(57)【要約】フローフィールドプレートであって、少なくとも一表面上に複数の突起が一体形成され、使用時にフローフィールドプレートを隣接したフローフィールドプレートに接合させるように適合されている。プレートの材料は導電性ポリマーであり得り、導電性ポリマーは導電性充填材及びカーボンナノファイバーを含んでもよい。プレートは超音波溶接により溶接されてもよい。
2004536424.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フローフィールドであって、少なくとも一表面上に一体形成され、使用時にフローフィールドプレートを隣接するフローフィールドプレートに接合させるように適合された複数の突起を有するフローフィールドプレート。
【請求項２】
前記突起はシールフィーチャーを含む請求項１に記載のフローフィールドプレート。
【請求項３】
前記プレートは隣接プレート上の相補的な突起にかみ合うように適合された突起または窪みさらに含む請求項１および２に記載のフローフィールドプレート。
【請求項４】
前記プレートの材料は前記隣接したプレートに溶接され得るようなものである先行の請求項のいずれか１項に記載のフローフィールドプレート。
【請求項５】
前記プレートの材料は導電性ポリマーである請求項４に記載のフローフィールドプレート。
【請求項６】
前記導電性ポリマー材料は、
（ａ）ポリマーマトリクス、
（ｂ）導電性充填材、及び
（ｃ）カーボンナノファイバー
を含む請求項５に記載のフローフィールドプレート。
【請求項７】
前記フローフィールドプレートは非導電性枠体に１つよりも多い導電性インサートを含む請求項１から４のいずれか１項に記載のフローフィールドプレート。
【請求項８】
流体マニホルドが前記非導電性枠体に形成されている請求項７に記載のフローフィールドプレート。
【請求項９】
分岐している先行の請求項のいずれか１項に記載のフローフィールドプレート。
【請求項１０】
前記プレートを積層し、溶接することを含む先行の請求項のいずれか１項に記載の２つのフローフィールドプレート間のシール形成方法。
【請求項１１】
前記溶接は超音波溶接である請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
１つよりも多い膜電極接合体は前記プレート間にはさまれている請求項１０または１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記膜電極接合体は前記フローフィールドプレート上の突起とかみ合うように配置された開口を含む請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
少なくとも１つのガス拡散層及び少なくとも１つの膜電極接合体を含む請求項１から８のいずれか１項に記載のフローフィールドプレートを含む燃料電池半組立品。
【請求項１５】
請求項１４に記載の少なくとも２つよりも多い燃料電池半組立品を含む燃料電池スタック。
【請求項１６】
溶接した請求項１から８のいずれか１項に記載の少なくとも２つのフローフィールドプレートと、該フローフィールドプレート間に配置された１つよりも多い膜電極接合体とを含む燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池又は電解槽の、特に、限定はされないが、プロトン交換膜型燃料電池又は電解槽のフローフィールドプレートに関する。
【０００２】
燃料電池とは、燃料および酸化剤を制御混合して直接電力を発生させる装置である。中間燃焼や発電段階を経ずに直接電力を発生させるため、従来の発電機において燃料を使用するより燃料電池の発電効率が高い。ここまでについては公知である。燃料電池は単純で望ましいように思われるが、実用的な燃料電池システムを作り出そうとする、多くの人年の労力が近年費やされてきた。
【０００３】
量産されている燃料電池の１つの型は、いわゆるプロトン交換膜型（ＰＥＭ）燃料電池（時おり高分子電解質または固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）とも言われる）である。これらの電池は水素を燃料として用い、両面上に多孔質電極を配置した電気絶縁性（但しイオン伝導性）高分子膜から成る。膜は通常フルオロスルホン酸ポリマーであり、電極は通常、炭素質粉末基板上に分散させた貴金属触媒から構成される。この電極と膜の組立体はしばしば膜電極接合体（ＭＥＡ）と呼ばれる。
【０００４】
燃料（通常水素）は一方の電極（陽極）に供給され、そこで酸化され、陽極に電子を、及び電解質に水素イオンを放出する。酸化剤（通常空気または酸素）はもう一方の電極（陰極）に供給され、そこで陰極からの電子が酸素及び水素イオンと結合し水を生成する。
【０００５】
プロトン交換膜型燃料電池の派生は、メタノールを燃料として供給する直接メタノール型燃料電池である。本発明は、そのような燃料電池及び実際にはプロトン交換膜を用いるあらゆる他の燃料電池を網羅することを目的とする。
【０００６】
商業用ＰＥＭ燃料電池では、そのような多くの膜電極接合体がフローフィールドプレート（二極プレートとも言われる）で隔てられて直列に積層されている。（関連する燃料および酸化剤供給マニホルドを有するフローフィールドプレートと膜の組立体はしばしば燃料電池スタックと言われる。）フローフィールドプレートは通常、１つの膜の陽極と隣接した膜の陰極との間の電子移動を良好にするために金属又は黒鉛でできている。
【０００７】
ＵＳ−Ａ−３１３４６９６には、金属フローフィールドプレートが開示されている。これらのプレートは高い導電性を有するものの、燃料電池内の化学物質による腐食のおそれがある。
【０００８】
ＵＳ−Ａ−４２１４９６９には、炭素及びフルオロカーボン樹脂の複合体の利用が記載されている。しかし、ほんの少量の導電性粒子を含有するポリマーでも強度の問題に苦しみ、ＵＳ−Ａ−４３３９３２２に開示されている炭素繊維などのさらなる成分の添加が適切な材料特性を備えるために必要である。
【０００９】
ＷＯ９５／１６２８７に開示されているように圧縮性の黒鉛が使われてもよい。ＷＯ００／４１２６０は、圧縮性の黒鉛が成形、圧延、またはエンボス加工といった方法で微細な表面フィーチャー(feature)を形成するのに特に好適であることを請求している。これらの材料の低導電性はその利用において欠点であり、材料の圧縮性は機械的強度の低下につながる。さらに、圧縮性の黒鉛材料はそれらが圧縮性であるという問題に苦しむ。スタックの組み立て時には、電池は非常に高い負荷（通常２００Ｎ／ｃｍ2）で圧縮されている。これらの材料はこの圧力において寸法安定性がなく、ガス流路は閉じる傾向にある。
【００１０】
炭素及びポリマーの複合体の利用が提案されている。ＵＳ−Ａ−６０３９８５２は、黒鉛又は導電性粉末と熱可塑性ポリマーとの混合物を含む複合材料について言及している。しかし、これらの材料は比較的低い強度を有し、支持枠を必要とする。
【００１１】
また、ＵＳ−Ａ−４５５４０６３は、フルオロカーボンポリマーバインダーを用いた、導電性黒鉛粉末及び炭素繊維からの膜電解プロセス用の多孔質電極の製造を開示している。電極を補強するための炭素繊維の使用により導電性を向上させずに、これらの材料強度は増大する。しかし、粒子及び繊維の高い含有量はプレート加工において問題につながり得る。また、フローフィールドプレートの一方の側に存在する反応物は、他の側の反応物と混合し得るため、得られる多孔質材料は燃料電池のフローフィールドプレートとしての使用に好適でない。
【００１２】
フルオロカーボンポリマーもまた高価であり、安価な解決策が望まれる。
【００１３】
すべての上述の材料及びプロセスは種々の欠点を有する。微細な形状を持つフローフィールドプレートを得るために、従来技法による加工が可能な、寸法安定性があり、高導電性で高い機械的強度の材料を有することは有利である。もしそのような材料が射出成形法などの量産及び安価な技法により形成可能であれば、さらに有利である。
【００１４】
考慮すべき他の点は、燃料電池スタックを形成するためのフローフィールドプレート及び膜電極接合体の接合方法である。いかなるガスの漏れも防止する各構成部品間の無孔なシールの形成が必要である。これはガスケットアセンブリを各プレートの周囲に設けることで行われ、それによりプレートと膜とがシールされる。
【００１５】
ＥＰ０９３３８２６は、正極、電解質板、負極を含み、セパレーター板により隔てられている一連の電池を収容する燃料電池セルを形成する方法を開示している。ここでエラストマー層はセパレーター板に接着層によって接着されている。このような方法は適用するのに多大な時間を要し、このようなシールの有効性は接着剤のガス漏れ防止能力により制限される。
【００１６】
ＵＳ５２９８３４２は、膜電解質接合体の金属箔が弾性材料を用いて周囲のシールの一部をも形成する、電池のシール方法を開示している。ここでシールは弾性材料が金属箔中に広がることによって形成され、不透過性のシールを形成する。この欠点は、弾性材料がセパレーター板及びフローフィールドプレートにも適用されなければならない点である。
【００１７】
ＷＯ００／５４３５２は、燃料電池のシールシステムについて説明している。ここで、シリコーンゴムシールは成形によりプロトン交換型膜上に直接形成され、陰極及び陽極に付着している。さらに、この方法も弾性材料の膜への適用を必要とする。
【００１８】
ＷＯ００／３０２０３は、ポリマー結合した、黒鉛含有量の高い材料（４５〜９５重量％の黒鉛粉末、５〜５０重量％のポリマー樹脂、及び０〜２０％のナノファイバーであり得る繊維状の充填材を含む）の使用を含む燃料電池のコレクター板の製造方法を開示している。黒鉛の含有量が高いため、プレート形成には高圧が必要である。溶接用突起やシールフィーチャー(sealing feature)の形成については開示されていない。
【００１９】
ＷＯ９７／５０１３９は、導電性ポリマーインサートが、溶融加工が可能な枠体内に成形され、かつ、ガス流路が導電性インサートに設けられている高分子電解質膜燃料電池用の二極プレートを開示している。
【００２０】
ＷＯ０１／８０３３９は、導電性ポリマーのインサートが非導電性ポリマー枠体内に成形されており、かつ、ガス流路が非導電性枠体に設けられている高分子電解質膜燃料電池用の二極プレートを開示している。プレートの周辺部に溶接するためには特殊な工具が用いられる。ＷＯ０１／８０３３９は隣接したプレートを溶接するための超音波溶接の使用を開示しているが、シールを施すための溶接用突起の使用または形成されたシールフィーチャーについては開示していない。
【００２１】
この問題に対する魅力的な解決策は、いずれのタイプのガスケットも必要としないで、かつ、最小限の工程数で、ガス不透過性のシール剤の形成方法を提供することである。
【００２２】
ＧＢ２００６１０１は金網電極が孔部を囲むポリマー枠体を含む燃料電池構造におけるシールフィーチャーの超音波溶接の利用が開示されている。しかし、フローフィールドプレートセパレーターのシールについては言及されてなく、溶接ピップ(welding pips)の利用については開示されていない。現時点で出願人が知っている限りでは、フローフィールドプレートセパレーターの超音波溶接を容易にするための溶接ピップの使用及びシールフィーチャーは未だ提案されていない。
【００２３】
それらがガスケットまたは他の外部的シール手段を必要とせずに接合し、シールされ得る、高導電性材料から形成されたフローフィールドプレートが必要であると出願人は理解している。
【００２４】
したがって、本発明は、フローフィールドプレートであって、少なくとも一表面上に一体形成され、使用時に、フローフィールドプレートを隣接したフローフィールドプレートに接合させるよう適合された複数の突起を有するフローフィールドプレートを提供する。
【００２５】
突起はシールフィーチャーを含んでもよい。
【００２６】
フローフィールドプレートの材料は隣接プレート上に溶接され得るようなものである。
【００２７】
フローフィールドプレートは隣接プレート上の相補的な突起にかみ合うよう適合された、一体形成された突起又は窪みを含んでもよい。
【００２８】
フローフィールドプレートは１つよりも多い導電性インサートを非導電性枠体内に含んでもよく、流体マニホルドは１つよりも多い導電性インサート又は非導電性枠体、もしくはその両者に形成されてもよい。導電性インサートは導電性の高分子複合材料を含んでもよく、もしくは他のいずれの適切な導電性材料でもよい。
【００２９】
本発明は、そのような少なくとも２つのフローフィールドプレート間のシール形成方法であって、プレートを積層させて、好ましくは超音波手法を用いて、溶接することを含む方法を提供する。
【００３０】
本発明はそのような１つのフローフィールドプレート、少なくとも１つのガス拡散層、及び少なくとも１つの膜電極接合体を含む燃料電池の半組立品さらに提供する。
【００３１】
本発明は、以下の説明において例として、図面を参照して、説明する。
【００３２】
プレートを形成するのに用いられる射出成形材料の導電性は高い必要がある。本質的に導電性を有するポリマーを用いるか、または導電性充填材を含有するポリマー（導電性、非導電性に関わらず）を用いて所望の導電性を備えてもよい。
【００３３】
組成物はポリマーマトリクス、導電性充填材（例えば黒鉛）、およびカーボンナノチューブを含んでもよい。このような材料の導電性はナノファイバーと導電性粒子との電気的な相互接続により高まる。
【００３４】
図１では、導電性粒子１及び導電性ナノファイバー２がマトリクス３中に分布している。導電性粒子１は、互いに接触していない十分低い濃度で存在している。ナノファイバー２は、導電性ネットワークを形成する十分な量で存在し、所与のナノファイバー２は他のいくつかのナノファイバー２及びおそらく１つよりも多い粒子１と接触してできている。
【００３５】
ポリマーは対象とする用途の組成物の要求に応じて熱硬化性又は熱可塑性であってもよい。
【００３６】
カーボンナノチューブを１５〜２５％含むポリマーのマスターバッチは、例えばHyperion Catalysis International (Cambridge, Boston, MA, USA) から市販されている（www.fibrils.comを参照）。
【００３７】
実質的にいずれのポリマーもナノファイバーを含有させて生成することができる。通常、使用の際、マスターバッチはナノファイバーの濃度が１〜２５重量％、好ましくは３〜１０重量％まで希釈される。ナノファイバーの直径は通常１０ｎｍ〜１５ｎｍ程度であり、アスペクト比は通常１００〜１０００である。
【００３８】
ナノチューブ単独の添加は、ポリマー特性を大幅に改質させる。表１に示すように、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）への５％レベルのナノチューブの添加は、ベースポリマー特性を改質させる。
【００３９】
【表１】
2004536424.tif 000003
【００４０】
これらの変化は材料強度と導電性が増すのに有益であるが、ナノチューブ自体では導電性の高い材料を提供しない。導電性粒子と結合させると、ナノチューブの導電性ネットワーク及び導電性粒子は二極プレートに必要な電気的特性の向上につながる。導電性の高いのネットワークをナノチューブ単独で得るためには、ナノチューブの極めて高い含有量が必要であり、それは法外に高価である。本発明は、ナノチューブと導電性粒子との相互作用により、両構成成分の含有量を低く抑えつつ、形成可能な導電性の高い材料を提供する。
【００４１】
導電性粒子の必要量は通常５０重量％までの範囲であり、通常３〜５０重量％であり、好ましくは１０〜４０重量％である。この典型的な材料としては、例えば黒鉛、膨張黒鉛、及び細断した(chopped)炭素繊維である。
【００４２】
導電性粒子のサイズは、ナノファイバーの直径の少なくとも１００倍であり、好ましくはナノファイバーの直径の１、０００倍であり、さらに好ましくはナノファイバーの直径の１０、０００である。導電性粒子のサイズは１μｍ〜２ｍｍの範囲であり、通常１００μｍ〜５００μｍであり得る。本用途の最適な粒子サイズは通常、潤滑性に優れ(ready wetting)およびポリマー内への組込みを可能にするのに十分に大きく、許容可能な仕上げを得られる射出成形を可能にするのに十分に小さいとのバランスである。
【００４３】
カーボンブラックも導電性粒子の添加物として含まれてもよい。カーボンブラックはナノメートルの寸法を有するため、上述の導電性粒子サイズの範囲から外れる。
【００４４】
利用できるその他の材料としては、膜電極接合体の材料と有害に反応しないいずれの導電性ポリマーを含む。例えばＷＯ０１／８０３３９、ＷＯ０１／６０５９３、ＧＢ２１９８７３４、ＵＳ６１８０２７５、ＷＯ００／３０２０２、ＷＯ００／３０２０３、ＷＯ００／２５３７２、及びＷＯ００／４４０５５に開示されている材料が挙げられる。
【００４５】
図２には、表面にフローフィールド６を有するフローフィールドプレート５、及びフローフィールドプレートの表面にそびえ立ち、フローフィールドプレート５の材料と一体形成されたシールリッジ(sealing ridge)７、８、９を示す。フローフィールドプレートは射出成形によるか、または適切な導電性プラスチック材料を加圧することにより形成してもよい。密封ユニットを形成するために、２つよりも多いプレートが１つよりも多い膜電極接合体を間に挟んで重ね合わせて行われる。膜電極接合体の材料が処理温度に耐え得るという条件で、プレートは熱処理により接合されてよい。しかし、広範囲な膜材料の使用を可能にするために、プレートが超音波により溶接されることが好ましい。プレートは１つよりも多い導電性インサート及び非導電性枠体を含んでもよい。このような配置構成は、非導電性枠体を導電性インサート上に挿入(insert)射出成形することにより、導電性インサートを枠体内に射出成形することにより、部品を溶接することにより、または他の適当な手段により作成され得る。（反応ガスと冷媒のための）流体マニホルドは１つよりも多い導電性インサート、非導電性枠体、またはその両方に配置できる。
【００４６】
フローフィールドプレートは、反応ガスを膜電極接合体まで効果的に運搬する従来の蛇行形状、直線形状、またはインターディジテイティッド形状またはいずれの他の形状（例えば分岐したフローフィールド）であってもよい。
【００４７】
膜電極接合体１２は溶接前に２つのフローフィールドプレート間に設置される。突起１１は膜の周囲をかみ合わせるために設けられており、膜材料を通して２つプレートが効果的に接合される。
【００４８】
図３では、ガス拡散層１３、シールリッジ７を有するフローフィールドプレート５、及び膜電極接合体１２を含む燃料電池の半組立品を示す。フローフィールド６はフローフィールドプレートの両面の表面上に形成されている。ガス拡散層はガスをフローフィールドから膜電極接合体に、及びその逆で輸送するためにフローフィールドプレートの両側に設けられている。膜電極接合体は、膜上の開口１４内にはまる突起１１上に据えつけられており、フローフィールドプレートのシールリッジ内に膜を容易に位置付けることができる。従来技術で見出された燃料電池では膜電極接合体を通るガスケットシールが形成される。これは、膜材料が多孔質であることにより、膜の位置付けがシールの有効性に重要であるため、不十分である。本発明によるフローフィールドプレートでは、膜の位置付けが、フローフィールドプレート間のシールに支障をきたすことなく可能となり、したがってシールが確実に不透過性となる。
【００４９】
少なくとも１つのガス拡散層、フローフィールドプレート、及び少なくとも１つの膜電極接合体を含むいくつかの燃料電池半組立品は、燃料電池スタックを形成するために、先に配置され溶接されてもよい。フローフィールドのジオメトリにより可能であれば、ガス拡散層を省いてもよい。
【００５０】
本発明の方法は、いずれのガスケットアセンブリも要さずフローフィールドプレート間にガス不透過性シールを形成するため、工程所要時間及び製造コストを低減する。この方法で形成されたシールは非常に効果的でもある。本発明は高分子電解質燃料電池に制限されるものとして見るべきではなく、本方法を用いて、他の型式の燃料電池の電極やセパレータ板も接合、シール可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明に利用できる材料の概略図である。
【図２】本発明によるフローフィールドプレートの概略図である。
【図３】本発明による燃料電池用半組立品の断面の概略図である。
【国際公開パンフレット】
2004536424.tif 000004
2004536424.tif 000005
2004536424.tif 000006
2004536424.tif 000007
2004536424.tif 000008
2004536424.tif 000009
2004536424.tif 000010
2004536424.tif 000011
2004536424.tif 000012
2004536424.tif 000013
2004536424.tif 000014
2004536424.tif 000015
2004536424.tif 000016
2004536424.tif 000017
2004536424.tif 000018
2004536424.tif 000019
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004536424.tif 000020
2004536424.tif 000021
2004536424.tif 000022
2004536424.tif 000023
2004536424.tif 000024
2004536424.tif 000025
2004536424.tif 000026
2004536424.tif 000027
2004536424.tif 000028
2004536424.tif 000029
2004536424.tif 000030
2004536424.tif 000031
2004536424.tif 000032
2004536424.tif 000033
2004536424.tif 000034
2004536424.tif 000035
【国際調査報告】
2004536424.tif 000036
2004536424.tif 000037