特許 6781172 電気化学装置及び電気化学装置用の電気化学ユニットを形成する方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6781172

(24)【登録日】2020年10月19日

(45)【発行日】2020年11月4日

(54)【発明の名称】電気化学装置及び電気化学装置用の電気化学ユニットを形成する方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/0276 20160101AFI20201026BHJP

   C25B 9/00 20060101ALI20201026BHJP

   C25B 9/18 20060101ALI20201026BHJP

   C25B 13/02 20060101ALI20201026BHJP

   H01M 8/0247 20160101ALI20201026BHJP

   H01M 8/0273 20160101ALI20201026BHJP

   H01M 8/0286 20160101ALI20201026BHJP

   H01M 8/2465 20160101ALI20201026BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20201026BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/0276

   C25B9/00 Z

   C25B9/18

   C25B13/02 302

   H01M8/0247

   H01M8/0273

   H01M8/0286

   H01M8/2465

   !H01M8/10 101

【請求項の数】18

【全頁数】38

(21)【出願番号】特願2017-563915(P2017-563915)

(86)(22)【出願日】2016年6月3日

(65)【公表番号】特表2018-523266(P2018-523266A)

(43)【公表日】2018年8月16日

(86)【国際出願番号】EP2016062675

(87)【国際公開番号】WO2016198337

(87)【国際公開日】20161215

【審査請求日】2019年5月9日

(31)【優先権主張番号】102015109393.6

(32)【優先日】2015年6月12日

(33)【優先権主張国】DE

(73)【特許権者】

【識別番号】503103316

【氏名又は名称】エルリンククリンガー アクチェンゲゼルシャフト

(74)【代理人】

【識別番号】100099759

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 篤

(74)【代理人】

【識別番号】100123582

【弁理士】

【氏名又は名称】三橋 真二

(74)【代理人】

【識別番号】100147555

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 公一

(74)【代理人】

【識別番号】100160705

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 健太郎

(74)【代理人】

【識別番号】100174942

【弁理士】

【氏名又は名称】平方 伸治

(72)【発明者】

【氏名】ペーター シュタール

(72)【発明者】

【氏名】ユルゲン クラフト

(72)【発明者】

【氏名】ミヒャエル ゲーツ

【審査官】 藤原 敬士

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００１−３１９６６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００９／０００４５４２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２００９−１５１９９５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／０２７３ − ８／０２７６

Ｃ２５Ｂ ９／００

Ｃ２５Ｂ ９／１８

Ｃ２５Ｂ １３／０２

Ｈ０１Ｍ ８／０２４７

Ｈ０１Ｍ ８／０２８６

Ｈ０１Ｍ ８／１０

Ｈ０１Ｍ ８／２４６５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

スタック方向（１０４）に互いに連続する複数の電気化学ユニット（１０６）からなるスタックを有する、電気化学装置であって、前記ユニットがそれぞれ電気化学的にアクティブな膜−電極配置（１１０）、少なくとも１つのガス拡散層（１１２、１１４）及び、少なくとも１つの流動媒体のための少なくとも１つの流れフィールド（１２４、１２６）を備えたバイポーラプレート（１０８）を有する、電気化学装置において、
少なくとも１つのバイポーラプレート（１０８）が少なくとも１つの端縁ウェブ（１３２、１４８）を有し、前記端縁ウェブが前記バイポーラプレート（１０８）の流れフィールド（１２４、１２６）を少なくとも部分的に縁取り、かつ、前記バイポーラプレート（１０８）に隣接するガス拡散層（１１２、１１４）と接触しており、電気化学装置（１００）がさらに、少なくとも１つの流れフィールドシール部材（１４２、１５０）を有し、前記流れフィールドシール部材が、前記端縁ウェブ（１３２、１４８）によって縁取られる前記流れフィールド（１２４、１２６）を密閉し、かつ、前記端縁ウェブ（１３２、１４８）と接触し、かつ、前記ガス拡散層（１１２、１１４）と接触しており、
前記スタック方向（１０４）に互いに連続する２つのバイポーラプレート（１０８ａ、１０８ｂ）の互いに向き合った側に、それぞれ端縁ウェブ（１３２、１４８）が設けられており、前記端縁ウェブがそれぞれ流れフィールドシール部材（１４２、１５０）と接触し、前記バイポーラプレート（１０８ａ、１０８ｂ）の前記端縁ウェブ（１３２、１４８）と接触する前記流れフィールドシール部材（１４２、１５０）が互いに密閉するように接する、ことを特徴とする電気化学装置。

【請求項2】

前記流れフィールドシール部材（１４２、１５０）が前記端縁ウェブ（１３２、１４８）と材料結合で結合されている、ことを特徴とする請求項１に記載の電気化学装置。

【請求項3】

前記流れフィールドシール部材（１４２、１５０）が前記ガス拡散層（１１２、１１４）と材料結合で結合されている、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の電気化学装置。

【請求項4】

前記バイポーラプレート（１０８）がその陽極側に陽極側の端縁ウェブ（１４８）を、かつ、その陰極側に陰極側の端縁ウェブ（１３２）を有しており、前記陽極側の端縁ウェブ（１４８）と前記陰極側の端縁ウェブ（１３２）が、前記スタック方向（１０４）に対して垂直に延びる変位方向（１７０、１９６）に互いに対して少なくとも部分的に変位されている、ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電気化学装置。

【請求項5】

前記バイポーラプレート（１０８）が、前記陽極側の端縁ウェブ（１４８）と前記陰極側の端縁ウェブ（１３２）の間に位置する中間領域（１７２）内に、流動媒体を前記バイポーラプレート（１０８）を通して、又は、前記バイポーラプレート（１０８）の内部（１８６）へ通過させるための少なくとも１つの通過開口部（１７４、１９８、２１８）を有している、ことを特徴とする請求項４に記載の電気化学装置。

【請求項6】

前記少なくとも１つの通過開口部（１７４、１９８、２１８）が、媒体通路（１６０、１６４、１６８）と流体的に接続されており、前記媒体通路が前記スタック方向（１０４）に沿って前記バイポーラプレート（１０８）を通り抜けて延びている、ことを特徴とする請求項５に記載の電気化学装置。

【請求項7】

少なくとも１つの膜−電極配置（１１０）に端縁補強配置（１１８）が設けられており、前記端縁補強配置に流れ前記フィールドシール部材（１４２，１５０）が密閉するように接する、ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の電気化学装置。

【請求項8】

前記スタック方向（１０４）に互いに連続する２つのバイポーラプレート（１０８ａ、１０８ｂ）が、互いに実質的に等しく形成されているが、前記スタック方向（１０４）に対して平行な回転軸を中心に１８０°の角度だけ互いに回動されて配置されている、ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の電気化学装置。

【請求項9】

流れフィールドシール部材（１４２、１５０）と接触する端縁ウェブ（１３２、１４８）を有する少なくとも１つのバイポーラプレート（１０８）が、２つのバイポーラプレート層（１３４、１４６）を有しており、前記バイポーラプレート層が接合ライン（１８８、１９０、２１０、２１２、２３０、２３６）に沿って互いに接合されている、ことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の電気化学装置。

【請求項10】

前記バイポーラプレート層（１３４、１４６）が接合ライン（１８８、１９０、２１０、２１２、２３０、２３６）に沿って溶接により及び／又は接着により互いに接合されている、ことを特徴とする請求項９に記載の電気化学装置。

【請求項11】

前記バイポーラプレート（１０８）に配置された前記流れフィールドシール部材（１４２、１５０）が、前記スタック方向（１０４）に見て、前記接合ライン（１８８、１９０、２１０、２１２、２３０、２３６）と重ならない、ことを特徴とする請求項９又は１０のいずれか１項に記載の電気化学装置。

【請求項12】

少なくとも１つのバイポーラプレート（１０８）が２つのバイポーラプレート層（１３４、１４６）を有しており、前記バイポーラプレート層が、たとえばエラストマー材料からなる、シールの形成によって、バイポーラプレート層（１３４、１４６）の少なくとも１つにおいて周囲に対して密閉されている、ことを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の電気化学装置。

【請求項13】

第１のバイポーラプレート（１０８）の前記端縁ウェブ（１３２）と接触し、かつ、第１のガス拡散層（１１２）と接触している前記流れフィールドシール部材（１４２）が、前記第１のバイポーラプレート（１０８）に対向する第２のバイポーラプレート（１０８'）まで延びている、ことを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の電気化学装置。

【請求項14】

第１のバイポーラプレート（１０８）の前記端縁ウェブ（１３２）と接触し、かつ、第１のガス拡散層（１１２）と接触している前記流れフィールドシール部材（１４２）が、さらなる流れフィールドシール部材（１５０'）に密閉するように接し、前記さらなる流れフィールドシール部材が第２のガス拡散層（１１４）と接触し、かつ、前記第１のバイポーラプレート（１０８）に対向する第２のバイポーラプレート（１０８'）に密閉するように接する、ことを特徴とする請求項１から１３のいずれか１項に記載の電気化学装置。

【請求項15】

電気化学装置（１００）を形成する方法であって、前記電気化学装置内に複数の電気化学ユニット（１０６）がスタック方向（１０４）に沿って互いに連続し、
前記電気化学ユニット（１０６）が電気化学的にアクティブな膜−電極配置（１１０）、少なくとも１つのガス拡散層（１１２、１１４）、及び、少なくとも１つの流動媒体のための少なくとも１つの流れフィールド（１２４、１２６）を備えたバイポーラプレート（１０８）を有している、方法において、
前記ガス拡散層（１１２、１１４）を前記バイポーラプレート（１０８）に又は前記バイポーラプレート（１０８）のバイポーラプレート層（１３４、１４６）に配置することと、
流れフィールドシール部材（１４２、１５０）を前記バイポーラプレート（１０８）に又は前記バイポーラプレート層（１３４、１４６）に、かつ、前記ガス拡散層（１１２、１１４）に次のように、すなわち前記流れフィールドシール部材（１４２、１５０）が前記バイポーラプレート（１０８）又は前記バイポーラプレート層（１３４、１４６）と、さらに前記ガス拡散層（１１２、１１４）と、の双方に接触するように、形成することと、
を有しており、
前記スタック方向（１０４）に互いに連続する２つのバイポーラプレート（１０８ａ、１０８ｂ）の互いに向き合った側に、それぞれ端縁ウェブ（１３２、１４８）が設けられており、前記端縁ウェブがそれぞれ流れフィールドシール部材（１４２、１５０）と接触し、前記バイポーラプレート（１０８ａ、１０８ｂ）の前記端縁ウェブ（１３２、１４８）と接触する前記流れフィールドシール部材（１４２、１５０）が互いに密閉するように接する、方法。

【請求項16】

前記バイポーラプレート（１０８）が少なくとも１つの端縁ウェブ（１３２、１４８）を有し、前記端縁ウェブが前記バイポーラプレート（１０８）の流れフィールド（１２４、１２６）を少なくとも部分的に縁取り、
前記流れフィールドシール部材（１４２、１５０）を形成する間、前記ガス拡散層（１１２、１１４）が前記端縁ウェブ（１３２、１４８）と接触している、ことを特徴とする請求項１５に記載の方法。

【請求項17】

前記バイポーラプレート（１０８）の少なくとも１つが、少なくとも１つの端縁ウェブ（１３２、１４８）を有し、前記端縁ウェブが、前記バイポーラプレート（１０８）の流れフィールド（１２４、１２６）を少なくとも部分的に縁取り、かつ、前記バイポーラプレート（１０８）に隣接するガス拡散層（１１２、１１４）と接触しており、
前記流れフィールドシール部材（１５０）が、射出成形によって前記端縁ウェブ（１３２、１４８）に及び／又はガス拡散層（１１２、１１４）に形成される、
請求項１５又は１６に記載の方法。

【請求項18】

前記バイポーラプレート（１０８）の少なくとも１つが、少なくとも１つの端縁ウェブ（１３２、１４８）を有し、前記端縁ウェブが、前記バイポーラプレート（１０８）の流れフィールド（１２４、１２６）を少なくとも部分的に縁取り、かつ、前記バイポーラプレート（１０８）に隣接するガス拡散層（１１２、１１４）と接触しており、
前記流れフィールドシール部材（１５０）が、パターン印刷法によって前記端縁ウェブ（１３２、１４８）に及び／又はガス拡散層（１１２、１１４）に形成される、
請求項１５又は１６に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電気化学装置に関するものであって、それは以下の特徴を有している：
スタック方向に沿って互いに連続する複数の電気化学ユニットからなるスタックであって、前記ユニットがそれぞれ電気化学的にアクティブな膜−電極配置、少なくとも１つのガス拡散層、及び、少なくとも１つの流動性の媒体のための少なくとも１つの流れフィールドを備えたバイポーラプレートを有している、スタック。

【背景技術】

【0002】

この種の電気化学的装置は、特に燃料セルスタックあるいは電解槽として形成することができる。

【0003】

燃料セルスタック内及び電解槽内では、電気化学ユニットの種々の平面内で、かつ、それぞれデザインに応じて、それらの平面の種々の領域内でも、様々な媒体が案内される。これらの媒体は、特に陽極流体（燃焼ガス）、陰極流体（酸化剤）及び場合によっては流動性の冷却剤とすることもできる。

【0004】

電気化学装置を通して案内されるこれらの媒体は、互いに混合してもならず、電気化学ユニットから流出してもならない。したがって複数の平面内に密閉が必要である。

【0005】

これらの密閉は、たとえばエラストマー材料及び接着に基づいて実現することができる。

【0006】

金属のバイポーラプレートを有する電気化学ユニット内では、密閉は完全に、あるいは部分的に、バイポーラプレート内の条溝によって、あるいはエラストマー材料ベースのシールによって実現することができる。

【0007】

バイポーラプレート（セパレータ又はインターコネクタとも称される）は、１部材で形成することができ、あるいは少なくとも２つの個別相（バイポーラプレート層）を有することができる。

【0008】

多層のバイポーラプレートのバイポーラプレート層は、溶接又は接着のような接合方法によって結合することができる。

【0009】

シールは、別体のコンポーネントとして電気化学ユニットからなるスタック内に挿入し、又は、バイポーラプレート上若しくは電気化学ユニットの他の構成要素上に、たとえばガス拡散層上若しくは膜−電極配置上に、固定することができる。

【0010】

取り扱いと形成における利点により、かつ、シール形成が簡単であることにより、しばしばバイポーラプレート上にシールを固定することが優先される。これは、たとえば、特にエラストマー材料からなるシールをバイポーラプレートの層上に吹き付けることによって、行うことができる。

【0011】

このシール構成において、バイポーラプレートに固定されたシールと、膜−電極配置の端縁領域内で膜−電極配置に（特に触媒コーティングされた膜、ＣＣＭに）固定された端縁補強配置との組み合わせが好ましいことが明らかにされており、その場合に端縁補強配置はシールのためのカウンターコンポーネントとして用いられ、膜−電極配置の好ましくない機械的負荷を阻止することを支援し、同時に膜−電極配置の電気化学的にアクティブな領域を膜−電極配置の端縁領域に効果的に結合することを保証する。

【0012】

この種の端縁補強配置は、たとえば欧州特許第１４０３９４９（Ｂ１）号明細書に開示されている。

【0013】

この種の端縁補強配置は、サブガスケットとも称される。この種の端縁補強配置は、１つ又は複数の層を有することができ、その場合に通常の構造は２つの層を有し、それらは、一周するフレームの形式の膜−電極配置の２つの互いに逆となる側に配置されている。

【0014】

電気化学装置を形成する場合に、各電気化学ユニットのバイポーラプレート、ガス拡散層、膜−電極配置、シール及び場合によっては端縁補強配置（サブガスケット）は、互いに対して位置決めされなければならず、その場合にこれらのコンポーネントは個々に、あるいは少なくとも部分的にすでに互いに結合されているサブアッセンブリとして、組み合わせることができる。

【0015】

シールがガス拡散層に結合される場合に、これは、シールを取り付けるためのガス拡散層の位置決めも、電気化学的ユニットからなるスタックを形成する間、バイポーラプレート上でガス拡散層とそれに形成されたシールからなるユニットの位置決めも、必要とする。

【0016】

シールがバイポーラプレート上に形成される場合に、膜−電極配置とガス拡散層は、個別コンポーネントとして、あるいは前もって組み合わされたユニットとして、位置決めされる。

【0017】

電気化学装置へ供給される媒体（陰極流体、陽極流体、冷却剤）は、電気化学装置のスタック方向に延びる媒体供給通路と媒体導出通路を有する媒体分配構造（マニフォールドとも称される）によって、電気化学装置の種々の平面へ供給され、あるいは電気化学装置の種々の平面から導出され、かつ、電気化学ユニット内で媒体供給通路から該当する媒体の流れフィールド（フローフィルード）へ供給され、かつ流れフィールドから再び媒体導出通路内へ導出されなければならない。その場合に、電気化学装置の外部空間内への漏れ、及び、種々の媒体によって貫流される空間の間の漏れ、の双方を防止するために、媒体供給通路と媒体導出通路及び流れフィールドも、密閉されなければならない。

【0018】

流動性の媒体のための流れフィールドは、通路−ウェブ構造を有しており、それが該当する媒体を電気化学ユニットの平面を介して案内する。各流れフィールドは、側方において、以下においては端縁ウェブと称する流れフィールドの外側端縁をまわって一周する、ウェブによって側方を画成される。

【0019】

既知の電気化学装置においては、流れフィールドを密閉するシールは、端縁ウェブから離隔してバイポーラプレート上に取り付けられ、あるいは組み合わされる。その場合にシールと端縁ウェブの間に間隙が生じ、その間隙は、以下で端縁通路と称する。

【0020】

実験結果は、電気化学装置の駆動において、流れフィールドを取り巻く端縁通路を通る媒体の寄生的な流れ及び／又は水による端縁通路の少なくとも部分的な溢水が行われることがあることを、示している（P. Stahl, J. Biesdorf, P. Boillat, J. Kraft 及びK. A. Friedrichの論文“Water Distribution Analysis in the Outer Perimeter Region of Technical PEFC Based on Neutron Radiography“. Journal of the Electrochemical Society 162(7) F677-F685 (2015)ページに掲載）。それによって端縁通路の領域内で、膜−電極配置に陰極及び／又は陽極流体の定められない供給が生じ、それが膜−電極配置の電気化学的にアクティブな領域内の老化を促進することがあり得る。

【0021】

端縁補強配置の取り付けによって端縁通路の領域内で電気化学的反応が中断される場合も、それにもかかわらず端縁通路を通って流れる媒体は電気化学的反応のために提供されない。さらに、端縁補強配置の取り付けは、製造及び組み合わせの手間の増大と結びついている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0022】

【特許文献1】欧州特許第１４０３９４９（Ｂ１）号明細書

【非特許文献】

【0023】

【非特許文献1】P. Stahl, J. Biesdorf, P. Boillat, J. Kraft 及びK. A. Friedrichの論文“Water Distribution Analysis in the Outer Perimeter Region of Technical PEFC Based on Neutron Radiography“. Journal of the Electrochemical Society 162(7) F677-F685 (2015)ページに掲載。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0024】

本発明の課題は、少なくとも１つの流れフィールドを簡単かつ確実なやり方で密閉し、かつ寄生的な流れの発生を回避する、冒頭で挙げた種類の電気化学装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0025】

この課題は、請求項１の前文の特徴を有する電気化学装置において、本発明によれば、少なくとも１つのバイポーラプレートが少なくとも１つの端縁ウェブを有しており、その端縁ウェブがバイポーラプレートの流れフィールドを少なくとも部分的に縁取り、かつ、バイポーラプレートに隣接するガス拡散層と接触しており、電気化学装置がさらに少なくとも１つの流れフィールドシール部材を有し、その流れフィールドシール部材が、端縁ウェブによって縁取られた流れフィールドを密閉し、かつ、端縁ウェブと接触し、かつ、ガス拡散層と接触することによって、解決される。

【0026】

したがって本発明の視点は、流れフィールドシール部材を直接、流れフィールドを縁取る端縁ウェブにかつ端縁ウェブに接するガス拡散層に結合することである。

【0027】

その場合に好ましくは、端縁ウェブは流れフィールドをぐるっと一周するように形成されており、かつ特に中断、へこみ又は貫流開口部をもたず、それによって端縁ウェブを通して媒体が案内される。

【0028】

好ましくはガス拡散層と流れフィールドシール部材は、唯一のプロセスステップにおいて一緒にバイポーラプレートに又はバイポーラプレートの個別層に結合される。唯一の取り扱い及び位置決めステップによってバイポーラプレート、ガス拡散層及び流れフィールド部材からなるユニットを組み立てることにより、必要なプロセスステップの数と手間及びそのために必要な取り扱い及び位置決めプロセスの数が最小限に抑えられ、それによって可能なエラー源も減少される。

【0029】

本発明の好ましい形態において、流れフィールドシール部材は、端縁ウェブと材料結合で結合されている。

【0030】

好ましくはさらに、流れフィールドシール部材はガス拡散層と材料結合で結合されている。特に、流れフィールドシール部材を形成するエラストマー材料は、流れフィールドシール部材を形成する間に多孔のガス拡散層内へ侵入することができ、それによってガス拡散層は流れフィールドシール部材と材料結合で結合される。

【0031】

流れフィールドシール部材は、特に、端縁ウェブに及び／又はガス拡散層に形成される射出成形部分として形成することができる。

【0032】

その代わりに又はそれに加えて、流れフィールドシール部材はパターン印刷方法によって端縁ウェブに及び／又はガス拡散層に形成することができる。

【0033】

本発明の好ましい形態において、バイポーラプレートはその陽極側に陽極側の端縁ウェブを有し、その陰極側に陰極側の端縁ウェブを有しており、陽極側の端縁ウェブと陰極側の端縁ウェブは、スタック方向に対して垂直に延びる変位方向に少なくとも部分的に互いに対して変位されている。

【0034】

その場合に、バイポーラプレートが、陽極側の端縁ウェブと陰極側の端縁ウェブとの間に位置する中間領域内に、流動媒体をバイポーラプレートを通して、あるいはバイポーラプレートの内部空間内へ通過させるために少なくとも１つの通過開口部を有していると、効果的である。

【0035】

この種の通過開口部は、好ましくは媒体通路と流体接続されており、その媒体通路はバイポーラプレートを通ってスタック方向に沿って延びている。

【0036】

本発明に係る電気化学装置内に、少なくとも１つの膜−電極配置に端縁補強配置（サブガスケット）を設けることができ、その端縁補強配置に流れフィールドシール部材が密閉するように接する。

【0037】

その代わりに、あるいはそれに加えて、電気化学装置のスタック方向に互いに連続する２つのバイポーラプレートが、互いに向き合った側にそれぞれ端縁ウェブを有することもでき、その端縁ウェブがそれぞれ流れフィールドシール部材と接触しており、バイポーラプレートの端縁ウェブと接触する流れフィールドシール部材が、互いに密閉するように接する。

【0038】

その場合に特に、スタック方向に互いに連続する２つのバイポーラプレートは、互いに実質的に等しく形成されているが、スタック方向に対して平行の回転軸を中心に互いに対して１８０°の角度だけ回動して配置することができる。

【0039】

流れフィールドシール部材と接触する端縁ウェブを有する少なくとも１つのバイポーラプレートは、２つのバイポーラプレート層を有することができ、それらは接合ラインに沿って、好ましくは流体密に、互いに接合されている。

【0040】

その場合に特に、バイポーラプレート層は接合ラインに沿って溶接によって及び／又は接着によって、互いに接合することができる。

【0041】

本発明の特に好ましい形態において、バイポーラプレートに配置された流れフィールドシール部材は、バイポーラプレートのバイポーラプレート層を互いに接合する接合ラインと、−スタック方向に見て−重ならない。

【0042】

特に、流れフィールドシール部材は接合ラインと交差せず、そしてまたスタック方向において接合ラインの１つの上方又は下方でそれに対して平行に延びない。

【0043】

本発明の特別な形態において、第１のバイポーラプレートの端縁ウェブと接触し、かつ第１のガス拡散層と接触している流れフィールドシール部材が、他の流れフィールドシール部材に密閉するように接することができ、その他の流れシールド部材は、第１のバイポーラプレートに対向する第２のバイポーラプレートの端縁ウェブと接触し、かつ第２のガス拡散層と接触している。

【0044】

その代わりに、あるいはそれに加えて、第１のバイポーラプレートの端縁ウェブと接触し、かつ第１のガス拡散層と接触している流れフィールドシール部材が、第１のバイポーラプレートに対向する第２のバイポーラプレートまで延びて、第１のバイポーラプレートに対向する第２のバイポーラプレートに、好ましくは密閉するように接することもできる。

【0045】

その場合に流れフィールドシール部材は、好ましくは、第１のバイポーラプレートの端縁ウェブによって縁取られた、第１のバイポーラプレートの流れフィールドに加えて、第２のバイポーラプレートの流れフィールドも密閉する。

【0046】

その場合に好ましくは、流れフィールドシール部材は第１のバイポーラプレートの陰極側と材料結合で結合されており、かつ第２のバイポーラプレートの陽極側に密閉するように接する。

【0047】

その場合に、流れフィールドシール部材が第２のバイポーラプレートの端縁ウェブと接触し、あるいは第２のバイポーラプレートに接する第２のガス拡散層と接触することは、不要である。

【0048】

電気化学装置のこの種の形態の代わりに、あるいはそれに加えて、第１のバイポーラプレートの端縁ウェブと接触し、かつ第１のガス拡散層と接触する、流れフィールドシール部材が他の流れフィールドシール部材に密閉するように接し、当該他の流れフィールドシール部材が第２のガス拡散層と接触し、かつ第１のバイポーラプレートに対向する第２のバイポーラプレートに密閉するように接することもできる。

【0049】

その場合に特に、第１の流れフィールドシール部材が第１のガス拡散層と材料結合で、そして他の流れフィールドシール部材が第２のガス拡散層と材料結合で結合することができる。

【0050】

その場合に第１の流れフィールドシール部材は、好ましくは第１のバイポーラプレートの陰極側と接触し、第２の流れフィールドシール部材が、第２のバイポーラの陽極側に好ましくは密閉するように接する。

【0051】

本発明は、さらに、電気化学装置のための電気化学ユニットを形成する方法に関するものであり、その電気化学装置内にスタック方向に沿って複数の電気化学ユニットが連続しており、電気化学ユニットが電気化学的にアクティブな膜−電極配置、少なくとも１つのガス拡散層及び、少なくとも１つの流動媒体のための少なくとも１つの流れフィールドを備えたバイポーラプレートを有している。

【0052】

本発明の他の課題は、少ない数のプロセスステップにおいて、かつ、そのために必要な取り扱い及び位置決めプロセスの数をできるだけ少なくして実施することができ、それにもかかわらず流れフィールドの確実な密閉を可能にする、電気化学ユニットを形成するためのこの種の方法を提供することである。

【0053】

この課題は、本発明によれば、以下のことを有する方法によって解決される：
−バイポーラプレートに又はバイポーラプレートのバイポーラプレート層に、ガス拡散層を配置し、
−バイポーラプレートに又はバイポーラプレート層に、かつ、ガス拡散層に、流れフィールドシール部材を、流れフィールドシール部材が、バイポーラプレート又はバイポーラプレート層と、さらにガス拡散層と、の双方と接触するように、形成する。

【0054】

好ましくはその場合に、流れフィールドシール部材はバイポーラプレートに又はバイポーラプレート層に形成され、ガス拡散層はバイポーラプレートに又はバイポーラプレート層に配置されている。

【0055】

本発明に係る方法の好ましい形態において、バイポーラプレートが少なくとも１つの端縁ウェブを有し、その端縁ウェブがバイポーラプレートの流れフィールドを少なくとも部分的に縁取り、ガス拡散層は、流れフィールドシール部材を形成する間、端縁ウェブと接触している。

【0056】

本発明に係る方法の他の好ましい特徴は、すでに、本発明に係る電気化学装置の好ましい実施形態に関連して上で説明されている。

【0057】

本発明によれば、ガス拡散層と流れフィールドシール部材は、唯一のプロセスステップにおいて共通にバイポーラプレートに又はバイポーラプレート層に結合される。

【0058】

電気化学ユニットの電気化学的にアクティブな領域の回りを一周する端縁ウェブは、好ましくはつながって形成される。

【0059】

端縁ウェブは、ガス拡散層のための結合面として用いられる。

【0060】

ガス拡散層は、端縁ウェブを部分的又は完全に覆い及び／又は端縁ウェブを越えて外側へ向かって、したがって流れフィールドの外部へ向かって、張り出す。

【0061】

好ましくは、流れフィールドシール部材は、ガス拡散層の外側の端縁を完全に包囲する。

【0062】

流れフィールドシール部材は、端縁ウェブの外側の側面において及び／又は頂上領域においてその外側に配置することができる。

【0063】

端縁ウェブによって、射出成形方法で流れフィールドシール部材を形成するための、閉成されたキャビティを形成することができる。

【0064】

その代わりに、あるいはそれを補って、端縁ウェブは、たとえばパターン印刷方法、特にスクリーン印刷方法のような、塗布方法において、あるいはＣＩＰ（”Cred in place”）方法において、流れフィールドシール部材を形成するための載置面として提供される。

【0065】

好ましくは、バイポーラプレートの−スタック方向に互いに対向する−２つの側に、それぞれ端縁ウェブが設けられている。

【0066】

バイポーラプレートの２つの側の端縁ウェブ（陰極側の端縁ウェブと陽極側の端縁ウェブ）は、好ましくはスタック方向に直交する平面内で、互いに対して部分的に変位して配置されている。

【0067】

それによってバイポーラプレートに中間領域が生じ、その中間領域はスタック方向に対して直交する平面内で２つの端縁ウェブの間に位置する。

【0068】

流動媒体を供給又は導出するための媒体流は、この種の中間領域内で端縁ウェブの下方を通って案内し、かつ、２つの端縁ウェブの間の中間領域内の通過開口部を通してバイポーラプレートの反対側へ案内することができ、そこには該当する流動媒体用の流れフィールドが配置されている。

【0069】

それによって、端縁ウェブをそれぞれつなげて及び／又は中断なしで及び／又は貫流開口部なしで、形成することが可能である。

【0070】

流動媒体、特に冷却剤は、端縁ウェブの体積を通して案内することができ、それによって流れフィールドの幅にわたって分配することができる。

【0071】

膜−電極配置の老化の加速に寄与することのある、膜−電極配置の電気化学的にアクティブな領域の片側への陽極液又は陰極液の供給を回避するために、膜−電極配置の周面に端縁補強配置（サブガスケット）を設けることができ、端縁補強配置は好ましくは、互いに変位された端縁ウェブの領域内に配置される。

【0072】

本発明の特別な形態において、バイポーラプレート、流れフィールドシール部材及びガス拡散層は、膜−電極配置の両側に位置する流れフィールドシール部材の密閉ライン及び、端縁ウェブがそれに沿って延びるラインが、スタック方向に見て互いに実質的に等しく重なり合うように、形成されている。

【0073】

この場合において、膜−電極配置の両側へ流動媒体を供給される電気化学的にアクティブな領域は、等しく重なり合うので、電気化学的にアクティブな領域の片側だけの媒体供給を回避するための端縁補強配置の使用は、不要である。

【0074】

スタック方向に互いに隣接する２つの膜−電極配置の電気化学的にアクティブな領域は、−スタック方向に見て−、媒体供給と媒体導出の領域内で互いに等しく重なり合わない。これらの部分において、流動媒体はバイポーラプレートの、それぞれの膜−電極配置に対向する平面を介し、かつバイポーラプレート内の通過開口部を通してそれぞれの媒体用の流れフィールドへ供給される。

【0075】

スタック方向に互いに連続する２つの膜−電極配置へ媒体を供給又は導出するための、バイポーラプレート内の通過開口部は、この場合において、スタック方向に対して直交する方向に互いに変位して配置されている。

【0076】

電気化学装置のこの実施形態において、２つの互いに隣接する電気化学ユニットのバイポーラプレート、流れフィールドシール部材、ガス拡散層及び膜−電極配置は、互いに同一に形成されているが、スタック方向に対して平行な回転軸を中心に互いに対して１８０°だけ回動されて、重ねられており、それによって媒体のための供給通路と導出通路の領域における端縁ウェブと流れフィールドシール部材の変位が達成される。

【0077】

これが、同一部品として真に同一に構成されたバイポーラプレートからなるスタックの形成を許す。

【0078】

この実施形態において、２つのバイポーラプレート層の間の中間領域内の冷却剤は、バイポーラプレートの内部空間内へ流入する。その場合にバイポーラプレートの内部空間への冷却剤の供給と、バイポーラプレートの内部空間からの冷却剤の導出は、好ましくは、２つのバイポーラプレートが、流れフィールドシール部材と冷却剤通路の通路シール部材が冷却剤の流れパスと交差する領域内で、互いに離隔していることを介して行われる。

【0079】

少なくとも１つの端縁ウェブは、流動媒体によって、好ましくは冷却剤によって貫流することができ、そのようにして電気化学ユニットの面にわたって流動媒体が分配される。

【0080】

１つより多い媒体を端縁ウェブの体積を通して流れフィールド内へ案内し、かつ分配することができるようにするために、端縁ウェブの体積は充填物によって分割することができる。

【0081】

この種の充填物は、特に流れフィールドシール部材と一体的に形成することができる。

【0082】

バイポーラプレートが２つのバイポーラプレート層から形成されている場合に、バイポーラプレート層は、溶接又は接着のような接合方法により、あるいはまた特にエラストマー材料からなるシールを形成することによって、バイポーラプレート層の少なくとも１つにおいて、周囲に対して密閉することができる。

【0083】

この種のシールは、第１のバイポーラプレート層上、第２のバイポーラプレート層上、あるいは一部は、第１のバイポーラプレート層上に、そして他の部分は第２のバイポーラプレート層上に形成することができる。

【0084】

バイポーラプレートの内部空間を密閉するためのシールは、流れフィールドシール部材を形成するのと共通のプロセスステップにおいて、形成することができる。

【0085】

バイポーラプレート層に凹部を、特に溝の形式で、設けることができ、その溝内にシール材が少なくとも部分的に収容され、それによってシール作用に必要なシール体積を収容することができる。

【0086】

本発明の特に好ましい形態において、バイポーラプレートのバイポーラプレート層がそれに沿って互いに接合される接合ライン、たとえば溶接継目又は接着継目は、バイポーラプレートに設けられているシール部材の密閉ラインと交差又は重畳しない。それによって特にバイポーラプレート層を接合するために溶接方法が使用される場合に、シール設計とプロセス安全性に関する利点が得られる。

【0087】

バイポーラプレート層が接着によって互いに接合されている場合には、バイポーラプレート層の接合ラインが、バイポーラプレート層に設けられているシール部材の密閉ラインと重なり交差することが可能である。それによって特に、バイポーラプレートにおける媒体供給と媒体導出の領域は、著しくコンパクトに形成することができる。さらに、媒体導出と媒体供給のこの領域内で、スタック内で互いに隣接する２つの膜−電極配置の互いに対する変位も、より小さく選択することができる。

【0088】

ガス拡散層、バイポーラプレート又はバイポーラプレート層及び流れフィールドシール部材からなるユニットを形成する場合に、好ましくはガス拡散層の外側の一周する部分が、バイポーラプレートに、あるいはバイポーラプレート層に設けられた端縁ウェブと接触される。

【0089】

好ましくはエラストマー材料からなる、流れフィールドシール部材は、それが、端縁ウェブの領域内でガス拡散層及びバイポーラプレート又はバイポーラプレート層と直接かつ間隙なしで結合されるように、形成される。

【0090】

流れフィールドシール部材の形成が射出成形方法で行われる場合に、射出成形工具の型取りエッジをガス拡散層上に載置することができ、ガス拡散層は弾性的又は可塑的な変形によって射出成形工具の誤差を補償する。

【0091】

本発明に係る電気化学装置及び本発明に係る形成方法において、端縁ウェブと流れフィールドシール部材との間に端縁通路が生じることは、流れフィールドシール部材を端縁ウェブに直接配置することによって防止される。それによって膜−電極配置の電気化学的にアクティブな領域の定められない媒体供給及びそれと結びついた老化効果が回避され、かつ、膜−電極配置の外側の端縁領域における端縁補強配置を省くことが可能である。

【0092】

本発明は、電気化学ユニットの端縁領域とシール領域の極めてコンパクトな構造を可能にする。

【0093】

さらに、バイポーラプレート又はバイポーラプレート層、ガス拡散層及び流れフィールドシール部材からなるユニットは、電気化学装置の組み立てプロセスにおいて、唯一の取り扱い及び位置決めプロセスによって組み立てることができる。

【0094】

膜−電極配置（端縁補強配置あり又はなし）は、ロール製品として設けることができ、スタックを組み立てる前のプロセスステップにおいて裁断して、組み立てることができる。

【0095】

それによって、必要なプロセスステップの数と手間及び必要な取り扱い及び位置決めプロセスの数と手間が著しく減少され、組み立てプロセスは不具合の発生が少なくなる。

【0096】

端縁ウェブは、流れフィールドシール部材を形成する場合に、成形及び／又は支持構造として用いられる。

【0097】

端縁ウェブは、バイポーラプレートの内部空間を周囲に対して密閉するためのシール部材を、少なくとも部分的に収容するためにも、用いられる。

【0098】

端縁ウェブの体積を、種々の媒体によって貫流可能な複数の部分に分割するための充填物は、たとえば、挿入部品、別に形成される部材、又は、共通のプロセスステップにおいて流れフィールドシール部材と共にバイポーラプレート又はバイポーラプレート層上に形成される部材、とすることができる。

【0099】

バイポーラプレートに、あるいはバイポーラプレート層に、流れフィールドシール部材が形成されてしまうまで、バイポーラプレートもしくはバイポーラプレート層にガス拡散層を一時的に固定するために用いられる、部材を設けることができる。

【0100】

この種の固定部材は、バイポーラプレート又はバイポーラプレート層と一体的に形成することができ、あるいはバイポーラプレートもしくはバイポーラプレート層とは別に形成される構成部品とすることができる。

【0101】

バイポーラプレート又はバイポーラプレート層にガス拡散層を固定することは、たとえば形状結合、材料結合又は摩擦結合によってもたらすことができる。

【0102】

流れフィールドシール部材によって密閉するために必要とされる弾性は、エラストマー材料を使用することにより及び／又は条溝構造とそれに配置されたシール材料を使用することにより得ることができる。条溝構造を使用する場合には、第１のプレスプロセスにおける可塑変形によって巨視的な凹凸が、そして条溝構造上に配置される、好ましくはエラストマー材料からなるシールによって微視的な凹凸が、補償される。

【0103】

流れフィールドシール部材は、シール作用に必要なシール力を低下させるために、フラットに、あるいはその、バイポーラプレートとは逆の上側においてプロフィールを有するように形成することができる。

【0104】

バイポーラプレートに複数の流れフィールドシール部材、たとえば陰極側の流れフィールドシール部材と陽極側の流れフィールドシール部材、が存在している場合に、これらの流れフィールドシール部材は同じやり方で構成して、形成することができるが、異なるように構成及び／又は形成することができる。

【0105】

たとえば、バイポーラプレートの一方の側に、凹凸を有する流れフィールドシール部材を、特に射出成形方法で、形成することができ、バイポーラプレートの対向する側には、パターン印刷方法、特にスクリーン印刷方法によって、フラットに形成される流れフィールドシール部材が形成される。

【0106】

流れフィールドシール部材を形成するために射出成形方法を適用する場合に、ガス拡散層は射出成形工具の型取りエッジによって、好ましくは電気化学装置の駆動の間にプレスされるよりも強く、プレスされる。

【0107】

好ましくは端縁ウェブは、充分に大きい載置面積を有しているので、射出成形工具の型取りエッジを介して、エラストマー材料の圧入の間に必要とされるシールを形成することができる。

【0108】

バイポーラプレートが複数のバイポーラプレート層から構成されている場合に、各バイポーラプレート層にガス拡散層を結合することと、流れフィールドシール部材を形成することは、別々に行うことができ、それに続いて他のステップにおいて、バイポーラプレート層を互いに接合することができる。この場合において、流れフィールドシール部材を形成する際に、バイポーラプレート層の、形成すべきシール部材に対向する側から他の射出成形工具によってバイポーラプレート層を支持することが可能である。

【0109】

しかし原則的に、少なくとも１つの流れフィールドシール部材は、複数のバイポーラプレート層からすでに接合されているバイポーラプレートに形成することもできる。

【0110】

その場合にバイポーラプレートの剛性は、発生するプロセス力に耐えるために、充分に高くなければならない。

【0111】

その場合に、バイポーラプレートの互いに対向する２つの側におけるガス拡散層と流れフィールドシール部材は、１つの共通のプロセスステップにおいて、あるいはシーケンシャルに相前後して、設けることもできる。

【0112】

その場合にシーケンシャルな形成は、流れフィールドシール部材がバイポーラプレートの２つの互いに対向する側において同一の工具によって形成することができる場合に、効果的であり得る。

【0113】

好ましくはバイポーラプレートの２つの互いに対向する側に、それぞれガス拡散層が流れフィールドシール部材によって結合される。

【0114】

しかし原則的に、バイポーラプレートの片側に１つのガス拡散層のみを流れフィールドシール部材によって結合することもでき、その場合に、電気化学装置の組み立てプロセスにおいて、第２のガス拡散層は別に、バイポーラプレートの対向する側で挿入される。

【0115】

バイポーラプレートの複数のバイポーラプレート層が溶接方法によって互いに接合される場合に、流れフィールドシール部材が溶接継目と重ならない場合には、バイポーラプレート層は流れフィールドシール部材の形成前又は後に互いに溶接することができる。この場合においては、流れフィールドシール部材の形成後も、まだ、バイポーラプレートの少なくとも一方の側からすべての接合箇所に接近することができる。

【0116】

複数のバイポーラプレート層が接着によって互いに接合される場合に、バイポーラプレート層は好ましくは、個々のバイポーラプレート層に流れフィールドシール部材が形成された後に、互いに接合される。その場合に接合ラインは、−スタック方向に見て−流れフィールドシール部材と、そしてバイポーラプレート層に設けられた通路シール部材と重なることができ、それが、シール部材の領域におけるバイポーラプレートの極めてコンパクトな構造を可能にする。

【0117】

本発明の更なる特徴と利点が、実施例についての以下の説明及び図面表示の対象である。

【図面の簡単な説明】

【0118】

【図1】スタック方向に沿って互いに連続する複数の電気化学ユニットを有する、電気化学装置の電気化学ユニットのバイポーラプレートの陽極側を上から部分的に図式的に示す上面図であって、表示は、媒体供給又は媒体導出の領域とバイポーラプレートの陽極側の流れフィールドの一部を示している。

【図2】媒体供給又は媒体導出の同一の領域及び対向する陰極側の流れフィールドの一部を示す、図１のバイポーラプレートの陰極側を部分的に下から図示的に示す上面図である。

【図3】図１と図２に示すバイポーラプレートを有する電気化学装置を陰極流体の導出の領域において、図１の３−３線に沿って示す図式的な縦断面図である。

【図4】図１と図２に示すバイポーラプレートを有する電気化学装置を、陽極流体の供給の領域において、図１の４−４線に沿って図式的に示す縦断面図である。

【図5】図１と図２に示すバイポーラプレートを有する電気化学装置を冷却剤供給の領域において、図１の５−５線に沿って示す図式的な縦断面図である。

【図6】スタック方向に沿って互いに連続する複数の電気化学ユニットを有する電気化学装置のバイポーラプレートの第２の実施形態の陰極側を、図式的に示す上面図である。

【図7】図６に示すバイポーラプレートの陽極側を図式的に示す上面図である。

【図8】図６と図７に示すバイポーラプレートを有する電気化学装置を膜−電極配置の第１のセットへ陰極流体を供給する領域において、図６の８−８線に沿って図式的に示す断面図である。

【図9】図６と図７に示すバイポーラプレートを有する電気化学装置を膜−電極配置の第２のセットへ陰極流体を供給する領域において、図６の９−９線に沿って示す図式的な断面図である。

【図10】図６と図７に示すバイポーラプレートを有する電気化学装置を、膜−電極配置の第２のセットから陽極流体を導出する領域において、図６の１０−１０線に沿って示す図式的な断面図である。

【図11】図６と図７に示すバイポーラプレートを有する電気化学装置を、膜−電極配置の第１のセットから陽極流体を導出する領域において、図６の１１−１１線に沿って示す図式的な断面図である。

【図12】図６と図７に示すバイポーラプレートを有する電気化学装置を、冷却剤供給の領域において、図６の１２−１２線に沿って示す図式的な断面図である。

【図13】端縁ウェブを有するバイポーラプレート層、端縁ウェブと接触しているガス拡散層、及び、端縁ウェブとガス拡散層とに接触している流れフィールドシール部材、並びに、流れフィールドシール部材を形成するための射出成形工具の工具部分を、図式的に示す断面図である。

【図14】端縁ウェブを有するバイポーラプレート、端縁ウェブと接触しているガス拡散層、及び、端縁ウェブと接触しかつガス拡散層と接触している、１つ又は複数のシールリップを有する流れフィールドシール部材を、図式的に示す断面図である。

【図15】端縁ウェブを有するバイポーラプレート、端縁ウェブと接触しているガス拡散層、及び、端縁ウェブと接触しかつガス拡散層と接触している、ＣＩＰ（”Cured-in-place”）ビードの形式で形成されている、流れフィールドシール部材を、図式的に示す断面図である。

【図16】端縁ウェブを有するバイポーラプレート層、端縁ウェブと接触しているガス拡散層、及び、端縁ウェブと接触しかつガス拡散層と接触している、射出成形によって形成されている、流れフィールドシール部材を、図式的に示す断面図である。

【図17】バイポーラプレートの第３の実施形態の、陰極側のバイポーラプレート層の冷却剤側の内側を図式的に示す上面図である。

【図18】バイポーラプレートの第３の実施形態の、陽極側のバイポーラプレート層の冷却剤側の内側を図式的に示す上面図である。

【図19】図１７と図１８のバイポーラプレート層を有する電気化学装置を、図１７の１９−１９線に沿って図式的に示す断面図であって、バイポーラプレートの取り付けが済んだ状態において、互いに接合された陰極側と陽極側のバイポーラプレート層がスタック方向に沿って互いに離隔して示されており、それによってバイポーラプレートの内部で冷却剤シール部材がそれぞれバイポーラプレート層の１つのみと材料結合により結合されていることが、明らかにされる。

【図20】バイポーラプレートの第４の実施形態を有する電気化学装置を図８と同様に、陰極流体を膜−電極配置の第１のセットへ供給する領域内で図式的に示す断面図であって、陰極側のバイポーラプレート層と陽極側のバイポーラプレート層は溶接によってではなく、接着によって互いに結合されている。

【図21】２つの端縁補強層からなる端縁補強配置を有する、膜−電極配置の端縁領域、２つのガス拡散層、及び、従来技術に基づいてガス拡散層から離隔して端縁補強配置に配置されている、２つの流れフィールドシール部材を図式的に示す断面図である。

【図22】膜−電極配置の端縁領域、２つのガス拡散層、それぞれ端縁ウェブを有する２つのバイポーラプレート層、及び、本発明にしたがってそれぞれ端縁ウェブ及びそれぞれガス拡散層と接触している２つの流れフィールドシール部材を図式的に示す断面図である。

【図23】膜−電極配置の端縁領域、２つのガス拡散層、それぞれ端縁ウェブを有する２つのバイポーラプレート層、及び、流れフィールド部材を図式的に示す断面図であって、その流れフィールド部材は、第１のバイポーラプレートの第１の端縁ウェブと接触し、かつ、第１のガス拡散層と接触しており、かつ、第１のバイポーラプレートから第１のバイポーラプレートに対向する第２のバイポーラプレートまで延びて、第２のバイポーラプレートに密閉するように接している。

【図24】膜−電極配置の端縁領域、２つのガス拡散層、それぞれ端縁ウェブを有する２つのバイポーラプレート層、及び、２つの流れフィールドシール部材を図式的に示す断面図であって、第１の流れフィールドシール部材が、第１のバイポーラプレートの第１の端縁ウェブと接触し、かつ、第１のガス拡散層と接触し、かつ、第２の流れフィールドシール部材に密閉するように接し、その流れフィールドシール部材自体は第２のガス拡散層と接触し、かつ、第１のバイポーラプレートに対向する第２のバイポーラプレートに密閉するように接するが、第２のバイポーラプレートの第２の端縁ウェブからは離隔している。

【発明を実施するための形態】

【0119】

すべての図において、同一又は機能的に等価の部材は、同一の参照符号で示されている。

【0120】

図１から図５に示す、全体を符号１００で示す電気化学装置、たとえば燃料セルスタック又は電解槽は、スタックを有しており、そのスタックは、スタック方向１０４に互いに連続する複数の電気化学ユニット１０６、たとえば燃料セルユニット又は電解質ユニットと、スタック方向１０４に沿って方向付けされた締めつけ力を電気化学ユニットに供給するための締めつけ装置（図示せず）とを有している。

【0121】

図３から図５からもっともよくわかるように、電気化学装置１００の各電気化学ユニット１０６は、それぞれバイポーラプレート１０８、膜−電極配置（ＭＥＡ）１１０、膜−電極配置１１０の陰極側に配置されている、陰極側のガス拡散層１１２、及び、膜−電極配置１１０の陽極側に配置されている、陽極側のガス拡散層１１４を有している。

【0122】

図１から図５に示す電気化学装置１００の実施形態において、各膜−電極配置１１０はその外側の端縁領域１１６に端縁補強配置１１８を有しており、その端縁補強配置は好ましくは材料結合で、特にホットラミネート及び／又は接着によって、膜−電極配置１１０に固定されている。

【0123】

端縁補強配置１１８は、サブガスケットとも称される。

【0124】

この種の端縁補強配置１１８は、たとえば、特に端縁補強箔の形式の、２つの端縁補強層を有することができ、その場合に陰極側の端縁補強層が膜−電極配置１１０の陰極側に接し、陽極側の端縁補強層は膜−電極配置１１０の陽極側に接して、２つの端縁補強層は、膜−電極配置１１０の外側の端縁１２０を越えて張り出す張り出し領域１２２内で、好ましくは材料結合で、特にホットラミネート及び／又は接着によって、互いに固定されている。

【0125】

図３から図５において、端縁補強配置１１８の端縁補強層は、表示を簡単にするために、ユニットとしてのみ示されており、別に示されてはいない。

【0126】

端縁補強配置１１８の端縁補強層の各々は、サーモプラスティック、ジュロプラスティック又はエラストマーのポリマーから形成することができ、それは好ましくはポリテトラフルオロエチレン、フッ化ポリビニリデン、ポリエステル、ポリアミド、コポリアミド、ポリアミドエラストマー、ポリイミド、ポリウレタン、ポリウレタンエラストマー、シリコン、シリコンゴム及び／又はシリコンベースのエラストマーを有する。

【0127】

膜−電極配置１１０は、陰極側のガス拡散層１１２へ向いた陰極、陽極側のガス拡散層１１４へ向いた陽極、及び、陰極と陽極の間に配置された電解質膜、特にポリマー電解質膜を有している。

【0128】

膜−電極配置１１０のこの３層の構造は、図面では簡単にするために図示されていない。

【0129】

陰極側のガス拡散層１１２は、ガスを透過する材料から形成されており、かつ、膜−電極配置１１０に隣接するバイポーラプレート１０８ａの陰極側の流れフィールド１２４の通路から、膜−電極配置１１０の陰極へ、陰極流体、特に酸化剤を通過させるために用いられ、そのバイポーラプレートはスタック方向１０４において膜−電極配置１１０ａに続き、かつ陰極側のガス拡散層１１２と接触している。

【0130】

陽極側のガス拡散層１１４は、同様にガスを透過する材料から形成されており、かつ、
スタック方向１０４において膜−電極配置１１０の下方に配置されているバイポーラプレート１０８ｂの陽極側の流れフィールド１２６の通路から膜−電極配置１１０の陽極へ陽極流体、特に燃焼ガスを通過させるために用いられ、そのバイポーラプレートは陽極側のガス拡散層１１４と接触している。

【0131】

陽極側のガス拡散層１１４及び隣接するバイポーラプレート１０８ｂは、共通に、電気化学ユニット１０６の陽極側の流体室１２８を包囲する。

【0132】

陰極側のガス拡散層１１２及びそれに隣接するバイポーラプレート１０８ａは、一緒になって、電気化学ユニット１０６の陰極側の流体室１３０を包囲する。

【0133】

図２からもっともよくわかるように、各バイポーラプレートの陰極側の流れフィールド１２４は、陰極側の端縁ウェブ１３２によって縁取られており、その端縁ウェブは好ましくはつながって形成されており、かつ陰極側の流れフィールド１２４全体を包囲している。

【0134】

たとえば図３から明らかなように、陰極側の端縁ウェブ１３２は、たとえば条溝の形式で、バイポーラプレート１０８の陰極側のバイポーラプレート層１３４に形成されている。

【0135】

端縁ウェブ１３２は、特に、流れフィールド１２４を向いた内側の側面１３６、流れフィールド１２４とは逆の外側の側面１３８、及び、外側の側面１３８を内側の側面１３６と結合する頂上領域１４０を有することができる。

【0136】

バイポーラプレート１０８は、好ましくは弾性的及び／又は可塑的に変形可能な金属材料から形成されている。

【0137】

陰極側の流れフィールド１２４と陰極側の流体室１３０を外側へ向かって流体密に密閉するために、バイポーラプレート１０８の陰極側に陰極側の流れフィールドシール部材１４２が配置されており、それは、密閉ライン１４４に沿って陰極側の端縁ウェブ１３２と陰極側の流れフィールド１２４の回りをまわって延びている。

【0138】

流れフィールドシール部材１４２は、陰極側の端縁ウェブ１３２と接触し、かつ陰極側のガス拡散層１１２と接触しており、そのガス拡散層は陰極側の端縁ウェブ１３２の頂上領域１４０に接し、かつそれを越えて陰極側の流れフィールドシール部材１４２まで延びている。

【0139】

好ましくは陰極側の流れフィールドシール部材１４２は、陰極側の端縁ウェブ１３２と、好ましくはその外側の側面１３８と、材料結合で、かつ陰極側のガス拡散層１１２と材料結合で、結合されている。

【0140】

電気化学装置１００を組み立てた状態において、陰極側の流れフィールドシール部材１４２は端縁補強配置１１８に流体密に接し、その端縁補強配置は、陰極側のガス拡散層１１２が接する膜−電極配置１１０に固定されており、そのガス拡散層と陰極側の流れフィールドシール部材１４２が接触している。

【0141】

バイポーラプレート１０８の陽極側の流れフィールド１２６は、陽極側の端縁ウェブ１４８によって縁取られており、その端縁ウェブは特に、バイポーラプレート１０８の陽極側のバイポーラプレート層１４６に条溝として形成することができ、好ましくは一貫して陽極側の流れフィールド１２６の回りをまわって延びている。

【0142】

陽極側の端縁ウェブ１４８は、好ましくは、陰極側の端縁ウェブ１３２と実質的に同一の横断面をもって形成されており、特に、陽極側の流れフィールド１２６へ向いた内側の側面１３６と陽極側の流れフィールド１２６とは逆の外側の側面１３８、及び、外側の側面１３８を内側の側面１３６と結合する頂上領域１４０を有することができる。

【0143】

陽極側の流れフィールド１２６と陽極側の流体室１２８を外側へ向かって密閉するために、陽極側のバイポーラプレート層１４６に陽極側の流れフィールドシール部材１５０が設けられており、それは、陽極側の端縁ウェブ１４８と陽極側の流れフィールド１２６の回りにシールライン１５２に沿って延びている。

【0144】

陽極側の流れフィールドシール部材１５０は、陽極側の端縁ウェブ１４８と、特にその外側の側面１３８と接触し、かつ陽極側のガス拡散層１１４と接触しており、そのガス拡散層は陽極側の端縁ウェブ１４８の頂上領域１４０を越えて陽極側の流れフィールドシール部材１５０まで延びている。

【0145】

好ましくは陽極側の流れフィールドシール部材１５０は、陽極側の端縁ウェブ１４８と、そして陽極側のガス拡散層１１４と材料結合で結合されている。

【0146】

陽極側の流れフィールドシール部材１５０は、端縁補強配置１１８に流体密に接しており、その端縁補強配置は、陽極側のガス拡散層１１４が接する膜−電極配置１１０に固定されており、そのガス拡散層１１４と陽極側の流れフィールドシール部材１５０が接触している。

【0147】

各バイポーラプレート１０８の互いに逆となる端縁領域は、複数の媒体貫流開口部１５４を有しており、それを通してそれぞれ、電気化学装置１００へ供給すべき媒体（特に膜−電極配置１１０の陰極へ供給すべき陰極流体、膜−電極配置１１０の陽極へ供給すべき陽極流体、又は、冷却剤）がバイポーラプレート１０８を貫流することができる。

【0148】

スタック内で互いに連続するバイポーラプレート１０８の媒体貫流開口部１５４と、スタック方向１０４において媒体貫流開口部１５４の間に位置する間隙が一緒になって、それぞれ媒体通路１５６を形成する。

【0149】

それを通して電気化学装置１００に流動媒体を供給することができる、各媒体通路１５６に、それぞれ少なくとも１つの他の媒体通路が対応づけられており、その媒体通路を通して該当する流動媒体が電気化学装置１００から導出可能である。

【0150】

その場合に各媒体通路１５６は、該当する媒体に対応づけられたバイポーラプレート１０８の流れフィールド１２４、１２６と流体接続されているので、媒体は第１の媒体通路１５６からスタック方向１０４に対して横方向に、好ましくは実質的に垂直に、第２の媒体通路へ流れることができる。

【0151】

図１と図２から明らかなように、各バイポーラプレート１０８は、特に、電気化学装置１００を貫通する、陰極流体用の導出通路１６０の構成要素を形成する、陰極流体用の貫流開口部１５８、電気化学装置１００を貫通する、陽極流体用の供給通路１６４の構成要素を形成する、陽極流体用の貫流開口部１６２、及び、電気化学装置１００を貫通する冷却剤用の供給通路１６８の構成要素を形成する、冷却剤用の貫流開口部１６６を有している。

【0152】

図３からもっともよくわかるように、陰極流体用の貫流開口部１５８の近傍に陽極側の流れフィールドシール部材１５０を有するバイポーラプレート１０８の陽極側の端縁ウェブ１４８は、陰極側の流れフィールドシール部材１４２を有する陰極側の端縁ウェブ１３２に対して、スタック方向１０４に対して垂直に方向付けされた変位方向１７０に沿って、陰極流体用の貫流開口部１５８から離れるように変位している。

【0153】

陽極側の流れフィールドシール部材１５０と陰極側の流れフィールドシール部材１４２との間に位置するバイポーラプレート１０８の中間領域１７２内において、バイポーラプレート１０８に陰極流体用の通過開口部１７４が設けられており、それを通して陰極側の流体室１３０からの陰極流体がバイポーラプレート１０８の陰極側から、バイポーラプレート１０８の陽極側へ、そしてそこから陰極流体用の導出通路１６０内へ達することができる。

【0154】

電気化学ユニット１０６の陰極側の流体室１３０から陰極流体用の導出通路１６０への、及び陰極流体用の導出通路１６０内部の陰極流体の流れ方向が、図３に矢印１７６で示されている。

【0155】

したがって陰極流体の流れは、バイポーラプレート１０８内の陰極流体用の通過開口部１７４を通り抜けて、バイポーラプレート１０８の陰極側の端縁ウェブ１３２を越えて行われる。

【0156】

陰極流体用の導出通路１６０と、陰極側の流体室１３０から導出通路１６０内への陰極流体の流れルートを密閉するために、バイポーラプレート１０８の陽極側に陽極側の通路シール部材１７８が設けられており、それは、シールライン１８０（図１を参照）に沿って陰極流体用の貫流開口部１５８を回り、かつ陰極流体用の通過開口部１７４を回って延びている。

【0157】

陽極側の通路シール部材１７８は、好ましくは材料結合で、バイポーラプレート１０８に固定されており、かつ、陽極側バイポーラプレート層１４６に隣接する端縁補強配置１１８に流体密に密閉するように接する。

【0158】

さらに、陰極流体用の導出通路１６０を密閉するためにバイポーラプレート１０８の陰極側に陰極側の通路シール部材１８２が設けられており、それはシールライン１８４（図２を参照）に沿って陰極流体用の貫流開口部１５８をまわって延びている。

【0159】

陰極側の通路シール部材１８２は、好ましくは材料結合で、陰極側のバイポーラプレート層１３４に固定されており、かつ、陰極側のバイポーラプレート層１３４に隣接する端縁補強配置１１８に流体密に密閉するように接する。

【0160】

電気化学装置１００の駆動において冷却剤によって充填される、それぞれのバイポーラプレート１０８の内部空間１８６に対して密閉するために、陽極側のバイポーラプレート層１４６と陰極側のバイポーラプレート層１３４は、陰極流体用の貫流開口部１５８を回って延びる接合ライン１８８と、陰極流体用の通過開口部１７４を回って延びる（図１と図２を参照）接合ライン１９０に沿って、互いに流体密に接合されている。

【0161】

これらの接合ライン１８８と１９０は、図１から図５に示す実施形態において、好ましくは溶接ラインとして、特に抵抗溶接ラインとして又はレーザー溶接ラインとして形成されている。

【0162】

バイポーラプレート１０８の陽極側を、陰極側の通路シール部材１８２と陰極側の流れフィールドシール部材１４２が互いに隣接して延びる領域に対向する箇所において支持するために、バイポーラプレート１０８の陽極側に１つ又は複数の支持部材１９２が配置されている。

【0163】

支持部材１９２は、たとえばそれぞれ、陽極側のバイポーラプレート層１４６内に形成された隆起部として形成することができる。

【0164】

それに対して代替的に、少なくとも１つのこの種の支持部材１９２を、バイポーラプレート１０８とは別に形成された、電気化学装置１００を組み立てる場合にバイポーラプレート１０８と陰極側に隣接する端縁補強配置１１８との間に配置される部材として形成することも、可能である。

【0165】

支持部材１９２の間又は支持部材１９２の内部に、支持部材１９２からなる配置を通して陰極流体を通過させるための貫流通路が設けられている。

【0166】

同様に図３から明らかなように、バイポーラプレート１０８はさらにその陰極側の、陽極側の通路シール部材１７８と陽極側の流れフィールドシール部材１５０が互いに隣接して延びる領域に対向する箇所に、同様に支持部材１９４を有しており、その支持部材によってバイポーラプレート１０８が陰極側のガス拡散層１１２に、そして、陰極側のガス拡散層１１２が接する端縁補強配置１１８に、支持される。

【0167】

これらの支持部材１９４は、陰極側のバイポーラプレート層１３４に隆起部として形成することができ、又は、バイポーラプレート１０８とは別に形成されて、電気化学装置１００を組み立てる場合にバイポーラプレート１０８と陰極側のガス拡散層１１２との間に配置される部材として形成することができる。

【0168】

図４から明らかなように、電気化学装置１００は、陽極流体用の供給通路１６４から陽極流体を電気化学ユニット１０６の陽極側の流体室１２８へ供給する領域内で、図３に示す、陰極側の流体室１３０から陰極流体を陰極流体用の導出通路１６０内へ導出する領域におけるのと同様に構成されているが、その場合に陽極流体の供給が電気化学装置１００の平面内で行われ、その平面は、陰極流体の導出が行われる平面に対してスタック方向１０４に変位されている。

【0169】

さらに、陽極流体の供給の領域内で、陽極側の流れフィールドシール部材１５０を有する陽極側の端縁ウェブ１４８は、陰極側の流れフィールドシール部材１４２を有する陰極側の端縁ウェブ１３２に対して、スタック方向１０４に対して垂直かつ変位方向１７０とは逆に向けられた変位方向１９６において、したがって陽極側の流れフィールド１２６の中心から離れてバイポーラプレート１０８の外側の端縁へ向かうように、変位されている。

【0170】

陽極側の端縁ウェブ１４８と陰極側の端縁ウェブ１３２の間の中間領域１７２内で、この領域内に、バイポーラプレート１０８を貫通する、陽極流体用の通過開口部１９８が設けられている。

【0171】

陽極流体は、電気化学装置１００の駆動において、陽極流体用の供給通路１６４から陽極側の端縁ウェブ１４８の下を通過し、かつ陽極流体用の通過開口部１９８を通って上方へ向かってそれぞれの陽極流体室１２８内へ流入する。

【0172】

陽極流体用の供給通路１６４を通り、かつ陽極流体用の通過開口部１９８を通って陽極の流体室１２８内へ流れる陽極流体の流れ方向が、図４に矢印２００で示されている。

【0173】

バイポーラプレート１０８の陰極側に、陰極側の通路シール部材２０２が配置されており、その通路シール部材は、シールライン２０４に沿って陽極流体用の貫流開口部１６２を回り、かつ陽極流体用の通過開口部１９８を回って延びており、かつ隣接する端縁補強配置１１８に流体密に密閉するように接する。

【0174】

バイポーラプレート１０８の陽極側に、陽極側の通路シール部材２０６が配置されており、その通路シール部材は陽極流体用の貫流開口部１６２を回って延びており、かつ、隣接する端縁補強配置１１８に流体密に密閉するように接する。

【0175】

陽極側のバイポーラプレート層１４６と陰極側のバイポーラプレート層１３４は、陽極流体用の貫流開口部１６２を回って延びる接合ライン２１０により、かつ陽極流体用の通過開口部１９８を回って延びる接合ライン２１２によって、互いに接合されている。

【0176】

各バイポーラプレート１０８は、その陰極側において、陽極側の通路シール部材２０６が陽極側の流れフィールドシール部材１５０に隣接して延びる領域に対向する箇所に、１つ又は複数の支持部材２１４を有している。

【0177】

さらに、各バイポーラプレート１０８はその陽極側において、陰極側の通路シール部材２０２が陰極側の流れフィールドシール部材１４２に隣接して延びる領域に対向する箇所に、１つ又は複数の支持部材２１６を有している。

【0178】

図５から明らかなように、電気化学装置１００は、バイポーラプレート１０８の内部空間１８６へ冷却剤を供給する領域内で、図３に示す、電気化学ユニット１０６の陰極側の流体室１３０から陰極流体を導出する領域におけるのと同様に形成されている。

【0179】

特に、図１から図６に示す電気化学装置１００の実施形態において、バイポーラプレート１０８の内部空間１８６内への冷却剤の供給は、陰極側の流体室１３０からの陰極流体の導出と同一の平面内で行われる。

【0180】

さらに、内部空間１８６内へ冷却剤を供給する領域内で、陽極側の流れフィールドシール部材１５０を有する陽極側の端縁ウェブ１４８は、陰極側の流れフィールドシール部材１４２を有する陰極側の端縁ウェブ１３２に対して変位方向１７０に、すなわちバイポーラプレート１０８の外側の端縁から離れて陽極側の流れフィールド１２６の中心へ向かって、変位されている。

【0181】

中間領域１７２内では、各バイポーラプレート１０８において、陽極側のバイポーラプレート層１４６に冷却剤用の通過開口部２１８が設けられており、それを通して冷却剤が冷却剤用の供給通路１６８からバイポーラプレート１０８の内部空間１８６内へ達することができる。

【0182】

したがってこの通過開口部２１８は、多層のバイポーラプレート１０８全体を通って延びていない。

【0183】

電気化学装置１００の駆動において、冷却剤用の供給通路１６８から冷却剤が陰極側の端縁ウェブ１３２を越えて、かつ冷却剤用の通過開口部２１８を通ってバイポーラプレート１０８の内部空間１８６内へ流入する。

【0184】

冷却剤の流れ方向が、図５に矢印２２０で示されている。

【0185】

陽極側の通路シール部材２２２はシールライン２２４に沿って冷却剤用の貫流開口部１６６を回り、かつ冷却剤用の通過開口部２１８を回って延びており、かつ隣接する端縁補強配置１１８に流体密に密閉するように接する。

【0186】

バイポーラプレート１０８の陰極側において、陰極側の通路シール部材２２６がシールライン２２８に沿って冷却剤用の貫流開口部１６６を回って延びており、かつ隣接する端縁補強配置１１８に流体密に密閉するように接する。

【0187】

陽極側のバイポーラプレート層１４６と陰極側のバイポーラプレート層１３４は、冷却剤用の貫流開口部１６６を回ってのびる接合ライン２３０に沿って流体密に互いに接合されている。

【0188】

バイポーラプレート１０８の陽極側において、陰極側の通路シール部材２２６が陰極側の流れフィールドシール部材１４２に隣接して延びる領域に対向する箇所に、１つ又は複数の支持部材２３２が配置されている。

【0189】

バイポーラプレート１０８の外側の端縁２３４の近傍で、各バイポーラプレート１０８の陽極側のバイポーラプレート層１４６と陰極側のバイポーラプレート層１３４が、接合ライン２３６に沿って互いに流体密に接合されている。

【0190】

接合ライン２３６は、好ましくは溶接により、特に抵抗溶接又はレーザー溶接によって形成されている。

【0191】

原則的に、バイポーラプレート１０８の内部空間１８６内への冷却剤の供給を、電気化学装置１００の、陽極側の流体室１２８内への陽極流体の供給と同一の平面内で行うこともできる。

【0192】

さらに、電気化学装置１００へ供給すべき媒体（陰極流体、陽極流体及び冷却剤）の各々に関して、該当する流動媒体を供給する領域と導出する領域は交換することができるので、これらの電気化学装置１００を通る媒体の矢印１７６、２００および２２０によって示される流れ方向は、反転する。

【0193】

その場合に、これらの流動媒体のうちの１つの各流れ方向は、他の媒体の任意の流れ方向と組み合わせることができる。

【0194】

陽極側の通路シール部材１７８、２０６及び２２２は、図３から図５において、それぞれ隣接する陽極側の流れフィールドシール部材１５０から分離して示されている。しかしそれに対して代替的に、陽極側の通路シール部材１７８、２０６及び／又は２２２は、それぞれ陽極側の流れフィールドシール部材１５０の隣接部分と一体的に形成することもできる。

【0195】

さらに、図３から図５においては、陰極側の通路シール部材１８２、２０２及び２２６もそれぞれ隣接する陰極側の流れフィールドシール部材１４２から分離して示されている。しかし原則的に、陰極側の通路シール部材１８２、２０２及び／又は２２６を、それぞれ陰極側の流れフィールドシール部材１４２の隣接部分と一体的に形成することも可能である。

【0196】

さらに、図１と図２においては、陽極側の通路シール部材１７８、２０６及び２２２は、互いに分離して示されている。しかし原則的に、陽極側の通路シール部材１７８、２０２及び２２２の２つ又はそれより多くを互いに一体的に形成することも、可能である。

【0197】

さらに、図２においては、陰極側の通路シール部材１８２、２０２及び２２６は、互いに分離して示されている。しかし原則的に、陰極側の通路シール部材１８２、２０２及び２２６の２つ又はそれより多くを互いに一体的に形成することも、可能である。

【0198】

シール部材１４２、１５０、１７８、１８２、２０２、２０６、２２２及び２２６は、好ましくはバイポーラプレート１０８に次のように、すなわちそれらが陽極側のバイポーラプレート層１４６と陰極側のバイポーラプレート層１３４が互いに接合される接合ライン１８８、１９０，２１０、２１２、２３０および２３６と重ならないように、形成されている。特に、好ましくは、シール部材は接合ラインと−スタック方向１０４に見て−交差せず、かつ接合ラインの上方又は下方においてスタック方向１０４にそれらに対して平行にも延びない。

【0199】

それによって、上述した、好ましくはエラストマーのシール部材がバイポーラプレート層１４６もしくは１３４に形成された後に、陽極側のバイポーラプレート層１４６と陰極側のバイポーラプレート層１３４を互いに接合することが、可能である。

【0200】

図１３から図１６は、どのようにしてバイポーラプレート１０８を形成する場合にガス拡散層１１２、１１４をそれぞれの流れフィールドシール部材１４２、１５０と共にそれぞれ対応づけられた端縁ウェブ１３２、１４８に結合することができるかという、種々の可能性を示している。

【0201】

図１３は、どのようにして流れフィールドシール部材、たとえば陽極側の流れフィールドシール部材１５０が射出成形プロセスによって形成されて、同時にそれぞれ対応づけられたバイポーラプレート層と、たとえば陽極側のバイポーラプレート層１４６と、かつそれぞれ対応づけられたガス拡散層と、たとえば陽極側のガス拡散層１１４と、材料結合で結合することができるか、を示している。

【0202】

バイポーラプレート層１４６は、好ましくは変形プロセスによって、特に刻印プロセス又は深絞りプロセスによって金属の原材料から、特に金属の薄板材料から形成され、その場合に端縁ウェブ１４８が生じる。

【0203】

ガス拡散層１１４はバイポーラプレート層１４６上に次のように、すなわちそのガス拡散層が端縁ウェブ１４８の頂上領域１４０を実質的に完全に覆って、さらに端縁ウェブ１４８の流れフィールド１２６とは逆の側に延びるように、載置される。

【0204】

第１の射出成形工具２３８は、型取りエッジ２４０と２４２をもってバイポーラプレート層１４６上もしくはガス拡散層１１４上へ、好ましくはエラストマーの、射出成形材料によって充填すべきキャビティ２４４が形成されるように、載置される。

【0205】

第２の射出成形工具２４６は、バイポーラプレート層１４６のキャビティ２４４とは逆の側においてバイポーラプレート層に接し、それによって第１の射出成形工具２３８の型取りエッジ２４０と２４２の領域内でバイポーラプレート層１４６とガス拡散層１１４をプレスするためのカウンターホルダとして用いられる。

【0206】

次に、流れフィールドシール部材１５０を形成する、硬化すべきエラストマー材料でキャビティ２４４を充填する場合に、エラストマー材料が多孔のガス拡散層１１４のキャビティ２４４へ向いた端縁領域２４８内へも侵入するので、ガス拡散層１１４が流れフィールドシール部材１５０と緊密かつ材料結合で結合される。

【0207】

エラストマー材料が硬化し、かつ射出成形工具２３８と２４６を除去した後に、流れフィールドシール部材１５０、バイポーラプレート層１４６及びガス拡散層１１４からなる配置が、図１６に示す形態を有し、その場合に流れフィールドシール部材１５０は、バイポーラプレート層１４６とも、特に端縁ウェブ１４８の外側の側面１３８とも、材料結合で結合されている。

【0208】

流れフィールドシール部材１５０は、１つ又は複数のシールリップ２５０を有することができ、そのシールリップによって流れフィールドシール部材１５０は、電気化学装置１００が組み立てられた状態においてそれぞれ隣接する端縁補強配置１１８に流体密に密閉するように接する。

【0209】

流れフィールドシール部材１５０をバイポーラプレート層１４６とガス拡散層１１４に取り付ける代替的な取り付けが、図１４に示されている。

【0210】

この代替的な実施形態において、ガス拡散層１１４は、端縁ウェブ１４８の頂上領域１４０全体を越えて、端縁ウェブ１４８の流れフィールド１２６とは逆の側まで延びてはいない；むしろ頂上領域１４０に接するガス拡散層１１４は、端縁ウェブ１４８の頂上領域１４０の内部で終了している。

【0211】

この実施形態において、流れフィールドシール部材１５０は、端縁ウェブ１４８の頂上領域１４０のガス拡散層１１４によって覆われない部分にわたり、かつガス拡散層１１４の端縁領域２４８にわたって延びており、かつ、好ましくはガス拡散層１１４の端縁領域２４８内へも侵入して、それによって流れフィールドシール部材１５０とガス拡散層１１４との間に特に緊密な材料による結合が形成される。

【0212】

この実施形態において、好ましくは、流れフィールドシール部材１５０は、端縁ウェブ１４８の外側の側面１３８までは延びていない。

【0213】

この実施形態においても、流れフィールドシール部材１５０は、１つ又は複数のシールリップ２５０を有することができる。

【0214】

図１４に示す流れフィールドシール部材１５０も、たとえば射出成形方法によってバイポーラプレート層１４６とガス拡散層１１４に形成することができる。

【0215】

図１５に示す、流れフィールドシール部材１５０をバイポーラプレート層１４６とガス拡散層１１４に結合するための代替的な可能性は、流れフィールドシール部材１５０が実質的にプロフィールなしであって、かつ特にシールリップ２５０を形成されていないことによって、図１４に示す実施形態から区別される。

【0216】

この種の流れフィールドシール部材１５０は、たとえばパターン印刷方法、特にスクリーン印刷方法によって、あるいはアプリケータから硬化すべきエラストマー材料からなるビードをバイポーラプレート層１４６の端縁ウェブ１４８上と、ガス拡散層１１４の端縁領域２４８上に塗布することによって（いわゆるＣＩＰ（cued in place）方法）形成することができる。

【0217】

図１から図５に示す、電気化学装置１００の実施形態において、陽極側の流れフィールドシール部材１５０と陰極側の流れシール部材１４２は、それぞれ隣接する端縁補強配置１１８に流体密に密閉するように接する。

【0218】

図６から図１２に示す、この種の電気化学装置１００の代替的な実施形態は、図１から図５に示す第１の実施形態とは、陽極側の流れフィールドシール部材１５０が、スタック方向１０４においてその上に位置するバイポーラプレート１０８の陰極側の流れフィールドシール部材１４２に、それぞれ流体密に密閉するように接していることによって、異なっている（図８から１２を参照）。

【0219】

これを可能にするために、同一の膜−電極配置１１０の互いに逆となる側にそれぞれ配置されている、スタック方向１０４に互いに連続する２つのバイポーラプレート１０８ａと１０８ｂの互いに向き合う端縁ウェブ１３２、１４８は、−スタック方向１０４に見て−完全に等しく配置されており、一方で、同じバイポーラプレート１０８ａもしくは１０８ｂの端縁ウェブ１３２と１４８は、図１から図５に示す第１の実施形態におけるのと同様に、さらに部分的に、スタック方向１０４に対して垂直に方向付けされた変位方向１７０又は１９６に互いに変位して配置されている。

【0220】

好ましくは、これは、スタック方向に互いに直接連続するバイポーラプレート１０８ａと１０８ｂは互いに同一に形成されているが、電子化学装置１００を組み立てる場合にそれぞれスタック方向１０４に対して平行な回転軸を中心に１８０°の角度だけ回動されて、スタック内に組み込まれることによって、得られる。

【0221】

図８から図１１から明らかなように、それによって、電気化学ユニット１０６のそれぞれの流体室１２８、１３０へ流体を供給する領域内で、端縁ウェブ１３２、１４８は、電気化学装置１００の第１の平面内では、それぞれ対応づけられた流れフィールド１２４、１２６の中心点へ向かって、かつスタック方向１０４に隣接する、電気化学装置１００の第２の平面内では、それぞれ対応づけられた流れフィールド１２４、１２６の中心点から外側へ離れるように、変位されている。

【0222】

その場合にそれぞれ、端縁ウェブ１３２、１４８が流れフィールド１２４、１２６の中心へ向かって変位されている平面内では、流体供給はそれぞれの流体通路からバイポーラプレート１０８ａ、１０８ｂ内の該当する流体用の、それぞれ対応づけられた通過開口部１７４、１９８まで行われ、その場合に該当する流体は端縁ウェブ１３２、１４８を越えてそれぞれ隣接する平面内で案内される。

【0223】

その後、それぞれの通過開口部１７４、１９８において、バイポーラプレート１０８ａ、１０８ｂを通る流体は、電気化学装置１００のスタック方向１０４に隣接する平面内のそれぞれ対応づけられた流体室１２８、１３０内へ変化する。

【0224】

これについて、図８から図１１の断面表示を参照しながら以下の例において詳細に説明する。

【0225】

図８からは、どのようにして電気化学装置１００の（上から数えて）第１の平面と第３の平面内で陰極流体用の供給通路２５２から陰極流体がバイポーラプレート１０８ａ内の陰極流体用の通過開口部１７４へ達し、そしてこの通過開口部を通って膜−電極配置１１０ａの第１のセットの陰極側の陰極側流体室１３０内へ達するかが、明らかにされる。

【0226】

図９からは、どのようにして、電気化学装置１００の第２の平面と第４の平面内で陰極流体用の供給通路２５２から陰極流体がバイポーラプレート１０８ｂ内の陰極流体用の通過開口部１７４へ達するか、が明らかにされ、そのバイポーラプレート１０８ｂはバイポーラプレート１０８ａに対して、スタック方向１０４に対して平行の回転軸を中心に１８０°の角度だけ回動して配置されている。このバイポーラプレート１０８ｂの陰極流体用の通過開口部１７４から陰極流体は、膜−電極配置１１０ｂの第２のセットの陰極側の陰極流体室１３０内へ達する。

【0227】

図６から明らかなように、図８と図９の切断平面の間の陰極側の端縁ウェブ１３２は、外側へ変位した位置（図８内）から内側へ変位した位置（図９内）へ変化する。同様にバイポーラプレート１０８のこの領域内で、陽極側の端縁ウェブ１４８が内側へ変位した位置から外側へ変位した位置に変化する。

【0228】

図１０から明らかなように、電気化学装置１００の第２の平面内と第４の平面内の陽極流体用の導出通路２５４へ、バイポーラプレート１０８ａ内の陽極流体用の通過開口部１９８から陽極流体が供給される。

【0229】

陽極流体用のこの通過開口部１９８は、膜−電極配置１１０ｂの第２のセットの陽極側の陽極側流体室１２８と流体接続されている。

【0230】

図１１から明らかなように、電気化学装置１００の第１の平面と第３の平面内の陽極流体用の導出通路２５４に、バイポーラプレート１０８ｂ内の陽極流体用の通過開口部１９８から陽極流体が供給される。

【0231】

陽極流体用のこの通過開口部１９８は、膜−電極配置１１０ａの第１のセットの陽極側の陽極側流体室１２８と流体接続されている。

【0232】

図６から明らかなように、バイポーラプレート１０８の陰極側の端縁ウェブ１３２は、図１０と図１１の切断平面の間でその内側の位置（図１０内）からその外側の位置（図１１内）へ変化する。

【0233】

同様にこの領域内で、陽極側の端縁ウェブ１４８はその外側の位置（図１０内）からその内側の位置（図１１内）へ変化する。

【0234】

図１２から明らかなように、この実施形態において冷却剤は、平面交換を行うことなしに、冷却剤用の供給通路１６８からそれぞれ同一のバイポーラプレート１０８の陰極側のバイポーラプレート層１３４と陽極側のバイポーラプレート層１４６の間の間隙２５６を通って、直接それぞれのバイポーラプレート１０８の内部空間１８６内へ達する。

【0235】

間隙２５６の各々の中に、１つ又は複数の支持部材２５８を設けることができ、それらは、冷却剤の貫流を可能にするために、陰極側のバイポーラプレート層１３４と陽極側のバイポーラプレート層１４６を互いに離隔して保持する。

【0236】

支持部材２５８は、好ましくは、流れフィールドシール部材１４２、１５０と通路シール部材２２２、２２６が−スタック方向１０４に見て−冷却剤の流れパスと交差する領域内に配置されている。

【0237】

その他において、図６から図１２に示す、電気化学装置１００の第２の実施形態は、構造、機能及び形成方法に関して、図１から図５に示す第１の実施形態と一致し、その限りにおいて上述したその説明が参照される。

【0238】

図１７から図１９に示す、電気化学装置の第３の実施形態は、図６から図１２に示す第２の実施形態から、陰極側のバイポーラプレート層１３４及びそれぞれ対応づけられた陽極側のバイポーラプレート層１４６が、電気化学装置の駆動において冷却剤によって充填される内部空間１８６を周囲に対して密閉するために、接合ライン１８８、１９０、２１０、２１２、２３０及び２３６に沿って接合によって互いに接合されていないことによって、区別される；むしろ、この実施形態においては、バイポーラプレート１０８の内部空間１８６の密閉はシール配置によってもたらされ、そのシール配置がシール部材を有し、そのシール部材はそれぞれ陰極側のバイポーラプレート層１３４又は陽極側のバイポーラプレート層１４６の内部空間１８６へ向いた内側に配置されている。

【0239】

たとえば、図１７に示す陰極側のバイポーラプレート層１３４の内側に、通路シール部材２６０を設けることができ、その通路シール部材は、陽極流体用の供給通路２５２を回り、陽極流体用の導出通路２５４を回り、陰極流体用の導出通路１６０を回り、もしくは陽極流体用の供給通路１６４を回って延びている。

【0240】

さらに、陰極側のバイポーラプレート層１３４の内側に、通過開口部シール部材２６２を設けることができ、それは、陽極流体用の通過開口部１９８のそれぞれ１つを回って延びている。

【0241】

図１８に示す陽極側のバイポーラプレート層１４６の内側に、通過開口部シール部材２６４を設けることができ、それは、陰極流体用の通過開口部１７４のそれぞれ１つを回って延びている。

【0242】

通過開口部シール部材２６２と２６４は、好ましくは該当する通過開口部１９８もしくは１７４がガス拡散層１１２又は１１４によって覆われない、バイポーラプレート層１３４もしくは１４６に固定されている。

【0243】

陰極側のバイポーラプレート層１３４の内側は、さらに、その外側の端縁２７６に沿って一周する端縁シール部材２７４を有することができる。

【0244】

これらのシール部材を収容するための充分な容積を提供するために、これらのシール部材の各々のために、それぞれ対向するバイポーラプレート層１３４又は１４６の内側にそれぞれ対応する凹部を設けることができ、電気化学装置１００が組み立てられた状態においてその凹部内へ該当するシール部材が嵌入し、かつその凹部内で該当するシール部材がそれぞれ対向するバイポーラプレート層１３４又は１４６に流体密に密閉するように接する。

【0245】

すなわち特に、図１７に示す陰極側のバイポーラプレート層１３４は、陽極側のバイポーラプレート層１４６に設けられた通過開口部シール部材２６４を収容するための凹部２６６を有することができる。

【0246】

さらに、陽極側のバイポーラプレート層１４６は、その内側に、陰極側のバイポーラプレート層１３４に設けられた通過開口部シール部材２６２を収容するための凹部２６８、陰極側のバイポーラプレート層１３４に設けられた通路シール部材２６０を収容するための凹部２７０、及び、陰極側のバイポーラプレート層１３４に設けられた端縁シール部材２７４を収容するための凹部２７２を有することができる。

【0247】

バイポーラプレート１０８の内部空間１８６を密閉するためのシール部材の固定は、シール部材を支持するバイポーラプレート層１３４又は１４６に設けられた凹部２６６’、２６８’、２７０’又は２７２’内で行うことができる。

【0248】

陰極側のバイポーラプレート層１３４及び陽極側のバイポーラプレート層１４６の内側に設けられた、上述したシール部材は、電気化学装置を組み立てる場合に電気化学装置１００の（図示されない）クランプ装置によって、シール部材における充分な密閉力が保証されるように、互いに対して締めつけられる。クランプ装置によって発生されるこの締めつけ力が、図１９に矢印Ｆで図式的に示されている。シール部材をバイポーラプレート層１３４、１４６内へ押圧するための締めつけ力を導入することができるようにするために、スタック方向１０４に互いに連続するバイポーラプレート１０８の間に付加的な支持部材２８０が設けられている。

【0249】

さらに、注意すべきことであるが、図１９においてそれぞれ互いに対応づけられた陰極側と陽極側のバイポーラプレート層１３４もしくは１４６は、スタック方向１０４に互いに離隔して示されており、それによって、この実施形態においてシール部材のどれがどのバイポーラプレート層１３４もしくは１４６に配置されているかが、明らかにされる。

【0250】

しかし原則的に、バイポーラプレート１０８の内部空間１８６を密閉するためのシール部材は、任意に陰極側のバイポーラプレート層１３４に、あるいは陽極側のバイポーラプレート層１４６に固定することができる。

【0251】

その他において、図１７から図１９に示す、電気化学装置１００の第３の実施形態は、構造、機能及び形成方法に関して、図６から図１２に示す第２の実施形態と一致し、その限りにおいてその上述した説明が参照される。

【0252】

図２０に示す、電気化学装置１００の第４の実施形態は、図６から図１２に示す第２の実施形態から、それぞれ互いに対応づけられた陰極側のバイポーラプレート層１３４と陽極側のバイポーラプレート層１４６が接合ライン１８８、１９０、２１０、２１２、２３０及び／又は２３６に沿って溶接によってではなく、接着によって互いに接合され、特に材料結合で結合されていることにより、区別される。

【0253】

その場合に好ましくは、バイポーラプレート層１３４と１４６は、ガス拡散層１１２もしくは１１４の配置後、かつバイポーラプレート層１３４もしくは１４６に流れフィールドシール部材１４２もしくは１４５が形成された後に、互いに接着される。

【0254】

図６から図１２に示す第２の実施形態とは異なり、好ましくは、バイポーラプレート層１３４と１４６に形成された流れフィールドシール部材１４２、１５０及び／又はバイポーラプレート層１３４と１４６に形成された通路シール部材１７８、１８２は、バイポーラプレート層１３４と１４６が接着によって互いに接合される接合ライン１８８、１９０、２１０、２１２、２３０及び／又は２３６によって重なり、それが、バイポーラプレート１０８及びそれに伴って電気化学装置１００全体の、上述したシール部材の領域におけるよりコンパクトな構造を可能にする。

【0255】

その他において、図２０に示す、電気化学装置１００の第４の実施形態は、構造、機能及び形成方法に関して、図６から図１２に示す第２の実施形態と一致し、その限りにおいてその上述した説明が参照される。

【0256】

図２１と図２２は、従来技術に基づくシール構造（図２１）と、図６から図１２及び図１７から図２０に示すような、電気化学装置１００の第２から第４の実施形態におけるシール構造（図２２）のためのスペース需要の比較を示している。

【0257】

図２１に示す、従来技術に基づくシール構造は、膜−電極配置１１０の外側の端縁領域１１６を包囲する２つの端縁補強層２７８からなる端縁補強配置１１８を有する、膜−電極配置１１０、陰極側のガス拡散層１１２、陽極側のガス拡散層１１４、陰極側の流れフィールドシール部材１４２’及び陽極側の流れフィールドシール部材１５０’を有しており、その場合にシール部材１４２’と１５０’は、選択的に端縁補強配置１１８に、あるいは隣接する（図示されない）バイポーラプレート１０８に、固定することができる。

【0258】

その場合に膜−電極配置１１０と端縁補強配置１１８の間の重なり領域は、約２ｍｍから約５ｍｍの幅ｂ₁を持たなければならない。シール部材１４２'及び１５０’と膜−電極配置１１０との間には、約３ｍｍから約６ｍｍの間隔ｂ₂が維持されなければならない。流れフィールドシール部材１４２’と１５０’の幅ｂ₃は、それぞれ約４ｍｍから約７ｍｍである。流れフィールドシール部材１４２’、１５０’と端縁補強配置の外側の端縁との間には、約１ｍｍから約３ｍｍの間隔ｂ₄が維持されなければならない。

【0259】

したがってシール構造の全体幅Ｂ（ｂ₁＋ｂ₂＋ｂ₃＋ｂ₄に等しい）は、約１０ｍｍから約２０ｍｍである。

【0260】

図２２に示す本発明に係るシール構造は、この実施形態において端縁補強配置１１８を持たない、膜−電極配置１１０、陰極側のガス拡散層１１２、陽極側のガス拡散層１１４、陰極側の端縁ウェブ１３２を有する陰極側のバイポーラプレート層１３４、陽極側の端縁ウェブ１４８を有する陽極側のバイポーラプレート層１４６、陰極側の流れフィールドシール部材１４２及び陽極側の流れフィールドシール部材１５０を有しており、その場合にこの実施形態において、２つの流れフィールドシール部材１４２と１５０は互いに流体密に密閉するように直接接している。

【0261】

このシール構造において、流れフィールドシール部材１４２と１５０（それぞれ対応づけられたガス拡散層１１２もしくは１１４内へ侵入するエラストマー材料を含めて）の幅ｄ₁は、約４ｍｍから約７ｍｍである。流れフィールドシール部材１４２及び１５０と、バイポーラプレート層１３４及び１４６の外側の端縁２７６との間には、約１ｍｍから約３ｍｍの間隔ｄ₂が維持されなければならない。

【0262】

したがって図２２に示すシール構造の全体幅Ｄ（ｄ₁＋ｄ₂に等しい）は、約５ｍｍから約１０ｍｍであり、したがって図２１に示す従来技術に基づくシール構造の幅Ｂの約半分の大きさしかない。

【0263】

したがって図２２に示すシール構造を有する電気化学装置は、図２１に示すシール構造を有する電気化学装置１００よりもずっと場所をとらずに形成することができる。

【0264】

図２３に示すシール構造は、図２２に示すシール構造から次のことによって、すなわち第１のバイポーラプレート１０８の端縁ウェブと、たとえば陰極側の端縁ウェブ１３２と接触し、かつ第１のガス拡散層、たとえば陰極側のガス拡散層１１２と接触する、流れフィールドシール部材、たとえば陰極側の流れフィールドシール部材１４２が、第１のバイポーラプレート１０８に対向する第２のバイポーラプレート１０８’まで延びていることによって、区別される。

【0265】

このシール構造においては、第２の流れフィールドシール部材、たとえば陽極側の流れフィールドシール部材１５０は、省くことができる。

【0266】

流れフィールドシール部材１４２は、好ましくはエラストマー材料から形成されており、それが特に対応づけられたガス拡散層１１２内へ侵入するので、流れフィールドシール部材１４２はガス拡散層１１２と材料結合で結合されている。

【0267】

さらに、流れフィールドシール部材１４２は、好ましくは端縁ウェブ１３２と材料結合で結合されている。

【0268】

第１のバイポーラプレート１０８が多層で形成されている場合に、流れフィールドシール部材１４２は、好ましくは第１のバイポーラプレート１０８の陰極側のバイポーラプレート層１３４に固定されている。

【0269】

流れフィールドシール部材１４２は、好ましくはシールリップ２８２によって第２のバイポーラプレート１０８’に、特に第２のバイポーラプレート１０８’の陽極側のバイポーラプレート層１４６に密閉するように接し、そして好ましくは第２のシールリップ２８４によって膜−電極配置１１０に、特に膜−電極配置１１０の陰極側に、密閉するように接する。

【0270】

それによって流れフィールドシール部材１４２は、第１のバイポーラプレート１０８の流れフィールド、好ましくは陰極側の流れフィールド１２４も、第２のバイポーラプレート１０８’の流れフィールド、好ましくは陽極側の流れフィールド１２６も、流体密に密閉する。

【0271】

流れフィールドシール部材１４２が膜−電極配置１１０に密閉して接することを可能にするために、この実施形態においては、流れフィールドシール部材１４２が固定されている、ガス拡散層１１２の外側の端縁２８６が、膜−電極配置１１０の外側の端縁２８８に対して、スタック方向１０４に対して垂直の方向に内側へ変位されている。

【0272】

この実施形態において、流れフィールドシール部材１４２は、第２のバイポーラプレート１０８’の端縁ウェブ１４８から、特に陽極側の端縁ウェブ１４８から、離隔させることができる。

【0273】

図２４に示す代替的なシール構造は、図２２に示すシール構造から、流れフィールドシール部材、特に陽極側の流れフィールドシール部材１５０’が、隣接するバイポーラプレート１０８’に固定されておらず、単に、好ましくは材料結合によって、対応づけられたガス拡散層と、特に陽極側のガス拡散層１１４と結合されていることによって、区別される。

【0274】

この実施形態において、流れフィールドシール部材１５０’は、１つ又は複数のシールリップ２９０によって、第２のバイポーラプレート１０８’に密閉するように接している。

【0275】

バイポーラプレート１０８'が多層で形成されている場合に、流れフィールドシール部材１５０’は、好ましくはバイポーラプレート１０８’の陽極側のバイポーラプレート層１４６に接する。

【0276】

さらに、この実施形態において、流れフィールドシール部材１５０’は、流れフィールドシール部材１４２に直接流体密に密閉するように接する。

【0277】

流れフィールドシール部材１５０'は、この実施形態において、バイポーラプレート１０８’の端縁ウェブと、特に陽極側の端縁ウェブ１４８と接触する必要はない。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】