特許 7082132 燃料電池用セパレータ板の製造方法及び上記セパレータを備える燃料電池スタックの製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-05-30

(45)【発行日】2022-06-07

(54)【発明の名称】燃料電池用セパレータ板の製造方法及び上記セパレータを備える燃料電池スタックの製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/0226 20160101AFI20220531BHJP

   H01M 8/0213 20160101ALI20220531BHJP

   H01M 8/0221 20160101ALI20220531BHJP

   H01M 8/0228 20160101ALI20220531BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20220531BHJP

【ＦＩ】

H01M8/0226

H01M8/0213

H01M8/0221

H01M8/0228

H01M8/10

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2019542775

(86)(22)【出願日】2017-10-16

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2019-11-21

(86)【国際出願番号】 DK2017050343

(87)【国際公開番号】W WO2018072803

(87)【国際公開日】2018-04-26

【審査請求日】2020-10-14

(31)【優先権主張番号】PA201670823

(32)【優先日】2016-10-19

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DK

(73)【特許権者】

【識別番号】519144015

【氏名又は名称】フィッシャー エコ ソリューションズ ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング

(74)【代理人】

【識別番号】100094569

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 伸一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100103610

【弁理士】

【氏名又は名称】▲吉▼田 和彦

(74)【代理人】

【識別番号】100109070

【弁理士】

【氏名又は名称】須田 洋之

(74)【代理人】

【識別番号】100119013

【弁理士】

【氏名又は名称】山崎 一夫

(74)【代理人】

【識別番号】100123777

【弁理士】

【氏名又は名称】市川 さつき

(74)【代理人】

【識別番号】100111796

【弁理士】

【氏名又は名称】服部 博信

(74)【代理人】

【識別番号】100215670

【弁理士】

【氏名又は名称】山崎 直毅

(72)【発明者】

【氏名】グロマドスキー デニーズ

【審査官】守安 太郎

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１３－１２０７３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－１７３０２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－１９３０４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】韓国公開特許第１０－２０１６－００３３８５７（ＫＲ，Ａ）

【文献】特表２００１－５１４７９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１２／１６５４９２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２００４／０２２９９９３（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ８／０２

Ｈ０１Ｍ ８／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

少なくとも７０％のカーボン粉末、０．５～５％のＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、及びＰＴＦＥとは異なる１０～２０％の熱可塑性ポリマーの、粉末の材料ブレンドを準備する工程（全ての百分率は前記材料の質量による）、及び前記ブレンドをセパレータ板に成型する工程によって燃料電池用セパレータ板を製造する方法において、懸濁液として粉末のブレンドを準備する工程、前記懸濁液中のスラリーとして前記粉末を沈殿させる工程、前記スラリーから過剰量の液体を除去する工程及び型内の前記スラリーをセパレータ板の形状に圧縮成型する工程を含むことを特徴とする、前記方法。

【請求項2】

・前記熱可塑性ポリマーを溶融させる工程及び前記熱可塑性ポリマーをカーボン粉末と混合してカーボン担持ポリマーを準備する工程；
・前記カーボン担持ポリマー混合物を混ぜ合わせてペレットにする工程；
・前記ペレットをカーボン－ポリマー粉末に粉砕する工程；
・微粉化ＰＴＦＥ粒子の懸濁液を準備する工程；
・前記カーボン－ポリマー粉末を前記ＰＴＦＥ懸濁液と混合してカーボン／ポリマー／ＰＴＦＥ懸濁液を準備する工程；
・凝集粒子沈殿物の湿ったスラリーが展性及び可撓性の物質として残るまで、前記カーボン／ポリマー／ＰＴＦＥ懸濁液を加熱して前記懸濁液から液体を蒸発させる工程；
・前記展性及び可撓性の物質から過剰量の液体を除去する工程；
・前記展性及び可撓性の物質をシートに圧縮圧延する工程；
・全ての液体残余が蒸発するまで前記シートを１００℃～２７０℃の範囲の第２の温度に保つ工程；
・型内の前記シートをセパレータ板の形状に圧縮成型する工程
を含む、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

・前記カーボン－ポリマー粉末を第１の液体中に懸濁させてカーボン－ポリマー粉末懸濁液を準備する工程、
・第２の液体中に懸濁した前記微粉化ＰＴＦＥ粒子を準備する工程；
・前記カーボン－ポリマー粉末懸濁液を前記ＰＴＦＥ懸濁液と混合して前記カーボン／ポリマー／ＰＴＦＥ懸濁液を準備する工程
を含む、請求項２に記載の方法。

【請求項4】

前記第１の液体がアルコールであるか、又は前記第１の液体が主成分としてアルコール若しくはアルコールのブレンドを含む、請求項３に記載の方法。

【請求項5】

第１の温度が６５℃～１９５℃の範囲である、請求項３又は４に記載の方法。

【請求項6】

前記カーボン粉末が黒鉛粉末である、請求項１～５のいずれか１項に記載の方法。

【請求項7】

前記ポリマーがポリフェニレンスルフィドである、請求項１～６のいずれか１項に記載の方法。

【請求項8】

前記成型する工程が４０～１００ＭＰａの範囲の圧力で、かつ２００～３３０℃の範囲の温度で行われるか、又は前記成型する工程が２００～４００ＭＰａの範囲の圧力で、かつ２５～２００℃の範囲の温度で行われる、請求項１～７のいずれか１項に記載の方法。

【請求項9】

前記セパレータ板がバイポーラ板であり、前記シートを、前記バイポーラ板の各面上に流路パターンを備えるバイポーラ板に成型する工程を含む、請求項２～５のいずれか１項に記載の方法。

【請求項10】

燃料電池スタックを製造する方法であって、請求項１～９のいずれか１項に記載の方法によって複数のセパレータ板を製造する工程、前記セパレータ板の間に燃料電池膜を備える配置として前記セパレータ板を並べる工程を含み、前記膜が酸素ガスから水素燃料を分離する、前記方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池スタック及びその製造方法、燃料電池用セパレータ板及びその製造に関する。

【背景技術】

【0002】

セレネルギーによる国際特許出願ＷＯ２００９／０１００６６及びＷＯ２００９／０１００６７は、プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池を開示している。この電池には、主に黒鉛及びバインダーを含む硬質セパレータ板、特にバイポーラ板の間に前記膜が挟まれている。

【0003】

燃料電池スタック、特にＰＥＭ（プロトン交換膜）燃料電池用の燃料電池スタックに関し、セパレータ板という用語は、水素燃料及び酸素含有ガスの流れ用、及び可能な場合には、また、冷却用の水、トリエチレングリコール（ＴＥＧ）又はシリコーンオイルの流れ用の流れ構造、通常はチャネルを備えた、膜を分離する硬質板に使用される。セパレータ板は、バイポーラ板、冷却板、陰極板及び陽極板を含む。バイポーラ板は、水素燃料を燃料電池膜に供給するための第１流れ構造を備える第１面と、反対側に、酸素を隣接する電池膜に供給するための第２流れ構造を備える第２面とを有する。酸素は、通常、空気から供給され、燃料電池に冷却効果をもたらす。燃料電池の代替的な形態では、水素を燃料電池膜に供給するための流れ構造を有する第１面を備える陰極板、及び酸素を燃料電池膜に供給するための流れ構造を備える第１面を有する陽極板が提供される。次いで、膜が陰極板と陽極板の間に提供される。任意で、陰極板又は陽極板若しくはその両方は、その反対側に、冷却剤（例えば冷却剤として水）流用の流れ構造を有する第２面を有してもよい。セパレータ板という用語はまた、冷却板に隣接した対応する陰極板及び陽極板に冷却を供給するための水流構造を両面に有する冷却板を含む。種々の形態の例は、ＷＯ２００９／０１００６６及びＷＯ２００９／０１００６７に示されており、陰極板及び陽極板の間の冷却板の使用も開示されている。

【0004】

バイポーラ板の製造のための複合体の概略は、John Cupoletti博士により編集され２０１１年にWWW.intechopen.comにインターネット上で公開された「Nanocomposites with Unique Properties and Applications in Medicine and Industry」 ISBN 978-953-307-351-4の本において公開された、Yeetsornらによる「A Review of Thermoplastic Composites for Bipolar Plate Materials in PEM Fuel Cells」の論文に開示されている。この論文において、著者らは、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリ（フッ化ビニリデン）（ＰＶＤＦ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリ（フェニレンスルフィド）（ＰＰＳ）、及びフルオロポリマー等の熱可塑性樹脂は、バイポーラ板製造において熱硬化性樹脂より使用が少ないことについて議論している。その理由として、この論文は、熱硬化性樹脂が低い粘度を有しており、それにより伝導性フィラーをより高い割合で含むことを述べている。特に、エポキシ樹脂はポリマー複合体バイポーラ板製造のための一般的な選択として考えられている。

【0005】

バイポーラ板について、熱可塑性樹脂はＵＳ９０６５０８６に開示され、熱可塑性及び熱硬化性樹脂の両方はＵＳ７９１０５０１で議論されている。

【0006】

バイポーラ板の湿式積層（wet lay）製造技術は、Journal of Power Sources 165 (2007) 764-773において公開された、Cunninghamらによる「Development of bipolar plates for fuel cells from graphite filled wet-lay material and a thermoplastic laminate skin layer」という論文に開示されている。この論文において、カーボン粉末とＰＴＦＥの合剤が用いられている。

【0007】

類似のアプローチが露国特許ＲＵ２３３３５７５Ｃにおいて見出されており、バイポーラ板を提供する手段として金属基材上のカーボン層を開示している。この方法のより詳細には、アルコール懸濁液中のカーボン粉末及び１．５％ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレンでＴｅｆｌｏｎ（商標）とも呼ばれる）を混合、乾燥及び粉砕する。カーボン粉末及び１５％ＰＴＦＥの第２混合物を金属基材上でシートを形成する。粉砕した粉末をシート上に供給し、（２５０ｋｇｆ／ｃｍ²＝２５ＭＰａ）１４０度で圧縮する。

【0008】

電極製造用の、カーボンと混合するためのＰＴＦＥを含むバインダー懸濁液はまた、米国特許出願ＵＳ２００８／０００３１１６６に開示されている。

【0009】

ＥＰ１７５８１８５には、燃料電池用セパレータを形成する方法が記載されており、前記セパレータは、７９質量％の黒鉛粉末、５質量％のカーボンブラック、２質量％のＰＴＦＥ粉末及び１４質量％の熱的に未硬化なエポキシ樹脂を含んでいる。その複合物を金属鋳型に注入し、１８０℃で圧縮して、通路溝を有するセパレータを形成する。セパレータはＰＥＭ燃料電池スタックに用いられる。

【0010】

総合的な結論として、バイポーラ板について多種多様な組成物が先行技術に開示されているが、最適な製造方法及び材料についての一般的な合意はない。しかしながら、熱硬化性樹脂にしろ熱可塑性樹脂にしろ、別方向の継続的な改善及び改良に向けた明確な傾向がある。この開発の強い駆動力は、継続的に成長する燃料電池市場である。

【発明の概要】

【0011】

従って、本発明の目的は、技術的な改良を提供することである。特に、目的は、燃料電池におけるセパレータ板の改良された製造技術及び改良された材料を提供することである。この目的は、特許請求の範囲及び以下により詳細に記載するようなセパレータ板及び上記板を備える燃料電池スタックの製造方法で達成される。セパレータ板、例えばバイポーラ板の定義は、上述の導入部で述べた。

【0012】

燃料電池用セパレータ板を製造する方法は、少なくとも７０％のカーボン粉末、０．５～５％のＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、及びＰＴＦＥとは異なる１０～２０％の熱可塑性ポリマーの材料ブレンドを準備する工程及び前記ブレンドをセパレータ板に成型する工程を含む。全ての百分率は、プロセスに関与する液体の蒸発後の最終的なセパレータ板の材料の質量による。

【0013】

カーボン粉末は電気伝導性であるべきである。カーボン粉末の例は、黒鉛、カーボンブラック、グラフェン、カーボンナノチューブ又はアモルファスカーボンである。最初の２種のカーボンが好ましい。通常、カーボンブラック粉末における粒子の大きさは、サブミクロン範囲、例えば２０ｎｍと１００ｎｍの間の平均サイズである。黒鉛粉末は、その平均粒子サイズが０．１～２０ミクロンの範囲であるが、通常０．２５～５ミクロンの範囲である。

【0014】

熱可塑性ポリマーの例は、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、セルロースアセテート（ＣＡ）、セルロースアセテートブチレート（ＣＡＢ）、セルロースアセテートフタレート（ＣＡＰ）、シクロ－オレフィンコポリマー（ＣＯＣ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリアミド－イミド（ＰＡＩ）、ポリベンズイミダゾール（ＰＢＩ）、ポリ－１－ブテン（ＰＢ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、ポリクロロトリフルオロエテン（ＰＣＴＦＥ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリフェニレンオキシド（ＰＰＯ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフェニレンオキシド（ＰＰＯ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリ塩化ビニリデン（ＰＶＤＣ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）及びその混合物である。ポリマーとしてポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）を用いると良好な実験結果が得られた。ＰＰＳはその化学的耐性と安定性のために魅力的な候補である。

【0015】

例えば、ＰＴＦＥは微粉化ＰＴＦＥの粉末として提供される。粒子サイズの例は、０．２～１０ミクロンの範囲、任意には０．５～５ミクロンの範囲又は更に０．５～２ミクロンの範囲である。

【0016】

カーボン粉末、熱可塑性ポリマー、及びＰＴＦＥを、懸濁液中の粉末のブレンドとして準備し、粉末を懸濁液中でスラリーとして沈殿させる。任意で、過剰量の液体をスラリーから除去してもよい。スラリーを、例えば、最初に議論したような、一面又は両面に流路パターンを含んでもよいセパレータ板の形状、例えば、バイポーラ板、陰極板、陽極板又は冷却板の形状に型内で圧縮成型する。

【0017】

例えば、カーボン粉末を溶融した熱可塑性ポリマーと混合し、その混合物を混ぜ合わせてペレットにする。懸濁液中の微粉化ＰＴＦＥ粒子と混合する前に、固められたペレットを、微細なカーボン－ポリマー粉末に粉砕する。

【0018】

原理的には乾燥カーボン－ポリマー粉末を混合してＰＴＦＥ懸濁液にすることは可能だが、いくつかの実施形態では、ＰＴＦＥ懸濁液と混合する前に、カーボン－ポリマー粉末を第１の液体中に懸濁させることが好ましい。第１の液体としては、アルコール又はアルコールを主に含む液体が良好な選択である。アルコールは、カーボン－ポリマー粉末の詰まり（clogging）を防止するために好ましい主要成分である。アルコールの例は、メタノール、エタノール、プロパノール、イソ－プロパノール、ブタノール、イソ－ブタノール、ペンタノール、イソ－ペンタノール、ヘキサノール、イソ－ヘキサノール、ヘプタノール、イソ－ヘプタノール、オクタノール、イソ－オクタノール又はこれらの混合物である。アルコールは、疎水性であるカーボンの界面活性剤として作用し、その表面に吸着し、それによってＰＴＦＥの水性懸濁液によるカーボン粒子の濡れ性を改善する。好ましい界面活性剤はイソ－プロパノールであり、これは優れた表面活性、高い水溶性に加えて比較的低い沸点を有する。

【0019】

第２の液体はこのＰＴＦＥ懸濁液に用いられ、例えば水又は水を主に含む液体である。任意で、懸濁液中の粒子状ＰＴＦＥの詰まりを更に防ぐために、懸濁液は界面活性剤を含んでもよい。界面活性剤の例はＴｒｉｔｏｎ Ｘ－１００（商標）（ＳｉｇｍａＡｌｄｒｉｃｈ（登録商標）から市販されている）であり、これは非イオン性であり、親水性のポリエチレンオキシド鎖及び芳香族炭化水素の親油性基又は疎水性基を有する。炭化水素基は４－フェニル基である。式はＣ１４Ｈ２２Ｏ（Ｃ２Ｈ４Ｏ）ｎ（ｎ＝９～１０）である。任意で、懸濁液は５０～６０％のＰＴＦＥ、６～１２％の非イオン性界面活性剤、及び残余の脱イオン水を含んでもよい。

【0020】

有利には、ＰＴＦＥ水懸濁液は、カーボン－ポリマー粉末アルコール懸濁液と混合する前に、ＰＴＦＥ濃度に関して調節される。カーボン－ポリマー粉末アルコール懸濁液と混合する際のＰＴＦＥの濃度が高いと、避けるべきＰＴＦＥ粒子の凝集が高確率で起こり得ることが判明した。一方で、（ＳｉｇｍａＡｌｄｒｉｃｈ（登録商標）から）購入したＰＴＦＥ懸濁液は、水中の６０％ＰＴＦＥを含み、これは有利には、カーボン－ポリマー粉末アルコール懸濁液と混合する前に、脱イオン水を用いて２～１０％、例えば４～８％の範囲のＰＴＦＥ濃度に希釈される。６％ＰＴＦＥ懸濁液で良好な結果が実験的に得られた。

【0021】

２つの懸濁液の混合物を６５℃～１９５℃の範囲の温度まで加熱する。温度の選択は、アルコールの種類に依存し、当該アルコールが沸騰して、それにより少なくとも部分的に蒸発するように選択される。６５℃の下限はメタノールの沸点によって決定され、１９５℃の上限はオクタノールの沸点によって決定される。第１の液体が水に加えてアルコールのブレンドを含む場合、最も低い沸点を有する液体、例えば６４．７℃の沸点を有するメタノールが、液体の成分の次に高い沸騰、例えば水の１００℃まで温度が上昇した後に最初に蒸発するように、液体中の温度が段階的に上昇する。イソ－プロパノールのような、水と共沸混合物を形成するアルコールの場合、この混合物は、純粋なイソ－プロパノールの沸点よりも低い温度で（８０．４℃対８２．５℃）、かつ液体成分が分離せずに沸騰することも指摘されている。

【0022】

混合物を２～２０分の範囲の時間、この温度で維持することで粒子の塊のスラリーが得られ、これは、展性（malleable）及び可撓性の（pliable）物質に変わるスラッジを沈殿させる。

【0023】

いくつかの実施形態では、いくらかのアルコールの残留物は、以下で説明するように、その後の圧延プロセスにおいて有用であるため、沸騰及び蒸発手順を、全ての液体、特にアルコールが蒸発する前に停止させる。例えば、スラッジが乾燥するかなり前、及びいくつかの実施形態では、アルコールが完全に蒸発する前に、蒸発を停止させる。蒸発工程後の残った液体レベルが、例えば残った水に起因して、スラッジレベルをかなり超える場合、例えばスラッジの表面からそれを注ぎ出す（pouring it off）ことによって、残った液体を除去する。

【0024】

このように、展性及び可撓性の物質を、室温又は高温で、上記物質が未だ液体、通常アルコール、及び潜在的に存在してもよい少量の水で湿っている間に、圧延圧縮によってシートに圧延する。アルコールの残余は、ＰＴＦＥに対する可塑剤としての役割を果たし、ＰＴＦＥが圧延圧縮にさらされると黒鉛／ポリマー複合体と共に繊維状構造を作ると考えられる。シートは、更に１００℃～２７０℃の範囲の温度、１０～６０分の範囲で維持されて、全ての液体残余、例えば、アルコール、水及び潜在的に存在してもよい界面活性剤、例えばＴｒｉｔｏｎ Ｘ－１００（商標）を除去する。カーボン／ポリマー混合物の圧延プロセスの例は、ＵＳ２００５／０２７１７９８に開示されている。この方法に関連して、同様の圧延手順を適用することができる。

【0025】

圧延された構造体は、セパレータ板が形成される固定された型の中で、加圧及び高温下で成型される。例えば、成型する工程は、２０～６０ＭＰａの範囲、任意で３０～５０ＭＰａ範囲であってもよい圧力で行う。適切な温度は、通常３６０～３８０℃の範囲（ＰＴＦＥの結晶融点を僅かに上回る）であるＰＴＦＥの焼結温度をかなり下回る、２５０～３２０℃の範囲、例えば２８０～３００℃の範囲である。ＰＴＦＥを焼結温度まで又は焼結温度を超えて加熱すると、避けるべきＰＴＦＥの分解が起こる。

【0026】

型内のセパレータ板の構造化は、流れパターン、例えば水素燃料、酸素含有ガス、又は冷却剤、例えば水、ＴＥＧ又はシリコーンオイル等の液体冷却剤の流れ用のチャネルの形成を含んでもよい。成型後は、通常、セパレータ板の機械加工による更なる構造化は必要ない。

【0027】

最終的なセパレータ板は、１０～２０％の熱可塑性ポリマー、０．５～５％のＰＴＦＥ、及び少なくとも７０％のカーボン粉末、例えば少なくとも７５％のカーボン粉末を含む。例えば、最終的なセパレータ板におけるＰＴＦＥ濃度は、１～３質量％の範囲である。上記板は、優れた温度安定性、化学的耐性、及び高電気伝導性を実験的に示した。従って、これは燃料電池システム、特に燃料電池スタックにおけるセパレータ板、例えばバイポーラ板に適した候補である。
全ての百分率は質量による相対濃度である。

【0028】

本発明を、図面を参照してより詳細に説明する。

【図面の簡単な説明】

【0029】

【図1】図１は、バイポーラ板、膜、シーラント及び端板を示す本発明に係る燃料電池スタックアセンブリの分解斜視図である。

【図2】図２は、（左から右に向かって）ＰＥＭバイポーラ板の陽極側を密封するためのシーラント；ＰＥＭバイポーラ板；ＰＥＭバイポーラ板の陰極側を密封するためのシーラント；及び最後に膜を含む、一つの「サンドイッチ要素」の陽極側の斜視図である。

【図3】図３は、（左から右に向かって）膜；ＰＥＭバイポーラ板の陰極側を密封するためのシーラント；ＰＥＭバイポーラ板；及び最後にＰＥＭバイポーラ板の陽極側を密封するためのシーラントを含む、一つの「サンドイッチ要素」の陰極側の斜視図である。

【図4】図４は、燃料電池スタックの原理を図示したものであり、バイポーラ板が電解膜の間に使用されている。

【図5】図５は、セパレータ板の製造方法の段階を図示したものである。

【図6】図６は、代替的な燃料電池スタックの原理を図示したものであり、陰極板と陽極板とが、陰極板と陽極板の間に冷却区分を有して連続して配置されている。

【図7】図７は、更に代替的な燃料電池スタックの原理を図示したものであり、冷却板が陽極板と陰極板の間に挟まれており、冷却が冷却板と陰極板の間の体積内、及び冷却板と陽極板の間の体積内に供給される。

【発明を実施するための形態】

【0030】

図１は、端板９２の間に組み立てられた複数のバイポーラ板１を含むＰＥＭ燃料電池スタック９０を図示したものである。隣接するバイポーラ板１の間のプロトン交換膜（ＰＥＭ）４０は、シーラント７０及び５０によって周囲環境に対して密封される。図２は、膜４０及びＰＥＭバイポーラ板の陽極側を密封するためのシーラント７０及びＰＥＭバイポーラ板の陰極側を密封するためのシーラント５０を含むバイポーラ板１アセンブリの陽極側に向かった斜視図である。これに対して、図３は、バイポーラ板１アセンブリの陰極側に向かった斜視図である。陽極側は、膜４０に沿った酸素ガスの流れ用の、及び酸素ガス、通常空気による十分な冷却用の蛇行チャネルパターンを含む。陰極側は、膜４０に沿った水素の輸送用の直線チャネルを含む。図４は、バイポーラ板１０を備えた上記形態を図示したものであり、その陰極側２８では、電解膜３０にプロトンを供与するために水素流れが供給され、その陽極側２６では、膜３０からのプロトンを受け取るために、酸素又は空気若しくは他の流体が流れる。陽極の流体、例えば酸素又は空気は、バイポーラ板を冷却するための冷却媒体として使用される。バイポーラ板１の陽極側２６は、上述したように蛇行チャネルパターンを備える。チャネルパターンの代表的な詳細及びバイポーラ板の他の詳細は、ＷＯ２００９／０１００６６及びＷＯ２００９／０１００６７で説明されている。

【0031】

図５を参照すると、上記バイポーラ板の製造のために、製造方法が説明されている。

【0032】

平均粒子サイズが０．２５～５ミクロンの範囲である黒鉛粉末を準備し、１０～２０％の熱可塑性ポリマーと混合する。図５のステップ１１を参照。百分率は質量％であり、カーボン及びポリマーの混合物の質量に対して相対的に計算される。熱可塑性ポリマーの例はＰＰＳであり、これはその高い化学的安定性のために有利である。

【0033】

ステージ１２に示されるように、融解するまでポリマーを加熱し、例えば溶融ポリマーをカーボン粉末と共に撹拌することによって、カーボンをポリマーと共に十分に混合する。次いで、例えばペレット製造機を備える混合機を用いることによって、混合物を混ぜ合わせてペレットにする。

【0034】

固めたら直ちに、ペレットを粉砕機の中で微細粉末に粉砕する。ステップ１３を参照。典型的な平均粒子サイズは数マイクロメートルであり、例えば２～５マイクロメートルの範囲である。十分な混合によって、粉末の各粒子はカーボン及びポリマーを含む。しかしながら、ポリマーの濃度は非常に低く、即ちたった１０～２０％であるため、適切な電気伝導性が維持されている。例えば、混ぜ合わされた材料の比抵抗は、２５℃で５～１２ｍΩ・ｃｍである。

【0035】

次いで、粉砕した微細カーボン－ポリマー粉末をアルコール中に懸濁させる。ステップ１４を参照。懸濁のために、アルコール、例えばメタノール、エタノール、プロパノール、イソ－プロパノール、ブタノール、イソ－ブタノール、ペンタノール、イソ－ペンタノール、ヘキサノール、イソ－ヘキサノール、ヘプタノール、イソ－ヘプタノール、オクタノール、イソ－オクタノール又はそれらの混合物等は、好ましい主成分である。アルコールは、疎水的なカーボンの界面活性剤として作用して、その表面に吸着し、それによってＰＴＦＥの水性懸濁液によるカーボン粒子の濡れ性を改善する。好ましい界面活性剤はイソ－プロパノールであり、これは優れた表面活性、高い水溶性に加えて比較的低い沸点を有する。

【0036】

カーボン－ポリマーアルコール懸濁液を、微粉化粒子状ＰＴＦＥを含む水ベースの懸濁液と混合する。ステップ１６を参照。例えば、ＰＴＦＥ粒子は、０．２～１０ミクロンの範囲、任意で０．５～５ミクロンの範囲、又は更には０．５～２ミクロンの範囲であってもよいサイズを有する。任意で、懸濁液中の粒子状ＰＴＦＥの詰まりを更に防止するために、懸濁液は界面活性剤を含んでもよい。界面活性剤の例はＴｒｉｔｏｎ Ｘ－１００（商標）であり、これは非イオン性であり、親水性のポリエチレンオキシド鎖及び芳香族炭化水素の親油性基又は疎水性基を有する。炭化水素基は４－フェニル基である。式はＣ１４Ｈ２２Ｏ（Ｃ２Ｈ４Ｏ）ｎ（ｎ＝９～１０）である。

【0037】

選択肢として、アルコールと混合している間のＰＴＦＥ粒子の凝集のリスクを低減するために、カーボン－ポリマー粉末アルコール懸濁液と混合する前に、ＰＴＦＥ水懸濁液を水で希釈して、ＰＴＦＥ濃度を、例えば２～１０％に下げてもよい。

【0038】

２つの懸濁液の混合物を６５℃～１９５℃の範囲の温度まで加熱する。ステップ１７参照。温度は、使用するアルコールの沸点によって決定される。混合物を２～２０分の範囲の時間、この温度で維持することで、凝集粒子のスラリーが得られ、これは沈殿して、展性及び可撓性の物質として残るスラッジになる。スラッジが乾燥するほど液体レベルが低下する前に蒸発を停止する。また、一般に、いくらかのアルコールの残留物は、圧延プロセスに望ましい。液体レベルがスラッジレベルをかなり超える場合、例えばスラッジの表面からそれを注ぎ出すことによって、残った液体を除去する。ステップ１８を参照。

【0039】

物質が液体、一般にはアルコール、及び潜在的に存在してもよい少量の水で未だ湿っている間に、圧延圧縮によって展性及び可撓性の物質をシートに圧延する。ステップ１９を参照。加熱ローラを使用せずに圧延を行うことができるが、高温、例えば６５℃～１９５℃の範囲の温度で圧延すると、残余液体の蒸発がより速い。アルコールの残余はＰＴＦＥに対する可塑剤としての役割を果たし、ＰＴＦＥが圧延圧縮にさらされると黒鉛／ポリマー複合体と共に繊維状構造を作ると考えられる。

【0040】

圧延されたシートを、１００℃～２７０℃の範囲の温度、１０～６０分の範囲で更に維持して、全ての液体残余、例えばアルコール、水及び潜在的に存在してもよい界面活性剤、任意でＴｒｉｔｏｎ Ｘ－１００（商標）を除去する。ステップ２０を参照。

【0041】

カーボン／ポリマー混合物の圧延プロセスの例は、ＵＳ２００５／０２７１７９８に開示されている。この方法に関連して、同様の圧延手順を適用することができる。

【0042】

圧延された構造体は、セパレータ板が形成される固定された型の中で、加圧下、可能な場合には高温で成型される。ステップ２１を参照。例えば、成型する工程は、高温で、かつ２０～６０ＭＰａの範囲、例えば３０～５０ＭＰａの範囲の圧力で行われる。適切な高温は、２５０～３２０℃の範囲、例えば２８０～３００℃の範囲であり、この範囲はＰＴＦＥの焼結温度、典型的には３６０～３８０℃の範囲（ＰＴＦＥの結晶融点を僅かに上回る）、よりかなり低い温度である。ＰＴＦＥを焼結温度まで、又は焼結温度を超えて加熱すると、避けるべきＰＴＦＥの分解が起こる。代替として、成型する工程は、より低い温度かつより高い圧力で行われる。例えば、成型する工程は、室温の間の温度又は２５℃と２００℃の間の温度、２００～４００ＭＰａの圧力で行われる。

【0043】

型内でのセパレータ板の構造化は、流れパターン、例えば、水素燃料、酸素含有ガス、又は冷却剤、例えば水等の液体冷却剤の流れ用のチャネルの形成を含んでもよい。成型後、一般に、セパレータ板の機械加工による更なる構造化は必要ない。

【0044】

本製造方法は、バイポーラ板に適しているだけではなく、陽極板、陰極板及び冷却板等の他のセパレータ板にも同様に十分に適用されるものである。その例を、図６及び図７に示す。

【0045】

図６は、一実施形態を示しており、陽極側２６を備える陽極板３４が、陰極側２８を備える陰極板３６及び、冷却流体３２、例えば２枚の板の間の空間３２の中のガス又は液体と結合している。空間３２において、陽極板３４又は陰極板３６は、上述したように、冷却流体による効率的な冷却のために、チャネルパターン、例えば蛇行チャネルパターンを備える。

【0046】

図７は、更なる代替を示しており、陽極板３４と陰極板３６とが、２つの冷却スペース３２（一方の冷却体積は冷却板３８と陽極板３４の間であり、他方の冷却体積は冷却板３８と陰極板３６の間である）が提供されるように冷却板３８を挟んでいる。冷却板３８は、その両面にチャネルパターン、例えば上述したような蛇行チャネルパターンを備える。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】