JP2006504872A - 電気化学的システム - Google Patents

Abstract

本発明は、いくつかの電気化学セルの層を備えた電気化学コンプレッサー積層体（１）を有し、電気分解によってガスを圧縮し、かつ／あるいはガスを生成する電気化学コンプレッサーシステムに関し、該いくつかの電気化学セルは各場合に互いに双極板(３,３’)によって離間され、該双極板は電気化学セル積層体に対する媒体供給および媒体排出のための開口（５，５b）を有し、電気化学セル積層体は積層方向（６）に機械的圧縮ひずみを受けた状態で配置されることが可能となっている。ビード配列（７、7’）は弾性を有し、いくつかの領域に設けられ、電気化学的セルの開口（４，５ａ、５ｂ）およびの電気化学的活性領域（１０）をシールする。

Description

本発明は、例えば燃料電池システムあるいは電気化学的コンプレッサーシステム等の電気化学的システムに関する。

関連技術の説明

電気化学的コンプレッサーシステムは、例えばエレクトロライザー等とすることができ、該エレクトロライザーは電圧を印加することによって例えば水（ｗａｔｅｒ）および酸素を発生するとともに、同時にこれらのガスを高圧下に圧縮する。

さらに、例えば電気化学的水素コンプレッサー等の電気化学的コンプレッサーシステムが知られており、これらに対してはガス状水素分子を供給し電圧を印加することによって該水素を電気化学的に圧縮する。この場合、水素を機械的に圧縮するのはかなり高価につくと考えられるので、特に少量の水素を圧縮する場合には上記電気化学的圧縮法が利用される。

いくつかの電気化学的セルを積層して電気化学的セル積層体を形成した電気化学的システムが知られている。これらの電気化学的セルは各場合に双極板で互いに分離されている。したがって、双極板は以下のいくつかの働きをする。
− 個々の電気化学セルの電極を電気的に接触させ、電流を隣接するセルに流す（セルを直列に接続）。
− 例えば、水（ｗａｔｅｒ）あるいはガス等の反応物質をセルに供給し適当な分配構造を介して反応生成ガスを取り出す。
− 電気化学セルで発電中に発生する熱を移送する。
− 種々の媒体ダクトあるいは冷却ダクトを互いにかつ外部から封止する。

双極板には冷却開口と双極板から実際の電気化学セルに対する媒質供給口および媒質排出口が設けられている（これらの電気化学セルには例えばMEA（膜電子アッセンブリー）があり、MEAは例えば金属マットから形成したガス分散層を有し、ガス分離層は各々の場合双極板の方向に指向されている）。

この場合、特にガス分散層に関して通常困難性が出てくる。現在までのところ、例えば双極板の溝にエラストマーシールを配置して双極板同士間を封止していたか、あるいは双極板と電気化学セルとの間の絶縁を図っていた。電気化学セル積層体に対して（例えば、締結バンドによって）圧縮ひずみを付与することにより、シールを加圧し、それによって上記開口に対して封止効果を発揮させるべきとされていた。

ファイバマット（金属繊維による）あるいは金属メッシュとして形成することができる導入ガス分散層については現在問題がある。産業界では従来からあるファイバマットは例えば１ｍｍの理論的な厚さを有し、製造上のばらつきは±１００μｍとなっている。マットを構成する金属繊維はそれ自身は多少の弾力性のみを有する。さらに、マット層のガス透過性はかなり減少し、したがって電気化学セルの作動が制限されるので、マットを圧縮して繊維マットの製造ばらつきを補償することは勧められない。しかしながら、一方、双極板によってガス分散層全体に最小の圧力を付加する必要があり、その場合はガス分散層中に充分な流路が形成される。したがって、流路をエラストマーでシールする場合は、電気化学セルを完全にはシールしない、すなわち非最適状態で稼動することを受け入れられなければならないと要約することができる。さらに、特に分子状の水素を用いて駆動する電気化学セルについては、エラストマーシールを介して分散するＨ_２の透過ロスが生ずる。

発明が解決しようとうする課題

したがって、第1の視点として、本発明の目的は出きるだけ廉価に電気化学セル積層体の開口部を確実にシールすることにある。

この目的は、本発明による目的は、本発明の電気化学コンプレッサーシステムによって達成される。

開口をシールするため、少なくともいくつかの箇所に弾力性のあるビードを配置させることによって、長い弾性行路のビード配置に渡って確実なシールが行われる。したがって、開口は実際本願ではシールすべきいずれの領域をも意味すると理解すべきである。例えば、開口は反応流体（例えばＨ_２あるいは水）あるいは冷却材の通過開口であり得る。しかしながら、開口は、例えば、ガス分散層を配置したりあるいはねじ穴が設けられる等の電気化学活性領域とすることも可能である。ビード配置が弾性を有するものとすることによって、広いばらつき範囲において例えばガス分散層の製造ばらつきを常に補償することができるとともに、最適なシール効果を付与することが可能となる。

本発明の非常に有利な実施態様では、ビード配列は１μｍ〜４００μｍの間の厚さを有する薄い被膜によってミクロシールするよう形成ことを想定する。外被膜はシリコーン、ビトン（ｖｉｔｏｎ）あるいはＥＰＤＭ（エチレン／プロピレン−ジエン三元重合体）等のエラストマーから形成するのが良く、スクリーン印刷法、タンポン印刷法、スプレー法あるいはＣＩＰＧ法（プレースバスケットにて硬化、即ちその場で硬化する液体としてシールの部位に導入したエラストマー）によって被覆する。透過性物質の高さは最小限にされているので、これらの方法によって、例えばシールによって水素の拡散を非常に低度まで確実に減少させられる。したがって、追加の幾何学高さをさらに回復するよう試みずに、マイクロシールに対して荒い補償を行えばよい。

本発明の好適な別の実施態様では、ビード配列はフルビードあるいはハーフビードを含有することを想定している。したがって、平面でのビード配列のコースしだいであるが、ビード配列中に両方の形式のビードをもうけることが可能であり、また他の弾性体も有益であること、例えば、ビード配列の直線コースについてよりも小さな半径では異なったビード幾何学形状がより有益であることが立証され得る。

ビード配列の好ましい改良としては、ビード配列が少なくともいくつかの領域で電気化学的活性領域の周りでハーフビードとして構成されており、いくつかの領域でハーフビードの周囲が開いていることも想定する。したがって、ビード配列が高圧側に開いていて、内部圧力を上げることによって、次の双極板のシール面（あるいはその間に位置する膜）に対するビードの接触圧力が上昇するようにビード配列を取り付ける。電気化学コンプレッサー積層体は締結バンド等を用いることによって一緒に保持される端部板によって外部的に安定なものとされ、積層された個々の板のへたりが限られた範囲でのみ可能となっている。全体の構成は「弾性膨張」することはなく、シールの領域での接触力が上昇するのみであるが、シール部あるいは全体の構成の自己安定性はある。ゆえに、電気化学的活性領域におけるシステムの圧力を上げることによって（この内圧は２００バールより高いことが可能であり、好ましくは７００バール、特に好ましくは１０００バールから５０００バール）、電気化学コンプレッサー積層体の方向に向かう表面圧力を増加させて、締め付け（ｔｉｇｈｔｎｅｓｓ）問題が解消され、したがって、シールに関して、擬似「自己安定化」システムを付与することができるようにハーフビードを形成する。

さらに好適な実施態様では、ビード配列をスチールから形成することができる。スチールは従来の工具を用いて非常にコスト効率的に加工を行うことができ、また例えば薄いエラストマーでスチールを被覆する方法も試験したが良好である。スチールは良好な弾性特性を有するので、本発明のシール領域を長くかつ弾性を有するよう良好な設計を容易に行うことができる。したがって、ビード配列を双極板に取り付けることは特に可能となる。ゆえに、第１に双極板を全体としてスチール成形体として形成することが可能である（この成形体のいくつかの領域において耐腐食性あるいは導電性を付与するためコーティングを行うことも可能である）。しかしながら、双極板を２枚のスチール板とその間に入れたプラスチック板とからなる複合要素体として形成することも可能である。しかし、各々の場合、スチールを良好に形成する可能性があり、この可能性を活用することができ、またいずれの場合にも実施する一つの製造工程（例えば、流れ場、すなわちストリーム場をエンボス加工する工程）内でビード配列を作成することが可能である。ゆえに、非常に低いコストで製造され、余分の構成部品、例えばさらに挿入する弾性シール等がさらにべつのエラー源となることがない。

しかしながら、本発明では、例えばスチール、ニッケル、チタニウムあるいはアルミニウムおよびそれらの合金等の他の金属からビード配列を形成することも可能である。金属が好ましいとする選択は、例えば、必要とされる電気特性や必要とされる耐腐食性の程度によって左右される。

したがって、ビードの圧縮特徴を例えばガス分散層に適合させることも可能である。しかしながら、これは複数のガス分散層のみに行う必要はなく、ビードラインは一般には弾性の低い構成部品に良好に適合させることが可能である。ビードとしたシールは可撓性あるように設計することができるので、電気化学コンプレッサーシステムのすべての生産者に対して高いレトロフィット費用を必要とすることなく良好に適用することができる。

さらに好適な実施態様では、ビード配列がガス拡散層の圧縮を最小の厚さに制限するストッパーを備えるようにすることも想定している。したがって、ビード配列の一部を非圧縮性とするか一部を実際のビードの弾性よりもかなり低い弾性を有するものとする。これによって、変形度をビード領域で確実に制限してビードが完全に平らに圧縮されることがないようにする。

さらに好ましい実施態様では、ビード配列を双極板から分離させた構成部品上に配置することも想定する。このような構成は、双極板をビード配列に不適な材料で形成する場合に特に好適である。その場合に分離構成部品を双極板の上に置くかあるいは接着、打ち込み、溶接、半田付けあるいは成形によって一体的にし、別体の構成要素と双極板との間に全体的にシール連結をする。

最後に、さらに好適な実施態様では、ビード配列をエラストマーロールから形成することも想定している。このようなビードはスクリーン印刷法あるいはタンポン印刷法によって適用することができる。これは、微細シーリングおよびマクロシーリングの両方に対して寄与する。また、ロールによってガス分配層上に航路を適合かする機能も担保される。

さらに好適な展開として、電気化学コンプレッサーシステムはエレクトライザーとして形成することも想定されている。この場合には、電気化学セルの片側に導入された水は電気化学的に分子状の水素と酸素に分解される。ナフィオン製の膜あるいは同様のプロトン伝導性システムをこの目的のために用いるが、例えば、水酸化カリウムで浸漬したPTFEフォームセパレータを含むセパレータも用いることができる。また、水酸化カリウムで浸漬した多孔質セラミック構造体もセパレータとして可能であり、例えばネクステル（Nextel）系構造体あるいは水酸化物導電性構造体のセパレータも可能である。接触力（電気化学セル積層体の主方向のシールの表面圧）を０．１と２００N/ｍｍ^２、特に好ましくは１０N/ｍｍ^２より大きく、特に好ましくは５０N/ｍｍ^２より大きくすることができる。

さらに好ましい展開としては、電気化学コンプレッサーシステムは、プロトン伝導性電気化学膜の第１の側に導入された分子状の水素をH^＋に酸化し第２の側で再度分子状の水素に戻す水素コンプレッサーとする。ここでは、分子状水素はシール配置および空間的配置により第１の側より第２の側においてより高い圧力にさらされる。作動温度は０と１００℃の間とすべきであるが、０−２００℃あるいは０−５５０℃も考えられるであろう。水素伝導性構造体あるいはプロトン伝導性ポリマー膜（例えば、ナフィオンから形成）を膜として用いることができる。

もちろん、イオン伝導体を適切に選択することに対応して他のガス、例えば水酸化物伝導性構造体によって酸素を圧縮することもできる。

全体的には、本発明の電気化学コンプレッサーシステムはまさしくに良好に、他の電気化学メカニズムの場合よりも顕著に高い非常に高圧に耐えるべきであることを記憶しておくべきである。電気化学的活性領域における一般的なガス圧は、漏れ損失がなければ少なくとも１００バール、好ましくは２００バール以上、特に好ましくは５００バール以上とすることが可能とすべきである。

本発明の第２の視点は、できるだけ低いコストで電気化学セル積層体中の開口を確実にシールすることを目的とする。この場合、電気化学セルを冷却および動作させる媒体（特に、Ｏ_２、空気あるいはＨ_２）を電気化学セルの開口から冷却キャビティあるいは電気化学的活性領域へ安全に供給することを保障すべきである。この視点は、例えば燃料電池あるいは上述の電気化学コンプレッサーシステム等のいずれの電気化学システムに適用可能である。

この目的は、弾性ビード配列を少なくとも一つの双極板の開口の周りに設け、この場合には液体あるいはガス媒体を導く孔部をビード配列の少なくとも一つの側面に配置する。いくつかの電気化学セル（あるいは燃料セル（電池））の層を有する電気化学セル積層体（あるいは燃料電池積層体）からなる電気化学コンプレッサーシステム（あるいは燃料電池システム）を示す。該いくつかの電気化学セル（あるいは燃料電池）は各々の場合双極板によって互いに分離されており、双極板は電気化学セル（燃料電池）および電気化学セル積層体のための冷却あるいは媒体供給及び媒体排出のための開口を有し、該電気化学セル積層体（あるいは燃料電池積層体）は層方向の機械的圧縮ひずみの下に置くこともでき、この場合弾性ビード配列を双極板の開口の周りに設け、液体あるいはガス状媒体用孔部をビード配列の少なくとも側面に配置する。

機械的圧力を電気化学セル積層体の層方向に付与する場合に、まずビード配列によって開口の全てのシールを行うことが一般的に特に好都合である。このようなシールはコスト効率的であり、ばらつきに対し良好な補償を与える。さらに、ビード配列の側面の孔部によって冷却材を対応する冷却財キャビティに特定の態様で供給・排出しおよび所定の媒体の供給・排出が促進される。電気化学セル積層体の層方向（ここでは、インターフェースダクトの方向と一致）にほぼ垂直に冷却材あるいは作動媒体を供給あるいは排出するためにビードを完全に遮断する必要はもはやない。したがって、これらの双極板を製造する際に、完成した電気化学コンプレッサーシステムに媒体を導く対応孔部を設けることが可能となる。このような孔部を大きなスケールで容易に作ることが可能であるので、孔部を変更することでビード配列等の流路抵抗及び剛性を正確に予め設定する可能であるという利点がある。

特に、ビード配列を形成するために、金属板にまず孔を設け、つぎに孔部を機械的に形成して、それによって予め導入した孔部をビード配列の少なくとも一つの側面の孔部とするということで、双極板あるいは双極板の部品をコスト効率的に製造することが可能となる。しかしながら、もちろん、例えばレーザ加工、パンチング等を用いてまず双極板の形状をエンボス加工し、次に孔部を導入することも可能である。

したがって、要約すると、双極板の活性領域に簡便化した態様で媒体を供給することが可能となったということに本発明の価値がある。この場合にシールシステムそれ自体で媒体の供給が行われるので、シールに「トンネル」を設ける必要はない。これにより、まず空間を節減でき、第２に電気化学セルのより大きな容量および重量キャパシティを可能とする。本発明は、PEM電気化学セルに対する金属双極板に対して特に適用でき、このようなPEM電気化学セルはたいていの場合互いに平坦に連結される２枚のエンボス加工をした金属シートによって形成される。また、媒体の水、ある場合には冷却水およびガスは互いに効果的にシールされていなければならない。金属双極板のシールをビード構造とする場合には、たいていの場合媒体が活性領域に流れなければならないポイントではビードは厳密に平らになる。これらのポイントでは膜に対しての支持はないが、このことは供給チャネルへのガス漏れ（「クロスオーバ」）あるいは膜の崩壊につながる可能性がある。しかしながら、孔部をビードの側面に導入して、例えば水素、空気、蒸留水等の媒体がビードを通って双極板の流れ場領域に流れ込むことが可能となっている場合には、ビードは遮断されていない膜に当接することも可能である。したがって、媒体を完全にシールすることが可能となる。ゆえに、より好適には孔部を円形あるいは楕円形に形成してビードのスプリング特性を顕著に変えないようにすることが好ましい。媒体通過領域においてビードの構造に適合させて第２の金属板を形成することによって電気化学セルに生ずる流体同士のシールを保証する。したがって、ビードはフルビードあるいはハーフビードとして形成することができる。さらに。連結したダクトによってビードを介して媒体を通すこともできる。この場合には、冷却媒体をガイドする場合に特に好ましい。媒体はアノード板とカーソード板との間により容易にガイドすることが可能となる。

さらに好適な発展例として、側面の孔部は円形、楕円あるいは角ばった横断面を有することも想定している。これらの孔部を通ってガイドされる流体の流れ特性はまずこの形状および側面当たりの孔部の適切な個数によって影響を受ける可能性がある。さらに、対応する幾何学的慣性モーメントも孔部の形状によっても影響を受けるので、ビード配列の剛性も電気化学セルの層方向の応力に対して制御することもできる。

特に好ましい発展例としては、ダクトが孔部に連結され、この場合にダクトをビードの内部に連結し、少なくともビードの該表面に向って閉止することも想定している。これによって、孔部は直接ビードの内部から外側に直接ガイドされることはなく、例えば双極板の水素ギャップにおいてはダクトを介しての特定態様での移送が可能となり、酸素が電気化学セルのカーソードに導入されるのを防止するということも想定している。特に、製造技術の点からは、双極板（例えば、双極板が金属からなる場合）にエンボス加工をすると同時にこれらのダクトを一緒にエンボス加工することが好ましい。あるいは、無論個々のダクトを後からあるいはより早く取付けることも可能である。

さらなる発展例として、孔部が電気化学セルの電気化学的活性領域に向って開口していることも想定している。特に、この例は水素等の媒体を導入する場合に適用できる。無論、一枚の双極板において同時に互いに異なった変形態様のものを隣接させることも可能であり、ダクトが連結された孔部およびダクトを有しない孔部の場合である。

工業的に特に有望な実施態様として、双極板を２枚の（金属）板から形成し、双極板はそれらの板の間に冷却材及び／またはH_２等の媒体ガスを通過させるキャビティを有することも想定している。したがって、この双極板の内部を複数のセグメント、例えば一方では冷却材をガイドするためのセグメント、他方は媒体ガスを分配するセグメントに分割することも想定している。例えば、溶接あるいは半田付けを意図する２枚の板の連結領域にこのセグメントを設けることもできる。

さらに好適な発展例には、ビード配列が「フルビード」あるいは「ハーフビード」を含むことが想定されている。フルビードとしては、一つあるいは両側面に孔部を設ける選択肢である。ハーフビードあるいはフルビードが要求されるかどうかは、なかんずく、必要とされる剛性あるいはまた開口の幾何学形状による。

ビード配列は、スチール、ニッケル、チタニウム、アルミニウム及びそれらの合金からなる双極板に対して特に利用可能である。したがって、ビード配列は、双極板にエンボス加工した形状の一部とすることもできる。しかしながら、ビード配列は下記構成部品上に配置することも可能である。この構成部品は、双極板からまず分離しておき、その後で特に金属、プラスチック、グラファイト等で形成した双極板に配置し、接着、打ち込み、溶接、半田付け、成形等によって双極板に連結する部品である。

さらに好適な発展例では、ビード配列を被覆してマイクロシールすることを想定する。これによって、例えばビード配列の外側にスクリーン印刷によって適用するエラストマー層により微細シーリングを媒体通路に対して付与することを確実に行える。このエラストマーコーティングは、このコーティング上にポリマー膜を置いた場合には、「浮き」あるいは「滑走」固定が行えるという追加的効果もあり、これにより、確実に、一方では１０％の範囲で寸法が変化しても電気化学セルのこの膜を固定状態に維持し、一方硬く固定し過ぎたための亀裂も生じさせない。

さらに好適な発展例には、電気化学セルの電気化学活性領域は実質的に閉止されたチェンバーに配置されることも想定されている。このチェンバーは、ビード配列によって実質的に環状で横方向に限定されている。このことは、ビード配列は双極板の開口をシールすることが可能であるばかりでなく、電気化学セル積層体の内部を「全体的にシール」することも可能であることを意味する。

特に好適な発展例には、ビード配列は孔部を開けた領域および孔部を設けない領域において電気化学セル積層体の積層体方向に応力を与えるために実質的に同一の剛性を有する。異なった方法によって同一の剛性に調整することが可能である。例えば、ビード配列のコースに沿ってフランク角を変化させることによって（すなわち、孔部を設けた側面領域にはより鋭いフランク角とする）、あるいは適当に材料を分配（すなわち、孔部に隣接する周辺領域の壁厚をより厚くする）することによって行うことができる。例えば、Rm0が３００から１１００N／ｍｍ^２、好ましくは６００から９００Ｎ／ｍｍ^２の最大引張り強度を有するスチールを使用することもできる。このようなスチールは弾性率が１５０，０００と２１０，０００N／ｍｍ^２との間である。

さて、本発明をいくつかの図を用いて説明する。

図1ａは、図1ｂに示す電気化学セルの構成を示す。複数の電気化学セルが層状になって端板間に配置される電気化学的セル積層体の領域を形成する（図1ｃ参照）。

電気化学セル２はその通常の構成部品を有し、図１ａに見ることができ、該電気化学セルは例えばイオン伝導性ポリマー膜を有する。該膜は、中央領域２ａにおいて両側に触媒層を備えている。２枚の双極板３の間にポリマー膜が配置され、該双極板は電気化学セルに設けられている。 ガス分散層９は双極板の凹部に収納される寸法を有し、かつ各双極板とポリマー膜との間の領域にも配置される（状況に応じては、双極板の微細構造に作用される）。電気化学セルの組立て状態では（図１ｂ）、ガス分散層によって実質的に被覆される電気化学セルの電気化学的活性領域が実質的に閉止されたチェンバ１０（チェンバーは上記双極板の凹部に対応する）に配置されるに。該チェンバーは、実質的にビード１１によって環状的かつ横方向に限定を受ける。この閉止チェンバ１０は、ビード配列７あるいは７’に属するビード１１によってガス気密性とされている（図２ａａ、図２ａｂ、図２ｂ参照）。

媒体供給通路開口５ａと媒体排出流路開口５ｂが封止領域内に位置し、更なる通路開口、例えば冷却通路開口４（これらは封止のために別のビードを有し、本発明でも同様に設けられている）に関して、開口５ａと５ｂはビード１１によって封止されている。したがって、積層方向６に電気化学セル積層体１に圧力をかけることによって封止効果がすべてのビードに対して生じる。例えば、本願では図示しない締結バンドによって上記封止効果を奏することを可能とする。ビード１１は、弾性圧縮の大きい領域があるという利点を有し、該領域では充分な封止効果を示す。このことは、例えばグラファイトや金属繊維マット（チタン、ステンレス鋼あるいはニッケル）から形成されるガス分散層９を設置する際には特に有益であり、該マットは産業界で製造され製造ばらつきは大きい。ビードの弾性領域が広いので、ビードをガス分散層の形状に適合させることは可能である。このことは、一方で横方向のシールを行うとともに、他方でガス分散層面に十分なガス分散を行うことが可能であり、加えて、積層方向６の接触圧力を均一かつ充分高くして、ガス拡散パイプを通して均一な流路を形成することができる。マイクロシール性を向上させるために、エラストマーのコーティングをビード１１の外側面に設ける。エラストマーのコーティングは、例えばスクリーン印刷法によって予め付与して置く。

ガス分散層の加圧を制限するために、ビード構成をストッパーとともに形成する。このストッパーは折りたたみ形状、波型ストッパーあるいは不等辺四角形状ストッパーとしてでも形成することもできるが、この坑では、図３（ａ）乃至図３（ｂ）の説明において、該ストッパーを再度下記に詳細に記載する。すべてのストッパーはビードが最小寸法に圧縮されるのを制限する機能を委ねられている。

本例の場合、双極板は金属成型体として形成されている。ビード配列に関連してスチールの製造容易および利点に関して既に述べてきた内容に言及する。

例えば、必要な弾性を有する適切なビード形状を形成するのには適さない金属から双極板を形成する場合には、ビード領域を異なる適当な材料（例えば、スチール）から形成することもできる。次に、溶接、はんだ付け、接着、リベット打ち、打ち込み等の接合法によって、別体のビード構成を双極板に連結する。双極板を金属以外の材料、例えば、グラファイト複合材料、プラスチックあるいはグラファイトから形成する場合には、ビード領域を適当な材料によりフレームとして形成することもできる。流れ場を含む双極板の基礎材料を、気密あるいは液密態様で、ビードを含むビードシールフレームに結合する。該結合は、溶融、鋳込み、溶接はんだ付け、接着、リベット打ちあるいは打ち込み等の結合法によって行う。

図２ａａおよび図２ａｂは、本発明に係るビード配列の実施態様を示す。図２ａａは、ハーフビードとして形成されているビード配列７を通る横断面図を示す。ビード配列７は、実質的に環状のビード１１は、図１ａの構成で既に説明したように、ガス分散層９を包み込む。図２ａａでは、ビードは所謂ハーフビードとして形成され、例えば象限（ｑｕａｄｒａｎｔ）の様になっている。電気化学セルの内部領域はシールによって囲まれなければならず、かつ媒体ダクトの領域内で交差するので（図２ｃ参照）、フルビードあるいはハーフビードとして交互に形成をすることが必要である。したがって、フルビードは２つのハーフビードに移行することができ、このことにより２つのハーフビードは各場合にそれ自身でシール効果を有する。さらに、フルビードあるいはハーフビードを用いることによって、広い枠内で弾性を適合させることができる。

図２ａａは非加圧状態のビード配列７を示す。電気化学セル積層体に機械的な圧縮ひずみが付与されると、６の方向に加圧が生じ、その結果ビード配列７あるいはビードはガス分散層に関して閉止チェンバー１０に対して気密な横方向シールを形成する。

図２ａｂは、ビード配列１１の更なる断面を与える。このビード配列は、ハーフビードとして形成されている。該ハーフビードすなわちハーフビード形状のビード配列は双極板３に溶接シーム２７を介して結合されている。膜２はハーフビードの上側に配置され、ハーフビードは実質的にＳ形状に形成されている。したがって、電気化学的活性領域が膜２、ハーフビード１１および双極板とで気密状に覆われ、内部圧力Ｐ_内部が該領域に付与される。金属繊維マット、本例ではチタニウム繊維マットから形成したガス拡散層を電気化学的活性領域に配置する。ハーフビード配列はこのようにして少なくとも所定領域に配置するが、“Ｓ”の上面（広い矢印も参照）が電気化学的活性領域内で圧力が上昇することによって高くなった内圧Ｐ_内圧により上方に押され、それにより“Ｓ”のこの上面における面圧が上昇するようにハーフビード配列を形成する。電気化学セル積層体の方向の全体の延設部にわたって全体の電気化学セル積層体は締結バンドによって最小寸法に制限されているので、該面領域での表面圧力が上昇し、故により良好かつシールとなり、このものは擬似「自己安定化システム」となる。

図２ｂは、さらに別のビード配列、すなわちビード配列７’を示す。本例ではビードがフルビードとして構成されている（本例では、ほぼ半円断面を有する）ことが図２ａとこの構成との唯一の差異である。本発明ではさらに多くの実施態様がある。すなわち、例えば、個々に示す以外のさらに別のビード幾何学形状を示すことも可能であり、また多重ビードも可能である。さらに、本発明のビードによるシールは、電気化学セル積層体の加圧領域のすべてに対しても可能である。ガス拡散層の周囲の電気化学的活性領域１０をシールすることが可能であるばかりでなく、ガス状あるいは液体状媒体等の通路をシールすることも可能である。電気化学セル積層体の組立ガイド（ねじ穴）の周囲のシールについては、積層体の固定工程を対応させて制御し、かつ可能性のある公差を補償するためにビード配列の弾性を利用することもできる。

図２ｃは、本発明の双極板のさらに別の実施態様３’の平面図である。平面図でビード配列を太い線で見ることができる。このように、ビード配列はいくつかの通路開口をシールする機能を有する。

図３ａ〜図３ｄに各々ストッパーを有する種々のビード配列を示す。このストッパーはビードの変形を制限する機能を有し、それによって、ビードが所定の寸法以上に圧縮しないようにすることができる。

すなわち、図３ａはフルビード１１’’を備えた単一層のビード配列を示し、ビードの変形リミットは波形ストッパー２９によって１５の方向に制限される。図３ｂは、二重層ビード配列を示し、上層のフルビードはその下に横たわる折り返し金属シートによって変形が制限されている（番号３４参照）。図３ｃと図３ｄは、少なくとも２つのフルビードが互いに対向し折り返しシート（図３ｃ参照）あるいは波形シート（図３ｄ参照）のいずれかが設けられ変形を制限している。

図４は、双極板３の切断部の詳細な構造を示し、該双極板は図１ａを用いてに上述したものである。この双極板は理論的にはいずれの電気化学的システムに対しても適用可能であり、例えば上記電気化学コンプレッサーシステムあるいは燃料電池システムに対して適用可能である。

双極板３は２枚の金属板３ａと３ｂとからなり（図５ｂでは下方双極板３ｂを見ることができる）、これらの金属板は互いに重ねられている。板３ａ（対応する場合は板３ｂにも適用される）は、紙面から上方に延びエンボス加工したダクト構造１７を有する。これらの突起（ダクトのコースの方向を示す小さな矢印１８で示す）の間に形成されるダクトは、ガスを電気化学セルの電気化学的活性領域に特異的に通過をさせる機能を有する。

開口５ａあるいは５ｂはフルビードで囲まれており、例えばＨ_２あるいは水等の媒体を電気化学活性領域に供給する機能を有する。したがって、開口５を取り囲むビード配列７はホール状の孔部を備えており、該孔部８によって孔部８を通って矢印１８の方向に孔部８を通って溶媒を供給することができる。

開口４は、板３ａと３ｂの間のギャップに冷却液を流す機能を有する。開口４はビード配列７’によって囲まれている。ダクト２８は図示しない孔部８’に連結されており(図６ａ参照)、ダクトはビード配列から双極板３の内部に延びている。

図５ａは、双極板３の上方板３ａの切出し状態を示す。ビード配列７は断面図で示してあり、開口５ａあるいは５ｂを取り囲んでいる。この断面図は図４で見ることができる断面線Ａ−Ａに対応している。ビード配列７は横断面でフルビードを示し、すなわちフラット領域（開口を取り囲む）に連なり上昇する側面７ｂとその後平行部分をへてさらに平行部に連なる下降側面とからなる。したがって、側面７ｂと７ａとは円形孔部８を有し、ガス、例えばＨ_２の供給を、対応矢印（これらの矢印は図４に示す矢印方向１８に対応する）によって示す。無論、楕円形状あるいは角ばった孔部を設けることも可能であるし、あるいは水平領域から開始して下降側面のみを設けたハーフビードを設けるだけとすることもできる。したがって、開口８を電気化学セル２の電気化学的活性領域１０あるいは双極板３に向かって開口させ、例えば、空気、Ｈ_２あるいは水等の媒体流体を開口に通すこともできる。さらに別の設計では、無論、唯一の側面、例えば側面７ａのみ開口を備えることも可能である。

板３ａは金属、チタン等級１，２あるいは４、あるいはニッケル２００、２０１あるいは６０１から形成して、ビード配列７を一体的に含んでも良い。電気化学セルに適した高度に合金化したスチール、例えば、１．４５ ７１、１．４４ ０４、１．４４ ０１あるいは１．４４ ３９を金属として設ける。これらのものは大きなスケールで容易に加工することができる。

図５ｂは、電気化学セル積層体あるいは燃料電池あるいは電気化学的コンプレッサーシステムの双極板３を示す。「インターフェースダクト」である開口５の周囲の断面が示されている。さらに双極板（いくつかの場合には図示しない）を連結する電気化学セル２が各場合双極板３の上下に配置される。図示をより良好とするため、別体のガス分散層の図示は省いた。インターフェースダクトを通過するガスは実質的に矢印１９の方向にダクトを通過する。インターフェースダクトにおける主の流れ方向は矢印１９によって示され、電気化学的活性領域２５のガスを双極板３の上側と電気化学セル２の間で矢印２０の方向にさらに分配させ、加えて双極板の適当なキャビティ形状によってキャビティ１４を通してさらに分散させることが可能である。双極板３の他方の平坦側、すなわち領域２１に分子状水素を対応する態様で通過させることも可能である。

図５ｂは、さらにキャビティ１４が冷却液が充填されているキャビティ１３と如何にして連結領域２６によって分離されていることを示す。

図６ａは、開口４の周辺領域を示すビード配列７’の断面を示す（断面Ｂ−Ｂによる）。

ビード構成７’はフルビードを有する。このフルビードはその側面７ａ’に開口８’を有し、開口８’にはビード配列の外側においてダクト２８が連結されている。これらのダクト２８によって、ビード内部との連結が確実に図れ、２２の方向に通過するガスがビード外表面３５に行くことがない。

図６ｂは、再度電気化学セル積層体の一部、特に開口４の周囲の領域の断面を示す（開口４は、例えば冷却材、本例の場合には蒸留水のためのインターフェースダクトに属す）。この水は一般に２３の方向に流れ、一部の流れが２４の方向に分離して冷却水を収容するキャビティ１３に行く。したがって、板３ａとその上の電気化学セル２との間のＯ_２が充填されている領域２５が冷却液で汚染されることなく、開口８’に連結されているダクト２８を通って冷却液が誤りなくキャビティ１３に流れることが図６ｂによく見ることができる。

図６ｃは、再度開口４周囲の領域の詳細平面図を示す。すなわち、双極板３の上板３ａの対応する小形断面を示す。ビード配列７’はその側面７ａ’にはダクト２８が連結され、冷却液をキャビティ１３（キャビティは紙面内方にある）にガイドし、ビード配列が開口４の周囲に設けられていることを特に良好に見て取れる。

本発明のビード配列は、所要の強度を有する双極板を非常に高い品質基準で連続的に製造する場合にコスト効率よく製造が可能である時に対して特に提供され.るものである。したがって、一体的なビード配列を有する双極板構造を特に提供するものである。シート金属部品から、例えば、エンボス加工によって（例えば、同時にダクト構造をエンボス加工するために）一体的にビード配列を製造することが可能であるので、製造コストが非常に低くなる。特に、シールをするためにさらに新たな構成部品を適合させる必要はない。このような構成部品を配置することは高価となる可能性がある。

図７ａ〜図７ｃはビード配列の異なった実施態様を示す。これらすべてのビード配列は上述のビード配列に適用して電気化学的活性領域あるいは開口および孔部を画成することができる。より良好に概観をするため、これらのものは新しい参照番号３０〜３３によって表す。

図７ａは、まず例として３Ｄの位置でのビード配列の可能性のある異なった変形例を示す。これは、フルビードに対する特定のコースに関する（例えば、ビード配列７’の図２ｂあるいは図５ａ（ビード配列７）あるいは図６ａ（ビード配列７’）を参照）。また、対応コースもフルビードに適用可能である。さらに詳細な事項については、上記に留意。

したがって、ビード配列３３は材料の厚さが可変である。ビード配列の横断面をＡ−ＡあるいはＢ−Ｂで示す(図７ｃ参照)。ここに、Ａ−ＡはＭ２の材料厚さＭ２を示し、横断面Ｂ−Ｂでは、材料厚さはＭ１として示されている。図７ｂでは、ｆは繰り返し構造における２つの同一点の最短距離を示す領域を特徴づける。繰り返し構造内の領域は強固領域あるいは強固性の低い領域に関する可能性もあり、これらの長さ比は可変とすることができ、ここではより強固な領域を"１”によって示す（頻度の上記定義も構成３０〜３２に適用になる）。

ビード配列３２は、波形コース状のビード配列を示す。波形コースについては、振幅ＡＭＰおよび半径Ｒ同様、頻度ｆをここで選択することができ（図７ｂ参照）、この波形形状により双極板の圧力分布あるいは圧縮強度（stiffness）を選択することができる。

ビード配列３１は可変帯状幅を示し、同様にいずれの頻度ｆによって付与00できる。したがって、「帯状幅」は図７Ｃに定義する帯状幅”ｓｔｂ”に対応する上平坦部の外側幅を意味すると理解されたい。ビード配列３１としては、このものは値ｓｔｂ１とｓｔｂ２との間を変動する（ここに、ｓｔｂ１は０．１と５ｍｍとの間、ｓｔｂ２は０．２と１０ｍｍの間とすることができる）。

最後に、可変リム幅を有するビードを示すビード配列３０も見られる。したがって、例えばリム幅は所定の頻度ｆで変化する。リム幅を正確に定義するために、次に図７ｃを参照する。ここで、"ｓｃｂ”はリム幅の指標として定義してきた（双極板の外表面で測定）。ここに図示するビード配列３０については、この数値はｓｃｂ１とｓｃｂ２との間で変動する（ここに、ｓｃｂ１は０．３と５ｍｍとの間、ｓｃｂ２は０．２と３ｍｍの間とすることができる）。

電気化学セル積層体の構造のタイプを示す。 電気化学セル積層体の構造のタイプを示す。 電気化学セル積層体の構造のタイプを示す。 本発明のビード配列の実施態様を示す。 本発明のビード配列の実施態様を示す。 本発明のビード配列の実施態様を示す。 本発明の双極板を示す。 ストッパーを有するビード配列を示す。 ストッパーを有するビード配列を示す。 ストッパーを有するビード配列を示す。 ストッパーを有するビード配列を示す。 工業的に製造した双極板の断面を示す。 孔部を有するビード配列を図示する。 孔部を有するビード配列を図示する。 孔部と孔部に接続されたダクトを有するビード配列を示す。 孔部と孔部に接続されたダクトを有するビード配列を示す。 孔部と孔部に接続されたダクトを有するビード配列を示す。 本発明の異なったタイプのデザインのビード配列を示す。 本発明の異なったタイプのデザインのビード配列を示す。 本発明の異なったタイプのデザインのビード配列を示す。

Claims (42)

1. いくつかの電気化学セルの層を備えた電気化学コンプレッサー積層体（１）を有し、電気分解によってガスを圧縮し、かつ／あるいはガスを生成する電気化学コンプレッサーシステムであって、該いくつかの電気化学セルは各場合に互いに双極板(３,３’)によって離間され、該双極板は電気化学セルに対する媒体供給および媒体排出のための開口（５，５b）を有し、電気化学セル積層体は積層方向（６）に機械的圧縮ひずみを受けた状態で配置することができる電気化学コンプレッサーシステムにおいて、弾性を有するビード配列（７、7’）が開口（４，５ａ、５ｂ）および／または電気化学的セルの電気化学的活性領域（１０）をシールするために少なくともいくつかの領域に設けられていることを特徴とする、電気化学コンプレッサーシステム。
2. 電気化学セルが、双極板に面する側面に金属繊維等の伝導性構造からなるガス分散層（９）を有することを特徴とする、請求項１の電気化学コンプレッサーシステム。
3. ビード配列７，７’はミクロシール媒体で被覆されている、請求項１または２の電気化学コンプレッサーシステム。
4. 前記被覆はエラストマーを用いて行われていることを特徴とする、請求項３の電気化学コンプレッサーシステム。
5. 前記被覆はスクリーン印刷法、タンポン印刷法、スプレー法あるいはＣＩＰＧ法によって行われていることを特徴とする、請求項３または４のいずれかひとつの電気化学コンプレッサーシステム。
6. 前記ビード配列（７，７’）はフルビードあるいはハーフビードを含むことを特徴とする、請求項１乃至５のいずれかひとつの電気化学コンプレッサーシステム。
7. 前記ビード配列（７，７’）はスチール、ニッケル、チタニウム、アルミニウム、これらの金属を高割合で含む合金等の金属から形成されていることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれかひとつの電気化学コンプレッサーシステム。
8. 前記ビード配列はガス拡散層の圧縮を最小厚さに制限するストッパーを有することを特徴とする、請求項１乃至７のいずれかひとつの電気化学コンプレッサーシステム。
9. 前記ビード配列（７，７’）は双極板（３，３’）に連結されていることを特徴とする、請求項１乃至８のいずれかひとつの電気化学コンプレッサーシステム。
10. 前記双極板(３,３’)は全体として金属成形体として形成されていることを特徴とする、請求項８の電気化学コンプレッサーシステム。
11. 前記ビード配列は双極板から離間させた構成部品の上に配置され、該構成部品はグラファイト、プラスチック、金属等の上に置かれ、あるいは該構成部品は接着、打ち込み、溶接、半田ヅケ、成形等によって一体化されていることを特徴とする、請求項１乃至１０のいずれかひとつの電気化学コンプレッサーシステム。
12. 前記双極板（３，３’）が２枚の金属板とその間に配置したプラスチック板とからなる複合要素として形成されていることを特徴とする請求項８の電気化学コンプレッサーシステム。
13. 前記電気化学セルの電気化学的活性領域が実質的に閉止されたチェンバー（１０）の中に配置され、該閉止チェンバーはビード構成で実質的に環状かつ横方向に限定されていることを特徴とする、請求項１乃至１２のいずれかひとつの電気化学コンプレッサーシステム。
14. 前記双極板（３，３’）は少なくともいくつかの領域で電気化学的活性な領域／閉止したチェンバー（１０）に向かって開口しているハーフビードとして形成されていることを特徴とする、請求項１３の電気化学コンプレッサーシステム。
15. 前記ビード配列はスクリーンあるいはタンポン印刷法によって適用されるエラストマーロールとして形成され、あるいはロールとして成形されることを特徴とする、請求項１ないし１４のいずれかひとつの電気化学コンプレッサーシステム。
16. 電気化学コンプレッサーシステムが電気化学セルの一方の側に導入された水を電気化学的に分子状の水素と酸素に分解するエレクトロライザーであることを特徴とする、請求項１乃至１５のいずれかひとつの電気化学コンプレッサーシステム。
17. 電気化学コンプレッサーシステムは、プロトン伝導性電気化学セルの第１の側に導入された分子状水素を酸化してＨ^＋とし、第２の側でＨ^＋を分子状水素に再度戻す水素コンプレッサーであり、分子状水素はコンプレッサーにおいてシールおよび空間配置により第１の側より第２の側においてより高い圧力に曝されることを特徴とする、請求項１乃至１６のいずれかひとつの電気化学コンプレッサーシステム。
18. 電気化学活性領域におけるガス圧はシールされていて、閉止チェンバー（１０）内での該領域で支配的なガス圧は漏れにより損失することなく、１００バールより高く、好ましくは２００バールより高く、特に好ましくは５００バールより高いことを特徴とする、請求項１乃至１７のいずれかの電気化学コンプレッサーシステム。
19. 弾性ビード配列（７，７’）が双極板の開口（４，５）および／または電気化学的活性領域の周囲に設けられ、液体あるいはガス媒体を伝導するための孔部（８，８’）がビード配列の少なくとも一つの側面（７ａ，７ａ’）に配置されていることを特徴とする、請求項１乃至１８のいずれかひとつの電気化学コンプレッサーシステム。
20. 前記孔部（８，８’）は円形、楕円形あるいは角ばった形状であることを特徴とする、請求項１９の電気化学コンプレッサーシステム。
21. ダクト（２８）が開口（８’）に連結され、該ダクトはビード内部（１０’）に連結され、かつ少なくともビードの外表面に対して閉止されていることを特徴とする、請求項１９または２０の電気化学コンプレッサーシステム。
22. 孔部（８）は前記セルの電気化学的活性領域に対して開口していることを特徴とする、請求項１９または２０の電気化学コンプレッサーシステム。
23. 双極板（３）は２枚の板（３ａ，３ｂ）から形成され、該板（３ａ，３ｂ）はその間にあって冷却材およびあるいは導電性媒体流体のためのキャビティ（１３，１４）を有することを特徴とする、請求項１９の電気化学コンプレッサーシステム。
24. 前記フルビードは一つの側面（７ａ）あるいは両側面（７ａ，７ｂ）に孔部（８，８’）を有することを特徴とする、請求項６の電気化学コンプレッサーシステム。
25. 前記ビード配列（７，７’）は双極板に属する板（２３ａ，３ｂ）の一部であることを特徴とする、請求項１乃至２４のいずれかひとつの電気化学コンプレッサーシステム。
26. 前記ビード配列（７，７’）は孔部を設けた領域および孔部を設けない領域の積層方向（６）について応力に対して実質的に同一の剛性を有することを特徴とする、請求項１乃至２５のいずれかひとつの電気化学コンプレッサーシステム。
27. 請求項１乃至２６のいずれかひとつの電気化学コンプレッサーシステム用の双極板。
28. いくつかの燃料電池（２）の層を備えた燃料電池システムであって、該いくつかの燃料電池は各場合に互いに双極板(３)によって離間され、該双極板は燃料電池に対する冷却用開口（４）、媒体供給および媒体排出のための開口（５，５b）を有し、燃料電池積層体は積層方向（６）に機械的圧縮ひずみを受けた状態で配置することが可能となっている燃料電池システムにおいて、弾性を有するビード配列（７、7’）が双極板（８，８’）の開口（４，５ａ、５ｂ）の周りに設けられ、液状あるいはガス状媒体を伝導するための孔部（８，８’）がビード配列の少なくとも一つの側面（７，７’）に設けられていることを特徴とする、燃料電池システム。
29. 前記孔部（８，８’）が円形、楕円形あるいは角ばった形状であることを特徴とする、請求項２８の燃料電池システム。
30. ダクト（２８）が開口（８’）に連結され、該ダクトは孔部に連結され、かつ少なくともビード内部（１０’）に連結され、該ダクトは少なくともビード外表面に対して閉止されていることを特徴とする、請求項１８または１９の燃料電池システム。
31. 孔部（８）は前記燃料電池の電気化学的活性領域に対して開口していることを特徴とする、請求項２８または２９の燃料電池システム。
32. 双極板（３）は２枚の板（３ａ，３ｂ）から形成され、該板（３ａ，３ｂ）はその間に冷却材および／あるいは伝導媒体ガスのためのキャビティ（１３，１４）を有することを特徴とする、請求項２８乃至３１のいずれかひとつの燃料電池システム。
33. 前記ビード配列（７，７’）はフルビードあるいはハーフビードを含むことを特徴とする、請求項２８乃至３２のいずれかひとつの燃料電池システム。
34. 前記フルビードは一つの側面（７ａ）あるいは両側面（７ａ，７ｂ）に孔部を有することを特徴とする、請求項３３の燃料電池システム。
35. 前記ビード配列（７，７’）はスチール、ニッケル、チタニウムあるいはアルミニウム等の金属からなることを特徴とする、請求項２８乃至３４のいずれかひとつの燃料電池システム。
36. 前記ビード配列（７，７’）は双極板に属する板（２３ａ）の一部であることを特徴とする、請求項２８乃至３５のいずれかの燃料電池システム。
37. 前記ビード配列は、双極板から離間した構成部品の上に配置され、該構成部品はグラファイト、プラスチック、金属等の上に置かれ、あるいは該構成部品は接着、打ち込み、溶接、半田ヅケ、成形等によって一体化されていることを特徴とする、請求項２８乃至３７のいずれかひとつの燃料電池システム。
38. ビード配列７，７’はミクロシール媒体で被覆されている、請求項２８または３７のいずれかひとつの燃料電池システム。
39. 前記燃料電池セルの電気化学的活性領域が実質的に閉止したチェンバー（１０）の中に配置され、該閉止チェンバーはビード配列で実質的に環状にかつ横方向に制限されていることを特徴とする、請求項２８乃至３８のいずれかひとつの燃料電池システム。
40. 前記ビード配列（７，７’）は孔部を設けた領域および孔部を設けない領域の積層方向（６）について応力に対して実質的に同一の剛性を有することを特徴とする、請求項２８乃至３９のいずれかひとつの燃料電池システム。
41. 請求項２８乃至４０のいずれかひとつの燃料電池システム用の双極板。
42. まず金属板に孔部を形成し、次に孔部を開けた金属板を機械的に成形してビード配列を作成して、該孔部をビード配列の少なくとも一側面の孔部としたことを特徴とした、請求項２７あるいは４１の双極板の製造方法。

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