JP6181308B2 - 乾式燃料セル前駆基板および基板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、運搬用車両、移動式発電装置、または定置式発電装置としての用途に適した燃料電池に関し、特に、燃料セルの前駆基板および基板に関する。

燃料電池は公知であり、通常、水素含有還元流体燃料および酸素含有酸化剤反応物の流れから電力を生成して、分散型発電機や運搬用車両などの電気装置に電気を供給するように用いられる。低温固体高分子型燃料電池（「ＰＥＭ」）やリン酸型燃料電池（「ＰＡＦＣ」）は、触媒層を支持するようにガス拡散層としての基板を利用する。基板の構成は、セルの構成によって決まる。最新のＰＥＭおよびＰＡＦＣ燃料電池は、相対的に薄型のフラットな基板を備えたリブ状のバイポーラセパレータプレートを有する。代替的なセル設計は、フラットなバイポーラプレートを有するリブ付きの基板を使用する。こうした基板設計は当技術分野において周知であり、多くの製造、作動要因に応じた利点および欠点を有する。

基板は、湿式製紙技術（wet-laid paper making technology）、乾式製紙技術（dry-laid paper making technology）またはフェルト製造技術によって製造されることが知られている。１９８９年７月２５日にＭｉｗａ等に付与の特許文献１は、湿式カーボン紙から開始して通常の薄い燃料セル基板を形成するように用いられる、一般的な湿式処理（wet-laid process）を記載している。この処理は、紙を形成するように６〜１２ミリメートル（「ｍｍ」）の細断された炭素繊維を使用し、その紙は、様々な熱硬化性樹脂で処理され、制御された厚さに圧縮されて、その樹脂を炭化させるように不活性雰囲気中で加熱される。湿式処理は、燃料電池への組み付けと燃料電池内での動作のための満足のいく多孔率剛性と曲げ強度を有する薄い基板を生じさせる、複数のステップの複雑なプロセスである。高い曲げ強度は主に６〜１２ｍｍの長さの炭素繊維に起因する。

１９８４年１月１７日にＧｏｌｌｅｒ等に付与の特許文献２は、周知の乾式処理（dry-laid process）を開示しており、この処理は湿式処理に比べて複雑ではないが、平均炭素繊維長さが約０．２ｍｍであるため、曲げ強度の低い基板を生じさせる。この乾式処理は、約０．０２５ｍｍ〜約０．４６ｍｍの長さの破砕した炭素繊維（ミルドファイバ）を熱硬化性樹脂粉末と混合し、その混合物をダブルベルトプレス装置の支持ベルト上に配置し、次いで支持ベルトと圧縮ベルトとの間で混合物を連続的に圧縮、成形、加熱して、熱硬化性樹脂を溶融、硬化させて、前駆基板を製造する。得られた前駆基板は次いでトリミング、炭化、黒鉛化されて、燃料電池用の基板を形成する。しかしながら、こうした形態の基板は、短い炭素繊維長さのために曲げ強度が低くなる。

こうした乾式基板製造処理では、より長い炭素繊維を利用する際に問題が生じる。基板に良好な多孔率と曲げ強度を提供することのできる、樹脂またはバインダとの均質な混合物を得ることは困難である。公知の利用可能な粉末供給装置が長い繊維を均一に分散させることができないせいで、効率的な乾式処理による基板の製造は、非常に短い破砕炭素繊維から作られる基板に限定されている。公知の乾式燃料セル基板の製造に用いられる粉末供給装置は、穴あき金属から形成された半円ホッパの底部で回転する約９０ｍｍブラシからなる。より長い炭素繊維は、最終的に穴あき金属の貫通孔を塞いでしまう繊維ボールを生じさせる。短い繊維は曲げ強度の低い基板をもたらし、低い曲げ強度は、燃料セル電極への基板の処理時の過剰なスクラップ発生率の原因となる。さらに、ダブルベルトプロセス装置を利用する、乾式基板製造処理に用いられる周知の熱硬化性樹脂粉末は、摂氏１５０度（「°Ｃ」）で３分〜１５分間に及ぶ硬化時間を有し、その結果、非常に高価な長尺のダブルベルトプロセス装置を必要とする。

米国特許第４８５１３０４号明細書 米国特許第４４２６３４０号明細書

乾式燃料セル前駆基板および基板の製造方法を開示する。その方法は、ダブルホッパ・ブレードローラ供給装置の第１のホッパから混合チャンバに約３〜１２ｍｍの長さを有する炭素繊維を供給し、混合チャンバへの炭素繊維の供給と同時に、供給装置の第２のホッパから混合チャンバに、フェノール樹脂粉末などの熱硬化性樹脂粉末を投入することを含む。混合物が約４０％〜約６０％の炭素繊維と、約４０％〜約６０％の熱硬化性樹脂粉末とを含むように、炭素繊維と熱硬化性樹脂粉末とが互いに混合される。次いで、ダブルベルトプレス装置の移動支持ベルト上に適当量の混合物を流すように案内して、移動支持ベルト上に混合物の層を形成させる。次いで、ダブルベルトプレス装置の移動支持ベルトと移動圧縮ベルトとの間で混合物を圧縮する一方、混合物は同時に加熱、圧縮される。加熱、圧縮された混合物は、ベルトの間をダブルベルトプレス装置に沿って適切な距離だけ通過して、熱硬化性樹脂をまず溶融させ、次いで硬化させる。硬化させた混合物は、次いでダブルベルトプレス装置から前駆基板として排出される。

燃料セル用の乾式基板の製造方法はまた、硬化させた混合物を燃料セル用の前駆基板としてダブルベルトプレス装置から排出した後、その前駆基板を所定の長さおよび幅寸法にトリミングすることを含む。その前駆基板はまた、通常、不活性雰囲気中で７５０〜１０００°Ｃに周知のように加熱することによって炭化される。さらに、炭化させた前駆基板は、通常、導電率および熱伝導率を向上させ、耐酸化性および耐腐食性を向上させるように、不活性雰囲気中で２０００〜３０００°Ｃに周知のように加熱することによって黒鉛化され、それにより燃料セルの最終基板が形成される。離散的な溶融温度と離散的な硬化温度を有する二段法熱硬化性樹脂を用いることが望ましい。離散的な溶融温度により、樹脂が硬化される前の表面張力に起因して、樹脂が、圧縮された炭素繊維間の接合点に流入するのを可能にする。それによりさらに電導性を有するとともにさらに強力な構造体がもたらされる。

この方法はまた、ダブルベルトプレス装置の溶融ゾーンを通して、混合物を移動支持ベルトと移動圧縮ベルトとの間で所定の厚さに圧縮することを含み、その溶融ゾーンは、樹脂の融点を上回る温度に混合物を加熱するのに十分な継続時間の間、混合物を移動させることを含み、その溶融ゾーンはまた、溶融ゾーンを通過する混合物を、樹脂の溶融温度を上回る温度かつ樹脂の硬化温度を下回る温度で加熱することを含む。ダブルベルトプレス装置を通して混合物を通過させる際、重要変数は混合物の厚さである。ダブルベルトプレス装置を通過する混合物に対し、ベルトによって印加される圧力が、約５０〜約１００ｐｓｉまたは約３５０〜約７００ｋＰａとなるように、所定の厚さが選択される。ダブルベルトプレスは、選択された所定の厚さで混合物にこうした必要な圧力を印加するように設計、選択され、運転される。さらに、この方法は望ましくは、溶融ゾーンを通して混合物を移動させた後、ダブルベルトプレス装置の硬化ゾーンを通して混合物を移動支持ベルトと移動圧縮ベルトとの間で所定の厚さに圧縮することを含む。硬化ゾーンは溶融ゾーンと隣接しかつ連続しており、硬化ゾーンは、樹脂を硬化させるのに十分な継続時間の間、混合物を移動させ、同時に硬化ゾーンを通過する混合物を樹脂の硬化温度を超える温度に加熱することを含む。

更なる実施例では、乾式基板の製造方法はまた、第１のホッパから炭素繊維を供給しながら、第１のホッパ内部の可動攪拌ブレードを用いて第１のホッパ内部の炭素繊維を攪拌することを含み、また、第２のホッパから混合チャンバに熱硬化性樹脂を投入しながら、第２のホッパ内部の可動攪拌ブレードを用いて第２のホッパ内部の熱硬化性樹脂粉末を攪拌することを含む。

本発明の一態様では、この方法は、第１のホッパが３〜１２ｍｍの炭素繊維を保持して、炭素繊維がそのホッパから回転ブレードローラの上面に供給されるように、ダブルホッパ・ブレードローラ供給装置を使用することを含む。回転ブレードローラの上面は第１のホッパの出口に直接隣接するように固定される。ブレードローラは第１の回転方向に回転して、炭素繊維をブレードローラの上に配置されたホッパからブレードローラの複数のブレードの間の位置に移動させる。炭素繊維はブレードローラとともに第１の回転方向に移動する。ダブルホッパ・ブレードローラ供給装置はまた、第１のホッパからブレードローラの上面への炭素繊維の流量を調節するとともに、例えば１２ｍｍなどの所定の最大長さを上回る長さを有する任意の炭素繊維を切断するように、第１のホッパの出口に隣接するドクターブレードを含む。

供給装置のブラシローラは、ブレードローラの側面からそのブラシ面へと炭素繊維を払い落とす。ブレードローラの側面は、上面から約９０°かつ第１の回転方向に配置される。ブラシローラはまた、ブレードローラの側面に隣接かつ接触するように固定されるとともに、第１の回転方向と反対の第２の回転方向に回転する。次いでブラシローラは炭素繊維をブラシローラのブラシ面から混合チャンバ内に投入する。炭素繊維の混合チャンバへの投入と同時に、第２のホッパからの熱硬化性樹脂粉末が、その第２のホッパの出口に隣接する分散ローラによって第２のホッパから排出される。分散ローラはまた、排出させた熱硬化性樹脂粉末を混合チャンバへと案内する。その後、混合物は、上述したようにダブルベルトプレス装置の移動支持ベルト上へと流れるように案内される。

従って、本発明の概括的な目的は、従来技術の欠陥を克服する燃料セル用の乾式前駆基板および基板の製造方法を提供することである。

より具体的な目的は、同等の特性を有する湿式燃料セル基板（wet-laid fuel cell substrates）に比べて実質的に低いコストで製造される燃料セル用の乾式前駆基板および基板の製造方法を提供することであり、その方法はまた、長さが短縮されたダブルベルトプレス装置の効果的な使用を容易にする。

添付の図面を参照しながら以下の記載を解釈することによりこれらの本発明およびその他の目的、利点がすぐに明らかとなるであろう。

本発明の乾式燃料セル前駆基板の製造方法におけるステップの順序を示すブロック図。 本発明によって構築された乾式前駆基板および燃料セル基板の製造方法の概略図。

図面を詳しく参照すると、乾式燃料セル前駆基板（dry-laid fuel cell precursor substrate）および基板の製造方法の概略図を図１に作業順序として示す。その方法は、まず第１のホッパ１０に約３〜１２ｍｍの長さを有する炭素繊維１２を充填することを含む。第２のホッパ１４には熱硬化性樹脂粉末１６が充填される。次いで炭素繊維１２および熱硬化性樹脂粉末１６がダブルホッパ・ブレードローラ供給装置２０の混合チャンバ１８（図２に示す）へと流入するように案内される。炭素繊維１２および熱硬化性樹脂粉末１６の混合物１９が約４０％〜約６０％の炭素繊維１２と、約４０％〜約６０％の熱硬化性樹脂粉末１６を含有するように、炭素繊維１２および熱硬化性樹脂粉末１６が混合チャンバ１８内で互いに混合される。次いで炭素繊維１２および熱硬化性樹脂粉末１６の混合物１９がダブルベルトプレス装置２２を通流するように案内されて、その混合物が所望の厚さに圧縮され、適切な温度に適切な時間、加熱され、炭素繊維を取り囲む熱硬化性樹脂を溶融、硬化させて、ダブルベルトプレス装置２２から排出される前駆基板２４を形成させる。次いで、前駆基板２４は、トリムステーション２６でトリミングされ、炭化ステーション２８で炭化され、黒鉛化ステーション３０において図１の貯蔵コンテナ３３内に積層状に示す最終燃料セル基板３１を形成させるべく黒鉛化されるように処理される。

炭素繊維は、任意のポリアクリロニトリル（「ＰＡＮ」）ベース、ピッチベース、または中間相ピッチ（mesophase pitch）ベースの一般的な周知の繊維であってもよい。例示の目的として適切な炭素繊維は、米国テネシー州ロックウッドのToho Tenax America, Inc.販売のＴｏｈｏ ｇｒａｄｅ Ｃ ４５１細断炭素繊維である。これは７ミクロンの公称径を有するＰＡＮベースの炭素繊維である。

熱硬化性樹脂は炭化時に３５％を上回る炭素を産出する任意の熱硬化性樹脂である。その低コストおよび高炭素収率のため、フェノール樹脂が望ましい。その貯蔵安定性、処理柔軟性を可能にする離散的な溶融温度および硬化温度、そして硬化時間を短縮させる周知の「ヘキサ（hexa）」などの硬化剤（curing aids）の添加能のために、一段法フェノール樹脂(single stage phenolic resins)に比べて二段法フェノール樹脂(two-stage phenolic resins)のほうが望ましい。離散的な溶融温度と離散的な硬化温度を有する二段法熱硬化性樹脂を用いることが望ましい。離散的な溶融温度により、樹脂が硬化される前の表面張力に起因して、樹脂が、圧縮された炭素繊維間の接合点に流入するのを可能にする。それによりさらに電導性を有するとともにさらに強力な構造体がもたらされる。適切な二段法フェノール樹脂は、米国ニューヨーク州ニューヨークシティにオフィスを置くReichhold do Brasil Ltdaにより製造のｇｒａｄｅ Ｒｅｓａｆｅｎ １２−４１２である。熱硬化性樹脂を特徴付けるのに用いられる２つのパラメータは、基準温度での標準試験における「流動距離」と、さらに基準温度での標準試験における「硬化時間」である。選択されたフェノール樹脂は、１２５°Ｃにおいての６０ｍｍを上回る長い流動と、１５４°Ｃにおいての６０秒未満での急速な硬化を有する。長い流動は、溶融樹脂が繊維間の接合点に流れるための時間を提供するのに重要である。急速な硬化は、装置の寸法を最小化するために重要である。１５インチの溶融ゾーンと、１５インチ（３８ｃｍ）の長さの硬化ゾーンとを有するダブルベルトプレス装置は、樹脂の硬化時間が４５秒である場合、１分当たり２０インチ×２０インチの基板を製造する。その結果、資本コストを大幅に節減する非常に短いダブルベルトプレス装置を提供する。製造番号Ｒｅｓａｆｅｎ １２−４１４に基づき入手可能な前述のReichhold社製造の熱硬化性樹脂は、１２５°Ｃにおいての６０〜７０ｍｍの流動と、１５４°Ｃにおいての３９〜４８秒の硬化時間とを有する適切な樹脂である。当業者は、樹脂の融点温度、硬化温度、および硬化時間を特徴付けるために示差走査熱分析（ＤＳＣ）を使用する。それにより、溶融ゾーン温度、硬化ゾーン温度、およびダブルベルトプレス装置内での滞留時間の設定が容易となる。

図２は、前述の前駆基板２４の製造方法をより詳細に示す。特に、ダブルホッパ・ブレードローラ供給装置２０が第１のホッパ１０を含み、この第１のホッパ１０が３〜１２ｍｍの炭素繊維１２を保持し、それらの繊維１２は第１のホッパ１０の出口３２を通して回転ブレードローラ３６の上面３４に供給される。回転ブレードローラ３６の上面３４は第１のホッパ１０の出口３２に直接隣接するように固定される。ブレードローラ３６は、図２の第１の方向の矢印３８で示す第１の回転方向に回転する。ブレードローラ３６は、炭素繊維１２を、ブレードローラ３６の上面３４より上（用語「より上」とは、重力方向と反対の方向を意味する）に配置された第１のホッパ１０から、ブレードローラ３６の上面３４における複数のブレード４０間の位置へと移動させる。

炭素繊維１２は、ブレードローラ３６とともに第１の回転方向３８へと移動する。ダブルホッパ・ブレードローラ供給装置２０はまた、第１のホッパ１０からブレードローラ３６の上面３４への炭素繊維１２の流量を調節するように、第１のホッパ１０の出口３２に隣接する調節ブラケット４４によって固定されたドクターブレード４２を含む。

またダブルホッパ・ブレードローラ供給装置２０はブラシローラ４６を含み、このブラシローラは、ブレードローラ３６の側面４８からそのブラシ面５０に炭素繊維１２を払い落とす。図２に示すように、ブレードローラ３６の側面４８は、上面３４から第１の回転方向３８に約９０°の位置に配置される。ブラシローラ４６はまた、ブレードローラ３６の側面４８に隣接かつ接触するように固定されるとともに、図２に参照符号５２で示す、第１の回転方向３８と同じ回転方向に回転する。次いでブラシローラ４６は、ブレードローラ３６の側面から除去した炭素繊維１２を、ブラシローラ４６のブラシ面５０から混合チャンバ１８内に投入する。

前述したような混合チャンバ１８への炭素繊維１２の投入と同時に、熱硬化性樹脂粉末１６を第２のホッパ１４からその出口５６に隣接する分散ローラ５４によって排出させ、分散ローラ５４は、ブラシローラ４６と同じ回転方向５２に回転する。分散ローラ５４はまた、排出させた熱硬化性樹脂粉末１６を混合チャンバ１８の入口５８へと案内する。回転振動ブラシ装置からなる適切なダブルホッパ分散装置は、ドイツ、ゲッピンゲンのTechno Partners Samtronics GmbH （TPS）製造の、型式番号０５７ 精密分散装置（Precision Scattering Machine）として入手可能なダブルアプリケータである。

次いで炭素繊維１２と熱硬化性樹脂粉末１６の混合物１９が混合チャンバ１８からフィーダトラフ６０上に、そしてそのトラフに沿って流れるように案内され、所定量の混合物１９がフィーダトラフ６０からダブルベルトプレス装置２２の移動支持ベルト６２上へと流れるように案内されて、移動支持ベルト６２上に混合物１９の層６４を形成する。次いで混合物１９の層６４は、ダブルベルトプレス装置２２の移動支持ベルト６２と移動圧縮ベルト６６との間で圧縮されながら同時に、支持ベルト６２と圧縮ベルト６６との間で加熱、圧縮される。加熱、圧縮された混合物１９の層６４は、ダブルベルトプレス装置のベルト６２，６６の間で適切な時間維持されて、熱硬化性樹脂がまず溶融され、次いで硬化される。硬化された混合物は次いでダブルベルトプレス装置２２から前駆基板２４として排出される。

適切なダブルベルトプレス装置２２は、カナダ、オンタリオ州ボルトンのHymmen North America Ltd.の事業所を有するHymmen社製造の製造名「ＩＳＲダブルベルトプレスライン」のもと入手可能である。このダブルベルトプレス装置は等積過程（isochoric process）において均一な厚さの製品を製造するように設計される。支持ベルト６２および圧縮ベルト６６のスチールバンド間に等距離を形成する設計により、等積過程が、ダブルベルトプレス装置によって所定の厚さに設定される、均一な厚さを有する製品を生じさせる。これは、プレスの幅および長さに亘って完全に均一な圧力分布を提供するが、結果として様々な厚さを有する製品を生じさせる等圧装置とは対照的である。

燃料セル（図示せず）用の乾式前駆基板２４の製造方法はまた、硬化させた混合物１９を前駆基板２４としてダブルベルトプレス装置２２から排出させて、この前駆基板２４を所定の長さおよび幅寸法にトリミングした後、前駆基板２４中の樹脂を炭化させることを含む。前駆基板中の熱硬化性樹脂は通常、不活性雰囲気中で周知のように７５０〜１０００°Ｃに加熱することによって炭化される。さらに、炭化させた前駆基板は、導電率および熱伝導率を向上させ、耐酸化性および耐腐食性を向上させるように、不活性雰囲気中で周知のように２０００〜３０００°Ｃに加熱することにより黒鉛化される。この黒鉛化ステップにより最終基板３１が形成される。

本発明の方法はまた、層６４の所定の厚さを構築するように移動支持ベルト６２と移動圧縮ベルト６６との間で混合物１９の層６４を圧縮し、ダブルベルトプレス装置２２の溶融ゾーン７０を通して層６４を通過させることを含む。溶融ゾーン７０は、その領域全体を通して支持ベルト６２と圧縮ベルト６６の外表面に隣接するように設けられた第１の複数の圧縮ローラヒータ７２を含み、それにより、ベルト６２，７０が溶融ゾーン７０を通過するに従い圧縮ローラヒータ７２が所定の厚さを構築すると共に支持ベルト６２および圧縮ベルト７０を所定の温度に設定する。溶融ゾーン７０は、熱硬化性樹脂１６の溶融温度を上回りかつ熱硬化性樹脂１６の硬化温度を下回る温度に層６４を加熱するのに十分な滞留時間の間、混合物１９の層６４を移動させることを含む。

さらに、この方法は望ましくは、溶融ゾーン７０を通して混合物１９の層６４を移動させた後、ベルト６２，６６がダブルベルトプレス装置２２の硬化ゾーン７４を通して層６４を移動させながら、移動支持ベルト６２および移動圧縮ベルト６６の間で層６４を継続的に圧縮することを含む。硬化ゾーン７４は溶融ゾーン７０と隣接しかつ連続する。硬化ゾーン７４は、その領域全体を通して支持ベルト６２と圧縮ベルト６６の外表面に隣接するように設けられた第２の複数の圧縮ローラヒータ７６を含み、それにより、ベルト６２，７０が硬化ゾーン７４を通過するに従い第２の複数の圧縮ローラヒータ７６が支持ベルト６２および圧縮ベルト７０に所定の温度を発生させる。この方法は、熱硬化性樹脂１６を硬化させるのに十分な滞留時間の間、硬化ゾーン７４を通して混合物１９の層６４を移動させることを含み、硬化ゾーン７４はまた、その硬化ゾーン７４を通過する混合物を熱硬化性樹脂１６の硬化温度を上回る温度に加熱することを含む。ダブルベルトプレス装置２２はまた、図２に概略的に示すように、外部ハウジング７８、複数の基板２４を支持するための支持ラック８０、複数のベルトローラ８２などの、こうした装置にとって周知の標準的なコンポーネントを含みうる。

更なる実施例では、乾式基板２４の製造方法はまた、第１のホッパ１０から炭素繊維１２を排出しながら、第１のホッパ１０内部の可動攪拌ブレード８４を用いて第１のホッパ１０内部の炭素繊維１２を攪拌することを含む。この方法はまた、熱硬化性樹脂１６を第２のホッパ１４から混合チャンバ１８へと投入させながら、第２のホッパ内部の第２の可動攪拌ブレード８６を用いて第２のホッパ１４内部の熱硬化性樹脂粉末１６を攪拌することを含む。

本発明の例示の乾式基板は次のように製造されうる。６ｍｍ長のＴｏｈｏ ｇｒａｄｅ Ｃ ４５１炭素繊維が、ダブルアプリケータ ０５７ ＴＰＳ精密分散装置２０の第１のホッパ１０に充填される。Ｒｅｓａｆｅｎ １２−４１２ フェノール樹脂粉末１６が、ダブルアプリケータ ０５７ ＴＰＳ分散装置２０の第２のホッパ１４に充填される。炭素繊維１２およびフェノール樹脂１６が、４５％の炭素繊維１２と５５％のフェノール樹脂粉末１６の割合で、分散装置２０の混合チャンバ１８に同時に投入される。次いで繊維−樹脂混合物１９が、Ｈｙｍｍｅｎ ＩＳＲ ダブルベルトプレス２２の移動支持ベルト６２上に３５０ｇｍ／ｍ²の定格面積負荷で配置される。次いで繊維−樹脂混合物１９の層６４が、ダブルベルトプレス２２の移動支持ベルト６２と移動圧縮ベルト６６の間で０．６２ｍｍの厚さに圧縮され、次いでダブルベルトプレスの溶融ゾーン７０において約１２５°Ｃの温度に１〜２分の滞留時間の間、加熱される。次いで、層６４がダブルベルトプレスの硬化ゾーンにおいて約１５４°Ｃの温度に１〜２分の滞留時間の間、加熱されて、面積重量３５０ｇｍ／ｍ²、かさ密度０．６４ｇｍ／ｃｍ³、厚さ０．６２ｍｍの前駆基板２４が形成される。前駆基板２４がダブルベルトプレス２２から排出されて複数の薄板（図示せず）に切断される。前駆基板２４が不活性雰囲気中、８５０°Ｃで炭化されるとともに不活性雰囲気中、２７００°Ｃで黒鉛化されて、面積重量２５０ｇｍ／ｍ²、かさ密度０．５６ｇｍ／ｃｍ³、厚さ０．４５ｍｍの完成品の燃料セル基板３１がもたらされる。

本発明の目的上、用語「約」は±１０％を意味するものである。

燃料電池（図示せず）用の乾式燃料セル前駆基板２４および基板３１の例示の製造方法に関して本発明を記載したが、本発明はそれらの記載および例示に限定されるものではないことを理解されたい。従って、本発明の範囲を検討する際、前述の記載ではなく、本質的に以下の特許請求の範囲を参照すべきである。

Claims (16)

1. 乾式燃料セル前駆基板の製造方法であって、
   ａ．ダブルホッパ・ブレードローラ供給装置の第１のホッパから混合チャンバに３〜１２ｍｍの長さを有する炭素繊維を供給し、
   ｂ．前記混合チャンバへの前記炭素繊維の供給と同時に、前記ダブルホッパ・ブレードローラ供給装置の第２のホッパから前記混合チャンバに熱硬化性樹脂粉末を投入して、前記炭素繊維と前記熱硬化性樹脂粉末とを互いに混合し、
   ｃ．次いで、ダブルベルトプレス装置の移動支持ベルト上に前記混合物の層を形成させるように、前記移動支持ベルト上に適当量の前記混合物を流し、
   ｄ．次いで、前記ダブルベルトプレス装置の前記移動支持ベルトと移動圧縮ベルトの間で前記混合物を所定の厚さに圧縮しながら同時に、まず前記熱硬化性樹脂を溶融させ、次いで硬化させるように、前記ダブルベルトプレス装置内において適切な滞留時間の間、前記ベルトの間で前記混合物を加熱して、その圧縮、加熱した混合物を通過させ、
   ｅ．次いで、硬化させた前記混合物を燃料セル用の前駆基板として前記ダブルベルトプレス装置から排出する、
   ことを備えた乾式燃料セル前駆基板の製造方法。
2. 前記燃料セル用の前駆基板を前記ダブルベルトプレス装置から排出した後、該基板を所定の長さおよび幅寸法にトリミングすることをさらに備えた、請求項１に記載の乾式燃料セル前駆基板の製造方法。
3. 前記硬化させた前記混合物を燃料セル用の前駆基板として前記ダブルベルトプレス装置から排出した後、前記前駆基板を不活性雰囲気中で７５０°Ｃ〜１０００°Ｃに加熱することにより、前記基板を炭化させることをさらに備えた、請求項１に記載の乾式燃料セル前駆基板の製造方法。
4. 燃料セル用の基板を形成させるように、前記炭化させた基板を不活性雰囲気中で２０００°Ｃ〜３０００°Ｃに加熱することにより前記炭化させた基板を黒鉛化させることをさらに備えた、請求項３に記載の乾式燃料セル前駆基板の製造方法。
5. 前記ダブルベルトプレス装置の前記移動支持ベルトと前記移動圧縮ベルトの間で前記混合物を圧縮することが、前記熱硬化性樹脂の溶融温度を上回る温度かつ前記熱硬化性樹脂の硬化温度を下回る温度に前記混合物を加熱するのに十分な滞留時間の間、前記混合物が溶融ゾーンを通過し、かつ、前記熱硬化性樹脂を溶融させるのに十分な滞留時間の間、前記混合物が前記溶融ゾーンを通過するように、前記混合物を、前記ダブルベルトプレス装置の前記溶融ゾーンを通して、前記移動支持ベルトと前記移動圧縮ベルトとの間で所定の厚さに圧縮することをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の乾式燃料セル前駆基板の製造方法。
6. 前記ダブルベルトプレス装置の前記移動支持ベルトと前記移動圧縮ベルトの間で前記混合物を圧縮することが、前記溶融ゾーンを通して前記混合物を移動させた後、その混合物を、前記ダブルベルトプレス装置の硬化ゾーンを通して、前記移動支持ベルトと前記移動圧縮ベルトとの間で所定の厚さに継続的に圧縮することをさらに備え、前記硬化ゾーンは前記溶融ゾーンと隣接しかつ連続しており、それにより、前記熱硬化性樹脂の前記硬化温度を上回る温度に前記混合物を加熱するのに十分な滞留時間の間、前記混合物が前記硬化ゾーンを通過し、かつ、前記熱硬化性樹脂を硬化させるのに十分な滞留時間の間、前記混合物が前記硬化ゾーンを通過することを特徴とする請求項５に記載の乾式燃料セル前駆基板の製造方法。
7. 前記第１のホッパから前記炭素繊維を供給しながら、前記第１のホッパ内部の可動攪拌ブレードを用いて前記第１のホッパ内部の前記炭素繊維を攪拌することをさらに備えた、請求項１に記載の乾式燃料セル前駆基板の製造方法。
8. 前記第２のホッパから前記熱硬化性樹脂を投入しながら、前記第２のホッパ内部の可動攪拌ブレードを用いて前記第２のホッパ内部の前記熱硬化性樹脂粉末を攪拌することをさらに備えた、請求項７に記載の乾式燃料セル前駆基板の製造方法。
9. 乾式燃料セル基板の製造方法であって、
   ａ．第１のホッパから回転ブレードローラの上面に３〜１２ｍｍの長さを有する炭素繊維を供給することであって、前記上面が前記第１のホッパの出口に直接隣接するように固定されるとともに、第１の回転方向に回転して、その複数のブレードの間で前記炭素繊維を前記第１の回転方向に移動させる、回転ブレードローラの上面に炭素繊維を供給し、
   ｂ．前記ブレードローラの側面からブラシローラのブラシ面に前記炭素繊維を払い落とすことであって、前記ブレードローラの前記側面が、前記上面から前記第１の回転方向に９０°の位置にあり、前記ブラシローラが、前記ブレードローラの前記側面に隣接かつ接触するように配置されるとともに前記第１の回転方向と同じ回転方向に回転する、ブラシローラのブラシ面に前記炭素繊維を払い落とし、
   ｃ．前記ブラシローラの前記ブラシ面から混合チャンバに前記炭素繊維を投入し、
   ｄ．前記混合チャンバへの前記炭素繊維の投入と同時に、第２のホッパから前記混合チャンバに熱硬化性樹脂粉末を投入して、その混合物が４０〜６０％の前記炭素繊維と４０〜６０％の前記熱硬化性樹脂粉末とを含むように、前記炭素繊維と前記熱硬化性樹脂粉末とを互いに混合し、
   ｅ．次いで、ダブルベルトプレス装置の移動支持ベルト上に前記混合物の層を形成させるように、前記移動支持ベルト上に適当量の前記混合物を堆積させ、
   ｆ．次いで、前記ダブルベルトプレス装置の前記移動支持ベルトと移動圧縮ベルトの間で前記混合物を所定の厚さに圧縮しながら同時に、まず前記熱硬化性樹脂を溶融させ、次いで硬化させるように、適切な滞留時間の間、前記ベルトの間で前記混合物を加熱して、その圧縮、加熱した混合物を通過させ、
   ｇ．次いで、硬化させた前記混合物を前駆基板として前記ダブルベルトプレス装置から排出させて、その前駆基板を所定の長さおよび幅寸法にトリミングし、
   ｈ．次いで、前記トリミングした前駆基板を炭化させ、
   ｉ．次いで、燃料セル基板を形成させるように、前記炭化させた前駆基板を黒鉛化させる、
   ことを備えた乾式燃料セル基板の製造方法。
10. 前記ダブルベルトプレス装置の前記移動支持ベルトと前記移動圧縮ベルトの間で前記混合物を圧縮することが、前記熱硬化性樹脂の溶融温度を上回る温度かつ前記熱硬化性樹脂の硬化温度を下回る温度に前記混合物を加熱するのに十分な滞留時間の間、前記混合物が溶融ゾーンを通過し、かつ、前記熱硬化性樹脂を溶融させるのに十分な滞留時間の間、前記混合物が前記溶融ゾーンを通過するように、前記混合物を、前記ダブルベルトプレス装置の前記溶融ゾーンを通して、前記移動支持ベルトと前記移動圧縮ベルトとの間で所定の厚さに圧縮することをさらに備えることを特徴とする請求項９に記載の乾式燃料セル基板の製造方法。
11. 前記ダブルベルトプレス装置の前記移動支持ベルトと前記移動圧縮ベルトの間で前記混合物を圧縮することが、前記溶融ゾーンを通して前記混合物を移動させた後、その混合物を、前記ダブルベルトプレス装置の硬化ゾーンを通して、前記移動支持ベルトと前記移動圧縮ベルトとの間で所定の厚さに継続的に圧縮することをさらに備え、前記硬化ゾーンは前記溶融ゾーンと隣接しかつ連続しており、それにより、前記熱硬化性樹脂の前記硬化温度を上回る温度に前記混合物を加熱するのに十分な滞留時間の間、前記混合物が前記硬化ゾーンを通過し、かつ、前記熱硬化性樹脂を硬化させるのに十分な滞留時間の間、前記混合物が前記硬化ゾーンを通過することを特徴とする請求項１０に記載の乾式燃料セル基板の製造方法。
12. 前記トリミングした前駆基板を炭化させることが、前記前駆基板を不活性雰囲気中で７５０°Ｃ〜１０００°Ｃに加熱することをさらに備えることを特徴とする請求項９に記載の乾式燃料セル基板の製造方法。
13. 前記炭化させた前駆基板を黒鉛化させることが、前記炭化させた基板を不活性雰囲気中で２０００°Ｃ〜３０００°Ｃに加熱することをさらに備えることを特徴とする請求項９に記載の乾式燃料セル基板の製造方法。
14. 前記第１のホッパから前記炭素繊維を供給しながら、前記第１のホッパ内部の可動攪拌ブレードを用いて前記第１のホッパ内部の前記炭素繊維を攪拌することをさらに備えた、請求項９に記載の乾式燃料セル基板の製造方法。
15. 前記第２のホッパから前記熱硬化性樹脂を投入しながら、前記第２のホッパ内部の可動攪拌ブレードを用いて前記第２のホッパ内部の前記熱硬化性樹脂粉末を攪拌することをさらに備えた、請求項１４に記載の乾式燃料セル基板の製造方法。
16. 前記第１のホッパの前記出口に近接して、該出口と前記回転ブレードローラの前記ブレードとの間にドクターブレードを固定し、前記第１のホッパから前記ブレードローラの前記上面への前記炭素繊維の流量を、前記ドクターブレードによって調節することをさらに備えた、請求項９に記載の乾式燃料セル基板の製造方法。

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