(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学セル内において気体状の流体と液体状の流体が同時に移動する多孔質の保持層であって、前記保持層は、平均細孔径が１０〜６０μｍ、全細孔容積が６０〜８０％である炭素繊維からなる基体からなり、前記基体は、前記全細孔容積の７５％〜９５％が、疎水性の物質で被覆された疎水性の細孔を規定し、前記全細孔容積の２５％〜５％が、親水性の細孔を規定し、前記疎水性の細孔と前記親水性の細孔は、前記基体全体に亘って形成されていることを特徴とする多孔質の保持層。
【請求項２】
前記疎水性の細孔は、前記基体１ｇ当たり０．２０〜０．６０ｇの疎水性の物質で被覆されていることを特徴とする請求項１記載の多孔質の保持層。
【請求項３】
前記疎水性の細孔は、前記基体１ｇ当たり０．３６ｇの疎水性の物質で被覆されていることを特徴とする請求項１記載の多孔質の保持層。
【請求項４】
前記炭素繊維からなる基体は、湿気を保つ化合物を含むことを特徴とする請求項１記載の多孔質の保持層。
【請求項５】
前記湿気を保つ化合物は、アルミニウム、シリコン、スズ、ニオブ、ルテニウム、タンタル、タングステンのいずれかの酸化物や水酸化物、これらの混合物からなる群から選ばれることを特徴とする請求項４記載の多孔質の保持層。
【請求項６】
前記炭素繊維からなる基体は、基体１ｇ当たり０．０１〜０．１５ｇの前記湿気を保つ化合物を含むことを特徴とする請求項５記載の多孔質の保持層。
【請求項７】
前記炭素繊維からなる基体は、基体１ｇ当たり０．０１〜０．１５ｇの前記湿気を保つ化合物を含むことを特徴とする請求項２記載の多孔質の保持層。
【請求項８】
電気化学セル内において気体状の流体と液体状の流体が同時に移動する多孔質の保持層を作成する方法であって、
ａ．平均細孔径が１０〜６０μｍ、全細孔容積が６０〜８０％である炭素繊維からなる基体を用意し、
ｂ．前記基体の前記全細孔容積の５〜２５％をブロッキング材料で充填し、
ｃ．前記基体の充填されていない細孔容積に疎水性の物質を塗布し、
ｄ．前記ブロッキング材料が除去され、かつ前記ブロッキング材料で充填されていない細孔の内壁面に前記疎水性の物質が融着する所定の温度で、前記基体を熱処理し、それによって、前記融着した疎水性の物質を有する前記細孔が、疎水性の細孔となり、かつ前記ブロッキング材料が除去された前記細孔が、親水性の細孔となる、ステップからなることを特徴とする方法。
【請求項９】
前記基体の前記全細孔容積の５〜２５％をブロッキング材料で充填するステップは、さらに、前記全細孔容積の５〜２５％をワックスで充填することからなることを特徴とする請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記炭素繊維からなる基体を用意するステップの後で、前記炭素繊維からなる基体を湿気を保つ化合物で処理し、それによって、前記炭素繊維からなる基体が、基体１ｇ当たり０．０１〜０．１５ｇの前記湿気を保つ化合物を含むことを特徴とする請求項８記載の方法。
【請求項１１】
前記基体の充填されていない細孔容積に疎水性の物質を塗布するステップは、さらに、前記疎水性の細孔が、前記基体１ｇ当たり０．２０〜０．６０ｇの疎水性の物質で被覆されるように、前記疎水性の物質を塗布することからなることを特徴とする請求項８記載の方法。
【請求項１２】
電気化学セル内において気体状の流体と液体状の流体が同時に移動する多孔質の保持層を作成する方法であって、
ａ．平均細孔径が１０〜６０μｍ、全細孔容積が６０〜８０％である炭素繊維からなる基体を用意し、
ｂ．前記基体の前記全細孔容積の５〜２５％を液体状のブロッキング材料で充填し、
ｃ．前記液体状のブロッキング材料の融解温度を下回る温度で、前記全細孔容積の５〜２５％の範囲内で前記ブロッキング材料が固化するように、前記基体を冷却し、
ｄ．前記基体の充填されていない細孔容積に疎水性の物質を塗布し、
ｅ．前記ブロッキング材料の溶解温度を下回る温度で、前記疎水性の物質とともに塗布された水や液体担体が全て蒸発するように、前記基体を乾燥し、
ｆ．前記ブロッキング材料が除去され、かつ前記ブロッキング材料で充填されていない細孔の内壁面に前記疎水性の物質が融着する所定の温度で、前記基体を熱処理し、それによって、前記融着した疎水性の物質を有する前記細孔が、疎水性の細孔となり、かつ前記ブロッキング材料が除去された前記細孔が、親水性の細孔となる、ステップからなることを特徴とする方法。
【請求項１３】
前記充填するステップは、さらに、前記基体をカーテン被覆装置に通すことからなり、前記基体が前記カーテン被覆装置を通過する間に、前記基体の前記全細孔容積の５〜２５％を充填するのに適した体積の前記液体状のブロッキング材料を塗布するように、前記カーテン被覆装置は、前記液体状のブロッキング材料のカーテンの厚みと、前記カーテン被覆装置を通過する前記基体の供給速度が、調整されていることを特徴とする請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記炭素繊維からなる基体を用意するステップの後で、前記炭素繊維からなる基体を湿気を保つ化合物で処理し、それによって、前記炭素繊維からなる基体が、基体１ｇ当たり０．０１〜０．１５ｇの前記湿気を保つ化合物を含むことを特徴とする請求項１２記載の方法。
【請求項１５】
前記基体の充填されていない細孔容積に疎水性の物質を塗布するステップは、さらに、前記疎水性の細孔が、前記基体１ｇ当たり０．２０〜０．６０ｇの疎水性の物質で被覆されるように、前記疎水性の物質を塗布することからなることを特徴とする請求項１２記載の方法。
【請求項１６】
前記基体の充填されていない細孔容積に前記疎水性の物質を塗布するステップは、さらに、前記基体の充填されていない細孔容積に前記疎水性の物質をスクリーン印刷することからなることを特徴とする請求項１２記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は、燃料電池または電解セルにおいて使用される電気化学セルのスタックなどの電気化学セルに関し、特に、流体の移動が改善された燃料電池に関する。
【０００２】
【背景技術】
電気化学セルは、通常、燃料電池の構成において還元剤流体と酸化剤流体から電気化学エネルギーを得るために使用され、または、電解セルの構成において水から水素ガスと酸素ガスを生成するといった供給流体から生成ガスを生成するために使用される。通常の適用においては、反応物と生成物の流体の流れを方向付けるようにマニホールドを規定する電気絶縁体枠により囲まれたスタックの中に配置された、複数の平面状のセルが使用される。電気化学セルは、一般に、電解質により隔てられたアノード電極とカソード電極を備える。電極表面からセル全体に亘って還元剤流体と反応物流体が移動する速度を速くし、かつより均一に供給することによって、電気化学セルをより効率よく作用させることができる。
【０００３】
例えば、このような電気化学セルは、電解質としてプロトン交換膜（以下、「ＰＥＭ」と呼ぶ）を使用する燃料電池のためのスタックに使用されるのがよく知られている。このようなセルにおいては、水素などの反応物すなわち還元剤流体は、アノード電極に供給され、酸素や空気などの酸化剤は、カソード電極に供給される。水素は、アノード電極の表面で電気化学的に反応し、水素イオンと電子を生成する。電子は、外部の負荷回路に伝わり、それから、カソード電極に戻り、同時に、水素イオンは、電解質を通って、カソード電極に移動し、そこで、酸化剤および電子と反応し、水を生成し、熱エネルギーを発生する。
【０００４】
このような燃料電池のアノード電極とカソード電極は、燃料電池の作動環境の制限や作動に必要な条件に従い、様々な種類の電解質によって隔てられる。ＰＥＭ電解質は、当業技術においてよく知られる固体ポリマーから成る。燃料電池に使用される別の通常の電解質は、アノード電極とカソード電極の間にある多孔質の非電導性マトリックス中に保持されたリン酸や水酸化カリウムを含む。ＰＥＭの膜によって、多孔質マトリックス中に毛管力により保持された液体電解質より圧力差に対して耐性のある仕切が、還元剤流体と酸化剤の間に形成されるので、ＰＥＭ型燃料電池は、酸やアルカリの電解質を備えた燃料電池に対して、特定の運転条件を満足することにおいてかなり有利であることが知られている。さらに、ＰＥＭ電解質は、固定されていて、燃料電池から浸出せず、また、膜は比較的安定した保水力を有する。しかしながら、よく知られるように、ＰＥＭ型燃料電池には、特に、液体状の水がＰＥＭに移動し、ＰＥＭを通って、さらにＰＥＭから移動することに関し、またガス状の還元剤や酸化剤の流体が、同時に、ＰＥＭの両面に隣接した電極に移動し、さらにこの電極から移動することに関し、重大な限界がある。先行技術には、これらの限界の影響を最小限に抑える多くの努力が含まれている。
【０００５】
ＰＥＭを使用する燃料電池の作動においては、膜は、水により飽和し、膜に隣接したアノード電極は、湿らせておく必要がある。アノード電極において生成した水素イオンは、電解質を通って移動するので、水分子とヒドロニウムイオンの形になってアノード電極からカソード電極に水分子をひきずる（ドラッグする）ことになる。水は、また、浸透によってカソード電極からアノード電極に移動して戻る。カソード電極において生成した生成物である水は、循環する酸化剤の気流中に蒸発または飛沫同伴することによって、またはカソード電極に隣接した多孔質の流体移動層の中にまたこの移動層を通って毛管現象によって、除去される。多孔質の水が移動できるプレートによって、液体状の水は、冷却水の供給装置からアノード電極へ供給され、またカソード電極から水は除去され、冷却水の供給装置に戻され、同時に、電解質や電極から熱が取り除かれることになる。カソード電極において水が生成する速度と、カソード電極から水が除去される速度およびアノード電極に液体状の水が供給される速度との間に適切な水の平衡が維持されることが重要である。電池から外部の負荷回路に流れる電流が減少するので、このようなＰＥＭを使用した燃料電池の性能の作動限界は、水の平衡を維持する燃料電池の能力に規定される。水がアノード電極に十分には戻らない場合、ＰＥＭ電解質の隣接した一部が乾燥してしまい、それによって、水素イオンがＰＥＭを通って移動できる速度が低下し、さらに、局部的な過熱に繋がる反応物流体がクロスオーバすることになる。同様に、水がカソード電極から十分には除去されない場合、カソード電極には水が非常に溢れてしまい、カソード電極への酸化剤の供給が制限され、それによって、電流が減少する。
【０００６】
燃料電池の開発は、燃料電池全体に、よりいっそう流体が移動するように、それによって、特定の運転の要求を満たすために必要となる重量や費用が低減されるように、努力されている。例えば、通常の燃料電池においては、アノード電極とカソード電極は、多孔質の保持層に保持された薄い多孔質の触媒層からなり、これらの層は、ＰＥＭなどの電解質の大部分の両側の表面に密接に接触している。水、還元剤、酸化剤の流体は、保持層の細孔を通して、触媒層に移動し、触媒層を通って、さらに触媒層から移動する。保持層の細孔を通って気体状の流体が移動するのを液体状の水が妨げないようにするために、保持層を疎水性のポリマーなどの疎水性の物質を用いて処理することが知られている。このような疎水性の保持層によって、気体状の酸化剤、還元剤、生成物の流体が移動するのが容易になり、一方、水は、蒸気として保持層を移動し、または液体として保持層に「浸透」する。さらに、カソード電極に液体状の水が過剰に蓄積しそれによって気体状の酸化剤がカソード電極に接近するのが制限されるのを最小限に抑えるために、多孔質の炭素処理された防水性のシートをカソード電極に隣接して使用することが知られており、これは、ライザー（Ｒｅｉｓｅｒ）に与えられ、１９８９年５月２日に発行され、ここに開示される本発明の譲受人に譲渡された米国特許第４，８２６，７４２号に示されている。さらに、燃料電池の開発には、電極を形成する触媒粒子に通じる疎水性の網状の気体通路を形成するために、アルカリ電解質型燃料電池の多孔質の保持層上の触媒層に疎水性の物質を形成して使用し、同時に、液体の移動通路を形成するために、同じ触媒層に親水性の触媒不活性の粒子を使用することが含まれており、これは、ランスマン（Ｌａｎｄｓｍａｎ）等に与えられ、１９９６年１月２日に発行され、本発明の譲受人に譲渡された米国特許第５，４８０，７３５号に示されている。さらに液体電解質型燃料電池の改良には、電極表面に隣接した親水性の多孔質の保持層に複数の疎水性材料を含浸させる開示が含まれており、これは、ラマリン（Ｌａｍａｒｉｎｅ）等に与えられ、１９７７年７月２６日に発行され、本発明の譲受人に譲渡された米国特許第４，０３８，４６３号に示されており、さらに、疎水性のポリマーを塗布する前に保持層を部分的にマスキングすることによって、親水性の多孔質の保持層の表面に亘って均一に分散する親水性の電解質の貯蔵部分を形成し、その後マスキング材料を取り除くことが含まれており、これは、トロチョーラ（Ｔｒｏｃｃｉｏｌａ）に与えられ、本発明の譲受人に譲渡された米国特許第３，９０５，８３２号に示されている。
【０００７】
また、液体状の水の移動を容易にし、燃料電池全体に亘って冷却するために、多孔質の水が移動できるプレートを保持層に隣接して追加すること；電極および隣接したＰＥＭが乾燥する可能性を抑えるために、燃料電池に供給される気体状の還元剤や酸化剤の流体に湿気を加えるために、保湿成分を形成すること；周囲の空気と熱交換することにより燃料電池から流出する酸化剤の流れの中にある湿気を凝縮させ、それからアノード電極に隣接した多孔質の保持層にこの凝縮した湿気を戻すために、燃料電池の外部に凝縮ループを組み込むこと；リン酸型燃料電池においてリン酸電解質の一部を電気化学的に不活性にし、それによって酸化剤ガスの出口に隣接して凝縮ゾーンを形成し、このゾーンは、電解質の活性部分より低い温度で作動し、それによって、電解質の損失を抑えること（ブロール（Ｂｒｅａｕｌｔ）に与えられ、本発明の譲受人に譲渡された米国特許第４，３４５，００８号に示されている）；還元剤ガスの供給管に隣接した多孔質の保持層を通して流れる冷却水やアノード電極への供給水より幾分高い圧力に反応ガスが維持されるように、燃料電池のアノード電極側に圧力差を発生させることで、この圧力差が多孔質の層と燃料電池を通る水の移動に役立つようにすること；が知られている。
【０００８】
これらの改良によって、燃料電池の運転効率は大幅に上がっている。しかしながら、特にＰＥＭ型燃料電池には、依然として、特定のセル要素の流体を移動する能力に関連した作動限界が存在する。多孔質の保持層の細孔内に液体状の水が蓄積するのを抑えるために、通常この層を疎水性の物質を用いて均一に処理すなわち「防水処理」し、それによって、液体状の水が防水処理した保持層の細孔を通って移動するのを防止する。しかしながら、保持層を通って液体状の水が幾分移動することが可能な多孔質の保持層は、燃料電池の最大作動能力によって、同時に同じ層を通って気体物質が移動するにようにする必要がある。従って、ＰＥＭ型燃料電池などの電気化学セルにおいて使用する多孔質の保持層であって、保持層が液体状の水で溢れずにこの層を通って気体状の流体と液体状の流体がよりいっそう流れることのできる多孔質の保持層が必要とされている。
【０００９】
【発明の開示】
還元剤流体と酸化剤流体から電気エネルギーを効率よく発生させるための燃料電池などの電気化学セルにおいて使用する改良を施した多孔質の保持層が、開示される。好ましい実施態様において、この多孔質の保持層は、電解質として第１、第２の互いに逆向きの主要な表面を備えるプロトン交換膜（「ＰＥＭ」）、第１の主要な表面に密接に接触するように保持されたアノード電極、第２の主要な表面に密接に接触するように保持されたカソード電極を備える。流体がそれぞれの電極にまたそれぞれの電極から移動し易いように、多孔質の保持層が、それぞれの電極の近くに、それぞれの電極の間に流体が流れるように、位置する。それぞれのこのような多孔質の保持層は、層全体に亘って形成された疎水性の細孔と親水性の細孔を備え、この疎水性の細孔は、疎水性の物質で被覆される。さらなる好ましい実施態様において、疎水性の細孔は、多孔質の保持層にある全細孔容積の約７５％〜約９５％からなり、親水性の細孔は、多孔質の保持層にある全細孔容積の約２５％〜約５％からなる。アノード電極とカソード電極が流体が流れるように接続されるように燃料電池の中に位置する、改良を施した多孔質の保持層を使用する燃料電池の使用において、水素などの気体状の還元剤流体と液体状の水が、ＰＥＭのアノード電極側にある第１の多孔質の保持層の中に導かれ、同時に、酸素や空気などの気体状の酸化剤が、ＰＥＭのカソード電極側にある多孔質の保持層の中に導かれる。よく知られた機構により電流をセルから外部の負荷回路に流す電位が電極に発生する。多孔質の保持層の疎水性の細孔によって、気体の移動が容易になり、また疎水性の細孔の中に液体状の水が吸着するのが抑えられ、一方、親水性の細孔によって、液体状の水が保持層を通って移動するのが容易になる。輸送手段が加速する時のように、外部負荷に必要な電流が増加した場合、カソード電極において大量の水が発生することになり、同時にアノード電極から「プロトンドラッグ（プロトンによるひきずり）」によりＰＥＭを通ってカソード電極へと大量の液体状の水が除去される。燃料電池のカソード電極側にある多孔質の保持層を通してカソード電極に供給される気体状の酸化剤が、水蒸気で飽和する場合、カソード電極に液体状の水が蓄積し、多孔質の保持層にある親水性の細孔を通してカソード電極から除去されることになる。同様に、ＰＥＭのアノード側にある多孔質の保持層を通して供給される気体状の反応物が、水蒸気で飽和しない場合、ＰＥＭが乾燥するのを防止するために、多孔質の保持層にある親水性の細孔を通してアノード電極に液体状の水がさらに供給され得る。
【００１０】
同様に、燃料電池全体を通して流体がよりいっそう移動できる多孔質の保持層を作成する方法が、開示される。この方法は、炭素繊維からなる基体の層にある細孔容積の約２５％〜約５％を液体状のワックスなどのブロッキング材料で充填し；このワックスを固化させ；炭素繊維からなる基体の層にある約７５％〜約９５％に相当する残りの充填されていない細孔容積に疎水性の物質を塗布し；疎水性の物質の液体担体の全てを除去するために、ワックスの融点を下回る温度で炭素繊維からなる基体の層を乾燥し；ワックスが蒸発しかつ疎水性の物質が融着するのに十分に高い温度でこの乾燥した基体を熱処理し、疎水性の細孔を被覆し、多孔質の保持層を作成する；ステップからなる。
【００１１】
従って、本発明の一般的な目的は、燃料電池などの電気化学セルにおいて使用するための、先行技術の保持層の不備を克服する多孔質の保持層を提供することである。
【００１２】
より具体的な目的は、燃料電池全体に亘って気体状の流体と液体状の流体が同時に移動し易くなる、多孔質の保持層を提供することである。
【００１３】
さらに別の具体的な目的は、燃料電池のアノード電極側やカソード電極側で使用することができる、多孔質の保持層を提供することである。
【００１４】
本発明のこれらと他の目的、利点は、添付の図面と併せて以下の説明を読むことで、容易に明らかになるであろう。
【００１５】
【発明を実施するための最良の形態】
図面を詳細に参照すると、燃料電池などの電気化学セルが、本発明の最も一般的な作動環境に相当し、全体に参照番号１０が付与されて、図２に最もよく概略が示される。図１には、燃料電池１０の一般的なよく知られた機能構成が概略示され、水素や、メタンやガソリンからの改質炭化水素などの還元剤流体１２、水１４が、燃料電池１０のアノード電極側１６に供給され、一方、酸素や空気などの酸化剤１８が、燃料電池１０のカソード電極側２０に供給される。還元剤流体１２は、よく知られた機構で電気化学的に反応し、プロトンと電子を生成し、この電子は、アノード電極側１６から外部の負荷回路２２を通って流れ、輸送手段などの電気を使用する装置２４に電気を供給し、さらにプロトンは燃料電池１０を通ってカソード電極側２０に移動する。その後、負荷回路２２を通って燃料電池１０のカソード電極側２０に流れた電子は、酸化剤１８と反応し、水と熱を生成する。燃料電池１０が、輸送手段（参照番号２４により概略示される）に電気を供給する装置の構成要素である場合、燃料電池１０からの水の損失を最小限に抑えることは重要である。従って、装置のカソード電極側２０で生成した水と、アノード電極側１６に供給され燃料電池１０を通ってひきずられてカソード電極側２０に移動して燃料電池１０の冷却に使用されない水は、凝縮器である水を凝縮させる熱交換器２７を含む水回収ライン２６を通して、アノード電極側１６に戻される。未使用の酸化剤１８は、熱交換器２７から酸化剤の排出口２８通して排出され、未使用の還元剤流体は、燃料電池１０から還元剤流体の排出口２９を通して排出される。通常、燃料電池１０は、複数の同様のセルを用いたスタックとして構成され、このスタックは、よく知られた方法で還元剤流体、酸化剤流体、冷却流体や電気の流れを導くマニホールドや関連する手段を備える枠（図示せず）を含む。
【００１６】
図２に最もよく示されるように、本発明の燃料電池１０は、第１の主要な表面３２と反対側の第２の主要な表面３４を有するプロトン交換膜（「ＰＥＭ」）３０などの電解質を備える。アノード電極３６は、ＰＥＭの第１の主要な表面３２と密接に接触するように保持され、同様に、カソード電極３８は、ＰＥＭの第２の主要な表面３４と密接に接触するように保持される。本発明の改良を施した第１の多孔質の保持層４０は、アノード電極３６に隣接して固定され、改良を施した第２の多孔質の保持層４２は、カソード電極３８に隣接して固定される。第１の水が移動できるプレート４４が、第１の多孔質の保持層４０に固定され、第１の水が移動できるプレート４４によって、第１の気体を供給する網状構造４６、複数の第１の水を供給する溝４８Ａ、４８Ｂ、４８Ｃが、規定される。第２の水が移動できるプレート５０が、第２の多孔質の保持層４２に固定され、第２の水が移動できるプレート５０によって、第２の気体を供給する網状構造５２、複数の第２の水を供給する溝５４Ａ、５４Ｂ、５４Ｃが、規定される。
【００１７】
第１、第２の多孔質の保持層４０、４２はそれぞれ、基体全体に形成された親水性の細孔と疎水性の細孔を規定する基体を備え、疎水性の細孔は、疎水性の物質で被覆される。「基体全体に形成された」という用語によって、疎水性の細孔と親水性の細孔が層全体に亘り任意に分布しており、明確な境界によって互いを分けられない、ということを意味する。それぞれの層にある疎水性の細孔は、全細孔容積の約７５％〜約９５％からなり、親水性の細孔は、多孔質の保持層４０、４２にある全細孔容積の約２５％〜約５％からなる。好ましい実施態様においては、さらに、多孔質の保持層４０、４２は、濡らすことができかつ溶解性が低くさらに既知のＰＥＭ型燃料電池の作動環境の範囲で安定な化合物、例えば、アルミニウム、シリコン、スズ、ニオブ、ルテニウム、タンタル、タングステンのいずれかの酸化物や水酸化物、これらの混合物からなる群から選ばれた湿気を保つ化合物を含んでおり、これらの中では酸化スズが好ましい。
【００１８】
本発明の改良を施した多孔質の保持層４０、４２の作成は、上述した燃料電池１０などの電気化学セルにおいて流体が効率的に移動するのに適した平均細孔径、全細孔容積を有する炭素繊維からなる基体を処理することを含む。多くのそのような炭素繊維からなる基体が、従来技術においてよく知られており、許容される炭素繊維からなる基体は、平均細孔径が約１０〜６０μｍ、全細孔容積が基体の約６０〜８０％である必要がある。そのような多孔質の炭素繊維からなる基体５６の好ましい例は、トレイ社（Ｔｏｒａｙ  Ｃｏｍｐａｎｙ）（ニューヨーク、ニューヨーク州、アメリカ）製の商標名「ＧＲＡＤＥ  ＴＧＰ−Ｈ−０６０」で、大きさは厚みが約５〜１５ｍｉｌｓ、全細孔容積は約６５〜７５％である。図３に示されるように、改良を施した多孔質の保持層４０、４２の作成は、炭素繊維からなる基体５６にある全細孔容積の約５％〜約２５％をワックスなどのブロッキング材料で充填し；基体５６にある充填されていない細孔容積に疎水性の物質を塗布し；ブロッキング材料が、蒸発または分解し、かつ疎水性の物質が、疎水性の物質にさらされた充填されていない細孔を規定する基体５６の壁に、融着または燒結するように十分に高い温度で基体５６を熱処理する；ステップからなる。ブロッキング材料は、流体が細孔の中に吸着するのを抑制する材料であり、疎水性の物質を塗布する間、ブロッキング材料は、細孔の中に留まり、熱処理のステップの間に、蒸発、分解などにより細孔から除去される。具体的なブロッキング材料は、熱処理をした物質を作成するのによく知られた、ポリビニルアルコールなどのポリマーや様々なワックスを含む。ここに列挙した目的のための好ましいブロッキング材料は、アクトル社（ＡＫＴＯＬ）（ヨハネスバーグ、南アフリカ）により商標名「ＭＩＣＲＯＷＡＸ  ２５７５」で販売されており、融解温度が華氏約１７０度（「°Ｆ」）であり、約２５０°Ｆで基体に塗布するのが最適である。熱処理の間にブロッキング材料が蒸発または分解しそれによって基体５６から除去されると、先にワックスで充填されていた細孔は、親水性となり、融着した疎水性の物質を有する壁によって、疎水性の細孔が規定される。
【００１９】
図３に概略示されるように、改良を施した多孔質の保持層４０、４２を作成する好ましい方法は、まず、炭素繊維からなる基体５６を標準的なカーテン被覆装置５８に通すことにより、基体５６の細孔容積の一部を融解したワックスなどの液体状のブロッキング試薬で充填する。カーテン被覆装置５８を通過する基体５６の供給速度や基体５６の上に接触する融解したワックスの流速を含む処理条件は、親水性の細孔になる細孔容積の割合にワックスにより塞がれる基体５６の細孔容積の割合が一致するように、設定される。次のステップでは、冷却トンネル６０にワックスを充填した基体５６を通すことなどによって、ワックスの融解温度を下回る温度で、ワックスが冷却されてその融点を下回るように十分長く、それによってワックスが固化するように、基体５６を冷却する。次に、スクリーン印刷機６２などによって、多孔質の表面に液体状の薄い層を塗布するための従来方法を疎水性の物質に適用する。好ましい疎水性の物質は、デュポン社（ＤｕＰｏｎｔ  Ｃｏｍｐａｎｙ）（ウィルミントン、デラウェア、アメリカ）により販売されているよく知られた「テフロン（ＴＥＦＬＯＮ）」ポリマーなどの疎水性のポリマーである。特に、「テフロン−３０（ＴＥＦＬＯＮ−３０）」として特定される懸濁液が、好ましい疎水性の物質である。
【００２０】
次のステップでは、乾燥トンネル６４などの中で、ワックスの溶解温度を下回る温度で、水や疎水性の物質のための液体担体が全て蒸発するように十分に長い期間、基体５６を乾燥する。最後に、ワックスが、蒸発または分解し、かつ疎水性の物質が、ワックスで充填されていない細孔を規定する基体５６の壁に、燒結または融着するように十分に高い温度で、乾燥した基体５６を炉６６の中で熱処理する。
【００２１】
本発明の多孔質の保持層４０、４２を作成する方法のより具体的な適用には、まず、湿気を保つ物質を含むように基体５６を処理することが含まれる。ＰＥＭ型燃料電池が作動する環境の炭素構造は、炭素の酸化物の還元によって、特に燃料電池のアノード電極側で、いずれは疎水性になることが知られている。例えば、上述したトレイ社（Ｔｏｒａｙ  Ｃｏｍｐａｎｙ）の厚みが約６ｍｉｌ．、全細孔容積が約０．０１１４ｃｍ3／ｃｍ2の「ＧＲＡＤＥ  ＴＧＰ−Ｈ−０６０」材料を、湿気を保つ物質である酸化スズを含むように処理する。この処理は、四塩化スズ五水和物を水に溶解し水１ｃｍ3当たり約０．１６ｇの酸化スズを含む濃度とした水溶液に、約１５分間、基体層５６を浸すことによって達成される。浸した基体５６は、次に約１時間、約７〜９のｐＨに維持されたアンモニア水溶液に浸す。次に、基体５６は、１８０°Ｆ（華氏度）で約１５分間乾燥し、さらに空気中、７５０°Ｆで約１時間加熱する。ここで、多孔質の基体５６の層は、基体５６の層１ｇ当たり約０．０５ｇの酸化スズである湿気を保つ化合物を含む。湿気を保つ化合物の基体５６中の好ましい範囲は、基体５６の１ｇ当たり約０．０１〜約０．１５ｇである。
【００２２】
湿気を保つ化合物を含むように基体５６を処理した後、この保湿処理を施した基体５６をカーテン被覆装置５８に通すことにより、基体５６の全細孔容積の約５〜２５％を、上述したアクトル社（ＡＫＴＯＬ）製のＭＩＣＲＯＷＡＸ  ２５７５などの溶解したワックスで充填すなわち含浸させる。融解したワックスのカーテンの厚みや基体５６の供給速度が、基体５６の表面の単位面積当たり適切な体積のワックスを塗布するのに対応するように、カーテン被覆装置を設定し、この表面の単位面積と反対側の表面の同じ面積の間の基体５６の全細孔容積の約５〜２５％を充填する。例えば、上述したトレイ社（Ｔｏｒａｙ  Ｃｏｍｐａｎｙ）の厚みが約６．０ｍｉｌ．の基体５６の層の約２５％を上述したアクトル社（ＡＫＴＯＬ）のＭＩＣＲＯＷＡＸ  ２５７５で充填するためには、ワックスは、カーテン被覆装置５８内で約２５０°Ｆまで加熱し、カーテン被覆装置５８を通る基体５６の層の供給速度と基体５６に塗布する溶解したワックスのカーテンの厚みは、基体５６の１ｇ当たり約０．４０ｇのワックスを負荷するように簡単に調整される。この速度またはワックスの負荷は、基体５６の１ｃｍ2当たり約０．００２９ｃｍ3に相当し、これは基体５６の空隙容積の約２５％に等しい。これによってアクトル社（ＡＫＴＯＬ）のＭＩＣＲＯＷＡＸ  ２５７５で含浸された基体５６は、次に、ワックスを固化するために、１５０°Ｆを下回る温度で冷却し、また、別の溶解したブロッキング材料を使用する場合、そのブロッキング材料の溶解温度を下回る温度で冷却する。
【００２３】
保湿処理を施した、ワックスを含浸させた基体５６の層は、次に、上述したテフロン−３０（ＴＥＦＬＯＮ−３０）の懸濁液から作成したスクリーン印刷用のインクを使用してスクリーン印刷機６２によって疎水性の物質を塗布する。スクリーン印刷用のインクは、水１ｃｍ3当たり約０．２０ｇのテフロン−３０（ＴＥＦＬＯＮ−３０）の濃度になるように、テフロン−３０（ＴＥＦＬＯＮ−３０）の懸濁液を水で希釈することによって作成する。希釈した懸濁液は、スクリーン印刷に適した粘性の懸濁液を作成するために、ユニオンカーバイド社（Ｕｎｉｏｎ  Ｃａｒｂｉｄｅ  Ｃｏｍｐａｎｙ）（ニューヨーク、ニューヨーク州、アメリカ）製の商標名「ＰＯＬＹＯＸ  ＷＳＲ−３０１」で販売されている製品などの液体担体や増粘剤を添加することによって、１０，０００〜２０，０００センチポアズまで粘性率を増加させる。次に、基体５６は、その主要な平面状の表面の一方に、通常の技術によって上述したスクリーン印刷用のインクで、スクリーン印刷する。次に、印刷された基体５６は、約１６０°Ｆ〜１７０°Ｆで約１５分間乾燥し、さらに、約６６０°Ｆで約５〜３０分間熱処理する。基体５６内の疎水性の物質（この例では、テフロン−３０（ＴＥＦＬＯＮ−３０））の負荷は、基体５６の１ｇ当たり疎水性の物質約０．３６ｇとなる。疎水性の細孔を被覆する疎水性の物質の好ましい範囲は、基体５６の１ｇ当たり疎水性の物質約０．２０〜０．６０ｇである。
【００２４】
上述した例においては、疎水性の物質を基体５６上にスクリーン印刷する際、基体５６の全細孔容積の約２５％が、固体化したワックスで含浸されるので、ワックスで充填された細孔の中には、疎水性の物質は入り込まない。熱処理のステップの間に、ワックスは蒸発して、それによって、先にワックスで充填されていた細孔は、改良を施した多孔質の保持層４０、４２の親水性の細孔となる。熱処理のステップでは、さらに、ワックスで充填されていない細孔を規定する基体５６の表面に疎水性の物質が融着し、これによって、これらの細孔は、多孔質の保持層４０、４２の疎水性の細孔となる。以上から明らかなように、基体５６にワックスを塗布する処理条件を調整することによって、基体５６の全細孔容積のワックスで含浸する割合を変化させることができ、これによって、得られる多孔質の保持層４０、４２の親水性の細孔の割合を全細孔容積の約５％〜約２５％に設定し、同時に、疎水性の細孔の割合を全細孔容積の約９５％〜約７５％に変えることができる。
【００２５】
図２に示されるように、本発明の改良を施した多孔質の保持層４０、４２を使用する際、保持層４０、４２は、アノード電極３６と、還元剤流体１２と水１４の供給装置の間に配置することができるし、また、カソード電極３８と、酸化剤１８の供給装置の間に配置することもできる。さらに、多孔質の保持層４０、４２は、「２層（ｂｉ−ｌａｙｅｒｓ）」または「接触２層（ｃｏｎｔａｃｔ  ｂｉ−ｌａｙｅｒｓ）」と通常呼ばれるような流体移動要素をさらに適用するための保持層として役に立ち、また、多孔質の保持層４０、４２は、これらの平面状の表面自体に、電気化学セルの技術でよく知られた触媒材料（例えば、白金や白金の合金）を直接塗布することもできる。また、改良を施した多孔質の保持層４０、４２は、通常の技術によって圧力や熱を掛けることで、ＰＥＭに直接積層することもできる。
【００２６】
輸送手段や他の電気を使用する装置２４に電気を供給する燃料電池の設計パラメータには、燃料電池によって、輸送手段の突然の短期間の加速を容易にするのに適した動力を与えるために電気を急激に増やす能力が得られるようにする必要がある。そのように急激に必要となる電流によって、ＰＥＭを通って水がプロトンによりひきずられることによりアノード電極で液体状の水が急激に減少することになり、同時に、電流出力の増加に応じてカソード電極に過剰の水がひきずられ、またカソード電極に過剰の水が生成するので、カソード電極に水が溢れることになる。そのような必要に直面する燃料電池に、改良を施した多孔質の保持層４０、４２を使用すると、液体状の水をアノード電極に供給する燃料電池の能力を高めることができると同時に、カソード電極から液体状の水を除去する能力も高めることができる。さらに、具体的な輸送手段において具体的に必要とされる急激に増加する電力によって予想される流体移動の問題を解決するために、改良を施した多孔質の保持層４０、４２は、作成の際に、親水性の細孔の割合が多孔質の保持層４０、４２の全細孔容積の５〜２５％になるように調整するように、同時に、疎水性の細孔が保持層４０、４２の全細孔容積の９５〜７５％になるように対応して調整するように、構成することができる。例えば、軽量な輸送手段に必要な急激に増加する電力は、大型の輸送手段に必要とされるものとはかなり異なる。改良を施した多孔質の保持層４０、４２にある親水性の細孔と疎水性の細孔の割合は、作成の際に、具体的な輸送手段の必要を最も満足するのに適した範囲になるように、構成することができる。
【００２７】
本発明は、燃料電池に使用する改良を施した多孔質の保持層の具体的な構成とその作成方法について説明し例示したが、本発明は説明し例示した例に限定されないことは当業者には理解されるであろう。例えば、図２には、燃料電池１０のアノード電極３６に直接隣接した第１の多孔質の保持層４０と、燃料電池１０のカソード電極３８に直接隣接した第２の多孔質の保持層４２が示されている。しかしながら、改良を施した多孔質の保持層４０、４２は、電気化学セルの電極と流体が流れるように接続してどこにでも位置することができ、同時に、セルの中で気体や液体が流れるのを容易にする。さらに、改良を施した多孔質の保持層４０を電気化学セルに１つだけ利用することもできる。従って、本発明の範囲を決定するためには、上述した説明より特許請求の範囲を第１に参照すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  電気を生成するための燃料電池の機能構成を示す概略図。
【図２】  本発明の改良を施した多孔質の保持層を使用する燃料電池の断面概略図。
【図３】  本発明の改良を施した多孔質の保持層を作成する方法の概略図。
【図１】
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【図２】
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