(57)【要約】  少なくとも１つの実施形態では、本発明は、導電性流体分散板と、導電性流体分散板を作製する方法およびそれを使用するためのシステムを提供する。少なくとも１つの実施形態では、分散板は、分散板の少なくとも１つの側にわたって流体の流れを分配するように構成された１組の流体流路を画定する金属性の板本体と、板本体上に配置された、１００ｎｍ未満の厚さを有する金属含有接着促進層と、金属含有接着促進層上に配置された複合ポリマー導電層とを備える導電性流体分散板を含む。
2009501424.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
分散板の少なくとも１つの側にわたって流体の流れを分配するように構成された１組の流体流路を画定する金属性の板本体と、
前記板本体上に配置された、１００ｎｍ未満の厚さを有する金属含有接着促進層と、
前記金属性の層上に配置された複合ポリマー導電層と
を備える導電性流体分散板。
【請求項２】
前記金属含有接着促進層がバルブ金属を含む、請求項１に記載の分散板。
【請求項３】
前記バルブ金属が、チタン、ジルコニウム、タンタル、ニオブ、およびそれらの混合物からなるグループから選択される、請求項２に記載の分散板。
【請求項４】
前記金属含有接着促進層が７５ｎｍ未満の厚さを有する、請求項２に記載の分散板。
【請求項５】
前記金属含有接着促進層が、金属酸化物層を含む外部表面部分を含み、前記外部表面部分が、分散板の総接触抵抗を、前記外部表面部分を有していない板に比べて実質的に増大しない量で存在する、請求項２に記載の分散板。
【請求項６】
前記金属がチタンである、請求項３に記載の分散板。
【請求項７】
前記金属がジルコニウムである、請求項３に記載の分散板。
【請求項８】
前記金属がニオブである、請求項３に記載の分散板。
【請求項９】
前記金属がタンタルである、請求項３に記載の分散板。
【請求項１０】
前記板本体が、前記流路に隣接するランドを含み、前記流路内の金属含有接着促進層には、実質的に複合ポリマー導電材料が堆積されない、請求項３に記載の分散板。
【請求項１１】
前記金属含有接着促進層が、物理気相堆積によって前記板本体上に配置される、請求項２に記載の分散板。
【請求項１２】
前記金属酸化物が酸化チタンである、請求項５に記載の分散板。
【請求項１３】
前記金属性の板がステンレス鋼を含む、請求項３に記載の分散板。
【請求項１４】
少なくとも２００ｄｙｎ／ｃｍの拡張圧を有する、請求項３に記載の分散板。
【請求項１５】
流体分散板を製造する方法であって、
前記分散板の少なくとも１つの側にわたって流体の流れを分配するように構成された１組の流体流路を画定する本体を有する金属性の板本体を用意するステップと、
前記板本体上に１００ｎｍ未満の厚さを有する金属含有接着促進層を配置するステップと、
前記金属性の層上に複合ポリマー導電層を配置するステップとを含む方法。
【請求項１６】
前記本体上に金属含有接着促進層を配置する前記ステップが、物理気相堆積を介して前記分散板上に金属を堆積するステップを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
前記金属含有接着促進層がバルブ金属を含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記バルブ金属が、チタン、ジルコニウム、タンタル、ニオブ、およびそれらの混合物からなるグループから選択される、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記金属性の板がステンレス鋼を含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
分散板の少なくとも１つの側にわたって流体の流れを分配するように構成された１組の流体流路を画定する金属性の板本体と、前記板本体上に配置された、１００ｎｍ未満の厚さを有する金属含有接着促進層と、前記金属性の層上に配置された複合ポリマー導電層とを備える第１の導電性流体分散板と、
第２の導電性流体分散板と、
前記第１の導電性流体分散板と前記第２の導電性流体分散板を分離する膜電極接合体とを備え、前記膜電極接合体が、
第１の側および第２の側を有する電解質膜と、前記電解質膜の前記第１の側に隣接するアノードと、前記電解質膜の前記第２の側に隣接するカソードとを備える、燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、導電性金属流体分散板、導電性金属流体分散板を作製する方法、および本発明による導電性金属流体分散板を使用するシステムに関する。より詳細には、本発明は、燃料電池および他のタイプのデバイスにおける接触抵抗および水移送の難点に対処する上で導電性金属流体分散板を使用することに、また、流体分散板上の有機コーティングの湿式接着に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、乗り物応用例を含めて、多数の応用例向けの電源として開発されつつある。１つのそのような燃料電池が、プロトン交換膜燃料電池またはＰＥＭ燃料電池である。ＰＥＭ燃料電池は、当技術分野で周知であり、その各セル内に膜電極接合体またはＭＥＡを含む。ＭＥＡは、その一方の側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カソード電極面とを有する、薄いプロトン伝導性の、ポリマーの膜電解質である。膜電解質の一例は、イオン交換樹脂製のタイプである。例示的なイオン交換樹脂は、Ｅ．Ｉ．ＤｕＰｏｎｔ  ｄｅ  Ｎｅｍｅｏｕｒｓ＆Ｃｏ．から入手可能なＮＡＦＩＯＮ（商標）など、ペルフルオロスルホン酸（ｐｅｒｆｌｕｏｒｏｎａｔｅｄ  ｓｕｌｆｏｎｉｃ  ａｃｉｄ）を含む。一方、アノード面およびカソード面は、一般に、微粉化された（ｆｉｎｅｌｙ  ｄｉｖｉｄｅｄ）炭素粒子と、炭素粒子の内部表面および外部表面上で支持された、極めて微粉化された触媒粒子と、触媒粒子および炭素粒子と混合されたＮＡＦＩＯＮ（商標）などプロトン伝導性粒子とを含み、あるいは、炭素なしでポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）バインダ全体にわたって分散された触媒粒子を含む。
【０００３】
多セルＰＥＭ燃料電池は、電気的に直列で共に積み重ねられた、またセパレータ板またはバイポーラ板として知られるガス不透過の導電性流体分散板によって互いに分離された複数のＭＥＡを備える。そのような多セル燃料電池は、燃料電池スタックとして知られる。バイポーラ板は、一方が１つのセルのアノードと対面し他方がスタック内の次の隣接するセル上のカソードと対面する２つの作用面を有し、隣接するセル間で電流を導通する。スタックの端部にある導電性流体分散板は、端部セルだけと接触し、端板として知られる。バイポーラ板は、気体反応物（たとえば、Ｈ２およびＯ２／空気）をアノードおよびカソードの表面全体にわたって分配する流れ場を含む。これらの流れ場は、一般に、ランド間に複数の流路を画定する複数のランドを含み、それらの流路を介して、流路の両端に位置する供給ヘッダと排気ヘッダの間で気体反応物が流れる。
【０００４】
「拡散媒体」として知られる極めて多孔性（すなわち、約６０％から８０％）の導電材料（たとえば、布、スクリーン、紙、フォームなど）が、一般に、導電性流体分散板とＭＥＡの間に置かれ、（１）気体反応物を、導電性流体分散板のランド間で、またランドの下で、電極の面全体にわたって分配するように働き、（２）溝に対面する電極の面から集電し、その溝を画定する、隣接するランドに電流を搬送する。１つの既知のそのような拡散媒体は、体積で約７０％の気孔率、約０．１７ｍｍの非圧縮厚を有する黒鉛紙を含み、Ｔｏｒａｙ  ０６０の名称で東レ株式会社から市販されている。また、そのような拡散媒体は、当技術分野で知られているように、細かいメッシュ、貴金属スクリーンなどを含むことができる。
【０００５】
Ｈ２−Ｏ２／空気燃料電池環境では、導電性流体分散板は、一般に、Ｆ−、ＳＯ４−−、ＳＯ３−、ＨＳＯ４−、ＣＯ３−−、ＨＣＯ３−などを含有する穏やかな酸溶液（ｐＨ３〜５）と絶えず接触している可能性がある。さらに、カソードは、一般に、高酸化環境内で動作し、（通常の水素電極に対して）最大約＋１Ｖに分極され、一方、加圧空気にさらされる。最後に、アノードは、一般に、絶えず水素にさらされる。したがって、導電性流体分散板は、燃料電池内の過酷な環境に抵抗力を有するべきである。
【０００６】
より一般的なタイプの好適な導電性流体分散板の１つは、体積で約３０％から約４０％の導電粒子を含有するポリマー複合材料で被覆された、ステンレス鋼など金属製のものを含む。この点に関して、（１）本願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、（３）粒子を共に、また金属シートの表面に結合する耐酸性、不水溶性、耐酸化性ポリマーのマトリックス全体にわたって分散された複数の導電性、防蝕性（すなわち、耐酸化性および耐酸性）フィラ粒子を含む耐蝕性、導電性の層で被覆された金属シート製の導電性流体分散板を開示する、２００２年４月１６日に発行されたＦｒｏｎｋらの米国特許第６３７２３７６号を参照されたい。Ｆｒｏｎｋらのタイプの複合コーティングは、好ましくは、コーティングの組成、抵抗率、および完全性（ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ）に応じて、約５０Ω・ｃｍ以下の抵抗率と、約５ミクロンと７５ミクロンの間の厚さとを有することになる。より薄いコーティングほど、燃料電池スタック全体にわたってより低いＩＲ降下を達成するために好ましい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
導電ポリマー複合材料で被覆された金属板は、許容される耐蝕性および接触抵抗を有する導電性流体分散板をもたらすことが判明しているが、出願人らは、ステンレス鋼およびニッケル基合金製のものなど、いくつかの金属板に対するポリマーコーティングの接着が、金属の表面が比較的不活性であることにより比較的弱いことを見出した。これらのタイプの板は、現在、許容されるコーティング接着特性を有するが、コーティング接着特性が高められたポリマー被覆の金属導電性流体分散板を提供することが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
少なくとも１つの実施形態では、分散板の少なくとも１つの側にわたって流体の流れを分配するように構成された１組の流体流路を画定する金属性の板本体と、板本体上に配置された、１００ｎｍ未満の厚さを有する金属含有接着促進層と、金属含有接着促進層上に配置された複合ポリマー導電層とを備える導電性流体分散板が提供される。
【０００９】
他の実施形態では、分散板の少なくとも１つの側にわたって流体の流れを分配するように構成された１組の流体流路を画定する本体を有する金属性の板本体を用意するステップと、板本体上に１００ｎｍ未満の厚さを有する金属含有接着促進層を設けるステップと、金属含有接着促進層上に複合ポリマー導電層を設けるステップとを含む流体分散板を製造する方法が提供される。
【００１０】
他の実施形態では、燃料電池が提供される。少なくとも１つの実施形態では、この燃料電池は、分散板の少なくとも１つの側にわたって流体の流れを分配するように構成された１組の流体流路を画定する金属性の板本体と、板本体上に配置された、１００ｎｍ未満の厚さを有する金属含有接着促進層と、金属含有接着促進層上に配置された複合ポリマー導電層とを備える第１の導電性流体分散板を備える。この燃料電池は、第２の導電性流体分散板と、第１の導電性流体分散板と第２の導電性流体分散板を分離する膜電極接合体とをさらに含み、膜電極接合体が、第１の側および第２の側を有する電解質膜と、電解質膜の第１の側に隣接するアノードと、電解質膜の第２の側に隣接するカソードとを備える。
【００１１】
本発明は、添付の図面と共に、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ことになる。特許請求の範囲は、その中の記載によって規定され、本説明に述べられている特徴および利点の特定の考察によって規定されないことに留意されたい。
【００１２】
本発明の実施形態の、以下の詳細な説明は、同様の構造が同様の符号を用いて示される以下の図面と併せ読めば、よりよく理解することができる。
当業者なら、図内の要素は、話を簡単にし図を見やすくするように示されており、必ずしも原寸に比例して示されていないことを理解する。たとえば、図内のいくつかの要素の寸法は、本発明の実施形態の理解を深める助けとなるように、他の要素に対して誇張されている可能性がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
好ましい実施形態の以下の説明は、実際には単に例示的なものにすぎず、決して本発明、その応用例、または使用を限定することは意図されていない。次に、現在本発明者らに知られている本発明を実施する最良の形態を構成する、本発明の現在好ましい組成、実施形態、および方法を詳細に参照する。図は、必ずしも原寸に比例しない。しかし、開示されている実施形態は、様々な、また代替の形態で実施することができる本発明を例示するものにすぎないことを理解されたい。したがって、本明細書において開示されている特定の詳細は、限定するものと解釈すべきではなく、特許請求の範囲に関する典型的な基礎として、および／または当業者に本発明を様々に使用することを教示するための典型的な基礎として解釈すべきである。
【００１４】
諸例の場合、または別段明示的に示されている場合を除いて、材料の量または反応および／もしくは使用の条件を示す本説明内の数字による量は、本発明の最も広い範囲について述べる上で「ａｂｏｕｔ（約）」という単語によって修飾されているものと理解すべきである。一般に、述べられている数字による限界内での実施が好ましい。また、そうではないことが明示的に述べられていない限り、パーセント、「部（ｐａｒｔｓ  ｏｆ）」、および比率の値は、重量によるものであり、「ポリマー」という用語は、「オリゴマー」「コポリマー」「ターポリマー」などを含み、本発明に関連して所与の目的に適している、または好ましい材料のグループまたはクラスの説明は、そのグループまたはクラスの任意の２つ以上のメンバの混合物もまた等しく適している、または好ましいことを暗示し、化学用語内の成分の説明は、その説明内で指定されている任意の組合せに対する追加の時点での成分を指し、混合後の混合物の成分間の化学的な相互作用を必ずしも排除せず、頭字語または他の略語の第１の定義が、同じ略語の、本明細書における後続の使用すべてに対して、また最初に定義されている略語の通常の文法的変形形態に対して適用され、そうでないことが明示的に述べられていない限り、ある特性の測定値は、同じ特性に関して先に、または後で参照されているものと同じ技法によって決定される。
【００１５】
図１を参照すると、自動車応用例向けの例示的な燃料電池システム２が示されている。しかし、たとえば住宅システムのエリア内など、他の燃料電池システム応用例も、本発明から利益を受けることができることを理解されたい。
【００１６】
図１に示されている実施形態では、乗り物本体９０と、燃料電池プロセッサ４および燃料セルスタック１５を有する例示的な燃料電池システム２とを有する乗り物が示されている。燃料電池スタックおよび燃料電池内で実施された本発明の実施形態の考察は、以下、図２〜３を参照して提供される。１つの特定の燃料電池スタック１５設計について述べられているが、本発明は、流体分散板が効用を有する場合、どの燃料電池スタック設計にも適用可能とすることができることを理解されたい。
【００１７】
図２は、互いに導電性流体分散板３０によって分離された１対の膜電極接合体（ＭＥＡ）２０および２２を有する２燃料電池の燃料電池スタック１５を示す。分散板３０は、燃料および酸化剤ガスをＭＥＡ２０および２２に分配するために、複数の流体流路３５、３７を有するバイポーラ板として働く。「流体流路」とは、本発明者らは、板の少なくとも一部分内で、その外で、それに沿って、またはそれを介して流体を移送するために使用される分散板上の経路、領域、エリア、または任意のドメインを意味する。ＭＥＡ２０および２２、ならびに分散板３０は、クランプ板４０とクランプ板４２の間で、また導電性流体分散板３２と導電性流体分散板３４の間で、共に積み重ねることができる。図の実施形態では、分散板３２および３４は、燃料および酸化剤ガスをＭＥＡ２０および２２に分配するために、分散板の両側ではなく、１つの側だけそれぞれ流路３６および３８を含む端板として働く。
【００１８】
燃料電池スタックのいくつかの構成要素間で封止および電気的絶縁をもたらすために、非導電性ガスケット５０、５２、５４、５６を設けることができる。ガス透過性の炭素／黒鉛拡散紙６０、６２、６４、６６が、ＭＥＡ２０および２２の電極面に押し付けることができる。分散板３２および３４は、それぞれ炭素／黒鉛紙６０および６６に押し付けることができ、一方、分散板３０は、ＭＥＡ２０のアノード面上の炭素／黒鉛紙６４を、またＭＥＡ２２のカソード面上の炭素／黒鉛紙６０に押し付けることができる。
【００１９】
図の実施形態では、Ｏ２など酸化流体が、貯蔵タンク７０から適切な供給配管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。酸化流体がカソード側に供給されている間に、Ｈ２など還元流体が、貯蔵タンク７２から適切な供給配管８８を介して燃料電池のアノード側に供給される。ＭＥＡのＨ２およびＯ２／空気側用の排気配管（図示せず）もまた提供される。追加の配管８０、８２、８４は、分散板３０、ならびに分散板３２および３４に液体冷却剤を供給するために設けられる。分散板３０、３２、３４から冷却剤を抜くための適切な配管もまた提供されるが、図示しない。
【００２０】
図３は、第１のシート１０２と、第２のシート１０４とを備える例示的な導電性流体分散板３０を示す。第１および第２のシート１０２、１０４は、それらの外部の側／表面上に複数の流体流路１０６、１０８を備え、それらの流体流路を介して、典型的には、各板の１つの側に沿って蛇行する経路内で燃料電池の反応ガスが流通する。また、第１および第２のシート１０２、１０４は、流路１０６、１０８に隣接する、複数のランド１０７、１０９を備える。第１および第２のシート１０２、１０４の内部の側は、燃料電池の動作中に冷却剤が通過する第２の複数の流体流路１１０、１１２を含むことができる。第１のシート１０２および第２のシート１０４の内部の側が、板本体１２０を形成するように共に配置されたとき、流体流路は、冷却剤が分散板３０を通過するように、一連の流路を接続し形成する。
【００２１】
板本体１２０は、図３に示されている２枚の別個のシートではなく、単一のシートまたは板から形成されてもよい。板本体１２０が単一の板から形成されるとき、流路は、板本体１２０の外部の側上に、また板本体１２０の中央を介して形成されてもよく、その結果、得られる板本体１２０は、２枚の別個のシート１０２、１０４から構成された板本体１２０と同等である。
【００２２】
板本体１２０は、金属または合金から形成されてもよく、導電性でなければならない。一実施形態では、不動態化金属または不動態化合金で板本体１２０を形成する。「不動態化金属」または「不動態化合金」とは、本発明者らは、空気または水など周囲の物質との反応の結果として不動態化層を形成する金属または合金を意味する。しかし、不動態化金属を使用しようとする場合、少なくとも１つの実施形態では、分散板３０の接触抵抗を著しく増大しないように、任意の形成される不動態化層が比較的薄いことが好ましい。
【００２３】
好適な金属および合金は、燃料電池の流体分散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際に考慮すべき追加の設計特性は、ガス透過性、導電率、密度、熱伝導率、耐蝕性、パターン画定（ｐａｔｔｅｒｎ  ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ）、熱およびパターン安定性、機械加工性、コスト、および使用可能性を含む。使用可能な金属および合金は、ステンレス鋼、ニッケル基合金、およびそれらの組合せを含む。
【００２４】
第１および第２のシート１０２、１０４は、典型的には、厚さ約５０から２５０（ミクロン）の間である。シート１０２、１０４は、機械加工、回転ダイ成形（ｒｏｔａｒｙ  ｄｉｅ  ｆｏｒｍｉｎｇ）、切断、スタンピング、フォトリソグラフィマスクを介すものなどフォトエッチング、化学エッチング、または任意の他の好適な設計および製造工程によって形成されてもよい。シート１０２、１０４は、平坦なシートと、一連の外部流体流路を含む追加のシートとを含む積層構造を含むことができることが企図されている。内部金属スペーサシート（図示せず）が、第１のシート１０２と第２のシート１０４の間に配置されてもよい。
【００２５】
図３の概略的に示されている分散板３０では、本体１２０の構造構成要素を形成する基材１０２、１０４は、ステンレス鋼、ニッケル基合金、およびそれらの組合せなど、耐蝕性の金属性材料を含む。分散板３０の作用面は、導電ポリマー複合コーティング１４０で覆われる。少なくとも１つの実施形態では、導電ポリマーコーティング１４０は、約５０Ω・ｃｍ２未満の抵抗率を有する導電性、耐酸化性、耐酸性の保護材料を含み、耐酸性、耐酸化性のポリマーマトリックス全体にわたって分散された複数の耐酸化性、酸不溶性、導電性のフィラ粒子（すなわち、約５０ミクロン未満）を含む。任意の好適な導電ポリマーコーティング１４０を使用することができる。少なくとも１つの実施形態では、導電ポリマーコーティングは、５ミクロンから４５ミクロンの厚さを有し、他の実施形態では、１０ミクロンから３０ミクロンの厚さを有する。そのようなコーティング、およびそれらの応用の形の好適な例は、米国特許第６３７２３７６号に見出すことができる。
【００２６】
少なくとも１つの実施形態では、導電フィラ粒子は、金、白金、黒鉛、炭素、パラジウム、ニオブ、ロジウム、ルテニウム、および希土類金属からなるグループから選択することができる。少なくともいくつかの実施形態では、この粒子は、２５重量％の添加量（ｌｏａｄｉｎｇ）で導電性の炭素および黒鉛を含むことができる。ポリマーマトリックスは、薄い接着フィルムの形に形成することができる、また燃料電池の過酷な酸化および酸環境に耐えることができる任意の不水溶性ポリマーを含むことができる。したがって、とりわけエポキシ、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリフェノール、フルオロエラストマー（たとえば、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（ｐｈｅｎｏｘｙ−ｐｈｅｎｏｌｉｃｓ）、エポキシドフェノール（ｅｐｏｘｉｄｅ−ｐｈｅｎｏｌｉｃｓ）、アクリル、ウレタンなどポリマーは、複合コーティングと共に有用であるものと考えられる。架橋されたポリマーを、透過性の低いコーティングを生成するために使用することができ、ポリアミドイミド熱硬化性／熱可塑性ポリマーが最も好ましい。
【００２７】
少なくとも１つの実施形態では、導電ポリマー層１４０は、Ｎメチルピロリドン、プロピレングリコール、およびメチルエーテルアセテートの混合物を含む溶媒内でポリアミドイミドを溶かし、そこに重量で２１％から２３％の黒鉛粒子およびカーボンブラック粒子の混合物を追加することによって付着させることができる。少なくとも１つの実施形態では、黒鉛粒子は、サイズが５ミクロンから２０ミクロンに及ぶことができ、カーボンブラック粒子は、サイズが０．５ミクロンから１．５ミクロンに及ぶことができる。少なくとも１つの実施形態では、混合物を基材上に吹き付け、乾燥させ（すなわち、溶媒を蒸発させ）、硬化させ、最大３８重量％の炭素−黒鉛含有量を有する厚さ１０ミクロンから３０ミクロンのコーティングをもたらすことができる。低温（すなわち、４００°Ｆ（２０４．４℃）未満）でゆっくり硬化させることも、まず約３００°Ｆ（１４８．９℃）から３５０°Ｆ（１７６．７℃）で１０分間加熱することによって溶媒が除去され（すわなち、乾燥され）、その後に、ポリマーを硬化させるために（使用される温度に応じて）約１／２分から約１５分に及ぶ様々な時間の、より高温の加熱（５００°Ｆ（２６０℃）から７５０°Ｆ（３９８．９℃））が続く２段階工程で、より迅速に硬化させることもできる。別法として、コーティングは、ＩＲ乾燥／硬化させることができる。
【００２８】
図３に示されている実施形態では、導電性流体分散板３０は、シート１０２、１０４と導電ポリマーコーティング１４０との間に配置された金属含有接着促進コーティング１３０を含む。金属含有接着促進コーティング１３０は、図３に概略的に示されているように、分散板３０の外部表面全体を実質的に覆って延在することができるが、金属含有接着促進コーティング１３０は、外部表面全体より小さい範囲で延在することもできる。
【００２９】
出願人らは、シート１０２、１０４と導電ポリマーコーティング１４０との間に配置された金属含有接着促進コーティング１３０を有する導電性分散板３０を提供することにより、優れた接触抵抗および水移送特性、ならびに導電ポリマーコーティング１４０の、分散板３０に対する優れた湿式接着を有する導電性分散板が得られることを見出した。少なくとも１つの実施形態では、金属含有接着促進コーティング１３０は、バルブ金属を含む金属層を含む。金属含有接着促進コーティング１３０は、純粋なバルブ金属層、および他のバルブ金属含有合金層を含むことができることが企図されている。少なくともいくつかの実施形態では、特に好適なバルブ金属は、チタン、ジルコニウム、ニオブ、タンタル、およびそれらの混合物を含む。少なくともいくつかの実施形態では、チタンが特に適している。
【００３０】
金属含有接着促進コーティング１３０は、１００ｎｍ未満の厚さを有する。少なくともいくつかの実施形態では、金属含有接着促進コーティング１３０は、７５ｎｍ未満の厚さを有し、他の実施形態では、１ｎｍと６０ｎｍの間、さらに他の実施形態では、５ｎｍと４５ｎｍの間の厚さを有する。金属含有接着促進コーティング１３０は、任意の好適な形で分散板３０に供給することができるが、１つの特に好適な手法は、物理気相堆積工程を介して、金属含有接着促進コーティング１３０を分散板３０上に堆積することである。出願人らは、金属含有接着促進コーティング１３０の使用により、複合コーティング１４０の、分散板３０に対する優れた接着が得られることを見出した。少なくともいくつかの実施形態では、複合コーティング１４０は、（燃料電池使用の）少なくとも２０００時間の間、分散板３０に接着することになり、他の実施形態では、少なくとも４０００時間の間、さらに他の実施形態では、少なくとも６０００時間の間、接着することになる。
【００３１】
また、出願人らは、金属含有接着促進コーティングが、分散板３０の水管理特性を改善する助けとなる可能性があることを見出した。いくつかの実施形態では、分散板３０と導電ポリマーコーティング１４０との間に配置されたバルブ金属層１３０は、酸化によるなど、バルブ金属酸化物層への経時的な変換の量が少ない可能性がある。バルブ金属酸化物層は、比較的親水性の非ストイチック（ｎｏｎ−ｓｔｏｉｃｈｉｃ）金属性導電不動態フィルムである。図４を参照すると、これらの実施形態では、コーティング１３０の外部表面部分１５０が、バルブ金属酸化物層に変換されるものである。少なくとも１つの実施形態では、外部表面部分１５０は、体積で金属含有接着促進コーティング１３０の０．０１％から２．５％を含み、他の実施形態では、０．０５％から１．５％、さらに他の実施形態では、０．１％から１％を含む。金属含有接着促進コーティング１３０の外部部分がバルブ金属酸化物外部表面部分１５０を含むとき、コーティング１３０は比較的親水性であり、分散板３０の拡張圧（ｓｐｒｅａｄｉｎｇ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ）が高くなる。少なくともいくつかの実施形態では、金属含有接着促進コーティング１３０がバルブ金属酸化物外部表面部分１５０を含むとき、分散板３０の拡張圧は、少なくとも２００ｄｙｎ／ｃｍであり、少なくとも他の実施形態では、２２５ｄｙｎ／ｃｍと３７５ｄｙｎ／ｃｍの間、さらに他の実施形態では、２７５ｄｙｎ／ｃｍと３２５ｄｙｎ／ｃｍの間である。これらの範囲内の拡張圧を有する板は、良好なウィッキング特性をもたらすことができ、スタックから水を除去する助けとなる可能性がある。また、上記の量でバルブ金属酸化物層を有する板は、板の総接触抵抗を容易に感知できるほど増大しないことになる。
【００３２】
導電ポリマーコーティング１４０は、コーティング１３０に直接付着させ、乾燥／硬化させることができる。複合層１４０は、様々な方法、たとえば事前形成されたフィルムを基材上にブラッシング、吹付け、展着（ｓｐｒｅａｄｉｎｇ）、または積層、コイルコーティング、またはロールコーティングすることで付着させることができる。金属含有接着促進コーティング１３０は、分散板３０の接触抵抗全体を容易に感知できるほど増大しない非化学量論的な導電不動態フィルムを形成することができるので、ポリマーコーティング１４０の堆積は、金属含有接着促進コーティング１３０の堆積から比較的長い遅延の後で行われてもよい。そのような遅延は、少なくとも２４時間とすることができ、他の実施形態では、７２時間、少なくともさらに他の実施形態では、少なくとも１６８時間とすることができる。
【００３３】
図５は、本発明の他の実施形態を示す。図５に示されている分散板３０’および本体１２０’は、構造および使用が、図３に示されている分散板３０および本体１２０と同様である。図３に示されている分散板３０における対応する部分と実質的に同じである分散板３０’の部分は、同じ符号が与えられており、分散板３０における対応する部分と実質的に異なる分散板３０’の部分は、見やすくするために添字「ダッシュ」を追加して同じ部分番号が与えられている。
【００３４】
少なくとも１つの実施形態では、導電ポリマーコーティング１４０は、分散板３０’の流路１０６、１０８を覆っては付着されない。したがって、流路１０６、１０８は、少なくとも実質的に導電ポリマーコーティング１４０を欠いており、少なくとも１つの実施形態では、完全に欠いている。ポリマーコーティング１４０は、実質的にランド１０７、１０９上だけに選択的に堆積することができ、あるいは、少なくとも実質的にポリマーコーティングが流路１０６、１０８内に堆積されないように、ポリマーコーティング１４０を分散板３０’上に堆積している間、流路１０６、１０８を適切にマスクすることができるであろう。この実施形態では、流路１０６、１０８は、ランド１０７、１０９より比較的親水性とすることができ、それにより、比較的より効率的な水除去経路をもたらすことによって、分散板３０’の水管理能力を高める。
【００３５】
少なくともいくつかの実施形態では、本発明の様々な実施形態による導電性流体分散板は、優れた接触抵抗およびコーティング接着特性を有する。少なくともいくつかの実施形態では、本発明の様々な実施形態による導電性流体分散板は、優れた水管理特性を有する。
【００３６】
少なくともいくつかの実施形態では、本発明の様々な実施形態による導電性流体分散板は、ポリマーコーティングを堆積するのを、少なくとも金属含有接着促進コーティングの堆積に対して遅らせることができることにより、優れた加工性（ｐｒｏｃｅｓｓａｂｉｌｉｔｙ）を有する。少なくともいくつかの実施形態では、本発明の様々な実施形態による導電性流体分散板はまた、金属含有接着促進コーティングの使用により、陰極洗浄または陰極エッチングなしで板上にポリマーコーティングを堆積することが可能になるので、優れた加工性（ｐｒｏｃｅｓｓａｂｉｌｉｔｙ）を有するが、いくつかの実施形態では、シートのプリスパッタ段階、または光輝焼鈍炉から直接の清浄なシートの使用は、低い接触抵抗を維持するために有用となる可能性がある。
【００３７】
本発明の原理は、ユニポーラ板およびバイポーラ板にも等しく適用されることを理解されたい。
本発明について、例を介してさらに述べる。本発明は、その例によって限定されないことを理解されたい。
【実施例】
【００３８】
いくつかのステンレス鋼板が、１０−２トル（−５００バイアス電圧）で、アルゴン雰囲気内で５分間、プリスパッタされ、自然に発生する不動態化酸化物および絶縁酸化物があればそれを除去する。次いで、それらの板は、１０〜３０ｎｍのチタン層で被覆され、その後で、米国特許第６３７２３７６号に開示されているものなど導電ポリマーコーティングを吹き付けられる。その後で、酸化物の自然成長を防止する助けとなるように、チタンの堆積後、有機ポリマーコーティングが板に付着される。次いで、これらの板は、ｐＨ＝３の模擬燃料電池溶液内で、９０℃で２０週間、浸漬される。これらの板は、テープ接着試験（ＡＳＴＭ  Ｄ３３５９番）に従って、模擬燃料電池溶液内で２０週間の浸漬後、著しい剥離故障を示さない。
（比較例）
いくつかのステンレス鋼板が、陰極洗浄され、自然に発生する不動態化酸化物および絶縁酸化物があればそれを除去する。次いで、それらの板は、米国特許第６３７２３７６号に開示されているものなど導電ポリマーコーティングで被覆される。これらの板は、導電ポリマーコーティングに隣接するチタン層を有していない。次いで、これらの板は、ｐＨ＝３の模擬燃料電池溶液内で、９０℃で１２週間、浸漬される。これらの板は、テープ接着試験（ＡＳＴＭ  Ｄ３３５９番）に従って、模擬燃料電池溶液内で１２週間の浸漬後、著しい剥離故障を示す。
【００３９】
本発明の実施形態について例示し述べたが、これらの実施形態は、本発明の可能な形態すべてを例示し述べることは意図されていない。それどころか、本明細書内で使用される語は、限定ではなく説明の語であり、本発明の精神および範囲から逸脱することなしに、様々な変更を加えることができることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】燃料電池システムを含む乗り物の概略図である。
【図２】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。
【図３】本発明の一実施形態による導電性流体分散板の図である。
【図４】本発明の他の実施形態による導電性流体分散板の図である。
【図５】本発明の他の実施形態による導電性流体分散板の図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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