(57)【要約】【課題】燃料電池の水管理性を向上する方法を提供する。【解決手段】本方法は、親水性又は弱い疎水性の表面を持つ燃料電池構成要素を提供する工程、  親水性表面のうちの少なくとも一つの疎水性を向上する工程、及び  燃料電池構成要素を組み立てて燃料電池にする工程を含む。【選択図】図１
2006134879.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の水管理性を向上する方法において、
少なくとも一つの表面を持つ燃料電池構成要素を提供する工程、
前記表面の疎水性を向上する工程、及び
前記燃料電池構成要素を組み立てて前記燃料電池にする工程を含む、方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、前記燃料電池構成要素は、バイポーラプレートを含む、方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法において、前記燃料電池構成要素は、ポリマー電解質膜を含む、方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法において、前記燃料電池構成要素は、バイポーラプレート及びポリマー電解質膜を含む、方法。
【請求項５】
請求項１に記載の方法において、前記表面の疎水性を向上する工程は、前記少なくとも一つの表面に複数の表面ピットを形成する工程を含む、方法。
【請求項６】
請求項５に記載の方法において、前記複数の表面ピットの各々は、数μｍの幅及び深さを有している、方法。
【請求項７】
請求項５に記載の方法において、前記少なくとも一つの表面に前記複数の表面ピットを形成する工程は、
イオンビームを提供する工程、及び
このイオンビームを、前記親水性表面のうちの少なくとも一つに照射する工程を含む、方法。
【請求項８】
請求項７に記載の方法において、さらに、
複数のマスク開口部を持つシャドーマスクを前記少なくとも一つの表面上に提供する工程、及び
前記複数のマスク開口部を通して、前記複数の親水性表面のうちの少なくとも一つに前記イオンビームを照射する工程を含む、方法。
【請求項９】
燃料電池の水管理性を向上する方法において、
少なくとも一つの親水性表面を持つ燃料電池構成要素を提供する工程、
前記少なくとも一つの親水性表面を疎水性にする工程、及び
前記燃料電池構成要素を組み立てて前記燃料電池にする工程を含む、方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の方法において、前記燃料電池構成要素は、バイポーラプレートを含む、方法。
【請求項１１】
請求項９に記載の方法において、前記燃料電池構成要素は、ポリマー電解質膜を含む、方法。
【請求項１２】
請求項９に記載の方法において、前記燃料電池構成要素は、バイポーラプレート及びポリマー電解質膜を含む、方法。
【請求項１３】
請求項９に記載の方法において、前記少なくとも一つの親水性表面を疎水性にする工程は、前記少なくとも一つの親水性表面に複数の表面ピットを形成する工程を含む、方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の方法において、前記複数の表面ピットの各々は、数μｍの幅及び深さを有している、方法。
【請求項１５】
請求項１３に記載の方法において、前記少なくとも一つの親水性表面に前記複数の表面ピットを形成する工程は、
イオンビームを提供する工程、及び
このイオンビームを前記少なくとも一つの親水性表面に照射する工程を含む、方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の方法において、さらに、
複数のマスク開口部を持つシャドーマスクを前記少なくとも一つの親水性表面上に提供する工程、及び
前記複数のマスク開口部を通して前記少なくとも一つの親水性表面に前記イオンビームを照射する工程を含む、方法。
【請求項１７】
燃料電池構成要素であって、
本体、及び
前記本体に設けられた少なくとも一つの疎水性表面を含む、燃料電池構成要素。
【請求項１８】
請求項１７に記載の燃料電池構成要素において、前記少なくとも一つの疎水性表面は、前記本体に設けられた複数の表面ピットを備えており、これら複数の表面ピットの各々は、数μｍの幅及び深さを有している、燃料電池構成要素。
【請求項１９】
請求項１７に記載の燃料電池構成要素において、前記本体は、ポリマー電解質膜本体を含む、燃料電池構成要素。
【請求項２０】
請求項１７に記載の燃料電池構成要素において、前記本体は、バイポーラプレート本体を含む、燃料電池構成要素。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車輛又は他の機械に電力を提供するため、電気を発生する燃料電池に関する。更に詳細には、本発明は燃料電池の水管理を高める方法に関する。この方法は、イオンビームを使用することによって燃料電池構成要素に超疎水性表面を形成し、これによって表面上に保持される水を減少し、燃料電池での水の輸送を促す。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池技術は、自動車産業で比較的最近に開発された技術である。燃料電池電力プラントは、５５％程度の効率を得ることができることがわかっている。更に、燃料電池電力プラントは、副生物として熱及び水しか出さない。
【０００３】
燃料電池は、三つの構成要素、即ちカソード、アノード、及びカソードとアノードとの間に挟んだ、陽子しか通さない電解質を含む。各電極は、一方の側が触媒によってコーティングしてある。作動では、アノードに設けられた触媒が、水素を電子と陽子に分ける。電子は、アノードから電流として分配され、駆動モータを通り次いでカソードに移動し、これに対し陽子はアノードから電解質を通ってカソードに移動する。カソードに設けられた触媒は、陽子を、駆動モータから戻った電子及び空気からの酸素と結合し、水を形成する。個々の燃料電池を互いに直列に積み重ね、益々大量の電気を発生することができる。
【０００４】
ポリマー電解質膜（ＰＥＭ）燃料電池では、ポリマー電極膜は、カソードとアノードとの間で電解質として機能している。燃料電池の用途で現在使用されているポリマー電極膜は、膜の導電性を促すため、所定レベルの水分を必要とする。従って、燃料電池を適正に機能する上で、水分管理や水管理によって、前記膜の水分を適正レベルに維持することが非常に重要である。前記膜が乾燥してしまうと、燃料電池に取り返しの付かない損傷が及ぼされる。
【０００５】
電極に加えられた水素燃料ガス及び酸素ガスが漏れないようにするため、及びガスが混合しないようにするため、ポリマー電解質膜を間に挟んだ電極の周囲に、ガスシーリング材料及びガスケットが配置されている。シーリング材料及びガスケットを、電極及びポリマー電解質膜とともに組み立てて単一の部品にし、膜−電極アッセンブリ、換言すれば膜−電極接合体（ＭＥＡ）を形成する。ＭＥＡの外側には、ＭＥＡを機械的に固定し且つ隣接したＭＥＡを電気的に直列に接続するための導電性セパレータープレートが配置されている。ＭＥＡと接触して配置された前記セパレータープレートの一部に、ガス通路が設けられている。このガス通路は、水素燃料ガスを電極表面に供給し、発生した水蒸気を除去するためのものである。
【０００６】
ＰＥＭ燃料電池膜は、陽子を通すため、膜が乾燥すると迅速に劣化する。膜を水和するため、また、燃料電池の適正な機能を維持するため、外部から水分を加える必要がある。更に、自動車の燃料電池に液体の水が存在することは、燃料電池の作動中の電気化学的反応の副生物として大量の水が発生するため不可避である。更に、燃料電池膜が水で飽和すると、温度、相対湿度、及び作動が急速に変化し、停止状態に陥る。しかしながら、膜が過剰に水和すると、膜が水で溢れ、膜が過度に膨潤し、燃料電池スタックの交差方向に沿って差圧勾配が発生する。
【０００７】
このように、燃料電池の作動にとって燃料電池内の水のバランスが重要であるため、水の管理は、燃料電池の性能及び耐久性に主要な影響を及ぼす。水の管理がうまくいかないと、質量輸送に損失を伴い、燃料電池が劣化する。このような燃料電池の劣化が、依然と、燃料電池を自動車に用いる場合の課題となっている。膜が長期に亘って水に露呈されると、材料に取り返しのつかない損傷が加わる場合がある。圧力勾配及び温度勾配を発生することや向流作動といった水管理戦略が実施されてきており、かかる水管理戦略により、特に高い流量密度で、質量輸送を或る程度減少することがわかっている。しかしながら、燃料電池スタックの最適の性能及び丈夫さを得るため、水管理を最適に行うことが、依然と必要とされている。
【０００８】
イオン衝撃誘導スパッター（ion bombardment-induced sputtering：すなわち、イオンを照射して金属の原子を飛び出させる、換言すればスパッタする）を、金属の表面に施すことによって、例えばピラミッド状アレイの形態の切り子面をなした周期的表面構造等の様々な表面構造を形成できることは公知である。更に、超疎水性表面を形成する上で、ナノメートル（ｎｍ）乃至マイクロメートル（μｍ）単位での表面積の増大が重要である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従って、本発明は、燃料電池構成要素の表面をイオン衝撃（ion bombardment）によって変化させることにより、燃料電池の水管理を高める方法を提案する。これにより、水をはじき、表面上での水の保持を減少し、燃料電池内での酸素及び水の質量輸送を促す、超疎水性表面を形成する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、全体として、燃料電池の様々な構成要素に、疎水性表面を形成することによって、燃料電池の水管理性を高めるＰＶＤ法に関する。前記燃料電池の様々な構成要素としては、特に、ポリマー電解質膜（ＰＥＭ）やバイポーラプレート（二極性のプレート）構成要素が挙げられる。この方法は、イオン衝撃誘導スパッターにより、燃料電池構成要素の表面から原子を飛び出させ、その表面をナノメートル（ｎｍ）乃至マイクロメートル（μｍ）単位で粗らす（又は凹凸にする）工程を含む。前記表面にイオン衝撃を施すことによって大きな表面積を形成することにより、該表面の疎水性（又は撥水性）が向上し、該表面上での水の保持力が減少し、燃料電池内での水の輸送を促進する。
【００１１】
次に、本発明を添付図面を参照して以下に例として説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明は、燃料電池の様々な構成要素（特に、燃料電池のポリマー電解質膜（ＰＥＭ）や金属製バイポーラプレート構成要素）の表面を疎水性にすることによって、燃料電池の水管理性を向上するＰＶＤ法に関する。本発明の方法によれば、高エネルギイオンを燃料電池構成要素の表面に照射することによって、この表面から原子が放出される。従って、表面にナノメートル（ｎｍ）乃至マイクロメートル（μｍ）単位の幅の表面ピットが形成される。これにより表面が粗らされて（あるいは凹凸にされて）、大きな表面積が形成され、表面の疎水性が高まる。従って、燃料電池の作動時に、表面上での水の保持が大幅に減少する。これにより、カソードからバイポーラプレートへの生成水の輸送が促進され、最終的に燃料電池からの生成水の輸送が促進される。
【００１３】
先ず最初に図１のフローダイヤグラムを図２及び図３の概略図と関連して参照すると、本発明の燃料電池水向上方法は、代表的には、以下の通りに実施される。工程１では、親水性表面を持つ燃料電池構成要素を提供する。別の態様では、燃料電池の表面は、弱い疎水性を備えていてもよい。代表的な用途では、燃料電池構成要素は、金属製のバイポーラプレート又はポリマー電解質膜（ＰＥＭ）である。バイポーラプレートとＰＥＭは、親水性表面又は弱い疎水性の表面を有し、これらは、通常は、燃料電池の作動中に水分子と結合し又は水分子を保持する傾向がある。その結果、水が燃料電池内に過剰に溜まることとなり、反応体及び反応生成物の質量輸送損が生じ、かくして燃料電池の性能容量を低下する。しかしながら、本発明は、燃料電池の作動中に水を保持する傾向がある親水性又は弱い疎水性の表面を持つ、バイポーラプレート及び／又はＰＥＭ以外の燃料電池構成要素、又はかかるバイポーラプレート及び／又はＰＥＭに加えて、燃料電池構成要素の処理を考慮するものであるということは理解されよう。
【００１４】
工程２では、燃料電池構成要素の親水性表面又は弱い疎水性の表面に、高エネルギイオンによって衝撃を加える。これは、従来のイオン衝撃法を使用して行うことができる。代表的なイオン衝撃法では、数１０ｋｅＶ乃至数１００ｋｅＶのエネルギーを有するイオンビームを、前記燃料電池の構成要素の表面に衝突させる。イオンビーム中の各イオンは、表面に当たったときに幾つかの原子を表面から取り除く。このように除去された原子のうちいくつかは、放出される、すなわちスパッタされる。スパッタ割合は、通常、１イオン当たりに対する放出された原子の数と定義されている。また、スパッタ割合は、表面に向けられたイオンのエネルギー、方向及び種類はもちろんのこと、結晶配向、表面上の不純物の存在、粒界、及びイオン衝撃によって表面下に形成された長い欠陥（転位等）の関数となっている。
【００１５】
親水性表面を疎水性にする、又は燃料電池のバイポーラプレート３２の弱い疎水性の表面３２ａの疎水性を高めるためのイオン衝撃法が、図２に示されている。バイポーラプレート３２は、少なくとも一つの、代表的には多数の親水性表面３２ａを持つバイポーラプレート本体３２ｂを含む。従って、陽イオン５０を加速し、バイポーラプレート３２のバイポーラプレート表面３２ａに当てる。数１０ｋｅＶ乃至数１００ｋｅＶのイオンエネルギを持つ陽イオン５０が、表面３２ａに当たり、この表面３２ａから金属原子５２が除去される。これらの金属原子５２の幾つかは、表面３２ａから放出され、表面３２ａに表面ピット３３を形成する。これらの表面ピット３３は、表面３２ａから不均等に金属原子５２をスパッタする（すなわち、飛び出させる）ことによって形成される。表面ピット３３の長さ又は幅及び深さは、代表的には、ナノメートル（ｎｍ）乃至マイクロメートル（μｍ）単位の大きさである。各表面ピット３３の代表的な幅は、約１００μｍであり、各表面ピット３３の代表的な深さが約１４６μｍである。これらの表面ピット３３は、表面３２ａの表面積をｎｍ乃至μｍ単位の大きさで、集合的に増大し、表面３２ａを超疎水性にする。バイポーラプレート本体３２ｂの表面３２ａ全てに、イオン衝撃法を行い、これらの表面を疎水性にすることができる。
【００１６】
当業者に公知のように、マスク開口部５６ａを持つシャドーマスク５６を、バイポーラプレート表面３２ａ上に載せるようにしてもよい。これによって、バイポーラプレート表面３２ａに切り込まれるべき表面ピット３３の大きさ及びパターンを決定することができる。従って、マスク開口部５６ａによって露呈されたバイポーラプレート表面３２ａの部分にイオン５０が当たり、これにより、これらの部分から金属原子５２が除去される。シャドーマスク５６によって覆われたバイポーラプレート表面３２ａの部分は、イオン５０から保護され、その結果、バイポーラプレート表面３２ａでの表面ピット３３の大きさ及び位置が、マスク開口部５６ａによって決定される。
【００１７】
図３は、燃料電池のポリマー電解質膜（ＰＥＭ）３０の表面３０ａを疎水性にするための同様のイオン衝撃法を示す。ＰＥＭ３０は、少なくとも一つの、代表的には多数の親水性表面３０ａを持つＰＥＭ本体３０ｂを含む。陽イオン５０を加速し、ＰＥＭ３０の親水性表面３０ａに当て、ポリマー原子５４を表面３２ａから除去する。これらのポリマー原子５４の幾つかは、表面３０ａから放出され、表面３０ａに表面ピット３１が形成される。これらの表面ピット３１の長さ又は幅は、バイポーラプレート３２のバイポーラプレート表面３２ａの表面ピット３３に関して上文中に説明したのと同様に、ナノメートル（ｎｍ）乃至マイクロメートル（μｍ）単位の大きさである。マスク開口部５６ａを持つシャドーマスク５６を、バイポーラプレート表面３０ａ上に載せてもよい。これによって、表面ピット３１の大きさ及びパターンを上文中に説明したように形成することができる。図１の工程３では、工程２に従って処理されたバイポーラプレート３２及びＰＥＭ３０を含む燃料電池構成要素を、組み立てて燃料電池にする。ＰＥＭ本体３０ｂの表面３０ａの表面全てにイオン衝撃法を行って、これらの表面全てを疎水性にすることができる。
【００１８】
イオンビーム衝撃法によって得られるレベルの粗さを得るため、スパッタリング、プラズマエッチング、イオン−ビーム補助蒸着、又はイオン化クラスタビーム蒸着等の他の物理蒸着技術を使用してもよい。
【００１９】
バイポーラプレートエレメントは、金でできた導電性超薄層でコーティングしてもよい。イオン補助蒸着によって得られた薄膜は、蒸着前にイオン衝撃法によって形成された表面粗さと類似する。
【００２０】
現在継続中の代理人事件番号ＧＰ−３０４９６８の出願に記載されているように、更に、他の導電性エレメントをコーティングしてもよい。上記出願は、本発明と共通の譲受人に譲渡されている。
【００２１】
燃料電池２２の作動中、水素ガス３６がバイポーラプレート３２ａのフィールド流路３４ａを通って流れ、ガス拡散媒体１０ａを通ってアノード２８まで拡散する。同様に、酸素３８がバイポーラプレート３２のフィールド流路３４を通って流れ、ガス拡散媒体１０を通ってカソード２６まで拡散する。アノード２８のところで水素３６が電子と陽子に別れる。電子は、電流としてアノード２８から駆動モータ（図示せず）を通ってカソード２６に分配される。陽子は、アノード２８からＰＥＭ３０を通ってカソード２６に移動する。カソード２６のところで陽子が駆動モータから戻った電子及び酸素３８と結合し、水蒸気４０を形成する。この水蒸気４０は、カソード２６からガス拡散媒体１０を通ってバイポーラプレート３２のフィールド流路３４内に拡散し、燃料電池スタック２２から排出される。水蒸気４０のカソード２６からバイポーラプレート３２への移行中、ＰＥＭ３０の疎水性ＰＥＭ表面３０ａとバイポーラプレート３２のバイポーラプレート表面３２ａとは、水分をはじき又は通さず、水蒸気４０が、ＰＥＭ３０の疎水性ＰＥＭ表面３０ａとバイポーラプレート３２のバイポーラプレート表面３２ａを越えることはない。これを図５に示す。ここでは、水滴４５が、バイポーラプレート３２のバイポーラプレート表面３２ａによってはじかれている。このようにＰＥＭ表面３０ａ及びバイポーラプレート表面３２ａによって水滴がはじかれることによって、反応体酸素３８のＰＥＭ３０への質量輸送を高め、また、副生物である水蒸気４０のＰＥＭ３０からの質量輸送を高め、かくして燃料電池２２の水管理性を高めることができる。
【００２２】
以上、本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明に様々な変更を行うことができるということは理解されよう。特許請求の範囲は、本発明の精神及び範囲内に入るこのような変更の全てを含もうとするものである。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、本発明の燃料電池水管理向上方法に従って実施された順次プロセス工程を示すフローダイヤグラムである。
【図２】図２は、燃料電池のバイポーラプレートの拡大断面図であり、そこには、本発明の方法に従って、バイポーラプレートの表面にイオン衝撃が行われていることが示されており、このイオン衝撃によって、前記表面に切り子面形状が形成され、前記表面が疎水性にされている。
【図３】図３は、燃料電池のポリマー電解質膜（ＰＥＭ）の拡大断面図であり、そこには、本発明の方法に従って、ポリマー電解質膜（ＰＥＭ）の表面にイオン衝撃が行われていることが示されており、このイオン衝撃によって、前記表面に切り子面形状が形成され、前記表面が疎水性にされている。
【図４】図４は、図２及び図３に示されたイオン衝撃法又はイオン衝撃工程が施されたバイポーラプレート及びＰＥＭを持つ、燃料電池スタックの概略図である。
【図５】図５は、図２のイオン衝撃法又はイオン衝撃工程が施されたバイポーラプレートの拡大断面図であり、そこには、バイポーラプレートの表面疎水性が示されている。
【符号の説明】
【００２４】
１０  ガス拡散媒体
２２  燃料電池スタック
２６  カソード
２８  アノード
３０  ポリマー電解質膜（ＰＥＭ）
３２  バイポーラプレート
３２ａ  バイポーラプレート表面
３２ｂ  バイポーラプレート本体
３３  表面ピット
３４  フィールド流路
３６  水素ガス
３８  酸素
４０  水蒸気
４５  水滴
５０  陽イオン
５２  金属原子
５６  シャドーマスク
５６ａ  マスク開口部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2006134879.tif 000006
【図５】
2006134879.tif 000007
【外国語明細書】
2006134879000001.pdf