(57)【要約】  改良型の流れ場プレート設計と、かかるプレートを製作する方法が提供される。本発明の一実施形態によれば、バイポーラプレートを製作する方法が提供される。このバイポーラプレートは、向かい合う導電性の側面の間に画成された流れ場を備える。この方法によれば、流れ場スケルトンが提供される。流れ場スケルトンは、水素透過障壁層で被覆めっきされた犠牲コアを備える。導電性ポリマー複合材料が、バイポーラプレートの向かい合う側面を画定するように、流れ場スケルトンの周りに成型される。成型されたポリマー複合材料は、この複合材料に水素透過障壁層が接着し、犠牲コアがバイポーラプレートの向かい合う側面の間に流れ場空洞を画成するために複合材料と障壁層から溶けてなくなるように、硬化される。
2008537294.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイポーラプレートを製作する方法において、前記バイポーラプレートが、その向かい合う導電性の側面の間に画成された流れ場を備える方法であって、
水素透過障壁層で被覆めっきされた犠牲コアを備える流れ場スケルトンを提供するステップと、
前記バイポーラプレートの前記向かい合う側面を画定するように、導電性ポリマー複合材料を前記流れ場スケルトンの周りに成型するステップと、
前記複合材料に前記水素透過障壁層が接着し、前記犠牲コアが前記バイポーラプレートの前記向かい合う側面の間に流れ場空洞を画成するために前記複合材料と前記障壁層から溶けてなくなるように、前記成型されたポリマー複合材料を硬化させるステップと、
前記溶けた犠牲コアを前記流れ場空洞から取り除くステップとを含む方法。
【請求項２】
前記犠牲コアが、前記導電性ポリマー複合材料が前記流れ場スケルトンの周りに成型される温度を上回り、前記ポリマー複合材料が硬化または硬化後の温度を下回る温度範囲内にある融点を特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記犠牲コアが、可融合金、ワックス、およびその組み合わせから選択された材料を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記水素透過障壁層が、前記ポリマー複合材料をかなり上回る水素透過に対する耐性を特徴とする材料を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記水素透過障壁層が金属を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記水素透過障壁層が、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｃｒ、およびその化合物から選択される材料を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記水素透過障壁層が、前記犠牲コアを超える融点を特徴とする材料を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記導電性ポリマー複合材料が、前記流れ場スケルトンの流体ヘッダを前記複合材料に結合するように、前記流体ヘッダの一部分の周りに成型される、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記流体ヘッダが、非導電性流体ヘッダである、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記流体ヘッダが、前記犠牲コアを超える融点を特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記導電性ポリマー複合材料が、粉末成型コンパウンド、または熱硬化もしくは熱可塑性シート成型コンパウンドを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記導電性ポリマー複合材料が、ポリマーおよび導電性充填材を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記溶けた芯を取り除き、前記バイポーラプレート組立体に対して診断プロセスを行うように構成されたハードウェアを使用して、前記ポリマー複合材料が硬化される、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記診断プロセスが、圧力降下試験、漏れ試験、およびその組み合わせを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
バイポーラプレートを製作する方法において、前記バイポーラプレートが、その向かい合う導電性の側面の間に画成された流れ場と、前記バイポーラプレートの導電性の側面に結合された非導電性流体ヘッダ部分とを備える方法であって、
犠牲コアおよび非導電性流体ヘッダを備える流れ場スケルトンを提供するステップと、
前記非導電性流体ヘッダを前記複合材料に結合し、前記バイポーラプレートの向かい合う側面を画定するように、前記犠牲コアと前記流れ場スケルトンの前記非導電性流体ヘッダの一部分の周りに導電性ポリマー複合材料を成型するステップと、
前記犠牲コアが前記バイポーラプレートの前記向かい合う側面の間に流れ場空洞を画成するために前記複合材料から溶けてなくなるように、前記成型されたポリマー複合材料を硬化させるステップと、
前記溶けた犠牲コアを前記流れ場空洞から取り除くステップとを含む方法。
【請求項１６】
前記流れ場スケルトンが、水素透過障壁層で被覆めっきされた犠牲コアを備える、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
バイポーラプレートを備える装置において、前記バイポーラプレートが、ポリマー複合体の流れ場部分と、前記流れ場部分に結合された非導電性流体ヘッダ部分を備える装置であって、
前記流れ場部分が、一体構造のものであり、向かい合う導電性の側面と、前記向かい合う導電性の側面の間の流れ場を画定し、
前記流れ場部分の前記向かい合う導電性の側面が、前記流れ場に露出する内部の面を画定し、
前記流れ場部分の前記内部の面が、水素透過障壁層で少なくとも一部分被覆めっきされ、
前記流れ場部分が、その前記流れ場部分で前記ヘッダを保持するように、前記非導電性流体ヘッダ部分の少なくとも一部分と境界を成す装置。
【請求項１８】
複数の前記バイポーラプレートを組み込んだ燃料電池スタックをさらに含む、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
複数の前記燃料電池スタックをさらに含み、独立型の電力源として構成される、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記燃料電池スタックから動力供給される車両をさらに含む、請求項１８に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に燃料電池と呼ばれる電気化学的変換セルに関する。燃料電池は、第１および第２の反応物質（一般に水素および酸素）の酸化／還元により電気エネルギーを生成する。典型的なセルは、ガス拡散媒体層と触媒層の対同士の間に配置された、ポリマー隔膜（例えば陽イオン交換膜）を備える。カソードプレートおよびアノードプレートが、ガス拡散媒体層に隣接する最も外側の側面に配置され、上記の構成部品が隙間なく敷き詰められて、セルユニットを形成する。
【背景技術】
【０００２】
単独のセルユニットから供給される電圧は一般に、実用には小さすぎる。したがって、電気化学変換組立体すなわち燃料電池の電気出力を増やすために、複数のセルが一般に「スタック」状に連続的に配列され連結される。この配列では、２つの隣接するセルユニットが共通の極プレートを共有することができ、この極プレートが、直列接続した２つの隣接するセルユニットのためのアノードおよびカソードとして働く。かかるプレートは一般にバイポーラプレートと呼ばれ、関連付けられたセルへの反応物質および冷却材の送達を向上させるように画成された流れ場を備える。
【０００３】
燃料電池のバイポーラプレートは一般に、電気化学的な安定性、導電性を有し、かつ安上がりであることが必要である。ポリマーバイポーラプレートは、やはり一般に、通例ポリマーに導電性の充填材が含まれているため複合プレートと呼ばれているが、上述の基準を満たしているので、従来の金属製バイポーラプレートの実現可能な代替としてかなり注目されている。ただし、複合プレートは一般に、金属製プレートよりも水素に対する透過性があり、このことによってセルの性能および効率がかなり低下する可能性がある。より具体的には、複合プレートを介して水素が透過することによって、プレートの流れ場の冷却材通路に水素が存在する可能性がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、特に複合バイポーラプレートの文脈上では、燃料電池スタック用のバイポーラプレートの設計を改善する必要性が認知されている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
改良型の流れ場プレート設計と、かかるプレートを製作する方法が提供される。本発明の一実施形態によれば、バイポーラプレートを製作する方法が提供される。バイポーラプレートは、その向かい合う導電性の側面の間に画成された流れ場を備える。この方法によれば、流れ場スケルトンが提供される。流れ場スケルトンは、水素透過障壁層で被覆めっきされた犠牲コアを備える。導電性ポリマー複合材料が、バイポーラプレートの向かい合う側面を画定するように、流れ場スケルトンの周りに成型される。成型されたポリマー複合材料は、この複合材料に水素透過障壁層が接着し、犠牲コアがバイポーラプレートの向かい合う側面の間に流れ場空洞を画成するために複合材料と障壁層から溶けてなくなるように、硬化される。溶けた犠牲コアは、流れ場空洞から取り除かれる。
【０００６】
本発明の他の実施形態によれば、流れ場スケルトンの非導電性流体ヘッダを導電性ポリマー複合材料に結合し、バイポーラプレートの向かい合う側面を画定するように、複合材料が犠牲コアと非導電性流体ヘッダの一部分の周りに形成される、バイポーラプレートを製作する方法が提供される。
【０００７】
本発明の他の実施形態によれば、バイポーラプレートを備える装置が提供される。このバイポーラプレートは、ポリマー複合体の流れ場部分と、この流れ場部分に結合された非導電性の流体ヘッダ部分とを備える。流れ場部分は、一体構造のものであり、プレートの向かい合う導電性の側面と、その向かい合う導電性の側面の間の流れ場を画定する。流れ場部分の向かい合う導電性の側面は、流れ場に露出する内部の面を画定する。流れ場部分の内部の面は、少なくとも部分的に水素透過障壁層３８で被覆めっきされる。流れ場部分は、その流れ場部分で非導電性流体ヘッダ部分が保持されるように、そのヘッダの少なくとも一部分と境界を成す。
【０００８】
したがって、本発明の目的は、改良型のバイポーラプレート設計と、バイポーラプレートを製作する方法を提供することである。本発明のその他の目的は、本明細書における実施された本発明についての説明から明らかになるであろう。
【０００９】
以下の、本発明の特定の実施形態の詳細な説明を、以下の添付図面と併せ読めば、本発明の諸実施形態が最もよく理解できるであろう。以下の添付図面では、同じ構造を同じ参照番号で示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１〜３をまとめて参照すると、バイポーラプレート１０を製作するプロセスとそれによって製造されたバイポーラプレートが詳細に示されている。最初に図１を参照すると、本発明によるバイポーラプレート１０が通常通り、流れ場部分２０と、流れ場部分２０に結合された流体ヘッダ部分１５を備えている。図３に示されているように、流れ場部分２０は、バイポーラプレート１０の向かい合う導電性の側面１２と１４の間に画成された流れ場チャネル２２を含む。下記に詳細に示すように、バイポーラプレート１０の製作の仕方により、バイポーラプレート１０のこの２つの向かい合う導電性の側面１２と１４の間には一般に、識別可能な境界は存在しない。
【００１１】
流れ場部分２０は、例えば、この流れ場部分２０が導電性を有するのに十分な黒鉛、炭素繊維などの導電性の充填材を含有したポリマー材料を含む導電性複合材料を含んでいる。対照的に、流体ヘッダ部分１５は、バイポーラプレートを用いる燃料電池スタックの分流で形成されるガルバニ電池によって生じる腐食源をなくすのに役立つ、非導電性材料から構成することができる。
【００１２】
次に図２を参照すると、本発明によるバイポーラプレート製作方法では、適当に輪郭形成された流れ場スケルトン３０が上側押出金型３４と下側押出金型３６の間に設けられる。スケルトン３０は、非犠牲的な流体ヘッダ部分１５と犠牲的なコア３２を備える。芯３２は、バイポーラプレート１０に適した流れ場チャネル２２を画成するように輪郭形成され、本明細書では「犠牲的」と呼ばれる。これは、この芯が最終的なバイポーラプレート１０の一部分を形成しないからである。対照的に、流体ヘッダ部分１５は、犠牲的なものではなく、最終的なプレート構造の一部分を形成する。図２の構成部品、具体的には芯３２の輪郭形成された部分と、上側金型３４および下側金型３６は、一定の縮尺で示されていないことにも留意されたい。
【００１３】
導電性ポリマー複合材料４０が、輪郭形成された金型３４、３６を使用して、流れ場スケルトン３０の周りに成型される。導電性ポリマー複合材料４０はまた、流れ場スケルトン３０の非導電性流体ヘッダ１５をバイポーラプレート１０の残りの部分に機械的に結合し、このバイポーラプレートの残りの部分との、流れ場の流体漏れを防ぐために封止される境界面を形成するように、ヘッダ１５の一部分の周りに成型することができる。本発明を実施する者なら分かるように、非導電性の流体ヘッダ部分１５は、犠牲コア３２の融点を超える融点を特徴とするべきである。
【００１４】
本発明によるバイポーラプレートの形成に使用する導電性ポリマー複合材料４０は、任意の適当なポリマー材料を含むことができる。限定はしないが例えば、複合材料４０には、導電性充填材を含んだ、適当な粉末成型コンパウンド、または熱硬化もしくは熱可塑性シート成型コンパウンドが含まれてもよい。その他の例には、ビニルエステル、フェノール、エポキシなどが含まれる。
【００１５】
金型３４、３６は、バイポーラプレート１０の向かい合う側面１２、１４を画成するので、アノード、カソード流れ場金型３４、３６と呼ぶこともできる。アノード、カソード流れ場金型３４、３６および流れ場スケルトン３０によって画成される特定のパターンは本発明の範囲外である。したがって図２に単なる略図で示す。
【００１６】
次いで、複合材料４０から犠牲コア３２を溶かして、バイポーラプレート１０の向かい合う側面１２、１４の間に流れ場空洞を画成するように、成型されたポリマー複合材料４０が硬化される。本発明の一実施形態では、犠牲コア３２は水素透過障壁層で被覆めっきされる。図３を特に参照すると、水素透過障壁層３８は、硬化中に芯３２が溶けてなくなると、複合材料４０に接着する。障壁層３８は、複合材料４０よりも水素透過に対して耐性のある、任意の適当な材料でよい。限定はしないが例えば、障壁層３８は、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｃｒ、およびその化合物から選択される金属にすることができる。本発明を実施する者なら分かるように、水素透過障壁層３８は、犠牲コア３２の融点を超える融点を特徴とする材料を含むべきである。
【００１７】
犠牲コア３２は、導電性ポリマー複合材料４０が流れ場スケルトン３０の周りに成型される温度を上回り、このポリマー複合材料４０が硬化または硬化後の温度を下回る温度範囲内にある融点を特徴とする。犠牲コアは、様々な任意の適当な材料を含むことができる。限定はしないが例えば、犠牲コア３２は、可融合金、ワックス、およびその組み合わせから選択された材料から形成することができる。
【００１８】
溶けた犠牲コアは、硬化段階中または硬化段階の後に、例えば適当な流体を使用して流れ場をパージするか、流れ場を排気するか、あるいはその他の任意の適当な手段によって、流れ場空洞から取り除くことができる。さらに、ポリマー複合材料は、溶けた芯を取り除き、バイポーラプレート組立体に対して診断プロセス（例えば、圧力降下試験、漏れ試験など）を行うように構成されたハードウェアを使用して硬化させることができる。
【００１９】
本発明の一実施形態によるバイポーラプレート１０は、ポリマー複合体の流れ場部分２０と、この流れ場部分２０に結合された、非導電性流体ヘッダ部分１５を備える。流れ場部分２０は、一体構造のものであり、向かい合う導電性の側面１２、１４と、この向かい合う導電性の側面１２、１４の間の流れ場を画定する。図３に示すように、流れ場部分の向かい合う導電性の側面１２、１４は、流れ場部分２０の流れ場を集合的に形成する流れ場チャネル２２に露出する、内部の面を画定する。流れ場部分２０の内部の面は、少なくとも部分的に水素透過障壁層３８で被覆めっきされる。さらに、流れ場部分２０は、その成型された流れ場部分２０でヘッダ１５を確実に保持するのに十分な程度に、非導電性流体ヘッダ１５の一部分と境界を成す。
【００２０】
様々な装置が、本発明による１つまたは複数のバイポーラプレート１０を組み込むことができる。具体的には、限定はしないが例として、本発明による装置は、複数のバイポーラプレート１０を組み込んだ燃料電池スタックを備えることができる。さらに、本発明による装置には、複数の燃料電池スタックを含んだ独立型の発電ユニットまたは、図４を参照すると１つまたは複数の燃料電池スタック１１０から電力供給される車両１００が含まれてもよい。具体的には、燃料貯蔵ユニット１２０からの燃料は、Ｈ２などの燃料を電気に変換するように構成された、燃料電池組立体またはすなわちスタック１１０を対象とすることができる。生成された電気は、電気がトルクおよび車両の並進運動に変換される、車両１００のための動力供給源として使用される。図４に示されている車両１００は乗用車であるが、車両１００は、燃料電池システムで動力供給または推進されることができる、現在既知の、または今後開発される任意の車両、例えば自動車（すなわち乗用車、軽量トラックないし大型トラック、またはトレーラートラック）、耕作機械、航空機、船舶、機関車などでよいことが企図されている。
【００２１】
「好ましい」、「一般に」、および「典型的に」のような語は、本明細書において、特許請求の範囲に記載した本発明の範囲を限定するため、あるいは、特許請求の範囲に記載した本発明の構造または機能にとって特定の特徴が決定的、不可欠、さらには重要であることを意味するために利用されているのではないことに留意されたい。むしろ、これらの語は、本発明の特定の実施形態で利用されてもされなくてもよい、代替的または追加の特徴を強調するためのものにすぎない。
【００２２】
「装置」という語は、本明細書において、本発明について説明／定義する目的で、構成部品の組み合わせおよび個々の構成部品を表すために利用され、その構成部品が他の構成部品と組み合わせられるかどうかには関係ないことに留意されたい。「ほぼ」という語は、本明細書において、本発明について説明／定義する目的で、任意の量的比較、値、測定値、またはその他の表現形式に起因し得る固有の不確かさの度合いを表すために利用されることに留意されたい。「ほぼ」という語はまた本明細書において、ある量的表現が、この係争対象物の基本機能に変更をもたらすことなく、規定された基準から変動できるだけの度合いも表す。
【００２３】
本発明を詳細に、特定の実施形態を参照して説明したが、添付の特許請求の範囲で定義される本発明の範囲から逸脱することなく、変更および変形が可能であることは明らかであろう。より具体的には、本発明のいくつかの態様は本明細書において好ましい、または特に有利であると特定されるが、これらの好ましい態様に本発明が限定されないことが企図されている。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施形態によるバイポーラプレートの図である。
【図２】本発明の一実施形態によるバイポーラプレートを製作する方法を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態によるバイポーラプレートの一部分を示す横断面図である。
【図４】本発明によるバイポーラプレートを組み込んだ燃料電池スタックから動力供給される車両の図である。
【図１】
2008537294.tif 000003
【図２】
2008537294.tif 000004
【図３】
2008537294.tif 000005
【図４】
2008537294.tif 000006
【国際調査報告】
2008537294.tif 000007