し、アノードチャネルは、各々、Ｂのアノードチャネル幅を有し、アノードチャネル幅Ｂに対する冷却剤チャネル幅Ａの比率は、約１より大であり、約６未満である。
【００２３】
[023]上述の全体的な説明、および、後に続く詳細な説明の両方は、請求される際、本開示について、単に例示的および解説的であり、限定的ではないということが理解されるべきである。
【００２４】
[024]本明細書に組み込まれ、本明細書の部分の構成物である、添付図面は、本開示の実施形態を例解し、説明とともに、本開示の原理を解説するように働く。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】[025]例示的な実施形態による、一体に積層される複数の電気化学セル（例えば、燃料セル）の側面概略図である。
【図２】[026]例示的な実施形態による、図１の隣接する燃料セルの一部分の側面斜視図である。
【図３】[027]例示的な実施形態による、燃料セルを通る燃料の流れ経路を例解する、図２の側面斜視図である。
【図４】[028]例示的な実施形態による、燃料セルを通る酸化剤の流れ経路を例解する、図２の側面斜視図である。
【図５】[029]例示的な実施形態による、隣接する燃料セルを通る冷却剤流体の流れ経路を例解する、図２の側面斜視図である。
【図６Ａ】[030]例示的な実施形態による、図２のカソード流れ場の正面図である。
【図６Ｂ】[031]例示的な実施形態による、カソード流れ場の別の実施形態の正面図である。
【図６Ｃ】[032]例示的な実施形態による、カソード流れ場の別の実施形態の正面図である。
【図６Ｄ】[033]例示的な実施形態による、図６Ｃの断面Ａ−Ａに沿った断面図である。
【図６Ｅ】[034]例示的な実施形態による、図６Ｃの断面Ｂ−Ｂに沿った断面図である。
【図６Ｆ】[035]例示的な実施形態による、カソード流れ場の別の実施形態の正面図である。
【図７】[036]例示的な実施形態による、一体に積層される複数の電気化学セル（例えば、燃料セル）の側面概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
[037]本開示の本例示的な実施形態に対する言及が、今から詳細に為されることになり、それらの実施形態の例が、添付図面において例解される。可能である場合はいつでも、同じ参照番号が、同じまたは類する部分を指すために、図面の全体を通して使用されることになる。電気化学セル、特に、水素、酸素、および水を用いる燃料セルとの関係において説明されるが、本開示のデバイスおよび方法は、電解セル、水素精製器、水素エキスパンダ、および水素圧縮器を含むが、それらに制限されない、様々なタイプの燃料セルおよび電気化学セルによって用いられ得るということが理解される。
【００２７】
[038]図１は、例示的な実施形態による、燃料セルスタック１１の少なくとも一部分を形成するために、長手方向軸５に沿って一体に積層される複数の電気化学セル、例えば、燃料セル１０の側面概略側面図である。燃料セル１０は、一括して膜電極接合体（ＭＥＡ）１８と呼称され得る、さらには本明細書においてカソードと呼称され得るカソード触媒層１２と、さらには本明細書においてアノードと呼称され得るアノード触媒層１４と、カソード触媒層１２とアノード触媒層１４との間に配設されるプロトン交換膜（ＰＥＭ）１６とを備えることができる。ＰＥＭ１６は、純粋な高分子膜、または、他の材料を伴う複合膜を含むことができ、例えば、シリカ、ヘテロポリ酸、層状金属リン酸塩、リン酸塩、およびリン酸ジルコニウムが、高分子マトリクス内に埋め込まれ得る。ＰＥＭ１６は、プロトンに対して透過性であり得るものであり、一方で、電子を伝導しない。カソード触媒層１２およびアノード触媒層１４は、触媒を内包する多孔質炭素電極を含むことができる。触媒材料、例えば白金、白金コバルト合金、または非白金族金属（非ＰＧＭ）が、酸素および燃料の反応を増大し得る。一部の実施形態において、カソード触媒層１２およびアノード触媒層１４は、約１μｍの平均孔サイズを有し得る。
【００２８】
[039]燃料セル１０は、２つのバイポーラプレート、例えば、カソードプレート２０およびアノードプレート２２を備えることができる。カソードプレート２０は、カソード触媒層１２に隣接して配置され得るものであり、アノードプレート２２は、アノード触媒層１４に隣接して配置され得る。ＭＥＡ１８は、カソードプレート２０とアノードプレート２２との間に介在させられ、それらのプレートの間で囲繞され得る。カソード区画１９が、ＭＥＡ１８とカソードプレート２０との間に形成され得るものであり、アノード区画２１が、ＭＥＡ１８とアノードプレート２２との間に形成され得る。カソードプレート２０およびアノードプレート２２は、電流コレクタの役割を果たし、それぞれの電極表面（例えば、アノード触媒層１４およびカソード触媒層１２）への燃料および酸化剤に対するアクセス流れ通路を提供し、燃料セル１０の動作の間に形成される水の除去のための流れ通路を提供することができる。カソードプレート２０およびアノードプレート２２は、さらには、冷却剤流体（例えば、水、グリコール、または、水グリコール混合物）に対する流れ通路を規定することができる。例えば、隣接する燃料セル１０のカソードプレート２０とアノードプレート２２との間に、冷却剤区画２３が形成され得るものであり、その冷却剤区画２３は、隣接する燃料セル１０の間で冷却剤流体を循環させるように構成される。燃料セル１０により発生させられる熱は、冷却剤流体に伝達され、冷却剤流体の循環により別のところに搬送され得る。カソードプレート２０およびアノードプレート２２は、例えば、アルミニウム、鋼、ステンレス鋼、チタン、銅、Ｎｉ−Ｃｒ合金、グラファイト、または、任意の他の適した電気伝導性材料から作製され得る。
【００２９】
[040]一部の実施形態において、例えば、図１において例解されるように、燃料セル１０は、さらには、ＭＥＡ１８の各々の側で、燃料セル１０の中に、電気伝導性ガス拡散層（例えば、カソードガス拡散層２４およびアノードガス拡散層２６）を含み得る。ガス拡散層２４、２６は、セルの中でのガスおよび液体の輸送を可能にする拡散媒体として働き、電気的にカソードプレート２０、アノードプレート２２と、ＭＥＡ１８との間の伝導を提供し、燃料セル１０からの熱およびプロセス水の除去において助力となり、一部の事例において、ＰＥＭ１６に対する機械的支持を提供し得る。ガス拡散層２４、２６は、ＰＥＭ１６に面する側にコーティングされるカソード触媒層１２およびアノード触媒層１４を伴う、織布または不織布の炭素布を含むことができる。一部の実施形態において、カソード触媒層１２およびアノード触媒層１４は、隣接するＧＤＬ２４、２６またはＰＥＭ１６のいずれか上へとコーティングされ得る。一部の実施形態において、ガス拡散層２４、２６は、約１０μｍの平均孔サイズを有し得る。
【００３０】
[041]燃料セル１０は、ＭＥＡ１８の各々の側に配置される流れ場をさらに含み得る。例えば、燃料セル１０は、本明細書においてさらに説明されるように、カソードプレート２０とＧＤＬ２４との間に配置される多孔質構造を含み得るカソード流れ場２８と、アノードプレート２２により形成され得るアノード流れ場３０とを含み得る。流れ場は、ＭＥＡ１８の各々の側の燃料および酸化剤が、ＭＥＡ１８を通って流れる、および、ＭＥＡ１８に達することを可能にするように構成され得る。これらの流れ場は、カソードおよびアノード触媒層１２、１４への、燃料および酸化剤の均一な分配を手助けし得る。触媒層１２、１４への、燃料および酸化剤の均一な分配は、燃料セル１０の性能を増大し得る。ＧＤＬ２４は、カソード流れ場２８からのカソード触媒層１２の機械的保護を提供し得る。
【００３１】
[042]図１においての１つの燃料セル１０のみが、カソード触媒層１２、アノード触媒層１４、プロトン交換膜１６、膜電極接合体（ＭＥＡ）１８、カソード区画１９、カソードプレート２０、アノード区画２１、アノードプレート２２、冷却剤区画２３、ガス拡散層２４、ガス拡散層２６、カソード流れ場２８、およびアノード流れ場３０に対する参照番号を含むが、スタック１１の他の燃料セル１０は、同じ要素を含み得るということが理解されるべきである。
【００３２】
[043]燃料セルスタック１１は、さらには、燃料セル１０の積層されるカソードプレート２０およびアノードプレート２２の系列により規定される長手方向軸５に沿って延びる複数の流体マニホールド３１Ａ、３１Ｂを含み得る。流体マニホールド３１Ａ、３１Ｂは、燃料（例えば、水素）および酸化剤（例えば、酸素）を各々の燃料セル１０のＭＥＡ１８にフィードし、反応物生成物（例えば、未反応の燃料、未反応の酸化剤、および水）を各々の燃料セルのＭＥＡ１８から排出するために構成され得る。流体マニホールド３１Ａ、３１Ｂは、さらには、冷却剤流体を、冷却剤区画２３を通してフィードおよび排出するために構成され得る。流体マニホールド３１Ａ、３１Ｂ、カソード区画１９、アノード区画２１、および冷却剤区画２３を通る流れの方向は変動し得る。例えば、一部の実施形態において、マニホールドおよび区画を通る流れは並流であり得るものであり、一方で、他の実施形態において、流れ経路のうちの１つまたは複数は向流であり得る。例えば、一部の実施形態において、アノード区画２１を通る燃料の流れは、カソード区画１９を通る酸化剤の流れに対して向流であり得る。流体マニホールド３１Ａ、３１Ｂは、通路およびポートを介してＭＥＡ１８に流体接続し得る。特定のマニホールド、通路、およびポートが、本明細書において「フィード」または「排出」、および、「入口」または「出口」として識別されることがあるが、これらの名称は、流れの方向に基づいて決定され得るものであり、流れの方向は、切り替えられ得るということが理解されるべきである。流れの方向を変化させることは、これらの名称を変化させ得る。
【００３３】
[044]図２は、隣接する燃料セル１０の一部分の部分的に分解された側面斜視図を示す。例えば、図２は、１つの燃料セル１０のＭＥＡ１８、ＧＤＬ２４、およびアノードプレート２２、ならびにさらには、隣接する燃料セル１０のカソードプレート２０、カソード流れ場２８、ＭＥＡ１８、およびＧＤＬ２４を示す。アノード区画２１は、隣接するＭＥＡ１８とアノードプレート２２との間に形成され得る。冷却剤区画２３は、隣接するアノードプレート２２とカソードプレート２０との間に形成され得る。カソード区画１９は、隣接するカソードプレート２０とＭＥＡ１８との間に形成され得る。カソード区画１９は、カソード流れ場２８を内包し得る。図２において示されるように、燃料セル１０は、さらには上部および下部流体マニホールドと呼称され得る、流体マニホールド３１Ａ、３１Ｂを含み得る。流体マニホールド３１Ａ、３１Ｂは、図２において示されるように、長手方向軸５に沿って延び得る。
【００３４】
[045]図３〜５は、１つの例解的な実施形態による、燃料セル１０を通る燃料、酸化剤、および冷却流体の流れ経路を例解する。しかし、他の実施形態に対して、流れ経路のうちの１つまたは複数の方向は、例えば、流れの方向を逆にすることにより切り替えられ得るということが理解されるべきである。図３は、燃料セル１０のＭＥＡ１８のアノード側を通して循環させられる燃料に対する流れ経路を例解し、図４は、燃料セル１０のＭＥＡ１８のカソード側を通して循環させられる酸化剤に対する流れ経路を例解し、図５は、隣接する燃料セル１０の間で循環させられる冷却剤流体に対する流れ経路を例解する。
【００３５】
[046]今から図３を参照すると、第１の流体マニホールド３１Ａは、少なくとも１つのアノードフィードマニホールド３２を含み得るものであり、そのアノードフィードマニホールド３２は、流体接続し、燃料を、少なくとも１つのアノード入口通路３４を通し、少なくとも１つのアノード入口ポート３６を通し、アノード区画２１内へと導き得る。アノード区画２１からの燃料（例えば、未反応の燃料）は、アノード区画２１から、少なくとも１つのアノード出口ポート３８を通り、少なくとも１つのアノード出口通路４０を通り、少なくとも１つのアノード排出マニホールド４２内へと導かれ得る。アノード入口通路３４およびアノード出口通路４０は、隣接する燃料セル１０のアノードプレート２２とカソードプレート２０との間に位置し得る。アノード入口通路３４およびアノード出口通路４０、ならびに、アノードフィードマニホールド３２およびアノード排出マニホールド４２の周辺部は、図３において例解されるように、表面ガスケット４３により封止され得る。
【００３６】
[047]図４において示されるように、第２の流体マニホールド３１Ｂは、少なくとも１つのカソードフィードマニホールド４４を含み得るものであり、そのカソードフィードマニホールド４４は、流体接続し、酸化剤を、少なくとも１つのカソード入口通路４６を通し、少なくとも１つのカソード入口ポート４８を通し、カソード区画１９内へと導き得る。カソード区画１９からの酸化剤は、カソード区画１９から、少なくとも１つのカソード出口ポート５０を通り、少なくとも１つのカソード出口通路５２を通り、少なくとも１つのカソード排出マニホールド５４内へと導かれ得る。カソード入口通路４６およびカソード出口通路５２は、隣接する燃料セル１０のアノードプレート２２とカソードプレート２０との間に位置し得る。カソード入口通路４６およびカソード出口通路５２、ならびに、カソードフィードマニホールド４４およびカソード排出マニホールド５４の周辺部は、図４において例解されるように、表面ガスケット４３により封止され得る。
【００３７】
[048]図５において示されるように、第１の流体マニホールド３１Ａは、少なくとも１つの冷却剤フィードマニホールド５６を含み得るものであり、その冷却剤フィードマニホールド５６は、流体接続し、冷却剤流体を、少なくとも１つの冷却剤入口通路５８を通し、冷却剤区画２３の中の冷却剤流れ場８６に導き得る。冷却剤区画２３の中で、冷却剤流体は、本明細書においてさらに説明されることになるように、アノードプレート２２により規定される複数の冷却剤チャネルから成り立つ冷却剤流れ場８６を通って、アノードプレート２２とカソードプレート２０との間で流れ得る。隣接する燃料セル１０により発生させられる熱は、冷却剤流体に伝達され、冷却剤流体の循環により燃料セル１０から除去され得る。冷却剤区画２３からの冷却剤流体は、少なくとも１つの冷却剤出口通路６０を通り、少なくとも１つの冷却剤排出マニホールド６２内へと導かれ得る。冷却剤入口通路５８および冷却剤出口通路６０は、隣接する燃料セル１０のアノードプレート２２とカソードプレート２０との間に位置し得る。冷却剤入口通路５８および冷却剤出口通路６０、ならびに、冷却剤フィードマニホールド５６および冷却剤排出マニホールド６２の周辺部は、図５において例解されるように、表面ガスケット４３により封止され得る。
【００３８】
[049]図６Ａは、例示的な実施形態による、カソード流れ場２８の正面図である。図６Ａにおいて可視の側は、隣接するカソードプレート２０に面するように構成される側である（図２を確認されたい）。カソード流れ場２８は、多孔質構造、例えば、一部の実施形態において、多孔質３次元ネットワーク構造を有する多孔質金属製発泡体構造を含み得る。一部の実施形態において、多孔質構造は、スクリーン、エキスパンデッドメタルメッシュ、および、３次元的に形成され穴あけ加工された金属シートから選定され得る。一部の実施形態において、多孔質構造は、ステンレス鋼、ＮｉＣｒ、ＮｉＳｎＣｒ、およびチタンから選定される材料から作製され得る。多孔質構造は、２つの反対向きの表面を伴うシート形状のものであり得る。一部の実施形態において、多孔質金属製発泡体構造は、約５０μｍから約５００μｍの範囲に及ぶ平均孔サイズを有し得る。一部の実施形態において、多孔質金属製発泡体構造は、約１００μｍの平均孔サイズを有し得る。カソード流れ場２８は、カソードプレート２０に面する多孔質金属製発泡体構造の表面内の凹所に据えられる、第１のカソード分配チャネル９０と、第２のカソード分配チャネル９２とを含み得る。カソード流れ場２８は、約０．２ｍｍから約１．５ｍｍの範囲に及ぶ厚さを有し得、第１のカソード分配チャネル９０および／または第２のカソード分配チャネル９２は、厚さの約１０％から約７５％の間の深さで、カソード流れ場内の凹所に据えられ得る。
【００３９】
[050]第１のカソード分配チャネル９０は、カソード流れ場２８の底部縁部に沿って、カソード流れ場２８の一方の側から他方の側に概して延び得る。第２のカソード分配チャネル９２は、カソード流れ場２８の頂部縁部に沿って、カソード流れ場２８の一方の側から他方の側に概して延び得る。カソード流れ場２８がカソードプレート２０に隣接して配置されるとき、カソード入口ポート４８は、第１のカソード分配チャネル９０と位置合わせされ得るものであり、カソード出口ポート５０は、第２のカソード分配チャネル９２と位置合わせされ得る。
【００４０】
[051]カソード流れ場２８は、第１のカソード分配チャネル９０および／または第２のカソード分配チャネル９２の全体を通して形成される複数の支持特徴部９４を含み得る。支持特徴部９４は、概して円柱形、ディンプル形状のもの、または、他の適した形状であり得る。１つまたは複数の支持特徴部９４の高さは、第１のカソード分配チャネル９０および／または第２のカソード分配チャネル９２の凹所深さにほぼ等しくあり得る。第１のカソード分配チャネル９０、第２のカソード分配チャネル９２、および支持特徴部９４は、カソード流れ場２８を形成する多孔質金属製発泡体構造を、スタンピングする、圧延加工する、または、他の形で塑性変形させることにより形成され得る。
【００４１】
[052]第１のカソード分配チャネル９０および第２のカソード分配チャネル９２は、酸化剤が多孔質金属製発泡体構造の孔内へと流れる前に沿って流れるための開放流れ経路を提供することにより、カソード流れ場２８の幅に沿った酸化剤の一様な流れ分配を助長するように構成され得る。支持特徴部９４は、第１のカソード分配チャネル９０および第２のカソード分配チャネル９２内へのカソードプレート２０の変形またはたわみを、防止または低減することにより、燃料セル１０が圧縮されるときに、第１のカソード分配チャネル９０および第２のカソード分配チャネル９２により提供される開放流れ経路を維持するために、機械的圧縮の間の、およびさらには、動作の間の適切な支持を提供するように構成され得る。
【００４２】
[053]図６Ｂ、６Ｃ、および６Ｆは、カソード流れ場２８’、２８’’、２８’’’の追加的な実施形態の正面図である。一部の実施形態において、カソード流れ場２８’、２８’’、２８’’’は、カソード流れ場２８に代えて燃料セル１０内で利用され得る。カソード流れ場２８’、２８’’、２８’’’は、本明細書において説明されるようなカソード流れ場２８のすべての特徴部、および、下記で説明されるような追加的な特徴部を含み得る。図６Ｂ、６Ｃ、および６Ｆにおいて可視の側は、隣接するカソードプレート２０に面するように構成される側、または、隣接するＭＥＡ１８に面するように構成される側であり得る。
【００４３】
[054]カソード流れ場２８’、２８’’は、複数のフィード（または第１の）チャネル１０１と、複数の排出（または第２の）チャネル１０２とを含み得る。フィードチャネル１０１および排出チャネル１０２は、カソードプレート２０に面する表面上で、カソード流れ場２８’内で、スタンピングされ、切り込み加工され、成形され、または、他の形で形成され得る。図６Ｂおよび６Ｃにおいて示されるように、フィードチャネル１０１は、第１のカソード分配チャネル９０において開始し、第１のカソード分配チャネル９０と流体連通し、第２のカソード分配チャネル９２の方に延び得る。排出チャネル１０２は、第２のカソード分配チャネル９２において終了し、第２のカソード分配チャネル９２と流体連通し、第１のカソード分配チャネル９０の方に延び得る。フィードチャネル１０１および排出チャネル１０２は、図６Ｂにおいて示されるように、相互嵌合させられ得るものであり、そのことによって、排出チャネル１０２は、隣接するフィードチャネル１０１の間に配置され得る。一部の実施形態において、フィードチャネル１０１および排出チャネル１０２は、改善された酸化剤分配を可能にするために、流体流れに対する障害物が実質的にないことがある。一部の実施形態において、フィードチャネル１０１および排出チャネル１０２は、第１および第２のカソード分配チャネル９０、９２において見出されるディンプル９４と同様のディンプル（図示せず）を含み得る。
【００４４】
[055]所定の実施形態において、複数のフィードチャネル１０１および排出チャネル１０２は、異なる配置構成、形状、および／または断面積を有し得るということが思索される。例えば、図６Ｂにおいて、フィードおよび排出チャネル１０１、１０２の幅は、カソード流れ場２８’の長さに沿って変動し得る。図６Ｂにおいて、フィードチャネル１０１は、第１のカソード分配チャネル９０において、または、第１のカソード分配チャネル９０の付近で広く開始し、第２のカソード分配チャネル９２の方に延びると狭くなって点になり、一方で、排出チャネルは、点において開始し、第２のカソード分配チャネル９２の方に延びると広くなる。一部の実施形態において、フィードチャネル１０１の遠位端は、図６Ｂにおいて示されるような点よりむしろ平坦であり得る。同様に、一部の実施形態において、排出チャネル１０２の近位端は、図６Ｂにおいて示されるような点よりむしろ平坦であり得る。この配置構成によって、フィードチャネル１０１と排出チャネル１０２との間の直接的な流体連通は存しない。むしろ、第１のカソード分配チャネル９０によりフィードチャネル１０１に分配される酸化剤は、複数のフィードチャネル１０１を通って流れ得るものであり、カソード流れ場２８’の多孔質構造を通って、隣接する排出チャネル１０２に拡散することを強制され得る。
【００４５】
[056]図６Ｃは、カソード流れ場２８’’に対するフィードチャネル１０１および排出チャネル１０２の別の配置構成を示し、フィードおよび排出チャネル１０１、１０２の幅は、カソード流れ場２８’’の長さに沿ってほぼ同じままである。フィードおよび排出チャネル１０１、１０２の幅はほぼ同じままであるが、フィードおよび排出チャネル１０１、１０２の深さは、カソード流れ場２８’’の長さに沿って変動し得る。例えば、図６Ｄは、フィードチャネル１０１を通る断面Ａ−Ａに沿ったカソード流れ場２８’’の断面図を示す。図６Ｄにおいて示されるように、フィードチャネル１０１は、第１のカソード分配チャネル９０において、または、第１のカソード分配チャネル９０の付近で最も深く（すなわち、最大深さｆｄ１）開始し得るものであり、深さは、第２のカソード分配チャネル９２の方に延びると減少し得る。図６Ｄにおいて示されるように、深さは、一定のレートで（例えば、線形に）減少し得るものであり、または、一部の実施形態において、深さは、可変のレートで（例えば、非線形に、指数関数的に）減少し得る。図６Ｄにおいて示されるように、フィードチャネル１０１は、最小深さ（ｆｄ２）を伴う遠位端において平坦に行き止まり得る。他の実施形態において、フィードチャネル１０１は、ゼロ最小深さｆｄ２を伴う遠位端において行き止まり得る。
【００４６】
[057]図６Ｅは、排出チャネル１０２を通る断面Ｂ−Ｂに沿ったカソード流れ場２８’’の断面を示す。図６Ｅにおいて示されるように、排出チャネル１０２は、第１のカソード分配チャネル９０において、または、第１のカソード分配チャネル９０の付近で最も浅く（すなわち、最小深さｄｄ１）開始し得るものであり、深さは、第２のカソード分配チャネル９２の方に延びると増大し得る。排出チャネル１０２は、第２のカソード分配チャネル９２において、または、第２のカソード分配チャネル９２の付近で最も深くあり得る（すなわち、最大深さｄｄ２）。図６Ｅにおいて示されるように、深さは、一定のレートで（例えば、線形に）増大し得るものであり、または、一部の実施形態において、深さは、可変のレートで（例えば、非線形に、指数関数的に）増大し得る。図６Ｅにおいて示されるように、排出チャネル１０２は、最小深さ（ｄｄ１）を伴う近位端において平坦に開始し得る。他の実施形態において、排出チャネル１０１は、ゼロ最小深さｄｄ１を伴う近位端において開始し得る。
【００４７】
[058]フィードおよび排出チャネル１０１、１０２の、幅を変動させること（例えば、図６Ｂを確認されたい）、または、深さを変動させること（例えば、図６Ｃ〜Ｅを確認されたい）により、カソード流れ場２８’、２８’’に沿った酸化剤の流れに対して利用可能な断面積は変動（例えば、排出チャネル１０２において増大、または、フィードチャネル１０１において減少）し得る。カソード流れ場２８’、２８’’の長さに沿ったフィードおよび排出チャネル１０１、１０２においての利用可能な流れ面積の増大または減少は、フィードチャネル１０１および排出チャネル１０２に沿った酸化剤の流れ速度がほぼ一定のままであるように、フィードチャネル１０１から多孔質構造内へと拡散し、多孔質構造から排出チャネル１０２内へと拡散した酸化剤の体積と対応するように構成され得る。換言すれば、フィードチャネル１０１の断面積は、酸化剤の速度がほぼ一定のままであるように、酸化剤が、フィードチャネル１０１の外に流れ、多孔質構造内へと拡散するレートに等しいレートで減少し得る。同様に、排出チャネル１０２の断面積は、酸化剤の速度がほぼ一定のままであるように、酸化剤が、排出チャネル１０２内へと、多孔質構造の外に流れるレートに等しいレートで増大し得る。一部の実施形態において、フィードおよび排出チャネル１０１、１０２の、幅および深さは、両方が変動し得る。例えば、一部の実施形態において、図６Ｄおよび６Ｅは、図６Ｃに加えて、図６Ｂの断面を表し得る。
【００４８】
[059]図６Ｂおよび６Ｃにおいて示されるように、ランドセクション１０４と呼称され得る、フィードチャネル１０１と排出チャネル１０２との間に形成される分離セクションが存し得る。フィードチャネル１０１と排出チャネル１０２との間のランドセクション１０４の厚さは固定され得るものであり、または、一部の実施形態において、厚さは変動し得る。例えば、厚さは、第１のカソード分配チャネル９０に最も近いと（例えば、フィードチャネル１０１の近位端と、排出チャネルの遠位端との間で）最も大であり得るものであり、厚さは、第２のカソード分配チャネル９２の方で減少し得る。他の実施形態において、厚さは、第１のカソード分配チャネル９０に最も近いと最も薄くあり得るものであり、厚さは、第２のカソード分配チャネル９２の方で増大し得る。他の実施形態において、ランドセクション１０４の厚さは、第１のカソード分配チャネル９０と、第２のカソード分配チャネル９２との間のほぼ中程で、最も厚く、または、最も薄くあり得る。
【００４９】
[060]一部の実施形態において、複数のマイクロチャネル１０６が、ランドセクション１０４内に、カソード流れ場２８’、２８’’内に形成され得る。マイクロチャネル１０６は、ランドセクション１０４の全体長さ、または、一部分だけに沿って形成され得る。マイクロチャネル１０６は、カソード流れ場２８’、２８’’により提供される多孔質ネットワークと比較して、酸化剤に対する好まれる流れ経路を生み出すために、フィードチャネル１０１を排出チャネル１０２と流体接続するように構成され得る。これらの実施形態に対して、拡散することと連関して、または、拡散することよりむしろ、酸化剤は、マイクロチャネルを通ってフィードチャネル１０１から排出チャネル１０２に流れ得る。マイクロチャネル１０６は、他の形ではカソード流れ場２８’、２８’’のランドセクションにより陰にされることになる、触媒サイトの大部分に対する酸化剤利用可能性を提供するような手立てで、サイズ設定および隔置され得る。
【００５０】
[061]フィードおよび排出チャネル１０１、１０２の数は、例えば、カソード流れ場２８’、２８’’の幅、フィードチャネル１０１の幅、排出チャネル１０２の幅、燃料セル１０の用途、酸化剤に対する意図もしくは設計される動作圧力、酸化剤に対する意図もしくは設計される動作流れレート、燃料セル１０に対する意図もしくは設計されるパワー出力、または、これらのパラメータの任意の組合せを含む、１つまたは複数の異なるパラメータに基づいて調整され得る。
【００５１】
[062]カソード流れ場２８’、２８’’は、いくつかの利益を提示し得る。例えば、フィードチャネル１０１および排出チャネル１０２は、酸化剤が通って流れることができる、より大きい断面積を提供し、そのことは、他の多孔質流れ場構造と比較して、多孔質流れ場にわたる圧力降下を低減することができる。フィードチャネル１０１および排出チャネル１０２に加えて、マイクロチャネルが、さらには、酸化剤ガスがフィードチャネル１０１と排出チャネル１０２との間で通って流れることができる、増大された断面積を提供し得るものであり、そのことは、多孔質流れ場にわたる圧力降下をさらに低減することができる。圧力降下を低減することにより、酸化剤を加圧するために要されるエネルギー（例えば、ブロワパワー）の量が低減され得るものであり、そのことが今度は、燃料セル１０の総体的な性能および効率を改善する（例えば、パワー密度を改善し、寄生負荷を低減する）ことができる。加えて、カソード流れ場２８’、２８’’の特徴部は、カソード流れ場の出口の付近で酸素濃度を増大するために、多孔質流れ場の中で新鮮な酸化剤を、より一様に分配し得る。（例えば、フィードチャネル１０１、排出チャネル１０２、およびマイクロチャネル）。このことは、酸化剤の入来する流れが、例えば、流れが多孔質体を通して分配されるまで、酸素に富んだままであることを可能にすることができ、そのことは、より良好なセル電圧、および、潜在的には、より高い電流密度を結果的に生じさせることができる。
【００５２】
[063]カソード流れ場２８’’’は、図６Ｆにおいて示されるように、その表面内へと形成される（例えば、プレス加工される、エンボス加工される、または、切り込み加工される）複数のチャネル１１０を含み得る。複数のチャネル１１０は、第１のカソード分配チャネル９０において始まり、第２のカソード分配チャネル９２の方にほぼ中途まで延びる、第１のセットのチャネル１１０Ａを含み得る。第１のセットのチャネル１１０Ａは、新鮮な酸化剤（例えば、まだ消費されていない酸化剤）が、より低い酸素濃度を酸化剤がしばしば有することがあるカソード流れ場２８’’’の第２の半分体まで直接的に進行することを可能にするように構成される。第１のセットのチャネル１１０Ａは、それらがランドセクションの頂部上にあるように寸法設定され得る。他のチャネル１１０は、総体的な圧力降下を低減し、混合、および／または、一様な分配を手助けするように構成され得る。一部の実施形態に対して、カソード流れ場２８’’’に対して使用される、ありふれた材料は、非一様な圧力降下および流れ特性を結果的に生じさせることになる非一様性を伴い得る。チャネル１１０は、より一様な圧力降下および流れ特性を可能にすることにより、この問題点に対処する助けとなるように設計される。第１のセットのチャネル１１０Ａは、さらには、活性区域の前縁部においての流れレート、およびかくして流れ速度を低減する助けとなり、そのことが今度は、その領域内の水分の除去を低減して、乾燥状況においてのより良好な動作および性能を提供する。このことは、さらには、カソード流れ場２８’’’の流れ経路に沿って湿度および酸素濃度分布のバランスをとる助けとなり、そのことは、電気化学反応の結果として、活性区域にわたって電流および温度分布のバランスをとる。このことは、燃料セルおよびスタックの、耐久性および信頼性を改善する。一部の実施形態において、第１のセットのチャネル１１０Ａは、強め合って干渉し、セルが潜在的にドライアウトすることのリスクを増大する、高速度効果に対する潜在的可能性を回避するために、燃料セルのアノードまたは冷却剤側の任意の流れチャネルの反対に配置され得る。
【００５３】
[064]カソード流れ場２８（または２８’’または２８’’’）を作り上げる多孔質構造は、１つまたは複数の、金属および／または合金を含み得る。例えば、多孔質構造は、少なくとも、ニッケル（Ｎｉ）およびクロム（Ｃｒ）（例えば、ＮｉＣｒ）、または、ニッケル、スズ（Ｓｎ）、およびクロム（例えば、ＮｉＳｎＣｒ）の組合せを含み得る。多孔質構造のＮｉＣｒ実施形態に対して、クロムの質量による濃縮物は、約２０質量％から約４０質量％の範囲に及ぶことができ、一方で、ニッケルは、残りの残量  −  約６０質量％から約８０質量％を占め得る。多孔質構造のＮｉＳｎＣｒ実施形態に対して、クロムの濃度は、約３質量％から約６質量％の範囲に及ぶことができ、スズの濃度は、約１０質量％から約２０質量％の範囲に及ぶことができ、一方で、ニッケルは、残量  −  約７４％から約８７％を占め得る。
【００５４】
[065]一部の実施形態において、多孔質構造の少なくとも１つの表面は、約３質量％から約５０質量％の範囲に及ぶクロム濃度を含み得る。例えば、カソード流れ場２８を形成する多孔質構造の、１つまたは両方の表面のクロム濃度は、約３質量％から約５０質量％、約５質量％から約４０質量％、または、約７質量％から約４０質量％の範囲に及び得る。多孔質金属体の表面のクロム濃度を増大することは有利であり得るものであり、なぜならば、そのことは、酸性環境において多孔質構造の耐食性を増大するからである。例えば、カソード流れ場を形成する多孔質構造の表面のうちの少なくとも１つが、約３質量％から約５０質量％の範囲に及ぶクロム濃度を有するとき、多孔質構造を含むバイポーラプレートは、有利には、カソードにおいての実質的に酸性の環境において高耐食性であり得る。本明細書において説明されるような多孔質構造により提供される、改善された耐食性は、有利には、カソードプレートが、コーティングされたステンレス鋼よりむしろ、コーティングされないステンレス鋼から形成されることを可能にし得るものであり、そのコーティングされたステンレス鋼は、その耐食性特質のために従前から使用されてきたものである。
【００５５】
[066]一部の実施形態において、多孔質構造の一方の表面は、多孔質構造の他方の表面より高いクロム濃度を有し得る。そのような実例において、より高いクロム濃度を有する表面は、有利には、より高耐食性であり得る。より高いクロム濃度を有する表面は、ＭＥＡ１８に面するように配置構成され得る。一部の実施形態において、多孔質構造の、より高耐食性の表面は、約３質量％から約５０質量％の範囲に及ぶクロム濃度を有し得るものであり、一方で、金属多孔質構造の、より少ない耐食性表面は、約３質量％クロム未満のクロム濃度を有し得る。
【００５６】
[067]本明細書において説明される多孔質構造の様々な実施形態は、１つまたは複数の電気めっきプロセスにより形成され得る。例えば、一部の実施形態において、樹脂成形体が、初期に、３次元ネットワーク構造に対する基板として使用され得る。樹脂成形体は、ポリウレタン、メラミン、ポリプロピレン、ポリエチレン、または類するもののうちの、１つまたは複数を含み得る。樹脂成形体は、その３次元ネットワーク構造内に孔を含み得る。一部の実施形態において、樹脂成形体は、約８０％から約９８％の範囲に及ぶ空隙率を有し得るものであり、約５０μｍから約５００μｍの孔サイズを有し得る。一部の実施形態において、樹脂成形体は、約１５０μｍから約５，０００μｍ、約２００μｍから２，０００μｍ、または、約３００μｍから約１，２００μｍの厚さを有し得る。
【００５７】
[068]多孔質構造を形成するために、金属層が、樹脂成形体上へとめっきされ得る。多孔質構造のＮｉＣｒ実施形態に対して、例えば、ニッケル層およびクロム層が、樹脂成形体上へとめっきされ得る。多孔質構造のＮｉＳｎＣｒ実施形態に対して、例えば、ニッケル層、スズ層、およびクロム層が、樹脂成形体上へとめっきされ得る。樹脂成形体は、ニッケル粒子、スズ粒子、および／または炭素粒子などの伝導性金属の、無電解めっき（自己触媒めっき）、蒸気堆積、スパッタリング、および／または塗布などの電気的伝導処置を受けさせられ得る。次いで、ニッケル層および／またはスズ層が、処置された樹脂成形体の３次元構造またはスケルトンの表面上に電気的にめっきされ得る。例えば、樹脂成形体が伝導性層によってコーティングされるとき、ニッケル層が、引き続いて、電気めっきプロセスによって、樹脂成形体のスケルトン上に形成され得る。ニッケル層が形成される後、スズ層が、引き続いて、別の電気めっきプロセスによって、樹脂成形体のスケルトン上に形成され得る。代替的には、樹脂成形体が伝導性層によってコーティングされるとき、スズ層が最初に電気めっきされ、ニッケル層の電気めっきが後に続き得る。一部の実施形態において、化学蒸気堆積が、クロムを実質的にニッケルの構造に付加するために使用され得る。例えば、一部の実施形態において、クロムは、実質的にニッケルの構造に、約１５質量％から約５０質量％の範囲に及ぶ濃度で、化学蒸気堆積によって付加され得る。
【００５８】
[069]一部の実施形態において、ニッケル層および／またはスズ層などの、１つまたは複数の金属層が、樹脂成形体のスケルトン上へとめっきされる後、クロム層が、電気めっきプロセスによって付加され得る。一部の実施形態において、クロムめっき層は、多孔質構造の少なくとも１つの表面のクロム濃度が、約３質量％から約５０質量％の範囲に及ぶように形成され得る。クロムめっき層がめっきされた後、または、ニッケルおよび／もしくはスズめっき層がめっきされる後、多孔質構造は、熱処置により初期の樹脂成形体を除去することにより形成され得る。例えば、多孔質構造は、約９００℃から約１３００℃の範囲内の温度で、不活性雰囲気、または、還元される雰囲気内で加熱され得る。
【００５９】
[070]図７に関して、その図において描写されるのが、本開示の例示的な実施形態による、複数の電気化学セルを含み得る電気化学セルスタック接合体１１である。長手方向軸５に沿って配置構成され得るのが、登場の順に、第１の端部１１２、第１の電気化学セル１１６、第１の電気化学燃料セルに隣接して配置される第２の電気化学セル１２０、１つまたは複数の電気化学セル１２４、最後の電気化学セル１１８に隣接して配置される第３の電気化学セル１２２、および、反対の端部１１４である。上記で説明されたように、図７において説明される複数の電気化学セル（例えば、セル１１６、１１８、１２０、１２２、および１２４）の各々は、すべてが膜電極接合体１８を協働的に作り上げる、カソード触媒層１２と、アノード触媒層１４と、プロトン交換膜１６と、カソードガス拡散層２４と、アノード拡散層２８とを含み得る。電気化学セルの各々は、カソード流れ場２８と、カソードプレート２０と、アノードプレート２２とをさらに含み得る。電気化学セルスタック接合体１１の中の電気化学セルのうちの１つまたは複数のカソード流れ場２８は、多孔質構造であり得るものであり、各々の多孔質構造は、平均孔サイズを有し得るものであり、電気化学セルスタック接合体１１の中の複数の電気化学セルは、ともに、平均孔サイズを有し得る。
【００６０】
[071]一部の実施形態において、第１の電気化学セル１１６の多孔質構造は、複数の電気化学セルの多孔質構造の平均孔サイズより大である平均孔サイズを有し得る。一部の実施形態において、第１の電気化学セル１１６の多孔質構造の平均孔サイズは、複数の電気化学セルの多孔質構造の平均孔サイズより約５％から約５０％大であり得る。
【００６１】
[072]一部の実施形態において、第１の電気化学セル１１６の多孔質構造は、複数の電気化学セルの多孔質構造の平均流れ抵抗より小である流れ抵抗を有し得る。一部の実施形態において、第１の電気化学セル１１６の多孔質構造の流れ抵抗は、複数の電気化学セルの多孔質構造の平均流れ抵抗より約５％から約５０％小であり得る。一部の実施形態において、第１の電気化学セル１１６の多孔質構造の流れ抵抗は、複数の電気化学セルの多孔質構造の平均流れ抵抗より約５％、６％、７％、８％、９％、１０％、１５％、２０％、２５％、３０％、４０％、または５０％小であり得る。例えば、一部の実施形態において、平均より小である流れ抵抗は、例えば、図６Ｂ〜６Ｆにおいて示されるような、カソード流れ場２８’、２８’’、または２８’’’などの、多孔質流れ場にわたる低減された酸化剤圧力降下を結果的に生じさせる、相互嵌合させられたチャネルを有するカソード流れ場を用いることにより達成され得る。
【００６２】
[073]一部の実施形態において、第１の電気化学セル１１６に隣接して配置される第２の電気化学セル１２０の多孔質構造の平均孔サイズは、複数の電気化学セルの多孔質構造の平均孔サイズとほぼ同じであり得る。一部の実施形態において、第２の電気化学セル１２０の多孔質構造は、複数の電気化学セルの多孔質構造の平均孔サイズより大である平均孔サイズを有し得る。一部の実施形態において、第２の電気化学セル１２０の多孔質構造は、複数の電気化学セルの多孔質構造の平均孔サイズより大である、ただし、第１の電気化学セル１１６の多孔質構造の平均孔サイズより小である平均孔サイズを有し得る。一部の実施形態において、第２の電気化学セル１２０の多孔質構造の平均孔サイズは、複数の電気化学セルの多孔質構造の平均孔サイズより約５％から約５０％大であり得る。
【００６３】
[074]一部の実施形態において、第２の電気化学セル１２０の多孔質構造は、複数の電気化学セルの多孔質構造の平均流れ抵抗より小である流れ抵抗を有し得る。一部の実施形態において、第２の電気化学セル１２０の多孔質構造は、複数の電気化学セルの多孔質構造の平均流れ抵抗より小である、ただし、第１の電気化学セル１１６の多孔質構造の流れ抵抗より大である流れ抵抗を有し得る。一部の実施形態において、第２の電気化学セル１２０の多孔質構造の流れ抵抗は、複数の電気化学セルの多孔質構造の平均流れ抵抗より約５％から約５０％小であり得る。一部の実施形態において、第２の電気化学セル１２０の多孔質構造の流れ抵抗は、複数の電気化学セルの多孔質構造の平均流れ抵抗より約５％、６％、７％、８％、９％、１０％、１５％、２０％、２５％、３０％、４０％、または５０％小であり得る。例えば、一部の実施形態において、平均より小である流れ抵抗は、例えば、図６Ｂ〜６Ｆにおいて示されるような、カソード流れ場２８’、２８’’、または２８’’’などの、多孔質流れ場にわたる低減された酸化剤圧力降下を結果的に生じさせる、相互嵌合させられたチャネルを有するカソード流れ場を用いることにより達成され得る。
【００６４】
[075]一部の実施形態において、最後の電気化学セル１１８の多孔質構造の平均孔サイズは、複数の電気化学セルの多孔質構造の平均サイズとほぼ同じである。一部の実施形態において、最後の電気化学セル１１８の多孔質構造は、複数の電気化学セルの多孔質構造の平均孔サイズより大である平均孔サイズを有し得る。一部の実施形態において、最後の電気化学セル１１８の多孔質構造は、第１の電気化学セル１１６および／または第２の電気化学セル１２０の多孔質構造の平均孔サイズとほぼ同じ平均孔サイズを有し得る。一部の実施形態において、最後の電気化学セル１１８の多孔質構造の平均孔サイズは、複数の電気化学セルの多孔質構造の平均孔サイズより約５％から約５０％大であり得る。
【００６５】
[076]一部の実施形態において、最後の電気化学セル１１８の多孔質構造は、複数の電気化学セルの多孔質構造の平均流れ抵抗より小である流れ抵抗を有し得る。一部の実施形態において、最後の電気化学セル１１８の多孔質構造の流れ抵抗は、複数の電気化学セルの多孔質構造の平均流れ抵抗より約５％から約５０％小であり得る。一部の実施形態において、最後の電気化学セル１１８の多孔質構造の流れ抵抗は、複数の電気化学セルの多孔質構造の平均流れ抵抗より約５％、６％、７％、８％、９％、１０％、１５％、２０％、２５％、３０％、４０％、または５０％小であり得る。例えば、一部の実施形態において、平均より小である流れ抵抗は、例えば、図６Ｂ〜６Ｆにおいて示されるような、カソード流れ場２８’、２８’’、または２８’’’などの、多孔質流れ場にわたる低減された酸化剤圧力降下を結果的に生じさせる、相互嵌合させられたチャネルを有するカソード流れ場を用いることにより達成され得る。
【００６６】
[077]一部の実施形態において、第３の電気化学セル１２２の多孔質構造の平均孔サイズは、複数の電気化学セルの多孔質構造の平均孔サイズとほぼ同じであり得る。一部の実施形態において、第３の電気化学セル１２２の多孔質構造は、複数の電気化学セルの多孔質構造の平均孔サイズより大である平均孔サイズを有し得る。一部の実施形態において、第３の電気化学セル１２２の多孔質構造は、複数の電気化学セルの多孔質構造の平均孔サイズより大である、ただし、最後の電気化学セル１１８の多孔質構造の平均孔サイズより小である平均孔サイズを有し得る。一部の実施形態において、第３の電気化学セル１２２の多孔質構造の平均孔サイズは、複数の電気化学セルの多孔質構造の平均孔サイズより約５％から約５０％大であり得る。
【００６７】
[078]一部の実施形態において、第３の電気化学セル１２２の多孔質構造は、複数の電気化学セルの多孔質構造の平均流れ抵抗より小である流れ抵抗を有し得る。一部の実施形態において、第３の電気化学セル１２２の多孔質構造は、複数の電気化学セルの多孔質構造の平均流れ抵抗より小である、ただし、最後の電気化学セル１２２の多孔質構造の流れ抵抗より大である流れ抵抗を有し得る。一部の実施形態において、第３の電気化学セル１２２の多孔質構造の流れ抵抗は、複数の電気化学セルの多孔質構造の平均流れ抵抗より約５％から約２０％小であり得る。一部の実施形態において、第３の電気化学セル１２２の多孔質構造の流れ抵抗は、複数の電気化学セルの多孔質構造の平均流れ抵抗より約５％、６％、７％、８％、９％、１０％、１５％、２０％、２５％、３０％、４０％、または５０％小であり得る。例えば、一部の実施形態において、平均より小である流れ抵抗は、例えば、図６Ｂ〜６Ｆにおいて示されるような、カソード流れ場２８’、２８’’、または２８’’’などの、多孔質流れ場にわたる低減された酸化剤圧力降下を結果的に生じさせる、相互嵌合させられたチャネルを有するカソード流れ場を用いることにより達成され得る。
【００６８】
[079]複数のセル（例えば、第１の電気化学セル１１６、第２の電気化学セル１２０、第３の電気化学セル１２２、および／または、最後の電気化学セル１１８）のうちの１つまたは複数の多孔質構造の増大される平均孔サイズは、複数の電気化学セルの多孔質構造の平均流れ抵抗より約５％から約２０％小の、これらの多孔質構造の中の流れ抵抗を結果的に生じさせ得る。流れ抵抗においてのこの差が、今度は、反応物ガス（例えば、酸素）に対する、これらの多孔質構造を通る、より好都合な流れ経路を結果的に生じさせ得るものであり、そのことは、より高い流れレートを結果的に生じさせ得る。複数のセル（例えば、第１の電気化学セル１１６、第２の電気化学セル１２０、第３の電気化学セル１２２、および／または、最後の電気化学セル１１８）のうちの１つまたは複数を通る、このより高い反応物ガス流れレートは、有利には、これらのセルにおいての、スタック接合体１１の端部においてのそれらのセルの配置から結果的に生じる、それらのセルのより低い動作温度により引き起こされるフラッディングの現出を防止または最小化し得る。これらのセルにおいてのフラッディングの現出を防止または最小化することは、これらの電気化学セル、および、全体としての電気化学セルスタックの安定性を改善し、それらの電気化学セルおよび電気化学セルスタックの寿命を長くすることができる。
【００６９】
[080]当業者により察知されることになるように、本明細書において説明される平均孔サイズおよび流れ抵抗においての差は、例示的にすぎず、電気化学セルスタックが設計される対象の個別の用途に基づいて最適化され得る。例えば、高い電流密度が要される用途は、より多くの流れを提供するために、端部セルにおいて、より低い流れ抵抗を要し得るものであり、なぜならば、より高い電流密度は、端部電気化学セルと、中間の複数の電気化学セルとの間の、温度においてのより大きい差を、およびかくして、フラッディングのより高い現出を結果的に生じさせる水のより大である蓄積を招き得るからである。加えて、当業者は、図７において説明される電気化学セルスタック接合体１１は、例示的にすぎず、複数の電気化学セルの多孔質構造の平均孔サイズより大である平均孔サイズ、および、複数の電気化学セルの平均流れ抵抗より小である流れ抵抗を伴う、複数の電気化学セルの中の追加的な電気化学セルが存し得るということに気付くであろう。
例１：電気化学セル流れ抵抗の測定
[081]接合された電気化学燃料セルは、カソードフィードマニホールドを介して、反応物ガス、例えば、酸素に接続され得る。酸素の流れは、電気化学セルが典型的な電気化学セルスタック接合体において遭遇することになる流れレートをシミュレートするために、生起させられ、増大され、測定され得る。例えば、カソードフィードマニホールドおよびカソード排出マニホールドにおいての圧力は、例えば、マノメータを使用して測定され得るものであり、フィードおよび排出においての圧力においての差が、セルに関するカソード流れ場の多孔質構造の圧力降下を提供し得る。測定量流れレートに対する測定された圧力降下の比率が、次いで、動作においてセルから予測される流れ抵抗を表す。
【００７０】
[082]上述の説明は、例解の目的のために提示されたものである。その説明は、網羅的ではなく、開示される寸分違わない形式または実施形態に限定されない。実施形態の修正、適合、および他の応用が、本明細書の考察、および、開示される実施形態の実践から明白であろう。例えば、燃料セル１０の説明された実施形態は、種々の電気化学セルによって使用されるために適合させられ得る。例えば、本開示は、主に、アノードチャネル流れ場およびカソード多孔質流れ場を伴う燃料セルに着目するが、これらの特徴部のうちの一部は、アノードおよびカソード流れ場を利用する燃料セル、または、アノードおよびカソード多孔質流れ場を利用する燃料セルにおいて利用され得るということが思索される。同様に、本明細書において説明されるセルおよび電気化学スタックの配置構成は、例示的にすぎず、他の燃料セル構成の範囲に適用され得る。
【００７１】
[083]なおまた、例解的な実施形態が本明細書において説明されたが、範囲は、本開示に基づく均等な要素、修正、省略、組合せ（例えば、様々な実施形態にわたる態様の）、適合、および／または改変を有する一切の実施形態を含む。特許請求の範囲においての要素は、特許請求の範囲において用いられる文言に基づいて広範に解釈されるべきであり、本明細書において、または、本出願の手続処理の間に説明される例に限定されるべきではなく、それらの例は、非排他的と解されるべきである。さらに、開示される方法のステップは、ステップを並べ替えること、および／または、ステップを挿入もしくは削除することを含む、任意の様式で修正され得る。
【００７２】
[084]本開示の特徴部および利点は、詳細な明細書から明白であり、かくして、添付される特許請求の範囲は、本開示の真の趣旨および範囲の中に収まる、すべてのセルおよびセルスタックを包含するということが意図される。本明細書において使用される際、不定冠詞「ａ」および「ａｎ」は、「１つまたは複数の」を意味する。同様に、複数形用語の使用は、その用語が所与の文脈において曖昧さのないものでない限り、必ずしも複数を表象するとは限らない。「および」または「または」などの単語は、別段に具体的に指図されない限り、「および／または」を意味する。さらに、数多くの修正および変更が、本開示を考究することから、たやすく浮かぶことになるので、本開示を、例解および説明される、そのままの構築物および動作に限定することは所望されず、よって、本開示の範囲の中に収まる、すべての適した修正および均等物が、頼むところにされることがある。
【００７３】
[085]本明細書の全体を通して、用語「概して平行な」および「概して垂直な」は、軸、平面、または、他の構成要素との関係において、１つまたは複数の構成要素の配置構成を説明するために使用され得る。「概して平行な」または「概して垂直な」と配置構成を説明するときに許容され得る、平行および垂直からのずれの度は変動し得る。許されるずれは、例えば、約１０度未満のずれ、約５度未満のずれ、および、約３度未満のずれ、約２度未満のずれ、および、約１度未満のずれなど、約２０度未満の外れであり得る。
【００７４】
[086]本明細書において使用される際、用語「約」は、数値的な値を、２０％、１０％、５％、または１％の相違だけ、説述される値より上および下に緩和するために使用される。一部の実施形態において、用語「約」は、数値的な値を、１０％の相違だけ、説述される値より上および下に緩和するために使用される。一部の実施形態において、用語「約」は、数値的な値を、５％の相違だけ、説述される値より上および下に緩和するために使用される。一部の実施形態において、用語「約」は、数値的な値を、１％の相違だけ、説述される値より上および下に緩和するために使用される。
【００７５】
[087]本明細書において使用される際、用語「隣接する（ｔｏを伴わない）」および「隣接する（ｔｏを伴う）」は、互換的に使用され、２つ以上の物体の相対的位置を、隣にある、または隣接すると説明する。例えば、一部の実施形態において、電気化学セル燃料スタックにおいて、２つの電気化学燃料セルが、「隣接する」または「互いに隣接する」と説明されるならば、そのことは、前記電気化学燃料セルの中間に電気化学燃料セルは存しないということを意味すると理解されるべきである。
【００７６】
[088]本明細書において使用される際、用語「燃料セル」および「電気化学燃料セル」、ならびに、それらの用語の複数形異形は、互換的に使用され得るものであり、意味合いにおいて同一であると理解される。
【００７７】
[089]本開示の他の実施形態が、本明細書の考察、および、本明細書においての本開示の実践から、当業者には明白であろう。本明細書および例は、単に例示的と考えられ、本開示の真の範囲および趣旨は、後に続く特許請求の範囲により指示されるということが意図される。
【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
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【図６Ｆ】
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【図７】
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【国際調査報告】
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