(57)【要約】  本明細書に開示された技術は、ガス拡散層とセパレータプレートとを備えた燃料電池に関する。セパレータプレート１１９は、ガス拡散層１１４と共に、少なくとも１つのガス案内流れ領域を形成する。セパレータプレート１１９の少なくとも１つの通路ウェブ２００は、上面２０２と端面２０１とを有する端部２１０を有している。端面２０１は、第１の方向Ｒ１０で通路ウェブ２００の端面２０１に当接する流れＳ１０を２つの部分流Ｓ２１，Ｓ２２に分割するように形成されている。端面２０１は、上面２０２に隣接して端面２０１に当接する流れＳ１０の流体Ｆを、流体Ｆが、変向後には、変向前よりも上面２０２から大きく離間されるように変向させるように、設けられている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン選択性セパレータ（１１５）と、
前記セパレータ（１１５）に隣接して配置されたガス拡散層（１１４，１１７）と、
前記ガス拡散層（１１４，１１７）と共に、ガス案内流れ領域（ＳＦ）を形成するセパレータプレート（１１９，１１９’，１１９’’）と、
を含み、
前記セパレータプレート（１１９，１１９’，１１９’’）の少なくとも１つの通路ウェブ（２００）は、上面（２０２）と端面（２０１）とを有する端部（２１０）を有し、
前記端面（２０１）は、第１の方向（Ｒ１０）で前記通路ウェブ（２００）の前記端面（２０１）に当接する流れ（Ｓ１０）を２つの部分流（Ｓ２１，Ｓ２２）に分割するように形成され、
前記端面（２０１）は、前記上面（２０２）に隣接して前記端面（２０１）に当接する前記流れ（Ｓ１０）の流体（Ｆ）を、前記流体（Ｆ）が、変向後には、変向前よりも前記上面（２０２）から大きく離間されるように変向させるように、設けられている、
燃料電池（１００）。
【請求項２】
前記端面（２０１）と前記上面（２０２）とは、鋭角的な内角（α）を形成している、請求項１記載の燃料電池（１００）。
【請求項３】
前記端面（２０１）は、前記セパレータプレート（１１９，１１９’，１１９’’）の平面図で見てアンダカットとして形成されている、請求項１または２記載の燃料電池（１００）。
【請求項４】
前記上面（２０２）と前記端面（２０１）とは、近位側の上縁（２０３）を形成しており、前記近位側の上縁（２０３）は、前記端面（２０１）の遠位側の下縁（２０４）よりも、前記ガス拡散層（１１４，１１７）に対して小さく離間されるように形成されており、前記上縁（２０３）は、前記下縁（２０４）に対して、前記第１の方向（Ｒ１０）とは逆方向に突出して配置されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の燃料電池（１００）。
【請求項５】
前記上縁（２０３）および／または前記下縁（２０４）は、前記セパレータプレート（１１９，１１９’，１１９’’）の平面図で見て円弧状に形成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の燃料電池（１００）。
【請求項６】
前記端面（２０１）は、前記通路ウェブ（２００）の側壁に移行する、凸状に湾曲する端面（２０１）である、請求項１から５までのいずれか１項記載の燃料電池（１００）。
【請求項７】
前記端面（２０１）は、３次元的な湾曲を有している、請求項１から６までのいずれか１項記載の燃料電池（１００）。
【請求項８】
前記端面（２０１）は、セパレータプレート平面（Ｘ，Ｙ）に対して垂直な方向で凹状に湾曲されている、請求項６または７記載の燃料電池（１００）。
【請求項９】
前記端面（２０１）は、側面図（Ｚ，Ｙ）で凸状に湾曲されている、請求項６から８までのいずれか１項記載の燃料電池（１００）。
【請求項１０】
前記通路ウェブ（２００）は側壁（２２０，２３０）を有しており、前記側壁（２２０，２３０）は、前記上面（２０２）と、９０°〜１２０°の、または９０°〜１００°のそれぞれ１つの側壁内角（β）を有している、請求項１から９までのいずれか１項記載の燃料電池（１００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示された技術は、燃料電池の流れ領域に関する。
【０００２】
燃料電池の流れ領域もしくはフローフィールドは、セパレータプレート輪郭によって成形される。燃料、通常は水素と、酸化剤、通常は空気とは、セパレータプレートの側方に位置している。さらに、セパレータプレートでは冷却剤Ｋｕｅによる冷却を行うことができる。目的は、活性面全体にわたって媒体（反応ガス、冷却剤）を均等に分配させることである。この場合、主として、通路構造は、３種全ての媒体のために成形される。フローフィールドは多くの場合、連続的に等幅のまっすぐな複数の通路から形成されている。しかしながら別のジオメトリも想定可能である。発生する生産水を通路構造物から効果的に排出する必要がある。
【０００３】
本明細書に開示された技術の優先課題は、公知の解決手段の少なくとも１つの欠点を減じるもしくは解消すること、または代替的な手段を提案することである。本明細書に開示された技術の優先課題は特に、生産水を通路構造物から効果的に排出することである。さらなる好ましい課題は、本明細書に開示された技術の有利な効果によりもたらされ得る。課題は、請求項１の対象により解決される。従属請求項には、有利な構成が記載されている。
【０００４】
本明細書に開示された技術は、少なくとも１つの燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。燃料電池システムは、例えば、自動車のような移動用途のために想定されている。最も単純な形態では、燃料電池は、燃料Ｂと酸化剤Ｏとを反応生成物に変換して、この際に、電気と熱とを生成する電気化学エネルギ変換器である。本明細書に開示された技術に関して、「ガス」の概念とは一般的に、燃料電池の酸化剤Ｏと燃料Ｂとを意味する。本明細書に開示された燃料電池は、アノードスペースを備えたアノードと、カソードスペースを備えたカソードとを含み、これらの極はイオン選択性セパレータによって分離されている。アノードは、アノードへの燃料のための供給部を有している。好適な燃料は：水素、低分子量アルコール、バイオ燃料、または液化天然ガスである。カソードは例えば、酸化剤のための供給部を有している。好適な酸化剤は、例えば、空気、酸素、および過酸化物である。燃料電池システムは、少なくとも１つの燃料電池、ならびに少なくとも１つの燃料電池の作動時に使用することができる周辺のシステム構成要素（ＢＯＰ構成要素）を含む。通常、複数の燃料電池は、１つの燃料電池積層体もしくはスタックとなるようにまとめられる。
【０００５】
本明細書に開示された燃料電池は、イオン選択性セパレータを含む。イオン選択性セパレータは、例えば、プロトン交換膜（ｐｒｏｔｏｎ  ｅｘｃｈａｎｇｅ  ｍｅｍｂｒａｎｅ、ＰＥＭ）として形成することができる。好適には、カチオン選択性高分子電解質膜が使用される。このような膜のための材料は、例えば、ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ（登録商標））、フレミオン（Ｆｌｅｍｉｏｎ（登録商標））、およびアシプレックス（Ａｃｉｐｌｅｘ（登録商標））である。さらに、プロトン交換膜には、例えば触媒層のような別の層を設けることができる。燃料電池は、セパレータに隣接して配置されているガス拡散層（以下、ＧＤＬ層とも呼ぶ）を含む。これは例えば、薄い、多孔質のカーボンペーパまたは炭素繊維組織であってよい。イオン選択性セパレータおよびＧＤＬ層は、当業者にはよく知られている。
【０００６】
燃料電池はさらに、ガス拡散層と共に、少なくとも１つのガス案内流れ領域を形成する少なくとも１つのセパレータプレートを含む。好適には、セパレータプレートは、双極板であってよい。好適には２つのセパレータプレートが、イオン透過性セパレータの各側に、イオン透過性セパレータと共に１つの燃料電池を形成する。双極板は、液体冷却式に形成されていてよい。しかしながらその他の冷却技術も想定可能である。
【０００７】
流れ領域は好適には、流れ領域内で搬送されるガスが、流れ領域から直接ガス拡散層へと移行することができるように、配置されている。すなわち、ガス拡散層は、流れ領域をイオン選択性セパレータから分離している。この関連で、電気化学反応が行われる、イオン透過性セパレータの活性面に配置されていない前分配通路構造は、流れ領域とはみなさない。特に、流れ領域はイオン選択性セパレータと共に、もしくはガス拡散層と共に、カソードスペースもしくはアノードスペースを形成する。好適には、流れ領域は複数の通路および／または複数の通路区分を有しており、この場合、セパレータプレート、ガス拡散層、およびイオン選択性セパレータは、複数の通路の成形により共に１つの流れ領域を、燃料Ｂ（アノードスペース）のために、または酸化剤Ｏ（カソードスペース）のために形成する。好適には、セパレータ内には、流れ領域を形成する、実質的に長方形の底面が設けられている。しかしながら別の底面ジオメトリも想定可能である。好適には、複数の通路もしくはこれら通路の通路区分は、一般的な流れ方向Ｓを有している。好適には、ガスのための複数の通路もしくは通路区分は、流れ領域の入口範囲から、流れ領域の出口範囲まで延在している。好適には、入口範囲は、底面の一方側に配置されていて、出口範囲は底面の対向する側に配置されている。特に好適には、通路もしくは通路区分は、本出願人による以下の公開番号の独国特許出願である独国特許出願公開第１０２０１５２１１８９３号明細書に開示されているように構成されていて、この明細書の内容はこれにより、通路区分の構成に関して参照により本明細書に組み込まれる。
【０００８】
少なくとも１つの通路区分は、少なくとも１つの通路ウェブ(Kanalsteg)によって一緒に形成することができる。すなわち特に、少なくとも１つの通路ウェブは、セパレータプレートの構成部分である。通路ウェブは、好適には端部を有している。少なくともこの端部は、上面と、端面もしくは端面積とを含む（以下では、両用語を含むべく単に「端面」の用語を使用する）。上面はガス拡散層に向けられている。上面は、ガス拡散層によって形成される平面に対して実質的に平行に延在している。複数の通路ウェブ、特にその上面は、好適には、ガス拡散層に対して実質的に平行に形成されているセパレータプレート平面を規定している。通路ウェブは好適には、第１の方向で通路ウェブの端面に当接する流れを２つの部分流に分割するように形成されている。好適には、流れは通路ウェブの端面に正面から当接する。
【０００９】
本明細書に開示された技術の根底を成す思想は、端面が、上面に隣接して端面に当接する流れの流体を、この流体が、変向後には、変向前よりも大きく上面から離間されるように変向させるように、設けられていることにある。
【００１０】
このために、端面と上面とは好適には鋭角的な内角αを形成する。鋭角的な内角は、好適には０°〜９０°未満、または３０°〜９０°未満、または４５°〜９０°未満、または６０°〜９０°未満の角度である。上面および／または下面が湾曲されて形成されているならば、内角は、上面と端面とによって形成される縁部に隣接する接線によって形成され、この場合、場合によっては存在する縁部の段部や丸みは考慮されない。
【００１１】
換言すると、上面と端面とが、近位側の上縁を形成することができ、この場合、近位側の上縁は、端面の遠位側の下縁よりもガス拡散層に対して小さく離間されるように形成されている。上縁は、下縁に対して、第１の方向とは逆向きに突出するように配置されている。
【００１２】
さらに別の表現で言うならば、セパレータプレートの平面図で見て、端面はアンダカットとして、もしくは背後から係合可能な縁部として形成されている。
【００１３】
好適には、セパレータプレートの平面図で見て、上縁および／または下縁は、すなわち、セパレータプレート平面に対して垂直な方向で円弧状に形成されている。
【００１４】
端面は、特に第１の流れによって周りを流過される頂部ラインが、側壁への移行部と比較して突出して形成されるように、通路ウェブの側壁に移行する、凸状に湾曲する端面であってよい。
【００１５】
端面は、１つの構成では、３次元的な湾曲を有していてよい。端面は、セパレータプレート平面に対して垂直な方向で凹状に湾曲されていてよい。端面は、側面図で見て、特にセパレータプレート平面に対して垂直かつ通路ウェブの長手方向軸線を通って延在する平面に沿った横断面で、凸状に湾曲されていてよい。
【００１６】
通路ウェブは側壁を有している。少なくとも１つの側壁または両側壁は、上面と、９０°〜１２０°の、または９０°〜１００°のそれぞれ１つの側壁内角βを形成している。換言すると、通路ウェブは、ガス拡散層からの間隔が増大するにつれ幅が広くなる。
【００１７】
換言すると、本明細書に開示された技術は、通路壁、および特に本明細書に開示された通路ウェブを、生産水が、ガス拡散層に隣接する領域（特に角）から、通路の内側で水を再分配することを保証するための領域もしくは角へと搬送されるように形成することに関する。水を再分配することにより、ガス拡散層に対して遠位の領域への、特に双極板フローフィールド通路の縁部への薄膜流としての改善された水の排出搬送が生じる。
【００１８】
このような水の排出搬送は、例えば、セパレータプレートの通路側壁に設けることができ、ガス拡散層に対して近位側の側壁に沿って流れる水を、通路区分の遠位側の領域へと、特に上縁へと変向させるように形成されている、流水を迂回させるための（特に円錐状の）構造により実現することができる。好適には、この構造および／または遠位側の領域を、通路側壁および／またはガス拡散層の領域よりも親水性に形成することができる。選択的にまたは付加的に、少なくとも通路側壁を、ガス拡散層よりも親水性に形成することができる。液滴は、下縁に沿って動くというよりも、むしろこの構造を介した経路を流れる。
【００１９】
選択的にまたは付加的に、セパレータプレートの少なくとも１つの通路側壁は、例えば被覆法（ＣＶＤ、ＰＶＤ）でコーティングすることができ、かつ／またはガス拡散層よりも親水性に形成されている親水性のストリップを有していてよい。好適には、このストリップは、ガス拡散層の近位から始まり、ここから、ガス拡散層の通路壁に沿って離れるように延在しており、この場合、ストリップは好適にはガス流方向で傾斜して延在するように配置されていてよい。このようなストリップも液体の排出搬送を促進することができる。
【００２０】
選択的には、通路側壁は、少なくとも所定の領域で、好適には流れ領域の内側で、ガス拡散層からの間隔が増大するにつれ親水性が減少するように形成されていてよい。
【００２１】
本明細書に開示された措置により、液体の水を、ガス拡散層に隣接する領域から、より大きく離間された領域へと搬送し、そこから液体の水をより良好に排出搬送することができる。電池の損傷を招く恐れのある局所的な水の蓄積を回避するまたは減じることができるので、燃料電池の耐用期間を改善することができる。
【００２２】
本明細書に開示された技術を、以下に図面につき説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】複数の燃料電池１００を備えた燃料電池積層体を概略的に示す図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿ったセパレータ１１９の概略的な平面図である。
【図３】図４のＣ−Ｃ線に沿ったセパレータ１１９の一部の概略的な平面図である。
【図４】図３のＤ−Ｄ線に沿った概略的な図である。
【図５】図３のＢ−Ｂ線に沿った概略的な図である。
【００２４】
図１には、隣接する複数の燃料電池１００を備えた燃料電池スタックの拡大図が示されている。隣接する２つのセパレータプレート１１９，１１９’，１１９’’は、それぞれ１つの燃料電池１００を画定している。セパレータプレート１１９，１１９’，１１９’’内にはそれぞれ、冷却媒体Ｋが流れる冷却媒体流路１４４が配置されている。冷却媒体が貫流しないセパレータプレートが設けられていることも想定可能である。セパレータプレート１１９’のガス案内通路１１３と、とりわけガス拡散層１１４を備えた隣接する空間とは、この場合、アノードスペース１１２を形成しており、このアノードスペースは、セパレータプレート１１９’と高分子電解質膜１１５とによって画定されている。このアノードスペース１１２内では、燃料電池１００もしくは燃料電池スタックが、燃焼ガスＢ、例えば水素を案内している。ガス案内通路１１８はガス拡散層１１７と共に、酸化剤流Ｏが流れるカソードスペース１１６を形成している。ここに図示した燃料電池スタックは、側方でエンドプレートによって画定されており、これについてはそれ以上言及しない。
【００２５】
図２は、図１のＡ−Ａ線に沿った概略的な平面図を示している。この場合、酸化剤Ｏ、燃料Ｂ、冷却媒体Ｋｕｅのための３つの媒体通路が、それぞれ互いに向かい合う２つの側に配置されている。しかしながら別の構造も考えられる。媒体ポート１３ｅから、流れ領域にガスが供給される。このガスは、酸化剤Ｏとして機能する例えば空気であってよい。さらに、このガスが燃焼ガスＢであることも考えられる。以下では一般的にガスと言う。右側では矢印によって、ガスを流れ領域ＳＦへと分配する分配構造Ｖ（図３参照）が示されている。さらに左側では矢印によって、ガスが媒体出口１３ａを通って左側へと燃料電池を出て行く前に、ガスを集める構造が示されている。通路１１３，１１８の明確な経路は図２には詳しくは示されていない。ここでは、アノード通路１１３およびカソード通路１１８を有する１つのセパレータプレート１１９が示されている。勿論、これらの通路のうちの一方のみが設けられていてもよい。
【００２６】
図３は、セパレータプレート１１９の構成の細部Ｂの一部を著しく簡略化して示している。この場合、この図は、セパレータプレート平面Ｘ、Ｙを見た平面図である。この場合、例として、第１の通路区分Ｋ１０内の第１の流れＳ１０が示されており、この第１の流れは、２つの部分流Ｓ２１，Ｓ２２へと分割される。２つの部分流Ｓ２１，Ｓ２２は、２つの通路区分Ｋ２１，Ｋ２２を貫流する。通路区分Ｋ１０，Ｋ２１，Ｋ２２のジオメトリおよび配置は、異なる構成であってもよい。通常は、１つのセパレータプレート１１９の１つの流れ領域内には、このような第１および第２の通路区分Ｋ１０，Ｋ２１，Ｋ２２が複数設けられている。同様に、通路壁Ｗ２１，Ｗ２２の配置および／または構成も異なるように構成されていてもよい。
【００２７】
第１の流れＳ１０は、この場合、通路ウェブ２００の流過端部２１０に設けられている流過端面２０１によって分割される。端面２０１は、この場合、上面２０２によって、上縁２０３を形成している。この上縁２０３は、下縁２０４に対して、流れＳ１０とは逆向きに突出するように形成されている。端面２０１は、この場合、上縁２０３から下縁２０４に向かって延在している。端面２０１もしくは上縁２０３／下縁２０４は、この場合、湾曲されている、もしくは平面図で見て円弧状に形成されている。
【００２８】
上縁２０３は、ガス拡散層１１４，１１７に直接隣接して形成されている。通常、ガス拡散層１１４，１１７は、上面２０２もしくは上縁２０３に載置されている。下縁２０４は、ガス拡散層１１４，１１７から、上縁２０３よりも大きく離間されている。
【００２９】
図４は、図３のＤ−Ｄ線に沿った概略的な図を示している。流体Ｆ、この場合、生産水は、端面２０１の形状および配置によって、第１の通路区分Ｋ１０の近位領域から、この近位領域よりもガス拡散層１１４，１１７から大きく離間されている、第１のもしくは第２の通路区分Ｋ１０，Ｋ２１，Ｋ２２の遠位領域へと迂回させられる。換言すると、端面２０１は、上面２０２に隣接して端面２０１に当接する流れＳ１０の流体Ｆを、この流体Ｆが、変向後には、変向前よりも上面２０２から大きく離間されるように変向させるように、設けられている。これは好適には、端面２０１と上面２０２とが、鋭角的な内角αを形成することにより実現することができる。今一度、換言するならば、端面２０１もしくは端部２１０は、アンダカットとして形成されている。この図によりよくわかるように、端面２０１は、この断面では、凹状に湾曲されて形成されている。
【００３０】
図５は、図３のＢ−Ｂ線に沿った概略的な図を示している。側壁は、この場合、約９０°の側壁内角βを形成している。好適には、この側壁内角βは、９０°よりも幾分、大きい。
【００３１】
「実質的に」という概念（例えば「実質的に垂直な軸線」）は、本明細書に開示された技術の文脈では、それぞれ正確な特性もしくは正確な値（例えば「垂直な軸線」）、ならびに、それぞれ特性／値の機能にとっては影響ない程度のずれ（例えば「垂直な軸線から許容範囲内のずれ」）を含む。
【００３２】
本発明の上記説明は、解説目的で用いられるものであり、本発明を限定するためのものではない。本発明の範囲では、本発明の範囲およびその等価のものを逸脱することなく、様々な変更、および改良が可能である。
【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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【国際調査報告】
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