JP2017199655A - 電気化学セルの、薄いバイポーラプレート - Google Patents

Abstract

【課題】より薄く、また、分配流体及び冷却流体が各チャネルを介して適切に流れることを可能にする伝導シートを有するバイポーラプレートの提供。
【解決手段】分配チャネルのそれぞれが反対側の伝導シートの分割リブに面して位置し、分配チャネルが高分配値の結合断面を有して冷却チャネル（Ｃｒ）が低冷却値の結合断面を有する増強分配領域と、分配チャネル（Ｃａ、Ｃｃ)が高分配値よりも小さな値の結合断面を有して冷却チャネルが低冷却値よりも大きな値の結合断面を有する増強冷却領域との長手方向の交替を形成するために、いろいろな深度の部分を含む当該分配チャネルが配置される、バイポーラプレート。
【選択図】図２

Description

本発明の分野は、電気化学セルのスタックを含む、燃料電池及び電解槽のような電気化学反応器の分野であり、特に、隣接する電気化学セルの電極の間に位置する、伝導シート（conductive sheet）タイプのバイポーラプレートに関する。

燃料電池又は電解槽のような電気化学反応器は、従来、電気化学セルのスタックを含み、電気化学セルのそれぞれは、電解質により互いから電気的に分離される、アノード及びカソードを含み、セルに連続的に供給される２つの反応物質の間での電気化学反応がセル内で起こる。

燃料電池の場合には、一般的な方法では、燃料（例えば、水素）はアノードと接触するように、酸化剤（例えば、酸素）はカソードと接触するようにされる。電気化学反応は、２つの半反応、酸化反応及び還元反応に細分され、それらはそれぞれアノード／電解質界面及びカソード／電解質界面で起こる。電気化学反応が起こるためには、２つの電極の間にイオン伝導体、すなわち、例えば高分子膜に含まれる電解質と、外部電気回路により形成される電子伝導体との存在が必要である。このように、セルのスタックは、電気化学反応の場所であって、反応物質がそこへ供給されなければならず、反応中に生成された熱がそこから除去されなければならないのと同様に、生成物質及びどのような非反応種もそこから除去されなければならない。

電気化学セルは、従来、セルの電気的相互接続を確保するバイポーラプレートにより、互いから分離される。バイポーラプレートは、普通、燃料を分配するための回路が上に形成されたアノード面と、アノード面の反対側の、酸化剤を分配するための回路が上に形成されたカソード面とを含む。各分配回路は、チャネルのネットワークの形状をとり、チャネルは、対応する電極に反応種を均一にもたらすために、バイポーラプレートのＸＹ平面において、例えば、平行に配置されるか、うねり（undulation）を有するか、横方向にずらされる。バイポーラプレートは、更に、熱移送流体が流れて、反応中にセル中で局所的に生成された熱が除去されることを可能にする、内部ダクトのネットワークから形成された冷却回路を含んでも良い。

図１は、隣接する膜電極接合体２がバイポーラプレート１により互いから分離される、隣接する電気化学セルの断面の部分概略図である。バイポーラプレート１は、ここでは、電気化学セルの積層の方向に互いに接合される、２枚の電気伝導シート１０、２０から形成される。それらは、シートの外面１１、２１上の分配回路のチャネルＣａ、Ｃｃと、シートの内面１２、２２の間の冷却回路のチャネルＣｒとを共に形成する、レリーフ（relief）又はエンボス（embossment）を特徴とする。伝導シート１０、２０は金属でできていても良く、レリーフはプレス加工（stamping）により形成されても良い。

１つの伝導シートの各分配チャネルＣａ１、Ｃａ２が、反対側の伝導シートの分配チャネルＣｃ１、Ｃｃ２と、それらの各チャネルの背壁（back wall）１４−１、１４−２、２４−１、２４−２において接触するように、第１伝導シート１０の分配チャネルＣａ１、Ｃａ２は、反対側の第２伝導シート２０の分配チャネルＣｃ１、Ｃｃ２上に重ね合わされる。その上、冷却チャネルＣｒは、バイポーラプレート１のＸＹ平面に平行な平面において、分配チャネルＣａ、Ｃｃに隣接する。特に、分配チャネルＣａ１、Ｃｃ１、Ｃａ２、Ｃｃ２の側壁１３‐１、２３‐１、１３‐２、２３‐２により、及び、まったく同一の伝導シートの分配チャネルを互いから分離するリブ（rib）Ｎａ２、Ｎｃ２により、冷却チャネルＣｒ２は、横方向に画定される。

それにもかかわらず、より薄く、また、分配流体及び冷却流体が各チャネルを介して適切に流れることを可能にする伝導シートを有するバイポーラプレートへの要求がある。

本発明の１つの目的は、薄く、分配流体及び冷却流体が適切に流れることを可能にする伝導シートを有する、電気化学セルのバイポーラプレートを提供することにある。この目的のために、本発明の主題は、隣接する電気化学セルの２つの電極の間に位置することが予定され、それぞれ内面及び外面を有して内面により互いに接合される第１伝導シート及び第２伝導シートを含むバイポーラプレートであって、各伝導シートは、外面上に、反応性ガスを分配することが予定される分配チャネルを少なくとも部分的に画定するレリーフを含み、まったく同一の伝導シートの分配チャネルは、当該電極の１つと接触することが予定される分割リブにより対で分離され、また、各伝導シートは、内面上に、熱移送流体の流れを可能にすることが予定される冷却チャネルを少なくとも部分的に画定するレリーフを含む。
本発明によれば、当該分配チャネルのそれぞれは、反対側の伝導シートの分割リブに面して位置し、当該分配チャネルは、いろいろな深度の部分を含み、いろいろな深度の部分は、増強分配領域と呼ばれる第１領域と、増強冷却領域と呼ばれる第２領域との長手方向の交替を形成するために配置され、第１領域では、分配チャネルが高分配値と呼ばれる第１値の結合断面を有し、冷却チャネルが低冷却値と呼ばれる第１値の結合断面を有し、第２領域では、分配チャネルが高分配値よりも小さい値の結合断面を有し、冷却チャネルが低冷却値よりも大きい値の結合断面を有する。

このバイポーラプレートのある好ましい、しかし、何も限定しない側面は、次の通りである。

いくつかの分配チャネルは、増強分配領域において、名目深度（nominal depth）と呼ばれる深度の部分を有し、増強冷却領域において、削減深度（decreased depth）と呼ばる、名目深度よりも小さな深度の部分を有しても良い。

各分配チャネルは、隣接する分割リブに接続された背壁を含んでも良く、名目深度の部分は、それらの背壁を介して反対側の分割リブと機械的に接触する。

増強分配領域において、いくつかの分配チャネルは、名目深度と呼ばれる深度の部分を有しても良く、他の分配チャネルは、名目深度よりも小さい、削減深度と呼ばれる深度の部分を有しても良い。

増強分配領域において、少なくとも１つの冷却チャネルは、分配チャネルの削減深度の部分の背壁と、反対側の分割リブとの間に延在しても良い。

増強分配領域において、当該冷却チャネルは、同一の伝導シートの分配チャネルの名目深度の２つの部分により横方向に画定されても良い。

分配チャネルは、第１増強分配領域において削減深度の部分を有し、第１領域に続く第２増強分配領域において名目深度の部分を有しても良い。

冷却チャネルは、増強分配領域において、バイポーラプレートの平面で、第１値の横方向の大きさを有し、増強冷却領域において、当該第１値よりも大きな値の横方向の大きさを有しても良い。

少なくとも１つの増強冷却領域において、全ての冷却チャネルの間に流体の連絡があっても良い。

電気化学セルのカソードと接触することが予定される、伝導シートの分配チャネルは、増強分配領域の名目深度の部分を有しても良い。

本発明は、更に、前述の特徴のいずれか１つに従うバイポーラプレートと、膜電極接合体とを含む電気化学セルに関し、膜電極接合体の当該電極の１つは、バイポーラプレートの第１伝導シート又は第２伝導シートと接触する。

本発明の他の側面、目的、利点、特徴は、添付された図面を参照して、何も限定しない例として記載が提供された好ましい実施の形態の以下の詳細な記載を読むことにより、よりはっきりと明らかになるであろう。

隣接する膜電極接合体２がバイポーラプレート１により互いから分離される、隣接する電気化学セルの断面の部分概略図である。 一実施の形態に係る、隣接する２つの膜電極接合体の間に位置するバイポーラプレートを概略的に示す断面図であり、図２（ａ）、（ｃ）は互いに異なる、連続する２つの増強分配領域を示し、図２（ｂ）は増強冷却領域を示す。 図２（ａ）〜（ｃ）に示されたバイポーラプレートの一部分の分解斜視図である。 図３に示されたバイポーラプレート部分の断面図であって、増強分配領域と増強冷却領域との長手方向の交替を示す。 他の実施の形態に係る、隣接する２つの膜電極接合体の間に位置するバイポーラプレートを概略的に示す断面図である。

図面及び以下の記載において、同じ参照番号は、同一又は同様の要素を示す。その上、図面の明瞭性を増強するために、いろいろな要素は縮尺通りに示されない。その上、いろいろな実施の形態及び変形例は、相互に排他的ではなく、互いに結合されることができる。

カソードに酸素が供給され、アノードに水素が供給される燃料電池、特に、プロトン交換膜（ＰＥＭ：proton exchange membrane）燃料電池を参照して、いろいろな実施の形態及び変形例が記載される。しかしながら、本発明は、どのようなタイプの燃料電池、特に低温、すなわち、２００℃未満の温度で動作する燃料電池にも、電気化学電解槽にも適用できる。

図２（ａ）〜（ｃ）は、一実施の形態に係る電気化学セルの例示的なバイポーラプレート１の断面における部分概略図である。ここでは、電気化学セルは燃料電池のセルのスタックに属する。各電気化学セルは、ここでは、高分子膜を有する電解質５により互いから分離されたアノード３及びカソード４から形成される膜電極接合体２を含む。電気化学セルの膜電極接合体２は、電極に反応種をもたらし、電気化学反応中に生成された熱を除去することができるバイポーラプレート１の間に配置される。

ＸＹＺ直接直交座標系がここでは定義され、明細書の残りの部分で参照され、そこでは、Ｚ軸は電気化学セルの積層の軸に沿って、そして、バイポーラプレートの厚さに沿って向き、Ｘ軸及びＹ軸は、バイポーラプレートの平面に平行な平面を定義する。

それ自体は知られた方法で、各電極３、４は、バイポーラプレート１と接触して配置されるガス拡散層（ＧＤＬ）と、膜５と当該拡散層との間に位置する活性層とを含む。活性層は電気化学反応の場所である。それらは、アノード及びカソードと当該膜との各界面で酸化及び還元反応が起こることを可能にする材料を含む。拡散層は、バイポーラプレート１の分配回路から活性層までの反応種の拡散と、電気化学反応により生成された生成物質の同じ分配回路までの拡散とを可能にする多孔性材料からできている。

各バイポーラプレート１は、互いに結合され、接合された２つの伝導シート１０、２０からできており、これらの伝導プレートは、各電気化学セルの電極３、４上に反応性ガスを分配するための回路と、伝導シート１０、２０の間に位置する冷却回路とを形成するために、プレス加工される。このように、アノード伝導シートと呼ばれる第１伝導シート１０は、電気化学セルの膜電極接合体２のアノード３と接触することが予定され、カソード伝導シートと呼ばれる第２伝導シート２０は、隣接する電気化学セルの膜電極接合体２のカソード４と接触することが予定される。

更に、図１に示されるように、各伝導シート１０、２０は、外面１１、２１と、反対側の内面１２、２２とを含み、伝導シート１０、２０は、内面１２、２２により互いに接合される。外面１１、２１は、電気化学セルのアノード３と接触することが予定されるときにはアノード外面と呼ばれ、隣接する電気化学セルのカソード４と接触することが予定されるときにはカソード外面と呼ばれる。伝導シート１０、２０のアノード面は、反応性ガス、例えば、水素を分配するための回路を含み、他の伝導シートのカソード面は、反応性ガス、例えば、空気又は酸素を分配するための回路を含む。

伝導シート１０、２０は、電気伝導材料、例えば、金属又は混合物、例えば、黒鉛充填混合物でできた、薄膜又は薄い素板（elementary plate）の形状をとる。厚さは、金属シートの場合で、約数十ミクロンから約数百ミクロンで、例えば、約５０〜約２００μｍである。

各伝導シートは、例えばプレス加工又は圧力下での形成（forming in a press）により得られたレリーフ又はエンボスを含み、１つの面上のその形状は、反対側の面上の形状と相補的である。これらのレリーフは、外面１１、２１上に、反応性ガスを分配するための回路を形成し、内面１２、２２上に、熱移送流体が流れることが予定されるチャネルを含む冷却回路を形成する。

更に、図１に示されるように、各分配チャネルＣａ１、Ｃｃ１は、バイポーラプレート１の厚さのＺ軸に実質的に沿って延在する側壁１３‐１、２３‐１により画定され、各チャネルの側壁１３‐１、２３‐１は背壁１４‐１、２４‐１により互いに接続される。各分配チャネル、例えば、チャネルＣａ２は、分割リブＮａ２、Ｎａ３と呼ばれる壁により、同じ分配回路の隣接するチャネルＣａ１、Ｃａ３から分離される。分割リブＮａ２、Ｎａ３は、隣接する２つの分配チャネルの隣接する側壁を接続し、対応する電極３と接触することが予定される。このように、アノード分配チャネル及びカソード分配チャネルは、それぞれのアノード分割リブ及びカソード分割リブにより対で分離される。分割リブは壁であって、その表面は好ましくは実質的に平坦であって良い。

分配チャネルの局所深度を、チャネルの背壁と、隣接する分割リブを通る平面との間のＺ軸に沿った大きさとして定義することが可能である。分割リブの局所幅を、断面での当該リブの大きさとして定義することも可能である。その上、用語「隣接する」又は「横方向に隣接する」は、所定のチャネルの長手方向軸に対して横方向の軸に沿って並べられることを意味すると理解される。

本発明によれば、各分配チャネルは反対側の伝導シートの分割リブに面して位置する。用語「面して位置する（located facing）」は、当該チャネルがバイポーラプレートの厚さに対応するＺ軸に沿った分割リブに一致する、すなわち、垂直に位置することを意味すると理解される。特に、伝導シートの分配チャネルの背壁は、Ｚ軸に沿った反対側の分割リブと一致し、反対側の伝導シートの分配チャネルの背壁と一致しないで位置する。その上、用語「分配チャネル」は、まったく同一の分配ネットワークの分配チャネルのいくつか又は全てを意味すると理解される。最後に、各分配チャネルは、その長さのいくつか又は全てにわたって、分割リブに面して位置する。

このように、２つの伝導シートの分配チャネルのこの配置のおかげで、上述した先行技術の例とは違って、１つの分配チャネルの深度は、反対側の伝導シートの分配チャネルの深度に限定されない。それゆえ、分配チャネルの深度は、背壁が有利には反対側の分割リブと接触する場合の名目値と、名目値よりも小さく、削減値と呼ばれる値との間で、長手方向軸に沿って変化しても良い。他で記載されたように、各分配チャネルは、名目深度の部分と、削減深度の部分とを含んでも良い。用語「名目深度」は、流体の最適な流れを可能にする流れ断面を確保する深度を意味すると理解される。

この配置では、バイポーラプレートの厚さは、上述された先行技術の例に係るバイポーラプレートの厚さに対して実質的に削減される。特に、バイポーラプレートの厚さは、ここでは、伝導シートの厚さのおかげで、分配チェネルの名目深度に実質的に対応し、図１の例でのバイポーラプレートの厚さは、互いの上に重ね合わされたアノードチャネル及びカソードチャネルの名目深度の合計に対応する。

その上、加えて、反応性ガス及び熱移送流体が適切に流れることを確保するために、分配チャネルはいろいろな深度の部分を含み、これらの部分は、増強分配領域と呼ばれる第１領域と、増強冷却領域と呼ばれる第２領域との長手方向の交替を形成するために配置され、第１領域では、分配チャネルＣａ、Ｃｃは、高分配値と呼ばれる第１値の結合断面を有し、冷却チャネルＣｒは、低冷却値と呼ばれる第１値の結合断面を有し、第２領域では、分配チャネルは、高分配値よりも小さな、低分配値と呼ばれる値の結合断面を有し、冷却チャネルは、低冷却値よりも大きな高冷却値と呼ばれる値の結合断面を有する。

用語「結合断面」又は「結合流れ断面（combined flow cross section）」は、チャネルの長手方向軸に対して横方向の平面での、問題のチャネルを介した流体の通過の断面の合計を意味すると理解される。これは、反応性ガス又は熱移送流体に関連する結合流れ断面であっても良い。高分配値は好ましくは低冷却値よりも大きく、低分配値は好ましくは高冷却値よりも小さい。

その上、用語「交替する」は、いろいろな領域が、チャネルの長手方向軸に沿って、周期的に又は非周期的に、交互に順番に繰り返して来ることを意味すると理解される。

このように、反応性ガスの分配が増強される領域と、熱移送流体の流れによる冷却が増強される領域とは、チャネルの長手方向軸に沿って交替する。特に、増強分配領域での分配チャネルの結合流れ断面の値は、増強冷却領域での値よりも大きく、それは、増強分配領域での分配チャネルの局所的圧力損失（local head loss）の減少という結果になって、反応性ガスの局所的な流れを改善する。その上、増強冷却領域での冷却チャネルの流れ断面の値は、増強分配領域での値よりも大きく、それは、増強冷却領域での冷却チャネルの局所的圧力損失の減少という結果になって、熱移送流体の局所的な流れを改善する。

図２（ａ）は、増強分配領域と呼ばれる第１領域でのバイポーラプレート１の断面を示す。この例では、カソード分配チャネルＣｃ１、Ｃｃ２、Ｃｃ３は名目深度と呼ばれる深度の部分Ｄｃ１、Ｄｃ２、ＤＣ３を有する。カソードチャネルの名目深度では、カソードチャネルＣｃ１、Ｃｃ２、Ｃｃ３の背壁が、対応するアノードリブＮａ２、Ｎａ３、Ｎａ４と機械的に接触する。隣接する２つのカソードチャネル、すなわち、直接隣接し、分割リブにより分離されるチャネルの深度が名目であるように、ここでは、各カソードチャネルの深度は名目である。変形例として、カソードチャネルの深度は、全て同じ値である必要はない。

アノード分配チャネルのいくつか、ここでは、アノードチャネルＣａ１、Ｃａ３は名目深度の部分を有し、他のアノード分配チャネル、ここでは、チャネルＣａ２、Ｃａ４は名目深度よりも小さい、削減深度と呼ばれる深度の部分を有する。この例では、アノードチャネルの名目深度の部分Ｄａ１、Ｄａ３では、チャネルＣａ１、Ｃａ３の背壁が、対応するカソードリブＮｃ１、Ｎｃ３と機械的に接触する。チャネルＣａ２、Ｃａ４の削減深度の部分Ｓａ２、Ｓａ４では、対応する背壁は面するカソードリブＮｃ２、Ｎｃ４と接触せず、それにもかかわらず、反応性ガスが流れることを可能にする。

冷却チャネルは、まったく同一の伝導シートの２つの名目深度の分配チャネルの間に位置し、反対側の伝導シートの削減深度の分配チャネル上に重ね合わされる。このように、冷却チャネルＣｒ１は、アノードチャネルＣａ２の部分Ｓａ２上に重ね合わされ、カソードチャネルＣｃ１、Ｃｃ２の部分Ｄｃ１、Ｄｃ２により横方向に画定される。それゆえ、それは、アノードチャネルＣａ２の背壁及び反対側のカソードリブＮｃ２によりＺ軸に沿って画定され、カソードチャネルＣｃ１、Ｃｃ２の側壁によりＹ軸に沿って画定される。

この配置は、カソード及びアノード分配チャネルの結合流れ断面の値が第１高分配値である範囲において、増強分配配置と呼ばれる。特に、多数の分配チャネル、ここではすなわち、カソードチャネルＣｃ１、Ｃｃ２、Ｃｃ３及びアノードチャネルＣａ１、Ｃａ３は、名目深度である。このように、名目深度の分配チャネルは、低い局所的圧力損失を示し、反応性ガスが適切に流れることを確保するのを助ける。

この配置は、更に、名目深度のチャネルの側壁が反対側のリブと接触する範囲において、機械的締め付け力が隣接セルの膜電極接合体セルの膜電極接合体に直接伝達されることを可能にする、バイポーラプレートの局所的機械的補強という結果になる。一定の締め付け力を用いることで、このように、ＸＹ平面では、２つよりはむしろ４つの側壁が、締め付け力を局所的に伝達するので、図１の配置と比べて、伝導シートが被る機械的ストレスの減少がある。その上、機械的な力が伝導シートの背壁から反対側の伝導シートの分割リブにまで直接伝達される範囲において、機械的な力の伝達は改善される。そして、同等の機械的なストレスを維持したまま、伝導シートの厚さを例えば７５μｍから５０μｍにまで削減することが可能であり、バイポーラプレートの全体の厚さの削減、及び、電気化学セルのスタックのコンパクト性の増加という結果になる。

図２（ｂ）は、増強冷却領域と呼ばれる第２領域における、バイポーラプレート１の断面を示す。この第２領域は、分配及び冷却チャネルの長手方向軸に沿って、第１増強分配領域から、当該領域が長手方向に交代する範囲にまで続く。

ここでは、冷却チャネルの結合流れ断面の値は、図２（ａ）に示された増強分配領域での値よりも大きい。これを達成するために、各冷却チャネルを画定し、上流の増強分配領域において名目深度を有する分配チャネルは、ここでは、それらの背壁が反対側の分割リブともはや機械的に接触しないような、削減深度の部分を有する。これは、例えば、冷却チャネルＣｒ１に面し、部分Ｓｃ１、Ｓｃ２を有するカソードチャネルＣｃ１、Ｃｃ２に当てはまる。その上、図２（ａ）に示された上流の増強分配領域において、冷却チャネル上に重ね合わされ、深度が削減された分配チャネルは、ここでは、等しく削減された深度の部分を有する。これは、冷却チャネルＣｒ１に面するアノードチャネルＣａ２に当てはまる。このように、冷却チャネルＣｒ１の流れ断面の値は、図２（ａ）に示される上流の増強分配領域での値よりも大きい。このことは、このチャネルを通る熱移送流体の改善された流れという結果になり、動作中に電気化学セルにより生成される熱の除去を改善する。

この例では、分配チャネルが反対側の分割リブと局所的機械的な接触をしないように、そして、冷却チャネルＣｒ１、Ｃｒ２の間の流体の連絡が確保されるように、アノード及びカソード分配チャネルは全て削減深度の部分を有する。このことは、カソードチャネルＣｃ２、Ｃｃ３及びアノードチャネルＣａ３の深度がここでは削減されるという事実に基づく。このように、カソードチャネルの削減深度とアノードチャネルの削減深度との合計は、１つはアノードのリブを通り、もう１つはカソードのリブを通る２つの平行平面の間のＺ軸に沿った距離として定義されるバイポーラプレートの厚さよりも小さい。それゆえ、冷却チャネルＣｒ１、Ｃｒ２は互いに連絡して、熱移送流体の流れの横方向の混合を可能にし、生成された熱の除去の空間的な均一性を改善する。

分配及び冷却チャネルが、反応性ガスの流れと熱移送流体の流れとが順番に増強される連続領域を有するように、第１及び第２領域は長手方向に交替する。第１領域と第２領域との長手方向のこの交替は、バイポーラプレートの厚さが小さくても可能である。

図２（ｃ）は、図２（ｂ）に示された増強冷却領域の下流に位置する、増強分配領域と呼ばれる新しい領域におけるバイポーラプレート１の断面を示す。この断面は、図２（ａ）に示されるものと同様で、主に、冷却チャネル及びアノード分配チャネルにおいて区別される。

カソード分配チャネルＣｃ１、Ｃｃ２、Ｃｃ３は再び名目深度の部分Ｄｃ１、Ｄｃ２、ＤＣ３を有し、ここでは、それらの背壁において、反対側のアノード分割リブＮａ２、Ｎａ３、Ｎａ４と機械的に接触する。

いくつかのアノード分配チャネルは、名目深度の部分を有し、他のアノード分配チャネルは、名目深度よりも小さい削減深度の部分を有する。特に、前述の増強分配領域（図２（ａ））において、それぞれ、名目及び削減深度の部分を有したアノードチャネルは、ここでは、それぞれ、削減及び名目深度の部分を有する。このように、チャネルＣａ１、Ｃａ３はここでは削減深度の部分Ｓａ１、Ｓａ３を有し、チャネルＣａ２、Ｃａ４はここでは名目深度の部分Ｄａ２、Ｄａ４を有する。このように、各アノード分配チャネルＣａは、長手方向に、１つの増強分配領域から他の増強分配領域へと、名目深度の部分Ｄａと削減深度Ｓａの部分との交替をする。

冷却チャネルはいつも名目深度の２つのカソード部分の間に位置し、削減深度のアノード部分上に重ね合わされる。このように、冷却チャネルＣｒ２は、ここでは、アノードチャネルＣａ３の部分Ｓａ３上に重ね合わされ、カソードチャネルＣｃ２、Ｃｃ３の部分Ｄｃ２、Ｄｃ３により横方向に画定される。それゆえ、それは、アノードチャネルＣａ３の背壁及び反対側のカソードリブＮｃ３によりＺ軸に沿って画定され、カソードチャネルＣｃ２、Ｃｃ３の側壁によりＹ軸に沿って画定される。

この増強分配配置は、反応性ガスが適切に流れるのを確保することと、機械的補強を増加させることとを助ける。その上、冷却チャネルは、１つの増強分配領域から他の増強分配領域まで同じ分配チャネルに面しないという事実は、反応性ガスの分配の均一性と、動作中に電気化学セルにより生成される熱の除去とを改善することを可能にする。

一般に、各分配チャネルは、それがアノードシート上にあるか、カソードシート上にあるかにかかわらず、削減深度の他の部分の値と異なる又は同じ値であっても良い値の削減深度の部分を有しても良い。例として、削減深度のアノード部分の深度値は、削減深度のカソード部分の値よりも小さくても良い。

図３は、図２（ａ）〜（ｃ）に示される実施の形態に係るバイポーラプレート１の部分の分解斜視図である。カソードシート２０は、Ｚ軸に沿って、アノードシート１０上に位置する。その上、横平面Ａ１‐Ａ１、Ａ２‐Ａ２は図２（ａ）〜（ｃ）に示されるように増強分配領域に位置し、横平面Ｂ‐Ｂは図２（ｂ）に示されるように増強冷却領域に位置する。

カソード伝導シート２０は、互いに平行に、ここでは、実質的に直線的に延在する分配チャネルＣｃ１、Ｃｃ２、Ｃｃ３を含む。各カソードチャネル、例えば、チャネルＣｃ１は、長手方向に、名目深度の部分Ｄｃ１と削減深度の部分Ｓｃ１とを交替させる。いろいろなカソード分配チャネルＣｃの名目深度及び削減深度の部分はそれぞれ、ここでは、Ｙ軸に沿って互いに隣接して位置する。このように、平面Ａ１‐Ａ１、Ａ２‐Ａ２において、カソードチャネルＣｃは名目深度の部分Ｄｃを有し、平面Ｂ‐Ｂにおいて、カソードチャネルＣｃは削減深度の部分Ｓｃを有する。

アノード伝導シート１０は、互いに平行に、ここでは、実質的に直線的に延在する分配チャネルＣａ１、Ｃａ２、Ｃａ３を含む。各アノードチャネル、例えば、チャネルＣａ１は、長手方向に、名目深度の部分Ｄａ１と削減深度の部分Ｓａ１とを交替させる。カソードチャネルとは違って、アノードチャネルＣａ１の名目深度の少なくとも１つの部分Ｄａ１は、隣接するアノードチャネルＣａ２の削減深度の部分Ｓａ２に対して、Ｙ軸に沿って隣接して位置する。この例では、名目深度の各部分Ｄａは、削減深度の２つの部分Ｓａに対して、Ｙ軸に沿って隣接する。

アノードチャネルＣａに関する、名目深度の部分Ｄａと削減深度の部分Ｓａとの長手方向のこの交替は、冷却チャネルＣｒの横方向のうねり、すなわち、局所的な横方向のずれという結果になる。このように、冷却チャネルＣｒ１、Ｃｒ２はそれらの長手方向軸に沿って横方向にうねり、チャネルＣｒ１に関して、アノードチャネルＣａ１に、次に、アノードチャネルＣａ２に面し、また、チャネルＣｒ２に関して、アノードチャネルＣａ３に、次に、アノードチャネルＣａ４に面するように交替してなる。

その上、横平面Ｂ‐Ｂに位置し、図２に示されるような増強冷却領域において、冷却チャネルＣｒ１、Ｃｒ２は互いに連絡し、熱移送流体が混合することを可能にし、熱の除去の均一性を改善する。

伝導シートの各分配チャネルは反対側の伝導シートの分割リブに面し、バイポーラプレートの厚さが実質的に削減されることを可能にする。

この例では、名目深度の部分の背壁は反対側の分割リブと接触し、バイポーラプレートの機械的補強を確保する。

その上、増強分配領域と増強冷却領域との長手方向の交替は、反応性ガス及び熱移送流体の両方の良い流れを維持することを可能にする。

その上、各カソード分配チャネルは増強分配領域に名目深度の部分を有するという事実は、分配される反応性ガスが空気に含まれる酸素であるときに特に有利である。

図４（ａ）〜（ｉ）は、増強分配領域と増強冷却領域との長手方向の交替を示す、図３に示されるバイポーラプレートの複数の断面図である。

図４（ａ）は、図２（ａ）に概略的に示されたもの、及び、図３の断面Ａ１‐Ａ１のものと同じ第１増強分配領域を示す。カソードチャネルはここでは名目深度の部分Ｄｃを有し、アノードの分割リブＮａと機械的に接触する。冷却チャネルＣｒ１、Ｃｒ２がＺ軸に沿ってアノード部分Ｓａ２、Ｓａ４と重ね合わされ、アノード部分Ｓａ２、Ｓａ４と、反対側のカソードリブＮｃ２、Ｎｃ４との間に位置するように、アノードチャネルは、名目深度の、ここでは、反対側のカソードリブＮｃ１、Ｎｃ３と機械的に接触する部分Ｄａ１、Ｄａ３と、削減深度の部分Ｓａ２、Ｓａ４とを有する。

図４（ｂ）は、図４（ａ）の上流の増強分配領域と、図４（ｃ）の下流の増強冷却領域との間の中間領域を示す。冷却チャネルＣｒ１、Ｃｒ２を拡げ、伝導シートの間の機械的接触を確保するために、各冷却チャネルを画定するカソードチャネルは、ここでは、削減深度の部分を有し、もはや、反対側の分割リブとは機械的に接触しない。このように、チャネルＣｒ１を画定するカソード部分Ｓｃ１、Ｓｃ２の深度は削減される。伝導シートの間の機械的接触は、ここでは、名目深度のアノード部分Ｄａ１、Ｄａ３により確保される。

図４（ｃ）は、図２（ｂ）に概略的に示されたもの、及び、図３の断面Ｂ‐Ｂのものと同じ増強冷却領域を示す。冷却チャネルＣｒ１、Ｃｒ２の間に流体の相互連絡があるように、アノード及びカソードチャネルはすべて、削減深度の部分Ｓａ、Ｓｃを有する。そして、熱移送流体は混合することを可能とされ、冷却チャネルでの局所的圧力損失は、実質的に削減される。そして、熱移送流体の流れと、生成された熱の除去とが改善される。この例では、全ての冷却チャネルの間に流体の連絡があるように、２つの伝導シート１０、２０の間の機械的接触はもはや確保されない。

図４（ｄ）は、図４（ｃ）の上流の増強冷却領域と、図４（ｅ）の下流の増強分配領域との間の中間領域を示す。ここでは、伝導シートの間の機械的な接触が確保されるように、カソードチャネルは削減深度の部分Ｓｃを有し、上流の増強分配領域（図４（ａ））では削減深度の部分Ｓａを有していたアノードチャネルは、名目深度の部分Ｄａを有している。そして、冷却チャネルＣｒ１、Ｃｒ２は削減深度の部分Ｓａ１、Ｓａ３に面して位置する。

図４（ｅ）は、図２（ｃ）で概略的に示されたもの、及び、図３の断面Ａ２‐Ａ２のものと同じ、第２増強分配領域を示す。カソードチャネルは名目深度の部分Ｄｃを有し、ここでは、反対側のアノードリブＮａと接触する。アノード部分Ｄａ２、Ｄａ４の深度はここでは名目であり、それらは、反対側のカソードリブＮｃ２、Ｎｃ４と接触する。冷却チャネルＣｒ１、Ｃｒ２がアノード部分Ｓａ１、Ｓａ３の上に重ね合わされるように、アノード部分Ｓａ１、Ｓａ３の深度はここでは削減される。この配置は、反応性ガスの最適な分配を確保する。

図４（ｇ）、（ｉ）は、それぞれ、図４（ｃ）のものと同じ、下流の増強冷却領域、及び、図４（ａ）のものと同じ、下流の増強分配領域を示す。それらは、図４（ｂ）、（ｄ）を参照して説明されたものと同様の中間領域により分離される。これらのいろいろな領域は、詳細には再び説明されない。

上述した実施の形態のいろいろな変形及び修正は、当業者にとって明らかであろう。

このように、分配チャネルは、バイポーラプレートのＸＹ平面において、長手方向に直線的に延在し、又は、うねり又は横方向のずれを有しても良い。

その上、分配チャネルは、名目深度及び／又は削減深度が、特に、分配チャネルの入力部と出力部との間で相互に異なる、多数の領域を有しても良い。

その上、分配チャネルは、長手方向に延在しても良く、また、図１に示されるようにそれらが相互に配置される、すなわち、アノード分配チャネルがカソード分配チャネル上に重ね合わされる、少なくとも１つの領域を有していても良く、また、上述された本発明の実施の形態のいずれかに従って、それらが相互に配置される、すなわち、各分配チャネルが反対側の伝導シートの分割リブに面して位置し、長手方向の交替を形成するために、いろいろな深度の部分が配置される、少なくとも１つの領域を有していても良い。

名目深度の分配チャネル部分は、有利には、反対側の分割リブと機械的に接触する。代わりに、名目深度の値は、アノードチャネル又はカソードチャネルに関して機械的な接触が確保されないようであっても良い。そして、冷却チャネルは、名目深度のチャネルの背壁と、反対側の分割リブとの間に存在しても良い。

増強分配領域においてアノード分配チャネル上に重ね合わされる冷却チャネルが説明された。変形例として、それらはカソード分配チャネル上に重ね合わされても良い。

増強分配領域において同じ分配回路の分配チャネル上に重ね合わされる冷却チャネル、ここでは、すなわち、あるアノードチャネルが説明された。変形例として、１つ以上の冷却チャネルが、反対側の伝導シートの分配チャネル上に追加的に重ね合わされても良い。

したがって、例として、図５（ａ）〜（ｃ）は、互いに異なって、増強冷却領域（図５（ｂ））により互いから分離される、連続する２つの増強分配領域（図５（ａ）、（ｃ））の概略断面図である。図５（ａ）に示される増強分配領域は、図２（ａ）を参照して説明されたものと同じであって、再び詳細に説明されない。図５（ｃ）に示される増強分配領域は、図５（ａ）の領域の下流に位置し、前はアノードチャネルＣａ２上に重ね合わされてカソードチャネルＣｃ１、Ｃｃ２により画定されていた冷却チャネルＣｒ１が、ここでは、カソードチャネルＣｃ１上に重ね合わされ、アノードチャネルＣａ１、Ｃａ２により画定されている点で主に区別される。このように、チャネルＣａ１、Ｃａ３のような、あるアノードチャネルは、連続する２つの増強分配領域において、名目深度の部分Ｄａ１、Ｄａ３を有する。ここでは、アノードチャネルＣａ２、Ｃａ４だけが、名目深度の部分Ｄａ２、Ｄａ４と、削減深度の部分Ｓａ２、Ｓａ４との交替をする。

その上、図５（ｂ）に示されるように、増強冷却領域において、冷却チャネルＣｒ１、Ｃｒ２の間の流体の連絡がないことが可能である。この例では、名目深度の部分を有して反対側の分割リブと機械的に接触する、少なくとも１つの分配チャネル、ここでは、チャネルＣｃ２、Ｃａ３により、チャネルＣｒ１、Ｃｒ２は横方向に分離される。

いろいろな実施の形態及び変形例は、互いに全体的に又は部分的に結合されても良く、アノード分配回路及び／又はカソード分配回路に適用されても良い。

Claims (11)

1. 隣接する電気化学セルの２つの電極（３、４）の間に位置することが予定され、それぞれ内面（１２、２２）及び外面（１１、２１）を有する第１伝導シート及び第２伝導シート（１０、２０）を含み、伝導シート（１０、２０）は内面（１２、２２）により互いに接合され、伝導シート（１０、２０）はそれぞれ、外面（１１、２１）上で反応性ガスを分配することが予定される分配チャネル（Ｃａ、Ｃｃ）を少なくとも部分的に画定し、内面（１２、２２）上で熱移送流体の流れを可能にすることが予定される冷却チャネル（Ｃｒ）を少なくとも部分的に画定するレリーフを含み、まったく同一の伝導シート（１０、２０）の分配チャネル（Ｃａ、Ｃｃ）は、前記電極（３、４）の１つと接触することが予定される分割リブ（Ｎａ、Ｎｃ）により対で分離される、バイポーラプレート（１）であって、
   前記分配チャネル（Ｃａ、Ｃｃ）のそれぞれは反対側の伝導シート（１０、２０）の分割リブ（Ｎａ、Ｎｃ）に面して位置することを特徴とし、
   増強分配領域と呼ばれ、分配チャネル（Ｃａ、Ｃｃ）が高分配値と呼ばれる第１値の結合断面を有し、冷却チャネル（Ｃｒ）が低冷却値と呼ばれる第１値の結合断面を有する第１領域と、
   増強冷却領域と呼ばれ、分配チャネルが高分配値よりも小さな値の結合断面を有し、冷却チャネル（Ｃｒ）が低冷却値よりも大きな値の結合断面を有する第２領域と
   の長手方向の交替を形成するために、いろいろな深度の部分（Ｓａ、Ｄａ、Ｓｃ、Ｄｃ）を含む前記分配チャネル（Ｃａ、Ｃｃ）が配置されることを特徴とする
   バイポーラプレート（１）。
2. 分配チャネル（Ｃａ、Ｃｃ）は、増強分配領域において、名目深度と呼ばれる深度の部分（Ｄａ、Ｄｃ）を有し、増強冷却領域において、名目深度よりも小さな、削減深度と呼ばれる深度の部分（Ｓａ、Ｓｃ）を有する
   請求項１記載のバイポーラプレート（１）。
3. 各分配チャネル（Ｃａ、Ｃｃ）は、隣接する分割リブ（Ｎａ、Ｎｃ）に接続される背壁（１４、２４）を含み、名目深度の部分（Ｄａ、Ｄｃ）はそれらの背壁（１４、２４）を介して反対側の分割リブ（Ｎａ、Ｎｃ）と機械的に接触する
   請求項２記載のバイポーラプレート（１）。
4. 増強分配領域において、いくつかの分配チャネル（Ｃａ１、Ｃａ３、Ｃｃ）は、名目深度と呼ばれる深度の部分（Ｄａ１、Ｄａ３、Ｄｃ）を有し、他の分配チャネル（Ｃａ２、Ｃａ４）は、名目深度よりも小さな、削減深度と呼ばれる深度の部分（Ｓａ２、Ｓａ４）を有する
   請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のバイポーラプレート（１）。
5. 増強分配領域において、少なくとも１つの冷却チャネル（Ｃｒ１、Ｃｒ２）は、分配チャネル（Ｃａ２、Ｃａ４）の削減深度の部分（Ｓａ２、Ｓａ４）の背壁（１４‐２、１４‐４）と、反対側の分割リブ（Ｎｃ２、Ｎｃ４）との間に、延在する
   請求項４記載のバイポーラプレート（１）。
6. 増強分配領域において、前記冷却チャネル（Ｃｒ１）は、同じ伝導シート（２０）の分配チャネル（Ｃｃ１、Ｃｃ２）の名目深度の２つの部分（Ｄｃ１、Ｄｃ２）により横方向に画定される
   請求項５記載のバイポーラプレート（１）。
7. 分配チャネル（Ｃａ２、Ｃａ４）は、第１増強分配領域において、削減深度の部分（Ｓａ２、Ｓａ４）を有し、第１領域に続く第２増強分配領域において、名目深度の部分（Ｄａ２、Ｄａ４）を有する
   請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載のバイポーラプレート（１）。
8. 冷却チャネル（Ｃｒ１、Ｃｒ２）は、増強分配領域において、バイポーラプレートの平面での第１値の横方向の大きさを有し、増強冷却領域において、前記第１値よりも大きな値の横方向の大きさを有する
   請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載のバイポーラプレート（１）。
9. 少なくとも１つの増強冷却領域において、全ての冷却チャネル（Ｃｒ１、Ｃｒ２）の間に流体の連絡がある
   請求項８記載のバイポーラプレート（１）。
10. 電気化学セルのカソード（４）と接触することが予定される、伝導シート（２０）の分配チャネル（Ｃｃ）は、増強分配領域において、名目深度の部分（Ｄｃ）を有する
    請求項１乃至請求項９のいずれか１項記載のバイポーラプレート（１）。
11. 請求項１乃至請求項１０のいずれか１項記載のバイポーラプレート（１）と、
    前記電極（３、４）の１つが、バイポーラプレート（１）の第１伝導シート（１０）又は第２伝導シート（２０）と接触する、膜電極接合体（２）と
    を含む電気化学セル。