(57)【要約】  １つまたは複数の金属化領域に沿って導電性金属が蒸着された表面を有する導電性非金属多孔質媒体を備える燃料電池内で使用する導電性流体分配要素。金属化領域は、燃料電池アセンブリ内で膜電極接合体（ＭＥＡ）と接触するように配列され、それにより、ＭＥＡと流体分配媒体との間の接触領域における導電性を改善する。このような流体分配要素を製作し、燃料電池アセンブリを作動させる方法も提供される。
2007538370.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極接合体（ＭＥＡ）を有する燃料電池用の流体分配要素であって、
前記ＭＥＡに面する層の表面上に炭素および１つまたは複数の金属化領域を備える、導電性多孔質媒体の層を備え、前記１つまたは複数の金属化領域は導電性金属を含み、前記１つまたは複数の金属化領域は、前記ＭＥＡの主要な表面と接触し、前記ＭＥＡと前記多孔質媒体との間にそれぞれの導電性経路を形成する、流体分配要素。
【請求項２】
前記金属化領域はそれぞれ、多孔質媒体の比較用の非金属層と比べて前記それぞれの導電性経路上に電気抵抗の低減をもたらす請求項１に記載の要素。
【請求項３】
前記１つまたは複数の金属化領域は、厚さが極薄である請求項１に記載の要素。
【請求項４】
前記金属化領域のそれぞれの厚さは、約１０ｎｍ未満である請求項１に記載の要素。
【請求項５】
前記金属化領域のそれぞれの厚さは、約５ｎｍから約１０ｎｍまでである請求項１に記載の要素。
【請求項６】
前記層の前記表面は、第１の表面であり、前記層は、さらに、前記第１の表面に対向する第２の表面を備え、前記第２の表面は、不浸透性導電性仕切り要素と接触する請求項１に記載の要素。
【請求項７】
前記第２の表面は、導電性金属を含む１つまたは複数の金属化領域を有する請求項６に記載の要素。
【請求項８】
前記導電性金属は、前記金属化領域内の前記多孔質媒体の孔の表面に蒸着される請求項１に記載の要素。
【請求項９】
前記多孔質媒体は、紙、織布、不織布、繊維、および発泡体からなる群から選択される請求項１に記載の要素。
【請求項１０】
前記金属化領域の前記導電性金属は、貴金属を含む請求項１に記載の要素。
【請求項１１】
前記金属化領域は、前記導電性金属の化合物を含む請求項１に記載の要素。
【請求項１２】
前記金属化領域は、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｏｓ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｓｎ、Ａｕ、およびそれらの混合物からなる群から選択された金属を含む請求項１に記載の要素。
【請求項１３】
前記導電性金属は、Ａｕを含む請求項１に記載の要素。
【請求項１４】
燃料電池アセンブリであって、
導電性電極を含む膜電極接合体（ＭＥＡ）と、
前記電極に面する表面を有する導電性非金属多孔質媒体の層と、
前記層の前記表面上の１つまたは複数の金属化領域であって、それぞれ導電性金属を含む前記金属化領域とを備え、前記導電性電極は、前記金属化領域と接触し前記層と前記導電性電極との間に電気的接触をもたらすように配列され、それにより前記電極と前記層の前記金属化領域との間の電気接触抵抗は、多孔質媒体の比較用の非金属化層と比べて小さい燃料電池アセンブリ。
【請求項１５】
前記１つまたは複数の金属化領域は、本質的に前記層の前記表面を完全に覆う請求項１４に記載のアセンブリ。
【請求項１６】
前記表面は、第１の表面であり、前記層は、さらに、前記第１の表面に対向する第２の表面を備え、前記第２の表面は、１つまたは複数の金属化領域を備え、接触するように配列され１つまたは複数の導電性経路を形成する導電性不浸透性仕切り板に面する請求項１４に記載のアセンブリ。
【請求項１７】
前記仕切り板は、複数の溝およびランドでパターン形成されている前記層に面する表面を有し、前記ランドは、前記層の前記第２の表面の前記１つまたは複数の金属化領域と接触する請求項１６に記載のアセンブリ。
【請求項１８】
前記仕切り板は、仕切り板表面の接触領域に沿って形成された金属酸化物の領域を有し、前記接触領域は、前記１つまたは複数の導電性経路に対応する請求項１６に記載のアセンブリ。
【請求項１９】
前記第２の表面上のそれぞれの前記金属化領域の厚さは、約１５ｎｍ以下である請求項１６に記載のアセンブリ。
【請求項２０】
前記電極は、プロトン伝導物質、複数の触媒粒子、および複数の導電性粒子を含む請求項１４に記載のアセンブリ。
【請求項２１】
前記電極は、前記ＭＥＡのカソードである請求項１４に記載のアセンブリ。
【請求項２２】
前記電極は、前記ＭＥＡのアノードである請求項１４に記載のアセンブリ。
【請求項２３】
前記第１の表面上のそれぞれの前記金属化領域の厚さは、約５ｎｍから約１０ｎｍまでである請求項１４に記載のアセンブリ。
【請求項２４】
前記導電性金属は、前記金属化領域内の前記多孔質媒体の孔の表面に蒸着される請求項１４に記載のアセンブリ。
【請求項２５】
前記媒体は、炭素を含み、紙、織布、不織布、繊維、および発泡体からなる群から選択される請求項１４に記載のアセンブリ。
【請求項２６】
前記金属化領域は、前記導電性金属の化合物を含む請求項１４に記載のアセンブリ。
【請求項２７】
前記金属化領域は、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、ｌｒ、Ｐｔ、Ｏｓ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｓｎ、Ａｕ、およびそれらの混合物からなる群から選択された金属を含む請求項１４に記載のアセンブリ。
【請求項２８】
前記導電性金属は、Ａｕを含む請求項１４に記載のアセンブリ。
【請求項２９】
燃料電池を動作させる方法であって、
導電性多孔質媒体層を膜電極接合体（ＭＥＡ）と導電性基材との間に配置し、前記多孔質媒体層は、前記ＭＥＡに面する極薄金属化領域を有する第１の表面と前記導電性基材に面する第２の表面とを有するステップと、
前記第１の表面の前記金属化領域を前記ＭＥＡと接触させ、前記第２の表面を前記基材と接触させて、前記基材から前記多孔質媒体を通り前記ＭＥＡまで導電性経路を形成するステップと、
前記燃料電池の動作中、電子をこの経路を介してＭＥＡへ、またはＭＥＡから伝導するステップとを含む方法。
【請求項３０】
前記接触は、組み立てられた燃料電池スタック内の前記燃料電池に加えられた圧縮力により実行される請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記ＭＥＡのカソード側に送られる反応物質の流れは、本質的に、周囲空気からなる請求項２９に記載の方法。
【請求項３２】
前記周囲空気は、加湿されないか、または周囲よりも低い相対湿度を有する請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記ＭＥＡのカソード側に導入される反応物質の流れの水分は、飽和レベルよりも低い請求項２９に記載の方法。
【請求項３４】
前記多孔質媒体の前記第２の表面は、さらに、前記基材と前記多孔質媒体との間の電気抵抗を低減するために導電性金属を含む１つまたは複数の金属化領域を備える請求項２９に記載の方法。
【請求項３５】
燃料電池のアセンブリを製造する方法であって、
導電性金属を導電性多孔質媒体の表面上に蒸着して厚さが極薄の１つまたは複数の金属化領域を形成するステップと、
前記金属化領域を有する前記表面を膜電極接合体（ＭＥＡ）の電極に隣接して配置するステップと、
前記電極を前記金属化領域を有する前記表面と接触させて前記基材と前記多孔質媒体との間に導電性経路を形成するステップとを含む方法。
【請求項３６】
前記蒸着は、電子ビーム蒸着、マグネトロンスパッタリング、プラズマアシスト物理的気相蒸着、電解蒸着、および無電解蒸着からなる群から選択されたプロセスにより行われる請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記導電性金属は、Ａｕ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｏｓ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ａｕ、およびそれらの混合物からなる群から選択される請求項３５に記載の方法。
【請求項３８】
前記導電性金属は、貴金属または貴金属を含有する化合物を含む請求項３５に記載の方法。
【請求項３９】
前記導電性金属は、Ａｕを含む請求項３５に記載の方法。
【請求項４０】
前記蒸着は、１５ｎｍ以下の前記極薄の厚さが得られるように行われる請求項３５に記載の方法。
【請求項４１】
前記蒸着は、約２ｎｍから約１０ｎｍまでの前記極薄の厚さが得られるように行われる請求項３５に記載の方法。
【請求項４２】
前記接触は、組み立てられた燃料電池スタック内の前記燃料電池に加えられた圧縮力により実行される請求項３５に記載の方法。
【請求項４３】
燃料電池アセンブリであって、
第１の導電性電極ならびに第２および対向する導電性電極を備える膜電極接合体（ＭＥＡ）と、
前記第１の電極に面し、接触するように配列された、導電性金属を含む１つまたは複数の金属化領域を有する表面を有する導電性非金属多孔質媒体の第１の層と、
前記第２の電極に面し、接触するように配列された、導電性金属を含む１つまたは複数の金属化領域を有する表面を有する導電性非金属多孔質媒体の第２の層とを備え、それにより、多孔質媒体の前記第１の層から前記ＭＥＡを通り多孔質媒体の前記第２の層までの前記電気接触抵抗は、多孔質媒体の非金属化第１の層と、類似のＭＥＡを囲む多孔質媒体の非金属化第２の層とを含む比較用のアセンブリと比べて小さい、燃料電池アセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気化学電池に関し、より具体的には、導電性流体分配要素、ならびにそのような流体分配要素を組み込んだ燃料電池の製造および動作に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電気自動車および他の用途向けの電源として提案されている。知られている燃料電池の１つは、一方の面にアノード、もう一方の面にカソードを有する薄い固体高分子膜電解液を含むいわゆるＭＥＡ（「膜電極接合体」）を備えるＰＥＭ（つまり、プロトン交換膜）燃料電池である。アノードおよびカソードは、典型的には、微粉化炭素粒子、炭素粒子の内面および外面に担持された超微粉化触媒粒子、および触媒および炭素粒子と混じり合ったプロトン伝導物質を含む。ＭＥＡは、ガス拡散媒体層と、アノードおよびカソードのカレントコレクタとして働く一対の導電性接触要素との間にサンドイッチ状に挟まれており、中に適切なチャネルおよび開口部を備え、燃料電池のガス反応物質（つまり、Ｈ２およびＯ２／空気）をそれぞれのアノードおよびカソードの表面に分配することができる。
【０００３】
バイポーラＰＥＭ燃料電池スタックは、複数のＭＥＡを積み重ねて電気的直列接続したものであるが、バイポーラ板と呼ばれる、さらに不浸透性仕切り要素である、該カレントコレクタ接触要素により１つずつ分離されている。バイポーラ板は、２つの作業面を有し、一方の作業面は１つのセルのアノードに、他方の作業面はスタック内の次の隣接セル上のカソードに面しており、隣接するセル間に電流を電気的に伝導する。スタックの末端の接触要素は、端セルのみと接触し、これらは端板と呼ばれる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
電気接触要素は、導電性金属材料から作られることが多い。Ｈ２およびＯ２／空気ＰＥＭ燃料電池環境では、バイポーラ板および他の接触要素（例えば、端板）は、高酸性溶液（ｐＨ３〜５）と常時接触し、高酸化環境において動作し、（通常水素電極に対して）最大約＋１Ｖの分極電圧を発生する。カソード側では、接触要素は、加圧された空気に曝され、アノード側では、大気圧よりも高い水素に曝される。残念なことに、多くの金属は、苛酷なＰＥＭ燃料電池環境における腐食に弱く、そのような金属から作られている接触要素は溶解するか（例えば、アルミニウムの場合）、または燃料電池の内部抵抗を高め、その性能を低下させる高電気抵抗の不動態化酸化膜（例えば、チタンまたはステンレスの場合）を表面上に形成する。さらに、接触要素へのガス拡散媒体を通じた導電性を維持することは、それぞれの燃料電池から出る電流を維持するうえで非常に重要である。したがって、導電性を維持し、燃料電池の厳しい環境に耐え、燃料電池の総合的な動作効率を改善する導電性要素を実現する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一態様は、膜電極接合体（ＭＥＡ）を備える燃料電池の流体分配要素に関し、この要素は炭素を含む導電性多孔質媒体の層、およびＭＥＡに面する層の表面上の１つまたは複数の金属化領域を含む。１つまたは複数の金属化領域は、導電性金属を含む。さらに、これら１つまたは複数の金属化領域は、ＭＥＡの主要な表面と接触し、ＭＥＡと多孔質媒体との間にそれぞれの導電性経路を形成する。
【０００６】
本発明の他の態様は、導電性電極を含む膜電極接合体（ＭＥＡ）を備える燃料電池アセンブリである。導電性非金属多孔質媒体の層は、電極に面する表面を有する。この表面は、導電性金属を含む１つまたは複数の金属化領域を有する。導電性電極は、金属化領域と接触するように配列され、層と導電性電極との間に電気接触をもたらす。そのため、電極と層の金属化領域との間の電気接触抵抗は、多孔質媒体の相当する非金属化層と比べた場合のように低い。
【０００７】
本発明のさらに他の態様は、膜電極接合体（ＭＥＡ）と導電性基材との間に導電性多孔質媒体層を配置することを含む燃料電池を動作させる方法に関する。多孔質媒体層は、ＭＥＡに面する極薄金属化領域を有する第１の表面および導電性基材に面する第２の表面を備える。第１の表面の金属化領域は、ＭＥＡと接触し、第２の表面は、基材と接触し、基材から多孔質媒体を通りＭＥＡまで進む導電性経路を形成する。電子は、燃料電池の動作中、この経路を経由してＭＥＡへ、またはＭＥＡから伝導される。
【０００８】
本発明のさらに他の態様では、燃料電池用の接合体を製造するための方法が提供され、これは、導電性金属を導電性多孔質媒体の表面上に蒸着し、厚さが極薄の１つまたは複数の金属化領域を形成することを含む。金属化領域を備える表面は、膜電極接合体（ＭＥＡ）の電極に隣接する位置にある。電極は、金属化領域を有する表面と接触して、基材と多孔質媒体との間に導電性経路を形成する。
【０００９】
他の態様では、第１の導電性電極ならびに第２および反対の導電性電極を備える膜電極接合体（ＭＥＡ）を含む燃料電池アセンブリを実現する。導電性非金属多孔質媒体の第１の層は、第１の電極に面し、第１の電極と接触するように配列された表面を有する。第１の層の表面は、導電性金属を含む１つまたは複数の金属化領域を有する。導電性非金属多孔質媒体の第２の層は、第２の電極に面し、第２の電極と接触するように配列された表面を有し、この表面は、導電性金属を含む１つまたは複数の金属化領域を備える。多孔質媒体の第１の層からＭＥＡを通り多孔質媒体の第２の層までの電気接触抵抗は、多孔質媒体の非金属化第１層と類似のＭＥＡを囲む多孔質媒体の非金属化第２層を含む相当するアセンブリと比べた場合のように小さい。
【００１０】
本発明を適用可能な他の分野は、以下で述べる詳細な説明から明白になるであろう。詳細な説明および特定の実施例は、本発明の好ましい実施形態を示しているが、例示目的のみを意図しており、本発明の範囲を制限する意図はない。
【００１１】
本発明は、詳細な説明および付属の図面からより完全に理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
好ましい実施形態の以下の説明は、本質的に単に例示的であるにすぎず、発明、その応用、または使用を限定することはいっさい意図されていない。
本発明は、導電性燃料電池要素に関し、より具体的には、燃料電池内で使用する改善された流体分配媒体要素に関する。本発明をよりよく理解できるように、ここで、背景について簡単に述べる。図１は、従来の２つのセルを示しており、バイポーラ燃料電池スタック２は導電性流体分配要素８、これ以降バイポーラ板８により互いに分離される膜電極接合体（ＭＥＡ）の対４および６を備える。ＭＥＡ４および６ならびにバイポーラ板８は、ステンレス製固定板、すなわち端板１０および１２、と末端接触要素１４および１６との間に積み重ねられる。末端接触要素１４および１６は、バイポーラ板８の両方の作業面とともに、それぞれ燃料および酸化剤ガス（つまり、Ｈ２およびＯ２）をＭＥＡ４および６に分配するための複数の溝またはチャネル１８、２０、２２、および２４を含む。非導電性ガスケット２６、２８、３０、および３２は、燃料電池スタックの複数のコンポーネントの間を封止し、電気的に絶縁する。ガス透過可能導電性物質は、典型的には、ＭＥＡ４および６の電極面に対し押し付けられる炭素／黒鉛拡散紙３４、３６、３８、および４０である。末端接触要素１４および１６は、炭素／黒鉛紙３４および４０に対しそれぞれ押し付けられるが、その一方で、バイポーラ板８は、ＭＥＡ４のアノード面上の炭素／黒鉛紙３６に対し押し付けられ、またＭＥＡ６のカソード面上の炭素／黒鉛紙３８に対し押し付けられる。酸素は、適切な供給配管４２を介して貯蔵タンク４６から燃料電池スタックのカソード側に供給され、水素は、適切な供給配管４４を介して貯蔵タンク４８から燃料電池のアノード側に供給される。それとは別に、酸素源として外気を、圧縮機または送風機を使用してカソード側に供給し、水素をメタノールまたはガソリン改質器などからアノードに供給することができる。ＭＥＡ４および６のＨ２とＯ２の両方の側の排気管（図に示されていない）も用意される。追加配管５０、５２、および５４は、バイポーラ板８ならびに端板１４および１６に冷却液を供給するために備えられる。バイポーラ板８ならびに端板１４および１６から冷却液を排出するための適切な配管も用意されるが、図には示されていない。
【００１３】
図２は、本発明の第１の実施形態により使用することができる例示的なバイポーラ板５６の分解図である。バイポーラ板５６は、第１の外部金属板５８、第２の外部金属板６０、および第１の金属板５８と第２の金属板６０の間にある内部スペーサ金属板６２を備える。外部金属板５８および６０は、できる限り薄く作られ、型押し、または板金成形用の他の従来のプロセスにより形成されることができる。外部金属板５８は、膜電極接合体（図に示されていない）に面するその外部にある第１の作業面５９を有し、流動場５７を実現するように形成される。流動場５７は、バイポーラ板の一方の側６８から他方の側７０への蛇行する経路内で燃料電池の反応ガス（つまり、Ｈ２またはＯ２）が流れる「流動場」を構成する複数の溝６６を間に定める複数のランド６４により定められる。燃料電池が完全に組み立てられると、ランド６４は多孔質物質、炭素／黒鉛紙３６または３８に押し付けられ、さらに、ＭＥＡ４および６に押し付けられる。簡単のため、図２は、ランドおよび溝の２つの配列のみを示している。実際には、ランドおよび溝は、炭素／黒鉛紙３６および３８と係合する金属板５８および６０の外面全体を覆う。反応ガスは、燃料電池の一方の側６８に沿って置かれている多岐管７２から溝６６に供給され、燃料電池のもう一方の側７０に隣接して置かれる他の多岐管７４を介して溝６６を出る。
【００１４】
図３に最もよく示されているように、金属板５８の下側に、燃料電池の動作時に冷却液が通る複数のチャネル７８を間に定める複数のうね７６がある。図３に示されているように、冷却液チャネル７８は、それぞれのランド６４の下にあり、反応ガス溝６６は、それぞれのうね７６の下にある。それとは別に、金属板５８は、平坦なものとすることも可能であり、また流動場は、別の１枚のシート材で形成することが可能である。金属板６０は、金属板５８に類似している。金属板６０の内面６１は、図２に示されている。この点に関して、冷却液がバイポーラ板の一方の側６９から他方の側７１に流れる際に通る複数のチャネル８２を間に定める複数のうね８０が示されている。金属板５８と同様に、また図３に最もよく示されているように、金属板６０の外側に、作業面６３がある。金属板６０は、第２の流動場６５をもたらすように形成される。第２の流動場６５は、反応ガスが通る第２の流動場６５を構成する複数の溝８６を定めるその上の複数のランド８４により定められる。
【００１５】
内部金属スペーサ板６２は、外部金属板５８および６０の間に配置され、金属板６０内のチャネル８２と金属板５８内のチャネル７８との間に冷却液を流し、それにより、層流境界層を破壊し、それぞれ外部金属板５８および６０の内面９０および９２との熱交換を高める乱流を受け入れるようにできる。したがって、チャネル７８および８２は、それぞれの冷却液流動場を金属板５８および６０により定められる内部容積で形成する。他の実施形態（図に示されていない）は、内部冷却液を場から形成する連結プロセスにより連結される２つの型押し板を含む。
【００１６】
図４では、燃料電池９９は、図１の６と類似の、膜電極接合体（ＭＥＡ）１００を備える。ＭＥＡ１００は、２つの電極１０３の間にサンドイッチ状に挟まれた膜１０２を含む。一方の電極１０３は、アノード１０４であり、反対の電極は、カソード１０６であり、これらは、それぞれ、「拡散媒体」と呼ばれる導電性物質または図１の３８および４０に機能が類似している多孔質流体分配媒体１０７により束縛される。膜１０２は、燃料電池９９における反応を促進するイオン輸送を行い、当業ではイオン伝導物質としてよく知られている。電極１０３は、それぞれの電極１０４、１０６とイオノマー膜１０２との間の緊密な接触によりプロトン移動を引き起こし、そのようなプロトンおよび移動に対し本質的に連続する高分子接触をもたらす。電極１０３は、好ましくは、膜１０２によく接着される。
【００１７】
図に示されている本発明の実施形態では、ＭＥＡ１００のそれぞれの側に、２つの流体分配媒体層１０７がある。第１の流体分配媒体層１２０は、アノード１０４に面し、第２の流体分配媒体層１２２は、カソード１０６に面する。第１の流体分配媒体層１２０は、第１の表面１２４および第１の表面１２４に対向する第２の表面１２６を含む。第２の流体分配媒体層１２２も、同様に、第３の表面１２８および対向する第４の表面１３０を含む。第１の流体分配層１２０は、ＭＥＡ１００に隣接し、第１の媒体層１２０の第１の表面１２４は、アノード電極１０４に面し、好ましくは接触する。第２の分配層１２２は、反対のカソード１０６側に沿ってＭＥＡ１００にも隣接し、第２の媒体層１２２の第３の表面１２８は、カソード１０６に面し、好ましくは接触する。流体分配層１０７は、好ましくは、それぞれの電極１０３と接触し、１つまたは複数の電気接触領域１２９を形成する。
【００１８】
それぞれの多孔質媒体層１２０、１２２は、ＭＥＡ１００とカレントコレクタ仕切り板基材（図１の８および１６について機能上は類似する１３２または１３４）との間で束縛されるか、またはサンドイッチ状に挟まれる。多孔質媒体層１０７は、（１）カレントコレクタ１３２、１３４のランド１３６の間および下でＭＥＡ１００の表面全体にガス反応剤を分配し、（２）ＭＥＡ１００から電流を集めるために働く。第１の仕切り板１３２表面または基材（例えば、図１の８および図２の５６などのバイポーラ板）１３８は、第１の流体分配媒体層１２０の第２の表面１２６に隣接し、接触し、第２の仕切り板１３４の表面１４０は、第２の流体分配媒体層１２２の第４の表面１３０に隣接し、接触する。本発明によれば、流体分配媒体１０７ならびに第１および第２の基材１３２、１３４は、導電性物質から製作され、電気接触は、１つまたは複数の電気接触領域１４４のところでのそれらの間に確立され、導電性経路は、基材板（１３２または１３４）と対応する多孔質媒体１０７（１２０または１２２）との間に形成される。さらに、電気接触は、同様に、大量の多孔質媒体１０７を通じて、また電極１０３への電気接触領域１２９を通じて確立されることが好ましい。
【００１９】
本発明による電気化学燃料電池９９では、電気化学反応全体が、水を形成する水素の酸化を含む。アノードにおける反応（反応１）およびカソードにおける反応（反応２）はそれぞれ以下のとおりである。
【００２０】
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−    （反応１）
１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ    （反応２）
ただし、反応燃料は、水素であり、酸化剤は、酸素（例えば空気など）を含む。アノード１０４で反応により放出されるプロトンは、ＭＥＡ１００を通りカソード１０６に移行し、プロトン交換膜１０２を通る。簡素化された単一燃料電池では、アノード１０４で放出された電子は、好ましくは、以下でさらに詳しく説明されるように、電流を発生するカソード１０６に接続された外部回路（図には示されていない）を通じて伝導される。
【００２１】
プロトン交換膜（ＰＥＭ）１０２は、Ｈ＋イオンを可動イオンとして有する、カチオン透過性のある固体高分子プロトン伝導リキャストイオノマー膜またはシートであり、当業ではよく知られている。カチオン交換プロトン伝導樹脂の１つの広いクラスとして、いわゆる、スルホン酸カチオン交換樹脂がある。これらのイオン交換膜またはシートは、当業ではよく知られている。好ましい膜１０２は、ペルフルオロ化スルホン酸高分子電解質膜であり、Ｅ．Ｉ．ＤｕＰｏｎｔ  ｄｅ  Ｎｅｍｏｕｒｓ  ＆  Ｃｏ．社によりＮａｆｉｏｎ（登録商標）という商標名で市販されている。他の類似の膜は、Ａｓａｈｉ  Ｇｌａｓｓ  ａｎｄ  Ａｓａｈｉ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏｍｐａｎｙ社により販売されている。
【００２２】
図５に最もよく示されているように、図４の一部の詳細図では、電極１０３はそれぞれ、触媒粒子１５２を担持する粒子１５０と混じり合ったプロトン伝道物質１５４とともに超微粉化触媒粒子１５２を担持する微粉化炭素粒子１５０の対応する群から形成される。アノード１０４を形成する炭素粒子１５０は、カソード１０６を形成する炭素粒子１５０と異なる場合があることに留意されたい。それに加えて、アノード１０４における触媒１５２組成および／または充填は、カソード１０６における触媒１５２充填とは異なることがある。炭素粒子１５０および触媒１５２の特性および充填は、アノード１０４およびカソード１０６の場合と異なることがあるが、２つの電極１０３の基本構造は、それ以外については一般的に類似している。Ｈ＋イオンを触媒１５２に伝導し反応させる連続経路を与えるために、プロトン（カチオン）伝導物質１５４は、電極１０３のそれぞれ全体にわたって分散され、炭素および触媒粒子１５０、１５２と混じり合い、好ましくは、炭素粒子１５０により定められた複数の細孔内に配置される。したがって、図５において、プロトン伝導物質１５４は、炭素および触媒粒子１５０、１５２を含むことがわかる。それに加えて、伝導担体１５０と触媒粒子１５２は、導電性を有する。
【００２３】
図４および５の一般的な参照により、簡素化された燃料電池９９は、当業者であれば理解するように、外部回路（図に示されていない）を介したアノード１０４での水素分解反応（上の反応１）からの電子を反応２を介してＨ＋およびＯ２と電子の組換えが発生するカソード１０６に移動することにより動作する。しかし、燃料電池のスタック内において、電子移動は、それぞれのバイポーラ板（例えば、１３２、１３４）を通じて生じるが、そこでは、燃料電池は互いに電気的に結合され、好ましくはそのスタック上で大きな電位差を発生するように直列接続されている。燃料電池のスタックの端子端に接続されたリードは、外部回路を形成する。そのため、電極１０３の触媒活性の因子の１つは、触媒１５２への電子の効率的移動である（酸素およびプロトン輸送に加えて）。したがって、本発明は、流体分配層１０７と電極１０３の導電性粒子１５０との間の接触抵抗を減らし、そうして、触媒粒子１５２への改善された電子移動により改善された触媒活性を得る。
【００２４】
さらに、本発明の他の利点は、燃料電池の水管理に関係する。典型的には、燃料電池反応において生産水が生成され、水が典型的には単純な流れまたは蒸発により漏れるカソード１０６において拒絶される。しかし、必要ならば、水を形成される片端から回収して燃料電池９９から運び去る手段を備えることができる。セル内で水管理がきちんと行われれば、電気化学燃料電池９９は問題なく長期間稼働できる。電流通過燃料電池の膜１０２内の水分の空間的変動は、プロトン（Ｈ＋）がアノード１０４からカソード１０６へ輸送される水の電気浸透抗力、カソード１０４における酸素還元反応による水の生成、入口ガス流の加湿条件、およびカソード１０６アノード１０４への水の「逆拡散」から生じる。現在採用されているＰＥＭ膜１０２については、最適な効率を得るために好ましい動作条件は、カソード１０６出口の相対湿度が１００％以上であることを含むことに留意されたい。先に、この湿度を得るために、アノード１０４とカソード１０６の両方の反応物質流は、加湿機器を必要とする燃料電池９９に入るのに先立って外部で加湿された。以下でさらに詳しく説明するように、本発明の１つの利点は、カソード１０６および／またはアノード１０４入口の流れの外部加湿の必要性を低減および／または排除することである。
【００２５】
本発明によれば、多孔質流体分配媒体１０７は、導電性非金属組成を持つ。流体分配媒体１０７の第１の外部表面１７０は、基材要素シート１３２、１３４と接触する第１および第２の流体分配媒体層１２０、１２２の表面（つまり、表面１２６、１３０）を指す。流体分配媒体１２０、１２２の第２の外部表面１７２（つまり、１２４、１２８）は、ＭＥＡ１００の主要表面１７４に曝される。本明細書で使用されているように、「主要表面」は、要素の他の表面に比べて寸法または表面積が広い要素の表面を指し、例えば、このような要素は、幅対高さのより大きなアスペクト比を有し、その要素の高さ（例えば、厚さ）に対応する側面の表面積は、同じ要素の幅の表面積に比べて著しく小さい。
【００２６】
流体分配媒体１０７は、好ましくは、流体分配媒体１０７の本体１７８内に形成された複数の孔１７６を有する、高多孔質（つまり、約６０％〜８０％）である。値に「約」と付いた場合、計算または測定は、値にわずかな不正確さを許容することを意味する（例えば、値の正確さに対するある種のアプローチでは、その値に近似的にまたは無理なく近い、ほとんどにおいて）。何らかの理由により、「約」によって与えられる不正確さが、この通常の意味で当業において別の形で理解されない場合、本明細書で使用されているような「約」は、値に最大５％までのバラツキがありうることを示す。複数の孔１７６は、互いに開いている複数の内部孔１８０および外部孔１８２を含み、流体分配媒体１０７の第１の外面１７０から第２の外面１７２へ伸びる本体１７８全体にわたって連続する流路またはチャネル１８４を形成する。内部孔１８０は、流体分配媒体１０７の容積または本体１７８内に配置され、外部孔１８２は、分配媒体層１０７表面、例えば、１７０または１７２で終わる。本明細書で使用されているように、「（複数の）孔」という用語は、さまざまなサイズの孔を指し、断りのない限り、いわゆる「マクロ細孔」（５０ｎｍよりも大きな直径の孔）、「メソ細孔」（２ｎｍから５０ｎｍまでの範囲の直径の孔）、および「ミクロ細孔」（２ｎｍよりも小さな直径の孔）を含み、「孔サイズ」は、内部および外部の両方の孔直径サイズを含む平均値または中央値を指す。平均孔サイズは、約２μｍよりも大きく、約３０μｍよりも小さい半径に等しいのが好ましい。これらの開口部は、流体分配媒体層１０７（例えば、１２０、１２２）の本体１７８内に内部的に配置されるため、開口部の表面は、内面１８６、または媒体内部と呼ばれる。
【００２７】
本発明によれば、好ましい非金属導電性流体分配媒体１０７は、炭素を含む。このような流体分配媒体１０７は、当業でよく知られており、好ましくは炭素繊維または黒鉛を含む。多孔質流体分配媒体１０７は、紙、織布、不織布、繊維、または発泡体として製造することができる。このような多孔質流体分配媒体１０７で知られているものとして、多孔性が約７０容積％、非圧縮厚さ約０．１７ｍｍの黒鉛紙があるが、これは、Ｔｏｒａｙ  ＴＧＰＨ−０６０という商標名でＴｏｒａｙ  Ｃｏｍｐａｎｙ社から市販されている。好ましい燃料電池アセンブリでは、Ｔｏｒａｙ  ＴＧＰＨ−０６０は、アノード側１０４で使用される。他の好ましい多孔質流体分配媒体１０７は、多孔性が約７０容量％、厚さが０．２６ｍｍであり、Ｔｏｒａｙ  Ｃｏｍｐａｎｙ社からＴＧＰＨ−０９０という商標名で市販されている。このような流体分配媒体１０７は、ＭＥＡ１００に面する側を研磨して最終厚さ０．１７ｍｍにされ、カソード側１０６に配置されるのが好ましい。反応物流体は、第１および第２の多孔質媒体層１２０、１２２内の流体流チャネル１８４を介してＭＥＡ１００に送出され、そこで、電気化学反応が発生し、電流を発生する。
【００２８】
仕切り板基材１３２、１３４を製作する好ましい材料としては、例えば、ステンレス、アルミニウム、およびチタンなどの導電性金属がある。好ましい実施形態では、仕切り要素１３２、１３４の材質は、導電性であり、酸素に曝されると金属酸化物を形成しうる。仕切り板基材１３２、１３４を構成する最も好ましい材料は、燃料電池内の腐食に対する高い抵抗性を示す高グレードのステンレスであり、例えば、３１６Ｌ、３１７Ｌ、２５６  ＳＭＯ、Ｃａｒｐｅｎｔｅｒ  ２０、Ｉｎｃｏｎｅｌ  ６０１、Ａｌｌｏｙ  ２７６、およびＡｌｌｏｙ  ９０４Ｌなどである。
【００２９】
接触領域１２９の導電性経路を通した電気接触は、接触要素（１０７および１０３）の表面（例えば、１７２から１７４）の界面における相対的電気接触抵抗に左右される。非金属流体分配媒体１０７は、耐食性、強度、燃料電池環境内の物理的耐久性、および低容量電気抵抗については好ましいが、非金属流体分配媒体１０７と電極１０３または金属基材１３２、１３４のいずれかとの界面は、それぞれの物質の相違により界面の電気接触抵抗を高める一因となりうることが判明した。例えば、界面における金属（例えば、電極の基材表面１３８、１４０または触媒粒子１５２）と非金属材料との間の分子相互作用は、それぞれの表面エネルギーならびに他の分子および物理相互作用の相違により接触抵抗を高める可能性があると考えられている。特に、本発明では、同じ材質で作られているが類似のＭＥＡを持つ非金属電気接触領域を有する比較対象の多孔質媒体の電気抵抗と比べて、表面１７４の界面と流体分配媒体層１０７の表面１７２との間の電気抵抗を減らす（つまり、導電性を高め、したがって電子移動を増加させる）。他の好ましい実施形態では、本発明は、さらに、それぞれＭＥＡ１００および仕切り要素基材１３２、１３４と面する燃料分配媒体層１０７の両方の表面１７０、１７２との界面の抵抗を低くすることで燃料電池９９のいくつかの組み立てられたコンポーネントの全電気抵抗を減らすことにより燃料電池アセンブリの電気抵抗を全体として低くする。
【００３０】
そこで、本発明は、多孔質非金属流体分配媒体１０７の孔１７６の外面１８１上にコーディングされた導電性金属を用意し、金属化領域１８８を形成する。金属化領域１８８は、ＭＥＡ電極１０３の主要な表面１７４に面する多孔質媒体層１０７の第２の外面１７２に沿って形成される。第２の外面１７２のところで流体分配媒体層１０７と一体化されている金属化領域１８８は、金属コーティングまたは金属化領域を持たない流体分配媒体層と比較した時に接触抵抗を持続的に低減することが実証されている。電極１０３と本発明の導電性流体分配要素１０７の金属化領域１８８との界面における接触抵抗は、３０ｍオーム−ｃｍ２未満、より好ましくは１５ｍオーム−ｃｍ２未満であることが好ましい。本発明が機能する仕方に制限はないが、流体分配媒体１０７の接触面１７２の導電性金属化領域１８８は、より導電性の高い界面を備える（金属化領域１８８を介して）ことにより接触領域１２９の電気的界面を改善し、さらに、対応する形で類似の分子および物理特性（例えば、表面エネルギー）を持つより類似の物質（つまり、触媒金属１５２）と接触させることにより影響を受ける可能性があると考えられている。そこで、本発明では、導電性を高め、その結果、そのような改善された導電性により電極１０３内の触媒１５２の充填を減らし、したがって、燃料電池アセンブリ９９の加工コストを低減することができるようにする。
【００３１】
本発明による好ましい一実施形態では、金属化領域１８８は、極薄であり、流体分配媒体１０７の第２の外面１７２に沿って施される。金属化領域１８８内に蒸着された導電性金属の「極薄」層は、一般に、約４０ｎｍ未満、最も好ましくは１５ｎｍ未満の厚さを指す。金属化領域１８８の厚さは、ＭＥＡ１００の電極１０３に隣接する表面１７２に沿って、好ましくは約１０ｎｍ未満、より好ましくは約２から約１０ｎｍまでの範囲内、および最も好ましくは約５から約１０ｎｍまでの範囲内である。最適な水管理（電極１０３のフラッディングを生じることなく、膜１０２の加湿を許容できるように十分な水が保持される）は、いくつかの実施形態では、ＭＥＡ１００のカソード側１０６に沿った多孔質媒体層１０７上の金属化領域１８８の厚さが約５から約１０ｎｍまでの範囲であるものに対応することが実験的に証明された。
【００３２】
金属化領域１８８は、導電性、耐酸化性、および耐酸性を有し、いくつかの好ましい実施形態では、金属化領域を形成する導電性金属は、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、銀（Ａｇ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、オスミウム（Ｏｓ）、およびそれらの混合物からなる群から選択された貴金属を含有する化合物を含むことが好ましい。このような化合物は、導電性金属の元素形態を含むか、または金属窒化物、金属酸化物、および金属炭化物の導電性化合物を含むことができる。金属化領域１８８に対する他の好ましい金属として、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、またはスズ（Ｓｎ）を含有するものがある。このような金属を含有する導電性化合物は、例えば、クロム窒化物（ＣｒＮ）、添加酸化スズ（ＳｎＯ）、添加酸化チタン（ＴｉＯ）を含む。金属化領域１８８の最も好ましい導電性金属は、金（Ａｕ）を含む。当業者により認識されているように、導電性金属組成物は、上記の特定した金属の混合物を含むことができる。
【００３３】
図４に示されている実施形態では、第１および第２の流体分配層１２０、１２２は、両方とも、ＭＥＡ１００に面する表面上に金属化領域１８８を含む。しかし、図には示されていないが、当業者であれば理解するように、本発明の他の好ましい実施形態は、第１および第２の両方の流体分配層１２０、１２２に適用するのではなく、ＭＥＡ１００に面する第１または第２の流体分配層表面１２４、１２８のうちの一方のみに金属化領域１８８を備える燃料電池アセンブリ９９に適用する。
【００３４】
図６は、本発明の他の好ましい実施形態を示す。燃料電池アセンブリ１０１の多くの態様は、図５および６に示されているものなど前の実施形態と同じである。流体分配多孔質媒体層１０７の第２の表面は、好ましくは、上述のと同じ金属化領域１８８を含み、多孔質媒体層１０７と電極１０３との間の接触領域１２９の電気抵抗を減らす。しかし、本発明では、多孔質媒体層１０７の第２の表面１７２の反対側である、第１の外面１７０は、さらに、導電性金属によりコーティングされ、１つまたは複数の金属化領域１９０を形成する。それぞれの多孔質媒体層１２０、１２２の表面１２６、１３０の金属化領域１９０は、好ましくは、金属基材１３２、１３４に接触して、電気接触領域１４４を形成する。多孔質流体分配媒体１０７上の金属化領域１８８、１９０、および最も具体的には１９０は、電流が仕切り板基材１３２、１３４上の流動場構成のランド１３６に関連する別々の非連続的接触領域１４４に近づくにつれ、媒体１０７の本体１７８を通してなおいっそう電流分配を行うと考えられている。
【００３５】
他の好ましい実施形態では、第１の外面１７０が金属化領域１９０を含む場合、金属化領域の厚さは、８０ｎｍ未満、好ましくは５０ｎｍ未満、最も好ましくは約２から約１０ｎｍまでの範囲内であることが好ましい。本発明のいくつかの好ましい実施形態では、金属化領域１９０の厚さは、コーティング１９０について選択された金属の２つの単原子層の深さ以上である。以下でさらに詳しく説明するように、それぞれの金属化領域１８８、１９０の好ましい厚さは、用途によって異なることがあり、所望の厚さは、導電性と、水管理を含む、所望の燃料電池の動作条件の両方に関係する。しかし、金属化領域１９０の導電性金属は、好ましくは、金属化領域１８８について上で説明されているのと同じ組成物から選択される。同様に、金属化領域１８８および１９０の導電性金属は、互いに独立に選択されるか、または同じ導電性の（複数の）金属を含む、同じ組成物を含むことができる。
【００３６】
導電性金属化領域１８８、１９０は、外部細孔１８２の外面１８１および内部細孔１８０の表面１８６をコーティングし、それぞれの表面１７０または１７２から少なくとも約２から約１０ｎｍの深さのところで流体分配媒体１０７の本体１７８内に伸びる。
【００３７】
図７は、本発明の他の好ましい実施形態を示しており、ＭＥＡ１００および燃料電池アセンブリ１１１の半分を示す。当業者であれば理解するように、本発明の実施形態は、さらに、燃料電池アセンブリ１１１を形成するためにＭＥＡ１００の両側に沿って使用することもできる。ＭＥＡ１００は、２つの電極１０３および膜１０２を含む、前の実施形態で説明されているのと同じ要素を含む。流体分配媒体１０７ａは、第１の表面１７０ａおよび第２の表面１７２を備える。ＭＥＡ１００の主要な表面１７４に面する第２の表面１７２は、前の実施形態と同じようにして形成される、好ましくは電気接触領域１２９のところに金属化領域１８８を備える。
【００３８】
流体分配媒体１０７ａの第２の表面１７０ａは、外面１７０ａの導電性接触領域１４４に対応する多孔質媒体１０７の別々の金属化領域１９０ａを含み、非金属化領域１９４は、導電性領域に対応する。導電性領域１９０ａは、ランド１３６に接触し、接触領域１４４で導電性経路を確立する領域を含む。図６などで、すでに説明されている実施形態では、金属化領域１９０は、多孔質媒体１０７の本体１７８へのなおいっそう多くの電流分配を促進する連続的な外面１７０の全体を覆う。別々の金属化領域１９０ａが電気的に活性のある接触領域１４４に対応している図７の実施形態では、金属化領域１９０ａの導電性金属が施される一方で、外面１７０の非導電性、非金属化領域１９４は覆われるか、またはマスクされる。マスクは、基材に塗布される物質であり、コーティング適用時に安定している。マスク材料は、蒸着プロセスにおいてマスク上に蒸着される金属の回収およびリサイクルを可能にするものが選択されることが多く、これは、当業でよく知られている。本発明に適合する好ましいマスク材料は、例えば、ステンレスおよびチタンなどの金属、またはシリコンおよびアルミナベースのセラミックスを含む。
【００３９】
さまざまな蒸着方法を使用して、流体分配媒体１０７の金属化領域（例えば、１８８、１９０、１９０ａ）を形成する導電性金属組成物を施すことができる。金属化領域１８８、１９０の導電性金属を流体分配多孔質媒体１０７上に蒸着する好ましい方法の１つについて、図８を参照しつつ説明することにする。導電性金属を基材に蒸着するために、イオンアシスト物理的気相蒸着（ＰＶＤ）法が採用される。
【００４０】
図８では、イオンアシストＰＶＤ装置２３６が、金属化領域１８８、１９０の導電性金属組成物を施すために使用される。装置２３６は、蒸着槽２３８ならびに２つの電子銃ＡおよびＢを備え、金属コーティングの蒸着を行う。装置２３６は、超高真空において装置を動作させることができるターボポンプも備える。導電性金属でコーティングされる基材は、まず、圧力が１０−５から１０−６Ｔｏｒｒまたは１．３×１０−３Ｐａから１．３×１０−４Ｐａまでの範囲内にある「ロードロック」槽２３７内に置かれる。次いで、基材が蒸着槽１３８に移動される。基材が蒸着槽２３８内に置かれると、圧力は、約１０−９Ｔｏｒｒ（１．３×１０−７Ｐａ）に下げられる。蒸着槽内の第１のるつぼ２４０に蒸着すべき金属が保持される。金属または貴金属の組合せが蒸着される場合、第２の金属が、第２のるつぼ２４２により保持される。例えば、第１のるつぼ２４０には、第１の層として蒸着される第１の金属（例えば、チタン）が入り、るつぼ２４２には、第２の層を形成する、第１の層の上に蒸着される第２の金属（例えば、金）が入る。他の利用可能な選択として、複数の金属の組合せを同時に蒸着することもできる。貴金属は、基材上に０．１０ｎｍ／ｓの速度で８０ｎｍ未満の厚さまで蒸着され、これは、当業で知られている厚さモニタにより観測される。金属化領域１８８、１９０、１９０ａでは、導電性金属を８０ｎｍ未満、好ましくは４０ｎｍ未満、最も好ましくは約２から約１０ｎｍまでの範囲である極薄の厚さで基材上に蒸着することができる。金属化領域１８８、１９０は、少なくとも約２ｎｍの厚さを有している場合、充填は０．０２ｍｇ／ｃｍ２であるのが好ましい。本発明のプロセスでは、極薄層（つまり、２〜２０ｎｍの程度の極薄層）のみをコーティングすることが可能であり、これにより、比較的一様で、十分に表面を覆う、良好な接着が得られる。そのため、イオンアシストＰＶＤ装置２３６を使用することで、導電性金属を非常に滑らかに、均等に、薄い層として、基材上に蒸着することができる。
【００４１】
本発明にも適しているが、図には示されていない、他の好ましいＰＶＤ法は、マグネトロンスパッタリングであり、金属ターゲット（金属化領域１８８、１９０、１９０ａの導電性金属）は、基材が帯電している間に、アルゴンイオン雰囲気中でスパッタリング銃によるイオン衝撃を受ける。スパッタリング銃は、弾みで移動する金属粒子のプラズマとアルゴンイオンのプラズマを形成し、基材をコーティングする。本発明により金属コーティング１８８、１９０、１９０ａを施す他の好ましい方法としては、電子ビーム蒸着があり、この方法では、基材は真空槽（１０−３から１０−４Ｔｏｒｒまたは約１．３×１０−１Ｐａから１．３×１０−２Ｐａの範囲）内に収められ、金属蒸発物が帯電電子ビームにより加熱され、蒸発した後、ターゲット基材上に凝結する。金属化領域１８８、１９０、１９０ａの導電性金属は、電気メッキ（例えば、電解蒸着）、無電解メッキ、化学気相蒸着、またはパルスレーザ蒸着によっても施すことができる。
【００４２】
本発明の好ましい実施形態では、金属化領域１８８、１９０、１９０ａを有する多孔質媒体１０７を通りＭＥＡ１００まで仕切り板基材１３２、１３４上に低い接触抵抗をもたらす。燃料電池全体（仕切り板から仕切り板までの）の接触抵抗は、燃料電池に圧縮力が加わっている場合に、１００ｍオーム／ｃｍ２（ｍΩ／ｃｍ２）未満であるのが好ましく、より好ましくは８０ｍΩ／ｃｍ２である。さらに、本発明のいくつかの好ましい実施形態による導電性基材要素１３２、１３４では、本発明の燃料電池アセンブリ（例えば、９９、１０１、１１１）に組み込むのに先立って、接触面１３８、１４０に沿って金属製仕切り板基材１３２、１３４から不動態層（つまり、金属酸化物層）を除去する必要がない。一般に、非金属流体分配層（金属化領域１９０を含まない）と接触する酸化物層を有する金属基材１３２、１３４は、許容できないほど高い電気接触抵抗を生じる。したがって、酸化物層を除去する従来の方法は、カソード電解洗浄、機械摩耗、アルカリ洗浄剤による基材の洗浄、および酸性溶媒または漬物酢によるエッチングなどのさまざまな方法を含む。金属製仕切り板１３２、１３４の接触面１３８、１４０から金属酸化物を除去する必要をなくすことは、したがって、本発明のいくつかの好ましい実施形態により任意選択である。
【００４３】
したがって、本発明の好ましい一態様は、ステンレスを含む仕切り要素基材１３２、１３４を使用することを含み、基材表面１３２、１３４では、同一出願人による２００３年１１月７日に出願された米国特許出願第１０／７０４０１５号で開示されているように、接触面１３８、１４０から不動態層を広範に除去する必要がない。多孔質媒体１０７上の金属化領域コーティング１９０により与えられる接触領域１４４の界面における導電性の改善により、接触面１３８、１４０のところに自然に発生する酸化物層を有する仕切り要素基材１３２、１３４内で金属を使用することができる。したがって、本発明では、金属基材１３２、１３４の接触面１３８、１４０から金属酸化物の一部または実質的に全部を除去する、コストおよび時間がかかる前処理工程をなくすか、または著しく簡素化する。さらに、すでに説明されている上級グレードのステンレスは、高耐食性を有し、そのため、燃料電池内の腐食環境に耐えられることで、さらに保護処理を行うことなく使用することができる。
【００４４】
本発明は、下にある金属基材１３２、１３４に耐食性を付与する導電性保護コーティングでコーティングされた仕切り板要素基材１３２、１３４とともに使用するのにも好適である。このようなコーティングは、耐酸化性および耐食性金属コーティング１９０層（例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、およびこれらの混合物）、または耐食性導電性高分子マトリックスを含むことができ、これらは、一般に、当業で知られているように、導電性耐食性粒子のマトリックス内に分散された耐酸化性高分子を含む。保護コーティングは、好ましくは、約５０オーム−ｃｍ（Ω−ｃｍ）未満の抵抗率を有し、耐酸性、耐酸化性高分子マトリックス全体にわたって分散されている複数の耐酸化性、酸不溶性、導電性粒子（つまり、約５０ミクロン未満）を含み、そこでは、高分子が粒子を結合し、金属基材１３２、１３４の表面１３８、１４０上に保持する。コーティングは、約５０オーム−ｃｍ以下の抵抗率を生じるのに十分な導電性充填剤粒子を含み、厚さは、コーティングの組成、抵抗率、および完全性に応じて約５μｍから約７５μｍの範囲内である。下にある金属基材表面を腐食剤の浸透から保護する不浸透性コーティングを生成するために架橋重合体が好ましい。
【００４５】
好ましくは、導電性充填剤粒子は、金、白金、黒鉛、炭素、ニッケル、導電性金属、ホウ化物、窒化物、および炭化物（例えば、窒化チタン、炭化チタン、二ホウ化チタン）、クロムおよび／またはニッケル、パラジウム、ニオブ、ロジウム、希土類金属、およびその他の貴金属と合金されたチタンからなる群から選択される。最も好ましくは、これらの粒子は、炭素または黒鉛（つまり、六方晶炭素）を含む。これらの粒子は、粒子の密度および伝導度に応じて、さまざまな重量％のコーティングを含む（つまり、高い伝導度、および低い密度を有する粒子は、低重量％で使用できる）。炭素／黒鉛含有コーティングは、典型的には、２５重量％の炭素／黒鉛粒子を含有する。高分子マトリックスは、薄い接着膜に形成することができ、燃料電池の酸化力および酸性度の非常に高い環境に耐えられる水に溶けない高分子を含む。したがって、エポキシ類、ポリアミドイミド類、ポリエーテルイミド類、ポリフェノール類、フルオロエラストマー類（例えば、ポリフッ化ビニリデン）、ポリエステル類、フェノキシフェノール類、エポキシドフェノール類、アクリル類、およびウレタン類などの高分子は、とりわけ、本発明と併用すると有益であることがわかる。このような実施形態では、表面１３８、１４０が保護コーティングで覆われている場合、金属基材１３２、１３４は、アルミニウム、チタン、または耐食性保護コーティングでコーティングされた低グレードのステンレスなどの腐食の影響を受けやすい金属を含む。
【００４６】
本発明のいくつかの実施形態では、導電性要素に組み込まれるのに先立って、緩く接着されている汚染物質が除去される場合に、仕切り要素金属基材１３２、１３４の接触面１３８、１４０は、本質的にきれいであるのが好ましい。このような洗浄は、典型的には、油、グリース、ロウ状固形物、粒子（金属粒子、炭素粒子、ホコリ、および汚れを含む）、シリカ、薄い酸化膜、およびそれらの混合物などの緩く接着されている汚染物質を除去するために使用される。金属材料の製造中に、多くの汚染物質が加わり、輸送または保管時に接触面１３８、１４０に蓄積することもある。したがって、金属基材１３２、１３４の接触面１３８、１４０の洗浄は、金属基材１３２、１３４が汚染物質で汚れる状況では特に好ましい。金属基材１３２、１３４の洗浄は、機械的研磨、従来のアルカリ洗浄剤、界面活性剤、弱酸性洗剤による洗浄、または超音波洗浄を必要とする場合がある。適切な洗浄プロセスまたは洗浄プロセスの順序の選択は、汚染物質および金属の両方の性質に基づき選択される。
【００４７】
本発明の好ましい一実施形態に関する実験の詳細について、これから説明する。好ましいいくつかの実施形態では、流体分配媒体は、アノード１０４側とカソード１０６側とで異なる。すでに説明されているように、Ｔｏｒａｙ  ＴＧＰＨ  ０６０は、厚さ０．１７ｍｍであるアノード側１０４で使用するのは好ましいが、カソード側１０６分配媒体は、厚さ０．２６ｍｍのＴｏｒａｙ  ＴＧＰＨ  ０９０である。Ｔｏｒａｙ  ＴＧＰＨ  ０９０は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）で外面をコーティングすることにより前処理され、次いで、片面で最終厚さ０．１７ｍｍに研磨されるのが好ましい。そこで、金が、イオンアシストＰＶＤにより、両方の種類のＴｏｒａｙ流体分配媒体黒鉛紙上に蒸着される。第１の実験では、Ｔｅｅｒマグネトロンスパッタリングシステムにより、ＰＶＤで金がＴｏｒａｙ紙上に蒸着された。Ｔｏｒａｙ紙は、真空槽内に導入され、真空槽内の圧力が５×１０−５に達すると、Ａｕの蒸着が行われた。マグネトロンターゲットは純度９９．９９％のＡｕであった。Ａｕ蒸着は、１分間、０．２５Ａの電流を使用して−５０Ｖバイアス電位で行われ、１０ｎｍの厚さの金コーティング１３０を得た。Ａｕは、マグネトロンスパッタリングシステムを使用して０．１６ｎｍ／ｓの速度で蒸着された。試料の厚さは、電子プローブマイクロアナリシス（ＥＰＭＡ）を使用して較正された。蒸着温度は、約２５℃から約３０℃であった。
【００４８】
図９に示されているように、２つの燃料電池アセンブリが準備され、性能比較のため分析された。試料１は、本発明により、上述の実験と同様に、Ｔｏｒａｙ拡散媒体の２つの類似の層の２つの側面に金属化領域を蒸着させることにより準備された。カソード側のＴｏｒａｙ紙ＴＧＰＨ  ０９０は、紙をポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）に浸し、次いで片面を物理的に研磨して、最終厚さを約０．１７ｍｍにすることにより、金属蒸着に先立って前処理された。ＰＴＦＥコーティング側は、仕切り要素（図６の１３４など）と接触し、研磨側は、ＭＥＡに面する（図６の１００など）。２つの側面に金属化領域を有する類似のＴｏｒａｙ拡散媒体ＴＧＰＨ  ０６０が用意された。流体拡散媒体は、それぞれ、ＧＯＲＥ  ＭＥＡ  ５５１０に隣接し、それをサンドイッチ状に挟むように配列され、金属化領域がＭＥＡ表面と接触するように、厚さは２５μｍで、触媒充填は０．４ｍｇ／ｃｍ２であった。それぞれのＴｏｒａｙ紙層は、未コーティング、未処理の３１７Ｌステンレスで製作された、不浸透性金属仕切り板（図６の１３２、１３４など）により束縛された。それぞれのＴｏｒａｙ拡散媒体層の外面の金属化領域は、未処理のステンレス製仕切り板と接触するように配列された。
【００４９】
コントロールは、コーティングまたは前処理なしの３１７Ｌステンレスで製作された従来技術の不浸透性仕切り板を備える。燃料電池は、すぐ上で説明されているようにアノードおよびカソード側について同じＴｏｒａｙ拡散媒体とともに組み立てられたが、Ｔｏｒａｙ媒体は、金属化領域を持たなかった。それぞれのＴｏｒａｙ拡散媒体は、ＭＥＡの反対側をサンドイッチ状に挟むように配列された。Ｔｏｒａｙ拡散媒体は、それぞれ、未コーティングおよび未処理のステンレス製板により囲まれ、それと接触している。
【００５０】
燃料電池内の接触抵抗は、Ｓｃｒｉｂｎｅｒ  Ａｓｓｏｃｉａｔｅ  Ｓｏｆｔｗａｒｅで現在の割り込み方法を使用して測定された。接触抵抗測定は、１００、３００  ６００  ８００、１０００、および１５００ｍＡ／ｃｍ２の範囲を通る印加電流密度のサイクルを介して、ミリオーム平方センチメートル（ｍΩ．ｃｍ２）として測定された。燃料電池は、２５ｐｓｉｇ（約１７５ｋＰａ）に加圧された２／２の水素対空気化学量論比で作動され、アノード入口は、１００％相対湿度で、カソード入口は、乾燥状態（約０％の相対湿度）で作動された。出口湿度は、約（１１４％）と測定された。
【００５１】
このデータからわかるように、試料１の全セル抵抗は、印加電流のサイクル全体にわたるコントロールと比べて著しく低い。さらに、試料１のセル電圧は、実験全体を通して大きく、典型的な燃料電池動作条件に対応して印加電流が大きい（６００〜１０００ｍＡ／ｃｍ２）ほど実質的に大きかった。したがって、本発明の試料１は、従来技術のコントロールと比べて、印加された電流の全範囲を通じて高い電圧電位と低い抵抗を示すことで性能の著しい改善があったことを実証した。
【００５２】
そこで、本発明では、燃料電池用のアセンブリを製造するための方法を提供するが、これは、導電性金属を導電性多孔質媒体の表面上に蒸着し、厚さが極薄の１つまたは複数の金属化領域を形成することを含む。金属化領域を備える表面は、ＭＥＡの電極に隣接する位置にある。電極は、金属化領域を有する表面と接触して、基材と多孔質媒体との間に導電性経路を形成する。
【００５３】
本発明の利点の１つは、改善された水管理に関するものである。すでに説明されているように、燃料電池の最適な効率は、カソードからの出口湿度が１００％以上の相対湿度である場合に発生する。膜の乾燥を防ぐために燃料電池内に十分な水分を維持することは、典型的には、稼働中の無視できない問題となっており、したがって、アノードとカソードの両方への入口の流れは、通常、少なくともターゲット値１００％まで加湿される。試験後、金属化領域をＴｏｒａｙ流体分配媒体の両側に沿って配置した試料が準備され（試料１のように）、燃料電池は１００％相対湿度のカソード（カソード入口湿度の標準的ターゲットである）に対し典型的な入口湿度を持つように作動された場合、燃料電池には、過剰な水が殺到し、場合によってはフラッディングを生じることが判明した。そのため、知られている従来技術に反して、本発明では、ＭＥＡへの入口反応物質流の外部加湿の必要性が少なくなる。
【００５４】
図１０では、本発明の改善された水管理を実証するため、さまざまなカソード入口相対湿度レベルで試料１が試験された。すでに説明されているように、使用される燃料電池アセンブリは、本発明により処理されたＴｏｒａｙ紙でサンドイッチ状に挟まれたＰｔ触媒の０．４ｍｇ／ｃｍ２の充填を有するＧｏｒｅ  ＭＥＡ  ５５１０を備えるように配列され、したがって、金属化領域は、未処理の３１７Ｌステンレス製不浸透性基材により束縛され、その基材と接触している内面および外面の両方に配置される。燃料電池は、２５ｐｓｉｇ（約１７５ｋＰａ）、水素対空気化学量論比２／２という条件の下で作動された。すべての動作シナリオにおいて、アノード入口は、１００％相対湿度で作動された。カソード入口相対湿度は、約０％（乾燥周囲条件）、２５％、および５０％という量だけ変化した。１００％のカソード入口相対湿度での前の実験から、許容できないフラッディング条件が実証されたため、ここでは試験されなかった。
【００５５】
約０％の相対湿度の乾燥カソード入口では、５０％のカソード入口相対湿度での僅か０．５Ｖに比べて、１．５ｍＡ／ｃｍ２の電流密度で０．６１Ｖのセル電圧を有し、最良の性能であることを実証した。したがって、２００ｍＶのセル性能の低下は、カソード相対湿度が乾燥状態から５０％まで増大するという形で観察された。セル抵抗も、同様に低く、すべての湿度値について１．５ｍＡ／ｃｍ２の電流密度で８０ｍオーム／ｃｍ２以下のままであった。すべてのカソード入口湿度値にわたって、カソード出口湿度も同様に監視された。すでに述べられているように、プロトン伝導性は、カソード出口湿度が１００％以上の場合に膜を通して最大である。図１０からわかるように、カソード出口の相対湿度は、すべての動作シナリオに関して１００％を軽く超え、その最低値は１１４％であり、カソード入口は０％であった。したがって、本発明によれば、膜は、カソード側では好ましい飽和条件の下で作動されるが、追加の外部加湿は不要である。
【００５６】
一部の従来技術の実施形態では、バイポーラ板の金属基材、特にステンレス製基材を保護金属コーティングによりコーティングすることで、高いＭＥＡ汚染が生じており、その結果、燃料電池の耐用期間にわたって、触媒に毒作用を及ぼす（したがって触媒を不活性化する）か、または膜および電極内のプロトン伝導物質の全体的な脱活性化を引き起こしうる。しかし、ステンレスが金属酸化物の不動態層を形成する実施形態では、そのような汚染は、一般的には生じない。したがって、本発明の追加の利点の１つは、未処理のステンレス製仕切り板を適宜使用して、ＭＥＡ汚染を低減し、それにより触媒被毒および膜と電極の全体的な不活性化の潜在的可能性を低減することである。
【００５７】
本発明は、膜電極接合体（ＭＥＡ）と導電性基材との間に導電性多孔質媒体を配置することを含む燃料電池を動作させる方法を提供する。多孔質媒体は、極薄金属化領域を有する第１の表面を備え、第１の表面はＭＥＡに面する。第２の表面は導電性基材に面する。金属化領域を有する第１の表面は、ＭＥＡと接触し、基材に面する第２の表面は、基板から多孔質媒体を通りＭＥＡまで進む導電性経路を形成する。この接触は、一般に、組み立てられた燃料電池スタック内の燃料電池に圧縮力を加えることにより実現される。電気化学反応は、電子を発生するＭＥＡ内で行われる。そこで、本発明の方法は、燃料電池の動作中、電子をこの導電性経路を介してＭＥＡへ、またはＭＥＡから伝導することを含む。
【００５８】
反応物質の流れは、反応の進行中にＭＥＡのカソード側に導入される。反応物質の流れは、導電性多孔質媒体を通して送られ、いくつかの実施形態では外部加湿を必要としない。本発明のいくつかの好ましい実施形態では、ＭＥＡのカソード側に送られる反応物質の流れは、本質的に、周囲空気からなり、周囲空気は、故意には加湿されないか、またはそれとは別に、周囲空気は、周囲条件よりも低い相対湿度を有する。
【００５９】
他の好ましい実施形態では、反応についてＭＥＡのカソード側に導入される反応物の流れは、飽和条件よりも低い条件でＭＥＡに入るのに先立って外部から加湿される。本発明の好ましい実施形態では、ＭＥＡのカソード側に導入される反応物質の流れの水分は、飽和レベルよりも低い。他の好ましい実施形態では、多孔質媒体の第２の表面は、さらに、基材と多孔質媒体との間の電気抵抗を低減するために導電性金属を含む１つまたは複数の金属化領域を備える。当業者であれば理解するように、本発明による多孔質媒体は、ＭＥＡの両側に配列することができる。
【００６０】
本発明により用意される導電性要素を使用すると、燃料電池において、効率の高い、最適化された燃料電池稼働が可能になる。本発明は、電気抵抗を低減し、触媒活性を高める、非金属多孔質流体分配媒体とＭＥＡの電極との間に改善された電気的界面を実現する。このように触媒活性を高めると、ＭＥＡの電極における触媒充填要件が緩和され、それにより製造経費を抑えることができる。さらに、本発明による導電性多孔質流体分配媒体では、ＭＥＡ内の膜の適切な水和を維持しつつ、カソード入口の流れの外部加湿の必要性をなくすことにより燃料電池の水管理を改善する。
【００６１】
さらに、本発明の他の好ましい実施形態も、同様に、非金属多孔質流体分配媒体と仕切り要素の金属基材との間の電気抵抗を低減し、燃料電池の電気抵抗を全体的に低くする。本発明の金属化領域は、多孔質流体分配要素の表面を十分覆い、導電性流体分配要素の接触抵抗を低くする、極薄導電性金属コーティングを実現し、燃料電池の全体的性能を改善する。さらに、金属コーティングの厚さは、導電性流体分配要素を用意する製造コストを最低に抑えられる厚さである。処理コストは、さらに、流体分配要素との電気的界面を形成する金属基材から金属酸化物を取り除く工程をなくすことにより低減される。改善された電気的界面は、接触抵抗を下げ、より広い、均一な電流分布を促進し、膜および燃料電池スタックの動作効率を高め、全体的な寿命を伸ばす。
【００６２】
上記実施形態および方法の説明は、本質的に単に例示的であるにすぎず、したがって、本発明の主旨から逸脱しない変更形態は、本発明の範囲内にあることが意図される。このような変更形態は、本発明の精神および範囲からの逸脱とみなされない。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】ＰＥＭ燃料電池スタックの概略分解図である（セルは２つだけ示されている）。
【図２】ＰＥＭ燃料電池スタックとともに使用される例示的な導電性流体分配要素の分解図である。
【図３】図２の３−３の方向にとった部分断面図である。
【図４】金属化領域が膜電極接合体（ＭＥＡ）に面する多孔質媒体の層の表面全体に対応する本発明の燃料電池アセンブリの好ましい一実施形態の縮尺どおりでない側断面図である。
【図５】図４の断面図の拡大図である。
【図６】ＭＥＡに面する多孔質媒体の層の表面全体に沿った金属化領域および仕切り板に面する多孔質媒体の表面全体に沿った金属化領域を含む本発明による他の実施形態を示す縮尺どおりでない側断面図である。
【図７】ＭＥＡに面する多孔質媒体の層の表面全体に沿った、また金属化領域が離れ離れである仕切り板に面する多孔質媒体の表面に沿った金属化領域を有する本発明の他の好ましい実施形態によるＭＥＡに隣接する多孔質媒体の単層の縮尺どおりでない部分側断面詳細図である。
【図８】導電性金属で多孔質流体分配媒体の表面を金属化するために使用される物理的気相蒸着装置の図である。
【図９】従来技術の多孔質流体分配媒体と接触する従来技術の未コーティング３１７Ｌステンレス製板と比較した多孔質媒体の層の２つの対向する表面（一方の面はＭＥＡに面し、対向する面は仕切り板に面する）上に金属化領域を有する本発明による燃料電池アセンブリを通して得られる接触抵抗および電圧の測定結果を比較したグラフである。
【図１０】全体的セル性能を示すためにカソード入口の相対湿度を変化させる、本発明による導電性流体分配要素により得られる接触抵抗および電圧値のグラフである。
【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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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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