(57)【要約】【課題】燃料電池の性能を改善させるために、燃料電池構成部品を処理する、耐久性が高くて安価な方法を提供する。【解決手段】多価電解質ポリマーを含む水溶液を、燃料電池構成部品に、該多価電解質ポリマーの少なくとも一部が該燃料電池構成部品に接着するように塗布し（１００）、該燃料電池構成部品に接着していない多価電解質ポリマーを除去し（１０２）、第二コーティング材料を、該燃料電池構成部品に接着した多価電解質ポリマーに塗布し（１０４）、次いで、該燃料電池構成部品に接着した多価電解質ポリマーに対して、未接着である第二コーティング材料を除去する（１０６）。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多価電解質ポリマーを含んでなる水溶液を、燃料電池構成部品に、該多価電解質ポリマーの少なくとも一部が該構成部品の少なくとも一部に接着するように、塗布することを含んでなる方法。
【請求項２】
該燃料電池構成部品が双極板を含んでなる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
該多価電解質ポリマーがカチオン性官能基を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
該多価電解質ポリマーがアニオン性官能基を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
第二コーティング材料を、該構成部品に接着した多価電解質ポリマーに塗布することをさらに含んでなる、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
陰性官能基を含む第二コーティング材料を、該陰性官能基と該陽性官能基とがイオン結合を形成するように、該構成部品に接着した多価電解質ポリマーに塗布することをさらに含んでなる、請求項３に記載の方法。
【請求項７】
親水性コーティングを多価電解質ポリマーに塗布することを含んでなり、さらに該親水性コーティングが陰性官能基を含む、請求項３に記載の方法。
【請求項８】
ナノ粒子を含んでなる水溶液を、該構成部品に接着した多価電解質ポリマー上に塗布することをさらに含んでなる、請求項３に記載の方法。
【請求項９】
シロキサンナノ粒子を含んでなる水溶液を塗布することをさらに含んでなる、請求項３に記載の方法。
【請求項１０】
該第二コーティング材料が、アクリルアミドと四級アンモニウム塩とのコポリマー、ポリアミド−アミン、塩酸ポリアリルアミン、エポキシ系アゾポリマー、又はアクリル酸系アゾポリマーの少なくとも１を含んでなる、請求項５に記載の方法。
【請求項１１】
該第二コーティング材料が、ＳｉＯ2、ＨｆＯ2、ＺｒＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＳｎＯ2、Ｔａ2Ｏ5、Ｎｂ2Ｏ5、ＭｏＯ2、ＩｒＯ2、ＲｕＯ2、準安定オキシナイトライド、非化学量論金属酸化物、オキシナイトライド、及び、炭素鎖又は炭素を含むこれらの誘導体、又はこれらの混合物、の少なくとも１つを含んでなる、請求項５に記載の方法。
【請求項１２】
ナノ粒子を含んでなる分散液を、該構成部品に接着した多価電解質ポリマーに塗布することをさらに含んでなる、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
（ａ）多価電解質ポリマーの水溶液を、該多価電解質ポリマーの少なくとも一部が燃料電池構成部品の少なくとも一部に接着するように、該構成部品に塗布すること；
（ｂ）該燃料電池構成部品に接着していない多価電解質ポリマーを除去すること；
（ｃ）第二コーティング材料を、該構成部品に接着した多価電解質ポリマーへと塗布すること；そして、
（ｄ）該構成部品に接着した多価電解質ポリマーに接着していない、第二コーティング材料を除去すること
を含んでなる方法。
【請求項１４】
（ａ）〜（ｄ）を複数回繰り返すことをさらに含んでなる、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
（ａ）燃料電池双極板を前処理溶液に含浸させることにより、該双極板からグリースと汚染物質を除去すること；
（ｂ）該双極板を、脱イオン水の第一浴ですすぐこと；
（ｃ）該双極板を、脱イオン水の第二浴ですすぐこと；
（ｄ）該双極板を、第一多価電解質ポリマーの第一水溶液に含浸させること；
（ｅ）該双極板を、脱イオン水の第三浴ですすいで、該双極板に接着していない第一多価電解質ポリマーを除去すること；
（ｆ）該双極板を、脱イオン水の第四浴ですすぐこと；
（ｇ）該双極板を、第二コーティング材料を含んでなる第二分散液に含浸すること；
（ｈ）該双極板を、脱イオン水の第四浴ですすいで、該双極板に接着した第一多価電解質ポリマーに接着していない、第二コーティング材料を除去すること；
（ｉ）該双極板を、脱イオン水の第五浴ですすぐこと；
（ｊ）（ｄ）〜（ｉ）を３回繰り返すこと；そして、
（ｋ）該双極板を乾燥すること
を含んでなる方法。
【請求項１６】
該第二コーティング材料がナノ粒子を含んでなる、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
該双極板に接着した第一多価電解質ポリマーが、カチオン性官能基を含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
該第二コーティング材料がアニオン性官能基を含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
該第二コーティング材料が、アニオン性官能基を有するナノ粒子を含んでなる、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
該第一多価電解質ポリマーが、アクリルアミドと四級アンモニウム塩のコポリマー、ポリアミド−アミン、塩酸ポリアリルアミン、エポキシ系アゾポリマー、又はアクリル酸系アゾポリマーの少なくとも１を含んでなる、請求項１５に記載の方法。
【請求項２１】
多価電解質ポリマーを含んでなる水溶液を、該多価電解質ポリマーの少なくとも一部が燃料電池構成部品の少なくとも一部に接着するように、該構成部品に塗布すること；そして、
第二コーティング材料を、該燃料電池構成部品に接着した多価電解質ポリマーに塗布すること
を含んでなる方法。
【請求項２２】
該燃料電池構成部品が双極板を含んでなる、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
該多価電解質ポリマーがカチオン性官能基を含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
該多価電解質ポリマーがアニオン性官能基を含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
該第二コーティング材料が、約２〜約１００ｎｍのサイズを有するナノ粒子を含んでなる、請求項２１に記載の方法。
【請求項２６】
該第二コーティング材料が、無機材料又は有機材料を含んでなるナノ粒子を含んでなる、請求項２１に記載の方法。
【請求項２７】
該第二コーティング材料が、親水性側鎖を含んでなるナノ粒子を含んでなる、請求項２１に記載の方法。
【請求項２８】
該第二コーティング材料が、１０〜９０質量％の無機構造体、５〜７０質量％の親水性部、及び、０〜５０質量％の官能基を有する有機側鎖、を含んでなる、請求項２１に記載の方法。
【請求項２９】
該第二コーティング材料が、アミノ基、スルホン基、硫酸基、亜硫酸基、スルホンアミド基、スルホキシド基、カルボン酸基、ポリオール、ポリエーテル、リン酸基、又はホスホン酸基の少なくとも１を含んでなる、請求項２１に記載の方法。
【請求項３０】
該第二コーティング材料が、官能基を有する有機側鎖を含んでなり、該有機側鎖の官能基が、エポキシ基、アクリロキシ基、メタクリロキシ基、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、請求項２１に記載の方法。
【請求項３１】
該燃料電池構成部品が、金属、ポリマー材料、又は電気伝導性複合材料の少なくとも１を含んでなる基板を含んでなる、請求項２１に記載の方法。
【請求項３２】
該第二コーティング材料が、ＳｉＯ2、ＨｆＯ2、ＺｒＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＳｎＯ2、Ｔａ2Ｏ5、Ｎｂ2Ｏ5、ＭｏＯ2、ＩｒＯ2、ＲｕＯ2、準安定オキシナイトライド、非化学量論金属酸化物、オキシナイトライド、及び、炭素鎖又は炭素を含むこれらの誘導体、又はこれらの混合物の少なくとも１つを含んでなる、請求項２１に記載の方法。
【請求項３３】
該第二コーティング材料が、少なくとも１のＳｉ−Ｏ基、少なくとも１の極性基、及び飽和又は不飽和炭素鎖を含む少なくとも１の基、を含んでなる、請求項２１に記載の方法。
【請求項３４】
該第二コーティング材料が、ヒドロキシル基、ハライド基、カルボキシル基、ケトン基、またはアルデヒド基の少なくとも１を含んでなる極性基を含んでなる、請求項２１に記載の方法。
【請求項３５】
該第二コーティング材料が、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、希土類金属、それらの合金、ポリマー炭素、又はグラファイトを含んでなる、請求項２１に記載の方法。
【請求項３６】
該第二コーティング材料が、Ｓｉ−Ｏ基及びＳｉ−Ｒ基を含んでなり、Ｒが、飽和又は不飽和炭素鎖を含み、Ｓｉ−Ｒ基のＳｉ−Ｏ基に対するモル比が、１／８〜１／２であり、好ましくは１／４〜１／２である、請求項２１に記載の方法。
【請求項３７】
該第二コーティング材料が、シロキサンから誘導される物質を含んでなる、請求項２１に記載の方法。
【請求項３８】
該第二コーティング材料が、式：
【化１】
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（式中、Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3、Ｒ4、Ｒ5、及びＲ6の各々は、Ｈ、Ｏ、Ｃｌ、又は、１〜４の炭素原子を有する飽和又は不飽和炭素鎖であり；Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3、Ｒ4、Ｒ5、及びＲ6は、同じであっても異なっていてもよく；Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3、Ｒ4、Ｒ5、又はＲ6の少なくとも１は、少なくとも１の炭素原子を有する炭素鎖である）
を有する材料から誘導される材料を含んでなる、請求項２１に記載の方法。
【請求項３９】
Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3、Ｒ4、Ｒ5、及びＲ6の少なくとも１が、少なくとも１の炭素原子を有する炭素鎖である、請求項３８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池構成部品のコーティング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
Angelopoulos等の米国特許番号６，０２５，０５７号公報（特許文献１）は、電子パッケージ（electronic package）、例えば、プリント回路基板（printed circuit board）製造時の課題を解決する方法を開示しており、その鍵は、Ｐｄ／Ｓｎシード層触媒の適切な充填にある。Ｐｄ触媒が不十分であると、銅が堆積した回路層に隙間を生じて、開回路（open circuit）が生じるだろう。触媒が多すぎると、接着不良と側方伝導（lateral conduction）の両方が引き起こされ得る。接着不良は、無電界めっきを溶解させてフォトレジストの下へと漏出させ、回路要素間に銅を析出させて、回路をショートさせる。開示された課題の解決法には、ファイバーグラスとエポキシから形成される回路基板のような有機基板上に、有機多価電解質を堆積させることが含まれる。コロイド状のパラジウム−スズシード層が有機多価電解質の上に堆積される。続いて、シード層の上に、光で像を描くことができるポリマーが堆積され、そのポリマーがフォトリソグラフでパターン化されて、シード層の一部が露出する。銅をシード層の露出部分に堆積させるために、銅の無電界析出が用いられる。有機多価電解質は、望まれるシード触媒コーティングに適切なｐＨで水溶液から析出する。有機多価電解質の例としては、アクリルアミドとベータ−メタクリロキシエチルトリメチルアンモニウムメチルサルフェートとのコポリマーが開示されている。上記の多価電解質は加水分解されたアミド基を含み、４未満のｐＨの硫酸を含有する水溶液で、有機基板上に堆積される。別の態様では、多価電解質は、１０を越えるｐＨの水酸化ナトリウムを含有する水溶液で、有機基板上に堆積される。別の多価電解質としては、カチオン性ポリアミド−アミンが開示される。１Ｌあたり０．２〜１．２グラムの範囲の濃度の多価電解質とともに中性の水溶液を展開する。Ｐｄ／Ｓｎコロイド懸濁物のシード層が多価電解質上に堆積される。
【０００３】
１９９９年１２月７日に発行された、Angelopoulos等の米国特許番号５，９９７，９９７号公報（特許文献２）は、プリント回路基板のような回路構造を製造する際の課題の解決方法を開示しており、慣用的な無電界めっき法は、しばしば、過剰なシードの堆積を被る。回路基板上の過剰なシードの存在は、表面が平坦ではないため、漏電を引き起こし、シード層上への回路基板の回路作成に用いられるフォトレジストの接着を弱くする。過剰なシード層は、その後の加工工程においても、望ましくない金属めっきを引き起こし得る。開示された解決法には、ポリマー誘電層でコートされた基板を含む素材を提供することが含まれている。次いで、ポリマー誘電層を有する素材は、周囲圧力において、ベーキングされる。その後、素材は、ポリマー誘電体表面上の弱酸基に水素を結合させるポリマー界面活性剤で処理される。ポリマー界面活性剤としては、カチオン性ポリアクリルアミド又はカチオン性ポリアミド−アミンのような、アミド基を有するカチオン性多価電解質が開示される。ポリマー界面活性剤は、１０5〜１０7の範囲の分子量を有する。開示された多価電解質は、商用名“Polytech”で、Polytech, Inc.から入手可能である。
【０００４】
プリント回路基板に関連しない分野では、燃料電池スタックの製造は、水を管理する特徴を有する双極板（bipolar plate）を製造することを含む。疎水性の双極板の溝（channel）における液体フィルムの毛管現象による不安定さは、液体の停滞と燃料電池の性能の損失を引き起こし得る。双極板の表面上に親水性官能基を導入するプラズマ加工を行うことにより、液体の停滞がなくなり、燃料電池の性能が改善することが示されている。しかしながら、そのようなプラズマ加工技術は、非常に高価であり、時間もかかる。よって、代替方法が必要とされている。そのような方法の１つが、“Fuel Cell Component With Coating Including Nanoparticles”という標題の、譲受人の米国仮特許出願番号６０／７０７，７０５に開示されている。この方法は、双極板の表面上に、親水性ナノ粒子の薄いコーティングを噴霧することを含む。しかし、出願人らは、その方法に、いくつかの耐久性の懸念が存在することを見出した：すなわち、（１）コーティングからの反射色の欠如により、コーティングによる被覆が密着していないことが示されている、（２）有機酸と界面活性剤の残渣がコーティングとともに残存している、及び（３）コーティングの強度が接着相互作用ではなく密着に起因している（すなわち、コーティングの基板への化学結合が、ほとんど又は全くない）。
【特許文献１】米国特許番号６，０２５，０５７号公報
【特許文献２】米国特許番号５，９９７，９９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、先行技術の代替法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様には、多価電解質ポリマーを含む水溶液を、燃料電池構成部品上に塗布することを含む、燃料電池構成部品のコーティング方法が含まれる。
本発明の他の態様は、以下に示す詳細な説明により明白となるだろう。詳細な説明や特定の例は、本発明の好ましい態様を示してはいるが、例示することのみを意図しており、本発明の範囲を制限することは意図していない。
【０００７】
以下の好ましい態様の説明は例示であり、本発明と本発明の適用又は用途を制限することを意図するものではない。
本発明の一態様には、多価電解質ポリマーを含む水溶液を、燃料電池構成部品に塗布することを含む方法が含まれる。多価電解質ポリマーには、カチオン性官能基及び／又はアニオン性官能基が含まれる。適するカチオン性多価電解質ポリマーの例には、次のものが含まれるが、これらに限定されない：アクリルアミドと四級アンモニウム塩のコポリマー、ポリアミド−アミン、塩酸ポリアリルアミン、エポキシ系アゾポリマー（epoxy based azo polymer）、アクリル酸系アゾポリマー（acrylic acid based azo polymer）。燃料電池構成部品の適する例には、双極板、拡散媒体（diffusion media）、及び膜電極接合体（membrane electrode assembly）が含まれるが、これらに限定されない。第二コーティング材料を、燃料電池構成部品に接着した多価電解質ポリマーに塗布してもよい。第二コーティング材料には、多価電解質の官能基と第二コーティング材料の官能基との間でイオン結合が形成されるように、多価電解質ポリマーの官能基とは反対側の電荷を持つ、陰性又は陽性官能基が含まれる。例えば、第二コーティング材料の双極板への接着を改良させるため、多価電解質ポリマーはカチオン性官能基を含み、第二コーティング材料はアニオン性官能基を含み、陽性官能基と陰性官能基とでイオン結合を形成させる。例えば、第二コーティング材料には、親水性又は疎水性材料が含まれるがこれらに限定されない。一態様では、第二コーティング材料はナノ粒子を含む。適する第二コーティング材料は、“Fuel Cell Component With Coating Including Nanoparticles”という標題の、譲受人の米国特許出願番号６０／７０７，７０５に開示されており、この開示は参照として本明細書に組み込まれる。本発明の一態様では、第二コーティング材料には、燃料電池構成部品上にコーティングされたカチオン性ポリマー（多価電解質）と強いイオン結合を形成できる、マイナス電荷の基を含む親水性材料が含まれる。
【０００８】
図１は、本発明の一態様に従う方法を例示するフローチャートである。この態様では、第１工程１００は、多価電解質ポリマー水溶液を、双極板のような燃料電池構成部品に、多価電解質ポリマーの少なくとも一部が該構成部品に接着するように塗布することを含む。本方法の第２工程１０２は、例えば、燃料電池構成部品を脱イオン水ですすぐことにより、燃料電池構成部品から、未接着の多価電解質ポリマーを除去することを含む。本方法の第３工程１０４は、第二コーティング材料を、燃料電池構成部品に接着した多価電解質ポリマーに塗布することを含む。第二コーティング材料は、例えば、ナノ粒子を含む材料であってもよい。
【０００９】
本方法の第４工程１０６は、例えば、燃料電池構成部品を脱イオン水ですすぐことにより、多価電解質ポリマーに接着していない第二コーティング材料を除去することを含む。工程１〜４（１００〜１０６）を複数回繰り返して、多価電解質ポリマーと、それに接着した第二コーティング材料との複層を形成してもよい。
【００１０】
図２は、本発明の別の態様に従う方法を例示するフローチャートである。本方法の第１工程１０８は、燃料電池の双極板を、例えば、６５℃で３分間、前処理液に含浸させることにより、グリース及び／又は汚染物質を双極板から除去することを含む。一態様では、前処理液には、Ｋ２−グレード（ＦＤＡ・マイクロエレクトロニクス・グレード）脱脂剤が含まれる。本方法の第２工程１１０は、双極板を、脱イオン水の第一浴で、例えば、５７℃で１分間すすぐことを含む。本方法の第３工程１１２は、双極板を、脱イオン水の第二浴で、例えば、５７℃で１分間すすいで、清浄にすることを含む。本方法の第４工程１１４は、双極板を、第一多価電解質ポリマーを含む第一水溶液に、多価電解質の少なくとも一部が双極板に接着するように、例えば約２分間含浸させることを含む。本発明の一態様では、第一多価電解質ポリマーはカチオン性ポリアクリルアミドであり、例えば、CYTECから入手可能なSuperfloc C-442又はC-446である。カチオン性ポリアクリルアミドポリマーの別の例としては、Polytech, Inc.から入手可能なPolytech 7Mがある。本方法の第５工程１１６は、双極板を、脱イオン水の第三浴で、例えば５７℃で１分間すすいで、未接着の第一多価電解質ポリマーを除去することを含む。本方法の第６工程１１８は、双極板を、脱イオン水の第四浴で、例えば５７℃で１分間すすいで、清浄にすることを含む。本方法の第７工程１２０は、双極板を、第二コーティング材料を含む第二水溶液に、例えば５７℃で３分間含浸させることを含む。第二コーティング材料には、Nano-Xから入手可能なX-Tech 4014又は3408のような、親水性ナノ粒子が含まれる。本方法の第８工程１２２は、双極板を、脱イオン水の第五浴で、例えば５７℃で１分間すすいで、第一多価電解質ポリマーに接着していない第二コーティング材料を除去することを含む。本方法の第９工程１２４は、双極板を、脱イオン水の第六浴で、例えば５７℃で１分間すすいで、清浄にすることを含む。本方法の第１０工程１２６は、工程４〜９（１１４〜１２４）を全部で３回繰り返して、多価電解質ポリマーと、その上の第二コーティング材料との複層を形成させることを含む。その後、本方法の第１１工程１２８は、例えば、双極板を乾燥台に１０〜１５分置くことにより、双極板を乾燥させることを含む。
【００１１】
ナノ粒子を含む第二コーティング材料の適する例は、譲受人の米国特許出願番号６０／７０７，７０５に開示される。その例を後に記載する。本発明の一態様には、その上に多価電解質ポリマーと、多価電解質ポリマーの上に、ナノ粒子を含む第二コーティング材料とを有する、双極板のような基板を有する、燃料電池構成部品が含まれるがこれに限定されない。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のサイズを有することができる。ナノ粒子には、無機材料及び／又は有機材料が含まれる。第二コーティング材料には、水酸基、ハライド基、カルボキシル基、ケトン基、及び／又はアルデヒド基を含む化合物が含まれる。第二コーティング材料は、双極板のような燃料電池構成部品を、親水性にする。
【００１２】
本発明の一態様には、その上に多価電解質ポリマーと、多価電解質ポリマーの上に、親水性側鎖を有するナノ粒子を含んでなる永続的に親水性のコーティング(permanent hydrophilic coating）を有する、燃料電池構成部品が含まれる。
【００１３】
本発明の一態様である、ナノ粒子を含んでなる永続的に親水性のコーティングは、１０〜９０質量％の無機構造（inorganic structure)、５〜７０質量％の親水性部（hydrophilic）、及び０〜５０質量％の少なくとも１の官能基を有する有機側鎖（organic side chain）を含んでなる。本発明の一態様では、親水性側鎖は、アミノ基、スルホン基、硫酸基、亜硫酸基、スルホンアミド基、スルホキシド基、カルボン酸基、ポリオール、ポリエーテル、リン酸基、又はホスホン酸基である。
【００１４】
本発明の一態様では、第二コーティング材料は有機側鎖を含み、有機側鎖の官能基には、エポキシ基、アクリロキシ基、メタクリロキシ基、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、水酸基、アミド又はアミノ基、イソシアノ基、又はシラノール基が含まれる。本発明の一態様では、コーティングは、３〜７のｐＨを有する。
【００１５】
本発明の別の態様には、燃料電池構成部品上の多価電解質ポリマー上に、スラリー溶液を堆積させることが含まれる。スラリー溶液には、ナノ粒子と媒体（vehicle）が含まれ、その後媒体が除かれる。媒体には、水、アルコール、及び／又は他の適する溶媒が含まれる。一態様では、スラリーは、４〜５質量％のナノ粒子と、残りの媒体とを含む。一態様では、媒体は、約８０〜約１８０℃の温度で除かれる。処理時間は、８０℃で１０分間〜１８０℃で１０秒間とすることができる。
【００１６】
適するスラリー材料は、商用名HP 3408及びHP 4014でNano-X GmbHから入手可能である。スラリー材料は、燃料電池の作動を２５００時間以上にすることができる、永続的に親水性なコーティングを提供することができる。そのようなコーティングは、アルミニウムや高いグレードのステンレス鋼のような金属、ポリマー基板、及び双極板のような電気伝導性複合材料基板上に形成することができる。
【００１７】
参照として本明細書に組み込まれる、米国特許出願番号２００４／０２３７８３３は、本発明に用いられるスラリーを製造する方法を記載している。それらを以下に示す。
例１  ２２１．２９ｇ（１ｍｏｌ）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スルホコハク酸に加えて、シリコンバスで５時間１２０℃に加熱する。反応の後、混合物を冷却して、２０ｇのその粘性流体を、８０ｇ（０．３８ｍｏｌ）テトラエトキシシランと混合し、１００ｇエチルアルコールに吸収させる。その溶液を、次いで、１３．６８ｇ（０．７６ｍｏｌ）の０．１Ｎ ＨＣｌ溶液と混合し、４０℃のウォーターバス中に一晩置く。これにより、反応性の末端基を有する、約２ｎｍの親水性ナノ粒子がもたらされる。生じた溶液を、水１／３とＮ−メチルピロリジン（ＮＭＰ）２／３との混合液で希釈して固形分５％とし、噴霧により、１０〜２０μｍの湿潤フィルム厚さでガラス板に塗布する。続いて、その基板を、１５０℃の循環空気乾燥キャビネット中に３時間詰める。
【００１８】
例２  ２２１．２９ｇ（１ｍｏｌ）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スルホコハク酸に加える。次いで、その溶液を、シリコンバスで１３０℃に加熱する。１時間の反応の後、３３２．９３ｇのLevasil  300/30% タイプ（ｐＨ＝１０）のアルカリ安定化シリカゲル水溶液（alkaline-stabilized aqueous silica gel solution）をその反応溶液に撹拌しながら加える。１２時間の反応の後、混合物を水で希釈して固形分５％とする。これにより、反応性の末端基を有する、約１５ｎｍの親水性ナノ粒子がもたらされる。これを、プラズマで活性化したポリカーボネートのシートに、含浸により塗布して、続いて、１３０℃の循環空気乾燥キャビネットで５時間乾燥させる。
【００１９】
例３  １２３．６８ｇ（０．５ｍｏｌ）３−イソシアナトプロピルトリエトキシシランを、６００ｇ（１ｍｏｌ）ポリエチレングリコール６００に加えて、０．１２ｇジブチルラウリン酸スズ（３−イソシアナトプロピルトリエトキシシランに関して０．１ｗｔ％）を加えた後、シリコンバスで１３０℃に加熱する。生じた溶液（溶液Ａ）５０ｇに、２５ｇ（０．１２ｍｏｌ）テトラエトキシシランと３３．４ｇ（０．１２ｍｏｌ）３−グリシジルオキシプロピルトリエトキシシランを、撹拌しながら加える。１５．１２ｇ（０．８４ｍｏｌ）の０．１Ｎ ＨＣｌ溶液を加えた後、該混合物を加水分解させ、室温で２４時間濃縮させる。これにより、反応性の末端基を有する、約５ｎｍの親水性ナノ粒子がもたらされる。
【００２０】
例４  １２．５ｇ（０．０５ｍｏｌ）の３−メタクリロ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から入手）、及び５０ｇのエチルアルコールを、例３に記載した５０ｇの溶液Ａに撹拌しながら加えて、混合物を均質化させて、４８時間親水化させる。Ciba Spezialitaten Chemieからの０．３７５ｇのIngacure 184（３−メタクリロキシプロピルトリメトキシシランについて３ｗｔ％）を加えた後、混合物を、火炎処理されたポリカーボネートのシート（flamed polycarbonate sheet）に、最大で３０μｍの湿潤フィルム厚さとなるように、噴霧により塗布して、１３０℃の循環空気乾燥キャビネットで１０分間乾燥させる。続いて、１〜２Ｊ／ｃｍ2の放射出力を有するＨｇエミッターで、光化学乾燥させる。
【００２１】
本発明の範囲は、上記の第二コーティング材料とそれを製造する方法に限定されないが、燃料電池構成部品上の多価電解質ポリマー上に形成される、ナノ粒子を含む他の第二コーティング材料が含まれる。以下は、第二コーティング材料とそれを製造する方法の追加の態様の記載である。
【００２２】
例えば、適するナノ粒子には、ＳｉＯ2や、ＨｆＯ2、ＺｒＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＳｎＯ2、Ｔａ2Ｏ5、Ｎｂ2Ｏ5、ＭｏＯ2、ＩｒＯ2、ＲｕＯ2のような他の金属酸化物、準安定オキシナイトライド（metastable oxynitride）、非化学両論金属酸化物（nonstoichiometric metal oxide）、オキシナイトライド、及び、炭素鎖又は炭素を含むそれらの誘導体、又はそれらの混合物が含まれる。
【００２３】
一態様では、第二コーティング材料は親水性であり、少なくとも１のＳｉ−Ｏ基、少なくとも１の極性基、及び、飽和又は不飽和炭素鎖を含む少なくとも１の基が含まれる。本発明の一態様では、極性基には、水酸基、ハライド基、カルボキシル基、ケトン基、又はアルデヒド基が含まれる。本発明の一態様では、炭素鎖は、飽和であっても不飽和であってもよく、１〜４の炭素原子を有することができる。第二コーティング材料は、伝導性を改善するために、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、希土類金属、それらの合金、ポリマー炭素（polymeric carbon）、又はグラファイトを含む、追加の要素又は化合物を有していてもよい。
【００２４】
本発明の一態様では、第二コーティング材料には、Ｒが飽和又は不飽和炭素鎖である、Ｓｉ−Ｏ基及びＳｉ−Ｒ基が含まれ、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である。本発明の別の態様では、第二コーティング材料は、コーティングの親水度を改良するために、さらに、水酸基を含む。
【００２５】
本発明の別の態様には、その上に多価電解質ポリマーと、多価電解質ポリマーの上に第二コーティング材料を有する構成部品を有する、燃料電池構成部品が含まれる。該コーティングはシロキサンより誘導される。シロキサンは、線状でも、分岐状でも、環状でもよい。一態様では、シロキサンは式Ｒ2ＳｉＯを有し、Ｒはアルキル基である。
【００２６】
本発明の別の態様では、第二コーティング材料は、式
【００２７】
【化１】
2007128873.tif 000003
【００２８】
（式中、Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3、Ｒ4、Ｒ5、及びＲ6の各々は、Ｈ、Ｏ、Ｃｌ、又は、１〜４の炭素原子を有する飽和又は不飽和炭素鎖であり；Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3、Ｒ4、Ｒ5、及びＲ6は、同じ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。
【００２９】
本発明の別の態様では、第二コーティング材料は、式
【００３０】
【化２】
2007128873.tif 000004
【００３１】
（式中、Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3、Ｒ4、Ｒ5、及びＲ6の各々は、Ｈ、Ｏ、Ｃｌ、又は、１〜４の炭素原子を有する飽和又は不飽和炭素鎖であり；Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3、Ｒ4、Ｒ5、及びＲ6は、同じであっても異なっていてもよく；そして、Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3、Ｒ4、Ｒ5、又はＲ6の少なくとも１は、少なくとも１の炭素原子を有する炭素鎖である）
を有する材料から誘導される。
【００３２】
本発明の別の態様には、その上に多価電解質ポリマーと、多価電解質ポリマーの上に第二コーティング材料を有する燃料電池構成部品が含まれる。その第二コーティング材料には、１〜１００ｎｍ、好ましくは１〜５０ｎｍ、最も好ましくは１〜１０ｎｍのサイズを有するナノ粒子が含まれ、該ナノ粒子は、シリコン、飽和又は不飽和炭素鎖、及び極性基を含んでなる化合物を含んでなる。一態様では、該コーティングは、８０〜１００ｎｍの平均の厚さを有する。
【００３３】
図３に示すように、燃料電池構成部品は、複数の丘（land）１６及び溝１４により画定される気体流動場（gas flow field）（それを通じて気体が流れる）を有する比較的薄い基板１２を含む、双極板であってもよい。多価電解質ポリマーを含む水溶液は、多価電解質ポリマーの少なくとも一部が基板１２に接着して第一層２０を形成するように、双極板の上面１８上に堆積される。多価電解質ポリマーを含む水溶液を上面１８上に堆積させるのは、基板１２に丘や溝を付ける前でも後でもよい。その後、第二コーティング材料を含む水溶液は、多価電解質ポリマーの第一層２０に塗布されて、乾燥して、多価電解質ポリマーの第一層２０の上に第二コーティング材料２２を形成することができる。基板１２は、ステンレス鋼のような金属であることができるが、これに限定されない。
【００３４】
図４を参照すると、本発明の別の態様には、複数の丘１６及び溝１４により画定される気体流動場（それを通って気体が流れる）が機械加工されている基板１２を含む、燃料電池双極板１０が含まれる。多価電解質ポリマーを含む水溶液は、多価電解質ポリマーの少なくとも一部が基板１２と接着して第一層２０を形成するように、双極板の上面１８上に堆積されてもよい。その後、第二コーティング材料を含む水溶液は、多価電解質ポリマーの第一層２０に塗布されて、乾燥して、多価電解質ポリマーの第一層２０上に第二コーティング材料２２を形成することができる。基板１２は、ステンレス鋼のような金属であってもよいが、これに限定されない。
【００３５】
図５を参照すると、一態様では、基板１２は、多価電解質ポリマーの第一層２０でコーティングされてもよく、遮蔽材料２４が第一層２０上に選択的に堆積されてもよい。その後、第二コーティング材料２２は、第一層２０と遮蔽材料２４の上に堆積されてもよい。図６に示すように、遮蔽材料２４と、遮蔽材料２４の直接上の第二コーティング材料は、第一層２０の上に選択された一部の第二コーティング材料２２を残して除去されてもよい。基板１２は、第二コーティング材料２２が、気体流動場の溝１４内に存在するように、型押しされてもよい。多価電解質ポリマーを含む水溶液と、第二コーティング材料を含む水溶液の各々は、浸漬、噴霧、ロール、ブラシ等により基板１２の上に、塗布されても堆積されてもよい。
【００３６】
図７及び８を参照すると、別の態様では、遮蔽材料２４は、基板１２の上面１８上に選択的に堆積されてもよい。多価電解質ポリマーを含む第一層２０は、遮蔽材料２４と、基板１２の上面の露出部１８1上に形成されてもよい。次いで、第二コーティング材料２２が、第一層２０の上に形成されてもよい。その後、遮蔽材料２４と、遮蔽材料２４の直接上にある第一層２０と第二コーティング材料２２の一部は、図８に示されるように除去されてもよい。同様の遮蔽技術が、機械加工された基板に用いられてもよい。
【００３７】
本発明の記載は、例示であり、本発明の趣旨から離れない変更形は本発明の範囲内であることが意図されている。そのような変更形は、本発明の精神及び範囲から離れたものとみなされるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】図１は、本発明の一態様である方法を例示するフローチャートである。
【図２】図２は、本発明の別の態様である別の方法を例示するフローチャートである。
【図３】図３は、多価電解質ポリマーの第一層と、その上に第二コーティング材料を有する燃料電池構成部品を例示しており、本発明の一態様である。
【図４】図４は、多価電解質ポリマーの第一層と、その上に第二コーティング材料を有する燃料電池構成部品を例示しており、本発明の一態様である。
【図５】図５は、本発明の一態様である方法を例示する。
【図６】図６は、本発明の一態様である方法を例示する。
【図７】図７は、本発明の一態様である方法を例示する。
【図８】図８は、本発明の一態様である方法を例示する。
【符号の説明】
【００３９】
１００・・・第１工程、  １０２・・・第２工程、  １０４・・・第３工程、  １０６・・・第４工程、  １０８・・・第１工程、  １１０・・・第２工程、  １１２・・・第３工程、  １１４・・・第４工程、  １１６・・・第５工程、  １１８・・・第６工程、  １２０・・・第７工程、  １２２・・・第８工程、  １２４・・・第９工程、  １２６・・・第１０工程、  １２８・・・第１１工程、  １２・・・基板、  １４・・・溝、  １６・・・丘、  １８・・・基板の上面、  １８1・・・露出した上面、  ２０・・・多価電解質ポリマーを含む第一層、  ２２・・・第二コーティング材料、  ２４・・・遮蔽材料
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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