(57)【要約】  本発明は、カソード、アノード、およびカソードとアノードの間に配置された膜を備えた膜電極アセンブリ（２）を有し、膜電極アセンブリ（２）によって実質的に予め画定された活性領域（３）を有し、膜電極アセンブリ（２）と横方向に関連するシール構造（４）を有する燃料電池アセンブリ（１）に関する。シール構造（４）は、隣接するバイポーラプレート（７）に形成されるとともに隣接する周辺領域（５）に位置決めされた媒体ダクト（８）を軸方向に気密に覆うために、活性領域（３）の外側の周辺領域（５）内に延在するまたはそれを超えて延在するシール舌部（６）を備える。さらに、本発明は、そのような燃料電池アセンブリを有する燃料電池スタック用のユニットセルに関する。
2021503161.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソード、アノード、およびカソードとアノードの間に配置された膜を備えた膜電極アセンブリ（２）と、
膜電極アセンブリ（２）によって実質的に予め画定された活性領域（３）と、
膜電極アセンブリ（２）と横方向に関連するシール構造（４）と、
を有する燃料電池アセンブリ（１）であって、
隣接するバイポーラプレート（７）に形成されるとともに隣接する周辺領域（５）に位置決めされた媒体ダクト（８）を軸方向に気密に覆うために、前記シール構造（４）が、活性領域（３）の外側の周辺領域（５）内に延在するまたはそれを超えて延在するシール舌部（６）を備えることを特徴とする、燃料電池アセンブリ（１）。
【請求項２】
前記シール構造（４）が、その上に軸方向に作用する圧力および／または引張ひずみに対して寸法的に安定して形成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池アセンブリ（１）。
【請求項３】
前記シール舌部（４）が、前記周辺領域（５）を超えて延在することを特徴とする、請求項１または２に記載の燃料電池アセンブリ（１）。
【請求項４】
前記シール構造（４）が、前記膜電極アセンブリ（２）を横方向にシールするシール周辺部（１０）を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池アセンブリ（１）。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池アセンブリ（１）と、第１のバイポーラプレート（７ａ）と、を有する燃料電池スタック（１２）用のユニットセル（１１）であって、前記第１のバイポーラプレート（７ａ）が、膜電極アセンブリ（２）に隣接して配置されるとともに、周辺領域（５）に媒体ダクト（８）を備え、前記媒体ダクト（８）は、シール舌部（６）によって軸方向に気密に覆われ、その媒体ダクトを通して媒体が活性領域（３）の内外へと輸送可能である、ユニットセル（１１）。
【請求項６】
前記第１のバイポーラプレート（７ａ）が、周辺領域（５）に第１の媒体入口ダクト（８ａ）および第１の媒体出口ダクト（８ｂ）を備え、
前記第１のバイポーラプレート（７ａ）が、活性領域（３）において、第１の媒体入口ダクト（８ａ）および第１の媒体出口ダクト（８ｂ）に流体接続された第１の流れ場（１３ａ）を備え、
前記シール構造（４）が、前記第１の媒体入口ダクト（８ａ）を軸方向に気密に覆うために周辺領域（５）内にまたはそれを超えて延びる第１の入口シール舌部（６ａ）と、前記第１の媒体出口ダクト（８ｂ）を軸方向に気密に覆うために周辺領域（５）内にまたはそれを超えて延びる第１の出口シール舌部（６ｂ）と、を備えることを特徴とする請求項５に記載のユニットセル（１１）。
【請求項７】
第２の媒体入口ダクト（８ｃ）および第２の媒体出口ダクト（８ｄ）を備えた第２のバイポーラプレート（７ｂ）が設けられ、
前記第２のバイポーラプレート（７ｂ）が、第２の媒体入口ダクト（８ｃ）および第２の媒体出口ダクト（８ｄ）に流体接続された第２の流れ場（１３ｂ）を備え、
前記シール構造（４）が、前記第２の媒体入口ダクト（８ｃ）を軸方向に気密に覆うために周辺領域（５）内にまたはそれを超えて延びる第２の入口シール舌部（６ｃ）と、前記第２の媒体出口ダクト（８ｄ）を軸方向に気密に覆うために周辺領域（５）内にまたはそれを超えて延びる第２の出口シール舌部（６ｄ）と、を備えることを特徴とする請求項６に記載のユニットセル（１１）。
【請求項８】
凹部（１６）を備えた接合層（１５）が、第１のバイポーラプレート（７ａ）と第２のバイポーラプレート（７ｂ）との間に設けられるとともに、活性領域を気密に横方向に密封するように設計されることを特徴とする請求項７に記載のユニットセル（１１）。
【請求項９】
前記接合層（１５）が複数の部分で形成され、前記第１の入口シール舌部（６ａ）および前記第１の出口シール舌部（６ｂ）が、前記接合層（１５）の凹部（１６）を超えて突出して突出部（１９）を形成することを特徴とする請求項８に記載のユニットセル（１１）。
【請求項１０】
前記接合層（１５）とオーバーラップ（２１）を形成する接続層（２１）が、前記第１の入口シール舌部（６ａ）および前記第１の出口シール舌部（６ｂ）に適用されることを特徴とする請求項９に記載のユニットセル（１１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池アセンブリおよびそのような燃料電池アセンブリを有する燃料電池スタック用のユニットセルに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池アセンブリは、特に、カソード、アノード、およびカソードとアノードの間に配置された膜を含む膜電極アセンブリを含む。燃料電池の電気化学反応が生じる活性領域は、膜電極アセンブリおよび／またはその寸法によって実質的に事前に決定される。膜電極アセンブリは、ここではシール構造と横方向に関連付けられており、特に、反応媒体が電気化学反応に必要な場所でのみ流れることができるようにする。
【０００３】
請求項１のプリアンブルに記載の燃料電池アセンブリは、特許文献１に開示されている。この場合、膜電極アセンブリのカソードおよびアノードの周囲にシールが取り付けまたは含浸される。媒体をアノードまたはカソードに供給するために、垂直に、すなわち積層方向に延びる供給が膜電極アセンブリに組み込まれ、膜電極アセンブリは、カソードまたはアノードに対して横方向に形成された開口部を有する。この設計は、膜電極アセンブリを通って垂直に延びる通路により、膜電極アセンブリによって事前に決定された活性領域が減少するため、不利である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】独国特許出願公開第１９７０３２１４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、本発明の目的は、活性領域が維持または最大化される燃料電池アセンブリを提供することである。さらに、本発明の目的は、特にコスト効率よく製造できる燃料電池スタック用の対応するユニットセルを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
燃料電池アセンブリに関する目的は、請求項１の特徴のセットを有する燃料電池アセンブリによって達成される。特に、この場合、シール構造は、周辺領域内または周辺領域を超えて延びるシール舌部（seal tongue）を備える。周辺領域は、活性領域の外側に配置される。特に、したがって、活性領域は、非活性な周辺領域によって周方向に区切られている。周辺領域内または周辺領域を超えて延びるシール舌部は、隣接するバイポーラプレートに形成され、周辺領域に位置する媒体ダクトを軸方向に気密に覆うように設計されている。周辺領域とシール舌部を最小寸法に縮小することができるため、横方向、したがって積層方向に垂直に向けられた、反応媒体または冷却媒体などの媒体の供給が可能になる。
【０００７】
シール構造、特にそのシール舌部が、その上に軸方向に作用する圧力および／または引張ひずみに対して寸法的に安定して形成される場合、有利であることが証明されている。したがって、燃料電池アセンブリを寸法的に安定した平面状にバイポーラプレート上に配置できることが保証される。対照的に、シール舌部のみが寸法安定性として具現化される場合、隣接するバイポーラプレートに形成された１つまたは複数の媒体ダクトの平面カバーは、したがって周辺領域で達成され得る。シール構造は、プラスチックまたはプラスチック混合物から形成されることが好ましい。ホットプレス手順中であってもその寸法安定性を維持するために、このプラスチックまたはこのプラスチック混合物が高レベルの熱（寸法）安定性を備えていれば有利である。
【０００８】
シール舌部のシール機能を確保するために、シール舌部が周辺領域を超えて広がることは合理的である。
【０００９】
膜電極アセンブリのアノードに対してカソードをさらに密封するために、シール構造が膜電極アセンブリを横方向に密封するシール周辺部を含めば有利である。
【００１０】
燃料電池スタック用のユニットセルに関する目的は、請求項５の特徴のセットを有するユニットセルによって達成される。
【００１１】
特に、それは、燃料電池アセンブリと、膜電極アセンブリに隣接して配置された第１のバイポーラプレートと、を備える。第１のバイポーラプレートも周辺領域と活性領域に分割され、周辺領域上の燃料電池アセンブリのシール舌部によって軸方向に気密に覆われた媒体ダクトを含む。この媒体ダクトは、活性領域に媒体を出し入れするように設計されている。
【００１２】
ここでは、バイポーラプレートを面積に関して最小化できるという利点も示される。この場合、活性領域または活性領域は維持され、活性領域の外側の周辺領域は最小限の領域に縮小することができる。関連する媒体の供給は、別のデバイスを介して行われるため、バイポーラプレートは、積層方向に形成される媒体の供給がないように設計される。この場合、活性領域への媒体の供給は横方向に行われ、したがって燃料電池スタックの積層方向に垂直に行われる。
【００１３】
活性領域をさらに拡大できるようにするために、第１のバイポーラプレートが周辺領域に第１の媒体入口ダクトおよび第１の媒体出口ダクトを含む場合が合理的である。第１の媒体入口ダクトおよび第１の媒体出口ダクトに流体接続された第１の流れ場が、活性領域のバイポーラプレートに形成される。さらに、シール構造は、周辺領域内または周辺領域を超えて延び、第１の媒体入口ダクトの軸方向の気密カバーのための第１の入口シール舌部として形成されるシール舌部を備える。さらに、周辺領域内または周辺領域を超えて延び、第１の出口シール舌部として形成されるシール舌部が、第１の媒体出口ダクトの軸方向の気密カバーのために設けられる。
【００１４】
１つまたは複数の第１の媒体入口ダクトおよび１つまたは複数の媒体出口ダクトは、バイポーラプレートの同じまたは異なる縁部に形成することができる。好ましい一実施形態では、少なくとも１つの第１媒体入口ダクトは、バイポーラプレートの第１の縁部に形成され、少なくとも１つの第１媒体出口ダクトは、第１の縁部とは反対側のバイポーラプレートの縁部に配置される。媒体入口ダクトと媒体出口ダクトの対向配置の場合、媒体入口ダクトは、もう一方の対向縁の第１の媒体出口ダクトに対して横方向にオフセットされた一方の縁部に配置されることも合理的である。
【００１５】
燃料電池スタックの１つの有利な設計は、第２の媒体入口ダクトおよび第２の媒体出口ダクトを備えた第２のバイポーラプレートを提供する。第２のバイポーラプレートはまた、第２の媒体入口ダクトおよび第２の媒体出口ダクトに流体接続される第２の流れ場を含む。さらに、シール構造は、第２の媒体入口ダクトの軸方向の気密カバーのために周辺領域内にまたはそれを超えて延びる第２の入口シール舌部と、第２の媒体出口ダクトの軸方向の気密カバーのために周辺領域にまたはそれを超えて延びる第２の出口シール舌部と、を備える。媒体ダクトは、第２のバイポーラプレートの同じまたは異なる縁部に配置することもできる。
【００１６】
この利点は、２つの異なる媒体が周辺領域を介して活性領域に到達できるというこの設計に関連する。これらは、燃料電池システムの２つの反応媒体であることが好ましい。ただし、冷却媒体を使用することも可能である。さらに、活性領域は最大化され、対応するシール舌部の設計により、この設計を使用して周辺領域が最小化される。
【００１７】
第１のバイポーラプレートと第２のバイポーラプレートとを操作上信頼性が高く気密な方法で互いに接続できるようにするために、凹部を備えた接合層が第１のバイポーラプレートと第２のバイポーラプレートの間に設けられている場合、妥当であることが証明されている。この接合層は、活性領域を横方向に気密に密閉するように設計されている。１つの媒体ダクトまたは複数の媒体ダクトが凹部の領域で自由に保たれる。したがって、結合層を介して、例えば、媒体入口ダクトまたは媒体出口ダクトなどの媒体ダクトが、接合層によって密封または遮断されないことが保証される。この場合、結合層は、第１のバイポーラプレートを第２のバイポーラプレートに接合するための第１の接合材料から形成される接合層として理解されるべきである。接合層は、バイポーラプレートにＵ字型に適用することができ、それにより、活性領域を自由に保つ。
【００１８】
追加のシールと、燃料電池アセンブリへのバイポーラプレートの信頼性の高い接続のために、接合層が複数の部分で形成され、第１の入口シール舌部と第１の出口シール舌部が結合層の凹部を超えて突出部を形成する。突出部により、燃料電池スタックに積層方向に圧力または引張力が加えられた場合でも、シール舌部はシール機能を失うほど変位、圧縮、または伸長しないことが保証される。
【００１９】
結合層とのオーバーラップを形成する接続層が第１の入口シール舌部および第１の出口シール舌部に適用される場合、封止はさらに改善される。接続層は、一方では結合層と接合され、他方では媒体ダクトの領域で第１のバイポーラプレートを第２のバイポーラプレートに接合する接合層として理解することもできる。
【００２０】
本発明は、図面に示される例示的な実施形態に基づいて、以下により詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】第１の燃料電池アセンブリを示す上面図である。
【図２】（第１の）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を示す図である。
【図４】接合層が適用された図２の（第１の）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を示す図である。
【図６】その上に配置された図１の燃料電池アセンブリを有する、図４の（第１の）バイポーラプレートを備えたユニットセルを示す図である。
【図７】図６の断面ＶＩＩ−ＶＩＩを示す図である。
【図８】接続層が適用された図６のユニットセルを示す図である。
【図９】図８の断面ＩＸ−ＩＸを示す図である。
【図１０】図８のユニットセルに対応するが、第２のバイポーラプレートを備えたユニットセルを示す図である。
【図１１】ユニットセルが非圧縮状態の図１０の断面ＸＩ−ＸＩを示す図である。
【図１２】ユニットセルが圧縮された状態の図１０の断面ＸＩＩ−ＸＩＩを示す図である。
【図１３】（第２の）バイポーラプレートを底面図、すなわち、バイポーラプレートの表面が膜電極アセンブリに面していることを示す図である。
【図１４】図１３の断面ＸＩＶ−ＸＩＶを示す図である（一貫性を保つために、この断面は１８０°回転して示されている）。
【図１５】図１４に対応する、第１のバイポーラプレートと、第１のバイポーラプレートに隣接して配置された第２のバイポーラプレートと、を示す断面図である。
【図１６】図１０の複数のユニットセルを有する燃料電池スタックを示す斜視図である。
【図１７】媒体供給部がスタックに対して横に取り付けられた、図１６の燃料電池スタックを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
示される図の寸法、サイズ比、および縮尺は固定されておらず、変動しうることに予め留意されたい。特に断面図では、個々の層は、相互の位置および順序で個々の層が互いに積層されていることが理解できるように示される。
【００２３】
図１は、中央に配置され、カソード、アノード、およびカソードとアノードの間に配置されたプロトン伝導膜を有する膜電極アセンブリ２を備えた燃料電池アセンブリ１を示す。図中で内側の破線によって輪郭が描かれた活性領域３は、この膜電極アセンブリ２によって実質的に予め画定されている。この活性領域３は、平面（ｘｙ平面）だけでなく、むしろ膜電極アセンブリ２の積層方向（ｚ方向）にも延在しており、この方向は紙面の外側を指向する。
【００２４】
活性領域３は、膜電極アセンブリ２によって形成される燃料電池の電気化学反応が起こる領域である。電気化学的反応中、燃料（例えば、水素）がアノードに導かれ、そこで電子の放出により触媒的に酸化され、プロトンを形成する。これらのプロトンは、イオン交換膜を介してカソードに輸送される。燃料電池から放出された電子は、電気消費器（electrical consumer）を介して、好ましくは車両を駆動する電気モーターまたはバッテリーへと流れる。その後、電子はカソードに伝導される。カソードでは、酸化媒体（たとえば、酸素または酸素を含む空気）が電子を吸収して還元され、陰イオンが生成される。陰イオンは、プロトンと直接反応して水を生成する。
【００２５】
燃料がカソードに直接到達すること、または酸化媒体がアノ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が膜電極アセンブリ２と横方向に関連付けられる。このシール構造４は、周辺領域５に延在する、および／またはそれを超えて延在する構成要素を含む。したがって、それらの構成要素は、活性領域３の外側に配置される。換言すれば、周辺領域５は、したがって、半径方向、横方向、および／または周方向に活性領域３を画定する。
【００２６】
シール構造４は、隣接するバイポーラプレート７に形成され、かつ周辺領域５に位置する媒体ダクト８を軸方向に気密に覆うために、周辺領域５内にまたは周辺領域５を超えて延在するシール舌部６を備えることが分かる。図１に示す燃料電池アセンブリは、合計４つのシール舌部６を備える。シール舌部６の２つは、燃料電池アセンブリ１の短辺９ａに互いに対向して配置される。他の２つのシール舌部６は、膜電極アセンブリ１の長辺９ｂに互いに対向して配置されるとともに、互いに関してオフセットされる。この場合、シール舌部６はすべて長方形である。多角形のシール舌部も可能であるが、丸いシール舌部６も考慮される。
【００２７】
シール構造４、特にシール舌部６は、軸方向に作用する圧力および／または引張ひずみに対して寸法的に安定するように形成される。さらに、シール舌部６が周辺領域５を超えて延びることが分かる。しかし、１つ以上のシール舌部６が周辺領域５内にのみ延びるが、それを完全に覆わないか、それを超えて横方向に突出しないことも可能である。
【００２８】
さらに、シール構造４は、膜電極アセンブリ２を横方向にシールするシール周辺部１０を含むことが分かる。シール周辺部１０によって形成されるシール線は、媒体の横方向出口に対して膜電極アセンブリ２を密閉する。
【００２９】
バイポーラプレート７が図２に示されており、それによって燃料電池スタック１２用のユニットセル１１が燃料電池アセンブリ１と一緒に形成される。この第１のバイポーラプレート７ａはまた、破線で示される内側活性領域３と、破線で示される外周領域５と、を備える。その縁部領域５には複数の媒体ダクト８が設けられており、図面の左側に示す第１の媒体入口ダクト８ａと、図の右側に示す第１の媒体出口ダクト８ｂとに分割することができる。
【００３０】
この場合、５つの第１の媒体入口ダクト８ａおよび５つの第１の媒体出口ダクト８ｂが、第１のバイポーラプレート７ａに形成されている。別の数も可能である。第１の媒体入口ダクト８ａは、第１の流れ場１３ａを介して第１の媒体出口ダクト８ｂと流体的に相互接続される。この流れ場１３ａは、活性領域３に位置し、隣接する膜電極アセンブリ２に反応媒体を提供することができる。図２による例では、流れ場１３ａは、膜電極アセンブリ２の表面に亘る反応媒体の均一な分布のための、複数のガイドまたは壁１４を備える。しかしながら、他のタイプの流れ場１３ａ、例えば、反応媒体の流れが活性表面の領域に亘って蛇行形状で誘導される流れ場などの、流れ場１３ａを使用することも可能である。さらに、壁１４またはウェブの間隔も変えることができる。隣接する壁１４によって形成されるダクトの深さは、異なる深さを有するように具体化してもよく、変化させてもよい。
【００３１】
図２の断面ＩＩＩ−ＩＩＩである、図３から分かるように、別の媒体、例えば冷却媒体の貫流（through flow）に使用される流れ場１３ｃもまた、膜電極アセンブリ２とは反対側の第１のバイポーラプレート７ａの側面に形成される。
【００３２】
図４が示すように、接合層１５、特に接合層が、周辺領域５の第１のバイポーラプレート７ａに適用される。この接合層１５は、複数の部分に形成され、および／または媒体ダクト８ａ，８ｂの領域に凹部１６を備える。凹部１６は、媒体入口ダクト８ａおよび媒体出口ダクト８ｂが密封されないことを保証し、後の媒体の伝達を可能にする。
【００３３】
周辺領域５に適用された結合層１５は、第１のバイポーラプレート７ａの長辺１７ａに沿って延在し、その結果、バイポーラプレート７の寸法によって予め定められた周辺領域５と同一平面に終端する。活性表面または活性領域３は、この接合層１５によって周囲に対して密閉され、接合層１５の材料の選択は、この密閉機能が確保されるように行われるべきである。プラスチックまたはプラスチック混合物を接合層１５の材料として使用することができ、シール構造４および／またはシール舌状部６のプラスチックまたはプラスチック混合物よりも低い熱安定性を有することが好ましい。したがって、舌部６は、ホットプレス手順中に接合層１５に沈み、好ましくはそれと融合することができ、シール舌部６はその寸法安定性を保持する。言い換えれば、シール構造４の材料の融点は、接合層１５の材料の融点よりも高い。図５では、図４の断面Ｖ−Ｖは、接合層１５の平坦な終端であり、かつ／またはその長い縁部１７ａに沿ったバイポーラプレート７との接合材料を見ることができる。結合層１５の選択された図は例示である。それは、第１のバイポーラプレート７ａよりも非常に薄く形成することができる。
【００３４】
燃料電池スタック１２用のユニットセル１１を形成するために、図４に示される膜電極アセンブリ２は、接合層１５で覆われた図１による第１のバイポーラプレート７ａに適用または載置される（図６）。左側の燃料電池アセンブリ１の舌部６は、この場合、軸方向に気密な第１のバイポーラプレート７ａの左の媒体ダクト８を覆う。燃料電池アセンブリ１の右のシール舌部６は、第１のバイポーラプレート７ａの右の媒体ダクト８を軸方向に気密に覆う。言い換えれば、左側のシール舌部６は、左側の第１の媒体入口ダクト８ａの軸方向の気密カバーのための第１の入口シール舌部６ａとして形成される。したがって、右のシール舌部６は、右の第１の媒体出口ダクト８ｂの軸方向の気密カバーのための第１出口シール舌部６ｂとして形成される。バイポーラプレート７ａの長縁部１７ａに設けられたシール舌部６は、接合層１５上に載っている。これらは、第２の入口シール舌部６ｃと第２の出口シール舌部６ｄとに分割され得る。第２のシール舌部６ｃ，６ｄは、好ましくは、単位セル１１に軸方向の圧力が加えられたときに接合層１５に、例えば、ユニットセル１１の（ホット）プレス中に、沈み込む。
【００３５】
中央領域、すなわち活性領域３が位置する部分では、燃料電池アセンブリ１のシール構造４は、その外部輪郭に対して、接合層１５によって予め定められた内部輪郭に適合している。この場合、シール舌状部のないシール構造体４の部分は、接合層との接触点、接触線１８、または接触面を形成するので、シール機能がさらに確保される。
【００３６】
図６の断面ＶＩＩ≡ＶＩＩである、図７には、ユニットセル１１の非圧縮断面図が示されている。第１のシール舌部６ａ，６ｂは、接合層１５を超えて突出し、それと共に突出部１９を形成することが分かる。このようにして、必要なシーリングが横方向に確保される。ここで選択した図は、縮尺どおりではないことも理解されたい。個々の層の厚さは、特に接続手順または接合手順（ホットプレス手順）の後、変化する可能性があり、その後、それらは単一の接合層のように見えるか、または単一の接合層のように作用する。入口シール舌部６ａがダクト８を軸方向に覆うように、入口シール舌部６ａとダクト８との間に位置する凹部１６の領域も最小化される。ここで、第２の入口シール舌部８ａの下の積層方向の膜電極アセンブリに媒体を供給することができる。（部分的に）消費された媒体は、その後、燃料電池スタック１２のユニットセル１１を、第１の出口シール舌部８ｂの下の積層方向に離れることができる。
【００３７】
さらなる接合層として理解される接続層２０は、図８の第１の入口シール舌部８ａおよび第１の出口シール舌部８ｂに適用される。接合層１５および接続層２０は、積層方向における第１バイポーラプレート７ａの第２バイポーラプレート７ｂへの強固な接続を確実にする。結合層１５は、２つの層が積層方向に接触面を有するように、接続層２０とのオーバーラップ２１を形成する。したがって、シール機能が保証される。オーバーラップ２１は、図８の断面ＩＸ−ＩＸである、図９により詳細に見ることができる。個々の層の積層配置を示すために、縮尺通りの図もここでは選択しない。
【００３８】
第２のバイポーラプレート７ｂは、接合層１５およびそれに接続された接続層２０に適用することができる。これは図１０から推測することができる。第１のバイポーラプレート７ａと第２のバイポーラプレート７ｂとは、せいぜい小さな突出部しか持たないユニットセルが第１のバイポーラプレート７ａ、燃料電池アセンブリ１、および第２のバイポーラプレート７ｂから生じるように、接合層によって互いに接合させることができる。
【００３９】
第１のバイポーラプレート７ａと同様に、図１０および図１３に示す第２のバイポーラプレート７ｂも、膜電極アセンブリ２とは反対の側に冷却媒体を導くための流れ場１３ｃを有する。この流れ場１３ｃは、本質的に活性領域３に配置される。この流れ場は、冷却剤入口ダクト８ｅおよび冷却剤出口ダクト８ｆに流体接続されている。
【００４０】
しかし、膜電極アセンブリ２に面する側に、第２のバイポーラプレート７ｂは、１つ以上の第２の媒体入口ダクト８ｃおよび１つ以上の第２の媒体出口ダクト８ｄを有する（図１３）。さらに、第２の媒体入口ダクト８ｃおよび第２の媒体出口ダクト８ｄに流体接続された第２の流れ場１３ｂを備え、その流れ場を介して反応媒体の１つを膜電極アセンブリ２に供給することができる。
【００４１】
図１０の断面ＸＩ−ＸＩである図１１では、ユニットセル１１が非圧縮および／または未接合のものとして示されるが、断面ＸＩＩ−ＸＩＩである図１２は、接合手順後の構成を示す。図１１においてのみ、積層方向において、第２のバイポーラプレート７ａが接続層２０および接合層１５に適用されることが分かる。２つのシール舌部６ｃ，６ｄは、未接合の図において依然として見られる。これらは、図１１の図に関して、入口シール舌部６ａに対して「さらに後方」に配置される。そのため、断面のハッチングもない。接合またはホットプレス手順の後、第２の入口シール舌部６ｃおよび第２の出口シール舌部６ｄは、この図ではもはや見えなくなる。それらは、好ましくは、結合層１５に埋め込まれる。
【００４２】
図１２は、接合またはホットプレス手順の後、接合層１５が第１のバイポーラプレート７ａおよび第２のバイポーラプレート７ｂの両方に接触または接触することを示し、バイポーラプレート７は、接合層１５を介して互いに接着または接合される。さらに、第２の媒体入口ダクト８ｃは、周辺領域５内または周囲領域５を超えて延びる第２の入口シール舌部６ｃによって軸方向に気密に覆われていることが分かる。その振る舞いは、第２のバイポーラプレート７ｂの対向する縁部１７ａに対応しており、そこでは、周辺領域５内に又はそれを超えて延びる第２の出口シール舌部６ｄが、１つ又は複数の第２の媒体出口ダクト８ｄの軸方向の気密被覆のために設けられる。さらに、図１２では、第２の反応媒体が膜電極アセンブリ２に、シール構造４の上の積層方向に導かれることが分かる。したがって、（部分的に）消費された第２の反応媒体は、シール構造４の上方の積層方向に、それぞれ、ユニットセル１１から戻される、または燃料電池スタック１２から再び出るように伝達される。
【００４３】
図１３の断面ＸＩＶ≡ＸＩＶである図１４では、第２のバイポーラプレート７ｂ上に形成され、膜電極アセンブリ２とは反対側を向く冷却剤流れ場１３ｃを再び見ることができる。
【００４４】
図１５では、第１のユニットセル１１の第２のバイポーラプレート７ｂが、さらなるユニットセル１１の第１のバイポーラプレート７ａとともに冷却媒体の通過のための完全なダクト断面を形成することが分かる。この場合、接合剤または接合媒体を使用して、第１のユニットセル１１の第2のバイポーラプレート７ｂおよびさらなるユニットセル１１の第１のバイポーラプレート７ａを互いに接合することもできる。
【００４５】
本設計は、バイポーラプレート７の高価な材料を節約するために、周辺領域５を可能な限り狭く設計することを可能にする。それにもかかわらず、各個々のセル１１の確実なシールは、選択された構成によって保証され、既知のユニットセルに関連する活性領域３の最大化を可能にする。
【００４６】
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は、図１６に例として示されている。この燃料電池スタック１２は、既知のバイポーラプレートよりも小さい寸法を有するバイポーラプレート７を設計できるという利点を有し、それにより燃料電池スタック１２の製造コストが削減される。この場合、バイポーラプレート７は長方形であり、本発明はバイポーラプレート７の正しい形状に依存するのではなく、例えば丸線または曲線を有する任意の形状に制限なく適用可能である。
【００４７】
積層方向または垂直に形成されたダクトをバイポーラプレート７内で省略することができるため、反応媒体および／または冷却媒体を個々のセルまたはユニットセルに径方向または横方向に供給または排出することが可能である。
【００４８】
媒体ガイド２２の１つの可能な配置が図１７に示されている。積層方向に延び、燃料電池スタック１２に横方向に取り付けられた媒体ガイド２２がここに提供される。これらの媒体ガイド２２は、バイポーラプレート７とは異なる材料から形成することができ、それにより、燃料電池スタック１２はそれに応じて費用効果的に製造され得る。ユニットセルの短辺に配置された２つの媒体ガイド２２ａ，２２ｂは、例えばアノードガス（または水素）をアノード室または膜電極アセンブリ２のアノードに供給またはアノードから除去する。右後部のガイド２２ｃは、例えば、カソードガスをカソードチャンバーまたは膜電極アセンブリ２のカソードに供給し、（部分的に）消費されたカソードガスは、左前のバイポーラプレート７の長辺で再び媒体ガイド２２ｄから導かれる。左後部の長辺および右前の長辺の媒体ガイド２２ｅ，２２ｆは、第１のユニットセル１１の第２のバイポーラプレート７ｂと、第１のユニットセル１１に隣接して配置された第２のユニットセル１１の第１のバイポーラプレート７ａとの間で冷却媒体を供給および排出するように使用される。
【符号の説明】
【００４９】
１…燃料電池アセンブリ
２…膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）
３…活性領域
４…シール構造
５…周辺領域（peripheral region）
６…シール舌部
６ａ…第１の入口シール舌部
６ｂ…第１の出口シール舌部
６ｃ…第２の入口シール舌部
６ｄ…第２の出口シール舌部
７…バイポーラプレート
７ａ…第１のバイポーラプレート
７ｂ…第２のバイポーラプレート
８…媒体ダクト
８ａ…第１の媒体入口ダクト
８ｂ…第１の媒体出口ダクト
８ｃ…第２の媒体入口ダクト
８ｄ…第２の媒体出口ダクト
８ｅ…冷却剤入口ダクト
８ｆ…冷却剤出口ダクト
９ａ…膜電極アセンブリの短辺
９ｂ…膜電極アセンブリの長辺
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の流れ場
１３ｂ…第２の流れ場
１３ｃ…流れ場（冷却媒体）
１４…壁
１５…接合層（bonding layer）
１６…凹部
１７ａ…バイポーラプレートの長辺
１７ｂ…バイポーラプレートの短辺
１８…コンタクトライン
１９…突出部
２０…接続層（connecting layer）
２１…オーバーラップ
２２…媒体ガイド
２２ａ…媒体ガイド
２２ｂ…媒体ガイド
２２ｃ…媒体ガイド
２２ｄ…媒体ガイド
２２ｅ…媒体ガイド
２２ｆ…媒体ガイド
【図１】
2021503161.tif 000003
【図２】
2021503161.tif 000004
【図３】
2021503161.tif 000005
【図４】
2021503161.tif 000006
【図５】
2021503161.tif 000007
【図６】
2021503161.tif 000008
【図７】
2021503161.tif 000009
【図８】
2021503161.tif 000010
【図９】
2021503161.tif 000011
【図１０】
2021503161.tif 000012
【図１１】
2021503161.tif 000013
【図１２】
2021503161.tif 000014
【図１３】
2021503161.tif 000015
【図１４】
2021503161.tif 000016
【図１５】
2021503161.tif 000017
【図１６】
2021503161.tif 000018
【図１７】
2021503161.tif 000019
【手続補正書】
【提出日】平成31年4月11日(2019.4.11)
【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】
カソード、アノード、およびカソードとアノードの間に配置された膜を備えた膜電極アセンブリ（２）と、
膜電極アセンブリ（２）によって実質的に予め画定された、燃料電池の電気化学反応が生じる活性領域（３）と、
電気化学反応が要求される場所のみに反応媒体を流すように形成された、膜電極アセンブリ（２）と横方向に関連するシール構造（４）と、を有し、
隣接するバイポーラプレート（７）の寸法によって予め画定された周辺領域（５）が設けられ、この周辺領域（５）が、前記活性領域（３）を周方向に区切る、燃料電池アセンブリ（１）であって、
隣接するバイポーラプレート（７）に形成されるとともに隣接する周辺領域（５）に位置決めされ、かつバイポーラプレート（７）の縁部（１７ａ，１７ｂ）まで延在する媒体ダクト（８）であって、媒体を活性領域（３）の内外へと横方向に輸送するように形成された媒体ダクト（８）を軸方向に気密に覆うために、前記シール構造（４）が、活性領域（３）の外側の周辺領域（５）内に延在するまたはそれを超えて延在するシール舌部（６）を備えることを特徴とする、燃料電池アセンブリ（１）。
【請求項２】
前記シール構造（４）が、その上に軸方向に作用する圧力および／または引張ひずみに対して寸法的に安定して形成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池アセンブリ（１）。
【請求項３】
前記シール舌部（４）が、前記周辺領域（５）を超えて延在することを特徴とする、請求項１または２に記載の燃料電池アセンブリ（１）。
【請求項４】
前記シール構造（４）が、前記膜電極アセンブリ（２）を横方向にシールするシール周辺部（１０）を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池アセンブリ（１）。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池アセンブリ（１）と、第１のバイポーラプレート（７ａ）と、を有する燃料電池スタック（１２）用のユニットセル（１１）であって、前記第１のバイポーラプレート（７ａ）が、膜電極アセンブリ（２）に隣接して配置されるとともに、周辺領域（５）に媒体ダクト（８）を備え、前記媒体ダクト（８）は、シール舌部（６）によって軸方向に気密に覆われるとともに、バイポーラプレート（７）の縁部（１７ａ，１７ｂ）まで延在し、媒体を活性領域（３）の内外へと横方向に輸送するように形成される、ユニットセル（１１）。
【請求項６】
前記第１のバイポーラプレート（７ａ）が、周辺領域（５）に第１の媒体入口ダクト（８ａ）および第１の媒体出口ダクト（８ｂ）を備え、
前記第１のバイポーラプレート（７ａ）が、活性領域（３）において、第１の媒体入口ダクト（８ａ）および第１の媒体出口ダクト（８ｂ）に流体接続された第１の流れ場（１３ａ）を備え、
前記シール構造（４）が、前記第１の媒体入口ダクト（８ａ）を軸方向に気密に覆うために周辺領域（５）内にまたはそれを超えて延びる第１の入口シール舌部（６ａ）と、前記第１の媒体出口ダクト（８ｂ）を軸方向に気密に覆うために周辺領域（５）内にまたはそれを超えて延びる第１の出口シール舌部（６ｂ）と、を備えることを特徴とする請求項５に記載のユニットセル（１１）。
【請求項７】
第２の媒体入口ダクト（８ｃ）および第２の媒体出口ダクト（８ｄ）を備えた第２のバイポーラプレート（７ｂ）が設けられ、
前記第２のバイポーラプレート（７ｂ）が、第２の媒体入口ダクト（８ｃ）および第２の媒体出口ダクト（８ｄ）に流体接続された第２の流れ場（１３ｂ）を備え、
前記シール構造（４）が、前記第２の媒体入口ダクト（８ｃ）を軸方向に気密に覆うために周辺領域（５）内にまたはそれを超えて延びる第２の入口シール舌部（６ｃ）と、前記第２の媒体出口ダクト（８ｄ）を軸方向に気密に覆うために周辺領域（５）内にまたはそれを超えて延びる第２の出口シール舌部（６ｄ）と、を備えることを特徴とする請求項６に記載のユニットセル（１１）。
【請求項８】
凹部（１６）を備えた接合層（１５）が、第１のバイポーラプレート（７ａ）と第２のバイポーラプレート（７ｂ）との間に設けられるとともに、活性領域を気密に横方向に密封するように設計されることを特徴とする請求項７に記載のユニットセル（１１）。
【請求項９】
前記接合層（１５）が複数の部分で形成され、前記第１の入口シール舌部（６ａ）および前記第１の出口シール舌部（６ｂ）が、前記接合層（１５）の凹部（１６）を超えて突出して突出部（１９）を形成することを特徴とする請求項８に記載のユニットセル（１１）。
【請求項１０】
前記接合層（１５）とオーバーラップ（２１）を形成する接続層（２１）が、前記第１の入口シール舌部（６ａ）および前記第１の出口シール舌部（６ｂ）に適用されることを特徴とする請求項９に記載のユニットセル（１１）。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
請求項１のプリアンブルに記載の燃料電池アセンブリは、特許文献１に開示されている。この場合、膜電極アセンブリのカソードおよびアノードの周囲にシールが取り付けまたは含浸される。媒体をアノードまたはカソードに供給するために、垂直に、すなわち積層方向に延びる供給が膜電極アセンブリに組み込まれ、膜電極アセンブリは、カソードまたはアノードに対して横方向に形成された開口部を有する。この設計は、膜電極アセンブリを通って垂直に延びる通路により、膜電極アセンブリによって事前に決定された活性領域が減少するため、不利である。
請求項１のプリアンブルの特徴を記載する特許文献２には、媒体供給部および媒体放出部が形成された、燃料電池のバイポーラプレートのためのシールが記載されている。シールは部分的に弾性変形可能であり、それにより、個別のコンポーネントとして事前に仕上げることができ、シールを一時的に伸ばすことにより、バイポーラプレートをシールに挿入することができる。伸張の代わりに、シールを押し出すこともできる。
燃料電池アセンブリを有するユニットセルは、特許文献３にも記載されており、これは、反応媒体の望ましくない流出を安全装置としてシールするためのシール構造を備える。燃料電池アセンブリおよびそのようなアセンブリを有するバイポーラプレート２５を備えたユニットセルは、シール構造２３を含み、これは特許文献４にも記載されている。
特許文献５は、スタックの矩形の設置面積を超えて突出する領域（突起２１４，２１６，２１８，２２６）に媒体取付け部品が設けられた燃料電池スタックを記載している。
特許文献６から、ここに、ベースプレートの寸法を超えて突出するウィングを有するシール構造が設けられることが推測され得る。
燃料電池スタックは、特許文献７に記載されており、シール構造は、作動媒体を分配するために使用される。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
【特許文献１】独国特許出願公開第１９７０３２１４号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第１０２０１００２４３１６号明細書
【特許文献３】特開２００７−２８７３６４号公報
【特許文献４】米国特許出願公開第２００７／１９６７１６号明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第２０１１／３１８６６６号明細書
【特許文献６】特開昭６２−２１１８６８号公報
【特許文献７】特開２００８−１４０７４０号公報
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
燃料電池アセンブリに関する目的は、請求項１の特徴のセットを有する燃料電池アセンブリによって達成される。特に、この場合、シール構造は、周辺領域内または周辺領域を超えて延びるシール舌部（seal tongue）を備える。周辺領域は、活性領域の外側に配置される。活性領域は、非活性な周辺領域によって周方向に区切られており、その周辺領域は、隣接するバイポーラプレートの寸法によって予め画定される。周辺領域内または周辺領域を超えて延びるシール舌部は、隣接するバイポーラプレートに形成され、周辺領域に位置し、かつバイポーラプレートの縁部まで延在する媒体ダクトを軸方向に気密に覆うように設計されている。周辺領域とシール舌部を最小寸法に縮小することができるため、横方向、したがって積層方向に垂直に向けられた、反応媒体または冷却媒体などの媒体の供給が可能になる。
【国際調査報告】
2021503161.tif 000020
2021503161.tif 000021
2021503161.tif 000022
2021503161.tif 000023
2021503161.tif 000024
2021503161.tif 000025