(57)【要約】【解決手段】親水性の面（４８）を有するバイポーラプレート（３２）が開示されている。バイポーラプレートは、チャネル面（３５）を有するチャネル（３４）を含む多数の面を含んでいる。燃料電池の水管理能力を高めるために、親水性被覆が面上に施されている。【選択図】図１
2008520079.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイポーラプレートであって、
複数の面と、
前記バイポーラプレートに設けられているランド面を有する複数のランドと、
前記複数の面上に施された親水性被覆と、を備えているバイポーラプレート。
【請求項２】
請求項１に記載のバイポーラプレートにおいて、
前記親水性被覆は二酸化ケイ素を備えている、バイポーラプレート。
【請求項３】
請求項１に記載のバイポーラプレートにおいて、
前記親水性被覆は酸化チタンを備えている、バイポーラプレート。
【請求項４】
請求項１に記載のバイポーラプレートにおいて、
前記親水性被覆は、二酸化ケイ素と酸化チタンとを備えている、バイポーラプレート。
【請求項５】
請求項１に記載のバイポーラプレートにおいて、さらに、
前記ランド面上に施された導電性被覆を備えている、バイポーラプレート。
【請求項６】
請求項５に記載のバイポーラプレートにおいて、
前記導電性被覆は金を備えている、バイポーラプレート。
【請求項７】
請求項５に記載のバイポーラプレートにおいて、
前記導電性被覆は導電性ポリマー炭素被覆を備えている、バイポーラプレート。
【請求項８】
請求項７に記載のバイポーラプレートにおいて、
前記親水性被覆は、二酸化ケイ素被覆と酸化チタン被覆のうちの少なくとも１つを備えている、バイポーラプレート。
【請求項９】
バイポーラプレートであって、
チャネル面を有する複数のチャネルと、
前記複数のチャネルを分離するランド面を有している複数のランドと、
前記チャネル面上に施された親水性被覆と、を備えているバイポーラプレート。
【請求項１０】
請求項９に記載のバイポーラプレートにおいて、
前記親水性被覆は、二酸化ケイ素被覆と酸化チタン被覆のうちの少なくとも１つを備えている、バイポーラプレート。
【請求項１１】
請求項１０に記載のバイポーラプレートにおいて、
前記親水性被覆は、二酸化ケイ素被覆と酸化チタン被覆とを備えている、バイポーラプレート。
【請求項１２】
請求項９に記載のバイポーラプレートにおいて、さらに、
前記ランド面上に施された導電性被覆を備えている、バイポーラプレート。
【請求項１３】
請求項１２に記載のバイポーラプレートにおいて、
前記導電性被覆は金を備えている、バイポーラプレート。
【請求項１４】
請求項１２に記載のバイポーラプレートにおいて、
前記導電性被覆は、導電性ポリマー炭素被覆を備えている、バイポーラプレート。
【請求項１５】
バイポーラプレート上に親水性面を設ける方法であって、
チャネル面を有する複数のチャネルと、前記複数のチャネルを分離するランド面を有している複数のランドと、を備えているバイポーラプレートを提供する段階と、
前記チャネル面上に親水性被覆を施す段階と、を備えている方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の方法において、
前記親水性被覆は、二酸化ケイ素被覆と酸化チタン被覆のうちの少なくとも１つを備えている、方法。
【請求項１７】
請求項１５に記載の方法において、さらに、
前記ランド面上に導電性被覆を施す段階を備えている、方法。
【請求項１８】
請求項１７に記載の方法において、
前記導電性被覆は金を備えている、方法。
【請求項１９】
請求項１７に記載の方法において、
前記導電性被覆は導電性ポリマー被覆を備えている、方法。
【請求項２０】
請求項１５に記載の方法において、
前記親水性被覆は、化学蒸着法、物理蒸着法、プラズマ重合法、及び電気化学方法から成るグループから選択された技法を使って、前記チャネル面上に施される、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両又は他の機械に動力を供給するために発電する燃料電池に関する。より具体的には、本発明は、親水性被覆を有するバイポーラプレートと、燃料電池内のバイポーラプレートの表面を親水性にして、プレートの濡れ性を向上させ、燃料電池の水管理能力を高めるための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料電池技術に関する関心が、燃料電池の効率を大きな理由として、大いに広がっている。燃料電池は、５５％もの高い効率を示す。更に、燃料電池の発電装置は、環境に優しく、副産物として熱と水しか出さない。
【０００３】
ＰＥＭ（ポリマー電解質膜）燃料電池スタックは、通常、ガス拡散媒体に挟まれた中心膜の電極アッセンブリ（ＭＥＡ）を含んでいる。ＭＥＡとガス拡散媒体は、一対のバイポーラプレートの間に挟まれている。バイポーラプレートには、ガス拡散媒体を通して反応ガスをＭＥＡに導き、生産ガスをＭＥＡから導く流れの場のチャネル、並びに、冷却液を導く冷却液チャネルが設けられている。両チャネル間のバイポーラプレートの面の領域は、ランドとして知られており、対応するガス拡散媒体に接触している。バイポーラプレート、特にスタックのカソード側のバイポーラプレートの表面は、ＰＥＭ燃料電池スタック内側の最適な水管理を容易に行えるように親水性であるのが望ましい。
【０００４】
従って、ＰＥＭ燃料電池スタック内の水管理を強化するには、親水性被覆を有するバイポーラプレートと、バイポーラプレートの表面を親水性にする方法が必要である。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、概括的には、親水性被覆を有するバイポーラプレートと、バイポーラプレート、特に燃料電池スタックのカソードのバイポーラプレート上に親水性被覆（親水性コーティング）を施す方法に向けられている。或る実施形態では、親水性被覆は、二酸化ケイ素（silicon dioxide）である。別の実施形態では、親水性被覆は、酸化チタン（titanium oxide）である。更に別の実施形態では、親水性被覆は、二酸化ケイ素と酸化チタンである。親水性被覆は、バイポーラプレートのチャネル面の濡れ性を高めるので、燃料電池スタックの水管理、性能、耐久性、及び効率が向上する。様々な方法の何れを使ってバイポーラプレートに被覆を施す際でも、マスクを使用してバイポーラプレートのランドを覆うと、プレートのチャネル面の選択的被覆を容易に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本発明について、添付図面を参照しながら例を挙げて説明する。
本発明は、親水性被覆を有するバイポーラプレートを考えている。或る実施形態では、親水性被覆は二酸化ケイ素である。別の実施形態では、親水性被覆は酸化チタンである。更に別の実施形態では、親水性被覆は二酸化ケイ素と酸化チタンである。親水性被覆は、バイポーラプレートのチャネル面の濡れ性を高めるので、燃料電池の水管理、性能、耐久性、及び効率が向上する。
【０００７】
本発明は、更に、バイポーラプレート、具体的には燃料電池スタックのカソードのバイポーラプレート上に親水性被覆を施す方法を考えている。本方法は、限定するわけではないが、化学蒸着、物理的蒸着、又はプラズマ重合（plasma polymerization）を含む様々な方法を使って、二酸化ケイ素の親水性被覆を、バイポーラプレートの表面、具体的にはチャネル面に施す段階を含んでいる。本方法は、更に、限定するわけではないが、電気化学方法、スパッター堆積、化学蒸着、又は反応性電子ビーム蒸発を含む様々な方法の何れかを使って、酸化チタンの親水性被覆をバイポーラプレートに施す段階を含んでいる。本方法は、更に、二酸化ケイ素の親水性被覆と酸化チタンの親水性被覆をバイポーラプレートに施す段階を含めてもよい。被覆をバイポーラプレートに施す際に、マスクを使用して、バイポーラプレートのランドを覆うと、プレートのチャネル面の選択的被覆を容易に行うことができる。その後、ランドを、金又はポリマー導電性炭素被覆の薄い層で覆うことができる。
【０００８】
二酸化ケイ素と酸化チタンは、バイポーラプレートの性能を最適にすることのできる親水性特性を有することが分かっている。摂氏２５度（２５°Ｃ）における二酸化ケイ素と酸化チタンの延展圧力は、それぞれ３３６及び３００ｄｙｎｅ／ｃｍ２（ダイン／ｃｍ２）である。これらの延展圧力の高い値は、二酸化ケイ素と酸化チタンが、相当に高い表面エネルギーを有していることを示しており、そのことが、それらを、バイポーラプレートの親水性表面の有望な候補にしている。
【０００９】
図１は、本発明による親水性表面を有するバイポーラプレート３２を示している。バイポーラプレート３２は、ステンレス鋼の様な金属、炭素複合材、又は燃料電池のバイポーラプレートとして用いるのに適した何らかの他の材料である。バイポーラプレート３２は、通常、燃料電池スタックのカソード側に設けられているカソードのバイポーラプレートであり、それについては以後更に詳しく説明する。カソードのバイポーラプレート３２は、燃料電池スタックに酸素を配給し、そこからの流れ（ストリーム）を排出する複数のチャネル３４を含んでいる。冷却液チャネルは、このプレートの裏側に設けられている（図示せず）。ランド面４３を有するランド４２は、各チャネル３４を互いに分離している。各チャネル３４は、チャネル面３５を有している。
【００１０】
本発明によれば、親水性被覆４８が、チャネル３４のチャネル面３５上に形成されている。親水性被覆４８は、二酸化ケイ素とするか、酸化チタンとするか、又は二酸化ケイ素と酸化チタンの両方から構成することができる。以後詳しく説明するが、親水性被覆４８を施す前に、マスク開口部４５を有するマスク４４が、通常、ランド４２のランド面４３上に設けられる。チャネル３４のチャネル面３５は、マスク開口部４５を通して露出しており、一方、ランド面４３は、マスク４４で覆われている。これによって、ランド面４３が非導電性酸化物で被覆されるのを防いでいる。
【００１１】
次に図１Ａでは、チャネル面３５上に、（二酸化ケイ素から構成するか、酸化チタンから構成するか、又はそれらの両方から構成することができる）親水性被覆４８を形成した後、マスク４４がランド面４３から除去される。導電性被覆５０を、ランド４２の電気導電性を高めるために、ランド面４３上に形成してもよい。複合炭素材のバイポーラプレート３２の場合は、導電性被覆は不要であり、プレートがそのまま用いるようにしてもよい。ステンレス鋼のバイポーラプレート３２の場合は、導電性被覆５０は、通常、薄層の金（Ａｕ）又は導電性ポリマー被覆である。従って、親水性被覆４８は、ランド４２の被覆の導電性に影響を与えることなく、チャネル面３５の親水性を向上させる。
【００１２】
或る実施形態では、二酸化ケイ素の親水性被覆４８は、従来の化学蒸着（ＣＶＤ）処理又は原子層堆積（ＡＬＤ：又は原子層蒸着）処理を使ってチャネル面３５上に形成される。炭素複合材のバイポーラプレート３２の場合のその蒸着又は堆積温度は、通常、摂氏約２００度（２００°Ｃ）であり、ステンレス鋼のバイポーラプレート３２の場合は、通常、摂氏約３５０度（３５０°Ｃ）である。前記蒸着又は堆積処理の前に、バイポーラプレート３２は、通常は、遠紫外線放射に曝すことによって洗浄される。遠紫外線放射は、オゾンを生成し、また、酸化によってバイポーラプレート３２から有機汚染物質を除去する。ＡＬＤ処理の各サイクルは、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）の添加と、それに続くトリス（タートペントキシ）シラノールの添加を含んでいる。二酸化ケイ素の親水性被覆４８の厚さは、通常約１０−５０ｎｍであり、被覆４８の接触角は、通常約１０から１４度である。
【００１３】
別の実施形態では、二酸化ケイ素の親水性被覆４８は、物理的蒸着（ＰＶＤ）によってチャネル面３５上に形成されている。この方法では、マグネトロンスパッタリング（又はマグネトロンスパッター）を用いて、通常、Ｏ２／Ａｒ混合物プラズマの反応環境内で約２００Ｖのバイアス電位で、通常、約２．５ｘ１０−４トル（又はトール）のチャンバ圧で、被覆４８を蒸着又は堆積させる。マグネトロンスパッタリング（又はマグネトロンスパッター）処理で用いられるターゲットは、９９％の純Ｓｉである。ＳｉＯ２親水性被覆４８の組成物と厚さを得るために、バイポーラプレート基板と共に証拠となる切り取り試片を処理してもよい。通常、約１００ｎｍの厚さを有する親水性被覆４８は、この方法を使って手に入れられる。
【００１４】
更に別の実施形態では、二酸化ケイ素の親水性被覆４８は、空気を供給ガスとする開放空気プラズマ技術（open air plasma technology）を使用するプラズマ重合によって形成されている。この処理を使って得られたサンプルは、通常約１０から１５度の接触角を有する親水性である。
【００１５】
酸化チタンの親水性被覆４８は、チャネル面３５上に電気化学めっき（ＥＣＰ）技法を使って形成することもできる。この方法は、０．５Ｍの硫酸溶液を使用しており、ステンレス鋼のバイポーラプレート３２をカソードに、チタンの試片をアノードにしている。チタン試片は、通常、それぞれ約４、６、８、１０、１２、１４及び１６ボルトの印加電位で、通常約１０分間、陽極酸化される。親水性被覆４８の接触角の値は、通常、約３５−４３である。チャネル面３５上に酸化チタンの親水性被覆４８を形成するのに用いられる代替方法には、スパッター堆積（スパッター蒸着）、化学蒸着、及び反応性電子ビーム蒸発方法が含まれる。
【００１６】
図２は、本発明によって形成された親水性被覆４８を有するバイポーラプレート３２を含んでいる燃料電池スタック２２を示している。燃料電池スタック２２は、カソード２６とアノード２８の間に挟まれたポリマー電解質膜（ＰＥＭ）３０を有する膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）２４を含んでいる。ガス拡散媒体１０は、カソード２６に取り付けられているか、又は当接しており、ガス拡散媒体１０ａは、アノード２８に取り付けられているか、又は当接している。バイポーラプレート３２のランド４２は、ガス拡散媒体１０に当接しており、複数のチャネル３４ａを有するバイポーラプレート３２ａのランド４２ａは、ガス拡散媒体１０ａに当接している。図示していないが、親水性被覆４８を、バイポーラプレート３２ａのチャネル３４ａの表面に、バイポーラプレート３２に関して先に述べたのと同じやり方で形成しても良い。
【００１７】
燃料電池２２が稼動している間、水素ガス３６は、バイポーラプレート３２ａのチャネル３４ａを通って流れ、基板１０ａを通ってアノード２８へと拡散する。同様のやり方で、酸素３８は、バイポーラプレート３２のチャネル３４を通って流れ、基板１０を通ってカソード２６へと拡散する。アノード２８で、水素３６は電子と陽子に分割される。電子は、電流として、アノード２８から駆動モーター（図示せず）を通ってカソード２６へと供給される。陽子は、アノード２８からＰＥＭ３０を通ってカソード２６へと移動する。カソード２６で、陽子は、駆動モーターから戻ってきた電子及び酸素３８と結合して、水４０を形成する。水４０は、カソード２６から基板１０を通ってバイポーラプレート３２のチャネル３４へと拡散し、燃料電池スタック２２から放出される。
【００１８】
燃料電池スタック２２では、ポリマー電極膜３０は、一定レベルの湿度を必要とする。膜３０が乾燥してしまうと、燃料電池２２に回復不可能な損傷が生じる。従って、水分（湿度）／水管理を通して膜３０内の湿度を維持するのは、燃料電池２２が適切に機能するのに非常に重要である。従って、親水性被覆４８は、バイポーラプレート３２のバイポーラプレートチャネル面３５の濡れ性を高めて、燃料電池スタック２２の水管理、性能、耐久性、及び効率を高める。
【００１９】
燃料電池を適切に機能させるには、生成された水が洪水問題を起こさないようにする必要がある。水中の酸素の可溶性には限界があるので、チャネル３４内に水が蓄積すると、大量輸送に限界が生じる。その様な蓄積が生じると、反応物質が欠乏するために電池が不完全に作動し、最終的には燃料電池の性能に影響を及ぼす。
【００２０】
以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本発明には様々な修正を施すことができ、特許請求の範囲は、本発明の精神及び範囲内に含まれるその様な全ての修正を包含するよう意図しているものと、認識し理解頂きたい。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、本発明による親水性の被覆を有するバイポーラプレートの断面図である。
【図１Ａ】図１Ａは、バイポーラプレートの部分断面図であり、親水性被覆を施した後で、バイポーラプレートのランド面に施された導電性被覆を示している。
【図２】図２は、本発明の親水性被覆を施したバイポーラプレートを含む燃料電池スタックの断面図である。
【図１】
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【図１Ａ】
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【図２】
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【国際調査報告】
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