(57)【要約】電気化学セルで使用するための流れ場が開示される。流れ場は、入口ポートおよび出口ポートを包含する多孔質金属構造を包含する。流れ場は、構造中に形成された複数の第１のチャネルをさらに包含する。複数の第１のチャネルのそれぞれは、構造内で、入口ポートと流体連通する第１の末端から延びて第１の先端で終結する。また流れ場は、構造中に形成された複数の第２のチャネルも包含する。複数の第２のチャネルのそれぞれは、構造内で、出口ポートと流体連通する第２の先端から延びて第２の末端で終結する。【選択図】図３
2017516284.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入口ポートおよび出口ポートを包含する多孔質金属構造；
該構造中に形成された複数の第１のチャネルであって、ここで該複数の第１のチャネルのそれぞれは、該構造内で、該入口ポートと流体連通する第１の末端から延びて第１の先端で終結する、第１のチャネル；および
該構造中に形成された複数の第２のチャネルであって、ここで該複数の第２のチャネルのそれぞれは、該構造内で、出口ポートと流体連通する第２の先端から延びて第２の末端で終結する、第２のチャネル
を含む、電気化学セルで使用するための流れ場。
【請求項２】
前記多孔質金属構造が、金属発泡体、金属メッシュ、または金属ネットの少なくとも１つを含む金属製の開放構造を具備する、請求項１に記載の流れ場。
【請求項３】
前記構造が、第１の縁部および第２の縁部を包含し、ここで該第１の縁部に前記入口ポートが配置されており、該第２の縁部に前記出口ポートが配置されている、請求項１に記載の流れ場。
【請求項４】
前記複数の第１のチャネルのそれぞれの前記第１の先端が、前記第１の縁部と前記複数の第２のチャネルの前記第２の先端との間で終結している、請求項３に記載の流れ場。
【請求項５】
前記複数の第２のチャネルのそれぞれの前記第２の末端が、前記第２の縁部と前記複数の第１のチャネルの前記第１の末端との間で終結している、請求項３に記載の流れ場。
【請求項６】
前記複数の第１のチャネルおよび前記複数の第２のチャネルが、平行して配列されている、請求項１に記載の流れ場。
【請求項７】
前記複数の第１のチャネルの少なくとも１つが、隣接する第２のチャネルの間に配置されている、請求項１に記載の流れ場。
【請求項８】
前記複数の第１のチャネルのそれぞれが、前記多孔質金属構造を介して、前記複数の第１のチャネルの１つから隣接する前記複数の第２のチャネルの１つに反応物ガスを拡散させるように設計されている、請求項１に記載の流れ場。
【請求項９】
前記第１のチャネルを前記第２のチャネルに流体連結する、前記流れ場中に形成された複数のマイクロチャネルをさらに包含する、請求項１に記載の流れ場。
【請求項１０】
前記マイクロチャネルが、隣接する第１のチャネルと第２のチャネルとの間の金属多孔質構造中に配列されている、請求項９に記載の流れ場。
【請求項１１】
第１のバイポーラプレートと；
第２のバイポーラプレートと；
カソード、アノード、および該カソードと該アノードとの間に配置された高分子膜を含む膜電極接合体と；
該第１のバイポーラプレートおよび該第２のバイポーラプレートのうち１つと該膜電極接合体との間に配置された少なくとも１つの流れ場であって、該流れ場は、入口ポートおよび出口ポートを有する多孔質金属構造で形成されており、該構造は、該入口ポートと流体連通する複数の入口チャネル、および該複数の入口チャネルのそれぞれの間に挿入され、該出口ポートと流体連通する複数の出口チャネルを包含する、流れ場と
を含む、電気化学セル。
【請求項１２】
前記流れ場が、前記膜電極接合体に面する縦方向に延びる表面である、請求項１１に記載の電気化学セル。
【請求項１３】
前記複数の入口チャネルのそれぞれが、前記入口ポートと流体連通する第１の末端から延びて第１の先端で終結する、請求項１１に記載の電気化学セル。
【請求項１４】
前記第１の先端が、前記第２の縁部に配置されているか、またはそれに隣接している、請求項１３に記載の電気化学セル。
【請求項１５】
前記複数の出口チャネルのそれぞれが、前記出口ポートと流体連通する第２の先端から延びて第２の末端で終結する、請求項１１に記載の電気化学セル。
【請求項１６】
前記第２の末端が、前記第１の縁部に配置されているか、またはそれに隣接している、請求項１５に記載の電気化学セル。
【請求項１７】
前記複数の入口チャネルのそれぞれが、前記多孔質金属構造を介して、前記複数の入口チャネルの１つから隣接する前記複数の出口チャネルの１つに反応物ガスを拡散させるように設計されている、請求項１１に記載の電気化学セル。
【請求項１８】
前記多孔質金属構造が、金属発泡体、金属メッシュ、または金属ネットの少なくとも１つを含む金属製の開放構造を包含する、請求項１１に記載の電気化学セル。
【請求項１９】
前記少なくとも１つの流れ場が、前記第１のチャネルを前記第２のチャネルに流体連結する、前記流れ場中に形成された複数のマイクロチャネルをさらに具備する、請求項１１に記載の電気化学セル。
【請求項２０】
前記マイクロチャネルが、隣接する第１のチャネルと第２のチャネルとの間の金属多孔質構造中に配列されている、請求項１９に記載の電気化学セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[001]本出願は、参照によりその全体が開示に組み入れられる２０１４年５月１５日付けで出願された米国仮出願第６１／９９３，９１１号の利益を主張する。
【背景技術】
【０００２】
[002]本発明の開示は、電気化学セル、より具体的には電気化学セルで使用するための流れ場の設計に関する。
[003]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るが、化学反応により電流を生成したり、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（例えば、水素、天然ガス、メタノール、ガソリンなど）および酸化剤（空気または酸素）の化学エネルギーを、電気と、熱および水である廃棄物とに変換する。基本的な燃料電池は、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。
【０００３】
[004]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。プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池は、例えば、電解質として高分子のイオン伝導性膜を利用している。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プロトン（水素イオン）に分離される。次いで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、その一方でプロトンは電解質膜を介してカソードに拡散する。カソードでは、水素のプロトンが（カソードに供給された）電子および酸素と化合して、水および熱を生成する。
【０００４】
[005]電解セルは、逆に稼働する燃料電池の代表である。基本的な電解セルは、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本的な技術は、例えば電気化学的な水素の圧縮、精製、または膨張などの電気化学的な水素の操作に適用することができる。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に対する実用的な代替物として出現した。エネルギー担体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、燃料電池、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費用対効果に大きく依存する。
【０００５】
[006]一つの燃料電池は、作動中、一般的に約１ボルトを生成することができる。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し、この場合、燃料電池は連続して一緒にスタックされる。各燃料電池は、カソード、電解質膜、およびアノードを包含し得る。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、典型的に両方の側でバイポーラプレートにより支持される。反応物ガス（水素および空気または酸素）は、流れ場として知られているプレート中に形成されたチャネルまたは溝を介してＭＥＡの電極に供給される。機械的な支持体を提供することに加えて、バイポーラプレート（また、流れ場プレートまたはセパレータープレートとしても知られている）は、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。典型的な燃料電池スタックは、燃料および酸化剤をそれぞれアノードおよびカソードの流れ場に向かわせるためにマニホールドおよび入口ポートを包含する。また燃料電池スタックは、過量のガスおよび冷却水を排出するための排気マニホールドおよび出口ポートも包含する。
【０００６】
[007]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」（ＭＥＡ）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プロトン（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、それと同時にプロトンは電解質膜８を介してカソード７Ｃに移動する。カソードでは、プロトンを（カソードに供給された）電子および酸素と化合させて、水および熱を生成する。
【０００７】
[008]加えて、従来技術のＰＥＭ燃料電池１０は、ＭＥＡの両側のセル内に導電性ガス拡散層（ＧＤＬ）５を包含する。ガス拡散層５は、セル内のガスおよび液体の輸送を可能にする拡散媒体として機能し、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への機械的な支持体を提供する。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のカーボンクロスを含んでいてもよい 。場合によっては、電極触媒材料は、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ていてもよい。
【０００８】
[009]一般的に、炭素繊維ベースのガス拡散層は、特にこれらの材料の限定的な構造的特性のために、高差圧セルの性能要件を満たさない。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、またはその代替物として、「フリットタイプ」の高密度に焼結された金属、スクリーンパック、またはエキスパンドメタルを使用して、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型の流れ場４と組み合わせてＭＥＡに構造的な支持体を提供する。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厚い構造を提供する。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、３次元の多孔質金属構造は、高差圧電気化学セルにおける従来のランドチャネル型の流れ場４およびＧＤＬ５の代替物として使用することができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
[010]多孔質金属の流れ場を使用した電気化学セルにおいて、電解質膜の各側における反応物ガスは、多孔質金属の流れ場を介して流れ、電解質膜に到達する。多孔質金属の流れ場を通る連続的な流れは、燃料または酸化剤のほとんどを消費しつつ、消耗した酸化剤が継続的に燃料電池から流し出されることを確実にする。従来のランドチャネル型の流れ場のように、これらの多孔質金属構造は、個々の燃料電池の高い性能が達成されるように、反応物ガスの電極への均等な分配を促進することが望ましい。加えて、別の状況で燃料電池スタックによって発生した電気エネルギーの一部を消費する可能性がある反応物ガス流中の過剰な圧力の低下を引き起こさないこと、および燃料電池スタックの全体的な効率を低くしなことが望ましい。このようにして、セルにさらなる構成要素を追加することなく改善された反応物ガスの分配を提供するために、多孔質金属の流れ場の設計を改善する挑戦が続いている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
[011]本発明の開示は、電気化学セルと共に使用するための流れ場の設計に関する。特に、本発明の開示は、反応物ガスの分配を改善するための、電気化学セルで使用するための多孔質金属の流れ場の設計に関する。これらのデバイスは、燃料電池、電解セル、および水素圧縮機などの高差圧下で作動する電気化学セルにおいて使用することができるが、これらに限定されない。
【００１１】
[012]本発明の開示の一形態は、電気化学セルで使用するための流れ場に関する。流れ場は、入口ポートおよび出口ポートを包含する多孔質金属構造を包含していてもよい。流れ場は、構造中に形成された複数の第１のチャネルをさらに包含していてもよい。複数の第１のチャネルのそれぞれは、構造内で、入口ポートと流体連通する第１の末端から延びて第１の先端で終結する。流れ場はまた、構造中に形成された複数の第２のチャネルを包含していてもよい。複数の第２のチャネルのそれぞれは、構造内で、出口ポートと流体連通する第２の先端から延びて第２の末端で終結する。
【００１２】
[013]本発明の開示の他の形態は、電気化学セルに関する。電気化学セルは、第１のバイポーラプレートと、第２のバイポーラプレートと、カソード、アノード、およびカソードとアノードとの間に配置された高分子膜を含む膜電極接合体とを包含していてもよい。電気化学セルはまた、第１のバイポーラプレートおよび第２のバイポーラプレートのうち１つと膜電極接合体との間に配置された少なくとも１つの流れ場を包含していてもよい。少なくとも１つの流れ場は、入口ポートおよび出口ポートを有する多孔質金属構造で形成されていてもよい。該構造は、入口ポートと流体連通する複数の入口チャネル、および複数の入口チャネルのそれぞれの間に挿入され、出口ポートと流体連通する複数の出口チャネルをさらに包含していてもよい。
【００１３】
[014]前述の一般的な説明と以下の詳細な説明はいずれも単に典型的で説明的なものにすぎず、特許請求された開示を限定しないと理解されるべきである。
[015]添付の図面は、本明細書に取り入れられ本明細書の一部を構成し、本発明の開示の実施態様を例示し、その記載と共に本開示の原理を説明するのに役立つ。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】[016]図１は、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分解組立図である。
【図２】[017]図２は、本発明の開示の例示的な実施態様に係る電気化学セルの一部の概略図である。
【図３】[018]図３は、本発明の開示の例示的な実施態様に係るカソードの流れ場の正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
[019]以下、本発明の開示の例示的な実施態様について詳細に述べ、その実施例は添付の図面で例示される。可能な限り、サンプルの参照番号は、同じまたは類似の部品を指すために図面全体にわたり使用される。水素、酸素、および水を採用する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、高差圧下で作動するものなどの様々な種類の電気化学セルと共に採用され得ることが理解される。
【００１６】
[020]図２は、例示的な電気化学セル２００の分解組立図を示す。電気化学セル２００は、２つのバイポーラプレート２１０、２２０を包含していてもよい。２つのバイポーラプレート２１０、２２０は、支持体プレートおよびコンダクターとして作用することができる。バイポーラプレート２１０、２２０はまた、セル２００から熱を除去するために冷却流体（すなわち、水、グリコール、または水とグリコールとの混合物）を循環させるアクセスチャネルを包含していてもよい。バイポーラプレート２１０、２２０は、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他のあらゆる導電性材料から作製することができる。
【００１７】
[021]バイポーラプレート２１０、２２０に加えて、電気化学セル２００は、膜電極接合体（「ＭＥＡ」）を包含していてもよい。ＭＥＡ２３０は、アノード２３１、カソード２３２、およびプロトン交換膜（「ＰＥＭ」）２３３を含んでいてもよい 。ＰＥＭ２３３は、アノード２３１とカソード２３２との間に配置されて、アノード２３１とカソード２３２とを互いに電気的に絶縁していてもよい。ＰＥＭ２３３は、純粋な高分子膜または複合膜を含み得ることが予期され、その場合、例えばシリカ、ヘテロポリ酸、層状の金属リン酸塩、リン酸塩、およびリン酸ジルコニウムなどの他の材料が、高分子マトリックス中に埋め込まれていてもよい。ＰＥＭ２３３は、電子は伝導させないがプロトンは透過できるものであってもよい。アノード２３１およびカソード２３２は、触媒を含有する多孔質炭素電極層（示されていない）を含んでいてもよい。触媒材料は、例えば、反応速度を増加させることができる白金であってもよい。
【００１８】
[022]図２で例示されているように、カソードの流れ場２４０およびアノードの流れ場２５０は、ＭＥＡ２３０の両脇（flank）に配置されている。カソードの流れ場２４０およびアノードの流れ場２５０は、バイポーラプレート２１０、２２０とＭＥＡ２３０との間に電気伝導を提供することができ、それと同時に電気化学セル２００内のガスおよび液体の輸送のための媒体も提供することができる。加えて、カソードの流れ場２４０およびアノードの流れ場２５０は、ＭＥＡ２３０に機械的な支持体を提供することができる。
【００１９】
[023]カソードの流れ場２４０およびアノードの流れ場２５０は、３次元の多孔質金属構造を含んでいてもよい。ある特定の実施態様において、カソードの流れ場２４０およびアノードの流れ場２５０は、高度に多孔質の金属材料、例えば金属製の開放構造（例えば、金属発泡体、焼結された金属フリット、金属メッシュ、金属ネット、または他のあらゆる多孔質金属）を圧縮することによって形成することができる。多孔質金属材料は、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などの金属合金を含んでいてもよい。いくつかの例示的な実施態様において、金属材料の孔径は、約２０μｍから約１０００μｍの範囲であってもよい。例えば、金属材料の孔径は、約２０μｍから約１０００μｍ、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の範囲であってもよい。例示的な実施態様において、金属材料の平均孔径は、約４００μｍ、約５００μｍ、または約８００μｍである。さらなる実施態様において、金属材料の空隙容量は、約７０％から約９９％の範囲である。例えば、金属材料の空隙容量は、約７０％から約９８％、例えば約７５％から約９８％、約７５％から約９５％、約７５％から約９０％、約７５％から約８５％、約７０％から約８０％、約７３％から約７７％、約８０％から約９０％、約８３％から約８７％、約９０％から約９９％、および約９３％から約９７％の範囲であってもよい。例示的な実施態様において、金属材料の空隙容量は、約７５％、約８５％、または約９５％であってもよい。
【００２０】
[024]電気化学セル２００は、ＭＥＡ２３０の両側に導電性のガス拡散層（ＧＤＬ）を追加で包含していてもよい。多孔質金属構造は、典型的にＧＤＬに必要とされる機能を果たし得ることが予期されるため、電気化学セル接合体からＧＤＬをなくす可能性がもたらされる。代替の実施態様において、異なる平均孔径を有する２つの別個の層からなる多孔質金属構造（例えば、より大きい孔が流れ場を構成し、より小さい孔がＧＤＬの代わりとなる）は、ＭＥＡ２３０と接触した状態で設置されてもよい。したがって、「流れ場」は、本明細書で使用される場合、特に他の規定がない限り、流れ場とＧＤＬの両方を指す。従来のＧＤＬまたは従来のチャネルタイプの流れ場と共に開示された多孔質金属の流れ場を使用することは、本発明の開示の範囲内である。
【００２１】
[025]図３に、例示的な流れ場、例えば、カソードの流れ場２４０の正面図を示す。以下の説明は、カソードの流れ場２４０に対して述べられているが、アノードの流れ場２５０にも同等に適用可能である。例示されたように、カソードの流れ場２４０は、第１の縁部４４４および第２の縁部４４６を規定する縦方向に延びる表面４４２を包含していてもよい。入口ポート４４８は、第１の縁部４４４に配置されていてもよく、出口ポート４５０は、第２の縁部４４６に配置されていてもよい。入口ポート４４８および出口ポート４５０は、カソードの流れ場２４０における他のあらゆる位置または構造に配置されていてもよいことが理解されよう。入口ポート４４８および出口ポート４５０は、カソードの流れ場２４０の厚さにわたり部分的または完全に延びる開口部を含んでいてもよい。入口ポート４４８は、反応物ガス（例えば、燃料、酸素、または空気）を受け取るように設計されていてもよく、出口ポート４５０は、カソードの流れ場２４０から消耗したガスを除去するように設計されていてもよい。
【００２２】
[026]例示されているように、カソードの流れ場２４０は、複数の入口（または第１の）チャネル４６０および複数の出口（または第２の）チャネル４７０を包含していてもよい。入口チャネル４６０および出口チャネル４７０は、カソードの流れ場２４０中で、型押しされていてもよいし、または別の方法でその中に形成されていてもよい。複数の入口チャネル４６０および複数の出口チャネル４７０は、反応物ガスの分配を改善させるために流体の流れへの障害物を実質的に含んでいなくてもよい。図３には４つの入口および出口チャネルが描写されているが、それより多いまたはそれより少ない数の入口および／または出口チャネルが提供されていてもよいことが理解されよう。
【００２３】
[027]複数の入口チャネル４６０は、カソードの流れ場２４０の構造内またはその表面４４２上に形成されて、第１の縁部４４４（例えば、カソードの流れ場２４０の末端）から第２の縁部４４６（例えば、カソードの流れ場２４０の先端）に延びていてもよい。また複数の出口チャネル４７０は、カソードの流れ場２４０の表面４４２内に形成され、第２の縁部４４６（例えば、カソードの流れ場２４０の先端）から第１の縁部４４４（例えば、カソードの流れ場２４０の末端）に延びていてもよい。表面４４２は、例えば、ＭＥＡ２３０に面するカソードの流れ場２４０の表面であってもよい。チャネルは、カソードの流れ場２４０に関連する構造または表面上に形成されてもよいことが理解されよう。例示的な実施態様において、複数の入口チャネル４６０は、複数の出口チャネル４７０と平行であってもよく、ここで複数の出口チャネル４７０のそれぞれは、隣接する入口チャネル４６０の間に配置されている。入口チャネル４６０および出口チャネル４７０の他の配列も予期される。
【００２４】
[028]複数の入口チャネル２６０のそれぞれは、第１の縁部４４４に、それに隣接して、またはその近くに配置された第１の末端４６０ａを有していてもよい。第１の末端４６０ａは、反応物ガスを受け取るために、入口ポート４４８と流体連通していてもよい。例示的な実施態様において、入口チャネル４６０の第１の末端４６０ａは、複数の入口チャネル４６０間で流体経路が形成されるように、互いにおよび入口ポート４４８と流体連通する「開放端」であってもよい。この配列を用いれば、入口ポート４４８からの反応物ガスの流れを、複数の入口チャネル４６０全体にわたり均一に分配させることができる。
【００２５】
[029]複数の入口チャネル４６０のそれぞれは、カソードの流れ場２４０内で第１の先端４６０ｂで終結していてもよい。一部の実施態様において、第１の先端４６０ｂは、第１の縁部４４４と複数の出口チャネル４７０の先端との間に配置されていてもよい。第１の先端４６０ｂは、出口ポート４５０と直接流体連通していない「行き止まり」または「閉端」であってもよい。この配列を用いれば、各入口チャネル４６０中に分配される反応物ガスを、多孔質金属構造を介して隣接する出口チャネル４７０に拡散させることができる。一部の実施態様において、複数のマイクロチャネル４８０は、カソードの流れ場２４０中、隣接する入口チャネル４６０と出口チャネル４７０とを分離する部分に形成されていてもよい。マイクロチャネル４８０は、分離する部分の全長またはちょうど分離する部分に沿って形成されてもよい。マイクロチャネル４８０は、入口チャネル４６０と出口チャネル４７０とを流体連結させることができる。マイクロチャネル４８０は、反応物ガスの流れを入口チャネル４６０から隣接する出口チャネル４７０に向かわせるように設計されていてもよい。入口チャネル４６０と出口チャネル４７０とを分離するカソードの流れ場２４０の多孔質構造の部分によってさもなくば遮蔽されたと思われる触媒サイトの大部分で酸素が利用できるように、マイクロチャネル４８０のサイズや間隔を調整してもよい。
【００２６】
[030]複数の入口チャネル４６０は、流れの方向（例えば、長さ寸法）に沿って実質的にカソードの流れ場２４０にわたって延びていてもよい。一部の実施態様において、入口チャネル４６０は、９０ｍｍ〜１５０ｍｍの範囲の長さを有していてもよい。加えて、複数の入口チャネル４６０は、流れの方向（例えば、幅の寸法）を横断するカソードの流れ場２４０の寸法にわたり均一に分配させてもよい。複数の入口チャネル４６０は、例えば、複数の入口チャネル４６０のそれぞれの長さに沿って入口ポート４４８で受け取られた反応物ガスを分配することができるあらゆる好適な幅、断面積、深さ、形状、および／または立体配置を有していてもよい。一部の実施態様において、入口チャネル４６０は、０．１〜１．５ｍｍの範囲の幅を有していてもよい。ある特定の実施態様において、複数の入口チャネルは、異なる形状および／または断面積を有し得ることが予期される。
【００２７】
[031]複数の出口チャネル４７０のそれぞれは、第２の縁部４４６に、それに隣接して、またはその近くに配置され、出口ポート４５０と連通する第２の先端４７０ａを包含していてもよい。第２の先端４７０ａは、カソードの流れ場２４０から反応物ガスを排出するための出口ポート４５０と流体連通していてもよい。例示的な実施態様において、複数の出口チャネル４７０の第２の先端４７０ａは、複数の出口チャネル４７０からガスを均一に除去するための流体経路が形成されるように、互いにおよび出口ポート４５０と流体連通する「開放端」であってもよい。
【００２８】
[032]複数の出口チャネル４７０のそれぞれは、第２の先端４７０ａから第１の縁部４４４に向かって延び、カソードの流れ場２４０内の第２の末端４７０ｂで終結していてもよい。一部の実施態様において、第２の末端４７０ｂは、第２の縁部４４６と複数の入口チャネル４６０の第１の末端４６０ａとの間に配置されていてもよい。第２の末端４７０ｂは、入口ポート４４８と直接流体連通していない「行き止まり」または「閉端」であってもよい。この配列を用いれば、少なくとも第２の末端４７０ｂと第２の先端４７０ａとの間で、出口チャネル４７０は、隣接する入口チャネル４６０から反応物ガスを受け取ることができる。
【００２９】
[033]複数の出口チャネル４７０は、実質的にカソードの流れ場２４０（例えば、長さ寸法）を通って延びていてもよい。一部の実施態様において、出口チャネル４７０は、９０ｍｍ〜１５０ｍｍの範囲の長さを有していてもよい。加えて、複数の出口チャネル４７０を、流れの方向（例えば、幅の寸法）を横断するカソードの流れ場２４０の寸法にわたり均一に分配させることができる。複数の出口チャネル４７０は、例えば、多孔質金属構造を介して入口チャネル４６０から出口チャネル４７０に拡散した反応物ガスを出口ポート４５０に向かわせることができるあらゆる好適な幅、断面積、深さ、形状、および／または立体配置を有していてもよい。一部の実施態様において、出口チャネル４７０は、０．３〜１．５ｍｍの範囲の幅を有していてもよい。ある特定の実施態様において、複数の出口チャネル４７０は、異なる形状および／または断面積を有し得ることが予期される。加えて、複数の出口チャネル４７０は、複数の入口チャネルと比較して同じまたは異なる形状および／または断面積を有し得ることが予期される。
【００３０】
[034]電気化学セル２００の作動中、反応物ガスは、入口ポート４４８を介してカソードの流れ場２４０に供給されてもよい。反応物ガスは、多孔質金属構造を介して入口ポート４４８から複数の入口チャネル４６０に拡散することができる。特定には、反応物ガスを複数の入口チャネル４６０のそれぞれの第１の末端４６０ａに流し、第１の末端４６０ａと第１の先端４６０ｂとの間で各入口チャネル４６０の長さに沿って分配させることができる。
【００３１】
[035]第１の先端４６０ｂは、行き止まりまたは閉端であってもよく、それにより、複数の入口チャネル４６０のそれぞれの長さに沿って反応物ガスを分配させて、反応物ガスを金属多孔質構造を介して隣接する出口チャネル４７０に流す（例えば、拡散させる）ことができる。これは、触媒への反応物ガスの強制対流と、触媒への反応物ガスの比較的多くの暴露とをもたらす。一部の実施態様において、拡散と併せて、または拡散以外の方法で、反応物ガスをマイクロチャネル４８０を介して入口チャネル４６０から出口チャネル４７０に流してもよい。
【００３２】
[036]反応物ガスが隣接する出口チャネル４７０に入ったら、第２の末端４７０ｂから離れて、且つ第２の先端４７０ａに向かって反応物ガスを流し、出口チャネル４７０のそれぞれの長さに沿って分配することができる。次いで反応物ガスを第２の先端４７０ａから出口ポート４５０を介して流し、カソードの流れ場２４０から除去することができる。
【００３３】
[037]本発明の開示は、多数の利益を提供し得る。例えば、開示されたカソード流れ場の入口および出口チャネルは、反応物ガスが流動できるより大きい断面積を提供することから、他の多孔質金属流れ場構造と比較して、多孔質金属の流れ場を通る際の圧力の低下を低減することができる。入口および出口チャネルに加えて、開示されたカソードの流れ場のマイクロチャネルも、入口チャネルと出口チャネルとの間に、反応物ガスが流れることができる増加した断面積を提供することができ、この増加した断面積は、多孔質金属の流れ場を通る際の圧力の低下をさらに低減することができる。これは、反応物ガスを加圧するのに必要なエネルギーの量を低減する（すなわち、ブロワーの出力を低減する）ことができ、したがってそれにより、燃料スタックの全体的な性能および効率を改善する（例えば、出力密度を改善し、寄生負荷（parasitic loading）を低減する）ことができる。加えて、開示されたカソードの流れ場は、チャネルのない他の多孔質流れ場構造と比較して、反応物ガスが多孔質金属の流れ場内で移動する必要がある流動長を短くすることができる。それによって、入ってくる流れが多孔質体を介して方向付けられるまで、その流れを酸素豊富な状態に保つことができ、したがってセルの酸素分配を改善することができる。そのようにすることによって、開示されたカソードの流れ場は、より優れた触媒の利用と潜在的にはより高い電流密度をもたらすことができる。
【００３４】
[038]いくつかの追加のおよび／または代替の実施態様において、複数の入口チャネル４６０および複数の出口チャネル４７０が、バイポーラプレート２１０、２２０中に形成されて、３次元の多孔質金属の流れ場と共に使用されてもよいことが予期される。このような配列は、上述したものと類似する機能性をもたらすことができるが、燃料スタックの全体的な出力密度を低くする可能性があるより厚いセルになると予想される。
【００３５】
[039]本発明の開示の他の実施態様は、明細書の考察と本明細書に記載の本発明の開示の実施から当業者には明らかであると予想される。明細書および実施例は単なる例示とみなされ、本発明の開示の真の範囲および本質は、である以下の特許請求の範囲により示されることが意図される。
【符号の説明】
【００３６】
２  バイポーラプレート
４  ランドチャネル型の流れ場
５  導電性ガス拡散層（ＧＤＬ）
７Ａ  アノード
７Ｃ  カソード
８  電解質膜
１０  ＰＥＭ燃料電池
２００  電気化学セル
２１０、２２０  バイポーラプレート
２３０  膜電極接合体（ＭＥＡ）
２３１  アノード
２３２  カソード
２３３  プロトン交換膜（ＰＥＭ）
２４０  カソードの流れ場
２５０  アノードの流れ場
４４２  表面
４４４  第１の縁部
４４６  第２の縁部
４４８  入口ポート
４５０  出口ポート
４６０  入口（または第１の）チャネル
４６０ａ  第１の末端
４６０ｂ  第１の先端
４７０  出口（または第２の）チャネル
４７０ａ  第２の先端
４７０ｂ  第２の末端
４８０  マイクロチャネル
【図１】
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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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