(57)【要約】      （修正有）【課題】電気伝導度を維持しつつも改善された腐食耐性を有する燃料電池用金属基板を提供する。【解決手段】前記金属基板の製造方法は、酸素存在下で酸化物形成による不動態化を受けやすい表面で、かつ伝導性の腐食を受けやすい金属基板より、前記表面より前記酸化物を除去し、周期律表のグループ４、５、１０又は１１から１つ以上の元素を含む導電コーティング材料を前記表面に沈着させ、次いで、前記表面上の前記１つ以上の元素を含む前記コーティングを覆うように腐食耐性のポリマーベースの導電コーティングを適用する工程とを備える。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池内で導電要素を処理するための方法であって、
酸素の存在下で酸化物を形成することによる不動態化を受けやすい表面を有する、伝導性の腐食を受けやすい金属基板を提供し、
前記酸化物を前記表面から除去し、
導電コーティングを前記表面上に沈着させ、該コーティングは、周期律表のグループ４、５、１０又は１１から選択された１つ以上の元素を含み、前記金属基板より腐食耐性が大きく、約５０ミクロンより小さい厚さを有し、
前記表面上の前記１つ以上の元素を含む前記コーティングを覆うように腐食耐性のポリマーベースの導電コーティングを適用する、各工程を備える、方法。
【請求項２】
前記金属基板は、アルミニウム、マグネシウム、チタニウム、並びに、それらの合金及び混合物からなるグループから選択されている、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記金属基板は、アルミニウムを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記除去工程は、真空中で実行される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記除去工程は、プラズマクリーニングにより実行される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
グループ４、５、１０又は１１から選択された前記１つ以上の元素は、チタニウム（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、パナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、金（Ａｕ）、プラチナ（Ｐｔ）並びにそれらの混合物及び合金からなるグループから選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記１つ以上の元素は、前記周期律表のグループ４又は５から選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記コーティングの前記１つ以上の元素は、チタニウム（Ｔｉ）を含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記コーティングは、窒化チタニウム（ＴｉＮ）、亜酸化チタニウム（ＴｉＯｘ、ｘ＜２）、及び、それらの混合物からなるグループから選択された化合物を含んでいる、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
１つ以上の元素を含む前記コーティングは、１つ以上の層を含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
１つ以上の元素を含む前記コーティングは、約０．１ミクロン乃至約５０ミクロンの厚さを有する、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
１つ以上の元素を含む前記コーティングは、約０．５ミクロン乃至約５ミクロンの厚さを有する、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記ポリマーベースコーティングの前記適用工程は、被覆、ブラッシング、噴霧、拡大、浸漬、圧延、薄層化、及び、粉末コーティング適用からなるグループから選択されるプロセスにより実行される、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記適用工程の前に、ポリマー及び導電粒子を含む母剤が形成され、該母剤は、前記ポリマーベースのコーティングを形成するように適用される、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
１つ以上の元素を含む前記コーティングを沈着させる前記工程は、イオン援助式の物理蒸着により実行される、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
燃料電池内で導電要素を処理するための方法であって、
酸素の存在下で酸化物を形成することによる不動態化を受けやすい表面を有する、伝導性の腐食を受けやすい金属基板を提供し、
前記酸化物を前記表面から除去するため該表面を処理し、
チタニウム（Ｔｉ）を含む導電性のチタニウムベースのコーティングを前記表面上に沈着させ、処理されチタニウムで被覆された前記基板は、未処理の被覆されていない基板に比べてより大きな腐食耐性とより大きい電気伝導度とを有し、
前記表面上の前記チタニウムベースのコーティングを覆うように腐食耐性のポリマーベースの導電コーティングを適用する、各工程を備える、方法。
【請求項１７】
前記チタニウムベースのコーティングは、亜酸化チタニウムを含んでいる、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記金属基板は、アルミニウム、マグネシウム、チタニウム、並びに、それらの合金及び混合物からなるグループから選択されている、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記金属基板は、アルミニウムを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記処理工程は、真空中で実行される、請求項１６に記載の方法。
【請求項２１】
前記処理工程は、プラズマクリーニングにより実行される、請求項１６に記載の方法。
【請求項２２】
前記沈着工程により適用される前記チタニウムベースのコーティングは、１つ以上の層を備えている、請求項１６に記載の方法。
【請求項２３】
前記チタニウムベースのコーティングは、約０．１ミクロン乃至約５０ミクロンの厚さを有する、請求項１６に記載の方法。
【請求項２４】
前記チタニウムベースのコーティングは、約０．５ミクロン乃至約５ミクロンの厚さを有する、請求項１６に記載の方法。
【請求項２５】
前記ポリマーベースコーティングの前記適用工程は、被覆、ブラッシング、噴霧、拡大、浸漬、圧延、薄層化、及び、粉末コーティング適用からなるグループから選択されるプロセスにより実行される、請求項１６に記載の方法。
【請求項２６】
前記適用工程の前に、ポリマー及び導電粒子を含む母剤が形成され、該母剤は、前記ポリマーベースのコーティングを形成するように適用される、請求項１６に記載の方法。
【請求項２７】
チタニウムを含む前記コーティングの前記沈着工程は、イオン援助式の物理蒸着により実行される、請求項１６に記載の方法。
【請求項２８】
燃料電池で使用するための導電要素であって、
酸素の存在下で酸化物を形成することによる不動態化を受けやすい表面を有する、伝導性の腐食を受けやすい金属基板であって、前記表面は、前記酸化物が実質的に存在せず、腐食耐性導電コーティングで覆われ、該コーティングは、周期律表のグループ４、５、１０又は１１から選択された１つ以上の元素を含み、約５０ミクロンより小さい厚さを有する、前記金属基板と、
前記表面上の前記チタニウムベースのコーティングに亘って適用された腐食耐性のポリマーベースの導電コーティングと、
を備える、導電要素。
【請求項２９】
前記金属基板は、アルミニウム、マグネシウム、チタニウム、並びに、それらの合金及び混合物からなるグループから選択されている、請求項２８に記載の導電要素。
【請求項３０】
前記金属基板は、アルミニウムを含む、請求項２８に記載の導電要素。
【請求項３１】
１つ以上の元素を含む前記腐食耐性コーティングは、１つ以上の層を含んでいる、請求項２８に記載の導電要素。
【請求項３２】
グループ４、５、１０又は１１から選択された前記１つ以上の元素は、チタニウム（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、パナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、金（Ａｕ）、プラチナ（Ｐｔ）並びにそれらの混合物及び合金からなるグループから選択される、請求項２８に記載の導電要素。
【請求項３３】
前記１つ以上の元素は、前記周期律表のグループ４又は５から選択される、請求項２８に記載の導電要素。
【請求項３４】
前記コーティングの前記１つ以上の元素は、チタニウム（Ｔｉ）を含んでいる、請求項３３に記載の導電要素。
【請求項３５】
前記コーティングは、窒化チタニウム（ＴｉＮ）、亜酸化チタニウム（ＴｉＯｘ、ｘ＜２）、及び、それらの混合物からなるグループから選択された化合物を含んでいる、請求項３４に記載の導電要素。
【請求項３６】
１つ以上の元素を含む前記腐食耐性コーティングは、約０．１ミクロン乃至約５０ミクロンの厚さを有する、請求項２８に記載の導電要素。
【請求項３７】
１つ以上の元素を含む前記腐食耐性コーティングは、約０．５ミクロン乃至約５ミクロンの厚さを有する、請求項２８に記載の導電要素。
【請求項３８】
１つ以上の元素を含む前記腐食耐性コーティングと前記ポリマーベースのコーティングとを有する前記基板は、５０ｐｓｉ（３５０ｋＰａ）以上の圧縮力の下で５０ｍΩ−ｃｍ２より小さい接触抵抗を有する、請求項２８に記載の導電要素。
【請求項３９】
１つ以上の元素を含む前記腐食耐性コーティングと前記ポリマーベースのコーティングとを有する前記基板は、５０ｐｓｉ（３５０ｋＰａ）以上の圧縮力の下で２５ｍΩ−ｃｍ２より小さい接触抵抗を有する、請求項３８に記載の導電要素。
【請求項４０】
前記ポリマーベースのコーティングは、ポリマー結合剤と、複数の導電粒子とを含んでいる、請求項２８に記載の導電要素。
【請求項４１】
前記ポリマーベースのコーティングの前記導電粒子は、金、パナジウム、ニッケル、スズ、銀、パラジウム、貴金属、グラファイト、カーボンブラック及びそれらの混合物からなるグループから選択されている、請求項４０に記載の導電要素。
【請求項４２】
前記導電粒子は、グラファイト及びカーボンブラックを含んでいる、請求項４０に記載の導電要素。
【請求項４３】
前記グラファイトは、発泡グラファイト、グラファイト粉末、グラファイト薄片、及び、それらの混合物からなるグループから選択される、請求項４２に記載の導電要素。
【請求項４４】
組み合わせられた前記グラファイト及びカーボンは、その総量が約４０重量％より小さい状態で、前記母剤中に存在する、請求項４２に記載の導電要素。
【請求項４５】
前記ポリマーベースの結合剤は、ポリビニールエステル、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリエーテル−イミド、エポキシ、シリコン、ポリフェノール、フッ化エラストマー（例えばフッ化ポリビニリデン）、ポリエステル、フェノキシル−フェノール類、エポキシド−フェノール類、アクリル類、ウレタン、及び、それらの混合物からなるグループから選択されている、請求項４０に記載の導電要素。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＰＥＭ燃料電池に係り、より詳しくは、腐食耐性を有する導電要素及び該要素を作るための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電気自動車及び多数の用途のための電源として提案されてきた。一つの知られた燃料電池は、所謂「膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）」を備えるＰＥＭ（即ち、陽子交換膜）燃料電池である。該膜電極アッセンブリは、膜電解質の一方の面にアノード、反対側の面にカソードを有する薄い固体ポリマー膜電解質から構成されている。アノード及びカソードは、典型的には、細かく分割された炭素粒子と、該炭素粒子の内側表面及び外側表面で担持された非常に細かく分割された触媒粒子と、該触媒粒子及び炭素粒子に混合された陽子伝達性材料と、を備えている。
【０００３】
膜電極アッセンブリは、アノード及びカソードのための電流コレクターとして役立つ一対の導電性接触要素の間に挟まれており、夫々のアノード及びカソードの表面に亘って燃料電池のガス状反応物（即ち、Ｈ２及びＯ２／空気）を分布させるための適切なチャンネル及び開口部を備えることができる。
【０００４】
二極式ＰＥＭ燃料電池は、電気的に直列に積み重ねられた、複数の膜電極アッセンブリを備えると共に、隣接するアッセンブリ同士が、二極式プレート又は隔膜として知られている不透過性の導電接触要素により、分離されている。隔膜又は二極式プレートは、２つの作業面を有し、一方の作業面は一つの電池のアノードに直面し、他方の作業面は、スタック内の次の隣接する電池のカソードに直面し、二極式プレートは、隣接する電池の間に電流を伝達させる。スタックの両端部にある接触要素は、端部の電池のみと接触し、端部プレートと称される。
【０００５】
Ｈ２−Ｏ２／空気ＰＥＭ燃料電池の環境では、二極式プレート及びその他の接触要素（例えば、端部プレート）は、Ｆ−、ＳＯ４−−、ＳＯ３−、ＨＳＯ４−、ＣＯ３−−、及び、ＨＣＯ３−等を含む高度に酸性（ｐＨ３〜５）の溶液と常に接触した状態にある。その上、カソードは、非常な酸化環境で作動しており、加圧空気にさらされている間に最大約１Ｖ（通常の水素電極）に分極される。最終的には、アノードは、超大気圧水素に常にさらされている。よって、金属から作られた接触要素は、燃料電池環境において、良好な電気伝導度を維持しつつ、酸、酸化及び水素脆弱化に対して耐性がなければならない。この基準に合致する金属はほとんど存在しないので、接触要素は、腐食耐性を有し、ＰＥＭ燃料電池環境で導電性を有する大きな破片のグラファイトからしばしば製作された。しかし、グラファイトは、非常に壊れやすく、しかも多孔性であり、それから薄いガス不浸透性のプレートを作ることは非常に困難となる。
【０００６】
例えばアルミニウム及びその合金等の軽量金属を、燃料電池接触要素を作る際に使用することも提案された。そのような金属は、グラファイトよりも導電性が高く、非常に薄いプレートへと成形することができ、燃料電池のガルバノ効率を増大させる。残念ながら、そのような軽量金属は、敵対的なＰＥＭ燃料電池環境において腐食を受けやすく、該金属から作られた接触要素は、ＰＥＭ燃料電池環境において分解する可能性がある（例えばアルミニウムの場合）。他の望ましい金属には、ステンレス鋼又はチタニウムが含まれている。これらの金属は、腐食耐性がより優れているが、金属酸化物が表面上に形成される不動態化を受けやすい。金属酸化物は、表面の接触抵抗を増大させ、許容できないその高い電気抵抗に起因して燃料電池電流コレクターで直接使用することを望ましくなくさせる。
【０００７】
例えばアルミニウム等の軽量金属の腐食感度に鑑みて、保護コーティングを開発するための努力がなされてきた。しかし、これらの保護方法の中には、アルミニウムプレートの電気絵遅行を受容できないレベルにまで増大させるものがある。保護の他の方法は、伝導度を受容可能なレベルに維持するが、所望レベルの保護を十分に達成せず、又は、コストが法外なものとなる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従って、燃料電池のパワー出力及び効率を促進するため腐食耐性及び導電性を有する二極式プレートが求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、燃料電池内で導電要素を処理するための方法を提供する。本方法は、酸素の存在下で酸化物を形成することによる不動態化を受けやすい表面を有する、伝導性の腐食を受けやすい金属基板を提供し、酸化物を該表面から除去し、導電コーティングを該表面上に沈着させる、各工程を備える。該コーティングは、周期律表のグループ４、５、１０又は１１から選択された１つ以上の元素を含み、金属基板より腐食耐性が大きく、約５０ミクロンより小さい厚さを有する。該表面上の１つ以上の元素を含むコーティングを覆うように、腐食耐性の導電ポリマーベースのコーティングが適用される。
【００１０】
本発明は、代替の好ましい実施例に係る、燃料電池内で導電要素を処理するための方法を提供する。本方法は、酸素の存在下で酸化物を形成することによる不動態化を受けやすい表面を有する、伝導性の腐食を受けやすい金属基板を提供し、酸化物を該表面から除去するため基板を処理し、チタニウム（Ｔｉ）を含む導電チタニウムベースのコーティングを該表面に沈着させ、処理されチタニウムで被覆された基板は、未処理で被覆されていない基板に対してより大きい腐食耐性と、より大きい伝導度とを有し、該表面上のチタニウムベースのコーティングを覆うように腐食耐性導電ポリマーベースのコーティングを適用する、各工程を備える。
【００１１】
本発明の他の態様は、燃料電池で使用するための導電要素を提供する。該導電要素は、酸素の存在下で酸化物を形成することによる不動態化を受けやすい表面を有する、伝導性の腐食を受けやすい金属基板を備え、該表面は、酸化物が実質的に存在せず、腐食耐性導電コーティングで覆われ、該コーティングは、チタニウムを含み、約５０ミクロンより小さい厚さを有する。腐食耐性の導電ポリマーベースのコーティングは、表面上のチタニウムベースのコーティングに亘って適用される。
【００１２】
本発明の応用可能性の更なる領域は、以下に提供された詳細な説明から明らかとなろう。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しつつ、図示の目的だけを意図しており、本発明の範囲を制限するものではない。
【００１３】
本発明は、次の詳細な説明及び添付図面からより完全に理解されるようになるであろう。
【実施例】
【００１４】
好ましい実施例の次の説明は、本質上単なる例示であり、本発明、その用途、又は使用法を限定するものではない。本発明は、酸素の存在下で酸化物を形成することによる不動態化を受けやすい表面を有する、腐食を受けやすい導電金属基板を備える燃料電池（例えばＰＥＭ燃料電池）における導電要素に関する。「腐食を受けやすい金属」とは、金属が、電池の環境により酸化／不動態化又は分解されるかのいずれかであることを意味している。下層の基板を燃料電池内の腐食剤による攻撃から保護するためには、当該表面は、酸化物が実質的に存在しないように処理され、腐食耐性導電金属コーティングで被覆される。腐食耐性導電ポリマーベースのコーティングが、表面の金属コーティングに亘って塗布され、かくして、当該基板は、燃料電池内で機能するため必要となる電気伝導度を維持しつつ、腐食攻撃から保護される。
【００１５】
本発明についてのより良い理解を得るため、本発明を用いることができる一例としての燃料電池が図１に示されている。図１は、導電性の液体冷却式の二極式セパレータプレート導電要素８によって互いから分離される一対の膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）４、６を有するスタックを形成するべく接続された２つの個別の陽子交換膜（ＰＥＭ）燃料電池を表している。スタック内では直列に接続されていない個々の燃料電池は、単一の電気活性側部を備えたセパレータプレート８を有する。スタックにおいて、好ましい二極式セパレータプレート８は、典型的には、スタック内で２つの電気的活性側部２０、２１を有し、各々の活性側部２０、２１は、分離された反対電荷を各々有する別個のＭＥＡ４、６に各々面しており、よって、所謂「二極式」プレートと称されている。本明細書で説明されるように、燃料電池スタックは、導電性二極式プレートとして説明されるが、本発明は、単一の燃料電池を有するスタックにも等しく適用可能である。
【００１６】
ＭＥＡ４、６及び二極式プレート８は、金属クランプターミナルプレート１０、１２の間、並びに、端部接触流体分配要素１４及び１６の間に一緒に積み重ねられている。端部流体分配要素１４、１６、並びに、二極式プレート８の両作業面若しくは両側部２０、２１は、燃料ガス及び酸化剤ガス（即ち、Ｈ２及びＯ２）をＭＥＡ４，６に分配するための活性面１８、１９、２０、２１、２２及び２３上の溝若しくはチャンネルに隣接して複数のランドを備えている。非伝導性ガスケット即ちシール部２６、２８、３０、３２、３３及び３５は、燃料電池スタックの幾つかの構成要素の間で密封及び電気的絶縁を提供する。ガス透過性伝導拡散媒体３４、３６、３８及び４０は、ＭＥＡ４、６の電極面に対して押し付けられる。伝導媒体４３、４５の追加の層が、端部接触流体分配要素１４、１６と、ターミナルコレクタープレート１０、１２との間に配置されており、スタックが通常の作動条件の間に圧縮されるとき、それらの間に伝導経路を提供する。端部接触流体分配要素１４、１６は、各々、拡散媒体３４，４３及び４０，４５に対して押し付けられている。
【００１７】
酸素は、適切な供給配管４２を介して貯蔵タンク４６から燃料電池スタックのカソード側に供給され、水素は、適切な供給配管４４を介して、貯蔵タンク４８から燃料電池のアノード側に供給される。代替例として、空気は、周囲からカソード側に供給されてもよく、水素は、メタノール又はガソリンの改質器等からアノードへと供給されてもよい。ＭＥＡのＨ２及びＯ２／空気側の両方のための排出配管４１も提供される。追加の配管５０は、貯蔵領域５２から、二極式プレート８及び端部プレート１４、１６を介して出口配管５４へと冷却剤を循環させるため設けられている。
【００１８】
図２は、第１の外側金属シート５８と、第２の外側金属シート６０と、第１の外側金属シート５８及び第２の外側金属シート６０の中間に介在された内部スパーサー金属シート６２と、を備える二極式プレート５６の等角分解図である。外側金属シート５８、６０は、可能な限り薄く作られており（例えば、約０．０５ｍｍ〜約０．５ｍｍ厚（約０．００２〜０．０２インチ厚））、打ち抜き、フォトエッチング（即ち、フォトリソグラフィーマスクを通して）又は、シート金属を成形するための他の任意の従来プロセスにより成形することができる。外側シート５８は、膜電極アッセンブリ（図示せず）に直面する、その外側に形成された第１の作業表面５９を有し、複数のランド６４を提供するように形成され、該ランドは、それらの間に「流れ場」として知られた複数の溝６６を形成し、該溝を通って、燃料電池の反応ガス（即ち、Ｈ２又はＯ２）が、二極式プレートの一方の側部６８からその反対側側部７０へと蛇行経路で流れていく。燃料電池が完全に組み立てられたとき、ランド６４は、カーボン／グラファイトペーパー（例えば図１では３６若しくは３８）を押圧し、よってＭＥＡを押圧する（図１では、各々、例えば４若しくは６）。簡単に描くため、図２は、２列のランド６４及び溝６６のみを表している。実際には、ランド及び溝６４、６６は、カーボン／グラファイトペーパーと係合する金属シート５８、６０の全外側表面を覆っている。反応ガスは、燃料電池の一方の側部６８に沿って配置されたヘッダー部即ちマニホルド溝７２から溝６６に供給され、燃料電池の反対側の側部７０に隣接して配置された別のヘッダー部即ちマニホルド溝７４を介して溝６６から出て行く。
【００１９】
図３に最も良く示されるように、シート５８の下側には、複数のリッジ７６が形成され、これらのリッジは、それらの間に複数のチャンネル７８を形成し、冷却剤は、燃料電池の作動の間に該チャンネルを通過する。冷却剤チャンネル７８は、各ランド６４の下方に存在し、反応ガスの溝６６は各リッジ７６の下方に存在する。代替例として、シート５８が、平坦であり、流れ場が別のシート材料に形成されてもよい。金属シート６０は、シート５８に類似している。シート６０の内側表面６１（即ち、冷却剤側）は、図２に示されている。
【００２０】
この点に関して、複数のリッジ８０がそれらの間に複数のチャンネル８２を形成し、該チャンネルを通って、二極式プレートの一方の側部６９から他方の側部７１へと冷却剤が流れる状態が表されている。シート５８に類似して、図３に最も良く示されているように、シート６０の外側は、複数のランド８４が形成された作業表面６３を有し、該ランドは複数の溝８６を形成し、該溝を通って反応ガスが流れる。内側金属スペーサーシート６２は、外側シート５８、６０の中間に介在され、シート６０のチャンネル８２とシート５８のチャンネル７８との間で冷却剤が流れることを可能にするため複数のアパーチャ８８を備え、これにより、境界層流を壊して乱流を形成し、外側シート５８、６０の内側表面９０、９２との熱交換を各々向上させる。
【００２１】
スペーサーシート６２は、第１のシート５８と、第２のシート６０との間に配置され、第１のシート５８のリッジ７６と、第２のシート６０のリッジ８０とが（例えば、ブレーズ溶接又は接着剤等の結合層８５によって）スペーサーシート６２に結合される。当業者により理解されるように、本発明に従って準備された電流コレクターは、上記したものから、例えば流れ場の形態、燃料分配マニホルドの配置及び数、冷却剤循環システムにおいて設計変更されてもよいが、電流コレクターの表面及びボディを通る電流の伝導機能は、全ての設計を通して同様に機能する。
【００２２】
本発明は、図４に示された例のように、例えばターミナルコレクター端部プレート等、燃料電池の他の伝導要素にも適用可能である。ターミナルコレクター端部プレート９９（図１の例えば１０又は１２）は、非導電領域１００、並びに、導電領域１０２を有する。ターミナルプレート９９の導電領域１０２は、典型的には、ガスケット３３、３５（図１）を密封することにより、非導電領域１００から分離される。非導電領域１００内のアパーチャ１０４は、ターミナルプレート９９のボディ、即ち基板１２８を通って延在し、作動条件の間にスタックに流出入する流体輸送を可能にする（例えば、Ｈ２、Ｏ２、冷却剤、アノード及びカソード流出物）。アパーチャ１０４の特定の品質又はシーケンスは、限定されず、本明細書で説明されたのは単なる例示にしか過ぎず、多数の形態が当業者により認められるように可能となる。二極式プレートの流れ場設計は、入口及び出口のアパーチャ１０４の構成及び流体分配配置を指示してもよい。導電コレクタータブ１２０を、外部リード線に取り付けることができ、スタックからの電流の外部収集を容易にする。
【００２３】
例えば二極式プレート又はターミナルプレート等の燃料電池内部の導電要素のための構成材料の選択は、例えば全密度（質量及び体積）、表面で測定された基板の電気接触抵抗、バルク伝導度、及び、腐食及び酸化耐性等のパラメータを重み付ける工程を含んでいる。かくして、電気要素のための重要な考察点は、燃料電池内で経験される可能性がある腐食条件に耐えるということと共に、電流コレクターとして実行するための材料の表面及びバルクの固有伝導度が挙げられる。本発明に係る導電電流コレクターは、伝導金属から構成され、最も好ましくは、アルミニウム、チタニウム、マグネシウム及びそれらの合金を含む軽量金属から構成されるのがよい。本発明に係る最も好ましい導電要素は、アルミニウムから構成される。
【００２４】
金属材料は、燃料電池内で機能性に影響を与える様々な化学反応を経験する。腐食とは、材料への意図せざる破壊的な攻撃に言及しており、これは、一般に電気化学的分解により生じる。かくして、例えば金属等の腐食を受けやすい材料は、燃料電池環境内で劣化を受ける。不動態化とは、本明細書で使用されるときには、一般に、金属表面がその化学反応性を減じさせる腐食プロセスに言及している。不動態化は、一般に，金属が腐食剤により攻撃されているところの腐食プロセスに含まれている。しかし、一定期間の間に腐食剤（例えば酸素）にさらされた後、不動態化プロセスは、幾つかの金属中で終わり、表面には、保護不動態化膜が残され、該保護不動態化膜は、プレートの表面を、その処理前の状態よりも電気化学的に不活性な状態にする。そのような不動態化層は、ステンレス鋼合金及びチタニウムに関する場合のように、前処理された金属表面と比べたとき、腐食させにくくすることにより下層の金属を保護するようになる。例えば、マグネシウム及びアルミニウム等を始めとした、他のより軽量な金属も酸素と反応して金属酸化物を形成するが、自然の酸化物形成（不動態化）では、燃料電池内部で腐食剤に抗する保護層を形成することができない。かくして、これらの金属は、腐食酸性攻撃に対してなおも敏感なままであり、下層の金属は分解されてしまう。
【００２５】
金属表面は、しばしば不動態化層を形成するため意図的に処理されるが、酸素への単なる露出も、金属表面を不動態化する。腐食耐性の利点を持っているが、導電金属内の不動態化表面は、高い電気接触抵抗値も示す。一般に、不動態化表面を有するそのような金属は、劣った電気コンダクターである。活性化は、不動態化とは対照的に、表面をより活性化する逆プロセスである。かくして、活性化は、該表面を還元条件においてより電気化学的に活性化させ、よって電気接触抵抗を減少させることにより、表面から不動態化層を除去することを必然的に伴っている。
【００２６】
薄い軽量金属要素（例えば、アルミニウム、マグネシウム及びチタニウム）は、燃料電池スタックのパワー密度換算の体積及び重量を減少させるために使用することができる。更には、軽量金属は、比較的高い強度、物理的耐久性、保護コーティングへの接着性を有し、多数の他の導電金属代替物よりも安価である。しかし、表面における酸化物層は、基板の電気接触抵抗を許容できないほど増大させ、更には、そのような金属は腐食攻撃に非常に敏感である。そのような腐食感度及び酸化に対する類似の特性に鑑みて、様々な保護コーティングが金属基板のために使用されている。しばしば、そのような保護コーティングは、金属プレートの電気抵抗を受容できないレベルにまで増大させ、下層の基板を適切に保護することができず、或いは、例えば金又は白金コーティングを用いた場合等、非常にコスト高になってしまう。かくして、伝導度と腐食保護との間のトレードオフが存在している。本発明の目的は、導電要素の全体的な電気接触抵抗を減少すると共に、導電要素の下層の金属基板のためのコスト効果の高い腐食耐性及び酸化耐性を提供することである。
【００２７】
本発明の一態様によれば、腐食に敏感な金属から作られた導電要素又は電流コレクターは、低い接触抵抗を与えるように処理され、更には、活性化プロセスの間に基板金属損失の量を最小にすると共に腐食及び酸化攻撃に耐えるように導電保護コーティングで被覆される。そのような処理は、以前には燃料電池の実用的な使用のためには腐食感度又は電気接触抵抗が非常に高すぎた例えばアルミニウムやマグネシウム等の金属の使用を可能にする。
【００２８】
図５に示されるような本発明の好ましい実施例によれば、導電要素（例えば、二極式プレート５６）は、例えばアルミニウム等の腐食を受けやすい金属を含む基板金属（例えばシート５８又は６０）から形成されている。燃料電池内で敵対的即ち腐食を受けやすい環境にさらされている第１及び第２のシート５８、６０の基板表面５９、６３は、薄い導電性保護金属コーティング１３０で先ず被覆される。更には、腐食耐性の導電保護ポリマーベースのコーティング１３２は、第１のシート５８の第１の表面５９及び第２のシート６０の第２の表面６３の両方に沿って薄い金属コーティング１３２を被覆する。腐食耐性とは、例えば、酸化（故意ではない電子化学反応）、酸性攻撃、又は、それらの両方等の化学的攻撃機構を始めとした腐食に対する材料の減少した感度に言及している。「相対的な」腐食耐性は、より低い腐食率及びより長い寿命スパンを生じさせる、他の類似の材料と比較したときの腐食により耐える材料の能力に言及している。内部表面９０、９２は、同じ保護コーティング（１３０、１３２）、異なる保護コーティング（図示せず）で被覆されてもよく、又は、全く被覆されなくてもよい（図示せず）。その決定は、冷却剤の化学的性質や必要とされる相対的な腐食抵抗に依存している。かくして、幾つかの好ましい実施例では、図５に示されるように、薄い金属コーティング１３０及び腐食耐性ポリマーベースのコーティング１３２は、冷却剤による腐食酸化攻撃から基板を保護するため、第１のシート５８の第１の内部表面９０と第２のシート６０の第２の表面９２とにオプションで適用することができる。保護金属コーティング１３０及びポリマーベースコーティング１３２は、伝導度を維持しつつも処理環境及び燃料電池それ自体の両方において支配的な腐食剤から導電要素を遮断するための実用的な方法である。
【００２９】
本発明の保護金属コーティング層１３０の好ましい態様は、金属の最小量を薄い層で塗布することによりコストを削減しつつ、電気伝導度及び腐食耐性を強化する工程を備えている。更には、金属コーティング１３０は、ポリマーベースのコーティング１３２を引き続いて塗布する際に良好な接着を容易にする。これは、コーティング中の在り得る欠陥、例えば被覆されていない金属の領域を露出させるピンホール等を最小に抑える。これらのピンホールは、金属表面の小さい保護されていない領域として生じ、特に各々の層の表面エネルギーが類似しているところで、腐食のための成長箇所となる可能性を持っている。そのような箇所は、表面で更に拡大する可能性があり、かくして表面上のコーティング１３０は、層に異なる表面エネルギーを提供し、引き続いて塗布される層１４２の接着を増大させることにより、そのような欠陥の発生を最小にする。
【００３０】
本発明に係る好ましい薄い腐食耐性導電金属コーティング１３０は、ＩＵＰＡＣ周期律表のグループ４、５、１０又は１１から選択された１つ以上の元素を備えている。本発明のコーティングの幾つかの好ましい実施例は、チタニウム（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、パナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、金（Ａｕ）、プラチナ（Ｐｔ）並びにそれらの混合物及び合金を含んでいる。更には、そのようなコーティングは、そのような化合物が、例えば幾つかの金属窒化、ホウ化及び酸化化合物等の腐食耐性導電コーティングを形成するところのグループ４、５、１０及び１１から選択された化合物及び元素合金を含んでいてもよい。特に好ましい腐食耐性コーティングは、周期律表のグループ４又は５から選択された１つ以上の元素を含んでいる。
【００３１】
本発明の一つの特に好ましい実施例では、コーティングは、チタニウムを含み、又はチタニウムを主要成分（Ｔｉベース）とする。かくして、幾つかの好ましいコーティングの化合物は、チタニウム（Ｔｉ）又は窒化チタニウム（ＴｉＮ）を含んでいる。本発明に係る特に好ましいコーティング１３０は、名目の一般公式ＴｉＯｘ（ここで、０＜ｘ＜２）により概略表される、亜酸化チタニウムを含んでいる。亜酸化チタニウムでは、電子が、コーティングのバルクに非局在化されており、伝導バンドを占拠しており、電子伝導度を増大することを可能にしている。本発明の好ましい実施例における亜酸化チタニウムの形成は、以下で詳細に論じられ、導電要素のための増大した電気伝導度を容易にする。更には、亜酸化チタニウムは、一般に、純粋なチタニウム又は窒化チタニウムを超える改善された腐食耐性を持っている。かくして、亜酸化チタニウムコーティング１３０を、本発明に係る腐食抵抗及び電気伝導度を改善するためチタニウム基板に亘って使用することができる。
【００３２】
本発明では、同じか又は異なる組成であってもよい多層コーティング１３０も考えられる。例えば、一つの好ましい実施例（図示せず）では、基板（例えば、５９、６３、９０、９２）の表面に沿って適用されたコーティング１３０の第１の層はＴｉＮを含み、第１の層に亘って適用された第２の外側層は、Ｔｉを含んでいる。ＴｉＮは望ましい電気伝導度を持っているが、それは、燃料電池用途では、分解するおそれがあることが見出され、かくして、チタニウムの上層は、電気抵抗を減少させつつ下層のＴｉＮ層の損失を防止する。
【００３３】
本発明の一つの好ましい態様は、コーティング１３０が比較的薄く、電気伝導度及び腐食耐性が高いが、適用された金属量は、比較的低く、コスト効果がある。「薄い」という用語によって、コーティング１３０の厚さが５０ミクロン（μｍ）より小さいことが意味されている。当業者により認められるように、コーティング１３０の要求された厚さは、例えば、沈着されるべき材料の相対的電気伝導度、コーティング及び基板の間のインターフェース、及び、沈着形態を始めとした多数のパラメータに依存している。特に、好ましい沈着形態は、下層の基板の露出を減少させて次の層の覆いを強化する比較的均一のアモルファス表面の覆いの故に、コーティング１３０の比較的薄い塗布を要求するだけで済む。かくして、本発明の幾つかの好ましい実施例では、コーティング１３０の厚さが、約０．１μｍから５０μｍ未満の間にある。幾つかの実施例における特に好ましい厚さは、約０．５μｍから約５μｍの間にある。
【００３４】
更に、本発明の一部として、基板（例えば、５９、６３、９０、９２）の表面は、ベース金属（例えば金属アルミニウム）より、電子化学的にかなり不活性である酸化アルミニウム等の金属酸化物が実質的に存在しない。「実質的に存在しない」とは、与えられた金属酸化物が、続く金属コーティング１３０の接触抵抗及び接着性に関して無視し得る効果しか持たない程度に除去されていることを意味している。かくして、金属酸化物は、コーティング１３０が塗布されるべき領域に沿って、特に電気抵抗を最小にするため例えばランド６４、８４に亘って発生する領域において、シート５８、６０の金属基板の表面９０、９２から除去される。加えて、幾つかの保護コーティング１３０は、酸化及び不動態化する傾向も有し、かくして電気抵抗を増大させる。更に後述されるように、電気化学的な不活性化を防止するためそのような酸化環境への露出を最小にするように幾つかの工程が取られている。
【００３５】
本発明の重要な特徴は、例えば５９，６３、９０、９２等の本質的にクリーンな表面上へのコーティング１３０の沈着であることが理解されるべきである。本発明の幾つかの好ましい実施例では、酸化物を除去し表面を活性化するための基板の予備クリーニングは、金属蒸着と同じチャンバー内で該金属蒸着と同時に実行される。基板表面５９，６３、９０、９２上にコーティング１３０を沈着させる一つの好ましい方法を、図６を参照して説明する。基板上に伝導コーティング１３０を沈着させるため、イオン援助式物理蒸着（ＰＶＤ）法が用いられる。
【００３６】
図６で理解することができるように、イオン援助式ＰＶＤ装置１３６が使用される。装置１３６は、沈着チャンバー１３８と、コーティング１３０の沈着のための２つの電子銃Ａ及びＢとを備えている。装置１３６は、基板のスパッタークリーニングのため使用される低エネルギー銃と、該装置を超高真空で作動させることを可能にするターボポンプと、を更に備える。導電コーティング１３０で被覆されるべき基板は、最初に、当該圧力が約１×１０−５乃至１×１０−６トール（１×１０−３Ｐａ乃至１×１０−４Ｐａ）の間にある「ロードロック」チャンバー１３７に配置される。次に、金属コーティング１３０により被覆されるべき基板は、蒸着チャンバー１３８内に移送される。
【００３７】
一旦、基板が蒸着チャンバー１３８内に配置されると、当該圧力は、約１×１０−９トール（１×１０−７Ｐａ）にまで低下される。チャンバー内の第１のるつぼ１４０は、沈着されるべきターゲット金属（周期律表のグループ４、５、１０又は１１から選択された元素を含む元素又は材料）を保持する。金属又は化合物の組み合わせが沈着されるべき場合、第２の金属が第２のるつぼ１４２により保持される。
【００３８】
イオン銃が基板をスパッタークリーニングするため使用される。イオン銃が基板をスパッタークリーニングするとき、電子ビームが、一例としてのターゲット金属（Ｔｉ）を溶解、蒸発させるため使用される。そのようなプロセスは、電子銃蒸発としても知られている。ターゲット金属は、厚さモニターにより観察される１００ｎｍ以上の厚さに、０．１０ｎｍ／ｓの率で基板上に蒸着される。
【００３９】
イオン援助式のＰＶＤ法の独自の態様は、基板がスパッタークリーニングされ、導電コーティングが本質的に同時に沈着されるということである。基板を同時にスパッタークリーニング及び被覆することにより、導電コーティング１３０を、１００ｎｍ未満の超薄さで基板上に沈着させることができる。
【００４０】
本実施例に係るプロセスは、逐次的にクリーニング及び沈着する幾つかのプロセスを超えて好ましいものである。基板が酸素にさらされるとき、酸化膜が、クリーニングが生じるところと、物理的蒸着により金属を基板上に沈着させるところとの間で一定時間内で形成される。基板をクリーニングすると同時に金属コーティング１３０を沈着させることにより、酸化物層は、完全に且つ連続的に除去され、かくして、表面の酸化物形成又は他の汚染を防止するか又は少なくとも相当程度まで減少させる。基板のクリーニングと同時のコーティング１３０の沈着は、酸化物層を除去するため要求されるイオンエネルギーが低いという事実に起因して達成することができる。イオンエネルギーが低いので、一般に、衝撃イオンフラックスは、電子銃Ａ及びＢにより放射された沈着原子フラックスよりも小さい。これは、除去された酸化物が導電コーティング１３０として基板上に沈着される金属よりも軽量であるためである。このようにして、低エネルギーイオン銃は、酸化物層のみを除去し、導電金属コーティング１３０を除去しない。その結果は、基板への優れた接着性を有する、金属コーティング１３０が沈着されるということである。更には、０．１μｍ以下の非常に薄い層のみを被覆することが可能となる。かくして、イオン援助式ＰＶＤの使用は、ターゲット金属を、基板上に非常に滑らかに、均一に薄い層に沈着させることを可能にする。
【００４１】
コーティング１３０を適用する代替の好ましい方法が、図７に示されており、図７では、基板がＰＶＤマグネトロンスパッターリング装置１６０の上に配置された状態が示されている。基板は、電源１６６に接続されたアノード１６４の真空チャンバー１６２に配置されている。真空チャンバー１６２は、典型的には、約１×１０−５乃至１×１０−７トール（１×１０−３Ｐａ乃至１×１０−５Ｐａ）の圧力にまで吸引される。真空チャンバー１６２は、０．１乃至１０Ｐａの圧力にまでアルゴンガスで戻し充填されている。ターゲット金属１６８は、引き込みシールド１７０内に収容されている。マグネトロンのカソード１７２は、ターゲット金属１６８の上方に配置されている。プラズマ放電の強度、イオンフラックス及びスパッタリング率は、カソード電極１７２の形状と、プラズマ電子を拘束するための磁場の有効使用とに依存している。ターゲット１６８は、基板が帯電されている間にアルゴンイオン大気中において帯電されたアルゴンイオンで衝撃を与えられる。このスパッタリングは、基板を被覆するため運動量輸送する金属粒子とアルゴンイオンのプラズマを形成する。ターゲット金属１６８の基板上への沈着率は、作業ガス圧力に依存している。その高い圧力は、基板にスパッターされたフラックスの通過を制限する。
【００４２】
マグネトロンのスパッタリングにより金属コーティングを適用する好ましい方法では、基板は、真空チャンバー１６２内に配置され、ターゲット金属１６８は、金属基板のコーティング前に引き込みシールド１７０により密封されている。その極性は、電極１６４、１７２上で反転され、アルゴンイオンが、約１Ｐａで不活性大気中で約２乃至５ｋＶの負電位で基板の表面に衝撃を与える。かくして、「スパッタリング−クリーニング」又は「プラズマクリーニング」として知られたこのプロセスにより、表面が活性化され、基板の表面上の任意の金属酸化物が除去される。本発明では、スパッタークリーニングは、コーティング１３０が適用されるところのスパッタリング蒸着プロセスの直前に実行される。このプロセスは、酸素への露出を最小にするという利点を有し、金属酸化物層を改質する可能性を持っている。
【００４３】
不活性大気を用いた戻し充填は、沈着チャンバー（例えば１３８又は１６２）で行うが、残余の酸素が蒸着チャンバー内に残る可能性がなおも存在している。比較的高い真空圧力は、チャンバー内で残余の酸素が存在する可能性を増大させる。例えばチタニウム等の幾つかの金属は、一般に、酸素が準化学量論通りのレベルで存在する場合に、酸素との準化学量論通りの反応を熱力学的に援助する。かくして、幾つかの金属は、比較的低い量の残余の酸素の存在下で、準酸化物の形成を援助する。本発明が拘束される理論に限定するものではないが、チャンバー内の圧力が比較的高いとき、僅かな量の酸素が、チャンバーに供給されたターゲット材料の表面に残ったままであり、この残余の酸素は、プラズマを帯電し、準酸化物を形成するため利用可能となる。かくして、コーティング１３０が上述したプロセスに従って利用可能となるとき、低い量の酸素は、一般に幾つかの元素のために準化学量論通りの金属酸化物の形成を援助する。
【００４４】
基板上にコーティングを適用する他の方法は、化学蒸着、電解質沈着、又は、無電解沈着を含むことができる。これらの方法の場合には、基板の表面上の金属酸化物の層は、当該技術分野で知られている、コーティングプロセスの前に実行することができる様々な適切なプロセスにより除去することができる。これらのプロセスには、例えば、カソード電解質クリーニング、機械的研磨、アルカリ性クリーナーを用いた基板のクリーニング、及び、酸性溶媒又はプクルスリキュールを用いたエッチング等がある。
【００４５】
ポリマーベースのコーティング１３２は、沈着されたコーティング１３０に亘って適用される。本発明によれば、コーティング１３０上の酸化物形成を最小にするため、ポリマーベースのコーティング１３２が２４乃至４８時間以内に基板に適用されることが好ましい。ポリマーベースのコーティング１３２が、真空チャンバーから適用コーティング１３０を備えた基板を取り外した後に、４時間未満のうちに（好ましくは直後に）ポリマーベースのコーティング１３２が適用されることが最も好ましい。
【００４６】
図５を新たに参照すると、腐食耐性ポリマーベースのコーティング１３２は、第１及び第２のプレート５８、６０の作業表面５９、６３（コーティング１３０で覆われている）に適用された状態で示されている。ポリマーベースのコーティング１３２は、金属コーティング１３０とのその適合性、その腐食耐性及び伝導度のため選択されている。そのようなポリマーは、薄い接着膜を下方の金属膜に形成することができると共に、燃料電池の敵対的な酸化及び酸性環境に耐えることができる水不溶性のポリマーを備えている。よって、とりわけ、例えばポリビニールエステル、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリエーテル−イミド、エポキシ、シリコン、ポリフェノール、フッ化エラストマー（例えばフッ化ポリビニリデン）、ポリエステル、フェノキシル−フェノール類、エポキシド−フェノール類、アクリル類、ウレタンが、本発明で有用であるように見える。架橋されたポリマーは、腐食耐性特性を提供する不浸透性のコーティングを生成するために好ましい。
【００４７】
好ましくは、ポリマーベースのコーティング１３２は、導電性であり、約３０ｍΩ−ｃｍ２未満の全接触抵抗を有し、より好ましくは、燃料電池内の他の材料（炭素拡散媒体）と接触するとき、約１００ｐｓｉ乃至４００ｐｓｉ（約７００ｋＰａ乃至約１４００ｋＰａ）の間の圧縮圧力で２０ｍΩ−ｃｍ２未満であるのがよい。選択されたポリマーの特性に応じて、ポリマーベースのコーティング１３２は、ポリマー結合剤と導電粒子１３４とを含むポリマー母剤であってもよい。かくして、ポリマーベースのコーティング１３２は、酸耐性で酸化耐性のポリマー母剤を通して分散された酸化耐性、酸不溶性の導電粒子１３４（即ち、約５０μｍ未満）をオプションで更に含んでいる。これらの導電粒子１３４は、ポリマーベースのコーティング１３２の電気抵抗を更に減少させる。
【００４８】
導電粒子１３４は、金、プラチナ、グラファイト、炭素、ニッケル、導電性のホウ化、窒化及び炭化金属（例えば、窒化チタニウム、炭化チタニウム、ニホウ化チタニウム）、クロム及び又はニッケルを含むチタニウム合金、パラジウム、ニオブ、ロジウム、希土類金属、及び、他の貴金属からなるグループから選択される。最も好ましくは、粒子１３４は、炭素又はグラファイト（即ち、六方晶系結晶炭素）を含む。粒子１３４は、ポリマーそれ自身の導電特性（必要とされる伝導度の範囲を決定する）と、更には粒子１３４の密度及び伝導度との両方に依存して、様々な重量パーセンテージのポリマーベースのコーティング１３２を含んでいる（即ち、高い伝導度及び低い密度を有する粒子が、より低い重量パーセンテージで使用することができる）。
【００４９】
幾つかの好ましい実施例では、ポリマーベースのコーティング１３２は、グラファイト、カーボンブラック、コーティングの所望の全炭素含有量を与える量で与えられたポリマーと、を含む導電粒子１３４を有する。好ましい実施例では、炭素の全量は、７５重量％より少なく、より詳しくは、ポリマー母剤の組成（溶媒重量を除く）のうち全炭素の比率は約４０重量％よりも少ない。好ましいポリマーベースのコーティング組成の一例は、本願の譲渡人と共通した譲渡人に付与され、２００２年１１月１１日に出願された米国特許シリアル番号１０／２９２，４０７号に見出すことができる。その内容は、ここで参照したことで本願に組み込まれる。ポリマーベースコーティング１３２内の全炭素の量は、主要には、コーティング中のグラファイト及びカーボンブラックの夫々の量の結果である。一実施例では、コーティングは、グラファイトとカーボンブラックとを重量にして約２：１の比率で含んでいる。コーティング１３２中のグラファイトの量を詳細に参照すると、一実施例では、コーティング１３２は、約３．３重量％乃至約５０重量％のグラファイトを含んでいる。コーティング１３２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１３２は、約１．７重量％乃至約２０重量％のカーボンブラックを含んでいる。
【００５０】
様々な種類のグラファイトが、ポリマーベースのコーティング１３２で使用するため特に好ましい。グラファイトは、発泡グラファイト、グラファイト粉末、グラファイト薄片から選択することができる。グラファイトは、約５μｍ乃至約９０μｍの間の粒子サイズにより特徴付けることができる。グラファイトは、一般に１．６ｇ／ｃｍ３未満の低密度を有し、より詳しくは、約０．３ｇ／ｃｍ３未満である。その密度は、約０．０５ｇ／ｃｍ３乃至約０．２ｇ／ｃｍ３の範囲に及び、より詳しくは、約０．１ｇ／ｃｍ３乃至約０．２ｇ／ｃｍ３である。グラファイトは、比較的高い純度を持ち、汚染物質が実質的に存在しない。本発明に係るコーティング１３２で使用するための上述した特徴の任意のものを有する発泡グラファイトは、任意の適切な方法により生成することができる。一実施例では、「シグリフレックス」（Ｒ）という商標名でシグマグレイトレイクスから市販されている、適切なグラファイト材料を使用することができる。
【００５１】
加えて、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ため適している。一例として、アセチレンブラック、ケチャンＴＭブラック、バルカンブラック、リーガルＴＭ、ファーネスブラック、ブラックパール及びこれらの組み合わせから選択することができるが、これらに限定するものではない。カーボンブラックは、約０．０５乃至約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、一般に、何らかの不純物を含んでいる。
【００５２】
様々に異なる量のグラファイト及びカーボンブラックに加えて、ポリマーコーティング１３２は、様々に異なる量の結合剤ポリマーも含んでいてもよい。ポリマーの量は、コーティングで使用される導電粒子１３４の量に依存して変動し得る。一般に、より高い含有量の結合剤ポリマーが、接着性の強化、腐食耐性、及び、塗布流れのためには望ましい。一実施例では、ポリマーコーティング１３２は、母剤中に約１重量％乃至約９５重量％、より詳しくはポリマーの約９０重量％の結合剤ポリマーを含んでいる。多数の種類の結合剤のポリマーは、前述したように、ポリマーベースのコーティング１３２で使用するのが適している。一実施例では、結合剤ポリマーは、ポリマー樹脂を含んでいる。本発明に係る好ましいポリマー樹脂は、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリビニールエステル及びこれらの組み合わせを含んでいる。結合剤のための適切な媒体は、ポリプロピレングリコールメチルエステルアセテート、Ｎ−メチル−２−プリリドン、キシレン及びこれらの組み合わせを含んでいるが、これらに限定されるものではない。
【００５３】
様々に異なるコーティング組成が本発明により想定されている。一実施例では、ポリマーコーティング１３２は、ゲルの形態にある。詳しくは、一つの好ましい実施例では、コーティング１３２は、約５μｍ乃至約９０μｍの粒子サイズを有する約６．７重量％の発泡グラファイトと、約０．０５μｍ乃至約０．２μｍの粒子サイズを有する約３．３重量％のアセチレンブラックと、約９０重量％のポリアミドイミド結合剤ポリマーと、を含んでいる。
【００５４】
好ましい実施例では、ポリマーベースのコーティング１３２は、約２５乃至約２００ｐｓｉ（１７０乃至１４００ｋＰａ）の接触圧力で、約５乃至約６０ｍΩ−ｃｍ２（ミリオーム−平方センチメートル）の接触抵抗を示す。ここで、ポリマーコーティング１３２は、約２００ｐｓｉ（１４００ｋＰａ）以上の圧縮圧力で、約１０ｍΩ−ｃｍ２未満の接触抵抗を示す。グラファイト及びカーボンブラックがポリマーコーティング１３２の母剤中の導電粒子１３４として使用される好ましい実施例では、発泡グラファイトと、カーボンブラックとの間には相乗効果が存在する。接触抵抗は、低い総炭素含有量では、約２０ｍΩ−ｃｍ２未満と低いままである。「相乗効果」は、グラファイト又はカーボンブラックのいずれかが同じ総炭素含有量で単独で使用されるときよりも低い接触抵抗を生成する、グラファイト及びカーボンブラックの組み合わせに言及している。かくして、本発明によれば、ポリマーコーティング１３２は、グラファイト及びカーボンブラックの両方を含み、比較的低い接触抵抗を示すポリマーコーティング１３２の母剤内のポリマーと導電粒子１３４との他の組み合わせも、前述したように、本発明に適したものである。
【００５５】
ポリマーベースのコーティング１３２は、幾つかの方法、例えば、（１）液体相又は溶液コーティング、（２）電気泳動沈着、又は、（３）薄層で、基板表面５９、６３上で金属コーティングに適用することができる。幾つかの好ましい実施例では、コーティング１３２が液体相で基板に適用されるポリマーベースのコーティング１３２を適用する方法が存在する。そのような液体相又は溶液コーティングプロセスは、例えば、ブラッシング、噴霧、浸漬、コイル被覆若しくは圧延被覆、又は、パッド又はハンドローラーによる塗布を含んでいる。
【００５６】
ポリマーフィルム９６は、物理的適用（例えば、ドクターブレードを用いた拡散）により基板５８、６０の作業面５９、６３に適用される。コーティングの前駆体は、適切な溶媒内にポリマーを分解することにより形成される。オプションで、導電充填粒子９７は、分解されたポリマーと混合することができ、基板５８、６０上に湿ったスラリーとして塗布することができる。次に、湿ったコーティングが乾燥され（即ち、溶媒除去）、必要に応じて硬化される（例えば、熱硬化性物質に対して）。導電粒子９７は、存在するときには、溶媒の存在しないポリマーを用いて基板５８、６０に接着される。
【００５７】
この液体相適用で有用な好ましいポリマーは、ポリアミドイミド熱硬化性ポリマーを含んでいる。ポリマーイミドは、Ｎ−メチルピロリドン、プロピレングリコール及びメチルエーテルアセテートの混合物を含む溶媒内に分解されている。この溶液には、オプションで、約２１重量％乃至約２３重量％のグラファイト及びカーボンブラックの混合物が追加され、グラファイト粒子は、約５μｍ乃至約２０μｍの範囲のサイズであり、より小さいカーボンブラック粒子が、より大きいグラファイト粒子の間の空洞部に充填され、これにより、全てのグラファイトコーティングと比較してコーティングの伝導度を増大させるように作用する。この混合物は、基板５８、６０に塗布されて、乾燥され、約３８重量％のカーボングラファイト含有量（使用した場合）を有する約１５−３０μｍ厚のコーティング９６（好ましくは、約１７μｍ）へと硬化される。それは、低温（即ち、＜２０４℃（４００°Ｆ））で、又は、２工程プロセスでより迅速に、ゆっくりと硬化することができる。ここで、溶媒は、約１４９℃〜約１７７℃（約３００°Ｆ〜約３５０°Ｆ）で１０分間に亘って加熱することにより最初に除去され（即ち、乾燥）、次に、ポリマーを硬化するため（使用される温度に依存して）約３０秒乃至約１５分に及ぶ期間に亘ってより高い温度（約２６０℃〜約４００℃（５００°Ｆ〜７５０°Ｆ））による加熱が実行される。
【００５８】
別の代替の好ましい実施例では、ポリマーベースのコーティング１３２は、電気泳動により適用することができ、該電気泳動は、浪費がほとんど無い自動化プロセスで適用することができ、接触要素の作業表面上で反応物流れ場を形成するため使用される基板のように、複雑で凹んだ表面を有する基板上に実質的に均一に沈着させることができる。電気泳動沈着（例えば、粉末コーティング）は、自動車及びトラックのボディ等の様々な導電基板を被覆するため有用な周知のプロセスである。一例としてカソードのエポキシ、アクリル、ウレタン及びポリエステルは、電気泳動沈着コーティングのこの方法に関して有用である。被覆された接触要素５８、６０を次に焼き付ける工程は、コーティングを硬化させ、架橋させ、濃密化させる。
【００５９】
ポリマーベースのコーティングを適用する更に別の代替方法は、最初に、（例えば、溶媒鋳造、押し出し成形等により）個々のフィルムとしてポリマーを形成し、次に、例えば熱間圧延により接触要素５８，６０の作業表面５９、６３上に積層することである。別個のフィルムは、好ましくは、この適用方法でフィルムの取り扱いを改善するため可塑剤を含み、接触要素５８、６０が型押し工程により形成されるときフィルムを引き裂かず、分離もさせること無く、それを容易に成形（例えば、型押し）することができるのに十分に柔軟である基板５８、６０の頂上にコーティング層を提供する。例えばニフッ化ポリビニリデン等のフッ化エラストマーは、本実施例で有用であり、例えばフタル酸ジブチル等の従来の可塑剤を用いて使用することができる。
【００６０】
本発明によれば、導電接触要素の接触抵抗は、少なくとも５０psig（３５０ｋＰａゲージ）圧力の圧縮力が印加された状態で測定された場合、５０ｍΩ−ｃｍ２より小さいのが好ましい。最も好ましくは、伝導拡散ペーパーに亘って伝導要素を通して測定されたとき、約５ｍΩ−ｃｍ２乃至約２０Ω−ｃｍ２の間であるのがよい。
【００６１】
本発明は、従来技術のコーティングに関する問題を克服しつつ、腐食耐性導電コーティングで軽量の腐食を受けやすい金属を被覆するための能力を提供し、腐食燃料電池環境において腐食を受けやすい金属の使用を可能にする。従来技術のコーティングでは、欠陥の伝播が下層のアルミニウムの腐食箇所の成長を可能にし、下層の金属を迅速に分解し、燃料電池スタックの性能を減少させていた。更には、過去のより厚い保護金属コーティングは、電気抵抗を増大させ、しばしば基板を裂き又は薄く剥がれさせ、下層の金属基板を腐食にさらしていた。これに対して、本発明に係る薄い金属コーティングは、燃料電池効率及び耐久性を改善する軽量金属を保護するコスト効果の高い方法も提供する。
【００６２】
本発明は、その特定の実施例の観点で説明されたが、本発明は、その例に限定されず、添付された請求の範囲に記載された範囲によってのみ限定される。本発明の説明は、その本質上、単なる例示にしか過ぎず、かくして、本発明の要旨から逸脱しない変形は、本発明の範囲内にあることが意図されている。そのような変更は、本発明の精神及び範囲からの逸脱とはみなされるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】図１は、液体冷却式ＰＥＭ燃料電池スタックの概略的な分解等角図である（２つの電池のみが示されている）。
【図２】図２は、図１で示されたものに類似したＰＥＭ燃料電池スタックで有用となる二極式プレートの分解等角図である。
【図３】図３は、図２の方向３−３における部分断面図である。
【図４】図４は、図１で示されたものに類似したＰＥＭ燃料電池スタックで有用となるターミナルコレクター端部プレートを示す図である。
【図５】図５は、図３の二極式プレートの拡大図である。
【図６】図６は、導電金属で導電要素を被覆するため使用されるイオンビーム蒸着式物理蒸着装置の図である。
【図７】図７は、導電金属で導電要素を被覆するため使用される代替のマグネトロンスパターリング物理蒸着装置の図である。
【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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【外国語明細書】
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