JP2009505351A - 除去が容易なマスクを使用して燃料電池構成要素を製造する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】除去が容易なマスクを使用して燃料電池構成要素を製造する方法を提供する。
【解決手段】様々な特性を持つ表面を形成するための別のプロセスの後に除去される、マスクを使用して燃料電池の構成要素を形成する方法。
【選択図】図１

Description

本開示は、マスクを使用して燃料電池構成要素を製造する方法に関する。

水素は非常に魅力的な燃料である。これは、水素がクリーンであり、燃料電池で電気を効率的に発生するのに使用できるためである。自動車産業は、車輛の動力源として水素燃料電池を開発するのに多くの資源を費やしてきた。このような車輛は、内燃エンジンを使用する今日の車輛よりも効率が高く、発生するエミッションが少ない。

水素燃料電池は、アノード、カソード、及びこれらの電極間の電解質を含む電気化学的デバイスである。アノードは、水素含有量が高いガス又は純水素を受け取り、カソードは酸素又は空気を受け取る。水素ガスは、アノードで解離し、自由陽子及び電子を発生する。陽子は、電解質を通ってカソードまで移動する。陽子は、カソードで酸素及び電子と反応し、水を発生する。アノードからの電子は、電解質を通過できず、及びかくして負荷を通して差し向けられ、カソードに送られる前に仕事を行う。この仕事を使用し、例えば車輛を作動する。

陽子交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）は、車輛の用途で一般的である。ＰＥＭＦＣは、一般的には、ペルフルオロスルホン酸膜等の固体ポリマー電解質導陽子膜を含む。アノード及びカソードは、代表的には、炭素粒子上に支持され、イオノマーと混合した、通常はプラチナ（Ｐｔ）である微細な触媒粒子を含む。触媒粒子は、膜の両側に付着している。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により、膜は、膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）を形成する。ＭＥＡは、製造に比較的費用がかかり、有効に作動するために特定の条件を必要とする。これらの条件には、適当な水分管理及び湿度、及び一酸化炭素（ＣＯ）等の触媒を損なう成分の制御が含まれる。

代表的には、所望の電力を発生するため、燃料電池スタックで幾つかの燃料電池を組み合わせる。上文中で言及した自動車用燃料電池スタックについては、スタックは、約２００枚又はそれ以上のバイポーラプレートを含んでいてもよい。燃料電池スタックは、カソード反応体ガス、代表的には、コンプレッサがスタックを通して強制的に流す空気を受け取る。スタックで全ての酸素が消費されるわけではなく、空気の幾分かは、スタックの副生物として液体の水を含むカソード排気ガスとして排出される。燃料電池スタックは、更に、スタックのアノード側に流入するアノード水素反応体ガスを受け取る。

燃料電池スタックは一連の流れ場を含み、又はスタックの幾つかのＭＥＡ間に位置決めされたバイポーラプレートを含む。バイポーラプレートは、スタックの隣接した燃料電池に対し、アノード側及びカソード側を含む。アノードガス流れチャンネルがバイポーラプレートのアノード側に設けられており、これによりアノードガスをＭＥＡのアノード側に流すことができる。カソードガス流チャンネルがバイポーラプレートのカソード側に設けられており、これによりカソードガスをＭＥＡのカソード側に流すことができる。バイポーラプレートは、更に、冷却流体用流れチャンネルを備えていてもよい。

バイポーラプレートは、代表的には、燃料電池が発生した電気を１つのセルから次のセルに導き、スタックから出すように、ステンレス鋼、チタニウム、アルミニウム、高分子炭素複合材料等の導体で形成されている。金属製バイポーラプレートの外面には、代表的には、酸化物が自然に形成され、これによりバイポーラプレートを耐蝕性にする。しかしながら、この酸化物層は、非導電性であり、及びかくして燃料電池の内部抵抗を上昇し、その電気的性能を低下する。更に、酸化物層は、多くの場合、プレートを更に疎水性にする。

本願の出願人に譲渡された米国特許出願第２００３／０２２８５１２号には、プレートの酸化を阻止し且つオーム接点を増大する導電性外層を流れ場プレートに付着するためのプロセスが開示されている。同特許出願に触れたことにより、この特許出願に開示された内容は本明細書中に含まれたものとする。更に、本願の出願人に譲渡された米国特許第６，３７２，３７６号には、導電性で耐酸化性で耐酸性のコーティングを流れ場プレートに付着することが開示されている。更に、本願の出願人に譲渡された米国特許出願第２００４／００９１７６８号には、流れ場プレートを耐蝕性で導電性で熱伝導性にするため、グラファイト及びカーボン黒のコーティングを流れ場プレートに付着することが開示されている。

当該技術分野でよく理解されているように、燃料電池内の膜は、陽子を効果的に導く上で膜の前後のイオン抵抗が十分低いように、所定の相対湿度を持つことを必要とする。燃料電池の作動中、ＭＥＡからの水分及び外部の湿度がアノード流れチャンネル及びカソード流れチャンネルに進入する。燃料電池に対する電力要求が低い場合には、代表的には、０．２Ａ／ｃｍ２よりも低い場合には、流れチャンネル内に水が溜まる。これは、水をチャンネルの外に出すには反応体ガスの流量が低過ぎるためである。水が溜まるにつれて液滴が形成され、これらの液滴は、プレートの材料が疎水性であるため、大きくなり続ける。水滴の接触角度はほぼ約９０°であり、そのため、液滴は流れチャンネル内で反応体ガスの流れ方向に対してほぼ垂直方向に形成する。液滴の大きさが大きくなるにつれて、流れチャンネルが閉鎖し、反応体ガスが他の流れチャンネルに逸らされる。これは、これらのチャンネルが共通の入口マニホールドと出口マニホールドとの間で並列であるためである。水で塞がれたチャンネルを通って反応体ガスが流れないため、反応体ガスは水をチャンネルの外に出すことができない。チャンネルが塞がれたために反応体ガスを受け取らない膜の領域は、電気を発生せず、かくして電流の分布が不均等になり、燃料電池の効率が全体として低下する。水によって塞がれた流れチャンネルの数が増えると、燃料電池が発生する電気が減少し、燃料電池の電位が２００Ｖよりも低いと燃料電池の故障と考えられる。燃料電池は、電気的に直列に接続されているため、一つの燃料電池が作動を停止すると、燃料電池スタック全体が作動を停止してしまう。

通常は、反応体ガスを流れチャンネルを通して高い流量で定期的に圧送することによって、流れチャンネル内に溜まった水をパージできる。しかしながら、カソード側では、これにより、空気コンプレッサに加わる寄生動力が増大し、これによってシステムの全体としての効率が低下する。更に、水素燃料をパージガスとして使用しないことには、経済的理由、システムの効率が低下するという理由、及び高濃度水素を排気ガス流で取り扱うため、システムの複雑さが増すという理由を含む多くの理由がある。

更に、入口での湿度を低下することによっても、チャンネル内に溜まった水を減少できる。しかしながら、燃料電池内の膜を含水状態に保持するため、アノード反応体ガス及びカソード反応体ガスに或る程度の相対湿度を提供するのが望ましい。乾燥した入口ガスには、膜を乾燥する作用があり、その結果、燃料電池のイオン抵抗が上昇し、長期に亘る膜の丈夫さが制限される。

本発明者は、チャンネルでの水の輸送を改良するため、燃料電池用バイポーラプレートを親水性にすることを提案した。親水性プレートにより、自然湿潤と呼ばれるプロセスでチャンネル内の水を表面に沿って拡げる。結果的に形成された薄膜には、共通の入口ヘッダ及び出口ヘッダに連結されたチャンネルのアレイに沿った流れの分布を変化させる傾向が小さい。プレート材料の表面エネルギが十分に高い場合には、拡散媒体を通して輸送された水は、チャンネル壁と接触した後、毛管力によってチャンネルの下隅部にその長さに沿って輸送される。流れチャンネルの隅部での自然湿潤を支持する物理的必要条件は、コンカス−フィン（Ｃｏｎｃｕｓ−Ｆｉｎｎ）条件、即ちβ＋α／２＜９０°によって説明される。ここで、βは、液体の表面と固体の表面との間に形成された静的接触角度であり、αはチャンネル隅部角度である。矩形のチャンネルについては、α／２＝４５°であり、これは、静的接触角度が４５°よりも小さい場合に自然湿潤が生じるということを示す。複合バイポーラプレートを含む現在の燃料電池スタック設計で使用されるほぼ矩形のチャンネルについては、これは、親水性プレート表面がチャンネル水輸送及び低負荷時の安定性に及ぼす有利な効果を実現する上で必要とされる接触角度についてのほぼ上限を設定する。
米国特許出願第２００３／０２２８５１２号 米国特許第６，３７２，３７６号 米国特許出願第２００４／００９１７６８号

マスクを使用して燃料電池構成要素を製造する方法を提供する。

本発明の一実施例は、マスクを使用して燃料電池構成要素を形成する方法である。マスクは、燃料電池構成要素を損傷することなく、洗い落とすことができ、引き剥がすことができ、又はかき取ることができる。

本発明の他の実施例は、以下の詳細な説明から明らかになるであろう。詳細な説明及び特定の例は、本発明の好ましい実施例を示すけれども、単に目的を例示するものであって、本発明の範囲を限定しようとするものではないということは理解されるべきである。

本発明は、詳細な説明及び添付図面から更に完全に理解されるであろう。

好ましい実施例の以下の説明は単なる例であって、本発明、その用途、又は使用を限定しようとするものではない。
図１は、バイポーラプレート８等の、しかしこれに限定されない燃料電池構成要素の製造で有用な基材１０を示す。この基材１０は実質的に平らであり、上面１２を備えている。基材１０は、高品質のステンレス鋼等の金属で形成されていてもよいし、導電性複合材料で形成されていてもよい。

次に図２を参照すると、本発明の一実施例では、基材１０の上面１２の部分に亘ってマスク材料１４を選択的に付着させる。マスク材料１４は、基材１０上にブラシで付けてもよいし、ロールで塗装してもよいし、スクリーン印刷してもよい。マスク材料１４は、液体状態で適用される任意の材料であってもよく、液体のままであってもよいし、その後乾燥してもよく、基材を損傷することなく、引き剥がしてもよいし洗い落としてもよい。液体マスク材料には、珪藻土等の土材料、塩、糖、粉末、又は粒状物が含まれる。一実施例では、液体マスク材料は、水又はアルコールのうちの少なくとも一方を有する。本発明の一実施例では、液体マスクは、高分子カルボン酸のナトリウム塩及び珪藻土の水−アルコール溶液を含む。適当なマスク材料は、テキサス州アマリロのテクスプレーＬ．Ｐ．社から、「ワンダーマスク（ＷＯＮＤＥＲＭＡＳＫ）」の商標で入手できる。液体マスクを基材１０の上面１２に選択的に付着させ、上面１２の部分１２’を露呈されたままにする。開口部即ちチャンネル２６をマスク１４の隣接した部分の間に形成する。上面１２の露呈した部分１２’に加工を行ってもよい。加工には、上面１２の露呈した部分１２’にクリーニング、エッチング、ピッチング、イオン注入、ボンバード、ドーピング、ブラスティング、又はコーティングを行うことが含まれるが、これらに限定されない。

次に図３を参照すると、本発明の一実施例では、親水性コーティング等のコーティング１６が、マスク１４の隣接した部分間のチャンネル２６を通って流れ、このコーティングを硬化させる。

次に図４を参照すると、マスク１４を除去した後、基材１０をバイポーラプレート８等の燃料電池構成要素に形成できる。形成は、型打ち等によって行ってもよい。マスク１４は、水を含む浴内で除去してもよく、又は基材に水をスプレーすることによって除去してもよい。別の態様では、本発明の一実施例では、マスク１４を基材１０の上面１２から引き剥がしてもよいし、かき取ってもよい。バイポーラプレート８は、ランド３２及びチャンネル３４を含む。好ましくは、コーティング１６はバイポーラプレート８のチャンネル３４だけに残る。バイポーラプレート８のチャンネル３４は、側壁１００及びフロア１０２によって画成されてもよい。コーティング１６は、側壁１００及びフロア１０２に設けられていてもよいし、フロア１０２だけに設けられていてもよい。

次に図５を参照すると、本発明の別の実施例では、マスク１４をバイポーラプレート８のランド３２に付着させ、バイポーラプレート８のチャンネル３４が覆われておらず且つ露呈された状態のままにする。この場合も、上文中に説明した種類の加工をバイポーラプレートの露呈部分に行ってもよい。

次に図６を参照すると、親水性コーティング等のコーティング１６を、マスク１４及びバイポーラプレート８の露呈部分３４に付着させる。親水性コーティング１６は、本発明の一実施例では、無機構造及び有機構造を含む。適当な親水性コーティングの例には、ＳｉＯ２、ＨｆＯ２、ＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＳｎＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ３、ＭｏＯ２、ＩｒＯ２、ＲｕＯ２を含む金属酸化物、準安定オキシナイトライド、非化学量論的金属酸化物、オキシナイトライド、及び炭素鎖を含む又は炭素及び／又は極性基を含む誘導体、及びこれらの混合物を含有するコーティングが含まれるが、これらのコーティングに限定されない。コーティング１６は、スプレー、ブラシ付け、ロール塗装、印刷、浸漬、物理蒸着法、化学蒸着法、又はプラズマ補助蒸着法によって付着できる。その後、コーティング１６を硬化させ、マスク１４をこのマスクを覆うコーティングとともに除去し、図７に示すようにバイポーラプレート８のチャンネル３４だけにコーティング１６を残す。

「重ねる」や「被せる」といった用語は、本明細書中、層の互いに対する相対的な位置に関して使用され、これらの層は、互いに直接接触していてもよいし、又は別の層がこれらの層間に配置されていてもよい。

本発明の説明は、単なる例示であり、かくしてその変更は、本発明の精神及び範囲から逸脱するものと考えられるべきではない。

図１は、本発明の一実施例に従って燃料電池構成要素を製造する上で有用な基材を示す図である。 図２は、マスク材料を基材に付着する工程を含む、本発明の一実施例によるプロセスを示す図である。 図３は、マスク材料の部分間に残る開口部にコーティングを付着する工程を含む、本発明の一実施例によるプロセスを示す図である。 図４は、マスク材料を除去する工程及び基材をバイポーラプレートに形成する工程を含む、本発明の一実施例によるプロセスを示す図である。 図５は、マスク材料をバイポーラプレートのランド上に付着する工程を含む、本発明の一実施例によるプロセスを示す図である。 図６は、コーティングをマスク材料上及びチャンネル内に付着する工程を含む、本発明の一実施例によるプロセスを示す図である。 図７は、マスク及びマスク上のコーティングを除去した後、チャンネルにコーティングを残す工程を含む、本発明の一実施例によるプロセスを示す図である。

符号の説明

８ バイポーラプレート
１０ 基材
１２ 上面
１４ マスク材料
１６ コーティング
２６ チャンネル
３２ ランド
３４ チャンネル
１００ 側壁１００
１０２ フロア

Claims (30)

1. プロセスにおいて、
   貫通開口部を持つマスクを、燃料電池で使用するための基材の部分上に付着し、基材の部分を露呈したままにする工程と、
   前記基材の露呈部分に加工を行う工程とを含み、
   前記マスクは、洗浄、引き剥がし、又はかき取りのうちの少なくとも一つによって取り除いてもよい、プロセス。
2. 請求項１に記載のプロセスにおいて、
   前記基材は、金属、又は導電性複合材料で形成されている、プロセス。
3. 請求項１に記載のプロセスにおいて、
   前記加工は、前記基材の露呈部分にクリーニング、エッチング、ピッチング、イオン注入、ボンバード、ドーピング、ブラスティング、又はコーティングのうちの少なくとも一つを施す工程を含む、プロセス。
4. 請求項１に記載のプロセスにおいて、
   前記加工は、前記基材の前記露呈部分にコーティングを付着する工程を含む、プロセス。
5. 請求項４に記載のプロセスにおいて、
   前記基材の前記露呈部分にコーティングを付着する前記工程は、前記マスクの前記開口部を通してコーティングを流す工程を含む、プロセス。
6. 請求項１に記載のプロセスにおいて、
   前記加工は、コーティングを前記マスク上及び前記基材の前記露呈部分上に付着する工程と、前記コーティングを硬化する工程とを含む、プロセス。
7. 請求項６に記載のプロセスにおいて、更に、
   前記マスク及び前記マスク上の硬化させたコーティングの部分を除去する工程と、硬化させたコーティングを前記基材の前記露呈部分上だけに残す工程とを含む、プロセス。
8. 請求項７に記載のプロセスにおいて、
   前記マスクは、土材料、塩、糖、粉末、又は粒状物のうちの少なくとも一つを含む、プロセス。
9. 請求項１に記載のプロセスにおいて、
   前記マスクは、珪藻土を含む、プロセス。
10. 請求項９に記載のプロセスにおいて、
    前記マスクは、更に、カルボン酸のナトリウム塩を含む、プロセス。
11. 請求項７に記載のプロセスにおいて、
    前記マスクを除去する前記工程は、前記マスクを前記基材から洗い落とす工程を含む、プロセス。
12. 請求項７に記載のプロセスにおいて、
    前記基材は、前記マスクの付着前、及び前記マスクの除去後に実質的に平らであり、前記基材をランド及びチャンネルを持つバイポーラプレートに形成する、プロセス。
13. プロセスにおいて、
    ランド及びチャンネルを含む流れ場を含むバイポーラプレートを提供する工程と、
    前記ランドにマスク材料を付着し、前記チャンネルを露呈したままにする工程と、
    前記バイポーラプレートの前記チャンネルに加工を行う工程とを含み、
    前記マスクは、前記マスクを洗い落とす、引き剥がす、又はかき取ることのうちの少なくとも一つによって除去される、プロセス。
14. 請求項１３に記載のプロセスにおいて、
    前記加工は、前記マスク上及び前記バイポーラプレートの前記チャンネル上にコーティングを付着する工程と、前記コーティングを硬化する工程とを含む、プロセス。
15. 請求項１３に記載のプロセスにおいて、
    前記加工は、前記チャンネルを形成する前記バイポーラプレートの表面の前記露呈部分に、クリーニング、エッチング、ピッチング、イオン注入、ボンバード、ドーピング、ブラスティング、又はコーティングのうちの少なくとも一つを施す工程を含む、プロセス。
16. 請求項１３に記載のプロセスにおいて、
    前記バイポーラプレートは、金属、又は導電性複合材料で形成されている、プロセス。
17. 請求項１３に記載のプロセスにおいて、
    マスクを付着する前記工程は、スプレー、ブラシ付け、ロール塗装、印刷、又は浸漬を含む、プロセス。
18. 請求項１３に記載のプロセスにおいて、
    前記マスクは、土材料、塩、糖、粉末、又は粒状物のうちの少なくとも一つを含む、プロセス。
19. 請求項１３に記載のプロセスにおいて、
    前記マスクは、珪藻土を含む、プロセス。
20. 請求項１９に記載のプロセスにおいて、
    前記マスクは、更に、カルボン酸のナトリウム塩を含む、プロセス。
21. 請求項１３に記載のプロセスにおいて、更に、
    前記マスクを除去する工程を含む、プロセス。
22. 請求項２１に記載のプロセスにおいて、
    前記マスクを除去する前記工程は、前記マスクを前記ランドから洗い落す工程を含む、プロセス。
23. 請求項２１に記載のプロセスにおいて、
    前記マスクを除去する前記工程は、前記マスクを前記ランドから引き剥がす工程を含む、プロセス。
24. 請求項１４に記載のプロセスにおいて、更に、
    前記マスク及び該マスク上の何らかのコーティングを除去し、前記チャンネルの上だけにコーティングを残す工程を含む、プロセス。
25. 請求項２４に記載のプロセスにおいて、
    前記マスクを除去する前記工程は、前記マスクを前記ランドから洗い落す工程を含む、プロセス。
26. 請求項２４に記載のプロセスにおいて、
    前記マスクを除去する前記工程は、前記マスクを前記ランドから引き剥がす工程を含む、プロセス。
27. 請求項２４に記載のプロセスにおいて、
    前記除去工程は、前記マスクを前記ランドからかき取る工程を含む、プロセス。
28. 請求項１４に記載のプロセスにおいて、
    コーティングを付着する前記工程は、スプレー、ブラシ付け、ロール塗装、印刷、又は浸漬のうちの少なくとも一つを含む、プロセス。
29. 請求項１４に記載のプロセスにおいて、
    コーティングを付着する前記工程は、物理蒸着法、化学蒸着法、又はプラズマ補助蒸着法のうちの少なくとも一つを含む、プロセス。
30. プロセスにおいて、
    ランド及びチャンネルを含む流れ場を持つバイポーラプレートを提供する工程と、
    前記バイポーラプレートの選択された部分にマスク材料を付着し、前記バイポーラプレートのその他の部分を露呈したままにする工程と、
    前記バイポーラプレートの前記露呈部分に加工を行う工程とを含み、
    前記マスクは、洗浄、引き剥がし、又はかき取りのうちの少なくとも一つによって除去してもよい、プロセス。

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