(57)【要約】【課題】水の管理を改良する、電気化学的電池内の電気伝導性エレメントに関する。燃料電池の製造方法及び作動方法、及び本発明による電気伝導性エレメントもまた考えられる。【解決手段】電気伝導性エレメント（７０）は、不透過性導電性エレメント（８０）及びこの導電性エレメントの主面（８４）に沿って配置された多孔質液体分配媒体（８２）を含む。好ましくは、液体分配媒体（８２）は、膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）と液体分配媒体との間に配置された流体分配層（６８）と直接接触しており且つ流体連通している。そのため、液体はＭＥＡから流体分配層を通って液体分配媒体に及びこの液体分配媒体を通って引き込まれる。液体分配媒体は液体を燃料電池のＭＥＡから遠ざける。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード及びカソードを有する膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）を備えた電気化学的電池において、
電気伝導性エレメントと、導電性流体分配層とを備え、
前記電気伝導性エレメントは、カソードに面した主面と、前記主面に沿って配置された多孔質液体分配媒体とを備え、
多孔質液体分配媒体は、前記主面上に、ガス及び液体を前記カソードに対して移送し、前記カソードから移送するための流れチャンネルを画成し、
前記導電性流体分配層は、ガス及び液体を前記カソードと前記流れチャンネルとの間で移送するため、前記液体分配媒体と前記カソードとの間に配置され、
前記流体分配層及び前記液体分配媒体は、前記カソード内に溜まる液体を、前記流体分配層を通して移送し、前記液体分配媒体に対して及び前記液体分配媒体を通して移送するように構成及び配置されている、電気化学的電池。
【請求項２】
請求項１に記載の電気化学的電池において、前記不透過性導電性エレメント及び前記液体分配媒体は、前記流れチャンネルを画成するように互いに配置されている、電気化学的電池。
【請求項３】
請求項１に記載の電気化学的電池において、前記液体分配媒体は、前記不透過性導電性エレメントと前記導電性流体分配層との間に導電路を形成する、電気化学的電池。
【請求項４】
請求項１に記載の電気化学的電池において、前記流体分配層は多孔質であり、平均孔径が前記多孔質液体分配媒体の平均孔径よりも大きい、電気化学的電池。
【請求項５】
請求項１に記載の電気化学的電池において、前記液体分配媒体は前記流体分配層よりも親水性が比較的大きい、電気化学的電池。
【請求項６】
請求項１に記載の電気化学的電池において、前記液体分配媒体は前記主面のほぼ全てと重なっている、電気化学的電池。
【請求項７】
請求項１に記載の電気化学的電池において、前記液体分配媒体は、前記主面に沿った領域に配置されており、間隔が隔てられた別々の流れチャンネルを前記夫々の領域の各々に画成する、電気化学的電池。
【請求項８】
請求項１に記載の電気化学的電池において、前記液体分配媒体は頂部及び谷部を持つ波形形体を有し、前記頂部はランドと対応し、前記谷部は前記流れチャンネルを形成する溝と対応する、電気化学的電池。
【請求項９】
請求項１に記載の電気化学的電池において、前記多孔質液体分配媒体の平均孔径は約０．２μｍ乃至約３０μｍの範囲内にある、電気化学的電池。
【請求項１０】
請求項１に記載の電気化学的電池において、前記液体分配媒体は液体の水を内部に再分配し、これによってＭＥＡの面に沿った水分量の差を最小にする、電気化学的電池。
【請求項１１】
請求項１に記載の電気化学的電池において、前記電気伝導性エレメントは、アノードに面する第２面を持つ第２不透過性導電性エレメント及び前記第２面の領域に沿って取り付けられた第２液体分配媒体を含み、第２流体分配層が前記電気伝導性エレメントと前記アノードとの間に配置され、前記第２液体分配媒体は前記第２流体分配層と接触する、電気化学的電池。
【請求項１２】
請求項１に記載の電気化学的電池において、前記液体分配媒体は、前記不透過性導電性エレメントと接触した第１層及び前記流体分配層と接触した第２層を有し、前記第２層は前記第１層よりも親水性が比較的大きい、電気化学的電池。
【請求項１３】
請求項１に記載の電気化学的電池において、前記液体分配媒体は前記不透過性導電性エレメントと接触した第１層及び前記流体分配層と接触した第２層を有し、前記第１層の平均孔径は前記第２層よりも大きく、液体が前記第１層内を前記第２内よりも高い速度で移送される、電気化学的電池。
【請求項１４】
請求項１に記載の電気化学的電池において、前記液体分配媒体は第１面及び第２面を有し、前記第１面は前記流体分配層と接触しており且つ前記流れ場と対応する波形表面を有し、前記第２面は前記第１面とは反対側であり、前記不透過性導電性エレメントの表面と合一、平らである、電気化学的電池。
【請求項１５】
請求項１に記載の電気化学的電池において、前記液体分配媒体は導電性であり、メッシュ、スクリーン、及びフォームからなる群から選択される、電気化学的電池。
【請求項１６】
請求項１に記載の電気化学的電池において、前記液体分配媒体は、カーボン、グラファイト、ポリマー、ステンレス鋼、クロム、及びこれらの合金及び混合物からなる群から選択された材料で形成される、電気化学的電池。
【請求項１７】
請求項１に記載の電気化学的電池において、前記液体分配媒体は、前記主面に流延、コーティング、又はスプレーされた材料で形成されている、電気化学的電池。
【請求項１８】
請求項１に記載の電気化学的電池において、前記液体分配媒体は、導電性ポリマー又は導電性粒子が分配された非導電性ポリマーを含む、電気化学的電池。
【請求項１９】
請求項１８に記載の電気化学的電池において、前記液体分配媒体は熱を加えることによって硬化される、電気化学的電池。
【請求項２０】
請求項１に記載の電気化学的電池において、前液体分配媒体は、ステンレス鋼、ニオブ、インコネル、及びその混合物からなる群から選択された複数の導電性金属粒子を含む、電気化学的電池。
【請求項２１】
請求項２０に記載の電気化学的電池において、前記液体分配媒体は、熱を加えることによって前記複数の導電性金属粒子を焼結することによって形成される、電気化学的電池。
【請求項２２】
請求項１に記載の電気化学的電池において、前記不透過性導電性エレメントは、アルミニウム、チタニウム、ステンレス鋼、及びその合金及び混合物からなる群から選択された配合物を含む、電気化学的電池。
【請求項２３】
請求項１に記載の電気化学的電池において、前記液体分配媒体は、前記主面を蝕刻することによって形成される、電気化学的電池。
【請求項２４】
電気化学的燃料電池用電気伝導性エレメントにおいて、
主面を持つ不透過性導電性エレメントと、
前記主面に沿って前記エレメントに設けられた導電性多孔質層と
を備え、
前記多孔質層は、親水性であり、水を前記層内の液体濃度が比較的高い領域から液体濃度が比較的低い領域まで移送するように作動できる、電気伝導性エレメント。
【請求項２５】
請求項２４に記載の電気伝導性エレメントにおいて、前記多孔質親水性層は、電極と接触しており且つ流体連通した流体分配層と接触しており、前記多孔質親水性層は、前記電極又は前記流体分配層のいずれよりも親水性が比較的高く、前記多孔質親水性層は水を前記電極から前記流体分配層を通して引き出す、電気伝導性エレメント。
【請求項２６】
請求項２５に記載の電気伝導性エレメントにおいて、前記電極はカソードである、電気伝導性エレメント。
【請求項２７】
請求項２５に記載の電気伝導性エレメントにおいて、前記液体分配媒体は、前記不透過性導電性エレメントと導電性の前記流体分配層との間に導電路を形成する、電気伝導性エレメント。
【請求項２８】
請求項２４に記載の電気伝導性エレメントにおいて、前記不透過性導電性エレメント及び前記液体分配媒体はガス流れチャンネルを画成するように互いに配置されている、電気伝導性エレメント。
【請求項２９】
請求項２８に記載の電気伝導性エレメントにおいて、前記液体分配媒体は頂部及び谷部を持つ波形形体を有し、前記頂部はランドと対応し、前記谷部は前記流れチャンネルを形成する溝と対応する、電気伝導性エレメント。
【請求項３０】
請求項２９に記載の電気伝導性エレメントにおいて、前記液体分配媒体は、前記流体分配層と接触しており且つ前記ガス流れチャンネルと対応する波形表面を持つ第１面及びこの第１面とは反対側にあり且つ前記不透過性導電性エレメントの表面と合一する平らな第２面を有する、電気伝導性エレメント。
【請求項３１】
請求項２４に記載の電気伝導性エレメントにおいて、前記多孔質液体分配媒体の小孔は、２μｍ乃至３０μｍの範囲内の平均孔径を有する、電気伝導性エレメント。
【請求項３２】
請求項２５に記載の電気伝導性エレメントにおいて、前記液体分配媒体は、前記不透過性導電性エレメントと接触した第１層及び前記流体分配層と接触した第２層を含み、前記第２層は前記第１層よりも親水性が比較的大きい、電気伝導性エレメント。
【請求項３３】
請求項２５に記載の電気伝導性エレメントにおいて、前記液体分配媒体は、前記不透過性導電性エレメントと接触した第１層及び前記流体分配層と接触した第２層を含み、前記第１層の平均孔径は前記第２層よりも大きく、エレメントは前記第１層を前記第２層よりも高い速度で移送される、電気伝導性エレメント。
【請求項３４】
電気化学的燃料電池用の電気伝導性エレメントの製造方法において、
主面を持つ不透過性導電性エレメントを提供する工程と、
液体分配媒体の前駆物質を前記主面に適用する工程と、
前記前駆物質を処理し、前記主面に接着した親水性液体分配媒体を形成する工程と
を含む、電気伝導性エレメントの製造方法。
【請求項３５】
請求項３４に記載の電気伝導性エレメントの製造方法において、前記前駆物質は、スクリーン、メッシュ、及びフォームからなる群から選択された金属材料である、電気伝導性エレメントの製造方法。
【請求項３６】
請求項３４に記載の電気伝導性エレメントの製造方法において、前記処理は、前記前駆物質を前記不透過性導電性エレメントの前記主面に拡散結合する工程を含む、電気伝導性エレメントの製造方法。
【請求項３７】
請求項３４に記載の電気伝導性エレメントの製造方法において、前記液体分配媒体の前記前駆物質は、複数の金属粒子及びバインダーを含む、電気伝導性エレメントの製造方法。
【請求項３８】
請求項３７に記載の電気伝導性エレメントの製造方法において、前記処理工程は、熱を加えることにより前記バインダーを気化し前記複数の金属粒子を互いに焼結する工程を含む、電気伝導性エレメントの製造方法。
【請求項３９】
請求項３４に記載の電気伝導性エレメントの製造方法において、前記液体分配媒体の前記前駆物質はポリマーを含む、電気伝導性エレメントの製造方法。
【請求項４０】
請求項３９に記載の電気伝導性エレメントの製造方法において、前記適用工程は、前記ポリマーを含む前記前駆物質を前記主面にスプレーコーティングする工程を含む、電気伝導性エレメントの製造方法。
【請求項４１】
請求項３９に記載の電気伝導性エレメントの製造方法において、前記処理工程は、熱を加えて前記ポリマーを硬化させる工程を含む、電気伝導性エレメントの製造方法。
【請求項４２】
請求項３９に記載の電気伝導性エレメントの製造方法において、前記液体分配媒体の前記前駆物質は、複数の導電性粒子及び小孔形成成分を更に含む、電気伝導性エレメントの製造方法。
【請求項４３】
請求項４２に記載の電気伝導性エレメントの製造方法において、前記処理工程は、前記小孔形成成分を気化するように所定温度で熱を加える工程を含む、電気伝導性エレメントの製造方法。
【請求項４４】
請求項４３に記載の電気伝導性エレメントの製造方法において、前記処理工程は、前記加熱後に前記小孔形成成分を溶解する工程を更に含む、電気伝導性エレメントの製造方法。
【請求項４５】
請求項３４に記載の電気伝導性エレメントの製造方法において、前記適用工程は、スクリーンを前記主面に取り付ける工程を含む、電気伝導性エレメントの製造方法。
【請求項４６】
請求項４５に記載の電気伝導性エレメントの製造方法において、前記取り付けは、拡散結合、鑞付け、及びその混合からなる群から選択される、電気伝導性エレメントの製造方法。
【請求項４７】
請求項３４に記載の電気伝導性エレメントの製造方法において、前記処理工程は、前記液体分配媒体表面を蝕刻し、親水性を高める工程を含む、電気伝導性エレメントの製造方法。
【請求項４８】
請求項３４に記載の電気伝導性エレメントの製造方法において、前記処理工程は、前記液体分配媒体を焼成し、親水性を高める工程を含む、電気伝導性エレメントの製造方法。
【請求項４９】
請求項３４に記載の電気伝導性エレメントの製造方法において、前記処理工程は、前記液体分配媒体の表面に化学蒸着し、親水性を高める工程を含む、電気伝導性エレメントの製造方法。
【請求項５０】
電気化学的燃料電池内に水を分配する方法において、
反応体ガスを膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）のアノード及びカソードの夫々に導入する工程と、
前記ＭＥＡ内で電気化学的反応を行うことによって前記カソード側で水を発生する工程と、
前記カソードと接触した多孔質流体分配層内に水を取り上げることによって水を前記カソードから遠ざかるように移送する工程と、
前記移送された水を前記流体分配層と接触した液体分配媒体に移送する工程と、
前記移送された水を前記液体分配媒体内に分配し、前記液体分配媒体の比較的乾燥した領域を湿潤する工程と
を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気化学的燃料電池に関し、更に詳細には燃料電池内の電気伝導性エレメント及び電気伝導性エレメントの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自転車及び他の用途用の電源として燃料電池が提案されてきた。例示の燃料電池は、触媒電極及びこれらの電極間に挟んだ陽子交換膜（ＰＥＭ）を含む膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）を有する。電気は、ＭＥＡ内で起こる水素と酸素との間の電気化学的反応によって発生する。このような電気化学的反応中、カソード電極のところで水（生成水として周知である）もまた発生する。ＭＥＡは、一般にバイポーラプレートと呼ばれる一対の導電性接触エレメント間に挟まれている。これらのプレートは、アノード及びカソードから電気を集めるのに役立ち、燃料電池のガス状反応体（即ちＨ２及び酸素／空気）をアノード及びカソードの夫々の表面上に分配するための適当なチャンネル及び開口部を含む。多くの場合、ガス反応体の送出を更に容易にするため、各電気伝導性エレメントとＭＥＡの夫々の電極との間にガス拡散媒体（多孔質導電性カーボングラファイトペーパー）が配置される。燃料電池の効率的作動は、システム内で水を効果的に管理する性能、更に詳細には、局所的溢れを阻止し且つＭＥＡの耐久性にとって重要な湿度を均等にする水の移送を制御する性能で決まる。しかしながら、これを行うための効果的手段に対する必要がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
かくして、ＭＥＡの作動効率及び耐久性を向上する水管理システムを提供するのが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、アノード及びカソードを含み、主面がカソードに面する不透過性導電性エレメントを含む電気伝導性エレメントを備えた膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）を持つ電気化学的電池を提供する。不透過性導電性エレメントは多孔質液体分配媒体を有する。この媒体は、主面に沿って配置され、ガス及び液体をカソードに及びカソードから移送するための流れチャンネルを主面のところに画成する。更に、ガス及び液体をカソードと流れチャンネルとの間で移送するため、導電性流体分配層が液体分配媒体とカソードとの間に配置される。流体分配層及び液体分配媒体は、カソード内に溜まった液体を流体分配層を通して及び液体分配媒体に及びこの媒体を通して移送するように形成されており且つ構成されている。
【０００５】
別の好ましい実施例では、本発明は、主面を持つ不透過性導電性エレメント及びこのエレメント上に主面に沿って設けられた導電性多孔質親水性層を含む、燃料電池用電気伝導性エレメントプレートを提供する。多孔質層は親水性であり、水を層内の液体濃度が比較的高い領域から液体濃度が比較的低い領域まで移送する。
【０００６】
他の好ましい実施例では、本発明は、主面を持つ不透過性導電性エレメントを提供する工程、液体分配媒体の前駆物質を主面に適用する工程、及び前駆物質を処理し、主面に接着した親水性液体分配媒体を形成する工程を含む、電気化学的燃料電池用の電気伝導性エレメントの製造方法に関する。
【０００７】
本発明の別の好ましい実施例では、反応体ガスを膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）のアノード側及びカソード側の夫々に導入する工程、及びＭＥＡ内で電気化学的反応を行うことによってカソード側で水を発生する工程を含む、電気化学的燃料電池内に水を分配する方法を提供する。水は、カソードと接触した多孔質流体分配エレメント内に水を取り上げることによってカソードから遠ざかる方向に移送され、かくして、移送された水を流体分配エレメントと接触した液体分配媒体に移送し、移送された水を液体分配媒体内に分配し、液体分配媒体の比較的乾燥した領域を湿潤する。
【０００８】
本発明のこの他の適用領域は、以下の詳細な説明から明らかになるであろう。詳細な説明及び特定の例は、本発明の好ましい実施例を示すけれども、単に例示を目的としたものであって、本発明の範囲を限定しようとするものではないということは理解されるべきである。
【０００９】
本発明は、詳細な説明及び添付図面から更に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】
【００１０】
好ましい実施例の以下の説明は単なる例示であって、本発明、その用途、又は使用を限定しようとするものではない。
本発明は、電気化学的燃料電池内の改良水管理システムを考えており、不透過性導電性エレメント及びこの導電性エレメントの主面に沿って配置された多孔質液体分配媒体を含む。電気伝導性エレメント（例えば、燃料電池スタックのバイポーラプレート）に関する。主面は、液体が発生し及び／又は蓄積する膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）に面する。液体分配媒体は、液体をＭＥＡから遠ざかるように移送する。好ましくは、液体分配媒体は、ＭＥＡと液体分配媒体との間に配置された流体分配層と直接接触しており且つ流体連通しており、液体はＭＥＡから流体分配層を通して液体分配媒体に引き出される。第１に、本発明を良好に理解するため、例示の燃料電池及びスタックをここに説明する。
【００１１】
図１は、二つの個々の陽子交換膜（ＰＥＭ）燃料電池を示す。これらの燃料電池は、液冷式導電性バイポーラセパレータープレート８によって互いから分離された一対の膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）４及び６を持つスタックを形成するように連結されている。スタック内で直列に接続されていない個々の燃料電池は、単一の電気的に活性の側部を持つセパレータープレート８を有する。多数の燃料電池を含むスタックでは、好ましいバイポーラセパレータープレート８は、代表的には、スタック内に二つの電気的に活性の側部１９、２１を有し、これらの活性側部１９、２１は、夫々、別々のＭＥＡ４、６に逆の電荷で面しており、これらの電荷は分離され、従って、いわゆる「バイポーラ」プレートである。本明細書中で使用されているように、「電気伝導性エレメント」という用語は、全体として、バイポーラセパレータープレートアッセンブリに関する。このアッセンブリは、互いに並びに単一のセパレータープレートに取り付けられた二つのセパレータープレートエレメントを含み、これらのセパレーターエレメントは、一般的には、単一の燃料電池内で、又は大型の燃料電池スタックのアノード端子及びカソード端子の夫々の端プレートのところで、セパレータープレート及びコレクタエレメント（例えばアノードプレート及びカソードプレート）として使用される。
【００１２】
ＭＥＡ４、６及びバイポーラプレート８は、ステンレス鋼製クランププレート１０、１２及び端接触エレメント１４、１６の間に一緒に積み重ねられる。端接触エレメント１４、１６並びにバイポーラプレート８の両作用面は、燃料ガス及び酸化体ガス（即ちＨ２及びＯ２）をＭＥＡ４、６に分配するための複数の溝又はチャンネル１８、２０、２２、及び２４を含む。不導性ガスケット又はシール２６、２８、３０、及び３２が燃料電池スタックの幾つかの構成要素間をシールし且つ電気的に絶縁する。多孔質導電性拡散媒体層３４、３６、３８、及び４０はＭＥＡ４及び６の電極面に押し付けられる。このような多孔質導電性拡散媒体層は、反応体を電極の表面に亘って及び従って電極に面する膜に亘って容易に分散する織製グラファイト、グラファイト化したシート、又はカーボンペーパーで形成されていてもよい。導電性ガス拡散媒体層は当該技術分野で周知であり、例えばトーレ  カーボンファイバアメリカ社が製造している商業的に入手可能なトーレグラファイトファイバペーパー等である。端接触エレメント１４、１６は、ガス拡散層３４、４０に夫々押し付けられるのに対し、バイポーラプレート８はＭＥＡ４のアノード電極面１９のガス拡散媒体層３６及びＭＥＡ６のカソード電極面２１のガス拡散媒体層３８に押し付けられる。貯蔵装置４８に連結された供給配管４４を介してアノード１９に水素ガスを導入する。酸素又は空気を適当な供給配管４２を介してカソード２１に導入する。酸素又は空気は、ここで、多孔質電極に流入する。空気を周囲からカソード２１に供給してもよく、水素をメタノール又はガソリンの改質器等からアノード１９に供給してもよい。ＭＥＡ４、６のＨ２側及び／又はＯ２側の両方用の排気配管（図示せず）もまた設けられる。バイポーラプレート８及び端プレート１４、１６を通してクーラントを循環するため、追加の配管５０、５２、５４が設けられる。
【００１３】
本発明の一つの好ましい実施例を図２に示す。この図では、ＭＥＡ６０は、アノード６４及びカソード６６によって取り囲まれた膜（ＰＥＭ）６２を含む。本発明では、導電性流体分配層６８が燃料電池に進入するガス及び出ていくガスの両方用の導管として、並びに燃料電池に進入する液体及び出ていく液体の両方用の導管として役立つ。本発明の一つの特徴は、以下に更に詳細に説明するように、膜６２及び触媒層６４、６６を更に均等に湿潤するための液体再分配を改良することである。流体分配層６８は、ＭＥＡ６０のアノード６４及びカソード６６の夫々と隣接しており且つ対面している。流体分配層６８は、本発明の一つの好ましい実施例に従って、ＭＥＡ６０のカソード６６に沿って電気伝導性エレメント７０と隣接している。
【００１４】
図３は、電気伝導性エレメント７０を、上エレメントプレート７０ａ及び下エレメントプレート７０ｂを含むバイポーラプレートアッセンブリとして示す。図示のように、上プレート７０ａは図２に示す実施例に従って形成されており、主面８４を有する。図２に示すように、電気伝導性エレメント７０はカソード６６に面し、流体分配層６８に面する。
【００１５】
代表的な燃料電池では、ＭＥＡ６０は、アノード６４とカソード６６との間に挟まれた陽子交換膜（ＰＥＭ）６２である膜６２を含む。膜（ＰＥＭ）６２は、代表的には、ペルフルオロスルホネートイオノマー膜等のイオン交換樹脂でできている。このような商業的に入手可能な膜の一つが、デュポン社がナフィオン（ナフィオン（ＮＡＦＩＯＮ）は登録商標である）の商標で販売している導陽子膜である。
【００１６】
アノード６４及びカソード６６は、カソード内の酸素及びアノード内の水素の電気化学的反応を容易にするため、代表的には触媒粒子が内部に分配された多孔質導体でできている。アノード６４及びカソード６６は、代表的には、非常に微細な触媒微粒子を表面上に支持するカーボン微粒子、及び触媒粒子及びカーボン粒子と混合した導陽子材料を含む。アノード６４では、各水素（Ｈ２）分子は二つの陽子（Ｈ＋）に別れ、二つの電子を放出する。陽子はＰＥＭ６２を横切ってカソード６６に行く。カソード６６内の触媒粒子は、陽子（Ｈ＋）と酸素（Ｏ２）との間の反応を促進し、電極内で水を形成する。反応体ガスが多孔質カソード６６に流入して反応するとき、液体の生成水が発生し、これをカソード６６から同時に除去しなければならない。そうでない場合には、電極６６が水で「溢れ」てしまう。この溢れはカソード６６へのガスの流れを妨げ、妨害し、実際に電極内で生じる全ての反応を低下するか或いは停止する。
【００１７】
好ましくは、電気伝導性エレメント７０の主面８４は、複数の頂部及び谷部を含む波形形体を持つように形成されている。頂部は複数のランド７４と対応し、これらのランドはその間に複数の谷部を画成する。これらの谷部は、溝７６と対応する。ランド及び溝７４、７６は、流体分配層６８と係合する不透過性導電性エレメント８０の主面８４全体を覆っている。燃料電池が完全に組み立てられたとき、ランド７４は流体分配層６８に押し付けられ、この液体分配層はＭＥＡ６０に押し付けられる。この表面形体は、燃料電池の反応体ガス（即ちＨ２又はＯ２）が電気伝導性エレメント７０の入口から出口側（図示せず）まで曲がりくねった経路を流れるガス流チャンネル７２の流れ場を形成する。当業者には理解されるであろうが、波形表面は、流れチャンネル７２が頂部の間でトラフ又は谷をなして形成されるように、台形、矩形、三角形、波形、又は鋸歯状を含む様々な形状を備えていてもよい。ガスは、流体分配層６８に流入し、この流体分配層６８からＭＥＡ６０にガス流チャンネル７２を介して流入する。更に、流体分配層６８は、液体をＭＥＡ６０に又はこのＭＥＡから遠ざかるように移送する。
【００１８】
燃料電池での代表的な水管理は、生成水を除去するのにガスの循環を使用する。流体分配層６８が疎水性であるため、水は流体分配層６８から流れチャンネル７２内に強制的に出される。高速ガス流が液体を同伴するか或いは、ガス流が飽和していない場合には液体を蒸発させ、及びかくして燃料電池の外に移送する。好ましい燃料電池は、ガス及び液体の両方を電極６４、６６に又はこれらの電極から移送するため、電極６４、６６と隣接した多孔質流体分配層６８を有する。カソード６６の場合には、流体分配層６８は生成水を電極６６から遠ざかるように引き出す。生成水の除去は、ガス流チャンネル７２（及び同様に流体分配層６８）を通ってカソード６６に流入し及び流出するガスが飽和していない場合に特に効果的である。
【００１９】
ＰＥＭ燃料電池の性能は、ＭＥＡ６０の水和レベルの影響を受け易いということが分かっている。多くの場合、完全に湿潤した即ち飽和したガス流を使用する。かくして、完全に湿潤したガス流により、高い導陽子性及び膜の良好な耐久性が可能になり、その結果、燃料電池の効率が向上し、ＭＥＡ６０の寿命が延びる。乾燥状態のＭＥＡ６０は、性能が大幅に低下し、寿命が短い。そのため、燃料電池システムは、一般的には、ＰＥＭ燃料電池のカソード６６に進入する乾燥した空気を湿潤するための湿潤器を含む。また、ガスが完全に飽和している場合には、液体の生成水がカソード電極６６及び流体分配層６８に溜まる傾向がある。生成水が溜まると、カソード電極６６を横切るガス状反応体に対して大きな物質移動抵抗が発生し、その結果、作動不全の可能性条件及び溢れ条件が生じ、ＭＥＡ６０を劣化する機構が発生する。
【００２０】
液体の除去は、高いガス流速度によって行ってもよい。低負荷条件（例えば始動時又は過渡条件）では、反応体の流れが少ない場合には、ガス流速度は、多くの場合、必要な液体同伴を行うには不十分である。更に、定常状態での作動中、ランド７４の上方の流体分配層６８の部分等の滞留領域に液体が溜まってしまう。こうした領域では、カソード６６の近くの水を除去するための対流ガス流がほとんど又は全くない。逆に、幾つかの領域は長期間に亘って乾燥したガスに露呈されてしまう。かくして、ＭＥＡ６０の湿潤は高度に不均等になってしまう。本発明は、燃料電池の電気伝導性エレメント７０に設けられる水管理システムを考えている。この水管理システムは、幾つかの領域において電極６６及び流体分配層６８が溢れる可能性を減少し且つ別の領域においてＭＥＡ６０の局所的乾燥を減少することによって燃料電池の作動を高めるため、水を電気伝導性エレメント７０に沿って液体分配媒体８２に及びこの媒体を通して移送することによって、電極６４、６６及び流体分配層６８からの水の除去を高める。本発明による効果的な水管理システムは燃料電池の効率を劇的に向上し且つその寿命を長くする。
【００２１】
本発明の好ましい実施例によるバイポーラプレート電気伝導性エレメント７０は、不透過性導電性エレメント８０を含み、このエレメントは、図３の第１プレート７０ａによって最も良く示してあるように、液体分配媒体８２と重ねられている。電気伝導性エレメント７０は、ＭＥＡ６０が占有する領域と一致する領域が電気的に活性であり、燃料電池のカソード６６からの導電路で電荷を導く。図３に示すように、本発明の特定の好ましい実施例では、電気伝導性エレメント７０は、第１及び第２のプレート７０ａ、７０ｂを含むバイポーラプレートアッセンブリ全体として形成されるべきであり、第１不透過性導電性エレメント（図２に示す８０等）が第２不透過性エレメント８１に取り付けられ、これらの二つの不透過性エレメント８０、８１間にクーラント流れチャンネル８３が形成される。このような実施例では、第２プレート７０ｂの第２不透過性エレメント８１は別の燃料電池のアノード（図示せず）に面する。
【００２２】
不透過性導電性エレメント８０は中実の導電性本体を含む。不透過性導電性エレメント８０は流体及びガス流の両方に対して不透過性であり、かくして幾つかの燃料電池間に、又はスタックの末端のところに物理的障壁を提供する。不透過性導電性エレメント８０は当該技術分野で周知の導体で形成されていてもよい。これらの導電性材料には、例えばアルミニウム、チタニウム、ステンレス鋼等の金属、及びこれらの合金、グラファイト、Ｃ／Ｃ複合材料、又は導電性粒子の母材を持つポリマー複合材料が含まれる。不透過性導電性エレメント８０は、多くの場合、金属製であり、代表的には、できるだけ薄くしたシート（例えば約０．０５０８ｍｍ乃至０．５０８ｍｍ（０．００２インチ乃至０．０２インチ）の厚さ）で形成される。金属シートは、型押し、光エッチング（即ち光リソグラフマスクを使用したエッチング）、又は任意の他の従来の金属製造プロセスによって形成されていてもよい。別の好ましい実施例では、不透過性導電性エレメント８０は、導電性粒子がポリマー樹脂中に分散された導電性ポリマー母材で形成されていてもよい。このような樹脂には、熱硬化性樹脂及び熱可塑性樹脂が含まれる。このようなポリマー樹脂には、好ましくは、架橋した場合、硬化した場合、又は凝固した場合に水不溶性であり、燃料電池の過酷な酸化環境及び酸性環境に耐えることができる任意のポリマーが含まれる。ポリマー母材で形成された不透過性導電性エレメント８０の一例は、２００３年３月７日に出願された一般に譲渡された米国特許出願第１０／３８３、５００号に開示されている。
【００２３】
電気伝導性エレメント７０は、不透過性導電性エレメント８０に加え、主面８４に沿った液体分配媒体８２を更に含む。液体分配媒体８２は、好ましくは、水を流体分配層６８及びカソード（図２参照）から遠ざかる方向に移送する多孔質親水性層である。液体分配媒体８２は、多くの機能で役立つ。このような機能の一つは、カソード６６内に溜まった水を（及びかくして流体分配層６８の対応する領域から）排液する機能である。これにより、カソード６６及び流体分配層６８の滞留領域、例えばランド７４と接触した領域に溜まった液体を排液し、局所的溢れを阻止できる。本発明の一つの好ましい特徴は、機械的でない手段によって（即ち、液体分配媒体８２内の毛管力による毛管作用によって、外部からの圧送又は圧力を必要とせずに）、電気伝導性エレメント７０の主面８４全体に亘って水又は液体を移動でき、これによりＭＥＡ６０のカソード面に沿って及び電池内で液体を調節できるということである。液体移送の調節は、液体分配媒体８２の毛管材料内の比較的乾燥した領域と比較的湿潤した領域との間の均衡駆動力によってなされる。液体は毛管作用により、高濃度領域から低濃度領域まで液体分配媒体８２に沿って移動する。液体分配媒体８２のこのような毛管作用は、多くの場合、ガスの流れに抗して生じ、水を電気伝導性エレメント７０に亘って均等に分配し、及びかくして膜６２及びカソード電極６６のイオン−抵抗損を低下し、電池の性能を向上する。
【００２４】
液体分配媒体８２の別の好ましい特徴には、ガス−液体界面ゾーンが大きいということが含まれる。これは、ガス流チャンネル７２を覆う多孔質液体分配媒体８２の表面積のためである。かくして、液体が液体分配媒体８２内の比較的乾燥した領域に移動するとき、液体は、全体がガス流チャンネル７２内に移動し、ここで、対流ガス流の領域の大きなガス−液体界面により、蒸発又は同伴を高める。更に、親水性液体分配媒体層８２により、液体をガスから良好に分離でき、これによって、反応体を入れて生成物を出すための別々の移送経路が形成される。その結果、流体分配層６８及びカソード６６内に液体の水が存在することによる物質移動抵抗が大幅に低下する。これは、小孔の大部分が、液体の分子で塞がれているのでなく、ガス流に対して開放しているためである。かくして、液体分配媒体８２は、燃料電池へのガス反応体の進入及び燃料電池からの液体の流出の改善を容易にする。
【００２５】
本発明について選択された液体分配媒体８２は、好ましくは、液体を毛管作用で吸い上げる導電性多孔質材料である。多孔質材料は、孔径及び材料の透過性で決まる所定の交換作用吸い上げ量を有する。多孔質毛管層を流れる作用粒子の物質束（ｍ１）は、以下の式１で決まる。
【００２６】
【数１】
2007522642.tif 000003
【００２７】
ここで、Ｋ１は、液体作用流体が存在する場合の毛管層の透過性であり、ｖ１は液体の動的粘度（ｄｙｎａｍｉｃ  ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ）であり、Ｐｇはガス相の圧力であり、Ｐｃは毛管圧力であり、Ｌは移送長さである。毛管圧力（Ｐｃ）は、一般的には、多孔質材料では、以下の式２で決まる。
【００２８】
【数２】
2007522642.tif 000004
【００２９】
毛管層の透過性Ｋ１は以下の式３によって与えられる。
【００３０】
【数３】
2007522642.tif 000005
【００３１】
ここで、σは液体の表面張力であり、θｃは液体とこの液体が接触する表面との間の接触角度であり（ここで、値ゼロは、表面が液体に対して完全に親水性であるということを意味する）、ｄは孔径であり、ｓは液体の体積分率の多孔度に対する比で決まる液体飽和レベルであり、εは以下の式４
ε＝材料中の空所容積／材料の総容積（固体＋空所）
で決まる。ここで、Ａ及びＢは、毛管層を形成する孔構造及び粒子の形状と関連した定数である。式２で、ｆ（ｓ）は無次元の毛管圧力として周知であり、これはｓの関数である。図４において、球形の粒子を持つ多孔質材料について無次元の毛管圧力ｆ（ｓ）を水飽和値に対してプロットした。無次元の毛管圧力ｆ（ｓ）の値は１乃至０であり（ｓはこれと対応して０から１まで増大する）、このことは、多孔質材料が液体で完全に飽和した場合には毛管力がなくなるということを意味する。
【００３２】
式３において、括弧内の式は、液体が存在しない場合の多孔質媒体の絶対透過性を表し、ｓｎ は液体が存在する場合の多孔質媒体の相対的透過性を表す。ここで、ｎはガス−液体相互作用の効果を反映する。更に、Ｋ１及びＰｃは孔径に応じて変化し、Ｋ１は孔径が大きくなるに従って大きくなり、Ｐｃは孔径が小さくなるに従って大きくなる。わかるように、作用流体の所望の物質束を形成するのに十分に大きく、流れ場に亘るガス圧力勾配に抗して液体を流すことができる毛管圧力を発生する最適の孔径が存在する。かくして、物質束が液体分配媒体を容易に横切るようにするため、孔径は、好ましくは、毛管力によって駆動された流れによって液体を全活性領域に亘って均等に分配できる大きさである。
【００３３】
液体分配媒体８２についての孔径の選択は、流れ場に亘る圧力差の範囲で決まる。内部小孔をマイクロ孔と呼び、外部小孔をメソ孔（ｍｅｓｏｐｏｒｅｓ）と呼ぶ。本明細書中で使用されているように、「孔」及び「小孔」という用語は、メソ孔及びマイクロ孔の両方に関し、「孔径」という用語は、内部小孔の直径の大きさ及び外部小孔の直径の大きさの両方を含む平均値又は中央値に関する。平均孔径は、約０．２μｍ以上であり且つ約３０μｍ以下の半径と等しいのが好ましい。液体分配媒体８２の材料を選択することにより、作動条件中に遭遇する圧力差範囲に亘って物質束を最大量に増大するように孔径を最適化する。流れ場を横切る差圧の許容レベルは、膜６２の一体性、反応体の分圧、及びシステムの取り扱い性を含む様々なシステムパラメータで決まる。
【００３４】
更に、液体分配媒体８２の幅及び高さが物質束及び電気抵抗に影響を及ぼす。液体分配媒体８２の厚さが減少するにつれて、或いは液体分配媒体８２の長さが増大するにつれて、材料の嵩を通る水の移送が困難になっていく。孔径と層厚との間のおおよその関係を図５に示す。図５を製作する上で、燃料電池を７０℃の温度で作動し、加えられた電流密度は１．２Ａ／ｃｍ2 であり、ガスの圧力低下は１０ｋＰａ乃至３０ｋＰａで変化した。無次元の毛管圧力差は０．３であり、水飽和値ｓは０．８であり、体積分率εは０．５であった。図５は、液体分配媒体８２の所与の厚さについて、ガスの圧力低下が減少するとき、孔径の範囲が大きくなるということを示す。液体分配媒体の厚さを選択する上で、材料の厚さの評価を孔径と均衡させる（及び従って、毛管圧力及び疎水性を均衡させる）。わかるように、液体分配媒体８２について最小厚さが存在する。更に、液体分配媒体８２の厚さを選択するにあたり、孔径で決まる透過性に対して毛管圧力を最適化するのが望ましい。かくして、液体分配層を通って流れる水を最大にすることによって決定される液体分配層の厚さはδである。即ち、δは以下の式５で決まる。
【００３５】
【数４】
2007522642.tif 000006
【００３６】
式５において、Ｉは燃料電池の最大電流であり、Ｆは９６４８７Ｃ／ｍｏｌに等しいファラデー定数であり、Ｗｃはチャンネルの幅であり、Ｗｌはランドの幅であり、ＭＷH2O は、約１８ｇ／ｍｏｌに等しい水の分子量であり、ρ１は液体の密度であり、μ１は液体の粘度であり、Ｄｃはいわゆる毛管拡散係数である。作動状態中に液体を液体分配媒体８２に亘って均等に分配するという最終的な目的のため、所与の材料についての物質束に応じて、材料厚は大きな物質束量については大きくてもよく、小さな物質束量については小さくてもよい。かくして、３μｍ乃至６μｍの好ましい孔径について、１０ｋＰａのガス圧力降下に対して最小層厚は１０μｍである。本発明による電気伝導性エレメント７０の液体分配媒体８２についての好ましい厚さは、液体分配媒体８２を電気伝導性エレメントプレート７０に適用する場合には約３μｍ乃至約５０μｍである。液体分配媒体８２がプレート７０の構造の部分であるプレートの場合には、厚さは最大３ｍｍであってもよい。
【００３７】
更に、液体分配媒体８２の材料は、電気伝導性エレメントプレート７０の導電性を高めるため、比較的低い電気抵抗を持つように選択される。液体分配媒体８２は、液体分配媒体８２と流体分配層６８との間の接触抵抗を含む電気抵抗が約２５ｍΩ・ｃｍ2 を以下であるのが好ましい。かくして、液体分配媒体８２の材料を選択するプロセスで重要なファクタには、圧力が加わった状態の水を材料が効率的に移送するかどうかを示す、孔径で決まる吸い上げ性能即ち材料の液体物質移動速度（及び透過性）並びに導電性が含まれる。
【００３８】
本発明の好ましい実施例では、液体分配媒体８２は流体分配層６８と接触している。流体分配層６８は、液体分配媒体８２と接触した第２側部９２とは反対側の第１側部９０がカソード６６（即ち電極）と接触している。流体分配層６８は、好ましくは、液体分配媒体８２に関して比較的疎水性であるように処理を施した多孔質材料である。多孔質流体分配層６８は、上文中に論じたように、液体（例えば生成水）を電極６６から引き出す機能及び反応体ガスを電極６６に均等に分配し送出する機能を含む二つの機能を果たす。
【００３９】
本発明の特定の好ましい実施例では、流体分配層６８の平均孔径は、液体分配媒体８２の平均孔径よりも大きい。流体分配層６８は隣接した液体分配媒体８２よりも親水性が低い（そのため、水は流体分配層６８から液体分配媒体８２内に引き出される）。小さな孔径における毛管力が液体を液体分配媒体８２に引き込む。一つの好ましい種類の多孔質流体分配層６８は、注入成形用溶剤及びポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を含む溶液等の疎水性ポリマー溶液に浸漬した、トーレ社のカーボンペーパー等のグラファイトファイバで形成されている。このような流体分配層６８の疎水性は、代表的には、触媒層の疎水性よりも低い。
【００４０】
生成水は、親水性勾配が増大するため、カソード６６から分配層６８に進入する。流体分配層６８の第２側部９２は、親水性が更に高い液体分配媒体８２と隣接して配置されている。この液体分配媒体は水を流体分配層６８から更に引き出す。親水性勾配に基づいて、水がカソード電極６６から液体分配媒体８２内に送られる。以下に更に詳細に論じるように、本発明の好ましい実施例では、液体分配媒体８２は親水性を賦与するように処理してある。本発明の好ましい実施例では、液体分配媒体８２は液体を流体分配層６８から迅速に引き出すため、孔径が小さく且つ親水性が大きいように設計されている。
【００４１】
図２及び図３に示すように、本発明による電気伝導性エレメント７０の一つの好ましい実施例は、ＭＥＡ６０の電気的に活性の領域と対応する電気伝導性エレメント７０の主面８４のほぼ全てを覆う液体分配媒体８２を有する。不透過性導電性プレート８０は、ランド及び溝７４、７６でできた流れ場を形成する。これは、ガスが出入りできるガス流チャンネル７２を形成する。液体分配媒体８２は不透過性導電性プレート８０と重なる主面８４に沿って一つの層を形成し、液体分配媒体８２はランド及び溝７４、７６の上を延びている。この実施例では、液体分配媒体８２は流体分配層６８と接触する導体の表面積を増大することによって電気的接触領域を増大する。更に、液体分配媒体８２は、ランド７４と対応する領域で流体分配層６８と接触することにより、ランド７４に亘って集められた液体の引出しを高める。上文中に論じたように、大表面積の多孔質液体分配媒体８２のライニングにより、ガス−液体界面もまた、ガス流れチャンネル７２内で増大する。かくして、液体は流体分配層６８から多孔質材料へ及びこの材料を通して液体濃度の低い領域に引き込まれる。液体濃度の低い領域は、多孔質材料上を通過するガスとの相互作用で液体が蒸発する領域で起こり易い。
【００４２】
図６及び図７に示す本発明の一つの別の好ましい実施例では、電気伝導性エレメントプレート７０’はガス流れチャンネル７２だけが液体分配媒体８２’で覆われている。下側の不透過性導電性プレート８０’にはランド７４’及び溝７６’が形成されており、溝７６’と対応するガス流れチャンネル７２を持つ流れ場を形成する。この実施例では、液体分配媒体８２’は溝７６’又はガス流れチャンネル７２と対応する領域を覆っている。かくして、不透過性導電性プレート８０’のランド７４’は覆われていないままであり、流体分配層６８と直接接触する。液体分配媒体８２’は、その末端９６のところが流体分配層６８と接触しており流体分配層６８から来入する液体用の移送路を形成する。この実施例は、水を流体分配層６８から引き込んでその材料自体内の乾燥した領域に及び／又はガス流れチャンネル７２を通って流れる通過ガス流中に再分配する。この実施例では、導電路は、流体分配層６８からコレクタバイポーラ導電性プレート８０’に直接繋がっており、液体分配媒体８２’は導電性である必要がない。
【００４３】
図８に示す本発明の別の好ましい実施例では、ガス流れチャンネル７２は、電気伝導性エレメント７０’’の液体分配媒体８２’’の本体内にのみ形成されている。電気伝導性エレメント７０’’は、平らな不透過性導電性プレートエレメント８０’’を更に含む。電気伝導性エレメント７０’’は、更に、平らな不透過性導電性プレート８０’’と重なって比較的厚い層を形成する液体分配媒体８２’’を更に含む。ランド７４’’及び溝７６’’が液体分配媒体８２’’内に形成され、液体分配媒体８２’’内に流れ場入口を形成するガス流れ場チャンネル７２を形成する。かくして、流体分配層６８から液体分配媒体８２’’の嵩を通って導電性不透過性プレート８０’’への導電路が形成される。
【００４４】
図９には、本発明による更に別の好ましい実施例が示してある。電気伝導性エレメント７０’’’は液体分配媒体８２’’’を重ねた不透過性導電性プレートエレメント８０’’’を含む。液体分配媒体８２’’’は、多数の導電性多孔質材料層９８を含む。かくして、図９に示す実施例では、液体分配媒体８２’’’は二層構造であり、上文中に論じた好ましい液体分配媒体材料から形成された第１層１００及び第２層１０２を含む。本発明の一つの好ましい特徴には、親水性が比較的高い第１層１００及び親水性が低い第２層１０２を形成できるということが含まれる。更に、液体分配媒体８２’’’を多数の層９８から形成することによる別の利点は、各層９８の孔径を変えることができるため、液体分配媒体８２’’’に亘って所定の多孔度勾配を形成できるということである。かくして、好ましい実施例では、流体分配層６８と接触する第１層１００は、毛管圧力を高めるため、孔径が小さい。例えば、第１層１００の平均孔径は、約０．２μｍ乃至約１０μｍである。流体分配層６８と接触しない第２層１０２は孔径が比較的大きくてもよく、例えば約１０μｍ乃至約３０μｍである。かくして、第２層１０２は透過性が第１層１００に関して高く、これにより毛管吸い上げ速度及び物質移送が大きくなり、液体分配媒体８２’’’内での液体の更に迅速な再分配を容易にする。当業者には理解されることであろうが、ＭＥＡ６０及び流体分配層６８からの液体の除去を高めるため、様々な物理的特性を持つ多数の層９８を本発明の液体分配媒体８０’’’内で使用できる。
【００４５】
図２に示す実施例等の特定の上述の実施例では、例えば、従来の流れ場が電気伝導性エレメント１０２にアノード側６４に沿って形成され、そこで上流体分配層６８が電気伝導性エレメント１０２に形成されたランド１０４と接触する。本発明の他の好ましい変形例では、本発明による電気伝導性エレメントは、図８及び図１０に示すように、ＭＥＡ６０のアノード側６４並びにカソード側６６の両方に設けられていてもよい。しかしながら、膜６２を通した後方拡散により或る程度の液体の水がアノード６４側に溜まる。この水を再分配することは、燃料電池の性能及び耐久性を向上する上で有利である。上文中に説明した実施例では、電気伝導性エレメント７０は、液体の水を集めてカソード６６に沿った乾燥した領域に再分配し、ＰＥＭ６２を湿潤し、水をガス流中に蒸発し且つ同伴し、液体を燃料電池から流れチャンネル７２を介して除去するための液体分配媒体８２を含む。アノード６４に沿ったＰＥＭ６２の湿潤は一般的には十分である。これは、代表的な膜６２の厚さ（代表的な厚さは約１５μｍ乃至５０μｍである）のため、水蒸気が膜６２の両側を濡らすのが妨げられないためである。しかしながら、アノード６４に沿って湿潤又は水管理を追加に行う必要がある場合には、従来の電気伝導性エレメント（図２の１０２等）をアノード６４に設ける代わりに、液体分配媒体８２を含む二つの電気伝導性エレメント７０をアノード側６４及びカソード側６６の両方と夫々隣接して配置してもよい。
【００４６】
かくして、アノード及びカソード６４、６６の両方が、液体分配媒体８２及び導電性不透過性プレート８０を含む本発明による電気伝導性エレメント７０を有する。更に、二つの流体分配層６８が、好ましくは、ガスを均等に分配するため、電気伝導性エレメントバイポーラプレート７０とアノード及びカソード６４、６６の夫々との間に配置される。本発明では電気伝導性エレメントプレート７０はどのような形体であってもよく、アノード及びカソード６４、６６は、液体分配媒体８２を持つ電気伝導性エレメント７０の同じ又は異なる実施例であってもよい。図１０に示すように、液体分配媒体８２の形体は、カソード６６についての図２にだけ示す実施例と同様である。
【００４７】
本発明による電気伝導性エレメント７０は、様々な方法で製造又は形成できる。このような方法の一つは、主面８４に導電性多孔質ポリマー製液体分配媒体８２を重ねた不透過性導電性エレメント８０を提供する方法である。透過性導電性エレメント８０は、導電性の金属又は導電性複合材料で形成されていてもよい。上文中に論じたように、不透過性導電性プレート８０には、液体分配媒体８２の適用前にランド及び溝７４、７６が形成されており、電気伝導性エレメント７０を形成するためのこの実施例によれば、流れ場が予め形成されているのが好ましい。液体分配媒体８２の前駆物質は、例えば塩等の小孔形成成分をポリマー溶液と混合することによって形成される。好ましくは、小孔形成成分である塩をポリマー溶液と均質に完全に混合する。これは、約０．２μｍ乃至１０μｍの粒径を有する。
【００４８】
更に、特定の好ましい実施例では、液体分配媒体８２は導電性であるが、その他の好ましい実施例では、液体分配媒体８２は導電性を必要としない（図６及び図７に示す実施例等）。液体分配媒体８２が導電性であることを必要としないこのような形体では、液体分配媒体８２を適用するときにランド７４をマスクする。導電性が必要とれる実施例では、液体分配媒体８２の前駆物質混合物に導電性粒子を加える。これらの導電性粒子により、ポリマー液体分配媒体８２を通した導電性を可能にできる。このような導電性粒子には、ポリマー母材に亘って分散された導電性粒子（即ち約５０μｍ以下）を含んでいてもよい。代表的には、このポリマー母材は固形分を約１５％乃至約８０％含有する。パーセンテージは、特定の実施例の層の強度及び導電性の必要条件で決まる。
【００４９】
導電性粒子は、金、プラチナ、グラファイト、カーボン、ニッケル、導電性金属の硼化物、窒化物、炭化物（例えばチタニウムナイトライド、チタニウムカーバイド、チタニウムジボライド）、クロム及び／又はニッケルを含むチタニウム合金、パラジウム、ニオブ、ロジウム、希土類金属、及び他の貴金属からなる群から選択される。更に好ましくは、粒子はカーボン又はグラファイト（即ち結晶炭素）を含む。粒子は、ポリマー自体の導電性（必要とされる導電性の程度を決める）及び粒子の密度及び導電性（即ち導電性が高く且つ密度が低い粒子を低い重量％で使用できる）に応じて、液体分配媒体８２を形成するポリマー母材の様々な重量％を占める。カーボン／グラファイトを含む導電性ポリマーコーティングは、代表的には、カーボン／グラファイト粒子を２５重量％乃至５０重量％含有する。本発明で有用な好ましいポリマーには、例として、ポリプロピレン、ポリエチレン、エポキシ、シリコーン、ポリアミド−イミド、ポリフェノール、フルオロエラストマー（例えばポリビニリデンフルオライド）、ポリエステル、フォノキシ−フェノール樹脂、エポキシド−フェノール樹脂、アクリル樹脂、尿素樹脂が含まれる。
【００５０】
液体分配媒体８２の前駆物質の混合物を不透過性導電性エレメント８０の主面８４に当該技術分野で周知の任意の方法で、例えばスプレーコーティング又はドクターブレードによって適用する。液体分配媒体８２の前駆物質混合物を適用した後、主面８４を処理し、多孔質液体分配媒体８２を形成する。適当な処理は、前駆物質混合物内で選択された小孔形成成分で決まる。例えば、一つの好ましい小孔形成成分は、水に溶解した硝酸ナトリウム等の溶剤に溶解した塩である。液体分配媒体８２の前駆物質を適用した電気伝導性エレメント７０を材料内の塩粒子が実質的に溶解されて除去される程度まで水で洗浄する。溶解した小孔形成成分は、こうした成分が液体分配媒体層８２内で占有していた領域に空所即ち開放した小孔を残し、かくして材料に多孔質の性質を与える。
【００５１】
液体分配媒体８２に多孔質の性質を与える他の方法では、熱を加えたときに分解してガスを発生するように小孔形成成分を選択する。こうした成分は、例えば、重炭酸アンモニウムである。放出されたガスが材料内への穴を破り、これにより多孔質構造を形成する。液体分配媒体８２の前駆物質を処理して多孔質の性質を与えた後、熱を加えてポリマー構造を硬化させることにより電気伝導性エレメント７０を更に処理し、これを不透過性プレート８０の主面８４に永久的に取り付ける。下にある腐蝕し易い基材に耐蝕性を提供する不透過性コーティングを製造する上で、架橋させたポリマーが好ましい。一般的には硬化又は架橋は加熱によって行われる。例えば重炭酸アンモニウム等の気化する小孔形成成分塩の場合には、硬化を行うために加熱すると、この熱が塩に加えられ、塩を分解し気化する。好ましい硬化温度は、一般的には、約１５０℃乃至約３００℃である。
【００５２】
本発明の特定の好ましい実施例では、液体分配媒体８２は、熱処理によって材料に追加の親水性を加えることができる。これは蝕刻剤で処理することによって行ってもよいし、高温で加熱することによって行ってもよい。更に、このような処理には、化学蒸着法（ＣＶＤ）、物理蒸着法（ＰＶＤ）、又は他の電着方法が含まれ、こうした方法を使用して立体的多孔質構造をコーティングする。ＣＶＤ及びＰＶＤは、様々な導電性基材をコーティングする上で有用な周知の方法である。付着したコーティングは、自動プロセスでほとんど廃棄物を出さずに手早く付着できるため、及び基材に実質的に均等に付着させることができるため、特に有利である。ＣＶＤは、本発明による液体分配媒体８２について好ましい方法と同様に、基材等の複雑な凹所を備えた表面を持つ基材について好ましい。多孔質液体分配媒体８２は、露呈された表面から内方に所望深さまで、親水性コーティングでコーティングされていてもよい。このような導電性コーティングには、金属酸化物、ドーピングしら金属酸化物、又は金、ニオブ、又はプラチナ等の他の貴金属及びその合金が含まれる。
【００５３】
電気伝導性エレメント７０を形成するための本発明による別の好ましい方法では、液体分配媒体８２は、焼結した多孔質金属コーティングで形成されている。不透過性導電性エレメント８０は、好ましくは導電性金属で形成されており、液体分配媒体８２を適用する前にランド７４及び溝７６が形成してある。型押し又はコイニングによって流れチャンネル８２を形成するのが好ましい。ポリマーバインダーを金属粒子と混合することによって、金属粒子スラリー又は液体分配媒体８２先駆物質を形成する。好ましくは、金属粒子スラリー中で金属粒子をポリマーと均等に混合する。金属粒子の粒径は、約５μｍ乃至３０μｍである。金属粒子スラリーを不透過性導電性プレート８０の主面８４に適用する。次いで、好ましくは約２０４．４℃乃至１０９３．３℃（約４００0F乃至約２０００0F）の温度で加熱することによって電気伝導性エレメント７０全体を焼成する。この温度では、バインダーは熱により蒸発し、除去され、金属粒子が互いに並びに下側の不透過性プレートに焼結し、多孔質金属液体分配媒体層８２を形成する。本発明で有用な導電性金属粒子には、ニオブ、金、プラチナ、タンタル、及びその合金、並びにステンレス鋼（例えばＳＵＳ３１６）又はインコネル（例えばインコネル６０１）等の他の合金が含まれる。本発明用のバインダーとして有用なポリマーの一つの非限定的例には、フェノール樹脂が含まれる。商業的に形成でき且つ入手できる網状多孔質金属フォームコーティングの一例は、ノースカロライナ州ヘンダーソンのポルヴェイア燃料電池技術社からメットポア（メットポア（Ｍｅｔｐｏｒｅ）は登録商標である）の商標で販売されている。これは本発明で有用である。
【００５４】
本発明の別の好ましい実施例では、電気伝導性エレメント７０の多孔質液体分配媒体８２は、金網、布、メッシュ、フォーム、等によって形成される。不透過性電気伝導性プレートは、好ましくは、シムストック（ｓｈｉｍｓｔｏｃｋ）等の導電性金属プレートで形成される。例えば、互いに結合された多数の材料層によって形成されていてもよい金属メッシュ又はスクリーンを不透過性プレート８０の主面上に置く。スクリーンを不透過性導電性プレート（例えばシムストック）８０に、好ましくは拡散結合等のプロセスで取り付ける。導電性金属スクリーンは多孔質流体分配層８２を形成する。本発明の好ましい実施例では、次いで、主面８４に沿って流れ場を形成するランド７４及び溝７６を、流れ場パターンダイで型押しによって形成する。更に、導電性液体分配媒体８２を含む電気伝導性エレメント７０を形成する本方法は、上文中で図９と関連して説明した方法のように、多孔度及び親水性が異なる二つ又はそれ以上の多数の層（三つ又はそれ以上の別個の層を含む）を持つ形体に特に適している。更に、本方法に従って形成された電気伝導性エレメント７０を、その後、上文中に論じたようにＣＶＤ処理により親水性コーティングを付着すること等によって処理し、液体分配媒体８２の親水性を高めるのが好ましい。
【００５５】
液体分配媒体８２を含む電気伝導性エレメント７０の別の好ましい形成方法は、不透過性導電性エレメント８０の主面を処理して表面の粗さを高める工程を含む。このような実施例では、電気伝導性エレメント７０の不透過性導電性エレメント８０は、好ましくは金属である。水を主面８４に引き付けてこれに沿って移送する高い表面エネルギを持つように表面８４を処理し、表面積即ち粗さを高める。本発明による好ましい方法では、溝７６（流れチャンネル７２）を例えば光リソグラフエッチング等によって蝕刻する。次いで、強力な蝕刻剤によって表面を二度蝕刻し、所望レベルの表面粗さを形成する。当業者には理解されるであろうが、金属基材の表面処理に様々な蝕刻剤を使用できる。本発明で有用な好ましい非限定的蝕刻剤には、ｐＨが３以下の、更に好ましくはｐＨが１以下の有機酸及び無機酸が含まれる。本発明による特に好ましい非限定的蝕刻剤には、硫酸、硝酸、弗化水素酸、塩化鉄、及びこれらの混合物が含まれる。次いで表面８４を粒子でブラストし、必要な表面粗さを形成する。ブラストに使用できる粒子の非限定的リストには、砂、ガラス、プラスチックビード（例えばポリマービード）、又はナッツの殻が含まれる。かくして、荒らした表面は主面８４に沿って液体分配媒体８２を形成する。荒らした表面をＣＶＤ、エッチング、又は焼成によって求電子コーティングを付着すること等によって更に処理し、親水性を高める。
【００５６】
本発明は、燃料電池の電極に沿って、更に詳細にはカソード側に沿って改良水管理システムを提供する。本発明の電気伝導性エレメントは、自動調節水管理システムを提供する液体分配媒体を含み、カソード側では、水が液体分配媒体内で分配され、液体分配媒体を通過するガスによって蒸発され又は同伴される。かくして、本発明による水管理システムは、電極及び流体分配層からの液体の水の除去を高め、気化及び同伴により水の除去を容易にすることにより溢れをなくす。高められた水管理特性には、液体濃度が低い領域への水の物質移送を上昇することが含まれる。これにより燃料電池の作動効率が高くなり、電気抵抗損が低くなる。更に、本発明によるバイポーラプレートエレメントの水管理システムは、ＰＥＭ膜の湿潤を均等にし、これにより膜の耐久性が向上し、寿命が長くなる。
【００５７】
本発明の説明は単なる例示であり、かくして本発明の要旨から逸脱しない変更は本発明の範疇に含まれる。このような変更は、本発明の精神及び範囲から逸脱するものとは考えられない。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】液冷式ＰＥＭ燃料電池スタックの二つの電池の概略図である。
【図２】本発明の一つの好ましい実施例を示す、一方が液体分配媒体及び不透過性導電性プレートを含む二つの導電性エレメント間に挟まれた膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）の図１の２−２線に沿った部分断面図である。
【図３】二つの導電性プレートが互いに取り付けられ、これらのプレートのうちの一方が不透過性導電性プレート及び液体分配媒体を含む、例示の電気伝導性エレメント（バイポーラプレートアッセンブリ）の部分斜視図である。
【図４】多孔質材料についての水飽和値に対する無次元の毛管圧力を示すグラフである。
【図５】燃料電池の多孔質液体分配媒体についての孔径に対する層厚を示すグラフである。
【図６】不透過性導電性プレートの主面に沿って形成されたランド及び溝の両方を含む流れ場の溝と対応する領域に沿って液体分配媒体が配置された、本発明の電気伝導性エレメントの別の好ましい実施例を示す部分断面図である。
【図７】ランド及び溝を含む流れ場の溝と対応する領域に沿って液体分配媒体が配置された、図６に示す電気伝導性エレメントの実施例の部分斜視図である。
【図８】ランド及び溝を含む流れ場が液体分配媒体の本体に形成された液体分配媒体層及び不透過性導電性プレートを含む二つの電気伝導性エレメントを持つＭＥＡのアノード及びカソードの両方を示す、本発明の一つの好ましい実施例の部分断面図である。
【図９】電気伝導性エレメントが二層液体分配媒体及び不透過性導電性プレートを含む、本発明の一つの好ましい実施例の部分断面図である。
【図１０】液体分配媒体及び不透過性導電性プレートを含む電気伝導性エレメントを夫々有するＭＥＡのアノード及びカソードの両方を示す、本発明の別の好ましい実施例の部分断面図である。
【符号の説明】
【００５９】
６０  ＭＥＡ
６２  ＰＥＭ
６４  アノード
６６  カソード
６８  流体分配層
７０  電気伝導性エレメント
７０ａ  上エレメントプレート
７０ｂ  下エレメントプレート
７２  ガス流チャンネル
７４  ランド
７６  溝
８４  主面
【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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