JP2013138011A

JP2013138011A - 被覆鋼双極板

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Publication number: JP2013138011A
Application number: JP2013010162A
Authority: JP
Inventors: K Budinski Michael; ブディンスキ，マイケル・ケイ; Vyas Gayatri; ビャス，ガヤトリ; O Kunrath Augusto; クンラス，アウグスト・オー; J Moore John; ムーア，ジョン・ジェイ
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2005-07-12
Filing date: 2013-01-23
Publication date: 2013-07-11
Anticipated expiration: 2026-06-27
Also published as: DE112006001829T5; CN101258624B; DE112006001829B4; US20070015029A1; JP5579883B2; US7771858B2; JP5628478B2; CN101258624A; CN102496729B; JP2009501422A; CN102496729A; WO2007008401A3; WO2007008401A2

Abstract

【課題】双極板の形成にステンレス鋼を使用することを可能にする改善された方法の提供。
【解決手段】電気化学変換アッセンブリは複数の電気化学変換電池および複数の導電性双極板３０を備える。電気化学変換電池は、第１および第２の反応物供給源と連通するように構成されている。電気化学変換電池の隣接したものは、複数の双極板のそれぞれの１つで隔てられている。双極板３０は、ＦｅおよびＣｒを含む合金を含む。双極板のそれぞれの表面部分は、電気化学変換電池の部分と接触して配置された導電性の耐腐食性層を含む。耐腐食性導電層は、ｓｐ^２混成炭素‐炭素結合によって主に特徴付けられる黒鉛層、モリブデン・ドープド・酸化インジウム層、導電性Ｃｒ＋Ｎ層、または導電性ＭｏＳｉ_２層を含むことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、概して燃料電池と呼ばれる電気化学変換電池に関し、この電気化学変換電池は、例えば水素および酸素の酸化および還元を通して第１および第２の反応物を処理することによって電気エネルギーを生成する。例示であり限定しないものとして、典型的な電池は、一対のガス拡散媒体層と触媒層の間に位置付けされた重合体膜（例えば、陽子交換膜）を備える。ガス拡散媒体層に隣接して一番外側にカソード板およびアノード板が配置される。これらの部品の全てが全体で電池単体を形成する。

単一の電池単体によって供給される電圧は、通常、有用な応用のためには余りにも小さ過ぎる。したがって、通常は、電気化学変換アッセンブリすなわち燃料電池の電気出力を増大させるために、複数の電池が「スタック」の状態に連続的に配列接続される。この配列では、２つの隣接した電池単体は共通の極板を共用することができ、この共通極板は、それが直列に接続する２つの隣接した電池のアノードおよびカソードとして作用する。そのような板は、一般に双極板と呼ばれ、通常、関連した電池への反応物および冷却剤の供給を高めるように該板に形成された流れ場を含む。

通常は、燃料電池の双極板は、電気化学的に安定で、導電性であり、かつ安価であることが必要である。金属双極板は、非常に薄く作ることができ（例えば、＜０．２５ｍｍ）、かつ打抜き加工などの安価な金属成形技術で最終的な形に形成することができるので、有利である。しかし、金属板は、腐食し易い。燃料電池スタック中の活性な腐食プロセスは、双極板の膜抵抗および接触抵抗を増大させて、スタックの電力密度を減少させることがある。

ステンレス鋼が、主にそれの固有の腐食耐性および比較的安価な材料コストのために、双極板の形成に使用することが考えられた。したがって、本発明者は、双極板の形成にステンレス鋼を使用することを可能にする改善された方法を提供することの必要性を認めた。

本発明に従って、双極板の形成にステンレス鋼を使用することを可能にする改善された方法が提供される。本発明に従って、電気化学変換アッセンブリが提供され、複数の電気化学変換電池および複数の導電性双極板を備えている。電気化学変換電池は、第１および第２の反応物供給源と連通するように構成されている。電気化学変換電池の隣接したものは、複数の双極板のそれぞれの１つで隔てられている。双極板は、ＦｅおよびＣｒを含む合金を含む。双極板のそれぞれの表面部分は、電気化学変換電池の部分と接触した状態で配置された導電性の耐腐食性層を備える。耐腐食性導電層は、ｓｐ^２混成炭素‐炭素結合によって主に特徴付けられる黒鉛層、モリブデン・ドープド・酸化インジウム（ｍｏｌｙｂｄｅｎｕｍｄｏｐｅｄｉｎｄｉｕｍｏｘｉｄｅ）層、導電性Ｃｒ＋Ｎ層、または導電性ＭｏＳｉ_２層を含むことができる。

したがって、本発明の目的は、電気化学変換アッセンブリに使用するための改善された双極板を提供することである。本発明の他の目的は、本明細書に具体化された本発明についての説明を考慮して明らかになるであろう。

本発明の特定の実施形態についての以下の詳細な説明は、以下の図面に関連して読まれるとき最もよく理解することができ、図面では、同様な構造は同様な参照数字で示され、図面の様々な部品は必ずしも一定の縮尺で図示されていない。

本発明の一実施形態に従った双極板を示す図である。本発明の一実施形態に従った双極板のコーティングされた部分を示す断面図である。本発明の一実施形態に従った電気化学変換アッセンブリを示す模式図である。本発明の一実施形態に従った燃料処理システムおよび電気化学変換アッセンブリを有する車両を示す模式図である。

図１ないし３を参照すると、本発明に従った電気化学変換アッセンブリ１０が示されている。一般に、電気化学変換アッセンブリ１０は、複数の電気化学変換電池２０および複数の導電性双極板３０を備える。変換アッセンブリが、それぞれの電気化学変換電池２０のいくつかまたは全ての間に、１つまたは複数の双極板３０を利用する限りで、様々な変換アッセンブリの構成が本発明で考えられる。確かに、変換アッセンブリ１０および個々の変換電池２０の特定の構造は、本発明の範囲を越えており、電気化学変換電池２０と連通している第１および第２の化学反応物供給源Ｒ１、Ｒ２から電気を発生することができるアッセンブリの設計に関係した任意の既存の教示または未だ開発されていない教示から集められる可能性がある。通常、１つまたは複数の反応物出口Ｒ_ＯＵＴも設けられている。

本発明に従った双極板３０の特定の構成の多くの態様が、本発明の範囲内にある。例えば、具体的に図１を参照すると、本発明に従った双極板３０は、流れ場部分３２および流れ場部分３２に結合された流体管寄せ部分３４を備えていてもよい。図２に示されているように、流れ場部分３２は、双極板３０の相対する導電性表面３６、３８の間に画定された流れ場チャネル３５を含むことができる。

図３に示されるように、隣接した電気化学変換電池２０は、複数の双極板３０のうちのそれぞれの１つで隔てられている。双極板３０は、ＦｅとＣｒの合金を含み、さらに、双極板３０の相対する表面３６、３８に沿ってそれぞれの耐腐食性導電層４６、４８を含んでいる。このようにして、選ばれた双極板３０の相対する表面上に画定された層４６、４８は、変換アッセンブリ１０の対応する電気化学変換電池１０と電気接触した状態で配置することができる。通常、双極板３０は、電気化学変換電池１０のガス拡散媒体層に接触する。

耐腐食性の導電層４６、４８は、ｓｐ^２混成炭素‐炭素結合によって主に特徴付けられる黒鉛層、モリブデン・ドープド・酸化インジウム層、導電性Ｃｒ＋Ｎ層、または導電性ＭｏＳｉ_２層を備えることができる。黒鉛層の場合には、黒鉛層がｓｐ^２混成炭素‐炭素結合によって実質的に完全に特徴付けられることが好ましい。本発明に従った黒鉛層は、一般に、少なくとも約６９０ｋＰａ（１００ｐｓｉ）の圧縮の下で約１０ｍΩ‐ｃｍ^２未満の界面接触抵抗によって特徴付けられ、任意の適切な製造プロセスで生成されてもよい。例えば、限定としてではなく、適切な製造プロセスは、「炭素コーティング、該コーティングを適用するための方法及び装置、並びに、該コーティングを保持する物品（ＣａｒｂｏｎＣｏａｔｉｎｇｓ，ＭｅｔｈｏｄａｎｄＡｐｐａｒａｔｕｓｆｏｒＡｐｐｌｙｉｎｇｔｈｅｍ，ａｎｄＡｒｔｉｃｌｅｓＢｅａｒｉｎｇＳｕｃｈＣｏａｔｉｎｇｓ）」という標題の米国特許第６，７２６，９９３号に記載されており、この開示は参照することにより本明細書に組み込まれる。

本発明に従った酸化インジウム層は、問題になっている特定の要求に依存して適切なモリブデンの量をドープされてもよい。例えば、酸化インジウム層は、約４重量％未満のモリブデン、または、より好ましくは、約２重量％のモリブデンをドープされてもよい。本発明に従ったドープド・酸化インジウム層は、多くの場合、少なくとも約６９０ｋＰａ（１００ｐｓｉ）の圧縮の下で約１５ｍΩ‐ｃｍ^２未満の界面接触抵抗によって特徴付けられる。先に指摘されたように、本発明に従った層４６、４８は、任意の適切な製造プロセスによって、例えばスパッタ堆積、熱反応性蒸着、パルスレーザ堆積などによって、生成されてもよい。

耐腐食性導電層４６、４８がＣｒ＋Ｎを含む場合、適切な候補には、ＣｒＮ、またはＣｒ_２Ｎの層、または固溶体のＣｒとＮの層があるが、これらに限定されない。本発明に従ったＣｒ＋Ｎの層は、一般に、少なくとも約６９０ｋＰａ（１００ｐｓｉ）の圧縮の下で約４５ｍΩ‐ｃｍ^２未満の界面接触抵抗を示す。Ｃｒ＋Ｎの層４６、４８は、マグネトロンスパッタリングまたは任意の他の適切な製造方法によって双極板３０上に堆積された材料を含むことができる。

ＭｏＳｉ_２から形成された耐腐食性導電層４６、４８は、通常、少なくとも約６９０ｋＰａ（１００ｐｓｉ）の圧縮の下で約４０ｍΩ‐ｃｍ^２未満の界面接触抵抗によって特徴付けられる。ＭｏＳｉ_２層は、好ましくは双極板の基板が約マイナス５０Ｖにバイアスされた状態で、スパッタ堆積によって形成されてもよい。

双極板１０は、耐腐食性導電層４６、４８の堆積の前に様々な型の前処理プロセスにさらされてもよいことが企図される。例えば、層４６、４８が、スパッタ堆積によって形成されたＣｒ＋ＮまたはＭｏＳｉ_２の層を含む場合、双極板３０の表面は、最初に、Ａｒ雰囲気中でスパッタエッチングにさらされてもよい。

図２の実質的な内容は、必ずしも一定の比例で図示されていないので、それぞれの層４６、４８は、実際は、各層４６、４８の厚さを全体で画定する複数の部分層を含むことができることが企図される。さらに、層４６、４８は、双極板３０上に形成された適切な下層４７、４９の上に形成されてもよい。下層４７、４９の特定の組成は、本発明の範囲を越えており、特定の型のコーティングの付着性、耐久性および性能を改善するために金属および非金属下層を使用することに焦点を当てた特定の教示から集められる可能性がある。例えば、本発明に従った黒鉛層に関連して、下層は、５０から２００ｎｍの厚さに堆積された金属含有下層を含んでもよい。下層は、最初の金属層と、これに続く、金属ターゲットと炭素ターゲットから同時堆積で生成された金属および炭素から成る第２の層とを含んでもよい。この層は、金属層よりも固い可能性があり、次の炭素コーティングの減摩作用を改善することができる。

本発明に従った双極板は、通常、５００μｍをかなり下回る厚さを画定し、一方で、耐腐食性導電層４６、４８は、黒鉛状炭素の場合に約０．５μｍから約１０μｍ、モリブデン・ドープド・酸化インジウムの場合に約１．０μｍから約３μｍ、Ｃｒ＋Ｎの場合に約１．０μｍから約２．５μｍ、さらにＭｏＳｉ_２の場合に約１．０μｍから約２．０μｍの厚さを画定する。もちろん、他の適切な厚さが考えられる。適切な双極板合金は、ＦｅとＣｒ、ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼などと組み合わせてＮｉ、Ｍｏ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｃ、またはＮを含んだ合金を含むがこれに限定されない様々な材料から選ばれてもよい。

先に指摘されたように、変換アッセンブリ１０および個々の変換電池２０の特定の構造は、本発明の範囲を越えている。しかし、留意されたいことであるが、典型的な変換アッセンブリは、それぞれの反応物供給としての含水素ガスおよび空気と共に動作するように構成されたそれぞれの膜電極アッセンブリを含む。再び、例示であり限定しないものとして、電気化学変換電池２０は、それぞれの電解膜、ガス拡散層、触媒部品、炭素質部品、導電性部品、およびこれらの組合せを含むことができる。最後に、図１および２に図示された双極板３０は、双極板３０の相対する導電性表面の間に画定された流れ場を含むが、適切な双極板構成は流れ場を含む必要がないことが企図される。

図４を参照すると、本発明に従ったデバイスは、車両１００と、本発明に従った電気化学変換アッセンブリ１１０を含むことができる。電気化学変換アッセンブリ１１０は、車両１００に原動力を少なくとも部分的に供給するように構成されてもよい。車両１００は、また、電気化学変換アッセンブリ１１０に燃料を供給するように構成された燃料処理システムまたは燃料供給源１２０を有することができる。

本発明はどんな特定の反応組成物にも限定されないが、第１の反応物供給源Ｒ１は通常酸素および窒素を含み、一方で、第２の反応物供給源Ｒ２は水素を含むことは、燃料電池技術を一般的に知っている本発明を実施する人たちには理解されるであろう。

留意されたいことであるが、「好ましくは」、「一般に」、および「通常」のような用語は、本明細書で、特許請求される発明の範囲を限定するために使用されないし、ある特徴が、特許請求される発明の構造または機能にとって決定的、本質的、それどころか重要であることを示唆するためには使用されない。それどころか、これらの用語は、本発明の特定の実施形態で使用されても使用されなくてもよい代替、または追加の特徴を強調する意図だけである。

本発明を説明し、かつ定義する目的のために、留意されたいことであるが、「デバイス」という用語は、本明細書では、その部品が他の部品と組み合わされるかどうかに無関係に、部品の組合せおよび個々の部品を表すために使用される。例えば、本発明に従った「デバイス」は、電気化学変換アッセンブリすなわち燃料電池、本発明に従った電気化学変換アッセンブリを組み込んだ車両などを含むことができる。

本発明を説明し、かつ定義する目的のために、留意されたいことであるが、「実質的に」という用語は、本明細書では、任意の定量的な比較、値、測定、または他の表現によってもよい固有の不確実性の程度を表現するために使用されることに留意されたい。また、「実質的に」という用語は、本明細書では、定量的な表現が、問題になっている内容の基本的な機能の変化をもたらすことなしに、述べられた参照から変化する可能性がある程度を表現するために使用される。

本発明を詳細に、かつそれの特定の実施形態を参照して説明したので、添付の特許請求の範囲に定義された本発明の態様から逸脱することなしに、修正物および変化物が可能であることは明らかであろう。より具体的には、本発明のいくつかの態様が、本明細書で、好ましいまたは特に有利なように明らかにされたが、本発明が必ずしも本発明のこれらの好ましい態様に限定されないことが企図される。

Claims

電気化学変換アッセンブリを備えるデバイスであって、前記電気化学変換アッセンブリは複数の電気化学変換電池および複数の導電性双極板を備え、
前記電気化学変換電池は、第１および第２の反応物供給源と連通するように構成され、
前記電気化学変換電池の隣接したものは、前記複数の双極板のそれぞれの１つで隔てられ、
前記双極板は、ＦｅおよびＣｒを含む合金を含み、
前記双極板のそれぞれの表面部分は、ｓｐ^２混成炭素‐炭素結合によって主に特徴付けられる黒鉛層を備え、さらに、
前記双極板のそれぞれの黒鉛層は、前記電気化学変換電池の部分と接触している、デバイス。
前記黒鉛層は、ｓｐ^２混成炭素‐炭素結合によって実質的に完全に特徴付けられる、請求項１に記載のデバイス。
前記黒鉛層は、少なくとも約６９０ｋＰａ（１００ｐｓｉ）の圧縮の下で約１０ｍΩ‐ｃｍ^２未満の界面接触抵抗によって特徴付けられる、請求項１に記載のデバイス。
前記黒鉛層は、選ばれた双極板で隔てられた一対の電気化学変換電池のうちの１つと接触するように、前記選ばれた双極板の相対する表面上に形成されている、請求項１に記載のデバイス。
前記黒鉛層のそれぞれの１つは、単一黒鉛層を全体で画定する複数の部分黒鉛層を画定している、請求項１に記載のデバイス。
前記黒鉛層のそれぞれの１つは、前記双極板合金上に形成された下層の上に形成されている、請求項１に記載のデバイス。
前記黒鉛層のそれぞれの１つは、約１０μｍ未満の厚さを画定している、請求項１に記載のデバイス。
前記単一相窒化構造は、前記双極板のそれぞれの１つの厚さの約０．１％から約１０．０％を画定している、請求項１に記載のデバイス。
前記合金は、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｃ、Ｎおよびこれらの組合せをさらに含む、請求項１に記載のデバイス。
前記合金は、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｓｉ、およびＣを含む、請求項１に記載のデバイス。
前記合金は、オーステナイト系ステンレス鋼を含む、請求項１に記載のデバイス。
前記第１の反応物供給源は、含水素ガスの供給源を含み、前記第２の反応物供給源は、空気の供給源を含む、請求項１に記載のデバイス。
前記双極板は、前記双極板の相対する導電性表面の間に画定された流れ場を備える、請求項１に記載のデバイス。
前記電気化学変換電池は、それぞれの膜電極アッセンブリを備える、請求項１に記載のデバイス。
前記電気化学変換電池は、それぞれの電解膜、ガス拡散層、触媒部品、炭素質部品、導電性部品、およびこれらの組合せを備える、請求項１に記載のデバイス。
前記デバイスは、前記電気化学変換アッセンブリに含水素ガスを供給する燃料処理システムまたは燃料供給源をさらに備える、請求項１に記載のデバイス。
前記デバイスは、車両をさらに備え、さらに、
前記電気化学変換アッセンブリは、前記車両に原動力を少なくとも部分的に供給するように構成されている、請求項１に記載のデバイス。
電気化学変換アッセンブリを備えるデバイスであって、前記電気化学変換アッセンブリは複数の電気化学変換電池および複数の導電性双極板を備え、
前記電気化学変換電池は、第１および第２の反応物供給源と連通するように構成され、
前記電気化学変換電池の隣接したものは、前記複数の双極板のそれぞれの１つで隔てられ、
前記双極板は、ＦｅおよびＣｒを含む合金を含み、
前記双極板のそれぞれの表面部分は、導電性モリブデン・ドープド・酸化インジウム層を含み、さらに、
前記双極板のそれぞれのドープド・酸化インジウム層は、前記電気化学変換電池の一部分と接触している、デバイス。
前記酸化インジウム層は、約４重量％未満のモリブデンをドープされている、請求項１８に記載のデバイス。
前記酸化インジウム層は、約２重量％のモリブデンをドープされている、請求項１８に記載のデバイス。
前記ドープド・酸化インジウム層は、選ばれた双極板で隔てられた一対の電気化学変換電池のうちの１つと接触するように、前記選ばれた双極板の相対する表面上に形成されている、請求項１８に記載のデバイス。
前記ドープド・酸化インジウム層は、少なくとも約６９０ｋＰａ（１００ｐｓｉ）の圧縮の下で約１５ｍΩ‐ｃｍ^２未満の界面接触抵抗によって特徴付けられる、請求項１８に記載のデバイス。
前記ドープド・酸化インジウム層のそれぞれの１つは、約１．０μｍから約３．０μｍの厚さを画定している、請求項１８に記載のデバイス。
前記ドープド・酸化インジウム層のそれぞれの１つは、前記双極板のそれぞれの１つの厚さの約０．２％から約２．５％を画定している、請求項１８に記載のデバイス。
前記ドープド・酸化インジウム層は、スパッタ堆積、熱反応性蒸着、パルスレーザ堆積、およびこれらの組合せによって前記双極板上に堆積された材料を含む、請求項１８に記載のデバイス。
電気化学変換アッセンブリを備えるデバイスであって、前記電気化学変換アッセンブリは複数の電気化学変換電池および複数の導電性双極板を備え、
前記電気化学変換電池は、第１および第２の反応物供給源と連通するように構成され、
前記電気化学変換電池の隣接したものは、前記複数の双極板のそれぞれの１つで隔てられ、
前記双極板は、ＦｅおよびＣｒを含む合金を含み、
前記双極板のそれぞれの表面部分は、導電性Ｃｒ＋Ｎ層を含み、さらに、
前記双極板のそれぞれのドープド・酸化インジウム層は、前記電気化学変換電池の一部分と接触している、デバイス。
前記Ｃｒ＋Ｎ層は、ＣｒＮの層を含む、請求項２６に記載のデバイス。
前記Ｃｒ＋Ｎ層は、Ｃｒ_２Ｎの層を含む、請求項２６に記載のデバイス。
前記Ｃｒ＋Ｎ層は、固溶体のＣｒとＮの層を含む、請求項２６に記載のデバイス。
前記Ｃｒ＋Ｎ層は、選ばれた双極板で隔てられた一対の電気化学変換電池のうちの１つと接触するように、前記選ばれた双極板の相対する表面上に形成されている、請求項２６に記載のデバイス。
前記Ｃｒ＋Ｎ層は、少なくとも約６９０ｋＰａ（１００ｐｓｉ）の圧縮の下で約４５ｍΩ‐ｃｍ^２未満の界面接触抵抗によって特徴付けられる、請求項２６に記載のデバイス。
前記Ｃｒ＋Ｎ層のそれぞれの１つは、約１．０μｍから約２．５μｍの厚さを画定している、請求項２６に記載のデバイス。
前記ドープド・酸化インジウム層のそれぞれの１つは、前記双極板のそれぞれの１つの厚さの約０．２％から約２．５％を画定している、請求項２６に記載のデバイス。
前記Ｃｒ＋Ｎ層は、マグネトロンスパッタリングによって前記双極板上に堆積された材料を含む、請求項２６に記載のデバイス。
電気化学変換アッセンブリを備えるデバイスであって、前記電気化学変換アッセンブリは複数の電気化学変換電池および複数の導電性双極板を備え、
前記電気化学変換電池は、第１および第２の反応物供給源と連通するように構成され、
前記電気化学変換電池の隣接したものは、前記複数の双極板のそれぞれの１つで隔てられ、
前記双極板は、ＦｅおよびＣｒを含む合金を含み、
前記双極板のそれぞれの表面部分は、導電性ＭｏＳｉ_２層を含み、さらに、
前記双極板のそれぞれのＭｏＳｉ_２層は、前記電気化学変換電池の一部分と接触している、デバイス
前記ＭｏＳｉ_２層は、選ばれた双極板で隔てられた一対の電気化学変換電池のうちの１つと接触するように、前記選ばれた双極板の相対する表面上に形成されている、請求項３５に記載のデバイス。
前記ＭｏＳｉ_２層は、少なくとも約６９０ｋＰａ（１００ｐｓｉ）の圧縮の下で約４０ｍΩ‐ｃｍ^２未満の界面接触抵抗によって特徴付けられる、請求項３５に記載のデバイス。
前記ＭｏＳｉ_２層のそれぞれの１つは、約１μｍから約２μｍの厚さを画定している、請求項３５に記載のデバイス。
前記双極板のそれぞれの１つは、約５００μｍ未満の厚さによって特徴付けられ、
前記ＭｏＳｉ_２層のそれぞれの１つは、約１μｍから約２μｍの厚さを画定している、請求項３５に記載のデバイス。
前記ＭｏＳｉ_２層のそれぞれの１つは、前記双極板のそれぞれの１つの厚さの約０．２％から約２．０％を画定している、請求項３５に記載のデバイス。
前記ＭｏＳｉ_２層は、スパッタ堆積によって前記双極板上に堆積された材料を含む、請求項３５に記載のデバイス。
前記ＭｏＳｉ_２層は、基板バイアススパッタ堆積によって前記双極板上に堆積された材料を含む、請求項３５に記載のデバイス。