JP2018533170A - 電気化学システム用セパレータプレート - Google Patents

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Abstract

本発明は、媒体を供給または排出するための媒体チャネルを形成する少なくとも１つの通過口（１０ａ〜１０ｈ）と、当該通過口（１０ａ〜１０ｈ）の封止を目的として少なくとも１つの通過口（１０ａ〜１０ｈ）の周りに配置される少なくとも１つのビード構成（１４ａ〜１４ｈ）であって、ビード構成（１４ａ〜１４ｈ）の側面（２１、２２）のうちの少なくとも一方は、媒体を導くための、ビード側面（２１、２２）を貫く少なくとも１つの開口部（２５、２６）を含む、ビード構成（１４ａ〜１４ｈ）と、ビード構成（１４ａ〜１４ｈ）の外部でビード側面（２１、２２）の開口部（２５、２６）に接続され、ビード側面（２１、２２）の開口部（２５、２６）を介してビード内部（２４）と流体的に接続された少なくとも１つのガイドチャネル（２７）とを備える電気化学システム（１）用のセパレータプレート（１０）に関する。提案するセパレータプレート（１０）は、セパレータプレート（１０）の平らな表面に対して垂直に画定される、ガイドチャネル（２７）の高さ（３２'、３２''）が少なくとも幾つかの区間において当該ビード構成（１４ａ〜１４ｈ）の方向に向かって増大するように、ガイドチャネル（２７）が設計されることを特徴とする。

Description

本発明は、電気化学システム用セパレータプレートに関する。例えば、電気化学システムは、燃料電池システム、電気化学コンプレッサ、燃料電池システム用加湿装置または電気分解装置であってよい。
既知の電気化学システムは通常、複数のセパレータプレートを含んでおり、これらのセパレータプレートは、隣接する２つのセパレータプレートごとに電気化学電池または加湿型電池を内包するように積み重ねて配置される。セパレータプレートは通常、それぞれが２つの個別プレートを含んでおり、これらの個別プレートは、電気化学電池または除湿型電池とは反対方向を向いたその裏面に沿って互いに接続される。例えば、セパレータプレートは、個別の電気化学電池（例えば、燃料電池）の電極を電気的に接触させるため、および／または隣接する電池を電気的に接続（電池を直列接続）するために使用され得る。セパレータプレートは、セパレータプレート間の電池において生成された熱を放散させるためにも使用され得る。この種の廃熱は、例えば、燃料電池における電気エネルギーまたは化学エネルギーの変換時に生成され得る。燃料電池の場合は、セパレータプレートとして双極プレートが使用されることが多い。
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通常、それぞれが少なくとも１つの通過口を有する。積層されたセパレータプレートの通過口は、電気化学システムのセパレータプレート積層体内で互いに位置合わせされるか、または少なくとも部分的に重なり合っており、その結果、媒体を供給または排出するための媒体チャネルを形成する。セパレータプレートの通過口、または通過口により形成された媒体チャネルを封止するために、既知のセパレータプレートは、セパレータプレートの通過口それぞれの周りに１つずつ配置されるビード構成も有する。
セパレータプレートの個別プレートは、セパレータプレートの活性領域に１つまたは複数の媒体を供給するためのチャネル構造体、および／または媒体を離れた所に搬送するためのチャネル構造体を更に有し得る。活性領域は例えば、電気化学電池または加湿型電池を内包してもよいし、当該電池の境界を定めてもよい。例えば、媒体は燃料（例えば、水素またはメタノール）、反応ガス（例えば、空気または酸素）で構成されてもよいし、被供給媒体の形態をとる冷却剤として存在してもよいし、被排出媒体として反応生成物および被加熱冷却剤で構成されてもよい。燃料電池の場合は通常、反応媒体、すなわち燃料および反応ガスが、個別プレートの、互いに反対方向を向いた面上を誘導される一方で、冷却剤が個別プレートの間を誘導される。
セパレータプレートの通過口の周りに配置されるビード構成の側面は、１つまたは複数の開口部を有してよい。これらの開口部は、セパレータプレートの通過口とセパレータプレートの活性領域との間、またはセパレータプレートの通過口とセパレータプレートの個別プレート間に形成される空洞との間に流体接続を生成するのに使用される。空洞は、例えば、セパレータプレートの個別プレート間で冷却剤を誘導するのに使用される。
明細書ＤＥ１０２４８５３１Ａ１からは、セパレータプレートまたは少なくとも一方の個別プレートが、１つまたは複数のガイドチャネルを更に有してよく、このガイドチャネルがビード構成の外部でビード側面の開口部に接続され、ビード側面の開口部を介してビード内部と流体的に接続されることが分かる。より一層具体的に言うと、媒体はこの種のガイドチャネルを用いてビード構成を通過することができる。このようにして、電気化学システムの効率は高められ得る。
しかし、ビード側面に開口部があると、ビード構成の機械的安定性および弾性が必然的に低下する。この低下は、ビード構成が低い位置に配置されるほど著しくなる。しかしそれと同時に、ビード構成の高さを可能な範囲で最も低くすれば、セパレータプレート積層体のサイズを最小限に抑え、かつ、セパレータプレート積層体の高さを上げずにより多くの電池を収容するのに有利である。
このため、実現し得る最良の機械的安定性およびコンパクト性を有し、かつ、システムの、実現し得る最も効率的な媒体供給を保証する電気化学システム用セパレータプレートを作成するのが本発明の目的である。
この目的は、請求項１に記載の電気化学システム用セパレータプレートにより達成される。従属請求項では、特定の実施形態について説明する。
このように、提案するものは電気化学システム用セパレータプレートである。提案するセパレータプレートは、媒体を供給または排出するための媒体チャネルを形成する少なくとも１つの通過口と、当該通過口の封止を目的として少なくとも１つの通過口の周りに配置される少なくとも１つのビード構成であって、このビード構成の側面のうちの少なくとも一方は、媒体を導くための、ビード側面を貫く少なくとも１つの開口部を含む、少なくとも１つのビード構成と、ビード構成の外部でビード側面の開口部に接続され、ビード側面の開口部を介してビード内部と流体的に接続される少なくとも１つのガイドチャネルとを少なくとも備える。例えば、セパレータプレートは１つの開口部につきガイドチャネルを１つだけ有してよく、ガイドチャネルはこの開口部に接続される。
ここでのガイドチャネルは、セパレータプレートの平らな表面に対して垂直に画定される、ガイドチャネルの高さが、ビード構成の方向に向かって少なくとも部分的に増大するように設計される。ここでのガイドチャネルの高さは、セパレータプレートの個別プレートの、ビード頂部の方を向いた面にあたる平らな表面から、ガイドチャネル頂部の横断面において最も高い箇所までの距離を表す。ガイドチャネルは、この平らな表面に形成されるか、またはこの平らな表面に含まれる。
逆に言うと、このことは、ガイドチャネルの高さがビード構成から離れるにつれて少なくとも部分的に減少することを意味する。このように、ガイドチャネルの、ビードから離れた所にある端部の高さは、従来技術のものよりも低い。結果として、ビード構成が圧縮されるので、ガイドチャネルに対するテコの作用がごく限定的に働き、このため、ガイドチャネルの端部または別の部分がビード構成の圧縮方向とは反対方向へほんのわずかに変形し、このため、ガイドチャネルが圧縮状態においてビード頂部から一部たりとも突出しない。
ガイドチャネルは、ガイドチャネルのビード側面への移行部におけるガイドチャネルの断面領域がビード側面の開口面と同一であるように、かつ、それと一致するようにビード側面の開口部に接続されるのが好ましい。このように、ガイドチャネルを形成するチャネル壁は、一般的にはビード側面の開口部の縁部で直接、ビード側面へ移行する。ここでは通常、ガイドチャネルの斜め側面から関連するビード側面への移行部、更には、チャネル頂部からこのビード側面への移行部に半径が形成される。このため、本発明に関連する高さおよび幅を考慮するにあたっては、ガイドチャネルの広がる方向に沿って、ガイドチャネルの真ん中半分、好ましくは真ん中３分の１のみを考慮するのが好ましい。
とはいえ、ビードから、およびビードへと十分な媒体を誘導できるよう、更にはガイドチャネルの高さが、ガイドチャネルがビード構成の方向に狭まるのと同じ程度まで増大するのが好ましい。このようにして、媒体は依然としてビード側面を効率的に通過する。
このように、ガイドチャネルは、セパレータプレートの平らな表面と平行に画定される、ガイドチャネルの幅がビード構成の方向に向かって少なくとも部分的に減少するように設計され得る。ここでのガイドチャネルの幅は、いずれの場合も、ガイドチャネルの高さの半分の所で画定されるのが好ましい。ガイドチャネルの幅は、いずれの場合も、ガイドチャネルの長手方向に対して垂直に、または媒体がガイドチャネルを流れる方向に対して垂直に配向される、ガイドチャネルの断面領域に沿って決定されるのが好ましい。ガイドチャネルの幅は、ビード構成に直接接続されていないガイドチャネルの長さの少なくとも６０％にわたり、ビード構成の方向に向かって単調に減少してよい。この領域におけるガイドチャネルの幅は、ビード構成の方向に向かって極めて単調に、連続的にまたは少なくとも部分的に縮小し得る。
特に、ガイドチャネルは、ガイドチャネルの断面領域が、ガイドチャネルの広がりの少なくとも真ん中２５％、好ましくは真ん中３分の１に沿って、最大２５％、好ましくは最大２０％、好ましくは最大１５％だけ変化するように設計され得る。
ガイドチャネルは通常、ビード構成とは反対方向を向いており、かつ、ガイドチャネルの入口および出口により形成されるガイドチャネルの端部からビード側面の開口部に至るまで延在する。ここで例えば、ガイドチャネルの入口または出口は、セパレータプレート層のセパレータプレートの開口部により形成されてもよいし、内縁部、例えば通過口の内縁部に形成されてもよい。ガイドチャネルの入口または出口が開口部として形成されない、または内縁部に形成されない場合は、他の構造体への移行部により形成されてもよく、この移行部を介して他のガイドチャネルと連通する。ビードの、通過口とは反対方向を向いた側にあるガイドチャネルは通常、ビードの、通過口の方を向いた側にあるガイドチャネルと同様の長さ、通常はビードの長さの５０％から２００％の長さを有する。言い換えれば、ガイドチャネルの長さは通常、ビードの高さの２０倍である。ビードの、通過口とは反対方向を向いた側にある、ガイドチャネルの端部には、別の構造体への移行部を構成する段も設けられ得る。既に述べたように、ガイドチャネルのこれらの端部は、大きな半径を有するのが好ましく、隣接する構造体への移行部に使用される。このため、本発明に関連する高さおよび幅を考慮するにあたっては、ガイドチャネルの真ん中半分、好ましくは真ん中３分の１のみを考慮するのが好ましい。
ガイドチャネルは、ガイドチャネルの高さがガイドチャネルに沿って単調に、好ましくは極めて単調に増大するように設計され得る。このことは、ガイドチャネルの長さの真ん中３分の１に対して特に当てはまる。ガイドチャネルの高さは、ガイドチャネルの広がりに沿って直線的に増大してよい。例えば、ガイドチャネルは、ガイドチャネルの高さがビード構成の方向に向かって少なくとも１０％、好ましくは少なくとも２０％だけ増大するように設計され得る。
ビード構成の、ビード側面の開口領域における機械的安定性を十分に確保し、ビード構成の弾性変化を最小限に抑えるために、開口部はセパレータプレートの平らな表面に対して垂直に、ビード構成の高さの最大９０％、好ましくは最大わずか８５％、特に好ましくは最大わずか７５％の高さにまで達してよい。ここでの高さは、いずれの場合も、未圧縮状態のビード構成に関するものであることが好ましく、いずれの場合も、個別プレートの、ビード頂部の方を向いた平らな表面からビード頂部の上側の最も高い箇所までの距離で示される。
ガイドチャネルの、ビード構成とは反対方向を向いた端部における、ガイドチャネルの入口または出口は、個別プレートの平らな表面に対して垂直に、ビード構成の高さの最大８０％、好ましくは最大７０％の高さにまで達してよい。ここでの高さ仕様はやはり、未圧縮状態のビード構成に基づくものであることが好ましく、いずれの場合も、個別プレートの平らな表面からの距離で示される。しかし、ガイドチャネルの、ビード構成とは反対方向を向いた端部における、ガイドチャネルの高さは、ビード構成の開口部の高さよりも常に低いことが好ましい。
ガイドチャネルは、長方形の横断面、台形の横断面、または少なくとも部分的に丸みのある横断面を、少なくとも部分的に、例えばガイドチャネルの広がりの少なくとも真ん中２５％に沿って、または真ん中３分の１に沿って有してよい。例えば、ガイドチャネルの頂部は、ビード構成の方向へ少なくとも部分的に凸状に湾曲していてよい。一方、ガイドチャネルとビード構成との間の直接移行部は、一般的にわずかに凹状の湾曲を示す。
ビード構成の機械的安定性および弾性を高めるために、ビード構成は、少なくとも部分的に、特に肉眼で見て直線状に延在する領域において、プレートの平らな表面と平行して波状に延びるように設計され得る。こうすることにより、ビード全体の方向に応じて既に湾曲している領域に相当するこれらの領域、例えばコーナー領域の安定性および弾性が得られる。そのとき、波状の広がりにより波長が生じ得る。ビード構成の波状に延在する部分が少なくとも２つの波長にわたって延在するのが好ましい。
ビード構成の両側面で同等の条件が整う、特に弾性および安定性についても同等の条件が整うのは、波状に広がるビード構成の変曲点と直接隣接する領域のみである。このため、ビード側面の外部においてガイドチャネルで接続されるビード側面の開口部は、ビード構成の波状に延在する部分の変曲点の領域、例えば特にビード構成の波状に延在する部分であって、ビード構成が肉眼では直線状に延在する部分に、配置または形成されるのが有利である。
一方、ガイドチャネルの最大長が多くの設計可能性を伴って実現する場合、または、ガイドチャネルの最小長が低い圧力損失で実現する場合は、このように、ビード構成の波状に延在する部分の（ガイドチャネルから見て）最小または最大となる所に、ビード側面の開口部が配置または形成されるのが好ましい。
同様に、セパレータプレートの通過口の境界を定める、セパレータプレートの内縁部は、少なくとも部分的に波状に延びてよい。内縁部の波状に延在するこの部分は、ビード構成の波状に延在する部分と通過口との間に配置され得る。ここでは、内縁部の波状に延在する部分の第１の波長λ１、およびビード構成の波状に延在する部分の第２の波長λ２について、λ２＝λ１またはλ２＝２・λ１が成り立ち得る。λ２＝λ１の場合は、ガイドチャネルの長さがどこでも等しくなり、このため、非常に均一な状態が実現する。λ２＝２・λ１の場合は、内縁部と内縁部のビード側面との間の距離が直線コースと比べて短くなり、このため、ビード構成が圧縮された際に生じるテコの作用が低減する。
セパレータプレートは、互いに接続された２つの個別プレートを有する双極プレートとして形成されてよく、ビード構成およびガイドチャネルは、これらの個別プレートのうちの少なくとも一方に形成される。セパレータプレートおよび／または個別プレートは、金属、好ましくはステンレス鋼で形成され得る。伝導性を高め、かつ、腐食の危険性を減らすために、 個別プレートは少なくとも部分的にコーティングされ得る。セパレータプレートまたは個別プレートの平らな表面に対して垂直に画定される、個別プレートの厚みは、いずれの場合も、５０μｍから１５０μｍの間、好ましくは７０μｍから１１０μｍの間であってよい。ビード構成と、ガイドチャネルと、個別プレートとは一体成形されてよく、ビード構成およびガイドチャネルは個別プレートに形成される。例えば、ビード構成およびガイドチャネルは、個別プレートに一体的に形成、特に型打ちされ得る。
ビード構成の側面のうちの少なくとも一方が複数の開口部を有してよく、これらの開口部はそれぞれ、ビード構成の外部において前述のタイプのガイドチャネルで接続され、このガイドチャネルは、ビード構成から離れるにつれて少なくとも部分的に広がる。個別プレート間、直接隣接するガイドチャネルの間、または、互いに直接隣接して配置されるガイドチャネルのうちの少なくとも幾つかの間に、一体的に接合された接続部が形成され得る。一体的に接合された接続部は、半田付けされた接続部、接着接合された接続部、または、溶接された接続部、特にレーザ溶接で生成された接続部であってよい。接続部は、連続したラインもしくは個別の短いラインにわたって、または特定の箇所に設けられ得る。これらの接続部が一体的に接合されるということは、積層体のセパレータプレートがビード構成に沿ってセパレータプレートの平らな表面に対して垂直に圧縮されたときに、ビード構成の個別プレート同士が、セパレータプレートの、ビード構成に隣接する領域において、一体的に接合された接続部がない場合のように、それほど極度にセパレータプレートまたは個別プレートの平らな表面に対して垂直の方向に離れて広がることはないことを意味する。
セパレータプレートの、相互接続された個別プレートは、冷却剤が通過できるように個別プレート間に配置される空洞を内包するように形成および配置され得る。この空洞は、ビード内部と流体的に接続され得る。
個別プレートのうちの少なくとも一方が、同じセパレータプレートの他方の個別プレートとは反対方向を向いたその前面に、反応媒体を導くための構造体を有してよい。例えば、構造体は多数のチャネルを含んでよく、これら多数のチャネルは個別プレートに型打ちされる。セパレータプレートの活性領域にあるチャネル構造体は、流れ場とも呼ばれる。個別プレートは、セパレータプレートの流れ場と通過口との間に更なるチャネル構造体を有してよく、この更なるチャネル構造体は、分配領域と呼ばれる。反応媒体を導くための構造体は、通常、ビード構成の、セパレータプレートの通過口とは反対方向を向いた側に配置される。反応媒体を導くためのこの構造体は、個別プレートの少なくとも１つの開口部を介して、例えば、前述のタイプの開口部に接続されたビード側面およびガイドチャネルの開口部を介して、ビード内部と流体的に接続され得る。このように、反応媒体は、ガイドチャネルの出口から、またはその入口へと、具体的には、セパレータプレートの外面にある上述の開口部から、または上述の開口部へと、上述の構造体内を誘導される一方で、個別プレート間のガイドチャネル内、すなわち、セパレータプレート内部を誘導される。
ビード構成の開口部と、開口部に接続された上記タイプのガイドチャネルとは、ビード構成の、セパレータプレートの通過口とは反対方向を向いた側面、および／またはビード構成の、セパレータプレートの通過口の方を向いた側面に配置され得る。ガイドチャネルは両側面に配置されるのが好ましい。
ビード構成は少なくとも部分的に、ビード側面がそれぞれ、セパレータプレートの平らな表面に対して垂直に配向される垂直方向と、７０度未満、好ましくは６０度未満、特に好ましくは５０度未満の角度をなすように形成され得る。ビード頂部は更に、凸状に湾曲していてよい。ビード構成のこの実施形態では、ビード側面が高い剛性を有する一方で、ビード頂部は、特にビード構成が圧縮されたときに、変形可能で復元力がある。
未圧縮状態にあるビード構成の高さは、８００μｍ未満、６００μｍ未満、５００μｍ未満、４５０μｍ未満または４００μｍ未満であってよい。既に述べたように、ビード構成の高さは、セパレータプレートの平らな表面から、または関連する個別プレートの平らな表面からビード頂部の最も高い箇所までの距離で示される。
本明細書で提案するタイプの複数のセパレータプレートを含む電気化学システムを更に提案する。電気化学システムは例えば、燃料電池システム、電気化学コンプレッサ、燃料電池システム用加湿装置または電気分解装置であってよい。電気化学システムのセパレータプレートは一般的に積み重ねて配置され、セパレータプレートの通過口が積層体へ媒体を供給するように、または積層体から媒体を排出するように設計される少なくとも１つの媒体チャネルを形成するように設計される。
本発明の例示的な実施形態を図面に示し、以下の明細書で更に詳しく説明する。コーナー部は部分的に半径のない状態で示されることもあるが、通常実際には常に小さい半径を少なくとも有する。本発明に係るセパレータプレートの幾つかの例を以下に挙げる。ここでは、本発明に係るセパレータプレートの種々の有利な機能について、互いに連動させながら述べる。しかし、本発明は、これら個別のオプション機能の共用によってのみならず、個別でも、または他の例の他のオプション機能との併用によっても展開することができる。以下、同様または同様の参照符号が、同様または同様の要素に対して使用されるため、当該要素の説明は繰り返さないこともある。図面は以下の通りである。
積層された複数のセパレータプレートを有する、本発明に係る燃料電池システムを斜視図で示す。
図１の積層体の、本発明に係る、直接隣接する２つのセパレータプレートと、その間に配置される膜電極ユニットとの斜視図を示す。
本発明に係るセパレータプレートの更なる例示的な実施形態を平面視で示す。
従来技術に従ってビード構成に接続されたガイドチャネルを有するセパレータプレートのビード構成を貫通する供給貫通部の斜視図を示す。
図４ａのビード供給貫通部の断面図を示す。
従来技術に係るビード供給貫通部を平面視で示す。
図６ａのビード供給貫通部の断面図を示す。ここでは、ビード構成が圧縮されたために、個別プレートの複数の領域がビード構成から部分的に突出している。 図６ａのビード供給貫通部の断面図を示す。ここでは、ビード構成が圧縮されたために、個別プレートの領域がビード構成から部分的に突出している。
本発明に係るビード供給貫通部を平面視で示す。
図６ａのビード開口部の断面図を示す。ここでは、本発明に係るガイドチャネルを具現化した結果として、ビード構成が圧縮された際に、個別プレートがビード構成から突出しない。 図６ａのビード開口部の断面図を示す。ここでは、本発明に係るガイドチャネルを具現化した結果として、ビード構成が圧縮された際に、個別プレートがビード構成から突出しない。
本発明に係るガイドチャネルを有するビード供給貫通部の更なる実施形態を平面視で示す。 本発明に係るガイドチャネルを有するビード供給貫通部の更なる実施形態を平面視で示す。 本発明に係るガイドチャネルを有するビード供給貫通部の更なる実施形態を平面視で示す。 本発明に係るガイドチャネルを有するビード供給貫通部の更なる実施形態を平面視で示す。 本発明に係るガイドチャネルを有するビード供給貫通部の更なる実施形態を平面視で示す。
本発明に係るガイドチャネルに沿って切断された、図６ｂに記載のビード供給貫通部の斜視図を示す。
隣接するガイドチャネル間の領域に沿って切断された、図６ｂに記載のビード供給貫通部の斜視図を示す。
本発明に係るガイドチャネルを有するビード供給貫通部の断面図を示す。ガイドチャネルの高さは、ビード構成の方向に向かって少なくとも部分的に増大する。 本発明に係るガイドチャネルを有するビード供給貫通部の断面図を示す。ガイドチャネルの高さは、ビード構成の方向に向かって少なくとも部分的に増大する。 本発明に係るガイドチャネルを有するビード供給貫通部の断面図を示す。ガイドチャネルの高さは、ビード構成の方向に向かって少なくとも部分的に増大する。 本発明に係るガイドチャネルを有するビード供給貫通部の断面図を示す。ガイドチャネルの高さは、ビード構成の方向に向かって少なくとも部分的に増大する。
本発明に係るガイドチャネルの断面図を示す。 本発明に係るガイドチャネルの断面図を示す。 本発明に係るガイドチャネルの断面図を示す。 本発明に係るガイドチャネルの断面図を示す。 本発明に係るガイドチャネルの断面図を示す。 本発明に係るガイドチャネルの断面図を示す。
本発明に係るガイドチャネルの断面図を示す。断面図は、同じガイドチャネルの２つの異なる箇所におけるものである。 本発明に係るガイドチャネルの断面図を示す。断面図は、同じガイドチャネルの２つの異なる箇所におけるものである。 本発明に係るガイドチャネルの断面図を示す。断面図は、同じガイドチャネルの２つの異なる箇所におけるものである。 本発明に係るガイドチャネルの断面図を示す。断面図は、同じガイドチャネルの２つの異なる箇所におけるものである。 本発明に係るガイドチャネルの断面図を示す。断面図は、同じガイドチャネルの２つの異なる箇所におけるものである。
図１は、同一設計のセパレータプレートの積層体２を含む、本発明に係る電気化学システム１を示す。これらのセパレータプレートは、ｚ方向７に沿って積層され、２つの端部プレート３と４との間に挟まれている。ここで、セパレータプレートは双極プレートとして形成され、それぞれが、互いに接続された２つの個別プレートを含む。本例におけるシステム１は、燃料電池システムである。このように、積層体２の２つの隣接する双極プレートはそれぞれ、化学エネルギーを電気エネルギーに変換するように設計された電気化学電池をそれらの間に内包する。代替的な実施形態において、システム１は電気分解装置、電気化学コンプレッサまたは燃料電池システム用加湿装置としても形成され得る。セパレータプレートは同様に、これらの電気化学システムに使用される。これらのセパレータプレートの構造体は、セパレータプレートを、またはそれを通じて誘導される媒体が異なっても、ここで更に詳しく説明する双極プレートの構造体に対応する。
ｚ軸７は、ｘ軸８およびｙ軸９と共に右手デカルト座標系に延びる。端部プレート４は複数のポート５を有し、これらのポートを介して、媒体はシステム１に供給されてもよいし、システム１から排出されてもよい。システム１に供給されてもよいし、システム１から排出されてもよいこれらの媒体には、例えば、水素分子もしくはメタノールなどの燃料、空気もしくは酸素などの反応ガス、蒸気もしくは低酸素空気などの反応生成物、または水および／もしくはグリコールなどの冷却剤が含まれ得る。
図２は、図１の積層体２の、直接隣接する２つのセパレータプレート１０、１１を示す。これより以下、繰り返し出て来る機能は、いずれの場合も、同じ参照符号で表す。セパレータプレート１０、１１は同一に形成される。このため、以下ではセパレータ１０についてのみ詳細に説明する。このように、セパレータ１０は、積層体２のセパレータプレートの代表的なものである。
セパレータプレート１０の平らな表面は、ｘ−ｙ面に沿って配向される。ここで、セパレータプレート１０は、結合された２つの金属個別プレート１０'、１０''で形成される（図８ａおよび図８ｂも参照）。しかし、図２で視認できるのは、セパレータプレート１０の、見る人の方を向いた第１の個別プレート１０'のみである。セパレータプレート１０の個別プレート１０'、１０''は、ステンレス鋼板から製造される。それぞれの厚みは例えば８０μｍであり、個別プレートの平らな表面に対して垂直に画定される。個別プレート１０'、１０''は、セパレータプレート１０を形成するために、向かい合うその裏面に沿って、互いに溶接、特に互いに部分的に溶接、半田付けまたは接着接合され得る。例えば、個別プレート１０'、１０''は、レーザ溶接で生成された接続部により接続され得る。
セパレータプレート１０と１１との間には、膜電極ユニット（膜電極接合体、ＭＥＡ）１２が配置される。ＭＥＡ１２は、高分子電解質膜（ＰＥＭ）と１つまたは複数のガス拡散層（ＧＤＬ）とを含んでよい。ＧＤＬは通常、セパレータプレート１０、１１の方に向けて配向され、例えばカーボンマットとして形成される。セパレータプレート１０、１１の向かい合う側は、未圧縮状態において電気化学電池１３を内包する。燃料電池システム用加湿装置の場合は、ほぼ気体不透過性でありながら透水性の膜で電池１３が形成される。電池１３は、支持媒体と、少なくとも１つの拡散媒体、好ましくは両側が繊維またはカーボンマットで形成された拡散媒体とにより支持され得る。
セパレータプレート１０は、複数の通過口１０ａ〜１０ｈを有する。ＭＥＡ１２は、対応する通過口を有し、これらの通過口は、セパレータプレート１０の通過口１０ａ〜１０ｈと、積層体２の残りのセパレータプレートの、対応する通過口とに位置合わせされる。その結果、ひとたび積層体２が圧縮されると、通過口は媒体チャネルを形成し、これらの媒体チャネルはそれぞれ、図１のポート５のうちのそれぞれ１つと流体的に接続される。これらの媒体チャネルは、電気化学システム１に媒体を供給するため、および電気化学システム１から媒体を排出するために使用される。
通過口１０ａ〜１０ｈを密閉するか、または通過口１０ａ〜１０ｈにより形成された媒体チャネルを密閉するために、セパレータプレート１０にビード構成が形成され、これらのビード構成は、通過口１０ａ〜１０ｈの周りに配置される。このように、セパレータプレート１０の、セパレータプレート１１とは反対方向を向いた第１の個別プレート１０'は、通過口１０ａ〜１０ｈの周りにビード構成１４ａ〜１４ｈを有する。ビード構成１４ａ〜１４ｈは、いずれの場合も、通過口１０ａ〜１０ｈを完全に取り囲む。セパレータプレート１０の、セパレータプレート１１の方を向いており、図２では視界から隠れている第２の個別プレート１０''は、対応するビード構成を通過口１０ａ〜１０ｈの周りに有する。セパレータプレート１０の更なるビード構成１５が、通過口１０ａ〜１０ｂ、１０ｄ〜１０ｆおよび１０ｈを完全に取り囲む。
ここで、セパレータプレート１０のビード構成はそれぞれ、個別プレート１０'、１０''と一体成形される。個別プレート１０'、１０''のビード構成は通常、個別プレートに一体的に形成、特に型打ちされる。ビード構成は、未圧縮状態の個別プレートに形成される。それぞれの高さは、わずか４５０μｍか、わずか４００μｍですらあり、個別プレート１０'、１０''の平らな表面に対して垂直に画定される。ここで、ビードの高さは、いずれの場合も、ビード頂部の方を向いた表面における、関連する個別プレートの平らな表面からビード頂部の最も高い箇所までの距離を表す。ビードの高さがこのように極めて低いと、システム１の積層体２のコンパクト化に有利に役立つ。
図２からは、セパレータプレート１０の第１の個別プレート１０'が、セパレータプレート１０の、第２の個別プレート１０''とは反対方向を向いたその前面に、反応媒体を導くための構造体１７を有することも分かる。構造体１７は多数のチャネルを含み、これらの多数のチャネルは個別プレート１０'に型打ちされる。構造体１７は、全ての側をビード構成１５で完全に取り囲まれ、その結果、ビード構成１５は、周囲環境に対して構造体１７を封止する。構造体１７は、個別プレート１０'の活性領域の一部である。この活性領域は、更なる電気化学電池の境界を定め、更なる電気化学電池は、セパレータプレート１０と更なるセパレータプレートとの間に配置され、更なるセパレータプレートは、図２には図示していないが、正のｚ方向７へセパレータプレート１０に直接隣接して配置される。セパレータプレート１０の第２の個別プレート１０''は、第１の個別プレート１０'とは反対方向を向いたその前面に、反応媒体を導くための構造体１７に対応する構造体を有する。
個別プレート１０'、１０''は、その間に冷却剤が通過するための空洞１８を内包するように形成および配置される。空洞１８は特に、個別プレート１０'、１０''の活性領域からの熱が、空洞１８を通じて誘導された冷却剤により放散され得るように、個別プレート１０'と１０''との間に配置される。
個別プレート１０'、１０''は、供給貫通部１９ａ〜１９ｈも有し、これらの供給貫通部は、ビード構成１４ａ〜１４ｈ、１５を通じた媒体（例えば、燃料、反応ガス、反応生成物または冷却剤）の通過または伝導を測定できるように設計される。供給貫通部１９ａ〜１９ｈのうちの幾つか、具体的に言うと供給貫通部１９ｃおよび１９ｇは、通過口１０ｃおよび１０ｇ（または、これらで形成された媒体チャネル）と、個別プレート１０'、１０''間の空洞１８との間の流体接続を生成する。供給貫通部のうちの幾つか、具体的に言うと供給貫通部１９ａおよび１９ｅは、通過口１０ａおよび１０ｅ（または、これらで形成された媒体チャネル）と、セパレータプレート１０の個別プレート１０'の活性領域の、見る人の方を向いた流れ場１７との間の流体接続を生成する。残りの供給貫通部１９ｂ、１９ｄ、１９ｆおよび１９ｈは、通過口１０ｂ、１０ｄ、１０ｆおよび１０ｈ（または、これらで形成された媒体チャネル）と、セパレータプレート１０の第２の個別プレート１０''の活性領域の、見る人とは反対方向を向いた流れ場との間の流体接続を生成する。以下の図を参照しながら、供給貫通部１９ａ〜１９ｈの詳細について説明する。
図３は、結合された金属個別プレート１０'、１０''を有するセパレータプレート１０の改変形態を示す。第１の個別プレート１０'の前面は、見る人の方を向いている。セパレータプレート１０の通過口１０ａ〜１０ｃは、通過口１０ａ〜１０ｃを封止するために通過口１０ａ〜１０ｃの周りに配置されるビード構成１４ａ〜１４ｃのように見え、これらのビード構成は、第１の個別プレート１０'に型打ちされる。第１の個別プレート１０'の活性領域を封止するためのビード構成１５を部分的に示す。図３に記載のセパレータプレート１０の実施形態は更に、分配構造体２０を有する。この分配構造体は、個別プレート１０'の前面に型打ちされた多数のチャネルを含み、個別プレート１０'の通過口１０ａと活性領域との間の流体接続を生成する。図３の活性領域は、このイメージの下縁部にある分配構造体２０に接続される。その一方で、ビード構成１４ａ〜１４ｃは、媒体を導くための、ビード構成１４ａ〜１４ｃを貫く供給貫通部１９ａ〜１９ｃを有し、通過口１０ｂの媒体、すなわち、ここでは特に冷却剤が、ビード１４ｂおよびビード１５の両方を通過せざるを得ないということは明白である。この媒体は、個別プレート１０'の、見る人とは反対方向を向いた側を連続的に誘導される。個別プレート１０'、１０''間の通過口１０ａからビード構成１４ａを横切る供給貫通部１９ａを通じて誘導された媒体は、開口部３３（例えば、図６ａから図８ｂを参照）を介して、見る人の方を向いた分配構造体２０に入る。セパレータプレート１０の反対側の面にある分配構造体（視認不可）から排出された媒体は、第２の個別プレート１０''に形成された開口部を通って個別プレート１０'、１０''間のガイドチャネルに入り、供給貫通部１９ｃを介してビード１４ｃを横断し、通過口１０ｃに流れ込む。
図４ａは、セパレータプレート１０の詳細を斜視図で示す。第１の個別プレート１０'に型打ちされたビード構成１４ａは、２つのビード側面２１、２２およびビード頂部２３を有する。個別プレート１０'の、第２の個別プレート１０''の方を向いた裏面では、ビード側面２１、２２とビード頂部２３との間にビード内部２４が配置され、ビード内部２４はビード側面２１、２２とビード頂部２３により境界を定められる。通過口１０ａの方を向いたビード側面２１は、媒体を導くための、ビード側面２１を貫く複数の開口部２５を有する。通過口１０ａは、開口部２５を介してビード内部２４と流体的に接続される。通過口１０ａとは反対方向を向いたビード側面２２は、媒体を導くための、ビード側面２２を貫く開口部２６を有する。
開口部２６は、ビード構成１４ａの、第２の個別プレート１０''とは反対方向を向いた外部でガイドチャネル１２７に接続される。これらのガイドチャネルは本発明に係るものではなく、開口部２６を介してビード内部２４と流体的に接続される。このように、媒体チャネル１０ａ内を誘導された媒体が、ビード構成１４ａを貫く、開口部２５、ビード内部２４、開口部２６およびチャネル１２７を介して誘導されてよく、例えば、矢印をもって示すように、個別プレート１０'の活性領域内へ選択的に誘導されてよい。本発明に係らないガイドチャネル１２７は一定の高さを有し、個別プレート１０'のガイドチャネル１２７の高さは、いずれの場合も、個別プレート１０'の平らな表面からチャネル頂部３０までの距離で示される。図４ｂは、図４ａに記載のビード構成１４ａの断面図を示す。切断面はｘ−ｚ面に沿って配向され、本発明に係らないガイドチャネル１２７を通って長手方向に延びる。
システム１のセパレータプレートの積層体２を可能な限りコンパクトにするために、セパレータプレート１０のビード構成１４ａおよび残りのビード構成を可能な限り平らに形成することが望ましい。しかし、ビード側面２１、２２の開口部２５、２６が、ビード構成１４ａの安定性および復元力、ひいては封止効果に支障を来し得る。これは、必要に応じて開口部２５、２６をより小さくすることで相殺され得る。しかしこのようにサイズを小さくすると、ビード構成を通る媒体の流量を不必要に減らすことにもつながる。
図５ａは、本発明に係らないビード供給貫通部の平面図を示す。特に、図５ａに記載のビード供給貫通部は、一定の高さおよび幅を有する、本発明に係らないガイドチャネル１２７を有する。図５ｂおよび図５ｃはそれぞれ、図５ａに記載した構成の断面図を２つずつ示す。これらの切断面は、いずれの場合も、個別プレート１０'の平らな表面に対して垂直に、ビード構成１４ａの直線状の広がりに対して垂直に延びる。切断面は、図５ａに示す直線Ａ−Ａに沿って延びる。図５ｂおよび図５ｃの上側のイメージは、いずれの場合も、未圧縮状態のセパレータプレート１０を示す。図５ｂおよび図５ｃの下側のイメージは、いずれの場合も、圧縮状態のセパレータプレート１０を示す。ここでは、セパレータプレート１０の平らな表面に対して垂直に、または個別プレート１０'、１０''の平らな表面に対して垂直に、ビード構成１４ａへかかる力を矢印４４で示す。
図５ｂおよび図５ｃの下側のイメージは、個別プレート１０'、１０''が圧縮中にビード構成１４ａから離れた所にある領域４６において互いに離れて広がり、その結果、個別プレート１０'が領域４６においてビード構成１４ａの高さ４５より上へ部分的に突出しているのを示す。この場合は、例えば、積層体２の、隣接するセパレータプレート間に配置される膜電極ユニット１２が損傷を受け得る。
この悪影響は、図５ｂに記載の構成において特に非常に顕著である。図５ｂの例示的な実施形態では、チャネル１２７間の領域において、セパレータプレート１０の２つの個別プレート１０'、１０''間に形成された接続部はない。図５ｃに記載の構成では、隣接するチャネル１２７間に配置されるセパレータプレート１０の平面領域３４において、一体的に接合された接続部４３がセパレータプレート１０の個別プレート１０'、１０''間に部分的に形成される。図５ａでは例として、一体的に接合されたこれらの接続部４３のうちの１つの位置に重点が置かれている。例えば、一体的に接合された接続部４３は、接着接合された接続部、半田付けされた接続部、または、溶接された接続部、特にレーザ溶接で生成された接続部であってよい。図５ｂおよび図５ｃのイメージの比較からは、個別プレート１０'、１０''が互いに反対方向へ離れて広がるという現象を、図５ｃに記載の一体的に接合された接続部４３により抑制できることが分かる。しかし図５ｃに記載の構成であっても、ビード構成を圧縮した結果として領域４６にかかるテコの力はまた、依然として、個別プレート１０'が領域４６においてビード構成１４ａの高さ４５より上へ部分的に突出するほどの大きさである。以下では例として、セパレータプレート１０の個別プレート１０'のビード構成１４ａを貫通するビード供給貫通部１９ａに関して、図６ａから図９ｄを参照しながら、図２および図３に記載のビード構成１４ａ〜１４ｈ、１５を貫通する供給貫通部１９ａ〜１９ｈの、本発明に係る実施形態について述べる。この実施形態によれば、ビード構成１４ａ〜１４ｈ、１５の安定性および復元力に支障を来すことなく、ビード構成１４ａ〜１４ｈ、１５を貫通する媒体の流量を十分に大きくすることができる。
このように、図６ａは、図５ａとは対照的な、本発明に係るビード供給貫通部１９ａの実施形態を示す。ここでは、本発明に係る複数のガイドチャネル２７がビード構成１４の両側でビード側面２１、２２に接続される。ガイドチャネル２７はここでも、ビード側面２１の開口部２５、およびビード側面２２の開口部２６を介してビード内部２４と流体的に接続される。分かりやすくするために、ここでは開口部２５、２６を別々に示していない。既に述べたように、ガイドチャネル２７の高さは、ビード構成１４ａの方向に向かって、いずれの場合も、少なくとも部分的に、ここでは特に直線的に増大する。例えば、図６ａに記載のガイドチャネル２７はそれぞれ、図５ａに示したガイドチャネル１２７と同様に形成される。
図６ａからは、個別プレート１０'の平らな表面と平行に画定される、ガイドチャネル２７の幅がビード構成１４ａの方向に向かって少なくとも部分的に減少することも分かる。ここでのガイドチャネル２７はそれぞれ、ビード側面２１、２２から扇状に広がる。このように、ビード構成１４ａの直線と平行に画定される、ガイドチャネル２７の幅は、ビード構成１４ａの方向に向かって局所的に直線的に減少する。例として、ビード構成１４ａから第１の距離を置いた所にある、ガイドチャネル２７の第１の幅３１'と、ビード構成１４ａから第２の距離を置いた所にある、同じガイドチャネル２７の第２の幅３１''とを示す。ここでは、第１の距離が第２の距離よりも短く、第１の幅３１'が第２の幅３２''よりも短い。
ガイドチャネル２７の幅は、いずれの場合も、ガイドチャネル２７の高さがビード構成１４ａの方向に向かって増大するのとほぼ同じ程度までビード構成１４ａの方向に向かって減少し、その結果、ガイドチャネルの断面領域が、ガイドチャネル２７の広がりに沿ってほぼ一定となる。例えば、ガイドチャネル２７は、その断面領域がガイドチャネル２７の広がりの、少なくとも真ん中２５％に沿って、好ましくはその広がりの真ん中３分の１に沿って、最大２０％または最大１５％だけ変化するように設計される。
図６ａに記載のガイドチャネル２７は、その高さがビード構成１４ａから離れるにつれて少なくとも部分的に減少するように設計されているため、ビード構成１４ａが圧縮された際に、個別プレート１０'、１０''がビード構成１４ａの高さ４５を超えて、ビード構成１４ａから離れた所にある領域４６へと突出するのを有利にも防ぐ。特に、図６ａに記載のガイドチャネル２７の、本発明に係る実施形態は、個別プレート１０'、１０''の平らな表面に対して垂直な領域４６における、個別プレート１０'、１０''間の距離がより短いことを意味する。このように、ガイドチャネル２７の、本発明に係る実施形態では、ビード構成１４ａが圧縮された際に、個別プレート１０'、１０''が互いに反対方向に離れて領域４６内へ広がるという現象が防止される。図６ａに記載のガイドチャネルは更に、その幅３１'、３１''がビード構成１４ａから離れるにつれて増大するように設計される。そのため、ガイドチャネルを通じた流体輸送に支障を来さない。
図５ｃを参照しながら既に説明したように、個別プレート１０'、１０''が離れて領域４６内へ広がるという現象は、一体的に接合された接続部を局所的に、隣接するガイドチャネル２７間の領域３４のうちの少なくとも幾つかにおいて形成することを更に行うことによって防止され得る。図６ａには例として、一体的に接合されたこの種の接続部４３の位置を示す。例えば、接続部は、接着接合された接続部、半田付けされた接続部、または、溶接された接続部、特にレーザ溶接で生成された接続部であってよい。図６ｃの実例は、ガイドチャネル２７の、本発明に係る実施形態により、隣接するガイドチャネル２７間の領域３４における個別プレート１０'、１０''間に一体的に接合された接続部４３を更に形成することにより、ビード構成１４ａの圧縮中に領域４６で個別プレート１０'、１０''が変形するのを、完全に、またはほぼ完全に回避できることを示す。
一方、図６ｂでは、ガイドチャネル２７間に一体的に接合された接続部はないが、それでもなお、実際上は個別プレート１０'、１０''が離れて広がるという現象が抑制されている例を示す。
その一方で、図７ａから図７ｅは、個別プレート１０'のビード構成１４ａを貫通する、本発明に係る供給貫通部１９ａの改変形態を示す。図７ａから図７ｄに記載のビード供給貫通部１９ａは、図６ａに記載のビード構成１４ａが直線状に延びる一方で、図７ａから図７ｅに記載のビード構成１４ａはそれぞれが、少なくとも部分的に、波状の、特に正弦曲線状の広がりを有するという点で、図６ａに記載のビード供給貫通部１９ａとは異なる。
図７ａのビード供給貫通部１９ｂは、通過口１０ｂの方を向いたビード側面２１においてのみ、本発明に係るガイドチャネル２７を有し、これらのガイドチャネルはそれぞれ、ビード側面２１に接続される。単に分かりやすくするために、図７ａから図７ｄでは、ビード側面２１、２２の開口部２５、２６を別々に示していない。図７ａのガイドチャネル２７は、ビード側面２１の開口部２５を介して、ビード内部２４と流体的に接続される。ガイドチャネル２７の高さは、ビード構成１４ｂの方向に向かって部分的に直線的に増大する。ガイドチャネル２７の幅は、ビード構成１４ｂの方向に向かって同じ程度まで減少し、その結果、ガイドチャネルはほぼ一定の横断面を有する。一方、一定の高さを有するガイドチャネル１２７が、通過口１０ｂとは反対方向を向いたビード側面２２に配置され、ビード内部２４と個別プレート１０'、１０''間にある前述の空洞１８との間に流体接続を生成する。図７ａのガイドチャネル２７は、半径３９の両側において、段のある端部３７を介して空洞１８へ移行する。ガイドチャネル２７は、通過口１０ａの方向に向かって、個別プレート１０'の、波底領域に突出する内縁部３８により境界を定められる。ガイドチャネルは、内縁部３８のこのコースの分だけ短くなり、このため、内縁部３８において個別プレート１０'、１０''が互いに反対方向に広がるという現象が更に抑制される。
図７ｂに記載のビード供給貫通部１９ａは、特に、本発明に係るガイドチャネル２７がビード側面２１、２２の両方に配置されるという点で、図７ａに記載のビード供給貫通部１９ｂとは異なる。ガイドチャネル２７の高さは、ビード構成１４ａの方向に向かって部分的に直線的に増大する。ガイドチャネル２７の幅は、ビード構成１４ａの方向に向かって同じ程度まで減少し、その結果、ガイドチャネルはほぼ一定の横断面を有する。ビード構成１４ａの、通過口１０ａとは反対方向を向いた側にあるガイドチャネル２７はそれぞれ、ビード構成１４ａとは反対方向を向いたその端部のそれぞれに入口または出口を有し、当該入口または出口は、個別プレート１０'における通過口３３の形態をとる。ガイドチャネル２７は、例えば、これらの開口部を介して、個別プレート１０'の活性領域と流体的に接続される。同様に、図７ｂにおける個別プレート１０'の内縁部３８は波状に延び、ビード構成１４ａおよび内縁部３８は同じ波長を有する。このように、ガイドチャネル２７の長さは全て等しく、ひいては、均一な状態が実現する。ここでの内縁部の波形は、ほぼ正弦波に相当するが、台形の内縁部分を規則的に並置することも考えられる。
図７ｃに記載のビード供給貫通部１９ａは、ガイドチャネル１２８がビード側面２２に配置され、ビード構成１４ａの方向に向かって少なくとも部分的に扇状に広がるという点で、図７ｂに記載のビード供給貫通部１９とは異なる。ガイドチャネル１２８の高さは、個別プレート１０'の平らな表面と平行に画定される、その幅がビード構成１４ａの方向に向かって増加するのと同じ程度までビード構成１４ａの方向に向かって減少し、その結果、ガイドチャネル１２８の断面領域は、その広がりに沿ってほぼ一定となる。
図７ｄに記載のビード供給貫通部１９ａは、一定の高さを有する直線状のガイドチャネル１２７がビード側面２２に配置されるという点で、図７ｂに記載のビード供給貫通部１９ａとは異なる。個別プレート１０'の内縁部３８は、ここでも波状の広がりを有する。しかし、図７ｄにおいて、内縁部３８の波状の広がりの波長は、ビード構成１４ａの波状の広がりの波長のちょうど半分に相当する。これにより、ガイドチャネル２７は特に短くなり、その結果、内縁部３８の領域において個別プレート１０'、１０''が離れて広がるという現象が更に抑制される。
図７ｅは更なる実施形態を示す。この実施形態は、流れ場１７または空洞１８内への移行領域に設けられた段３７がないという点で、図７ａの実施形態とは異なる。媒体はガイドチャネル１２７と流れ場１７との間を直接移動する。図７ｄの例示的な実施形態において、通過口１０ｂの縁部は、通過口１０ａの縁部と同等に形成される。
図７ａから図７ｅの実施形態において、本発明に係るガイドチャネル２７はそれぞれ、ビード構成１４ａの波状の広がりの変曲点の領域においてビード側面へ移行する。
図８ａおよび図８ｂは、図７ｂに記載のビード供給貫通部１９ａを斜視図で示す。第１の個別プレート１０'に加えて、第２の個別プレート１０''も示され、第２の個別プレート１０''は、第１の個別プレート１０'に接合されてセパレータプレートまたは双極プレート１０を形成する。ビード供給貫通部１９ａの３次元構造を示すために、図８ａおよび図８ｂには、イメージの下端部において切断されたセパレータプレート１０を示してある。セパレータプレート１０は、いずれの場合も、異なる箇所で切断されている。どちらの場合も、切断面はセパレータプレート１０の平らな表面（ｘ−ｙ面）に対して垂直に、かつ、ビード構成１４ａの広がりとほぼ垂直に延びる。図９ａの切断面は、イメージの下縁部において、本発明に係る２つのガイドチャネル２７の長手方向に沿って延びる。一方、図９ｂの切断面は、イメージの下縁部において、隣接する２つのガイドチャネル２７間の領域で延びる。図９ａからは、ガイドチャネル２７の、ビード構成１４ａとは反対方向を向いた端部にある通過口１０ａと入口または出口３３とが、いずれの場合も、イメージの上側半分において、ビード構成１４ａの両側にあるガイドチャネル２７と、ビード側面２１と２２の開口部２５、２６と、ビード内部２４とを介して流体的に接続されることが明確に分かる。
図９ａから図９ｄはそれぞれ、ビード構成１４ａを貫通するビード供給貫通部１９ａの様々な実施形態の断面図を示す。切断面は、個別プレート１０'の平らな表面に対して垂直に、かつ、ビード構成１４ａの広がる方向に対して垂直に配向される。いずれの場合も、ビード側面２１、２２、およびビード側面２１と２２との間に配置されるビード頂部２３を有するビード構成１４ａを示す。ビード側面２１、２２およびビード頂部２３は、個別プレート１０'の、第２の個別プレート１０''の方を向いた裏面にビード内部２４を内包する。開口部２５、２６はビード側面２１、２２に配置され、ここでは矢印で示される。ビード側面２１の開口部２５は、ビード側面２１を通じて媒体（例えば、燃料、反応ガス、反応生成物または冷却剤）を導くのに使用される。ビード側面２２の開口部２６は、ビード側面２２を通じて媒体を誘導するのに使用される。
本発明に係らないガイドチャネル１２７は、ビード構成１４ａの左側外部において開口部２５に接続される。ビード内部２４は、開口部２５およびガイドチャネル１２７を介して、通過口１０ａへ、または通過口１０ａにより形成された媒体チャネルと流体的に接続される。本発明に係らないガイドチャネル１２７は、ｘ方向８に沿って一定の高さを有する。本発明に係るガイドチャネル２７は、ビード構成１４ａの右側外部において開口部２６に接続される。ビード内部２４は、開口部２６と、本発明に係るガイドチャネル２７と、セパレータプレート１０の２つの個別プレート１０'、１０''のうちの一方にある開口部３３とを介して、個別プレート１０'の前面にある、個別プレート１０'の活性領域と流体的に接続される。例えば、ビード内部２４は、開口部２６と、本発明に係るガイドチャネル２７と、開口部３３とを介して、個別プレート１０'の前面にある前述の構造体１７と流体的に接続される（図２参照）。代替的な実施形態（図示せず）において、ガイドチャネル２７は、ビード内部２４と前述の空洞１８との間にも流体接続を生成し得る。空洞１８は、セパレータプレート１０の個別プレート１０'、１０''間に配置され、冷却剤が個別プレート１０'、１０''間を通過できるように設計される。その結果、ここでは開口部３３なしで済ませる。このように、媒体はガイドチャネル１２７、開口部２５、ビード内部２４、開口部２６およびガイドチャネル２７を介して、ビード構成１４ａを誘導され得る。
本発明に係るガイドチャネル２７は、いずれの場合も、ガイドチャネル２７の入口または出口からビード側面２２またはビード側面２２の開口部２６に至るまで延在する。この入口または出口は、例えば開口部として、ガイドチャネル２７の、ビード構成１４ａとは反対方向を向いた端部を形成する。ガイドチャネル２７が、ビード内部２４と冷却剤が通過するための空洞１８との間に流体接続を生成するとすれば、ガイドチャネル２７は、ビード構成１４ａとは反対方向を向いたその端部に個別プレート１０'の通過口を有さない。なぜなら、この場合は、個別プレート１０'の前面にある活性領域へ冷却剤が入るべきではないからである。その結果、ガイドチャネル２７の、ビード構成１４ａとは反対方向を向いた端部は、例えば、ガイドチャネル２７の高さの段状変化により生じ得る。
ガイドチャネル２７は、個別プレート１０'の一部として形成されるか、または個別プレート１０'と一体成形される。例えば、ガイドチャネル２７は、個別プレート１０'に一体的に形成、特に型打ちされる。ビード構成１４ａおよびガイドチャネル２７は、通常両方とも、個別プレート１０'と一体成形され、そこに型打ちされる。ガイドチャネル１２７も個別プレート１０'と一体成形され、そこに型打ちされる。
本発明に係るガイドチャネル２７は、本発明に係るガイドチャネル２７の高さがビード構成１４ａの方向に向かって少なくとも部分的に増大するという点で、本発明に係らないガイドチャネル１２７とは異なる。ガイドチャネル２７の高さは、個別プレート１０'の平らな表面４１からガイドチャネル２７のチャネル頂部３０までの距離で示される。図９ａから図９ｄの例示的な実施形態には、ビード側面２２の最下部４２の領域における、ガイドチャネル２７の第１の高さ３２'と、ガイドチャネル２７の、ビード構成１４ａとは反対方向を向いた端部の領域における、ガイドチャネル２７の第２の高さ３２''とを示す。ここでの端部は、個別プレートのうちの一方にある開口部３３により形成される。第２の高さ３２''は、いずれの場合も、第１の高さ３２'よりも低い。ガイドチャネル２７の第１の高さ３２は、ビード構成１４ａから第１の距離を置いて画定される。ガイドチャネル２７の第２の高さ３２''は、ビード構成１４ａから第２の距離を置いて画定される。第１の距離は、いずれの場合も、第２の距離より短い。ビード構成１４ａからの距離は、例えば、いずれの場合も、ビード側面２２の最下部４２から最も短い距離、またはビード頂部２３から最も短い距離で示される。
図９ａから図９ｄの例示的な実施形態において、ガイドチャネル２７の高さは、ガイドチャネル２７の、ビード構成１４ａとは反対方向を向いた端部からビード最下部４２に向かって、いずれの場合も単調に増大する。ガイドチャネル２７の高さは、ビード最下部４２に向かって、部分的に、特に部分４０において極めて単調に増大する。図９ａ、図９ｂおよび図９ｄにおいて、部分４０におけるガイドチャネル２７の高さは、ビード構成１４ａの方向に向かって直線的に増大する。図９ｃにおいて、部分４０におけるガイドチャネル２７のチャネル頂部３０は、ビード構成１４ａの方向に向かって凸状に湾曲する。ビード最下部４２におけるガイドチャネル２７の高さ３２'は、いずれの場合も、ガイドチャネルの、ビード構成１４ａとは反対方向を向いた端部３３における高さ３２''より、少なくとも１０％または少なくとも２０％高い。
開口部２６およびビード側面２２は、ガイドチャネル２７がビード側面２２へ移行する所であって、個別プレート１０'の平らな表面４１に対して垂直に、すなわち、図９ａから図９ｄで言うと、ｚ方向７に沿って、いずれの場合も、未圧縮状態にあるビード構成１４ａの高さの最大９０％、好ましくは最大８５％の高さにまで達する。ここでのビード構成１４ａの高さは、個別プレート１０'の平らな表面４１からビード頂部２３までの距離で示される。ガイドチャネル２７の、ビード構成１４ａとは反対方向を向いた端部における、ガイドチャネルの入口または出口３３は、個別プレート１０'の平らな表面４１に対して垂直に、いずれの場合も、ビード構成１４ａの高さの最大７０％の高さにまで達する。図９ａから図９ｄにおいて、ガイドチャネル２７の端部における高さは、いずれの場合も、ビード構成１４ａの高さの５０％未満ですらある。
図１０ａから図１０ｆは、図６ａから図８ｂの本発明に係るガイドチャネル２７の異なる実施形態の断面図を示す。切断面はいずれの場合も、個別プレート１０'の平らな表面に対して垂直に、かつ、媒体がガイドチャネル２７を流れる方向に対して垂直に配向される。このように、切断面はいずれの場合も、ガイドチャネル２７の断面領域が最小限となるように配向される。
図１０ａにおけるガイドチャネル２７の横断面は、直線状の斜め側面２８、２９と、直線状のチャネル頂部３０とを有する台形である。図１０ｂの斜め側面２８、２９は直線状であり、チャネル頂部３０は内部に向かって凹状に湾曲している。図１０ｃの斜め側面２８、２９は直線状であり、チャネル頂部３０は幾つかの短い直線状の部分に分かれている。その結果、チャネル頂部３０は、斜め側面２８、２９と比べて平坦である。図１０ｄは、直線状の斜め側面２８、２９と、凸状に湾曲した丸みのあるチャネル頂部３０とを示す。ここでは、チャネル頂部３０の湾曲が直線状の斜め側面２８、２９へと滑らかに、すなわち角のない状態で移行する。図１０ｅは、直線状の斜め側面２８、２９と、凸状に湾曲したチャネル頂部３０とを示す。ここでは、チャネル頂部３０の湾曲が斜め側面２８、２９へと移行する部分に角がある。図１０ｆは、完全に丸みのある横断面を示す。チャネル頂部３０および斜め側面は両方とも、少なくとも局所的に凸状に湾曲し、角がない状態で互いの間を移行する。
ビード構成は原則として、図１０ａから図１０ｆに示すような横断面を有してもよい。その場合は、ビード内部２４、斜め側面２８、２９およびビード側面２１、２２がガイドチャネル２７に対応し、ビード頂部２３がチャネル頂部３０に対応する。高さ（通常は幅も）は概して、ビード１４の場合の方がガイドチャネル２７の場合よりも大きい。
一方、図１１ａから図１１ｅは、図６ａから図８ｂの本発明に係るガイドチャネル２７の様々な実施形態の断面図を示す。切断面はここでも、個別プレート１０'の平らな表面に対して垂直に、かつ、媒体がガイドチャネル２７を流れる方向に対して垂直に配向される。ここで、図１１ａから図１１ｅはそれぞれ、同じガイドチャネルの、ビード構成１４ａからの距離が異なる２つの断面を示す。ここでは、同じガイドチャネル２７の横断面の幾何学的形状がその広がりに沿って変わり得ることが分かる。例えば、図１１ｄのガイドチャネル２７の横断面の形状は、凸状に湾曲した形状から台形形状へ移行する。図１１ｂは、ガイドチャネル２７が非対称的に形成され得ることを示す。
特定のガイドチャネル２７の最大高さ３２''および最小高さ３２'も示す。単に分かりやすくするために、チャネル２７の、関連付けられた幅３１''、３１'は示していない。いずれの場合も、高さのより高い横断面は、高さのより低い横断面よりもビード構成１４ａからの距離が短い。図１１ａから図１１ｅでこうして明確に分かるように、ガイドチャネル２７の高さの半分の所でいずれの場合も画定される、ガイドチャネル２７の幅は、ビード構成１４ａの方向に向かって減少し、その一方で、ガイドチャネル２７の高さ３２は、ビード構成１４ａの方向に向かって増大する。しかしここで、ガイドチャネル２７の横断面の形状は、いずれの場合も、断面領域がチャネルの広がりに沿っていずれの場合も最大２０％、好ましくはいずれの場合も１０％未満だけ変化するように変化する。

Claims (26)

  1. 媒体を供給または排出するための媒体チャネルを形成する少なくとも１つの通過口と、
    前記通過口の封止を目的として前記少なくとも１つの通過口の周りに配置される少なくとも１つのビード構成であって、前記ビード構成の側面のうちの少なくとも一方は、媒体を導くための、ビード側面を貫く少なくとも１つの開口部を含む、少なくとも１つのビード構成と、
    前記ビード構成の外部で前記ビード側面の前記開口部に接続され、前記ビード側面の前記開口部を介してビード内部と流体的に接続される少なくとも１つのガイドチャネルとを備え、
    前記ガイドチャネルは、セパレータプレートの平らな表面に対して垂直に画定される、前記ガイドチャネルの高さが少なくとも部分的に前記ビード構成の方向に向かって増大するように設計される、電気化学システム用セパレータプレート。
  2. 前記ガイドチャネルは、前記ガイドチャネルの断面領域が前記ガイドチャネルの広がりの真ん中２５％に沿って、好ましくは前記ガイドチャネルの前記広がりの真ん中３分の１に沿って、最大２５％、好ましくは最大２０％、特に好ましくは最大１５％だけ変化するように設計され、前記ガイドチャネルの、前記ビード構成とは反対方向を向いた端部から前記ビード側面の前記開口部まで延在する、請求項１に記載の電気化学システム用セパレータプレート。
  3. 前記ガイドチャネルは、前記セパレータプレートの前記平らな表面と平行に画定される、前記ガイドチャネルの幅が前記ビード構成の前記方向に向かって少なくとも部分的に減少するように設計される、請求項１または２に記載の電気化学システム用セパレータプレート。
  4. 前記ガイドチャネルは、前記ガイドチャネルの前記高さが、前記ガイドチャネルに沿って単調に増大するように設計される、請求項１から３のいずれか一項に記載の電気化学システム用セパレータプレート。
  5. 前記ガイドチャネルは、前記ガイドチャネルの前記高さが直線的に増大するように設計される、請求項１から４のいずれか一項に記載の電気化学システム用セパレータプレート。
  6. 前記ガイドチャネルは、前記ガイドチャネルの幅が前記ガイドチャネルに沿って、前記ビード側面から距離を置いて配置される前記ガイドチャネルの長さの少なくとも６０％にわたって、単調に減少するように設計される、請求項３から５のいずれか一項に記載の電気化学システム用セパレータプレート。
  7. 前記ガイドチャネルは、前記ガイドチャネルの前記高さが前記ガイドチャネルに沿って、少なくとも１０％、好ましくは少なくとも２０％だけ増大するように設計される、請求項１から６のいずれか一項に記載の電気化学システム用セパレータプレート。
  8. 前記ビード構成の未圧縮状態において、前記ビード側面の前記開口部は、前記セパレータプレートの前記平らな表面に対して垂直に、前記ビード構成の前記高さの最大９０％、好ましくは最大８５％の高さにまで達する、請求項１から７のいずれか一項に記載の電気化学システム用セパレータプレート。
  9. 前記ビード構成の未圧縮状態において、前記ガイドチャネルは、前記ガイドチャネルの、前記ビード構成とは反対方向を向いた端部を形成する、前記ガイドチャネルの入口または出口が前記セパレータプレートの前記平らな表面に対して垂直に、前記ビード構成の前記高さの最大８０％、好ましくは最大７０％の高さにまで達するように設計される、請求項１から８のいずれか一項に記載の電気化学システム用セパレータプレート。
  10. 前記ガイドチャネルは、少なくとも幾つかの区間において、長方形の横断面、台形の横断面、または少なくとも部分的に丸みのある横断面を有する、請求項１から９のいずれか一項に記載の電気化学システム用セパレータプレート。
  11. 前記ガイドチャネルは、前記ガイドチャネルの頂部が前記ビード構成の前記方向に向かって、少なくとも部分的に凸状に湾曲するように設計される、請求項１から１０のいずれか一項に記載の電気化学システム用セパレータプレート。
  12. 前記セパレータプレートの、前記通過口の境界を定める内縁部が少なくとも部分的に波状に延在する、請求項１から１１のいずれか一項に記載の電気化学システム用セパレータプレート。
  13. 前記ビード構成は、少なくとも幾つかの区間において波状に延在し、前記ビード構成の波状に延在する少なくとも１つの部分が、少なくとも２つの波長にわたって延在する、請求項１から１２のいずれか一項に記載の電気化学システム用セパレータプレート。
  14. 前記開口部は、前記ビード構成の波状に延在する前記部分の変曲点の領域において、前記ビード構成の前記外部において前記ガイドチャネルで接続された前記ビード側面に配置される、請求項１３に記載の電気化学システム用セパレータプレート。
  15. 内縁部の波状に延在する部分は、前記ビード構成の波状に延在する前記部分と前記通過口との間に配置され、前記セパレータプレートの、前記通過口の境界を定める内縁部の波状に延在する前記部分の第１の波長λ１、および前記ビード構成の波状に延在する前記部分の第２の波長λ２について、λ２＝λ１またはλ２＝２・λ１が成り立つ、請求項１２から１４のいずれか一項に記載の電気化学システム用セパレータプレート。
  16. 互いに接続された２つの個別プレートを有する双極プレートとして形成され、前記ビード構成および前記ガイドチャネルは、前記個別プレートのうちの少なくとも一方に形成される、請求項１から１５のいずれか一項に記載の電気化学システム用セパレータプレート。
  17. 前記ビード構成の前記側面のうちの少なくとも一方は複数の開口部を有し、前記複数の開口部はそれぞれ、前記ビード構成の前記外部において別個のガイドチャネルで接続され、前記別個のガイドチャネルの前記高さは、少なくとも幾つかの区間において前記ビード構成の前記方向に増大し、前記個別プレート間の一体的に接合された接続部が、互いに直接隣接して配置される前記ガイドチャネルのうちの少なくとも幾つかの間に形成される、請求項１６に記載の電気化学システム用セパレータプレート。
  18. 一体的に接合された前記接続部は、半田付けされた接続部、接着接合された接続部、または、溶接された接続部、特にレーザ溶接で生成された接続部である、請求項１７に記載の電気化学システム用セパレータプレート。
  19. 前記個別プレートは、金属、好ましくはステンレス鋼で形成され、前記個別プレートの前記平らな表面に対して垂直に画定される、前記個別プレートの厚みはいずれの場合も、５０μｍから１５０μｍの間、好ましくは７０μｍから１１０μｍの間である、請求項１６から１８のいずれか一項に記載の電気化学システム用セパレータプレート。
  20. 前記個別プレートは、冷却剤が通過するための空洞を内包する、請求項１６から１９のいずれか一項に記載の電気化学システム用セパレータプレート。
  21. 冷却剤が通過するための前記空洞は、前記ビード内部と流体的に連通している、請求項２０に記載の電気化学システム用セパレータプレート。
  22. 個別プレートのうちの少なくとも一方は、他方の個別プレートとは反対方向を向いたその表面に、反応媒体を誘導するための構造体を有し、反応媒体を誘導するための前記構造体は、前記個別プレートの開口部の形態をとる、前記ガイドチャネルの少なくとも１つの入口または出口を介して、前記ビード内部と流体的に連通している、請求項１から２１のいずれか一項に記載の電気化学システム用セパレータプレート。
  23. 前記開口部および前記ガイドチャネルは、前記ビード構成の、前記セパレータプレートの前記通過口とは反対方向を向いた側面と、前記ビード構成の、前記セパレータプレートの前記通過口の前記方向を向いた側面とのうちの少なくとも一方に配置される、請求項１から２２のいずれか一項に記載の電気化学システム用セパレータプレート。
  24. 前記ビード構成が、少なくとも幾つかの区間において、前記ビード側面がそれぞれ、前記セパレータプレートの前記平らな表面に対して垂直に配向される垂直方向と７０度未満、好ましくは６０度未満、特に好ましくは５０度未満の角度をなすように形成されており、ビード頂部は、前記ビード頂部が凸状に湾曲しているという点で、前記ビード側面よりも低い剛性を有する、請求項１から２３のいずれか一項に記載の電気化学システム用セパレータプレート。
  25. 未圧縮状態にある前記ビード構成の高さが８００μｍ未満、好ましくは６００μｍ未満または５００μｍ未満、特に好ましくは４５０μｍ未満である、請求項１から２４のいずれか一項に記載の電気化学システム用セパレータプレート。
  26. 請求項１から２２のいずれか一項に記載の電気化学システム用セパレータプレートを複数備える電気化学システム、特に燃料電池システム、電気化学コンプレッサ、燃料電池システム用加湿装置または電気分解装置であって、前記セパレータプレートの前記通過口は、媒体を供給または排出するための少なくとも１つの媒体チャネルを形成する、電気化学システム。
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