(57)【要約】【課題】システムの複雑化及び燃料電池システム効率の低下をもたらすこと無く、燃料電池の流れチャンネルに蓄積する水を減少させることにより、燃料電池を効率的に動作させる。【解決手段】燃料電池７０のための流れ場プレート又は二極式プレート１８は、燃料電池環境において前記プレートを伝導性、親水性及び安定にするため組み合わせられた、ＴｉＯ２層（５０、５２）及び伝導層（７２、７４）を備える。ＴｉＯ２及び伝導性材料は、別々の層としてプレート上に堆積されてもよく、又は、単一層として組み合わされていてもよい。ＴｉＯ２層（５０，５２）及び伝導層（７２、７４）のいずれが最初に堆積されてもよい。一実施例では、伝導性材料は金である。【選択図】図３
2007048753.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プレート材料から作られた流れ場プレートを備える燃料電池であって、
前記流れ場プレートは、反応ガスに応じた複数の流れチャンネルを備え、該流れ場プレートは、燃料電池環境において前記プレートを伝導性、親水性及び安定にするため組み合わせられた、ＴｉＯ２層及び伝導層を更に備える、燃料電池。
【請求項２】
前記プレート材料は、ステンレス鋼、チタニウム、アルミニウム、及び、ポリマー−カーボン複合ベースの材料からなる群から選択される、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記伝導層は、金の層である、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記ＴｉＯ２層は、前記伝導層が堆積される前に前記流れ場プレート上に堆積される、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記伝導層は、前記ＴｉＯ２層が堆積される前に前記流れ場プレート上に堆積される、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記ＴｉＯ２層は、前記流れチャンネルに蓄積している水の接触角度を２０°より小さくさせる、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記ＴｉＯ２層は、表面汚染に対して耐性を有する、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記ＴｉＯ２層は、５乃至１０００ｎｍの範囲の厚さを有する、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記伝導層は、２乃至１０ｎｍの範囲の厚さを有する、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記ＴｉＯ２層及び前記伝導層は、電子ビーム蒸着プロセス、マグネトロンスパッタリング、パルスプラズマプロセス、プラズマ化学気相成長法、原子層堆積プロセス、溶射、スピンコート法、ディップコート法、及び、ゾル−ゲルプロセスからなる群から選択されたプロセスによって前記流れ場プレート上に堆積される、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記流れ場プレートは、アノード側流れ場プレートと、カソード側流れ場プレートとからなる群から選択される、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記燃料電池は、車両上の燃料電池スタックの一部である、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項１３】
プレート材料から作られた流れ場プレートを備える燃料電池であって、
前記流れ場プレートは、反応ガスに応じた複数の流れチャンネルを備え、該流れ場プレートは、燃料電池環境において前記プレートを伝導性、親水性及び安定にするＴｉＯ２及び伝導性材料の混合物である外側層を備える、燃料電池。
【請求項１４】
前記プレート材料は、ステンレス鋼、チタニウム、アルミニウム及びポリマー−カーボン複合べース材料からなる群から選択される、請求項１３に記載の燃料電池。
【請求項１５】
前記伝導性材料は金である、請求項１３に記載の燃料電池。
【請求項１６】
前記外側層は、前記流れチャンネルに蓄積している水の接触角度を２０°より小さくさせる、請求項１３に記載の燃料電池。
【請求項１７】
前記外側層は、表面汚染に対して耐性を有する、請求項１３に記載の燃料電池。
【請求項１８】
前記外側層は、５乃至１０００ｎｍの範囲の厚さを有する、請求項１３に記載の燃料電池。
【請求項１９】
前記外側層は、電子ビーム蒸着プロセス、マグネトロンスパッタリング、パルスプラズマプロセス、プラズマ化学気相成長法、原子層堆積プロセス、溶射、スピンコート法、ディップコート法、及び、ゾル−ゲルプロセスからなる群から選択されたプロセスによって前記流れ場プレート上に堆積される、請求項１３に記載の燃料電池。
【請求項２０】
前記流れ場プレートは、アノード側流れ場プレートと、カソード側流れ場プレートとからなる群から選択される、請求項１３に記載の燃料電池。
【請求項２１】
前記燃料電池は、車両上の燃料電池スタックの一部である、請求項１３に記載の燃料電池。
【請求項２２】
プレート材料から作られた流れ場プレートを備える燃料電池であって、
前記流れ場プレートは、反応ガスに応じた複数の流れチャンネルを備え、該流れ場プレートは、燃料電池環境において前記プレートを伝導性、親水性及び安定にするＴｉＯｘ層を更に備える、燃料電池。
【請求項２３】
前記プレート材料は、ステンレス鋼、チタニウム、アルミニウム及びポリマー−カーボン複合べース材料からなる群から選択される、請求項２２に記載の燃料電池。
【請求項２４】
前記ＴｉＯｘにおける前記ｘは、０．１乃至６の範囲にある、請求項２２に記載の燃料電池。
【請求項２５】
前記ＴｉＯｘ層は、前記流れチャンネル内に蓄積している水の接触角度を２０°より小さくさせる、請求項２２に記載の燃料電池。
【請求項２６】
前記ＴｉＯｘ層は、表面汚染に対して耐性を有する、請求項２２に記載の燃料電池。
【請求項２７】
前記ＴｉＯｘ層は、５乃至１０００ｎｍの範囲の厚さを有する、請求項２２に記載の燃料電池。
【請求項２８】
前記ＴｉＯｘ層は、電子ビーム蒸着プロセス、マグネトロンスパッタリング、パルスプラズマプロセス、プラズマ化学気相成長法、原子層堆積プロセス、溶射、スピンコート法、ディップコート法、及び、ゾル−ゲルプロセスからなる群から選択されたプロセスによって前記流れ場プレート上に堆積される、請求項２２に記載の燃料電池。
【請求項２９】
前記流れ場プレートは、アノード側流れ場プレートと、カソード側流れ場プレートとからなる群から選択される、請求項２２に記載の燃料電池。
【請求項３０】
前記燃料電池は、車両上の燃料電池スタックの一部である、請求項２２に記載の燃料電池。
【請求項３１】
燃料電池のための流れ場プレートを作る方法であって、
プレート材料から作られる流れ場プレートを用意し、
燃料電池環境において前記プレートを伝導性、親水性及び安定にする非化学量論的金属酸化物層を前記流れ場プレート上に堆積させる、各工程を備える方法。
【請求項３２】
前記流れ場プレート上に伝導層を堆積させる工程を更に備える、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
非化学量論的金属酸化物層及び伝導層を堆積させる前記工程は、前記流れ場プレート上に前記伝導層を堆積させる工程と、該伝導層上に前記非化学量論的金属酸化物層を堆積させる工程とを更に備える、請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
非化学量論的金属酸化物層及び伝導層を堆積させる前記工程は、前記流れ場プレート上に前記非化学量論的金属酸化物層を堆積させる工程と、該非化学量論的金属酸化物層上に前記伝導層を堆積させる工程とを更に備える、請求項３２に記載の方法。
【請求項３５】
前記伝導層は金の層である、請求項３２に記載の方法。
【請求項３６】
前記非化学量論的金属酸化物層は、ＴｉＯｘを含み、ｘは０．１乃至６の範囲にある、請求項３１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、燃料電池のための二極式プレートに係り、より詳しくは、該二極式プレートを燃料電池環境において伝導性、親水性及び安定にするため組み合わせられた、ＴｉＯ２層及び伝導層を備える燃料電池のための二極式プレートに関する。
【背景技術】
【０００２】
水素は、非常に魅力的な燃料である。水素は、クリーンで、燃料電池内で電気を効率的に生成するため使用することができるからである。水素燃料電池は、アノードと、カソードと、該アノード及びカソードの間に設けられた電解質と、を有する、電気化学的装置である。アノードは、水素ガスを受け取り、カソードは、酸素又は空気を受け取る。水素ガスは、自由陽子及び電子を発生するためアノード中で分解される。陽子は、電解質を通ってカソードに至る。陽子は、カソードで酸素及び電子と反応して水を発生する。アノードからの電子は、電解質を通過することができず、かくして、カソードに送られる前に仕事を実行するため負荷を介して差し向けられる。当該仕事は、車両を作動するように働く。
【０００３】
陽子交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）は、人気のある車両用燃料電池である。ＰＥＭＦＣは、概して、例えば過フッ化スルホン酸膜等の固体ポリマー電解質陽子伝導性部材を備えている。アノード及びカソードは、典型的には、炭素粒子に担持され、イオノマーと混合された、通常ではプラチナ（Ｐｔ）でできた細かく分割された触媒粒子を含んでいる。触媒混合物は、膜の両側に堆積されている。アノード触媒混合物、カソード触媒混合物及び膜の組み合わせは、膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）を形成する。膜電極アッセンブリは、適切な水管理及び加湿、並びに、例えば一酸化炭素（ＣＯ）等の触媒に有害な成分の制御を始めとした、有効な動作のための幾つかの条件を必要としている。
【０００４】
典型的には、所望のパワーを発生するため幾つかの燃料電池が燃料電池スタック内で組み合わされている。上述した自動車の燃料電池スタックに対して、当該スタックは、約２００個の燃料電池を含んでいてもよい。燃料電池スタックは、カソード反応ガスを受け入れ、該ガスは、典型的にはコンプレッサによりスタックを通過された空気の流れである。酸素の必ずしも全ては、スタックにより消費されず、空気のある成分は、カソード排気ガスとして出力され、該排気ガスは、スタック副産物として水を含み得る。燃料電池スタックは、アノード水素反応ガスを受け入れ、該ガスはスタックのアノード側に流れ込む。
【０００５】
燃料電池スタックは、スタック内の幾つかのＭＥＡの間に配置された一連の流れ場又は二極式プレートを備えている。二極式プレートは、スタック内で隣接する燃料電池のためのアノード側部及びカソード側部を備えている。アノードガス流れチャンネルは、二極式プレートのアノード側に設けられ、該二極式プレートは、アノードガスがＭＥＡのアノード側に流れることを可能にする。カソードガス流れチャンネルは、二極式プレートのカソード側に設けられ、該二極式プレートは、カソードガスがＭＥＡのカソード側に流れることを可能にする。二極式プレートは、冷却流体が流れるところの流れチャンネルを更に備えている。
【０００６】
二極式プレートは、燃料電池により発生された電気が一つの電池から次の電池まで該二極式プレートを伝導してスタックから出るように、典型的には、例えばステンレス鋼、チタニウム、アルミニウム、ポリマー炭素合成物等々の伝導性材料から作られている。金属二極式プレートは、典型的には、該プレートの外側表面に自然の酸化物を生成し、該プレートが腐食に耐えるようにしている。しかし、酸化物層は、伝導性ではなく、かくして、燃料電池の内部抵抗を増大させ、その電気的性能を減少させる。また、酸化物層は、プレートをより疎水性にする。
【０００７】
本出願の譲受人に譲り受けされた米国特許出願公開番号２００３／０２２８５１２号は、流れ場プレート上に伝導性外側層を堆積させるプロセスを開示している。該プロセスによれば、プレートを酸化させ、該プレートのオーム接触抵抗を増大させることを防止している。該特許出願の内容は、ここで参照したことで本願に組み込まれる。本出願の譲受人に譲り受けされた米国特許番号６，３７２、３７６号は、流れ場プレート上に導電性酸化耐性で酸化耐性のコーティングを堆積させる工程を開示している。本出願の譲受人に譲り受けされた米国特許出願公開番号２００４／００９１７６８号は、流れ場プレートを耐腐食性、導電性及び熱伝導性にするため、流れ場プレート上にグラファイト及びカーボンブラックのコーティングを堆積させる工程を開示している。
【０００８】
当該技術分野で良く理解されるように、燃料電池内の膜は、膜を横切るイオン抵抗が陽子を有効に伝導させるのに十分に低くなるように、一定の相対湿度を有する必要がある。燃料電池の作動中には、ＭＥＡ及び外部加湿源からの湿気が、アノード及びカソード流れチャンネルに入り得る。電池パワーの低い要求量、典型的には０．２Ａ／ｃｍ２より低い要求量では、水は流れチャンネル内に蓄積する。反応ガスの流速が低すぎて水をチャンネルから押し出すことができないからである。水が蓄積するとき、液滴が形成され、該液滴はプレート材料が相対的に疎水性の性質を持つが故に膨張し続ける。水滴の接触角度は、液滴が反応ガスの流れに実質的に垂直に流れチャンネル内で形成される際に、実質的に９０度となる。液滴のサイズが増大するにつれて、当該流れチャンネルが閉鎖され、反応ガスが他の流れチャンネルへと逸らされる。これらのチャンネルは、共通の入口マニホルド及び出口マニホルドの間に並列に構成されているからである。反応ガスは水で遮蔽されたチャンネルを通って流れることができないので、反応ガスは水をチャンネルから押し出すことができない。チャンネルが遮蔽された結果として反応ガスを受け取らなかった膜の当該領域は、電気を発生せず、かくして、不均一な電流分布をもたらし、燃料電池の全体的な効率を低下させる。更により多くの流れチャンネルが水により遮蔽されるにつれて、燃料電池により生成された電気は減少し、電池故障とみなされる２００ｍＶより低い電池電圧電位にまで達する。燃料電池が直列に電気的に連結されているので、燃料電池の一つが働きを停止すると、燃料電池スタック全体が働きを停止する。
【０００９】
通常、反応ガスをより速い流速で流れチャンネルを通して周期的に導入することによって流れチャンネル内に蓄積した水を追い出すことは可能である。しかし、カソード側では、このことは、空気コンプレッサに適用された寄生的なパワーを増大させ、これによってシステム効率全体を低下させる。その上、燃費減少、システム効率減少、排気ガス流れ内で上昇した濃度の水素を処理するためのシステムの複雑化といった問題を始めとして、水素燃料をパージガスとして使用していない多数の理由が存在している。
【００１０】
チャンネル内に蓄積した水を減少させることは、入口の湿気を減少させることによっても達成することができる。しかし、燃料電池内の膜が水和した状態のままであるようにアノード及びカソード反応ガスに相対湿度を提供することが望ましい。乾燥した入口ガスは、膜上に乾燥効果をもたらし、電池のイオン抵抗を増大させかねず、膜の長期に亘る耐久性を制限する。
【特許文献１】米国特許出願公開番号２００３／０２２８５１２号
【特許文献２】米国特許番号６，３７２、３７６号
【特許文献３】米国特許出願公開番号２００４／００９１７６８号
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
チャンネルの水輸送を改善するため、本願発明者によって、燃料電池用の二極式プレートを親水性にすることが提案された。親水性プレートは、チャンネル内の水に薄膜を形成させ、該薄膜は、共通の入口ヘッダー及び出口ヘッダーに接続されたチャンネルの列に沿って流れ分布を変える傾向をより少なくさせる。プレート材料が十分な濡れ性を有する場合、拡散媒体を通して輸送される水は、チャンネル壁と接触し、毛細管力によって、該チャンネルに沿ってチャンネルの底コーナーへと輸送される。流れチャンネルのコーナーにおいて自発的な濡れ作用を支持するための物理的な要請は、次のコンクス−フィン（Concus-Finn）条件により与えられる。
【００１２】
β＋α／２  ＜  ９０°
ここで、βは、静的接触角度であり、αは、チャンネルコーナー角度である。上記条件は、矩形チャンネル、α／２＝４５°に対して、自発的濡れ作用は、静的接触角度が４５°より小さいとき発生することを述べている。複合二極式プレートを備えた現在の燃料電池スタックの設計で使用される略矩形チャンネルに対しては、これは、チャンネル水輸送及び低い負荷の安定性に関して親水性プレートの有利な効果を実現するため必要とされる接触角度に、大まかな上限を設定する。
【００１３】
燃料電池の二極式プレートに親水性コーティングを提供するとき、設計上の懸念事項に取り組む必要がある。親水性コーティングが高い表面エネルギーを有するので、それらコーティングは、ガス燃料及び／又は酸素流れから、加湿器及び上流配管から燃料電池に入ってきた粒子及び他の汚染物質、又は、ＭＥＡ、拡散媒体、シール部等の他の構成要素により内部で発生した粒子及び他の汚染物質を引き付ける。コーティング上のこれらの汚染物質の蓄積は、時間の経過と共に、コーティングの親水性をかなり減少させる。たとえ、ガスフィルター処理及び超クリーンな構成要素を使用することにより汚染を制御する試みがなされたとしても、親水性コーティング又は他の表面処理の劣化が、燃料電池の所望の６０００時間に及ぶ寿命の間に発生しないことは起こりそうにもない。
【００１４】
本発明の教えによれば、燃料電池環境において二極式プレートを伝導性、親水性及び安定にする、ＴｉＯ２及び伝導性材料の組み合わせを備える、燃料電池のための流れ場プレート又は二極式プレートが開示される。前記ＴｉＯ２及び伝導性材料は、別々の層として前記プレート上に堆積させてもよいし又は単一層として組み合わせることができる。ＴｉＯ２層又は伝導層のいずれを最初に堆積させてもよい。
【００１５】
本発明の追加の特徴は、添付図面と関連付けられた次の詳細な説明及び添付請求項から明らかとなる。
【実施例】
【００１６】
二極式プレートを燃料電池環境で伝導性、親水性及び安定にするため金属酸化物層及び伝導層を備える燃料電池のための二極式プレートに関する本発明の実施例の次の説明は、本質上単なる例示にしか過ぎず、本発明、その用途又は使用法を制限することを意図したものではない。
【００１７】
図１は、上述した種類の燃料電池スタックの一部である燃料電池１０の断面図である。燃料電池１０は、過フッ化スルホン酸膜１６により分離された、カソード側部１２及びアノード側部１４を備える。カソード側部の拡散媒体層２０は、カソード側部１２に設けられ、カソード側部の触媒層２２は、膜１６と拡散媒体層２０との間に設けられる。同様に、アノード側部の拡散媒体層２４は、アノード側部１４に設けられ、アノード側部の触媒層２６は、膜１６と拡散媒体層２４との間に設けられる。触媒層２２及び２６と膜１６とはＭＥＡを画定する。拡散媒体層２０及び２４は、ＭＥＡへの導入ガス輸送及びＭＥＡからの水輸送を提供する多孔性層である。拡散媒体層２０及び２４の各々に又は膜１６に触媒層２２及び２６を堆積させるための様々な技術が知られている。
【００１８】
カソード側流れ場プレート又は二極式プレート１８は、カソード側部１２に設けられ、アノード側流れ場プレート又は二極式プレート３０は、アノード側部１４に設けられている。二極式プレート１８及び３０は、燃料電池スタック内の燃料電池の間に設けられている。二極式プレート３０内の流れチャンネル２８からの水素の反応ガスは、触媒層２６と反応して、水素イオンと電子とに分解する。二極式プレート１８内の流れチャンネル３２からの空気流れは、触媒層２２と反応する。水素イオンは、膜１６を通って伝播することができ、該膜を通してイオン電流が運搬される。最終的な生成物は水であり、該水は環境に一切の負の影響を及ぼさない。
【００１９】
本実施例では、この例に限定されるものではないが、二極式プレート１８が、打ち抜き可能され、一緒に連結された２つのシート３４及び３６を備える。シート３６は、流れチャンネル３２を画定し、シート３４は、燃料電池１０に隣接した燃料電池のアノード側部のための流れチャンネル３８を画定する。冷却流体流れチャンネル４０は、図示のように、シート３４及び３６の間に設けられている。同様に、二極式プレート３０は、流れチャンネル２８を画定するシート４２と、隣接する燃料電池のカソード側のための流れチャンネル４６を画定するシート４４と、冷却流体流れチャンネル４８と、を備えている。本明細書中で説明される実施例では、シート３４、３６、４２及び４４は、例えばステンレス鋼、チタニウム、アルミニウム、ポリマーカーボン複合ベース材料等の導電性材料から作られる。
【００２０】
本発明の一実施例によれば、二極式プレート１８及び３０は、燃料電池環境においてプレート１８及び３０を導電性、腐食耐性、親水性及び安定にする、金属酸化物層５０及び５２を各々有する。一実施例では、金属酸化物層５０及び５２は、適切なドーパントでドーピングされる。層５０及び５２の親水性は、流れチャンネル２８及び３２内の水に、水が流れチャンネルを遮蔽することがないように水滴の代わりに膜を形成させる。特に、層５０及び５２の親水性は、流れチャンネル３２、３８、２８及び４６内に蓄積した水の接触角度を、好ましくは２０°より小さい角度に減少させ、それにより、反応ガスの流れは、低い負荷でチャンネルを通って分配される。
【００２１】
更には、金属酸化物中のドーパントは、層５０及び５２の伝導度を増大させるように選択される。二極式プレート１８及び２０の伝導度をより増大させることによって、燃料電池間の電気的接触抵抗並びに燃料電池内での損失が減少され、かくして電池効率を増大させる。また、層５０及び５２の伝導度の増大は、圧力スタック中の圧縮力の減少を提供することができ、スタック内における一定の耐久性の問題にも取り組むことができる。一実施例では、層５０及び５２の伝導度が金の伝導度に近くなるようにドーパントが選択される。
【００２２】
更には、層５０及び５２内のドーパントは、層５０及び５２を安定即ち腐食耐性にするように選択される。特に、当該技術分野で十分に理解されているように、燃料電池１０の作動中に膜１６の過フッ化スルホン酸イオノマーの劣化の結果としてフッ化水素酸（ＨＦ）が発生する。フッ化水素酸は、本願で説明された材料のうち幾つか、特に二極式プレート１８及び３０の材料に腐食効果を及ぼす。金属酸化物層５０及び５２は、二極式プレート１８及び３０が腐食することを各々防止する。
【００２３】
層５０及び５２のための適切な金属酸化物には、二酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化スズ（ＳｎＯ２）、五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、五酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）、二酸化モリブデン（ＭｏＯ２）、二酸化イリジウム（ＩｒＯ２）、二酸化ルテニウム（ＲｕＯ２）並びにそれらの混合物等が挙げられるが、これらの例に限定されるものではない。適切なドーパントは、例えばＮ、Ｃ、Ｌｉ、Ｂａ、Ｐｂ、Ｍｏ、Ａｇ、Ａｕ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｎｄ、Ｙ、Ｍｎ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｂ、Ｎｉ、Ｗ、Ｚｒ、Ｈｆ等並びにそれらの混合物等、適切な点欠陥を形成し得る材料から選択することができる。一つの特定の実施例では、ドーピングされた金属酸物は、ニオブ（Ｎｂ）及びタンタル（Ｔａ）がドーピングされた酸化チタニウム（ＴｉＯ２）と、フッ素（Ｆ）がドーピングされた酸化スズ（ＳｎＯ２）とである。層５０及び５２のドーパントの量は、一実施例では、層５０及び５２の組成の０〜１０％の範囲にあってもよい。
【００２４】
図２は、水平軸が圧力、垂直軸が接触抵抗を表すグラフであり、電気的接触抵抗と二極式プレートのための圧縮圧力との関係を示している。特に、グラフライン６０は、制御制御接触抵抗、グラフライン６２は、ＮｂがドーピングされたＴｉＯ２に関する接触抵抗であり、グラフライン６４は、ＦがドーピングされたＳｎＯ２に関する接触抵抗である。
【００２５】
代替実施例では、金属酸化物層５０及び５２が、非化学量論的金属酸化物層である。非化学量論的金属酸化物は、金属酸化物の格子構造における酸素空格子点を備えている。金属酸化物は、親水性を提供する。空格子点は、価電子帯における電子が金属酸化物の伝導帯へ飛躍して伝導性を提供することを可能にしている。更に、非化学量論的金属酸化物は、表面に接着する汚染物質の疎水性効果を減少させる。特に、非化学量論的金属酸化物は、酸化剤として作用し、該酸化剤では、自浄式窓に類似して汚染物質が酸化されるようになり、金属酸化物層５０及び５２の両方を、親水性及び伝導性にする。非化学量論的金属酸化物の適切な例には、ｘを０．１乃至６の範囲としたときのＴｉＯｘが含まれているが、これに限定されるものではない。
【００２６】
本発明によれば、ＴｉＯ２は、燃料電池環境において二極式プレート１８及び３０を親水性及び安定にする層５０及び５２のため使用することができる一つの金属酸化物である。二極式プレート１８及び３０の伝導性は、ＴｉＯ２層５０及び５２と組み合わせられた伝導性材料を提供することによって達成することができる。一実施例では、伝導性材料は、層５０及び５２を画定し且つ増大した伝導度を提供するように、ＴｉＯ２と混合されてもよい。例えば、マグネトロンスパッタリングプロセス等、任意の適切なプロセスを、伝導性材料にＴｉＯ２を混合させるために使用することができる。伝導性材料は、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、プラチナ（Ｐｔ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、希土類金属等を始めとした、本願明細書に説明した目的のための任意の適切な伝導性材料であってもよいが、これらの例に限定されるものではない。
【００２７】
更には、別個の伝導性層を、金属酸化物層５０及び５２と組み合わせて堆積させることができる。図３は、燃料電池１０に類似した燃料電池７０の断面図である。図３では、同様の構成要素は同じ参照番号により同定される。本実施例では、金属酸化物層５０及び５２は、ＴｉＯ２層である。プレート１８及び３０の伝導度をより増大させるため、薄い伝導層７２が金属酸化物層５０上に堆積され、薄い伝導層７４が金属酸化物層５２上に堆積される。一実施例では、伝導層７２及び７４は、金であるが、例えば上述したような他の伝導性材料も適用可能である。更には、伝導層７２及び７４は非常に薄く、一般には、２〜１０ｎｍのオーダーにあり、それにより、金属酸化物層５０及び５２の親水性特性が、伝導層７２及び７４を通して提供される。代替実施例では、伝導層７２及び７４は、金属酸化物層５０及び５２がプレート１８及び３０上に堆積される前に、二極式プレート１８及び３０上に各々堆積されてもよい。
【００２８】
層５０及び５２が二極式プレート１８及び３０に堆積される前に、二極式プレート１８及び３０は、プレート１８及び３０の外側に形成された抵抗性酸化膜を除去するため、イオンビーム又はマグネトロンスパッタリング等の適切なプロセスによりクリーニングされる。金属酸化物層５０及び５２は、物理気相成長プロセス、化学気相成長（ＣＶＤ）プロセス、溶射プロセス、スピンコート法プロセス、ディップコート法プロセス、及び、ゾル−ゲルプロセスを始めとする任意の適切な技術によって二極式プレート１８及び３０上に堆積させることができる。物理気相成長プロセスの適切な例には、電子ビーム蒸着プロセス、マグネトロンスパッタリング及びパルスプラズマプロセスが含まれている。適切な化学気相成長プロセスには、プラズマ化学気相成長プロセス及び原子層堆積プロセスが含まれている。一実施例では、層５０及び５２は、５〜１０００ｎｍの範囲の厚さに堆積される。
【００２９】
前記説明は、本発明の単なる一例としての実施例を開示し、記載している。当業者は、添付された請求の範囲で画定された本発明の精神及び範囲から逸脱すること無く上記実施例に様々な変更、変形及び修正をなし得ることを容易に認めるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１は、燃料電池環境でプレートを伝導性、親水性及び安定にする金属酸化物コーティングを有する二極式プレートを備える燃料電池スタック内の燃料電池の断面図である。
【図２】図２は、水平軸が圧力、垂直軸が接触抵抗を表すグラフであり、電気的接触抵抗と二極式プレートのための圧縮圧力との関係を示している。
【図３】図３は、燃料電池環境でプレートを伝導性、親水性及び安定にするため組み合わせられた、ＴｉＯ２層及び伝導層を有する二極式プレートを備える燃料電池スタック内の燃料電池の断面図である。
【符号の説明】
【００３１】
１０    燃料電池
１２    カソード側部
１４    アノード側部
１６    過フッ化スルホン酸膜
１８    二極式プレート
２０    カソード側部の拡散媒体層
２２    カソード側部の触媒層
２４    アノード側部の拡散媒体層
２６    アノード側部の触媒層
２８    流れチャンネル
３０    二極式プレート
３２    流れチャンネル
３４    シート
３６    シート
３８    アノード側部のための流れチャンネル
４０    冷却流体流れチャンネル
４２    シート
４４    シート
４６    カソード側部のための流れチャンネル
４８    冷却流体流れチャンネル
５０    金属酸化物層
５２    金属酸化物層
７０    燃料電池
７２    伝導層
７４    伝導層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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