JP2003511832A - 黒鉛防護膜をもつ耐蝕被覆燃料電池バイポーラープレート並びにその製造 - Google Patents

黒鉛防護膜をもつ耐蝕被覆燃料電池バイポーラープレート並びにその製造

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Abstract

(57)【要約】 耐蝕被覆燃料電池プレート及びその製造方法は、黒鉛エマルジョンコーティング（４０２）を設け、次いでコーティング（４０２）に黒鉛箔の層（４０６）を圧着してなる金属プレート（４００）として具現化される。黒鉛エマルジョン（４０２）は黒鉛箔（４０６）を金属プレート（４００）に結合し、黒鉛箔（４０６）の微小孔（４１０）を封止する。被覆燃料電池プレートをスタンピングすることで流路（４１４）が形成される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は概括的には耐蝕被覆燃料電池バイポーラープレート並びにその製造方
法に関し、さらに具体的には、黒鉛防護膜をもつ耐蝕被覆燃料電池バイポーラー
プレート並びにその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プロトン交換膜（「ＰＥＭ」）型燃料電池のような燃料電池は、膜電極接合体
（「ＭＥＡ」）を含んでいる。ＭＥＡは陽極と陰極の間に配置された固体高分子
電解質又はイオン交換膜を含んでおり、陽極と陰極は典型的には炭素微粒子、炭
素粒子の内部及び外表面に担持された触媒超微粒子、並びに触媒粒子及び炭素粒
子と混ぜ合わせたプロトン伝導性材料を含む。
【０００３】 触媒粒子（例えば微粉砕白金）が各膜／電極界面で望ましい電気化学反応を誘
起する。陽極側では、燃料（例えば水素）が多孔質電極材料に浸透し、触媒粒子
と反応して水素陽イオン（例えばプロトン）を生じ、陽イオンはイオン交換膜を
透過して陰極側へと移動する。陰極側では、酸化体（例えば含酸素ガス）が触媒
粒子と反応して酸素陰イオンを生ずる。陰極で陰イオンが陽イオンと反応して電
気化学反応が完結し、反応生成物（例えば液体の水）を形成する。
【０００４】 従来の燃料電池では、ＭＥＡは陽極及び陰極用の集電体として機能する一対の
導電性要素（典型的にはプレート）の間に配置される。かかるプレートには、陽
極及び陰極触媒表面への上述のガス反応体の分配を促す流路が形成されることが
多い。複数の燃料電池をスタックとして構成して各燃料電池間を電気的に直列接
続すると、プレートは電気的接続を与えるが、こうしたプレートはバイポーラー
プレートと呼ばれることが多い。かかる構成において、各バイポーラープレート
は、スタック内のある電池の陽極とその隣りの電池の陰極との間で電流を伝える
。
【０００５】 ＰＥＭ燃料電池環境で、バイポーラープレート（及び隔壁）は腐蝕を受ける。
従って、バイポーラープレートは、ＰＥＭ燃料電池に高性能を与えるに十分な導
電性を有するだけでなく、適度の導電性を長期間維持すべく耐蝕性をもつべきで
ある。黒鉛製プレートはこうした品質を呈するが、一般に脆性で製造コストが高
い。白金のような貴金属は耐蝕性が高く、軽量薄板として製造できるが、かかる
プレートの原料コストは多くの商業用途には高過ぎる。アルミニウム、チタン及
びこれらの合金のような軽金属はＰＥＭ燃料電池環境では耐蝕性でないため、こ
うした材料で作られた接点要素は通例劣化が早いか、或いはその表面に電気抵抗
の大きい酸化皮膜を形成して燃料電池の内部電気抵抗を増大させ性能低下を招く
。
【０００６】 従って、アルミニウムやチタンのような非貴金属系軽金属から作られた燃料電
池バイポーラープレートで、その表面を導電性で耐酸化性の防護膜、コーティン
グ又はクラッドによって腐食から保護したものに対するニーズが存在する。
【０００７】
【発明の概要】
例示的な好ましい実施形態では、金属燃料電池バイポーラープレートに導電性
多層コーティングを設けた後、オーバーコーティングを設けて上記の下地コーテ
ィングの微小孔を埋める。コーティング及びオーバーコーティングの寸法は、バ
イポーラープレートの導電性が損なわれないように選択される。オーバーコーテ
ィングは微小孔を封止するが、オーバーコーティングが例えば非晶質炭素のスラ
リー又はチタンの亜酸化物からなるときのように本質的に導電性であれば、オー
バーコーティングは連続していてもよい。非晶質炭素の場合、このオーバーコー
ティングは疎水性でもあるので、腐蝕性電解質がコーティングのミクロ細孔に浸
透するのも防止する。
【０００８】 別の例示的な実施形態では、金属燃料電池バイポーラープレートに導電性多層
コーティングを設けた後、化学陽極酸化法を用いて不連続オーバーコーティング
で下地コーティングの微小孔を埋める。オーバーコーティングは、酸化アルミニ
ウムのように導電性の高いものでなくてもよいが、その不連続部分を通して電荷
をコーティングへと導く。気孔を充填することで、腐蝕性電解質による被覆燃料
電池バイポーラープレートの侵蝕を防ぐ。
【０００９】 別の例示的な実施形態では、金属燃料電池バイポーラープレートに薄い黒鉛エ
マルジョンコーティングを設けた後、黒鉛箔の層を下地コーティング上に圧着す
る。黒鉛のエマルジョンは、黒鉛箔に存在するミクロ細孔を封止する。さらに、
黒鉛エマルジョンコーティング及び黒鉛箔は疎水性であるので、腐蝕性電解質に
よる被覆燃料電池バイポーラープレートの侵蝕を防ぐのに役立つ。
【００１０】 添付図面と共に以下の詳細な説明を参照することで本発明の理解が深まれば、
本発明の上記その他の特徴及び利点は自ずから明らかとなろう。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら本発明の好ましい実施形態について詳しく説明
する。
【００１２】 図１は、本発明に従って燃料電池のバイポーラープレートにコーティング及び
オーバーコーティングを設けるための２通りの好ましい方法の流れ図である。
【００１３】 図２は、本発明に従って燃料電池のバイポーラープレートにコーティング及び
オーバーコーティングを設けるための別の好ましい方法の流れ図である。
【００１４】 図３は、燃料電池バイポーラープレートの部分側面断面図である。
【００１５】 図４Ａは、図３の燃料電池バイポーラープレートをチタンなどの遷移金属の副
層でコートした後の部分拡大図である。
【００１６】 図４Ｂは、図４Ａの燃料電池バイポーラープレートを窒化チタンアルミニウム
層でコートした後の図である。
【００１７】 図４Ｃは、図４Ｂの燃料電池バイポーラープレートをクロムなどの繊維金属の
副層でオーバーコートした後の図である。
【００１８】 図４Ｄは、図４Ｃの燃料電池バイポーラープレートを非晶質黒鉛でオーバーコ
ートした後の図である。
【００１９】 図４Ｅは、図４Ｂの燃料電池バイポーラープレートを化学陽極酸化法に付して
酸化アルミニウムなどの酸化物からなる薄い不連続最上層を形成した後の燃料電
池バイポーラープレートを示す図であって、不連続最上層はコーティングの気孔
を充填する役割を果たす。
【００２０】 図５は、燃料電池バイポーラープレートの部分側面断面図である。
【００２１】 図６Ａは、図５の燃料電池バイポーラープレートを黒鉛エマルジョン層でコー
トした後の部分拡大図である。
【００２２】 図６Ｂは、図６Ａの燃料電池バイポーラープレートの黒鉛エマルジョンの層に
黒鉛箔のシートを圧着した後の図であって、黒鉛エマルジョン層は黒鉛箔をバイ
ポーラープレートに結合させ、黒鉛箔の気孔を封止する。
【００２３】 図６Ｃは、黒鉛箔及び下層の金属プレートの両方を変形して流路をスタンピン
グした後の図６Ｂの燃料電池バイポーラープレートを示す図である。
【００２４】 図６Ｃは、黒鉛箔及び下層の金属プレートの両方を変形して流路をスタンピン
グした後の図６Ｂの燃料電池バイポーラープレートを示す図である。
【００２５】 以下、現在分かっている本発明の最良の実施の形態についての詳細に説明する
。この説明は、限定の意味に解すべきではなく、本発明の一般原理を例示するた
めのものにすぎない。
【００２６】 図１を参照すると、本発明による燃料電池用バイポーラープレートの好ましい
不動態化方法の一例１００は、まず、燃料電池バイポーラープレート２００（図
３）を準備する工程１０２を含んでおり、バイポーラープレート２００は貴金属
や非貴金属などどんな金属で作られたものでもよい。燃料電池バイポーラープレ
ート２００は、好ましくはアルミニウム、アルミニウム合金又はステンレス鋼か
らなり、厚さ０．０５〜２．０ｍｍで、両面に流路２０２がスタンピングされる
（図３にはバイポーラープレート２００の片面のみを示す。）。燃料電池バイポ
ーラープレート２００の別の好ましい材料には、チタン、ニオブ、クロム、スズ
、モリブデン、亜鉛、ステンレス鋼及びニッケルがあるが、これらに限定されな
い。さらに、本発明の原理はバイポーラープレートに限定されるわけではなく、
端板、集電体要素、及びプレート以外の形状に作られた導電性要素にも等しく適
用し得る。
【００２７】 一般に、方法１００は、コーティング工程１１０と、堆積オーバーコーティン
グ工程１２０又は化学陽極酸化オーバーコーティング工程１３０のいすれかとを
含む。好ましい一実施形態では、コーティング工程１１０は、バイポーラープレ
ート２００の最上面２０４を遷移金属副層２０６（図４Ａ）でコートする工程１
１２、次いで、副層２０６を導電性材料層２０８（図４Ｂ）でコートする工程１
１４を含む。副層２０６及び層２０８は共に導電性である。副層２０６と層２０
８は、スパッタリング時に層２０８が副層２０６に密着するように選択される。
副層２０６は、例えば最上面２０４上にチタンを約１ミクロン以下の厚さにスパ
ッタリングしたものからなる。副層２０６はその他の導電性材料（例えばステン
レス鋼）からなるものでもよい。
【００２８】 好ましい層２０８の例は、ある組成範囲の窒化チタンアルミニウム（ＴｉxＡ
ｌyＮ）があり、ｘ＝０．５０〜０．７５及びｙ＝０．２５〜０．５０である。
ｘ及びｙの好ましい値はそれぞれ０．７０及び０．３０である。窒化チタンアル
ミニウム層２０８は、例えば窒素を吹き込みながらＴｉとＡｌを同時にスパッタ
リングすることによって形成される。層２０８の厚さは好ましくは１〜５ミクロ
ンである。ＴｉにＡｌを加えると、ｄ電子状態密度が下がり、コーティング層２
０８の酸化安定性が低下する。また、層２０８の導電性はＡｌの添加によってＴ
ｉＮよりも低くなるものの、上記組成では依然として非常に高い。典型的な抵抗
率は１ｍΩ・ｃｍ未満である。コーティング２０８の別の組成として、窒化チタ
ン、炭化チタン、窒化チタンと炭化チタンとの合金（炭窒化チタンとも呼ばれる
。）、窒化ジルコニウム及び窒化クロムがあるが、これらに限定されない。
【００２９】 副層２０６及び層２０８の堆積には、好ましくは物理気相堆積（「ＰＶＤ」）
法が用いられる。コーティング工程１１０全体を通して、好ましくはクローズド
型非平衡マグネトロンスパッタイオンプレーティング装置を用いる（例えば欧州
特許明細書第ＥＰ０５２１０４５Ｂ１号参照。なお、当該欧州特許の開示内容全
体は援用によって本明細書に取り込まれる。）。かかる装置では、複数の非平衡
マグネトロンが並べて用いられていて、隣り合うマグネトロン同士は反対の磁極
を有する。磁場線は、基板が配置された堆積領域を取り囲む。その結果、プラズ
マがトラップされるためプラズマ密度が高まり、イオン化用電子の損失を防ぐ。
かかる装置の主な二つの特徴は、（１）皮膜構造及び密着性を共に改善すべく高
電流密度が用いられること、及び（２）内部応力を極力低くしながら低温で皮膜
を堆積すべく低バイアス運転が用いられることである。
【００３０】 特筆すべき点として、低バイアス（零付近）・低温運転によって、コーティン
グ２０８の結晶粒子の粒度が小さく丸くなって粒界同士の絡み合いが向上し、ひ
いてはコーティング２０８の気孔が小さくなる。
【００３１】 バイポーラープレート２００に流路パターン及びガス流入路等をスタンピング
又は機械加工した後、バイポーラープレート２００を脱脂、乾燥して、反応器で
還元的にプラズマエッチングする。マグネトロンを低パワーでオンにして堆積前
の清浄化を行う。この段階でマグネトロンを用いると、１×１０-3ｔｏｒｒ程度
の低いアルゴン圧でプラズマがプレートに衝突するようになる。
【００３２】 最初に１０-6ｔｏｒｒの圧力まで排気した後、堆積室内で室温に保ったプレー
ト２００上に副層２０６及び層２０８を形成する。堆積プロセス中、プレートの
温度はプラズマの衝撃によって２００〜３５０℃に上昇する。堆積室内の遮蔽及
び電流制御を適切に行うことで、従来通り複数のターゲットを用いることができ
、上述のＴｉ／ＴｉＡｌＮ傾斜コーティングが得られる。低多孔度のコーティン
グが得られるのでマグネトロンスパッタリングが好ましいが、陰極アークスパッ
タリングや低温有機金属化学気相堆積法（「ＭＯＣＶＤ」）のような代替堆積法
を用いることも本発明の技術的範囲に属する。
【００３３】 走査型電子顕微鏡で検査すると、マグネトロンスパッタ法で堆積した窒化チタ
ンアルミニウム層２０８に０．１〜１．０μｍの範囲の大きさの開放気孔はみら
れない。しかし、飽和カロメル電極に対して９００ｍＶで測定した動電位法腐蝕
電流は、この範囲よりも小さな気孔の存在を示唆している。以下、オーバーコー
ティング工程１２０及び１３０（窒化チタンアルミニウムコーティング２０８の
微小孔を封止する代替法）について説明する。
【００３４】 図１を参照すると、好ましい堆積オーバーコーティング工程の一例１２０は、
燃料電池バイポーラープレート２００（さらに具体的には、窒化チタンアルミニ
ウム層２０８）を遷移金属副層２１０（図４Ｃ）でコートする工程１２２、次い
で、副層２１０を疎水性非晶質黒鉛最上層２１２（図４Ｄ）でコートする工程１
２４を含む。遷移金属副層２１０は、黒鉛／炭素が容易に密着するものであれば
どんな金属であってもよい。好ましい副層２１０の一例は、０．５〜１．０ミク
ロン厚のクロム層からなる。副層２１０として適した他の材料として、チタン、
ニッケル、鉄及びコバルトがあるが、これらに限定されない。疎水性非晶質黒鉛
層２１２は好ましくは２〜５ミクロン厚である。
【００３５】 遷移金属副層２１０と次の非晶質黒鉛最上層２１２の堆積は、工程１１０に関
して上述した非平衡マグネトロンスパッタリング法を用いて行う。堆積室はオー
バーコーティング工程１２０で用いたものと同じものでも別のものでもよい。オ
ーバーコートが成膜されるバイポーラープレート２００は、最初に１０-6ｔｏｒ
ｒまで排気した後に室温に保たれる。非晶質黒鉛層２１２は、少なくとも部分的
には、連続したランダム網状構造として形成され、堆積の起こらなかった巨視的
気孔を除いて実質的に粒界を含まない。冷却後、バイポーラープレート２００を
堆積室から取り出し、それ以上の処理を施さずに燃料電池に用いる。
【００３６】 図４Ｄを参照すると、層２０８の気孔２１４が示してある（必ずしも縮尺通り
でない）。気孔は被覆されるが、遷移金属副層２１０で完全に満たされていなく
てもよい。非晶質黒鉛層２１２は、２つの気孔２１４を充填したものとして示し
てある。ただし、小さすぎて非晶質黒鉛で充填されない気孔（図示せず）もある
ことを理解されたい。それでも、非晶質黒鉛層２１２は疎水性であるので（非晶
質黒鉛層２１２はかかる気孔を満たさないにしてもその周縁をコートする）、ガ
ス及び水によるバイポーラープレート２００の酸化を防ぐのに役立つ。
【００３７】 図１を参照すると、堆積オーバーコーティング工程１２０の代替工程は、化学
陽極酸化オーバーコーティング工程１３０である。好ましい実施形態では、化学
陽極酸化又は酸化オーバーコーティング工程１３０は、酸化アルミニウムのよう
な不連続低導電性酸化物層２１６（図４Ｅ）で層２０８の微小孔を封止する。酸
化アルミニウムの場合、化学陽極酸化法で微小孔をアルミナの内部層で溶浸する
。層２１６は非晶質構造として主に気孔部に局在化し、層２１６の不連続部を介
して電荷を層２０８に導く。別法として、化学陽極酸化又は酸化オーバーコーテ
ィング工程１３０では、層２１６を介して層２０８へと電荷を通すのに十分な導
電性をもつチタン亜酸化物のような材料の連続層（又は不連続層）２１６で層２
０８の微小孔を封止する。
【００３８】 好ましい化学陽極酸化オーバーコーティング工程１３０の一例は、バイポーラ
ープレート２００を酸浴に浸漬する工程１３２、脱イオン水中でバイポーラープ
レート２００を洗浄する工程１３４、及び水中でバイポーラープレート１３８を
沸騰させる工程１３６を含む。好ましい工程１３２の一例は、被覆バイポーラー
プレート２００を濃硫酸（９５〜９８％のＡＣＳ試薬）に周囲温度で０．５〜１
．０分間浸漬することを含む。別法として、クロム酸を用いてもよい。別法とし
て、気孔２１４への酸浸透を促すため昇温及び界面活性剤を用いてもよい。別の
代替法では、電解質酸化を用いる。次に、工程１３４で、酸浴からバイポーラー
プレート２００を取り出し、直ちに脱イオン水に浸漬して酸が残らなくなるまで
洗浄する。工程１３６では、脱イオン水中で約３０分間沸騰させて、オーバーコ
ーティング層２１６を安定化させる。次いで、バイポーラープレート２００を湯
浴から取り出し、使用に先だって室温の空気中で風乾する。窒化チタンアルミニ
ウム上に、酸化によって酸化アルミニウムと酸化チタンが生じる。
【００３９】 図２を参照すると、耐蝕性防護膜をもつ燃料電池バイポーラープレートを提供
するための本発明の好ましい方法の一例３００は、プレート４００（図５）を清
浄化する工程３０２、プレート４００の外表面４０４にコーティング４０２（図
６Ａ）を塗布する工程３０４、及びオーバーコーティング４０６（図６Ｂ）工程
３０６を含む。バイポーラープレート４００は、ガス流入孔を機械加工した上述
のバイポーラープレート２００と同じであるが、典型的には、コーティング４０
２及びオーバーコーティング４０６の施工前は、流路を形成しない。好ましいバ
イポーラープレート４００の一例はアルミニウムで作られ、０．０５〜２．０ｍ
ｍ厚である。
【００４０】 好ましくは、コーティング４０２とオーバーコーティング４０６は共に導電性
で疎水性である。好ましいコーティング４０２の一例は約１０ミクロン厚であり
、エマルジョン、懸濁液又は塗料中で黒鉛粒子を超音波処理したものからなり、
例えばトルエンのような有機溶剤で希釈したエポキシ樹脂中の黒鉛粒子からなる
。適当な黒鉛エマルジョンであるＥｌｅｃｔｒｏｄａｇ−４２３ＳＳは、Ａｃｈ
ｅｓｏｎ Ｃｏｌｌｏｉｄｓ社（米国ミシガン州ポート・ヒューロン、ワシント
ン・アベニュー１６００番地、ＰＯボックス６１１７４７）から市販されている
。好ましいオーバーコーティング４０６の一例には、ＵＣＡＲ Ｃａｒｂｏｎ社
（米国オハイオ州クリーブランドＰＯボックス９４６３７）からＧＲＡＦＯＩＬ
（登録商標）という商品名で製造販売されている黒鉛箔可撓性シートの形態の膨
張黒鉛がある。黒鉛箔ＧＲＡＦＯＩＬ（登録商標）は、インターカレーション法
で処理した粒状黒鉛フレークから形成される。異方性で若干の規則性しかないが
、ＧＲＡＦＯＩＬ（登録商標）は高い導電性と疎水性をもつ。黒鉛箔オーバーコ
ーティング４０６の厚さは例えば０．０５〜１．０ｍｍであり、好ましくは０．
５ｍｍである。
【００４１】 図６Ｂを参照すると、オーバーコーティング４０６が気孔４１０を有すること
が分かる。コーティング４０２はオーバーコーティング４０６をバイポーラープ
レート４００に結合し、気孔４１０を満たす。
【００４２】 図２を参照すると、例示的な好ましい方法３００では、工程３０２でバイポー
ラープレート４００を清浄化し、次いで、工程３０４で両面に黒鉛エマルジョン
４０２を一様に塗布する。次に、工程３０６で、矢印４１２（図６Ｂ）で表す荷
重下で、黒鉛箔４０６の２枚のシート間にバイポーラープレート４００を挿む。
荷重は１５００〜２５００ポンドで、温度５０〜７０℃の従来のプレス（図示せ
ず）で３０分間加える。工程３０８で、バイポーラープレート４００を荷重下で
室温まで放冷し、次いでプレスから取り出す。工程３１０で、例えば黒鉛箔４０
６と金属プレート４００を共に変形させるスタンピング作業で流路４１４（図６
Ｃ）を形成する。図６Ｃでは便宜上気孔４１０は示していない。好ましくは、黒
鉛箔オーバーコーティング４０６のシートは、バイポーラープレート４００と同
じ形状及び基底寸法を有する。別の好ましい製造方法では、プレート材料及び黒
鉛箔のコイル又はロールを一緒に従来のロールミルなどに供給して、ロールミル
でプレート材料と黒鉛箔とを圧着した後所定寸法にカットし、次いでスタンピン
グして流路を形成する。
【００４３】 以上、本発明を好ましい実施形態に関して説明したが、上記の好ましい実施形
態に加え得る様々な変更及び／又は追加は当業者には自明であろう。かかる変更
及び／又は追加はすべて本発明の技術的に範囲に属する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に従って燃料電池のバイポーラープレートにコーティング及びオーバー
コーティングを設けるための２通りの好ましい方法の流れ図である。
【図２】 本発明に従って燃料電池のバイポーラープレートにコーティング及びオーバー
コーティングを設けるための別の好ましい方法の流れ図である。
【図３】 燃料電池バイポーラープレートの部分側面断面図である。
【図４Ａ】 図３の燃料電池バイポーラープレートをチタンなどの遷移金属の副層でコート
した後の部分拡大図である。
【図４Ｂ】 図４Ａの燃料電池バイポーラープレートを窒化チタンアルミニウム層でコート
した後の図である。
【図４Ｃ】 図４Ｂの燃料電池バイポーラープレートをクロムなどの繊維金属の副層でオー
バーコートした後の図である。
【図４Ｄ】 図４Ｃの燃料電池バイポーラープレートを非晶質黒鉛でオーバーコートした後
の図である。
【図４Ｅ】 図４Ｂの燃料電池バイポーラープレートを化学陽極酸化法に付して酸化アルミ
ニウムなどの酸化物からなる薄い不連続最上層を形成した後の燃料電池バイポー
ラープレートを示す図であって、不連続最上層はコーティングの気孔を充填する
役割を果たす。
【図５】 燃料電池バイポーラープレートの部分側面断面図である。
【図６Ａ】 図５の燃料電池バイポーラープレートを黒鉛エマルジョン層でコートした後の
部分拡大図である。
【図６Ｂ】 図６Ａの燃料電池バイポーラープレートの黒鉛エマルジョンの層に黒鉛箔のシ
ートを圧着した後の図であって、黒鉛エマルジョン層は黒鉛箔をバイポーラープ
レートに結合させ、黒鉛箔の気孔を封止する。
【図６Ｃ】 黒鉛箔及び下層の金属プレートの両方を変形して流路をスタンピングした後の
図６Ｂの燃料電池バイポーラープレートを示す図である。
【符号の説明】
２００，４００ 燃料電池バイポーラープレート ２０２，４１４ 流路 ２０４ 最上面 ２０６，２１０ 遷移金属副層 ２０８ 導電性材料層 ２１２ 疎水性非晶質黒鉛最上層 ２１４，４１０ 気孔 ２１６ 不連続低導電性酸化物層 ４０２ コーティング ４０４ 外表面 ４０６ オーバーコーティング ４１２ 荷重
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 レーグ，ティモシー アメリカ合衆国、90275、カリフォルニア 州、ランチョ・パロス・ヴェルデス、バス ウッド・アベニュー、26756番 (72)発明者 ギヘーン，ジェームズ・ブイ アメリカ合衆国、07940、ニュージャージ ー州、マディソン、ローズモント・アベニ ュー、13番 (72)発明者 ナラシマン，デーブ アメリカ合衆国、08822、ニュージャージ ー州、フレミントン、サミット・トレイ ル、６番 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 BB04 CX04 EE02 EE06

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 外表面（４０４）を含む金属プレート（４００）、 外表面（４０４）上の導電性コーティング（４０２）、及び コーティング（４０２）上に形成されたオーバーコーティング（４０６）であ
    って黒鉛を含むオーバーコーティング（４０６） を備えてなる被覆燃料電池バイポーラープレート。
  2. 【請求項２】 前記金属プレート（４００）がアルミニウムで形成されてい
    る、請求項１記載の被覆燃料電池バイポーラープレート。
  3. 【請求項３】 前記コーティング（４０２）が黒鉛エマルジョンである、請
    求項１記載の被覆燃料電池バイポーラープレート。
  4. 【請求項４】 前記コーティング（４０２）が有機懸濁液中の黒鉛粒子を含
    む、請求項１記載の被覆燃料電池バイポーラープレート。
  5. 【請求項５】 前記オーバーコーティング（４０６）が膨張黒鉛を含む、請
    求項１記載の被覆燃料電池バイポーラープレート。
  6. 【請求項６】 前記オーバーコーティング（４０６）が、コーティング（４
    ０２）で充填される気孔（４１０）を含む、請求項１記載の被覆燃料電池バイポ
    ーラープレート。
  7. 【請求項７】 前記オーバーコーティング（４０６）が箔である、請求項１
    記載の被覆燃料電池バイポーラープレート。
  8. 【請求項８】 前記オーバーコーティング（４０６）が、インターカレーシ
    ョン法で処理された粒状黒鉛フレークを含む、請求項１記載の被覆燃料電池バイ
    ポーラープレート。
  9. 【請求項９】 前記オーバーコーティングが導電性である、請求項１記載の
    被覆燃料電池バイポーラープレート。
  10. 【請求項１０】 前記オーバーコーティング（４０６）が疎水性である、請
    求項１記載の被覆燃料電池バイポーラープレート。
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Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008192606A (ja) * 2007-01-09 2008-08-21 Soc D Technologie Michelin 燃料電池組立体のための可撓性グラファイト／金属分配プレート
JP2008204876A (ja) * 2007-02-22 2008-09-04 Toyota Motor Corp 燃料電池用セパレータ、燃料電池用セパレータの製造方法及び燃料電池
JP2010287542A (ja) * 2009-06-15 2010-12-24 Nissan Motor Co Ltd 導電部材、その製造方法、並びにこれを用いた燃料電池用セパレータおよび固体高分子形燃料電池
JP2011198764A (ja) * 2010-03-22 2011-10-06 Hyundai Hysco 燃料電池用金属分離板及びその製造方法
JP2012160382A (ja) * 2011-02-01 2012-08-23 Univ Of Fukui 燃料電池用セパレータ及びその製造方法
CN108963294A (zh) * 2018-07-20 2018-12-07 大连交通大学 一种质子交换膜燃料电池金属石墨复合双极板制备方法
JP2020509538A (ja) * 2017-02-20 2020-03-26 フラウンホーファー−ゲゼルシャフト ツゥア フェアデルング デア アンゲヴァンドテン フォァシュング エー．ファウ． 燃料電池用バイポーラプレート、および製造方法

Families Citing this family (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4147925B2 (ja) * 2002-12-04 2008-09-10 トヨタ自動車株式会社 燃料電池用セパレータ
DE10232129A1 (de) * 2002-07-11 2004-02-05 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Fluidverteilungsvorrichtung und Verfahren zur Herstellung einer Fluidverteilungsvorrichtung
DE10323880A1 (de) * 2003-05-26 2004-12-23 Siemens Ag Bipolarplatte und Brennstoffzelle mit einer derartigen Bipolarplatte
KR20050120257A (ko) * 2004-06-18 2005-12-22 한국타이어 주식회사 연료전지용 탄소복합재 분리판
DE102004034620A1 (de) * 2004-07-16 2006-02-02 Behr Gmbh & Co. Kg Fluiddurchströmbare Vorrichtung und Betriebsverfahren
US7771858B2 (en) * 2005-07-12 2010-08-10 Gm Global Technology Operations, Inc. Coated steel bipolar plates
EA200900182A1 (ru) * 2006-07-13 2009-06-30 Тиэр Коутингз Лимитед Устройство для нанесения покрытий и способ нанесения покрытий
US20080199739A1 (en) * 2007-02-20 2008-08-21 Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation Electrochemical cell stack and a method of forming a bipolar interconnect for an electrochemical cell stack
WO2008109817A1 (en) * 2007-03-07 2008-09-12 Adaptive Materials Inc. Clad copper wire having environmentally isolating alloy
KR100791274B1 (ko) * 2007-06-20 2008-01-04 현대하이스코 주식회사 금속층/금속질화물층과 금속산질화물층을 포함하는 연료전지용 스테인리스
US8978899B2 (en) * 2007-08-01 2015-03-17 Donaldson Company, Inc. Fluoropolymer fine fiber
US20090311577A1 (en) * 2008-06-12 2009-12-17 Hitachi Cable, Ltd. Corrosion-resistant material and manufacturing method of the same
US20110053052A1 (en) * 2009-08-28 2011-03-03 Enerfuel, Inc. Fuel cell composite flow field element and method of forming the same
ES2561282T3 (es) * 2010-07-01 2016-02-25 Graftech International Holdings Inc. Electrodo de grafito
KR101173059B1 (ko) * 2010-09-29 2012-08-13 한국과학기술원 고분자 전해질 연료전지용 복합재료 분리판 및 이의 제조방법
DE102011120252A1 (de) * 2010-12-28 2012-06-28 Clearedge Power, Inc. Senken von Elektrolytverlust in PEM-Brennstoffzelle
US20150311540A1 (en) * 2014-04-29 2015-10-29 Energyor Technologies Inc. Method for producing fluid flow field plates
FR3044320B1 (fr) 2015-11-26 2017-11-24 Michelin & Cie Revetement adhesif au metal, hydrophobe et electriquement conducteur, utilisable notamment comme peinture pour plaque bipolaire de pile a combustible
FR3054146B1 (fr) 2016-07-19 2018-07-13 Compagnie Generale Des Etablissements Michelin Procede de depot d'un revetement adhesif au metal, hydrophobe et electriquement conducteur
DE102019209766A1 (de) * 2019-07-03 2021-01-07 Audi Ag Brennstoffzellenplatte, Bipolarplatte und Brennstoffzellenvorrichtung

Family Cites Families (26)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3589942A (en) 1966-12-22 1971-06-29 Cons Natural Gas Svc Bipolar collector plates
US3940285A (en) 1974-12-13 1976-02-24 United Technologies Corporation Corrosion protection for a fuel cell coolant system
DE2926776C2 (de) * 1979-07-03 1984-03-15 Licentia Patent-Verwaltungs-Gmbh, 6000 Frankfurt Brennstoff- und/oder Elektrolyse-Zelle
JPS6030067B2 (ja) 1980-03-31 1985-07-13 株式会社東芝 燃料電池
CA1190186A (en) 1980-08-18 1985-07-09 Henri B. Beer Electrode with mixed oxide interface on valve metal base and stable outer coating
JPS57105974A (en) 1980-12-24 1982-07-01 Toshiba Corp Fuel cell
JPS6282663A (ja) 1985-10-04 1987-04-16 Kureha Chem Ind Co Ltd マニホ−ルド付燃料電池用電極基板及びその製造方法
JPS62110262A (ja) 1985-10-25 1987-05-21 Kureha Chem Ind Co Ltd 端部シ−ル部付燃料電池用電極基板及びその製造方法
GB9006073D0 (en) 1990-03-17 1990-05-16 D G Teer Coating Services Limi Magnetron sputter ion plating
US5316632A (en) 1991-07-24 1994-05-31 Dieter Remppel Method for improving efficiency of electro-chemical cells
US5419824A (en) 1992-11-12 1995-05-30 Weres; Oleh Electrode, electrode manufacturing process and electrochemical cell
US5300370A (en) 1992-11-13 1994-04-05 Ballard Power Systems Inc. Laminated fluid flow field assembly for electrochemical fuel cells
IT1270878B (it) 1993-04-30 1997-05-13 Permelec Spa Nora Migliorata cella elettrochimica utilizzante membrane a scambio ionico e piatti bipolari metallici
US5868912A (en) 1993-11-22 1999-02-09 E. I. Du Pont De Nemours And Company Electrochemical cell having an oxide growth resistant current distributor
US5527363A (en) 1993-12-10 1996-06-18 Ballard Power Systems Inc. Method of fabricating an embossed fluid flow field plate
US5460897A (en) 1994-03-18 1995-10-24 Allied Signal Inc. Solid oxide fuel cell stacking assembly
US5863671A (en) * 1994-10-12 1999-01-26 H Power Corporation Plastic platelet fuel cells employing integrated fluid management
JPH08222237A (ja) 1995-02-14 1996-08-30 Aisin Aw Co Ltd 燃料電池用セパレータ
US5624769A (en) * 1995-12-22 1997-04-29 General Motors Corporation Corrosion resistant PEM fuel cell
US5856035A (en) 1996-02-29 1999-01-05 Gas Research Institute Electrical connector apparatus for planar solid oxide fuel cell stacks
US5776624A (en) 1996-12-23 1998-07-07 General Motors Corporation Brazed bipolar plates for PEM fuel cells
US5853917A (en) 1997-03-06 1998-12-29 Mitsubishi Chemical Corporation Electrolytic cell having a controlled electrode surface interface
JP4707786B2 (ja) 1998-05-07 2011-06-22 トヨタ自動車株式会社 燃料電池用ガスセパレータの製造方法
JPH11345618A (ja) 1998-06-03 1999-12-14 Nisshin Steel Co Ltd 固体高分子型燃料電池用塗装金属セパレータ材料
EP0969540A3 (en) 1998-06-05 2002-04-24 Nisshinbo Industries, Inc. Fuel cell separator and process for producing same
JP2000012048A (ja) * 1998-06-18 2000-01-14 Toyota Motor Corp 燃料電池用ガスセパレータと該燃料電池用セパレータを用いた燃料電池、並びに燃料電池用ガスセパレータの製造方法

Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015092501A (ja) * 2007-01-09 2015-05-14 コンパニー ゼネラール デ エタブリッスマン ミシュラン 燃料電池組立体のための流体分配プレート
JP2008192606A (ja) * 2007-01-09 2008-08-21 Soc D Technologie Michelin 燃料電池組立体のための可撓性グラファイト／金属分配プレート
JP2008204876A (ja) * 2007-02-22 2008-09-04 Toyota Motor Corp 燃料電池用セパレータ、燃料電池用セパレータの製造方法及び燃料電池
WO2008114561A1 (ja) * 2007-02-22 2008-09-25 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha 燃料電池用セパレータ、燃料電池用セパレータの製造方法及び燃料電池
JP4702304B2 (ja) * 2007-02-22 2011-06-15 トヨタ自動車株式会社 燃料電池用セパレータ、燃料電池用セパレータの製造方法及び燃料電池
US8906571B2 (en) 2007-02-22 2014-12-09 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell separator, manufacturing method of the fuel cell separator, and fuel cell
JP2010287542A (ja) * 2009-06-15 2010-12-24 Nissan Motor Co Ltd 導電部材、その製造方法、並びにこれを用いた燃料電池用セパレータおよび固体高分子形燃料電池
JP2011198764A (ja) * 2010-03-22 2011-10-06 Hyundai Hysco 燃料電池用金属分離板及びその製造方法
JP2012160382A (ja) * 2011-02-01 2012-08-23 Univ Of Fukui 燃料電池用セパレータ及びその製造方法
JP2020509538A (ja) * 2017-02-20 2020-03-26 フラウンホーファー−ゲゼルシャフト ツゥア フェアデルング デア アンゲヴァンドテン フォァシュング エー．ファウ． 燃料電池用バイポーラプレート、および製造方法
JP7035068B2 (ja) 2017-02-20 2022-03-14 フラウンホーファー－ゲゼルシャフト ツゥア フェアデルング デア アンゲヴァンドテン フォァシュング エー．ファウ． 燃料電池用バイポーラプレートの製造方法
CN108963294A (zh) * 2018-07-20 2018-12-07 大连交通大学 一种质子交换膜燃料电池金属石墨复合双极板制备方法
CN108963294B (zh) * 2018-07-20 2021-06-29 大连交通大学 一种质子交换膜燃料电池金属石墨复合双极板制备方法

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