(57)【要約】互いの頂部上に積層方向に積層された複数のユニットセルによって形成された燃料電池スタックと、積層方向と実質的に平行に延びる媒体ガイドとを有してなる燃料電池装置において、ユニットセルの各々が、１つまたはいくつかの媒体ダクトと、カソード、アノードおよびカソードとアノードとの間に配置された膜電極アッセンブリと、を有し、媒体ガイドは、燃料電池スタックのユニットセルの媒体ダクトへまたは媒体ダクトから積層方向に対して実質的に横方向へ媒体を案内するように燃料電池スタックに接続されることができ、または接続され、媒体ガイドは、燃料電池スタックに接続されることができ、または接続される、少なくとも間接的に接続されたガイドリムを有する。媒体ガイドのガイドリムは、燃料電池スタックのリム差し込み口へ挿入され、リム差し込み口は積層方向と実質的に平行に延びる。
2021526718.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いの頂部上に積層方向に積層された複数のユニットセル（１１）によって形成された燃料電池スタック（１２）と、前記積層方向と実質的に平行に延びる媒体ガイド（２２）とを有してなる燃料電池装置（１）において、前記ユニットセルの各々が、１つまたはいくつかの媒体ダクト（８）と、カソード、アノードおよび前記カソードと前記アノードとの間に配置された膜を備えた膜電極アッセンブリ（２）と、を有し、前記媒体ガイドは、前記燃料電池スタック（１２）の前記ユニットセル（１１）の前記媒体ダクト（８）へまたは該媒体ダクト（８）から前記積層方向に対して実質的に横方向へ媒体を案内するように前記燃料電池スタック（１２）に接続されることができ、または接続され、前記媒体ガイドは、前記燃料電池スタック（１２）に接続されることができ、または接続される、少なくとも間接的に接続されたガイドリム（２４ａ，２４ｂ）を有する、燃料電池装置（１）であって、
前記媒体ガイド（２２）の前記ガイドリム（２４ａ，２４ｂ）は、前記積層方向と実質的に平行に延びる前記燃料電池スタック（１２）のリム差し込み口（２６）へ挿入されることを特徴とする燃料電池装置（１）。
【請求項２】
前記燃料電池スタック（１２）の前記リム差し込み口（２６）は、前記積層方向と実質的に平行に延びる溝として形成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置（１）。
【請求項３】
前記媒体ガイド（２２）は、前記ガイドリム（２４ａ，２４ｂ）が前記リム差し込み口（２６）において付勢を受けて保持されるように弾性的に設計されることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池装置（１）。
【請求項４】
前記リム差し込み口（２６）は、受口（２７）を有しており、該受口（２７）は、該受口（２７）が、前記ガイドリム（２４ａ，２４ｂ）の一方および／または他方に形成または配置されたガイド部材（２８）を受けることができるように設計されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池装置（１）。
【請求項５】
前記ガイド部材（２８）は、前記受口（２７）に嵌め合いで受けられることができることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池装置（１）。
【請求項６】
前記ガイド部材（２８）は、前記ガイドリム（２４ａ，２４ｂ）とは異なる材料によって形成されることを特徴とする請求項４または５に記載の燃料電池装置（１）。
【請求項７】
前記ガイド部材（２８）は、シール材料によって形成されることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池装置（１）。
【請求項８】
前記ガイドリム（２４ａ，２４ｂ）は、ガイドウェブ（２３）によって互いに間接的に接続されることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池装置（１）。
【請求項９】
前記ガイドリム（２４ａ，２４ｂ）は、互いに直接接続されることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池装置（１）。
【請求項１０】
複数の媒体ガイド（２２）が設けられ、これらの媒体ガイド（２２）は、第１反応媒体を供給する第１媒体供給手段（２２ａ）として、および少なくとも一部が使い果たされた第１反応媒体を排出する第１媒体排出手段（２２ｂ）として形成され、並びに第２反応媒体を供給する第２媒体供給手段（２２ｃ）として、および少なくとも一部が使い果たされた第２反応媒体を排出する第２媒体排出手段（２２ｄ）として形成されることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の燃料電池装置（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、互いの頂部上に積層方向に積層された複数のユニットセルによって形成された燃料電池スタックを有してなる燃料電池装置に関する。ユニットセルの各々が、１つまたは複数の媒体ダクトと、膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）とを備えている。膜電極アッセンブリは、カソードと、アノードと、カソードとアノードとの間に配置された膜とを備えている。媒体ガイドが、積層方向と実質的に平行に延び、従って、燃料電池スタックのユニットセルの媒体ダクトへまたは該媒体ダクトから積層方向に対して実質的に横方向へ媒体を案内するように燃料電池スタックに接続され、または接続されることができる。媒体ガイドは、ガイドリムを有し、該ガイドリムは、燃料電池スタックに少なくとも間接的に接続され、および燃料電池スタックに接続されることができ、または接続される。
【背景技術】
【０００２】
周知の燃料電池装置が、燃料電池スタック内において積層方向に沿って形成されたダクトを有している。反応媒体が混合しないことを確実にするために、複雑なシール構造が必要とされる。また、燃料電池スタックを作動する際には、外部環境へ媒体を解放することができないことを確実にしなければならない。独国特許第１０ ２００５ ０３８ ９３１ Ａ１号明細書は、スタックに対して横方向に取り付けられた複数のＵ字形状媒体供給部を有してなる燃料電池スタックを示している。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
請求項１の前書きに従う燃料電池装置が、本出願人の先に公開された出願から周知である。ガイドリムが燃料電池スタックに一体に接続され、これは、換言すれば、媒体ガイドが燃料電池スタックに接着されることを意味する。
【０００４】
従って、本発明の目的は、燃料電池スタックへの簡潔な媒体供給手段をもたらす燃料電池装置を提供し、媒体ガイドおよび燃料電池スタックの代替的かつ安全な結合を提供することを目的としている。
【０００５】
この問題は、請求項１の特徴部を有したロック配置設備によって解決される。本発明の有利な実施形態および便宜の更なる発展は、従属請求項に記載される。
【０００６】
特に、媒体ガイドのガイドリムが、燃料電池スタックのリム差し込み口と実質的に平行に挿入されており、リム差し込み口は、積層方向と平行に延びる。
【０００７】
これは、媒体ガイドのガイドリムが、燃料電池スタック上に所定の止め部を有した燃料電池スタックの側に位置決めされることができることを意味する。これにより、正しい場所に媒体ガイドを取り付ける労力が減少する。さらに、燃料電池スタックに形成されたリム差し込み口のために、媒体ガイドの取付時間が最小化される。
【０００８】
ユニットセルまたは該ユニットセルのバイポーラプレートのそれぞれのための材料とは異なる材料が、媒体ガイドのために選択されることができるので、このような配置は有利である。さらに、媒体ガイドをシールするように形成されなければならないシール通路の数を減少させることができる。これにより、製造の複雑さも減少する。
【０００９】
燃料電池スタックのリム差し込み口は、積層方向と実質的に平行に延びる溝として形成されることが証明された。この溝を製造することは、非常に容易である技術的なステップである。
【００１０】
弾性的な態様で媒体ガイドを形成することがさらに有利であり、このため、ガイドリムがリム差し込み口において付勢を受ける。この付勢により、組立時に自己ロックの態様で燃料電池スタックに媒体ガイドを固定することができ、ここで、燃料電池スタック、特にそのリム差し込み口へのガイドリムの付加的な一体型結合が、堅固な接続を生じさせるように形成されることができる。
【００１１】
媒体によって生成された圧力が、ガイドリムに作用すべき、外側へ方向づけられた力を生じさせるので、復元力が、好ましくは、外側へ方向づけられる。流れる媒体の力と、弾性から生じる復元力の合計のために、燃料電池スタックへの媒体ガイドのより一層堅固な、および従ってより確実な取り付けが達成される。
【００１２】
リム差し込み口内でのガイドリムの付加的な固定は、リム差し込み口が積層方向と平行に延びる受口を有しており、この受口が、ガイドリムの一方および／または他方に形成または配置されたガイド部材を受けることができるように形成される点で達成されることができる。
【００１３】
ガイド部材が嵌め合いの態様で受口内に受けられることが、ガイドリムの付加的な強化にとって有利であることが証明された。
【００１４】
この内容では、ガイド部材がガイドリムとは別の材料によって形成される場合に有用となり得る。例えば、ガイド部材は接着特性を有した材料によって形成されることができ、このため、ガイド部材は、嵌め合い接続に加えて任意選択的に、受口の内側に接着され、付加的な一体型結合を生じさせる。
【００１５】
媒体ガイドまたは燃料電池スタックのそれぞれで案内される媒体によって生じる、媒体ガイドまたは燃料電池スタックにある圧力に起因して、媒体ガイドと燃料電池スタックの接続が、気密なシールの課題に直面している。この要求を満たすために、ガイド部材がシール材料によってさらに形成されることが有用であることが証明された。
【００１６】
媒体ガイドの実施形態では、ガイドリムがガイドウェブを介して間接的に接続される。これはＵ字形状で説明されることを意味し、ここで、「Ｕ」の開いた端部が燃料電池スタックに向き、媒体が外部から燃料電池スタックに供給される。媒体は、積層方向と実質的に平行に流れ続ける。媒体は、積層方向（ｚ方向）に対して横または側方方向（ｘ−ｙ方向）に燃料電池スタックに流入する。
【００１７】
代替的に、ガイドリムは直接接続されることもでき、これにより、媒体ガイドが、むしろ、Ｃ字形状の断面を有し、Ｃの開口部分が、燃料電池スタックに対向する。この場合でも、媒体は、積層方向と実質的に平行な媒体ガイド内を流れ、積層方向に対して横または側方方向へ燃料電池スタックに流入する。
【００１８】
また、製造するのに容易な燃料電池装置が、複数の媒体ガイドが設けられる点で特徴付づけられる。これらは、第１反応媒体を供給する第１媒体ガイドと、少なくとも一部が使い果たされた第１反応媒体を排出する第１媒体排出手段とに分割されることが好ましい。さらに、複数の媒体ガイドは、第２反応媒体を供給する第２媒体ガイドと、少なくとも一部が使い果たされた第２反応媒体を排出する第２媒体排出手段とに分割される。従って、２つの反応媒体は、媒体ガイドにおける燃料電池スタックの側、つまりスタックの外側に沿って案内され、ここで、これらの反応媒体は、積層方向に垂直な上記側から燃料電池スタックのユニットセルへ流入する、または該ユニットセルから出ることができる。
【００１９】
燃料電池スタックに沿ってスタックの外側に冷却媒体を付加的に供給する、および上記側からユニットセルへ、または２つのユニットセルの間で燃料電池スタックへ冷却媒体を案内するように、媒体ガイドを冷却媒体供給手段と冷却媒体排出手段とにさらに分割することが有用であることが証明された。
本発明の他の利点、特徴部および詳細部が、好ましい実施形態の以下の説明および図面から引き出されることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１ａ】燃料電池装置の斜視図である。
【図１ｂ】他の燃料電池装置の斜視図である。
【図２】ユニットセルの（第１）バイポーラプレートの上面図である。
【図３】図２の断面ＩＩＩ−ＩＩＩである。
【図４】適用された複合層を有する、図２の（第１）バイポーラプレートの上面図である。
【図５】図４の断面Ｖ−Ｖ（非圧縮状態）である。
【図６】バイポーラプレートの頂部に配置された燃料電池アッセンブリを有した図４の（第１）バイポーラプレートである。
【図７】図６の断面ＶＩＩ−ＶＩＩ（非圧縮状態）である。
【図８】構成に適用された接続層を有した図６の構成である。
【図９】図８の断面ＩＸ−ＩＸ（非圧縮状態）である。
【図１０】（第２）バイポーラプレートを有した燃料電池スタックのユニットセルの上面図である。
【図１１】（第２）バイポーラプレートの下面図、つまり第２バイポーラプレートの膜電極アッセンブリと対向する面の図である。
【図１２】図１０に従う複数のユニットセルから形成された燃料電池スタックの斜視図である。
【図１３】互いの頂部に積層された複数のユニットセルを通した図１０の断面図ＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ（圧縮状態）である。
【図１４】互いの頂部に積層された複数のユニットセルを通した図１０の断面図ＸＩＶ−ＸＩＶ（圧縮状態）である。
【図１５】燃料電池スタックに取り付けられた媒体ガイドを有した図１ａの燃料電池スタックを通した、積層方向に対して垂直に延びる断面図である。
【図１６】図１ｂの燃料電池装置を通した、積層方向に垂直に延びる断面図である。
【図１７】図１ｂに従う燃料電池装置の斜視図である。
【図１８】リム差し込み口およびガイドリムの端部の詳細図である。
【図１９】リム差し込み口に挿入されたガイドリムを有したリム差し込み口の他の詳細図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図の寸法、相対的な比率および縮尺が規定されておらず、変化し得ることが指摘されるべきである。特に、断面図は、個々の層が互いに積層される位置および順序を追跡できるように個々の層を示している。
【００２２】
図１ａおよび図１ｂは、燃料電池スタック１２を有した燃料電池装置１をそれぞれ示している。燃料電池スタック１２は、複数のユニットセル１１から形成されており、該ユニットセル１１は、積層方向（ｚ方向）に互いの頂部上に積層されている。ユニットセル１１は、１つまたは複数の媒体ダクト８（図２）および膜電極アッセンブリ２（図６）をそれぞれ有している。ユニットセル１１の膜電極アッセンブリ２の各々は、カソードと、アノードと、カソードとアノードとの間に配置されたイオン伝導性膜と、を備えている。
【００２３】
燃料電池装置１は、積層方向と実質的に平行に延びる媒体ガイド２２をさらに備えており、このガイドは、燃料電池スタック１２のユニットセル１１の媒体ダクト８へまたは媒体ダクト８から、積層方向から実質的に横方向へ媒体を案内するように燃料電池スタック１２に接続されている。この目的のために、本発明の燃料電池装置１は、複数の媒体ガイド２２を有し、該媒体ガイド２２は、第１反応媒体（例えば、水素）をアノードに供給する第１媒体供給手段２２ａと、ユニットセル１１で使い果たされていない第１反応媒体を排出する第１媒体排出手段２２ｂとに分割される。さらに、媒体ガイド２２は、第２反応媒体（例えば、酸素または空気）をカソードに供給する第２媒体供給手段２２ｃと、ユニットセル１１で使い果たされていない第２反応媒体を排出する第２媒体排出手段２２ｄとに分割される。最後に、媒体ガイドは、冷却媒体（例えば、液体水）を供給する冷却媒体供給手段２２ｅと、（部分的に）加熱された冷却媒体を排出する冷却媒体排出手段２２ｆとにさらに分割される。
【００２４】
例として、図示した燃料電池スタック１２のセルユニット１１の製造および構造が、図２〜図１１を参照して以下に説明される。
【００２５】
図２は、ユニットセル１１の１つのバイポーラプレート７を示している。第１バイポーラプレート７ａは、破線で示された内側の活性領域３と、破線で示された外側の縁領域５と、を有している。複数の媒体ダクト８が縁領域５に形成されており、このダクトは、図の左側に示された第１媒体入口ダクト８ａと、図の右側に示された第１媒体出口ダクト８ｂとに分割されることができる。この場合において、一対のリム差し込み口２６が媒体ダクト８の周囲に形成されており、これは以下に説明される。他のリム差し込み口２６は、バイポーラプレート７の長い縁１７ａに形成されている。
【００２６】
本発明の場合には、５つの第１媒体入口ダクト８ａおよび５つの第１媒体出口ダクト８ｂが第１バイポーラプレート７ａに形成されている。他の数が可能である。第１媒体入口ダクト８ａは、第１流れ場１３ａによって第１媒体出口ダクト８ｂに流体接続されている。この流れ場１３ａは、活性領域３に配置されており、隣接した膜電極アッセンブリ２に反応媒体を供給することができる。図２に従う例では、流れ場１３ａは、膜電極アッセンブリ２の面にわたって反応媒体を均一に分配する複数のガイドまたは壁１４を有している。しかし、他の流れ場１３ａ、例えば、反応媒体の流れが活性面の領域にわたって蛇行の態様で伝達されるような流れ場を用いることも可能である。さらに、壁１４、仕切りまたはウェブの間隔が変化し得る。隣接した壁１４によって形成されたダクトの深さが異なるものとなり、変化し得る。
【００２７】
図３、即ち図２の断面ＩＩＩ−ＩＩＩから明らかなように、流れ場１３ｃがまた、膜電極アッセンブリ２から見て外方を向く第１バイポーラプレート７ａの側に形成され、この流れ場は、他の媒体、例えば冷却媒体を流すように用いられる。
【００２８】
図４が示すように、複合層１５、特に結合層が、縁領域５ａにおいて第１バイポーラプレート７ａに適用されている。この複合層１５は、複数の部分で形成されており、媒体ダクト８ａ，８ｂの領域にリセス部１６を有している。リセス部１６により、媒体入口ダクト８ａおよび媒体出口ダクト８ｂがシールされず、後に媒体がダクト８ａ，８ｂを通して通過することが確実となる。
【００２９】
縁領域５に適用される複合層１５は、縁領域５の同一平面の移行がバイポーラプレート７の寸法によって決定されるように、第１バイポーラプレート７ａの長い縁１７ａに沿って延びる。また、リム差し込み口２６の領域は、複合層１５において解放されたままである。この複合層１５は、環境から活性区域または活性領域３をシールし、複合層１５の材料は、このシール機能が確実となるように選択されなければならない。図５、つまり図４の断面Ｖ−Ｖでは、複合層１５または結合材料およびバイポーラプレート７の同一平面の移行は、プレートの長い縁１７ａに沿って見られることができる。短い縁１７ｂに配置された複合層１５の断面も、好ましくは、バイポーラプレート７と同一平面の移行を有している。複合層１５の選択された図は例示的なものである。複合層１５は、第１バイポーラプレート７ａよりも非常に薄く設計されることができる。
【００３０】
図６では、膜電極アッセンブリ２を有した燃料電池アッセンブリが、複合層１５に覆われた、図４に従う第１バイポーラプレート７ａに適用され、または該第１バイポーラプレート７ａに配置された。活性領域３は、膜電極アッセンブリ２の寸法によって実質的に規定されており、この領域は、内側の破線によって図に再び示されている。活性領域３は、１つの平面（ｘ−ｙ平面）に延びるだけでなく、紙面から離れてまたは紙面へと方向付けられた積層方向（ｚ方向）にも延びる。
【００３１】
活性領域３は、膜電極アッセンブリ２によって形成された燃料電池の電気化学反応が生じる領域である。電気化学反応では、燃料（例えば、水素）がアノードへ案内され、該アノードでは、燃料が、電子を放出しながら、プロトンへと触媒作用でもって酸化される。このプロトンは、イオン交換膜によってカソードへ輸送される。燃料電池から排出された電子は、電気消費部によって、好ましくは車両を駆動する電気モータまたはバッテリへ流れる。そして、電子は、カソードへ案内される。カソードでは、酸化媒体（例えば、酸素または酸素含有空気）が、電子を受け取ることにより、アニオンに還元され、このアニオンは、プロトンと迅速に反応し、水になる。
【００３２】
燃料がアノードに直接到達し、酸化剤媒体がカソードに直接到達することを確実にするために、シール構造４が、膜電極アッセンブリ２（図６および図８）と横方向に関連している。膜電極アッセンブリ２とシール構造４との組み合わせは、結合燃料電池アッセンブリを形成する。シール構造４は、縁領域５へ延びる、または縁領域５から突出することさえある構成要素を備えている。従って、この構成要素は、活性領域３の外側に配置される。換言すれば、縁領域５は、径方向および横方向において、またはその周囲に沿って活性領域３を画定する。
【００３３】
図６および図８では、シール構造４がシール舌部６を有しており、該シール舌部６は、隣接するバイポーラプレート７に形成され、縁領域５に配置された媒体ダクト８を軸方向に気密に覆うように、縁領域５へまたは縁領域５を超えて延びる。図示された燃料電池構成は、全部で４つのシール舌部６を有している。２つのシール舌部６は、膜電極アッセンブリ２の短い縁９ａに反対の位置でもって配置されている。他の２つのシール舌部６は、膜電極アッセンブリ２の長い縁９ｂに互いにオフセットするように、反対の位置でもって配置されている。本発明の場合のシール舌部６の全ては長方形の形状を有している。多角形の形状のシール舌部が考えられるが、丸いシール舌部６も１つの選択肢である。
【００３４】
シール構造４および特にシール舌部６は、これらに軸方向に作用する圧力および／または引張荷重に対して寸法的に安定するように形成されている。シール舌部６が縁領域５を超えて延びることがさらに明らかである。しかし、１つまたはいくつかのシール舌部６が縁領域５へ延びるのみであるが縁領域５を完全に覆わない、または縁領域５から横方向に突出することも可能である。
【００３５】
膜電極アッセンブリ２を横方向へシールするシールリム１０をシール構造４が有することが明らかである。シールリム１０によって形成されたシールラインが、媒体の横方向出口に対して膜電極アッセンブリ２をシールする。
【００３６】
燃料電池アッセンブリの左側のシール舌部６は、第１バイポーラプレート７ａの左側の媒体ダクト８を軸方向に気密に覆う。燃料電池アッセンブリの右側のシール舌部６は、第１バイポーラプレート７ａの右側の媒体ダクト８を軸方向に気密に覆う。換言すれば、左側のシール舌部６は、左側の第１媒体入口ダクト８ａを軸方向に気密に覆う第１入口シール舌部６ａとして形成されている。従って、右側のシール舌部６は、右側の第１媒体出口ダクト８ｂを軸方向に気密に覆う第１出口シール舌部６ｂとして形成されている。バイポーラプレート７ａの長い縁１７ａに設けられたシール舌部６は、複合層１５に載っている。シール舌部６は、第２入口シール舌部６ｃと第２出口シール舌部６ｄとに分割されることができる。
【００３７】
樹脂または樹脂混合物が、複合層１５の材料として用いられることができ、この混合物は、シール構造４またはシール舌部６のそれぞれの樹脂または樹脂混合物に対してより低い熱安定性を有することが好ましい。このようにして、シール舌部６は、（ホット）プレスプロセスで複合層１５に染み込み、好ましくは複合層１５と融合し、ここで、シール舌部６は、寸法的に安定したままである。換言すれば、シール構造４の材料の融点は、複合層１５の材料の融点よりも大きい。
【００３８】
中央領域、つまり活性領域３が配置される箇所では、燃料電池アッセンブリのシール構造４の外側の輪郭が、複合層１５によって規定される内側の輪郭に調整される。シール舌部の無いシール構造４の部分は、複合層１５との接触点、接触ライン１８または接触面を形成し、これにより、シール機能がさらに確実となる。
【００３９】
図７、つまり図６の断面ＶＩＩ−ＶＩＩは、部分的なユニットセル１１の非圧縮の断面図を示している。第１シール舌部６ａ，６ｂが、複合層１５と、該複合層１５を有した突出部１９とから突出していることが明らかである。必要な横方向のシールが確実となる。再度、選択された図は、縮尺について事実と異なる。各層の厚さは、特に接続プロセスまたは結合プロセス（ホットプレスプロセス）の後に変化し得るものであり、このプロセスの後には、厚さは、単一の層として生じる、または作用することができる。そして、入口シール舌部６ａとダクト８との間に配置されたリセス部１６の領域は、入口シール舌部６ａがダクト８を軸方向に覆うように最小化される。媒体は、膜電極アッセンブリへと、第１入口シール舌部８ａよりも下方で横方向および積層方向へ供給されることができる。そして、（一部が）使い果たされた媒体は、燃料電池スタック１２のユニットセル１１から、第１出口シール舌部８ｂよりも下方で横方向および積層方向へ出ることができる。
【００４０】
図８では、接続層２０が、第１入口シール舌部６ａおよび第１出口シール舌部６ｂに適用されており、この層は、他の結合層とみなされるべきである。複合層１５および接続層２０は、第１バイポーラプレート７ａから第２バイポーラプレート７ｂへの積層方向において確実な接続をもたらす。複合層１５は、接続層２０とのオーバーラップ部２１を形成し、このため、２つの層は、積層方向において接触面を有する。これにより、シール機能が確実となる。オーバーラップ部２１は、図９、つまり図８の断面ＩＸ−ＩＸから詳細に引き出されることができる。再び、縮尺が事実と異なる非圧縮状態が示されているが、該非圧縮状態は、個々の層の積層された配置を図示するように意図されるものである。
【００４１】
ここで、第２バイポーラプレート７ｂが、ユニットセル１１を完成させるように、複合層１５と、該複合層１５に接続された接続層２０上に設置されることができる。これは、図１０で見ることができる。第１バイポーラプレート７ａおよび第２バイポーラプレート７ｂは、結合層によって互いに結合されることができ、これにより、第１バイポーラプレート７ａおよび第２バイポーラプレート７ｂから構成されたユニットセルが生成され、該ユニットセルは、小さな突出部をせいぜい有している。好ましくは、ユニットセル１１の個々の層は、縁およびオフセットなしで積層方向に接続される。
【００４２】
第１バイポーラプレート７ａのように、図１０および図１１に示された第２バイポーラプレート７ｂは、膜電極アッセンブリ２から見て外方を向くバイポーラプレートの側に、冷却媒体を案内する流れ場１３ｃを有している。この流れ場１３ｃは、活性領域３に実質的に配置されている。流れ場１３ｃは、冷却媒体入口ダクト８ｅおよび冷却媒体出口ダクト８ｆに流体接続されている。さらに、第２バイポーラプレート７ｂは、リム差し込み口２６を形成するリセス領域を有している。
【００４３】
膜電極アッセンブリ２と対向する第２バイポーラプレートの側では、第２バイポーラプレート７ｂは、１つまたはいくつかの第２媒体入口ダクト８ｃおよび１つまたはいくつかの第２媒体出口ダクト８ｄ（図１１）を有している。さらに、第２バイポーラプレート７ｂは、第２媒体入口ダクト８ｃおよび第２媒体出口ダクト８ｄに流体接続された第２流れ場１３ｂを有しており、この流れ場を介して、反応媒体の１つが膜電極アッセンブリ２に供給されることができる。
【００４４】
図１２は、複数のユニットセル１１から形成された燃料電池スタック１２を示している。この燃料電池スタック１２は、バイポーラプレート７が周知のバイポーラプレートに比べて小さい寸法でもって設計されることができ、このため、燃料電池スタック１２の製造コストが削減されるという利点を有している。本発明の場合には、バイポーラプレート７は、原則的に長方形であり、ここで、本発明は、バイポーラプレート７の長方形の形状に限定されるのもではないが、限定無しで、丸い輪郭または湾曲した輪郭に適用されることができる。この内容において、燃料電池スタック１２が積層方向と平行に形成された複数のリム差し込み口２６を有しており、該リム差し込み口２６において、媒体ガイド２２が固定されることができることが重要である。
【００４５】
図１３は、図１０の燃料電池スタック１２を通した断面ラインＸＩＩＩ−ＸＩＩＩに沿った例示的な断面図を示している。複合層１５が結合またはホットプレスプロセスの後に第１バイポーラプレート７ａおよび第２バイポーラプレート７ｂの双方に接する、または接触することを理解することができ、ここで、バイポーラプレート７は、複合層１５によって互いに接続または結合される。また、第２媒体入口ダクト８ｃが、入口シール舌部６ｃによって軸方向に気密な態様で覆われており、入口シール舌部６ｃが縁領域５へまたは縁領域５を超えて延びることが明らかである。同様のことが、第２バイポーラプレート７ｂの反対側で見られ、ここで、縁領域５へまたは縁領域５を超えて延びる出口シール舌部６ｄが、第２媒体出口ダクト８ｃを軸方向に気密に覆うように設けられている。また、図１３は、第２反応媒体が膜電極アッセンブリ２へと、シール構造４の上方で横方向および積層方向へ案内されることを示している。従って、（一部が）使い果たされた第２反応媒体が、シール構造４よりも上方で積層方向へ、ユニットセル１１または燃料電池スタック１２から排出される。
【００４６】
第１ユニットセル１１の第２バイポーラプレート７ｂは、他のユニットセル１１の第１バイポーラプレート７ａと共に、冷却媒体を通過させる完全なダクト断面を形成する。換言すれば、これらは、冷却媒体入口ダクト８ｅおよび冷却媒体出口ダクト８ｆも形成する。また、第１ユニットセル１１の第２バイポーラプレート７ｂおよび他のユニットセル１１の第１バイポーラプレート７ａは、結合剤または結合媒体を用いて結合されることができる。代替的に、隣接したバイポーラプレート７の生成的に製造された単一片設計が考えられる。
【００４７】
図１４は、図１０の燃料電池スタック１２を通した断面線ＸＩＶ−ＸＩＶに沿った例示的な断面図を示している。第２バイポーラプレート７ａが接続層２０および複合層１５上に積層方向に設置されていることを理解することができる。また、膜電極アッセンブリ２へと、シール構造４よりも下方で横方向および積層方向へ第１反応媒体が案内されることが明らかである。第１媒体入口ダクト８ａが、第１入口シール舌部６ａによって軸方向に気密な態様で覆われている。第１反応媒体の供給は、積層方向に対して側方または横方向から生じる。従って、（一部が）使い果たされた第１反応媒体は、シール構造４よりも下方の積層方向におけるユニットセル１１または燃料電池スタック１２から横方向にまたは横向きに排出される。
【００４８】
図１５は、図１ｂに従う燃料電池装置１を通した断面図を示しており、この断面図は、図１０に従うユニットセル１１についての上面図に概ね対応している。ここで、媒体ガイド２２がそのガイドリム２４ａ，２４ｂを用いてリム差し込み口２６に挿入されることを理解することができる。
【００４９】
図１５に示される媒体ガイド２２は、２つの終端ガイドリム２４ａ，２４ｂを互いに接続するガイドウェブ２３を備えている。ガイドリム２４ａ，２４ｂの各々は、積層方向と平行に延びる燃料電池スタック１２のリム差し込み口２６の１つに収容される。媒体ガイド２２の開いた側が燃料電池１２に対向しており、これにより、媒体ガイド２２を通して流れる媒体がユニットセル１２へと横方向へ流入することができる。媒体ガイド２２は、実質的に長方形の断面を有するが、他の形状が可能である。媒体ガイド２２は、樹脂材料、特に寸法的に安定した樹脂によって形成されることが好ましい。
【００５０】
図１６は、図１ｂの燃料電池スタック１２を通した断面における媒体ガイド２２の他の形状を示している。媒体ガイド２２は半円または「Ｃ」形状をなしており、このため、ガイドリム２４ａ，２４ｂは、ガイドウェブ２３無しで、互いに直接接続される。
【００５１】
図１７の上面図から、媒体ガイド２２が弾性的な設計を有していることを理解することができる。従って、ガイドリム２４ａ，２４ｂは、燃料電池スタック１２のリム差し込み口２６における付勢、特に外側へ方向づけられた付勢を受けて保持される。これは、作用している（力の矢印２９によって示された）復元力があり、この復元力に起因して、媒体ガイド２２がリム差し込み口２６の内側に固定されることを意味する。さらに、ガイドリム２４ａ，２４ｂは、媒体ガイド２２に流れる媒体の圧力によって固定される。この媒体は、同様に外側へ方向づけられており、復元力と合計され、これにより、媒体ガイド２２と燃料電池スタック１２との間に非常に堅固な接続が生じる。
【００５２】
代替的にまたは付加的に、リム差し込み口２６は、図１８に示した細部に図示されるように形成されることができる。リム差し込み口２６は、受口２７を有しており、該受口２７では、ガイドリム２４ａ，２４ｂに形成または配置されたガイド部材（２８）が受けられることができる。傾斜した挿入面３０が、受口２７と反対側のリム差し込み口２６内に形成されており、この面は、リム差し込み口２６へのガイドリム２４ａ，２４ｂの挿入を容易にする。挿入面３０は、バイポーラプレート７の長い縁１７ａおよび短い縁１７ｂに対して傾斜している。挿入面３０は、プレートの縁と平行に向けられた（横方向）接触面３１へと移行し、この面は、リム差し込み口（２６）へのガイドリム２４ａ，２４ｂの挿入深さを規定および／または制限する。接触面３１から開始し、リム差し込み口２６は、受口２７を形成することが好ましい溝形状の接触面３２へと移行する。
【００５３】
図１７に従う例におけるガイド部材２８は、ガイドリム２４ａ，２４ｂを有した一片で形成されているが、図１９に従う例におけるガイド部材２８は、ガイドリム２４ａ，２４ｂとは異なる材料によって形成されている。この他の材料は、燃料電池スタック１２の漏れに対する気密性を付加的に保証するために、例えば付加的なシール材料とすることができる。
【００５４】
燃料電池装置１の本発明の設計により、燃料電池スタック１２に媒体ガイド２２を正確に位置決めすることができる。非能動的で、嵌め合いの、および／または統合の結合を用いて燃料電池スタック１２のリム差し込み口２６の内側にガイドリム２４ａ，２４ｂを固定することにより、燃料電池スタック１２から離れるように方向づけられた大きな力に対抗し、この大きな力は、媒体ガイド２２を流れる媒体の圧力によって作用される。媒体ガイド２２は、その優れた自己ロック機能によって特徴づけられる。
【００５５】
本発明の設計の結果、外側へ方向づけられた力は、燃料電池スタック１２に媒体ガイド２２を付加的に固定する。これは、燃料電池スタック１２のリム差し込み口２６内のガイドリム２４ａ，２４ｂの間の接続が、媒体ガイド２２の内側の媒体によって生成される圧力でより堅固で大きいものとなる。
【符号の説明】
【００５６】
１  燃料電池装置
２  膜電極アッセンブリ
３  活性領域
４  シール構造
５  縁領域
６  シール舌部
６ａ  第１入口シール舌部
６ｂ  第１出口シール舌部
６ｃ  第２入口シール舌部
６ｄ  第２出口シール舌部
７  バイポーラプレート
７ａ  第１バイポーラプレート
７ｂ  第２バイポーラプレート
８  媒体ダクト
８ａ  第１媒体入口ダクト
８ｂ  第１媒体出口ダクト
８ｃ  第１媒体出口ダクト
８ｄ  第２媒体出口ダクト
８ｅ  冷却媒体入口ダクト
８ｆ  冷却媒体出口ダクト
９ａ  膜電極アッセンブリの短い縁
９ｂ  膜電極アッセンブリの長い縁
１０  シールリング
１１  ユニットセル
１２  燃料電池スタック
１３ａ  第１流れ場
１３ｂ  第２流れ場
１３ｃ  流れ場（冷却媒体）
１４  壁
１５  複合層
１６  リセス部
１７ａ  バイポーラプレートの長い縁
１７ｂ  バイポーラプレートの短い縁
１８  接触ライン
１９  突出部
２０  接続層
２１  オーバーラップ部
２２  媒体ガイド
２２ａ  第１媒体供給手段
２２ｂ  第１媒体排出手段
２２ｃ  第２媒体供給手段
２２ｄ  第２媒体排出手段
２２ｅ  冷却媒体供給手段
２２ｆ  冷却媒体排出手段
２３  ガイドウェブ
２４ａ  ガイドリム（左）
２４ｂ  ガイドリム（右）
２６  リム差し込み口
２７  受口
２８  ガイド部材
２９  力の矢印
３０  挿入面
３１  （横方向）接触面
３２  （溝形状の）接触面
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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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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【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１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【手続補正書】
【提出日】令和3年2月2日(2021.2.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いの頂部上に積層方向に積層された複数のユニットセル（１１）によって形成された燃料電池スタック（１２）と、前記積層方向と実質的に平行に延びる媒体ガイド（２２）とを有してなる燃料電池装置（１）において、前記ユニットセルの各々が、１つまたはいくつかの媒体ダクト（８）と、カソード、アノードおよび前記カソードと前記アノードとの間に配置された膜を備えた膜電極アッセンブリ（２）と、を有し、前記媒体ガイドは、前記燃料電池スタック（１２）の前記ユニットセル（１１）の前記媒体ダクト（８）へまたは該媒体ダクト（８）から前記積層方向に対して実質的に横方向へ媒体を案内するように前記燃料電池スタック（１２）に接続されることができ、または接続され、前記媒体ガイドは、前記燃料電池スタック（１２）に接続されることができ、または接続される、少なくとも間接的に接続されたガイドリム（２４ａ，２４ｂ）を有する、燃料電池装置（１）であって、
前記媒体ガイド（２２）の前記ガイドリム（２４ａ，２４ｂ）は、前記積層方向と実質的に平行に延びる前記燃料電池スタック（１２）のリム差し込み口（２６）へ挿入され、
前記媒体ガイド（２２）は、前記ガイドリム（２４ａ，２４ｂ）が前記リム差し込み口（２６）において付勢を受けて保持されるように弾性的に設計されることを特徴とする燃料電池装置（１）。
【請求項２】
前記燃料電池スタック（１２）の前記リム差し込み口（２６）は、前記積層方向と実質的に平行に延びる溝として形成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置（１）。
【請求項３】
前記リム差し込み口（２６）は、受口（２７）を有しており、該受口（２７）は、該受口（２７）が、前記ガイドリム（２４ａ，２４ｂ）の一方および／または他方に形成または配置されたガイド部材（２８）を受けることができるように設計されることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池装置（１）。
【請求項４】
前記ガイド部材（２８）は、前記受口（２７）に嵌め合いで受けられることができることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池装置（１）。
【請求項５】
前記ガイド部材（２８）は、前記ガイドリム（２４ａ，２４ｂ）とは異なる材料によって形成されることを特徴とする請求項３または４に記載の燃料電池装置（１）。
【請求項６】
前記ガイド部材（２８）は、シール材料によって形成されることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池装置（１）。
【請求項７】
前記ガイドリム（２４ａ，２４ｂ）は、ガイドウェブ（２３）によって互いに間接的に接続されることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池装置（１）。
【請求項８】
前記ガイドリム（２４ａ，２４ｂ）は、互いに直接接続されることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池装置（１）。
【請求項９】
複数の媒体ガイド（２２）が設けられ、これらの媒体ガイド（２２）は、第１反応媒体を供給する第１媒体供給手段（２２ａ）として、および少なくとも一部が使い果たされた第１反応媒体を排出する第１媒体排出手段（２２ｂ）として形成され、並びに第２反応媒体を供給する第２媒体供給手段（２２ｃ）として、および少なくとも一部が使い果たされた第２反応媒体を排出する第２媒体排出手段（２２ｄ）として形成されることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の燃料電池装置（１）。
【国際調査報告】
2021526718.tif 000023
2021526718.tif 000024
2021526718.tif 000025
2021526718.tif 000026