JP2017201618A - 改善された機械的強度を有する、電気化学セルのバイポーラプレート - Google Patents

Abstract

【課題】電気化学セルのスタック内部で締め付け力の伝達を確保する範囲において、機械的な機能を有し、電極とバイポーラプレートとの間の電気的接触の品質を改善することのできる伝導シートを備えたバイポーラプレートを提供する。【解決手段】第１伝導シート（１０）の少なくとも１つの第１分配チャネル（Ｃａ１）、及び、第２伝導シート（２０）の少なくとも１つの第２分配チャネル（Ｃｃ１）は、それぞれ、それらが互いの上に重ね合わされ、それらの各背壁（１４‐１、２４‐１）を介して互いに接触する、重畳部分（Ｓａ１、Ｓｃ１）と呼ばれる、少なくとも１つの部分と、それらが、それらの各背壁（１４‐１、２４‐１）を介して、反対側の伝導シートの分割リブ（Ｎａ１、Ｎｃ２）と接触する、補強部分（Ｒａ１、Ｒｃ１）と呼ばれる、少なくとも１つの部分とを含む、電気化学セルのバイポーラプレート（１）に関する。【選択図】図１

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、反応中に生成される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る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る冷却回路を含んでも良い。

各バイポーラプレートは、電気化学セルの積層の方向に互いに結合される、２つの電気伝導シートから形成されても良い。それらは、当該シートの外面上の分配回路のチャネルと、当該シートの内面の間の冷却回路のチャネル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。

バイポーラプレートは、更に、それらが電気化学セルのスタック内部で締め付け力の伝達を確保する範囲において、機械的な機能を有し、この機械的な力は、電気化学セルの電極とバイポーラプレートとの間の電気的接触の品質を改善することを助ける。したがって、改善された機械的強度を有する伝導シートを備えたバイポーラプレートについての要望がある。

本発明の目的は、先行技術の問題点を少なくとも部分的に改善することであり、特に、改善された機械的強度を有する電気化学セルのバイポーラプレートを提案することである。これを達成するために、本発明の主題は、第１伝導シート及び第２伝導シートを含む電気化学セルのバイポーラプレートであって、各伝導シートは、内面により互いに結合される内面と反対側の外面とを含み、各伝導シートは、外面上に、反応性ガスを分配することを予定される分配チャネルを形成するレリーフを含む。

全く同一の伝導シートの複数の分配チャネルは、電気化学セルの電極と接触することが予定される分割リブ（dividing rib）により対で分離され、各分配チャネルは、隣接する分割リブと接続される背壁（back wall）を含む。

本発明によれば、第１伝導シートの少なくとも１つの第１分配チャネル、及び、第２伝導シートの少なくとも１つの第２分配チャネルは、それぞれ、それらが互いの上に重ね合わされ、それらの各背壁を介して相互に接触する、重畳部分（superposed portion）と呼ばれる少なくとも１つの部分と、それらがそれらの各背壁を介して、反対側の伝導シートの分割リブと接触する、補強部分と呼ばれる少なくとも１つの部分とを含む。

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。

第１分配チャネルの第１補強部分が第２分配チャネルの第２補強部分と横方向に並べられ、第１補強部分が第２分配チャネルを画定する分割リブと接触し、第２補強部分が第１分配チャネルを画定する分割リブと接触しても良い。

第１分配チャネル及び／又は第２分配チャネルは、それぞれ、重畳部分と補強部分との間に、反対側の伝導シートと接触しない領域を含んでも良く、これは、隣接する冷却チャネルの間の流体の局所的な連絡を可能にする。

当該分配チャネルのそれぞれは、長手方向に交互に配置された、複数の重畳部分と補強部分とを含んでも良い。

１つの分配チャネルの補強部分は、隣接する分配チャネルの補強部分に対して、長手方向にずれて配置されても良い。

伝導シートは、それぞれが重畳部分及び補強部分を含む分配チャネルを含んでも良く、当該分配チャネルは、実質的に直線の、又は、横方向のうねりを有する長手方向軸を有する。

反対側の伝導シートは、それぞれが重畳部分及び補強部分を含む分配チャネルを含んでも良く、それらのあるものは、実質的に直線の長手方向軸を有し、それらの他のものは、直線的な長手方向軸に対して横方向のうねりを有する長手方向軸を有する。

第１伝導シートの分配チャネルは、第１方向において、横方向のうねりを有する長手方向軸を有しても良く、第２伝導シートの分配チャネルは、第１方向とは反対の第２方向において、横方向のうねりを有する長手方向軸を有しても良い。

第１伝導シートは、第２伝導シートの分配チャネルの数よりも少ない、多数の分配チャネルを含んでも良く、第１伝導シートの少なくとも１つの分割リブは、長手方向に変化する横方向の大きさを有する。

第２伝導シートは、電気化学セルのカソードと接触することが予定されても良く、第１伝導シートは、隣接する電気化学セルのアノードと接触することが予定されても良い。

補強部分は、反対側の伝導シートの方向において、分配チャネルの突出（excrescence）の形状をとっても良く、当該分配チャネルは、重畳部分での局所深度（local depth）よりも深い局所深度を有する。

本発明は、更に、前述の特徴のいずれか１つに係るバイポーラプレートと、電極の１つがバイポーラプレートの第１又は第２伝導シートと接触する膜電極接合体とを含む、電気化学セルに関する。

本発明の他の側面、目的、利点、特徴は、添付される図面を参照して、何も限定しない例として記載が提供される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。

第１実施の形態に係る、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、そのアノード分配チャネル及びカソード分配チャネルは、重畳部分（図１（ａ））及び補強部分（図１（ｂ））を有する。 第１実施の形態に係る、バイポーラプレートの一部分の分解斜視図である。 アノード分配チャネル及びカソード分配チャネルの重畳部分と補強部分との交替を示す、図２に示されるバイポーラプレート部分の断面図である。 アノード分配チャネルのあるものは、直線的な長手方向軸に沿って延在し、アノード分配チャネルの他のものは、横方向のうねりを有する長手方向軸に沿って延在する、第２実施の形態に係るバイポーラプレートの一部分の分解斜視図である。 アノード分配チャネル及びカソード分配チャネルの重畳部分と補強部分との交替を示す、図４に示されるバイポーラプレート部分の断面図である。 アノード分配チャネルが横方向のうねりを有する長手方向軸に沿って延在し、カソード分配チャネルが直線的な長手方向軸に沿って延在する、第３実施の形態に係るバイポーラプレートの一部分の分解斜視図である。 アノード分配チャネル及びカソード分配チャネルの重畳部分と補強部分との交替を示す、図６に示されるバイポーラプレート部分の断面図である。 アノード分配チャネル及びカソード分配チャネルの重畳部分と補強部分との交替を示す、図６に示されるバイポーラプレート部分の断面図である。

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、互いに結合されても良い。

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説明される。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１（ａ）、（ｂ）は、第１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て電気化学反応中に生成される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軸はバイポーラプレートの厚さに沿って、そして、電気化学セルの積層の軸に沿って向き、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反応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る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、接合される２つの伝導シート１０、２０から形成され、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。

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により互いに結合される。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であっても良い。

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。

各分配チャネルＣａ１、Ｃｃ１などは、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などから形成され、これらの側壁１３‐１、２３‐１などは背壁１４‐１、２４‐１などにより互いに接続される。各分配チャネルＣａ１、Ｃｃ１などは、分割リブＮａ１、Ｎｃ１などと呼ばれる壁により、同じ分配回路の隣接するチャネルから分離される。分割リブＮａ１、Ｎｃ１などは、隣接する２つの分配チャネルの隣接する側壁を接続し、対応する電極と接触することが予定される。別に述べられるように、アノード分配チャネルＣａ１、Ｃａ２など及びカソード分配チャネルＣｃ１、Ｃｃ２などは、それぞれのアノード分割リブＮａ１、Ｎａ２など及びカソード分割リブＮｃ１、Ｎｃ２など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る。

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、分配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、第１伝導シートの少なくとも１つの第１分配チャネル、及び、第２伝導シートの少なくとも１つの第２分配チャネルは、それぞれ、それらが互いの上に重ね合わされ、それらの各背壁を介して相互に接触する、重畳部分と呼ばれる少なくとも１つの部分と、それらがそれらの各背壁を介して、反対側の伝導シートの分割リブと接触する、補強部分と呼ばれる少なくとも１つの部分とを含む。

バイポーラプレート１の第１断面を示す、図１（ａ）に示されるように、少なくとも１つのアノード分配チャネルＣａ１と、少なくとも１つのカソード分配チャネルＣｃ１とは互いの上に重ね合わされ、それらの各背壁１４‐１、２４‐１を介して相互に接触し、このことは、重畳部分Ｓａ１、Ｓｃ１と呼ばれるそれぞれの部分で起こる。用語「重畳部分」は、問題の分配チャネルが、バイポーラプレート１の厚さに対応するＺ軸に沿って、反対側の伝導シートの分配チャネルに面して、又は、一致して、すなわち、垂直に位置することを意味すると理解される。この配置では、各分配チャネルＣａ１、Ｃｃ１の深度は、その重畳部分Ｓａ１、Ｓｃ１において、名目深度（nominal depth）と呼ばれる深度にある。

この例では、全てのカソードチャネルがアノードチャネルと重ね合わされ、又は、接触しているわけではない。これは、ここでは、カソードチャネルＣｃ１、Ｃｃ３の間に位置し、アノードチャネルに重ね合わされない、カソードチャネルＣｃ２に該当する。あるカソードチャネルに面するアノードチャネルのこのような不在は、いろいろな幅のアノード分割リブの存在という結果になる。このように、アノードリブＮａ１、Ｎａ３は狭リブ（narrow rib）と呼ばれ、それらがそれぞれ、アノードチャネルの重畳部分が隣接するカソードチャネルと接触するアノードチャネルを分離する範囲において、第１幅を有する。しかしながら、アノードリブＮａ２は広アノードリブ（wide anodic rib）と呼ばれ、それが、隣接しない、すなわち、横方向に並べられていないカソードチャネルＣｃ１、Ｃｃ３と接触する重畳部分を有する２つのアノードチャネルＣａ１、Ｃａ２を分離する範囲において、第１幅よりも広い第２幅を有する。このように、広アノードリブＮａ２の幅は、カソードリブＮｃ２、Ｎｃ３の幅と、カソードチャネルＣｃ２の幅との合計に実質的に等しい。

この配置は、広アノードリブＮａ２により特に画定される冷却チャネルＣｒ２が、狭アノードリブＮａ１、Ｎａ３上に位置する冷却チャネルＣｒ１、Ｃｒ３の流れ断面よりも大きな、大流れ断面を有する範囲において、有利である。この配置は、この大流れ断面が冷却チャネルＣｒ２での局所的な圧力損失（head loss）の減少という結果になって、熱移送流体の流れと、それゆえに、動作中に電気化学セルにより生成される熱の除去とを局所的に改善することを助けるために、増強流れ配置（enhanced flow configuration）と呼ばれる。

バイポーラプレート１の第２段面を示す、図１Ｂに示されるように、アノード分配チャネルＣａ１及びカソード分配チャネルＣｃ１は、それらのそれぞれが、それらの各背壁１４‐１、２４‐１を介して、反対側の伝導シートの分割リブ、ここでは、リブＮａ１、Ｎｃ２と接触する、重畳部分Ｓａ１、Ｓｃ１とは異なる、補強部分Ｒａ１、Ｒｃ１を追加的に備える。

この例では、アノードチャネルＣａ１は、補強部分Ｒａ１の背壁１４‐１を介して、カソード分割リブ、ここでは、カソードチャネルＣｃ１、Ｃｃ２の間に位置するリブＮｃ２と接触する。このように、それは、カソードリブＮｃ２と面して、接触するために、カソードチャネルＣｃ１の長手方向軸に対して、横方向にずらされる。同様に、カソードチャネルＣｃ１は、補強部分Ｒｃ１の背壁２４‐１を介して、アノード分割リブ、ここでは、アノードチャネルＣａ０、Ｃａ１の間に位置するリブＮａ１と接触する。

補強部分Ｒａ１、Ｒｃ１は、分割リブと接触するために、反対側の伝導シートの方向へのチャネルの突出の形状をとる。分配チャネルは、ここで、最大局所深度を有する。

好ましくは、アノードチャネルＣａ１及びカソードチャネルＣｃ１の補強部分Ｒａ１、Ｒｃ１は、互いに隣接し、すなわち、直接隣接し、又は、横方向に互いに並べられる。この状況において、アノード補強部分Ｒａ１の側壁１３‐１は、カソード補強部分Ｒｃ１の側壁２３‐１に隣接し、もしかすると、機械的に接触して位置する。別に述べられるように、アノードチャネルＣａ１の補強部分Ｒａ１は、カソードチャネルＣｃ１の補強部分Ｒｃ１と隣接し、アノード補強部分Ｒａ１は、カソード分配チャネルＣｃ１を画定するカソード分割リブＮｃ２と接触し、カソード補強部分Ｒｃ１は、アノード分配チャネルＣａ１を画定する分割リブＮａ１と接触する。

この配置は、隣接するセルの膜電極接合体セルの膜電極接合体に機械的締め付け力が直接伝達されることを各補強部分の側壁がここでは可能にする範囲において、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。それゆえ、一定の締め付け力を用いることで、ＸＹ平面において、２つよりはむしろ４つの側壁が締め付け力を伝達するので、図１（ａ）の配置と比べて、伝導シートが受ける機械的ストレスの減少がある。その上、機械的な力が１つの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、機械的な力の伝達が改善される。そして、同等の機械的強度を維持したままで、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、それは、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。

分配回路の複数の分配チャネルにとって、チャネルの長手方向軸に沿って交互に配置された、重畳部分と補強部分とを含むことが好ましい。用語「交替する、交互の（alternate）」は、重畳部分と補強部分とが、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、繰り返して、順番に、交互に現れることを意味すると理解される。

このように、第１領域の相互に接触した重畳部分と、第２領域の補強部分とを含むアノード分配チャネル及びカソード分配チャネルのおかげで、増強された流れの領域を維持したままで、バイポーラプレートの機械的強度は改善される。その上、以下で説明されるように、分配チャネルの長手方向軸に沿った重畳部分と補強部分との交替は、隣接する冷却チャネルの間の流体の局所的な連絡という結果になっても良く、それは長手方向軸に沿った熱移送流体の流れの横方向の混合を可能にし、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。

図２は、図１（ａ）、（ｂ）に示される第１実施の形態に係るバイポーラプレート１の一部分の分解斜視図である。

アノード分配チャネルＣａ１は、それがカソード分配チャネルＣｃ１の重畳部分Ｓｃ１に重ね合わされて接触する重畳部分Ｓａ１と、それがカソード伝導シート２０の分割リブ、ここでは、カソードリブＮｃ２と接触する補強部分Ｒａ１とを長手方向に交替する。カソード分配チャネルＣｃ１は、アノードチャネルＣａ１の重畳部分Ｓａ１に重ね合わされて接触する重畳部分Ｓｃ１と、アノード伝導シート１０の分割リブ、ここでは、アノードリブＮａ１と接触する補強部分Ｒｃ１とを長手方向に交替する。

この例では、アノード補強部分Ｒａ１はカソードリブＮｃ２と接触するが、変形例として、それは他のカソードリブ、例えば、リブＮｃ３と接触することができる。同様に、カソード補強部分Ｒｃ１はアノードリブＮａ１と接触するが、変形例として、それは他のアノードリブと接触することができる。

重畳部分Ｓａ１と補強部分Ｒａ１との間の連絡は、重畳部分Ｓａ１を通る主軸に対する、アノードチャネルＣａ１の横方向のうねり、又は、横方向のずれを介して達成される。ここでは、この主軸は、重畳部分Ｓａ１が接触するカソード分配チャネルＣｃ１の直線的な長手方向軸に平行である。用語「横方向のうねり（transverse undulation）」は、分配チャネルが主軸に沿って延在する、その主軸に対するＸＹ平面での横方向のずれを、分配チャネルが局所的に特徴とすることを意味すると理解される。

代わりに、アノードチャネルＣａ１はうねりを含まなくても良く、補強部分Ｒｃ１がアノード分割リブと接触するように、カソードチャネルＣｃ１が横方向のうねりを含んでも良い。変形例として、各補強部分Ｒａ１、Ｒｃ１が反対側の分割リブと面して接触するように、アノードチャネルＣａ１及びカソードチャネルＣｃ１が横方向のうねりを含んでも良い。

その上、分配チャネルの重畳部分及び補強部分の長さは、一方では補強部分の空間的分布による、他方では重畳部分上に位置する増強流れ断面の空間的分布による、バイポーラプレートの機械的な補強の最適化に由来する。

図３（ａ）〜（ｇ）は、分配チャネルの重畳部分と補強部分との交替を示す、図２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３（ａ）は、それぞれの背壁を介して互いに接触する重畳部分Ｓａ１、Ｓｃ１において、互いの上に重ね合わされるアノードチャネルＣａ１及びカソードチャネルＣｃ１を示す。チャネルＣａ１、Ｃｃ１はそれらの名目深度にある。カソードチャネルＣｃ２に面するアノードチャネルがない範囲において、分割リブＮａ２の幅は、面する分割リブＮｃ２、Ｎｃ３の幅よりも広い。アノードリブＮａ２上に位置する冷却チャネルＣｒ２は、相当の流れ断面を有し、それは局所的な圧力損失の減少という結果になって、流れの品質と、熱の局所的な除去とを改善する。この配置は、増強流れ配置と呼ばれる。

図３（ｂ）、（ｃ）は、重畳部分Ｓａ１（図３（ａ））と補強部分Ｒａ１（図３（ｄ））との間の移行部分（transition）の役割を果たし、うねり又は横方向のずれの形状をとる中間部分におけるアノードチャネルＣａ１を示す。この中間部分では、カソード分割リブ、ここでは、リブＮｃ２に徐々に面するように、アノードチャネルＣａ１はカソードチャネルＣｃ１の長手方向軸に対して横方向にずらされる。この中間部分におけるその深度は、名目深度である。その上、中間部分は図３（ｃ）に示される領域を含み、そこでは、チャネルＣａ１、Ｃｃ１はもはや相互に接触せず、冷却チャネルＣｒ１、Ｃｒ２の間の流体の連絡という結果になる。流体のこの連絡は、局所的な圧力損失の相当の減少という結果になって、冷却チャネルの間の熱移送流体の流れの横方向の混合を可能にし、動作中に電気化学セルにより生成される熱の除去の均一性を改善する。

図３（ｄ）は、補強部分Ｒａ１、すなわち、背壁が反対側のカソードリブ、ここでは、リブＮｃ２と接触する部分におけるアノードチャネルＣａ１を示す。カソードチャネルＣｃ１は、更に、反対側のアノードリブＮａ１と直接接触する補強部分Ｒｃ１を有する。補強部分Ｒａ１、Ｒｃ１は反対側の伝導シートの方向への、最大深度は名目値よりも深い、チャネルの突出の形状をとる。積層方向Ｚにおいて、アノードチャネルＣａ１は、もはやカソードチャネルＣｃ１と重ね合わされない。このように、分配チャネルＣａ１、Ｃｃ１が反対側の分割リブにより直接支持されるおかげで、バイポーラプレートが受ける機械的なストレスは局所的に削減され、力の伝達は改善され、バイポーラプレートの機械的強度を改善することを助ける。

図３（ｅ）、（ｆ）は、補強部分Ｒａ１（図３（ｄ））と、下流の重畳部分Ｓａ１（図３（ｇ））との間の移行部分の役割を果たし、ここでは、うねり又は横方向のずれの形状をとる中間部分におけるアノードチャネルＣａ１を示す。このように、この部分は図３（ｂ）、（ｃ）に示されるものと同様である。カソードチャネル、ここでは、チャネルＣｃ１に徐々に面するように、アノードチャネルＣａ１はカソードチャネルＣｃ１の長手方向軸に対して横方向にずらされる。この中間部分では、その深度は、カソードチャネルＣｃ１と同じで、もう一度、名目深度である。ここでは、更に、中間部分は図３（ｅ）に示される領域を含み、そこでは、チャネルＣａ１、Ｃｃ１はもはや相互に接触せず、冷却チャネルＣｒ１、Ｃｒ２の間の流体の連絡という結果になり、これらの冷却チャネルの間の流れが混合することを可能にし、局所的な圧力損失の減少という結果になって、熱移送流体による熱除去の均一性を改善する。

図３（ｇ）は、アノードチャネルＣａ１が、その重畳部分Ｓｃ１のカソードチャネルＣｃ１と重ね合わされて接触する、新しい重畳部分Ｓａ１におけるアノードチャネルＣａ１を示す。この配置は、図３（ａ）に示されるものと同一である。

有利には、複数の分配チャネルは、重畳部分と補強部分とを長手方向に交替する。機械的ストレスの好ましい分布に応じて、及び、分配回路及び冷却回路の内部での低い局所的圧力損失を有する領域の分布に応じて、この交替は周期的であってもなくても良く、補強部分及び重畳部分の長さは同一であってもなくても良い。

図４は、第２実施の形態に係る、バイポーラプレート１の一部分の分解斜視図である。この実施の形態は、カソード分配チャネルが、横方向のうねりを有する長手方向軸に沿って延在する点と、あるアノードチャネルが直線的な長手方向軸に沿って延在し、他のアノードチャネルが横方向のうねりを有する長手方向軸に沿って延在する点とで、第１実施の形態から主に区別される。

アノードチャネルＣａ２は、ここでは、実質的に直線の軸に沿った、重畳部分Ｓａ２と補強部分Ｒａ２との長手方向の交替を含む。重畳部分Ｓａ２は、重畳部分Ｓｃ３において、反対側のカソードチャネルＣｃ３と重ね合わされて接触し、補強部分Ｒａ２はカソード分割リブ、ここでは、Ｎｃ４と接触する。

その上、チャネルＣａ２に隣接するアノードチャネルＣａ１、Ｃａ３は、連続する２つの補強部分の間で、横方向のうねり、すなわち、ここでは−Ｙ方向での横方向のずれを含む。このように、うねるチャネルと直線的なチャネルとの間に位置する分割リブ、例えば、アノードリブＮａ２、Ｎａ３の幅は、最小値と最大値との間を長手方向に変化する。

カソードチャネルＣｃ３は、更に、チャネルＣａ２の直線的な長手方向軸に対してうねる長手方向軸に沿った、重畳部分Ｓｃ３と補強部分Ｒｃ３との交替を含む。重畳部分Ｓａ３は、反対側のアノードチャネルＣａ２の背壁を介してアノードチャネルＣａ２と接触し、補強部分Ｒｃ３はアノードリブ、ここでは、リブＮａ２と接触する。

その上、ここでは、カソード分配チャネルは全て、相互に平行な横方向のうねりを有する。このように、ここでは、カソードチャネルがうねって互いに平行な範囲において、カソード分割リブの幅は、長手方向軸に沿って実質的に一定である。この例では、カソードチャネルは、うねるアノードチャネルの−Ｙ方向のうねりとは反対の位相で、＋Ｙ方向にうねる。以下に説明されるように、カソードチャネル及びあるアノードチャネルのこれらのうねりは、伝導シートが相互に接触しない局所化領域の形成という結果になり、これらの冷却チャネルの間の流体の連絡、熱移送流体の混合、及び、局所的圧力損失の減少という結果になって、熱移送流体による熱除去の均一性を改善する。

図５（ａ）〜（ｉ）は、図４に示されるバイポーラプレート部分の、分配チャネルの重畳部分と補強部分との一連の交替を示す断面図である。

図５（ａ）は、アノードチャネルＣａ２が、カソードチャネルＣｃ３の重畳部分Ｓｃ３と接触する重畳部分Ｓａ２を有する、すなわち、アノードチャネルＣａ２の背壁がカソードチャネルＣｃ３の背壁の上に重ね合わされて接触する、横断面を示す。その上、アノードチャネルＣａ２は、補強部分Ｒａ１、Ｒａ３を有する、すなわち、チャネルＣａ１、Ｃａ３の背壁がそれぞれの反対側のカソード分割リブと接触する、２つのチャネルＣａ１、Ｃａ３と隣接する。その上、カソードチャネル、ここでは、チャネルＣｃ１、Ｃｃ４は更に補強部分Ｒｃ１、Ｒｃ４を有し、すなわち、これらのチャネルＣｃ１、Ｃｃ４の背壁は、それぞれの反対側のアノード分割リブと接触する。

図５（ｂ）〜（ｄ）は、チャネルＣａ２、Ｃｃ３がそれらの重畳部分Ｓａ２、Ｓｃ３（図５（ａ））からそれらの補強部分Ｒａ２、Ｒｃ３（図５（ｅ））までを通る、うねりの連続を示す。このように、図５（ｂ）は、アノードチャネルＣａ１、Ｃａ３及びカソードチャネルＣｃ１、Ｃｃ４の深度の最大値から名目値までの減少を示す。次に、図５（ｃ）、（ｄ）は、カソードチャネルの＋Ｙ方向の、アノードチャネルのいくつかの反対の−Ｙ方向の、横方向のうねりを示す。このように、アノードチャネルＣａ２は直線的なままで、反対側のカソードチャネルＣｃ３は＋Ｙ方向に横方向にずらされる。その上、アノードチャネルＣａ１、Ｃａ３は−Ｙ方向に横方向にずらされ、全てのカソードチャネルは＋Ｙ方向に横方向にずらされる。アノードチャネルＣａ２がカソードリブＮｃ４に面し、カソードチャネルＣｃ３がアノードリブＮａ２に面したときに、うねりは終了する。

このうねりの連続では、アノードチャネル及びカソードチャネルは、伝導シートがもはや局所的に相互に接触しない領域を有し、冷却チャネルの間の流体の連絡を可能にする。これは、図５（ｂ）の場合であって、そこでは、アノードチャネルＣａ１、Ｃａ３及びカソードチャネルＣｃ１、Ｃｃ４の深度の減少が、一方では冷却チャネルＣｒ１、Ｃｒ２の間の、他方では冷却チャネルＣｒ３、Ｃｒ４の間の、流体の連絡を可能にする。これは、更に、図５（ｄ）の場合であって、そこでは、横方向のうねりが全ての冷却チャネルＣｒ１〜Ｃｒ４の間の流体の連絡を局所的に引き起こす。冷却チャネルの間の流体のこれらの連絡は、局所的圧力損失の減少という結果になって、熱移送流体が混合することを可能とし、動作中に電気化学セルにより生成される熱の均一な除去という結果になる。

図５（ｅ）は、アノードチャネルＣａ２が補強部分Ｒａ２を有し、カソードチャネルＣｃ３も補強部分Ｒｃ３を有する断面を示す。このように、チャネルＣａ２、Ｃｃ３の背壁は、分割リブＮｃ４、Ｎａ２とそれぞれ接触する。この例では、アノードチャネルＣａ１、Ｃａ３はそれらの名目深度にあるが、それらは、交互に補強部分を有することができる。このことは、カソードチャネルＣｃ１、Ｃｃ２、Ｃｃ４、Ｃｃ５にも該当する。

図５（ｆ）〜（ｈ）は、アノードチャネルＣａ２及びカソードチャネルＣｃ３がそれらの補強部分Ｒａ２、Ｒｃ３（図５（ｅ））からそれらの重畳部分Ｓａ２、Ｓｃ３（図５（ｉ））からまでを通る、他のうねりの連続を示す。このように、チャネルの深度が減少する位相があって（図５（ｆ））、それは、冷却チャネルの間の流体の連絡が達成されるという結果になって、次に、チャネルＣａ２、Ｃｃ３がそれらのそれぞれの重畳部分Ｓａ２、Ｓｃ３において互いの上に重ね合わされるまで、カソードチャネルについて−Ｙ方向の、アノードチャネルＣａ１、Ｃａ３について反対の＋Ｙ方向の横方向のうねりの位相が続く（図５（ｇ）、（ｈ））。

図５（ｉ）は、チャネルＣａ２、Ｃｃ３がそれらのそれぞれの重畳部分Ｓａ２、Ｓｃ３において重ね合わされて相互に接触し、アノードチャネルＣａ１、Ｃａ３及びカソードチャネルＣｃ１が補強部分を有する、断面を示す。この断面は図５（ａ）のものと同一であって、より詳細には説明されない。

図６は、第３実施の形態に係る、バイポーラプレートの一部分の分解斜視図である。この例では、アノード分配チャネルの数は、カソード分配チャネルの数に実質的に等しい。アノード分割リブとカソード分割リブとは幅が実質的に等しく、この幅は、チャネルの長手方向軸に沿って実質的に一定である。

カソードチャネルＣｃ１、Ｃｃ２などは、ここではそれぞれ、実質的に直線の長手方向軸に沿って、重畳部分Ｓｃ１、Ｓｃ２などと、補強部分Ｒｃ１、Ｒｃ２などとの交替を有する。このように、重畳部分Ｓｃ１、Ｓｃ２などは、反対側のアノードチャネルＣａ１、Ｃａ２などの重畳部分Ｓａ１、Ｓａ２などと接触する。補強部分Ｒｃ１、Ｒｃ２などは、反対側のアノード分割リブＮａ１、Ｎａ２などと接触する。

アノードチャネルＣａ１、Ｃａ２などは、ここではそれぞれ、この場合に互いに平行な横方向のうねりを有する長手方向軸に沿って、重畳部分Ｓａ１、Ｓａ２などと補強部分Ｒａ１、Ｒａ２などとの交替を有する。しかしながら、熱移送流体が伝導シートの間を流れることを可能にするために、隣接するアノードチャネルの補強部分は、長手方向に対でずらされる。このように、アノードチャネルが補強部分を有するときに、２つの伝導シートの間に冷却チャネルを形成するために、隣接するアノードチャネルの深度は、最大深度よりも小さい。この例では、隣接する２つのアノードチャネルの補強部分は、うねり期間（undulation period）の半分の長手方向のずれを有する。このように、この配置は、図７（ａ）〜（ｉ）、図８（ｊ）〜（ｑ）を参照して説明されるように、熱移送流体の流れの混合を増加する。

図７（ａ）〜（ｉ）、図８（ｊ）〜（ｑ）は、図６に示されるバイポーラプレート部分の、重畳部分と補強部分との連続する交替を示す断面図である。

図７（ａ）は、一方ではカソードチャネルが全て補強部分を有し、アノードチャネルの第１組立部（assembly）が補強部分を有し、アノードチャネルの第２組立部が補強部分を有していない、第１機械的補強配置に係る補強部分を有する断面図を示す。各カソードチャネルの背壁と反対側のアノード分割リブＮａ１、Ｎａ２などとの間に接触があるように、カソードチャネルＣｃ１、Ｃｃ２などは、補強部分Ｒｃ１、Ｒｃ２などを含む。ここでは、１つおきのアノードチャネルは補強部分を含む。このように、アノードチャネルＣａ２、Ｃａ４は補強部分Ｒａ２、Ｒａ４を含み、反対側のカソードリブと接触するために最大深度である。しかしながら、アノードチャネルＣａ１、Ｃａ３は補強部分を含まず、反対側のカソードリブと共に冷却チャネルを形成するために、最小深度にある。

図７（ｅ）は、アノードチャネル及びカソードチャネルが重畳部分を有する増強流れ配置に係る、重畳部分を有する中間断面を示す。それは、図７（ａ）、（ｉ）、図８（ｑ）の補強部分を有する断面の間に位置する。この断面では、カソードチャネルＣｃ１、Ｃｃ２などはそれぞれ、アノードチャネルＣａ１、Ｃａ２などの重畳部分Ｓａ１、Ｓａ２などの上に重ね合わされて接触する部分Ｓｃ１、Ｓｃ２などを有する。

図７（ｉ）は、カソードチャネルが補強部分を有し、アノードチャネルの第１組立部が補強部分を有さず、アノードチャネルの第２組立部がそれらを有する、第２機械的補強配置に係る、補強部を有する断面図を示す。それは、アノードチャネルの補強部分の間の半分のうねり期間に対応する。カソードチャネルの配置は、図７（ａ）、図８（ｑ）のものと同一である。その上、第１組立部のアノードチャネルＣａ２、Ｃａ４は補強部分を含まず、反対側のカソードリブと共に冷却チャネルを形成するために、最小深度にある。しかしながら、第２組立部のアノードチャネルＣａ１、Ｃａ３は補強部分Ｒａ１、Ｒａ３を含み、反対側のカソードリブと接触するために、最大深度にある。

図８（ｍ）は、アノードチャネル及びカソードチャネルが重畳部分を有する、図７（ｅ）のものと同様の、重畳部分を有する断面を示す。

最後に、図８（ｑ）は、図７（ａ）に示されるものと同一の、補強部分を有する断面を示す。これらの２つの断面は、アノードチャネルの補強部分の間のうねり期間に対応する。

アノードチャネルが、面するカソードチャネルの直線的な長手方向軸に対して横方向にうねる、横方向のうねりの連続が、上述された断面の間に位置する。

このように、図７（ｂ）〜（ｄ）は、第１配置に係る補強部分を有する図７（ａ）と、重畳部分を有する図７（ｅ）との間の横方向のうねりの連続を示す。補強部分において深度が最大であったチャネルは深度が減少し（図７（ｂ）、（ｃ））、次に、アノードチャネルは、カソードチャネルと面するために、横方向、ここでは、＋Ｙ方向にずらされ（図７（ｃ）、（ｄ））、最後に、最小深度のアノードチャネルは、カソードチャネルと接するために深度が増加する（図７（ｄ）、（ｅ））。このように、熱移送流体の流れの延長された混合を可能にする、冷却チャネルの間の延長された連絡が図７（ｃ）の断面で達成され、次に、隣接する冷却チャネルの間の対になった局所的な連絡が図７（ｄ）の断面で達成される。

図７（ｆ）〜（ｈ）は、第２配置に係る、重畳部分を有する図７（ｅ）と、補強部分を有する図７（ｉ）との間の横方向のうねりの連続を示す。第１チャネル組立部のアノードチャネルは、深度が名目値から最小値にまで減少し、隣接する冷却チャネルの間の対になった局所的な連絡を可能にする。次に、アノードチャネルは、カソード分割リブと面するために、カソードチャネルに対して横方向に、ここでは、−Ｙ方向にずらされる（図７（ｇ））。冷却チャネルの間の流体の連絡が図７（ｇ）のこの断面で達成され、熱移送流体の流れの延長された混合を可能にする。最後に、反対側のカソードリブと接触する補強部分を形成するために、第２チャネル組立部のアノードチャネルは、深度が名目値Ｐｎｏｍから最大値Ｐｍａｘにまで増加する。

横方向のうねりの連続が、図７（ｉ）、図８（ｍ）の断面の間（図７（ｂ）〜（ｄ）のものと同様の、図８（ｊ）〜（ｌ））と、図８（ｍ）、（ｑ）の断面の間（図７（ｆ）〜（ｈ）のものと同様の、図８（ｎ）〜（ｐ））とで起こるが、ここでは、より詳細には説明されない。

このように、アノード補強部分及びカソード補強部分の存在のおかげでバイポーラプレートの機械的強度は改善され、バイポーラプレートの流れ領域はアノード重畳部分及びカソード重畳部分の存在により増強される。その上、それらは、冷却チャネルの間に拡大された、又は、局所的な流体連絡領域を有し、それは、熱移送流体が混合すること、及び、動作中に電気化学セルにより生成される熱の除去が改善されることを可能にする。

特定の実施の形態が説明された。いろいろな修正及び変形は当業者にとって明らかであろう。

このように、横方向のうねりが周期的でないことが可能である。その上、まったく同一の分配チャネルの連続する２つの補強部分が、反対側の伝導シートの同じ分割リブと接触せず、異なる分割リブと接触することが可能である。同様に、まったく同一の分配チャネルの連続する２つの重畳部分が、反対側の伝導シートの同じ分配チャネルと接触せず、異なる分配チャネルと接触することが可能である。

互いに任意に組み合わされ、又は、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る、これらのいろいろの変形例は、バイポーラプレートの機械的強度、重畳部分の増強流れ領域の空間的分布、及び、熱移送流体及び冷却回路の流れの混合のいずれをも最適化することを可能にしても良い。

Claims (12)

1. 第１伝導シート（１０）及び第２伝導シート（２０）を含み、
   各伝導シートは、内面（１２、２２）により互いに結合される、内面（１２、２２）及び反対側の外面（１１、２１）を含み、
   各伝導シートは、外面（１１、２１）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（Ｃａ、Ｃｃ）を形成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、電気化学セルの電極（３、４）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、
   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）を含む
   電気化学セルのバイポーラプレート（１）であって、
   第１伝導シート（１０）の少なくとも１つの第１分配チャネル（Ｃａ１）、及び、第２伝導シート（２０）の少なくとも１つの第２分配チャネル（Ｃｃ１）は、それぞれ、
   それらが互いの上に重ね合わされ、それらの各背壁（１４‐１、２４‐１）を介して互いに接触する、重畳部分（Ｓａ１、Ｓｃ１）と呼ばれる、少なくとも１つの部分と、
   それらが、それらの各背壁（１４‐１、２４‐１）を介して、反対側の伝導シート（１０、２０）の分割リブ（Ｎａ１、Ｎｃ２）と接触する、補強部分（Ｒａ１、Ｒｃ１）と呼ばれる、少なくとも１つの部分とを含む
   バイポーラプレート（１）。
2. 第１分配チャネル（Ｃａ１）の第１補強部分（Ｒａ１）は、第２分配チャネル（Ｃｃ１）の第２補強部分（Ｒｃ１）と横方向に並べられ、
   第１補強部分（Ｒａ１）は、第２分配チャネル（Ｃｃ１）を画定する分割リブ（Ｎｃ２）と接触し、
   第２補強部分（Ｒｃ１）は第１分配チャネル（Ｃａ１）を画定する分割リブ（Ｎａ１）と接触する
   請求項１記載のバイポーラプレート（１）。
3. 第１分配チャネル（Ｃａ１）及び／又は第２分配チャネル（Ｃｃ１）は、それぞれ、重畳部分（Ｓａ１、Ｓｃ１）と補強部分（Ｒａ１、Ｒｃ１）との間に、反対側の伝導シート（１０、２０）と接触せず、隣接する冷却チャネル（Ｃｒ１、Ｃｒ２）の間の流体の局所的な連絡を可能にする領域を含む
   請求項１又は請求項２記載のバイポーラプレート（１）。
4. 前記各分配チャネル（Ｃａ１、Ｃｃ１）は、長手方向に交互に配置された、複数の重畳部分（Ｓａ１、Ｓｃ１）と補強部分（Ｒａ１、Ｒｃ１）とを含む
   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. １つの分配チャネル（Ｃａ１）の補強部分（Ｒａ１）は、隣接する分配チャネル（Ｃａ２）の補強部分（Ｒａ２）に対して長手方向にずらして配置される
   請求項４記載のバイポーラプレート（１）。
6. 伝導シート（２０）は、重畳部分（Ｓｃ１、Ｓｃ２）及び補強部分（Ｒｃ１、Ｒｃ２）を含む分配チャネル（Ｃｃ１、Ｃｃ２）を含み、
   前記分配チャネル（Ｃｃ１、Ｃｃ２）は、実質的に直線の、又は、横方向のうねりを有する長手方向軸を有する
   請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のバイポーラプレート（１）。
7. 反対側の伝導シート（１０）は、重畳部分（Ｓａ１、Ｓａ２）及び補強部分（Ｒａ１、Ｒａ２）を含む分配チャネル（Ｃａ１、Ｃａ２）を含み、
   それらのあるものは、実質的に直線の長手方向軸を有し、
   それらの他のものは、直線的な長手方向軸に対して、横方向のうねりを有する長手方向軸を有する
   請求項６記載のバイポーラプレート（１）。
8. 第１伝導シート（１０）の分配チャネル（Ｃａ１、Ｃａ２）は第１方向において横方向のうねりを有する長手方向軸を有し、
   第２伝導シート（２０）の分配チャネル（Ｃｃ１、Ｃｃ２）は第１方向と反対の第２方向において横方向のうねりを有する長手方向軸を有する
   請求項６又は請求項７記載のバイポーラプレート（１）。
9. 第１伝導シート（１０）は、第２伝導シート（２０）の分配チャネル（Ｃｃ１、Ｃｃ２）の数よりも少ない数の分配チャネル（Ｃａ１、Ｃａ２）を含み、
   第１伝導シート（１０）の少なくとも１つの分割リブ（Ｎａ１、Ｎａ２）は、長手方向に変化する横方向の大きさを有する
   請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載のバイポーラプレート（１）。
10. 第２伝導シート（２０）は、電気化学セルのカソード（４）と接触することが予定され、
    第１伝導シート（１０）は、隣接する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
    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. 補強部分（Ｒａ１、Ｒｃ１）は、反対側の伝導シート（１０、２０）の方向における分配チャネル（Ｃａ１、Ｃｃ１）の突出の形状をとり、
    前記分配チャネル（Ｃａ１、Ｃｃ１）は、重畳部分（Ｓａ１、Ｓｃ１）における局所深度よりも深い局所深度を有する
    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）。
12. 請求項１乃至請求項１１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。