JP6501429B2 - セパレータプレートおよび電気化学システム - Google Patents

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Description

本発明は、電気化学システム用のセパレータプレート、およびそのような電気化学システムに関する。
セパレータプレートは、例えば、水素および酸素から電気エネルギーが得られる燃料電池システムに用いられ得る。セパレータプレートは、水素および酸素が電位の印加により水から生成される電気分解装置にも用いられ得る。同じく、セパレータプレートは、電位の印加による酸化／還元に起因して膜を通じて水素分子が運ばれ、同時に圧縮される電気化学コンプレッサに用いられ得る。その上、セパレータプレートは、電気化学システムに供給される乾燥ガスが、大抵は電気化学システムの排出ガスである湿性ガスにより加湿される、電気化学システム用の加湿器にも用いられ得る。
通常、電気化学システム用のセパレータプレートは、２つの金属個別プレートを含むプレートのペアを備える。それぞれの場合において、２つのセパレータプレートは、電気化学セル、例えば燃料電池を囲み、この電気化学セルと隣の電気化学セルとを画定する。ここで、電気化学システムでは、多数の、例えば最大２００個の電気化学セルのほとんどは、セルがその後それぞれセパレータプレートにより互いに隔てられるように、積層体となるよう直列に積層される。セル自体は通常、ＭＥＡ（膜電極アセンブリ）とも呼ばれる膜電極アセンブリ／ユニット、およびそれぞれの場合において、例えばＭＥＡの両側の導電性炭素不織布から成るガス拡散層（ＧＤＬ）から成る。完成した積層体は、クランプシステムを介して２つのエンドプレートの間でまとめて保持され、予め定められた押圧が与えられる。加湿器の場合、セルは、膜だけから成るが、場合によっては、支持媒体、およびＧＤＬと比較され得るが導電性を有している必要はない多孔質構造を備える。
電気化学システムにおいて、電気化学セルを互いに分離することの他に、セパレータプレートはさらなる機能を果たす。一方では、これらは、異なる電気化学セルの電極を電気的に接触させること、およびそれぞれの隣接するセルに電流を導くことであり、他方では、セルに作動媒体を供給すること、反応生成物を除去すること、さらには、電気化学セルを冷却すること、廃熱を前方に運ぶこと、ならびに、２つの異なる作動媒体および冷却剤の区画を互いに、かつ、外側に対してシーリングすることである。
通常、一方ではとりわけ水素またはメタノール用、他方ではとりわけ空気または酸素用および冷却剤用であり、大抵は脱塩水と不凍剤との混合物である作動媒体用の貫通開口が、電気化学セルの供給のために、セパレータプレートの金属個別プレートの両方にそれに応じて形成される。作動媒体および冷却剤は以下、媒体と総称される。その上、分配構造が、２つの金属個別プレートのそれぞれに形成され、２つの個別プレートの両面にチャネルが形成される。作動媒体がセパレータプレートの外側向き表面のそれぞれで送られ、冷却剤は２つの金属個別プレートの間の中間スペース内で送られる。作動媒体がチャネル構造内において導かれる領域は、セパレータプレートの電気化学的活性領域とも称される。分配構造のそれぞれは、貫通開口の少なくとも２つと、具体的には、それぞれの流体の少なくとも１つの入口および少なくとも１つの出口と連通する。金属個別プレートのそれぞれは、電気化学的活性領域または貫通開口のそれぞれの縁から離れたシーリング構造により、異なる媒体領域を互いに、かつ、外側に対してシーリングするよう、少なくとも、セパレータプレートの電気化学的活性領域の周りで、かつ、貫通開口の周りで周囲が閉鎖されるよう、囲まれる。ここで、電気化学的活性領域のシーリングは、電気化学的活性領域を含む区画に対してそれら自体の周囲のシーリング構造によりシーリングされる貫通開口が、この領域の周りで周囲が閉鎖されたシーリング構造内に配置されるよう、実施され得る。
シーリング構造をセパレータ構造の金属個別プレート内に、具体的には、直線に延在するフルビードまたはハーフビードの形式でエンボス加工することが、独国特許出願公開第１０１５８７７２号明細書において既に提案されている。その時の期待を満たすシーリング結果は、実質的に正方形である基底面を有する、小〜中プレート数の小型のセパレータプレートの場合、同時にクランプ積層体が高くクランプされた状態で、これらの直線に並んだビードにより達成され得た。しかしながら、かなり細長いプレート基底面を有するセパレータプレートまたはより大きなセパレータプレート内で直線に延在するビードだと、シーリング結果は、既にほとんど満足できないものであった。直線に延びる長いビード部分だと、ビードは、隅角点からの距離が長くなるにつれその剛性を失い、関連する領域内で十分な復元力がなくなる。
国際公開第２００４／０３６６７７号において、少なくとも部分的に非直線の進路を有するフルビードとして設計されたシーリング要素により、これに対処する試みがなされた。これらは、一方では、両側で周期的に交互に厚さが増減するビードであり、他方では、部分的に波状進路全体を有するビードである。ここで、ビード側面の基底幅（波状ビードのそれぞれの中立線に対して右角度で測定される）は、波状部分における側面の進路全体で同一である。結果的に、異なる剛性および弾性を有する異なる内半径および外半径は、特に波のピークおよび波の谷の領域、すなわち頂点に形成される。それぞれの場合において、互いに反対に位置するビード側面に対して互いに反対に変わる、ビード頂部の接触領域における押圧の交互の均一性は、この理由で、両方のビード側面に沿って生じる。ここで、シーリング構造からビード剛性がより低い領域において媒体が流れてしまうリスク、つまり、セパレータプレートの内部に作動媒体が流れてしまうリスク、およびセパレータプレートの外部空間に冷却剤が流れてしまうリスクが存在する。一方、それぞれの媒体は、電気化学システムの動作が失われる。これは、電気化学システムの効率に関して許容できないことである。他方、冷却剤が作動媒体の領域に入り込んでしまうリスク、例えば、そこにある膜を損傷してしまうリスクが存在する。
積層体内に多数のセパレータプレートがあることに起因して、単一のセパレータプレートまたはセパレータプレートの単一の金属個別プレートにおいてその進路に沿ったシーリングビードの剛性および弾性の小さな差が、直列に接続／配置されたシーリングビードの弾性の非常に大きな差につながる。これにより、個々のセパレータプレートでの小さな差は、完成した積層体の密閉性に著しい影響を及ぼす。
従って、本発明の目的は、シーリングに要求されている従来技術のシーリング配置に必要であるよりも著しく多くの構造空間を設けることなく電気化学セルの均一なシーリングを可能にするセパレータプレートを規定することである。セパレータプレートのコストは、従来技術のセパレータプレートのコストと同等のままであるべきである。これにより、製造方法コストおよび材料費がせいぜい微増に過ぎないようであるべきである。シーリングは、ブランチおよび連続部分がないシーリングシステムならびにブランチおよび／または連続部分があるシーリングシステムに適用可能であるべきである。
この目的は、請求項１および１８に記載のセパレータプレートならびに請求項２２に記載の電気化学システムにより達成される。さらなる発展結果は、従属請求項から確認され得る。
よって、本発明は、一方で、２つの金属個別プレートを備える電気化学システム用のセパレータプレートに関する。金属個別プレートは、作動媒体用および適宜冷却剤用の貫通開口、ならびに金属個別プレートに形成され、かつ、それぞれ貫通開口の少なくとも２つと連通する分配構造をそれぞれ備える。周囲のシーリング構造は、少なくとも、電気化学的活性領域の周囲で、かつ、電気化学的活性領域から離れて、および／または貫通開口の少なくとも１つの周囲で、かつ、これらの貫通開口の縁から離れて、金属個別プレートのそれぞれに形成される。上記シーリング構造の断面は、ビード頂部、２つのビード側面、および少なくとも部分的に２つのビード足部を有する。ここで、画定線は、ビード頂部の両側に形成される。これらの線は、プレート面、この面に対して傾斜したビード側面、に平行に延びるビード頂部を画定し、大部分に存在している移行範囲を含む。ここで、必須であることは、ビード頂部からビード側面への移行部分で上側の内半径および外半径が形成され、かつ、ビード足部に下側の内半径および外半径が形成されるよう、シーリング構造が、少なくともそのビード頂部の領域において、かつ、少なくとも部分的に、凸部分および凹部分を含む少なくとも２つの波周期で波状に続くことである。従来技術とは異なる点は、ビード頂部の幅（ＷＤ）はその波状延在部の領域で一定であるが、２つのビード側面の少なくとも１つの基底幅（ＷＩ、ＷＡ）が変化するということである。これにより、完全なシーリング構造が、その潜在的に存在する直線領域でだけ均一なシーリング性質をするだけでなく、ビード頂部からそれぞれのビード側面への移行部分に少なくとも沿って、ビード頂部の波状進路の領域でも均一なシーリング性質／均一な剛性を有することが確実になる。
波状進路の凸部分および凹部分は、それぞれの場合において、変曲点で互いに合流する。主延在方向は、ビード頂部の波形に重なる。この主延在方向は、ビード頂部の中立線の変曲点の接続線から生じる。よって、凸部分は、１つの変曲点から、つまり、その変曲点でのビード頂部の中立線の接線に対する垂直線から、ビードの主延在方向からより大きく突出した頂点を越えて、次の変曲点に達し、凸部分は、変曲点から、つまり、その変曲点でのビード頂部の中立線の接線に対する垂直線から、ビードの主延在方向からより小さく突出した頂点を越えて、次の変曲点に達する。完全なシーリング構造については、中立線のそれぞれの地点での接線に対するそれぞれの垂直線が常に参照される。
ビード頂部の画定線の振幅はビード足部の進路の線の振幅と異なり得るが、波長は同一である。
上記は、ビード側面の少なくとも１つがビード頂部の波状進路の領域において連続部分を備える有利な実施形態にも当てはまる。上記連続部分は、頂部、２つの側面および２つの足部を有する。これらの連続部分は、連続部分の全高がシーリング構造の全高より低く、これにより、連続部分が実際のシーリング線に影響を及ぼさず、もしくは損なわず、または少しだけ影響したり損なったりするよう設計される。一方で、これらの連続部分は、媒体がシーリング線を横断して通過できるようにする機能を果たし得る。この目的で、連続部分は、両方のシーリング側面に設けられるのが好ましい。しかしながら、１つの側に連続部分を設けることも可能である。これらは、故に作動媒体または冷却剤の流れを最適に導くべく、そこを越えてビード頂部が突出する個別プレートの表面で、分配構造とシーリング構造との間の障壁を形成する。連続部分が媒体を通過させる機能を果たすか、障壁として機能するかに拘らず、これらの連続部分の少なくとも１つがシーリング構造の内部を分配構造の１つまたは作動媒体用もしくは冷却剤用の貫通開口の１つに接続することが好ましい。この他に、連続部分は、専ら支持構造または補剛構造としても機能し得、ここではほとんど、ビード頂部の幅の５倍より短い長さだけを有する。
連続部分の配置は、ここで有利に実施される。これにより、λがビード頂部の波形の周期長であり、ｎが自然数である場合、ビード側面での少なくとも２つの連続部分の互いまでの距離、好ましくは全ての連続部分の互いまでの距離はｎ×λ／２である。よって、連続部分は、例えば、ビード頂部が波状進路を有するシーリング構造の断面の各波の谷および／または各波のピークに存在し得る。しかしながら、連続部分は、波状構造の変曲点にも配置され得る。連続部分の数は、それぞれの適用例の目的、および全長、すなわち、ビード頂部の波状領域の波周期の数に関連する。
均一のシーリングについて、ビード側面の少なくとも１つの基底幅（ＷＡ、ＷＩ）が連続的に変化すれば有利である。これは、急激な変化は均一なシーリングを妨げるであろうためである。
既に説明した少なくとも１つのビード側面の基底幅の変化に加え、セパレータプレートのシーリングシステムがビード頂部の波状延在部の領域において側面角の変化も有する場合も、均一なシーリングに有利である。ここで、凹部分に延在するビード頂部とビード側面との間の側面角（αＩ）、および凸部分に延在するビード頂部と反対のビード側面との間の側面角（αＡ）は、少なくとも部分的に、異なる程度、波状延在部の領域に沿って変化する。
その上、セパレータプレートの製造に関しては、シーリング構造の断面の下側の外半径が上側の外半径と同一であるか、それより大きいと、特に有利である。本発明におけるビードの断面は常に、ビード頂部の中立線に垂直に画定される。
特に、多くのセパレータプレートを有するプレートスタックの均一なシーリングに関しては、セパレータプレートの２つの金属個別プレートのシーリング構造のビード頂部がそれらの接触面に対して互いに鏡面対称な進路を有していると、特に有利である。よって、完全なプレートスタックへのシーリング線の正確な進行は、ビード頂部の幅が十分であると仮定すると、プレートスタックの個々のセパレータプレートの配置がわずかに不正確であっても達成される。鏡面対称は、まず第１にシーリング構造のビード頂部の進路に関連するが、完全なシーリング構造にも関連し得る。これは、ここで意味する連続部分なしの潜在的に存在するシーリング構造である。その上、シーリング構造の高さも、セパレータプレートの金属個別プレートの両方で実質的に同一であり得る。ビードの弾力が個別プレートの両方で同一であることに起因して、特に均一な押圧およびシーリングがこれにより達成される。
セパレータプレートのシーリング構造は、単一の連続部分において波状ビード頂部と共に続くだけでないことが好ましいが、対照的に、最適なシーリングについては、ビードの進路に接続されているが空間的に隔てられた（すなわち、例えばプレートの別の位置に配置された）ビード頂部の複数の部分がそれぞれ波状に延在すると有利である。一般的に、波状延在部の異なる部分は異なる波長および／または振幅を有する可能性があるが、連続するビードの、好ましくはビード頂部の波状進路を有する実に全てのビードの少なくとも全ての頂部が同一の波長および振幅を有すると好ましい。
ここでは、一方で、周囲のシーリング構造においてビード頂部の複数の部分が電気化学的活性領域の周りで周囲が閉鎖される状態で少なくとも２つの波周期で波状に延在すると仮定すると、個別プレートの電気化学的活性領域の互いに反対に位置する側に沿って少なくとも２つの波状部分が延在すると有利である。波状部分は部分的に、電気化学的活性領域の全ての側に沿っても延在し得る。
他方で、周囲のシーリング構造においてビード頂部の複数の部分が少なくとも２つの波周期で金属個別プレートの内縁に沿って、つまり、作動媒体用または冷却剤用の少なくとも１つの貫通開口の縁に沿って波状に延在すると仮定すると、互いに反対に位置する貫通開口の内縁に沿って少なくとも２つの波状部分が延在すると有利であり得る。ここでも、波状ビード頂部を有するビードは基本的に、全ての内縁で部分的に続く可能性がある。
シーリング構造が、巨視的にみなされたときに、すなわち、その主延在方向に関して、直線進路または１５ｍｍより大きい半径の弱円弧進路を有するシーリング構造のそれらの部分にビード頂部の波状部分が延在すると、基本的に有利である。
ビード頂部の幅は、少なくともビード頂部の波状進路の一部分において、０．２〜２ ｍｍであり、０．９ 〜１．２ ｍｍが好ましい。一般的に、ビード頂部の幅は、さらなる直線進路または円弧状進路における上述の領域に同じく位置する。
ビード頂部の波状進路を有するビード部分では、少なくとも１つのビード側面の基底幅が変化する他に、それぞれのビード側面の側面角も変化する。ビード頂部の凸部分に着目した場合には、隣接する側面角は、中立線の変曲点の接線に垂直な断面を始点として、ビード頂部の中立線の凸部分の頂点の接線に垂直な断面まで増加した後、中立線の次の変曲点の接線に垂直な断面まで再び減少する。それに応じて、凹部分の側面角は、中立線の変曲点の接線に垂直な断面を始点として、まずビード頂部の中立線の凹部分の頂点の接線に垂直な断面まで故に最低でも増加し、次に、中立線の次の変曲点の接線に垂直な断面まで再び増加する。有利なことに、この変化は、連続的に続く。基本的に、凹部分の側面角が凸部分の側面角より小さいと有利である。凹部分の側面角は一般的に１５°〜６０°であり、２５°〜５０°が好ましいが、凸部分の側面角は一般的に２０°〜６５°であり、３０°〜５５°が好ましい。ここで、これらの領域は、それぞれの場合で、上述の区域を含むように、または含まないように画定される。この理由で、本発明による解決策は、側面角がビードの進路全体で変化しないままである従来技術とは著しく異なる。
ここで、変曲点と頂点との間の凹部分における側面角の変化は、変曲点での値に対して最大５０％、好ましくは最大４０％の減少に対応し、変曲点と頂点との間の凸部分における側面角の変化は、変曲点での値に対して最大１２０％、好ましくは最大１００％、特に好ましくは最大７０％の増加に対応する。
ビード頂部が波状に続くその部分の１つに沿ったビードの基底幅は、１つのビード側面でだけ変化し得るが、一実施形態において、両方のビード側面で変化し得る。基底幅が１つのビード側面でだけ変化する場合には、この側面での変化は、変化が凸部分において生じる場合、つまり減少の場合、隣接する変曲点の１つの接線に垂直な断面での基底幅に対して少なくとも５％、好ましくは少なくとも２５％であり、変化が凹部分において生じる場合、つまり増加の場合、変化は、隣接する変曲点の１つの接線に垂直な断面での基底幅に対して少なくとも５％、好ましくは少なくとも２０％である。
両方のビード側面の基底幅が変化する場合には、変化は、隣接する変曲点の１つの接線に垂直な断面での基底幅に対して５〜７０％、好ましくは３０〜５５％である。
本発明によるセパレータプレートの有利な実施形態において、ビード足部からビード足部までのシーリング構造の全幅は、ビード頂部の波状延在部の領域において一定である。これにより、従って、２つのビード側面の基底幅は、常に補完的に変化する。特に有利な実施形態において、シーリング構造は、全体として、ビード頂部の波状延在部の領域において線形に続く。ここで、シーリング構造用の空間設備は特に小さい。
他方で、本発明は、作動媒体用および適宜冷却剤用の貫通開口、ならびに金属個別プレートに形成され、かつ、それぞれ貫通開口の少なくとも２つと連通する分配構造をそれぞれ備える２つの金属個別プレートを備える電気化学システム用のセパレータプレートに関する。ここで、周囲のシーリング構造は、少なくとも、電気化学的活性領域の周囲で、かつ、電気化学的活性領域から離れて、および／または貫通開口の少なくとも１つの周囲で、かつ、その縁から離れて、金属個別プレートのそれぞれに形成される。上記シーリング構造の断面は、ビード頂部、２つのビード側面、および少なくとも部分的に２つのビード足部を有する。ここでも、シーリング構造は、少なくともそのビード頂部の領域において、少なくとも部分的に、凸部分および凹部分を含む少なくとも２つの波周期で波状に延在する。ここでも、上側の内半径および外半径はビード頂部からビード側面への移行部分に形成され、下側の内半径および外半径はビード足部に形成される。本発明の本実施形態は、ビード足部に隣接する少なくとも１つの側で、ビード頂部が波状に延在する領域に少なくとも沿って、溶接接続部がセパレータプレートの２つの金属個別プレートの間に部分的に設けられることを特徴とする。溶接接続部は、それぞれの場合において、波状進路の凸領域に隣接する領域で、好ましくは下側の外半径と実質的に同心円状に延在する。ここで、ビード足部への距離は、ビード頂部の幅の最大で２倍、とりわけ最大で１倍に対応するのが好ましい。ここで、さらなる対策がないと、曲がりやすいという理由で分かれてしまいがちである、ビード足部に隣接する平坦部分は、互いに接続され、故に、完全なセパレータプレートは構造の剛性がより高くなる。他方で、溶接は正確に、構造の剛性が高められる領域で実施されるが、ビード足部に沿った十分な構造の剛性またはスチフネスを有する領域は、溶接接続部がないままである。
本発明の本実施形態においても、ビード側面の１つは、ビード頂部の波状進路の領域において、頂部、２つの側面および２つの足部を有する連続部分を備え得る。これらの連続部分は、連続部分の全高がシーリング構造の全高より低くなるよう設計される。連続部分に関して前に記載されたことは、ここでも同程度当てはまる。
既に記載されたとおり、溶接接続部は部分的に延在するに過ぎない。ここで、それぞれの場合における溶接接続部の延在は、ビード頂部の波状進路の波長の少なくとも１／９であると好ましい。さらに、溶接接続部の延在が最大限、波状進路の凸領域全体に、故にビード頂部の中立線の互いに隣接する変曲点の垂直線の間に延在していると好ましい。
本発明の全ての実施形態において、個別プレートのシーリング構造が一定の高さを有し、除外されるのが潜在的に存在する連続部分だけであると有利である。一定の高さを有するシーリング構造を全ての個別プレートが備えていると特に好ましい。
本発明によるセパレータプレートの上記実施形態の全てについて、シーリング構造が少なくともビード頂部の領域において微小なシーリング用のコーティングを備えていると有利である。ここでのコーティングは、セパレータプレートの外側に位置するよう、例えば、少なくとも１つの、しかしながら好ましくは両方の個別プレート上でビード頂部に溶着させられる。ここでの結合剤としてのコーティングは、ＦＰＭ（フッ素ゴム）、シリコーンゴムまたはＮＢＲ（ニトリルブタジエンゴム）、ＰＵＲ（ポリウレタン）、ＮＲ（天然ゴム）、ＦＦＫＭ（パーフロロエラストマー化合物）、ＳＢＲ（スチレンブタジエンゴム）、ＢＲ（ブチルゴム）、ＦＶＳＱ（フルオロシリコーン）、ＣＳＭ（クロロスルホン化ポリエチレン）、シリコン樹脂および／もしくはエポキシ樹脂または上述の物質の混合物を有利に含む。コーティングは、コンタクト接着剤または硬化接着剤であってもよい。これは例えば、好ましくはいわゆる粘着性付与剤であるゴムおよび接着性樹脂の混合物から成るか、合成樹脂および天然樹脂が接着性樹脂とみなされ得る場合は弱硬化ゴムから成る永久粘着接着剤であってもよい。ここで、天然ゴムおよび合成ゴム、ポリアクリラート、ポリエステル、ポリクロロプレン、ポリビニルエーテルおよび／またはポリウレタンおよび／またはフルオロポリマーゴムが、例えばロジン樹脂および／または人工樹脂（例えばポリエステル樹脂、フェノール樹脂）ならびに軟化剤および／または酸化防止剤、とりわけ改質天然樹脂などの樹脂が付加され得る基材ポリマーとして用いられ得る。典型的には、全ての上記物質のコーティング厚は、５〜２００マイクロメートルである。
セパレータプレートの金属層は鋼、とりわけステンレス鋼から成るのが好ましく、導電性コーティングが電気化学的活性領域に存在し得る。代替的実施形態において、アルミニウム、チタニウム、例えばクロム、ステンレス鋼、ニオブ、タンタルまたはクロムニッケル合金でコーティングされたローラーコーティング済み低合金鋼が、材料として用いられ得る。一般的なシートメタル厚は、５０〜２００マイクロメートル、好ましくは６０〜１５０マイクロメートルである。
一般的に、セパレータプレートに関して、異なる媒体が両面に導かれる双極プレートと、同一の媒体が単極プレートの両面に導かれる単極プレートとを区別し得る。ここで、わずかに異なる単極プレートが大抵、異なる両方の媒体のために用いられる。これらの差はとりわけ、シーリングビード上の連続部分の存在に関係し得る。シーリング構造の進路、および故に対照的にシーリング構造の部分的に波状の設計は、全てのプレートにおいてほとんど同一または鏡面対称である。これらの差が明確な言及により強調されていない限り、本説明の実施形態は、両方の種類のプレートに適用される。冷却剤は、それぞれのプレートの２つの個別プレートの中間スペースに導かれるのが好ましい。これは両方の種類のプレートの場合である。
本発明によるセパレータプレートは、電気化学システムにおいて有利に用いられる。そのような電気化学システムは、２つのエンドプレート、ならびにそれぞれの場合において本発明によるセパレータプレートにより互いに隔てられた多数の電気化学セルを備える。完全なシステムは、ここで好ましくはボルトまたはストラップなどのクランプ手段によりまとめて保持され、ここでシーリング用に最適なクランプ力が提供される。その設計が積層体のセパレータプレートの設計とは異なる移行プレートは、エンドプレートと、積層体の最も外側のセルとの間に設けられ得る。大抵、多層にも設計され得るそのような１つの移行プレートは、エンドプレートごとに存在する。
電気化学システムに関して、これは、燃料電池システム、電気分解装置、電気化学コンプレッサシステム、または燃料電池システム用の加湿システムであるのが好ましい。
本発明は、以下、図面によりさらに詳細に説明される。これらの図面は、本発明の好ましい実施形態例の説明のみのものであり、本発明はこれに限定されない。図面において、同一の部分には同一の参照数字が付される。全ての例は燃料電池システムに関するが、説明は、上述の電気化学システムの他のタイプにも同程度当てはまる。独立請求項に記載される本発明の必須の特徴の他に、図面は、異なる構成においても有利であろう任意のさらなる発展結果も含む。本発明のこれらの有利なおよび／または任意のさらなる発展結果の各々は、例にも示される任意および／または有利なさらなる発展結果の１つ、複数または全てを１つに統合しなくても、それ自体で、独立請求項に記載の本発明のさらなる発展結果になり得る。図面は下記を概略的に示す。
電気化学システムの概略図である。 隣接する２つのセパレータプレートを備える電気化学セルの分解図である。 そのようなセルの部分断面図である。 そのようなセパレータプレートの平面図である。 セパレータプレートのシーリングシステムの断面図である。 ３枚の副図面のうちの、従来技術によるセパレータプレートのシーリングシステムの詳細図である。 ３枚の副図面のうちの、従来技術によるセパレータプレートのシーリングシステムの詳細図である。 ３枚の副図面のうちの、従来技術によるセパレータプレートのシーリングシステムの詳細図である。 それぞれ５枚の副図面のうちの、本発明による３つの異なるセパレータプレートのシーリングシステムの詳細の図である。 それぞれ５枚の副図面のうちの、本発明による３つの異なるセパレータプレートのシーリングシステムの詳細の図である。 それぞれ５枚の副図面のうちの、本発明による３つの異なるセパレータプレートのシーリングシステムの詳細の図である。 それぞれ５枚の副図面のうちの、本発明による３つの異なるセパレータプレートのシーリングシステムの詳細の図である。 それぞれ５枚の副図面のうちの、本発明による３つの異なるセパレータプレートのシーリングシステムの詳細の図である。 それぞれ５枚の副図面のうちの、本発明による３つの異なるセパレータプレートのシーリングシステムの詳細の図である。 それぞれ５枚の副図面のうちの、本発明による３つの異なるセパレータプレートのシーリングシステムの詳細の図である。 それぞれ５枚の副図面のうちの、本発明による３つの異なるセパレータプレートのシーリングシステムの詳細の図である。 それぞれ５枚の副図面のうちの、本発明による３つの異なるセパレータプレートのシーリングシステムの詳細の図である。 それぞれ５枚の副図面のうちの、本発明による３つの異なるセパレータプレートのシーリングシステムの詳細の図である。 それぞれ５枚の副図面のうちの、本発明による３つの異なるセパレータプレートのシーリングシステムの詳細の図である。 それぞれ５枚の副図面のうちの、本発明による３つの異なるセパレータプレートのシーリングシステムの詳細の図である。 それぞれ５枚の副図面のうちの、本発明による３つの異なるセパレータプレートのシーリングシステムの詳細の図である。 それぞれ５枚の副図面のうちの、本発明による３つの異なるセパレータプレートのシーリングシステムの詳細の図である。 それぞれ５枚の副図面のうちの、本発明による３つの異なるセパレータプレートのシーリングシステムの詳細の図である。 本発明によるさらなるセパレータプレートのシーリングシステムの詳細の平面図である。 シーリングシステムを貫通する貫通部を有する、本発明によるさらなるセパレータプレートのシーリングシステムの詳細の斜視図である。 シーリングシステムを貫通する貫通部を有する、本発明によるさらなるセパレータプレートのシーリングシステムの詳細の平面図である。 シーリングシステムに隣接する画定要素を有する、本発明によるさらなるセパレータプレートのシーリングシステムの詳細の平面図である。 シーリングシステムに隣接する画定要素を有する、本発明によるさらなるセパレータプレートのシーリングシステムの詳細の平面図である。 シーリングシステムに隣接する画定要素を有する、本発明によるさらなるセパレータプレートのシーリングシステムの詳細の平面図である。 本発明によるさらなるセパレータプレートのシーリングシステムの詳細の斜視図である。 本発明によるさらなるセパレータプレートのシーリングシステムの詳細の平面図である。 本発明によるさらなるセパレータプレートのシーリングシステムの詳細の平面図である。
図１は、交互に積層された多数のセル４６およびセパレータプレート２ならびに積層体を画定する２つのエンドプレート１１、１１'を備える電気化学システム１を示す。観察者に面したエンドプレートは、反応媒体および冷却剤の供給および排出を行う６つのブランチ１２〜１７を備える。１２は空気供給ブランチ、１７は酸欠空気排出ブランチ、１３は水素供給ブランチ、１６は未使用水素排出ブランチ、１５は冷却剤供給ブランチ、１４は加熱された冷却材排出ブランチを示す。よって、６つの媒体の流れを区別し得る。Ａは高酸素の、つまり未処理の空気、Ｄは酸欠空気、Ｂは水素、Ｃは未使用水素、Ｅは冷えた冷却剤、Ｆは加熱された冷却材を示す。
図２−ａは、電気化学システム１のセル４６を示す。ここでは、セル４６を画定する２つのセパレータプレート２および２' を備える燃料電池システム１である。この図は実質的に、図１に示される座標系のｚ方向である。図２−ａの電気化学システム１は、還元剤、具体的には水素が、プレート面に垂直なポートを介して積層体を通じてではなく、上部の角に位置する２つのポート２３、２３'を介して導かれる程度において、図１のものとは異なる。積層体方向前方への未使用水素ガスの伝導は、低部の角に位置する２つのポート２６、２６'を介して実施される。２つの横ポート２４、２５は、プレートの面に垂直な方向への積層体を通じた冷却剤を導入する機能を果たす。上部ポート２７は、積層体を通じて高酸素空気を導入する機能を、下部ポート２２は、積層体を通じて酸素欠乏低品位空気を導入する機能を果たす。最上部に位置するセパレータプレート２の層２ａは、複数のビードから成るシーリング構造を備える。電気化学的活性領域２９の周囲にあり、かつ部分的に外縁１９に沿った周囲にあるビード３２は、電気化学的活性領域２９またはこの領域を取り囲む区画ならびにプレート全体の、外側に対するシーリングを行う。その上、ポート２２〜２７の各々は、それぞれのポートを囲むセパレートビード３１、３１'を備える。反応媒体用のポート２３、２３、２３'、２６、２６'、２７ならびにそれらを囲むビード３１がビード３２に囲まれる領域内に位置することが強調されるべきである。その上、観察者に面したセパレータプレート２の表面は、ここでは分配または空気用のチャネル構造２８を備え、電気化学的活性表面２９を同時に形成する。よって、ビード３２は、周囲に、かつ離れて電気化学的活性表面２９を囲む。距離は進路内で変わる。ポート２７からチャネル構造２８への空気の供給およびチャネル構造２８からポート２２への酸欠空気の排出は、図２−ｃによりさらに詳細に説明される。
図２−ｂは、２つのセパレータプレート２、２'、２つのセパレータプレート２、２'の間に配置された電気化学セル４６、具体的には燃料電池、およびセパレータプレート２の他方側に配置された隣の電気化学セルの要素にかけての断面を示す。示された要素に関するこの断面は、図２−ａの断面Ｂ−Ｂに対応するが、異なる要素の距離は、スペースを節約する表現に関して適合させられている。よって、見えている表面は、図１のｙ−ｚ平面に位置する。ここではより良く理解できるよう、電気化学セル４６が各々の場合において両側で実際の高分子電解質膜（ＰＥＭ）上の触媒層４２、４２'を保持していること、およびこの層が電極になり、離れて示されていることは、断面図から明らかである。これらの要素は共に、いわゆる膜電極ユニット（ＭＥＡ）を示す。それぞれの場合において例えば導電性グラファイト線不織布から成るガス拡散層（ＧＤＬ）４４、４４'がそれぞれの場合においてＭＥＡの両側に配置される。
チャネル構造２８は、セパレータプレート２の２つの層２ａ、２ｂ内に形成され、層の両側で媒体の分配に用られる。ここで、チャネル構造２８は、電気化学的活性領域２９を形成する。第１媒体Ｍ１、具体的には空気は、層２ａの上側で分配される。冷却剤Ｋは、この層２ａの下側、すなわち、２つの層２ａおよび２ｂの間の空洞に分配される。第２媒体Ｍ２は、層２ｂの下側に分配される。電気化学システムの双極構造の場合、第２媒体Ｍ２は、水素である。この場合、Ｍ３は再び空気であり、Ｍ４は再び水素である。電気化学システムの単極構造では、第２媒体Ｍ２は再び空気である。対照的に、単極構造では、第２セパレータプレート２'の両外表面上のチャネルは、ここでは第３媒体Ｍ３および第４媒体Ｍ４を示す水素の分配を行う。双極構造の場合、積層体の全てのセパレータプレートは同一であり、単極構造の場合、適宜、２つの異なるセパレータプレートの変形物が、積層体に沿って互い違いになる。
ビード３１が貫通開口２３を囲み、故に水素ポートを密閉することも、図２−ｂの断面から明らかである。対照的に、示された断面の電気化学的活性領域の周囲を密閉するビード３１は、一度だけ切断されるよう、ここで示される断面において、実質的にセパレータプレート２の層２ａの外縁１９に沿って延びている。ビード３１、３２の高さは、互いに実質的に同一であるが、チャネル構造２８の高さよりも著しく高いことも、この断面図から明らかである。
図２−ｃは、図２−ａにおいて観察者の最も近くに位置するセパレータプレート２の層２ａを平面図で示し、故に再び、図１のｚ方向の眺めに対応する。ここでは、ビード３１、３１'および３２の設計がさらに詳細に扱われる。ビード３１'は、ポート開口２５の周囲を囲むとともに、ここでは、ビード自体の波状構造を無視すると、ポート開口２５の縁に対して、短い、実質的に一定の距離がある。ビード３１は、同等に、ポート開口２６'を囲むが、必ず、波状構造なしで実質的に環状の進路を有する。ここでも、ポートの縁までの距離は実質的に一定である。ビード３２は、セパレータプレート２の層２ａの外縁１９に沿って延び、外縁１９と離れており、ここでは、ポート２２、２３、２３'、２６、２６'、２７をシーリングするビード３１と共に、ビード３２が密閉する電気化学的活性領域２０だけでなく、ポート２２、２３、２３'、２６、２６'、２７も取り囲む。示される例において、ビード３２は、ビード頂部が波状進路を有する複数の部分３５を備える。これらの部分３５が、それ自体に着目すると、巨視的には直線進路を有する。ビード３２がビード頂部の波状進路を有する部分３５が各々の場合においてシーリングシステムの細長い直線部分に配置される一方、楕円形に囲まれた領域Ｓなどのビード３２の比較的大きく曲がった領域は、それぞれの部分においてビード３２の全体的な延在方向に対応するビード頂部の形を有し、故に、周期的な波状進路を有さないことは明らかである。
空気がポート２７から出て連続部分３３に沿ってビード３１を通って流れ、それ故に、空気に含まれる酸素がＭＥＡを通って入る陽子と反応する電気化学的活性領域２９に到達することも、図２−ｃから認識され得る。空気は、そのようにして酸素が欠乏し、この反応の結果として高含水量を有し、次に、連続部分３３へとさらに下流に流れ、再度ビード３１を通過し、ポート２２を介してエンドプレートに導かれる。ここで、連続部分は、シーリングが損なわれないよう、ビード３１の側面に形成される。
図３は基本的に、以下で適用される、セパレータプレートのシーリングシステムにおける寸法比および角度の詳細を示す。ここで、図３の断面は、例えば図２−ｃの断面Ｃ−Ｃに対応し、故に、図１のｙ−ｚ平面に平行な平面に位置する。シーリングシステムのビード３の全幅はＷＴで示され、ビード頂部３９の幅はＷＤで示される。内基底幅ＷＩおよび外基底幅ＷＡはそれぞれ、着目される対称なビード断面において同一である。これにより、単純化のために、異なる用語であるＷＩ、ＷＡの代わりに、Ｗという用語が用いられる。これは、類似的にαと単純化して示される内側面角αＩおよび外側面角αＡに同様に当てはまる。セパレータプレート２の個別の層２ａ、２ｂのビードの高さは、Ｈで示される。図３はさらに、ビード３の断面の異なる部分を右から左に示す。第１ビード足部３７に続くのはビード側面３８であり、ビード頂部３９はさらなる先の曲点に接続する。ビード頂部の他方側には、さらに先のビード側面３８'がさらに先の曲部に続き、その後が第２ビード足部３７である。ビード足部は、ビード頂部から離れ、かつ、層の進路の接線がセパレータプレート２の中央平面に平行に延びるビード足部側のビード側面に隣接する境界点として画定される。電気化学的活性領域２９の周りのシーリング要素３２としての、または内縁のシーリング要素３１、３１'としてのその機能とは無関係にビードが着目される場合には、ビードは、ここで、および以下で、３で示される。
図３はさらに、どのように、セパレータプレート２の２つの層２ａ、２ｂが実質的に鏡面対称に設計されているか、および、ビード３の外側の領域で、より正確にはビード足部３７、３７' を始点として互いに表面が（広範囲に）接触することに関して示す。チャネル構造の図示は省略されているので、ここでは、図２−ｂにおける説明が参照される。
図１〜３に関する実施形態は、従来技術のセパレータプレートおよび本発明によるセパレータプレートに適用される。
ビード頂部３９が一定の幅ＷＤ、具体的には１．６ｍｍの幅で、波長λの少なくとも２つの波周期で波状に延在する従来技術のビード３の断面の波状進路が、セパレータプレート２の個別の層２ａの詳細により、３枚の図４−ａ、図４−ｂ、および図４−ｃに示される。ここで、図４−ｃの断面図は、図４−ｂに示される３本の断面線ＡＤ−ＡＤ、ＢＤ−ＢＤ、ＣＤ−ＣＤの全てに等しく対応する。２つのビード側面３８、３８'は、進路全体で、各々の場合において０．７ｍｍという一定の基底幅Ｗを有する。よって、ビード３の全幅ＷＴは３ｍｍである。ビード側面３８、３８'の基底幅はビードの進路全体で変わらず、ビード頂部３９の両側のビード側面３８、３８'の基底幅は同じく同一であるので、結果的に、ビードは均一の側面角αを有する。よって、従来技術のセパレータプレート２では、側面角αを、外側の角度、つまり、凸部分における側面角αＡ、および内側の角度、つまり、凹部分における側面角αＩと区別することは不可能である。それぞれの場合において、角度αは３５°である。その上、図４−ｂは、それぞれのビード足部の振幅、およびビード頂部とそれに隣接するビード側面との間の２つの移行曲線の振幅が同一であることを明白にしている。
図４−ｂはさらに、各々の場合において２本の破線、つまり、各々の場合においてビード頂部３９の中立線の接線に対する垂直線を表す断面線ＣＤ−ＣＤの間に延在する凸領域および凹領域を示す。これらの他に、上側の内半径ｒＩＯおよび下側の内半径ｒＩＵならびに上側の外半径ｒＡＯおよび下側の外半径ｒＡＵも、二点鎖線により示される仮想円から導出される。ビードの平均を上回る剛性が凹領域に与えられ、故に内半径が存在する一方、これは外半径が存在する凸領域での平均未満である。これは、ビード部分が互いに面していることに起因する、凹領域の内部での支持の結果である。低ビード剛性の領域はｇで示され、高ビード剛性の領域はｈで示される。この不均一に分配されたビード剛性に起因して漏れが起こり得る。なぜなら、媒体が、低ビード剛性の部分を通って流れ得、これらの媒体が入るべきではない領域に染み込み得るからである。本発明は、これについての是正措置を設ける。
図４−ａ、図４−ｂ、および図４−ｃに示されるビード３の同等の描写が図５−ａ、図５−ｂ、図５−ｃ、図５−ｄ、および図５−ｅに示されるが、ここでは、本発明によるセパレータプレート２の第１の実施形態が示される。従来技術の上述の例ではビード頂部３９の中立線の接線に垂直な断面はビード頂部３９の波状進路の全ての点で同一である一方、ここでは、当該断面は互いに著しく異なる。この理由で、図５−ａ、図５−ｂ、図５−ｃ、図５−ｄ、および図５−ｅは３つの断面図を含む。図５−ｃは、変曲点での断面、すなわち、図５−ｂの断面ＡＥ−ＡＥおよび断面ＤＥ−ＤＥを示す。よって、図５−ｃは、図４−ｃに対応する。図５−ｄは波のピークでの断面ＢＥ−ＢＥを示し、図５−ｅは図５−ｂのビードの波の谷での断面ＣＥ−ＣＥを示す。ビード頂部３９の幅ＷＤは、ビード頂部３９の波状進路全体で一定であり、従来技術の上述の例のように１．６ｍｍである。上述の例のようなビード３の凸部分と凹部分とを画定する変曲点は、破線により表される。つまり、２本の断面線ＡＥ−ＡＥおよびＤＥ−ＤＥ上に位置する。線Ｔは、ビード３の主延在方向を示し、ビード頂部の中立線の変曲点の接続線から生じている。そのビード側面３８、３８'が図５−ｂで各々の場合においてハッチングにより描写される凸領域では、それぞれのビード側面３８、３８'の基底幅ＷＡは、変曲点を始点として頂点まで減少し、頂点から次の変曲点まで再び増加するよう、減少する。基底幅は、変曲点で０．８５ ｍｍであり、頂点では対照的にわずか０．６５ ｍｍである。対照的に、凹領域では、それぞれのビード側面３８、３８'の幅ＷＩは基底幅０．８５ ｍｍで一定で続く。よって、ビードの全幅ＷＴは、３．１ｍｍと３．３ｍｍとが交互になる。ここでのビード足部の振幅は、ビード頂部とビード側面との間の移行線の振幅より幾分長く、その比はほぼ１．２５：１である。
それに応じて、凹領域の側面角αＩはそれぞれの凹領域で一定であり、変曲点での角度αとして３５°である。対照的に、変曲点を始点とする凸領域の側面角αＡは、頂点で３５°から６０°に増加し、その後再び、次の変曲点までで３５°に減少する。この領域のビード側面は、従来技術で低ビード剛性を有し（図４−ｂにおける表示ｇを参照のこと）、ビードが全体としてその波状進路で一定の剛性を有するよう、急な側面角により剛化される。
ここで、基準ＷＡおよびαＡはそれぞれ凸部分に関連し、基準ＷＩおよびαＩはそれぞれ凹部分に関連し、故に、各変曲点で１つのビード側面から反対のビード側面に変わることに留意されたい。
再び５枚の図６−ａ、図６−ｂ、図６−ｃ、図６−ｄ、および図６−ｅは、ビード３の詳細により、本発明によるセパレータプレート２の第２実施形態を示す。再び、図６−ｃにおいて示される変曲点での断面は、ここでのビード３が対称に形成されているように見えるので、図４−ｃの断面に実質的に対応する。しかしながら、図６−ｂは、変曲点間の凹領域のビード側面３８、３８'がそれぞれ広げられ、これにより、ビード３がここでも全体として非対称な進路を有していることを示している。
図６−ａ、図６−ｂ、図６−ｃ、図６−ｄ、および図６−ｅによる実施形態のビード３は、ビード頂部３９が幾分より狭く設計され、具体的には１．２ｍｍの幅ＷＤだけを有するという点で、図５−ａ、図５−ｂ、図５−ｃ、図５−ｄ、および図５−ｅによる実施形態のビード３とは基本的に異なる。ビード側面の基底幅Ｗは、転換点で０．６ ｍｍである。ビードの外側面ＷＡは、変曲点から変曲点へこの基底幅で延在する。対照的に、変曲点を始点とする内側面の基底幅ＷＩは、次の変曲点までのその進路内で０．６ ｍｍに再び減少するよう、波の谷で０．６ ｍｍから０．８ ｍｍに広がる。本実施形態におけるビード３の全幅ＷＴは２．４ｍｍ〜２．６ｍｍの間で変化する。
それに応じて、外側面の側面角αＡは、一定であり、ここでは３４°である。対照的に、内側面の側面角αＩは、再び３４°に増加するよう、凹部分の進路において変曲点から変曲点までで波の谷で３４°から２６°まで減少する。この理由で、ビード剛性は、その平均を上回るビード剛性に起因して図４−ｂにおいてｈにより描写される領域で減少し、故に、漏れが防止されるよう、ビード３の波状進路上のビード側面３８、３８'の両方で均一化される。ビード側面３８、３８'の基底幅が変化するこの領域は、図６−ｂにおいてハッチングにより描写される。
まとめると、ビード足部の振幅は、ビード頂部３９とビード側面３８、３８との間の移行線の振幅のほぼわずか３分の２であることが強調されるべきである。
図７−ａ、図７−ｂ、図７−ｃ、図７−ｄ、および図７−ｅは、凸部分ではビード側面の基底幅ＷＡが減少してから再び増加し、凹部分ではビード側面の基底幅ＷＩが増加してから再び減少する、本発明の実施形態を示す。従って、基底幅が変化する領域のハッチングは省略されている。前述の実施形態例の両方でのように、Ｔは、図示部においてビードの主延在方向を示す。よって、凸部分の側面角αＡは、頂点までの増加を経て、この後減少し、対照的に、凹部分の側面角αＩは、減少を経た後、頂点の後で増加する。よって、図７−ａ、図７−ｂ、図７−ｃ、図７−ｄ、および図７−ｅによる実施形態例は、図５−ａ、図５−ｂ、図５−ｃ、図５−ｄ、および図５−ｅおよび図６−ａ、図６−ｂ、図６−ｃ、図６−ｄ、および図６−ｅの実施形態例では互いに別個に適用された両方の手法を統一して、ビード頂部の波状進路のビード厚を均一化している。それにより、特に効果的であり故に有利なビード厚の均一化が達成される。
具体的には、ビード頂部の幅ＷＤが１．２ ｍｍである一方、主延在線Ｔより先の頂点でのビード側面は最小で０．６ｍｍの幅ＷＡを有し、その後で、次の変曲点までで１ｍｍの幅Ｗに増加し、主延在線Ｔのより近くに位置する頂点までで最大で１．４ｍｍの幅ＷＩにさらに増加する。変曲点での側面角αは２１°であり、従って、側面角αは、前述の実施形態例におけるよりも浅い。側面角αＡは、主延在線Ｔとは遠い頂点に向かって４２°まで増加し、側面角αＩは、主延在線Ｔのより近くに位置する頂点に向かって１６°まで減少する。
ビード３の全幅ＷＴが、ビード頂部３９が波状に延びる部分全体で一定であり、それにより、図７−ａ、図７−ｂ、図７−ｃ、図７−ｄ、および図７−ｅによる実施形態の空間要件は特に低く、これにより、本実施形態が特に有利であることは、特に注目すべきである。ビード３の全幅ＷＴは、ここでは３．２ｍｍである。
図８は、ここでそれ自体で、かつ、示された断面においてそのビード頂部が波状に延びるビード３の部分の平面図により、本発明によるセパレータプレート２のさらなる実施形態を示す。図７−ａ、図７−ｂ、図７−ｃ、図７−ｄ、および図７−ｅの実施形態例のように、凸部分の側面角は拡大し、凹部分の側面角は減少する。それに応じて、頂点での、故に、波のピークおよび谷での基底幅は、変曲点の基底幅と比較して拡大している。図７−ａ、図７−ｂ、図７−ｃ、図７−ｄ、および図７−ｅの実施形態例のように、ビード３の全幅ＷＴは、示された断面において、ビード頂部３９の波状進路と共に一定に延びる。ビード足部が図７−ａ、図７−ｂ、図７−ｃ、図７−ｄ、および図７−ｅの実施形態例において直線で延びる一方、ここでは、ビード足部は、ビード頂部の画定線の振幅のほぼ０．４５倍である、著しく減少した振幅で延びる。
図９−ａおよび図９−ｂは、本発明によるセパレータプレート２のビード３の部分を示す。図２−ａ、図２−ｂ、および図２−ｃにおいて既に説明されたとおり、上記ビードは、ビード側面３８、３８'の両方で連続部分３３を有する。ここで、ビード側面３８、３８'の両方での連続部分が、距離λ／２で周期的に、具体的には、各々の場合において、ビード頂部３９の波状進路の変曲点の領域に配置されていることは明らかである。連続部分３３は、観察者から離れたセパレータプレート２の層２ａの当該表面であり、具体的には２つの層２ａおよび２ｂの間である、ビード３のシーリング障壁を通じて、媒体の導入を行う。連続部分がそれぞれ、図９−ｂにおいて縦方向に延在する２つの足部、ならびに２つの側面および頂部から成ることは、図９−ａおよび図９−ｂから明らかである。連続部分の足部は、ビード足部と同一平面に位置するものの、しかしながら、連続部分だけがビードの押圧挙動にわずかに影響を及ぼすよう、連続部分の全高はビード３の高さより低くなっている。ビード足部３７、３７'は、連続部分の領域においてさえぎられる。連続部分３３は、最上部に位置する層２ａにだけ形成される。本実施形態のビードは、その残りの設計に関して、とりわけ、ビード頂部３９の波状進路、ならびに隣接する変曲点に対する、凸領域での基底幅ＷＡの減少および側面角αＡの増加に関して、図５−ａ、図５−ｂ、図５−ｃ、図５−ｄ、および図５−ｅによる実施形態のものに対応する。
図１０−ａは、本発明によるセパレータプレート２のビード３の断面を示す。上記セパレータプレートは、波長λだけ互いに離れた２つの連続部分３３を、図の底部に位置するビード側面３８にだけ有する。ここでの連続部分は、図示されないが図示部の下で接続するチャネル構造と、シーリング構造との間の障壁として機能する。これらの連続部分は、電気化学的活性領域の外側の媒体が、図２−ｂに示されるガス拡散層４４および４４'を通過して流れないように、故に、電気化学的活性電極４２および４２'による利用ができないようにする。これは、燃焼ガスの利用において受け入れ難い損失につながり、故に、電気化学セルの効率の著しい減少につながるであろう。
図１０−ｂは、本発明によるセパレータプレートのビード３の断面を示す。これは、（ビード足部３７がある）１つのビード側面３８だけが変化する一方、この場合には連続部分の反対に位置する側面３８'が一定であり、故に、ビード足部３７'がビード頂部３９に対して平行に延びる実施形態である。図１０−ｂに示される、凹領域での側面角の増加は、可能性の１つに過ぎない。（図１０−ｃに示される）さらなる実施形態において、側面角は、変曲点（αおよびαＡ＝２１°）から凹領域における頂点（αＩ＝３２°）まで増加する。それぞれの実施形態の利点は、連続部分３３をビード側面３８に組み込むことにより、ビード特性を幾何学的な変化に適合させるという目論見から生じる。
説明された、側面角の単一の側での変化は、連続部分３３がビード側面に組み込まれた領域だけに限定されないが、セパレータプレート２、２'上の波状ビード領域の他のあらゆる領域に、類似する形で適用され得る。ここで、活性領域に面したビード側面または外側を向いたビード側面のいずれも適合され得、これは、ビード特性に対する局所的な必要性に従い、セパレータプレートの異なる領域において、個別に変更もされ得る。
本発明によるセパレータプレート２のさらなる実施形態が、斜視図および平面図により図１１−ａおよび図１１−ｂに示される。ここでは、図９−ａを除いて、前の斜視図とは対照的に、セパレータプレート２の層２ａ、２ｂの両方が示される。ここで、ビード側面は、一定の基底幅で延び、ここで、実質的にその半径と共にセパレータプレート２の２つの層２ａ、２ｂのビード足部３７、３７'のものと同心円状に延びる溶接接続部６０、６０'が、ビード押圧を均一化するために、凸領域に部分的に設けられる。ここで、溶接接続部６０、６０'の延在は、凸領域の延在に正確に、すなわち、第１変曲点を通る、ビード頂部３９の中立線の接線に対する垂直線から、第１変曲点に隣接する第２変曲点を通る、ビード頂部３９の中立線の接線に対する垂直線まで、対応する。ここで、溶接接続部は、ビードの両側に設けられるよう、全ての図示される凸領域に設けられる。
図１２は、図１１−ａおよび図１１−ｂの実施形態の変形例を示す。この実施形態では、図１１−ａおよび図１１−ｂの実施形態と比較して、溶接シームの延在だけが減少している。ここでは、それは波長λのほぼ２０％である。

Claims (29)

  1. 電気化学システム用のセパレータプレートであって、２つの金属個別プレートを備え、
    前記金属個別プレートは、少なくとも作動媒体用の貫通開口、ならびに前記金属個別プレート内に形成され、それぞれ前記貫通開口の少なくとも２つと連通する分配構造を有し、少なくとも電気化学的活性領域の周囲で、かつ、前記電気化学的活性領域から離れて、および／または、前記貫通開口の少なくとも１つの周囲で、かつ、これらの前記貫通開口の縁から離れて、前記金属個別プレートのそれぞれに周囲のシーリング構造が形成され、前記周囲のシーリング構造の断面は、ビード頂部、２つのビード側面、および少なくとも部分的に２つのビード足部を含み、前記周囲のシーリング構造は、少なくともその前記ビード頂部の領域において、少なくとも部分的に、凸部分および凹部分を含む少なくとも２つの波周期で波状に延在し、前記ビード頂部は、その波状延在部の前記領域において一定の幅（ＷＤ）を有し、前記ビード側面の少なくとも１つの基底幅（ＷＩ、ＷＡ）は、前記ビード頂部の波状進路の前記領域において変化する、
    セパレータプレート。
  2. 前記ビード側面の少なくとも１つは、前記ビード頂部の波状進路の前記領域において、頂部、２つの側面および２つの足部を含む連続部分を含み、前記連続部分の全高は、前記周囲のシーリング構造の全高より低く、前記ビード側面での、少なくとも２つの連続部分の互いの距離は、λが前記ビード頂部の波形の周期長であり、ｎが自然数である場合、ｎ×λ／２である、
    請求項１に記載のセパレータプレート。
  3. 前記連続部分は周期的に配置され、隣接する連続部分間の距離は、ｎ×λ／２である、請求項２に記載のセパレータプレート。
  4. 前記連続部分の少なくとも１つは、前記周囲のシーリング構造の内部を前記分配構造の１つまたは作動媒体用もしくは冷却剤用の前記貫通開口の１つに接続する、
    請求項２または３に記載のセパレータプレート。
  5. 前記２つのビード側面の少なくとも１つの前記基底幅（ＷＩ、ＷＡ）は絶えず変化する、
    請求項１から４のいずれか一項に記載のセパレータプレート。
  6. 凹部分に延在する前記ビード頂部と前記ビード側面との間の側面角（αＩ）は、凸部分に延在する前記ビード頂部と反対の前記ビード側面との間の側面角（αＡ）とは異なる程度で、前記波状延在部の領域に沿って少なくとも局所的に変化する、
    請求項１から５のいずれか一項に記載のセパレータプレート。
  7. 前記セパレータプレートの前記２つの金属個別プレートの前記周囲のシーリング構造の前記ビード頂部は、それらの接触面に対して互いに鏡面対称である進路を有する、
    請求項１から６のいずれか一項に記載のセパレータプレート。
  8. 複数の部分における周囲のシーリング構造は、金属個別プレートの前記電気化学的活性領域に沿って少なくとも２つの波周期で波状に延在し、少なくとも２つの波状部分は、互いに反対に位置する、前記金属個別プレートの前記電気化学的活性領域の縁に沿って延在する、
    請求項１から７のいずれか一項に記載のセパレータプレート。
  9. 複数の部分における周囲のシーリング構造は、金属個別プレートの作動媒体用および冷却剤用の少なくとも１つの貫通開口の内縁に沿って少なくとも２つの波周期で波状に延在し、少なくとも２つの波状部分は、互いに反対に位置する、前記貫通開口の内縁に沿って延在する、
    請求項１から８のいずれか一項に記載のセパレータプレート。
  10. 前記ビード頂部の前記幅（ＷＤ）は、０．２〜２ ｍｍである、
    請求項１から９のいずれか一項に記載のセパレータプレート。
  11. 前記ビード頂部の前記幅（Ｗ Ｄ ）は、０．９〜１．２ ｍｍである、
    請求項１０に記載のセパレータプレート。
  12. 凹部分に延在する前記ビード頂部と前記ビード側面との間の側面角（αＩ）は、１５°〜６０°である、
    請求項１から１１のいずれか一項に記載のセパレータプレート。
  13. 前記側面角（α Ｉ ）は、２５°〜５０°である、
    請求項１２に記載のセパレータプレート。
  14. 凹部分を画定する変曲点と、前記波状延在部の波のピークまたは波の谷の領域である頂点との間における前記側面角（αＩ）の変化は、最大５０％の減少に対応する、
    請求項１２または１３に記載のセパレータプレート。
  15. 凸部分に延在する前記ビード頂部と前記ビード側面との間の側面角（αＡ）は、２０°〜６５°である、
    請求項１から１４のいずれか一項に記載のセパレータプレート。
  16. 前記側面角（α Ａ ）は、３０°〜５５°である、
    請求項１５に記載のセパレータプレート。
  17. 凸部分を画定する変曲点と、前記波状延在部の波のピークまたは波の谷の領域である頂点との間における凸部分に延在する前記ビード頂部と前記ビード側面との間の側面角（αＡ）の変化は、最大１００％の増加に対応する、
    請求項１から１６のいずれか一項に記載のセパレータプレート。
  18. 凸部分内での前記基底幅（ＷＡ）の減少は、前記凸部分を画定する変曲点の１つでの同一の前記ビード側面の前記基底幅（Ｗ）の５〜５０％である、
    請求項１から１７のいずれか一項に記載のセパレータプレート。
  19. 凸部分内での前記基底幅（Ｗ Ａ ）の減少は、前記凸部分を画定する変曲点の１つでの同一の前記ビード側面の前記基底幅（Ｗ）の５〜４０％である、
    請求項１８に記載のセパレータプレート。
  20. 凹部分内での前記基底幅（ＷＩ）の増加は、前記凹部分を画定する変曲点の１つでの同一の前記ビード側面の前記基底幅（Ｗ）の５〜１００％である、
    請求項１から１９のいずれか一項に記載のセパレータプレート。
  21. 凹部分内での前記基底幅（Ｗ Ｉ ）の増加は、前記凹部分を画定する変曲点の１つでの同一の前記ビード側面の前記基底幅（Ｗ）の５〜７０％である、
    請求項２０に記載のセパレータプレート。
  22. ビード足部からビード足部までの前記周囲のシーリング構造の全幅（ＷＴ）は、前記周囲のシーリング構造の波状延在部の前記領域において一定である、
    請求項１から２１のいずれか一項に記載のセパレータプレート。
  23. 前記周囲のシーリング構造は、前記ビード頂部の中立線の凸部分と凹部分とを画定する変曲点同士の接続線から生じる直線方向に延在する、
    請求項１から２２のいずれか一項に記載のセパレータプレート。
  24. 電気化学システム用のセパレータプレートであって、２つの金属個別プレートを備え、
    前記金属個別プレートは、少なくとも作動媒体用の貫通開口、ならびに前記金属個別プレート内に形成され、それぞれ前記貫通開口の少なくとも２つと連通する分配構造を有し、少なくとも電気化学的活性領域の周囲で、かつ、前記電気化学的活性領域から離れて、および／または、前記貫通開口の少なくとも１つの周囲で、かつ、これらの前記貫通開口の縁から離れて、前記金属個別プレートのそれぞれに周囲のシーリング構造が形成され、前記周囲のシーリング構造の断面は、ビード頂部、２つのビード側面、および少なくとも部分的に２つのビード足部を含み、前記周囲のシーリング構造は、少なくともその前記ビード頂部の領域において、少なくとも部分的に、凸部分および凹部分を含む少なくとも２つの波周期で波状に延在し、これにより、前記ビード頂部から前記ビード側面への移行部分で上側の内半径および外半径が形成され、前記ビード足部で下側の内半径および外半径が形成され、少なくとも、前記ビード足部に隣接する１つの側で、少なくとも、前記ビード頂部が波状に延在する前記領域に沿って、前記セパレータプレートの前記２つの金属個別プレートの間に溶接接続部が部分的に設けられ、それぞれの場合において、前記溶接接続部は、波状進路の凸領域に隣接する前記領域に、かつ、前記凸領域の前記ビード足部に同心円状に延在する、
    セパレータプレート。
  25. 前記溶接接続部はそれぞれ、波長λの少なくとも１／９、かつ、最大で完全な前記凸部分全体に延在する、
    請求項２４に記載のセパレータプレート。
  26. 前記周囲のシーリング構造は、少なくとも前記ビード頂部の前記領域においてコーティングを含む、
    請求項２４または２５に記載のセパレータプレート。
  27. 前記コーティングは、ＦＰＭ（フッ素ゴム）、シリコーンゴムまたはＮＢＲゴム（アクリロニトリルブタジエン）、ＰＵＲ（ポリウレタン）、ＮＲ（天然ゴム）、ＦＦＫＭ（パーフロロエラストマー化合物）、ＳＢＲ（スチレンブタジエンゴム）、ＢＲ（ブチルゴム）、ＦＶＳＱ（フルオロシリコーン）、ＣＳＭ（クロロスルホン化ポリエチレン）、シリコン樹脂、エポキシ樹脂もしくは上述の物質の混合物またはコンタクト接着剤および／もしくは硬化接着剤を含む、
    請求項２６に記載のセパレータプレート。
  28. 複数の電気化学セルと請求項２４から２７のいずれか一項に記載の複数のセパレータプレートを備え、
    前記複数の電気化学セルとセパレータプレートは交互に積層され、積層体を画定する２つのエンドプレートをさらに含む、
    電気化学システム。
  29. 燃料電池システム、電気分解装置、電気化学コンプレッサシステム、および燃料電池システム用の加湿システムのうちのいずれか１つである、
    請求項２８に記載の電気化学システム。
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