(57)【要約】本開示の実施形態は電気化学セルシステムを含んでいる。電気化学セルシステムは直列に配列された複数の電気化学セルを有する電気化学セル積重体を備えている。電気化学セル積重体の第１辺は第１長さを有し、電気化学セル積重体の第２辺は第２長さを有しており、第１長さは第２長さとは異なっている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列に配列された複数の電気化学セルを含む電気化学セル積重体と、
第１長さを有している、前記電気化学セル積重体の第１辺と、
第２長さを有している、前記電気化学セル積重体の第２辺と、を備えていて、前記第１長さが前記第２長さとは異なっている、
電気化学セルシステム。
【請求項２】
前記第１辺は前記電気化学セル積重体の気体入力側となっており、前記第２辺は前記電気化学セル積重体の気体出力側となっている、請求項１に記載の電気化学セルシステム。
【請求項３】
前記第１辺は前記第２辺より長くなっている、請求項２に記載の電気化学セルシステム。
【請求項４】
前記電気化学セル積重体は形状が実質的に台形である、請求項３に記載の電気化学セルシステム。
【請求項５】
前記電気化学セルシステムは端板を更に備えており、前記システムは、或る量の気体が前記第１辺に入り前記電気化学セル積重体の前記端板を通過し前記第２辺を出てゆくように構成されている、請求項１に記載の電気化学セルシステム。
【請求項６】
前記システムは、前記第１辺に入ってくる前記気体が前記第２辺を出てゆく前記気体より遅い速度で動くように構成されている、請求項５に記載の電気化学セルシステム。
【請求項７】
前記電気化学セル積重体の前記形状は、前記第１辺では保水を促進し前記第２辺では水損失を促進する、請求項６に記載の電気化学セルシステム。
【請求項８】
前記複数の電気化学セルの各々は実質的に台形の形状を有している、請求項１に記載の電気化学セルシステム。
【請求項９】
直列に配列された複数の電気化学セルを含む電気化学セル積重体であって、アノード端、カソード端、第１辺、及び前記第１辺とは反対側の第２辺、を有している電気化学セル積重体と、
前記アノード端に配置されている第１端板と、
前記カソード端に配置されている第２端板と、を備えていて、前記第１端板と前記第２端板が前記電気化学セル積重体をそれらの間に挟むようにしている、
電気化学セルシステムにおいて、
前記第１辺の長さは前記第２辺の長さより長くなっており、
前記システムは、気体が前記第１端板の前記第１辺に入り前記第１端板に沿って移動し前記第１端板の前記第２辺を出てゆくように構成されており、
前記システムは、気体が前記第２端板の前記第１辺に入り前記第２端板に沿って移動し前記第２端板の前記第２辺を出てゆくように構成されている、
電気化学セルシステム。
【請求項１０】
前記システムは、前記第１辺に入ってくる気体が前記第２辺を出てゆく気体より遅く移動するように構成されている、請求項９に記載の電気化学セルシステム。
【請求項１１】
前記システムは、前記第１辺での前記気体の遅い運動が保水を促進し前記第２辺での前記気体の速い運動が水損失を促進するように構成されている、請求項１０に記載の電気化学セルシステム。
【請求項１２】
前記電気化学セル積重体は実質的に台形の形状を有している、請求項９に記載の電気化学セルシステム。
【請求項１３】
前記電気化学セル積重体は燃料セル積重体である、請求項９に記載の電気化学セルシステム。
【請求項１４】
前記第１端板は、前記第２端板が受け入れるように構成されている気体とは異なる気体を受け入れるように構成されている、請求項９に記載の電気化学セルシステム。
【請求項１５】
前記第１端板は水素を含む気体を受け入れるように構成されており、前記第２板は酸素を含む気体を受け入れるように構成されている、請求項１４に記載の電気化学セルシステム。
【請求項１６】
複数の電気化学セルを含む電気化学セル積重体と、
前記電気化学セル積重体のアノード端と、
前記電気化学セル積重体のカソード端と、を備えていて、前記電気化学セル積重体が実質的に台形の幾何学を有している、
電気化学セルシステム。
【請求項１７】
前記電気化学セル積重体の第１辺が前記電気化学セル積重体の第２辺より長くなっていて、前記第１辺は前記第２辺の反対側に配置されている、請求項１６に記載の電気化学セルシステム。
【請求項１８】
前記システムは、空気が前記第１辺に第１速度で入り前記第２辺を第２速度で出てゆくように構成されていて、前記第１速度は前記第２速度とは異なっている、請求項１７に記載の電気化学セルシステム。
【請求項１９】
前記第１速度は前記第２速度より遅くなっている、請求項１８に記載の電気化学セルシステム。
【請求項２０】
前記電気化学セル積重体は等脚台形として成形されている、請求項１６に記載の電気化学セルシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0001]この特許出願は、合衆国法典第３５巻第１２０条の下に、２０１３年７月３０日出願の米国仮特許出願第６１／８６０，１１８号に対する優先権の恩典を主張し、その内容全体をここに参考文献として援用する。
【０００２】
[0002]本開示の実施形態は、電気化学セルに関し、より厳密には効率を促進するための特定の形状を有する電気化学セルに関する。
【背景技術】
【０００３】
[0003]電気化学セルは、典型的には、化学反応から電流を生成するために使用される装置又は電流の流れを使用して化学反応を誘導することによって使用される装置である。電気化学セル技術は、燃料セル及び水素圧縮機の様に、例えば、輸送車両、携帯式パワー供給、及び静止型パワー発生を含む技術範囲のための、化石燃料の様な従来のパワー供給源の有力な代替を提供する。エネルギー担体としての水素の商品化の成功及び「水素経済」の長期的な持続可能性は、少なくとも一部には、電気化学セルの効率、出力能力、及び費用効果に依存していよう。
【０００４】
[0004]電気化学セルを使用し、化学反応から電流を生成することができる。電気化学セルは燃料（水素、天然ガス、メタノール、ガソリン、など、の様な陽子源）の化学エネルギーを酸素又は別の酸化剤との化学反応を通じて電気へ変換する。化学反応は典型的には電気と熱と水を生じさせる。これを達成するため、基本的な電気化学セルは、負に帯電したアノードと、正に帯電したカソードと、電解質と呼ばれるイオン伝導材料と、を備えている。異なる電気化学セル技術は異なる電解質材料を利用している。例えば陽子交換膜（ＰＥＭ：Proton Exchange Membrane）セルはポリマーのイオン伝導膜を電解質として利用している。
【０００５】
[0005]電気を生成するのに例えば水素の様な燃料が電気化学セルのアノード側へ送達される。ここで水素は正に帯電した陽子と負に帯電した電子へ分けられる。アノードでの電気化学反応は２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ−である。陽子は次いでＰＥＭの様な電解質膜を通ってセルのカソード側へ流れてゆく。ＰＥＭは正に帯電した陽子のみをセルのカソード側へ通過させるように構成されている。負に帯電した電子は強制的に外部電気負荷回路を通過させられてセルのカソード側に到達し、そうすることで利用可能な電流を生成してゆく。酸素がセルのカソード側へ送達され、そこで酸素は陽子及び電子と反応して水分子及び熱を廃棄物として形成する。カソード側での発熱反応はＯ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏである。
【０００６】
[0006]個々の電気化学セルのカソードと電解質膜とアノードは集合的に、両側を双極板に支持される「膜電極組立体」（ＭＥＡ：membrane electrode assembly）を形成している。水素及び酸素の様な気体類は、ＭＥＡの電極へ、双極板に形成されているチャネル又は溝を通して供給されている。この開示の解釈上、「空気」及び「気体」という総称的用語が水素と酸素の両方を記述するのに使用されることもある。
【０００７】
[0007]作動において、単一のセルは、電流にも依存するが、概して約０．２−１ボルトの比較的小さい電位を発生させている。総電圧出力を増加させるために、個々の電気化学セルは一体に積み重ねられて電気化学セル積重体を形成しており、直列に積み重ねられるのが典型的である。積重体中に含まれる個々のセルの数は用途及び当該用途にとっての積重体からの要求出力量に依存する。
【０００８】
[0008]電気化学セル積重体は、水素の流れ及び酸素の流れを受け取り、それらが個々のセルへと分配される。セル積重体の適正作動には、反応物質である例えば水素及び酸素のセル及びセル構成要素への効果的な送達が必要となる。一部の事例では、電気化学セル積重体のそれら電気化学セル又は領域の異なる構成要素は、異なる条件の下に、例えばより遅い空気の流れ又はより速い空気流れの下に、最適に作動することができる。
【０００９】
[0009]例えば、電気化学セルによって発生させる電圧の効率及び量は、少なくとも一部には、空気化学量論的流量に依存することもある。空気化学量論とは、水素燃料と反応するのに必要な、電気化学セルへ供給される空気の比率である。低い化学量論値は、反応現場の反応物質不足に因って電気化学セルの性能を引き下げる可能性がある。他方、高い化学量論値は、貧弱な湿度制御及び過剰な圧縮エネルギーを生じさせかねない。この様に空気流量は電気化学セルシステム中の水の量にも影響を及ぼし得る。従って、電気化学セルを通る気体の流れを制御及び管理することが望ましいであろう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国仮特許出願第６１／８６０，１１８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
[0010]本開示は電気化学セル積重体の設計に向けられている。厳密には、本開示は、電気化学セル積重体の幾何学形状において、当該積重体に亘る効率的な空気の分配、流れ、及び利用を促進するための幾何学形状に向けられている。その様な幾何学及び構成は、限定するわけではないが水素圧縮機、燃料セル、電解セル、水素精製機、及び水素膨張機を含め、高い差圧下に作動する電気化学セルで使用することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
[0011]本開示の１つの実施形態によれば、電気化学セルシステムが、直列に配列された複数の電気化学セルを有する電気化学セル積重体を含んでいてもよい。電気化学セル積重体の第１辺は第１長さを有し、電気化学セル積重体の第２辺は第２長さを有していて、第１長さは第２長さとは異なっている。
【００１３】
[0012]本開示の様々な実施形態は、次の態様、即ち、第１辺は電気化学セル積重体の気体入力側となっていて第２辺は電気化学セル積重体の気体出力側となっている、第１辺は第２辺より長くなっている、電気化学セル積重体は形状が実質的に台形である、或る量の気体が第１辺に入り電気化学セル積重体の端板を通過し第２辺を出てゆく、第１辺に入ってくる気体は第２辺を出てゆく気体より遅い速度で動いている、電気化学セル積重体の形状は第１辺では保水を促進し第２辺では水損失を促進する、及び複数の電気化学セルの各々は実質的に台形の形状を有している、のうちの１つ又はそれ以上を含んでいてもよい。
【００１４】
[0013]別の実施形態によれば、電気化学セルシステムが、直列に配列された複数の電気化学セルで作り上げられた電気化学セル積重体を備えていて、電気化学セル積重体は、アノード端、カソード端、第１辺、及び当該第１辺とは反対側の第２辺、を有していてもよい。システムは、更に、アノード端に配置されている第１端板及びカソード端に配置されている第２端板を含み、第１端板と第２端板が電気化学セル積重体をそれらの間に挟むようにしており、第１辺の長さは第２辺の長さより長くなっていてもよい。気体が第１端板の第１辺に入り第１端板に沿って移動し第１端板の第２辺を出てゆき、気体が第２端板の第１辺に入り第２端板に沿って移動し第２端板の第２辺を出てゆくようになっていてもよい。
【００１５】
[0014]本開示の様々な実施形態は、次の態様、即ち、第１辺に入ってくる気体は第２辺を出てゆく気体より遅く動いている、第１辺での気体の遅い運動は保水を促進し第２辺での気体の速い運動は水損失を促進する、電気化学セル積重体は実質的に台形の形状を有している、電気化学セル積重体は燃料セル積重体である、第１端板に入ってくる気体は第２端板に入ってくる気体とは異なっている、及び第１端板に入る気体は水素を含み第２端板に入る気体は酸素を含む、のうちの１つ又はそれ以上を含んでいてもよい。
【００１６】
[0015]別の実施形態によれば、電気化学セルシステムが、複数の電気化学セルを含む電気化学セル積重体と、電気化学セル積重体のアノード端と、電気化学セル積重体のカソード端と、を備えていて、電気化学セル積重体は実質的に台形の幾何学を有していてもよい。
【００１７】
[0016]本開示の様々な実施形態は、次の態様、即ち、電気化学セル積重体の第１辺が電気化学セル積重体の第２辺より長くなっていて第１辺は第２辺の反対側に配置されている、空気が第１辺に第１速度で入り第２辺を第２速度で出てゆき第１速度は第２速度とは異なっている、第１速度は第２速度より遅くなっている、及び電気化学セル積重体は等脚台形様に成形されている、のうちの１つ又はそれ以上を含んでいてもよい。
【００１８】
[0017]実施形態の追加の目的及び利点は、一部は次に続く説明の中に述べられ、一部は説明から明らかにもなれば実施形態の実践により知られもしよう。実施形態の目的及び利点は、付随の特許請求の範囲に具体的に記載されている要素及び組合せを用いて実現され及び獲得されるであろう。
【００１９】
[0018]上記の概略的な説明及び次に続く詳細な説明はどちらも例示であり解説目的でしかなく、特許請求の範囲に記載の発明を限定するものではないことを理解されたい。
【００２０】
[0019]この明細書に組み入れられその一部を構成している添付図面は、本発明の実施形態を描いており、説明と一体で本発明の原理を解説する働きをする。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１Ａ】[0020]本開示の或る実施形態による例示としての電気化学セルの分解側面図を描いている。
【図１Ｂ】[0021]本開示の或る実施形態による図１Ａに示されている例示としての電気化学セルの分解斜視図を描いている。
【図２】[0022]本開示の或る実施形態による例示としての電気化学セルシステムの斜視図を描いている。
【図３】[0023]本開示の或る実施形態による図２に示されている例示としての電気化学セルシステムの模式図を描いている。
【図４】[0024]本開示の或る例示としての実施形態による電気化学セルシステム及び先行技術の電気化学セルシステムのカソードでの速度の差のグラフによる比較である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
[0025]以下に説明され添付図面に描かれている本開示の例示としての実施形態をこれより詳細に参照してゆく。図面全体を通して可能な場合は常に同じ部分又は同様の部分を指すのに同じ符号を使用することにする。
【００２３】
[0026]本開示はここでは燃料セル積重体のための台形幾何学の様な特定の用途向けの例示目的の実施形態を参照して説明されているが、ここに説明されている実施形態はそれらに限定されないものと理解しておきたい。当業者であってここに提供されている教示にアクセスできる者は、何れも本発明の範囲に入る追加の修正、応用、実施形態、及び等価物の代用を認知するであろう。例えば、ここに説明されている原理は、限定するわけではないが水素圧縮機、電解セル、水素精製機、及び水素膨張機を含む、何れの適した電気化学セルと共に使用されてもよい。加えて、本原理は、何れの適した用途（例えば、自動車用、携帯式、又は工業用の燃料セル用途）のための何れの適した型式の燃料セル（例えば、直接メタノール型、アルカリ型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、及び再生型の燃料セル）と共に使用されてもよい。従って、本発明は上記説明又は次に続く説明によって限定されると考えられてはならない。
【００２４】
[0027]本開示の他の特徴及び利点並びに潜在的利用は、添付図面を参照しての次に続く開示の説明から当業者には自明となるであろう。
【００２５】
[0028]図１Ａは本開示の或る実施形態による個別の電気化学セル１０を表している。図１Ａに示されている分解側面図では、セル１０は中央の電解質膜８を含んでいる。電解質膜８はアノード７Ａとカソード７Ｂの間に位置している。電解質膜８とアノード７Ａとカソード７Ｂは一体でＭＥＡ３を形成している。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へ分けられることになる。電子は電気回路（図示せず）を通ってカソード７Ｂへ流れ、その過程で電気を生成し、その間に陽子は電解質膜８を通ってカソード７Ｂへ渡る。カソード７Ｂで陽子は電子及びカソード７Ｂへ供給された酸素と反応して水と熱を発生させる。
【００２６】
[0029]電解質膜８はアノード７Ａをカソード７Ｂから電気的に絶縁することができる。電解質膜８は、例えばＰＥＭ膜を含む何れの適した膜であってもよい。電解質膜８は、純ポリマー膜で形成されていてもよいし、又は例えば、シリカ、ヘテロポリ酸、層状金属リン酸塩、リン酸塩、及びジルコニウムリン酸塩、をポリマー基質に埋め込んで含んでいる複合膜で形成されていてもよい。電解質膜８は、陽子に対しては透過性であるが、電子を伝導しない。アノード７Ａ及びカソード７Ｂは触媒を含有する多孔質炭素電極を含んでいてもよい。触媒材料である例えば白金又は何れかの他の適した材料は、酸素及び燃料の反応を捗らせることができる。
【００２７】
[0030]ＭＥＡ３の寸法及び形状は、セル１０の用途及び所与の負荷要件に依存して増加又は減少されてもよい。例えば、ＭＥＡ３の厚さ、長さ、又は幅は、所与の用途及び要件に従って調節することができる。加えて、アノード７Ａ及びカソード７Ｂの触媒材料濃度は、所与の用途に従って調節することができる。アノード７Ａ及びカソード７Ｂの触媒材料濃度及び電解質膜８の厚さはそれぞれＭＥＡ３の総厚に影響することもある。
【００２８】
[0031]幾つかの実施形態では、電気化学セル１０は、随意的に、ＭＥＡ３の各側に１つ又はそれ以上の電気伝導性の流れ構造５を含んでいてもよい。流れ構造５は、セル１０内での気体及び液体の輸送を可能にさせる拡散媒体として働くことができる。流れ構造５は、更に、電気伝導を促進し、電気化学セル１０からの熱及び水の除去を支援し、及び電解質膜８への機械的支持を提供する。流れ構造５は、例えば、流れ場、気体拡散層（ＧＤＬ）、又はそれらの何れか適した組合せ、を含んでいてもよい。流れ構造５は、「フリット」型焼結金属、層状構造体である例えばスクリーンパック及び展伸金属、及び三次元多孔質基板で形成されていてもよい。或る例示としての多孔質金属系基板は、異なる平均孔寸法を有する２つの別々の層から成っていてもよい。その様な流れ構造５は、例えば、ステンレス鋼、チタン、アルミニウム、ニッケル、鉄、及びニッケル−クロム合金、又はそれらの何れかの組合せの様な、例えば金属又は合金を含む何れの適した材料で形成されていてもよい。加えて、流れ構造５は、例えば、炭素、金、又は窒化チタンの様な耐食被覆など、適した被覆を含んでいてもよい。
【００２９】
[0032]流れ構造５及びＭＥＡ３の横に、セル１０は更に２つの双極板２Ａ、２Ｂを含んでいてもよい。双極板２Ａ、２Ｂは、セル１０を積重体内の隣り合う電気化学セル（図示せず）から分離することができる。幾つかの実施形態では、電気化学セル積重体内の２つの隣接するセル同士は共通の双極板を共有していてもよい。
【００３０】
[0033]双極板２Ａ、２Ｂは、電流収集器の役目を果たし、燃料及び酸化剤が各電極面に到達するためのアクセスチャネルを提供し、及び電気化学セル１０の作動中に形成される水を排出気体により除去するためのチャネルを提供している。双極板２Ａ、２Ｂは、更に、例えば、水、グリコール、又はそれらの組み合わせ、の様な冷却流体のためのアクセスチャネルを提供していてもよい。双極板２Ａ、２Ｂは、アルミニウム、鋼、ステンレス鋼、チタン、銅、ニッケル−クロム合金、黒鉛、又は何れかの他の適した電気伝導性材料又は材料の組合せ、から作られていてもよい。
【００３１】
[0034]図１Ｂは、ＭＥＡ３及び端板２Ａ、２Ｂを含む電気化学セル１０の斜視分解図を描いている。図１Ｂに明示されている様に、セル１０は台形の幾何学を有している。而して、端板２Ａ、２Ｂの各々、アノード７Ａ、カソード７Ｂ、及び電解質膜８は、実質的に台形の形状を有している。この形状及び電気化学セル１０への効果の詳細は矩形電気化学セルに比較して以下に更に論じられている。
【００３２】
[0035]図２は、本開示の実施形態による或る例示としての電気化学セルシステム２０を描いている。個々のセル１０は電気化学セル積重体１１を形成するように直列に積重されていてもよい。積重体１１は何れの適した数のセル１０で構成されていてもよい。積重体１１は、積重体１１の各端に配置されている端板１２Ａと端板１２Ｂの間に配置させることができる。端板１２Ａ、１２Ｂは、適度な圧縮強度を有する何れの適した金属、プラスチック、又はセラミック材料で形成されていてもよく、例えば、アルミニウム、鋼、ステンレス鋼、鋳鉄、チタン、塩化ポリビニル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロン、ポリエーテルエーテルケトン、アルミナ、又はそれらの何れかの組合せ、で形成されていてもよい。幾つかの実施形態では、積重体１１及び端板１２Ａ、１２Ｂは、適した圧縮システム例えば圧縮フレーム内に、又は圧縮ロッド間又は圧縮帯間に、収納されていてもよい。
【００３３】
[0036]システム２０及び電気化学セル積重体１１の形状は、電気化学セル効率を促進するように選定されている。以上に論じられている様に、電気化学セルによって発生させる電圧の効率及び量は少なくとも一部には空気化学量論的流量に依存することもある。例えば、低い化学量論値は、反応現場の反応物質不足に因って電気化学セルの性能を引き下げる可能性がある。他方、高い化学量論値は、貧弱な湿度制御及び過剰な圧縮エネルギーを生じさせることもある。従って、電気化学セルを通る気体の流れを制御及び管理することが望ましく、酸素及び水素を既定の流量で電気化学セルへ送達し電気化学セルを通過させるようにしている。幾つかの実施形態では、この流量は、電気化学セルシステム２０の諸区域内の異なる要件を反映するように電気化学セル積重体１１の諸部分に亘って変えられていてもよく、例えばカソードとアノードで又は空気入口と空気出口で変えられていてもよい。幾つかの実施形態では、例えば、空気出口が空気入口よりも速く動く空気を取り扱うのに適していてもよいし、又は電気化学セル積重体１１のカソード側がアノード側よりも速く動く空気を取り扱うのに適していてもよい。更に、異なる量及び異なる流量の空気を電気化学セルの異なる部分へ例えばシステム２０の異なるパワー需要に適合する時間に亘って供給するのが望ましいであろう。
【００３４】
[0037]図２の例示としての実施形態では、システム２０は実質的に台形の形状を有している。図１Ｂに示されている様に、個々のセル１０それぞれは実質的に台形の形状を有しており、個々の台形セル１０は直列に積重されてシステム２０を形成している。システム２０の積重体１１は、例えば２つ乃至３つのセル１０から数百個のセルまで、何れの適した数のセル１０を含んでいてもよい。また、電気化学セルシステム２０は等脚台形として示されているが、当業者には理解される様に、システム２０は固有の長さの辺を有する何れの形状をしていてもよく、例えば長辺と短辺が互いに中心合わせされていなくて、それらは代わりにオフセットしていてもよい。
【００３５】
[0038]台形セル積重体１１はアノード側２５とカソード側２６を含んでいる。水素気体又は空気がアノード側２５へ導入され、そこで化学反応を受ける。水素陽子は電気化学セル積重体１１を通ってカソード側２６へ渡る。更に、酸素がカソード２６へ導入され、水素陽子と反応して水と熱を形成する。
【００３６】
[0039]水素及び／又は酸素を含む気体類はアノード側２５及びカソード側２６へ端板１２Ａ、１２Ｂを介して導入される。例えば気体類は端板１２Ａ、１２Ｂの開口部の中へ導入されていてもよい。気体類は、図１Ａに示されている様に、端板１２Ａ、１２Ｂの開口部の中へ積重体１１のセル１０に実質的に直角の角度で入り、大凡９０度向きを換え、セル１０の長さに沿って平行に走り、次いで再度実質的に９０度向きを換えて端板１２Ａ、１２Ｂの他方の開口部を出る。幾つかの実施形態では、端板１２Ａ、１２Ｂは、溝、リッジ、開口部、又は気体類の流れを方向決めする他の幾何学を含んでいてもよい。例えば、端板１２Ａ、１２Ｂの幾何学は、気体類を実質的に直線様式に、蛇行方向に、流れさせるようになっていてもよいし、又は乱流又は滑らかな流れを生じさせるか又は何れかの他の適した方式に生じさせるようになっていてもよい。
【００３７】
[0040]幾つかの実施形態では、水素はアノード２５に隣接する端板１２Ａへ導入され、酸素はカソード２６に隣接する端板１２Ｂへ導入されてもよいし、又はその逆であってもよい。幾つかの実施形態では、異なる気体類が例えば端板１２Ａ、１２Ｂの異なる開口部に導入されてもよい。様々な気体の入ってくる場所及び出てゆく場所は、少なくとも一部には、気体反応物質を双極板に沿って又はシステム２０を廻って分配するマニホールドの構成に依存することもある。
【００３８】
[0041]質量保存に従って、システムに入ってくる空気の質量はシステムを去るか又はシステム内で蓄積又は使用されるかのどちらかとなるはずであり、実際には作成も破壊もされない。これは質量平衡と呼称されることが多い。而して、システム２０を出てゆく空気の量は入ってくる空気の量からシステム２０内で起こる何れかの反応で消費される量を引いたものに実質的に等しい。少なくとも一部にはこのこと及び流体力学の原理に基づき、システム２０の台形形状は、システム２０の長辺に入ってくる空気が低速度で移動できるようにし、システム２０の短辺に入ってくる空気が高速度で移動できるようにしている。
【００３９】
[0042]空気流量は電気化学セルシステム２０内の水の量に影響を及ぼすこともあり、例えば、適正な水和を促進したり又は電気化学セルからの発生した水の除去を促進したりする。台形の長辺及びその結果得られるより低い空気速度は、当該辺が膜加湿を促進するのを可能にさせる。より速く動く空気は蒸発速度を増加させるので、長辺に導入される乾燥反応物質の速度を遅くすることはＰＥＭから失われる湿分の量を減少させる。ＰＥＭ８の適正湿度を維持することは、ＰＥＭ８が乾ききって損傷を来たし及び／又はイオン移動にとって不適切な伝導性を生じさせひいては電気化学セルによって発生させるパワーの低下を生じさせてしまうのを防止する。従って、システム２０のより長い長辺は電気化学セル効率を改善することになる。
【００４０】
[0043]反対に、以上に論じられている様に、水素陽子はカソード側で酸素と反応し、水を廃棄物として形成し、液体又は蒸気の水をシステム２０内に積もらせる。而して、システム２０の短辺及び結果として得られるより速い空気速度は、短辺からの余分な水の除去を促進することになる。短辺から水を除去することは望ましい、というのも、ＰＥＭ８の溢れもまた同様にイオン移動にとって不適切な伝導性を生じさせ、酸素がカソードへ到達できないようにし、同様に電気化学セル性能を引き下げてしまうからである。従って、システム２０の短辺も同様に、水を排出気体湿分の形態で除去することによって電気化学セル効率を改善することになる。
【００４１】
[0044]従って、システム２０の長辺に沿って気体類を導入することは気体入力領域での保水を促進し、気体類が短辺に沿って出てゆけるようにすることは端板１２Ａ、１２Ｂの気体出口領域での水除去を促進することになる。また、幾つかの実施形態では、空気の流れを使用して電気化学セル内の温度又は圧力の制御が促進されるようにしてもよい。
【００４２】
[0045]図３は、或る例示としての実施形態での電気化学セルシステム２０に入ってくる及び出てゆく空気の流れを模式的に表したものである。Ｖ１と表示された矢印は、第１長さ（Ｌ１）を有するシステムの長辺に入ってくる空気の速度を指し示している。Ｖ２と表示された矢印は、Ｌ１より短い第２長さ（Ｌ２）を有するシステム２０の短辺を出てゆく空気の速度を指し示している。速度Ｖ２は速度Ｖ１よりも高くなっている。幾つかの実施形態では、長辺の長さ（Ｌ１）と短辺の長さ（Ｌ２）と長辺での空気の速度（Ｖ１）と短辺での空気の速度（Ｖ２）の間の関係は、
【００４３】
【数１】
2016531397.tif 000003
【００４４】
と記述することができる。
【００４５】
[0046]図４は、本開示の或る例示としての実施形態による台形セルと伝統的な矩形セルのカソードでの速度の差を比較した例示としてのモデルをグラフで表している。計算に当たって矩形電気化学セルの気体入口辺と気体出口辺をともに２２０ｍｍであるものと想定している。更に、台形電気化学セルは３００ｍｍの長さの気体入口辺と１４０ｍｍの長さの気体出口辺を有している。
【００４６】
[0047]電気化学セル２０は随意的に１つ又はそれ以上の空気圧縮器を含んでいてもよい。圧縮器は、積重体１１の中へ進んでゆく空気の空気圧力及び流れの向上した調整及び管理を提供して電気化学セル１０への損傷を防止するので、システム２０の幾何学形状の有益性を増補することになる。システム２０は、何れの適した数又は型式の空気圧縮器を含んでいてもよく、例えば、往復式、回転スクリュー式、単段式、又は多段式、の様な型式の空気圧縮器を含んでいてもよい。幾つかの実施形態では、圧縮器はシステム２０の外部の供給源から空気を受け入れ圧縮していてもよい。例えば、圧縮器は、空気を圧縮器へ送達するように構成されている反応物質供給源（図示せず）へ作動可能に連結されていてもよいし、又は周囲環境から空気を引き入れていてもよい。幾つかの実施形態では、圧縮器は積重体１１を出てゆく空気がシステム２０へ再送達されるように空気を再循環させるように構成されていてもよい。幾つかの実施形態では、圧縮器はこれらの供給源の１つ又はそれ以上から空気を受容するように構成されていてもよい。幾つかの実施形態では、圧縮器が空気を引き出す元の供給源は、１つ又はそれ以上の要因、例えば、利用可能性、温度、圧力、又は湿度、に従って変えられてもよい。
【００４７】
[0048]電気化学セルシステム２０の実質的に台形の構成は、標準的な矩形の電気化学セルによって典型的に得られる値に対して反応物質化学量論を小さくすることができる。空気化学量論が小さくなると、今度は、水素再循環装置の設計が簡単になる。例えば、空気化学量論が小さくなると、空気圧縮器が空気を電気化学セルシステム２０の積重体の中へ送るのに必要なパワーの量を減らすことができる。空気圧縮器パワーの削減は電気化学セル効率を促進し、他の幾何学形状に勝る技術的な有益性を提供することができる。例えば、以下の表は、本開示の或る実施形態による或る例示としての台形電気化学セルシステムの効率を標本としての矩形電気化学セルシステムと比較している。
【００４８】
【表１】
2016531397.tif 000004
【００４９】
[0049]積重体１１の電気化学セル１０内の膜８の湿度を更に調整するために、システム２０は１つ又はそれ以上の加湿器を更に含んでいてもよい。積重体１１へ送達される空気の一部又は当該空気の全部が電気化学セル積重体１１に入る前にまず加湿器を通過するようになっていてもよい。圧縮器と加湿器を両方含む幾つかの実施形態では、空気の一部は積重体１１に到達する前に圧縮器からまず加湿器へ渡される。代わりに又は追加的に、空気の一部又は当該空気の全部が積重体１１から吐き出され、そうして積重体１１に再進入する前に加湿器及び／又は圧縮器を通過するようになっていてもよい。例えば、湿潤空気が積重体１１から吐き出され加湿器に入り、圧縮器からの乾燥空気が加湿器に入るようになっていてもよい。
【００５０】
[0050]この様に、１つ又はそれ以上の加湿器又は圧縮器若しくは何れかの適した装置を実質的に台形の電気化学セルシステム２０と関連付けて使用し、空気管理及び電気化学セル効率を更に促進させるようにしてもよい。加えて、システム２０は、何れかの適したパラメータ、例えば、空気圧力、湿度、流れの速さ、又は温度、を測定するための何れかの適した測定装置を含んでいてもよい。更に、システム２０は、電気化学セル積重体１１を通る空気の流れを手動又は自動のどちらかで監視及び／又は制御するように構成されている１つ又はそれ以上の制御器を含んでいてもよい。
【００５１】
[0051]本開示の多くの特徴及び利点は詳細な明細書から明らかであり、而して、付随の特許請求の範囲によって、本開示の特徴及び利点において本開示の真の精神及び範囲内に入る全てのその様な特徴及び利点を対象とすることを意図している。また、数多くの修正及び変型が当業者には容易に想起されるはずであることから、本開示を例示され説明されているその通りの構成及び作動に限定することは望ましくなく、従って、本開示の範囲内に入る全ての適した修正及び等価物が講じられる余地がある。
【００５２】
[0052]更に、当業者には認識される様に、本開示の基となる概念は、本開示の幾つかの目的を実施するに当たって他の構造、方法、及びシステムを設計するための基礎として容易に使用することができる。従って、特許請求の範囲は上記の説明によって限定されると考えられてはならない。
【符号の説明】
【００５３】
２Ａ、２Ｂ  双極板、端板
３  ＭＥＡ
５  流れ構造
７Ａ  アノード
７Ｂ  カソード
８  電解質膜
１０  電気化学セル
１１  電気化学セル積重体
１２Ａ、１２Ｂ  端板
２０  電気化学セルシステム
２５  アノード側
２６  カソード側
Ｖ  速度
Ｌ  長さ
【図１Ａ】
2016531397.tif 000005
【図１Ｂ】
2016531397.tif 000006
【図２】
2016531397.tif 000007
【図３】
2016531397.tif 000008
【図４】
2016531397.tif 000009
【国際調査報告】
2016531397.tif 000010
2016531397.tif 000011