JP2005532666A - エラストマーセパレータプレートおよび製造方法 - Google Patents

Abstract

プロトン交換膜燃料電池に使用される導電性フローフィールドセパレータプレートを開示する。このプレートは、フレーム部分と、フレーム内の中央の平面部分と、中央の平面部分の表面に形成されたフローフィールドとを含む。フレーム部分は、隣接した燃料電池コンポーネントとシールを形成するようにエラストマーであり、それにより、別個のシーリングエレメントの使用を排除する。フレームおよび中央の平面部分は、単一構造であり、かつエラストマー約１０ｗｔ％〜約５０ｗｔ％および導電性充填剤約５０ｗｔ％〜約９０ｗｔ％を含む。

Description

本発明は、プロトン交換膜燃料電池に使用される改善された導電性フローフィールドセパレータプレート、およびそのようなプレートを製造する方法に関する。特に、本発明のプレートは、別個のシーリングガスケットを必要とすることなく、プレート／膜界面で優れたシーリングをもたらすようにエラストマーであり、また、プレート／ＭＥＡ（膜電極アセンブリ）界面でエラストマー接触および保護をもたらす。

燃料電池のコストは、より大規模で商業的に実用的になるためには劇的に低減されなければならない。プレート上にフローフィールドを形成するコストを含むフローフィールドプレートのコストは、燃料電池内で総コストのかなりの部分を示す。したがって、フローフィールドプレートのコスト低減は、燃料電池がより大規模で商業的に実用的になるのを可能にするためには必須である。コスト低減は、プレートを製造するために使用される材料のコストを低減する、プレートの製造に関連した製造コストを低減する、および／または同じ燃料電池がより効率的に電力を発生するおよび／または同じ燃料電池内でより多くの電力を発生することができるように燃料電池内のプレートの機能／性能を改善することを含むいくつかの方法で明示することができる。典型的には、フローフィールドプレートにおける開発は、材料コストおよび／または製造コストを低減し、一方、使用中の性能を弱めることによって、トレードオフを最適化することを試みている。

典型的なプロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池は、いくつかのコンポーネントを含む。これらのコンポーネントは、典型的には、膜と、ガス拡散電極として知られている膜のアノード側およびカソード側の触媒層と、各側のガス拡散バッキングとを含む。膜、電極層、およびガス拡散バッキングは、ともに積層されて、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を作る。各ＭＥＡは、２つの熱伝導性かつ導電性フローフィールドプレートの間にシールされる。シールは、典型的には、テフロン（ＴＥＦＬＯＮ）（登録商標）フィルム、シリコーン、または、デュポン・ダウ・エラストマー（ＤｕＰｏｎｔ Ｄｏｗ Ｅｌａｓｔｏｍｅｒｓ）から入手可能なバイトン（ＶＩＴＯＮ）（登録商標）フルオロエラストマーなどの何らかのエラストマー材料から製造された別個のガスケットコンポーネントによって作られる。次に、各燃料電池は、必要な電圧および電力出力を達成するために他の電池と「積重ねられて」、燃料電池スタックを形成する。各スタックは、個別の電池の間の良好な電気的接触を確実にするために圧縮荷重をかけられる。

動作中、燃料が、導電性フローフィールドプレートのフローフィールドチャネルを通って電池のアノード側に導入される。チャネルは、電池の活性領域を横切って燃料を均一に分配する。次に、燃料はアノードのガス拡散バッキングを通過し、アノード触媒層に移動する。空気または酸素が電池のカソード側に導入され、それはカソードのガス拡散バッキングを通ってカソード触媒層に移動する。両方の触媒層は、貴金属触媒、炭素粒子、イオン伝導性ナフィオン（ＮＡＦＩＯＮ）（登録商標）粒子を含有する多孔質構造であり、いくつかの場合には、特別に工作された疎水性領域および親水性領域である。アノード側で、燃料は電気化学的に酸化されて、プロトンおよび電子を発生する。カソード触媒サイトで酸素と反応するために、プロトンは、アノード側から、イオン伝導性電解質膜を横切って、最終的にカソード側に移動しなければならない。アノード側で発生された電子は、導電性多孔質ガス拡散バッキングを通って、導電性フローフィールドプレートに導かれなければならない。アノードにおけるフローフィールドプレートが外部回路によってカソードにおけるフローフィールドプレートと接続されるとすぐ、電子はアノードから回路を通ってカソードに流れる。カソード側の酸素はプロトンおよび電子を結合して、電気化学反応の副生成物として水を形成する。電池の効率的な動作を持続するために、副生成物はカソード側のフローフィールドプレートによって絶えず除去されなければならない。水素が燃料として使用される場合には水が唯一の副生成物であるが、メタノールが燃料として使用される場合には水および二酸化炭素が副生成物である。

フローフィールドセパレータプレートは、各燃料電池の外側のコンポーネントであり、ガス拡散バッキング層と接触している。このプレートは、バイポーラ燃料電池スタックに使用されるときバイポーラプレート（ＢＰＰ）と呼ばれる。ＢＰＰは、それらの構成の材料に並はずれた要求をする多くの機能を提供する。ＢＰＰは、「フローフィールド」と呼ばれる、それらの表面に形成されたチャネルを有する。フローフィールドは、燃料電池の活性領域を横切る流体流れを最適化し、それにより燃料電池性能を高めるように設計された精密工作されたチャネルである。過去１０年にわたって達成された１ｍ^２あたりのｋＷの電力密度における劇的なゲインは、大部分、改善されたフローフィールド設計による。ＢＰＰは、また、活性層から外部負荷に電子および熱を伝導するように機能し、かつ、高度に腐食性の環境において長い動作寿命にわたってこの伝導性を維持しなければならない。ガス拡散バッキングとプレートとの間の界面における導電性および熱伝導性の両方が、燃料電池抵抗を最小にするためにきわめて重要である。ＢＰＰは、さらに、バイポーラ燃料電池スタック設計における酸化剤および燃料の物理的分離をもたらし、かつ、安全な動作を確実にするためにスタックの寿命全体にわたってこの分離を維持しなければならない。

ＢＰＰは、各燃料電池内および全体としての燃料電池スタック内で構造的一体性をもたらす。構造的一体性は、燃料電池スタックの寿命の間、各燃料電池内で適切なシールを維持するために、燃料電池スタックに不可欠である。構造的一体性は、また、燃料電池の活性領域を横切って均一な圧縮応力をもたらし、それにより燃料電池スタックの最適性能を維持するために重要である。燃料電池におけるそれらの多目的役割のため、ＢＰＰは、満たすべきいくつかの要件がある。ＢＰＰは、化学的に反応性の燃料電池環境において、良好な導電性、良好な機械的または構造的特性、および高い化学的安定性を有さなければならない。それらのガス分配役割のため、ＢＰＰは、好ましくは、ガス不透過性材料から製造され、かつ、その表面を横切る複雑なガス送出チャネルが形成されなければならない。

いくつかの水素ベースのＰＥＭ燃料電池において、ＢＰＰは、また、「水輸送プレート」として作用する。ナフィオン（登録商標）膜は、機能するために水を必要とする。これらの水輸送プレートは、水透過性、ならびに比較的水素不透過性および空気不透過性にされる。電池のカソード側で生じた水は、プレートを通って、バイポーラスタック設計の次の電池のアノード側に輸送される。内部で生じた水は、膜を湿らせるためにアノード側で用いられる。このアプローチは、分離膜加湿サブシステムの必要を排除し、それにより、バランスオブプラント（ｂａｌａｎｃｅ−ｏｆ−ｐｌａｎｔ）要件を簡単にする。

導電性フローフィールドプレートの性能要件および燃料電池内部の攻撃的な条件のため、導電性フローフィールドプレートを構成するための材料選択が限られる。一般に、黒鉛が、その高い導電性および耐腐食性のため、導電性フローフィールドプレートに使用されている。しかし、黒鉛は、典型的には、厚さ６ｍｍのスラブで生成され、重量およびバルクの両方を燃料電池に加え、かつ使用中その電力密度を減少させる。さらに、黒鉛プレート上にフローフィールドを機械加工することは、費用効果的でない。

燃料電池プレートのさまざまな要件を解決しようとする過去の試みは、また、金属プレートの使用を含んでいる。金属プレートの使用は、電池あたりのより高い重量、より高い機械加工コスト、およびおそらくは腐食問題をもたらす。

バインダーとしての可塑性ポリマーとともに製造された炭素／黒鉛複合体が、フローフィールドプレートにおける従来の材料の見込みのある代替物として長く特定されている。バークス（Ｂａｌｋｓ）らの米国特許公報（特許文献１）に、強度を増加させ、かつ高い導電性を維持するために炭素繊維で強化された、黒鉛と熱可塑性フルオロポリマー粒子との成形された凝集体を含む、電気化学電池用バイポーラ集電体プレートが開示されている。

現在の燃料電池スタック設計において、導電性フローフィールドプレートと膜との間に、界面におけるいかなる燃料漏れも防止し、かつ、燃料スタックに加えられた締付け力によって引起されるＭＢＡの圧縮損傷を防止するために、バイトン（登録商標）から製造されたエラストマーガスケットなどのシーリングガスケットを使用しなければならない。各界面でシーリングガスケットを有する必要は、燃料電池設計を複雑にすることによって、また、燃料電池スタックを製造するための製造サイクル時間を増加させることによって、燃料電池スタックのコストを増加させる。

ラフォレット（Ｌａｆｏｌｌｅｔｔｅ）の米国特許公報（特許文献２）は、長い炭素ストランドと、炭素粒子の充填剤と、フルオロエラストマーとの複合体を含むバイポーラプレートを開示している。しかし、バイポーラプレートの周りにシールを作るために、別個のシーリング材料が必要である。

ここで引用された特許／出願すべての開示を参照により本明細書に援用する。

米国特許第４，３３９，３２２号明細書 米国特許第５，５３６，５９８号明細書 米国特許第５，８５８，５６９号明細書

したがって、燃料電池に使用される導電性フローフィールドセパレータプレートと膜との間の別個のシーリングガスケットの必要を排除するか、または少なくとも低減する必要が依然としてある。

本発明の導電性フローフィールドセパレータプレートは、導電性であるだけでなく、それらのフレーム部分がエラストマーであり、それにより、燃料電池スタックにおいて、プレートのフレーム部分が、プレート／膜界面で優れたシーリング機能をもたらし、したがって、別個のシーリングガスケットの必要を排除する。任意に、プレートの中央部分もエラストマーであってもよく、それにより、プレートの高い弾性が、電池の活性領域にわたってＭＥＡの圧縮損傷を防止するのを助ける。したがって、燃料電池スタック設計がより簡単になり、燃料電池スタックを製造するコストが低くなる。

本発明の一態様によれば、フレーム部分と、フレーム部分内の中央の平面部分と、中央の平面部分の表面に形成されたフローフィールドとを含む、プロトン交換膜燃料電池に使用される導電性フローフィールドセパレータプレートであって、フレーム部分が、隣接した燃料電池コンポーネントとシールを形成することができるようにエラストマーであり、それにより、別個のシーリングエレメントの使用を排除することを特徴とする導電性フローフィールドセパレータプレートが提供される。任意に、中央部分も、電池活性領域にわたってプレート／ＭＥＡ界面にエラストマー接触保護をもたらすことができるようにエラストマーである。

本発明の第２の態様によれば、プロトン交換膜燃料電池に使用される導電性フローフィールドセパレータプレートを製造する方法であって、プレートが、フレーム部分と、フレーム部分内の中央の平面部分と、中央の平面部分の表面に形成されたフローフィールドとを含み、方法が、
（ａ）エラストマーおよび充填剤の総量を基準にして、エラストマー約１０ｗｔ％〜約５０ｗｔ％および導電性充填剤約５０ｗｔ％〜約９０ｗｔ％、ならびに有効量の架橋剤を混合して、ブレンドを形成する工程と、
（ｂ）十分な熱および圧力を加えることによってブレンドを成形し、同時に架橋して、プレートを形成する工程とを含み、
フレーム部分が、隣接した燃料電池コンポーネントとシールを形成することができるようにエラストマーであり、それにより、別個のシーリングエレメントの使用を排除することを特徴とする方法が提供される。

本発明の好ましい実施形態を、いくつかの図において同じ符号が同じ部分を指す添付の図面を参照して説明する。

ここで、本発明の好ましい実施形態を、添付の図を参照して説明する。

図１を参照すると、本発明の好ましい方法によって製造された好ましい導電性フローフィールドセパレータプレート１０が示されている。プレート１０は、形状が略正方形であるとして示されているが、矩形および円形などの他の形状を用いることができることが理解されるであろう。プレート１０は、プレートの周囲のフレーム部分１２と、中央の平面部分１４とを含む。プレート１０は、また、反応物を燃料電池に分配し、電池から反応生成物を取出すためのさまざまなマニホルドホール１６を含む。中央部分１４は、また、反応物の分配および反応生成物の取出しのためのフローフィールドパターン（図示せず）を含む。フローフィールドパターンの一例が、米国特許公報（特許文献３）に記載されており、これを参照により本明細書に援用する。

フレーム部分１２および中央の平面部分１４は、好ましくは、単一構造であり、導電性エラストマー組成物から製造される。エラストマー組成物は、高度に導電性にされ、それにより、プレート１０は、燃料電池において、集電体とも呼ばれるセパレータプレートとして使用することができる。エラストマープレート１０は、多数の機能、すなわち、集電、シーリング、およびＭＥＡ損傷の防止を行う。本発明によって製造されたプレート１０は、燃料電池スタック設計をより簡単にし（図２および図３を参照のこと）、燃料電池スタック製造をより安価にする。プレート１０は、圧縮成形、射出成形、押出、またはトランスファ成形などの成形プロセスを用いて成形することができる。フローフィールドパターン／チャネルを、中央の平面部分１４の片面または両面上に直接成形することができる。あるいは、プレート１０が成形された後、フローフィールドチャネルを表面上に機械加工してもよい。エラストマー導電性プレート１０は、一般に、総断面厚さが約０．５ｍｍ〜約５ｍｍである。

プレート１０は、エラストマー樹脂と、導電性充填剤とを含む組成物から製造される。好ましいプレート組成物は、エラストマーおよび充填剤の総量を基準にして、エラストマー樹脂約１０〜約５０ｗｔ％、より好ましくは約１５〜約３０ｗｔ％、および導電性充填剤約５０〜約９０ｗｔ％、より好ましくは約７０〜約８５ｗｔ％を含む。

好ましいエラストマー樹脂としては、架橋可能な熱可塑性エラストマー、塩素化エラストマー、フッ素化エラストマー、シリコーンエラストマー、エチレン−ポリエチレン−ジエン−モノマーエラストマー、天然ブチルゴム、ならびにオレフィン系エラストマー、ポリアミドベースのエラストマー、ポリエステルベースのエラストマー、およびスチレン系（ｓｔｙｒｅｎｉｃ）エラストマー、ならびにこれらのエラストマーの混合物が挙げられる。

本発明に使用してもよい架橋可能な熱可塑性エラストマーとしては、デュポン・ダウ・エラストマー（ＤｕＰｏｎｔ−Ｄｏｗ Ｅｌａｓｔｏｍｅｒｓ）からのカルトレズ（ＫＡＬＴＲＥＺ）（登録商標）ペルフルオロエラストマー、バイトン（ＶＩＴＯＮ）（登録商標）フルオロエラストマー、ハイパロン（ＨＹＰＡＬＯＮ）（登録商標）クロロスルホン化ポリエチレン、ノーデル（ＮＯＲＤＥＬ）（登録商標）ＩＰ炭化水素ゴム、タイリン（ＴＹＲＩＮ）（登録商標）塩素化ポリエチレン、およびエンゲージ（ＥＮＧＡＧＥ）（登録商標）ポリオレフィンエラストマーが挙げられる。

本発明に使用される好ましい塩素化エラストマーは、ハイパロン（Ｈｙｐａｌｏｎ）（登録商標）としてデュポン・ダウ・エラストマーから入手可能なクロロスルホン化ポリエチレンである。ハイパロン（登録商標）クロロスルホン化ポリエチレンは、高性能を必要とする用途における厳しい環境での長い寿命を示している。それは、典型的なＰＥＭ燃料電池において見出される熱および酸性環境に耐えることができる。

好ましいフッ素化エラストマーは、デュポン・ダウ・エラストマーから入手可能なバイトン（登録商標）フルオロエラストマーおよびカルトレズ（登録商標）ペルフルオロエラストマーである。それらは、それらの優れた耐熱性および攻撃的な化学物質に対する耐性について周知である。それらは、非常に厳しい環境における高性能および長期間の信頼性をもたらす。それらの熱エージングに対する耐性、ならびに広範囲の燃料、溶剤、および化学物質により、それらは、多くの要求の厳しい用途にとって理想的になる。

ＥＰＤＭゴム（エチレン−ポリエチレン−ジエン−モノマー）は、それらの優れた耐候性および耐エージング性について周知である。それらは、また、優れた耐水性および耐蒸気性を有し、低温でそれらの可撓性を維持し、かつ優れた耐酸性を特徴とする。

シリコーンエラストマーは、優れたオゾン、日光、および酸化に対する耐性を特徴とする。それらは、また、低温で優れた可撓性を維持し、かつ良好な耐高熱性を有する。

成形組成物の第２の成分は、導電性充填剤である。本発明によれば、導電性充填剤は、導電性を最終の成形されたエラストマープレートに付与する。本発明に有用な導電性充填剤としては、導電性黒鉛粉末、黒鉛繊維、カーボンブラック、炭素繊維、導電性セラミック充填剤、金属充填剤、金属コーティングされた充填剤、および固有導電性ポリマー（ＩＣＰ）が挙げられる。黒鉛の具体的な例として、天然黒鉛、合成黒鉛、および黒鉛繊維を挙げることができる。

本発明の好ましい形態において、プレート用の複合体は、長さが約５０〜約２５０ミクロンの黒鉛繊維を含む。典型的には、繊維の平均直径は、８〜１５ミクロンの範囲内である。黒鉛繊維は、市販の易流動性（ｆｒｅｅ ｆｌｏｗｉｎｇ）繊維のいずれかから選択することができる。黒鉛繊維は、ピッチベースまたはＰＡＮベースであることができる。繊維製造プロセスにおいて、繊維は、高い黒鉛純度のために非常に高温で黒鉛化される。黒鉛粉末は、フレークまたは球（ｓｐｈｅｒｉｃａｌｓ）の形態の合成または天然黒鉛粉末から選択してもよく、好ましくはフレークの形態である。黒鉛粉末の基準（ｒｅｆｅｒｒｅｄ）粒度は、約２０〜２５０ミクロンである。

他の既知の添加剤も、成形組成物に加えてもよい。これらの添加剤としては、過酸化物または硫黄などの架橋剤、マグネシアなどの酸受容体、ハロゲン化炭化水素などの難燃剤、塩素化パラフィンなどの可塑剤、ステアリン酸などの加工助剤が挙げられる。これらの添加剤の総量は、通常、使用されるエラストマー１００重量部を基準にして、０．１〜２０重量部の範囲内である。架橋剤は、エラストマー組成物の処理における重要な添加剤である。架橋反応は、組成物の混合または配合段階ではなく成形段階で起こらなければならない。架橋剤の量は、エラストマー１００重量部を基準にして、通常０．１〜１０重量部、好ましくは０．１〜５重量部の範囲内である。

導電性プレート１０を製造するための成形組成物は、二軸押出機、バス・ニーダ（Ｂｕｓｓ Ｋｎｅａｄｅｒ）（商標）、バッチミキサ（ブラベンダー（Ｂｒａｂｅｎｄｅｒ）（登録商標）またはバンバリー（Ｂａｎｂｕｒｙ）（登録商標）ミキサ）、またはローラミル（２つ以上のローラを備えた）などの配合機によって、エラストマー樹脂、導電性充填剤、および任意の添加剤（架橋剤など）を混合することによって調製される。より好ましい実施形態において、最初に、エラストマー樹脂および添加剤が混合され、次に、樹脂／添加剤が均質に混合および溶融されたとき、導電性充填剤が加えられる。均質な未硬化の樹脂／充填剤／添加剤混合物が、混合／配合工程から得られる。

好ましくは、混合／配合温度は、約２０〜約１００℃、最も好ましくは約４０〜約８０℃の範囲内である。混合／配合は、約０．１〜約３０分、好ましくは約０．５〜約２０分間行われる。混合温度および持続期間は、好ましくはこの混合工程の間架橋が発生しないように制御される。

プレート１０は、均質な成形組成物混合物を圧縮モールドに移送し、プレート形態を形成するためにモールドに十分な圧力を加え、モールドを組成物中の架橋剤の架橋反応温度に加熱することによって成形される。十分な架橋後、形成されたプレートは、モールドから取出される。フローフィールドを備えたまたは備えていない成形された導電性プレートが、成形（硬化）工程から得られる。

好ましくは、成形温度は、約１２０〜約２００℃、好ましくは約１５０〜約１８０℃の範囲内である。成形は、一般に約０．１〜約６０分、好ましくは約０．５〜約２０分かかる。

結果として生じる導電性フローフィールドセパレータプレート１０は、バルク抵抗率が１０オーム−ｃｍ未満であり、かつ、任意の所望の形状、好ましくは、正方形、矩形、または円形であることができる。これらの導電性プレート１０は、燃料電池、バッテリ、および他の電気化学デバイスにおける適用のために、セパレータプレート、モノポーラプレート、またはバイポーラプレートとも呼ばれる集電体として使用することができる。そのうえ、この組成物は、良好な熱伝導性を有し、したがって、熱伝導性ゴムとして使用することができる。

図２は、アノードセパレータプレート３０と、カソードセパレータプレート３２と、ガス拡散層３４および３６と、触媒層３８および４０と、プロトン交換膜４６と、シーリングガスケット４２および４４とを含む先行技術のプロトン交換膜燃料電池を示す。シーリングガスケット４２および４４は、セパレータプレート３０および３２と膜４６との間に効果的なシールを提供するために必要である。図３において、シーリングガスケットが不要な、本発明からのエラストマーセパレータプレートを使用する好ましい燃料電池が示されている。アノードセパレータプレート５０およびカソードセパレータプレート５２は、本発明によって製造され、したがって、エラストマーフレーム部分を有する。したがって、効果的なシールが、プレート５０および５２とプロトン交換膜５４との間に作られる。同時に、好ましい実施形態において、層５４、５６、５８、６０、および６２を含むＭＥＡも、セパレータプレート５０および５２の中央部分のエラストマー性質によって十分に保護される。

次の実施例は、本発明の好ましい方法のさまざまな利点を例示する。

（実施例１）
成形組成物を次の成分で調製した。
ａ．８０ｗｔ％の合成黒鉛粉末
ｂ．３％の酸化マグネシウム（安定剤）
ｃ．１．２％のバルカップ（Ｖｕｌｃｕｐ）（登録商標）過酸化物（架橋剤）、および
ｄ．１５．８％のハイパロン（Ｈｙｐａｌｏｎ）６５２５（登録商標）塩素化ポリエチレン

全成分を３４℃における２ローラミル上に加え、ミルが回転し、かつ材料が混合されている間、２つのローラの間のギャブ（ｇａｂ）を０．０１インチ〜０．０８インチに調整した。混合／配合プロセスを２０分間続け、次に、配合された混合物を収集した。

次に、配合された混合物を６インチ×６インチ×０．０７５インチのモールドキャビティ内に入れ、モールドを１７６℃に加熱した。モールドの温度が１７６℃に達すると、４０００ＰＳＩの圧力を２０分間モールドに加えた。次に、圧力を解放し、成形された平坦なプレートをモールドから取出した。

次に、成形されたプレートのバルク抵抗率を標準的な４点プローブ（Ｆｏｕｒ Ｐｏｉｎｔ Ｐｒｏｂｅ）方法で測定した。プレートのバルク抵抗率は、０．１２オーム−ｃｍと測定された。

（実施例２）
成形されたプレートのシーリング能力を、最初に、成形されたプレート（１つのアノードプレートおよび１つのカソードプレート）の表面上に標準的な蛇状チャネルを機械加工することによってテストした。次に、プレートを、ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）１１７（登録商標）膜が２つのプレートの間に挟まれた状態で、燃料電池（１００ｃｍ^２の活性領域）に組立てた。シーリングガスケットを使用しなかった。圧縮空気を組立てられた電池に加え、漏れテストを行った。８ＰＳＩ（ゲージ圧力）未満の通常の動作圧力の範囲内で空気漏れは見出されなかった。

本発明を、その好ましい実施形態に関して、および実施例において、示し説明したが、特許請求の範囲で規定されるような本発明の実体および範囲から逸脱することなく、他の変更、修正、追加、および省略を行ってもよいことが、当業者によって理解されるであろう。

本発明のエラストマー導電性セパレータプレートの好ましい実施形態の概略図である。 プレートと膜との間のシーリングガスケットを示す先行技術の１つのＰＥＭ燃料電池の概略断面図である。 シーリングガスケットのない、本発明のエラストマーセパレータプレートを備えた１つのＰＥＭ燃料電池の好ましい実施形態の概略断面図である。

Claims (26)

1. フレーム部分と、前記フレーム部分内の中央の平面部分と、前記中央の平面部分の表面に形成されたフローフィールドとを含む、プロトン交換膜燃料電池に使用される導電性フローフィールドセパレータプレートであって、前記フレーム部分が、隣接した燃料電池コンポーネントとシールを形成することができるようにエラストマーであり、それにより、別個のシーリングエレメントの使用を排除することを特徴とする導電性フローフィールドセパレータプレート。
2. 前記中央の平面部分がエラストマーであることを特徴とする請求項１に記載の導電性フローフィールドセパレータプレート。
3. 前記フレーム部分および前記中央の平面部分が、異なった構造または単一構造であり、前記フレーム部分および任意に前記中央の平面部分が、
   （ａ）エラストマーおよび充填剤の総量を基準にして、エラストマー約１０ｗｔ％〜約５０ｗｔ％および導電性充填剤約５０ｗｔ％〜約９０ｗｔ％と、
   （ｂ）有効量の架橋剤とを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の導電性フローフィールドセパレータプレート。
4. 前記フレーム部分および前記中央の平面部分が、単一構造であり、
   （ａ）エラストマーおよび充填剤の総量を基準にして、エラストマー約１５ｗｔ％〜約３０ｗｔ％および導電性充填剤約７０ｗｔ％〜約８５ｗｔ％と、
   （ｂ）有効量の架橋剤とを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の導電性フローフィールドセパレータプレート。
5. 前記エラストマー１００重量部を基準にして、前記架橋剤約０．１〜約１０重量部を含むことを特徴とする請求項３または４に記載の導電性フローフィールドセパレータプレート。
6. 前記エラストマー１００重量部を基準にして、前記架橋剤約０．１〜約５重量部を含むことを特徴とする請求項３または４に記載の導電性フローフィールドセパレータプレート。
7. 前記エラストマー１００重量部を基準にして、酸受容体、難燃剤、可塑剤、加工助剤、加硫剤、およびそれらの混合物からなる群から選択される１種または複数種の添加剤約０．１〜２０重量部をさらに含むことを特徴とする請求項３〜６のいずれか一項に記載の導電性フローフィールドセパレータプレート。
8. 前記エラストマーが、架橋可能な熱可塑性エラストマー、塩素化エラストマー、フッ素化エラストマー、シリコーンエラストマー、ＥＰＤＭゴム、天然ブチルゴム、およびそれらの混合物からなる群から選択されることを特徴とする請求項３〜７のいずれか一項に記載の導電性フローフィールドセパレータプレート。
9. 前記導電性充填剤が、導電性黒鉛粉末、黒鉛繊維、カーボンブラック、炭素繊維、導電性セラミック充填剤、金属充填剤金属コーティングされた充填剤、固有導電性ポリマー、およびそれらの混合物からなる群から選択されることを特徴とする請求項３〜７のいずれか一項に記載の導電性フローフィールドセパレータプレート。
10. 前記エラストマーが塩素化エラストマーであり、前記導電性充填剤が、黒鉛粉末、黒鉛繊維、およびそれらの混合物から選択されることを特徴とする請求項３〜７のいずれか一項に記載の導電性フローフィールドセパレータプレート。
11. 前記中央の平面部分の両面上にフローフィールドを含むことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の導電性フローフィールドセパレータプレート。
12. バルク抵抗率が１０オーム−ｃｍ未満であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の導電性フローフィールドセパレータプレート。
13. プロトン交換膜燃料電池に使用される導電性フローフィールドセパレータプレートを製造する方法であって、前記プレートが、フレーム部分と、前記フレーム部分内の中央の平面部分と、前記中央の平面部分の表面に形成されたフローフィールドとを含み、前記方法が、
    （ａ）エラストマーおよび充填剤の総量を基準にして、エラストマー約１０ｗｔ％〜約５０ｗｔ％および導電性充填剤約５０ｗｔ％〜約９０ｗｔ％、ならびに有効量の架橋剤を混合して、ブレンドを形成する工程と、
    （ｂ）十分な熱および圧力を加えることによって前記ブレンドを成形して、前記プレートを形成する工程とを含み、
    前記フレーム部分が、隣接した燃料電池コンポーネントとシールを形成することができるようにエラストマーであり、それにより、別個のシーリングエレメントの使用を排除することを特徴とする方法。
14. 工程（ａ）において、エラストマーおよび充填剤の総量を基準にして、エラストマー約１５ｗｔ％〜約３０ｗｔ％および導電性充填剤約７０ｗｔ％〜約８５ｗｔ％を混合して、前記ブレンドを形成することを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. 前記エラストマー１００重量部を基準にして、前記架橋剤約０．１〜約１０重量部を混合して、前記ブレンドを形成することを特徴とする請求項１３または１４に記載の方法。
16. 前記エラストマー１００重量部を基準にして、前記架橋剤約０．１〜約５重量部を混合して、前記ブレンドを形成することを特徴とする請求項１３または１４に記載の方法。
17. 工程（ａ）において、前記エラストマー１００重量部を基準にして、酸受容体、難燃剤、可塑剤、加工助剤、加硫剤、およびそれらの混合物からなる群から選択される１種または複数種の添加剤約０．１〜２０重量部を混合することを特徴とする請求項１３〜１６のいずれか一項に記載の方法。
18. 前記エラストマーが、架橋可能な熱可塑性エラストマー、塩素化エラストマー、フッ素化エラストマー、シリコーンエラストマー、ＥＰＤＭゴム、天然ブチルゴム、およびそれらの混合物からなる群から選択されることを特徴とする請求項１３〜１７のいずれか一項に記載の方法。
19. 前記導電性充填剤が、導電性黒鉛粉末、黒鉛繊維、カーボンブラック、炭素繊維、導電性セラミック充填剤、金属充填剤金属コーティングされた充填剤、固有導電性ポリマー、およびそれらの混合物からなる群から選択されることを特徴とする請求項１３〜１７のいずれか一項に記載の方法。
20. 前記エラストマーが塩素化エラストマーであり、前記導電性充填剤が、黒鉛粉末、黒鉛繊維、およびそれらの混合物から選択されることを特徴とする請求項１３〜１７のいずれか一項に記載の方法。
21. 前記中央の平面部分の表面上にフローフィールドを形成する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１３〜２０のいずれか一項に記載の方法。
22. 前記プレートのバルク抵抗率が１０オーム−ｃｍ未満であることを特徴とする請求項１３〜２１のいずれか一項に記載の方法。
23. 工程（ａ）が、約２０〜約１００℃の混合温度で、約０．１〜約６０分の混合時間行われることを特徴とする請求項１３〜２２のいずれか一項に記載の方法。
24. 工程（ａ）が、約４０〜約８０℃の混合温度で、約０．５〜約２０分の混合時間行われることを特徴とする請求項１３〜２２のいずれか一項に記載の方法。
25. 工程（ｂ）が、約１２０〜約２００℃の成形温度で、約０．１〜約６０分の成形時間行われることを特徴とする請求項１３〜２４のいずれか一項に記載の方法。
26. 工程（ｂ）が、約１５０〜約１８０℃の成形温度で、約５〜約２０分の成形時間行われることを特徴とする請求項１３〜２４のいずれか一項に記載の方法。
    

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