(57)【要約】  本発明は、被覆バイポーラプレートを有する燃料電池を効率的に製造する方法を開示する。本発明は、すでに被覆が施された個々の金属プレートを一緒にレーザ溶接して、燃料電池内で使用されるバイポーラプレートを形成することを企図している。被覆プレートのレーザ溶接は、望ましくないレベルの耐食性の原因となるのに十分な大きさのプレートの過敏化を引き起こさない。この結果は、溶接されるプレート領域における有機被覆の存在に関係なく、またレーザビームによる有機被覆の除去に関係なく達成される。
2007537574.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに結合される少なくとも２つの金属部材であって、その少なくとも一方には導電被覆が施される金属部材を有する燃料電池スタックを作成するための方法であって、
（ａ）第１の導電被覆が施された前記第１の金属部材を、第２の金属部材の隣に位置付けるステップと、
（ｂ）前記隣り合う金属部材の一部分を溶融させるステップと、
（ｃ）前記隣り合う金属部材の前記溶融させた部分を凝固させて、それによって、前記隣り合う金属部材の間に融着を形成するステップとを含む、方法。
【請求項２】
（ｂ）が、前記隣り合う金属部材の前記溶融部分に隣接する前記第１の導電被覆の部分を除去するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
少なくとも前記第１の導電被覆が除去された前記第１の金属部材の部分に第２の導電被覆を施すステップをさらに含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
（ｂ）が、前記隣り合う金属部材の前記部分に集束放射を当てるステップを含み、（ｃ）が、前記隣り合う金属部材の前記溶融させた部分から前記集束放射を取り除くステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
（ｂ）が、前記隣り合う金属部分をレーザビームと接触させるステップを含み、（ｃ）が、前記隣り合う金属部材の前記溶融させた部分との前記レーザビームの前記接触を中止するステップを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記金属部材が、一緒に結合されたときにバイポーラプレートを形成するプレートである、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記金属部材が、ステンレス鋼である、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記被覆が、有機被覆である、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記第１の導電被覆が、約５０オーム−ｃｍ２より小さい抵抗を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
内部流れ通路を備える金属バイポーラプレートを有する燃料電池スタックを作成するための方法であって、
（ａ）一方の表面の少なくとも一部分に導電被覆が施された第１の金属プレートを、第２の金属プレートの隣に、前記被覆部分が前記第２のプレートの方とは反対を向くように位置付けるステップと、
（ｂ）前記被覆の部分を含む前記隣り合うプレートの部分に集束放射を当て、それによって、前記被覆の前記部分を除去し、前記隣り合うプレートの前記部分を溶融させるステップと、
（ｃ）前記集束放射を取り除くステップと、
（ｄ）前記溶融された部分を凝固および融着させ、それによって、前記バイポーラプレートの１つを形成するステップとを含む、方法。
【請求項１１】
前記被覆が、第１の被覆であり、前記第１の被覆が除去された前記第１のプレートに第２の導電被覆を施すステップをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記第２の被覆が、前記第１の被覆と同じである、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
金属材料の薄板の表面の部分に前記被覆を施すステップと、
金属材料の前記被覆薄板から前記第１のプレートを形成するステップとを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記第２のプレートの一方の面の少なくとも部分が、前記第１の被覆で被覆され、（ａ）が、前記第２のプレートを、前記第１のプレートの隣に、前記第２のプレートの前記被覆面が前記第１のプレートの方とは反対を向くように位置付けるステップを含み、金属材料の前記被覆薄板から前記第２のプレートを形成するステップをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記第２のプレートの一方の面の少なくとも部分が、前記被覆で被覆され、
（ａ）が、前記第２のプレートを、前記第１のプレートの隣に、前記第２のプレートの前記被覆面が前記第１のプレートの方とは反対を向くように位置付けるステップを含み、
（ｂ）が、前記集束放射を用いて前記第２のプレートの前記被覆の部分を除去するステップを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１６】
前記被覆が、第１の被覆であり、前記第１の被覆が除去された前記第１および第２のプレートに第２の導電被覆を施すステップをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記被覆が、有機被覆である、請求項１０に記載の方法。
【請求項１８】
前記プレートが、ステンレス鋼プレートである、請求項１０に記載の方法。
【請求項１９】
前記被覆が、約５０オーム−ｃｍ２より小さい抵抗を有する、請求項１０に記載の方法。
【請求項２０】
前記集束放射が、レーザビームである、請求項１０に記載の方法。
【請求項２１】
前記プレートが、ステンレス鋼、アルミニウムおよびその合金、チタンおよびその合金、ニッケルベースの合金、タンタル、ニオブ、ならびにジルコニウムのうちの少なくとも１つである、請求項１０に記載の方法。
【請求項２２】
燃料電池スタック用のバイポーラプレートを作成する方法であって、
（ａ）前記バイポーラプレートの第１の金属プレートに導電有機被覆を施すステップと、
（ｂ）前記第１のプレートを、前記バイポーラプレートの第２の金属プレートの隣に位置付けるステップと、
（ｃ）前記被覆の部分を含む前記隣り合うプレートの部分に集束放射を当て、それによって、前記被覆の前記部分を除去し、前記隣り合うプレートの前記部分を溶融させるステップと、
（ｄ）前記集束放射を取り除くステップと、
（ｅ）前記溶融された部分を凝固および融着させ、それによって、前記バイポーラプレートを形成するステップとを含む、方法。
【請求項２３】
前記被覆が、第１の被覆であり、前記第１の被覆が除去された前記第１のプレートに第２の導電被覆を施すステップをさらに含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
（ａ）が、
金属材料の薄板の表面の部分に前記被覆を施すステップと、
金属材料の前記被覆薄板から前記第１のプレートを形成するステップとを含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
前記第２のプレートの一方の面の少なくとも部分が、前記被覆で被覆され、（ｂ）が、前記第１のプレートを、前記第２のプレートの隣に、前記第２のプレートの前記被覆面が前記第１のプレートの方とは反対を向くように位置付けるステップを含み、金属材料の前記被覆薄板から前記第２のプレートを形成するステップをさらに含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記第２のプレートの一方の面の少なくとも部分が、前記被覆で被覆され、
（ｂ）が、前記第１のプレートを、前記第２のプレートの隣に、前記第２のプレートの前記被覆面が前記第１のプレートの方とは反対を向くように位置付けるステップを含み、
（ｃ）が、前記集束放射を用いて前記第２のプレートの前記被覆の部分を除去するステップを含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２７】
前記プレートが、ステンレス鋼プレートである、請求項２２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、より詳細には、燃料電池のバイポーラプレートを形成するために一緒にレーザ溶接される被覆金属プレートに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車およびその他の用途向けの電源として、燃料電池が提案されている。１つの知られた燃料電池は、いわゆるＭＥＡ（「膜電極接合体」）を含むＰＥＭ（すなわち、プロトン交換膜）燃料電池であり、ＭＥＡは、一方の面上にアノードを、反対の面上にカソードを有する薄い固体高分子膜電解質を含む。アノードおよびカソードは、典型的には、微粒炭素粒子と、炭素粒子の内部表面および外部表面に担持される超微粒触媒粒子と、触媒粒子および炭素粒子と混ぜられるプロトン伝導材料とを含む。ＭＥＡは、アノード用およびカソード用の集電板として機能する１対の導電接触要素の間にサンドイッチにされ、集電板は、アノードおよびカソードそれぞれの面上に燃料電池のガス反応物（すなわち、Ｈ２およびＯ２／空気）を分配するため、そこに適切なチャネルおよび開口を含むことができる。
【０００３】
ＰＥＭ燃料電池は、複数のＭＥＡを含み、複数のＭＥＡは、一緒に電気的に直列に積層されるが、バイポーラプレートまたは集電板として知られる不透過性の導電接触要素によって互いに隣から分離される。集電板またはバイポーラプレートは、一方はスタック内の１つのセルのアノードと対面し、他方は隣の隣接セルのカソードと対面する２つの作用面を有し、隣接セルどうしの間で電気的に電流を伝導する。スタックの終端における接触要素は、終端セルとだけ接触し、終端プレートと呼ばれる。いくつかのタイプの燃料電池では、各バイポーラプレートは、その間に流体通路をもつ互いに結合された２つの別々のプレートから成り、ＭＥＡの両面から熱を除去するため、流体通路の中を冷却流体が流れる。その他のタイプの燃料電池では、バイポーラプレートは、反復するパターンで配列された単一プレートおよび結合プレートの両方を含み、各ＭＥＡの少なくとも一方の面が、２枚板のバイポーラプレートの中を流れる冷却流体によって冷却される。バイポーラプレートは、１対の個別半プレートを互いに隣接して整列させ、プレートを互いに適切に接合することによって形成され、その結果、導電性を提供する。
【０００４】
接触要素は、導電性金属材料からしばしば構成される。Ｈ２およびＯ２／空気形のＰＥＭ燃料電池環境では、バイポーラプレートおよびその他の接触要素（例えば、終端プレート）は、中程度の酸性溶液（ｐＨ３〜５）と常に接触しており、高い酸化環境で動作し、（通常の水素電極に対して）最大で約＋１Ｖに分極される。カソード側では、接触要素は、圧縮空気にさらされ、アノード側では、大気中水素にさらされる。残念ながら、多くの金属は、悪条件のＰＥＭ燃料電池環境では腐食を受けやすく、金属から作成される接触要素は、（例えば、アルミニウムの場合）溶解し、または（例えば、チタンもしくはステンレス鋼の場合）その表面に電気抵抗の大きい不活性な酸化皮膜を形成し、それが燃料電池の内部抵抗を増大させ、その性能を低下させる。
【０００５】
金属バイポーラプレートの電気接触抵抗を小さくするため、各プレートの露出表面は、導電被覆で覆われ、導電被覆は、プレート表面と燃料電池の腐食環境との接触も制限する。しばしば、被覆は、炭素または黒鉛（すなわち、六方晶炭素）などの導電性有機粒子を含む有機結合剤である。
【０００６】
現在、２枚板のバイポーラプレートの半分が、２枚の個々のプレートが接合された後で、被覆される。しかし、バイポーラプレートを被覆するこの方法は、時間がかかり、そのような被覆プレートを使用する燃料電池の大量生産を制限する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、燃料電池の大量生産を促進するあまり時間のかからない方式でバイポーラプレートを被覆することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、被覆バイポーラプレートを有する燃料電池を効率的に製造する方法を開示する。本発明は、すでに導電被覆が施された個々の金属プレートを一緒にレーザ溶接して、燃料電池内で使用されるバイポーラプレートを形成することを企図している。そのような方法は、これまでは、被覆の有機成分が原因で考えられなかった。具体的には、金属バイポーラプレートは、典型的には、ステンレス鋼から作成され、それが、溶接工程で有機被覆からの炭素にさらされたとき、露出領域が過敏化され、耐食性が弱まる原因となり得る。耐食性を与えるステンレス鋼の主要成分は、クロムである。ステンレス鋼が（例えば、その融点に近いまたはそれを上回る）高温処理中に炭質材料にさらされた場合、炭素が金属中のクロムと結合する。これは、金属に耐食特性を与える不活性な酸化表面皮膜を生成する際に使用される利用可能なクロムの量を減少させる。合金の耐食性の低下は、第一鉄および第二鉄イオンの発生を引き起こし、第一鉄および第二鉄イオンは、高分子膜を汚染し、その機械的耐久性および水素イオン輸送効率を低下させる。したがって、プレートの有用寿命が短縮されるので、プレートの過敏化は望ましくない。したがって、典型的な製造工程は、溶接前にプレート表面を清浄にして、あらゆる有機汚染物質を除去するものであり、したがって、溶接前にプレートの被覆を行わないようにする。溶接前のすべての有機汚染物質の除去は、それによって、プレートを過敏化することを防ぎ、関連する耐食性の低下を回避する。しかし、本発明の発明者らは、被覆プレートのレーザ溶接は、望ましくないレベルの耐食性の原因となるのに十分な大きさのプレートの過敏化を引き起こさないことを発見した。この結果は、溶接されるプレート領域における有機被覆の存在に関係なく、またレーザビームによる有機被覆の除去に関係なく達成される。
【０００９】
本発明の一態様では、互いに結合される少なくとも２つの金属部材であって、その少なくとも一方には導電被覆が施される金属部材を有する燃料電池スタックを作成するための方法が開示される。この方法は、（１）第１の導電被覆が施された第１の金属部材を、第２の金属部材の隣に位置付けるステップと、（２）隣り合う金属部材の一部分を溶融させるステップと、（３）隣り合う金属部材の溶融させた部分を凝固させて、それによって、隣り合う金属部材の間に融着を形成するステップとを含む。
【００１０】
本発明の別の態様では、内部流れ通路を備える金属バイポーラプレートを有する燃料電池スタックを作成するための方法が開示される。この方法は、（１）一方の表面の少なくとも一部分に導電被覆が施された第１の金属プレートを、第２の金属プレートの隣に、被覆部分が第２のプレートの方とは反対を向くように位置付けるステップと、（２）被覆の部分を含む隣り合うプレートの部分に集束放射を当て、それによって、被覆の部分を除去し、隣り合うプレートの部分を溶融させるステップと、（３）集束放射を取り除くステップと、（４）溶融された部分を凝固および融着させ、それによって、バイポーラプレートの１つを形成するステップとを含む。
【００１１】
本発明のさらに別の態様では、燃料電池スタック用のバイポーラプレートを作成する方法が開示される。この方法は、（１）バイポーラプレートの第１の金属プレートに導電有機被覆を施すステップと、（２）第１のプレートを、バイポーラプレートの第２の金属プレートの隣に位置付けるステップと、（３）被覆の部分を含む隣り合うプレートの部分に集束放射を当て、それによって、被覆の部分を除去し、隣り合うプレートの部分を溶融させるステップと、（４）集束放射を取り除くステップと、（５）溶融された部分を凝固および融着させ、それによって、バイポーラプレートを形成するステップとを含む。
【００１２】
本発明の利用可能性のさらなる領域は、以下で提供される詳細な説明から明らかになるであろう。詳細な説明および具体的な例は、本発明の好ましい実施形態を示してはいるが、例示を目的としているに過ぎず、本発明の範囲を限定することは意図していないことを理解されたい。
【００１３】
本発明は、詳細な説明および添付の図面からより完全に理解されるようになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
好ましい実施形態についての以下の説明は、本質的に例示的なものに過ぎず、本発明、その用途、または使用法を限定する意図は決してない。
本発明は、少なくとも１つの金属バイポーラプレートを有するＰＥＭ燃料電池に関し、金属バイポーラプレートは、２枚の個々のプレートから作成され、１対のＭＥＡの間に配置される。個々のプレートの各々は、燃料電池の腐食環境とのプレート表面の接触を制限する導電保護被覆を有する。２枚の被覆個別プレートは、溶接領域に隣接する被覆の除去を引き起こすレーザ溶接によって互いに接合される。望ましければ、第２の被覆が、溶接領域に施され得る。
【００１５】
本発明のより良い理解を得るため、本発明が利用され得る例示的な燃料電池が、図１に示されており、図１は、導電性流体冷却バイポーラセパレータプレート導電要素２４によって互いに隔てられた１対の膜電極接合体（ＭＥＡ）２０、２２を有するスタックを形成するために接続された２つの個別プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池を示している。スタック内で直列接続されていない個々の燃料電池は、単一の電気的活性面を有するセパレータプレート２４を有する。スタック内では、好ましいバイポーラセパレータプレート２４は、スタック内では２つの電気的活性面２６、２８を有し、各活性面２６、２８は、それぞれ、分離された反対電荷を帯びて別個のＭＥＡ２０、２２に面し、それ故、いわゆる「バイポーラ」プレートと呼ばれる。
【００１６】
ＭＥＡ２０、２２およびバイポーラプレート２４は、アルミニウム製固定終端プレート３０、３２と終端接触流体分配要素３４、３６との間に一緒に積層される。終端流体分配要素３４、３６、およびバイポーラプレート２４の両作用面またはサイド２６、２８は、燃料および酸化剤ガス（すなわち、Ｈ２およびＯ２）をＭＥＡ２０、２２に分配するため、活性面３８、４０、２６、２８、４２、および４４上に、溝またはチャネルと隣り合う複数のランドを含む。非導電ガスケットまたはシール４８、５０、５２、５４、５６、および５８は、燃料電池スタックのいくつかの構成要素の間に、シールおよび電気絶縁を提供する。通気性導電拡散媒体６０、６２、６４、および６６は、ＭＥＡ２０、２２の電極面に押し付けられる。追加層である導電媒体６８、７０が、終端接触流体分配要素３４、３６と終端集電プレート３０、３２との間に位置付けられ、通常動作状態中にスタックが圧縮されたときに、それらの間に伝導通路を提供する。終端接触流体分配要素３４、３６は、それぞれ、拡散媒体６０、６８、および６６、７０に押し付けられる。
【００１７】
燃料電池スタックのカソード側に貯蔵タンクまたは圧縮器７２から適切な供給管７４を介して酸素が供給され、燃料電池スタックのアノード側に貯蔵タンク７６から適切な供給管７８を介して水素が供給される。代替として、カソード側に外界から空気が供給され、アノードにメタノールまたはガソリン改質器などから水素が供給される。ＭＥＡのＨ２側およびＯ２／空気側の両方のために排気管８０も提供される。追加の配管８２が提供され、冷却剤を貯蔵領域８４からバイポーラプレート２４および終端プレート３４、３６を通って出口管８６へと循環させる。
【００１８】
図２は、第１の外部金属薄板９０と、第２の外部金属薄板９２と、第１の金属薄板９０と第２の金属薄板９２の間に配置される内部スペーサ金属薄板９４とを含むバイポーラプレート８８の等角分解図である。外部金属薄板９０、９２は、できるだけ薄く作成され（例えば、厚さ約０．０５〜０．５ｍｍ（０．００２〜０．０２インチ））、スタンピング、電気鋳造、または薄板金属を成形するためのその他の任意の従来方法によって形成され得る。外部薄板９０は、膜電極接合体（図示されず）に対面するその外側に第１の作用面９６を有し、燃料電池の反応ガス（すなわち、Ｈ２またはＯ２）がバイポーラプレートの一方の側１０２から他方の側１０４へ蛇行経路をなして流れる「流れ場」として知られる複数の溝１００をその間に定める複数のランド９８を提供するように形成される。燃料電池が完全に組み立てられたとき、ランド９８は、（図１の６２または６４など）炭素／黒鉛紙に押し付けられ、その炭素／黒鉛紙は、（それぞれ図１の２０または２２など）ＭＥＡに押し付けられる。作図の簡略化のため、図２は、ランド９８と溝１００の２つの配列だけを示している。現実には、ランドおよび溝９８、１００は、炭素／黒鉛紙と係わり合う金属薄板９０、９２の外面全体を覆う。反応ガスが、燃料電池の一方の側１０２に沿って置かれたヘッダまたはマニホールド溝１０６から溝１００に供給され、燃料電池の他方の側１０４に隣接して置かれた別のヘッダ／マニホールド溝１０８を介して溝１００から出て行く。
【００１９】
図３に最も良く示されるように、薄板９０の下側は、燃料電池の動作中に冷却剤が通過する複数のチャネル１１２をその間に定める複数の畝１１０を含む。図３に示されるように、冷却剤チャネル１１２は、各ランド９８の下に重なり、反応ガス溝１００は、各畝１１０の下に重なる。代替として、薄板９０は、フラットであることができ、流れ場は、金属の別個の薄板で形成される。金属薄板９２は、薄板９０と同様である。図２には、薄板９２の内側面１１４（すなわち、冷却剤側）が示されている。
【００２０】
この点で、冷却剤がバイポーラプレートの一方の側１２０から他方１２２に流れる複数のチャネル１１８をその間に定める複数の畝１１６が示されている。薄板９０と同様、図３に最も良く示されるように、薄板９２の外側面は、反応ガスが通過する複数の溝１２８を定める複数のランド１２６をその上に有する作用面１２４を有する。内部金属スペーサ薄板９４は、外部薄板９０、９２の間に位置付けられ、複数の開口１３０をその中に含み、複数の開口１３０は、薄板９２のチャネル１１８と薄板９０のチャネル１１２の間を冷却剤が流れることを可能にし、それによって、層流境界層を壊し、外部薄板９０、９２それぞれの内側面１４２、１４４との熱交換を向上させる乱流をもたらす
スペーサ薄板９４は、第１の薄板９０と第２の薄板９２の間に位置付けられ、第１の薄板９０上の畝１１０と第２の薄板９２上の畝１１６は、（例えば、図４に示されるろう付けまたは接着剤などの接着層１３６によって）スペーサ薄板９４に結合される。当業者であれば理解されるように、本発明の集電板は、例えば、流れ場の形状、流体送出マニホールドの数、および冷却剤循環システムなどの設計において、上で説明されたものとは異なることができるが、集電板の表面および本体を通る電流の導電率の関数は、すべての設計で同様に振舞う。
【００２１】
ステンレス鋼は、一般に、最少で９％のクロムを含む鉄−クロム合金として定義される。その他の第二鉄、マルテンサイト、またはオーステナイト合金が、ＰＥＭ燃料電池で使用されることが企図されている。クロム（すなわち少なくとも１６重量％）、ニッケル（すなわち少なくとも１０重量％）、およびモリブデン（すなわち少なくとも３重量％）が豊富なステンレス鋼は、それらの相対的に高いバルク導電性および表面の不活性化（すなわち、金属酸化物）層によって提供される耐食性のため、燃料電池内で使用するのに特に望ましい金属である。燃料電池スタックの容積および重量電力密度を増大させるために、薄いステンレス鋼プレートが使用され得る。さらに、ステンレス鋼材料は、その他の多くの代替導電性金属よりも相対的に高い強度、物理的耐久性、および保護被覆による接着性を有し、また廉価である。しかし、表面の酸化物層は、基板の電気接触抵抗を増大させ、それが、電気接触要素または集電板としてのその独立使用を以前は妨げていた。さらに、その他の多くの相対的に軽量の金属（例えば、アルミニウムおよびマグネシウム）は、腐食攻撃を受けやすく、そのような腐食感受性および同様の酸化傾向に鑑みて、様々な保護被覆が、金属基板のために使用される。
【００２２】
したがって、腐食を受けやすい金属から作成される導電要素または集電板は、低い接触抵抗と、腐食および酸化攻撃に耐える能力とを与えるように処理される。そのような処理は、以前は燃料電池で実際に使用するには電気接触抵抗があまりにも高かったステンレス鋼などの金属の使用を可能にする。したがって、好ましい実施形態にとって、金属基板は、鉄、クロム、ニッケル、およびモリブデンを含む合金である、例えば、３１６Ｌ（ＵＮＳ  Ｓ３１６０３）などのステンレス鋼である。導電要素は、好ましくは、それを腐食因子から物理的に保護して、金属基板の表面における不活性化層の再形成を防止することによって、さらなる腐食／不活性化から保護される。図４に示されるように、導電要素（例えば、バイポーラプレート８８）は、第１の薄板９０の第１の面９６および第２の薄板９２の第２の面１２４の両面について金属基板１４０を覆う保護被覆１３８を有する。さらに、保護被覆１３８は、冷却剤による腐食酸化攻撃から基板１４０を保護するため、第１の薄板９０の内部の第１の面１４２および第２の薄板９２の第２の面１４４にも施される。実用上の観点からは、ステンレス鋼またはチタンが利用される場合、バイポーラプレートの内部または冷却剤通路を被覆する必要はない。保護被覆１３８は、処理環境および燃料電池自体に広く存在する腐食因子から導電要素を隔離するための実用的な方法である。したがって、金属と反応して各面を非活動化／不活性化する腐食因子から、下にある金属基板１４０が保護されるように、保護被覆１３８が、導電要素８８の伝導領域および腐食を受けやすい領域（例えば、面９６、１２４、１４２、１４４）に施されるのが好ましい。したがって、選択領域は、導電要素を横切る伝導通路を形成する伝導領域のみを含むことができ、またはそのような領域は、基板の全表面と一致することができる。
【００２３】
保護被覆１３８は、本発明の譲受人に譲渡された、「Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｔ  ＰＥＭ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ」と題する米国特許第６３７２３７６号に開示されているような様々な形態をとることができ、同特許の開示は、参照により本明細書に組み込まれる。保護被覆１３８は、好ましくは、下にある金属基板１４０を腐食因子への暴露から保護する耐食導電被覆である。より具体的には、保護被覆１３８は、好ましくは、約５０オーム−ｃｍ２（Ω−ｃｍ２）より小さい界面電気接触抵抗を有し、耐酸性抗酸化ポリマーマトリックスの全体に拡散された複数の（すなわち約５０ミクロンまたは約５０ミクロン未満程度の）抗酸化酸不溶導電粒子を含み、ポリマーは、粒子を一緒に結合し、金属基板１４０の表面にそれらを保持する。被覆は、たかだか約５０オーム−ｃｍ２の全界面電気接触抵抗を生み出すために十分な導電性充填粒子を含み、被覆の組成、抵抗率、および結着性に応じて、約２ミクロンから約７５ミクロン、好ましくは、２から３０ミクロンの間の厚みを有する。スタック内における抵抗損を最小化するには、より薄い被覆（すなわち、約１５〜２５ミクロン）が最も好ましい。腐食因子の浸透から下にある金属基板１４０の表面を保護するには、不浸透性の保護被覆１３８が好ましい。
【００２４】
好ましくは、導電性充填粒子は、金、白金、黒鉛、炭素、ニッケル、導電性ホウ化、窒化、および炭化金属（例えば、窒化チタン、炭化チタン、二ホウ化チタン）、クロムおよび／またはパラジウム混合チタン、ニオビウム、ロジウム、希土類金属、ならびにその他の貴金属からなる群から選択される。最も好ましくは、粒子は、炭素または黒鉛（すなわち、六方晶炭素）を含む。粒子は、粒子の密度および導電率に応じて、被覆の様々な重量パーセンテージを構成する（すなわち、導電率が高く、密度が低い粒子は、より低い重量パーセンテージで使用され得る）。炭素／黒鉛含有被覆は、典型的には、２５重量パーセントの炭素／黒鉛粒子を含む。ポリマーマトリックスは、薄い接着性薄膜に形成され得る、燃料電池の悪条件の酸化および酸環境に耐え得る任意のポリマーを含む。したがって、とりわけ、エポキシ、シリコーン、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリフェノール、フルロエラストマ、ポリエステル、フェノキシフェノール、エポキシフェノール、アクリル、およびウレタンのようなポリマーが、有用であると見られている。熱硬化性および熱可塑性ポリマーの両方が、不浸透性被覆を生成するのに適している。
【００２５】
導電ポリマー被覆１３８は、基板金属１４０に直接施されることができ、その上で乾燥／硬化させることができる。被覆１３８は、様々な方法で施されることができ、そのような方法の例は、Ｆｒｏｎｋらの米国特許第６３７２３７６号に記載されており、（１）電気泳動法、（２）はけ塗り、吹き付け、もしくは塗布、または（３）貼り合わせを含むことができる。被覆は、コイル被覆など連続製造工程で使用するために適合され得る。
【００２６】
上で述べられたように、バイポーラプレート８８は、レーザ溶接などの集束放射を用いて薄板９０、９２の部分を互いに溶接することにより薄板９０、９２を互いに結合することによって作成される。例えば、バイポーラプレート８８のプレート９０の第１の面９６の平面図が、破線１５０によって示される一緒にレーザ溶接されるバイポーラプレート８８のいくつかの領域と共に図５に示されており、被覆１３８で覆われるバイポーラプレート８８の部分は、陰が付けられている。溶接線１５０は、バイポーラプレート８８を溶接するための可能な位置を表していること、バイポーラプレート８８を溶接する正確な位置は、薄板９０、９２の設計、およびバイポーラプレート８８を形成するスペーサ薄板９４などのその他の構成要素の追加に応じて変化することを理解されたい。
【００２７】
互いに溶接されるバイポーラプレート８８の領域１５０は、図６Ａに示されるバイポーラプレート８８の拡大部分など、被覆１３８で覆われる領域を含む。第１および第２の薄板９０、９２を互いに溶接するとき、集束放射が、集束放射と接触する第１および第２の薄板９０、９２の部分を溶融させる。集束放射が取り除かれると、第１および第２の薄板９０、９２の溶融部分は、凝固し、それによって、図６Ａおよび図６Ｂに示された融着部分１５４に示されるように、互いに融着される。加えて、図６Ｂから最も良く理解されるように、集束放射は、集束放射と直接接触する、バイポーラプレート８８の融着部分１５４に隣接した被覆１３８の部分の除去も行う。
【００２８】
バイポーラプレート８８の表面からの被覆１３８の除去は、以下の実施例１で説明されるように、第１および第２の薄板９０、９２の耐食性に著しい影響を与えない。すなわち、被覆１３８が有機被覆であり、バイポーラプレート８８がステンレス鋼薄板９０、９２から作成される場合、集束放射を用いて第１および第２の薄板９０、９２を互いに溶接している最中の、第１および第２の薄板９０、９２との被覆１３８の有機成分の接触は、ステンレス鋼薄板の耐食性に有害な影響を与える程度までステンレス鋼を過敏化しない。この能力は、第１および第２の薄板９０、９２が、互いに溶接されてバイポーラプレート８８を形成する前に、被覆１３８で覆われることを可能にする。この能力は、第１および第２の薄板９０、９２が、事前被覆されたストック金属ロールから形成され得るという著しい利点を提供する。言い換えると、第１および第２の薄板９０、９２がそれから形成されるストック金属は、コイル被覆などのストック金属材料の製造中またはその後のある時点で、被覆１３８によって覆われることができる。その後、第１および第２の薄板９０、９２は、ストック被覆薄板材料から、スタンピング、電気鋳造、または薄板金属を成形するためのその他の任意の従来方法などによって、経済的かつ連続的な方法で形成されることができ、その後、互いに隣り合わせて位置付けられ、バイポーラプレート８８を形成するために互いに溶接されることができる。したがって、本発明は、燃料電池で使用されるバイポーラプレートを製造する経済的かつ効率的な方法を企図している。
【００２９】
望ましければ、第１および第２の薄板９０、９２を互いに溶接した後、図７Ａに示されるように、第２の保護被覆１６０が、被覆１３８の除去領域上に施されることができる。図７Ｂに示されるような第２の被覆１６０の適用は、薄板９０、９２の融着部分１５４が第２の保護被覆１６０によって覆われ、保護されるようにする。第２の保護被覆１６０は、様々な方法で施され得る。例えば、第２の保護被覆１６０は、示されたような吹き付け、はけ塗り、または塗布によって施され得る。好ましくは、第２の被覆１６０は、被覆１３８と同じである。しかし、第２の被覆１６０は、被覆１３８で使用されたものとは異なる保護被覆であり得ることを理解されたい。さらに、望ましければ、第２の被覆１６０は、バイポーラプレート８８の溶接部分の離散した領域に選択的に施され得る。
【００３０】
バイポーラプレート８８を形成するための集束放射による第１および第２の薄板９０、９２の溶接は、様々な形態をとることができる。例えば、Ｎｄ−ＹＡＧまたはＣＯ２レーザなどのレーザ溶接が、第１および第２の薄板９０、９２を互いに溶接するために使用され得る。選択されるレーザの具体的なタイプは、第１および第２の薄板９０、９２を互いに溶接するのに必要とされるスペクトル範囲、エネルギー密度、およびビーム直径に依存する。加えて、バイポーラプレート８８を形成するとき、バイポーラプレート８８のその他の構成要素も、第１および第２の薄板９０、９２と一緒に溶接されることができる。例えば、スペーサ薄板９４の部分が、第１および第２の薄板９０、９２が互いに溶接される領域内に存在することができ、集束放射ビームによって溶融され、バイポーラプレート８８の融着部分の一部を形成することができる。第１および第２の薄板９０、９２と一緒に溶接されるバイポーラプレート８８のその他の構成要素は、スペーサ薄板９４に限定されない。その他の構成要素は、バイポーラプレート８８の内部または外部に固定的に結合されることが必要とされ得るセンサ、バルブのような物を含むことができる。隣り合うバイポーラプレート８８をその間に配置されるＭＥＡを介して互いに溶接することすら可能なことがある。
【実施例１】
【００３１】
導電炭素被覆ステンレス鋼プレートへの様々なレーザ溶接が、ＡＳＴＭ標準による断面検査およびシュウ酸エッチングによって、ならびにウッドコック腐食試験によって試験された。断面検査は、ステンレス鋼プレートで生じる過敏化の証拠を示さなかった。ウッドコック腐食試験では、溶接への攻撃がいくつか行われたが、ステンレス鋼プレートで生じる有害な過敏化の証拠を示さなかった。ステンレス鋼プレートの試験の詳細が、以下の表に示されている。
【００３２】
【表１】
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【００３３】
したがって、本発明は、後に互いに溶接されてバイポーラプレートを形成する薄板を事前被覆されたストック材料を使用して形成することによって、バイポーラプレート８８が経済的かつ効率的に生産されることを可能にする。溶接前の薄膜上における被覆の存在は、十分なレベルの耐食性を維持する薄板の能力に影響を与えない。被覆は、有機および／または無機であることができ、薄板は、ステンレス鋼および上で説明されたような様々なその他の材料を含むことができる。加えて、被覆は、プレート９０、９２の外側面（電流伝導面）だけに配置されることができ、かつ／またはプレートの内側面および外側面の両方に配置されることができる。加えて、様々な被覆が施された３以上の層または金属プレートが、本発明の原理に従って、一緒に溶接されることができる。加えて、シールまたはガスケット（図示されず）が、溶接領域の上のバイポーラプレートの１つまたは複数の面に位置付けられ、接着剤またはオーバモールディングによってプレートに結合されることができる。
【００３４】
したがって、本発明の説明は、本質的に例示的なものに過ぎず、本発明の主旨から逸脱しない変形は、本発明の範囲内にあることが意図されている。そのような変形は、本発明の主旨および範囲からの逸脱と見なされるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】（２つのセルのみが示された）流体冷却ＰＥＭ燃料電池スタックの概略分解等角図である。
【図２】図１に示されたようなＰＥＭ燃料電池スタックで有用なバイポーラプレートの分解等角図である。
【図３】図２の３−３方向における部分断面図である。
【図４】図３のバイポーラプレートの拡大部分の図である。
【図５】いくつかの溶接領域が示された図２のバイポーラプレートの平面図である。
【図６】図６Ａは図５のバイポーラプレートのレーザ溶接領域のクローズアップの図である。
【００３６】
図６Ｂは線６Ｂ−６Ｂに沿った図６Ａのバイポーラプレートのレーザ溶接領域の断面図である。
【図７】図７Ａはレーザ溶接領域上への第２の被覆の適用を示した図６Ａのレーザ溶接領域のクローズアップの図である。
【００３７】
図７Ｂは線７Ｂ−７Ｂに沿った図７Ａの再被覆レーザ溶接領域の断面図である。
【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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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【国際調査報告】
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