(57)【要約】  本発明は、ガス分配プレート（２）の接触面に配置されたガス分配および流れ案内構造を備える少なくとも電解槽または燃料電池におけるガス分配および流れ案内のためのガス分配プレート（２）であって、ガス分配および流れ案内構造が成形構造（１０）として形成されている、ガス分配プレートに関する。  【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス分配プレート（２）の接触面に配置されたガス分配および流れ案内構造を備える少なくとも電解槽または燃料電池におけるガス分配および流れ案内のためのガス分配プレート（２）において、
前記ガス分配および流れ案内構造は、成形構造（１０）として形成されていることを特徴とする、ガス分配プレート。
【請求項２】
前記ガス分配プレート（２）は、少なくとも１５０μｍ未満、好ましくは１００μｍ未満、特に好ましくは７５μｍ未満の素材厚さを有し、前記ガス分配プレート（２）は、実質的に一定の成形深さ（１４）を有する特に一様な成形構造（１０）を具備し、前記成形構造（１０）は、１ｍｍ未満、殊に７００μｍ未満、特に好ましくは３５０μｍ未満の最大成形深さを有することを特徴とする、請求項１に記載のガス分配プレート（２）。
【請求項３】
前記ガス分配プレート（２）は、少なくとも部分的に金属材料から、殊に少なくとも部分的に鉄含有材料から、特に好ましくは少なくとも部分的にチタン材料から形成されていることを特徴とする、請求項１または２のいずれか１項に記載のガス分配プレート（２）。
【請求項４】
前記ガス分配プレート（２）は、特に流入側に配置された前記成形構造（１０）のエッジが傾斜２６を有する一様でない成形構造（１０）を有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のガス分配プレート（２）。
【請求項５】
前記ガス分配プレート（２）の前記成形構造は、ウェブ状またはフィン状の流れ誘導装置（２０）を備えることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のガス分配プレート（２）。
【請求項６】
前記ガス分配プレート（２）の前記成形構造（１０）は、前記成形構造（１０）に沿ってガス分配流路（２４）が形成されるように形成されており、前記ガス分配流路（２４）および／または前記個々の成形構造（１０）の幅が１ｍｍ未満、殊に５００μｍ未満であり、前記個々の成形構造（１０）および／または前記ガス分配流路（２４）は、実質的に互いに平行におよび／または垂直に配置された列状に配置されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載のガス分配プレート（２）。
【請求項７】
前記成形構造（１０）は、少なくとも部分的に直方体状に、および／または立方体状に、および／または角錐状に、および／または円錐状に、および／または円柱状に成形されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載のガス分配プレート（２）。
【請求項８】
前記個々の成形構造（１０）は、互いにずらして、および／または交互に方向を変えて、および／または実質的に互いに無秩序に配置されていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載のガス分配プレート（２）。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載のガス分配プレート（２）の製造方法において、前記ガス分配プレート（２）の接触面に配置された前記ガス分配および流れ案内構造が成形法で製造されることを特徴とする、方法。
【請求項１０】
バイポーラプレート（８）と膜電極ユニット（６）と請求項１〜８のいずれか１項に記載のガス分配プレート（２）とを備える燃料電池において、前記ガス分配プレート（２）が前記バイポーラプレート（８）と前記膜電極ユニット（６）との間に配置され、かつ前記バイポーラプレート（８）および前記膜電極ユニット（６）と導電接続されており、前記ガス分配プレート（２）は、前記バイポーラプレート（８）と殊に物質結合的に接続されていることを特徴とする、燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、独立装置クレームに記載の形式のガス分配プレート、独立方法クレームに記載の形式のガス分配プレートの製造方法、および独立装置クレームに記載の形式の燃料電池を出発点とする。
【背景技術】
【０００２】
電解槽および燃料電池におけるガス分配および流れ案内のためのガス分配プレートは従来技術から知られている。その際、燃料電池または電解槽には通常、アノード側とカソード側とにガス分配プレートが配置されている。２つのプレートは膜と電極と、殊に２つのガス拡散層とを備える膜電極ユニット（ＭＥＡ）によって互いに分離され、ＭＥＡと導電接続されている。膜電極ユニットとの最適なガス交換を保証するために、ガス分配プレートの、殊にそれぞれＭＥＡの方を向いた面に様々に成形された流路構造が配置されており、これらの流路構造によってガスもしくは流体をＭＥＡの面に沿って通過させて、ガス分配プレートから膜電極ユニットへ電流が導かれる。
【０００３】
特許文献１および特許文献２から、ガス分配および流れ案内の向上のために、ガス分配構造としてそれぞれ１つの目の細かいメッシュが設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５２５２１９３号公報
【特許文献２】特開２０１０−０６１９９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の主題は、独立装置クレームの特徴を有するガス分配プレート、並列独立方法クレームの特徴を有するガス分配プレートの製造方法、および並列独立装置クレームの特徴を有する燃料電池である。本発明の他の特徴および詳細は、それぞれの従属請求項、明細書、および図面から明らかになる。その際、本発明によるガス分配プレートとの関連で記載される特徴および詳細は、当然のことながら本発明によるガス分配プレートの製造方法および本発明による燃料電池との関連においても、そしてそれぞれ逆の関連においても当てはまり、それにより個々の発明の態様の開示に関して常に相互に参照され得る。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
主請求項に記載の本発明によるガス分配プレートは、特に燃料電池または電解槽におけるガス分配および流れ案内の向上のために用いられる。この場合、ガス分配プレートの利点は、特にこのガス分配プレートによって、ＭＥＡの面において良好に規定可能な、および最適化されたガス分配が保証されることにある。可能な限り一定の電気エネルギーを提供するため、および燃料電池または電解槽を可能な限り最適に利用することを可能にするために、可能な限り均一なガスの分配を保証することが特に有利である。この場合、例えば燃料電池のカソード側で発生し、均一なガス分配をＭＥＡの全面にわたって妨げる生成水の集積などの妨害変数を本発明によるガス分配プレートによって低減もしくは除去することができる。本発明によるガス分配プレートの別の利点は、特に簡単かつ安価な製造に該当する。さらに本発明によるガス分配プレートは、すでに知られた燃料電池または電解槽へのプレートの簡単な組み込みを可能にし、それにより既存のシステムにガス分配プレートを追加装備することもできる。
【０００７】
ガス分配プレートは、殊に燃料電池ガス分配プレートまたは電解槽ガス分配プレートであり、特にＰＥＭ燃料電池ガス分配プレートまたはＰＥＭ電解槽ガス分配プレートである。本発明によれば、ガス分配プレートは、プレートの接触面に配置されたガス分配構造を有する。この場合、ガス分配プレートは、単一部分または複数部分で、特に２部分で形成されていてもよい。この場合、単一部分で形成されたガス分配プレートは、特に、ガス分配プレートに配置されるガス分配構造を少ない製造工程で、殊に１つの製造工程のみで作製できる迅速かつ簡単な製造という利点を有する。これに対して複数部分で形成されたガス分配プレートは、ガス分配プレートの個々の部分を個別に所望の特性に適合させることができるフレキシブルな製造を可能にする。したがってガス分配プレートは、例えば２部分で形成されていてもよく、第１部分は、殊に実質的に平らに成形された端子部分として形成されていてもよく、この端子部分がガス分配構造を有する第２コンタクト部分と形状結合的に、殊に力結合的に、特に物質結合的に接続される。この場合、接続は解除可能に形成されていてもよいし、解除不能に形成されていてもよい。形状結合的な接続の範囲内で、ガス分配プレートの第１部分と第２部分とは、例えばさねはぎ接続（Ｎｕｔ−Ｆｅｄｅｒ−Ｖｅｒｂｉｎｄｕｎｇ）、あり継ぎ接続（Ｓｃｈｗａｌｂｅｎｓｃｈｗａｎｚｖｅｒｂｉｎｄｕｎｇ）、または噛合連結（Ｚａｈｎｋｕｐｐｌｕｎｇ）により互いに接続されていてもよい。これに対して力結合的接続は、くさび止めまたは締め付け、特にねじ締めによって形成されてもよい。物質結合的接続では、ガス分配プレートの第１部分および第２部分は、さらに接着結合により、殊にはんだ接合により、特に溶接接合または焼結接合により互いに接続されていてもよい。さらに、ガス分配プレートの個々の部分の個別の適合は、個々の部分の素材選定を考慮して行うこともでき、それにより複数部分で形成されたガス分配プレートは、それぞれの所望の特性に応じて少なくとも部分的に異なった素材から構成されていてもよい。この場合、特に、複数部分で形成されたガス分配プレートがいくつかの金属材料および／またはコーティングされた非金属材料から構成されることが考えられる。本発明によれば、さらにガス分配プレートのガス分配構造が成形構造として形成されていることが予定されている。この場合、本発明の意味における成形構造は、素材の相互関係（Ｍａｔｅｒｉａｌｚｕｓａｍｍｅｎｈａｎｇ）、または被加工物の質量を変えることなしに、製造技術的に材料を純粋に塑性変形させることにより生ぜしめられる構造と解される。この場合、本発明による成形構造は、製造時に材料を最大限に利用すること、したがって特に安価な製造というだけでなく、製造時間が短いということをも特徴とする。さらに、主題による成形構造は、被加工物の高品質、特に高強度を特徴とする。本発明によれば、成形時に様々な加工温度を用いることができ、それにより成形構造として形成されるガス分配構造を熱間成形された、殊に半熱間成形された、特に冷間成形された成形構造として形成することができる。この場合、冷間成形された成形構造は、他の成形構造と比べて高い強度という利点を有する。これに加えて、成形構造として、金属板成形された（ｂｌｅｃｈｇｅｆｏｒｍｔ）成形構造または鍛造成形された（ｍａｓｓｉｖｇｅｆｏｒｍｔ）成形構造が予定されていてもよい。さらに、成形のためにいくつかの成形法が予定されていてもよい。したがって成形構造は、殊に絞り成形および／または圧縮成形された、および／または絞り圧縮成形された、および／または曲げ成形された、および／またはせん断成形された成形構造として形成されていてもよい。絞り成形された成形構造の範囲内で、成形構造が、例えば長くされてもよいし、広げられてもよく、殊に深くされてもよく、深くされた成形構造は、特にプレス加工されるか、またはエンボス加工されてもよい。エンボス法は、特に迅速、安価、かつ精密な製造という利点により主題によるガス分配構造のための製造方法として適している。いくつかのエンボス法が考えられ、それによりガス分配構造は、例えばホットエンボス加工（ｈｕｂｇｅｐｒａｅｇｔ）されるか、またはローラエンボス加工（ａｂｒｏｌｌｇｅｐｒａｅｇｔ）されてもよい。さらに、圧縮成形される成形構造は、特に圧延加工された、および／または自由成形された、および／または穴あけ加工された（ｇｅｓｅｎｋｔ）、および／または押し込み加工された（ｅｉｎｇｅｄｒｕｅｃｋｔ）、および／または押し出し加工された（ｄｕｅｒｃｈｇｅｄｒｕｅｃｋｔ）成形構造として形成されていてもよい。さらに、絞り圧縮成形される成形構造は、引き抜き加工された（ｄｕｒｃｈｇｅｚｏｇｅｎ）、深絞り加工されたおよび／または圧縮加工された成形構造として形成されていてもよい。
【０００８】
有利には、本発明の範囲内で、ガス分配プレートが少なくとも１５０μｍ未満、好ましくは１００μｍ未満、特に好ましくは７５μｍ未満の素材厚さを有し、特にガス分配プレートが実質的に一定の成形深さを有する一様な成形構造を具備することが予定されていてもよい。層厚さの量定基礎として、主題により、単一部分で形成されたガス分配プレートを出発点とする。２部分で形成されたガス分配プレートでは、プレートの２つの部分が同じ層厚さを有してもよいし、または異なった層厚さを有してもよい。したがって、２部分で形成されたガス分配プレートでは、主題により、同様に、プレートの２つの部分が少なくとも１５０μｍ未満、好ましくは１００μｍ未満、特に好ましくは７５μｍ未満の素材厚さを有することが提示される。本発明により小さく寸法設定された層厚さは、特にガス分配構造の作製時に有利である。なぜならこの場合、ガス分配構造を形成するために用いられる押圧力もしくは引張力が少なくて済むからである。このことはガス分配構造の素材だけでなく、特に成形のために使用される工具および機械の素材も傷めない。これに加えて、小さく寸法設定された層厚さを有するガス分配プレートは、より大きい直径のプレートと比べて重量の点で有利である。それでも層厚さは、本発明によれば、プレートの安定性に関して不利にならないように量定されている。しかしながら、実質的に一定の成形深さを有する一様な成形構造は、十分に一定の圧力状態でガス分配構造に沿って十分に均一なガス分配および電荷分配を約束し、このことは可能な限り一定の電気エネルギーを提供するため、および可能な限り最適なエネルギー利用のために必要である。本発明の範囲内で、成形深さに関して５％未満の、殊に３％未満の、特に好ましくは１％未満の偏差を有する成形構造が実質的に一定の成形深さを有する成形構造とみなされる。この場合、特に主題によるガス分配プレートの成形されない上面および成形された下面が成形構造の成形深さの量定基礎として用いられる。この場合、本発明の範囲内で、上面に対して垂直の主成形方向に沿って延びる、ガス分配プレートの成形されない上面の上側と成形された下面の下側、特に対応する成形構造の最も遠くに成形された点の下側との間の距離が成形構造の成形深さと解される。当然のことながら、第１端子部分と第２コンタクト部分とを備える複数部分で形成されたガス分配プレートでは、ガス分配構造を有する第２コンタクト部分の距離のみを量定基礎として考慮に入れることができる。本発明によれば、個々の成形構造が１ｍｍ未満、殊に７００μｍ未満、特に好ましくは３５０μｍ未満の最大成形深さを有することが提示される。相応の成形深さは、製造技術的に簡単に作成することができる一方で、成形構造のジオメトリが与えられている場合には、相応のガスもしくは流体の効率的な流れ案内を保証するのに十分な大きさに寸法設定される。より大きい成形深さは、製造技術的に問題なく可能ではあろうが、そのことと結びついた相応のセルのサイズに鑑みて不利であろう。その際、いわゆる燃料電池スタックにおいて複数のガス分配プレートを相接して並列することを考慮しなければならない。
【０００９】
燃料電池もしくは電解槽のガス分配プレートの素材には、特別な技術的な要求が課せられる。プレートは電気伝導および熱伝導が高くなければならないだけでなく、セルにおける化学的影響に対してもロバストでなければならず、さらにセルにおける高い機械的押付け力に耐えられなければならない。これに加えて、特に高温燃料電池および高温電解槽において使用するためには、プレート素材が、部分的に２００℃をはるかに超える高温に持ちこたえなければならないことが必要である。こうした理由から、本発明によるガス分配プレートは、少なくとも部分的に金属材料から、殊に少なくとも部分的に鉄含有材料（例えば特殊鋼など）から、特に好ましくは少なくとも部分的にチタン材料から形成されることが提示される。これに代えて、またはこれに加えて、本発明によるガス分配プレートは、少なくとも部分的に鋼および／またはアルミニウム材料から、および／または銅材料から、および／または非金属材料、特にプラスチック、炭素ベースの、例えばグラファイトのような材料、もしくはラミックスから形成されていてもよい。非金属材料から形成されたガス分配プレートの実施形態で必要な導電性を保証するために、非金属材料が相応の導電コーティングを備えていてもよい。これに加えて、２部分で形成された実施形態では、異なった材料を互いに組み合わせることもでき、それによってガス分配プレートをプレートのそれぞれの所望の特性に特にフレキシブルに適合させることができる。例えば、ガス分配プレートの端子部分として形成された第１部分は、少なくとも部分的に銅材料から形成されていてもよいのに対して、コンタクト部分として形成されたガス分配プレートの第２部分は、少なくとも部分的にアルミニウム材料から形成されていてもよい。したがって、特に、ガス分配構造を備える、殊により大きい体積を占めるコンタクト部分は軽量構造に設計されていてもよく、それにもかかわらず、２つの部分の高い導電性が保証されている。異なった金属材料から形成された面間の境界面に起きやすい接触腐食を防止するために、ガス分配プレートの一部分がさらに相応のコーティングを備えていてもよい。したがって２部分の実施形態では、端子部分として形成されたガス分配プレートの第１部分が、例えば銅材料から形成されていてもよいのに対して、コンタクト部分としての、かつガス分配構造を備えた第２部分はアルミニウム材料から形成されていてもよく、その際、後者は、接触腐食を防止するために相応に、銅材料からなるコーティングを備えていてもよい。相応にコーティングされたアルミニウム材料からなるコンタクト部分に代えて、ガス分配構造を備える部分は、少なくとも部分的に、導電性のために適当な金属材料でコーティングされてもよい非金属材料から形成されていてもよい。
【００１０】
さらに、本発明によれば、ガス分配プレートの成形構造が、成形構造に沿ってガス分配流路が形成されるように形成されていることが予定され、その際、ガス分配流路のおよび／または個々の成形構造の幅が１ｍｍ未満、殊に５００μｍ未満であり、個々の成形構造および／またはガス分配流路は、互いに実質的に平行および／または垂直に配置された列状に配置されている。ガス分配構造の成形構造に沿って配置された流路は、主題により、ガス分配構造に沿ってガスが導かれる領域を形成する。この場合、流路の寸法は、成形構造の配列とサイズとによって決まる。本発明の範囲内で、流路幅は、直接隣り合う２つの成形構造間の距離により量定される。実質的に同じ成形深さの成形構造を有するガス分配プレートでは、その際、流路幅は、それぞれ直接隣り合う成形構造の１／２成形深さに量定される。このことは、例えば角錐状もしくは円錐状に成形された成形構造の場合がそうであるように、成形に沿う２つの隣り合う成形構造間の距離が一定でない場合に特に重要である。平均幅から５％未満の、殊に平均幅から２．５％未満の、特に好ましくは平均流路幅から１％未満のずれで流路が延びるならば、本発明の範囲内で、ガス分配流路の実質的に平行および／または垂直の配置とみなされる。流路が実質的に一定の長さおよび幅であるガス分配プレート上のガス分配構造内のガス分配流路の実質的に平行および／または垂直の配置は、全ガス分配構造にわたって実質的に一定のガス圧力を約束する。このことは、一定の電気エネルギーの提供を保証するだけでなく、ＭＥＡのアクティブ面の可能な限り効率的な利用をも保証する。
【００１１】
均一な成形構造を有するガス分配構造に代えて、本発明によれば、ガス分配プレートが少なくとも部分的に、個々の非対称に成形された成形構造を備える一様でない成形構造を有することが予定されていてもよく、その際、これらの成形構造は、殊にその形状に沿って非対称に深くなり、特にこれらの成形構造の流入側に配置されたエッジは傾斜が付けられるか、または曲げられている。このような構造は、特に燃料電池のカソード側に発生して、ＭＥＡの全面にわたって均一なガス分配を妨げる生成水の集積を阻止するのに適している。この阻止は、流入側で少なくとも部分的に的確に小さく形成される成形深さによって、膜電極ユニットからのガス分配構造の距離を大きくすることによって提供され、それによりここでは流れを面接触下で的確に導くことができる。
【００１２】
主題によるガス分配構造に沿って最適かつ的確な流れ案内を可能にするために、本発明によれば、様々に成形された成形構造を予定することができる。したがって成形構造は、例えば直方体状に、および／または立方体状に、および／または角錐状に、および／または円錐状に、および／または円柱状に成形されていてもよい。この場合、本発明によるガス分配プレートは、同じ形状の成形構造のみを備える均一なガス分配構造を備えることができるのみならず、同一のガス分配プレート上に様々に成形された成形構造が配置されている一様でないガス分配構造を有することもできる。殊に、成形構造は、特にガス分配プレートの流入側に傾斜が付けられるか、または曲げて形成されていてもよく、その際、成形構造が可能な限り低い迎角αを有する、殊に９０°未満の迎角α、特に好ましくは６０°未満の迎角α、特に４５°未満の迎角αを有するように成形されていてもよい。この場合、本発明の範囲内で、成形構造の成形されない上面を通って延びる平面と、成形構造の側方に配置された内面との間の角度が迎角αと解される。流入側に配置された成形構造のより小さい迎角は、流れを面接触下で的確に導くことができることによりガス分配プレートの流れ案内を向上させる。
【００１３】
これに代えて、またはこれに加えて、流れ装置の向上のためにさらに、特にガス分配構造の流入側にウェブ状またはフィン状の流れ誘導装置が配置されていてもよく、これらの流れ誘導装置によりガスもしくは流体を面接触下で的確に導くことができる。このウェブ状またはフィン状に形成された流れ誘導装置の導入は、当該成形工程に組み込まれてもよいし、または別の成形工程で行われてもよい。したがって、ウェブ状またはフィン状に形成された流れ誘導装置は、ガス分配構造に物質結合的に、かつ一体構造に形成されているか、もしくはガス分配構造から形成されている。
【００１４】
流れ案内もしくはガス分配をさらに向上させるために、さらに成形構造が実質的に平行もしくは垂直の配置の他に、互いにずらして、および／または交互に方向を変える形で、および／または実質的に互いに無秩序に配置されていることが提示される。さらにこの配置に代えて、またはこれに加えて、成形構造が第１成形領域と第２成形領域とを有することが予定されていてもよく、その際、特に成形構造の下面に配置された第１領域がテーパに形成されている。これによって、特にガス分配プレートとＭＥＡとの境界面の領域において流路幅を拡大することが可能である。したがって本発明によれば、殊に段差を付けた（ｇｅｓｔｕｆｔ）、特に成形方向に延びるテーパに成形された領域を有する成形構造が設けられていてもよい。
【００１５】
独立方法クレームの特徴を有する方法も同様に本発明の主題である。この場合、ガス分配プレートの接触面に配置されたガス分配および流れ案内のための構造が成形法により作製されることが主題により予定されている。したがって本発明による方法は、本発明によるガス分配プレートに関して詳しく説明したのと同じ利点を伴う。本発明によるガス分配プレートの実施例においてすでに説明したように、本発明によるガス分配プレートを製造するための成形法として、熱間成形法、殊に半熱間成形法、特に冷間成形法を用いることができ、成形法は、金属板成形法（Ｂｌｅｃｈｕｍｆｏｒｍｖｅｒｆａｈｒｅｎ）として、または鍛造成形法（Ｍａｓｓｉｖｕｍｆｏｒｍｖｅｒｆａｈｒｅｎ）としての形態であってもよい。特に、絞り成形法および／または圧縮成形法および／または絞り圧縮成形法および／または曲げ成形法および／またはせん断成形法を使用することができ、絞り成形法の範囲内で、成形構造が、特に長くする、広げる、または深くすることにより形成されてもよく、深くする範囲内で、ガス分配構造を、特にプレス加工またはエンボス加工によって形成することができる。エンボス法は、すでに説明したように、特に迅速、安価、かつ精密な作製という利点により、主題によるガス分配構造の作製方法として適しており、例えばホットエンボス加工またはローラエンボス加工などのいくつかのエンボス法が考えられる。さらに、圧縮成形により形成することができる成形構造の範囲内で、特に圧延法および／または自由成形法および／または押し込み法（Ｅｉｎｄｒｕｅｃｋｖｅｒｆａｈｒｅｎ）および／または押し出し法（Ｄｕｒｃｈｄｒｕｅｃｋｖｅｒｆａｈｒｅｎ）を使用することができる。絞り圧縮成形法の範囲内で、主題による成形構造は、特に引き抜き法（Ｄｕｒｃｈｚｉｅｈｖｅｒｆａｈｒｅｎ）および／または深絞り法および／または圧縮法により形成されてもよい。
【００１６】
同様に、本発明の主題は、バイポーラプレートと、膜電極ユニットと、本発明によるガス分配プレートとを備える燃料電池である。この場合、主題により、ガス分配プレートがバイポーラプレートと膜電極ユニットとの間に配置され、バイポーラプレートおよび膜電極ユニットと導電接続されることが予定されている。ガス分配プレートは、殊にバイポーラプレートと物質結合的に接続されている。この場合、物質結合的接続は、接着、殊に半田付け、特に溶接、または焼結されていてもよい。
【００１７】
本発明の他の利点、特徴、および詳細は、図面を参照しながら本発明の実施例が詳しく説明される以下の記載から明らかになる。その際、請求項および明細書に言及される特徴は、それぞれ単独、または任意の組み合わせで本発明に不可欠であり得る。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１実施例によるガス分配プレートの断面の模式図である。
【図２】バイポーラプレートに配置された図１による本発明のガス分配プレートの図である。
【図３】本発明の第２実施例によるガス分配プレートの断面の模式図である。
【図４ａ】本発明の実施例によるガス分配プレートの成形構造の上面とＡ−ＡおよびＢ−Ｂ切断線に沿う断面の模式図である。
【図４ｂ】本発明の実施例によるガス分配プレートの成形構造の上面とＡ−ＡおよびＢ−Ｂ切断線に沿う断面の模式図である。
【図４ｃ】本発明の実施例によるガス分配プレートの成形構造の上面とＡ−ＡおよびＢ−Ｂ切断線に沿う断面の模式図である。
【図５ａ】本発明の成形された成形構造の断面の模式図である。
【図５ｂ】本発明の成形された成形構造の断面の模式図である。
【図５ｃ】本発明の成形された成形構造の断面の模式図である。
【図５ｄ】本発明の成形された成形構造の断面の模式図である。
【図６ａ】成形構造内に成形凹部が配置されている、本発明の成形された成形構造の断面の模式図である。
【図６ｂ】成形構造内に成形凹部が配置されている、本発明の成形された成形構造の断面の模式図である。
【図７ａ】本発明のガス分配構造の部分領域の上面の模式図である。
【図７ｂ】本発明のガス分配構造の部分領域の上面の模式図である。
【図７ｃ】本発明のガス分配構造の部分領域の上面の模式図である。
【図７ｄ】本発明のガス分配構造の部分領域の上面の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図において、同じ技術的特徴には同じ参照符号が使用される。
【００２０】
図１は、本発明の第１実施例によるガス分配プレート２の断面の模式図を示す。ガス分配プレート２は、成形されない領域に沿って配置された上面４ａと成形された領域に沿って配置された下面４ｂとを具備する。ガス分配プレート２は、下面４ｂを介して膜電極ユニット６のガス拡散層に直接配置されており、このガス拡散層と導電接続されている。ガス分配プレート２は、複数の個々の成形構造１０から形成されている成形構造として形成されたガス分配構造を具備する。
【００２１】
図２は、バイポーラプレート８に配置された図１による本発明のガス分配プレート２の図である。２つのプレート２、８は、固定的に、殊に力結合的に、特に物質結合的に互いに接続されており、バイポーラプレート８は、成形されない上面４ａを介して直接ガス分配プレート２と接続されている。図２によるガス分配プレート２は、個々の成形構造１０がガス分配プレート２に沿って実質的に一定の成形深さ１４と一定の分配とを有する均一な直方体状のガス分配構造を有する。その際、個々の成形構造１０は、それぞれの成形構造の内径を示す、かつ成形構造１０の１／２成形深さに沿って量定される成形幅１２を有している。特に、成形深さ１４に沿って主成形方向１４‘に様々な横断面を有する成形構造１０の場合にこの定義を守らなければならない。その間に、成形構造１０の成形深さ１４は、ガス分配プレート２の成形されない上面４ａの上側と、成形された下面の下側、特に対応する成形構造１０の最も遠くに成形された点の下側との間の、主成形方向に沿って上面４ａに対して垂直に延びる距離として量定される。ガス分配構造は、成形構造１２の成形深さ１０と幅の他に、直接横並びに配置された成形構造間の距離１６によって特徴付けられ、この距離は、同様に、対応する成形構造１０の１／２成形深さに量定される。個々の成形構造１０の距離から、最終的にガス分配流路２４が決定され、ガスもしくは流体は、ガス分配プレート２と膜電極ユニット６との間でこのガス分配流路に沿って通過する。
【００２２】
図３は、本発明の第２実施例によるガス分配プレート２の断面の模式図を示す。図１および図２に示されたガス分配プレート２とは異なり、これは第１端子部分２ａと第２コンタクト部分２ｂとから構成される２部分で形成されたガス分配プレート２である。このように形成されたガス分配プレート２は、燃料電池もしくは電解槽への特に簡単かつ安価な組み込みを約束する。図３からわかるように、端子部分として形成された第１部分２ａは、成形深さ１４の決定時には考慮されない。この場合、コンタクト部分２ｂは、成形構造として形成されたガス分配構造を備え、膜電極ユニット６との電気的接触を形成する。図３によるガス分配構造も、個々の成形構造１０の成形深さ１４および成形幅１２、ならびに成形構造間の距離１６に関して均一なガス分配構造として形成されている。もっともここでは個々の成形構造１０が直方体状ではなく円錐台状に成形されており、円錐外周面と円錐底面との間の角度は迎角αによって定義される。一般に、本発明の範囲内で、成形構造１０の上面を通って延びる平面と、成形構造の側方に配置された内面との間の角度が迎角αと解される。ここでは流れを面接触下で的確に導くことができることにより、鋭角の迎角αが特に流入側の領域においてより良好な流れ案内を可能にする。
【００２３】
図４ａ〜図４ｃは、本発明の３つの異なった実施例によるガス分配プレート２の成形構造１０の、それぞれ流れ方向に沿って上面（左）、Ａ−Ａ切断線に沿う断面（中央）、およびＢ−Ｂ切断線に沿う断面（右）の模式図である。図４ａは成形構造１０を示し、成形構造１０には流れ案内の向上のために流入側にわずかに傾斜が付けられている。傾斜２６によって、流れを面接触下で的確に導くことができ、それにより生成水の集積を効果的に防ぐことができる。図４ｂは、流れ案内の向上のためにウェブ状もしくはフィン状の流れ誘導装置２０が配置され、この流れ誘導装置を用いて同様に流れを面接触下で効率的に導くことができるガス分配プレート２の成形構造１０を示す。その際、流れ誘導装置２０は、ガス分配プレート２の（成形された）一部分であるが、別個の部分として形成されていてもよい。さらに図４ｃは、流入側に配置された傾斜２６の他に、流れ案内の向上のためにウェブ状もしくはフィン状の流れ誘導装置２０が配置されているガス分配プレート２の成形構造１０を示す。
【００２４】
図５ａ〜図５ｄは、本発明の様々に成形された成形構造１０の断面の模式図を示す。成形構造１０の外形により、ガス分配構造に沿うガス分配および流れ案内に的確に影響を及ぼすことが可能である。
【００２５】
この場合、図５ａおよび図５ｄは、横断面においてかなり丸くしたＶ字もしくはＵ字形状を示し、これに対して図５ｂおよび図５ｃは、横断面においてかなり角ばったＶ字もしくはＵ字形状を示す。この場合、本発明によるガス分配プレート２は、同一形状の成形構造１０を備える均一なガス分配構造と、異なった形状の成形構造１０を備える非均一なガス分配構造とを有していてもよい。
【００２６】
図６ａおよび図６ｂは、成形構造１０内に成形凹部１４‘が配置された、異なる態様で成形された本発明の成形構造１０の断面の模式図を示す。この場合、図６ａは、成形構造１０内に配置された１つの成形凹部１４‘‘を示し、これに対して図６ｂは、成形構造１０内に配置された２つの成形凹部１４‘‘を示し、ガス分配プレート２のこの成形凹部に沿ってガスもしくは流体を導いて通過させることができる。
【００２７】
さらには、図７ａ〜図７ｄは、本発明の異なったガス分配構造の部分領域の上面の模式図を示す。この場合、図７ａ〜図７ｄによるガス分配構造は、第１成形領域１０‘‘と第２成形領域１０‘とを有する成形構造１０を具備し、特に成形構造１０の下面４ｂに配置された第１領域１０‘‘がテーパに形成されている。これによって流路２４の流路幅１６を、特にガス分配プレート２と膜電極ユニット６との境界面の領域において拡大することが可能である。この場合、図７ａおよび図７ｃは、ずらした形で配置され互いに平行に延びる列の直方体状の成形構造１０を有する。図７は図７ａと同一の配列を示すが、直方体状の成形構造１０が丸くされている。図７ｄにおいて、成形構造１０は同様に直方体状に形成されているが、図７ａ〜図７ｃによる実施形態とは異なり、横方向と縦方向に交互に配置した列である。
【符号の説明】
【００２８】
２  ガス分配プレート
２ａ  端子部分
２ｂ  コンタクト部分
４ａ  上面
４ｂ  下面
６  膜電極ユニット
８  バイポーラプレート
１０  成形構造
１０‘  第２成形領域
１０‘‘  第１成形領域
１４  成形深さ
１４‘  主成形方向、成形凹部
１４‘‘  成形凹部
１６  成形構造間の距離、流路幅
２０  流れ誘導装置
２４  流路
２６  傾斜
α  迎角
【図１】
2021500710.tif 000003
【図２】
2021500710.tif 000004
【図３】
2021500710.tif 000005
【図４ａ】
2021500710.tif 000006
【図４ｂ】
2021500710.tif 000007
【図４ｃ】
2021500710.tif 000008
【図５ａ】
2021500710.tif 000009
【図５ｂ】
2021500710.tif 000010
【図５ｃ】
2021500710.tif 000011
【図５ｄ】
2021500710.tif 000012
【図６ａ】
2021500710.tif 000013
【図６ｂ】
2021500710.tif 000014
【図７ａ】
2021500710.tif 000015
【図７ｂ】
2021500710.tif 000016
【図７ｃ】
2021500710.tif 000017
【図７ｄ】
2021500710.tif 000018
【手続補正書】
【提出日】令和2年4月22日(2020.4.22)
【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】
ガス分配プレート（２）の接触面に配置されたガス分配および流れ案内構造を備える少なくとも電解槽または燃料電池におけるガス分配および流れ案内のためのガス分配プレート（２）において、
前記ガス分配および流れ案内構造は、成形構造（１０）として形成されていることを特徴とする、ガス分配プレート。
【請求項２】
前記ガス分配プレート（２）は、少なくとも１５０μｍ未満の素材厚さを有し、前記ガス分配プレート（２）は、実質的に一定の成形深さ（１４）を有する一様な成形構造（１０）を具備し、前記成形構造（１０）は、１ｍｍ未満の最大成形深さを有することを特徴とする、請求項１に記載のガス分配プレート（２）。
【請求項３】
前記ガス分配プレート（２）は、１００μｍ未満の素材厚さを有し、前記ガス分配プレート（２）は、実質的に一定の成形深さ（１４）を有する一様な成形構造（１０）を具備し、前記成形構造（１０）は、７００μｍ未満の最大成形深さを有することを特徴とする、請求項１に記載のガス分配プレート（２）。
【請求項４】
前記ガス分配プレート（２）は、７５μｍ未満の素材厚さを有し、前記ガス分配プレート（２）は、実質的に一定の成形深さ（１４）を有する一様な成形構造（１０）を具備し、前記成形構造（１０）は、３５０μｍ未満の最大成形深さを有することを特徴とする、請求項１に記載のガス分配プレート（２）。
【請求項５】
前記ガス分配プレート（２）は、少なくとも部分的に金属材料から形成されていることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載のガス分配プレート（２）。
【請求項６】
前記ガス分配プレート（２）は、少なくとも部分的に鉄含有材料から形成されていることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載のガス分配プレート（２）。
【請求項７】
前記ガス分配プレート（２）は、少なくとも部分的にチタン材料から形成されていることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載のガス分配プレート（２）。
【請求項８】
前記ガス分配プレート（２）は、流入側に配置された前記成形構造（１０）のエッジが傾斜２６を有する一様でない成形構造（１０）を有することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載のガス分配プレート（２）。
【請求項９】
前記ガス分配プレート（２）の前記成形構造は、ウェブ状またはフィン状の流れ誘導装置（２０）を備えることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載のガス分配プレート（２）。
【請求項１０】
前記ガス分配プレート（２）の前記成形構造（１０）は、前記成形構造（１０）に沿ってガス分配流路（２４）が形成されるように形成されており、前記ガス分配流路（２４）および／または前記個々の成形構造（１０）の幅が１ｍｍ未満であり、前記個々の成形構造（１０）および／または前記ガス分配流路（２４）は、実質的に互いに平行におよび／または垂直に配置された列状に配置されていることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載のガス分配プレート（２）。
【請求項１１】
前記ガス分配プレート（２）の前記成形構造（１０）は、前記成形構造（１０）に沿ってガス分配流路（２４）が形成されるように形成されており、前記ガス分配流路（２４）および／または前記個々の成形構造（１０）の幅が５００μｍ未満であり、前記個々の成形構造（１０）および／または前記ガス分配流路（２４）は、実質的に互いに平行におよび／または垂直に配置された列状に配置されていることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載のガス分配プレート（２）。
【請求項１２】
前記成形構造（１０）は、少なくとも部分的に直方体状に、および／または立方体状に、および／または角錐状に、および／または円錐状に、および／または円柱状に成形されていることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載のガス分配プレート（２）。
【請求項１３】
前記個々の成形構造（１０）は、互いにずらして、および／または交互に方向を変えて、および／または実質的に互いに無秩序に配置されていることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか１項に記載のガス分配プレート（２）。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか１項に記載のガス分配プレート（２）の製造方法において、前記ガス分配プレート（２）の接触面に配置された前記ガス分配および流れ案内構造が成形法で製造されることを特徴とする、方法。
【請求項１５】
バイポーラプレート（８）と膜電極ユニット（６）と請求項１〜１３のいずれか１項に記載のガス分配プレート（２）とを備える燃料電池において、前記ガス分配プレート（２）が前記バイポーラプレート（８）と前記膜電極ユニット（６）との間に配置され、かつ前記バイポーラプレート（８）および前記膜電極ユニット（６）と導電接続されており、前記ガス分配プレート（２）は、前記バイポーラプレート（８）と物質結合的に接続されていることを特徴とする、燃料電池。
【国際調査報告】
2021500710.tif 000019
2021500710.tif 000020
2021500710.tif 000021
2021500710.tif 000022
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