(57)【要約】  発明は、それぞれがプレート面を規定し、プレート面に垂直な積層方向（６）に積層された２つの金属セパレータプレート（１０）を備えた電気化学装置に関する。セパレータプレート（１０）は、セパレータプレート（１０）にエンボス加工され、セパレータプレート（１０）の間に配置された電気化学セルを封止するために互いに支持され、距離ｚ２まで積層方向に可逆的変形可能であるシーリング要素（１２ａ−ｄ）を有する。装置はさらに、セパレータプレート（１０）の間に配置され、プレート面に平行な方向にセパレータプレート（１０）のシーリング要素（１２ａ−ｄ）と離れている少なくとも１つの支持要素（１９，１９ａ−ｄ，１９ｆ−ｈ）を有する。シーリング要素（１２ａ−ｄ）および支持要素（１９，１９ａ−ｄ，１９ｆ−ｈ）は、積層方向に規定されるセパレータプレートのプレート面の互いまでの距離が、積層方向（６）にセパレータプレートに作用する押圧の結果として、ｚ≦ｚ２の距離ｚにまで縮小される場合、積層方向（６）に変形量Δｚ'の分の少なくとも１つの支持要素（１９，１９ａ−ｄ，１９ｆ−ｈ）のみの圧縮または更なる圧縮に必要な力Ｆｓが、積層方向（６）に変形量Δｚ'の分のセパレータプレート（１０）の少なくとも１つのシーリング要素のみの更なる圧縮に必要な力ＦＤより大きくなるように設計される。
2020537296.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１および第２の金属セパレータプレートと、前記セパレータプレートの間に配置された電気化学セルと、前記セパレータプレートの間に配置された少なくとも１つの支持要素とを備える電気化学装置であって、
前記セパレータプレートは、プレート面をそれぞれ規定し、前記プレート面に垂直な積層方向に積層され、
前記セパレータプレートはそれぞれ、前記セパレータプレートにエンボス加工され、それぞれの前記プレート面より上に隆起する少なくとも１つのシーリング要素を有し、
前記セパレータプレートの前記シーリング要素は、前記セパレータプレートの間に配置された少なくとも前記電気化学セルを封止するために互いに支持され、
前記セパレータプレートの前記シーリング要素は、前記セパレータプレートの前記プレート面の互いの距離ｚが、前記セパレータプレートの前記シーリング要素の少なくとも１つの弾性圧縮によって、少なくとも距離ｚ２に可逆的に縮小可能であるように、前記積層方向に弾性的に変形可能であり、
前記少なくとも１つの支持要素は、前記セパレータプレートの前記プレート面に平行な方向に前記セパレータプレートの前記シーリング要素から離れており、
前記セパレータプレートの前記シーリング要素の設計、および不可逆的塑性変形からの前記セパレータプレートの前記シーリング要素の保護のための前記少なくとも１つの支持要素の配置と設計は、前記セパレータプレートの前記プレート面の互いまでの距離ｚが、前記積層方向に前記セパレータプレートに作用する押圧の結果として、ｚ≦ｚ２の距離ｚにまで縮小される場合、前記積層方向に変形量Δｚ'の分の前記少なくとも１つの支持要素のみの圧縮または更なる圧縮に必要な力Ｆｓが、前記積層方向に変形量Δｚ'の分の前記セパレータプレートの前記少なくとも１つのシーリング要素のみの更なる圧縮に必要な力ＦＤより大きくなるようなものである
電気化学装置。
【請求項２】
前記セパレータプレートの前記シーリング要素の設計、および前記少なくとも１つの支持要素の配置と設計は、ｚ≦ｚ１かつｚ１＞ｚ２の場合に、前記セパレータプレートの互いの距離ｚの更なる縮小の場合、前記積層方向の変形量Δｚ'''の分の前記支持要素のみの圧縮または更なる圧縮に必要な前記力Ｆｓが、前記積層方向の前記変形量Δｚ'''の分の前記シーリング要素のみの更なる圧縮に必要な前記力ＦＤより速く大きくなるようなものである
請求項１に記載の電気化学装置。
【請求項３】
前記少なくとも１つの支持要素は、ｚ≦ｚ１かつｚ１＞ｚ２の場合に本質的に指数関数的な力−変形量曲線を有するように配置および設計される
請求項１または２に記載の電気化学装置。
【請求項４】
前記セパレータプレートの前記シーリング要素は、ｚ≦ｚ３かつｚ３＜ｚ２である値ｚまでの前記セパレータプレートの互いの距離の縮小が、前記セパレータプレートの前記シーリング要素の少なくとも１つに対する、好ましくは、両方の前記セパレータプレートの前記シーリング要素に対する不可逆的塑性圧縮をもたらすように設計される
請求項１から３のいずれか一項に記載の電気化学装置。
【請求項５】
前記少なくとも１つの支持要素のうちの前記支持要素の各々、１つ、または複数は、それぞれ、少なくとも１つの空洞および／または複数の微細孔を有する
請求項１から４のいずれか一項に記載の電気化学装置。
【請求項６】
前記セパレータプレートの前記シーリング要素の設計、および前記少なくとも１つの支持要素の配置と設計は、ｚがｚ２＜ｚ１＜ｚ＜ｚ０の場合に、前記積層方向の変形量Δｚ''の分の前記セパレータプレートの前記少なくとも１つのシーリング要素のみの圧縮または更なる圧縮に必要な前記力ＦＤが、前記積層方向の前記変形量Δｚ''の分の前記少なくとも１つの支持要素のみの圧縮または更なる圧縮に必要な前記力Ｆｓに等しくまたはより大きくなるようなものである
請求項５に記載の電気化学装置。
【請求項７】
前記少なくとも１つの支持要素の前記支持要素の各々、１つ、または複数は、それぞれ、発泡材料を有する
請求項５または６に記載の電気化学装置。
【請求項８】
前記少なくとも１つの空洞および／または前記複数の微細孔を有する前記支持要素は、前記少なくとも１つの空洞および／または前記複数の微細孔が、前記積層方向に前記セパレータプレートに作用する押圧によって完全にまたは少なくとも部分的につぶれるように設計される
請求項５から７のいずれか一項に記載の電気化学装置。
【請求項９】
前記少なくとも１つの空洞および／または前記複数の微細孔を有する前記支持要素は、前記少なくとも１つの空洞および／または前記複数の微細孔が、前記セパレータプレートの互いの距離がｚ≦ｚ２である場合に、それぞれ最大限につぶされるように設計および配置される
請求項８に記載の電気化学装置。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの支持要素は、少なくとも１つの第１の支持要素を有し、前記少なくとも１つの第１の支持要素は、ｚ＞ｚ１かつｚ１＞ｚ２である場合に、少なくとも１つの中間スペースが、前記積層方向における前記セパレータプレートおよび前記少なくとも１つの第１の支持要素の間に残るように配置される
請求項１から９のいずれか一項に記載の電気化学装置。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの中間スペースは、ｚ≦ｚ１である場合に０になる
請求項１０に記載の電気化学装置。
【請求項１２】
前記セパレータプレートの前記シーリング要素は、それぞれ、前記電気化学セルを囲み、前記電気化学装置の環境に対して前記電気化学セルを封止する周辺ビードを有する
請求項１から１１のいずれか一項に記載の電気化学装置。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの支持要素は、前記セパレータプレートの前記プレート面に平行な方向に、前記電気化学セルから離れた前記周辺ビードの面に配置される、少なくとも１つの第２の支持要素を有する
請求項１２に記載の電気化学装置。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの支持要素のそれぞれの支持要素は、少なくとも複数の領域において、電気的絶縁材料を有し、または、少なくとも複数の領域において、電気的絶縁材料で形成され、
前記少なくとも１つの支持要素のそれぞれの支持要素の前記電気的絶縁材料は、前記金属セパレータプレートの互いに対するそれぞれの距離ｚで、前記金属セパレータプレートの間の電気的接触が前記支持要素によって形成され得ないように配置される
請求項１から１３のいずれか一項に記載の電気化学装置。
【請求項１５】
前記少なくとも１つの支持要素の前記支持要素の各々、１つ、または複数は、完全に電気的絶縁材料で形成される
請求項１４に記載の電気化学装置。
【請求項１６】
前記少なくとも１つの支持要素の前記支持要素の各々、１つ、または複数は、熱可塑性材料、熱可塑性エラストマー、および／またはセラミック材料を有する
請求項１から１５のいずれか一項に記載の電気化学装置。
【請求項１７】
前記少なくとも１つの支持要素の前記支持要素の各々、１つ、または複数は、ポリマーベースおよび／または金属支持ファブリックを有する
請求項１から１６のいずれか一項に記載の電気化学装置。
【請求項１８】
前記少なくとも１つの支持要素の前記支持要素の各々、１つ、または複数は、前記セパレータプレートの少なくとも１つに、物質的におよび／またはポジティブにおよび／または非ポジティブに接続される
請求項１から１７のいずれか一項に記載の電気化学装置。
【請求項１９】
前記電気化学セルは、フレームを有し、
前記少なくとも１つの支持要素の前記支持要素の各々、１つ、または複数は、前記フレームに、物質的におよび／またはポジティブに接続される
請求項１から１８のいずれか一項に記載の電気化学装置。
【請求項２０】
前記フレームにクランプされ、互いに支持される前記セパレータプレートの前記シーリング要素の間に封止されて収容される、少なくとも１つの膜、特に、電解質膜または水転写膜を備え、
ガス拡散層が好ましくは前記膜の両方の面に配置される
請求項１９に記載の電気化学装置。
【請求項２１】
前記少なくとも１つの支持要素の前記支持要素の各々、一つ、または複数は、前記セパレータプレートの前記プレート面に平行な方向に前記セパレータプレートの少なくとも１つ上に固定され、好ましくは、解放可能に固定されることができるように設計される
請求項１から２０のいずれか一項に記載の電気化学装置。
【請求項２２】
前記セパレータプレートはそれぞれ、前記セパレータプレートに媒体を通すように導く少なくとも１つの貫通開口を有し、
前記セパレータプレートの前記少なくとも１つのシーリング要素は、それぞれの前記セパレータプレートにエンボス加工され、当該セパレータプレートの前記少なくとも１つの貫通開口の周りの周辺に配置されるポートビードを有し、
前記少なくとも１つの支持要素の前記支持要素の各々、１つ、または複数は、前記貫通開口から離れた前記ポートビードの面に配置される
請求項１から２１のいずれか一項に記載の電気化学装置。
【請求項２３】
前記ポートビードは、前記貫通開口と前記電気化学セルの間に流体接続を形成する供給貫通部を有する
請求項２２に記載の電気化学装置。
【請求項２４】
前記少なくとも１つの支持要素は、前記セパレータプレートの前記プレート面に平行に延びる平面の中で前記ポートビードから離れている
請求項２２または２３に記載の電気化学装置。
【請求項２５】
前記セパレータプレートのそれぞれは、当該セパレータプレートを形成するために、好ましくは溶接接続によって、特に好ましくは、レーザ溶接接続によって、互いに物質的に接続される２つの金属個別プレートを有する
請求項１から２４のいずれか一項に記載の電気化学装置。
【請求項２６】
前記金属個別プレートのそれぞれは、当該金属個別プレートにエンボス加工され、前記積層方向に伸縮性がある少なくとも１つのシーリング要素を有する
請求項２５に記載の電気化学装置。
【請求項２７】
スタック上に横断方向に配置される保持要素を備え、
前記少なくとも１つの支持要素は、前記保持要素に接続され、または前記保持要素を一部として有するように設計される複数の支持要素を有する
請求項１から２６のいずれか一項に記載の電気化学装置。
【請求項２８】
請求項１から２７のいずれか一項に記載の電気化学装置を複数備え、
前記電気化学装置は、共通の積層方向に沿って積層される
電気化学システム。
【請求項２９】
請求項２７に記載の電気化学装置を備え、
前記保持要素は、複数の電気化学装置の上に共通の積層方向に延びる
請求項２８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】
発明は、２つの金属セパレータプレートおよび複数の金属セパレータプレートの間に配置された電気化学セルを有する電気化学装置に関する。発明は、スタックに配置された、そのような複数の電気化学装置を有する電気化学システムに更に関する。
【０００２】
公知の電気化学システムは、通常、セパレータプレートによってそれぞれ互いから離れた電気化学セルのスタックを有する。本明細書の枠組みの中での用語「電気化学セル」は、特に、化学エネルギーを電気エネルギーに変換するための（例えば燃料電池）、電気エネルギーを与えることによって化学反応を誘発するための（例えば電解セル）、またはガスの間での水分の交換のための（例えば加湿セル）、複数のセルを含む。
【０００３】
典型的に、セパレータプレートは、２つの共に結合された個別プレートから形成される。セパレータプレートの個別プレートは、例えば、１または複数の溶接接続部によって、特に、１または複数のレーザ溶接接続部によって、物質的に共に結合され得る。さらに、セパレータプレートは、通常、少なくとも１つまたは複数の貫通開口を有する。媒体および／または反応生成物は、貫通開口を通して、スタックの隣接するセパレータプレートの間に配置された複数の電気化学セルに、またはセパレータプレートの個別プレートによって形成された内部に導かれ、または、複数のセルから離れるように、または当該内部から外に導かれ得る。
【０００４】
述べたセパレータプレートは、別個の電気化学セル（例えば、燃料電池）の電極の電気的接触のために、および／または隣接するセルの電気的接続（複数のセルの直列接続）のために機能し得る。特に、セパレータプレートは、２つの個別プレートで構成され得、実際はこれらの個別プレートはそれぞれ、例えば、１つまたは複数の媒体で、および／または反応生成物を離すように運ぶために、隣接するセパレータプレートの間に配置された複数の電気化学セルの供給のために設計された構造体を有する、または形成し得る。媒体は、燃料（例えば、水素もしくはメタノール）、または反応ガス（例えば、空気もしくは酸素）であり得る。さらに、セパレータプレートまたは個別プレートは、冷却剤をセパレータプレートに通すように導くための、特に、冷却剤をセパレータプレートの個別プレートによって囲まれた内部に通すように導くための構造体を有し得る。セパレータプレートは、したがって、電気または化学エネルギーを変換する際に電気化学セルにおいて生じる排熱の向上した誘導のために設計され得る。同じく、セパレータプレートは、異なる媒体チャネルまたは冷却チャネルを互いに対しておよび／またはセパレータプレート全体を外部に対して封止するために設計され得る。
【０００５】
電気化学セルは、典型的に、（例えば、燃料電池の場合に）１つまたは複数の電解質膜または（例えば、加湿セルの場合に）１つまたは複数の熱交換膜をさらに有する。膜の他に、電気化学セルは、好ましくは膜の両方の面上に配置され、膜を介した媒体転送または媒体交換のレートを向上し得るガス拡散層をさらに有し得る。ガス拡散層は、例えば、金属不織布またはカーボン不織布として設計され得る。
【０００６】
周囲に対してまたはそれぞれの電気化学システムの他の領域に対して、電気化学セルを封止するために、および／またはセパレータプレートにおける貫通開口によって形成された媒体チャネルを封止するために、セパレータプレートまたはセパレータプレートの個別プレートは、しばしば、例えば、シーリングビードの形状に、セパレータプレートに形成されたまたはエンボス加工（刻印）されたシーリング要素を有する。特に、これらは、アーチ形のフルビード、または２つの突出部とそれらの間に延伸する頂部を有するフルビードとして設計され得る。スタックの隣接するセパレータプレートのシーリング要素は、典型的に、封止効果を達成するために互いに支持される。本明細書では、例えば、電気化学セルの電解質膜のまたは加湿膜の端部領域は、互いに支持された隣接するセパレータプレートのシーリング要素の間に収容され得る。
【０００７】
シーリング要素が、それぞれの主な動作状態が持続して独立である良好な封止効果を達成することを可能にするために、特に、シーリング要素が、少なくとも予め規定された許容範囲の中で、弾力的に、例えば可逆的に変形可能であることが望ましい。しかしながら、シーリング要素が、許容範囲を超えて変形された場合、シーリング要素の塑性の、例えば不可逆的変形が発生し得る。これは、シーリング要素を、それらの封止効果を果たすことがもはや可能ではないように導く可能性があり得る。これによって、システムの効率は、かなり減少され得、またはシステムの作動のメンテナンスは、完全に不可能になることさえある。システムが、高い可燃性の媒体で作動される場合、またはそのような媒体が作動において生成される場合、シーリング要素へのダメージが大きな安全上の危険を表し得ることさえある。セパレータプレートのシーリング要素の不可逆的変形は、例えばプレートスタックにかかる大きな機械的力の突然の作用によって、生じ得、例えば車の事故において発生し得る。したがって、できるだけ、大きな機械的力の作用を仮定した場合でさえ、不可逆的塑性変形から、シーリング要素を保護する保護機構を、システムに提供する利益がある。
【０００８】
１つの公知の解決手段は、高い強度と良好な機械的安定性を有する保護コンテナに、電気化学システムを入れることを予測する。しかしながら、衝撃の場合、そのような大きな衝撃伝達は、これが保護コンテナによって適応されるおよび／または消されることを起こすことができず、これによって、それは、非減衰の態様でプレートスタックに伝達される。
【０００９】
他の公知の解決手段は、電子分離機構を予測し、それは、しかしながら、媒体の流れをさえぎるのみで、しかし、いかなる機械的破壊からどんな推定も生じない。 
【００１０】
したがって、発明の目的は、２つのセパレータプレートと、セパレータプレートの間に配置された電気化学セルと、を備える電気化学装置を提供し、電気化学セルは、シーリング要素によって封止され、当該装置は、起こりうる大きな機械的負荷、したがって、できるだけ安全な作動に耐えることが可能である。意図した装置の空間的要件および重さは、本明細書では、公知の解決手段に比較されてもほとんど少しも増加しないであろう。さらに、複数のそれぞれの電気化学装置を有する電気化学システムが提供される。
【００１１】
この目的は、クレーム１に係る電気化学装置によって、および複数のそのような電気化学装置を有する電気化学システムによって達成される。
【００１２】
本明細書で提唱される電気化学装置は、少なくとも以下を有する。
【００１３】
電気化学装置は、それぞれプレート面を規定し、プレート面に垂直な積層方向に積層された第１および第２の金属セパレータプレートと、セパレータプレートの間に配置された電気化学セルとを有する。
【００１４】
セパレータプレートは、それぞれ、セパレータプレートにエンボス加工され、それぞれのプレート面より上に隆起する少なくとも１つのシーリング要素を有し、セパレータプレートのシーリング要素は、セパレータプレートの間に配置された少なくとも電気化学セルを封止するために互いに支持される。セパレータプレートのシーリング要素は、積層方向に弾性的に変形可能であり、これにより、セパレータプレートのプレート面の互いに対する距離ｚは、セパレータプレートのシーリング要素の少なくとも１つの弾性圧縮によって、少なくとも距離ｚ２にまで可逆的に縮小可能である。
【００１５】
さらに、本明細書で提唱される電気化学システムは、セパレータプレートの間に配置され、セパレータプレートのプレート面に平行な方向に、セパレータプレートのシーリング要素に対して離れている、少なくとも１つの支持要素を有する。シーリング要素が、フルビードとして設計される場合、シーリング要素は完全なフルビードを有してよい。支持要素は、したがって、全体のシーリング要素に対して離れており、フルビードの２つのビード突出部の間にはない。
【００１６】
セパレータプレートのシーリング要素の設計、および不可逆的塑性変形からのセパレータプレートのシーリング要素の保護のための少なくとも１つの支持要素の配置と設計は、セパレータプレートのプレート面の互いに対する距離ｚが、積層方向にセパレータプレートに作用する押圧の結果として、距離ｚ（ｚ≦ｚ２）まで縮小する場合、積層方向に変形量Δｚ'で少なくとも１つの支持要素のみの圧縮または更なる圧縮に必要な力ＦＳは、積層方向に変形量Δｚ'でセパレータプレートの少なくとも１つのシーリング要素のみの更なる圧縮に必要な力ＦＤより大きい。
【００１７】
セパレータプレートは全体として、それぞれ、例えばエンボスまたは深絞りプロセスによって、平坦な金属シートから形成され得る。セパレータプレートが複数のプレートからなる場合、個別プレートは、それぞれ、同じく、例えばエンボスまたは深絞りプロセスによって、平坦な金属プレートから形成され得る。プレート面は、例えば、形成プロセスによって変形されずに残った平面を有するセパレータプレートのこれらの領域によって、定義され得る。簡略化の目的で、以下、セパレータプレートのプレート面の互いの距離ｚの話の代わりに、また、セパレータプレートの互いの距離ｚまたはプレート距離をわかりやすく話す。セパレータプレートが複数のプレートからなる場合、セパレータプレートのプレート面は、プレートグループの中間平面として定義される。
【００１８】
セパレータプレートのシーリング要素の設計、および少なくとも１つの支持要素の配置と設計は、セパレータプレートの互いの距離ｚがｚ≦ｚ１かつｚ１＞ｚ２となるために、セパレータプレートの互いの距離ｚの更なる縮小を仮定すると、積層方向の変形量Δｚ'''のために支持要素のみの圧縮または更なる圧縮に必要な力ＦＳが、積層方向の変形量Δｚ'''のために前記シーリング要素のみの更なる圧縮に必要な力ＦDより速く大きくなるようなものであり得る。好ましくは、これは、z ≦ z1であるセパレータプレートのすべての距離ｚに適用する。
【００１９】
少なくとも１つの支持要素は、支持要素が、ｚ≦ｚ１かつｚ１＞ｚ２であるセパレータプレートの互いの距離ｚについて、本質的に指数関数的な力−変形量曲線を有するように配置および設計され得る。本明細書では、力−変形量曲線は、セパレータプレートの互いの距離がｚに等しいかぎり、セパレータプレートの間に配置された支持要素のみを圧縮するために起こされるべき力ＦＳ（ｚ）を表す。これは、ｚ≦ｚ１の範囲において、少なくとも複数の区分における場合であり得る。しかしながら、これは、好ましくは、ｚ≦ｚ１の範囲の全体を通じての場合である。
【００２０】
セパレータプレートのシーリング要素は、ｚ≦ｚ３かつｚ３＜ｚ２である値までのセパレータプレートの互いの距離の縮小が、セパレータプレートのシーリング要素の少なくとも１つに対して、好ましくは、両方のセパレータプレートのシーリング要素に対して、不可逆的塑性圧縮をもたらすように設計されることができる。
【００２１】
少なくとも１つの支持要素のうちの支持要素の１つまたは複数は、それ／それらが、それぞれ、少なくとも１つの空洞および／または複数の微細孔を有するように設計され得る。例えば、少なくとも１つの支持要素のうちの支持要素の１つまたは複数は、それぞれ、発泡材料を有し、または完全にまたは部分的に発泡材料で形成され得る。異なる、弾性的に圧縮可能なおよび／または発泡の材料を有する複数の層構造は、あり得るものであり、層は、好ましくは、隣接するセパレータプレートのプレート面に平行に延びる。少なくとも１つの空洞および／または微細孔を有する１つの支持要素または複数の支持要素は、それぞれ、本明細書では、少なくとも１つの空洞および／または微細孔が、積層方向にセパレータプレートに作用する押圧によって、完全にまたは少なくとも部分的につぶれることが可能なように設計され得る。例えば、少なくとも１つの空洞および／または微細孔を有する支持要素は、それぞれ、少なくとも１つの空洞および／または微細孔がそれぞれ、仮にサポートプレートの互いの距離ｚがｚ≦ｚ２である場合に、最大につぶされるように設計および配置され得る。
【００２２】
空洞または微細孔が最大限につぶされる場合、積層方向における更なる圧縮に対する支持要素の抵抗は、通常、１つの支持要素または複数の支持要素が形成される１つの材料または複数の材料の強度または伸縮性によって決定される。逆に、空洞および／または微細孔が、例えばプレート距離ｚをｚ＞ｚ２である場合につぶされないまたは部分的にのみつぶされる場合、積層方向における圧縮または更なる圧縮に対するその抵抗が、支持要素の材料の強度または弾性によってではなく、支持要素の空洞および／または微細孔の形状によって、あるいは空洞および／または微細孔に封入されたガスの圧力によって、主に決定されるように、少なくとも１つの支持要素は、さらに、設計され得る。このように、積層方向における圧縮または更なる圧縮に対する少なくとも１つの支持要素の抵抗は、空洞および／または微細孔を有する少なくとも１つの支持要素の設計によって、目標とされる態様におけるプレート距離に依存して作成され得る。 
【００２３】
例えば、セパレータプレートのシーリング要素の設計、および少なくとも１つの支持要素の配置と設計は、プレート距離ｚがｚ＞ｚ２である場合に、積層方向の変形量Δｚ''の分のセパレータプレートの少なくとも１つのシーリング要素のみの圧縮または更なる圧縮に必要な力ＦＤが、積層方向の変形量Δｚ''の分の少なくとも１つの支持要素のみの圧縮または更なる圧縮に必要な力ＦＳに等しいまたはより大きくなるようなものであり得る。好ましくは、これは、ｚ１＜ｚ＜ｚ０であるプレート距離ｚに少なくとも適用する。
【００２４】
換言すると、積層方向におけるシーリング要素の圧縮または更なる圧縮に対する少なくとも１つのシーリング要素の抵抗は、大きなプレート距離、具体的にはｚ＞ｚ１であるプレート距離ｚに対して非常に小さくなり得るため、この範囲におけるプレート距離の縮小に対する全体の装置の抵抗は、セパレータプレートのシーリング要素によって支配される。これは、次に、少なくとも１つの支持要素が、シーリング要素の塑性変形が心配されないということに関し、少なくともこの距離範囲（ｚ＞ｚ１）における積層方向の加圧に対する（シーリング要素および少なくとも１つの支持要素を有する）装置の抵抗を、増加させないまたはできる限りわずかのみ増加させることを意味する。大きなプレート距離では、装置は、それとともに、例えば、抑制されていないまたは本質的に抑制されていないように、作動中に発生する温度変動によって生じるプレート距離の変化に屈し得る。
【００２５】
ｚ＞ｚ１かつｚ１＞ｚ２である場合に中間スペースが積層方向にセパレータプレートの少なくとも1つとこの支持要素との間に残るように配置および設計される、少なくとも1つの支持要素または複数の支持要素を少なくとも１つの支持要素が有することが考えられる。この支持要素またはこれらの支持要素は、次にさらに、少なくとも１つの中間スペースがｚ≦ｚ１の場合にゼロになるように配置および設計され得る。換言すると、この支持要素またはこれらの支持要素は、積層方向のプレート距離ｚがｚ≦ｚ１になるまで、装置の２つのセパレータプレートに接触しないように配置および設計され得る。
【００２６】
セパレータプレートのシーリング要素は、それぞれ、電気化学セルを囲み、電気化学装置の周囲に対して電気化学セルを封止する周辺ビードを有し得る。少なくとも１つの支持要素は次に、例えば、セパレータプレートのプレート面に平行に延びる方向に、電気化学セルから離れた周辺ビードの側面に配置された、少なくとも１つの支持要素または複数の支持要素を有し得る。この支持要素またはこれらの支持要素は、したがって、周辺ビードによって封止された領域の外側に配置される。しかしながら、少なくとも１つの支持要素が、周辺ビードによって封止される領域の中に配置された少なくとも１つの支持要素を有することが、同じく考えられる。
【００２７】
典型的に、少なくとも１つの支持要素は、少なくとも複数の領域において電気的絶縁材料を有する、または少なくとも複数の領域において電気的絶縁材料で形成された、少なくとも１つの支持要素または複数の支持要素を有する。電気的絶縁材料は、次に好ましくは、金属セパレータプレートのそれぞれの互いの距離ｚにおいて、金属セパレータプレートの間の電気接点が、この支持要素を介して形成され得ないように配置される。特に、そのような適用によって、セパレータプレートが異なる電位にあり得ることに関し、金属セパレータプレートの間の電気的短絡は、このように防止され得る。また、少なくとも１つの支持要素のうちの支持要素の少なくとも１つまたは複数が、完全に電気的絶縁材料から形成されることが考えられる。好ましくは、セパレータプレートの間の電気的短絡を避けるために電気的絶縁材料を有する支持要素は、周辺ビードによって封止された領域の外側に配置された少なくともそれらの支持要素を有する。
【００２８】
少なくとも１つの支持要素のうちの支持要素の少なくとも１つまたは複数は、熱可塑性材料、熱可塑性エラストマー、および／またはセラミック材料を有し得る。少なくとも１つの支持要素の支持要素の少なくとも１つまたは複数が、ポリマーベースおよび／または金属支持ファブリックを有することが同じく考えられる。少なくとも１つの支持要素のうちの支持要素の少なくとも１つまたは複数は、セパレータプレートの少なくとも１つに、物質的におよび／またはポジティブにおよび／または非ポジティブに接続され得る。 
【００２９】
電気化学セルはフレームを有し得る。さらに、電気化学セルは、フレームに組み込まれる少なくとも１つの膜、特に電解質膜または水転写膜を有し得る。通常、膜は、互いに支持されるセパレータプレートのシーリング要素の間に封止して収容される。好ましくは、ガス拡散層は、さらに、膜の両方の面に配置される。少なくとも１つの支持要素のうちの支持要素の少なくとも１つまたは複数は、フレームに物質的におよび／またはポジティブに接続され得る。
【００３０】
少なくとも１つの支持要素のうちの支持要素の少なくとも１つまたは複数は、それぞれ、例えばセパレータプレートのプレート面に平行に延びる方向に、セパレータプレートの少なくとも１つの上に固定され得るように設計され得る。好ましくは、この支持要素またはこれらの支持要素は、次に、それぞれ、セパレータプレートの少なくとも１つの上に解放可能に固定され得る。
【００３１】
セパレータプレートはそれぞれ通常、セパレータプレートを通すように媒体を導く少なくとも１つの貫通開口を有する。セパレータプレートの少なくとも１つのシーリング要素は、次にそれぞれ、セパレータプレートにエンボス加工された少なくとも１つのポートビードを有し得、ポートビードは、貫通開口を封止するために貫通開口のそれぞれの周りの周辺に配置される。少なくとも１つの支持要素のうちの支持要素の１つまたは複数は、次に、貫通開口から離れたポートビードの側面に配置され得る。しかしながら、また、少なくとも１つの支持要素のうちの支持要素の１つまたは複数が、ポートビードから封止された領域の中に配置されることが考えられる。ポートビードは次に、ポートビードに囲まれた貫通開口と電気化学セルとの間に流体接続を形成する供給貫通部を有し得る。供給貫通部を通じる媒体の流れは、供給貫通部の断面を経由することが可能である。通常、少なくとも１つの支持要素は、セパレータプレートのプレート面に平行に延びる方向にポートビードに対して離れている。
【００３２】
セパレータプレートのそれぞれは、２つの金属個別プレートを有し得る。セパレータプレートを形成するために、個別プレートは、例えば、物質的に、好ましくは溶接接続によって、特に好ましくはレーザ溶接接続によって互いに接続され得る。個別プレートのそれぞれは、この個別プレートにエンボス加工され、積層方向に伸縮性がある少なくとも１つのシーリング要素を有し得る。個別プレートのシーリング要素は次に、セパレータプレートのあらかじめ述べたシーリング要素と同一である。特に、したがって、個別プレートのそれぞれは、少なくとも１つの周辺ビードおよび／または少なくとも１つのポートビードを有し得る。
【００３３】
本明細書で示唆した電気化学装置は、さらに、装置のセパレータプレートによって形成されたスタック上に例えば側面に配置された保持要素を有し得る。装置の少なくとも１つの支持要素は、保持要素にそれぞれが接続された、または保持要素を一部が有するようにそれぞれが設計された、複数の支持要素を有し得る。
【００３４】
さらに提唱されるものは、共通の積層方向に沿って積層された、あらかじめ説明したタイプの複数の電気化学装置を有する電気化学システムである。これは、システムの共通の積層方向およびシステムの複数の装置の積層方向が、平行に整列されることを意味する。電気化学システムがあらかじめ説明したタイプの保持要素を有する場合、この保持要素は、複数の電気化学装置の上に積層方向に沿って延伸し得る。保持要素は、次に、システムの異なる装置の複数の支持要素に接続され得、またはこれらの支持要素を一部として有するように設計され得る。
【００３５】
本明細書で提唱される電気化学装置のおよび本明細書で提唱される電気化学システムの実施形態例は、図に示され、後の説明によってさらに詳細に説明される。本明細書では、発明に本質的な異なる要素または、同様に有利な更なる発展結果は、これらの例の枠組みの中で述べられ、これらの要素の個々は、それ自体、また、それぞれの例のおよびそれぞれの例の更なる特徴の前後関係を無視して引用されたとしても、発明の更なる発展結果のために用いられ得る。さらに、図において、同一または類似の参照番号は、同一または類似の要素に対して用いられ、それらの説明は、したがってある程度まで省略された。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】スタックに配置され、２つの金属セパレータプレートおよびセパレータプレートの間に配置された電気化学セルをそれぞれ有する複数の電気化学装置を有する、本発明に係る電気化学システムの実施形態を概略的に示す。
【図２】平面図における、本発明に係る金属セパレータプレートを概略的に示す。
【図３ａ】図２における区分線Ａ−Ａに従った、断面図における図１の電気化学システムの詳細を概略的に示す。
【図３ｂ】図２における区分線Ｂ−Ｂに従った、断面図における図１の電気化学システムの詳細を概略的に示す。
【図４】図４ａ−ｃは、異なる強度の押圧の作用中の、本発明に係る個別プレート、個別プレートにエンボス加工されたシーリングビードを有する金属セパレータプレート、および１実施形態に係る支持要素の断面図を概略的に示す。図４ｄは、図４ａ−ｃに係る、シーリングビードおよび支持要素の力−変形量特性線を概略的に示す。
【図５ａ】断面図における、空洞を有する、本発明に係る支持要素を概略的に示す。
【図５ｂ】断面図における、空洞を有する、本発明に係る支持要素を概略的に示す。
【図６】図６ａ−ｃは、異なる強度の押圧の作用中の、個別プレートにエンボス加工されたシーリングビードを有する金属セパレータプレートの本発明に係る個別プレート、および更なる実施形態に係る支持要素の断面図を概略的に示す。図６ｄは、図５ａ−ｃに係る、シーリングビードおよび支持要素の力−変形量特性線を概略的に示す。
【図７】断面図における、異なる実施形態に係る、複数の電気化学装置を有する本発明に係る電気化学システムの詳細を概略的に示す。
【図８】断面図における、異なる実施形態に係る、複数の電気化学装置を有する本発明に係る電気化学システムの詳細を概略的に示す。
【図９】断面図における、異なる実施形態に係る、複数の電気化学装置を有する本発明に係る電気化学システムの詳細を概略的に示す。
【図１０】断面図における、異なる実施形態に係る、複数の電気化学装置を有する本発明に係る電気化学システムの詳細を概略的に示す。
【図１１】断面図における、異なる実施形態に係る、複数の電気化学装置を有する本発明に係る電気化学システムの詳細を概略的に示す。
【図１２】断面図における、異なる実施形態に係る、複数の電気化学装置を有する本発明に係る電気化学システムの詳細を概略的に示す。
【図１３】断面図における、異なる実施形態に係る、複数の電気化学装置を有する本発明に係る電気化学システムの詳細を概略的に示す。
【図１４】断面図における、異なる実施形態に係る、複数の電気化学装置を有する本発明に係る電気化学システムの詳細を概略的に示す。
【００３７】
図１は、構造上同一で、ｚ方向６に沿って積層され、２つのエンドプレート３、４の間にクランプされた、複数の金属セパレータプレート１０を有するスタック３２を有する本発明に係る電気化学システム１を示す。ｚ方向６はまた、積層方向と呼ばれる。セパレータプレート１０はそれぞれ、互いに接続された２つの個別プレート１０ａ、１０ｂを有する（例えば図３ａ参照）。本例において、システム１は、燃料電池スタックである。それらの間のスタック３２の２つの隣接するセパレータプレート１０は、したがって、例えば電気的エネルギーへの化学エネルギーの変換を取り扱う電気化学セルを囲い、このセルを用いてそれぞれ電気化学装置を形成する。システム１のスタック３２はしたがって、ｚ方向６に積層された複数の電気化学装置を有する。電気化学セルは通常、それぞれ、ガス拡散層（ＧＤＬ）１６及び例えば電解質膜のような膜１５を有する膜／電極接合体（ＭＥＡ）１４を有する（例えば図３ａ参照）。代替的な実施形態を仮定すると、システム１は、電気分解装置、コンプレッサ、またはレドックスフロー電池としても設計され得る。これらの電気化学システムに関し、セパレータプレートは同じく用いられ得る。これらのセパレータプレートの構造は、セパレータプレート上またはセパレータプレートに通すように導かれる媒体が異なり得る場合でさえ、本明細書でさらに詳細に説明されるセパレータプレート１０の構造に対応する。
【００３８】
ｘ軸８０およびｙ軸９０と共にｚ軸６が、右手デカルト座標系に及ぶ。エンドプレート４は、媒体がシステム１に送り込まれ得る、および媒体がシステム１から排出され得る複数の媒体接続部５を有する。システム１におよびシステム１の外部へ導きられ得るこれらの媒体は、例えば、分子水素またはメタノールのような燃料、空気または酸素のような反応ガス、水蒸気のような反応生成物、または水および／またはグリコールのような冷却剤を含み得る。
【００３９】
平面図における図２は、図１のシステムの複数のセパレータプレート１０の１つの詳細を示す。セパレータプレート１０は、物質的に共に結合され、第２の個別プレート１０ｂを覆う第１の個別プレート１０ａのみが図２において可視である、２つの金属個別プレート１０ａ、１０ｂから形成される。個別プレート１０ａ、１０ｂは、それぞれ、金属シート、例えばステンレス鋼シートで製造され得る。個別プレート１０ａ、１０ｂは、互いに整列され、セパレータプレート１０の貫通開口１１ａ、１１ｂ、１１ｃを形成する貫通開口を有する。
図１に記載のシステム１のスタック３２では、セパレータプレート１０の貫通開口１１ａ−ｃは、積層方向６にスタック３２を通して延伸する複数の導管を有する。典型的に、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上の媒体接続部５のうちの１つと流体接続される。例えば、貫通開口１１ａ、１１ｂによって形成された導管は、燃料および反応ガスを燃料電池スタックの電気化学セルに供給するために機能する。逆に、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内に導かれ、またはスタック３２の外側に導かれ得る。
【００４０】
スタックの内側に対して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の個別プレート１０ａは、貫通開口１１ａ−ｃの周りにそれぞれ配置され、貫通開口１１ａ−ｃを完全にそれぞれ囲むポートビード１２ａ−ｃの態様でシーリング要素を有する。ポートビード１２ａ−ｃは、それぞれ、個別プレート１０ａに形成され、特に、エンボス加工される。図２のビューワから離れているセパレータプレート１０の後面にある第２の個別プレート１０ｂは、貫通開口１１ａ−ｃを封止するための対応するポートビードを有する（図示せず）。ポートビード１２ａ−ｃは、図２において、図の平面に平行に、したがってｚ方向６に沿って整列されたプレート面に少なくとも垂直に、弾性的に故に可逆的に変形可能である。
【００４１】
セパレータプレート１０の電気化学的活性領域８において、図２のビューワに向き合うその前側における第１の個別プレート１０ａは、個別プレート１０ａの前側に沿って媒体を導くための構造を有する流れ場１７を有する。これらの構造体は、例えば、複数のウェブと、ウェブの間に配置され、例えば個別プレート１０ａにエンボス加工されたチャネルとを有する。図２において、セパレータプレート１０の前側上の活性領域８の詳細のみが示される。
【００４２】
図２のビューワに向き合うセパレータプレート１０の前側で、第１の個別プレート１０ａは、さらに、個別プレート１０ａの前側に沿って媒体を導くための構造を次に有する分配または収集領域２０を有し、これらの構造体は典型的に、同じく、複数のウェブと、ウェブの間に配置された複数のチャネルとを有する。分配または収集領域２０は、貫通開口１１ｂと活性領域８との間に流体接続を形成する。分配または収集領域２０のチャネルは、したがって、貫通開口１１ｂとまたは導管と、スタック３２を通じて流体接続され、導管は、ポートビード１２ｂを通じて供給貫通部１３ｂを介して、貫通開口１１ｂによって形成される。貫通開口１１ｂを通すように導かれる媒体は、したがって、ビード１２ｂにおける供給貫通部１３ｂを介しておよび分配または収集領域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において、流れ場１７のチャネル内にまたはその逆に導かれ得る。
【００４３】
貫通開口１１ａ、またはプレートスタック３２を通じ、貫通開口１１ａによって形成される導管は、対応する態様で、通常、図２のビューワから離れたセパレータプレート１０の後面において、分配収集領域と、およびこれを介して流れ場と、流体接続される。逆に、貫通開口１１ｃ、またはスタック３２を通じ、貫通開口１１ｃによって形成される導管は、個別プレート１０ａ、１０ｂによって囲まれまたは包囲され、セパレータプレート１０を通すように冷却剤を導くために設計された内部２２と流体接続される。
【００４４】
最後に、活性領域８、分配または収集領域２０、および貫通開口１１ａ、１１ｂの流れ場１７の周りの周囲にあり、これらを、貫通開口１１ｃに対して、例えば冷却剤回路に対して、およびシステム１の周囲に対して、封止する周辺ビード１２ｄの態様における更なるシーリング要素は、第１の個別プレート１０ａにエンボス加工される。代替的な実施形態に関して、周辺ビード１２ｄはまた、さらに、貫通開口１１ｃを囲み得る。ポートビード１２ａ−ｃを有するような周辺ビード１２ｄは、プレート面に垂直に、したがってｚ方向６に沿って、弾性的に、故に可逆的に変形可能である。
【００４５】
支持要素は、図２には示されず、後の図によってまで説明されない。
【００４６】
図３ａは、断面図において、図１の電気化学システム１のスタック３２の詳細を示す。断面は、ｘ−ｚ面に平行な図２の線Ａ−Ａに沿って整列される。スタック３２は、図２に記載のセパレータプレート１０のタイプの複数の金属セパレータプレート１０を有し、これらは、ｚ方向６に積層される。スタック３２のセパレータプレート１０は、ここで、それぞれ、同一の態様で設計される。セパレータプレート１０は、ｚ方向６に対して垂直に整列されたプレート面を規定する。金属セパレータプレート１０はそれぞれ、互いに接続された２つの金属個別プレート１０ａ、１０ｂから形成されることが、図３ａから明らかに認識可能である。存在する可能性のあるコーティングの代表例は、本明細書で、より良い概要の目的で省略された。
【００４７】
セパレータプレート１０のまたは個別プレート１０ａ、１０ｂの活性領域８がさらに示され、活性領域は、それぞれ、個別プレート１０ａ、１０ｂにエンボス加工されたチャネルおよびウェブを有する流れ場１７を有する。流れ場１７の構造体は、セパレータプレート１０の外面上に反応媒体を導くために、および個別プレート１０ａ、１０ｂによって囲まれたセパレータプレート１０の内部２２に冷却剤を通すように導くために、機能する。活性領域８では、膜電極接合体（ＭＥＡ）１４は、スタック３２の２つの隣接するセパレータプレート１０のそれぞれの間に配置される。あらかじめ説明されたように、複数のＭＥＡ１４は、それぞれ、例えば、膜１５、例えば、電解質膜と、膜１５の両方の面に配置されたガス拡散層１６（ＧＤＬ）とを有する。複数のＧＤＬ１６は、例えば、それぞれ、金属不織布またはカーボン不織布から形成され、活性領域８内に導かれる媒体が、また流れ場１７のウェブの領域における膜１５上に流れることができるようにすることを可能にする。
【００４８】
活性領域８を有する、隣接するセパレータプレート１０の間に配置された電気化学セルはそれぞれ、個別プレート１０ａ、１０ｂにエンボス加工され、少なくともｚ方向６に伸縮性がある周辺ビード１２ｄによって、システム１の周囲に対して、封止される。膜１５は、それぞれ、活性領域８の端部において、周辺ビード１２ｄに向けて、補強フレーム１８内に組み込まれる。フレーム１８は、スタック３２の隣接するセパレータプレート１０の周辺ビード１２ｄの間に封止して収容される。スタック３２の２つの隣接するセパレータプレート１０の伸縮性のポートビード１２ａ−ｃは、それぞれ、フレーム１８を介して互いに支持され、スタック３２の外側および内部に延びる、それらの貫通開口１１ａ−ｃを封止する（図３ａに図示せず）。
【００４９】
システム１の通常動作において、スタック３２の隣接するセパレータプレート１０のプレート面は、互いに対して距離ｚ０を有し、当該距離は、ｚ方向６に沿って定義される。ビード１２ａ−ｄがそれらの封止効果を果たすことができるようにするために、ビード１２ａ−ｄは、通常、エンドプレート３、４を介してスタック３２に導入された予負荷（付勢）によって、通常動作においてｚ方向６に沿ってわずかに弾性的に既に圧縮されている（図１参照）。この状態では、フレーム１８は、それぞれ、ｚ方向６に沿って同じく定義される厚さΔＭ（詳細図参照）を有する。図３ａでは、通常動作において隣接するセパレータプレート１０の間のプレート距離ｚ０は、互いに向き合う個別プレート１０ａ、１０ｂの、隣接するセパレータプレート１０の周辺ビード１２ｄの高さｈによって、および周辺ビード１２ｄの間に封止して収容される膜１５のそれぞれのフレーム１８の厚さΔＭによって決定されることが認識可能である。これによってｚ０＝２・ｈ＋ΔＭであり、当該高さは、ｚ方向に沿って定義される。さらに、ｚ０の値は、通常、スタック３２の述べられた予負荷に、およびあるいはスタック３２の動作温度に依存する。
【００５０】
通常、個別プレート１０ａ、１０ｂにエンボス加工された周辺ビード１２ｄの高さｈは、同じく個別プレート１０ａ、１０ｂに組み込まれる構造体１７の、電気化学セルの活性領域８の、ｚ方向６に沿って定義された、最大高さよりも大きい。電気化学セルは、セパレータプレート１０の間に配置される。システム１の通常動作におけるプレート距離ｚ０は、例えば、０．４ｍｍと２ｍｍの間であり得る。通常動作におけるプレート距離ｚ０は、しかしながら、より小さなまたはより大きな値を想定してもよい。
【００５１】
本明細書で示唆した電気化学システム１は、公知のシステムと比較されると、特に、支持要素１９ａ、１９ｂが、スタック３２の隣接するセパレータプレート１０の間に配置されると特徴付けられる。支持要素１９ａ、１９ｂは、スタック３２のセパレータプレート１０のビード１２ａ−ｄを不可逆的塑性変形から保護する目的のために機能する。ビード１２ａ−ｄのそのような不可逆的塑性変形は、強い機械的力がスタック３２に、例えばセパレータプレート１０のプレート面に垂直なｚ方向６に沿って作用する場合に発生し得る。
【００５２】
特に、支持要素１９ａ、１９ｂは、ｚ方向６にスタック３２に作用し、支持要素１９ａ、１９ｂがない場合にビード１２ａ−ｄの不可逆的圧縮を生じる力を、可能な限り完全に吸収するように設計された吸収装置として機能し、したがってビード１２ａ−ｄに対する損傷を防止する。燃料電池システム１が車両における電気エネルギーの生成に用いられる場合、そのような力は、例えば事故による衝突を仮定すると、発生し得る。セパレータプレート１０のシーリング要素の不可逆的塑性変形は、シーリング要素の封止効果を損ない、反応ガスおよび／または冷却剤の漏れをもたらし得る。これは、システム１の効率を損ない得、またはシステム１の作動を不可能にさえし得る。さらに、反応ガスが存在することは、著しい安全上の危険（火事および爆発の危険）を表す。
【００５３】
支持要素１９ａ、１９ｂまたはそれらの少なくともいくつかは、例えば、熱可塑性材料、特に繊維強化されてない熱可塑性プラスチック、または熱可塑性エラストマー、例えばＴＰＶ、特にＥＰＤＭ−ＰＰブレンドまたはＮＢＲ−ＰＰブレンド、あるいはまた押出可能なＴＰＵを有し得、またはこれらの材料の１つから完全に形成され得る。例えば、支持要素１９ａ、１９ｂは、例えば、発泡熱可塑性プラスチックまたは発泡熱可塑性エラストマーのような発泡材料を有し得る。熱可塑性エラストマーは、熱可塑性ポリウレタンエラストマー（ＴＰＥ−Ｕ）および熱可塑性ポリスチレンブロックコポリマー（ＴＰＥ−Ｓ）のグループから選択され得る。それらは、周囲射出、および／または、外側スキンを有してよく、外側スキンは、少なくとも１つの薬液および／または窒素、炭素、二酸化物、または低沸点炭化水素のような物理的推進剤の使用中に、それぞれの熱可塑性エラストマーから発泡射出成型によって、特に推進剤の蒸発または膨張によって、支持要素の実際の本体と一体として形成され得る。
【００５４】
支持要素１９ａ、１９ｂまたはそれらの少なくともいくつかは、また、セラミック材料を有し得る。支持要素１９ａ、１９ｂまたはそれらのいくつかは、ポリマーベースおよび／または金属支持ファブリックを有してよい。
【００５５】
支持要素１９ａ、１９ｂは、それぞれ、例えば、セパレータプレートのプレート面に平行な、長方形または円形の断面を有し得る。しかしながら、他の形状がまた考えられる。支持要素１９ａ、１９ｂは、セパレータプレート１０のプレート面に平行に延びる方向に、ポートビード１２ａ−ｃに対しておよび周辺ビード１２ｄに対して離れて配置される。それらがビード１２ａ−ｄの所望でない塑性変形を効果的に防止することが可能であるようにするために、それぞれの支持要素１９ａ、１９ｂに次に隣接するビードまでの支持要素１９ａ、１９ｂの距離は、好ましくは最大距離Ｌｍａｘを超えないようにすべきであり、当該支持要素１９ａ、１９ｂの距離は、セパレータプレート１２のプレート面に平行に定義される。例えば、Ａが、それぞれのビード１２ａ−ｄの延びる方向に対して横断方向に定義される、このビードの足部の幅であり、Ｌｍａｘ≦３・Ａ，Ｌｍａｘ≦２・ＡまたはＬｍａｘ≦Ａであり得る。図３ａに示される実施形態に関し、支持要素１９ａは、それぞれ、周辺ビード１２ｄによって囲まれて封止されたセパレータプレート１０の複数の領域の中に配置される。逆に、支持要素１９ｂは、それぞれ、周辺ビード１２ｄによって囲まれ封止されたセパレータプレート１０の複数の領域の外側に配置される。
【００５６】
図３ａにおいて、支持要素１９ａ、１９ｂはさらに、それぞれ、膜１５が埋め込まれたフレーム１８に物質的に接続される。他の実施形態例に関し、支持要素１９ａ、１９ｂまたはそれらの少なくともいくつかは、また、例えば、例えば図５に示されるように、セパレータプレート１０に物質的に接続され得る。例えば、支持要素１９ａ、１９ｂは、フレーム１８に、および／またはセパレータプレート１０に、接着され得、または、材料堆積によって接続され得る。図３ａでは、支持要素１９ａ、１９ｂは、両方の面でフレーム１８に取り付けられる。特に、図３ａの実施形態例に関し、フレーム１８は、周辺ビード１２ｄの両方の面で、故に周辺ビード１２ｄによって囲まれて封止されたセパレータプレート１０の領域の中と外側とで、セパレータプレート１０のプレート面に平行な方向に延伸する。セパレータプレート１０の個別プレート１０ａ、１０ｂはそれぞれ、さらに、それらの外縁に半ビード２１ａ、２１ｂを有する。フレーム１８の外縁は、セパレータプレート１０の外縁までセパレータプレート１０のプレート面に平行に延伸する。 
【００５７】
図３ａの実施形態例に関し、支持要素１９ａ、１９ｂは、セパレータプレート１０とこのセパレータプレート１０に直接隣接するフレーム１８との間にｚ方向６に沿って配置される。セパレータプレート１０およびフレーム１８は、したがって、ｚ方向６に沿って隣接する支持要素１９ａ、１９ｂの間に互い違いに配置される。
【００５８】
支持要素１９ａ、１９ｂは、セパレータプレート１０の間に配置され、特に、少なくとも、支持要素がない場合にビード１２ａ−ｄの不可逆的塑性変形を生じる押圧がｚ方向６にスタック３２に作用する場合、それらは、ビード１２ａ−ｄの不可逆的塑性変形を防止するために、ｚ方向６に互いに対して（例えば図７参照）および／または金属セパレータプレート１０に対して（例えば図３ａ参照）支持されるような、ｚ方向６に沿った寸法にされる。例えば図３ａに示される実施形態例に関し、ｚ方向６に沿って定義される支持要素１９ａ、１９ｂの高さは、スタック３２の隣接するセパレータプレート１０のプレート面の間のプレート距離がｚ０であるシステム１の通常動作において既に、個別プレート１０ａ、１０ｂの周辺ビード１２ｄの高さｈに対応する。支持要素１９ａ、１９ｂは、ｚ方向６のプレート距離ｚ０と仮定すると、セパレータプレート１０にまで、およびこのセパレータプレート１０に直接隣接するフレーム１８にまで到達し、両方と接触する。
【００５９】
図３ｂは、同じく、断面図における図１の電気化学システム１のスタック３２の詳細を示し、断面は、図２の線Ｂ−Ｂに沿って延びる。スタック３２の外縁から始まり、個別プレート１０ａ、１０ｂは、引き続いて、半ビード２１ａ、２１ｂ、周辺ビード１２ｄ、ポートビード１２ａと半ビード２１ａ'、２１ｂ'の組み合わせ、および分配領域２０の短い一部を有し、当該組み合わせは、組み合わせとして貫通開口１１ａの周りの周囲にある。分配領域２０に向き合う領域におけるポートビード１２ａと半ビード２１'は、それぞれ、貫通開口１１ａから分配領域２０にまで、さらに、流れ場にまで流体を導くことを可能にする供給貫通部１３ａを有する。ＭＥＡはこの領域内にまでは延びず、逆に、フレーム１８の一部は、セパレータプレート１０の間に配置される。図３ａにおけるように、複数の支持要素１９ｂは、フレームの一部１８に取り付けられ、本明細書では、それらは、周辺ビード１２ｄとポートビード１２ａの間に延伸する。
【００６０】
断面図における図４ａ−ｃは、それぞれ、断面図において、スタック３２の個別プレート１０ａの、およびこの個別プレート１０ａ上に配置された支持要素１９の実施形態を概略的に示す。ここで説明されたその特性を有する図４ａ−ｃに記載された支持要素１９は、スタック３２の２つの隣接するセパレータプレート１０の間に配置された支持要素の代表例である。ここでは、したがって、図４ａ−ｃに記載された支持要素１９は、あらかじめおよび以下で説明される支持要素１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、１９ｄ、１９ｆ、１９ｇ、１９ｈの１つまたは複数の、特にまたこれらの組み合わせの代表例である。図４ａ−ｃの支持要素１９は、ここでは、例えば接着接続によって、個別プレート１０ａに接続される。周辺ビード１２ｄは、個別プレート１０ａにエンボス加工される。図４ａ−ｄにおいて説明される周辺ビード１２ｄの特性は、しかしながら、同じく、ポートビード１２ａ−ｃにまたはビード１２ａ−ｄの全体に有効であり得る（例えば図２参照）。
【００６１】
特に、図４ａ−ｃは、ｚ方向６に、それぞれ、スタック３２の異なる程度の加圧における、周辺ビード１２ｄおよび支持要素１９を示し、加圧の程度は、それぞれ、スタック３２の隣接するセパレータプレート１０のプレート面の距離ｚによって描写される。ここで図４ａ−ｃにおいて示される状況は、スタック３２の隣接するセパレータプレート１０の間の距離ｚ０、ｚ１、およびｚ２に対応し、ｚ０＞ｚ１＞ｚ２である。これまで、ｚ０の場合は、通常動作におけるプレート距離を表す。２つのセパレータプレート１０の、２つの個別プレート１０ａ、１０ｂの、セパレータプレート１０の間または個別プレート１０ａ、１０ｂの間に収容される厚さΔＭを有するフレーム１８の、およびセパレータプレート１０の間または個別プレート１０ａ、１０ｂの間に配置された支持要素１９の対称的な配置の一部分のみが、図４ａ−ｃに示されるため（例えば図３ａ参照）、プレート距離ｚと仮定した場合にｚ方向６に沿って定義されるビード１２ｄの高さｈは、ここでは（ｚ−ΔＭ）／２であり、フレーム１８の厚さΔＭは、また、加圧の増加により、わずかに減少する可能性があり得る。システム１の通常動作におけるビード１２ｄの高さｈは、例えば０．３ｍｍと０．６ｍｍの間の値を想定し得る。
【００６２】
プレート距離ｚ０、ｚ１、およびｚ２のそれぞれについて、ここでは、ｚ方向６にシーリング要素（ここではビード１２ｄ）にのみ作用する力ＦＤ（ｚ）、およびｚ方向６に支持要素１９にのみ作用する力ＦＳ（ｚ）は、矢印で表され、矢印の長さは、力の大きさの程度である。力ＦＤ（ｚ）および力ＦＳ（ｚ）は、例えばシステム１のエンドプレート３，４を介してスタック３２に導入され得る。
【００６３】
図４ａ−ｃから明らかに想到され得ることは、力ＦＤ（ｚ）およびＦＳ（ｚ）が大きくなるほど、ｚ方向６のスタック３２への押圧がより大きくなり、例えば、スタック３２の隣接するセパレータプレート１０のプレート面の間の距離ｚがより小さくなるという事実である。力が常に一組で発生するため（作用＝反作用）、力ＦＤ（ｚ）は同一の時に、ビード１２ｄがビードの高さがｈ（ｚ）＝（ｚ−ΔＭ）／２となるその圧縮に対抗する抵抗の程度である。力ＦＳ（ｚ）は、同じく、支持要素１９がｚ方向６におけるその圧縮に対抗する抵抗の程度である。プレート距離ｚに応じて、例えばシステム１のエンドプレート３、４を介してスタック３２に導入される押圧は、したがって、少なくとも１つのシーリング要素に作用する力ＦＤ（ｚ）に、および少なくとも１つの支持要素に作用する力ＦＳ（ｚ）に、異なる態様で分配される。
【００６４】
力−変形量特性線ＦＤ（ｚ）およびＦＳ（ｚ）は、スタック３２の隣接するセパレータプレート１０のプレート面の間の距離ｚの連続関数として図４ｄに示され、図４ａ−ｃに示される状況に対応する距離の値ｚ０、ｚ１、およびｚ２は、垂直な破線で強調される。さらに、図４ｄにおいて、図４ａ−ｃに記載されるプレート距離ｚ０、ｚ１、およびｚ２において、ビード１２ｄおよび支持要素１９に作用する力ＦＤ（ｚ０）、ＦＤ（ｚ１）、ＦＳ（ｚ１）、ＦＤ（ｚ２）、およびＦＳ（ｚ２）は、水平に延びる破線で強調される。さらに、図４において、ビード１２ｄおよび支持要素１９に作用し、例えばエンドプレート３、４を介してスタック３２に導入されされる全体の力ＦＧ（ｚ）＝ＦＤ（ｚ）＋ＦＳ（ｚ）は、更なる力−変形量特性線として示される。
【００６５】
特性線ＦＧ（ｚ）は、力センサによってスタック３２の段階的な加圧で記録／プロットされ得る。スタック３２は、ビード１２ａ−ｄが形成されたセパレータプレート１０と、セパレータプレート１０の間に配置された支持要素１９とを有する（例えば図３ａ参照）。例えば、力センサは、エンドプレート３、４に働く押圧を記録し得る。あるいは、力は、例えばまた、電気化学セル、および独立したフランジプレートを用いてその範囲を定める２つのセパレータプレートについて決定され得る。シーリング要素の特性線ＦＤ（ｚ）は、例えば形成された周辺ビード１２ｄを有する（さらに形成されたポートビード１２ａ−ｃを有する）タイプのセパレータプレート１０のセパレータプレートのスタックの段階的加圧を仮定して記録され得、セパレータプレートの間の支持要素は、しかしながら、取り外され、これにより、支持要素は、スタックを加圧する際におよび特性線を記録する際にセパレータプレートの間に配置されない。さらには、特性線ＦＳ（ｚ）は、例えば、形成されたビードを有さない平坦なセパレータプレートのスタックの段階的加圧を仮定して、記録され得る。同一の支持要素１９は、特性線ＦＧ（ｚ）を記録する際平坦なセパレータプレートの間に配置される。あるいは、支持要素の特性線ＦＳ（ｚ）はまた、特性線ＦＧ（ｚ）およびＦＤ（ｚ）の差から決定され得、Ｆｓ（ｚ）＝ＦＧ（ｚ）−ＦＤ（ｚ）である。
【００６６】
図４ｄのＦ−ｚ図において、ｚ方向６に沿った周辺ビード１２ｄの加圧の結果として、周辺ビード１２ｄに蓄えられたエネルギーは、曲線ＦＤ（ｚ）未満のそれぞれの範囲によって与えられる。同じく、ｚ方向６に沿った支持要素１９の加圧の結果として、支持要素１９に蓄えられたエネルギーは、曲線ＦＳ（ｚ）未満のそれぞれの範囲によって与えられる。
【００６７】
プレート距離ｚがｚ３＜ｚ＜ｚ０であると仮定すると、ビード１２ｄの伸縮性の挙動は、明らかに、ビード１２ｄの力−変形量特性線ＦＤ（ｚ）から想到され得、これは、この範囲の特性線ＦＤ（ｚ）の直線の推移によって描写される。プレート距離ｚがｚ３＜ｚ＜ｚ０の範囲である場合、理想の直線の推移からの特性線ＦＤ（ｚ）の僅かな偏差は、ビード１２ｄが、第１の圧縮（ヒステリシス）後にその元の非変形形状に完全には戻らなかったことまで下がり得る。ビード１２ｄは、例えばプレート距離ｚがｚ＜ｚ３になるように、ｚ３を超えるビード１２ｄのさらに大きな加圧が、ビード１２ｄの不可逆的塑性変形をもたらすように設計される。図４ｄの図において、これは、とりわけ、範囲ｚ＜ｚ３における小さいプレート距離に向けての特性線ＦＤ（ｚ）の降下によって描写される。
【００６８】
図４ａ−ｃに示される支持要素１９は、複数の微細孔２３を有する。例えば、図４ａ−ｃの支持要素１９は、発泡エラストマーから形成される。負荷がかかっていない状態において、微細孔２３は、例えば、ほぼ球状であり、０．０１ｍｍと０．１５ｍｍの間の典型的な直径を有し得る。支持要素の微細孔２３は、ｚ方向６にスタック３２に作用する押圧によって、完全にまたは少なくとも部分的に、圧縮され得、これは、著しく支持要素の特性線ＦＳ（ｚ）の推移に影響する。
【００６９】
したがって、支持要素の特性線ＦＳ（ｚ）の異なる挙動を有する著しく異なる距離範囲は、それぞれの範囲において支持要素の特性線ＦＳ（ｚ）から認識され得る。ほぼプレート距離ｚがｚ１＜ｚ＜ｚ０で、ｚ方向６における、支持要素１９の圧縮に対する支持要素１９の抵抗は、主に、まだつぶれていないまたはまだ完全にはつぶれていない複数の微細孔２３を形成する支持要素１９のそれらの構造体の形状によって決定される。この範囲において、支持要素１９の圧縮または更なる圧縮に対する支持要素１９の抵抗を特徴づける支持要素の特性線ＦＳ（ｚ）は、連続的に、ビード１２ｄの圧縮または更なる圧縮に対するビード１２ｄの抵抗を特徴づけるビード１２ｄのシーリング要素の特性線ＦＤ（ｚ）未満になる。ここで説明される実施形態例に関し、したがって、すべてのプレート距離ｚがｚ１＜ｚ＜ｚ０であるためにＦＳ（ｚ）＜ＦＤ（ｚ）ということである。
【００７０】
換言すると、範囲ｚ１＜ｚ＜ｚ０におけるそれぞれのプレート距離ｚでは、このプレート距離ｚでの変形伸びΔｚ''＞０のためにｚ方向６におけるビード１２ｄのみの圧縮または更なる圧縮に必要な力ＦＤ（ｚ）が、同じプレート距離ｚと仮定すると、同一の距離の伸びΔｚ''のためにｚ方向６における支持要素のみの圧縮または更なる圧縮に必要な力ＦＳ（ｚ）より大きいまたはと同一であるということである。これは、ｚ方向６におけるスタック３２の加圧または更なる加圧に対するスタック３２の抵抗が、セパレータプレート１２のビード１２ａ−ｄの僅かな変形のみの場合に、故にプレート距離ｚがｚ１＜ｚ＜ｚ０と仮定すると、更なる加圧に対するビード１２ａ−ｄの抵抗によって主に決定されるように、１つの支持要素１９または複数の支持要素１９は、設計され特にｚ方向６の寸法にされるという意味である。プレート距離ｚがｚ１＜ｚ＜ｚ０と仮定すると、１つの支持要素１９または複数の支持要素１９は、したがって、ほとんど、小さいプレート距離において実際に所望であるビード１２ａ−ｄの伸縮性変形を著しくは損なわない。ビード１２ａ−ｄは、したがって、ｚ方向６におけるセパレータプレート１０および／または他のコンポーネントの僅かな変形に屈し得る。当該変形は、例えばシステム１において生じる温度の変動によって、または更なる他の動作状態によって生じ、ここでは、ビードは、それらの封止機能を損なうことなく維持する。
【００７１】
支持要素１９の微細孔２３が、ｚ方向６に支持要素１９に作用する押圧の結果として少なくとも部分的にまたは可能であれば完全につぶされる場合の距離ｚ＜ｚ１である場合のみにおいて、ｚ方向６において支持要素の更なる圧縮に対する支持要素１９の抵抗は、その微細孔の中身およびサイズ以外の支持要素１９が形成される材料の特性によって主に決定され、プレート距離の更なる低下を仮定すると大きく増加する。ビード１２ｄの設計および支持要素１９の配置と設計は、したがって、すべてのプレート距離ｚがｚ＜ｚ１である場合、プレート距離ｚの更なる低下を仮定すると、ｚ方向６における変形量Δｚ'''＞０の分の支持要素１９のみの圧縮または更なる圧縮に必要とされる力ＦＳは、ｚ方向６におけるほぼ同じ変形量Δｚ'''の分のビード１２ｄのみの更なる圧縮に必要とされる力ＦＤより急激に大きくなるようにされる。または、換言すると、ｚ＜ｚ１であるすべてのプレート距離ｚについて、｜ｄＦＳ（ｚ）／ｄｚ｜＞｜ｄＦＤ（ｚ）／ｄｚ｜である。ここでは、ここでのｚ１は、例えば、この関係が有効な最大のプレート距離である。例えば、特性線ＦＳ（ｚ）は、少なくとも範囲ｚ＜ｚ１においてほぼ指数関数的な推移を有し得る。
【００７２】
ｚ＝ｚ２かつｚ２＜ｚ１＜ｚ０であるスタック３２の隣接するセパレータプレート１０のプレート距離ｚの場合に、支持要素の特性線ＦＳ（ｚ）とシーリング要素の特性線ＦＤ（ｚ）は、交差する。例えば、支持要素１９の微細孔２３が、すべてのプレート距離ｚがｚ≦ｚ２である場合に、完全に圧縮されまたはつぶされるように、ビード１２ｄが設計され得、および支持要素１９が配置および設計され得る。例えば、ｚ２は、支持要素１９の微細孔２３が完全に圧縮されまたはつぶされる最大プレート距離であり得る。ここでは、プレート距離ｚ＝ｚ２では、ビード１２ｄの高さｈがまだ著しく、ビード１２ｄが弾性的に変形可能である範囲の中であることが強調される。したがって、プレート距離ｚ＝ｚ２の場合に、周辺ビード１２の不可逆的塑性変形のいかなる危険もない。
【００７３】
ビード１２ｄおよび支持要素１９は、支持要素の特性線ＦＳ（ｚ）が、すべてのプレート距離ｚがｚ＜ｚ２である場合に、シーリング要素の特性線ＦＤ（ｚ）より連続的に大きいように延びるように配置および設計される。したがって、すべてのプレート距離ｚがｚ＜ｚ２である場合にＦＳ（ｚ）＞ＦＤ（ｚ）であり、ここで、ｚ２は、この関係が有効である最大のプレート距離である。これは、すべてのプレート距離ｚがｚ≦ｚ２である場合に、長さの変形伸びΔｚ'＞０であり、これにより、それぞれのプレート距離ｚがｚ≦ｚ２において、ｚ方向６に変形伸びΔｚ'のために支持要素１９のみの圧縮または更なる圧縮に必要な力ΔＦＳ＝ＦＳ（ｚ−Δｚ'）−ＦＳ（ｚ）は、同一のプレート距離ｚの場合、ｚ方向６に同一の変形伸びΔｚ'のために周辺ビード１２ｄのみの更なる圧縮に必要な力ΔＦＤ＝ＦＤ（ｚ−Δｚ'）−ＦＤ（ｚ）より大きい。
【００７４】
シーリング要素の特性線ＦＤ（ｚ）の推移は、通常、ビード１２ｄの形状によって、およびビード１２ｄの材料特性によって決定される。例えば、シーリング要素の特性線ＦＤ（ｚ）の推移は、負荷が無い状態での、その高さｈ、その足部の幅、およびそのフランク角によって、および、ビード１２ｄが形成される個別プレート１０ａの厚さおよび／または材料によって決定される。そして、支持要素の特性線ＦＳ（ｚ）の推移は、典型的に、支持要素１９の形状によって、および支持要素１９の材料特性によって決定される。例えば、図４ａ−ｃに示される実施形態に属する支持要素１９は、ｚ方向６に沿って定義されるその高さが、少なくとも全てのプレート距離ｚがｚ≦ｚ０である場合に、ビード１２ｄの高さｈに対応するように設計される。
【００７５】
すべてのｚ＜ｚ１の場合に｜ｄＦＳ（ｚ）／ｄｚ｜＞｜ｄＦＤ（ｚ）／ｄｚ｜となるプレート距離ｚ１のサイズ、および／またはすべてのｚ＜ｚ２の場合にＦＳ（ｚ）＞ＦＤ（ｚ）となるプレート距離ｚ２のサイズは、それぞれ、以下のパラメータの少なくとも１つまたは複数を変更することによって調整可能であり得る。
【００７６】
支持要素１９の負荷が無い状態における、支持要素１９のｚ方向６に沿って定義される支持要素１９の高さ、セパレータプレート１０または個別プレート１０ａ、１０ｂのプレート面に平行な支持要素１９の断面積のサイズ、支持要素１９が形成される材料の少なくとも１つまたは材料の弾性率、支持要素１９の負荷が無い状態における支持要素１９の微細孔２３の平均サイズ、および／または、支持要素１９の負荷が無い状態における支持要素１９の総体積に対する支持要素１９の微細孔２３の体積の割合である。
【００７７】
例えば、ｚ１の値および／またはｚ２の値は、支持要素１９の負荷が無い状態における支持要素１９の微細孔２３の平均サイズの増加によって、より小さなプレート距離に向けて縮小され得る。例えば、ｚ１の値および／またはｚ２の値は、支持要素１９の負荷が無い状態における支持要素１９の総体積に対する支持要素１９の微細孔２３の体積の割合の増加によって、より小さなプレート距離に向けて縮小され得る。例えば、ｚ１の値および／またはｚ２の値は、セパレータプレート１０または個別プレート１０ａ、１０ｂのプレート面に平行な支持要素１９ａの断面積の増加によって、より大きなプレート距離に向けて増加され得る。そして、例えば、ｚ１の値および／またはｚ２の値は、支持要素１９ａの材料の弾性率の増加によって、より大きなプレート距離に向けて増加され得る。
【００７８】
図５ａ−ｂはさらに、ここで１９ｃおよび１９ｄとして示され、具体的には、ｚ方向６に平行に整列され、ここではセパレータプレート１０または個別プレート１０ａ、１０ｂのプレート面に垂直である平面に沿った断面図において、本発明に係る支持要素１９の考えられる実施形態を示す。スタック３２の代替的実施形態の場合における支持要素１９ｃ、１９ｄは、例えば、図３ａにおける支持要素１９ａおよびまた可能であれば１９ｂのうちのすべてまたは少なくとも１つと置き換わり得る。図５ａ−ｂにおいて、支持要素１９ｃ、１９ｄは、それぞれ、例えば接着接続によって、スタック３２のセパレータプレート１０の個別プレート１０ａに接続される。あるいは、支持要素１９ｃ、１９ｄまたはそれらのいくつかは、それぞれ、同じく、フレーム１８のうちの１つに接続され得る（図３ａ参照）。
【００７９】
支持要素１９ｃ、１９ｄは、それぞれ、伸縮性材料の外壁部２５を有する。例えば、外壁部２５は、熱可塑性エラストマーで形成される。支持要素１９ｃ、１９ｄはさらに、それぞれ、ｚ方向６に沿って延伸する少なくとも１つの空洞２４を有する。支持要素１９ｃ、１９ｄの負荷が無い状態における空洞２４の体積は、例えば、それぞれの支持要素１９ｃ、１９ｄの総体積の少なくとも３０パーセントまたは少なくとも５０パーセントを占める。支持要素１９ｃ、１９ｄの空洞２４は、ｚ方向６に支持要素１９ｃ、１９ｄに作用する押圧によって、ｚ方向６に、完全にまたは少なくとも部分的に、つぶされまたは圧縮され得る。ｚ方向６に沿った支持要素の圧縮または部分的圧縮に必要な押圧は、ほかのもののうちで、外壁部２５の形状に、例えば外壁部２５の壁厚さに、および／または外壁部２５が形成される材料の弾性率に依存する。
【００８０】
支持要素１９ｃ、１９ｄの空洞２４は、それぞれ、外壁部２５によって完全に囲まれ得る。あるいは、外壁部２５はまた、それぞれの空洞２４に含まれるガス、例えば空気が空洞２４の圧縮において空洞２４の外に逃げ得る開口を有し得る。圧縮に対する支持要素１９ｃ、１９ｄの抵抗は、外壁部におけるそのような開口によって減少され得る。
【００８１】
図５ｂの支持要素１９ｄは、ｚ方向６に沿って延伸し、空洞２４内に少なくとも部分的に突出する突出部２６によって、図５の支持要素１９ｃと異なる。突出部２６は、例えば支持要素１９ｄの外壁部２５に接続され得、またはこれを有する一部として設計され得る。支持要素１９ｄの力−変形量特性線の推移は、突出部２６が形成される材料の弾力性によって、およびｚ方向６に沿った突出部２６の長さによって、目標とされる態様に影響され得る（図４に記載の支持要素１９の力−変形量特性線参照）。例えば、上記で定義された、プレート距離ｚ１および／またはｚ２は、突出部２６の弾力性の選択によって、および／またはｚ方向６に沿って突出部２６の長さの選択によって、目標とされる態様において調整され得る。
【００８２】
図４ａ−ｃに類似して、図６ａ−ｃは、それぞれ、断面図において、スタック３２の個別プレート１０ａの更なる実施形態、およびこの個別プレート１０ａ上に配置された支持要素１９の更なる実施形態を概略的に示す。前の場合として、ここで説明されるその特性を有する、図６ａ−ｃに記載の支持要素１９は、スタック３２の２つの隣接するセパレータプレート１０の間に配置された、１つの支持要素のまたは複数の支持要素の更なる実施形態の代表例である。支持要素１９は、伸縮性材料、例えば熱可塑性エラストマーで設計され得る。支持要素１９は、同質の態様で設計され得る。しかしながら、支持要素が、図４ａ−ｄに記載の支持要素１９ａの微細孔２３に対応する微細孔、または図５ａ−ｂに記載の支持要素１９ｃ、１９ｄの空洞２４に対応する少なくとも１つの空洞２４を有することも同じく考えられる。
【００８３】
再び、個別プレート１０ａに形状が作られる（形成される）周辺ビード１２ｄがまた示される。先のように、図６ａ−ｄにおいて説明される周辺ビード１２ｄの特性は、しかしながら、同じく、ポートビード１２ａ−ｃにまたはビード１２ａ−ｄの全体に適用し得る（例えば、図２参照）。図４ａ−ｃの代表例に類似して、図６ａ−ｃは、それぞれ、ｚ方向６におけるスタック３２の異なる程度の加圧を仮定した、周辺ビード１２ｄおよび支持要素１９ａを示す。さらに、図４ｄに類似して、図６ｄにおいて、力−変形量特性線ＦＤ（ｚ）およびＦＳ（ｚ）は、スタック３２の隣接するセパレータプレート１０のプレート面の間における距離ｚの連続関数として示される。図４ａ−ｄの観点で既に説明された特徴および用語は、単に簡略化の目的で再び詳細にはここでは説明されない。
【００８４】
図６ａ−ｃに記載の装置は、図４ａ−ｃに記載の装置とは異なり、図６ａ−ｃに記載の支持要素１９は、図４ａ−ｃに記載の支持要素１９と比較して、ｚ方向６に沿ったすべてのプレート距離ｚがｚ＞ｚ１である場合に、中間スペース３１が、支持要素１９と支持要素１９に直接隣接するセパレータプレート１０との間に、または支持要素１９と支持要素１９に直接隣接するフレーム１８との間に残るように、配置および設計される。プレート距離ｚ０に関し、この中間スペース３１は、例えば長さＤよりも、ｚ方向６に沿って延伸し得る（図６ａ参照）。これは、図６ａ−ｃに記載の、ｚ方向６に沿って定義される支持要素１９の高さが、システム１の通常動作におけるプレート距離ｚ０の場合に、周辺ビード１２ｄの高さより小さいということを意味する。
【００８５】
図６ａ−ｃに記載の支持要素１９は、述べられた空洞３１が、スタック３２の隣接するセパレータプレート１０のプレート距離が値ｚ１にまで縮小される場合に、ｚ方向６に沿ったスタック３２への加圧によって、第１の時間で無くなるように設計および配置される。プレート距離ｚがｚ＞ｚ１である場合に、支持要素１９は、したがって、ｚ方向６におけるスタック３２の加圧に対する抵抗を提供しない。これは、支持要素１９のみにｚ方向６に作用する力ＦＳ（ｚ）が、すべてのプレート距離ｚがｚ＞ｚ１である場合に、ゼロになるということに相当する（例えばＦＳ（ｚ）＝０）。
【００８６】
これまでの場合のように、図６ａ−ｃに記載の実施形態例に関し、ビード１２ｄの設計および支持要素１９の配置と設計は、支持要素１９の支持要素の特性線ＦＳ（ｚ）およびビード１２ｄのシーリング要素の特性線ＦＤ（ｚ）が、プレート距離ｚ＝ｚ２で互いに交差するようにされる。図６ａ−ｃに記載の実施形態例について、したがってまた、すべてのｚがｚ＞ｚ２でＦＳ（ｚ）＜ＦＤ（ｚ）であり、すべてのｚがｚ＜ｚ２でＦＳ（ｚ）＞ＦＤ（ｚ）である。そして、上記のように、また、すべてのｚがｚ＜ｚ１で｜ｄＦＳ（ｚ）／ｄｚ｜＞｜ｄＦＤ（ｚ）／ｄｚ｜ということである。特に、ビード１２ｄおよび支持要素１９は、したがって、すべてのプレート距離ｚがｚ＜ｚ１である場合に、プレート距離ｚの更なる縮小の場合、ｚ方向６に変形量Δｚ'''＞０の分の支持要素１９のみの圧縮または更なる圧縮に必要な力ＦＳが、ｚ方向６に同じ変形量Δｚ'''の分のビード１２ｄのみの更なる圧縮に必要な力ＦＤより急激に大きくなるように設計される。
【００８７】
後の図は、さらに、それぞれ、プレート距離が例えばそれぞれｚ＝ｚ０である状態におけるシステム１のスタック３２を示す。
【００８８】
図７は、断面図におけるシステム１のスタック３２の更なる実施形態を概略的に示し、断面は、セパレータプレート１０のプレート面に垂直に整列される。上記で説明した実施形態と比較して、図７に記載のスタック３２は、断面に沿ったまたは周辺ビード１２ｄが延びる方向に垂直に、ほぼＵ形状の断面を有し、例えば、セパレータプレート１０の端部においてセパレータプレート１０上に固定された支持要素１９ｆによって特徴づけられる。支持要素１９ｆは、したがって、それぞれ、特に、半ビード２１ａ，２１ｂを介してセパレータプレート１０にポジティブに接続され得る。さらにまたはあるいは、支持要素１９ｆは、セパレータプレート１０に接着され、または他の方法でそれらに接続され得る。支持要素１９ｆは、それぞれ、ｚ方向６に沿ってセパレータプレート１０の両方の面に配置され、これらを囲み、これにより、それらは、それぞれ、セパレータプレート１０の両方のエンドプレート１０ａ、１０ｂと接触する。高さが本質的にフレーム１８の厚さに対応する中間スペース３１は、隣接する支持要素１９ｆの間に存在する。
【００８９】
セパレータプレート１０のプレート面に平行に、支持要素１９ｆは、隣接するセパレータプレート１０の周辺ビード１２ｄの間に封止して収容されるフレーム１８にまでは到達しない。したがって、支持要素１９ｆおよびフレーム１８は、ｚ方向６に重ならない。支持要素１９ｆは、通常動作におけるプレート距離ｚ０の場合に、それらは、このセパレータプレート１０の個別プレート１０ａ、１０ｂの周辺ビード１２ｄの頂部が延伸する、ｚ方向６に沿った少なくとも面にまで、それらが配置されたセパレータプレート１０の両方の面に到達するような寸法にされ得る。
【００９０】
さらに、ｚ方向６に沿った複数の支持要素１９ｆは、通常動作におけるプレート距離ｚ０の場合に、中間スペースが、ｚ方向６に沿って隣接する支持要素１９ｆの間に残り、これにより、隣接する支持要素１９ｆが、ｚ０のプレート距離の場合に互いに接触しないような態様の寸法にされる。例えば、支持要素１９ｆは、隣接する支持要素１９ｆが、隣接するセパレータプレート１０のプレート距離がスタック３２の加圧の結果として値ｚ１＜ｚ０にまで縮小する場合の第１の時間で互いに接触するような態様で設計される。隣接するセパレータプレート１０が（例えば、燃料電池スタックを用いるような）作動において複数の異なる電位にある場合、支持要素１９ｆが、支持要素１９ｆを介して隣接するセパレータプレート１０の間に電気接点が生じること（短絡）を防止するために、スタック３２の加圧の結果として互いに接触し得る、それらの面上のそれらの領域において少なくとも電気的に導電性がないことが必要である。例えば、支持要素１９ｆは、それぞれ、電気的絶縁層でコーティングされ得る。あるいは、支持要素１９ｆまたはそれらのいくつかは、また、それぞれ、電気的絶縁材料で全体が形成され得る。
【００９１】
図８は、断面図においてシステム１のスタック３２の更なる実施形態を概略的に示し、断面は、セパレータプレート１０のプレート面に垂直に整列される。図８に記載の実施形態は、図７に記載の実施形態とは異なり、支持要素１９ｆはそれぞれ、保持要素２７に接続される。支持要素１９ｆは、したがって、保持要素２７を介してｚ方向６に沿って互いに接続される。保持要素２７は、複数のセパレータプレート１０の上に、ｚ方向６に沿ってスタック３２の端部において延伸する。保持要素が形成される材料の弾性率は、ほぼ、支持要素１９ｆが形成される材料の弾性率と同じくらい大きくてよい。図８に示される実施形態に関し、支持要素１９ｆおよび保持要素２７は、同一材料で製造され、ワンピースとして設計される。保持要素２７は、典型的に、少なくともスタック３２の端部領域において、ｚ方向６にスタック３２の加圧に対するスタック３２の抵抗を増加させ、高い加圧の場合に、保持要素２７は、プレート内部から離れた方向に少なくとも部分的に屈し得る。
【００９２】
図９は、断面図におけるシステム１のスタック３２の更なる実施形態を概略的に示し、断面は、セパレータプレート１０のプレート面に垂直に整列される。図９に記載の実施形態は、一方側では図７に記載の実施形態とは異なり、半ビードは、セパレータプレートの左側外縁に存在しない。他方側では、支持要素１９ｆは、それぞれ、例えば異なる大きさの抵抗で、ｚ方向６に沿った加圧に抵抗する２つの異なる材料１９ｆ'および１９ｆ''で構成される点で、図７に係るそれとは異なる。例えば、材料１９ｆ'および１９ｆ''の少なくとも１つは、発泡され、図４−ｃに記載の支持要素１９の微細孔２３に対応する微細孔を有し得る。また、異なる孔の内容物を有する２つの他の状態で同一の材料があり得る。支持要素１９ｆは、例えば共押出しされ得る。
【００９３】
材料１９ｆ'、１９ｆ''は、セパレータプレート１０のプレート面に平行に整列され、それぞれのセパレータプレート１０のプレート面に対して鏡対称である、それぞれセパレータプレート１０との挟まれた状態の構造体を形成する複数の層を形成する。ここでは、セパレータプレート１０は、この構造体の最も内側の層を形成する。支持要素１９ｆの第１の材料１９ｆ'は、セパレータプレート１０の両方の面でセパレータプレート１０と接触する第２の層を形成する。そして、支持要素１９ｆの第２の材料１９ｆ''は、セパレータプレート１０の両方の面で第２の層と接触する第３の層を形成する。
【００９４】
図９に記載の実施形態に関し、隣接する支持要素１９fが、中間スペース３１を閉じた後にｚ方向６に沿ってスタック３２の加圧の結果として、第１の時間で接触する状態になる場合、更なる加圧に対する支持要素１９ｆの抵抗は、例えば、最初に、より大きな弾力性（例えばより小さい弾性率）を有する材料１９ｆ'、１９ｆ''の１つによって決定される。支持要素１９ｆの力−変形量特性線ＦＳ（ｚ）の推移は、また、２つの異なる材料１９ｆ'、１９ｆ''の支持要素１９ｆのそのような構造によって、目標とされる態様において影響または調整され得る。例えば、ＦＳ（ｚ）の推移は、ＦＳ（ｚ）が、すべてのプレート距離ｚがｚ１＜ｚ＜ｚ０である場合に、平坦な態様で延び、ＦＳ（ｚ）が、プレート距離ｚがｚ＜ｚ１である場合に（図４ｄ参照）、急勾配にまたは同様に、延びるようなこの態様で調整されうる。
【００９５】
図１０は、断面図においてシステム１のスタック３２の更なる実施形態を概略的に示し、断面は、セパレータプレート１０のプレート面に垂直に整列される。図１０に記載の実施形態は、図７に記載の実施形態とは異なり、図１０に記載の支持要素１９ｈは、それぞれ、個別プレート１０ａ、１０ｂの端部に半ビード２１ａ，２１ｂによって形成される中間スペース２８を満たす。半ビード２１ａ、２１ｂおよび支持要素１９ｈの安定性は、したがって、さらに、増大され得る。
【００９６】
図１１は、断面図におけるシステム１のスタック３２の更なる実施形態を概略的に示し、断面は、セパレータプレート１０のプレート面に垂直に整列される。図１１に記載の実施形態は、図８に記載の実施形態の変形例である。図１１において、支持要素１９ｇは、それぞれ、隣接するセパレータプレート１０の半ビード２１ａ，２１ｂの間でｚ方向６に沿ってセパレータプレート１０の端部領域に配置される。特に、支持要素１９ｇは、既にプレート距離ｚ０となる通常動作において、それらが２つの隣接するセパレータプレート１０にまでｚ方向６に沿って到達し、これらに接触するような態様で、セパレータプレート１０の間に配置される。同じく、支持要素１９ｇはそれぞれ、半ビード２１ａ，２１ｂの間の中間空洞２８を充填する。さらに、支持要素１９ｇはそれぞれ、複数のセパレータプレート１０の上に、スタック３２の端部でｚ方向６に沿って延伸する不可欠な保持要素２７に接続される。図１１では、支持要素１９ｇおよび保持要素２７は、同一材料で製造され、単一パートの態様で設計される。
【００９７】
図１２は、断面図においてシステム１のスタック３２の更なる実施形態を概略的に示し、断面は、セパレータプレート１０のプレート面に垂直に整列される。図１２に記載の実施形態は、図１１に記載の実施形態とは異なり、図１２に記載の支持要素１９ｈは、端部で半ビード２１ａ、２１ｂからセパレータプレート１０へ周辺ビード１２ｄにまで到達する領域２９において少なくとも部分的に、セパレータプレート１０のプレート面に平行に延伸する。支持要素１９ｈは、ここでは、隣接するセパレータプレート１０の間の領域２９においてｚ方向６に沿って形成される中間スペース３０を、完全な程度まで、通常動作においてプレート距離ｚ０である場合でさえ、充填する。
【００９８】
図１３は、断面図においてシステム１のスタック３２の更なる実施形態を概略的に示し、断面は、セパレータプレート１０のプレート面に垂直に整列される。図１３に記載の実施形態は、図３ａに記載の実施形態とは異なり、セパレータプレート１０のプレート面に平行なフレーム１８は、セパレータプレート１０の端部に向けて周辺ビード１２を超えては延伸しないまたはほとんど延伸しない。通常動作においてプレート距離ｚ０と仮定すると、中間スペースは、したがって、ｚ方向６に沿った隣接する支持要素１９ｂの間に残る。さらに、図１３に記載の実施形態は、セパレータプレート１０の半ビード２１ａ，２１ｂの間の中間スペース２８を完全に充填する、および故に追加の安定性をセパレータプレート１０に提供する要素３０を充填することによって、図３ａに記載の実施形態とは異なる。
【００９９】
図１４は、断面図においてシステム１のスタック３２の更なる実施形態を示し、ここで、しかしながら、２つの異なるセパレータプレートに属する２つの個別プレート１０ａ、１０ｂを有する１つのみの電気化学セルが示される。ここで、支持要素１９ｂは、個別プレート１０ａ、１０ｂの端部領域上の周辺ビード１２ｄとセミビード２１ａ，２１ｂの間の領域における、個別プレート１０ａ、１０ｂ上に配置される。フレーム１８は、支持要素１９ｂが配置された領域内には到達せず、これにより、中間スペース３１は、押圧されていない支持要素１９ｂの間に残る。
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４ａ）】
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【図４ｂ）】
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【図４ｃ）】
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【図４ｄ）】
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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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【図６ｄ）】
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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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【国際調査報告】
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