JP7680378B2

JP7680378B2 - 電気的特性が改善されたガス拡散装置の製造方法

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Publication number: JP7680378B2
Application number: JP2021577291A
Authority: JP
Inventors: ルードビックルイヨン; ジョエルパウチェット; ジャン－フィリップポアロ－クロウヴェジアー
Original assignee: コミサリアアレネルジアトミクエオウエネルジアルタナティヴ
Priority date: 2019-07-01
Filing date: 2020-07-01
Publication date: 2025-05-20
Anticipated expiration: 2040-07-01
Also published as: FR3098357A1; FR3098357B1; CN114051664A; US20220246946A1; JP2022538599A; US12113223B2; WO2021001629A1; KR20220028023A; EP3994751A1; CN114051664B

Description

本発明は、電気化学反応器の製造に関し、特に電気化学反応器用ガス拡散装置の製造に関する。

電気化学反応器の中でも、燃料電池（燃料電池スタック）は大きな発展を遂げている。特に、燃料電池は将来の大型自動車用動力源や、航空機の補助動力源として検討されている。燃料電池は、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する電気化学装置である。燃料電池は、複数のセルを直列に積み重ねたもの（スタック）である。各セルは通常１ボルトのオーダーの電圧を発生することから、それらを積み重ねることで、例えば１００ボルトのオーダーの高いレベルの電源電圧を発生させることができる。

既知のタイプの燃料電池の中で、特に、低温で作動するＰＥＭとして知られているプロトン交換膜燃料電池が挙げられる。このような燃料電池は、特に小型化という点で有利である。各セルはプロトンのみを通し、電子は通さない電解質膜で構成され。膜の第１面に陽極（アノード）、第２面に陰極（カソード）が形成され、ＡＭＥ（フランス語、assemblage membrane/electrodes）と呼ばれる膜／電極アセンブリを形成する。

アノードでは、燃料として使用された二水素（dihydrogene）が酸化され、膜を通過するプロトンが生成される。そのため、膜はイオン導電体を形成している。この反応で生成された電子はフロープレートに移動し、セルの外部にある電気回路を通って電流が形成される。陰極では、酸素が還元され、プロトンと反応して水になる。

燃料電池は、例えば金属製のいわゆるバイポーラプレート（双極板）を複数枚積層して構成されていてもよい。膜は２枚のバイポーラプレートの間に配置されている。バイポーラプレートには、膜との間で反応物や生成物を連続的に導くための流路や開口が含まれている場合がある。バイポーラプレートは、試薬が消費されると電極の反応領域に連続的に試薬を供給する。また、バイポーラプレートには、発生した熱を除去するための冷媒を導くための流路が設けられている。反応生成物や未反応種は、流れによって流路ネットワークの出口に運ばれる。異なる流れの流路は、バイポーラプレートによって分離されている。

また、バイポーラプレートは陽極（アノード）で発生した電子を収集するために導電性を有している。また、バイポーラプレートは陽極（アノード）回路と陰極（カソード）回路の間の不透過性のセパレーターとして機能する。また、バイポーラプレートは、電気的接触の質を高めるために必要なスタックのクランプ力を伝達するという機械的な機能も持っている。ガス拡散層は、一般に電極とバイポーラプレートとの間に介在し、バイポーラプレートと接触している。ガス拡散層は、膜／電極アセンブリの両側に配置され、電気伝導、試薬ガスの均一な供給、生成された水の排出を保証する。ガス拡散層は、例えばフェルトやカーボンクロスのような形態である。

電子伝導はバイポーラプレートを通して行われ、イオン伝導は膜を通して行われる。

燃料電池技術の普及の障害の１つは、様々な部品の製造と組み立てのコストである。特にバイポーラプレートの製造は、燃料電池のコストの大部分を占める。

ＵＳ２００７／０１５４７７９には、多孔質電極を形成するための樹脂含浸繊維の製造方法が記載されている。この製造方法は樹脂に隙間を形成し、多孔質化するためのものである。

ＵＳ２００６／０７８７８４には、ガス拡散装置の製造方法が記載されている。

ＵＳ２０１９／０２７７６１には、ガス拡散装置が記載されている。このガス拡散装置は、多孔質層のスタックで構成されている。

ＵＳ２０１９／１２３３５９には、疎水性樹脂を含浸させた導電性繊維状構造体が記載されている。

バイポーラプレートの製造技術として、金属板を深絞り加工すること（emboutir）が知られている。２枚の深絞り加工された金属板（toles metalliques embouties）をアセンブリの外側の面に溶接で接合することで、板間の冷媒流路を形成するのが一般的である。シール（joints）を適切な位置に配置し、各種流体の流れが漏れないようにする。金属板は機械的特性が良く、二水素（dihydrogene）の拡散を制限する効果的なバリアとなる。しかし、金属板は耐腐食性が低い。また、それらの劣化により、膜を汚染する陽イオンが形成され、燃料電池の性能や寿命を損なう可能性がある。これらの問題を軽減するために、金属板の表面処理がしばしば用いられる。しかし、これらの表面処理では、用途によっては耐性を十分に向上させることができず、多大な追加コストがかかってしまう。

バイポーラプレートを作製するための別の既知の技術は、異なる流路の形状を規定するために複合材料プレートを成形することである。複合材料プレートは、繊維強化樹脂のマトリックスを含む。樹脂は一般に電気絶縁性が高く、プレートを導電性にするためには導電性フィラーを多量に配合する必要がある。樹脂に導電性フィラーを多量に配合すると、得られる複合材料板の機械的特性が大きく低下する。

本発明は、これらの欠点の１つ以上を解決することを目的とする。したがって、本発明は、添付の請求項１に記載のガス拡散装置の製造方法に関する。

また、本発明は、従属請求項の変形例に関するものである。本明細書及び従属請求項の各特徴は、中間一般化を構成することなく、独立請求項の特徴と独立して組み合わせることができることは、当業者には理解されよう。

また、本発明は、添付の特許請求の範囲に定義されたガス拡散装置に関するものである。

本発明の他の特徴及び利点は、添付の図面を参照することにより、指示することにより、決して限定することなく、以下の説明から明らかになるであろう、その中で；

燃料電池用の膜／電極アセンブリ及びバイポーラプレートのスタックの例を示す分解透視図である。

図２、図３及び図４はラテラルフロー（fluage lateral）と呼ばれる第１の実施形態によるガス拡散装置の製造工程の異なる段階での断面図である。

図２、図３及び図４はラテラルフローと呼ばれる第１の実施形態によるガス拡散装置の製造工程の異なる段階での断面図である。

図５、図６及び図７はバーティカルフロー（fluage vertical）と呼ばれる第２の実施形態によるガス拡散装置の製造工程の異なる段階での断面図である。

図５、図６及び図７はバーティカルフローと呼ばれる第２の実施形態によるガス拡散装置の製造工程の異なる段階での断面図である。

図８、図９、図１０、図１１、図１２及び図１３は第３の実施形態による固化溝型（rainure solidifiee）のガス拡散装置の製造工程の異なる段階での断面図である。

図１４、図１５、図１６、図１７及び図１８は第４の実施形態による非固化溝型（rainure non solidifiee）溝ガス拡散装置の製造工程の異なる段階での断面図である。

図１９及び図２０はガス拡散装置を用いた本発明の実施形態によるバイポーラプレートの製造工程の異なる段階での一例を示す部分断面図である。

図２１及び図２２はガス拡散装置を用いた本発明の実施形態によるバイポーラプレートの製造工程の異なる段階での一例を示す部分断面図である。

図２３及び図２４はガス拡散装置を用いた本発明の実施形態によるバイポーラプレートの製造工程の異なる段階での一例を示す部分断面図である。

図１は、燃料電池４のセル１のスタックの模式的な分解透視図である。燃料電池４は、多数のセル１が積層されて構成されている。セル１は、プロトン交換膜型又は高分子電解質膜型である。

燃料電池４は、燃料源４０を含むように構成されている。ここで、燃料源４０は、各セル１の入口に二水素（dihydrogene）を供給する。また、燃料電池４は、酸化剤源４２を含む。酸化剤源４２は、各セル１の入口に空気を供給し、空気中の酸素が酸化剤として使用される。また、各セル１には、排気路が設けられている。また、１つ又は複数のセル１は、冷却回路を有する。

各セル１は、膜／電極アセンブリ１１０又はＡＭＥ１１０から構成される。膜／電極アセンブリ１１０は、電解質１１３と、電解質の両側に配置され、電解質１１３に取り付けられたカソード（図示せず）とアノード１１１とから構成される。電解質層１１３は、セル内のガスに対して不透過性でありながら、プロトン伝導を可能にする半透過膜を形成している。また、電解質層は、陽極（アノード）１１１と陰極（カソード）の間の電子の流れを妨げる。

隣接する各対のＡＭＥの間には、バイポーラプレート５が配置されている。各バイポーラプレート５は、対向する外面にアノード流路及びカソード流路を画定している。バイポーラプレート５は、好ましくは、２つの連続する膜／電極アセンブリの間に冷却液の流路を形成することもできる。

それ自体既知の態様において、燃料電池４の作動中、空気はＡＭＥとバイポーラプレートとの間を流れ、二水素はこのＡＭＥと別のバイポーラプレートとの間を流れる。陽極（アノード）では、二水素が酸化されることで、プロトンが生成され、ＡＭＥを通過する。陰極では、酸素が還元され、プロトンと反応して水になる。水素の酸化によって生じた電子は、バイポーラプレート５によって集められる。そして、生成された電子は、燃料電池１に接続された電気負荷に印加されて電流が形成される。燃料電池は、運転中、アノードとカソードの間に１Ｖ程度の直流電圧を発生させるのが一般的である。

バイポーラプレート５はそれぞれ、例えばステンレス鋼、又はチタン合金、アルミニウム合金、ニッケル合金又はタンタル合金の、互いに接合された２つの導電性金属シートからそれ自体既知の方法で形成されてもよい。そして、それぞれのシートは、それぞれの外側の面を有する。また、バイポーラプレート５は、他の任意のプロセス、例えば、カーボン－ポリマー複合体からの成形又は射出成形によって得てもよい。このように、バイポーラプレート５も一体的に形成することができる。そして、バイポーラプレート５の外形面は、このような一体型部品によって画定される。

スタックは、ここに示されていない周辺シール及び膜補強材を含むこともできる。

各セル１は、アノードとバイポーラプレートとの間に配置されたガス拡散層（図示せず）と、カソードとさらなるバイポーラプレートとの間に配置されたさらなるガス拡散層とをさらに含んでいてもよい。

複合材料の層は、重合可能な樹脂を予め含浸させた繊維の形態でしばしば販売されている。これらの複合材料層は、ロールやリールの形で流通することが多い。炭素繊維などの強化繊維は、導電性を有している。また、補強繊維は、非導電性繊維と導電性補強繊維とが組み合わされて構成されていてもよい。

プリプレグ繊維を用いた複合材料層は、樹脂重合前の整形で変形させやすいという利点がある。そして、樹脂が重合することで、これらの層は非常に硬くなる。本発明は、例えばバイポーラプレートと関連付けることができるガス拡散装置の形成において、そのようなプリプレグ繊維の多くの特性を利用することを目的としている。

本発明は、ガス拡散装置を形成することを提案する。本発明は、導電性繊維とその繊維に含浸する重合性樹脂を含む複合材料の層を、対向する２つの面の間に開孔部を有する導電性部材に対して圧縮し、導電性繊維を導電性部材の第１の面に接触させ、樹脂が導電性部材の全体積に含浸されることなく樹脂を流入させることを提案するものである。その後、流動した樹脂を重合させる。

樹脂が重合した後、導電性部材はガス拡散機能を保持し、剛性の高い複合材料層と導電性部材との間に最適な電気的接続が提供され、複合材料層と導電性部材との間に機械的接続が提供される。さらに、このようにして形成されたガス拡散装置は、樹脂が重合した後の複合材料の剛性の恩恵を受けることができる。

図２は、第１の実施形態に係るガス拡散装置２の製造工程の一段階における一例を示す断面図である。装置２は、多孔質の導電性の部材２１が、複合材料の層２０及び２２によって両側から挟まれることによって形成されている。層２０は、部材２１の外側側面部２３と接触するように配置される。層２２は、部材２１の反対側の外側面２４と接触するように配置される。また、第１の実施形態は、層２０、２２の一方のみを導電性の部材２１に接合することによっても実施可能である。ここでは、層２０、部材２１、層２２が水平方向に重ね合わされている。

部材２１は、例えば、バイポーラプレート内のガス拡散層としての機能を果たす。部材２１は、例えば、発泡体、フェルト、布などで構成される。層２０及び２２の各々は、導電性繊維、好ましくは炭素の繊維を含む。炭素繊維は剛性が高く、電気伝導率も非常に高い。当業者であれば、他のタイプの導電性繊維を用いることができることを理解するであろう。重合性樹脂（図示せず）が繊維に含浸されることが好ましい。重合した樹脂は水素に対して気密性が高い。したがって、層２０及び２２は、水素の流れを可能にするシール又はチャネル境界として機能することができる。重合性樹脂は、例えばフェノール系樹脂であり、この樹脂は一度重合すると、容易に水素気密性を高めることができる。また、このような樹脂は、加水分解性があまりない。このため、製造工程の終了時には、層２０、２２は水素に対して不透過性である。当業者であれば、他の樹脂も本発明の文脈で使用できることを理解するであろう。さらに、層２０、２２は、圧縮時に寸法シムとなり、得られる部材２１の厚みを制御する。

本発明の第２の態様によれば、特に第２の実施形態による製造プロセスと組み合わせて、複合材料層のうちの１つは、電気的に非導電性の繊維のみを含んでもよい。本発明の第２の態様によれば、特に第２の実施形態による製造工程と組み合わせて、部材２１は電気的に絶縁されていてもよい。本発明の第２の態様によれば、特に第２の実施形態による製造方法との組み合わせにおいて、部材２１は、開孔を有さないものであってもよい。このように、部材２１で封止機能を形成することができる。

図３に示されるように、部材２１の上部及び下部外面に垂直な方向に均一な圧力（白抜きの矢印で図示）が装置２に加えられる。加える圧力は、例えば、０．５～１．５ＭＰａである。この圧縮により、一方では、層２０、２２から及び部材２１の高さを均一にし、他方では、これらの繊維が部材２１のそれぞれの面２３及び面２４に浸透することによって炭素繊維の電気的相互接続を確保し、したがってこれらの繊維と部材２１との間の機械的接触及び電気的接触を共に保証することが可能になる。また、圧縮により、層２０、２２に含まれる樹脂（実線の矢印で図示）を、圧力を加えた方向と直交する長手方向に多孔質部材２１に向かって横方向に流すことができる。層２０、２２から部材２１に向かって横方向に流れる樹脂は、部材２１の全容積に浸透することはない。流動した樹脂は、導電性部材２１の体積の最大３０％に浸透する。例えば、導電性部材２１の体積は、層２０及び２２の体積よりも大きくてもよい。これは層２０、２２が、導電性部材２０の全容積に浸透するのに十分な流動性樹脂を有さないからである。ここで層２２から部材２１に横方向に流れる樹脂は、面２４を通過するが、面２３には到達しない。同様に、ここで層２０から部材２１に横方向に流れる樹脂は、側面２３を通過するが、側面２４には到達しない。

好ましくは、圧縮は維持され、樹脂は流動した後に重合する。重合後、図４のような構成が得られる。最初に未重合樹脂を含む層２０、２２は、それぞれ固化して導電性複合材料層２０１、２２１を形成する。層２０、２２から部材２１に流れ込んだ余剰の樹脂は、それぞれ領域２０２、２２２を形成し、重合した樹脂によって固化される。最後に、部材２１から得られた中間領域２１１は、樹脂が含浸されておらず、装置２の中心部において多孔性を保持している。

上述したように、この第１実施形態は、層２０と導電性部材２１とを接着するだけでも実施可能である。この場合（図示せず）、導電性部材２１の面２４は、その開気孔率を維持することになる。

このように、ラテラル（水平）フローと呼ばれる第１の実施形態による製造プロセスの工程の終わりには、その中心に多孔質領域２１１を有し、その両端に固化した２つの剛性複合材料の層２０１及び２２１を有する、剛性、導電性を有する一体型ガス拡散装置２が得られる。複合材料層２０１、２２１は、その厚み全体において導電性である。

図５は、第２の実施形態に係る製造工程の一段階におけるガス拡散装置３の一例を示す断面図である。装置３は、多孔質で導電性の部材３０、３２によって両側が挟まれた複合材料の層３１によって形成されている。部材３０、層３１、部材３２は、上下方向に重ね合わされている。部材３０は、層３１の外側頂部の面３３に接触するように配置される。部材３２は、層３１の対向する外側下部の面３４と接触するように配置される。また、第２実施形態は、複合材料層３１に部材３０、３２の一方のみを重ね合わせて実施することもできる。

層３１は、導電性繊維、好ましくは炭素の繊維を含み、重合性樹脂（図示せず）が好ましくは繊維を含浸させる。重合性樹脂は、例えばフェノール系樹脂であり、この樹脂は、一度重合すると水素に対して気密となる。このため、製造工程後、部材３０、３２は水素に対して不透過性である。

図６に示されるように、層３１の面３３及び３４に垂直な方向に均一な圧力（白い矢印で示される）が装置３に加えられる。この圧縮により、これらの繊維が層３１のそれぞれの面３３及び３４に浸透することによって、炭素繊維の電気的相互接続が確保され、したがって、これらの繊維と層３１との間の機械的及び電気的接触が確保される。また、圧縮により、層３１に含まれる樹脂（黒い矢印で示される）を、圧力が加えられた方向と平行な方向に、多孔質の部材３０、３２に向かって垂直に流すことができる。層３１から部材３０、３２に垂直に流れる樹脂は、部材３０、３２の体積の全てに浸透するわけではない。例えば、部材３０、３２の体積は、導電性の層３１の体積よりも大きくともよい。これは導電性の層３１が、導電性の部材３０、３２の全体積に浸透するのに十分な量の流動性樹脂を有しないからである。層３１から部材３２に垂直に流れる樹脂は、ここでは面３４を通過するが、部材の反対側の外側の面には到達しない。同様に、部材３０において層３１から垂直に流れる樹脂は、ここでは面３３を通過するが、部材の反対側の外周面には到達しない。

圧縮状態を維持し、樹脂を流動させた後、重合させる。図７に示すような構成が得られる。最初に未重合樹脂を含む層３１は、固化して導電性複合材料層３１１を形成する。層３１から部材３０、３２に流れ込んだ余剰の樹脂は、それぞれ領域３０２、３２２を形成し、流れ込んだ後の重合した樹脂によって固化される。最後に、部材３０及び３２からそれぞれ得られた領域３０１及び３２１は、装置３の垂直方向の端部において多孔質に保たれる。

このように、バーティカル（垂直）フローとして知られる第２の実施形態による製造プロセスの工程の終わりには、その垂直端部に多孔質の領域３０１及び３２１を有し、その中心部に固化した剛性の高い複合材料層３１１を有する剛性、導電性、一体型のガス拡散装置３が存在する。複合材料の層３１は、その厚み全体が導電性を有している。

図８は、第３の実施形態に係るガス拡散装置６の製造方法に用いられる複合材料層６１の断面図である。層６１は、導電性繊維、好ましくは炭素の繊維を含み、重合性樹脂（図示せず）が好ましくは繊維に含浸する。重合性樹脂は、例えばフェノール系樹脂であり、この樹脂は、一度重合すると水素に対して気密となる。

図９に示す構成は、部材６１の外面６７に溝６４を形成することによって得られる。溝６４は、図示の横断面に対して垂直な方向に延びている。この溝６４を形成する工程は、例えば、レーザーエッチングによって実施することができる。溝６４の形成は、好ましくは、この溝６４に形成された面を局所的に加熱することで、この面上の樹脂を重合させる。このような局所加熱は、例えば、レーザーエッチングやレーザー加工によって実現することができる。局所的に加熱することで、残りの樹脂を重合させないようにし、その後の工程で樹脂を流動させることが可能である。

この結果、図１０に示すような構成となり、重合することで封止するものとなった樹脂の層６５が形成される。このようにして、層６５は、溝６４の面上にシェルを形成する。

次に、溝６４が形成された層６１の面６７に接触して、多孔質で導電性の部材６０を配置する。第２の多孔質で導電性の部材６２は、部材６０の反対側に、面６７に対向する層６１の外面６８に接触して配置されている。図１１に示す構成が得られ、これで部材６０、６２と層６１を重ね合わせた装置６が形成される。部材６０及び６２は、好ましくは、４０～３５０マイクロメートルの厚さを有する。

図１２に示されるように、次に、層６１の表面６７及び６８に垂直な方向に、装置６に均一な圧力が加えられる（白色の矢印で図示される）。この圧縮により炭素繊維の電気的に相互接続がなされるが、これらの繊維が層６１のそれぞれの表面６７及び６８を貫通することによるものであり、またこれによってこれらの繊維と層６１との間の機械的接触及び電気的接触の両方が保証される。また、圧縮により、層６１中の樹脂（黒い矢印で示す）は、圧力が加えられた方向と平行な方向に、多孔質部材６０、６２に向かって垂直に流れるようになる。層６１から部材６０、６２に垂直に流れる樹脂は、これらの層６０、６２の体積の全体に浸透しない。例えば、部材６０、６２の体積は、層６１の体積よりも大きくともよい。これは、層６１が、導電性部材６０、６２の全容積に浸透するのに十分な量の樹脂を流動させられないからである。層６１から部材６２に垂直に流入した樹脂は、ここでは面６８を通過するが、反対側の外周面には到達しない。同様に、部材６０の層６１から垂直に流れる樹脂は、ここでは面６７を通過するが、部材の反対側の外側の面には到達しない。溝６４の面には、重合することで封止するものとなった樹脂の層６５が存在するため、層６１の樹脂は溝６４に流入できない。

圧縮状態を維持し、樹脂を流動させた後、重合させる。図１３に示すような構成が得られる。最初に未重合樹脂を含む層６１は、固化して導電性複合材料層６１１を形成する。層６１から部材６０、６２に流れ込んだ余剰の樹脂は、流れ込んだ後の重合した樹脂によって固化する領域６０２、６２２をそれぞれ形成する。部材６０、６２からそれぞれ得られた領域６０１、６２１は、装置６の端部において多孔質に保たれている。

このように、第３の実施形態による製造プロセスの工程の最後に、その端部に多孔質の領域６０１及び６２１を有し、その中心部に固化した複合材料の層６１１を有し、その中に底部と壁部がシールされ反応流体を流すことができる溝６４があり、剛性及び導電性を有する一体型のガス拡散装置６が提供される。複合材料の層６１１は、その厚さを通じて導電性を有している。

図１４は、第４実施形態に係るガス拡散装置６の製造方法に用いられる複合材料層６１の断面図である。層６１は、導電性繊維、好ましくは炭素の繊維を含み、重合性樹脂（図示せず）が好ましくは繊維に含浸する。重合性樹脂は、例えばフェノール系樹脂であり、この樹脂は、一度重合すると水素に対して気密となる。

図１５に示す構成は、部材６１の外面６７に、図示の断面の平面と直交する方向に溝６４を形成することによって得られる。この溝６４を形成する工程は、例えば機械加工によって実施することができる。溝６４を形成することで、この溝６４の面で樹脂を重合させないように、溝６４での樹脂の過度の加熱を回避しているのである。

次に、溝６４が形成された層６１の面６７に接触して、多孔質で導電性の部材６０を配置する。第２の多孔質で導電性の部材６２は、部材６０の反対側に、面６７に対向する層６１の外面６８に接触して配置されている。図１６に示す構成が得られ、これで部材６０、６２と層６１の重ね合わせで装置６が形成される。

図１７に示されるように、次に、層６１の表面６７及び６８に垂直な方向に、装置６に均一な圧力を加える（白い矢印で図示される）。この圧縮により炭素繊維の電気的に相互接続がなされるが、これらの繊維が層６１のそれぞれの表面６７及び６８を貫通することによるものであり、またこれによってこれらの繊維と層６１との間の機械的接触及び電気的接触の両方が保証される。それによって、これらの繊維と層６１との間の機械的接触及び電気的接触の両方が保証される。また、圧縮により、層６１中の樹脂（黒い矢印で図示される）は、圧力が加えられた方向と平行な方向に多孔質の部材６０、６２に向かって流れるとともに、溝６４に向かっても流れるようになる。層６１から部材６０、６２に垂直方向に流れる樹脂は、これらの部材６０、６２の体積の全体に浸透するわけではない。例えば、部材６０及び６２の体積が層６１の体積よりも大きくともよい。これは層６１が、導電性部材６０、６２の全容積に浸透するのに十分な量の樹脂を流動させられないからである。層６１から部材６２に垂直に流入した樹脂は、ここでは面６８を通過するが、反対側の外周面には到達しない。同様に、層６１から部材６０に垂直に流れる樹脂は、ここでは面６７を通過するが、部材の反対側の外側の面には到達しない。溝６４は樹脂で完全に充填される。

圧縮状態を維持し、樹脂を流動させた後、重合させる。図１８のような構成が得られる。最初に未重合樹脂を含む層６１は、固化した複合導電材料の複合材料の層６１１を形成する。溝６４は、重合した樹脂の挿入部６４１を形成している。層６１から部材６０、６２に流れ込んだ余分な樹脂は、流れ込んだ後の重合した樹脂によって固化する領域６０２、６２２をそれぞれ形成する。最後に、部材６０及び６２からそれぞれ得られる領域６０１及び６２１は、装置６の端部において多孔質に保たれる。

このように、第４の実施形態による製造プロセスの工程の終わりには、その端部に多孔質領域６０１及び６２１を有し、その中心部に固化した複合材料の層６１１を有する、剛性及び導電性を有する一体型のガス拡散装置６が提供される。複合材料の層６１１は、その厚み全体が導電性を有している。

図１９は、先に説明したいくつかの実施形態を実施する製造プロセスによって得られたバイポーラプレート７の部分断面図である。バイポーラプレート７は、多孔質で導電性の部材７０及び７８を含む。これらの部材により、例えば、バイポーラプレートの各外面にガス拡散層の機能を持たせることができる。

バイポーラプレート７はまた、以下の分布で複合材料の部材から形成された層７９０、７９１及び７９２を含む:

－部材７２１、７２２、７２３、７２４及び７２５は層７９０を形成する。この層は多孔質部材７０と複合材料の部材７３の間に配置される。層７９０の外側の端に配置された部材７２５は、多孔質部材７０の横方向の延長線上に配置された、同じく複合材料の部材７１によって完成される。このように区切られた層７９０は、例えば、ガス拡散装置として考えることができ、好ましくはバイポーラプレート７内のアノード回路の役割を担う。したがって、この層７９０は、ガス拡散装置７９０とも称される。部材７２１、７２２、７２３、７２４、７２５の間の距離は、それらの間の凹部を樹脂で満たさない程度に構成される；

－部材７４１、７４２、７４３、７４４及び７４５は、層７９１を形成する。この層は、部材７３と、同じく複合材料の部材７５との間に配置される。このように区切られた層７９１は、好ましくは、バイポーラプレート７内の冷却回路として機能する。層７９１の機械的強度と導電体及び熱交換器としての役割を保証しつつ密閉性を強化するために、好ましくは、金属層（図示せず）を層７９１に導入することで気密にできる。このような金属層は、例えば化学気相成長法で成膜されたグラフェン層で置き換えることも可能である。部材７４１、７４２、７４３、７４４、７４５の間の距離は、それらの間の凹部を樹脂で満たさない程度に構成される;

－部材７６１，７６２，７６３，７６４，７６５，７６６，７６７，７６８及び７６９は層７９２を形成する。この層は、部材７５と多孔質部材７８の間に配置される。層７９２の外部端に配置された部材７６９は、多孔質部材７８の横方向延長部に配置された同じく複合材料製の部材７７によって完成される。このように区切られた層７９２は、例えば、ガス拡散装置として考えることができ、好ましくはバイポーラプレート７内にカソード回路の役割を確保する（流路は、より粘性の高い反応性流体の流れを促進するためにここではより広くなっている）。このため、この層７９２は、ガス拡散装置７９２とも呼ばれる。部材７６１、７６２、７６３、７６４、７６５、７６６、７６７、７６８、７６９の間の距離は、それらの間の凹部を樹脂で満たさない程度に構成される。

部材７１、７２１～７２５、７３、７４１～７４５、７５、７６１～７６９、７７の各々は、好ましくは炭素の導電性繊維を含み繊維に；重合性樹脂（図示せず）が好ましくは繊維を含浸させる。樹脂が重合すると、部材７１、７２１～７２５、７３、７４１～７４５、７５、７６１～７６９、７７は水素に対して気密となる。重合性樹脂は、例えば、フェノール系樹脂であり、この樹脂を重合させると、容易に水素に対して気密にできる。当業者であれば、他の樹脂も本発明の文脈で使用できることを理解するであろう。したがって、ガス拡散装置７９０、７９２の製造には、機械的強度や燃料電池で使用される流体に対する気密性の点で求められる特性に応じて、異なる樹脂を使用することが有利である。

上述した第３実施形態による製造プロセスによれば、部材７０の上部外面及び部材７８の下部外面に垂直な方向に均一な圧力（白い矢印で図示）が加えられる。そして、樹脂（黒い矢印で示す）を複合材料部材から多孔質で導電性の部材７０、７８に流動させる。その後、樹脂を重合させる。この結果、図２０に示すような構成（簡単のため、形成された流路に樹脂のオーバーフローは示していない）となり、この場合：

部材７１は、重合した複合材料の部材７１０を形成している;

－部材７２１～７２５は、一方では多孔質部材７０に流入した後に重合した樹脂の重合部材７２１０、７２２０、７２３０、７２４０、７２５０、また部材７００１、７００２、７００３、７００４、７２５１を形成している；

－このようにして、部材７０は、導電性多孔質部材７００を形成する；

－部材７３は、重合した複合材料部材７３０を形成する；

－部材７４１～７４５は重合部材７４１０、７４２０、７４３０、７４４０及び７４５０を形成する；

－部材７５は、重合された複合材料部材７５０を形成する；

－部材７６１～７６９は、多孔質部材７８中を流動した後に重合した樹脂の重合部材７６１０、７６２０、７６３０、７６４０、７６５０、７６６０、７６７０、７６８０、７６９０、及び部材７８０１、７８０２、７８０３、７８０４、７８０５、７８０６、７８０７、７８０８及び７６９１を形成している；

－このようにして、部材７８は導電性多孔質部材７８０を形成する；

－部材７７は、重合した複合材料部材７７０を形成する。

上述したような導電性結合は、層７９０と層７０及び７３との間、層７９１と層７３及び７５との間、及び層７９２と層７８及び７３との間に形成される。

このようにして、先に説明した第３の実施形態による製造プロセスの工程の最後に、バイポーラプレート７が得られるが：

－アノード回路機能は、好ましくは層７９０が有する；

－冷却回路機能は、好ましくは層７９１が有する；

－カソード回路機能は、好ましくは７９２層が有する。

これらの回路は、重合された複合材料の部材と多孔質の部材とを機械的に結合して形成されており、全体が導電性であると同時に、燃料電池で使用される様々な反応性流体に対して不浸透性である。

重合操作は、例えば、流路内に、好ましくは３５℃より高い温度で気体流を適用することによって実施することができる。

図２１は、先に説明したいくつかの実施形態を実施する製造プロセスによって得られたバイポーラプレート７の部分断面図である。図２１に例示する構成は、図１９に例示し、先に説明した構成に基づくものであり、これに追加される：

－部材７０の上部外面に配置された剛性モールド７１１；

－部材７８の下部外面の下に配置された剛性モールド７７１。

バイポーラプレート７について先に説明した第３の実施形態による製造工程を実施する。製造工程の工程は、図１９を参照して説明したものと同じであり、唯一の違いは、金型７１１及び７７１を使用することである。金型７１１、７７１は、バイポーラプレート７を形成するための部材を、圧縮及び重合の間、部材７０、７８から得られる形状を拘束しながら固定するために用いられる。

このように、成型、圧縮、重合を経て、部材７０から部材７０１が得られる。同様に、成型、圧縮、重合の後、部材７８から部材７８１が得られる。図２２のような構成が得られる。金型７１１及び７７１の形状により、部材７１０及び７０１、並びに部材７７０及び７８１の最終的な厚さを正確かつ独立に制御することができる。

－アノード回路機能は、好ましくは層７９０が有する；

－冷却回路機能は、好ましくは層７９１が有する；

－カソード回路機能は、好ましくは７９２層によって占められる。

これらの回路は、重合された複合材料の部材と多孔質の部材とを機械的に結合して形成されており、全体が導電性でありながら、燃料電池に使用される様々な反応性流体に対して不浸透性を維持している。

図２３は、先に説明したいくつかの実施形態を実施する製造プロセスによって得られるバイポーラプレート７の部分断面図である。図２３に示す構成は、図１９に示し、先に説明した構成に基づいており、部材７８の外側下面の下に配置された密閉膜／電極アセンブリ７７２を追加したものである。

先に説明した第３の実施形態による製造工程を実施して、バイポーラプレート７を製造する。この製造工程の工程は、図１９を参照して説明したものと同じであり、ここではプレート７７２が使用される。最終的にはバイポーラプレート７を複数枚積層して燃料電池を作ることになる。プレート７７２は、将来の燃料電池の外部下面を形成することを目的としている：プレート７７２は、スタックの剛性及び密閉性を確保する。

このように、成形、圧縮、重合を経て、図２４に示すような構成が得られる。

このようにして、上述した第３の実施形態による製造プロセスの工程の最後に、バイポーラプレート７が得られるが：

－アノード回路機能は、好ましくは層７９０が有する；

－冷却回路機能は、好ましくは層７９１が有する；

－カソード回路機能は、好ましくは７９２層が有する。

これらの回路は、多孔質の部材と機械的に結合した重合複合材料の部材で形成され、全体が導電性でありながら、燃料電池で使用される様々な反応性流体（特に水素）に対して不浸透性である。

重合操作は、例えば、流路内に、好ましくは３５℃より高い温度でガス流を適用することにより実施することができる。

Claims

ガス拡散装置の製造方法であって、
－複合材料層と導電性部材の重ね合わせを提供する工程と、ただし前記複合材料層は導電性繊維と前記導電性繊維に含浸する重合性樹脂を含み、前記導電性部材は、前記複合材料層と前記導電性部材との接触面である第１面と、前記第１面と対向する第２面との間に開孔（porosite ouverte）を有する、
－前記複合材料層と前記導電性部材との重ね合わせの部分を前記第１面に垂直な方向に圧縮して、前記導電性繊維を前記導電性部材の前記第１面に接触させ、前記導電性部材の全体積に前記重合性樹脂を含浸させずに前記重合性樹脂を前記導電性部材内に流入させる工程と、
－流動した前記重合性樹脂を重合させ、前記複合材料層の前記重合性樹脂を重合させて、前記複合材料層が水素不透過性になるようにする工程と、
を備える製造方法。
ガス拡散装置の製造方法であって、
－複合材料層と導電性部材の重ね合わせを提供する工程と、ただし前記複合材料層は導電性繊維と前記導電性繊維に含浸する重合性樹脂を含み、前記導電性部材は、前記複合材料層と前記導電性部材との接触面である第１面と、前記第１面と対向する第２面との間に開孔（porosite ouverte）を有する、
－前記複合材料層と前記導電性部材とを前記第１面に平行な方向に圧縮して、前記導電性繊維を前記導電性部材の前記第１面に接触させ、前記導電性部材の全体積に前記重合性樹脂を含浸させずに前記重合性樹脂を前記導電性部材内に流入させる工程と、
－流動した前記重合性樹脂を重合させ、前記複合材料層の前記重合性樹脂を重合させて、前記複合材料層が水素不透過性になるようにする工程と、
を備え、
前記導電性部材は、その前記第１面及び前記第２面をそれぞれ形成する第１側縁及び第２側縁を有する板状である、
製造方法。
前記導電性部材は圧縮可能であり、前記圧縮の工程は、前記導電性部材を前記第１側縁と前記第２側縁との間に延びる外面に垂直な方向に圧縮することを含む、
請求項２に記載の製造方法。
前記導電性部材と前記複合材料層が静止状態で異なる厚さを有し、前記導電性部材の圧縮は、その外面に垂直な方向に沿って、圧縮中の前記導電性部材と前記複合材料層が同じ厚さを有するように行われる、
請求項３に記載の製造方法。
前記導電性部材に重ね合わされた前記複合材料層は、前記導電性部材に覆われた溝を有する、
請求項１に記載の製造方法。
前記複合材料層に前記溝を形成する予備工程と、前記溝の表面に前記重合性樹脂を重合させる工程を備える、
請求項５に記載の製造方法。
前記溝を形成する工程及び前記重合の工程は、前記複合材料層のレーザーエッチングにより行われることを特徴とする、
請求項６に記載の製造方法。
前記重合の工程は、３５℃を超える温度で前記溝内にガス流を当てることを含む、
請求項６又は７に記載の製造方法。
前記複合材料層と重ね合わされた前記導電性部材の厚さが４０～３５０μｍである、
請求項１～８のいずれかに記載の製造方法。
前記導電性部材が、発泡体、フェルト又は布の層である、
請求項１～９のいずれかに記載の製造方法。
前記重合性樹脂がフェノール樹脂であることを特徴とする、
請求項１～１０のいずれかに記載の製造方法。
前記重ね合わせは０．５～１．５ＭＰａの圧力で圧縮される、
請求項１～１１のいずれかに記載の製造方法。
前記圧縮は、前記重合性樹脂が前記第２面に達することなく前記導電性部材に流入するように行われる、
請求項１～１２のいずれかに記載の製造方法。
前記圧縮は、前記重合性樹脂が前記導電性部材の体積の最大３０％に含浸するように行う、
請求項１～１３のいずれか１項に記載の製造方法。
請求項１～１４のいずれかに記載の製造方法により第１ガス拡散装置（７９０）を形成することを含み、請求項１～１４のいずれかに記載の製造方法により第２ガス拡散装置（７９２）を形成することを含み、さらに前記第１ガス拡散装置（７９０）と第２ガス拡散装置（７９２）とを重ね合わせる工程を含む、
バイポーラプレート（７）の製造方法。
前記第１ガス拡散装置（７９０）の形成に用いる前記重合性樹脂と前記第２ガス拡散装置（７９２）の形成に用いる前記重合性樹脂とは異なる化学組成を有する、
請求項１５に記載のバイポーラプレートの製造方法。
重ね合わされた前記第１ガス拡散装置（７９０）と前記第２ガス拡散装置（７９２）との間に金属層を導入する工程を含む、
請求項１５又は１６に記載のバイポーラプレートの製造方法。
－重合性樹脂で被覆された導電性繊維を含み、水素を透過しない複合材料層と、
－前記複合材料層と導電性部材との接触面である第１面及び前記第１面と対向する第２面を有する前記導電性部材であって、前記導電性繊維は前記導電性部材の前記第１面に接触し、前記導電性部材は前記第１面において前記重合性樹脂で満たされた空隙を有し、前記導電性部材は前記第２面において前記重合性樹脂を含まない開孔を有するものと、
の重ね合わせを備えるガス拡散装置。