(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池内で使用され、第１主要面と第１主要面に対向して配置される第２主要面により規定される基板として全体が形成され、且つ多孔質基質から取られる材料から成る水移送粒子の分布物を支える多孔質基質から成る、平板状の多孔質拡散媒体であって、
水移送粒子の前記分布物は、相対的に高密度の水移送粒子を特徴とする複数の高粒子密度領域と、相対的に低密度の水移送粒子を特徴とする複数の低粒子密度領域とを画定し、
前記相対的に高い粒子密度の領域と相対的に低い粒子密度の領域とは、多孔質拡散媒体の第１主要面と第２主要面に平行な方向で、前記多孔質拡散媒体の第１主要面と第２主要面との間を横切って交替しており、
前記水移送粒子は、前記多孔質拡散媒体の前記第１および第２主要面間に画定された多孔質基質の厚さ寸法を通じて前記水移送粒子の移動を可能にするほど、十分に小さな寸法を有することを特徴とする、
多孔質拡散媒体。
【請求項２】
前記水移送粒子が、カーボン、グラファイト、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、金属酸化物、およびこれらの組合せから選択される請求項２に記載の多孔質拡散媒体。
【請求項３】
前記金属酸化物が二酸化珪素を含む請求項２に記載の多孔質拡散媒体。
【請求項４】
前記水移送粒子がカーボン／ポリマー複合物を含む請求項１に記載の多孔質拡散媒体。
【請求項５】
前記水移送粒子が、カーボンファイバまたはカーボン粉、グラファイトファイバまたはグラファイト粉、およびこれらの組合せから選択される請求項１に記載の多孔質拡散媒体。
【請求項６】
前記多孔質基質がカーボン紙を含み、前記水移送粒子がカーボンファイバまたはカーボン粉を含む請求項１に記載の多孔質拡散媒体。
【請求項７】
前記多孔質基質がカーボン紙および疎水性材料層を含み、前記水移送粒子がカーボンファイバまたはカーボン粉を含む請求項１に記載の多孔質拡散媒体。
【請求項８】
前記水移送粒子が非結合のダストを含む請求項１に記載の多孔質拡散媒体。
【請求項９】
前記水移送粒子が、前記多孔質拡散媒体の断面を横切って、前記多孔質拡散媒体の第１主要面と第２主要面との間に分散されている請求項１に記載の多孔質拡散媒体。
【請求項１０】
前記相対的に高い粒子密度の領域と相対的に低い粒子密度の領域とが、前記多孔質拡散媒体の第１および第２主要面の少なくとも１つを横切って交替している請求項１に記載の多孔質拡散媒体。
【請求項１１】
前記交替する密度領域が１ｃｍ以下の周期性を特徴とする請求項１０に記載の多孔質拡散媒体。
【請求項１２】
前記相対的に高い粒子密度の領域と相対的に低い粒子密度の領域とが、前記多孔質拡散媒体の第１および第２主要面を横切って交替している請求項１に記載の多孔質拡散媒体。
【請求項１３】
前記相対的に高い粒子密度の領域と相対的に低い粒子密度の領域の、それぞれの多孔質拡散媒体の断面方向での寸法が、前記多孔質拡散媒体の第１主要面と第２主要面との間で互いに逆に変化している請求項１に記載の多孔質拡散媒体。
【請求項１４】
前記相対的に高い粒子密度の領域と相対的に低い粒子密度の領域の、前記それぞれの断面寸法が、前記主要面の１つが前記相対的に高い粒子密度の領域によって占められるが、前記主要面の他の１つは前記相対的に低い粒子密度の領域によって占められるように変化している請求項１３に記載の多孔質拡散媒体。
【請求項１５】
前記第１主要面の少なくとも一部が集合的に前記第２主要面よりもより親水性であり、前記第２主要面の少なくとも一部が集合的に前記第１主要面よりもより疎水性である請求項１に記載の多孔質拡散媒体。
【請求項１６】
前記相対的に高い粒子密度の領域の密度値が、１つの高粒子密度領域から次の高粒子密度領域まで、前記多孔質拡散媒体の前記第１および第２主要面の１つを横切って均一のままである請求項１に記載の多孔質拡散媒体。
【請求項１７】
前記相対的に高い粒子密度の領域の密度値が、１つの高粒子密度領域から次の高粒子密度領域まで、前記多孔質拡散媒体の前記第１および第２主要面の１つを横切って変化する請求項１に記載の多孔質拡散媒体。
【請求項１８】
前記密度値の前記変化が、前記多孔質拡散媒体の流れ場入口領域から前記多孔質拡散媒体の流れ場出口領域まで増加する密度値プロファイルを定義する請求項１７に記載の多孔質拡散媒体。
【請求項１９】
前記高粒子密度領域が、前記多孔質拡散媒体の前記第１および第２主要面の１つに沿って１３５°〜１８０°の前進接触角を画定するために十分に親水性である請求項１に記載の多孔質拡散媒体。
【請求項２０】
前記高粒子密度領域が、前記多孔質拡散媒体の前記第１および第２主要面の１つに沿って１６０°〜１６８°の前進接触角を画定するために十分に親水性である請求項１に記載の多孔質拡散媒体。
【請求項２１】
前記高粒子密度領域が、前記多孔質拡散媒体の前記第１および第２主要面の１つに沿って９５°〜１３５°の後退接触角を画定するために十分に親水性である請求項１に記載の多孔質拡散媒体。
【請求項２２】
前記高粒子密度領域が、前記多孔質拡散媒体の前記第１および第２主要面の１つに沿って９５°〜１０５°の後退接触角を画定するために十分に親水性である請求項１に記載の多孔質拡散媒体。
【請求項２３】
前記多孔質基質が、前記第１および第２主要面の間を横切って均一の多孔性プロファイルを定義する請求項１に記載の多孔質拡散媒体。
【請求項２４】
前記多孔質基質が、カーボン紙、グラファイト紙、布、フェルト、フォーム、カーボンまたはグラファイトの織布、カーボンまたはグラファイトの不織布、金属網またはフォーム、およびこれらの組合せから選択された導電性材料を含む請求項１に記載の多孔質拡散媒体。
【請求項２５】
前記多孔質基質が２０μｍ〜１０００μｍの厚さを画定する請求項１に記載の多孔質拡散媒体。
【請求項２６】
前記多孔質基質が２００μｍの厚さを画定する請求項１に記載の多孔質拡散媒体。
【請求項２７】
前記多孔質基質が、０．５インチ（１．３ｃｍ）の水において５０ｆｔ３／分／ｆｔ２（１．５リットル／分／ｃｍ２）のパーメオメータ数（ｐｅｒｍｅｏｍｅｔｅｒ  ｎｕｍｂｅｒ）を特徴とする孔隙率を定義する請求項１に記載の多孔質拡散媒体。
【請求項２８】
前記多孔質基質が、０．５インチ（１．３ｃｍ）の水において２０ｆｔ３／分／ｆｔ２（０．６リットル／分／ｃｍ２）〜１００ｆｔ３／分／ｆｔ２（３．０リットル／分／ｃｍ２）のガーレイ・パーメオメータ数（Ｇｕｒｌｅｙ  ｐｅｒｍｅｏｍｅｔｅｒ  ｎｕｍｂｅｒ）を特徴とする孔隙率を定義する請求項１に記載の多孔質拡散媒体。
【請求項２９】
前記多孔質拡散媒体が、前記水移送粒子を前記多孔質基質に少なくとも部分的に固着するために構成されているバインダをさらに含む請求項１に記載の多孔質拡散媒体。
【請求項３０】
前記バインダがフルオロポリマーを含む請求項２９に記載の多孔質拡散媒体。
【請求項３１】
前記多孔質拡散媒体が疎水性材料をさらに含む請求項１に記載の多孔質拡散媒体。
【請求項３２】
疎水性材料が前記多孔質拡散媒体の前記第１および第２主要面の１つに沿って配置されている請求項３１に記載の多孔質拡散媒体。
【請求項３３】
前記疎水性材料が１つの層を含む請求項３２に記載の多孔質拡散媒体。
【請求項３４】
前記疎水性層が１２５μｍまでの厚さを有する請求項３３に記載の多孔質拡散媒体。
【請求項３５】
前記第１および第２主要面の１つに沿って配置された前記疎水性材料が、多孔質拡散媒体面積ｃｍ２当り５ｍｇまでの塗布量であることを特徴とする請求項３２に記載の多孔質拡散媒体。
【請求項３６】
前記疎水性材料が、前記多孔質拡散媒体の相対的に高粒子密度の領域および相対的に低粒子密度の領域よりも、疎水性材料を水滴に対してより撥水性になるように構成されている請求項３１に記載の多孔質拡散媒体。
【請求項３７】
前記疎水性材料が、カーボン、グラファイト、フルオロポリマー、ポリマー、およびこれらの組合せの１つを含む請求項３１に記載の多孔質拡散媒体。
【請求項３８】
前記疎水性材料が、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン（ＴＦＥ）、エチレンテトラフルオロエチレン（ＥＴＦＥ）、フッ素化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）、過フルオロアルコキシ化合物、およびこれらの組合せの１つから生成されたフルオロポリマーを含む請求項３７に記載の多孔質拡散媒体。
【請求項３９】
前記疎水性材料が、ポリフェニレン、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、およびこれらの組合せから選択されたポリマーを含む請求項３７に記載の多孔質拡散媒体。
【請求項４０】
前記疎水性材料が、前記多孔質拡散媒体の前記第１および第２主要面の１つのみに沿って配置されている請求項３１に記載の多孔質拡散媒体。
【請求項４１】
触媒層に対向して置かれた平板状の多孔質拡散媒体を含む装置であって、
前記多孔質拡散媒体は、第１主要面と第１主要面に対向して配置される第２主要面により規定される基板として全体が形成され、且つ多孔質基質から取られる材料から成る水移送粒子の分布物を支える多孔質基質から成り、
水移送粒子の前記分布物は、相対的に高密度の水移送粒子を特徴とする複数の高粒子密度領域と、相対的に低密度の水移送粒子を特徴とする複数の低粒子密度領域とを画定し、
前記相対的に高い粒子密度の領域と相対的に低い粒子密度の領域とは、前記多孔質拡散媒体の前記第１主要面と第２主要面に平行な方向で、前記多孔質拡散媒体の第１主要面と第２主要面との間を横切って交替しており、
前記水移送粒子は、前記多孔質拡散媒体の前記第１および第２主要面間に画定された多孔質基質の厚さ寸法を通じて前記水移送粒子の移動を可能にするほど、十分に小さな寸法を有することを特徴とする、
装置。
【請求項４２】
前記相対的に高い粒子密度の領域と相対的に低い粒子密度の領域の、それぞれの断面寸法が、前記第１主要面は相対的に大きな断面積寸法の高い粒子密度の領域によって特徴付けられ、前記第２主要面は前記相対的に小さい断面積寸法の高い粒子密度の領域によって特徴付けられるように、前記多孔質拡散媒体の第１主要面と第２主要面との間で前記多孔質拡散媒体の断面を逆に横切って変化する請求項４１に記載の装置。
【請求項４３】
前記多孔質拡散媒体が、前記多孔質拡散媒体の前記第１主要面に沿って前記触媒層に対向して置かれている請求項４２に記載の装置。
【請求項４４】
前記相対的に高い粒子密度の領域と相対的に低い粒子密度の領域の、それぞれの断面寸法が、前記主要面の１つが相対的に高い粒子密度の領域によって占められるが、前記主要面の他の１つが相対的に低い粒子密度の領域によって占められるように、前記多孔質拡散媒体の断面を横切って、前記多孔質拡散媒体の第１主要面と第２主要面との間で変化する請求項４１に記載の装置。
【請求項４５】
前記相対的に高い粒子密度の領域と相対的に低い粒子密度の領域の、それぞれの性質が、前記第１主要面が集合的に第２主要面よりも親水性であり、前記第２主要面が集合的に第１主要面よりも疎水性であるように、前記多孔質拡散媒体の前記第１主要面と第２主要面の間の前記多孔質拡散媒体の断面を横切って変化している請求項４１に記載の装置。
【請求項４６】
前記多孔質拡散媒体が、前記多孔質拡散媒体の前記第１主要面に沿って前記触媒層に対向して置かれている請求項４５に記載の装置。
【請求項４７】
前記多孔質拡散媒体が、前記多孔質拡散媒体の前記第２主要面に沿って配置された疎水性材料を含む請求項４６に記載の装置。
【請求項４８】
前記触媒層および前記多孔質拡散媒体と組み合わせて、アノード流れ場とカソード流れ場との間に挟まれた膜電極アセンブリを規定する追加構造をさらに含む請求項４１に記載の装置。
【請求項４９】
前記膜電極アセンブリ、前記アノード流れ場、および前記カソード流れ場と組み合わせて、燃料電池を定義する追加構造をさらに含む請求項４８に記載の装置。
【請求項５０】
前記水移送粒子が、前記電池の動作中に前記触媒層の一表面に前記水移送粒子の移送を可能にするために十分な移動の自由度を有することを特徴とする請求項４９に記載の装置。
【請求項５１】
前記燃料電池と組み合わせて車両を規定する追加構造をさらに含む請求項４９に記載の装置。
【請求項５２】
前記燃料電池が前記車両の動力源を規定する請求項５０に記載の装置。
【請求項５３】
燃料電池のアノード流れ場とカソード流れ場との間に挟まれた膜電極アセンブリを含む装置であって、
平板状の多孔質拡散媒体が前記膜電極アセンブリの触媒層に対向して置かれ、前記多孔質拡散媒体は、第１主要面と、該第１主要面に対向して配置される第２主要面により規定される基板として全体が形成され、
前記多孔質拡散媒体が、多孔質基質から取られる材料から成る水移送粒子の分布物を支持する多孔質基質を含み、
前記多孔質基質がカーボン紙を含み、前記水移送粒子がカーボンファイバまたはカーボン粉を含み、
水移送粒子の前記分布物が、前記水移送粒子の相対的に高い密度を特徴とする複数の高密度粒子領域と、前記水移送粒子の相対的に低い密度を特徴とする複数の低密度粒子領域とを画定し、
前記相対的に高い粒子密度の領域と相対的に低い粒子密度の領域とは、前記多孔質拡散媒体の第１および第２主要面に平行な方向で、前記多孔質拡散媒体の第１主要面と第２主要面との間を横切って交替しており、
前記相対的に高い粒子密度の領域と相対的に低い粒子密度の領域の、それぞれの性質が、前記第１主要面が集合的に前記第２主要面よりもより親水性であり、前記第２主要面が集合的に前記第１主要面よりもより疎水性であるように、前記多孔質拡散媒体の前記第１および第２の主要面の間で前記多孔質拡散媒体の断面を横切って変化しており、
前記多孔質拡散媒体が、前記多孔質拡散媒体の前記第１主要面に沿って触媒層に対向して置かれ、
前記多孔質拡散媒体が、前記多孔質拡散媒体の前記第２主要面に沿って前記燃料電池の一流れ場に対向して置かれ、
前記多孔質拡散媒体が、前記多孔質拡散媒体の前記２主要面に沿って置かれた疎水性材料を含み、
前記疎水性材料がポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を含む
装置。
【請求項５４】
請求項１に記載の平板状の多孔質拡散媒体を製造する方法であって、多孔質基質から取られた材料から成る水移送粒子は、前記第１主要面と第２主要面の一方から多孔質基質を研削し、その後、真空により第１主要面と第２主要面との間の多孔質拡散媒体の少なくとも一部の領域を通じて研削した粒子を引き出して形成されることを特徴とする、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して拡散媒体、本発明による拡散媒体を採用する燃料電池、およびこの種の燃料電池を利用する燃料電池動力式システムに関する。具体的には、本発明は、燃料電池およびその他の形式の装置における湿潤な動作条件下での水運搬の困難性に取り組む場合の拡散媒体の使用に関する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００２】
湿潤な動作条件下での水運搬の困難性に取り組むために構成された水移送粒子の分布物を支える多孔質基質から成る、多孔質の拡散媒体を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本発明による一実施形態によれば、水移送粒子の分布物を支える多孔質基質から成る、多孔質の拡散媒体が提供される。水移送粒子の分布物は、相対的に高密度の水移送粒子を特徴とする複数の高粒子密度領域と、相対的に低密度の水移送粒子を特徴とする複数の低粒子密度領域とを画定する。相対的に高い粒子密度領域と相対的に低い粒子密度領域は、多孔質拡散媒体の主要平面寸法を横切って交替する。すなわち拡散媒体の面は、高粒子密度領域と低粒子密度領域のチェッカー盤模様、または高粒子密度領域と低粒子密度領域とが連続して互いに交互に隣接する領域の別の配置を含んでもよい。
【０００４】
本発明の別の実施形態によれば、本発明による多孔質拡散媒体が触媒層に対向して置かれている装置が提供される。
本発明のさらに別の実施形態によれば、燃料電池のアノード流れ場とカソード流れ場との間に挿入された膜電極アセンブリを含む装置が提供される。本発明による多孔質拡散媒体が膜電極の触媒層に対向して置かれている。
【０００５】
本発明のさらに別の実施形態によれば、本発明による多孔質拡散媒体が、膜電極アセンブリに対向して置かれ、多孔質基質は、カーボン紙と、カーボンファイバまたはカーボン粉を含む水移送粒子とから構成されている。相対的に高い水移送粒子密度領域と相対的に低い水移送粒子密度領域は、多孔質拡散媒体の主要二次元面積を横切って交替する。相対的に高い粒子密度領域と相対的に低い粒子密度領域とのそれぞれの特性は、拡散媒体の第１主要面と第２主要面との間の多孔質拡散媒体の断面を横切って変化するので、第１主要面は第２主要面よりも集合的により親水性であり、第２主要面は第１主要面よりも集合的により疎水性である。拡散媒体は、拡散媒体の第１主要面に沿って触媒層に対向して、また拡散媒体の第２主要面に沿って燃料電池の流れ場に対向して置かれている。多孔質拡散媒体は、拡散媒体の第２主要面に沿って配置された疎水性材料を含む。
【０００６】
本発明の特定の実施形態に関する以下の詳細な説明は、添付の図面を参照して読めば最もよく理解することができよう。図面において、同様な構造は同様な参照番号によって示されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
まず図１を参照すると、本発明による多孔質拡散媒体２０を組み込んだ燃料電池１０が図示されている。詳しくは、燃料電池１０は、燃料電池１０のアノード流れ場４０とカソード流れ場５０との間に挟まれた膜電極アセンブリ３０を含む。流れ場４０、５０と膜電極３０が、本発明の範囲から逸脱することなく、さまざまな従来の、またはさらに開発されるべき形を取ってもよいことは企画される。特定の形状の膜電極アセンブリ３０は本発明の範囲を越えるが、図示された実施形態では、膜電極アセンブリ３０は、それぞれの触媒電極層３２とイオン交換膜３４とを含む。
【０００８】
図２を参照すると、本発明による多孔質拡散媒体２０は、水移送粒子２４の分布物を支える多孔質基質２２を含む。水移送粒子の分布物は、相対的に高密度の水移送粒子２４を特徴とする複数の高粒子密度領域２６と、相対的に低密度の水移送粒子２４を特徴とする複数の低粒子密度領域２８とを画定する。相対的に高い粒子密度領域２６と相対的に低い粒子密度領域２８は、拡散媒体２０の第１主要面２１と第２主要面２３に平行な多孔質拡散媒体の主要二次元面積を横切って交替する。
【０００９】
後で詳細に説明するように、水移送粒子２４を、多くの方法によって基質２２全体にわたって発生させ分布させることができる。例えば本発明の一実施形態によれば、粒子２４を、拡散媒体２０の第１主要面２１を研削してダストを作り、真空ドローによって基質２２を通じてダストを引き出す。真空ドローを、交替する相対的に高い粒子密度領域２６と相対的に低い粒子密度領域２８を作り出すために構成することもできる。ダストは結合されても結合されなくてもよい。適当なバインダ、例えば蛍光ポリマーが、水移送粒子を多孔質基質に少なくとも部分的に確保するために構成される。
【００１０】
適当な水移送粒子２４は、拡散媒体２０の一方の側から他方の側への水の移送を強化する任意の材料を含む。例えば水移送粒子２４は、カーボン（例えばカーボンファイバまたはカーボン粉）、グラファイト（例えばグラファイトファイバまたはグラファイト粉）、非−過フルオロ化ポリマー、金属酸化物、およびこれらの組合せを含むが、これらに限られるものではない。適切な非−過フルオロ化ポリマーはポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）である。適切な金属酸化物は二酸化珪素である。もちろん、水移送粒子２４が多孔質基質２２を形成する材料から発生する場合、多孔質基質２２はカーボン紙を含み、水移送粒子２４はカーボンファイバまたはカーボン粉、またはこれら２つの組合せを含む。多孔質基質が疎水性材料、例えばＰＴＦＥの層によって被覆されたカーボン紙を含む場合、水移送粒子はカーボン紙と疎水性層から導き出される。この観点から、水移送粒子２４は、ある物理的形態では疎水性であるが別の物理的形態では親水性の水移送粒子として動作できる材料から、導き出されることもできる。
【００１１】
多孔質基質２２は、導電性材料、カーボン紙、グラファイト紙、布、フェルト、フォーム、カーボンまたはグラファイトの織布、カーボンまたはグラファイトの不織布、金属網またはフォーム、およびこれらの組合せを含む。基質２２の寸法は主として、多孔質拡散媒体２０を利用しようとする特定の適用に関連する設計要件に大きく依存するが、約２０μｍ〜約１０００μｍの間の、または特に２００μｍの厚さが実効を得られやすいことに留意されたい。同様に、例証として限定するものではなく、多孔質基質は、約０．５インチ（約１．３ｃｍ）の水において約５０ｆｔ３／分／ｆｔ２（１．５リットル／分／ｃｍ２）のｐｅｒｍｅｏｍｅｔｅｒ数（Ｇｕｒｌｅｙ  Ｐｅｒｍｅｏｍｅｔｅｒ、モデルＮｏ．４３０１によって測定）、またはさらに一般には約０．５インチ（約１．３ｃｍ）の水において約２０ｆｔ３／分／ｆｔ２（０．６リットル／分／ｃｍ２）〜約１００ｆｔ３／分／ｆｔ２（３．０リットル／分／ｃｍ２）のＧｕｒｌｅｙ  ｐｅｒｍｅｏｍｅｔｅｒ数を特徴とする孔隙率を確定することができる。これに関連して、孔隙率は空気が材料のサンプルをいかに容易に通過できるかの尺度であることに留意されたい。Ｇｕｒｌｅｙテストは、所定の容積の空気がサンプルを通過するために必要な時間を測定する。
【００１２】
水移送粒子２４が多孔質基質２２の厚さ寸法ｄを通って移動することができるほど十分に小さくなるように、水移送粒子２４を選んでもよいことに留意されたい。この方法で、後でさらに詳述するように、粒子２４は、媒体２０と媒体２０によって支えられる粒子２４とを真空ドローの下に置くことによって、粒子２４を拡散媒体２０全体にわたって分布させることができる。さらにまた、基質２２の中で水移送粒子２４の自由な移動に関連する動作上の利点も存在し得る。例えば、触媒層における水移送の要求に取り組むために拡散媒体２０が燃料電池の触媒電極層に対向して置かれた場合には、粒子２４の自由な移動によって、粒子の一部は触媒層の表面に移転することができる。粒子２４の寸法が拡散媒体２０の基質２２の内部を移動する粒子の能力を参照して決定された場合には、粒子を基質の中に接着させるためにバインダが拡散媒体の中に存在するか否かに関係なく、このような参照がなされることを理解されたい。別の言い方をすれば、粒子の寸法が拡散媒体２０における粒子の移動特性を参照して決定された場合には、拡散媒体２０の中にバインダが存在しないかのように、移動特性がとられることを理解されたい。
【００１３】
図２と４とをまとめて参照すると、水移送粒子２４は、拡散媒体の第１主要面２１と第２主要面２３との間の多孔質拡散媒体２０の断面を横切って分布している。例証的な目的で、また限定するものではなく、本発明の一実施形態によれば、交替する高密度領域２６と低密度領域２８は約０．５ｃｍの周期性を特徴とすることに留意されたい。もちろん、高密度領域２６と低密度領域２８の周期性と相対的サイズは、多孔質拡散媒体２０を利用しようとする特定の適用に関連する設計要件に大きく依存する。
【００１４】
本発明者らは、燃料電池のアノード側とカソード側における水移送が拡散媒体２０を横切るガス移送によって補足されることを確証して、利点を明確に理解した。図２および４に示すように、本発明の高密度領域２６と低密度領域２８の交替構成は、水の移送が強調される領域２６とガスの移送が強調される領域２８とを分割することによって、水移送とガス移送の間の干渉を制限する。
【００１５】
図２に示すように、ある適用例では、相対的に高い粒子密度の領域２６と相対的に低い粒子密度の領域２８とのそれぞれの断面寸法が、拡散媒体２０の第１主要面２１と第２主要面２３との間の多孔質拡散媒体２０の断面を横切って逆に変化する、という構成から利益が得られる。例えば、主要面の１つ２１は相対的に高い粒子密度の領域２６によって占められるが、主要面の他の１つ２３は相対的に低い粒子密度の領域２８によって占められる、拡散媒体を作り出すこともできる。この結果、第１主要面は第２主要面よりも集合的に親水性となり、第２主要面は第１主要面よりも集合的に疎水性となる。図３を参照してさらに詳しく後述するように、これらの異なる特性は燃料電池に関連しては有用となり得る。
【００１６】
本発明者らは、触媒フラッディングに関連する問題を回避するために、燃料電池の触媒層における水移送の要求に取り組むべきであることを認識した。詳しくは、水がカソード層において生成され、カソードからアノードに逆分散して、燃料電池のカソード側および／またはアノード側におけるフラッディングに到る。図３に示すように、相対的に高い粒子密度の領域２６によって占められる第１主要面２１は、触媒電極層３２に対向して置かれ、燃料電池の触媒層３２における水移送要求と取り組む。
【００１７】
相対的に高い粒子密度の領域の密度は、拡散媒体の第１および第２主要面の１つを横切って、１つの高粒子密度領域から次の高粒子密度領域まで、本質的に均一のままであってもよい。代替案として、相対的に高い粒子密度の領域の密度または構成は、拡散媒体の第１および第２主要面の１つを横切って、１つの高粒子密度領域から次の高粒子密度領域まで変化してもよい。拡散媒体の面を横切る密度のこの変化は燃料電池に関連して有用となり得る。そのわけは、水移送要求が流れ場出口領域の近くで流れ場入口領域と比較してより重要であるから、拡散媒体の流れ場入口領域から拡散媒体の流れ場出口領域へ増加する特徴的な密度値プロファイルを提供することが好ましいこともあるためである。
【００１８】
本発明のいくつかの実施形態では、高粒子密度領域２６を、拡散媒体２０の第１主要表面２１と第２主要表面２３の１つに沿って約１３５°〜約１８０°間、さらに特定すれば約１６０°〜約１６８°間の前進接触角を画定するために十分親水性であるものとして、定義してもよい。後退接触角に関しては、高粒子密度領域を、拡散媒体２０の第１主要表面２１と第２主要表面２３の１つに沿って約９５°〜約１３５°間、さらに特定すれば約９５°〜約１０５°間の後退接触角を画定するために十分親水性であるものとして、定義してもよい。
【００１９】
図２および３にも示すように、多孔質の拡散媒体２０は、拡散媒体２０の第２主要面２３に沿って配置された例えば疎水性層の形で、疎水性材料２５を含んでもよい。通常、疎水性材料２５は厚さが約１２５μｍまでの比較的薄い層を形成し、拡散媒体面積ｃｍ２当り約５ｍｇまでのロードで含浸されてもよい。疎水性材料２５は、拡散媒体２０の第２主要面２３の上に液状水滴が蓄積することを防止する。多孔質拡散媒体２０の相対的に高粒子密度の領域２６と相対的に低粒子密度の領域２８の両方よりも、疎水性材料２５を水滴に対して確実により撥水性にする、すなわち疎水性にすることが好ましいとも考えられる。
【００２０】
疎水性材料２５は、カーボン、グラファイト、フルオロポリマー、およびこれらの組合せを含んでもよい。例証のためであって、限定するものではないが、適切なフルオロポリマーをポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン（ＴＦＥ）、エチレンテトラフルオロエチレン（ＥＴＦＥ）、フッ素化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）、過フルオロアルコキシ化合物、およびこれらの組合せから生成してもよく、適切なポリマーを、ポリフェニレン、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、およびこれらの組合せから選択してもよい。
【００２１】
図５を参照して、本発明による装置は、本発明による燃料電池１０と燃料貯蔵機構１５との組合せで燃料電池動力式自動車１００を含んでもよいことに留意されたい。
本発明による拡散媒体を作る適切な方法を参照すると、この方法の第１ステップは、相対的に疎水性の物質の中に基板を浸すことであってもよい。一般的な基板は厚さ１００〜４００ミクロンのカーボンファイバ紙であり、例えばＴｏｒａｙ（日本）製のＴｏｒａｙ  ＴＧＰＨ−０６０である。溶液は一般的に、溶剤の中に懸濁したポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの、疎水性物質を含有する分散液である。代表的な分散液は、ｄｕＰｏｎｔ製のＴ−３０溶液である。基板は、材料による基板のほぼ完全な飽和を達成するために十分な時間だけ、分散液の中に浸される。具体的には基板は溶液の中に約３分間置かれる。破損を防ぐために基板をゆっくり、かつわずかな角度で取り出し、過剰な溶液を基板から流出できるようにする。次に紙を格子棚の上で約５〜約１０分間絞らずに乾くことができるようにする。次に基板を保持する格子棚は炉の中に置かれて熱サイクルに耐える。
【００２２】
熱サイクルを３つの段階に分割することができ、炉の温度を１０℃／分で上昇させることができる。第１段階では、熱サイクルは約４０℃から約９６℃にまで上昇することができ、この温度を約４５分間保持することができる。第２段階では、熱サイクルの温度は９６℃から約３００℃にまで上昇することができ、この温度を約３０分間保持することができる。第３段階では、ＰＴＦＥを焼結するために、熱サイクルの温度は約３００℃から約３９０℃にまで上昇することができ、この温度を約２０分間保持することができる。次に炉を４０℃にまで冷却できるようにし、基板を炉から取り出す。
【００２３】
通常、分散媒体の質量の約０．１％〜２５％、具体的には、分散媒体の質量の約７％は焼結されたＰＴＦＥから構成される。焼結の後に、ＰＴＦＥは基板の第１側と第２側の上全体にほぼ均一に分配され、相対的に疎水性の材料層を形成する。相対的に疎水性の材料層の偶発的な量が大部分の基板の中に残ることもあることを理解されたい。相対的に疎水性の層は、連続層または不連続層を含んでもよい。
【００２４】
基板の第２側は真空ドローの上に置かれる。真空ドローは、基板を吸引して基板を真空テーブルに対向して保持する空気孔を含む。空気孔は一般に直径が約１／１６インチ（約１．５９ｍｍ）であり、互いに約１／４インチ（６．３５ｍｍ）の間隔で離れている。空気孔は互いに約１／４インチ（６．３５ｍｍ）離隔した列の中にある。これらの列は通常は千鳥形配列になっている。
【００２５】
次に、基板の第１側を真空ドローに露出させて研削ステップにかける。研削によってダストが作り出され、これを真空ドロー７０が基板の一部の領域を通じて引き出し、上述の高粒子密度領域と低高粒子密度領域とを作り出す。真空ドローポンプは、面積が約１０００ｃｍ２の基板については、分当り約２１０立方フィート（約５９００リットル）で空気孔を通じて空気を引き出す。
【００２６】
基板はその第１側が研削にかけられるが、この際、基板の約１０〜５００ミクロンが磨滅する。研削後の最終厚さは、厚さ約３００ミクロンの出発材料から約１８５〜約２００ミクロンになる可能性があり、したがって通常は基板の約１００ミクロンが磨滅する。疎水性材料（例えばＰＴＦＥ）が研削前の基板の外側表面に最も濃厚に存在する本発明の一実施形態では、真空ドローは研削工程全体にわたって行われ、基板を通じて相対的に疎水性のダストの全てでなければ大部分を真空に通じた廃棄物容器に引き込むために十分な時間だけ続けられる。こうして、第１側２１の近くで発生する相対的に疎水性のダストは、基板を通じて引き出されるべき最後の部分となる。真空が止められると、ダストは基板の中および上に着定可能になる。具体的には、基板を通じて引き出されたが完全には廃棄物容器に到っていない相対的に親水性のダストは、基板の細孔の中に残っている。基板の細孔のまだ達していない残りの相対的に疎水性のダストは、基板の第１側の上全体に着定することができ、これによって親水性の層を形成する。代替案として、相対的に親水性の層を形成するために、相対的に親水性のダストが基板のアース側に着定したアースに頼る代わりに、オプションとして相対的に親水性の物質を基板の上全体に散布または塗布してもよい。精密に管理された厚さを伴う研削ステップの使用は、拡散媒体の厚さの均一性を改善することができ、この結果としてシート間およびシート内の厚さの均一性が改善される。つまり、現在の生産工程では余裕のない厚さ管理は許されないので、現況技術の拡散媒体の厚さが変動することがやっかいな問題であることは周知である。
【００２７】
上に説明したように、真空ドローは、所定のパターンに従ってある特定の距離で離隔した空気孔の列を含むことができる。このパターンを、拡散媒体の別個の活動区域を画定するために使用することができる。上に説明したように、燃料電池の入口領域は、燃料電池の出口領域とは異なる要件を有する。
【００２８】
「好ましくは」、「通常は」、および「一般的には」のような用語は、本明細書では、特許出願される本発明の範囲を限定するため、またはある一定の特徴が特許出願される本発明の構造または機能に重大、必須、またはさらに重要であることを意味するために利用されてはいないことに留意されたい。そうではなくて、これらの用語は単に、本発明の特定の実施形態において利用され、または利用されない代替または追加の特徴を目立たせるためのみである。
【００２９】
本発明を説明および定義する目的で、用語「実質的に」は、本明細書では、あらゆる量的比較、数値、測定値、またはその他の表示に帰属することのできる不確実性の固有の度合いを表すために利用されていることに留意されたい。用語「実質的に」はまた、本明細書では、問題とする主題の基本的機能に変化を来たすことなく量的表現が指定の基準から変ることができる度合いを示すために利用されている。
【００３０】
本発明を詳細に、その具体的な実施形態を参照して説明したが、添付の特許請求の範囲に定義された本発明の範囲から逸脱することなく、改訂および変更が可能であることは明らかであろう。さらに具体的には、本発明のいくつかの態様を好ましいものまたは特に有利なものと見なしたが、本発明は必ずしもこれらの本発明の好ましい態様には限定されないものと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明による多孔質拡散媒体を組み込んだ燃料電池の概略分解図である。
【図２】本発明の一実施形態による拡散媒体の一部分における水移送粒子の適当な分布を示す図である。
【図３】触媒層に対向して置かれた本発明の一実施形態による拡散媒体を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態による拡散媒体の面を横切る高粒子密度領域と低粒子密度領域の適当な分布の概略図である。
【図５】本発明による多孔質拡散媒体を採用した燃料電池を組み込んだ自動車を示す図である。
【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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