(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性流体分配プレートであって、
前記プレートの少なくとも１つの外側側部に沿って流体の流れを分配させるように構成された複数の流体流れチャンネルを形成するプレートボディと、
前記プレートに接着されたコーティングであって、不純物を０．０１質量％より低い密度で含む黒鉛と、カーボンブラックと、ポリマー樹脂を含む結合剤とを含み、総カーボン含有量が１０質量％より少なく、前記ポリマー樹脂を７０質量％乃至９５質量％で含む、前記コーティングと、
を備える、導電性流体分配プレート。
【請求項２】
前記プレートは、該プレートの第１の外側側部及び第２の外側側部に沿って流体の流れを分配させるように構成された複数の流体流れチャンネルを更に備える、請求項１に記載の導電性流体分配プレート。
【請求項３】
前記コーティングは、１３７９ｋＰａ（２００ｐｓｉ）を超える圧縮圧力で２０ｍオームｃｍ２より小さい総抵抗を示す、請求項１に記載の導電性流体分配プレート。
【請求項４】
前記プレートは、前記プレートボディを通る流体の流れを該プレートボディの前記第１及び第２の外側側部の中間に分配させるように構成された複数の流体流れチャンネルを更に備える、請求項２に記載の導電性流体分配プレート。
【請求項５】
前記プレートボディは、不動態化された金属又は不動態化された合金を含む材料から形成される、請求項１に記載の導電性流体分配プレート。
【請求項６】
前記不動態化された金属又は合金は、チタニウム、ステンレス鋼、ニッケルベースの合金、並びに、それらの組み合わせのうち少なくともいずれかを含んでいる、請求項５に記載の導電性流体分配プレート。
【請求項７】
前記プレートは、前記不動態化された金属又は合金の表面上に不動態化層を更に含んでいる、請求項５に記載の導電性流体分配プレート。
【請求項８】
前記プレートは、金属、合金及び複合材料から選択された材料から形成される、請求項１に記載の導電性流体分配プレート。
【請求項９】
前記金属及び前記合金は、チタニウム、ステンレス鋼、ニッケルベース合金、並びに、それらの組み合わせを含んでいる、請求項８記載の導電性流体分配プレート。
【請求項１０】
前記複合材料は、ポリマーマトリックス中に黒鉛粉末を含む、請求項８に記載の導電性流体分配プレート。
【請求項１１】
前記コーティングは、３．３質量％乃至１０質量％で前記黒鉛を含んでいる、請求項１に記載の導電性流体分配プレート。
【請求項１２】
前記黒鉛は、膨張黒鉛、黒鉛粉末、黒鉛薄片、並びに、それらの組み合わせのうち少なくともいずれか１つを含んでいる、請求項１に記載の導電性流体分配プレート。
【請求項１３】
前記黒鉛は、５μｍ乃至９０μｍの粒子サイズを有する膨張黒鉛である、請求項１に記載の導電性流体分配プレート。
【請求項１４】
前記コーティングは、１．７質量％乃至１０質量％で前記カーボンブラックを含んでいる、請求項１に記載の導電性流体分配プレート。
【請求項１５】
前記カーボンブラックは、０．０５μｍ乃至０．２μｍの粒子サイズの粒子から構成される、請求項１に記載の導電性流体分配プレート。
【請求項１６】
前記コーティングは、前記黒鉛及び前記カーボンブラックを質量にして２：１の比率で含んでいる、請求項１に記載の導電性流体分配プレート。
【請求項１７】
燃料電池であって、
第１の導電性流体分配プレートであって、該第１の導電性流体分配プレートは、
前記プレートの少なくとも１つの外側側部に沿って流体の流れを分配させるように構成された複数の流体流れチャンネルを形成するプレートボディと、
前記プレートに接着されたコーティングであって、５μｍ乃至９０μｍの粒子サイズを有し且つ不純物が０．０１質量％より少ない、６．７質量％以下の膨張黒鉛と、０．０５μｍ乃至０．２μｍの粒子サイズを有する３．３質量％以下のアセチレンブラックと、７０質量％乃至９５質量％のポリアミドイミドと、を含み、前記膨張黒鉛及び前記アセチレンブラックを含む前記コーティングは、１３７９ｋＰａ（２００ｐｓｉ）を超える圧縮圧力で２０ｍオームｃｍ２より小さい総抵抗を示す、前記コーティングと、
を備える、前記第１の導電性流体分配プレートと、
第２の導電性流体分配プレートと、
前記第１の導電性流体分配プレート及び前記第２の導電性流体分配プレートを分離する膜電極アッセンブリであって、該膜電極アッセンブリは、第１の側部及び第２の側部を有する電解質膜と、前記電解質膜の前記第１の側部に隣接するアノードと、前記電解質膜の前記第２の側部に隣接するカソードと、を備える、前記膜電極アッセンブリと、
を備える、燃料電池。
【請求項１８】
前記ポリマー樹脂は、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリビニルエステル及びそれらの組み合わせのうち少なくとも１つを備える、請求項１に記載の導電性流体分配プレート。
【請求項１９】
前記コーティングは、１７２ｋＰａ乃至１３７９ｋＰａ（２５乃至２００ｐｓｉ）の接触圧力で６０乃至５ｍオームｃｍ２の接触抵抗を示し、１３７９ｋＰａ（２００ｐｓｉ）以上の圧縮圧力で１０ｍオームｃｍ２よりも小さい接触抵抗を示す、請求項１に記載の導電性流体分配プレート。
【請求項２０】
前記コーティングは、金の接触抵抗と同じである接触抵抗を示す、請求項１に記載の導電性流体分配プレート。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導電性コーティング、該コーティングを作る方法、及び、該方法による生成物に関する。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００２】
低いバルク密度を有する黒鉛を備えるコーティングが提供されている。該コーティングは、１．６ｇｍ／ｃｍ３より小さい密度を有する黒鉛を含むことができる。該コーティングは、比較的高い純度で汚染物質が事実上存在しない黒鉛を含むことができる。コーティングで使用される黒鉛は、膨張黒鉛を生成するように処理されてもよい。その処理には、化学的処理や、該処理に続いて実行され得る熱的処理を含んでいる。コーティング中の黒鉛は、０．０１質量％より低い密度の不純物を含み得る。コーティングは、カーボンブラックを更に含み得る。一実施例では、カーボンブラックは、０．０１質量％より低い密度の不純物を含んでいる。
【０００３】
別の実施例では、膨張黒鉛及び基板を含むコーティングを有する生成物が提供される。基板は、燃料電池のための収集プレート、バッテリーターミナル、電気接続ターミナル、静電構成部品、高い耐腐食性、並びに、良好な熱伝導度及び電気伝導度を要求する応用のうち少なくとも1つを含んでいる。
【０００４】
一つの実施例では、導電性流体分配プレートが提供され、該プレートは、プレートの少なくとも１つの側部を横切って流体の流れを分配させるように構成された１組の流体流れチャンネルを形成するプレートボディと、該プレートに接着されたコーティングと、を含んで提供される。コーティングは、黒鉛、カーボンブラック、及び、結合剤を含んでいる。コーティングは、１０質量％より少ない総密度のカーボンを含んでいる。
【０００５】
更に別の実施例では、コーティングは、黒鉛、カーボンブラック及び結合剤を含んで提供されている。黒鉛、カーボンブラック及び結合剤は、コーティングが１３７９ｋＰａ（２００ｐｓｉ）を超える圧縮圧力で２０ｍオームｃｍ２より小さい総抵抗、即ち接触抵抗とバルク抵抗とを総和した抵抗を示すような比率で提供される。
【０００６】
更に別の実施例では、流体分配プレートをコーティングする方法は、黒鉛とカーボンブラックとを混合し、２０ｍオームｃｍ２の総抵抗を有するコーティングを形成するのに十分な所定のミリング時間で黒鉛及びカーボンブラックをミリングし、該コーティングをプレート上に噴霧し、被覆された流体分配プレートを形成し、被覆された流体分配プレートを硬化する、各工程を備えるように提供される。
【０００７】
本発明は、添付図面が参照される本発明の好ましい実施例の次の説明からより完全に理解されよう。なお、請求の範囲は、該請求項の制限事項により画定され、次の説明に記載された特徴及び利点についての特有の議論によっては制限されない。
【０００８】
本発明の実施例の次の詳細な説明は、図面と連係して読まれるとき、最も良く理解することができる。これらの図面では、同様の構成は、同様の参照番号を用いて指し示されている。
【実施例】
【０００９】
当業者は、図面中の構成要素は、簡単さ及び明瞭さのために図示されており、必ずしも
縮尺通りに描かれているものではないことを認めるであろう。例えば、該図面中の構成要素のうち幾つかの寸法は、本発明の実施例の理解を改善させるため他の実施例よりも誇張され得る。
【００１０】
耐腐食性、導電性及び熱伝導性のコーティングが提供される。該コーティングは、黒鉛と、カーボンブラックと、コーティングの所望の総カーボン含有量を生じる量で与えられる結合剤と、を含んでいてもよい。適切な量は、所望のプレート特性を与えるように選択される。例えば、コーティングは、５質量％乃至７０質量％の総含有量のカーボンを含み、より詳しくは、１０質量％の総含有量のカーボンを含んでいてもよい。コーティングは、１０質量％より少ない総含有量のカーボンを含んでいてもよい。
【００１１】
コーティング中の総カーボン量は、主要には、コーティング中の黒鉛及びカーボンブラックの各々の量の結果である。一実施例では、コーティングは、黒鉛及びカーボンブラックを質量にして２：１の比率で含む。コーティング中の黒鉛の量を詳しく参照すると、一実施例では、コーティングは、３．３質量％乃至５０質量％の黒鉛を含んでいてもよい。コーティング中のカーボンブラックの量を詳しく参照すると、コーティングは、１．７質量％乃至２０質量％のカーボンブラックを含んでいてもよい。更には、黒鉛及びカーボンブラックの異なる量に加えて、コーティングは、様々に異なる量の結合剤を含んでいてもよい。結合剤の量は、コーティング中で使用される、黒鉛及びカーボンブラックの量に応じて変化し得る。一般には、より高い含有量の結合剤が、接着性能の向上、耐腐食性、及び、塗布の流れにとって望ましい。一実施例では、コーティングは、９５％乃至０質量％の結合剤、より詳しくは、９０質量％の結合剤を含む。一実施例では、結合剤のうち一定量は、７０％質量乃至９５質量％のポリマー樹脂である。
【００１２】
かくして、様々に異なるコーティング組成が、本発明により考えられる。一実施例では、コーティングは、ゲルの形態にある。詳しくは、一実施例では、コーティングは、５μｍ乃至９０μｍの粒子サイズを有する６．７質量％の膨張黒鉛と、０．０５μｍ乃至０．２μｍの粒子サイズを有する３．３質量％のアセチレンブラックと、９０質量％のポリアミドイミド結合剤と、を含む。
【００１３】
様々な種類の黒鉛がコーティングで使用するのに適している。黒鉛は、膨張黒鉛、黒鉛粉末、黒鉛薄片から選択され得る。黒鉛は、５μｍ乃至９０μｍの粒子サイズにより特徴付けられる。黒鉛は、低い密度を持っていてもよい。その密度は、概して１．６ｇｍ／ｃｍ３より小さく、より詳しくは、０．３ｇｍ／ｃｍ３より小さい。その密度は、０．０５ｇｍ／ｃｍ３乃至０．２ｇｍ／ｃｍ３の範囲に亘っており、より詳しくは、０．１ｇｍ／ｃｍ３乃至０．２ｇｍ／ｃｍ３の範囲に亘っている。
【００１４】
黒鉛は、比較的高い純度を持ち、不純物が事実上存在しない。これによって、０．０１質量％より少ない不純物、より詳しくは、０．０００１質量％より少ない不純物を含むコーティングが生成される。本発明の他の実施例では、コーティングは、０．００５質量％より少ない不純物、又は、０．００１質量％より少ない不純物を含み得る。
【００１５】
高い純度及び低い密度を達成するために、コーティング中の黒鉛を化学的に処理してもよい。化学的処理に引き続いて、熱処理が施されてもよい。化学的処理は、硫酸、硝酸、及び、それらの混合物のうち少なくとも１つを使用してなすことができる。化学的処理は、リン、過酸化水素、硫黄化合物、三酸化硫黄、及び、それらの組み合わせのうち少なくとも１つを用いて実行することもできる。熱処理は、処理された黒鉛を１３６６Ｋ（２０００°Ｆ）以上の温度にさらす。
【００１６】
化学的処理及び熱処理は、上述された密度及び純度の範囲にまで黒鉛を膨張するために十分な時間量に亘ってなされる。熱処理されたとき、化学的処理で使用される化学物質は、薄片黒鉛の層平面の間で仕切られている。これは、黒鉛をｃ方向に膨張させ、薄片が、長いねじ螺旋状巻きひげ又は膨張黒鉛を形成させるようにする。これらの巻きひげ又はねじ螺旋は、非常に軽量で綿毛状であり、それにより黒鉛は非常に低い密度を持っている。化学物質及び熱処理は、例えば、特にカチオン又は金属等の材料を生成するカチオン等の、０．５質量％の不純物を有する黒鉛材料等、非常に純度の高い黒鉛材料を生成することができる。ねじ螺旋状巻きひげは、黒鉛シート内に圧縮されてもよい。黒鉛を機械的に破壊することにより、低い密度の黒鉛粒子を生成することができる。黒鉛粒子は、１００μｍより少なくてもよい。
【００１７】
更には、様々な種類のカーボンブラックがコーティングで使用するのに適している。例を挙げると、カーボンブラックは、アセチレンブラック、ケチャンブラック（Ｒ）、ヴァルカンブラック（Ｒ）、リーガル（Ｒ）、溶鉱炉ブラック、ブラックパール（Ｒ）、及び、それらの組み合わせから選択されてもよいが、これらの例に限定されるものではない。カーボンブラックは、０．０５乃至０．２μｍの粒子サイズにより特徴付けることができる。カーボンブラックは、０．０１％よりも少ない不純物を一般に含み、より詳しくは、０．０００１質量％より少ない不純物を含んでいる。本発明の他の実施例では、コーティングは、０．００５質量％より少ない不純物、又は、０．００１質量％より少ない不純物を持っていてもよい。
【００１８】
本発明に係るコーティングで使用するための上述した特徴のうち任意のものを有する黒鉛は、任意の適切な方法により製造することができ、特定の方法は以下で説明される。より詳しい実施例及び応用は後述される。
【００１９】
多数の種類の結合剤が、コーティングで使用するのに適している。一実施例では、結合剤は、ポリマー樹脂を含んでいる。適切なポリマー樹脂には、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリビニルエステル及びそれらの組み合わせが含まれている。結合剤のための適切な媒体には、プロピレングリコールメチルエーテルアセテート、Ｎ−メチル−２−プロリドン、キシレン、並びに、それらの組み合わせが含まれている。
【００２０】
更には、コーティングは、それが、２００ｐｐｍより少ない金属汚染物質を含むように製造されてもよい。一実施例では、コーティングは、１７２ｋＰａ乃至１３７９ｋＰａ（２５乃至２００ｐｓｉ）の接触圧力で、６０乃至５ｍオームｃｍ２の接触抵抗を示し、より詳しくは、コーティングは、１３７９ｋＰａ（２００ｐｓｉ）以上の圧縮圧力で１０ｍオームｃｍ２よりも小さい接触抵抗を示す。１３７９ｋＰａ（２００ｐｓｉ）を超える圧縮圧力で２０ｍオームｃｍ２よりも小さい総抵抗は、コーティングにより提供される。コーティング中の、膨張黒鉛とカーボンブラックとの間の相乗効果に起因して、総抵抗は低くなり、低い総カーボン含有量で、２０ｍオームｃｍ２より低い状態を維持する。「相乗効果」という用語は、膨張黒鉛とカーボンブラックとの組み合わせが、黒鉛又はカーボンブラックのいずれかが同じ総カーボン含有量でのみ使用されるときよりも低い接触抵抗を生成するということを意味している。
【００２１】
コーティングは、幅広く様々な製品を生成するため、基板上に配置することができる。基板は、静電コーティング等の基板上に、燃料電池用の収集プレート、バッテリーターミナル、電気接続ターミナル、や、高い耐腐食性、良好な熱伝導度及び／又は電気伝導度を必要とする設備の少なくともいずれかを備えることができる。
【００２２】
導電性流体分配プレートは、燃料電池内部に電流を流し、流体を分配させるため燃料電池内で使用される。例えば、二極式導電性流体分配プレートは、燃料電池が一緒に積み重ねられたとき相互接続を提供するためしばしば利用される。同様に、端部プレートは、燃料電池の端部又は燃料電池スタックの端部のいずれかに載置され、電流を収集し、安定性を提供し、流体を分配する。一実施例は、低い接触抵抗、高い耐腐食性を有し、製造するのに十分に経済的な導電性流体分配プレートを備える。
【００２３】
図１を参照すると、自動車用途のための燃料電池システム２が示されている。しかし、例えば、居住用システムの分野等、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ことが理解されるべきである。図示のように、燃料電池システム２は、燃料処理装置４と、水ガスシフト反応器６と、優先酸化（ＰｒＯｘ）反応器７と、少なくとも１つの熱交換器８と、テールガス燃焼器９と、燃料電池１０と、を備えている。これらの構成部品及び燃料電池システム２の作用の説明は後述される。なお、一つの特定の燃料電池システムの設計が記載されているが、本発明は、流体分配プレートが有用性を持つ任意の燃料電池システムの設計に応用可能であり得ることが理解されるべきである。
【００２４】
燃料処理装置４では、例えば、ガソリン又はメタン等の炭化水素燃料と、空気と、蒸気とが混合され、加熱され、触媒を有する主要反応器内に送られる。その混合物は、該混合物が触媒の上方を流れて該触媒と反応するとき、水素、一酸化炭素、及び、他のプロセスガスへと分離され、水素の豊富な流れを形成する。適切な触媒材料は、プラチナグループの金属とベース金属とを含んでいる。この反応は、７００℃乃至８００℃の範囲の温度で発生する。
【００２５】
燃料処理装置４から出た水素の豊富な流れは、水ガスシフト反応器６に入る。水からの酸素は、一酸化炭素を二酸化炭素に変換して、追加の水素を残し、システム効率を増大させるため使用される。シフト反応器６の作働温度は、２５０℃から４５０℃までの範囲に亘っている。シフト反応器６から出た水素の豊富な流れは、ＰｒＯｘ反応器７に入り、該反応器では、水素の豊富な流れが燃料電池スタックに入る前に一酸化炭素の最終的な大掃除が発生する。残りの一酸化炭素のほとんどを二酸化炭素に変換するため必要とされる酸素を供給し、追加の水素を背後に残すため空気が追加される。ＰｒＯｘ反応器７内の作働温度は、８０℃乃至２００℃の範囲に亘っている。これら３つの反応器を組み合わせたものは、燃料電池から水素を抽出し、有害な排気物を軽減するか又は無くす。
【００２６】
３つの反応器は、燃料が導入される前に、それらの作働温度にまで迅速に加熱される。熱交換器８は、従って、燃料電池システム２を通して様々な温度を調整するため使用される。典型的には、熱交換器８は、燃料処理装置４に入る前に蒸気及び空気流れを予備加熱する。水素の豊富な流れからの消費熱は、燃料処理装置４の主要反応器から出て行く。
【００２７】
水素の豊富な流れは、燃料電池のスタックを備え得る燃料電池１０に供給され、空気等の源からの酸素と反応して電気を生成し、該電気を負荷部１１に電力供給するため使用することができる。燃料電池１０から出る未使用の少量の水素は、３００℃乃至８００℃の温度で作働するテールガス燃焼器９内で消費される。
【００２８】
図２を参照すると、車両ボディ９０と、燃料処理装置４及び燃料電池スタック１５を有する燃料電池システムと、を備える車両が示されている。燃料電池スタック及び燃料電池内に具現化される本発明の説明は、図３乃至図９を参照して以下に与えられる。
【００２９】
図３は、導電流体分配プレート３０により互いから分離された一対の膜電極アッセンブリ２０及び２２を有する２つの燃料電池の燃料電池スタック１５を表している。プレート３０は、膜電極アッセンブリ２０及び２２に燃料及び酸化ガスを分配するための複数の流体流れチャンネル３５、３７を有する二極式プレートとして機能する。「流体流れチャンネル」によって、プレートの少なくとも一部分内に、該一部分に沿って、又は、該一部分を通して流体を輸送するため使用されるプレート上の経路、領域、面積又は任意の区画が意味されている。膜電極アッセンブリ２０，２２及びプレート３０は、クランププレート４０及び４２と、導電流体分配プレート３２及び３４と、の間で一緒に積み重ねられている。プレート３２及び３４は、プレートの両側ではなく、唯一つの側部だけが、流体及び酸化ガスを膜電極アッセンブリ２０、２２に分配するためのチャンネル３６及び３８を備える端部プレートとして機能する。
【００３０】
非導電性ガスケット５０、５２、５４及び５６は、燃料電池スタックの幾つかの構成要素の間で、シール部及び電気絶縁部を提供する。ガス透過性のカーボン／黒鉛拡散ペーパー６０、６２、６４及び６６は、膜電極アッセンブリ２０及び２２の電極面に対して押圧する。プレート３２及び３４は、カーボン／黒鉛ペーパー６０及び６６に対して各々押圧し、プレート３０は、膜電極アッセンブリ２０のアノード面上でカーボン／黒鉛ペーパー６４を押圧する。
【００３１】
例えばＯ２等の酸化流体は、適切な供給配管８６を介して貯蔵タンク７０から燃料電池スタックのカソード側に供給される。酸化流体がカソード側に供給されている間に、例えばＨ２等の還元流体が、適切な供給配管８８を介して、貯蔵タンク７２から燃料電池のアノード側に供給される。還元流体は、触媒の存在下で、改質プロセスに従ってメタン若しくはガソリン、空気及び水の混合物から導出され得る。膜電極アッセンブリのＨ２及びＯ２／空気の両側部のための排出配管（図示せず）も提供される。プレート３０、３２及び３４から冷却剤を排出するための適切な配管も提供されるが、図示されていない。
【００３２】
図４は、第１のシート１０２と、第２のシート１０４とを備える導電流体分配プレート３０を示している。第１のシート１０２及び第２のシート１０４は、それらの外側側部で複数の流体流れチャンネル１０６、１０８を備えており、該側部を通って、燃料電池の反応ガスが各プレートの１つの側部に沿って典型的には蛇行経路で流れる。第１のシート１０２及び第２のシート１０４の内側側部は、複数の第２の流体流れチャンネル１１０、１１２を備えていてもよく、冷却剤は、該チャンネルを通って、燃料電池の作働の間に流れる。第１のシート１０２及び第２のシート１０４の内側側部がプレートボディ１２０を形成するため一緒に配置されるとき、流体流れチャンネルは、冷却剤がプレート３０を通過するための一連のチャンネルを接続し、これらを形成する。
【００３３】
図４に示されるプレートボディ１２０は、２つの別個のシートではなく、単一のシート又はプレートから形成されてもよい。プレートボディ１２０が単一のプレートから形成されるとき、これらのチャンネルは、プレートボディ１２０の外側側部上に、及び、プレートボディ１２０の中央部を通って形成されてもよく、その結果できるプレートボディ１２０が２つの別個のシート１０２、１０４から構成されるプレートボディ１２０に等価であるようにしている。
【００３４】
プレートボディ１２０は、金属、金属合金、又は、複合材料から形成されてもよく、導電性であっても、或いは、比較的弱い導電性、又は、絶縁材料のいずれであってもよい。この場合、コーティングは、高い導電性シェルとして機能している。一実施例では、不動態化金属又は不動態化合金がプレートボディ１２０を形成する。「不動態化金属」又は「不動態化合金」は、例えば空気又は水等の周囲の物質との反応の結果として不活性の不動態化層を形成する金属又は合金を意味している。例えば、不動態化層１２５は、金属酸化物であってもよい。金属酸化物は、酸素が金属又は合金表面に到達するため層を通って拡散することを必要とすることにより、更なる酸化へのバリアとして典型的には機能する。
かくして、不動態化層は、金属又は金属合金の完全無欠状態を保護することができる。
【００３５】
適切な金属、金属合金及び複合材料は、燃料電池において流体分配プレートとして機能する上で十分な耐久性及び剛性により特徴付けられるべきである。プレートボディのための材料を選択する上で考慮するための追加の設計特性には、ガス浸透性、伝導度、密度、熱伝導度、耐腐食性、パターン形成、熱及びパターン安定度、機械加工性、コスト及び利用可能性が含まれている。
【００３６】
市販されている金属及び合金には、チタニウム、ステンレス鋼、ニッケルベースの合金、及び、それらの組み合わせ等が含まれている。複合材料は、黒鉛、黒鉛フォイル、ポリマーマトリックス中の黒鉛粉末、カーボンファイバーペーパー及びポリマーラミネート、金属コア付きのポリマープレート、伝導被覆されたポリマープレート、並びに、それらの組み合わせを含んでいてもよい。
【００３７】
第１及び第２のシート１０２、１０４は、典型的には、０．０５１ｍｍ乃至０．５１ｍｍ（０．００２乃至０．０２インチ）の厚さである。シート１０２、１０４は、機械加工、鋳造加工、切削加工、切り取り、打ち出し、例えばフォトリソグラフィーマスクによるフォトエッチング、又は、他の任意の適切な設計、並びに、製造プロセスにより形成されてもよい。シート１０２、１０４には、平坦シートを備える薄層構造と、一連の外側ルウ対流れチャンネルを備える追加のシートとが含まれていてもよいと考えられる。内側金属スペーサーシート（図示せず）は、第１及び第２のシート１０２、１０４の間に配置されていてもよい。
【００３８】
導電流体分配プレートのためのコーティングは、黒鉛及びカーボンブラックを結合剤中でミリングすることにより、準備することができる。ミリング工程は、典型的には、１時間乃至２０時間の時間量の間で生じ、より詳しくは、２時間の間で生じる。例えば、コーティングが削り出される時間量等のミリング条件は、コーティングで使用される材料及びコーティングの所望の特性に応じて変わり得る。
【００３９】
次に、コーティングは、プレートボディに塗布される。コーティングは、例えば、ラミネーティング（例えば、熱間圧延工程等による）、ブラッシング、噴霧工程、引き延ばし（例えば、ドクターブレードを用いる）、及び、スクリーンプリント工程等の任意の適切な方法により塗布することができる。一実施例では、コーティングはプレートボディ上に噴霧され、被覆されたプレートボディを形成するためコーティングの２つの層がプレートボディに塗布される。被覆されたプレートボディは、１５０℃乃至３００℃の間の温度で硬化され、より詳しくは、２６０℃の温度で硬化される。被覆されたプレートボディは、１０分間乃至３０分間に亘って硬化され、より詳しくは、１５分間に亘って硬化される。
【００４０】
本発明の様々な実施例に係る導電流体分配プレートは、プレートボディへのコーティングの接着性能を増大させ、コーティング中の総カーボンの低い量に起因して耐腐食性を増大させる。更には、導電性流体分配プレートは、燃料電池スタックの寿命を増大させるため低い圧縮圧力の使用を可能にする。
【００４１】
以下、本発明を例を用いて更に説明する。本発明は、それらの例に限定されるものではないことが認められるべきである。
（例）
コーティングは、２時間に亘り、ポリアミドイミド中に、２：１の比率で、アセチレンブラック（ＡＢ）と共に、７０ミクロンよりも小さい黒鉛粒子９０％を含む、カルフォルニア州、ＳＧＬポリカーボンＩＮＣヴァレンシアにより製造された発泡グラファイトＥＧ１５をミリングすることにより準備された。その結果生成されたコーティングは、１０質量％より少ない総カーボンを含んでいた。コーティングの２つの層は、噴霧工程により３つの異なる基板に塗布された。第１の基板は、黒鉛プレート（ポコグラファイト社）であり、該プレート上に、コーティングの２つの層がプレートに塗布された。表面形成準備はプレート上で実行されなかった。第２の基板は、陰極クリーニングされた３１６Ｌステンレス鋼プレートであり、該プレートには、コーティングの２つの層が塗布された。第３の基板は、スコッチブライトで研磨されたチタニウムプレートであった。コーティングの２つの層がチタニウムプレートに塗布された。３層コーティングが塗布された基板は、１５分間に亘り、２６０℃で硬化された。
【００４２】
図５乃至図７は、被覆された基板の接触抵抗を示すグラフである。これらのグラフは、ｙ軸上で接触抵抗を示し、ｘ軸上で製造で使用された圧縮圧力を示している。図５は、被覆された黒鉛基板が、１３７９ｋＰａ（２００ｐｓｉ）より小さい圧縮圧力で２０ｍオームｃｍ２より小さい接触抵抗を示し、この値は、被覆されていない黒鉛上で得られた値と類似していた。図６は、被覆された陰極クリーニングされた３１６Ｌステンレス鋼が、１３７９ｋＰａ（２００ｐｓｉ）以上の圧縮圧力で２０ｍオームｃｍ２の接触抵抗を示すということを表している。図７は、被覆されたチタニウム基板の接触抵抗を示している。このグラフは、１３７９ｋＰａ（２００ｐｓｉ）以上の圧縮圧力で２０ｍオームｃｍ２より小さい接触抵抗を有することを示している。ｍオームｃｍ２の単位は、拡散ペーパー、コーティング表面の間の接触抵抗、コーティングのバルク抵抗、並びに、コーティング及び基板の間の接触抵抗を網羅している。
【００４３】
図７は、膨張黒鉛（ＥＧ１５）及びカーボンブラック（ＡＢ）を有するコーティングで被覆されたステンレス鋼基板を、ＥＧ１５だけ又はＡＢだけで被覆されたステンレス鋼基板と比較することにより得られた、黒鉛及びカーボンブラックの組み合わせの相乗的な特性を更に示している。図７で理解することができるように、総カーボンが１０質量％であるＥＧ１５及びＡＢの組み合わせを備えるコーティングを有する基板は、総カーボン含有量が１０質量％で、ＥＧだけで被覆された基板及びＡＢだけで被覆された基板よりも低い接触抵抗を示していた。
【００４４】
図８は、被覆された、陰極クリーニングされた３１６Ｌステンレス鋼基板から得られた静電位による電流遷移を示している。静電位による電流遷移を得るために、被覆された基板は、シミュレートされた燃料電池カソード条件の下に配置された。詳しくは、被覆された基板は、＋０．６Ｖ（Ａｇ／ＡｇＣｌ）で８０℃でｐＨ３を有する空気包含溶液中に配置された。このグラフは、ｘ軸上で時間の量を示し、ｙ軸上で電流遷移を示している。グラフは、コーティングが燃料電池環境で電気化学的に安定していることを示唆する、無視できるほど小さい腐食電流を示している。腐食実験実験後に被覆されたサンプルに関する接着テストは、基板へのコーティングの優れた接着を示した。更には、接触抵抗は、腐食及び接着テストの前後で、被覆されたサンプルに関して変化しなかった。このテストは、プレートの一方の側面の接触抵抗だけを考慮に入れている。
【００４５】
図９は、金で被覆された基板と比較したときの本発明の一実施例に係る被覆基板の比較を示している。金は、３０〜４０℃を超える温度で物理的蒸着（ＰＶＤ）を使用してクリーンなステンレス鋼基板上に沈着された。このグラフが示すように、被覆された基板の接触抵抗は、テストされた圧縮圧力範囲（１７２ｋＰａ〜２７５８Ｋｐａ（２５〜４００ｐｓｉ））を通して金の接触抵抗に同一である。
【００４６】
本発明は、幾つかの好ましい実施例を参照することにより説明されたが、説明された本発明の概念の精神及び範囲内で多数の変更をなすことができることが理解されるべきである。従って、本発明は、開示された実施例に限定されるものではなく、添付された請求の
範囲の言語により可能とされる全範囲を有することが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】図１は、燃料電池システムの概略図である。
【図２】図２は、燃料電池システムを備える車両の概略図である。
【図３】図３は、２つの燃料電池を用いる燃料電池スタックの概略図である。
【図４】図４は、本発明の一実施例に係る導電流体分配プレートを示す図である。
【図５】図５は、本発明に従って被覆された基板を含む複数の被覆基板の総抵抗を示すグラフである。
【図６】図６は、本発明に従って被覆された基板を含む複数の被覆基板の総抵抗を示すグラフである。
【図７】図７は、本発明に従って被覆された基板を含む複数の被覆基板の総抵抗を示すグラフである。
【図８】図８は、本発明に従って被覆された基板を含む複数の被覆基板の総抵抗を示すグラフである。
【図９】図９は、金で被覆された基板と比較したときの本発明に係る被覆基板の比較図である。
【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６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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