(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード側（２１）およびカソード側（２２）を含む燃料電池（１００）用のバイポーラプレート（２０）であって、前記アノード側（２１）および前記カソード側（２２）の平面図において、
−前記アノード側の開放アノードガス流動場（２４）と、前記カソード側の開放カソードガス流動場（３６）とを形成し、閉鎖冷却剤流動場を有する活性領域（２３）と、
−少なくとも、アノードガスを供給および放出する２つのアノードガス主チャネル（３１ａ、３１ｂ）と、カソードガスを供給および放出する２つのカソードガス主チャネル（３２ａ、３２ｂ）と、冷却剤を供給および放出する２つの冷却剤主チャネル（３３ａ、３３ｂ）とを含む作動物質用の貫通開口と、
−それぞれが、流体を搬送する態様で、前記アノードガス主チャネル（３１ａ、３１ｂ）の一方と前記活性領域（２３）の前記アノードガス流動場（２４）とに接続されたアノードガスチャネル（２８）と、それぞれが、流体を搬送する態様で、前記カソードガス主チャネル（３２ａ、３２ｂ）の一方と前記活性領域（２３）の前記カソードガス流動場（３６）とに接続されたカソードガスチャネル（２９）と、それぞれが、流体を搬送する態様で、前記冷却剤主チャネル（３３ａ、３３ｂ）の一方と前記活性領域（２３）の前記冷却剤流動場とに接続された冷却剤チャネル（３０）と、を含む２つの不活性供給領域（２６ａ、２６ｂ）と、
を有し、
前記供給領域（２６ａ、２６ｂ）の前記アノードガスチャネル（２８）の最も長いアノードガスチャネルと最も短いアノードガスチャネルとの間の長さの差が、前記最も長いアノードガスチャネルの長さを基準として、最大で５０％である態様で、前記アノードガス主チャネル（３１ａ、３１ｂ）の少なくとも１つが配置され、かつ前記アノードガス主チャネル（３１ａ、３１ｂ）に接続された前記供給領域（２６ａ、２６ｂ）の前記アノードガスチャネル（２８）の経路が設計され、
前記アノードガス主チャネル（３１ａ、３１ｂ）の少なくとも１つは、実質的に、不活性供給領域（２６ａ、２６ｂ）のカソードガス主チャネル（３２ａ、３２ｂ）と冷却剤主チャネル（３３ａ、３３ｂ）との間で、特に、前記バイポーラプレート（２０）の側部において実質的に中央に配置されることを特徴とする、バイポーラプレート（２０）。
【請求項２】
前記供給領域（２６ａ、２６ｂ）の前記最も長いアノードガスチャネル（２８）と前記最も短いアノードガスチャネル（２８）との間の長さの差が、前記最も長いアノードガスチャネル（２８）の長さを基準として、最大で５０％、好ましくは最大で４０％である態様で、前記アノードガス主チャネル（３１ａ、３１ｂ）の両方が配置され、かつ前記２つの供給領域（２６ａ、２６ｂ）の前記アノードガスチャネル（２８）の前記経路が設計される、請求項１に記載のバイポーラプレート（２０）。
【請求項３】
前記供給領域（２６ａ、２６ｂ）の前記アノードガスチャネル（２８）の経路は、前記供給領域（２６ａ、２６ｂ）内に少なくとも１つの方向転換部を有し、特に、第１の流れ方向（Ａ）は、前記バイポーラプレート（２０）の第１の辺の方向に向き、第２の流れ方向（Ｂ）は、前記バイポーラプレート（２０）の第２の辺の方向に向き、前記第２の辺は、前記第１の辺とは反対側に位置する、請求項１または２に記載のバイポーラプレート（２０）。
【請求項４】
前記２つの供給領域（２６ａ、２６ｂ）の少なくとも１つの前記冷却剤チャネル（３０）および前記アノードガスチャネル（２８）は、実質的に、前記バイポーラプレート（２０）の一致する部分にわたって広がる、請求項１〜３のいずれか１項に記載のバイポーラプレート（２０）。
【請求項５】
前記２つの供給領域（２６ａ、２６ｂ）の少なくとも１つの前記閉鎖冷却剤チャネル（３０）は、前記冷却剤主チャネル（３３ａ、３３ｂ）に接続された第１の部分で、実質的に１つのバイポーラプレート（２０）の前記カソード側（２２）を通り、移行点（３５）でこのバイポーラプレート（２０）の前記アノード側（２１）に移り、第２の部分で実質的に当該バイポーラプレート（２０）の前記アノード側（２１）を通る、請求項１〜４のいずれか１項に記載のバイポーラプレート（２０）。
【請求項６】
前記閉鎖冷却剤チャネル（３０）は、前記第２の部分で、２つのアノードガスチャネル（２８）に平行に、かつそれぞれ２つのアノードガスチャネル（２８）間に延びる、請求項５に記載のバイポーラプレート（２０）。
【請求項７】
互いに接合される少なくとも２つの形状化プレート、すなわち、前記アノード側のプレートおよび前記カソード側のプレートを有し、前記不活性供給領域（２６ａ、２６ｂ）の前記開放アノードガスチャネル（２８）およびカソードガスチャネル（２９）は、前記プレート内の対応する溝によって形成され、前記閉鎖冷却剤チャネル（３０）は前記プレート間に形成される、請求項１〜６のいずれか１項に記載のバイポーラプレート（２０）。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の少なくとも２つのバイポーラプレート（２０）と、前記バイポーラプレート（２０）間に配置された膜電極接合体（１０）とを含む燃料電池（１００）。
【請求項９】
請求項８に記載の燃料電池（１００）を有する自動車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用のバイポーラプレート、かかるバイポーラプレートを有する燃料電池、およびかかる燃料電池を有する自動車に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電気エネルギを生成するために、酸素を含む燃料の水への化学変換を使用する。このために、燃料電池は、イオン伝導性の、特に、陽子伝導性の薄膜と、各薄膜の両側に配置された電極（アノードおよびカソード）とのアセンブリである、膜電極接合体（ＭＥＡ）と呼ばれるものを主要な構成要素として含む。燃料電池が作動中のときに、燃料、特に、水素Ｈ２、または水素含有ガス混合物がアノードに供給され、電気化学的酸化が起こり、電子が放出される（Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−）。反応空間を気密した形で互いから分離し、反応空間を電気絶縁する薄膜は、陽子Ｈ＋を（水拘束した（ｗａｔｅｒ−ｂｏｕｎｄ）、または水のない態様で）アノード空間からカソード空間に移送する。アノードにある電子ｅ−は、電線を介してカソードに送られる。カソードは、酸素または酸素含有ガス混合物を供給され、したがって、酸素還元が起こり、電子が取り込まれる（１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−）。同時に、前記酸素アニオンは、カソード空間において、薄膜を介して移送された陽子と反応し、水が生じる（２Ｈ＋＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ）。
【０００３】
通常、燃料電池は、複数の積み重ねた膜電極接合体によって形成され、この積み重ねた膜電極接合体の電気出力は増大する。積み重ね燃料電池では、それぞれのバイポーラプレートは、２つの膜電極接合体間に配置され、前記バイポーラプレートは、第１に、プロセスガスを隣接する膜電極接合体のアノードまたはカソードに供給し、さらに、熱を放出するように機能する。さらに、バイポーラプレートは、電気接続するために導電性材料で構成される。したがって、バイポーラプレートは、膜電極接合体へのプロセスガスの供給、冷却、および電気接続という３つの機能を有する。
【０００４】
様々に構築されたバイポーラプレートが公知である。バイポーラプレートの設計における基本的目標は、重量の削減、構築空間の縮小、コストの削減、および出力密度の増大である。これらの基準は、特に、燃料電池の車載使用、例えば、車両の電動トラクションにとって重要である。
【０００５】
燃料電池用のバイポーラプレートは、通常、中央に配置された活性領域を有し、この活性領域は、膜電極接合体の触媒電極に接続され、実際の燃料電池の反応は活性領域で起こる。このために、活性領域は、アノード側の開放アノードガス流動場と、カソード側の開放カソードガス流動場とを有する。アノードガス流動場およびカソードガス流動場は、通常、溝状のチャネルの形態で設計される。しかし、開放気孔／多孔性構造も公知である（特許文献１）。さらに、活性領域は、閉鎖冷却剤流動場を有し、この閉鎖冷却剤流動場は、通常、閉じたチャネルの形態で設計される。バイポーラフレートはまた、対応する作動物質を活性領域に供給するために、作動物質用の貫通開口、すなわち、バイポーラプレートごとに、アノードガスを供給および放出する２つのアノードガス主チャネルと、カソードガスを供給および放出する２つのカソードガス主チャネルと、冷却剤を供給および放出する２つの冷却剤主チャネルとを有する。積み重ね燃料電池では、作動物質用の前記貫通開口は、まとまって重ねて置かれ、したがって、積み重ね体全体を貫通する、対応する作動物質用の主供給チャネルを形成する。通常のバイポーラプレートは、実質的に、作動物質用の貫通開口と活性領域の対応する流動場との間を接続するように機能する不活性供給領域をさらに有する。この場合に、供給領域はそれぞれ、流体を搬送する態様で、第１に、アノードガス主チャネルに、第２に、活性領域のアノードガス流動場に接続されたアノードガスチャネルを含む。不活性供給領域は、流体を搬送する態様で、第１に、カソードガス主チャネルに、第２に、活性領域のカソードガス流動場に接続されたカソードガスチャネルをさらに有する。さらに、不活性供給領域は、流体を搬送する態様で、第１に、冷却剤主チャネルに、第２に、冷却剤流動場に接続された冷却剤チャネルを含む。
【０００６】
上記の説明によるバイポーラプレートの例は、特許文献２、および特許文献３に記載されている。この場合に、作動物質用の貫通開口は、いずれもバイポーラプレートの互いに反対側にある２つの短辺に配置され、冷却剤主チャネルは、いずれも、実質的に、アノードガス主チャネルとカソードガス主チャネルとの間に配置される。
【０００７】
公知のバイポーラプレートの欠点は、大きく異なる作動圧が、アノードガスチャネル内、特に、活性領域のアノード流動場内に広がることである。特に、バイポーラプレートの活性面のコーナおよび縁部領域は頻繁に供給不足になる。活性領域へのアノードガスの供給が一様でないというこの問題は、個々のアノードチャネルが横に互いに接続された割り込み接続型チャネルを有する流動場の場合に特に見られる。高い圧力差により、アノードガス流動場内に大きな横断流れが生じ、この場合に、特に不均一性が高くなる。
【０００８】
公知のバイポーラプレートのさらなる問題は、生成水がカソード側で生じ、ポリマー電解質膜を通って拡散し、したがって、アノード側に入ることである。アノードガス流動場内および供給領域のアノードガスチャネル内の水は、燃料電池が作動を停止した後、その場所において低温で氷結する。これは、アノードガスの比較的低い作動圧力によって取り除くことができないチャネル構造の詰まりを引き起こす。したがって、そのようなバイポーラプレートが、自動車の燃料電池で使用される場合、凍結始動後、水は、まず第１に、冷却剤によって解凍されなければならない。それにより、燃料電池の作動準備の完了が遅れる。
【０００９】
特許文献４は、バイポーラプレートの活性領域のアノードガスチャネルが複数の異なるチャネルに分岐することで、アノードガスの分散が不均一になる問題への取り組みを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１１／００３９１９０号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００６／０１２７７０６号明細書
【特許文献３】独国特許出願公開第１０２００７００８２１４号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２００７／０２０２３８３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
したがって、本発明の目的は、基本的に、バイポーラプレートの活性領域のアノードガスの供給を均一にし、低温始動後、始動の準備を即座に整える燃料電池用のバイポーラプレートを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この目的は、バイポーラプレートと、かかるプレートを有する燃料電池と、かかる燃料電池を有する自動車とにより、独立請求項の特徴部を用いて達成される。
【００１３】
燃料電池用の本発明によるバイポーラプレートは、アノード側およびカソード側を含む。この場合に、バイポーラプレートは、アノード側またはカソード側の平面図において以下を有する。
−アノード側の開放アノードガス流動場と、カソード側の開放カソードガス流動場とを形成し、閉鎖冷却剤流動場を有する活性領域。
−少なくとも、アノードガスを供給および放出する２つのアノードガス主チャネルと、カソードガスを供給および放出する２つのカソードガス主チャネルと、冷却剤を供給および放出する２つの冷却剤主チャネルとを含む作動物質用の貫通開口。
−それぞれが、流体を搬送する態様で、アノードガス主チャネルの一方と活性化領域のアノードガス流動場とに接続されたアノードガスチャネルと、それぞれが、流体を搬送する態様で、カソードガス主チャネルの一方と活性化領域のカソードガス流動場とに接続されたカソードガスチャネルと、それぞれが、流体を搬送する態様で、冷却剤主チャネルの一方と活性化領域の冷却剤流動場とに接続された冷却剤チャネルとを含む２つの不活性供給領域。
【００１４】
本発明によれば、ここで、前記供給領域のアノードガスチャネルの最も長いアノードガスチャネルと最も短いアノードガスチャネルとの間の長さの差が、最も長いアノードガスチャネルの長さを基準として、最大で５０％、特に、最大で４０％、好ましくは、最大で３５％である態様で、アノードガス主チャネルの少なくとも１つが配置され、かつ前記アノードガス主チャネルに接続された供給領域のアノードガスチャネルが設計されると規定される。両方のアノードガス主チャネルがこのように配置され、両方の供給領域のアノードガスチャネルがこのように設計されるのが好ましい。
【００１５】
主に、供給領域のアノードガスチャネルのチャネル長さが大きく異なることが、燃料電池の活性領域のアノードガスが不均一に分散することの原因であると分かった。１つまたは複数のアノードガス主チャネルを適切に配置すれば、かつ供給領域のアノードガスチャネルの経路を適切に設計すれば、供給領域のアノードガスチャネルの長さ同士を実質的に等しくし、ひいては、アノードガスチャネル構造物内の圧力差を実質的に最小限にすることが可能である。このようにして、アノードガスによる、燃料電池の活性化領域に対するきわめて均一な作用が得られる。
【００１６】
本発明において、「活性領域」という用語は、装着された積み重ね燃料電池で、膜電極接合体の触媒電極に対向するバイポーラプレートの領域、すなわち、燃料電池が作動中のときに、化学反応が起こる領域を意味すると解釈される。それに基づいて定めると、「不活性領域」とは、化学反応が起こらない領域を意味する。「不活性領域」には、不活性供給領域と、作動物質用の貫通開口と、バイポーラプレートの縁部領域とがある。より狭い意味では、バイポーラプレートが、任意の領域において化学的に活性でないのは言うまでもない。
【００１７】
実質的に、カソードガス主チャネルの一方と冷却剤主チャネルの一方との間にアノードガス主チャネルを配置することで、アノードガスチャネルのチャネル長さのそのような均等化が、特に簡単に達成可能になる。２つのアノードガス主チャネルは、それぞれがカソードガス主チャネルと冷却剤主チャネルとの間に配置されるのが好ましい。アノードガス、カソードガス、および冷却剤用のそれぞれの主チャネルは、この場合に、バイポーラプレートの１つの辺、特に、バイポーラプレートの短辺に実質的に沿って配置されるのが好ましい。カソードガス主チャネルおよび冷却剤主チャネルは、この場合に、それぞれがバイポーラプレートのコーナに配置される。対照的に、例えば、特許文献２による先行技術では、アノードガス主チャネルは、いずれも外側に配置され、一方、冷却剤主チャネルは、アノードガス主チャネルとカソードガス主チャネルとの間に配置される。アノードガス主チャネルの外側配置により、不活性供給領域の対応するアノードガスチャネルを活性領域の主流れ方向に対して傾斜して配置することが必要になる。これは、アノードガスチャネルのチャネル長さに関して大きな差をもたらすが、このチャネル長さは、アノードガス主チャネルを実質的に中央に配置することで互いに均等化される。
【００１８】
本発明のさらに有益な改良によれば、供給領域のアノードガスチャネルの経路は、供給領域内に少なくとも１つの方向転換部（偏向）を有する。この場合に、互いに実質的に平行に延びるアノードガスチャネルの第１の流れ方向が、バイポーラプレートの第１の辺、特に、バイポーラプレートの長辺の方向に向き、第２の流れ方向が、第１の辺とは反対側に位置するバイポーラプレートの第２の辺の方向に向くと規定するのが好ましい。言い換えると、アノードガスチャネルは、まず第１に、バイポーラプレートの活性領域の仮想の主流れ方向に一方の方向で交差し、次いで他方の方向で交差する。このジグザクの経路を用いて、チャネルの長さも互いに均等化される。
【００１９】
本発明による本バイポーラプレートの好ましい発展形態は、供給領域の冷却剤チャネルの経路に関する。本発明によれば、２つの供給領域の少なくとも１つの冷却剤チャネルおよびアノードガスチャネルは、実質的に、バイポーラプレートの一致する部分にわたって広がる。このようにして、アノードガスチャネルは、事実上その全長にわたって、冷却剤チャネルに良好に熱接続される。水がアノードガスチャネル内で凍結した場合、前記水は、低温始動時に加熱することができる冷却剤によって解凍することができる。したがって、本発明によるバイポーラプレートを装備した燃料電池は、低温始動後、作動の準備がより素速く整う。
【００２０】
２つの供給領域の少なくとも１つの冷却剤チャネルは、冷却剤主チャネルに接続された第１の部分で、実質的にバイポーラプレートのカソード側を通ると規定するのがさらに好ましい。隣接する第２の部分において、冷却剤チャネルは、実質的にアノード側を通る。第１および第２の部分間において、冷却剤チャネルは、移行点でカソード側からアノード側に移る。冷却剤チャネルがカソード側に形成された第１の部分は、供給領域のアノードガスチャネルが第１の流れ方向に延びるアノード側の部分と実質的に一致するのが特に好ましい。バイポーラプレートのカソード側の第１の部分の冷却剤チャネルと、アノード側のアノードガスチャネルとのこの重なった配置を用いて、まず第１に、様々な要素の配置に利用可能なバイポーラプレート面の良好な面使用が実現する。このようにして、面全体が縮小することができ、ひいては、燃料電池の体積が縮小する。さらに、前述の構成を用いて、冷却剤へのアノードガスチャネルの良好な熱的接続が、特に、アノードガス主チャネルから、当該アノードガス主チャネルに接続された供給領域のアノードガスチャネルへ移行する領域で得られる。
【００２１】
閉鎖冷却剤チャネルは、供給領域内でアノード側を通る第２の部分において平行であり、それぞれ２つのアノードガスチャネル間に延びると規定するのがさらに好ましい。この方策を用いて、バイポーラプレートの面の使用と、アノードガスチャネルと冷却剤チャネルとの間の熱的な接続との両方がさらに改善される。
【００２２】
好ましい実施形態では、バイポーラプレートは、互いに接合した少なくとも２つの形状化プレート、すなわち、アノード側のプレートおよびカソード側のプレートを有する。この場合に、不活性供給部分のアノードガスチャネルおよびカソードガスチャネルは、プレート内の対応する溝によって、または対応する城壁状の隆起（ウェブ）によって形成される。閉鎖冷却剤チャネルは、この場合に、２つのプレート間に形成される。バイポーラプレートのそのような構造により、バイポーラプレートの不活性供給領域および活性領域のチャネル構造物の任意の輪郭形成が、例えば、プレートをスタンピング、深絞り、またはプレス抜きすることによって実際上可能になる。
【００２３】
バイポーラプレートの活性領域のアノードガス流動場およびカソードガス流動場は、直線状に、または蛇行した態様で延び、それぞれのプレートに打刻した溝として具現化される流動チャネルの形態で設計されるのが好ましい。流動チャネルは、特に有利なことに、この場合に、２つの隣接する流動チャネル間の移送を可能にする、割り込み接続型チャネルとして形成することができる。それによって、活性面全体にわたるアノードガス、またはカソードガスの特に均一な分散が得られる。
【００２４】
本発明のさらなる改良によれば、２つのアノードガス主チャネルの正味面積は、２つのカソードガス主チャネルの正味面積よりも小さい。この改良は、通常では、燃料電池のアノードガス質量流量が、カソードガス質量流量よりも少ないように選択されることを考慮したものである。
【００２５】
本発明のさらなる態様は、本発明による少なくとも２つのバイポーラプレート、通常では複数のバイポーラプレートと、２つのバイポーラプレート間に配置されたそれぞれの膜電極接合体とを有する燃料電池に関する。
【００２６】
さらに、本発明の態様は、特に、電動駆動体用のエネルギ供給源として、かかる燃料電池を有する自動車に関する。
【００２７】
本発明が、添付の図面を参照して、以下に例示的な実施形態で説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】燃料電池（単一電池）の概略的な断面図を示している。
【図２】先行技術によるバイポーラプレートのアノード側の平面図を示している（Ａ：全体図、Ｂ：部分図）。
【図３】本発明によるバイポーラプレートのアノード側の部分図を示している。
【図４】図２Ａに基づいた、先行技術によるバイポーラプレートのアノード側の部分図を示しており、不活性供給領域が強調されている。
【図５】図３に基づいた、本発明によるバイポーラプレートのアノード側の部分図を示しており、不活性供給領域が強調されている。
【図６】本発明によるバイポーラプレートのアノード側の理想化した平面図を示している（活性領域はない）。
【図７】本発明によるバイポーラプレートのカソード側の理想化した平面図を示している（活性領域はない）。
【図８】図６および図７によるカソード側を重ねた、本発明によるバイポーラプレートのアノード側の理想化した平面図を示している（活性領域はない）。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
まず第１に、燃料電池の基本構造が、図１を参照して説明される。
【００３０】
図１は、この場合に１００で全体を表され、この場合に単一の電池だけが示された燃料電池の大幅に概略化した断面図を示している。
【００３１】
燃料電池１００は、膜電極接合体（ＭＥＡ）１０を含む。ＭＥＡ１０は、イオン伝導性、特に、陽子伝導性ポリマー電解質膜（ＰＥＭ）１１を有する。ＰＥＭ１１には、２つの触媒電極、すなわち、アノード１２およびカソード１３が、シート状の態様で接触している。電極１２，１３は通常、例えば、炭素系の導電性支持材料であり、炭素上には、触媒材料が微細に分布した形で支持されて存在する。電極１２、１３が存在し、その結果、燃料電池の反応が起こる領域は、活性領域と呼ばれる。活性横領域には、通常、電極はなく、その代わりに、薄膜１１は、支持層１４によってその位置で機械的に支持されている。それぞれのガス拡散層（ＧＤＬ）１５は、電極１２、１３の外側面に隣接している。ＧＤＬ１５は、多孔性の導電材料で構成され、アノードおよびカソード作動ガスを均一に分散させるように機能する。電極１２、１３は、ＰＥＭ１１またはＧＤＬ１５上のコーティングとして存在することができる。電池は、支持層１４に配置された周縁シール１６によって横方向に封止されている。
【００３２】
膜電極接合体１０は、２つのバイポーラプレート２０間に配置されている。各バイポーラプレート２０は、アノード側２１およびカソード側２２を有する。アノード側２１で、例えば、開放チャネル（この図では示していない）の形態の開放アノードガス流動場が、バイポーラプレート２０の活性領域に配置される。同じ態様で、やはり開放チャネル（図示せず）の形態で設計することができるカソードガス流動場が、同じ態様でバイポーラプレート２０のカソード側２２に存在する。さらに、バイポーラプレート２０は、燃料電池を冷却するように機能する閉鎖冷却剤流動場（同様に図示せず）を有する。バイポーラプレート２０の個々のチャネル構造は、図１に示されていないが、次に続く図を参照して、さらに詳細に説明される。
【００３３】
燃料電池は通常、交互に積み重ねられ、電気出力を増大させる、複数の膜電極接合体１０およびバイポーラプレート２０の積み重ね体を有する。
【００３４】
図１の燃料電池１００は以下の機能を有する。
【００３５】
アノードガス（この場合はＨ２）は、アノードガス流動場を介してバイポーラプレート２０のアノード側２１に送られ、ガス拡散層１５を介してアノード１２に供給される。水素は、アノード１２の触媒材料で反応して、陽子Ｈ＋を形成し、電子が放出され、電子は、外部電流回路を介してカソード１３に供給される。アノード１２で発生した陽子は、陽子伝導性ポリマー電解質膜１１を介して拡散し、カソード１３に入る。同時に、カソードガス（この場合は空気）が、カソードガス流動場を介して、バイポーラプレート２０のカソード側２２に送られ、ガス拡散層１５を介してカソード１３に供給される。カソード１３で、空気の酸素Ｏ２は、酸素アニオンＯ２−に還元され、酸素アニオンは、ＰＥＭ１１を介して供給された陽子と反応し、電子が取り込まれて水Ｈ２Ｏを形成する。それにより、電流が電流回路に発生する。
【００３６】
図２Ａは、特許文献２に基づいた、先行技術によるバイポーラプレート２０’を示している。バイポーラプレート２０’は、この場合に、バイポーラプレートのアノード側２１の平面図で示されている。図２Ｂは、図２Ａのバイポーラプレート２０’の上側不活性領域のさらに詳細な例を示している。バイポーラプレート２０’は、アノード側で開いたアノードガス流動場２４が、この場合に、蛇行する態様で延びる開放チャネル２５の形態で形成された中央活性領域２３を有する。同時に、対応するチャネルを備えた開放カソードガス流動場がカソード側に形成される（不可視）。さらに、活性領域２３には、同様にこの場合に見えない、内部の、すなわち、閉じた冷却剤チャネルの形態の閉鎖冷却剤流動場がある。
【００３７】
バイポーラプレート２０’は、２つの不活性供給領域２６ａ、２６ｂをさらに有する。供給領域２６ａ、２６ｂはそれぞれ、流体を搬送する態様で、アノードガス流動場２４のチャネル２５に接続された開放アノードガスチャネル２８を有する。アノードガスチャネル２８は、活性領域２３の主流れ方向に対して傾斜した方向に、まっすぐ直線状に延びている。さらに、バイポーラプレート２０’のカソード側（ここでは不可視）の不活性領域２６ａ、２６ｂは、流体を搬送する態様で、活性領域２３のカソード流動場（同様に不可視）に接続された開放カソードガスチャネルを有する。アノードガスチャネル２８と同様の態様で、供給領域２６ａ、２６ｂのカソードガスチャネルもまた、活性領域２３の主流れ方向に対して傾斜した方向に直線状に延びる。最後に、不活性供給領域２６ａ、２６ｂは、流体を搬送する態様で、活性領域２３の冷却剤流動場に接続された閉鎖冷却剤チャネル３０（ここでは城壁状の隆起に見える）を有する。
【００３８】
バイポーラプレート２０’は、総計で６つの作動物質用貫通開口をさらに有する。前記貫通開口には、２つのアノードガス主チャネル３１ａ、３１ｂ、２つのカソードガス主チャネル３２ａ、３２ｂ、および２つの冷却剤主チャネル３３ａ、３３ｂがある。前記開口に関して、一方の開口は、いずれも、それぞれの作動物質を供給するように機能し、他方の開口は、作動物質を放出するように機能する。不活性供給領域２６ａの開放アノードガスチャネル２８は、アノード主ガスチャネル３１ａを活性領域２３のアノードガス流動場２４の開放チャネル２５に接続している。他方の側では、不活性供給領域２６ｂの開放アノードガスチャネル２８は、アノード主ガスチャネル３１ｂを活性領域２３のアノードガス流動場２４の他方の側に接続している。同じ態様で、供給領域２６ａの開放カソードガスチャネル（ここでは不可視）は、カソードガス主チャネル３２ａを活性領域２３のカソードガス流動場に接続し、供給領域２６ｂのカソードガスチャネルは、カソードガス主チャネル３２ｂをカソードガス流動場に接続する。最後に、不活性供給領域２６ａの閉鎖冷却剤チャネル３０は、冷却剤主チャネル３３ａを活性領域２３の閉鎖冷却剤流動場（不可視）に連結し、供給領域２６ｂの冷却剤チャネル３０は、冷却剤主チャネル３３ｂを活性領域２３の冷却剤流動場の他端に接続する。バイポーラプレート２０’は、積み重ね燃料電池を組み立て中に、バイポーラプレートを整列させるように機能する位置決め開口３４をさらに有する。
【００３９】
供給領域２６ａ、２６ｂのアノードガスチャネル２８およびカソードガスチャネルはいずれも、この場合に、（外側に）開放した溝として設計されている。積み重ね燃料電池の組み立った状態では、前記チャネルは、通常、膜電極接合体１０の支持層１４によって隠され、閉鎖される（図１を参照のこと）。ただし、代替方法として、供給領域２６ａ、２６ｂのアノードおよびカソードガスチャネルはまた、未装着のバイポーラプレートですでに閉鎖されるように設計することもできる。
【００４０】
図２Ｂから最もよく分かるように、不活性供給領域２６ａの開放アノードガスチャネル２８は、供給領域２６ａの最も長いアノードガスチャネル２８と最も短いアノードガスチャネル２８との間の長さの差がかなりある。図示した例では、最も短いチャネル（図の左端）のチャネル長さは約５ｍｍであり、最も長いアノードガスチャネル（図の右）のチャネル長さは約１５０ｍｍである。これは、最も長いアノードガスチャネル２８を基準として、約９７％の長さの差に相当する。長さのこの大きな差により、最も短いアノードガスチャネル２８と最も長いアノードガスチャネル２８との間の圧力降下の差が大きなものになる。このようにして、作動物質が、活性領域２３のアノードガス流動場２４のチャネル２５に不均一に供給される。特に、アノードガス流動場２４のチャネル２５が、割り込み接続された態様で形成された場合に、すなわち、横開口を介して互いに接続された場合に、チャネル２５間に不必要に強力な横流れが生じ、アノードガス流動場２４のコーナおよび縁部領域でアノードガスの供給不足が起こる。
【００４１】
原理的には、不均一なチャネル長さの問題は、供給領域２６ａ、２６ｂのカソードチャネルにも存在する。しかし、これは、カソード作動ガス（空気）が、化学量論的にきわめて過剰に、かつ高い作動圧力で供給されるために、あまり致命的なものではない。
【００４２】
先行技術による、図２に示したバイポーラプレート２０’のさらなる問題とは、不活性供給領域２６ａ、２６ｂのアノードガスチャネル２８での生成水の出現である。燃料電池が作動を停止した後、前記水が、チャネル構造物内で凍結した場合、燃料電池は、前記水が解凍されたとしても、作動の準備が再度整うだけである。
【００４３】
これらの問題は、図３に好ましい改良型の形態で示す、本発明によるバイポーラプレート２０によって解決される。この場合に、図２Ｂによる図解と同様の態様で、バイポーラプレート２０の上側不活性領域２６ａのアノード側２１だけが示されている。同一の要素は、同じ参照符号で示されている。さらに、別途言及されない限り、同じ要素は、図２と同じ機能および構造を有する。
【００４４】
図３に基づく、本発明によるバイポーラプレート２０は、作動物質用の貫通開口３１、３２、３３の配置が、公知のバイポーラプレート２０’とは異なっている（図２Ｂを参照のこと）。特に、アノードガス主チャネル３１ａは、この場合に、実質的に、カソード主ガスチャネル３２と冷却剤主チャネル３３ａとの間に配置されている、すなわち、カソードガス主チャネル３２ａおよび冷却剤主チャネル３３ａは、実質的に、バイポーラプレート２０の、特に、短辺のコーナ領域に配置されている。さらに、供給領域２６ａのアノードガスチャネル２８の経路は、供給領域２６ａ内に方向転換部（偏向）を有する。供給領域２６ａの領域のアノードガスチャネル２８の第１の流れ方向Ａは、この場合に、バイポーラプレート２０の第１の辺、特に、プレートの（ここでは左に示した）長辺の方向に向いている。次いで、流れチャネル２８は、前記流れチャネルが第２の流れ方向Ｂを有するように、この場合に、例えば、９０°の角度だけ偏向する。第２の流れ方向Ｂは、バイポーラプレート２０の第１の辺の反対側に位置する第２の辺の方向に、すなわち、この場合に、プレート２０の右の長辺の方向に向いている。アノードガスチャネル２８の経路のこの選択によって得られる効果は、最も長いアノードガスチャネル（図３の右）と最も短いアノードガスチャネル（図３の左）との間の長さの差が、先行技術と比較して大幅に小さくなることである。この例では、最も長いアノードガスチャネルの長さは１１５ｍｍであり、最も短い方の長さは８０ｍｍである。これは、最も長いアノードガスチャネル２８を基準として、約３０％の長さの差に相当する。供給領域２６ａのアノードガスチャネルのチャネル長さの前記均等化を用いて、供給領域２６ａのチャネル２８および活性領域２３のチャネル２５におけるアノードガスの配分の均一化が達成される。作動物質用の貫通開口３１ｂ、３２ｂ、３３ｂおよび第２の不活性供給領域２６ｂのアノードガスチャネル２８の配置および構造は、領域２６ａと同じ態様で設計されるのが好ましい。
【００４５】
本発明によるバイポーラプレート２０は、供給領域２６ａ、２６ｂの冷却剤チャネル３０の構造によって特徴付けられる。さらに、後で説明する図６〜８、特に、７を参照すると分かるように、供給領域２６ａ、２６ｂの閉鎖冷却剤チャネル３０は、対応する冷却剤主チャネル３３ａ、３３ｂに接続された第１の部分で、実質的にカソード側２２を通る。図３によるアノード側の図解において、これは、冷却剤主チャネル３３ａに接続された冷却剤チャネル３０が背面側に配置され、まず第１に、プレートの長手方向に対して、方向Ｂと同様の傾斜した方向で、アノードガスチャネル２８の下に延びることを意味する。供給領域２６ａ、２６ｂの冷却剤チャネル３０が、バイポーラプレート２０のカソード側２２を通る領域は、アノードガスチャネル２８が、第１の方向Ａに延びる供給領域２６ａ、２６ｂの領域に実質的に一致する。
【００４６】
この場合に、アノードガスチャネル２８の方向転換部の位置に実質的に一致する移行点３５で、カソード側の冷却剤チャネル３０の経路が終わり、続いてアノード側２１で重なる。したがって、供給領域２６ａ、２６ｂの冷却剤チャネル３０は、移行点３５の後、バイポーラプレート２０のアノード側２１を通る。図３から明らかなように、プレート２０のアノード側２１の冷却剤チャネル３０の経路は、アノードガスチャネル２８の経路に一致する、すなわち、冷却剤チャネル３０は、この領域で、アノードガスチャネル２８に平行に誘導される。したがって、この領域では、冷却剤チャネルは、同じく、アノードガスチャネル２８の第２の流れ方向Ｂを有する。さらに、冷却剤チャネル３０は、いずれも２つのアノードガスチャネル２８間に延びるように、前記第２の部分に配置されている。
【００４７】
冷却剤チャネル３０の経路のこの構成によって得られる効果は、冷却剤チャネル３０が、供給領域２６ａ、２６ｂで、バイポーラプレート２０のアノードガスチャネル２８と実質的に一致する部分内に延びることである。このようにして、供給領域２６ａ、２６ｂの冷却剤チャネル３０へのアノードガスチャネル２８の良好な熱的接続が得られる。特に、アノードガスチャネル２８は、アノードガス主チャネル３１ａ、３１ｂからのアノードガスチャネル２８の入り口の先頭においてでさえ、冷却剤に３次元的に熱接続される。したがって、凍結水が現時点でチャネル２８内にできた場合、燃料電池の低温始動時に、より高温の、または加熱された冷却剤によって水が即座に解凍される。燃料電池は、低温始動後、こうしてより即座に作動の準備ができる。凍結水が、他方の側で、供給領域２６ａ、２６ｂのカソードガスチャネル２９内にも存在する場合、前記水は、カソードガス（空気）が高い圧縮によって加熱されるために、どんな場合でも即座に加熱および解凍される。
【００４８】
さらに、本発明によるバイポーラプレート２０では、存在するプレート面が、供給領域２６ａ、２６ｂのアノードガスチャネル２８、カソードガスチャネル２９、および冷却剤チャネル３０を収容するために最適に使用されるので、プレートの大きさがより小さくなる。図２Ｂによるバイポーラプレートの場合、供給領域２６ａ、２６ｂの面の部分が、アノードガスチャネル２８および冷却剤チャンネル３０用に片側だけで必ず使用されるが、プレート２０の両側の不活性供給領域２６ａ、２６ｂの利用可能な面は、作動物質の様々なチャネル２８、２９、３０用に使用される。この状況が、先行技術によるバイポーラプレート２０’と、本発明によるバイポーラプレート２０とをそれぞれ示す図４および図５に視覚化されており、不活性供給領域２６ａがそれぞれ強調されている（グレーにしてある）。結果的に、本発明によるバイポーラプレート２０の不活性供給領域２６ａの面は、約４４００ｍｍ２（図５）であり、一方、従来のバイポーラプレート２０’の不活性領域２６ａの面は、５４９４ｍｍ２（図４）を占有している。作動物質用の主チャネル３１ａ、３２ａ、３３ａの正味直径はこの場合変わらない。不活性供給領域２６ａ、２６ｂの縮小により、バイポーラプレート２０の大きさの大幅な縮小が可能になる。これは、燃料電池の必要な構造空間を大幅に縮小するだけでなく、燃料電池の重量も大幅に削減する。
【００４９】
本発明の原理が、図６〜８の図解で特に明確になり、６は、バイポーラプレート２０のアノード側２１から見た本発明によるバイポーラプレート２０を示し、図７は、バイポーラプレート２０のカソード側２２から見た本発明によるバイポーラプレート２０を示している。図８は、２つの図を重ねたものを示しており、したがって、不活性領域２６ａ、２６ｂのアノードガスチャネル２８、カソードガスチャネル２９、および冷却剤チャネル３０が、それらの実際の視認性に関係なく認識できる。バイポーラプレート２０の不活性領域だけがいずれも示され、一方、アノードガス流動場２４またはカソードガス流動場３６を有する活性領域２３については、これ以上説明されない。
【００５０】
不活性供給領域２６ａ、２６ｂのカソードガスチャネル２９は、カソードガス主チャネル３２ａ、３２ｂと活性領域２３のカソードガス流動場３６との間に直線状経路を有することは、バイポーラプレート２０のカソード側２２を示す図７から明白である。したがって、カソードガスチャネル２９は、従来のバイポーラプレートの経路と実質的に一致する。
【００５１】
不活性供給領域２６ａ、２６ｂの最適な面の使用が、図８に特に明瞭に示されている。特に、図８の図解は、冷却剤主チャネル３３ａ、３３ｂに接続された冷却剤チャネル３０と、アノードガス主チャネル３１ａ、３１ｂに接続されたアノードガスチャネル２８とが、バイポーラプレート２０の実質的に一致する領域を占有し、前記領域は、不活性供給領域２６ａ、２６ｂの領域に実質的に一致することを示している。
【符号の説明】
【００５２】
１００  燃料電池
１０  膜電極接合体
１１  ポリマー電解質膜
１２  電極／アノード
１３  電極／カソード
１４  支持層
１５  ガス拡散層
１６  シール
２０  バイポーラプレート
２１  アノード側
２２  カソード側
２３  活性領域
２４  アノードガス流動場
２５  チャネル
２６ａ、２６ｂ  不活性供給領域
２８  アノードガスチャネル
２９  カソードガスチャネル
３０  冷却剤チャネル
３１ａ、３１ｂ  アノードガス主チャネル
３２ａ、３２ｂ  カソードガス主チャネル
３３ａ、３３ｂ  冷却剤主チャネル
３４  位置決め開口
３５  方向転換部（偏向）
３６  カソードガス流動場
【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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