(57)【要約】  本発明は、セパレータプレート（３００ａ、４００ａ、５００ａ、６００ａ、７００ａ、８００ａ）を通して反応媒体を導通させるための少なくとも１つの第１の貫通開口（１１ａ）と、セパレータプレート（３００ａ、４００ａ、５００ａ、６００ａ、７００ａ、８００ａ）の平坦側面に沿って反応媒体を導くための構造を有する活性領域（１８）と、第１の貫通開口（１１ａ）を封止するために第１の貫通開口（１１ａ）を囲む第１の封止構造（１２ａ）とを有する、電気化学システム（１）用のセパレータプレート（３００ａ、４００ａ、５００ａ、６００ａ、７００ａ、８００ａ）に関する。第１の封止構造（１２ａ）は、通路が活性領域とは反対に向いた第１の封止構造（１２ａ）を通して反応媒体を導通させるための第１の通路（１３ａ）を有する。本発明は、バイポーラプレートが上記で説明されるセパレータプレート（３００ａ、４００ａ、５００ａ、６００ａ、７００ａ、８００ａ）を有する電気化学システム（１）用のバイポーラプレート（３００、４００、５００、６００、７００、８００）にも関する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学システム用のセパレータプレートであって、
前記セパレータプレートを通して反応媒体を導通させるための少なくとも１つの第１の貫通開口と、
前記セパレータプレートの平坦側面に沿って反応媒体を導くための構造を有する活性領域と、
前記第１の貫通開口を封止するための、前記第１の貫通開口を囲む第１の封止構造と
を備え、
前記第１の封止構造は、前記第１の封止構造を通して反応媒体を導通させるための第１の通路を有し、
前記第１の通路は、前記第１の貫通開口とは反対に向いた第１の通路開口を含み、
前記第１の通路は、前記第１の貫通開口から前記第１の通路開口へ向かって方向づけられる第１の方向を画定し、
前記第１の貫通開口は、前記第１の通路により前記活性領域と流体接続され、
前記第１の通路は、前記第１の方向が、第２の方向に対して少なくとも１００度の角度を有するように配置されるとともに形成され、前記第２の方向は、前記第１の通路の前記第１の通路開口を前記活性領域の媒体入口または媒体出口へ接続する最短の直線の接続線により画定され、前記第２の方向は、前記第１の通路の前記第１の通路開口から前記活性領域の前記媒体入口または前記媒体出口へ向けられるセパレータプレート。
【請求項２】
前記第１の通路は、前記第１の貫通開口に面する第２の通路開口を含み、前記第１の方向は、前記第２の通路開口を前記第１の通路開口へ接続する最短の直線の貫通導線により画定される、請求項１に記載のセパレータプレート。
【請求項３】
前記第１の通路は、前記第１の方向が、前記第２の方向とともに、少なくとも１０５度、好ましくは少なくとも１１０度、およびとりわけ好ましくは少なくとも１２０度の角度を有するように配置されるとともに形成される、請求項１または２項に記載のセパレータプレート。
【請求項４】
前記セパレータプレートを通して冷却剤または反応媒体を導通させるための少なくとも１つの第２の貫通開口を備え、前記第２の貫通開口を封止するための前記第２の貫通開口を囲む第２の封止構造を備える、請求項１から３のいずれか一項に記載のセパレータプレート。
【請求項５】
前記セパレータプレートは、金属、好ましくはステンレススチールから形成される、請求項１から４のいずれか一項に記載のセパレータプレート。
【請求項６】
前記第１の封止構造および／または前記第２の封止構造は、前記セパレータプレートへとエンボス加工された封止ビードとして形成される、請求項４に記載のセパレータプレート。
【請求項７】
反応媒体を導くための前記活性領域の前記構造は前記セパレータプレートへとエンボス加工されている、請求項５または請求項６に記載のセパレータプレート。
【請求項８】
前記第１の貫通開口と前記活性領域との間に配置される分配領域を有し、前記第１の通路の前記第１の通路開口は、前記分配領域により前記活性領域と流体接続されており、前記分配領域は、前記第１の通路の前記第１の通路開口から進出して前記分配領域内へと導入される反応媒体を前記活性領域にわたって分配するように、および／または前記活性領域から進出して前記第１の通路の前記第１の通路開口へ向かって流れる反応媒体を、前記第１の通路開口へ向かって回収またはプールするように構成される分配構造を有する、請求項１から７のいずれか一項に記載のセパレータプレート。
【請求項９】
金属シートの厳密に１つの層、好ましくはステンレススチールシートの厳密に１つの層で形成される、請求項１から８のいずれか一項に記載のセパレータプレート。
【請求項１０】
前記第１の通路開口は、前記セパレータプレートの貫通窓としてまたは貫通孔として形成される、請求項１から９のいずれか一項に記載のセパレータプレート。
【請求項１１】
請求項５から１０のいずれか一項に記載の第１のセパレータプレートを備え、金属製、好ましくはステンレススチール製の第２のセパレータプレートを備えるバイポーラプレートであって、前記第１のセパレータプレートおよび前記第２のセパレータプレートは互いに接続され、前記第２のセパレータプレートも、前記第１のセパレータプレートの前記第１の貫通開口と整列される第１の貫通開口を同様に含み、前記第１のセパレータプレートのおよび前記第２のセパレータプレートの相互に整列される前記第１の貫通開口は、前記バイポーラプレートの第１の貫通開口を形成する、バイポーラプレート。
【請求項１２】
前記第２のセパレータプレートは、金属シートの厳密に１つの層、好ましくはステンレススチールシートの厳密に１つの層から形成される、請求項１１に記載のバイポーラプレート。
【請求項１３】
請求項１１または１２に記載のバイポーラプレートであって、前記第１のセパレータプレートは請求項４に従って形成され、前記第２のセパレータプレートは、前記第１のセパレータプレートの第２の貫通開口と整列される第２の貫通開口を同様に有し、前記第１のセパレータプレートのおよび前記第２のセパレータプレートの相互に整列された前記第２の貫通開口は、前記バイポーラプレートの第２の貫通開口を形成し、前記第１のセパレータプレートおよび前記第２のセパレータプレートは、前記バイポーラプレートを通して冷却剤を導通させるための空洞を包囲し、前記空洞は前記バイポーラプレートの前記第２の貫通開口と流体接続される、バイポーラプレート。
【請求項１４】
前記バイポーラプレートの前記第２の貫通開口と前記空洞との間の前記流体接続は、活性領域に面する前記バイポーラプレートの前記第２の貫通開口の側面上の前記バイポーラプレートの前記第２の貫通開口内へと開口する、請求項１３に記載のバイポーラプレート。
【請求項１５】
前記バイポーラプレートの平坦表面の面と平行に決定される前記バイポーラプレートの前記第２の貫通開口の断面は、前記活性領域に面する前記バイポーラプレートの前記第２の貫通開口の少なくとも端セクションにおいて前記活性領域へ向かって増大する、請求項１３または１４に記載のバイポーラプレート。
【請求項１６】
前記活性領域において全体的な媒体流れ方向と平行な前記第２の貫通開口は、第１の端部が前記活性領域に面する最大直径を有し、前記第２の貫通開口の前記断面は、前記第２の貫通開口の前記最大直径に垂直に決定され、前記断面は、前記第２の貫通開口の前記最大直径に沿う連続セクションにおいて前記活性領域へ向かって厳密に単調に一貫して増大し、前記連続セクションは、前記活性領域に面する第１の端部と、前記活性領域とは反対に向いた第２の端部とを有し、前記第２の貫通開口の前記最大直径の前記第１の端部からの前記連続セクションの前記第１の端部の距離は、前記第２の貫通開口の前記最大直径の長さの１０パーセントであり、前記第２の貫通開口の前記最大直径の前記第１の端部からの前記連続セクションの前記第２の端部の距離は、前記第２の貫通開口の前記最大直径の前記長さの４０パーセントである、請求項１５に記載のバイポーラプレート。
【請求項１７】
前記バイポーラプレートの平坦表面と平行に決定される前記バイポーラプレートの前記第１の貫通開口の断面は、前記活性領域とは反対に向いた前記第１の貫通開口の少なくとも端セクションにおいて、前記活性領域とは反対に向かう方向へ向かって増大する、請求項１１から１６のいずれか一項に記載のバイポーラプレート。
【請求項１８】
前記活性領域において全体的な媒体流れ方向と平行な前記第１の貫通開口は、第１の端部が前記活性領域に面する最大直径を有し、前記第１の貫通開口の前記断面は、前記第１の貫通開口の前記最大直径に垂直に決定され、前記第１の貫通開口の前記断面は、前記第１の貫通開口の前記最大直径に沿う連続セクションにおいて前記活性領域とは反対に向かう方向へ向かって厳密に単調に一貫して増大し、前記連続セクションは、前記活性領域に面する前記第１の端部と、前記活性領域とは反対に向いた第２の端部とを有し、前記第１の貫通開口の前記最大直径の前記第１の端部からの前記連続セクションの前記第１の端部の距離は、前記第１の貫通開口の前記最大直径の長さの６０パーセントであり、前記第１の貫通開口の前記最大直径の前記第１の端部からの前記連続セクションの前記第２の端部の距離は、前記第１の貫通開口の前記最大直径の前記長さの９０パーセントである、請求項１７に記載のバイポーラプレート。
【請求項１９】
前記バイポーラプレートの前記第１の貫通開口および前記バイポーラプレートの前記第２の貫通開口は、前記第１の貫通開口と前記活性領域との間の最短直線接続線へと横断する向きの方向に沿って互いに隣り合って配置される、請求項１４から１６のいずれか一項に記載のバイポーラプレート。
【請求項２０】
前記バイポーラプレートの前記第２の貫通開口は、前記バイポーラプレートの前記第１の貫通開口と前記活性領域との間に配置される、請求項１４から１６のいずれか一項に記載のバイポーラプレート。
【請求項２１】
請求項１から１０のいずれか一項に記載のセパレータプレートまたは請求項１１から２０のいずれか一項に記載のバイポーラプレートを複数備え、前記セパレータプレート間または前記バイポーラプレート間に配置される膜アセンブリを備える、電気化学システム。
【請求項２２】
燃料電池スタックまたは電解槽として形成され、前記膜アセンブリは、少なくとも１つの電解質膜をそれぞれ有する、請求項２１に記載の電気化学システム。
【請求項２３】
加湿器として形成され、前記膜アセンブリは、少なくとも１つの水交換膜をそれぞれ有する、請求項２１に記載の電気化学システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に電気化学システム用セパレータプレート、そのようなセパレータプレートを備えるバイポーラプレート、および複数のセパレータプレートまたはバイポーラプレートを備える電気化学システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
知られている電気化学システムは通常、スタックで配置されて２つのセパレータプレートからそれぞれ接合される複数のセパレータプレートまたはバイポーラプレートを備え、隣接するそれぞれ２つのセパレータプレートまたはバイポーラプレートが電気化学電池または加湿電池を包囲する。２つのセパレータプレートから接合されるセパレータプレートおよびバイポーラプレートは、たとえば、別個の電気化学電池（たとえば燃料電池）の電極を電気的に接触させるため、および／または隣接する電池（連続接続される電池）を電気的に接続させるために使用され得る。セパレータプレート／バイポーラプレートは、セパレータプレート／バイポーラプレート間の電池において発生する熱を放散するのにも使用され得る。この種の廃熱は、たとえば燃料電池における電気エネルギーまたは化学エネルギーの変換時に発生し得る。
【０００３】
セパレータプレート、ひいてはセパレータプレートから形成されるバイポーラプレートも、慣習的に、それぞれが少なくとも１つの貫通開口を有する。電気化学システムにおける、スタックされたセパレータプレート／バイポーラプレートの貫通開口は、セパレータプレートのスタックにおいてまたはバイポーラプレートのスタックにおいて、整列されるまたは少なくとも部分的に互いに重なり、媒体を供給するまたは排出するための媒体チャネルを形成する。セパレータプレート／バイポーラプレートの貫通開口により形成される貫通開口または媒体チャネルを封止するために、知られているセパレータプレート／バイポーラプレートは、セパレータプレート／バイポーラプレートの貫通開口がそれぞれ配置された封止システムをも含む。封止システムは、たとえば、成形された封止ビードとして、およびとりわけエンボス加工されて粒子プレートへと形成され得る。
【０００４】
セパレータプレートは、セパレータプレート／バイポーラプレートの活性領域に１または複数の媒体を供給するための、および／または媒体を排出するためのチャネル構造を追加的に含み得る。電池の反対側面に互いに反対に配置される、２つのセパレータプレート／バイポーラプレートの活性領域は、たとえば、電気化学電池または加湿電池を囲むかまたは区切り得る。たとえば、媒体は、燃料（たとえば水素またはメタノール）、反応ガス（たとえば空気または酸素）により構成され得るか、または供給媒体の形態で冷却剤として存在し得て、また、反応生成物により構成されて排出媒体としての加熱された冷却剤により構成され得る。燃料電池の場合、反応媒体、つまり燃料および反応ガスは、通常は、互いに反対に向いたバイポーラプレートの表面上で導かれ、冷却剤はバイポーラプレートを形成する２つのセパレータプレート間に形成される空洞内へと導かれる。
【０００５】
セパレータプレート／バイポーラプレートの貫通開口の周りに配置される封止システムは、それぞれ１または複数の通路を有し得る。これらの通路は、セパレータプレート／バイポーラプレートの貫通開口と活性領域との間、またはバイポーラプレートの貫通開口とバイポーラプレートの上述の空洞との間の流体接続を確立するのに使用される。対応する通路は、たとえばＤＥ１０２４８５３１Ａ１から、たとえば封止ビードのフランクにおける開孔の形態で知られている。
【０００６】
知られているセパレータプレートまたはバイポーラプレートは、追加的に、典型的には、プレートの貫通開口および活性領域との間に配置される分配領域を備え、この分配領域は、プレートの貫通開口を介して特定のプレートへと供給される媒体を、プレートの活性領域にわたりできる限り均一に分配するのに使用される。この目的から、分配領域は、たとえばウェブおよびチャネルの形態の分配構造を含み得る。しかしながら、他の分配構造もまた考案され得る。活性領域から除去される媒体を回収してこれを貫通開口へと導くのには、同等の構造が使用される。当該領域は、流通方向が異なるのみであるため、同様に本明細書では分配領域と言及される。電気化学システムの良好な効率を確保するため、セパレータプレートのまたはバイポーラプレートの活性領域の表面積を可能な限り大きく設計し、分配領域および貫通開口の表面積の割合をできる限り小さく保つことが通常は有利である。しかし同時に、活性領域上でまたは活性領域にわたり貫通開口を介してプレートへ供給される媒体をできる限り均一にすることが確保されない。
【発明の概要】
【０００７】
それゆえ、できる限り効率的な電気化学システムの動作を確保する、電気化学システム用のセパレータプレート、またはバイポーラプレートを作ることが、本発明の目的である。
【０００８】
それゆえ、
セパレータプレートを通して反応媒体を導通させるための少なくとも１つの第１の貫通開口と、
セパレータプレートの平坦側面に沿って反応媒体を導く構造を有する活性領域と、
第１の貫通開口を封止するための、第１の貫通開口を囲む第１の封止構造と、
を備え、
第１の封止構造は、第１の封止構造を通して反応媒体を導通させるための第１の通路を有し、
第１の通路は、第１の貫通開口とは反対に向いた第１の通路開口を含み、
第１の通路は、第１の貫通開口から第１の通路開口へ向かって方向づけられる第１の方向を画定し、第１の貫通開口は、第１の通路により活性領域と流体接続される、
電気化学システム用のセパレータプレートが提案される。
【０００９】
知られているセパレータプレートと比較すると、本明細書において提供されるセパレータプレートは、第１の方向が第２の方向に対して少なくとも１００度の角度（角度寸法）を有するように第１の通路が配置されるとともに形成されることを特徴とする。
【００１０】
第２の方向は、第１の通路の第１の通路開口を活性領域の媒体入口または媒体出口へ接続する最短の直線の接続線により画定され、第２の方向は、第１の通路の第１の通路開口から活性領域の媒体入口または媒体出口へ向けられる。第２の方向を画定する最短の直線の接続線は、純粋に幾何学的に、およびプレートの表面に沿う媒体の流れ方向とは無関係に決定される。第１の方向および第２の方向は、それぞれの向きの矢印を画定する。第１の方向および第２の方向により有するものとなる少なくとも１００度の角度は、対応する矢印の先端により有するものとなる角度となり、これは１８０度に等しいかそれよりも小さい（優角ではない）。
【００１１】
ここで提供される第１の通路の向きは、媒体が、第１の貫通開口から活性領域へ向かって流れるときはそのパス上で第１の通路開口から活性領域の入口へと少なくとも部分的に向け直される、という効果を有する。しばしば、媒体の流れの速度も、少なくともいくつかのセクションにおいて減少する。このように、活性領域にわたり媒体のとりわけ均質な分配が達成され得る。たとえば、典型的には第１の貫通開口と活性領域との間に配置され、そのパス上で第１の通路開口から活性領域の入口へと媒体を導いて分配するように形成される分配領域は、ここで提供されるセパレータプレートの場合においてはより小さく形成され、活性領域はこれに応じてより大きく形成される。ここで提供されるセパレータプレートを有する電気化学システムの電力密度は、それゆえ、改善され得る。同様に、少なくとも冷却剤を従来のセパレータプレートにおける場合よりも低い圧力レベルで供給することが可能であり、全体的なシステムのエネルギー消費の低減につながる。第１の方向および第２の方向により有するものとなる角度もまた、少なくとも１０５度、好ましくは少なくとも１１０度、およびとりわけ好ましくは少なくとも１２０度であり得る。いくつかの設計においては、角度は少なくとも１４０度までとすることさえも可能である。
【００１２】
第１の通路は、通常はさらに、第１の通路開口に面する第２の通路開口を有する。第１の通路の向きを画定する第１の方向は、たとえば、第１の通路開口を第２の通路開口へと接続する最短の直線の線により画定され得る。この線は直線の貫通導通線と呼ばれることもある。
【００１３】
セパレータプレートは、第１の封止構造および活性領域を囲む周囲封止構造を備え得る。そして周囲封止構造および第１の封止構造は、第１の封止構造のセクションおよび周囲封止構造のセクションが、第１の封止構造によっておよび周囲封止構造によって区切られるチャネルを画定するように形成され得る。この場合、第１の貫通開口とは反対に向いた第１の通路開口は、たとえば、第１の封止構造によっておよび周囲封止構造によって画定されるこのチャネルによって、活性領域の前述の入口または出口と流体接続され得る。第１の通路と活性領域との間の媒体の流れは、少なくともいくつかの領域において、周囲封止構造により、このようにして導かれ、向け直され、および／または迂回させられる。これは通常、幅に沿って分配が強化される際に結果としてすでに起きているものであり、つまり、分配領域へ到達する前においても、媒体は、活性領域の全体的な流れ方向に対して垂直な方向に、媒体が流れ出る貫通開口の幅と、同じ方向の第１の通路開口への通路の幅の長さとの合計よりも大きい幅において、分配されているのである。いずれにせよ現在のこの封止構造の壁はプロセスにおける媒体導通構造を形成し、利用可能なスペースを最適に利用することを可能にしている。たとえば封止フレームなどのような追加のコンポーネントは、媒体を導くためには必要ない。
【００１４】
セパレータプレートはさらに、セパレータプレートを通して冷却剤または反応媒体を導通させるための第２の貫通開口を少なくとも備え得る。そしてセパレータプレートはさらに、典型的には、第２の貫通開口を封止するために第２の貫通開口を囲む、第２の封止構造を有する。
【００１５】
そして周囲封止構造および第２の封止構造は、第２の封止構造のセクションおよび周囲封止構造のセクションが、第２の封止構造によりおよび周囲封止構造により区切られるチャネルを画定するように形成され得る。そして、第１の貫通開口とは反対に向いた第１の通路開口は、この第２の封止構造によりおよび周囲封止構造により画定されるこのチャネルによって、活性領域の前述の入口または出口と流体接続され得る。こうして、第１の通路と活性領域との間の媒体の流れは、少なくともいくつかの領域において、周囲封止構造によりおよび第２の封止構造により、この目的のために別途のコンポーネントまたは構造物を必要とすることなく、導かれ、向け直され、および／または迂回させられる。
【００１６】
そして第１の封止構造および第２の封止構造も、第１の封止構造のセクションおよび第２の封止構造のセクションが、第１の封止構造によりおよび第２の封止構造により区切られるチャネルを画定するように形成され得る。そして第１の貫通開口とは反対に向いた第１の通路開口は、第１の封止構造によりおよび第２の封止構造により画定されるこのチャネルによって、活性領域の前述の入口または出口と流体接続され得る。第１の通路と活性領域との間の媒体の流れは、少なくともいくつかの領域において、第１の封止構造によっておよび第２の封止構造によって、このようにして導かれ、向け直され、および／または迂回させられる。
【００１７】
セパレータプレートは、金属、好ましくはステンレススチールから形成され得る。セパレータプレートが形成される金属シートは、たとえば、１５０μｍを超えない厚さ、１２０μｍを超えない厚さ、または１００μｍを超えない厚さであり得る。セパレータプレートは、好ましくは、少なくともいくつかのセクションにおいて、少なくともその表面上に、反応媒体を分配するのに使用されるコーティングを含む。
【００１８】
第１の封止構造および／または第２の封止構造および／または周囲封止構造は、セパレータプレートへとエンボス加工された１または複数の封止ビードとして形成され得る。とりわけ、周囲封止構造が第１の封止構造および第２の封止構造のすべてを包囲する場合、つまりセパレータプレートのすべての他の封止構造を囲むように周囲ビードが延設される場合には、これが有利となり得る。選択肢または追加として、反応媒体を導くための活性領域の構造もまたセパレータプレートへとエンボス加工され得る。
【００１９】
セパレータプレートは、第１の貫通開口と活性領域との間に配置される分配領域を備え得る。とりわけ、第１の通路の第１の通路開口は、分配領域によって活性領域と流体接続され得る。分配領域は、第１の通路の第１の通路開口から進出して分配領域内へと導入される反応媒体を活性領域にわたって分配するように、および／または活性領域から進出して第１の通路の第１の通路開口へ向かって流れる反応媒体を第１の通路開口へ向かって回収またはプールするように構成される、分配構造を備え得る。分配領域の分配構造はまた、セパレータプレートへとエンボス加工され得る。
【００２０】
セパレータプレートは、金属シートの厳密に１つの層、たとえばステンレスチールシートの厳密に１つの層で形成され得る。
【００２１】
セパレータプレートの第１の通路の第１の通路開口は、たとえば、セパレータプレートの貫通窓として、貫通孔として、またはカットスルーとして形成され得る。この場合、媒体は、セパレータプレートの第１の平坦側面から、第１の通路開口を通して、セパレータプレートの第２の平坦側面上へと流れることができ、またはその逆も可能である。セパレータプレートの第１の通路の第１の通路開口が、セパレータプレートの貫通窓として、貫通孔として、またはカットスルーとして形成される場合は、これはとりわけセパレータプレートの境界からまたは横エッジから離れたところに配置される。
【００２２】
さらに、電気化学システム用のバイポーラプレートが提案される。バイポーラプレートは、上記で説明されるタイプの第１のセパレータプレートおよび第２のセパレータプレートを備え、第１のセパレータプレートおよび第２のセパレータプレートは、金属、好ましくはステンレススチールから形成される。バイポーラプレートの第１のセパレータプレートおよび第２のセパレータプレートは互いに接続される。第２のセパレータプレートも、同様に、第１のセパレータプレートの第１の貫通開口と整列される第１の貫通開口を備え、第１のセパレータプレートのおよび第２のセパレータプレートの相互に整列される第１の貫通開口は、バイポーラプレートの第１の貫通開口を形成する。そして第１のセパレータプレートの活性領域はバイポーラプレートの活性領域を形成する。
【００２３】
バイポーラプレートの第１のセパレータプレートおよび第２のセパレータプレートは、とりわけレーザ溶接接続で、ともに溶接されてよい。
【００２４】
好ましくは、厳密に１つの第１のセパレータプレートおよび厳密に１つの第２のセパレータプレートがバイポーラプレートを形成する。たとえば、バイポーラプレートの第１のセパレータプレートおよびバイポーラプレートの第２のセパレータプレートはそれぞれ、厳密に金属シートの１つの層で形成され得て、たとえばそれぞれが厳密に１つのステンレススチールシートの層で形成され得、このとき金属シートは、任意選択で、とりわけセクションにおいては、コーティングを有し得る。先行技術の多くのアプローチとは対照的に、この方法では、１つまたは２つの別々の封止フレームが分与され得る。この場合、バイポーラプレートは厳密に２つの層、とりわけ２つの金属層から成ることとなる。
【００２５】
バイポーラプレートの第１のセパレータプレートが第１のセパレータプレートの第１の封止構造および第１のセパレータプレートの周囲封止構造により画定される上記のチャネルを有する場合、バイポーラプレートの第１のセパレータプレートと第２のセパレータプレートとの間の接続、とりわけ溶接接続が、第１のセパレータプレートの第１の封止構造によりおよび周囲封止構造により画定されるチャネルの領域における少なくともいくつかのセクションにおいて、形成され得る。
【００２６】
バイポーラプレートの第１のセパレータプレートが、第１のセパレータプレートの第２の封止構造および第１のセパレータプレートの周囲封止構造により画定される上記のチャネルを有する場合、バイポーラプレートの第１のセパレータプレートと第２のセパレータプレートとの間の接続、とりわけ溶接接続が、第１のセパレータプレートの第２の封止構造によりおよび第１のセパレータプレートの周囲封止構造により画定されるチャネルの領域における少なくともいくつかのセクションにおいて、代替的としてまたは追加として形成され得る。
【００２７】
そしてバイポーラプレートの第１のセパレータプレートが第１のセパレータプレートの第１の封止構造および第１のセパレータプレートの第２の封止構造により画定される上記のチャネルを有する場合、バイポーラプレートの第１のセパレータプレートと第２のセパレータプレートとの間の接続、とりわけ溶接接続が、第１のセパレータプレートの第１の封止構造によりおよび第１のセパレータプレートの第２の封止構造により画定されるチャネルの領域における少なくともいくつかのセクションにおいて、代替的にまたは追加的に形成され得る。
【００２８】
媒体を供給し分配するのに必要なスペースもまた、この二重使用により削減され、活性表面として利用可能な表面積が増大する。
【００２９】
バイポーラプレートの第１のセパレータプレートが上記の第２の貫通開口を含む場合、バイポーラプレートの第２のセパレータプレートもまた第２の貫通開口を含み得る。そして第１のセパレータプレートの第２の貫通開口および第２のセパレータプレートの第２の貫通開口が互いに整列されてバイポーラプレートの第２の貫通開口を形成し得る。バイポーラプレートの第１のセパレータプレートおよび第２のセパレータプレートはさらに、バイポーラプレートを通して冷却剤を導通させるための空洞を包囲することができる。この空洞は、典型的には、空洞に面するバイポーラプレートの活性領域の後側面により区切られる。このように、空洞を通して導通させられる冷却剤により、バイポーラプレートの活性領域から熱を放散させることができる。
【００３０】
バイポーラプレートの空洞は、たとえば、バイポーラプレートの第２の貫通開口と流体接続され得る。バイポーラプレートの第２の貫通開口とバイポーラプレートの空洞との間の流体接続は、たとえば、活性領域に面するバイポーラプレートの第２の貫通開口の側面上のバイポーラプレートの第２の貫通開口内へと開口し得る。このように、バイポーラプレートの第２の貫通開口から空洞内へ、または空洞からバイポーラプレートの第２の貫通開口内へと、可能な限り最も直接的なやりかたで冷却剤を導通させることができる。これはバイポーラプレートの効率的な冷却にとりわけ寄与し得る。
【００３１】
バイポーラプレートの第２の貫通開口は、バイポーラプレートの平坦表面の面と平行に決定されるバイポーラプレートの第２の貫通開口の断面が、活性領域に面するバイポーラプレートの第２の貫通開口の少なくとも端セクションにおいて活性領域へ向かって増大するように形成されるかまたは形作られ得る。たとえば、活性領域において全体的な媒体流れ方向と平行な第２の貫通開口は、活性領域に面する第１の端部を有する最大直径または最大幅を有し得る。そして第２の貫通開口の上記の断面は、第２の貫通開口のこの最大直径に垂直に決定され得る。第２の貫通開口の最大直径に沿った連続セクションにおいて、第２の貫通開口上記の断面は活性領域へ向かって一貫して厳密に単調に増大し得る。この連続セクションは、活性領域に面する第１の端部および活性領域とは反対に向いた第２の端部を有し得る。連続セクションの第１の端部の、第２の貫通開口の最大直径の第１の端部からの距離は、第２の貫通開口の最大直径の長さの１０パーセントであり得る。代替または追加として、連続セクションの第２の端部の、第２の貫通開口の最大直径の第１の端部からの距離は、第２の貫通開口の最大直径の長さの４０パーセントであり得る。活性領域の全体的な媒体の流れ方向へと実質的に垂直に走る貫通開口の境界への移行部は、いずれにせよ、とりわけ打ち抜き加工性の改善の点においては、たとえば冷却剤を空洞内へ導入するためまたは空洞から冷却剤を排出するためにバイポーラプレートの第２の貫通開口がバイポーラプレートの上記の空洞と流体接続されている場合にはとりわけ、丸みをつけることができ、これがバイポーラプレートの活性領域のとりわけ効率的な冷却に寄与する。たとえば、第２の貫通開口と空洞との間の流体接続は、接続が第２の貫通開口内へと開口している部位ではとりわけ、このようにとりわけ大きな流れ断面を有し得る。
【００３２】
代替または追加として、バイポーラプレートの第１の貫通開口は、バイポーラプレートの平坦表面の面と平行に決定されるバイポーラプレートの第１の貫通開口の断面が、活性領域とは反対に向いた第１の貫通開口の少なくとも端セクションにおいて活性領域とは反対に向いた方向へ増大するように形成されるかまたは形作られ得る。たとえば、活性領域において全体的な媒体流れ方向と平行な第１の貫通開口は、活性領域に面する第１の端部を有する最大直径を有し得る。第１の貫通開口の上記の断面は、第１の貫通開口のこの最大直径に垂直に決定され得る。第１の貫通開口のこの最大直径に沿った連続セクションにおいて、第１の貫通開口上記の断面は活性領域とは反対に向いた方向へ一貫して厳密に単調に増大し得る。この連続セクションは、活性領域に面する第１の端部および活性領域とは反対に向いた第２の端部を有し得る。連続セクションの第１の端部の、第１の貫通開口の最大直径の第１の端部からの距離は、第１の貫通開口の最大直径の長さの６０パーセントであり得る。そして代替または追加として、連続セクションの第２の端部の、第１の貫通開口の最大直径の第１の端部からの距離は、第１の貫通開口の最大直径の長さの９０パーセントであり得る。
【００３３】
さらに、バイポーラプレートの第１の貫通開口およびバイポーラプレートの第２の貫通開口は、第１の貫通開口と活性領域との間の最短の直線の接続線を横断する向きにまたは垂直の向きの方向に沿って互いに隣り合って配置され得る。
【００３４】
代替として、バイポーラプレートの第１の貫通開口とバイポーラプレートの活性領域との間にバイポーラプレートの第２の貫通開口が配置されることも想到可能である。
【００３５】
さらに、上記で説明される複数のセパレータプレートまたはバイポーラプレートを備え、バイポーラプレート間に配置される膜アセンブリを有するものであって、それぞれの場合において隣接するバイポーラプレート間に配置される膜アセンブリをとりわけ有する、電気化学システムが提供される。電気化学システムは、たとえば、燃料電池スタックまたは電解槽として形成され得る。そして膜アセンブリは、たとえば、それぞれが少なくとも１つの電解質膜を有する。代替として、電気化学システムは加湿器としても形成され得、この場合において膜アセンブリは、たとえば、それぞれが少なくとも１つの水交換膜を備え得る。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
セパレータプレートの、バイポーラプレートの、および電気化学システムの、例示的な実施形態が、図に示されるとともに、以下の説明においてより詳細に説明される。
【００３７】
【図１】複数のバイポーラプレートを有する電気化学システムの斜視図を概略的に示す。
【００３８】
【図２Ａ】知られているセパレータプレートを平面視で概略的に示す。
【００３９】
【図２Ｂ】知られているバイポーラプレートのスタックを通した断面を概略的に示す。
【００４０】
【図３Ａ】第１の実施形態により本明細書で提供されるタイプのセパレータプレートを平面図で概略的に示す。
【００４１】
【図３Ｂ】図３Ａのセパレータプレートの詳細を平面図で概略的に示す。
【００４２】
【図３Ｃ】バイポーラプレートのスタックを有する電気化学システムの断面を概略的に示すものであり、それぞれが図３Ａおよび図３Ｂに示されるセパレータプレートを含む。
【００４３】
【図４】本明細書で提供されるタイプのセパレータプレートのさらなる実施形態をそれぞれ平面図で概略的に示す。
【図５】本明細書で提供されるタイプのセパレータプレートのさらなる実施形態をそれぞれ平面図で概略的に示す。
【図６】本明細書で提供されるタイプのセパレータプレートのさらなる実施形態をそれぞれ平面図で概略的に示す。
【図７】本明細書で提供されるタイプのセパレータプレートのさらなる実施形態をそれぞれ平面図で概略的に示す。
【図８】本明細書で提供されるタイプのセパレータプレートのさらなる実施形態をそれぞれ平面図で概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
図１は、本明細書において提供されるタイプの電気化学システム１を示すものであり、電気化学システム１は、スタックで配置されるとともにｚ方向７に沿ってスタックされる複数の同一の金属セパレータプレート２を有する。スタックのバイポーラプレート２が２つのエンドプレート３、４間でクランプされる。ｚ方向７もまた、スタック方向として言及される。バイポーラプレート２はそれぞれ、互いに接続される２つの金属セパレータプレートを有する（たとえば図２Ｂ参照）。この例では、システム１は燃料電池スタックである。こうして、互いの間にある２つの隣接するスタックのバイポーラプレート２が、たとえば化学エネルギーを電気エネルギーへ変換するために使用される電気化学電池を包囲する。電気化学電池は通常、それぞれが膜電極接合体（ＭＥＡ）を有する（たとえば図２Ｂ参照）。ＭＥＡは、典型的には、それぞれが少なくとも１つの膜、たとえば電解質膜を内含する。さらに、ガス拡散層（ＧＤＬ）がＭＥＡの１つまたは両方の表面上に配置され得る。
【００４５】
代替的な実施形態において、システム１は同様に、電解槽、コンプレッサとして、またはレドックスフロー電池として形成され得る。バイポーラプレートは、これらの電気化学システムにおいても使用され得る。すると、これらのバイポーラプレートの構成は、電解槽の場合、電気化学コンプレッサの場合、またはレドックスフロー電池のそれぞれの場合において媒体がバイポーラプレート上をまたはバイポーラプレートを通して導かれるときであっても、本明細書においてより詳細に説明されるバイポーラプレート２の構成に対応し得て、燃料電池システムに使用される媒体とは異なり得る。同じことがセパレータプレート、とりわけ加湿器に当てはまる。
【００４６】
ｚ軸７は、ｘ軸８およびｙ軸９とともに、右手系のデカルト座標系で広がる。エンドプレート４は、複数の媒体接続５を含み、これを介して媒体がシステム１へと供給可能、および媒体がシステム１から排出可能である。システム１へと供給可能なおよびシステム１から排出可能なこれらの媒体は、たとえば、分子状水素またはメタノールなどの燃料、空気または酸素などの反応ガス、水蒸気などの反応生成物、または減損燃料、または水および／またはグリコールなどの冷却剤を含んでよい。
【００４７】
図２Ａは、先行技術から知られるバイポーラプレート２の断面を平面視で示したものであり、図２Ａによるバイポーラプレート２は、たとえば、図１のシステム１のタイプの電気化学システムにおいて使用され得る。ここで、およびこれ以降、繰り返される特徴は同じ参照番号により表される。バイポーラプレート２は、２つの一体的に接合された個々のプレートまたはセパレータプレート２ａ、２ｂから形成され、そのうち第１のセパレータプレート２ａだけが図２Ａにおいて可視となっており、第２のセパレータプレート２ｂは隠れている。セパレータプレート２ａ、２ｂは、金属シート製、たとえば厳密に１つのステンレススチールシート製であり得る。セパレータプレート２ａ、２ｂは、相互に整列する貫通開口を含み、これがバイポーラプレート２の貫通開口１１ａ、１１ｂ、１１ｃを形成する。バイポーラプレート２のタイプの複数のバイポーラプレートがスタックされる場合、貫通開口１１ａ−ｃはスタック方向７においてスタック２を通して延びるダクトを形成する（図１参照）。典型的には、貫通開口１１ａ−ｃにより形成されるそれぞれのダクトは、システム１のエンドプレート４におけるポート５のうちの１つと流体接続されている。たとえば、貫通開口１１ａ、１１ｂにより形成されるダクトは、燃料電池スタック２の電気化学電池に燃料を、および反応ガスを供給するのに使用される。対照的に、冷却剤は、貫通開口１１ｃにより形成されるダクトを介して、スタック２内へと導入されるかまたはスタック２から除去され得る。
【００４８】
スタック２の内側に関しておよび囲むエリアに関して貫通開口１１ａ−ｃを封止するため、第１のセパレータプレート２ａは、それぞれが貫通開口１１ａ−ｃの周りに配置されるとともにそれぞれが完全に貫通開口１１ａ−ｃを包囲する、ビード１２ａ、１２ｂ、１２ｃを有する。図２Ａを見る者とは反対に向いたバイポーラプレート２の後側面では、第２のセパレータプレート２ｂが貫通開口１１ａ−ｃを封止するのに適切なビードを有する（図示せず）。
【００４９】
バイポーラプレート２の電気化学的活性領域１８において、図２Ａを見る者に面するその前側面の第１のセパレータプレート２ａは、セパレータプレート２ａの前側面に沿って反応媒体を導くための構造を含む流れ場１７を有する。これらの構造は、複数のウェブと、ウェブ間に延びてウェブにより区切られるチャネルとにより、図２Ａにおいて提供される。図２Ａは、バイポーラプレート２の前側面の活性領域１８の断面を示すにすぎない。図２Ａを見る者に面するバイポーラプレート２の前側面において、第１のセパレータプレート２ａはさらに分配領域または回収領域２０を含む。分配領域または回収領域２０は、貫通開口１１ａから進出して分配領域または回収領域２０内へと導入される媒体を活性領域１８にわたって分配するように、および／または活性領域１８から進出して貫通開口１１ａへ向かって流れる媒体を回収またはプールするように構成される分配構造を含む。図２Ａの分配領域または回収領域２０の分配構造も同様に、ウェブ、およびウェブ間に延びてウェブにより区切られるチャネルにより提供される。
【００５０】
第１のセパレータプレート２ａはさらに、流れ場１７を囲む周囲ビード１２ｄ、分配領域または回収領域２０、および貫通開口１１ａ、１１ｂを有し、これらを貫通開口１１ｃに対して、つまり冷却剤回路に対して、およびシステム１の囲むエリアに対して、封止する。ここで封止ビードとして言及されるビードと同様に、周囲ビードも封止要素となる。活性領域１８の構造、分配領域または回収領域２０の分配構造、およびビード１２ａ−ｄは、セパレータプレート２ａと単一体に形成され、たとえばエンボス加工または深絞り加工でセパレータプレート２ａに一体的に形成される。
【００５１】
ビード１２ａからの通路１３ａにより、第１のセパレータプレート２ａの分配領域または回収領域２０の分配チャネルは、貫通開口１１ａと、またはスタック２を通して貫通開口１１ａにより形成されるダクトと流体接続される。明確化の目的から、図２Ａにおいてはビード１２ａからのいくつかの通路１３ａのみに参照番号が振られている。同様に、分配領域または回収領域２０の分配構造は、流れ場１７の構造またはチャネルと流体接続されている。このように、ビード１２ａの通路１３ａにより、および分配領域または回収領域２０の分配構造により貫通開口１１ａを通して導かれる媒体は、バイポーラプレート２の活性領域１８内の流れ場１７内へと導入され得る。
【００５２】
貫通開口１１ｂ、または貫通開口１１ｂにより形成されるスタック２を通したダクトは、対応した形で分配および回収領域２０と流体接続され、また同じように、図２Ａを見る者とは反対に向いたバイポーラプレート２の後側面上の流れ場１７と流体接続される。対照的に、貫通開口１１ｃ、または貫通開口１１ｃにより形成されるスタック２を通したダクトは、セパレータプレート２ａ、２ｂにより包囲されるまたは囲まれるとともにバイポーラプレート２を通して冷却剤を導くように形成される空洞２２と流体接続される。
【００５３】
ビード１２ａからの通路１３ａは、貫通開口１１ａとは反対に向いたその端部においてはそれぞれが第１の通路開口１３ａ'含み、貫通開口１１ａに面するその端部においてはそれぞれが第２の通路開口１３ａ''を含む。第２の通路開口１３ａ''と第１の通路開口１３ａ'との間の最短の直線の接続線は、ビード１２ａからの通路１３ａのそれぞれについて、それぞれの通路１３ａの向きを表す第１の方向１４ａ（短い点線矢印）において画定される。そして、第１の通路開口１３ａ'と活性領域１８の入口または出口１６との間の最短の直線の接続線は、ビード１２ａからの通路１３ａのそれぞれの第２の方向１５ａ（一点鎖線矢印）を画定する。通路１３ａに割り当てられる第１の方向１４ａはそれぞれ、貫通開口１１ａから第１の通路開口１３ａへと向けられる。そして通路１３ａに割り当てられる第２の方向１５ａはそれぞれ、第１の通路開口１３ａ'から活性領域１８へと向けられる。
【００５４】
図２Ａでは、ビード１２ａからの通路１３ａの１つの例により、それぞれの場合においてこの通路１３ａに矢印として割り当てられる、第１の方向１４ａおよび第２の方向１５ａを示す。矢印の方向は媒体の流れ方向を必ずしも反映すべきものではない。図２Ａによるバイポーラプレート２の使用またはセパレータプレート２ａの使用によっては、媒体は、矢印の方向、つまり貫通開口１１ａから活性領域１８へ向かって、または矢印の方向の反対、つまり活性領域１８から貫通開口１１ａへ向かって流れ得る。第１の方向１４ａおよび第２の方向１５ａが、図２Ａで示されるビード１２ａからの残りの通路１３ａについては上記の画定に対応して、同じやりかたで与えられることは明らかである。
【００５５】
図２Ａで示される先行技術から知られるバイポーラプレート２またはセパレータプレート２ａにおいては、矢印で強調される第１の方向１４ａおよび第２の方向１５ａは、点線の弧で示される、約２０度の角度を有する。図２Ａの最左端に配置される、ビード１２ａからの通路については、この通路に割り当てられた第１の方向１４ａと第２の方向１５ａとの間の角度は約９０度である。言い換えると、貫通開口１１ａを囲んで封止する、ビード１２ａからの通路１３ａは、貫通開口１１ａの側面上にまたは活性領域１８に面するビード１２ａの側面上に配置される。媒体が、貫通開口１１ａから進出して通路１３ａを通って流れるとき、媒体はそのとき、活性領域１８へ向かってまたは活性領域１８へほぼ向かって流れる。
【００５６】
図２Ｂは、図２Ａで示されるタイプのバイポーラプレート２を有するスタックを通した断面を示すものであり、切断面は図２Ａで示される直線Ａ−Ａにより与えられるものである。それぞれのバイポーラプレート２は、接合された２つの金属セパレータプレート２ａ、２ｂから形成される。たとえば、バイポーラプレート２のセパレータプレート２ａ、２ｂは、溶接接続、およびとりわけレーザ溶接接続によりそれぞれ接合され得る。たとえば電解質膜の形態の膜１９を有するそれぞれの電気化学電池が、スタックの隣接するバイポーラプレート２間に配置される。さらに、それぞれの場合において、貫通開口１１ａを封止するためのビード１２ａと、ウェブおよびチャネルの形態の分配構造を有する分配領域または回収領域２０と、活性領域１８と、ビード１２ａからの通路１３ａとは強調されており、これにより、それぞれの場合における貫通開口１１ａは分配領域または回収領域２０とおよび活性領域１８と流体接続される。活性領域においては、活性領域１８において膜１９の入射流を強化するガス拡散層２０ａ、２０ｂが、膜１９の両側面上に追加的に配置される。さらに、活性領域１８に面する第１の通路開口１３ａ'、および貫通開口１１ａに面する通路１３ａの第２の通路開口１３ａ''が示される。
【００５７】
図３Ａは、第１の実施形態によりここで提供されるタイプのバイポーラプレート３００を平面図で示す。図３Ｂは、図３Ａによるバイポーラプレート３００の断面を示す。そして図３Ｃは、図３Ａおよび図３Ｂで示されるタイプのバイポーラプレート３００のスタックを通した断面を示しており、ここではそれぞれの膜１９、またはそれより広いその領域が、スタックの隣接するバイポーラプレート間に配置される。図３Ｃによる断面図の切断面は、スタックのバイポーラプレート３００の平坦表面の面に対して垂直な向きにあり、図３Ａおよび図３Ｂの描画面に対して垂直である。図３Ｃの切断面は、図３Ｂで強調される交差線Ｂ−Ｂに沿って延びる。図３Ｃによるバイポーラプレート３００のスタックは、たとえば、図１からのシステム１のタイプの電気化学システムのスタックであり得る。
【００５８】
図２Ａによるバイポーラプレート２と同様に、図３Ａから図３Ｃによるバイポーラプレート３００は、厳密に２つの金属セパレータプレート３００ａ、３００ｂから接合され、ここではセパレータプレート３００ｂは図３Ａ、図３Ｂを見る者に面するセパレータプレート３００ａにより隠れている。バイポーラプレート３００のセパレータプレート３００ａ、３００ｂは、たとえば、１００μｍよりも薄い厚さのステンレススチールシートでそれぞれ形成され得る。バイポーラプレート３００は四角形であり、バイポーラプレート３００の長さはバイポーラプレート３００の幅の約３倍である。
【００５９】
バイポーラプレート３００は、バイポーラプレート３００を通して媒体を導通させるための貫通開口１１ａ−ｃを含む。同一の参照番号により示される貫通開口１１ａ−ｃは、それぞれの場合において、バイポーラプレート３００の相対する側面または端部と互いに流体接続される。貫通開口１１ａ−ｃを封止するために形成される封止ビード１２ａ、１２ｂ、１２ｃは、貫通開口１１ａ−ｃのそれぞれを囲む。さらに、バイポーラプレート３００のセパレータプレート３００ａは、周囲ビード１２ｄを有する。図２Ａによるバイポーラプレート２の周囲ビード１２ｄとは対照的に、図３Ａから図３Ｃによるバイポーラプレート３００の周囲ビード１２ｄは、活性領域１８と、分配領域または回収領域２０と、貫通開口１１ａおよび１１ｂとを囲むだけでなく、追加的に貫通開口１１ｃをも囲むので、貫通開口１１ａ−１１ｃのすべてを包囲することとなる。
【００６０】
図３Ａから図３Ｃによるバイポーラプレート３００のセパレータプレート３００ａにおいて、参照番号１１ａにより示される第１の貫通開口は、封止ビード１２ａからの通路１３ａにより、分配領域および回収領域２０により、および活性領域１８により、互いに流体接続される。バイポーラプレート３００のセパレータプレート３００ａの活性領域１８は四角形またはほぼ四角形をしており、活性領域１８の境界はバイポーラプレート３００の横エッジと平行に延びている。活性領域１８は、バイポーラプレート３００の外側表面に沿って反応媒体を導く構造を備え、バイポーラプレート３００上の活性領域１８の構造はチャネルおよびウェブを包含し、それにより全体的な媒体流れ方向５０となっている。しかしながら、改変された実施形態において、ウェブおよびチャネル以外の別の形態で活性領域１８の構造が提供されることも想到可能である。
【００６１】
図２Ａによるバイポーラプレート２とは対照的に、図３Ａ、３Ｂによるバイポーラプレート３００のセパレータプレート３００ａの分配領域または回収領域２０は、それぞれが同様に四角形またはほぼ四角形をしており、分配領域または回収領域２０の境界はバイポーラプレート３００の横エッジと平行に延びている。分配領域または回収領域２０は、貫通開口１１ａから活性領域１８へと流れる媒体を活性領域１８にわたってできる限り均質に分配するように、または活性領域１８から貫通開口１１ａへと流れる媒体を回収するように形成される、分配構造を有する。分配領域または回収領域２０の分配構造は、バイポーラプレート３００のセパレータプレート３００ａ上に瘤状の突起を有する。バイポーラプレート３００の平坦表面の面と平行な、またはセパレータプレート３００ａ、３００ｂの平坦表面と平行な面において、瘤状の突起は、たとえば、丸いまたはほぼ丸い断面を有する。しかしながら、改変された実施形態において、分配領域または回収領域２０の分配構造が、瘤状の突起以外の異なる形態で提供される、たとえばそれらが同様にウェブおよびチャネルを包含し得ることは想到可能である。
【００６２】
バイポーラプレート３００のセパレータプレート３００ａの場合において、参照番号１１ｃで示される第２の貫通開口は、封止ビード１２ｃからの通路１３ｃにより、およびバイポーラプレート３００のセパレータプレート３００ａ、３００ｂにより包囲される空洞２２により、互いに流体接続される。空洞２２は、バイポーラプレート３００を通して冷却剤を導くのに使用されるとともに、空洞２２に面するセパレータプレート３００ａの活性領域１８の後側面により区切られる。空洞２２を通して導かれる冷却剤は、こうしてとりわけ活性領域１８を冷却するために使用され得る。貫通開口１１ｃと、セパレータプレート３００ａ、３００ｂ間で包囲される空洞２２との間に流体接続をそれぞれ形成する、封止ビード１２ｃからの通路１３ｃのそれぞれは、活性領域１８に面する貫通開口１１ｃの側面上で貫通開口１１ｃ内へと開口する。これにより、空洞２２に面する活性領域１８の後側面によって少なくともいくつかのセクション、または殆どの部分さえもが区切られる、貫通開口１１ｃと空洞２２との間のできる限り直接的な流体接続が確保される。
【００６３】
参照番号１１ｂにより示されるバイポーラプレート３００のセパレータプレート３００ａの貫通開口は、封止ビード１２ｂからの通路１３ｂにより、および分配領域および回収領域２０により、および図３Ａにおいては隠れているセパレータプレート３００ｂの活性領域１８により、互いに流体接続される。
【００６４】
活性領域１８の構造、分配領域または回収領域２０の分配構造、および封止ビード１２ａ−ｄは、バイポーラプレート３００のセパレータプレート３００ａと単一体に形成され得る。たとえば、それらはそれぞれ、とりわけエンボス加工または深絞り加工により、セパレータプレート３００ａへと成形され得る。同じことが、活性領域、分配構造、および図３Ａ、３Ｂでは隠れているバイポーラプレート３００のセパレータプレート３００ｂの封止ビードに当てはまる。
【００６５】
バイポーラプレート３００のセパレータプレート３００ａにおいては、分配領域または回収領域２０は、貫通開口１１ａ−ｃと活性領域１８との間にそれぞれ配置される。とりわけ、それぞれの分配領域または回収領域２０は、貫通開口１１ａから活性領域へと流れる媒体、または活性領域１８から貫通開口１１ａへと流れる媒体が、それぞれの場合において分配領域または回収領域２０の１つを通って流れるように、貫通開口１１ａと活性領域１８との間に配置される。
【００６６】
バイポーラプレート３００の、またはバイポーラプレート３００のセパレータプレート３００ａ、３００ｂの貫通開口１１ａ−ｃは、それぞれほぼ四角形をしており、図３Ａ、３Ｂでは、とりわけ、正方形またはほぼ正方形をしていて、貫通開口１１ａ−ｃの横エッジはバイポーラプレート３００の横エッジと平行の向きとなっている。ｙ方向９に沿って、ひいてはバイポーラプレート３００の長さ方向に対して横断する向きに、貫通開口１１ａ−ｃが互いに隣り合って配置され、ｘ方向８に沿って、それらは互いに対称にまたはほぼ対称の向きとなっている。
【００６７】
図３Ａから図３Ｃによるバイポーラプレート３００のセパレータプレート３００ａは、とりわけ、貫通開口１１ａと活性領域１８との間の流体接続を確立する通路１３ａの配置と向きにより、図２Ａによるバイポーラプレート２のセパレータプレート２ａとは異なる。図３Ａから図３Ｃによるセパレータプレート３００ａ上には、図２Ａによるセパレータプレート２ａとは対照的に、通路１３ａが、活性領域１８とは反対に向いた、貫通開口１１ａの側面上にまたは封止ビード１２ａ上に配置されている。
【００６８】
図２Ａに関連して説明したように、通路１３ａの向きは、第１の方向１４ａにより説明され得る。それぞれの通路１３ａについて、第１の方向１４ａは、通路開口１３ａ'、１３ａ''間の最短の直線の接続線により与えられ、それぞれの場合において貫通開口１１ａから第１の通路開口１３ａ'へと向かっており、第１の通路開口１３ａ'は、貫通開口１１ａとは反対に向いた通路１３ａの端部を形成する。図３Ｂは、通路１３ａのうちの１つについて、負のｘ方向８において、ひいては活性領域１８とは反対に向かう方向を指して向けられる点線矢印で例示することにより、第１の方向１４ａを示している。図２Ａに関して説明したように、媒体は通路１３ａを通って矢印の方向または矢印の反対の方向にも流れ得る。
【００６９】
第２の方向１５ａが、図３Ｂの同じ貫通開口１３ａについて示される。第２の方向１５ａは、第１の貫通開口１３ａ'と活性領域１８の入口または出口１６との間の最短の直線の接続線により与えられ、第１の貫通開口１３ａ'から活性領域１８へと向かっている。図３Ｂもまた、正のｘ方向８、ひいては活性領域１８へと向かって指す一点鎖線矢印として第２の方向１５ａを示している。
【００７０】
図２Ａによるセパレータプレート２ａとは対照的に、第１の方向１４ａおよび第２の方向１５ａは、図３Ｂによるセパレータプレート３００ａは上では少なくとも１００度の角度、およびとりわけここでは１８０度の角度を有する。同じことが、図３Ａ、３Ｂを見る者とは反対に向いたセパレータプレート３００ｂ上にある、バイポーラプレート３００の外側側面内へと開口する、封止ビード１２ｂからの通路１３ｂに当てはまる。セパレータプレート３００ａの貫通開口１３ａのこの向きの結果として、たとえば、貫通開口１１ａから貫通開口１３ａを通って活性領域１８へと流れる媒体がその流れ方向においてかなりの変化を受けることとなり（図３Ｂにおいては１８０度まで）、ひいては活性領域１８にわたってとりわけ良好に分配され得る。このようにして、たとえば、分配領域または回収領域２０は、より小さい表面積となるように、活性領域１８はより大きい表面積となるように形成され得る。結果として、バイポーラプレート３００を有する電気化学システム１の効率を改善することができる。図３Ａから図３Ｃによるセパレータプレート３００ａ上では、通路１３ａは、とりわけ、封止ビード１２ａ−ｄにより区切られるチャネルにより、たとえば封止ビード１２ａと周囲ビード１２ｄとの間のチャネル２３により、封止ビード１２ａと１２ｃとの間のチャネル２４により、封止ビード１２ｃと周囲ビード１２ｄとの間のチャネル２５により、また封止ビード１２ｂと１２ｃとの間のチャネル２６により、および封止ビード１２ｂと周囲ビード１２ｄとの間のチャネル２７により、活性領域１８と流体接続される。封止ビード１２ｃと周囲ビード１２ｄとの間のチャネル２３もまた図３Ｃにおける断面図に示されており、ここではそれぞれのバイポーラプレートについて専用の参照番号は提供されていない。
【００７１】
図３Ｃで示される断面図の部分は、図２Ｂと類似して、ビード１２ａの左へ延びる領域において左へと続き得るものであり、つまり、ビード１２ａから１２ｄへと同様にチャネル２３からチャネル２６を区切るバイポーラプレートの壁と、通路１３ａ、１３ａ'、１３ａ''と、流れ場１７のチャネルを区切る壁とは、バイポーラプレートのセパレータプレートの１つへと直接的に成形される。それゆえ、バイポーラプレートは、プレートに付け加えられる別途に生産される封止要素等を必要としない。
【００７２】
図４は、第２の実施形態による、本明細書で提供されるタイプのバイポーラプレート４００を平面図で詳細に示すものである。図４によるバイポーラプレート４００は、図３Ａから図３Ｃによるバイポーラプレート３００の改変である。簡略化を目的として、以下、主にバイポーラプレート３００とバイポーラプレート４００との相違点のみが強調される。
【００７３】
バイポーラプレート３００と同様に、バイポーラプレート４００もまた、厳密に２つの接合された金属セパレータプレート４００ａ、４００ｂで形成され、図４ではセパレータプレート４００ｂはセパレータプレート４００ａにより隠れている。バイポーラプレート４００もまた、バイポーラプレート４００の活性領域１８とは反対に向いた、貫通開口１１ａの側面上または封止ビード１２ａ上に配置される、封止ビード１２ａからの通路１３ａを含む。バイポーラプレート３００と同様に第１の方向１４ａが第２の方向１５ａに対して１８０度の角度α１を有する通路１３ａに加えて、しかしながらバイポーラプレート３００とは対照的に、バイポーラプレート４００は、第１の方向１４ａ'が第２の方向１５ａに対してわずかに小さい約１３５度の角度α２を有する通路１３ａを追加的に有する。図４においては、これが、最左端に配置される、封止ビード１２ａからの通路１３ａである。
【００７４】
図４によるバイポーラプレート４００はさらに、バイポーラプレート４００の場合には台形またはほぼ台形の形をした貫通開口１１ａ−ｃの形において、図３Ａから図３Ｃによるバイポーラプレート３００とは異なり、ここでは、貫通開口１１ａ−ｃの平行に延びるエッジがそれぞれｙ方向９と平行な向きであり、ひいてはバイポーラプレート４００の長さ方向に対して横断する向きまたは垂直である。
【００７５】
バイポーラプレート４００を有する、図１のシステム１の冷却剤回路の一部分にたとえばなり得る貫通開口１１ｃは、バイポーラプレート４００の平坦表面の面およびｙ方向９と平行に決定される断面を有し、これは活性領域１８とは反対に向いた貫通開口１１ｃの端部から活性領域１８に面する貫通開口１１ｃの端部へ向かってｘ方向８に沿って継続的に増大する。貫通開口の横のエッジが互いに移行する箇所での半径を考慮すると、少なくとも、活性領域へ向かう第１の貫通開口の延長部の約５パーセントから９５パーセントまでの間において、ひいては２つの二重一点鎖線間にあるこの延長部の６０パーセントから９０パーセントまでの間においても、活性領域の全体的な媒体流れ方向５０と平行に走る直線上に延びる領域において、断面は厳密に単調に増大する。このように、バイポーラプレート４００に冷却剤がとりわけ良好に供給されることが確保され得る。たとえば、図４によるバイポーラプレート４００上の封止ビード１２ｃからのすべての通路１３ｃの流れの断面は、先行技術の同等のバイポーラプレートに比べて増大するが、図３Ａから図３Ｃによるバイポーラプレート３００に比べても同様である。
【００７６】
たとえばバイポーラプレート４００に接する電気化学システム電池に反応媒体を供給するために使用される貫通開口１１ａ、１１ｃは、それぞれが、バイポーラプレート４００の平坦表面の面と平行に定義されてｙ方向９にあるとともに活性領域１８の端部までに面する貫通開口１１ａ、１１ｃの端部から終端半径から離れた活性領域１８とは反対に向いた貫通開口１１ａ、１１ｃの端部へとｘ方向８に沿って継続的に増大する断面を有する。貫通開口の横のエッジが互いに移行する箇所での半径を考慮すると、少なくとも、活性領域へ向かう第１の貫通開口の延長部の約５パーセントから９５パーセントまでの間において、ひいては２つの二重一点鎖線間にあるこの延長部の１０パーセントから４０パーセントまでの間においても、活性領域の全体的な媒体流れ方向５０と平行に走る直線上に延びる領域において、断面は厳密に単調に減少する。このように、貫通開口１１ａ、１１ｂのまたは活性領域１８とは反対に向いた封止ビード１２ａ、１２ｂの側面は、バイポーラプレート４００上ではバイポーラプレート３００よりも長いので、たとえば通路１３ａ、１３ｂの数をより多く含めることができる。これにより、活性領域１８への反応媒体の供給、ひいてはバイポーラプレート４００を有する電気化学システム１の効率も改善され得る。
【００７７】
バイポーラプレート４００とバイポーラプレート３００との間のもう１つの違いは、バイポーラプレート４００の平坦表面の面と平行なバイポーラプレート４００の分配領域または回収領域２０の分配構造が、それぞれ、長形の断面を有することである。この断面により、たとえば、ほぼ四角形、楕円形、または他の形状が可能となる。
【００７８】
図５は、第３の実施形態による、本明細書で提供されるタイプのバイポーラプレート５００を平面図で詳細に示すものである。図５によるバイポーラプレート５００は、図３Ａから図３Ｃによるバイポーラプレート３００の改変である。簡略化を目的として、以下、主にバイポーラプレート３００とバイポーラプレート５００との相違点のみが強調される。
【００７９】
バイポーラプレート３００と同様に、バイポーラプレート５００もまた、２つの接合された金属セパレータプレート５００ａ、５００ｂで形成され、図５ではセパレータプレート５００ｂはセパレータプレート５００ａにより隠れている。第１の方向１４ａと第２の方向１５ａとの間の角度αは、ここでも１８０度である。
【００８０】
図５によるバイポーラプレート５００は、セパレータプレート５００ａが、貫通開口１１ａを囲む封止ビード１２ａからの追加の通路２８を含む点で、図３Ａから図３Ｃによるバイポーラプレート３００とは異なる。通路２８は、ｙ軸９と平行の向きである。通路２８はさらに、活性領域１８への反応媒体の供給、または活性領域１８からの反応媒体の排出を改善する。
【００８１】
図６は、第４の実施形態による、本明細書で提供されるタイプのバイポーラプレート６００を平面図で詳細に示すものである。図６によるバイポーラプレート６００は、図４によるバイポーラプレート４００の改変である。簡略化を目的として、主にバイポーラプレート４００とバイポーラプレート６００との相違点のみが強調される。
【００８２】
バイポーラプレート４００と同様に、バイポーラプレート６００もまた、２つの接合された金属セパレータプレート６００ａ、６００ｂで形成され、図６ではセパレータプレート６００ｂはセパレータプレート６００ａにより隠れている。
【００８３】
図６によるバイポーラプレート６００は、セパレータプレート６００ａが、貫通開口１１ａを囲む封止ビード１２ａからの追加の通路２８を含む点、および貫通開口１１ｂを囲む封止ビード１２ｂからの追加の通路２９を含む点で、図４によるバイポーラプレート４００とは異なる。通路２８および２９は、それぞれｙ軸９と平行の向きである。通路２８はさらに、活性領域１８への反応媒体の供給、または活性領域１８からの反応媒体の排出を改善し得る。従って、通路２９はさらに、セパレータプレート６００ｂの活性領域１８への反応媒体の供給、およびセパレータプレート６００ｂの活性領域１８からの反応媒体の排出を改善し得る。特定の通路１３ａへ割り当てられる、第１の方向１４ａと第２の方向１５ａとの間の角度α１およびα２は、貫通開口１１ａの封止ビード１２ａからの通路１３ａの２つについて図６で例として強調されている。図４によるバイポーラプレート４００と同様に、図６によるバイポーラプレート６００上の角度α１およびα２は、１８０度および約１３５度である。
【００８４】
図７は、第５の実施形態による、本明細書で提供されるタイプのバイポーラプレート７００を平面図で詳細に示すものである。図７によるバイポーラプレート７００は、図３Ａから図３Ｃによるバイポーラプレート３００の改変である。簡略化を目的として、以下、主にバイポーラプレート３００とバイポーラプレート７００との相違点のみが強調される。
【００８５】
バイポーラプレート３００と同様に、バイポーラプレート７００もまた、２つの接合された金属セパレータプレート７００ａ、７００ｂで形成され、図７ではセパレータプレート７００ｂはセパレータプレート７００ａにより隠れている。
【００８６】
図７によるバイポーラプレート７００は、図３Ａから図３Ｃによるバイポーラプレート３００とは貫通開口１１ａ−ｃの配置が主に異なる。バイポーラプレート３００とは対照的に、バイポーラプレート７００の貫通開口１１ｃは、活性領域１８の貫通開口１１ａおよび１１ｂとの間に配置される。バイポーラプレート７００の貫通開口１１ｃは、たとえば、バイポーラプレート７００を有する図１の電気化学システム１の冷却回路の一部分であり得る。そして貫通開口１１ａ、１１ｂは、バイポーラプレート７００に接する電気化学システム電池に反応ガスを供給するために使用され得る。図３Ａから図３Ｃによるバイポーラプレート３００とは対照的に、図７によるバイポーラプレート７００の貫通開口１１ｃは、分配領域または回収領域２０の全幅にわたるｙ方向９に沿って、または活性領域１８の全幅にわたって延びる。これにより、貫通開口１１ｃを介しての、空洞２２への冷却剤の供給、または空洞２２からの冷却剤の排出が改善される。この通路１３ａに割り当てられた、第１の方向１４ａと第２の方向１５ａとの間の角度αは、図７の例によれば、貫通開口１１ａの封止ビード１２ａからの通路１３ａうちの１つについて強調されている。この角度αは、ここでも１８０度である。
【００８７】
最後に、図７によるバイポーラプレート７００の分配領域または回収領域２０の分配構造は、図４によるバイポーラプレート４００と同様に、バイポーラプレート７００の平坦表面の面と平行な長形断面を有する。しかしながら、バイポーラプレート７００の分配領域または回収領域２０の分配構造は、活性領域１８の方向において、バイポーラプレート７００の横エッジを基準にして外側から内側へ向く突起、および内側から外側へ向く陥没の両方を有しており、陥没は主に、空洞２２に面するセパレータプレート７００ａの後側面上の空洞２２にわたり冷却剤を分配して活性領域１８のできる限り均一な冷却を確保するために使用される。
【００８８】
図８は、第６の実施形態による、本明細書で提供されるタイプのバイポーラプレート８００を平面図で詳細に示すものである。図８によるバイポーラプレート８００は、図７によるバイポーラプレート７００の改変である。簡略化を目的として、主にバイポーラプレート８００とバイポーラプレート７００との相違点のみが強調される。
【００８９】
バイポーラプレート７００と同様に、バイポーラプレート８００もまた、２つの接合された金属セパレータプレート８００ａ、８００ｂで形成され、図８ではセパレータプレート８００ｂはセパレータプレート８００ａにより隠れている。
【００９０】
図８によるバイポーラプレート８００は、２つの別個の貫通開口１１ｃが、貫通開口１１ａ、１１ｂと、それぞれが封止ビード１２ｃにより囲まれるとともに特定の封止ビード１２ｃからの通路１３ｃによりセパレータプレート８００ａ、８００ｂによって包囲される空洞２２と流体接続される活性領域１８との間に提供される点で、図７によるバイポーラプレート７００とは異なる。分配領域または回収領域２０のまたは活性領域１８の全幅にわたりｙ方向９に沿って延びる単一の貫通開口１１ｃのみが提供されるバイポーラプレート７００と比較すると、これは、貫通開口１１ａと活性領域１８との間に流れる反応媒体が、２つの別個の封止ビード１２ｃにより区切られるセパレータプレート８００ａの中央部分でチャネル３０を通って流れることもできる点で利点を有する。活性領域１８上への、貫通開口１１ａから活性領域１８へと流れる反応媒体の分配、または活性領域１８から貫通開口１１ａへ流れる反応媒体の回収が、こうしてさらに改善され得る。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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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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【国際調査報告】
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