(57)【要約】  本発明は、電気化学システム（１）用の、特に電気化学システム（１）のバイポーラプレート（２）用のセパレータプレート（２ａ、２ｂ）に関する。セパレータプレート（２ａ、２ｂ）は、セパレータプレート（２ａ、２ｂ）に冷却剤を通すための第１の通路（１１ｃ）と、活性領域（８）であって、セパレータプレート（２ａ、２ｂ）の第１の平坦面に沿って反応媒体を案内するための構造体と、セパレータプレート（２ａ、２ｂ）の第２の平坦面上で活性領域（８）の後面に沿って冷却剤を案内するための構造体とを有する活性領域（８）と、少なくとも活性領域（８）を封止するために、セパレータプレート（２ａ、２ｂ）と一体に形成されたビード（７）と、セパレータプレート（２ａ、２ｂ）と一体に形成され、反応媒体がセパレータプレート（２ａ、２ｂ）の第１の平坦面上でビード（７）に沿って、また活性領域（８）を越えて流れるのを抑制または防止するような方式で設計されるバリア要素（１８、１８'、１８''）とを備える。セパレータプレート（２ａ、２ｂ）は、ビード（７）が第１の通路（１１ｃ）および活性領域（８）をともに完全に囲み、バリア要素（１８、１８''、１８''）のうちの少なくとも１つが少なくとも部分的に陥没しており、その目的は具体的には、上記バリア要素の領域において、セパレータプレート（２ａ、２ｂ）の第２の平坦面上に冷却剤が流れることを抑制または防止するためであることを特徴とする。さらに、本発明は、セパレータプレートを含むバイポーラプレート、および指定されたタイプの複数のバイポーラプレートを有する電気化学システムにも関する。
2020522089.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学システム用の、特に電気化学システムのバイポーラプレート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に冷却剤を導くための第１の貫通開口と、
活性領域であって、前記セパレータプレートの第１の平坦面に沿って反応媒体を導くための構造体と、前記セパレータプレートの第２の平坦面上で前記活性領域の後面に沿って冷却剤を導くための構造体とを有する活性領域と、
少なくとも前記活性領域を封止するために、前記セパレータプレートと一体に形成されたビードと、
前記セパレータプレートと一体に形成されたバリア要素と
を備え、
前記バリア要素が、    ａ．前記活性領域と前記ビードとの間に配置され、かつ／または    ｂ．前記セパレータプレートの分配領域と前記ビードとの間に配置され、前記分配領域が、前記セパレータプレートの前記第２の平坦面上で、前記第１の貫通開口から前記活性領域の前記後面へと、または前記活性領域の前記後面から前記第１の貫通開口へと前記冷却剤を導くように構成され、
前記バリア要素は、反応媒体が前記セパレータプレートの前記第１の平坦面上で前記ビードに沿って、また前記活性領域を越えて流れるのを抑制または防止するような方式で形成され、
前記ビードが、前記第１の貫通開口と前記活性領域との両方を完全に包含し、前記バリア要素のうちの少なくとも１つが少なくとも局所的に凹型になっており、その目的は具体的には、前記活性領域の前記後面と前記ビードの内部との間、および／または前記分配領域の後面と前記ビードの前記内部との間のこのバリア要素の領域において、前記セパレータプレートの前記第２の平坦面上に冷却剤が流れることを抑制または防止するためである、セパレータプレート。
【請求項２】
前記セパレータプレートに冷却剤を導くための第２の貫通開口を備え、前記ビードが、前記第２の貫通開口も完全に包含する、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の貫通開口および前記第２の貫通開口が、前記活性領域の、互いに対向して位置する両側に配置される、請求項２に記載のセパレータプレート。
【請求項４】
少なくとも前記バリア要素のうちの１つまたは複数に関しては、凹部が、前記バリア要素全体にわたって少なくとも１方向に延在する、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】
少なくとも前記バリア要素のうちの１つまたは複数に関しては、凹部が、前記バリア要素の縁部に対して離れている、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】
少なくとも前記バリア要素のうちの１つまたは複数に関しては、凹部が、細長い形状を有し、前記ビードの主延在方向に対して平行に、または本質的に平行に整列している、請求項１から５のいずれか一項に記載のセパレータプレート。
【請求項７】
少なくとも前記バリア要素のうちの１つまたは複数に関しては、凹部が、前記セパレータプレートの前記第２の平坦面上の前記活性領域の前記後面と前記ビードの前記内部との間の連結部の、前記セパレータプレートの平坦面に対して垂直に画定される断面を、少なくとも５０パーセントまで、好ましくは少なくとも７０パーセントまで、特に好ましくは少なくとも９０パーセントまで縮小するような方式で設計され、前記連結部が前記バリア要素によって形成される、請求項１から６のいずれか一項に記載のセパレータプレート。
【請求項８】
前記バリア要素のうちの少なくとも１つまたは複数が、前記活性領域および前記ビードまで延びている、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】
前記バリア要素のうちの少なくとも１つまたは複数が、少なくとも部分的に、前記ビードの主延在方向に対して横方向に整列している、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】
前記バリア要素のうちの少なくとも１つまたは複数が、前記セパレータプレートの平坦面に対して垂直に画定されるそれぞれの前記バリア要素の断面が前記ビードに向かって、とりわけ好ましくは少なくとも５０パーセントまで、特に好ましくは少なくとも７０パーセントまで漸減するような方式で形成される、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】
前記断面が、前記セパレータプレートの前記平坦面に対して平行な方向に沿って、好ましくは前記ビードの主延在方向に対して平行な方向に沿って漸減する、請求項１０に記載のセパレータプレート。
【請求項１２】
少なくとも前記バリア要素のうちの１つまたはいくつかに関しては、前記漸減が、階段状に実施される、請求項１０または１１に記載のセパレータプレート。
【請求項１３】
互いに隣接する前記バリア要素のうちの少なくともいくつかが、好ましくは前記ビードの主延在方向に対して平行に整列した連結部によって互いに連結される、請求項１から１２のいずれか一項に記載のセパレータプレート。
【請求項１４】
前記活性領域の前記後面にわたって冷却剤を分配するための分配構造体を備え、前記分配構造体が、前記活性領域の前記後面に沿った前記冷却剤の流れ方向に対して横方向に、前記ビードと向き合う前記活性領域の端部まで延びている、請求項１から１３のいずれか一項に記載のセパレータプレート。
【請求項１５】
前記活性領域の前記後面に沿った前記冷却剤の前記流れ方向に対して横方向に、前記活性領域から前記ビードまで連続的に延在する少なくとも１つの凹部を備える、請求項１から１４のいずれか一項に記載のセパレータプレート。
【請求項１６】
前記バリア要素が、前記ビードの主延在方向に対して平行に連続して配置され、前記活性領域から前記ビードまで連続的に延在する凹部が、分配構造体と向き合うこの列の端部に配置される、請求項１４または１５に記載のセパレータプレート。
【請求項１７】
凹部がない、前述のタイプの少なくとも１つのバリア要素を備える、請求項１から１６のいずれか一項に記載のセパレータプレート。
【請求項１８】
前記第１の貫通開口を完全に包含する第１のポートビードを備える、請求項１から１７のいずれか一項に記載のセパレータプレート。
【請求項１９】
請求項２に戻って参照したとき、前記第２の貫通開口を完全に包含する第２のポートビードを備える、請求項２または３に記載のセパレータプレート、あるいは請求項４から１８のいずれか一項に記載のセパレータプレート。
【請求項２０】
金属シートから、好ましくはステンレス鋼シートから形成され、以下の要素、すなわち
１つもしくは複数の前記ビード、
前記活性領域の前記構造体、
前記分配領域の分配構造体、
前記バリア要素、および／または
凹部
のうちの少なくとも１つ、複数、またはすべてが、前記セパレータプレートにエンボス加工される、
請求項１から１９のいずれか一項に記載のセパレータプレート。
【請求項２１】
請求項１から２０のいずれか一項に記載の第１のセパレータプレートと、請求項１から２０のいずれか一項に記載の第２のセパレータプレートとを備える、電気化学システム用のバイポーラプレートであって、両方のセパレータプレートが互いに連結され、前記２つのセパレータプレートの前記第１の貫通開口が、位置合わせされて、前記バイポーラプレートの第１の貫通開口を形成するように配置され、前記２つのセパレータプレートが、前記バイポーラプレートに冷却剤を導くための空洞を囲み、前記バイポーラプレートの前記第１の貫通開口が前記空洞と流体連結している、バイポーラプレート。
【請求項２２】
請求項２または３に記載の、あるいは請求項４から２０のいずれか一項に記載の２つのセパレータプレートを備え、請求項２に戻って参照したとき、前記２つのセパレータプレートの第２の貫通開口が、位置合わせされて、前記バイポーラプレートの第２の貫通開口を形成するように配置され、前記バイポーラプレートの前記第２の貫通開口が前記空洞と流体連結している、請求項２１に記載のバイポーラプレート。
【請求項２３】
前記第１のセパレータプレートのバリア要素と前記第２のセパレータプレートのバリア要素とが、少なくとも局所的に重なるように配置され、前記第１のセパレータプレートの前記バリア要素の凹部と前記第２のセパレータプレートの前記バリア要素の凹部とが、前記バイポーラプレートの平坦面に対して平行に、少なくとも部分的にオフセットして配置される、請求項２１または２２に記載のバイポーラプレート。
【請求項２４】
前記第１のセパレータプレートの前記バリア要素と前記第２のセパレータプレートの前記バリア要素とが、少なくとも局所的に重なるように配置され、前記第１のセパレータプレートの前記バリア要素の凹部と前記第２のセパレータプレートの前記バリア要素の凹部とが、少なくとも部分的に重なるように配置される、請求項２１から２３のいずれか一項に記載のバイポーラプレート。
【請求項２５】
前記２つのセパレータプレートの間に囲まれた前記空洞が、第１の部分空間および第２の部分空間を有し、前記第１の部分空間が、前記第１のセパレータプレートの前記活性領域と前記第２のセパレータプレートの前記活性領域との間に囲まれ、前記第２の部分空間が、前記第１のセパレータプレートの前記ビードと前記第２のセパレータプレートの前記ビードとの間に囲まれ、前記バイポーラプレートの前記第１の貫通開口と前記バイポーラプレートの第２の貫通開口とが、前記第１の部分空間を含む第１の流体連結部を介して連結され、前記バイポーラプレートの前記第１の貫通開口と前記バイポーラプレートの前記第２の貫通開口とが、前記第２の部分空間を含む第２の流体連結部を介して連結され、前記第１の流体連結部の最小断面Ａ１，ｍｉｎが、前記第２の流体連結部の最小断面Ａ２，ｍｉｎよりも大きく、好ましくはＡ１，ｍｉｎ≧１０×Ａ２，ｍｉｎ、特に好ましくはＡ１，ｍｉｎ≧２５×Ａ２，ｍｉｎである、請求項２２から２４のいずれか一項に記載のバイポーラプレート。
【請求項２６】
スタックに配置された、請求項２１から２５のいずれか一項に記載の複数のバイポーラプレートを備える電気化学システムであって、前記スタックの隣接するバイポーラプレートの間にそれぞれの膜電極接合体（ＭＥＡ）が配置され、前記隣接するバイポーラプレートの前記活性領域における前記ＭＥＡのそれぞれが、アイオノマーと、好ましくは少なくとも１つのガス拡散層とを含む、電気化学システム。
【請求項２７】
前記ＭＥＡのそれぞれが、前記バイポーラプレートのバリア要素と少なくとも局所的に重なる補強縁部領域を有し、前記バイポーラプレートが前記ＭＥＡに隣接する、請求項２６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、電気化学システム用のセパレータプレート、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。電気化学システムは、たとえば燃料電池システム、電気化学圧縮機、レドックスフロー電池、または電気分解装置でもよい。
【０００２】
知られている電気化学システムは、普通、バイポーラプレートによってそれぞれ互いに隔てられた電気化学セルのスタックを備える。こうしたバイポーラプレートは、たとえば別個の電気化学セル（たとえば燃料電池）の電極の電気的接続、および／または隣接するセルの電気的接続（セルの直列接続）のために機能することができる。通常、バイポーラプレートは、互いに接合された２つの別個の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のセパレータプレートは、材料接合を用いて、たとえば１つまたは複数の溶接連結部によって、具体的には１つまたは複数のレーザ溶接連結部によって互いに接合することができる。
【０００３】
バイポーラプレートまたはセパレータプレートは、たとえば隣接するバイポーラプレートの間に配置された電気化学セルに１つもしくは複数の媒体を供給するように、かつ／または反応生成物を外部に移送するように構成された構造体をそれぞれ備えるか、または形成することができる。媒体は、燃料（たとえば水素もしくはメタノール）である場合もあり、反応ガス（たとえば空気もしくは酸素）である場合もある。さらに、バイポーラプレートまたはセパレータプレートは、バイポーラプレートに、具体的にはバイポーラプレートのセパレータプレートによって囲まれた空洞に冷却剤を導くように機能し得る。普通、燃料または反応ガスは、その構造にもかかわらず第１の平坦面ともしばしば呼ばれるセパレータプレートの第１の面に導かれ、一方、冷却剤は、セパレータプレートの第２の平坦面に導かれる。この場合、空洞は、２つのセパレータプレートの第２の平坦面の間に形成される。さらに、バイポーラプレートは、電気化学セルにおいて電気エネルギーまたは化学エネルギーを変換する際に生じる廃熱を先へと導くように、かつ種々の媒体チャネルまたは冷却チャネルを互いに対して、かつ／または外部に対して封止するように構成され得る。
【０００４】
活性領域と外部に対して活性領域の境界を画定するビードとの間にバリア要素が配置されてもよく、上記バリア要素は、反応媒体が活性領域を越えて流れることを抑制または防止するような方式で配置および形成される。たとえば、こうしたバリア要素は、セパレータプレートに突出部を提供することによって形成されてもよく、反応媒体の側での上記突出部は、セパレータプレートのうち、突出部に隣接する領域よりも高くなっている。
【０００５】
さらに、バイポーラプレートは、普通、少なくとも１つまたは複数の貫通開口をそれぞれ備える。媒体および／または反応生成物は、貫通開口を通って、スタックの隣接するバイポーラプレートの間に配置される電気化学セルへと、またはバイポーラプレートのセパレータプレートによって形成される空洞へと導かれてもよく、セルから離れるように、または空洞から出るように導かれてもよい。通常、電気化学セルは、それぞれ１つまたは複数の膜電極接合体（ＭＥＡ）をさらに備える。ＭＥＡは、普通はバイポーラプレートに向けて配向されて、たとえば不織金属または不織カーボンとして形成される、１つまたは複数のガス拡散層を備えることができる。
【０００６】
それぞれの場合において、たとえば冷却剤が、セパレータプレートのうち、電気化学的に活性な面から、たとえばバイポーラプレートの２つのセパレータプレートによって囲まれた空洞から離れた面の望ましくない経路にいくらか導かれることが問題となることが分かってきている。したがって、たとえば、主としてセパレータプレートまたはバイポーラプレートの電気化学的活性領域を冷却するように機能する冷却剤が、少なくとも部分的に活性領域を越えて、またはさらには分配領域の部分を越えて導かれ、したがって活性領域の冷却に寄与しないか、または十分な程度まで寄与しないということが生じ得る。特に、エンボス加工されたセパレータプレートを考慮すれば、前述のバリア要素は、エンボス加工によって形成されて、第１の平坦面の方向に組み込まれる。しかし、これらにより、各セパレータプレートの第２の平坦面上に空洞が生じ、冷却剤の追加の流路が形成される場合がある。これにより、冷却剤が望ましくない経路上で活性領域を越えて流れる（迂回する）危険が増大する。
【０００７】
この望ましくない冷却剤の迂回の結果、電気化学セルの領域における望ましくない温度ピーク、および／または冷却剤を導く際の望ましくない圧力損失が生じ得る。さらに、活性領域を越えて導かれた冷却剤を送出するために、圧送力の増大が必要とされる。これらの望ましくないあらゆる影響は、場合によっては電気化学システムの効率に悪影響を及ぼす恐れがある。
【０００８】
この望ましくない冷却剤の迂回を完全に、または少なくとも部分的に防止するために、文書ＤＥ２０２０１４００８１５７Ｕ１では充填材が提案されており、上記充填材は、冷却剤が電気化学的活性領域の後面を越えて流れることを防止するために、たとえばバイポーラプレートの個々のプレートの間で、活性領域の縁部領域に配置される。これにもかかわらず、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であって、上記プレートが可能な限り高い効率でシステムを動作させることを可能にするセパレータプレートまたはバイポーラプレートが絶えず求められている。
【０００９】
したがって、本発明の目的は、可能な限り高い効率で電気化学システムを動作させることを可能にする電気化学システム用のセパレータプレートおよびバイポーラプレートを提供することである。
【００１０】
この目的は、請求項１に記載のセパレータプレート、こうしたセパレータプレートを備えるバイポーラプレート、および言及したタイプの複数のバイポーラプレートを備える電気化学システムによって達成される。
【００１１】
したがって、電気化学システム用の、特に電気化学システムのバイポーラプレート用のセパレータプレートであって、
セパレータプレートに冷却剤を導くための第１の貫通開口と、
活性領域であって、セパレータプレートの第１の平坦面に沿って反応媒体を導くための構造体と、セパレータプレートの第２の平坦面上で活性領域の後面に沿って冷却剤を導くための構造体とを備える活性領域と、
場合によっては、第１の貫通開口と活性領域との間で冷却剤を導くための第１の分配システムと、
少なくとも活性領域を封止するために、セパレータプレートと一体に形成されたビードと、
セパレータプレートと一体に形成され、活性領域とビードとの間、または場合によっては存在する第１の分配領域とビードとの間に配置され、反応媒体がセパレータプレートの第１の平坦面上でビードに沿って、また活性領域を越えて流れるのを抑制または防止するような方式で形成されたバリア要素とを備える、セパレータプレートが提案される。
【００１２】
第１の貫通開口から入り、セパレータプレートの第２の平坦面上のビードの内部へと至る冷却剤の流れを完全に、または少なくとも部分的に防止するために、ビードは、活性領域および場合によっては存在する第１の分配領域と同様に、第１の貫通開口も完全に包含するような方式で通る。具体的には、ビードは、好ましくは、第１の貫通開口から活性領域の後面への冷却剤の流路と交差しない。第１の平坦面上の突出部により第２の平坦面上での容積の増大が引き起こされるので、セパレータプレートの第２の平坦面上では、バリア要素により、活性領域の後面とビード内部との間、または場合によっては存在する第１の分配領域の後面とビード内部との間に、望ましくない流体連結部がしばしば形成される。この理由のために、さらに、バリア要素のうちの少なくとも１つ、またはバリア要素のうちの少なくともいくつかは、少なくとも局所的に凹型にされて、セパレータプレートの第２の平坦面上のバリア要素の領域において、活性領域の後面とビードの内部との間、および／または分配領域の後面とビードの内部との間に冷却剤が流れることを抑制または防止する。バリア要素のうちの少なくとも１つ、またはバリア要素のうちの少なくともいくつかの少なくとも局所的なこの凹部により、望ましくない流体連結部の断面を縮小することができ、活性領域の後面からビード内部への、または場合によっては存在する第１の分配領域の後面からビード内部への望ましくない冷却剤の流れを抑制することができる。一方では燃料または反応ガスがセパレータプレートの第１の平坦面上の望ましくない経路に流れるリスクを最小限に抑え、他方では冷却剤がセパレータプレートの第２の平坦面上の望ましくない経路に流れるリスクを最小限に抑えるために、バリア要素がごく局所的に凹型になっていることが特に好ましい。
【００１３】
既に簡単に言及したように、セパレータプレートは、活性領域の後面に冷却剤を分配し、または活性領域の後面を通って流れてきた冷却剤を回収するための分配構造体をその後面に備えることができる。この構造体は、少なくとも１つのポートビードから活性領域の後面の縁部まで延びていることが好ましく、上記縁部は、各ポートビードと向き合っている。分配構造体によって形成される分配領域は、たとえば活性領域の後面に沿った冷却剤の流れ方向に対して横方向に、ビードと向き合う端部まで、またはビードと向き合う活性領域の側縁部まで延びることができる。
【００１４】
セパレータプレートは、セパレータプレートに冷却剤を導くための第２の貫通開口を備えることができる。活性領域の後面に、または活性領域の後面から冷却剤を導くための、これ以降第２の分配領域と呼ばれる分配領域または回収領域が、第２の貫通開口と活性領域との間に配置されてもよい。この場合、ビードは普通、第２の貫通開口も完全に包含することができ、したがって、活性領域、場合によっては存在する第１の分配領域および／または第２の分配領域と同様に、第１の貫通開口および第２の貫通開口も取り囲むことができる。この場合、第１の貫通開口および第２の貫通開口は、活性領域の後面の、対向する両側に配置されることが好ましい。
【００１５】
少なくともバリア要素のうちの１つまたは複数に関しては、凹部は、バリア要素全体にわたって少なくとも１方向に延在することができる。これには、普通は移行領域が必要とされ、移行領域では、曲げの角度があまりに小さくなるのを避けることができるように、セパレータプレートの材料が、バリア要素の平面から凹部の平面へと再形成される。
【００１６】
少なくともバリア要素のうちの１つまたは複数に関しては、凹部は、バリア要素の縁部に対して離れていてもよい。
【００１７】
少なくともバリア要素のうちの１つまたは複数に関しては、凹部は、細長い形状を有することができる。さらに、凹部は、ビード、またはビードの主延在方向に対して平行に、または本質的に平行に整列することができる。本明細書では、ビードの主延在方向とは、そのバリア要素の最も近くに位置するビードまたはビード部分の主延在方向を意味すると理解されたい。
【００１８】
少なくともバリア要素のうちの１つまたは複数に関しては、凹部は、少なくとも一部分では、セパレータプレートの後面上の活性領域の後面とビードの内部との間の連結部の、セパレータプレートの平坦面に対して垂直に画定される断面を、少なくとも５０パーセントまで、好ましくは少なくとも７０パーセントまで、特に好ましくは少なくとも９０パーセントまで縮小するような方式で形成されてもよく、上記連結部はバリア要素によって形成される。
【００１９】
バリア要素のうちの少なくとも１つまたは複数は、活性領域または分配領域まで、またビードまで延びていてもよい。バリア要素がビードまで延びている場合、バリア要素は、ビードの直接的な連続部として形成することができ、したがって、活性領域と向き合うかまたは分配領域と向き合うビード下部、すなわちバリア要素は、バリア要素の領域において、ビードの主延在方向に対して横切る方向に、互いの上にとどまらない。他方では、活性領域、または分配領域のうちの１つと向き合うビード下部が互いの上にとどまる領域が、ビードの主延在方向に沿って２つのバリア要素の間に配置されることが好ましい。
【００２０】
バリア要素のうちの少なくとも１つまたはいくつかは、少なくとも部分的に、ビードの主延在方向に対して横方向に整列していてもよい。
【００２１】
バリア要素のうちの少なくとも１つまたは複数は、セパレータプレートの平坦面に対して垂直に画定される各バリア要素の断面がビードに向かって、とりわけ好ましくは少なくとも５０パーセントまで、特に好ましくは少なくとも７０パーセントまで漸減するような方式で形成されてもよい。たとえば、断面は、セパレータプレートの平坦面に対して平行な方向に沿って、好ましくはビードまたは主延在方向に対して平行な方向に沿って漸減することができる。たとえば、少なくともバリア要素のうちの１つまたはいくつかに関しては、漸減は、階段状に実施されてもよい。
【００２２】
互いに隣接するバリア要素のうちの少なくともいくつかは、好ましくはビード、またはビードの主延在方向に対して平行に整列している連結部により、互いに連結されてもよい。
【００２３】
セパレータプレートは、第１の貫通開口を完全に包含するポートビードをさらに備えることができる。
【００２４】
セパレータプレートは前述の第２の貫通開口を備えるので、第２の貫通開口を完全に包含する第２のポートビードをさらに備えてもよい。
【００２５】
本明細書では、少なくとも１つのポートビードは、冷却剤がポートビードに対して横方向に狙い通りに通過することを可能にする貫通構造体を備えてもよい。こうした構造体は、たとえば本出願人のＤＥ１０２４８５３１Ｂ４、ＤＥ２０２０１５１０４９７２Ｕ１、およびＤＥ２０２０１５１０４９７３Ｕ１から知られている。
【００２６】
セパレータプレートは、活性領域、または場合によっては存在する分配領域からビードまで連続的に、活性領域の後面に沿った冷却剤の流れ方向に対して横方向に延在する、前述のタイプの少なくとも１つの凹部を備えることができる。
【００２７】
セパレータプレートのバリア要素は、ビードまたはビードの主延在方向に対して平行に、連続して配置することができる。この場合、活性領域、または場合によっては存在する分配領域からビードまで連続的に延在する前述の凹部は、具体的には、分配構造体と向き合うこの列の端部に配置することができる。
【００２８】
セパレータプレートは、凹部がない、前述のタイプの少なくとも１つのバリア要素を備えることができる。
【００２９】
セパレータプレートは、たとえば金属シートから、好ましくはステンレス鋼シートから形成することができる。ビードおよび／またはポートビード、活性領域の構造体、場合によっては存在する１つまたは複数の分配領域の構造体、バリア要素、ならびに凹部は、たとえば、セパレータプレートにエンボス加工されてもよい。
【００３０】
前述のタイプの第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を備える電気化学システム用のバイポーラプレートがさらに提案され、両方のセパレータプレートは互いに連結され、２つのセパレータプレートの第１の貫通開口は、位置合わせされて、バイポーラプレートの第１の貫通開口を形成するように配置され、２つのセパレータプレートは、バイポーラプレートに冷却剤を導くための空洞を囲み、バイポーラプレートの第１の貫通開口は空洞と流体連結している。
【００３１】
バイポーラプレートの２つのセパレータプレートは、さらに、前述の第２の貫通開口をそれぞれ備えることができる。この場合、２つのセパレータプレートの第２の貫通開口は、位置合わせされて、バイポーラプレートの第２の貫通開口を形成するように配置され得る。この場合、バイポーラプレートの第２の貫通開口も、通常は、２つのセパレータプレートによって囲まれる空洞と流体連結している。具体的には、第１の貫通開口および第２の貫通開口のうちの一方は入口として使用され、他方は同じ媒体用の出口として使用される。
【００３２】
第１のセパレータプレートのバリア要素と、第２のセパレータプレートのバリア要素とは、少なくとも局所的に重なるように配置され得る。この場合、第１のセパレータプレートのバリア要素の凹部と第２のセパレータプレートのバリア要素の凹部とは、バイポーラプレートの平坦面に対して平行に、少なくとも部分的にオフセットして配置されてもよく、したがって、バイポーラプレートの平坦面への平行な突起部を考慮すれば、一致することはない。別法として、または追加的に、第１のセパレータプレートのバリア要素の凹部と第２のセパレータプレートのバリア要素の凹部とは、少なくとも部分的に重なるようにも配置され、したがって、バイポーラプレートの平坦面への平行な突起部を考慮すれば、少なくとも部分的に一致する。
【００３３】
２つのセパレータプレートの間に囲まれる空洞は、第１の部分空間および第２の部分空間を備えることができ、第１の部分空間は、第１のセパレータプレートの活性領域の後面と第２のセパレータプレートの活性領域の後面との間に囲まれ、第２の部分空間は、第１のセパレータプレートのビードと第２のセパレータプレートのビードとの間に囲まれる。したがって、セパレータプレートのそれぞれにおける第２の部分空間は、活性領域の、互いに対向して位置する両側を通る、２つのビード部分を含むことができる。この場合、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第２の貫通開口とは、第１の部分空間を含む第１の流体連結部を介して連結することができ、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第２の貫通開口とは、第２の部分空間を含む第２の流体連結部を介して連結することができる。したがって、第１の流体連結部は、通常、活性領域を所望のように冷却するように機能する主たる冷却剤の流れを案内し、または導くように機能する。第２の流体連結部は、ビード内部への望ましくない実際の流れを導き、冷却剤は、活性領域を冷却するために利用され得ない。この場合、第１の流体連結部の最小断面Ａ１，ｍｉｎは、第２の流体連結部の最小断面Ａ２，ｍｉｎよりも大きいことが好ましい。本明細書では、好ましくは、たとえばＡ１，ｍｉｎ≧５×Ａ２，ｍｉｎ、好ましくはＡ１，ｍｉｎ≧１０×Ａ２，ｍｉｎ、特に好ましくはＡ１，ｍｉｎ≧１５×Ａ２，ｍｉｎである。ここで、電気化学システムを効率的に冷却するには、ビード内部は少なくとも部分的に冷却剤で満たすことができるが、ビード内部での著しい冷却剤の流れがなく、したがってビード内部の冷却剤は準静的であり、したがって第１の貫通開口から供給された冷却剤が、場合によっては分配領域を介して活性領域の後面へと独占的に、またはほぼ独占的に導かれ得、活性領域の後面を介して第２の貫通開口へと流れることが有利である。
【００３４】
最後に、前述のタイプの複数のバイポーラプレートを備える電気化学システムが提案され、システムのバイポーラプレートは、スタックに配置される。普通、スタックの隣接するバイポーラプレートの間に膜電極接合体（ＭＥＡ）が配置される。隣接するバイポーラプレートの活性領域におけるＭＥＡは、それぞれアイオノマーと、好ましくは少なくとも１つのガス拡散層とを含むことができる。ＭＥＡは、ＭＥＡに隣接するバイポーラプレートのバリア要素および凹部と少なくとも局所的に重なる補強縁部領域もそれぞれ備えることができる。したがって、先行技術に関して、ＭＥＡ設計の変更は必要とされない。バイポーラプレートの封止要素はＭＥＡ上に位置し、バリア要素は、バイポーラプレートの表面に対して垂直な方向に、ＭＥＡに対してわずかに離れている。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
本発明の一実施形態例を各図に示し、またこの後の説明によってより詳細に説明する。本明細書では、複数の特徴を互いに組み合わせて示す。しかし、後述の特徴のうちの個々の特徴は、さらに、例の別の特徴とは独立して本発明を形成することもできる。さらに、これ以降、同等かまたは同様の要素には同じかまたは同様の参照符号が与えられており、したがって、好ましくはその説明は繰り返されない。
【００３６】
【図１】積層された複数のバイポーラプレートを備える、本発明による電気化学システムの概略的な斜視図である。
【００３７】
【図２】先行技術から知られているバイポーラプレートの概略的な平面図である。
【００３８】
【図３】図１のシステム１の細部の概略的な断面図である。
【００３９】
【図４Ａ】本発明によるバイポーラプレートの細部の概略的な平面図である。
【００４０】
【図４Ｂ】図４Ａの詳細Ａによる細部を示す図である。
【００４１】
【図４Ｃ】本発明による別のバイポーラプレートの細部の概略的な平面図である。
【００４２】
【図５Ａ】概略をよりよく示すために、図４Ａおよび図４Ｂに示した細部を描写していない、本発明によるバイポーラプレートの概略的な平面図である。
【００４３】
【図５Ｂ】本発明によるバイポーラプレートの平面図の細部を示す図である。
【００４４】
【図６Ａ】図４Ａおよび図４Ｂのバイポーラプレートの概略的細部の断面図である。
【図６Ｂ】図４Ａおよび図４Ｂのバイポーラプレートの概略的細部の断面図である。
【図６Ｃ】図４Ａおよび図４Ｂのバイポーラプレートの概略的細部の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
図１には、本発明によるスタック３２を備えた電気化学システム１が示してあり、このスタック３２は、ｚ方向６に沿って積層されて２つのエンドプレート３、４の間にクランプされた、構造的に同一の複数のバイポーラプレート２を備える。これらのバイポーラプレートは、この文書ではセパレータプレートとも呼ばれる、互いに連結された２つの別個のプレートをそれぞれ備える。この例では、システム１は燃料電池スタックである。したがって、このスタックの２つの隣接するバイポーラプレートは、それらの間に、たとえば化学エネルギーを電気エネルギーに変換するように機能する電気化学セルを封入する。電気化学セルは、普通、膜電極接合体（ＭＥＡ）およびガス拡散層（ＧＤＬ）をそれぞれ備える。代替の実施形態に関しては、システム１は、電気分解装置、圧縮機、またはレドックスフロー電池としても同様に構成することができる。これらの電気化学システムにおいても、バイポーラプレートを使用することができる。これらのバイポーラプレートの構造は、バイポーラプレート上に、またはバイポーラプレートを通って導かれる媒体が異なり得る場合でも、ここでより詳細に説明するバイポーラプレートの構造に対応する。
【００４６】
ｚ軸７０は、ｘ軸８０およびｙ軸９０とともに右手デカルト座標系を張る。エンドプレート４は複数の媒体連結部５を備え、媒体連結部５を介してシステム１に媒体を供給し、またシステム１から外に媒体を導くことができる。システム１に供給され、システム１から外に導かれ得るこれらの媒体は、たとえば分子水素またはメタノールなどの燃料でもよく、空気または酸素などの反応ガスでもよく、水蒸気などの還元生成物でもよく、水および／またはグリコールなどの冷却剤でもよい。
【００４７】
図２には、先行技術から知られており、たとえば図１の電気化学システムに関連するシステムにおいて使用することができるバイポーラプレート１０の詳細が示してある。バイポーラプレート１０は、実質的に互いに接合された２つの別個のプレート、すなわちセパレータプレート１０ａ、１０ｂから形成され、図２では、このうち、第２のセパレータプレート１０ｂを覆っている第１のセパレータプレート１０ａだけが見えている。セパレータプレート１０ａ、１０ｂは、金属シートから、たとえばステンレス鋼シートからそれぞれ製造することができる。セパレータプレート１０ａ、１０ｂは、互いにぴったりと重なって、バイポーラプレート１０の貫通開口１１ａ、１１ｂ、１１ｃを形成する貫通開口を備える。バイポーラプレート１０の方式で複数のバイポーラプレートを積層すると、貫通開口１１ａ〜ｃは、スタック３２を通じて積層方向６（図１参照）に延在する導管を形成する。通常、貫通開口１１ａ〜ｃによって形成される導管のそれぞれは、システム１のエンドプレート４の媒体連結部５のうちの１つと流体連結している。たとえば、貫通開口１１ａ、１１ｂによって形成される導管は、燃料電池スタックの電気化学セルに燃料および反応ガスを供給するように機能する。一方、冷却剤は、貫通開口１１ｃによって形成される導管を介して、スタック３２に導入することができる、またはスタック３２から外に導くことができる。
【００４８】
スタックの内部および周囲に対して貫通開口１１ａ〜ｃを封止するために、第１のセパレータプレート１０ａは、貫通開口１１ａ〜ｃの周りにそれぞれ配置されて貫通開口１１ａ〜ｃをそれぞれ完全に包含するビード１２ａ、１２ｂ、１２ｃを備える。図２を見る人から見えないバイポーラプレート１０の後面の第２のセパレータプレート１０ｂは、貫通開口１１ａ〜ｃを封止するための対応するビード（図示せず）を備える。
【００４９】
バイポーラプレート１０の電気化学的活性領域８では、第１のセパレータプレート１０ａは、図２を見る人と向き合うその前面に、セパレータプレート１０ａの前面に沿って媒体を導くための構造体を備えた流れ場１７を備える。これらの構造体は、たとえば複数のウェブと、ウェブの間に配置されたチャネルとを備える。図２には、バイポーラプレート１０の前面の活性領域８の詳細のみが示してある。第１のセパレータプレート１０ａは、図２を見る人と向き合うバイポーラプレート１０の前面に、セパレータプレート１０ａの前面に沿って媒体を導くための構造体を備えた分配または回収領域２０をさらに備え、通常はこれらの構造体も同様に、ウェブと、ウェブの間に配置されたチャネルとを備える。
【００５０】
分配または回収領域２０は、貫通開口１１ｂと活性領域８との間に流体連結部を作り出す。したがって、分配または回収領域２０のチャネルは、ビード１２ｂを通る貫通部１３ｂを介して、貫通開口１１ｂと流体連結している、または貫通開口１１ｂによって形成される、スタックを通る導管と流体連結している。したがって、貫通開口１１ｂに導かれた媒体は、ビード１２ｂの貫通部１３ｂ、および分配または回収領域２０のチャネルを介して、バイポーラプレート１０の活性領域８の流れ場１７のチャネルへと導かれ得る。
【００５１】
貫通開口１１ａ、または対応する方式で貫通開口１１ａによって形成される、プレートスタックを通る導管は、分配および回収領域に流体連結しており、また分配および回収領域を介して、図２を見る人から見えないバイポーラプレート１０の後面の流れ場に流体連結している。一方、貫通開口１１ｃ、または貫通開口１１ｃによって形成されるスタックを通る導管は、セパレータプレート１０ａ、１０ｂによって囲まれるかまたは包含されてバイポーラプレート１０に冷却剤を導くように構成された空洞２２と流体連結している。
【００５２】
最後に、第１のセパレータプレート１０ａは、流れ場１７、分配または回収領域２０、および貫通開口１１ａ、１１ｂの周辺に存在して、これらを、貫通開口１１ｃ、すなわち冷却剤回路に対して、かつシステム１の周囲に対して封止する別のビード１２ｄをさらに備える。図２に示され、先行技術から知られているバイポーラプレート１０に関しては、ビード１２ｄは、バイポーラプレート１０に冷却剤を導くように構成された貫通開口１１ｃを包含しない。むしろ、ビード１２ｄは、貫通開口１１ｃと、活性領域８または流れ場１７との間の部分を通る。これにより、場合によっては、貫通開口１１ｃから入ってきた冷却剤がセパレータプレート１０ａ、１０ｂの間の空洞２２へと導かれて、具体的には活性領域８を冷却するための活性領域８の後面へと導かれて、ビード１２ｄによってセパレータプレート１０ａの後面に形成されたビード内部２１に入ることになり得る。このことは、ビード内部２１に入った冷却剤がビード１２ｄの進路を部分的にたどりながら、活性領域８の流れ場１７の周りに導かれ、活性領域８を冷却するために利用できなくなるという、望ましくない影響を及ぼす場合がある。本発明の主題は、この望ましくない影響およびその不利な結果を完全にまたは少なくとも部分的に防止する、改善されたセパレータプレートまたはバイポーラプレートである。
【００５３】
貫通開口１１ｂから活性領域８の流れ場１７へと導かれるべき媒体が、流れ場１７を越えてビード１２ｄに沿い、ビード１２ｄと流れ場１７との間を流れるのを防止するために、セパレータプレート１０は、ビード１２ｄの進路をたどりながら、ビード１２ｄと活性領域８の流れ場１７との間に一定の間隔をあけて配置された複数のバリア要素１８をさらに備える。単に概略をよりよく示す目的で、図２では、バリア要素１８のうちのいくつかだけに参照符号を与えている。セパレータプレート１０の後面では、バリア要素１８により、活性領域８の後面と前述のビード１２ｄの内部２１との間に、望ましくない流体連結部が部分的に形成される場合がある。場合によっては、冷却剤が活性領域８の後面からこれらの流体連結部を介してビード内部２１へと入ることがあり、この場合、冷却剤は活性領域８の冷却に寄与することができない。この望ましくない影響も、ここに提案されるセパレータプレートまたはバイポーラプレートの改善によって、完全にまたは少なくとも部分的に排除することができる。
【００５４】
図３は、図１の本発明のシステム１の内部構造の概略的な細部、具体的にはｘ−ｚ平面に沿って燃料電池スタックを通る断面図を示す。ここでは、少なくとも１つのセル（燃料電池）１４が提供され、上記燃料電池はイオン伝導性高分子膜１４０を備え、少なくとも電気化学的活性領域８においては、このイオン伝導性高分子膜１４０の両面に触媒層１４１、１４２が設けられる。さらに、燃料電池１４が間に配置された、いくつかのバイポーラプレート２が示されている。２つの金属層、より具体的には２つのセパレータプレート２ａ、２ｂを連結してバイポーラプレート２にするための溶接部１９が、これに隣接して示されている。溶接部１９は、たとえばレーザ溶接によって作成することができる。さらに、ガス拡散層１５が、各バイポーラプレート２と、最も近い燃料電池１４との間の領域に配置される。ここでは、ポートビード１２ａが、バイポーラプレート２の貫通開口１１ａの周辺に存在している。ポートビード１２ａは、貫通開口１１ａを封止するように機能する。貫通開口１１ａは、たとえば、システム１に水素を導くように機能することができる。バイポーラプレート２の縁部領域の周辺に存在するビード７は、媒体が活性領域８から外部に、またはその逆に出て行くことができないように、システム１の環境に対して電気化学的活性領域８を封止するように機能する。
【００５５】
図２に示したバイポーラプレート１０に対応して、本発明によるバイポーラプレート２、およびバイポーラプレート２を形成するセパレータプレート２ａ、２ｂは、たいてい６つ、場合によってはそれ以上の、整列した貫通開口を備える（図２には、こうした貫通開口が３つだけ示してある）。一方では、これらは普通、バイポーラプレート２に冷却流体を導くための少なくとも２つの貫通開口になっており、図２によるバイポーラプレート１０の貫通開口１１ｃに対応する。対応するこれらの貫通開口もそれぞれ、ポートビード１２ｃによって囲まれる（図５Ａおよび図５Ｂ参照）。さらに、図３に代表的に示されている貫通開口１１ａおよび１１ｂのように、いずれの場合にも、電気化学的活性領域８に媒体を供給し、また電気化学的活性領域８から媒体を排出するための少なくとも２つの貫通開口１１ａおよび１１ｂが提供され、上記貫通開口はそれぞれ、別のポートビード１１ａ、１１ｂによって封止される（図５Ａおよび図５Ｂ参照）。さらに、図３では、ビード７によって形成されたビード内部２１、およびバイポーラプレート２のセパレータプレート２ａ、２ｂによって囲まれた空洞２２が強調表示されている。
【００５６】
図４Ａには、本発明によるバイポーラプレート２のうちの１つが示してあり、このバイポーラプレート２は、たとえば図３による連結部１９の方式のレーザ溶接連結部により、２つのセパレータプレート２ａ、２ｂで互いに接合されている。２つのセパレータプレート２ａ、２ｂは、同じ特徴を有することができる。具体的には、図４Ａには、バイポーラプレート２の第１のセパレータプレート２ａの第１の平坦面または前面が示してある。バイポーラプレート２の第２のセパレータプレート２ｂは、図４Ａでは、第１のセパレータプレート２ａによって覆われている。セパレータプレート２ａ、２ｂはそれぞれ、ステンレス鋼シートから形成され、シートの厚みはせいぜい１００μｍであることが好ましい。セパレータプレート２ａ、２ｂは、バイポーラプレート２に冷却剤を導くための、すなわちバイポーラプレート２に冷却流体を導くための空洞２２を囲む。空洞は、セパレータプレート２ａ、２ｂの整列した貫通開口（図４Ａには図示せず）によってそれぞれ形成される、バイポーラプレート２の貫通開口と流体連結している。これらの貫通開口は、たとえば図１の媒体連結部５のうちの１つまたは複数と流体連結している。
【００５７】
セパレータプレート２ａは、その前面に、反応媒体を導くための構造体を備える流れ場１７を有する電気化学的活性領域８を備える。ここでの流れ場１７の構造体は、複数のウェブと、ウェブの間に配置されたチャネルとを備える。流れ場１７の構造体は、セパレータプレート２ａにエンボス加工され、セパレータプレート２ａと一体に形成される。活性領域８は、ビード７によって完全に包含されている。ビード７は、少なくとも部分的に蛇行した進路を有し、ビード７のうち、図４Ａに示されている部分では、ビードの主延在方向７７は、セパレータプレート２ａの外縁部、またはバイポーラプレート２の外縁部の直線進路をたどる。しかし、先行技術から知られており、図２に示されているバイポーラプレート１０とは異なり、ビード７は、流れ場１７を備えた活性領域だけではなく、セパレータプレート２ａ、２ｂによって囲まれた空洞２２と流体連結している、バイポーラプレート２の１つまたは複数の貫通開口もさらに包含する（図５Ａ参照）。したがって、有利には、ビード７の内部２１への、冷却剤の望ましくない流れを防止または抑制することができる。ビード７は、セパレータプレート２ａにエンボス加工され、セパレータプレート２ａと一体に形成される。
【００５８】
活性領域８の流れ場１７は、分配または回収領域２０を介して、セパレータプレート２ａ、２ｂの整列した２つの貫通開口（図４Ａには図示せず）によって形成される、バイポーラプレート２の別の貫通開口と流体連結している。この貫通開口は、図１の媒体連結部５のうちの１つまたは複数と流体連結している。分配または回収領域２０も、たとえばウェブおよびウェブの間に形成されるチャネルの形で、反応媒体を導くための構造体を備える。分配または回収領域２０の構造体は、セパレータプレート２ａにエンボス加工され、セパレータプレート２ａと一体に形成される。空洞２２と向き合うセパレータプレート２ａの後面では、分配または回収領域２０の構造体は、空洞２２と向き合う活性領域８の後面にわたって冷却剤を分配するための分配構造体を形成する。この分配構造体は、ビード７と向き合う活性領域８の端部まで延びている。
【００５９】
複数のバリア要素１８が、ビード７と活性領域８の流れ場１７との間に配置される。バリア要素１８はそれぞれ、セパレータプレート２ａにエンボス加工され、セパレータプレート２ａと一体に形成される。バリア要素１８は、反応媒体がビード７に沿ってビード７と活性領域８の流れ場１７との間を、活性領域８を越えて流れることを完全にまたは部分的に防止するように機能する。バリア要素１８は、活性領域１８からビード７まで延在する。具体的には、バリア要素１８、またはバリア要素１８のうちの少なくともいくつかは、それぞれ活性領域８の構造体まで、かつビード７まで延びている。たとえば、バリア要素１８は、ビード７、および活性領域８の構造体と一体化することができる。
【００６０】
バリア要素１８は、ビード７またはビード７の主延在方向７７に対して横方向に延在し、活性領域８を通る反応媒体の流れ方向に対して横方向に、または活性領域８のウェブおよびチャネルの進行方向に対して横方向に延在する。バリア要素１８、またはバリア要素１８のうちの少なくともいくつかは、ビード７の進路たどりながら、一定の間隔をあけて連続して配置される。バリア要素１８の最大高さは、通常は活性領域８の構造体の最大高さよりも高く、ビード７の最大高さよりも低く、バリア要素１８の高さ、活性領域８の構造体の高さ、およびビード７の高さは、セパレータプレート２またはバイポーラプレート２の平坦面に対して垂直な方向に沿ってそれぞれ規定される。
【００６１】
じかに隣接するバリア要素１８、またはじかに隣接するバリア要素１８のうちの少なくともいくつかは、活性領域８と向き合う端部において、互いに連結されるか、または互いに一体化する。このように、活性領域８と向き合うバリア要素１８の端部は、ビード７に対して平行に、かつ活性領域８のチャネルに対して平行に通る、一定の高さの平らなウェブを形成する。このことは、たとえばＭＥＡの好ましくは補強縁部領域が、バリア要素１８の領域において図１のスタックの隣接するバイポーラプレート２の間に受けられ、押圧される場合に有利になり得る。
【００６２】
バリア要素１８の前述の設計の望ましくない副次的影響は、空洞２２と向き合うセパレータプレート２ａの後面において、バリア要素１８、またはそのうちのいくつかにより、活性領域８の後面とビード７の内部２１との間に流体連結部が形成されることにある場合がある。場合によっては、冷却剤がこの流体連結部を介して活性領域８の後面からビード内部２１へと進む場合があり、この場合、冷却剤は活性領域８を冷却するのに役立つことができないか、または不十分な程度までしか役立つことができない。
【００６３】
活性領域８の後面から離れてビード内部２１へと至る冷却剤のこの望ましくない流れを防止し、または少なくとも部分的に抑制するために、バリア要素１８、またはそのうちの少なくともいくつかは、凹部２３を備える。バリア要素１８と同様に、凹部２３は、セパレータプレート２ａにエンボス加工され、セパレータプレート２ａと一体に形成される。空洞２２と向き合うセパレータプレート２ａの後面にバリア要素１８によって形成される後面流体連結部の断面は、バリア要素１８の少なくとも局所的な凹部によって縮小することができ、したがって、活性領域８の後面から離れてビード７の内部２１へと至る冷却剤の流れは、凹部２３によって完全にまたは少なくとも部分的に防止される。このために、凹部２３、またはそのうちの少なくともいくつかは、セパレータプレート２ａの後面において活性領域８の後面とビード７の内部２１との間に各バリア要素１８によって形成される流体連結部の、セパレータプレート２ａの平坦面に対して垂直に画定される断面を、少なくとも５０パーセントまで、好ましくは少なくとも７０パーセントまで、特に好ましくは少なくとも９０パーセントまで縮小するような方式で形成されることが好ましい。本明細書では、縮小は、ビードの主延在方向７７に対して平行な方向に変化してもよく、またこれに対して垂直にも変化してよい。
【００６４】
図４Ａの描写から理解され得るように、バリア要素１８の凹部２３は様々に設計することができる。たとえば、凹部２３は、細長い形状、長方形の形状、楕円形状、十字形状、Ｖ字形状、または三角形の形状を有することができる。当然、ここに表されているもの以外の形状も考えられる。凹部２３、またはそのうちのいくつかは、ビード７もしくはビード７の主延在方向に対して平行に、または活性領域８のチャネルの進路に対して平行に整列していてもよく、すなわち、その最も長い延在部がこれらに対して平行になっていてもよい。
【００６５】
図４Ａでは、凹部２３のうちの大半は、バリア要素１８の縁部に対して離れており、具体的にはビード７および活性領域８に対して離れている。この場合、バリア要素１８は、少なくとも縁部領域においてその最大の高さ、またはほぼ最大の高さを有し、それにより、バリア要素１８は、凹部２３にかかわらず、反応媒体が活性領域８を迂回することを防止する。しかし、凹部２３またはそのうちのいくつかが、各バリア要素２３の幅または長さ全体にわたって延在することも考えられる。したがって、ビード内部２１への冷却剤の流れを、特に効率的な方式で防止または抑制することができる。
【００６６】
たとえば、１８'で特徴付けられ、ビード７まで延びていないバリア要素は、バリア要素１８'の延在部全体にわたってビード７に対して横方向に、かつ活性領域８のチャネルの進行方向に対して横方向に延在する凹部２３'を備える。したがって、セパレータプレート２ａは、凹部２３'の領域では、活性領域８からビード７まで連続的に凹型になっている。バリア要素１８'および凹部２３'は、バリア要素１８の列の端部に配置され、上記端部は、分配または回収領域２０の後面では分配構造体と向き合う。凹部２３'により、分配または回収領域２０の後面の分配構造体から来る冷却剤が、セパレータプレート２ａの後面にバリア要素１８によって形成されるチャネルまたは流体連結部へと流れるのを完全にまたは少なくとも部分的に防止することができる。第２のセパレータプレート２ｂは、対応する凹部２３'を同じ場所に備えることができ、したがって、第１のセパレータプレート２ａの凹部２３'と第２のセパレータプレート２ｂの対応する凹部２３'とは互いに接触して、冷却剤がビード７と活性領域８との間の領域へと流れることを可能な限り防止する。
【００６７】
さらに、１８''で特徴付けられるバリア要素は、バリア要素１８''の幅全体にわたってビード７に対して平行に、かつ活性領域８のチャネルに対して平行に延在する凹部２３''を備える。この場合にも、第２のセパレータプレート２ｂは、対応する凹部２３''を同じ場所に備えることができ、したがって、第１のセパレータプレート２ａの凹部２３''と第２のセパレータプレート２ｂの対応する凹部２３''とは互いに接触して、冷却剤がこの場所でビード内部２１へと流れることを可能な限り防止する（図６Ａ参照）。
【００６８】
セパレータプレート２ａは、両方のタイプの凹部２３、すなわち各バリア要素１８の幅全体にわたって延在する凹部と、各バリア要素１８の縁部から離れている凹部とを有するバリア要素１８を備えることが好ましい。
【００６９】
図４Ｂには、詳細Ａによる、図４Ａに示されたセパレータプレート２ａまたはバイポーラプレート２の細部が示してある。特に、図４Ｂでは、活性領域８の流れ場まで、かつビード７まで延びているバリア要素１８、１８''は、活性領域８から離れると、領域２４では本質的に階段状にビード７に向かって漸減することが理解される。バリア要素１８、１８''は、漸減領域２４では凹型になっていないことが好ましい。図４Ａおよび図４Ｂでは、セパレータプレート２ａの後面にバリア要素１８、１８''によって形成される流体連結部の、セパレータプレート２ａの平坦面に対して垂直に、ビード７の進行方向に対して平行に画定される断面は、領域２４において約８０パーセントまで縮小される。代替の実施形態に関しては、領域２４のこの断面は、少なくとも５０パーセントまで、または少なくとも９０パーセントまで漸減してもよい。領域２４での断面の漸減も、セパレータプレート２ａの後面でビード内部２１へと至る、冷却剤の望ましくない流入を抑制することに寄与し得る。
【００７０】
２つのセパレータプレート２ａ、２ｂの間に囲まれる空洞２２は、第１の部分空間および第２の部分空間を備えることができ、第１の部分空間は、第１のセパレータプレート２ａの活性領域８と第２のセパレータプレート２ｂの活性領域との間に囲まれ、第２の部分空間は、第１のセパレータプレート２ａのビード７と第２のセパレータプレート２ｂの対応するビードとの間に囲まれる。冷却剤供給用の各貫通開口１１ｃは、第１の流体連結部および第２の流体連結部をそれぞれ介して連結され得、第１の流体連結部は第１の部分空間を含み、第２の流体連結部は第２の部分空間を含む。本明細書では、第１の流体連結部の最小断面Ａ１，ｍｉｎは、好ましくは第２の流体連結部の最小断面Ａ２，ｍｉｎよりも大きい。具体的には、たとえばＡ１，ｍｉｎ≧１０×Ａ２，ｍｉｎ、特に好ましくはＡ１，ｍｉｎ≧２５×Ａ２，ｍｉｎでもよい。
【００７１】
図４Ｃには、本発明による別のバイポーラプレート２、または本発明による別のセパレータプレート２ａの細部の平面図が示してあり、これらは、図４Ａおよび図４Ｂのものと基本的には同様に構成されている。一方では、セパレータプレート２ａは、反応媒体を導くための構造体を備えた流れ場１７を有する電気化学的活性領域８をその前面に備える。この左には分配領域２０の一部が示してあり、この分配領域では、反応媒体が、セパレータプレート２ａの図示されている第１の平坦面上で、図示されていない貫通開口から流れ場１７へと、またはその逆に導かれる。一方、分配領域２０の後面では、冷却剤が、同様に図示されていない貫通開口から流れ場１７の後面へと、またはその逆に導かれる。ここでは、バリア要素１８''、１８'''がビード７と活性領域８との間に配置され、バリア要素１８および１８'が分配領域２０とビード７との間に配置されている。活性領域８の後面または分配領域２０からビード７の内部２１へと冷却剤が流れるのを防止し、または少なくとも大幅に制限する凹部２３、２３'、２３''、２３'''が、これらすべてのバリア要素１８、１８'、１８''、１８'''の領域に設けられている。特に、凹部２３'が、その形状に関して、関連付けられたバリア要素１８'の形状に適合されていることは、凹部２３'によって明らかである。
【００７２】
図５Ａには、セパレータプレート２ａ、２ｂを備えたバイポーラプレート２の全体的な平面図がごく概略的に示してある。活性領域８の構造体と、互いに流体連結されるべき貫通開口が同じ参照符号で示されている貫通開口１１ａ〜ｃと、ビード７とがさらに示されている。図２による知られているバイポーラプレート１０のビード１２ｄとは異なり、本発明によるバイポーラプレート２のビード７は、活性領域８、バイポーラプレート２に燃料および反応媒体を導くための貫通開口１１ａ〜ｂ、さらにはバイポーラプレート２に冷却剤を導くための貫通開口１１ｃの周辺に存在している。図２によるバイポーラプレート１０のように、図５Ａでは、本発明によるバイポーラプレート２は追加のポートビード１２ａ〜ｃを備え、これらのポートビードは、貫通開口１１ａ〜ｃのうちのちょうど１つだけをそれぞれ包含し、貫通開口１１ａ〜ｃのうちのちょうど１つを封止するようにそれぞれ形成されていることがさらに理解される。図４Ａおよび図４Ｂに既に示してきた、たとえばバリア要素１８や凹部２３などの、セパレータプレート２ａまたはバイポーラプレート２のさらなる詳細は、概略をよりよく示す目的で図５Ａには再び示していない。
【００７３】
一方、機能的に等しい構造体が、本発明によるバイポーラプレートの平面図の詳細、具体的には図２に対応する詳細を示す図５Ｂに示してある。ここでは、長方形の凹部２３が各バリア要素１８に存在し、上記凹部により、活性領域８の後面からビード７の内部２１への冷却剤の流れが防止され、または少なくとも大幅に制限される。図示されている詳細では、凹部２３をそれぞれ備えたさらなるバリア要素１８が、分配領域２０の左側の領域に示されている。これにより、分配領域２０の後面からビード７の内部２１への冷却剤の流れが防止される。
【００７４】
図６Ａ〜図６Ｃには、本発明によるバイポーラプレート２の様々な詳細が示してあり、またいずれの場合も、図４Ａおよび図４Ｂに示され、具体的には活性領域の後面からビード７の内部２１への冷却剤の流れを防止または抑制するように機能するエンボス加工された凹部２３、２３''を備えるバリア要素１８、１８''のうちの１つの領域が特に示されている。図６Ａ〜図６Ｃの断面は、バイポーラプレート２またはセパレータプレート２ａ、２ｂの平坦面に対してそれぞれ垂直である。図６Ａには、バリア要素１８''の凹部２３''が互いに接触し、バリア要素１８''の領域において、ビード内部２１への冷却剤の流れを完全に防止することが示してある。さらに、バリア要素１８、１８''は部分的に重なるように配置されており、２つのセパレータプレート２ａ、２ｂの凹部２３、２３''は、やはり重なるように配置される場合もあり（図６Ａ、図６Ｂ）、バイポーラプレートの平坦面に対して垂直に、完全にまたは少なくとも部分的にオフセットして配置される場合もある（図６Ｃ）ことが、図６Ａ〜図６Ｃから理解され得る。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【国際調査報告】
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