(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロトン交換膜燃料電池用気体不透過性バイポーラセパレータ板であって、
前記セパレータ板に対して50重量％〜95重量％の範囲の量の少なくとも一種の電子伝導性材料と、
前記セパレータ板に対して少なくとも５重量％の量の少なくとも一種の樹脂と、
水を前記セパレータ板に引き付けるための、プロトン交換膜燃料電池に使用するのに適切な少なくとも一種の親水剤と、
前記セパレータ板に対して最大45重量％の量の炭素繊維と、を含んでなり、
前記少なくとも一種の電子伝導性材料と、前記少なくとも一種の樹脂と、前記少なくとも一種の親水剤と、前記炭素繊維とが前記セパレータ板全体に実質的に均一に分散されていることを特徴とする、バイポーラセパレータ板。
【請求項２】
前記少なくとも一種の樹脂が、親水性である、請求項１に記載のバイポーラセパレータ板。
【請求項３】
前記少なくとも一種の電子伝導性材料が、炭素質材料、金属、金属合金、金属炭化物、金属窒化物及びそれらの混合物からなる群から選択される、請求項１に記載のバイポーラセパレータ板。
【請求項４】
前記少なくとも一種の電子伝導性材料が、少なくとも一種の炭素質材料を含んでなる、請求項３に記載のバイポーラセパレータ板。
【請求項５】
前記親水剤が、湿潤剤である、請求項１に記載のバイポーラセパレータ板。
【請求項６】
前記湿潤剤が、チタン酸化物、アルミニウム酸化物、ケイ素酸化物及びそれらの混合物からなる群から選択される、請求項５に記載のバイポーラセパレータ板。
【請求項７】
前記少なくとも一種の樹脂が、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂及びそれらの混合物からなる群から選択される、請求項１に記載のバイポーラセパレータ板。
【請求項８】
前記少なくとも一種の電子伝導性材料が、黒鉛、カーボンブラック、炭素繊維及びそれらの混合物からなる群から選択される、請求項１に記載のバイポーラセパレータ板。
【請求項９】
前記板が、多孔性である、請求項１に記載のバイポーラセパレータ板。
【請求項１０】
前記板の気孔率が、前記板の25容積％未満である、請求項９に記載のバイポーラセパレータ板。
【請求項１１】
前記気孔の中位径が、0.25μｍ（ミクロン）〜2.0μｍ（ミクロン）の範囲内にある、請求項９に記載のバイポーラセパレータ板。
【請求項１２】
前記板の気泡圧が、5psigを超える、請求項９に記載のバイポーラセパレータ板。
【請求項１３】
前記板の電気伝導率が、少なくとも5S/cmである、請求項１に記載のバイポーラセパレータ板。
【請求項１４】
前記電子伝導性材料を70重量％〜90重量％の範囲、熱硬化性の前記樹脂を８重量％〜15重量％の範囲、炭素繊維を10重量％以下の範囲及びシリカを0.01重量％〜5.0重量％の範囲で含んでなる、請求項１に記載のバイポーラセパレータ板。
【請求項１５】
前記セパレータ板のアノード対向面とカソード対向面との間に、水を前記セパレータ板を通して循環するための手段をさらに含んでなる、請求項１に記載のバイポーラセパレータ板。
【請求項１６】
バイポーラセパレータ板であって、前記セパレータ板に対して50重量％〜95重量％の範囲の電子伝導性炭素質材料と前記セパレータ板に対して少なくとも５重量％の範囲の量の樹脂とを含んでなり、
前記バイポーラセパレータ板が、プロトン交換膜燃料電池に使用するのに適当な親水剤を前記セパレータ板全体に均一分散して含んでなることにより、水が前記セパレータ板に吸収され且つそこを通過でき、前記バイポーラセパレータ板がさらに炭素繊維を前記セパレータ板に対して最大45重量％の量で含んでなり、前記炭素繊維が前記セパレータ板全体に実質的に均一に分散している、
ことを特徴とする、バイポーラセパレータ板。
【請求項１７】
前記親水剤が、親水性の前記樹脂である、請求項16に記載のバイポーラセパレータ板。
【請求項１８】
前記親水剤が、湿潤剤である、請求項16に記載のバイポーラセパレータ板。
【請求項１９】
前記湿潤剤が、チタン酸化物、アルミニウム酸化物、ケイ素酸化物及びそれらの混合物からなる群から選択される、請求項18に記載のバイポーラセパレータ板。
【請求項２０】
前記少なくとも一種の樹脂が、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂及びそれらの混合物からなる群から選択される、請求項16に記載のバイポーラセパレータ板。
【請求項２１】
前記少なくとも一種の電子伝導性炭素質材料が、黒鉛、カーボンブラック、炭素繊維及びそれらの混合物からなる群から選択される、請求項16に記載のバイポーラセパレータ板。
【請求項２２】
前記板が、多孔性である、請求項16に記載のバイポーラセパレータ板。
【請求項２３】
前記板の気孔率が、前記板の25容積％未満である、請求項22に記載のバイポーラセパレータ板。
【請求項２４】
前記気孔の中位径が、0.25ミクロン〜2.0ミクロンの範囲内にある、請求項22に記載のバイポーラセパレータ板。
【請求項２５】
前記板の気泡圧が、5psigを超える、請求項22に記載のバイポーラセパレータ板。
【請求項２６】
前記板の電気伝導率が、少なくとも5S/cmである、請求項16に記載のバイポーラセパレータ板。
【請求項２７】
前記セパレータ板の中央領域が、燃料電池ガス分布用フロー誘導手段を形成している、請求項16に記載のバイポーラセパレータ板。
【請求項２８】
前記中央領域の圧壊強度が、200psiを超える、請求項27に記載のバイポーラセパレータ板。
【請求項２９】
各燃料電池ユニットがアノードとカソードと前記アノードと前記カソードとの間に配置されたイオン交換膜とを含んでなる複数の単一燃料電池ユニットと、アノード対向面とカソード対向面とを有するセパレータ板であって、前記燃料電池ユニットを一つの前記燃料電池ユニットのアノードと隣接する前記燃料電池ユニットのカソードとの間において分離するセパレータ板とを含んでなるプロトン交換膜燃料電池スタックであって、
前記セパレータ板が、前記セパレータ板に対して50重量％〜95重量％の範囲の量の少なくとも一種の電子伝導性炭素質材料と、前記セパレータ板に対して少なくとも５重量％の量の少なくとも一種の樹脂と、水を前記セパレータ板に引き付けるためのプロトン交換膜燃料電池に使用するのに適切な少なくとも一種の親水剤とを含んでなり、前記少なくとも一種の電子伝導性炭素質材料と、前記少なくとも一種の樹脂と、前記少なくとも一種の親水剤が前記セパレータ板全体に実質的に均一に分散されており、前記セパレータ板がさらに炭素繊維を前記セパレータ板に対して最大45重量％の量で含んでなり、前記炭素繊維が前記セパレータ板全体に実質的に均一に分散している、
ことを特徴とする、燃料電池スタック。
【請求項３０】
前記少なくとも一種の樹脂が、親水性である、請求項29に記載の燃料電池スタック。
【請求項３１】
前記親水剤が、湿潤剤である、請求項29に記載の燃料電池スタック。
【請求項３２】
前記湿潤剤が、チタン酸化物、アルミニウム酸化物、ケイ素酸化物及びそれらの混合物からなる群から選択される、請求項31に記載の燃料電池スタック。
【請求項３３】
前記少なくとも一種の樹脂が、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂及びそれらの混合物からなる群から選択される、請求項29に記載の燃料電池スタック。
【請求項３４】
前記少なくとも一種の電子伝導性炭素質材料が、黒鉛、カーボンブラック、炭素繊維及びそれらの混合物からなる群から選択される、請求項31に記載の燃料電池スタック。
【請求項３５】
前記板が、多孔性である、請求項31に記載の燃料電池スタック。
【請求項３６】
前記板の気孔率が、前記板の25容積％未満である、請求項35に記載の燃料電池スタック。
【請求項３７】
前記気孔の中位径が、0.25ミクロン〜2.0ミクロンの範囲内にある、請求項35に記載の燃料電池スタック。
【請求項３８】
前記板の気泡圧が、5psigを超える、請求項35に記載の燃料電池スタック。
【請求項３９】
前記板の電気伝導率が、少なくとも5S/cmである、請求項29に記載の燃料電池スタック。
【請求項４０】
前記イオン交換膜及び前記セパレータ板が前記燃料電池スタックの周辺縁に延びており、前記セパレータ板が各面から延びて前記イオン交換膜にそれらの外縁周囲で完全に接触している平周辺シール構造を有して周辺シールを形成しており、前記イオン交換膜及び前記セパレータ板が各々複数の整列したパーホレーションを有し、前記セパレータ板の前記パーホレーションが、各前記面から延びて前記イオン交換膜と接触してマニホールドシールを形成している平マニホールドシール構造により包囲されており、それにより、前記燃料電池スタックを介して延びている複数のガスマニホールドを形成し、前記平マニホールドシール構造を介する導管により、一組の前記マニホールドと、前記アノードと前記セパレータ板の前記アノード対向面との間に形成されるアノードチャンバーとの間に燃料ガスが連通するようになっており、前記平マニホールドシール構造を介する導管により、第二組の前記マニホールドと、前記カソードと前記セパレータ板の前記カソード対向面との間に形成されるカソードチャンバーとの間に酸化剤ガスが連通するようになっており、それにより、前記燃料電池スタックにおける各前記燃料電池スタックへの及びそれからの燃料ガス及び酸化剤ガスの完全内部マニホールドを提供する、請求項29に記載の燃料電池スタック。
【請求項４１】
前記セパレータ板の中央領域が、各燃料電池ユニット内に燃料電池ガスを分布させるフロー誘導手段を形成する、請求項29に記載の燃料電池スタック。
【請求項４２】
前記燃料電池スタックから水を循環及び除去するための水循環手段をさらに含んでなる、請求項29に記載の燃料電池スタック。
【請求項４３】
少なくとも一種の電子伝導性材料と少なくとも一種の樹脂とプロトン交換膜燃料電池に使用するのに適当な少なくとも一種の親水剤と炭素繊維とを混合して実質的に均質な混合物を形成する工程であって、前記均質混合物が前記混合物に対して50重量％〜95重量％の範囲の量の前記少なくとも一種の電子伝導性材料と、前記混合物に対して少なくとも５重量％の量の前記少なくとも一種の樹脂と、前記混合物に対して45重量％以下の量の前記炭素繊維と、前記少なくとも一種の親水剤とを含んでなる工程と；前記混合物を、121℃（華氏250度）〜260℃（華氏500度）の範囲の温度及び3447kPa（500psi）〜27579kPa（4000psi）の範囲の圧力で所望の形状に成形することにより、バイポーラ板を形成する工程と、
を含んでなる、バイポーラセパレータ板の製造方法。
【請求項４４】
前記板の気孔率が、前記板の容積の25％未満である、請求項43に記載の方法。
【請求項４５】
前記板に、中位気孔サイズ0.25μｍ（ミクロン）〜2.0μｍ（ミクロン）の範囲の複数の気孔が形成されている、請求項44に記載の方法。
【請求項４６】
前記親水剤が、湿潤剤である、請求項43に記載の方法。
【請求項４７】
前記少なくとも一種の電子伝導性材料が、炭素質材料である、請求項43に記載の方法。
【請求項４８】
前記湿潤剤が、チタニウム酸化物、アルミニウム酸化物、ケイ素酸化物及びそれらの混合物からなる群から選択される、請求項46に記載の方法。
【請求項４９】
前記少なくとも一種の樹脂が、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂及びそれらの混合物からなる群から選択される、請求項43に記載の方法。
【請求項５０】
前記少なくとも一種の電子伝導性炭素質材料が、黒鉛、カーボンブラック、炭素繊維及びそれらの混合物からなる群から選択される、請求項47に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
本発明は、プロトン交換膜燃料電池スタックに使用するためのバイポーラセパレータ板に関する。このセパレータ板は、親水性であるとともに、燃料電池スタックの温度を制御する手段を提供する間、燃料電池の内部増湿だけでなく燃料電池から生成物水を除去するのを容易にする制御された気孔率を有する。
一般的に、燃料電池電気出力装置は、複数の単一セルをバイポーラ電子伝導性セパレータ板により分離して積層してなる。単一セルをいっしょに狭持し、単一ステージユニットに固定して、所望の燃料電池エネルギー出力を得る。各単一セルは、一般的に、アノード電極及びカソード電極と、普通電解質と、燃料及び酸化剤ガス源とを含む。燃料ガス及び酸化剤ガスを、マニホールド（燃料電池スタックの内部又は外部）を介して、セパレータ板と電解質との間のそれぞれの反応物チャンバーに導入する。
従来技術の説明
環境汚染を回避すべきである発電、自動車等の用途を含む多種多様の用途に使用するように設計された現在存在及び／又は開発中の多数の燃料電池システムがある。これらには、溶融炭酸塩形燃料電池、固体電解質形燃料電池、リン酸形燃料電池及びプロトン交換膜燃料電池などがある。これらの燃料電池の種類の各々をうまく動作させることに関連した一つの問題に、燃料電池温度の制御及び燃料電池内から電気化学反応により発生した生成物を除去することがある。
市販の燃料電池スタックは、各々平面積が12平方フィート以下である最大約600の単一燃料電池ユニットを含むことがある。このような単一セルを積層する際に、セパレータ板により単一セルを分離し、燃料及び酸化剤の各々を一組のセパレータ板の間に導入する。この際、燃料を、セパレータ板の一面と電解質のアノード側との間に導入し、酸化剤を、セパレータ板の他面と第二電解質のカソード側との間に導入する。600個のセルを含むセルスタックは、高さが最大20フィートのことがあり、燃料電池スタックの昇温及び動作中のセルの一体性の維持について重大な問題が生じる。セルアセンブリとセル動作条件との間の熱勾配、熱膨張差及び種々の構成要素に必要とされる材料の必要強度のために、精密許容差及び極めて困難な工学的な問題が生じる。これに関して、セル温度制御は、非常に重要であり、もしこれが最小温度勾配でなされないならば、均一な電流密度が維持できず、セルの性能低下が生じる。
プロトン交換膜（PEM）燃料電池では、電解質は、ペルフルオロスルホン酸ポリマー等のプロトン伝導膜の形態の有機ポリマーである。この種の燃料電池は、電解質膜は乾燥状態では効率的に動作しないので、電解質膜を水で湿らせた状態に保った場合に最もよく動作する。燃料電池の動作中、プロトンが膜を介して移動するのといっしょに、水は、膜を介してアノード側からカソード側に引き寄せられる。このため、膜のアノード側が乾燥しやすく、また、膜のカソード側に水膜が生じやすい。カソード表面は、さらに、電気化学反応において形成した生成物水により濡れる。したがって、膜のアノード側を湿潤状態に維持して電気化学反応及び膜伝導を容易にしながら、生成物水を膜のカソード側から連続的に除去することが、PEM燃料電池の動作にとって決定的に重要である。
プロトン交換膜燃料電池における水管理の問題は、多数の米国特許に示されている。米国特許第4,769,297号は、水をアノードガスとともに膜のアノード側に供給する、固体高分子燃料電池の使用を教示している。水の一部分は、スタックを通ってセルからセルへ移動する。水の移動は、水が膜を通ってアノードからカソードに引き寄せられる結果であり、隣接セルユニット間に親水性多孔性セパレータ板を配置することによって生じる。水は、カソードとアノードとの間に維持された反応物圧力差により多孔性セパレータ板を押し進む。アノード支持板により表面積が大きくなり、そこから水が蒸発して冷却作用が得られる。セパレータ板は、黒鉛製であるとされている。
米国特許第4,824,741号は、多孔性黒鉛アノード板を使用した燃料電池システムを教示している。水を多孔板に供給し、板の表面からの蒸発により、アノード反応物ガスを加湿する。プロトン交換膜は、湿潤多孔性アノード板と接触させることにより加湿される。カソード板に隣接する非多孔性気体不透過性セパレータ板を使用して、アノードからカソードへのガスクロスオーバーを防止する。米国特許第4,826,741号、第4,826,742号及び第5,503,944号並びにPCT出願第WO94/15377号も参照されたい。
黒鉛又は樹脂結合黒鉛炭素複合材料から構成され且つガスフローチャンネルを備えたプロトン交換膜セルに使用するためのバイポーラセパレータ板は、米国特許第4,175,165号に教示されている。この特許も、表面にコロイドシリカゾル等の湿潤剤を塗布してその表面を親水性とする、バイポーラセパレータ板の処理を教示している。このようにして、燃料電池で生成した水を電極から引き離して、続いて処理する。しかしながら、表面に湿潤剤を塗布すると、板の電気抵抗が増加して、導電率が減少してしまう。米国特許第3,634,569号は、黒鉛粉末と熱硬化性樹脂との混合物から、酸形燃料電池に使用するための緻密黒鉛板の製造方法を教示している。この方法では、重量基準で、熱硬化性フェノール系樹脂バインダー５％〜25％とサイズド紛状黒鉛75％〜95％との混合物を使用する。また、黒鉛及び樹脂バイポーラ板は、米国特許4,339,322号（成形熱可塑性フルオロポリマー、黒鉛及び炭素繊維から構成されているバイポーラ板）、米国特許第4,738,872号（黒鉛50重量％と熱硬化フェノール系樹脂50重量％とを含んでなるセパレータ板）、米国特許第5,108,849号（非多孔性黒鉛等の耐腐食性金属粉末とポリフッ化ビニリデン等の熱可塑性樹脂とから構成され、樹脂10〜30重量％、黒鉛粉末70〜90重量％の組成の燃料電池セパレータ板における蛇紋石フローパネル）、米国特許第4,670,300号（黒鉛20％〜80％と残部がセルロース繊維又はセルロース繊維と熱硬化性樹脂を等割合で含んでなる燃料電池板）、米国特許第4,592,968号（黒鉛と、コークスと、炭化性熱硬化性フェノール系樹脂とから構成され、2650℃で黒鉛化したセパレータ板）、米国特許第4,737,421号（炭素又は黒鉛５％〜45％、熱硬化性樹脂40％〜80％、残部がセルロース繊維のものから作製した燃料電池板）、米国特許第4,627,944号（炭素又は黒鉛と、熱硬化性樹脂と、セルロース繊維とから作製した燃料電池板）、米国特許第4,652,502号（黒鉛50％と熱硬化性樹脂50％とから作製した燃料電池板）、米国特許第4,301,222号（黒鉛40％〜65％と樹脂35％〜55％との混合物から作製したセパレータ板）及び米国特許第4,360,485号（黒鉛45％〜65％と樹脂35％〜55％との混合物から作製したセパレータ板）により教示されている。
AT−Ｂ−389020は、膜とセパレータ板とを含んでなる水素−酸素燃料電池を記載している。セル膜の脱水を減少させるために、膜及びセパレータ板を多孔性（0.001〜１μｍの微孔）とするか、サイズ0.001〜１μｍの範囲のカオリン又はミクロアスベストのような微孔親水剤を含有させることが示唆されている。使用に際して気孔に水を満たす。この場合、セパレータ板をガス不透過性にするには、毛管力で十分である。
本発明者等は、従来技術では言及されていない製造面だけでなく操作面からも重要である、プロトン交換膜燃料電池用バイポーラセパレータ板いついて非常に数多くの特性があることを見いだした。これらには、板の電子伝導性に関連する板の透水性、板の圧壊強度、吸水能を維持する能力に関する板の機能性、及び例えば燃料電池の自動車用途で見られる傾向がある凍結状態と融解状態との間の熱サイクルを受ける板の能力などがある。さらに、セパレータ板は、安価な原料、好ましくは一工程成形法を用いて、容易に板状に成形される材料、低温燃料電池において耐腐食性であり且つ高温熱処理等のさらなる処理を必要としない材料から、板の親水性及び気孔率を制御できる板の製造方法を利用して構成しなければならない。
発明の概要
したがって、本発明の一つの目的は、比較的安価に製造できるプロトン交換膜燃料電池に使用するのに適当なバイポーラセパレータ板を提供することである。
本発明の別の目的は、プロトン交換膜燃料電池からの水の除去及びプロトン交換膜燃料電池の内部加湿について向上した特性を有するバイポーラセパレータ板を提供することである。
本発明のさらに別の目的は、約200psiを超える圧壊強度を有するプロトン交換膜燃料電池用バイポーラセパレータ板を提供することである。
本発明のさらに別の目的は、完全内部マニホールド燃料電池スタックに使用するのに適当なプロトン交換膜燃料電池用バイポーラセパレータ板を提供することである。
本発明のさらに別の目的は、プロトン交換膜燃料電池に使用するのに適当なバイポーラセパレータ板の製造方法を提供することである。
本発明のこれら及び他の目的は、バイポーラセパレータ板であって、前記セパレータ板に対して約50重量％〜約95重量％の範囲の量の少なくとも一種の電子伝導性材料と、前記セパレータ板に対して少なくとも約５重量％の量の少なくとも一種の樹脂と、水を前記セパレータ板に引き付けるための、プロトン交換膜燃料電池に使用するのに適当な少なくとも一種の親水剤と、を含んでなるバイポーラセパレータ板によって達成される。前記電子伝導性材料と樹脂と親水剤は、前記セパレータ板全体に実質的に均一に分散されている。本発明の一つの特に好ましい実施態様によれば、電子伝導性材料が電子伝導性炭素質材料であり、親水剤が親水性樹脂である。
本発明によるバイポーラセパレータ板は、少なくとも一種の電子伝導性材料、好ましくは炭素質材料と、少なくとも一種の樹脂と、少なくとも一種の親水剤とを混合して、実質的に均質な混合物であって、前記混合物に対して約50重量％〜約95重量％の範囲の量の前記電子伝導性材料と、前記混合物に対して少なくとも約５重量％の量の少なくとも一種の樹脂と、前記少なくとも一種の親水剤とを含んでなる実質的に均質な混合物を得ることにより製造される。次に、この混合物を、華氏約250度〜華氏約800度の範囲の温度（この温度は、使用樹脂との関係で決まる）及び約500psi〜4,000psiの範囲の圧力で所望の形状に成形することにより、バイポーラ板を形成する。この方法により製造されたバイポーラセパレータ板には、気孔率が板の容積の約０％〜約25％の範囲であり、好ましくは中位気孔サイズが約0.25ミクロン〜約2.0ミクロンの範囲である複数の気孔が形成されている。
【図面の簡単な説明】
上記発明のこれら及び他の目的並びに特徴は、添付図面と関連した以下の詳細な説明からよりよく理解されるであろう。
図1aは、本発明の一実施態様による一個構成セパレータ板を備えたPEM燃料電池スタックの側面図である。
図1bは、本発明の一実施態様による二個構成セパレータ板を備えたPEM燃料電池スタックの側面図である。
図２は、セパレータ板における湿潤剤としてのシリカの百分率とセパレータ板の導電率との間の関係を示すグラフである。
図３は、セパレータ板におけるシリカの百分率とセパレータ板の吸水率との間の関係を示すグラフである。
図４は、燃料電池スタックの内部マニホールド形状を示す図である。
好ましい実施態様の説明
本発明は、少なくとも一種の電子伝導性材料と、少なくとも一種の樹脂と、少なくとも一種の湿潤剤とを含んでなるプロトン交換膜燃料電池用ガス不透過性バイポーラセパレータ板であって、前記電子伝導性材料、樹脂及び湿潤剤がセパレータ板全体に実質的に均一に分散している、セパレータ板に関する。本発明のバイポーラセパレータ板により、プロトン交換膜燃料電池の外部加湿の必要性がなくなるとともに、燃料電池スタックシステムにおける熱管理と生成物水の除去が可能となる。本発明のバイポーラセパレータ板の好ましい組成は、穏やかな圧力及び温度条件下で成形したときに、プロトン交換膜燃料電池等の低温電気化学システムに使用するのに適当な導電性軽重量バイポーラ板が得られる黒鉛と樹脂との混合物を含んでなるものである。
所望の電気化学システム用の反応物流体の流れ用通路を備えた板が、製造できる。所望の電気化学システムに使用するための種々の導電率を有する板が、製造できる。また、電気化学システムの水管理用の種々の気孔率を有する板が、製造できる。そして、最後に、電気化学システムの水管理及び熱管理用の種々の親水度を有する板が、製造される。
本発明の特に好ましい実施態様によれば、バイポーラセパレータ板は、セパレータ板に対して約50重量％〜約95重量％の範囲の量の少なくとも一種の電子伝導性材料と、セパレータ板に対して少なくとも約５重量％の量の少なくとも一種の樹脂と、少なくとも一種の親水剤とを含んでなる。本発明の特に好ましい実施態様によれば、セパレータ板は、黒鉛材料（黒鉛）約50〜95重量％と、熱硬化性樹脂約５〜約30重量％と、炭素繊維０〜約45重量％と、シリカ０〜約25重量％との混合物を含んでなる組成物から形成される。次に、この組成物を、華氏約250度〜華氏約800度の範囲の高温及び約500psi〜約4,000psiの範囲の圧力で成形する。この方法により製造された成形材料の導電率は、少なくとも約5S/cm（プロトン交換膜燃料電池に使用するのに必要とされる公称最小導電率）である。成形材料の気孔率は、空隙容積約25％以下でよい。板の空隙容積の減少とともに増加する成形材料の気泡圧は、少なくとも約5psigである。
上記したように、固体高分子電解質膜を用いたプロトン交換膜燃料電池は、電解質膜を水で湿らした状態で維持するときに最もよく動作する。プロトン交換膜燃料電池の動作中、プロトンが膜を通って移動するのといっしょに、水はアノード側からカソード側に膜を通って引かれる。この現象により、膜のカソード対向面に水滴が生じる間中、膜のアノード側が乾燥されやすい。カソード対向面は、さらに、電気化学反応で生成し且つカソード対向面に現れる生成物水によって濡れる。適切に管理されない限り、カソード対向面での水は、特に水滴の形態の場合には、酸化剤流路を閉塞することにより、酸化剤ガスが触媒に接近するのが阻害され、電気化学反応が減少することがある。
したがって、水を燃料電池における膜のアノード側に供給して乾燥を防止すること、そして水をカソード側から連続的に除去することにより水滴が膜表面に形成するのを防止することが、重要である。このようなことから、本発明のセパレータ板は、カソード側に水が蓄積するのを防止するためだけでなく、セパレータ板全体に水が分布するのを促進するためにも、十分な親水性を有しなければならない。セパレータ板全体に水が存在することにより、セパレータ板を介して反応物ガスが混合される可能性が、実質的に減少する。したがって、本発明のバイポーラセパレータ板は、水をセパレータ板に引き寄せるためのプロトン交換膜セルに使用するのに適当な板全体に実質的に均一に分散して少なくとも一種の親水剤を含有する。本発明の一つの好ましい実施態様によれば、このセパレータ板の少なくとも一種の樹脂は、親水性である。本発明の特に好ましい実施態様によれば、親水性樹脂は、フェノール−ホルムアルデヒド熱硬化樹脂である。
本発明の別の実施態様によれば、少なくとも一種の親水剤が、好ましくはチタン酸化物、アルミニウム酸化物、ケイ素酸化物及びそれらの混合物からなる群から選択される湿潤剤である。セパレータ板全体に親水剤が分散されるので、本発明のセパレータ板は、電流密度1,000アンペア／平方フィート、圧力差約10psi未満で、生成物水を少なくとも約5.5cc/分除去するのに十分な透水性を有する。
プロトン交換膜燃料電池の一つの用途は、自動車における発電である。この用途では、燃料電池は、広範囲の温度に暴露され、且つその寿命中に非常に多くの凍結／融解サイクルを受けることがある。板全体に親水剤が分散されるために板による吸水の結果セパレータ板内に水が保持されて、凍結温度条件と融解温度条件との間のサイクル後に板が破壊することが予想されるであろう。驚くべきことに、吸水率18重量％の本発明のバイポーラセパレータ板は、12回の凍結／融解サイクル後にも破壊しなかった。
米国特許第4,175,165号は、種々の湿潤剤、例えば、コロイドシリカゾル又は高表面積アルミナ若しくはアルミナ−シリカ組成物を、そこに開示されているセパレータ板の表面に付着させて使用することを教示している。しかしながら、アルミナ及びシリカだけでなく、他の湿潤剤も、一般的に電気絶縁体である。したがって、湿潤剤をセパレータ板の表面に適用すると、表面が親水性となるだけでなく、板の表面接触抵抗が増加することにより、セルユニットの内部抵抗が増加し、次にセル電力が減少する。
驚くべきことに、セパレータ板全体に均一に分散する湿潤剤を用いる本発明のセパレータ板は、まだ十分な導電率を維持することができる。一つの好ましい実施態様によれば、湿潤剤を微細粒子として、電子伝導性材料と樹脂との混合物に添加し、それと均質混合することにより、湿潤剤の均一分散体を製造する。しかしながら、電子伝導性材料及び樹脂と十分に混合したときに同様に均一な混合成形複合体が得られる、分散液として添加してもよい。本発明者等は、樹脂及び他の成分が一つの連続相を形成するのを防止することにより、湿潤剤が成形物に気孔を形成するのを促進するものと思っている。これらの湿潤剤の水に対する親和性により、水と成形物との間の表面張力が減少する。その結果、成形板と接触している水は、水滴を形成するよりもむしろ、成形板の表面に膜を形成する傾向がある。成形板は気孔を含むことができるので、これらの気孔は、板の親水性によってより容易に水で満たされた状態となる。板を介して十分な圧力差をかけて、水は板の一方の面から板の他方の面に運搬できる。本発明のセパレータ板により示される別の点は、板安定性である。本発明者等は、本発明の板が、90℃の水に1,200時間を越えて保持された後にその最初の重量の99％を保持することを見いだした。この期間中、板の吸水率も、18重量％で一定に維持された。
本発明のセパレータ板の導電率とシリカ含量との関係を、図２に示す。ここでは、種々の量のシリカを均一に分散させて種々の板を製造した。これらのデータを得たセパレータ板は、熱硬化樹脂をセパレータ板に対して約12.5重量％の量、シリカをセパレータ板に対して０重量％〜10重量％の量、黒鉛をセパレータ板に対して約77.5重量％〜87.5重量％の量で含有するものであった。
プロトン交換膜燃料電池に使用するのに適当なセパレータ板は、導電率が、約5S/cm以上、好ましくは約75S/cm以上でなければならない。本発明の板は、多孔性であっても非多孔性であってもよいが、いずれの場合にも、気体に対して不透過性でなければならない。本発明の特に好ましい実施態様によれば、板は、多孔性であって、気孔率が約25容積％未満である。本発明によるセパレータ板の気孔径は、好ましくは約0.25ミクロン〜約２ミクロンの範囲にあり、中位気孔径は、好ましくは約0.5ミクロン〜約1.5ミクロンの範囲にある。
親水剤の他に、本発明のセパレータ板は、少なくとも一種の電子伝導性材料と少なくとも一種の樹脂とを含んでなり、電子伝導性材料はセパレータ板に対して約50重量％〜約95重量％の量で存在し、少なくとも一種の樹脂はセパレータ板に対して少なくとも約５重量％の量で存在する。本発明のセパレータ板に使用するのに適当な電子伝導性材料は、炭素質材料、金属、金属合金、金属炭化物、金属窒化物及びそれらの混合物からなる群から選択される。適当な金属には、チタン、ニオブ、タンタル、及びハスタロイ（hastalloy）等の合金などがある。本発明の特に好ましい実施態様によれば、電子伝導性材料は、黒鉛、カーボンブラック、炭素繊維及びそれらの混合物からなる群から選択される炭素質材料である。黒鉛、又は種々の入手可能な導電性炭素化合物、例えば導電性カーボンブラックが、特に好ましい。炭素系材料を使用することにより、加工関連コストが減少するだけでなく、板における流路等のガスフロー制御手段の加工及び板の成形が簡単になる。
本発明の一つの好ましい実施態様によれば、セパレータ板は、炭素繊維約10重量％以下を含んでなる。炭素繊維を添加かることにより、板が強化されるだけでなく、板による吸水及び導電が促進される。
また、本発明のセパレータ板は、約５％を超える樹脂を含む。この樹脂は、成形セパレータ板のバインダーとしての役割を果たし、上記したように、板の親水性を高めることもできる。適当な樹脂には、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂及びそれらの混合物などがある。本発明のセパレータ板に使用するのに適当な熱可塑性樹脂には、ポリフッ化ビニリデン、ポリカーボネート、ナイロン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリウレタン、ポリエステル、ポリプロピレン及びHDPEなどがある。好ましい熱硬化性樹脂は、フェノール系樹脂、アルデヒド樹脂、エポキシ樹脂及びビニル樹脂からなる群から選択される。以下、実施例により、本発明のセパレータ板の種々の組成物とそれらから得られるセパレータ板の特性との間の関係を示す。各々の場合において、多孔性の４インチx4インチのセパレータ板を、テキサス州ダラスにあるOccidental Chemical Corporationから入手した粒度200メッシュ未満のVarcum29338フェノール系樹脂と、サイズが40nmのシリカ粒子と、長さ約150ミクロンの炭素繊維と、粒度200メッシュ未満の黒鉛粉末との種々の混合物から成形した。粉末を、十分に混合し、1,000psi、華氏400度で板に成形した。実施例Ｉ〜IVから、室温でのセパレータ板の導電性と親水性に対する湿潤剤としてのシリカの効果が明らかである。また、導電性及び親水性とシリカ含量との関係を、それぞれ図２及び図３に示す。実施例Ｖは、黒鉛10重量％を炭素繊維に置き換えた本発明の一実施態様によるセパレータ板の特性を示す。実施例Ｉ〜IVの結果から、シリカを組成物に添加すると、吸水量により示した板の親水性が板の導電率が減少するにつれて増加することが分かる。しかしながら、組成物において利用される電子伝導性黒鉛材料の一部分を10重量％以下の炭素繊維に置き換えることにより、板の気孔率が増加し、実質的な吸水率（18％）を得るのに必要とする湿潤剤（シリカ）の量が減少し、且つシリカレベルを減少させた場合の板の導電性が対応のシリカ量であり且つ炭素繊維を有しない（実施例II）板に対して維持される。
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レジリエンスは、張力体が、例えば、圧縮応力により生じた変形後にそのサイズ及び形状を回復する能力である。本発明のセパレータ板において利用される黒鉛のレジリエンスは、約26％である。すなわち、圧縮応力を受けた後、黒鉛は、その圧縮形状及び形態の約126％に膨張する。これに対して、炭素繊維は、顕著により高いレジリエンスを有している。セパレータ板を含む個々の構成要素のレジリエンスのためにより高いレジリエンスを有するセパレータ板は、達成できる気孔サイズを制限する点で望ましくない。特に、より高いレジリエンスを有する材料を使用することにより、より大きな気孔サイズを有する板が得られるのに対して、低いレジリエンスを有する材料を使用すると気孔サイズがもっと小さい板が得られる。気孔サイズが大きくなると、一般的に反応物ガスがセパレータ板の一方の側から他方の側に通るのに必要とする圧力が減少し、板の導電性が減少する。低レジリエンス材料を使用した板は、一般的により強度があり且つより導電性である。驚くべきことに、本発明者等は、実施例Ｖで使用したような黒鉛と炭素繊維との混合物により、黒鉛単独のレジリエンスに相当するレジリエンスを有する板が得られることを見い出した。これは、当業者は、黒鉛よりも実質的に高いレジリエンスを有する炭素繊維を添加することにより顕著に増加したレジリエンスを有する板が得られると予想するであろう点から驚くべきことである。したがって、本発明の特に好ましい実施態様によれば、本発明のセパレータ板に存在する炭素繊維の量は、約10重量％未満である。
セパレータ板の気泡圧は、反応物ガスがセパレータ板の一方の側から他方の側へクロスオーバーするのを防止する能力に関連する。気泡圧は、セパレータ板の気孔における水の正圧であって、板における気孔サイズに逆比例する。すなわち、中位気孔サイズが小さいほど、板に吸収される水により示される圧力が大きい。したがって、気泡圧は、それよりも高い圧力では、反応物ガスが水で飽和された板を通って押し入れられて２種の反応物の望ましくない混合だけでなく、セパレータ板の冷却水流路に入るような圧力である。本発明者等は、本発明のセパレータ板は、5psigを超える気泡圧を有することを見い出した。本発明のセパレータ板の好ましい実施態様によれば、気泡圧は、10psig超であり、より好ましくは20psig超である。
図1a及び図1bに、各燃料電池ユニットがプロトン交換膜25と、一方の側に設けられたアノード電極30と、他方の側に設けられたカソード電極35とを含んでなる、複数の燃料電池ユニット20を備えた燃料電池スタック15を示す。アノード電極30と膜25との間にはアノード触媒層31が配置され、カソード電極35と膜25との間には適当なカソード触媒層36が配置されている。一つの燃料電池ユニットのアノード電極30と隣接する燃料電池ユニットのカソード電極35とは、バイポーラセパレータ板39により分離されている。
図1aに示すような本発明の一実施態様によれば、本発明のセパレータ板39は、カソード対向面40とアノード対向面45とを含んでなる一個構成セパレータ板である。カソード対向面40には、カソード流路における酸化剤とカソード電極35とが接触するようにそこを通って延びている複数の酸化剤ガスフロー流路41が形成されている。同様に、アノード対向面45には、燃料ガスとアノード電極30とが接触するように適当な燃料ガスフロー流路46がそこに形成されている。
図1bに示すような本発明の別の実施態様によれば、セパレータ板39は、２つの板（カソード対向板39aとアノード対向板39b）から構成されている。スタックを水冷するために、カソード対向板39aとアノード対向板39bとの界面には、複数の冷却水流路34が形成されている。
燃料電池スタックは、さらにカソードセパレータ端板50とアノードセパレータ端板60とを含んでいる。端板50及び60は、水不透過性であるか、さもなければシールされて漏れを防止している。適当な引っ張り機構及びガスケット（図示してない）を、スタックの構成要素をいっしょに固定するのに設ける。
これに関して、本発明のセパレータ板は、燃料電池スタックの組立中にそれにかかる力の下での圧壊に耐えるに十分な強度を有していなければならない。セパレータ板の圧壊強度は、200psiを超えなければならない。実施例５に準じて製造されたセパレータ板は、2,100psiを超える圧壊強度を有していた。圧壊強度の他に、本発明のセパレータ板は、燃料電池スタックアセンブリの他の構成要素に追従することができるある程度の柔軟性を有していなければならない。本発明の特に好ましい実施態様によれば、セパレータ板は、破壊なしで3.5％の最小柔軟度、すなわち、直線１フィート当たり約0.43インチの最小柔軟度を有する。
上記したように、炭素繊維を、本発明のセパレータ板に添加してもよく、好ましくはセパレータ板に対して約20重量％以下の量、最も好ましくはセパレータ板に対して10重量％未満の量で板全体に実質的に均一に分布させてもよい。炭素繊維は高価であるので、それらの使用は任意であるが、炭素繊維の添加は有利である。これは、炭素繊維が、対応量の湿潤剤を使用したのと同じ程度の導電率の低下なく多孔性及び構造強化が得られるからである。
実施例から明らかなように、所望の導電性及び親水性を有する板を得るためのセパレータ板の組成で達成しなければならないバランスがある。実施例から明らかなように、SiO2の形態での湿潤剤の量を親水性を増加するために増加するにつれて、板の導電性が減少する。図３は、SiO2含量の増加に伴う板に吸収される水の量の増加を示し、図２は、SiO2含量の増加に伴う導電性の減少を示す。データ点は、シリカ含量約５重量％で交差する。したがって、本発明のセパレータ板において利用されるシリカの好ましい範囲は、約１重量％〜10重量％の範囲であり、最も好ましくは約２重量％〜４重量％の範囲である。上記したように、最大20重量％の炭素繊維を添加することにより、導電性の損失なくさらなる気孔が得られる。しかしながら、炭素繊維は高価であるので、使用量を最小限とするのが望ましい。
本発明のセパレータ板は、外部マニホールド燃料電池スタック又は内部マニホールド燃料電池スタックに使用するのに適当である。外部マニホールド燃料電池スタックでは、反応物ガスを燃料電池スタックの縁領域に接続した外部マニホールドから供給される。一方、内部マニホールド燃料電池スタックでは、反応物ガスを、セル構成要素におけるパーホレーションにより形成されたマニホールドを介して反応部位に供給される。本発明の一実施態様によるバイポーラセパレータ板を利用した内部マニホールド燃料電池スタックを、図４に示す。図４に示すように、燃料電池スタックのイオン交換膜25及びセパレータ板39は、スタックの周辺縁に延びている。セパレータ板39は、平周辺シール構造43を備えている。この平周辺シール構造43は、各面から延びてイオン交換膜にそれらの外縁周囲で完全に接触することにより、周辺シールを形成している。イオン交換膜とセパレータ板は、各々複数の燃料マニホールド孔54（一つは供給用であって、一つは除去用）及び複数の酸化剤マニホールド孔55（一つは供給用であって、一つは除去用）を有する。セパレータ板におけるマニホールド孔54、55は、平マニホールドシール構造56、57により包囲されている。平マニホールドシール構造56、57は、セパレータ板の各面から延びてイオン交換膜に接触することによりマニホールドシールを形成し、したがって、燃料電池スタックを介して延びている複数の燃料及び酸化剤ガスマニホールドを形成している。導管47、47'を、セパレータ板のアノード対向面の燃料マニホールド孔54を包囲している平マニホールドシール構造を介して設けて、一組のマニホールドと、アノードとセパレータ板のアノード対向面との間に形成されるアノードガス反応物領域との間に燃料ガスが連通するようにする。また、導管48、48'を、セパレータ板のカソード対向面の酸化剤マニホールド孔55を包囲している平マニホールドシール構造を介して設けて、第二組のマニホールドと、カソードとセパレータ板のカソード対向面との間に形成されるカソード反応領域との間に酸化剤ガスが連通するようにすることにより、燃料電池スタックにおける各前記燃料電池ユニットへの及びそこからの燃料ガス及び酸化剤ガスの完全内部マニホールドが得られる。
本発明によるバイポーラセパレータ板は、少なくとも一種の電子伝導性材料（好ましくは炭素質材料）と少なくとも一種の樹脂と少なくとも一種の親水剤とを混合して実質的に均質な混合物であって、前記混合物に対して約50重量％〜約95重量％の範囲の前記少なくとも一種の電子伝導性材料と、前記混合物に対して少なくとも約５重量％の前記少なくとも一種の樹脂と、前記少なくとも一種の親水剤とを含んでなる均質混合物を形成する。次に、この混合物を、華氏約250度〜華氏約800度の範囲の温度及び約500psi〜約4000psiの範囲の圧力で所望の形状に成形することにより、バイポーラ板を形成する。
本発明の一実施態様によれば、PEM燃料電池スタック及びしたがって本発明のセパレータ板は、前記燃料電池スタック内からの冷却水の循環及び除去用の水供給手段及び水除去手段を含んでなる。図1bに示されるように、カソード対向板39aとアノード対向板39bを含んでなるセパレータ板39には、それらの界面に複数の冷却水流路34が形成されている。図４に示すような内部マニホールド燃料電池スタックにおいては、隣接するセル構成要素に対してシールするための延長マニホールドシール構造を備え且つ前記水マニホールド孔58と前記冷却水流路34との間の連通用導管を形成している水マニホールド孔58から水が供給され、水は水マニホールド孔58'を介して除去される。
上記明細書において、本発明は、一定の好ましい実施態様との関連において説明し、数多くの詳細な事項を説明の目的で述べたが、本発明にはさらなる実施態様があること、及びここに説明して詳細のあるものは本発明の基本原理から逸脱することなく少なからず変更できることは、当業者には明らかであろう。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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