(57)【要約】  少なくとも１つの実施形態では、本発明は親水性導電性流体分配板および親水性導電性流体分配板を製造する方法、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、この板は板の少なくとも一面を横切って流体の流れを分配するように構成される１組の流体流れ流路を画成する板本体と、板本体に接着され、４０°より小さな水接触角度を有する複合伝導性被覆とを備える。少なくとも１つの実施形態ではこの複合被覆は、外側表面を有する、板本体に接着される高分子伝導性層と、この高分子伝導性層の外側表面に接着される微粒子カーボン層とを備える。
2008541377.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
板の少なくとも一面を横切って流体の流れを分配するように構成される１組の流体流れ流路を画成する板本体と、
前記板本体に接着される、４０°より小さな水接触角度を有する複合伝導性被覆とを備え、前記複合被覆が、
外側表面を有する、前記板本体に接着される高分子伝導性層と、
前記高分子伝導性層の前記外側表面に接着される微粒子カーボン層とを備える、導電性流体分配板。
【請求項２】
前記微粒子カーボン層が前記高分子伝導性層の前記外側表面上に分散された複数のカーボンブラック微粒子を含む、請求項１に記載の板。
【請求項３】
前記カーボンブラック層が０．５から１０ミクロンの厚さを有し、前記高分子伝導性層が１０から４０ミクロンの厚さを有する、請求項２に記載の板。
【請求項４】
前記複合被覆が、前記複合伝導被覆の重量に基づく、重量で５から７０％のカーボンブラックを含む、請求項３に記載の板。
【請求項５】
前記板本体が、金属シートおよび前記複合伝導性被覆と異なる複合高分子伝導性被覆を備える、請求項１に記載の板。
【請求項６】
前記板本体が金属シートを備える、請求項１に記載の板。
【請求項７】
前記板本体が、高分子マトリックスの全体にわたって配設される導電性充填剤を含む複合材料を備える、請求項１に記載の板。
【請求項８】
前記カーボンブラックが、アセチレンブラック、Ｒａｖａｎブラック、Ｖｕｌｃａｎブラック（登録商標）、ファーネスブラック、ｋｅｔｊｅｎブラック（登録商標）、ブラックパール（登録商標）、ｒｅｇａｌ（登録商標）、ＡＸ−２１およびそれらの組合せのうちの少なくとも１つを含む、請求項２に記載の板。
【請求項９】
前記カーボンブラックが０．０５：ｍと０．２：ｍの間の微粒子サイズを有する、請求項８に記載の板。
【請求項１０】
前記カーボンブラックが酸性である、請求項９に記載の板。
【請求項１１】
前記カーボンブラックが４より低いｐＨを有する、請求項２に記載の板。
【請求項１２】
前記カーボンブラックがＲａｖａｎブラックを含む、請求項１１に記載の板。
【請求項１３】
前記カーボンブラックが５：１から４０：１のミクロ細孔に対するメソ細孔の比を有する、請求項９に記載の板。
【請求項１４】
前記カーボンブラックがアセチレンブラックを含む、請求項１３に記載の板。
【請求項１５】
前記微粒子カーボンが酸性グラファイトを含む、請求項１に記載の板。
【請求項１６】
前記水接触角度が１０°より小さい、請求項８に記載の板。
【請求項１７】
板の少なくとも一面を横切って流体の流れを分配するように構成される１組の流体流れ流路を画成する本体を有する板本体を設けるステップと、
前記板本体に接着される、４０°より小さな水接触角度を有する複合伝導性被覆を設けるステップとを備え、前記複合伝導被覆が、
外側表面を有する、前記板本体に接着される高分子伝導性層と、
前記高分子伝導性層の前記外側表面に接着される微粒子カーボン層とを備える、流体分配板を製造する方法。
【請求項１８】
前記本体上に複合伝導性被覆を設ける前記ステップが、
前記本体上に前記伝導性高分子層を設けるステップと、
結果として４０°より小さな水接触角度になるように、前記高分子伝導性層内に十分な量のカーボンブラックを埋め込むステップとを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記埋め込みステップが、０．５から１０ミクロンの厚さを有するカーボンブラックの層を形成するように、前記高分子伝導性層の外側表面のところにカーボンブラック微粒子を噴霧するステップを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
板の少なくとも一面を横切って流体の流れを分配するように構成される１組の流体流れ流路を画成する板本体を備える第１の導電性流体分配板と、
前記板本体に接着される、４０°より小さな水接触角度を有する複合伝導性被覆であって、前記複合被覆が、
外側表面を有する、前記板本体に接着される高分子伝導性層と、
前記高分子伝導性層の前記外側表面に接着される微粒子カーボン層とを備える、複合伝導性被覆と、
第２の導電性流体分配板と、
前記第１の導電性流体分配板と前記第２の導電性流体分配板を分離する膜電極アセンブリであって、前記膜電極アセンブリが、
第１の側および第２の側を有する電解膜、ならびに前記電解膜の前記第１の側に隣接するアノードと、
前記電解膜の前記第２の側に隣接するカソードとを有する電解膜を備える膜電極アセンブリとを備える、燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、親水性導電性流体分配板、親水性導電性流体分配板を製作する方法、および本発明による親水性導電性流体分配板を使用するシステムに関する。より詳しくは本発明は、燃料電池および他の種類の装置における水輸送の問題点に対処する親水性導電性流体分配板の使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、車両用を含む多くの用途用の動力源として開発されつつある。そのような燃料電池の１つは、プロトン交換膜またはＰＥＭ燃料電池である。ＰＥＭ燃料電池はこの分野でよく知られ、その各セル内に膜電極アセンブリまたはＭＥＡを含む。このＭＥＡは、その一面に形成されるアノード電極面およびその反対面に形成されるカソード電極面を有する、薄い、プロトン伝導性の、高分子の膜電解質である。膜電解質の一例は、イオン交換樹脂から作られる種類のものである。例示的なイオン交換樹脂は、Ｅ．Ｉ．ＤｕＰｏｎｔ  ｄｅ  Ｎｅｍｅｏｕｓ＆Ｃｏ．から入手可能なＮＡＦＩＯＮ（登録商標）などのペルフルオロ化されたスルホン酸高分子（ｐｅｒｆｌｕｏｒｏｎａｔｅｄ  ｓｕｌｆｏｎｉｃ  ａｃｉｄ  ｐｏｌｙｍｅｒ）を含む。一方では、アノードおよびカソード面は、細かく分割されたカーボン微粒子、カーボン微粒子の内表面および外表面に支持される非常に細かく分割された触媒微粒子、および触媒微粒子およびカーボン微粒子と混ぜられたＮＡＦＩＯＮ（登録商標）などのプロトン伝導性の微粒子；あるいはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）結合剤全体にわたり分散される、カーボンなしの触媒微粒子を通常含む。
【０００３】
マルチセルＰＥＭ燃料電池は、電気的に直列に一緒にスタックされ、セパレータ板またはバイポーラ板として知られているガス不浸透導電性流体分配板によって１つが次から分離される複数のＭＥＡを備える。そのようなマルチセル燃料電池は、燃料電池スタックとして知られている。このバイポーラ板は、１つが１つのセルのアノードと対面し、もう１つがスタック内の次に隣接するセルのカソードと対面する２つの作用面を有し、電流を隣接するセル間で電気的に伝導する。スタックの端部のところの導電性流体分配板は端部セルとのみ接触し、エンド板として知られている。このバイポーラ板は、ガス状反応剤（例えば、Ｈ２およびＯ２／空気）をアノードおよびカソードの表面上に分配する流れ場を含む。これらの流れ場は一般に、供給ヘッダーと流れ流路の反対側に配置される排液ヘッダーの間をガス状反応剤が通り流れる複数の流れ流路をその間に画成する複数のランドを含む。
【０００４】
「拡散媒体（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  ｍｅｄｉａ）」として知られている、高度に多孔質（すなわち、約６０％から８０％）の導電性材料（例えば、布、スクリーン、紙、発泡体、等）が一般に、導電性流体分配板とＭＥＡの間に挿入され、（１）導電性流体分配板のランドの間および下の、電極の全面にわたりガス状反応剤を分配し、（２）溝に対面する電極の面から電流を集め、それをその溝を画成する隣接するランドに運搬する役割を果たす。知られたそのような拡散媒体の１つは、体積で約７０％の空孔率、約０．１７ｍｍの非圧縮厚さを有するグラファイト紙（ｇｒａｐｈｉｔｅ  ｐａｐｅｒ）を含み、Ｔｏｒａｙ  ０６０の名の下でＴｏｒａｙ  Ｃｏｍｐａｎｙから商業的に入手可能である。そのような拡散媒体は、この分野で知られているように、細かな網目、貴金属スクリーン等も備えることができる。
【０００５】
Ｈ２−Ｏ２／空気ＰＥＭ燃料電池環境では、この導電性流体分配板は通常、Ｆ−、ＳＯ４−−、ＳＯ３−、ＨＳＯ４−、ＣＯ３−−、およびＨＣＯ３−等を含有する弱酸性の溶液（ｐＨ３から５）と常時接触している可能性がある。さらにこのカソードは通常、圧縮された空気に曝されながら（標準水素電極に対して）最大約＋１Ｖに分極された高度に酸化性の環境で動作する。最後にこのアノードは通常、常時水素に曝される。したがって、この導電性流体分配板は燃料電池内で敵対的な環境に対して耐性であるべきである。
【０００６】
適切な導電性流体分配板のより一般的な種類の１つは、（熱可塑性または熱硬化性）高分子マトリックスの全体にわたって分散された体積で５０％から９０％の導電性充填剤（例えば、グラファイト微粒子またはフィラメント）を通常含む、高分子複合材料から成型されるものを含む。複合導電性流体板の開発での最近の努力は、妥当な電気的および熱的伝導度を有する材料に向けられてきている。材料供給者は、必要な伝導度目標を達成するために、高分子マトリックス内に体積で５０％から９０％の範囲内でグラファイト粉を含む高カーボン添加複合板を開発してきている。この種類の板は、通常腐食性の燃料電池環境に耐えることができ、かつ大部分に対してコストおよび伝導度目標に合致する。そのような最近入手可能な分極板の１つは、ＢＭＣ板としてＷｅｓｔ  Ｃｈｉｃａｇｏ，ＩＩＩのＢｕｌｋ  Ｍｏｌｄｉｎｇ  Ｃｏｍｐｏｕｎｄ，Ｉｎｃ．から入手可能である。
【０００７】
別法として、離散性の伝導性繊維がカーボン添加を減少させ、板の靭性を増加させる試みで複合板に使用されてきている。この発明の譲受人に譲渡され参照により本明細書に組み込まれている、同時係属の２００３年８月１９日出願のＢｌｕｎｋ等による米国特許第６，６０７，８５７号を参照されたい。繊維材料は通常、伝導性粉体と比較して軸方向に１０から１０００倍より伝導性である。この発明の譲受人に譲渡され参照により本明細書に組み込まれている、２００４年１２月７日出願のＬｉｓｉ等による米国特許第６，８２７，７４７号を参照されたい。
【０００８】
適切な導電性流体分配板のより一般的な種類の別の１つは、体積で約３０％から約４０％の伝導性微粒子を含有する高分子複合材料で被覆される金属から作られるものである。この点に関して、（１）この発明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ている、かつ（３）微粒子を一緒にかつ金属シートの表面に結合する、耐酸性の、水に不溶性の、耐酸化性の高分子のマトリックスの全体にわたって分散された複数の導電性、耐蝕性（すなわち、耐酸化および耐酸性）の充填剤微粒子を含む耐蝕性、導電性の層で被覆される金属シートから作られる導電性流体分配板を開示する、２００２年４月１６日出願のＦｒｏｎｋ等による米国特許第６，３７２，３７６号を参照されたい。Ｆｒｏｎｋ等の型式の複合被覆は、被覆の成分、固有抵抗および完全性（ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ）に応じて、約５０オーム−ｃｍ２より大きくない固有抵抗、約５ミクロンから約７５ミクロンの間の厚さを有するのが好ましい。より薄い被覆が燃料電池スタックを通るより少ないＩＲドロップを達成するために好ましい。
【０００９】
上記で論じたように、導電性流体分配板の大きなパーセントが、伝導性高分子複合材料または伝導性高分子複合材料で被覆される金属ベース層のいずれかを備える。これらの型式の板は、現在通常８０°から９０°の水接触角を有し、結果として許容できる水管理特性であるが、さらに高い水管理特性を有する導電性流体分配板を提供することが望まれている。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
少なくとも１つの実施形態では、板の少なくとも一面を横切って流体の流れを分配するように構成される１組の流体流れ流路を画成する板本体と、板本体に接着される、４０°より小さな水接触角度を有する複合伝導性被覆とを備える導電性流体分配板が提供される。少なくともこの実施形態ではこの複合被覆は、外側表面を有する、板本体に接着される高分子伝導性層と、この高分子伝導性層の外側表面に接着される微粒子カーボン層とを備える。
【００１１】
さらに別の実施形態では、板の少なくとも一面を横切って流体の流れを分配するように構成される１組の流体流れ流路を画成する本体を有する板本体と、板本体に接着される、４０°より小さな水接触角度を有する複合伝導性被覆を設けるステップを備える流体分配板を製造する方法が提供される。少なくともこの実施形態ではこの複合被覆は、外側表面を有する、板本体に接着される高分子伝導性層と、この高分子伝導性層の外側表面に接着される微粒子カーボン層とを備える。
【００１２】
さらに別の実施形態では、燃料電池が提供される。この燃料電池は、板の少なくとも一面を横切って流体の流れを分配するように構成される１組の流体流れ流路を画成する板本体を備える第１の導電性流体分配板と、この板本体に接着される、４０°より小さな水接触角度を有する複合伝導性被覆を備える。少なくともこの実施形態では、この複合被覆は、外側表面を有する、板本体に接着される高分子伝導性層と、この高分子伝導性層の外側表面に接着される微粒子カーボン層とを備える。少なくともこの実施形態では燃料電池は、第２の導電性流体分配板と、第１の導電性流体分配板と第２の導電性流体分配板を分離する膜電極アセンブリをさらに備え、この膜電極アセンブリは、第１の側および第２の側、ならびに前記電解膜の前記第１の側に隣接するアノードと前記電解膜の前記第２の側に隣接するカソードとを有する電解膜を備える。
【００１３】
本発明は、添付の図面と一緒に行われる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であろう。特許請求の範囲は、特許請求の範囲内での記述によって定義され、本発明の説明に記載される特徴および利点の特定の論議によって定義されないことに留意されたい。
【００１４】
本発明の実施形態の以下の詳細な説明は、同様な構造体が同様な参照番号によって示される添付の図面と共に読むとき、最もよく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】
【００１５】
熟練工は、図内の要素は簡単にかつ分かり易くするために示され、必ずしも縮尺どおり描かれていないことを理解するであろう。例えば、図の要素のうちのいくつかの寸法は、本発明の実施形態の理解の改善を助けるために他の要素に対して誇張されている場合がある。
【００１６】
好ましい実施形態の以下の説明は、本質的に単に例示的であり、本発明、その用途、または使用を限定するためのものでは全くない。次に本発明者らに現在知られている本発明を実施する最適なモードを構成する、本発明の現在の好ましい成分、実施形態および方法を詳細に参照する。図は必ずしも縮尺どおりではない。しかしながら、開示される実施形態は、様々なかつ代替の形態で実施することができる本発明の単なる例示に過ぎないことを理解されたい。したがって、本明細書で開示される特定の詳細は限定であると解釈するべきではなく、単に特許請求の範囲のための例示的な基礎として、かつ／または当業者に本発明を様々に使用するための教示のための例示的な基礎として解釈すべきである。
【００１７】
実施例における場合、または明示的にそうではなく示されている場合を除き、材料の量、反応の状態および／または使用を示す、この説明内での数値的数量は全て、本発明の最も広い範囲を説明する用語「約（ａｂｏｕｔ）」によって緩和されると理解されるべきである。述べられた数値限界内の実施が一般に好ましい。同様に、明示的に反対であると述べられていない限り、パーセント、「の部分（ｐａｒｔｓ  ｏｆ）」、比率の数値は重量により、術語「高分子（ｐｏｌｙｍｅｒ）」は、「低高分子（ｏｌｉｇｏｍｅｒ）」、「共高分子（ｃｏｐｏｌｙｍｅｒ）」、および「三元高分子（ｔｅｒｐｏｌｙｍｅｒ）」等を含み、本発明と関連する所与の目的に対し適切なまたは好ましい材料の群または級の記述は、その群または級の任意の２以上の部材の混合物も等しく適切であるまたは好ましいことを意味し、化学術語での構成物質の記述は、記述内で特定される任意の組合せに対する添加のときでの構成物質を意味し、必ずしも混合された後の混合物の構成物質内の化学的相互作用を除外せず、頭文字または他の略語の最初の定義は、本明細書での同じ略語の引き続く使用の全ておよび最初に定義された略語の通常の文法的変形体にも適用され、かつ、明示的に反対であると述べられていない限り、特性の測定は、前にまたは後で同じ特性に対し参照される同じ技術により求められる。
【００１８】
図１を参照すると、自動車用途用の例示的な燃料電池システム２が示されている。しかしながら、例えば居住システムの領域内などの、他の燃料電池システム用途も本発明から利益を受けることができる。
【００１９】
図１に示す実施形態では、車両本体９０、および燃料電池プロセッサ４および燃料電池スタック１５を有する例示的な燃料電池システム２が示されている。燃料電池スタックおよび燃料電池に具体化される本発明の実施形態の議論は、今後図２〜６を参照して行われる。１つの具体的な燃料電池スタック１５設計が説明されるが、本発明は、流体分配板が役立つ任意の燃料電池スタック設計にも適用可能であることを理解されたい。
【００２０】
図２は、２つの燃料電池である、導電性流体分配板３０によって互いに分離された１対の膜−電極−アセンブリ（ＭＥＡ）２０および２２を有する燃料電池スタック１５を示す。板３０は、燃料および酸化剤ガスをＭＥＡ  ２０および２２に分配するための複数の流体流れ流路３５、３７を有するバイポーラ板としての役割を果たす。「流体流れ流路（ｆｌｕｉｄ  ｆｌｏｗ  ｃｈａｎｎｅｌ）」によって、我々は流体を板の少なくとも一部分内に、一部分から外に、一部分に沿って、または一部分を通り輸送するために使用される板上の通路、区域、領域、または任意の範囲を意味する。ＭＥＡ  ２０および２２、および板３０は、締め付け板４０と４２、ならびに導電性流体分配板３２と３４の間に一緒にスタックすることができる。図示の実施形態では板３２および３４は、板の両面とは異なり、それぞれ、燃料および酸化剤ガスをＭＥＡ  ２０および２２に分配するための流路３６および３８を含む一面のみを有する端版として働く。
【００２１】
非伝導性ガスケット５０、５２、５４、５６を燃料電池スタックのいくつかの構成部品間のシールおよび電気的絶縁を可能にするように設けることができる。ガス浸透可能なカーボン／グラファイト拡散紙６０、６２、６４、および６６をＭＥＡ  ２０および２２の電極面に対して押し付けることができる。板３２および３４はそれぞれ、カーボン／グラファイト紙６０および６６に対して押し付けることができ、一方板３０は、ＭＥＡ  ２０のアノード面上のカーボン／グラファイト紙６４およびＭＥＡ  ２２のカソード面上のカーボン／グラファイト紙６０に対して押し付けることができる。
【００２２】
図示の実施形態では、Ｏ２などの酸化性流体が貯蔵タンク７０から適切な供給配管系統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。酸化性流体がカソード側に供給されている間に、Ｈ２などの還元性流体が貯蔵タンク７２から適切な供給配管系統８８を介して燃料電池スタックのアノード側に供給される。ＭＥＡのＨ２およびＯ２／空気側両方の排気配管系統（図示せず）も設けられる。その他の配管系統８０、８２、および８４が板３０と板３２および３４に液体冷却材を供給するために設けられる。板３０、３２および３４からの冷却材を排液するための適切な配管系統も設けられるが、図示されない。
【００２３】
図３は、第１のシート１０２および第２のシート１０４を備える例示的な導電性流体分配板３０を示す。第１および第２のシート１０２、１０４は、燃料電池反応ガスが各板の一面に沿って通常曲がりくねった通路で流れる、複数の流体流れ流路１０６、１０８をそれらの外側／表面に備える。第１および第２のシート１０２、１０４の内側は、燃料電池の動作中冷却材が通過する第２の複数の流体流れ流路１１０、１１２を含むことができる。第１および第２のシート１０２、１０４の内側が板本体１２０を形成するように互いに配置されるとき、これらの流体流れ流路は接続し、板３０を通過する冷却材用の一連の流路を形成する。
【００２４】
板本体１２０は、図３に示す２つの別々のシートではなく、単一のシートまたは板から形成することができる。板本体１２０が単一の板から形成されるとき、結果として得られる板本体１２０が２枚の別々のシート１０２、１０４から構成される板本体１２０と同等であるように、流路は板本体１２０の外側上に、かつ板本体１２０の中央を貫通して形成することができる。
【００２５】
板本体１２０は、金属、金属合金、または複合材料から形成することができ、伝導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が板本体１２０を形成する。「不動態化金属」または「不動態化合金」によって我々は、空気または水などの周囲物質との反応の結果として、不活性な不動態層を形成する金属または合金を意味する。例えば、この不動態化層（図示せず）は金属酸化物であることができる。金属酸化物は通常、酸素が金属または金属合金表面に到達するためにこの層を通り拡散するのを必要とすることによって、さらなる酸化に対する遮蔽物として作用する。したがって、この不動態化層は、金属または金属合金の完全性を保護することができる。
【００２６】
適切な金属、金属合金、または複合材料は、燃料電池内で流体分配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場合に考慮するためのその他の設計特性には、ガス透過性、導電性、密度、熱伝導性、腐食抵抗性、パターン鮮明度、熱およびパターン安定性、機械加工性、コストおよび入手可能性が含まれる。
【００２７】
入手可能な金属および合金には、アルミニウム、チタン、ステンレス鋼、ニッケル基合金、およびそれらの組合せが含まれる。複合材料は、グラファイト、グラファイト箔、高分子マトリックス内のグラファイト微粒子、カーボン繊維紙と高分子の積層板、金属芯を有する高分子板、導電的に被覆された高分子板、およびそれらの組合せが含まれる。
【００２８】
第１および第２のシート１０２、１０４は通常、約５１から約５１０ミクロン（：ｍ）厚さの間にある。このシート１０２、１０４は、機械加工、成型、切断、彫刻、打ち抜き、フォトリソグラフィーマスクを介したなどのフォトエッチング、または任意の他の適切な設計および製造プロセスによって形成することができる。シート１０２、１０４が平らなシートと一連の外部流体流れ流路を含む追加のシートとを含む積層構造を備える場合があることは企図している。内部金属スペーサシート（図示せず）を第１および第２のシート１０２、１０４の間に配置することができる。
【００２９】
図３の概略的に示された板３０では、本体１２０の構造的構成部品を構成する基板１０２、１０４は、アルミニウム、チタン、ステンレス鋼、ニッケル基合金などの、腐食を受け易い金属を含む。板３０の作用面は、伝導性高分子複合被覆１２５によって覆われる。少なくとも１つの実施形態では、この高分子伝導性被覆１２５は、約５０オーム−ｃｍ２より少ない固有抵抗を有し、耐酸性、耐酸化性高分子マトリックス全体にわたって分散される複数の耐酸化性、酸不溶解性、伝導性の微（すなわち、約５０ミクロンより小さな）粒子を備える、伝導性、耐酸化性、かつ耐酸性保護材料を含む。任意の適切な伝導性高分子被覆１２５も使用することができる。そのような被覆およびそれらの付着方法の適切な例は、米国特許第６，３７２，３７６号に見ることができる。
【００３０】
少なくとも１つの実施形態では、この伝導性充填剤微粒子は、金、プラチナ、グラファイト、カーボン、パラジウム、ニオビウム、ロジウム、ルテニウム、および希土類金属のうちの少なくとも１つであることができる。少なくともある実施形態では、この微粒子は、伝導性カーボンおよびグラファイトを重量で２５％の添加量で含むことができる。高分子マトリックスは、薄い付着性のフィルムに形成でき、燃料電池の敵対的な酸化性および酸性の環境に耐えることができる、任意の非水溶性高分子を含むことができる。したがって、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、フルロエラストマー（ｆｌｕｒｏ−ｅｌａｓｔｏｍｅｒ）（例えば、ポリ弗化ビニリデン）、ポリエステル、フェノキシ−フェノール類（ｐｈｅｎｏｘｙ−ｐｈｅｎｏｌｉｃｓ）、エポキシ−フェノール類、ポリアクリレート（ａｃｒｙｌｉｃｓ）、ウレタン、などの高分子が複合被覆にとりわけ有用であることが分かっている。不浸透性被覆を作るために架橋高分子を使用することができ、ポリアミドイミド熱硬化高分子が最も好ましい。
【００３１】
少なくとも１つの実施形態では、この高分子複合材料層１２５は、Ｎ−メチルピロリドン（ｍｅｔｈｙｌｐｙｒｒｏｌｉｄｏｎｅ）、プロピレングリコール、およびメチルエーテルアセトンの混合物を含み、重量で２１％から２３％のグラファイトおよびカーボンブラック微粒子混合物がそれに加えられた溶液内にポリアミドイミドを溶解させ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、このグラファイト微粒子はサイズで５ミクロンから２０ミクロンの範囲にあることができ、カーボンブラック微粒子はサイズで０．５ミクロンから１．５ミクロンの範囲にあることができる。少なくとも１つの実施形態では、この混合物は基板上に噴霧し、乾燥し（すなわち、溶媒を蒸発させ）、重量で３８％のカーボン−グラファイト含有量を有する１０から３０ミクロン厚さの被覆を設けるように硬化させることができる。それは、低温（すなわち、＜２０４℃（４００°Ｆ））でゆっくりと、または約１４９℃（３００°Ｆ）から１７７℃（３５０°Ｆ）で１０分間加熱することによって溶媒が最初に取り除かれ（すなわち、乾燥させられ）、高分子を硬化させるためにより高い温度加熱（２６０℃（５００°Ｆ）から３９９℃（７５０°Ｆ））が（使用される温度によって決まる）約１／２分から約１５分間の範囲の様々な時間続く、２段プロセスでより急速に硬化させることができる。本発明で後で説明するように、本発明の多孔質の表面層１３０が、乾燥および硬化前に、複合材料層１２５が未だ粘着性である間に付着させられる。
【００３２】
伝導性高分子被覆１２５は、基板金属に直接付着させることができかつその上で乾燥／硬化させることができ、あるいは、導電性高分子複合材料層１２５が付着される前に、基板金属（例えば、Ａｌ）を最初に酸化可能金属（例えば、ステンレス鋼）で被覆することができる（前述のＬｉら参照）。この複合材料層１２５は、例えば、刷毛塗り、スプレー、塗布、または基板上に予備成形されたフィルムを積層するなど、様々な方法で付着させることができる。
【００３３】
図３に示す実施形態では、導電性流体分配板３０は、高分子伝導性被覆１２５に接着され、被覆を覆う複合伝導性被覆１３０を含む。少なくとも１つの実施形態では、図５を見れば最もよく分かるように、この複合伝導性被覆は、高分子伝導性被覆１２５に隣接する高分子伝導性層１４０、およびこの高分子伝導性層１４０の上側表面１４４上の微粒のカーボン層１５０を含む。少なくとも１つの実施形態では、この複合伝導性被覆１３０は、４０°より小さな、別の実施形態では２５°より小さな、さらに別の実施形態では１０°より小さな、さらに別の実施形態では５°より小さな、さらに別の実施形態では１°より小さな水接触角度を有する。
【００３４】
この複合伝導性被覆１３０は、板３０の実質的に全外側表面上に延びることができるが、図３に概略的に示すように、この複合伝導性被覆１３０は、全外側表面より少ない上に延びることもできる。さらに、微粒子カーボン層１５０は、実質的に全高分子伝導性層１４０上に延びることができるが、図３に概略的に示すように、この微粒子カーボン層１５０は、全高分子伝導性層１４０より少ない上に延びることもできる。微粒子カーボン層１４０の結果として複合伝導性層１３０が比較的脆性の性質であることに起因して、この高分子伝導性被覆１２５が少なくとも部分的に金属基板１０２および１０４に対する追加の腐食保護をもたらすために設けられるけれども、少なくとも１つの実施形態では、この高分子伝導性被覆１２５は金属基板１０２、１０４に十分な腐食保護をもたらす高分子伝導性被覆１４０によって省略することができることは企図している。
【００３５】
出願人らは、微粒子カーボン層を伴う複合伝導被覆１３０を有する導電性流体分配板３０を設けることは、結果として優れた水管理特性を有する（すなわち、４０°より小さな接触角度を有する）導電性流体分配板になることを見出した。
【００３６】
少なくとも１つの実施形態では、複合被覆１３０のこの高分子伝導性層１４０は、高分子伝導性層１４０の上側表面１４４がカーボン微粒子で充填されていることを除き、上記で説明した高分子伝導性被覆１２５と実質的に同様であることができる。しかしながら、この高分子伝導性層１４０を形成するのに任意の適切な高分子伝導性材料も使用できることを理解されたい。少なくとも１つの実施形態では、この高分子伝導性層１４０は１０から４０ミクロンの、別の実施形態では１５から３０ミクロンの厚さを有する。
【００３７】
少なくとも１つの実施形態では、この微粒子カーボン層１５０は、伝導性層１４０の上側表面上に配設される複数のカーボン微粒子を含む。少なくとも１つの実施形態では、この微粒子カーボン層１５０は、０．５から１０ミクロンの、別の実施形態では１から５ミクロンの厚さを有する。少なくとも１つの実施形態では、この微粒子カーボン層１５０のカーボン微粒子は、複合被覆１３０の重量に基づいて、重量で５から７０％の、別の実施形態では１５から６０％の、さらに別の実施形態では３０から５０％の添加量を示すことができる。少なくとも１つの実施形態では、この微粒子カーボンは、カーボンブラック、グラファイト、およびそれらの混合物を含む。
【００３８】
様々な種類のカーボンブラックが、層１５０に使用するのに適している。例示としてかつ限定ではなく、このカーボンブラックは、アセチレンブラック、Ｒａｖａｎブラック、Ｋｅｔｊｅｎブラック（登録商標）、Ｖｕｌｃａｎブラック（登録商標）、Ｒｅｇａｌ（登録商標）、ファーネスブラック、ブラックパール（登録商標）、ＡＸ−２１およびそれらの組合せから選択することができる。カーボンブラックは、約０．０５と約０．２：ｍの間の粒サイズによって特徴付けることができる。
【００３９】
出願人らは、ある種類のカーボンブラックが、本発明に使用するために特に適したものになる孔構造を有することを発見した。少なくとも１つの実施形態では、本発明により作られる導電性流体分配板３０の微粒子カーボン層１５０を形成するために使用されるカーボンブラック微粒子は、５：１から４０：１の、別の実施形態では１０：１から３５：１の、さらに別の実施形態では１５：１から２５：１のミクロ細孔に対するメソ細孔の比を示すことができる。本明細書で使用されるとき、術語「メソ細孔（ｍｅｓｏｐｏｒｅ）」は１から８０ｎｍ（ナノメートル）の孔サイズを意味し、術語「ミクロ細孔（ｍｉｃｒｏｐｏｒｅ）」は１ｎｍより小さな孔サイズを意味する。少なくとも１つの実施形態では、２０：１のミクロ細孔に対するメソ細孔比を有するアセチレンブラックが、親水性複合被覆１３０を設けるのに非常に効果的であることが立証された。
【００４０】
出願人らは、ある種類のカーボンブラックが本発明に使用するために特に適したものになる極特性を有することを見出した。少なくとも１つの実施形態では、本発明により作られる導電性流体分配板３０の微粒子カーボン層１５０を形成するために使用されるカーボンブラック微粒子は酸性であることができ、４．０より小さな、別の実施形態では１から３．５の、さらに別の実施形態では１．５から３．０のｐＨを示す。この実施形態では、２．３のｐＨを有するＲａｖａｎブラックが、親水性複合被覆１３０を設けるのに非常に効果的であることが立証された。
【００４１】
少なくとも１つの実施形態では、極性グラファイト微粒子を本発明により作られる導電性流体分配板３０の微粒子カーボン層１５０を形成するために使用できる。この実施形態では、４．０より低いｐＨを有する酸性スルホン酸グラファイトが、親水性複合被覆１３０を設けるのに非常に効果的であることが立証された。
【００４２】
複合伝導性被覆１３０が形成される方法は、必ずしも重要ではない。この複合伝導性被覆１３０は、任意の適切な方法で板３０上に設けることができる。１つの例示的な方法は、伝導性高分子複合被覆１２５を形成するのに使用されるのと同じまたは類似する成分の高分子伝導性材料のウエット層１４０を伝導性高分子複合被覆１２５の上に設けることである。このウエット高分子伝導性層１３０は、噴霧などの任意の適切な方法で設けることができる。ウエット高分子伝導性層１４０が完全に乾燥する前に、適切な量の微粒子カーボンを微粒子カーボン層１５０を形成するように、ウエット高分子伝導性層１４０の上側表面１４４内に埋め込むことができる。この微粒子カーボンは、噴霧、ドクターブレード被覆、およびスクリーン印刷などの、任意の適切な方法で埋め込むことができる。
【００４３】
このウエット高分子層１４０は次いで、その上に微粒子カーボン層１５０を有して乾燥させ、硬化させることができる。硬化後余剰のカーボン微粒子が硬化された高分子層１４０の表面上に残る場合は、この表面層は任意の適切な方法で余剰のカーボン微粒子を拭う、または清掃することができる。
【００４４】
図４は、本発明の別の実施形態を示す。図４に示す板３０’および本体１２０’は、図３に示す板３０および本体１２０と構造および使用が同様である。図３に示される板３０の対応する部品と実質的に同じである板３０’の部品は、同じ参照番号が与えられ、図３に示される板３０の対応する部品と実質的に異なる板３０’の部品は、分かり易くするために加えられた添え字「’」（ダッシュ記号）を有する同じ参照番号が与えられている。
【００４５】
導電性流体分配板３０’の本体１２０’は、全体が複合材料から作られて（例えば、成型されて）おり、複合伝導性被覆１３０は、拡散媒体と係合する複合材料の外側表面上に形成される。この実施形態では、伝導性被覆１２５は必要でない。板３０’の複合材料は、（熱可塑性または熱硬化性の）高分子マトリックス全体にわたって分散される体積で５０％から９０％の導電性充填剤（例えば、グラファイト微粒子またはフィラメント）を含む高分子複合材料などの、板を形成するための任意の適切な伝導性複合材料であることができる。
【００４６】
本発明の様々な実施形態による導電性流体分配板は、優れた水管理特性を有する。本発明の原理は、ユニポーラ板およびバイポーラ板に同様に等しく適用されることを理解されたい。
【００４７】
本発明を一実施例としてさらに説明する。本発明はこの実施例によって限定されないことを理解されたい。
【実施例】
【００４８】
金属バイポーラ板が、米国特許第６，３７２，３７６号に開示されるものなどの伝導性保護高分子被覆で最初に被覆される。この第１の被覆は、下にある金属（例えば、ステンレス鋼）を攻撃的な燃料電池環境内での腐食から保護するのを助け、１５０℃で１０分間蒸発させられ次いで２６０℃で１５分間硬化させられる。この板が冷えた後、同じ高分子被覆の第２の層が第１の被覆の上に噴霧される。このウエット層は次いで、噴霧ガンを使用してカーボンブラック（アセチレンブラック）でまぶされ、次いで第１の被覆と同じ硬化サイクルを使用して硬化される。硬化後、乾燥した余剰のカーボンブラック（アセチレンブラック）粉末は板から拭い去られる。この板上の水接触角度は１０°より少ないことが測定される。
【００４９】
本発明の実施形態を図示し説明してきたが、これらの実施形態が本発明の全ての可能な形態を図示し説明することを意図していない。そうではなく、明細書で使用される用語は限定ではなく説明の用語であり、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく様々な変更を行うことができることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】燃料電池を含む車両の概略図である。
【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配板の図である。
【図４】本発明の別の実施形態による導電性流体分配板の図である。
【図５】図３に示す板の一部分の拡大図である。
【図１】
2008541377.tif 000003
【図２】
2008541377.tif 000004
【図３】
2008541377.tif 000005
【図４】
2008541377.tif 000006
【図５】
2008541377.tif 000007
【国際調査報告】
2008541377.tif 000008