(57)【要約】  改善された機械的特性を有する多層拡散媒体基板が開示される。拡散媒体基板は、少なくとも１つの硬質層と、少なくとも１つの圧縮性の層とを含む。少なくとも１つの硬質層は、少なくとも１つの圧縮性の層と比較してｘ−ｙ方向により大きな剛性を有する。少なくとも１つの圧縮性の層は、ｚ方向により大きな圧縮性を有する。多層拡散媒体基板を製造する方法も開示される。【選択図】図１
2009501423.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒層および流れ場を有する燃料電池用の多層拡散媒体基板であって、
前記流れ場に係合する少なくとも１つの硬質層と、
前記少なくとも１つの硬質層上に設けられるかまたは前記少なくとも１つの硬質層に隣接する、前記触媒層に係合する少なくとも１つの圧縮性の層と
を備え、
前記少なくとも１つの硬質層が、前記少なくとも１つの圧縮性の層よりも大きな弾性率を有し、
前記少なくとも１つの硬質層が、前記拡散媒体基板の全厚さの７０％以下の厚さを有する、多層拡散媒体基板。
【請求項２】
微細多孔層を前記少なくとも１つの圧縮性の層上にさらに備える、請求項１に記載の拡散媒体基板。
【請求項３】
前記少なくとも１つの硬質層が炭素繊維紙層を備える、請求項１に記載の拡散媒体基板。
【請求項４】
前記炭素繊維紙層が湿式型炭素繊維層である、請求項３に記載の拡散媒体基板。
【請求項５】
前記少なくとも１つの圧縮性の層が炭素繊維層を備える、請求項１に記載の拡散媒体基板。
【請求項６】
前記炭素繊維層が乾式型炭素繊維層である、請求項５に記載の拡散媒体基板。
【請求項７】
前記少なくとも１つの硬質層が、前記少なくとも１つの圧縮性の層の少なくとも３倍、より好ましくは少なくとも６倍の弾性率を有する、請求項１に記載の拡散媒体基板。
【請求項８】
前記少なくとも１つの硬質層が、前記拡散媒体基板の前記全厚さの少なくとも１５％であって、５０％以下の厚さを有する、請求項１に記載の拡散媒体基板。
【請求項９】
前記硬質層が、２００ミクロン未満であって２０ミクロンより大きい厚さを有する、請求項１に記載の拡散媒体基板。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの圧縮性の層が、前記少なくとも１つの硬質層よりも圧縮性である、請求項１に記載の拡散媒体基板。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの圧縮性の層が、７０ミクロンより大きくて４００ミクロン未満の厚さを有する、請求項１に記載の拡散媒体基板。
【請求項１２】
触媒層および流れ場を有する燃料電池用の多層拡散媒体基板であって、
前記流れ場に係合する少なくとも１つの硬質層と、
前記少なくとも１つの硬質層上に設けられ、前記触媒層に係合する少なくとも１つの圧縮性の層とを備え、
前記少なくとも１つの硬質層および前記少なくとも１つの圧縮性の層が、前記少なくとも１つの硬質層および前記少なくとも１つの圧縮性の層の平面に概して沿って配置されるｘ−ｙ方向、および該ｘ−ｙ方向と略垂直なｚ方向を定め、
前記少なくとも１つの圧縮性の層が、前記少なくとも１つの硬質層と比較して前記ｚ方向に沿ってより大きな圧縮性を有し、前記少なくとも１つの硬質層が、前記少なくとも１つの圧縮性の層よりも大きな弾性率を有し、
前記少なくとも１つの硬質層が、前記拡散媒体基板の全厚さの７０％以下の厚さを有する、多層拡散媒体基板。
【請求項１３】
微細多孔層を前記少なくとも１つの圧縮性の層上にさらに備える、請求項１２に記載の拡散媒体基板。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの硬質層が湿式型炭素繊維層を備える、請求項１２に記載の拡散媒体基板。
【請求項１５】
前記少なくとも１つの圧縮性の層が乾式型炭素繊維層を備える、請求項１２に記載の拡散媒体基板。
【請求項１６】
前記少なくとも１つの圧縮性の層が、３０００ＭＰａ未満の弾性率を有する、請求項１２に記載の拡散媒体基板。
【請求項１７】
第１の炭素繊維層を形成するステップと、
前記第１の炭素繊維層を硬化させるステップと、
第２の炭素繊維層を前記第１の炭素繊維層上に設けるステップと
を含む、多層拡散媒体基板を製造する方法。
【請求項１８】
第１の炭素繊維層を形成する前記ステップが、湿式製紙法を用いて前記第１の炭素繊維層を形成するステップを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
第２の炭素繊維層を形成する前記ステップが、乾式製紙法を用いて前記第２の炭素繊維層を形成するステップを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
微細多孔層を前記第２の炭素繊維層上に設けるステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
前記樹脂結合剤を約１００℃から約３００℃の温度にさらすことによって前記樹脂結合剤を硬化させるステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２２】
多層拡散媒体基板を製造する方法であって、
第１の炭素繊維層を形成するステップと、
第２の炭素繊維層を前記第１の炭素繊維層上に形成するステップとを含み、
前記第１の炭素繊維層が、前記第２の炭素繊維層より大きい弾性率を有し、
前記第１の炭素繊維層が、前記拡散媒体基板の全厚さの７０％以下の厚さを有する、方法。
【請求項２３】
第１の炭素繊維層を形成する前記ステップが、湿式製紙法を用いて前記第１の炭素繊維層を形成するステップを含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
第２の炭素繊維層を形成する前記ステップが、乾式製紙法を用いて前記第２の炭素繊維層を形成するステップを含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
微細多孔層を前記第２の炭素繊維層上に設けるステップをさらに含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２６】
多層拡散媒体基板を製造する方法であって、
第１の炭素繊維層を形成するステップと、
前記第１の炭素繊維層を硬化させるステップと、
第２の炭素繊維層を前記第１の炭素繊維層上に形成するステップとを含み、
前記第１の炭素繊維層が、前記第２の炭素繊維層よりも大きな弾性率を有し、
前記第１の炭素繊維層が、前記拡散媒体基板の全厚さの７０％以下の厚さを有する、方法。
【請求項２７】
第１の炭素繊維層を形成する前記ステップが、湿式製紙法を用いて前記第１の炭素繊維層を形成するステップを含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
第２の炭素繊維層を形成する前記ステップが、乾式製紙法を用いて前記第２の炭素繊維層を形成するステップを含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２９】
微細多孔層を前記第２の炭素繊維層上に設けるステップをさらに含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項３０】
触媒層および流れ場を有する燃料電池用の多層拡散媒体基板であって、
前記流れ場に係合する少なくとも１つの硬質層と、
前記少なくとも１つの硬質層上に設けられ、前記触媒層に係合する少なくとも１つの圧縮性の層とを備え、
前記少なくとも１つの硬質層が、前記少なくとも１つの圧縮性の層の弾性率の少なくとも３倍の弾性率を有し、
前記少なくとも１つの硬質層が、前記拡散媒体基板の全厚さの７０％以下の厚さを有する、多層拡散媒体基板。
【請求項３１】
微細多孔層を前記少なくとも１つの圧縮性の層上にさらに備える、請求項３０に記載の拡散媒体基板。
【請求項３２】
前記少なくとも１つの硬質層が炭素繊維紙層を備える、請求項３０に記載の拡散媒体基板。
【請求項３３】
前記炭素繊維紙層が湿式型炭素繊維層である、請求項３２に記載の拡散媒体基板。
【請求項３４】
前記少なくとも１つの圧縮性の層が炭素繊維層を備える、請求項３２に記載の拡散媒体基板。
【請求項３５】
前記炭素繊維層が乾式型炭素繊維層である、請求項３４に記載の拡散媒体基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気を発生させて自動車または他の機械類に電力を供給する燃料電池および装置に関する。より詳細には、本発明は、膜／電極接合体（ＭＥＡ）と流れ場との間でＭＥＡに近接して配置される比較的柔らかくて弾力的な圧縮性の層と、流れ場に近接して配置される硬質層とを有する多層ガス拡散媒体基板を適用することに関する。この構造は、ガス拡散媒体の最適な機械的完全性を実現し、その結果、燃料電池は最適性能となる。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池技術は、自動車業界における比較的最近の成果である。燃料電池発電所は、５５％もの高さの効率を達成できるということが分かっている。さらに、燃料電池発電所は、副生成物として熱と水だけを放出する。
【０００３】
燃料電池は、燃料電池の中心部で３つの構成要素を含んでおり、すなわちカソード触媒層と、アノード触媒層と、カソード層とアノード層の間に挟まれると共に陽子を伝導する電解質とを含む。陽子交換膜（ＰＥＭ）燃料電池に使用されるこの３層のサンドウィッチ構造は、本明細書では膜／電極接合体（ＭＥＡ）と呼ばれることになり、その３層のサンドウィッチ構造は、触媒被覆膜（ＣＣＭ：ｃａｔａｌｙｓｔ−ｃｏａｔｅｄ  ｍｅｍｂｒａｎｅ）と呼ばれる場合もある。作動中、アノード層中の触媒は、水素を電子と陽子に分解する。単燃料電池構成では、電子は、電流としてアノードから電子が電気エネルギーを与えることができる外部回路を通って次いでカソードまで配送される。陽子は、アノードから電解質を通ってカソードまで移動する。カソード層中の触媒は、酸素分子の分解ならびに（膜を通過する）陽子および（電気エネルギーを与えてから戻る）電子との続いて起こる反応を促進して水を形成する。個々の燃料電池は、直列に積み重ね合わされていっそうより大きな電圧および電気量を発生することができる。
【０００４】
ＰＥＭ燃料電池では、高分子膜は、カソードとアノードの間で電解質として働く。燃料電池の用途に現在使用されている高分子膜は、膜の陽子伝導性を促進するために一定水準の湿度を必要とする。したがって、湿度／水の管理によって膜中で適切な水準の湿度を維持することが、燃料電池が適切に機能するためにとても重要である。固体高分子膜は、水を吸収すると膨張し、乾ききると収縮し、したがって固体高分子膜は、膜容量の変化がスタックの大きさおよび内部圧縮に与える影響を管理するように燃料電池スタックが設計されることを要求する。
【０００５】
ＭＥＡの外側に配設されているものは、ＭＥＡを機械的に固定すると共に燃料電池スタック内で隣接するＭＥＡを直列に電気的に接続するための一対の（以下に説明される）ガス拡散媒体および（両極板としても知られる）伝導性分離板である。分離板の両側は、あるＭＥＡのアノード側へ水素、かつ隣接するＭＥＡのカソード側へ空気／酸素というように反応ガスを供給するための（流れ場としても知られる）ガス通路を備えており、分離板の両側のうちの一方は、ある電池のＭＥＡおよびガス拡散媒体に対して配設され、かつ分離板の両側のうちの他方は、スタック中の次の電池のＭＥＡおよびガス拡散媒体に対して配設される。流れ場は、未反応ガスによって運ばれる生産水を電池から除去できる手段も与える。両極板は通常、両極板内に冷媒流路も含み、アノードとカソードの両方に供給されると共にアノードとカソードの両方から除去されるガスから冷媒が隔離されるように構築される。
【０００６】
燃料電池では、典型的には炭素繊維紙または炭素繊維布製のガス拡散媒体は、両極板の流れ場とＭＥＡの間に挿入されて電極への反応ガスの最適な拡散を促進し、電子の最適な伝導を与え、ＭＥＡで発生した熱を両極板の冷媒流路内の冷媒へ伝達し、カソードから流れ場までの生産水の輸送を促進する。拡散媒体は、両極板と拡散媒体の両方の厚さのばらつきを吸収することにより柔らかいＭＥＡと硬い両極板の間で機械的な緩衝層としても働き、ならびにＭＥＡを圧縮によって両極板により損傷を受けることから保護する。拡散媒体は典型的には、形状がシート状、厚さ約１００〜４００ミクロンであり、電池の作用面積全体（通例では５０〜１０００ｃｍ２）を覆う。以下の説明では、拡散媒体（厚さ１００〜４００ミクロン、通常は厚さ１５０〜３００ミクロン）の「厚さ方向」をｚ方向と呼ぶ。これにより以下ｘ−ｙ方向と呼ばれるシートの２つの「面内方向」と厚さ方向とを区別する。
【０００７】
一方では、拡散媒体は、圧縮すると拡散媒体が両極板の流れ場流路に侵入することにならないようにｘ−ｙ方向に硬いものであることが望ましい。そのような侵入は、各流れ場のガス入口から流れ場の出口までの圧力降下を増加させ、それにより圧縮機容量および電力消費量の要求値を増大させることになる。加えて侵入は、アノード室とカソード室の間で大きな圧力差を引き起こす可能性があり、それによりＭＥＡに損傷を与える。加えて、ＭＥＡと拡散媒体の間で流れ場流路領域にわたって接触圧力を増大させるためにｘ−ｙ方向に拡散媒体の剛性が望まれ、それによりＭＥＡと拡散媒体の間の電気的および熱的な接触抵抗を減少させる。拡散媒体の剛性は、ｘまたはｙ方向に定められた変形を生じるために必要とされる力として定義される。［チモシェンコ（Ｔｉｍｏｓｈｅｎｋｏ）  Ｓ．Ｐ．およびゲレ（Ｇｅｒｅ  Ｊ．Ｍ．）著、１９７２年度版、「材料力学」、リットン教育出版社（Ｌｉｔｔｏｎ  Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ  Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ，Ｉｎｃ．）］拡散媒体の剛性は、弾性率（固有の材料特性）と、材料の厚さとに依存する。
【０００８】
他方では、拡散媒体のｚ方向の圧縮性および弾性の特性も有利である。これは、スタックの圧縮中、局所的に応力の大きな箇所を減少させる。加えて、ｚ方向の圧縮性および弾性の特性は、膜の膨張および収縮のサイクル中にＭＥＡと拡散媒体の間の接触を維持する。さらに、ｚ方向に高い圧縮性を有する拡散媒体は、拡散媒体および両極板の厚さのばらつきを補償する能力を有する。圧縮性は、ｚ方向に加えられる定められた圧縮荷重での圧縮歪みとして定義されるものであり、ここで圧縮歪みは、元の厚さに対する圧縮変形の比として定義される。典型的には、拡散媒体は、スタックの下で圧縮荷重が０．３４から２．７６ＭＰａ（５０から４００ｐｓｉ）の範囲のときに１０から５０％の範囲の圧縮歪みを示す必要がある。したがって、拡散媒体の機械的特性が燃料電池スタックの様々な必要値を満たすように最適化されなければならないことは明らかである。全ての望ましい特性が、同時に実現されるのは困難である。例えば、同じ材料において（ｘ−ｙ方向の）剛性および（ｚ方向の）十分に高い圧縮性の極端に異方性の機械的特性を実現することは、材料工学の課題である。
【０００９】
ガス拡散媒体材料の機械的特性を測定するために通常使用される試験は、曲げ試験と圧縮応力歪み試験とを含む。シート状材料（例えば、ＡＳＴＭ  Ｄ７９０およびＡＳＴＭ  Ｄ５９３４）の曲げ試験では、ｘ−ｙ方向の材料の弾性率および破断係数が計測される。大きな弾性率および／または厚さの結果としての大きな大きさの曲げ剛性は、ＭＥＡと両極板の間で板の流れ場流路にわたって拡散媒体の圧縮を増大させ、それによりそこでの接触抵抗を最小化する。電圧損失を最小化し、最大の燃料電池効率を実現するためには、流路にわたって接触抵抗を最小化することが重要である。圧縮応力歪み試験（例えばＡＳＴＭ  Ｅ１１１）では、材料はｚ方向に圧縮され、歪みは応力の関数として測定される。
【００１０】
燃料電池用のガス拡散媒体材料の製作では、ｘ−ｙ方向の剛性と相まってｚ方向の比較的大きな圧縮性を示す材料を製造する際に困難さに出くわす。例えば、東レ（Ｔｏｒａｙ）ＴＧＰＨ−０６０炭素繊維基板などの湿式炭素繊維紙は、炭素繊維の特性および製作工程中の樹脂結合剤の含浸によってｘ−ｙ方向に比較的硬い。しかし、この種類の湿式炭素繊維紙は、エアレイド水流交絡炭素繊維紙（フロイデンベルグ（Ｆｒｅｕｄｅｎｂｅｒｇ）（ドイツ）製など）および炭素織布（ゾルテック（Ｚｏｌｔｅｋ）（米国））などの多くの通常使用される拡散媒体よりも小さい圧縮性を示す。これらの材料はｚ方向に優れた圧縮性を示すのに対して、ｘ−ｙ方向に所望の剛性を欠くものであり、その結果、流路にわたってのより大きな接触抵抗およびより大きな流路侵入が生じる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
したがって、燃料電池に使用するための最適な拡散媒体材料を実現するために、圧縮性の基板の特性と硬質の基板の特性を併せ持つ多層拡散媒体基板が必要とされる。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、概して燃料電池中のガス拡散媒体としての使用に適する多層拡散媒体基板を対象とする。多層拡散媒体基板は少なくとも、圧縮性の層と結合する硬質層を含む。硬質層は、比較できるほどに圧縮性の層よりもｘ−ｙ方向に沿っての変形に対して抵抗力を有する。組立てられた燃料電池スタックでは、多層拡散媒体基板は、より圧縮性の層が各電池の膜／電極接合体（ＭＥＡ）に対して硬質層よりも近い距離で配置されるように配列され、一方、硬質層は、各電池中の両極板に対して圧縮性の層よりも近い距離で配置される。ＭＥＡと両極板の間の基板の圧縮によって、硬質層は、比較的圧縮性の層に対して高度の接触圧力を付与し、それにより板の流れ場流路の中への拡散媒体の侵入を防ぐ。さらに、硬質層は、流路領域におけるＭＥＡと拡散媒体の間でその境界面で電気的および熱的な抵抗を最小化するために望まれる大きな接触圧力を引き起こす。ＭＥＡに隣接する層の比較的圧縮性の特性は、板および拡散媒体の厚さのばらつきにかかわらずにＭＥＡと拡散媒体の間の接触を維持するのを助ける。
【００１３】
本発明は、拡散媒体基板を製造する方法をさらに対象とする。この方法は、第１の炭素繊維層を形成するステップと、第１の炭素繊維層に樹脂結合剤を含浸させることによって第１の炭素繊維層を硬化させるステップと、第１の炭素繊維層の上部に第２の炭素繊維層を設けるステップとを含む。
【００１４】
次いで、例を挙げて添付図面を参照しながら本発明を説明することにする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
初めに図１を参照すると、本発明による多層拡散媒体基板の例示の実施形態が、参照番号１０によって全体的に示されている。基板１０は、硬質層１２と、硬質層１２上に設けられる圧縮性の層１４とを含む。多層基板は、疎水性のフッ素重合体によって結合される炭素粒子からしばしばなる、水管理を改善する、ＭＥＡ側の圧縮性の層１４に施される皮膜でさらに処理されてよい。そのような層は当業者によく知られており、微細多孔層（ＭＰＬ）としばしば呼ばれる。そのような層は、比較的圧縮性の層１４に隣接する皮膜１６として図１に示される。さらに、触媒層は、微細多孔層に対して施されることができ、または微細多孔層を使用せずに基板に対して直接施されることができる。そのような層は、図１に示されていないが、当業者によく知られている。さらに、構造全体は、疎水性重合体（ポリテトラフルオロエチレン、例えばデュポン（ＤｕＰｏｎｔ）からのテフロン（Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標））など）で処理されることができるが、これもまた当業者によく知られた手法である。微細多孔層および疎水性重合体の処理は、拡散媒体の機械的特性に比較的小さな影響しか与えない。以下にさらに説明されることになるように燃料電池中に組立てられると、硬質層１２は両極板または流れ場に隣接して配設されるのに対して、圧縮性の層１４は燃料電池のＭＥＡに隣接して配設される。多層基板１０は、以下にさらに説明されることになるように、硬質層１２および圧縮性の層１４の特性を組合せて燃料電池中のガス拡散媒体のような多層基板１０の性能特性を最適化する。
【００１６】
圧縮性の層１４と比較して硬質層１２は、より大きな弾性率を示し、その結果ｘ−ｙ方向１８に沿っての膨張または変形に対してより大きな抵抗を有することになる。層１２の圧縮性は、層１４の圧縮性より小さいことが好ましい。好ましくは、硬質層１２は、圧縮性の層１４の弾性率の少なくとも３倍の弾性率を有する。硬質層１２の厚さは、ガス拡散媒体の全厚さの少なくとも８％であり、および７０％以下である。より好ましくは、硬質層１２は、圧縮性の層１４よりも少なくとも６倍大きな弾性率を有する。より好ましくは、硬質層１２の厚さは、ガス拡散媒体の全厚さの少なくとも１５％であり、および５０％以下である。当業者に知られる樹脂含浸をした湿式炭素繊維紙が、ｘ−ｙ方向１８にとても硬いので、硬質層１２としての使用に適する。硬質層１２に適する湿式樹脂含浸炭素繊維紙の例は、東レ社（Ｔｏｒａｙ  Ｃｏｒｐ．（日本））から入手可能な東レ（Ｔｏｒａｙ）  ＴＧＰＨシリーズの炭素繊維紙基板である。層の厚さは２００ミクロン未満であるが２０ミクロンより大きいことが好ましい。
【００１７】
硬質層１２と比較して比較的圧縮性の層１４は、ｚ方向２０に沿ってより大きな圧縮性を示す必要がある。当業者に知られているエアレイド水流交絡炭素繊維紙は、圧縮性の層１４としての使用に特によく適する。圧縮性の層１４に適するエアレイド水流交絡材料の例は、フロイデンベルグ社（Ｆｒｅｕｄｅｎｂｅｒｇ  ＆  Ｃｏ．）（ドイツ、ヴァインハイム（Ｗｅｉｎｈｅｉｍ））から入手可能なフロイデンベルグ（Ｆｒｅｕｄｅｎｂｅｒｇ）  ＦＣ  Ｈ２３１５シリーズのガス拡散紙基板を含む。炭素織布（例えば、ゾルテック（Ｚｏｌｔｅｋ）（米国））も適するが、圧縮性の層１４としての使用に対してそれほど好ましい材料ではない。層の厚さは７０ミクロンより大きいが４００ミクロン未満であることが好ましい。
【００１８】
次に図２を参照すると、ガス拡散媒体として本発明の多層拡散媒体基板１０を実装中の燃料電池２２が示される。燃料電池２２は、（カソード触媒層と呼ばれることがある）カソード２６と（アノード触媒層と呼ばれることがある）アノード２８の間で挟まれる陽子交換膜（ＰＥＭ）３０を含む。燃料電池２２のカソード側の両極板３２は、複数の流れ場流路３４を含み、燃料電池２２のアノード側の両極板３２ａは、複数の流れ場流路３４ａを含む。
【００１９】
本発明の多層拡散媒体基板１０は、カソード触媒層２６と、対応する両極板３２との間に挿入される。圧縮性の層１４の表面上の適宜の微細多孔層皮膜１６はカソード触媒層２６と接触するのに対して、基板１０の硬質層１２は両極板３２によって接触される。本発明の第２の多層拡散媒体基板１０ａは、アノード触媒層２８と、対応する両極板３２ａとの間に挿入される。微細多孔層皮膜１６ａは、基板１０ａの圧縮性の層１４ａの表面上に適宜施されることができる。微細多孔層１６ａは、存在するときは、アノード触媒層２８と接触するのに対して、基板１０ａの硬質層１２ａは両極板３２ａによって係合される。
【００２０】
燃料電池２２の作動中、水素ガス３６は、両極板３２ａの流れ流路３４ａを通って流れ、基板１０ａを通ってアノード触媒層２８へ拡散する。同様に、酸素または空気３８は、両極板３２の流れ流路３４を通って流れ、基板１０を通ってカソード触媒層２６へ拡散する。アノード２８では、水素３６は、電子と陽子に分解される。単燃料電池では、電子は、電流としてアノード２８から電気負荷（図示せず）を通って次いでカソード触媒層２６まで配送される。陽子は、アノード触媒層２８から膜３０を通ってカソード２６まで移動する。カソード２６では、陽子は、電気負荷から戻る電子および酸素３８と結合されて水４０を形成する。そこで生産水は、カソード２６から基板１０を通って両極板３２の流れ流路３４の中に移動しなければならず、そしてそこから生産水は、燃料電池２２から排出される。
【００２１】
燃料電池２２では、基板１０は、触媒層と両極板３２の間で圧縮される。したがって、硬質層１２のｘ−ｙ方向の強固さにより、カソード触媒層と拡散媒体基板１０の間に流れ流路３４にわたって硬質層１２に高度の接触圧力を付与させ、拡散媒体が両極板３２の流れ流路３４の中に侵入することも防ぐ。これにより過度の圧力降下が燃料電池２２中で発生することを防ぎ、流れ場流路３４の機能を最適化する。硬質層１２および圧縮性の層１４は、触媒層２６と拡散媒体１０の間の接触を維持することを助け、燃料電池２２の作動中ずっと膜３０の膨張および収縮中に電気抵抗および熱抵抗を減少させる。同じ利点は、アノード触媒層２８と両極板３２ａの間に挿入される基板１０ａに対して当てはまる。
【００２２】
再び図１を参照すると、基板１０の硬質層１２および圧縮性の層１４は、別個に製造され、次いで当業者によく知られている方法によって多層基板１０の中で互いに接合されてよい。しかし、本発明は、異なる特性を有する硬質層１２および圧縮性の層１４などの複数の堆積物または層を有する単一基板として基板１０を製造することを意図する。いずれにしても、硬質層１２は、圧縮性の層１４と比較してｘ−ｙ方向１８に沿って応答するより強固なまたはより変形抵抗力のある特性を有する。一方で、層１４は、硬質層１２と比較してｚ方向２０により圧縮性であることが好ましく、それにより板および拡散媒体の厚さのばらつきならびに燃料電池の作動中の圧縮負荷の変化を吸収する主要な手段を与える。
【００２３】
次いで多層拡散媒体の構造の材料の概要を与える。両方の層は、発泡体、網、布、および不織マットなどの様々な伝導性多孔質材料から作製できる。圧縮性の層は一般に、炭素繊維および／または金属繊維製の布または不織マットから構成されるものである。不織マットは、炭化アクリルパルプまたは少量の炭化フェノール樹脂などの柔軟な結合剤を含むことができる。圧縮性の層は、柔軟な金属または炭素の発泡体からも構成されることができる。硬質層は一般に、やはり炭素繊維および／または金属繊維製の布または不織マットから構成されることになる。織布および不織マットに基づいた硬質層は、大量の炭化フェノール樹脂などの比較的硬性の結合剤も有することになる。硬質層は、比較的剛性の金属または炭素発泡体から構成されることもできる。
【００２４】
次に、本発明の多層拡散媒体の作製の仕方の例を説明する。図３の流れ図は、例示の多層拡散媒体基板を製造する方法によって実行される順次処理ステップを示す。ステップ１では、第１の炭素繊維層が用意される。第１の炭素繊維層は、従来の湿式製紙法を用いて製造される。ステップ２では、第１の炭素繊維層は、典型的には従来の湿式浸漬方式で樹脂結合剤を用いて含浸される。ステップ３では、浸漬された樹脂は、典型的には約１００〜３００℃の温度で硬化される。ステップ４では、第２の炭素繊維層は、第１の炭素繊維層の上に堆積される。第２の炭素繊維層は、エアレイドまたは湿式によって第１の炭素繊維層の上にある。ステップ５では、多層炭素繊維基板は、第１の炭素繊維層を第２の炭素繊維層に接合または取付けるために水流交絡または水噴射処理工程にかけられる。水噴射処理が使用される場合には、噴射特性は、硬質層に損傷を与えることなく層を共に接合するように選択されることになる。最後にステップ６で、多層炭素繊維基板は、典型的には少なくとも約１３００℃の温度、好ましくは１７００℃の温度、および適宜２０００℃より高い温度で炭化および／または黒鉛化される。多層構造は、疎水性重合体を用いて適宜処理されることができる。加えて、微細多孔層皮膜は、第２の炭素繊維層の上部に適宜設けられることができる。さらに、燃料電池中で圧縮する前に硬質層および圧縮性の層を取付けることが絶対必要というわけではない。燃料電池圧縮により層同士の間に十分な接触を生じさせることができ、それによりこれらの層が所望されるように機能することになる。多層炭素繊維基板では、第１の炭素繊維層が、第２の炭素繊維層と比較してｘ−ｙ方向により大きな剛性を示すのに対して、第２の炭素繊維層は、第１の炭素繊維層と比較してより大きなｚ方向の圧縮性を示すことが好ましい。したがって、図１の多層拡散膜基板１０では、第１の炭素繊維層は硬質層１２として機能し、第２の炭素繊維層は圧縮性の層１４として機能する。
【実施例１】
【００２５】
図４および図５では、従来技術と本発明との間で有限要素解析に基づく計算機モデリングによる比較が行われて流路の中間での侵入および接触圧力を評価した。従来技術は、弾性率１０００ＭＰａを有すると評価された典型的な市販のガス拡散媒体（例えば、ＳＧＬカーボングループ（Ｃａｒｂｏｎ  Ｇｒｏｕｐ）によるシフラセット（Ｓｉｇｒａｃｅｔ）（登録商標）ＧＤＬ  ２１シリーズのガス拡散層）によって代表される。その厚さは、２６０ミクロンである。それぞれが従来技術と同じ全厚さ２６０ミクロンを有する９種類の多層ガス拡散媒体の挙動がモデル化された。圧縮性の層は、従来技術と同じ材料からなると仮定された。９つの異なる硬質層は、３つの厚さ、すなわち１０８ミクロン、４３ミクロンおよび２２ミクロンと、圧縮性の層の弾性率の３倍、６倍および１２倍の３つの弾性率との組合せからなった。この例示の計算については、ｚ方向の圧縮性（すなわち圧縮応力歪み応答）は、従来技術と同じであると仮定された。これらの圧縮性の値は、０．６８ＭＰａ（１００ｐｓｉ）で歪み０．１５、１．３８ＭＰａ（２００ｐｓｉ）で歪み０．２１、２．０７Ｍ（３００ｐｓｉ）で０．２７、２．７６ＭＰａ（４００ｐｓｉ）で０．３３、３．１０ＭＰａ（４５０ｐｓｉ）で０．３５、および３．４５ＭＰａ（５００ｐｓｉ）で０．３７であった。従来技術と本発明は共に幅１ｍｍの流路および幅２ｍｍのランドの剛体平面と剛体流れ場の間で圧縮された。ランドにわたる圧縮は、３．１０ＭＰａ（４５０ｐｓｉ）だった。侵入は、（流路の中央の）ガス拡散媒体の最大侵入の点と流れ場のランド面の間のｚ方向の距離によって決定された。接触圧力は、流路の中間での平坦な板に面する表面での反応圧力によって決定された。従来の有限要素解析技術によれば、解析の第１のステップは、全ての層を含む流れ場および拡散媒体の形状記述を生成することであった。拡散媒体の形状モデルは、材料全部を（メッシュとも呼ばれる）離散要素に分割することによって生成された。流れ場および平坦な板は、典型的な流れ場が拡散媒体よりもずっと硬い材料で作製されるので剛体表面としてモデル化された。図４および図５は、従来技術の事例と比較して９つの試験の事例の侵入および接触圧力（両方とも従来技術の事例に対して規格化されたものである）をそれぞれ例示する。本発明を用いる全ての事例について侵入が５％から３０％の間で改善され、接触圧力が２８％から２４０％の間で改善されたことが明確に理解されよう。本発明の利益は、本実施例の中で明確に実証されており、その中で流路中への拡散媒体の侵入を減少させ、流路にわたって接触圧力を増大させることに対する硬質層の使用の影響が分かる。硬質層の圧縮性が従来技術の材料のものより小さかった好ましい事例では、利益はいっそうより大きくなるはずである。
【実施例２】
【００２６】
モデルリングおよび解析に加えて、ドライ圧力降下試験（ｄｒｙ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｄｒｏｐ  ｔｅｓｔ）が、流れ場流路中への拡散媒体の侵入を減少させることによって圧力降下を減少させることに関する本発明の利益を示すために行われた。この実験では、特徴とされるガス拡散層は、特定の流れ場にわたって配置され、所与の負荷に圧縮され、ガスは特定の流量で流れ場を通過させられた。この試験は、流れ場上で行われたものであり、板中の測定された圧力降下は、流れ場流路の中へのガス拡散層の侵入を示した。行われた従来技術の実験では、フロイデンベルグ  ＦＣ  Ｈ２３１５、厚さ２０９ミクロン、３．１０ＭＰａ（４５０ｐｓｉ）で歪み０．３２、弾性率８００ＭＰａのガス拡散層が、本発明と比較するために使用された。本発明は、まず厚さ１０５ミクロン、３．１０ＭＰａ（４５０ｐｓｉ）で歪み０．２８、弾性率３０００ＭＰａの１つの東レ  ＴＧＰＨ  ０３０を流れ場に対して配置し、続いてその上部にフロイデンベルグ  ＦＣ  Ｈ２３１５ガス拡散層を配置し、最後にこれは、平坦な黒鉛板に対して据えられ、圧縮されることによって例証された。この実施例では層が取付けられていないが、この組合せは、多層ガス拡散層を用いることによって流路侵入を防ぐことを目標とする狙いである。所与の流量、圧縮および流れ場の形状で、多層の例の圧力降下は、従来技術のガス拡散媒体の事例において観測された圧力降下の５０％であった。
【００２７】
本発明の好ましい実施形態を上述したが、本発明に様々な変更をなしてもよく、添付の特許請求の範囲は、本発明の精神および範囲内に入る可能性のあるそのような変更全てを対象に含むことが意図されることを認識および理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の多層拡散媒体基板の断面図である。
【図２】本発明の一対の多層拡散媒体基板を含む燃料電池の図である。
【図３】本発明による多層拡散媒体基板の製造において実行される順次処理ステップを示す流れ図である。
【図４】本発明を用いて改善された流路侵入の実施例を示すグラフである。
【図５】本発明を用いて流路にわたって改善された圧縮の実施例を示すグラフである。
【図１】
2009501423.tif 000003
【図２】
2009501423.tif 000004
【図３】
2009501423.tif 000005
【図４】
2009501423.tif 000006
【図５】
2009501423.tif 000007