(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子エッチング材、粒子エッチング材の加速装置、および粒子エッチング材に耐性のあるパターニングしたマスクを用いる、プレート材料の粒子エッチングからなり、該マスク上のパターンデザインによって決められる流体フローパターンが該プレート材料上に形成される、フローフィールドプレートを製造する方法であって、該粒子エッチングがサンドブラストからなる方法。
【請求項２】
粒子エッチング材、粒子エッチング材の加速装置、および粒子エッチング材に耐性のあるパターニングしたマスクを用いる、プレート材料の粒子エッチングからなり、該マスク上のパターンデザインによって決められる流体フローパターンが該プレート材料上に形成される、フローフィールドプレートを製造する方法であって、該粒子エッチングがビードブラストからなる方法。
【請求項３】
粒子エッチング材、粒子エッチング材の加速装置、および粒子エッチング材に耐性のあるパターニングしたマスクを用いる、プレート材料の粒子エッチングからなり、該マスク上のパターンデザインによって決められる流体フローパターンが該プレート材料上に形成される、フローフィールドプレートを製造する方法であって、該粒子エッチングがグリットブラストからなる方法。
【請求項４】
前記粒子エッチング材の加速装置がサンドブラストガンからなる、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
粒子エッチング材、粒子エッチング材の加速装置、および粒子エッチング材に耐性のあるパターニングしたマスクを用いる、プレート材料の粒子エッチングからなり、該マスク上のパターンデザインによって決められる流体フローパターンが該プレート材料上に形成される、フローフィールドプレートを製造する方法であって、該粒子エッチング材に耐性のあるパターニングしたマスクがフォトレジストマスクである方法。
【請求項６】
粒子エッチング材、粒子エッチング材の加速装置、および粒子エッチング材に耐性のあるパターニングしたマスクを用いる、プレート材料の粒子エッチングからなり、該マスク上のパターンデザインによって決められる流体フローパターンが該プレート材料上に形成される、フローフィールドプレートを製造する方法であって、該粒子エッチング材に耐性のあるパターニングしたマスクがビニルポリマーからなる方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、電解液を含む燃料電池、電解槽、および電池に用いるフローフィールドプレートおよびその製造に関する。
【０００２】
燃料電池とは、化学エネルギーが直接電気エネルギーに変換される電気化学デバイスである。燃料電池は、陽極と陰極とを含む電極と、電極上に支持されることが多い電気触媒と、電解液とを用いる。陽極と陰極にはそれぞれ、燃料と酸化剤とが別個に供給される。
【０００３】
固体高分子型燃料電池（ＳＰＦＣ）は、電極の活性領域を横切って燃料および酸化剤を分配する流体フローフィールド（ｆｌｕｉｄ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ）を有する、２つの導電プレートの間にはさまれた電気触媒層を加えた固体高分子型電解液から成る、膜電極接合体（ＭＥＡ）を用いる。電流コレクタプレートまたはバイポーラプレートとしても知られているこのようなフローフィールドプレートは、ＭＥＡに付加的な機械的支持を与えることもある。フローフィールドプレートの表面内には流体通路（ｇａｌｌｅｒｉｅｓ）が形成されて、燃料および酸化剤をそれぞれ、流体フローフィルド内に向ける。フローフィールドプレート内の流体出口通路によって、陰極において形成される反応生成物（例えば、酸素／水素燃料電池においては水）とともに、未反応の燃料および酸化剤を除去することができる。
【０００４】
燃料電池の性能は、ある程度は、電池の作動中の電極への燃料および酸化剤の供給の効率と、反応生成物の除去の効率とによって決まる。したがって、フローフィールドプレート上のフローフィールド（流場）の設計および製造は、燃料電池の最適動作のために考慮すべき重要な事柄である。
【０００５】
大部分の用途については、燃料電池は直列接続して「スタック」を形成し、電圧出力が増大するようにしてもよい。電池同士の間のフローフィールドプレートは、バイポーラにして、燃料および酸化剤がプレートの互いに反対側の表面上で流場を通って別個に分配されるようにしてもよい。スタックにおいては、隣接する電池同士の間でのクロスオーバーを防止するために、フローフィールドプレートは反応物を通すべきではない。
【０００６】
燃料電池スタックにおいて用いるフローフィールドプレートは、いくつかのタイプの材料から構成されてきた。この材料には、以下の特性が必要である。
（ｉ）電解液との化学的融和性、
（ｉｉ）低比抵抗（ｌｏｗ ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ）（接触およびバルク）であって、パワーロスを低減する、
（ｉｉｉ）Ｈ２およびＯ２を通さない、
（ｉｖ）プレートの製造を容易に行うことができる、
（ｖ）軽量、および
（ｖｉ）取り扱い、および高圧縮圧力に耐えるのに十分な強度。
【０００７】
炭素をベースにしたフローフィールドプレートが、低温燃料電池、特にＳＰＦＣにおいて用いられることが報告されている。炭素は、この用途について優れた材料であり、優れた耐薬品性、低密度、高導電率（ｈｉｇｈ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ）、および高熱伝導率を有する。
【０００８】
薄片状の黒鉛からフローフィールドプレートを組み立てるのに、プレス成形を用いてきており、その上に流体流の設計をエンボス加工して完成する。例えば、米国特許番号第５，５２１，０１８号においては、微細な粒状の黒鉛（グラフォイル（登録商標））から製造したフローフィールドプレートが提供されている。
【０００９】
米国特許番号第４，３０１，２２２号およびヨーロッパ特許番号第７８４  ３５２号は、樹脂を用いて機械的強度を改良したプレートを形成することを説明しているが、このような絶縁樹脂はこのようなプレート全体の導電率を下げて、その結果燃料電池スタックにおけるロスが増大してしまう可能性がある。別の特許である米国特許番号第４，３３９，３２２号においては、ポリマー／黒鉛材料に炭素繊維を加えて、プレート強度および導電率を高めている。しかし、米国特許番号第４，３３９，３２２号において開示されているプレートの抵抗は、黒鉛のみから製造したプレートと比べてかなり高い。
【００１０】
米国特許番号第５，６８６，１９９号において説明されているように、微細な粒状の黒鉛プレートを機械加工して流体流パターンを形成することが可能である。しかし、材料の機械的強度が低いために、このようなプレートは許容できないほど厚いことが多い。また、炭素プレート上への流体フローフィールドの機械加工は低速の工程であり、この材料ではすぐに工具が摩耗してしまう。炭素繊維複合材料は、標準の炭素材料と比べてさらに摩耗作用があり、切断工具をより損傷する。このような材料は、用いる装置が特殊でコスト高であるために、避けられてきた。
【００１１】
したがって、現在の技術では、所望の材料からフローフィールドプレートを製造する、高速で低コストの工程が提供されない。
【００１２】
サンド（ｓａｎｄ）ブラスト、ビード（ｂｅａｄ）ブラスト、またはグリット（ｇｒｉｔ）ブラストの技術は、石、木材、陶磁器製品、プラスチック、ガラス、およびガラスで補強したプラスチック上への看板作成や装飾図案（例えば、米国特許番号第４，８２８，８９３号および米国特許番号第４，９８５，１０１号）、および表面をクリーニングしたりでこぼこにする処理等、いくつかの特定の用途について以前に説明されている。サンドブラストはまた、プラズマディスプレイ装置の形成（ヨーロッパ特許第０  ７２２  １７９号）および磁気変換ヘッドの製造（米国特許第４，１８８，２４７号）にも用いられている。
【００１３】
本発明は、フローフィールドプレート等の電気化学電池部品を製造する、新規で効果的かつ改良した方法を提供する。本方法は、流体フローパターン、流体入口通路と流体出口通路、およびシール溝を形成することができる、低コストで高速の腐食エッチングを用いる。
【００１４】
したがって、本発明によれば、粒子エッチング材（ｅｔｃｈａｎｔ）、粒子エッチング材の加速装置、および粒子エッチング材に耐性のあるパターニングしたマスクを用いた、プレート材料の粒子エッチングからなり、マスク上のパターンデザインが決定する流体フローパターンがプレート材料上に形成される、フローフィールドプレートを製造する方法が提供される。
【００１５】
本発明において用いるプレート材料は、導電材料を含んでもよい。そのような導電材料は、炭素系材料を含んでもよい。さらに、プレート材料は、炭素繊維複合材料を含んでもよい。この炭素繊維複合材料には、ポリマー充填剤、例えばエポキシ樹脂をしみ込ませ（ｄｅｎｓｉｆｉｅｄ）てもよい。意外にも、炭素繊維と炭素繊維複合材料中のマトリックスの粒子エッチング速度には違いがなく、したがってこのタイプの材料内に形成したパターニングした溝の最終構造は、悪影響を受けることがない、ということがわかっている。
【００１６】
粒子エッチングはサンドブラストからなり、粒子エッチング材（エッチャント）の加速装置は、サンドブラストガンからなっていてもよい。粒子エッチングはまた、グリットブラストを含んでもよい。さらに、粒子エッチングは、研磨ウォータージェットブラスト（研磨ウォータージェット切断としても知られている）を含んでもよい。本発明では、粒子エッチング材が、エッチングするプレート材料よりも硬度が大きい研磨媒体を含むことが必要である。粒子エッチング材は、黒鉛化した炭素−炭素複合材料であるプレート材料に対して用いる、直径が１８０−２２０μｍのシリカのグリットであってもよい。
【００１７】
本発明の手順は、エッチングする材料に応じてパターニングされエッチングする材料の表面を覆う、粒子エッチング材に耐性のあるマスクを用いる。マスクは、粒子エッチングが引き起こす腐食摩耗に耐えることができる材料から成っていてもよい。マスクは、プレート材料に非常に接近して、細かく詳細なパターンが形成できるようになっているべきなので、接着物質によってマスクをプレート材料に接触して保持してもよい。
【００１８】
粒子エッチング材に耐性のあるパターニングしたマスクは、フォトレジストマスクであってもよい。フォトレジストマスクを形成する技術は、例えば、米国特許番号第４，７６４，４４９号において教示されている。米国特許番号第４，７６４，４４９号において、必要な設計のネガマスクが形成されて、マスクの接着後に露出するガラスまたは木材がサンドブラストによって腐食されるようになっている。
【００１９】
粒子エッチング材に耐性のあるパターニングしたマスクは、ビニルポリマーを含んでもよい。ここで、ビニルのラベルが適切な形に切断されて、必要なパターンのネガマスクを形成する（米国特許番号第４，８２８，８９３号を参照されたい）。
【００２０】
パターン設計は、フローフィールドプレートの流体入口通路および流体出口通路を決定してもよい。例えば、流体入口通路はフローフィールドプレートの流体入口穴であってもよく、流体出口通路はフローフィールドプレートの流体出口穴であってもよい。プレートを貫いて通る通路が一方の表面のみをエッチングすることによって形成される場合には、ある種のエッチレジストでは失敗してしまう可能性がある。したがって、流体入口通路および流体出口通路は、フローフィールドプレートの互いに対向する表面上の整列した位置（正しい関係位置にある）をエッチングすることによって形成してもよい。
【００２１】
パターン設計はまた、フローフィールドプレート上のシール用の溝を決定してもよい。
【００２２】
粒子エッチングは、プレート材料に相対する粒子エッチング材加速装置の動きを決定する２軸走査機構の制御下であってもよい。２軸走査機構によって、プレート材料が粒子エッチング材加速装置に関して所定の動きができるようにしてもよく、このような動きは、ラスタ（ｒａｓｔｅｒ）パターンの形であっても、階段状走査パターンの形であってもよい。プレート材料の表面積が粒子エッチング材加速装置からの粒子の広がりに近づいている、またはそれよりも大きい場合には、走査機構は特に有用である。
【００２３】
本発明によって製造したフローフィールドプレートは、電解液を含む燃料電池、電解槽、および電池に組み込んでもよい。水を水素と酸素とに分解する手段である電解槽は、構造的に燃料電池と非常に似ている。
【００２４】
添付のいくつかの図面を参照する以下の説明から、本発明はさらに明白となろう。添付図面は、例示のみとして、互いに異なる材料を含むフローフィールドプレートの製造方法を示す。
【００２５】
図１において、粒子エッチングのために作成したフローフィールドプレート１００は、プレート材料３と、接着剤２、２０をそれぞれ層状に重ねた２つの互いに対向する表面とを含む。接着剤２、２０の上には、特定のエッチング材に耐性のあるパターニングしたマスク１、１０が、作成され取り付けられている。接着剤２、２０は、粒子エッチング工程６の間にマスク１、１０をしっかりと所定位置に保持するのに十分な接着力を提供しなければならない。好ましくは、接着剤２、２０は水溶性であり、エッチング後にマスク１、１０をプレート材料３から容易に除去することができるようになっている。マスク１、１０は、マスク１、１０を接着剤２、２０に接着した後にはぎ取られる支持膜上に搭載されてもよい。
【００２６】
プレート材料３は、炭素繊維複合物を含み、それによって、機械的特性を犠牲にすることなくモノリスよりも優れた機械的特性を有している。炭素繊維を含むことによって、プレート材料３の熱伝導率を改善することができる。これは、下流の電気製品が高電流密度を用いることを伴う場合には重要な特徴である。典型的な炭素−炭素複合材料の製造方法は、周知である（Ｔｈｏｍａｓ，ＣＲ．［編集者］，１９９３，Ｅｓｓｅｎｔｉａｌｓ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ−ｃａｒｂｏｎ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ Ｒｏｙａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ Ｐｒｅｓｓ，Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ，ＩＳＢＮ：０８５１８６８０４５を参照されたい）。
【００２７】
高密度炭素−炭素複合物をプレート材料３に用いると費用がかかるので、材料に部分的にしみ込ませた材料のほうが、より大きな展望を提供するかもしれない。部分的にしみ込ませたプレート材料の気体透過性は、樹脂等のポリマー充填剤をしみ込ませることによって克服することができる。樹脂は、好ましくは、粘度が低くて、低圧下で小さな孔を急速に充填することができるようになっているべきであり、自己硬化型であるべきである。樹脂の組成は、アルカリ性のまたは酸性の電解液による変化に耐えるものであれば、いかなるポリマー配合であってもよい。樹脂をプレート材料３に加えた直後に、吸収されない樹脂はプレート１００表面から除去するべきである。これは、プレート１００表面を吸収性の布でぬぐうことによって行うことができる。樹脂が必要な条件の下で硬化することができれば、導電に必要なプレート１００表面をクリーニングして、プレート材料３における導電性炭素を再び露出する必要がある。これは、メッシュサイズが６００以上の研磨布で短時間表面を研磨する工程によって行うことができる。
【００２８】
粒子エッチング材に耐性のあるパターニングしたマスク１、１０は、パターン４、４０を有し、これらを通してプレート材料３がエッチングされる。プレート材料３の一方の表面上のパターン４は、プレート材料３の第２の表面上のパターン４０に対して変位しており、薄いシートのプレート材料３を用いることができるようになっている。エッチング工程６には、プレート１００を粒子エッチング材（図示せず）に露出することが含まれる。粒子エッチング材は、サンドブラストガン等の粒子エッチング材の加速装置（図示せず）によって進む。粒子エッチング材は、エッチングするプレート材料３よりも硬度が高い何らかの材料である。炭素質の材料（ダイアモンドは除く）については、微細な粒状のシリカまたはアルミナを用いることが好ましい。エッチング材の大きさは、プレート１００上で必要なパターン４、４０の詳細によって決まる。
【００２９】
工程６において用いるブラスト圧は、マスク１、１０、接着剤２、２０、エッチング材の加速装置とプレート材料３のターゲット表面との間の距離、および用いるエッチング材によって決まる。圧力の上限は、マスク１、１０の腐食エッチングへの耐性によって決まり、下限は、材料３を研磨エッチング材で腐食するのに必要な圧力によって規定される。マスク１、１０を損傷したり接着剤２、２０が駄目になることなしに、合理的な時間制限内で本質的なエッチングが行われれば、ブラスト圧は最適である。
【００３０】
エッチング工程６は、プレート１００のそれぞれの表面がエッチングされる２つの連続した段階によって行われる。しかし、複数の粒子エッチング材の加速装置を用いてプレート１００の両側で同時にエッチング工程６を行うことができる、ということが除外されるわけではない。
【００３１】
エッチング工程６の間、プレート１００のターゲット領域は、エッチング材の広がりによって決まる。そしてこの広がりは、プレート１００表面からの粒子エッチング材の加速装置の距離と、粒子エッチング材の加速装置のノズル（図示せず）の寸法とによって決まる。プレート１００の面積の方がエッチャントの広がりよりも大きい場合には、プレート１００を動的な方法でエッチングしてもよい。例えば、２軸走査機構を用いて、粒子エッチング材の加速装置とプレート１００とを、互いに関して動かしてもよい。その場合、加速装置とプレート１００のどちらかまたは両方が動かす。動き全体によって、プレート１００表面が加速したエッチャントで均一に覆われるべきである。
【００３２】
エッチング工程６の完了後、フローフィールドプレート２００は、プレート２００の両側のプレート材料３内にエッチングした流体フローフィールドパターン５、５０を有する。次に、接着剤２、２０、および粒子エッチング材に耐性のあるパターニングしたマスク１、１０が除去される。
【００３３】
図２に、流体の出入り用のフローフィールドプレート穴の製造を示す。フローフィールドプレート３００を作成するには、プレート材料３の互いに対向する表面上の、粒子エッチング材に耐性のあるマスク１、１０内にパターニングする腐食溝７、７０が、整列することが必要である。マスク１、１０は、接着剤２、２０を用いて、プレート材料３に対してしっかりと保持されている。プレート４００の一方の表面から対向する表面まで貫く均一な開口部８が現れるまで、エッチング工程６０を続行する。プレート材料３の両方の表面をエッチングして開口部８を形成することは、一方の表面のみからエッチングすると材料３が駄目になってしまう場合、特に重要である。
【００３４】
本発明を以下の実施例によってさらに説明する。しかし、本発明の特許請求の範囲は、このような実施例によっていかなる方法においても限定されるものではない。
【００３５】
実施例１（炭素−炭素複合物のプレート＋ビニルマスク）
寸法が５０×５０×１．２ｍｍである黒鉛化した炭素−炭素複合物のプレートを、一方の表面上に気体通路設計がある状態で作成した。必要な気体通路設計のネガ画像を有するビニルポリマーの接着マスク（ＦａｓＣａｌ Ｆｉｌｍ［Ａｖｅｒｙ、米国］）が、複合物上にしっかりと押しつけられた。１８０−２２０μｍのシリカのグリットを有するＧｕｙｓｏｎ Ｂｌａｓｔ Ｓｙｓｔｅｍ（Ｇｕｙｓｏｎ、英国）を用いて、プレートのドライサンドブラストを行った。ブラスト圧を４バール（４００ｋＰａ）に設定した状態で、３０秒間、一定の距離６インチ（１５２．４ｍｍ）で、マスキングした材料をサンドブラストガンの下に保持した。次にビニルマスクをはぎ取り、イソプロピルアルコールを用いてプレートから接着剤を洗い流した。通路の深さは０．２−０．２５ｍｍであった。
【００３６】
実施例２（炭素−炭素複合物のプレート＋フォトレジストマスク）
寸法が５０×５０×１．２ｍｍである黒鉛化した炭素−炭素複合物のプレートを、一方の表面上に気体通路設計がある状態で作成した。フォトレジストマスク（ＩｍａｇｅＰｒｏ Ｓｕｐｅｒ Ｆｉｌｍ［Ｃｈｒｏｍａｌｉｎｅ Ｃｏｒｐ．、米国］）を現像して、必要な気体通路設計のネガのテンプレートを形成した。通路設計の写真式マスクを用いてフォトレジスト（下面保護キャリア膜を有する）およびガラスシートを覆ってシート同士をぴったりと一緒に保持し、膜を５分間５ｍの距離にある１８Ｗの紫外線光源に露光した。次にこの膜を除去し（黄色光の下で）、露光されなかったレジストを洗い流すために約３分間流水で洗浄した。レジスト膜を、通常照明の下で空気中で乾燥させて、ネガのレジストマスクのテンプレートを作成した。複合物のプレート表面上に、液体の接触型接着剤（ＩｍａｇｅＰｒｏ Ａｄｈｅｓｉｖｅ［Ｃｈｒｏｍａｌｉｎｅ Ｃｏｒｐ．、米国］）を軽く刷毛塗りして、１０分間空気中で乾燥させた。接着剤で覆われたプレート上に、レジストマスク（キャリア膜を有する）が押しつけられ、キャリアフィルムをはぎ取った。次に、実施例１（上記）において説明した手続きを用いて、この材料にブラストを行った。流温水を用いて接着剤を溶かすことによって、レジストマスクを除去し、このようにして、炭素−炭素複合材料内にエッチングした流場パターンを現した。
【００３７】
実施例３（エポキシ樹脂を有する炭素−炭素複合物のプレート＋フォトレジストマスク）
【００３８】
寸法が５０×５０×１．２ｍｍである、低粘度エポキシ樹脂（ＳｐｅｃｉＦｉｘ−２０［Ｓｔｒｕｅｒｓ Ｌｔｄ、英国］）をしみ込ませた黒鉛化した炭素−炭素複合物のプレートを、低圧（好ましくは１０ｍｍＨｇ［約１．３３ｋＰａ］よりも低いが、可能なのは１００ｍｍＨｇ［約１３．３ｋＰａ］まで）の下で保持した。過剰な樹脂は、ペーパータオルを用いてプレート表面から除去した。次にプレートを標準温度および圧力において少なくとも８時間空気中に置き、樹脂が硬化できるようにする。フォトレジストマスク（ＩｍａｇｅＰｒｏ Ｓｕｐｅｒ Ｆｉｌｍ）を用意し、次に実施例２（上記）のように施した。次に、実施例１（上記）において説明した手続きを用いて、マスキングした材料にブラストを行った。流温水を用いて接着剤を溶かすことによって、レジストマスクを除去した。
【図面の簡単な説明】
【図１】バイポーラフローフィールドプレート上への流体フロー溝の製造において用いる粒子エッチング法を示す、概略側断面図である。
【図２】フローフィールドプレートの流体入口穴または流体出口穴の製造において用いる粒子エッチング法を示す、概略側断面図である。
【図１】
0003561258.tif 000002
【図２】
0003561258.tif 000003