(57)【要約】本発明は燃料電池（１０）用の二帯式水輸送プレート（１２、１４）であり、該プレートは水透過帯（５４）と泡障壁帯（５２）を含む。泡障壁帯はプレートの全ての反応性周辺部の間に延び、２０ミクロンより小さな細孔径を有し、かつプレートの対向する接触面（４８、５０）間の最短距離の２５パーセントより小さな厚さを有する。水透過帯は泡障壁帯の細孔径より少なくとも１００パーセント大きな細孔径を有し、かつプレートの対向する接触面間の７５パーセントより大きな厚さを有する。独立の泡障壁帯を有することにより、プレートの水透過性が向上する一方、泡障壁がガスシールを保持する。
2005501386.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質、および電解質の対向する両側面に取り付けられたアノード触媒およびカソード触媒を有する燃料電池のための二帯式水輸送プレートであって、該二帯式水輸送プレートは、
ａ．  電解質と流体連通関係に取り付けられた水透過帯と、
ｂ．  水透過帯に取り付けられ、かつ電解質と流体連通関係に取り付けられた泡障壁帯と、
を有し、
ｉ．  泡障壁帯は、プレートの全ての反応性周辺部の間に延びており、２０ミクロンより小さな細孔径を有し、かつプレートによって画定される対向する接触面間の最短距離の２５パーセントより小さな厚さを有し、
ｉｉ．  水透過帯は、泡障壁帯の細孔径よりも少なくとも１００パーセント大きな平均細孔径を有し、かつ対向する接触面間の最短距離の７５パーセントより大きな厚さを有する、
ことを特徴とする燃料電池用二帯式水輸送プレート。
【請求項２】
前記泡障壁帯は５ミクロンより小さな細孔径を有し、水透過帯は約１０−２０ミクロンの間の細孔径を有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池用二帯式水輸送プレート。
【請求項３】
前記泡障壁帯は約０．０１０−０．０２５センチメートルの間の厚さを有し、水透過帯は０．０７５−０．２００センチメートルの間の厚さを有することを特徴とする請求項２記載の燃料電池用二帯式水輸送プレート。
【請求項４】
前記泡障壁帯が水透過帯の第１の水透過帯部分と第２の水透過帯部分との間に取り付けられることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用二帯式水輸送プレート。
【請求項５】
前記泡障壁帯はプレートによって画定される周辺縁部を完全に覆い、かくしてプレートの縁部シールを形成することを特徴とする請求項１記載の燃料電池用二帯式水輸送プレート。
【請求項６】
前記泡障壁帯は、２ｐ．ｓ．ｉ．より大きな泡圧力を有する炭素高分子混合物の泡障壁帯であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用二帯式水輸送プレート。
【請求項７】
前記高分子は、ポリテトラフルオロエチレン、ペルフルオロスルホン酸、フェノール、エポキシ、ポリスルホン、およびポリフッ化ビニリジンからなる群から選ばれることを特徴とする請求項６記載の燃料電池用二帯式水輸送プレート。
【請求項８】
前記泡障壁帯は、１０ナノメートルより小さな細孔径を有しかつプレートによって画定される対向する接触面間の最短距離の５パーセントより小さい厚さを有する凝固降下泡障壁帯であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用二帯式水輸送プレート。
【請求項９】
前記凝固降下泡障壁帯は１０ナノメートルより小さな細孔径を有する細孔を有する多孔質プラスチック層からなることを特徴とする請求項８記載の燃料電池用二帯式水輸送プレート。
【請求項１０】
前記多孔質プラスチック層はペルフルオロスルホン酸であることを特徴とする請求項９記載の燃料電池用二帯式水輸送プレート。
【請求項１１】
前記多孔質プラスチック層は、水輸送プレートの第１の水透過性部分と第２の水透過性部分との間に取り付けられることを特徴とする請求項９記載の燃料電池用二帯式水輸送プレート。
【請求項１２】
前記二帯式水輸送プレートはプレートの近傍に冷却液を送る冷却液ループと流体連通関係にあり、冷却液ループは真空ポンプを含み、該真空ポンプは選択的に、水透過帯内の細孔の毛細管力より大きく、かつ凝固降下泡障壁帯内の細孔の毛細管力より小さな真空力を、冷却液ループを介して二帯式水輸送プレートにかけ、かくして真空ポンプが水透過帯から効果的に冷却液を除去するが、凝固降下泡障壁帯からは冷却液を除去しないことを特徴とする請求項８記載の燃料電池用二帯式水輸送プレート。
【請求項１３】
電解質、電解質の対向する両側面に取り付けられたアノード触媒およびカソード触媒、および各触媒と流体連通関係に取り付けられた多孔質の電極基材を有する、燃料電池のための二帯式水輸送プレートであって、該二帯式水輸送プレートは、
ａ．  電極基材と流体連通関係に取り付けられた水透過帯と、
ｂ．  水透過帯に取り付けられ、かつ電極基材と流体連通関係に取り付けられた泡障壁帯と、
を有し、
ｉ．  泡障壁帯は、プレートの全ての反応性周辺部の間に延びており、水透過帯の細孔径の約２５から５０パーセントの細孔径を有し、かつプレートによって画定される対向する接触面間の最短距離の２５パーセントより小さな厚さを有し、
ｉｉ．  水透過帯は、多孔質の電極基材の細孔径の約４０パーセントの平均細孔径を有し、かつプレートによって画定される対向する接触面間の最短距離の７５パーセントより大きな厚さを有する、
ことを特徴とする燃料電池用二帯式水輸送プレート。
【請求項１４】
前記泡障壁帯は、２ｐ．ｓ．ｉ．より大きな泡圧力を有する炭素高分子混合物の泡障壁帯であることを特徴とする請求項１３記載の燃料電池用二帯式水輸送プレート。
【請求項１５】
前記高分子は、ポリテトラフルオロエチレン、ペルフルオロスルホン酸、フェノール、エポキシ、ポリスルホン、およびポリフッ化ビニリジンからなる群から選ばれることを特徴とする請求項１４記載の燃料電池用二帯式水輸送プレート。
【請求項１６】
前記泡障壁帯は１０ナノメートルより小さな細孔径を有する凝固降下泡障壁帯であることを特徴とする請求項１３記載の燃料電池用二帯式水輸送プレート。
【請求項１７】
前記凝固降下泡障壁帯は１０ナノメートルより小さな細孔径を有する細孔を有する多孔質プラスチック層からなることを特徴とする請求項１６記載の燃料電池用二帯式水輸送プレート。
【請求項１８】
前記多孔質プラスチック層は、水輸送プレートの第１の水透過性部分と第２の水透過性部分との間に取り付けられることを特徴とする請求項１７記載の燃料電池用二帯式水輸送プレート。
【請求項１９】
前記二帯式水輸送プレートはプレートの近傍に冷却液を送る冷却液ループと流体連通関係にあり、冷却液ループは真空ポンプを含み、該真空ポンプは選択的に、水透過帯内の細孔の毛細管力より大きく、かつ凝固降下泡障壁帯内の細孔の毛細管力より小さな真空力を、冷却液ループを介して二帯式水輸送プレートにかけ、かくして真空ポンプが水透過帯から効果的に冷却液を除去するが、凝固降下泡障壁帯からは冷却液を除去しないことを特徴とする請求項１６記載の燃料電池用二帯式水輸送プレート。
【請求項２０】
電解質、および電解質の対向する両側面に取り付けられたアノード触媒およびカソード触媒を有する燃料電池の凍結保護を促進する方法であって、該方法は、
ａ．  １０ナノメートルより小さな細孔径を有する凝固降下泡障壁帯および凝固降下泡障壁帯の細孔径より少なくとも１，０００パーセント大きな細孔径を有する水透過帯を有する二帯式水輸送プレートを電解質と流体連通関係に取り付けるステップと、
ｂ．  凝固降下泡障壁帯および水透過帯内の細孔が冷却液で満たされるようにして燃料電池を作動させるステップと、
ｃ．  二帯式水輸送プレートに選択的に、水透過帯内の細孔の毛細管力より大きく、かつ凝固降下泡障壁帯内の細孔の毛細管力より小さな真空力をかけ、かくして真空力が水透過帯から効果的に冷却液を除去するが、凝固降下泡障壁帯からは冷却液を除去しないようにすることを含んで燃料電池を停止するステップと、
を有することを特徴とする燃料電池の凍結保護を促進する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は輸送用車輌、可搬式発電装置、または定置式発電装置に用いるのに適した燃料電池発電装置に関し、特に本発明は燃料電池内で反応剤、生成物、および冷却液を燃料電池に、燃料電池を通して、および燃料電池から輸送し、電流を１つの電池から隣接する電池へ導通し、隣接する電池の間でガス状反応剤の移動に対する障壁となり、および／または燃料電池に機械的保全性を与えるために用いられる二帯式水輸送プレートに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池はよく知られており、還元性および酸化性の流体から電気エネルギーを発生して宇宙船搭載機器などの電気機器に電力供給するために、あるいはビルディング用の自家発電機として、一般に用いられている。複数の平たい燃料電池が通常スタック状に配置され、このスタックを電気絶縁性のフレーム構造が取り囲んでおり、該フレームが燃料電池発電装置の一部として還元性、酸化性、冷却用、および生成流体の流れを通すマニホールドを画定している。各々の個別の電池は一般に電解質で隔てられたアノード電極およびカソード電極を含む。水素などの還元性の流体がアノード電極に供給され、酸素または空気などの酸化剤がカソード電極に供給される。プロトン交換膜（「ＰＥＭ」）を電解質として利用する電池においては、水素はアノード電極の表面で電気化学的に反応して水素イオンおよび電子を発生する。電子は外部の負荷回路に導かれた後カソード電極に戻され、水素イオンは電解質を通ってカソード電極に移動し、ここで酸化剤および電子と反応して水を発生し、熱エネルギーを放出する。
【０００３】
各種の水管理およびこれに関連する仕事を達成しやすくするために、燃料電池の１つの構成部品を用いることが知られている。このような構成部品は通常、多孔質の炭素体で形成され、色々な名称で一般に呼ばれているが、そのなかには「クーラープレート」「水輸送プレート」「セパレータープレート」「二極プレート」「エンドプレート」などの名称がある。例えば２０００年２月１５日にダフナーおよびその他に与えられた米国特許６，０２４，８４８号には、プレートの平面に複数の冷却水供給通路を画定し、反対側の平面に反応剤ガス分配通路網が画定された水輸送プレートが示されている。このような水輸送プレートは通常、多孔質の炭素体であり、プレートは各種の機能を果たさなければならない。プレートは水を冷却水通路から本体を通してガス状反応剤通路に輸送して、ガス状反応剤通路内の反応剤流を加湿しなければならない；プレートはカソード電極で発生した生成水を本体を通して冷却水通路に運んで除去し、カソード電極が水浸しになるのを防がなければならない；プレートはプレートの対向する両側面の燃料および酸化剤流が混ざり合うのを防ぐガス障壁を作らなくてはならない；プレートは燃料電池スタックアッセンブリ内の１つの電池から隣の電池へ、電流または電子を導通しなければならない；プレートは燃料電池内で発生した余剰熱を冷却液に伝達しなければならない；プレートは酸化性および還元性の反応剤流の分配網を提供しなければならない；そしてプレートは燃料電池に機械的支持と保全性を与えなくてはならない。
【０００４】
したがって、このような水輸送プレートは多孔質であり、水に濡れやすく、高速度の水透過性と高い泡圧力を有しなくてはならない。しかしながら、高い泡圧力に適する水輸送プレートの特性は、高速度の水透過性に適する水輸送プレートの特性と両立しない。例えば、泡圧力を高めることによって水輸送プレートの対向する両側面のガス状の酸化剤および燃料反応剤との間のガス密封性を高めるには、プレート内の細孔の細孔径を小さくすることが有効である。しかしながら冷却液および生成水に対する本体の透過性を高めるには、細孔径または細孔直径を大きくすることが望ましい。公知の燃料電池水輸送プレートは一般に均一な細孔径を有し、その細孔径は通常、プレートの厚さおよびプレートの接触面の面積に基づく水透過性の要求と、プレートの対向する接触面に隣接する流れ場を流過する流体間の最大作動差圧に基づく泡圧力の要求との間の妥協によって決められている。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は燃料電池用の二帯式水輸送プレートであり、該二帯式水輸送プレートは燃料電池の触媒と流体連通関係に取り付けられる。二帯式水輸送プレートは水透過帯と泡障壁帯とを含み、泡障壁帯はプレートの全ての反応性周辺部の間に延びており、２０ミクロンより小さな細孔径を有し、プレートの対向する接触面間の最短距離の２５パーセントより小さな厚さを有し、水透過帯は泡障壁帯の細孔径よりも少なくとも１００パーセント大きな細孔径を有し、プレートの対向する接触面間の最短距離の７５パーセントよりも大きな厚さを有する。これらの厚さの比は、泡障壁帯を通しての水透過性を最大にしつつ水透過帯の水保有量を最小にするように選択される。
【０００６】
好ましい実施例においては、泡障壁帯は５ミクロンより小さな細孔径と約０．０１０−０．０２５センチメートルの間の厚さを有し、水透過帯は約１０−２０ミクロンの間の細孔径と約０．０７５−０．２００センチメートルの間の厚さを有する。代替実施例においては、カソードまたはアノード基材が二帯式水輸送プレートと燃料電池のカソードまたはアノード触媒との間に置かれ、水透過帯の細孔径はカソードまたはアノード基材の細孔径の約４０パーセントであり、泡障壁帯の細孔径は水透過帯の細孔径の約２０−５０パーセントである。
【０００７】
つけ加えれば、泡障壁帯は二帯式水輸送プレートの対向する接触面のいずれかに画定されてもよく、またはプレート内で水透過帯の部分間に画定されてもよい。泡障壁帯はまた二帯式水輸送プレートの全ての周辺縁部を覆ってプレートの縁部シールを形成してもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図面を詳細に参照するならば、図１にプロセス酸化剤と還元性反応剤流から電気エネルギーを発生するための燃料電池手段の概略的な断面図が示されており、全体的に参照符号１０が付されている。燃料電池１０は本発明によって構成された二帯式水輸送プレートを有し、これには第１の、あるいはアノード二帯式水輸送プレート１２と、第２の、あるいはカソード二帯式水輸送プレート１４とがある。アノードおよびカソード二帯式水輸送プレート１２、１４は燃料電池１０の対向する両側面にあり、燃料電池はまたプロトン交換膜（「ＰＥＭ」）１８などの電解質、および電解質１８の対向する両側面に取り付けられたアノード触媒２０およびカソード触媒２２からなる膜電極アッセンブリ（「Ｍ．Ｅ．Ａ．」）１６を含む。二帯式水輸送プレート１２、１４は電解質１８および触媒２０、２２と流体連通関係に取り付けられている。
【０００９】
燃料電池１０はまたアノード触媒２０の近傍に還元性流体または燃料流を通過させるための、アノード触媒２０とアノード二帯式水輸送プレート１２との間にこれらと流体連通関係に取り付けられたアノード支持手段を含んでもよい。アノード支持手段は多孔質アノード基材２４および多孔質アノード拡散層２６のような、１つまたは２つ以上の多孔質層を含んでよく、当業界周知であるようにこれらのどの１つでもまたは全部が溌水加工されてよい。同様に、燃料電池はまたカソード触媒２２の近傍にプロセス酸化剤流を通過させるための、カソード触媒２２とカソード二帯式水輸送プレート１４との間にこれらと流体連通関係に取り付けられたカソード支持手段を含んでもよい。カソード支持手段は多孔質カソード基材２８および多孔質カソード拡散層３０のような、１つまたは２つ以上の多孔質層を含んでよく、当業界周知であるようにこれらのどの１つでもまたは全部が溌水加工されてよい。前述の米国特許第６，０２４，８４８号に記載されるように、アノードおよびカソード支持手段は一層または二層以上の炭素−炭素繊維複合体であってよく、これらは当業界周知の方法で「テフロン」（米国デラウェア州のデュポンカンパニーの商標）などの疎水性物質で溌水加工されてよい。
【００１０】
アノード二帯式水輸送プレート１２は複数の燃料流れ通路３２を画定しており、これらは互いに、また還元性流体を受け入れる燃料入口３４と流体連通関係にあり、かくして燃料入口３４と流れ通路３２は協同して還元性流体燃料を、アノード触媒２０と流体連通関係にして燃料電池１０に通過させる。同様に、アノード水輸送プレート１４は複数の酸化剤流れ通路３６を画定しており、これらは互いに、またプロセス酸化剤を受け入れる酸化剤入口３８と流体連通関係にあり、かくして酸化剤入口３８と酸化剤流れ通路３６は協同してプロセス酸化剤を、カソード触媒２２と流体連通関係にして燃料電池１２に通過させる。指摘すれば、複数の燃料流れ通路３２はしばしばアノード触媒に隣接して取り付けられた「アノード流れ場」と呼ばれ、アノード流れ場はアノード拡散層２６およびアノード基材２４の細孔の容積を含んでよい。同様に、複数の酸化剤流れ通路３６は「カソード流れ場」と呼ばれてよく、これもカソード拡散層３０およびカソード基材２８の細孔の容積を含んでよい。
【００１１】
別の燃料電池手段においてアノードおよびカソード流れ場は、当業界周知の通路または溝の形状ではなく燃料電池構成部品に画定された空洞によって形成され、これが燃料および酸化反応剤をアノードおよびカソード触媒２０、２２の近傍に通過させてもよい。アノード二帯式水輸送プレート１２はまた冷却剤流をプレート１２に流入およびそこから流出させる複数のアノード冷却液通路４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃを含む。同様に、カソード二帯式水輸送プレート１４は冷却剤流をプレート１４に流入およびそこから流出させる複数のカソード冷却液通路４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃを含む。図１に示されるように、アノードおよびカソード水輸送プレート１２、１４は燃料電池スタックアッセンブリの隣接する燃料電池（図示せず）の隣接する二帯式水輸送プレート（図示せず）と協同するように構成されてよく、かくしてアノード冷却液通路４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃが隣接する燃料電池（図示せず）の水輸送プレート中の冷却液通路と鏡像式に協同して、アノードおよびカソード二帯式水輸送プレート１２、１４に冷却液を流入および流出させる冷却液通路網を形成してよい。
【００１２】
図１に示されるように、アノード二帯式水輸送プレート１２は第１の周辺縁部４４、対向する第２の周辺縁部４６、第１の接触面４８、および対向する第２の接触面５０を含む。ここに用いられる「周辺縁部」という言葉はアノードおよび／またはカソード二帯式水輸送プレートの物理的な終端部として定義される。ここに用いられる「接触面」という言葉はアノードまたはカソード二帯式水輸送プレートの表面であって、燃料電池１０の隣接する構成部品と接触し、かつ同じ水輸送プレートの対向する接触面から最大距離にある表面として定義される。例えば、アノード二帯式水輸送プレート１２の第１の接触面４８はアノード基材２４と接触し、かつアノード二帯式水輸送プレート１２の第１および第２の周辺縁部４４、４６の間に延びているが、プレート１２の燃料流れ通路３２の内部表面は含まない。なぜならばこのような表面はアノード二帯式水輸送プレート１２の対向する第２の接触面５０から最大距離にないからである。アノード二帯式水輸送プレートの対向する第１および第２の接触面４８、５０のこれらの定義は、以下に述べるように本発明の二帯式水輸送プレートの要素の相対的な寸法上の限定を与えるために提示されたものである。アノード二帯式水輸送プレート１２はまた泡障壁帯５２を含み、これはプレート１２の第２の接触面５０に隣接して第１および第２の周辺縁部４４、４６の間に延び、かつプレート１２の対向する第２および第１の接触面５０、４８の間に延びている。アノード二帯式水輸送プレート１２はまた泡障壁帯５２に取り付けられた水透過帯５４を含み、これは第１の接触面４８に隣接してプレート１２の第１および第２の周辺縁部４４、４６の間に延び、かつプレート１２の対向する第１および第２の接触面４８、５０の間に延びている。
【００１３】
図１に示されるように、カソード二帯式水輸送プレート１４はまた第１の周辺縁部５６、対向する第２の周辺縁部５８、第１の接触面６０、および対向する第２の接触面６２を含む。カソード二帯式水輸送プレート１４はまた泡障壁帯６４を含み、これはプレート１４の第２の接触面６２に隣接して第１および第２の周辺縁部５６、５８の間に延び、かつプレート１４の対向する第２および第１の接触面６２、６０の間に延びている。カソード二帯式水輸送プレート１４はまた水透過帯６６を含み、これは第１の接触面６０に隣接してプレート１４の第１および第２の周辺縁部５６、５８の間に延び、かつプレート１４の対向する第１および第２の接触面６０、６２の間に延びている。
【００１４】
図２は本発明の二帯式水輸送プレートの第１の代替実施例６８を示しており、プレート６８は第１の反応性周辺部７０と、対向する第２の反応性周辺部７２を含む。プレートの第１の代替実施例６８の泡障壁帯７４はプレート６８の第１の接触面７６に隣接して第１および第２の反応性周辺部７０、７２の間に延び、かつ第１の接触面７６と、対向する第２の接触面７８の間に延びている。水透過帯８０もまた第２の接触面７８に隣接して第１および第２の反応性周辺部７０、７２の間に延び、かつ第２の接触面７８と第１の接触面７６の間に延びている。第１の縁部シール８２が二帯式水輸送プレートの第１の代替実施例６８の第１の反応性周辺部７０と第１の周辺縁部８４の間に延び、第２の縁部シール８６がプレート６８の第２の反応性周辺部７２と第２の周辺縁部８８の間に延びている。多孔質の燃料電池構成部品において周辺縁部を樹脂、高分子、およびエラストマーで浸漬することによって第１および第２の縁部シール８２、８２、８６のような縁部シールを作り出すことは知られており、米国特許第６，１６５，６３４号、第６，１５９，６２８号、第５，５２３，１７５号、および第５，２６４，２９９号に示されている。これらの特許はいずれも本願の二帯式水輸送プレートの全ての権利の譲受人によって所有されている。プレート６８はまた図２に示されるように複数の燃料または酸化剤流れ通路９０Ａ、９０Ｂ、９０Ｃを含んでよい。
【００１５】
第１および第２の反応性周辺部７０、７２は周辺部７０、７２の間に、二帯式水輸送プレートの第１の代替実施例６８の反応性領域９２を画定している。燃料電池１０の作動に際してガス状反応剤は泡障壁帯７４を通って流れず、かつ縁部シール８２、８６を通って流れない。付言すれば、燃料電池１０の作動に際して生成水は水透過帯８０および泡障壁帯７４を通って流れることができる。図１、および図３−図７に示される二帯式水輸送プレート１０の各実施例において、周辺縁部４４、４６、５６、５８は反応性周辺部と一致する。しかしながら二帯式水輸送プレート１０の一部の実施例では、プレートの第１の代替実施例６８の第１および第２の縁部シール８２、８６のような縁部シールがプレート６８の全ての細孔の空間を密封し、これによっていかなる流体も縁部シール８２、８６を通って流れないようにすることが可能である。このような実施例では、泡障壁帯がプレート６８の周辺縁部８４、８８の間を差し渡して延びる必要はなく、したがって泡障壁帯は反応性周辺部７０、７２の間にのみ延びればよい。泡障壁帯７４を二帯式水輸送プレート６８の全ての反応性周辺部の間に延びるものとして規定することによって、泡障壁帯はプレート６８の反応性領域９２を完全に覆うことを意味し、したがって泡障壁帯７４の細孔が液体で満たされたときはガス状流体の二帯式水輸送プレート６８を通しての移動が阻止され、これによって二帯式水輸送プレート６８の反応性領域９２のガスシールが形成される。
【００１６】
図３に二帯式水輸送プレートの第２の代替実施例９４が示されている。この場合泡障壁帯９６は第１の周辺縁部９８と第２の周辺縁部１００の間に延びており、泡障壁帯はまた第１および第２の周辺縁部９８、１００両方を完全に覆ってプレート９４の縁部シールを形成している。第２の代替の二帯式水輸送プレート９４はまた第１の接触面１０４と、対向する第２の接触面１０６との間に、かつ隣接して水透過帯１０２を含み、また複数の燃料または酸化剤通路１０８Ａ、１０８Ｂ、１０８Ｃを含む。
【００１７】
図４に示されるように、二帯式水輸送プレートの第３の代替施例１１０は第１の接触面１１４を覆い、かつ第２の接触面１１８の反対側に複数の燃料または酸化剤通路１１６Ａ、１１６Ｂ、１１６Ｃを画定する泡障壁帯１１２を有してもよい。水透過帯１２０が泡障壁帯１１２および第２の接触面１１８の間に延びている。図５は二帯式水輸送プレートの第４の代替実施例１２２を示しており、この場合泡障壁帯１２４は第１の反応性周辺部１２６と第２の反応性周辺部１２８との間に延び、かつ第１の水透過帯部分１３０と第２の水透過帯部分１３２との間に配置されている。第１の水透過帯部分１３０はまた第１の接触面１３４を画定し、第２の水透過帯部分１３２は第２の接触面１３６を画定し、第１および第２の水透過帯部分１３０、１３２、および泡障壁帯は全て第１および第２の接触面１３４、１３６の間に配置されている。
【００１８】
図６は二帯式水輸送プレートの第５の代替実施例１４０を示している。この場合第１の接触面１４２は複数の反応剤流れ通路、例えば酸化剤流れ通路１４４Ａ、１４４Ｂ、１４４Ｃを画定し、対向する第２の接触面１４６は複数の燃料流れ通路１４８Ａ、１４８Ｂ、１４８Ｃを画定し、泡障壁帯１５０が２つの対向する接触面１４２、１４６のうち片方のみの近傍に、例えば第１の接触面１４２の近傍に画定され、そのなかに酸化剤流れ通路１４４Ａ、１４４Ｂ、１４４Ｃが画定され、水透過帯１５１が泡障壁帯１５０から第２の接触面１４６まで延びている。泡障壁帯１５０はまた第１の反応性周辺部１５２と、対向する第２の反応性周辺部１５４との間に延びている。ここでもまた、第１および第２の接触面１４２、１４６は隣接する燃料電池構成部品と接触して配置されることができ、かつプレート１４０の対向する接触面から最大距離にある、二帯式水輸送プレート１４０の表面を含み、したがって第１および第２の接触面１４２、１４６は酸化剤流れ通路１４４Ａ、１４４Ｂ、１４４Ｃおよび燃料流れ通路１４８Ａ、１４８Ｂ、１４８Ｃの内部表面を含まないことが指摘される。
【００１９】
二帯式水輸送プレートの第６の代替実施例１５６が図７に示されており、これは第５の実施例１４０と同様に、複数の酸化剤流れ通路１６０Ａ、１６０Ｂ、１６０Ｃを画定する第１の接触面１５８と、これと対向する、複数の燃料流れ通路１６４Ａ、１６４Ｂ、１６４Ｃを含む第２の接触面１６２とを含む。泡障壁帯１６６が第１の反応性周辺部１６８から第２の反応性周辺部１７０まで、かつ第１の水透過帯部分１７２と第２の水透過帯部分１７４との間に延びている。強調されるのは、前述の図１の実施例および図２−図７に示される６つの代替実施例は、対向する周辺縁部または反応性周辺部を有する二帯式水輸送プレートの概略図を示しているに過ぎない、ということである。しかしながら開示された実施例において、泡障壁帯は全ての反応性周辺部の間に延び、かくしてプレートの反応性領域の全面を覆っており、これによって、泡障壁帯内の細孔が液体で満たされているときに全てのガス状流体がプレートを通過するのを阻止している。
【００２０】
全ての前述の実施例の泡障壁帯、例えば図２に示される二帯式水輸送プレートの第１の代替実施例６８の泡障壁帯７４は、プレート６８の全ての反応性周辺部の間に延び、２０ミクロンより小さな細孔径を有し、かつプレート６８の対向する接触面間の最短距離の２５パーセントより小さな厚さを有する。水透過帯８０は泡障壁帯７４の細孔径よりも少なくとも１００％大きな細孔径を有し、かつプレート６８の対向する接触面間の最短距離の７５パーセントより大きな厚さを有する。好ましい実施例においては、泡障壁帯は５ミクロンより小さな細孔径と約０．０１０−０．０２５センチメートルの厚さを有し、水透過帯は約１０−２０ミクロンの間の細孔径と約０．０７５−０．２００センチメートルの厚さを有する。図１に示されるような他の好ましい実施例においては、アノード二帯式水輸送プレート１２はアノード基材２４のような電極基材に隣接して配置されてよく、水透過帯５４の細孔径は電極基材の細孔径の約４０パーセントであり、泡障壁帯の細孔径は水透過帯の細孔径の約２５から５０パーセントである。
【００２１】
ここに用いられる「泡障壁帯の厚さ」という言葉は流体がプレートの１つの接触面から対向する接触面の方向に移動するために泡障壁帯を横切って通過しなければならない最短距離を意味する。例えば図１、２、３、５、および７に示される実施例において、泡障壁帯はこれらの実施例のそれぞれの接触面が画定する平面に対して実質的に平行であるように示されているが、これらの実施例の泡障壁帯の厚さは、対向する接触面間の最短距離に平行な方向に帯を横切る最短距離になる。しかしながら図４および図６に示される実施例においては、これらの実施例の泡障壁帯の厚さは流体が泡障壁帯を横切るのに通過しなければならない最短距離であり、したがって接触面によって画定される平面に対して垂直な、燃料または酸化剤通路の内部表面に沿う泡障壁帯の部分は、泡障壁帯の厚さではない。泡この垂直な部分を横切って流体が通過しなければならない最短距離が「泡障壁帯の厚さ」である。同様に、「水透過帯の厚さ」は流体が１つの接触面から対向する接触面に向かう方向に水透過帯を通過しなければならない最短距離である。
【００２２】
図２の二帯式水輸送プレート６８およびここに述べた他の実施例は、プロトン交換膜（「ＰＥＭ」）型燃料電池の作動環境に適合する当業界周知の任意の材料で製造されてよく、例えばよく知られる黒鉛または黒鉛−高分子の多孔質炭素体でもよい。水透過帯８０として好ましい細孔径を有する多孔質炭素体プレートを圧縮または射出成型で形成することはよく知られており、また要求される任意の反応剤または冷却液流れ通路を直接にプレート６８に成型または機械加工することが可能である。
【００２３】
泡障壁帯７４は各種の方法でプレート６８に形成および付加することができる。例えば１９８７年３月２４日に発行され、本願の二帯式水輸送プレートの全ての権利の譲受人によって所有される米国特許第４，６５２，５０２号において、例えば第５欄第６３行から第１０欄第１９行までに、リン酸型燃料電池の多孔質プレートに縁部シールを形成するための材料、装置、および方法が開示されている。要点を述べれば、多孔質プレートを流れ空洞と真空源との間に保持する装置が記載され、シール材料の前駆体が濃厚な水性懸濁液の形で流れ空洞から、１０ポンド毎平方インチ（「ｐ．ｓ．ｉ．」）（６９Ｋｐａ）より高い圧力でシールするべきプレートの縁部領域に押し出され、この間真空源が吸引力をかけてプレートを通して懸濁液を吸引する。シール材料は水中に配された不活性の粉体でもよく、該粉体は５０ミリリットル毎１００グラムに等しいかそれより小さな低構造と、１ミクロンに等しいかそれより小さな粒径を有する炭化ケイ素、炭素、黒鉛、およびこれらの混合物からなる群から選択される。シールされるべき多孔質材料の空隙容積がシール材料で満たされた後、液状の水は除去される。懸濁液中の固形分含量は、液体が除去された後にプレートの空隙容積内のシール物質の総容積減少が避けられるような量である。懸濁液中の固形分含量が懸濁液重量に対して６０％より大きければ液体除去時の総容積減少が避けられることが見いだされている。
【００２４】
このような材料および装置を用いて、泡障壁帯７４を水輸送プレート６８に付加し、かくしてプレート６８の第１の接触面７６の反応性領域９２の全面を覆い、その際泡障壁帯の深さが対向する第１および第２の接触面７６、７８間の最短距離の２５％より小さくなるようにすることができる。
【００２５】
第１の好ましい、あるいは炭素高分子混合物からなる、泡障壁帯７４はカーボンブラック、または黒鉛化カーボンブラックと、ＰＥＭ型燃料電池の作動環境に適合する任意の高分子結合剤との混合物で形成されてよい。使用可能なカーボンブラックはマサチューセッツ州ボストンのキャボットコーポレーションから「ヴァルカンＸＣ−７２」の名称で販売されているものである。使用可能な高分子結合剤はポリテトラフルオロエチレン（デラウェア州ウィルミントンのイー・アイ・デュポンドヌムールカンパニーから「テフロン」の商標で販売されているものなど）、ペルフルオロスルホン酸（デュポンドヌムールカンパニーから「ナフィオン」の商標で販売されているものなど）、フェノール、エポキシ、ポリスルホン、およびポリフッ化ビニリジンを含む。１９８８年７月１２日にブロールおよびその他に与えられ、本願の二帯式水輸送プレートの全ての権利の譲受人によって所有される米国特許第４，７５６，９８１号は、その第１３欄第３４−５９行に、カーボンブラックおよび高分子結合剤を用いて使用可能な泡障壁帯を形成する方法を開示している。要点を述べれば、８０重量パーセントの黒鉛化された「ヴァルカンＸＣ−７２」カーボンブラックと２０重量パーセントの乾燥「テフロン−６０」粉体樹脂が約２５分間混合され、得られた混合物が水輸送プレート６８のような多孔質プレートに、その反応性領域９２に亙って、黒鉛付着量１２ｍｇ．／ｃｍ2の量で施される。その方法は当業界でクラウド法として知られ、基材に触媒層を施すのに用いられ、米国特許第４，１７７，１５９号などに記載される方法に似た方法である。黒鉛化カーボンブラックと高分子樹脂の層は次いで１５ｐ．ｓ．ｉ．（１５Ｋｐａ）の圧力でロール掛けするなどして圧縮され、次いで強制対流つきの炉で華氏６００度（「°Ｆ」）（３１６℃）で焼成される。このようにして多孔質水輸送プレート６８のような多孔質プレートに施されたカーボンブラックと高分子結合剤の層はリン酸電解質について約５．５ｐ．ｓ．ｉ．（３８Ｋｐａ）の泡圧力を発現することが分かっている。
【００２６】
このような黒鉛化カーボンブラックと高分子結合剤の層が水輸送プレート６８に施されて、水の第１の接触面７６の反応性領域９２の全面を覆う泡障壁帯を形成してよく、この際泡障壁帯の深さは対向する第１および第２の接触面７６、７８間の最短距離の２５パーセントより小さくされる。泡障壁帯は図３のようにプレートの第１および第２の周辺縁部９８、１００をも覆うように施されてよい。水輸送プレート６８の好ましい泡障壁帯７４は、泡障壁帯内の細孔が水で満たされたときに２ｐ．ｓ．ｉ．（１４Ｋｐａ）よりも大きな泡圧力を発現する。ここで説明された泡障壁帯７４およびその他の泡障壁帯は説明されるように水輸送プラット６８と一体化するように施されてもよく、あるいは泡障壁帯が別個の泡障壁帯プレート５２、６４として製造されて水透過帯５４、６６に隣接して取り付けられ、かくして燃料電池１０の二帯式水輸送プレート１２、１４となってもよいことは理解されるであろう。
【００２７】
第２の好ましい、あるいは凝固降下性の泡障壁帯は１０ナノメートルより小さな細孔径を有し、したがって当業界公知のように細孔に残った水の凝固温度は毛細管力の結果として降下する。例えば、「ジャーナルオブザケミカルソサイエティ、ファラデイトランザクションズ」の第７３巻第６８０−６８９頁で発表されたレニーおよびクリフォードによる「多孔質固体における氷の融解」と題する論文に記載されているように、細孔直径が８ナノメートル（「ｎｍ」）すなわち８０オングストローム（「Ａ」）である構造では摂氏１０度（「℃」）の凝固温度の降下が起こる。４ｎｍの細孔直径を有する構造の細孔内では２０℃の凝固温度の降下が起こる。よく知られるように、特に燃料電池が自動車などのように輸送用車両に電力供給して氷点下の環境条件までの温度から動かす場合は、燃料電池内の水の凝固温度を降下させることは大きな利益となる。このような超微細な細孔径の凝固降下泡障壁帯は、プレート６８を、直径が約１００Ａの主粒径を有する超微細カーボンまたはシリカで、対向する第１および第２の接触面７６、７８間の最短距離の２５パーセントより小さな深さにコーティングすることによって、水輸送プレート６８上に形成することができる。代替の方法はプラスチック層の細孔の直径が１０ｎｍより小さいような多孔質プラスチック層を反応性領域９２上に、または図５に示されるように水輸送プレート１２２の第１および第２の水透過帯部分１３０、１３２の間に、積層することである。使用可能なプラスチックはイー・アイ・デュポンドヌムールカンパニーから前述の「ナフィオン」の商標で販売されているペルフルオロスルホン酸である。
【００２８】
このような１０ｎｍより小さな細孔径を有する多孔質プラスチック層は、４ｎｍの細孔径を有する「ナフィオン」フィルムを第１および第２の水透過帯部分１３０、１３２の間に置き、第１および第２の水透過帯部分１３０、１３２を一緒に約１００ｐ．ｓ．ｉ．（６９０Ｋｐａ）またはそれを超える圧力で圧縮しつつ該３層アッセンブリを約４００°Ｆ（２０４℃）の温度に約７から１２分間加熱し、次いで圧力を維持したまま３００°Ｆ（１４８．９℃）より低い温度に冷却することによって、図５に示される水輸送プレート１２２の第１と第２の水透過帯部分１３０、１３２の間に形成されてもよい。
【００２９】
１０ｎｍより小さな細孔径を有する凍結保護泡障壁帯は、前述の２０ミクロンより小さな細孔径を有する泡障壁帯よりはるかに低い水透過速度を有することが指摘される。したがって、凍結保護泡障壁帯の厚さはプレートによって画定される対向する接触面間の最短距離の５パーセントより小さいことが好ましい。これに加えて、凍結保護泡障壁帯に隣接する水透過帯の細孔径は、凍結保護泡障壁帯の細孔径より少なくとも１０００（１千）パーセント大きくされる。
【００３０】
凝固降下泡障壁帯は凍結環境条件に曝される燃料電池の二帯式水輸送プレートにおいて、実質的な利点を有する。図８に示されるように、このような二帯式水輸送プレート１７６は水透過帯１７８および凝固降下泡障壁帯１８０を含み、複数の反応剤流れ通路１８１Ａ、１８１Ｂ、１８１Ｃが水透過帯１７８に画定されている。特定の実施例において、凝固降下泡障壁帯１８０を有する二帯式水輸送プレート１７６は少なくとも１つの水通路１８５を有する冷却プレート１８３を通じて冷却液ループ１８２と流体連通関係にあり、該冷却液ループ１８２は燃料電池発電装置に一般的なものである。冷却液ループ１８２は冷却液を冷却プレート１８３に送る冷却液供給配管１８４を含む。冷却液排出配管１８６は冷却液および二帯式水輸送プレート１７６を通る生成水を冷却プレート１８３から排出し、冷却液熱交換器１８８を通して冷却液から熱を除去し、さらに冷却液排出配管１８６と冷却液供給配管１８４の間に取り付けられた冷却液ポンプ１９０に送り、冷却液ポンプは冷却液を冷却液ループ１８２を通して圧送する。
【００３１】
当業界周知のように、冷却液供給配管１８４および排出配管１８６はまた燃料電池に一般的なマニホールド（図示せず）を含んでもよい。冷却プレート１８３に流入する冷却液の流量を調節し、併せて冷却液ループ１８２内の冷却液の圧力を調節するために、冷却液流量バルブ１９２が冷却液供給配管１８４上で冷却液ポンプ１９０と二帯式水輸送プレート１７６の間に取り付けられてもよい。冷却液ループ１８２はまた冷却液排出配管１８６に取り付けられた冷却液液抜きバルブ１９４を含み、該バルブは例えば凝固降下泡障壁帯１８０を有する二帯式水輸送プレート１７６を用いる燃料電池が停止されたときなどに、選択的に冷却液を冷却液排出配管１８６から冷却液液抜き配管１９６を通して冷却液アキュムレータ１９８中に流出させることができる。冷却液供給配管１８４はまた冷却液ループ１８２を重力液抜きするときに用いられる通気口バルブ１９９を含んでもよい。冷却液アキュムレータ１９８は真空ポンプ２０２に取り付けられた真空配管２００を含み、これはアキュムレータ１９８に、また冷却液液抜き配管１９６および排出配管１８６を通して二帯式水輸送プレート１７６および冷却プレート１８３に、特定の吸引力または真空力をかける。真空ポンプ２０２は、アキュムレータ１９８からアキュムレータ通気孔２０４を通して流体を排出する。
【００３２】
冷却液ループ１８２と流体連通関係にある凝固降下泡障壁帯１８０を有する二帯式水輸送プレート１７６が定常作動にあるときは、冷却液液抜きバルブ１９４は冷却液を二帯式水輸送プレート１７６から冷却プレート１８３、冷却液排出配管１８６、および冷却液熱交換器１８８を通して送るように設定され、冷却液ポンプ１９０は冷却液を冷却液供給配管１８４および冷却液流量バルブ１９２を通して圧送して冷却プレート１８３に戻し、かくして水透過帯１７８および凝固降下泡障壁帯１８０内に画定された細孔が満たされる一方、プレート１７６から熱が除去される。二帯式水輸送プレート１７６を用いる燃料電池が停止されて凍結環境条件に曝される場合は、冷却液ポンプ１９０が停止され、通気口バルブ１９９が開かれ、冷却液液抜きバルブは冷却液排出配管１８６、冷却液熱交換器１８８、冷却液ポンプ１９０、および冷却液供給配管１８４から重力液抜きされた冷却液を冷却液液抜き配管１９６を通して冷却液アキュムレータ１９８に送るように設定される。
【００３３】
よく知られるように、冷却液は毛細管力によって、水透過帯１７８および凝固降下泡障壁帯１８０の細孔内に保持され、したがってアキュムレータ１９８中に重力液抜きされない。液体を細孔内に保持する毛細管力は細孔の直径の関数であり、細孔が小さいほど、冷却液を細孔に保持する毛細管力は大きくなる。そこで真空ポンプ２０２が必要に応じて選択的に制御される。例えば燃料電池が停止されるときは二帯式水輸送プレート１７６に、水透過帯１７８内の細孔の毛細管力よりは大きく、凝固降下泡障壁帯１８０内の細孔の毛細管力よりは小さい、真空力をかける。このようにして真空ポンプは水透過帯１７８から効果的に液体を除去し、凝固降下泡障壁帯１８０からは除去しないようにする。
【００３４】
毛細管力と微細な細孔湿式シールの細孔径との間の公知の関係によれば、湿式シールの両側のガス状および液状の流体の間に、シールを破ることなく保たれ得る差圧は次のようになる。すなわちシールが許容する両側にわたる差圧は近似的にΔＰ＝３０／Ｄに等しく、この際圧力はポンド毎平方インチ（「ｐ．ｓ．ｉ．」）で表され「Ｄ」はミクロンで表された細孔径、または細孔直径である。例えば水透過帯内の最小の細孔の直径が１０ミクロンであれば、真空ポンプ２０２がこれらの細孔から水などの冷却液を抜くために二帯式水輸送プレート１７６にかけるべき真空力は少なくとも３ｐ．ｓ．ｉ．である。凝固降下泡障壁帯１８０は１０ｎｍより小さな細孔径を有する細孔のみを含むから、泡障壁帯１７８内に残る冷却液の凝固点は約８℃降下する。したがって凝固降下泡障壁帯１８０を用い、併せて停止操作時に水透過帯１７８内の細孔の毛細管力よりは大きく、凝固降下泡障壁帯１８０内の細孔の毛細管力よりは小さな真空力をプレート１７６にかけ得る真空ポンプを有する冷却液ループ１８２を用いる二帯式水輸送プレート１７６は、氷点下の環境条件で作動する燃料電池１０に関連するプレート１７６の使用を著しく容易にする。凝固降下泡障壁帯１８０は凍結抵抗性冷却液で満たされたままなので、停止および始動操作をすぐ行うことができる一方、水透過帯１７８内の水の凍結膨張によるプレート１７６の機械的損傷の危険は最小になる。
【００３５】
図２の二帯式水輸送プレート６８、およびその他の上述において開示された実施例のプレートを形成するのに用いられる多孔質炭素体の製造においては、プレート６８は泡障壁帯７４を付加する以前または以後に濡れ性を向上するように、当業界周知の方法で製造されてよい。例えば１９９８年１１月２４日にベットおよびその他に与えられ、本願の二帯式水輸送プレートの全ての権利の譲受人によって所有され、参考文献としてここに組み入れられている米国特許５，８４０，４１４号は、金属酸化物を炭素体の細孔に組み込むことによって濡れ性を増加させた多孔質炭素体を示しており、その際約１０-6モル毎リットルより小さな水に対する溶解度を有する金属酸化物が用いられる。
【００３６】
アノードおよびカソード二帯式水輸送プレート１２、１４を用いる燃料電池１０の作動においては、アノード泡障壁帯５２およびカソード泡障壁帯７４によって許容可能なガスシールが保たれる一方、プレート１２、および１４を通しての水透過速度が著しく増加し、結果として製造原価の低減、プレート１２、１４の総計質量の低減、および電池１０の作動効率の向上が得られる。これに加えて二帯式水輸送プレート１２、１４は、凝固降下泡障壁帯１８０の実施例が用いられない場合でも、耐凍結性の向上を達成する。燃料電池を氷点下の環境条件で停止する際は、水の凍結膨張による電池構成部品の機械的損傷を避けるために、燃料電池１０の水抜きが要求される。プレート１２、１４の水透過帯５４、６６の細孔径は同じ泡圧力を達成する先行技術の多孔質水輸送プレートよりも大きくてよいので、このような凍結条件での停止の際、水は真空下に水透過帯の細孔からより容易に抜き取られる。
【００３７】
本発明を、燃料電池用の二帯式水輸送プレートの特定の実施例に即して説明および図示したが、本発明は説明および図示された実施例に限定されないことは理解されるべきである。例えば本発明の二帯式水輸送プレートを主として「ＰＥＭ」型燃料電池に関連して説明したが、二帯式水輸送プレートは他の固体高分子または水性の電解質を用いる他の燃料電池にも応用可能である。さらに、図１は２つの本発明の二帯式水輸送プレート１２、１４を含む単一の燃料電池を概略的に示しているが、本発明は二帯式水輸送プレート１２、１４を、ある表面にガス状流体に対するシールを与え、かつ同じ表面を通しての液状流体の透過性を与えなければならないような、燃料電池１０の任意の構成部品に用いることも包含する。つけ加えれば、前述したように、泡障壁帯５２、６４は水透過帯５４、６６と一体に製造されてもよいし、またここに説明される泡障壁帯が別個の泡障壁帯５２、６４であって、これを水透過帯５４、６６に隣接して取り付けることによって二帯式水輸送プレート１２、１４が形成されてもよい。本発明はまた既知の燃料電池スタック中に協同的に取り付けられた複数の燃料電池に二帯式水輸送プレートを用いることを包含する。したがって、発明の範囲を判断するには、これまでの説明よりも主として添付の特許請求の範囲が参照されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明によって構成された二帯式水輸送プレートを用いる燃料電池の概略断面図である。
【図２】二帯式水輸送プレートの第１の代替実施例の概略断面図である。
【図３】二帯式水輸送プレートの第２の代替実施例の概略断面図である。
【図４】二帯式水輸送プレートの第３の代替実施例の概略断面図である。
【図５】二帯式水輸送プレートの第４の代替実施例の概略断面図である。
【図６】二帯式水輸送プレートの第５の代替実施例の概略断面図である。
【図７】二帯式水輸送プレートの第６の代替実施例の概略断面図である。
【図８】二帯式水輸送プレートの概略断面図であり、プレートと流体連通関係にある冷却液ループを図示している。
【国際公開パンフレット】
2005501386.tif 000003
2005501386.tif 000004
2005501386.tif 000005
2005501386.tif 000006
2005501386.tif 000007
2005501386.tif 000008
2005501386.tif 000009
2005501386.tif 000010
2005501386.tif 000011
2005501386.tif 000012
2005501386.tif 000013
2005501386.tif 000014
2005501386.tif 000015
2005501386.tif 000016
2005501386.tif 000017
2005501386.tif 000018
2005501386.tif 000019
2005501386.tif 000020
2005501386.tif 000021
2005501386.tif 000022
2005501386.tif 000023
2005501386.tif 000024
2005501386.tif 000025
【手続補正書】
【提出日】平成15年7月30日(2003.7.30)
【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】
プロトン交換膜電解質、および電解質の対向する両側面に取り付けられたアノード触媒およびカソード触媒を有する燃料電池のための二帯式水輸送プレートであって、該二帯式水輸送プレートは、
ａ．  電解質と流体連通関係に取り付けられた水透過帯と、
ｂ．  水透過帯に取り付けられ、電解質と流体連通関係に取り付けられ、かつカソード触媒からの生成水をプレートを通して流すための泡障壁帯と、
を有し、
ｉ．  泡障壁帯は、プレートの全ての反応性周辺部の間に延びており、２０ミクロンより小さな細孔径を有する液体で満たされた細孔を有し、かつプレートによって画定される対向する接触面間の最短距離の２５パーセントより小さな厚さを有し、
ｉｉ．  水透過帯は、泡障壁帯の細孔径よりも少なくとも１００パーセント大きな平均細孔径を有し、かつ対向する接触面間の最短距離の７５パーセントより大きな厚さを有する、
ことを特徴とする燃料電池用二帯式水輸送プレート。
【請求項２】
前記泡障壁帯は５ミクロンより小さな細孔径を有し、水透過帯は約１０−２０ミクロンの間の細孔径を有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池用二帯式水輸送プレート。
【請求項３】
前記泡障壁帯は約０．０１０−０．０２５センチメートルの間の厚さを有し、水透過帯は０．０７５−０．２００センチメートルの間の厚さを有することを特徴とする請求項２記載の燃料電池用二帯式水輸送プレート。
【請求項４】
前記泡障壁帯が水透過帯の第１の水透過帯部分と第２の水透過帯部分との間に取り付けられることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用二帯式水輸送プレート。
【請求項５】
前記泡障壁帯はプレートによって画定される周辺縁部を完全に覆い、かくしてプレートの縁部シールを形成することを特徴とする請求項１記載の燃料電池用二帯式水輸送プレート。
【請求項６】
前記泡障壁帯は、２ｐ．ｓ．ｉ．より大きな泡圧力を有する炭素高分子混合物の泡障壁帯であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用二帯式水輸送プレート。
【請求項７】
前記高分子は、ポリテトラフルオロエチレン、ペルフルオロスルホン酸、フェノール、エポキシ、ポリスルホン、およびポリフッ化ビニリジンからなる群から選ばれることを特徴とする請求項６記載の燃料電池用二帯式水輸送プレート。
【請求項８】
前記泡障壁帯は、１０ナノメートルより小さな細孔径を有しかつプレートによって画定される対向する接触面間の最短距離の５パーセントより小さい厚さを有する凝固降下泡障壁帯であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用二帯式水輸送プレート。
【請求項９】
前記凝固降下泡障壁帯は１０ナノメートルより小さな細孔径を有する細孔を有する多孔質プラスチック層からなることを特徴とする請求項８記載の燃料電池用二帯式水輸送プレート。
【請求項１０】
前記多孔質プラスチック層はペルフルオロスルホン酸であることを特徴とする請求項９記載の燃料電池用二帯式水輸送プレート。
【請求項１１】
前記多孔質プラスチック層は、水輸送プレートの第１の水透過性部分と第２の水透過性部分との間に取り付けられることを特徴とする請求項９記載の燃料電池用二帯式水輸送プレート。
【請求項１２】
前記二帯式水輸送プレートはプレートの近傍に冷却液を送る冷却液ループと流体連通関係にあり、冷却液ループは真空ポンプを含み、該真空ポンプは選択的に、水透過帯内の細孔の毛細管力より大きく、かつ凝固降下泡障壁帯内の細孔の毛細管力より小さな真空力を、冷却液ループを介して二帯式水輸送プレートにかけ、かくして真空ポンプが水透過帯から効果的に冷却液を除去するが、凝固降下泡障壁帯からは冷却液を除去しないことを特徴とする請求項８記載の燃料電池用二帯式水輸送プレート。
【請求項１３】
プロトン交換膜電解質、電解質の対向する両側面に取り付けられたアノード触媒およびカソード触媒、および各触媒と流体連通関係に取り付けられた多孔質の電極基材を有する、燃料電池のための二帯式水輸送プレートであって、該二帯式水輸送プレートは、
ａ．  電極基材と流体連通関係に取り付けられた水透過帯と、
ｂ．  水透過帯に取り付けられ、電極基材と流体連通関係に取り付けられ、かつカソード触媒からの生成水をプレートを通して流すための泡障壁帯と、
を有し、
ｉ．  泡障壁帯は、プレートの全ての反応性周辺部の間に延びており、水透過帯の細孔径の約２５から５０パーセントの細孔径を有する液体で満たされた細孔を有し、かつプレートによって画定される対向する接触面間の最短距離の２５パーセントより小さな厚さを有し、
ｉｉ．  水透過帯は、多孔質の電極基材の細孔径の約４０パーセントの平均細孔径を有し、かつプレートによって画定される対向する接触面間の最短距離の７５パーセントより大きな厚さを有する、
ことを特徴とする燃料電池用二帯式水輸送プレート。
【請求項１４】
前記泡障壁帯は、２ｐ．ｓ．ｉ．より大きな泡圧力を有する炭素高分子混合物の泡障壁帯であることを特徴とする請求項１３記載の燃料電池用二帯式水輸送プレート。
【請求項１５】
前記高分子は、ポリテトラフルオロエチレン、ペルフルオロスルホン酸、フェノール、エポキシ、ポリスルホン、およびポリフッ化ビニリジンからなる群から選ばれることを特徴とする請求項１４記載の燃料電池用二帯式水輸送プレート。
【請求項１６】
前記泡障壁帯は１０ナノメートルより小さな細孔径を有する凝固降下泡障壁帯であることを特徴とする請求項１３記載の燃料電池用二帯式水輸送プレート。
【請求項１７】
前記凝固降下泡障壁帯は１０ナノメートルより小さな細孔径を有する細孔を有する多孔質プラスチック層からなることを特徴とする請求項１６記載の燃料電池用二帯式水輸送プレート。
【請求項１８】
前記多孔質プラスチック層は、水輸送プレートの第１の水透過性部分と第２の水透過性部分との間に取り付けられることを特徴とする請求項１７記載の燃料電池用二帯式水輸送プレート。
【請求項１９】
前記二帯式水輸送プレートはプレートの近傍に冷却液を送る冷却液ループと流体連通関係にあり、冷却液ループは真空ポンプを含み、該真空ポンプは選択的に、水透過帯内の細孔の毛細管力より大きく、かつ凝固降下泡障壁帯内の細孔の毛細管力より小さな真空力を、冷却液ループを介して二帯式水輸送プレートにかけ、かくして真空ポンプが水透過帯から効果的に冷却液を除去するが、凝固降下泡障壁帯からは冷却液を除去しないことを特徴とする請求項１６記載の燃料電池用二帯式水輸送プレート。
【請求項２０】
電解質、および電解質の対向する両側面に取り付けられたアノード触媒およびカソード触媒を有する燃料電池の凍結保護を促進する方法であって、該方法は、
ａ．  １０ナノメートルより小さな細孔径を有する凝固降下泡障壁帯および凝固降下泡障壁帯の細孔径より少なくとも１，０００パーセント大きな細孔径を有する水透過帯を有する二帯式水輸送プレートを電解質と流体連通関係に取り付けるステップと、
ｂ．  凝固降下泡障壁帯および水透過帯内の細孔が冷却液で満たされるようにして燃料電池を作動させるステップと、
ｃ．  二帯式水輸送プレートに選択的に、水透過帯内の細孔の毛細管力より大きく、かつ凝固降下泡障壁帯内の細孔の毛細管力より小さな真空力をかけ、かくして真空力が水透過帯から効果的に冷却液を除去するが、凝固降下泡障壁帯からは冷却液を除去しないようにすることを含んで燃料電池を停止するステップと、
を有することを特徴とする燃料電池の凍結保護を促進する方法。
【国際調査報告】
2005501386.tif 000026