(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒電極と、前記電極と向い合った、前記電極から電流を導くための導電接触エレメントとを備えた電気化学的電池であって、
前記導電接触エレメントが、複数の不活性化領域と、前記不活性化領域の間に分散した複数の非不活性化領域とを備えた表面を有し、前記表面を耐食性導電被覆が覆っている電気化学的電池。
【請求項２】
前記非不活性化領域がランドを画定し、また、前記不活性化領域が溝を画定し、前記ランドおよび溝が前記表面に沿って交互になっている、請求項１に記載の電気化学的電池。
【請求項３】
前記被覆が、前記ランド上の第１の重合体組成と、前記溝上の第２の重合体組成とからなる耐食性被覆である、請求項２に記載の電気化学的電池。
【請求項４】
前記第１の組成が複数の導電耐食性フィラー粒子からなる、請求項３に記載の電気化学的電池。
【請求項５】
前記第２の重合体組成が非導電性である、請求項３に記載の電気化学的電池。
【請求項６】
前記被覆が耐食性重合体保護被覆であり、前記溝の上の前記被覆の厚さが前記ランドの上の前記被覆の厚さより分厚い、請求項２に記載の電気化学的電池。
【請求項７】
前記導電接触エレメントが腐食しやすい金属基板を備え、前記不活性化領域が比較的腐食に強く、前記被覆が耐食性重合体保護被覆である、請求項１に記載の電気化学的電池。
【請求項８】
前記導電接触エレメントがアルミニウムからなる、請求項７に記載の電気化学的電池。
【請求項９】
前記被覆が、複数の耐食性導電フィラー粒子を含有した耐食性重合体からなる耐食性重合体被覆である、請求項７に記載の電気化学的電池。
【請求項１０】
前記導電粒子が、金、白金、ニッケル、パラジウム、ロジウム、ニオブ、チタン、クロム、希土類金属、黒鉛、炭素、それらの化合物および合金、およ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９に記載の電気化学的電池。
【請求項１１】
前記重合体が、エポキシ、シリコーン、ポリアミド−イミド、ポリエーテル−イミド、ポリフェノール、フルオロエラストマー、ポリエステル、フェノキシ−フェノール、エポキシド−フェノール、アクリルおよびウレタンからなるグループから選択される、請求項９に記載の電気化学的電池。
【請求項１２】
１つまたは複数のガス分散領域を備えた表面を有するセパレータプレートを処理する方法であって、
耐食性を持たせるためのパッシベーション層を前記セパレータプレートの上に形成するために、前記セパレータプレートの前記ガス分散領域を不活性化するステップであって、前記セパレータプレートの表面全体を不活性化するステップと、次に、前記ガス分散領域とガス分散領域の間の領域から前記パッシベーション層を除去するステップとによって実施される、不活性化するステップと、
前記セパレータプレートの前記表面に耐食性被覆を施すステップとを含む方法。
【請求項１３】
１つまたは複数のガス分散領域を備えた表面を有するセパレータプレートを処理する方法であって、
耐食性を持たせるためのパッシベーション層を前記セパレータプレートの上に形成するために、前記セパレータプレートの前記ガス分散領域を不活性化するステップであって、前記ガス分散領域は、前記セパレータプレートの表面の溝であり、該溝はランドとランドの間に散在しており、
前記不活性化ステップに先立つ、前記ランドにマスクを加えるステップによって、前記不活性化ステップの間、前記ランドが不活性化から保護され、前記不活性化ステップによって前記溝が不活性化され、
前記セパレータプレートの表面に耐食性被覆を施すステップを有する、
セパレータプレートを処理する方法。
【請求項１４】
前記溝を不活性化する前記不活性化ステップの直後で、かつ、被覆を施す前記ステップの前に、前記ランドから前記マスクを除去するステップをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
被覆を施す前記ステップの後に、前記被覆中に少しでもピンホールが存在している被覆済み表面のすべての領域を不活性化するステップをさらに含み、それにより前記ピンホールの下を覆っている前記セパレータプレート領域が不活性化される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
ランドとランドの間に散在している複数の溝によって画定された輪郭を備えた表面を有する基板を備えたセパレータプレートを形成する方法であって、
（１）前記基板の第１の領域をマスキングするステップと、
（２）前記基板の第２の非マスク領域の溝パターンをエッチングするステップと、
（３）前記第２の領域の前記溝を不活性化するステップと、
（４）前記基板の前記表面に被覆を施すステップと
を含む方法。
【請求項１７】
ステップ（３）の後に、前記第１の領域からマスクを除去するステップを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
ステップ（４）の前で、かつ、前記マスクを除去する前記ステップの後に、前記基板上に存在しているあらゆる酸化物の少なくとも一部を除去するために前記基板の前記第１の領域を浄化するステップを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
被覆を施すステップ（４）の後の処理ステップによって、その下を覆っている基板の、施された被覆中のピンホール開口によって露出したあらゆる領域が不活性化される、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
基板を有するセパレータプレートを処理する方法であって、
（１）前記基板上に存在しているあらゆる酸化物の少なくとも一部を除去するために前記基板の表面を浄化するステップと、
（２）前記基板を耐食性導電層で被覆するステップと、
（３）その下を覆っている基板の、施された被覆中のピンホール開口によって露出したあらゆる領域を不活性化するために前記基板を処理するステップと
を含む方法。
【請求項２１】
前記被覆を施す前記ステップの後で、前記被覆中に少しでもピンホールが存在している被覆済み表面のすべての領域を不活性化するステップをさらに含み、それにより前記ピンホールの下を覆っている前記セパレータプレート領域が不活性化される、請求項１４に記載の方法。
【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、より詳細には耐食性セパレータプレートおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電気車両および他のアプリケーションのための電力源として提案されている。知られている燃料電池の１つは、一方の面にアノードを有し、反対側の面にカソードを有する薄い固体重合体膜電解液を備えた、いわゆる「膜電極アセンブリ」を備えたＰＥＭ（すなわち陽子交換膜）燃料電池である。アノードおよびカソードは、通常、細かく分割された炭素粒子、該炭素粒子の内部表面および外部表面に支持された、極めて細かく分割された触媒粒子、および触媒粒子および炭素粒子が入り混ざった陽子導電材料を備えている。
【０００３】
膜電極アセンブリは、アノードおよびカソードの集電体として機能する一対の導電接触エレメントの間に挟まれており、燃料電池のガス状反応物質（すなわちＨ２およびＯ２／空気）をそれぞれアノードおよびカソードの表面全体に分散させるための適切なチャネルを備えており、また、該チャネル内には開口が含まれている。
【０００４】
バイポーラＰＥＭ燃料電池は、電気的に直列にまとめてスタックされ、かつ、バイポーラプレートすなわち隔壁として知られている不浸透性導電接触エレメントによって互いに分離された複数の膜電極アセンブリを備えている。隔壁すなわちバイポーラプレートは、スタック内の１つの電池のアノードと向い合っている作用面と、隣接する次の電池のカソードと向い合っている作用面の２つの作用面を有しており、隣接する電池と電池の間で電流を電気的に導いている。スタックの両端の接触エレメントは端電池のみと接触しており、端プレートと呼ばれている。
【０００５】
Ｈ２−Ｏ２／空気ＰＥＭ燃料電池環境では、バイポーラプレートおよび他の接触エレメント（たとえば端プレート）は、Ｆ−、ＳＯ４−、ＳＯ３−、ＨＳＯ４−、ＣＯ３−およびＨＣＯ３−等を含有した酸性度の高い溶液（ｐＨ３〜５）と常に接触している。また、カソードは、強い酸化環境の中で動作しており、加圧空気に露出されている間、最大約＋１Ｖ（正規の水素電極に対して）に分極される。最終的に、アノードは、超大気水素に常に露出されている。したがって金属製の接触エレメントは、燃料電池環境において耐酸性、耐酸化性および耐酸脆性でなければならない。この基準に合致する金属はほとんど存在していないため、接触エレメントは、ＰＥＭ燃料電池環境において耐食性で、かつ、導電性である黒鉛の大きな片からしばしば製造されている。しかしながら黒鉛は極めて脆く、また、高度に多孔性であり、黒鉛上への極めて薄いガス不浸透性プレートの構築を極端に困難にしている。
【０００６】
また、燃料電池接触エレメントの製造に使用するためのアルミニウムおよびその合金などの軽量金属も提案されている。このような金属は、黒鉛より導電性が高く、極めて薄いプレートを形成することができるが、残念なことには、このような軽量金属は、不利なＰＥＭ燃料電池環境では腐食しやすく、また、このような軽量金属製の接触エレメントは溶解し（アルミニウムの場合）、そのために燃料電池の内部抵抗が大きくなり、燃料電池の性能を低下させている。
【０００７】
アルミニウムなどの軽量金属の腐食感度に鑑みて、保護被覆を開発するための努力がなされているが、このような保護方法のいくつかは、アルミニウムプレートの電気抵抗を許容不可能なレベルに増加させている。他の保護方法は、導電率を許容可能なレベルに維持しているが、所望の保護レベルは十分に達成していない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、燃料電池の電力出力および効率を促進する、耐食性で、かつ、導電性の導電バイポーラプレートが必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、触媒電極と、該触媒電極と向い合った導電接触エレメントとを有する電気化学的電池が提供される。導電接触エレメントは、触媒電極から電流を導いている。また、導電接触エレメントは、複数の不活性化領域と、該不活性化領域の間に分散した複数の非不活性化領域とを備えた表面を有しており、その表面には、表面を覆う耐食性導電被覆が施されている。
【００１０】
本発明の他の態様には、導電接触エレメントを処理し、それにより耐食性を提供し、尚かつ電気的導電性を可能にするための方法が含まれている。
本発明の適用性の他の領域については、以下の詳細な説明から明らかになるであろう。以下の詳細な説明および特定の実施例は、本発明の好ましい実施形態を示したものであるが、単に説明を目的としたものに過ぎず、本発明の範囲の限定を意図したものではないことを理解されたい。
【００１１】
本発明については、以下の詳細な説明および添付の図面から、より完全に理解されよう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
１つまたは複数の好ましい実施形態についての以下の説明は、単なる例示的なものに過ぎず、本発明、本発明のアプリケーションあるいは用途の限定を何ら意図したものではない。
【００１３】
本発明には、電気化学的電池における、燃料電池の効率を劇的に向上させ、かつ、燃料電池の寿命を劇的に長くする耐腐食処理が施された軽量導電材料を使用したセパレータプレート（たとえば燃料電池スタック内のバイポーラプレート）が意図されている。本発明をより良く理解するために、本明細書においては最初に例示的燃料電池およびスタックについて説明する。
【００１４】
図１は、液体冷却導電バイポーラ・セパレータ・プレート８によって互いに分離された一対の膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４および６を有するスタックを形成するために接続された２つの個別陽子交換膜（ＰＥＭ）燃料電池を示したものである。スタック内で直列に接続されていない個別燃料電池は、単一の電気活性面を備えたセパレータプレート８を有している。スタック内では、好ましいバイポーラ・セパレータ・プレート８は、通常、２つの電気活性面１９、２１をスタック内に有しており、活性面１９、２１の各々は、分離された相対する電荷を有する個別のＭＥＡ４、６とそれぞれ向い合っており、したがっていわゆる「バイポーラ」プレートである。本明細書において説明されているように、燃料電池スタックは、導電バイポーラプレートを有するものとして説明されているが、本発明は、単一の燃料電池内の導電プレートにも等しく適用することができる。
【００１５】
ＭＥＡ４、６およびバイポーラプレート８は、ステンレス鋼クランププレート１０と１２の間、および端部接触エレメント１４と１６の間にまとめてスタックされている。端部接触エレメント１４、１６およびバイポーラプレート８の両作用面には、燃料ガスおよび酸化剤ガス（すなわちＨ２およびＯ２）をＭＥＡ４および６に分散させるための複数の溝すなわちチャネル１８、２０、２２および２４が含まれている。非導電性ガスケットすなわちシール２６、２８、３０および３２は、燃料電池スタックの複数のコンポーネント間のシールおよび電気絶縁を提供している。ガス透過性導電拡散媒体３４、３６、３８および４０は、ＭＥＡ４および６の電極面を押し上げている。端部接触エレメント１４および１６は、拡散媒体３４および４０をそれぞれ押し上げており、バイポーラプレート８は、ＭＥＡ４のアノード面の拡散媒体３６およびＭＥＡ６のカソード面の拡散媒体３８を押し上げている。
【００１６】
貯蔵タンク４６から適切な供給配管４２を介して燃料電池スタックのカソード側に酸素が供給され、貯蔵タンク４８から適切な供給配管４４を介して燃料電池のアノード側に水素が供給される。別法としては、大気からカソード側に空気を供給し、メタノール改質器あるいはガソリン改質器もしくは類似からアノードに水素を供給することも可能である。また、ＭＥＡのＨ２側およびＯ２／空気側の両方のための排気配管（図示せず）が提供されている。追加配管５０、５２、５４は、バイポーラプレート８および端プレート１４、１６を介して冷媒を循環させるためのものである。
【００１７】
図２は、第１の外部金属シート５８、第２の外部金属シート６０および第１の金属シート５８と第２の金属シート６０の中間の内部スペーサ金属シート６２を備えたバイポーラプレート５６の分解等角図である。外部金属シート５８および６０は、可能な限り薄く製造されている（たとえば約０．００５〜０．０５ｃｍ（０．００２〜０．０２インチ）の厚さ）。これらの外部金属シートは、打抜きによって、あるいはフォトエッチング（すなわちフォトリソグラフィック・マスクを介して）によって、もしくはシート鋼を整形するための従来の他の任意のプロセスによって形成することができる。
【００１８】
外部シート５８は、その外側に、膜電極アセンブリ（図示せず）と向い合っている第１の作用面５９を有しており、複数のランド６４を提供するように形成されている。これらのランド６４は、その間に、燃料電池の反応物質ガス（すなわちＨ２もしくはＯ２）が通過して、バイポーラプレートの入口側６８からバイポーラプレートの出口側７０まで展開している湾曲した経路に流入する「流れ場」として知られている複数の溝６６を画定している。燃料電池が完全にアセンブルされると、ランド６４が拡散媒体３６、３８（図１）を押し付け、延いてはＭＥＡ４および６をそれぞれ押し付ける。図面の作成を容易にするために、図２にはランドおよび溝の２つのアレイのみが示されているが、実際には、ランドおよび溝は、拡散媒体３６および３８と係合している金属シート５８および６０の外面全体を覆っている。反応物質ガスは、燃料電池の一方の側６８に沿って展開しているヘッダすなわちマニホルド溝７２から溝６６に供給され、燃料電池の反対側７０に隣接して展開しているもう１つのヘッダ／マニホルド溝７４を介して溝６６から流出する。
【００１９】
金属シート６０は、シート５８に類似している。図２にはシート６０の内面６１（すなわち冷媒側）が示されており、その点に関して、冷媒が通過してバイポーラプレートの一方の側６９からもう一方の側７１へ流れる複数のチャネル８２をその間に画定している複数のリッジ８０が示されている。図２の線３−３’に沿った横断面図である図３は、同じようなシート５８を最も良好に示したもので、シート６０の外側は作用面６３を有している。作用面６３は、その上に、反応物質ガスが通過する複数の溝８６を画定している複数のランド８４を有している。内部金属スペーサシート６２は、外部シート５８と６０の間に配置されており、その中に複数の開口８８を備えている。開口８８は、シート６０内のチャネル８２とシート５８内のチャネル７８の間の冷媒の流れを可能にしており、それにより層流境界層を遮断し、かつ、それぞれ外部シート５８および６０の内面９０および９２との熱交換を促進する攪乱をもたらしている。当業者には理解されるように、同様の構成を、ＭＥＡによって内部的に拘束され、かつ、端プレートによって外部的に拘束され、活性面に沿って冷媒の場を使用することができる単一の燃料電池導電プレートに使用することができる。
【００２０】
図４は、図２の線３−３’に沿った横断面図の拡大図であり、第１のシート５８上のリッジ７６およびスペーサシート６２に結合された（たとえばろう８５によって）第２のシート６０上のリッジ８０が示されている。本発明によれば、接触エレメントシート５８、６０を形成している基板金属は、アルミニウムなどの腐食しやすい金属からなっている。本明細書に使用されているように、腐食は、一般的に電気化学的溶解によって生じる材料の偶然かつ破壊的な腐食を意味している。したがって金属などの腐食しやすい材料は、動作燃料電池環境の中では劣化が強いられることになる。
【００２１】
本発明による好ましい実施形態は、図４に示すように、予防被覆を介して酸化および酸性腐食の両方から第１もしくは第２のシート５８、６０の基板金属の作用面５９、６３を保護している。第１および第２のシート５８、６０の作用面５９および６３の基板表面６５、６７は、耐食性保護被覆９４で覆われている。耐食性とは、酸化（すなわち、不注意による電気化学的反応）、酸性腐食もしくはその両方などの化学的腐食メカニズムを含む腐食に対する材料の感受性が鈍いことを意味している。「比較的」耐食性のとは、同様の他の材料と比較した場合に、腐食速度がより遅く、かつ、より長い寿命をもたらす、より良好に腐食に耐える材料の能力を意味している。
【００２２】
図４に示す本発明の好ましい実施形態によれば、第１および第２のシート５８、６０の作用面５９、６３は不活性化されている。燃料電池内における不利な環境すなわち腐食環境に露出される表面が不活性化され、基板表面６５、６７の上にパッシベーション層９５が形成されている。本明細書に使用されているように、パッシベーションは、通常、表面を化学的な反応が小さい表面および／または電気化学的に不活性な表面にし、延いては腐食に対する感受性を鈍くするための一般的な処理を意味している。さらに説明を加えると、パッシベーションは、通常、金属表面と反応して、抵抗を始めとする表面の特性変化をもたらす低溶解度酸化物、リン酸もしくはクロマート化合物などの適切な試薬の反作用によって生成される化成被覆を意味している。好ましいパッシベーションプロセスの１つは、第１および第２のシート５８、６０のアルミニウム金属基板の陽極処理である。陽極処理については当分野で良く知られており、通常、プレートを電気化学的に不活性にする保護酸化膜が形成されるように金属を陽極処理する電解プロセスを意味している。さらに説明を加えると、陽極処理は、通常、アルミニウムの自然酸化膜を薄くし、実質的に腐食に対する抵抗を大きくする電解プロセスを意味している。本発明による好ましい実施形態では、陽極処理によって、ベース金属である金属アルミニウムより電気化学的反応が著しく小さいアルミニウム酸化物などの金属酸化物の表面層を形成している。したがって、陽極処理された金属は、腐食に対する抵抗がはるかに大きい。また、このアルミニウム酸化物層は、続いて塗布される被覆剤のより良好な粘着を容易にしており、それにより被覆中の潜在的なきず、たとえば、未被覆金属領域を露出させるピンホールなどのきずが最小化される。これらのピンホールは、金属表面の微小未被覆領域として生じ、腐食が成長するサイトになる可能性を有している。このようなサイトは、表面でさらに拡大する可能性があり、したがって表面のパッシベーション層によって続いて塗布されるあらゆる層の粘着性が向上するため、このような欠陥の発生が最小化される。
【００２３】
当分野では、アルミニウム陽極処理のための様々な多くの方法が良く知られている。陽極処理プロセスの選択は、合金の特性および電池内における動作条件に必要な保護層によって決まる。一例として、ある陽極処理プロセスでは、アルミニウムの上にクロム酸を使用してアルミニウム酸化物を形成している。このプロセスについては、「Ｍｅｔａｌｓ  Ｈａｎｄｂｏｏｋ」（第８版、第２巻、６２１頁（Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｆｏｒ  Ｍｅｔａｌｓ、１９６４年））に、より詳細に記載されている。パッシベーション層９５を形成するためのプロセス継続期間は、使用する陽極処理方法に応じて、約５分から４時間を超えて変化する。したがって得られる膜の厚さは、５μｍから７００μｍを超えて変化する。好ましい代替実施形態では、化学化成被覆を使用して金属の表面を不活性化することができ、酸化還元化学反応を使用して有効性に乏しい種に金属が変換される。
【００２４】
燃料電池の電力出力および効率を維持するためには、セパレータすなわちバイポーラプレートの導電率のインピーダンスを最小化することが重要である。電気化学的に不活性なパッシベーション層は、燃料電池内のセパレータプレートの導電率を小さくすることができる。本発明による好ましい実施形態では、バイポーラプレート５６の電気接触部分、すなわち導電拡散媒体３４、３６、３８、４０と接触し、かつ、バイポーラプレートの残りの部分、たとえば溝６６などを実質的に覆っているランド６４からパッシベーション層９５が除去されている。これは、導電拡散媒体３４、３６、３８、４０とバイポーラプレート８のランド６４の間に電気接触を再確立し、パッシベーション層９５の電気抵抗によるバイポーラプレート５６の機能に対するあらゆる有害な衝撃を緩和している。好ましい除去プロセスには、パッシベーション層９５の機械的除去あるいは化学的除去もしくは研磨が含まれているが、電気接触が再確立される限り、当業者に知られている任意の金属層除去手段を使用することができる。
【００２５】
本発明による好ましい実施形態の他の態様では、保護被覆９４は、第１および第２のプレート５８、６０の作用表面５９、６３に加えられた重合体被覆９６を備えている。重合体被覆９６の重合体は、セパレータ・バイポーラ・プレート５６の金属基板表面６５、６７との両立性および耐食性ならびに導電率から選択される。このような重合体は、交差結合後すなわち硬化後は水不溶性である、金属基板の真下に薄い粘着性の膜を形成することができ、かつ、燃料電池の不利な酸化性環境および酸性環境に耐えることができる任意の重合体からなっている。したがって、とりわけエポキシ、シリコーン、ポリアミド−イミド、ポリエーテル−イミド、ポリフェノール、フルオロエラストマー（たとえばポリビニリデン・フルオライド）、ポリエステル、フェノキシ−フェノール、エポキシド−フェノール、アクリルおよびウレタンなどの重合体は、本発明に有用と見なされている。耐食性特性を提供する不浸透性被覆の生成には、交差結合重合体が好ましい。
【００２６】
このような重合体被覆９６を加えることにより、保護被覆９４によって生成される電気抵抗率のあらゆる増加をさらに最小化することができる。重合体被覆９６は、抵抗率が約５０オーム−ｃｍ未満の導電性であることが好ましい。選択する重合体の特性に応じて、重合体被覆９６は、任意選択で、耐酸性耐酸化性重合体マトリックス全体に分散した耐酸化性酸不溶性導電粒子９７（つまり、約５０μｍ未満）をさらに備えることができる。これらの導電粒子９７により、保護被覆９４の電気抵抗率がさらに小さくなる。
【００２７】
導電粒子９７は、金、白金、黒鉛、炭素、ニッケル、導電金属ホウ化物、窒化物および炭化物（たとえば窒化チタン、炭化チタン、二ホウ化チタン）、クロムおよび／またはニッケルを含有したチタン合金、パラジウム、ニオブ、ロジウム、希土類金属および他の貴金属からなるグループから選択される。粒子９７は、炭素もしくは黒鉛（すなわち六方結晶化炭素）からなっていることが最も好ましい。粒子９７は、重合体自体の導電特性（必要な導電率の範囲を決定している）と、さらに粒子９７の密度および導電率の両方に応じて、重合体被覆９６の可変重量百分率からなっている（すなわち導電率が大きく、かつ、密度の小さい粒子を、より小さい重量百分率に使用することができる）。炭素／黒鉛を含有した被覆９６は、通常、２５重量百分率の炭素／黒鉛粒子９７を含有している。本明細書に組み込まれている、Ｆｒｏｎｋらに対する米国特許第６，３７２，３７６号に、複数の導電フィラー粒子を含有した耐食性重合体がさらに記載されている。
【００２８】
重合体被覆９６は、たとえば（１）電気泳動付着、（２）刷け塗り、噴霧もしくは散布、（３）積層、あるいは（４）粉末コーティングなどの多くの方法で基板表面６５、６７に塗布することができる。重合体物質の粉末コーティングは、ほとんど無駄にすることなく有効に付着させることがで、既に存在している、多孔性の小さい重合体層を備えた表面に被覆することができ、かつ、他の多くの重合体塗布方法より分厚い層を実質的に一様に付着させることができるため、とりわけ好ましい。粉末コーティングについては当分野で良く知られており、一列に並んだ噴霧器（たとえばＴｅｆｌｏｎ（登録商標））から噴出する際の、一般的には８０ｋＶを超える電圧を使用した乾燥重合体粒子の荷電による様々な導電基板および非導電基板の被覆に有用である。この方法を使用して、それらに限定されないが、エポキシ、ポリアミドおよびポリイミドを始めとする様々な重合体を塗布することができる。また、電気泳動付着による被覆９６は、無駄の少ない自動プロセスで迅速に付着させることができ、また、接触エレメントの１つまたは複数の作用面に反応物質の流れ場を形成するために使用されるような複雑で、かつ、凹んだ表面を有する基板に実質的に一様に付着させることができるため、有利である。電気泳動付着は、自動車およびトラックのボディなどの様々な導電基板の被覆に有用な良く知られているプロセスである。一例として、陰極エポキシ、アクリル、ウレタンおよびポリエステルは、この電気泳動付着方法を使用した被覆に有用である。後続する被覆済み接触エレメント５８、６０のベーキングによって被覆剤が硬化し、交差結合し、かつ、高密度化する。
【００２９】
重合体被覆剤を塗布する代替方法では、先ず、離散膜として重合体が形成され（たとえば溶媒鋳造、押出し等によって）、次に、たとえば熱間圧延によって接触エレメント５８、６０の作用表面５９、６３に積層される。離散膜は、この塗布方法における膜の取扱いを改善し、また、打抜きによって接触エレメント５８、６０を形成する際に、膜を引き裂き、あるいは破壊することなく容易に整形する（たとえば打ち抜く）ことができるよう、十分に柔軟な被覆層を基板５８、６０の頂部に提供する可塑剤を含有していることが好ましい。ポリビニリジエン・ジフローライドなどのフルオロエラストマーもしくは類似は、この実施形態に有用であり、フタル酸ジブチルなどの従来の可塑剤と共に使用することができる。
【００３０】
別法としては、噴霧、刷け塗りもしくは散布（たとえばドクターブレードを使用した）によって、基板５８、６０の作用面５９、６３に重合体膜９６が塗布される。重合体を適切な溶剤に溶解させることによって被覆剤のプリカーソルが形成され、任意選択で導電フィラー粒子９７と溶解した重合体を混合し、ウェットスラリとして基板５８、６０の頂部に塗布することができる。次に、このウェット被覆剤が乾燥され（つまり溶剤が除去され）、必要に応じて硬化される（たとえば熱硬化性を持たせるために）。導電粒子９７が存在している場合、溶剤のない重合体によって基板５８、６０に粘着する。
【００３１】
この噴霧、刷け塗りもしくは散布塗布に有用な好ましい重合体は、ポリアミド−イミド熱硬化性重合体からなっている。ポリアミド−イミドは、Ｎメチルピロリドン、プロピレン・グリコールおよびメチル・エーテル・アセテートの混合物からなる溶剤に溶解する。任意選択でこの溶液に約２１重量％から約２３重量％の黒鉛粒子とカーボンブラック粒子の混合物が添加される。黒鉛粒子のサイズは約５μｍから約２０μｍの範囲であり、カーボンブラック粒子のサイズは約０．５μｍから約１．５μｍの範囲である。カーボンブラック粒子のサイズを黒鉛粒子のサイズより小さくすることにより、カーボンブラック粒子は、より大きい黒鉛粒子と黒鉛粒子の間のボイドを充填するように働き、したがって黒鉛のみの被覆と比較して被覆の導電率が大きくなる。この混合物が基板５８、６０に塗布され、炭素−黒鉛の含有量が約３８重量％（使用されている場合）の厚さ約１５〜３０μｍ（好ましくは約１７μｍ）の被覆９６に乾燥かつ硬化される。この混合物は、低温（つまり２０４．４℃（４００°Ｆ）未満）で徐々に硬化させることができ、あるいは２つのステッププロセス、すなわち最初に約１４８．９℃〜１７６．７℃（３００°Ｆ〜３５０°Ｆ）の温度で１０分間加熱することによって溶剤を除去し（つまり乾燥させ）、次に、より高い温度（２６０℃〜３９８．９℃（５００°Ｆ〜７５０°Ｆ））で、約３０秒から約１５分の範囲の継続期間（使用する温度で決まる）に渡って加熱することにより、より速やかに重合体を硬化させることができる。
【００３２】
本発明による一態様の保護被覆９４は、様々な構成の重合体被覆９６およびパッシベーション層９５によって達成することができる。本発明の好ましい実施形態によれば、バイポーラプレート５６の表面６５、６７全体が、パッシベーション層９５を形成するための化成被覆プロセスを含む陽極処理もしくは類似の方法によって不活性化されている。第１のステップでバイポーラプレート５６のランド領域に形成されたパッシベーション層９５は、たとえば機械研磨によって除去される。次に、導電粒子が全体に分散した導電重合体層でバイポーラプレート全体が被覆される。
【００３３】
好ましい一実施形態では、ランド領域６４のみからパッシベーション層９５が除去され、バイポーラプレートのチャネルすなわち溝領域６６にはパッシベーション層９５が残留している。ランド領域６４のみからパッシベーション層９５を除去することによって最大導電率を得ることができる。チャネルすなわち溝６６領域にパッシベーション層９５を残すことにより、最大の耐食性が得られる。重合体被覆層９６を追加することにより、電気アクティブランド領域６４上への自然酸化物の形成が防止される。自然酸化物が形成されると、バイポーラプレート５６の導電率が減少する。
【００３４】
図５は、バイポーラプレート５６の部分図を示したもので、第１のシート５８の単一アクティブ面１９の好ましい一実施形態が示されている。バイポーラプレート５６全体の作用面５９は、陽極処理もしくは類似によって不活性化されている。次に、機械研磨、化学エッチングもしくはランド領域６４から第１のパッシベーション層１００のみを除去する類似の方法によって、ランド領域６４のみから、得られた第１のパッシベーション層１００が除去される。次に、バイポーラプレート５６の基板表面６５全体が耐食性重合体層９６で被覆される。最後に、基板表面６５全体に二度目の不活性化が施される。この第２の不活性化処理により、その下を覆っているパッシベーション層１００および耐食性重合体層９６中のあらゆるピンホール１０４のサイト（あるいは基板表面６５の未被覆領域）にアルミニウム酸化物が形成され、プレート５８のあらゆる腐食がさらに最小化される。
【００３５】
流れ場すなわちチャネル（つまりランド６４および溝６６）は、マスク領域の周囲の光化学エッチングによってしばしば形成され、一方、非マスク表面が除去されて溝すなわちチャネルが形成される。図６に示す本発明の好ましい他の実施形態によれば、バイポーラ導電プレート５６は、基板表面６５に残されたエッチングマスク１０６を有しており、したがって後続する不活性化／処理プロセスにランド領域６４が晒されることはない。マスクは、基板に適用され、不活性化の間、安定した状態を維持する任意の材料であり、一般的にはフォトマスクなどの不透明材料でできている。陽極処理もしくは類似によってバイポーラプレート５６の非マスク部分が不活性化され、不活性化に続いてバイポーラプレート５６からエッチングマスク１０６が除去される。ランド領域６４（すなわち不活性化の間、マスク１０６によって覆われた領域）は、マスキング１０８の縁部分がある程度不活性化されているか、あるいは酸化物が形成されている可能性があるため、機械研磨、化学エッチングもしくは類似の方法によって、存在している可能性のあるあらゆる酸化物が任意選択でランド領域６４から除去される。次に、図７に示すように、マスキングプロセスによって形成された溝６６を備えたバイポーラプレート５６全体に耐食性重合体層９６が被覆される。この重合体層９６は、導電粒子９７を含有することができる。被覆が施されたこのバイポーラプレート５６は、任意選択で再度不活性化することができ、この第２の不活性化により、被覆９４中に残留しているあらゆるピンホール１０４が確実に不活性化され、腐食に対する安定性が得られる。
【００３６】
本発明のさらに他の好ましい実施形態によれば、バイポーラプレート５６は、表面に自然に存在している酸化物層を、機械的、化学的もしくは電気化学的手段を使用して除去することによって処理することができる。バイポーラプレート５６の基板表面６５全体から自然酸化物を除去することにより、後続する被覆９４を確実に粘着させることができる。次に、耐食性重合体シール層９６が加えられる。重合体シール層９６は、導電率を改善するための導電粒子９７を含有することができる。次に、重合体層９６を備えたバイポーラプレート５６の作用表面５９全体が不活性化される。この不活性化ステップにより、重合体被覆９６を貫通しているあらゆる残留ピンホール１０４が確実に腐食から保護され、腐食不浸透性保護被覆９４が提供される。
【００３７】
さらに他の好ましい実施形態は、上記好ましい実施形態のいずれかに従って加えられた重合体層９６を備えているが、図８にその全体を示すように、導電粒子９７がマトリックス中に分散し、導電率が最大であるランド領域６４のみに導電粒子９７が加えられている。溝６６と溝６６の間すなわちチャネルとチャネルの間は、これらの領域における導電率の改善は何ら重要ではないため、導電粒子９７を含有していない耐食性重合体マトリックス９６中で被覆されている。したがって、導電材料９７が全体に分散し、ランド６４すなわち電気接触領域の導電率が増加した重合体層１１４と、その下を覆っている基板６５を保護するために主として加えられた、導電粒子９７を含有していない重合体層１１６の本質的に全く異なる２つの耐食性重合体層が加えられている。当業者に理解されるように、溝６６の重合体１１６は、これらの領域の耐食性を強化するために、より分厚い厚さで加えることができる。また、本発明には、溝６６に加えられる重合体層１１６の重合体組成と、ランド６４に加えられる重合体の重合体組成とを異なる組成にすることが意図されている。重合体層１１６には、より優れた腐食保護を溝６６に提供する第１の組成が選択され、また、ランド６４の第２の組成は、より大きい導電率をランド６４にもたらし、かつ、若干の耐食性を提供している。
【００３８】
本発明により、アルミニウムに導電被覆を施し、かつ、従来技術による、アルミニウムに急速に拡大する腐食サイトを提供し、したがってその下を覆っている金属を腐食させ、燃料スタックの性能を低下させる被覆多孔性の問題を解決する能力が提供される。
【００３９】
以上、本発明について、本発明の特定の実施形態の形で説明したが、以上の説明は、本発明を以上の説明に限定することを意図したものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみ限定される。
【００４０】
本発明についての以上の説明は、単なる例示的なものに過ぎず、したがって、本発明の骨子を逸脱しない変形形態は、すべて本発明の範囲内であるものとする。このような変形形態を本発明の精神および範囲を逸脱するものと解釈してはならない。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】液体冷却ＰＥＭ燃料電池スタック内の２つの電池を示す略図である。
【図２】図１に示すようなＰＥＭ燃料電池スタックに有用なバイポーラプレートの分解等角図である。
【図３】図２の方向３−３’から見た、パッシベーション層および耐食性導電重合体層を有する本発明による好ましい実施形態を示す横断面図である。
【図４】図３に示すバイポーラプレートの拡大部分を示す図である。
【図５】パッシベーション層および例示的重合体層を示す、本発明による好ましい実施形態の作用表面の部分横断面図である。
【図６】非マスク領域、マスク領域、重合体層およびパッシベーション層を備えた基板を示す、本発明による好ましい実施形態の作用表面の部分横断面図である。
【図７】作用表面の層、パッシベーション層および重合体層の一部が除去された、本発明による好ましい実施形態の作用表面の部分横断面図である。
【図８】パッシベーション層、溝に導電粒子が適用されていない第１の重合体層、およびランドに導電粒子が適用された第２の重合体層を示す、本発明による好ましい実施形態の作用表面の部分横断面図である。
【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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