JP2007511057A - Ｐｅｍ燃料電池のバイポーラプレート用の低接触抵抗結合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電気化学的電池のスタックで使用するためのセパレーターアッセンブリを提供する。
【解決手段】本セパレーターアッセンブリは、第１表面を持つ導電性第１金属基材及び第２表面を持つ導電性第２金属基材を有し、第１及び第２の表面の各々には極薄の導電性金属コーティングが被せられる。第１及び第２の表面は、第１及び第２の層の金属コーティングが互いに接触する領域に導電性経路を形成する。金属コーティングを被せた表面の接触は、第１及び第２の基材を互いに接合するのに十分である。好ましい金属コーティングは金（Ａｕ）を含む。更に、このようなセパレーターアッセンブリを形成する方法を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池に関し、更に詳細には、このような燃料電池の導電性セパレーターアッセンブリ及びその製造に関する。

電気自動車等用の電源として燃料電池が提案されてきた。一つの周知の燃料電池は、一方の面にアノードが設けられており且つ反対側の面にカソードが設けられた薄い中実のポリマー膜電解質を持ついわゆる「膜電極アッセンブリ」を含むＰＥＭ（即ち陽子交換膜）燃料電池である。アノード及びカソードは、代表的には、内面及び外面に触媒微粒子を備えたカーボンの微粒子を含み、陽子伝導性材料が触媒粒子及びカーボン粒子と混合してある。

膜電極アッセンブリは、アノード及びカソード用の電流コレクタとして役立つ一対の導電性接触エレメント間に挟まれる。これらのエレメントには、燃料電池の気体状反応体（即ちＨ２及びＯ２／空気）をアノード及びカソードの夫々の表面上に分配するための適当なチャンネル及び開口部が含まれる。

バイポーラＰＥＭ燃料電池は、互いに電気的に直列に積み重ねられており且つバイポーラプレート又はセパレータープレート又は隔壁として周知の不透過性で導電性の接触エレメントによって互いに離間された複数の膜電極アッセンブリを含む。セパレータープレート又はバイポーラプレートは、一つの電池のアノードと向き合った作用面及びスタックの次の隣接した電池のカソードと向き合った作用面の二つの作用面を有し、各バイポーラプレートは、隣接した電池間で電流を電気的に伝導する。スタックの端部に設けられた接触エレメントは、端プレート、ターミナルプレート、又はコレクタプレートと呼ばれる。これらのターミナルコレクタは、ターミナルバイポーラプレートとターミナルコレクタプレートとの間に挟まれた導電性エレメントと接触する。導電性エレメントは、二つの隣接した電極間の導電性セパレーターエレメントとして役立ち、代表的にはその両外面に反応体ガス流れ領域を有し、スタックの一方の電池のアノードと次の隣接した電池のカソードとの間で電流を伝導し、スタックから熱を除去するためにクーラントを流す内部通路を有する。

ＰＥＭ燃料電池環境は高度に腐蝕性であり、及び従って、バイポーラプレート及びこれらの組み立てに使用される材料は、耐蝕性及び導電性の両方を備えていなければならない。バイポーラプレートは、全体として、二つの別々の導電性シートから形成され、導電性の金属又は複合材料で形成される。これらの個々のプレートは、少なくとも一つの接合部で互いに接合され、冷却通路を含む内部がプレート間に形成される。プレートは、燃料電池の過酷な条件に耐えると同時に、高い導電性、重量効率を改善するために軽量であること、及び長期に亘る作動効率のための耐久性を提供しなければならない。できるだけ対費用効果に優れた方法で効率を向上するために燃料電池の独立した構成要素を含む導電性エレメントの結合を最適化する試みが残されている。

本発明は、電気化学的電池で使用するためのセパレーターアッセンブリを提供する。

本発明は、第１表面を持つ導電性第１金属基材及び第２表面を持つ導電性第２金属基材であって、第１及び第２の表面の各々は、導電性中央領域及び非導電性周囲領域を有する、導電性第１金属基材及び導電性第２金属基材を含むセパレーターアッセンブリを提供する。導電性極薄金属コーティングが第１及び第２の表面の夫々の導電性領域の一つ又はそれ以上の領域と重なっている。導電性経路が、第１及び第２の表面の夫々のコーティングを施した領域間の物理的接触によって形成される。シールが、導電性中央領域の各々を非導電性周囲領域の各々から絶縁する。

本発明の別の好ましい実施例は、酸素が存在する状態で金属酸化物を形成し易い第１及び第２の導電性金属基材を提供する工程を含む、燃料電池用セパレーターアッセンブリの製造方法を提供する。金属酸化物を第１及び第２の基材の夫々の第１及び第２の表面から除去する。極薄の導電性金属コーティングを第１金属表面及び第２の金属表面の選択された領域に付着する。第１表面及び第２表面の選択された領域を互いに向き合うように位置決めし、第１表面及び第２表面の選択された領域を一つ又はそれ以上の接触領域で接触する。接触領域は、第１基材と第２基材との間に導電性経路を形成する。

本発明のこの他の適用領域は、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、単なる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、その用途又は使用をいかなる意味でも限定しようとするものではない。
本発明は、第１及び第２の基材を持ち且つこれらの基材の各々の表面の導電性領域に沿って極薄の導電性金属コーティングが重ねられた燃料電池システム用の簡単なセパレーターアッセンブリに関する。金属コーティングが重ねられた第１及び第２の基材は互いに接触しているが、金属コーティングにより、従来必要とされた第１及び第２の基材を互いに追加に機械的に接合したり接着したりする必要なしに互いに接合するのが容易になる。本発明が有用な領域を更によく理解するため、例示の燃料電池を以下に説明する。

図１は、下文においてバイポーラプレート８と呼ぶ導電性流体分配エレメント８によって互いから間隔が隔てられた一対の膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）４、６を含む２セルバイポーラ燃料電池スタック２を示す。ＭＥＡ４及び６及びバイポーラプレート８は、ステンレス鋼製のクランププレート即ち端プレート１０及び１２間及び端部接触エレメント１４と１６との間に積み重ねられる。端部接触エレメント１４及び１６並びにバイポーラプレート８の両作用面には、燃料及び酸化体ガス（即ちＨ２及びＯ２）をＭＥＡ４及び６に分配するため、複数の溝即ちチャンネル１８、２０、２２、及び２４が夫々設けられている。不導体ガスケット２６、２８、３０、及び３２が燃料電池スタックの幾つかの構成要素間にシール及び電気絶縁を提供する。ガス透過性導電体は、代表的には、カーボン／グラファイト拡散ぺーパー３４、３６、３８、及び４０であり、これらはＭＥＡ４及び６の電極面に押し付けられる。端部接触エレメント１４及び１６は、カーボン／グラファイト拡散ぺーパー３４及び４０に夫々押し付けられ、バイポーラプレート８はＭＥＡ４のアノード面のカーボン／グラファイト拡散ぺーパー３６及びＭＥＡ６のカソード面のカーボン／グラファイト拡散ぺーパー３８に押し付けられる。

酸素は、燃料電池スタックのカソード側に貯蔵タンク４６から適当な供給配管４２を介して供給されるのに対し、水素は、燃料電池のアノード側に貯蔵タンク４８から適当な供給配管４４を介して供給される。別の態様では、周囲空気をカソード側に酸素源として供給してもよく、水素をアノードにメタノール又はガソリン改質器等から供給してもよい。ＭＥＡ４及び６のＨ２側及びＯ２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。液体クーラントをバイポーラプレート８及び端プレート１４及び１６に供給するため、追加の配管５０、５２、及び５４が設けられている。クーラントをバイポーラプレート８及び端プレート１４及び１６から排出するための適当な配管もまた設けられているがこれらは図示していない。

本発明は、図２に示す液冷式バイポーラプレート５６等の燃料電池の導電性セパレーターエレメントアッセンブリに関する。バイポーラプレート５６は、ＰＥＭ燃料電池スタックの隣接した電池を分離し、スタックの隣接した電池間で電流を導き、スタックを冷却する。バイポーラプレート５６は、第１外金属シート５８及び第２外金属シート６０を含む。これらのシート５８、６０は金属、合金、又は複合材料から形成されていてもよく、好ましくは導電性である。本発明の用途は、不動態化又は酸素による侵蝕を受け易く、酸素に露呈された表面上に金属酸化物層が形成される金属又は合金でできたセパレーターエレメントに関する。適当な金属及び合金は、燃料電池内で伝導性エレメントのシートとして機能するため、好ましくは、十分な耐久性及び剛性を備えている。セパレーターエレメント本体用の材料の選択を考える上での追加の設計上の特性には、ガス透過性、導電性、密度、熱伝導率、耐蝕性、パターン鮮明度、熱的安定性及びパターン安定性、機械加工の容易さ、価格、及び入手容易性が含まれる。入手可能な金属及び合金には、チタニウム、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケルを基材とした合金、及びこれらの組み合わせが含まれる。

外金属シート５８、６０はできるだけ薄く（例えば約０．０５ｍｍ乃至０．５ｍｍ（約０．００２インチ乃至０．０２インチ））形成される。これらのシート５８、６０は、機械加工、型成形、切断、彫刻、型押し、光リソグラフマスクを用いた光エッチング、又は任意の他の適当な設計−製造プロセスを含む、当該技術分野で周知の任意の方法で形成できる。シート５８、６０は、平シート及び一連の外流体流れチャンネルを備えた追加のシートを含む二重構造を含んでいてもよい。かくして、本発明によれば、シートを上文中に説明した方法で予備成形した後に極薄コーティングを適用してもよいし、又は極薄コーティングを適用した後に形成（例えば型押しによって）してもよい。

外シート５８は、膜電極アッセンブリ（図示せず）のアノードと向き合った外側に第１作用面５９を有する。外側は、複数のランド６４を提供するように形成されており、これらのランド間には、「流れ領域」として周知の複数の溝６６が画成される。燃料電池の反応体ガス（即ちＨ２又はＯ２）がバイポーラプレートの一方の側部６８から他方の側部７０まで流れ領域の曲がりくねった経路を通って流れる。燃料電池を完全に組み立てたとき、ランド６４はカーボン／グラファイトぺーパー（図１の３６又は３８等）に押し付けられ、これらのぺーパーは、次いで、ＭＥＡ（図１の４又は６等）に押し付けられる。図面を簡単にするため、図２にはランド６４及び溝６６の二つのアレイしか示してない。実際には、ランド６４及び溝６６は、カーボン／グラファイトぺーパーと係合する金属シート５８、６０の外面全体に亘って設けられている。反応体ガスは、燃料電池の一方の側部６８に沿って設けられたヘッダ即ちマニホールド溝７２から溝６６に供給され、燃料電池の反対側の側部７０と隣接して設けられた別のヘッダ／マニホールド溝７４を介して溝６６を出る。各シート５８、６０は外周領域７７、７９を夫々有し、これらの領域は、代表的には非導電性である。これは、これらの領域が電気的に活性のＭＥＡが占有する領域の外側にあるためである。

図３に最もよく示すように、シート５８の下側には複数の押縁７６が設けられており、これらの押縁は、燃料電池の作動中にクーラントが通過する複数のチャンネル７８をその間に画成する。図３に示すように、クーラントチャンネル７８が各ランド６４の下にあるのに対し、反応体ガス溝６６は各押縁７６の下にある。別の態様では、シート５８が平らであり且つ別の材料シートに流れ領域が形成されていてもよい。シート６０はシート５８と同様である。これに関し、クーラントがバイポーラプレートの一方の側部６９から他方の側部７１まで流れる（図２参照）複数のチャンネル９３を間に画成する複数の押縁８０が示してある。第１及び第２のシート５８、６０の熱交換表面（クーラント側部）９０、９２は、液体クーラントを受け入れるようになったクーラント流路９３を間に画成するように互いに向き合っており、複数の接合部即ち接触領域１００で互いに電気的に接続される。これらの接触領域１００を通して物理的に接触することにより、導電性経路が形成される。シート５８と同様に、及び図３に最もよく示すように、シート６０の外側は、別のＭＥＡのカソードに面する作用面６３を有し、この作用面には、反応体ガスが通過する複数の溝８６を間に画成する複数のランド８４が設けられている。

クーラントは、シート５８、６０の夫々によって形成されたチャンネル９３間を流れることにより、層流境界層を壊し、乱流を発生し、これにより外面５８、６０の夫々の内側面９０、９２との熱交換を高める。当業者にはわかるように、本発明の電流コレクタセパレーターアッセンブリは、例えば、流れ領域の形体、流体送出マニホールドの配置及び数、及びクーラント循環システムについて、上文中に説明した設計と異なっていてもよいが、セパレータープレートエレメントの表面及び本体を通した電流伝達機能は、全ての設計の間で同様に機能する。

図４は図３の一部の拡大図であり、セパレーターエレメントアッセンブリ５６の構造上の一体性を確保するため、第１シート５８の押縁７６及び第２シート６０の押縁８０が、接触領域１００の夫々の表面９０、９２のところで互いに連結されていることを示す。第１金属基材シート５８は接触領域１００のところで第２金属基材シート６０に複数のの別個の接触領域１００を介して直接（即ち中間スペーサシートなしで）接合されている。接触領域１００は、バイポーラプレートセパレーターエレメントアッセンブリが電流コレクタとして機能する上で必要な導電性経路を提供する。当業者は、接触領域１００を「結合部」又は「結合ライン」と呼ぶことがある。

接触領域１００の前後の電気抵抗が高過ぎる場合には、接触領域１００のところに大量の熱が発生し、この熱がクーラントに伝達される。セパレーターアッセンブリの二つの金属シート５８、６０を、代表的には溶接や鑞付けによって互いに接合する従来の方法は、（当該技術分野で周知のように）「ステッチ」を形成する。ステッチは、シート間に物理的及び電気的接触部を形成する比較的別個の不連続領域である。電流がステッチを通って伝達するのが制限されると、電流分布が不均等になり、そのためこれらの領域の抵抗が高くなり、多くの熱が発生する。熱の発生によりクーラントが更に加熱され、更に、過度の局所的加熱により、対応する領域で膜にピンホールや破れが生じる可能性がある。本発明の一つの特徴では、電流が接触領域１００に亘って均等に分配され、導電性経路の前後の持続可能な電気抵抗がクーラントを過加熱したり膜にピンホールを形成したりしないのに十分に小さいのが好ましい。

本発明の好ましい実施例では、第１基材シート５８に導電性耐酸化耐蝕性第１金属コーティング１１０を重ねる。このコーティングは、ＭＥＡ（図１の４又は６の夫々）が占有する領域と対応する電気的に活性の領域の表面９０に沿って付着される。第２基材シート６０にも、導電性耐酸化耐蝕性第２金属コーティング１１２が表面９２に沿って重ねられる。この表面９２は、同様に、電気的に活性の領域と対応する。コーティングした第１及び第２の基材シート５８、６０は、ランド７６、８０が互いに接触する領域と対応する接触領域１００のところで互いに向き合う。更に、随意であるが、シート５８及び６０の外面５９及び６３は、図示のように、同じ金属コーティングで覆われていてもよく、又は別の態様では、コーティングが施されていないままであってもよい（図示せず）。

本発明は、更に、燃料電池内で互いに接合される任意の導電性エレメントに適用できる。第１及び第２のシート５８、６０は、本発明に従って、図４に示すように互いに直接接合できるが、バイポーラプレートアッセンブリ５６では、第１及び第２のシート５８、６０は、別の態様では、別個の伝導性中間セパレーターシート１０１（図５参照）に取り付けられていてもよい。このセパレーターシートは、クーラント流れ通路９３ａの隔壁を形成してもよい。中間セパレーターシート１０１は、比較的小さなクーラント通路９３ａ間をクーラントが移動できるように有孔シートであってもよい。このような実施例では、セパレーターシート１０１には、第１及び第２の伝導性シート５８、６０の金属コーティング１１０、１１２と接触するセパレーターシート１０１の両接触面１０５に金属コーティング１０３を施すことによる処理がなされる。一つの変形例では、セパレーターシート１０１が波形をなしてクーラント流れ通路（図示せず）に複数のクーラントチャンネルを提供してもよく、或いは図５に示すように、例えば第１及び第２の外シート５８、６０を波形にすること等によって形成された複数のクーラント流れチャンネル１０７を各々有する外シート５８、６０に接合された平らなシートであってもよい。

本発明によれば、金属コーティング１０３、１１０、１１２は、「極薄」である。これは、金属コーティングの厚さが１００ｎｍ以下であるということを意味する。本発明の金属コーティング１０３の好ましい特徴は、基材シート１０１に沿って金属層が比較的均等に分配されているということである。好ましい厚さは１５ｎｍ以下であり、最も好ましい厚さは約２ｎｍ乃至約１０ｎｍである。このような厚さは、金属元素の単原子層約２つ分の深さと等しいか或いはそれ以下と対応する。燃料電池は、好ましくは、圧縮状態で作動し、及びかくして、作動中、幾つかの構成要素を含むスタック全体に圧力が加わる。

図４を再度参照すると、第１シート５８の第１金属コーティング１１０と第２シート６０の第２金属コーティング１１２との間の接触により持続可能な結合部を形成する。この結合部は、ランド７６、８０を持続可能に接合し、追加の結合又は物理的取り付けを必要としない。更に、金属コーティング１１０、１１２の接触によって形成された接触領域１００により、電流が均等に分配され、長期に亘る耐久性が向上し、５００時間を越えて作動した場合に接触抵抗を低く持続する。本発明による薄いコーティング１１０、１１２は、流体流れチャンネル（例えばクーラントチャンネル）で占有する容積が小さく、及びかくして鑞付けと比較して流路が大きくなり、圧力降下が減少する。更に、プレートを接着する他の従来の方法は、第３の材料を導入する工程を含む。第３の材料は、流れチャンネルを劣化し又は流れチャンネルにぶつかり、流れに対する抵抗及び圧力降下を高める。本発明は、第３の構成要素に対する必要を全くなくし、かくして流体流路を妨げる可能性をなくす。

本発明によれば、少なくとも３５０ｋＰａ（５０ｐｓｉ）の圧縮応力を加えた状態で計測した接触抵抗が２０ｍΩ／ｃｍ² 以下であるのが好ましく、更に好ましくは１５ｍΩ／ｃｍ² 以下であり、最も好ましくは、導電性拡散ぺーパーを横切って及びセパレーターアッセンブリ全体を通して計測した接触抵抗が約７ｍΩ／ｃｍ² 乃至８ｍΩ／ｃｍ² である。更に、本発明の部分として、金属シート５８、６０の表面９０、９２から、金属コーティング１１０、１１２が適用されるべき領域に沿って、及び特に接触領域１００の全ての金属酸化物を除去し、接合された金属コーティング１１０、１１２を通してシート５８、６０間に低抵抗の電気的接続部を形成するのが好ましい。

本発明による極薄で導電性の耐酸化性であり且つ耐蝕性の好ましい金属コーティング１１０、１１２は、銀（Ａｇ）、チタニウム（Ｔｉ）、及びプラチナ（Ｐｔ）等の貴金属を含む。本発明についての最も好ましい金属コーティングは、金（Ａｕ）を含む。第１及び第２の金属コーティング１１０、１１２は同じ組成であってもよいし、組成が異なっていてもよく、金属の混合物であってもよいということに着目すべきである。好ましい実施例では、第１及び第２のコーティング１１０、１１２は組成が同じである。金属コーティング１１０、１１２を表面９０、９２の電気的に活性の領域に付着する一つの好ましい方法を図６を参照して以下に説明する。導電性コーティング１１０、１１２を基材に付着するため、イオン補助物理蒸着（ＰＶＤ）法を使用する。

図６で分かるように、イオン補助ＰＶＤ装置１３６を使用する。この装置は、金属コーティング１１０、１１２を付着するため、蒸着チャンバ１３８及び二つの電子銃Ａ及びＢを含む。装置１３６は、更に、基材のスパッタクリーニングを行うのに使用される低エネルギイオン銃、及び装置が超高真空で作動できるようにするターボポンプを含む。先ず最初に、導電性コーティング１１０、１１２でコーティングされるべき基材を、圧力が１×１０^-3Ｐａ乃至１×１０^-4Ｐａ（１×１０^-5トール乃至１×１０^-6トール）の「ロードロック」チャンバ１３７に置く。次いで、金属コーティング１１０、１１２によってコーティングされるべき基材を蒸着チャンバ１３８に移送する。

基材を蒸着チャンバ１３８に配置した後、圧力を約１×１０^-7Ｐａ（約１×１０^-9トール）まで下げる。チャンバ内の第１坩堝１４０が、蒸着されるべき貴金属を保持する。金属又は貴金属の組み合わせを付着しようとする場合には、第２坩堝１４２が第２金属を保持する。例えば、第１層として蒸着されるべきチタニウムが入った坩堝１４０及び第２層としてチタニウム上に蒸着されるべき金が入った坩堝１４２は、本発明の範囲に含まれる。利用可能な別の選択肢は、金属の組み合わせを同時に付着することである。

基材のスパッタクリーニングを行うのにイオン銃を使用する。イオン銃が基材のスパッタクリーニングを行うとき、電子ビームを使用して貴金属を溶融し且つ蒸発する。このようなプロセスは、電子ビーム蒸着としても知られている。次いで、ターゲット金属を基材に０．１０ｎｍ／ｓの速度で１００ｎｍ以下の厚さまで蒸着する。これは厚さモニターによって観察される。

イオン補助ＰＶＤ法の一つの独特の特徴は、基材のスパッタクリーニングを行い、導電性コーティングを本質的に同時に付着するということである。基材のスパッタクリーニングとコーティングを同時に行うことにより、導電性金属コーティング１１０、１１２を基材に１００ｎｍ以下の、好ましくは１５ｎｍ以下の、最も好ましくは２ｎｍ乃至約１０ｎｍの非常に薄い厚さで付着できる。金属コーティング１１０、１１２の厚さが２ｎｍ乃至約１５ｎｍである場合、導電性コーティングの概算量は、好ましくは０．００４ｍｇ／ｃｍ² 乃至０．０３ｍｇ／ｃｍ² である。

この適用プロセスは、クリーニング及び蒸着を順次行うプロセスよりも好ましい。使用される基材がチタニウムやステンレス鋼等の金属基材である場合には、物理蒸着により金属を基材に付着する場所のクリーニングを行うときに酸素に露呈されるため、酸化物の薄膜が形成する。基材のクリーニングと貴金属の蒸着を同時に行うことにより、酸化物層が完全に且つ連続的に除去され、かくして酸化物又は他の表面の汚損をなくすか或いは少なくとも大幅に減少する。基材のクリーニング及び貴金属の蒸着は、酸化物層を除去するのに必要なイオンエネルギが低いため、同時に行うことができる。イオンエネルギが低いため、ボンバーイオン束は、電子銃Ａ及びＢが放出する蒸着原子束よりもかなり小さい。これは、除去する酸化物が、基材に導電性コーティング１１０、１１２として蒸着する金属よりも軽量であるためである。このように、低エネルギイオン銃は酸化物層だけを除去し、導電性金属コーティング１１０、１１２を除去しない。その結果、蒸着した金属コーティング１１０、１１２は、基材に対する付着力が優れている。更に、約２ｎｍ乃至約１５ｎｍ程度の非常に薄い層をコーティングできる。これは、金属元素の単原子層約２枚分の深さと等しいか或いはそれ以上と等しく、これにより表面が良好且つ比較的均等に覆われる。かくして、イオン補助ＰＶＤを使用することにより、基材に付着されるべき貴金属を非常に滑らかで均等な薄い層にできる。

本発明の重要な特徴は、金属コーティング１１０、１１２が本質的に清浄な表面９０、９２に付着されるということである、ということは理解されるべきである。本プロセスの好ましい特徴では、基材のイオン銃表面クリーニングは、金属蒸着の開始直前に開始される。次いで、クリーニング及び金属蒸着が同時に進められ、蒸着プロセスを完了する。しかしながら、酸化物層を除去するこの他の方法には、カソード電解質クリーニング、機械的磨耗、アルカリ性の洗剤で基材をクリーニングすること、及び酸性の溶剤即ち酸洗い液でエッチングすること等の、コーティング前に行ってもよい様々な適当なプロセスが含まれる。

上述のように、金属コーティング１１０、１１２を清浄な表面上に蒸着することによって、コーティングの付着性が大幅に向上し、及びかくして基材からの剥離に対して抵抗する。例えば、０．５Ｍの硫酸溶液中で１０ｍＡ／ｃｍ² 乃至５０ｍＡ／ｃｍ² の範囲のカソード電流のサイクルがコーティングに加わったとき、水素ガス（Ｈ２）が発生し、これにより従来技術のコーティングは基材から剥離し即ち剥がれてしまう。しかしながら、コーティングを本発明のイオン補助ＰＶＤ法で蒸着した場合、コーティングが基材の清浄な表面に良好に付着しているため、カソード電流が加えられた場合のＨ２の発生による基材からの剥離に抵抗する。

本発明に適した別の好ましいＰＶＤ法には、マグネトロンスパッタリングが含まれる。この方法では、金属ターゲット（金属コーティング１３０複合材料）をアルゴンイオン雰囲気中で、基材を帯電させた状態でスパッタ銃でボンバーする。スパッタ銃は金属粒子及びアルゴンイオンのプラズマを形成し、このプラズマは運動量によって移動し、基材をコーティングする。上文中に説明したイオン補助ＰＶＤを使用することによって、プラズマを他の適用方法におけるよりも良好に制御できる。これは、例えばスパッタリング時にプラズマの方向を調節するのが困難であり、イオン補助ＰＶＤにより付着パラメータを良好に制御できるためである。これは、イオンビームのエネルギが低く、良好に平行化されており、拡がり角度がほんの数度であるためである。しかしながら、プロセス全体の時間及び費用を含む様々な要因により、一つの適用方法を使用することが他の方法を使用することよりも勧められることがある。

金属コーティング１１０、１１２を適用する本発明による他の好ましい方法には、電子ビーム蒸着が含まれる。この場合、基材を真空チャンバ１×１０^-1Ｐａ乃至１×１０^-2Ｐａ（１×１０^-3トール乃至１×１０^-4トール）に入れ、帯電させた電子ビームで蒸着金属を加熱する。金属は蒸発した後にターゲット基材上で凝縮する。電気めっき（例えば電着）、無電解めっき、又はレーザーアブレーション法によって、金属コーティング１１０、１１２を適用してもよい。

第１実験では、本発明のイオン補助ＰＶＤ法を使用し、二つの試料を形成する。使用したイオン銃は、１００ｅＶ Ａｒ⁺ ビームに設定してあり、電流密度は１ｍＡ／ｃｍ² であり、２分間に亘って使用する。蒸着源材料はジョンソン−マッシーの純度が９９．９９％の金である。使用した３１６Ｌステンレス鋼基材は、２．５４ｃｍ×２．５４ｃｍ（１インチ×１インチ）のクーポンである。これを、先ず最初に、アセトンの超音波浴中で、次いでメタノール中で各々１５分間に亘って洗浄する。次いで、ステンレス鋼基材をイオン補助ＰＶＤ装置の蒸着チャンバに入れ、圧力が約３×１０^-5Ｐａ（約２×１０^-7トール）以下になるまで保持する。蒸着チャンバのベース圧力は、代表的には、中間レンジで１×１０^-7Ｐａ（約１×１０^-9トール）であり、常に１×１０^-6Ｐａ（約１×１０^-8トール）以下である。イオン銃でステンレス鋼基材をクリーニングするとき、金コーティングを単一の電子ビーム蒸着源で３５℃乃至４０℃の温度で０．１０ｎｍ／ｓの速度で付着する。ここに示す金コーティングは、燃料電池条件と同様の（例えば、ｐＨ＝３．０、１０ｐｐｍのＨＦ）耐蝕性試験溶液中に約８０℃でほぼ１００時間に亘って置いた後でも優れた付着性を示す。

第２実験では、金属コーティング１１０、１１２をティーア・マグネトロンスパッタシステムで二つの試料の表面に適用する。３１６Ｌステンレス鋼基材を、最初に４００Ｖでスパッタクリーニングした２．５４ｃｍ×２．５４ｃｍ（１インチ×１インチ）のクーポンとして提供した。蒸着源材料はジョンソン−マッシーの純度が９９．９９％の金であり、０．２Ａを使用した５０Ｖの閉じたアンバランスな磁界内で１分間の持続時間に亘って適用し、約１０ｎｍの厚さを得る。

第１及び第２の実験の夫々の試料の両方のコーティングが施された表面と接触することによって、接触抵抗の計測値が得られる。これらの試料を二つの拡散媒体ぺーパー（トーレ０６０として商業的に入手可能なトーレグラファイト拡散媒体）間で一緒に圧縮し、１Ａ／ｃｍ² の電流密度を加えながら３５０ｋＰａ乃至１４００ｋＰａ（５０ｐｓｉ乃至２００ｐｓｉ）の圧力を加える。接触抵抗の計測値は、二つの金属クーポンを挟む拡散媒体間のコーティング前後の電圧降下から得られる。第１実験アッセンブリの最大接触抵抗値は、３５０ｋＰａ（５０ｐｓｉ）の適用圧力で１８ｍΩ／ｃｍ² であり、最小接触抵抗値は、１４００ｋＰａ（２００ｐｓｉ）の適用圧力で１０ｍΩ／ｃｍ² である。第２実験によって得られたアッセンブリの最大接触抵抗値は、３５０ｋＰａ（５０ｐｓｉ）の適用圧力で１９ｍΩ／ｃｍ² であり、最小接触抵抗値は、１４００ｋＰａ（２００ｐｓｉ）の適用圧力で９．２ｍΩ／ｃｍ² である。

第１及び第２の実験によって得られたサンプルを、更に、腐蝕電流値について試験した。第１及び第２の実験の両方の１０ｎｍのＡｕでコーティングしたステンレス鋼基材は、空気を混和した８０℃の溶液中で＋０．４Ｖ乃至＋０．６Ｖ（ｖｓ．Ａｇ／ＡｇＣｌ）の電位を繰り返し加えることによって、燃料電池のバイポーラプレート環境（ｐＨ＝３．０、１０ｐｐｍのＨＦ及び支持電解質としての０．５Ｍの硫酸）を再現した際、低い腐蝕電流値を可能にする。８０℃で作動する空気混和した疑似燃料電池溶液中で、＋０．６Ｖ（Ａｇ／ＡｇＣｌ、空気中）、及び−０．４Ｖ（Ａｇ／ＡｇＣｌ、水素中）の両適用電位で静電位差（ｐｏｔｅｎｔｉｏｓｔａｔｉｃ）耐蝕性実験を１００時間に亘って行った。計測された電流条件は、第１及び第２の試料の両方について１μＡ／ｃｍ² 以下であり、コーティングの良好な安定性を示す。

本発明に従って組み立てた、２５０ｃｍ² の活性領域を持つステンレス鋼製のバイポーラプレートを様々な厚さでコーティングし、金コーティングの電気的性能を比較する。この試験結果を以下の表１に示す。

第１プレート組を、本発明に従って、ＰＶＤによって約１０ｎｍの厚さでコーティングする。第２プレート組をＰＶＤによって約１００ｎｍの厚さでコーティングする。第３プレート組を約２１２ｎｍ乃至２６０ｎｍの範囲の厚さで電気めっきする。試験するプレートの全ての試料について、２００Ａの電流を０．８Ａ／ｃｍ² の電流密度で加え、バイポーラプレートアッセンブリを１８０ｐｓｉの圧縮圧力で試験する。計測は、１）上側（即ちアノード側）拡散ぺーパー（「Ｐｔ」と参照符号が付してある）からアノードプレートまで、２）下側（即ちカソード側）拡散ぺーパー（「Ｐｂ」と参照符号が付してある）からカソードプレートまで、３）上側拡散ぺーパーから下側拡散ぺーパーまでアノードプレート及びカソードプレートを通して、行なった。上側から下側までの全ぺーパー−ぺーパー計測値からアノード側計測値及びカソード側計測値を減じることによって界面抵抗を計算した。観察できるように、本発明に従って形成した試料（第１組）は、厚いコーティング（第２組及び第３組）のうちの任意の試料に対して抵抗が等しく低く、界面抵抗が燃料電池アッセンブリの他の部分と比較して無視できるということを示す。

図２を再度参照すると、本発明の好ましい実施例は、反応体ガスがクーラント流路（図３及び図４に参照番号９３で示す）に入ったり流れチャンバを出てスタックに流入しないようにする周囲シール２００を更に含む。シール２００は、好ましくは、バイポーラプレート５６のクーラント側の接触する内面９０、９２間に形成される。シール２００は液密であるのが好ましく、内面９０、９２の電気的に活性の領域の外周７９のところにこれらの表面９０、９２間の接触によって形成され、流体及びガスがここを通って移送されることがないようにするか或いは少なくとも妨げる。シール２００は、クーラント流れ領域を取り囲み、燃料電池スタックで使用された反応体ガスに対して障壁を形成し、好ましくはクーラントが反応体ガス中に逆流しないようにする。

シール２００は、好ましくは、導電性接着剤又は非導電性接着剤のいずれかのビードとして形成される。図７で最もよくわかるように、シール２００は、更に、製造誤差によるシート５８、６０間の隙間を埋めるのにも役立つ。接着剤のビードは、バイポーラセパレーターアッセンブリプレートのうちの一方のプレートのいずれか一方の表面（即ち９０又は９２のいずれか）、又は両プレート５８、６０の表面９０、９２の両方に適用できる。更に、シーラントの代わりにガスケットをシール２００として使用することができる。図示のように、バイポーラプレートアッセンブリ５６の外周７７、７９をシールするのに周囲ガスケット２０２が更に使用される。

本発明についての好ましいシーラントには、熱硬化性接着剤及び熱可塑性接着剤又は感圧接着剤テープが含まれる。接着剤の場合には、熱硬化性又は熱可塑性のポリマー接着剤を型成形して予備成形物にし、これを第１及び第２のシート５８、６０間に配置する。次いで、これらのシート５８、６０を互いに接触し、熱を加え、構造的結合部を形成する。当業者には理解されるように、加熱量及び加熱時間は選択された接着剤の特徴で決まる。このような熱硬化性接着剤の非限定的例には、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリメチルメタクリレート、ポリウレタン、シリコーン、ポリスルフィド、ブチル、フルオロエラストマー、及びフルオロシリコーンが含まれる。適応な熱硬化性接着剤のこの他の例には、例えば、ポリアミド、ポリエステル、、ポリオレフィン、ポリビニルアセテート、及びポリウレタンが含まれる。本発明のこの他の好ましい実施例では、遠隔走査レーザー溶接等の冶金学的方法によって、又は機械的クリンプ止めによってプレート５８、６０を接合することによって、シール２００を形成してもよい。図７において、表面９０及び９２の電気的に活性の領域に第１及び第２のシート５８、６０の夫々の極薄の金属コーティング１１０、１１２が重ねてあり、これにより、接触領域１００のところでこれらの間に電気的及び物理的接触を形成するということに着目すべきである。

本発明の一つの別の実施例では、表面９０、９２の導電性領域だけがコーティングしてあり、非導電性領域にはコーティングが施してない。特定の好ましい実施例では、流れ領域が形成されるＭＥＡと対応する電気的に活性の領域全体に金属コーティングが施してあり、周囲領域７９（図２参照）にはコーティングが施してない。他の好ましい変形例では、コーティング１１０、１１２は、シート５８、６０の夫々のランド７６、８０だけに設けられており、溝８２、８６には設けられていない。この場合には、接触領域１００のところで互いに電気的に接触した隣接した導電性表面だけが金属コーティング１１０、１１２でコーティングされる。このような実施例では、コーティングの適用中、表面９０、９２の非導電性領域は覆ってあるか或いはマスクが設けられている。マスクは、基材に適用された、コーティングの適用中に安定したままの任意の材料であり、例として、ステンレス鋼マスク、チタニウムマスク、又はセラミックマスクが含まれる。この他の適当なマスク材料には、電着や無電解めっき等の低温が加わるプロセスで使用するための有機コーティング、ゴムマスク、又はテープが含まれる。多くの場合、マスク材料は、付着プロセス中にマスクに付着した金属を回収しリサイクルできるように選択される。このような材料は当該技術分野で周知である。

本発明の一つの好ましい実施例は、酸素が存在する状態で金属酸化物を形成し易い金属で形成された第１及び第２の導電性金属基材シートを提供することによって、燃料電池用セパレーターアッセンブリを製造するための方法を提供する。金属酸化物を第１及び第２の基材の夫々の表面から除去する。極薄の導電性金属コーティングを第１及び第２の金属表面の選択された領域に付着する。第１及び第２の表面の選択された領域を互いに向き合うように位置決めした後に接触させ、第１及び第２の基材間に導電性経路を形成する。

実施例及び方法についての上述の説明は、単なる例であり、及びかくして、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逸脱するとは考えられない。

ＰＥＭ燃料電池スタック（２つの電池だけが示してある）の分解図である。 ＰＥＭ燃料電池スタックで有用な例示の導電性流体分配エレメントの分解図である。 図２を３−３の方向でみた断面図である。 図３のバイポーラプレートの拡大部分図である。 セパレーターシートをクーラント通路内に配置したバイポーラプレートの変形例の拡大部分図である。 バイポーラプレートを導電性材料でコーティングするのに使用されるイオンビーム補助物理蒸着装置の概略図である。 図２の７−７戦に沿った断面図である。

符号の説明

２ 燃料電池スタック
４、６ 膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）
８ バイポーラプレート
１０、１２ クランププレート
１４、１６ 端部接触エレメント
１８、２０、２２、２４ チャンネル
２６、２８、３０、３２ 不導体ガスケット
３４、３６、３８、４０ カーボン／グラファイト拡散ぺーパー
４２、４４ 供給配管
４６ 酸素貯蔵タンク
４８ 水素貯蔵タンク
５０ イオン伝導性部材
５２ アノード電極
５４ カソード電極
５６ バイポーラプレート
５７ 流れ領域
５８ 第１外金属シート
５９ 第１作用面
６０ 第２外金属シート
６２ スペーサシート

Claims (32)

1. 電気化学的電池のスタックで使用するためのセパレーターアッセンブリにおいて、
   第１表面を持つ導電性第１金属基材と、第２表面を持つ導電性第２金属基材とを備え、
   前記第１及び第２の表面の各々は、導電性中央領域及び非導電性周囲領域を有し、
   前記第１及び第２の表面の夫々の前記導電性領域の少なくとも１つの領域に被せた導電性極薄金属コーティングを備え、
   前記第１及び第２の表面の夫々の前記コーティングを施した領域間の物理的接触によって形成された導電性経路を備え、
   前記導電性中央領域の各々を前記非導電性周囲領域の各々から絶縁するシールを備えた、セパレーターアッセンブリ。
2. 請求項１に記載のセパレーターアッセンブリにおいて、前記第１及び第２の基材の夫々の前記導電性領域に流れ領域が形成され、これらの流れ領域の各々は、前記表面に沿って溝とともに設けられたランドによって画成され、前記金属コーティングは前記ランドに設けられ、前記導電性経路は前記第１基材及び前記第２基材の向き合ったランド間の物理的接触によって形成される、セパレーターアッセンブリ。
3. 請求項２に記載のセパレーターアッセンブリにおいて、前記溝は非導電性である、セパレーターアッセンブリ。
4. 請求項２に記載のセパレーターアッセンブリにおいて、前記第１及び第２の表面の向き合ったランド間の前記物理的接触により、クーラントが循環する流体流れチャンネルを画成する、セパレーターアッセンブリ。
5. 請求項１に記載のセパレーターアッセンブリにおいて、前記基材は、スタックをなして互いに配置され、前記物理的接触は、前記基材を互いに向かって押圧する圧縮応力を加える前記スタックによって行われる、セパレーターアッセンブリ。
6. 請求項１に記載のセパレーターアッセンブリにおいて、前記シールは、前記導電性領域から前記非導電性領域への流体の移動を実質的に妨げる障壁を形成する、セパレーターアッセンブリ。
7. 請求項１に記載のセパレーターアッセンブリにおいて、前記第１基材から前記第２基材までの前記導電性経路の前後の接触抵抗は、１４００ｋＰａ又はそれ以上の圧縮応力が作用した状態で１０ｍΩｃｍ² 以下である、セパレーターアッセンブリ。
8. 請求項１に記載のセパレーターアッセンブリにおいて、前記導電性金属コーティングは金を含む、セパレーターアッセンブリ。
9. 請求項１に記載のセパレーターアッセンブリにおいて、前記導電性金属コーティングの厚さは１５ｎｍ以下である、セパレーターアッセンブリ。
10. 請求項９に記載のセパレーターアッセンブリにおいて、前記導電性金属コーティングの厚さは約２ｎｍ乃至約１０ｎｍである、セパレーターアッセンブリ。
11. 請求項１に記載のセパレーターアッセンブリにおいて、前記シールは接着剤によって形成されている、セパレーターアッセンブリ。
12. 請求項１に記載のセパレーターアッセンブリにおいて、前記接着剤は、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接着剤ポリマーを含む、セパレーターアッセンブリ。
13. 請求項１２に記載のセパレーターアッセンブリにおいて、前記接着剤ポリマーは、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリメチルメタクリレート、ポリウレタン、シリコーン、ポリスルフィド、ブチル樹脂、フルオロエラストマー、フルオロシリコーン、ポリアミド、ポリエステル、、ポリオレフィン、ポリビニルアセテート、及びポリウレタンからなる群から選択される、セパレーターアッセンブリ。
14. 請求項１に記載のセパレーターアッセンブリにおいて、前記シールは、遠隔走査レーザー溶接によって形成される、セパレーターアッセンブリ。
15. 請求項１に記載のセパレーターアッセンブリにおいて、前記第１基材は前記第１側に対して第１反対側を有し、前記第２基材は前記第２側に対して第２反対側を有し、前記第１及び第２の反対側には前記導電性金属コーティングが施してある、セパレーターアッセンブリ。
16. 請求項１に記載のセパレーターアッセンブリにおいて、前記第１及び第２の導電性金属基材は、ステンレス鋼、アルミニウム、及びチタニウムからなる群から選択される、セパレーターアッセンブリ。
17. 燃料電池用セパレーターアッセンブリの製造方法において、
    酸素が存在する状態で金属酸化物を形成し易い第１及び第２の導電性金属基材を提供する工程と、
    前記第１及び第２の基材の夫々の第１及び第２の表面から金属酸化物を除去する工程と、
    極薄の導電性金属コーティングを前記第１金属表面及び前記第２の金属表面の選択された領域に付着する工程と、
    前記第１表面及び前記第２表面の前記選択された領域を互いに向き合うように位置決めする工程と、
    前記第１表面及び前記第２表面の前記選択された領域を一つ又はそれ以上の接触領域で接触する工程と
    を含み、
    前記接触領域は、前記第１基材と前記第２基材との間に導電性経路を形成する、方法。
18. 請求項１７に記載の方法において、前記接触シールを行う前に前記第１及び第２の基材間に形成された内外のシール領域間を流体的に遮断する、方法。
19. 請求項１８に記載の方法において、前記内部シール領域は前記選択された領域と対応し、前記非選択領域は前記外部シール領域と対応する、方法。
20. 請求項１７に記載の方法において、前記除去工程及び前記付着工程は、イオンビームスパッタリング及び電子ビーム蒸着の夫々によって本質的に同時に行われる、方法。
21. 請求項１７に記載の方法において、前記選択された領域は導電性領域と対応し、前記表面に沿った非選択領域は非導電性である、方法。
22. 請求項１７に記載の方法において、前記第１及び第２の表面の各々には流れ領域が形成され、前記流れ領域は、溝と交互になって流れチャンネルを形成するランドによって画成され、前記第１及び第２の基材の前記ランドは互いに接触して前記接触領域を形成し、前記選択された領域と対応し、前記導電性金属コーティングを前記選択された領域に付着する前記工程の前に非導電性の任意の非選択領域をマスクする工程を行う、方法。
23. 請求項１７に記載の方法において、前記導電性領域は、前記第１及び第２の基材の夫々の前記第１及び第２の表面の両方の中央に配置されており、前記非導電性領域は、前記中央に配置された導電性領域を取り囲む、方法。
24. 請求項１７に記載の方法において、前記付着工程は、電子ビーム蒸着法、マグネトロンスパッタリング法、物理蒸着法、電着、及び無電解めっきからなる群から選択されたプロセスによって行われる、方法。
25. 請求項１７に記載の方法において、前記除去工程は、電解クリーニング、エッチング、酸洗い、機械的研磨、及びスパッタリングによって行われる、方法。
26. 請求項１７に記載の方法において、前記導電性金属コーティングは、約１５ｎｍ以下の厚さで付着される、方法。
27. 請求項１７に記載の方法において、前記導電性金属コーティングは、約２ｎｍ乃至約１０ｎｍの厚さで付着される、方法。
28. 請求項１７に記載の方法において、前記導電性金属コーティングは、金属原子の単原子層２つ分の深さと等しいか或いはそれ以下の厚さで付着される、方法。
29. 請求項１７に記載の方法において、前記導電性金属コーティングは金を含む、方法。
30. 請求項１７に記載の方法において、前記接触工程は、圧縮応力を加えることによって行われる、方法。
31. 請求項１７に記載の方法において、前記接触領域を通した前記第１基材及び前記第２基材に亘る電気接触抵抗は、１４００ｋＰａ又はそれ以上の圧縮応力が加えられた場合、１０ｍΩ／ｃｍ² 以下である、方法。
32. 請求項１７に記載の方法において、前記接触工程は、１４００ｋＰａ又はそれ以上の圧縮応力を加えることによって行われる、方法。

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