(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水から水素を生成するための電解セルにおいて、陽極集電体として使用されるフロープレートであって、前記フロープレートは、
凸部と互い違いに並ぶ凹部により画定される開放チャネルのフローフィールドパターンが正面に設けられたチャネルプレートと、
ステンレス鋼、チタン、またはチタン合金により作られているカバープレートと、
を備え、
前記カバープレートは、前記チャネルプレートの上に平行に配置され、その前記正面に電気的に接続し、
前記カバープレートは、閉鎖部と互い違いに並ぶ貫通開口部のパターンが設けられ、
前記貫通開口部のパターンは、前記凹部と一直線に並べられ、
前記閉鎖部は、前記チャネルプレートの少なくとも前記凸部を覆うフロープレート。
【請求項２】
前記チャネルプレートの前記フローフィールドパターンは、櫛型の給水チャネルおよび排水チャネルのシステムであって、
前記給水チャネルのそれぞれは、少なくとも１つの給水口に、少なくとも１つの給水多岐管を介して接続された上流端を有し、また、前記チャネルプレートで終端する下流端を有し、
前記排水チャネルのそれぞれは、前記チャネルプレートで終端する上流端を有し、また、少なくとも１つの排水口に、少なくとも１つの排水多岐管を介して接続された下流端を有し、
前記カバープレートの前記貫通開口部は、前記給水チャネルおよび排水チャネルの櫛型パターンに対応する、給水および排水開口部の櫛型パターンとして配置される、
請求項１に記載のフロープレート。
【請求項３】
前記カバープレートの前記貫通開口部の幅は、前記チャネルプレートの下層のチャネルの幅より少ない、
請求項１又は２に記載のフロープレート。
【請求項４】
前記カバープレートの前記貫通開口部の幅は、０．５ｍｍ未満である、
請求項１から３のいずれか１項に記載のフロープレート。
【請求項５】
前記カバープレートの前記貫通開口部の幅は、０．１ｍｍから０．５ｍｍの間である、
請求項４に記載のフロープレート。
【請求項６】
前記カバープレートは、少なくとも０.２ｍｍの厚さを有する、
請求項１から５のいずれか１項に記載のフロープレート。
【請求項７】
前記カバープレートは、０.２ｍｍから３ｍｍの間の厚さを有する、
請求項６に記載のフロープレート。
【請求項８】
前記カバープレートは、０．３ｍｍから２．０ｍｍの間の厚さを有する、
請求項６又は７に記載のフロープレート。
【請求項９】
前記カバープレートは、０．５ｍｍから１．０ｍｍの厚さを有する、
請求項６から８のいずれか１項に記載のフロープレート。
【請求項１０】
前記正面の前記開放チャネルは、０．３ｍｍから１ｍｍの間の深さを有する、
請求項１から９のいずれか１項に記載のフロープレート。
【請求項１１】
前記開放チャネルは、上面において、０．３ｍｍから３ｍｍの間の幅を有する、
請求項１から１０のいずれか１項に記載のフロープレート。
【請求項１２】
前記フロープレートは、積層セル電解槽で使用される双極セパレータプレートであって、
前記カバープレートおよび前記チャネルプレートの前記正面は、前記陽極集電体であって、前記チャネルプレートの背面は、陰極集電体である、
請求項１から１１のいずれか１項に記載のフロープレート。
【請求項１３】
前記チャネルプレートの前記背面には、凸部と互い違いに並ぶ凹部により画定される開放チャネルのフローフィールドパターンが設けられる、
請求項１２に記載のフロープレート。
【請求項１４】
少なくとも１つの前記給水多岐管および少なくとも１つの前記排水多岐管が、前記チャネルプレートの周縁部の対向する位置に配置され、
前記チャネルプレートの前記正面上の前記フローフィールドパターンにおける隣接する前記給水チャネルおよび排水チャネルの横方向の距離は、前記チャネルプレートの周縁部と比べて、中心部分において小さい、
請求項２に記載のフロープレート。
【請求項１５】
前記フロープレートは、垂直方向に見て、概ね円形である、
請求項１から１４のいずれか１項に記載のフロープレート。
【請求項１６】
前記チャネルプレートは、炭素／グラファイト化合物により作られている、
請求項１から１５のいずれか１項に記載のフロープレート。
【請求項１７】
電気分解によって水から水素を生成するための電解セルであって、前記電解セルは、
陽極および陰極の間に挟まれた高分子電解質膜（ＰＥＭ）を有する平面の膜電極接合体（ＭＥＡ）と、
前記陽極側に、前記陽極と接触する陽極側流体分配媒体および前記陽極側流体分配媒体と接触する陽極集電体と、
前記陰極側に、前記陰極と接触する陰極側流体分配媒体および前記陰極側流体分配媒体と接触する陰極集電体と、
を備え、
前記陽極集電体は、請求項１から１６のいずれか１項に記載のフロープレートである電解セル。
【請求項１８】
前記陽極集電体および前記陰極集電体が、請求項１２に記載の各双極セパレータプレート上に設けられている、
請求項１７に記載の電解セル。
【請求項１９】
前記陽極と前記チャネルプレートの前記開放チャネルの底面との間の距離ｒは１ｍｍを上回る大きさである、
請求項１７又は１８に記載の電解セル。
【請求項２０】
電気分解によって水から水素を生成するための積層セル電解槽であって、
前記電解槽は、請求項１８又は１９に記載の電解セルの積層体として形成されている積層セル電解槽。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解セルにおいて陽極集電体として使用されるフロープレートの一態様に関する。さらなる態様において、本発明は、電解セルに関する。またさらなる態様において、本発明は、積層セル電解槽において双極集電体として使用される双極セパレータプレートに関し、またさらなる態様において、本発明は、積層セル電解槽に関する。より具体的には、フロープレート、双極セパレータプレート、電解セルおよび積層セル電解槽は、電気分解によって水から水素を生成するものである。
【背景技術】
【０００２】
水素は、例えば、水素駆動燃料電池といった、持続性があり環境面で適切な代替手段による、炭化水素および炭素ベースの電力の生産の置き換えにおいて重要な元素である。この目的のための水素は、需要がある場合に、電力に変換する水素を生成および貯蔵するために、大気圧または光起電力電源等の様々なエネルギー源を利用して生成されてもよい。これは、代替の再生可能電力源の導入に対する主な反論の一つ、すなわち、その電力は、多くの場合、不適切なタイミングで生成され、日中の電力需要の変動に適合させるには有効ではないというもの、を取り除くものである。そのため、水素ベースのエネルギーの生産および貯蔵を容易にするための技術の開発に大きな努力がなされてきた。
【０００３】
この水素ベースエネルギー構想の重要な要素は、水素が保有する化学エネルギーを電気エネルギーに変換できる電気化学装置（水素燃料電池）、またその逆に、電気分解によって水から水素を生成することで、電気エネルギーを貯蔵用の化学エネルギーに変換できる電気化学装置（水電解装置）である。
【０００４】
固体電解質燃料電池は、商業的に実現可能な設計および製造方法を提供することにおいて、長年にわたって著しく成熟してきた。開発の一面は、陽極／陰極集電体として、また陰極側および陽極側両方の流体の流れを処理するフロープレートとして機能する、改善された双極セパレータプレートを有する燃料電池スタックの設計に向けられてきた。このような双極フロープレートは、例えば炭素／グラファイトを主材料とする圧縮成形可能化合物から、商業的に実現可能なコストで製造されてもよい。例えば、欧州特許第１７２６０６０号は、固体高分子電解質燃料電池スタックで使用する二重機能双極セパレータプレートを開示している。双極セパレータプレートは、正面に陽極フローフィールドを有し、背面に陰極フローフィールドを有する。双極セパレータプレートは、電解変換プロセスを維持し、反応生成物を排出するために、反応物および熱を反応性表面へ、また反応性表面から運ぶことを容易にすることができる。本明細書にてさらに説明されるとおり、固体電解質技術においては、燃料電池の分離素子は、一般的に、導電炭素複合成物から作られる。
【０００５】
しかしながら、上記のとおり、水素ベースのエネルギー生産および貯蔵の構想は、貯蔵用の水素を生成することで、電気エネルギーを化学エネルギーに変換するのに適した電解槽も必要とする。水素は、例えば、後に水素燃料電池の燃料として使用されるために、高圧のガス貯蔵器で貯蔵される。電解槽システムは、そのため、電解槽によって生成された水素を圧縮する手段を備える。最も好ましい構成では、いわゆる高圧電解槽を、高圧で水素を直接生成するように適合させ、よって、外部圧縮装置を必要とせずに水素を電解槽吐き出し口から貯蔵容器へ直接移すことを可能にする。そのため、エネルギー変換システム全体の効率が改善される。
【０００６】
成熟してきた技術により、燃料電池スタックの製造コストを低減させることに成功してきた一方で、同じ技術をそのまま固体高分子電解質を有する電解装置に適用することはできない。それどころか、電気分解によって水から水素を生成する電解装置への新たな注目は、このような電解装置で使用される物質の様々な課題を明らかにしてきた。例えば、水電解槽の陽極側の環境は、酸素が溶け込んだ水を有しており、電位が印加されたセルの作動状態においては、大部分の物質にとって腐食性が高いものとなっている。特に、一般に固体高分子形燃料電池に使用される上記の炭素／グラファイトを主材料とするフロープレートは、この高い腐食性を有する陽極流体環境には全く適さない。現存の燃料スタック設計は、そのため、通常、水電解を行なうために、単にリバースモードで運転することはできない。１つの方法として、炭素／グラファイトを主材料とする物質を、チタン等の耐食材と置換する方法がある。しかし、この解決法は非常に高価であり、専門性の高いニッチな用途を越えて、大きな規模で商業化することはできない。さらに、チタンを非常に複雑な３次元構造のフロープレートに成形することは、費用がかかり、時間を要する作業である。これは、コストを増加させ、商業的に実現可能な装置の製造のために必要となる、コストの低減に直接反することになる。
【０００７】
米国特許第４２１４９６９号明細書は、積層セル水電解槽の双極セパレータプレートを開示している。双極セパレータプレートは、炭素／グラファイト化合物で作られており、セパレータプレートの両側に流体／気体の分布および収集のための開放チャネルを有している。双極セパレータプレートの陽極側の表面は、保護金属箔によって封止される。箔は、突起部、チャネルの側壁およびチャネル底面を含む表面形状に接着、そうでなければ密着されている。電解セルを通る水の適切な流れは、流体チャネルの一定の断面積を必要とするかもしれない。これは、チャネルを広くすることによって実現可能である。しかし、このタイプの広いチャネルは、特に、陽極側の圧力と比較して、高められた陰極側の圧力下で、ＭＥＡに十分な機械的サポートを提供しない。また、厚さ約２５μｍの薄い金属箔を、深く狭いチャネル形状を有するフローフィールドパターンに、箔を穿刺することなく密着させることは、面倒な、したがって、コストのかかる作業となりえる。さらに、開示されたフローフィールドは、ＭＥＡの表面上への水の供給の十分な分布を提供せず、結果として、電解セルの効率および寿命に影響するホットスポットおよび／またはドライスポットを生じさせる。
【０００８】
そのため、電気分解によって水から水素を生成する、好ましくは高圧で作動されるように適合され、長期間にわたって確実に作動させることができる、商業的に実現可能なコストで製造可能な、改善された電解装置が必要となる。
【０００９】
本発明の目的は、既知のフロープレートの上記の欠点を克服することであり、または少なくとも代替手段を提供することである。
【００１０】
この目的は、独立請求項１によるフロープレートによって実現され、好ましい実施形態は、以下に説明されるとおり、従属請求項により説明される。
【００１１】
本願を通して、「横方向」という用語は、ここではフロープレートとされる、平面要素の主面に平行な方向を指し、「垂直」という用語は、ここではフロープレートとされる、の平面要素の面に直交する方向を指す。「流体」という用語は、気体および液体の両方、またはそれらの混合物を指す。頭字語のＰＥＭは、高分子電解質膜（Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ）の略であり、頭字語のＭＥＡは、膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）の略である。
【発明の概要】
【００１２】
本発明の一の態様によると、フロープレートは、水から水素を生成する電解セルにおける陽極集電体として使用される。フロープレートは、凸部と互い違いに並ぶ凹部により画定される開放チャネルのフローフィールドパターンが正面に設けられたチャネルプレートと、水電解の陽極環境において耐食性のある物質で作られたカバープレートと、を備え、前記カバープレートは、前記チャネルプレートの上面に平行に配置され、その前記正面に電気的に接続し、前記カバープレートは、閉鎖部と互い違いに並ぶ貫通開口部のパターンが設けられ、前記貫通開口部のパターンは、前記凹部と一直線に並べられ、前記閉鎖部は、前記チャネルプレートの少なくとも前記凸部を覆う。
【００１３】
２つの部品、すなわち流体流れを運ぶチャネルプレート、および陽極において化学的に腐食性が強い環境に対処するカバープレートを備える合成アセンブリとしてフロープレートを提供することで、フロープレートに十分な腐食保護を提供すると同時に、安価で信頼性の高い工業的規模のフロープレートの生産が実現される。
【００１４】
チャネルプレートは、安価な物質から作られる大きな部品であり、良好に制御された安価な方法で、チャネルを３次元表面として形成することができる。チャネルプレートの凸部は、共通平面にあり、チャネルプレートの上部平面を画定する。凹部は、チャネル底部および隣接する凸部にまで到達する側壁を形成する。チャネルは、上面が開口している。それにより、面が開放されたチャネルが画定される。フローフィールドパターンを形成するチャネルは、各多岐管を経由して、給水口および排水口に接続される。カバープレートは、腐食環境からチャネルプレート物質を保護するように適合される。したがって、チャネルプレートの材料の選択については、制限が少なく、開放チャネルのフローフィールドパターンを提供するため、カバープレートに用いられる材料よりも容易に成形される安価な物質を使用することができる。このようなチャネルプレート材料の例として、例えば、圧縮成形といった、工業的規模で比較的低コストに、高い精度で成形することができる、塑造可能な炭素／グラファイト化合物がある。このような材料は、日常的に、米国特許７６１５３０８に開示されるようなＰＥＭ燃料電池の双極セパレータプレートに使用されているが、ＰＥＭを主材料にした水電解槽における陽極環境に直接露出した場合には、十分な耐食性がないと知られている。さらなる例として、チャネルプレートは、導電性炭素複合材料および、例えば、データシートＢＭＣ９４０−１３９０５またはＢＭＣ９４０−１４８６８に記載された圧縮成形グレードのビニルエステル双極プレート物質といった、商業的に入手可能であり、１６００  ポウィスコート  ウエストシカゴ  イリノイ州  ６０１８５にあるＢｕｌｋ  Ｍｏｌｄｉｎｇ  Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ社から入手される組成物から作ることができる。このような材料は、従来の圧縮成形法によるチャネルプレートの製造に適している。
【００１５】
電解セルの横方向の外辺部内において、カバープレートの閉鎖部は凸部に接しており、少なくとも第１チャネルプレートの凸部を覆う。したがって、カバープレートを貫通する開口部が、チャネルプレートの正面の、下層にあるチャネルと横方向に一直線にされる。電解セルにおける集電体としての合成フロープレートの使用は、チャネルプレートおよびカバープレートが、導電性材料で作られており、相互に良好に電気的接触していることを意味している。
【００１６】
カバープレートは、水電解槽の陽極側の高い腐食性の環境に耐えるように適合された比較的薄いシート材料であってもよい。このような材料の例として、ＡＩＳＩ３１６ステンレス鋼、チタン  グレード２、チタン合金  グレード７および７Ｈ、または同様の耐食性金属がある。シートは、１ｍｍ未満、例えば約０．７ｍｍまたは約０．５ｍｍの厚さを有することができる。シートの厚さは、一方では、可能な限り厚さを薄くすることにより、材料コスト、重量および体積を減らすことへの関心により決定され、他方では、機械的安定性の要件が厚さの下限を決定してもよい。薄いシート材料における貫通開口部は、比較的低コストで、工業的規模で高い精度の、例えば、レーザー切断または超高圧水流切断によって設けられてもよい。カバープレートは、単に貫通開口部が設けられた薄いシート材料であるため、このような材料の大きな部分におけるチャネルの深く高精度な３次元成形と比較して、材料コストおよびパターン成形工程の製造コストの両方が著しく低減される。
【００１７】
合成フロープレートが電解セルで使用される場合、チャネルプレートに面していないカバープレートの正面側は、流体分配媒体、一般的には、チタンフェルト等の、多孔質で導電性のある耐食性媒体を介してＭＥＡの陽極側に接触する。給水口を介して電解セルに入る水は、フローフィールドによって、ＭＥＡの陽極側表面の上に分配され、こうして、反応剤（ここでは水）で電解処理を提供し、処理に冷却力を提供する。反応生成物および余剰な反応物、すなわち酸素および余剰水は、排水口を通ってフローフィールドを介し、電解セルから除去される。潤沢な水の供給については主に二つの目的、すなわち、電気分解反応処理への水の十分な供給を確保すること、また余剰水で過剰な熱を運び去ることによって電解セルを冷却することがある。過剰な熱は、例えば、電気エネルギーの抵抗性の損失による、電解セルを通過した電流から発生することがある。流出液はまた、陽極側の反応生成物、すなわち、ＭＥＡの陽極での電解処理により発生した酸素を伴出する。
【００１８】
本発明の価値の１つは、耐食性物質の比較的薄いシートでチャネルプレートの凸部を覆うことにより、またチャネルの内部表面、すなわち陽極流体に露出する側壁およびチャネル底面を、チャネルプレートの腐食を抑制する最小距離だけ陽極から分離することにより、チャネルプレートの腐食の進行を効果的に抑制することができることに気付いた点である。本発明に係るフロープレートを含む所定の電解セルの設計について、チャネル断面および／または、カバープレート断面の形状は、こうして、チャネルプレート部材の腐食の進行の十分な抑制を実現するよう適合されてもよい。例えば、電解セル内のカバープレートおよび流体分配媒体の所定の厚さについては、チャネルプレートの正面のチャネルに十分な深さを選択することによって、これが実現されてもよい。チャネルおよび流体分配媒体の所定の厚さについては、カバープレートの十分な厚さを選択することによって、これが同様に実現されてもよい。さらに、チャネル側壁の腐食の進行を避けるため、上面のチャネルが、カバープレートにおける対応する開口部より広くなるよう、カバープレートにおける開口部のへりに対してチャネル側壁をくぼませることによって、これが実現されることが好ましい。
【００１９】
また、一実施形態によれば、チャネルプレートのフローフィールドパターンは、櫛型状の給水および排水チャネルのシステムであり、給水チャネルのそれぞれは、少なくとも１つの給水多岐管を介して少なくとも１つの給水口に接続される上流端を有し、またチャネルプレートで終端する下流端を有し、排水チャネルのそれぞれは、チャネルプレートで終端する上流端を有し、少なくとも１つの排水多岐管を介して少なくとも１つの排水口に接続される下流端を有し、カバープレートにおける開口部は、給水および排水チャネルの櫛型パターンに対応する給水および排水開口部の櫛型パターンとして配置される。
【００２０】
櫛型フローフィールドパターンは、ＭＥＡの活性電解ゾーンの面に沿った反応流体の安定した流れ分配を促進する。これにより、作動中のＭＥＡの冷却およびＰＥＭの加湿のための反応流体および余剰流体の供給が改善される。したがって、ＭＥＡの領域にわたる電解処理の作動状態の均一性が改善され、結果として、電解槽の効率化および寿命時間が改善されることになる。
【００２１】
給水および排水チャネルの櫛型パターンを形成するように、給水チャネルのそれぞれに沿って、排水チャネルが配置される。給水および排水両方のチャネルがチャネルプレートで終端するので、給水チャネルは、凸部を越えてのみ排水チャネルと通じることができる。チャネルプレートの正面は、カバープレートによって保護される。カバープレートには、チャネルプレートの給水および排水チャネルの櫛型パターンに対応する給水および排水開口部の櫛型パターンが設けられる。閉鎖部において凸部がカバープレートの材料で覆われているのに対し、カバープレートの開口部は、チャネルプレートの給水および排水チャネルを画定する凹部と一直線にされる。カバープレートにおける開口部は、各給水および排水チャネルの実質的な全長に沿って、下層のチャネルと流体分配媒体との間で分散して流体連通させるように適合される。閉鎖部の長いセクションによって互いに離間され、下層のチャネルの長さにわたり分布している、少数の隔離された穴は、穴の間および周囲の流れを停滞させる傾向があり、したがって、通常、本目的には適さない。下層のチャネルを横切るサポートブリッジに代わる穴により形成される、このような開口部の「破線」設計において、開口部は、チャネルの長さに沿って見られるブリッジを占有するようでなくてはならない。好ましくは、チャネルの長さに沿った方向に見られる、いずれのこのようなブリッジの寸法もチャネル幅を超えない。
【００２２】
電解セルにて使用される場合、チャネルプレートに面していないカバープレートの正面は、電解セルの陽極側の流体分配媒体に接触する。流体分配媒体は、フロープレートおよびＭＥＡによって挟まれている。給水口を介してフロープレートに供給される流体は、上流端で給水多岐管を介して給水チャネルに入る。流体は、チャネルプレート内の給水チャネルを介して、フロープレート上を横方向に流れる。流体は、カバープレートにおける、対応する給水開口部を通して流体分配媒体に垂直方向に注入される。注入は、給水チャネルの長さに沿って分散して行われる。流体は、陽極、触媒、電解処理を受ける電解質に接触するため、多孔質流体分配媒体を通って、横方向のシートの流れを移動する。反応生成物を伴出する余剰流体が、排出多岐管および排水口を介して排出される、下層の排水チャネルに入るため、垂直方向の流体分配媒体から、カバープレートにおける給水開口部の両側の隣接する１つ以上の排水開口部を通して、反応生成物および余剰流体が収集される。櫛型フローフィールドは、このように、隣接するシートの流れが反対方向となっている、ＭＥＡの表面に沿った、強制的なシートのフローパターン（流れパターン）を生成する。これにより、電解用のアクティブゾーンへの潤沢な反応物の供給および改善された分布が、陽極側の反応生成物および余剰熱の十分な除去により実施される。
【００２３】
本発明のフロープレートは、適切な櫛型フローパターンを生じさせるのに、特によく適している。チャネルプレートのチャネルの幅（および深さ）は、想定される給水および排水流量の粗い要件にのみ適合させることができる。それに加え、下層の給水および排水チャネルの幅および／または深さとは無関係に、カバープレートの給水および排水開口部の幅を適合させることが可能である。これにより、ＭＥＡの表面に沿った、制御されたシートの流れでの局所的で細かな分布を最適化するために、フロープレートの設計を容易に適合させることが可能である。フロープレートの設計を変更することにより、給水チャネルから多孔質流体分配媒体への反応流体の注入、および多孔質媒体から排水チャネルへの流体および伴出の反応生成物の連続した収集の両方を調整することができる。
【００２４】
さらに、フロープレートの一実施形態によれば、カバープレートの開口部の幅は、チャネルプレートの下層のチャネルの幅よりも小さい。本出願においては、チャネルの幅とは、チャネルの横方向、すなわち、チャネルの方向に対して直角に交わる横方向の寸法を指す。したがって、カバープレートにおける、対応する開口部の幅とは、チャネルを横切るカバープレートの隙間の横方向の寸法を指す。下層のチャネルよりも狭い開口部を設けることにより、チャネル壁におけるチャネルの側壁は、カバープレートの開口部に対してくぼんでいる。このようなチャネル／開口部の形状の上記の利点に加えて、より高い流体のスループットを維持するように適合され、チャネルの流動抵抗を減少させる、広いチャネル外郭が得られるという利点を有する。それによって作動中の、チャネルに沿った圧力の降下が低減され、結果として、ＭＥＡの表面上の流体分布の改善された均一性がもたらされる。同時に、開口部を狭く保つことによって、ＭＥＡの良好な機械的サポートが維持される。これは、ＭＥＡをチャネルにたるませることなく、陰極側の圧力が陽極側の圧力を超える、異なる圧力での電解セルの作動を可能にする。これは、陽極側を１０バール未満、通常は約５バールの圧力で維持しつつ、１０バールを超える、好ましくは５０バールを超える、あるいは１００バールを超える圧力の陰極側で、直接、水素を生成するように構成された高圧水電解槽に特に適切である。
【００２５】
さらに、フロープレートの一実施形態によれば、カバープレートの開口部の幅は、０．５ｍｍ未満、または０．１ｍｍから０．５ｍｍの間、または約０．３ｍｍである。ＭＥＡおよび中間流体分配媒体への良好な機械的サポートを提供するために、特に、電解セルを陰極側および陽極側間のＭＥＡにわたって上記の大きな圧力差で作動する際に、０．５ｍｍ未満、好ましくは、約０．３ｍｍの開口幅が、電解セルに適合されている。
【００２６】
さらに、フロープレートの一実施形態によれば、カバープレートは、少なくとも０.２ｍｍ、または０.２ｍｍから３ｍｍの間、あるいは０．３ｍｍから２ｍｍの間、あるいは０．５ｍｍから１ｍｍの間、または約０．７ｍｍの厚さを有する。フロープレートは、電解セルの一部であり、これらの複数のセルは、通常、後述の垂直スタック構造に組み立てられる。カバープレートの厚さは、一般的には、一方では材料費（より薄い方が良い）、他方では、陽極電位からのチャネルプレート材料の分離、および／または異なる圧力負荷下にあるＭＥＡに十分なサポートを提供するための機械的安定性（より厚い方が良い）とのトレードオフにより選択される。カバープレートの厚みは、ＭＥＡの陽極と流体に露出しているチャネルプレート表面との間の流体接続の最小距離だけ、陽極電位からチャネル内部の表面を分離することにより、チャネルの底部および側壁の腐食の進行を抑制するための十分な厚さが選択されるべきである。さらに、既知の電解セルの設計のため、カバープレートの厚みは、特に、下層チャネルの側壁が開口部に対してくぼんでいる場合、作動中の異なる圧力の下で、関連する流体分配媒体およびＭＥＡの適切な機械的サポートを提供するのに十分なものが選択されなければならない。
【００２７】
さらに、フロープレートの一実施形態によれば、カバープレートはステンレス鋼、チタン、またはチタン合金で作られる。ステンレス鋼は、他の物質よりも安価でありながら、有効な耐食性があるという利点を有する。チタンおよびチタン合金は、ステンレス鋼より高価であるが、ステンレス鋼より高い耐食性がある。このようなカバープレート材料の例は、本発明の一実施形態によるフロープレートを備えるＰＥＭを主材料にした水電解槽の陽極側に腐食環境に耐える、ＡＩＳＩグレード３１６ステンレス鋼およびチタン  グレード２を含む。
【００２８】
さらに、フロープレートの一実施形態によれば、正面のチャネルは、０．３ｍｍから１ｍｍの間、または約０．５ｍｍの深さを有する。チャネルの深さは、チャネルプレートの凸部により画定される上面から凹部により画定されるチャネルの底部までの距離として測定される。
【００２９】
さらに、フロープレートの一実施形態によれば、チャネルは、上面において、０．３ｍｍから３ｍｍの間、好ましくは約１ｍｍの幅を有する。チャネルは、例えば、長方形、台形、Ｕ字形、またはＶ字形の断面形状を有してもよい。少なくともわずかに外側に傾斜した側壁を有する開放チャネル形状は、型が取り外しやすいように改善されたという利点を有する。一般的なチャネルの断面積は、０．１ｍｍ２から１ｍｍ２の間、または、例えば約０．５ｍｍ２の範囲であってもよい。チャネル幅がチャネルの深さを超えるという、均一なアスペクト比が、一般的には好まれる。
【００３０】
さらに好ましい実施形態によれば、フロープレートは、カバープレートおよびチャネルプレートの正面が陽極集電体であり、チャネルプレートの背面が陰極集電体である、積層セル電解槽に使用する双極セパレータプレートである。双極セパレータプレートは、隣接する電解セルの陰極側の流体処理および陽極側流体処理をお互いから分離させつつ、互いに直列に隣接する電解セルを電気的に接続するために、垂直積層電解槽構成にて使用される。双極セパレータプレートのそれぞれは、正面に、上記のようにカバープレートに覆われた、チャネルの陽極側フローフィールドパターンと、背面にチャネルの陰極側フローフィールドパターンを有する。
【００３１】
積み重ねられたセルの陽極側のフローフィールドは、双極セパレータプレートそれぞれの各陽極給水口を介して、反応流体が並列に供給される。陽極反応生成物や余剰熱を運ぶ余剰流体は、各陽極排水口を介して並列に排出される。積み重ねられたセルの陰極側のフローフィールドは、陰極側収集口を介して、陰極側の反応生成物を運ぶ余剰流体を収集する。水電解槽として作動させた場合、反応流体は一般的には、２０μＳ／ｃｍ未満、好ましくは１５μＳ／ｃｍ未満、さらに好ましくは１０μＳ／ｃｍ未満、より好ましくは１から５μＳ／ｃｍの間、または概ね１から３μＳ／ｃｍの間の導電性を有する脱イオン精製水である。陽極側の反応生成物は酸素であり、陰極側の反応生成物は水素である。
【００３２】
双極セパレータプレートは、したがって、上記のように、陽極側のフローフィールドの上に配置されたチャネルプレートおよびカバープレートの両方を備える合成プレートである。双極セパレータプレートの総厚は、チャネルプレートの厚さと陽極側のカバープレートの厚さの和である。チャネルプレートの厚さは、一方ではセル／スタック直列抵抗、セル／スタック重量および体積に関連する基準（より薄い方が良い）と、他方では双極プレートわたって垂直方向に働く異なる圧力に関する機械的安定性（より厚い方が良い）とのトレードオフによるものである。また、チャネルプレートは、陽極および陰極側の両方のフローフィールドに適切なチャネルの深さを提供することを可能にする、最小限の厚さを有していなければならない。チャネルプレートの一般的な厚さの値は、およそ５ｍｍであってもよい。
【００３３】
さらに、双極セパレータプレートの一実施形態によれば、チャネルプレートの背面には、凸部と互い違いに並ぶ凹部により画定される開放チャネルのフローフィールドパターンが設けられる。陰極側のフローフィールドは、ＭＥＡの陰極側から水素および水を収集するためのものである。陰極側には、特に腐食の問題がないので、陰極側のフローフィールドは、さらなる特別な防食対策を必要とせずに、チャネルプレートの裏側に直接形成されてもよい。正面および背面のチャネルは、同じ工程、例えば、上記のように炭素／グラファイトを主材料とする化合物を圧縮成形することによって成形されてもよい。
【００３４】
さらに、フロープレートの一実施形態によれば、少なくとも１つの給水多岐管および少なくとも１つの排水多岐管は、チャネルプレートの周縁部の対向する部分に配置され、チャネルプレートの正面の櫛型フローフィールドにおける、隣接する給水および排水チャネルとの間の距離は、チャネルプレートの周縁部と比べて、中央部分が小さくなっている。それにより、チャネルプレートの正面の櫛型フローフィールドパターンのチャネル密度は、チャネルプレートの周縁部と比べて、中央部分で高くなっている。
【００３５】
上記のとおり、流体分配媒体と流体連通する給水および排水チャネルの櫛型構成では、強制的な流体の移動が、流体分配媒体を通したシートの流れを介して、給水チャネルから排水チャネルに行われる。流体は、給水チャネルの長さに沿って、分散して給水開口部を通して注入される。流体力学的効果により、注入、要するに流体分配媒体を介した流量は、給水チャネルの長さに沿って変化する。例えば、多孔質媒体を介して接続された平行かつ直線のチャネル間の強制的なシートの流れでは、一般的には、流量の最小値が、注入の開始から終了までの途中で、チャネルの長さに沿って観察される。端部に比べて中央部が互いに接近するようチャネル間の距離を変化させるように、給水および／または排水チャネルを湾曲させることによって、この効果は無効にされ、それにより、生成されたシートの流れの均一性が改善される。
【００３６】
本発明のさらに広い態様によれば、櫛型フローフィールドパターンのこの横方向の配置は、例えば、カバープレートの仲介なしに、チャネルプレートが直接、流体分配媒体に接触している燃料電池または電解槽に使用されるフロープレートで、強制的なシートの流れのむらのない分布が望ましい場合に、一般に有益である。
【００３７】
したがって、給水および排水チャネルの櫛型フローフィールドであって、給水および排水チャネルは、多孔質媒体および／または限定されたシートの流れを介して、給水および排水チャネルの長さに沿って分散的に、互いに通じており、隣接する給水および排水チャネルの間の距離は、これらの供給および排水チャネルの長さに沿って変化する。それによって、給水およびフローチャネルの方向に沿った多孔質媒体／シートの流れの、不均一なフロー速度分布につながる流体力学的効果が打ち消されてもよく、また多孔質媒体／シートの流れのフロー速度分布の、改善された均一性が実現される。
【００３８】
多孔質媒体（またはシートの流れ）がフロー抵抗の均一な分布を有する場合、有利に、給水および排水チャネルの間の距離を下記のように変化させることによって、流体力学的効果の相殺が実施される。好ましくは、この実施形態において、給水および排水チャネルの両端部間の中間の距離は最小であり、すなわち、給水および排水チャネル間の距離は、中間から給水チャネルおよび排水チャネルの端部に向けて、給水および排水チャネルに沿って両端部の方向に向かって徐々に大きくなる。
【００３９】
さらに、一実施形態によれば、垂直方向から見て、フロープレートは概ね円形である。円形は、高い圧力で作動される積層セル電解槽でフロープレートを使用する場合における、機械的安定という利点を有する。
【００４０】
円型の形状のフロープレートのさらなる実施形態によれば、有利に、多数の櫛型の給水および排水チャネルが設けられる。周縁の給水および排水チャネルそれぞれは、フロープレートの周縁のどちらか半分に互いに対向するよう配置された各給水および排水多岐管に接続している。多岐管に接続される端部からチャネルをたどると、チャネルが中心に向かって半径方向内側に延びているが、チャネルが半径方向外側を向いて終端するよう反り返らせるために湾曲されていて、円の中心からの距離が離れるにつれ、チャネルは大きく曲げられる。したがって、隣接する給水および排水チャネルは、どちらの端部とも比べ、中間部分で互いに最も近接する。
【００４１】
上記の実施形態のいずれかによるフロープレートを備える電解セルおよび積層セル電解槽が、以下に開示されている。したがって、これらの装置には、上記のフロープレートの異なる実施形態に関連して、同様の利益が実現される。
【００４２】
本発明のさらなる態様によれば、電気分解により水から水素を生成する電解セルが提供される。電解セルは、陽極および陰極に挟まれた高分子電解質膜（ＰＥＭ）を有する平面の膜電極接合体（ＭＥＡ）を備え、陽極側には、陽極と接触する陽極側流体分配媒体および陽極側流体分配媒体と接触する陽極集電体があり、陰極側には、陰極と接触する陰極側流体分配媒体および陰極側流体分配媒体と接触する陰極集電体があり、上記の実施形態のいずれかによる陽極集電体はフロープレートである。
【００４３】
さらに、電解セルの一実施形態によれば、陽極集電体および陰極集電体は、上記の実施形態のいずれかによる各双極セパレータプレート上にある。
【００４４】
本発明のさらなる態様によれば、電気分解により水から水素を生成する積層セル電解槽が提供される。積層セル電解槽は、上記の電解セルの積層体として形成される。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
以下には、添付の図面を参照した、本発明の詳細な実施形態が説明されている。
【図１】本発明の一実施形態によるフロープレートを備える電解セルの概略的な断面図である。
【図２】本発明の他の実施形態による櫛型フローフィールドパターン配置を有するチャネルプレートの上面図である。
【図３】本発明のさらなる実施形態による双極セパレータプレートの底面図である。
【図４】陽極側の櫛型流体フローの図解付きの、積層セル電解槽の概略的な断面図である。
【図５】櫛型の流れのＣＦＤシミュレーションに使用されるモデルシステムを概略的に示す図である。
【図６】図５のモデルシステムのＣＦＤシミュレーションから得られた、シートの流れの速度分布をＸ軸に沿って示すグラフである。
【図７】本発明のさらに他の実施形態による櫛型フローフィールドパターン配置を有するチャネルプレートの上面図である。
【図８】図７のチャネルプレートの線Ａ−Ａに沿った断面図である。
【図９】図７のチャネルプレートに対応する櫛型フローフィールドパターン配置を有するカバープレートの上面図である。
【図１０】図９のカバープレートの線Ｂ−Ｂに沿った断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４６】
図１は、例えば、導電性のある炭素／グラファイト化合物で作られたチャネルプレート２および、例えば、チタンで作られたカバープレート３を有する、合成フロープレート１を備える、高分子電解質膜（ＰＥＭ）を基にした電解槽の断面図であり、カバープレート３はチャネルプレート２の上に良好な電気的接触を持つよう配置される。チャネルプレート２は、その正面上に、凸部２３同士の間に凹部２１を有する。凹部２１は、底面（凹部２１）と、底面２１から凸部２３まで延びる側壁２２を有する開放チャネル２０を画定する。凸部２３は、共通平面にあり、チャネルプレート２の上面を画定する。チャネル２０は、上面に開口している。カバープレート３は、閉鎖部４１の間に開口部４０を備える。開口部４０は、下層のチャネル２０と一直線にされており、チャネル２０の側壁２２が、対応する開口部４０に対してくぼむように、開口部４０は、チャネル２０よりも狭くなっている。チャネルプレート２に面していない表面において、カバープレートは、チタンフェルト等の、多孔質で、導電性および耐食性のある物質で作られた陽極側流体分配媒体４と機械的かつ電気的に接触する。流体分配媒体４は、膜電極接合体（ＭＥＡ）の陽極５と機械的かつ電気的に接触しており、ＭＥＡは、陽極５および陰極７に挟まれたＰＥＭ６を備える。陰極７は、陰極プレート９により接触される、炭素フェルト等の導電性のある陰極側流体分配媒体８により接触される。作動中、電流は、電解セルを垂直方向に通過し、フロープレート１が陽極集電体として作動し、陰極プレート９が陰極集電体として作動する。チャネル２０は、チャネルプレート２において画定されるフローフィールドパターンを通して、電解セルの陽極側の領域に反応物水を粗く分配するための、適切な断面積を有するように設計される。流体分配媒体４は、開口部２０を通してチャネル２０と流体連通し、ＭＥＡの陽極５の表面に反応物水の微細な分配を行う。陽極で起こる電気分解反応は、発生期の酸素を生成し、チャネルプレートを製造するのに使用される圧縮成型可能な炭素／グラファイト化合物等の炭素を主材料とする物質にとって高い腐食環境をもたらす。カバープレート３は、水電解の陽極環境において耐食性のある、チタン等の物質で作られ、下層のチャネルプレート２を腐食から保護するよう設計される。開口部４０がチャネル２０と一直線にされるのに対し、カバープレート３の閉鎖部４１は、少なくともチャネルプレート２の凸部２３を覆う。それによって、チャネルプレート２のうち、チャネル２０の内部表面２１、２２のみが、腐食の可能性のある陽極側流体に露出する。しかしながら、これらの表面の腐食を避けるため、陽極５とチャネル２０の内部表面２１、２２との間の距離ｒが最小限の長さを超えるよう、カバープレート２の厚さおよび適切な断面積を有するチャネル２０の深さが選択されればよい。ＰＥＭを基にした電解セルにおいて水電解により水素を生成する一般的な作動条件下で、陰極集電体９と陽極集電体１の間に適用される電位差は、一般的には１．４Ｖから２．０Ｖの間である。これらの条件下で、意外なことに、最小距離ｒは１ｍｍを上回る大きさ、または概ね約１．５ｍｍがあれば、チャネルプレート２の材料の腐食を効果的に抑制するのに足りるということが判明した。適切な形状の要素の例として、陽極側流体分配媒体は、一般的に０．３ｍｍの厚さを有し、カバープレート２は、０．７ｍｍの厚さを有し、チャネル２０の深さは約０．５ｍｍであり、すなわち、陽極５とチャネル底面２１との間の総距離ｒは、約１．５ｍｍである。この例において、開口部４０の幅は約０．３ｍｍ、チャネル２０の幅は約１ｍｍであり、開口部４０は、チャネル２０に対して中央に一列に並べられており、結果として約０．３から０．４ｍｍの開口部４０に対する側壁２２のくぼみをもたらす。
【００４７】
図２は、隣接する給水および排水チャネル２１０、２２０が、チャネルプレート２０２の表面に並んで平行に配置されるよう、直線の給水チャネル２１０が直線の排水チャネル２２０と互い違いに並ぶ、櫛型配置のフローフィールドパターン２００を有する円形チャネルプレート２０２の正面の上面図である。給水チャネル２１０の上流端は、給水多岐管２１４を介して給水口２１５に接続される。したがって、排水チャネル２２０の下流端は、排水多岐管２２４を介して排水口２２５に接続される。給水および排水多岐管２１４、２２４は、チャネルプレート２０２の周縁部に配置され、互いに正反対に対向する。給水および排水口２１５、２２５は、フローフィールドパターン２００および多岐管２１４、２２４を囲むチャネルプレートの縁部に配置される。給水および排水チャネル２１０、２２０は、チャネルプレート２０２を横切って各多岐管２１４、２２４から対向する多岐管２２４、２１４に向かって延び、チャネルプレート上の対向する多岐管２２４、２１４のそばで終端する。給水および排水チャネル２１０、２２０は、互いに接続されていないが、チャネル２１０、２２０の間の凸部２２３越しに開放面を通してのみ通じることができる。結果として生じる、強制的な櫛型の流れについては、図４に関連して、以下にさらに説明される。
【００４８】
図３は、水素収集フローフィールド２５０を有する双極セパレータプレートの陰極側を示す図である。水素収集チャネル２５１、２５２は、十字模様パターンに配置され、周縁多岐管を介して水素収集口２５３に接続される。十字模様パターンは、収集チャネルの１つの適した配置であるが、他の配置が設けられてもよい。フローフィールドは、電解セルの陰極側で、陰極集電体として流体分配媒体に接触するものである。チャネル２５１、２５２は、流体分配媒体からＭＥＡの陰極で生成された水素を収集して収集口２５３に水素を導き、貯蔵または外部での使用のために排出する。図３に示されるように、陰極側フローフィールド２５０は、チャネルプレート２０２の背面に配置されてもよく、図２（または図７）に示されるように、チャネルプレート２０２の正面は、陽極側フローフィールド２００を保持している。水素収集口２５３は、給水および排水口２１５、２２５も保持する縁部に配置される。
【００４９】
図４は、電解セルの積み重ねられた配置を概略的に示す図であり、セルのそれぞれは、陽極側流体分配媒体４および陰極側流体分配媒体８の間に挟まれたＭＥＡを備える。積み重ねられたセルは、直列に、双極セパレータプレート１を介して電気的に接続されており、一面では、１つのセルの陰極集電体として作動し、反対の面では、次のセルの陽極集電体として作動する。同時に、双極セパレータプレート１は、陰極側フローフィールドおよび陽極側フローフィールドを有するフロープレートである。セルのフローフィールドは、双極セパレータプレート１により互いから分離されている。フローフィールドは、陽極側流体の反応物水、供給物、排出物、および反応生成物（水および酸素）、また陰極側流体の排出物、および反応生成物（水および水素）を運ぶためのスタック多岐管を通して、セルの外側で接続されている。スタック多岐管は、双極プレート１の縁部に有利に形成されている。例えば、図２および３の実施形態において、スタック給水、スタック排水およびスタック収集多岐管は、連結された給水、排水および収集口２１５、２２５、２５３と、積層（スタック）の中の、次に続く双極セパレータプレートの連結された給水、排水および収集口それぞれとで形成されてもよい。
【００５０】
図４に示す実施形態の断面図において、陰極側フローフィールドは、ＭＥＡの陰極で生成された水素、およびセルの陰極側で発生する余剰水を陰極側流体分配媒体８から収集し、水素および水を収集口を通して排出するために配置された収集チャネル５０を有する。
【００５１】
陽極側フローフィールドは、図２に関連する上記の配置等の、櫛型に配置された給水チャネル１０および排水チャネル２０を有する。給水および排水チャネル１０、２０は、チャネルプレート２の正面に形成され、図１に関連する上記の設計等の、カバープレート３に設けられる各給水開口部３０および排水開口部４０を通して陽極側流体分配媒体４と通じる。
【００５２】
給水および排水チャネルの櫛型配置は、図４の小さい矢印に示されるように、陽極側流体分配媒体４を通る強制的な流れをもたらす。反応物水は、共通のスタック給水多岐管から、セル給水口（図４において不図時）を通って、電極セルのそれぞれに供給される。反応物水は、上流端のセル給水多岐管を介して給水チャネル１０に入る。反応物水は、給水チャネル１０を介し、チャネルプレート２を越えて横方向に流れる。そこから、反応物水は、対応するカバープレート３の給水開口部３０を通して、流体分配媒体４に垂直方向に注入される。注入は、給水チャネル１０の長さに沿って、分散して行われる。注入された流れは、多孔質流体分配媒体４を通して、給水開口部３０の両側の隣接する排水開口部４０に向けて、２つの横方向シートの流れに分割される。反応物水のシートの流れは、電気分解を受けるＭＥＡの陽極、触媒および電解質に接触する。排水開口部４０のそれぞれは、排水開口部４０の両側の給水開口部３０から生じる２つのシートの流れから、反応生成物（酸素）および余剰水を収集する。酸素および余剰水は、酸素を吸収している余剰水を、排水多岐管および排水口を介して排水する下層の排水チャネルに入るために、カバープレートの給水開口部の両側の１以上の隣接する排水開口部を通して、垂直方向に流体分配媒体４を出る。櫛型フローフィールドは、したがって、ＭＥＡの表面に沿った、強制されたシートの流れのパターンを生成し、隣接するシートの流れは、反対の方向を有する。こうすることで、電気分解のための、反応物水の、アクティブゾーンへの十分な供給および改善された分布が、陽極側反応生成物および余剰熱の適切な排除とともに実施される。
【００５３】
図５は、強制的なシートの流れのＣＦＤシミュレーションの実行に使用されるモデルシステム５００を示す図である。モデルシステム５００は、Ｘ座標方向に沿って、互いに平行に距離を置く、第１チャネル５１０および第２チャネル５２０を備える。上流端で、第１チャネル５１０は水の供給源に接続される。下流端で、第１チャネル５１０は、終端する。上流端で、第２チャネル５２０は、終端する。下流端で、第２チャネル５２０は、吸水部に接続される。２つのチャネル５１０、５２０は、チャネル５１０、５２０の上に配置される、多孔質媒体５０４の限られた層のみを介して、互いに流体連通している。シミュレーションは、上記のタイプの電解セルにおいて見受けられる、一般的な形状の要素を使用して行われる。第１チャネル５１０から生じる水は、第１チャネル５１０の全幅にわたって、多孔質層５０４に垂直に注入される。水は、多孔質媒体を通って、Ｘ軸に直交する方向、すなわちＹ座標方向に、第２チャネル５２０に向かって通過し、水は収集され、続いて吸水部に運ばれる。ＣＦＤシミュレーションは、Ｙ方向のシートの流れ速度の大きさＶｓが、Ｘ座標の関数として変化することを示す。図６は、モデルシステム５００を使用して行われたＣＦＤシミュレーションの結果を示すグラフである。グラフは、第１チャネル５１０から第２チャネル５２０の方向に、多孔質媒体を通るシートの流れ速度の大きさを、Ｘ座標の関数Ｖｓ（ｘ）として描く。最小値は、２つの終点の中ほどにて明白に見て取れる。したがって、平行な給水および排水チャネルを持つ、櫛型の陽極側フローフィールドパターンを有する電解セルは、ＭＥＡの表面にわたる、反応物の供給および冷却力の不均一な分配により損害を受けるかもしれない。
【００５４】
図７から１０に目を向けると、図５および６に関連する上記のＣＦＤシミュレーションに示される、給水および排水チャネルの方向に沿った、不均一な流れの分配の問題に取り組むフロープレートの有益な実施形態が示されている。図７および８は、湾曲された給水および排水チャネル７１０、７２０を備える櫛型フローフィールド７００の配置を有する、チャネルプレート７０２を示し、図９および１０は、給水および排水開口部７３０、７４０の対応する配置を有する、結合されたカバープレート７０３を示す。
【００５５】
図７は、図２に関連する上記のチャネルプレート２０２に類似する、円形チャネルプレート７０２の正面の上面図である。チャネルプレート７０２は、縁部に配置される給水、排水および収集口７１５、７２５、７５３を有し、給水口７１５は、給水多岐管７１４に接続され、排水口は排水多岐管７２４に接続される。給水および排水多岐管は、櫛型の給水および排水チャネル７１０、７２０を有する円形フローフィールド７００の周縁に、互いに対抗するよう配置される。チャネルプレート７０２は、フローフィールドパターン７００の配置の点において、図２のチャネルプレート２０２とは異なり、隣接する給水および排水チャネル７１０、７２０の間の横方向の距離は、周縁部と比べて中心部において小さくなっている。隣接する給水および排水チャネル７１０、７２０の間の距離は、チャネル７１０、７２０の中間部で最小になり、中間部から両端部に向かうチャネルに沿った方向で大きくなる。このような構成は、円形に形成されるフローフィールドパターンにおいて、特に有益であるが、長方形、正方形または六角形等の、例えば、多角形といった他の形に適宜設けられてもよい。チャネルプレート７０２の円形フローフィールド７００において、給水および排水チャネル７１０、７２０は、チャネルプレート７０２の中心からチャネル７１０、７２０までの距離が大きくなるほど、増加する曲率で湾曲される。有利に、チャネルは、円形の外端で、半径方向内側／外側に向かっており、本質的には、外周で給水および排水チャネルに直交し、スプライン、円弧または長円弧等のすべらかに湾曲されたトレースにより端部が接続されている。
【００５６】
図７から１０に示されるフロープレートの実施形態は、積層セル電解槽に使用される、双極セパレータプレートである。チャネルプレート７０２は、それゆえ、背面に、収集チャネル７５１、７５２の陰極側フローフィールドパターン７５０が設けられ、図３に関連する上記のように、例えば、十字模様パターンに配置されてもよい。収集チャネル７５１、７５２は、周辺収集多岐管を介して、チャネルプレート７０２の縁部に配置された収集口７５３に接続される。収集口７５３は、欧州特許第１７２６０６０号明細書に示される、燃料電池のための二重機能双極セパレータプレートに類似する、積層されたセル構成に使用されるよう適応される。
【００５７】
図８は、図７のチャネルプレート７０２の線Ａ−Ａに沿った断面図である。左端には、収集口７５３を有する縁部を通る断面が見られる。右に向かって、チャネルプレート７０２の上面では、櫛型パターンを形成するため、給水チャネル７１０が排水チャネル７２０と互い違いに並んでいる。上記のとおり、収集口７５３に接続する、収集チャネル７５１、７５２の陰極側フローフィールドパターン７５０が、背面に設けられている。
【００５８】
図９は、上記の図７および８に関連する上記の、チャネルプレート７０２に結合されたカバープレート７０３を示す図であり、カバープレート７０３のおよびチャネルプレート７０２は、積層水電解槽で使用する双極セパレータプレートを一緒に形成する。互い違いに並ぶ給水開口部７３０と排水開口部７４０の開口部パターンは、給水チャネル７１０と排水チャネル７２０の互い違いパターンに、それぞれ対応する。組み立ての際、カバープレート７０３の給水開口部７３０は、チャネルプレート７０２の正面上に、下層の給水チャネル７１０と一直線に並べられ、排水開口部７４０は、下層の排水チャネル７２０と一直線に並べられる。電解セルの横方向の外辺部内を、カバープレート７０３の閉鎖部が覆い、それにより、少なくとも、チャネル７１０、７２０ならびに多岐管７１４、７２４の間および周辺のチャネルプレート７０２の凸部を保護する。図９に示す通り、有利に、給水多岐管７１４のそばには、給水開口部７３０が、給水多岐管に重なるよう、排水開口部７４０を越えて、わずかに延びている。さらに、有利に、排水多岐管７２４のそばには、排水開口部７４０が、排水多岐管７２４に重なるよう、給水開口部７３０を越えて、延びている。
【００５９】
図１０は、図９のカバープレート７０３の線Ｂ−Ｂに沿った断面図である。貫通給水開口部７３０は、貫通排水開口部７４０と互い違いに並んでおり、それによって、チャネルプレート７０２の給水および排水チャネル７１０、７２０の櫛型パターンを反映する。隣接する給水および排水開口部７３０、７４０は、閉鎖部７４１により、互いから分離される。
【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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【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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