JP2006525646A - 親液性燃料電池構成部品 - Google Patents

Abstract

構成部品（３６）上の液体が、比較的平坦な水滴またはシートの表面に密接に付着するよう、改良された親液性を有する表面を備えた燃料電池構成部品（３６）。親液性表面は、構成部品（３６）の表面上に、本質的に親液性のポリマ（３８）の薄い層を備えて成ることができる。親液性表面は、バイポーラプレートの流路壁表面や、膜電極アセンブリなどの構成部品（３６）の重要領域上に選択的に設けられ得、それにより、燃料電池の動作中に流路の液体封鎖を抑制する。

Description

本発明は、燃料電池に関し、より詳細には、親液性表面を有する燃料電池構成部品に関する。

燃料電池は、化石燃料燃焼エンジンとバーナーに関連する、環境上の問題と長期的な燃料供給の懸念により、より最近の研究開発活動の主題となってきた。燃料電池技術は、一般的に、車輌で使用が可能なように十分に小型で軽量である、よりクリーンなエネルギー源を約束する。加えて、燃料電池は、長距離にわたるエネルギー伝送に伴う非効率性を大幅に減少するため、不動適用におけるエネルギー使用地点に近く位置させることが可能である。

燃料電池用に、多数の異なる反応物質と材料が使用されることが可能であるが、すべての燃料電池は、電解質によって分離された陽極とそれに対する陰極とを一般的に有する。陽極と陰極は、反応物質が一方、すなわち一般的に陽極を通って電池内に導入され、酸化剤が他方、すなわち一般的に陰極を通って導入されるよう、孔隙または通路を一般的に有する。反応物質は電池内で酸化し、直流電気を発生し、副生成物として水と熱を発する。各電池は、約１ボルトの電位を一般的に発生するが、所望の電位値を供給するために燃料電池スタックを製造するため、直流でいくつの電池を接続しても、隔離プレートで分離してもよい。

現在の燃料電池設計において、陽極と、陰極と、電解質は、ガス拡散層を備えたポリマ電解質膜でもよい膜電極アセンブリにおいてしばしば組み合わされ、隔離プレートとカレントコレクタが「バイポーラプレート」でしばしば組み合わされる。このバイポーラプレートは、反応物質、酸化剤および冷却流のための流路と、エネルギー変換反応のための出発物質を拘束する。燃料電池設計と操作の詳細は、２００４年４月３０日に出願された同時係属出願である米国特許出願第＿＿＿号、「親液性表面を備えた燃料電池構成部品（Fuel Cell Component with Lyophilic Surface）」の付録Ａとして添付された、ウェストバージニア州モーガンタウンの米国エネルギー省の国立エネルギー技術研究所が２０００年１０月に発行した「燃料電池ハンドブック第５版」にさらに説明されており、付録Ａを含む前記出願は参照により本願にすべてが組み込まれる。膜電極アセンブリとバイポーラプレートを含む種々の燃料電池は、さらに、米国特許第４，９８８，５８３号、第５，７３３，６７８号、第５，７９８，１８８号、第５，８５８，５６９号、第６，０７１，６３５号、第６，２５１，３０８号、第６，４３６，５６８号、米国公開特許出願第２００２／０１５５３３３号に説明され、このそれぞれは、参照により本願にすべてが組み込まれる。

燃料電池の設計における持続的な課題は、電池内の水とその他の液体の管理にある。幾つかの条件下で、電池内で水が非常に急速に生成される。この水は、電池の陰極側で一般的に生成され、体積的に可能であれば、電池内への燃料流を制限または阻止することがある。かかる状態は当業において「陰極溢水」として周知である。加えて、電池内で大気から成る気体は、反応副生成物として生成され、動作上の理由から、電池内に意図的に導入されるかなりの量の水蒸気をしばしば含有する。電池と周囲環境の温度差は、動作中に水蒸気を含んだ気体が電池から出入りする際に、陰極または陽極流路内の表面上、プラント構成部品のバランス上、または電池内の他の表面上にこの水蒸気の結露が生じるようなものでもよい。また、たとえば直接メタノール燃料電池の場合などのように、１乃至それ以上の反応物質または酸化剤物質は液体の形態でもよい。

バイポーラプレート用の構造材料はさまざまであるが、ポリマ結合材内の炭素微粒子がますます選択される材質になってきている。結合材に適した一般的な構造ポリマは、ある程度、疎液性であることが典型的である。疎液性表面上に結露する液体は、比較的高い接触角で水滴を形成する傾向がある。その結果、ポリマがバイポーラプレートに使用される場合、水またはその他の液体は、流路内でバイポーラプレート上で緊密な水滴に集成する傾向があり、前述のように、流路の閉塞や制限につながる。

一般的に、水などの極性液体用のポリマの親液性は、ポリマの表面上に極性基を導入することで向上される。本願で用いられるように、極性基とは、たとえば、双極子または誘発双極子、酸塩基相互作用、水素結合、イオン相互作用、あるいは静電相互作用の結果生じうる、水またはその他の極性液体に親和力を有する化学成分を指す。これらの極性基は、たとえば酸素、窒素、塩素または硫黄などの、相対陰性元素を一般的に含み、水酸化物、エーテル、エステル、カルボニル、カルボキシル、アミン、アミド、ハロゲン化物、スルホニル基、またはスルフォン酸塩の形態をとることが可能である。

従来の試行は、構成部品の表面上に極性基を導入することで、浸潤性が向上した表面を持ったポリマ燃料電池構成部品を開発するために行われた。ある従来プロセスにおいて、構成部品の表面は、非常な高温への露出により酸化される。ただし、かかる高温プロセスで使用可能な材料は、分子構造の分解に抗することが可能で、非常な高温にも構造的完全性を保持できるものに必然的に限定される。加えて、表面を加熱し、冷却する必要性により、製造プロセスに複雑さ、遅延、費用が加えられる。その結果、バイポーラプレートとその他の燃料電池構成部品の大量製造用にこのようなプロセスを使用することは問題である。

別のプロセスにおいて、構成部品の表面は濃縮硫酸で処理される。このプロセスからの化学残留物は、燃料電池の正しい動作にとって有害である。処理後の汚染物質を除去するため、複雑で高価な手順が必要であり、ここでも、製造プロセスに複雑さ、遅延、費用が加えられる。

この産業で必要とされるものは、安価で、簡単に大量生産が可能で、向上された浸潤性を持つポリマ燃料電池構成部品である。

本発明は、安価で、簡単に大量生産でき、向上された浸潤性を持つポリマ燃料電池構成部品への産業のニーズを満たす。本発明の一実施例において、燃料電池構成部品はポリマ材料から形成される。構成部品本体の表面の少なくとも一部は、露出表面の親液性を増加するため、低温プラズマに露出される。その結果が、構成部品上の液体が、比較的平坦な水滴またはシート状で表面に緊密に付着するよう、向上された浸潤性を持つ表面を備えた燃料電池構成部品である。これらの表面は、バイポーラプレートおよび膜電極アセンブリの流路壁面上など、構成部品の重要領域上に選択的に設け、それにより、燃料電池の動作中の流路の液体閉塞を禁止できる。

本発明の別の実施例において、構成部品の表面は、向上された親液性を持った表面を製造するため、オゾンまたは酸素の存在下で、紫外線光で処理され得る。本発明の別の実施例においては、親液性表面を提供するため、ポリビニルアルコールなどの、本質的に親液性のポリマの薄層が、構成部品表面に適用されることが可能である。薄層は、プラズマポリマ化法、フィルムインサート成形、圧縮成形またはその他の適切な何らかの方法により
適用され得る。

以上の方法のいずれかにおいて、親液性処理は、向上された親液性が望まれる、構成部品の表面上のみを目標とされ得る。あるいは、親液性特性が不要あるいは望まれない、ポリマ処理の部分を除去してもよい。

本願の目的のため、「燃料電池」という用語は、プロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）、アルカリ燃料電池、（ＡＦＣ）、燐酸燃料電池（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸型燃料電池（ＭＣＦＣ）、および固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）を含むがこれに限らない、いかなる種類の電気化学燃料電池器具または装置を意味する。「燃料電池スタック装置」という用語は、エンクロージャ、絶縁、マニホールド、パイプ、および電気構成部品を含むがこれに限らない、燃料電池の機能に関する個別の構成部品すべてとともに、少なくとも１個の燃料電池と、そのすべての構成部品を含む装置を指す。

本発明による燃料電池スタック装置１０の一実施例の一部が、簡略化された断面図で図１に示される。燃料電池スタック装置１０は、バイポーラプレート１４により隔てられる膜電極アセンブリ１２を一般的に含む。エンドプレート１６の形態の片面バイポーラプレートは、各端部に装置１０を含む。各膜電極アセンブリ１２は、陽極膜構造１８と、陰極膜構造２０と、電解質２２とを一般的に含む。

プレート１４、１６は、炭素充填ポリマなどの電導性、耐腐食性、耐熱性材料から製造されるプレート体２３、２５を一般的に含む。プレート１４の表面２４と、プレート１６の内向き表面２６とは、水を排水するため、膜電極アセンブリ１２に反応物質と酸化剤とを伝達するための流路２８を典型的に有する。プレート１４とプレート１６の伝熱部３０は、電池から排熱するためのさらなる表面積を提供できる。

本発明によると、プレート１４またはプレート１６の外表面のすべてまたはいずれかの所望部分は親液性表面３１であることが可能である。たとえば、図２に図示されるように、流路２８からの溢水を禁止するため、流路２８の内向き表面３２上に、親液性表面３１が設けられ得る。反応プロセス中に発生される水滴は、比較的平坦な水滴またはシート状に、親液性表面３１上の流路３３に付着し、流路２８が開放状態にとどまることができる。

図１に図示されるように、伝熱部３０と外表面３４などの、バイポーラプレート１４またはエンドプレート１６のその他の部分は、これらの表面上に集約するあるいは凝結する水の排出を向上するため、親液性表面３１を設けてもよい。本願には図示しないが、ガス拡散層、プロトン交換膜（ＰＥＭ）、またはプラント構成部品のバランスなどの、燃料電池スタックアセンブリの他の構成部品が、電池内の流体管理を向上させるため、親液性表面３１を設けられてもよい。

本発明の第１の実施例において、バイポーラプレート１４、１６でよい燃料電池構成部品３６は、「低温」プラズマで処理された表面３９を備えた構成部品本体３７を有する。プラズマは、イオン、電子、ラジカル、原子および／またはその他の中性粒子から構成されるイオン化ガスである。低温プラズマは、本願でこの用語が使用されるように、一般的に最高約１０トール減圧で気体環境内でグロー放電により発生されるプラズマを指す。電子は数万ケルビン度の電子温度に達する一方で、気体イオンと分子は周囲温度にとどまる。プラズマの電子温度（Ｔｅ）は以下の関係にしたがって決定され得る。

ここで、ｅは電荷、ｋはボルツマン定数、Ｅは電界、λｅは、電子の平均自由行路、ｍmはプラズマ内の中性の原子と分子の質量、ｍeは、プラズマ内の電子の質量である。低温プラズマにおいて、エネルギーを持っていても電子は、プラズマ内のイオンと中性原子の熱質量のほんの一部を具現するに過ぎない。その結果、一般的に約３００ケルビン度（２３℃）という比較的低温にとどまる。

５００から数千ボルトまでの低周波（たとえば６０Ｈｚ）電位を電極に適用することで、電極間にグロー放電を発生させることができる。高周波発振を気体に導入することでもグロー放電は発生させられ得る。これらの高周波発振は、スパークギャップ発生器（１０ｋＨｚ〜５０ｋＨｚ）、高周波（ＲＦ）発生器（５０ｋＨｚ〜１５０ＭＨｚ）、またはマイクロ波発振器（１５０ＭＨｚ〜３００ＧＨｚ）によって供給され得る。低温プラズマ処理とその表面効果のさらなる詳細は、Souheng Wuの「ポリマインターフェースと付着（Pol ymer Interface and Adhesion）」、Marcel Dekker, Inc., New York, New York、１９８２年、P.298〜336による参考文献に概ね説明されており、これは参照により本願にすべてが組み込まれる。材料の親液性を向上するためのポリマ材料の低温プラズマ処理の種々のプロセスは、米国特許第３，５２６，５８３号、第３，８７０，６１０号、第４，０７２，７６９号、第４，１８８，４２６号、および第５，３１４，５３９号に開示され、それぞれは参照により本願にすべてが組み込まれる。

プラズマ処理装置１００の一実施例の簡略化された概略図を図３に示す。プラズマ処理装置１００は、密封チャンバ１０２と、真空源１０４と、電磁エネルギー発生器１０６と、プロセスガス供給システム１０８とを一般的に含む。本願で前述したように、ＲＦまたはマイクロ波発生器でよい電磁エネルギー発生器１０６は、チャンバ１０２の一部を包囲するインダクションコイル１１０に接続されている。真空源１０４は、一般的に１０トール以下で、好適には１トール以下の十分な真空状態をチャンバ１０２内に発生させることができる、いかなる適切な真空源でもよい。プロセスガス供給システム１０８は、チューブ１１４とフローコントローラ１１６を介して、チャンバ１０２に接続されるガス供給器１１２を一般に含む。

本発明の一実施例に概ね従い、燃料電池構成部品３６は、プラズマ処理装置１００のチャンバ１０２内に設置される。真空源１０４は、所定の真空圧（ベースプレッシャ）までチャンバ１０２を下げるために用いられる。ベースプレッシャに一旦達すると、ガス供給器１１２からのプロセスガスはチャンバ１０２内に導入される。フローコントローラ１１６は、一般的に約１０トール未満である所望プロセス圧に、チャンバ１０２内の圧力を安定させるために調整される。次に、電磁エネルギー発生器１０６を起動することで、チャンバ１０２内に低温プズマが発生される。処理を完遂させるために適切な時間の後、プラズマを停止させるために、電磁エネルギーが遮断される。次に、チャンバは大気圧まで回復され、処理された燃料電池構成部品３６が取り出される。

本発明に適することが判明した１台の市販のプラズマ処理装置は、ケンタッキー州アーランガーのPlasmatech, Inc.社製のPlasmatechモデルV55である。この他の、燃料電池構
成部品との接触状態に低温プラズマを発生し、維持できるいかなる適切なプラズマ処理装置も、本発明の範囲内で使用され得る。

本発明の特定の一実施例において、バイポーラプレート１４、１６は、電導性のため、グラファイト、またはカーボンブラックなどの電導性炭素と組み合わせた熱硬化性ビニルエステルから形成される。バイポーラプレート用の電導性グラファイトを充填したビニルエステル素材は、1600 Powis Court, West Chicago, Illionis 60185のBulk Molding Compounds, Inc.社の「BMC-940」という型番で市販されている。バイポーラプレート１４、
１６は、本発明の所有者により共通して所有され、参照により本願にすべてが組み込まれる、本出願と同日に提出された同時係属中の米国特許出願第＿＿＿号「押し出し成形可能なバイポーラプレート（Extrudable Bipolar Plates）」に開示される押し出し成形方法
を含む、いかなる適切な方法によっても形成され得る。一旦形成されると、バイポーラプレート１４、１６は、プロセスガスとして純酸素を用いて、前述のように、プラズマ処理装置１００で処理される。チャンバ１０２は、約０．１トールのベースプレッシャまで減圧される。酸素は、約３００ｍｌ／分の速度でチャンバ１０２内に導入され得、プロセス圧力は約１トールで安定化され得る。チャンバ１０２内でグロー放電により低温プラズマを発生させるため、電磁エネルギーは十分な量で適用され得る。一般的には約３０秒から１時間で、幾つかの実施例には１５〜３０分が適しているが、適切な時間の後、電磁エネルギーが遮断され、チャンバが大気圧に戻される。

一般的に、バイポーラプレート１４、１６の表面の浸潤性の程度は、低温プラズマへの露出時間が長くなるほど高くなる。約１分間の処理後、表面は、表面上に配される付着水滴に対して約２５〜４０°の接触角を呈している。１時間の処理後、表面は、水滴に対する接触角はほぼ０を呈する。

処理結果を変るため、プロセスガス圧と流量の他の値を用いられることは理解される。さらに、酸素が現在最も好まれるプロセスガスであるが、他の適切な気体と蒸気をこのプロセスに用いられることは予想範囲内である。対応する表面の修正を行うため、種々のプロセスガスが選択され得る。かかる他の適切な気体と蒸気は、たとえば、空気、窒素、アルゴン、アルキルアミン、アルキルシラン、アンモニア、二酸化炭素、塩素、二酸化塩素、塩化フッ化メタンなどのクロロフルオロカーボン、クロロホルム、塩化メチル、および塩化エチルなどのクロロヒドロカーボン、亜硝酸、オゾン、水蒸気、アルキオキシシラン、アリルアルコール、四塩化炭素、エチレングリコール、モノメチルエーテル、エチレンオキシド、一酸化炭素、ニトロアルケーン、窒素、二酸化窒素および硫黄酸化物を含む。

熱硬化性ビニルエステル材料が前述例で使用されたが、本発明のプロセスが、ポリマバイポーラプレート１４、１６と、材料表面で極性基の生成が可能な、本質的にいかなる組成の他の燃料電池構成部品を処理するために用いられることが可能である。バイポーラプレートと他の燃料電池構成部品を形成するに適した他のポリマ材質の一部のリストが図４に示される。これらの材質の電導性は、充填材材質を含めて修正され得、その一部のリストが図５の表に示される。

低温プラズマ処理は、親液性表面が望まれる、構成部品３６の外表面のほんの一部のみを選択的に対象とできることは理解される。一実施例において、プラズマ処理されない、構成部品３６の表面の部分上に、着脱式のマスクが適用され得る。処理後、未処理部分を露出させるため、マスクが取りはずされる。他の実施例においては、構成部品３６の全表面が処理され、処理された表面が望まれない部分では、処理済み表面が物理的に除去され得る。一般的に、処理済み表面は、厚さが約１０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲の薄層である。その結果、精密研磨と、たとえばＣＮＣミルなどのフライス盤を含む、その下の基板を過度に損傷することなく、かかる厚みのポリマ層を除去できるいかなる物理的除去手段も、本発明での使用が適切であることが予想される。

本発明の別の実施例において、構成部品３６の選択された部分が、大気圧低温プラズマ
処理装置でプラズマ処理され得る。本発明での使用に適していると思われる１台の大気低温プラズマ処理装置は、米国特許第６，５０２，５５８号に記載され、参照により本願にすべてが組み込まれる。構成部品３６の選択された部分が、大気圧でプラズマ処理されることを可能にする別のプラズマ処理装置が、米国特許第５，６９４，２４１号に記載され、参照により本願にすべてが組み込まれる。

前述のプロセスは低温プロセスであるため、これらは、以前に採用されたプロセスを超えるかなりの利点がある。処理による加熱と冷却時間が実質的に排除され、その結果、製造プロセスが加速され、より効率的になる。加えて、その低温により、これらのプロセスは、構成部品のかなりの寸法的な歪曲を生じない。また、処理プロセスにおいて化学薬品がないため、バイポーラ燃料構成部品に必要な後処理洗浄量が減少し、効率をさらに上げ、コストを下げる。さらに、前述の低温プラズマ処理プロセスは、一般的に、バイポーラプレートなどの特定の燃料電池構成部品に有益な電導性充填材を有するポリマ燃料電池構成部品３４の電導性を上げる。

ポリマ燃料電池構成部品の表面の親液性の向上は、紫外線（ＵＶ）光線での表面の処理でも得られる。幾つかの実施例では、構成部品は酸素に曝露され、波長が約１８４．７ｎｍのＵＶ放射を含む高エネルギーＵＶ放射を照射される。ＵＶ放射は酸素と相互作用し、オゾンと酸素ラジカルを生成し、ポリマ構成部品の表面を酸化する。別の実施例では、構成部品はオゾンに曝露され、波長が約２５４ｎｍのＵＶ放射を含む高エネルギーＵＶ放射を照射される。ＵＶ放射はオゾンを分子と原子酸素に分解し、それにより、ポリマ構成部品の表面を酸化する過激な酸化環境を作り出す。さらに、以上の実施例の各々において、構成部品のポリマ表面の直接ＵＶ照射はポリマの結合を断ち切り、表面が酸化環境に曝露される場合に、高度な極性ヒドロキシル基、カルボキシルまたはカルボキシル基が生成され、それにより、表面の親液性を向上させる。約１４０ｎｍ〜約４００ｎｍの範囲、あるいはより好適には約１８４ｎｍ〜約３６５ｎｍの範囲の波長の高エネルギーＵＶ放射が最も有効となる。

本実施例を実行するに適しているであろう紫外線処理装置２００が、簡略化された概略図で図６に図示される。紫外線処理装置２００は、一般的に、密封チャンバ２０２と、ＵＶ光源０４と、真空源２０６と、プロセスガス供給システム２０８を含む。チャンバ２０２は、好適には、耐ＵＶ材質から製造される。

ＵＶ光源２０４は、キセノン、水銀灯または、所望の波長のＵＶ放射を発することが可能なたのランプでもよい。２５４ｎｍと１８４．７ｎｍで高エネルギーＵＶを発するランプがＵＶ光源２０４に好まれる。ＵＶ光源２０４としての使用に適した特定のランプは、20 Commerce Way, Woburn, Massachusetts, 01801のXenon Corporationから市販される、タイプＣ、Ｄ、またはＥランプを取りつけた、ＲＣ−５００、ＲＣ−６００、ＲＣ−７４２、ＲＣ−７４７およびＲＣ−１００２型キセノンランプシステムを含む。ＵＶ光源２０４と構成部品３６は、ＵＶ光源２０４が起動される場合に、１５０ｍＪ／ｃｍ２〜３００ｍＪ／ｃｍ２のＵＶ放射が、構成部品３６の表面に発生されるよう、チャンバ２０２内に配されることが好適である。構成部品３６の多数の表面部分の同時ＵＶ放射を可能にするため、多数のＵＶ光源２０４がチャンバ２０２周囲に配され得ることは理解される。

真空源２０６は、一般的に１０トール以下で、より好適には１トール以下の十分な真空を、密封チャンバ２０２内に発生させることが可能ないかなる適切な真空源であってもよい。プロセスガス供給システム２０８は、一般的に、チューブ２１２を介してチューブ２０２に接続されるガス供給器２１０と、フローコントローラ２１４を含む。プロセスガス供給システム２０８によって供給されるプロセスガスは、オゾン、分子または原子酸素、または、硫酸、酸化窒素または二酸化窒素などの他の適切な酸化剤などでもよい。

本発明の特定の一実施例において、燃料電池構成部品３６は密封チャンバ２０２内に設置される。チャンバ２０２が適切なベースプレッシャ、一般的には約０．０００１〜２０トールの間で、より好適には約０．５〜１トールの間に排気されるまで、真空源２０６が起動される。次の工程で、オゾンがプロセスガス供給システム２０８を介して、チャンバ２０２内に導入され、チャンバ２０２内のガス圧が、ベースプレッシャまたはその付近であるプロセス圧で安定化される。次に、オゾンと構成部品３６を照射するため、ＵＶ光源２０４がオンにされる。３０秒から１時間のあいだの期間、処置を維持することは、構成部品３６の表面の浸潤性の向上を生じるために有効であることは予想される。プロセスガスとしてオゾンの代替品として、分子または原子酸素をプロセスガスとして使用でき、波長１８４．７ｎｍのＵＶ放射によりその場でオゾンが生成され得る。

本発明での使用が適していると思われるＵＶ処置プロセスのさらなる詳細は、２００３年２月２３〜２６日に開催され、接着学会から２００３年に発行され、ＩＳＳＮ１０８６−９５０６と識別される、Adhesion Society, Inc.の第２６回年次総会の議事録に含まれる、Bh urke, et.al.による発行物「付着性向上のためのポリマと合成物の紫外線光表面
処理（Ultraviolet Light Surface Treatment of Polymers and Composites to Improve Adhesion）」に明記され、これは参照により本願にすべてが組み込まれる。ＵＶ・オゾン処理プロセスに関するさらに一般的な情報は、J. Vac. Sci. Technol.の１９８５年５・
６月号のJohn R. Vigによる論文「表面のＵＶ・オゾン洗浄（UV/Ozone Cleaning of Surfaces）」（P.１０２７−１０３４）に発見され、これも参照により本願にすべてが組み込まれる。

図７に図示されるように、ポリビニルアルコール（ＰＶＯＨ）などの、本質的に親液性のポリマの薄層３８を適用することで、燃料電池構成部品３６の表面浸潤性が向上され得ることも予想される。層３８に適した他の親液性ポリマは、ポリエチレングリコールおよびポリプロピレングリコールなどのポリアルキレングリコール、セルロースと、ヒドロキシエチルセルロースなどの機能化セルロース化合物、ポリアクリロニトリル、ポリアクリルアミド、ポリビニルアミド、ポリビニル糖類、ポリアミノアクリレート、２ヒドロキセチルメタクリレートなどのポリヒドロキシアルキルアクリレート、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸塩、ポリ（スチレンスルホン酸ナトリウム）などの機能化スチレンアイオノマを含む。層３８で使用するポリマの適切性を評価する１つの方法は、水に浸漬した後にバルクポリマの平面試料の浸潤特徴を観察することによる。一般的に、表面上の水のシート化と、浸漬後にビーディングがないことは、適切なポリマ材質の肯定的な兆候である。別の方法において、バルクポリマの試料の水平面表面上の液滴の上向き接触角が観察され得る。４５°以下の上向き接触角は、一般的に、層３８に適切なポリマ材質の肯定的な兆候である。

一実施例において、粉体のＰＶＯＨが、水と、適切な架橋剤と混合され、構成部品３６の表面上に塗布され得る。たとえば、液体ＰＶＯＨ溶液は、０．５％Ｃｅｌｖｏｌ（登録商標）３２５ポリビニルアルコールと２０％の無水グリオキサール架橋剤（１０ｍｌのＣｅｌｖｏｌで１２５μｌ）から調製され得る。ＣｅｌｖｏｌTM３２５は、Calvert City, KentuckyのCel anese Chemicals社から市販されている。ＰＶＯＨ液の薄いコーティング
が、何らかの適切な手段により構成部品３６の表面に塗布され、乾燥され、それにより、構成部品３６上に層３８を形成する。層３８の厚みは、約１００ｎｍ〜約１ｍｍの範囲であることが概ね好適であり、より好適には、約１μｍ〜約１００μｍの範囲である。構成部品３６への層３８の付着は、層３８の塗布前に上記で概説した低温プラズマで、構成部品３６の表面を処理することで、強化され得る。

層３８は、親液特性が望まれる構成部品３６の部分のみ（たとえばバイポーラプレート
の流路の内表面）に選択的に塗布してもよい。層３８の選択的塗布は、層３８が省かれる構成部品３６の表面領域上に着脱式のマスク（図示せず）を取りつけることにより完遂され得る。層３８が、構成部品３６のマスク上とマスクを取りつけなかった部分とに塗布された後に、マスクが取りはずされる。他の実施例において、層３８は、自動ディスペンサを用いて、構成部品３６の所望部分のみに選択的に適用され得る。本発明での使用に適していると思われるかかる自動ディスペンサシステムの１つは、2-07 Banta Place, Fairlawn, New JerseyのI & J Fisnarから市販されるＤＫ１１８型デジタルディスペンサである。望ましい場合、自動ディスペンサをロボット式に自動位置決めされるようにしてもよい。自動ディスペンサの位置決めでの使用に適していると思われるロボット式位置決め装置は、やはりI & J Fisnarから市販されるＩ＆Ｊ７４００ロボットである。

本発明の別の実施例において、親液性ポリマは、薄いシート素材（たとえば１ｍｍ以下）の形態で提供され、本発明の所有者により共通して所有され、そのそれぞれが参照により本願にすべて組み込まれるＰＣＴ特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ０２／３７９６６号「流体素子用性能ポリマフィルムインサート成形（Performance Polymer Film Insert Molding for Fluid Control Devices）」とＰＣＴ特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ０２／３８０７６号「静
電消散フィルムを有する半導体部品操作器具（Semiconductor Component Handling Device Having an Electrostatic Dissipating Film）」に開示されるフィルムインサート成形方法を用いて、構成部品３６の表面に結合される。以上の方法を用いて、薄膜層３８は、親液特性が望まれる構成部品３６の表面の部分のみ（たとえばバイポーラプレートの流路の内表面）を選択的に標的にでき、それにより、親液特性が望まれない構成部品３６の表面の部分の層３８を除去するいかなる必要性も回避することは理解される。

別の実施例において、層３８は、既知の圧縮成形手法を用いて、構成部品３６の表面に薄い架橋シート素材の形態で、圧縮成形親液性ポリマにより適用され得る。別の実施例において、層３８は、構成部品３６の表面上に親液性ポリマを溶解させることで適用され得る。

層３８は、既知のプラズマポリマ化手法によっても適用され得る。一般的に、プラズマポリマ化において、有機化合物（たとえばモノマ）を反応炉内に導入することで、基板上にポリマ層が堆積される。モノマは、非弾性衝突を通して、プラズマからエネルギーを獲得し、活性化され、それにより、他のモノマまたはオリゴマと反応する。これらの小分子が結合し、ポリマとして基板と反応炉表面上に堆積する。本発明の文脈における構成部品３６上の層３８の堆積に適していると思われるプラズマポリマ化は、米国特許第３，５１８，１０８号、第３，６６６，５３３号、第４，０１３，５３２号、第４，１８８，２７３号および第５，４４７，７９９号に記載され、そのそれぞれが参照により本願にすべて組み込まれる。

プラズマポリマ化装置３００の一実施例の簡略化された概略図が図８に示される。プラズマポリマ化装置３００は、密封チャンバ３０２と、真空源３０４と、電磁エネルギー発生器３０６と、プロセスガス供給システム３０８と、起動ガス供給器３１０とを一般的に含む。プラズマ処理装置１００で本願で前述されるように、ＲＦまたはマイクロ波発振器でもよい電磁エネルギー発生器３０６は、チャンバ３０２の一部を包囲するインダクションコイル３１２に連結される。真空源３０４は、一般的に１０トール以下で、より好適には１トール以下の、十分な真空をチャンバ３０２内に発生させることが可能ないかなる適切な真空源であってもよい。プロセスガス供給システム３０８は、チューブ３１６とフローコントローラ３１８を介して、チャンバ３０２に接続されるガス供給器３１４を一般に含む。出発ガス供給器３１０は、チューブ３２２とフローコントローラ３２４を通して、チャンバ３０２に接続されるガス供給器３２０を一般的に含む。本発明での使用に適していると思われる別の装置が、米国特許第６，１５６，４３５号に開示され、参照により本
願にすべてが組み込まれる。

本発明の一実施例に概ね従い、燃料電池構成部品３６は、プラズマ処理装置３００のチャンバ３０２内に設置される。真空源３０４は、所定の真空圧（ベースプレッシャ）までチャンバ３０２を下げるために用いられる。ベースプレッシャに一旦達すると、ガス供給器３１４からのプロセスガスがチャンバ３０２内に導入される。フローコントローラ３１８は、一般的に約１０トール未満である所望プロセス圧に、チャンバ３０２内の圧力を安定させるために調整される。次に、電磁エネルギー発生器３０６を起動することで、チャンバ３０２内に低温プズマが発生される。次に、層３８の堆積を開始するため、出発気体供給器３１０からの出発気体がチャンバ３０２内に導入される。層３８が一旦適切な厚みに達すると、プラズマを停止させるため、電磁エネルギーが遮断され、出発気体供給器３１０からの出発気体流が停止される。次に、チャンバ３０２が大気圧まで回復され、堆積層３８を備えた燃料電池構成部品３６が取り出される。

出発気体供給器から供給される出発気体は、親液性ポリマを形成することが可能な、気体または蒸気の形態のいかなる有機または無機モノマ、あるいは他の化合物であってもよい。出発気体供給器３１０に適した出発気体の例は、エチレンオキシド、ニトロエタン、１ニトロプロパン（Ｃ₃Ｈ₇ＮＯ₂）、２ニトロプロパン（（ＣＨ₃）₂ＨＮＯ₂）、エチレン、メタンおよびトリメチルアミンを含む。さらに、出発気体としてシランまたはクロロシランを用いて、親水性酸化珪素層３８を構成部品３６上に形成することが可能である。本発明での使用に適していると思われるシラン化合物の例は、アミノシラン（たとえばアミノプロピルトリメトキシシラン、Ｎ−（２アミノエチル）−３アミノプロピルトリエトキシシランまたはビス［（３トリメトキシシリル）］エチレンジアミン）、ポリアルキレンオキシドシラン（たとえば２−［メトキシ（ポリエチレンオキシ）プロピル］トリメトキシシラン）、ウレタンシラン（たとえばＮ−（トリエトキシシリルプロピル）−ｏ−ポリエチレンオキシドウレタン）、およびヒドロキシルシラン（たとえばヒドロキシルメチルトリエトキシシラン）を含む。

バイポーラプレート１４、１６などの幾つかの構成部品３４については、層３８は比較的電導性があることが望ましい。電導性層３８は、プラズマポリマ化プロセス中に、チャンバ３０２内に炭素などの電導性微粒子を導入することで製造され得る。プラズマポリマ化により燃料電池構成部品上に電導性のポリマフィルムを製造するために適していると思われる装置と方法が、米国特許第４，４２２，９１５号に開示され、参照により本願にすべて組み込まれる。

ここでも、向上された親液性が望まれる場合、構成部品３６の一部のみにプラズマポリマ化層３８を選択的に標的にすることが、幾つかの実施例で望ましい場合がある。前述のように、層３８の選択的適用は、層３８が省略される構成部品３６の表面領域上に、着脱式マスク（図示せず）を適用することで完遂され得る。層３８が、構成部品３６のマスク上とマスクを取りつけなかった部分とに適用された後に、未処理部分を露出させるため、マスクが取りはずされる。また、層３８は、研磨またはフライス削りなどの一般的な機械加工方法により、向上された親液性が望まれない領域で物理的に除去されることも可能である。

本発明は、その中心的属性から離れることなく、他の特定の形態で実施され得、したがって、図示される実施例は、すべての点において例証的とみなされ、制限的とみなされてはならない。本出願に開示される特徴と、参照により本願に組み込まれたいかなる参考文献に記載される特徴は、特定の状況に適するように組み合わせる、あるいは修正されることが可能である。この他の種々の修正と変更は当業者には自明である。

本発明による、バイポーラプレートを備えた燃料電池スタック装置の簡略化された断面図。 装置内の1個の流路を描いた、図１の燃料電池スタック装置の拡大部分図。 低温プラズマ処理装置の簡略化された概略図。 バイポーラプレートとその他の燃料電池構成部品に適したポリマの表。 ポリマ燃料電池構成部品の電導率を修正する充填材材料の表。 紫外線処理装置の簡略化された概略図。 その上に親液性ポリマ層を備えた構成部品本体を描く、燃料電池構成部品の断面図。 プラズマポリマ化処理装置の簡略化された概略図。

Claims (22)

1. 燃料電池用ポリマバイポーラプレートであって、その一部上に親液性ポリマ材料の１層を備えたプレート体から成り、前記プレート体が、アルキド樹脂と、ジアリルフタレートと、エポキシと、フェノール樹脂と、メラミンと、ポリエステルと、尿素と、アクリル樹脂と、ポリオレフィンと、ポリスチレンと、ポリスチレン共重合体と、ポリ塩化ビニルと、フッ化ビニリデン樹脂と、ポリテトラフルオロエチレンと、ポリテトラフルオロエチレン共重合体と、ポリイミドと、ポリスルホンと、ポリフェニレンサルファイドと、ポリエステルと、ナイロンと、液晶ポリマと混合物と、ポリアリルケトンと、天然ゴムと、ポリイソプレンと、ポリブタジエンと、クロロプレンと、ブチルゴムと、ニトリルゴムと、シリコーンと、エチレンプロピレンゴムと、ポリオレフィンと、ポリエステルと、ポリウレタンと、エーテルアミドブロック共重合体と、スチレンオレフィンブロック共重合体とから成るグループから選択される少なくとも１個のポリマ材質から製造され、前記プレート体が、グラスファイバと、グラスビーズと、ステンレス鋼ファイバと、金属粒子と、鉱物と、炭粉と、カーボンファイバと、グラファイトと、カーボン小繊維と、カーボンナノチューブとから成るグループから選択される充填材料をさらに含み、バイポーラプレートが、
   ポリマ材料からプレート体を形成する工程と、前記プレート体が外表面を有することと、
   密封チャンバ内にプレート体を封止する工程と、
   密封チャンバ内に出発気体を導入する工程と、
   低温プラズマを発生させるため、十分な量の電磁エネルギーを出発気体に適用する工程と、
   プラズマポリマ化により、出発気体からプレート体上に１個のポリマ層を堆積する工程と
   から成るプロセスによって製造されるバイポーラプレート。
2. プレート体が熱硬化性ビニルエステルから製造される、請求項１に記載のバイポーラプレート。
3. 出発気体が、エチレンオキシドと、ニトロエタンと、１ニトロプロパン（Ｃ₃Ｈ₇ＮＯ₂
   ）と、２ニトロプロパン（（ＣＨ₃）₂ＨＮＯ₂）と、エチレンと、メタンと、トリメチル
   アミンとから成るグループから選択される、請求項１に記載のバイポーラプレート。
4. プロセスが、密封チャンバ内に電導性微粒子材料を導入する工程と、プレート体上に前記ポリマ層で電導性微粒子材料を堆積させる工程とからさらに成る、請求項１に記載のバイポーラプレート。
5. プロセスが、密封チャンバ内にシランまたはクロロシランを導入する工程と、プラズマポリマ化により、プレート体上に酸化珪素層を堆積させる工程とからさらに成る、請求項１に記載のバイポーラプレート。
6. プロセスが、ポリマ層の少なくとも一部を物理的に除去する工程からさらに成る、請求項１に記載のバイポーラプレート。
7. 親液性表面部分を有するポリマ燃料電池構成部品を製造するプロセスであって、
   ポリマ材料から構成部品を形成する工程と、前記構成部品が外表面を有することと、
   密封チャンバ内に構成部品を封止する工程と、
   密封チャンバ内に出発気体を導入する工程と、
   低温プラズマを発生させるため、十分な量の電磁エネルギーをプロセスガスに適用する
   工程と、
   プラズマポリマ化により、出発気体から構成部品上に本質的に親液性のポリマの１層を堆積する工程と
   から成るプロセス
8. 構成部品がバイポーラプレートである、請求項７に記載のプロセス。
9. 構成部品が、アルキド樹脂と、ジアリルフタレートと、エポキシと、フェノール樹脂と、メラミンと、ポリエステルと、尿素と、アクリル樹脂と、ポリオレフィンと、ポリスチレンと、ポリスチレン共重合体と、ポリ塩化ビニルと、フッ化ビニリデン樹脂と、ポリテトラフルオロエチレンと、ポリテトラフルオロエチレン共重合体と、ポリイミドと、ポリスルホンと、ポリフェニレンサルファイドと、ポリエステルと、ナイロンと、液晶ポリマと混合物と、ポリアリルケトンと、天然ゴムと、ポリイソプレンと、ポリブタジエンと、クロロプレンと、ブチルゴムと、ニトリルゴムと、シリコーンと、エチレンプロピレンゴムと、ポリオレフィンと、ポリエステルと、ポリウレタンと、エーテルアミドブロック共重合体と、スチレンオレフィンブロック共重合体とから成るグループから選択される少なくとも１個のポリマ材質から製造される、請求項７に記載のプロセス。
10. 構成部品が熱硬化性ビニルエステルから製造される、請求項７に記載のプロセス。
11. 構成部品が、グラスファイバと、グラスビーズと、ステンレス鋼ファイバと、金属粒子と、鉱物と、炭粉と、カーボンファイバと、グラファイトと、カーボン小繊維と、カーボンナノチューブとから成るグループから選択される充填材料を含む、請求項７に記載のプロセス。
12. 出発気体が、エチレンオキシドと、ニトロエタンと、１ニトロプロパン（Ｃ₃Ｈ₇ＮＯ₂）と、２ニトロプロパン（（ＣＨ₃）₂ＨＮＯ₂）と、エチレンと、メタンと、トリメチルアミンとから成るグループから選択される、請求項７に記載のプロセス。
13. プロセスが、密封チャンバ内に電導性微粒子材料を導入する工程と、構成部品上に前記ポリマ層で電導性微粒子材料を堆積させる工程とからさらに成る、請求項７に記載のプロセス。
14. プロセスが、密封チャンバ内にシランまたはクロロシランを導入する工程と、プラズマポリマ化により、構成部品上に酸化珪素層を堆積させる工程とからさらに成る、請求項７に記載のプロセス。
15. プロセスが、ポリマ層の少なくとも一部を物理的に除去する工程からさらに成る、請求項７に記載のプロセス。
16. 燃料電池構成部品であって、
    ポリマ材料から製造され、外表面を有する構成部品本体と、
    構成部品本体の外表面の少なくとも一部上にある親液性ポリマ材料の１薄層と
    から成る燃料電池構成部品。
17. 親液性ポリマが、ポリアルキレングリコールと、セルロースと、機能化セルロース化合物と、ポリアクリロニトリルと、ポリアクリルアミドと、ポリビニルアミドと、ポリビニル糖類と、ポリアミノアクリレートと、ポリヒドロキシアルキルアクリレートと、ポリアクリル酸と、ポリアクリル酸塩と、機能化スチレンアイオノマとから成るグループから選択される、請求項１６に記載の燃料電池構成部品。
18. 親液性ポリマがポリビニルアルコールである、請求項１６に記載の燃料電池構成部品。
19. 親液性ポリマ材料が、薄い架橋シート素材の１層として、親水性ポリマ材料を提供する工程と、構成部品の表面上にシート素材の層を圧縮成形する工程とから成るプロセスにより適用される、請求項１６に記載の燃料電池構成部品。
20. 親液性ポリマ材料が、薄膜として親水性ポリマ材料を提供する工程と、構成部品の表面上に前記膜を挿入成形する工程とから成るプロセスにより適用される、請求項１６に記載の燃料電池構成部品。
21. 親液性ポリマ材料の溶液を混合する工程と、構成部品の表面上に溶液の薄膜コーティングを塗布する工程とから成るプロセスにより適用される、請求項１６に記載の燃料電池構成部品。
22. 親液性ポリマ材料が、密封チャンバ内に構成部品を封止する工程と、大気圧未満のベースプレッシャまで密封チャンバを排気する工程と、密封チャンバ内にプロセスガスを導入する工程と、チャンバ内に出発気体を導入する工程と、低温プラズマを発生させるため、プロセスガスに十分な量の電磁エネルギーを適用する工程とから成るプロセスによって、適用される、請求項１６に記載の燃料電池構成部品。

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