(57)【要約】  本発明は、導電性材料の少なくとも１つのフローフィールドプレート（１、９）と、バイポーラ電極の各側における蛇行電気組立体（ＭＥＡ）（３９）とを備え、バイポーラ電極が、電気絶縁性封止枠（９）内に取り付けられたプレート（１）からなり、プレート（１）には、それぞれ１つがプレート（１）の任意の側の任意の谷（４、２４）を接続するチャネル部分（１２、３２）が設けられる、燃料電池スタックに使用するフローフィールドプレートに関する。【選択図】図１
2011507211.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
各側に谷（４、２４）を有する少なくとも１つの円盤形のフロー部分（１）と、前記フロー部分（１）に配置される封止枠（９）とを備え、前記フロー部分は、好ましくは電気的に絶縁性の封止枠（９）に配置されるプレート（１）を備え、前記封止枠（９）には、前記谷（４、２４）のうちの少なくともいくつかをフローパターンに接続するチャネル部分（１２、３２）が設けられる、燃料電池スタックに使用するフローフィールドプレートであって、前記封止枠（９）には、チャネル（３、２３）への反応物及びチャネル（３、２３）からの反応生成物のための少なくとも２つの流入開口及び少なくとも２つの流出開口（８、２８、７、２７）のそれぞれと、前記プレート（１）の両側におけるチャネル（３、２３）と、前記流入／流出開口（８、２８、７、２７）のそれぞれ１つと谷（４及び２４のそれぞれ）の端部との間に流路を達成するための前記封止枠（９）内の第１及び第２の窪み（１１、３１、１０、３０）のそれぞれとが設けられることを特徴とする、フローフィールドプレート。
【請求項２】
前記プレート（１）に、前記プレートの片側の谷（４）が逆側に山（２５）を形成し、且つその逆も同様であるように、配置された開放チャネル（３、２３）が作られることを特徴とする、請求項１に記載のフローフィールドプレート。
【請求項３】
前記プレート（１）が、最大で２ｍｍ、好ましくは０．０５〜０．８ｍｍ、より好ましくは最大で０．５ｍｍの材料厚さを有することを特徴とする、請求項２に記載のフローフィールドプレート。
【請求項４】
前記フローパターンが、各流入開口から少なくとも実質的に前記プレート（１）の全体をわたって前記流出開口のそれぞれまで各側に形成されるように、それぞれ１つが前記プレート（１）の任意の谷（４、２４）を前記プレート（１）の同じ側の後続、先行、又は平行に結合された谷に接続する複数のチャネル部分（１２、３２）を特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のフローフィールドプレート。
【請求項５】
前記プレート（１）の片側の前記谷が逆側よりも幅広であり、前記山が幅狭であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のフローフィールドプレート。
【請求項６】
前記封止枠（９）の厚さ（Ｈ）が、前記プレート（１）の高さ（ｈ）と本質的に同じであることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載のフローフィールドプレート。
【請求項７】
前記チャネル部分（１２、３２）の主拡張部の高さ（ｈ’）がＨ／２未満であることを特徴とする、請求項６に記載のフローフィールドプレート。
【請求項８】
少なくとも大半の谷（４、２４）が、本質的には直線であり、好ましくは同じ長さを有することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載のフローフィールドプレート。
【請求項９】
前記プレート（１）が円形であること、前記封止枠（９）が、前記プレートの周縁に沿った外枠と、そこからある距離に配置された内枠とを備えること、及び前記チャネル（３、２３）が湾曲することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載のフローフィールドプレート。
【請求項１０】
前記封止枠（９）に、前記プレート（１）の片側又は両側で反応物に代えて前記チャネル（３、２３）内を流れることを意図される追加の媒体、好ましくは冷却媒体の流入及び流出のための追加の開口（１９）が設けられることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載のフローフィールドプレート。
【請求項１１】
前記チャネルパターン（２、２２）が、前記プレート（１）の少なくとも略全体を覆い、それにより、前記谷（４、２４）が、前記プレート（１）の２つの対向する縁（１００）に向かって全深さを有し、前記山（５、２５）が全高さを有することを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のフローフィールドプレート。
【請求項１２】
前記プレート（１）が、バイポーラ電極の片側の前記山（５）のピークと逆側の前記山（２５）のピークとの間の平面（Ｐ）に配置された周縁に配置された枠領域（６、２６）を備えることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のフローフィールドプレート。
【請求項１３】
前記封止枠（９）が、前記プレート（１）の少なくともいくつかの縁を包むように配置されることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のフローフィールドプレート。
【請求項１４】
前記封止枠（９）が、前記プレート（１）内の少なくとも複数の開口の縁を包むように配置されることを特徴とする、請求項１３に記載のフローフィールドプレート。
【請求項１５】
前記封止枠（９）が、前記プレート（１）内の前記開口の縁を含むすべての縁に延びることを特徴とする、請求項１４に記載のフローフィールドプレート。
【請求項１６】
両側に異なる形状を有する前記チャネル部分（１２、３２）が配置され、それにより、異なるチャネルパターン／フローパターンが両側で達成されることを特徴とする、請求項１〜１５のいずれか一項に記載のフローフィールドプレート。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に燃料電池スタックに使用されるフローフィールドプレートに関し、このプレートは、導電性材料の少なくとも１つのバイポーラ電極と、バイポーラ電力の両側のイオン交換膜とを備える。
【背景技術】
【０００２】
フローフィールドプレート（例えば、バイポーラ電極及び／又は分離板）は、開放チャネルを有する円盤／プレートであり、供給された反応物、気体、又は液体を分配し得ると共に、機械的な強度を燃料／反応器電池（reactor cell）に付与し得る。チャネルは、片側で陽極反応物を分配し、電極の逆側で陰極反応物を分配する。例えば、金属、プラスチック、及びセラミックが材料として示唆されており、エッチングのみならず、レーザ除去、チップ除去、エンボス加工、プレス、又は打ち抜きによっても、チャネルを達成し得ることが表されている。一般に、見解は、陽極側のチャネルが陰極側のチャネルを横断する必要があるというものであり、これは、プレートがかなりの厚さを有する必要があることを暗示し、そのため、製造時に材料が大量に消費されてきた。したがって、フローフィールドプレートは製造が高価であった。一般に、バイポーラ電極は、例えば、グラファイトからなってもよく、この場合、チャネルパターンは成形又はチップ除去により達成され、又は金属板からなってもよくこの場合、パターンはエッチング又はチップ除去により達成されてきた。また、プレスされたチャネルパターンを有するプレートが使用されており、２枚のプレートが接続されて、バイポーラ電極が形成されてきた。例えば、フォトリソグラフィエッチングされたプレートが結合されて、いわゆるバイポーラセパレータが形成される（特許文献１）のみならず（特許文献２）も参照のこと。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第００／３１８１５号パンフレット
【特許文献２】米国特許第６，０５１，３３１号明細書
【特許文献３】国際公開第０１８３１３２号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、１枚の同じプレートにいくつかの異なる／様々なフローパターンを容易に設けることができるフローフィールドプレート／バイポーラ電極の提供を可能にすることである。
【０００５】
別の考えられる目的は、例えば、
・異なるフローパターンをバイポーラ電極／フローフィールドプレートの両側に作成する可能性、例えば、平行チャネルを片側に作成し、逆側に単一のみの長いチャネルを作成する可能性を提供すること、すなわち、すべての幾何学的形状のセル毎に流路を配置する可能性を提供すること、
・プレートのすべての開口及び縁を枠の質量内に鋳込むことができるため、開口の腐食をなくすことであって、異種金属接触腐食の危険がある材料に関連して特に有利である、開口の腐食をなくすこと、
・従来既知のバイポーラ電極と比較して、構造高さ（電極に垂直な方向での）の低減を提供し得るバイポーラ電極を達成すること、
・枠が絶縁材料で作られるため、燃料電池スタック内のバイポーラ電極の導電部間の絶縁距離を増大可能であること、
・より低コストでフローフィールドプレートを製造可能なこと
である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述したタイプのバイポーラ電極を使用して、上記目的のうちの１つ又は複数が、特許請求の範囲により電極を構成することにより達成される。
【０００７】
以下、本発明について、好ましい実施形態及び同封の図面を参照して詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】プレートにチャネルパターンが設けられた、本発明によるバイポーラ電極の第１の実施形態の片側の平面図であり、ここでのプレートは正方形であり、プレートの２つの対向する側縁に向かって延びるチャネルを有し、チャネルの曲線を形成する部分が設けられた封止枠内に含まれる。
【図２ａ】枠内に組み込まれる前の図１のプレートの斜視図である。
【図２ｂ】代替の実施形態によるプレートの断面図である。
【図３】図１の線ＩＩＩ−ＩＩＩによる断面図である。
【図４】図１の線ＩＶ−ＩＶによる断面図である。
【図５】図１の線Ｖ−Ｖによる断面図である。
【図６】チャネルパターンが設けられたプレートの第２の実施形態の片側の平面図であり、ここでのプレートは正方形であり、チャネルパターンを囲む枠領域を有し、このプレートは、本発明によるチャネル曲線を形成する部分が設けられた封止枠内に組み込まれる。
【図７】図６の線ＶＩＩ−ＶＩＩによる断面図である。
【図８】図６の線ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩによる断面図である。
【図９】プレートに、チャネル曲線を形成する部分を有する封止枠が設けられて、本発明によるバイポーラ電極の第２の好ましい実施形態を形成する場合の図５の左上角の部分図である。
【図１０】図９の線Ｘ−Ｘによる断面図である。
【図１１】図９の線ＸＩ−ＸＩによる断面図である。
【図１２】プレートに、チャネル曲線を形成する部分を有する封止枠が設けられて、本発明によるバイポーラ電極の第３の好ましい実施形態を形成する場合の図５の左上角の部分図である。
【図１３】図１２の線ＸＩＩＩ−ＸＩＩＩによる断面図である。
【図１４】本発明のバイポーラ電極の片側にチャネル曲線により形成される枠部分により達成された異なるチャネルパターンを示す。
【図１４ａ】本発明のバイポーラ電極の逆側にチャネル曲線により形成される枠部分により達成された異なるチャネルパターンを示す。
【図１５】本発明のバイポーラ電極の片側にチャネル曲線により形成される枠部分により達成された異なるチャネルパターンを示す。
【図１５ａ】本発明のバイポーラ電極の逆側にチャネル曲線により形成される枠部分により達成された異なるチャネルパターンを示す。
【図１６】本発明のバイポーラ電極の片側にチャネル曲線により形成される枠部分により達成された異なるチャネルパターンを示す。
【図１６ａ】本発明のバイポーラ電極の逆側にチャネル曲線により形成される枠部分により達成された異なるチャネルパターンを示す。
【図１７】本発明の代替の実施形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１、図３、及び図４は、燃料電池スタック内に使用するための図２ａ及び図２ｂのそれぞれによる板を備えるバイポーラ電極の本発明による実施形態の原理を示す。そのような燃料電池スタック内には、少なくとも１つ、各バイポーラ電極の各側に好ましくは複数の導電性バイポーラ電極と、少なくとも１つの陽子交換膜とがある。
【００１０】
本発明によれば、図１、図３、図４、及び図５に示すバイポーラ電極は、図２ａに最も明確に示される、０．１〜１ｍｍの範囲、好ましくは最大で０．５ｍｍ、より好ましくは最大０．２ｍｍの材料厚を有する１つのみのプレート１からなる。それぞれ、プレートの片側のパターンの谷４、２４が逆側の山２５、５を形成するように、開放チャネル３のパターンがプレートの片側に配置され、開放チャネル２３のパターンが方の逆側に配置される。プレートのパターン部分は、図２ａに示すように、例えば、実質的に正弦波断面を有し、それにより、第１の側のチャネル３で、第２の側のチャネル２３と同じ幅Ｂ１、Ｂ２が得られる。
【００１１】
他の実施形態では、図６及び図７に示すように、山及び谷は実質的に等しく並んだ平行台形断面を有する。さらに、図２ｂに示すように、谷の幅は山の幅と異なってよく、片側の幅広の谷及び幅狭の山が、逆側の幅広の山及び幅狭の谷に対応し、それにより、より広い幅Ｂ１を有するチャネルが第１の側に形成され、より狭い幅Ｂ２を有するチャネル２３が第２の側に形成される。この可能性は、例えば、燃料電池において関心が持たれ得る。
【００１２】
さらに、本発明によれば、プレート１は、プレート１の高さｈと本質的に同じである（図３参照）合計厚さＨを有する電気的に絶縁された封止枠９内に取り付けられ、それにより、表面９０Ａ及び９０Ｂのそれぞれが各山５、２５と同じレベルにあり、それにより、プレート１及び封止９のそれぞれに共通の封止板Ｐ１ｓ及びＰ２-ｓが各側に形成される。このようにして、電極を対向する平坦面２９’に対して封止して容易に配置することができる。図４参照のこと。
【００１３】
図から、プレート１（ここでは逆流の場合を例示する）に、プレート１の２つの側にあるチャネル３、２３に反応物を流入させるための開口７、２８、ならびに形成された反応生成物をチャネル３、２３から流出させるために開口２７、８が設けられることも分かる。封止枠９内の第１の窪み１０、３１が、各流入開口７、２８とチャネル３及び２３のそれぞれの隣接端部との間に平坦路を形成する。封止枠９内の第２の窪み１１、３０が、各流出開口２７、８とチャネル３及び２３のそれぞれの隣接端部との間に平坦路を達成する。さらに、封止９内には、複数のチャネル部分１２、３２を形成する複数の追加の窪みがあり、各チャネル部分１２、３２は、任意の谷４、２４をプレート１の同じ側の後続、先行、又は平行に接続された谷に接続し、それにより、少なくとも１つの流路３、２３が、各流入開口７、２８から各流出開口８、２７に形成される。
【００１４】
図１、図２ａ、図３〜図５に示す実施形態では、各チャネル部分１２及び３２はＵ字形を形成する。各Ｕ字形チャネル部分１２及び３２の脚の間には、山５及び２５の端部に、チャネル部分１２、３２によりそれぞれ囲まれた封止部／フローバリア９’’がある。さらに、そのような各Ｕ字形チャネル部分１２、３２の間には、封止タング９’があり、封止タング９’は、封止枠９の外部から、中間山５及び２５のそれぞれに延び、その端部に対して封止し、次に、チャネル部分１２、３２の間も封止する。したがって、フローバリア９’’及び封止タング９’は、プレート１の側縁１００を超えて延び、これは、プレート１が封止９を形成する材料に鋳込まれる製造時に達成される。
【００１５】
谷４、２５及び山５、２５を有するプレート１には単一の形状を提供することができ、且つ谷を接続して、反応物及び形成される反応生成物のための流路３、２３を形成するために必要なチャネル部分１２、３２は、周囲の枠９に配置されるため、より大きな柔軟性を達成することができ、材料及びコストと節減する製造プロセスを選ぶことができ、所望であれば、完成したバイポーラ電極の構造高さを従来よりも小さくすることができる。これらチャネル部分１２、３２が封止９に形成されることにより、フローパターンのはるかに多数のバリエーションを、限られた数の設計のプレート１を使用するだけであるという可能性と同時に達成することができる。
【００１６】
図２ｂに示す好ましい実施形態では、プレート１の片側の谷４は逆側よりも広く、山５は逆側よりも狭く、それにより、各側のチャネル３は、逆側のチャネル２３のＢ２よりも広いＢ１。この場合、燃料電池用途では、例えば、空気をプレートの片側の幅広の谷に向けることができ、水素ガスをプレートの逆側の幅狭の谷に向けることができる。
【００１７】
逆流手順の場合、第１の角に配置された流入開口７が、流入チャネル１０を経由してプレート１の片側のチャネル３に直接に接続されることが当てはまる。したがって、隣接する谷４を接続するチャネル部分１２を経由して、チャネル３は、蛇行した流れで、直線流出チャネル１１の端部を経由して対角線上で対向する第２の角の近傍に配置された流出開口８内で終わる。対応するように、接続が、逆側のチャネル２３を通って、第２の角に配置された第２の流入開口２８と第２の流出開口２７との間に延びる。上側のチャネル１０、１１とは対照的に、下側の流入／流出チャネル３０、３１が角度を持ってチャネル２３に延びる。
【００１８】
図示のバイポーラ電極の平行流実施形態では、厳密に同じ構造が使用されるが、流入口／流出口に対しては逆が有効である。すなわち、反応物を流入させるための開口７、２７は互いに隣接して配置され、形成される反応生成物を流出させる開口８、２８はも互いに隣接して配置される。
【００１９】
封止枠９には、例えば、冷却が必要な場合に、反応物ではなく、プレート１の片側のチャネル内を流れることを意図された冷却媒体の流入及び流出のための開口１９、及びプレートを燃料電池スタック内に一緒に保持する図示されていない棒を引き込むための開口２０を設けることもできる。封止枠９内の図示されていない窪みにより、追加の開口１９を谷４及び２４に接続してもよい。
【００２０】
上述した実施形態では、プレート１の側縁１００は全体的に、電気的に絶縁された封止枠９内に封入される。封止枠９には、部分的に反応物のための各流入開口から各チャネル３、２３への流通、部分的には形成された反応生成物のための各チャネルから各流出開口への流通、及び部分的には接続すべき谷間の接続を付与するリセスが設けられる。好ましくは、封止枠９、２９、及び４９、５４のそれぞれの材料は、使用される反応物及び形成される反応生成物に対する十分な耐性を有する材料の群から選択され、材料は導電性を有さない。好ましくは、谷４、２４の少なくとも大半は直線であり、等しい長さを有する。図１〜図５及び図２ｂに示す実施形態では、チャネルパターンはプレート１の略全体を覆い、それにより、プレート１の２つの対向する縁１００に向かって谷４、２４は全深さを有し、山５、２５は全高さを有する。この実施形態によるプレートは、単純に、例えば、シートを曲げることにより製造することができる。
【００２１】
図３及び図４では、燃料電池内のバイポーラ電極が、両側で膜電極組立体３９（ＭＥＡ）で囲まれることが示される。さらに、図１の断面、すなわち、図３、図４、及び図５に示すように、チャネル部分１２、３２の高さｈ’ならびに流入チャネル及び流出チャネル１０、１１、３０、３１のそれぞれの高さも、Ｈ２を超えないような深さを有して配置。すなわち、ｈ’＜０．５Ｈである。このようにして、チャネル部分１２を、下部のチャネル部分３２と同じ断面平面に上部のチャネル部分１２を配置することが可能である。断面がフロー方向に垂直な平面において略一定であり、それにより、各チャネル３内の流れ抵抗が略同じであることを暗示するチャネル部分１２、３２の設計が選択される。これは、チャネル部分１２、３２の深さｈ’が本質的にプレート１のチャネル３、２３の中央の深さｈよりも小さい場合、Ｕ字形部分１２、３２の脚の幅が、好ましくは、プレート１の中央にあるチャネルの幅Ｂ１、Ｂ２よりも本質的に広くあるべきであることを暗示する。例えば、隣接するチャネル間のＭＥＡのガス拡散層を通る特定の漏れ流れを達成する（それにより、「活性表面」／収率を増大させる）ために、圧力低下が望ましい場合、断面積のより小さなチャネル部分１２、３２を選択し得る。
【００２２】
膜自体は３３で示され、その両側には、ガス拡散膜３４、３５が設けられる。それ自体既知の様式で、膜３３及びガス拡散層３４、３５は、燃料電池内で実行される反応に適合される。ガス拡散層３４、３５は導電性であり、例えば、炭素繊維ウェブ又はグラファイト紙からなり得る。膜３３自体と、ガス拡散層３４、３５とからなるユニット３９はＭＥＡ（膜電極組立体）と呼ばれることもある。さらに、封止枠３６内に収容される枠領域を有することが有利であり得、膜ユニット封止の封止枠は、バイポーラ電極の封止に当接する。燃料電池スタック内で、一方のガス拡散層３４は、バイポーラ電極の片側の山５のピークに当接して、山５の間のチャネル４の境界を定め、他方のガス拡散層３５は、バイポーラ電極の逆側の山２５のピークに当接して、山２５の間の谷２４の境界を定める。当然ながら、膜ユニット３９又はその封止枠３６にも、バイポーラ電極の開口に対応する開口が設けられる。
【００２３】
図６〜図１３による実施形態では、チャネルパターン２、２２は、図６〜図８に最もよく示されるように、プレート１の中央部分に配置され、枠部分６、２６により囲まれ、枠部分６、２６内に、プレート１の両側のチャネル３、２３に反応物を流入させる（平行流で）開口７、２７が配置される。プレート１には、プレートの両側のチャネル３、２３から反応生成物を流出させる開口８、２８も設けられ、チャネル３、２３のうちの少なくとも大半は直線であり、同じ長さ及び枠部分６、２６での端部を有する。また、この場合、谷４、２４を接続して、反応物及び反応生成物の流路を形成するために必要なチャネル部分１２、３２は、囲む枠９内に配置され、これは図９〜図１３に示される。しかし、この実施形態では、谷／山は、密な端壁４’、２４’が谷４、２４を枠領域６、２６に接続するようにプレート内に曲げられる。
【００２４】
好ましい実施形態によれば、プレート１は適宜、最大で１ｍｍ、好ましくは０．１〜０．８ｍｍの厚さの材料を有する板金からなり、それにより、製造費ならびに構造高さを低く抑えることができる。
【００２５】
チャネルパターン２、２２を達成する特に適したプレス方法は、断熱プレスであるため、（特許文献３）が参照により本明細書に援用される。
【００２６】
代替の実施形態では、プレート１は、燃料電池スタックに供給されるか、又は燃料電池スタック内で形成される反応物に対して耐性のある、良好な導電性を有するポリマーからなる。
【００２７】
枠領域６、２６は、バイポーラ電極の平面Ｐに配置され、この平面は、電極の片側の山５のピークと逆側の山２５のピークとの間に配置される。この平面は、プレートの片側の山のピークと逆側の山のピークとの中間に配置し得る。所望の場合、この平面を片側の山のピークに向かう方向に変位させて、プレートの片側の圧力低下を増大させるのと同時に、プレートの逆側の圧力低下の低減を可能にし得ることも可能である。
【００２８】
図６〜図１３に示すプレート１を燃料電池スタック内のバイポーラ電極として使用する場合、腐食に対する最良の保護及び最良の電気絶縁性を得ることが適し、これは、枠領域６の全体が電気的に絶縁された封止枠９内に封入され、窪み１０、３０が、部分的に各反応物流入口７、２７を各チャネル３、２３に接続し、窪み１１、３１が各チャネル３、２３を反応生成物の各流出口に接続する、図９〜図１３に最も明確に示される。図９は、好ましい実施形態では、プレート（例えば、図７参照）内の各開口縁が封止枠９の封止材料で囲まれ、それにより、絶縁路が本質的に連続表面間で増大することを明瞭にする。
【００２９】
図７〜図１３の平面図及び断面から分かり得るように、本発明は、枠領域６、１６が使用される場合にも、非常に高い柔軟性に対する可能性を提供する。例えば、枠６、２６を有する本質的に同じタイプのプレート１が使用されるが、封止枠９が本質的に異なる設計を有する図９及び図１２を参照のこと。図９では、チャネル部分１２は、図１〜図５に関連して既に述べたように、本質的にＵ字形のリセスにより封止枠９に配置されている。図１〜図５とは対照的に、Ｕ字形の脚の間に配置される封止部９’は、封止の観点からは実際には必要なものではない。
【００３０】
チャネル３、２３が配置され、プレート１に開口がなく、密な端面４’、２４’が流れを制御する図６〜図１３による実施形態では、谷４、２４の端部を通しての片側から逆側への横断流の危険がない。逆に、多くの用途で、それでもやはり、電極に寄り掛かる膜に追加の支持を付与するために、封止材料９’のそのようなＵ字形部を配置することが好ましいであろう。
【００３１】
図９に示す実施形態によれば、流れは強制的に（平行流を経由して）流入開口７を介し、封止材料９のリセス１０を通り、そこに接続され、電極の最上側（図９に見られる）のチャネル３の冒頭を形成する谷内に流入する。その後、チャネルは、上述したように蛇行して流出開口（図示せず）に延びる。逆側のチャネルは、それに対応した方法で配置し得る。図１２には、蛇行形の流れに代えて、単に封止枠９内の流路を開放し、それにより、流入開口７を平行する谷４のそれぞれ１つに直結することにより、平行流も容易に達成し得ることが示される。この原理モデルによる異なるタイプの組み合わせにより、特に、プレートＰを異なる距離に位置決めし、且つ／又は異なる幅Ｂ１、Ｂ２のチャネルを各側に使用する可能性と組み合わせて、非常に大きなバリエーションのフローパターンが可能なことが実現される。
【００３２】
図１４〜図１６に異なる流路を概略的に示すことにより、左列に本発明により想像される電極の片側が示され、右列に背面が示される少数の可能な実施形態例を示すことにより、本発明を使用して達成できる並外れた柔軟性が示される。
【００３３】
図１４には、本発明により、特定の用途、例えば、水素ガスに関連する用途において好ましいであろう、いわゆる「行き止まり」を使用して、複数の平行チャネルを片側に容易に達成できることが示される。同時に、その逆側では、１つ置きの谷のみを蛇行パターンに接続し、それにより、背面の全体流路を本質的に、正面よりも短くすることができ、これは特定の事例で望ましい適用例である。
【００３４】
図１５には、本発明による谷が貫流に使用され、その一方で、背面（１５Ａ）により従来的な蛇行パターンが付与される変形を示す。
【００３５】
図１６には、同じプレートを使用して、上述した方法と同じ方法で、例えば、図１６では片側の４つの各谷を接続することにより、劇的に変更された流路を正面及び背面のそれぞれで得ることもでき、その一方で、図１６Ａでは、隣接する１つ置きの谷が逆側に接続されることが示される。したがって、フローパターンを変更させるこの可能性は、本発明による大きな利点である。
【００３６】
図１７に示す代替の実施形態では、プレート４１は丸く、略円形である。プレート４１内に、プレートの片側の開放チャネル４３のパターン４２及びプレートの逆側のチャネルの示されていないパターンが、プレートの片側のパターンの山４５の間の谷４４が、逆側の谷の間の山を形成し、またどの逆も同様であるように配置されている。より厳密には、チャネルパターンは、１つのみの山及び内側に螺旋状に延びる隣接するチャネルからなる。当然ながら、所望であれば、パターンのある領域上に螺旋状に延びる隣接する谷を有する２つ以上の平行山を作り、それにより、対応する数のチャネルをプレートの各側に形成することも可能である。プレートの周縁に沿って延びる枠領域４６には、プレート４１の片側のチャネル４３の流入又は流出のための第１の開口４７、及び第１の開口４７に関連して、プレート４１の逆側のチャネルの流入又は流出のための第２の開口が設けられる。中央の内部領域５３には、プレートの片側のチャネル４３の流出又は流入のための第１の開口４８、及び第１の開口４８に関連して、中央領域５３に、プレートの逆側のチャネルの流出又は流入のための第２の開口６８が設けられる。
【００３７】
枠領域４６及び中央内部領域５３は両方とも、バイポーラ電極の平面に配置され、この平面は、電極の片側の山４５のピークと逆側の山のピークとの間に配置される。図３〜図６の実施形態のように、この平面は、プレートの片側の山のピークと逆側の山のピークとの中間にある正中面からなり得る。所望であれば、この平面を片側の山のピークに向かう方向に変位させることも可能である。
【００３８】
図１７に示すプレート４１の実施形態では、追加の開口、すなわち、例えば、循環媒体、例えば、冷却水を供給／排出するための開口５９、及び燃料電池スタックを一緒に軸方向に保持する引き込み棒を挿入するための開口６０が枠領域４６に配置される。
【００３９】
さらに、部分的に各反応物流入口４６、４７を逆側のチャネル４３及び隣接するチャネル４１のそれぞれに接続する窪み５０、７０ならびにこれらチャネルを反応生成物用の各流出口４８、６８に接続する窪み５１、７１を有する枠領域４６及び中央内部領域５３の全体が、他の実施形態について上述したように、適宜、電気絶縁性の封止枠４９及び内部封止枠５４内に入れられることが示される。当然ながら、封止枠４９及び内部封止枠５４は、プレート４１の両側に存在する。さらに、この文脈の中では、内部封止枠５４は、図示の実施形態では、いかなる中央領域も囲まないが、いくらか不適切に枠と呼ばれる。
【００４０】
プレート１、４１のシート材料が、反応物又は形成される反応生成物により影響を受ける材料からなる場合、プレート１、４１の両側に、影響を受けない材料の薄い保護層を設けることが適する。プレートの外縁及び開口７、８、２７、２８、１９、２０、４７、４８、５９、６０、６７、６８は、例えば、打ち抜きを通して製造され、開口のその他の縁及び内側は、保護されず、したがって、反応物及び／又は反応生成物による影響を受け得る領域を示す。したがって、封止枠９、４９、及び５４に、プレートの縁及び開口７、８、２７、２８、１９、２０、４７、４８、５９、６０、６７、６８の縁も入れ、それにより、それらが反応物及び／又は反応生成物ならびに保護層とプレート１、４１の基本材料との異種金属接触腐食から保護されることが適する。外縁を入れることにより、望ましくない電気接触に対する保護も与えられる。
【００４１】
本発明によるバイポーラ電極は、例えば、燃料電池スタックの製造時に以下の利点を提供する。
【００４２】
複雑なパターンを有するバイポーラ電極／フローフィールドプレートの単純で安価な製造。スタック製造時の外縁、ネジ穴等の絶縁が、枠に絶縁材料を選択することにより容易に解消され、それにより、取付が容易になる。封止を緩める必要性が低減する。プレートのすべての開口及び縁が枠の質量に鋳込まれるため、開口の腐食がなくなる。金属の製造が高価な設計を作成することが可能であるため、流入口及び流出口の周囲の封止は単純である。
【００４３】
従来のスタックでは、絶縁距離が膜のみの厚さに対応するため、電池から電池へ流路を通してプレート間に電気過負荷がかかる恐れがある。枠が絶縁材料で作られる場合、上記絶縁距離は劇的に増大する。
【００４４】
本発明は、上記説明に限定されず、添付の特許請求の範囲内で変更可能である。この原理が、すべての幾何学的形状のフロープレートのパターン外縁及び内部の両方に流路を配置する可能性を提供することが認識される。
【００４５】
枠の適した材料を選択することにより、スタック内の圧力をスタック全体に均等に分散する。
【００４６】
バイポーラ電極／フローフィールドプレートの両側に異なるフローパターン、例えば、片側に平行チャネル及び逆側に１つのみの長いチャネルを作成し得る。
【００４７】
枠内で異なる材料を混合して、枠に化学的観点及び機械的観点の両方からまさに正しい属性を正しい場所に付与し得る。
【００４８】
プレート自体は、複数の異なる材料で、異なる方法により、例えば、薄い金属シートをプレス／曲げることにより、製造することができる。
【００４９】
２つの異なるフローフィールドプレートを接続して埋め込み、両側に異なるパターンを達成し、且つ／又はプレート間に、例えば冷却用の追加のチャネルを作成し得る。
【００５０】
スタックを誤った方法で取付けし得ないように、ガイドスピンドルを容易に埋め込み得る。
【００５１】
産業上の利用可能性
上述した本発明によるフローフィールドプレートは、原理上、水素ガスにより駆動され、空気又は酸素ガスが酸化媒体として使用されるタイプの燃料電池内での使用を意図されるが、当然ながら、当業者は、単純に、いかなる発明の作業もなく、隣接する用途分野内で使用し得るように、続く特許請求の範囲内で本発明を変更し得る。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１４ａ】
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【図１５】
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【図１５ａ】
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【図１６】
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【図１６ａ】
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【図１７】
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【国際調査報告】
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