JP4977129B2 - 燃料電池用の導電性流体分配板 - Google Patents

Description

本発明は一般に、導電性流体分配板、導電性流体分配板を製作する方法、および本発明による導電性流体分配板を使用するシステムに関する。より詳しくは本発明は、燃料電池および他の種類の装置における接触抵抗の問題点に対処する導電性流体分配板の使用に関する。

燃料電池は、車両用を含む多くの用途用の動力源として開発されつつある。そのような燃料電池の１つは、プロトン交換膜またはＰＥＭ燃料電池である。ＰＥＭ燃料電池はこの分野でよく知られ、その各セル内に膜電極アセンブリまたはＭＥＡを含む。このＭＥＡは、その一面に形成されるアノード電極面およびその反対面に形成されるカソード電極面を有する、薄い、プロトン伝導性の、高分子の膜電解質である。膜電解質の一例は、イオン交換樹脂から作られる種類のものである。例示的なイオン交換樹脂は、Ｅ．Ｉ．ＤｕＰｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｍｅｏｕｓ＆Ｃｏ．から入手可能なＮＡＦＩＯＮ（登録商標）などのペルフルオロ化されたスルホン酸高分子（ｐｅｒｆｌｕｏｒｏｎａｔｅｄ ｓｕｌｆｏｎｉｃ ａｃｉｄ ｐｏｌｙｍｅｒ）を含む。一方では、アノードおよびカソード面は、細かく分割されたカーボン微粒子、カーボン微粒子の内表面および外表面に支持される非常に細かく分割された触媒微粒子、および触媒微粒子およびカーボン微粒子と混ぜられたＮＡＦＩＯＮ（登録商標）などのプロトン伝導性の微粒子；あるいはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）結合剤全体にわたり分散される、カーボンなしの触媒微粒子を通常含む。

マルチセルＰＥＭ燃料電池は、電気的に直列に一緒にスタックされ、セパレータ板またはバイポーラ板として知られているガス不浸透導電性流体分配板によって１つが次から分離される複数のＭＥＡを備える。そのようなマルチセル燃料電池は、燃料電池スタックとして知られている。このバイポーラ板は、１つが１つのセルのアノードと対面し、もう１つがスタック内の次に隣接するセルのカソードと対面する２つの作用面を有し、電流を隣接するセル間で電気的に伝導する。スタックの端部のところの導電性流体分配板は端部セルとのみ接触し、エンド板として知られている。このバイポーラ板は、ガス状反応剤（例えば、Ｈ_２およびＯ_２／空気）をアノードおよびカソードの表面上に分配する流れ場を含む。これらの流れ場は一般に、供給ヘッダーと流れ流路の反対側に配置される排液ヘッダーの間をガス状反応剤が通り流れる複数の流れ流路をその間に画成する複数のランドを含む。

「拡散媒体（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｍｅｄｉａ）」として知られている、高度に多孔質（すなわち、約６０％〜８０％）の導電性材料（例えば、布、スクリーン、紙、発泡体、等）が一般に、導電性流体分配板とＭＥＡの間に挿入され、（１）導電性流体分配板のランドの間および下の、電極の全面にわたりガス状反応剤を分配し、（２）溝に対面する電極の面から電流を集め、それをその溝を画成する隣接するランドに運搬する役割を果たす。知られたそのような拡散媒体の１つは、体積で約７０％の空孔率、約０．１７ｍｍの非圧縮厚さを有するグラファイト紙（ｇｒａｐｈｉｔｅ ｐａｐｅｒ）を含み、Ｔｏｒａｙ ０６０の名の下でＴｏｒａｙ Ｃｏｍｐａｎｙから商業的に入手可能である。そのような拡散媒体は、この分野で知られているように、細かな網目、貴金属スクリーン等も備えることができる。

Ｈ_２−Ｏ_２／空気ＰＥＭ燃料電池環境では、この導電性流体分配板は通常、Ｆ⁻、ＳＯ_４ ⁻⁻、ＳＯ_３ ⁻、ＨＳＯ_４ ⁻、ＣＯ_３ ⁻⁻、およびＨＣＯ_３ ⁻等を含有する弱酸性の溶液（ｐＨ３〜５）と常時接触している可能性がある。さらにこのカソードは通常、圧縮された空気に曝されながら（標準水素電極に対して）最大約＋１Ｖに分極された高度に酸化性の環境で動作する。最後にこのアノードは通常、常時水素に曝される。したがって、この導電性流体分配板は燃料電池内で敵対的な環境に対して耐性であるべきである。

適切な導電性流体分配板のより一般的な種類の１つは、（熱可塑性または熱硬化性）高分子マトリックスの全体にわたって分散された体積で約５０％から約９０％の導電性充填剤（例えば、グラファイト微粒子またはフィラメント）を通常含む、高分子複合材料から成型されるものを含む。複合導電性流体板の開発での最近の努力は、妥当な電気的および熱的伝導度を有する材料に向けられてきている。材料供給者は、必要な伝導度目標を達成するために、高分子マトリックス内に体積で５０％から９０％の範囲内でグラファイト粉を含む高カーボン添加複合板を開発してきている。この種類の板は、通常腐食性の燃料電池環境に耐えることができ、かつ大部分に対してコストおよび伝導度目標に合致する。そのような最近入手可能な分極板の１つは、ＢＭＣ板としてＷｅｓｔ Ｃｈｉｃａｇｏ，ＩＩＩのＢｕｌｋ Ｍｏｌｄｉｎｇ Ｃｏｍｐｏｕｎｄ，Ｉｎｃ．から入手可能である。

別法として、離散性の伝導性繊維がカーボン添加を減少させ、板の靭性を増加させる試みで複合板に使用されてきている。この発明の譲受人に譲渡され参照により本明細書に組み込まれている、同時係属の２００３年８月１９日出願のＢｌｕｎｋ等による米国特許第６，６０７，８５７号を参照されたい。繊維材料は通常、伝導性粉体と比較して軸方向に１０から１０００倍より伝導性である。この発明の譲受人に譲渡され参照により本明細書に組み込まれている、２００４年１２月７日出願のＬｉｓｉ等による米国特許第６，８２７，７４７号を参照されたい。

製造プロセスの一部としてこの成型複合板の表面は、表面をより伝導性にするために一般にスキン層と呼ばれるものを取り除くためにサンドペーパーで通常軽く擦られる。これらの擦られた表面は通常、０．１〜０．２μｍの粗さ平均値を有する。

適切な導電性流体分配板のより一般的な種類の別の１つは、金属から作られるものを含む。金属板を使用するための比較的一般的な手法は、軽金属導電性流体分配板を、導電性かつ耐蝕性の両方でありそれによって下にある金属を保護する金属または金属複合材料の層で被覆することであった。この点に関して、ステンレス鋼が常に、その比較的低コストおよびその優れた耐蝕性の故に、導電性流体分配板用の魅力ある基部層材料であってきた。しかしながら、伝導性被覆が接触抵抗を減少させるためにその表面上に依然として通常使用されてきており、それによって比較的安価な材料を使用する優位のいくらかを無効にしている。

被覆金属板の一例が２００１年７月１７日発行のＬｉ等によるＲＥ３７，２８４Ｅに開示され、これは、（１）この発明の譲受人に譲渡され、（２）参照により本明細書に組み込まれており、かつ（３）軽金属コア、このコアの上にあるステンレス鋼不動態化層、およびこのステンレス鋼層の上にある窒化チタン（ＴｉＮ）層を開示する。金属板の表面の接触抵抗を低くするために使用される他の種類の被覆には、金およびその合金などの比較的コストの高い材料が含まれる。

上記で論じたように、導電性流体分配板の大きなパーセントが、複合高分子材料または金属ベース層のいずれかを備える。これらの型式の板のおのおのは、これらの板を製造するための時間およびコストを助長するさらなるステップを通常必要とする。したがって、低い接触抵抗を有し、かつ製造するのに経済的に効率的である導電性流体分配板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、板の少なくとも一面を横切って流体の流れを分配するように構成される１組の流体流れ流路を画成する表面を有する板本体を備える導電性流体分配板が提供され、この表面の少なくとも一部分は、０．５μｍより大きな粗さ平均値と、カーボン紙の間に挟まれるとき１．３８ＭＰａ（２００ｐｓｉ）で４０ｍΩ・ｃｍ^２より小さな接触抵抗値とを有する。

さらに別の実施形態では、板の少なくとも一面を横切って流体の流れを分配するように構成される１組の流体流れ流路を画成する、０．２５μｍより小さな第１の粗さ平均値を有する表面を有する導電性流体分配板本体を設けるステップと、この表面の少なくとも一部分が０．５μｍより大きな第２の粗さ平均値と、カーボン紙の間に挟まれるとき１．３８ＭＰａ（２００ｐｓｉ）で４０ｍΩ・ｃｍ^２より小さな接触抵抗値とを有するようにする条件の下で、この表面を固体媒体に曝すステップとを備える、導電性流体分配板を製造する方法が提供される。

さらに別の実施形態では、燃料電池が提供される。この燃料電池は、板の少なくとも一面を横切って流体の流れを分配するように構成される１組の流体流れ流路を画成する表面を有する板本体を含む第１の導電性流体分配板を含む。この表面の少なくとも一部分は、０．５μｍより大きな粗さ平均値と、カーボン紙の間に挟まれるとき１．３８ＭＰａ（２００ｐｓｉ）で４０ｍΩ・ｃｍ^２より小さな接触抵抗値とを有する。燃料電池は、第２の導電性流体分配板と、第１の導電性流体分配板と第２の導電性流体分配板を分離する膜電極アセンブリをさらに含む。この膜電極アセンブリは、第１の側および第２の側、ならびに前記電解膜の前記第１の側に隣接するアノードと前記電解膜の前記第２の側に隣接するカソードとを有する電解膜を含む。

本発明は、添付の図面と一緒に行われる本発明の好ましい実施形態の以下の説明からより完全に理解されるであろう。特許請求の範囲は、特許請求の範囲内での記述によって定義され、本発明の説明に記載される特徴および利点の特定の論議によって定義されないことに留意されたい。

本発明の実施形態の以下の詳細な説明は、同様な構造体が同様な参照番号によって示される添付の図面と共に読むとき、最もよく理解することができる。

熟練工は、図内の要素は簡単にかつ分かり易くするために示され、必ずしも縮尺どおり描かれていないことを理解するであろう。例えば、図の要素のうちのいくつかの寸法は、本発明の実施形態の理解の改善を助けるために他の要素に対して誇張されている場合がある。

好ましい実施形態の以下の説明は、本質的に単に例示的であり、本発明、その用途、または使用を限定するためのものでは全くない。次に本発明者らに現在知られている本発明を実施する最適なモードを構成する、本発明の現在の好ましい成分、実施形態および方法を詳細に参照する。図は必ずしも縮尺どおりではない。しかしながら、開示される実施形態は、様々なかつ代替の形態で実施することができる本発明の単なる例示に過ぎないことを理解されたい。したがって、本明細書で開示される特定の詳細は限定であると解釈するべきではなく、単に特許請求の範囲のための例示的な基礎として、かつ／または当業者に本発明を様々に使用するための教示のための例示的な基礎として解釈すべきである。

実施例における場合、または明示的にそうではなく示されている場合を除き、材料の量、反応の状態および／または使用を示す、この説明内での数値的数量は全て、本発明の最も広い範囲を説明する用語「約（ａｂｏｕｔ）」によって緩和されると理解されるべきである。述べられた数値限界内の実施が一般に好ましい。同様に、明示的に反対であると述べられていない限り、パーセント、「の部分（ｐａｒｔｓ ｏｆ）」、比率の数値は重量により、術語「高分子（ｐｏｌｙｍｅｒ）」は、「低高分子（ｏｌｉｇｏｍｅｒ）」、「共高分子（ｃｏｐｏｌｙｍｅｒ）」、および「三元高分子（ｔｅｒｐｏｌｙｍｅｒ）」等を含み、本発明と関連する所与の目的に対し適切なまたは好ましい材料の群または級の記述は、その群または級の任意の２以上の部材の混合物も等しく適切であるまたは好ましいことを意味し、化学術語での構成物質の記述は、記述内で特定される任意の組合せに対する添加のときでの構成物質を意味し、必ずしも混合された後の混合物の構成物質内の化学的相互作用を除外せず、頭文字または他の略語の最初の定義は、本明細書での同じ略語の引き続く使用の全ておよび最初に定義された略語の通常の文法的変形体にも適用され、かつ、明示的に反対であると述べられていない限り、特性の測定は、前にまたは後で同じ特性に対し参照される同じ技術により求められる。

図１を参照すると、自動車用途用の例示的な燃料電池システム２が示されている。しかしながら、例えば居住システムの領域内などの、他の燃料電池システム用途も本発明から利益を受けることができる。

図１に示す実施形態では、車両本体９０、および燃料電池プロセッサ４および燃料電池スタック１５を有する例示的な燃料電池システム２が示されている。燃料電池スタックおよび燃料電池に具体化される本発明の実施形態の議論は、今後図２〜６を参照して行われる。１つの具体的な燃料電池スタック１５設計が説明されるが、本発明は、流体分配板が役立つ任意の燃料電池スタック設計にも適用可能であることを理解されたい。

図２は、２つの燃料電池である、導電性流体分配板３０によって互いに分離された１対の膜−電極−アセンブリ（ＭＥＡ）２０および２２を有する燃料電池スタック１５を示す。板３０は、燃料および酸化剤ガスをＭＥＡ ２０および２２に分配するための複数の流体流れ流路３５、３７を有するバイポーラ板としての役割を果たす。「流体流れ流路（ｆｌｕｉｄ ｆｌｏｗ ｃｈａｎｎｅｌ）」によって、我々は流体を板の少なくとも一部分内に、一部分から外に、一部分に沿って、または一部分を通り輸送するために使用される板上の通路、区域、領域、または任意の範囲を意味する。ＭＥＡ ２０および２２、および板３０は、締め付け板４０と４２、ならびに導電性流体分配板３２と３４の間に一緒にスタックすることができる。図示の実施形態では板３２および３４は、板の両面とは異なり、それぞれ、燃料および酸化剤ガスをＭＥＡ ２０および２２に分配するための流路３６および３８を含む一面のみを有する端版として働く。

非伝導性ガスケット５０、５２、５４、５６を燃料電池スタックのいくつかの構成部品間のシールおよび電気的絶縁を可能にするように設けることができる。ガス浸透可能なカーボン／グラファイト拡散紙６０、６２、６４、および６６をＭＥＡ ２０および２２の電極面に対して押し付けることができる。板３２および３４はそれぞれ、カーボン／グラファイト紙６０および６６に対して押し付けることができ、一方板３０は、ＭＥＡ ２０のアノード面上のカーボン／グラファイト紙６４およびＭＥＡ ２２のカソード面上のカーボン／グラファイト紙６０に対して押し付けることができる。

図示の実施形態では、Ｏ_２などの酸化性流体が貯蔵タンク７０から適切な供給配管系統８６を介して燃料電池スタックのカソード側に供給される。酸化性流体がカソード側に供給されている間に、Ｈ_２などの還元性流体が貯蔵タンク７２から適切な供給配管系統８８を介して燃料電池スタックのアノード側に供給される。ＭＥＡのＨ_２およびＯ_２／空気側両方の排気配管系統（図示せず）も設けられる。その他の配管系統８０、８２、および８４が板３０と板３２および３４に液体冷却材を供給するために設けられる。板３０、３２および３４からの冷却材を排液するための適切な配管系統も設けられるが、図示されない。

図３は、第１のシート１０２および第２のシート１０４を備える例示的な導電性流体分配板３０を示す。第１および第２のシート１０２、１０４は、燃料電池反応ガスが各板の一面に沿って通常曲がりくねった通路で流れる、複数の流体流れ流路１０６、１０８をそれらの外側／表面に備える。第１および第２のシート１０２、１０４の内側は、燃料電池の動作中冷却材が通過する第２の複数の流体流れ流路１１０、１１２を含むことができる。第１および第２のシート１０２、１０４の内側が板本体１２０を形成するように互いに配置されるとき、これらの流体流れ流路は接続し、板３０を通過する冷却材用の一連の流路を形成する。

板本体１２０は、図３に示す２つの別々のシートではなく、単一のシートまたは板から形成することができる。板本体１２０が単一の板から形成されるとき、結果として得られる板本体１２０が２枚の別々のシート１０２、１０４から構成される板本体１２０と同等であるように、流路は板本体１２０の外側上に、かつ板本体１２０の中央を貫通して形成することができる。

板本体１２０は、金属、金属合金、または複合材料から形成することができ、伝導性でなければならない。適切な金属、金属合金、または複合材料は、燃料電池内で流体分配板として機能するために、十分な耐久性および剛性によって特徴付けられるべきである。板本体用の材料を選択する場合に考慮するためのその他の設計特性には、ガス透過性、導電性、密度、熱伝導性、腐食抵抗性、パターン鮮明度、熱およびパターン安定性、機械加工性、コストおよび入手可能性が含まれる。

入手可能な金属および合金には、チタン、ステンレス鋼、ニッケル基合金、およびそれらの組合せが含まれる。複合材料は、グラファイト、グラファイト箔、高分子マトリックス内のグラファイト微粒子、カーボン繊維紙と高分子の積層板、導電的に被覆された高分子板、およびそれらの組合せが含まれる。

第１および第２のシート１０２、１０４は通常、約５１から約５１０μｍ（ミクロン）厚さの間にある。このシート１０２、１０４は、機械加工、成型、切断、彫刻、打ち抜き、フォトリソグラフィーマスクを介したなどのフォトエッチング、または任意の他の適切な設計および製造プロセスによって形成することができる。シート１０２、１０４が平らなシートと一連の外部流体流れ流路を含む追加のシートとを含む積層構造を備える場合があることは企図している。内部金属スペーサシート（図示せず）を第１および第２のシート１０２、１０４の間に配置することができる。

導電性流体分配板３０は、少なくとも１つの実施形態では少なくとも０．５μｍの、別の実施形態では０．５と５０μｍの間の、さらに別の実施形態では０．７５と２５μｍの間の、さらに別の実施形態では０．９０から１０μｍの、なおさらに別の実施形態では１．０から５μｍの粗さ平均値（Ｒａ）を有する表面部分１２５を有する。この粗さ平均値は、ＷＹＫＯ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｔｕｓｃｏｎ，Ａｒｉｚｏｎａによって製造されるＷＹＫＯ表面形状計を使用して測定することができる。このＷＹＫＯ表面形状計システムは、干渉パターンの強度を記録することによって表面平滑度／粗さを得るための非接触光学式干渉計を使用する。１つの適切な形状計は９８０−００５ＷＹＫＯ形状計である。１組の適切な試験設定パラメータは、サイズ：３４８μｍ×２４０μｍ；サンプリング：１．４５μｍ；除去される項目：円筒および傾き；およびフィルタリング：ローパスを含む。

出願人らは、上記範囲内の少なくとも１つの粗さ平均値を有する表面部分１２５を有する導電性流体分配板３０は、結果として低接触抵抗被覆の使用なしで優れた接触抵抗値を有する導電性分配板になり得ることを見出した。図３に概略的に示すように、表面部分１２５は実質的に板３０の外側表面全体にわたり延びることができるが、この表面部分１２５は外側表面全体より少なく延びることもできる。

出願人らは、Ｘ方向に沿った少なくとも８ピーク／ｍｍのピーク密度（針ＸＰｃ）を有する表面部分１２５を有する導電性流体分配板３０は、結果として低接触抵抗被覆の使用なしで優れた接触抵抗値を有する導電性分配板になり得ることも見出した。この表面部分１２５は、少なくとも１つの実施形態では８〜２５ピーク／ｍｍの、さらに別の実施形態では１２〜１８ピーク／ｍｍの間のピーク密度（針ＸＰｃ）を有する。少なくとも１つの実施形態では、この表面部分１２５は実質的に等方性である。このピーク密度（針ＸＰｃ）は、ＷＹＫＯ表面形状計を使用して測定することができる。ピークは、分析される形状に対するＲａと等しい平均線より上のある高さ、平均線より下のある深さに設定される下側および上側境界レベルを形状が連続して横切るときとして定義される。

出願人らは、少なくとも７μｍの平均最大形状高さ（Ｒｚ）を有する表面部分１２５を有する導電性分配板３０は、結果として低接触抵抗被覆の使用なしで優れた接触抵抗値を有する導電性分配板になり得ることも見出した。この平均最大形状高さ（Ｒｚ）は、少なくとも１つの実施形態では７〜２５μｍ、さらに別の実施形態では１０〜１８μｍである。この平均最大形状高さ（Ｒｚ）は、ＷＹＫＯ表面形状計を使用して測定することができる。この平均最大形状高さは、１０の最高のピークの平均値と１０の最低の谷の平均値の間の差である。

板３０のこの優れた接触抵抗特性は、本発明により製造される板３０の表面部分１２５の低接触抵抗値の結果であると理解することができる。本発明により製造される導電性流体分配板３０の表面部分１２５は、１．３８ＭＰａ（２００ｐｓｉ）の接触圧力でカーボン紙の間に挟まれるとき、少なくとも１つの実施形態で４０ｍΩ・ｃｍ^２より小さな、別の実施形態では５と４０ｍΩ・ｃｍ^２の間の、別の実施形態では１０と３０ｍΩ・ｃｍ^２の間の接触抵抗値を示すことができる。

本発明の導電性流体分配板３０は、上記で論じたような板３０の表面部分１２５の粗さ平均値になるような条件の下で、板３０の表面を固体粗加工媒体に曝すことによって作ることができる。従来型の板の表面の粗さ平均値は、通常０．２μｍより下である。従来型の板の表面の平均ピーク密度（針ＸＰｃ）は、通常４．５ピーク／ｍｍより下である。従来型の板の平均最大形状高さは、通常３μｍより下である。

板３０の所望の表面を適切に粗くするために、任意の適切な固体粗加工媒体を使用することができる。適切な固体媒体には、砂、ソーダ、プラスチックペレット、アルミナ、ジルコニウム、およびガラス等が含まれることができる。適切な固体媒体は、少なくとも１つの実施形態では０．５から２５μｍの、別の実施形態では１から１０μｍの平均直径（粒サイズ）を有することができる。固体媒体が板３０に曝されるであろう圧力および時間は、必要に応じて変更することができる。しかしながら、０．１５から５分の時間に対する３４．５から５１７ＫＰａ（５から７５ｐｓｉ）の平均圧力が有用性を見出しそうであることは予期している。少なくとも１つの実施形態では、本発明の導電性流体分配板３０の表面は、粗くすることによってそれらの粗くされる前の状態に対して厚さで０．０５〜０．５μｍ減少する場合がある。

上記で説明したように、本発明の板３０は、任意の適切な材料から作ることができる。しかしながら少なくとも１つの実施形態では、その比較的低コストおよび比較的高い入手可能性をうまく利用するために、ステンレス鋼金属板３０が好ましい。本発明により製造される金属板３０によって得られる優れた接触抵抗値に起因して、本発明の金属板３０は、別の低接触抵抗被覆を必要としない。炭化水素膜などの、測定可能なレベルのフッ化物イオンを浸出させない傾向のある膜と共に使用するとき、任意のグレードのステンレス鋼が適切な適用可能性を見出す可能性がある。

出願人らは、ＮＡＦＩＯＮ（商標）膜などの測定可能なレベルのフッ化物イオンを浸出させる膜についてなどの、腐食が一問題点より多くなる傾向のある環境では、比較的高級なグレードのステンレス鋼／合金が高腐食抵抗性および良好な接触抵抗値を有する板３０を生み出すのに特に適していることを見出した。より高級グレードのステンレス鋼／合金は、少なくとも１つの実施形態ではステンレス鋼の全重量の重量で少なくとも４０％より高い、別の実施形態では５０％より高い、別の実施形態では６０％より高いモリブデン、クロム、およびニッケルの組合せ含有量を有するステンレス鋼および合金として定義される。より高級グレードのステンレス鋼の適切な例には、必ずしも限定ではないが、Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）６０１、９０４Ｌ、２５４ＳＭＯ（登録商標）、ＡＬ６ＸＮ（登録商標）、Ｃａｒｐ−２０、Ｃ２７６およびその他が含まれる。より高級グレードのステンレス鋼が使用されるとき、本発明の板３０の表面部分１２５は、少なくとも１つの実施形態では１００ｎＡ／ｃｍ^２より小さな腐食抵抗値を、およびカーボン紙の間に挟まれるとき１．３８ＭＰａ（２００ｐｓｉ）の接触圧力で３０ｍΩ・ｃｍ^２より小さな、別の実施形態では５と３０ｍΩ・ｃｍ^２の間の、さらに別の実施形態では１０と２５ｍΩ・ｃｍ^２の間の接触抵抗値を有することができる。

図４は、本発明の別の実施形態を示す。図４に示す板３０’および本体１２０’は、図３に示す板３０および本体と構造および使用が同様である。図３に示される板３０の対応する部品と実質的に同じである板３０’の部品は、同じ参照番号が与えられ、図３に示される板３０の対応する部品と実質的に異なる板３０’の部品は、分かり易くするために加えられた添え字「’」を有する同じ参照番号が与えられている。

図４に概略的に示すように、少なくとも１つの実施形態では、板３０’の第１および第２のシート１０２’および１０４’の内側は、図３の外側表面上と同じ方法で粗くされた対向する表面部分１２５を有することもできる。図４に示す実施形態では、板３０’の対向する表面部分１２５は、接触点１２７で合致する。少なくとも１つの実施形態では、接触点１２７のところに接合接着剤は全く必要ではない。出願人らは、上記の範囲内の少なくとも１つの粗さ平均値を有する、対向する表面部分１２５を有する導電性分配板３０’を設けることは、結果として継ぎ目接合接着剤なしでさえ、１２７のところでスタックされたシートを横断する（すなわち、板から板への）優れた接触抵抗値を有する導電性分配板になることを見出した。本発明により製造される導電性流体分配板３０’は、少なくとも１つの実施形態では、１．３８ＭＰａ（２００ｐｓｉ）の接触圧力で５ｍΩ・ｃｍ^２より小さな、別の実施形態では０．１と４ｍΩ・ｃｍ^２の間の、別の実施形態では０．２５と３ｍΩ・ｃｍ^２の間の、別の実施形態では０．５と２．５ｍΩ・ｃｍ^２の間の、板３０’の１０２’側と１０４’側を横切る抵抗値を示すことができる。

本発明の様々な実施形態による導電性流体分配板は、どのような低接触抵抗被覆も必要とせずに優れた接触抵抗値を有する。さらに、この導電性流体分配板は製造するのに比較的コストが低く、どのような板から板へのまたは継ぎ目接合接着剤もなしで製造することができる。本発明の原理は、ユニポーラ板およびバイポーラ板に同様に等しく適用されることを理解されたい。

本発明を一実施例としてさらに説明する。本発明はこの実施例によって限定されないことを理解されたい。

２ｍｍの厚さを有する様々な金属基板を１から１０μｍの平均粒サイズを有する砂をベースとする媒体で３４５ＫＰａ（５０ｐｓｉ）の圧力で１０〜２５秒間サンドブラストする。サンドブラストの後、この基板は１μｍを超える粗さ平均値（Ｒａ）、Ｘ方向に沿った１３ピーク／ｍｍを超えるピーク密度（針ＸＰｃ）、および１３μｍを超える平均最大形状高さ（Ｒｚ）を有している。

以下の表１は、合金およびサンドブラスト前（すなわち、「そのままの」）およびサンドブラスト後の接触抵抗値を示す。

表１は、表面および継ぎ目（板から板）のところの接触抵抗値が、サンプルをサンドブラストした後相当に減少することを示す。さらに、この表は、より高級グレードのステンレス鋼が３１６Ｌより低い接触抵抗値を有することも示す。

図５〜６は、様々な基板の接触抵抗値を示すグラフである。接触抵抗値およびセル電圧に対する本発明の効果が図５に示されている。図５は、１０ｎｍＡｕで被覆された３１６Ｌステンレス鋼基板、被覆されない３１６Ｌステンレス鋼基板、および本発明によるサンドブラストされた被覆されない３１６Ｌステンレス鋼基板の比較を示すグラフである。図５を見れば分かるように、本発明によるサンドブラストされた、被覆されない３１６Ｌステンレス鋼は、被覆されないステンレス鋼基板より優れたセル電圧および接触抵抗値での顕著な優位をもたらす。１０ｎｍＡｕで被覆された３１６Ｌステンレス鋼基板と比較して、本発明によるサンドブラストされた被覆されない３１６Ｌステンレス鋼は、実質的に同じであるセル電圧および接触抵抗値をもたらす。

図６は、１０ｎｍＡｕで被覆されたＣ−２７６ステンレス鋼基板、被覆されないＣ−２７６ステンレス鋼基板、および本発明によるサンドブラストされた、被覆されないＣ−２７６ステンレス鋼の比較を示すグラフである。図６を見れば分かるように、本発明によるサンドブラストされた、被覆されないＣ−２７６ステンレス鋼は、被覆されないステンレス鋼基板より優れたセル電圧および接触抵抗値での顕著な優位をもたらす。１０ｎｍＡｕで被覆されたＣ−２７６ステンレス鋼基板と比較して、本発明によるサンドブラストされた、被覆されないＣ−２７６ステンレス鋼は、実質的に同じであるセル電圧および接触抵抗値をもたらす。

本発明の実施形態を図示し説明してきたが、これらの実施形態が本発明の全ての可能な形態を図示し説明することを意図していない。そうではなく、明細書で使用される用語は限定ではなく説明の用語であり、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく様々な変更を行うことができることを理解されたい。

燃料電池を含む車両の概略図である。 ２つの燃料電池を使用する燃料電池スタックの概略図である。 本発明の一実施形態による導電性流体分配板の図である。 本発明の別の実施形態による導電性流体分配板の図である。 サンドブラストされていないステンレス鋼および金メッキされたステンレス鋼と比較した、本発明のサンドブラストされたステンレス鋼によって達成されたセル電圧電流密度および接触抵抗値を描いた分極化グラフである。 サンドブラストされないステンレス鋼および金メッキされたステンレス鋼と比較した、本発明のサンドブラストされたステンレス鋼によって達成されたセル電圧電流密度および接触抵抗値を描いた分極化グラフである。

Claims (12)

1. 導電性流体分配板において、
   該導電性流体分配板が、板本体を有し、
   前記板本体は、
   外側と、内側と、該外側に配置される複数の流路とを備える第１のシートと、
   外側と、内側と、該外側に配置される別の複数の流路とを備える第２のシートであって、前記第１のシートの外側と第２のシートの外側とが外面を画定し、前記第１のシートの内側が、該第１のシートの内側の一部と第２のシートの内側の一部との各接触領域で表面部分の粗さを有する第２のシートの内側に接触し、前記外面の少なくとも一部が１μｍから５μｍの間の粗さ平均値を有し、１．３８ＭＰａ（２００ｐｓｉ）でカーボン紙の間に挟まれるとき４０ｍΩ・ｃｍ^２より小さな接触抵抗値を有する、第２のシートとを備える、
   導電性流体分配板。
2. 前記接触抵抗値が、１．３８ＭＰａ（２００ｐｓｉ）でカーボン紙の間に挟まれるとき５から４０ｍΩ・ｃｍ^２である、請求項１に記載の板。
3. 前記板本体が、ステンレス鋼の全重量の、重量で４０％より高いモリブデン、クロム、およびニッケルの組合せ含有量を有する高級ステンレス鋼を含む、請求項１に記載の板。
4. 前記接触抵抗値が、１．３８ＭＰａ（２００ｐｓｉ）でカーボン紙の間に挟まれるとき５から３０ｍΩ・ｃｍ^２である、請求項３に記載の板。
5. 前記板本体が複合高分子表面を備える、請求項１に記載の板。
6. 前記板が、１．３８ＭＰａ（２００ｐｓｉ）で０．１から４ｍΩ・ｃｍ^２のバイポーラ板のシートを横切る接触抵抗値を有する、対向するシートを備える前記バイポーラ板を備える、請求項１に記載の板。
7. 前記板がユニポーラ板を備える、請求項１に記載の板。
8. 前記表面部分が、Ｘ方向に沿った少なくとも８ピーク／ｍｍのピーク密度、少なくとも７μｍの平均最大形状高さ、および１．３８ＭＰａ（２００ｐｓｉ）でカーボン紙の間に挟まれるとき３０ｍΩ・ｃｍ^２より小さい接触抵抗値を有し、かつ、
   前記板本体が、ステンレス鋼の全重量の、重量で４０％より高いモリブデン、クロム、およびニッケルの組合せ含有量を有する高級ステンレス鋼を含む、請求項１に記載の板。
9. 燃料電池において、
   該燃料電池が、板本体を有する第１の導電性流体分配板を有し、
   前記板本体は、
   外側と、内側と、該外側に配置される複数の流路とを備える第１のシートと、
   外側と、内側と、該外側に配置される別の複数の流路とを備える第２のシートであって、前記第１のシートの外側と第２のシートの外側とが外面を画定し、前記第１のシートの内側が、該第１のシートの内側の一部と第２のシートの内側の一部との各接触領域で表面部分の粗さを有する第２のシートの内側に接触する、第２のシートと、
   第２の導電性流体分配板と、
   前記第１の導電性流体分配板と第２の導電性流体分配板を分離する膜電極アセンブリとを備え、
   前記膜電極アセンブリが、
   第１の側および第２の側を有する電解膜、ならびに前記電極膜の前記第１の側に隣接するアノードと、
   前記電解質膜の第２の側に隣接するカソードとを備え、
   前記第１、第２の導電性流体分配板の外面の少なくとも一部が１μｍから５μｍの間の粗さ平均値を有し、前記外面が１．３８ＭＰａ（２００ｐｓｉ）でカーボン紙の間に挟まれているとき４０ｍΩ・ｃｍ ^２ より小さな接触抵抗値を有する、燃料電池。
10. 前記第１のシートの内側と第２のシートの内側は各々、冷却材が前記板本体内を流れるための複数の流体流れ通路を有する、請求項１に記載の導電性流体分配板。
11. 前記外面の一部がＸ方向に沿った少なくとも８ピーク／ｍｍのピーク密度と、少なくとも７μｍの平均最大形状高さを有する、請求項１に記載の導電性流体分配板。
12. 前記外面の一部がＸ方向に沿った少なくとも８ピーク／ｍｍのピーク密度と、少なくとも７μｍの平均最大形状高さを有する、請求項９に記載の燃料電池。

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