(57)【要約】本開示は、高差圧作動で使用するための電気化学セルにおけるフロー構造の設計及び配置を対象とする。セル（２０）の低圧側（２８）のフロー構造は、フロー構造とＭＥＡとの接合面で、セル（２０）の高圧側（２２）のフロー構造よりも大きい表面積を有する。高圧フロー構造の境界面は、完全に低圧フロー構造の境界面の内側にある。また高圧フロー構造の周りのシール（２５）も低圧フロー構造（２８）の境界面の内側に含まれる。このような配置では、電解質膜（４０）に作用するセル（２０）の高圧側（２２）からの高い流体圧力は、膜（４０）の低圧側（２８）のフロー構造によって十分且つ連続的にバランスが保たれる。前記低圧側のフロー構造（２８）は、圧縮された多孔質金属基板を含む。膜支持体としての低圧フロー構造（２８）の使用は、高い応力下での膜の破裂又は変形を防ぐ。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の電極、第二の電極、およびその間に堆積された電解質膜；
第一の電極に隣接し、該電極に面する側に第一の平らな表面を含む第一のフロー構造；ならびに
第二の電極に隣接し、該電極に面する側に第二の平らな表面を含む第二のフロー構造；
を含む電気化学セルであって、
第一のフロー構造は、第二のフロー構造よりも高い構造的な力に耐えるように設計され；
第一の平らな表面の面積は、第二の平らな表面の面積よりも大きい、上記電気化学セル。
【請求項２】
第二の平らな表面の境界面が、第一の平らな表面の境界面の内側にある、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項３】
第二のフロー構造の周りのシールが、第一の平らな表面の境界面の内側に配置される、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項４】
シールが、高分子ガスケットを含む、請求項３に記載の電気化学セル。
【請求項５】
第一のフロー構造が、圧縮された多孔質金属基板を含む、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項６】
第一のフロー構造が、第二のフロー構造の密度レベルより大きい密度レベルに圧縮される、請求項５に記載の電気化学セル。
【請求項７】
第一のフロー構造が、圧縮された多孔質金属基板上に積層された少なくとも１つの微孔性材料層を含む、請求項５に記載の電気化学セル。
【請求項８】
第二のフロー構造が、多孔質金属基板を含む、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項９】
第二のフロー構造が、多孔質金属基板上に積層された少なくとも１つの微孔性材料層を含む、請求項８に記載の電気化学セル。
【請求項１０】
第二のフロー構造に隣接して配置されるバイポーラプレートをさらに含む、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項１１】
バイポーラプレートと電解質膜との間に補強層をさらに含む、請求項１０に記載の電気化学セル。
【請求項１２】
補強層が、電解質膜上に接合される、請求項１１に記載の電気化学セル。
【請求項１３】
第一の電極、第二の電極、およびその間に堆積された電解質膜；
電解質膜の反対側における第一のバイポーラプレートおよび第二のバイポーラプレート；
第一のバイポーラプレートと第一の電極との間にあり、第一の電極に面する側に第一の表面を含む第一のフロー構造；ならびに
第二のバイポーラプレートと第二の電極との間にあり、第二の電極に面する側に第二の表面を含む第二のフロー構造；
を含む電気化学セルであって、
第一の表面の外周は、第二の表面の外周よりも大きく；
さらに第二の表面の外周は、完全に第一の表面の外周の内側にある、上記電気化学セル。
【請求項１４】
第二のフロー構造の周縁にシールをさらに含み、ここでシールは、第二のバイポーラプレートと電解質膜との間に配置される、請求項１３に記載の電気化学セル。
【請求項１５】
第一のフロー構造の外周と第二のフロー構造の外周との間の領域において、第二のバイポーラプレートと電解質膜との間に補強層をさらに含む、請求項１３に記載の電気化学セル。
【請求項１６】
第二のフロー構造の周縁にシールをさらに含み、ここでシールは、第二のバイポーラプレートと補強層との間に配置される、請求項１５に記載の電気化学セル。
【請求項１７】
補強層が、電解質膜に接合される、請求項１５に記載の電気化学セル。
【請求項１８】
第一のフロー構造および第二のフロー構造が、多孔質金属基板を含む、請求項１３に記載の電気化学セル。
【請求項１９】
第一のフロー構造が、第二のフロー構造の密度レベルより大きい密度レベルに圧縮される、請求項１８に記載の電気化学セル。
【請求項２０】
第一のフロー構造および第二のフロー構造の少なくとも一方に微孔性材料層が積層される、請求項１８に記載の電気化学セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0001]本出願は、参照によりその全体が本明細書に組み入れられる２０１２年７月２４日付けで出願された米国仮出願第６１／６７４，９７６号の優先権を主張する。
【０００２】
[0002]本発明の開示は、電気化学セルを対象とし、より具体的には、高差圧電気化学セルで使用するためのフロー構造の設計および配置を対象とする。
【背景技術】
【０００３】
[0003]電気化学セルは、通常燃料電池または電解セルとして分類され、化学反応により電流を発生させたり、または電流の流れを使用して化学反応を誘導したりするために使用されるデバイスである。燃料電池は、燃料の化学エネルギー（例えば水素、天然ガス、メタノール、ガソリンなど）と酸化剤（空気または酸素）とを、電気と、熱および水の廃棄物とに変換する。基礎的な燃料電池は、負電荷を有するアノード、正電荷を有するカソード、および電解質と呼ばれるイオン伝導性材料を含む。
【０００４】
[0004]様々な燃料電池技術において様々な電解質材料が利用されている。例えばプロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池は、電解質として高分子のイオン伝導膜を利用している。水素ＰＥＭ燃料電池において、水素原子は、アノードで電気化学的に電子と陽子（水素イオン）とに分離する。電子はカソードへの回路を通って流れて電気を発生させ、その一方で陽子は電解質膜を介してカソードに放散する。カソードでは、水素の陽子が（カソードに供給された）電子および酸素と結合して、水および熱を生産する。
【０００５】
[0005]電解セルは、それとは逆に稼働する燃料電池の代表である。基礎的な電解セルは、外部の電位が適用されると水を水素と酸素ガスとに分解することによって水素発生器として機能する。水素燃料電池または電解セルの基礎的な技術は、例えば電気化学的な水素の加圧、精製、または膨張などの電気化学的な水素の操作に適用できる。電気化学的な水素の操作は、水素の管理に従来使用されていた機械システムの実用的な代替物として出現した。エネルギーキャリアーとしての水素の商業化の成功および「水素経済」の長期的持続可能性は主に、燃料電池、電解セル、および他の水素の操作／管理システムの効率および費用対効果によって決まる。
【０００６】
[0006]１つの燃料電池は、作動中、一般的に約１ボルトを生産できる。望ましい量の電力を得るには、個々の燃料電池を組み合わせて燃料電池スタックを形成する。燃料電池は連続して一緒にスタックされ、それぞれのセルはカソード、電解質膜、およびアノードを包含する。各カソード／膜／アノード接合体は、「膜電極接合体」、または「ＭＥＡ」を構成し、これは通常、バイポーラプレートの両面上に支持される。プレート中に形成されたチャネル（これは、流れ場として知られている）を介してＭＥＡの電極にガス（水素および空気）が供給される。バイポーラプレート（これは、流れ場プレートとしても知られている）は、機械的な支持を提供することに加えて、スタック中の個々のセルを電気的に連結しつつ物理的に分離する。
【０００７】
[0007]図１は、従来技術のＰＥＭ燃料電池１０の様々な構成要素を示す概略的な分解組立図である。例示されているように、バイポーラプレート２は、アノード７Ａ、カソード７Ｃ、および電解質膜８を含む「膜電極接合体」の両側に配置されている。アノード７Ａに供給された水素原子は、電気化学的に電子と陽子（水素イオン）とに分けられる。電子は、電気回路を介してカソード７Ｃに流れ、その過程で電気を発生させ、それと同時に陽子は、電解質膜８を介してカソード７Ｃに移動する。カソードでは、陽子は（カソードに供給された）電子および酸素と結合して、水および熱が生産される。
【０００８】
[0008]加えて、従来技術のＰＥＭ燃料電池１０は、セル内のＭＥＡの両側に導電性のガス拡散層（ＧＤＬ）５を含む。ガス拡散層５は、ガスの輸送を可能にする拡散媒体として機能し、セル内の液体は、バイポーラプレート２と電解質膜８との間で電気伝導をもたらし、セルから熱やプロセス水を除去するのに役立ち、場合によっては電解質膜８への機械的な支持を提供する。ガス拡散層５は、電解質膜に面する側に電極７Ａおよび７Ｃがコーティングされた織布または不織布のカーボンクロス（carboncloth）を含み得る。場合によっては、電極７Ａおよび７Ｃは、隣接するＧＤＬ５または電解質膜８のいずれかの上にコーティングされた電極触媒（electrocatalyst）材料を包含する。炭素繊維ベースのガス拡散層は、特にこれらの材料の構造的な特性が制限されるという理由で、高差圧セル（high-differential pressure cell）の性能要件を満たさないことが一般的である。それゆえに、いくつかの高圧電気化学セルは、従来のＧＤＬと組み合わせて、またはその代わりに「フリット」タイプの高密度に焼結された金属のスクリーンパック、またはエキスパンドメタルを使用することにより、バイポーラプレート２中に形成された従来のランドチャネル流れ場４と組み合わせてＭＥＡに構造的な支持体を提供している。層状の構造（すなわち、スクリーンパックおよびエキスパンドメタル）は、高差圧での作動に好適な比較的密な（thick）構造をもたらす。しかしながら、これらは、例えば高い接触抵抗、高い流れ抵抗、大きいセルピッチなどの他の性能上の不利益を引き込む。これらの層状の構造の物理的な制限を克服するために、高差圧電気化学セルにおいて、従来のランドチャネル流れ場４およびＧＤＬ５の代わりに立体的な多孔質金属基板を使用できる。多孔質金属の流れ場を使用する電気化学セルでは、電解質膜の両側にある反応物ガスは、立体的な多孔質流れ場を通って流動し、多孔質ＧＤＬ中に放散して、電解質膜に到達する。
【０００９】
[0009]高差圧セルは、作動中の電解質膜８の完全性を維持するというさらなる課題に直面している。膜は、本質的にセルアセンブリ中の他の構成要素よりも弱いため、高差圧作動中の膜の変形または破損を防ぐためには追加の機械的な支持体および／または他の設計上の考察が必要である。膜の補強は、高圧下での膜の運動または屈曲を制限できるが、補強構造は、膜を介した流体の交換を妨げ、セルの外径寸法／重量を増加させる可能性がある。したがって、セルに追加の構成要素を足すことなく電解質膜が高い圧力差に伴う力に耐えられるようにし、さらに膜を介した十分な流体変換が可能になるように電気化学セルの設計を改善するという課題が引き続きある。
【発明の概要】
【００１０】
[0010]本発明の開示は、高差圧での作動中に電解質膜を支持するための流れ場およびＧＤＬの設計および配置を対象とする。特に、本発明の開示は、これらに限定されないが、燃料電池、電解セル、水素精製装置、水素エキスパンダー（hydrogen expander）、および水素圧縮機などの高差圧電気化学セルと共に使用するための立体的な多孔質金属の流れ場およびＧＤＬの配置を対象とする。本発明の開示の例示的な実施態様において、多孔質金属の流れ場は、典型的に必要とされるＧＤＬの機能を果たすこともでき、それにより電気化学セル接合体からＧＤＬを排除する可能性ももたらされる。代替の実施態様において、異なる平均細孔径を有する２つの別個の層（例えば、より大きい細孔は流れ場を構成し、より小さい細孔はＧＤＬの代用である）からなる多孔質金属基板は、電解質膜と接触して配置できる。したがって、以下、特に他の規定がない限り、流れ場およびＧＤＬは、「フロー構造」と総称される。従来のＧＤＬで使用するための多孔質金属の流れ場を使用したり、または従来のチャネルタイプの流れ場と組み合わせて使用するための多孔質金属ＧＤＬを製造したりすることも本発明の開示の範囲内である。
【００１１】
[0011]本発明の開示の第一の実施態様は、高差圧における作動で使用するための電気化学セルであって、該電気化学セルは、第一の電極、第二の電極、およびその間に堆積された電解質膜を含む。電気化学セルは、第一の電極に隣接する第一のフロー構造を包含し、ここで第一のフロー構造は、電解質膜に面する側に第一の平らな表面を含む。電気化学セルはさらに、第二の電極に隣接する第二のフロー構造を包含し、ここで第二のフロー構造は、電解質膜に面する側に第二の平らな表面を含む。電気化学セル中の第二のフロー構造は、第一のフロー構造よりも高い構造的な力に耐えるように設計される。さらに、電気化学セルにおいて、第一の平らな表面の面積は、第二の平らな表面の面積よりも小さい。
【００１２】
[0012]本発明の開示の他の実施態様は、第一の電極、第二の電極、およびその間に堆積された電解質膜を含む電気化学セルである。電気化学セルは、電解質膜の反対側に第一のバイポーラプレートおよび第二のバイポーラプレートを含む。電気化学セルはさらに、第一の電極と第一のバイポーラプレートとの間の第一のフロー構造（ここで第一のフロー構造は、電解質膜に面する側に第一の表面を含む）、および第二の電極と第二のバイポーラプレートとの間の第二のフロー構造（ここで第二のフロー構造は、電解質膜に面する側に第二の表面を含む）を包含する。電気化学セル中の第二のフロー構造は、第一のフロー構造よりも高い構造的な力に耐えるように設計される。加えて、第一の表面の外周は第二の表面の外周よりも小さく、第一の表面の外周は、完全に第二の表面の外周内にある。
【００１３】
[0013]添付の図面は、本明細書に包含されてその一部を構成するものであり、本発明の実施態様を例示し、説明と共に本発明の様々な形態の原理を解説するのに役立つ。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、従来技術のプロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池の様々な構成要素を示す概略的な分解組立図を例示する。
【図２】図２は、本発明の開示の典型的な実施態様に係る、高差圧作動で使用するための電気化学セルの断面図を例示する。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明の開示の典型的な実施態様に係る、様々な電気化学セルの配置の高圧および低圧フロー構造の平面図を例示する。
【図３Ｂ】図３Ｂは、本発明の開示の典型的な実施態様に係る、様々な電気化学セルの配置の高圧および低圧フロー構造の平面図を例示する。
【図３Ｃ】図３Ｃは、本発明の開示の典型的な実施態様に係る、様々な電気化学セルの配置の高圧および低圧フロー構造の平面図を例示する。
【図４】図４は、本発明の開示の典型的な実施態様に係る、図２に表された電気化学セルの一部の拡大図を例示する。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
[0018]前述の一般的な説明と以下の詳細な説明とはいずれも単なる例示および説明であり、特許請求された発明を限定しないことが理解されよう。
【００１６】
[0019]以下、本発明の開示に合致する所定の実施形態について述べ、その例を添付の図面で例示する。可能な限り、同じまたは類似の部品を指す場合は図面全体にわたり同じ参照番号を使用する。本発明の開示は高差圧電気化学セルに関して説明されているが、本発明の開示のデバイスおよび方法は、これらに限定されないが、高差圧下で作動する電気化学セルなどの様々な種類の電気化学セルで採用できることが理解されよう。
【００１７】
[0020]本発明の開示は、高差圧作動で使用するための電気化学セル内部の立体的な多孔質フロー構造の配置を対象とする。例示的な実施態様において、電気化学セル中のフロー構造のうち１つが、作動中に、電解質膜の他方の側のフロー構造よりもより高い流体圧力に晒される。例えば、電気化学セルが水素圧縮機として設計される場合、膜のカソード側のフロー構造は、アノード側のフロー構造よりも高い圧力に晒される。以降、作動中により高い流体圧力に晒されるフロー構造は、「高圧フロー構造」と称し、それより比較的低い流体圧力に晒されるフロー構造は、「低圧フロー構造」と称する。典型的な実施態様において、低圧フロー構造は、膜に平行な側に高圧フロー構造よりも大きい表面積を有する。このような配置において、電解質膜に作用する高い流体圧力は、膜の低圧側の立体的な多孔質基板（すなわちフロー構造）による構造的な支持体によって十分且つ連続的にバランスが保たれる。低圧フロー構造を膜支持体として使用することにより、高い応力に対して膜を支持するための追加の膜補強構造の必要がなくなる。低圧フロー構造により膜に連続的な支持が付与されるために、高差圧での作動中に、結果的に膜の変形または破損を起こすことなく従来の薄い電解質膜（例えば、厚さが３０μｍ未満のＰＦＳＡ（パーフルオロスルホン酸）膜）の使用が可能になる。
【００１８】
[0021]図２は、高差圧作動で使用するための電気化学セル２０の断面図を示す。図２で例示されるように、セル２０は、一方の側に高圧フロー構造２２、および他方の側に低圧フロー構造２８を有する電解質膜４０を含む。高圧フロー構造２２および低圧フロー構造２８は、それぞれバイポーラプレート３０および３１で取り囲まれており、これらのバイポーラプレートは、スタック中の隣接するセルから電気化学セル２０を隔てている。バイポーラプレート３０はセル２０の高圧側にあり、バイポーラプレート３１はセルの低圧側にある。高圧ガスの漏れを防ぐために、バイポーラプレート３０と膜４０との間にシール２５が提供される。シール２５は（本明細書では高圧側シールとも称される）、低圧フロー構造２８とで膜を挟む。典型的な実施態様において、シール２５は、エラストマーまたは高分子シール材を含み、このようなエラストマーまたは高分子シール材としては、例えば、シリコーン、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレン−ジエンモノマー）、フルオロエラストマー、ニトリルゴム（Buna-N）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ポリスルホン、ポリエーテルイミド、ポリフェニレンスルフィド、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ポリイミド、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＨＤＰＥ（高密度ポリエチレン）、ポリウレタン、ネオプレン、アセタール、ナイロン、ポリブチレンテレフタレート、ＮＢＲ（アクリロニトリル−ブタジエンゴム）などが挙げられる。
【００１９】
[0022]図２で例示されるように、高圧フロー構造２２は、フロー構造とＭＥＡとの接合面、すなわち電解質膜４０に面する側で、低圧フロー構造２８よりも小さい表面積を有する。典型的な実施態様において、フロー構造とＭＥＡとの接合面における高圧の場２２の境界面は、完全に低圧フロー構造２８の境界面に含まれる。低圧フロー構造２８が、高圧フロー構造２２よりも大きい表面積を有するような配置では、電解質膜４０に作用する高圧フロー構造からの高い流体圧力は、膜の他方の側に配置された低圧フロー構造によって提供される構造的な支持によって連続的にバランスが保たれる。このような配置により、高い流体圧力に晒される膜４０の全ての部分が、確実に低圧フロー構造２８によって支持されるようになる。低圧フロー構造２８によって提供される均一且つ連続的な支持は、膜の破損を引き起こすことがわかっている膜４０上の高い応力点から保護する役割がある。このような低圧フロー構造２８によってもたらされる補強はさらに、高圧下で膜４０が過度に曲がらないようにするため、破裂を防ぐ。水素圧縮に使用される典型的な電気化学セルにおいて、約１２，０００ｐｓｉよりも高い差圧下で、膜を破裂させずにセルを作動させることができ、ここで差圧は、注入口の水素圧力（この水素圧力は、約１０ｐｓｉから約０ｐｓｉ、または約０ｐｓｉから約２５ｐｓｉの範囲、約１００ｐｓｉ、約５００ｐｓｉ、約１０００ｐｓｉ、または約６０００ｐｓｉであってもよい）と、加圧された水素圧力（この水素圧力は、注入口の水素圧力の下限から約１２，０００ｐｓｉよりも高い範囲であり得る）との差として測定される。
【００２０】
[0023]図３Ａ〜３Ｃは、可能性のある様々な電気化学セルの配置における高圧フロー構造２２および低圧フロー構造２８の平面図を示す。図３Ａは、電気化学セルのフロー構造のフレームが円形の配置を例示し；図３Ｂは、フロー構造のフレームが長方形の配置を例示し；図３Ｃは、フロー構造のフレームが楕円形の配置を例示する。電気化学セルの設計に応じて電気化学セルの設計に応じて様々な他のフロー構造の配置が可能である。図３Ａ〜３Ｃで例示されるように、膜４０に面する側の高圧フロー構造の外周の全体が、膜に面する側の低圧フロー構造の外周内に含まれる。図３Ａ〜３Ｃはさらに、連続した低圧フロー構造に対する高圧側のシーリングが達成されるように、シール２５は、膜に面する側で低圧の場の外周内に含まれることを示す。低圧フロー構造が高圧の場と同等かまたはそれよりも小さい設計において、バイポーラプレートと低圧フロー構造との間の（例えば、低圧フロー構造の端部における）発生し得る何らかのギャップが、膜電極接合体において破損点を発生させる可能性がある。高圧側のシールが低圧フロー構造の境界面の範囲内に含まれることにより、バイポーラプレート３１と低圧の場２８との間のギャップが高圧の場２２に晒されることはない。このような配置はさらに、低圧側における不連続部分（例えば、低圧フロー構造によって支持されていない膜のあらゆる部分）が高圧に晒されないようにする。典型的な実施態様において、セルスタック全体の高圧側のシールは全て、それぞれの低圧フロー構造の外周内にある。
【００２１】
[0024]例示的な実施態様において、フロー構造２２、２８は、金属発泡体または他の多孔質金属基板を使用して作製される。このような実施態様の一つにおいて、開口したセル状のフロー構造は、例えば金属発泡体、焼結された金属フリット（sintered metal frit）、または他のあらゆる多孔質金属などの高度に多孔質な金属材料を圧縮することによって形成される。多孔質金属材料としては、例えばステンレス鋼、チタン、アルミニウム、ニッケル、鉄などの金属、または例えばニッケルクロム合金、ニッケル−スズ合金などの金属合金が挙げられる。いくつかの例示的な実施態様において、金属材料中の細孔サイズは、約１０から約１０００μｍの範囲であってもよい。例えば、金属材料の細孔径は、約２０μｍから約１０００μｍの範囲であってもよく、例えば約５０μｍから約１０００μｍ、約２０μｍから約９００μｍなど、約３０μｍから約８００μｍ、約４０μｍから約７００μｍ、約５０μｍから約６００μｍ、約６０μｍから約５００μｍ、約７０μｍから約５００μｍ、約１００μｍから約４５０μｍ、約２００μｍから約４５０μｍ、および約３５０μｍから約４５０μｍなどの範囲であってもよい。所定の実施形態において、金属材料の平均細孔径は、約４００μｍ、約５００μｍまたは約８００μｍである。いくつかの実施態様において、金属材料の空隙容量は、約７５％より大きくてもよいし、約８０％より大きくてもよいし、約８５％より大きくてもよいし、約９０％より大きくてもよいし、約９５％より大きくてもよいし、約７５％、約８０％、約８５％、約９０％、または約９５％であってもよい。圧縮プロセスにより、多孔質金属材料の全体的な強度が増加する。例えば、一実施態様において、圧縮前の多孔質金属材料の降伏強度は、３０ｐｓｉであり、圧縮後の強度は１４，０００ｐｓｉに増加する。
【００２２】
[0025]所定の実施形態において、低圧フロー構造２８は、高圧フロー構造２２の密度レベルより大きい密度レベルに圧縮される。いくつかの実施態様において、低圧フロー構造２８を形成するように意図された多孔質金属材料は、電気化学セルの意図された作動圧力（「Ｐｏｐｅｒａｔｉｏｎ」）に等しいかまたはそれより大きい晒された軸方向負荷レベル（「Ｐｅｘｐｏｓｅｄ」）に圧縮される。いくつかの実施態様において、暴露負荷と作動圧力との比率（Ｐｅｘｐｏｓｅｄ／Ｐｏｐｅｒａｔｉｏｎ）は、約１から約１．５の値の範囲である。例えば、電気化学セルが、約４，０００ｐｓｉの差圧で作動することが意図される場合、低圧フロー構造２８を形成する多孔質金属材料は、約４，０００ｐｓｉに等しいかまたはそれより大きい負荷レベルに圧縮される。
【００２３】
[0026]いくつかの実施態様において、圧縮された多孔質金属マトリックスの一方の側に微孔性材料層（ＭＰＬ）を積層して、フロー構造を形成する。例えば、圧縮プロセス前に、ＭＰＬを多孔質金属マトリックスに積層してもよいし、または圧縮プロセス後に、ＭＰＬを多孔質金属マトリックスに積層してもよい。積層は、カレンダー加工、プレス、または多孔質材料へのＭＰＬのコーティングを包含していてもよい。平坦で滑らかな積層表面は、電気化学セルの電解質膜に隣接して配置できる。例示的な実施態様において、積層されたＭＰＬの平均細孔径は、圧縮された層の平均細孔径より小さく、それにより、金属製のフロー構造全体に多孔率の勾配を形成し、電解質膜への機械的な支持の分配を容易にすることができる。典型的な実施態様において、ＭＰＬは、約０．５μｍから１０μｍの範囲の平均細孔径を有する。
【００２４】
[0027]追加の実施態様において、電極触媒が膜電極接合体に一体化されない場合、ＭＰＬは電極触媒層でコーティングされる。結果得られた積層構造は、電気化学セル中で電極触媒層が膜に隣接して配置された状態で配列される可能性がある。ＭＰＬが使用されないいくつかの実施態様において、電極触媒層は、圧縮された多孔質金属マトリックス基板の電解質膜に面する側に直接コーティングしてもよい。
【００２５】
[0028]図４は、フロー構造とＭＥＡとの接合面における電気化学セル２０の典型的な実施態様の様々な構成要素をさらに例示するために、図２の領域５０の拡大図を示す。図４で例示されるように、高圧フロー構造２２および低圧フロー構造２８に、それぞれ電解質膜４０に面する側にＭＰＬ５２Ａおよび５２Ｃが積層される。典型的な実施態様において、電極５４Ａおよび５４Ｃは、フロー構造２２および２８それぞれに隣接して配置されるか、それらに接着されるか、それらに積層されるか、それらに直接キャスティングされるか、またはそれらにコーティングされる。いくつかの実施態様において、電気化学セル２０は、高圧の場２２の周縁において、バイポーラプレート３０と電解質膜４０との間に補強境界部５６を含む。所定の実施形態において、補強境界部５６は、高圧フロー構造の境界面と低圧フロー構造の境界面との間の領域に沿って配置される。このような実施態様において、シール２５は高圧フロー構造の境界面と低圧フロー構造２２の境界面との間の領域に配置されるために、シール２５は、図４で例示されるように補強層５６とバイポーラプレート３０との間に存在する。典型的な実施態様において、補強層５６は、高分子材料、例えばシリコーン、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレン−ジエンモノマー）、フルオロエラストマー、ニトリルゴム（Buna-N）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ポリスルホン、ポリエーテルイミド、ポリフェニレンスルフィド、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ポリイミド、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＨＤＰＥ（高密度ポリエチレン）、ポリウレタン、ネオプレン、アセタール、ナイロン、ポリブチレンテレフタレート、ＮＢＲ（アクリロニトリル−ブタジエンゴム）などを含む。いくつかの実施態様において、セル製造および組立て段階中の加工工程数を少なくするために、補強境界部５６を電解質膜４０に接着して、一体化された「フロー構造−電極−膜−境界部」接合体を作製してもよい。
【００２６】
[0029]当業者であれば、本明細書で開示された発明の説明および実施を考察すれば、本発明の他の実施態様は明らかであろう。本明細書および実施例は単なる例示とみなされ、本発明の真の範囲および本質は以下に記載の請求項で示されるものとする。
【符号の説明】
【００２７】
２  バイポーラプレート
４  ランドチャネル流れ場
５  ガス拡散層
７Ａ  アノード
７Ｃ  カソード
８  電解質膜
１０  ＰＥＭ燃料電池
２０  電気化学セル
２２  高圧フロー構造
２５  シール
２８  低圧フロー構造
３０、３１  バイポーラプレート
４０  電解質膜
５０  領域
５２Ａ、５２Ｃ  微孔性材料層
５４Ａ、５４Ｃ  電極
５６  補強境界部
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【国際調査報告】
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