ナノ粒子を含む被覆を有する燃料電池部品
【課題】燃料電池のバイポーラプレートフローチャンネル内の蓄積水を空気コンプレッサーなどの動力を用いず、また導入加湿を低下させることなく掃去すること。
【解決手段】燃料電池のバイポーラプレートと、バイポーラプレートフローチャネルの少なくとも一部上に親水性の側鎖を有するナノ粒子を含む親水性被覆を形成する。ナノ粒子は２〜１００ｎｍの範囲の寸法を有し、親水性の側鎖は、アミノ基、スルホネート基、スルフェート基、スルファイト基、スルホンアミド基、スルホキシド基、カルボキシレート基、ポリオール基、ポリエーテル基、ホスフェート基、又はホスホネート基の少なくとも一つを含む。
【解決手段】燃料電池のバイポーラプレートと、バイポーラプレートフローチャネルの少なくとも一部上に親水性の側鎖を有するナノ粒子を含む親水性被覆を形成する。ナノ粒子は２〜１００ｎｍの範囲の寸法を有し、親水性の側鎖は、アミノ基、スルホネート基、スルフェート基、スルファイト基、スルホンアミド基、スルホキシド基、カルボキシレート基、ポリオール基、ポリエーテル基、ホスフェート基、又はホスホネート基の少なくとも一つを含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、その上にナノ粒子を含む被覆を有する燃料電池部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素は、清浄で、これを用いて燃料電池において電力を効率よく発生させることができるので、極めて魅力的な燃料である。自動車産業においては、自動車のための動力源としての水素燃料電池の開発に多額の資金が費やされている。このような自動車は、内燃機関を用いる現行の自動車よりも、より効率的で、より少ない排ガスを発生させるであろう。
【０００３】
水素燃料電池は、その間に電解質を有するアノード及びカソードを含む電気化学装置である。アノードは水素に富むガス又は純粋な水素を受容し、カソードは酸素又は空気を受容する。水素ガスは、アノードにおいて解離して、遊離プロトン及び電子を生成する。プロトンは、電解質を通ってカソードに移動する。プロトンは、カソードにおいて酸素及び電子と反応して、水を生成する。アノードからの電子は、電解質を通過することができず、したがって、カソードに送られる前に負荷を通して送られて、仕事を行う。この仕事を用いて、例えば自動車を動かすことができる。
【０００４】
固体高分子形燃料電池（ＰＥＭＦＣ）は、自動車の用途に関して一般的である。ＰＥＭＦＣは、一般に、ペルフルオロスルホン酸膜のような固体ポリマー電解質プロトン伝導膜を含む。アノード及びカソードは、通常、炭素粒子上に担持され、イオノマーと混合されている微粉砕触媒粒子、通常は白金（Ｐｔ）を含む。触媒混合物は、膜の反対の側面上に堆積される。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って、膜電極接合体（ＭＥＡ）が画定される。ＭＥＡは、製造するのが比較的高価であり、有効な運転のためには特定の条件が必要である。これらの条件としては、正確な水管理及び加湿、並びに一酸化炭素（ＣＯ）のような触媒被毒成分の制御が挙げられる。
【０００５】
通常、所望の電力を発生させるために、幾つかの燃料電池セルが燃料電池スタック内で組み合わされている。上記で言及した自動車用燃料電池スタックのためには、スタックは約２００以上のバイポーラプレートを含む可能性がある。燃料電池スタックは、カソード反応ガス、通常はコンプレッサーによってスタックを通して強制流動されている空気流を受容する。酸素の全部がスタックによっては消費されず、空気の一部が、スタック副生成物として液体水を含む可能性があるカソード排ガスとして排出される。また、燃料電池スタックは、スタックのアノード側の中に流入するアノード水素反応ガスも受容する。
【０００６】
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場又はバイポーラプレートを含む。バイポーラプレートは、スタック内における隣接する燃料電池セルのためのアノード側及びカソード側を含む。バイポーラプレートのアノード側上に、アノードガスをＭＥＡのアノード側に流すアノードガスフローチャネルが与えられている。バイポーラプレートのカソード側上に、カソードガスをＭＥＡのカソード側に流すカソードガスフローチャネルが与えられている。バイポーラプレートは、また、冷却流体のためのフローチャネルも含むことができる。
【０００７】
バイポーラプレートは、通常、ステンレススチール、チタン、アルミニウム、高分子炭素複合体等のような導電性材料で構成され、燃料電池セルによって生成した電力を、一つのセルから次のセルへ、且つスタックの外側へ導く。金属バイポーラプレートは、通常、その外側表面上に自然酸化物を生成し、これによって腐蝕に対して抵抗性になる。しかしながら、この酸化物層は、導電性でなく、したがって燃料電池セルの内部抵抗が増加し、その電気特性が低下する。また、酸化物層は、プレートをより疎水性にすることが多い。
【０００８】
本出願の譲受人に譲渡された米国特許出願公開２００３／０２２８５１２（その開示は参照として本明細書中に包含する）においては、流場プレートの上に、プレートが酸化されてそのオーミック接触が増加するのを防ぐ導電性の外側層を堆積させる方法が開示されている。同様に本出願の譲受人に譲渡された米国特許６，３７２，３７６においては、流場プレートの上に、導電性で、耐酸化性で、耐酸性の被覆を堆積させることが開示されている。同様に本出願の譲受人に譲渡された米国特許出願公開２００４／００９１７６８においては、流場プレートを、耐腐食性で、導電性で、熱伝導性にするために、流場プレート上にグラファイト及びカーボンブラックの被覆を堆積させることが開示されている。
【０００９】
当該技術においてよく理解されているように、燃料電池セル内の膜は一定の相対湿度を有していて、膜を横切るイオン抵抗がプロトンを有効に伝導するのに十分に低いことが必要である。燃料電池の運転中においては、ＭＥＡからの湿分及び外部の湿分がアノード及びカソードのフローチャネルに侵入する可能性がある。通常０．２Ａ／ｃｍ２以下の低い電池電力需要においては、反応ガスの流速が低すぎて水をフローチャネルの外に押しのけることができないので、水がフローチャネル内に蓄積する。水が蓄積すると、液滴が形成され、液滴はプレート材料の疎水性のために拡大し続ける。水滴の接触角は一般に約９０°であり、この場合、液滴は反応ガスの流れの方向に対して実質的に垂直なフローチャネル内に形成される。液滴の寸法が増大すると、フローチャネルが閉塞され、チャネルは共通の入口及び出口マニホールドの間を平行に流れているので、反応ガスは他のフローチャネルに逸流する。反応ガスは水によって閉塞されたチャ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ネルの外に押し出すことができない。チャネルが閉塞される結果として反応ガスを受容しない膜のこれらの領域は電力を発生させず、したがって不均一な電流分布、及び燃料電池の全体的効率の低下をもたらす。更に多くのフローチャネルが水によって閉塞されると、燃料電池セルによって生成する電力が低下し、２００ｍＶ未満のセル電位はセルの不具合とみなされる。燃料電池セルは直列に電気接続されるので、一つの燃料電池セルが機能停止すると、燃料電池スタック全体が機能停止する可能性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
通常、周期的により高い流速でフローチャネルを通して反応ガスを強制流動させることによって、フローチャネル内の蓄積水を掃去することができる。しかしながら、カソード側においては、これによって空気コンプレッサーにかかる寄生動力が増大し、それにより全体的なシステム効率が低下する。更に、経済性の低下、システム効率の低下、及び排ガス流中の高い濃度の水素を処理するためのシステムの複雑さの増大をはじめとする、掃去ガスとして水素燃料を用いない多くの理由がある。
【００１１】
チャネル内の蓄積水を減少させることは、また、導入加湿を低下させることによっても達成することができる。しかしながら、アノード及びカソード反応ガス中には多少の相対湿度を与えて、燃料電池セル内の膜が水和した状態で保持されるようにすることが望ましい。乾燥した導入ガスは膜に対する乾燥効果を有し、それによってセルの耐イオン性が増大し、膜の長期間耐久性が制限される可能性がある。
【００１２】
本発明者らによって、燃料電池のためのバイポーラプレートを親水性にして、チャネルの水移送を向上させることが提案されている。親水性のプレートによって、チャネル内の水が、自然湿潤と呼ばれるプロセスで表面に沿って展開する。得られる薄膜は、共通の入口及び出口ヘッダーに接続されたチャネルの列に沿って流れの分布を変化させる傾向が小さい。プレート材料が十分に高い表面エネルギーを有していると、拡散媒体を通して移送される水は、チャネルの壁に接触し、次に、毛管力によってチャネルの底角部中にその長さに沿って移送される。フローチャネルの角部において自然湿潤を保持するための物理的要件は、コンカス・フィン条件：
【００１３】
【化１】
【００１４】
（式中、βは液体表面と固体表面との間に形成される静的接触角であり、αはチャネルの角部の角度である）
によって説明される。長方形のチャネルに関してはα／２＝４５°であり、これは静的接触角が４５°未満である場合に自然湿潤が起こることを示している。複合バイポーラプレートを用いる現在の燃料電池スタックデザインにおいて用いられているほぼ長方形のチャネルに関しては、これはチャネルの水移送に対する親水性プレート表面の有益な効果及び低い負荷安定性を実現するために必要な接触角に対するおおよその上限を設定する。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
発明の典型的な態様の概要
本発明の一態様は、基材及び基材の上に配置されている被覆を含み、被覆が２〜１００ｎｍの範囲の寸法を有するナノ粒子を含む、燃料電池部品を含む製品を包含する。
【００１６】
本発明の他の態様は、以下に与える詳細な説明から明らかとなるであろう。詳細な説明及び特定の実施例は、本発明の態様を示すもので、例示のみの目的で与えるものであり、本発明の範囲を限定するものではないことを理解すべきである。
【００１７】
本発明は、詳細な説明及び添付の図面からより完全に理解されるようになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、本発明の一態様にしたがって製造された被覆のフーリエ変換赤外スペクトルの結果のグラフである。
【図２】図２は、本発明の他の態様に従って製造された被覆のフーリエ変換赤外スペクトルの結果のグラフである。
【図３】図３は、本発明の一態様による被覆の顕微鏡写真である。
【図４】図４は、本発明の一態様による、プレートを親水性にする被覆を有するバイポーラプレートを含む燃料電池スタックの一部の中の燃料電池セルの横断面図である。
【図５】図５は、本発明の他の態様による、空き領域によって分離された島部によって画定された被覆を含む燃料電池用のバイポーラプレートの切り欠き横断面図である。
【図６】図６は、本発明の他の態様による、プレート内のフローチャネルの間のランドにおいて被覆が除去された、被覆を含む燃料電池用のバイポーラプレートの切り欠き横断面図である。
【図７】図７は、本発明の一態様による、被覆がバイポーラプレート上の他の被覆の上に堆積されている、燃料電池用のバイポーラプレートの切り欠き横断面図である。
【図８】図８は、まずバイポーラプレートのランドの上にマスクを選択的に形成し、その後、マスクを含むバイポーラプレートの上に被覆を堆積させることを含む方法を包含する本発明の一態様を示す。
【図９】図９は、ランドの上のマスクを除去して、バイポーラプレートのチャネルの上に配置されている被覆のみを残留させる方法を含む本発明の一態様を示す。
【図１０】図１０は、まずバイポーラプレートの上にケイ素を含む被覆を堆積させ、次にバイポーラプレートのチャネルの上にマスクを選択的に形成し、その後、バイポーラプレートのランドの上の被覆をエッチバックすることを含む方法を包含する本発明の一態様を示す。
【図１１】図１１は、本発明の種々の態様にしたがってバイポーラプレート上に種々の層を堆積させるためのシステムの平面図である。
【図１２】図１２は、本方法において有用なプラズマ化学気相成長反応室を含む本発明の一態様を示す。
【図１３】図１３は、被覆剤をバイポーラプレートのチャネルを通して流す製品及び方法を包含する本発明の態様を示す。
【図１４Ａ】図１４Ａは、バイポーラプレートを成形し、それがポリマーに富む外皮を含む本発明の一態様による方法を示す。
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、図１４Ａの外皮の上に被覆を堆積させることを含む本発明の一態様による方法を示す。
【図１４Ｃ】図１４Ｃは、バイポーラプレートのランドの上の被覆及び外皮を除去することを含む本発明の一態様による方法を示す。
【好ましい実施形態】
【００１９】
好ましい態様の以下の説明は、事実上例示に過ぎず、本発明、その適用、又は使用を全く限定するものではない。
本発明の一態様は、ナノ粒子を含む被覆を有するバイポーラプレートのような（但しこれに限定されない）基材を有する燃料電池部品を包含する。ナノ粒子は、約２〜約１００ｎｍ、好ましくは約２〜約２０ｎｍ、最も好ましくは約２〜約５ｎｍの範囲の寸法を有することができる。ナノ粒子は、無機及び／又は有機材料を含むことができる。被覆は、また、ヒドロキシル官能基、ハライド官能基、カルボキシル官能基、ケトン官能基、及び／又はアルデヒド官能基を含む化合物を含むことができる。被覆は、バイポーラプレートのような燃料電池部品を親水性にする。
【００２０】
本発明の一態様は、親水性の側鎖を有するナノ粒子を含む親水性被覆を有する燃料電池部品を包含する。
本発明の一態様は、１０〜９０ｗｔ％の無機構造体、５〜７０ｗｔ％の親水性側鎖、及び０〜５０ｗｔ％の官能基を有する有機側鎖を含むナノ粒子を含む親水性被覆を有する燃料電池部品を包含する。かかる材料の組み合わせによって、表面の親水化が与えられ、被覆は親水性の側鎖を有するナノスケールの粒子から構成され、これを焼結することができる。
【００２１】
本発明の一態様においては、親水性の側鎖は、アミノ基、スルホネート基、スルフェート基、スルファイト基、スルホンアミド基、スルホキシド基、カルボキシレート基、ポリオール基、ポリエーテル基、ホスフェート基、又はホスホネート基である。
【００２２】
本発明の一態様においては、被覆は有機側鎖を含むことができ、有機側鎖の官能基は、エポキシ基、アクリルオキシ基、メタクリルオキシ基、グリシジルオキシ基、アリル基、ビニル基、カルボキシル基、メルカプト基、ヒドロキシル基、アミド基又はアミノ基、イソシアノ基、ヒドロキシ基、又はシラノール基である。本発明の一態様においては、被覆は３〜１０の範囲のｐＨを有する。
【００２３】
本発明の他の態様は、燃料電池部品上にスラリー溶液を堆積させることを包含する。スラリー溶液は、ナノ粒子及びビヒクルを含み、その後ビヒクルを除去する。ビヒクルは、水、アルコール、他の好適な溶媒、又はこれらの組み合わせを含むことができる。一態様においては、スラリーは、４〜５ｗｔ％のナノ粒子を含み、残りの部分はビヒクルである。一態様においては、ビヒクルは、約８０〜約１８０℃の範囲の温度で除去することができる。硬化時間は、８０℃における１０分から、１８０℃における１０秒の範囲であってよい。
【００２４】
ナノ粒子を施して表面を親水性にする他の手段はゾル−ゲル法であり、これは系をコロイド状態から固体ゲルに変化させることを含む。コロイドは、液相中に懸濁した固体のナノ粒子から形成されている。通常のゾル−ゲル法においては、まずコロイド懸濁液を配合し、コロイド懸濁液からナノ粒子を新しい相であるゲル中に凝縮させる。ゲル中では、固体のマクロ分子が溶媒中に浸漬している。引き続き、上記に示すものと同等の温度範囲による乾燥及び硬化を経て、最終的な材料は比較的連続的な親水性の被覆を構成する。
【００２５】
好適なスラリー材料は、Ｎａｎｏ−Ｘ ＧｍｂＨからＨＰ ３４０８及びＨＰ ４０１４の商品名で入手することができる。このスラリー材料によって、２５００時間を超えて燃料電池運転条件に耐えることができる親水性の被覆が与えられる。被覆は、バイポーラプレートのような、アルミニウム及び高級ステンレススチールのような金属、高分子基材、及び導電性複合基材の上に形成することができる。
【００２６】
米国特許出願２００４／０２３７８３３（その開示は参照として本明細書に包含する）においては、以下において繰り返す本発明において有用なスラリーを製造する多数の方法が記載されている。
【実施例１】
【００２７】
２２１．２９ｇ（１モル）の３−アミノプロピルトリエトキシシランを、撹拌しながら４４４．５７ｇのスルホコハク酸に加え、シリコーン浴中で１２０℃まで５時間加熱した。反応混合物を冷却した後、２０ｇの粘稠な流体を、８０ｇ（０．３８モル）のテトラエトキシシランと混合し、１００ｇのエチルアルコール中に吸収させた。次に、溶液を１３．６８ｇ（０．７６モル）の０．１Ｎ−ＨＣｌ溶液と混合し、水浴中、４０℃において一晩調質した。これにより、約２ｎｍの反応性末端基を有する親水性のナノ粒子が得られた。得られた溶液を、１／３の水及び２／３のＮ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）の混合物で希釈して５％の固体物質含量とし、噴霧によってガラスプレートに１０〜２０μｍの湿潤膜厚で施した。続いて、基材を、循環空気乾燥キャビネット内、１５０℃において３時間圧縮した。
【実施例２】
【００２８】
２２１．２９ｇ（１モル）の３−アミノプロピルトリエトキシシランを、撹拌しながら４４４．５７ｇのスルホコハク酸に加えた。次に、溶液をシリコーン浴中で１３０℃まで加熱した。１時間の反応時間の後、Ｌｅｖａｓｉｌ ３００／３０％タイプ（ｐＨ＝１０）のアルカリ安定化シリカゲル水溶液３３２．９３ｇを、撹拌しながら反応溶液に加えた。１２時間の反応時間の後、混合物を水で希釈して５％の固体物質含量にした。これにより、約１５ｎｍの反応性末端基を有する親水性のナノ粒子が得られた。この系をイナンデーションによってプラズマ活性化ポリカーボネートシートに施し、次に循環空気乾燥キャビネット内にて１３０℃で５時間乾燥した。
【実施例３】
【００２９】
１２３．６８ｇ（０．５モル）の３−イソシアナトプロピルトリエトキシシランを６００ｇ（１モル）のポリエチレングリコール６００に加え、０．１２ｇのジブチルスズラウレート（３−イソシアナトプロピルトリエトキシシランに対して０．１ｗｔ％）を加えた後に、シリコーン浴中で１３０℃まで加熱した。得られた溶液（溶液Ａ）５０ｇに、撹拌しながら、２５ｇ（０．１２モル）のテトラエトキシシラン及び３３．４ｇ（０．１２モル）の３−グリシジルオキシプロピルトリエトキシシランを加えた。１５．１２ｇ（０．８４モル）の０．１Ｎ−ＨＣｌ溶液を加えた後、混合物を加水分解し、室温で２４時間凝集させた。これにより、約５ｎｍの反応性末端基を有する親水性のナノ粒子が得られた。
【実施例４】
【００３０】
１２．５ｇ（０．０５モル）の３−メタクリルオキシプロピルトリメチルオキシシラン、１２．５ｇの２０％ＣｅＯ２水溶液（Ａｌｄｒｉｃｈより入手）、及び５０ｇのエチルアルコールを、混合物を均質化するために撹拌しながら、実施例３で記載した溶液Ａの５０ｇに加え、４８時間親水化を行った。０．３７５ｇのＣｉｂａ Ｓｐｅｚｉａｌｉｔａｔｅｎ ＣｈｅｍｉｅからのＩｎｇａｃｕｒｅ １８４（３−メタクリルオキシプロピルトリメトキシシランに対して３ｗｔ％）を加えた後、混合物を、炎処理したポリカーボネートシートに噴霧によって最大で３０μｍの湿潤膜厚で施し、まず循環空気乾燥キャビネット内、１３０℃で１０分間加熱乾燥した。次に、１〜２Ｊ／ｃｍ２の放射線出力を有するＨｇエミッタを用いる光化学的乾燥を行った。
【００３１】
図１及び２に示すフーリエ変換赤外（ＦＴＩＲ）スペクトルは、本発明の一態様によるナノ粒子を含む二つの異なる被覆に関するものである。図１及び図２のいずれにおいても、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉの主ピークの左側の上に、比較的低いＳｉ−Ｒ含量（ここで、Ｒは、少なくとも一つの炭素原子を有する飽和又は不飽和の炭素鎖である）を示す小さな「肩」ピークが見られる。
【００３２】
好ましい被覆の走査電子顕微鏡写真を図３に示す。被覆は多孔質であり、ナノ粒子は小塊形状を有する。
本発明の範囲は、上記記載の材料及びそれを製造する方法に限定されるものではなく、燃料電池部品上に形成されたナノ粒子を含む他の被覆も包含する。以下は、被覆の更なる態様及びその製造方法の説明である。
【００３３】
例えば、好適なナノ粒子としては、ＳｉＯ２、他の金属酸化物、例えばＨｆＯ２、ＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＳｎＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５、ＭｏＯ２、ＩｒＯ２、ＲｕＯ２、準安定オキシナイトライド、不定比金属酸化物、オキシナイトライド、及び炭素鎖を含むか又は炭素を含むこれらの誘導体、並びにこれらの混合物が挙げられるが、これらに限定されない。
【００３４】
一態様においては、被覆は、親水性であり、少なくとも一つのＳｉ−Ｏ基、少なくとも一つの極性基、及び飽和又は不飽和の炭素鎖を有する少なくとも一つの基を含む。本発明の一態様においては、極性基としては、ヒドロキシル官能基、ハライド官能基、カルボキシル官能基、ケトン官能基、又はアルデヒド官能基を挙げることができる。本発明の一態様においては、炭素鎖は、飽和であっても不飽和であってもよく、１〜４個の炭素原子を有していてよい。被覆は、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、希土類金属、これらの合金、高分子炭素又はグラファイトをはじめとする導電性を向上させる添加元素又は化合物を有していてもよい。
【００３５】
本発明の一態様においては、被覆は、Ｓｉ−Ｏ基、及びＳｉ−Ｒ基（ここで、Ｒは、飽和又は不飽和の炭素鎖を包含する）を含み、ここでＳｉ−Ｏ基に対するＳｉ−Ｒ基のモル比は１／８〜１／２、好ましくは１／４〜１／２の範囲である。本発明の他の態様においては、被覆は、被覆の親水性を向上させるヒドロキシル基を更に含む。
【００３６】
本発明の他の態様は、その上に被覆を有する部品を有し、被覆がシロキサンから誘導される燃料電池部品を包含する。シロキサンは、線状、分岐鎖、又は環式であってよい。一態様においては、シロキサンは、式：Ｒ２ＳｉＯ（式中、Ｒはアルキル基である）を有する。
【００３７】
本発明の他の態様は、その上に被覆を有する部品を有し、被覆が、式：
【００３８】
【化２】
【００３９】
（式中、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、及びＲ６は、それぞれ、Ｈ、Ｏ、Ｃｌ、又は、１〜４個の炭素原子を有する飽和若しくは不飽和の炭素鎖であってよく、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、及びＲ６は、同一であっても異なっていてもよい）
を有する材料から誘導される燃料電池部品を包含する。
【００４０】
本発明の他の態様は、その上に被覆が形成されている燃料電池部品を含み、被覆が、式：
【００４１】
【化３】
【００４２】
（式中、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、及びＲ６は、それぞれ、Ｈ、Ｏ、Ｃｌ、又は、１〜４個の炭素原子を有する飽和若しくは不飽和の炭素鎖であってよく、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、及びＲ６は、同一であっても異なっていてもよい）
を有する材料を含む前駆体ガスから被覆をプラズマ化学気相成長させることを含み、更にプラズマ化学気相成長させた被覆を処理して極性基を与えることを含む方法によって形成される製品を包含する。本発明の他の態様においては、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、及びＲ６の少なくとも一つは、少なくとも一つの炭素原子を有する炭素鎖である。
【００４３】
本発明の他の態様は、酸素を含むプラズマに被覆を曝露して、堆積被覆中に極性基を生成させることを含む、堆積被覆の後処理を包含する。
本発明の他の態様は、その上に被覆を有し、被覆が、１〜１００ｎｍ、好ましくは１〜５０ｎｍ、最も好ましくは１〜１０ｎｍの範囲の寸法を有するナノ粒子を含み、ナノ粒子が、ケイ素、飽和又は不飽和の炭素鎖、及び極性基を有する化合物を含む、燃料電池部品を包含する。
【００４４】
本発明の他の態様は、その上に親水性の被覆を有するバイポーラプレート、及びバイポーラプレートに隣接して配置された拡散媒体を有する燃料電池を包含する。親水性の被覆は、小塊形状のナノ粒子を含み、被覆は、バイポーラプレート上の被覆に隣接する拡散媒体の位置から、繊維が被覆を通して伸長して、被覆を通してバイポーラプレートから拡散媒体への電気通路が与えられるのに十分に多孔質である。
【００４５】
親水性の被覆は、また、バイポーラプレートのアノード側においても必要である可能性がある。これは、アノードの水蓄積は、幾つかの条件下での運転安定性に影響を与えることが知られており、水素欠乏によって電極及び膜の耐久性に影響を与えると考えられているからである。しかしながら、アノード側における被覆の溶解速度は、燃料電池の運転中に生成する水におけるより高いＨＦ濃度の結果としてカソード側よりも速いであろうと考えられている。したがって、アノード被覆をカソード被覆よりも厚くして、燃料電池寿命の終期までの耐久性を達成しなければならない。本発明の一態様においては、アノード被覆の平均厚さは、カソード被覆の平均厚さよりも約１５％大きい。
【００４６】
被覆は、寿命の終期までの燃料電池内での希ＨＦ環境における材料の溶解速度を調整するのに十分に厚くなければならない。逆に、被覆は、好ましい不連続形態で付加電気抵抗を最小にするのに十分に薄くなければならない。一態様においては、被覆は８０〜１００ｎｍの平均厚さを有していてよい。
【００４７】
本発明の一態様においては、前駆体ガスは、好ましくはヘキサメチルジシロキサン（ＨＭＤＳＯ）であるが、シロキサン、シラノール、又はシランをベースとする化学物質からの無機又は有機誘導体、或いは他の炭素及び／又はケイ素含有ガス及び／又は液体の中から選択することができる。本発明の一態様においては、被覆プロセスは、ヘキサメチルジシロキサン（ＨＭＤＳＯ）前駆体、及びキャリアガスとして純粋酸素を用いてマイクロ波プラズマ化学気相成長（ＣＶＤ）させることを含み、これによりシロキサン様（ＳｉＯｘ）の被覆が得られる。マイクロ波の周波数は、２．４５ＧＨｚに固定することができる。プロセス温度は、雰囲気温度〜４５℃の範囲の比較的低いものであってよく、これにより、任意の実用のバイポーラプレート材料を、熱による損傷又は変形の心配なしに被覆することができる。親水性被覆材料の実際の適用、並びにその得られる化学的及び物理的構造は、被覆装置に関連する六つの調整可能なプロセスパラメーターによって制御される。ＰＬＡＳＭＡｔｅｃｈ Ｍｏｄｅｌ １１０の場合には、１１０Ｌの容量を有するＣＶＤ反応器に関しては、０〜５００Ｐａ、好ましくは１０〜１００Ｐａ、最も好ましくは３０Ｐａの範囲の圧力、５０Ｗ〜１０ｋＷ、好ましくは１００Ｗ〜１ｋＷ、最も好ましくは２００〜３００Ｗの範囲のマイクロ波出力で運転する。前駆体ガスは、好ましくはヘキサメチルジシロキサン（ＨＭＤＳＯ）であるが、上記に記載の、シロキサン、シラノール、又はシランをベースとする化学物質からの無機又は有機誘導体、或いは他の炭素及び／又はケイ素含有ガス及び／又は液体の中から選択することができる。キャリアガスは、好ましくは酸素であるが、窒素、亜酸化窒素、アルゴン、アルゴン−酸素、又はこれらの混合物、或いは適当な比での他のガスとの混合物の少なくとも一つを含むことができる。
【００４８】
前駆体−キャリアガスの体積流量比は、被覆層の得られる化学構造及び形態に大きな影響を与える。一般に、特にシロキサン含有前駆体を用いると、小さな前駆体：キャリアの比によって、純粋なＳｉＯ２の化学構造に近接するより密な被覆が得られる。この比を増加させると、被覆の有機含量が増大し、ほぼ確実に親水性が低下する（即ち静的接触角が増大する）ばかりでなく、被覆構造の多孔度も増大する。必要な接触角を得て、且つ付加電気抵抗を最小にするために、燃料電池において適用するのに重要な点は、これらの特性のバランスである。本発明の一態様においては、キャリアに対する前駆体の流量比は、２〜１６％、好ましくは４〜１２％、最も好ましくは８〜１０％である。
【００４９】
ガスの絶対流速は、全反応器容量の関数である。本明細書において説明するバイポーラプレート被覆を製造するために用いるＰＬＡＳＭＡｔｅｃｈ Ｍｏｄｅｌ １１０に関しては、ガス流量範囲（上記で議論した８〜１０％のガス流量比を仮定する）は、以下の通りである。適用範囲：前駆体＝２〜５０ｍＬ／分；キャリア＝２０〜６２５ｍＬ／分；好ましくは、前駆体＝１０〜３０ｍＬ／分；キャリア＝１００〜３７５ｍＬ／分；最も好ましくは、前駆体＝１５〜２０ｍＬ／分；キャリア＝１５０〜２５０ｍＬ／分。
【００５０】
反応器時間は、被覆層の厚さを決定するが、同時に被覆の形態にも影響を与える。この時間は、寿命末期までの燃料電池内での希ＨＦ環境における材料の溶解速度を調整するのに十分に厚い被覆を製造するように選択することができる。逆に、被覆は、好ましい不連続形態で付加電気抵抗を最小にするのに十分に薄くなければならない。この被覆特性の組み合わせは、バイポーラプレートの側面あたり４分間の反応器時間を用いて８０〜１００ｎｍの平均厚さを有する被覆を製造することによって最適化された。
【００５１】
ＳｉＯｘ基材構造体上に極性官能基（主としてヒドロキシル基）を導入して、それによって材料の親水性を更に向上させるために、後処理プロセスが必要な場合がある。本発明の一態様においては、これは、ＳｉＯｘ膜を、有機結合を開裂して、ヒドロキシル官能基、カルボキシル官能基、及びアルデヒド官能基を形成することによってＳｉＯｘ被覆を活性化する反応性酸素プラズマに曝露することによって行われる。後処理によるこの活性化によって、また、材料の多孔度も向上し、電気抵抗を更に低下させることができる。他の態様においては、被覆を、極性基を生成する化学物質と反応させる。他の態様においては、親水性被覆の薄層を施すことによって極性基を導入する。
【００５２】
本発明の一態様においては、後処理プロセスは、マイクロ波生成酸素プラズマ環境に、０〜５分間、好ましくは０．５〜３分間、最も好ましくは１．５分間曝露することを含む。
【００５３】
図４は、上記で議論したタイプの燃料電池スタックの一部である燃料電池セル１０の横断面図である。燃料電池セル１０は、電解質膜１６によって分離されたカソード側１２及びアノード側１４を含む。カソード側１２にカソード側拡散媒体層２０が与えられ、膜１６と拡散媒体層２０との間にカソード側触媒層２２が与えられている。同様に、アノード側１４にアノード側拡散媒体層２４が与えられ、膜１６と拡散媒体層２４との間にアノード側触媒層２６が与えられている。触媒層２２及び２６、並びに膜１６によって、ＭＥＡが画定される。拡散媒体層２０及び２４は多孔質層であり、これによってＭＥＡへの導入ガスの移送及びＭＥＡからの水の移送が与えられる。拡散媒体層２０及び２４のそれぞれの上、或いは膜１６上へ触媒層２２及び２６を堆積させるための種々の方法が当該技術において公知である。
【００５４】
カソード側１２にカソード側流場プレート又はバイポーラプレート１８が与えられ、アノード側１４にアノード側流場プレート又はバイポーラプレート３０が与えられている。バイポーラプレート１８及び３０は、燃料電池スタック内の燃料電池セルの間に与えられている。バイポーラプレート３０内のフローチャネル２８からの水素反応ガス流は、触媒層２６と反応して、水素イオン及び電子を解離する。バイポーラプレート１８内のフローチャネル３２からの空気流は、触媒層２２と反応する。水素イオンは膜１６を通して伝搬することができ、ここで空気流中の酸素及び触媒層２２中の電子と電気化学的に反応して副生成物として水を生成する。
【００５５】
この非限定的な態様においては、バイポーラプレート１８は、一緒に押圧され結合された二つのシート３４及び３６を含むことができる。シート３６によってフローチャネル３２が画定され、シート３４によって、燃料電池セル１０に隣接する燃料電池セルのアノード側のためのフローチャネル３８が画定される。示されているように、シート３４と３６の間に冷却流体フローチャネル４０が与えられている。同様に、バイポーラプレート３０は、フローチャネル２８を画定するシート４２、隣接する燃料電池セルのカソード側のためのフローチャネル４６及び冷却流体フローチャネル４８を画定するシート４４を含む。ここで議論している態様においては、シート３４、３６、４２、及び４４は、ステンレススチール、チタン、アルミニウム、高分子炭素複合体等のような導電性材料で形成される。
【００５６】
本発明の一態様によれば、バイポーラプレート１８及び３０は、プレート１８及び３０を親水性にする被覆５０を含む。被覆５０の親水性によって、フローチャネル２８及び３２内の水が、水滴ではなく膜を形成して、水がフローチャネルを大きく閉塞しないようになる。特に、被覆５０の親水性によって、フローチャネル３２、３８、２８、及び４６内に蓄積される水の接触角を好ましくは４０°以下に低下させて、反応ガスが低負荷においてもフローチャネル２８及び３２を通して流動できるようになる。一態様においては、被覆５０は、例えば５〜５０ｎｍの範囲の薄膜であって、シート３４、３６、４２、及び４４の導電性により電力が燃料電池セル１０から有効に導出される。
【００５７】
本発明の他の態様によれば、被覆５０は、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、希土類金属、これらの合金、高分子炭素又はグラファイトのような被覆５０の導電性を向上させる導電性材料と化合させる。バイポーラプレート１８及び３０をより導電性にすることによって、燃料電池セル１０内における電気接触抵抗及びオーミック損失が減少し、それによって電池セルの効率が向上する。また、スタック内における圧縮力が低下し、スタック内でのある種の耐久性の問題点が解決される。
【００５８】
被覆５０をバイポーラプレート１８及び３０の上に堆積させる前に、バイポーラプレート１８及び３０を、イオンビームスパッタリングのような好適な方法によって清浄化して、形成され得るプレート１８及び３０の外側上の抵抗性の酸化物膜を除去することができる。被覆は、物理気相成長法、化学気相成長（ＣＶＤ）法、熱溶射法、ゾル−ゲル、噴霧、浸漬、ブラシ塗布、スピン塗布、又はスクリーン印刷をはじめとする（但しこれらに限定されない）任意の好適な方法によって、バイポーラプレート１８及び３０上に堆積させることができる。物理気相成長法の好適な例としては、電子ビーム蒸着、マグネトロンスパッタリング、及びパルスプラズマ法が挙げられる。好適な化学気相成長法としては、プラズマＣＶＤ及び原子層成長法が挙げられる。ＣＶＤ堆積法は、被覆５０の薄膜層のためにより好適である可能性がある。
【００５９】
図５は、本発明の他の態様による、その間に反応ガスフローチャネル６２及びランド６４を含むバイポーラプレート６０の切り欠き横断面図である。バイポーラプレート６０は、燃料電池セル１０におけるバイポーラプレート１８又は３０に置き換えて適用することができる。この態様においては、被覆５０はプレート６０上にランダムな島部６８として堆積されて、プレート６０の導電性材料が、島部６８の間の領域７０において曝露されている。被覆島部６８によってプレート６０の所望の親水性が与えられ、曝露領域７０によってプレート６０の所望の導電性が与えられる。この態様においては、島部６８は、最も良好には、電子ビーム蒸着、マグネトロンスパッタリング、及びパルスプラズマ法のような物理気相成長法によって堆積させることができる。一態様においては、島部６８は、５０〜１００ｎｍの厚さに堆積させる。
【００６０】
図６は、本発明の他の態様による、その間に反応ガスフローチャネル７４及びランド７６を含むバイポーラプレート７２の切り欠き横断面図である。この態様においては、被覆７８がバイポーラプレート７２上に堆積されている。被覆７８は、次に、研磨又は研削のような任意の好適な方法によってランド７６の上が除去されて、ランド７６においてプレート７２の導電性材料が曝露される。したがって、フローチャネル７４は親水性被覆を有し、ランド７６は導電性であって、電力が燃料電池セルから導出される。この態様においては、プレート７２はフローチャネル７４において導電性がより低くてもよいので、被覆７８は、１００ｎｍ〜１μｍのように、上記で議論した態様よりも厚く堆積させることができる。
【００６１】
図７は、本発明の他の態様による、反応ガスフローチャネル７４及びランド７６を有するバイポーラプレート８２の切り欠き横断面図である。この態様においては、バイポーラプレート８２は、その上に導電性の保護層５２を有する。本発明による被覆７８は、バイポーラプレート８２のフローチャネル７４の上のみに配置されている。
【００６２】
図８は、まずバイポーラプレート１８のランド７６の上にマスク２００を選択的に形成し、その後、ケイ素を含んでいてもよい被覆５０を、マスク２００を含むバイポーラプレート１８の上に堆積させることを含む、本発明方法の一態様を示す。マスク２００は、硬質の物理的マスク、粘稠な液体又はゲル様材料、或いはフォトレジストのような除去可能な材料であってよい。図９に示すように、ランド７６の上のマスク２００は除去され、バイポーラプレート１８のフローチャネル７４の上に配置されている被覆５０のみが残留する。
【００６３】
図１０は、まずランド７６及びチャネル７４を含むバイポーラプレート１８の上にケイ素を含む被覆５０を堆積させ、次に、バイポーラプレートのチャネル７４の上にフォトレジスト又は水溶性材料のようなマスク２００を選択的に形成し、その後バイポーラプレートのランド７６の上の被覆５０をエッチバックすることを含む本発明方法の一態様を示す。エッチングは、エッチングがバイポーラプレート１８に損傷を与えないならば、湿式又は乾式エッチング法を用いて行うことができる。一態様においては、ランド７６の上の被覆５０をアルゴンプラズマによって除去し、その後マスクの残留部分を除去することができる。
【００６４】
図１１は、上記で議論したバイポーラプレート上に種々の層を堆積させるためのシステム１００の平面図である。システム１００は、吹き付け、物理気相成長法、化学気相成長法、熱溶射法、及びゾル−ゲル法をはじめとする（但しこれらに限定されない）上記記載の任意の方法を表すように意図している。システム１００においては、電子銃１０２によって材料１０４を加熱し、これにより材料１０４を気化させて、バイポーラプレートを表す基材１０６上に堆積させて、その上に被覆１０８を形成する。他の方法においては、システム１００は、イオンビームをスパッタリング表面１１２に当てて、金属酸化物のような材料を放出させて被覆１０８を堆積させるイオン銃１１０を含む。他の態様においては、被覆５０は、噴霧、浸漬、ブラシ塗布、スピン塗布、又はスクリーン印刷によって施すことができる。
【００６５】
図１２は、本発明の一態様による方法において有用なプラズマ化学気相成長反応器４００の一態様を示す。反応器４００は、複数の壁部４０２及び天井部４０４を有する。反応ガス及びキャリアガスを反応室４１２中に充填するために、壁部４０２又は天井部４０４を通して複数のガス充填口４０６、４０８、４１０を与えることができる。また、液体充填分配器４１４を与えることもできる。反応器は、反応室４１２内でプラズマを生成させるためのマイクロ波発生手段４１６及びＲｆ発生手段４１８を含むことができる。バイポーラプレートのような燃料電池部品を支持するためにチャック４２０を与えることができる。
【００６６】
図１３は、例えばバイポーラプレート１８のヘッダー（図示せず）を通してスラリーを押出すことによって、バイポーラプレート１８のチャネル７４を通して本発明によるスラリーを流す製品及び方法を包含する本発明の一態様を示す。その後、８０〜１８０℃の範囲の温度でビヒクルを除去して、チャネル７４の一部の上に配置されている永久的な被覆５０を残留させる。
【００６７】
図１４Ａは、バイポーラプレート１８を成形し、これがランド７６及びチャネル７４を含む外側表面の上にポリマーに富む外皮５００を含む本発明の一態様による方法を示す。
図１４Ｂは、図１４Ａの外皮５００の上に被覆を堆積させることを含み、被覆５０がバイポーラプレートのランド７６及びチャネル７４の上にも配置されている本発明の一態様による方法を示す。
【００６８】
図１４Ｃは、バイポーラプレート１８のランド７６の上の被覆５０及び外皮５００を除去することを含む本発明の一態様による方法を示す。
本発明の他の態様においては、Ｓｉ−Ｏ及びＳｉ−Ｒ（式中、Ｒは飽和又は不飽和の炭素鎖である）基を有する被覆を、ステンレススチールの箔のような平坦な基材上に選択的に堆積させ、その後、例えば押圧によって、複数のランド及びチャネルを含む気体流場を有し、被覆がチャネル内に堆積されているバイポーラプレートに成形する。
【００６９】
本発明の他の態様においては、Ｓｉを含む材料、及び炭素を含む材料をはじめとする種々の化学物質を用いて、Ｓｉ−Ｏ及びＳｉ−Ｒ（式中、Ｒは飽和又は不飽和の炭素鎖である）基を有する被覆を基材上に形成することができる。例えば、シラン（ＳｉＨ４）、酸素、及び炭素をベースとする気体又は液体を用いるプラズマＣＶＤを用いて被覆を製造することができる。他の態様においては、テトラエチルオキシシレート又はテトラエトキシシラン（Ｓｉ（Ｃ２Ｈ５Ｏ）４）であるＴＥＯＳ、又はメチルトリエトキシシランであるＭＴＥＯＳ、及び酸素又はオゾン、並びに場合によっては炭素をベースとする気体又は液体を用いるプラズマＣＶＤを用いて被覆を製造することができる。
【００７０】
本明細書において層の互いの相対位置に関して「上に」、「上に配置されている」、「上に配置している」などという用語を用いる場合には、これは、層が互いに直接接触しているか、或いはこれらの層の間に他の一つ又は複数の層が介在していてもよいことを意味する。
【００７１】
本発明の説明は事実上単に例示のものであり、したがって、その変更は本発明の精神及び範囲から逸脱しないものであると考えられる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、その上にナノ粒子を含む被覆を有する燃料電池部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素は、清浄で、これを用いて燃料電池において電力を効率よく発生させることができるので、極めて魅力的な燃料である。自動車産業においては、自動車のための動力源としての水素燃料電池の開発に多額の資金が費やされている。このような自動車は、内燃機関を用いる現行の自動車よりも、より効率的で、より少ない排ガスを発生させるであろう。
【０００３】
水素燃料電池は、その間に電解質を有するアノード及びカソードを含む電気化学装置である。アノードは水素に富むガス又は純粋な水素を受容し、カソードは酸素又は空気を受容する。水素ガスは、アノードにおいて解離して、遊離プロトン及び電子を生成する。プロトンは、電解質を通ってカソードに移動する。プロトンは、カソードにおいて酸素及び電子と反応して、水を生成する。アノードからの電子は、電解質を通過することができず、したがって、カソードに送られる前に負荷を通して送られて、仕事を行う。この仕事を用いて、例えば自動車を動かすことができる。
【０００４】
固体高分子形燃料電池（ＰＥＭＦＣ）は、自動車の用途に関して一般的である。ＰＥＭＦＣは、一般に、ペルフルオロスルホン酸膜のような固体ポリマー電解質プロトン伝導膜を含む。アノード及びカソードは、通常、炭素粒子上に担持され、イオノマーと混合されている微粉砕触媒粒子、通常は白金（Ｐｔ）を含む。触媒混合物は、膜の反対の側面上に堆積される。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って、膜電極接合体（ＭＥＡ）が画定される。ＭＥＡは、製造するのが比較的高価であり、有効な運転のためには特定の条件が必要である。これらの条件としては、正確な水管理及び加湿、並びに一酸化炭素（ＣＯ）のような触媒被毒成分の制御が挙げられる。
【０００５】
通常、所望の電力を発生させるために、幾つかの燃料電池セルが燃料電池スタック内で組み合わされている。上記で言及した自動車用燃料電池スタックのためには、スタックは約２００以上のバイポーラプレートを含む可能性がある。燃料電池スタックは、カソード反応ガス、通常はコンプレッサーによってスタックを通して強制流動されている空気流を受容する。酸素の全部がスタックによっては消費されず、空気の一部が、スタック副生成物として液体水を含む可能性があるカソード排ガスとして排出される。また、燃料電池スタックは、スタックのアノード側の中に流入するアノード水素反応ガスも受容する。
【０００６】
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場又はバイポーラプレートを含む。バイポーラプレートは、スタック内における隣接する燃料電池セルのためのアノード側及びカソード側を含む。バイポーラプレートのアノード側上に、アノードガスをＭＥＡのアノード側に流すアノードガスフローチャネルが与えられている。バイポーラプレートのカソード側上に、カソードガスをＭＥＡのカソード側に流すカソードガスフローチャネルが与えられている。バイポーラプレートは、また、冷却流体のためのフローチャネルも含むことができる。
【０００７】
バイポーラプレートは、通常、ステンレススチール、チタン、アルミニウム、高分子炭素複合体等のような導電性材料で構成され、燃料電池セルによって生成した電力を、一つのセルから次のセルへ、且つスタックの外側へ導く。金属バイポーラプレートは、通常、その外側表面上に自然酸化物を生成し、これによって腐蝕に対して抵抗性になる。しかしながら、この酸化物層は、導電性でなく、したがって燃料電池セルの内部抵抗が増加し、その電気特性が低下する。また、酸化物層は、プレートをより疎水性にすることが多い。
【０００８】
本出願の譲受人に譲渡された米国特許出願公開２００３／０２２８５１２（その開示は参照として本明細書中に包含する）においては、流場プレートの上に、プレートが酸化されてそのオーミック接触が増加するのを防ぐ導電性の外側層を堆積させる方法が開示されている。同様に本出願の譲受人に譲渡された米国特許６，３７２，３７６においては、流場プレートの上に、導電性で、耐酸化性で、耐酸性の被覆を堆積させることが開示されている。同様に本出願の譲受人に譲渡された米国特許出願公開２００４／００９１７６８においては、流場プレートを、耐腐食性で、導電性で、熱伝導性にするために、流場プレート上にグラファイト及びカーボンブラックの被覆を堆積させることが開示されている。
【０００９】
当該技術においてよく理解されているように、燃料電池セル内の膜は一定の相対湿度を有していて、膜を横切るイオン抵抗がプロトンを有効に伝導するのに十分に低いことが必要である。燃料電池の運転中においては、ＭＥＡからの湿分及び外部の湿分がアノード及びカソードのフローチャネルに侵入する可能性がある。通常０．２Ａ／ｃｍ２以下の低い電池電力需要においては、反応ガスの流速が低すぎて水をフローチャネルの外に押しのけることができないので、水がフローチャネル内に蓄積する。水が蓄積すると、液滴が形成され、液滴はプレート材料の疎水性のために拡大し続ける。水滴の接触角は一般に約９０°であり、この場合、液滴は反応ガスの流れの方向に対して実質的に垂直なフローチャネル内に形成される。液滴の寸法が増大すると、フローチャネルが閉塞され、チャネルは共通の入口及び出口マニホールドの間を平行に流れているので、反応ガスは他のフローチャネルに逸流する。反応ガスは水によって閉塞されたチャ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ネルの外に押し出すことができない。チャネルが閉塞される結果として反応ガスを受容しない膜のこれらの領域は電力を発生させず、したがって不均一な電流分布、及び燃料電池の全体的効率の低下をもたらす。更に多くのフローチャネルが水によって閉塞されると、燃料電池セルによって生成する電力が低下し、２００ｍＶ未満のセル電位はセルの不具合とみなされる。燃料電池セルは直列に電気接続されるので、一つの燃料電池セルが機能停止すると、燃料電池スタック全体が機能停止する可能性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
通常、周期的により高い流速でフローチャネルを通して反応ガスを強制流動させることによって、フローチャネル内の蓄積水を掃去することができる。しかしながら、カソード側においては、これによって空気コンプレッサーにかかる寄生動力が増大し、それにより全体的なシステム効率が低下する。更に、経済性の低下、システム効率の低下、及び排ガス流中の高い濃度の水素を処理するためのシステムの複雑さの増大をはじめとする、掃去ガスとして水素燃料を用いない多くの理由がある。
【００１１】
チャネル内の蓄積水を減少させることは、また、導入加湿を低下させることによっても達成することができる。しかしながら、アノード及びカソード反応ガス中には多少の相対湿度を与えて、燃料電池セル内の膜が水和した状態で保持されるようにすることが望ましい。乾燥した導入ガスは膜に対する乾燥効果を有し、それによってセルの耐イオン性が増大し、膜の長期間耐久性が制限される可能性がある。
【００１２】
本発明者らによって、燃料電池のためのバイポーラプレートを親水性にして、チャネルの水移送を向上させることが提案されている。親水性のプレートによって、チャネル内の水が、自然湿潤と呼ばれるプロセスで表面に沿って展開する。得られる薄膜は、共通の入口及び出口ヘッダーに接続されたチャネルの列に沿って流れの分布を変化させる傾向が小さい。プレート材料が十分に高い表面エネルギーを有していると、拡散媒体を通して移送される水は、チャネルの壁に接触し、次に、毛管力によってチャネルの底角部中にその長さに沿って移送される。フローチャネルの角部において自然湿潤を保持するための物理的要件は、コンカス・フィン条件：
【００１３】
【化１】
【００１４】
（式中、βは液体表面と固体表面との間に形成される静的接触角であり、αはチャネルの角部の角度である）
によって説明される。長方形のチャネルに関してはα／２＝４５°であり、これは静的接触角が４５°未満である場合に自然湿潤が起こることを示している。複合バイポーラプレートを用いる現在の燃料電池スタックデザインにおいて用いられているほぼ長方形のチャネルに関しては、これはチャネルの水移送に対する親水性プレート表面の有益な効果及び低い負荷安定性を実現するために必要な接触角に対するおおよその上限を設定する。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
発明の典型的な態様の概要
本発明の一態様は、基材及び基材の上に配置されている被覆を含み、被覆が２〜１００ｎｍの範囲の寸法を有するナノ粒子を含む、燃料電池部品を含む製品を包含する。
【００１６】
本発明の他の態様は、以下に与える詳細な説明から明らかとなるであろう。詳細な説明及び特定の実施例は、本発明の態様を示すもので、例示のみの目的で与えるものであり、本発明の範囲を限定するものではないことを理解すべきである。
【００１７】
本発明は、詳細な説明及び添付の図面からより完全に理解されるようになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、本発明の一態様にしたがって製造された被覆のフーリエ変換赤外スペクトルの結果のグラフである。
【図２】図２は、本発明の他の態様に従って製造された被覆のフーリエ変換赤外スペクトルの結果のグラフである。
【図３】図３は、本発明の一態様による被覆の顕微鏡写真である。
【図４】図４は、本発明の一態様による、プレートを親水性にする被覆を有するバイポーラプレートを含む燃料電池スタックの一部の中の燃料電池セルの横断面図である。
【図５】図５は、本発明の他の態様による、空き領域によって分離された島部によって画定された被覆を含む燃料電池用のバイポーラプレートの切り欠き横断面図である。
【図６】図６は、本発明の他の態様による、プレート内のフローチャネルの間のランドにおいて被覆が除去された、被覆を含む燃料電池用のバイポーラプレートの切り欠き横断面図である。
【図７】図７は、本発明の一態様による、被覆がバイポーラプレート上の他の被覆の上に堆積されている、燃料電池用のバイポーラプレートの切り欠き横断面図である。
【図８】図８は、まずバイポーラプレートのランドの上にマスクを選択的に形成し、その後、マスクを含むバイポーラプレートの上に被覆を堆積させることを含む方法を包含する本発明の一態様を示す。
【図９】図９は、ランドの上のマスクを除去して、バイポーラプレートのチャネルの上に配置されている被覆のみを残留させる方法を含む本発明の一態様を示す。
【図１０】図１０は、まずバイポーラプレートの上にケイ素を含む被覆を堆積させ、次にバイポーラプレートのチャネルの上にマスクを選択的に形成し、その後、バイポーラプレートのランドの上の被覆をエッチバックすることを含む方法を包含する本発明の一態様を示す。
【図１１】図１１は、本発明の種々の態様にしたがってバイポーラプレート上に種々の層を堆積させるためのシステムの平面図である。
【図１２】図１２は、本方法において有用なプラズマ化学気相成長反応室を含む本発明の一態様を示す。
【図１３】図１３は、被覆剤をバイポーラプレートのチャネルを通して流す製品及び方法を包含する本発明の態様を示す。
【図１４Ａ】図１４Ａは、バイポーラプレートを成形し、それがポリマーに富む外皮を含む本発明の一態様による方法を示す。
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、図１４Ａの外皮の上に被覆を堆積させることを含む本発明の一態様による方法を示す。
【図１４Ｃ】図１４Ｃは、バイポーラプレートのランドの上の被覆及び外皮を除去することを含む本発明の一態様による方法を示す。
【好ましい実施形態】
【００１９】
好ましい態様の以下の説明は、事実上例示に過ぎず、本発明、その適用、又は使用を全く限定するものではない。
本発明の一態様は、ナノ粒子を含む被覆を有するバイポーラプレートのような（但しこれに限定されない）基材を有する燃料電池部品を包含する。ナノ粒子は、約２〜約１００ｎｍ、好ましくは約２〜約２０ｎｍ、最も好ましくは約２〜約５ｎｍの範囲の寸法を有することができる。ナノ粒子は、無機及び／又は有機材料を含むことができる。被覆は、また、ヒドロキシル官能基、ハライド官能基、カルボキシル官能基、ケトン官能基、及び／又はアルデヒド官能基を含む化合物を含むことができる。被覆は、バイポーラプレートのような燃料電池部品を親水性にする。
【００２０】
本発明の一態様は、親水性の側鎖を有するナノ粒子を含む親水性被覆を有する燃料電池部品を包含する。
本発明の一態様は、１０〜９０ｗｔ％の無機構造体、５〜７０ｗｔ％の親水性側鎖、及び０〜５０ｗｔ％の官能基を有する有機側鎖を含むナノ粒子を含む親水性被覆を有する燃料電池部品を包含する。かかる材料の組み合わせによって、表面の親水化が与えられ、被覆は親水性の側鎖を有するナノスケールの粒子から構成され、これを焼結することができる。
【００２１】
本発明の一態様においては、親水性の側鎖は、アミノ基、スルホネート基、スルフェート基、スルファイト基、スルホンアミド基、スルホキシド基、カルボキシレート基、ポリオール基、ポリエーテル基、ホスフェート基、又はホスホネート基である。
【００２２】
本発明の一態様においては、被覆は有機側鎖を含むことができ、有機側鎖の官能基は、エポキシ基、アクリルオキシ基、メタクリルオキシ基、グリシジルオキシ基、アリル基、ビニル基、カルボキシル基、メルカプト基、ヒドロキシル基、アミド基又はアミノ基、イソシアノ基、ヒドロキシ基、又はシラノール基である。本発明の一態様においては、被覆は３〜１０の範囲のｐＨを有する。
【００２３】
本発明の他の態様は、燃料電池部品上にスラリー溶液を堆積させることを包含する。スラリー溶液は、ナノ粒子及びビヒクルを含み、その後ビヒクルを除去する。ビヒクルは、水、アルコール、他の好適な溶媒、又はこれらの組み合わせを含むことができる。一態様においては、スラリーは、４〜５ｗｔ％のナノ粒子を含み、残りの部分はビヒクルである。一態様においては、ビヒクルは、約８０〜約１８０℃の範囲の温度で除去することができる。硬化時間は、８０℃における１０分から、１８０℃における１０秒の範囲であってよい。
【００２４】
ナノ粒子を施して表面を親水性にする他の手段はゾル−ゲル法であり、これは系をコロイド状態から固体ゲルに変化させることを含む。コロイドは、液相中に懸濁した固体のナノ粒子から形成されている。通常のゾル−ゲル法においては、まずコロイド懸濁液を配合し、コロイド懸濁液からナノ粒子を新しい相であるゲル中に凝縮させる。ゲル中では、固体のマクロ分子が溶媒中に浸漬している。引き続き、上記に示すものと同等の温度範囲による乾燥及び硬化を経て、最終的な材料は比較的連続的な親水性の被覆を構成する。
【００２５】
好適なスラリー材料は、Ｎａｎｏ−Ｘ ＧｍｂＨからＨＰ ３４０８及びＨＰ ４０１４の商品名で入手することができる。このスラリー材料によって、２５００時間を超えて燃料電池運転条件に耐えることができる親水性の被覆が与えられる。被覆は、バイポーラプレートのような、アルミニウム及び高級ステンレススチールのような金属、高分子基材、及び導電性複合基材の上に形成することができる。
【００２６】
米国特許出願２００４／０２３７８３３（その開示は参照として本明細書に包含する）においては、以下において繰り返す本発明において有用なスラリーを製造する多数の方法が記載されている。
【実施例１】
【００２７】
２２１．２９ｇ（１モル）の３−アミノプロピルトリエトキシシランを、撹拌しながら４４４．５７ｇのスルホコハク酸に加え、シリコーン浴中で１２０℃まで５時間加熱した。反応混合物を冷却した後、２０ｇの粘稠な流体を、８０ｇ（０．３８モル）のテトラエトキシシランと混合し、１００ｇのエチルアルコール中に吸収させた。次に、溶液を１３．６８ｇ（０．７６モル）の０．１Ｎ−ＨＣｌ溶液と混合し、水浴中、４０℃において一晩調質した。これにより、約２ｎｍの反応性末端基を有する親水性のナノ粒子が得られた。得られた溶液を、１／３の水及び２／３のＮ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）の混合物で希釈して５％の固体物質含量とし、噴霧によってガラスプレートに１０〜２０μｍの湿潤膜厚で施した。続いて、基材を、循環空気乾燥キャビネット内、１５０℃において３時間圧縮した。
【実施例２】
【００２８】
２２１．２９ｇ（１モル）の３−アミノプロピルトリエトキシシランを、撹拌しながら４４４．５７ｇのスルホコハク酸に加えた。次に、溶液をシリコーン浴中で１３０℃まで加熱した。１時間の反応時間の後、Ｌｅｖａｓｉｌ ３００／３０％タイプ（ｐＨ＝１０）のアルカリ安定化シリカゲル水溶液３３２．９３ｇを、撹拌しながら反応溶液に加えた。１２時間の反応時間の後、混合物を水で希釈して５％の固体物質含量にした。これにより、約１５ｎｍの反応性末端基を有する親水性のナノ粒子が得られた。この系をイナンデーションによってプラズマ活性化ポリカーボネートシートに施し、次に循環空気乾燥キャビネット内にて１３０℃で５時間乾燥した。
【実施例３】
【００２９】
１２３．６８ｇ（０．５モル）の３−イソシアナトプロピルトリエトキシシランを６００ｇ（１モル）のポリエチレングリコール６００に加え、０．１２ｇのジブチルスズラウレート（３−イソシアナトプロピルトリエトキシシランに対して０．１ｗｔ％）を加えた後に、シリコーン浴中で１３０℃まで加熱した。得られた溶液（溶液Ａ）５０ｇに、撹拌しながら、２５ｇ（０．１２モル）のテトラエトキシシラン及び３３．４ｇ（０．１２モル）の３−グリシジルオキシプロピルトリエトキシシランを加えた。１５．１２ｇ（０．８４モル）の０．１Ｎ−ＨＣｌ溶液を加えた後、混合物を加水分解し、室温で２４時間凝集させた。これにより、約５ｎｍの反応性末端基を有する親水性のナノ粒子が得られた。
【実施例４】
【００３０】
１２．５ｇ（０．０５モル）の３−メタクリルオキシプロピルトリメチルオキシシラン、１２．５ｇの２０％ＣｅＯ２水溶液（Ａｌｄｒｉｃｈより入手）、及び５０ｇのエチルアルコールを、混合物を均質化するために撹拌しながら、実施例３で記載した溶液Ａの５０ｇに加え、４８時間親水化を行った。０．３７５ｇのＣｉｂａ Ｓｐｅｚｉａｌｉｔａｔｅｎ ＣｈｅｍｉｅからのＩｎｇａｃｕｒｅ １８４（３−メタクリルオキシプロピルトリメトキシシランに対して３ｗｔ％）を加えた後、混合物を、炎処理したポリカーボネートシートに噴霧によって最大で３０μｍの湿潤膜厚で施し、まず循環空気乾燥キャビネット内、１３０℃で１０分間加熱乾燥した。次に、１〜２Ｊ／ｃｍ２の放射線出力を有するＨｇエミッタを用いる光化学的乾燥を行った。
【００３１】
図１及び２に示すフーリエ変換赤外（ＦＴＩＲ）スペクトルは、本発明の一態様によるナノ粒子を含む二つの異なる被覆に関するものである。図１及び図２のいずれにおいても、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉの主ピークの左側の上に、比較的低いＳｉ−Ｒ含量（ここで、Ｒは、少なくとも一つの炭素原子を有する飽和又は不飽和の炭素鎖である）を示す小さな「肩」ピークが見られる。
【００３２】
好ましい被覆の走査電子顕微鏡写真を図３に示す。被覆は多孔質であり、ナノ粒子は小塊形状を有する。
本発明の範囲は、上記記載の材料及びそれを製造する方法に限定されるものではなく、燃料電池部品上に形成されたナノ粒子を含む他の被覆も包含する。以下は、被覆の更なる態様及びその製造方法の説明である。
【００３３】
例えば、好適なナノ粒子としては、ＳｉＯ２、他の金属酸化物、例えばＨｆＯ２、ＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＳｎＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５、ＭｏＯ２、ＩｒＯ２、ＲｕＯ２、準安定オキシナイトライド、不定比金属酸化物、オキシナイトライド、及び炭素鎖を含むか又は炭素を含むこれらの誘導体、並びにこれらの混合物が挙げられるが、これらに限定されない。
【００３４】
一態様においては、被覆は、親水性であり、少なくとも一つのＳｉ−Ｏ基、少なくとも一つの極性基、及び飽和又は不飽和の炭素鎖を有する少なくとも一つの基を含む。本発明の一態様においては、極性基としては、ヒドロキシル官能基、ハライド官能基、カルボキシル官能基、ケトン官能基、又はアルデヒド官能基を挙げることができる。本発明の一態様においては、炭素鎖は、飽和であっても不飽和であってもよく、１〜４個の炭素原子を有していてよい。被覆は、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、希土類金属、これらの合金、高分子炭素又はグラファイトをはじめとする導電性を向上させる添加元素又は化合物を有していてもよい。
【００３５】
本発明の一態様においては、被覆は、Ｓｉ−Ｏ基、及びＳｉ−Ｒ基（ここで、Ｒは、飽和又は不飽和の炭素鎖を包含する）を含み、ここでＳｉ−Ｏ基に対するＳｉ−Ｒ基のモル比は１／８〜１／２、好ましくは１／４〜１／２の範囲である。本発明の他の態様においては、被覆は、被覆の親水性を向上させるヒドロキシル基を更に含む。
【００３６】
本発明の他の態様は、その上に被覆を有する部品を有し、被覆がシロキサンから誘導される燃料電池部品を包含する。シロキサンは、線状、分岐鎖、又は環式であってよい。一態様においては、シロキサンは、式：Ｒ２ＳｉＯ（式中、Ｒはアルキル基である）を有する。
【００３７】
本発明の他の態様は、その上に被覆を有する部品を有し、被覆が、式：
【００３８】
【化２】
【００３９】
（式中、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、及びＲ６は、それぞれ、Ｈ、Ｏ、Ｃｌ、又は、１〜４個の炭素原子を有する飽和若しくは不飽和の炭素鎖であってよく、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、及びＲ６は、同一であっても異なっていてもよい）
を有する材料から誘導される燃料電池部品を包含する。
【００４０】
本発明の他の態様は、その上に被覆が形成されている燃料電池部品を含み、被覆が、式：
【００４１】
【化３】
【００４２】
（式中、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、及びＲ６は、それぞれ、Ｈ、Ｏ、Ｃｌ、又は、１〜４個の炭素原子を有する飽和若しくは不飽和の炭素鎖であってよく、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、及びＲ６は、同一であっても異なっていてもよい）
を有する材料を含む前駆体ガスから被覆をプラズマ化学気相成長させることを含み、更にプラズマ化学気相成長させた被覆を処理して極性基を与えることを含む方法によって形成される製品を包含する。本発明の他の態様においては、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、及びＲ６の少なくとも一つは、少なくとも一つの炭素原子を有する炭素鎖である。
【００４３】
本発明の他の態様は、酸素を含むプラズマに被覆を曝露して、堆積被覆中に極性基を生成させることを含む、堆積被覆の後処理を包含する。
本発明の他の態様は、その上に被覆を有し、被覆が、１〜１００ｎｍ、好ましくは１〜５０ｎｍ、最も好ましくは１〜１０ｎｍの範囲の寸法を有するナノ粒子を含み、ナノ粒子が、ケイ素、飽和又は不飽和の炭素鎖、及び極性基を有する化合物を含む、燃料電池部品を包含する。
【００４４】
本発明の他の態様は、その上に親水性の被覆を有するバイポーラプレート、及びバイポーラプレートに隣接して配置された拡散媒体を有する燃料電池を包含する。親水性の被覆は、小塊形状のナノ粒子を含み、被覆は、バイポーラプレート上の被覆に隣接する拡散媒体の位置から、繊維が被覆を通して伸長して、被覆を通してバイポーラプレートから拡散媒体への電気通路が与えられるのに十分に多孔質である。
【００４５】
親水性の被覆は、また、バイポーラプレートのアノード側においても必要である可能性がある。これは、アノードの水蓄積は、幾つかの条件下での運転安定性に影響を与えることが知られており、水素欠乏によって電極及び膜の耐久性に影響を与えると考えられているからである。しかしながら、アノード側における被覆の溶解速度は、燃料電池の運転中に生成する水におけるより高いＨＦ濃度の結果としてカソード側よりも速いであろうと考えられている。したがって、アノード被覆をカソード被覆よりも厚くして、燃料電池寿命の終期までの耐久性を達成しなければならない。本発明の一態様においては、アノード被覆の平均厚さは、カソード被覆の平均厚さよりも約１５％大きい。
【００４６】
被覆は、寿命の終期までの燃料電池内での希ＨＦ環境における材料の溶解速度を調整するのに十分に厚くなければならない。逆に、被覆は、好ましい不連続形態で付加電気抵抗を最小にするのに十分に薄くなければならない。一態様においては、被覆は８０〜１００ｎｍの平均厚さを有していてよい。
【００４７】
本発明の一態様においては、前駆体ガスは、好ましくはヘキサメチルジシロキサン（ＨＭＤＳＯ）であるが、シロキサン、シラノール、又はシランをベースとする化学物質からの無機又は有機誘導体、或いは他の炭素及び／又はケイ素含有ガス及び／又は液体の中から選択することができる。本発明の一態様においては、被覆プロセスは、ヘキサメチルジシロキサン（ＨＭＤＳＯ）前駆体、及びキャリアガスとして純粋酸素を用いてマイクロ波プラズマ化学気相成長（ＣＶＤ）させることを含み、これによりシロキサン様（ＳｉＯｘ）の被覆が得られる。マイクロ波の周波数は、２．４５ＧＨｚに固定することができる。プロセス温度は、雰囲気温度〜４５℃の範囲の比較的低いものであってよく、これにより、任意の実用のバイポーラプレート材料を、熱による損傷又は変形の心配なしに被覆することができる。親水性被覆材料の実際の適用、並びにその得られる化学的及び物理的構造は、被覆装置に関連する六つの調整可能なプロセスパラメーターによって制御される。ＰＬＡＳＭＡｔｅｃｈ Ｍｏｄｅｌ １１０の場合には、１１０Ｌの容量を有するＣＶＤ反応器に関しては、０〜５００Ｐａ、好ましくは１０〜１００Ｐａ、最も好ましくは３０Ｐａの範囲の圧力、５０Ｗ〜１０ｋＷ、好ましくは１００Ｗ〜１ｋＷ、最も好ましくは２００〜３００Ｗの範囲のマイクロ波出力で運転する。前駆体ガスは、好ましくはヘキサメチルジシロキサン（ＨＭＤＳＯ）であるが、上記に記載の、シロキサン、シラノール、又はシランをベースとする化学物質からの無機又は有機誘導体、或いは他の炭素及び／又はケイ素含有ガス及び／又は液体の中から選択することができる。キャリアガスは、好ましくは酸素であるが、窒素、亜酸化窒素、アルゴン、アルゴン−酸素、又はこれらの混合物、或いは適当な比での他のガスとの混合物の少なくとも一つを含むことができる。
【００４８】
前駆体−キャリアガスの体積流量比は、被覆層の得られる化学構造及び形態に大きな影響を与える。一般に、特にシロキサン含有前駆体を用いると、小さな前駆体：キャリアの比によって、純粋なＳｉＯ２の化学構造に近接するより密な被覆が得られる。この比を増加させると、被覆の有機含量が増大し、ほぼ確実に親水性が低下する（即ち静的接触角が増大する）ばかりでなく、被覆構造の多孔度も増大する。必要な接触角を得て、且つ付加電気抵抗を最小にするために、燃料電池において適用するのに重要な点は、これらの特性のバランスである。本発明の一態様においては、キャリアに対する前駆体の流量比は、２〜１６％、好ましくは４〜１２％、最も好ましくは８〜１０％である。
【００４９】
ガスの絶対流速は、全反応器容量の関数である。本明細書において説明するバイポーラプレート被覆を製造するために用いるＰＬＡＳＭＡｔｅｃｈ Ｍｏｄｅｌ １１０に関しては、ガス流量範囲（上記で議論した８〜１０％のガス流量比を仮定する）は、以下の通りである。適用範囲：前駆体＝２〜５０ｍＬ／分；キャリア＝２０〜６２５ｍＬ／分；好ましくは、前駆体＝１０〜３０ｍＬ／分；キャリア＝１００〜３７５ｍＬ／分；最も好ましくは、前駆体＝１５〜２０ｍＬ／分；キャリア＝１５０〜２５０ｍＬ／分。
【００５０】
反応器時間は、被覆層の厚さを決定するが、同時に被覆の形態にも影響を与える。この時間は、寿命末期までの燃料電池内での希ＨＦ環境における材料の溶解速度を調整するのに十分に厚い被覆を製造するように選択することができる。逆に、被覆は、好ましい不連続形態で付加電気抵抗を最小にするのに十分に薄くなければならない。この被覆特性の組み合わせは、バイポーラプレートの側面あたり４分間の反応器時間を用いて８０〜１００ｎｍの平均厚さを有する被覆を製造することによって最適化された。
【００５１】
ＳｉＯｘ基材構造体上に極性官能基（主としてヒドロキシル基）を導入して、それによって材料の親水性を更に向上させるために、後処理プロセスが必要な場合がある。本発明の一態様においては、これは、ＳｉＯｘ膜を、有機結合を開裂して、ヒドロキシル官能基、カルボキシル官能基、及びアルデヒド官能基を形成することによってＳｉＯｘ被覆を活性化する反応性酸素プラズマに曝露することによって行われる。後処理によるこの活性化によって、また、材料の多孔度も向上し、電気抵抗を更に低下させることができる。他の態様においては、被覆を、極性基を生成する化学物質と反応させる。他の態様においては、親水性被覆の薄層を施すことによって極性基を導入する。
【００５２】
本発明の一態様においては、後処理プロセスは、マイクロ波生成酸素プラズマ環境に、０〜５分間、好ましくは０．５〜３分間、最も好ましくは１．５分間曝露することを含む。
【００５３】
図４は、上記で議論したタイプの燃料電池スタックの一部である燃料電池セル１０の横断面図である。燃料電池セル１０は、電解質膜１６によって分離されたカソード側１２及びアノード側１４を含む。カソード側１２にカソード側拡散媒体層２０が与えられ、膜１６と拡散媒体層２０との間にカソード側触媒層２２が与えられている。同様に、アノード側１４にアノード側拡散媒体層２４が与えられ、膜１６と拡散媒体層２４との間にアノード側触媒層２６が与えられている。触媒層２２及び２６、並びに膜１６によって、ＭＥＡが画定される。拡散媒体層２０及び２４は多孔質層であり、これによってＭＥＡへの導入ガスの移送及びＭＥＡからの水の移送が与えられる。拡散媒体層２０及び２４のそれぞれの上、或いは膜１６上へ触媒層２２及び２６を堆積させるための種々の方法が当該技術において公知である。
【００５４】
カソード側１２にカソード側流場プレート又はバイポーラプレート１８が与えられ、アノード側１４にアノード側流場プレート又はバイポーラプレート３０が与えられている。バイポーラプレート１８及び３０は、燃料電池スタック内の燃料電池セルの間に与えられている。バイポーラプレート３０内のフローチャネル２８からの水素反応ガス流は、触媒層２６と反応して、水素イオン及び電子を解離する。バイポーラプレート１８内のフローチャネル３２からの空気流は、触媒層２２と反応する。水素イオンは膜１６を通して伝搬することができ、ここで空気流中の酸素及び触媒層２２中の電子と電気化学的に反応して副生成物として水を生成する。
【００５５】
この非限定的な態様においては、バイポーラプレート１８は、一緒に押圧され結合された二つのシート３４及び３６を含むことができる。シート３６によってフローチャネル３２が画定され、シート３４によって、燃料電池セル１０に隣接する燃料電池セルのアノード側のためのフローチャネル３８が画定される。示されているように、シート３４と３６の間に冷却流体フローチャネル４０が与えられている。同様に、バイポーラプレート３０は、フローチャネル２８を画定するシート４２、隣接する燃料電池セルのカソード側のためのフローチャネル４６及び冷却流体フローチャネル４８を画定するシート４４を含む。ここで議論している態様においては、シート３４、３６、４２、及び４４は、ステンレススチール、チタン、アルミニウム、高分子炭素複合体等のような導電性材料で形成される。
【００５６】
本発明の一態様によれば、バイポーラプレート１８及び３０は、プレート１８及び３０を親水性にする被覆５０を含む。被覆５０の親水性によって、フローチャネル２８及び３２内の水が、水滴ではなく膜を形成して、水がフローチャネルを大きく閉塞しないようになる。特に、被覆５０の親水性によって、フローチャネル３２、３８、２８、及び４６内に蓄積される水の接触角を好ましくは４０°以下に低下させて、反応ガスが低負荷においてもフローチャネル２８及び３２を通して流動できるようになる。一態様においては、被覆５０は、例えば５〜５０ｎｍの範囲の薄膜であって、シート３４、３６、４２、及び４４の導電性により電力が燃料電池セル１０から有効に導出される。
【００５７】
本発明の他の態様によれば、被覆５０は、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、希土類金属、これらの合金、高分子炭素又はグラファイトのような被覆５０の導電性を向上させる導電性材料と化合させる。バイポーラプレート１８及び３０をより導電性にすることによって、燃料電池セル１０内における電気接触抵抗及びオーミック損失が減少し、それによって電池セルの効率が向上する。また、スタック内における圧縮力が低下し、スタック内でのある種の耐久性の問題点が解決される。
【００５８】
被覆５０をバイポーラプレート１８及び３０の上に堆積させる前に、バイポーラプレート１８及び３０を、イオンビームスパッタリングのような好適な方法によって清浄化して、形成され得るプレート１８及び３０の外側上の抵抗性の酸化物膜を除去することができる。被覆は、物理気相成長法、化学気相成長（ＣＶＤ）法、熱溶射法、ゾル−ゲル、噴霧、浸漬、ブラシ塗布、スピン塗布、又はスクリーン印刷をはじめとする（但しこれらに限定されない）任意の好適な方法によって、バイポーラプレート１８及び３０上に堆積させることができる。物理気相成長法の好適な例としては、電子ビーム蒸着、マグネトロンスパッタリング、及びパルスプラズマ法が挙げられる。好適な化学気相成長法としては、プラズマＣＶＤ及び原子層成長法が挙げられる。ＣＶＤ堆積法は、被覆５０の薄膜層のためにより好適である可能性がある。
【００５９】
図５は、本発明の他の態様による、その間に反応ガスフローチャネル６２及びランド６４を含むバイポーラプレート６０の切り欠き横断面図である。バイポーラプレート６０は、燃料電池セル１０におけるバイポーラプレート１８又は３０に置き換えて適用することができる。この態様においては、被覆５０はプレート６０上にランダムな島部６８として堆積されて、プレート６０の導電性材料が、島部６８の間の領域７０において曝露されている。被覆島部６８によってプレート６０の所望の親水性が与えられ、曝露領域７０によってプレート６０の所望の導電性が与えられる。この態様においては、島部６８は、最も良好には、電子ビーム蒸着、マグネトロンスパッタリング、及びパルスプラズマ法のような物理気相成長法によって堆積させることができる。一態様においては、島部６８は、５０〜１００ｎｍの厚さに堆積させる。
【００６０】
図６は、本発明の他の態様による、その間に反応ガスフローチャネル７４及びランド７６を含むバイポーラプレート７２の切り欠き横断面図である。この態様においては、被覆７８がバイポーラプレート７２上に堆積されている。被覆７８は、次に、研磨又は研削のような任意の好適な方法によってランド７６の上が除去されて、ランド７６においてプレート７２の導電性材料が曝露される。したがって、フローチャネル７４は親水性被覆を有し、ランド７６は導電性であって、電力が燃料電池セルから導出される。この態様においては、プレート７２はフローチャネル７４において導電性がより低くてもよいので、被覆７８は、１００ｎｍ〜１μｍのように、上記で議論した態様よりも厚く堆積させることができる。
【００６１】
図７は、本発明の他の態様による、反応ガスフローチャネル７４及びランド７６を有するバイポーラプレート８２の切り欠き横断面図である。この態様においては、バイポーラプレート８２は、その上に導電性の保護層５２を有する。本発明による被覆７８は、バイポーラプレート８２のフローチャネル７４の上のみに配置されている。
【００６２】
図８は、まずバイポーラプレート１８のランド７６の上にマスク２００を選択的に形成し、その後、ケイ素を含んでいてもよい被覆５０を、マスク２００を含むバイポーラプレート１８の上に堆積させることを含む、本発明方法の一態様を示す。マスク２００は、硬質の物理的マスク、粘稠な液体又はゲル様材料、或いはフォトレジストのような除去可能な材料であってよい。図９に示すように、ランド７６の上のマスク２００は除去され、バイポーラプレート１８のフローチャネル７４の上に配置されている被覆５０のみが残留する。
【００６３】
図１０は、まずランド７６及びチャネル７４を含むバイポーラプレート１８の上にケイ素を含む被覆５０を堆積させ、次に、バイポーラプレートのチャネル７４の上にフォトレジスト又は水溶性材料のようなマスク２００を選択的に形成し、その後バイポーラプレートのランド７６の上の被覆５０をエッチバックすることを含む本発明方法の一態様を示す。エッチングは、エッチングがバイポーラプレート１８に損傷を与えないならば、湿式又は乾式エッチング法を用いて行うことができる。一態様においては、ランド７６の上の被覆５０をアルゴンプラズマによって除去し、その後マスクの残留部分を除去することができる。
【００６４】
図１１は、上記で議論したバイポーラプレート上に種々の層を堆積させるためのシステム１００の平面図である。システム１００は、吹き付け、物理気相成長法、化学気相成長法、熱溶射法、及びゾル−ゲル法をはじめとする（但しこれらに限定されない）上記記載の任意の方法を表すように意図している。システム１００においては、電子銃１０２によって材料１０４を加熱し、これにより材料１０４を気化させて、バイポーラプレートを表す基材１０６上に堆積させて、その上に被覆１０８を形成する。他の方法においては、システム１００は、イオンビームをスパッタリング表面１１２に当てて、金属酸化物のような材料を放出させて被覆１０８を堆積させるイオン銃１１０を含む。他の態様においては、被覆５０は、噴霧、浸漬、ブラシ塗布、スピン塗布、又はスクリーン印刷によって施すことができる。
【００６５】
図１２は、本発明の一態様による方法において有用なプラズマ化学気相成長反応器４００の一態様を示す。反応器４００は、複数の壁部４０２及び天井部４０４を有する。反応ガス及びキャリアガスを反応室４１２中に充填するために、壁部４０２又は天井部４０４を通して複数のガス充填口４０６、４０８、４１０を与えることができる。また、液体充填分配器４１４を与えることもできる。反応器は、反応室４１２内でプラズマを生成させるためのマイクロ波発生手段４１６及びＲｆ発生手段４１８を含むことができる。バイポーラプレートのような燃料電池部品を支持するためにチャック４２０を与えることができる。
【００６６】
図１３は、例えばバイポーラプレート１８のヘッダー（図示せず）を通してスラリーを押出すことによって、バイポーラプレート１８のチャネル７４を通して本発明によるスラリーを流す製品及び方法を包含する本発明の一態様を示す。その後、８０〜１８０℃の範囲の温度でビヒクルを除去して、チャネル７４の一部の上に配置されている永久的な被覆５０を残留させる。
【００６７】
図１４Ａは、バイポーラプレート１８を成形し、これがランド７６及びチャネル７４を含む外側表面の上にポリマーに富む外皮５００を含む本発明の一態様による方法を示す。
図１４Ｂは、図１４Ａの外皮５００の上に被覆を堆積させることを含み、被覆５０がバイポーラプレートのランド７６及びチャネル７４の上にも配置されている本発明の一態様による方法を示す。
【００６８】
図１４Ｃは、バイポーラプレート１８のランド７６の上の被覆５０及び外皮５００を除去することを含む本発明の一態様による方法を示す。
本発明の他の態様においては、Ｓｉ−Ｏ及びＳｉ−Ｒ（式中、Ｒは飽和又は不飽和の炭素鎖である）基を有する被覆を、ステンレススチールの箔のような平坦な基材上に選択的に堆積させ、その後、例えば押圧によって、複数のランド及びチャネルを含む気体流場を有し、被覆がチャネル内に堆積されているバイポーラプレートに成形する。
【００６９】
本発明の他の態様においては、Ｓｉを含む材料、及び炭素を含む材料をはじめとする種々の化学物質を用いて、Ｓｉ−Ｏ及びＳｉ−Ｒ（式中、Ｒは飽和又は不飽和の炭素鎖である）基を有する被覆を基材上に形成することができる。例えば、シラン（ＳｉＨ４）、酸素、及び炭素をベースとする気体又は液体を用いるプラズマＣＶＤを用いて被覆を製造することができる。他の態様においては、テトラエチルオキシシレート又はテトラエトキシシラン（Ｓｉ（Ｃ２Ｈ５Ｏ）４）であるＴＥＯＳ、又はメチルトリエトキシシランであるＭＴＥＯＳ、及び酸素又はオゾン、並びに場合によっては炭素をベースとする気体又は液体を用いるプラズマＣＶＤを用いて被覆を製造することができる。
【００７０】
本明細書において層の互いの相対位置に関して「上に」、「上に配置されている」、「上に配置している」などという用語を用いる場合には、これは、層が互いに直接接触しているか、或いはこれらの層の間に他の一つ又は複数の層が介在していてもよいことを意味する。
【００７１】
本発明の説明は事実上単に例示のものであり、したがって、その変更は本発明の精神及び範囲から逸脱しないものであると考えられる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイポーラプレートと、バイポーラプレートフローチャネルの少なくとも一部上に配置されている被覆とを含み、当該被覆は２〜１００ｎｍの範囲の寸法を有するナノ粒子と親水性側鎖とを含み、当該側鎖は、飽和又は不飽和炭素鎖を含む少なくとも１の基を含む、燃料電池部品を含む製品。
【請求項２】
ナノ粒子は、少なくとも１のＳｉ−Ｏ基と少なくとも１の極性基とを含む、請求項１に記載の製品。
【請求項３】
側鎖は、少なくとも１のＳｉ−Ｏ基と少なくとも１の極性基とを含む、請求項２に記載の製品。
【請求項４】
ナノ粒子はＳｉ−Ｒ基（ここで、Ｒは飽和又は不飽和の炭素鎖を包含する）を含む化合物を含み、Ｓｉ−Ｏ基に対するＳｉ−Ｒ基のモル比が１／８〜１／２の範囲である、請求項２又は３に記載の製品。
【請求項５】
ナノ粒子が２〜２０ｎｍの範囲の寸法を有する、請求項１〜４のいずれかに記載の製品。
【請求項６】
ナノ粒子が、ＳｉＯ２、ＨｆＯ２、ＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＳｎＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５、ＭｏＯ２、ＩｒＯ２、ＲｕＯ２、準安定オキシナイトライド、不定比金属酸化物、オキシナイトライド、又はこれらの誘導体の少なくとも一つを含む、請求項１〜５のいずれかに記載の製品。
【請求項７】
ナノ粒子が、ヒドロキシル官能基、ハライド官能基、カルボキシル官能基、ケトン官能基、又はアルデヒド官能基の少なくとも一つを含む、請求項１〜５のいずれかに記載の製品。
【請求項８】
被覆が、１０〜９０％の無機構造体、及び５〜７０％の親水性側鎖を含む、請求項１〜５のいずれかに記載の製品。
【請求項９】
被覆がゾル−ゲル法によって製造される、請求項１〜５のいずれかに記載の製品。
【請求項１０】
無機構造体が二酸化ケイ素又は不定比酸化ケイ素を含む、請求項８に記載の製品。
【請求項１１】
無機構造体が酸化ジルコニウムを含む、請求項８に記載の製品。
【請求項１２】
親水性の側鎖が、アミノ基、スルホネート基、スルフェート基、スルファイト基、スルホンアミド基、スルホキシド基、カルボキシレート基、ポリオール基、ポリエーテル基、ホスフェート基、又はホスホネート基の少なくとも一つを含む、請求項８に記載の製品。
【請求項１３】
炭素鎖は少なくとも１の官能基を含み、当該官能基が、エポキシ基、アクリルオキシ基、メタクリルオキシ基、グリシジルオキシ基、アリル基、ビニル基、カルボキシル基、メルカプト基、ヒドロキシル基、アミド基又はアミノ基、イソシアノ基、ヒドロキシ基、又はシラノール基の少なくとも一つを含む、請求項１〜５のいずれかに記載の製品。
【請求項１４】
ナノ粒子が小塊形状を有する、請求項１〜５のいずれかに記載の製品。
【請求項１５】
炭素鎖が１〜４個の炭素原子を有する、請求項１〜５のいずれかに記載の製品。
【請求項１６】
被覆が導電性材料を更に含む、請求項１〜５のいずれかに記載の製品。
【請求項１７】
導電性材料が、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、希土類金属、これらの合金、高分子炭素又はグラファイトの少なくとも一つを含む、請求項１６に記載の製品。
【請求項１８】
導電性材料を含む第２の被覆を更に含み、第２の被覆がバイポーラプレートのフローチャネルの少なくとも一部上に配置されており、第１の被覆が第２の被覆上に配置されている、請求項１６に記載の製品。
【請求項１９】
炭素鎖が、線状、分岐鎖、又は環式である、請求項１〜５のいずれかに記載の製品。
【請求項２０】
バイポーラプレートを含む燃料電池部品のフローチャネルの少なくとも一部の上に、２〜１００ｎｍの範囲の寸法を有し、飽和又は不飽和炭素鎖を含む少なくとも１の基を含む親水性側鎖を有するナノ粒子、及びビヒクルを含むスラリーを堆積させ、そして
ビヒクルを除去して、２〜１００ｎｍの範囲の寸法を有するナノ粒子を含む被覆を残留させる、ことを含む方法。
【請求項２１】
ナノ粒子が２〜２０ｎｍの範囲の寸法を有する、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
ナノ粒子が、ＳｉＯ２、ＨｆＯ２、ＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＳｎＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５、ＭｏＯ２、ＩｒＯ２、ＲｕＯ２、準安定オキシナイトライド、不定比金属酸化物、オキシナイトライド、又はこれらの誘導体の少なくとも一つを含む、請求項２０又は２１に記載の方法。
【請求項２３】
ナノ粒子が、ヒドロキシル官能基、ハライド官能基、カルボキシル官能基、ケトン官能基、又はアルデヒド官能基の少なくとも一つを含む、請求項２０又は２１に記載の方法。
【請求項２４】
被覆が、１０〜９０％の無機構造体、及び５〜７０％の親水性側鎖を含む、請求項２０又は２１に記載の方法。
【請求項２５】
無機構造体が二酸化ケイ素又は不定比酸化ケイ素である、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
無機構造体が酸化ジルコニウムを含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２７】
親水性の側鎖が、アミノ基、スルホネート基、スルフェート基、スルファイト基、スルホンアミド基、スルホキシド基、カルボキシレート基、ポリオール基、ポリエーテル基、ホスフェート基、又はホスホネート基の少なくとも一つを含む、請求項２０又は２１に記載の方法。
【請求項２８】
炭素鎖は少なくとも１の官能基を含み、官能基が、エポキシ基、アクリルオキシ基、メタクリルオキシ基、グリシジルオキシ基、アリル基、ビニル基、カルボキシル基、メルカプト基、ヒドロキシル基、アミド基又はアミノ基、イソシアノ基、ヒドロキシ基、又はシラノール基の少なくとも一つを含む、請求項２０又は２１に記載の方法。
【請求項２９】
ナノ粒子が小塊形状を有する、請求項２０又は２１に記載の方法。
【請求項３０】
バイポーラプレートが、複数のランド及びチャネルを含む気体流場を含み、被覆が、ランド及びチャネルの上に配されている、請求項２０又は２１に記載の方法。
【請求項３１】
ランドから被覆を除去することを更に含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
スラリーをチャネルの上のみに堆積させる、請求項３０に記載の方法。
【請求項３３】
スラリーをチャネルの一部のみの上に堆積させる、請求項３０又は３２に記載の方法。
【請求項３４】
バイポーラプレートを含む燃料電池部品の少なくとも一部の上にスラリーを堆積させることが、流場を通してスラリーを流すことを含む、請求項２０又は２１に記載の方法。
【請求項３５】
スラリーを堆積させる前にバイポーラプレートの一部の上にマスクを堆積させることを更に含み、マスクによってバイポーラプレートの一部を曝露した状態のまま残す、請求項３０に記載の方法。
【請求項３６】
スラリーを、マスク、及びバイポーラプレートの曝露された部分の上に堆積させる、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
マスク、及びマスクの上の被覆を除去することを更に含む、請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
マスクが、ハードマスク、フォトレジストマスク、又は水洗浄可能なマスクの一つを含む、請求項３５、３６、３７のいずれかに記載の方法。
【請求項３９】
マスクがランドの上に配されている、請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
ランドから被覆を除去し、
チャネルの上の被覆の上にマスクを堆積させ、
ランドの上の被覆を除去し、その後マスクの残りの部分を除去することを更に含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項４１】
被覆を硬化させて、硬化された被覆を提供することをさらに含む、請求項２０又は２１に記載の方法。
【請求項１】
バイポーラプレートと、バイポーラプレートフローチャネルの少なくとも一部上に配置されている被覆とを含み、当該被覆は２〜１００ｎｍの範囲の寸法を有するナノ粒子と親水性側鎖とを含み、当該側鎖は、飽和又は不飽和炭素鎖を含む少なくとも１の基を含む、燃料電池部品を含む製品。
【請求項２】
ナノ粒子は、少なくとも１のＳｉ−Ｏ基と少なくとも１の極性基とを含む、請求項１に記載の製品。
【請求項３】
側鎖は、少なくとも１のＳｉ−Ｏ基と少なくとも１の極性基とを含む、請求項２に記載の製品。
【請求項４】
ナノ粒子はＳｉ−Ｒ基（ここで、Ｒは飽和又は不飽和の炭素鎖を包含する）を含む化合物を含み、Ｓｉ−Ｏ基に対するＳｉ−Ｒ基のモル比が１／８〜１／２の範囲である、請求項２又は３に記載の製品。
【請求項５】
ナノ粒子が２〜２０ｎｍの範囲の寸法を有する、請求項１〜４のいずれかに記載の製品。
【請求項６】
ナノ粒子が、ＳｉＯ２、ＨｆＯ２、ＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＳｎＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５、ＭｏＯ２、ＩｒＯ２、ＲｕＯ２、準安定オキシナイトライド、不定比金属酸化物、オキシナイトライド、又はこれらの誘導体の少なくとも一つを含む、請求項１〜５のいずれかに記載の製品。
【請求項７】
ナノ粒子が、ヒドロキシル官能基、ハライド官能基、カルボキシル官能基、ケトン官能基、又はアルデヒド官能基の少なくとも一つを含む、請求項１〜５のいずれかに記載の製品。
【請求項８】
被覆が、１０〜９０％の無機構造体、及び５〜７０％の親水性側鎖を含む、請求項１〜５のいずれかに記載の製品。
【請求項９】
被覆がゾル−ゲル法によって製造される、請求項１〜５のいずれかに記載の製品。
【請求項１０】
無機構造体が二酸化ケイ素又は不定比酸化ケイ素を含む、請求項８に記載の製品。
【請求項１１】
無機構造体が酸化ジルコニウムを含む、請求項８に記載の製品。
【請求項１２】
親水性の側鎖が、アミノ基、スルホネート基、スルフェート基、スルファイト基、スルホンアミド基、スルホキシド基、カルボキシレート基、ポリオール基、ポリエーテル基、ホスフェート基、又はホスホネート基の少なくとも一つを含む、請求項８に記載の製品。
【請求項１３】
炭素鎖は少なくとも１の官能基を含み、当該官能基が、エポキシ基、アクリルオキシ基、メタクリルオキシ基、グリシジルオキシ基、アリル基、ビニル基、カルボキシル基、メルカプト基、ヒドロキシル基、アミド基又はアミノ基、イソシアノ基、ヒドロキシ基、又はシラノール基の少なくとも一つを含む、請求項１〜５のいずれかに記載の製品。
【請求項１４】
ナノ粒子が小塊形状を有する、請求項１〜５のいずれかに記載の製品。
【請求項１５】
炭素鎖が１〜４個の炭素原子を有する、請求項１〜５のいずれかに記載の製品。
【請求項１６】
被覆が導電性材料を更に含む、請求項１〜５のいずれかに記載の製品。
【請求項１７】
導電性材料が、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、希土類金属、これらの合金、高分子炭素又はグラファイトの少なくとも一つを含む、請求項１６に記載の製品。
【請求項１８】
導電性材料を含む第２の被覆を更に含み、第２の被覆がバイポーラプレートのフローチャネルの少なくとも一部上に配置されており、第１の被覆が第２の被覆上に配置されている、請求項１６に記載の製品。
【請求項１９】
炭素鎖が、線状、分岐鎖、又は環式である、請求項１〜５のいずれかに記載の製品。
【請求項２０】
バイポーラプレートを含む燃料電池部品のフローチャネルの少なくとも一部の上に、２〜１００ｎｍの範囲の寸法を有し、飽和又は不飽和炭素鎖を含む少なくとも１の基を含む親水性側鎖を有するナノ粒子、及びビヒクルを含むスラリーを堆積させ、そして
ビヒクルを除去して、２〜１００ｎｍの範囲の寸法を有するナノ粒子を含む被覆を残留させる、ことを含む方法。
【請求項２１】
ナノ粒子が２〜２０ｎｍの範囲の寸法を有する、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
ナノ粒子が、ＳｉＯ２、ＨｆＯ２、ＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＳｎＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５、ＭｏＯ２、ＩｒＯ２、ＲｕＯ２、準安定オキシナイトライド、不定比金属酸化物、オキシナイトライド、又はこれらの誘導体の少なくとも一つを含む、請求項２０又は２１に記載の方法。
【請求項２３】
ナノ粒子が、ヒドロキシル官能基、ハライド官能基、カルボキシル官能基、ケトン官能基、又はアルデヒド官能基の少なくとも一つを含む、請求項２０又は２１に記載の方法。
【請求項２４】
被覆が、１０〜９０％の無機構造体、及び５〜７０％の親水性側鎖を含む、請求項２０又は２１に記載の方法。
【請求項２５】
無機構造体が二酸化ケイ素又は不定比酸化ケイ素である、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
無機構造体が酸化ジルコニウムを含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２７】
親水性の側鎖が、アミノ基、スルホネート基、スルフェート基、スルファイト基、スルホンアミド基、スルホキシド基、カルボキシレート基、ポリオール基、ポリエーテル基、ホスフェート基、又はホスホネート基の少なくとも一つを含む、請求項２０又は２１に記載の方法。
【請求項２８】
炭素鎖は少なくとも１の官能基を含み、官能基が、エポキシ基、アクリルオキシ基、メタクリルオキシ基、グリシジルオキシ基、アリル基、ビニル基、カルボキシル基、メルカプト基、ヒドロキシル基、アミド基又はアミノ基、イソシアノ基、ヒドロキシ基、又はシラノール基の少なくとも一つを含む、請求項２０又は２１に記載の方法。
【請求項２９】
ナノ粒子が小塊形状を有する、請求項２０又は２１に記載の方法。
【請求項３０】
バイポーラプレートが、複数のランド及びチャネルを含む気体流場を含み、被覆が、ランド及びチャネルの上に配されている、請求項２０又は２１に記載の方法。
【請求項３１】
ランドから被覆を除去することを更に含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
スラリーをチャネルの上のみに堆積させる、請求項３０に記載の方法。
【請求項３３】
スラリーをチャネルの一部のみの上に堆積させる、請求項３０又は３２に記載の方法。
【請求項３４】
バイポーラプレートを含む燃料電池部品の少なくとも一部の上にスラリーを堆積させることが、流場を通してスラリーを流すことを含む、請求項２０又は２１に記載の方法。
【請求項３５】
スラリーを堆積させる前にバイポーラプレートの一部の上にマスクを堆積させることを更に含み、マスクによってバイポーラプレートの一部を曝露した状態のまま残す、請求項３０に記載の方法。
【請求項３６】
スラリーを、マスク、及びバイポーラプレートの曝露された部分の上に堆積させる、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
マスク、及びマスクの上の被覆を除去することを更に含む、請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
マスクが、ハードマスク、フォトレジストマスク、又は水洗浄可能なマスクの一つを含む、請求項３５、３６、３７のいずれかに記載の方法。
【請求項３９】
マスクがランドの上に配されている、請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
ランドから被覆を除去し、
チャネルの上の被覆の上にマスクを堆積させ、
ランドの上の被覆を除去し、その後マスクの残りの部分を除去することを更に含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項４１】
被覆を硬化させて、硬化された被覆を提供することをさらに含む、請求項２０又は２１に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４Ａ】
【図１４Ｂ】
【図１４Ｃ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４Ａ】
【図１４Ｂ】
【図１４Ｃ】
【公開番号】特開２０１３−６９６９４（Ｐ２０１３−６９６９４Ａ）
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１２−２５４００６（Ｐ２０１２−２５４００６）
【出願日】平成２４年１１月２０日（２０１２．１１．２０）
【分割の表示】特願２００８−５２６１２８（Ｐ２００８−５２６１２８）の分割
【原出願日】平成１８年８月８日（２００６．８．８）
【出願人】（５０５２１２０４９）ジーエム・グローバル・テクノロジー・オペレーションズ・インコーポレーテッド (221)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２５４００６（Ｐ２０１２−２５４００６）
【出願日】平成２４年１１月２０日（２０１２．１１．２０）
【分割の表示】特願２００８−５２６１２８（Ｐ２００８−５２６１２８）の分割
【原出願日】平成１８年８月８日（２００６．８．８）
【出願人】（５０５２１２０４９）ジーエム・グローバル・テクノロジー・オペレーションズ・インコーポレーテッド (221)
【Ｆターム（参考）】
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