JP2008541379A - 燃料電池のための多孔性導電性流体分配プレート - Google Patents

Abstract

【解決手段】少なくとも１つの実施例において、本発明は、導電性流体分配プレート、該導電性流体分配プレートを作る方法、並びに、該導電性流体分配プレートを使用するためのシステムを提供する。少なくとも１つの実施例では、該プレートは、該プレートの少なくとも１つの側部に亘って流体の流れを分配するように構成された１組の流体流れチャンネルを画定するプレートボディと、前記プレートボディに近接したポリマー多孔性導電性層であって、該多孔性導電性層は４０°より小さい表面水接触角度をもたらすのに十分な多孔率を有する、前記ポリマー多孔性導電性層と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、概して、多孔性導電性流体分配プレート、該多孔性導電性流体分配プレートを作る方法、及び、本発明に係る多孔性導電性流体分配プレートを使用するシステムに関する。より詳しくは、本発明は、燃料電池における水輸送の困難さに取り組む際に多孔性導電性流体分配プレート及び他の種類の装置を使用する方法に関している。

燃料電池は、車両の用途を始めとする多数の用途のための電源として開発されている。そのような燃料電池の一つが陽子交換膜又は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、その各電池内に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、薄い陽子透過性のポリマー膜電解質であり、該電解質はその一方の側部に形成されたアノード電極面と、その反対側に形成されたか電極面とを有する。膜電解質の一例はイオン交換樹脂から作られた種類のものである。一例としてのイオン交換樹脂は、イー・アイ・デュポン・ドゥ・ヌムール・アンド・カンパニーから販売されているナフィオン（Ｒ）等の過フッ化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、細かく分割されたカーボン粒子と、当該カーボン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、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）結合剤を通して分散された、触媒粒子及びカーボン粒子又はカーボン粒子無しの触媒粒子と混ざり合ったナフィオン（Ｒ）等の陽子伝導性粒子とを含んでいる。

多電池ＰＥＭ燃料電池は、電気的に直列に一緒に積み重ねられ、且つ、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透過性の電導性流体分配プレートにより隣接するアッセンブリから一つづつ隔てられた複数の膜電極アッセンブリを備えている。そのような多電池燃料電池は燃料電池スタックとして知られている。二極式プレートは、２つの作用面を持ち、一方は、一つの電池のアノードと対面し、他方は、スタック内の次に隣接する電池上のカソードと対面しており、隣接する電池の間に電流を導電させる。スタックの両端部に形成された導電性流体分配プレートは、端部電池のみと接触し、端部プレートとして知られている。二極式プレートは、アノード及びカソードの表面に亘ってガス状の反応物（例えば、Ｈ_２及びＯ_２／空気）を分配させる流れ場を備えている。これらの流れ場は、一般に、複数のランドを備え、該ランドの間に複数の流れチャンネルを形成し、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、高い多孔率の（即ちｃａ．６０から８０％）の電導性材料（例えば、布、スクリーン、ペーパー、発泡体等）は、導電性流体分配プレートと膜電極アッセンブリとの間に介在されており、（１）導電性流体分配プレートのランドの間並びに該ランドの下方に、電極の前面に亘ってガス状反応物を分配すると共に、（２）溝に対面する電極面から電流を収集し、該電流を溝を形成する隣接するランドに電流を伝達するように機能する。知られている拡散媒体の一つは、体積にして約７０％の多孔率、約０．１７ｍｍの非圧縮性厚さを有するグラファイトペーパーを備え、東レ０６０という商品名で東レ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、きめ細かいメッシュ、貴金属スクリーン等を含み得る。

Ｈ_２−Ｏ_２／空気ＰＥＭ燃料電池環境では、導電性流体分配プレートは、典型的には、Ｆ⁻、ＳＯ_４ ⁻⁻、ＳＯ_３ ⁻、ＨＳＯ_４ ⁻、ＣＯ_３ ⁻⁻及びＨＣＯ_３ ⁻等を含む中性溶液（ｐＨ３〜５）と定常的に接触し得る。その上、カソードは、加圧空気にさらされている間に、典型的には、最大約＋１Ｖ（対通常の水素電極）に分極されている高い酸化環境で作動している。最終的には、アノードは、典型的に、常に水素にさらされている。よって、電導性流体分配プレートは、燃料電池内の敵対的な環境に耐性を持つべきである。

より多くの共通した種類の適切な電導性流体分配プレートの一つは、典型的には、ポリマーマトリックス（熱可塑性又は熱硬化性）を通して分散された電導性充填剤（例えば、グラファイト粒子又はフィラメント）を体積にして５０％から９０％含んでいる。複合電導性流体プレートの開発における近年の努力は、適切な伝導度と熱伝導度とを有する材料に向けられてきた。材料供給者は、必須の伝導度目標を達成するためポリマーマトリックス中に体積にして５０％から９０％の範囲のグラファイト粉末を含む、高いカーボン積載複合プレートを開発してきた。この種のプレートは、典型的には、腐食性の燃料電池環境に耐えることができ、ほとんどの部分に対して、コスト及び伝導度の目標に合致している。そのような現在のところ利用可能な二極式プレートの一つが、西シカゴ、ＩＩＩのバルクモールディングコンパウンド社からＢＭＣプレートとして市販されている。

代替例では、離散伝導性繊維が、カーボンの積載量を減少させ、プレートの強度を増大させるための試みにおいて、複合プレート内で使用された。２００３年８月１９日に発行され、本発明の譲り受け人に譲渡された、ブランクらによる米国特許番号６，６０７，８５７号を参照せよ。当該特許の内容は参照により本願に組み込まれる。繊維材料は、典型的には、導電性粉末と比較したとき、軸方向に１０から１０００倍もの伝導度を有する。２００４年１２月７日に発行され、本発明の譲り受け人に譲渡された、リシらによる米国特許番号６，８２７，７４７号を参照せよ。当該内容は参照により本願に組み込まれる。

より一般的な種類の適切な導電性流体分配プレートの別のものとして、体積にして約３０％から約４０％の伝導性粒子を含むポリマー複合材料で被覆された金属から作られたプレートが挙げられる。この点に関して、２００２年４月１６日に発行され、（１）本発明の譲り受け人に譲渡され、（２）参照により本願に組み込まれる、フロンクらによる米国特許番号６，３７２，３７６号を参照せよ。当該特許は、（３）酸性耐性で水不溶性の酸化耐性ポリマーマトリックスを通して分散された複数の導電性腐食耐性（即ち酸化体積及び酸性耐性）充填粒子で被覆され、該マトリックスが該充填粒子を結合させた金属シートから作られた導電性流体分配プレートを開示している。フロンクらの種類の複合コーティングは、コーティングの組成、抵抗及び完全さに応じて、約５０オーム・ｃｍ以下の抵抗と、約５ミクロンから約７５ミクロンの厚さと、を有するのが好ましい。燃料電池スタックを通してより低いＩＲ降下を達成するためには、コーティングがより薄いほど好ましい。

上記したように、導電性流体分配プレートのうち大きいパーセンテージを占める数の分配プレートは、導電性ポリマー複合材料又は導電性ポリマー複合材料で被覆された金属ベース層のいずれかを含んでいる。これらの種類のプレートは現在のところ受容可能な水管理特性を有しているが、増大した水管理特性を有する導電性流体分配プレートを提供することが望まれている。

少なくとも１つの実施形態では、導電性流体分配プレートが提供され、該プレートは、該プレートの少なくとも１つの側部に亘って流体の流れを分配するように構成された１組の流体流れチャンネルを画定するプレートボディと、前記プレートボディに近接したポリマー多孔性導電性層であって、該多孔性導電性層は４０°より小さい表面水接触角度をもたらすのに十分な多孔率を有する、前記ポリマー多孔性導電性層と、を備える。

更に別の実施形態では、流体分配プレートを製造する方法が提供され、該方法は、該プレートの少なくとも１つの側部に亘って流体の流れを分配するように構成された１組の流体流れチャンネルを画定するボディを有するプレートボディを用意し、ポリマー多孔性導電性層であって、該多孔性導電性層は４０°より小さい表面水接触角度をもたらすのに十分な多孔率を有する、前記ポリマー多孔性導電性層を前記ボディに設ける、各工程を備える。

更に別の実施形態では、燃料電池が提供され、該燃料電池は、第１の導電性流体分配プレートであって、該プレートの少なくとも１つの側部に亘って流体の流れを分配するように構成された１組の流体流れチャンネルを画定するプレートボディを有する、前記第１の導電性流体分配プレートと、前記プレートボディに近接したポリマー多孔性導電性層であって、該多孔性導電性層は４０°より小さい表面水接触角度をもたらすのに十分な多孔率を有する、前記ポリマー多孔性導電性層と、第２の導電性流体分配プレートと、前記第１の導電性流体分配プレートと前記第２の導電性流体分配プレートとを分離する膜電極アッセンブリであって、該膜電極アッセンブリは、第１の側部及び第２の側部を有する電解質膜と、該電解質膜の前記第１の側部に隣接するアノードと、該電解質膜の前記第２の側部に隣接するカソードとを有する、前記膜電極アッセンブリと、を備える。

本発明は、添付図面が参照される本発明の好ましい実施例の次の説明からより完全に理解されるようになる。なお、請求の範囲は、その記載によって画定され、本説明に記載された特徴及び利点の特定の議論によっては制限されない。

本発明の実施例の次の詳細な説明は、添付図面と関連させて読むとき、最も良く理解される。添付図面では、同様の構成要素は同様の参照番号で指し示されている。

当業者は、図面内の要素が簡単さ及び明瞭さを目的として示されており、必ずしもスケール通りに描かれているものではないことを認めるであろう。例えば、図面内の要素の幾つかの寸法は、本発明の実施例についての理解を向上させるため他の要素に対して誇張され得る。

好ましい実施例の次の説明は、本質上単なる例示にしか過ぎず、本発明、その用途又は使用方法を制限するものではない。本発明の現在のところ好ましい組成、実施例及び方法が参照されるが、これらは、発明者に現在のところ知られている、本発明を実施する際のベストモードを構成している。図面は必ずしもスケール通りに描かれていない。しかし、開示された実施例は本発明の単なる例にしか過ぎず、様々な形態及び代替形態で実施され得ることが理解されるべきである。従って、本明細書で開示された特定の詳細例は、限定的なものとして解釈されるべきではなく、単なる請求項のための代表的な基礎として、及び／又は、本発明を様々に用いるため当業者に示唆するための代表的な基礎として、解釈されるべきである。

例又は他の仕方で明示された場合を除いて、材料の量、又は、反応の条件及び／又は使用法を示す記載中の全ての数量は、本発明の最も広い範囲を記載する際に「約」により修正されたものとして理解されるべきである。記載された数量制限以内の実施が一般に好ましい。また、他のことが明示されていない限り、パーセント、「の一部分」及び比率の値は、重量の比率によって示され、用語「ポリマー」は、「オリゴマー」、「コポリマー」、「ターポリマー」等を含んでおり、本発明と関連した所与の目的に対して適切であるか又は好ましいものとしての材料の群又はクラスについての記載は、当該群又はクラスのメンバーの２つ以上の混合物が等しく適切であるか又は好ましいものであり、化学的項目における構成要素は、当該記載で特定された任意の組み合わせに加えられたときに当該構成要素に言及しており、一旦混合された混合物の構成要素の間の化学的な相互作用を必ずしも排除するものではなく、頭文字又は他の略語の最初の定義は同じ略語の本明細書中で次に続く使用の全てに当てはまり、最初に定義された略語の通常の文法的変形にも当てはまり、他の仕方で明示されていない限り、特性の測定値は、同じ特性に対して前述されるか又は後に参照されたものと同じ技術により決定される。

図１を参照すると、自動車要素のための一例としての燃料電池システム２が示されている。しかし、住宅システムの領域における他の燃料電池システムの用途等も、本発明からの利益を享受することができることも理解されるべきである。

図１に示された実施例では、車両ボディ９０と、燃料電池プロセッサ４及び燃料電池スタック１５を有する一例としての燃料電池システム２と、を有する車両が示されている。燃料電池スタック及び燃料電池で具体化されたような本発明の実施例についての説明は、図２乃至６を参照して以下に提供されている。一つの特定の燃料電池スタック１５の設計が説明されているが、本発明は、流体分配プレートが有用性を有するところの任意の燃料電池スタックの設計に適用可能であり得ることが理解されるべきである。

図２は、２つの燃料電池で表した、導電性流体分配プレート３０により互いから分離された、一対の膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）２０及び２２を有する燃料電池スタック１５を示している。プレート３０は、膜電極アッセンブリ２０及び２２に燃料ガス及び酸化剤ガスを分配させるための複数の流体流れチャンネル３５、３７を有する二極式プレートとして機能する。「流体流れチャンネル」によって、プレートの少なくとも一部分に沿って又は該一部分を通して、流体を流出入させるように輸送するため使用される経路、領域、区域又は任意の区分が意味されている。膜電極アッセンブリ２０、２２及びプレート３０は、締め付けプレート４０及び４２と、導電性流体分配プレート３２及び３４との間で一緒に積み重ねることができる。図示の実施例では、プレート３２及び３４は、プレートの両側部ではなく、膜電極アッセンブリ２０及び２２に燃料ガス及び酸化剤ガスを分配するためのチャンネル３６及び３８が形成された唯一の側部を有する端部プレートとして機能する。

非導電性ガスケット５０、５２、５４及び５６が、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部を提供するために設けられていてもよい。ガス透過性のカーボン／グラファイト拡散ペーパー６０、６２、６４及び６６は膜電極アッセンブリ２０及び２２の電極面に対して押圧することができる。プレート３２及び３４は、カーボン／グラファイトペーパー６０及び６６を押圧することができ、その一方でプレート３０は、膜電極アッセンブリ２０のアノード面上でカーボン／グラファイトペーパー６４を押圧し並びに膜電極アッセンブリ２２のカソード面上でカーボン／グラファイトペーパー６０を押圧することができる。

図示の実施例では、例えばＯ_２等の酸化流体は、適切な供給配管８６を介して貯蔵タンク７０から燃料電池スタックのカソード側部に供給される。酸化流体はカソード側部に供給されているが、Ｈ_２等の還元流体は、適切な供給配管８８を介して、貯蔵タンク７２から燃料電池のアノード側部へ供給される。膜電極アッセンブリのＨ_２及びＯ_２／空気の両側部のための排気配管（図示せず）も提供される。追加の配管８０、８２及び８４は、液体冷却剤をプレート３０とプレート３２及び３４に液体冷却剤を供給するため提供される。プレート３０、３２及び３４から冷却剤を排出するための適切な配管も提供されているが、図示されていない。

図３は、第１のシート１０２と第２のシート１０４とを有する一例としての導電性流体分配プレート３０を示している。第１及び第２のシート１０２、１０４は、それらの外側側部／表面上に複数の流体流れチャンネル１０６、１０８を備え、該チャンネルを通って、燃料電池の反応ガスは、典型的に各プレートの一側部に沿って蛇行経路内を流れる。第１及び第２のシート１０２、１０４の内側部は、第２の複数の流体流れチャンネル１１０、１１２を備えることができ、該チャンネルを通って、冷却剤が燃料電池の作動の間に通過する。第１のシート１０２及び第２のシート１０４の内側部がプレートボディ１２０を形成するため一緒に配置されるとき、流体流れチャンネルが接続し合い、冷却剤がプレート３０を通過するための一連のチャンネルを形成する。

プレートボディ１２０を、図３に示された２つの別個のシートではなく、単一シート又はプレートから形成することができる。プレートボディ１２０が単一のプレートから形成されるとき、プレートボディ１２０の外側側部上でプレートボディ１２０の中央部を通ってチャンネルを形成することができ、その結果できたプレートボディ１２０は、２つの別個のシート１０２、１０４から構成されたプレートボディ１２０と同様となる。

プレートボディ１２０は、金属、金属合金又は複合材料から形成することができ、導電性でなければならない。一実施例では、不動態化金属又は不動態化合金はプレートボディ１２０を形成する。「不動態化金属」又は「不動態化合金」とは、空気又は水等の周囲物質との反応の結果として不活性の不動態化層を形成する金属又は合金を意味している。例えば、不動態化層（図示せず）は、金属酸化物であってもよい。金属酸化物は、典型的には、金属又は合金の表面に到達するように層を通って酸素が拡散することを要求することによって更なる酸化に対するバリアとして機能する。かくして、不動態化層は、金属又は金属合金の完全な状態を保護することができる。

適切な金属、金属合金及び複合材料は、燃料電池内の流体分配プレートとして機能するため、十分な耐久性及び剛性によって特徴付けられるべきである。プレートボディのための材料を選択する際に考慮するための追加の設計特性は、ガス透過性、導電度、密度、熱伝導度、腐食耐性、パターンデフィニッション、熱及びパターンの安定性、機械加工性、コスト及び有効性を含んでいる。

利用可能な金属及び合金は、アルミニウム、チタニウム、ステンレス鋼、ニッケルベース合金、及び、それらの組み合わせを含んでいる。複合材料は、グラファイト、グラファイトフォイル、ポリマーマトリックス内のグラファイト粒子、カーボンファイバーペーパー及びポリマーラミネート、金属コアを備えたポリマープレート、伝導被覆ポリマープレート、及び、それらの組み合わせを含むことができる。

第１のシート１０２及び第２のシート１０４は、典型的には、約５１から約５１０（ミクロン）の厚さである。機械加工、鋳造、切断、彫刻、打ち抜き、例えばフォトリソグラフィーマスクを通したフォトエッチング、化学エッチング、又は、他の任意の適切な設計及び製造プロセスによってシート１０２、１０４を形成することができる。シート１０２、１０４は、平坦シートと、一連の外側流体流れチャンネルを備える追加のシートと、を有する積層構造を含んでいてもよい。内側金属スペーサーシート（図示せず）は、第１のシート１０２及び第２のシート１０４の間に配置されていてもよい。

図３の概略的に示されたプレート３０では、ボディ１２０の構造的部品を形成する基板１０２、１０４は、例えばアルミニウム、チタニウム、ステンレス鋼及びニッケルベースの合金等の腐食を受けやすい金属を含んでいる。プレート３０の作用面は、伝導ポリマー複合コーティング１２５で覆われている。少なくとも１つの実施例では、ポリマー伝導性コーティング１２５は、約５０オーム・ｃｍ^２より小さい抵抗を有する、導電性で耐酸化の耐酸性保護材料を含み、耐酸性で耐酸化のポリマーマトリックスを通して分散された複数の耐酸化、酸性不溶性の導電性粒子（即ち、約５０ミクロンよりも小さい）を含んでいる。任意の適切な導電性ポリマーコーティング１２５を用いることができる。そのようなコーティング及びそれらの用途態様の適切な例が米国特許番号６，３７２，３７６号に見出すことができる。

少なくとも１つの実施例では、導電性の充填粒子は、金、プラチナ、グラファイト、カーボン、パラジウム、ニオビウム、ロジウム、ルテニウム及び希土類金属のうち少なくとも１つであってもよい。少なくとも幾つかの実施例では、当該粒子は、２５重量％の積載率で、伝導性カーボン及びグラファイトを含むことができる。ポリマーマトリックスは、薄い接着膜へと形成することができ、且つ、燃料電池の敵対的な酸化及び酸性環境に耐えることができる水不溶性のポリマーを含んでいてもよい。従って、エポキシ、ポリアミド−イミド、ポリエステル−イミド、ポリフェノール、フルオロ−エラストマー（例えば、フッ化ポリビニリデン）、ポリエステル、フェノキシ−フェノール、エポキサイド−フェノール、アクリル、及び、ウレタン、とりわけ、複合コーティングで有用であると思われる。不透過性コーティングを生成するため架橋ポリマーを用いることができる。このとき、ポリアミド−イミド、熱硬化性ポリマーが最も好ましい
少なくとも１つの実施例では、ポリマー複合層１２５は、Ｎ−メチルピロリドン、プロピレングリコール及びメチルエーテルアセテートの混合物と、該混合物に添加された２１重量％ないし２３重量％のグラファイト及びカーボンブラック粒子の混合物と、を含む溶媒内でポリアミド−イミドを分解することによって、適用することができる。少なくとも１つの実施例では、グラファイト粒子は、５ミクロンから２０ミクロンのサイズの範囲に及び、カーボンブラック粒子は０．５ミクロンから１．５ミクロンのサイズの範囲に及んでいる。少なくとも１つの実施例では、混合物は、基板上に吹き付けられ、乾燥され（即ち溶媒が蒸発される）、硬化されて、３８重量％のカーボングラファイト含有量を有する１０ないし３０ミクロン厚のコーティングを提供する。当該混合物は、低温（即ち、＜４７８Ｋ（４００°Ｆ））でゆっくりと硬化することができ、或いは、２つの工程プロセスでより迅速に硬化することができ、当該溶媒は、約４２２Ｋから約４５０Ｋ（約３００°Ｆから約３５０°Ｆ）で１０分間に亘って加熱し、次に、ポリマーを硬化するため（使用される温度に応じて）約１／２分から約１５分の範囲の様々な時間の間でより高い温度加熱（５３３Ｋから６７２Ｋ（５００°Ｆから７５０°Ｆ））を実行することによって最初に除去される。後述されるように、複合層１２５が粘着性を維持している間に、本発明の多孔性表面層１３０は、乾燥及び硬化の前に適用される。

導電性ポリマーコーティング１２５は、基板金属に直接に塗布され、乾燥／硬化することが可能にされていてもよく、又は、基板金属（例えば、Ａｌ）を、最初に、導電性ポリマー複合層１２５が適用される前に酸化可能な金属（例えば、ステンレス鋼）で覆っていてもよい（前出のリーらの特許を参照）。複合層１２５は、例えばブラッシング、吹き付け、引き伸ばし、又は、予め成形された膜を基板上に積層するなどの様々な仕方によって適用することができる。

図３に示された実施例では、導電性流体分配プレート３０は、ポリマー導電性コーティング１２５に接着されて該コーティングを覆う多孔性導電性コーティング１３０を備える。少なくとも１つの実施例では、多孔性導電性コーティング１３０は、４０°より小さい水接触角度、別の実施例では２５°より小さい水接触角度、更に別の実施例では１０°より小さい水接触角度、なお更に別の実施例では５°より小さい水接触角度、なお更に別の実施例では１°より小さい水接触角度をもたらすため適切な多孔性レベルを有する。多孔性導電性コーティング１３０は、図３に概略的に示されているようにプレート３０の実質的な全外側表面を覆って延在することができるが、多孔性導電性コーティング１３０は、全外側表面よりも少ない部分に亘って延在することもできる。

出願人は、少なくとも１０％の多孔率（体積当たりのパーセント）の多孔性導電性層１３０を有する導電性流体分配プレート３０が、優れた水管理特性を有する導電性流体分配プレートをもたらすことができることを発見した。少なくとも１つの実施例では、多孔性導電性層１３０は、多孔性導電性コーティングがより多孔性であることを除いて上述されたポリマー導電性コーティング１２５に実質的に類似している。少なくとも１つの実施例では、本発明に従って作られた導電性流体分配プレート３０の多孔性導電性コーティングは、１０乃至５０％の多孔率を示し、他の実施例では１５乃至４０％の多孔率を示し、更に別の実施例では、２０乃至３５％の多孔率を示し得る。多孔率は、ＢＥＴ表面領域測定技術によって測定することができる。

少なくとも１つの実施例では、本発明に従って作られた導電性流体分配プレート３０の多孔性導電性層１３０は、表面積のｃｍ当たり５０乃至３０００孔の孔密度を示し、他の実施例では表面積のｃｍ当たり１００乃至１０００孔の孔密度を示し、更に別の実施例では表面積のｃｍ当たり２５０乃至７５０孔の孔密度を示し得る。孔密度は、ＢＥＴ表面領域測定技術によって測定することができる。

少なくとも１つの実施例では、本発明に従って作られた導電性流体分配プレート３０の多孔性導電性層１３０は、０．０５乃至１ミクロンの平均孔直径を示し、他の実施例では０．１乃至０．５ミクロンの平均孔直径を示し得る。平均孔直径は、走査型電子顕微鏡によって測定することができる。

本発明の導電性流体分配プレート３０は、上述された少なくとも１つの多孔率範囲を有するプレート３０の多孔性導電性層１３０を提供することによって作ることができる。従来のプレートの表面の平均多孔率は、典型的には、５％より小さく、８０°を超える水接触角度を有している。

多孔性導電性層１３０の多孔率の所望のレベルが達成される態様は、必ずしも重要ではない。多孔性導電性層１３０は、例えば化学的又は機械的な任意の適切な態様で提供することができる。一例としての態様は、導電性ポリマー複合コーティング１２５に亘って導電性ポリマーコーティング１２５を形成するため使用されるのと同じか又は同様の組成を持つポリマー導電性コーティングの湿った層を提供することである。湿ったポリマー導電性層は、例えば吹き付け工程等によって任意の適切な態様で提供することができる。湿ったポリマー導電性層を完全に乾燥させる前に、適切な孔生成剤を湿ったポリマー導電性層に埋め込むことができる。孔生成剤は、例えば吹き付け工程、ドクターブレードコーティング及びスクリーン印刷等によって任意の適切な態様で埋め込むことができる。

孔生成剤が内部に埋め込まれたところの湿ったポリマー層を乾燥又は硬化させることができる。孔生成剤が硬化後に埋め込まれた状態で、余った孔生成剤が硬化されたポリマー層の表面上に残っている場合、表面層を、任意の適切な態様で余った孔生成剤を一掃するか又はクリーニングすることができる。湿ったポリマー導電性層が硬化された後、多孔性導電性コーティング１３０を形成するため孔生成剤が導電性ポリマー層内に孔を形成させるようにするため、適切な孔生成剤を除去媒体にさらすことができる。任意の適切な量の孔生成剤を、所望の多孔率を有する多孔性導電性コーティング１３０をもたらすため湿ったポリマー導電性層に添加することができる。

少なくとも幾つかの実施例では、孔生成剤は、例えば孔形成剤、発泡剤及びそれらの混合物等の任意の適切な孔生成剤とすることができる。少なくとも１つの実施例では、除去媒体は、例えば、コーティング１３０内に孔を形成するため孔生成剤を除去するための熱及び溶媒等の任意の適切な媒体とすることができる。

少なくとも１つの実施例では、孔生成剤は、例えば０．１乃至１０ミクロン等の所定の粒子直径を持つ固体粒状孔形成剤の形態にある。適切な孔形成剤の幾つかの例は、例えば炭酸塩及び重炭酸塩等の任意の適切な無機塩が挙げられるが、これらの例に必ずしも限定するものではない。適切な炭酸塩の幾つかの例には、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸アンモニウム、炭酸マグネシウム、炭酸カルシウム、重炭酸ナトリウム、重炭酸カリウム、重炭酸アンモニウム、重炭酸マグネシウム、重炭酸カルシウム、炭酸亜鉛、炭酸バリウム及びこれらの混合物が挙げられるが、これらの例に限定するものではない。

他の適切な孔形成剤の幾つかの例には、例えば、窒化ナトリウム等の窒化物が含まれている。
他の適切な孔形成剤の幾つかの例には、例えば、カンフル、尿素、及び、カンフル又は尿素の誘導体等、それらの混合物等、幾つかの有機孔形成組成が挙げられる。

適切な溶媒除去媒体の例には、酸、水及び基剤が含まれているが、これらの例に限定されるものではない。
少なくとも１つの実施例では、孔生成剤は、発泡剤を含んでいる。任意の適切な形成剤及びプロセスを使用することができる。適切な形成剤として、例えばアゾ組成、アゾジカーボンアミド、トリヒドラジノトリアジン等のヒドラジン、５フェニルテトラゾール等のテトラゾール、ベンゾキシアジン及びセミカーバザイド等の、物理化学的形成剤が挙げられる。

別の実施例では、孔表面層１３０は、外側表面層が硬化、成形された後に外側表面層１３０内に孔を形成することによって形成することができる。本実施例では、ピン又は他の突起物を、孔を内部に形成するため、加熱及び／又は軟化された層１３０内へと貫通させることができる。本実施例では、層１３０を加熱することに加えて、又は、その代わりとしてピン又は突起物を加熱することもできる。

少なくとも１つの実施例では、より小さい接触抵抗が望まれるとき、孔生成剤は、例えばグラファイト、金、プラチナ、カーボン、パラジウム、ニオビウム、ロジウム、ルテニウム及び希土類金属等の導電性材料と混合することができる。本実施例では、孔生成剤及び導電性材料の混合物は、任意の適切な比率で混合することができる。しかし、孔生成剤及び導電性材料の７５／２５の混合物から２５／７５の混合物までが有用性を持ちそうであると予想される。少なくとも１つの実施例では、特に好ましい混合物は、グラファイト（高品質グラファイトＢＧ−３４）及び炭酸ナトリウムの５０／５０の混合物を含んでいる。

図４は、本発明の別の実施例を示している。図４に示された、プレート３０’及びボディ１２０’は、図３に示された、プレート３０及びボディ１２０に構成及び使用形態において類似している。図３に示されたプレート３０において対応する部品と実質的に同じであるプレート３０’の部品は、同じ参照番号が与えられており、プレート３０の対応する部品と実質的に異なるプレート３０’の部品は、明瞭にするため、添え字「‘」（プライム符号） が付与された同じ部品番号が与えられている。

導電性流体分配プレート３０’のボディ１２０’は、全体として複合材料から作られ（例えば、成形され）、多孔性表面層１３０は、拡散媒体と係合する複合材料の外側表面に形成されている。本実施例では、導電性コーティング１２５は必ずしも必要ではない。プレート３０’の複合材料は、ポリマーマトリックス（熱可塑性又は熱硬化性）を通して分散された体積にして５０％乃至９０％の導電性充填剤（例えば、グラファイト粒子又はフィラメント）を含むポリマー複合材料等の成形プレートのための任意の適切な導電性複合材料とすることができる。

別の実施例では、多孔性表面層１３０は、複合プレート３０’の外側表面を所望の多孔率にする織地型に複合プレート３０’を成形することによって形成することができる。本実施例では、織地型の使用法を用いるとき、多孔性層１３０は、複合プレートボディ１２０’内に１乃至５マイクロメートルの深さまで延在することができる。

本発明の様々な実施例に係る導電性流体分配プレートは、優れた水管理特性を有する。本発明の原理は、一極式プレート及び二極式プレートにも適用できることが理解されるべきである。

以下、本発明を例を用いて説明する。本発明は当該例に限定されるものではないことが認められるべきである。
（例）
金属二極式プレートは、米国特許番号６，３７２，３７６号に開示されたもの等の導電性保護ポリマーコーティングで最初に被覆される。この最初のコーティングは、下層の金属（例えば、ステンレス鋼）を過酷な燃料電池環境の腐食から保護することを援助し、該コーティングは１５０℃で１０分間に亘って流され、次に２６０℃で１５分間に亘って硬化される。プレートを冷却した後、同じポリマーコーティングの第２の層が第１のコーティング上に吹き付けされる。この湿った層は、グラファイト（例えば、高品質グラファイトＢＧ−３４）及び炭酸ナトリウムの混合物（重量にして５０／５０）で塵が取り払われ、次に第１のコーティングと同じ硬化サイクルを使用して硬化される。硬化後には、乾燥した余剰のダスト（グラファイト及び炭酸ナトリウム）がプレート上で一掃される。被覆されたプレートは、頂部層内に埋め込まれた炭酸ナトリウム粒子を分解するため、０．１ＭのＨ_２ＳＯ_４の酸性溶液内に浸漬され、ガス（例えばＣＯ_２）を放出させて頂部層内に孔を形成する。当該プレートは、炭酸ナトリウムの分解の結果として表面上に残っている任意の塩を除去するため、洗浄され、乾燥される。外側コーティングは、ＢＥＴ測定技術により測定されたとき、＞３０％の多孔率を有する。このプレート上の水接触角度は、１０°より小さく測定されている。

本発明の実施例が示され説明されたが、これらの実施例は、本発明の可能な全ての形態を示し説明しているわけではない。本明細書で使用される用語は限定用語ではなく説明の用語であり、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、様々な変更をなし得ることが理解されよう。

図１は、燃料電池システムを含む車両の概略図である。 図２は、２つの燃料電池を用いる燃料電池スタックの概略図である。 図３は、本発明の一実施例に係る導電性流体分配プレートの図である。 図４は、本発明の別の実施例に係る導電性流体分配プレートの図である。

Claims (20)

1. 導電性流体分配プレートであって、
   前記プレートの少なくとも１つの側部に亘って流体の流れを分配するように構成された１組の流体流れチャンネルを画定するプレートボディと、
   前記プレートボディに近接したポリマー多孔性導電性層であって、該多孔性導電性層は４０°より小さい表面水接触角度をもたらすのに十分な多孔率を有する、前記ポリマー多孔性導電性層と、
   を備える、導電性流体分配プレート。
2. 前記多孔性導電性層は、前記プレートボディに接着した多孔性導電性コーティングを備え、該多孔性導電性コーティングは少なくとも１０％の多孔率を有する、請求項１に記載の導電性流体分配プレート。
3. 前記コーティングは、該コーティングの表面積のうちｃｍ当たり少なくとも５０個の孔となる孔密度を有する、請求項２に記載の導電性流体分配プレート。
4. 前記孔は、０．０５から１．０ミクロンの平均サイズを有する、請求項３に記載の導電性流体分配プレート。
5. 前記プレートボディは、金属シートと、前記多孔性導電性コーティングとは異なる、複合ポリマー導電性コーティングと、を備える、請求項４に記載の導電性流体分配プレート。
6. 前記プレートボディは、ポリマーマトリックスを通して分散された導電性充填剤を含む複合物を備える、請求項１に記載の導電性流体分配プレート。
7. 前記水接触角度は、２５°よりも小さい、請求項２に記載の導電性流体分配プレート。
8. 前記コーティングの多孔率は、１０乃至５０％である、請求項２に記載の導電性流体分配プレート。
9. 前記プレートは二極式プレートである、請求項１に記載の導電性流体分配プレート。
10. 前記コーティングの多孔率は、導電性コーティング内に固体孔形成剤を配置し、前記発泡剤を分解するのに十分な酸に前記孔形成剤をさらすことによって得られたものである、請求項２に記載の導電性流体分配プレート。
11. 前記孔形成剤は炭酸ナトリウムを含む、請求項１０に記載の導電性流体分配プレート。
12. 前記層の多孔率は孔を前記ボディ内に成形することによって得られたものである、請求項６に記載の導電性流体分配プレート。
13. 流体分配プレートを製造する方法であって、
    前記プレートの少なくとも１つの側部に亘って流体の流れを分配するように構成された１組の流体流れチャンネルを画定するボディを有するプレートボディを用意し、
    ポリマー多孔性導電性層であって、該多孔性導電性層は４０°より小さい表面水接触角度をもたらすのに十分な多孔率を有する、前記ポリマー多孔性導電性層を前記ボディに設ける、各工程を備える、方法。
14. 前記ボディに多孔性導電性層を設ける工程は、
    前記ボディに亘って孔形成剤が埋め込まれた導電性ポリマーコーティングを設け、
    前記プレート上の多孔性導電性層に４０°より小さい水接触角度を提供するため、孔生成剤に前記導電性ポリマーコーティング内の孔を生成させるように前記孔生成剤を除去媒体にさらす、各工程を備える、請求項１３に記載の方法。
15. 前記除去媒体は酸を含んでいる、請求項１４に記載の方法。
16. 前記孔生成剤は炭酸ナトリウムを含んでいる、請求項１５に記載の方法。
17. 前記孔生成剤は、グラファイトを更に含んでいる、請求項１６に記載の方法。
18. 前記ボディは、導電性複合材料を含み、前記多孔率は孔を前記複合プレート内に成形することによって形成される、請求項１３に記載の方法。
19. 前記除去媒体は、非化学的処理媒体を含み、前記孔生成剤は発泡剤を含んでいる、請求項１４に記載の方法。
20. 燃料電池であって、
    第１の導電性流体分配プレートであって、該プレートの少なくとも１つの側部に亘って流体の流れを分配するように構成された１組の流体流れチャンネルを画定するプレートボディを有する、前記第１の導電性流体分配プレートと、
    前記プレートボディに近接したポリマー多孔性導電性層であって、該多孔性導電性層は４０°より小さい表面水接触角度をもたらすのに十分な多孔率を有する、前記ポリマー多孔性導電性層と、
    第２の導電性流体分配プレートと、
    前記第１の導電性流体分配プレートと前記第２の導電性流体分配プレートとを分離する膜電極アッセンブリであって、該膜電極アッセンブリは、第１の側部及び第２の側部を有する電解質膜と、該電解質膜の前記第１の側部に隣接するアノードと、該電解質膜の前記第２の側部に隣接するカソードとを有する、前記膜電極アッセンブリと、
    を備える、燃料電池。

Images