(57)【要約】【課題】燃料電池の性能、効率、及び寿命を改善するために、燃料電池スタックにおいて改善された水の管理を提供すること。【解決手段】カチオン又はアニオン交換樹脂コーティングが上に堆積されている基板を含む、燃料電池の電気伝導性要素又はバイポーラ板、そしてそれらを製造する方法を提供する。バイポーラ板の中には、流体の流路が形成されている。基板の表面の領域上には、イオン交換ポリマーが、好ましくは、ディップコーティング又はスプレーの方法により堆積される。樹脂コーティングは、性質として乾燥状態中は実質的に疎水性であり、湿潤状態中は実質的に親水性である。【選択図】図１
2006339145.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の電気伝導性要素であって：
反応体ガスを分配するように構成されて配置された表面を有する基板を含んでなり、該表面の少なくとも１つの領域が、樹脂コーティングを含んでなり、該樹脂コーティングが、乾燥時には実質的に疎水性であり、湿潤時には実質的に親水性である
電気伝導性要素。
【請求項２】
該樹脂コーティングがイオン交換樹脂を含んでなる、請求項１に記載の電気伝導性要素。
【請求項３】
該樹脂コーティングがペルフルオロスルホン酸ポリマーを含んでなる、請求項１に記載の電気伝導性要素。
【請求項４】
該樹脂コーティングが、１００％局所相対湿度を超える状態の間は約４５度未満の静的水接触角を示す、請求項１に記載の電気伝導性要素。
【請求項５】
該樹脂コーティングが、約９０％局所相対湿度未満の状態の間は約９０度を超える静的水接触角を示す、請求項１に記載の電気伝導性要素。
【請求項６】
該樹脂コーティングが、約０．０１〜約１０μｍの厚さを有する、請求項１に記載の電気伝導性要素。
【請求項７】
該樹脂コーティングが、第一の厚さを有する第一の領域と、該第一の厚さとは異なる第二の厚さを有する第二の領域とを含んでなる、請求項１に記載の電気伝導性要素。
【請求項８】
該基板が、複合材料、金属材料のうちの１つか又はその両方を含んでなる、請求項１に記載の電気伝導性要素。
【請求項９】
該樹脂コーティングが、不連続である、請求項１に記載の電気伝導性要素。
【請求項１０】
該樹脂コーティングが、コートされた領域間の距離が平均して約１０〜約１００μｍとなるように間隔が空けられている、複数の不連続な領域を含んでなる、請求項９に記載の電気伝導性要素。
【請求項１１】
燃料電池であって：
アノード；
カソード；
該アノードと該カソード間に設置たプロトン交換膜；及び、
該アノード又は該カソード、又は該アノードと該カソードの両方に隣接して設置された少なくとも１つの流路板
を含んでなり、
該流路板が、イオン交換樹脂コーティングを含んでなり、該樹脂コーティングが、乾燥時には実質的に疎水性であり、湿潤時には実質的に親水性である
燃料電池。
【請求項１２】
該樹脂コーティングが、約０．０１〜約１０μｍの厚さを有する、請求項１１に記載の燃料電池。
【請求項１３】
該樹脂コーティングが、コートされた樹脂間の距離が平均して約１０〜約１００μｍとなるように間隔が空けられている、複数の不連続な領域を含んでなる、請求項１１に記載の燃料電池。
【請求項１４】
該アノードと該カソードの少なくとも１つに隣接するガス拡散層をさらに含んでなり、かつ、繊維性材料を含んでなり、該樹脂コーティングが、コートされた領域間の距離が該繊維性材料の平均繊維直径の約１〜約１０倍の大きさとなるように間隔が空けられている複数の不連続な領域を含んでなる、請求項１１に記載の燃料電池。
【請求項１５】
該樹脂コーティングが、ペルフルオロスルホン酸ポリマーを含んでなる、請求項１１に記載の燃料電池。
【請求項１６】
電気化学的燃料電池に使用される電気伝導性要素を製造する方法であって、該方法が：
該電気伝導性要素の流路の少なくとも１つの領域上にイオン交換樹脂コーティングを施すことを含んでなり、該樹脂コーティングは、乾燥時には実質的に疎水性であり、湿潤時には実質的に親水性である
方法。
【請求項１７】
該樹脂コーティングが、約０．０１〜約１０μｍの厚さを有するように施される、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
該樹脂コーティングを施す前に、該電気伝導性要素の少なくとも１つの領域をマスクすることをさらに含んでなる、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
二次的な除去方法を用いて、該電気伝導性要素の少なくとも１つの領域から、該イオン交換樹脂コーティングの一部を除去することをさらに含んでなる、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
複数のコートされていない領域を含んでなる不連続な層として該樹脂コーティングを施すことを含んでなる請求項１６に記載の方法であって、コートされていない領域が、約１０〜約１００μｍの平均距離で互いに間隔が空けられている方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セパレータ板に関し、より詳しくは、セパレータ板コーティングに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池のような電気化学的電池は、燃料と酸化体との電気化学的反応を介して電力を生成する。例示的な燃料電池は、触媒電極とその電極間にはさまれたプロトン交換膜（ＰＥＭ）とを有する膜電極複合体（membrane-electrode-assembly、ＭＥＡ）を有する。好ましいＰＥＭ型燃料電池では、水素が還元剤としてアノードに供給され、酸素が酸化体としてカソードに供給される。ＰＥＭ燃料電池はカソードで酸素を還元して、自動車を含む様々な装置に供給するエネルギーを生成する。
【０００３】
チャネル（溝部）の水の蓄積は、アノード流路板（flow field  plate）及びカソード流路板の両方で、低い負荷での燃料電池の性能に有意に影響することがよく知られている。気体の速度が比較的低いとき（すなわち約５ｍ／秒）、拡散媒体のチャネルを通じて輸送された水は、チャネル断面の有意な一部を占める液滴を形成させる。これらの滴は、特定のチャネルにおける気体の流れの抵抗を増加させて、それにより、隣接するチャネルへと流れをそらして、必要な反応体を、局所的な活性エリアで本質的に不足させる。この潜在的な問題を回避する様々な手段が探索されており、それには、チャネル構造、特に大きさや形状を含む、チャネルの物理的特性を変更することが含まれる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池の性能、効率、及び寿命を改善するために、水管理を改善する必要性が残存している。
【発明を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、反応体ガスを分配するために組み立てられ配列された表面を有する基板を含む、燃料電池の流路板を提供する。表面の少なくとも１つの領域は、ポリマー又は樹脂コーティングを含んでなる。一定の態様では、樹脂コーティングは、好ましくは、乾燥時には性質として実質的に疎水性であり、湿潤時には性質として実質的に親水性である、イオン交換樹脂を含んでなる。好ましい側面では、その樹脂は、ペルフルオロスルホン酸ポリマーを含んでなる。様々な態様では、その樹脂コーティングは、約０．０１〜約１０μｍの厚さを有する。
【０００６】
別の態様では、本発明は、アノード、カソード、アノードとカソードの間に配置されたプロトン交換膜、及びアノードとカソードのうちの１つ又は両方に隣接して配置された少なくとも１つの流路板を含んでなる、燃料電池を提供する。その流路板は、イオン交換樹脂コーティングを含んでなり、その樹脂コーティングは、乾燥時には実質的に疎水性であり、湿潤時には実質的に親水性である。
【０００７】
本発明は、燃料電池における水の蓄積を管理する方法も提供する。その方法は、電気伝導性要素（electrically conductive element）の流路の少なくとも１つの領域上に、イオン交換樹脂コーティングを配置することを含んでなり、その樹脂コーティングは、乾燥時には実質的に疎水性であり、湿潤時には実質的に親水性である。多様な態様には、電気伝導性の燃料電池の要素（又はバイポーラ板）の選択された領域上へ、樹脂コーティングをディップコートすること又はスプレーすることが含まれる。
【０００８】
値に適用される“約”は、計算又は測定が、その値において軽微な不正確さを有すること（正確な値にほぼ等しいこと；その値に近似すること又は合理的に近いこと；ほとんどその値であること）ができることを示している。“約”により与えられる不正確さが、なんらかの理由で、当該技術分野で通常の意味を有するものとして理解されない場合は、本明細書中で用いられる“約”は、その値の５％までの可能な変動を示すものとする。
【０００９】
本発明のさらなる適用可能な領域は、以下に与える詳細な説明から明白となるだろう。詳細な説明と特定の例示は、本発明の好ましい態様を示してはいるが、例示のみの目的を意図しており、本発明の範囲を限定することを意図するものではないことが理解されるべきである。
【００１０】
好ましい態様についての次の説明は、ただ例示的なものであり、本発明、その適用又は用途を制限することを意図するものではない。
広い範囲の負荷にわたり安定であるＰＥＭ燃料電池の作動を達成するために、燃料電池において、流体の流れ、より詳しくは液体の流れを、妥当に管理することが必要である。例えば、液体の水は、電気化学的燃料電池の作動中に起こるカソードの酸素還元反応により生成され、それは、安定な反応を維持するために、有効に循環され及び／又は除去されなければならない。本明細書で記載する液体の蓄積は、本質において、カソードで主に形成される液体の水の溜まりである。燃料電池の作動に関する鍵となるファクターは、燃料電池において、水を輸送することと、望ましくない水の蓄積を防ぐことである。かくして、様々なレベルの気体速度や操作条件での、流路チャネルから水を排出する能力が、燃料電池の作動に重要である。そのような点についていえば、本発明は、二重の性質の水処理特性を有する、電気伝導性の流路セパレータ板の使用を意図している。流路は、乾燥時には性質として実質的に疎水性で、湿潤時には性質として実質的に親水性である、カチオン又はアニオン交換樹脂、又はその両方のような、イオン交換活性を有する有機ポリマーでコートされる。この二重の性質のコーティングは、薄い水のフィルムを形成することにより燃料電池の作動を改善させて、それにより、反応体ガスの流れの抵抗を最小化し、低いガス速度で安定な性能を維持させる。
【００１１】
本発明のよりよい理解を得るために、本発明を採用する例示的な燃料電池を図１に示す。それには、一対の膜電極複合体（ＭＥＡ）４、６と、電気伝導性の液体で冷却されたバイポーラセパレータ板、又は伝導性要素８により互いに分離されているガス拡散媒体３４、３６、３８、４０を有するスタックを形成するように連結された、２つの個々のプロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池が描かれている。燃料電池内で直列に連結されていない個々の燃料電池は、単一の電気的活性側面を有するセパレータ板８を有する。スタックでは、好ましいバイポーラセパレータ板８は、典型的に、スタック内部に２つの電気的活性側面２０、２１を有しており、各々の活性側面２０、２１は、それぞれ、分離されている反対側の電荷を有する別々のＭＥＡ４、６に面しており、よって、それはセパレータ又は“バイポーラ”板と呼ばれる。燃料電池のスタックは、伝導性バイポーラ板を有するものとして本明細書中で記載される。
【００１２】
ＭＥＡ４、６とバイポーラ板８は、ステンレス鋼締め付け末端板１０、１２の間と、端部接触流体分配要素（end contact fluid distribution elements）１４、１６の間にともに積み重ねられている。端部流体分配要素１４、１６、並びにバイポーラ板８の作動面又は側面２０、２１の両方は、活性面１８、１９、２０、２１、２２、及び２３上の溝又はチャネルに隣接する、燃料と酸化体ガス（例えば、Ｈ2及びＯ2）をＭＥＡ４、６に分配するための、複数のランド（丘部）を含む。非伝導性ガスケット又はシール２６、２８、３０、３２、３３、及び３５は、燃料電池スタックのいくつかの要素間の密封と、電気的絶縁を提供する。気体透過性の伝導性拡散媒体３４、３６、３８、及び４０は、ＭＥＡ４、６の電極面を押し付ける。標準的な作動状態中スタックが圧縮されるとき、伝導性媒体４３、４５の追加の層は、端部接触流体分配要素１４、１６間と末端コレクター板（terminal collctor plate）１０、１２間に配置され、その間に伝導性の経路を提供する。端部接触流体分配要素１４、１６は、拡散媒体３４、４３と４０、４５をそれぞれ押し付ける。
【００１３】
酸素又は別の酸化体ガスは、貯蔵タンク４６から適切な供給配管４２を介して、燃料電池スタックのカソード側に供給される一方、水素又は別の燃料ガスは、貯蔵タンク４８から適切な供給配管４４を介して燃料電池のアノード側に供給される。また、空気が周囲からカソード側に供給されてもよく、水素がメタノール、メタン、又はガソリン改質器等からアノードに供給されてもよい。ＭＥＡのＨ2−Ｏ2／空気側の両方についての排気配管４１も提供される。追加の配管５０が、冷媒を、貯蔵エリア５２から、バイポーラ板８と端部板１４、１６を通じて循環し、排出配管５４から出すために提供される。
【００１４】
燃料電池の作動中、アノード水素ガス（Ｈ2）は、２つのプロトン（Ｈ+）に分割され、かくして２つの電子が遊離する。プロトンは、ＭＥＡ４、６の膜を通過してカソード側へと移動する。カソード側に導入された酸素又は空気は、多孔性電極中に流れ込む。カソード内部の触媒粒子は、プロトン（Ｈ+）と酸素（Ｏ2）間の反応を促進して、電極内部に水を形成する。かくして、液体の水が生成されるので、多孔性カソード材料へのガスの流れは、同時に維持されなければならない。そうしないと、電極は、液体で“フラッディング”する可能性を有している。フラッディングは、気体が、ＭＥＡ４、６を通じてＰＥＭへ流れることを妨害し、ＭＥＡ４、６で起こるあらゆる反応を事実上減少させ、停止させる。本発明の好ましい態様は、ＰＥＭがさらに加湿され、そしてある態様では、燃料電池が冷却されている間でさえも、カソードから水やカソード流出物を輸送することを促進させる、カソードに隣接する流体分配手段を提供する。
【００１５】
当業者に理解されるように、本発明のバイポーラ板は、例えば流路の配置、位置、流体配達マニホールド（fluid delivery manifold）の数、及び冷媒循環システムのようなデザインにおいて変動してもよい。しかし、バイポーラ板の表面や主部を通じた電流伝導の機能は、すべてのデザインで同等に機能する。多様な態様では、バイポーラ板は、カーボン複合材料のような複合材料を含んでなる。他の態様では、イオン交換樹脂の中和形態で、ステンレス鋼、アルミニウム、マグネシウム、チタン、又はそれらの合金のような金属バイポーラ板上をコートすることができる。バイポーラ板は、反応体表面上に電気伝導性層を有する、電気的非伝導性ベース板（electrically non-conductive base plate）を含んでもよく、その電気伝導性層は、燃料電池のスタックにわたって他の電気伝導性層と連絡する。
【００１６】
図２は、第一外部セパレータシート５８、第二外部セパレータシート６０、そして、第一シート５８及び第二シート６０に内部で接する内部スペーサーシート６２を含んでなる、バイポーラ板５６の等距離拡大図である。一定の態様では、バイポーラ板は、ユニタリ（unitary）又はモノリシック（monolithic）であってもよいことが理解されるべきである。外部セパレータシート５８、６０は、もしも金属ならば、好ましくは非常に薄く（例えば、厚さ約０．００２〜０．０２インチ）、そして、打ち抜きによっても、フォトエッチング（すなわち、フォトリソグラフィーマスクを介するもの）によっても、又はシート状金属を成形するあらゆる他の慣用的な方法によっても形成されることができる。外部シート５８、６０の各々は、膜電極複合体（示されていない）に面するそれらの外側上に作動表面５９を有しており、燃料電池の反応体ガス（例えばＨ2又はＯ2）が、バイポーラ板の一方の側面６８から他方の側面７０への曲がりくねった経路において流れる、“流路”として知られる、複数の溝６６で画定された、複数のランド６４で形成される。燃料電池が完全に集合されるとき、ランド６４は、ＭＥＡ（図１における４又は６等）を押し付ける、カーボン／グラファイト紙状ガス拡散媒体（それぞれ、図１における３６又は３８等）を押し付ける。簡単に描くために、図２は、ランド６４と溝６６の２つの列のみを描く。現実では、ランド及び溝６４、６６は、カーボン／グラファイト紙を束縛するセパレータ紙５８、６０の外部表面全体を覆うこととなる。反応体ガスは、燃料電池の一方の側面６８に沿って存在するヘッダー又はマニホールド溝７２から溝６６に供給され、燃料電池の反対の側面７０に隣接して存在する別のヘッダー／マニホールド溝７４を介して溝６６を出る。
【００１７】
電気伝導性要素又はセパレータ板は、その中に形成される流体の流路と、その流路の領域に沿って適用されるイオン交換樹脂コーティングを有する表面を含んでなる。本明細書中で用いられる“電気伝導性”という用語は、電気的に伝導性であることを意図して当該技術分野で用いられる略語である。本発明に従う樹脂コーティングは、流路を通じて流体が流れるので、コートされた領域上の液体の蓄積を、表面のコートされていない領域上の液体の蓄積に比べて、低減させる。
【００１８】
イオン交換樹脂は、ポリマーマトリクスや官能基の物理的及び化学的特徴により当該技術分野で分類される。官能基は、可逆的な化学的交換が荷電可動イオンで起こり得る、活性を有する固定されたサイトとして働く。可動性の対イオンが存在して、適する電気的中性を提供する。普通のイオン交換樹脂は、マトリクス構造の全体にわたってイオン活性サイトが実質的に均一に分配されている、架橋されたポリマーマトリクスを含んでなる。典型的には、主鎖ポリマーの重合条件は、イオン交換樹脂の構造と間隙率を決定する。間隙率は、特定構造に入ることができるイオン又は荷電分子の大きさに影響し、拡散の速度にも影響する。固定されたイオン性基は、イオン交換特性を決定する。例えば、カチオン交換樹脂は、例えばＨ+、Ｃａ+、Ｎａ+、ＮＨ4+等のようなプラスのイオン又はカチオンと交換できるマイナスに荷電されたマトリクスを有する。有用なカチオン交換樹脂には、強酸樹脂及び弱酸樹脂の両方が含まれる。強酸樹脂は、普通、スチレン主鎖に付着したスルホン酸基を含んでなる一方で、弱酸樹脂は一般に、アクリル酸ポリマーから誘導され、カルボン酸誘導体を含んでなる。アニオン交換樹脂は、例えば、ＨＣＯ3-、ＯＨ-、Ｃｌ-、ＳＯ42-等のようなマイナスイオン又はアニオンと交換できるプラスに荷電されたマトリクスを有する。同様に、アニオン交換樹脂には、強い官能基及び弱い官能基の両方が含まれる。当該技術分野で知られるように、弱酸と弱塩基に基づく樹脂は、一般的に、強酸と強塩基に基づく樹脂よりも高い交換容量を示す。普通の樹脂マトリクスには、スチレンジビニルベンゼンコポリマー（ゲル及びマクロポーラス）、ポリスチレン、ポリエチレン、及びポリプロピレンが含まれる。本発明で使用する好ましいイオン交換樹脂の非限定的な例には、ポリ（ペルフルオロスルホン酸）（ＰＦＳＡ）、及び酸形態（Ｈ+）におけるペルフルオロスルホン酸／ＴＦＥコポリマーのようなＰＴＦＥ主鎖を有する樹脂が含まれる。
【００１９】
様々な態様では、樹脂コーティングは、乾燥環境においては実質的に疎水性の特徴を示す。本明細書中で用いる、“乾燥”環境は、局所的相対湿度（local relative humidity、ＬＲＨ）が１００％未満であり、しばしば９０％未満であり、そしてむしろ７０〜８０％未満であり、又はそれより低いときの環境として定義される。本明細書で用いる“疎水性”は、参照材料と比べた相対的な材料の特徴であり、より詳しくは、液体を蓄積し又はひきつける傾向が低減されている表面の表面特性に関連する。かくして、疎水性表面は、一般的に、参照表面に比べて、低い界面自由エネルギーを有し、高い水についての接触角を有し、又はその両方を有する。一般的には、表面は、９０°を超える静的水接触角を示すならば、疎水性であると考えられる。このように、本発明は、流路の選択された領域へ樹脂コーティングを施すことにより流路の表面特性を操作でき、それにより、水管理樹脂コーティングが施されていない要素と比較して、水輸送や管理を改善し、燃料電池の性能を改善する。本発明の好ましい態様では、樹脂コーティングは、コートされていない及び／又は処理されていない流路の領域と比較して、乾燥状態中に、コートされている領域の疎水性を好ましくは増加させる（たとえば、表面エネルギーを減少させる）イオン交換樹脂を含んでなる。
【００２０】
様々な態様では、樹脂コーティングは、湿潤環境において実質的に親水性の特徴を示す。本明細書中で用いる、“湿潤”環境は、ＬＲＨが１００％を超えるときの環境として定義される。本明細書中で用いられる“親水性”は、参照材料と比べた相対的な材料の特徴であり、より詳しくは、表面上に水が容易に広がる表面特性に関連する。かくして、親水性界面は、一般的に、参照表面と比較して、高い界面自由エネルギーを有し、低い水についての接触角を有し、又はその両方を有する。一般的に、表面は、９０°未満の静的水接触角を示すならば、親水性であると考えられる。このように、本発明は、流路の選択された領域に樹脂コーティングを施すことにより流路の表面特性を操作することができ、それにより、気体が流れるチャネルをふさぐ水滴の形成を最小化させ及び／又は防止する。これは、水管理樹脂コーティングが施されていない要素に比べて、改善された燃料電池の性能をもたらす。本発明の好ましい態様では、樹脂コーティングは、流路のコートされていない及び／又は処理されていない領域と比較して、湿潤状態中に、コートされている領域の親水性を好ましくは増大させる（例えば、表面エネルギーを増大させる）イオン交換樹脂を含んでなる。
【００２１】
表面の湿潤性は、静的水接触角、又は液滴と表面との間の接触線で形成される角度を測定することにより類別される。前記のように、９０°未満の接触角では表面は親水性であると考えられ、９０°を超える接触角では疎水性であると考えられる。同様に、非濡れ流体（non-wetting fluid）の濡れ角（wetting angle）は一般的に９０°を超える。濡れ流体の濡れ角は、一般的に０〜９０°である。液体の水の管理における親水性の１つの利点は、水の、流路チャネルへの、自発的な毛管流（すなわち、“吸収”）を支えるくらい十分に低い濡れ角で最もよく実現される。断面構造がほぼ四角又は方形であるチャネルについて、濡れ角は、好ましくは、０〜約４５°であり、より好ましくは、０〜約３０°である。
【００２２】
かくして、本発明は、要素の選択された領域上にイオン交換樹脂を施すことにより、電気伝導性要素（例えば、バイポーラ板）の領域の、界面自由エネルギーを変更させ及び／又は疎水性／親水性性質を変化させる方法を提供する。コスト、時間、そして複雑さの観点から、電気伝導性要素上に樹脂コーティングを適用する好ましい方法には、当該技術分野で知られるディップコーティング及びスプレー法が含まれる。いずれの適切な方法を用いて、樹脂コーティングは、例えば、1又はそれを超える選択された領域にをコートする薄いフィルム（例えば、１０μｍ未満）として、要素の表面の領域上に置かれる。様々な態様では、要素の表面全体をコートすることが望ましい。様々な他の態様では、流れのチャネル６６をコートし、ランド６４をコートしないことが望ましい。これらの状況では、コーティングは、一定の領域からはがされてもよく、慣用的な手法を用いてコートされる前に要素が一定の領域においてマスクされてもよい。
【００２３】
バイポーラ板と拡散媒体間の接触抵抗における増加は、非常に薄い（例えば、１００ｎｍ未満）連続層を適用することにより、又は不連続的な層が形成されるように適用方法を制御することにより、制限されることが見出されている。好ましい態様では、樹脂コーティングの厚さは、約０．０１〜約１０μｍの範囲であり；より好ましくは樹脂コーティングは、約０．０５〜約５μｍであり；さらにより好ましくは、約１〜約２μｍである。コーティングは、この厚さを達成するために１又はそれを超える層を含んでなってもよい。コーティングは、第一の厚さでの第一の領域上と、第二の厚さを有する第二の領域上に形成されても堆積されてもよい。コーティングの厚さは、過剰な材料や重さを燃料電池に付加しない範囲で、望ましい界面自由エネルギーを維持するために、好ましくは、選択されるべきである。コーティングの厚さは、コーティングの形態（morphology）にも作用する。平均厚さが一定の閾値レベルに減少するにつれて、フィルム又はコーティングは不連続になる。
【００２４】
様々な態様では、樹脂コーティングの不連続な層は、電気的伝導性要素の領域上に提供される。本明細書中で用いる、“不連続なコーティング”という用語は、断続的な裂け目、中断点、又は切れ目によりマークされたコーティングをいう。例えば、そのコーティングは、複数の区別できる又は連結していない領域、又は“島”からなり、各々が同じ又は同等のイオン交換樹脂を含んでなることができる。不連続な層は、表面の湿潤性に有利な効果を提供し、コートされていない十分な領域を残すことは、拡散媒体に堆積され、典型的には電気伝導性要素に隣接して堆積されるベース板材料とカーボンファイバー間の直接接触を促進する。好ましくは、島は、互いに同じように間隔が空けられ、島間のあらゆるコートされていない領域は、電気的接触を促進するために、拡散媒体のファイバーの大きさに比べて、十分に大きい。拡散媒体のファイバーの平均直径は、一般的に、約５〜約１０μｍであることができる。好ましくは、コートされた島間のコートされていない部分の距離は、少なくとも、個々のカーボンファイバーの大きさであり、好ましくは、例えば約１０〜約１００μｍのように、ファイバー直径よりも約１０倍まで大きい。コーティング層の厚さと島間の距離は、デザインと材料の選択に依存して、増大しても減少してもよく、これらの変形は、本発明の範囲内である。
【００２５】
本発明は、１又はそれを超える領域上にイオン交換樹脂コーティングを有する、不浸透性の電気伝導性要素を含む燃料電池も提供する。燃料電池には、アノード、カソード、アノードとカソード間に配置されたプロトン交換膜、及び流体の流路を画定する少なくとも１つの不浸透性の電気伝導性要素が含まれ、その流路は、ＭＥＡ、ガス拡散媒体、又はその組み合わせに隣接している。伝導性要素の表面の少なくとも１つのエリアは、液体の蓄積を被りやすい流路の領域に沿って施された樹脂コーティングを有する。
【００２６】
二重の性質の樹脂コーティングは、燃料電池の流路チャネル内部の、よりよい水管理を可能にすると考えられる。複合バイポーラ板上に親水性コーティングを用いる、いくつかの実験は、燃料スタックが水管理で有意な問題を有さないことが示しており、親水性は、実際に、流路チャネル内部の水の蓄積を回避させるためにに必要とされるものである。イオン交換樹脂コーティングは、もしあるならば、多少の安定性の不安を有する複合バイポーラ板上にコートされることができる。また、イオン交換樹脂の中和形態は、金属バイポーラ板上に安定なコーティングを形成することができる。形成されるとき、コーティングは、初めは実質的に疎水性なコーティングとしてふるまい、そして、完全に加湿されるとき、コーティングは実質的に親水性になる。
【００２７】
乾燥コーティングの疎水性の性質は、スタックの停止サイクル（shutdown cycle）に好ましいと現時点では考えられており、燃料電池は、特に凍結条件下では、その後に開始するために、できるだけ多くの水が取り除かれなければならない。板の材料が乾燥するにつれて、樹脂コーティングは比較的疎水性となり、それにより、流路チャネルに残されている小さな残余水滴を取り除くことが容易になる。イオン交換樹脂コーティングがポリマー電解質膜（ＰＥＭ）へ性質として同様にふるまうことは特記すべきことであるが、コーティングの厚さが約０．０１〜約１０ミクロンであるために、コーティングは、一般的に、完全に水和されるのにあまり時間がかからないだろう。
【００２８】
樹脂コーティングは、流路を通じて流体が流れるので、コートされていない領域と比較して、その領域上の液体の蓄積を低減させる。有利には、コートされたバイポーラ板の界面自由エネルギーは、異なるイオン交換樹脂や異なるコーティング技術を選択することにより調節することができる。樹脂コーティングの界面自由エネルギーは、約１９ｄｙｎｅ／ｃｍほどの低さから約７２ｄｙｎｅ／ｃｍまでにも変動させることができる。
【００２９】
様々な態様では、上記の樹脂コートされたバイポーラ板は、集積された水管理を提供する電気化学的燃料電池におけるセパレータ複合体に有用である。そのような水管理機能には：燃料電池の電気化学的反応における生産物として生成する、燃料電池のカソード側の湿潤エリアから水を移動させること；反応体ガスの蒸気からの水の濃縮の結果物として又はＭＥＡを通過する生産物である水の輸送により存在する、燃料電池のアノード側の湿潤エリアから水を移動させること；流体の蓄積を低減させることにより、流路のあらゆるカーブ又は曲がりで水が蓄積することを防止すること；そして、カソード側に沿った、いずれの比較的乾燥したエリアへの、水の内部の輸送をより完全に可能にすることが含まれる。
【００３０】
本発明の樹脂コーティングは、図３に示される一例のように、末端コレクター端部板（terminal collector end plate）のような、流体に接触する燃料電池の、他の伝導性要素にも適用可能である。末端コレクター端部板９９（図１の１０又は１２等）は、電気的に非伝導性の領域１００、並びに電気伝導性の領域１０２を有する。様々な態様では、本発明の樹脂コーティングは、全体又は一部において伝導性領域１００に施される。末端板９９の伝導性領域１０２は、典型的には、密封ガスケット３３、３５により、非伝導性の領域１００から分離されている（図１）。非伝導性の領域１００内の開口部１０４は、末端板９９の主部又は基板１２８を通じて伸び、作動状態中に、スタックの中と外の両方へ流体（例えば、Ｈ2、Ｏ2、冷媒、アノード及びカソード流出物）を輸送させる。開口部１０４の特定の量又は並びには限定がなく、本明細書で記載されるのは例示のためのみであり、当業者が理解するように、多くの配置が可能である。バイポーラ板の流路の図は、入り口及び出口開口部１０４の配置と、流体伝達配置（fluid delivery placement）を描く。電気伝導性コレクタータブ１２０は、外部の導線に結着させることができ、スタックからの電流の外部での集電が促進される。
【００３１】
本発明は、電気化学的燃料電池に使用される電気伝導性要素を製造することにより、燃料電池の水蓄積を管理する方法も提供する。その方法は、電気伝導性要素の流路の少なくとも１つの領域上に、イオン交換樹脂コーティングを堆積することを含んでなる。多様な態様には、電気伝導性の燃料電池の要素の選択された領域上に、樹脂コーティングをディップコーティングすること又はスプレーすることが含まれる。上記のように、要素の表面全体をコートすることが望ましい一方、様々な他の態様では、流れのチャネルのような一定の領域をコートし、ランドをコートしないことを望ましい。これらの状況では、コーティングは全体として要素に施され、二次的な除去方法を用いて、例えば機械的手段を用いることにより、一定の領域から除去されてもよい。また、要素の一定の領域は、慣用的な手法を用いて、コートされる前に覆われてもマスクされてもよい。コートされたら、次いでマスクが除去される。
【００３２】
本発明の説明は、性質において例示するのみであり、かくして、本発明の要点から離れることのない変形は本発明の範囲内であると意図されている。そのような変形は、本発明の精神及び範囲から離れているものとみなされるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】図１は、液体で冷却されたＰＥＭ燃料電池スタックの例示的な等距離分解図である（２つのみの電池について示す）。
【図２】図２は、図１に例示するようなＰＥＭ燃料電池スタックで有用な、バイポーラ板の等距離分解図である。
【図３】図３は、本発明の変更態様に従う例示的な末端コレクター端部板である。
【符号の説明】
【００３４】
４、６・・・膜電極複合体（ＭＥＡ）
８・・・バイポーラセパレータ板
１０、１２・・・末端コレクター板
１４、１６・・・端部接触流体分配要素
１８、１９、２０、２１、２２、２３・・・電気活性側面
２６、２８、３０、３２、３３、３５・・・非伝導性ガスケット又はシール
３４、３６、３８、４０、４３、４５・・・ガス拡散媒体
４１・・・排気配管
４２、４４・・・供給配管
４６、４８・・・貯蔵タンク
５０・・・配管
５２・・・貯蔵エリア
５４・・・排出配管
５６・・・バイポーラ板
５８・・・第一外部セパレータシート
５９・・・動作表面
６０・・・第二外部セパレータシート
６２・・・内部スペーサーシート
６４・・・ランド
６６・・・溝
６８、７０・・・バイポーラ板側面
７２、７４・・・ヘッダー又はマニホールド溝
９９・・・末端コレクター端部板
１００・・・非伝導性領域
１０２・・・電気伝導性領域
１０４・・・開口部
１２０・・・伝導性コレクタータブ
１２８・・・基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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