(57)【要約】【課題】従来の多孔質炭素の燃料電池用拡散材料は、電極からの水分除去を促進するために疎水性物質により処理されていたが、拡散材料内に大きい水滴が生成され易い。【解決手段】電気化学燃料電池は、カソード面と、アノード面とを有する膜電極接合体（ＭＥＡ）を備える。カソード面とアノード面とはカソード流体フローフィールドプレートと、アノード流体フローフィールドプレートとの間に配され、流体フローフィールドプレートの各々は、それぞれＭＥＡのカソード面とアノード面に対向する第１の面に流体輸送通路を有する。ＭＥＡと各流体フローフィールドプレートとの間にディフュージョン構造を備える。ディフュージョン構造は、第１の面と第２の面を有し、第１の面はＭＥＡと接触するか隣り合い、第２の面は各流体フローフィールドプレートと接触するか隣り合う。ディフュージョン構造は、各流体フローフィールドプレートと隣り合う第１の層と第２の層を有し、第１の層は第２の層と比較して相対的に高い浸透性を有し、第２の層は第１の層よりも高い剛性を有する支持層である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学的燃料電池であって、
カソード流体フローフィールドプレートとアノード流体フローフィールドプレートとの間に配された、カソード面及びアノード面を有する膜電極接合体（ＭＥＡ）を備え、前記流体フローフィールドプレートの各々は、それぞれ前記ＭＥＡの前記カソード面又は前記アノード面に対向する第１の表面に流体輸送通路を有し、
前記ＭＥＡと前記各流体フローフィールドプレートとの間にディフュージョン構造を備え、前記ディフュージョン構造は、第１の面と第２の面を有し、前記第１の面は前記ＭＥＡと接触あるいは隣り合い、前記第２の面は前記各流体フローフィールドプレートと接触あるいは隣り合い、前記ディフュージョン構造は第１の層と第２の層を有し、前記第１の層は第１の疎水性程度（level of hydrophobicity）を有し、前記第２の層は前記第１の疎水性程度よりも相対的に親水性の第２の層であり、前記第２の層は前記各流体フローフィールドプレートに隣り合う、電気化学的燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の電気化学的燃料電池であって、前記第２の層は親水性表面エマルジョンで処理されたディフュージョン構造の一部を含む、電気化学的燃料電池。
【請求項３】
請求項２に記載の電気化学的燃料電池であって、前記ディフュージョン構造はカーボンペーパーから形成され、前記第２の層はポリ酢酸ビニルにより含浸された前記カーボンペーパーを含む、電気化学的燃料電池。
【請求項４】
請求項１に記載の電気化学的燃料電池であって、前記ディフュージョン構造は、前記第１の層と前記第２の層とに挟まれる第３の層を有し、前記第３の層は前記第２の層よりも高い剛性を有する、電気化学的燃料電池。
【請求項５】
請求項４に記載の電気化学的燃料電池であって、前記第３の層は前記第１の層よりも高い剛性を有する、電気化学的燃料電池。
【請求項６】
請求項４または５に記載の電気化学的燃料電池であって、前記ディフュージョン構造は、前記第１の層と前記ＭＥＡとに挟まれる第４の層を有し、前記第４の層は導電性粒子と構造バインダとの混合物で処理されたディフュージョン構造の一部を有する、電気化学的燃料電池。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の電気化学的燃料電池であって、前記ＭＥＡの前記カソード面と前記カソード流体フローフィールドプレートとに挟まれた、第１の前記ディフュージョン構造を有する、電気化学的燃料電池。
【請求項８】
請求項７に記載の電気化学的燃料電池であって、前記ＭＥＡの前記アノード面と前記アノード流体フローフィールドプレートとに挟まれた、第２の前記ディフュージョン構造を有する、電気化学的燃料電池。
【請求項９】
電気化学的燃料電池であって、
カソード流体フローフィールドプレートとアノード流体フローフィールドプレートとの間に配された、カソード面及びアノード面とを有する膜電極接合体（ＭＥＡ）を備え、前記流体フローフィールドプレートの各々は、それぞれ前記ＭＥＡの前記カソード面又は前記アノード面に対向する第１の面に流体輸送通路を有し、
前記ＭＥＡと前記各流体フローフィールドプレートとの間にディフュージョン構造を備え、前記ディフュージョン構造は、第１の面と第２の面を有し、前記第１の面は前記ＭＥＡと接触し、前記第２の面は前記各流体フローフィールドプレートと接触し、前記ディフュージョン構造は、前記各流体フローフィールドプレートと隣り合う第１の層と第２の層を有し、前記第１の層は前記第の層と比較して相対的に高い浸透性を有し、前記第２の層は前記第１の層よりも高い剛性を有する支持層である、電気化学的燃料電池。
【請求項１０】
請求項９に記載の電気化学的燃料電池であって、前記第１の層は前記第２の層と比べて相対的に親水性である、電気化学的燃料電池。
【請求項１１】
請求項９に記載の電気化学的燃料電池であって、前記支持層は、最大剛性が、前記各流体フロープレート内の流体輸送通路を横断する方向となる二軸面内剛性を有する、電気化学的燃料電池。
【請求項１２】
請求項９〜１１のいずれかに記載の電気化学的燃料電池であって、前記ＭＥＡの前記カソード面と前記カソード流体フローフィールドプレートとに挟まれた、第１の前記ディフュージョン構造を有する、電気化学的燃料電池。
【請求項１３】
請求項９〜１１のいずれかに記載の流体フロープレートであって、前記ＭＥＡの前記アノード面と前記アノード流体フローフィールドプレートとに挟まれた、第１の前記ディフュージョン構造を有する、流体フロープレート。
【請求項１４】
添付図面に基づき実質的に記載される電気化学的燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、特に、水素を燃料電池のアノード側に供給し、酸素を燃料電池のカソード側に供給し、燃料電池のカソード側において水が生成され移動する、陽イオン交換膜型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
そのような燃料電池は、２つの多孔質電極によって挟まれた陽イオン交換膜（ＰＥＭ）を有し、一体となった膜電極接合体（ＭＥＡ）を有する。ＭＥＡ自体は従来、（ｉ）ＭＥＡのカソード面に隣り合う第１の面を有するカソードディフュージョン構造と、（ｉｉ）ＭＥＡのアノード面に隣り合う第１の面を有するアノードディフュージョン構造とによって挟まれる。アノードディフュージョン構造の第２の面は、アノード流体フローフィールドプレートと接触して、電流収集と、アノードディフュージョン構造の第２の面へ水素の配送とを行う。カソードディフュージョン構造の第２の面は、カソード流体フローフィールドプレートと接触して、電流収集と、カソードディフュージョン構造の第２の面へ酸素の配送と、ＭＥＡからの過剰水の抽出とを行う。アノード及びカソード流体フローフィールドプレートはそれぞれ、従来より、剛体であり、各ディフュージョン構造と隣り合う表面に流体フローチャンネルを有する導電性材料を含む。その流体フローチャンネルにより燃料ガス（例えば水素と酸素）と排出ガス（例えば使用されない酸素と水蒸気）とを移動させる。
【０００３】
燃料電池の運転の際に十分に考慮すべきことは、ＭＥＡ内部の水分管理である。ＰＥＭ燃料電池の運転時に、水素と酸素との反応による生成水がＭＥＡの触媒層側に生成される。酸素をＭＥＡのカソード面へ輸送すると同時に、この水分を、カソードディフュージョン構造を介してＭＥＡから排出する必要がある。しかしながら、セルの内部電気抵抗を許容限界内に保つために、ＭＥＡが適切な水分量をもつこともまた重要である。ＭＥＡの加湿管理を失敗すると、ホットスポット及びセル破損及び／又はセル出力性能の劣化をまねく。
【０００４】
先行技術は、ディフュージョン構造の機能を改善するための数多くの方法を認めている。
例えば、米国特許6,605,381が開示するものは、流体フローフィールドプレートとＭＥＡ表面とで挟まれるディフュージョン構造であり、そのディフュージョン構造ではＭＥＡの鉛直方向に対するガス透過率について勾配をもつ。そのディフュージョン構造は、積層または連続的変化可能媒体を含み、ガス透過率は流体フローフィールドプレートからＭＥＡに近づくに従い高くなる。この方法では、ＭＥＡの水分量は、ＭＥＡの全面にわたり均一に均衡を保っている。
【０００５】
別の例では、米国特許6,350,539が開示するものは、流体フローフィールドプレートとＭＥＡ表面とで挟まれる多層カソードディフュージョン構造であり、その多層カソードディフュージョン構造は、（ｉ）ＭＥＡと隣り合う、ＭＥＡからの水分吸収を促進する相対的低疎水性の吸収層と、（ｉｉ）中疎水性のバルク層と、（ｉｉｉ）流体フローフィールドプレートと隣り合う、ディフュージョン構造から流体フローフィールドプレートへの水分脱着を促進する相対的高疎水性の脱着層と、を有する。この方法では、ＭＥＡから排出部までの水分移動が促進される。
【０００６】
ＷＯ０３／０３８９２４は、温度などある誘因条件に関して空隙が変化する多孔質のディフュージョン構造を開示する。この方法では、燃料及び／又は水をセル内に不均一に供給するときに生じるホットスポットが誘因となり、変化に対抗して多孔質の空隙が変形する。
【０００７】
米国特許6,451,470が開示するディフュージョン構造は、拡散材料の１層に、そのディフュージョン材料の層の一部を介して充填剤を供給されており、その充填剤は、酸素の拡散係数を十分に保ちつつ構造全体にわたり水の拡散係数を抑制し、それによって反応酸素の適切な供給を確保すると同時にＭＥＡからの水分の過剰輸送を提供（present）する。
【０００８】
先行技術は概して、疎水性の拡散媒体の利用を提示する。疎水性の拡散媒体とはすなわち、米国特許6,350,539の場合は、少なくともカソード流体フローフィールドプレートとの接触面において高い疎水性をもつ可変疎水性であり、その接触面で流体フローチャンネルへの脱着を促す。
【０００９】
従って、ほとんどの多孔質炭素の燃料電池用拡散材料は、電極の触媒層からの水分除去を促進するために、ＰＴＦＥまたは類似の疎水性物質により処理される。しかしながら、この処理によって実際は、カソード流体フローフィールドプレートに隣り合うまたは付近に存在する拡散材料の中に、大きい水滴が生成されやすくなることを、発明者らは見出した。カソード流体フローフィールドプレートに隣り合うまたは付近に存在する生成水が大きな水滴を形成すると、燃料電池の運転には有害となる。
【００１０】
「閉じた」燃料電池のカソードでは、カソード流体フローフィールドプレートは周囲空気にさらされていない。水滴が存在することにより、圧縮空気あるいは酸素注入口と出口（排気口）との間の圧力低下が極めて大きくなる。これによりシステムの寄生エネルギー損失が高くなる。「開いた」燃料電池のカソードでは、カソード流体フローフィールドプレートは、周囲空気にさらされており、通常は軸流ファン又は遠心ファンなどスタック冷却と酸素供給の２つの機能を備える低圧空気源の助力を受ける。この構成では、カソードディフュージョン構造内部と流体フロープレートチャンネル内部とにおける水滴の形成により、酸素輸送が隣り合う電極部に制限されて、チャンネルは完全に遮断されることとなる。
【００１１】
連続的に接続された複数のセルを有する燃料電池を形成する際に、燃料セルの層に非常に高い圧密荷重を与えることによるディフュージョン構造に関連して、他にも課題がある。ＭＥＡ層と、ディフュージョン構造と、流体フローフィールドプレートとの間の十分な物理的及び電気的接続を確保するために、また、関連するガスケット又はシールリングに十分な気密性を与えるために、燃料電池スタックの様々な層に高い荷重をかけて圧縮する。結果として、ディフュージョン構造の圧縮異常部が、カソード流体フローフィールドプレートの表面にあるチャンネルの間の「島」あるいは「リブ」領域に集中する。局所的な圧縮により、チャンネル間のディフュージョン構造の拡散係数は局所的に小さくなる。これにより流体フローフィールドプレートへ適度に水分を拡散する能力は低下せざるを得ない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本願の目的は、先行技術のディフュージョン構造に存するいくつか又は全ての課題を解決する、改良されたディフュージョン構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
一つの態様によると、本発明が提供するものは電気化学的燃料電池であって、
カソード流体フローフィールドプレートと、アノード流体フローフィールドプレートとの間に配されたカソード面及び、アノード面を有する膜電極接合体（ＭＥＡ）を備え、前記流体フローフィールドプレートの各々は、それぞれ前記ＭＥＡの前記カソード面又は前記アノード面に対向する第１の表面に流体輸送通路を有し、
前記ＭＥＡと前記各流体フローフィールドプレートとの間にディフュージョン構造を備え、前記ディフュージョン構造は、第１の面と第２の面を有し、前記第１の面は前記ＭＥＡと接触あるいは隣り合い、前記第２の面は前記各流体フローフィールドプレートと接触あるいは隣り合い、前記ディフュージョン構造は第１の層と第２の層を有し、前記第１の層は第１の疎水性程度（level of hydrophobicity）を有し、前記第２の層は前記第１の疎水性程度よりも相対的に親水性の第２の層であり、前記第２の層は前記各流体フローフィールドプレートに隣り合う。
【００１４】
他の態様によると、本発明が提供するものは電気化学的燃料電池であって、
カソード流体フローフィールドプレートと、アノード流体フローフィールドプレートとの間に配されたカソード面及びアノード面を有する膜電極接合体（ＭＥＡ）を備え、前記流体フローフィールドプレートの各々は、それぞれ前記ＭＥＡの前記カソード面又は前記アノード面に対向する第１の面に流体輸送通路を有し、
前記ＭＥＡと前記各流体フローフィールドプレートとの間にディフュージョン構造を備え、前記ディフュージョン構造は、第１の面と第２の面を有し、前記第１の面は前記ＭＥＡと接触し、前記第２の面は前記各流体フローフィールドプレートと接触し、前記ディフュージョン構造は、前記各流体フローフィールドプレートと隣り合う第１の層と第２の層を有し、前記第１の層は前記第２の層と比較して相対的に高い浸透性を有し、前記第２の層は前記第１の層よりも高い剛性を有する支持層である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１に、燃料電池のカソード側の部分断面の概略図を示す。この燃料電池は、ディフュージョン構造１５を介し、ＭＥＡ１２へ酸素を供給すると共に、ＭＥＡ１２から水分を引き出す、複数の流体フローチャンネル又は通路１１を有する流体フローフィールドプレート１０を含む。ディフュージョン構造は、流体フローフィールドプレート１０のチャンネル１１からＭＥＡ１２へ適切な酸素を移動させ、ＭＥＡ１２から流体フローフィールドプレート１０のチャネル１１へ適切な水素を移動させることができるように、十分に多孔質で浸透性が高い構造をもつ必要がある。同時に、水分の移動が起こりすぎて、ＭＥＡ１２をドライアウトさせてはいけない。さらに、ＭＥＡ１２への、及びＭＥＡ１２からの流体の移動は、ＭＥＡ１２の表面全体にわたり作用することが理想とされる。
【００１６】
既存のディフュージョン構造１５には数多くの問題が指摘されている。前述のように、燃料電池スタックに高い圧縮負荷を与えることにより、チャンネル１１同士の間にある流体フローフィールドプレート１０のリブ１３付近において、ディフュージョン構造１５に好ましくない圧縮を与えることとなる。ディフュージョン構造１５のこのような圧縮は、圧縮密部分１６における水及び／又は酸素の拡散係数の減少をもたらし、それによって相対的な非圧縮領域１７における拡散係数の相対的増加がおこる。従ってＭＥＡ１２において水和が不規則となり、ＭＥＡの表面のガス移動条件が不規則となるため、性能が損なわれ、あるいは少なくとも全表面にわたる最適な状態は得られない。
【００１７】
実際には、スタックの際に、ＭＥＡ１２において、通路１１と隣接する部分は乾燥しており、リブ１３の下部のみが水分を十分に含むことが分っている。例えばディフュージョン構造１５の拡散係数を減少させることにより、相対的な非圧縮領域１７付近におけるＭＥＡ１２の水和量を適度に保とうとするとき、密部分１６の付近に過剰水１８が蓄積することが分かる。このため小水滴形成とフラッディングが起こり、結局はカソード流体フローフィールドプレートチャンネル１１を閉塞することとなる。これにより、例えばスタックの停止及び除湿などが必要となり、必然的に出力損失が起こり、燃料電池の有効性に重大な問題をもたらす。
【００１８】
図２を参照すると、多層ディフュージョン構造２０の利用により数多くの有益な特徴が得られる。好ましい実施例において、ディフュージョン構造２０は４層構造を有し、その４層は互いに異なる特性をもつ。ディフュージョン構造２０は第１の面２１と、第２の面２２とを有する。第１の面２１は流体フローフィールドプレート１０に接触するか又は隣り合い、第２の面２２はＭＥＡ１２に接触するか又は隣り合う。ディフュージョン構造２０は一般的に、複数の炭素繊維材料の層を含む。複数の炭素繊維材料の層は、後述するその他の物性のみならず、多孔性の程度及び拡散係数が異なる。
【００１９】
第１層２３は、親水性のディフューザ層を有する。親水性のディフューザ層とは例えば、ポリ酢酸ビニルまたはその他の親水性バインダにより処理された、多孔質炭素層である。第１層２３に適する材料の一例として、リダル  フィルトレーション／セパレーション，リダル，インコーポレーテッド（Lydall Filtration/Separation, Lydall, Inc.）の製品「テクニマット０５０（Technimat 050）」が挙げられる。第１層２３（本明細書では「親水性層」とも記す）は、透過性が高いことが好ましい。
【００２０】
好ましい実施例では、第１層２３は厚さが１５０ミクロンから５００ミクロンであり、低疎水性である。最適動作を得るための、第１層２３の親水性バインダ量は２〜１０ｗｔ％である。
【００２１】
その他の材料としては、親水性材料をエマルジョンとしてディフュージョン構造２１に加えて第１層２３を生成してもよい。
【００２２】
第２層２４は、好ましくは、第１層２３を構造的に支持する剛性の高い炭素繊維紙層を含み、一般的に透過性が低い。最適な材料の一例として、東レ株式会社の「Ｔｏｒａｙ  １２０」を挙げる。第２層２４（本明細書では「構造層」とも記す）によって、ディフュージョン構造内に相対的に剛性の高い層が与えられ、歪みに抵抗するために、ディフュージョン構造２０のその他の層の圧縮すなわち圧密化が軽減される。第２層２４は、リブ１３と整列する領域に接する空気や酸素の拡散を増加させ、これによって水分の蓄積を減少させることができる。
【００２３】
好ましい実施例では、第２層２４は厚さが２００ミクロンから４００ミクロンであり、疎水性については好ましくは第１層よりも第２層２４のほうが極めて大きい。好ましくは、最適動作を得るためには、第２層２４の疎水処理は０〜２０ｗｔ％である。
第３層２５は、好ましくはカーボンペーパー層を含み、そのカーボンペーパー層は、隣り合う層より透過性が低く、細孔容積が小さく、一般的には液体水の分散に対する抵抗が大きい。この層では、水分は同一平面内すなわち側方に移動させられ、第３層２５のリブ１３による局所的圧縮は、第２層２４により大きな抵抗を受ける。第３層に適する材料の例として、エスジーエルテクノロジー、エスジーエル  カーボン  エージーが供給する「ＳＧＬ３０ＢＡ」が挙げられる。
【００２４】
好ましい実施例では、第３層２５は厚さが１５０ミクロンから３５０ミクロンであり、疎水性については好ましくは第１層２３よりも第３層のほうが極めて大きい。好ましくは、最適動作を得るためには、第３層２５の疎水処理は０〜３０ｗｔ％である。
【００２５】
第４層２６は、好ましくはカーボンペーパー層を含み、そのカーボンペーパー層は、透過性が第３層よりわずかに大きく、マイクロディフューザ構造を有する。そのマイクロディフューザ構造は、細孔の充填、隣り合うＭＥＡとの電気的接触の向上、及び細孔径の低減を得るため、導電性粒子（例えばカーボンパウダー）と構造バインダ（例えばＰＴＦＥ）とで前処理を施されたものである。第４層（本明細書では「マイクロディフューザ層」と記す）に適する材料の例として、エスジーエルテクノロジー、エスジーエル  カーボン  エージーが供給する「ＳＧＬ１０ＢＢ」が挙げられる。
【００２６】
好ましい実施例では、第４層２６は厚さが２００ミクロンから４５０ミクロンであり、疎水性については好ましくは第１層２３よりも第４層のほうが極めて大きい。好ましくは、最適動作を得るためには、第４層２６の疎水処理は１０〜３０ｗｔ％である。
【００２７】
第４層２６は、図２に示すように、ＭＥＡ１２と接触あるいは隣り合う第２の面２２を備える。
【００２８】
上述した先行技術と異なり、親水性層２３を流体フローフィールドプレート１０と隣接すなわち接触して備えると、小水滴形成を防ぐ付加的なガス拡散層として機能する。先行技術は、脱着を促すために、流体フロープレートに隣り合う層について疎水性層の利用を教示する。実際には、発明者らは、相対的な親水性層２３が、燃料電池反応で生成される液体水を、広い面積にわたり拡散させることを見い出した。これにより、疎水性ディフューザの利用のみにより得られる水分除去よりも、バルク空気流による水分除去の効果が促される。また、リブ１３の下部（例えば領域１６）における水分の蓄積は妨げられ、「電極フラッディング」と呼ばれる効果を低減させる。これにより、高電流及び低周囲温度条件で、燃料電池スタックを運転することができる。
【００２９】
親水層２３は、親水性バインダ材料により成型されたディフューザ基板材料、または別途に親水処理を施された炭素繊維材料を用いて作ってもよい。
【００３０】
構造層２４は、有効的に圧密荷重を増加させる。二軸面内剛性を有する炭素繊維材料を利用してもよい。二軸面内剛性とは、平面内の第１の軸方向に沿う曲げに対する抵抗が、第１の軸と直交する第２の軸方向に沿う曲げに対する抵抗よりも大きいことを意味する。そのような二軸材料を利用するとき、リブ１３を横断する方向の曲げに対する最大の抵抗を得るために、最も曲げ抵抗が高い軸が、フローチャンネル１１の主方向を横断する方向か、より好ましくは直交する走行に配されていることが好ましい。
【００３１】
上述の多層ディフュージョン構造の特徴は、従来のディフュージョン構造よりも以下の点で優れている。運転中にカソードでフラッディングを起こさずに、ＭＥＡの水分含有量を増加することができる点と、圧密荷重を増加することができる点である。
【００３２】
図３には、市販の織布ディフューザで形成された単層カーボンディフュージョン構造１５と、図２に関する説明で記された第２、３、４層を有する３層ディフューザ構造とが比較されている。図３（ａ）は、４０００Ｎの圧縮を施されて圧密された単層構造１５の伸縮試験の結果を示す写真である。図３（ｂ）は、既述のように第２層として構造層２４を利用した、３層ディフュージョン構造２４，２５，２６の伸縮試験の結果を示す写真である。
【００３３】
圧密荷重の拡大により、ＭＥＡ１２とマイクロディフューザ層（第４層２６）との接触が密になり、電流分配が増加してホットスポットの出現が抑制される。
【００３４】
親水性第１層２３をディフュージョン構造２０に利用すると、小水滴１８の生成は妨げられる。このメカニズムを図２に、メカニズム「Ａ」として示す。このことは、従来技術に用いられる疎水性ディフュージョン構造と比較して、言えることである。流体フローフィールドプレート１０と隣り合う親水層２３の効果は、空気流による生成水の「蒸発領域」を増加することである。これにより、カソードにおけるフラッディングの危険性を低減させつつ、より高い電流駆動とより低い作動温度が可能になる。
【００３５】
ＳＧＬ３０第３層２５は、細孔容積がＳＧＬ１０第４層２６よりも小さく、ゆえに液体水の分散に対して抵抗が強い。従って、水分は第４層２６の側方（即ち同一平面内）へ移動を促され、第４層２６の水分含有量が高いときにのみ第３層２５を通って上方へ拡散し始める。これは図２に、「メカニズムＢ」として示される。このメカニズムの効果はＭＥＡ１２を湿潤状態に保つことである。このことは、増加電流曲線（upwards current sweep）の電位が、減少電流曲線（downwards current sweep）の電位値とよく似ている「非ループ型」分極曲線が得られることにより、確認される。
【００３６】
上述の多層ディフューザ構造２０の効果を、図４に示す。図４は、それぞれ異なるディフューザ構造１５，２０について、電流密度の関数として、平均セル電位と電力密度を表したものである。曲線４１、４２は電力密度を電流密度の関数で表したものであり、曲線４４、４５は分極を電流密度の関数で表したものである。曲線４１は単層ディフュージョン構造１５を表し、曲線４２は親水層２３と構造層２４を持つ、図２に示す多層構造２０を表す。曲線４４は単層ディフュージョン構造１５を表し、曲線４５は親水層２３と構造層２４を持つ、図２に示す多層ディフュージョン構造２０を表す。
【００３７】
多層ディフュージョン構造２０は、開回路から負荷（load）をかけたときの負荷の大量増加に対する反応を改善する。これは、非動作期間において、多層ディフュージョン構造２０を介する膜からの水分の自然除去が低減される、多層構造の「水分トラップ」効果に起因するものである。単層ディフューザ構造１５を利用するとき、セル休止期間に、大量の水分がＭＥＡ１２から損失する。開回路条件からただちに高い電力が必要とされる場合、従来技術では、セルの破壊を避けるために膜の水分量を緩やかに上げることを目的として、緩やかにスタック電流を増加させる必要がある。多層ディフューザ構造２０により、セルを利用していない間に、ＭＥＡに水分を保持しやすくなる。
【００３８】
この「水分トラップ」の性質により、カソードからアノードへの逆拡散を多量に引き起こす。これにより膜内部の水分勾配の均衡を保ちやすくなり、ゆえにより厚く、より耐久性の高い膜構造を、性能に重大な損失を与えずに利用することが可能となる。このことによるアノードの性能に対する悪影響は、アノード拡散構造内のＰＴＦＥ量をわずかに多くすることで補償することができる。
【００３９】
実施例によっては、多層ディフュージョン構造２０により、各セルのバルク体積が増加する可能性があるが、このことは、重量出力スタック密度及び体積スタック出力密度について全体的に増加することで補償される。
【００４０】
上述した多層ディフュージョン構造２０の有益な効果は、一般的に水分管理がより重要な要素となる燃料電池のカソード側において特に顕著となる。しかしながら、その原理は、加湿と共に小型化もまた重要である燃料電池のアノード側に対しても適用することができる。従って、多層構造２０は燃料電池のアノードまたはカソードの一方あるいは両方に利用することができる。
【００４１】
親水層２３と構造層２４のそれぞれの利点は、ディフューザ構造２０に関して単独または互いに組み合わせて得ることができる。しかしながら最もよい改良としては、親水層２３と構造層２４とを組合せて利用することが知られる。
【００４２】
構造層２４を親水性表面エマルジョンあるいは類似する構造で処理することにより、親水層２３と構造層２４の機能を単層の内部に複合させてもよい。
【００４３】
その他の実施例は添付する請求の範囲内に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】単層のディフュージョン構造をもつ燃料電池の部分断面の概略図。
【図２】多層のディフュージョン構造をもつ燃料電池の部分断面の概略図。
【図３ａ】単層ディフュージョン構造の伸縮試験の結果を示す写真。
【図３ｂ】多層ディフュージョン構造の伸縮試験の結果を示す写真。
【図４】単層のディフュージョン構造と、多層のディフュージョン構造とにより構成される燃料電離スタックの、分極と電力特性とを示す。
【図１】
2008529211.tif 000003
【図２】
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【図３（ａ）】
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【図３（ｂ）】
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【図４】
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【国際調査報告】
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