(57)【要約】本開示は、電気化学セルのバイポーラプレートに関する。バイポーラプレートはフレーム及びベースを有し得る。バイポーラプレートはフレーム及びベースの少なくとも１つに適用されたポリマーコーティングを有してもよい。本開示は、電気化学セルのためのバイポーラプレートの組み立て方法にも関する。本方法は、バイポーラプレートのフレーム及びベースを圧縮することを含んでもよく、フレーム及びベースの少なくとも１つは、ポリマーコーティングを有する。ポリマーコーティングは、電気化学セル用の電気絶縁体、電気化学セルの１つ又は複数のゾーンの密封用のシール、及び電気化学セルの腐食防止層であり得る。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
フレームおよびベースと、
該フレームおよび該ベースの少なくとも１つに適用されたポリマーコーティングと、
を含む、電気化学セルのためのバイポーラプレート。
【請求項２】
前記ポリマーコーティングが、前記電気化学セル内の電気絶縁体である、請求項１に記載のバイポーラプレート。
【請求項３】
前記ポリマーコーティングが、圧縮されたとき、前記電気化学セル内でシールを形成する、請求項１に記載のバイポーラプレート。
【請求項４】
前記ポリマーコーティングが、腐食防止層である、請求項１に記載のバイポーラプレート。
【請求項５】
前記ポリマーコーティングが、
前記電気化学セルの電気絶縁体、
前記電気化学セル内のシール、および
腐食防止層
のうち少なくとも２つである、請求項１に記載のバイポーラプレート。
【請求項６】
前記ポリマーコーティングが、
前記電気化学セルの電気絶縁体、
前記電気化学セル内のシール、および
腐食防止層
である、請求項１に記載のバイポーラプレート。
【請求項７】
前記ポリマーコーティングが、フルオロポリマーおよび補強用結合剤を含む、請求項１に記載のバイポーラプレート。
【請求項８】
前記シールが、前記ポリマーコーティングの降伏強度より大きいかまたはそれに等しい圧力に前記バイポーラプレートを圧縮することによって形成される、請求項３に記載のバイポーラプレート。
【請求項９】
前記バイポーラプレートおよび前記ポリマーコーティングが、少なくとも約４，０００ｐｓｉから約１５，０００ｐｓｉの間に圧縮される、請求項８に記載のバイポーラプレート。
【請求項１０】
前記ポリマーコーティングの厚さが、約０．００５インチから約０．００１５インチの範囲である、請求項１に記載のバイポーラプレート。
【請求項１１】
前記フレームおよびベースが、別々の要素であり、前記ポリマーコーティングが、前記フレームにのみ適用される、請求項１に記載のバイポーラプレート。
【請求項１２】
電気化学セルのためのバイポーラプレートを組み立てる方法であって、
該バイポーラプレートを圧縮すること
を含み、
該バイポーラプレートは、フレームおよびベースを含み、該フレームおよび該ベースの少なくとも１つは、ポリマーコーティングを有し、
該ポリマーコーティングは、
前記電気化学セルのための電気絶縁体、
前記電気化学セル内のシール、および
腐食防止層
である、上記方法。
【請求項１３】
前記フレームおよび前記ベースを圧縮し、それにより前記ポリマーコーティングの降伏強度より大きいかまたはそれに等しい圧力に前記ポリマーコーティングが圧縮されるときに、前記ポリマーコーティングが前記シールを形成する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記ポリマーコーティングが、少なくとも約４，０００ｐｓｉから約１５，０００ｐｓｉの間に圧縮される、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記ポリマーコーティングを前記フレームに適用することをさらに含み、前記フレームおよびベースが、別々の要素であり、前記ポリマーコーティングの厚さが、約０．００５インチから約０．００１５インチの厚さの範囲である、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
前記ポリマーコーティングが、補強用結合剤を有するフルオロポリマーを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
フレームおよびベースと、
ポリマーコーティングと、
から本質的になる、電気化学セルのバイポーラプレートであって、
該ポリマーコーティングは、
前記電気化学セルの電気絶縁体、
前記電気化学セルのシール、および
腐食防止層
である、上記バイポーラプレート。
【請求項１８】
前記フレームおよび前記ベースを圧縮し、前記ポリマーコーティングの降伏強度より大きいかまたはそれに等しい圧力に前記ポリマーコーティングが圧縮されるときに、前記ポリマーコーティングが前記シールを形成する、請求項１７に記載のバイポーラプレート。
【請求項１９】
前記バイポーラプレートおよび前記ポリマーコーティングが、少なくとも約４，０００ｐｓｉから約１５，０００ｐｓｉの間に圧縮される、請求項１８に記載のバイポーラプレート。
【請求項２０】
バイポーラプレートの対と、該バイポーラプレートの対の間に配置された膜電極アセンブリと、を含む電気化学セルであって、
該バイポーラプレートの少なくとも１つは、ポリマーコーティングを有する、上記電気化学セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[001]本出願は、参照によりその全体が開示に組み入れられる２０１５年９月２４日付けで出願された米国仮出願第６２／２２２，８６６号の利益を主張する。
[002]本発明の開示は、バイポーラプレート、より特定には、ポリマーコーティングを有するバイポーラプレートに向けられる。
【背景技術】
【０００２】
[003]電気化学セルは、通常、燃料電池または電解セルとして分類され、化学反応により電流を生成したり、または電流の流れを使用して化学反応を誘発したりするために使用されるデバイスである。燃料電池は、燃料（例えば、水素、天然ガス、メタノール、ガソリンなど）および酸化体（空気または酸素）の化学エネルギーを、電気と、熱および水である廃棄物とに変換する。基本的な燃料電池は、負電荷を有するアノード、正電荷を有するカソード、および電解質と呼ばれるイオン伝導性材料を含む。
【０００３】
[004]様々な燃料電池技術において様々な電解質材料が利用されている。プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池は、例えば、電解質としてポリマー性のイオン伝導性膜を利用する。水素ＰＥＭ燃料電池において、水素原子は、アノードで電気化学的に電子およびプロトン（水素イオン）に分けられる。電子は、回路を通ってカソードに流れ、電気を発生させ、一方でプロトンは電解質膜を通ってカソードに拡散する。カソードでは、水素のプロトンは、電子および（カソードに供給された）酸素と反応して、水および熱を生産する。
【０００４】
[005]電解セルは、それとは逆に稼働する燃料電池の代表である。基礎的な電解セルは、外部の電位が適用されるときに水を水素および酸素ガスに分解することによって水素発生器として機能する。水素燃料電池または電解セルの基礎的な技術は、電気化学的な水素の操作、例えば電気化学的な水素の圧縮、精製、または膨張に適用することができる。電気化学的な水素の操作は、水素の管理に従来使用されていた機械システムに対する実用的な代替物として現れつつある。
【０００５】
[006]作動中、単一の燃料電池は、一般的に約１ボルトを生成することができる。望ましい量の電力を得るために、個々の燃料電池を組み合わせて、燃料電池スタックを形成する。燃料電池は連続して一緒にスタックされ、各セルは、カソード、電解質膜、およびアノードを含む。各カソード／膜／アノードアセンブリは、「膜電極アセンブリ」または「ＭＥＡ」を構成し、これは、典型的には両方の側でバイポーラプレートにより支持される。ガス（水素および空気）は、流れ場として知られるプレートに形成されたチャネル、溝、または他の通路を介してＭＥＡの電極に供給される。バイポーラプレート（流れ場プレートまたはセパレータープレートとしても知られる）は、機械的な支持体を提供することに加えて、スタック中の個々のセルを電気的に連結しつつ物理的に分離する。バイポーラプレートはまた、集電装置としても作用し、燃料および酸化体のためのそれぞれの電極表面へのアクセスチャネルを提供し、セル作動中に形成された水を除去するためのチャネルを提供する。典型的には、バイポーラプレートは、例えばステンレス鋼、チタンなどの金属から製造され、また、非金属の電気導体、例えばグラファイトから作製される。
【０００６】
[007]加えて、典型的な燃料電池スタックは、燃料および酸化体をそれぞれアノード流れ場およびカソード流れ場に方向付けるための流体マニホールドおよび入口ポートを含んでいてもよい。スタックはまた、スタック内の内部チャネルに冷却流体を方向付けるための流体マニホールドおよび入口ポートを含んでいてもよく、それにより個々のセルの作動中に発生した熱を吸収することができる。燃料電池スタックはまた、未反応のガスおよび冷却水を追い出すための排気マニホールドおよび出口ポートを含んでいてもよい。
【０００７】
[008]図１は、従来技術のＰＥＭ燃料電池１０の様々な要素を示す概略的な分解組立図である。例示された通り、バイポーラプレート２は、アノード７Ａ、カソード７Ｃ、および電解質膜８を含む「膜電極アセンブリ」（ＭＥＡ）を両側に有する。アノード７Ａに供給された水素原子は、電気化学的に電子およびプロトン（水素イオン）に分けられる。電子は、電気回路を通ってカソード７Ｃに流れ、プロセス中に電気を発生させ、一方でプロトンは電解質膜８を通ってカソード７Ｃに移動する。カソードでは、プロトンを、電子および（カソードに供給された）酸素と化合させて、水および熱を生産する。
【０００８】
[009]加えて、従来技術の電気化学セル１０は、セル内のＭＥＡのそれぞれの側に導電性ガス拡散層（ＧＤＬ）５を含む。ＧＤＬ５は、セル内のガスおよび液体の輸送を可能にする拡散媒体として機能し、バイポーラプレート２と電解質膜８との間に電気伝導を提供し、セルからの熱およびプロセス水の除去を助け、一部のケースでは電解質膜８に対する機械的な支持を提供する。ＧＤＬ５は、織布または不織布であるカーボンクロスを含んでいてもよく、電極７Ａおよび７Ｃが電解質膜に面する側に配置されていてもよい。一部のケースにおいて、電極７Ａおよび７Ｃは、ＧＤＬ５または電解質膜８に隣接するいずれかの側の上にコーティングされた電極触媒材料を含んでいてもよい。一部の高圧または高差圧式燃料電池は、「フリット」タイプの高密度に焼結された金属、スクリーンパック、エキスパンドメタル、金属発泡体、または３次元多孔質金属基板を、従来のＧＤＬと組み合わせてまたはその代用として使用して、バイポーラプレート２に形成された従来のランドチャネル型の流れ場４とともにＭＥＡへの構造的な支持を提供することができる。一部の高圧または高差圧式セルにおいて、金属発泡体または３次元多孔質金属基板は、同様に、従来のチャネル型の流れ場４の代用として使用することができる。
【０００９】
[010]典型的な燃料電池において、電解質膜のそれぞれの側における反応物ガスは、３次元多孔質金属流れ場または従来のチャネル型の流れ場を通って流動し、次いで多孔質ＧＤＬを介して拡散して、電解質膜に到達することができる。流れ場およびＧＤＬは隣接して配置され、内部の流体ストリームによってカップリングされるため、以下、流れ場およびＧＤＬは、別段の規定がない限り、集合的に「フロー構造」と称される。従来のチャネル型の流れ場を３次元多孔質金属ＧＤＬと組み合わせて使用すること、３次元多孔質金属流れ場を従来のＧＤＬと組み合わせて使用すること、または流れ場およびＧＤＬの両方として３次元多孔質金属基板を使用することは、本開示の範囲内である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
[011]典型的な燃料電池において、様々な機能を実行する燃料電池内の様々な要素がある。例えば、１つまたはそれより多くのシール（例えば、エラストマー）は、燃料電池の異なる区画、ポート、および／またはマニホールドを密閉するのに使用することができ、１つまたはそれより多くの要素は、腐食防止を提供するように設計されていてもよく（例えば、クラッド化されていてもよく）、１つまたはそれより多くの要素は、電気絶縁体として作用するように設計されていてもよい（例えば、コーティングされていてもよい）。シール、腐食防止、および電気的絶縁のために燃料電池内に別々の要素または材料を有することは、製造および組み立ての複雑さを増加させ、材料コストを増加させ、それゆえに全体コストを増加させる。エネルギー担体としての水素の商業化の成功および「水素経済」の長期的持続可能性は、燃料電池および電解セルの効率および費用対効果に大きく左右される。したがって、本発明の開示は、製造および組み立ての複雑さおよびコストを低減するように設計されたバイポーラプレートに向けられる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
[012]本発明の開示の一形態は、電気化学セルのためのバイポーラプレートに向けられる。バイポーラプレートは、フレームおよびベースを含んでいてもよい。バイポーラプレートはまた、フレームおよびベースの少なくとも１つに適用されたポリマーコーティングを含んでいてもよい。
【００１２】
[013]本発明の開示の他の形態は、電気化学セルのためのバイポーラプレートを組み立てる方法に向けられる。本方法は、バイポーラプレートを圧縮することを含んでいてもよく、ここでバイポーラプレートは、フレームおよびベースを含む。フレームおよびベースの少なくとも１つは、ポリマーコーティングを有していてもよい。ポリマーコーティングは、電気化学セルのための電気絶縁体、電気化学セルの１つまたはそれより多くのゾーンを密封するためのシール、および電気化学セルの腐食防止層であってもよい。
【００１３】
[014]本発明の開示の他の形態は、電気化学セルのバイポーラプレートに向けられる。バイポーラプレートは、フレーム、ベース、およびポリマーコーティングから本質的になっていてもよい。ポリマーコーティングは、電気化学セルの電気絶縁体、電気化学セルの１つまたはそれより多くのゾーンを密封するためのシール、および電気化学セルの腐食防止層であってもよい。
【００１４】
[015]本発明の開示の他の形態は、バイポーラプレートの対と、バイポーラプレートの対の間に配置された膜電極アセンブリとを含んでいてもよい電気化学セルに向けられる。バイポーラプレートの少なくとも１つは、ポリマーコーティングを含んでいてもよい。
【００１５】
[016]前述の一般的な説明と以下の詳細な説明はいずれも単に典型的で説明的なものにすぎず、特許請求された開示を限定しないことが理解されるべきである。
[017]添付の図面は、本明細書に取り入れられ本明細書の一部を構成するが、本発明の開示の実施態様を例示し、その記載と共に本開示の原理を説明する役割を果たす。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】[018]図１は、従来技術のプロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池の様々な要素を示す概略的な分解組立図を例示する。
【図２】[019]図２は、例示的な実施態様に係るバイポーラプレートを有する電気化学セルスタック中の２つの電気化学セルの概略図である。
【図３】[020]図３は、例示的な実施態様に係るバイポーラプレートアセンブリのベースおよびフレームの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
[021]以下、本開示の例示的な実施態様について詳細に述べ、その例は、添付の図面で示される。可能な限り、同じまたは類似の部品を指すために図面全体にわたり同じ参照番号が使用される。水素を圧縮するための電気化学セルに関して記載されるが、本開示のデバイスおよび方法は、これらに限定されないが、電解セル、水素精製器、水素エキスパンダー、および水素ポンプなどの様々な種類の燃料電池および電気化学セルに採用され得ることが理解される。
【００１８】
[022]図１で示されるように、電気化学セル１０は、バイポーラプレート２の対を含んでいてもよく、それらの間にアノード７Ａ、カソード７Ｃ、および電解質膜８が配置されていてもよい。複数の電気化学セルを互いに隣接して配列して、電気化学的なスタックを形成してもよい。例えば、図２は、例示的な実施態様に係る電気化学スタック１００の２つの電気化学セルの一部の略図を示す。電気化学スタック１００は、図２で示されるように、２つまたはそれより多くの電気化学セル１１０を含んでいてもよい。図２で示されるように、各電気化学セル１１０は、２つのバイポーラプレート１０２の間に挟まれていてもよい。
【００１９】
[023]バイポーラプレート１０２は、支持体プレート、コンダクターとして機能することができ、燃料のためのそれぞれの電極表面への通路を提供することができ、圧縮燃料を除去するための通路を提供することができる。一部の実施態様において、バイポーラプレート１０２はまた、冷却流体（すなわち、水、グリコール、または水とグリコールとの混合物）のためのアクセスチャネルを含んでいてもよい。図２で示されるように、電気化学スタックは、スタック１００のバイポーラプレート１０２およびセパレータープレート１０１を通って延在する１つまたはそれより多くの流体マニホールド１０３を含んでいてもよい。流体マニホールド１０３は、アノード流れ場およびカソード流れ場に燃料および酸化体をそれぞれ方向付けるように設計されていてもよい。図２には示されていないが、スタック１００はまた、スタック内の内部チャネルに冷却流体を方向付けるための流体マニホールドを含んでいてもよく、それにより個々のセルの作動中に発生した熱を吸収することができる。加えて、図２には示されていないが、スタック１００はまた、未反応のガスおよび冷却水を追い出すための排気マニホールドを含んでいてもよい。
【００２０】
[024]一部の実施態様において、各バイポーラプレート１０２は、少なくとも２つのピースまたは要素で形成されていてもよい。例えば、バイポーラプレート１０２は、フレーム１７０およびベース１８０を含んでいてもよい。図３は、フレーム１７０およびベース１８０を有する２つの要素のバイポーラプレート１０２の一実施態様を示す。フレーム１７０は、電気化学セル１１０の１つまたはそれより多くの部分を受け入れるように設計された空隙１９０を画定することができる。一部の実施態様において、フレーム１７０およびベース１８０は、フレーム１７０、ベース１８０の両方を画定する１つの統合されたピース、例えば、単一のピースから形成された１つの統合されたピースであってもよい。
【００２１】
[025]図３で示されるように、フレーム１７０およびベース１８０は、全体的に平面であり、全体的に長方形のプロファイルを有していてもよい。一部の実施態様において、フレーム１７０およびベース１８０は、別の形状、例えば、四角形、「レーストラック」（すなわち、実質的に長方形であり、側面が半楕円形である形）、円形、卵形、楕円形、または他の形状を有していてもよい。フレーム１７０およびベース１８０の形状は、電気化学セル１１０の他の要素（例えば、カソード、アノード、ＰＥＭ、フロー構造など）または電気化学セルスタックに対応していてもよい。
【００２２】
[026]フレーム１７０およびベース１８０は、同一平面で係合するように設計されてもよい。例えば、フレーム１７０およびベース１８０は、取り外しできるように組み合わされていてもよいし、固定して取り付けられていてもよいし、またはそれ以外の方法で隣接して配列されていてもよい。例えば、接合材、溶接、ろう付け、はんだ付け、拡散接合、超音波溶接、レーザー溶接、スタンピング、リベット締め、抵抗溶接、焼結、および／または圧縮などの１つまたはそれより多くの係合メカニズムが使用されていてもよい。一部の実施態様において、接合材としては、接着剤を挙げることができる。好適な接着剤としては、例えば、グルー、エポキシ、シアノアクリレート、熱可塑性シート（例えば熱結合性の熱可塑性シートなど）、ウレタン、嫌気性接着剤、ＵＶ硬化性接着剤、および他のポリマーが挙げられる。一部の実施態様において、フレーム１７０およびベース１８０は、摩擦嵌合（friction fit）によって組み合わされてもよい。一部の実施態様において、フレーム１７０およびベース１８０は、ファスナー、例えば、ねじ、ボルト、クリップ、または他の類似のメカニズムを使用して、取り外しできるように組み合せることができる。一部の実施態様において、コンプレッションロッドおよびナットが、バイポーラプレート１０２を貫通していてもよいし、または外側に沿って配置されていてもよく、また、コンプレッションロッド及びナットは、電気化学セル１１０または複数の電気化学セル１１０と一緒にフレーム１７０およびベース１８０を圧縮してスタック１００を形成するのに使用されてもよい。
【００２３】
[027]一部の実施態様において、フレーム１７０およびベース１８０は、複数の異なる圧力ゾーンの画定を助けることができ、例えば複数のシールは、１つまたはそれより多くの異なる圧力ゾーン（例えば、高圧ゾーン、中圧ゾーン、低圧ゾーンなど）を画定することができる。電気化学セル１１０の高圧ゾーン内の水素は、例えば、約１０，０００ｐｓｉより大きい圧力、約１５，０００ｐｓｉより大きい圧力、約２０，０００ｐｓｉより大きい圧力、約２５，０００ｐｓｉより大きい圧力、約３０，０００ｐｓｉより大きい圧力、または約３５，０００ｐｓｉより大きい圧力へと圧縮されてもよい。複数のシールの配列は、カスケードシール配置（すなわち、一方が他方に含まれる）であってもよい。カスケードシール配置は、数々の利点を提供することができる。例えば、カスケードシール配置は、複数の層のシールによる保護の形態で重複してシールを提供することにより、高圧水素が電気化学セル１１０から逃げる可能性を制限することができる。
【００２４】
[028]図３で示されるように、フレーム１７０および／またはベース１８０は、複数の異なるポートを含んでいてもよい。例えば、ベース１８０は、電気化学セル１１０の１つまたはそれより多くのゾーン（例えば、高圧ゾーン）からの流体を供給または排出するように設計された高圧ポート２１０を含んでいてもよい。高圧ポート２１０は、マルチセル電気化学スタックにおける隣接する電気化学セルの高圧ポートと流体連通していてもよい。一部の実施態様において、フレーム１７０およびベース１８０はまた、第１の複数のポート２２０および第２の複数のポート２３０を含んでいてもよい。一部の実施態様において、第１の複数のポート２２０は、電気化学セル１１０の異なる圧力ゾーン内に収集および／または含有される流体を排出するように設計されていてもよい。一部の実施態様において、第２の複数のポート２３０は、対応する電気化学セル１１０を通って冷却流体を方向付けるように設計されていてもよい。
【００２５】
[029]一部の実施態様において、フレーム１７０およびベース１８０は、同じ材料で形成されていてもよいし、または異なる材料で形成されていてもよい。例えば、フレーム１７０およびベース１８０は、ステンレス鋼、チタン、アルミニウム、ニッケル、鉄などの金属、またはニッケルクロム合金、ニッケル−スズ合金、インコネル、モネル、ハステロイなどの金属合金、あるいはそれらの組合せで形成されていてもよい。一部の実施態様において、フレーム１７０はまた、ポリマー、複合材料、またはセラミックで形成されていてもよく、または組み立て時にスタック１００に適用される圧縮荷重、力および／または圧力に耐えることが可能なあらゆる材料で形成されていてもよい。
【００２６】
[030]例示的な実施態様によれば、図２で示されるように、バイポーラプレート１０２は、ポリマーコーティング１７５を含んでいてもよい。例えば、図２で示されるように、ポリマーコーティング１７５は、フレーム１７０の１つまたはそれより多くの表面に適用されてもよい。ポリマーコーティング１７５は、ベース１８０と接触するフレーム１７０の表面に適用されてもよいし、同様に電気化学セル１１０の他の部分と接触する表面に適用されてもよい。ポリマーコーティング１７５は、例えば、ポリマー粉末のコーティングであってもよい。
【００２７】
[031]一部の実施態様において、ポリマーコーティング１７５は、フレーム１７０および／またはベース１８０の１つまたはそれより多くの表面に適用されてもよい。例えば、図３で示されるように、ポリマーコーティング１７５は、ベース１８０と反対側のフレーム１７０の第１の表面に適用されてもよい。一部の実施態様において、ポリマーコーティング１７５は、フレーム１７０の両方の表面に加えて、２つの表面の間に延在する縁に適用されてもよい。
【００２８】
[032]ポリマーコーティング１７５は、様々な技術、例えば、ラミネート、スプレーコーティング、または浸漬被覆によって、フレーム１７０および／またはベース１８０に適用することができる。形状、厚さ、および幅などのポリマーコーティング１７５の寸法は様々であってもよく、電気化学セル１１０およびバイポーラプレート１０２の寸法に基づいていてもよい。ポリマーコーティング１７５の厚さは、例えば、約０．００５インチから約０．００１５インチ、約０．０００５インチから約０．００１インチ、約０．００１インチから約０．００１５インチ、約０．００１インチから約０．００２インチ、約０．００１インチから約０．００２５インチ、約０．００２インチから約０．００３インチ、約０．００２５インチから約０．００３インチ、または約０．００３インチから約０．００３５インチの範囲であってもよい。
【００２９】
[033]一部の実施態様において、ポリマーコーティング１７５としては、例えば、Ｔｅｆｌｏｎ（商標）、Ｔｏｒｌｏｎ（登録商標）、Ｘｙｌａｎ（商標）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエチレンイミン（ＰＥＩ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリイミド、パリレン、およびポリスルホンが挙げられる。一部の実施態様において、ポリマーコーティング１７５は、例えば、約４，０００ｐｓｉから約１５，０００ｐｓｉの間、約５，０００ｐｓｉから約１２，５００ｐｓｉの間、約５，０００ｐｓｉから約１０，０００ｐｓｉの間の降伏強度を有していてもよい。ポリマー材料は、耐酸性であってもよく、電気化学セル１１０の作動に有害な材料を浸出させないものであってもよい。一部の実施態様において、ポリマー粉末のコーティング１７５の組成物は、例えば、フルオロポリマーおよび補強用結合剤の組成物を含んでいてもよい。
【００３０】
[034]ポリマーコーティング１７５は、バイポーラプレート１０２の製造および組み立ての複雑さを低減するように設計されていてもよい。例示的な実施態様によれば、ポリマーコーティング１７５は、多機能であってもよい。例えば、ポリマーコーティング１７５は、１つまたはそれより多くのシールを形成し、電気絶縁体として機能し、および／または腐食防止層として機能するように設計されていてもよい。
【００３１】
[035]例示的な実施態様によれば、ポリマーコーティング１７５は、バイポーラプレート１０２および電気化学セル１１０の様々な圧力ゾーン、ポート、および区画を密封するように設計された１つまたはそれより多くのシールを形成することができる。圧縮荷重がバイポーラプレート（例えば、フレーム１７０およびベース１８０）に適用されると、ポリマーコーティング１７５が変形して、２つの隣接する表面間に密封をもたらすことができる。ポリマーコーティング１７５の材料が適切に変形して密封がもたらされるように、適用される最小の圧縮圧力は、ポリマーコーティング１７５の材料の降伏強度より大きくてもよい。一部の実施態様において、例えば、密封表面がクリーニングされポリッシングされている場合、適用される最小の圧縮圧力は、ポリマーコーティング１７５の材料の降伏強度より低くてもよい。シールを形成する圧縮圧力は、電気化学セルおよび／またはスタックの組み立ての前に適用してもよいし、またはその間に適用してもよい。
【００３２】
[036]電気化学セル１１０内に１つまたはそれより多くのシールを形成するためにポリマーコーティング１７５を利用することにより、製造および組み立ての複雑さを低減することができる。例えば、従来のエラストマーシールと併用されるフレーム１７０および／またはベース１８０の表面上のグランド（gland）または溝をなくすことができる。グランドまたは溝をなくすことは、フレーム１７０および／またはベース１８０をより薄くすることを可能にし、必要な機械加工および／または製造の量を低減させることを可能にし、フレーム１７０とベース１８０との間の密封表面の面積を増加させることを可能にし、それによりフレーム１７０および／またはベース１８０が耐える必要がある圧縮圧力を低減することができる。加えて、ラミネートまたはスプレーコーティングされたポリマーシールは、フレーム１７０および／またはベース１８０にしっかりと接合させることができ、したがって、その場にしっかりと保持させることができる。ポリマーコーティング１７５は、バイポーラプレート１０２の機械加工をより少なくすることによるより低い製作コスト、より低い適用コスト、およびバイポーラプレート１０２の材料の低減を可能にする。
【００３３】
[037]従来、エラストマーシール（例えば、Ｏ−リング）は、フレーム１７０とベース１８０との間の異なる圧力ゾーンに加えて、電気化学セル１１０内の他の区画およびポートを密封するのに使用されてきた。エラストマーはしばしば、高圧システムにおいて信頼性の問題がある。エラストマーシールは、電気化学セルのロバスト性や許容性を低くすることに加えて、ダイカット、手作業での設置、オーバーモールド、またはｘ−ｙテーブルを使用した堆積のいずれかを行い、次いで硬化する必要がある。さらにエラストマーシールは、フレーム１７０またはベース１８０のいずれかが表面上にグランドまたは溝を有することを必要とする場合もある。エラストマーシールは、溝に接合させることができるが、それらは、製作、組立ておよび／または作動中にその場からずれる可能性がある。加えて、エラストマーシールは、特定の用途、例えば本明細書に記載されるような高圧用途で使用される場合、爆発的減圧を被る場合がある。
【００３４】
[038]例示的な実施態様によれば、ポリマーコーティング１７５は、異なる圧力ゾーンおよびまたはポート、例えば、約３０ｐｓｉ、約２０ｐｓｉ、約１０ｐｓｉ、またはそれ未満の圧力に耐える低圧ゾーンなどを密封することが可能である。一部の実施態様において、ポリマーコーティング１７５は、約５，０００ｐｓｉ、約４，０００ｐｓｉ、約３，０００ｐｓｉ、またはそれ未満の圧力に耐える中圧ゾーンを密封することが可能である。一部の実施態様において、ポリマーコーティング１７５は、約５，０００ｐｓｉを超過する圧力、約１０，０００ｐｓｉを超過する圧力、約１５，０００ｐｓｉを超過する圧力、約２０，０００ｐｓｉを超過する圧力、約２５，０００ｐｓｉを超過する圧力、約３０，０００ｐｓｉを超過する圧力、約３５，０００ｐｓｉを超過する圧力、または約４０，０００ｐｓｉを超過する圧力に耐える高圧ゾーンを密封することが可能である。ポリマーコーティング１７５は、長期にわたり（例えば、１０年より長く）密封でき、多くの圧力サイクル（例えば、１，０００回より多くのサイクル）に耐えるように設計されていてもよい。これは、カソード７Ｃで形成された水素を高度に圧縮することを可能にする。
【００３５】
[039]上述したように、ポリマーコーティングは、例えば電気絶縁体および／または腐食防止層として機能することを含む追加の利点を提供することができる。容易に成形できコンパクトな体積にすることができる例えばアルミニウムのような低コストの金属の薄いシートは、バイポーラプレートにとって魅力的な材料であるが、電気化学的環境からのアルミニウムの腐食が問題となる。腐食は、電気化学セルの性能およびセル寿命に影響を与える。腐食に対処するために、従来の燃料電池において、バイポーラプレートは、１つまたはそれより多くの領域において、クラッド材料、例えばステンレス鋼とクラッドされたアルミニウムで作製されることがある。クラッディングは、両方の金属の利点を提供することができ、例えば、ステンレス鋼−アルミニウムクラッドから製作されたバイポーラプレートの場合、ステンレス鋼は、セル作動中にアルミニウムのコアを腐食から保護し、一方で、高い強度重量比、高い熱伝導率、および導電率などのアルミニウムの優れた材料特性が提供される。しかしながら、材料のクラッディングはコストを増大させ、製造プロセスに余分な処理工程を追加する。腐食防止に対処するために使用される表面改変方法（例えば、オキシドパッシベーション）および他の表面コーティング（例えば、金属酸化物、金属炭化物、金属窒化物、および炭素ベースのコーティング）などの他の選択肢も高価であり、製造の複雑さを増加させる場合がある。
【００３６】
[040]本明細書に記載されるポリマーコーティング１７５は、バイポーラプレート１０２の１つまたはそれより多くの部分（例えば、フレーム１７０および／またはベース１８０）のための腐食防止層として機能するように設計（例えば、形成）されていてもよい。例えば、ポリマーコーティング１７５は、フレーム１７０およびベース１８０の非導電性部分に適用されてもよい。一部の実施態様において、これらの部分は、フレーム１７０の全表面や、空隙１９０を取り囲む部分を含み、フレーム１７０に対応していてもよい。ポリマーコーティング１７５を利用することにより、クラッディングや他の腐食防止層の必要性をなくすことができる。
【００３７】
[041]本明細書に記載されるように、ポリマーコーティング１７５は、電気絶縁体として機能するように設計されていてもよい。一部の実施態様において、フレーム１７０は、フレーム１７０に非導電性材料を選択して、電気化学セル間の短絡のおそれを低減することによって全体的に非導電性になるように設計されていてもよい。しかしながら、非導電性であり同時に圧縮圧力に対処できるほど十分に強い材料の選択肢は限られており、高価な場合がある。ポリマーコーティング１７５は、電気絶縁体として作用することによって、フレーム１７０のための材料の選択肢を増やす。したがって、一部の実施態様において、フレーム１７０は、金属（例えば、アルミニウム、ステンレス鋼、または他の類似の金属）で形成され、ポリマーコーティング１７５でコーティングされて、電気伝導を制限したりまたは防いでもよい。電気化学セルに使用される従来の絶縁としては、例えば、ポリマーフィルムまたは陽極酸化（anodization）が挙げられるが、これらはどちらも、本明細書に記載されるポリマーコーティング１７５ほど望ましくない。例えば、ポリマーフィルムは、製造、組み立て、およびアライメントのための余分な要素を追加する。陽極酸化については、ロバストな絶縁を提供するためには陽極酸化は、厚くなければならず（例えば、０．００１インチより大きい）、これは、コストがかかる一方で腐食防止にとって十分な解決を提供しない。
【００３８】
[042]一部の実施態様において、本明細書に記載されるように、ポリマーコーティング１７５は、電気絶縁体およびシールとして、ならびに電気絶縁体および腐食防止として、またはシールおよび腐食防止として同時に機能するように設計されていてもよい。ポリマーコーティング１７５は、電気化学セル１１０の環境に化学的に適合するものであってもよい。ポリマーコーティング１７５の接着を改善するために、ポリマーコーティング１７５を適用する前に、フレーム１７０および／またはベース１８０を処理して（例えば、クロメート変換コーティング（chromate conversion coating）または薄膜陽極酸化）、表面をクリーニングしてもよい。
【００３９】
[043]要素（例えば、ポリマーコーティング１７５、フレーム１７０、およびベース１８０）の材料および幾何学的配置を選択する際に考慮されるべき要因および特性としては、圧縮荷重の条件、材料の適合性、密封圧力の条件、材料コスト、製造コスト、および製造の容易さが挙げられる。本明細書に記載されるポリマーコーティング１７５により適切となる様々な材料は、より安価な材料の選択およびより少ないコストでの製造を可能にする。本明細書に記載されるようなポリマーコーティング１７５を利用することは、要素の数と処理工程の数を少なくすることによって、設計の複雑さを低減し、製造の容易さを改善し、コストを低減することができる。
【００４０】
[044]本発明の開示の他の実施態様は、明細書の考察と本開示の実施から当業者には明らかとなるだろう。明細書および実施例は単なる例示とみなされ、本発明の開示の真の範囲および本質は、特許請求の範囲により示されることが意図されている。
【符号の説明】
【００４１】
２  バイポーラプレート
４  流れ場
５  導電性ガス拡散層（ＧＤＬ）
７Ａ  アノード
７Ｃ  カソード
８  電解質膜
１０  ＰＥＭ燃料電池（電気化学セル）
７Ａ、７Ｃ  電極
１００  スタック
１１０  電気化学セル
１０１  セパレータープレート
１０２  バイポーラプレート
１０３  流体マニホールド
１７０  フレーム
１７５  ポリマーコーティング
１８０  ベース
１９０  空隙
２１０  高圧ポート
２２０  第１の複数のポート
２３０  第２の複数のポート
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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