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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】
(24)【登録日】2022-05-26
(45)【発行日】2022-06-03
(54)【発明の名称】燃料電池装置
(51)【国際特許分類】
H01M 8/2485 20160101AFI20220527BHJP
H01M 8/0267 20160101ALI20220527BHJP
H01M 8/2465 20160101ALI20220527BHJP
H01M 8/2484 20160101ALI20220527BHJP
【ＦＩ】
H01M8/2485
H01M8/0267
H01M8/2465
H01M8/2484
【請求項の数】
9
(21)【出願番号】P 2021547950
(86)(22)【出願日】2019-11-04
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2022-01-20
(86)【国際出願番号】 EP2019080049
(87)【国際公開番号】W WO2020099161
(87)【国際公開日】2020-05-22
【審査請求日】2021-04-28
(31)【優先権主張番号】102018219201.4
(32)【優先日】2018-11-12
(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE
(73)【特許権者】
【識別番号】591006586
【氏名又は名称】アウディ アクチェンゲゼルシャフト
【氏名又は名称原語表記】ＡＵＤＩ ＡＧ
(74)【代理人】
【識別番号】100086232
【弁理士】
【氏名又は名称】小林 博通
(74)【代理人】
【識別番号】100092613
【弁理士】
【氏名又は名称】富岡 潔
(72)【発明者】
【氏名】グレッツァー，マルクス
(72)【発明者】
【氏名】クルーイ，ノルベルト
【審査官】山本 雄一
(56)【参考文献】
【文献】特開２０００－１３３２９１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００９－０５４３７８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１５－５１９６９２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００７－１１５６９６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０３－０２５８６２（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｍ ８／００－ ８／０２９７
Ｈ０１Ｍ ８／０８－ ８／２４９５
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
互いに積層方向に積層された複数のユニットセル（１１）から形成された燃料電池スタック（１２）を有する燃料電池装置（１）であって、各ユニットセルが、１つまたは複数の媒体チャネル（８）と、カソード、アノード、およびカソードとアノードとの間に配置された膜を備えた膜電極アセンブリ（２）と、を有し、積層方向に実質的に平行に延在する媒体ガイド（２２）であって、燃料電池スタック（１２）のユニットセル（１１）の媒体チャネル（８）の内外へと積層方向に対して実質的に横方向に媒体を案内するように、燃料電池スタック（１２）に接続可能なまたは接続された媒体ガイド（２２）を有しており、媒体ガイド（２２）が機能コンポーネント（３５）として形成されるか、またはそのような機能コンポーネント（３５）が媒体ガイド（２２）に組み込まれ、機能コンポーネント（３５）は、媒体が媒体チャネル（８）に入る前に媒体を前処理するか、または媒体が媒体チャネル（８）を出た後にその媒体を後処理するように設計され、
燃料電池スタック（１２）が、媒体ガイド（２２）のガイドレッグ（２４ａ，２４ｂ）をそれぞれ収容するように設計された複数のレッグレセプタクル（２６）を有しており、ガイドレッグ（２４ａ，２４ｂ）がプレテンション下でレッグレセプタクル（２６）にセルフロック方式で固定されるように、媒体ガイド（２２）が弾性的な弾力性を有する、燃料電池装置。
【請求項2】
機能コンポーネント（３５）が、加湿器（３６）、イオン交換器（４０）、イオントラップ、粒子フィルタ（３８）、エアフィルタ（３７）、および水分離器（３９）を含む群から選択されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池装置（１）。
【請求項3】
複数の媒体ガイド（２２）が設けられ、それらの媒体ガイド（２２）は、空気を供給するための第１の媒体供給部（２２ａ）、および少なくとも部分的に消費された空気を排出するための第１の媒体排出部（２２ｂ）として形成されるとともに、燃料を供給するための第２の媒体供給部（２２ｃ）、および燃料電池スタック（１２）の少なくとも部分的に消費された燃料を排出するための第２の媒体排出部（２２ｄ）として形成されることを特徴とする、請求項１または２に記載の燃料電池装置（１）。
【請求項4】
第１の媒体供給部（２２ａ）が加湿器（３６）として形成される、またはそのような加湿器（３６）が第１の媒体供給部（２２ａ）に組み込まれることを特徴とする、請求項３に記載の燃料電池装置（１）。
【請求項5】
第１の媒体排出部（２２ｂ）がエアフィルタ（３７）として形成される、またはそのようなエアフィルタが第１の媒体排出部（２２ｂ）に組み込まれることを特徴とする、請求項３または４に記載の燃料電池装置（１）。
【請求項6】
第２の媒体供給部（２２ｃ）が粒子フィルタ（３８）として形成される、またはそのような粒子フィルタが第２の媒体供給部（２２ｃ）に組み込まれることを特徴とする、請求項３～５のいずれか一項に記載の燃料電池装置（１）。
【請求項7】
第２の媒体排出部（２２ｄ）が水分離器（３９）として形成される、またはそのような水分離器（３９）が第２の媒体排出部（２２ｄ）に組み込まれることを特徴とする、請求項３～５のいずれか一項に記載の燃料電池装置（１）。
【請求項8】
複数の媒体ガイド（２２）が冷却剤供給部（２２ｅ）および冷却剤排出部（２２ｆ）に細分されることを特徴とする、請求項３～６のいずれか一項に記載の燃料電池装置（１）。
【請求項9】
冷却剤供給部（２２ｅ）がイオン交換器（４０）として形成される、またはそのようなイオン交換器（４０）が冷却剤供給部（２２ｅ）に組み込まれることを特徴とする、請求項８に記載の燃料電池装置（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、燃料電池スタックを有する燃料電池装置に関し、燃料電池スタックは、積層方向に積層された複数のユニットセルから形成され、各ユニットセルが、１つまたは複数の媒体チャネルと、カソード、アノード、およびカソードとアノードとの間に配置された膜を備えた膜電極アセンブリと、を有し、特にスタックの外側で、積層方向に実質的に平行に延びる媒体ガイドを有しており、媒体ガイドは、燃料電池スタックのユニットセルの媒体チャネルへと、または媒体チャネルから、積層方向に対して実質的に横方向に媒体を案内するように、燃料電池スタックに接続可能な、または接続された、燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【0002】
スタックの外側に媒体ガイドを有する燃料電池装置は、例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３、または特許文献４から知られている。特許文献５は、請求項１のプリアンブルの特徴による燃料電池装置を示しており、ここでは媒体ガイドもスタックの外側で燃料電池スタックに取り付けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】米国特許出願公開第２００９／０２２６７９５号明細書
【文献】特開２００５－０７１９５９号公報
【文献】欧州特許第１８３６７３９号明細書
【文献】独国特許出願公開第１０２０１００１１２０６号明細書
【文献】独国特許出願公開第１０３１５６０１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
したがって、本発明の目的は、コンパクトであり、延いては省スペースの設計を有する燃料電池装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0005】
この目的は、請求項１の一連の特徴を有する燃料電池装置によって達成される。本発明の好都合な改良を有する有利な実施形態は、従属請求項に記載される。
【0006】
この燃料電池装置は、媒体ガイドが機能コンポーネントとして形成されるか、またはそのような機能コンポーネントが媒体ガイドに組み込まれており、媒体が媒体チャネルに入る前にその媒体を前処理するか、または媒体が出た後にその媒体を後処理するように設計されるという点で区別される。したがって、媒体を処理するための機能コンポーネントは、個別に配置されるのではなく、それらの媒体ガイド自体に直接形成されるか、またはそれらに関連付けられる。それにより、燃料電池装置に必要なスペースを大幅に節約することができる。さらに、部品点数が減る。
【0007】
媒体ガイド、いわゆる外部ヘッダは、スタックの残りの部分とは別に製造され、スタックの完成後にのみスタックに接続される。したがって、機能コンポーネントの形状は、スタックの形状とは無関係に選択することができ、積層方向とは無関係に、機能コンポーネントにおける媒体の供給または排出を選択する可能性も開かれる。
【0008】
機能コンポーネントとして、加湿器、イオン交換器、イオントラップ、粒子フィルタ、エアフィルタ、および水分離器からなる群から選択すれば有利であることが判明している。
【0009】
この製造が容易な燃料電池装置は、複数の媒体ガイドが設けられることを特徴とし、それらのガイドは、空気を供給するための第１の媒体供給部、および少なくとも部分的に消費された空気を排出するための第１の媒体排出部として形成されるとともに、燃料を供給するための第２の媒体供給部、および燃料電池スタックの少なくとも部分的に消費された燃料を排出するための第２の媒体排出部として形成される。したがって、２つの反応媒体が、媒体ガイド内で、すなわち、スタックの外側で、燃料電池スタックに沿って横方向に案内され、それらの反応媒体は、積層方向に垂直に、したがって横方向に、燃料電池スタックのユニットセルに出入りすることができる。
【0010】
燃料電池スタック内の水分含有量を調整できるようにするために、第１の媒体供給部が加湿器として形成されるか、またはそのような加湿器が第１の媒体供給部に組み込まれることが有利である。
【0011】
汚染物質を環境に放出しないために、第１の媒体排出部がエアフィルタとして形成されるか、またはそのようなエアフィルタが第１の媒体排出部に組み込まれる可能性が開かれる。
【0012】
しかしながら、燃料電池スタックを汚染物質からも保護するために、第２の媒体供給部が粒子フィルタとして形成されるか、またはそのような粒子フィルタが第２の媒体供給部に組み込まれるのであれば理にかなっている。
【0013】
アノード回路で発生する凝縮液を収集するために、第２の媒体排出部が水分離器として設計されているか、またはそのような水分離器が第２の媒体排出部に組み込まれていれば有利である。
【0014】
さらに燃料電池スタックに沿ってスタックの外側に冷却剤を案内し、燃料電池スタックのユニットセル内または２つのユニットセル間に冷却剤を横方向に案内するために、媒体ガイドがまた冷却剤供給部と冷却剤排出部に細分されているのであれば理にかなっている。
【0015】
これは、冷却剤供給部がイオン交換器として形成されるか、またはそのようなイオン交換器が冷却剤供給部に組み込まれる可能性を開く。これにより、コンポーネントの短絡や電気的帯電を回避するために、燃料電池スタックに供給される冷却剤が電気的に中性であるまたは臨界導電率値を下回ることを確実にする。
【0016】
燃料電池装置の組み立てを容易にするために、燃料電池スタック、特にユニットセルが、媒体ガイドの１つのガイドレッグをそれぞれ受け入れるように設計されたレッグレセプタクルを有する場合、有利であることが判明した。ここで、ガイドレッグは、好ましくは、互いに直接接続されている。
【0017】
特に、媒体ガイドのガイドレッグは、積層方向に実質的に平行に延びる燃料電池スタックのレッグレセプタクルに挿入される。
【0018】
媒体ガイドのガイドレッグは、所定の止め部を有する燃料電池スタック上に横方向に配置することができる。これにより、媒体ガイドを正しい場所に設置する手間が省ける。さらに、燃料電池スタックに形成されたレッグレセプタクルにより、媒体ガイドを取り付けるための取り付け時間が最小限に抑えられる。
【0019】
このような配置はまた、ユニットセルまたはユニットセルのバイポーラプレートとは異なる材料を媒体ガイド用に選択できるので有利である。さらに、媒体ガイドを密封するために製造する必要のあるシールトラックの数を減らすことができる。これにより、製造の複雑さも軽減される。
【0020】
燃料電池スタックのレッグレセプタクルは、積層方向に実質的に平行に延びる溝として形成される場合に有用であることが判明している。このような溝は、製造技術の観点から非常に簡単に形成することができる。
【0021】
さらに、媒体ガイドに弾性的な弾力性を持たせ、ガイドレッグがプレテンションの下でレッグレセプタクルに保持されるようにすると有利である。そのようなプレテンションは、燃料電池スタックへの設置中に媒体ガイドをセルフロック方式で固定することを可能にし、好ましくは、強力な接続を確立するために、ガイドレッグの燃料電池スタックへの、特にそのレッグレセプタクルへの物質的な結合をさらに形成することができる。
【0022】
媒体によって生成された圧力がガイドレッグに外向きの力をも引き起こすため、復元力は好ましくは外向きに向けられる。流れる媒体の力と弾性によって与えられる復元力の総和により、燃料電池スタックへの媒体ガイドのさらに強力でより安全な取り付けが達成される。
【0023】
レッグレセプタクル内のガイドレッグの追加の固定は、レッグレセプタクルが、好ましくは積層方向に実質的に平行に延びるアンダーカットを有することにより達成され、このアンダーカットは、ガイドレッグの少なくとも一方に形成または配置されたガイド要素を収容するように設計される。
【0024】
ガイドレッグの固定をさらに強化するために、ガイド要素をアンダーカットにぴったり合うように受け入れることができれば有利であることが判明している。
【0025】
これに関連して、ガイド要素がガイドレッグとは異なる材料で形成されている場合も有用である。例えば、ガイド要素は、接着特性を有する材料から形成することができ、その結果、任意選択的に、ぴったり合わせることに加えて、ガイド要素がアンダーカット内でさらに接着結合され、それにより物質的な結合が付加的に形成される。
【0026】
案内された媒体に起因する媒体ガイド内の圧力または燃料電池スタック内の圧力が支配的であるため、媒体ガイドの燃料電池スタックへの接続は、堅固なシールを維持することに関して課題に直面している。したがって、この要件を満たすために、ガイド要素もまたシーリング材料から形成されることが有用であることが判明している。
【0027】
媒体ガイドの一実施形態では、ガイドレッグは、ガイドウェブを介して互いに間接的に接続されている。これは、Ｕ字型を表すように用いられてもよく、ここでは「Ｕ」の開放端が燃料電池スタックの方を向いており、それにより媒体が外側から燃料電池スタックへと案内される。したがって、媒体は媒体ガイド内を実質的に積層方向と平行に流れる。それらの媒体は、積層方向（ｚ方向）に対して横方向（ｘ－ｙ方向）に燃料電池スタックへと流入する。
【0028】
代替的に、ガイドレッグはまた、互いに直接接続されてもよく、代わりに、燃料電池スタックに向かって「Ｃ」の開放端を有する、断面がＣ字型である媒体ガイドの設計が実施される。媒体はここでも媒体ガイド内を実質的に積層方向に平行に流れ、そして積層方向に対して横方向に燃料電池スタックへと流入する。
【0029】
本発明のさらなる利点、特徴、および詳細は、特許請求の範囲、以下の好ましい実施形態の説明に起因し、図面に基づくものである。
【図面の簡単な説明】
【0030】
【図1a】燃料電池装置の斜視図である。
【図1b】さらなる燃料電池装置の斜視図である。
【図2】ユニットセルの（第１の）バイポーラプレートの上面図である。
【図10】（第２の）バイポーラプレートを有する燃料電池スタックのユニットセルを示す上面図である。
【図11】（第２の）バイポーラプレートの底面図、すなわち、膜電極アセンブリに面している第２のバイポーラプレートの表面から見た図である。
【図18】レッグレセプタクル（leg receptacle）とガイドレッグの端部の詳細な図である。
【図19】ガイドレッグが挿入されたレッグレセプタクルのさらなる詳細な図である。
【発明を実施するための形態】
【0031】
示されている図の寸法、比率、および縮尺は固定されておらず、変動し得ることを事前に指摘しておく必要がある。特に断面図では、個々の層がどの位置にどの順序で積層されているかが理解できるように示されている。
【0032】
燃料電池スタック１２を有する燃料電池装置１が、図１ａおよび１ｂのそれぞれに示されている。燃料電池スタック１２は、積層方向（ｚ方向）に積層された複数のユニットセル１１から形成されている。ユニットセル１１はそれぞれ、１つまたは複数の媒体チャネル８（図２）および膜電極アセンブリ２（図６）を有する。ユニットセル１１内の膜電極アセンブリ２の各々は、カソード、アノード、およびカソードとアノードの間に配置されたイオン伝導性膜を備える。
【0033】
燃料電池装置１はさらに、積層方向に平行に延びる媒体ガイド２２を有し、それらは、燃料電池スタック１２のユニットセル１１の媒体チャネル８の内外へと媒体を積層方向に対して実質的に横方向に誘導するために、燃料電池スタック１２に接続される。本発明の燃料電池装置１は、この目的のために複数の媒体ガイド２２を備え、それらのガイドは、燃料電池スタック１２の第１の側に第１の反応媒体（例えば、酸素または空気）をカソードに供給するための第１の媒体供給部２２ａと、第１の側とは反対側の燃料電池スタック１２の第２の側にユニットセルで消費されなかった第１の反応媒体を排出するための第１の媒体排出部２２ｂと、に細分される。さらに、媒体ガイド２２は、燃料電池スタック１２の第３の側に第２の反応媒体（例えば、水素の形態の燃料）をアノードに供給するための第２の媒体供給部２２ｃと、第３の側とは反対側の燃料電池スタック１２の第４の側にユニットセル１１で消費されなかった第２の反応媒体を排出するための第２の媒体排出部２２ｄと、に細分される。最後に、媒体ガイド２２はまた、燃料電池スタック１２の第３の側に冷却剤（例えば、液体水）を供給するための冷却剤供給部２２ｅと、燃料電池スタック１２の第４の側に（部分的に）加熱された冷却剤を排出するための冷却剤排出部２２ｆと、に細分される。
【0034】
図１ａと１ｂから、媒体ガイド２２自体が機能化されており、より具体的には、それら自体が機能コンポーネント（functional component）３５として形成されていることが分かる。そのような機能コンポーネント３５が、媒体ガイド２２によって提供される空洞に統合または導入される可能性もある。
【0035】
この場合、単なる一例として、第１の媒体供給部２２ａは、供給空気を加湿することによって燃料電池スタック１２内の水分含有量を設定するために、加湿器３６として形成される。
【0036】
この場合、単なる一例として、第１の媒体排出部２２ｂは、汚染物質を濾過するために、エアフィルタ３７として形成される。
【0037】
この場合、単なる一例として、第２の媒体供給部２２ｃは、燃料電池スタック１２の汚染を防止するために、粒子フィルタ３８として形成される。
【0038】
この場合、単なる一例として、第２の媒体排出部２２ｄは、アノード回路で発生する凝縮物を回収するために、水分離器３９として形成される。
【0039】
さらに、この場合、単なる一例として、冷却剤供給部２２ｅは、燃料電池スタック１２に供給される冷却剤の導電率を低下させるために、イオン交換器４０として形成される。
【0040】
示される燃料電池スタック１２のユニットセル１１の製造または構造を、図２～１１を参照しながら一例として以下に説明する。
【0041】
図２には、ユニットセル１１のうちの１つのバイポーラプレート７が示されている。この第１のバイポーラプレート７ａは、破線で示される内側の活性領域３と、破線で示される外側の縁部領域５とを有する。縁部領域５では、複数の媒体チャネル８が形成され、これらは、図の左側に示される第１の媒体入口チャネル８ａと、図の右側に示される第１の媒体出口チャネル８ｂと、に細分することができる。この場合、一対のレッグレセプタクル２６が、媒体チャネル８のそれぞれを取り囲むように形成され、これについては、以下でより詳細に説明する。バイポーラプレート７の長辺１７ａには、更なるレッグレセプタクル２６が形成されている。
【0042】
この場合、５つの第１の媒体入口チャネル８ａ、および５つの第１の媒体出口チャネル８ｂが、第１のバイポーラプレート７ａに形成される。別の個数であってもよい。第１の媒体入口チャネル８ａは、第１の流れ場１３ａを介して第１の媒体出口チャネル８ｂに流体的に接続されている。この流れ場１３ａは、活性領域３に位置し、隣接する膜電極アセンブリ２に反応媒体を提供することができる。図２による例では、流れ場１３ａは、膜電極アセンブリ２の表面に亘って反応媒体を均一に分布させるための複数のガイドまたは壁１４を有する。しかしながら、他のタイプの流れ場１３ａを使用することも可能であり、例えば、反応媒体の流れが、活性表面の領域に亘って蛇行する形で導かれる流れ場を使用することも可能である。さらに、複数の壁１４、壁、またはウェブの間の距離も変更してもよい。隣接する壁１４によって形成されるチャネルの深さもまた、異なるように具体化され、変更してもよい。
【0043】
図２の断面ＩＩＩ－ＩＩＩである図３から分かるように、さらに流れ場１３ｃが、第１のバイポーラプレート７ａの、膜電極アセンブリ２とは反対側に面する側に形成され、その流れ場は別の媒体、例えば冷却剤の貫流に使用される。
【0044】
図４が示すように、複合層１５、特に接合層が、第１のバイポーラプレート７ａの縁部領域５に適用される。この複合層１５は、複数の部分で形成されるか、または媒体チャネル８ａ，８ｂの領域に凹部１６を有する。凹部１６は、媒体入口チャネル８ａおよび媒体出口チャネル８ｂが密封されず、後で媒体が通過することを可能にすることを確実にする。
【0045】
縁部領域５に適用された複合層１５は、第１のバイポーラプレート７ａの長辺（long edges）１７ａに沿って延在し、その結果、バイポーラプレート７の寸法によって事前に決定された縁部領域５と面一の終端部が生じる。レッグレセプタクル２６の領域もまた、複合層１５上で開放された状態である。この複合層１５によって、活性表面すなわち活性領域３が環境から遮断され、複合層１５の材料は、そのシーリング機能が保証されるように選択される。図４の断面Ｖ－Ｖである図５では、複合層１５の面一の終端部すなわちバイポーラプレート７との結合材料を、その長辺１７ａに沿って見ることができる。短辺（short edges）１７ｂに位置する複合層１５のセクションもまた、好ましくは、バイポーラプレート７と面一で終端する。複合層１５の選択された表現は一例である。第１のバイポーラプレート７ａよりもはるかに薄くすることができる。
【0046】
図６では、膜電極アセンブリ２を有する燃料電池アセンブリが、複合層１５で覆われた図４の第１のバイポーラプレート７ａに適用または配置される。活性領域３は、実質的に膜電極アセンブリ２の寸法によって予め定められており、図において内側の破線によって再び輪郭が描かれている。活性領域３は、１つの平面（ｘ－ｙ平面）だけでなく、紙面の内外へと指向する積層方向（ｚ方向）にも延在している。
【0047】
活性領域３は、膜電極アセンブリ２によって形成された燃料電池の電気化学反応が起こる領域である。電気化学的反応では、燃料（水素など）がアノードに導かれ、そこで電子を放出しながら触媒的に酸化されてプロトンを形成する。それらのプロトンは、イオン交換膜を介してカソードに輸送される。燃料電池から得られた電子は、電気消費部を介して、好ましくは車両を駆動するための電気モーターまたは電池へと流れる。次に、電子はカソードに導かれる。カソードでは、酸化媒体（例えば、酸素または酸素を含む空気など）が電子の吸収によって陰イオンに還元され、プロトンと直接反応して水を形成する。
【0048】
燃料がアノードに直接到達すること、または酸化媒体がカソードに直接到達することを確実にするために、シール構造４が膜電極アセンブリ２に横方向に関連付けられている（図６，８）。膜電極アセンブリ２とシール構造４の組み合わせは、共通の燃料電池アセンブリを形成する。シール構造４は、縁部領域５に延在するか、または縁部領域５を超えて突出する構成要素を備える。したがって、これらの構成要素は、活性領域３の外側に配置される。換言すれば、縁部領域５は、活性領域３をラジアル方向、横方向または円周方向に境界を定める。
【0049】
図６および８から、隣接するバイポーラプレート７に形成されるとともに縁部領域５に配置された媒体チャネル８を軸方向に気密に被覆するように、シール構造４が縁部領域５へと延在し、またはその縁部領域を超えて延在するシーリングタング６を備えることが分かる。ここに示される燃料電池アセンブリは、合計４つのシーリングタング６を有する。シーリングタング６のうちの２つは、膜電極アセンブリ２の短縁部９ａ上に互いに反対側に配置される。他の２つのシーリングタング６は、膜電極配置体２の長縁部９ｂ上に互いに向かい合って配置されるとともに、互いにオフセットされている。この場合、シーリングタング６は全て長方形の形状を有する。一方、シーリングタング６の多角形の形状が可能であり、丸いシーリングタング６も考慮に入れられる。
【0050】
シール構造４、特にシーリングタング６は、それらに軸方向に作用する圧縮および／または引張応力に関して寸法的に安定している。シーリングタング６が縁部領域５を超えて延在していることも分かる。一方、１つまたは複数のシーリングタング６が縁部領域５内に延在するのみで、縁部領域５を完全に覆っていなくてもよく、または縁部領域５を超えて横方向に突出していなくてもよい。
【0051】
シール構造４は、膜電極アセンブリ２を横方向にシールするシール縁部１０を有することも分かる。シール縁部１０によって形成されるシール線は、媒体の横方向の逃げに対して膜電極アセンブリ２をシールする。
【0052】
燃料電池アセンブリの左側のシーリングタング６は、第１のバイポーラプレート７ａの左側の媒体チャネル８を軸方向に気密に覆っている。燃料電池配置の右側のシーリングタング６は、第１のバイポーラプレート７ａの右側の媒体チャネル８を軸方向に気密に覆っている。換言すれば、左側のシーリングタング６は、延いては左側の第１の媒体入口チャネル８ａを軸方向に気密に覆うための第１の入口シーリングタング６ａとして形成される。同様に、右側のシーリングタング６は、右側の第１の媒体出口チャネル８ｂを軸方向に気密に覆うための第１の出口シーリングタング６ｂとして形成される。バイポーラプレート７ａの長辺１７ａに設けられたシーリングタング６は、複合層１５上にある。それらは、第２の入口シーリングタング６ｃおよび第２の出口シーリングタング６ｄに細分することができる。
【0053】
プラスチックまたはプラスチック混合物は、複合層１５の材料として使用することができ、これは好ましくは、シール構造４またはシーリングタング６のプラスチックまたはプラスチック混合物よりも低い熱安定性を有する。（ホット）プレスプロセス中、シーリングタング６は、複合層１５に沈み、好ましくは複合層と融合し、シーリングタング６は、その寸法安定性を維持する。換言すれば、シール構造４の材料の融点は、複合層１５の材料の融点よりも高い。
【0054】
中央領域、すなわち活性領域３が位置する場所において、燃料電池アセンブリのシール構造４の外側輪郭は、複合層１５によって予め定められた内側輪郭に適合される。シール構造４におけるシーリングタングのない部分は、複合層１５との接触点、接触線１８、または接触面を形成するので、シール機能がさらに保証される。
【0055】
図６の断面ＶＩＩ－ＶＩＩである図７は、部分的なユニットセル１１の非圧縮断面図を示している。第１のシーリングタング６ａ，６ｂが複合層１５を超えて突出し、それとともに突出部１９を形成していることが分かる。ここでは、横方向に必要なシーリングが確保されている。選択された表現も、ここでスケーリングするのが正しいと理解されるべきではない。個々の層の厚さは、特に接続プロセスまたは接合プロセス（ホットプレスプロセス）の後で変化する可能性があり、その後、それらは単一の共通の層のように見えるまたは機能する可能性がある。次に、入口シーリングタング６ａとチャネル８との間に位置する凹部１６の領域は、入口シーリングタング６ａがチャネル８を軸方向に覆うように最小化される。媒体は、第１の入口シーリングタング６ａの下で膜電極アセンブリ２に横方向および積層方向に供給される。そして、（部分的に）消費された媒体は、第１の出口シーリングタング６ｂの下で燃料電池スタック１２のユニットセル１１を横方向および積層方向に出ていく。
【0056】
図８では、さらなる接合層として理解されるべき接続層２０が、第１の入口シーリングタング６ａおよび第１の出口シーリングタング６ｂに適用されている。複合層１５および接続層２０は、第１のバイポーラプレート７ａの、第２のバイポーラプレート７ｂへの積層方向の確実な接続を保証する。複合層１５は、接続層２０とオーバーラップ２１を形成し、それにより２つの層が積層方向に接触面を有する。これによりシーリング機能が保証される。オーバーラップ２１は、図８の断面ＩＸ－ＩＸである図９により詳細に見ることができる。非圧縮状態もここに示されるが、これは縮尺どおりではなく、個々の層の積層配置を明確にすることを意図している。
【0057】
ここでユニットセル１１を完成させるための第２のバイポーラプレート７ｂを、複合層１５およびこれに接続された接続層２０に適用することができる。これは、図１０に見ることができる。第１のバイポーラプレート７ａおよび第２のバイポーラプレート７ｂは、たかだか小さな突出部を備えたユニットセル１１が、第１のバイポーラプレート７ａ、燃料電池アセンブリ、および第２のバイポーラプレート７ｂから作成されるように、接合層によって互いに接合することができる。一方、ユニットセル１１の個々の層は、好ましくは、縁部なく接続されるか、または積層方向にオフセットされる。
【0058】
第１のバイポーラプレート７ａと同様に、図１０および図１１に示される第２のバイポーラプレート７ｂもまた、膜電極アセンブリ２とは反対側に面する側に、冷却媒体を案内するための流れ場１３ｃを有する。この流れ場１３ｃは、実質的に活性領域３に位置している。これは、冷却剤入口チャネル８ｅおよび冷却剤出口チャネル８ｆに流体的に接続される。さらに、第２のバイポーラプレート７ｂはまた、レッグレセプタクル２６を形成する陥凹領域を含む。
【0059】
しかしながら、膜電極アセンブリ２に面するその側において、第２のバイポーラプレート７ｂは、１つまたは複数の第２の媒体入口チャネル８ｃと、１つまたは複数の第２の媒体出口チャネル８ｄと、を有する（図１１）。さらに、その第２のバイポーラプレートは、第２の媒体入口チャネル８ｃおよび第２の媒体出口チャネル８ｄに流体的に接続されるとともに、反応媒体の１つを膜電極アセンブリ２に供給することが可能な第２の流れ場１３ｂを備える。
【0060】
図１２には、複数のユニットセル１１から形成された燃料電池スタック１２が示されている。この燃料電池スタック１２は、既知のバイポーラプレートと比較してより小さな寸法を有するようにバイポーラプレート７を設計することができ、それにより燃料電池スタック１２の製造コストが削減されるという利点を有する。この場合、バイポーラプレート７は、基本的に長方形の形状であり、本発明は、バイポーラプレート７の長方形の形状に依存しないが、例えば、限定されることなく円形または曲線などを有するあらゆる形状を適用することができる。いずれにせよ、この文脈において、燃料電池スタック１２が、積層方向に平行に形成された複数のレッグレセプタクル２６を有し、その上に媒体ガイド２２を固定することができることが重要である。
【0061】
図１３は、図１０の燃料電池スタック１２を通る断面ＸＩＩＩ－ＸＩＩＩに沿った例示的な断面図を示す。複合層１５は、接合またはホットプレス後の第１のバイポーラプレート７ａおよび第２のバイポーラプレート７ｂの両方に接触しており、バイポーラプレート７が複合層１５を介して互いに接続または接合されることが分かる。第２の媒体入口チャネル８ｃが、縁部領域５へとまたはこれを超えて延びる第２の入口シーリングタング６ｃによって軸方向に気密に覆われていることも分かる。この状況は、第２のバイポーラプレート７ｂの反対側と対応しており、縁部領域５へとまたはこれを超えて延びる第２の出口シーリングタング６ｄは、第２の媒体出口チャネル８ｃの軸方向に気密な被覆を提供する。図１３では、第２の反応媒体が膜電極アセンブリ２へと、シール構造４の上で横方向および積層方向に案内されていることも分かる。これに対応して、シール構造４の上の積層方向では、（部分的に）消費された第２の反応媒体が、ユニットセル１１または燃料電池スタック１２から再び横方向に外へ案内される。
【0062】
次に、第１のユニットセル１１の第２のバイポーラプレート７ｂは、さらなるユニットセル１１の第１のバイポーラプレート７ａと共に、冷却媒体の通路のための完全なチャネル断面を形成する。換言すれば、これらはまた、冷却剤入口チャネル８ｅおよび冷却剤出口チャネル８ｆを形成する。第１のユニットセル１１の第２のバイポーラプレート７ｂおよびさらなるユニットセル１１の第１のバイポーラプレート７ａはまた、接合剤または接合媒体を使用して互いに接合することができる。代替的に、隣接するバイポーラプレート７の電気を発生させるように製造されたワンピース設計が可能である。
【0063】
図１４は、図１０の燃料電池スタック１２を通る断面ＸＩＶ－ＸＩＶに沿った例示的な断面図を示す。第２のバイポーラプレート７ａが、積層方向で接続層２０および複合層１５に適用されることが分かる。第１の反応媒体が、シール構造４の下で積層方向に膜電極アセンブリ２へと導かれることも分かる。第１の媒体入口チャネル８ａは、この場合、第１の入口シーリングタング６ａによって軸方向に気密に被覆されている。第１の反応媒体は、積層方向に対して水平方向または横方向に供給される。これに対応して、（部分的に）消費された第１の反応媒体もまた、ユニットセル１１または燃料電池スタック１２から、シール構造４の下で積層方向に横方向へと戻される。
【0064】
図１５は、図１ａによる燃料電池装置１の断面図を示しており、これは実質的に、図１０によるユニットセル１１の上面図に対応する。一方、機能コンポーネント３５として形成された媒体ガイド２２がガイドレッグ２４ａ，２４ｂと共にレッグレセプタクル２６に挿入されているのが分かる。ここに示される媒体ガイド２２は、２つの端子ガイドレッグ２４ａ，２４ｂを互いに接続するガイドウェブ２３を有する。ガイドレッグ２４ａ、２４ｂのそれぞれは、燃料電池スタック１２の積層方向に平行に延びるレッグレセプタクル２６の１つに収容される。媒体ガイド２２の開放側は、燃料電池スタック１２の方を向いており、それらのガイドを通って流れる媒体は、ユニットセル１２に横方向に入ることができる。媒体ガイド２２は、実質的に断面が矩形であるが、異なる形状が可能である。媒体チャネル２２は、好ましくは、特に寸法的に安定しているプラスチックから形成される。
【0065】
図１６は、機能コンポーネント３５として形成された媒体ガイド２２の異なる形状を示しており、図１ｂの燃料電池スタック１２の断面がここに示されている。この場合、媒体ガイド２２は、半円形またはＣ字形であり、その結果、ガイドレッグ２４ａ，２４ｂは、ガイドウェブ２３を省きながら、互いに直接接続される。
【0066】
図１７による詳細図から、この場合、媒体ガイド２２は弾性的に弾力性がある（elastically resilient）ことが分かる。その結果、ガイドレッグ２４ａ，２４ｂは、特に外向きのプレテンションで、燃料電池スタック１２のレッグレセプタクル２６に保持される。したがって、復元力（力の矢印２９によって示される）がアクティブであり、媒体ガイド２２は、この復元力のためにレッグレセプタクル２６内に固定される。さらに、ガイドレッグ２４ａ，２４ｂは、媒体ガイド２２内を流れる媒体の圧力のためにさらに固定される。この媒体はまた、外向きの力をもたらし、これは、復元力と合算されて、媒体ガイド２２と燃料電池スタック１２の間にさらに強い接続をもたらす。
【0067】
代替的または付加的に、レッグレセプタクル２６はまた、図１８に示される詳細に従って形成され得る。この場合、レッグレセプタクル２６はアンダーカット２７を有し、ガイドレッグ２４ａ，２４ｂ上に形成または配置されたガイド要素２８がこのアンダーカット２７に収容される。レッグレセプタクル２６内（アンダーカット２７の反対側）に、傾斜した挿入面３０が形成され、これにより、ガイドレッグ２４ａ，２４ｂのレッグレセプタクル２６への挿入が容易となる。挿入面３０は、バイポーラプレート７の長辺１７ａおよび短辺１７ｂの両方に関して傾斜するように配置される。挿入面３０は、（横方向の）接触面３１に合流し、この接触面３１は、プレートの辺と平行に配向されるとともに、ガイドレッグ２４ａ，２４ｂのレッグレセプタクル２６への差込みの深さを規定および／または制限する。接触面３１から開始して、レッグレセプタクル２６は、次に、好ましくはアンダーカット２７を形成する溝形状の接触面３２に合流する。
【0068】
図１７による例では、ガイド要素２８は、ガイドレッグ２４ａ，２４ｂと一体に形成されているが、図１９による例では、ガイド要素２８は、ガイドレッグ２４ａ，２４ｂとは異なる材料から形成されている。この他の材料は、例えば、燃料電池スタック１２の気密性をさらに確実にするための（追加の）シーリング材料であってもよい。
【0069】
本発明の燃料電池装置１の設計は、媒体ガイド２２が燃料電池スタック１２上に正確に配置されることを可能にする。摩擦により固定された、および／または、ぴったり合わせられた、および／または、物質的に結合された連結による、燃料電池スタック１２のレッグレセプタクル２６内へのガイドレッグ２４ａ，２４ｂの固定は、燃料電池スタック１２から離れる方向に向けられるとともに媒体ガイド２２内を流れる媒体の圧力によって印加される大きな力に耐える。媒体ガイド２２は、それらの優れたセルフロック機能によって区別され、機能コンポーネント３５の統合により、製造の複雑さが軽減される。
【符号の説明】
【0070】
１…燃料電池装置
２…膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）
３…活性領域
４…シール構造
５…縁部領域
６…シーリングタング（sealing tongue）
６ａ…第１の入口シーリングタング
６ｂ…第１の出口シーリングタング
６ｃ…第２の入口シーリングタング
６ｄ…第２の出口シーリングタング
７…バイポーラプレート
７ａ…第１のバイポーラプレート
７ｂ…第２のバイポーラプレート
８…媒体チャンネル（media channel）
８ａ…第１の媒体入口チャネル
８ｂ…第１の媒体出口チャネル
８ｃ…第２の媒体入口チャネル
８ｄ…第２の媒体出口チャンネル
８ｅ…冷却剤入口チャネル
８ｆ…冷却剤出口チャンネル
９ａ…膜電極アセンブリの短辺（short edge）
９ｂ…膜電極アセンブリの長辺（long edge）
１０…シールリング
１１…ユニットセル
１２…燃料電池スタック
１３ａ…第１の流れ場
１３ｂ…第２の流れ場
１３ｃ…流れ場（冷却媒体）
１４…壁
１５…複合層
１６…凹部
１７ａ…バイポーラプレートの長辺
１７ｂ…バイポーラプレートの短辺
１８…接触線
１９…突出部
２０…接続層
２１…オーバーラップ
２２…媒体ガイド
２２ａ…第１の媒体供給部
２２ｂ…第１の媒体排出部
２２ｃ…第２の媒体供給部
２２ｄ…第２の媒体排出部
２２ｅ…冷却剤供給部
２２ｆ…冷却剤排出部
２３…ガイドウェブ
２４ａ…ガイドレッグ（左）
２４ｂ…ガイドレッグ（右）
２６…レッグレセプタクル（leg receptacle）
２７…アンダーカット
２８…ガイド要素
２９…力の矢印
３０…挿入面
３１…（横方向）接触面
３２…（溝状）接触面
３３…媒体フィッティング
３４…インターフェース
３５…機能コンポーネント（functional component）
３６…加湿器
３７…エアフィルタ
３８…粒子フィルタ
３９…水分離器
４０…イオン交換器
２…膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）
３…活性領域
４…シール構造
５…縁部領域
６…シーリングタング（sealing tongue）
６ａ…第１の入口シーリングタング
６ｂ…第１の出口シーリングタング
６ｃ…第２の入口シーリングタング
６ｄ…第２の出口シーリングタング
７…バイポーラプレート
７ａ…第１のバイポーラプレート
７ｂ…第２のバイポーラプレート
８…媒体チャンネル（media channel）
８ａ…第１の媒体入口チャネル
８ｂ…第１の媒体出口チャネル
８ｃ…第２の媒体入口チャネル
８ｄ…第２の媒体出口チャンネル
８ｅ…冷却剤入口チャネル
８ｆ…冷却剤出口チャンネル
９ａ…膜電極アセンブリの短辺（short edge）
９ｂ…膜電極アセンブリの長辺（long edge）
１０…シールリング
１１…ユニットセル
１２…燃料電池スタック
１３ａ…第１の流れ場
１３ｂ…第２の流れ場
１３ｃ…流れ場（冷却媒体）
１４…壁
１５…複合層
１６…凹部
１７ａ…バイポーラプレートの長辺
１７ｂ…バイポーラプレートの短辺
１８…接触線
１９…突出部
２０…接続層
２１…オーバーラップ
２２…媒体ガイド
２２ａ…第１の媒体供給部
２２ｂ…第１の媒体排出部
２２ｃ…第２の媒体供給部
２２ｄ…第２の媒体排出部
２２ｅ…冷却剤供給部
２２ｆ…冷却剤排出部
２３…ガイドウェブ
２４ａ…ガイドレッグ（左）
２４ｂ…ガイドレッグ（右）
２６…レッグレセプタクル（leg receptacle）
２７…アンダーカット
２８…ガイド要素
２９…力の矢印
３０…挿入面
３１…（横方向）接触面
３２…（溝状）接触面
３３…媒体フィッティング
３４…インターフェース
３５…機能コンポーネント（functional component）
３６…加湿器
３７…エアフィルタ
３８…粒子フィルタ
３９…水分離器
４０…イオン交換器
【図1a】
【図1b】
【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】