(57)【要約】      （修正有）【課題】動作および保管上の制約を考慮して、−５５℃から＋２００℃の全温度範囲にわたって周辺シールの気密性を保証可能な電気化学反応器を提供する。【解決手段】フローガイド（５）と、膜／電極接合体と、周辺シール（５１７）によって取り囲まれかつ電気化学反応器の反応領域（５２）を取り囲む中間シール（５１８）と、周辺シール（５１７）と中間シール（５１８）との間に配置された冷却流体のための第１の流れ回路（５４）と、を備え、流れ回路は、周辺シール（５１７）に沿って延びる第１の流路と、中間シール（５１８）に沿って延びる第２の流路と、第１および第２の流路のそれぞれの第２の端部を接続する第３の流路と、を備え、第１のマニホールド（５９７）のレベルにおいて導入された流体は第２のマニホールド（５９８）に戻るため、第３の流路を通過する。【選択図】図２
2019149367.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学反応器（４）であって、
フローガイド（５）と、
膜／電極接合体（１１０）と、
フローガイド（５）と前記膜／電極接合体（１１０）との間に配置された周辺シール（５１７）と、を備え、
更に、
前記フローガイド（５）と前記膜／電極接合体（１１０）との間に配置され、前記周辺シール（５１７）によって取り囲まれ、かつ前記電気化学反応器の反応領域（５２）を取り囲む中間シール（５１８）と、
前記周辺シール（５１７）と前記中間シール（５１８）との間に配置された冷却流体のための少なくとも１つの第１の流れ回路（５４）と、を備え、
前記流れ回路は、
冷却流体のための第１のマニホールド（５９７）に接続された第１の端部（５４６）と前記第１の端部の反対側の第２の端部（５４７）との間で前記周辺シール（５１７）に沿って延びる第１の流路（５４１）と、
冷却流体のための第２のマニホールド（５９８）に接続された第１の端部（５４８）と前記第１の端部の反対側の第２の端部（５４９）との間で前記中間シール（５１８）に沿って延びる第２の流路（５４５）と、
前記第１および第２の流路（５４１、５４５）のそれぞれの第２の端部（５４７、５４９）を接続する第３の流路（５４３）であって、それにより前記第１のマニホールドのレベルにおいて導入された流体は前記第２のマニホールドに戻るため、前記第３の流路（５４３）を通過しなければならず、または
前記第１の流路（５８１）に沿って分配され、第１の流路を前記第２の流路（５８５）にそれぞれ接続する第４の流路（５８３）であって、それにより前記第１のマニホールド（５９７）のレベルにおいて導入された流体は前記第２のマニホールド（５９８）に戻るため、前記第４の流路（５８３）を通過しなければならず、前記第１の流路の第１の端部（５８６）は前記第２の流路（５８５）の第２の端部（５８９）に近接して配置され、第１と第２の流路の間の流体流れに圧力損失を引き起こすよう構成されている前記第４の流路と、のいずれかを備える、
電気化学反応器（４）。
【請求項２】
前記周辺シール（５１７）および前記中間シール（５１８）が異なる材料からなり、周辺シール（５１７）の材料の使用温度範囲に−２０℃の温度が含まれ、中間シール（５１８）の材料の使用温度範囲に１８０℃の温度が含まれる、
請求項１に記載の電気化学反応器（４）。
【請求項３】
冷却流体のための第５の流路が、前記反応領域（５２）内のバイポーラプレート（５）の内側に垂直に設けられ、冷却流体のための流れ回路（５３）および冷却流体のための前記第５の流路は、同一の冷却流体を含む、
請求項１または２に記載の電気化学反応器（４）。
【請求項４】
冷却流体のための前記第５の流路が、反応領域（５２）内に配置された第３および第４のマニホールド（５９３、５９４）と連通しており、前記第３および第４のマニホールドは中間シール（５１８）と同じ材料で形成されたシール（５１３、５１４）によって取り囲まれている、
請求項２および３に記載の電気化学反応器（４）。
【請求項５】
冷却流体のための前記流れ回路（５３）が、空気、二水素、水およびグリコールからなる群より選択された冷却流体を含む、
請求項１〜４のいずれか１項に記載の電気化学反応器（４）。 
【請求項６】
前記第１のマニホールド（５９７）が、前記中間シール（５１８）よりも前記周辺シール（５１７）に近い、
請求項１〜５のいずれか１項に記載の電気化学反応器（４）。 
【請求項７】
前記第２のマニホールド（５９８）が、前記周辺シール（５１７）よりも前記中間シール（５１８）に近い、
請求項１〜６のいずれか１項に記載の電気化学反応器（４）。
【請求項８】
冷却流体のための前記第１の流れ回路（５４）と同様に、前記周辺シール（５１７）と前記中間シール（５１８）との間に配置された複数の冷却流体流れ回路（５４、５５、５６）を備え、これらの流れ回路の第１の流路の累積長さは、周辺シール（５１７）の長さの６０％以上である、
請求項１〜７のいずれか１項に記載の電気化学反応器（４）。
【請求項９】
前記第１の流路（５４１）が前記周辺シール（５１７）と前記第２の流路（５４５）との間に配置されている、
請求項１〜８のいずれか１項に記載の電気化学反応器。
【請求項１０】
前記第１および第２のマニホールド（５９７、５９８）に接続されたコンプレッサ（６１）をさらに含み、前記コンプレッサは、前記第１のマニホールドのレベルにおいて圧縮空気を導入するように構成される、
請求項１〜９のいずれか１項に記載の電気化学反応器を含むシステム。
【請求項１１】
前記コンプレッサの出口に接続された入口と、冷却流体のための前記第１のマニホールドに接続された出口とを有する熱交換器（６２）をさらに備える、
請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記コンプレッサ（６２）の入口が、カソード反応物の排出マニホールドに接続されている、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記冷却流体が空気であり、前記第１の流路を通過する前記冷却流体の流れが、前記第４の流路（５８３）を通過する前記冷却流体の流れの圧力損失よりも小さい圧力損失を有する、
請求項１０、１１または１２に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水の電気分解によって二水素を製造するための電解槽などのプロトン交換膜電気化学反応器、または電気を生成するための燃料電池に関する。
【０００２】
プロトン交換膜電気化学反応器は、３００℃未満の動作温度で使用される。プロトン交換膜は固体電解質を形成する。リン酸を含浸させたポリベンゾイミダゾール（polybenzimidazole）型の膜は、一般に低温用途に使用される。
【０００３】
特に、燃料電池は通常、連続的に導入される２つの反応物の間で電気化学反応が起こる基本セルの積層体を含む。燃料はアノードコンタクト（anode contact）に供給され、燃焼剤（combustion agent）はカソードコンタクト（cathode contact）に運ばれる。
【０００４】
反応は、２つの半反応に分割され、一方はアノード／膜界面、他方はカソード／膜界面で起こる。当該半反応は、２つの電極と電子伝導体との間にイオン伝導体がある場合にのみ起こり得る。
【０００５】
流体は、一般に積層体を直接通過する入口および出口マニホールド（manifolds）から、反応領域に接触する。流体は一般に、バイポーラプレートの流路によってマニホールドとそれらの反応領域との間に導かれる。バイポーラプレートはまた、電気伝導の機能およびセルの積層体をクランプする力（clamping force）を伝達する機能も有する。各マニホールドは、燃料電池内を循環する様々な流体の混合を防ぐシールによって囲まれている。各セルには、そのような流体をマニホールドから反応領域に運ぶためのシールを介した注入手段が設けられている。
【０００６】
周辺シールが各バイポーラプレートの周囲に配置され、それにより反応領域およびフローマニホールド(flow manifolds)を含む積層体の中央部分を取り囲む。この周辺シールは、各流れ回路の間および外部に対する、流れ回路の気密性を保証する。
【０００７】
従ってこの種の燃料電池は、少なくとも２つの異なる種類のシール、つまり周辺シールとフローマニホールドを取り囲むシールとを使用する。
【０００８】
目的の用途に応じて、燃料電池は許容温度に関して仕様を正確に満たさなければならない。
・燃料電池は、所定の温度範囲、例えば１００℃から２００℃の範囲で動作可能でなければならない。
・燃料電池は、例えば−５５℃〜＋７０℃の温度範囲で保管可能でなければならない。この温度範囲は動作温度範囲とは全く異なる。燃料電池内部の汚染を防ぐため、周辺シールはこの温度範囲にわたって気密性を保証しなければならない。
【０００９】
非常に寒い環境であっても、電気化学反応の熱損失が燃料電池の周囲での熱交換よりもはるかに大きいので、燃料電池の内部温度は通常の動作温度に調整される。従って、燃料電池の内部温度は、燃料電池が動作していないとき、例えば停止、保管、または保守の段階の間は、通常の動作温度より低いだけである。
【００１０】
上記の例では、上述の動作および保管上の制約を考慮して、−５５℃から＋２００℃の全温度範囲にわたって周辺シールの気密性を保証しなければならない。このため、この周辺シールに利用可能な技術的選択肢が大幅に減る。実際、燃料電池の動作温度で使用可能な一定数のシール材料は、低温で固くなる。シールが固くなると、様々な構成要素の膨張率の差または形状の欠陥に対応することができず、その結果気密性に欠陥が生じる。
【００１１】
本発明は、これらの問題のうちの１つ以上を解決することを目的とする。従って本発明は、添付の特許請求の範囲に定義されるような電気化学反応器に関する。
【００１２】
当業者であれば、独立請求項の変形例の各特徴は中間上位概念化することなく、従属請求項または明細書の特徴と独立して組み合わせることができることを理解するであろう。
【００１３】
本発明はまた、添付の特許請求の範囲に定義されるようなシステムに関する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
本発明の他の特徴および利点は、添付の図面を参照し、決して限定するものではなく、指針として以下の説明から明らかになるであろう。
【図１】燃料電池の膜／電極接合体の積層体およびバイポーラプレートの一例の分解斜視図である。
【図２】シールを備える、本発明の一実施形態による燃料電池のバイポーラプレートを示す図である。
【図３】図２の中間冷却回路を概略的に示す図である。
【図４】本発明の変形例による冷却流体のための冷却注入回路（cooling and injection circuit）の一例を概略的に示す図である。
【図５】本発明の別の変形例による冷却流体のための冷却注入回路の一例を概略的に示す図である。
【図６】本発明の別の実施形態による燃料電池用の中間冷却回路を概略的に示す図である。
【００１５】
図１は、燃料電池４のセル１の積層体の概略分解斜視図である。燃料電池４は、複数のセル１を重ね合わせたものである。セル１は、プロトン交換膜または高分子電解質膜を有するタイプである。 
【００１６】
燃料電池４は、燃料源４０を備える。この場合、燃料源４０は二水素を各セル１の入口に供給する。燃料電池４は、燃焼剤の供給源４２も備える。この場合、燃焼剤の供給源４２は空気を各セル１の入口に供給し、その空気の酸素は酸化剤として使用される。各セル１は排出路も備える。１つ以上のセル１は反応領域の冷却回路も有する。
【００１７】
各セル１は、膜／電極接合体１１０またはＭＥＡ１１０を備える。膜／電極接合体１１０は、固体電解質１１３、電解質の両側に配置され、当該電解質１１３上に固定されたカソード（図示せず）およびアノード１１１を備える。電解質１１３の層は、セル内に存在するガスに対して不透過でありながらプロトン伝導を可能にする膜を形成する。電解質の層はまた、アノード１１１とカソードとの間の電子の通過を防止する。この場合、電解質１１３は、１００℃を超える動作温度、通常１８０℃の動作温度で使用されるように構成されている。この種の電解質１１３は例えば、リン酸をドープしたポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）から製造してもよい。
【００１８】
隣接するＭＥＡの各対の間にバイポーラプレート５が配置されている。バイポーラプレート５は、ＭＥＡの各表面上に反応物が流れるガイドを形成する。ここで、各バイポーラプレート５は、アノード流路と、反対側の外表面にカソード流路とを画定する。バイポーラプレート５はまた、２つの連続する膜／電極接合体間の液体冷却剤の流路を画定する。バイポーラプレート５はそれぞれ、例えばステンレス鋼、チタン合金、アルミニウム合金、ニッケル合金、またはタンタル合金からなる２枚の接合された導電性金属シートからそれ自体公知の方法によって形成されてもよい。各シートはそれぞれの外表面を画定する。バイポーラプレート５は、他の任意の方法、例えば炭素／ポリマー複合材料から開始する成形または射出成形によっても得ることができる。従って、バイポーラプレート５も一体に形成することができる。バイポーラプレート５の外表面は、この種の一部品によって画定される。各セル１は、アノードとバイポーラプレートとの間に配置されたガス拡散層（図示せず）と、カソードと他のバイポーラプレートとの間に配置された他のガス拡散層とをさらに備えてもよい。膜／電極接合体１１０は、ここでは図示されていない補強材を備えてもよい。
【００１９】
それ自体周知の方法では、燃料電池４の動作中に、空気がＭＥＡ１１０とバイポーラプレート５との間を流れ、二水素がこのＭＥＡ１１０と他のバイポーラプレート５との間を流れる。バイポーラプレート５は特に、ＭＥＡ１１０の両側の反応物の流れをガイドする機能を有する。アノードでは、二水素がイオン化され、ＭＥＡ１１０を通過するプロトンが生成される。この反応によって生成された電子は、バイポーラプレート５によって回収される。次に、生成された電子は燃料電池４に接続された電気負荷に供給されて電流を形成する。カソードでは、酸素が還元されプロトンと反応して水を生成する。以下の反応がアノードおよびカソードで起こる。
アノード：２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ−
カソード：４Ｈ＋＋４ｅ−＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ
【００２０】
動作中、燃料電池４のセル１は通常、アノードとカソードとの間に１Ｖ程度のＤＣ電圧を発生させる。
【００２１】
燃焼剤の供給源４２は通常、セル１の入口に所定の圧力で空気を導入するコンプレッサを備える。このようなコンプレッサは、例えば空気圧の設定値を受け取り、その空気圧は回転数を変更可能なコンプレッサによって調節することができる。 
【００２２】
バイポーラプレート５と膜／電極接合体１１０との積層体は、複数のフローマニホールドを形成することを目的としている。この目的のために、それぞれの孔はバイポーラプレート５および膜／電極接合体１１０を貫通して形成される。バイポーラプレート５および膜／電極接合体１１０の孔は互いに対向して配置されて様々なフローマニホールドを形成する。
【００２３】
図２は、本発明の一実施形態による燃料電池用のバイポーラプレート５の一例の概略平面図である。図２はバイポーラプレート５のシート５０の平面図であり、様々なシールを備える。シールは、この図には示されていないＭＥＡ１１０に対してプレスされる。
【００２４】
従って、バイポーラプレート５は第１の長手方向端部のレベルにおける（at the level of）孔５９１および５９２と、第２の長手方向端部のレベルにおける孔５９５および５９６とを備える。中央領域５２において、バイポーラプレート５は孔５９１および５９２の近くに孔５９３を、孔５９５および５９６の近くに孔５９４を備える。孔５９１〜５９６はそれぞれシール５１１〜５１６によって取り囲まれている。
【００２５】
孔５９１は、例えば燃料供給マニホールドを形成するために使用され、孔５９６は、例えば燃焼残留物および未使用燃料を排出するためのマニホールドの形成に使用される。孔５９３は、例えば中央領域５２に液体冷却剤を供給するためのマニホールドを形成するのに使用され、そして孔５９４は、例えばこの液体冷却剤を排出するためのマニホールドを形成するのに使用される。孔５９２は、例えば燃焼剤を供給するためのマニホールドを形成するのに使用され、孔５９５は、例えば生成された水および未使用の燃焼剤を排出するためのマニホールドを形成するのに使用される。
【００２６】
中央領域５２は燃料電池の反応領域に概ね対応する。中央領域５２は、概略的に示されている流路５２２を備えており、例えば壁５２１によって区切られているアノード流路である。
【００２７】
周辺シール５１７は、孔またはマニホールド５９１〜５９６および中央部分５２の全てを取り囲む。シール５１８は中央部分５２を取り囲む。このように、中間領域５７は、シール５１７と５１８との間に設けられ、孔５９１、５９２、５９５および５９６が中間領域５７を通過する。シール５１１〜５１８は、バイポーラプレート５のシート５０とＭＥＡとの間で圧縮されている。
【００２８】
図示の例では、バイポーラプレート５は略矩形状である。ここで、本発明の簡易的な構成を詳細に説明するためにシール５１７、５１８も矩形状であるとする。
【００２９】
中間領域５７において、シール５１７と５１８との間には、冷却流体または熱伝導流体のための流れ回路５３〜５６が設けられている。特に、
・冷却流体流れ回路５３は、シール５１７と５１８の平行な辺（parallel sides）の間に設けられる。流れ回路５３は、冷却流体を導入するマニホールド５９７と冷却流体を排出するためのマニホールド５９８とを接続する。
・冷却流体流れ回路５４は、シール５１７と５１８の他の平行な辺の間に設けられる。流れ回路５４は、冷却流体を導入するマニホールド５９７と冷却流体を排出するためのマニホールド５９８とを接続する。
・冷却流体流れ回路５５は、シール５１７と５１８の他の平行な辺の間に設けられる。流れ回路５５は、冷却流体を導入するためのマニホールド５９７と冷却流体を排出するためのマニホールド５９８とを接続する。
・冷却流体流れ回路５６は、シール５１７と５１８の他の平行な辺の間に設けられる。流れ回路５６は、冷却流体を導入するためのマニホールド５９７と冷却流体を排出するためのマニホールド５９８とを接続する。説明を明確にするために図示しないが、冷却流体のためのマニホールド５９７及び５９８はシールによって取り囲まれている。図示しないポンプまたはコンプレッサ（冷却流体の性質に応じて）により、マニホールド５９７のレベルにおいて冷却流体を導入し、マニホールド５９８のレベルにおいてこの流体を排出できる。
【００３０】
冷却流体流れ回路５３、５４、５５、および５６は、燃料電池４が動作しているときに、周辺シール５１７と中間シール５１８との間に温度勾配を形成するように構成されている。
【００３１】
各流れ回路５３〜５６は、一方では周辺シール５１７に沿って延びる流路、他方では中間シール５１８に沿って延びる流路、および後者の流路とつながる別の流路を備える。
【００３２】
流れ回路５４の概略構成を図３に示す。流れ回路５４は、冷却流体を導入するためのマニホールド５９７に接続された第１の端部５４６と、第１の端部５４６の反対側の第２の端部５４７とを有する流路５４１を備える。流路５４１は、周辺シール５１７の一方の辺と平行に延在するので、流路５４１は周辺シール５１７に隣接する。
【００３３】
流れ回路５４はまた、冷却流体を排出するためのマニホールド５９８に接続された第１の端部５４８と、端部５４８の反対側の第２の端部５４９とを有する流路５４５を備える。流路５４５は、中間シール５１８の一方の辺と平行に延在するので、流路５４５は中間シール５１８に隣接している。
【００３４】
流れ回路５４はまた、端部５４７を端部５４９に接続する流路５４３を備える。流路５４３は壁５４２によって流路５４１から分離されている。壁５４２は特に、流れが端部５４６から端部５４９へ直接通過するのを防止する。流路５４３は壁５４４によって流路５４５から分離されている。壁５４４は特に、流れが端部５４７から端部５４８へ直接通過するのを防止する。従って、流体がマニホールド５９７のレベルにおいて導入されると、流体は流路５４１を通過して周辺シール５１７に沿って通過し、流路５４３を通過し、次に中間シール５１８に沿って流路５４５を通過して排出マニホールド５９８に到達しなければならない。流れ回路５３〜５６内の流れの方向は、図２に矢印で示されている。
【００３５】
この構成では、冷却流体を流路５４３に強制的に通過させることにより、周辺シール５１７に沿った流路５４１と中間シール５１８に沿った流路５４５との間の温度勾配が保証される。
【００３６】
特に、冷却流体のためのフローマニホールドは、冷却回路および注入回路に接続されている。冷却回路は特に、交換器（exchanger）を介してマニホールド５９８のレベルにおいて受け取った冷却流体を冷却するように構成され、当該冷却流体を交換器からマニホールド５９７に運ぶように構成されている。
【００３７】
このようにして、冷却流体はマニホールド５９７を介して冷却回路５３〜５７に低温で導入される。冷却流体はシール５１７に沿った流路を通過し、それによりシール５１７を冷却しシール５１７を材料の使用温度範囲内に保つ。従って、シール５１７は燃料電池４が動作中であっても気密性を維持する。
【００３８】
周辺シール５１７および中間シール５１８は、異なる使用温度範囲を有する異なる材料から構成される方がよい。周辺シール５１７の材料は、環境によって気密性に問題を生じず燃料電池４を低温で保管することができるように、例えば使用温度範囲が−２０℃、または−６０℃のものを含む。中間シール５１８の材料は、例えば使用温度範囲が１８０℃、またさらに２００℃のものを含む。そのような温度は、特定の高温燃料電池の動作温度に対応する。燃料電池４の動作温度は、例えばシール５１８のガラス転移温度より高く、その破壊温度より低くなければならない。
【００３９】
従って、本発明は１００℃を超える温度で動作する電気化学反応器に特に適していることが示されており、そのため動作温度は、これらの電気化学反応器を寸法決めしなければならない保管温度とは全く異なる。
【００４０】
この例では複数の流れ回路５３〜５６が使用され、それによって流れ回路が１つだけの場合と比較して、シール５１８の周りの冷却流体の温度の均一性を高めることができる。このように温度を均一に保つことにより、中央領域５２における電気化学反応の作用を高められる。
【００４１】
従って、本発明では、シール５１７および５１８を異なる使用温度範囲を有する異なる材料で製造することができる。よって、より多くの材料をシール５１７およびシール５１８に利用できる。これにより特に、化学的適合性、機械的特性、または製品寿命に関する要件を満たすためのシール５１７および５１８の技術的選択の幅が広がる。有利には、シール５１１、５１２、５１５および５１６は、シール５１７と同じ材料からなる。
【００４２】
図２に示すように、有利には：
・マニホールド５９７は、中間シール５１８よりも周辺シール５１７に近い。従って、マニホールド５９７を囲むシールは、燃料電池４の動作中に過度に加熱されることはない。バイポーラプレート５の横方向突出部内にマニホールド５１７を配置することも任意に可能である。
・マニホールド５９８は、周辺シール５１７よりも中間シール５１８に近い。従って、マニホールド５９８を囲むシールは燃料電池４の動作中に過度に冷却されない。
【００４３】
有利には、流れ回路５３〜５６は、シール５１７に沿った部分の累積長さ（マニホールド５９７に接続された端部から反対側の端部に延びた部分）が、周辺シールの長さの６０％以上にわたって延びるように構成される。そのような寸法にすることにより、シール５１７の最適な冷却が保証され、また気密性を保証できる。
【００４４】
有利には、マニホールド５９８は中間シール５１８と同じ材料で作られたシールによって取り囲まれる。
【００４５】
シール５１８、該当する場合はシール５１３、５１４およびマニホールド５９８のシール用に選択された材料の機能として、後者は、燃料電池４の非常に低い保管温度では不浸透性（impervious）ではないことを示す。しかし、燃料電池４は、シール５１７の使用温度範囲が燃料電池４の保管温度の範囲内であるため、外部汚染の危険性がない。
【００４６】
低温において、これらのシールの気密性の欠如が起こり得るという問題を解決するため、回路５３〜５６内を循環する冷却流体は他の流れ回路、すなわち反応物の流れ回路と混合可能としてもよいし、他の伝熱流体用の流れ回路と混合可能としてもよい。この冷却流体は、例えば空気または水であってもよい。冷却流体として空気を使用することにより、有利に、中央領域５２の周囲において燃焼剤の漏れを回収することが可能になる。排出マニホールドのレベルにおいて回収された低酸素空気（depleted air、通常８〜１２％の前記酸素を含む）は、二水素燃料の漏出による発火の危険性が低いため、特に適していることが示されている。
【００４７】
気密性が欠如している場合に冷却流体が、偶然連通（communicate）している他の流路を通過しなければならない流体と実際には混合できない場合、以下を含む燃料電池４の保管の準備が考えられる。
・当該冷却流体を事前にパージする。
・当該冷却流体を空気に置き換える。
【００４８】
図４は、本発明の変形例による冷却流体のための冷却注入回路６の例を概略的に示す。冷却注入回路６は、電気化学セルの積層体１１に接続されている。ここでは、冷却注入回路６は、シール５１７および５１８の冷却流体用の独立した冷却注入回路を備える。冷却注入回路６は、中央領域５２の冷却流体用に別の独立した冷却注入回路を備える。この構成は通常、図２を参照して詳細に説明されたものに対応する。中央領域５２のための冷却流体は、シール５１７および５１８に使用されるものとは異なっていてもよい。
【００４９】
この場合、冷却注入回路６は液体冷却流体に適用される。ここで、シール５１７および５１８の冷却回路は、入口がマニホールド５９８に接続されたポンプ６１を備える。シール５１７および５１８の冷却回路は、入口がポンプ６１の出口に接続された熱交換器６２をさらに備える。熱交換器６２の出口は、マニホールド５９７に接続されている。燃料電池４の動作中、熱交換器６２はマニホールド５９８のレベルにおいて回収された液体冷却剤の熱を放散することを目的としている。従って、マニホールド５９７のレベルにおいて導入された液体冷却剤は、周辺シール５１７を冷却して周辺シール５１７をその使用温度範囲内に保つことを可能にする。
【００５０】
この場合、中央領域５２のための冷却回路は、入口がマニホールド５９４に接続されたポンプ６３を備える。中央領域５２のための冷却回路は、入口がポンプ６３の出口に接続された熱交換器６４をさらに備える。熱交換器６４の出口はマニホールド５９３に接続されている。
【００５１】
図５は、本発明の別の変形例による冷却流体のための冷却注入回路６の一例を概略的に示す。冷却注入回路６は、電気化学セルの積層体１１に接続されている。ここでは、冷却注入回路６は、中央領域５２の冷却注入回路に接続されたシール５１７および５１８の冷却流体の冷却注入回路を備える。この場合、中央領域５２のための冷却流体はシール５１７および５１８に使用されるものと同一である。この構成では、回路５３〜５６は、マニホールド５９８ではなくマニホールド５９４に接続されている。
【００５２】
冷却注入回路６はこの場合、液体冷却流体に適用される。マニホールド５９８は、シール５１７および５１８を冷却するための液体と、中央領域５２のための液体冷却剤とを回収する。当該回路６は、入口がマニホールド５９８に接続されたポンプ６３を備える。当該回路６は、入口がポンプ６３の出口に接続された熱交換器６４をさらに備える。熱交換器６４の出口は、第１の分岐を介してマニホールド５９３に接続されている。この第１の分岐は、積層体１１内の中央領域５２に液体冷却剤を運ぶことを目的としている。さらに、熱交換器６４の出口は、第２の分岐を介してマニホールド５９７に接続されている。この第２の分岐は、積層体１１内のシール５１７および５１８の液体冷却剤を運ぶことを目的としている。この第２の分岐は、マニホールド５９７と熱交換器６４の出口との間に配置された熱交換器６２を備える。
【００５３】
当該交換器６２の出口は、マニホールド５９７に接続されている。燃料電池４の動作中、熱交換器６２は、マニホールド５９８のレベルにおいて回収された液体冷却剤の熱を放散させることを目的としている。従って、マニホールド５９７のレベルにおいて導入された液体冷却剤により、周辺シール５１７を冷却して周辺シール５１７をその使用温度範囲内に保つことが可能になる。このような構成により特に、熱交換器６４より大きな寸法を有する熱交換器６２の使用が可能となり、従って液体冷却剤の冷却効果がより大きくなる。
【００５４】
図６は、本発明の他の実施形態による燃料電池４の中間冷却回路５８を概略的に示す。当該流れ回路５８は流路５８１を備える。
【００５５】
回路５８（他の回路５８は中間シール５１８の周りに分配されてもよい）は、冷却流体を導入するためのマニホールド５９７に接続された第１の端部５８６と、端部５８６と反対側の第２の端部５８７とを有する。流路５８１は、周辺シール５１７の一方の辺と平行に延在するので、流路５８１は周辺シール５１７に隣接する。
【００５６】
流れ回路５８はまた、冷却流体を排出するためのマニホールド５９８に接続された第１の端部５８８と、端部５８８とは反対側の第２の端部５８９とを有する流路５８５を備える。流路５８５は、中間シール５８８の一方の辺と平行に延在するので、流路５８５は中間シール５８８に隣接する。流路５８１の端部５８６は、第２の流路５８５の第２の端部５８９の近くに配置されている。
【００５７】
流路５８３は、流路５８１と５８５との間に設けられている。これらの流路５８３は、第１の流路５８１に沿って分配（distributed）され、各流路５８１を流路５８５に接続し、その結果マニホールド５９７のレベルにおいて導入された流体は、流路５８３を通過してマニホールド５９８に戻らなければならない。流路５８３は、流路５８１と５８５との間に温度勾配の形成を促すため、流路５８１と５８５との間の流体の流れに圧力損失を引き起こすように構成されている。ここでは、流路５８３は、流路５８３の断面を制限するように、流路５８１と５８５との間に位置する壁５８２によって区切られている。ここで壁５８２は、流路５８１から流路５８５にかけて徐々に狭くなる部分を形成する。
【００５８】
上述の例では、マニホールド５９１、５９２、５９５、および５９６は、中間領域５７内に配置されている。しかし、マニホールド５９１、５９２、５９５、および５９６はシール５１８によって取り囲まれてもよい。シール５１１、５１２、５１５、５１６は、シール５１８と同じ材料からなる。これらのシール５１１、５１２、５１５、５１６が保管温度で不浸透性でない場合、反応物が通過するように意図されている流路が、燃料電池４の保管前に予めパージされてもよい。それによりこれらのシールが使用温度範囲を下回る温度に冷却される。
【００５９】
本発明は、シール５１７および５１８の液体冷却剤の流路がバイポーラプレート５の外表面上に配置されている例を用いて説明した。この種の流路がバイポーラプレート５の２つの外表面に設けられてもよい。シール５１７および５１８を冷却するための流路が、バイポーラプレートの内部の、中央領域５２に配置された活性領域の液体冷却剤のための流路に対し密閉して設けられてもよい。
【００６０】
本発明は、燃料電池への適用に関して説明した。本発明はもちろん、他のプロトン交換膜電気化学反応器、例えば電解槽にも適用される。そのような場合、バイポーラプレート５は、各電解電圧で分極されたフローガイドに置き換えても良い。
【００６１】
本発明は、二水素燃料が供給される燃料電池に関して説明した。本発明はもちろん、他の種類の燃料、例えばメタノールを使用する燃料電池にも適用される。
【００６２】
冷却回路５３〜５６を通過する冷却流体は、中央領域５２を通過する反応物の１つとしてもよい。次に、反応物の１つを、マニホールド５９７を介して回路５３〜５６に導入し、マニホールド５９８で回収し、その後必要に応じてマニホールド５９１または５９２のレベルにおいて再導入してもよい。反応物のうちの１つが、必要に応じてマニホールド５９５または５９６のレベルにおいて回収され、その後熱交換器を通過した後にマニホールド５９７を介して回路５３〜５６に導入されてもよい。反応物出口に気相を再導入することだけを望む場合、水回収装置を回路６内に配置してもよい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【外国語明細書】
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