JP2004134373A - Ｐｅｍ燃料電池のためのセパレータプレート - Google Patents

Abstract

【課題】導電性及び腐食耐性を兼ね備えた複合セパレータプレートの提供。
【解決手段】燃料電池で使用するための複合セパレータプレート及びその製造方法が提供される。複合セパレータプレートはポリマー材料であり、該ポリマー材料を通して分散された発泡グラファイトを備えている。発泡グラファイトは、セパレータプレートを通して導電経路を提供する。本方法は、ポリマー材料内に発泡グラファイトを混合させるか又は撒き散らすことにより発泡グラファイトを分散させ、セパレータプレートを圧縮成形する間に該発泡グラファイトを圧縮する工程を含んでいる。
【選択図】図４

Description

　本出願は、２００２年９月９日に出願された米国仮特許出願シリアル番号６０／３９４，６４７号に基づいて、その優先権を主張する。
　本発明は、ＰＥＭ燃料電池に係り、より詳しくは、そのための複合セパレータプレート（例えば、二極式プレート）に関する。

　燃料電池は、多数の用途のための電源として提案されてきた。そのような燃料電池の一つが、陽子交換膜即ちPEM燃料電池である。PEM燃料電池は、当該技術分野で周知されており、その各々の電池に、所謂「膜電極アッセンブリ」即ちＭＥＡを備えている。膜電極アッセンブリは、薄い陽子伝達性のポリマー膜電解質を備え、該電解質は、その一方の面に形成されたアノード電極面と、その反対側の面に形成されたカソード電極面と、を有する。一般に、そのような膜電解質は、イオン交換膜樹脂から作られており、典型的には、E.l.．デュポン・ダ・ネメアウアス＆Coから市販されている、例えばNAFION（登録商標）等のフッ素置換スルホン酸ポリマーを含んでいる。他方では、アノード面及びカソード面は、典型的には、細かく分割された炭素粒子と、該炭素粒子の内側表面及び外側表面上に支持された非常に細かく分割された触媒粒子と、触媒粒子及び炭素粒子と混合されたＮＡＦＩＯＮ等の陽子伝達粒子と、を含み、或いは、（２）ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の結合剤を通して分散された、炭素無しの触媒粒子を含んでいる。

　多電池式のＰＥＭ燃料電池は、電気的に直列に一緒に積み上げられた複数の膜電極アッセンブリを備え、一方が隣接するものから、ガスセパレータプレート又は二極式プレートとして知られている、ガス不浸透性の導電性電流コレクターにより分離されている。そのような多重電池式の燃料電池は、燃料電池として知られている。二極式プレートは、２つの作用面を持っており、一方は、一つの電池のアノードに対面し、他方は、スタック中の次に隣接する電池上のカソードと対面しており、隣接する電池の間で電流を導電させる。スタックの両端部における電流コレクターは、端部電池のみと接触しており、端部プレートとして知られている。セパレータプレートは、アノード及びカソードの表面に亘って、ガス状反応物（例えば、Ｈ₂及びＯ₂／空気）を分布する流れ場を含んでいる。これらの流れ場は、主要な電流コレクターと接触し、それらの間の複数の流れチャンネルを画成する複数のランドを備えており、該チャンネルを通ってガス状反応物が、流れ場の両端部に配置された、供給ヘッダー及び排出ヘッダーの間を流れる。

　「拡散媒体」として知られている、非常に多孔性（即ちカルシウム６０％〜８０％）の導電材料（例えば、布、スクリーン、ペーパー、発泡体等）が、電流コレクターと膜電極アッセンブリとの間に介設されており、（１）　電流コレクターのランドの間及びランドの下方で電極の全面に亘ってガス状反応物を分布させ、（２）　溝と対面する電極の面からの電流を収集し、それを当該溝を画定する隣接するランドに伝達させるように機能する。そのような一つの既知の拡散媒体は、体積にして約７０％の多孔率で約０．１７ｍｍの非圧縮性厚さを有する、グラファイトぺーパーを備え、トーレイ０６０という名称で、トーレイ社から市販されている。そのような拡散媒体は、当該技術分野で知られているように、細かいメッシュの貴金属スクリーン等から構成されてもよい。

　Ｈ₂−Ｏ₂／空気ＰＥＭ燃料電池の環境では、電流コレクターが、Ｆ^-、ＳＯ₄ ^--、ＳＯ₃ ^-、ＨＳＯ₄ ^-、ＣＯ₃ ^--、及び、ＨＣＯ₃ ^-等々を含む、やや酸性溶液（ｐＨ３〜５）と常時接触した状態にある。その上、カソードは、圧縮空気にさらされている間に、最大約１Ｖに分極されている、非常な酸化環境で作動している。最後に、アノードは、常に水素にさらされている。よって、電流コレクターは、燃料電池内で悪環境へ抵抗を持っていなければならない。

　発泡グラファイトは、二極式プレート内で以前から使用されてきた（バラードは、それら電流燃料電池スタック中の発泡グラファイトを使用し、ＳＧＬカーボンは、ＥＧプレートに関して多くの仕事をなした）。しかし、このプロセスは、ＥＧのシートで開始し、ガスの浸透を減少させるため、それらのシート内にポリマー樹脂を含浸させる。当該プレートは、８０乃至９０％の間のグラファイトを有し、製造するのが困難である。

　従って、電流コレクターは、これまでのところ、（１）グラファイトの細片から機械加工され、（２）ポリマーマトリックス（熱可塑性若しくは熱硬化性）を通して分散された、容量導電性充填物（例えば、グラファイト粒子又はフィラメント）により、約５０％乃至約９０％を含むポリマー組成材料から鋳造され、（３）　容量導電粒子により約３０％乃至約４０％を含むポリマー組成材料で被覆された金属から製造されている。この後者の観点では、２００２年４月１６日にフロンクらに付与され米国特許番号６，３７２，３７６号を見よ。この米国特許は、（１）本発明の譲受人に譲渡され、（２）ここで触れたことによりその内容を本願に組み込まれ、（３）酸耐性の不溶性の酸化耐性ポリマーのマトリックス中に分散された複数の導電性の耐腐食性（酸化耐性及び酸耐性）の充填粒子を含む、耐腐食性の導電層で被覆された金属シートから作られた電流コレクターを開示している。このポリマーマトリックスは、これらの粒子を一緒に、金属シートの表面に結合する。フロンクらの型式の複合コーティングは、子コーティングの組成、抵抗及び完全な状態に依存して、約５０ｍオーム・ｃｍ以下の抵抗、並びに、約５ミクロン乃至約７５ミクロンの間の厚さを有する。より薄いコーティングが、燃料電池スタックを通して、より低いＩＲ抵抗を達成する上では好ましいが、より厚いコーティングは、腐食からの保護を強化するためには好ましい。

　金属プレートを使用する別のアプローチは、導電性及び腐食耐性の両方を兼ね備え、これにより下位の金属を保護する金属又は金属化合物の層で、軽量金属電流コレクターを被覆することである。例えば、２００１年７月１７日に登録された、リ（Ｌｉ）らのＲＥ３７，２８４Ｅを見よ。これは、本発明の譲受人に譲渡され、軽量金属コア、該コア上のステンレス鋼の耐腐食層と、該ステンレス鋼層上の窒化チタニウム（ＴｉＮ）の層と、を開示している。

　従来では、セパレータプレートは、熱エネルギー及び電気エネルギーの転移を強化するための耐腐食性導電コーティングで保護された、例えばステンレス鋼又はアルミニウム等の適切な金属合金から形成されている。そのような金属プレートは、流れ場を形成するため２つの打ち抜き又はエッチングプロセス、並びに、冷却式プレートアッセンブリを製造するため結合若しくはブレーズ溶接プロセスのいずれか、を必要とするが、該アッセンブリは、設計にコスト及び複雑さを追加する。加えて、腐食燃料電池環境の金属プレートの耐久性及び冷却剤の漏れの可能性は、懸念事項のままとなっている。

　これらの欠点は、複合セパレータプレートの開発へと導いた。この点において、複合セパレータプレートの開発中の近年の努力は、適切な電気伝導率及び熱伝導率を有する材料に向けられてきた。材料の供給者は、必須の伝導率の目標を達成するため、ポリマーマトリックス中で体積にして５０％乃至９０％の範囲にあるグラファイト粉末からなる高いカーボン充填複合プレートを開発した。この型式のセパレータプレートは、腐食性の燃料電池環境中を生き残り、ほとんどの部品に対して、コスト及び伝導率の目標に合致する。しかし、グラファイトの高い充填量及びグラファイトの高い比重のために、これらのプレートは、生来、壊れやすく、密度が高く、体積及び重量測定で得られた望ましいスタックパワー密度には及ばない。そのような二極式プレートの現在利用可能なものの一つが、ウェストシカゴＩＩＩのバルクモールディングコムパウンド社からＢＭＣプレートとして市販されている、
　その代わりに、カーボンの充填量を減少させ、プレートのタフさを増大しようとする試みにおいて、導電ファイバーが、複合プレートで使用されてきた。ブランクらにより２００１年５月３１日に出願された、現在係属中の米国特許出願シリアル番号０９／８７１，１８９号を見よ。これは、本発明の譲渡人に譲渡されており、ここで触れたことによりその内容が本願中に組み込まれる。繊維質材料は、典型的には、導電粉末と比べたとき、軸方向に典型的には１０００倍も伝導率が高い。その結果、導電性繊維材料が内部に配置されたポリマーセパレータプレートは、壊れやすさを生じさせかなない比較的高い濃度のカーボン充填量を有すること無しにプレートの電気伝導率を増大させる。しかし、これらの利点を達成するために、繊維材料は、貫通平面方向に適切に配位されなければならない。その上、貫通平面配位で貫通する連続的な導電性繊維部材を有するポリマーセパレータプレートは、セパレータプレートを通した電気的エネルギーの転送を非常に増大させるが、製造するのが幾分複雑となる。２００２年２月１１日に出願された、リシらによる米国特許出願シリアル番号１０／０７４，９１３号を見よ。これは、本発明の譲渡人に譲渡されており、ここで触れたことにより、本願中に組み込まれる。

　より薄いプレートを使用することにより、燃料電池スタックの質量及び体積を減少させようとする努力がなされてきた。残念ながら、これらのプレートの壊れやすいという性質は、特に、部品の型除去（demold）の間、接着結合の間、及び、スタックアッセンブリの作動中において、しばしば、ひび割れ及び破壊を生じさせる。このようにして、比較的低いカーボン濃度及び比較的高いポリマー濃度を有するセパレータプレートは、該セパレータプレートの壊れやすさを減少させ、燃料電池スタック質量及び体積の目標と合致させることが望ましい。残念ながら、これまでのところ低いカーボン濃度では、所望の電気伝導率及び熱伝導率と合致させることはきわめて困難である。
米国特許番号６，３７２，３７６号 米国特許出願シリアル番号０９／８７１，１８９号 米国特許出願シリアル番号１０／０７４，９１３号

　かくして、高いカーボン充填プレート、導電繊維が充填されたプレート、及び、これらに伴う困難に関連する諸問題、を克服した、複合燃料電池セパレータプレート及び製造方法を提供する必要性が存在している。従って、薄く壊れにくいプレートを鋳造するため、燃料電池の質量及び体積の目標と合致させるため、低い伝達性充填物の充填において、高い電気伝導率及び高い熱伝導率を有する複合材料から形成された、燃料電池セパレータ又は二極式プレートを提供することが望ましい。

　本発明によれば、第１の表面と、該第１の表面と反対側にある第２の表面とを有する型式の燃料電池スタックで使用するための複合セパレータプレートが提供される。この複合セパレータプレートは、ポリマー材料と、該ポリマー材料内に分散された発泡グラファイトと、を含んでいる。

　本発明によれば、第１の表面と、該第１の表面と反対側にある第２の表面とを有する型式の燃料電池スタックで使用するための複合セパレータプレートが提供される。この複合セパレータプレートは、ポリマー材料と、該ポリマー材料内に分散された圧縮性伝導材料と、を含んでいる。

　本発明によれば、燃料電池用の複合セパレータプレートを製造するための方法も提供される。本方法は、発泡グラファイトを粒子化する工程を含んでいる。発泡グラファイトは、ポリマー樹脂内に分散される。次に、該樹脂及びグラファイト粒子は、圧縮成形されてセパレータプレートが形成される。

　一つの方法では、発泡グラファイトは、ポリマー樹脂内に混合されることにより該ポリマー樹脂内に分散される。代替の方法では、発泡グラファイトは、ＳＭＣ様プロセスを使用して、ポリマー樹脂内に撒き散らされる。

　本発明の用途の更なる領域は、以下に述べられる詳細な説明から明らかとなるであろう。詳細な説明及び特定の実施例は、本発明の好ましい実施例を指し示す一方で、図解目的のみのためなされたものであり、本発明の範囲を制限することを意図したものではない。

　本発明は、詳細な説明及び添付図面からよりよく理解されるようになるであろう。

　好ましい実施例の次の説明は、その性質上、単なる一例であり、本発明をその用途又は使用形態に制限することを意図したものではない。
　２つの電池の二極式ＰＥＭ燃料電池スタックが、図１の１０で概略示されている。燃料電池スタック１０は、１２及び１４で概略示された、一対の膜電極アッセンブリを備えている。膜電極アッセンブリは、１６で示された導電性の液体冷却式の二極式プレートにより互いから分離されている。セパレータプレート１６は、二極式プレート１６としても知られている。膜電極アッセンブリ１２及び１４は、１８及び２０で全体として指し示された略ステンレス鋼製のクランププレートと、２２及び２４で全体として指し示された電流コレクター端部プレートとの間を一緒に積み重ねられている。クランププレート１８及び２０は、クランププレート１８、２０のコーナーのところで開口２６を通過するボルト（図示せず）を用いてスタック１０に圧縮力を印加する。端部プレート２２及び２４、並びに、二極式プレート１６の両方の作動面は、複数の溝又はチャンネル２８、３４及び７２を含んでいる。溝２８及び３４は、夫々、端部プレート２２及び２４上にあり、溝７２は、二極式プレート１５の両面上にある。溝２８、３４及び７２は、燃料及び酸化剤ガス（即ち、Ｈ₂及びＯ₂）を膜電極アッセンブリ１２及び１４に分配するために設けられている。

　非導電性ガスケット３６、３８、４０及び４２は、燃料電池スタックの幾つかの構成部品の間でシール部及び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媒体４４、４６、４８及び５０は、膜電極アッセンブリ１２及び１４の電極面に対して押圧する。端部プレート２２及び２４は、カーボン／グラファイト拡散媒体４４及び５０に対して各々押圧するが、二極式プレート１６は、膜電極アッセンブリ１２のアノード面上のカーボン／グラファイト媒体４６に対して押圧し、且つ、膜電極アッセンブリ１４のカソード面上のカーボン／グラファイト媒体４８に対して押圧する。

　酸素は、適切な供給配管５４を介して貯蔵タンク５２から燃料電池スタックのカソード側に供給され、その一方で、水素は、適切な供給配管５８を介して、貯蔵タンク５６から燃料電池のアノード側に供給される。その代わりに、空気は、周囲環境からカソード側に供給されてもよく、水素は、メタノール又はガソリンの改質器等からアノード側に供給されてもよい。膜電極アッセンブリのＨ₂及びＯ₂／空気の両側のための排出配管（図示せず）を設けてもよい。追加の配管６０、６２及び６４が、二極式プレート１６並びに端部プレート２２及び２４に液体冷却剤を供給するため設けられる。プレート１６並びに端部プレート２２及び２４から冷却剤を排出するための適切な配管も設けられているが、図示されていない。

　図２は、図１の二極式プレート１６の等角概略図を示している。二極式プレート１６は、実際には、２つの類似のプレート半部分７４を一緒に固定したものである。各々のプレート半部分は、同一であるのが好ましく、２つのプレート半部分７４は、例えば適切な接着剤若しくはブレーズ溶接の使用により一緒に固定される。図２及び図３で理解することができるように、各々のプレート半部分７４は、第１の表面６６と、第２の表面６８とを備える。第１の表面６６は、カーボングラファイトの媒体４６及び４８と係合する。第１の表面６６は、複数のランド７０を備えており、該ランドは、それらの間で、流れ場として知られている複数の溝７２を画成する。該流れ場を通って、燃料電池の反応ガス（即ち、Ｈ₂又はＯ₂）は、二極式プレートの半部分７４の第１の表面６６からその第２の表面６８までの蛇行経路で流れる。燃料電池１０が完全に組み立てられたとき、ランド７０は、カーボン／グラファイト媒体４６及び４８を押圧し、膜電極アッセンブリ１２及び１４に対して各々押圧する。図２は、非常に誇張されたサイズでランド７０及び溝７２のアレイを表している。プレート１６は、任意の形態を取り得ることが認められよう。

　プレートの半部分の第２の表面６８は、ランド７０と反対の領域に複数のチャンネル７６を備えている。これは、図３で最も良く示されている。反対側プレートの半部分７４のチャンネル７６は、二極式プレート１６を通る冷却剤流れ導管を提供するためプレート半部分７４が固定されるとき整列する。図３に示されるように、冷却剤チャンネル７６は、各ランド７０の下方に存在するのが好ましい。ランド７０の形状は、流れ場のサイズ、形状及び構成を画成し、これは、ガス状反応物の所望の流れを達成するため変えることができる。現在のところ示されているように、流れ場は、平行な溝７２及びランド７０を有するものとして構成されている。

　二極式プレートの半部分７４が示されているが、二極式プレート１６は、単一プレートとして形成されてもよい。即ち、二極式プレートは、その各々の外側表面から延びるランド７０を有し、内部に形成された冷却式チャンネル７６を有して一体に形成されてもよい。

　各々の二極式プレートの半部分７４は、複合材料を含んでいる。複合材料は、冷却剤流体及び反応ガスに関して、比較的高い強度、適切な熱伝導及び導電特性及び低い透過率を有するポリマー材料を含むのが好ましい。複合材料は、圧縮性の伝導性の添加物を更に含んでいる。

　ポリマー材料は、熱硬化性又は熱可塑性のポリマーのいずれかである。好ましくは、ポリマー材料は、エポキシ、ポリビニールエステル、ポリエステル、ポリプロピレン、及び、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）からなるグループから選択される。好ましいポリマー材料が上記に記載されたが、任意の適切なポリマー材料を、本発明の文脈内で使用することができる。ポリマー材料は、例えば、所望された硬化周期時間に依存して、様々な濃度で、例えば、過酸化ベンゾイル等の架橋結合開始剤を含んでいてもよい。ポリマー材料は、ポリマー材料としてエポキシを利用するとき特に役立つ、例えばベンジルジメチルアミン等の硬化促進剤も含んでいてもよい。さらには、適切な硬化剤を使用してもよい。そのような硬化剤の一つが、メチルテトラヒドロ無水フタル酸（ＭＴＨＰＡ）であり、これは、ポリマー材料としてエポキシを利用するとき特に役立つ。

　熱伝導率及び電気伝導率は、ポリマー材料に圧縮性伝導材料を充填することにより強化することができる。好ましい圧縮性材料は、発泡グラファイトである。発泡グラファイトは、天然又は合成のグラファイトのグラファイト平面の剥離により作られる。発泡グラファイトを、様々な厚さのシートにコンパクト化して作ることができる。発泡グラファイトも多孔性である。そのようなシートは、ＳＧＬカーボングループから市販され、主要にはガスケット材料として使用されている。使用されるシートは、厚さにして約３ｍｍ乃至１３ｍｍの間にあるのが好ましい。そのような多孔性の圧縮性シートを使用することによって、発泡グラファイトの更なる圧縮を達成することができ、強化接着及びガス不浸透性のためポリマー樹脂を多孔性構造に容易に浸透させることができる。そのようなシートの面積重量は、約１０００乃至４０００ｇ／ｍ²にある。しかし、他の厚さのシート及び異なる面積重量のシートを、本発明の範囲内で使用することができる。

　発泡グラファイトシートは、約２．５４ｃｍ×約２．５４ｃｍ（約１インチ×約１インチ）のチャージサイズへと手動又は自動のいずれかで分断される。該チャージは、例えば、粉砕機又はミキサー等の適切な破砕装置を使用して適切な粒子サイズへと更に分断される。ポリマー材料に添加される発泡グラファイトの好ましい粒子サイズは、約０．４ｍｍ乃至３ｍｍの間にある。好ましくは、粒子サイズは、最終的なプレート厚の約１０％より大きい。チャージに対して１０秒乃至３分の攪拌又は粉砕時間が、適切な粒子サイズをもたらす。より長い粉砕時間は、比較的小さいサイズの発泡グラファイト粒子を生じさせる。

　発泡グラファイトは、プレート材料のうち体積にして約１０％乃至約５０％の間を占めるのが好ましい。発泡グラファイトは、プレート材料のうち体積にして約２０％乃至約３５％の間を占めるのが更に好ましい。より低い発泡グラファイトの充填量が使用されたとき、比較的大きい発泡グラファイト粒子サイズ、好ましくは、１乃至３ｍｍを使用するのが好ましい。

　複合材料を準備するため、適切な樹脂が選択される。架橋結合開始剤及び硬化剤を追加してもよい。発泡グラファイト粒子は、上記に記載された処置に従って準備され、適切なメッシュを使用して好ましいサイズ分布へとふるいにかけられ、例えば、ブラベンダー等のツインスクリュー押し出し式ミキサーの従来の混合装置を使用して樹脂内に混合される。一旦、発泡グラファイトが混合工程により樹脂内に分散されたならば、複合材料は、適切な圧力及び硬化時間で、所望のプレート構成へと圧縮成形される。圧縮成形が開示されたが、任意の適切な鋳造又は複合形成を、本発明に従って使用することができることが認められよう。

　その代わりに、発泡グラファイト粒子が、上記に記載された処置に従って準備され、次に、適切なメッシュを使用して好ましいサイズ分布へとふるいにかけられ、シート鋳造混合（ＳＭＣ）状プロセスを使用して、好ましくは、「Ｂステージ」樹脂システムを使用して、それを内部で撒き散らすことにより、液体ポリマー樹脂内に分散されてもよい。一旦、発泡グラファイトが、樹脂内に撒き散らされることにより該樹脂内に分散されたならば、複合材料は、適切な圧力及び硬化時間で所望のプレート形状へと圧縮成形される。この撒き散らし工程は、発泡グラファイトを分布させるため更なる混合工程を必要とすること無く、樹脂中を通して、発泡グラファイトを樹脂内に配置させる任意のプロセスに言及することを意図されている。このプロセスは、樹脂の上方の位置から発泡グラファイトを撒き散らし又は落とすことを含むことができるが、これに限定されるものではない。本方法の使用は、発泡グラファイトプレート材料を圧縮型内により均一に配置することを可能ならしめる。本方法の更なる使用は、比較的大きい発泡グラファイト粒子サイズを、樹脂内により容易に分散させることを可能ならしめる。

　幾つかの例では、鋳造プロセスの間にプレートの表面６６、６８に亘って形成し得るポリマースキンを除去することが望ましい。このスキンは、例えば、砂研磨工程等の任意の適切なプロセスにより除去することができる。このスキンの除去は、第１の表面６６と、隣接するカーボングラファイト媒体４６、４８との間に、より低い接触抵抗を生じさせる。

　図４は、プレート１６の圧縮成形以前における、複合材料の概略表現である。図示のように、発泡グラファイト粒子８０は、樹脂８２内の混合又は撒き散らし工程により分散される。より大きなグラファイト粒子８０の中には、樹脂８２から突出し得るものがある。図５は、二極式プレート１６の圧縮成形後における複合材料の概略表現図である。理解することができるように、グラファイト粒子８０、及び、特に樹脂から突出したものは、プレート１６の厚さにまで圧縮される。グラファイト粒子８０の少なくとも幾つかは、プレート１６の全厚さに亘って延在し得る。これは、発泡グラファイト８０を通して直接的で連続的な電子経路が形成され、二極式プレート１６の比較的低い容積抵抗をもたらすという点において利点がある。より小さい発泡グラファイト粒子８０は、プレート１６の厚さを通して電子の流れ経路を形成するため互いに接触することができる。発泡グラファイト粒子８０の使用は、プレート１６においてより低いレベルのグラファイト充填量でプレートの比較的低い容積抵抗を達成させる。かくして、プレートの物理的特性は、以前に販売されていたものよりも比較的高いポリマー濃度を使用して適合させることができる。

　プレート１６の物理的特性を適合させるため様々な充填物をポリマー樹脂に添加することができることも認められよう。添加物は、プレート１６に、強度、タフネスさ、柔軟性、又は、他の物理的特性を分与させるために使用することができる。ガラス繊維、金属繊維、綿くず、粉砕若しくは乱切りされたポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）ベースの繊維を始めとする多数の型式の添加物を本発明の範囲内で使用することができるが、これらの例に限定されるものではない。ポリマーメッシュ及び金属メッシュも使用することができる。メッシュが使用された場合、プレートの伝導率に悪影響を及ぼさないように、メッシュ開口が１．５ｍｍより大きくすることが好ましい。添加物の体積は、所望されるプレート１６の最終的な特性に依存している。カーボンファイバーを使用したとき、体積にして、５０％の合計カーボン含有量を超えないことが望ましい。

　図６で最も良く示されているように、２００１年１月２０日に出願された、ブランクらによる米国特許シリアル番号０９／９９７，１９０号に説明されているように、プレートの半部分７４の外側表面６６に亘って、伝導結合層８４を配置してもよい。本出願は、本発明の譲渡人に譲渡されており、ここで触れたことにより、本願に組み込まれる。伝導結合層は、第１の表面６６と、隣接するカーボングラファイト媒体４６、４８との間の接触抵抗を減少させるため使用される導電層である。任意の適切な材料を、伝導結合層８４のために使用してもよい。結合層８４の好ましい材料は、金、銀、プラチナ、カーボン、パラジウム、ロジウム、及び、ルテニウムを含んでいる。伝導結合層は、任意の適切な技術により第１の表面６６上に沈着させることができる。一つの適切な技術は、結合層８４の蒸着の使用である。

　様々なプレート組成のテストが実施された。これらのテストの結果は、図７乃至１２に記載されている。図７及び図９乃至図１１では、ＰＶＥは、重量にして４％のＢＰＯを備えた、体積にして７５％のアッシュランドのポリビニールエステル樹脂Ｑ６０５５に言及している。硬化工程は、４６６．５Ｋ（３８０°Ｆ（カーバー温度（Carver Temperature）））で１５分間で実行される。ＰＶＥサンプルは、３３８．７Ｋ（１５０°Ｆ）で６０分間に亘って後硬化された。エポキシは、ＭＴＨＰＡ硬化剤及びＢＤＭＡ硬化促進剤を備えた体積にして７５％の３８３ダウエポキシに言及している。エポキシのサンプルは、４２２Ｋ（３００°Ｆ（カーバー温度））で２０分間に亘って硬化された。

　図８及び図１２では、テストされたエポキシは、ドウ化学エポキシ樹脂（重量にして１００部品）、ロンザＭＴＨＰＡ硬化剤（重量にして８０部分）及びＢＤＭＡ硬化促進剤（重量にして２部分）を含んでいる。発泡グラファイトシートは、ＳＧＬカーボングループから得られ、約１３ｍｍの厚さを持っていた。このシートは、約２．５４ｃｍ×約２．５４ｃｍ（約１インチ×約１インチ）のチャージにまで分断された。発泡グラファイトの中には、約３分間、ブレンダー内で分断されたものがあり、その結果、比較的小さい発泡グラファイト粒子（約１ｍｍより小さい）を生じさせた。発泡グラファイトの中には、約１０秒間、ブレンダー内で分断されたものがあり、その結果、比較的大きい発泡グラファイト粒子（約１ｍｍより大きい）を生じさせた。発泡グラファイトの粒子は、エポキシ内に手作業で混合された。この混合物は、０．５ｍｍシム内で２２トンで約１５分間に亘って４２２Ｋ（３００°Ｆ（カーバー熱板温度（Carver Platen Temperature）））で硬化された。

　本発明に従って作られたセパレータプレート１６は、以前に市販されていたものよりも比較的高いポリマー含有量を持っている。本発明に従って作られたプレートは、低い比率の水素透過率を示している。水素の透過率は、１７２．４ｋＰａゲージ圧（２５ｐｓｉｇ）、８０℃、及び、５ｍｍで、０．０１ｍアンペア／ｃｍ²より小さい。この低い透過率は、当該プレートが以前に可能であったものよりも薄く形成することができることを示唆している。８０℃で、Ａｇ／ＡｇＣｌ電極に対して+０．６ｖの電位のカソード側燃料電池環境のシミュレートされた腐食テストデータは、有意なアノード電流（約５０ｎＡ／ｃｍ²）を示していなかった。更には、プレートは、低い水取り込み量（９０℃で１ヶ月の間で＜１％）を示した。その材料は、比較的低い粘性率を示し、その結果、製造を容易とするための低圧降下を生じさせた。

　材料のタフネスさのテストが実行された。このテストの結果が図７及び図１０に示されている。図７は、エポキシ及びＰＶＥ樹脂、並びに、体積にして２０％の発泡グラファイトを利用した結果を示している。図１０は、材料のタフネスさに関して、ＰＡＮベースのカーボン繊維（粉砕若しくは乱切りされた）の使用の効果を示している。更には、図１０は、ＢＭＣ二極式プレート材料と比較した結果を示している。ＡＳＴＭＤ７９０に追従した標準の３点可撓性テストが実行された。当該材料は、高いカーボン充填量のＢＭＣ材料と比較したとき、良好な伸長度／タフネスさを示した。その結果は、本発明に従って作られたプレートが、以前に市販されたものよりも壊れにくく、スクラップの結果となる可能性が少ないことを示唆している。加えて、本発明に関してより高いポリマー濃度のために、当該データは、プレートの物理的／機械的特性がより容易に仕立て上げることができることを明瞭に示している。

　本発明に従って作られた複合材料の面積比抵抗に関する発泡グラファイト充填量の効果もテストされた。図８、９及び１１は、夫々、テストデータの結果も含んでいる。図８は、図示の発泡グラファイト充填量を有するエポキシから形成された複合材料を使用したテスト結果を示している。図９は、ＰＶＥ及び約２６％の充填量の発泡グラファイトから形成された複合材料を使用したテスト結果を示している。図１１は、抵抗に関してＰＡＮベースのカーボン繊維（粉砕若しくは乱切りされた）を追加する効果を示している。

　テクスト備品は、２つの適切な電極を備えていた。適切な拡散媒体は、電極に亘って配置され、テスト材料は、拡散媒体の間に配置された。圧縮力が当該備品に印加された。その結果生じた面積比抵抗が、テスト複合セパレータプレートの両側にある拡散媒体のところで測定された。その結果は、各サンプルが、１３７９ｋＰａ（２００ｐｓｉ）以下で１７２．４ｋＰａ（２５ｐｓｉ）より大きい圧縮圧力で、４０ミリオーム・ｃｍ²より小さい面積比抵抗を有することを示している。面積比抵抗は、１３７９ｋＰａ（２００ｐｓｉ）以上の圧縮圧力で、２０ミリオーム・ｃｍ²より小さい。

　図１２は、面積抵抗に関する発泡グラファイト濃度の効果を示している。図１２では、表示Ａｓ−ｌｓは、セパレータプレートの表面に言及しており、該表面は、それが鋳型から出たものであることを示している。表示の「砂研磨」は、セパレータプレートの表面を砂研磨していることに言及している。表示のＡｇＣＴＬは、セパレータプレートの表面上への銀伝導結合層の沈着に言及している。

　テストデータから明らかなように、１及び２部品の二極式セパレータプレートを、上述された材料を使用して作ることができる。そのようなセパレータプレートを、比較的薄く、２ｍｍより薄く形成することができる。それらは、重量が軽く、１．４ｇ／ｃｃより小さい密度を有する。そのようなプレートは、良好な熱伝導率及び電気伝導率も持っている。プレートは、タフであり、現存するプレートと比較して、特に、型除去、パッケージング、結合、積み重ね作業の間で、スクラップになる可能性を減少させることができる。

　本発明の説明は、その性質上、単なる例示にしか過ぎず、かくして、本発明の要旨から逸脱しない変更が、本発明の範囲内にあることが意図されている。そのような変更は、本発明の精神及び範囲から逸脱するものとしてはみなされるべきではない。

図１は、ＰＥＭ燃料電池スタックの概略分解図である。 図２は、図１に示されたものに類似した、ＰＥＭ燃料電池スタックで有用となる二極式プレートの破断等角図である。 図３は、燃料電池スタックの一部分の拡大断面図である。 図４は、圧縮以前における、本発明の一実施例に係る二極式プレートプレートの一部分の拡大断面図である。 図５は、本発明の一実施例に係る、二極式プレートの一部分の拡大断面図である。 図６は、本発明の代替の実施例に係る二極式プレートの一部分の拡大断面図である。 図７は、本発明に係る、複合材料の材料のタフネスさを示すグラフである。 図８は、本発明に係る複合材料の面積抵抗を示すグラフである。 図９は、本発明に係る代替の複合材料の面積抵抗を示すグラフである。 図１０は、本発明の代替実施例に係る複合材料の材料のタフネスさを示すグラフである。 図１１は、本発明の代替実施例に係る複合材料の面積抵抗を示すグラフである。 図１２は、面積抵抗に関する発泡グラファイト濃度の効果を示す表である。

Claims (47)

1. 第１の表面と、該第１の表面と反対側にある第２の表面とを有する型式の燃料電池スタックで使用するための複合セパレータプレートであって、
   　ポリマー材料と、該ポリマー材料内に分散された発泡グラファイトと、を含んでいる、前記複合セパレータプレート。
2. 前記発泡グラファイトは、体積にして、約１０％乃至約５０％の間を占めている、請求項１に記載の複合セパレータプレート。
3. 前記発泡グラファイトは、体積にして、約２０％乃至約３５％の間を占めている、請求項２に記載の複合セパレータプレート。
4. 前記発泡グラファイトは、約０．４乃至約３．０ミリメートルの粒子サイズ内にある、請求項１に記載の複合セパレータプレート。
5. 前記発泡グラファイトは、最終プレートの厚さの１０％より大きい粒子サイズ内にある、請求項１に記載の複合セパレータプレート。
6. 前記発泡グラファイトの少なくとも幾つかは、前記第１の表面から前記第２の表面まで延在している、請求項１に記載の複合セパレータプレート。
7. 前記ポリマー材料は、熱硬化性ポリマー及び熱可塑性ポリマーからなるグループから選択される、請求項１に記載の複合セパレータプレート。
8. 前記ポリマー材料は、エポキシ、ポリビニールエステル、ポリエステル、ポリプロピレン、及び、ポリフッ化ビニリデンからなるグループから選択される、請求項７に記載の複合セパレータプレート。
9. 前記発泡グラファイトは、圧縮可能である、請求項１に記載の複合セパレータプレート。
10. 前記発泡グラファイトは、多孔性である、請求項１に記載の複合セパレータプレート。
11. 前記プレートは、前記ポリマー材料内に分散された充填材料を更に含んでいる、請求項１に記載の複合セパレータプレート。
12. 前記充填材料は、ガラス繊維、金属繊維、綿くず、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）ベースのカーボン繊維、並びに、ポリマー及び金属メッシュからなるグループから選択されている、請求項１１に記載の複合セパレータプレート。
13. 前記プレートは、１７２．４ｋＰａゲージ圧（２５ｐｓｉｇ）、８０℃及び０．５ｍｍで、０．０１ミリアンペア／ｃｍ²より小さい水素透過率を有する、請求項１に記載の複合セパレータプレート。
14. 前記複合セパレータプレートは、前記第１の表面に亘って分散された伝導金属の層を備え、該伝導材料層は、前記発泡グラファイトと接触している、請求項１に記載の複合セパレータプレート。
15. 前記伝導材料は、金、銀、プラチナ、カーボン、パラジウム、ロジウム及びルテニウムからなるグループから選択されている、請求項１４に記載の複合セパレータプレート。
16. 前記プレートは、１３７９Ｋｐａ（２００ｐｓｉ）以下で１７２．４ｋＰａ（２５ｐｓｉ）より大きい圧縮圧力で４０ミリオーム・ｃｍ²の面積比抵抗を有する、請求項１に記載の複合セパレータプレート。
17. 前記プレートは、１３７９ｋＰａ（２００ｐｓｉ）以上の圧縮圧力で２０ミリオーム・ｃｍ²より小さい面積比抵抗を有する、請求項１６に記載の複合セパレータプレート。
18. 第１の表面と、該第１の表面と反対側にある第２の表面とを有する型式の燃料電池スタックで使用するための複合セパレータプレートであって、
    　ポリマー材料と、該ポリマー材料内に分散された圧縮性伝導材料と、を含んでいる、前記複合セパレータプレート。
19. 前記圧縮性材料は、体積にして、約１０％乃至約５０％の間を占めている、請求項１８に記載の複合セパレータプレート。
20. 前記圧縮性材料は、体積にして、約２０％乃至約３５％の間を占めている、請求項１９に記載の複合セパレータプレート。
21. 前記圧縮性材料は、発泡グラファイトを含んでいる、請求項１９に記載の複合セパレータプレート。
22. 前記発泡グラファイトは、約０．４乃至約３．０ミリメートルの粒子サイズ内にある、請求項２１に記載の複合セパレータプレート。
23. 前記圧縮性材料は、最終プレートの厚さの１０％より大きい粒子サイズ内にある、請求項１８に記載の複合セパレータプレート。
24. 前記圧縮性材料の少なくとも幾つかは、前記第１の表面から前記第２の表面まで延在している、請求項１８に記載の複合セパレータプレート。
25. 前記ポリマー材料は、熱硬化性ポリマー及び熱可塑性ポリマーからなるグループから選択される、請求項１８に記載の複合セパレータプレート。
26. 前記ポリマー材料は、エポキシ、ポリビニールエステル、ポリエステル、ポリプロピレン、及び、ポリフッ化ビニリデンからなるグループから選択される、請求項２５に記載の複合セパレータプレート。
27. 前記プレートは、前記ポリマー材料内に分散された充填材料を更に含んでいる、請求項１８に記載の複合セパレータプレート。
28. 前記充填材料は、ガラス繊維、金属繊維、綿くず、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）ベースのカーボン繊維、並びに、ポリマー及び金属メッシュからなるグループから選択されている、請求項２７に記載の複合セパレータプレート。
29. 前記プレートは、１７２．４ｋＰａゲージ圧（２５ｐｓｉｇ）、８０℃及び０．５ｍｍで、０．０１ミリアンペア／ｃｍ²より小さい水素透過率を有する、請求項１８に記載の複合セパレータプレート。
30. 前記複合セパレータプレートは、前記第１の表面に亘って分散された伝導金属の層を備え、該伝導材料層は、前記発泡グラファイトと接触している、請求項１８に記載の複合セパレータプレート。
31. 前記伝導材料は、金、銀、プラチナ、カーボン、パラジウム、ロジウム及びルテニウムからなるグループから選択されている、請求項３０に記載の複合セパレータプレート。
32. 前記プレートは、１３７９ｋＰａ（２００ｐｓｉ）以下で１７２．４ｋＰａ（２５ｐｓｉ）より大きい圧縮圧力で４０ミリオーム・ｃｍ²の面積比抵抗を有する、請求項１８に記載の複合セパレータプレート。
33. 前記プレートは、１３７９ｋＰａ（２００ｐｓｉ）以上の圧縮圧力で２０ミリオーム・ｃｍ²より小さい面積比抵抗を有する、請求項３２に記載の複合セパレータプレート。
34. 燃料電池用の複合セパレータプレートを製造するための方法であって、
    　発泡グラファイトを粒子化し、
    　前記発泡グラファイトをポリマー樹脂内に分散させ、
    　前記樹脂及びグラファイト粒子を圧縮成形して前記セパレータプレートを形成する、各工程を含む、方法。
35. 前記発泡グラファイトは、前記ポリマー樹脂内に混合されることにより該ポリマー樹脂内に分散される、請求項３４に記載の方法。
36. 前記発泡グラファイトは、前記ポリマー樹脂内に撒き散らされることにより分散される、請求項３４に記載の方法。
37. 前記発泡グラファイトは、前記プレートの体積にして約１０％乃至約５０％の間を占めている、請求項３４に記載の方法。
38. 前記発泡グラファイト粒子は、発泡グラファイトを、約０．４ｍｍ乃至約３．０ｍｍの粒子サイズへと破砕することにより準備される、請求項３７に記載の方法。
39. 前記発泡グラファイト粒子は、ふるいにかけられる、請求項３８に記載の方法。
40. 前記発泡グラファイト粒子は、発泡グラファイトを、最終的なプレート厚さの１０％より大きい粒子サイズへと破砕することにより準備される、請求項３４に記載の方法。
41. 前記ポリマー樹脂は、エポキシ、ポリビニールエステル、ポリエステル、ポリプロピレン、及び、ポリフッ化ビニリデンからなるグループから選択される、請求項３８に記載の方法。
42. 前記ポリマー樹脂内に充填材料を分散させる工程を更に含む、請求項３４に記載の方法。
43. 前記充填材料は、ガラス繊維、金属繊維、綿くず、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）ベースのカーボン繊維、並びに、ポリマー及び金属メッシュからなるグループから選択されている、請求項４２に記載の方法。
44. 前記セパレータプレートの一つの表面の少なくとも一部分から前記ポリマー樹脂の一部分を除去する工程を更に含む、請求項３４に記載の方法。
45. 前記ポリマー樹脂の一部分は、前記セパレータプレートの一つの表面の少なくとも一部分を砂研磨することにより除去される、請求項４４に記載の方法。
46. 前記セパレータプレートの少なくとも一部分上に伝導結合層を沈着させる工程を更に含む、請求項３４に記載の方法。
47. 前記伝導結合層は、前記セパレータプレートの少なくとも一部分上に蒸着される、請求項４６に記載の方法。

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