(57)【要約】作用エリアが電気的および熱的伝導性高分子複合材によって実質的に覆われた電気的および熱的伝導性コアからなる電池の部品であって、伝導性高分子複合材が接着促進剤によってコアに接着されている。伝導性高分子複合材は好ましくは、熱硬化ポリブタジエンまたはポリイソプレン基樹脂システムおよび電気伝導性フィラーからなっている。複合材は、薬品侵食および加水分解に耐性があり、優れた機械的強度および靭性を備えている。複合材は、容積抵抗率が約０．５００オーム−ｃｍ以下、熱伝導性が少なくとも約５ワット／メートル°Ｋであるように製造される。更に、複合材は、使用材が安価で、従来の処理装置が使用できるので、経済的に製造が可能である。【特許請求の範囲】
【請求項１】
作用エリアを備えた伝導性コア、および、前記伝導性コアの前記作用エリアを実質的に覆う電気的および熱的伝導性高分子複合材とからなる、電池の電気伝導性支持部を備えた装置。
【請求項２】
前記熱的伝導性コアが金属または金属合金からなっている、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
金属および金属合金はアルミ二ウム、銅、マグネシウム、およびそれらの組み合わせから選択される請求項２に記載の装置。
【請求項４】
電池の電気伝導性支持部は更に流体を導く少なくとも１つのチャンネルを備えている、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記少なくとも１つのチャンネルは、燃料ガス、燃料液体、酸化剤ガスまたは酸化剤液を導く外部チャンネルである、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記少なくとも１つのチャンネルは、冷却流体を導くための内部チャンネルである、請求項４に記載の装置。
【請求項７】
前記伝導性コアは、前記作用エリアを超えて延伸する熱移動エリアを更に備えている、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記熱移動エリアは冷却フィンの形状である、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
燃料電池の操作温度域において、伝導性コアの熱膨張係数は、電気的および熱的伝導性複合材の熱膨張係数と実質的に同一である、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
電気伝導性高分子支持部の容積抵抗率は約０．５０００オーム−ｃｍ以下である請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
作用エリアを備えた伝導性コア、および、前記伝導性コアの前記作用エリアを実質的に覆う電気的および熱的伝導性高分子複合材とからなる電池の複数の電気伝導性支持部と、
燃料ガスおよび酸化剤ガスを燃料電池膜に供給するガス供給手段と、
電気チャージを燃料電池膜に移動し、電気膜から移動する電気手段と、
複数の燃料電池膜によって生成された電力を調整する電気手段と、そして
燃料ガス、酸化剤ガスおよび電気手段を制御するための制御手段とからなるシステム。
【請求項１２】
少なくとも１つの母材が冷却流体を導く内部チャンネルを有している、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
冷却流体を内部チャンネルに供給する手段を更に備えている、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記伝導性コアは、前記作用エリアを超えて延伸する熱移動エリアを更に備えている、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１５】
冷却流体を熱移動エリアに供給する手段を更に備えている、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１６】
冷却流体が空気である請求項１５のシステム。
【請求項１７】
作用エリアを備えた伝導性コア、および、前記伝導性コアの前記作用エリアを実質的に覆い、そして、接着促進剤によってそれに接着された電気的および熱的伝導性高分子複合材とからなる、電池の電気伝導性支持部を備えた装置。
【請求項１８】
前記接着促進剤がシラン、チタン酸塩、またはジルコニウム酸塩接着促進剤である、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
伝導性フィラーの一部または全てがファイバ、プレートレット、またはファイバとプレートレットの組み合わせである、請求項１７に記載の装置。
【請求項２０】
前記伝導性支持部が約０．１１６オーム−ｃｍ以下の容積抵抗率である、請求項１７に記載の装置。
【請求項２１】
伝導性支持部が少なくとも約５ワット／メートル°Ｋの熱伝導性を有している、請求項１７に記載の装置。
【請求項２２】
成形時に、前記伝導性高分子複合材が、成形された複合材のＸ−Ｙ面における単位長さ当たり、約０．００５以下の線収縮を有している、請求項１７に記載の装置。
【請求項２３】
前記伝導性コアは、アルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル、ニッケル合金、銅、プラチナ、マグネシウム、マグネシウム合金、チタン、金めっき金属、およびステンレススチールからなる群から選んだ金属からなっている、請求項１７に記載の装置。
【請求項２４】
伝導性高分子複合材は、ポリブタジエンまたはポリイソプレン基複合材である、請求項２３に記載の装置。
【請求項２５】
接着促進剤は、伝導性コアおよび伝導性ポリブタジエンまたはポリイソプレン基複合材の両方を化学的に結合する、請求項２４に記載の装置。
【請求項２６】
接着促進剤は、メルカプト機能シランまたはビニルシランである、請求項２４に記載の装置。
【請求項２７】
前記伝導性ポリブタジエンまたはポリイソプレン基複合材は、伝導性フィラー、熱硬化性ポリブタジエンまたはポリイソプレン樹脂、および,
硬化間にポリブタジエンまたはポリイソプレンとの橋かけ結合に加わる能力のある不飽和ブタジエンまたはイソプロピレンを含有するポリマーとからなっており、そして、ポリブタジエンまたはポリイソプレン樹脂の不飽和ブタジエンまたはイソプレンを含有するポリマーに対する容積対容積比は、１：９から９：１の間（これらを含む）である、請求項２４の装置。
【請求項２８】
前記前記伝導性ポリブタジエンまたはポリイソプレン基複合材は、機能化液体ポリブタジエンまたはポリイソプレン樹脂から更になっている、請求項２７に記載の装置。
【請求項２９】
伝導性ポリブタジエンまたはポリイソプレン基複合材は、全被覆に基づいて、約１０容積％から約９０容積％のフィラーからなっている、請求項２７に記載の装置。
【請求項３０】
前記フィラーは、合成グラファイトである、請求項２７に記載の装置。
【請求項３１】
伝導性ポリブタジエンまたはポリイソプレン基複合材は、不飽和ビニルを伴う少なくとも１つのモノマーを更に含んでいる、請求項２７に記載の装置。
【請求項３２】
前記不飽和ビニルを伴う少なくとも１つのモノマーは、スチレン、ビニルトルエン、ジビニルベンゼン、トリアルリシアヌル酸エステル、ジアリルフタル酸エステル、多機能アクリル酸エステルモノマーからなる群から選ばれる、請求項３１に記載の装置。
【請求項３３】
不飽和ブタジエンまたはイソプレン含有ポリマーは、イソプレンまたはブタジエンと、そして、第２モノマーとの共重合体である、請求項２７に記載の装置。
【請求項３４】
不飽和ブタジエンまたはイソプレン含有ポリマーは固体である、請求項３３に記載の装置。
【請求項３５】
不飽和ブタジエンまたはイソプレン含有ポリマーは、ブロック共重合体である、請求項３３に記載の装置。
【請求項３６】
不飽和ブタジエンまたはイソプレン含有ポリマーは、スチレン−ブタジエンまたはメチルスチレン−ブタジエンジブロックポリマーである、請求項３５に記載の装置。
【請求項３７】
前記不飽和ブタジエンまたはイソプレン含有ポリマーは、下記式の１つを有する熱可塑性エラストマーブロック共重合体である：
2005502981.tif 000016
ここで、各Ｙはイソプレンまたはブタジエンユニットからなるブロックであり、Ｘは熱可塑性ブロック、そして、ｍおよびｎは、上記共重合体における平均ブロックナンバーであり、ｍは０または１、ｎは１以上であり、Ｚはポリエチレン、またはエチレンプロピレン共重合ブロック、Ｗは熱可塑性ブロック、そして、ｐおよびｑは、上記共重合体における平均ブロックナンバーであり、ｐは０または１、ｑは１以上である、請求項３５に記載の装置。
【請求項３８】
ポリブタジエンまたはポリイソプレン樹脂は、５，０００以下の分子量を有している、請求項２４に記載の装置。
【請求項３９】
前記伝導性高分子複合材は、エポキシ化フェノールノボラック樹脂、エポキシ化クレゾールノボラック樹脂、不飽和ビニルエステル基のポリマー、および、少なくとも１つの上記樹脂からなる組み合わせからなっている、請求項２３に記載の装置。
【請求項４０】
伝導性コア、および、前記伝導性コアを実質的に覆い、そして、接着促進剤によってコアに接着された電気的および熱的伝導性高分子複合材とからなる電池部品であって、約０．１１６オーム−ｃｍ以下の容積抵抗率を有する、電池部品。
【請求項４１】
前記接着促進剤がシラン、チタン酸塩、またはジルコニウム酸塩接着促進剤である、請求項４０に記載の部品。
【請求項４２】
伝導性フィラーの一部または全てがファイバ、プレートレット、またはファイバとプレートレットの組み合わせである、請求項４０に記載の部品。
【請求項４３】
伝導性支持部が少なくとも約５ワット／メートル°Ｋの熱伝導性を有している、請求項４０に記載の部品。
【請求項４４】
成形時に、前記伝導性高分子複合材が、成形された複合材のＸ−Ｙ面における単位長さ当たり、約０．００５以下の線収縮を有している、請求項４０に記載の部品。
【請求項４５】
前記伝導性コアは、アルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル、ニッケル合金、銅、プラチナ、マグネシウム、マグネシウム合金、チタン、金めっき金属、およびステンレススチールからなる群から選んだ金属からなっている、請求項４０に記載の部品。
【請求項４６】
伝導性高分子複合材は、ポリブタジエンまたはポリイソプレン基複合材である、請求項４５に記載の部品。
【請求項４７】
接着促進剤は、伝導性コアおよび伝導性ポリブタジエンまたはポリイソプレン基複合材の両方を化学的に結合する、請求項４６に記載の部品。
【請求項４８】
接着促進剤は、メルカプト機能シランまたはビニルシランである、請求項２６に記載の部品。
【請求項４９】
前記伝導性ポリブタジエンまたはポリイソプレン基複合材は、伝導性フィラー、熱硬化性ポリブタジエンまたはポリイソプレン樹脂、および,
硬化間にポリブタジエンまたはポリイソプレンとの橋かけ結合に加わる能力のある不飽和ブタジエンまたはイソプロピレンを含有するポリマーとからなっており、そして、ポリブタジエンまたはポリイソプレン樹脂の不飽和ブタジエンまたはイソプレンを含有するポリマーに対する容積対容積比は、１：９から９：１の間（これらを含む）である、請求項４６の部品。
【請求項５０】
前記前記伝導性ポリブタジエンまたはポリイソプレン基複合材は、機能化液体ポリブタジエンまたはポリイソプレン樹脂から更になっている、請求項４９に記載の部品。
【請求項５１】
伝導性ポリブタジエンまたはポリイソプレン基複合材は、全被覆に基づいて、約１０容積％から約９０容積％のフィラーからなっている、請求項４９に記載の部品。
【請求項５２】
前記フィラーは、合成グラファイトである、請求項４９に記載の部品。
【請求項５３】
伝導性ポリブタジエンまたはポリイソプレン基複合材は、不飽和ビニルを伴う少なくとも１つのモノマーを更に含んでいる、請求項４９に記載の部品。
【請求項５４】
前記不飽和ビニルを伴う少なくとも１つのモノマーは、スチレン、ビニルトルエン、ジビニルベンゼン、トリアルリシアヌル酸エステル、ジアリルフタル酸エステル、多機能アクリル酸エステルモノマーからなる群から選ばれる、請求項５３に記載の部品。
【請求項５５】
不飽和ブタジエンまたはイソプレン含有ポリマーは、イソプレンまたはブタジエンと、そして、第２モノマーとの共重合体である、請求項４９に記載の部品。
【請求項５６】
不飽和ブタジエンまたはイソプレン含有ポリマーは固体である、請求項５５に記載の部品。
【請求項５７】
不飽和ブタジエンまたはイソプレン含有ポリマーは、ブロック共重合体である、請求項５５に記載の部品。
【請求項５８】
不飽和ブタジエンまたはイソプレン含有ポリマーは、スチレン−ブタジエンまたはメチルスチレン−ブタジエンジブロックポリマーである、請求項５７に記載の部品。
【請求項５９】
前記不飽和ブタジエンまたはイソプレン含有ポリマーは、下記式の１つを有する熱可塑性エラストマーブロック共重合体である：
2005502981.tif 000017
ここで、各Ｙはイソプレンまたはブタジエンユニットからなるブロックであり、Ｘは熱可塑性ブロック、そして、ｍおよびｎは、上記共重合体における平均ブロックナンバーであり、ｍは０または１、ｎは１以上であり、Ｚはポリエチレン、またはエチレンプロピレン共重合ブロック、Ｗは熱可塑性ブロック、そして、ｐおよびｑは、上記共重合体における平均ブロックナンバーであり、ｐは０または１、ｑは１以上である、請求項５７に記載の部品。
【請求項６０】
前記伝導性高分子複合材は、エポキシ化フェノールノボラック樹脂、エポキシ化クレゾールノボラック樹脂、ポリ（ジアリルフタル酸エステル）、および、少なくとも１つの上記樹脂からなる組み合わせからなっている、請求項４５に記載の装置。
【請求項６１】
伝導性コア、および、前記伝導性コアを実質的に覆い、そして、接着促進剤によってコアに接着された電気的および熱的伝導性ポリブタジエンまたはポリイソプレン基複合材とからなる電池部品であって、成形された伝導性高分子複合材のＸ−Ｙ面における単位長さ当たりの線収縮が、約０．００５以下である電池部品。
【請求項６２】
伝導性コア、および、前記伝導性コアを実質的に覆い、そして、接着促進剤によってコアに接着された電気的および熱的伝導性ポリブタジエンまたはポリイソプレン基複合材とからなる電池部品であって、高分子複合材は、ファイバ、プレートレット、またはファイバとプレートレットの組み合わせの形状の伝導性フィラーからなっている電池部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池（電気化学セル）、特に電池部品および部品の製造に有効な材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
電池は、電解セルまたは燃料電池の何れかとして分類される。電解セルは、水を電気分解して水素ガスおよび酸素ガスを生成することによって、水素発生装置として機能する。燃料電池は、水素等の燃料ガスと空気または酸素等の酸化剤ガスの反応によって、電気を発生する働きをする。電池の好ましいタイプは、プロトン交換膜セルであり、セルのカソードがプロトン交換膜によってアノードから分離されて、カソードおよびアノード間のイオンおよび／または水の拡散を容易にし、燃料ガスおよび酸化剤ガスの拡散を抑制する。
【０００３】
代表的な電池は、スタック内に配置された多数のセルを備えており、スタック構造の中に形成された入力経路および出力経路を経由して、作動液がセルの間を通るように指向される。スタックの中のセルは連続的に配置され、各セルはカソード、プロトン交換膜、およびアノードを備えている。
【０００４】
燃料電池に使用される膜電極集合体（ＭＥＡ）は、公知であり、例えば、アメリカ特許Ｎｏ．５，２７２，０１７およびＮｏ．３，１３４，６９７に開示されており、これらを引用してここに組み込む。各セルの膜電極集合体は、電気伝導性ガス拡散層間にサンドイッチ状に挟まれて、アノード／カソードに対するカレント・コレクタとして作動する１対の電気伝導エレメントまたはプレート間に配置される。１対の電気伝導エレメントまたはプレートは、その面に一連のグルーブを備えており、ガス状の反応剤（Ｈ２等の燃料ガスおよびＯ２または空気等の酸化ガス）をアノードおよびカソードの表面上に分配する。このようなプレートは、例えば、アメリカ特許Ｎｏ．４，９８８，５８３、Ｎｏ．５，５２１，０１８およびＮｏ．６，２６１，７１０Ｂ１に記載されている。ガス状の反応剤は、通常典型的に水で飽和している。各カソード／膜／アノード（以下、膜電極集合体（ＭＥＡ）という）は、スクリーンパックからなる流場（フローフィールド）によって両サイドを支持されている。このようなフローフィールドは、流体の移動および膜の水和を容易にし、膜電極集合体（ＭＥＡ）に対する機械的支持を提供する。
【０００５】
複数個の上述したセルは、燃料電池スタックとして一緒に積層することができ、そして、電気的に直列に接続される。セルの積層は、当該技術分野では燃料電池とも呼ばれる。セルは、バイポーラ（双極性の）プレートとして呼ばれる、不浸透性の電気伝導性プレートによって相互に分離される。バイポーラプレートは、このように、２つの隣接するセル間に、電気伝導性セパレータとして機能し、更に、通常、その外表面上に反応ガス分配グルーブを備えている。多くの場合、バイポーラプレートは、その中を冷却液が流れる内部通路を備えており、スタックから熱を取り除く。電池環境においては、バイポーラプレートの外表面の作用エリアは、しばしば、昇温した高腐食性の酸性溶液に常に接触している。更に、少なくとも１つの電極面は、圧縮された、飽和状態の水または水素の存在において極性化される。そのような環境下で生き残るためには、バイポーラプレートは、これらの圧力に耐え、腐食および劣化に対する高い耐性が必要である。各燃料セルの間に配置されたバイポーラプレートの他に、端部プレートに燃料セルスタックを備えていることが必要である。端部プレートは、バイポーラプレートと同様な腐食環境に耐えることが必要である。
【０００６】
バイポーラプレートは、しばしば黒鉛または耐食性金属によって製造される。黒鉛は軽量で、耐食性があり、電気伝導性があるが、非常に脆く、亀裂が生じやすく、機械的に取り扱いが難しく、製造コストが高い。更に、黒鉛は多孔質で、軽量・低容積の燃料セルスタックに好ましい非常に薄い、ガス不浸透性のプレートを製造することが困難である。黒鉛プレートは、シールリングによって他の部品に操作可能に接続される必要がある。シールリングは、典型的に、可塑剤および添加剤を含んでおり、長時間径過後、浸出して触媒を汚染する。触媒の汚染は通常エネルギーの生成を停止する。更に、黒鉛は、相対的に低い熱伝導性を有しており、セルにおいて発生した熱を、熱伝導によってセルの縁部に側面に沿って移動することができない。黒鉛は、その中に形成される冷却液チャンネルを備えることによってより一層複雑になる。
【０００７】
耐食性金属は、一般に電気伝導性に優れているけれども、これらの金属は、熱伝導性が低く、そして、黒鉛と同様に、これら金属によって形成されるバイポーラプレートは、冷却液用チャンネルを必要とする。
従って、電池用の電気および熱伝導性の低コストの部品、特に、機械的に高性能且つ高い耐化学性のバイポーラプレートおよび端部プレートが要望されている。
【発明の開示】
【０００８】
上述した先行技術の問題点は、熱的および電気的に伝導性のコアを備えた電池部品であって、作用エリアが、接着促進剤によってコアに接着される電気的および熱的に伝導性の高分子複合材によって実質的に覆われている電池部品によって克服される。好ましくは、伝導性高分子複合材はコアの材料の熱膨張係数と実質的に適合する熱膨張係数を有している。この明細書において、熱膨張係数は、次の場合に実質的に適合しているといえる。即ち、電池部品は、通常の燃料電池の温度サイクルによって変化（サイクル）する、または、材料の硬化温度と燃料電池のために特定された最低温度との間で変化（サイクル）する。そして、異なる膨張および／または収縮によって生じた応力は、高分子複合材をコアから引き剥がさない、または、高分子複合材に亀裂を生じない、または、腐食材がコアに到達させない、または、電池部品は、温度サイクルによって曲がらない。接着促進材の使用すると、コアおよび伝導性高分子複合材における形状安定性における不一致によって、コアおよび伝導性高分子複合材が剥脱しない、しかも、部品の電気的および熱的伝導性の何れも大きく低下することはない。伝導性高分子複合材は、好ましくは、熱硬化性ポリブタジエンまたはポリイソプレンベースの樹脂システムおよび電気伝導性のフィラーからなっている。
【０００９】
この発明の上述した特徴および利点は、以下の詳細な説明および図面によって当業者は容易に理解することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
電池用部品は、作用エリアを有する電気および熱伝導性のコアからなっており、前記作用エリアは、熱および電気伝導性の高分子複合材によって実質的に覆われており、前記コアに接着促進材によって接着されている。好ましくは、前記部品は、バイポーラプレートまたは端部プレートのような電気伝導性の支持部材である。典型的に、高分子コーティングを電気伝導性にするために必要な高いフィラーの装填は、伝導性高分子コーティングの、ここで述べた伝導性コア等の母材への接着を著しく低下させる。コアおよび伝導性高分子複合材の間の接着促進材の薄い層は、コアおよび高分子層の寸法における如何なる不一致にかかわらず、コアおよび高分子が剥脱する傾向を軽減し、しかも、電気または熱伝導性を大きく損なうことはない。上述したように、コアおよび伝導性高分子複合材の熱膨張率は実質的に適合している。
【００１１】
作用エリアは、腐食セル環境に隣接するコアおよび高分子複合材のエリアとして特定される。実質的に覆われているとは、腐食環境に表面の少なくとも９８％以上が覆われている、好ましくは腐食環境に表面の少なくとも９９％以上が覆われている、更に、最も好ましくは腐食環境に表面の少なくとも９９．９％以上が覆われていることとして特定される。伝導性の高分子複合材の表面は、腐食材がコアを浸食することができるような実質的にピンホールおよびクラックがない。伝導性高分子複合材は模様があってもなくてもよい。伝導性高分子複合材は、コアの回りに腐食環境からの材料がコアを浸食することを抑制することができる最小厚ｔｍｉｎを有するべきである。ｔｍｉｎは、好ましくは１．３ミリメートル以下、より好ましくは０．６ミリメートル、最も好ましくは０．４ミリメートル以下である。
【００１２】
コアの部分は、コアがシールされるエリア、または、熱移動流体に熱が移動されるエリアにおいて、被覆されない状態で残される。熱移動流体（または冷却流体）は液体またはガスの両方を含む。好ましくは、電池部品の高い熱伝導性によって、セルにおいて発生した熱は、側面に沿って伝導され、空気等の循環流体に移動され、従って、部品およびその製造が複雑にならないようにする。
【００１３】
部品は、化学の侵食および塩に対して耐性があり、優れた機械的強度および靭性を備えている。部品は、約０．５００オームｃｍ以下、好ましくは０．１１６オームｃｍ以下、更に好ましくは０．０４５オームｃｍ以下、の体積抵抗率を有し、約５ワット／メートル°Ｋ以上、好ましくは約７ワット／メートル°Ｋ以上、更に好ましくは１３ワット／メートル°Ｋ以上の熱伝導率を有するように製造することができる。
【００１４】
図１は、コア１６の作用エリアの上に保護皮膜として接着された電気および熱伝導性高分子複合材１２を有する熱伝導性プレート１０の１つの実施態様を示す断面図である。一般に、プレート１０の熱伝導率は材料１２の熱伝導率より遥かに大きい。熱伝導プレート１０のエリア１４は、熱移動エリアとして後の使用のために被覆されないで残されている。
【００１５】
好ましくは、プレート１０の熱伝導率は、非常に大きく、プレート１０の表面に沿って温度勾配はほとんどなく、そして、燃料セルによって作用エリアにおいて発生した熱を熱移動エリア１４に移動し、簡単なファン冷却システムによって大気中に放熱する。プレート１０は、作用エリアの平らな表面および同一面上の熱移動エリアと平行なプレートとして断面で示されているけれども、発明はこのような断面に限定されない。特に、作用エリアおよび熱移動エリアは平らである必要はない。熱移動エリア１４が作用エリアにおいてセルによって発生した熱を移動するために、しかしながら、作用エリアと熱移動エリアとを接続する母材の部分は十分な熱伝導性が必要である。
【００１６】
図２は、図１の態様に更に、燃料ガスまたは酸化剤ガスを通すチャンネルを形成するために、高分子複合材１２の上に配置された追加の材料２０を備えている。材料２０は、熱および電気伝導性に十分優れ、燃料電池において発生した熱および電気を、少ない電圧損失および温度勾配で移動することが必要である。材料２０は材料１２と同一材料でもよく、異なった材料でもよい。
【００１７】
図３は、電気的および熱的に優れた伝導性の材料３０をプレート１０に接合し、成形されてチャンネルを備えているこの発明の態様を示している。
【００１８】
図４、図５および図６は、図１から図３と類似しているが、伝導性高分子複合材をプレートの両側に備えて、バイポーラプレートになっている。
【００１９】
図７は、燃料電池スタックを概略示す。膜電極集合体（ＭＥＡ）７０は、バイポーラプレートに挟まれて、燃料ガスチャンネル７２および酸化剤ガスチャンネル７４を形成している。２つの端部プレート７６および２つのバイポーラプレート７４が示されている。各膜電極集合体（ＭＥＡ）は、電極、触媒材および膜イオン移送材からなる多層であるが、単層として示されている。各プレートの熱移動エリア１４は、一連のフィンとして断面で示され、ファン冷却手段によって容易に空冷することができる。図７に示すフィンの冷却のための流体冷却手段等の他の冷却手段は、発明者によって先に示されている。
【００２０】
図８は、後に冷却用のチャンネルとなるチャンネル８２が形成された金属または他の熱伝導性プレート８０を概略示している。保護高分子複合材８４は、チャンネル８６と共にプレート８０上に成形されて、後に燃料ガスまたは酸化剤ガス用チャンネルとなる。
【００２１】
図９は、図８に示す２つのプレート８０を接合したバイポーラプレート９０を示し、水または油または空気または他のガス等の冷却流体を流すチャンネル９２を備えている。
【００２２】
図１０は、膜電極集合体（ＭＥＡ）間に挟まれた、図９に示す２つのバイポーラプレートを有する燃料セルスタック、および、図９に示したと同様に形成された２つの端部プレートを示している。
【００２３】
図１１は、燃料ガス源１１２および酸化剤ガス源１１４に接続された燃料セルスタック１１０を示す。燃料セルスタックによって生成された電気を調整する手段１１６および電気を使用するロード（装荷）１１７が適切な電気接続によって燃料電池に接続されているのを示す。燃料セルスタックを冷却する手段１１８は、適切な冷却ラインによって燃料セルスタックに接続されているのを示す。制御手段１１９は、燃料、酸化剤、電気調整および冷却を制御する。制御手段１１９は、各機能に分離することができ、または、中央部にコンピュータまたは他のマイクロプロセッサによって中央集中化してもよく、または、システムに接続されたマイクロプロセッサおよび／またはコントローラの組み合わせでもよい。
【００２４】
図１から図１０に示す断面図は発明を限定するものとして考えてはいけない。特に、燃料および酸化剤チャンネルは、表現を明確にするために、同一方向に流れるように示しているが、直角に流れてもよく、複雑な曲がりくねった、分岐チャンネルであってもよい。
【００２５】
コア材は、電気伝導性で、更に高い熱伝導性を有する。コア材は、金属、非金属または金属および非金属材料の組み合わせでもよい。有用な金属コアは、アルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル、ニッケル合金、銅、銅合金、プラチナ、マグネシウム、マグネシウム合金、金めっき金属、およびステンレススチールからなっている。コア材は、好ましくは成形された複合材の熱膨張率に極めて適合する熱膨張率を有している。更に、コア材として、燃料電池の重量を軽減するアルミニウム等の相対的に低い密度の材料が好ましい。電気化学セル部品の好ましい寸法は、コアの大きさおよび形を典型的に決定づける。部品の形状および大きさは、電気化学セルの構造および電気化学セルの予期する最終用途による。
【００２６】
しかし、一般に、部品は約１ｍｍから約１５ｍｍの厚さ、約１０ｃｍから約１５ｃｍ以上の長さｌおよび幅ｗである。同様に、コアの厚さは変化する。代表的な厚さは移動する熱の量によって約０．０１ｃｍから約０．２５ｃｍである。厚さは通常コアの長さおよび幅よりもかなり小さい。最終的な形状は、電気化学セル（電池）の設計上の要求によって決定される。
【００２７】
有用な接着促進材は、コアの表面および伝導性高分子皮膜の両方に接着する能力を有する接着促進材を含む。例として、シリコン、チタンおよびジルコニウムに基づく各種化合物を含む。有用なチタンベースの化合物は、それに限定されることなく、イソプロピルトリ（Ｎ−エチルアミノエチルアミノ）チタン酸塩、イソプロピルトリイソスチアロイルチタン酸塩およびチタンジ（ジオクチルピロリン酸塩）オキシアセテイト等のモノアルコキシチタン酸塩、テトライソプロピルジ（ジオクチル亜リン酸エステル）チタン酸塩等の配位チタン酸塩、ネオアルコキシトリ（ドデカノール）ベンゼンスルホニルジルコニウム酸塩、ネオアルコキシトリ（ｐ−Ｎ−（ベーターアミノエチル）アミノフェニル）チタン酸塩等のネオアルコキシルチタン酸塩を含んでいる。他のタイプは、キレート、第四級およびシクロヘテロアトムチタン酸塩を含む。
【００２８】
有用なジルコニウムベースの化合物は、それに限定されることなく、ネオアルコキシトリネオデカノールジルコニウム酸塩、ネオアルコキシトリス（デオデカノール）ベンゼンスルホニルジルコニウム酸塩、ネオアルコキシトリス（ｍ−アミノフェニル）ジルコニウム酸塩、アンモニウムジルコニウム炭酸塩およびジルコニウムプロピオン酸等のネオアルコキシジルコニウム酸塩を含む。
【００２９】
有用なシリコンベース化合物は、広い範囲のシランを含む。有用なシランの１つのタイプは次の式で表される。
【化１】
2005502981.tif 000002
ここで、Ｒは、次の式で表されるアルキルまたはアリル基、または官能基である。
【化２】
2005502981.tif 000003
ここで、ｘは０から２０、Ｙは下記群から選ばれる：アミノ、アミド、ヒドロキシ、アルコキシ、ハロ、メルカプト、カルボキシ、アシル、ビニル、アリル、スチリル、エポキシ、イソシアネート、グリシドキシおよびアクリロキシ基。Ｋはアルコキシ（例えばメソキシ、エソキシ等）、フェノキシ、アセトキシ等またはハロゲン（例えば、クロライド）等の加水分解可能基。ｎは１、２、３または４で、好ましくは、ｎは３である。式（Ｉ）で示される接着促進剤はハロシラン、アミノアルコキシシラン、アミノフェニルシラン、フェニルシラン、ヘテロサイクリックシラン、Ｎ−ヘテロサイクリックシラン、アクリルシラン、および、メルカプトシランを含む。２またはそれ以上のシランの混合も有用である。
【００３０】
１つの実施態様においてＫはＯＲであり、Ｒは約５以下の炭素原子を含むアルキル基、または、約８以下の炭素原子を含むアリル基である。他の実施態様において、Ｘは０から１０、多くの場合１から５の整数である。
【００３１】
接着促進剤は、次の式によって表されるエポキシシランであってもよい。
【化３】
2005502981.tif 000004
ここで、Ｒ１、Ｒ２およびＲ３は、それぞれ別の水素基、または、炭化水素基である。Ｒ４およびＲ５は、それぞれ別のアルキレン基、または、アルキリデン基である。Ｒ６、Ｒ７およびＲ８は、それぞれ別の炭化水素基である。炭化水素基は、好ましくは、１から約１０、多くは１から約６の炭素原子を含む。これらの炭化水素基は好ましくはアルキルである。アルキレン基またはアルキリデン基Ｒ４およびＲ５は、１から約１０、より好ましくは１から約６、さらに好ましくは１から約４、さらに好ましくは１または２の炭素原子を含む。このアルキレン基またはアルキリデン基は、メチレン、エチレン、プロピレン等である。
【００３２】
接着促進剤は、次の式で表されるアクリルシランであってもよい。
【化４】
2005502981.tif 000005
ここで、Ｒ９、Ｒ１０およびＲ１１は、それぞれ別の水素基、または、炭化水素基である。Ｒ１２は、アルキレン基、または、アルキリデン基である。Ｒ１３、Ｒ１４およびＲ１５は、それぞれ別の炭化水素基である。炭化水素基は、好ましくは、１から約１０、好ましくは１から約６、より好ましくは１から約４の炭素原子を含む。これらの炭化水素基は好ましくはアルキル（例えば、メチル、エチル、プロピル等）である。アルキレン基またはアルキリデン基は、１から約１０、より好ましくは１から約６、さらに好ましくは１から約４の炭素原子を含む。このアルキレン基は、メチレン、エチレン、プロピレン等である。
【００３３】
接着促進剤は、次の式で表されるアミノシランであってもよい。
【化５】
2005502981.tif 000006
ここで、Ｒ１６、Ｒ１７およびＲ１９は、それぞれ別の水素基、または、炭化水素基である。Ｒ１８およびＲ２０は、それぞれ別のアルキレン基、または、アルキリデン基である。Ｒ２１、Ｒ２２およびＲ２３は、それぞれ別の炭化水素基である。ｎは０または１である。炭化水素基は、好ましくは、１から約１０、好ましくは１から約６、より好ましくは１から約４の炭素原子を含む。これらの炭化水素基は好ましくはアルキル（例えば、メチル、エチル、プロピル等）である。アルキレン基またはアルキリデン基は、１から約１０、より好ましくは１から約６、さらに好ましくは１から約４の炭素原子を含む。このアルキレン基は、メチレン、エチレン、プロピレン等である。
【００３４】
メルカプトシラン接着促進剤は、次の式で表されるものであってもよい。
【化６】
2005502981.tif 000007
ここで、Ｒ２４は、水素基、または、炭化水素基である。Ｒ２５は、アルキレンまたはアルキリデン基である。Ｒ２６、Ｒ２７およびＲ２８は、それぞれ別の炭化水素基である。炭化水素基は、好ましくは、１から約１０、より好ましくは１から約６、より好ましくは１から約４の炭素原子を含む。これらの炭化水素基は好ましくはアルキル（例えば、メチル、エチル、プロピル等）である。アルキレン基およびアルキリデン基は、１から約１０、より好ましくは１から約６、さらに好ましくは１から約４の炭素原子を含む。このアルキレン基は、メチレン、エチレン、プロピレン等である。
【００３５】
ビニル接着促進剤は、次の式で表されるものでもよい。
【化７】
2005502981.tif 000008
ここで、Ｒ２９、Ｒ３０、Ｒ３１、Ｒ３３およびＲ３７は、それぞれ別の水素基、または、炭化水素基である。Ｒ３２、Ｒ３４およびＲ３６は、それぞれ別のアルキレン基、または、アルキリデン基である。各Ｒ３７は、別の炭化水素基である。Ａｒは、芳香族基である。Ｘは、ハロゲンである。炭化水素基は、好ましくは、１から約１０、好ましくは１から約６、より好ましくは１から約４の炭素原子を含む。これらの炭化水素基は好ましくはアルキル（例えば、メチル、エチル、プロピル等）である。アルキレン基またはアルキリデン基は、１から約１０、より好ましくは１から約６、さらに好ましくは１から約４の炭素原子を含む。これらの基は、アルキレン（例えば、メチレン、エチレン、プロピレン等）である。芳香族基Ａｒは、単核（例えば、フェニレン）、または、単核基および特に好ましくはフェニレンを伴う多核（例えば、ナフチレン）である。ハロゲンＸは、好ましくは塩素または臭素、より好ましくは塩素である。
【００３６】
最後に、接着促進剤は、次の式で表されるビス−シランであってもよい。
【化８】
2005502981.tif 000009
ここで、Ｒ３８、Ｒ３９、Ｒ４０、Ｒ４２、Ｒ４３およびＲ４４は、それぞれ別の炭化水素基である。Ｒ４１は、アルキレン基、または、アルキリデン基である。ｎは０または１である。炭化水素基は、好ましくは、１から約１０、好ましくは１から約６、より好ましくは１から約４の炭素原子を含む。これらの炭化水素基は好ましくはアルキル（例えば、メチル、エチル、プロピル等）である。アルキレン基およびアルキリデン基は、１から約１０、より好ましくは１から約６、さらに好ましくは１から約４の炭素原子を含む。Ｒ４１基は、好ましくはアルキレン（例えば、メチレン、エチレン、プロピレン等）である。
【００３７】
伝導性高分子複合材は、樹脂システム中に分散した電気伝導性のフィラーからなっており、そして、選択的に、熱伝導性の粒子からなっていてもよい。伝導性高分子複合材は、均一である。ここにおいて、均一な高分子複合材は、長さを比較できるまたはｔｍｉｎよりも長いスクリーンを埋め込んだまたはファイバを埋め込んだ材料のような不均一な複合材を除く。勿論、そのような不均一な材料の追加的な層は、均一な材料に引き続いて付着させてもよい。
【００３８】
高分子皮膜を母材の上に形成すると、硬化処理の間に高分子皮膜が縮み、母材と高分子複合材との間に強い残留応力が発生する。逆に、成形された伝導性高分子複合材のＸ−Ｙ面における単位長さ当たりの線収縮は、約０．００５以下、好ましくは約０．００３以下、最も好ましくは約０．００１以下である。成形複合材の単位長さ当たりの線収縮は、ＡＳＴＭ  Ｄ−９５５に定義されている。一般的には、これは、対応する最初の大きさに対する長さ方向（Ｙ−方向）または幅方向（Ｘ−方向）の収縮量である。
【００３９】
伝導性高分子複合材における有用な樹脂は、これらに限定されることなく、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、および、上述した伝導性フィラーと適合する樹脂および劣化または浸出することなく電池環境に耐えうる樹脂の組み合わせからなっている。上述した適合性は、出来上がった電池部品に対して、所望の体積抵抗率を達成することができるように伝導性フィラーを十分に分散させることと定義する。好ましい樹脂は、エポキシ化フェノールノボラック樹脂、エポキシ化クレゾールノボラック樹脂、ポリブタジエン、ポリイソプレン、次の式の繰り返し単位からなる高分子からなっている。
【化９】
2005502981.tif 000010
ここで、ＰおよびＭは、ポリ（ジアリルフタル酸エステル）等の２から約６の炭素原子を有する同一または異なるアルケン、および、少なくとも１つの上述した樹脂の組み合わせである。好ましい熱硬化性ポリブタジエン−またはポリイソプレンベースの樹脂システムは、（１）ポリブタジエンまたはポリイソプレン樹脂、（２）追加の機能性液体ポリブタジエンまたはポリイソプレン樹脂、（３）追加のブタジエン−またはイソプレン−含有ポリマー、および（４）追加の低分子量ポリマーからなっている。
【００４０】
ポリブタジエンまたはポリイソプレン樹脂は、室温で液体または固体である。液体樹脂は、分子量５，０００以上を有し、しかし、好ましくは５，０００未満（最も好ましくは１，０００から３，０００）である。好ましい（室温で）液体樹脂部分は、組成物の粘性を、取り扱いを容易にする処理間、コントロールできるレベルに維持し、硬化間に橋かけ結合する。９０重量％以上の１，２−付加を有するポリブタジエンおよびポリイソプレン樹脂は、橋かけ結合のために利用できる大きな数のペンデントビニル基のゆえに、硬化間に最も大きな橋かけ結合密度を示すので、好ましい。高い橋かけ結合密度は、商品が昇温時に電池環境において優れた能力を示すので、好ましい。好ましい樹脂は、９０重量％以上の１，２−付加を有する低分子量のポリブタジエン液体樹脂であり、市販の日本曹達（株）のＢ３０００である。
【００４１】
熱硬化性ポリブタジエン−またはポリイソプレンベースの樹脂システムは、更に、機能化液体ポリブタジエンまたはポリイソプレン樹脂からなっている。ブタジエン液体樹脂のための機能化の適切な例として、これらに限定されることなく、エポキシ、マレイン酸エステル、ヒドロキシ、カルボキル、および、メタクリル酸エステルである。有用な液体ブタジエン共重合体は、ブタジエン−ｃｏ−スチレン、および、ブタジエン−ｃｏ−アクリロニトリルである。機能化液体ポリブタジエン樹脂は、日本曹達（株）から市販で入手可能なＮｉｓｓｏ  Ｇ−１０００、Ｇ−２０００、Ｇ−３０００；Ｎｉｓｓｏ  Ｃ−１０００；Ｎｉｓｓｏ  ＢＮ−１０１０、ＢＮ−２０１０、ＢＮ−３０１０、ＣＮ−１０１０；Ｎｉｓｓｏ  ＴＥ−２０００；およびＮｉｓｓｏ  ＢＦ−１０００、および、Ｃｏｌｏｒａｄｏ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｓｐｅｃｉａｌｉｔｉｅｓ、Ｉｎｃから市販で入手可能なＲｉｃｏｎ１３１／ＭＡである。
【００４２】
更に、ブタジエンまたはイソプレン含有ポリマーは、好ましくは不飽和で、液体または固体であってもよい。好ましくは、ポリブタジエンまたはポリイソプレンブロックを有する線形またはグラフト形ブロック共重合体、および、好ましくはスチレンまたはアルファメチルスチレンである熱可塑性ブロックからなる固体の熱可塑性エラストマーである。可能なブロック共重合体、例えば、スチレン−ブタジエン−スチレントリ−ブロック共重合体は、Ｖｅｃｔｏｒ８５０８Ｍ（テキサス州、ヒューストン、Ｄｅｘｃｏ  Ｐｏｌｙｍｅｒｓから市販で入手可能）、Ｓｏｌ−Ｔ−６３０２（テキサス州、ヒューストン、Ｅｎｉｃｈｅｍ  Ｅｌａｓｔｏｍｅｒｓ  Ａｍｅｒｉｃａｎから市販で入手可能）およびＦｉｎａｐｒｅｎｅ４０１（テキサス州、ダラス、Ｆｉｎａ  Ｏｉｌ＆Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏｍｐａｎｙから市販で入手可能）がある。好ましくは、共重合体は、Ｋｒａｔｏｎ  Ｄ１１１８Ｘ（Ｓｈｅｌｌ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから市販で入手可能）等のスチレン−ブタジエンジ−ブロック共重合体である。Ｋｒａｔｏｎ  Ｄ１１１８Ｘは、３０容積％のスチレンを含むジ−ブロックスチレン−ブタジエン共重合体である。
【００４３】
ブタジエンまたはシソプレンを含有する共重合体は、次の点を除いて第１ブロック共重合体と類似の第２ブロック共重合体を含有してもよい。即ち、ポリブタジエンまたはポリイソプレンブロックは、水素化され、従って、ポリエチレンブロック（ポリブタジエンの場合）またはエチレン−プロピレン共重合体（ポリイソプレン）を形成する。第１共重合体と共に使用する場合には、強化された靭性を備えた材料が生成される。第２共重合体の使用が望まれるときには、好ましい材料はＫｒａｔｏｎＧＸ１８５５（Ｓｈｅｌｌ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから市販で入手可能）であり、スチレン−ハイ１，２ブタジエン−スチレンブロック共重合体とスチレン−（エチレン−プロピレン）−スチレンブロック共重合体との混合と推定される。
【００４４】
このように、好ましい実施態様においては、ブタジエンまたはイソプレンを含有するポリマーは、式Ｘｍ（Ｙ−Ｘ）Ｎ（線状共重合体）を有する、または、
2005502981.tif 000011
を有する固体熱可塑性エラストマーブロック共重合体からなっている。ここでＹは、ポリブタジエンまたはポリイソプレンブロック、Ｘは熱可塑性ブロック、ｍおよびｎは共重合体における平均ブロック数を示し、ｍは０または１、ｎは１以上である。
【００４５】
組成物は更に、式Ｗｐ−（Ｚ−Ｗ）ｑ（線状共重合体）を有する、または、
2005502981.tif 000012
を有する第２熱可塑性エラストマーブロックを含んでもよく、ここにＺはポリエチレンまたはエチレン−プロピレン共重合体ブロックであり、Ｗは熱可塑性ブロック、ｐおよびｑは共重合体における平均ブロック数を示し、ｐは０および１、ｑは１以上である。
【００４６】
ポリブタジエンまたはポリイソプレン樹脂のブタジエンまたはイソプレンを含有するポリマーに対する容積対容積比は、好ましくは、１：９から９：１の間（これらを含む）である。ブタジエンまたはイソプレンを含有するポリマーの選択は、化学および加水分解抵抗、成形材上での靭性による。
【００４７】
追加の低分子量のポリマー樹脂は、一般に、靭性および伝導性高分子複合材に要求される他の特性を強化するために使用される。低分子量のポリマー樹脂の例として、これらに限定されることなく、ポリスチレン、多機能アクリル酸エステルモノマー、様々な量のペンダントノルボルネル基および／または不飽和機能基を含むエチレンプロピレンジエンモノマー（ＥＰＤＭ）等のテレケリックポリマーがある。追加の低分子量ポリマー樹脂は、全樹脂組成物の約０から約３０ｗｔ％の量を含むことができる。
【００４８】
通常橋かけ結合剤として知られる不飽和ビニルを含むモノマーは、成形可能な伝導性高分子成分の粘性を低める、特にフィラーを多く含ませる等の特別な特性または処理条件のために樹脂システム中に含有させてもよい。粘性は、受容可能な成形レオロジーを得るための重要な要因である。不飽和ビニルを含む１以上のモノマーを含むと、硬化間に橋かけ結合密度を増加させる追加の利点がある。適切なモノマーは、他の樹脂システムの１つと共反応することが必要である。適切なモノマーは、スチレン、ビニルトルエン、ジビニルベンゼン、トリアリルシアヌル酸エステル、ジアリルフタル酸エステルおよび（Ａｃｒｏ  Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ  Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ  Ｃｏ．から入手可能なＳａｒｔｏｍｅｒ化合物等）多機能アクリル酸エステルモノマーがあり、全て市販で入手可能である。不飽和ビニルを含むモノマーの有効な量は、樹脂組成物の約０ｗｔ％から約８０ｗｔ％、好ましくは約３ｗｔ％から約５０ｗｔ％である。
【００４９】
硬化剤を、好ましくは樹脂システムに添加して、硬化反応を加速させる。組成物を加熱すると、硬化剤は分解して、遊離基を形成し、高分子鎖の橋かけ結合を始める。好ましい硬化剤として、Ｌｕｐｅｒｏｘ、ジクミル過酸化物、過安息香酸ｔ−ブチル、２，５−ジメチル−２，５−ジ（ｔ−ブチルペロキシ）へキサン、アルファ、アルファ−ビス（ｔ−ブチルペロキシ）ジイソプロピルベンゼン、および、ｔ−ブチルペロキシへキシンー３等の全て市販で入手可能な有機過酸化物である。これらは単独でまたは組み合わせで使用することができる。硬化剤の代表的な量は、全樹脂成分１００部当たりの約１．５から約６部である。
【００５０】
有用な伝導性フィラーとして金属フィラーを含み、例えば、浸出せず、中空および固体の金属皮膜ガラス球、純ニッケル（Ｎｉ）、または３１６ステンレススチールがある。炭質伝導性フィラーは、酸性環境に対する抵抗があるので、好ましい炭質伝導性フィラーの例として、カーボンファイバ、コーク、自然および合成グラファイトパウダー、べーパグラウンカーボンファイバ、カーボンナノチューブ、カーボンマイクロチューブ、カーボンブラック、メタライズグラファイト、および、化学的に修正された、例えば、強化された電気特性を有する被覆されたカーボンブラックがある。これらのフィラーは、単独でまたは組み合わせで使用することができる。フィラーの組み合わせは、フィラーの充填密度を最大化し、成形された複合材の電気伝導性を最大化するので、好ましい。
【００５１】
フィラーの有用な量は、伝導性高分子複合材の全容積の約１０容積％から約９０容積％である。または、有用なフィラーの量は、成形された伝導性高分子複合材の全重量の約１９．５ｗｔ％から約９５．０ｗｔ％、好ましくは約５０ｗｔ％から約９５．０ｗｔ％、より好ましくは、約８０ｗｔ％から約９５ｗｔ％、である。フィラーは、様々な粒形状、大きさおよび純度を備えていてもよい。好ましくは、いくつかまたは全てのフィラーがファイバ、マイクロチューブ、単壁または多壁グラファイト、単壁または多壁カーボン、ナノチューブ、プレートレットまたはこれらの少なくとも１つからなる組み合わせの形状である。ファイバは、ここで、長さ／直径の比が約２以上、好ましくは約５以上、更に好ましくは約１００以上である粒子をいう。長さ／直径の比が約４００から約１０、０００であるファイバは、高アスペクト比フィラーとして知られ、好ましい。ナノチューブおよびマイクロチューブは、高アスペクト比フィラーの例示的な例である。プレートレットは、２つのディメンジョンを有する粒子であり、２つのディメンジョンは第３のディメンジョンよりも少なくとも２つの要因によって大きく、好ましくは、５つの要因よりも大きい。例えば、幅および長さは、それぞれ、高さよりも２倍以上であり、皿状の粒子の直径は、高さの２倍以上である。プレートレットは、規則的または不規則的な幾何学的形状であってもよい。ファイバおよび／またはプレートレットからなるフィラーは、硬化間、高分子複合材の収縮量を少なくするのを助ける。最大の単一線状寸法が、約０．２から６０００マイクロメートルである粒子を使用することができる。
【００５２】
伝導性ポリブタジエンまたはポリイソプレン基の複合材は、熱伝導性、衝撃特性、モールドリリース特性および熱−酸化安定性を向上するために、各種添加剤を更に含んでもよい。これらの添加剤は、一般に電気非伝導性である。熱伝導性は、金属酸化物、窒化物、炭酸塩またはカーバイド（以下、セラミック添加剤という）を添加することによって、向上する。このような添加剤は、パウダー、フレーク、またはファイバの形状であってもよい。例示的な材料として、酸化物、カーバイド、炭酸塩、および錫、亜鉛、銅、モリブデン、カルシウム、チタン、ジルコニウム、ボロン、シリコン、イットリウム、アルミニウム、またはマグネシウムの窒化物、マイカ、ガラスセラミック材または拡散シリカがある。添加に際しては、熱伝導性材を、好ましくは、全樹脂の１００部当たり、約６０から２００部、より好ましくは約８０から約１８０添加する。上述した添加剤の量は成形操作を阻害しないことが必要である。
【００５３】
一般に、伝導性高分子複合材は次のように処理される。第１に、全ての組成物（樹脂システムの成分、硬化剤、フィラーおよび必要により揮発性溶剤）を従来の混合装置によって完全に混合する。混合温度は、硬化剤が分解しない（早熟硬化）ように規制する。過酸化物の分解から保護するために、付加的に、少量、樹脂の重量で百万当たり約５０から約３５０部のインヒビタを添加してもよい。混合は、フィラーが樹脂内に均一に分散されるまで続行する。付加的な溶剤を、小さな粒子の形成を促進するために添加することができる。次いで、均質化した混合物を取り除き、冷却し、乾燥させる。必要により、材料を粗いスクリーンに通過させて、塊をなくする。
【００５４】
電池部品は、先ず、コアを軽く磨耗またはエッチングする。磨耗はバフ、擦るまたはグリットブラスト等の公知の方法によって行われる。エッチングは、液浸、スプレイエッチング、電気化学エッチング、プラズマエッチング、または、他の化学エッチング技術によって行う。磨耗、またはエッチングの後、コアをアセトン等の適切な溶剤で洗ってもよい。次いで、適切な揮発性の溶剤における接着促進剤の希薄な溶剤を、ディップコーティング、スプレイコーティング、またはブラシ等の他の適切な方法によって、コアの清浄された面に適用する。希薄な溶剤の有効な濃度は、公知の方法によって容易に決定することができるけれども、典型的には、約０．１％から約９％、好ましくは、約１％から約５％の範囲内である。適切な揮発性溶剤として、他に、アセトンおよびメチルエチルケトン（ＭＥＫ）がある。溶剤はコアの表面から、例えば、約３５℃から約６０℃、より好ましくは、約３５℃から約５０℃の温度で暖かい空気を循環させて蒸発させて取り除く。最終的な乾燥温度は、使用する接着促進剤またはそれらの混合に使用される溶剤によって決まる。セオリにとらわれることなく、昇温した温度例えば約３５℃で加熱すると、コアの表面と接着を高める接着促進剤との間の化学反応を促進すると信じられている。伝導性高分子複合材から電池部品を製造する際に、適切な公知の方法、例えば圧縮成形、トランスファーモールド、インジェクションモールド等の方法において、接着促進剤を被覆したコアが使用される。当業者によって容易に理解されるように、伝導性高分子複合材の適用方法は、組成、および、伝導性複合材の形成速度等の物理的特性による。
【００５５】
次いで、伝導性高分子複合材は、必要により、ワンステップ硬化またはツーステップ硬化等の適切な公知の方法によって、硬化処理される。ツーステップ硬化処理の第１のステップは、従来の過酸化硬化ステップである。代表的な硬化温度は約１５０℃と約２００℃の範囲内である。適用方法が伝導性高分子複合材を約１５０℃から約２００℃に加熱するときには、それが第１のステップを形成する。圧縮モールドは、伝導性高分子コーティングを適用する１つの方法であり、第１硬化ステップとして機能する。硬化処理の第２ステップは、高温硬化または高エネルギー電子ビーム硬化（Ｅビーム硬化）または他の照射硬化の何れかである。高温硬化は、材料を約２３０℃以上、材料の分解温度、即ち不活性雰囲気下で約４００℃、以下の温度に加熱する。Ｅビーム硬化は、与えられたシステムに対して制御された硬化が可能であるので、好ましい。硬化（橋かけ結合）量は、材料に与えられる全照射量によって制御される。高エネルギー電子がサンプルを貫通して所定深さに達する能力は、挿入深さとして知られている。Ｅビーム源電圧は、挿入深さを制御し、そして、異なる源は異なる挿入深さを与える。
【００５６】
上述したように製造された好ましい電池部品は、バイポーラプレート、端部プレート、電流コレクタおよびこれらの組み合わせを備えている。
【００５７】
この発明の方法は、これに限定するものではなく説明のために示す実施例によってさらに説明する。
【００５８】
上述した引例文献、特許、特許出願は、その全体を引用することによって個々に組み込まれる。
【実施例１】
【００５９】
厚さ０．０７ｃｍ、幅１０．７ｃｍ、長さ１１．０ｃｍの銅板を、サンドペーパまたは他の磨耗手段で軽く磨耗し、次いでアセトンで洗い、次いでＯＳｉ  ＳｐｅｃｉａｌｔｉｅｓからＡ−１８９の商標名で入手可能なメルカプト機能シランの５ｗｔ％の溶液で、アセトンにおいてディップコーティングで予備処理をした。溶剤は大気中で蒸発させた。プレートは次いで予熱ダイに移動された。モールドキャビティの正確な充填のために、適切な量の伝導性ポリブタジエン複合材料を秤分けた。伝導性ポリブタジエン複合材の組成を表１に示す。伝導性ポリブタジエン複合材をモールドキャビティの中に置き、プレートの表面に、１５０℃のモールド温度でスクエアインチ（ｐｓｉ）当たり１０，０００−１２，０００ポンドのキャビティ圧で４分間、圧縮成形を施した。成形された伝導性高分子複合材の代表的な寸法は、１０．６ｃｍ×４．４ｃｍ×０．５ｃｍであった。仕上げ部の最終的な寸法は、設計および最終ユーザの要求によって決まる。これらのサンプルは、２４０℃の炉内で４時間または所望によりそれ以上、更に硬化処理を行った。
【００６０】
【表１】
2005502981.tif 000013
【００６１】
成形された伝導性高分子複合材／アルミ二ウム部分は機械的な精度およびマトリクスと金属との界面の接着を視覚で調べた。これらの部分は、非常に優れた電気および溶剤抵抗特性を有している。硬化処理された複合材／アルミ二ウムの部分は、硬く寸法の安定性に優れていた。複合材／アルミ二ウム部分を加熱後、冷却サイクルで冷却したところ、曲がりは確認されなかった。複合材の温度膨張係数がアルミ二ウムのそれと適合していることが証明された。複合材／アルミ二ウム部分はＩＰＣＴＭ−６５０による０．０５２オーム−ｃｍの容積抵抗率を、そして、ＡＳＴＭＣ５１８による１０．５ワット／メートル°Ｋの熱伝導率をそれぞれ示した。
【実施例２】
【００６２】
厚さ０．０７ｃｍ、幅１０．７ｃｍ、長さ１１．０ｃｍの銅板を、サンドペーパまたは他の磨耗手段で軽く磨耗し、次いでアセトンで洗い、次いでＯＳｉ  ＳｐｅｃｉａｌｔｉｅｓからＡ−１１０６の商標名で入手可能なアミノシランの５ｗｔ％の溶液で、アセトンにおいてディップコーティングで予備処理をした。溶剤は大気中で蒸発させた。プレートは次いで予熱ダイに移動された。モールドキャビティの正確な充填のために、適切な量の伝導性エポキシベースの複合材料を秤分けた。伝導性エポキシベースの複合材の組成を表２に示す。伝導性高分子複合材をモールドキャビティの中に置き、プレートの表面に、１８０℃のモールド温度でスクエアインチ（ｐｓｉ）当たり１０，０００−１２，０００ポンドのキャビティ圧で４分間、圧縮成形を施した。成形された伝導性高分子複合材の代表的な寸法は、１０．６ｃｍ×４．４ｃｍ×０．５ｃｍであった。仕上げ部の最終的な寸法は、設計および最終ユーザの要求によって決まる。これらのサンプルは、２４０℃の炉内で４時間または所望によりそれ以上、更に硬化処理を行った。
【００６３】
【表２】
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【００６４】
成形された伝導性高分子複合材／アルミ二ウム部分は機械的な精度およびマトリクスと金属との界面の接着を視覚で調べた。これらの部分は、非常に優れた電気および溶剤抵抗特性を有している。硬化処理された複合材／アルミ二ウムの部分は、硬く寸法の安定性に優れていた。複合材／アルミ二ウム部分を加熱後、冷却サイクルで冷却したところ、曲がりは確認されなかった。複合材の温度膨張係数がアルミ二ウムのそれと適合していることが証明された。複合材／アルミ二ウム部分はＩＰＣＴＭ−６５０による０．０６８オーム−ｃｍの容積抵抗率を、そして、ＡＳＴＭＣ５１８による１３．４ワット／メートル°Ｋの熱伝導率をそれぞれ示した。
【実施例３】
【００６５】
厚さ０．０７ｃｍ、幅１０．７ｃｍ、長さ１１．０ｃｍの銅板を、サンドペーパまたは他の磨耗手段で軽く磨耗し、次いでアセトンで洗い、次いでＯＳｉ  ＳｐｅｃｉａｌｔｉｅｓからＡ１７２の商標名で入手可能なビニルシランの５ｗｔ％の溶液で、アセトンにおいてディップコーティングで予備処理をした。溶剤は大気中で蒸発させた。プレートは次いで予熱ダイに移動された。モールドキャビティの正確な充填のために、適切な量の伝導性エポキシベースの複合材を秤分けた。伝導性ポリ（ジアリルフタル酸エステル）複合材料の組成を表３に示す。伝導性高分子複合材をモールドキャビティの中に置き、プレートの表面に、１８０℃のモールド温度でスクエアインチ（ｐｓｉ）当たり１０，０００−１２，０００ポンドのキャビティ圧で４分間、圧縮成形を施した。成形された伝導性高分子複合材の代表的な寸法は、１０．６ｃｍ×４．４ｃｍ×０．５ｃｍであった。仕上げ部の最終的な寸法は、設計および最終ユーザの要求によって決まる。
【００６６】
【表３】
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【００６７】
成形された伝導性高分子複合材／アルミ二ウム部分は機械的な精度およびマトリクスと金属との界面の接着を視覚で調べた。これらの部分は、非常に優れた電気および溶剤抵抗特性を有している。硬化処理された複合材／アルミ二ウムの部分は、硬く寸法の安定性に優れていた。複合材／アルミ二ウム部分を加熱後、冷却サイクルで冷却したところ、曲がりは確認されなかった。複合材の温度膨張係数がアルミ二ウムのそれと適合していることが証明された。複合材／アルミ二ウム部分はＩＰＣＴＭ−６５０による０．０５６７オーム−ｃｍの容積抵抗率を、そして、ＡＳＴＭＣ５１８による７．８２ワット／メートル°Ｋの熱伝導率をそれぞれ示した。
【００６８】
上述した実施例で確認できるように、電池部品は、優れた化学抵抗、良好な機械的精度および良好な伝導性を備えている。電池部品の伝導性高分子複合材は、電気化学セル環境下でコアから離れることは無い。更に、約０．５００オーム−ｃｍ以下、好ましくは０．１１６オーム−ｃｍ以下、更に好ましくは０．０４５オーム−ｃｍ以下の容積抵抗率、および、約５ワット／メートル°Ｋ以上、好ましくは約７ワット／メートル°Ｋ以上、およびより好ましくは１３ワット／メートル°Ｋ以上の熱伝導率を備えている。更に、現在使用している方法および装置によって製造することができるので、経済的である。
【００６９】
好ましい実施態様を示し説明したが、この発明の範囲を逸脱することなく、各種の改良またはそれらの置き換えをすることは可能である。従って、この発明は説明のために示されたものであって、これらに限定するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
電池部品は、優れた化学抵抗、良好な機械的精度および良好な伝導性を備えている。電池部品の伝導性高分子複合材は、電気化学セル環境下でコアから離れることは無い。更に、現在使用している方法および装置によって製造することができるので、経済的である。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】図１は、熱伝導性プレートの断面図である。
【図２】図２は、熱伝導性プレートの断面図である。
【図３】図３は、チャンネルを備えた熱伝導性プレートの断面図である。
【図４】図４は、バイポーラプレートの断面図である。
【図５】図５は、バイポーラプレートの断面図である。
【図６】図６は、バイポーラプレートの断面図である。
【図７】図７は、燃料セルスタックを概略示す図である。
【図８】図８は、冷却水チャンネルを備えた熱伝導性プレートの概略図である。
【図９】図９は、バイポーラプレートの概略図である。
【図１０】図１０は、燃料セルスタックの概略図である。
【図１１】図１１は、燃料セルスタックの概略図である。
【図１１】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【手続補正書】
【提出日】平成14年8月19日(2002.8.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードおよびカソード間のプロトン伝導性膜を備えた膜電極アセンブリを備えた電池において、前記膜電極アセンブリは１対の電気伝導性プレート間に配置され、少なくとも１つの電気伝導性プレートが、作用エリアを備えた伝導性コア、および、前記伝導性コアの前記作用エリアを実質的に覆い、そして接着促進剤によってコアに接着されている電気的および熱的伝導性高分子複合材とからなる電池。
【請求項２】
前記伝導性コアは、アルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル、ニッケル合金、銅、プラチナ、マグネシウム、マグネシウム合金、チタン、金めっき金属、およびステンレススチールからなる群から選んだ金属からなっている、請求項１に記載の電池。
【請求項３】
前記伝導性高分子複合材は、エポキシ化フェノールノボラック樹脂、エポキシ化クレゾールノボラック樹脂、不飽和ビニルエステル基のポリマー、および、少なくとも１つの上記樹脂からなる組み合わせからなっている、請求項１または２に記載の電池。
【請求項４】
前記伝導性高分子複合材がポリブタジエンまたはポリイソプレン基複合材からなっている、請求項１または２に記載の電池。
【請求項５】
前記伝導性ポリブタジエンまたはポリイソプレン基複合材は、伝導性フィラー、熱硬化性ポリブタジエンまたはポリイソプレン樹脂、および,
硬化間にポリブタジエンまたはポリイソプレンとの橋かけ結合に加わる能力のある不飽和ブタジエンまたはイソプロピレンを含有するポリマーとからなっており、そして、ポリブタジエンまたはポリイソプレン樹脂の不飽和ブタジエンまたはイソプレンを含有するポリマーに対する容積対容積比は、１：９から９：１の間（これらを含む）である、請求項４の電池。
【請求項６】
伝導性フィラーの一部または全てがファイバ、プレートレット、またはファイバとプレートレットの組み合わせである、請求項１から５の何れか１項に記載の電池。
【請求項７】
前記伝導性高分子複合材は、ファイバ、プレートレット、またはファイバおよびプレートレットの組み合わせの形の粒子からなる伝導性フィラーを備えており、そして、前記伝導性フィラーは、伝導性金属、伝導性金属で被覆された粒子、カーボン、および少なくとも１つの上記フィラーを含む混合体からなる群から選ばれる、請求項１から６の何れか１項に記載の電池。
【請求項８】
前記接着促進剤は、メルカプト機能シラン、ビニル機能シラン、チタン酸塩、ジルコニウム酸塩またはそれらの組み合わせである、請求項１から７の何れか１項に記載の電池。
【請求項９】
前記電気伝導性プレートは少なくとも１つのチャンネルを更に備えており、前記チャンネルは、電池の外側にあって、燃料ガス、燃料液体、酸化剤ガス、酸化剤液体、またはこれらの組み合わせを導く、または、電池の内側にあって、冷却流体を導く、請求項１から８の何れか１項に記載の電池。
【請求項１０】
前記複合材は成形され、少なくとも１つのチャンネルを形成し、そして、前記複合材は下に位置するコアとノンコンフォーマルである、請求項１から９の何れか１項に記載の電池。
【請求項１１】
前記伝導性コアは、前記作用エリアを超えて延伸する熱移動エリアを更に備えている、請求項１から１０に記載の電池。
【請求項１２】
冷却流体を熱移動エリアに供給する手段を更に備えている、請求項１１に記載の電池。
【請求項１３】
冷却流体が空気である請求項１２の電池。
【請求項１４】
前記熱移動エリアは冷却フィンの形状である、請求項１１から１３の何れか１項に記載の電池。
【請求項１５】
容積抵抗率が約０．５０００オーム−ｃｍ以下、熱伝導率が約５ワット／メートル°Ｋ以下である、請求項１から１４の何れか１項に記載の電池。
【請求項１６】
成形時に、前記伝導性高分子複合材が、成形された複合材のＸ−Ｙ面における単位長さ当たり、約０．００５以下の線収縮を有している、請求項１から１５の何れか１項に記載の電池。
【国際調査報告】
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