特許 6902851 反応物質による流路の通過を制限するためのバイポーラプレート

(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】6902851

(24)【登録日】2021年6月24日

(45)【発行日】2021年7月14日

(54)【発明の名称】反応物質による流路の通過を制限するためのバイポーラプレート

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/026 20160101AFI20210701BHJP

   H01M 8/0258 20160101ALI20210701BHJP

   H01M 8/0267 20160101ALI20210701BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20210701BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/026

   H01M8/0258

   H01M8/0267

   !H01M8/10 101

【請求項の数】15

【外国語出願】

【全頁数】26

(21)【出願番号】特願2016-222370(P2016-222370)

(22)【出願日】2016年11月15日

(65)【公開番号】特開2017-130436(P2017-130436A)

(43)【公開日】2017年7月27日

【審査請求日】2019年11月5日

(31)【優先権主張番号】1561039

(32)【優先日】2015年11月17日

(33)【優先権主張国】FR

(73)【特許権者】

【識別番号】510132347

【氏名又は名称】コミサリア ア レネルジ アトミク エ オウ エネルジ アルタナティヴ

(74)【代理人】

【識別番号】100103894

【弁理士】

【氏名又は名称】家入 健

(72)【発明者】

【氏名】ポワロ−クローヴェジエ ジャン−フィリップ

【審査官】 上野 文城

(56)【参考文献】

【文献】 特表２０１０−５４０７７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 中国特許出願公開第１０４０５１７７１（ＣＮ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００６／０７５７８６（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／０２６

Ｈ０１Ｍ ８／０２５８

Ｈ０１Ｍ ８／０２６７

Ｈ０１Ｍ ８／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１及び第２の導電性シート（５１、５２）を備えているバイポーラプレート（５）であって、
冷媒の入口用マニホールド（５９３）及び出口用マニホールド（５９４）と、反応物質の入口用マニホールド（５９１）及び出口用マニホールド（５９６）が、第１及び第２の導電性シートを貫通して形成されており、
冷媒用流路は、導電性シート（５１、５２）の間に形成され、冷媒入口及び出口用マニホールドと接続しており、
前記第１の導電性シートの外面は、
反応物質の入口及び出口用マニホールドと接続している反応物質の流路（５４１）を画定する第１のリブ（５４２）と、
反応物質の流路（５４１）の側部に延在する第２のリブ（５１２）と、少なくとも一部が前記第２のリブ上に延在する密閉ガスケット（２）と、
前記第１のリブ及び前記第２のリブの間に延在する第３のリブ（５３１）と、を備え、
前記第３のリブと凹部（５３２）とが、前記第１のリブ及び前記第２のリブの間に延在する中間領域において交互に形成され、前記第１及び第２の導電性シート（５１、５２）は前記凹部に接触しており、各流路（５３３）は、前記第３のリブ（５３１）の下に設置され、前記冷媒用のマニホールドが冷媒用流路に接続するように、形成されており、前記第３のリブは、前記第１のリブ（５４２）より高い高さを有しており、前記第３のリブはそれぞれ頂部（５５６）と隣接する凹部（５３２）との間に接続部（５５１）を含む断面を中間部に備え、前記接続部は前記頂部と前記第１及び第２の導電性シートの間に位置する最寄りの接触部とを結んだ直線から相対的に凹状になっている、
バイポーラプレート（５）。

【請求項2】

各接続部（５５１）が少なくとも３つの変曲点を有する、請求項１に記載のバイポーラプレート（５）。

【請求項3】

前記接続部（５５１）がＳ字形状を含む、請求項２に記載のバイポーラプレート（５）。

【請求項4】

前記第３のリブの各断面の頂部（５５６）は、この第３のリブ（５３１）が両側に有する頂部（５５６）に最も近い接触点（５５８）の間の長さにより定義される前記第３のリブ（５３１）の幅の少なくとも２５％以上に亘り平坦である、請求項１〜３のいずれか一項に記載のバイポーラプレート（５）。

【請求項5】

前記第３のリブ（５３１）の断面が対称軸を有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載のバイポーラプレート（５）。

【請求項6】

前記第３のリブ（５３１）の前記中間部は、一定の押出形状又は引出形状をした断面形状を有する、請求項５に記載のバイポーラプレート（５）。

【請求項7】

前記第３のリブ（５３１）は、前記反応物質の入口用マニホールドと前記反応物質の出口用マニホールドとを接続する軸に対して垂直な方向に延在する、請求項１〜６のいずれか一項に記載のバイポーラプレート。

【請求項8】

前記第３のリブ（５３１）は、入口用マニホールド（５９１）と出口用マニホールド（５９６）とを結ぶ前記第１のリブ（５４２）の延伸方向に対して垂直に延在する、請求項１〜７のいずれか一項に記載のバイポーラプレート。

【請求項9】

前記第３のリブ（５３１）が、前記第１のリブの１つから前記第２のリブに延在する、請求項１〜８のいずれか一項に記載のバイポーラプレート（５）。

【請求項10】

前記凹部（５３２）は、前記第１及び前記第２の導電性シートとの間の接触領域において前記第２の導電性シート（５２）によって直接支持されていない、請求項１〜９のいずれか一項に記載のバイポーラプレート（５）。

【請求項11】

前記第３のリブ（５３１）の高さは、前記第２のリブ（５１２）の高さよりも高い、請求項１に記載のバイポーラプレート（５）。

【請求項12】

前記断面を有する前記第３のリブの前記中間部が、前記第３のリブの長さの少なくとも７０％に亘って延在する、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のバイポーラプレート（５）。

【請求項13】

前記第２のリブ（５１２）は、前記反応物質の入口用マニホールドと前記出口用マニホールドとの間に延在する、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のバイポーラプレート（５）。

【請求項14】

電気化学セル（１）であって、
請求項１〜１３のいずれか一項に記載のバイポーラプレート（５）と、
前記第３のリブ（５３２）を少なくとも部分的に覆うプロトン交換膜（１１３）を含む膜電極接合体（１１０）と、を備える、電気化学セル（１）。

【請求項15】

前記膜電極接合体と前記バイポーラプレートとの間に挿入され、前記第３のリブと接触するガス拡散層をさらに備える、請求項１４に記載の電気化学セル（１）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、低温の燃料電池又は電解層のような、膜電極接合体とバイポーラプレートを有する電気化学反応装置に関する。この発明は特に、そのような電気化学反応装置における液体の短絡を制限することに関する。

【背景技術】

【0002】

燃料電池スタックは、例えば、将来の量産車や、様々なアプリケーションに対する給電システムとして考えられている。燃料電池スタックは、化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換する電気化学デバイスである。水素分子又はメタノールのような燃料は、燃料電池スタックの燃料として使用される。

【0003】

水素分子の場合、スタックの一方の電極において水素分子が酸化そしてイオン化され、スタックのもう一方の電極において酸化剤が還元される。カソードにおいて、酸素が還元され、プロトンと反応し、そして水を生成するという化学反応が生じる。燃料電池スタックの優れた点は、発電の段階において大気汚染物質を放出しないことである。

【0004】

固体高分子膜（ＰＥＭ＝Proton exchange membrane）式の燃料電池スタックは、低温において運転することができ、そして特に小型化できる点において優れている。各セルはプロトンのみを通過させ、電子を通過させない電解質膜を備えている。この膜は、膜電極接合体を形成するために、第一の面においてアノードを備え、第２の面においてカソードを備える。

【0005】

アノードにおいて、電解質膜を通過させるプロトンを生成するために、水素分子はイオン化される。この反応によって生成される電子は、流れ板へ向かって移動し、次いで、セルの外側にある電気回路を通過して電流を発生させる。カソードにおいては、酸素が還元され、プロトンと反応して水が生成される。

【0006】

燃料電池スタックは、例えば、互いの表面において積層された、金属製のバイポーラプレートのような、いくつかのプレートを備えてもよい。この膜は、２枚のバイポーラプレートの間に配置されている。バイポーラプレートは、膜を行き来する反応物質と生成物質のやりとりをガイドし、冷媒をガイドし、様々な区画を分離するために、複数の流路と、複数の孔とを備える。又、アノードにおいて生成された電子のコレクタを形成することができるように、バイポーラプレートは導電性を有する。比較的一般的な設計によれば、バイポーラプレートは、２枚の金属板を溶接により組み立てて形成される。これにより、一般的には、２枚の金属板の間に冷媒用の流路が作られる。

【0007】

又、バイポーラプレートは、電気的接触の特性のために必要な、積層の際の保持力を伝達するという機械的な役割を有している。ガス拡散層は電極とバイポーラプレートとの間に挿入され、そして、バイポーラプレートに接触している。電子の伝達はバイポーラプレートを通じて行われ、イオンの伝達は膜を通じて行われる。

【0008】

バイポーラプレートは、電極の反応表面に対して、消費に伴って、継続的に反応物質を提供する。バイポーラプレートは、反応物質を反応領域に送出することを確保するための複数の流路ネットワークを備える。この流路ネットワークは、一般的にはスタックを通過する入口用マニホールドと出口用マニホールドとの間に接続されている。それぞれのマニホールドは、燃料電池内を流れる様々な流体が混合するのを防ぐため、ガスケットに囲まれている。注入領域は、反応物質が、適切な流路に向かって、これらのガスケットを横断することができるように画定されている。均質化領域は、通常、注入領域を流路に接続している。周辺のガスケットは一般的に、バイポーラプレートのそれぞれの面において、この流路と、注入領域と、均質化領域とを取り囲んでいる。このガスケットは、燃料電池スタック内部の、外部に対する密閉性を確保している。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

入口用マニホールドから出口用マニホールドにかけての、反応領域の流路を通過する、反応物質の流れは、この流れの中において圧力低下を引き起こす。従って、反応領域の流路を短絡させるこれらのマニホールド間の流れの一部は、反応領域の流路の圧力降下よりも低い圧力降下を有し得るので、反応物質の実質的な寄生流を引き起こす。この寄生流は電気化学反応に関与しない。

【0010】

この点に関しては、反応領域と、周辺のガスケットとの間の任意の空間が、反応領域を短絡させる流れの源となる。例えばＭＥＡを組み立てたり切断したりするような部品を製造するための、所定の工業プロセスの製造公差のために、周辺のガスケットと反応領域との間には、実質的に周辺空間を維持することが必要である。特に、膜電極接合体と、バイポーラプレートのシートとを位置合わせして、組み立てる際のばらつきを満足させるためには、２〜７ミリメートル幅の周辺空間が通常は必要となる。

【0011】

又、短絡流は、反応物質の流れのモードと、冷媒の流れのモード、特にそれぞれの流れの方向に、影響を受ける。反応物質のどちらかは、冷媒と同じ方向に流れる。そのとき、冷媒及び反応物質の短絡流を作り出す周辺空間は、バイポーラプレートの側面端部に位置している。あるいは、反応物質は、冷媒の流れに対して直角に流れる。そのとき、反応物質の流路の端部のいずれかの側において、冷媒流の周辺空間は、均質化領域の直下／直上、又は垂直方向に、配置される。一つの難点は、短絡流を制限するためにシートを何か変更することは、シートの他の面、すなわち、潜在的に、シートの他の面の機能性に影響を与えてしまうということである。

【0012】

様々なガスケットが、リブの頂部又はシートの凹部に配置されている。ガスケットの構成に応じて、周辺の流れの断面部は、より大きくもなり、あるいは、より小さくもなる。

【0013】

ガスケットがシートの凹部に配置されている場合は、反応物質の周辺空間における流れの領域は比較的制限されている。それに対して、シート間における冷媒の短絡流のために、周辺の流れる領域は増加する。

【0014】

ガスケットが凸部のトップに配置されていた場合は、周辺の流れの断面は比較的大きい。周辺空間における反応物質の寄生流を低減させるために、この流れにそって凸部と凹部を変更することが知られている。しかしながら、この解決策は、限られた方法で周辺空間における反応物質の寄生流を減少させるだけである。特許文献１（仏国特許出願公開２８８７６８６号明細書）には、周囲の流れの凹部の一部を充填するためにリブ上に成形されたガスケットを製造することが提案されている。このような成形されたガスケットを採用することは、製造工程を実質的により複雑にし、製造コストを実質的に増加させることで自動化を困難にする。さらに、このようなガスケットは冷媒の流れを大きく変えてしまう。

【0015】

又、燃料電池スタックにおいて良く知られているこれらの問題は、電気分解装置のような、膜電極接合体を有する他の電気化学反応装置においても直面している。

【0016】

特許文献２（ＷＯ２０１０／０１８６５６Ａ１号公報）では、冷媒の流れの課題について取り上げて、第１及び第２の導電性シートを備えるバイポーラプレートについて述べている。これらのシートは、反応領域において、流れる方向とは反対の領域に配置されている成形されたボスを備えている。

【0017】

特許文献３（ＷＯ２００４／１０２７１２Ａ１号公報）は、第１及び第２の導電性シートの使用に基づいたバイポーラプレートを備えた構造の燃料電池スタックについて述べている。これらのうち一の導電性シートは、反応領域に続いて周辺リブを備えている。この周辺リブは、他の導電性シートと接触して冷媒の流れに対して密閉部を形成し、流路及び密閉ガスケットに平行に延在している。

【0018】

特許文献４（米特許出願第２００７／２９８３０８号明細書）は、燃料電池スタックの構造について述べている。均質領域において、バイポーラプレートのシートに凹状及び凸状の複数のスタッド部が形成されている。中間領域の平面は流路とガスケットサポート部とにより形成されている。

【課題を解決するための手段】

【0019】

本発明は、これらの欠点の１つ以上を解決するものである。従って、本発明は、第１及び第２の導電性シートを備えているバイポーラプレートであって、
冷媒の入口用マニホールド及び出口用マニホールドと、反応物質の入口用マニホールド及び出口用マニホールドが、第１及び第２の導電性シートを貫通して形成されており、
冷媒用流路は、導電性シートの間に形成され、冷媒入口及び出口用マニホールドと接続しており、
前記第１の導電性シートの外面は、
反応物質の入口及び出口用マニホールドと接続している反応物質用流路を画定する第１のリブと、
反応物質用流路の側部に延在する第２のリブと、少なくとも一部が前記第２のリブ上に延在する密閉ガスケットと、
前記第１のリブ及び前記第２のリブのいずれかの間に延在する第３のリブと、を備え、
前記第３のリブと凹部とが、前記第１のリブ及び前記第２のリブの間に延在する中間領域において交互に形成され、前記第１及び第２のシートは前記凹部に接触しており、各流路は、前記第３のリブの下に設置され、前記冷媒用マニホールドが冷媒用流路に接続するように、形成されており、前記第３のリブは、前記第１のリブより高い高さを有しており、前記第３のリブはそれぞれ頂部と隣接する凹部との間に接続部を含む断面を中間部に備え、前記接続部は前記頂部と前記第１及び第２のシートの間に位置する最寄りの接触部とを結んだ直線から相対的に凹状になっている。

【0020】

本発明は、このオーバーラップ部の圧縮を制限しながら、第３のリブの上にガス拡散層又は膜のオーバーラップ部を形成することを可能にする。

【0021】

第３のリブが形成されている中間領域の幅は、種々の製造及び組立公差、例えば膜、又はガス拡散層を配置するための公差、又はシートのエンボス加工に関連する公差が考慮されている。

【0022】

膜の圧縮を制限すること、又は、ガス拡散層の圧縮を制限することにより、内部せん断応力が増加してこのオーバーラップ部が破断するリスクを避けることができる。又、局所的な電流密度の不均一性を生じさせる、オーバーラップ部におけるガス拡散層の導電率の大幅な増加は回避される。このような目的のために、第３のリブは可撓性を有しており、圧力を加えられた頂部は、２枚のシートの中間平面に近づく。

【0023】

又、本発明は、以下の変形例にも関連する。当業者であれば、以下の変形例の特徴の各々は、中間的一般化を構成することなく、上記の特徴と独立して組み合わせることができることを理解するであろう。

【0024】

一の変形例によれば、各接合部は、少なくとも３つの変曲点を有する。

【0025】

もう一つの変形例によれば、前記接合部はＳ字形状を含む。

【0026】

他の変形例によれば、前記第３のリブの各断面の頂部は、この第３のリブの幅の少なくとも２５％に亘り平坦である。

【0027】

さらに別の変形によれば、第３のリブの断面が対称軸を有する。

【0028】

一の変形によれば、第３のリブの前記中間部は、一定の押出形状又は引出形状をした断面形状を有する。

【0029】

さらなる変形例によれば、前記第３のリブは、前記反応物質の入口用マニホールドと前記反応物質の出口用マニホールドとを接続する軸に対して垂直な方向に延在する。

【0030】

他の変形例によれば、前記凹部は、前記第１及び前記第２のシートとの間の接触領域において不安定な位置にある部分を含む。

【0031】

さらに別の変形によれば、第３のリブの高さは、第２のリブの高さよりも高い。

【0032】

一の変形例によれば、前記断面を有する前記第３のリブの前記中間部分は、前記第３のリブの長さの少なくとも７０％に亘って延在する。

【0033】

他の変形例によれば、第２のリブは、前記反応物質の入口用マニホールドと前記出口用マニホールドとの間に延在する。

【0034】

１つの変形例によれば、前記第３のリブは、前記第１のリブ及び前記第２のリブに対して垂直に延在する。

【0035】

さらに別の変形によれば、前記第３のリブは、前記第１のリブの１つから前記第２のリブに延在する。

【0036】

又、本発明は、以下のものを備える電気化学セルであって、上述したバイポーラプレートと、前記第３のリブを少なくとも部分的に覆うプロトン交換膜を含む膜電極接合体と、を備える、電気化学セルである。

【0037】

又、一の変形例によれば、電気化学セルは、前記膜電極接合体と前記バイポーラプレートとの間に挿入され、前記第３のリブと接触するガス拡散層をさらに備える。

【図面の簡単な説明】

【0038】

本発明の他の特徴及び利点は、非限定的な例証として、添付の図面を参照して以下に与えられる説明から、明らかになるであろう。

【図1】図１は、燃料電池スタックのための膜電極接合体及びバイポーラプレートのスタックの一例の分解斜視図である。

【図2】図２は、スタックを通る流体のマニホールドを形成するように積み重ねられる、バイポーラプレート及び膜電極接合体の分解斜視図である。

【図3】図３は、本発明の第１の態様における一実施形態かかるバイポーラプレートの斜視図である。

【図4】図４は、第１の変形例にかかる図３に記載したプレートのリブの断面図である。

【図5】図５は、第２の変形例にかかる図３に記載したプレートのリブの静止状態の断面図である。

【図6】図６は、第２の変形例にかかる図３に記載したプレートのリブに力を受けた状態の断面図である。

【図7】図７は、第３の変形例にかかる図３に記載したプレートのリブの静止状態の断面図である。

【図8】図８は、静止状態の、第３の変形例にかかる図３のプレートの斜視図である。

【図9】図９は、力を受けた状態の、第３の変形例にかかる図３のプレートの斜視図である。

【図10】図１０は、静止状態の、それぞれ第３の変形例による図３のプレートのリブの長手方向の断面図である。

【図11】図１１は、力を受けた状態の、それぞれ第３の変形例による図３のプレートのリブの長手方向の断面図である。

【図12】拡大した断面図である。

【図13】拡大した断面図である。

【図14】拡大した断面図である。

【図15】図１５は、静止状態にある第４の変形例にかかる図３のプレートの斜視図である。

【図16】図１６は、静止状態の第５の変形例による図３のプレートの斜視図である。

【図17】図１７は、図３にかかるバイポーラプレートを使用する燃料電池スタックの構成の一例を示す上面図である。

【図18】図１８は、休止している第６の変形例による図３のプレートの分解断面図である。

【図19】図１９は、本発明の第２の態様にかかる電気化学セルの一実施形態の断面図である。

【図20】図２０は、本発明の第２の態様の電気化学セルの別の変形例の分解斜視図である。

【図21】図２１は、本発明の第３の態様によるリブの様々な組合せの概略上面図である。

【図22】図２２は、燃料電池スタック構成の別の例の上面図である。

【図23】図２３（１）は、本発明の第４の態様による電気化学セルのバイポーラプレートの第１の変形例の上面図である。図２３（Ａ）〜図２３（Ｆ）は、図２３（１）のバイポーラプレートの断面図である。

【図24】図２４は、図２３のバイポーラプレートの分解斜視図である。

【図25】図２５は、膜電極接合体と組み合わせた図２３（１）のバイポーラプレートの断面図である。

【図26】図２６は、図２３（１）のバイポーラプレートのシートの斜視図である。

【図27】図２７は、本発明の第４の態様による電気化学セルのバイポーラプレートの第２の変形例の分解斜視図である。

【図28】図２８は、図２７のバイポーラプレートの平面図である。

【図29】図２９は、図２７のバイポーラプレートの破断した断面図である。

【図30】図３０は、本発明の第４の態様による電気化学セルのバイポーラプレートの第３の変形例の分解斜視図である。

【図31】図３１は、本発明の第５の態様によるバイポーラプレートの分解斜視図である。

【図32】図３２は、図３１のバイポーラプレートの上面図である。

【図33】図３３は、図３１のバイポーラプレートの底面図である。

【図34】図３４は、図３１のバイポーラプレートの分解側面図である。

【図35】図３５は、分解断面図である。

【図36】図３６は、分解断面図である。

【図37】図３７は、図３１のバイポーラプレートの中間領域の断面図である。

【図38】図３８は、本発明の第５の態様によるバイポーラプレートの中間領域の変形例の断面図である。

【図39】図３９は、本発明の第５の態様によるバイポーラプレートの中間領域の別の変形例の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0039】

図１は、燃料電池スタック４のセル１のスタックの概略分解斜視図である。燃料電池スタック４は、いくつかの重なり合ったセル１を備えている。セル１は、プロトン交換膜又は高分子電解質膜タイプである。

【0040】

燃料電池スタック４は、燃料供給源４０を備えている。ここで、燃料供給源４０は、各セル１の入口に水素分子を供給する。又、燃料電池スタック４は、酸化剤４２の供給源を備えている。酸化剤４２の供給源は、ここでは各セル１の入口に空気を供給し、空気中の酸素は酸化剤として使用される。又、各セル１は、排出用流路を有している。又、１つ以上のセル１は、冷却用の回路を有している。

【0041】

各セル１は、膜電極接合体（ＭＥＡ：membrane electrode assembly）１１０又を備えている。膜電極接合体１１０は、電解質１１３と、カソード（不図示）及びアノード１１１とを備えており、カソード及びアノードは、電解質の両面に配置され、この電解質１１３に固定されている。電解質１１３の層は、セル内に存在するガスに対して不透過性であると同時に、プロトンを導くことができる半透過性の膜を形成する（以降、電解質１１３を、膜１１３ともいう）。この電解質の層は、アノード１１１とカソードとの間の電子の通過についても妨げる。

【0042】

隣接するＭＥＡの各対の間に、バイポーラプレート５が配置される。各バイポーラプレート５は、対向する外面にアノードの流路と、カソードの流路とを画定する。バイポーラプレート５は、有利には、２つの連続する膜電極接合体間に冷媒流路を画定する。バイポーラプレート５は、例えば、ステンレス鋼、チタン合金、アルミニウム合金、ニッケル合金、又はタンタル合金製のような導電性の金属シート２枚から、公知の方法でそれぞれを形成することができる。各シートは、それぞれ１つの外面を画定する。又、バイポーラプレート５は、任意の他のプロセス、例えば、カーボンポリマー複合材料を用いた成形や射出成形によっても得ることができる。従って、バイポーラプレート５は、１部品から形成されてもよい。その場合、バイポーラプレート５の外面は、このような１部品によって画定される。

【0043】

又、スタックはここには図示されていない周辺ガスケット及び膜補強材部材を備えていてもよい。各セル１は、アノードとバイポーラプレートとの間に配置されたガス拡散層（不図示）と、カソードと別のバイポーラプレートとの間に配置された別のガス拡散層をさらに含むことができる。

【0044】

公知の方法により、燃料電池スタック４の運転中は、空気がＭＥＡとバイポーラプレートとの間を流れ、水素分子がこのＭＥＡと別のバイポーラプレートとの間を流れる。アノードでは、ＭＥＡを通過するプロトンを生成するために水素分子がイオン化される。この反応によって生成された電子はバイポーラプレート５によって集められる。次に、生成された電子は、電流を作るために、燃料電池スタック４に接続された電気負荷に印加される。カソードでは、酸素が還元され、プロトンと反応して水を生成する。アノードとカソードにおける反応は以下の式で与えられる。
Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻：アノード
４Ｈ^＋＋４ｅ⁻＋Ｏ_２→２Ｈ_２Ｏ：カソード
その動作中、燃料電池スタックの１つのセルは、通常、アノードとカソードとの間に１Ｖ程度のＤＣ電圧を発生させる。

【0045】

図２は、燃料電池スタック４のスタックに含まれる２つのバイポーラプレート５及び膜電極接合体の概略的な分解斜視図である。バイポーラプレート５及び膜電極接合体１１０のスタックは、複数の流路用マニホールドを形成することを目的としており、その配置はここでは概略的な方法でのみ示されている。この目的のために、それぞれの孔は、バイポーラプレート５を通り、そして膜電極接合体１１０を通って作られる。従って、バイポーラプレート５は、第１の端部に孔５９１、５９３、及び５９５と、第１の端部とは反対側の第２の端部に孔５９２、５９４、及び５９６を備える。孔５９１は、例えば燃料供給用マニホールドを形成するために使用され、孔５９６は、例えば燃焼残留物及び未使用燃料を排出するための排出用マニホールドを形成するために使用され、孔５９３は、例えば冷媒供給用マニホールドを形成するために使用され、孔５９４は、例えば冷媒排出用マニホールドを形成するために使用され、孔５９２は、例えば酸化剤供給用マニホールドを形成するために使用され、孔５９５は、例えば生成された水及び未使用の酸化剤を排出するための排出用マニホールドを形成するために使用される。

【0046】

バイポーラプレート５及び膜電極接合体１１０の孔は、様々な流れ用マニホールドを形成するために対向して配置される。孔１２、１４、及び１６は、例えば膜電極接合体１１０内に形成され、孔５９２、５９４、及び５９６にそれぞれ対向して配置される。単純化をするために、孔５９６は、スタックから燃焼残留物を排出するための排出用マニホールドとして例えられる。

【0047】

図３は、本発明の第１の態様の一実施形態によるバイポーラプレート５の上面の詳細を示す斜視図である。バイポーラプレート５は、結合された導電性シート５１と５２とを備える。導電性シート５１及び５２は、一般的には、金属シート、例えば型押しされた金属シートで形成される。シート５１及び５２は、例えばステンレスで形成されている。シート５１及び５２は、例えば溶接により結合される。冷媒用の流路は、シート５１と５２との間に形成され、マニホールド５９３と５９４とを接続している。冷媒用の流路の密閉性は、シート５１とシート５２との間を溶接することによって得ることができる。

【0048】

シート５１の外面は、例えば燃料のような反応物質の流路５４１を画定するリブ５４２を含む。ここで、流路５４１は、マニホールド５９１と５９６とを接続するように配置されている。流路５４１を含む領域は、電気化学セルの反応領域５４に対応している。

【0049】

又、シート５１の外面は、マニホールド５９１と５９６との間に延在するリブ５１２を有する。リブ５１２は、マニホールド５９１と５９６との間に延在するガスケット（ここでは図示せず）用の支持部として形成される。リブ５１２及びガスケットは、電気化学セルからの燃料漏れを防止するためのものである。

【0050】

又、シート５１の外面は、リブ５１２と反応領域の周囲のリブ５４２との間に位置する中間領域５３を含む。中間領域５３は、膜１１３のオーバーラップ部又は反応領域を越えたガス拡散層のオーバーラップ部を受け入れるようになっている。中間領域５３の幅は、例えば、膜１１３ 又はガス拡散層を位置決めするための公差、又はシートのエンボス加工に関連する公差など、様々な製造及び組立公差が考慮されている。中間領域５３は、リブ５３１と、凹部５３２とを交互に有している。リブ５３１は、リブ５１２と反応領域の周囲のリブ５４２との間に、より正確にはリブ５１２からリブ５４２まで延在している。リブ５３１は、マニホールド５９１と５９６とを結ぶ軸に対して垂直に延在している。この例では、リブ５３１は、リブ５１２に対して垂直であり、反応領域の周囲のリブ５４２に対して垂直である。シート５１とシート５２との間の接触部は、凹部５３２内に形成されている。

【0051】

シート５１の外面は又、マニホールド５９３を取り囲むリブ５１１を備えている。このリブ５１１は、マニホールド５９３を取り囲むガスケットのための支持部を形成することを目的としている。リブ５１３により、マニホールド５９３からリブ５１１の下部へ冷媒が流れる。又、シート５１の外面はリブ５１２とリブ５１３との間に延在するリブ５１４を備えている。リブ５１４により、リブ５１３の内面とリブ５１２の内面との間に冷媒が流れる。リブ５３１により、リブ５１２の内面から、反応領域の直下又は下方に位置する冷媒流路へ冷媒が流れる。

【0052】

中間領域５３は、反応物質の短絡の対象となる領域である。リブ５３１は、領域５３内のガス拡散層のオーバーラップ部又は膜のオーバーラップ部が減少しても、反応物質の潜在的な流動面積を減少させることができる。反応物質の流動面積をさらに制限するために、リブ５３１の高さはリブ５４２の高さよりも高くなっている。従って、この領域５３内の短絡路が閉じることをアシストするように、領域５３内のガス拡散層又は膜のオーバーラップ部が圧縮される。各リブの高さは、シート５１及び５２が接触している中間平面からこのリブの頂部まで測定された距離として定義される。

【0053】

この例では、図１７に示されるように、（マニホールド５９１と５９６とを結ぶ直線によって定められる）反応物質の一般的な流れ方向は、（マニホールド５９３と５９４とを結ぶ直線によって定められる）冷媒の流れ方向に対して垂直である。ここでは、中間領域は、周辺ガスケットの図示がない場合、概略的に参照される。

【0054】

内部剪断応力の増加による膜の破裂という危険を避けるために、又は、オーバーラップ部において電流密度の局部的な不均一性を生じさせるガス拡散層の伝導率の大きな増加という危険を避けるために、ガス拡散層又は領域５３内の膜１１３のオーバーラップ部の圧縮を制限することが望ましい。かかる目的のために、その頂部に加えられる圧力を、シート５１と５２との間の中間平面に近い頂部にもたらすように、リブ５３１は可撓性を有する。

【0055】

リブ５３１の様々な変形例が、図４〜図７の断面の中央部に示されている。リブ５３１のこれらの幾何学的形状は、図１２〜１４において、より詳細に示されている。これらの全てのリブは、頂部５５６を有する。各リブ５３１は、このリブ５３１の両側に隣接する凹部５３２との接続部５５１を有する。点５５８は、シート５１とシート５２との間の頂部５５６に最も近い接触点を示す。リブ５３１の屈曲を促進するために、各接続部５５１の少なくとも一部分は、頂部５５６と最も近い接触点５５８とを結んだ直線よりも、相対的に凹状に配置される。

【0056】

リブ５３１は、圧力が頂部に加えられたときの変形を促進するために、長さの少なくとも５０％、好ましくは長さの少なくとも７０％に亘って、この定義による断面を有することが有利である。

【0057】

図４に示す例は、リブ５３１の第１変形例に対応する。ここに示されるリブ５３１は、その頂部５５６に応力が存在せず静止している。この変形例では、各接続部５５１は、第１の曲線５５２と、第２の曲線５５３と、第３の曲線５５４と、第４の曲線５５５とを有する。曲線５５２〜５５５は、参照されない実質的に直線状の部分によって接続されている。各接続部５５１は、その連続する曲線間に屈曲点を有する。従って、この変形例に示すように、接続部５５１は、リブ５３１を曲げることによって、頂部５５６に圧力が加えられたときの押し下げを促進するために、好ましくは少なくとも３つの変曲点を有している。

【0058】

ここに示すリブ５３１は、平坦な頂部５５６を有する。有利には、この変形例に示すように、リブ５３１は、膜又はガス拡散層に良好な支持面を提供するために、その幅の少なくとも２５％に亘って平坦な頂部５５６を有する。

【0059】

頂部５５６に圧力を加える間に、リブ５３１の一様な押し下げを促進するために、これらの断面は有利には、この変形例に示すように対称軸を有する。有利には、リブ５３１は、その中間部分、すなわち、一定の断面の細長い形状に亘り、押出形状を有する。

【0060】

図５に示す例は、ここでは静止状態として示されたリブ５３１の第２の変形例に対応している。この構成は、図８の斜視図及び図１０の縦断面にも示されている。図６は、頂部５５６に圧力を与えている間の、同一のリブ５３１に相当する。この構成は、図９の斜視図及び図１１の縦断面にも示されている。この変形例では、各接続部５５１は、第１の曲線５５２と、第２の曲線５５３と、第３の曲線５５４と、第４の曲線５５５とを有する。曲線５５２〜５５５は、参照されていない湾曲部分によって接続されている。従って、接続部５５１はそれぞれ少なくとも１つのＳ字形状を含んでいる。例えば図６及び図１１に示す構成を採用することによって、このような形状は、圧力が加えられたときの、頂部５５６の撓みを促進する。

【0061】

リブ５３１は、リブ５１２に接続される端部５５７と、リブ５４２に接続される端部５５９とを有している。端部５５７及び５５９は、リブ５１２及び５４２のそれぞれの高さから、リブ５３１の中間部分の高さまで徐々に移行することを可能にする移行領域を形成し得る。端部５５９は、有利には、静止時におけるリブ５３１とリブ５４２との高さの差であるΔｈの２〜１０倍の長さに亘る、徐々に移行する領域を形成し得る。領域５３内の流れを可能な限り制限するために、端部５５９は、端部５５７よりも短い長さの、徐々に移行する領域を形成し得る。端部５５７における、この徐々に移行する領域は、有利には、Δｈの１〜５倍の長さを有し得る。

【0062】

リブ５１２との接続部では幅が大きすぎるリブ５３１は、このリブ５１２の機械的強度を損なう可能性がある。図８に示す変形例では、リブ５３１の接続部５５１は、リブ５１２に達する前に中断される。接続部５５１とリブ５１２との間には、例えば、Δｈの１〜５倍の距離を作ることができる。

【0063】

図１１は、特に、ガス拡散層１２１を含む膜電極接合体によるリブ５３１の部分的な撓みを示している。ガス拡散層１２１は、領域５３の直上又は上方にオーバーラップ部を有する。このオーバーラップ部において、リブ５３１の中央部にガス拡散層１２１が圧縮することにより、リブ５３１の中間部分を押し下げ、膜１１３とガス拡散層１２１を保持することができる。この例では、リブ５３１の中央部は、特にリブ５４２よりも低くなるまで押し下げられている。オーバーラップ部を越えて、リブ５３１の端部５５７は、リブ５１２及び５４２よりも高く維持され、領域５３の閉鎖を促進する。各接続部５５１は、その連続する曲線間に屈曲点を有する。

【0064】

この変形例では、曲線５５３は、有利には、リブ５４２と同じ高さを有する局所的な頂部を形成する。従って、曲線５５３も、領域５３内の流体の流れを遮断するのをアシストする。

【0065】

図７に示す例は、ここでは静止状態として示されているリブ５３１の第３の変形例に対応する。この変形例では、各接続部５５１は、第１の曲線５５２及び第２の曲線５５３を有する。

【0066】

頂部５５６に圧力が加えられたときに頂部５５６の撓みを促進するために、第１の曲線５５２及び隣接する凹部５３２の一部は、接触点５５８に対して不安定な位置に配置される。この第１の曲線５５２及び凹部５３２のこの部分は、シート５２によって直接支持されていない。これにより、このリブ５３１に圧力が加えられている間に、反対側に位置するシート５２のリブ５６１へのリブ５３１の押し込みが可能になる。この目的のために、リブ５６１は、リブ５３１よりも大きい幅を有しており、よって、このリブ５３１の中間平面に対する鏡像になっていない。例えば、リブ５６１のより大きな剛性が、望まれてもよい。

【0067】

図１５は、接続部５５１がリブ５１２まで延在する別の変形例の斜視図である。この変形例では、接続部５５１の端部は、リブ５３１から分離され、横方向に分岐する。従って、リブ５３１は、リブ５１２といくつかの独立した接合部を有し、このリブを補強することを可能にする。有利には、接続部５５１は、リブ５３１からΔｈの２〜１０倍の距離だけ離れている。

【0068】

図１６は、リブ５３１の中間部分が異なる断面を有する別の変形例の斜視図である。各リブ５３１は、リブの中心と端部５５７との間、及びリブ５３１の中心と端部５５９との間にそれぞれ位置する２つのやや硬い部分を有する。リブ５３１の中央部には、低剛性を有するために、より低い惰性を有する断面が設けられている。従って、領域５３の頂部のガス拡散層のオーバーラップ部の長さに依存して、端部５５９におけるリブ５３１の撓みは、必ずしも端部５５７におけるリブ５３１の撓みをもたらすとは限らない。従って、ガス拡散層のオーバーラップ部がリブ５３１の中心を超えない場合、このリブ５３１は、端部５５７で僅かに曲がるだけであり、領域５３における流れの最適な閉鎖を保証することができる。

【0069】

上記の例では、シート５１の幾何学的形状について詳細に説明した。このようなシートの形状は、粘度が非常に低く、特に短絡流の影響を受ける水素燃料の流路５４１に対して特に適していることを示している。詳細には記載されていないが、シート５１に関して上述したように、中間領域において可撓性を有するリブと撓みとが交互に形成されている点において、シート５２は、シート５１と同様の形状を有することができる。図４〜図６に示す変形例では、シート５２のリブは、バイポーラプレート５の中央平面に対するリブ５３１の鏡像である。

【0070】

有利には、リブ５３１は領域５３内に均一に分布している。有利には、撓み５３２の幅は、少なくともリブ５３１の幅である。有利には、撓み５３２の幅は、多くてもリブ５３１の幅の２倍である。

【0071】

リブ５３１の幅は、有利には、１〜３ｍｍの間であり得る。領域５３の幅は、有利には、３〜７ｍｍであり得る。

【0072】

Δｈは、有利には、少なくともガス拡散層１２１の厚さＥｐＧｄｌの半分に等しく、最大でＥｐＧｄｌの３倍に等しい。有利には、Δｈは０．９＊ＥｐＧｄｌと１．１＊ＥｐＧｄｌとの間にある。Δｈは、リブ５３１の全長の平均値として表され、リブ５３１はその全長に亘って不均一な高さを有することが可能である。

【0073】

図４〜図１４に示す例では、ガスケット２がリブ５１２に接触して配置されている。ガスケット２は、例えば、リブ５１２上の平坦なガスケット、又はリブ５１２上にスクリーン印刷されたガスケットであってもよい。ガスケット２は、例えば、図１０及び図１１に示すように、膜１１３と接触していてもよく、又は膜１１３の周囲に固定された図示しない補強材と接触していてもよい。

【0074】

図１８は、（より明確にするために）本発明の第１の態様の別の変形例のリブ５３１において分解された断面図である。ここで、リブ５３１とシート５２との接触点は、リブ５３１の内側に収容されている。従って、これらの接触点は、シート５１及び５２の中間平面に対して持ち上げられている。これらの接触点の位置及びリブ５３１の幾何形状は、各接続部の少なくとも一部が、一のリブ５３１の頂点と、シート５２との最寄りの接触点とを結んだ直線に対して凹状になっているという点において、本発明の第１の態様を満たしている。これにより、リブ５３１の撓みが促進される。

【0075】

シート５２は、中間領域５３上に重ねられた中間領域を含む。シート５２の中間領域は、リブ５６１と凹部５６２とを交互に有している。又、シート５２は、図示されていないリブによって区切られた反応物質用の流路を有している。シート５１とシート５２との接触部は、凹部５３２内、又は凹部５６２内に形成される。凹部５３２には、第２のリブ５３５が配置されている。これら第２のリブ５３５は、撓みに対して所定の剛性を有している。又、第２のリブ５３５は、リブ５３１
の中央部の撓みを可能にする空間を形成している。凹部５６２には、第２のリブ５６５が配置されている。第２のリブ５６５は、撓みに対して所定の剛性を有している。又、第２のリブ５６５は、リブ５３１の中央部の撓みを可能にする空間を形成している。この変形例は、特に、ガスケット支持リブの剛性を高めることを可能にする。

【0076】

又、図１９及び図２０に示す本発明の第２の態様によれば、本発明は２つのバイポーラプレートの間で圧縮された膜電極接合体を含む電気化学セルに関する。

【0077】

本発明のこの第２の態様によれば、電気化学セルはバイポーラプレート５も含む。各バイポーラプレート５は、結合された導電性シート５１及び５２を備える。又、導電性シート５１、５２は、溶接により結合された、型押しされた金属シートから形成されてもよい。冷媒流路は、シート５１と５２との間に形成されており、上述のように、冷媒用の入口用マニホールド及び出口用マニホールドと接続している。

【0078】

本発明における、この第２の態様の第１の変形例が、リブ５３１を通る断面図において、図１９に示されている。この例には、本発明における第１及び第２の態様が組み合わされている。上述した例のように、シート５１の外面は、反応物質のための流路５４１を画定するリブ５４２を含んでいる。これらの流路５４１は、上述したように、反応物質の入口用マニホールドと出口用マニホールドとを接続するように配置されている。

【0079】

又、上述した例のように、シート５１の外面は反応物質用マニホールドの間に延在するリブ５１２を備え、このリブは、ガスケット２のための支持部を形成し、これらの反応物質用マニホールドの間に延在することを目的としている。

【0080】

又、シート５１の外面は、ガスケット支持リブ５１２と、反応領域の周囲のリブ５４２と、の間に位置する中間領域５３を含む。中間領域53は、反応物質の短絡の対象となる領域である。又、ここでは、中間領域５３は、膜１１３のオーバーラップ部、又は反応領域を越えたガス拡散層１２１又は１２２のオーバーラップ部を受け入れるようになっている。

【0081】

又、中間領域５３の幅は、例えば、膜１１３又はガス拡散層を配置するための公差、又はシートの型押し加工に関連する公差など、様々な製造及び組立公差が考慮されている。中間領域５３は、先の実施例と同様に、リブ５３１と凹部５３２とを交互に有している。リブ５３１は、リブ５１２と反応領域の周囲のリブ５４２との間に延在している。リブ５３１は、反応物質用マニホールドをつなぐ軸に対して垂直に延在している。この例では、リブ５３１は、リブ５１２に対して垂直であり、反応領域の周囲のリブ５４２に対して垂直である。シート５１とシート５２との間の接触部は、凹部５３２内に形成されている。リブ５３１は、領域５３内のガス拡散層又は膜の重なりが減少しても、反応物質の潜在的な流動面積を減少させることを可能にしている。

【0082】

領域５３におけるＭＥＡのオーバーラップ部は、シート５１及び５２がリブ５３１及び５６１とそれぞれ交互に接触していることによるうねりを含んでいる。シート５２は、ガスケット用の支持リブを含んでいる。シート５２は、中間領域５３上に重なっている（参照されていない）中間領域を含んでいる。シート５２の中間領域は、リブ５６１と凹部５６２とを交互に有している。又、シート５２は、リブによって区切られた反応物質用の流路を含んでいる。リブ５６１は、ガスケット支持リブと反応領域の周囲のリブ５６２との間に延在している。

【0083】

領域５３内の膜１１３の起こり得る過圧縮を制限するために（あるいは適切な補強のために）、特に、ガス拡散層のオーバーラップ部がリブ５１２に近い場合おいて、本発明の第２の態様は、バイポーラプレート５のシート５１の各リブ５３１を、別のバイポーラプレートのシート５２内に形成されたより広い凹部５６２に対向して配置することを提案している。他のバイポーラプレート５のシート５２のリブ５６１は、シート５１の凹部５３２に対向している。このような構成は、領域５３内の流れ面積を制限するために、領域５３内のＭＥＡ１１０の重なりと、リブ５３１とリブ５６１の交互の接触を生成することを目的とする。このようなリブ５３１及び５６１は、ＭＥＡ１１０のオーバーラップ部において、過剰な圧縮ではなく、うねりを発生させる。

【0084】

ここで、リブ５３１とシート５６２との接触点は、リブ５３１の内側に収容されている。従って、これらの接触点は、シート５１及び５２の中間平面に対して持ち上げられる。これらの接触点の位置及びリブ５３１の幾何形状は、各接続部の少なくとも一部が、一のリブ５３１の頂点と、最寄りの接触点とを結んだ直線に対して凹状になっているという点において、本発明の第１の態様を満たしている。これにより、リブ５３１の撓みが促進される。
ＭＥＡのオーバーラップ部のうねりを許容するために、各リブ５３１は、より大きな幅の凹部５６２に対向し、
各リブ５６１は、より大きな幅の凹部５３２に対向し、
リブ５３１の高さは、リブ５４２の高さよりも高く、
リブ５６１の高さは、シート５２の流路を画定するリブの高さよりも高い。
有利には、ＭＥＡのオーバーラップ部に対する応力を制限するために、リブ５３１と凹部５６２との間の空間は、ＭＥＡのオーバーラップ部の厚さよりも厚く、
リブ５６１と凹部５３２との間の空間は、ＭＥＡのオーバーラップ部の厚さよりも厚い。

【0085】

図２０は、本発明の第２の態様の別の変形例を（より明確にするために）分解した斜視底面図である。隣接する２つのバイポーラプレート５の、シート５１とシート５２との間における領域５３に位置するＭＥＡのオーバーラップ部は、区別することが可能な状態となっている。ＭＥＡは、それぞれシート５１及び５２のリブ５３１及び５６１とそれぞれ交互に接触していることによるうねりを含んでいる。シート５２は、ガスケット用の支持リブを含んでいる。シート５２は、中間領域５３上に重なっている中間領域５７を含んでいる。この中間領域は、リブ５６１と凹部５６２とを交互に含んでいる。シート５２は又、リブ５６４によって区切られた反応物質の流路５６３を含んでいる。リブ５６１は、ガスケット支持リブと反応領域の周囲のリブ５６２との間に延在している。
ＭＥＡのオーバーラップ部のうねりを許容するために、各リブ５３１は、より大きな幅の凹部５６２に対向し、
各リブ５６１は、より大きな幅の凹部５３２に対向し、
リブ５３１の高さは、リブ５４２の高さよりも高く、
リブ５６１の高さは、リブ５６４の高さよりも高い。
有利には、ＭＥＡのオーバーラップ部に対する応力を制限するために、リブ５３１と凹部５６２との間の空間は、ＭＥＡのオーバーラップ部の厚さよりも厚く、
リブ５６１と凹部５３２との間の空間は、ＭＥＡのオーバーラップ部の厚さよりも大きい。

【0086】

シート５１及び５２のリブ５３１（実線）及び５６１（破線）の様々な構成を概略平面図に対応させた本発明の第３の態様を、図２１に示す。本発明の第３の態様によれば、リブ５３１、５６１は、リブ５４２側の端部に重なっていない。従って、中間領域５３にＭＥＡのオーバーラップ部のうねりを作り出すことが可能である。一方、リブ５３１は、中間領域５３における短絡流領域を制限するために、オーバーラップ部がこの重なりに達していない場合、リブ５１２の側に位置する端部で重なる。他方、リブの重なりに達するオーバーラップ部において起こり得る過剰な圧縮は、リブ５１２の近傍でのみ誘発される。リブ５３１及び／又はリブ５６１は、本発明の第１の態様の他の変形例を参照して詳細に説明した様々な特徴を採り得る。

【0087】

又、図２３（１）〜図３０に示す本発明の第４の態様によれば、本発明は、２つのバイポーラプレート間に圧縮された膜電極接合体を含む電気化学セルに関する。本発明の第４の態様によれば、冷媒の貯留部を反応領域の外側に保持するには、冷媒及び反応物質の短絡流を減少させることが望ましい。本発明の第４の態様によれば、反応領域の冷媒用流路と、反応領域外の冷媒貯留領域との間では、流れは遮断される。

【0088】

図２２の上面図として示される構成では、冷媒の流れは、反応物質の流れと実質的に平行である。このシナリオにおいては、従来技術によれば、冷媒の短絡流は、反応物質の短絡流と同じように、中間領域５３に対して垂直になる。

【0089】

本発明のこの第４の態様によれば、電気化学セルはバイポーラプレート５も含む。各バイポーラプレート５は、結合された導電性シート５１及び５２を備える。又、導電性シート５１、５２は、溶接により結合された、型押しされた金属シートから形成されてもよい。冷媒の流路は、シート５１と５２との間に形成され、詳細を上述したように、冷媒の入口用及び出口用マニホールドと接続している。本発明の第４の態様では、各バイポーラプレート５は、反応物質の流路を覆う電極と、反応物質の入口用マニホールドと出口用マニホールドとの間に延在しガスケットが配置されるリブとの間に中間領域を備えている。
この中間領域では、
シート５１及び５２は、第１の帯域に沿って、少なくとも１つの冷媒流路の全長に亘って互いに入れ子状の相補形状を有しており、
シート５１は、第１の帯部とガスケット支持リブとの間に第２の帯域を形成し、膜電極接合体と接触するレリーフ部を備えている。この第２の帯域では、シート５１とシート５２との間に冷媒貯留部が形成されている。

【0090】

図２２に示す構成に対応する、本発明の第４の態様の第１の変形例を図２３〜図２６に示す。ここでの冷媒の流れ方向は、反応物質の流れ方向と実質的に平行である。

【0091】

シート５１の外面は、反応物質、例えば燃料用の流路５４１を画定するリブ５４２を含む。ここで、流路５４１は、マニホールド５９１と５９６とを接続するように配置されている。流路５４１を備える領域は、電気化学セルの反応領域５４に対応する。

【0092】

又、シート５１の外面は、マニホールド５９１と５９６との間に延在するリブ５１２及び５１５を備える。リブ５１２及び５１５は、マニホールド５９１及び５９６の間に延在するガスケット２のための支持部を形成することを目的としている。ここで、ガスケット２は、リブ５１２と５１５とを跨いでおり、リブ５１２と５１５との間に形成された溝も跨いでいる。

【0093】

又、シート５１の外面は、リブ５１２と反応領域５４の周囲のリブ５４２との間に位置する、中間領域５３を含んでいる。

【0094】

中間領域５３は、膜１１３のオーバーラップ部又は反応領域を越えたガス拡散層のオーバーラップ部を受け入れるようになっている。図２５は、膜電極接合体１１０の一例と組み合わせたバイポーラプレート５を示す分解断面図である。膜電極接合体１１０は、電極１１１が公知の方法で固定された膜１１３を備える。電極１１１は、ガス拡散層１２１で覆われている。補強部１３１は、膜１１３の周囲に固定されている。補強部１３１は、ガスケット２と接触している。図２５に示すように、ガス拡散層１２１は、中間領域５３の直上又は上方にオーバーラップ部を有している。電極１１１は、反応領域５４の流路５４１の直上又は上方に位置している。

【0095】

中間領域５３の幅は、例えば、膜１１３又はガス拡散層１２１を位置決めするための公差、又はシートの型押し加工に関連する公差など、様々な製造及び組立公差が考慮されている。中間領域５３は、リブ５１２から電極１１１まで延在している。冷媒の流路５８３は、反応領域５４の直下又は下方にあるシート５１及び５２の間に作られている。冷媒の流路５８３は、マニホールド５９３及び５９４と接続している。中間領域５３は、反応物質又は冷媒の短絡が生じ得る領域である。

【0096】

中間領域５３の第１の帯域５３７において、シート５１及び５２は、図２３（Ａ）の断面図から明らかなように、冷媒の流路５８３の全長に亘って互いに入れ子状に相補的な形状を有している。第２の帯域５３８は、中間領域５３において、第１の帯域５３７とリブ５１２との間に形成されている。第２の帯域５３８においては、シート５１及び５２が共に冷媒の貯留部５３６を形成している。第２の帯域５３８においては、シート５１は、レリーフ部、例えば、リブ５３１の頂部又は平坦な領域５８１（平坦面５８１）を含む。これらのレリーフ部は、膜電極接合体１１０のガス拡散層１２１と接触している。

【0097】

従って、第２の帯域５３８において、第１の帯域５３７によって、流路５８３又はマニホールド５９３から生じる流れがブロックされ、この領域５３の流れを制限する間、冷媒は、中間領域５３における温度制御を行うために存在し得る。さらに、第２の帯域５３８において、レリーフ部は、領域５３内の反応物質の流れを制限する妨げとなり、ガス拡散層１２１の支持部を形成する。ガス拡散層１２１が第２の帯域５３８を部分的に覆うとき、領域５３内における反応物質の流れはさらに有利に制限される。

【0098】

図示の例では、シート５１及び５２はリブを備え、その形状は第１の帯域５３７において相補的である。これらのリブは、例えば冷媒又は反応物質の流れ方向に垂直な方向に沿って延在している。実際には、シート５１及び５２は、必ずしも帯域５３７内で互いに押し付けられるべきではないが、反応領域５４から始まり貯留部５３６へ向かう冷媒の通過面に非常に大きな圧力降下を生じさせるのに十分なだけ近づいているべきである。

【0099】

有利には、各平坦面５８１の長さ及び幅は、ガス拡散層１２１に対する良好な支持を確実にするために、少なくとも反応物質の流路５４１の幅に等しい。有利には、第２の帯域５３８における流れの可能性を制限するために、シート５１及び５２は、図２３（Ｂ）の断面図からより明らかなように、貯留部５３６と、シート５１及び５２が互いに押し付けられている領域とを交互に有している。短絡流は、他と比べて、１つの反応物質にとって、より有害であり得るので、平坦な表面の幅は、図２３（Ｂ）に示されるように、アノード及びカソードにおいて異なることがある。

【0100】

有利には、図２３（Ｃ）〜図２３（Ｆ）の断面図からより明らかなように、中間領域５３は、第１の帯域５３７と電極１１１との間に形成された第３の帯域５３９を有している。この第３の帯域５３９では、反応領域５４の周囲で冷媒の流れを保証するために、シート５１と５２との間に、ボリューム部５８２が形成されている。

【0101】

図１７に示す構成に対応する、本発明の第４の態様の第２の変形例を図２７〜図２９に示す。ここでの冷媒の流れ方向は、反応物質の流れ方向に対して実質的に垂直である。ここでは、一の反応物質の均質化領域は、反応領域５４のいずれかの側で作られる。又、ここでは、反応物質の均質化領域は、シート５２の外面上において形成される。

【0102】

この変形例によれば、反応領域５４の冷媒の流路に対して、均質化領域５０内における冷媒貯留領域を分離することが望ましい。反応領域５４はここでは図示していない。

【0103】

均質化領域５０では、均質化流路５０１がシート５１の外面上に形成される。これらの流路５０１は、公知の方法でリブ５０２によって区切られている。流路５０１は、反応性領域における流路５４１がマニホールド５９１又は５９６と接続するよう配置されている。この均質化領域５０の直下、又は下方に、均質化流路５０４が、シート５２の外面上に作られる。流路５０４は、公知の方法でリブ５０５によって区切られている。流路５０５は、シート５２の外面の流路が、マニホールド５９２又は５９５と接続するように配置されている。

【0104】

均質化流路５０１及び５０４は、ここでは異なる方向に沿って延在している。均質化流路５０１及び５０４は、ここでは同じ断面を有する。各均質化流路５０１は、シート５１の内面にスタッド部を形成する凹部５０３を備える。ここで形成されたスタッド部は、リブ５０５の内側部分に収容されている。このスタッド部は、リブ５０５の内側部分と相補的な形状を有している。従って、リブ５０５の内側部分における冷媒の流れは、シート５１のスタッド部によってブロックされる。各均質化流路５０４は、シート５２の内面にスタッド部を形成する凹部５０６を含む。ここで形成されたスタッド部は、リブ５０２の内側部分に収容されている。このスタッド部は、リブ５０２の内側部分と相補的な形状を有する。従って、リブ５０２の内側部分における冷媒の流れは、シート５２のスタッド部によって阻止される。従って、図２９により良く示されているように、様々なスタッド部を通る破断断面図に対応して帯域５３７が形成され、ここでは、反応領域において少なくとも１つの冷媒の流路の全長に亘り、シート５１と５２は互いに入れ子状の相補形状をしている。従って、この帯域５３７は、冷媒貯留部を含む均質化領域５０の一部分と、反応領域５４の冷媒流路及び冷媒マニホールドと接続する別の領域とを分離する。図示された例では、反応領域の周辺部で冷媒の流れを保証するために、シート５１と５２との間にボリューム部５８２が作られている。

【0105】

図１７に示す構成に対応する、本発明の第４の態様の第３の変形例を図３０に示す。ここでの冷媒の流れ方向は、反応物質の流れ方向に対して実質的に垂直である。ここで、一の反応物質の均質化領域は、反応領域５４のいずれかの側で作られる。又、反応物質の均質化領域は、シート５２の外面上において形成される。この変形例によれば、反応領域５４の冷媒流路に対して均質化領域５０内の冷媒貯留領域を分離することも望ましい。反応領域５４はここでは図示していない。

【0106】

均質化領域５０では、シート５１の外側に向かって、又はシート５１の内側に向かって突出するスタッド部が形成される。この均質化領域５０の直下、又は下方に、シート５２の外側に向かって、又はシート５２の内側に向かって突出するスタッド部も形成される。従って、シート５１及び５２は、公知の方法でこれらのスタッド部による反応物質の均質化を行う。

【0107】

シート５１の内面から突出したスタッド部５１９は、シート５２の内面から突出したスタッド部５２９に当接する。このようにして均質化領域５０の直下又は下方にあるシート５１及び５２の間に冷媒のボリューム部が作られる。さらに、シート５２は、内側に突出するスタッド部５０７と、外側に突出するスタッド部５０８とを交互に有する。シート５１は、内向きに突出するスタッド部と、スタッド部５０７、５０８と相補的な形状を有する外向きに突出したスタッド部とを交互に含んでいる。スタッド部５０７及び５０８は、少なくとも反応領域の冷媒流路の長さに亘って、帯域５３７におけるシート５１の対応するスタッド部に入れ子状態になっている。

【0108】

従って、この帯域５３７は、冷媒貯留部を備える均質化領域５０の一部分と、反応領域５４の冷媒流路及び冷媒マニホールドと接続する別の領域とを分離する。図示された例では、反応領域の周囲で冷媒の流れを保証するために、シート５１と５２との間にボリューム部５８２が形成されている。

【0109】

本発明の第５の態様は、図３１〜図３９に示すバイポーラプレートに関する。図３１は、本発明のこの第５の態様の一実施形態によるバイポーラプレート５の一例の分解斜視図である。

【0110】

本発明のこの第５の態様によれば、各バイポーラプレート５は、結合された導電性シート５１及び５２を備える。又、導電性シート５１、５２は、溶接により結合された、型押しされた金属シートから形成されてもよい。冷媒流路５８３は、有利には、シート５１と５２との間に形成され、上述したように、冷媒の入口及び出口用マニホールドと接続している。

【0111】

先の実施例と同様に、シート５１の外面は、反応物質、例えば燃料用の流路５４１を画定するリブ５４２を含む。ここで、流路５４１は、マニホールド５９１及び５９６に接続するように配置されている。流路５４１を含む領域は、電気化学セルの反応領域５４に対応する。シート５１の外面は又、マニホールド５９１と５９６との間に延在するリブ５１２を備える。リブ５１２は、マニホールド５９１と５９６の間に延在するガスケット２の支持部を形成することを目的としている。又、リブ５１５が、マニホールド５９１と５９６との間に延在している。ここで、ガスケット２は、リブ５１２、５１５を跨いでおり、リブ５１２、５１５間に形成された溝にも跨っている。

【0112】

又、シート５１の外面はリブ５１２と反応領域の周囲のリブ５４２との間に位置する中間領域５３を含む。中間領域５３は、プロトン交換膜のオーバーラップ部又は反応領域を越えたガス拡散層のオーバーラップ部を受け入れるようになっている。中間領域５３の幅は、様々な製造及び組立公差、例えば膜又はガス拡散層の位置決めの公差、又はシートの型押し加工に関連する公差が考慮されている。

【0113】

シート５２の外面は、酸化剤用の流路５６３を画定するリブ５６４を含む。ここで、流路５６３は、マニホールド５９２及び５９５に接続するように配置されている。流路５６３を含む領域も、電気化学セルの反応領域に対応する。シート５２の外面は又、マニホールド５９１と５９６との間に延在するリブ５６８を備える。リブ５６８は、ガスケット２の支持部を形成し、マニホールド５９２と５９５との間に延在するように意図されている。電気化学セルのスタックの圧縮が、様々なガスケットに対して適切に垂直に加えられるように、リブ５６８はリブ５６２の直下に配置されている。

【0114】

又、シート５２の外面は、リブ５６８と反応領域の周囲のリブ５６４との間に位置する中間領域５７を含んでいる。中間領域５７は、プロトン交換膜のオーバーラップ部又は反応領域を越えたガス拡散層のオーバーラップ部を受け入れるようになっている。又、中間領域５７の幅は、種々の製造及び組立公差、例えば膜又はガス拡散層の位置決めの公差、又はシートのエンボス加工に関連する公差が考慮されている。

【0115】

中間領域５３は、リブ５８４又は５１７と凹部５３２とを交互に有している。これらのリブ５８４又は５１７は、リブ５１２と反応領域の周囲のリブ５４２との間に延在している。リブ５８４及び５１７は、マニホールド５９１及び５９６を結ぶ軸に対して垂直に延在している。この例では、リブ５１７及び５８４は、リブ５１２に対して垂直に延び、反応領域の周囲のリブ５４２に対して垂直である。

【0116】

中間領域５７は、リブ５６１又は５６６と、凹部５６２とを交互に有している。これらのリブ５６１又は５６６は、リブ５６８と反応領域の周囲のリブ５６４との間に延在している。リブ５６１又は５６６は、マニホールド５９２及び５９５を結ぶ軸に対して垂直に延在している。この例では、リブ５６１又は５６６は、リブ５６８に対して垂直に延び、反応領域の周囲のリブ５６４に対して垂直である。

【0117】

中間領域５３及び５７は、反応物質の短絡の影響を受ける。リブ５１７及び５８４は、中間領域５３における燃料の潜在的な流動面積を減少させ、リブ５６６及び５６１は、中間領域５７における酸化剤の潜在的な流動面積を減少させる。

【0118】

本発明の第５の態様によれば、これらのリブの機械的強度に悪影響を及ぼすことなく、反応物質の短絡流を制限するために、中間領域５３及び５７の特定のリブの幅を増加させることが求められている。

【0119】

この目的のために、各リブ５８４は、このリブ５８４が接触する少なくとも２つの凹部５６２を収容するように構成されている。従って、このリブ５８４のたるみを避けるために、凹部５６２によって形成された、いくつかの支持部を用いて、中間領域５３における燃料短絡流を制限するために比較的広いリブ５８４を製造することが可能である。各リブ５８４は、例えば、少なくともその長さの半分に等しいか、少なくともその長さに等しい幅を有することができる。

【0120】

各リブ５６６は、このリブ５６６が接触する少なくとも２つの凹部５３２を収容するように構成されている。従って、このリブ５６６のたるみを避けるために、凹部５３２によって形成された、いくつかの支持部を用いて、中間領域５７における燃料短絡流を制限するために、比較的広いリブ５６６を製造することが可能である。各リブ５６６は、例えば、少なくともその長さの半分に等しい幅を有することができる。

【0121】

中間領域５３、５７の流れを最適に制限するために、凹部５３２とリブ５１７又は５８４の間（又は凹部５６２とリブ５６６又は５６１の間）の高さｈｎｒは、反応領域５４内の流路の全高さｈｅの少なくとも７５％である。ｈｅは、この領域内のバイポーラプレート５の厚さから全シート厚さを差し引いて得られる（ｈｅは、図３７に例示されている）。

【0122】

図示の例では、シート５１及び５２は、反応領域レベルでバイポーラプレート５の中間平面５００と接触している。凹部５３２及び５６２、並びにリブ５１７、５８４、５６１及び５６６は、この中間平面５００のいずれかの側に延在している。シート５１及び５２は、勿論、反応領域において、バイポーラプレート５のこの中間平面500に対してオフセットして接触していてもよい。

【0123】

有利には、図３１〜図３５の例に示すように、いくつかの凹部５６２を収容するリブ５８４の幅は、いくつかの凹部５３２を収容するリブ５６６の幅よりも大きい。実際に、水素分子のような燃料は、空気又は酸素分子のような酸化剤よりも低い粘度を有しており、これは、領域５７と比べると、帯域５３における短絡流の制限が好ましい理由となっている。図３１に示す例では、より多くの支持部を有するリブ５８４の幅を増加させるために、リブ５８４は、少なくとも３つの凹部５６２、この場合は４つの凹部を収容する。

【0124】

本発明の第１及び第５の態様を有利に組み合わせることができる。図３９に示す変形例（中間領域５３、５７の断面図）において、リブ５８４は、リブ５１２又はリブ５４２の間に延在するリブ又は突起部５９９を備えている。突起部５９９は、リブ５８４の高さがリブ５４２の高さよりも高くなるように、リブ５８４の頂部５５６を画定する。突起部５９９は、リブ５６１の直上に位置する。２つの凹部５６２は、各突起部５９９の両側のリブ５８４と接触している。突起部５９９は、凹部５６２を有するリブ５８４の頂部５５６と接触点５５８との間の接続部５５１を含んでいる。これらの接続部５５１は、頂部５５６と最も近い接触点５５８とを結ぶ直線に対して凹状になった部分を有している。従って、本発明の第１の態様によれば、中間領域５３におけるガス拡散層のオーバーラップ部による圧力の印加中に、突起部５９９が撓むことが好ましい。

【0125】

図３８に示す例では、各対の凹部５６２の間に突起部５９９が形成されている。図３９に示す例では、突起部５９９は、特定のリブ５６１の直上にのみ形成されている。

【0126】

同様に、リブ５６６は、有利には、リブ５６８とリブ５６４との間に延在するリブ又は突起部５６７を備えている。突起部５６７は、リブ５６６の頂部を画定し、リブ５６６は、リブ５６４の高さよりも高い。突起部５６７は、リブ５１７の直下に位置している。２つの凹部５３２は、各突起部５６７の両側のリブ５６６と接触している。突起部５６７は、その頂部と、凹部５３２とリブ５６６との間の最も近い接触部との間の接合部を含んでいる。従って、中間領域５７内のガス拡散層のオーバーラップ部による圧力の印加中に、突起部５６７が撓むことも、好ましい。

【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】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】

【図29】

【図30】

【図31】

【図32】

【図33】

【図34】

【図35】

【図36】

【図37】

【図38】

【図39】