対称形分流板
本発明は、電気化学セルにおける使用に適した分流板設計に関する。本発明の諸実施形態の態様に従うと、全く単一のプレートからなるバイポーラ分流板が提供される。また。本発明の諸実施形態のある態様に従うと、陽極及び陰極に各々対応する活性表面は互いに略同一であり、別の実施形態ではそれぞれの活性表面は鏡像化や１８０度回転等による変換後に同一となる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、米国仮出願番号第６０／４７０、８６９（２００３年５月１６日出願）について優先権を主張する。当該仮出願を、参照することを以って本明細書に援用するものとする。
【０００２】
本発明は電気化学セルに関し、より詳しくは、電気化学セルにおける使用に適した分流板（flow field plate）設計に関する。
【背景技術】
【０００３】
本明細書でいう電気化学セルとは、燃料電池あるいは電気分解（電解槽）セルとして構成できる電気化学反応器である。実際には、同一タイプの多数の電気化学セルを、プロセスガス／プロセス流体の供給、排出、電気接続、調節装置等の、共通機能を有する積層体として構成し得る。電気化学セルは、いずれのタイプにおいても、陽極電極及び陰極電極を含む。電極は分流板の形態をなすことがある。薄膜、すなわち別の固体電解質キャリアが２つの電極間に挟持される。通常、各電極と薄膜との界面に触媒層が塗布される。なお、以下の説明において、分流板の形態をなす陽極電極及び陰極電極に関して用いる指示語「前面」「後面」は、特定の分流板の薄膜に対する向きを表す。従って、「前面」は、薄膜と対向する活性面を指し、「後面」は薄膜に対向しない非活性面を指す。
【０００４】
プロセスガス／プロセス流体（反応物質及び生成物質を含む）は、特定の分流板の前面における活性領域内に配置された流場構造を介して薄膜表面に対し供給・排出される。確実な動作を保証するため、陽極分流板のプロセスガス／プロセス流体と陰極分流板のプロセスガス／プロセス流体とは分離される必要がある。また、薄膜の表面領域の効率的な利用のため、反応プロセスガス／プロセス流体を活性領域全体に可能な限り均一に拡散させることが望ましい。こうした要求は、一般的に、活性領域全体にわたりガス／流体を効率よくシール・分配するフローチャネルパターンを含む流場構造の配置により満たされる。電気化学セルでは、必要に応じて、熱放散を補助する目的でいくつかの分流板の後面に冷却剤チャネルを設けている。
【０００５】
また、通常、各分流板は多数のマニホルドもしくはオープニングを備える。マニホルドは、それぞれ燃料、酸素、冷却剤、排出物質のいずれかに用いる長尺分配チャネルの一部として機能する。かかる流場構造は、少なくとも１つ、多くの場合多数、の露出されたフローチャネルを介して、マニホルドと適宜流体連通する。電気化学セル積層体を組み立てると、分流板のマニホルドは位置合わせされ、分流板との直交方向に延在する長尺分配チャネルを形成する。
【０００６】
様々な流場構造設計が知られている。公知の蛇行型流場構造は米国特許第４，９８８，５８３号、第６，０９９，９８４号、第６，３０９，７７３号に開示されている。これらの特許に開示された蛇行型流場構造では、分流板寸法を増大させることなくフローチャネルを延長できる。しかし、このような設計に特有の問題が数多く存在する。蛇行型フローチャネル構造では均一なガス／流体分配が行われず。分流板全体に大幅な圧力降下を招く。このため、比較的低い圧力下で動作する場合の電気化学セル性能が低下する。蛇行型流場構造においてはガス／流体の流れが乱流化しやすく、反応ガス／流体の流れ、圧力あるいは温度の制御が困難となる。更に、蛇行型流場構造には、水や汚染物質が蓄積する空間ができやすく、電気化学セルの浸水及び／又は中毒の発生リスクが高まる。
【０００７】
また、多くの流場設計に関わる問題として、プレートの組立時において、陽極分流板上の流場構造を画定するリブ及びチャネルと、陰極分流板上の流場構造を画定するリブ及びチャネルとの間にオフセットが発生することが多い点が挙げられる。プレートには圧力がかかることが多く、プレート間の薄膜にせん断力がかかって薄膜の損傷を招くことがある。また、陽極流場構造と陰極流場構造との間に発生するオフセットによって分流板の活性領域全体における反応ガス／流体の分配が妨害され、効率低下を招く。
【０００８】
更に、電気化学セル内において、陽極を陰極から密閉することは、多くの場合複雑なプロセスであるという問題がある。任意の１種類の反応ガス／流体について、流場構造全体、及び第一の分流板（例えば、陽極）の対応する前面上の反応ガス／流体のインレットマニホルド及びアウトレットマニホルドを完全に密封するシールを設けることができる。しかし、薄膜の反対側において、第一の分流板上の反応ガス／流体のインレットマニホルド及びアウトレットマニホルドに対応する第二の分流板（例えば、陰極）上のインレットマニホルド及びアウトレットマニホルドを完全に密封するシールを設けることが必要である。この構成では、薄膜の一部が適切に支持されず、陽極は陰極から十分に密閉されない。これにより陽極と陰極との間でガスの混合が発生する。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一実施形態の第一態様によると、陽極分流板の活性表面及び陰極分流板の活性表面、並びにバイポーラ分流板の２つの活性表面の製造に適した単一の製造マスクが提供される。単一の製造マスクは、活性領域を含む第一の領域、第一のマニホルドを含む第二の領域、第二のマニホルドを含む第三の領域、及び第一、第二、第三の領域を相互に分離するシール面、を定義するための特徴を含み、第一、第二、第三の領域は前記活性表面上に対称的に配置されている。関連する諸実施形態では、シール面はガスケット溝を含む。
【００１０】
ある実施形態において、単一の製造マスクは、第三の領域の一部にわたって第一のマニホルドと流体連通する第一の相補形活性表面供給フローアパーチュア、及び、第一の領域内に形成されると共に、第一の領域の一部にわたって活性領域と流体連通する第二の相補形活性表面供給フローアパーチュア、を定義するための特徴を更に含む。
【００１１】
ある実施形態では、単一の製造マスクは、第三のマニホルドを含む第四の領域、及び、第四のマニホルドを含む第五の領域、を定義するための特徴を含み、第一、第二、第三、第四、第五の領域はシール面により相互に分離され、第一、 第二、 第三、 第四、第五の領域は、各々第一、 第三、 第二、 第五、第四の領域の像配置を１８０度回転させた配置に対応するよう配置され、これにより、第一、 第二、 第三、 第四、第五の領域に存在する特徴は、各々第一、 第三、 第二、 第五、第四の領域に存在する特徴の像と対応している。関連する諸実施形態において、単一の製造マスクは、第四の領域の一部にわたって第三のマニホルドと流体連通する第三の相補形活性表面供給フローアパーチュア、及び、第一の領域内に形成されると共に、第一の領域の一部にわたって活性領域と流体連通する第四の相補形活性表面供給フローアパーチュア、を定義するための特徴を更に含む。
【００１２】
ある実施形態では、単一の製造マスクは、第一の領域内に形成されると共に、第一の領域の一部にわたって活性領域と流体連通する第一の背面供給フローアパーチュア、及び、第一の領域内に形成されると共に、第一の領域の一部にわたって活性領域と流体連通する第二の背面供給フローアパーチュア、を定義するための特徴を更に含む。
【００１３】
ある実施形態では、単一の製造マスクは、インレット冷却剤マニホルド、及び、アウトレット冷却剤マニホルド、 を定義するための特徴を更に含み、シール面は、インレット冷却剤マニホルドとアウトレット冷却剤マニホルドを相互に、且つ第一、第二、第三の領域から分離すべく延在する。関連する諸実施形態では、単一の製造マスクに対応する第二の製造マスクが提供される。第二の製造マスクは、陽極分流板及び陰極分流板の両方の対向する非活性表面の製造に適しており、第二のマスクは、インレット冷却剤マニホルド及びアウトレット冷却剤マニホルドと流体連通する冷却剤チャネルを定義するための特徴を含む。
【００１４】
ある実施形態では、活性表面の第一の領域の下に形成されると共に、第一のマニホルドと流体連通する第一の背面供給フローアパーチュアを定義する特徴を更に含む、単一の製造マスクに対応する第二の製造マスクが提供される。
【００１５】
本発明の一実施形態の一態様によると、電気化学セルにおける使用に適した分流板が提供される。分流板は、第一の領域、第二の領域、第三の領域を有する活性表面、第一の領域内の活性領域、第一の領域内に形成されると共に、分流板の厚さ方向に延在し、且つ、第一の領域の一部にわたって活性領域と流体連通する第一の相補形活性表面供給フローアパーチュア、第二の領域内の第一のマニホルド、第三の領域内の第二のマニホルド、使用の際にプロセスガス及びプロセス流体の少なくとも一方が活性領域に導入されることなく活性表面の一部を横断するよう、第三の領域内に形成されると共に、分流板の厚さ方向に延在し、且つ、第三の領域の一部にわたって第二のマニホルドと流体連通する第二の相補形活性表面供給フローアパーチュア、及び、第一、第二、第三の領域を相互に分離するシール面を有する。関連する諸実施形態では、第一、第二、第三の領域は活性表面上に対称的に配置される。関連する諸実施形態では、活性領域はプロセスガス及びプロセス流体のいずれかを活性領域全体にわたって均一に分配するための流場構造を含む。関連する諸実施形態では、シール面はガスケット溝を含む。
【００１６】
ある実施形態では、活性表面は、シール面によって第一、第二、第三の領域から分離された第四の領域、第四の領域内の第三のマニホルド、及び、第一の領域内に形成されると共に、分流板の厚さ方向に延在し、且つ、第一の領域の一部にわたって活性領域と流体連通する第二の相補形活性表面供給フローアパーチュアを更に含む。関連する諸実施形態では、活性表面は、シール面によって第一、第二、第三、第四の領域から分離された第五の領域、第五の領域内の第四のインレットマニホルド、及び、使用の際にプロセスガス及びプロセス流体の少なくとも一方が活性領域に導入されることなく活性表面の一部を横断するよう、第五の領域内に形成されると共に、分流板の厚さ方向に延在し、且つ、第五の領域の一部にわたって活性領域と流体連通する第四の相補形活性表面供給フローアパーチュアを更に含む。関連する諸実施形態では、第一、第二、第三、第四、第五の領域は活性表面上に対称的に配置される。
【００１７】
ある実施形態において、分流板は、活性表面と反対側に対向すると共に、冷却剤チャネルを有する非活性後面、非活性後面の一部にわたって冷却剤チャネルと流体連通するインレット冷却剤マニホルド、非活性後面の一部にわたって冷却剤チャネルと流体連通するアウトレット冷却剤マニホルド、及び、分流板の活性表面において、シール面によって相互に、且つ第一、第二、第三の領域から分離されているインレット冷却剤マニホルド及びアウトレット冷却剤マニホルドを更に含む。
【００１８】
ある実施形態において、活性表面は、シール面によって第一、第二、第三の領域から分離された第四の領域、第四の領域内の第三のマニホルド、及び、使用の際にプロセスガス及びプロセス流体の少なくとも一方が活性領域に導入されることなく活性表面の一部を横断するよう、第四の領域内に形成されると共に、分流板の厚さ方向に延在し、且つ、第四の領域の一部にわたって第三のマニホルドと流体連通する、第三の相補形活性表面供給フローアパーチュアを更に含む。
【００１９】
関連する諸実施形態では、第一、第二、第三、第四のマニホルドは、それぞれ陽極インレットマニホルド、陰極インレットマニホルド、陽極アウトレットマニホルド及び陰極アウトレットマニホルドとして指定されている。
【００２０】
関連する諸実施形態では、陽極インレットマニホルドは陰極インレットマニホルドよりも大きい。別の実施形態では、陰極インレットマニホルドは陽極インレットマニホルドよりも大きい。更に、ある実施形態では、陽極アウトレットマニホルドは陰極アウトレットマニホルドよりも大きい。あるいは、別の実施形態では、各マニホルドのサイズは等しい。
【００２１】
関連する諸実施形態では、第一、第二、第三、第四のマニホルドは、それぞれ陰極インレットマニホルド、陽極インレットマニホルド、陰極アウトレットマニホルド及び陽極アウトレットマニホルドとして指定されている。
【００２２】
本発明の別の実施形態の一態様によると、２つの隣接する電気化学セルを含む、電気化学セル積層体が提供される。２つの電気化学セルは、第一の活性表面と第二の活性表面を有するバイポーラ分流板を協同で共有する。第一の活性表面は２つの隣接する電気化学セルのうち一方の陽極として、第二の活性表面は２つの隣接する電気化学セルのうち他方の陰極として機能し、各活性表面はそれぞれ活性領域を有する。バイポーラ分流板は第一のマニホルドを有し、バイポーラ分流板は第一の相補形活性表面供給フローアパーチュアを有し、該第一の相補形活性表面供給フローアパーチュアは、バイポーラ分流板の厚さ方向に延在し、第二の活性表面の一部にわたって第一のマニホルドと流体連通し、且つ、第一の活性表面の一部にわたって第一の活性表面の活性領域と流体連通し、これにより、使用の際、第一の活性表面の活性領域から、もしくは第一の活性表面の活性領域へ流動するプロセスガス及びプロセス流体の少なくとも一方が、第二の活性表面の活性領域に導入されることなく第二の活性表面の一部を横断する。
【００２３】
ある実施形態では、分流板は、第二のマニホルド、及び、バイポーラ分流板の厚さ方向に延在すると共に、第一の活性表面の一部にわたって第二のマニホルドと流体連通し、且つ、第一の活性表面の一部にわたって第一の活性表面の活性領域と流体連通し、これにより、使用の際、第二の活性表面の活性領域から、もしくは第二の活性表面の活性領域へ流動するプロセスガス及びプロセス流体の少なくとも一方が、第一の活性表面の活性領域に導入されることなく第一の活性表面の一部を横断する、第二の相補形活性表面供給フローアパーチュアを更に含む。
【００２４】
ある実施形態では、バイポーラ分流板は、背面合わせに結合された２つの別々のプレートで構成されている。２つの別々のプレートは、第一の活性表面が一方のプレートに、第二の活性表面が他方のプレートに存在するよう製造される。
【００２５】
本発明の一実施形態の別の態様によれば、電気化学セルにおける使用に適したバイポーラ分流板が提供される。バイポーラ分流板は、第一のシール面によってそれぞれ分離された第一、第二、第三の領域を有する第一の活性表面と、第一の活性表面と対向配置されると共に、第二のシール面によってそれぞれ分離された第四、第五、第六の領域を有する第二の活性表面と、第一の領域内の第一の活性領域と、第四の領域内の第二の活性領域と、第二の領域から第五の領域にかけてバイポーラ分流板内に延在する第一のマニホルドと、第三の領域から第六の領域にかけてバイポーラ分流板内に延在する第二のマニホルドと、第一の領域から第五の領域にかけてバイポーラ分流板内に延在すると共に、第五の領域の一部にわたって第一のマニホルドと流体連通し、且つ、第一の領域の一部にわたって第一の活性領域と流体連通する第一の相補形活性表面供給フローアパーチュアと、第三の領域から第四の領域にかけてバイポーラ分流板内に延在すると共に、第三の領域の一部にわたって第二のマニホルドと流体連通し、且つ、第四の領域の一部にわたって第二の活性領域と流体連通する第二の相補形活性表面供給フローアパーチュアと、を有する。関連する実施形態では、第一、第二、第三の領域は、それぞれ第四、第五、第六の領域の鏡像配置に相当するよう第一の活性表面上に配置され、これにより、第一、第二、第三の領域に存在する特徴は、それぞれ第四、第五、第六の領域の特徴の鏡像に相当する。
【００２６】
ある実施形態では、 バイポーラ分流板は、第一のシール面によって第一、第二、第三の領域から分離された、第一の活性表面上の第七の領域、第二のシール面によって第四、第五、第六の領域から分離された、第二の活性表面上の第八の領域、第七の領域から第八の領域にかけてバイポーラ分流板内に延在する第三のマニホルド、第一の領域から第八の領域にかけてバイポーラ分流板内に延在すると共に、第八の領域の一部にわたって第三のマニホルドと流体連通し、且つ、第一の領域の一部にわたって第一の活性領域と流体連通する第三の相補形活性表面供給フローアパーチュア、を更に含む。関連する実施形態では、第一、第二、第三、第七の領域は、それぞれ第四、第五、第六、第八の領域の鏡像配置に相当するよう第一の活性表面上に配置され、これにより、第一、第二、第三、第七の領域に存在する特徴は、それぞれ第四、第五、第六、第八の領域の特徴の鏡像に相当する。
【００２７】
ある実施形態では、バイポーラ分流板は、第一のシール面によって第一、第二、第三、第七の領域から分離された、第一の活性表面上の第九の領域、第二のシール面によって第四、第五、第六、第八の領域から分離された、第二の活性表面上の第十の領域、第九の領域から第十の領域にかけてバイポーラ分流板内に延在する第四のマニホルド、第四の領域から第九の領域にかけてバイポーラ分流板内に延在すると共に、第九の領域の一部にわたって第四のマニホルドと流体連通し、且つ、第四の領域の一部にわたって第二の活性領域と流体連通する第四の相補形活性表面供給フローアパーチュア、を更に含む。関連する実施形態では、第一、第二、第三、第七、第九の領域は、それぞれ第四、第五、第六、第八、第十の領域の鏡像配置に相当するよう第一の活性表面上に配置され、これにより、第一、第二、第三、第七、第九の領域に存在する特徴は、それぞれ第四、第五、第六、第八、第十の領域の特徴の鏡像に相当する。
【００２８】
ある実施形態では、第一、第二、第三、第七、第九の領域は、各々第一、 第四、第十、第八、第六、第五の領域の像配置を１８０度回転させた配置に対応するよう配置され、これにより、第一、第二、第三、第七、第九の領域に存在する特徴は、各々第四、第十、第八、第六、第五の領域の領域に存在する特徴の、１８０度回転された像と対応している。
【００２９】
ある実施形態では、第一の活性表面と第二の活性表面は、単一のプレートの反対側の面に存在する。
【００３０】
ある実施形態では、第一の活性表面は第一のプレート上に存在し、第二の活性表面は第二のプレート上に存在し、第一のプレートと第二のプレートとは、第一の活性表面と第二の活性表面とが反対側を向くよう接続可能である。関連する実施形態では、バイポーラ分流板は、第一のプレート及び第二のプレートの両方に延在するインレット冷却剤マニホルド、第一のプレート及び第二のプレートの両方に延在するアウトレット冷却剤マニホルドを更に含む。インレット冷却剤マニホルド及びアウトレット冷却剤マニホルドは、第一のプレートに存在する第一の活性表面上の第一のシールによって相互に、且つ第一、第二、第三の領域から分離されている。また、アウトレット冷却剤マニホルドは、第二のプレートに存在する第二の活性表面上の第二のシールによって相互に、且つ第四、第五、第六の領域から分離されている。第一のプレート及び第二のプレートの少なくとも一方は、第一の活性表面もしくは第二の活性表面のそれぞれ反対側に対向する非活性後面を更に含み、非活性表面は、非活性後面の各部分にわたってインレット冷却剤マニホルド及びアウトレット冷却剤マニホルドと流体連通する冷却剤チャネルを有する。
【００３１】
ある実施形態では、第一の活性領域及び第二の活性領域上に含まれる流場構造は略同一であり、別の実施形態では略同一でない。
【００３２】
ある実施形態では、第一、第二、第三の領域は第一の活性表面上に対称的に配置され、第四、第五、第六の領域は第二の活性表面上に対称的に配置される。
【００３３】
ある実施形態では、第一、第二、第三、第七、第九の領域は第一の活性表面上に対称的に配置され、第四、第五、第六、第八、第十の領域は第二の活性表面上に対称的に配置される。
【００３４】
本発明のその他の態様及び特徴は、以下に記載する本発明の特定の実施形態の説明より、当業者には明らかとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
本発明への理解を深め、本発明の実施方法を明確にする目的で、本発明の諸実施形態の態様を例示した添付図面を参照する。
【００３６】
本願と同一出願人になる同時係属中の米国特許出願第１０／１０９，００２号（２００２年３月２９日出願）に記載された実施形態に従った流場構造及びプレート配置の態様を利用して、薄膜にかかるせん断力の低減、及び分流板間のシールの簡素化を図ることができる。当該特許出願の全内容を、参照することを以って本明細書に援用するものとする。陽極分流板は、リブにより画定される多数の陽極流場チャネル（すなわち、陽極流場構造）を含む。同様に、陰極分流板は、リブにより画定される多数の陰極流場チャネル（すなわち、陰極流場構造）を含む。組み立てられた状態では、陽極流場チャネルと陰極流場チャネルの相当な部分が、薄膜を介して相互に対向配置される。従って、陽極分流板のリブの相当な部分が、陰極分流板のリブの対応する相当な部分と一致する。本明細書ではこのことを「リブ−リブ」パターンマッチングと呼ぶこととする。
【００３７】
更に、本願と同一出願人になる同時係属中の米国特許出願第０９／８５５，０１８号（２００１年５月１５日出願）に記載されている諸実施形態に従った分流板配置を利用して、両分流板と、その間に配置される薄膜との間を効果的に密閉することができる。当該特許出願の全内容を、参照することを以って本明細書に援用するものとする。この実施形態では、各マニホルドからの特定のプロセスガス／プロセス流体の流入は、分流板の前（活性）面全体にわたって直接発生するのではなく、プロセスガス／プロセス流体は、まず各マニホルドから分流板の後（非活性）面の一部に導かれ、その後、後面から前面にかけて延在する「背面送り」アパーチュアを通過する。組み立てられた電気化学セル積層体において、前面の一部は、前面全体にわたって各マニホルドから密閉状態で分離された活性領域を画定する。プロセスガス／プロセス流体の流入が発生する後面の一部は、各マニホルドと流体連通する露出されたガス／流体流場チャネルを有する。背面送りアパーチュアは後面から前面にかけて延在し、活性領域と、各マニホルドと流体連通する、露出されたガス／流体流場チャネルとの間に流体連通を確立する。背面送りアパーチュアは、分流板の前面の、分流板が薄膜と接触する活性領域から離れた箇所に配置される。このようにすると、例えば、薄膜と分流板との間のシールは、薄膜の周囲を囲む間断のない経路として形成される。従来技術の例では、分流板の前面上における、一般に薄膜の周囲を囲む、薄膜と活性領域との間のシールは、分流板の前面上の活性領域から各マニホルドに導かれる露出された流場チャネルによって遮られる。これに対し、前出の本願と同一出願人になる同時係属中の米国特許出願によれば、プロセスガス／プロセス流体は、背面送りアパーチュアと各マニホルドとを囲むようにシールが形成された各分流板の後面から、背面送りアパーチュアを通って、前面上の活性領域に送られる。流体を後（非活性）面から前（活性）面に流動させるこの方法を、本明細書では「背面送り」と呼ぶ。当業者には、ガス／流体は前面の活性領域から後面へ、そして同様にして別の各マニホルドへ退避させ得ることが理解されよう。
【００３８】
それにも関わらず、ここで使用される分流板構造と薄膜アセンブリは、熟練の技術者でなければ電気化学セル積層体の組立てが行えないというような複雑な構造を全く有していない。例えば、正しいシーケンスのためには異なるバージョンの分流板（陽極もしくは陰極）を選択し、正しい向きに配置する必要がある。電気化学セル内で利用される必要な全プレート及び全表面を形成するために少なくとも３つの製造マスクが必要であるため、分流板の製造は極めて高価である。ゆえに、陽極分流板と陰極分流板との間の、薄膜を介した「背面送り」及び「リブ−リブ」パターンマッチングに関する上述の利点を提供しながら、電気化学セル積層体の製造と組立の簡素化が可能な分流板配置が求められている。
【００３９】
本発明の諸実施形態の態様によると、「背面送り」及び「リブ−リブ」パターンマッチングに関する上述の利点を提供し、更に分流板の製造と、電気化学セル積層体への組付けを簡素化する流場構造とプレート配置が提供される。詳細には、本発明の諸実施形態の態様に従うと、分流板は１つのマスクのみで製造でき、全く単一のプレートによるバイポーラ分流板設計が可能となる。当業者には、製造マスクの代わりにダイやモールド、その他表面に物理的特性を付与もしくは形成するための任意の製造装置・方法を用いてもよいことが理解されよう。ある実施形態では、プレート製造の精密な装置及び方法は、製造するプレートの材料タイプに応じて選択される。分流板の製造においては、スタンピング、モールディング、キャスティング、ミリング、エッチングをそれぞれ単独もしくは適宜組み合わせて用いることができる。
【００４０】
一般に、流場プレートは、各々が特定のプロセスガス／プロセス流体のための対応する長尺分配チャネルの一部として機能する多数のマニホルドを含む。ある実施形態では、電解槽セルの陰極にインプットプロセスガス／プロセス流体を供給する必要がなく、水素ガスと水のみを排出させる。このような電解槽セルでは、分流板に陰極用のインプットマニホルドは必要なく、アウトプットマニホルドのみ必要となる。対照的に、燃料電池の一般的な実施形態では、陽極と陰極の両方においてインプットマニホルドとアウトプットマニホルドを使用する。但し、燃料電池は、プロセス反応物質は燃料電池に供給されるが、燃料電池から循環しない、デッドエンドモードでも動作し得る。このような実施形態では、プロセス反応物質用のインプットマニホルドのみが設けられる。
【００４１】
一般に、燃料電池もしくは電解槽セル設計に応じて、反応ガス／流体、冷却剤、排出物質の各々用に、分流板上に多数のインレットマニホルド及びアウトレットマニホルドを設けることができる。
【００４２】
本発明の第一実施形態の態様に従った、組み立てられた状態における電気化学セル積層体１００の斜視図が図１Ａに、同図に対応する電気化学セル積層体１００の分解斜視図が図２Ａに示されている。同様に、本発明の第二実施形態の態様に従った、組み立てられた状態における電気化学セル積層体１００’の斜視図が図１Ｂに、同図に対応する電気化学セル積層体１００’の分解斜視図が図２Ｂに示されている。本発明の諸実施形態の態様に実質的影響を持たず、電気化学セル積層体１００及び１００’において実質上同一の共通要素及び特徴は、図１Ａ、図１Ｂ、図２Ａ、図２Ｂにおいて同一参照番号で示すものとする。
【００４３】
図１Ａ、図１Ｂ、図２Ａ、図２Ｂを続けて参照すると、電気化学セル積層体１００及び１００’は、いずれも陽極端板１０２及び陰極端板１０４を含む。電気化学セル積層体１００及び１００’の各々の残りの要素は、両端板１０２、１０４間に配置される。端板１０２、１０４には、プロセスガス／プロセス流体の供給・排出用接続ポートが設けられている。電気化学セル積層体１００及び１００’の各々に設けられる接続ポートについては後述する。但し、当業者には、本発明の別の実施形態においては様々な接続ポート配置が可能であることが理解されよう。
【００４４】
陽極端板１０２と陰極端板１０４の間に配置される要素には、陽極絶縁プレート１１２、陽極集電子プレート１１６、陰極集電子プレート１１８、陰極 絶縁プレート１１４がある。別の実施形態では、集電子プレート１１６と１１８との間に様々な数の電気化学セルが配置される。このような実施形態では、各電気化学セルを構成する要素は適宜順番に繰り返し配置され、所望のアウトプットを行う電気化学セル積層体となる。説明の簡略化のため、図１Ａ、図１Ｂ、図２Ａ、図２Ｂには１つの電気化学セルの要素のみを図示している。
【００４５】
電気化学セル積層体１００、１００’の各々を保持するため、タイロッド１３３が設けられている。タイロッド１３３は、陽極端板１０２に設けられたねじ付きボアに螺合され（あるいは別の方法にて固定され）、陽極端板１０４に設けられた対応するプレーンボアを通過する。アセンブリ全体を固定し、電気化学セル１００及び１００’の各種要素を確実に保持すべく、ナット、ワッシャーその他の固定手段が設けられている。
【００４６】
既述の如く、プロセスガス／プロセス流体、冷却剤等の供給・排出手段として電気化学セル積層体への各種接続ポートが設けられている。ある実施形態では、電気化学セル積層体への各種接続ポートは対で設けられる。接続ポートの各対の一方は陰極端板 （例えば、陰極端板１０４）上に配置され、他方は陽極端板（例えば、陽極端板１０２）上に適宜配置される。別の実施形態では、電気化学セル積層体はデッドエンドであり、各種接続ポートは陽極端板もしくは陰極端板のいずれかにのみ設けられる。電気化学セル積層体１００及び１００’の場合、各種接続ポートは対で設けられる。
【００４７】
図１Ａ及び図２Ａに示される陰極端板１０４を参照すると、水接続ポートが参照番号１０６、１１１で、酸素／水排出接続ポートが参照番号１０７、１１０で、酸素排出接続ポートが参照番号１０８、１０９で、それぞれ表されている。なお、図示を省略したが、接続ポート１０９、１１１に対応する接続ポートが陽極端板１０２上に設けられている。各種接続ポート１０６乃至１１１は、電気化学積層体１００内に延在する、後述する長尺分配チャネルもしくはダクトに接続される。
【００４８】
図１Ｂ及び図２Ｂに示される陰極端板１０４を参照すると、水素接続ポートが参照番号１０６’、１０７’で、空気／水接続ポートが参照番号１１０’、１１１’で、それぞれ表されている。なお、図示を省略したが、接続ポート１１１’に対応する接続ポートが陽極端板１０２上に設けられている。各種接続ポート１０６’、１０７’、１１０’、１１１’は、電気化学積層体１００’内に延在する、後述する長尺分配チャネルもしくはダクトに接続される。
【００４９】
既述の如く、集電子プレート１１６と１１８との間に多数の電気化学セルが配置されている。一般に、各電気化学セルは、陽極分流板、陰極分流板、及び両分流板の間に配置される薄膜（もしくは薄膜アセンブリ）から構成される。本発明のある実施形態では、陽極分流板と陰極分流板のそれぞれの前面は略同一形状であり、別の実施形態では、各前面は鏡像あるいは相互に回転した形状となっている。あるいは、更に別の実施形態では、前面は実質上相互に異なる形状である。通常、ガス拡散層もしくはガス拡散媒体が各分流板と薄膜との間に設けられている。あるいは、別の実施形態では、ガス拡散層は薄膜アセンブリと適宜一体形成される。
【００５０】
図２Ａに例示される電気化学セル積層体１００を参照すると、電気化学セルは、第一の（陽極）分流板１２０、１３０、陽極ガス拡散層もしくは陽極ガス拡散媒体１２３、薄膜長尺アセンブリ（ＭＥＡ）１２４、陰極ガス拡散層１２６、第二の（陰極）分流板１２０、１３０で構成されている。ガスケット３００は、分流板のシール面に沿った異なるプロセスガス／プロセス流体の流れを相互に分離状態に維持する目的で、分流板１２０、１３０のいずれかの側に密閉状態で配置される。各ガスケット３００は、密閉する分流板の形状に応じた形状に形成される。
【００５１】
図２Ｂに例示される電気化学セル積層体１００’を参照すると、電気化学セルは、第一の（陽極）分流板１２０’、１３０’、陽極ガス拡散層もしくは陽極ガス拡散媒体１２３’、薄膜長尺アセンブリ（ＭＥＡ）１２４、陰極ガス拡散層１２６’、第二の（陰極）分流板１２０’、１３０’で構成されている。ここでも、ガスケット３００’は、分流板のシール面に沿った異なるプロセスガス／プロセス流体の流れを相互に分離状態に維持する目的で、分流板１２０’、１３０’のいずれかの側に密閉状態で配置される。各ガスケット３００’は、密閉する分流板の形状に応じた形状に形成される。
【００５２】
図３Ａ及び図４Ａを参照すると、図１Ａに図示された電気化学セル積層体１００における使用に適した第一のバイポーラ分流板１２０の２つの活性側が示されている。バイポーラ分流板１２０は２つの活性表面を有するため、同時に陽極及び陰極として使用することができる。詳細には、図３Ａは、第一のバイポーラ分流板１２０の第一の活性表面１２１を、図４Ａは、第一のバイポーラ分流板１２０の第二の活性表面１２２を図示している。
【００５３】
図３Ａを参照すると、第一のバイポーラ分流板１２０はその第一の活性表面１２１上に、多数のリブ１６０により画定される多数のプライマリチャネル１５０からなる、活性領域における流場構造を含む。ある実施形態では、流場構造は、プライマリチャネル１５０と図２ＡのＭＥＡ１２４内の間のプロセスガス／プロセス流体との露出を増加するパターンで配置されている。
【００５４】
図４Ａを参照すると、第一のバイポーラ分流板１２０はその第二の活性表面１２２上に、多数のリブ１６５により画定される多数のプライマリチャネル１５５からなる、活性領域における流場構造を含む。ある実施形態では、流場構造は、プライマリチャネル１６５と図２ＡのＭＥＡ１２４におけるプロセスガス／プロセス流体間の暴露を増加するパターンで配置されている。
【００５５】
図３Ａ及び図４Ａを参照すると、第一のバイポーラ分流板１２０は、プロセスガス／プロセス流体の流動のための多数のマニホルドもしくはオープニングを有する。水インフローマニホルド２０１は、第一の活性表面１２１への水の供給用に設けられる。水／酸素排出マニホルド２００は、第一の活性表面１２１からの水／酸素の排出用に設けられる。水素アウトフローマニホルド２１０は、第二の活性表面１２２からの水素の排出用に設けられる。水／酸素スルーマニホルド２２０及び水スルーマニホルド２２１は、対応するプロセスガス／プロセス流体を電気化学セルの別の分流板から、もしくは別の分流板に案内するために設けられる。更に図１Ａ及び図２Ａを参照すると、組み立てられた状態における電気化学セル積層体１００において、マニホルド２００、２０１、 ２１０、２１１、 ２２０、２２１は、それぞれプロセスガス／プロセス流体接続ポート１０６、 １０７、 １０８、 １０９、 １１０、 １１１と流体連通する。
【００５６】
また、第一の分流板１２０は、第一の活性表面１２１において、水素排出用の露出されたチャネル２３５と流体連通する水素相補形活性表面供給フローアパーチュア２３０を有する。チャネル２３５は、水素相補形活性表面供給フローアパーチュア２３０を水素アウトフローマニホルド２１０に接続する。これにより、水素相補形活性表面供給フローアパーチュア２３０は、第一のバイポーラ分流板１２０の第二の活性表面１２２を水素アウトフローマニホルド２１０と流体連通させる。
【００５７】
同様に、第一のバイポーラ分流板１２０は、第二の活性表面１２２において、水インフローマニホルド２０１と流体連通する、露出された水インフローチャネル２５５を有する。チャネル２５５は、第二の活性表面１２２から第一の活性表面１２１にかけて延在する水相補形活性表面供給フローアパーチュア２５０と流体連通し、そこにおいて、これらはプライマリチャネル１５０と流体連通する。これにより、相補形活性表面供給フローアパーチュア２５０は、第一の活性表面１２１上の活性領域内で、プライマリチャネル１５０を水インフローマニホルド２０１と流体連通させる。また、第一の分流板１２０は、第二の活性表面１２２において、水アウトフローマニホルド２００と流体連通する、露出された水アウトフローチャネル２４０を有する。チャネル２４０は第一の活性表面１２１から第二の活性表面１２２にかけて延在する水相補形活性表面供給フローアパーチュア２４５と流体連通し、そこにおいて、これらはプライマリチャネル１５０と流体連通する。これにより、相補形活性表面供給フローアパーチュア２４５は、第一の活性表面１２１上の活性領域内で、プライマリチャネル１５０を水アウトフローマニホルド２００と流体連通させる。
【００５８】
作動中、流入する水は第二の活性表面１２２上に配置された水インフローチャネル２５５を介して水インフローマニホルド２０１と連通し、次いで相補形活性表面供給フローアパーチュア２５０を通って第一の活性表面１２１に到達する。流出する水と酸素は、第一の活性表面１２１から水／酸素 相補形活性表面供給フローアパーチュア２４５を介して、水／酸素アウトフローマニホルド２００と連通する。水／酸素相補形活性表面供給フローアパーチュア２４５は、第二の活性表面１２２上に配置された水／酸素 アウトフローチャネル２４０と流体連通する。
【００５９】
対応する相補形活性表面供給フローアパーチュアを介した様々なマニホルドへの流体連通は、前述した背面送りの基本原理に則って行われる。しかし、バイポーラ分流板の両側に活性表面が設けられており、これによって、単一プレートの両側を活性表面として利用し得る、全く単一のプレートからなるバイポーラ分流板設計が実施される。すなわち、プロセスガス／プロセス流体は、後向きの非活性表面と相互作用することなく、あるいはその存在を必要とすることすらなく、ある活性表面から別の活性表面へ連通するため、本発明の諸実施形態の態様に従ったバイポーラ分流板は、上述した背面送りの利点を提供するにあたり、対応する「非活性」面を必要としない。従って、当業者には、作動上、組み立てられた状態の電気化学セル（例えば、電気化学セル１００）内では、第一の活性表面１２１に対し供給・排出される特定のプロセスガス／プロセス流体は、第二の活性サービス１２２上のプライマリチャネル１５５から密閉状態で分離された第二の活性表面１２２の一部を横切ることが理解されよう。同様に、作動上、組み立てられた状態の電気化学セル（例えば、電気化学セル１００）内では、第二の活性表面１２２に対し供給・排出される特定のプロセスガス／プロセス流体は、第一の活性サービス１２１上のプライマリチャネル１５０から密閉状態で分離された第一の活性表面１２１の一部を横切る。
【００６０】
図３Ｂ及び図４Ｂを参照すると、図１Ｂに図示された電気化学セル積層体１００’における使用に適した第二のバイポーラ分流板１２０’の２つの活性側が示されている。バイポーラ分流板１２０’は２つの活性表面を有するため、積層体の２つの隣接する電気化学セルにおいて同時に陽極及び陰極として使用することができる。詳細には、図３Ｂは、第二のバイポーラ分流板１２０’の第一の活性表面１２１’を、図４Ｂは、第一のバイポーラ分流板１２０’の第二の活性表面１２２’を図示している。第二の活性表面１２２’の特徴構成は、第一の活性表面１２１’の特徴構成を１８０度回転させたものと概ね等しい。第二のバイポーラ分流板１２０’の両活性表面１２１’、１２２’の製造を１つの製造マスクで行うことができるため、このような構成により製造プロセスの簡略化が可能となる。これに対し、図３Ａ及び図４Ａに図示される第一のバイポーラ分流板１２０では、活性表面１２１、１２２が実質上互いに異なる形状であるため、２つの製造マスクが必要である。
【００６１】
図３Ｂを参照すると、第二のバイポーラ分流板１２０’はその第一の活性表面１２１’上に、多数のリブ１６０’により画定される多数のプライマリチャネル１５０’からなる活性領域における流場構造を含む。ある実施形態では、流場構造は、プライマリチャネル１５０’と図２ＡのＭＥＡ１２４’におけるプロセスガス／プロセス流体間の暴露を増加するパターンで配置されている。
【００６２】
図４Ｂを参照すると、第二のバイポーラ分流板１２０’はその第二の活性表面１２２’上に、多数のリブ１６５’により画定される多数のプライマリチャネル１５５’からなる活性領域における流場構造を含む。ある実施形態では、流場構造は、プライマリチャネル１６５’と図２ＡのＭＥＡ１２４’におけるプロセスガス／プロセス流体間の暴露を増加するパターンで配置されている。
【００６３】
図３Ｂ及び図４Ｂの両図を参照すると、第二のバイポーラ分流板１２０’は、プロセスガス／プロセス流体の流動のための多数のマニホルドもしくはオープニングを含む。第二のバイポーラ分流板１２０’は、陽極インレットマニホルド２６０、陽極アウトレットマニホルド２６２、陰極インレットマニホルド２６４、陰極アウトレットマニホルド２６６を含む。更に図１Ｂ及び図２Ｂを参照すると、組み立てられた状態における電気化学セル積層体１００’において、マニホルド２６０、２６２、２６４、２６６は、それぞれプロセスガス／プロセス流体接続ポート１０６’、１０７’、１１１’、１１０’と流体連通する。
【００６４】
陽極インレットマニホルド２６０は、第一の活性表面１２１’上に配置された、露出されたチャネル２７１と流体連通する。露出されたチャネル２７１は、露出された供給チャネル２７１を第二の活性表面１２２’上のプライマリチャネル１５５’と流体連通させる、相補形活性表面供給フローアパーチュア２７２と流体連通する。同様に、陽極アウトレットマニホルド２６２は、第一の活性側１２１’上に配置された露出された供給チャネル２７３と流体連通する。露出された供給チャネル２７３は、露出された供給チャネル２７３を第二の活性表面１２２’上のプライマリチャネル１５５’と流体連通させる、相補形活性表面供給フローアパーチュア２７４と流体連通する。
【００６５】
陰極インレットマニホルド２６４は、第二の活性表面１２２’上に配置された露出された供給チャネル２７６と流体連通する。露出された供給チャネル２７６は、露出された供給チャネル２７３を第一の活性表面１２１’上のプライマリチャネル１５０’と流体連通させる、相補形活性表面供給フローアパーチュア２７５と流体連通する。同様に、陰極アウトレットマニホルド２６６は、第二の活性側１２２’上に配置された、露出された供給チャネル２７８と流体連通する。露出された供給チャネル２７８は、露出された供給チャネル２７８を第一の活性表面１２１’上のプライマリチャネル１５０’と流体連通させる、相補形活性表面供給フローアパーチュア２７７と流体連通する。
【００６６】
ゆえに、図３Ｂ及び図４Ｂに示す、第二のバイポーラ分流板１２０’に関する相補形活性表面供給フロー構成は、図３Ａ及び図４Ａに示す、第一のバイポーラ分流板１２０に関連して説明した構成と同様である。従って、第一の活性表面１２１’と第二の活性表面１２２’に対するプロセスガス／プロセス流体のインフロー及びアウトフローは、それぞれ上述の第一の活性表面１２１と第二の活性表面１２２に対するプロセスガス／プロセス流体のインフロー及びアウトフローと実質上等しい。よって、当業者には、作動上、組み立てられた状態の電気化学セル（例えば、電気化学セル １００’）内では、第一の活性表面１２１’に対し供給・排出される特定のプロセスガス／プロセス流体は、第二の活性サービス１２２’上のプライマリチャネル１５５’から密閉状態で分離された第二の活性表面１２２の一部を横切ることが理解されよう。同様に、作動上、組み立てられた状態の電気化学セル（例えば、電気化学セル １００’）内では、第二の活性表面１２２’に対し供給・排出される特定のプロセスガス／プロセス流体は、第一の活性サービス１２１’上のプライマリチャネル１５０’から密閉状態で分離された第一の活性表面１２１’の一部を横切る。
【００６７】
図５Ａ及び図６Ａを参照すると、図１Ａに図示された電気化学セル積層体１００における使用に適した第三のバイポーラ分流板１３０の２つの活性側が示されている。バイポーラ分流板１３０は２つの活性表面を有するため、積層体の２つの隣接する電気化学セルにおいて同時に陽極及び陰極として使用することができる。詳細には、図５Ａは、第三のバイポーラ分流板１３０の第一の活性表面１３１を、図６Ａは、第三のバイポーラ分流板１３０の第二の活性表面１３２を図示している。
【００６８】
第三の分流板１３０の第一の活性表面１３１及び第二の活性表面１３２は、各々、図３Ａ及び図４Ａにそれぞれ図示した第一の活性表面１２１及び第二の活性表面１２２の鏡像である。図５Ａに示す構成を得るために使用される第一の対称軸は、図３Ａに示す軸対称主軸１９０である。図６Ａに示す構成を得るために使用される第二の対称軸は、図４Ａに示す軸対称主軸１９５である。１つの詳細なパターンマスク（あるいはダイ、モールド等）のみを作成すればよいため（「鏡像」パターンマスク／ダイ／モールド等は第一のマスクに使用したデータから製造できるため）、１つの分流板の２つの面の鏡像を用いて、もう１つの分流板の２つの面からの構成を形成することによって、分流板の製造コストを抑制できる。また、適切な薄膜と組み合わせて２枚のプレートを組み立てて電気化学セルを構成する際には、一方の分流板のリブの相当な部分が他方の分流板の対応するリブの前に位置する。
【００６９】
図５Ａを参照すると、第三のバイポーラ分流板１３０はその第一の活性表面１３１上に、多数のリブ１８０により画定される多数のプライマリチャネル１７０からなる活性領域における流場構造を含む。ある実施形態では、流場構造は、プライマリチャネル１７０と図２ＡのＭＥＡ１２４におけるプロセスガス／プロセス流体間の暴露を増加するパターンで配置されている。
【００７０】
図６Ａを参照すると、第三のバイポーラ分流板１３０はその第二の活性表面１３２上に、多数のリブ１８５により画定される多数のプライマリチャネル１７５からなる活性領域における流場構造を含む。ある実施形態では、流場構造は、プライマリチャネル１７５と図２ＡのＭＥＡ１２４におけるプロセスガス／プロセス流体間の暴露を増加するパターンで配置されている。
【００７１】
図５Ａ及び図６Ａの両図を参照すると、第三のバイポーラ分流板１３０は、プロセスガス／プロセス流体の流動のための多数のマニホルドもしくはオープニングを含む。水インフローマニホルド２２１’は、第一の活性表面１３１への水の供給用に設けられる。水／酸素排出マニホルド２２０’は、第一の活性表面１３１からの水／酸素の排出用に設けられる。水素アウトフローマニホルド２１１’は、第二の活性領域１３２からの水素の排出用に設けられる。水素スルーマニホルド２１０’、水／酸素スルーマニホルド２００’、水スルーマニホルド２０１’は、対応するプロセスガス／プロセス流体を電気化学セルの第二の分流板から、もしくは第二の分流板に案内するために設けられる。更に図１Ａ及び図２Ａを参照すると、組み立てられた状態における電気化学セル積層体１００において、マニホルド２００、２０１、 ２１０、２１１、 ２２０、２２１は、それぞれプロセスガス／プロセス流体接続ポート１０６、１０７、 １０８、１０９、 １１０、 １１１の各々と流体連通する。
【００７２】
また、第三の分流板１３０は、第一の活性表面１３１において、水素排出用の露出されたチャネル２３５’と流体連通する水素相補形活性表面供給フローアパーチュア２３０’を有する。チャネル２３５’は、相補形活性表面供給フローアパーチュア２３０’を水素アウトフローマニホルド２１１’に接続する。これにより、水素相補形活性表面供給フローアパーチュア２３０’は、第三のバイポーラ分流板１３０の第二の活性表面１３２を水素 アウトフローマニホルド２１１’と流体連通させる。
【００７３】
同様に、第三のバイポーラ分流板１３０は、第二の活性表面１３２において、水インフローマニホルド２２１’と流体連通する、露出された水インフローチャネル２５５’を有する。チャネル２５５’は、第二の活性表面１３２から第一の活性表面１３１にかけて延在する水相補形活性表面供給フローアパーチュア２５０’と流体連通し、そこにおいて、これらはプライマリチャネル１７０と流体連通する。これにより、相補形活性表面供給フローアパーチュア２５０’は、第一の活性表面１３１上の活性領域内で、プライマリチャネル１７０を水インフローマニホルド２２１’と流体連通させる。また、第二の活性表面１３２において、水アウトフローマニホルド２２０’と流体連通する、露出された水アウトフローチャネル２４０’を有する。チャネル２４０’は第二の活性表面１３２から第一の活性表面１３１にかけて延在する水相補形活性表面供給フローアパーチュア２４５’と流体連通し、そこにおいて、これらはプライマリチャネル１７０と流体連通する。これにより、相補形活性表面供給フローアパーチュア２４５’は、第一の活性表面１３１上の活性領域内で、プライマリチャネル１７０を水アウトフローマニホルド２２０’と流体連通させる。
【００７４】
図５Ａ及び図６Ａに示す、第三のバイポーラ分流板１３０’に関する相補形活性表面供給フロー構成は、図３Ａ及び図４Ａに示す、第一のバイポーラ分流板１２０に関連して説明した構成と同様である。従って、第一の活性表面１３１と第二の活性表面１３２に対するプロセスガス／プロセス流体のインフロー及びアウトフローは、それぞれ相補形活性表面供給フローチャネルに関して説明した上述の第一の活性表面１２１及び第二の活性表面１２２に対するプロセスガス／プロセス流体のインフロー及びアウトフローと実質上等しい。よって、当業者は、作動上、組み立てられた状態の電気化学セル（例えば、電気化学セル １００）内では、第一の活性表面１３１に対し供給・排出される特定のプロセスガス／プロセス流体は、第二の活性サービス１３２上のプライマリチャネル１７５から密閉状態で分離された第二の活性表面１３２の一部を横切ることを理解されよう。同様に、作動上、組み立てられた状態の電気化学セル（例えば、電気化学セル １００）内では、第二の活性表面１３２に対し供給・排出される特定のプロセスガス／プロセス流体は、第一の活性サービス１３１上のプライマリチャネル１７０から密閉状態で分離された第一の活性表面１３１の一部を横切る。
【００７５】
図５Ｂ及び図６Ｂを参照すると、図１Ｂに図示された電気化学セル積層体１００’における使用に適した第四のバイポーラ分流板１３０’の２つの活性側が示されている。第四のバイポーラ分流板１３０’は２つの活性表面を有するため、積層体の２つの隣接する電気化学セルにおいて同時に陽極及び陰極として使用することができる。詳細には、図５Ｂは、第四のバイポーラ分流板１３０’の第一の活性表面１３１’を、図６Ｂは、第四のバイポーラ分流板１３０’の第二の活性表面１３２’を図示している。第二の活性表面１３２’の特徴構成は、第一の活性表面１３１’の特徴構成を１８０度回転させたものと概ね等しい。第二のバイポーラ分流板１２０’の両活性表面１３１’、１３２’の製造を１つの製造マスクで行うことができるため、このような構成により製造プロセスの簡略化が可能となる。同様に、図３Ｂ及び図４Ｂにそれぞれ図示した２つの活性表面１２１’及び１２２’の製造では、両活性表面１２１’、１２２’が略同一形状を呈することから、１つの製造マスクのみで製造できる。これに対し、図５Ａ及び図６Ａに図示される第三のバイポーラ分流板１３０では、活性表面１３１、１３２が実質上互いに異なる形状であるため、２つの製造マスクが必要である。
【００７６】
図５Ｂを参照すると、第四のバイポーラ分流板１３０’はその第一の活性表面１３１’上に、多数のリブ１８０’により画定される多数のプライマリチャネル１７０’からなる活性領域における流場構造を含む。ある実施形態では、流場構造は、プライマリチャネル１７０’と図２ＡのＭＥＡ１２４’におけるプロセスガス／プロセス流体間の暴露を増加するパターンで配置されている。
【００７７】
図６Ｂを参照すると、第四のバイポーラ分流板１３０’はその第二の活性表面１３２’上に、多数のリブ１８５’により画定される多数のプライマリチャネル１７５’からなる活性領域における流場構造を含む。ある実施形態では、流場構造は、プライマリチャネル１７５’と図２ＡのＭＥＡ１２４’におけるプロセスガス／プロセス流体間の暴露を増加するパターンで配置されている。
【００７８】
図５Ｂ及び図６Ｂの両図を参照すると、第四のバイポーラ分流板１３０’は、プロセスガス／プロセス流体の流動のための多数のマニホルドもしくはオープニングを含む。第四のバイポーラ分流板１３０’は、陽極インレットマニホルド２６０’、陽極アウトレットマニホルド２６２’、陰極インレットマニホルド２６４’、陰極アウトレットマニホルド２６６’を含む。更に図１Ｂ及び図２Ｂを参照すると、組み立てられた状態における電気化学セル積層体１００’において、マニホルド２６０’、２６２’、２６４’、２６６’は、それぞれプロセスガス／プロセス流体接続ポート１０６’、１０７’、１１１’、１１０’の各々と流体連通する。
【００７９】
陽極インレットマニホルド２６０’は、第一の活性表面１２１’上に配置された、露出されたチャネル２７１’と流体連通する。露出されたチャネル２７１’は、露出された供給チャネル２７１’を第二の活性表面１３２’上のプライマリチャネル１７５’と流体連通させる、相補形活性表面供給フローアパーチュア２７２’と流体連通する。同様に、陽極アウトレットマニホルド２６２’は、第一の活性側１２１’上に配置された露出された供給チャネル２７３’と流体連通する。露出された供給チャネル２７３’は、露出された供給チャネル２７３を第二の活性表面１３２’上のプライマリチャネル１７５’と流体連通させる、相補形活性表面供給フローアパーチュア２７４’と流体連通する。
【００８０】
陰極インレットマニホルド２６４’は、第二の活性表面１３２’上に配置された露出された供給チャネル２７６’と流体連通する。露出された供給チャネル２７６’は、露出された供給チャネル２７６’を第一の活性表面１３１’上のプライマリチャネル１７０’と流体連通させる、相補形活性表面供給フローアパーチュア２７５’と流体連通する。同様に、陰極アウトレットマニホルド２６６’は、第二の活性側１３２’上に配置された露出された供給チャネル２７８’と流体連通する。露出された供給チャネル２７８は、露出された供給チャネル２７８’を第一の活性表面１３１’上のプライマリチャネル１７０’と流体連通させる、相補形活性表面供給フローアパーチュア２７７’と流体連通する。
【００８１】
ゆえに、図５Ｂ及び図６Ｂに示す、第四のバイポーラ分流板１３０’に関する相補形活性表面供給フロー構成は、図３Ａ及び図４Ａに示す、第一のバイポーラ分流板１２０に関連して説明した構成と同様である。従って、第一の活性表面１３１’及び第二の活性表面１３２’に対するプロセスガス／プロセス流体のインフロー及びアウトフローは、それぞれ相補形活性表面供給フローチャネルに関して説明した上述の第一の活性表面１２１及び第二の活性表面１２２に対するプロセスガス／プロセス流体のインフロー及びアウトフローと実質上等しい。従って、当業者は、作動上、組み立てられた状態の電気化学セル（例えば、電気化学セル １００’）内では、第一の活性表面１３１’に対し供給・排出される特定のプロセスガス／プロセス流体は、第二の活性サービス１３２’上のプライマリチャネル１７５’から密閉状態で分離された第二の活性表面１３２’の一部を横切ることを理解されよう。同様に、作動上、組み立てられた状態の電気化学セル（例えば、電気化学セル １００’）内では、第二の活性表面１３２’に対し供給・排出される特定のプロセスガス／プロセス流体は、第一の活性サービス１３１’上のプライマリチャネル１７０’から密閉状態で分離された第一の活性表面１３１’の一部を横切る。
【００８２】
既述の如く、ある実施形態においては、第一の領域、 第二の領域、 第三の領域、第七の領域、第九の領域が第一の活性表面上に配置され、これにより、これらの領域は、１８０度回転した第四の領域、第十の領域、第八の領域、第六の領域、第五の領域と対応する。このため、第一の領域、 第二の領域、 第三の領域、第七の領域、第九の領域に存在する特徴は、第四の領域、第十の領域、第八の領域、第六の領域、第五の領域に存在する特徴の像とそれぞれ対応する。この例は、図３Ｂ、図４Ｂ、図５Ｂ、図６Ｂにそれぞれ図示した各活性表面１２１’、１２２’、１３１’、１３２’の特徴構成の比較に示されている。
【００８３】
詳細には、図３Ｂ、図４Ｂ、図５Ｂ、図６Ｂにそれぞれ図示した各活性表面１２１’、１２２’、１３１’、１３２’の特徴構成の比較より、各々が相互に他方と略同一であることがわかる。各バイポーラ分流板１２０’、 １３０’の場合、第一の活性表面１２１’、 １３１’は、表面の平面上で、第二の活性表面１２２’、 １３２’に対し１８０度回転（半回転）されている。また、実際上、バイポーラ分流板１２０’と１３１’とは相互に略同一である。作動上の相違としては、各分流板１２０’、 １３０’の第一の活性表面１２１’、 １３１’が陰極として使用される場合、隣接する分流板は、対応する第二の活性表面が、陰極と対向する陽極として使用される向きに配置される点が挙げられる。ある実施形態では、本明細書に説明した本発明の態様に従ったバイポーラ分流板は、その両側に２つの活性表面の特徴を付与すべく機械加工及び／又は化学的処理を施した単一のプレートで構成される。あるいは、他の実施形態では、バイポーラ分流板は、各プレートの前面に２つの活性表面のうちいずれか一方の特徴を付与し、２枚を貼り合わせることで本発明の一実施形態の態様に従ったバイポーラ分流板を形成すべくそれぞれ機械的、化学的処理を施した２枚のプレートで構成される。本発明のこれらの実施形態において、相補形活性表面供給フローチャネルに関する態様では後面は使用されない。
【００８４】
図３Ｂ、図４Ｂ、図５Ｂ、図６Ｂに図示するような分流板を利用する電気化学セル積層体のある実施形態では、積層体において特定の電気化学セルを構成する２枚のプレート間の協同関係は、組立工程において確立される。より詳しくは、例えば、多数の電気化学セルを隣接させて構成された電気化学セル積層体の場合、各電気化学セルがバイポーラ分流板を隣接する他のセルと共有することで、積層体端部のセルのみが隣接するセルを相互に共有し、積層体端部以外のセルは２つのバイポーラ分流板を２つの隣接するセルとそれぞれ共有する。各バイポーラ分流板は第一の活性表面及び第二の活性表面を有する。第一の活性表面は１つのセルでは陽極として使用され、第二の活性表面は隣接するセルでは陰極として使用される。図面に関連させて説明したように、第一の活性表面は、第二の活性表面と同様に多数の特徴を有する。
【００８５】
ゆえに、積層体の任意の電気化学セルにおいて、第一のバイポーラ分流板の第一の活性表面は第二のバイポーラ分流板の第二の活性表面と対向する。プレートが図３Ｂ、図４Ｂ、図５Ｂ、図６Ｂに図示したものと同様である場合、両プレートの開始位置が第一のバイポーラプレート及び第二のバイポーラプレートのそれぞれ当該第一の活性表面及び第二の活性表面が相互に同一であるならば、第一のバイポーラ分流板及び第二のバイポーラ分流板は、第二のバイポーラ分流板の第二の活性表面が第一のバイポーラ分流板の第一の活性表面に対し１８０度回転（半回転）された向きとなるよう配置される。すなわち、各セルの第一のバイポーラ分流板は第一の向きに配置され、各セルの第二のバイポーラ分流板は、第一のバイポーラ分流板及び第二のバイポーラ分流板が同一の向きである状態から第二の分流板が第二の分流板の長手軸周りに１８０度回転され、次いで第二の分流板の通常平面と直交する軸周りに１８０度回転した向きに配置される。
【００８６】
ある実施形態では、分流板の端部に多数のタブを設けることができる。タブは接触手段として、またそれらのタブが設けられた分流板の方向付け手段として機能する。すなわち、タブは、例えば、何らかの他のポイント（例えばアース、別の分流板等）に対するその分流板の電位を測定するための、特定の分流板への電気接点として使用できる。更に、１つ以上のタブを、電気化学セル構成要素である分流板を組み立てる際の補助として使用できる。これにより、分流板の特徴が相互に正確に位置合わせされる。別の実施形態では、分流板に多数のタブを設け、そのうちいくつかのタブを折り取っておく。これにより、電気化学セルを構成する第一の分流板及び第二の分流板の特定の分流板構成を第一の分流板もしくは第二の分流板として交互に識別する補助とすることができる。当業者には、本発明の多数の実施形態の範囲内でタブ配置、形状、数には多数の組合せが可能であることを認識されたい。
【００８７】
更に、ある実施形態の分流板は単一のタブを含む。例えば、図３Ａ、図４Ａ、図５Ａ、図６Ａを参照すると、図示されたバイポーラ分流板１２０、１３０は単一のタブ４００を含む。電気化学セル積層体を構成する構成分流板の全てにバイポーラ分流板１２０、１３０の一方を使用して電気化学セル積層体を組み立てる際、全ての構成分流板が同一であり、個々のタブ４００の配置も同じであることから、構成分流板の各々に設けられた全てのタブ４００は電気化学セル積層体の同一側に存在し、互いに隣接する。
【００８８】
別の実施形態では、分流板に複数のタブを設ける。このような実施形態では、特定のタブ上への各タブの配置は、特定の分流板への他の全てのタブの配置と異なっている。また、このような実施形態では、タブ形状及び分流板上における配置からタブを相互に容易に識別できるよう、分流板に設けられる各タブの形状を、当該分流板に設けられる他の全てのタブの形状と異ならせることもある。例えば、図３Ｂ、図４Ｂ、図５Ｂ、図６Ｂを参照すると、バイポーラ分流板１２０’、１３０’は各々第一のタブ４００と第二のタブ４０１を含む。両バイポーラ分流板１２０’、１３０’において、第二のタブ４０１は第一のタブ４００の位置から斜めに対向する位置に配置される。別の実施形態では、タブ４００、４０１はバイポーラ分流板１２０’、１３０’の同一側に配置してもよい（図示を省略）。また、電気化学積層体の組立ての際、タブ４００、４０１は電気化学セル積層体を構成する構成分流板を適切に配置するために使用される。更に、積層体の動作及びテストの際、タブ４００、４０１を特定の構成分流板への電気接点として利用できる。
【００８９】
ある実施形態では、分流板の活性表面は、電気化学セル積層体の組立て時にガスケットが密閉状態で嵌め込まれるガスケット溝を含む。ガスケット溝は、活性領域に対するプロセスガス／プロセス流体の供給・排出に使用されるマニホルドを明確に分離する。すなわち、ガスケット溝に嵌め込まれたガスケットは上述のようにマニホルドから薄膜を密閉する。図３Ａ乃至図６Ｂを参照すると、図示されたバイポーラ分流板に、（両活性表面に、必要に応じて）ガスケット溝３０５、３０５’が適宜設けられている。ここで図７Ａを参照すると、図３Ａ、図４Ａ、図５Ａ、図６Ａに示されたバイポーラ分流板１２０、１３０における使用に適したガスケット３００が図示されている。同様に、図７Ｂには、図３Ｂ、図４Ｂ、図５Ｂ、図６Ｂに示されたバイポーラ分流板１２０’、１３０’における使用に適したガスケット３００’が図示されている。
【００９０】
図７Ａ及び図７Ｂに別々に示すガスケット３００、３００’は、組み立てられた状態の電気化学セル積層体において、異なる分流板と薄膜との間、あるいは第一の分流板と最後の分流板と、バスバー（母線）との間に必要なシールを行う。例えば、図３Ａ及び図４Ａを参照すると、水素排出用の露出されたチャネル２５３はガスケット３００によりシールされ、これにより、特定の電気化学セルを構成するのに使用される別のバイポーラ分流板に配置された同様にシールされた平らな面２３６と合わせて、シールされた空間が画定される。同様に、図５Ａ及び図６Ａを参照すると、水素排出用の露出されたチャネル２３５’はガスケット３００によりシールされ、これにより、特定の電気化学セルを構成するのに使用される別のバイポーラ分流板に配置された同様にシールされた平らな面２３６’と合わせて、シールされた空間が画定される。同様に、図３Ｂ及び図７Ｂを参照すると、プレートを組み立てて積層体を構成する際、ガスケット３００(図７Ｂ)は、１つのマニホルド（例えば、マニホルド２６０）領域から別のマニホルド（例えば、マニホルド２６６）領域へ、また、相補形活性表面供給フローアパーチュア領域（例えば、相補形活性表面供給フローアパーチュア２７２）へのプロセスガスのクロスオーバーを防止すべく、プライマリチャネル１５０’を効果的にシールする。
【００９１】
既述の如く、ある実施形態では、電気化学セル積層体を構成する全ての分流板は略同一である。すなわち、２つの活性表面の一方に存在する特徴構成は、他方に存在する特徴構成と同一である。２つの活性表面が同一であるため、１つの製造マスク、モールドもしくはスタンプのみを用いてプレートを製造できる。
【００９２】
例えば、図３Ｂ及び図４Ｂを参照すると、第一の分流板と第二の分流板を用いてバイポーラ分流板１２０’を製造する際、第一の分流板及び第二の分流板の各々に第一の活性表面及び第二の活性表面１２１’、１２２’の特徴を付与すべく、製造用フォトマスクを用いて第一の分流板及び第二の分流板にケミカルエッチング処理を施す。２つの活性表面１２１’、１２２’が相互に対向しない向きとなるよう第一の分流板及び第二の分流板の背面を相互に貼り合わせ、バイポーラ分流板１２０’を形成する。活性表面１２１’、１２２’によって識別される、第一のプレートと第二のプレートとを接続するプロセスを、図８Ａ，図８Ｂ、図８Ｃに例示する。製造プロセスの一部を説明するため、図８Ａ乃至図８Ｃでは、第一の活性表面１２１’及び第二の活性表面１２２’を簡略化した形態で図示する。
【００９３】
図８Ａを参照すると、第二の分流板が、第一の活性表面１２１’と第二の活性表面１２２’とが同一方向に、同一の向きとされた第一の位置から、同じ向きのままで１８０度回転され、図８Ｂに示す第二の位置をとる。第二の分流板はそこで図８Ｃに示すように反転されて（第一の分流板に対し鏡像となり）、２つの活性表面１２１’、１２２’は相互に反対側を向く。２つの分流板は背面を合わせて結合され、図３Ｂ及び図４Ｂに図示するバイポーラ分流板１２０’が形成される。第一の分流板及び第二の分流板は、ロウ付け、レーザー溶接、導電接着塗布、当該電気化学セルの腐食性環境に適した結合を提供するその他の結合プロセス等、適切な結合プロセスを用いて結合される。
【００９４】
他の実施形態によると、背面合わせに２つの面を有する単一のプレートを用いてバイポーラ分流板を製造してもよい。一方の面に第一の活性表面のための流場構造の特徴を、他方の面に第二の活性表面のための流場構造の特徴を付与する。このようなバイポーラ分流板の製造方法により、必要な材料の量を低減でき、バイポーラ分流板と、多数のこのようなプレートで構成される電気化学セル積層体の重量を減ずることができる。
【００９５】
更に、ある実施形態では、電気化学セル積層体に用いるのに適したガス拡散媒体（ＧＤＭ）（図示を省略）も対称型に構成されており、従って、単一のタイプのＧＤＭのみを用いて電気化学セル積層体を組み立てることができる。別の実施形態では、製造されるＧＤＭは、組立工程において、活性表面の活性領域において適切な分流板パターンに適合するよう、対応する活性表面に対して回転もしくは反転される（鏡像とされる）。ここでは、流場パターンに対するＧＤＭの向きのみが比較的重要である。但し、ＧＤＭ上のパターンは分流板の対応する活性表面の活性領域上のパターンと大きな相違はない。これにより、製造工程と製造コストが低減される。
【００９６】
既述の如く、本発明のある実施形態の態様によれば、後面を有する分流板では、後面に冷却剤チャネルが設けられている。なお、「後面」は、組み立てられた状態の電気化学セル積層体において、薄膜と直接的もしくは間接的に接触しないことから、「非活性」表面である。図９Ａ乃至図１０Ｄは、非活性表面上に冷却剤チャネルを含む分流板を例示した概略図である。冷却剤は分流板上のマニホルドによって冷却剤チャネルに対し供給・排出される。
【００９７】
図９Ａを参照すると、図１Ａに図示した電気化学セル積層体１００における使用に適した第一の分流板１２０’’の前（活性）面１２１’’を概略図で示している。図９Ｂは，図９Ａに図示した第一の分流板１２０’’の後（非活性／冷却）面を概略図で示した図である。図９Ａに図示した第一の分流板１２０’’の前面１２１’’は、図３Ｂに図示した第一の活性表面１２１’と概ね同一であり、陽極インレットマニホルド２６０と陰極アウトレットマニホルド２６６の間に配置された第一の冷却剤マニホルド２８０、及び、陰極インレットマニホルド２６４と陽極インレットマニホルド２６２の間に配置された第二の冷却剤マニホルド２８２が更に設けられている。その他の特徴は全て図３Ｂに示したものと同一であり、同一の参照番号が用いられている。
【００９８】
図９Ｂは、分流板１２０’’の後面に配置された第一の分流板１２０’’の冷却領域を図示している。第一の冷却剤マニホルド２８０は、第一の冷却剤フローチャネル２８６を介して、チャネル２９０とリッジ２９５からなる冷却流場パターンに接続されている。第二の冷却剤マニホルド２８２は、第二の冷却剤フローチャネル２８４を介して、冷却流場パターンに接続されている。
【００９９】
同様に、図９Ｃを参照すると、図１Ａに図示した電気化学セル積層体１００における使用に適した第二の分流板１２０’’’の前（活性）面１２２’’を概略図で示している。図９Ｄは，図９Ｃに図示した第二の分流板１２０’’’の後（非活性／冷却）面を概略図で示した図である。図９Ｃに図示した第二の分流板１２０’’’の前面１２２’’は、図４Ｂに図示した第二の活性表面１２２’と概ね同一であり、陽極インレットマニホルド２６０と陰極アウトレットマニホルド２６６の間に配置された第一の冷却剤マニホルド２８０’、及び、陰極インレットマニホルド２６４と陽極インレットマニホルド２６２の間に配置された第二の冷却剤マニホルド２８２’が更に設けられている。その他の特徴は全て図４Ｂに示したものと同一であり、同一の参照番号が用いられている。
【０１００】
図９Ｄは、活性領域 １２２’’と反対側の表面に配置された第二の分流板１２０’’’の冷却領域を図示している。第一の冷却剤マニホルド２８０’は、第一の冷却剤フローチャネル２８６’を介して、チャネル２９０’とリッジ２９５’からなる冷却流場パターンに接続されている。第二の冷却剤マニホルド２８２’は、第二の冷却剤フローチャネル２８４’を介して、冷却流場パターンに接続されている。
【０１０１】
図９Ａ乃至図９Ｄに図示された分流板１２０’’及び１２０’’’は、背面同士を結合させて、図３Ｂ及び図４Ｂに図示したバイポーラ分流板１２０’と同様のバイポーラ分流板を形成し得る。これらのバイポーラ分流板の相違点は、分流板１２０’’及び１２０’’’を用いて形成されたバイポーラ分流板は個々の分流板１２０’’及び１２０’’’の間に冷却剤チャネルを有する点である。
【０１０２】
図１０Ａを参照すると、図１Ａに図示した電気化学セル積層体１００における使用に適した第三の分流板１３０’’の前（活性）面１３１’’を概略図で示している。図１０Ｂは，図１０Ａに図示した第三の分流板１３０’’の後（非活性／冷却）面を概略図で示した図である。図１０Ａに図示した第三の分流板１３０’’の前面１３１’は、図５Ｂに図示した第一の活性表面１３１’と概ね同一であり、陽極インレットマニホルド２６０’と陰極アウトレットマニホルド２６６’ の間に配置された第一の冷却剤マニホルド２８０’’、及び、陰極インレットマニホルド２６４’ と陽極インレットマニホルド２６２’の間に配置された第二の冷却剤マニホルド２８２’’が更に設けられている。その他の特徴は全て図５Ｂに示したものと同一であり、同一の参照番号が用いられている。
【０１０３】
図１０Ｂは、分流板１３０’’の後面に配置された第三の分流板１３０’’の冷却領域を図示している。第一の冷却剤マニホルド２８０’’は、第一の冷却剤フローチャネル２８６’’を介して、２９０’’とリッジ２９５’’からなる冷却流場パターンに接続されている。第二の冷却剤マニホルド２８２’’は、第二の冷却剤フローチャネル２８４’’を介して、冷却流場パターンに接続されている。
【０１０４】
同様に、図１０Ｃを参照すると、図１Ａに図示した電気化学セル積層体１００における使用に適した第四の分流板１３０’’’の前（活性）面１３２’’を概略図で示している。図１０Ｄは，図１０Ｃに図示した第四の分流板１３０’’’の後（非活性／冷却）面を概略図で示した図である。 図１０Ｃに図示した第四の分流板１３０’’’の前面１３２’’は、図６Ｂに図示した第二の活性表面１３２’と概ね同一であり、陽極インレットマニホルド２６０’と陰極アウトレットマニホルド２６６’の間に配置された第一の冷却剤マニホルド２８０’’’、及び、陰極インレットマニホルド２６４’と陽極インレットマニホルド２６２’の間に配置された第二の冷却剤マニホルド２８２’’’が更に設けられている。その他の特徴は全て図６Ｂに示したものと同一であり、同一の参照番号が用いられている。
【０１０５】
図１０Ｄは、活性領域 １３２’’と反対側の表面に配置された第四の分流板１３０’’’の冷却領域を図示している。第一の冷却剤マニホルド２８０’’’は、第一の冷却剤フローチャネル２８６’’’を介して、２９０’’’とリッジ２９５’’’からなる冷却流場パターンに接続されている。第二の冷却剤マニホルド２８２’’’は、第二の冷却剤フローチャネルs ２８４’’’を介して、冷却流場パターンに接続されている。
【０１０６】
図１０Ａ乃至図１０Ｄに図示された分流板１３０’’及び１３０’’’を結合させて、図５Ｂ及び図６Ｂに図示したバイポーラ分流板１３０’と同様のバイポーラ分流板を形成し得る。これらのバイポーラ分流板の相違点は、分流板１３０’’及び１３０’’’を用いて形成されたバイポーラ分流板は個々の分流板１３０’’及び１３０’’’の間に冷却剤チャネルを有する点である。
【０１０７】
ある実施形態では、図９Ａ乃至図１０Ｄを参照して上述した２つの分流板（すなわち構成分流板）からなるバイポーラ分流板は、２つの分流板の両方には冷却剤チャネルを設けていない。冷却剤チャネルはバイポーラ分流板を構成する２つの分流板のうちいずれか一方にのみ設けてもよい。すなわち、ある実施形態では、分流板は１枚おきに冷却剤チャネルを有する。あるいは、ある実施形態では、電気化学セル積層体は、奇数番号のセルのみが２つの活性表面の間に冷却剤チャネルを有する（例えば、冷却チャネルを設けない分流板と冷却剤チャネルを設けた分流板とを組み合わせる）、交互のタイプの電気化学セルで構成される。あるいは、交互ではない組合せ（例えば、３つに１つ、もしくは４つに１つのセル）も可能である。スタンピングされたプレートは２枚のスタンピングされた半分を結合する必要があることから、この点はスタンピングされたプレートに関してはそれほど重要な製造上の利点ではない。しかし、両活性表面のための特徴を、単一の複合基体、グリーンプレス(green pressed)焼結体、あるいは単一の金属基体に化学エッチング処理を施したものにインポートすることができるため、この点は、複合プレート、焼結プレート、化学エッチング処理されたプレートには利点となる。
【０１０８】
上述した説明は、本発明の諸実施形態の態様の応用をあくまで例として示したものである。当業者は本発明の範囲を逸脱することなく他の構成も実施できよう。
【０１０９】
例えば、本発明はＰＥＭ電気化学セルに関して説明したが、当業者には、本発明がアルカリセルのような他のタイプの電気化学セルにも応用できることが理解されよう。
【０１１０】
また、本願と同一出願人になる同時係属中の米国特許出願第０９／８５４，３６２号に記載された「所定位置に設けるシール（seal-in-place）」技術を、本発明の諸実施形態の態様と組み合わせて用いることができる。当該特許出願の全内容を、参照することを以って本明細書に援用するものとする。
【図面の簡単な説明】
【０１１１】
【図１Ａ】本発明の第一実施形態の態様に従った電気化学セル積層体を組み立てた状態で示す斜視図である。
【図１Ｂ】本発明の第二実施形態の態様に従った電気化学セル積層体を組み立てた状態で示す斜視図である。
【図２Ａ】図２Ａは、図１Ａに示す電気化学セル積層体の分解斜視図である。
【図２Ｂ】図１Ｂに示す電気化学セル積層体の分解斜視図である。
【図３Ａ】図１Ａに示す電気化学セル積層体における使用に適した第一のバイポーラ分流板の第一の活性表面の概略図である。
【図３Ｂ】図１Ｂに示す電気化学セル積層体における使用に適した第二のバイポーラ分流板の第一の活性表面の概略図である。
【図４Ａ】図３Ａに示す第一のバイポーラ分流板の第二の活性表面の概略図である。
【図４Ｂ】図３Ｂに示す第二のバイポーラ分流板の第二の活性表面の概略図である。
【図５Ａ】図１Ａに示す電気化学セル積層体における使用に適した第三のバイポーラ分流板の第一の活性表面の概略図である。
【図５Ｂ】図１Ｂに示す電気化学セル積層体における使用に適した第四のバイポーラ分流板の第一の活性表面の概略図である。
【図６Ａ】図５Ａに示す第三のバイポーラ分流板の第二の活性表面の概略図である。
【図６Ｂ】図５Ｂに示す第四のバイポーラ分流板の第二の活性表面の概略図である。
【図７Ａ】図３Ａ、図４Ａ、図５Ａ、図６Ａに示すバイポーラ分流板の両活性表面における使用に適したガスケットの概略図である。
【図７Ｂ】図３Ｂ、図４Ｂ、図５Ｂ、図６Ｂに示すバイポーラ分流板の両活性表面における使用に適したガスケットの概略図である。
【図８Ａ】図１Ｂに示す電気化学セル積層体における使用に適した分流板の例示的組み立て手順における第一のステップを図示したものである。
【図８Ｂ】図８Ａに続く、例示的組み立て手順における第二のステップを図示したものである。
【図８Ｃ】図８Ｂに続く、例示的組み立て手順における第三のステップを図示したものである。
【図９Ａ】図１Ａに示す電気化学セル積層体における使用に適した第一の分流板の前（活性）面の概略図である。
【図９Ｂ】図９Ａに示す第三の分流板の後（非活性／冷却）面の概略図である。
【図９Ｃ】図１Ａに示す電気化学セル積層体における使用に適した第二の分流板の前（活性）面の概略図である。
【図９Ｄ】図９Ｃに示す第二の分流板の後（非活性／冷却）面の概略図である。
【図１０Ａ】図１Ａに示す電気化学セル積層体における使用に適した第三の分流板の前（活性）面の概略図である。
【図１０Ｂ】図１０Ａに示す第三の分流板の後（非活性／冷却）面の概略図である。
【図１０Ｃ】図１Ａに示す電気化学セル積層体における使用に適した第四の分流板の前（活性）面の概略図である。
【図１０Ｄ】図１０Ｃに示す第四の分流板の後（非活性／冷却）面の概略図である。
【技術分野】
【０００１】
本出願は、米国仮出願番号第６０／４７０、８６９（２００３年５月１６日出願）について優先権を主張する。当該仮出願を、参照することを以って本明細書に援用するものとする。
【０００２】
本発明は電気化学セルに関し、より詳しくは、電気化学セルにおける使用に適した分流板（flow field plate）設計に関する。
【背景技術】
【０００３】
本明細書でいう電気化学セルとは、燃料電池あるいは電気分解（電解槽）セルとして構成できる電気化学反応器である。実際には、同一タイプの多数の電気化学セルを、プロセスガス／プロセス流体の供給、排出、電気接続、調節装置等の、共通機能を有する積層体として構成し得る。電気化学セルは、いずれのタイプにおいても、陽極電極及び陰極電極を含む。電極は分流板の形態をなすことがある。薄膜、すなわち別の固体電解質キャリアが２つの電極間に挟持される。通常、各電極と薄膜との界面に触媒層が塗布される。なお、以下の説明において、分流板の形態をなす陽極電極及び陰極電極に関して用いる指示語「前面」「後面」は、特定の分流板の薄膜に対する向きを表す。従って、「前面」は、薄膜と対向する活性面を指し、「後面」は薄膜に対向しない非活性面を指す。
【０００４】
プロセスガス／プロセス流体（反応物質及び生成物質を含む）は、特定の分流板の前面における活性領域内に配置された流場構造を介して薄膜表面に対し供給・排出される。確実な動作を保証するため、陽極分流板のプロセスガス／プロセス流体と陰極分流板のプロセスガス／プロセス流体とは分離される必要がある。また、薄膜の表面領域の効率的な利用のため、反応プロセスガス／プロセス流体を活性領域全体に可能な限り均一に拡散させることが望ましい。こうした要求は、一般的に、活性領域全体にわたりガス／流体を効率よくシール・分配するフローチャネルパターンを含む流場構造の配置により満たされる。電気化学セルでは、必要に応じて、熱放散を補助する目的でいくつかの分流板の後面に冷却剤チャネルを設けている。
【０００５】
また、通常、各分流板は多数のマニホルドもしくはオープニングを備える。マニホルドは、それぞれ燃料、酸素、冷却剤、排出物質のいずれかに用いる長尺分配チャネルの一部として機能する。かかる流場構造は、少なくとも１つ、多くの場合多数、の露出されたフローチャネルを介して、マニホルドと適宜流体連通する。電気化学セル積層体を組み立てると、分流板のマニホルドは位置合わせされ、分流板との直交方向に延在する長尺分配チャネルを形成する。
【０００６】
様々な流場構造設計が知られている。公知の蛇行型流場構造は米国特許第４，９８８，５８３号、第６，０９９，９８４号、第６，３０９，７７３号に開示されている。これらの特許に開示された蛇行型流場構造では、分流板寸法を増大させることなくフローチャネルを延長できる。しかし、このような設計に特有の問題が数多く存在する。蛇行型フローチャネル構造では均一なガス／流体分配が行われず。分流板全体に大幅な圧力降下を招く。このため、比較的低い圧力下で動作する場合の電気化学セル性能が低下する。蛇行型流場構造においてはガス／流体の流れが乱流化しやすく、反応ガス／流体の流れ、圧力あるいは温度の制御が困難となる。更に、蛇行型流場構造には、水や汚染物質が蓄積する空間ができやすく、電気化学セルの浸水及び／又は中毒の発生リスクが高まる。
【０００７】
また、多くの流場設計に関わる問題として、プレートの組立時において、陽極分流板上の流場構造を画定するリブ及びチャネルと、陰極分流板上の流場構造を画定するリブ及びチャネルとの間にオフセットが発生することが多い点が挙げられる。プレートには圧力がかかることが多く、プレート間の薄膜にせん断力がかかって薄膜の損傷を招くことがある。また、陽極流場構造と陰極流場構造との間に発生するオフセットによって分流板の活性領域全体における反応ガス／流体の分配が妨害され、効率低下を招く。
【０００８】
更に、電気化学セル内において、陽極を陰極から密閉することは、多くの場合複雑なプロセスであるという問題がある。任意の１種類の反応ガス／流体について、流場構造全体、及び第一の分流板（例えば、陽極）の対応する前面上の反応ガス／流体のインレットマニホルド及びアウトレットマニホルドを完全に密封するシールを設けることができる。しかし、薄膜の反対側において、第一の分流板上の反応ガス／流体のインレットマニホルド及びアウトレットマニホルドに対応する第二の分流板（例えば、陰極）上のインレットマニホルド及びアウトレットマニホルドを完全に密封するシールを設けることが必要である。この構成では、薄膜の一部が適切に支持されず、陽極は陰極から十分に密閉されない。これにより陽極と陰極との間でガスの混合が発生する。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一実施形態の第一態様によると、陽極分流板の活性表面及び陰極分流板の活性表面、並びにバイポーラ分流板の２つの活性表面の製造に適した単一の製造マスクが提供される。単一の製造マスクは、活性領域を含む第一の領域、第一のマニホルドを含む第二の領域、第二のマニホルドを含む第三の領域、及び第一、第二、第三の領域を相互に分離するシール面、を定義するための特徴を含み、第一、第二、第三の領域は前記活性表面上に対称的に配置されている。関連する諸実施形態では、シール面はガスケット溝を含む。
【００１０】
ある実施形態において、単一の製造マスクは、第三の領域の一部にわたって第一のマニホルドと流体連通する第一の相補形活性表面供給フローアパーチュア、及び、第一の領域内に形成されると共に、第一の領域の一部にわたって活性領域と流体連通する第二の相補形活性表面供給フローアパーチュア、を定義するための特徴を更に含む。
【００１１】
ある実施形態では、単一の製造マスクは、第三のマニホルドを含む第四の領域、及び、第四のマニホルドを含む第五の領域、を定義するための特徴を含み、第一、第二、第三、第四、第五の領域はシール面により相互に分離され、第一、 第二、 第三、 第四、第五の領域は、各々第一、 第三、 第二、 第五、第四の領域の像配置を１８０度回転させた配置に対応するよう配置され、これにより、第一、 第二、 第三、 第四、第五の領域に存在する特徴は、各々第一、 第三、 第二、 第五、第四の領域に存在する特徴の像と対応している。関連する諸実施形態において、単一の製造マスクは、第四の領域の一部にわたって第三のマニホルドと流体連通する第三の相補形活性表面供給フローアパーチュア、及び、第一の領域内に形成されると共に、第一の領域の一部にわたって活性領域と流体連通する第四の相補形活性表面供給フローアパーチュア、を定義するための特徴を更に含む。
【００１２】
ある実施形態では、単一の製造マスクは、第一の領域内に形成されると共に、第一の領域の一部にわたって活性領域と流体連通する第一の背面供給フローアパーチュア、及び、第一の領域内に形成されると共に、第一の領域の一部にわたって活性領域と流体連通する第二の背面供給フローアパーチュア、を定義するための特徴を更に含む。
【００１３】
ある実施形態では、単一の製造マスクは、インレット冷却剤マニホルド、及び、アウトレット冷却剤マニホルド、 を定義するための特徴を更に含み、シール面は、インレット冷却剤マニホルドとアウトレット冷却剤マニホルドを相互に、且つ第一、第二、第三の領域から分離すべく延在する。関連する諸実施形態では、単一の製造マスクに対応する第二の製造マスクが提供される。第二の製造マスクは、陽極分流板及び陰極分流板の両方の対向する非活性表面の製造に適しており、第二のマスクは、インレット冷却剤マニホルド及びアウトレット冷却剤マニホルドと流体連通する冷却剤チャネルを定義するための特徴を含む。
【００１４】
ある実施形態では、活性表面の第一の領域の下に形成されると共に、第一のマニホルドと流体連通する第一の背面供給フローアパーチュアを定義する特徴を更に含む、単一の製造マスクに対応する第二の製造マスクが提供される。
【００１５】
本発明の一実施形態の一態様によると、電気化学セルにおける使用に適した分流板が提供される。分流板は、第一の領域、第二の領域、第三の領域を有する活性表面、第一の領域内の活性領域、第一の領域内に形成されると共に、分流板の厚さ方向に延在し、且つ、第一の領域の一部にわたって活性領域と流体連通する第一の相補形活性表面供給フローアパーチュア、第二の領域内の第一のマニホルド、第三の領域内の第二のマニホルド、使用の際にプロセスガス及びプロセス流体の少なくとも一方が活性領域に導入されることなく活性表面の一部を横断するよう、第三の領域内に形成されると共に、分流板の厚さ方向に延在し、且つ、第三の領域の一部にわたって第二のマニホルドと流体連通する第二の相補形活性表面供給フローアパーチュア、及び、第一、第二、第三の領域を相互に分離するシール面を有する。関連する諸実施形態では、第一、第二、第三の領域は活性表面上に対称的に配置される。関連する諸実施形態では、活性領域はプロセスガス及びプロセス流体のいずれかを活性領域全体にわたって均一に分配するための流場構造を含む。関連する諸実施形態では、シール面はガスケット溝を含む。
【００１６】
ある実施形態では、活性表面は、シール面によって第一、第二、第三の領域から分離された第四の領域、第四の領域内の第三のマニホルド、及び、第一の領域内に形成されると共に、分流板の厚さ方向に延在し、且つ、第一の領域の一部にわたって活性領域と流体連通する第二の相補形活性表面供給フローアパーチュアを更に含む。関連する諸実施形態では、活性表面は、シール面によって第一、第二、第三、第四の領域から分離された第五の領域、第五の領域内の第四のインレットマニホルド、及び、使用の際にプロセスガス及びプロセス流体の少なくとも一方が活性領域に導入されることなく活性表面の一部を横断するよう、第五の領域内に形成されると共に、分流板の厚さ方向に延在し、且つ、第五の領域の一部にわたって活性領域と流体連通する第四の相補形活性表面供給フローアパーチュアを更に含む。関連する諸実施形態では、第一、第二、第三、第四、第五の領域は活性表面上に対称的に配置される。
【００１７】
ある実施形態において、分流板は、活性表面と反対側に対向すると共に、冷却剤チャネルを有する非活性後面、非活性後面の一部にわたって冷却剤チャネルと流体連通するインレット冷却剤マニホルド、非活性後面の一部にわたって冷却剤チャネルと流体連通するアウトレット冷却剤マニホルド、及び、分流板の活性表面において、シール面によって相互に、且つ第一、第二、第三の領域から分離されているインレット冷却剤マニホルド及びアウトレット冷却剤マニホルドを更に含む。
【００１８】
ある実施形態において、活性表面は、シール面によって第一、第二、第三の領域から分離された第四の領域、第四の領域内の第三のマニホルド、及び、使用の際にプロセスガス及びプロセス流体の少なくとも一方が活性領域に導入されることなく活性表面の一部を横断するよう、第四の領域内に形成されると共に、分流板の厚さ方向に延在し、且つ、第四の領域の一部にわたって第三のマニホルドと流体連通する、第三の相補形活性表面供給フローアパーチュアを更に含む。
【００１９】
関連する諸実施形態では、第一、第二、第三、第四のマニホルドは、それぞれ陽極インレットマニホルド、陰極インレットマニホルド、陽極アウトレットマニホルド及び陰極アウトレットマニホルドとして指定されている。
【００２０】
関連する諸実施形態では、陽極インレットマニホルドは陰極インレットマニホルドよりも大きい。別の実施形態では、陰極インレットマニホルドは陽極インレットマニホルドよりも大きい。更に、ある実施形態では、陽極アウトレットマニホルドは陰極アウトレットマニホルドよりも大きい。あるいは、別の実施形態では、各マニホルドのサイズは等しい。
【００２１】
関連する諸実施形態では、第一、第二、第三、第四のマニホルドは、それぞれ陰極インレットマニホルド、陽極インレットマニホルド、陰極アウトレットマニホルド及び陽極アウトレットマニホルドとして指定されている。
【００２２】
本発明の別の実施形態の一態様によると、２つの隣接する電気化学セルを含む、電気化学セル積層体が提供される。２つの電気化学セルは、第一の活性表面と第二の活性表面を有するバイポーラ分流板を協同で共有する。第一の活性表面は２つの隣接する電気化学セルのうち一方の陽極として、第二の活性表面は２つの隣接する電気化学セルのうち他方の陰極として機能し、各活性表面はそれぞれ活性領域を有する。バイポーラ分流板は第一のマニホルドを有し、バイポーラ分流板は第一の相補形活性表面供給フローアパーチュアを有し、該第一の相補形活性表面供給フローアパーチュアは、バイポーラ分流板の厚さ方向に延在し、第二の活性表面の一部にわたって第一のマニホルドと流体連通し、且つ、第一の活性表面の一部にわたって第一の活性表面の活性領域と流体連通し、これにより、使用の際、第一の活性表面の活性領域から、もしくは第一の活性表面の活性領域へ流動するプロセスガス及びプロセス流体の少なくとも一方が、第二の活性表面の活性領域に導入されることなく第二の活性表面の一部を横断する。
【００２３】
ある実施形態では、分流板は、第二のマニホルド、及び、バイポーラ分流板の厚さ方向に延在すると共に、第一の活性表面の一部にわたって第二のマニホルドと流体連通し、且つ、第一の活性表面の一部にわたって第一の活性表面の活性領域と流体連通し、これにより、使用の際、第二の活性表面の活性領域から、もしくは第二の活性表面の活性領域へ流動するプロセスガス及びプロセス流体の少なくとも一方が、第一の活性表面の活性領域に導入されることなく第一の活性表面の一部を横断する、第二の相補形活性表面供給フローアパーチュアを更に含む。
【００２４】
ある実施形態では、バイポーラ分流板は、背面合わせに結合された２つの別々のプレートで構成されている。２つの別々のプレートは、第一の活性表面が一方のプレートに、第二の活性表面が他方のプレートに存在するよう製造される。
【００２５】
本発明の一実施形態の別の態様によれば、電気化学セルにおける使用に適したバイポーラ分流板が提供される。バイポーラ分流板は、第一のシール面によってそれぞれ分離された第一、第二、第三の領域を有する第一の活性表面と、第一の活性表面と対向配置されると共に、第二のシール面によってそれぞれ分離された第四、第五、第六の領域を有する第二の活性表面と、第一の領域内の第一の活性領域と、第四の領域内の第二の活性領域と、第二の領域から第五の領域にかけてバイポーラ分流板内に延在する第一のマニホルドと、第三の領域から第六の領域にかけてバイポーラ分流板内に延在する第二のマニホルドと、第一の領域から第五の領域にかけてバイポーラ分流板内に延在すると共に、第五の領域の一部にわたって第一のマニホルドと流体連通し、且つ、第一の領域の一部にわたって第一の活性領域と流体連通する第一の相補形活性表面供給フローアパーチュアと、第三の領域から第四の領域にかけてバイポーラ分流板内に延在すると共に、第三の領域の一部にわたって第二のマニホルドと流体連通し、且つ、第四の領域の一部にわたって第二の活性領域と流体連通する第二の相補形活性表面供給フローアパーチュアと、を有する。関連する実施形態では、第一、第二、第三の領域は、それぞれ第四、第五、第六の領域の鏡像配置に相当するよう第一の活性表面上に配置され、これにより、第一、第二、第三の領域に存在する特徴は、それぞれ第四、第五、第六の領域の特徴の鏡像に相当する。
【００２６】
ある実施形態では、 バイポーラ分流板は、第一のシール面によって第一、第二、第三の領域から分離された、第一の活性表面上の第七の領域、第二のシール面によって第四、第五、第六の領域から分離された、第二の活性表面上の第八の領域、第七の領域から第八の領域にかけてバイポーラ分流板内に延在する第三のマニホルド、第一の領域から第八の領域にかけてバイポーラ分流板内に延在すると共に、第八の領域の一部にわたって第三のマニホルドと流体連通し、且つ、第一の領域の一部にわたって第一の活性領域と流体連通する第三の相補形活性表面供給フローアパーチュア、を更に含む。関連する実施形態では、第一、第二、第三、第七の領域は、それぞれ第四、第五、第六、第八の領域の鏡像配置に相当するよう第一の活性表面上に配置され、これにより、第一、第二、第三、第七の領域に存在する特徴は、それぞれ第四、第五、第六、第八の領域の特徴の鏡像に相当する。
【００２７】
ある実施形態では、バイポーラ分流板は、第一のシール面によって第一、第二、第三、第七の領域から分離された、第一の活性表面上の第九の領域、第二のシール面によって第四、第五、第六、第八の領域から分離された、第二の活性表面上の第十の領域、第九の領域から第十の領域にかけてバイポーラ分流板内に延在する第四のマニホルド、第四の領域から第九の領域にかけてバイポーラ分流板内に延在すると共に、第九の領域の一部にわたって第四のマニホルドと流体連通し、且つ、第四の領域の一部にわたって第二の活性領域と流体連通する第四の相補形活性表面供給フローアパーチュア、を更に含む。関連する実施形態では、第一、第二、第三、第七、第九の領域は、それぞれ第四、第五、第六、第八、第十の領域の鏡像配置に相当するよう第一の活性表面上に配置され、これにより、第一、第二、第三、第七、第九の領域に存在する特徴は、それぞれ第四、第五、第六、第八、第十の領域の特徴の鏡像に相当する。
【００２８】
ある実施形態では、第一、第二、第三、第七、第九の領域は、各々第一、 第四、第十、第八、第六、第五の領域の像配置を１８０度回転させた配置に対応するよう配置され、これにより、第一、第二、第三、第七、第九の領域に存在する特徴は、各々第四、第十、第八、第六、第五の領域の領域に存在する特徴の、１８０度回転された像と対応している。
【００２９】
ある実施形態では、第一の活性表面と第二の活性表面は、単一のプレートの反対側の面に存在する。
【００３０】
ある実施形態では、第一の活性表面は第一のプレート上に存在し、第二の活性表面は第二のプレート上に存在し、第一のプレートと第二のプレートとは、第一の活性表面と第二の活性表面とが反対側を向くよう接続可能である。関連する実施形態では、バイポーラ分流板は、第一のプレート及び第二のプレートの両方に延在するインレット冷却剤マニホルド、第一のプレート及び第二のプレートの両方に延在するアウトレット冷却剤マニホルドを更に含む。インレット冷却剤マニホルド及びアウトレット冷却剤マニホルドは、第一のプレートに存在する第一の活性表面上の第一のシールによって相互に、且つ第一、第二、第三の領域から分離されている。また、アウトレット冷却剤マニホルドは、第二のプレートに存在する第二の活性表面上の第二のシールによって相互に、且つ第四、第五、第六の領域から分離されている。第一のプレート及び第二のプレートの少なくとも一方は、第一の活性表面もしくは第二の活性表面のそれぞれ反対側に対向する非活性後面を更に含み、非活性表面は、非活性後面の各部分にわたってインレット冷却剤マニホルド及びアウトレット冷却剤マニホルドと流体連通する冷却剤チャネルを有する。
【００３１】
ある実施形態では、第一の活性領域及び第二の活性領域上に含まれる流場構造は略同一であり、別の実施形態では略同一でない。
【００３２】
ある実施形態では、第一、第二、第三の領域は第一の活性表面上に対称的に配置され、第四、第五、第六の領域は第二の活性表面上に対称的に配置される。
【００３３】
ある実施形態では、第一、第二、第三、第七、第九の領域は第一の活性表面上に対称的に配置され、第四、第五、第六、第八、第十の領域は第二の活性表面上に対称的に配置される。
【００３４】
本発明のその他の態様及び特徴は、以下に記載する本発明の特定の実施形態の説明より、当業者には明らかとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
本発明への理解を深め、本発明の実施方法を明確にする目的で、本発明の諸実施形態の態様を例示した添付図面を参照する。
【００３６】
本願と同一出願人になる同時係属中の米国特許出願第１０／１０９，００２号（２００２年３月２９日出願）に記載された実施形態に従った流場構造及びプレート配置の態様を利用して、薄膜にかかるせん断力の低減、及び分流板間のシールの簡素化を図ることができる。当該特許出願の全内容を、参照することを以って本明細書に援用するものとする。陽極分流板は、リブにより画定される多数の陽極流場チャネル（すなわち、陽極流場構造）を含む。同様に、陰極分流板は、リブにより画定される多数の陰極流場チャネル（すなわち、陰極流場構造）を含む。組み立てられた状態では、陽極流場チャネルと陰極流場チャネルの相当な部分が、薄膜を介して相互に対向配置される。従って、陽極分流板のリブの相当な部分が、陰極分流板のリブの対応する相当な部分と一致する。本明細書ではこのことを「リブ−リブ」パターンマッチングと呼ぶこととする。
【００３７】
更に、本願と同一出願人になる同時係属中の米国特許出願第０９／８５５，０１８号（２００１年５月１５日出願）に記載されている諸実施形態に従った分流板配置を利用して、両分流板と、その間に配置される薄膜との間を効果的に密閉することができる。当該特許出願の全内容を、参照することを以って本明細書に援用するものとする。この実施形態では、各マニホルドからの特定のプロセスガス／プロセス流体の流入は、分流板の前（活性）面全体にわたって直接発生するのではなく、プロセスガス／プロセス流体は、まず各マニホルドから分流板の後（非活性）面の一部に導かれ、その後、後面から前面にかけて延在する「背面送り」アパーチュアを通過する。組み立てられた電気化学セル積層体において、前面の一部は、前面全体にわたって各マニホルドから密閉状態で分離された活性領域を画定する。プロセスガス／プロセス流体の流入が発生する後面の一部は、各マニホルドと流体連通する露出されたガス／流体流場チャネルを有する。背面送りアパーチュアは後面から前面にかけて延在し、活性領域と、各マニホルドと流体連通する、露出されたガス／流体流場チャネルとの間に流体連通を確立する。背面送りアパーチュアは、分流板の前面の、分流板が薄膜と接触する活性領域から離れた箇所に配置される。このようにすると、例えば、薄膜と分流板との間のシールは、薄膜の周囲を囲む間断のない経路として形成される。従来技術の例では、分流板の前面上における、一般に薄膜の周囲を囲む、薄膜と活性領域との間のシールは、分流板の前面上の活性領域から各マニホルドに導かれる露出された流場チャネルによって遮られる。これに対し、前出の本願と同一出願人になる同時係属中の米国特許出願によれば、プロセスガス／プロセス流体は、背面送りアパーチュアと各マニホルドとを囲むようにシールが形成された各分流板の後面から、背面送りアパーチュアを通って、前面上の活性領域に送られる。流体を後（非活性）面から前（活性）面に流動させるこの方法を、本明細書では「背面送り」と呼ぶ。当業者には、ガス／流体は前面の活性領域から後面へ、そして同様にして別の各マニホルドへ退避させ得ることが理解されよう。
【００３８】
それにも関わらず、ここで使用される分流板構造と薄膜アセンブリは、熟練の技術者でなければ電気化学セル積層体の組立てが行えないというような複雑な構造を全く有していない。例えば、正しいシーケンスのためには異なるバージョンの分流板（陽極もしくは陰極）を選択し、正しい向きに配置する必要がある。電気化学セル内で利用される必要な全プレート及び全表面を形成するために少なくとも３つの製造マスクが必要であるため、分流板の製造は極めて高価である。ゆえに、陽極分流板と陰極分流板との間の、薄膜を介した「背面送り」及び「リブ−リブ」パターンマッチングに関する上述の利点を提供しながら、電気化学セル積層体の製造と組立の簡素化が可能な分流板配置が求められている。
【００３９】
本発明の諸実施形態の態様によると、「背面送り」及び「リブ−リブ」パターンマッチングに関する上述の利点を提供し、更に分流板の製造と、電気化学セル積層体への組付けを簡素化する流場構造とプレート配置が提供される。詳細には、本発明の諸実施形態の態様に従うと、分流板は１つのマスクのみで製造でき、全く単一のプレートによるバイポーラ分流板設計が可能となる。当業者には、製造マスクの代わりにダイやモールド、その他表面に物理的特性を付与もしくは形成するための任意の製造装置・方法を用いてもよいことが理解されよう。ある実施形態では、プレート製造の精密な装置及び方法は、製造するプレートの材料タイプに応じて選択される。分流板の製造においては、スタンピング、モールディング、キャスティング、ミリング、エッチングをそれぞれ単独もしくは適宜組み合わせて用いることができる。
【００４０】
一般に、流場プレートは、各々が特定のプロセスガス／プロセス流体のための対応する長尺分配チャネルの一部として機能する多数のマニホルドを含む。ある実施形態では、電解槽セルの陰極にインプットプロセスガス／プロセス流体を供給する必要がなく、水素ガスと水のみを排出させる。このような電解槽セルでは、分流板に陰極用のインプットマニホルドは必要なく、アウトプットマニホルドのみ必要となる。対照的に、燃料電池の一般的な実施形態では、陽極と陰極の両方においてインプットマニホルドとアウトプットマニホルドを使用する。但し、燃料電池は、プロセス反応物質は燃料電池に供給されるが、燃料電池から循環しない、デッドエンドモードでも動作し得る。このような実施形態では、プロセス反応物質用のインプットマニホルドのみが設けられる。
【００４１】
一般に、燃料電池もしくは電解槽セル設計に応じて、反応ガス／流体、冷却剤、排出物質の各々用に、分流板上に多数のインレットマニホルド及びアウトレットマニホルドを設けることができる。
【００４２】
本発明の第一実施形態の態様に従った、組み立てられた状態における電気化学セル積層体１００の斜視図が図１Ａに、同図に対応する電気化学セル積層体１００の分解斜視図が図２Ａに示されている。同様に、本発明の第二実施形態の態様に従った、組み立てられた状態における電気化学セル積層体１００’の斜視図が図１Ｂに、同図に対応する電気化学セル積層体１００’の分解斜視図が図２Ｂに示されている。本発明の諸実施形態の態様に実質的影響を持たず、電気化学セル積層体１００及び１００’において実質上同一の共通要素及び特徴は、図１Ａ、図１Ｂ、図２Ａ、図２Ｂにおいて同一参照番号で示すものとする。
【００４３】
図１Ａ、図１Ｂ、図２Ａ、図２Ｂを続けて参照すると、電気化学セル積層体１００及び１００’は、いずれも陽極端板１０２及び陰極端板１０４を含む。電気化学セル積層体１００及び１００’の各々の残りの要素は、両端板１０２、１０４間に配置される。端板１０２、１０４には、プロセスガス／プロセス流体の供給・排出用接続ポートが設けられている。電気化学セル積層体１００及び１００’の各々に設けられる接続ポートについては後述する。但し、当業者には、本発明の別の実施形態においては様々な接続ポート配置が可能であることが理解されよう。
【００４４】
陽極端板１０２と陰極端板１０４の間に配置される要素には、陽極絶縁プレート１１２、陽極集電子プレート１１６、陰極集電子プレート１１８、陰極 絶縁プレート１１４がある。別の実施形態では、集電子プレート１１６と１１８との間に様々な数の電気化学セルが配置される。このような実施形態では、各電気化学セルを構成する要素は適宜順番に繰り返し配置され、所望のアウトプットを行う電気化学セル積層体となる。説明の簡略化のため、図１Ａ、図１Ｂ、図２Ａ、図２Ｂには１つの電気化学セルの要素のみを図示している。
【００４５】
電気化学セル積層体１００、１００’の各々を保持するため、タイロッド１３３が設けられている。タイロッド１３３は、陽極端板１０２に設けられたねじ付きボアに螺合され（あるいは別の方法にて固定され）、陽極端板１０４に設けられた対応するプレーンボアを通過する。アセンブリ全体を固定し、電気化学セル１００及び１００’の各種要素を確実に保持すべく、ナット、ワッシャーその他の固定手段が設けられている。
【００４６】
既述の如く、プロセスガス／プロセス流体、冷却剤等の供給・排出手段として電気化学セル積層体への各種接続ポートが設けられている。ある実施形態では、電気化学セル積層体への各種接続ポートは対で設けられる。接続ポートの各対の一方は陰極端板 （例えば、陰極端板１０４）上に配置され、他方は陽極端板（例えば、陽極端板１０２）上に適宜配置される。別の実施形態では、電気化学セル積層体はデッドエンドであり、各種接続ポートは陽極端板もしくは陰極端板のいずれかにのみ設けられる。電気化学セル積層体１００及び１００’の場合、各種接続ポートは対で設けられる。
【００４７】
図１Ａ及び図２Ａに示される陰極端板１０４を参照すると、水接続ポートが参照番号１０６、１１１で、酸素／水排出接続ポートが参照番号１０７、１１０で、酸素排出接続ポートが参照番号１０８、１０９で、それぞれ表されている。なお、図示を省略したが、接続ポート１０９、１１１に対応する接続ポートが陽極端板１０２上に設けられている。各種接続ポート１０６乃至１１１は、電気化学積層体１００内に延在する、後述する長尺分配チャネルもしくはダクトに接続される。
【００４８】
図１Ｂ及び図２Ｂに示される陰極端板１０４を参照すると、水素接続ポートが参照番号１０６’、１０７’で、空気／水接続ポートが参照番号１１０’、１１１’で、それぞれ表されている。なお、図示を省略したが、接続ポート１１１’に対応する接続ポートが陽極端板１０２上に設けられている。各種接続ポート１０６’、１０７’、１１０’、１１１’は、電気化学積層体１００’内に延在する、後述する長尺分配チャネルもしくはダクトに接続される。
【００４９】
既述の如く、集電子プレート１１６と１１８との間に多数の電気化学セルが配置されている。一般に、各電気化学セルは、陽極分流板、陰極分流板、及び両分流板の間に配置される薄膜（もしくは薄膜アセンブリ）から構成される。本発明のある実施形態では、陽極分流板と陰極分流板のそれぞれの前面は略同一形状であり、別の実施形態では、各前面は鏡像あるいは相互に回転した形状となっている。あるいは、更に別の実施形態では、前面は実質上相互に異なる形状である。通常、ガス拡散層もしくはガス拡散媒体が各分流板と薄膜との間に設けられている。あるいは、別の実施形態では、ガス拡散層は薄膜アセンブリと適宜一体形成される。
【００５０】
図２Ａに例示される電気化学セル積層体１００を参照すると、電気化学セルは、第一の（陽極）分流板１２０、１３０、陽極ガス拡散層もしくは陽極ガス拡散媒体１２３、薄膜長尺アセンブリ（ＭＥＡ）１２４、陰極ガス拡散層１２６、第二の（陰極）分流板１２０、１３０で構成されている。ガスケット３００は、分流板のシール面に沿った異なるプロセスガス／プロセス流体の流れを相互に分離状態に維持する目的で、分流板１２０、１３０のいずれかの側に密閉状態で配置される。各ガスケット３００は、密閉する分流板の形状に応じた形状に形成される。
【００５１】
図２Ｂに例示される電気化学セル積層体１００’を参照すると、電気化学セルは、第一の（陽極）分流板１２０’、１３０’、陽極ガス拡散層もしくは陽極ガス拡散媒体１２３’、薄膜長尺アセンブリ（ＭＥＡ）１２４、陰極ガス拡散層１２６’、第二の（陰極）分流板１２０’、１３０’で構成されている。ここでも、ガスケット３００’は、分流板のシール面に沿った異なるプロセスガス／プロセス流体の流れを相互に分離状態に維持する目的で、分流板１２０’、１３０’のいずれかの側に密閉状態で配置される。各ガスケット３００’は、密閉する分流板の形状に応じた形状に形成される。
【００５２】
図３Ａ及び図４Ａを参照すると、図１Ａに図示された電気化学セル積層体１００における使用に適した第一のバイポーラ分流板１２０の２つの活性側が示されている。バイポーラ分流板１２０は２つの活性表面を有するため、同時に陽極及び陰極として使用することができる。詳細には、図３Ａは、第一のバイポーラ分流板１２０の第一の活性表面１２１を、図４Ａは、第一のバイポーラ分流板１２０の第二の活性表面１２２を図示している。
【００５３】
図３Ａを参照すると、第一のバイポーラ分流板１２０はその第一の活性表面１２１上に、多数のリブ１６０により画定される多数のプライマリチャネル１５０からなる、活性領域における流場構造を含む。ある実施形態では、流場構造は、プライマリチャネル１５０と図２ＡのＭＥＡ１２４内の間のプロセスガス／プロセス流体との露出を増加するパターンで配置されている。
【００５４】
図４Ａを参照すると、第一のバイポーラ分流板１２０はその第二の活性表面１２２上に、多数のリブ１６５により画定される多数のプライマリチャネル１５５からなる、活性領域における流場構造を含む。ある実施形態では、流場構造は、プライマリチャネル１６５と図２ＡのＭＥＡ１２４におけるプロセスガス／プロセス流体間の暴露を増加するパターンで配置されている。
【００５５】
図３Ａ及び図４Ａを参照すると、第一のバイポーラ分流板１２０は、プロセスガス／プロセス流体の流動のための多数のマニホルドもしくはオープニングを有する。水インフローマニホルド２０１は、第一の活性表面１２１への水の供給用に設けられる。水／酸素排出マニホルド２００は、第一の活性表面１２１からの水／酸素の排出用に設けられる。水素アウトフローマニホルド２１０は、第二の活性表面１２２からの水素の排出用に設けられる。水／酸素スルーマニホルド２２０及び水スルーマニホルド２２１は、対応するプロセスガス／プロセス流体を電気化学セルの別の分流板から、もしくは別の分流板に案内するために設けられる。更に図１Ａ及び図２Ａを参照すると、組み立てられた状態における電気化学セル積層体１００において、マニホルド２００、２０１、 ２１０、２１１、 ２２０、２２１は、それぞれプロセスガス／プロセス流体接続ポート１０６、 １０７、 １０８、 １０９、 １１０、 １１１と流体連通する。
【００５６】
また、第一の分流板１２０は、第一の活性表面１２１において、水素排出用の露出されたチャネル２３５と流体連通する水素相補形活性表面供給フローアパーチュア２３０を有する。チャネル２３５は、水素相補形活性表面供給フローアパーチュア２３０を水素アウトフローマニホルド２１０に接続する。これにより、水素相補形活性表面供給フローアパーチュア２３０は、第一のバイポーラ分流板１２０の第二の活性表面１２２を水素アウトフローマニホルド２１０と流体連通させる。
【００５７】
同様に、第一のバイポーラ分流板１２０は、第二の活性表面１２２において、水インフローマニホルド２０１と流体連通する、露出された水インフローチャネル２５５を有する。チャネル２５５は、第二の活性表面１２２から第一の活性表面１２１にかけて延在する水相補形活性表面供給フローアパーチュア２５０と流体連通し、そこにおいて、これらはプライマリチャネル１５０と流体連通する。これにより、相補形活性表面供給フローアパーチュア２５０は、第一の活性表面１２１上の活性領域内で、プライマリチャネル１５０を水インフローマニホルド２０１と流体連通させる。また、第一の分流板１２０は、第二の活性表面１２２において、水アウトフローマニホルド２００と流体連通する、露出された水アウトフローチャネル２４０を有する。チャネル２４０は第一の活性表面１２１から第二の活性表面１２２にかけて延在する水相補形活性表面供給フローアパーチュア２４５と流体連通し、そこにおいて、これらはプライマリチャネル１５０と流体連通する。これにより、相補形活性表面供給フローアパーチュア２４５は、第一の活性表面１２１上の活性領域内で、プライマリチャネル１５０を水アウトフローマニホルド２００と流体連通させる。
【００５８】
作動中、流入する水は第二の活性表面１２２上に配置された水インフローチャネル２５５を介して水インフローマニホルド２０１と連通し、次いで相補形活性表面供給フローアパーチュア２５０を通って第一の活性表面１２１に到達する。流出する水と酸素は、第一の活性表面１２１から水／酸素 相補形活性表面供給フローアパーチュア２４５を介して、水／酸素アウトフローマニホルド２００と連通する。水／酸素相補形活性表面供給フローアパーチュア２４５は、第二の活性表面１２２上に配置された水／酸素 アウトフローチャネル２４０と流体連通する。
【００５９】
対応する相補形活性表面供給フローアパーチュアを介した様々なマニホルドへの流体連通は、前述した背面送りの基本原理に則って行われる。しかし、バイポーラ分流板の両側に活性表面が設けられており、これによって、単一プレートの両側を活性表面として利用し得る、全く単一のプレートからなるバイポーラ分流板設計が実施される。すなわち、プロセスガス／プロセス流体は、後向きの非活性表面と相互作用することなく、あるいはその存在を必要とすることすらなく、ある活性表面から別の活性表面へ連通するため、本発明の諸実施形態の態様に従ったバイポーラ分流板は、上述した背面送りの利点を提供するにあたり、対応する「非活性」面を必要としない。従って、当業者には、作動上、組み立てられた状態の電気化学セル（例えば、電気化学セル１００）内では、第一の活性表面１２１に対し供給・排出される特定のプロセスガス／プロセス流体は、第二の活性サービス１２２上のプライマリチャネル１５５から密閉状態で分離された第二の活性表面１２２の一部を横切ることが理解されよう。同様に、作動上、組み立てられた状態の電気化学セル（例えば、電気化学セル１００）内では、第二の活性表面１２２に対し供給・排出される特定のプロセスガス／プロセス流体は、第一の活性サービス１２１上のプライマリチャネル１５０から密閉状態で分離された第一の活性表面１２１の一部を横切る。
【００６０】
図３Ｂ及び図４Ｂを参照すると、図１Ｂに図示された電気化学セル積層体１００’における使用に適した第二のバイポーラ分流板１２０’の２つの活性側が示されている。バイポーラ分流板１２０’は２つの活性表面を有するため、積層体の２つの隣接する電気化学セルにおいて同時に陽極及び陰極として使用することができる。詳細には、図３Ｂは、第二のバイポーラ分流板１２０’の第一の活性表面１２１’を、図４Ｂは、第一のバイポーラ分流板１２０’の第二の活性表面１２２’を図示している。第二の活性表面１２２’の特徴構成は、第一の活性表面１２１’の特徴構成を１８０度回転させたものと概ね等しい。第二のバイポーラ分流板１２０’の両活性表面１２１’、１２２’の製造を１つの製造マスクで行うことができるため、このような構成により製造プロセスの簡略化が可能となる。これに対し、図３Ａ及び図４Ａに図示される第一のバイポーラ分流板１２０では、活性表面１２１、１２２が実質上互いに異なる形状であるため、２つの製造マスクが必要である。
【００６１】
図３Ｂを参照すると、第二のバイポーラ分流板１２０’はその第一の活性表面１２１’上に、多数のリブ１６０’により画定される多数のプライマリチャネル１５０’からなる活性領域における流場構造を含む。ある実施形態では、流場構造は、プライマリチャネル１５０’と図２ＡのＭＥＡ１２４’におけるプロセスガス／プロセス流体間の暴露を増加するパターンで配置されている。
【００６２】
図４Ｂを参照すると、第二のバイポーラ分流板１２０’はその第二の活性表面１２２’上に、多数のリブ１６５’により画定される多数のプライマリチャネル１５５’からなる活性領域における流場構造を含む。ある実施形態では、流場構造は、プライマリチャネル１６５’と図２ＡのＭＥＡ１２４’におけるプロセスガス／プロセス流体間の暴露を増加するパターンで配置されている。
【００６３】
図３Ｂ及び図４Ｂの両図を参照すると、第二のバイポーラ分流板１２０’は、プロセスガス／プロセス流体の流動のための多数のマニホルドもしくはオープニングを含む。第二のバイポーラ分流板１２０’は、陽極インレットマニホルド２６０、陽極アウトレットマニホルド２６２、陰極インレットマニホルド２６４、陰極アウトレットマニホルド２６６を含む。更に図１Ｂ及び図２Ｂを参照すると、組み立てられた状態における電気化学セル積層体１００’において、マニホルド２６０、２６２、２６４、２６６は、それぞれプロセスガス／プロセス流体接続ポート１０６’、１０７’、１１１’、１１０’と流体連通する。
【００６４】
陽極インレットマニホルド２６０は、第一の活性表面１２１’上に配置された、露出されたチャネル２７１と流体連通する。露出されたチャネル２７１は、露出された供給チャネル２７１を第二の活性表面１２２’上のプライマリチャネル１５５’と流体連通させる、相補形活性表面供給フローアパーチュア２７２と流体連通する。同様に、陽極アウトレットマニホルド２６２は、第一の活性側１２１’上に配置された露出された供給チャネル２７３と流体連通する。露出された供給チャネル２７３は、露出された供給チャネル２７３を第二の活性表面１２２’上のプライマリチャネル１５５’と流体連通させる、相補形活性表面供給フローアパーチュア２７４と流体連通する。
【００６５】
陰極インレットマニホルド２６４は、第二の活性表面１２２’上に配置された露出された供給チャネル２７６と流体連通する。露出された供給チャネル２７６は、露出された供給チャネル２７３を第一の活性表面１２１’上のプライマリチャネル１５０’と流体連通させる、相補形活性表面供給フローアパーチュア２７５と流体連通する。同様に、陰極アウトレットマニホルド２６６は、第二の活性側１２２’上に配置された、露出された供給チャネル２７８と流体連通する。露出された供給チャネル２７８は、露出された供給チャネル２７８を第一の活性表面１２１’上のプライマリチャネル１５０’と流体連通させる、相補形活性表面供給フローアパーチュア２７７と流体連通する。
【００６６】
ゆえに、図３Ｂ及び図４Ｂに示す、第二のバイポーラ分流板１２０’に関する相補形活性表面供給フロー構成は、図３Ａ及び図４Ａに示す、第一のバイポーラ分流板１２０に関連して説明した構成と同様である。従って、第一の活性表面１２１’と第二の活性表面１２２’に対するプロセスガス／プロセス流体のインフロー及びアウトフローは、それぞれ上述の第一の活性表面１２１と第二の活性表面１２２に対するプロセスガス／プロセス流体のインフロー及びアウトフローと実質上等しい。よって、当業者には、作動上、組み立てられた状態の電気化学セル（例えば、電気化学セル １００’）内では、第一の活性表面１２１’に対し供給・排出される特定のプロセスガス／プロセス流体は、第二の活性サービス１２２’上のプライマリチャネル１５５’から密閉状態で分離された第二の活性表面１２２の一部を横切ることが理解されよう。同様に、作動上、組み立てられた状態の電気化学セル（例えば、電気化学セル １００’）内では、第二の活性表面１２２’に対し供給・排出される特定のプロセスガス／プロセス流体は、第一の活性サービス１２１’上のプライマリチャネル１５０’から密閉状態で分離された第一の活性表面１２１’の一部を横切る。
【００６７】
図５Ａ及び図６Ａを参照すると、図１Ａに図示された電気化学セル積層体１００における使用に適した第三のバイポーラ分流板１３０の２つの活性側が示されている。バイポーラ分流板１３０は２つの活性表面を有するため、積層体の２つの隣接する電気化学セルにおいて同時に陽極及び陰極として使用することができる。詳細には、図５Ａは、第三のバイポーラ分流板１３０の第一の活性表面１３１を、図６Ａは、第三のバイポーラ分流板１３０の第二の活性表面１３２を図示している。
【００６８】
第三の分流板１３０の第一の活性表面１３１及び第二の活性表面１３２は、各々、図３Ａ及び図４Ａにそれぞれ図示した第一の活性表面１２１及び第二の活性表面１２２の鏡像である。図５Ａに示す構成を得るために使用される第一の対称軸は、図３Ａに示す軸対称主軸１９０である。図６Ａに示す構成を得るために使用される第二の対称軸は、図４Ａに示す軸対称主軸１９５である。１つの詳細なパターンマスク（あるいはダイ、モールド等）のみを作成すればよいため（「鏡像」パターンマスク／ダイ／モールド等は第一のマスクに使用したデータから製造できるため）、１つの分流板の２つの面の鏡像を用いて、もう１つの分流板の２つの面からの構成を形成することによって、分流板の製造コストを抑制できる。また、適切な薄膜と組み合わせて２枚のプレートを組み立てて電気化学セルを構成する際には、一方の分流板のリブの相当な部分が他方の分流板の対応するリブの前に位置する。
【００６９】
図５Ａを参照すると、第三のバイポーラ分流板１３０はその第一の活性表面１３１上に、多数のリブ１８０により画定される多数のプライマリチャネル１７０からなる活性領域における流場構造を含む。ある実施形態では、流場構造は、プライマリチャネル１７０と図２ＡのＭＥＡ１２４におけるプロセスガス／プロセス流体間の暴露を増加するパターンで配置されている。
【００７０】
図６Ａを参照すると、第三のバイポーラ分流板１３０はその第二の活性表面１３２上に、多数のリブ１８５により画定される多数のプライマリチャネル１７５からなる活性領域における流場構造を含む。ある実施形態では、流場構造は、プライマリチャネル１７５と図２ＡのＭＥＡ１２４におけるプロセスガス／プロセス流体間の暴露を増加するパターンで配置されている。
【００７１】
図５Ａ及び図６Ａの両図を参照すると、第三のバイポーラ分流板１３０は、プロセスガス／プロセス流体の流動のための多数のマニホルドもしくはオープニングを含む。水インフローマニホルド２２１’は、第一の活性表面１３１への水の供給用に設けられる。水／酸素排出マニホルド２２０’は、第一の活性表面１３１からの水／酸素の排出用に設けられる。水素アウトフローマニホルド２１１’は、第二の活性領域１３２からの水素の排出用に設けられる。水素スルーマニホルド２１０’、水／酸素スルーマニホルド２００’、水スルーマニホルド２０１’は、対応するプロセスガス／プロセス流体を電気化学セルの第二の分流板から、もしくは第二の分流板に案内するために設けられる。更に図１Ａ及び図２Ａを参照すると、組み立てられた状態における電気化学セル積層体１００において、マニホルド２００、２０１、 ２１０、２１１、 ２２０、２２１は、それぞれプロセスガス／プロセス流体接続ポート１０６、１０７、 １０８、１０９、 １１０、 １１１の各々と流体連通する。
【００７２】
また、第三の分流板１３０は、第一の活性表面１３１において、水素排出用の露出されたチャネル２３５’と流体連通する水素相補形活性表面供給フローアパーチュア２３０’を有する。チャネル２３５’は、相補形活性表面供給フローアパーチュア２３０’を水素アウトフローマニホルド２１１’に接続する。これにより、水素相補形活性表面供給フローアパーチュア２３０’は、第三のバイポーラ分流板１３０の第二の活性表面１３２を水素 アウトフローマニホルド２１１’と流体連通させる。
【００７３】
同様に、第三のバイポーラ分流板１３０は、第二の活性表面１３２において、水インフローマニホルド２２１’と流体連通する、露出された水インフローチャネル２５５’を有する。チャネル２５５’は、第二の活性表面１３２から第一の活性表面１３１にかけて延在する水相補形活性表面供給フローアパーチュア２５０’と流体連通し、そこにおいて、これらはプライマリチャネル１７０と流体連通する。これにより、相補形活性表面供給フローアパーチュア２５０’は、第一の活性表面１３１上の活性領域内で、プライマリチャネル１７０を水インフローマニホルド２２１’と流体連通させる。また、第二の活性表面１３２において、水アウトフローマニホルド２２０’と流体連通する、露出された水アウトフローチャネル２４０’を有する。チャネル２４０’は第二の活性表面１３２から第一の活性表面１３１にかけて延在する水相補形活性表面供給フローアパーチュア２４５’と流体連通し、そこにおいて、これらはプライマリチャネル１７０と流体連通する。これにより、相補形活性表面供給フローアパーチュア２４５’は、第一の活性表面１３１上の活性領域内で、プライマリチャネル１７０を水アウトフローマニホルド２２０’と流体連通させる。
【００７４】
図５Ａ及び図６Ａに示す、第三のバイポーラ分流板１３０’に関する相補形活性表面供給フロー構成は、図３Ａ及び図４Ａに示す、第一のバイポーラ分流板１２０に関連して説明した構成と同様である。従って、第一の活性表面１３１と第二の活性表面１３２に対するプロセスガス／プロセス流体のインフロー及びアウトフローは、それぞれ相補形活性表面供給フローチャネルに関して説明した上述の第一の活性表面１２１及び第二の活性表面１２２に対するプロセスガス／プロセス流体のインフロー及びアウトフローと実質上等しい。よって、当業者は、作動上、組み立てられた状態の電気化学セル（例えば、電気化学セル １００）内では、第一の活性表面１３１に対し供給・排出される特定のプロセスガス／プロセス流体は、第二の活性サービス１３２上のプライマリチャネル１７５から密閉状態で分離された第二の活性表面１３２の一部を横切ることを理解されよう。同様に、作動上、組み立てられた状態の電気化学セル（例えば、電気化学セル １００）内では、第二の活性表面１３２に対し供給・排出される特定のプロセスガス／プロセス流体は、第一の活性サービス１３１上のプライマリチャネル１７０から密閉状態で分離された第一の活性表面１３１の一部を横切る。
【００７５】
図５Ｂ及び図６Ｂを参照すると、図１Ｂに図示された電気化学セル積層体１００’における使用に適した第四のバイポーラ分流板１３０’の２つの活性側が示されている。第四のバイポーラ分流板１３０’は２つの活性表面を有するため、積層体の２つの隣接する電気化学セルにおいて同時に陽極及び陰極として使用することができる。詳細には、図５Ｂは、第四のバイポーラ分流板１３０’の第一の活性表面１３１’を、図６Ｂは、第四のバイポーラ分流板１３０’の第二の活性表面１３２’を図示している。第二の活性表面１３２’の特徴構成は、第一の活性表面１３１’の特徴構成を１８０度回転させたものと概ね等しい。第二のバイポーラ分流板１２０’の両活性表面１３１’、１３２’の製造を１つの製造マスクで行うことができるため、このような構成により製造プロセスの簡略化が可能となる。同様に、図３Ｂ及び図４Ｂにそれぞれ図示した２つの活性表面１２１’及び１２２’の製造では、両活性表面１２１’、１２２’が略同一形状を呈することから、１つの製造マスクのみで製造できる。これに対し、図５Ａ及び図６Ａに図示される第三のバイポーラ分流板１３０では、活性表面１３１、１３２が実質上互いに異なる形状であるため、２つの製造マスクが必要である。
【００７６】
図５Ｂを参照すると、第四のバイポーラ分流板１３０’はその第一の活性表面１３１’上に、多数のリブ１８０’により画定される多数のプライマリチャネル１７０’からなる活性領域における流場構造を含む。ある実施形態では、流場構造は、プライマリチャネル１７０’と図２ＡのＭＥＡ１２４’におけるプロセスガス／プロセス流体間の暴露を増加するパターンで配置されている。
【００７７】
図６Ｂを参照すると、第四のバイポーラ分流板１３０’はその第二の活性表面１３２’上に、多数のリブ１８５’により画定される多数のプライマリチャネル１７５’からなる活性領域における流場構造を含む。ある実施形態では、流場構造は、プライマリチャネル１７５’と図２ＡのＭＥＡ１２４’におけるプロセスガス／プロセス流体間の暴露を増加するパターンで配置されている。
【００７８】
図５Ｂ及び図６Ｂの両図を参照すると、第四のバイポーラ分流板１３０’は、プロセスガス／プロセス流体の流動のための多数のマニホルドもしくはオープニングを含む。第四のバイポーラ分流板１３０’は、陽極インレットマニホルド２６０’、陽極アウトレットマニホルド２６２’、陰極インレットマニホルド２６４’、陰極アウトレットマニホルド２６６’を含む。更に図１Ｂ及び図２Ｂを参照すると、組み立てられた状態における電気化学セル積層体１００’において、マニホルド２６０’、２６２’、２６４’、２６６’は、それぞれプロセスガス／プロセス流体接続ポート１０６’、１０７’、１１１’、１１０’の各々と流体連通する。
【００７９】
陽極インレットマニホルド２６０’は、第一の活性表面１２１’上に配置された、露出されたチャネル２７１’と流体連通する。露出されたチャネル２７１’は、露出された供給チャネル２７１’を第二の活性表面１３２’上のプライマリチャネル１７５’と流体連通させる、相補形活性表面供給フローアパーチュア２７２’と流体連通する。同様に、陽極アウトレットマニホルド２６２’は、第一の活性側１２１’上に配置された露出された供給チャネル２７３’と流体連通する。露出された供給チャネル２７３’は、露出された供給チャネル２７３を第二の活性表面１３２’上のプライマリチャネル１７５’と流体連通させる、相補形活性表面供給フローアパーチュア２７４’と流体連通する。
【００８０】
陰極インレットマニホルド２６４’は、第二の活性表面１３２’上に配置された露出された供給チャネル２７６’と流体連通する。露出された供給チャネル２７６’は、露出された供給チャネル２７６’を第一の活性表面１３１’上のプライマリチャネル１７０’と流体連通させる、相補形活性表面供給フローアパーチュア２７５’と流体連通する。同様に、陰極アウトレットマニホルド２６６’は、第二の活性側１３２’上に配置された露出された供給チャネル２７８’と流体連通する。露出された供給チャネル２７８は、露出された供給チャネル２７８’を第一の活性表面１３１’上のプライマリチャネル１７０’と流体連通させる、相補形活性表面供給フローアパーチュア２７７’と流体連通する。
【００８１】
ゆえに、図５Ｂ及び図６Ｂに示す、第四のバイポーラ分流板１３０’に関する相補形活性表面供給フロー構成は、図３Ａ及び図４Ａに示す、第一のバイポーラ分流板１２０に関連して説明した構成と同様である。従って、第一の活性表面１３１’及び第二の活性表面１３２’に対するプロセスガス／プロセス流体のインフロー及びアウトフローは、それぞれ相補形活性表面供給フローチャネルに関して説明した上述の第一の活性表面１２１及び第二の活性表面１２２に対するプロセスガス／プロセス流体のインフロー及びアウトフローと実質上等しい。従って、当業者は、作動上、組み立てられた状態の電気化学セル（例えば、電気化学セル １００’）内では、第一の活性表面１３１’に対し供給・排出される特定のプロセスガス／プロセス流体は、第二の活性サービス１３２’上のプライマリチャネル１７５’から密閉状態で分離された第二の活性表面１３２’の一部を横切ることを理解されよう。同様に、作動上、組み立てられた状態の電気化学セル（例えば、電気化学セル １００’）内では、第二の活性表面１３２’に対し供給・排出される特定のプロセスガス／プロセス流体は、第一の活性サービス１３１’上のプライマリチャネル１７０’から密閉状態で分離された第一の活性表面１３１’の一部を横切る。
【００８２】
既述の如く、ある実施形態においては、第一の領域、 第二の領域、 第三の領域、第七の領域、第九の領域が第一の活性表面上に配置され、これにより、これらの領域は、１８０度回転した第四の領域、第十の領域、第八の領域、第六の領域、第五の領域と対応する。このため、第一の領域、 第二の領域、 第三の領域、第七の領域、第九の領域に存在する特徴は、第四の領域、第十の領域、第八の領域、第六の領域、第五の領域に存在する特徴の像とそれぞれ対応する。この例は、図３Ｂ、図４Ｂ、図５Ｂ、図６Ｂにそれぞれ図示した各活性表面１２１’、１２２’、１３１’、１３２’の特徴構成の比較に示されている。
【００８３】
詳細には、図３Ｂ、図４Ｂ、図５Ｂ、図６Ｂにそれぞれ図示した各活性表面１２１’、１２２’、１３１’、１３２’の特徴構成の比較より、各々が相互に他方と略同一であることがわかる。各バイポーラ分流板１２０’、 １３０’の場合、第一の活性表面１２１’、 １３１’は、表面の平面上で、第二の活性表面１２２’、 １３２’に対し１８０度回転（半回転）されている。また、実際上、バイポーラ分流板１２０’と１３１’とは相互に略同一である。作動上の相違としては、各分流板１２０’、 １３０’の第一の活性表面１２１’、 １３１’が陰極として使用される場合、隣接する分流板は、対応する第二の活性表面が、陰極と対向する陽極として使用される向きに配置される点が挙げられる。ある実施形態では、本明細書に説明した本発明の態様に従ったバイポーラ分流板は、その両側に２つの活性表面の特徴を付与すべく機械加工及び／又は化学的処理を施した単一のプレートで構成される。あるいは、他の実施形態では、バイポーラ分流板は、各プレートの前面に２つの活性表面のうちいずれか一方の特徴を付与し、２枚を貼り合わせることで本発明の一実施形態の態様に従ったバイポーラ分流板を形成すべくそれぞれ機械的、化学的処理を施した２枚のプレートで構成される。本発明のこれらの実施形態において、相補形活性表面供給フローチャネルに関する態様では後面は使用されない。
【００８４】
図３Ｂ、図４Ｂ、図５Ｂ、図６Ｂに図示するような分流板を利用する電気化学セル積層体のある実施形態では、積層体において特定の電気化学セルを構成する２枚のプレート間の協同関係は、組立工程において確立される。より詳しくは、例えば、多数の電気化学セルを隣接させて構成された電気化学セル積層体の場合、各電気化学セルがバイポーラ分流板を隣接する他のセルと共有することで、積層体端部のセルのみが隣接するセルを相互に共有し、積層体端部以外のセルは２つのバイポーラ分流板を２つの隣接するセルとそれぞれ共有する。各バイポーラ分流板は第一の活性表面及び第二の活性表面を有する。第一の活性表面は１つのセルでは陽極として使用され、第二の活性表面は隣接するセルでは陰極として使用される。図面に関連させて説明したように、第一の活性表面は、第二の活性表面と同様に多数の特徴を有する。
【００８５】
ゆえに、積層体の任意の電気化学セルにおいて、第一のバイポーラ分流板の第一の活性表面は第二のバイポーラ分流板の第二の活性表面と対向する。プレートが図３Ｂ、図４Ｂ、図５Ｂ、図６Ｂに図示したものと同様である場合、両プレートの開始位置が第一のバイポーラプレート及び第二のバイポーラプレートのそれぞれ当該第一の活性表面及び第二の活性表面が相互に同一であるならば、第一のバイポーラ分流板及び第二のバイポーラ分流板は、第二のバイポーラ分流板の第二の活性表面が第一のバイポーラ分流板の第一の活性表面に対し１８０度回転（半回転）された向きとなるよう配置される。すなわち、各セルの第一のバイポーラ分流板は第一の向きに配置され、各セルの第二のバイポーラ分流板は、第一のバイポーラ分流板及び第二のバイポーラ分流板が同一の向きである状態から第二の分流板が第二の分流板の長手軸周りに１８０度回転され、次いで第二の分流板の通常平面と直交する軸周りに１８０度回転した向きに配置される。
【００８６】
ある実施形態では、分流板の端部に多数のタブを設けることができる。タブは接触手段として、またそれらのタブが設けられた分流板の方向付け手段として機能する。すなわち、タブは、例えば、何らかの他のポイント（例えばアース、別の分流板等）に対するその分流板の電位を測定するための、特定の分流板への電気接点として使用できる。更に、１つ以上のタブを、電気化学セル構成要素である分流板を組み立てる際の補助として使用できる。これにより、分流板の特徴が相互に正確に位置合わせされる。別の実施形態では、分流板に多数のタブを設け、そのうちいくつかのタブを折り取っておく。これにより、電気化学セルを構成する第一の分流板及び第二の分流板の特定の分流板構成を第一の分流板もしくは第二の分流板として交互に識別する補助とすることができる。当業者には、本発明の多数の実施形態の範囲内でタブ配置、形状、数には多数の組合せが可能であることを認識されたい。
【００８７】
更に、ある実施形態の分流板は単一のタブを含む。例えば、図３Ａ、図４Ａ、図５Ａ、図６Ａを参照すると、図示されたバイポーラ分流板１２０、１３０は単一のタブ４００を含む。電気化学セル積層体を構成する構成分流板の全てにバイポーラ分流板１２０、１３０の一方を使用して電気化学セル積層体を組み立てる際、全ての構成分流板が同一であり、個々のタブ４００の配置も同じであることから、構成分流板の各々に設けられた全てのタブ４００は電気化学セル積層体の同一側に存在し、互いに隣接する。
【００８８】
別の実施形態では、分流板に複数のタブを設ける。このような実施形態では、特定のタブ上への各タブの配置は、特定の分流板への他の全てのタブの配置と異なっている。また、このような実施形態では、タブ形状及び分流板上における配置からタブを相互に容易に識別できるよう、分流板に設けられる各タブの形状を、当該分流板に設けられる他の全てのタブの形状と異ならせることもある。例えば、図３Ｂ、図４Ｂ、図５Ｂ、図６Ｂを参照すると、バイポーラ分流板１２０’、１３０’は各々第一のタブ４００と第二のタブ４０１を含む。両バイポーラ分流板１２０’、１３０’において、第二のタブ４０１は第一のタブ４００の位置から斜めに対向する位置に配置される。別の実施形態では、タブ４００、４０１はバイポーラ分流板１２０’、１３０’の同一側に配置してもよい（図示を省略）。また、電気化学積層体の組立ての際、タブ４００、４０１は電気化学セル積層体を構成する構成分流板を適切に配置するために使用される。更に、積層体の動作及びテストの際、タブ４００、４０１を特定の構成分流板への電気接点として利用できる。
【００８９】
ある実施形態では、分流板の活性表面は、電気化学セル積層体の組立て時にガスケットが密閉状態で嵌め込まれるガスケット溝を含む。ガスケット溝は、活性領域に対するプロセスガス／プロセス流体の供給・排出に使用されるマニホルドを明確に分離する。すなわち、ガスケット溝に嵌め込まれたガスケットは上述のようにマニホルドから薄膜を密閉する。図３Ａ乃至図６Ｂを参照すると、図示されたバイポーラ分流板に、（両活性表面に、必要に応じて）ガスケット溝３０５、３０５’が適宜設けられている。ここで図７Ａを参照すると、図３Ａ、図４Ａ、図５Ａ、図６Ａに示されたバイポーラ分流板１２０、１３０における使用に適したガスケット３００が図示されている。同様に、図７Ｂには、図３Ｂ、図４Ｂ、図５Ｂ、図６Ｂに示されたバイポーラ分流板１２０’、１３０’における使用に適したガスケット３００’が図示されている。
【００９０】
図７Ａ及び図７Ｂに別々に示すガスケット３００、３００’は、組み立てられた状態の電気化学セル積層体において、異なる分流板と薄膜との間、あるいは第一の分流板と最後の分流板と、バスバー（母線）との間に必要なシールを行う。例えば、図３Ａ及び図４Ａを参照すると、水素排出用の露出されたチャネル２５３はガスケット３００によりシールされ、これにより、特定の電気化学セルを構成するのに使用される別のバイポーラ分流板に配置された同様にシールされた平らな面２３６と合わせて、シールされた空間が画定される。同様に、図５Ａ及び図６Ａを参照すると、水素排出用の露出されたチャネル２３５’はガスケット３００によりシールされ、これにより、特定の電気化学セルを構成するのに使用される別のバイポーラ分流板に配置された同様にシールされた平らな面２３６’と合わせて、シールされた空間が画定される。同様に、図３Ｂ及び図７Ｂを参照すると、プレートを組み立てて積層体を構成する際、ガスケット３００(図７Ｂ)は、１つのマニホルド（例えば、マニホルド２６０）領域から別のマニホルド（例えば、マニホルド２６６）領域へ、また、相補形活性表面供給フローアパーチュア領域（例えば、相補形活性表面供給フローアパーチュア２７２）へのプロセスガスのクロスオーバーを防止すべく、プライマリチャネル１５０’を効果的にシールする。
【００９１】
既述の如く、ある実施形態では、電気化学セル積層体を構成する全ての分流板は略同一である。すなわち、２つの活性表面の一方に存在する特徴構成は、他方に存在する特徴構成と同一である。２つの活性表面が同一であるため、１つの製造マスク、モールドもしくはスタンプのみを用いてプレートを製造できる。
【００９２】
例えば、図３Ｂ及び図４Ｂを参照すると、第一の分流板と第二の分流板を用いてバイポーラ分流板１２０’を製造する際、第一の分流板及び第二の分流板の各々に第一の活性表面及び第二の活性表面１２１’、１２２’の特徴を付与すべく、製造用フォトマスクを用いて第一の分流板及び第二の分流板にケミカルエッチング処理を施す。２つの活性表面１２１’、１２２’が相互に対向しない向きとなるよう第一の分流板及び第二の分流板の背面を相互に貼り合わせ、バイポーラ分流板１２０’を形成する。活性表面１２１’、１２２’によって識別される、第一のプレートと第二のプレートとを接続するプロセスを、図８Ａ，図８Ｂ、図８Ｃに例示する。製造プロセスの一部を説明するため、図８Ａ乃至図８Ｃでは、第一の活性表面１２１’及び第二の活性表面１２２’を簡略化した形態で図示する。
【００９３】
図８Ａを参照すると、第二の分流板が、第一の活性表面１２１’と第二の活性表面１２２’とが同一方向に、同一の向きとされた第一の位置から、同じ向きのままで１８０度回転され、図８Ｂに示す第二の位置をとる。第二の分流板はそこで図８Ｃに示すように反転されて（第一の分流板に対し鏡像となり）、２つの活性表面１２１’、１２２’は相互に反対側を向く。２つの分流板は背面を合わせて結合され、図３Ｂ及び図４Ｂに図示するバイポーラ分流板１２０’が形成される。第一の分流板及び第二の分流板は、ロウ付け、レーザー溶接、導電接着塗布、当該電気化学セルの腐食性環境に適した結合を提供するその他の結合プロセス等、適切な結合プロセスを用いて結合される。
【００９４】
他の実施形態によると、背面合わせに２つの面を有する単一のプレートを用いてバイポーラ分流板を製造してもよい。一方の面に第一の活性表面のための流場構造の特徴を、他方の面に第二の活性表面のための流場構造の特徴を付与する。このようなバイポーラ分流板の製造方法により、必要な材料の量を低減でき、バイポーラ分流板と、多数のこのようなプレートで構成される電気化学セル積層体の重量を減ずることができる。
【００９５】
更に、ある実施形態では、電気化学セル積層体に用いるのに適したガス拡散媒体（ＧＤＭ）（図示を省略）も対称型に構成されており、従って、単一のタイプのＧＤＭのみを用いて電気化学セル積層体を組み立てることができる。別の実施形態では、製造されるＧＤＭは、組立工程において、活性表面の活性領域において適切な分流板パターンに適合するよう、対応する活性表面に対して回転もしくは反転される（鏡像とされる）。ここでは、流場パターンに対するＧＤＭの向きのみが比較的重要である。但し、ＧＤＭ上のパターンは分流板の対応する活性表面の活性領域上のパターンと大きな相違はない。これにより、製造工程と製造コストが低減される。
【００９６】
既述の如く、本発明のある実施形態の態様によれば、後面を有する分流板では、後面に冷却剤チャネルが設けられている。なお、「後面」は、組み立てられた状態の電気化学セル積層体において、薄膜と直接的もしくは間接的に接触しないことから、「非活性」表面である。図９Ａ乃至図１０Ｄは、非活性表面上に冷却剤チャネルを含む分流板を例示した概略図である。冷却剤は分流板上のマニホルドによって冷却剤チャネルに対し供給・排出される。
【００９７】
図９Ａを参照すると、図１Ａに図示した電気化学セル積層体１００における使用に適した第一の分流板１２０’’の前（活性）面１２１’’を概略図で示している。図９Ｂは，図９Ａに図示した第一の分流板１２０’’の後（非活性／冷却）面を概略図で示した図である。図９Ａに図示した第一の分流板１２０’’の前面１２１’’は、図３Ｂに図示した第一の活性表面１２１’と概ね同一であり、陽極インレットマニホルド２６０と陰極アウトレットマニホルド２６６の間に配置された第一の冷却剤マニホルド２８０、及び、陰極インレットマニホルド２６４と陽極インレットマニホルド２６２の間に配置された第二の冷却剤マニホルド２８２が更に設けられている。その他の特徴は全て図３Ｂに示したものと同一であり、同一の参照番号が用いられている。
【００９８】
図９Ｂは、分流板１２０’’の後面に配置された第一の分流板１２０’’の冷却領域を図示している。第一の冷却剤マニホルド２８０は、第一の冷却剤フローチャネル２８６を介して、チャネル２９０とリッジ２９５からなる冷却流場パターンに接続されている。第二の冷却剤マニホルド２８２は、第二の冷却剤フローチャネル２８４を介して、冷却流場パターンに接続されている。
【００９９】
同様に、図９Ｃを参照すると、図１Ａに図示した電気化学セル積層体１００における使用に適した第二の分流板１２０’’’の前（活性）面１２２’’を概略図で示している。図９Ｄは，図９Ｃに図示した第二の分流板１２０’’’の後（非活性／冷却）面を概略図で示した図である。図９Ｃに図示した第二の分流板１２０’’’の前面１２２’’は、図４Ｂに図示した第二の活性表面１２２’と概ね同一であり、陽極インレットマニホルド２６０と陰極アウトレットマニホルド２６６の間に配置された第一の冷却剤マニホルド２８０’、及び、陰極インレットマニホルド２６４と陽極インレットマニホルド２６２の間に配置された第二の冷却剤マニホルド２８２’が更に設けられている。その他の特徴は全て図４Ｂに示したものと同一であり、同一の参照番号が用いられている。
【０１００】
図９Ｄは、活性領域 １２２’’と反対側の表面に配置された第二の分流板１２０’’’の冷却領域を図示している。第一の冷却剤マニホルド２８０’は、第一の冷却剤フローチャネル２８６’を介して、チャネル２９０’とリッジ２９５’からなる冷却流場パターンに接続されている。第二の冷却剤マニホルド２８２’は、第二の冷却剤フローチャネル２８４’を介して、冷却流場パターンに接続されている。
【０１０１】
図９Ａ乃至図９Ｄに図示された分流板１２０’’及び１２０’’’は、背面同士を結合させて、図３Ｂ及び図４Ｂに図示したバイポーラ分流板１２０’と同様のバイポーラ分流板を形成し得る。これらのバイポーラ分流板の相違点は、分流板１２０’’及び１２０’’’を用いて形成されたバイポーラ分流板は個々の分流板１２０’’及び１２０’’’の間に冷却剤チャネルを有する点である。
【０１０２】
図１０Ａを参照すると、図１Ａに図示した電気化学セル積層体１００における使用に適した第三の分流板１３０’’の前（活性）面１３１’’を概略図で示している。図１０Ｂは，図１０Ａに図示した第三の分流板１３０’’の後（非活性／冷却）面を概略図で示した図である。図１０Ａに図示した第三の分流板１３０’’の前面１３１’は、図５Ｂに図示した第一の活性表面１３１’と概ね同一であり、陽極インレットマニホルド２６０’と陰極アウトレットマニホルド２６６’ の間に配置された第一の冷却剤マニホルド２８０’’、及び、陰極インレットマニホルド２６４’ と陽極インレットマニホルド２６２’の間に配置された第二の冷却剤マニホルド２８２’’が更に設けられている。その他の特徴は全て図５Ｂに示したものと同一であり、同一の参照番号が用いられている。
【０１０３】
図１０Ｂは、分流板１３０’’の後面に配置された第三の分流板１３０’’の冷却領域を図示している。第一の冷却剤マニホルド２８０’’は、第一の冷却剤フローチャネル２８６’’を介して、２９０’’とリッジ２９５’’からなる冷却流場パターンに接続されている。第二の冷却剤マニホルド２８２’’は、第二の冷却剤フローチャネル２８４’’を介して、冷却流場パターンに接続されている。
【０１０４】
同様に、図１０Ｃを参照すると、図１Ａに図示した電気化学セル積層体１００における使用に適した第四の分流板１３０’’’の前（活性）面１３２’’を概略図で示している。図１０Ｄは，図１０Ｃに図示した第四の分流板１３０’’’の後（非活性／冷却）面を概略図で示した図である。 図１０Ｃに図示した第四の分流板１３０’’’の前面１３２’’は、図６Ｂに図示した第二の活性表面１３２’と概ね同一であり、陽極インレットマニホルド２６０’と陰極アウトレットマニホルド２６６’の間に配置された第一の冷却剤マニホルド２８０’’’、及び、陰極インレットマニホルド２６４’と陽極インレットマニホルド２６２’の間に配置された第二の冷却剤マニホルド２８２’’’が更に設けられている。その他の特徴は全て図６Ｂに示したものと同一であり、同一の参照番号が用いられている。
【０１０５】
図１０Ｄは、活性領域 １３２’’と反対側の表面に配置された第四の分流板１３０’’’の冷却領域を図示している。第一の冷却剤マニホルド２８０’’’は、第一の冷却剤フローチャネル２８６’’’を介して、２９０’’’とリッジ２９５’’’からなる冷却流場パターンに接続されている。第二の冷却剤マニホルド２８２’’’は、第二の冷却剤フローチャネルs ２８４’’’を介して、冷却流場パターンに接続されている。
【０１０６】
図１０Ａ乃至図１０Ｄに図示された分流板１３０’’及び１３０’’’を結合させて、図５Ｂ及び図６Ｂに図示したバイポーラ分流板１３０’と同様のバイポーラ分流板を形成し得る。これらのバイポーラ分流板の相違点は、分流板１３０’’及び１３０’’’を用いて形成されたバイポーラ分流板は個々の分流板１３０’’及び１３０’’’の間に冷却剤チャネルを有する点である。
【０１０７】
ある実施形態では、図９Ａ乃至図１０Ｄを参照して上述した２つの分流板（すなわち構成分流板）からなるバイポーラ分流板は、２つの分流板の両方には冷却剤チャネルを設けていない。冷却剤チャネルはバイポーラ分流板を構成する２つの分流板のうちいずれか一方にのみ設けてもよい。すなわち、ある実施形態では、分流板は１枚おきに冷却剤チャネルを有する。あるいは、ある実施形態では、電気化学セル積層体は、奇数番号のセルのみが２つの活性表面の間に冷却剤チャネルを有する（例えば、冷却チャネルを設けない分流板と冷却剤チャネルを設けた分流板とを組み合わせる）、交互のタイプの電気化学セルで構成される。あるいは、交互ではない組合せ（例えば、３つに１つ、もしくは４つに１つのセル）も可能である。スタンピングされたプレートは２枚のスタンピングされた半分を結合する必要があることから、この点はスタンピングされたプレートに関してはそれほど重要な製造上の利点ではない。しかし、両活性表面のための特徴を、単一の複合基体、グリーンプレス(green pressed)焼結体、あるいは単一の金属基体に化学エッチング処理を施したものにインポートすることができるため、この点は、複合プレート、焼結プレート、化学エッチング処理されたプレートには利点となる。
【０１０８】
上述した説明は、本発明の諸実施形態の態様の応用をあくまで例として示したものである。当業者は本発明の範囲を逸脱することなく他の構成も実施できよう。
【０１０９】
例えば、本発明はＰＥＭ電気化学セルに関して説明したが、当業者には、本発明がアルカリセルのような他のタイプの電気化学セルにも応用できることが理解されよう。
【０１１０】
また、本願と同一出願人になる同時係属中の米国特許出願第０９／８５４，３６２号に記載された「所定位置に設けるシール（seal-in-place）」技術を、本発明の諸実施形態の態様と組み合わせて用いることができる。当該特許出願の全内容を、参照することを以って本明細書に援用するものとする。
【図面の簡単な説明】
【０１１１】
【図１Ａ】本発明の第一実施形態の態様に従った電気化学セル積層体を組み立てた状態で示す斜視図である。
【図１Ｂ】本発明の第二実施形態の態様に従った電気化学セル積層体を組み立てた状態で示す斜視図である。
【図２Ａ】図２Ａは、図１Ａに示す電気化学セル積層体の分解斜視図である。
【図２Ｂ】図１Ｂに示す電気化学セル積層体の分解斜視図である。
【図３Ａ】図１Ａに示す電気化学セル積層体における使用に適した第一のバイポーラ分流板の第一の活性表面の概略図である。
【図３Ｂ】図１Ｂに示す電気化学セル積層体における使用に適した第二のバイポーラ分流板の第一の活性表面の概略図である。
【図４Ａ】図３Ａに示す第一のバイポーラ分流板の第二の活性表面の概略図である。
【図４Ｂ】図３Ｂに示す第二のバイポーラ分流板の第二の活性表面の概略図である。
【図５Ａ】図１Ａに示す電気化学セル積層体における使用に適した第三のバイポーラ分流板の第一の活性表面の概略図である。
【図５Ｂ】図１Ｂに示す電気化学セル積層体における使用に適した第四のバイポーラ分流板の第一の活性表面の概略図である。
【図６Ａ】図５Ａに示す第三のバイポーラ分流板の第二の活性表面の概略図である。
【図６Ｂ】図５Ｂに示す第四のバイポーラ分流板の第二の活性表面の概略図である。
【図７Ａ】図３Ａ、図４Ａ、図５Ａ、図６Ａに示すバイポーラ分流板の両活性表面における使用に適したガスケットの概略図である。
【図７Ｂ】図３Ｂ、図４Ｂ、図５Ｂ、図６Ｂに示すバイポーラ分流板の両活性表面における使用に適したガスケットの概略図である。
【図８Ａ】図１Ｂに示す電気化学セル積層体における使用に適した分流板の例示的組み立て手順における第一のステップを図示したものである。
【図８Ｂ】図８Ａに続く、例示的組み立て手順における第二のステップを図示したものである。
【図８Ｃ】図８Ｂに続く、例示的組み立て手順における第三のステップを図示したものである。
【図９Ａ】図１Ａに示す電気化学セル積層体における使用に適した第一の分流板の前（活性）面の概略図である。
【図９Ｂ】図９Ａに示す第三の分流板の後（非活性／冷却）面の概略図である。
【図９Ｃ】図１Ａに示す電気化学セル積層体における使用に適した第二の分流板の前（活性）面の概略図である。
【図９Ｄ】図９Ｃに示す第二の分流板の後（非活性／冷却）面の概略図である。
【図１０Ａ】図１Ａに示す電気化学セル積層体における使用に適した第三の分流板の前（活性）面の概略図である。
【図１０Ｂ】図１０Ａに示す第三の分流板の後（非活性／冷却）面の概略図である。
【図１０Ｃ】図１Ａに示す電気化学セル積層体における使用に適した第四の分流板の前（活性）面の概略図である。
【図１０Ｄ】図１０Ｃに示す第四の分流板の後（非活性／冷却）面の概略図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
陽極分流板の活性表面及び陰極分流板の活性表面、並びにバイポーラ分流板の２つの活性表面の製造に適した単一の製造マスクであって、前記単一の製造マスクは、
活性領域を含む第一の領域、
第一のマニホルドを含む第二の領域、
第二のマニホルドを含む第三の領域、及び
前記第一、第二、第三の領域を相互に分離するシール面、
を定義するための特徴を含み、
前記第一、第二、第三の領域は前記活性表面上に対称的に配置されている、
単一の製造マスク。
【請求項２】
前記シール面はガスケット溝を含む、請求項１に記載の単一の製造マスク。
【請求項３】
前記第三の領域の一部にわたって前記第一のマニホルドと流体連通する第一の相補形活性表面供給フローアパーチュア、及び
前記第一の領域内に形成されると共に、前記第一の領域の一部にわたって前記活性領域と流体連通する第二の相補形活性表面供給フローアパーチュア、
を定義するための特徴を更に含む、
請求項１に記載の単一の製造マスク。
【請求項４】
第三のマニホルドを含む第四の領域、及び
第四のマニホルドを含む第五の領域、
を定義するための特徴を含み、
前記第一、第二、第三、第四、第五の領域は前記シール面により相互に分離され、
前記第一、 第二、 第三、 第四、第五の領域は、各々前記第一、 第三、 第二、 第五、第四の領域の像配置を１８０度回転させた配置に対応するよう配置され、これにより、前記第一、 第二、 第三、 第四、第五の領域に存在する特徴は、各々前記第一、 第三、 第二、 第五、第四の領域に存在する特徴の像と対応している、
請求項１に記載の単一の製造マスク。
【請求項５】
前記第四の領域の一部にわたって前記第三のマニホルドと流体連通する第三の相補形活性表面供給フローアパーチュア、及び
前記第一の領域内に形成されると共に、前記第一の領域の一部にわたって前記活性領域と流体連通する第四の相補形活性表面供給フローアパーチュア、
を定義するための特徴を更に含む、
請求項４に記載の単一の製造マスク。
【請求項６】
前記活性領域内に前記活性流場構造を定義するための特徴を更に含む、請求項１に記載の単一の製造マスク。
【請求項７】
前記流場構造は、前記活性領域の表面にわたって略対称形である、請求項１に記載の単一の製造マスク。
【請求項８】
前記第一の領域内に形成されると共に、前記第一の領域の一部にわたって前記活性領域と流体連通する第一の背面供給フローアパーチュア、及び
前記第一の領域内に形成されると共に、前記第一の領域の一部にわたって前記活性領域と流体連通する第二の背面供給フローアパーチュア、
を定義するための特徴を更に含む、
請求項１に記載の単一の製造マスク。
【請求項９】
インレット冷却剤マニホルド、及び
アウトレット冷却剤マニホルド、
を定義するための特徴を更に含み、
前記シール面は、前記インレット冷却剤マニホルドと前記アウトレット冷却剤マニホルドを相互に、且つ前記第一、第二、第三の領域を分離すべく延在する、
請求項１に記載の単一の製造マスク。
【請求項１０】
請求項９に記載の単一の製造マスクに対応する第二の製造マスクであって、
前記第二の製造マスクは、陽極分流板及び陰極分流板の両方の対向する非活性表面の製造に適しており、前記第二のマスクは、前記インレット冷却剤マニホルド及びアウトレット冷却剤マニホルドと流体連通する冷却剤チャネルを定義するための特徴を含む、
第二の製造マスク。
【請求項１１】
請求項９に記載の単一の製造マスクに対応する第二の製造マスクであって、前記活性表面の前記第一の領域の下に形成されると共に、前記第一のマニホルドと流体連通する第一の背面供給フローアパーチュアを定義する特徴を更に含む、第二の製造マスク。
【請求項１２】
請求項１に記載の単一の製造マスクを用いて製造される分流板。
【請求項１３】
請求項１に記載の単一の製造マスクを用いて製造されるバイポーラ分流板。
【請求項１４】
請求項３に記載の単一の製造マスクを用いて製造される分流板。
【請求項１５】
請求項３に記載の単一の製造マスクを用いて製造されるバイポーラ分流板。
【請求項１６】
請求項４に記載の単一の製造マスクを用いて製造される分流板。
【請求項１７】
請求項４に記載の単一の製造マスクを用いて製造されるバイポーラ分流板。
【請求項１８】
請求項５に記載の単一の製造マスクを用いて製造される分流板。
【請求項１９】
請求項５に記載の単一の製造マスクを用いて製造されるバイポーラ分流板。
【請求項２０】
請求項６に記載の単一の製造マスクを用いて製造される分流板。
【請求項２１】
請求項６に記載の単一の製造マスクを用いて製造されるバイポーラ分流板。
【請求項１】
陽極分流板の活性表面及び陰極分流板の活性表面、並びにバイポーラ分流板の２つの活性表面の製造に適した単一の製造マスクであって、前記単一の製造マスクは、
活性領域を含む第一の領域、
第一のマニホルドを含む第二の領域、
第二のマニホルドを含む第三の領域、及び
前記第一、第二、第三の領域を相互に分離するシール面、
を定義するための特徴を含み、
前記第一、第二、第三の領域は前記活性表面上に対称的に配置されている、
単一の製造マスク。
【請求項２】
前記シール面はガスケット溝を含む、請求項１に記載の単一の製造マスク。
【請求項３】
前記第三の領域の一部にわたって前記第一のマニホルドと流体連通する第一の相補形活性表面供給フローアパーチュア、及び
前記第一の領域内に形成されると共に、前記第一の領域の一部にわたって前記活性領域と流体連通する第二の相補形活性表面供給フローアパーチュア、
を定義するための特徴を更に含む、
請求項１に記載の単一の製造マスク。
【請求項４】
第三のマニホルドを含む第四の領域、及び
第四のマニホルドを含む第五の領域、
を定義するための特徴を含み、
前記第一、第二、第三、第四、第五の領域は前記シール面により相互に分離され、
前記第一、 第二、 第三、 第四、第五の領域は、各々前記第一、 第三、 第二、 第五、第四の領域の像配置を１８０度回転させた配置に対応するよう配置され、これにより、前記第一、 第二、 第三、 第四、第五の領域に存在する特徴は、各々前記第一、 第三、 第二、 第五、第四の領域に存在する特徴の像と対応している、
請求項１に記載の単一の製造マスク。
【請求項５】
前記第四の領域の一部にわたって前記第三のマニホルドと流体連通する第三の相補形活性表面供給フローアパーチュア、及び
前記第一の領域内に形成されると共に、前記第一の領域の一部にわたって前記活性領域と流体連通する第四の相補形活性表面供給フローアパーチュア、
を定義するための特徴を更に含む、
請求項４に記載の単一の製造マスク。
【請求項６】
前記活性領域内に前記活性流場構造を定義するための特徴を更に含む、請求項１に記載の単一の製造マスク。
【請求項７】
前記流場構造は、前記活性領域の表面にわたって略対称形である、請求項１に記載の単一の製造マスク。
【請求項８】
前記第一の領域内に形成されると共に、前記第一の領域の一部にわたって前記活性領域と流体連通する第一の背面供給フローアパーチュア、及び
前記第一の領域内に形成されると共に、前記第一の領域の一部にわたって前記活性領域と流体連通する第二の背面供給フローアパーチュア、
を定義するための特徴を更に含む、
請求項１に記載の単一の製造マスク。
【請求項９】
インレット冷却剤マニホルド、及び
アウトレット冷却剤マニホルド、
を定義するための特徴を更に含み、
前記シール面は、前記インレット冷却剤マニホルドと前記アウトレット冷却剤マニホルドを相互に、且つ前記第一、第二、第三の領域を分離すべく延在する、
請求項１に記載の単一の製造マスク。
【請求項１０】
請求項９に記載の単一の製造マスクに対応する第二の製造マスクであって、
前記第二の製造マスクは、陽極分流板及び陰極分流板の両方の対向する非活性表面の製造に適しており、前記第二のマスクは、前記インレット冷却剤マニホルド及びアウトレット冷却剤マニホルドと流体連通する冷却剤チャネルを定義するための特徴を含む、
第二の製造マスク。
【請求項１１】
請求項９に記載の単一の製造マスクに対応する第二の製造マスクであって、前記活性表面の前記第一の領域の下に形成されると共に、前記第一のマニホルドと流体連通する第一の背面供給フローアパーチュアを定義する特徴を更に含む、第二の製造マスク。
【請求項１２】
請求項１に記載の単一の製造マスクを用いて製造される分流板。
【請求項１３】
請求項１に記載の単一の製造マスクを用いて製造されるバイポーラ分流板。
【請求項１４】
請求項３に記載の単一の製造マスクを用いて製造される分流板。
【請求項１５】
請求項３に記載の単一の製造マスクを用いて製造されるバイポーラ分流板。
【請求項１６】
請求項４に記載の単一の製造マスクを用いて製造される分流板。
【請求項１７】
請求項４に記載の単一の製造マスクを用いて製造されるバイポーラ分流板。
【請求項１８】
請求項５に記載の単一の製造マスクを用いて製造される分流板。
【請求項１９】
請求項５に記載の単一の製造マスクを用いて製造されるバイポーラ分流板。
【請求項２０】
請求項６に記載の単一の製造マスクを用いて製造される分流板。
【請求項２１】
請求項６に記載の単一の製造マスクを用いて製造されるバイポーラ分流板。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図８Ｃ】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図９Ｃ】
【図９Ｄ】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１０Ｃ】
【図１０Ｄ】
【図１Ｂ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図８Ｃ】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図９Ｃ】
【図９Ｄ】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１０Ｃ】
【図１０Ｄ】
【公表番号】特表２００７−５１１６６４（Ｐ２００７−５１１６６４Ａ）
【公表日】平成１９年５月１０日（２００７．５．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５２９４８７（Ｐ２００６−５２９４８７）
【出願日】平成１６年５月１４日（２００４．５．１４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＣＡ２００４／０００７２１
【国際公開番号】ＷＯ２００４／１０２７１０
【国際公開日】平成１６年１１月２５日（２００４．１１．２５）
【出願人】（５０２４５１２５８）ハイドロジェニクス コーポレイション (21)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成１９年５月１０日（２００７．５．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年５月１４日（２００４．５．１４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＣＡ２００４／０００７２１
【国際公開番号】ＷＯ２００４／１０２７１０
【国際公開日】平成１６年１１月２５日（２００４．１１．２５）
【出願人】（５０２４５１２５８）ハイドロジェニクス コーポレイション (21)
【Ｆターム（参考）】
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