(57)【要約】【課題】ＰＥＭ燃料電池用セパレータプレート、及び平面通過通路が形成された材料シートを提供するセパレータプレート製造方法を提供する。【解決手段】グラファイトシートを材料シートの第１面及び第２面の各々に配置し、積層部材を形成する。積層部材に圧縮力を加える。グラファイトの第１部分を押し出して平面通過通路に流入させる。シートを通る導電性経路のアレイを形成する。グラファイトの第２部分を第１面及び第２面の各々に結合する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＰＥＭ燃料電池用のセパレータプレートの製造方法において、
材料シートを提供する工程と、
前記材料シートに平面通過通路を形成する工程と、
前記材料シートの第１面及び第２面の各々にグラファイトシートを配置し、積層部材を形成する工程と、
前記積層部材に圧縮力を加えることによって、前記グラファイトの第１部分を押し出して前記平面通過通路に流入させ、前記シートを通る導電性経路のアレイを形成し、グラファイトの第２部分を前記第１面及び前記第２面の各々に結合する工程とを含む、方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、更に、
前記シートの前記第１面及び前記第２面の各々に接着剤を適用する工程を含む、方法。
【請求項３】
請求項２に記載の方法において、
前記接着剤を適用する工程は、熱活性化型接着剤を適用する工程を含み、前記熱活性化型接着剤は、前記圧縮力が加えられたとき、前記グラファイトを前記第１面及び前記第２面の各々に結合する、方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法において、
前記材料シートを提供する工程は、ポリマー基材を提供する工程を含む、方法。
【請求項５】
請求項４に記載の方法において、
前記ポリマー基材は、ポリイミドを含む、方法。
【請求項６】
請求項１に記載の方法において、
前記材料シートを通して通路を形成する工程は、前記材料シートの約４０％を除去する工程を含む、方法。
【請求項７】
請求項１に記載の方法において、
前記グラファイトシートを配置する工程は、前記材料シートの約５倍乃至１０倍の厚さを各々有するグラファイトシートを配置する工程を含む、方法。
【請求項８】
請求項１に記載の方法において、
前記圧縮力を加える工程は、前記グラファイトシートの夫々を前記材料シートにロール結合する工程を含む、方法。
【請求項９】
請求項１に記載の方法において、更に、
前記積層部材に流れ場を形成する工程を含む、方法。
【請求項１０】
ＰＥＭ燃料電池用のセパレータプレートの製造方法において、
非導電性基材に孔を形成し、前記基材の第１面から第２面まで前記基材を通って延びる一組の小孔を形成する工程と、
第１グラファイトシートを前記第１面と接触した状態に配置し、積層部材を形成する工程と、
前記積層部材を圧縮し、前記第１グラファイトシートの第１部分を前記一組の小孔を通して押し出す工程と、
前記第１グラファイトシートの第２部分を前記第１面に結合する工程とを含む、方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の方法において、更に、
第２グラファイトシートを前記第２面と接触した状態に配置する工程を含む、方法。
【請求項１２】
請求項１０に記載の方法において、更に、
前記基材の前記第１面及び前記第２面の各々に接着剤を適用する工程を含む、方法。
【請求項１３】
請求項１１に記載の方法において、
前記積層部材を圧縮する前記工程は、前記第１グラファイトシート及び前記第２グラファイトシートに圧縮力を加えながら、前記第１グラファイトシート及び前記第２グラファイトシートを前記小孔を通して押し出す工程を含む、方法。
【請求項１４】
請求項１０に記載の方法において、
前記非導電性基材に孔を形成する前記工程は、前記非導電性基材の約４０％を除去する工程を含む、方法。
【請求項１５】
請求項１０に記載の方法において、
圧縮力を加える前記工程は、前記グラファイトシートの夫々を前記基材にロール結合する工程を含む、方法。
【請求項１６】
請求項１０に記載の方法において、
前記基材はポリマー基材を含む、方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の方法において、
前記ポリマー基材はポリイミドを含む、方法。
【請求項１８】
請求項１１に記載の方法において、
前記第１グラファイトシート及び前記第２グラファイトシートを配置する前記工程は、前記基材の約５倍乃至１０倍の厚さを各々有するグラファイトシートを配置する工程を含む、方法。
【請求項１９】
請求項１０に記載の方法において、更に、
前記積層部材に流れ場を形成する工程を含む、方法。
【請求項２０】
ＰＥＭ燃料電池用セパレータプレートにおいて、
複数の小孔が第１面と第２面との間を延びる非導電性基材材料と、
前記第１面及び前記第２面の各々に亘って配置され、積層部材を形成するグラファイト層と、
前記複数の小孔を通して押し出され、前記第１面と前記第２面との間に電気的連結部を形成するように作動できるグラファイトと、
前記積層部材に形成された流れ場形状とを含む、セパレータプレート。
【請求項２１】
請求項２０に記載のセパレータプレートにおいて、
前記非導電性基材はポリマー材料を含む、セパレータプレート。
【請求項２２】
請求項２１に記載のセパレータプレートにおいて、
前記ポリマー材料はポリイミドを含む、セパレータプレート。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＰＥＭ燃料電池に関し、更に詳細には接触抵抗を減少したセパレータプレートに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、多くの用途で電源として使用されてきた。例えば、内燃エンジンに代わる電気自動車の動力プラントで燃料電池を使用することが提案されてきた。陽子交換膜（ＰＥＭ）型燃料電池では、燃料電池のアノードに水素を供給し、カソードに酸素を酸化体として供給する。ＰＥＭ燃料電池は、膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）を含む。ＭＥＡは、一方の面にアノード触媒を備えており且つ反対側の面にカソード触媒を備えた、陽子透過性で非導電性の薄い中実のポリマー電解質膜を含む。ＭＥＡは、一対の無孔質導電性エレメント即ちセパレータプレート間に挟まれる。これらのセパレータプレートは、（１）アノード及びカソード用の電流コレクタとして役立ち、（２）アノード触媒及びカソード触媒の夫々の表面上に燃料電池のガス状反応体を分配するために形成された適当なチャンネル及び／又は開口部を備えている。
【０００３】
「燃料電池」という用語は、代表的には、文脈に応じて、単一の電池又は複数の電池（スタック）のいずれかに関して使用される。代表的には、複数の個々の電池が互いに束になって燃料電池スタックを形成する。これらの電池は、一般的には、電気的に直列で配置される。スタック内の各電池は、冒頭に記載した膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）を含み、このようなＭＥＡの各々が、その電圧の増分を提供する。スタック内の一群の隣接した電池をクラスタと呼ぶ。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
任意の電気回路エレメントに関し、エレメントの電流搬送性能は、損失要因即ちエレメントの抵抗によって、常に理想的状態から低下する。代表的なセパレータプレートには、即ち後側と後側とを向き合わせた配向の上文中に言及したバイポーラプレートには、二つの損失要因がある。一つは、プレートのバルク抵抗による要因であり、別の要因は、隣接した電流コレクタ／ＭＥＡに関する接触抵抗である。導電性セパレータプレートは、電流コレクタとして役立つため、代表的には、ステンレス鋼等の金属でできている。このような金属材料は、好ましい導電性を提供するが、プレートの平面を横切って好ましからぬ接触抵抗を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
ＰＥＭ燃料電池用セパレータプレート及びその製造方法は、平面通過通路が形成された材料シートを提供する工程を含む。グラファイトシートを材料シートの第１面及び第２面の各々に配置し、積層部材を形成する。この積層部材に圧縮力を加える。グラファイトの第１部分を押し出し、平面通過通路に流入させる。シートを通して導電性経路のアレイを形成する。グラファイトの第２部分を第１面及び第２面の各々に結合する。
【０００６】
他の特徴によれば、シートの第１及び第２の面の各々に接着剤を適用する。接着剤は、熱活性化型接着剤を含み、圧縮力を加えたとき、グラファイトを第１及び第２の面の各々に結合する。材料シートは、ポリイミド等のポリマー基材を含む。材料シートを通して通路を形成する工程は、材料シートの約４０％を除去する工程を含む。グラファイトを配置する工程は、材料シートの約５倍乃至１０倍の厚さを各々有するグラファイトシートを配置する工程を含む。圧縮力を加える工程は、夫々のグラファイトシートを材料シートにロール結合する工程を含む。本方法は、更に、前記積層部材に流れ場を形成する工程を含む。
【０００７】
本発明のこの他の適用可能領域は、以下の詳細な説明から明らかになるであろう。詳細な説明及び特定の例は、本発明の好ましい実施例を示すけれども、単に例示を目的としているに過ぎず、本発明の範囲を限定しようとするものではないということは理解されるべきである。
【０００８】
本発明は、詳細な説明及び添付図面から更に完全に理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
好ましい実施例の以下の説明は、単なる例示であって、本発明、その用途、又はその使用を限定しようとするものではない。
図１は、非孔質導電性バイポーラプレート２０によって互いから分離された膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）１４、１６を持つＰＥＭ燃料電池スタック１０の一部を概略に示す。ＭＥＡ１４及び１６、及びバイポーラプレート２０を、非孔質導電性バイポーラプレート２２と２４との間で互いに積み重ねる。多孔質でガス透過性の導電性シート即ち拡散媒体２６、２８、３０、及び３２を、ＭＥＡ１４及び１６の電極面に押し付ける。これらは、電極用の主電流コレクタとして役立つ。拡散媒体２６、２８、３０、及び３２は、更に、ＭＥＡ１４及び１６に対し、特にこれらのＭＥＡが流れ場でこれらの拡散媒体以外では支持されていない場所で機械的支持を提供する。適当な拡散媒体には、電流を電極から伝達すると同時にガスを透過させることができるカーボングラファイト紙／布、細メッシュ貴金属スクリーン、連続気泡貴金属フォーム、等が含まれる。
【００１０】
バイポーラプレート２２及び２４は、ＭＥＡ１４のカソード面１４ｃの主電流コレクタ２６及びＭＥＡ１６のアノード面１６ａの主電流コレクタ３２に押し付けられる。バイポーラプレート２０は、ＭＥＡ１４のアノード面１４ａの主電流コレクタ２８及びＭＥＡ１６のカソード面１６ｃの主電流コレクタ３０に押し付けられる。酸素又は空気等の酸化体ガスを貯蔵タンク３８から適当な供給配管４０を介して燃料電池スタック１０のカソード側に供給する。同様に、水素等の燃料を貯蔵タンク４８から適当な供給配管５０を介して燃料電池スタック１０のアノード側に供給する。
【００１１】
好ましい実施例では、酸素タンク３８をなくし、空気を周囲からカソード側に供給してもよい。同様に、水素タンク４８をなくし、メタノール又は液体炭化水素（例えばガソリン）から水素を触媒反応で発生する改質器から水素をアノード側に供給してもよい。更に、Ｈ２を消耗したアノードガスをアノード流れ場から、及びＯ２を消耗したカソードガスをカソード流れ場から除去するため、ＭＥＡのＨ２側及びＯ２／空気側からの排気配管５２が設けられている。排気配管５２は、単一のパイプとして示してあるけれども、各ガスを排気するため、別個のパイプを設けてもよいということは理解されよう。
【００１２】
次に、図２乃至図６を参照し、本発明によるセパレータプレート６０を更に詳細に説明する。セパレータプレート６０は、一方の反応体ガスをＭＥＡ１６の夫々の面に搬送するように形成されている。各バイポーラプレート２０、２２、及び２４は、後側と後側とを向き合わせた配向で配置した二つのセパレータプレート６０を備えているということは理解されよう。本教示によるセパレータプレート６０は、別個の導電路を持つ積層グラファイト／ポリマー基材を提供する。更に詳細には、セパレータプレート６０は、ポリイミド等のガス不透過性ポリマー基材６４を含む。ポリマー基材の厚さは、好ましくは、０．０５０８ｍｍ（０．００２インチ）である。適当なポリイミド材料には、Ｅ．Ｉ．デュポン社が製造しているカプトン（カプトン（Ｋａｐｔｏｎ）は登録商標である）が含まれる。ポリマー基材６４は、両面が第１及び第２のグラファイトシート６６及び７０と積層されている。これらのグラファイト層６６、７０は、好ましくは、ポリイミド基材６４よりも約５倍乃至１０倍程度厚い。かくして、ポリマー基材は、非導電性であるが、更に重要なことには、製造中及び組み立て中の取り扱いを容易にする適当な機械的強度を備えたセパレータプレート６０の支持基材として機能する材料のシートを提供する。このようにして、本発明は、グラファイト／ポリマー積層体と比較した場合の純グラファイトシートと関連した脆性なしで必要な導電性を得るために、グラファイトを使用することの利点を得る。更に、図２及び図６に示すセパレータプレート６０は、図１でバイポーラプレート２０、２２、２４について示すように、流れ場チャンネルを形成する前の状態で示してあるということは理解されよう。
【００１３】
以下に詳細に説明するように、最初に、グラファイト６６、７０をポリマー基材６４の両面に配置した後、圧力を加える。更に、グラファイトの材料特性により、加圧中、グラファイトをポリマー基材６４の平面と交差する通路又は小孔７２に流入させることができる。小孔７２を通って延びるグラファイトは、ポリマー基材６４を通る別個の導電路即ちピラー７４（図２参照）を形成し、隣接したＭＥＡ１４と１６との間を電気的に連結する。最終的には、ポリマー基材６４により部分的に提供される高い強度と、グラファイト層６６、７０により部分的に提供される低い接触抵抗とを備えたセパレータプレート６０が提供される。
【００１４】
図２乃至図６を参照し続け、更に図７を参照し、セパレータプレート６０の製造方法を説明する。本教示によるセパレータプレート６０の製造方法は、図７に示すプロセスチャートに例示してあり、その全体に参照番号８０が付してある。工程８４では、ポリマー基材６４を提供する（図３参照）。工程９０では、熱活性化型の乾燥接着剤９２をポリマー基材６４の両面に適用する（図４参照）。工程９６では、基材６４の平面と交差する孔を形成し、小孔７２を形成する（図５参照）。これらの小孔７２は、任意の適当な機械加工作業によって形成されてもよい。小孔７２により、基材６４の材料が約３０％乃至５０％除去されてもよく、好ましくは、基材６４の４０％が除去される。小孔７２は、全体に円筒形形体を持つように示してある。これにより、形成に必要な機械加工作業が簡単になる。しかしながら、セパレータプレート６０内の小孔７２（及び結果的にはこれらの小孔を通って延びるグラファイトピラー７４）の大きさ、形状、密度、分布、及び位置は、所与の燃料電池の用途の仕様及び作動パラメータに従って選択されてもよいということは理解されよう。
【００１５】
次いで、グラファイト材料シート６６、７０を、工程１１２で、基材６４の両面に配置する（図６参照）。グラファイトシート６６、７０の厚さは、好ましくは、約０．２５４ｍｍ（約０．０１０インチ）である。しかしながら、上文中に説明したように、グラファイトシート６６、７０の厚さは、ポリマー基材６４よりも５倍乃至１０倍程度厚くてもよいが、所与の用途の要件によって、及び詳細にはバルク抵抗の要件によって指定されたこの他の厚さを備えていてもよい。乾燥接着剤９２が熱活性化型であるため、グラファイトシート６６、７０は、この時点では、基材６４に接着しない。工程１１６では、グラファイトシート６６、７０が両面に設けられたポリマー基材６４を、例えばローラープレスアッセンブリ等によって、圧縮状態に置く（図６で矢印Ｆで示す）。夫々のグラファイトシート６６、７０に及ぼされた圧縮力により、基材６４と交差する小孔７２にグラファイトを流入させ、即ち小孔７２内に押し出す（図２参照）。更に、熱活性化型接着剤９２が残りのグラファイトをポリマー基材６４の両面に結合し、小孔を塞ぐ（図２に参照番号１２２で示す）。最終的には、工程１２０で、例えば型押し作業等によって、所望の流れパターンを材料の平面に亘って形成する（特に図示してない）。
【００１６】
当業者は、以上の説明から、本発明の広範な教示を様々な形態で実施できるということを理解するであろう。従って、本発明をその特定の例と関連して説明したが、本発明の真の範囲はこれに限定されない。これは、添付図面、明細書、及び特許請求の範囲を検討することにより、この他の変更が当業者に明らかになるためである。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、ＰＥＭ燃料電池スタックの燃料電池の分解斜視図である。
【図２】図２は、本教示によるセパレータプレートの断面図である。
【図３】図３は、本教示に従って使用された基材の斜視図である。
【図４】図４は、図３の基材を、両面に適用された熱活性化型接着剤とともに示す斜視図である。
【図５】図５は、平面と交差して小孔が設けられた図４の基材の斜視図である。
【図６】図６は、グラファイトを両面に適用し、これに圧縮力を加えた図５の基材の斜視図である。
【図７】図７は、本発明によるセパレータプレートを製造するための工程を示すプロセスダイヤグラムである。
【符号の説明】
【００１８】
１６  ＭＥＡ
２０、２２、２４  バイポーラプレート
６０  セパレータプレート
６４  ガス不透過性ポリマー基材
６６、７０  グラファイトシート
７４  ピラー
７２  小孔
９２  熱活性化型接着剤
【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６】
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【図７】
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