(57)【要約】燃料電池のための、高い安定性を有していて安価なバイポーラプレートが開示される。高い安定性を有するバイポーラプレートは、バイポーラプレート支持体と、このバイポーラプレート支持体の上に溶射された耐食性コーティングを含む。バイポーラプレートの耐食性を向上させるための方法も開示される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池のための高い安定性を有するバイポーラプレートであって：
バイポーラプレート支持体；および
前記バイポーラプレート支持体の上に溶射された耐食性コーティング；
を含む前記バイポーラプレート。
【請求項２】
前記バイポーラプレート支持体は304Lまたは316Lの等級のステンレス鋼を含む、請求項１に記載の高い安定性を有するバイポーラプレート。
【請求項３】
前記耐食性コーティングはC-276の等級のステンレス鋼を含む、請求項１に記載の高い安定性を有するバイポーラプレート。
【請求項４】
前記耐食性コーティングは904L合金を含む、請求項１に記載の高い安定性を有するバイポーラプレート。
【請求項５】
前記耐食性コーティングは254SMO合金を含む、請求項１に記載の高い安定性を有するバイポーラプレート。
【請求項６】
前記耐食性コーティングはCarp-20合金を含む、請求項１に記載の高い安定性を有するバイポーラプレート。
【請求項７】
燃料電池のための高い安定性を有するバイポーラプレートであって：
ステンレス鋼のバイポーラプレート支持体；
前記バイポーラプレート支持体の上に溶射された耐食性コーティング、ここで前記耐食性コーティングは前記バイポーラプレート支持体の耐食性よりも高い耐食性を有する；および
前記耐食性コーティングの接触抵抗を最小化するために前記耐食性コーティングの上に設けられた被覆層；
を含む前記バイポーラプレート。
【請求項８】
前記バイポーラプレート支持体は304Lまたは316Lの等級のステンレス鋼を含む、請求項７に記載の高い安定性を有するバイポーラプレート。
【請求項９】
前記耐食性コーティングはC-276の等級のステンレス鋼を含む、請求項７に記載の高い安定性を有するバイポーラプレート。
【請求項１０】
前記耐食性コーティングは904L合金を含む、請求項７に記載の高い安定性を有するバイポーラプレート。
【請求項１１】
前記耐食性コーティングは254SMO合金を含む、請求項７に記載の高い安定性を有するバイポーラプレート。
【請求項１２】
前記耐食性コーティングはCarp-20合金を含む、請求項７に記載の高い安定性を有するバイポーラプレート。
【請求項１３】
バイポーラプレートの耐食性を向上させるための方法であって：
バイポーラプレート支持体を用意すること；および
前記バイポーラプレート支持体の上に耐食性コーティングを溶射すること；
を含む前記方法。
【請求項１４】
前記バイポーラプレート支持体は316Lの等級のステンレス鋼を含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記耐食性コーティングはC-276の等級のステンレス鋼を含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記耐食性コーティングは904L合金、254SMO合金およびCarp-20合金からなる群から選択される材料である、請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
前記耐食性コーティングの接触抵抗を最小化するために前記耐食性コーティングの上に被覆層を設けることをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
前記被覆層は、金、有機材料、白金、白金の合金、ロジウム、ルテニウム、ルテニウムの合金、パラジウムおよびパラジウムの合金からなる群から選択される材料である、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記被覆層はスパッターされた層を含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記バイポーラプレート支持体は304Lまたは316Lの等級のステンレス鋼を含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記耐食性コーティングはC-276の等級のステンレス鋼を含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記耐食性コーティングは904L合金、254SMO合金およびCarp-20合金からなる群から選択される材料である、請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
バイポーラプレートの耐食性を向上させるための方法であって：
溶射によってコーティング膜を形成すること；
バイポーラプレート支持体を用意すること；および
前記バイポーラプレート支持体の上に前記コーティング膜を型押しすることによって、前記バイポーラプレート支持体の上に耐食性コーティングを設けること；
を含む前記方法。
【請求項２４】
前記バイポーラプレート支持体は304Lまたは316Lの等級のステンレス鋼を含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記耐食性コーティングはC-276の等級のステンレス鋼を含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２６】
前記耐食性コーティングは904L合金、254SMO合金およびCarp-20合金からなる群から選択される材料である、請求項２３に記載の方法。
【請求項２７】
前記耐食性の層の接触抵抗を最小化するために前記耐食性の層の上に被覆層を設けることをさらに含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２８】
前記被覆層は、金、有機材料、白金、白金の合金、ロジウム、ルテニウム、ルテニウムの合金、パラジウムおよびパラジウムの合金からなる群から選択される材料である、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記被覆層はスパッターされた層を含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
燃料電池におけるバイポーラプレートのカソード側のフッ化物に対する耐食性を向上させるための方法であって：
カソード側を有するバイポーラプレート支持体を用意すること；および
前記バイポーラプレート支持体の前記カソード側の上に耐食性コーティングを溶射すること；
を含む前記方法。
【請求項３１】
前記バイポーラプレート支持体は304Lまたは316Lの等級のステンレス鋼を含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記耐食性コーティングはC-276の等級のステンレス鋼を含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項３３】
前記耐食性コーティングは904L合金、254SMO合金およびCarp-20合金からなる群から選択される材料である、請求項３０に記載の方法。
【請求項３４】
前記耐食性コーティングの接触抵抗を最小化するために前記耐食性コーティングの上に被覆層を設けることをさらに含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項３５】
前記被覆層は、金、有機材料、白金、白金の合金、ロジウム、ルテニウム、ルテニウムの合金、パラジウムおよびパラジウムの合金からなる群から選択される材料である、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記被覆層はスパッターされた層を含む、請求項３５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の分野
本発明は、電気自動車またはその他の機械類のための電気を発生させる燃料電池に関する。特に本発明は、高級ステンレス鋼の耐食性コーティングで被覆されるバイポーラプレートであって、溶射法（thermal spraying）を用いることにより、高分子電解質膜（PEM）燃料電池において用いられるときにこのバイポーラプレートにフッ化物耐性が付与されるものに関する。
【０００２】
発明の背景
近年、燃料電池の技術の開発、特に自動車への適用のための開発に多くの研究が向けられている。燃料電池の発電装置は５５％程度の効率があることが示されている。さらに、燃料電池の発電装置は、副生物として熱と水だけを排出するので環境に優しい。
【０００３】
燃料電池は、水素と酸素を結合させて水と最終生成物を生成させることによってエネルギーを生み出す。高分子電解質膜（PEM）燃料電池においては、カソードとアノードの間の電解質として高分子電極膜が用いられる。PEM燃料電池においては、しばしば複数の燃料電池が連続して積層されて、燃料電池積層体が形成される。燃料電池積層体においては、流れ領域のプレートの一方の側が一つの燃料電池のためのアノードとしての役割をして、流れ領域のプレートの反対側が隣接する燃料電池のためのカソードとしての役割をする。流れ領域のプレートの各々がアノードとカソードの両方の役割をするので、流れ領域のプレートはバイポーラプレートとしても知られている。
【０００４】
PEM燃料電池のためのバイポーラプレートは電気化学的に安定で、電気伝導性で、そして安価でなければならない。燃料電池の環境中で金属のバイポーラプレートの腐食が起こるとき、膜の分解によって腐食の過程が加速される。膜の分解生成物にはフッ化水素（HF）が含まれ、これが腐食の過程を加速させ、そして腐食の過程を本質的に自触媒的にする。316Lステンレス鋼は安価なバイポーラプレート材料として用いられてきた。
【０００５】
316Lステンレス鋼はフッ化物イオンに対してかなりの耐食性を示すが、その腐食速度はフッ化物イオンの浸出速度が増大するのに伴って増大する。この問題は、燃料電池の環境からフッ化水素イオンを除去するか、あるいはフッ化物イオンによる腐食に対して316Lステンレス鋼よりも高い耐性を有する高級なステンレス鋼を用いることによって、幾分か軽減することができる。しかし、バイポーラプレートのために高級なステンレス鋼を用いることにより、バイポーラプレートのコストが増大することになりやすい。
【０００６】
腐食感受性の高い支持体の耐食性を増大させるための様々な方法が知られている。例えばUS20030228512 A1は、ステンレス鋼の支持体の表面の接触抵抗を改善して、同時に支持体の上に金のコーティングを付着させることによって支持体の最適な耐食性を維持する方法を開示している。US20040091768 A1は、支持体の上に高分子の伝導性コーティングを付与することによって支持体の耐食性を増大させる方法を開示している。米国特許6,372,376 B1は、多数の導電性で耐食性の充填剤粒子を含有する導電性で耐食性のポリマーを支持体の上に付与することによって、支持体の耐食性を増大させる方法を開示している。
【０００７】
例えば316Lステンレス鋼のバイポーラプレートなどの低級ステンレス鋼のバイポーラプレートの表面を溶射を用いて高級ステンレス鋼または合金の薄い層で被覆することによって、バイポーラプレートに高度のフッ化物イオン耐食性が付与され、同時にバイポーラプレートのコストが許容できるレベルに維持されることが見出された。わずかな量のより高価な（より耐食性の高い）合金が必要とされるにすぎない。
【０００８】
発明の概要
本発明は、概して、燃料電池の環境中での高い安定性とフッ化物による腐食に対する耐性によって特徴づけられる新規なバイポーラプレートを対象とする。本発明のバイポーラプレートは、例えば304Lまたは316Lなどの典型的に低級なステンレス鋼であるステンレス鋼バイポーラプレート支持体と、溶射法を用いてバイポーラプレート支持体の上に被覆された高級ステンレス鋼または合金である耐食性コーティングを含む。耐食性コーティングは、例えばC-276などの高級ステンレス鋼とすることができる。例えば904L、254SMOおよびCarp-20などのその他の合金をコーティング材料として用いてもよい。従って耐食性コーティングは、低級ステンレス鋼のバイポーラプレート支持体を燃料電池の環境中でフッ化物イオンに対して実質的に耐性の高いものにする。これによりバイポーラプレートの寿命は実質的に長くなる。耐食性コーティングの接触抵抗を低下させるために、被覆層（これは例えば金または有機物のコーティングであってもよい）を耐食性コーティングの上に設けてもよい。
【０００９】
本発明はまた、バイポーラプレートの耐食性を向上させるための新規な方法を対象とする。その方法は、バイポーラプレート支持体（これは例えば304Lまたは316Lステンレス鋼などの典型的に低級なステンレス鋼である）を用意することと、溶射法を用いてバイポーラプレート支持体の上に耐食性コーティングを付与することを含む。耐食性コーティングは、例えばC-276の薄膜であってもよい。あるいは、耐食性コーティングは、例えば904L、254SMOまたはCarp-20などの合金であってもよい。その方法はさらに、耐食性コーティングの接触抵抗を低下させるために、この耐食性の層の上に被覆層を付着させることを含んでいてもよい。
【００１０】
発明の詳細な説明
本発明によれば、フッ化水素に対して改善された耐食性を有するバイポーラプレートを製造するために、バイポーラプレート支持体（これは例えば304Lまたは316Lステンレス鋼などの低級ステンレス鋼である）は、溶射プロセスを用いてもっと高級なステンレス鋼で被覆される。好ましくは、バイポーラプレート支持体のカソード側が耐食性コーティングで被覆され、それにより燃料電池が動作する間の塩化物またはフッ化物による腐食に対するバイポーラプレートのカソード側の耐性を増大させる。低級ステンレス鋼のバイポーラプレート支持体の表面を、例えばもっと高級なC-276からなる（０.１〜２μmの）薄い耐食性コーティングで被覆することにより、フッ化物イオンの環境中でのバイポーラプレートの腐食速度がかなり低下し、しかるにバイポーラプレートに著しいコストは付加されない。バイポーラプレート支持体の上に耐食性コーティングとして被覆することのできる合金としては、例えば904L、254SMOまたはCarp-20ステンレス鋼がある。
【００１１】
溶射されたステンレス鋼コーティングの接触抵抗は、このステンレス鋼コーティングの上に被覆層を付与することによって最小にすることができる。被覆層は、例えば金（Au）または有機物コーティングの薄い層（＜１０nm）であってもよい。被覆層のためのその他の適当な材料としては、白金およびその合金、ロジウム、ルテニウムおよびその合金、およびパラジウムおよびその合金がある。本発明による溶射プロセスを用いて薄い高級ステンレス鋼または材料で低級なステンレス鋼または材料を被覆することは、費用対効果が高い。というのは、高級ステンレス鋼または材料を用いて厚いバイポーラプレートを製造すると費用が極めて高くつくからである。
【００１２】
図１は本発明に従う高い安定性を有するバイポーラプレート10（以下、バイポーラプレートという）の断面図である。バイポーラプレート10はバイポーラプレート支持体12を有していて、これは例えば304Lまたは316Lステンレス鋼などの典型的に低級なステンレス鋼である。耐食性コーティング14（これはバイポーラプレート支持体12の等級よりも高い等級のステンレス鋼とすることができる）が、溶射プロセスを用いてバイポーラプレート支持体12の外側表面13の上に形成されている。耐食性コーティング14は好ましくは、典型的におよそ０.１〜３０μmの厚さを有する。耐食性コーティング14のための適当な等級のステンレス鋼としては、例えばC-276 ssがある。あるいは耐食性コーティング14は、例えば904L、254SMOおよびCarp-20などの合金であってもよい。
【００１３】
被覆層16（これは例えば金（Au）または有機材料とすることができる）が、典型的に耐食性コーティング14の上に設けられ、これにより耐食性コーティング14の接触抵抗が低く維持される。被覆層16のためのその他の適当な材料としては、白金およびその合金、ロジウム、ルテニウムおよびその合金、およびパラジウムおよびその合金がある。被覆層16の厚さは好ましくは、金の被覆の場合は典型的に約１０nm未満であり、そして高分子の被覆の場合は典型的におよそ１０〜２８マイクロメートルである。
【００１４】
図２は、本発明に従って高い安定性を有するバイポーラプレートを製造するために実施される連続した加工処理工程を示す流れ図である。工程１において、バイポーラプレート支持体が用意される。バイポーラプレート支持体は、例えば304Lまたは316Lなどの典型的に低級なステンレス鋼であり、燃料電池の燃料電池積層体において用いるのに適した大きさと形状を有する。
【００１５】
工程２において、バイポーラプレート支持体の外側表面の上に耐食性コーティングが形成される。耐食性コーティングの厚さは好ましくは、典型的におよそ０.１〜３０μmの範囲である。耐食性コーティングは、例えばC-276ステンレス鋼を含めた高級ステンレス鋼とすることができる。あるいは耐食性コーティングは、例えば904L、254SMOまたはCarp-20などの耐食性合金であってもよい。耐食性コーティングは、溶射プロセスを用いてバイポーラプレート支持体の外側表面の上に被覆される。
【００１６】
溶射のプロセスに伴って、溶融粒子または塑性変形が可能な粒子の形成が進行する。粒子は熱源の中で表面または支持体に向かって高速度で運ばれ、そこで付着が起こる。粒子は広がって、そして下にある表面または支持体と化学的な結合を形成する。粒子と化学的な結合を形成することのできない支持体材料の場合、機械的な結合が形成されるように、支持体の表面は予め粗くされる。各々の小滴または粒子は粗くなった表面と衝突し、そして表面上の隆起部分と機械的に連結する。
【００１７】
工程３において、耐食性の層の接触抵抗を最小化するために、この耐食性コーティングの上に被覆層が付着される。被覆層は好ましくは、典型的に約１０nm未満の厚さを有する。被覆層は、例えば金（Au）または有機材料とすることができる。
【００１８】
下の表Ｉは、様々な等級のステンレス鋼、合金およびチタンについての実際の腐食速度と正規化した腐食速度を示している。各々の試料の腐食速度と正規化した腐食速度は、試料をエッチング溶液（１M H2SO4＋０.１M HF）に８０℃で１時間浸すことによって得られた。
【００１９】
【表１】
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【００２０】
上の表１は、ステンレス鋼または合金の等級が高くなるほど、硫酸とフッ化水素の混合物中でのステンレス鋼または合金の耐食性が良いことを示す。同じ溶液中でのチタンの耐食性は304Lステンレス鋼の耐食性に匹敵する。図３の棒グラフは、様々な等級のステンレス鋼と様々な合金の腐食速度の視覚による比較を示している。
【００２１】
次に図４を参照すると、本発明に従ってバイポーラプレート支持体12の上に耐食性コーティング14を形成するために用いられる溶射プロセスは、溶射装置20を用いて実施することができるが、この装置は一般的なものであってもよい。溶射装置20は、ガンノズル24を有するガン22を含む。支持体の支え28が、ガンノズル24と距離をおいた関係をもって配置される。使用する際には、バイポーラプレート支持体12は支持体の支え28の上に装着され、このときバイポーラプレート支持体12の外側表面13はガンノズル24に対面している。次いで、耐食性コーティング14として用いられるべきステンレス鋼または合金は、バイポーラプレート支持体12の外側表面13に対してガンノズル24からスプレーの流れ26の中の溶融粒子として噴射される。従って、ステンレス鋼または合金の耐食性コーティング14は外側表面13と化学的な結合を形成する。以後の加工処理工程において、PVD（物理蒸着法）または当業者に知られているその他の付着方法を用いて、耐食性コーティング14の上に被覆層16（図１）を被覆してもよい。
【００２２】
次に図５および図５Ａを参照すると、本発明の方法に従う、高い安定性を有するバイポーラプレート10aの製造におけるローラー型の溶射装置30が示されている。装置30はガンノズル34を有するガン32を有していて、ガンノズルはローラー表面37を有する回転可能なローラー36から距離がおかれている。装置30を操作する際には、バイポーラプレート支持体12aの上の耐食性コーティング14aとして用いられるべきステンレス鋼または合金は、ローラー36のローラー表面37に対してスプレーの流れ40の中の溶融粒子として噴射される。同時に、ローラー36は、図５において矢印によって示されるように、反時計回りの方向に回転される。その結果、ステンレス鋼または合金のコーティング膜15がローラー表面37の上に形成される。ローラー表面37は、ステンレス鋼または合金のコーティング膜15に化学的または物理的に結合しない材料のものである。コーティング膜15の先行する部分はローラー36から連なっていて、そして型押しダイ38とバイポーラプレート支持体12aの間に置かれる。
【００２３】
次に、耐食性コーティング14a（これはコーティング膜15の先端部分である）は、型押しダイ38とバイポーラプレート支持体12aの間で型押しされる。これにより耐食性コーティング14aはバイポーラプレート支持体12aの表面に型押しされて、図５Ａに示すように、高い安定性を有するバイポーラプレート10aの製造が完了する。以後の加工処理工程において、PVD（物理蒸着法）または当業者に知られているその他の付着方法を用いて、耐食性コーティング14aの上に被覆層16aを被覆してもよい。
【００２４】
以上において本発明の好ましい態様を説明したが、本発明においては様々な変更がなされうるものであり、添付の特許請求の範囲は本発明の精神と範囲内に入るであろう全てのそのような変更に及ぶことが意図されていることが認められ、そして理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は本発明に従って溶射法によって製造された高い安定性を有するバイポーラプレートの一部の断面である。
【図２】図２は本発明の高い安定性を有するバイポーラプレートを製造する方法に従って実施される連続した加工処理工程を示す流れ図である。
【図３】図３は２０００ppmのHF中での様々なステンレス鋼合金（Ｘ軸に沿ってプロットしている）の腐食速度（Ｙ軸に沿ってプロットしている）を比較した棒グラフである。
【図４】図４は本発明の一つの態様に従って高い安定性を有するバイポーラプレートを製造するために用いられる溶射プロセスを示す概略図である。
【図５】図５は本発明の別の態様に従って型押しされた高い安定性を有するバイポーラプレートを製造するために用いられる溶射プロセスを示す概略図である。図５Ａは、図５の溶射方法に従って製造された型押しされた高い安定性を有するバイポーラプレートの断面である。
【図１】
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【図２】
2008516392.tif 000005
【図３】
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【図４】
2008516392.tif 000007
【図５】
2008516392.tif 000008
【図５Ａ】
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【国際調査報告】
2008516392.tif 000010
2008516392.tif 000011