JP2001196080A - 耐腐食性のｐｅｍ燃料電池 - Google Patents

耐腐食性のｐｅｍ燃料電池

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JP2001196080A
JP2001196080A JP2000371804A JP2000371804A JP2001196080A JP 2001196080 A JP2001196080 A JP 2001196080A JP 2000371804 A JP2000371804 A JP 2000371804A JP 2000371804 A JP2000371804 A JP 2000371804A JP 2001196080 A JP2001196080 A JP 2001196080A
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マシュー・エイチ・フロンク
Rodney L Borup
ロドニー・エル・ボラップ
Brian K Brady
ブライアン・ケイ・ブラディ
Kevin M Cunningham
ケヴィン・エム・カニンガム
Jay S Hulett
ジェイ・エス・ヒューリット
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Motors Liquidation Co
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池システムの耐腐食性を向上させると
共に効率的に動作させる。 【解決手段】 ＰＥＭ燃料電池は、複数の導電性耐腐食
性充填粒子を含む導電性耐腐食性ポリマーで被覆された
腐食を受けやすい基板金属を備えた電気接触エレメント
を有する。この基板は、ポリマーコーティングの下にあ
る酸化可能な第１の金属層（例えばステンレス鋼）を持
つ。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池システム
に係り、より詳しくは、燃料電池システム用の耐腐食性
の電気接触エレメントに関する。アメリカ合衆国政府
は、米国エネルギー省により授与された契約番号ＤＥ−
ＡＣ０２−９０ＣＨ１０４３５に従って、本発明に関す
る権利を有する。
【０００２】
【従来技術】燃料電池は、自動車及び他の用途のための
電力源として使用されてきた。一つの知られている燃料
電池は、ＰＥＭ（即ち陽子交換膜）燃料電池である。こ
のＰＥＭ燃料電池は、薄い陽子透過性で非導電性の固体
ポリマー電解質膜を含む、いわゆる膜電極アセンブリ
（ＭＥＡ）を備える。この固体ポリマー電解質膜は、そ
の面の一方側にアノード、その反対側の面にカソードを
有する。アノード及びカソードは、典型的には、細かく
分割された炭素粒子、これらの炭素粒子の内側及び外側
表面に担持された非常に細かく分割された触媒粒子、及
びこの触媒粒子及び炭素粒子と混ざり合った陽子伝達性
材料を含む。そのようなＭＥＡ及び燃料電池の一つが１
９９３年１２月２１日に発行された米国特許番号５，２
７２，０１７号で説明され、本発明の出願人に譲渡され
ている。膜電極アセンブリは、一対の導電性接触エレメ
ントの間に挟まれている。これら一対の導電性エレメン
トは、アノード及びカソードのための電流コレクターと
して役立ち、各々のアノード及びカソード触媒の表面に
亘って燃料電池のガス状反応物（即ち、Ｈ2及びＯ2／空
気）を分配するための、適切なチャンネル及び／又は開
口を含む。
【０００３】両極性ＰＥＭ燃料電池は、電気的直列に一
緒に積み重ねられた複数の膜電極アセンブリを備え、こ
れらは両極性プレート即ち隔壁として知られている透過
性の導電接触エレメントを介して、隣接する夫々が分離
されている。隔壁即ち両極性プレートは、２つの作業面
を有し、一方の面は一つの電池のアノードに直面し、他
方はスタック内の次に隣接する電池のカソードに直面
し、隣接する電池の間で電流を伝達する。スタックの両
端部の接触エレメントは、端部の電池とのみ接触し、端
部プレートと称される。
【０００４】Ｈ2−Ｏ2／空気のＰＥＭ燃料電池の環境で
は、両極性プレート及び他の接触エレメント（例えば端
部プレート）は、Ｆ-、ＳＯ4 --、ＳＯ3 -、ＨＳＯ4 -、Ｃ
Ｏ3 - -、及びＨＣＯ3 -などを含む高酸性溶液（ｐＨ３〜
５）と常に接触している。その上、カソードは、高度の
酸化環境で作動し、（通常の水素電極に対して）最大約
＋１Ｖに分極され、それと共に加圧空気に曝される。最
終的に、アノードは、超大気圧の水素（super atmosphe
ric hydrogen）に常に曝される。従って、金属から作ら
れた接触エレメントは、燃料電池の環境において酸性、
酸化及び水素による脆弱化に対して耐性を持っていなけ
ればならない。この基準に合致する幾つかの金属が存在
するので、接触エレメントは、ＰＥＭ燃料電池環境にお
いて導電性で耐腐食性を持つ大きな断片からなるグラフ
ァイトからしばしば製作されてきた。しかし、グラファ
イトは、非常に壊れやすく、非常に多孔性であり、それ
から非常に薄いガス不浸透性プレートを作ることはきわ
めて困難であった。
【０００５】例えばアルミニウムやチタン及びそれらの
合金などの軽量金属も、燃料電池の接触エレメントを作
る際に使用されるように提案されてきた。そのような金
属は、グラファイトより更に導電性を持ち、非常に薄い
プレートに成形することができる。残念ながら、そのよ
うな軽量金属は、相対するＰＥＭ燃料環境では腐食作用
を受けやすく、それから作られた接触要素は、（アルミ
ニウムの場合）溶解するか、或いは、（チタン及びステ
ンレス鋼の場合）それらの表面上に、燃料電池の内部抵
抗を増加させ、その性能を減少させる非常に電気抵抗の
高いある不動態化酸化フィルムを形成する。この問題に
取り組むため、導電性及び耐腐食性の両方を持つ、金属
又は金属化合物の層で軽量金属接触エレメントを被覆す
ることが提案されてきた。例えば、本発明の出願人に譲
渡された、リーらによる特許番号５，６２４，７６９号
を見よ。そこには、軽量金属コア、このコアの頂上に形
成されたステンレス鋼の不動態化層、及びステンレス鋼
層の頂上に形成された窒化チタン（ＴｉＮ）の層が開示
されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記事実に
鑑みなされたもので、ＰＥＭ燃料電池において、その耐
腐食性を向上させると共に効率的に動作させることを目
的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は、一対の両極性
電極と、該一対の電極の間でイオンを伝達させるため該
電極に隣接する膜電極と、前記電極のうち少なくとも一
つと対面する作業面を有する導電接触エレメントと、を
備えた少なくとも１つの電池を有するＰＥＭ燃料電池を
包含する。接触エレメントは、この少なくとも一つの電
極から電流を伝達させるため役立つ作業面を有する。接
触エレメントは、腐食を受けやすい金属基板を含み、該
基板は、燃料電池の腐食環境から基板を保護するため作
業面上に施された導電性の耐腐食性保護ポリマーコーテ
ィングを有する。「腐食を受けやすい金属」とは、燃料
電池環境によって、溶解されるか、或いは、酸化／不動
態化されるかのいずれかの金属を意味する。酸化可能な
金属層は、溶解可能な金属基板を覆い、導電ポリマー層
の下にある。
【０００８】より詳しくは、本発明の保護コーティング
は、耐酸化、耐酸性で非水溶性のポリマー母材と該ポリ
マー母材中に分散された複数の導電性で耐腐食性の（即
ち、耐酸化及び耐酸性）充填粒子とを含む。ポリマー母
材は、これらの粒子を一緒に結合させ、それらを、金属
基板の表面上に保持する。コーティングは、約５０オー
ム／ｃｍ以下の抵抗を生成するため十分な充填粒子を含
み、コーティングの組成、抵抗及び完全さ（integrit
y）に応じて約５ミクロンから約７５ミクロンの間の厚
さを有する。より薄いコーティング（即ち、約１５〜２
５ミクロン）が、スタックを通したＩＲ降下を最少にす
るため好ましい。不浸透性の保護コーティングは、シス
テムの酸性により溶解可能な金属上で直接使用される。
浸透性のコーティングは、酸化／不動態化のみされる金
属、或いは、酸化可能／不動態化可能な金属の層で覆わ
れる溶解可能金属上で使用することができる。
【０００９】好ましくは、導電粒子は、約５０ミクロン
以下の粒子サイズを有するカーボン又はグラファイトで
ある。最も好ましくは、これらの導電粒子は、グラファ
イトとより小さいカーボン黒色粒子（即ち、約５〜１．
５ミクロン）との混合物であり、これらのカーボン黒色
粒子は、該粒子の充填密度を最適化して導電率を改善す
るため、より大きなグラファイト粒子（即ち約５〜２０
ミクロン）間の隙間を満たす。他の耐酸化及び耐酸性の
導電粒子を、小さいカーボン黒色粒子の代わりに使用し
てもよい。ポリマー母材は、（１）酸性及び酸化に対す
る耐性を持ち、（２）薄いフィルムへと容易にコーティ
ング形成されることができ、（３）燃料電池の作動温度
（即ち、約３９３Ｋ（１２０℃）まで）に耐えることが
できる任意の非水溶性ポリマーである。
【００１０】コーティングは、（１）コーティング材料
の分離したフィルムを導電エレメント上に積層する工
程、或いは、（２）コーティング材料の前駆物質（即
ち、溶媒和されたポリマー中の導電粒子の泥漿）を作業
面に塗布し（例えば、噴霧、ブラッシング、ドクターブ
レードを用いた伸長塗布（spreading）など）、次に、
塗布されたフィルムを乾燥し、硬化させる工程、又は、
（３）コーティングを作業面に電気泳動的に沈着させる
工程を含む様々な仕方で塗布することができる。
【００１１】本発明は、幾つかの図面に関連して与えら
れたその特定の実施形態に関する次の詳細な説明の観点
で考慮されるとき、より良く理解されるであろう。
【００１２】
【発明の実施の形態】図１は、２つの電池を備える両極
性ＰＥＭ燃料電池スタックを表しており、このスタック
は、導電性の液体冷却される両極性プレート８により互
いに分離された一対の膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４及
び６を有する。膜電極アセンブリ４及び６と、両極性プ
レート８とは、ステンレス鋼クランププレート１０及び
１２と、端部接触エレメント１４及び１６との間に一緒
に積み重ねられている。端部接触エレメント１４及び１
６、並びに、両極性プレート８の両方の作業面は、燃料
及び酸化ガス（即ち、Ｈ2及びＯ2）を膜電極アセンブリ
４及び６に分配するための複数の溝即ちチャンネル１
８、２０、２２及び２４を含む。非導電性ガスケット２
６、２８、３０及び３２がシール部を提供し、燃料電池
スタックの幾つかの構成要素間に電気的絶縁を提供す
る。ガス透過性のカーボン／グラファイトの拡散ペーパ
ー３４、３６、３８及び４０が膜電極アセンブリ４及び
６の電極面を圧している。端部接触エレメント１４及び
１６が、カーボン／グラファイトのペーパー３４及び４
０を各々圧しており、その一方で、両極性プレート８が
膜電極アセンブリ４のアノード面上でカーボン／グラフ
ァイトのペーパー３６を圧し、膜電極アセンブリ６のカ
ソード面上でカーボン／グラファイトのペーパー３８を
圧する。酸素は、適切な供給配管４２を介して貯蔵タン
ク４６から燃料電池スタックのカソード側に供給され、
水素は、適切な供給配管４４を介して貯蔵タンク４８か
ら燃料電池のアノード側に供給される。その代わりに、
空気が周囲からカソード側に供給されてもよく、水素が
メタノール若しくはガソリン改質器などからアノード側
に供給されてもよい。膜電極アセンブリのＨ2側及びＯ2
／空気側の両方に対して排出配管（図示せず）も提供さ
れる。追加の配管５０、５２及び５４が両極性プレート
８、端部プレート１４及び１６への供給液体冷却剤のた
めに提供される。プレート８、端部プレート１４及び１
６から冷却剤を排出するための適切な配管も提供される
が、図示されていない。
【００１３】図２は、両極性プレート５６の等角破断図
である。この両極性プレート５６は、第１の外側金属シ
ート５８、第２の外側金属シート６０、及び、第１の金
属シート５８及び第２の金属シート６０に内接された内
側スペーサー金属シート６２を含む。外側金属シート５
８及び６０は、可能な限り薄く作られ（例えば、約０．
００５１〜０．０５１ｃｍ（約０．００２〜０．０２イ
ンチ）厚）、打ち抜き加工、フォトエッチング（即ち、
フォトリソグラフィーマスクを通して）、或いは、シー
ト金属を成形するための任意の他の従来プロセスによっ
て成形することができる。外側シート５８は、膜電極ア
センブリ（図示せず）に直面するその外側に第１の作業
面５９を有し、複数のランド６４を提供するように形成
される。これらのランドは、それらの間に「流れ場」と
して知られる複数の溝６６を画成し、これらのチャンネ
ルを通って、燃料電池の反応ガス（即ちＨ2又はＯ2）
が、両極性プレートの一エッジ部６８の近傍からその反
対側エッジ部７０の近傍まで蛇行経路内を流れる。燃料
電池が完全に組み立てられたとき、これらのランド６４
は、カーボン／グラファイトのペーパー３６若しくは３
８（図１を見よ）を圧し、次いで膜電極アセンブリ４及
び６を各々圧する。簡単にするため、図２は２列のラン
ド及び溝のみを表している。実際には、ランド及び溝
は、カーボン／グラファイトのペーパー３６及び３８と
係合する金属シート５８及び６０の全外側面を覆ってい
る。反応ガスは、燃料電池の一方の側６８に沿って配置
されたヘッダー即ち供給マニホルド溝７２から溝６６に
供給され、燃料電池の反対側７０に沿って配置された別
のヘッダー即ちマニホルド溝７４を介して溝６６から出
る。図３に最も良く示されているように、シート５８の
下側は、複数の隆起部７６を備え、これらの隆起部は、
それらの間に複数のチャンネル７８を画成し、これらの
チャンネルを通って冷却剤が燃料電池の作動の間に通過
する。図３に示されるように、冷却剤チャンネル７８
は、各々のランド６４の下方に位置し、反応ガス溝６６
は各々の隆起部７６の下方に位置する。その代わりに、
シート５８が平坦であって、流れ場が別のシート材料内
に形成されるようにすることも可能である。
【００１４】金属シート６０は、シート５８と類似して
いる。シート６０の内側（即ち冷却材側）が図２に示さ
れている。この点に関し、その間に複数のチャンネル８
２を画成する複数の隆起部８０が表されており、これら
の溝を通って冷却剤が両極性プレートの一つのエッジ部
６９から反対側のエッジ部７１に流れる。シート５８の
ように、図３に最も良く示されているように、シート６
０の外側は、その上に複数の溝８６を画成する複数のラ
ンド８４を持つ作業面６３を有し、これらの溝を通って
冷却ガスが流れる。内側金属スペーサーシート６２は、
外側シート５８及び６０に内接し、冷却剤がシート６０
のチャンネル８２と、シート５８のチャンネル７８との
間を流れることを可能にするため、その中に複数の開口
８８を備え、これによって薄層状境界層を壊して乱流を
惹起する。従って、外側シート５８及び６０の内側面９
０及び９２とより効率的な熱交換が各々可能となる。
【００１５】図４は図３の一部分の拡大図であり、第１
のシート５８上の隆起部７６及びスペーサーシート６２
に（例えば真鍮８５によって）結合された第２のシート
６０上の隆起部８０を示している。
【００１６】本発明によれば、図４に最も良く示されて
いるように、両極性プレートの作業面５９及び６３は、
５０オーム／ｃｍ以下の抵抗を有し、且つ、導電性の耐
酸化、耐酸性の保護コーティング９４で被覆されてい
る。この保護コーティング９４は、耐酸性、耐酸化のポ
リマー母材中に分散された複数の耐酸化、酸性不溶性の
導電性粒子（即ち、約５０ミクロン以下）を含む。好ま
しくは、導電性混合粒子は、金、白金，グラファイト、
カーボン及びニッケル、並びに、導電性金属のホウ酸化
物、窒化物及び炭化物（例えば、窒化チタン、炭化チタ
ン及び価ホウ酸価チタン）、クロム及び／又はニッケル
と混ぜられたチタン、パラジウム、ニオビウム、ロジウ
ム、希土類金属及び他の貴金属からなるグループから選
択される。最も好ましくは、これらの粒子は、カーボン
又はグラファイト（即ち、六方晶系カーボン）を含む。
これらの粒子は、粒子の密度及び導電度に応じて、コー
ティング中に様々な重量パーセンテージを占める（即
ち、高い導電率及び低密度を有する粒子は、より低い重
量パーセンテージで使用することができる）。カーボン
／グラファイトを含むコーティングは、典型的には、２
５重量パーセントのカーボン／グラファイトの粒子を含
む。ポリマー母材は不水溶性のポリマーからなり、この
ポリマーは、薄い粘着性フィルムへと成形でき、且つ、
対峙する燃料電池の酸化性及び酸性環境に耐えることが
できる。従って、とりわけ、例えばエポキシ樹脂（epox
ies）、シリコン樹脂（silicones）、ポリアミド−イミ
ド樹脂（polyamide-imides）、ポリエーテル−イミド
（polyether-imides）、ポリフェノール樹脂（polyphen
ols）、フッ化エラストマー（fluro-elastomers）（例
えばポリフッ化ビニリデン（polyvinylidene flourid
e））、ポリエステル樹脂（polyesters）、フェノキシ
−フェノール樹脂（phenoxy-phenolics）、エポキシド
ーフェノール樹脂（epoxide-phenolics）、アクリル樹
脂（acrylics）及びウレタン樹脂（urethanes）などの
ようなポリマーが、本発明に関して役立つように思われ
る。架橋したポリマーが非透過性のコーティングを生成
する上で好ましい。
【００１７】接触エレメントを形成する基板金属は、例
えば（１）電池内に形成された酸性により溶かすことが
できるアルミニウム、又は、（２）それらの表面の酸化
層の形成により酸化／不動態化されるチタンもしくはス
テンレス鋼などの腐食を受けやすい金属からなる。本発
明の一実施形態によれば、導電ポリマーコーティング
は、基板金属に直接施され、その上で乾燥／硬化され得
る。本発明の別の実施形態によれば、基板金属は、導電
性ポリマーの上塗りが施される前に、酸化可能金属（例
えばステンレス鋼）で覆われる酸溶解可能金属（例えば
アルミニウム）を含む。
【００１８】このコーティングは、例えば（１）電気泳
動沈着、（２）ブラッシング、噴霧又は伸長塗布、或い
は、（３）積層化などの様々な方法で施すことができ
る。電気沈着されたコーティングは、それらが、ほとん
ど浪費されない状態で、自動化プロセスで迅速に沈着で
き、接触エレメントの作業面の反応流れ場を形成するた
め使用される表面と同様と類似した複雑で凹んだ表面を
持つ基板の上にほぼ均一に沈着することができる。電気
沈着は、例えば自動車及びトラックのボディなどの様々
な導電基板を被覆する上で役立つ周知のプロセスであ
る。電気沈着技術は、コーティング・テクノロジー・ジ
ャーナル、第５４巻の６８８号、３５〜４４頁（１９８
２年５月）の「カソードの電気沈着」を含む様々な刊行
物で論じられている。手短にいえば、電気泳動沈着プロ
セスでは、直流が、荷電酸可溶性ポリマーの水溶液中に
懸濁された導電性粒子を通って流れる。印加された電流
の影響下では、ポリマーは、反対の電荷にチャージされ
た基板に移り、そこに沈殿し、それと共に導電性粒子を
運搬する。架橋可能なポリマーが使用されるとき、懸濁
液は架橋を促進するための触媒も備える。カソード及び
アノードの両方の電気詠動プロセスが知られている。カ
ソードに沈着されたコーティングが、燃料電池の用途に
対して選択されるのが好ましく、正にチャージされたポ
リマーが負にチャージされた基板の上に沈着されるプロ
セスによって沈着される。アノードに沈着されたコーテ
ィングは、それらが、基板金属の一部分を溶かし、それ
でコーティングを汚染する傾向があるので、望ましくな
い。カソード電気詠道コーティングでは、電流の通路
が、水を電気分解させてカソードで水酸化イオンを形成
させ、それと接触するアルカリ拡散層を確立する。拡散
層のアルカリ度は、カソード電流密度に比例する。印加
された電流の影響の下では、正にチャージされたポリマ
ーは、カソードに移動し、アルカリ拡散層に入る。この
アルカリ拡散層では、水酸化イオンが酸溶解性のポリマ
ーと反応して該ポリマーをカソード基板に沈殿させる。
導電性混合粒子は、沈殿物に捕捉されるようになり、カ
ソード基板上に一緒に沈着する。カソードのエポキシ、
アクリル、ウレタン及びポリエステルが、コーティン
グ、並びに、例えば上記「カソード電気沈着」刊行誌、
ロイターらによる米国特許５，７２８，２８３号及びそ
の中で引用された文献に開示された他のポリマーを沈着
させるこの方法に関して有用である。被覆された接触エ
レメントの引き続く焼き作業は、コーティングを硬化さ
せ、濃密化させる。
【００１９】本発明の別の実施形態によれば、最初に、
コーティングは分離したフィルムとして（例えば、ソル
ベント成形、押し出し成形などによって）成形される。
次いで、例えば高温ロール成形によって、接触エレメン
トの作業面上に積層される。この技術は、積層されたシ
ートストックを作るために使用されるのが好ましく、こ
のシートストックから接触エレメントが、例えば打ち抜
き加工によって引き続いて成形される。本実施形態で
は、フィルムの取り扱いを改善し、基板上にコーティン
グ層を提供するため分離したフィルムが可塑剤を含むの
が好ましい。この基板は、接触エレメントが打ち抜き加
工により成形されるとき、当該フィルムを引き裂き、分
裂させることなく、容易に形成する（例えば打ち抜かれ
る）ことができるほど十分に柔軟である。コーティング
の基板への接着を確実にするため、フィルムが貼られる
ところの基板の表面は、（１）全ての望ましくない表面
フィルム（例えばオイル）がきれいに清掃され、（２）
酸化物が酸エッチングにより除去され、（３）最も好ま
しくは、フィルムを該表面に固着させるため表面を粗く
するように、粗く削り落とされる。ポリ二重フッ化ビニ
リデン（polyvinyladiene diflouride）などのフッ化エ
ラストマーが、この実施形態で有用であり、例えばフタ
ル酸ジブチルなどの従来の可塑剤を用いて使用すること
もできる。
【００２０】本発明の別の実施形態によれば、導電ポリ
マーフィルムが、噴霧、ブラッシング、或いは、伸長塗
布（例えばドクターブレードを用いて）によって基板の
作業面に塗布される。この実施形態では、コーティング
の前駆物質は、適切な溶媒中でポリマーを溶解し、この
溶解されたポリマーに導電混合粒子を混合し、それを基
板の頂上面に湿った泥漿として塗布することによって形
成される。次に、湿ったコーティングは、乾燥され（即
ち溶媒が除去される）、必要に応じて硬化される（例え
ば、熱硬化）。導電粒子は、溶媒が無いポリマーの手段
によって基板に接着される。本実施形態で役立つ好まし
いポリマーは、ポリアミド−イミド熱硬化性ポリマーを
含む。ポリアミド−イミドは、Ｎメチル−ピロリドン
（N-methylpyrrolidone）、プロピレングリコール（pro
pylene glycol）及びメチルエーテルアセテート（methy
l ether acetate）の混合物からなる溶媒中に溶解され
る。この溶液には、グラファイト及びカーボンの黒色粒
子の混合物の重量にして約２１％から約２３％が添加さ
れる。この混合物では、グラファイト粒子は、約５μｍ
から約２０μｍのサイズの範囲に及び、カーボン黒色粒
子は約０．５μｍから約１．５μｍのサイズの範囲に及
び、より小さいカーボン黒色粒子はより大きいグラファ
イト粒子の間の空洞部に充填するため役立ち、これによ
り全てのグラファイトコーティングと比較してコーティ
ングの導電度を増加させる。この混合物は、基板に塗布
され、乾燥され、硬化されて、重量にして約３８％のカ
ーボン−グラファイト混合物を有する１５乃至３０ミク
ロン厚のコーティング（好ましくは約１７ミクロン）を
形成する。それは、低温度（即ち、＜約４７８Ｋ（４０
０°Ｆ）でゆっくりと硬化され、或いは、２段階プロセ
スでより迅速に硬化され得る。この２段階プロセスで
は、最初に溶媒が約４２２Ｋ〜４５０Ｋ（３００°Ｆ〜
３５０°Ｆ）で１０分間の間加熱することによって除去
され（即ち、乾燥）、次に、ポリマーを硬化させるた
め、約１／２分から約１５分（使用される温度に依存す
る）までの範囲に及ぶ様々な時間の間、より高い温度約
５３３Ｋ〜６７２Ｋ（５００°Ｆ〜７５０°Ｆ）で加熱
される。
【００２１】幾つかのコーティングを電池が対峙する環
境で浸透させてもよい。浸透コーティングは、酸化可能
金属（例えばチタン又はステンレス鋼）上でのみ直接使
用され、燃料電池環境で溶解を受けやすい金属（例えば
アルミニウム）上には直接使用されない。しかし、浸透
コーティングは、最初にコーティングされるか、或い
は、酸化可能／不動態化された金属層（例えばチタン又
はステンレス鋼）で被覆された溶解可能金属基板（例え
ばＡｌ）上で使用することができる。浸透コーティング
が酸化可能／不動態化された基板又はコーティング上で
使用されるとき、酸化物は、コーティングが浸透である
箇所（即ち、微細孔）で形成されるが、ポリマーが基板
金属と係合する箇所では形成されない。その結果とし
て、表面の小部分（即ち、コーティングの微細孔のとこ
ろ）のみが、酸化／不動態化され、その結果、酸化物形
成に起因する電気抵抗がほとんど増加しない。
【００２２】図５に示す本発明の一実施形態によれば、
導電ポリマーコーティングは、前述した実施形態では例
えばステンレス鋼などの酸化可能／不動態化金属の層で
被覆されたが、酸溶解可能基板金属（例えばＡｌ）に塗
布される。この点に関し、低抵抗の不動態化酸化フィル
ムを形成する金属のバリア／保護層９６が、基板９８上
に沈着され、本発明に係る導電ポリマー５４の上塗りで
覆われる。クロム（即ち、少なくとも１６重量％）、ニ
ッケル（即ち、少なくとも２０重量％）及びモリブデン
（即ち、少なくとも３重量％）を豊富に含むステンレス
鋼が、ポリマーコーティング中に微細孔の箇所で濃い酸
化物層を形成するような優れたバリア／保護層９６であ
ると思われる。これは、更なる腐食を禁止するが、燃料
電池の内部抵抗を大して増加させない。この目的のため
の一つのステンレス鋼は、ロールド・アロイ社から合金
Ａｌ−６ＸＮとして販売されており、２３±２重量％の
クロム、２１±２重量％のニッケル、及び、６±２重量
％のモリブデンを含む。バリア／保護ステンレス鋼層
は、従来の物理的析出（ＰＶＤ）技術（例えばスパッタ
リング）、又は、当業者に知られている化学蒸着（ＣＶ
Ｄ）技術を使用して金属基板上に沈着されるのが好まし
い。その代わりに、非電解性金属析出で沈着された亜リ
ン酸ニッケル合金は、それらが、燃料電池環境に曝され
たとき不動態化フィルムを容易に形成し、下層に置かれ
たコーティングの更なる酸化／腐食に対してバリアを提
供するという点で良い可能性を持っていると思われる。
【００２３】本発明は、その特定の実施形態の観点で説
明されたが、本発明は、それらに限定されるものではな
く、本発明の範囲は、請求の範囲によってのみ画定され
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、液体冷却されるＰＥＭ燃料電池スタッ
ク（図示されたのは２つの電池のみ）の概略的な破断等
角図である。
【図２】図２は、図１に示されたものと同様のＰＥＭ燃
料電池スタックで役立つ両極性プレートの破断図であ
る。
【図３】図３は、図２の方向３−３に沿って取られた断
面図である。
【図４】図４は、図３の両極性プレートの拡大部分であ
る。
【図５】図５は、本発明の別の実施形態に係る図４の対
応図である。
【符号の説明】
４、６ 一対の膜電極アセンブリ ８ 両極性プレート １４、１６ 端部接触エレメント １８、２０、２２、２４ チャンネル ５８ 第１の外側金属シート ５９ 両極性プレートの作業面 ６０ 第２の外側金属シート６０ ６２ 内側スペーサー金属シート６２ ６３ 両極性プレートの作業面 ６４ ランド ６６ 溝 ７６ 隆起部 ７８ チャンネル ８０ 隆起部 ８２ チャンネル ８４ ランド ８５ 真鍮 ８６ 溝 ８８ 開口 ９０ 内側面 ９２ 内側面 ９４ 導電性の耐酸化、耐酸性の保護コーティング ９６ 低抵抗の不動態化酸化フィルムを形成する金属
のバリア／保護層 ９８ 基板
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ロドニー・エル・ボラップ アメリカ合衆国ニューメキシコ州87544, ロス・アラモス，シェリル・アベニュー 433 (72)発明者 ブライアン・ケイ・ブラディ アメリカ合衆国ニューヨーク州14514，ノ ース・チリ，キース・テラス 28 (72)発明者 ケヴィン・エム・カニンガム アメリカ合衆国ミシガン州48095，ロメオ, サーティーワン・マイル・ロード 14850 (72)発明者 ジェイ・エス・ヒューリット アメリカ合衆国ニューヨーク州12065，ク リフトン・パーク，ルックアウト・レーン 1910

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 一対の両極性電極と、該一対の電極の間
    でイオンを伝達させるため該電極に隣接する膜電極と、
    前記電極のうち少なくとも一つから電流を伝達させるた
    め該少なくとも一つの電極と対面する作業面を有する導
    電接触エレメントと、を備えた少なくとも１つの電池を
    有するＰＥＭ燃料電池であって、 前記接触エレメントは、腐食を受けやすい金属基板と、
    前記燃料電池の腐食環境から前記基板を保護するため前
    記作業面上に施された導電性の耐腐食性保護コーティン
    グを備え、該保護コーティングは、耐酸化、耐酸性で非
    水溶性のポリマー母材と該ポリマー母材中に分散された
    複数の導電粒子とを含み、約５０オーム／ｃｍ以下の抵
    抗を有することを特徴とする、ＰＥＭ燃料電池。
  2. 【請求項２】 前記導電粒子は、金、白金、グラファイ
    ト、カーボン、ニッケル、パラジウム、ロジウム、クロ
    ム合金チタン、ニッケル合金チタン、炭化チタン、窒化
    チタン、二ホウ酸塩チタン、及び希土類金属からなるグ
    ループから選択される、請求項１に記載の燃料電池。
  3. 【請求項３】 前記導電粒子は、カーボン及びグラファ
    イトからなるグループから選択される、請求項１に記載
    の燃料電池。
  4. 【請求項４】 前記導電粒子は、第１の粒子サイズを有
    するグラファイト粒子と他の導電粒子との混合物であ
    り、該他の導電粒子は、金、白金、グラファイト、カー
    ボン、ニッケル、パラジウム、ロジウム、クロム合金チ
    タン、ニッケル合金チタン、炭化チタン、窒化チタン、
    二ホウ酸塩チタン、及び希土類金属からなるグループか
    ら選択され、前記粒子の充填密度を強化するため、前記
    第１の粒子サイズより小さい第２の粒子サイズを有す
    る、請求項３に記載の燃料電池。
  5. 【請求項５】 前記接触エレメントの少なくとも一つ
    は、前記燃料電池のアノード及び隣接する次の電池のカ
    ソードと対面すると共に、前記隣接する電池を互いに分
    離させる両極性プレートである、請求項１に記載の燃料
    電池。
  6. 【請求項６】 前記コーティングは、酸可溶性ポリマー
    の水溶液中の前記粒子の懸濁液から前記基板上に電気泳
    動的に沈着される、請求項１に記載の燃料電池。
  7. 【請求項７】 前記コーティングは、分離したフィルム
    として、前記導電接触エレメントを形成するため前記基
    板上に積層される、請求項１に記載の燃料電池。
  8. 【請求項８】 前記コーティングを形成するため、前記
    コーティングの前駆物質が、その溶液から前記基板上に
    沈着され、乾燥され、及び、硬化される、請求項１に記
    載の燃料電池。
  9. 【請求項９】 前記基板は、前記腐食環境で酸化を受け
    やすい第２の酸不溶性の不動態化金属層の下層に置かれ
    た第１の酸溶解性金属を含む、請求項１に記載の燃料電
    池。
  10. 【請求項１０】 前記基板は、チタン、ステンレス鋼及
    びアルミニウムからなるグループから選択される、請求
    項１に記載の燃料電池。
  11. 【請求項１１】 前記ポリマー母材は、エポキシ樹脂、
    シリコン樹脂、ポリアミド−イミド樹脂、ポリエーテル
    −イミド、ポリフェノール樹脂、フッ化エラストマー、
    ポリエステル樹脂、フェノキシ−フェノール樹脂、エポ
    キシドーフェノール樹脂、アクリル樹脂及びウレタン樹
    脂からなるグループから選択される、請求項１に記載の
    燃料電池。
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