(57)【要約】【課題】ハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリ及びこれを組み込んだデバイスを提供する。【解決手段】  ハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリは、金属製のアノードプレートと、ポリマー複合材料製のカソードプレートと、金属製のアノードプレートと複合材料製のカソードプレートとの間に位置決めされた一つの金属層を含む。金属製のアノードプレート及び複合材料製のカソードプレートは、クーラントの漏出を阻止するために外周に亘って適用された接着剤シーラントをさらに含んでいてもよい。アッセンブリは、燃料電池を備えたデバイスに組み込まれてもよい。さらに、デバイスは、燃料電池によって電力が提供される車輛を形成する構造を形成してもよい。【選択図】  図１
2007536705.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリにおいて、
金属製のアノードプレートと、
ポリマー材料を含む複合材料製のカソードプレートと、
前記金属製のアノードプレートと、前記複合材料製のカソードプレートとの間に位置決めされた第１層とを備え、
前記第１層は、金、銀、及びこれらの各々の合金のうちの少なくとも一つを含む、ハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリ。
【請求項２】
請求項１に記載のハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリにおいて、
前記金属製のアノードプレートは、耐蝕性の鉄−クロム合金材料を含む、ハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリ。
【請求項３】
請求項１に記載のハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリにおいて、
前記ポリマー材料は、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、又はこれらの組み合わせを含む、ハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリ。
【請求項４】
請求項３に記載のハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリにおいて、
前記熱硬化性樹脂は、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂、尿素樹脂、ビニルエステル樹脂、ポリエステル樹脂、及びこれらの組み合わせのうちの少なくとも一つを含む、ハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリ。
【請求項５】
請求項３に記載のハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリにおいて、
前記熱可塑性樹脂は、スチレン樹脂、アクリル樹脂、セルロース樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、液晶ポリマー樹脂、ビニル樹脂、ナイロン樹脂、フルオロカーボン樹脂、ポリフェニレンスルフィド樹脂、及びこれらの組み合わせのうちの少なくとも一つを含む、ハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリ。
【請求項６】
請求項１に記載のハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリにおいて、
前記複合材料製のカソードプレートは、約１０重量％乃至約９０重量％のグラファイト粉末を含む、ハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリ。
【請求項７】
請求項６に記載のハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリにおいて、
前記グラファイト粉末は、合成グラファイト、天然グラファイト、及びこれらの組み合わせのうちの少なくとも一つを含む、ハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリ。
【請求項８】
請求項１に記載のハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリにおいて、
前記金属製のアノードプレートは、逆方向に向いた第１及び第２の主面を前記金属製のアノードプレートの両側に形成し、前記第１層は、前記金属製のアノードプレートの前記第１及び第２の主面のうちの少なくとも一方と係合する、ハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリ。
【請求項９】
請求項８に記載のハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリにおいて、
前記複合材料製のカソードプレートは、前記第１層と係合する、ハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリ。
【請求項１０】
請求項１に記載のハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリにおいて、
前記金属製のアノードプレートは、一つ又はそれ以上のアノードチャンネルを備え、該アノードチャンネルは、Ｈ２ガスを通すように形成されている、ハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリ。
【請求項１１】
請求項１に記載のハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリにおいて、
前記複合材料製のカソードプレートは、一つ又はそれ以上のカソードチャンネルを備え、該カソードチャンネルは、Ｏ２ガス又は空気を通すように形成されている、ハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリ。
【請求項１２】
請求項１に記載のハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリにおいて、
前記金属製のアノードプレート及び前記複合材料製のカソードプレートは、液体を通すための一つ又はそれ以上のクーラントチャンネルを各々備えている、ハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリ。
【請求項１３】
請求項１に記載のハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリにおいて、
前記金属製のアノードプレート及び前記複合材料製のカソードプレートは、所定のウェブの厚さを各々形成し、前記金属製のアノードプレートの前記ウェブの厚さは、前記複合材料製のカソードプレートの前記ウェブの厚さよりも小さい、ハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリ。
【請求項１４】
請求項１３に記載のハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリにおいて、
前記金属製のアノードプレートの前記ウェブの厚さは、約０．１ｍｍ乃至約０．１５ｍｍである、ハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリ。
【請求項１５】
請求項１３に記載のハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリにおいて、
前記複合材料製のカソードプレートの前記ウェブの厚さは、約０．３ｍｍ乃至約０．８ｍｍである、ハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリ。
【請求項１６】
請求項１に記載のハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリにおいて、
前記第１層の厚さは、約２ｎｍ乃至約５０ｎｍである、ハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリ。
【請求項１７】
請求項１に記載のハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリにおいて、さらに、
前記金属製のアノードプレート及び前記複合材料製のカソードプレートを、前記ハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリの外周に亘ってシールするように形成された接着剤を備えている、ハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリ。
【請求項１８】
請求項１７に記載のハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリにおいて、
前記接着剤は、前記金属製のアノードプレートと前記複合材料製のカソードプレートとの間からクーラントが漏出しないように形成されている、ハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリ。
【請求項１９】
請求項１７に記載のハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリにおいて、
前記接着剤は、非導電性である、ハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリ。
【請求項２０】
請求項１７に記載のハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリにおいて、
前記接着剤は導電性である、ハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリ。
【請求項２１】
請求項１７に記載のハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリにおいて、
前記接着剤は、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、及びこれらの組み合わせのうちの少なくとも一つを含む、ハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリ。
【請求項２２】
請求項１に記載のハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリにおいて、さらに、
前記金属製のアノードプレートと前記複合材料製のカソードプレートとの間からクーラントが漏出しないように形成されたガスケットを備えている、ハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリ。
【請求項２３】
逆方向に向いたカソード面及びアノード面をその両側に形成する、ポリマー膜と、
逆方向に向いた内側面及び外側面をその両側に形成する、第１の触媒層であって、前記内側面が、前記ポリマー膜の前記カソード面と係合する、第１の触媒層と、
逆方向に向いた内側面及び外側面をその両側に形成する、第２の触媒層であって、前記内側面が、前記ポリマー膜の前記アノード面と係合する、第２の触媒層と、
逆方向に向いた内側面及び外側面をその両側に形成する、第１のガス拡散媒体層であって、前記内側面が、前記第１の触媒層の前記外側面と係合する、第１のガス拡散媒体層と、
逆方向に向いた内側面及び外側面をその両側に形成する、第２のガス拡散媒体層であって、前記内側面が、前記第２の触媒層の前記外側面と係合する、第２のガス拡散媒体層と、
前記第１及び第２のガス拡散媒体層のうちの少なくとも一つと係合する少なくとも一つのハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリとを含み、該ハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリは、
逆方向に向いた第１及び第２の主面をその両側に形成する、金属製のアノードプレートと、
ポリマー材料を含む複合材料製のカソードプレートと、
金、銀、及びこれらの各々の合金のうちの少なくとも一つを含む層とを備え、該層は、前記金属製のアノードプレートの前記第１及び第２の主面のうちの少なくとも一つと係合する、デバイス。
【請求項２４】
請求項２３に記載のデバイスにおいて、
前記デバイスは、燃料電池を備えている、デバイス。
【請求項２５】
請求項２４に記載のデバイスにおいて、さらに、
前記燃料電池によって電力が提供される車輛を形成する構造を含む、デバイス。
【請求項２６】
ハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリにおいて、
耐蝕性の鉄−クロム合金材料を含む、金属製のアノードプレートと、
複合材料製のカソードプレートとを含み、
前記複合材料製のカソードプレートは、
約１０重量％乃至約９０重量％のグラファイト粉末と、
熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、又はこれらの組み合わせから選択されたポリマー材料を含み、
前記熱硬化性樹脂は、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂、尿素樹脂、ビニルエステル樹脂、液晶ポリマー樹脂、及びこれらの組み合わせのうちの少なくとも一つを含み、
前記熱可塑性樹脂は、スチレン樹脂、アクリル樹脂、セルロース樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、液晶ポリマー樹脂、ビニル樹脂、ナイロン樹脂、フルオロカーボン樹脂、ポリフェニレンスルフィド樹脂、及びこれらの組み合わせのうちの少なくとも一つを含み、
前記金属製のアノードプレートのウェブの厚さは、前記複合材料製のカソードプレートのウェブの厚さよりも小さく、
前記金属製のアノードプレートと前記複合材料製のカソードプレートとの間に位置決めされた、金、銀、及びこれらの各々の合金のうちの少なくとも一つを含む一つの層と、
前記金属製のアノードプレート及び前記複合材料製のカソードプレートを、前記ハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリの外周に亘ってシールするように形成された接着剤とを備えており、前記接着剤は、前記金属製のアノードプレートと前記複合材料製のカソードプレートとの間からクーラントが漏出しないように形成されている、ハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリ。
【請求項２７】
ハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリにおいて、
第１層及び第２層を備えたアノードプレートを含み、前記第１層は第１の金属を含み、前記第２層は第２の金属を含み、前記第２層は、クーラントが存在する状態で化学的に安定している、ハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリ。
【請求項２８】
請求項２７に記載のハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリにおいて、さらに、
複合材料製のカソードプレートを備えている、ハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリ。
【請求項２９】
請求項２７に記載のハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリにおいて、
前記アノードプレートは、前記第１層上に酸化物が実質的にない、ハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリ。
【請求項３０】
請求項２９に記載のハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリにおいて、
前記アノードプレートは、クーラント面を備え、前記第１の金属は、鉄及びクロムを含み、前記クーラント面からクロムの酸化物が実質的に除去してある、ハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリ。
【請求項３１】
請求項３０に記載のハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリにおいて、
前記第２の金属は、金、銀、及びこれらの各々の合金のうちの少なくとも一つを含む、ハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
バイポーラプレートを備えた燃料電池システムは周知である。
【背景技術】
【０００２】
例えば陽子交換膜（ＰＥＭ）型燃料電池等の燃料電池は、水素の酸化及び酸素の還元によって電気エネルギを発生する。これらの触媒反応の副生物は水である。代表的な電池はポリマー膜（例えば陽子交換膜）を備えており、この膜は、一対のガス拡散媒体及び触媒層と隣接してこれらの間に位置決めされる。カソードプレート及びアノードプレートは、ガス拡散媒体と隣接して最も外側に位置決めされる。以上の構成要素をきつく圧縮し、燃料電池ユニットを形成する。
【０００３】
単一の燃料電池ユニットが提供する電圧は、代表的には、有用な用途については小さ過ぎる。従って、代表的には、複数の燃料電池を配置し、連続的に「スタック」の形態で接続し、電気化学的変換アッセンブリ即ち燃料電池の電気出力を増大する。この構成では、二つの隣接した燃料電池ユニットが共通のポーラプレートを共有する。このポーラプレートは、このプレートが直列に接続する二つの隣接した燃料電池ユニットに対してアノード及びカソードとして役立つ。このようなポーラプレートは、一般的には、「バイポーラプレート」と呼ばれる。
【０００４】
燃料電池用のバイポーラプレートは、現在の製造上の仕様に従って、電気化学的に安定していなければならず、導電性でなければならず、そして安価でなければならない。金属製のバイポーラプレート及びポリマー製の（複合材料製の）バイポーラプレートの両方がこれらの基準を満たす。しかしながら、複合材料製のプレートは、水素に対して透過性であり、これにより、性能及び効率が大幅に低下する場合がある。このように水素が複合材料製のプレートを透過してしまうと、クーラントループ内に水素が存在するようになり、そのため、水素をベント除去することが必要とされる。これは、実際的ではない。その理由は、クーラントループをベントすると、クーラントが気化してしまうためである。
【０００５】
複合材料製のプレートとは異なり、金属製のプレートは、分子状の水素に対して実質的に不透過性である。しかしながら、金属製のプレートは、複合材料製のプレートと比較して、複合材料製のプレートよりも高価であり、代表的には、性能が低い燃料電池と関連する。「性能が低い燃料電池」という用語は、燃料電池スタック内の、残りの燃料電池よりも高い抵抗を示す、例えば約２００ｍΩ−ｃｍ2 乃至約２５０ｍΩ−ｃｍ2 等の抵抗を示す、燃料電池のことを意味する。任意の特定の理論に限定しようとするものではないが、金属製のバイポーラプレートの低い性能は、水管理と関連していると考えられ、さらに詳細には、水が発生する、燃料電池のカソード側での水管理と関連していると考えられる。従って、燃料電池スタック用のバイポーラプレートの設計を改良する必要があると考えられている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、金属材料及び複合材料の両方の有用な性質を結合した、燃料電池で使用するためのハイブリッド型のバイポーラプレートアノードを提供することによって、この必要を満たすものである。本発明は、特定の利点及び機能に限定されないけれども、ハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリは、プレート間で水素が透過しないようにし、水素がプレートを通ってクーラントに透過しないようにする。ハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリは、燃料電池スタックの性能、効率、及び耐久性を高める。さらに、本発明は、環境への水素の漏れをなくし、使用されるステンレス鋼を代表的な金属製のバイポーラプレートよりも少なくすることによって、費用の低減を可能にする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一つの実施例によれば、ハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリにおいて、金属製のアノードプレートと、ポリマー複合材料製のカソードプレートと、金属製のアノードプレートと、複合材料製のカソードプレートとの間に位置決めされた、金、銀、及びこれらの各々の合金のうちの少なくとも一つを含む第１層とを備えた、ハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリが提供される。
【０００８】
本発明の別の実施例によれば、ポリマー膜と、第１及び第２の触媒層と、第１及び第２のガス拡散媒体層と、少なくとも一つのハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリとを含む、デバイスが提供される。ポリマー膜は、この膜の両側に、逆方向に向いたカソード面及びアノード面を形成する。第１及び第２の触媒層は、触媒の両側に、逆方向に向いた内側面及び外側面を形成する。第１の触媒層の内側面は、ポリマー膜のカソード面と係合し、第２の触媒層の内側面は、ポリマー膜のアノード面と係合する。第１及び第２のガス拡散媒体層は、ガス拡散媒体の両側に、逆方向に向いた内側面及び外側面を形成する。第１のガス拡散媒体層の内側面は、第１の触媒層の外側面と係合し、第２のガス拡散媒体層の内側面は、第２の触媒層の外側面と係合する。ハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリは、第１及び第２のガス拡散媒体層のうちの少なくとも一つと係合する。さらに、ハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリは、金属製のアノードプレートと、複合材料製のカソードプレートと、金、銀、及びこれらの各々の合金のうちの少なくとも一つを含む、一つの層とを備えている。金属製のアノードプレートは、金属製のアノードプレートの両側に、逆方向に向いた第１及び第２の主面を形成し、複合材料製のカソードプレートは、ポリマー材料を含む。金、銀、及びこれらの各々の合金のうちの少なくとも一つを含む層は、金属製のアノードプレートの第１及び第２の主面のうちの少なくとも一つと係合する。このデバイスは、燃料電池を備えていてもよく、デバイスは、さらに、燃料電池によって電力が提供される車輛を形成する構造を備えていてもよい。
【０００９】
本発明のさらに別の実施例によれば、ハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリにおいて、金属製のアノードプレートと、複合材料製のカソードプレートと、金属製のアノードプレートと複合材料製のカソードプレートとの間に位置決めされた、金、銀、及びこれらの各々の合金のうちの少なくとも一つを含む一つの層と、接着剤とを備えた、ハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリが提供される。金属製のアノードプレートは、耐蝕性の鉄−クロム合金材料を含み、複合材料製のカソードプレートは、ポリマー材料及び約１０重量％乃至約９０重量％のグラファイト粉末を含む。ポリマー材料は、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、又はこれらの組み合わせから選択できる。熱硬化性樹脂は、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂、尿素樹脂、ビニルエステル樹脂、液晶ポリマー樹脂、及びこれらの組み合わせのうちの少なくとも一つを含んでもよい。さらに、熱可塑性樹脂は、スチレン樹脂、アクリル樹脂、セルロース樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、液晶ポリマー樹脂、ビニル樹脂、ナイロン樹脂、フルオロカーボン樹脂、ポリフェニレンスルフィド樹脂、及びこれらの組み合わせのうちの少なくとも一つを含んでもよい。さらに、金属製のアノードプレートのウェブの厚さは、複合材料製のカソードプレートのウェブの厚さよりも小さい。接着剤は、金属製のアノードプレートと複合材料製のカソードプレートとの間からクーラントが漏出しないように、金属製のアノードプレート及び複合材料製のカソードプレートを、ハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリの外周に亘ってシールするように形成されている。随意であるが、ハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリは、金属製のアノードプレートと複合材料製のカソードプレートとの間からクーラントが漏出しないように形成されたガスケットを備えていてもよい。
【００１０】
本発明のさらに別の実施例によれば、ハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリにおいて、第１層及び第２層を持つアノードプレートを備えた、ハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリが提供される。第１層は、第１の金属を含み、第２層は、第２の金属を含み、第２層は、クーラントが存在する状態で化学的に安定している。ハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリは、さらに、複合材料製のカソードプレートを含んでいてもよく、アノードプレートは、第１層上に酸化物が実質的にない。アノードプレートは、クーラント面を備えていてもよく、第１の金属は、鉄及びクロムを含んでもよく、クーラント面からクロムの酸化物が実質的に除去してある。第２の金属は、金、銀、及びこれらの各々の合金のうちの少なくとも一つを含んでいてもよい。
【００１１】
本発明のこれらの及び他の特徴及び利点は、本発明の以下の詳細な説明を添付図面を参照して読むことにより、さらに完全に理解されるであろう。特許請求の範囲は、その内容によって定義されるのであって、本明細書中に記載した特徴及び利点の特定の議論によって定義されるのではない。
【００１２】
本発明の実施例の以下の詳細な説明は、同様の構造に同じ参照番号を付した添付図面をと関連して読んだとき、最もよく理解できる。
添付図面のエレメントは、簡略化及び明瞭化を図るために示してあり、必ずしも縮尺通りではないということは、当業者には理解されよう。例えば、本発明の実施例をさらによく理解することを補助するため、添付図面のエレメントのうちの幾つかの寸法は、他のエレメントに対して誇張してある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の一実施例によれば、ハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリ１が提供される。このハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリ１は、電気化学的変換アッセンブリ（例えば燃料電池）で使用できる。ハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリ１は、金属製のアノードプレート２と、複合材料製のカソードプレート４と、金属製のアノードプレート２と複合材料製のカソードプレート４との間に位置決めされた第１層３とを含む。このハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリ１を、図１、図２、及び図３に示す。第１層３は、金、銀、及びこれらの各々の合金のうちの少なくとも一つで形成できる。金属及び複合材料の両方の有用な性質を使用することによって、ハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリ１は、全体が金属材料又は複合材料のいずれかで形成された従来のバイポーラプレートで代表的な欠点の多くに対処する。さらに詳細には、本発明のハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリ１は、金属製のプレートによって提供される、機械的強度が高く且つ厚さが小さいという利点を持ち、複合材料製のプレートによって提供される、金属製のプレートと比較して水管理性が改善されるという利点を備えている。さらに、複合材料製のバイポーラプレートとは異なり、金属製のプレートは、分子状態の水素に対して不透過性であり、及び従って、水素がクーラントループに入り込むことができないようにする。水素がクーラントループに入り込むと、燃料電池の性能及び効率が大幅に低下する。
【００１４】
金属製のアノードプレート２は、耐蝕性の鉄−クロム合金材料（例えばステンレス鋼）でできていてもよく、複合材料製のカソードプレート４は、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、又はこれらの組み合わせ等のポリマー材料で形成されていてもよい。熱硬化性樹脂は、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂、尿素樹脂、ビニルエステル樹脂、ポリエステル樹脂、及びこれらの組み合わせから選択でき、熱可塑性樹脂は、スチレン樹脂、アクリル樹脂、セルロース樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、液晶ポリマー（ポリエステル）樹脂、ビニル樹脂、ナイロン樹脂、フルオロカーボン樹脂、ポリフェニレンスルフィド樹脂、及びこれらの組み合わせから選択できる。代表的には、複合材料製のカソードプレート４は、グラファイト粉末を約１０重量％乃至約９０重量％含む。グラファイト粉末は、合成グラファイト、天然グラファイト、又はこれらの組み合わせから選択できる。グラファイトは、複合材料製のカソードプレート４の導電性を高める。
【００１５】
図１は、本発明の一実施例によるハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリ１の分解図である。このアッセンブリ１は、蛇行した複数のガス流チャンネル２０を備えていることを特徴とする反応体ガス流れ場を提供する。これらのチャンネル２０を通って、電気化学的変換アッセンブリの反応体ガス（即ちＨ２及びＯ２）が、曲がりくねった経路を、バイポーラプレートアッセンブリ１の一方の縁部２２の近くからその反対側の縁部２４の近くまで流れる。反応体ガスは、流れ場の一端にプレートアッセンブリ１の縁部２２と隣接して設けられたヘッダ即ち供給マニホールド溝２１からチャンネル２０に供給され、流れ場の他端にアッセンブリ１の反対側の縁部２４と隣接して設けられた排出マニホールド溝２３を介してチャンネル２０を出る。別の態様では、供給マニホールド２１及び排出マニホールド２３は、プレートアッセンブリ１の同じ縁部（即ち２２又は２４）と隣接して設けられていてもよい。
【００１６】
図２は、本発明に従ってスタックをなして配置された一対のハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリ１の断面図である。代表的には、図２に示すように、一対の拡散媒体層７間にこれらの層と隣接して位置決めされたＭＥＡ５が、一対のハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリ１の間で配向されている。これらのプレートには圧縮が加えられ、一つの完全な電池を形成する。ＭＥＡ５及び拡散媒体層７は、本発明の範囲から逸脱することなく、従来の形態、又は未だ開発されていない形態をとってもよい。ＭＥＡ５の特定の形態は本発明の範疇を越えるものであるけれども、ＭＥＡ５は、触媒電極層及びイオン交換膜の夫々を含んでいてもよい。金属製のアノードプレート２及び複合材料製のカソードプレート４の両方が複数のチャンネルを含んでおり、これらのチャンネルが一緒になって、通路、即ち「クーラントキャビティ」６を形成する。電気化学的変換アッセンブリの作動中、クーラントキャビティを通って液体クーラントが通過する。さらに、金属製のアノードプレート２及び複合材料製のカソードプレート４は、夫々、一つ又はそれ以上のアノードチャンネル８又はカソードチャンネル１０を備えている。アノードチャンネル８は、Ｈ２ガスを通すように形成されており、カソードチャンネル１０は、Ｏ２ガス又は空気を通すように形成されている。
【００１７】
本発明を任意の特定の製造方法に限定しようとするものではないが、アノードチャンネル８は、代表的には、型押しによって金属製のアノードプレート２に形成され、カソードチャンネル１０は、代表的には、型成形によって複合材料製のカソードプレート４に形成される。これらのチャンネル８、１０の深さは、実質的に同じである。しかしながら、金属製のアノードプレート２及び複合材料製のカソードプレート４の各々は、所定のウェブ厚さ（ｗｅｂ  ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ）を形成する。この厚さは、金属製のアノードプレート２及び複合材料製のカソードプレート４の機械的特性によって異なっていてもよい。「ウェブ厚さ」という用語は、ガスチャンネル（アノードチャンネル８又はカソードチャンネル１０）の下側と、クーラントキャビティ６を形成するクーラントチャンネルの内側との間のプレートの厚さを意味する（図２参照）。カソードプレート４を形成する複合材料は、代表的には、アノードプレート２の金属材料よりも比較的弱い。これは、少なくとも部分的には、カソードプレート４の導電性を高めるために複合材料に混入した大量のグラファイトのためである。このように、金属製のアノードプレート２は、ウェブ厚さが複合材料製のカソードプレート４よりも薄い。図３にさらに詳細に示すように、金属製のアノードプレート２のウェブ厚さａは、複合材料製のカソードプレート４のウェブ厚さｂよりも小さい。代表的には、金属製のアノードプレート２のウェブ厚さａは、約０．１ｍｍ乃至約０．１５ｍｍであり、複合材料製のカソードプレート４のウェブ厚さｂは、約０．３ｍｍ乃至約０．８ｍｍである。
【００１８】
本明細書中に記載したように、金属製のアノードプレート２は、分子状の水素に対して本質的に不透過性であるように形成されている。このように、水素燃料源はアノードチャンネル８内に維持され、クーラントキャビティ６にしみ込んだり大気中に漏出したりしない。これにより、水素をクーラントキャビティ６から排出する必要がないため、燃料電池の性能及び効率が向上する。水素がクーラントキャビティに入り込むと、クーラントを気化させてしまったり、電力を発生するための水素燃料が非効率的に使用されることになってしまう。さらに、カソードプレート４の製造で複合材料を使用することにより、全体が金属製の従来のバイポーラプレートアッセンブリよりも材料費が大幅に小さいけれども、金属材料の性質から得られる利点を備えたハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリ１が提供される。
【００１９】
本明細書中に記載したように、燃料電池アッセンブリ内で生じる触媒反応の副生物として水が発生する。水は、ガス分配チャンネルを通って燃料電池を出る。これにより、液体の水がガスチャンネルを「塞いでしまう」ため、反応体ガス（即ちＨ２及びＯ２）が反応のために触媒層に達することが物理的にできないという、質量輸送の問題が生じる。その結果、ガス分配チャンネルが水によって塞がれてしまった電池が発生する電圧は、燃料電池スタックの残りの電池よりもかなり低い。こうした塞がれてしまった電池の性能は、電気化学的変換アッセンブリ全体が故障するまで経時的に劣化する。個々の電池がバイポーラプレートによって直列に接続されているため、一つの電池がガス分配チャンネル内の水によって故障すると、燃料電池スタック全体が、最終的には、作動を停止する。この問題の頻度は、複合材料製のバイポーラプレートと比較して、金属製のバイポーラプレートで遙かに高い。これは、耐蝕性合金（例えば、ステンレス鋼）と関連した設計上の及びコーティング材料の制約のためである。
【００２０】
本発明によれば、ハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリ１により、電気化学的変換アッセンブリの、水が発生するカソード側で水管理を効果的に行うことができる。これは、複合材料製のカソードプレート４を使用することによって行われる。複合材料は、ガス拡散チャンネルの形状を注文通りに製作し、樹脂材料の性質（親水性及び疎水性）を注文通りに変化させる上で、比較的大きな設計上の自由度を提供する。これにより、水を、ガス拡散チャンネルから、コーティングを施したステンレス鋼製のプレートよりも効果的に且つ効率的に追い出すことができる。ステンレス鋼等の材料は、このような融通性を提供しない。従って、複合材料製のプレート４の性質は、複合材料を形成する上で使用されるバインダーを変えることによって容易に変化させることができる。これとは対照的に、型押しによって形成した金属製バイポーラプレートの形状は限られている。これは、金属材料が、チャンネル形状によっては、型押し中の大きな歪みにより裂けてしまうためである。
【００２１】
本発明によれば、ハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリ１は、さらに、金属製のアノードプレート２の片側又は両側に適用される金属又は合金製の層３を含んでいてもよい。金属又は合金製の層３は、クーラントと接触するように位置決めされる場合には、クーラントが存在する状態で科学的に安定していなければならない。金属又は合金についての適当な材料には、金、金合金、銀、及び銀合金が含まれるが、これらの材料に限定されない。図２及び図３に示す実施例では、金属又は合金製の層３は、金属製のアノードプレート２の両側に適用してある。金属又は合金製の層３は、代表的には純金であり、例えば電子ビーム蒸着又はスパッタリング等の物理蒸着プロセス、又は電気めっきプロセスを使用して金属製のアノードプレート２に適用される。金属又は合金製の層３の厚さは、代表的には、約２ｎｍ乃至約５０ｎｍである。
【００２２】
ステンレス鋼等の耐蝕性の鉄−クロム合金材料は、電気化学的変換アッセンブリでは、コーティングを施さない状態で使用することができない。これは、その表面上の不動態酸化物皮膜のためである。これは、ガス拡散媒体に関し、高い接触抵抗を発生する。不動態層は、代表的には、主としてＣｒ２Ｏ３であり、合金を電池内の腐蝕性環境から保護するが、電気的に抵抗性である。従って、本発明によれば、不動態層を弗化水素酸エッチング又は陰極クリーニングによって還元し、又は除去し、合金製のプレート２の表面を、代表的には、金でコーティングし、表面の接触抵抗を最小にする。
【００２３】
さらに、本発明によれば、金属製のアノードプレート２の後側即ちクーラント側で、代表的には、金を使用する。これは、金属製のアノードプレート２と複合材料製のカソードプレート４との間の接触抵抗を最小にするためである。これにより、スタックで直列に配置された電気間の電圧損を最少にする。結合線を通る電圧損をなくすため、結合線の抵抗は小さいのが望ましい。金でコーティングした金属製のアノードプレート２と複合材料製のカソードプレート４との間の結合線抵抗は、代表的には、約１．８ｍΩ−ｃｍ2 乃至約２ｍΩ−ｃｍ2 である。従って、本発明は、従来の結合プロセスをなくすことができる。従来のプロセスは、代表的には、金属製のプレート及び複合材料製のプレートの両方について、費用がひどくかかる。
【００２４】
スタックをシールし、クーラントがハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリ１から漏出しないようにするため、金属製のアノードプレート２及び複合材料製のカソードプレート４の周囲に亘って接着剤を使用してもよい。接着剤は、導電性であってもいし、非導電性であってもよく、例えばエポキシ樹脂、フェノール樹脂、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、ポリエステル樹脂等の、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、又はこれらの組み合わせから選択できる。接着剤は、計量分配、シルクスクリーン印刷、スプレー及びロールコーティング等のプロセスのうちの任意の一つのプロセスを使用して適用できる。別の態様では、クーラントがハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリ１から漏出しないように形成されたガスケットを、接着剤シーラントとともに、又は接着剤シーラントを用いないで使用してもよい。本発明によれば、複合材料製のカソードプレート４と、代表的には金でコーティングした金属製のアノードプレート２との間を、これらのプレート２、４の外側周囲で、導電性又は非導電性の接着剤を使用して、又は使用せずに、直接的に接触することにより、燃料電池の一体性を維持する。これは、対費用効果に優れている。
【００２５】
次に、図４を参照すると、本発明による少なくとも一つのハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリを組み込んだ燃料電池システムは、車輛１００用の動力源として作動するように形成されていてもよい。詳細には、燃料が、燃料貯蔵ユニット１２０から、燃料、例えばＨ２を電気に変換するように形成された燃料電池アッセンブリ１１０に差し向けられる。発生した電気は、車輛１００への原動力の供給として使用される。車輛では、電気を、トルク及び車輛の並進移動に変換する。図４に示す車輛は乗用車であるが、車輛１００は、燃料電池システムによって動力を与えることができる、即ち推進できる、現在周知の、又は後に開発される、例えば、自動車（即ち、乗用車、小型トラック、大型トラック、又はトラクタートレーラ）、農機具、航空機、船舶、鉄道のエンジン等のどのような車輛であってもよい。
【００２６】
「好ましくは」、「一般的には」、及び「代表的には」といった用語は、本明細書中、特許請求の範囲に記載の範囲を限定するために使用されているのでなく、又は特定の特徴が重要であるとか特許請求の範囲に記載の構造又は機能にとっていっそう重要であるということを意味するために使用されているのでもない。というよりはむしろ、これらの用語は、単に、本発明の特定の実施例で使用しても使用しなくてもよい別の又は追加の特徴を際立たせようとするものである。
【００２７】
本発明を説明し、定義する目的のため、「デバイス」という用語は、本明細書中、構成要素が他の構成要素と組み合わせられているかどうかに拘わらず、構成要素の組み合わせ及び個々の構成要素を表すために使用される。例えば、本発明による「デバイス」には、ハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリ、本発明によるハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリを組み込んだ燃料電池、本発明による燃料電池を組み込んだ車輛、等が含まれる。
【００２８】
本発明を説明し、定義する目的のため、「実質的に」という用語は、本明細書中、任意の定量的比較、値、計測値、又は他の表示に帰すことができる固有の不確定性の程度を表すために使用される。「実質的に」という用語は、さらに、本明細書中、定量的表示を、問題の基本的機能を変化させることなく、記載した基準値からどれ程変化させることができるかを表すために使用される。
【００２９】
本発明を詳細に及びその特定の実施例を参照して説明したが、特許請求の範囲に定義された本発明の範囲から逸脱することなく、変形及び変更を行うことができるということは明らかである。さらに詳細には、本明細書中、本発明の幾つかの特徴を好ましいとか特に有利であると記載したけれども、本発明は、必ずしも、本発明のこれらの好ましい特徴に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１は、本発明の原理によるハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリの、アノード側を上にした分解斜視図である。
【図２】図２は、スタックをなして配置した本発明の原理によるハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリの部分断面図である。
【図３】図３は、図２に示すハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリの拡大断面図である。
【図４】図４は、本発明の原理による電気化学的変換アッセンブリを組み込んだ車輛の概略図である。
【符号の説明】
【００３１】
１  ハイブリッド型のバイポーラプレートアッセンブリ
２  アノードプレート
３  第１層
４  カソードプレート
５  ＭＥＡ
６  クーラントキャビティ
７  拡散媒体層
８  アノードチャンネル
１０  カソードチャンネル
２０  ガス流チャンネル
２１  供給マニホールド溝
２２  縁部
２３  排出マニホールド溝
２４  縁部
【図１】
2007536705.tif 000003
【図２】
2007536705.tif 000004
【図３】
2007536705.tif 000005
【図４】
2007536705.tif 000006
【国際調査報告】
2007536705.tif 000007