(57)【要約】コアの金属層、及びこの金属層を両側で覆い且つそれを包囲する、当該二極板の表面を形成する２層の不導性プラスチック層を含むＰＥＭ燃料電池用二極板であって、金属層が両表面との１個以上の導電性の接合部を有し、プラスチック層がガス輸送表面溝を備えていることを特徴とするＰＥＭ燃料電池用バイポーラ板；及び両側表面にガス輸送溝を備え、その端部領域以外で、金属被覆された不導性プラスチックから構成されたＰＥＭ燃料電池用二極板であって、両側の金属被膜が１個以上の金属接触手段を介してプラスチックと導電性を有するように結合していることを特徴とするＰＥＭ燃料電池用二極板が記載されている。【選択図】図１
2004507052.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コアの金属層、及びこの金属層を両側で覆い且つそれを包囲する、当該二極板の表面を形成する２層の不導性プラスチック層を含むＰＥＭ燃料電池用二極板であって、金属層が両方の表面との１個以上の導電性の接合部を有し、プラスチック層がガス輸送表面溝を備えていることを特徴とするＰＥＭ燃料電池用二極板。
【請求項２】
両方の表面にガス輸送溝を備え、その端部領域以外で金属被覆された不導性プラスチックから作製されたＰＥＭ燃料電池用二極板であって、両側の金属被膜が１個以上の金属接触手段を介してプラスチックと導電性を有するように結合していることを特徴とするＰＥＭ燃料電池用二極板。
【請求項３】
その端部領域を除く両方のプラスチック層が、導電性接合部に導電性を有するように結合している金属被膜を備えている請求項１に記載のＰＥＭ燃料電池用二極板。
【請求項４】
エラストマーの封止を、少なくとも一方の表面の端部領域に施すか、あるいは両層の境界の幾何図形的外形を、続く融着、接着またはスプレー融着用のプラスチックから一体成形する請求項１〜４のいずれかに記載のＰＥＭ燃料電池用二極板。
【請求項５】
使用されるプラスチックが、ポリアミド、ポリブチレンテレフタレート、ポリオキシメチレン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリエーテルケトン、ポリプロピレン、ポリエステル、エチレン−プロピレン−共重合体、不飽和ポリエステル樹脂、フェノールホルムアルデヒド樹脂から選択される請求項１〜５に記載のＰＥＭ燃料電池用二極板。
【請求項６】
金属層を成形して導電性接合部を形成し、次いで金属層にプラスチックをスプレー被覆することを特徴とする請求項１に記載の二極板を製造する方法。
【請求項７】
プラスチックを所望の形に射出成形し、次いでその表面を金属で被覆して金属接触手段を形成することを特徴とする請求項２に記載の二極板を製造する方法。
【請求項８】
請求項１〜５のいずれかに記載の二極板を含む複数の燃料電池を含む燃料電池スタック。
【請求項９】
二極板、ガス分配層、触媒層、ポリマー膜、触媒層及びガス分配層及び各末端集電装置及び端板を繰り返し重ね、これらの層を接合し、そしてこれらを封止して燃料電池スタックを製造することを特徴とする請求項８に記載の燃料電池スタックを製造する方法。
【請求項１０】
移動装置及び固定装置における電源としての請求項９に記載の燃料電池スタックの使用。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、ＰＥＭ燃料電池用二極板（ｂｉｐｏｌａｒ ｐｌａｔｅ）、その製造法、燃料電池スタックへの使用、及び移動装置及び固定装置における電源としての応用に関する。
【０００２】
これまで自動車に使用されてきた推進力の有力な手段は、燃料として石油製品を必要とする内部燃焼エンジンである。石油資源には限りがあり、燃焼生成物は環境への悪影響を有するので、最近ではこれに代わる推進力の機構に対する研究が盛んに成っている。
【０００３】
これに関連して、移動及び固定の電力供給用電気化学燃料電池の利用への関心が高まっている。
【０００４】
最近、水素と酸素の電気化学的再結合に基づき最終生成物として水を生成する運転モードの種々の燃料電池が出現している。これらは使用される電解質、運転温度レベル及び達成し得る出力範囲によってカテゴリーが分けられ得る。特に、ポリマー電解質膜燃料電池（ＰＥＭ燃料電池、時々ＰＥＦＣと省略される）が、自動車への使用に好適である。これらは、通常５０〜９０℃で運転され、最近では、完全なスタックで、１〜７５ｋＷ（乗用車）及び２５０ｋＷまで（商用車、バス）の電力を供給する。
【０００５】
ＰＥＭ燃料電池において、水素と酸素から水が生成する電気化学的反応は、アノード電極とカソード電極との間のプロトン伝導膜の挿入により、２個の下位段階である酸化と還元に分割される。これらは、電圧源として利用することができる充電分離を生じさせ得る。このタイプの燃料電池は、例えば”Ｂｒｅｎｎｓｔｏｆｆｚｅｌｌｅｎ−Ａｎｔｒｉｅｂ， ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ Ａｎｔｒｉｅｂｋｏｎｚｅｐｔｅ， Ｋｏｍｐｏｎｅｎｔｅｎ ｕｎｄ Ｒａｈｍｅｎｂｅｄｉｎｇｕｍｇｅｎ”［燃料電池推進力、革新的推進力機構、要素及び制約］，ＩＩＲ Ｄｅｕｔｓｃｈｌａｎｄ ＧｍｂＨ（２０００年５月２９−３１日， Ｓｔｕｔｔｇａｒｔ）の論文にまとめられている。
【０００６】
個々のＰＥＭ燃料電池は、対照的なデザインである。二極板に近接する触媒層及びガス分配層が、ポリマー膜（ｍｅｍｂｒａｎｅ）の両側に設けられる。
【０００７】
集電装置は、電圧除去のために使用され、一方端板は反応ガスを計量導入し、反応生成物を除去することを保証する。
【０００８】
このような配置において、二極板は２個の電池に機械的及び電気的に接続される。個々の電池の電圧は１Ｖ前後の範囲にあるので、実際の用途では連続的に接続された夥しい電池が必要となる。屡々、二極板で分離された１５０個までの電池が、上で相互に重ねられ、これにより電池の酸素側を、二極板を介して次の電池の水素側と接続される。このような配列において、二極板は多くの機能を果たしている。それは、反応剤（反応ガス）及び冷却剤を供給、分配するため、そして区画されたガスを分離するために、電池の電気的相互連結の機能を果たす。このようにする場合、二極板は以下の特性を満足しなければならない：
−湿気酸化及び還元条件における耐薬品性
−気密性
−高導電性
−低接触抵抗
−寸法安定性
−低コストの材料及び製造
−自由な設計
−負荷下の高い機械的安定性
−耐蝕性
−軽量。
【０００９】
現在、異なる３種の二極板が使用されている。まず、金属二極板、例えば合金スチール又は被覆された他の材料（例、アルミニウム又はチタン）から構成される金属二極板が使用されている。
【００１０】
金属材料は、高い気密性、高い寸法安定性及び高い導電性の点で特徴的である。
【００１１】
グラファイトの二極板は、圧縮成形又はミリングにより適当に成形することができる。これらは耐薬品性及び低接触抵抗の点で特徴的であるが、高重量に加えて機械的性質が充分ではない。
【００１２】
複合材料は、導電性フィラー、例えばカーボンをベースにしたものを含む特定のプラスチックから構成される。
【００１３】
ＷＯ９８／３３２２４には、クロム及びニッケルを高割合で含む鉄合金から作製された二極板が記載されている。
【００１４】
ＧＢ−Ａ−２３２６０１７には、粉末カーボン等の導電性フィラーにより導電性にされたプラスチック材料から作製された二極板が開示されている。さらに、２個の電池間の二極板の端部を介して導電性接続を可能にする表面の金属被膜が存在しても良い。
【００１５】
ＷＯ９８／５３５１４によれば、ポリマー樹脂を、導電性粉末及び及び親水化剤の導入により処理される。二酸化ケイ素粒子及びグラファイト粉末が満たされたポリマー配合物が、二極板として使用される。これに関連して、特にフェノール樹脂が使用される。
【００１６】
ＤＥ−Ａ１９６０２３１５は、電池表面に分配溝を有する液体冷却燃料電池に関する。電池表面は、機能に従って異なる材料から構成されてもいよい。セパレータ（隔離板）は、例えばグラファイト、チタン及び／又は金属合金から作製することができる。電流移動を均一化するために、織物又は網が使用される。織物又は網は、セパレータを形成するものと類似の材料から作製される。格子領域は例えばプラスチックから作製される。
【００１７】
ＵＳ５７７６６２４には、ハンダ付けされた金属層から作製された二極板が開示されている。金属シート間に、媒体を冷却する溝が設けられている。金属層は、金属、好ましくはＮｉ合金をハンダ付けすることにより電流が流れるように相互に接続される。
【００１８】
ＵＳ６０７１６３５は、液体又はガスが流れる板、例えば二極板に関する。この板が、導電性材料及び不導性材料から作製される。これらの材料は、板の表面のコネクター領域及び／又は溝の部分を形成している。導電性材料は、板の表面の電気回路を形成し、不導性材料は、溝の強化及び／又はシーリング、又は板表面の周囲部分に使用され得る。これらは射出成形することができる。
【００１９】
二極板は、ＰＥＭ燃料電池スタックの重要な機能素子で、スタックのコスト及び重量の上昇にかなり寄与しているので、公知の二極板の欠点を回避しながら、上述の特定の側面を満足する二極板に対する絶大な要求がある。
【００２０】
特に、本発明の目的は、二極板の、複雑でなく、原価効率がよい製造を可能にすることにある。
【００２１】
本発明者等は、上記目的が、コアの金属層、及びこの金属層を両側で覆い且つそれを包囲する、当該二極板の表面を形成する２層の不導性プラスチック層を含むＰＥＭ燃料電池用二極板であって、金属層が両方の表面との１個以上の導電性の接合部を有し、プラスチック層がガス輸送表面溝を備えているＰＥＭ燃料電池用二極板によって達成されることを見出した。
【００２２】
上記目的は、更に、両方の表面にガス輸送溝を備え、その端部領域以外で、金属被覆された不導性プラスチックから作製されたＰＥＭ燃料電池用二極板であって、両側の金属被膜が１個以上の金属接触手段を介してプラスチックと導電性を有するように結合していることを特徴とするＰＥＭ燃料電池用二極板によって達成される。
【００２３】
このような配置において、初めに述べた二極板のプラスチック層は両側の表面において、その端部領域（端面）を除いて、導電性接合部と導電性があるように結合する金属被膜を備えることができる。
【００２４】
本発明によれば、二極板の設計は、幾何図形的配列（ガス溝の設計）及び導電性構造の機能の分離を包含している。このような配列の導電性機能は、金属回路基板（コアの金属層）をカプセル化することにより、或いは射出成形品又は射出成形品の表面の一部を次いでメッキすることにより達成することができる。
【００２５】
本発明に従い機能を分離した結果、導電性二極板を相当原価効率よく製造することができる。二つの要素を使用するのは、その機能及び材料特性の点からそれぞれの個々の要素を最適化する選択を含んでいる。
【００２６】
本発明に従う二極板は一般にシート状のデザインであり、その結果相互に二個の表面を有する。端部領域では、二極板は、燃料電池の他の要素と共に、一緒に押圧されてスタックを形成する。結果として、本発明の二極板は表面の端部領域に金属被膜を持たずに、その代わりに、二極板は電池の他の要素と気密性良く接続するために好適な手段を備えているか、或いはこのような手段に収容できるよう又は順応するように設計されている。用語「端部領域」は、正確には、二極板を燃料電池の他の要素と接続する必要なある表面の端部領域を言う。
【００２７】
本発明の第一の好適態様では、二極板がコアの金属層（回路基板）及びこの金属層を両側で覆い且つそれを包囲する二個の不導性（不導電性）プラスチック層を有する。上記コアの金属層（回路基板）は、どのような適当な幾何図形的配列でも持つことができる。それは、例えば、両方の表面との導電性接合部を備えた薄膜（ｌａｍｉｎａ）またはフォイルであり得る。例えば、プラスチック層表面まで延びた、ひれ、耳、こぶ等の突出形状が設けられた薄膜またはフォイルであり得る。あるいは、金属層が、プラスチック層の二つの表面間の導電性接続を付与する限り、格子、ニット、織物又は他の幾何図形的配列であり得る。上記金属層の厚さ及び構成は、最大の所望の接触抵抗が過剰になるのを防止する適当な導電性が達成される限りにおいて、自由に選択することができる。
【００２８】
このような金属層の設計図は、第１図に、斜視図及び断面図として示されている。金属層は、両側に、後に設けられるプラスチック層の表面まで延びた突出した耳を有する。
【００２９】
同時に、その表面領域のプラスチック構造は必要なガス輸送溝を有する。
【００３０】
本発明の第二の好適態様では、二極板は、不導性プラスチックから構成され、該板が両表面に金属被膜を有する。この場合の板の境界領域又は端部領域は、このような金属被膜を持たず、このため二つの表面は板の端部の間を相互に導電性を持つように接続されていない。二個の表面被膜の導電性接続は、プラスチックを介して両側（相互）の金属層を接続させる金属接触手段により保証される。第２図は、この種の二極板を、斜視図及び部分断面図で示している。
【００３１】
プラスチック製の二極板は２ｍｍを超える板厚を通常有する。板厚は２．１〜５．０ｍｍ、特に２．５〜３．５ｍｍが好ましい。金属被膜の層厚は、通常０．０５〜０．１ｍｍ、好ましくは０．１２〜０．１５ｍｍである。これまで使用されてきた二極板の板厚は、通常およそ５ｍｍである。従って、本発明では、燃料電池に使用される多数の単一板のため、そして本発明の二極板における板厚の低下及び例えばグラファイトに代わるプラスチックの使用のために、燃料電池の総重量及び占める空間が大幅に減少させることができる。
【００３２】
第３図に示すように、二極板の二つの好適態様を接続することも可能であり、コアの金属層が穴あき金属層として設計されている。金属層の周囲のプラスチック層は、両側の表面にガス溝を備えている。更に、表面は接触手段を介して金属層と接続された導電性被膜を具備している。
【００３３】
第１図〜第３図に示された幾何図形的配列は、数多くの考えられる種々のデザインの内の例であり、その図の参照番号は下記を意味する：
１　ガス溝
２　導電性被膜
３　プラスチック材料
４　金属層、例えば（穴あき）金属層
５　導電性接合部（接続手段）。
【００３４】
二極板の表面に存在する多くの導電性接合部は、実際の要求に合わせて自由に選択される。例えば、選択される接合部の寸法及び数は、二極板の体積抵抗が過剰に大きくならないように選択される。さらに、二極板に対して（又は二極板を背にして）存在するガス分配層（例、グラファイト紙）との良好な導電性接合を保証すべきである。ＰＥＭ燃料電池で普及しているような湿気のある酸化及び還元条件下に化学的に安定である強化及び非強化の熱可塑性及び熱硬化性プラスチックの全てが、本発明のプラスチック材料としての使用に好適である。
【００３５】
本発明のプラスチック材料として好適に使用されるものとしては、ＰＥＭ燃料電池で普及しているような湿気のある酸化及び還元条件下に化学的に安定である強化及び非強化の熱可塑性及び熱硬化性プラスチックの全てを挙げることができる。これらは気密性があり、寸法安定性があるべきである。適当な材料の例としては、ポリアミド、ポリブチレンテレフタレート、ポリオキシメチレン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリエーテルケトン、ポリプロピレン、ポリエステル、エチレン−プロピレン−共重合体、不飽和ポリエステル樹脂、フェノールホルムアルデヒド樹脂及び他のエンジニアリングプラスチックを挙げることができる。
【００３６】
さらに、挙げられた樹脂のブレンドも同様に好適であり、繊維及び鉱物強化プラスチックも同様である。
【００３７】
例えば、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｐｂ、Ｔｉ、Ｖ等の全ての耐蝕性金属又はそうでない場合グラファイトは、金属表面層に好適である。これらは、全ての好適な技術に従って、例えば蒸着、スパッタリング、亜鉛メッキ、プラズマ被覆又は塗装により施される。
【００３８】
コアの金属層及び導電性接合部は、どのような導電性耐蝕性金属又は合金によっても形成することができる。例えば、Ｃｒ−Ｎｉスチールを使用することができる。他の好適な材料が当該技術者に知られている。
【００３９】
本発明はまた、金属層を成形して導電性接合部を形成し、次いで金属層をプラスチックでカプセル化又はスリーブを付けることを特徴とする二極板を製造する方法に関するものである。さらに、二極板は、プラスチックを所望の形に射出成形又は圧縮成形し、次いでその表面を金属で被覆して金属接触手段を形成することにより製造される。
【００４０】
特に好ましい好適態様において、プラスチック板は尖って狭くされた開口部を示す二極板を製造するために使用される。第４ａ図は、この種のプラスチック板の例を示している。次いでこのプラスチック板を、上述の方法の一つに従い所望の金属で、その狭くする部分において被覆することにより、材料の付着が増加し、これにより、プラスチック板の開口部を封鎖し且つ二つの表面間の電気的接触を保証する金属プラグ／コア（ｐｌｕｇ／ｃｏｒｅｌ）が形成される（第４ｂ図）。記載されたプラスチック板を一作業工程で使用することにより、既成の二極板を非被覆法で製造しても良い。
【００４１】
第４ａ図及び第４ｂ図に、プラスチック板の適当な幾何図形的配列の例を示す。第４ａ図は、被覆されていないプラスチック板を示し、第４ｂ図は被覆状態にあるプラスチック板を示す。参照番号は下記を意味する：
１　ガス溝
２　導電性被膜
３　プラスチック材料
４　導電性接合部（接触）。
【００４２】
特に、射出成形によるプラスチック材料を使用する三次元設計図（デザイン）は、複雑な幾何図形的配列の構造の製造さえ簡単にする。
【００４３】
本発明の二極板は、一般に複数の個々の電池を含む燃料電池スタックに使用される。このような燃料電池スタックは、二極板、ガス分配層、触媒層、ポリマー膜、触媒層及びガス分配層を相互に上に繰り返し重ねることにより製造される（個々の電池は二つの二極板の間にそれぞれ存在している）。さらに、端部集電装置及び端板が追加される。燃料電池スタックの重ねられた素子は、接合され、封止される。封止のために、エラストマー封止が本発明の二極板の境界領域に施すことができ、或いは合わせた外形（配列）を、その後に融着、接着またはスプレー融着用のプラスチックから直接成形することができる。
【００４４】
第一の場合、封止は、板を一緒に堅く押圧することにより行われる。第二の場合、板を相互に融着（融着）するか又は接着することができる。融着は、全ての適当な技術、例えば超音波、加熱器具、振動又はレーザ融着により行うことができる。燃料電池の個々の素子を、交互に互いに接合し、接着又はスプレー融着により封止することができる。
【００４５】
或いは、燃料電池スタックを、全ての板スタックを適当なポリマー材料を用いて射出成形法でカプセル化することにより、一緒に封止し、接合することもできる。
【００４６】
成形されたエラストマー封止を、例えば二成分射出成形法でプラスチック層と同時に形成することができる。
【００４７】
起きた周囲リムに成形された融着幾何図形的配列を具備させることは、素子を原価効率よく且つ気密性を持って一緒に接合して燃料電池スタックを形成するのに特に有効である。
【００４８】
本発明の燃料電池スタックは、例えば移動式及び固定式装置の電力供給（電源）として使用することができる。家庭用電源と同様に、これらは、これら自身を、特に、ランドクラフト、ウォータークラフト及びエアークラフトの電源及びサテライト等の自給自足システムの電源に使用することができる。
【００４９】
本発明の燃料電池スタックは、作業温度範囲である−４０〜＋１２０℃の温度範囲、特に１００℃付近、で安定であることが好ましい。熱安定性は、少なくともスタック部分に通じている適当な冷却媒体により達成することができる。
【００５０】
本発明の二極板により、軽量、良好な導電性、気密性又は密閉性、及びガス溝設計の有利な組み合わせが共にもたらされる。
【国際公開パンフレット】
2004507052.tif 000003
2004507052.tif 000004
2004507052.tif 000005
2004507052.tif 000006
2004507052.tif 000007
2004507052.tif 000008
2004507052.tif 000009
2004507052.tif 000010
2004507052.tif 000011
2004507052.tif 000012
2004507052.tif 000013
2004507052.tif 000014
2004507052.tif 000015
2004507052.tif 000016
2004507052.tif 000017
2004507052.tif 000018
2004507052.tif 000019
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004507052.tif 000020
2004507052.tif 000021
【手続補正書】
【提出日】平成14年8月29日(2002.8.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コアの金属層を含むＰＥＭ燃料電池用二極板（回路基板）であって、
プラスチック層の表面まで延びた突出部分が設けられ、これにより金属層が両方の表面との１個以上の導電性の接合部を有し、そして二極板の表面を形成する２層の不導性プラスチック層が金属層を両側で覆い且つそれを包囲し、且つプラスチック層がガス輸送表面溝を備えていることを特徴とするＰＥＭ燃料電池用二極板。
【請求項２】
金属層が、薄膜又はフォイルである請求項１に記載の二極板。
【請求項３】
両側表面にガス輸送溝を備え、その端部領域以外で、金属被覆された不導性プラスチックから作製されたＰＥＭ燃料電池用二極板であって、
両側の金属被膜が１個以上の金属接触手段を介してプラスチックと導電性を有するように結合しており、該金属被膜は尖頂を持って狭くされた連続開口部を有するプラスチック板の金属被覆により得られものであり、これにより被膜中に、狭くされたところで金属被覆量が増大し、これによりプラスチック板の開口部を封鎖し且つ同時に２つの表面間の電気的接触をもたらす金属プラグが形成されることを特徴とするＰＥＭ燃料電池用二極板。
【請求項４】
その端部領域を除く両側のプラスチック層が、導電性結合と導電性を有するように結合している金属被膜を備えている請求項１に記載のＰＥＭ燃料電池用二極板。
【請求項５】
エラストマーの封止を、表面の少なくとも一方の端部領域に施すか、あるいは境界幾何図形的配列を、続く融着、接着またはスプレー融着用のプラスチックから一体成形する請求項１〜３のいずれかに記載のＰＥＭ燃料電池用二極板。
【請求項６】
使用されるプラスチックが、ポリアミド、ポリブチレンテレフタレート、ポリオキシメチレン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリエーテルケトン、ポリプロピレン、ポリエステル、エチレン−プロピレン−共重合体、不飽和ポリエステル樹脂、フェノールホルムアルデヒド樹脂から選択される請求項１〜５のいずれかに記載のＰＥＭ燃料電池用二極板。
【請求項７】
金属層を成形して導電性接合部を形成し、次いで金属層にプラスチックをスプレー被覆することを特徴とする請求項１に記載の二極板を製造する方法。
【請求項８】
プラスチックを所望の形に射出成形し、次いでその表面を金属で被覆して金属接触手段を形成することを特徴とする請求項３に記載の二極板を製造する方法。
【請求項９】
請求項１〜６のいずれかに記載の二極板を含む複数の燃料電池を含む燃料電池スタック。
【請求項１０】
二極板、ガス分配層、触媒層、ポリマー膜、触媒層及びガス分配層及び各末端集電装置及び端板を繰り返し重ね、これらの層を接合し、そしてこれらを封止して燃料電池スタックを製造することを特徴とする請求項９に記載の燃料電池スタックを製造する方法。
【請求項１１】
移動装置及び固定装置における電源としての請求項１０に記載の燃料電池スタックの使用。
【国際調査報告】
2004507052.tif 000022
2004507052.tif 000023
2004507052.tif 000024
2004507052.tif 000025
2004507052.tif 000026
2004507052.tif 000027