(57)【要約】【課題】燃料電池の作動を大幅に向上させるように最適化された物理的特性を備える水移動プレートを提供する。【解決手段】好ましい製造方法では、黒鉛粉末、強化繊維、セルロース繊維、および熱硬化性樹脂が、液体と混合されてスラリーが形成され、このスラリーは、スクリーン上に注がれて、平面上のシート（４）が形成され、このシート（４）は、乾燥されて紙が形成される。この紙は、所望の大きさに切断され、レイアップされる。レイアップ（２）は、圧力と熱により積層され、さらに炭素化され、黒鉛化されて、水移動プレートが形成され、この水移動プレートは、さらに所望するように加工される。完成した水移動プレートは、気泡圧力、透水性、メジアン細孔径、多孔度、平面通過電気抵抗率、および圧縮降伏強度などの最適な物理的特性を示す。【選択図】図１
2010073699.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
最大の平面通過抵抗率が、０．０４Ω・ｃｍ、最小の圧縮降伏強度が、７５０ｐｓｉ、最大の細孔径が、３．０μｍ、最小の通気孔多孔度が、３０体積％、である水移動プレートを備え、
燃料電池の水の管理のために燃料電池に前記水移動プレートを利用する、
ことを含むことを特徴とする燃料電池において水移動プレートを使用する方法。
【請求項２】
前記水移動プレートに、５〜１５ｐｓｉｇの範囲の気泡圧力を生成させ、
前記水移動プレートに、３０×１０-17〜２，０００×１０-17ｍ2の範囲の透水性を与える、
ことをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記水移動プレートの前記平面通過抵抗率が、約０．０２Ω・ｃｍであることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記水移動プレートの前記圧縮降伏強度が、約１，０５０ｐｓｉであることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記水移動プレートの前記細孔径が、約１．９μｍであることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記水移動プレートの前記通気孔多孔度が、約４０体積％であることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記水移動プレートの前記気泡圧力が、約１０．５ｐｓｉｇであることを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項８】
前記水移動プレートの前記透水性が、約２００×１０-17ｍ2であることを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項９】
最大の平面通過抵抗率が、０．０４Ω・ｃｍ、最小の圧縮降伏強度が、７５０ｐｓｉ、最大の細孔径が、３．０μｍ、最小の通気孔多孔度が、３０体積％、である水移動プレートを備え、
前記水移動プレートに、５〜１５ｐｓｉｇの範囲の気泡圧力を生成させ、
前記水移動プレートに、３０×１０-17〜２，０００×１０-17ｍ2の範囲の透水性を与え、
燃料電池の水の管理のために燃料電池に前記水移動プレートを利用する、
ことを含むことを特徴とする燃料電池において水移動プレートを使用する方法。
【請求項１０】
最大の平面通過抵抗率が、０．０４Ω・ｃｍ、最小の圧縮降伏強度が、７５０ｐｓｉ、最大の細孔径が、３．０μｍ、最小の通気孔多孔度が、３０体積％、気泡圧力が、５〜１５ｐｓｉｇの範囲、透水性が、３０×１０-17〜２，０００×１０-17ｍ2の範囲、であることを特徴とする燃料電池のための水移動プレート。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水移動プレートに関する。より詳細には、本発明は、水移動プレートおよびその使用方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子電解質型燃料電池電力設備は、従来技術で知られており、試作品は、カナダ、ヴァンクーヴァーのバラードパワーシステムズ社（Ｂａｌｌａｒｄ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  Ｉｎｃ．）などの商用供給源から、入手することさえできる。これらの装置は、役に立つが、比較的複雑である。バラードパワーシステムズ社の高分子膜型電力設備の一例は、１９９４年１１月１日に付与された米国特許第５，３６０，６７９号に示される。固体高分子型燃料電池に生じる問題は、電力設備の燃料電池内での、冷却水および生成水の両方の水の管理に関係する。固体高分子膜型燃料電池電力設備では、生成水は、燃料電池のカソード電極側での電気化学的反応によって生成され、具体的には、カソード電極側での水素イオン、電子、および酸素分子の結合により生成される。生成水は、燃料電池のカソード電極側から抜き出す必要があり、電解質膜のカソード電極側が水で溢れるのを避ける一方、プロトン交換膜が乾燥しない量の補給水を、燃料電池のアノード電極側に供給する必要がある。
【０００３】
オーストリア特許第３８９，０２０号には、水素イオン交換膜型燃料電池スタックが記載されており、この燃料電池スタックでは、受動的な冷媒と水の管理制御を実現するために、微細な孔を有する水冷媒プレート装置が使用される。このオーストリア特許の装置では、セルを冷却し、かつ隣接するセルの間で生成物がクロスオーバするのを防止するために、１つのセルのカソード電極側と隣接するセルのアノード電極側の間で、水が飽和した微細な孔を有するプレート装置が使用される。微細な孔を有するプレート装置は、さらに、生成水をイオン交換膜のカソード電極側から冷却水の流れの中に移動するために、また、アノード電極が乾燥するのを防止するために冷却水をイオン交換膜のアノード電極側に移動するためにも、使用される。生成水と冷却水の好ましい方向への移動は、水冷媒プレート装置を、２つの部分に形成することにより実現され、１つの部分は、カソード電極側で形成される生成水が、確実に、微細な孔を有するプレートの中に運ばれ、毛管現象によって、冷媒プレート装置の内部にある網状の水冷却通路に移動するような細孔径を有する。冷媒プレート装置は、さらに、第１のプレートより微細な孔の構造を有する第２のプレートを備え、この第２のプレートは、水冷媒通路から水を移動させ、その水を毛管現象によってアノード電極側に移動させるように機能する。それぞれの水冷媒プレート装置の、微細な孔を有するプレートと、より微細な孔を有するプレートは、網状構造の冷媒通路を形成するように溝を切られ、隣接するセルの間に、向かい合わせの配列で配置される。より微細な孔を有するプレートは、微細な孔を有するプレートより薄く、それによって、水冷媒通路を、カソード電極よりアノード電極に近接するように配置する。イオン交換膜型燃料電池電力設備の水管理とセルの冷却に対する上述した解決策は、微細な孔を有するプレートと、より微細な孔を有するプレートの品質を制御する必要があるため、実現するのが困難であり、また、プレート構成要素は均一に製造されないため、不経済である。
【０００４】
燃料電池技術では、水移動プレートは、水で満たされた多孔質構造である。燃料電池の作動中は、水移動プレートによって、プロトン交換膜（ＰＥＭ）の加湿を維持するために局所的に水が供給され、カソード電極で生成する生成水が除去され、冷却水の流れを循環させることにより副生物である熱が除去され、セルからセルへ電気が導かれ、隣接したセルの間に気体分離装置が提供され、また、燃料電池を通して反応物を導くための通路が提供される。燃料電池からの蒸発により失われてしまう水を補給するために、水移動プレートによって、燃料電池に水が供給される。水移動プレートを製造する処理の制約のため、これらのプレートは、製造するのが高価になり、強度も限られている。
【０００５】
例えば、水移動プレートは、黒鉛粉末と粉末フェノール樹脂が鋳型に注がれて層が形成される乾燥積層（ｄｒｙ−ｌａｉｄ）方法によって形成することができる。層は、成形されて０．１００インチ（２．５４ｍｍ）の厚みの層に形成され、フェノール樹脂が溶融して黒鉛粉末を被覆するまで加熱される。樹脂は、次に、硬化されて、それによって、複合物内で黒鉛粉末が結合される。これは、通常の水移動プレートの形成方法であるが、形成速度は遅く、水移動プレート構造の完全性には好ましい比較的長い繊維を組み込むことは困難である。より長い繊維は、乾燥積層供給装置の中で絡まり易く、それによって、完成した複合物内で繊維の束が形成される。不均一な繊維の分布に相当するこの繊維の束によって、複合物の中に構造破壊を受けやすい領域が形成される。複合物の構造の完全性は、約１．０ｍｍ（約０．０４０インチ）より長い繊維の長さで最大になる一方、乾燥積層方法は、約０．５１ｍｍ（約０．０２インチ）の繊維の長さに限定される。その結果として、水移動プレートの仕様での公差は小さく、製造は困難であり、多くの不合格品が発生する。
【０００６】
さらに、水移動プレートの環境上および作動上のパラメータは、燃料電池全体の最高性能を実現するために、慎重に均衡させる必要がある。例えば、細孔径、抵抗率、粒径、樹脂含有量、降伏強度などのパラメータは、燃料電池を効率よく作動するために受け入れられる気泡圧力特性や透水性を実現するために、適切に選択する必要がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記を考慮して、燃料電池の作動性能のために最適かつ適切に均衡した競合する気泡圧力特性や透水性を有する改良された水移動プレートが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、燃料電池のための従来技術の水移動プレートの利点を維持する。さらに、本発明は、現在入手できる水移動プレートには見られない新しい利点を提供し、そのような現在入手できる水移動プレートの多くの不都合を克服する。
【０００９】
本発明は、一般的に、新規な水移動プレートとそれを使用する方法に関する。水移動プレートは、さまざまな方法で製造されるが、好ましくは、黒鉛粉末、強化繊維、セルロース繊維、熱硬化性樹脂の混合物から成り、これらは、平面状のシートに形成されている。水移動プレートは、複数の主シートに切断されている平面状のシートから形成することができ、これらの複数の主シートは、レイアップされ、共に積層され、炭素化され、黒鉛化されている。
【００１０】
本発明の水移動プレートは、黒鉛粉末、強化繊維、セルロース繊維、熱硬化性樹脂を、液体と混合して、スラリーを形成し、このスラリーを平面状のシートに形成することを含むことにより、積層され得る。液体が、次に、平面状のシートから除去され、シートは、複数の主シートに切断される。主シートは、レイアップされ、積層され、炭素化され、黒鉛化されて、水移動プレートが形成される。
【００１１】
本発明の水移動プレートは、同様に、黒鉛粉末、強化繊維、セルロース繊維を、液体と混合して、スラリーを形成し、このスラリーを平面状のシートに形成することによって、形成され得る。液体が、平面状のシートから除去されて、乾燥シートが形成され、この乾燥シートは、熱硬化性樹脂により含浸される。含浸されたシートは、複数の主シートに切断され、積層され、炭素化され、黒鉛化されて、水移動プレートが形成される。
【００１２】
本発明の水移動プレートが、さまざまな異なる方法で作成され得ることは、理解されるべきである。しかしながら、本発明に従い完成した水移動プレートには、燃料電池の作動と効率を十分に最適化するための、特定の好ましい特性とパラメータがある。本発明の水移動プレートは、平面通過電気抵抗率（１００ｐｓｉ（６９０ｋＰａ）軸方向負荷における値）が、０．０２Ω・ｃｍ、圧縮降伏強度が、１，０５０ｐｓｉ（７．２４ＭＰａ）、メジアン細孔径が、１．９μｍ、通気孔多孔度が、４０体積％である、のが好ましい。
【００１３】
従って、本発明の目的は、取り付けられる燃料電池の作動を十分に最適化する水移動プレートを提供することである。
【００１４】
さらに、本発明の目的は、気泡圧力と透水性の均衡が最適化された構造を有する水移動プレートを提供することである。
【００１５】
さらなる、本発明の目的は、最適な細孔径、通気孔多孔度、抵抗率、降伏強度を有する水移動プレートを提供することである。
【００１６】
本発明の特徴を示す新規な特徴は、請求項に明示される。しかしながら、本発明の好ましい実施態様は、さらなる目的と付随する利点と併せて、添付の図面と関連させて以下の詳細な説明を参照することにより、最もよく理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の水移動プレートを製造する方法のためのレイアップの分解斜視図。
【図２】図１に示されるレイアップの正面図。
【図３】細孔径の選択と関連させた気泡圧力と透水性のトレードオフを示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明は、黒鉛粉末、セルロース繊維、強化繊維から成り、これらが熱硬化性樹脂ですべて結合されている、水移動プレートを目的とする。濡れた平面状のシート状の紙が、破れずに製紙機械全体を通り抜けるのに十分な引張り強度を有するような、十分な湿潤強度が、製造工程においてセルロース繊維によって与えられる製紙処理において、この水移動プレートは形成される。これとは対照的に、強化繊維によって、完成した水移動プレートに、構造の完全性が与えられる。黒鉛粉末によって、完成した水移動プレートのメジアン細孔径が主として影響を受けるとともに、完成した水移動プレートの熱伝導性と電気伝導性が増加し、一方、熱硬化性樹脂によって、積層後の水移動プレート全体に亘って連続した相が形成されることにより繊維と黒鉛粉末が共に結合され、また、黒鉛が付着された後に電気的また熱的な導電性が増加するように、個々の黒鉛粒子の間に電気的また熱的な架橋が形成される。
【００１９】
本発明の水移動プレートは、異なる方法で製造することができる。しかしながら、水移動プレートの細孔径や多孔度は、気泡圧力と透水性の間の最適なトレードオフが実現されるように慎重に調整する必要がある。気泡圧力は、水移動プレートを気体分離装置として機能させる物理的特性である。気体と液体との圧力差が気泡圧力を上回るまで、毛管力によって、多孔質構造の内部に水が保持される。水移動プレートの細孔径が減少するにつれて、気泡圧力が増加する。米国特許第５，５０３，９４４号に説明されているように、液体の水をカソード電極から水移動プレートに除去するためには、透水性が必要である。図３には、水移動プレートの平均細孔径が増加するにつれて、どのように透水性が増加するかが、一般的に例示されている。本発明によれば、メジアン細孔径は、１〜３μｍが好ましく、３０％の最小の多孔度によって、気泡圧力と透水性の受け入れられる組み合わせが得られる。その結果として、黒鉛粉末のメジアン粒径は、通常、約１〜約１５０μｍであり、３．０μｍまでのメジアン細孔径を得るためには、約２〜約７５μｍのメジアン粒径が好ましい。本発明の水移動プレートは、最大の平面通過電気抵抗率（１００ｐｓｉ（６９０ｋＰａ）軸方向負荷における値）が０．０２Ω・ｃｍであり、最小の圧縮降伏強度が、１，０５０ｐｓｉ（７．２４ＭＰａ）、最大のメジアン細孔径が、１．９μｍ、最小の通気孔多孔度が、４０体積％である、のが好ましい。さらに、水移動プレートの気泡圧力の好ましい範囲は、１０．５ｐｓｉｇ（７２．４ｋＰａ）であり、水移動プレートの透水性の好ましい範囲は、２００×１０-17ｍ2である。
【００２０】
完成した水移動プレートの中の黒鉛粉末の濃度は、通常、約２５〜約５５重量％であり、約３５〜約４５重量％の黒鉛粉末の濃度が好ましい。可能な黒鉛粉末には、ペンシルヴェニア州マリス（Ｍａｒｙｓ）のカーバイド／グラファイトグループ社（Ｃａｒｂｉｄｅ／Ｇｒａｐｈｉｔｅ  Ｇｒｏｕｐ，Ｉｎｃ．）によって製造されているＡＩＲＣＯ（登録商標）  ９０  黒鉛粉末、ニュージャージー州アズベリー（Ａｓｂｅｒｙ）のアズベリーグラファイトミル社（Ａｓｂｕｒｙ  Ｇｒａｐｈｉｔｅ  Ｍｉｌｌ，Ｉｎｃ．）によって製造されているＡｓｂｕｒｙ  ４２３４  黒鉛粉末、ニュージャージー州レークハースト（Ｌａｋｅｈｕｒｓｔ）のディクソンタイコンデローガ社（Ｄｉｘｏｎ  Ｔｉｃｏｎｄｒｏｇａ）によって製造されているＤｉｘｏｎ  ２００−４２黒鉛粉末や、その他の通常の黒鉛粉末、が挙げられる。
【００２１】
本発明のための好ましい製造処理では、黒鉛粉末は、構造の完全性を最終の水移動プレートに与える強化繊維と組み合わされる。水移動プレートの最終の強度は、結合された強化炭素繊維の表面積の量に支配される。強化繊維の直径が、約１５μｍを上回るまで実質的に大きくなると、熱硬化処理の間に、より少ない繊維の単位重量当たりの表面積しか利用することができなくなる（以下に説明される）。しかしながら、強化繊維の直径が、実質的に、約５μｍを下回ると、水移動プレートを全体として結合させるために、過剰量の熱硬化性樹脂が必要となる。その結果として、これらの繊維は、通常、直径が約１５μｍを下回り、繊維の直径は、約５〜約１０μｍが好ましい。
【００２２】
強化繊維は、さらに、引張り係数が、約２０ＭＭｐｓｉ（約１３８ＭＭ  ｋＰａ）を超えるのが好ましい。強化繊維の引張り係数が、約２０ＭＭｐｓｉ（約１３８ＭＭ  ｋＰａ）を下回ると、複合物の曲げ強度は、もはや、強化繊維の結合された表面積に支配されず、その引張り強度に支配され、水移動プレートの構造の完全性は、約１０００ｐｓｉ（約６．８９５ＭＰａ）を下回る曲げ強度に低減する。その結果として、約２０ＭＭｐｓｉ（約１３８ＭＭ  ｋＰａ）を超える引張り係数を有する繊維を使用することができ、約３０ＭＭｐｓｉ（約２０７ＭＭ  ｋＰａ）と等しいか超える引張り係数を有する繊維が好ましい。
【００２３】
繊維の直径と引張り係数に加えて、繊維の長さが、水移動プレートに構造の完全性を与える強化繊維の能力に、影響を及ぼす。約０．０４インチ（約１．０２ｍｍ）を超える繊維の長さが好ましく、約０．１０インチ（約２．５４ｍｍ）〜約０．２５インチ（約６．３５ｍｍ）の長さが特に好ましい。水平漉き網製紙機械に対しては、繊維の束により平面状のシートの均一性が低減するので、例えば、約０．２５インチ（約６．３５ｍｍ）を超える繊維の長さは、通常、好ましくない。長い繊維をよりよく取り扱うことができるその他の製紙機械（すなわち、傾斜漉き網製紙機械など）で形成される平面状のシートの均一性は、より長い繊維によっても、低減することはないことに、留意する必要がある。
【００２４】
可能な強化繊維には、限定されるものではないが、ポリアクリロニトリル系炭素繊維などの炭素繊維、テネシー州ロックウッド（Ｒｏｃｋｗｏｏｄ）のフォルタフィルファイバー社（Ｆｏｒｔａｆｉｌ  Ｆｉｂｅｒ，Ｉｎｃ．）によって製造されているＦＯＲＴＡＦＩＬ（登録商標）、コネティカット州リッジフィールド（Ｒｉｄｇｅｆｉｅｌｄ）のアモコパフォーマンスプロダクツ社（Ａｍｏｃｏ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ，Ｉｎｃ．）によって製造されているＴｈｏｒｎｅｌ、イングランドのチェシア州（Ｃｈｅｓｈｉｒｅ）のＲＫカーボンファイバー社（ＲＫ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｆｉｂｒｅｓ  Ｌｉｍｉｔｅｄ）によって製造されているＲＫ、ユタ州マグナ（Ｍａｇｎａ）のヘラクレスアドバンストマテリアルズアンドシステムズ社（Ｈｅｒｃｕｌｅｓ  Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ａｎｄ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  Ｃｏ．）によって製造されているＡＳ−４、  ミズーリ州セントルイスのゾルテク社（Ｚｏｌｔｅｋ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）によって製造されているＰＡＮＥＸ（登録商標）、これらの混合物、または燃料電池の環境に融和できるその他の通常の強化繊維、が挙げられる。
【００２５】
最終の水移動プレートの中の強化繊維の濃度は、通常、約２０重量％までであり、約１０重量％までが好ましく、さらに、約２．５〜約７．５重量％が特に好ましい。たとえ、得られる水移動プレートの曲げ強度が、強化繊維の添加により実質的に増加するとしても、材料費を最小にするためには、強化繊維を除外することもできる。強化繊維なしで作成された水移動プレートでは、低い曲げ強度の部分で平面図形が増加するにつれてスクラップレートが実質的に増加するので、セルの大きさ（すなわち平面図形）が制限され得る。
【００２６】
水移動プレートは、共に積層される平面状のシートを形成することによって製造することができるので、平面状のシートが、破れずに製紙機械全体を通り抜けるのに十分な強度になるような、十分な湿潤強度が、製紙処理において得られるように、セルロース繊維も、黒鉛粉末や強化繊維と同様に混合される。通常、約１０〜約３０重量％のセルロース繊維が最終の水移動プレートに存在し、約１５〜約２７重量％が好ましい。これらの繊維は、実質的に均一なシートを形成するように十分小さいのが好ましく、一方、製紙する間に湿潤強度を与えるように十分な水素結合が得られるように十分大きいのが好ましい。その結果として、これらの繊維は、繊維の直径が約３０〜約４５μｍであり、長さが約２〜約４ｍｍである。セルロース繊維には、硬木、軟木、木綿、麻などの天然資源や、レーヨンなどの合成材料から得られた繊維、それらの混合物、その他、などが挙げられ、軟木パルプが好ましい。そのような繊維のいくつかには、限定されるものではないが、ブリティッシュコロンビア州ヴァンクーヴァーのカンフォー社（Ｃａｎｆｏｒ）から入手できるＰｒｉｎｃｅ  Ｇｅｒｏｇｅ産、北部のやや漂白された軟木パルプ、ジョージア州ブランズウィックのジョージアパシフィック社（Ｇｅｒｏｒｇｉａ  Ｐａｃｉｆｉｃ）から入手できるＢｒｕｎｓｗｉｃｋ産、南部の軟木パルプ、ミシシッピ州コロンバスのウァイアーハウザー社（Ｗｅｙｅｒｈａｅｕｓｅｒ）から入手できるＣｏｌｕｍｂｕｓ産、南部の南北パルプ、これらの混合物、およびその他の通常のセルロース繊維が、挙げられる。
【００２７】
黒鉛粉末、強化繊維、セルロース繊維の混合物は、熱硬化性樹脂と共に結合され、この熱硬化性樹脂は、炭素化され、黒鉛化されることによって、処理中に複合物を共に保持するのに十分な構造の完全性を複合物に与える。通常、炭素化されて、約４０％またはそれ以上の炭素を生じる熱硬化性樹脂によって、黒鉛化された後に、複合物に十分な構造の完全性が得られ、水移動プレート中の黒鉛粒子の間に電気伝導性や熱伝導性が得られることになる。炭素の収量が約４０％を下回る熱硬化性樹脂によって、下限に近い強度、すなわち、約１０００ｐｓｉ（約６．８９５ＭＰａ）の曲げ強度、を有する、黒鉛化された水移動プレートが得られる。より多くの炭素の収量の樹脂を組み込むことには、不利益な影響は知られていない。熱硬化性樹脂には、フェノール樹脂、ポリアミド、石油ピッチ、フルフリルアルコール、が挙げられ、フェノール樹脂が好ましい。例えば、ウィスコンシン州シボイガンのプラスチックスエンジニアリング社（Ｐｌａｓｔｉｃｓ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ｃｏｍｐａｎｙ）によって製造されているＰＬＥＮＣＯTMフェノール樹脂、ニューヨーク州ノーストナウァンダのオキシケム社のデュレ部門（Ｏｘｙｃｈｅｍ，Ｄｕｒｅｚ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ）で製造されているＯＸＹＣＨＥＭ（登録商標）フェノール樹脂、これらの混合物、その他、が挙げられる。最終の水移動プレートの中の熱硬化性樹脂の濃度は、通常、約２５〜約５０重量％であり、約３０〜約４０重量％が好ましい。この熱硬化性樹脂は、好ましくは約２０μｍを下回る粒径の粉末の形態で使用するか、または、水などの溶媒や、メタノール、エタノールなどの有機溶媒に分散させて使用することができる。
【００２８】
水移動プレートの製造は、固体成分、黒鉛粉末、強化繊維、セルロース繊維、および熱硬化性樹脂を、固体と融和性のある液体を使用して、スラリーにすることが含まれる。通常、この液体は、水や水系の液体である。固体成分を注ぐ際に、製紙機械のスクリーン上に固体成分を実質的に均一に分布させるのに十分な液体が、好ましい。通常、十分な液体は、約９０ｖ／ｏ（体積％）液体またはそれ以上の液体であり、約９９ｖ／ｏ液体が好ましい。
【００２９】
スラリーは、通常の製紙機械を使用し、１分間に直線約１００フィート（約３０．５ｍ）で、平面上のシートに形成される。スラリーは、水平に移動するスクリーン上に実質的に均一に注がれ、それによって、液体は通過させられる一方、固体成分はスクリーン上に保持される。移動するスクリーンは、十分な量の真空源またはその他の通常の手段を通過し、これらの手段によって、保持された固体成分はさらに乾燥され、また、平面上のシート内のセルロース繊維の間の水素結合が促進される。一旦、平面上のシートが、それ自体で保持されるように十分乾燥すると、平面上のシートは、スクリーンを離れ、いくつかのローラを通過し、そこで、ローラの上を走るフェルトによってさらに保持される。ローラから、平面上のシートは、一連の加熱ドラム、通常は蒸気加熱ドラムや油加熱ドラム、を通過し、残留水分が揮発する。乾燥した平面上のシートは、次に、集めるために厚紙製の管に巻き取られる。得られた平面上のシートは、約０．５０８ｍｍ（０．０２インチ）〜約１．５ｍｍ（０．０６インチ）の厚みであり、特定の製紙機械が形成することができるどのような幅にも作ることができる。
【００３０】
平面上のシートは、熱硬化性樹脂の硬化が開始されずに平面上のシートが乾燥されるのに十分な温度で、乾燥される。通常、乾燥温度は、約２００°Ｆ（約９３℃）〜約３００°Ｆ（約１４９℃）の範囲であり、約２２５°Ｆ（約１０７℃）〜約２７５°Ｆ（約１３５℃）が好ましい。一旦、平面状のシートが乾燥されると、所望の大きさの主シート４に切断され、積層される（図１、図２参照）。通常、水移動プレートは、その他の燃料電池構成要素と同様に、約８９ｃｍ（約３５インチ）×約８９ｃｍ（約３５インチ）、または、約１１４ｃｍ（約４５インチ）×約１１４ｃｍ（約４５インチ）である。または、本発明の水移動プレートは、３０ｃｍ×１５ｃｍ、すなわち、１２インチ×６インチにすることができる。
【００３１】
積層は、主シート４を互いの上にレイアップすることを含む。レイアップは、実質的に主シート４のどのような枚数から構成されてもよい。レイアップ２は、成形プレス装置内に配置し、約３，０００ｐｓｉｇ（約２０．６９ＭＰａゲージ圧）の軸方向荷重で、約３００°Ｆ（約１５０℃）〜約４５０°Ｆ（約２３０℃）の温度、好ましくは約３２５°Ｆ（約１６５℃）〜約３７９°Ｆ（約１９０℃）の温度で、約１〜約１５分間、加圧することによって、所望の約１．２７ｍｍ（約０．０５インチ）〜約３．８１ｍｍ（約０．１５インチ）の厚みに積層される。積層されたレイアップは、次に、約８°Ｆ／ｈｏｕｒ（約４．４℃／時間）で約１，５００°Ｆ（約８１５℃）まで加熱し、この温度で約０．５〜約４時間保持して、炭素化され、さらに引き続いて、約３，６３２°Ｆ（約２，０００℃）〜約５，４３２°Ｆ（約３，０００℃）で、約２〜約４時間保持して、黒鉛化される。黒鉛化された水移動プレートの半加工品は、必要な厚み、平面図形の大きさ、冷媒や反応物の流れの形状、に加工される。本発明の水移動プレートの複数の積み重ねによって、水移動プレートの気泡圧力容量やプロトン交換膜内の付随する気体／水分離能力を覆す以上の、大きな細孔が隣接する可能性が最小限になる。
【００３２】
最後に、加工された水移動プレートは、アルミニウム、シリコン、スズ、ニオブ、ルテニウム、タンタル、タングステンなどの酸化物や水酸化物からなる群から選択された湿潤性保持化合物によって処理される。この湿潤化処理は、本出願人によって、１９９６年１１月１５日に米国に出願された米国出願番号第０８／７５１，５４３号の出願に記載されている。
【００３３】
平面状のシートは、黒鉛粉末、強化繊維、セルロース繊維から形成され得ることに、留意する必要がある。そのような場合、一旦、平面上のシートが作成され、乾燥されると、それらは、熱硬化性樹脂により含浸され得る。
【００３４】
本発明は、以下の例示的な実施例を参照することでいっそう明らかになるであろう。これらの実施例は、本発明の積層された水移動プレートを形成する方法を例示することを目的としている。しかしながら、これらは、本発明の範囲を限定することを意図するのもではない。
【００３５】
（実施例１）
以下の処理が、ＡｉｒＣｏ  ９０  黒鉛粉末  ４０重量％；ＦＯＲＴＡＦＩＬ、１／２インチ（１２．７ｍｍ）、寸法の揃っていない炭素繊維  ５重量％；ＯＸＹＣＨＥＭ  フェノール樹脂  ２８重量％、軟木パルプ、２７重量％；を形成するのに使用することができる。
１．  黒鉛粉末  ０．４ｇ、炭素繊維  ０．０５ｇ、Ｏｘｙ−Ｃｈｅｍフェノール樹脂  ０．２８ｇ、軟木パルプ  ０．２７ｇ、の量の固体を水と混合して、約１ｖ／ｏ固体を有するスラリーを形成する。
２．  一旦完全に混合した後、スラリーは、基準重量２５０ｌｂ．／リーム（１１３．４ｋｇ／連）、すなわち、１２ｏｚ／ｓｑ．−ｙａｒｄ（３４０．２ｇ／０．８３６１ｍ2）、±５％、を有する平面状のシートを形成するように、水平に移動するスクリーン上に注ぐ。
３．  スクリーンは、いくらかの残留水を除去するために、真空を通過させ、それによって、平面状のシートを部分的に乾燥させる。
４．  部分的に乾燥した平面状のシートは、次に、ローラ上、油加熱ドラムに導き、残留水を揮発させて、乾燥紙を形成する。ドラムは、２５０°Ｆ（１２１℃）に加熱される。
５．  乾燥紙は、集めるために厚紙製の管に巻き取る。
６．  巻き取られた紙は、１０〜１２インチ（１５４〜３０５ｍｍ）×６インチ（１５２ｍｍ）のシートに切断する。
７．  これらのシートは、次に、レイアップする。
８．  レイアップは、次に、２３７０ｐｓｉｇ（１６．３４ＭＰａゲージ圧）、３４５°Ｆ（約１７５℃）で、５分間、０．１４０インチ（３．５６ｍｍ）まで加圧成形して、レイアップを積層させる。
９．  積層したレイアップは、窒素雰囲気で１５１０°Ｆ（約８２０℃）まで８°Ｆ／ｈｏｕｒ（４．４℃／時間）で炭素化させ、引き続いて、４２６２°Ｆ、７７°Ｆ／ｈｏｕｒ（２３５０℃、２５℃／時間）で、黒鉛化させる。
１０．  黒鉛化した水移動プレートの半加工品は、１２．２６インチ×６．００インチ（３１１．４ｍｍ×１５２．４ｍｍ）の平面図形と、０．０７２インチ（１．８３ｍｍ）の厚みに加工する。片方の面に０．０２４インチ（０．６１ｍｍ）の深さの冷媒流路を加工し、反対側の面に０．０２５インチ（０．６４ｍｍ）の深さの空気流路を加工する。
１１．  加工された水移動プレートは、水に溶解した四塩化スズ５水和物の１．７ｍｏｌ／Ｌの溶液に浸漬し、プレートを飽和させ、次に、プレートをスズ溶液から取り出し、さらに、約ｐＨ９に維持されたアンモニア溶液に浸漬し、次に、プレートをアンモニア溶液から取り出し、さらに、１５０〜２００°Ｆ（６５〜９３℃）で乾燥した後、空気中、４００℃（７５０°Ｆ）で、１時間、か焼することによって、加工された水移動プレートを、湿潤化処理する。
【００３６】
この実施例では、水移動プレートは、以下の物理的特性：
・気泡圧力  ９．５ｐｓｉｇ（６５．５ｋＰａ）、
・透水性    ４００×１０-17ｍ2、
・平面通過電気抵抗率  ０．０２５Ω・ｃｍ、
・圧縮降伏強度    １１００ｐｓｉｇ（７．５８５ＭＰａゲージ圧）、
・メジアン細孔径  ２．３μｍ、
・通気孔多孔度    ４２％、
を有する。
【００３７】
本発明の水移動プレートによって実現される多数の利点がある。水移動プレートは、従来の水移動プレートより長い強化繊維を使用することによって構造の完全性が向上し、また、水移動プレートは、より均一な気泡圧力が得られる。これら２つの点によって、より薄い構成要素を使用することができ、それによって、コストが削減され、単位体積当たりの電力が大きくなる。
【００３８】
上に説明した製造方法は、本発明の水移動プレートを製造する多くの方法の１つである。しかしながら、得られた水移動プレートは、燃料電池の作動を最適化するために本発明に従って、発明のパラメータや特性を示すに相違ない。その結果として、上述した物理的特性を示す水移動プレートを製造することができるその他の方法が、予期される。
【００３９】
本発明の精神から逸脱することなく、例示された実施態様にさまざまな変更、修正を行い得ることは、当業者には理解されるであろう。全てのそのような修正、変更は、特許請求の範囲に含まれると解釈される。
【図１】
2010073699.tif 000003
【図２】
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【図３】
2010073699.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成21年12月22日(2009.12.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多孔質水移動プレートを水で満たし、
前記多孔質水移動プレートに、３０×１０-17〜２，０００×１０-17ｍ2の範囲の透水性を与え、
燃料電池の水の管理のために燃料電池に前記多孔質水移動プレートを利用する、
ことを含むことを特徴とする、固体高分子電解質型燃料電池において多孔質水移動プレートを使用する方法。
【請求項２】
前記多孔質水移動プレートに、５〜１５ｐｓｉｇの範囲の気泡圧力を生成させることを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記多孔質水移動プレートに、３０体積％の最小の通気孔多孔度を与えることを含むことを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記多孔質水移動プレートに、１．００〜１．４０ｇｃｍ-3の密度を与えることを含むことを特徴とする請求項２記載の方法。
【外国語明細書】
2010073699000001.pdf