JP2005518073A - Ｐｅｍ燃料電池セパレータープレート - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池スタック（２０）で使用するための複合セパレータープレート及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 複合セパレータープレートは、互いにほぼ平行に配向された複数の細長い支持部材（１０４）、及びこれらの支持部材の周囲に形成されたポリマー本体部分（１０２）を含む。本体部分は、複数の流れチャンネルを持つ第１表面及びこの第１表面とは反対側の第２表面を含む。複数の導電性ファイバ（１７８）がポリマー本体部分内に配置されており、各ファイバはポリマー本体部分の第１表面からポリマー本体部分の第２表面までプレート面を横切る配置で連続的に延びている。

Description

本発明はＰＥＭ燃料電池に関し、更に詳細には、導電性を向上するために導電性ファイバが通って延びる複合セパレータープレート及びその製造方法に関する。

燃料電池は、車輛の用途を含む多くの用途用の電源として開発されてきた。このような燃料電池の一つは、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であり、各電池には膜電極アッセンブリ即ちＭＥＡが含まれる。ＭＥＡは薄い陽子伝導性ポリマー膜−電解質であり、その一方の側部に陽極電極面を有し、その反対側に陰極電極面を有する。一般的には、膜電極はイオン交換樹脂から形成されており、代表的には、Ｅ．Ｉ．デュポン社から入手できるナフイオン（ナフイオン（ＮＡＦＩＯＮ）は登録商標である）等のペルフルオロネーテッドスルホン酸ポリマーでできている。他方、陽極面及び陰極面は、代表的には、微細なカーボン粒子、これらのカーボン粒子の内面及び外面上に支持された非常に微細な触媒粒子、及び触媒粒子及びカーボン粒子と混合したナフイオン等の陽子伝導性粒子を含み、又はカーボンを含まない触媒粒子を含み、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）バインダーに亘って分散させてある。

ＭＥＡは、多孔質ガス透過性導体製シート間に配置されている。これらのシートはＭＥＡの陽極面及び陰極面に押し付けられ、燃料電池用の一次電流コレクタ及びＭＥＡの機械的支持体として役立つ。適当なこのような一次電流コレクタシートは、当該技術分野で周知のように、カーボン又はグラファイト製の紙又は布、細目メッシュ、貴金属スクリーン、等を含む。このアッセンブリを、本明細書中、ＭＥＡ／一次電流コレクタアッセンブリと呼ぶ。

ＭＥＡ／一次電流コレクタアッセンブリは、スタックの内部の隣接した燃料電池間で（即ち双極プレートの場合）、及びスタックの外側の電池の端子のところで（即ち単極プレート又は端プレートの場合）、電流を導くための二次電流コレクタとして役立つ一対の無孔質導電性セパレータープレート間でプレスされる。セパレータープレートは、ガス状反応体（例えばＨ２及びＯ２／空気）を陽極及び陰極の表面に亘って分配する流れ場を含む。これらの流れ場は、全体として、一次電流コレクタと接触する複数のランドを含む。これらのランドはその間に複数の流れチャンネルを画成し、これらの流れチャンネルを通って、ガス状反応体が、流れチャンネルの両端に配置された供給ヘッダーと排気ヘッダーとの間を流れる。

従来、セパレータープレートは、ステンレス鋼、又は熱エネルギ及び電気エネルギの伝達を高めるための耐蝕性導電性コーティングで保護されたアルミニウム等の適当な合金で形成されている。このような金属プレートは、流れ場を形成するために型押し又は蝕刻を２回行うことを必要とし、冷却したプレートアッセンブリの組み立てに結合プロセス又は鑞付けプロセスのいずれかを必要とする。これにより設計の費用及び複雑さが大きくなる。更に、腐食性燃料電池環境での金属プレートの耐久性及びクーラント漏れの可能性の懸念がのこっている。

これらの欠点により、複合セパレータープレートが開発されてきた。これに関し、複合セパレータープレートの最近の開発努力は、適当な導電性及び熱伝導性を持つ材料に向けられてきた。材料供給者は、必須の伝導性の目的を達成するためにポリマー母材中にグラファイト粉体を７０容量％乃至９０容量％含むカーボンを大量に配合した複合プレートを開発してきた。この種のセパレータープレートは、腐食性燃料電池環境に耐え、費用及び伝導性の目的の大部分を達成した。しかしながら、大量のグラファイトを配合したため、及びグラファイトの比重が高いため、これらのプレートは本質的に脆く且つ稠密であり、所望の体積積み重ね力密度及び重力積み重ね力密度以下で降伏する。

また、更に薄いプレートを使用することによって燃料電池スタックの質量及び容積を減少する努力がなされてきた。残念なことに、これらのプレートが脆性であるため、多くの場合、部品の離型中、接着剤結合中、及びスタックアッセンブリの作動中に特にプレートのマニホールド区分で割れたり壊れたりした。このように、セパレータープレートの脆性を低下するため、及び燃料電池スタックの質量及び容積の目的を達成するため、カーボン濃度が比較的低く且つポリマー濃度が比較的高いセパレータープレートが望ましい。残念なことに、カーボン濃度が低いと、所望の導電性及び熱伝導性の目的を達成するのが極めて困難である。

ファイバ材料の軸線方向での伝導性は、代表的には、導電性粉体と比較して１０倍乃至１００倍高い。従って、伝導性ファイバ材料が内部に配置されたポリマーセパレータープレートは、脆性に繋がる比較的高いカーボン配合濃度なしで、プレートの導電性を向上する。しかしながら、これらの利点を達成するため、ファイバ材料はプレート面を横切る方向に適正に配向されなければならない。更に、伝導性ファイバ材料がプレート面を横切る方向に貫通して連続的に延びるポリマー製セパレータープレートは、セパレーターを通した電気エネルギの伝達を大幅に高める。

かくして、高カーボン配合プレートと関連した固有の問題点及びこれと関連した困難を解決する燃料電池セパレータープレート及びその製造方法が必要とされている。従って、セパレータープレートの導電性を高めるために導電性ファイバ材料がプレート内部を通って延びる丈夫な材料で形成された燃料電池セパレータープレートを提供するのが望ましい。更に、プレート内の熱エネルギを減少し、セパレータープレートでのクーラントの漏れの可能性を小さくするために冷却チャンネルが一体成形された燃料電池セパレータープレートを提供するのが望ましい。更に、冷却構造を備えたプレートを製造する上での工程の数を少なくする（即ち二回の形成及び結合を行わない）、このような燃料電池セパレータープレートの製造方法を提供するのが望ましい。

本発明は、燃料電池スタックで使用するための複合セパレータープレートを提供する。複合セパレータープレートは、互いにほぼ平行に配向された複数の細長い支持部材、及びこれらの支持部材の周囲に形成されたポリマー本体部分を含む。本体部分は、複数の流れチャンネルを持つ第１表面及びこの第１表面とは反対側の第２表面を有する。複数の導電性ファイバがポリマー本体部分内に配置されており、各ファイバはポリマー本体部分の第１表面からポリマー本体部分の第２表面までプレート面を横切る方向に連続的に延びている。

本発明は、更に、複数の細長い支持部材が全体に平行な配置で配向された複合セパレータープレートの製造方法を提供する。複数の連続した導電性ファイバが複数の支持部材と隣接して配置され、格子を形成する。この格子をポリマー材料内に包囲し、第１及び第２の表面を持つ無孔質セパレータープレートを形成する。これらの表面の少なくとも一方に複数のチャンネルが形成されている。第１及び第２の表面の一部を除去して露呈面を形成し、連続したファイバを切除し、端部が露呈面で終端する複数の導電性エレメントにする。複数の導電性エレメントの各々は、セパレータープレートの面を横切る方向に貫通して連続的に延びている。

本発明のこの他の適用分野は、以下の詳細な説明から明らかになるであろう。詳細な説明及び特定の例は、本発明の好ましい実施例を示すけれども、これは単に例示を目的としたものであって、本発明の範囲を限定しようとするものではないということは理解されるべきである。

本発明は、詳細な説明及び添付図面から更に完全に理解されるであろう。

好ましい実施例の以下の説明は、単なる例であって、本発明、その適用、又は使用を限定しようとするものではない。
図１を参照すると、無孔質導電性双極セパレータープレート２６によって互いに分離された一対の膜電極アッセンブリ（ＭＥＡｓ）２２、２４を持つ部分ＰＥＭ燃料電池スタック２０が概略に示してある。ＭＥＡｓ２２、２４及びセパレータープレート２６をクランププレート２８、３０及び単極セパレータープレート即ち端プレート３２、３４の間に互いに積み重ねる。セパレータープレート２６、３２、及び３４の各々には、反応体（即ちＨ２及びＯ２）をＭＥＡｓ２２、２４の陽極面及び陰極面に分配するための流れ場（ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ）を画成する複数のチャンネル３６、３８、４０、４２がプレートの面に形成されている。不導性ガスケット即ちシール４４、４６、４８、５０が燃料電池スタック２０のプレート２６、３２、３４をシールし、電気絶縁する。一次電流コレクタ５２、５４、５６、５８は、多孔質ガス透過性導電性材料で形成されており、ＭＥＡｓ２２、２４の反応面に押し付けられる。一次電流コレクタ５２−５８は、更に、ＭＥＡｓ２２、２４に対し、特にＭＥＡｓ２２、２４が流れ場で流れチャンネル３６−４２に沿ってこれらのコレクタ以外では支持されていない場所で機械的支持を提供する。適当な一次電流コレクタは、ＭＥＡｓ２２、２４から電流を導くと同時に反応体ガスを通すカーボン／グラファイト紙／布、細メッシュスクリーン、連続気泡貴金属フォーム、等を含む。

セパレータープレート３２、３４は、一次電流コレクタ５２、５８に夫々押し付けられ、この際、セパレータープレート２６はＭＥＡ２２の陽極面の一次電流コレクタ５４及びＭＥＡ２４の陰極面の一次電流コレクタ５６に押し付けられる。酸素を貯蔵タンク６０から燃料電池スタックの陰極側に適当な供給配管６２を通して供給し、これと同時に水素を貯蔵タンク６４から燃料電池スタックの陽極側に適当な供給配管６６を通して供給する。酸素貯蔵タンク６０をなくし、空気を周囲から陰極側に供給してもよく、水素貯蔵タンク６４をなくし、メタノール又はガソリン等の液体炭化水素から水素を取り出す改質システムから水素を陽極に供給してもよい。陽極及び陰極の流出物をそれらの夫々の流れ場から除去するため、ＭＥＡｓ２２、２４のＨ２側及びＯ２／空気側の両方についての排気配管（図示せず）もまた設けられている。追加の配管６８、７０、７２は、必要に応じて冷却流体をプレート２６、３２、３４を通して循環させるために設けられている。

図２は、本発明の教示に従って形成された双極セパレータープレート２６の流れ場部分３８、４０を示す。双極セパレータープレート２６は、セパレータープレート２６の例示の形状を画成する主本体部材１００を含む。この主本体部材１００は、主本体部材１００内に配置された複数のチューブ状部材１０２、及びプレート面を横切る方向に主本体部材１００を貫通して延びる複数の導電性エレメント１０４を含む。作動では、セパレータープレート２６は、電流コレクタ５４、５６を介してＭＥＡｓ２２、２４と電気的に接触しており、チャンネル３８、４０を通って流れるガス状反応体と熱的に接触している。セパレータープレート２６の導電性ファイバ１０４及びチューブ状部材１０２は、燃料電池スタックの環境を制御するため、電気及び熱エネルギの夫々の伝達を高める。

主本体部材１００は、セパレータープレートの上面１０６に流れ場３８が形成されるように成形される。流れ場３８は、複数のチャンネル１０８、及び一次電流コレクタ５４と接触した複数のランド１１０によって画成される。流れ場３８は、燃料電池スタックのガス状反応体を吸入マニホールド（図示せず）から排出マニホールド（図示せず）まで移動するための通路を提供する。同様に、流れ場４０がセパレータープレート２６の下面１１１に形成される。この流れ場４０は、複数のチャンネル１１２、及び燃料電池スタックの一次電流コレクタ５６と接触した複数のランド１１４によって画成される。チャンネル１０８、１１２及びランド１１０、１１４は様々な形状に形成できる。ランドの形状により、流れ場３８、４０の大きさ、形状、及び配置が決まり、これは、ガス状反応体の所望の流れを得るために変更できる。ここに示すように、流れ場は平行なチャンネル及びランドを持つように形成できる。

主本体部材１００は、強度が比較的高く、適当な熱特性を有し、クーラント流体及び反応体ガスに関する透過性が低いポリマー材料で形成される。好ましくは、主本体部材１００は、カーボン配合エポキシ等の熱伝導性強化ポリマーで形成されている。しかしながら、主本体部材１００はこのような所望の特性を持つ他の適当な材料で形成されていてもよい。例えば、主本体部材は、シリコーン、ポリイソブチレン、ポリビニルエステル、ポリエステル、フェノール樹脂、ポリプロピレン、ＥＴＦＥ、ナイロン、又はゴムで改質したポリプロピレンで形成されていてもよい。カーボン、グラファイト、又は貴金属の粒子をポリマー材料に配合することによって熱伝導性を高めることができる。

セパレータープレート２６の主本体部材１００内に配置されたチューブ状部材１０２は、セパレータープレートの熱エネルギを制御するため、冷却流体をセパレータープレート２６に通す二次流れ場をセパレータープレートを通して画成する。チューブ状部材１０２は、冷却流体を配管７０に通して熱エネルギを燃料電池スタック２０から除去し又は熱エネルギを燃料電池スタック２０に加えるようになっている。チューブ状部材１０２を配管７０に流動学的に連結するクーラントヘッダーは、ファイバ１０４とチューブ状部材１０２との間の電流を遮断するため、これらの間を電気的に絶縁しなければならない。

代表的には、燃料電池スタック２０内でのガス状反応体の発熱反応により、望ましからぬ熱エネルギが発生する。これは除去しなければならない。チューブ状部材１０２は、チューブ状部材１０２を通って延びる通路１１６を画成する。図２に示すように、チューブ状部材１０２は、セパレータープレート２６のランド１１０、１１４と相補的形状であるように形成される。かくして、チューブ状部材１０２は全体に台形断面を持つように示してあるけれども、チューブ状部材１０２は、様々な断面形状を持つように形成できるということは当業者には理解されよう。これに関し、チューブ状部材１０２は、熱伝導率を最大にするため、ランドの断面積の少なくとも一つの半分を占め、更に好ましくはランドの断面積の約８０％を占める。

現在の好ましいチューブ状部材１０２は、カーボン充填ポリマーで形成されている。しかしながら、チューブ状部材１０２は、熱伝導性であり且つ燃料電池スタックで一般的には使用されるガス状反応体又はクーラントに露呈されることによって腐蝕されることがない任意の様々な材料で形成できる。この他の適当な材料にはチタニウム、カーボン、又はステンレス鋼が含まれる。

熱エネルギをセパレータープレート２６からチューブ状部材１０２に伝達するチューブ状部材１０２の性能は、一般的には、本体部材１００とチューブ状部材１０２との間の接触面積が増大するに従って増大する。更に、チューブ状部材１０２の大きさ及び形状は、主本体部材１００とチューブ状部材１０２との間の熱伝導率に影響を及ぼすということは理解されるべきである。例えば、図２に示すチューブ状部材１０２の台形は、これらの間の熱伝導率を最適にするものと考えられる。

セパレータープレート２６内に配置された導電性エレメント１０４は、全体としてプレート面を横切る方向に向けられており、プレート２６のバルク抵抗を最小にするため、セパレータープレート２６の上面１０６からセパレータープレート２６の下面１１１まで連続的に延びている。各導電性エレメント１０４は細長いファイバである（即ちアスペクト比が２０００：１又はそれ以上である）。第１端１１８は上面１０６のところで露呈されており、一次電流コレクタ５４と直接接触する。第２端１２０は下面１１１のところで露呈されており、一次電流コレクタ５６と直接接触する。導電性エレメント１０４は、ピッチを基材としたファイバ、ＰＡＮを基材としたファイバ、等のカーボンを基材とした導電性ファイバで形成されている。導電性エレメント１０４もまた、グラファイトファイバ、金でコーティングしたグラファイトファイバ、プラチナでコーティングしたグラファイトファイバ、金ファイバ、プラチナファイバ、又はステンレス鋼ファイバ等の他の適当な導電性ファイバ材料で形成されていてもよい。

複合セパレータープレート２６は、導電性エレメント１０４を本体部分１００内に配置し、各ファイバがプレートの上面１０６から下面１１２までプレート面を横切る方向に連続的に延びるプロセスを使用して形成される。現在の好ましい実施例では、セパレータープレート２６は、ポリマー材料が５０容量％乃至９８容量％で複数の導電性エレメントが２容量％乃至５０容量％の組成の複合材料で形成されている。更に好ましい実施例では、セパレータープレート２６は、少なくとも８０容量％のポリマー材料及び約１０容量％の導電性材料を含み、残りはポリマー材料内に分散させた熱伝導性材料である。好ましいセパレータープレートのバルク抵抗は、０．０１オーム・ｃｍ（Ω・ｃｍ）と等しいか或いはそれ以下であり、面積抵抗率は、約１４Ｋｇｆ／ｃｍ2 と等しいか或いはこれ以下の圧縮比で５０ミリオーム・ｃｍ2 （ｍΩ・ｃｍ2 ）と等しいか或いはそれ以下である。これに関し、面積抵抗率は、セパレータープレートの接触抵抗及びバルク抵抗を含む。

図３は、本発明に従って形成されたセパレータープレート１５０の第２の好ましい実施例を示す。セパレータープレート１５０は、以下に詳細に説明する特徴を除き、上文中に説明したセパレータープレート２６と実質的に同じである。セパレータープレート１５０のチューブ状部材１５２は、ランド１６０、１６２の平らな表面１５６、１５８と熱的に接触している。延長導体部分１６４は、チューブ状部材１５２から延びており、平らな表面１５６、１５８で終端する。延長導体部分１６４は一次電流コレクタ５４と接触する。作動にあたっては、延長導体部分１６４は、熱エネルギを、一次電流コレクタ５４とセパレータープレート１５０の界面からチューブ状部材１５２及びその中のクーラント流体に直接伝達する。延長導体部分１６４は、好ましくは、チューブ状部材１５２と一体成形されている。しかしながら、延長導体部分１６４をチューブ状部材１５２とは別に形成してもよいし、チューブ状部材１５２への熱エネルギ伝達を高める別の導体材料で形成してもよい。

本発明の教示に従って形成されたセパレータープレート１７０の第３の好ましい実施例を図４に示す。セパレータープレート１７０は、以下に詳細に論じる相違点を除くと、上文中に説明したセパレータープレート２６と実質的に同じである。セパレータープレート１７０は、ランド１７４、１７６の平らな表面上に配置された高度に導電性の層１７２を持つように形成される。高度に導電性の層１７２は、ランド１７４、１７６の露呈面を覆い、導電性ファイバ１７８の端部分と導電性を以て接触するように形成されている。高度に導電性の層１７２は、電気エネルギを一次電流コレクタ５４、５６からセパレータープレート１７０の導電性ファイバ１７８に伝えるようになっている。高度に導電性の層についてのこれ以上の詳細は、２００１年１１月２０日に出願された「低接触抵抗のＰＥＭ燃料電池」という表題の米国特許出願第０９／９９７，１９０号に開示されている。同特許出願は本発明の譲受人が所有しており、同特許に触れたことにより、この特許に開示された内容は本明細書中に含まれたものとする。

本発明の教示に従って形成されたセパレータープレート１８０の第４の好ましい実施例を図５に示す。セパレータープレート１８０は、以下に詳細に論じる幾つかの相違点を除くと、セパレータープレート２６と実質的に同じである。セパレータープレート１８０は、そのランド１８４に形成された中空通路１８２を含む。これに関し、セパレータープレート２６のチューブ状部材１０２は無くしてある。導電性ファイバ１８６はセパレータープレート１８０の主本体部材１８８を通って延びている。通路１８２は、セパレータープレート１８０内の熱エネルギをチューブ状部材１０２に関して上文中に説明した方法で制御するため、流体クーラントシステム（図示せず）に連結されている。

上文中に説明した複合セパレータープレート２６、１５０、１７０、１８０は双極型である。しかしながら、本発明の教示は図６に示す単極型セパレータープレート１９０にも等しく適用できる。単極型セパレータープレート１９０は、ランド１９２及びチャンネル１９４によってセパレータープレート１９０の上面１９６に画成された流れ場４２を含む。全体に平らな下面１９８が上面１９６の反対側に形成され、端プレート１２、１４と係合する。伝導性ファイバ２００がランド１９２の上面１９６からセパレータープレート１９０を通って延びており、セパレータープレート１９０の下面１９８で終端し、セパレータープレート１９０を通る導電性及び熱伝導性を高める。同様に、チューブ状部材２０２がセパレータープレート１９０を通って延びており、内部冷却通路を形成する。

本発明の別の特徴は、導電性及び熱伝導性を高めるためにプレート面を横切る方向に配置された連続した伝導性ファイバを持つセパレータープレートの製造方法を提供することである。上述のセパレータープレートの製造方法により、セパレータープレートの熱容量を高めるために一体成形されたクーラント通路を使用できる。

本発明による複合セパレータープレート製造工程は、図７で全体に参照番号３００を付したフローチャートに記載してあり、これは、図８乃至図１０に示してある。ブロック３０２に示すように、先ず最初に、金型３１８が画成するキャビティ３１６内に複数の支持部材３１２、３１４を位置決めする。これらの支持部材３１２、３１４は、図８乃至図１０において、円弧状断面を持つ細長い部材として示してある。支持部材３１２、３１４は、様々な断面形状のうちの任意の形状を備えていてもよいということは当業者には理解されよう。例えば、支持部材３１２、３１４はランドの形状と対応する正方形、三角形、矩形、又は台形であってもよい。同様に、これらの支持部材は、図８乃至図１０に示すように中実断面であってもよいし、図２乃至図６に示すようにチューブ状であってもよい。

支持部材３１２、３１４は、全体に平行な形体で整合していてもよいが、形成されるべき複合セパレータープレートの大きさ及び形状に応じて様々な形体で整合していてもよい。支持部材３１２、３１４は、夫々、主平面Ｐの上下に配置される。詳細には、支持部材３１２、３１４は、主平面Ｐの下に配置された支持部材３１２が主平面Ｐの上に配置された支持部材３１４から間隔が隔てられるように位置決めされる。明瞭化を図る目的で、支持部材３１２、３１４は、支持装置又は整合装置なしで示してある。しかしながら、金型３１８又は関連した装置が支持部材３１２、３１４を整合し保持し、一貫した所望の整合状態を保持するということは理解されよう。

次に、図７のブロック３０４に示すように、複数の連続したファイバ３２０を支持部材３１２、３１４の周囲で織製し、これによって各ファイバ３２０を支持部材３１２、３１４で支持し、格子構造３２２を形成する。図８に示す連続したファイバ３２０は、プレートを貫通する方向の電気伝導率を効果的に高めるため、プレート面を横切る方向に貫通する、連続したファイバ３２０の配向を最適にするように、全体に正弦曲線をなして延びている。連続したファイバ３２０は、好ましくは、支持部材３１２、３１４の長さ方向軸線に沿って配置され、接触エレメントを均等に分配する。連続したファイバ３２０は、明瞭化を図る目的で、固定具なしで示してある。しかしながら、連続したファイバ３２０は、これらのファイバを所望位置で整合し又は保持するための装置を必要とするということは容易に理解されるであろう。

格子３２２が形成された後、図７のブロック３０６に示すように、ポリマー製本体部分３２４をその場で型成形する準備ができる。プレートセパレーターの本体部分３２４は、支持部材３１２、３１４及び連続したファイバ３２０を包囲する。図９は、射出型ポリマー成形プロセスにおける格子構造３２２を示す。射出成形プロセス中、格子３２２は射出成形金型３１８のダイキャビティ３１６内に配置される。ダイキャビティ３１６（図８参照）には、第１成形面３２６及び第２成形面３２８が形成されている。第１成形面３２６には、セパレータープレートに複数の相補的ランドを形成する複数の溝が形成されている。同様に、第２成形面３２８には、複数の相補的ランドを形成する複数の溝が形成されている。このようにして、成形面３２６、３２８は、図１０に示すように、複合セパレータープレートの上下の表面に流れ場を型成形で形成する。格子３２２が金型キャビティ３１６内に適正に配置されると、従来の射出成形技術を使用してセパレータープレートを形成できる。

成形面３２６、３２８の形状及び従ってランドの形状は、連続したファイバ３２０の配向で重要な役割を果たす。プレートの形状を決定する上で溝の長さ、ランドの長さ、及び溝の深さといった多くのパラメータを使用するけれども、支持部材３１２、３１４を越えて延びるランドの余分の高さにより、連続したファイバ３２０はプレート面を横切る方向に向けられる。これに関し、図８乃至図１０に示す円弧状断面及び詳細には丸くなった頂部により、連続したファイバ２１０が成形面３２６、３２８の溝内に入るのである。かくして、成形面３２６、３２８は、連続したファイバ３２０の一部が内部にあるランド延長部３３０、３３２を形成するような形体を備えている。現在の好ましい余分のランド高さは、所望のセパレータープレートの厚さの１０％乃至５０％の範囲内にある。例えば、余分のランド高さは、厚さが２．０ｍｍのセパレータープレートに対し、０．２ｍｍ乃至１．０ｍｍである。

成形及び冷却の後、セパレータープレート３３４を金型３１８から取り出し、機械加工の準備をする。図７のブロック３０８に示す機械加工工程では、ランド延長部３３０、３３２を除去し、プレート３３４の厚さを減少し、連続したファイバ３２０の一部を切除する。ランド延長部３３０、３３２の除去によりランドの高さを減少し、露呈面を形成する。ランド延長部３３０、３３２が除去されると、ファイバの端子が露呈する。かくして、連続したファイバ３２０を切除することによりこれらの露呈面で終端する端部を形成する。これは、一次コレクタに関して良好な電気的及び熱的接触を提供する。

格子３２２での連続したファイバ３２０の配向のため、連続したファイバ３２０を切断することによって形成された導電性エレメントは、所望のプレート面を横切る配置で置かれる。ランド延長部３３０、３３２を除去する機械加工作業は、特定の複合材料及びその機械的特性で決まる任意の適当な機械加工方法によって行うことができる。これに関し、好ましい機械加工方法には、レーザー加工、ウォータージェット加工、フライス削り、舞カッティング、及びやすり掛けが含まれる。機械加工作業には、成形作業中に形成されるポリマースキンを除去する追加の利点がある。機械加工の完了時に完成した製品が形成される。この機械加工作業により、セパレータープレートの幾何学的寸法に対する良好な制御が得られる。

上文中に説明したように成形プロセスを使用してセパレータープレートのランド及びチャンネルを形成する。ブロック３０８に示す機械加工プロセスは、更に、流れ場の適正な寸法を得るためにランド及びチャンネルを機械加工する工程を含んでいてもよい。別の態様では、金型は、後に機械加工により所望の流れ場を形成する全体に平らなブランクを形成するような形体を備えていてもよい。このような変形例の流れ場製造手段は本発明の範疇にある。

代表的には、セパレータープレートに型成形した流れ場パターンの形状が、配向、及び従って熱伝導性及び導電性に大きな影響を及ぼす。例えば、２００１年５月３１日に出願された「ファイバの配向を制御した燃料電池セパレータープレート及びその製造方法」という表題の米国特許出願第０９／８７１，１８９号に開示されているように、別個のファイバ（即ち、セパレータープレートを通って連続的に延びていないファイバ）を使用するプレート設計は、流れ場の溝の幅を更に狭くし且つランドの幅を広くし、別個のファイバのプレート面を横切る配置を達成する。同特許出願に触れたことにより、この特許出願に開示された内容は本明細書中に含まれたものとする。しかしながら、本発明の製造プロセスは、ファイバの配向に対する流れ場の形状の影響が最小であり、一次コレクタと電気的及び熱的に良好に接触したプレートを通る連続した電路を提供する。更に、本発明は、流れ場の形状を様々に変化させることができる。ここに開示した好ましい実施例は全体に平行な支持部材及び全体に平行な流れチャンネルを持つセパレータープレートを含むが、本発明は、更に複雑な形状を持つプレート設計に容易に適用でき、支持部材に導電性ファイバを巻き付ける性能によってのみ制限される。更に、食い違った即ちオフセットした（即ち上ランド領域が下チャンネル溝の上にある）形状により、連続したファイバを使用できるということは当業者には理解されよう。

好ましい製造プロセスの以上の議論では、射出型の成形、更に詳細には、特定のランド延長部の詳細が上面及び下面に設けられたセパレータープレートを形成できるダイキャビティに言及した。しかしながら、圧縮成形又は射出圧縮成形等のこの他の従来の形成プロセスを使用してこのようなランド延長部を持つセパレータープレートを形成できるということは当業者には容易に理解されよう。このように、本発明は本明細書中に記載した射出成形技術に限定されず、他の適当な成形プロセスを含む。

機械加工後、図７のブロック３１０に示すように、高度に導電性の層をランドの平らな表面に沿って配置できる。高度に導電性の層は、上下の延長部３３０、３３２を除去した後、セパレータープレートに形成される。図４を参照して説明した高度に導電性の層は、十分な量の導電性粒子を接着することによって露呈面上に形成される。導電性粒子は、蒸着（ＰＶＤ又はＣＶＤ）、スプレー、ブラッシング、シフティング、流動誘導加熱浸漬、等によって露呈面に接着される。更に、高度に導電性の層は、露呈された上面上に衝突によって、又は単にポリマー材料が他着性状態にあるときに表面に付着することによって、形成できると考えられる。

本発明のセパレータープレートは、更に、導電性の細長い支持部材を配置する代わりに、空所又は通路（図５を参照して上文中に説明した）を備えたセパレータープレートを製造する追加の工程を含んでもよい。この方法では、ポリスチレン、アルミニウム、又はアルミナで形成された支持部材を図７のブロック３０２に示す工程で使用する。ランド延長部を除去した後、アセトンやＮａＯＨ等の適当な溶剤を使用して支持部材を溶解する。チューブが溶解した後、通路が主本体部分に残り、セパレータープレート内の熱エネルギを制御するためにクーラント流体を連結するように適合できる。ファイバが熱エネルギをクーラントに直接伝達するため、熱エネルギの伝達が高まる。

本発明の好ましい実施例の上述の説明は、単なる例であり、かくして本発明の要旨から逸脱しない変更は本発明の範疇に含まれる。このような変更は、本発明の精神及び範囲からの逸脱であるとは見なされない。

ＰＥＭ燃料スタックの概略分解斜視図である。 本発明に従って形成された双極プレートの第１実施例の部分断面図である。 本発明に従って形成された双極プレートの第２実施例の部分断面図である。 本発明に従って形成された双極プレートの第３実施例の部分断面図である。 本発明に従って形成された双極プレートの第４実施例の部分断面図である。 本発明に従って形成された単極セパレータープレートの部分断面図である。 本発明の好ましい製造プロセスを示すフローチャートである。 製造プロセスの図７のブロック３０４での複合セパレータープレートの一部を示す概略図である。 好ましい製造プロセスの図７のブロック３０６での複合セパレータープレートの一部の概略図である。 好ましい製造プロセスの図７のブロック３０８での複合セパレータープレートの一部の概略図である。

符号の説明

２０ ＰＥＭ燃料電池スタック
２２、２４ 膜電極アッセンブリ
２６ 無孔質導電性双極セパレータープレート
２８、３０ クランププレート
３２、３４ 単極セパレータープレート
３６、３８、４０、４２ チャンネル
４４、４６、４８、５０ 不導性ガスケット
５２、５４、５６、５８ 一次電流コレクタ
６０ 酸素貯蔵タンク
６２ 供給配管
６４ 水素貯蔵タンク
６６ 供給配管
６８、７０、７２ 配管

Claims (37)

1. 燃料電池用複合セパレータープレートにおいて、
   本体部分を備え、
   前記本体部分は、少なくとも一つの流れチャンネルが形成された第１表面と、前記第１表面と反対側の第２表面と、前記第１表面と前記第２表面に形成され前記プレートを貫通する通路と、複数の導電性エレメントを備え、
   前記導電性エレメントの各々は、前記第１表面で終端する第１端と前記第２表面で終端する第２端を備え、前記本体部の面を横切って貫通する方向に連続的に延びている複合セパレータープレート。
2. 請求項１に記載の複合セパレータープレートにおいて、前記本体部分は、更に、ポリマー材料を含む、複合セパレータープレート。
3. 請求項２に記載の複合セパレータープレートにおいて、前記ポリマー材料は、熱伝導性ポリマー材料である、複合セパレータープレート。
4. 請求項２に記載の複合セパレータープレートにおいて、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群から選択された材料である、複合セパレータープレート。
5. 請求項４に記載の複合セパレータープレートにおいて、前記ポリマー材料は、シリコーン、ポリイソブチレン、エポキシ、ポリビニルエステル、ポリエステル、及びフェノール樹脂からなる群から選択された材料である、複合セパレータープレート。
6. 請求項４に記載の複合セパレータープレートにおいて、前記ポリマー材料は、ポリプロピレン、ＥＴＦＥ、ナイロン、及びゴムで改質したポリプロピレンからなる群から選択された材料である、複合セパレータープレート。
7. 請求項２に記載の複合セパレータープレートにおいて、前記複数の導電性エレメントは、カーボンファイバ、グラファイトファイバ、金コーティンググラファイトファイバ、プラチナコーティンググラファイトファイバ、金ファイバ、プラチナファイバ、及びステンレス鋼ファイバからなる群から選択された、複合セパレータープレート。
8. 請求項１に記載の複合セパレータープレートにおいて、前記複合セパレータープレートは、５０容量％乃至９９容量％のポリマー材料及び１容量％乃至５０容量％の導電性ファイバを含む、複合セパレータープレート。
9. 請求項１に記載の複合セパレータープレートにおいて、前記第１端及び第２端の各々の断面積は、前記第１及び第２の表面の夫々の表面積の５％乃至５０％を占める、複合セパレータープレート。
10. 請求項１に記載の複合セパレータープレートにおいて、前記本体部分は、更に、複数の熱伝導性ポリマー粒子を含む、複合セパレータープレート。
11. 請求項１に記載の複合セパレータープレートにおいて、前記複合セパレータープレートのバルク抵抗は０．０１Ω・ｃｍ以下である、複合セパレータープレート。
12. 請求項１に記載の複合セパレータープレートにおいて、前記複合セパレータープレートの面積抵抗率は２０ｍΩ・ｃｍ以下である、複合セパレータープレート。
13. 請求項１に記載の複合セパレータープレートにおいて、前記複合セパレータープレートは、前記第１表面上に配置されており且つ前記複数の導電性エレメントと繋がった導体層を含む、複合セパレータープレート。
14. 請求項１３に記載の複合セパレータープレートにおいて、前記導体層は、金、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群から選択された少なくとも一つの材料を含む、複合セパレータープレート。
15. 請求項１に記載の複合セパレータープレートにおいて、前記第２表面には複数の流れチャンネルが形成されている、複合セパレータープレート。
16. 燃料電池スタックで使用するための複合セパレータープレートにおいて、
    複数の細長い支持部材と、
    前記支持部材の周囲に形成され、複数の流れチャンネルを持つ第１表面及びこの第１表面とは反対側の第２表面を持つ本体部分と、
    前記本体部分内に配置された複数の導電性ファイバと
    を備え、
    前記導電性ファイバの各々は、前記本体部分の前記第１表面から前記ポリマー本体部分の前記第２表面まで、前記本体部の面を横切る方向に連続的に延びている、複合セパレータープレート。
17. 請求項１６に記載の複合セパレータープレートにおいて、熱伝導性部材が前記第１表面に形成された前記流れチャンネルの各々の間に配置されている、複合セパレータープレート。
18. 請求項１７に記載の複合セパレータープレートにおいて、前記支持部材は熱伝導性部材を含む、複合セパレータープレート。
19. 請求項１８に記載の複合セパレータープレートにおいて、前記熱伝導性部材は、前記複合セパレータープレートの温度を制御するため、熱管理システムに作動的に連結されている、複合セパレータープレート。
20. 請求項１８に記載の複合セパレータープレートにおいて、前記熱伝導性部材は、更に、チューブ状部材を含む、複合セパレータープレート。
21. 請求項２０に記載の複合セパレータープレートにおいて、前記熱伝導性チューブ状部材から延び且つ前記第１表面で終端するヒートシンクを更に含む、複合セパレータープレート。
22. 請求項２０に記載の複合セパレータープレートにおいて、前記チューブ状部材は、カーボンを配合したポリマー、ステンレス鋼、熱伝導性ポリマー、カーボン、チタニウムを含む群から選択された少なくとも一つの材料を含む、複合セパレータープレート。
23. 請求項１６に記載の複合セパレータープレートにおいて、前記複数のファイバは熱伝導性である、複合セパレータープレート。
24. 請求項１６に記載の複合セパレータープレートにおいて、前記複合セパレータープレートは、前記第１表面上に配置されており且つ前記複数のファイバと接触した導体層を含む、複合セパレータープレート。
25. 請求項２４に記載の複合セパレータープレートにおいて、前記導体層は、金、プラチナ、グラファイト、カーボン、パラジウム、ロジウム、及びルテニウムからなる群から選択された少なくとも一つの材料を含む、複合セパレータープレート。
26. 請求項１６に記載の複合セパレータープレートにおいて、前記第２表面には複数の流れチャンネルが形成されている、複合セパレータープレート。
27. 燃料電池用複合セパレータープレートの製造方法において、
    複数の細長い支持部材を配置する工程と、
    複数の細長い支持部材及びこれらの支持部材間に配置された複数の連続した導電性ファイバを含む格子を形成する工程と、
    セパレータープレートを形成するように、ポリマー材料内に前記格子を包み込む工程と、
    前記セパレータープレートの第１表面に複数のチャンネルを形成する工程と、
    前記セパレータープレートの前記第１表面の一部を除去して第１露呈面を形成し、前記複数の連続したファイバを切除し、前記第１露呈面で終端する第１端を有する複数のフィラメントを形成する工程と、
    前記セパレータープレートの第２表面の一部を除去して第２露呈面を形成し、前記複数のフィラメントを切除し、前記第２露呈面で終端する第２端を有する複数の導電性エレメントを形成し、結果として形成された前記導電性エレメントの各々が、前記第１表面から前記第２表面まで、前記セパレータプレートの面を横切って貫通する方向に連続的に延びるようにする工程と、
    を含む複合セパレータープレート製造方法。
28. 請求項２７に記載の複合セパレータープレート製造方法において、前記格子を形成する工程は、前記ファイバを前記支持部材に通す工程を含む、複合セパレータープレート製造方法。
29. 請求項２７に記載の複合セパレータープレート製造方法において、前記格子を包み込む工程は、前記格子を金型キャビティ内に配置し、ポリマー材料を金型キャビティ内に注入する工程を含む、複合セパレータープレート製造方法。
30. 請求項２９に記載の複合セパレータープレート製造方法において、前記金型キャビティは、複数のチャンネルを前記第１表面に形成するための複数のランドキャビティを持つ第１成形面を含む、複合セパレータープレート製造方法。
31. 請求項２７に記載の複合セパレータープレート製造方法において、前記第１及び第２の表面の少なくとも一部を除去する前記工程は、前記本体部分の厚さを少なくとも１５％減少する工程を含む、複合セパレータープレート製造方法。
32. 請求項２７に記載の複合セパレータープレート製造方法において、前記第１及び第２の表面の一部を除去する前記工程は、機械加工作業によって行われる、複合セパレータープレート製造方法。
33. 請求項３２に記載の複合セパレータープレート製造方法において、前記機械加工作業は、レーザー加工、ウォータージェット加工、フライス削り、舞カッティング、及びやすり掛けを含む機械加工作業群から選択される、複合セパレータープレート製造方法。
34. 請求項２７に記載の複合セパレータープレート製造方法において、導電体層を前記第１露呈面に適用する工程を更に含む、複合セパレータープレート製造方法。
35. 請求項２７に記載の複合セパレータープレート製造方法において、前記細長い支持部材を除去し、前記セパレータープレートを通る複数の通路を形成する工程を更に含む、複合セパレータープレート製造方法。
36. 請求項２７に記載の複合セパレータープレート製造方法において、前記第１露呈面の一部を除去する前記工程は、前記支持部材の一部を前記第１露呈面のところで露呈する、複合セパレータープレート製造方法。
37. 請求項２７に記載の複合セパレータープレート製造方法において、前記セパレータープレートの前記第２表面に複数のチャンネルを形成する工程を更に含む、複合セパレータープレート製造方法。

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