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(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】6862653
(24)【登録日】2021年4月5日
(45)【発行日】2021年4月21日
(54)【発明の名称】電気化学システム用のセパレータ板
(51)【国際特許分類】
H01M 8/026 20160101AFI20210412BHJP
H01M 8/0258 20160101ALI20210412BHJP
H01M 8/2483 20160101ALI20210412BHJP
H01M 8/18 20060101ALI20210412BHJP
H01M 8/0267 20160101ALI20210412BHJP
C25B 13/02 20060101ALI20210412BHJP
C25B 9/23 20210101ALI20210412BHJP
【ＦＩ】
H01M8/026
H01M8/0258
H01M8/2483
H01M8/18
H01M8/0267
C25B13/02 302
C25B9/10
【請求項の数】22
【全頁数】19
(21)【出願番号】特願2019-528794(P2019-528794)
(86)(22)【出願日】2017年12月18日
(65)【公表番号】特表2020-502735(P2020-502735A)
(43)【公表日】2020年1月23日
(86)【国際出願番号】EP2017083345
(87)【国際公開番号】WO2018114819
(87)【国際公開日】20180628
【審査請求日】2019年7月26日
(31)【優先権主張番号】202016107302.2
(32)【優先日】2016年12月22日
(33)【優先権主張国】DE
(73)【特許権者】
【識別番号】505467753
【氏名又は名称】レインツ デッチタングス ゲー エム ベー ハー
(74)【代理人】
【識別番号】110000877
【氏名又は名称】龍華国際特許業務法人
(72)【発明者】
【氏名】シェーラー、ヨアヒム
(72)【発明者】
【氏名】クンツ、クラウディア
(72)【発明者】
【氏名】シュトール、トーマス
【審査官】
渡部 朋也
(56)【参考文献】
【文献】
国際公開第２０１１／０３３７４５（ＷＯ，Ａ１）
【文献】
特開２０１４−１２３５４５（ＪＰ，Ａ）
【文献】
国際公開第２０１６／０４２２６８（ＷＯ，Ａ１）
【文献】
特開２０１５−１１１５５８（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｈ０１Ｍ ８／０２６
Ｃ２５Ｂ ９／２３
Ｃ２５Ｂ １３／０２
Ｈ０１Ｍ ８／０２５８
Ｈ０１Ｍ ８／０２６７
Ｈ０１Ｍ ８／１８
Ｈ０１Ｍ ８／２４８３
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
電気化学システム用のセパレータ板であって、
前記セパレータ板を通して媒体を導通させるための、前記セパレータ板における少なくとも１つの第１の貫通開口と、
複数のランドと、前記第１の貫通開口と各々流体接続する、前記複数のランドの間に形成された流路とを備える分配／集合領域と、
流れ場であって、前記分配／集合領域によって前記第１の貫通開口と流体接続するとともに、前記流れ場を通して媒体を案内するための案内構造を備え、前記流れ場の前記案内構造が、前記セパレータ板の平面状表面平面に直交する方向に定められた平均高さｈ１を有する、流れ場と、
連続したより低い移行領域であって、前記分配／集合領域の前記流路の各々について、前記流路から前記流れ場内にまたは前記流れ場から前記流路内に流れる媒体が前記移行領域を通って流れるように、前記分配／集合領域と前記流れ場との間に配置され、前記移行領域が、前記セパレータ板の前記平面状表面平面に直交する方向に定められた最大高さｈｍａｘを有する、移行領域と
を備え、
ｈｍａｘ≦０．９５×ｈ１が当てはまり、
前記流れ場の前記案内構造が、前記移行領域内に少なくとも部分的に延びる、ランドを備える、
セパレータ板。
前記セパレータ板を通して媒体を導通させるための、前記セパレータ板における少なくとも１つの第１の貫通開口と、
複数のランドと、前記第１の貫通開口と各々流体接続する、前記複数のランドの間に形成された流路とを備える分配／集合領域と、
流れ場であって、前記分配／集合領域によって前記第１の貫通開口と流体接続するとともに、前記流れ場を通して媒体を案内するための案内構造を備え、前記流れ場の前記案内構造が、前記セパレータ板の平面状表面平面に直交する方向に定められた平均高さｈ１を有する、流れ場と、
連続したより低い移行領域であって、前記分配／集合領域の前記流路の各々について、前記流路から前記流れ場内にまたは前記流れ場から前記流路内に流れる媒体が前記移行領域を通って流れるように、前記分配／集合領域と前記流れ場との間に配置され、前記移行領域が、前記セパレータ板の前記平面状表面平面に直交する方向に定められた最大高さｈｍａｘを有する、移行領域と
を備え、
ｈｍａｘ≦０．９５×ｈ１が当てはまり、
前記流れ場の前記案内構造が、前記移行領域内に少なくとも部分的に延びる、ランドを備える、
セパレータ板。
【請求項2】
前記分配／集合領域の前記複数のランドが、前記セパレータ板の前記平面状表面平面に直交する方向に定められた平均高さｈ２を有し、ｈｍａｘ≦０．９×ｈ２が当てはまる、
請求項１に記載のセパレータ板。
請求項１に記載のセパレータ板。
【請求項3】
より低い前記移行領域が、前記移行領域を通る前記媒体の流れ方向を横断する方向に、または前記移行領域を通る前記媒体の前記流れ方向を実質的に横断する方向に、直線状の連続部を有する、請求項１または２に記載のセパレータ板。
【請求項4】
前記流れ場の前記案内構造が、複数のランドと、前記複数のランドの間に形成された流路とを備える、請求項１から３のいずれか一項に記載のセパレータ板。
【請求項5】
前記分配／集合領域の前記複数のランドが、前記流れ場のランドに移行し、前記移行領域のランドとして前記移行領域を貫通して延び、かつ前記移行領域内ではより低い、請求項１から４のいずれか一項に記載のセパレータ板。
【請求項6】
少なくとも一部がより低い前記移行領域内に延びる、更なるランドが、前記流れ場の領域内において、前記流れ場から前記分配／集合領域に移行するランド間に配置される、請求項５に記載のセパレータ板。
【請求項7】
前記流れ場の少なくとも１２個おきの前記ランドが、より低い前記移行領域内に延びる、請求項６に記載のセパレータ板。
【請求項8】
前記流れ場の少なくとも６つおきの前記ランドが、前記分配／集合領域内に延びる、請求項６または７に記載のセパレータ板。
【請求項9】
前記移行領域を貫通して延びる前記複数のランドおよび／または前記移行領域内に延びる前記複数のランドが、前記移行領域において同じ最大高さを有する、請求項１から８のいずれか一項に記載のセパレータ板。
【請求項10】
前記流れ場が数ｎ１の流路を備え、かつ前記分配／集合領域が数ｎ２の流路を備え、ｎ１≧２×ｎ２、好ましくはｎ１≧３×ｎ２が当てはまる、請求項１から９のいずれか一項に記載のセパレータ板。
【請求項11】
前記セパレータ板の前記平面状表面平面に直交する方向に定められる少なくとも１つの流路の深さが、前記移行領域および／または前記分配／集合領域において前記媒体の前記流れ方向に影響を及ぼすように変化する、請求項１から１０のいずれか一項に記載のセパレータ板。
【請求項12】
少なくとも１つの流路の前記深さが、前記移行領域および／または前記分配／集合領域において前記流路の連続部に沿って変化する、請求項１１に記載のセパレータ板。
【請求項13】
電気化学システム用のセパレータ板であって、
前記セパレータ板を通して媒体を導通させるための、前記セパレータ板における少なくとも１つの第１の貫通開口と、
複数のランドと、前記第１の貫通開口と各々流体接続する、前記複数のランドの間に形成された流路とを備える分配／集合領域と、
流れ場であって、前記分配／集合領域によって前記第１の貫通開口と流体接続するとともに、前記流れ場を通して媒体を案内するための案内構造を備え、前記流れ場の前記案内構造が、前記セパレータ板の平面状表面平面に直交する方向に定められた平均高さｈ１を有する、流れ場と、
連続したより低い移行領域であって、前記分配／集合領域の前記流路の各々について、前記流路から前記流れ場内にまたは前記流れ場から前記流路内に流れる媒体が前記移行領域を通って流れるように、前記分配／集合領域と前記流れ場との間に配置され、前記移行領域が、前記セパレータ板の前記平面状表面平面に直交する方向に定められた最大高さｈｍａｘを有する、移行領域と
を備え、
ｈｍａｘ≦０．９５×ｈ１が当てはまり、
前記セパレータ板の前記平面状表面平面に直交する方向に定められる少なくとも１つの流路の深さが、前記移行領域および／または前記分配／集合領域において前記媒体の前記流れ方向に影響を及ぼすように変化し、
少なくとも１つの流路の前記深さが、前記移行領域および／または前記分配／集合領域において前記流路の連続部に沿って変化する、
セパレータ板。
前記セパレータ板を通して媒体を導通させるための、前記セパレータ板における少なくとも１つの第１の貫通開口と、
複数のランドと、前記第１の貫通開口と各々流体接続する、前記複数のランドの間に形成された流路とを備える分配／集合領域と、
流れ場であって、前記分配／集合領域によって前記第１の貫通開口と流体接続するとともに、前記流れ場を通して媒体を案内するための案内構造を備え、前記流れ場の前記案内構造が、前記セパレータ板の平面状表面平面に直交する方向に定められた平均高さｈ１を有する、流れ場と、
連続したより低い移行領域であって、前記分配／集合領域の前記流路の各々について、前記流路から前記流れ場内にまたは前記流れ場から前記流路内に流れる媒体が前記移行領域を通って流れるように、前記分配／集合領域と前記流れ場との間に配置され、前記移行領域が、前記セパレータ板の前記平面状表面平面に直交する方向に定められた最大高さｈｍａｘを有する、移行領域と
を備え、
ｈｍａｘ≦０．９５×ｈ１が当てはまり、
前記セパレータ板の前記平面状表面平面に直交する方向に定められる少なくとも１つの流路の深さが、前記移行領域および／または前記分配／集合領域において前記媒体の前記流れ方向に影響を及ぼすように変化し、
少なくとも１つの流路の前記深さが、前記移行領域および／または前記分配／集合領域において前記流路の連続部に沿って変化する、
セパレータ板。
【請求項14】
少なくとも１つの流路の前記深さが、前記移行領域および／または前記分配／集合領域において前記媒体の前記流れ方向を横断する方向に変化する、請求項１１から１３のいずれか一項に記載のセパレータ板。
【請求項15】
前記第１の貫通開口をシールするように前記第１の貫通開口を完全に包囲するビードを備え、前記ビードが、前記ビードを通して媒体を導通させるための通路を含み、かつ前記分配／集合領域の前記流路が、前記ビードにおける前記通路によって前記第１の貫通開口と流体接続する、請求項１から１４のいずれか一項に記載のセパレータ板。
【請求項16】
電気化学システム用のバイポーラ板であって、請求項１から１５のいずれか一項に記載のセパレータ板である第１のセパレータ板を備えるとともに、少なくとも１つの第２の貫通開口を含む第２のセパレータ板を備え、前記第１のセパレータ板および前記第２のセパレータ板が接合され、かつ前記第１のセパレータ板の少なくとも１つの第１の貫通開口および前記第２のセパレータ板の前記少なくとも１つの第２の貫通開口が、前記バイポーラ板に少なくとも１つの貫通開口を形成するように互いに整合される、
バイポーラ板。
バイポーラ板。
【請求項17】
前記第１のセパレータ板のみが、請求項１から１５のいずれか一項に記載のセパレータ板のより低い前記移行領域を含み、かつ好ましくは、以下、すなわち、ｈｍａｘ≦０．９×ｈ１が、前記第１のセパレータ板の前記移行領域の最大高さｈｍａｘと、前記第２のセパレータ板の前記流れ場の前記案内構造の最大高さｈ１とに当てはまる、請求項１６に記載のバイポーラ板。
【請求項18】
前記第２のセパレータ板もまた、請求項１から１５のいずれか一項に記載のセパレータ板に従って設計される、請求項１６に記載のバイポーラ板。
【請求項19】
以下、すなわち、０．８５×ｈ１１≦ｈｍａｘ，１≦０．９５×ｈ１１が、前記第１のセパレータ板の前記移行領域の最大高さｈｍａｘ，１と、前記第１のセパレータ板の前記流れ場の前記案内構造の最大高さｈ１１とに当てはまり、かつ以下、すなわち、０．８５×ｈ１２≦ｈｍａｘ，２≦０．９５×ｈ１２が、前記第２のセパレータ板の前記移行領域の最大高さｈｍａｘ，２と、前記第２のセパレータ板の前記流れ場の前記案内構造の最大高さｈ１２とに当てはまる、請求項１８に記載のバイポーラ板。
【請求項20】
前記第１のセパレータ板および前記第２のセパレータ板が、冷媒導通用の中間空間を包囲する、請求項１６から１９のいずれか一項に記載のバイポーラ板。
【請求項21】
積層された複数の、請求項１６から２０のいずれか一項に記載のバイポーラ板を備えるとともに、前記積層された複数のバイポーラ板の間に配置された複数の膜電極アセンブリを備え、前記複数の膜電極アセンブリが各々、第１の厚さを有する活性領域と、前記第１の厚さと比較して増加した第２の厚さを有する補強領域とを備え、かつ前記複数の膜電極アセンブリおよび前記バイポーラ板は、それぞれの前記複数の膜電極アセンブリに当接するバイポーラ板のより低い前記移行領域の中に前記複数の膜電極アセンブリのそれぞれの前記補強領域が収められるように配置される、特に燃料電池システム、電気化学圧縮機、電解槽またはレドックスフロー電池である、電気化学システム。
【請求項22】
前記複数の膜電極アセンブリが、前記活性領域において、それぞれの膜電極を、好ましくは膜電極と少なくとも１つのガス拡散層とを備え、かつ前記複数の膜電極アセンブリが、前記補強領域において、少なくとも１つの補強層を、好ましくは少なくとも１つの補強層と少なくとも１つの接着剤層とを追加的に備える、請求項２１に記載の電気化学システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電気化学システム用のセパレータ板、そのようなセパレータ板を備える電気化学システム用のバイポーラ板、および複数のそのようなセパレータ板またはバイポーラ板を備える電気化学システムに関する。特に、電気化学システムは、燃料電池システム、電気化学圧縮機、電解槽またはレドックスフロー電池とすることができる。
【背景技術】
【0002】
前述のタイプの既知の電気化学システムは一般的に、バイポーラ板によって互いに分離される、電気化学セルのスタックを備える。そのようなバイポーラ板は、例えば、個々の電気化学セル（燃料電池など）の電極との電気的接触を確立して隣接するセルを電気的に接続（セルの直列接続）するために使用することができる。典型的には、バイポーラ板は、本文書の範囲内ではセパレータ板とも称される、接合された２つの個々の板で形成される。個々の板は、例えば、１つまたは複数の溶接継手によって、特に１つまたは複数のレーザ溶接継手によって、一体に接合することができる。
【0003】
バイポーラ板または個々の板は、隣接するバイポーラ板間に配置された電気化学セルに１つもしくは複数の媒体を供給するようにかつ／または反応生成物を除去するように構成される、それぞれの構造を備えるかまたは形成することができる。媒体は、燃料（水素もしくはメタノールなど）、反応ガス（空気もしくは酸素など）または冷媒とすることができる。その上、バイポーラ板は、電気化学セル内での電気エネルギーもしくは化学エネルギーの変換中に発生する廃熱を渡すようにかつ異なる媒体流路もしくは冷却流路を互いに対しておよび／または外部に対してシールするように設計することができる。
【0004】
加えて、バイポーラ板は通常、少なくとも１つのそれぞれの貫通開口を含み、この貫通開口を通して、媒体および／または反応生成物をスタックの隣接するバイポーラ板間に配置された電気化学セルにまたは電気化学セルから離れる方向に導通させることができる。典型的には、電気化学セルはまた各々、１つまたは複数の膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を備える。ＭＥＡは、通常はバイポーラ板側に向けられかつ例えば金属不織布またはカーボン不織布として設計される、１つまたは複数のガス拡散層を備えることができる。
【0005】
特にＭＥＡの補強された縁部領域内では、バイポーラ板の圧縮およびバイポーラ板間に配置されたＭＥＡの圧縮中に、バイポーラ板の大きな変形、ガス拡散層もしくはＭＥＡの過度の押圧および／または媒体の流れの減損が生じる可能性がある。これによって、システムの耐用年数および効率が低減される可能性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
それゆえ、本発明の目的は、上で説明した欠点を可能な限り最大限克服する電気化学システム用のセパレータ板を作製することと、動作時には、可能な限り最長の耐用年数と可能な限り最良の効率とを確保することである。加えて、そのようなセパレータ板を含む、バイポーラ板と、複数の対応するセパレータ板またはバイポーラ板を備える電気化学システムとが作製されるべきである。
【0007】
この目的は、請求項１に記載のセパレータ板によって、そのようなセパレータ板を備えるバイポーラ板によって、かつ複数のそのようなセパレータ板またはバイポーラ板を備える電気化学システムによって達成される。具体的な実施形態は、従属クレームで説明される。
【課題を解決するための手段】
【0008】
したがって、板を通して媒体を導通させるための、板における少なくとも１つの第１の貫通開口と、複数のランドと、貫通開口と各々流体接続する、ランド間に形成された流路とを備える分配／集合領域と、分配／集合領域によって貫通開口と流体接続するとともに、流れ場を通して媒体を案内するための案内構造を備える、流れ場であって、流れ場の案内構造が、板の平面状表面平面に直交する方向に定められた平均高さｈ１を有する、流れ場と、分配／集合領域の流路の各々について、流路から流れ場内にまたは流れ場から流路内に流れる媒体が移行領域を通って流れるように、分配／集合領域と流れ場との間に配置される、連続したより低い移行領域であって、移行領域が、板の平面状表面平面に直交する方向に定められた最大高さｈｍａｘを有する、移行領域とを備え、ｈｍａｘ≦０．９５×ｈ１が当てはまる、電気化学システム用のセパレータ板が提案される。
【0009】
平均高さｈ１は、流れ場の案内構造の平均最大高さを表すことができる。流れ場の案内構造がランドとして設計される場合、例えば、これらのランドの最大高さは、いずれの場合にもこれらのランドの最高部または最高点に沿って定めることができる。高さｈｍａｘおよびｈ１は各々、好ましくは、セパレータ板の平面状表面平面に直交する方向に定められるセパレータ板の平面状表面平面に対する距離を表す。セパレータ板の平面状表面平面は、例えば、流れ場の案内構造を形成するおよび／または分配／集合領域のランドを形成する打ち抜きまたは深絞り工程の結果として変形されない、セパレータ板の縁部によってまたはセパレータ板が作製される金属薄板の平坦領域によって与えられる。
【0010】
セパレータ板が、提案されたタイプの複数のセパレータ板と、セパレータ板間に配置されたＭＥＡとを備える電気化学システム内に配置されたときに、触媒被覆イオノマーと枠状補強層とガス拡散層（複数可）は、流れ場の周囲に延びる流れ場の縁部において重なることができ、それによって、ＭＥＡのこの領域がＭＥＡの残りの領域よりも大きな厚さを有する。そして、より低い移行領域は、セパレータ板に当接するＭＥＡの補強領域を収めるために使用することができる。このようにして、板およびＭＥＡの押圧中に生じるＭＥＡの圧縮を低減でき、したがって、板およびＭＥＡの耐用年数を延ばすことができる。その上、ＭＥＡの補強された縁部領域を流れ場の外側にひいてはセパレータ板の電気化学的活性領域の外側に収めることによって流れ場の領域内の媒体流れに及ぶ悪影響を低減または抑制することができる。
【0011】
分配／集合領域のランドは、板の平面状表面平面に直交する方向に定められた平均高さｈ２を有することができる。ここでは、ｈｍａｘ≦０．９×ｈ２が当てはまり得る。平均高さｈ２は、例えば、分配／集合領域のランドの最高部または最高点に沿って定められる、これらのランドの平均最大高さを表すことができる。高さｈ２は、ここでも好ましくは、セパレータ板の平面状表面平面に直交する方向に定められるセパレータ板の平面状表面平面に対する距離を表す。
【0012】
より低い移行領域は、移行領域を通る媒体の流れ方向を横断する方向に、または移行領域を通る媒体の流れ方向を実質的に横断する方向に、直線状の連続部を有することができる。換言すれば、より低い移行領域は、好ましくは、略矩形状を有し、移行領域が、流れ場の案内構造の方向に延びるよりも更に流れ場の案内構造を横断する方向にかなり延びることが可能である。
【0013】
流れ場の案内構造は、複数のランドと、必要であれば、ランド間に形成された流路とを備えることができる。流れ場のランドは、移行領域内に少なくとも部分的に延びることができる。
【0014】
分配／集合領域のランドは、流れ場の移行領域を貫通して延び、流れ場のランドに移行することができる。そして、移行領域を貫通して延びるこれらのランドは通常、移行領域内においてはより低い。
【0015】
更なるランドが、流れ場のエリア内において、分配／集合領域のランドに移行する流れ場のランド間に配置されてもよい。流れ場のこれらの更なるランドは、より低い移行領域内に延びることができる。例えば、流れ場の少なくとも１２個おきのまたは少なくとも６つおきのこれらの更なるランドは、より低い移行領域内に延びることができる。
【0016】
移行領域を貫通しておよび／または移行領域内に延びるランドは、移行領域内に同じ最大高さｈｍａｘを有することができる。
【0017】
流れ場は数ｎ１の流路を有することができ、かつ分配／集合領域は数ｎ２の流路を有することができる。ｎ１≧２×ｎ２、好ましくはｎ１≧３×ｎ２が当てはまり得る。
【0018】
板の平面状表面平面に直交する方向に定められる分配／集合領域の流路のうちの少なくとも１つの深さは、媒体の流れ方向に影響を及ぼすように変化することができる。しかしながら、分配／集合領域と同様に、媒体導通用の流路もまた、移行領域内に配置されるかあるいは分配／集合領域を貫通して延びる、ランド間に形成することができる。分配／集合領域の流路の代替としてまたはその流路に加えて、移行領域内の流路または移行領域内の流路の少なくとも１つもまた、媒体の流れ方向に影響を及ぼすように変化する深さを有することができ、移行領域内の流路の深さは、ここでも、板の平面状表面平面に直交する方向に定められる。
【0019】
例えば、移行領域および／または分配／集合領域の少なくとも１つの流路の深さは、流路の連続部に沿って変化することができる。代替としてまたは加えて、移行領域および／または分配／集合領域の少なくとも１つの流路の深さはまた、流路内のまたは流路を通る媒体の流れ方向を横断する方向に変化することができる。
【0020】
その上、セパレータ板は、貫通開口をシールするためにセパレータ板における貫通開口を完全に包囲する、ビードを備えることができる。ビードは、ビードを通して媒体を導通させるための通路を含むことができる。そして、分配／集合領域の流路は、ビード内のそれらの通路によって貫通開口と流体接続することができる。
【0021】
更に、上で説明したタイプの第１のセパレータ板と、第２のセパレータ板とを備える、電気化学システム用のバイポーラ板が提案される。通常、第１のセパレータ板および第２のセパレータ板は、好ましくは１つまたは複数の一体継手によって、接合される。一体継手は、例えば、溶接継手として、特にレーザ溶接継手として設計することができる。第１のセパレータ板と同様に、第２のセパレータ板も同じく少なくとも１つの貫通開口を含む。バイポーラ板に少なくとも１つの貫通開口を形成するように、第１のセパレータ板および第２のセパレータ板の貫通開口は、互いに整合される。しかしながら、有利には、バイポーラ板が含む貫通開口の数は、各媒体に対して少なくとも１つの供給開口と１つの排出開口とが存在する、つまり、例えば、燃料、反応ガスおよび冷媒に対してそれぞれ２つの貫通開口が存在するような数である。
【0022】
第１のセパレータ板のみが、上で説明したように設計されるとともに、分配／集合領域と流れ場との間により低い移行領域を含むものとしてもよい。そして、好ましくは、以下、すなわち、ｈｍａｘ≦０．９×ｈ１が、第１のセパレータ板の移行領域の最大高さｈｍａｘと第１のセパレータ板の流れ場の案内構造の最大高さｈ１とに当てはまる。
【0023】
同様に、バイポーラ板の第１のセパレータ板に加えて、バイポーラ板の第２のセパレータ板もまた、上で説明したように設計されることが考えられる。そして、この場合、バイポーラ板の第２のセパレータ板はまた、以下、すなわち、複数のランドと、バイポーラ板の貫通開口と各々流体接続する、ランド間に形成された流路とを備える分配／集合領域と、第２のセパレータ板の分配／集合領域によってバイポーラ板の貫通開口と流体接続するとともに、流れ場を通して媒体を案内するための案内構造を備える、流れ場であって、第２のセパレータ板の流れ場の案内構造が、第２のセパレータ板の平面状表面平面に直交する方向に定められる平均高さｈ１２を有する、流れ場と、第２のセパレータ板の分配／集合領域の流路の各々について、流路から第２のセパレータ板の流れ場内にまたは第２のセパレータ板の流れ場から流路内に流れる媒体が第２のセパレータ板の移行領域を通って流れるように、第２のセパレータ板の分配／集合領域と第２のセパレータ板の流れ場との間に配置される、連続したより低い移行領域であって、第２のセパレータ板の移行領域が、第２のセパレータ板またはバイポーラ板の平面状表面平面に直交する方向に定められた最大高さｈｍａｘ，２を有する、移行領域とを備えることができ、ｈｍａｘ，２≦０．９５×ｈ１２が当てはまる。
【0024】
特に、以下、すなわち、０．８５×ｈ１１≦ｈｍａｘ，１≦０．９５×ｈ１１もまた、第１のセパレータ板の移行領域の最大高さｈｍａｘ，１と、第１のセパレータ板の流れ場の案内構造の最大高さｈ１１とに当てはまることができる。そして、同時に、以下、すなわち、０．８５×ｈ１２≦ｈｍａｘ，２≦０．９５×ｈ１２が、第２のセパレータ板の移行領域の最大高さｈｍａｘ，２と、第２のセパレータ板の流れ場の案内構造の最大高さｈ１２とに当てはまることができる。
【0025】
バイポーラ板の第１のセパレータ板および第２のセパレータ板は、冷媒導通用の中間空間を包囲するように設計し接合することができる。移行領域および／または分配／集合領域の少なくとも１つの流路の深さの、流路の連続部に沿ったまたは連続部を横断する方向における上で説明した変化は、特に、冷媒の分配に良い影響を及ぼすことができる。原則として、そのような変化は、徐々にまたは段階的に生じることができる。特に、流路の底部は、流路の延在方向を横断する方向に、斜めに延びることができる。流路の深さの減少によって、冷媒導通用に利用できる空間が増大する。
【0026】
更に、上で説明したタイプの積層された複数のバイポーラ板を備えるとともに、積層されたバイポーラ板間に配置された複数のＭＥＡを備える、電気化学システム、特に燃料電池システム、電気化学圧縮機、電解槽またはレドックスフロー電池が提案される。ＭＥＡは各々、第１の厚さを有する活性領域と、第１の厚さと比較して増加した第２の厚さを有する補強領域とを備える。ＭＥＡおよびバイポーラ板は、それぞれのＭＥＡに当接するバイポーラ板のより低い移行領域内にＭＥＡのそれぞれの補強領域が収められるように配置される。
【0027】
典型的には、膜電極アセンブリは、活性領域内に、イオノマーと少なくとも１つの触媒層とを備えるそれぞれの膜電極を、好ましくは膜電極と少なくとも１つのガス拡散層（ＧＤＬ）とを備える。補強領域内では、膜電極または膜電極とＧＬＤ（複数可）との組み合わせは、少なくとも１つの特に枠状補強層を、好ましくは少なくとも１つの補強層と少なくとも１つの接着剤層とを追加的に備える。接着剤層はまた、他の層に浸透し得る。通常、膜電極とガス拡散層（複数可）と補強層は一緒になって、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を形成する。
【0028】
本発明の例示的な実施形態が、図に示され、以下の説明に基づいてより詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【0029】
【図3A】図３Ａは、バイポーラ板が、ランドと流路とを含む分配／集合領域と、ランドと流路とを含む流れ場と、分配／集合領域と流れ場との間に配置された移行領域とを備え、ならびに移行領域の最大高さが、分配／集合領域のランドの平均高さと比較してかつ流れ場のランドの平均高さと比較して低い、本発明によるバイポーラ板の一実施形態のそれぞれの詳細の２つのサブ画像を上面図で示す。
【発明を実施するための形態】
【0030】
図１は、ｚ方向７に沿って積層されて２つの端板３、４間に挟持される、複数の同一のバイポーラ板を含むスタック２を備える電気化学システム１を示している。バイポーラ板の各々は、本文書ではセパレータ板とも称される、２つの相互に接続された個々の板を備える。本例では、システム１は燃料電池スタックである。スタック２の隣接する２つのバイポーラ板はまた、いずれの場合にも、化学エネルギーを電気エネルギーに変換するために使用される、電気化学セルを包囲する。電気化学セルは各々、例えば、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）とガス拡散層（ＧＤＬ）とを含む。代替的な実施形態では、システム１はまた、電解槽として、圧縮機としてまたはレドックスフロー電池として設計することもできる。バイポーラ板はまた、これらの電気化学システムにおいて使用することもできる。これらのバイポーラ板の設計は、バイポーラ板にまたはバイポーラ板を通して導通させる媒体が異なり得るとしても、ここでより詳細に説明するバイポーラ板の設計に相当する。
【0031】
ｚ軸線７は、ｘ軸線８およびｙ軸線９と共に、右手系直交座標系を張る。端板４は複数のポート５を含み、これらのポート５を介して、媒体をシステム１に供給できかつシステム１から媒体を排出することができる。システム１に供給しかつシステム１から排出できるこれらの媒体としては、例えば、分子状水素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、水蒸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媒を挙げることができる。
【0032】
図２は、例えば、図１のシステム１のタイプの電気化学システムにおいて使用できる、従来技術で知られているバイポーラ板１０の一部分を示している。ここでおよびこれ以降、繰り返し現れる特徴は同じ参照符号によって表される。バイポーラ板１０は、第２のセパレータ板１０ｂを覆い隠す、第１のセパレータ板１０ａのみが図２では視認可能である、一体に接合された２つの個々の板またはセパレータ板１０ａ、１０ｂで形成される。セパレータ板１０ａ、１０ｂは、ステンレス鋼薄板などの、金属薄板で作製することができる。セパレータ板１０ａ、１０ｂは、バイポーラ板１０の貫通開口１１ａ、１１ｂ、１１ｃを形成する、相互に整合された貫通開口を有する。バイポーラ板１０のタイプの複数のバイポーラ板が積層されたときに、貫通開口１１ａ〜ｃは、スタック２を積層方向７（図１参照）に貫通して延びるダクトを形成する。典型的には、貫通開口１１ａ〜ｃによって形成されたダクトの各々は、システム１の端板４におけるポート５の１つと流体接続する。例えば、貫通開口１１ａ、１１ｂによって形成されたダクトは、燃料電池スタック２の電気化学セルに燃料と反応ガスとを供給するために使用される。それに対して、冷媒は、貫通開口１１ｃによって形成されたダクトを介して、スタック２内に導入するかまたはスタック２から除去することができる。
【0033】
貫通開口１１ａ〜ｃをスタック２の内部に対しておよび周囲エリアに対してシールするために、第１のセパレータ板１０ａは、各々貫通開口１１ａ〜ｃの周囲に配置されかつ各々貫通開口１１ａ〜ｃを完全に包囲する、ビード１２ａ、１２ｂ、１２ｃを備える。第２のセパレータ板１０ｂは、図２の観察者から離れる方向に面するバイポーラ板１０の後側に、貫通開口１１ａ〜ｃ（図示せず）をシールするのに適切なビードを備える。
【0034】
バイポーラ板１０の電気化学的活性領域１３内では、第１のセパレータ板１０ａは、図２の観察者に面する第１のセパレータ板１０ａの前側に、複数のランド１４、１５ａと、ランド１４、１５ａ間に延びかつランド１４、１５ａによって境界が画定された流路１６とを含む流れ場１７を備える。図２は、バイポーラ板１０の前側の活性領域１３の一部分のみを示している。加えて、第１のセパレータ板１０ａは、図２の観察者に面するバイポーラ板１０の前側に、ランド１５ｂと、ランド１５ｂ間に延びかつランド１５ｂによって境界が画定された流路１８とを備える、分配／集合領域２０を含む。分配／集合領域２０のランド１５ｂは、流れ場１７のランド１５ａの連続したものである。このことは、流れ場１７のランド１５ａが分配／集合領域２０のランド１５ｂに移行していることを意味する。分かり易くするために、図２の流路１６、１８のランド１４、１５ａ、１５ｂのごく少数のみが参照符号によって表されている。
【0035】
ビード１２ａを通る通路１３ａによって、第１のセパレータ板１０ａの分配／集合領域２０の流路１８は、貫通開口１１ａと、またはスタック２を通る貫通開口１１ａによって形成されたダクトと流体接続する。ここでも分かり易くするために、図２のビード１２ａを通る通路１３ａのごく少数のみが参照符号によって表されている。同様に、分配／集合領域２０の流路１８は、流れ場１７の流路１６と流体接続する。このようにして、貫通開口１１ａを通して導通させた媒体は、ビード１２ａ内の通路１３ａによって、および分配／集合領域２０の流路１８によって、バイポーラ板１０の活性領域１３内の流れ場１７の流路１６内に導通させることができる。
【0036】
よって、スタック２を貫通する貫通開口１１ｂ、すなわち貫通開口１１ｂによって形成されたダクトは、分配／集合領域２０と流体接続し、かつこの領域を介して、図２の観察者から離れる方向に面するバイポーラ板１０の後側の流れ場と流体接続する。対照的に、スタック２を貫通する貫通開口１１ｃ、すなわち貫通開口１１ｃによって形成されたダクトは、セパレータ板１０ａ、１０ｂによって包囲されるかまたは取り囲まれるとともに、バイポーラ板１０を通して冷媒を導通させるように設計される、中間空間２２と流体接続する。
【0037】
最後に、第１のセパレータ板１０ａは、流れ場１７と分配／集合領域２０と貫通開口１１ａ、１１ｂの周囲に延びるとともに、これら、すなわち、ガス区画を貫通開口１１ｃに対して、すなわち、冷媒回路に対して、およびシステム１の周囲エリアに対してシールする、更なるビード１２ｄを備える。ランド１４、１５ａ、１５ｂおよびビード１２ａ〜ｄは、セパレータ板１０ａとの一体品として設計され、例えば、打ち抜き工程または深絞り工程で、セパレータ板１０ａに一体に形成される。
【0038】
また、図２には、流れ場１７の矩形縁部領域１９が強調表示されており、この領域は、分配／集合領域２０に面する流れ場１７の端部に配置され、流れ場１７全体にわたって長手方向に、ここでは流れ場１７の流路１６の連続部を横断する方向に延びる。システム１のスタック２において、この縁部領域１９は、スタック２の隣接する２つのバイポーラ板１０間に各々配置される、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）のそれぞれの補強領域を収めるために使用される。ＭＥＡはここでは明らかではない。この理由から、流れ場の縁部領域１９は、区切り線によって強調され特定される。したがって、既知のバイポーラ板１０では、ＭＥＡ（ここでは明らかではない）およびランド１５ａの圧縮の増大ならびに流路１６の流れ断面の減少が、通常は、流れ場１７のこの縁部領域１９内で生じる。このことによって、例えば、分配／集合領域２０の流路１８と流れ場１７の流路１６との間に不必要に激しい圧力損失が生じる可能性がある。
【0039】
本発明は主に、流れ場１７の縁部領域１９内における既知のセパレータ板１０ａまたはバイポーラ板１０またはＭＥＡの上で説明した圧縮の増大に関連し得る欠点を減らすかまたは排除できる、改良に関する。
【0040】
図３Ａおよび図３Ｂは、本発明による相応に改良されたセパレータ板１００ａの一部分を各々上面図で図示する、２つのサブ画像を示している。いずれの場合にも、セパレータ板１００ａは、ここでは本発明によるバイポーラ板１００の２つの個々の板の一方である。既知のセパレータ板１０ａと同様に、セパレータ板１００ａはまた、金属薄板で作製され、例えば、金属薄板から打ち抜き加工または深絞り加工される。例えば、この金属薄板は、１５０μｍ以下、好ましくは１００μｍ以下、好ましくは９０μｍ以下、特に好ましくは８０μｍ以下の厚さを有することができる。
【0041】
図３Ａは、特に、セパレータ板１００ａの流れ場１７および分配／集合領域２０を示している。前述同様に、繰り返し現れる特徴は同じ参照符号によって表される。流れ場１７は、複数のランド１４ａ'、１４ｂ、１５ａと、これらのランド間に配置されかつこれらのランドによって境界が定められた流路１６とを備える。分配／集合領域２０は、ランド１５ｂと、ランド１５ｂ間に配置されかつこれらのランド１５ｂによって境界が定められた流路１８とを備える。分配／集合領域２０のランド１５ｂは、流れ場１７のランド１５ａの連続したものである（またはその逆も同様である）。このことは、流れ場１７のランド１５ａが分配／集合領域２０のランド１５ｂに連続して移行していることを意味する。従来技術で知られている図２に示すセパレータ板１０ａと同様に、セパレータ板１００ａの分配／集合領域２０の流路１８は、例えば、セパレータ板１００ａまたはバイポーラ板１００の貫通開口１１ａ（図３Ａには図示せず）と流体接続し、かつセパレータ板１００ａの流れ場１７の流路１６は、セパレータ板１００ａの分配／集合領域１８の流路１８と流体接続する。流れ場１７の領域内では、ランド１４ａ'、１４ｂ、１５ａは、互いに平行に整合される。同様に、ランド１５ｂは、分配／集合領域２０のエリア内で互いに平行に整合される。図３Ａでは、流れ場１７のランド１４ａ'、１４ｂ、１５ａの連続方向が、分配／集合領域２０のランド１５ｂの連続方向と共に約７０度の角度αを形成する。
【0042】
図２に記載の既知のセパレータ板１０ａと比較して、図３Ａに記載の本発明によるセパレータ板１００ａは、分配／集合領域２０と流れ場１７との間に連続した移行領域２１を含む。連続した移行領域２１によって、流れ場１７の流路１６は、分配／集合領域２０の流路１８と流体接続する。特に図４Ａおよび図４Ｂならびに図６〜図８に基づいて、より詳細に説明するように、連続した移行領域２１は、その最大高さｈｍａｘが流れ場１７のランド１４ａ'、１４ｂ、１５ａの平均高さｈ１と比較して低いことを特徴とする。ここでは、移行領域２１の最大高さｈｍａｘは、分配／集合領域２０のランド１５ｂの平均高さｈ２と比較して更に低い。
【0043】
平均高さｈ１は、いずれの場合にもランド１４ａ、１４ｂ、１５ａの最高部または最高点に沿って定められる、流れ場１７のランド１４ａ'、１４ｂ、１５ａの平均最大高さを表す。同様に、平均高さｈ２は、ランド１５ｂの最高部または最高点に沿って定められる、分配／集合領域２０のランド１５ｂの平均最大高さを表す。高さｈｍａｘ、ｈ１およびｈ２は各々、セパレータ板１００ａの平面状表面平面に直交する方向に定められるセパレータ板１００ａの平面状表面平面に対する距離を表す。セパレータ板１００ａの平面状表面平面は、例えば、ランド１４ａ'、１４ｂ、１５ａ、１５ｂ、およびビード１２ａ〜ｄを形成する前述の打ち抜きまたは深絞り工程の結果として変形されない、セパレータ板１００ａの縁部によってまたはセパレータ板１００ａが形成される金属薄板の平坦領域によって与えられる。典型的には、以下、すなわち、０．７５×ｈ１≦ｈｍａｘ≦０．９５×ｈ１が、高さｈｍａｘおよびｈ１に当てはまる。そして、典型的には、以下、すなわち、０．５×ｈ２≦ｈｍａｘ≦０．７５×ｈ２が、高さｈｍａｘおよびｈ２に当てはまる。
【0044】
図２に記載の既知のセパレータ板１０ａの流れ場１７の縁部領域１９から逸脱して、図３Ａに記載の本発明によるセパレータ板１００ａの連続したより低い移行領域２１は、座面として使用されるだけでなく、スタック２において、セパレータ板１００ａのタイプの隣接するセパレータ板間またはバイポーラ板１００のタイプの隣接するバイポーラ板間に配置される、ＭＥＡの補強領域を収めるためにも使用される。そして、移行領域２１のより低い性質に起因して、セパレータ板１００ａまたはバイポーラ板１００およびＭＥＡは、既知のセパレータ板１０ａと比較してまたは既知のバイポーラ板１０と比較してスタック２内でより少ない圧縮を受ける。
【0045】
分配／集合領域２０のランド１５ｂが、流れ場１７内のランド１５ｂの連続したもの１５ａに連続して移行することが図３Ａから明確に明らかである。流れ場１７のランド１５ａへの分配／集合領域２０のランド１５ｂの連続した移行部は、移行領域２１内のランド部分１５ｃの最大高さｈｍａｘが、上で説明したように、流れ場１７のランド１５ａの最大高さｈ１に対して、および分配／集合領域のランド１５ｂの最大高さｈ２に対してより低い、移行領域２１内のランド部分１５ｃによって提供される。ランド部分１５ｃが、互いに対して角度の付いた連続方向を有する、ランド１５ａとランド１５ｂとの接続を確立するので、ランド部分１５ｃは、移行領域２１内に湾曲状の連続部を有する。
【0046】
流れ場１７の４つおきのランド１４ａ'、１４ｂ、１５ａが、流れ場１７から来て、ランド部分１５ｃの形態で移行領域２１内にかつ移行領域２１を完全に貫通して延びる、ランド１５ａのうちの１つであることが図３Ａから更に明らかである。更なるランド１４ａ'、１４ｂは、流れ場１７内のランド１５ａ間に配置される。流れ場１７の２つおきのランド１４ａ'、１４ｂ、１５ａは、移行領域２１内に延びないかまたは移行領域２１の幅の範囲の長さにわたってのみ移行領域２１内に延びるランド１４ａ'のうちの１つである。ここでも、流れ場１７の４つおきのランド１４ａ'、１４ｂ、１５ａは、移行領域２１のより低いランド部分１４ｃに連続して移行するランド１４ｂのうちの１つである。したがって、流れ場１７のランド１４ｂは、より低いランド部分１４ｃの形態でより低い移行領域２１内に少なくとも部分的に延びる。しかしながら、移行領域２１のランド部分１５ｃとは対照的に、移行領域２１のランド部分１４ｃは、分配／集合領域２０のランドに移行しないが、移行領域２１と分配／集合領域２０との間の移行部で終端する。
【0047】
ランド部分１４ｃ、１５ｃは移行領域２１内に交互に配置され、その結果、ランド部分１４ｃのうちの１つがいずれの場合にも２つのランド部分１５ｃ間に配置され、これらランド部分１５ｃは、移行領域２１を貫通して延びるとともに、移行領域２１の両側では、流れ場１７のランド１５ａにかつ分配／集合領域２０のランド１５ｂに連続して移行する。移行領域２１のランド部分１４ｃ、１５ｃは各々、同じ最大高さｈｍａｘを有する。このことは、例えば、スタック２の圧縮中に、より低い移行領域２１が収めるように設計される、膜電極アセンブリの補強領域がその進路に沿って略一定の厚さを有する場合に移行領域２１のランド部分１４ｃ、１５ｃへの均一な力の導入を確実にする。
【0048】
ランド部分１４ｃ、１５ｃによって境界が画定される流路２３は、移行領域２１内における移行領域２１のより低いランド部分１４ｃ、１５ｃ間に形成される。移行領域２１内においてランド部分１５ｃの形態で分配／集合領域２０のランド１５ｂに移行する、流れ場１７の隣接する２つのランド１５ａ間には、３つの更なるランド、すなわち、移行領域２１内にかろうじて延びるランド１４ａ'のうちの２つと、ランド部分１４ｃの形態で移行領域２１内に延びるランド１４ｂのうちの１つが、いずれの場合にも流れ場１７の領域内に配置される。移行領域２１内の隣接する２つのランド部分１５ｃ間には、１つの更なるランド部分１４ｃのみが配置される。そして、分配／集合領域２０内の隣接する２つのランド１５ｂ間には、これ以上ランドは配置されない。
【0049】
換言すれば、図３Ａに記載のセパレータ板１００ａに関して、以下、すなわち、ｎＳ＝２×ｎＵおよびｎＵ＝２×ｎＶＳが、流れ場１７内のランドの数ｎＳと、移行領域２１内のランドの数ｎＵと、分配／集合領域２１内のランドの数ｎＶＳとに当てはまる。このことは、流れ場１７内のランド１４ａ'、１４ｂ、１５ａの総数が移行領域２１内のランドまたはランド部分１４ｃ、１５ｃの総数よりも多く、かつ移行領域２１内のランドまたはランド部分１４ｃ、１５ｃの総数が分配／集合領域２０内のランド１５ｂの総数よりも多いことを意味する。したがって、特に、いずれの場合にも、流れ場１７の流路１６のうちの２つが移行領域２１の流路２３のうちの１つに移行し、かつ移行領域２１の流路２３のうちの２つが分配／集合領域２０の流路１８のうちの１つに移行する。
【0050】
よって、流れ場１７の直接隣接するランド１４ａ'、１４ｂ、１５ａ間の距離および移行領域２１の直接隣接するランドまたはランド部分１４ｃ、１５ｃ間の距離は、ランド１４ａ'が終端するエリア内では異なる。よって、流れ場１７の流路１６の幅および移行領域２１の流路２３の幅もまた、ランド１４ａ'が終端するエリア内では異なる。移行領域２１の流路２３の幅は、流れ場１７の流路１６の幅よりも広い。特に、移行領域２１の全ての流路２３の全流れ断面は、流れ場１７の全ての流路１６の全流れ断面よりも大きい。有利には、セパレータ板１００ａでは、分配／集合領域２０の流路１８と流れ場１７の流路１６との間に大きな圧力損失が生じないか、またはいずれにせよ、そのような圧力損失が図２に記載の既知のセパレータ板１０ａの場合に比べてかなり少ない。
【0051】
その上、流路２３の幅が分配／集合領域２０から流れ場１７への移行領域２１内で変わることが図３Ａから明らかである。同様に、流路２３およびランド１４ｃ、１５ｃの延在方向も変わる。このようにして、ガスを流れ場１７の流路１６にできるだけ均等に分配できるように分配／集合領域２０から流れ場１７へのガス流れの目的とする案内を達成することが可能である。
【0052】
図２に記載の既知のセパレータ板１０ａの縁部領域１９と同様に、図３Ａに記載のセパレータ板１００ａの移行領域２１は、例えば、矩形状を有するとともに、流れ場１７の延在部全体にわたって、移行領域２１の長手方向に、すなわち、流れ場１７のランド１４ａ'、１４ｂ、１５ａの連続方向を横断する方向に延びる。流れ場１７のランド１４ａ'、１４ｂ、１５ａの連続方向に平行に定められた移行領域２１の幅は、例えば、流れ場１７の直接隣接する２つのランド間の距離の少なくとも２倍または少なくとも３倍に相当する。
【0053】
図３Ｂは、本発明による代替的なセパレータ板１００ａの一部分、すなわち、流れ場１７の一部分と移行領域２１の一部分と分配／集合領域２０の一部分とを上面図で示している。例示的な実施形態は、ランド１４ａが、ランド１４ａ'とは対照的に、流れ場１７と移行領域２１との間の分離線で終端する点において、図３Ａに示す先行する実施形態と異なる。図３Ａとは対照的に、相互に隣接する６つのランド１４ａ、１４ｂ、１５ａのうちの１つは、分配／集合領域内に連続するランド１５ａとして設計され、かつ６つのランド１４ａ、１４ｂ、１５ａのうちの２つは、移行領域２１内で終端する。これらのランドの群は、異なる長さを有するランド、すなわち、移行領域内に短い距離のみにわたって延びる、ランド１４ｃ'と、移行領域２１内に僅かに大きな延在部を有する、ランド１４ｃとを含む。ここでも、２つおきのランド１４ａ、１４ｂ、１５ａ、すなわちランド１４ａは、流れ場１７内にのみ延びる。
【0054】
その一方で、流れ場１７のランド１５ａと分配／集合領域２０のランド１５ｂとの間の角度αは、図示の部分において変わる。角度α１は角度α２よりも大きい。流路１８の幅もまた、図示の部分において変わる。全ての流路１８は、右上から左下に、すなわち、流れ場１７の方向に幅広になる。加えて、更に上部に向かって延びる流路１８は、更に底部に向かって延びる流路１８よりも広い幅を有する。流路の角度が変わることと幅が変わることの両方によって、ここでは示しておらずかつ図示の部分の右上に位置する、貫通開口から流れ場１７にできるだけ効率的に媒体を分配することが可能となる。
【0055】
図４Ａは、本発明によるバイポーラ板２００の個々の板である、本発明によるセパレータ板２００ａの一部分を示している。セパレータ板２００ａに一体に接合される、バイポーラ板２００の更なるセパレータ板２００ｂは、図４Ａではセパレータ板２００ａによって覆い隠されている。図４Ａに記載のセパレータ板２００ａは、図３Ａおよび図３Ｂに記載のセパレータ板１００ａの変形実施形態であり、その部分は、点線によって特定される、図２に記載のセパレータ板１０ａの部分Ｃと機能の点でほぼ同等である。図４Ａに記載のセパレータ板２００ａもまた、セパレータ板１００ａに関して上で説明したように、流れ場１７と分配／集合領域２０との間に配置される、移行領域２１と、流れ場１７のランドの平均高さｈ１と比較してかつ分配／集合領域２０の平均高さｈ２と比較して低い移行領域２１の最大高さｈｍａｘとを有する。したがって、以下、すなわち、０．７５×ｈ１≦ｈｍａｘ≦０．９５×ｈ１および０．５×ｈ２≦ｈｍａｘ≦０．７５×ｈ２もまた、セパレータ板２００ａの高さ、ｈｍａｘ、ｈ１およびｈ２に当てはまることができる。
【0056】
図４Ａに記載のセパレータ板２００ａは、移行領域２１内に部分的にのみ延びるかまたは移行領域２１と分配／集合領域２０との間の移行部で終端する、２つのランドまたはランド部分１４ｃが、移行領域２１を完全に貫通して延びる隣接する２つのランドまたはランド部分１５ｃ間に移行領域２１内に配置される点において、図３Ａおよび図３Ｂに記載のセパレータ板１００ａと異なる。
【0057】
図４Ｂは、図４Ａに描かれている直線状の切断線２４（Ｂ−Ｂ）に沿った、図４Ａのセパレータ板２００ａの断面図を示している。切断線２４は、分配／集合領域２０を部分的に貫通して延び、かつ分配／集合領域２０の直線状ランド１５ｂおよび流路１８と共に、約６０度の角度を形成する。切断平面は、セパレータ板２００ａの平面状表面平面に直交する方向に向けられる。
【0058】
図４Ｂの断面図は、分配／集合領域２０の流路１８の少なくとも１つが、参照符号２４によって表される領域内のこの流路１８を通る媒体の流れ方向に影響を及ぼすように様々な深さを有することを示しており、流路１８の深さは、セパレータ板２００ａの平面状表面平面に直交する方向に定められる。したがって、その深さは、接触平面Ｅに対する距離に相当し、この接触平面Ｅでは、図示のセパレータ板が、設置されたときに隣接するセパレータ板に接触する。したがって、同時に、領域２４における流路１８の様々な深さはまた、図４Ａの観察者から離れる方向に面するセパレータ板２００ａの後側の中間空間２２内へのまたは中間空間２２を通る冷媒の流れ方向にも影響を及ぼす。流路１８の深さは、流路１８の連続部に沿っておよび／または流路１８の連続部を横断する方向に領域２４において変化することができる。同様に、移行領域２１の流路２３のうちの少なくとも１つの深さは、移行領域２１を通る媒体の流れ方向に沿っておよび／または移行領域２１を通る媒体の流れ方向を横断する方向に変化することができる。
【0059】
図５は、図４Ｂに示す断面図と同様の断面図を図示しているが、４つのランド１５ｂを含む部分が示されている。ここでは流路の深さを更に変化させ、結果として、流路１８'、特に１８''の流路深さが流路１８の深さよりもかなり小さい。これによって、後側に、すなわち、平面Ｅに面するセパレータ板２００ａの側に、設置状態においてそこに延びる冷媒導通用の中間空間２２のための、より大きな空間が作成される。その上、流路１８'、１８''の底部は、平面Ｅに対して斜めに延び、冷媒の目的とする導通を可能にするが、流路１８'、１８''内に導通させる媒体の目的とする導通も可能にし、結果として、好ましく低い圧力損失をもたらす。原則として、平面Ｅに対して平行にずらされる流路底部もまた可能である。
【0060】
また、図４Ａには、流れ場１７、より低い移行領域２１および分配／集合領域２０を部分的に貫通して延びる、切断線２５（Ａ−Ａ）が強調表示されており、切断線２５は、流れ場１７の、移行領域２１のおよび分配／集合領域２０のランドおよび流路を横断する方向に少なくとも部分的に延びる。
【0061】
図６は、本発明による電気化学システム１、例えば図１のシステム１のスタック２の一部分の断面図を示している。スタック２は、図４Ａおよび図４Ｂに記載のバイポーラ板２００のタイプの複数の同一のバイポーラ板２００を備える。切断平面は、バイポーラ板２００またはセパレータ板２００ａ、２００ｂの平面状表面平面に直交する方向に向けられ、かつ図４Ａに強調表示された切断線２５、すなわち線Ａ−Ａに沿っている。特に、セパレータ板２００ａの流れ場１７、移行領域２１、および分配／集合領域２０が強調表示されている。
【0062】
イオノマーと少なくとも１つの触媒層とを含む膜電極２６と、膜電極２６の両側に配置されたガス拡散層２７と、膜電極２６の両側に配置された補強層２８とを備える、それぞれの膜組み合わせ２９は、スタック２の隣接する２つのバイポーラ板２００間に配置される。膜電極２６とガス拡散層（複数可）２７と補強層２８は一緒になって、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）３９を形成する。単に分かり易くするために、図６は、バイポーラ板２００および膜組み合わせ２９がｚ方向７、すなわちバイポーラ板２００またはセパレータ板２００ａ、２００ｂの平面状表面平面に直行する方向に沿って完全に圧縮されない状態のスタック２を示している。
【0063】
流れ場１７のエリア内では、すなわち、バイポーラ板２００の電気化学的活性領域内では、膜組み合わせ２９は、膜電極２６と、膜電極の両側に配置されたガス拡散層２７とのみを備える。冒頭で既に述べたように、膜電極２６は、両側に触媒被覆を含む。分配／集合領域２０のエリア内では、膜組み合わせ２９は、膜電極２６と、膜電極の両側に配置された補強層２８とのみを備える。セパレータ板２００ａの移行領域２１内にのみ、膜組み合わせ２９は、それぞれの補強領域３０であって、膜電極２６と、膜電極２６の両側に配置された補強層２８と、膜電極２６の両側にかつ補強層２８の両側に配置されたガス拡散層２７とを包含する、補強領域を含む。典型的には、膜組み合わせ２９の補強領域は、膜組み合わせ２９の縁部を形成する。膜組み合わせ２９は、積層方向に沿ってまたはｚ方向７に沿って定められる増加した厚さをその補強領域３０に有する。例えば、膜組み合わせ２９の厚さは、活性領域と比較して補強領域３０では少なくとも１０パーセントまたは少なくとも２５パーセント増加させることができる。
【0064】
バイポーラ板２００のそれぞれの第１のセパレータ板２００ａのみが、連続した移行領域２１を含み、上で説明したように、流れ場のランドの平均高さｈ１と比較してかつ分配／集合領域２０のランドの平均高さｈ２と比較して低い最大高さｈｍａｘを有することが図６において明らかである。第２のセパレータ板２００ｂの対応する領域は、図６に示すバイポーラ板２００の実施形態では、少なくとも流れ場１７に対しては低くない。
【0065】
しかしながら、膜組み合わせの補強領域３０は、少なくとも一方の側（図６では下側）において、当接するそれぞれのセパレータ板２００ａのより低い移行領域２１内に収められる。ｚ方向７に沿ったスタック２の圧縮中に、領域１９での図２に記載の既知のセパレータ板１００の場合に比べて、膜電極アセンブリのかなり少ない圧縮および移行領域２１のランドのより小さな変形が、図６に記載の本発明によるセパレータ板２００に対して生じる。上で説明したように、図６に記載のバイポーラ板２００を備える、本発明によるシステム１は、圧縮された状態でさえ、膜組み合わせ２９のそれぞれの補強領域３０が収められる、移行領域２１に、領域１９（図２参照）における既知のシステムの流れ断面よりもかなり大きい流れ断面を有し、これによって、この領域での望ましくない圧力損失を本発明によるシステムにおいて大幅に低減するかまたは完全に抑制することができる。しかしながら、図６に記載の本発明によるシステム１でも、補強領域３０における膜組み合わせ２９の厚さの増加が、セパレータ板２００ａの移行領域２１における高さの減少よりも僅かに大きくてもよい。
【0066】
図７は、図６に記載の本発明による電気化学システム１の変形実施形態を、より詳細には、図５の切断線２５に沿った既に図６に示した断面図で再び示している。図７に記載のシステム１は、ここでも、積層された複数のバイポーラ板２００と、バイポーラ板２００間に配置された膜組み合わせ２９とを備え、膜組み合わせ２９の補強領域３０は、それぞれの膜組み合わせ２９に当接するセパレータ板２００ａ、２００ｂのより低い移行領域２１内に収められる。
【0067】
図７に記載のシステム１の実施形態は、図７では、バイポーラ板２００の第２のセパレータ板２００ｂがまた、第１のセパレータ板２００ａに対応する形で設計されるとともに、上で説明したように、流れ場１７に対しておよび／または分配／集合領域２０に対してより低い移行領域２１を含む点において、図６に記載のシステム１の実施形態と異なる。