(57)【要約】【解決手段】  燃料電池は、第１の表面及び第２の表面を有する音伝達部材を備える。アノード電極は、イオン伝達部材の第１の表面に配置され、カソード電極はイオン伝達部材の第２の表面に配置される。第１の導電流体分布要素は、アノードに配置され、第２の導電流体分布要素はカソードに配置される。第１及び第２の導電流体分布要素は、複数の交互に並ぶランド及び流体通路を各々備えている。アノード及びカソードは、流体通路と本質的に整列するように整列された複数の電子化学的活性領域から構成されている。【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極アッセンブリであって、
第１の表面を有するイオン伝達部材と、
前記第１の表面に設けられた第１の電極と、
前記第１の電極は、電子化学的活性材料を有する活性領域と、該活性領域の間に分散された非活性領域と、を備える、膜電極アッセンブリ。
【請求項２】
前記イオン伝達部材は、陽子交換膜である、請求項１に記載の膜電極アッセンブリ。
【請求項３】
第２の電極を更に備え、該第２の電極は、前記第１の表面に対向する前記イオン伝達部材の第２の表面に設けられている、請求項１に記載の膜電極アッセンブリ。
【請求項４】
前記第１の電極はアノードであり、前記第２の電極はカソードである、請求項３に記載の膜電極アッセンブリ。
【請求項５】
前記活性領域の各々は、ストライプの形態にある、請求項１に記載の膜電極アッセンブリ。
【請求項６】
前記非活性領域の各々は、導電材料を備える、請求項１に記載の膜電極アッセンブリ。
【請求項７】
前記導電材料は、熱伝導性を有する、請求項６に記載の膜電極アッセンブリ。
【請求項８】
前記活性領域及び前記非活性領域は交互に並んでいる、請求項１に記載の膜電極アッセンブリ。
【請求項９】
燃料電池であって、
第１の表面を有するイオン伝達部材と、
前記イオン伝達部材の前記第１の表面に設けられ、電子化学的活性材料を有する複数の活性領域を備える、第１の電極と、
前記第１の電極に面しており、前記活性領域と各々整列された複数の流体通路を有する、導電流体分布要素と、
を備える、燃料電池。
【請求項１０】
前記活性領域は、前記通路により取り囲まれている、請求項９に記載の燃料電池。
【請求項１１】
複数の活性領域が、通路により取り囲まれている、請求項９に記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記活性領域はストライプ形状に形成されている、請求項９に記載の燃料電池。
【請求項１３】
前記活性領域に隣接した導電材料を有する非活性領域を更に備える、請求項９に記載の燃料電池。
【請求項１４】
前記導電材料は熱伝達性を有する、請求項１３に記載の燃料電池。
【請求項１５】
前記導電流体分布要素は、前記通路に各々隣接した複数のランドを更に備える、請求項９に記載の燃料電池。
【請求項１６】
前記ランドの各々は、前記活性領域の１つ以上と導電状態で接触する、請求項１５に記載の燃料電池。
【請求項１７】
前記活性領域の少なくとも１つは、前記各々の通路の幅よりも小さい幅を有する、請求項９に記載の燃料電池。
【請求項１８】
前記活性領域の少なくとも１つは、前記各々の通路の幅よりも大きい幅を有する、請求項９に記載の燃料電池。
【請求項１９】
前記電極は、前記活性領域に隣接した複数の開放領域を更に備える、請求項９に記載の燃料電池。
【請求項２０】
前記流体通路の各々は、前記電極に対して鋭角をなす側壁を有する、前記電極に面するチャンネルを備える、請求項９に記載の燃料電池。
【請求項２１】
前記チャンネルは、三角形形状の断面を有し、該断面の開放端部は前記活性領域に面している、請求項２０に記載の燃料電池。
【請求項２２】
前記側壁は、水蓄積領域を形成するため、前記三角形形状の断面の前記開放端部で湾曲されている、請求項２１に記載の燃料電池。
【請求項２３】
燃料電池であって、
第１の表面及び第２の表面を有するイオン伝達部材と、
前記イオン伝達部材の前記第１の表面に設けられたアノード電極であって、該アノード電極は、電子化学的活性材料を有する互いに間隔を隔てた電子化学的活性領域の第１のグループと、該活性領域の間に形成された導電性非活性領域と、を備える、前記アノード電極と、
前記イオン伝達部材の前記第２の表面に設けられたカソード電極であって、該カソード電極は、互いに間隔を隔てた電子化学的活性領域の第２のグループと、該活性領域の間に形成された開放領域と、を備える、前記カソード電極と、
前記アノード電極に面する第１の導電流体分布要素と、前記カソード電極に面する第２の導電流体分布要素と、
を備え、
前記第１及び第２の導電流体分布要素は、前記各々の活性領域と整列した複数の流体通路を備える、燃料電池。
【請求項２４】
電子化学的反応が生じるところの第１及び第２の電極の間に挟まれた膜を備える膜電極アッセンブリを有する燃料電池を作働させる方法であって、
前記第１の電極の複数に分布した電子化学的活性領域に対応する分布パターンで第１の反応物を前記第１の電極に供給し、
前記活性領域の各々において前記第１の反応物を反応させる、各工程を備える、方法。  
【請求項２５】
膜及び電極を備えるアッセンブリを形成する方法であって、
前記電極を形成するため前記膜上に少なくとも２つの間隔を隔てた領域に電子化学的活性材料を塗布する工程を備える、方法。
【請求項２６】
前記間隔を隔てた領域の間に前記膜上に導電材料を塗布する工程を更に備える、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記電子化学的材料は、細長いストリップとして塗布される、請求項２５に記載の方法。
【請求項２８】
前記電子化学的活性材料は、書き込み装置のオリフィスを介して塗布される、請求項２５に記載の方法。
【請求項２９】
前記塗布工程は、前記電子化学的活性材料を、デカルコマニア上に沈着させ、次に該デカルコマニアから前記膜へと転写させることにより実行される、請求項２５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＰＥＭ燃料電池に係り、より詳しくは、電気化学的活性材料が、燃料電池からガス拡散媒体を無くすことを可能にするため伝導流体分布要素の流体通路に対応して整列された複数の領域として配置された燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電気自動車用の電源及び他の用途として提案されてきた。そのような燃料電池のうちの一つが、所謂「膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）」を備えるＰＥＭ（即ち、陽子交換膜）燃料電池である。該膜電極アッセンブリは、膜電解質の両面に一対の電極（即ち、アノード及びカソード）を有して薄い固体ポリマー膜電解質から構成されている。ＭＥＡは、一対の導電流体分布要素（即ち、二極式プレート）の間に挟まれている。該一対の導電流体分布要素は、電極のための電流コレクターとして機能し、ＭＥＡと接触するプレート表面に形成されたランド及び溝の列である所謂「流れ場」を備える。ランドは電極からの電流を伝達し、これに対してランドの間の溝は電極の面に亘って均等に燃料電池のガス反応物を分配させるように機能する。ガス拡散媒体は、典型的には、多孔性のグラファイト／カーボンのペーパーであり、それが流れ場内の溝と対面するところでＭＥＡを支持し、そこから隣接するランドへと電流を伝達するため、導電流体分布要素の各々とＭＥＡの電極面との間に配置されている。
【０００３】
しかしながら、電極と該電極と連係する電極プレートとの間に介在された、従来のガス拡散媒体は、欠点を持っている。ガス拡散媒体は、典型的には約１０ミル厚であるランダムに配位された繊維のマットを通常は備えており、非常に高価である。更に、ガス拡散媒体は、Ｈ２及びＯ２のそれらの各々の電極への拡散を妨害する。更には、ガス拡散媒体は、電極との良好な伝導インターフェースを提供し、これにより電池インピーダンスを減少させるため電池／スタックの端部に相当の圧力が印加されることが要求されるが、このことはＭＥＡからの水の流出を妨害する。
【０００４】
上記欠点のうち、ＭＥＡからの水の流出を妨害する現象は、しばしば、「水溢れ状態」と称され、特に、厄介なものである。「水溢れ状態」は、カソードの流れ場プレートを通る空気の流れが水除去プロセスを駆使するのに十分でないとき低電流密度における燃料電池の作働を妨げ得るものである。余剰の液体水は、ガス拡散媒体の孔をふさぎ、これにより、反応酸素の流れから触媒箇所を孤立させる傾向もある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、前記した欠点を最小にする改善された燃料電池設計が求められる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した欠点に鑑みて、本発明は、第１及び第２の表面を有するイオン伝達部材を備える燃料電池を提供する。アノード電極は、前記イオン伝達部材の第１の表面に沈着され、カソード電極は、イオン伝達部材の第２の表面に沈着される。第１の導電流体分布要素は、アノードに面し、第２の導電流体分布要素はカソードに面する。第１及び第２の導電流体分布要素は、複数の交互に並ぶランド及び流体通路を各々備えている。アノード及びカソードは、流体通路と本質的に整列するように整列された複数の電子化学的活性領域から構成されている。
【０００７】
本発明の用途の更なる領域は、以下に提供された詳細な説明から明らかとなろう。詳細な説明及び特定の実施例は、本発明の好ましい実施例を示しているが、図示のみの目的であり、本発明の範囲を制限するものではないことが理解されるべきである。
【０００８】
本発明は、次の詳細な説明及び添付図面からより完全に理解されるようになるであろう。
【実施例】
【０００９】
好ましい実施例の次の説明は、本質上単なる例示にしかすぎず、本発明、その用途又は使用法を限定するものではない。
図１は、導電流体分布要素８、以下では二極式プレート８と称する要素により互いに分離された、一対の膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）４及び６を有する、２電池の二極式燃料電池スタック２を表している。膜電極アッセンブリ４及び６と二極式プレート８とは、ステンレス鋼のクランププレート即ち端部プレート１０及び１２と、端部接触要素１４及び１６との間に一緒に積み重ねられている。端部接触要素１４及び１６、並びに、二極式プレート８の両作用面は、燃料及び酸化剤ガス（即ち、Ｈ２及びＯ２）を膜電極アッセンブリ４及び６に各々分配するための、複数の溝即ちチャンネル１８（破線で示される）、２０、２２及び２４を含んでいる。非伝導性ガスケット２６、２８、３０及び３２は、燃料電池スタックの幾つかの構成要素の間で密封及び電気的絶縁を提供する。酸素が、貯蔵タンク３４から適切な供給配管３６を介して燃料電池スタックのカソード側に供給され、水素が、貯蔵タンク３８から適切な供給配管４０を介して燃料電池のアノード側に供給される。代替例として、周囲の空気を、酸素源としてカソード側に供給することができ、メタノール若しくはガソリンの改質器等から水素をアノードに供給することができる。膜電極アッセンブリ４及び６のＨ２及びＯ２の両方の側のための排気配管（図示せず）も、典型的に設けることができる。液体冷却剤を二極式プレート８と端部接触要素１４及び１６とに供給するための追加の配管４２、４４及び４６が設けられている。二極式プレート８と端部接触要素１４及び１６とから冷却剤を排出するための適切な配管も、図示されていないが、設けられている。
【００１０】
図２は、本発明の第１の実施例に係る燃料電池の様々な構成要素の拡大分解図である。図２で理解することができるように、燃料電池は、アノード電極５２とカソード電極５４とにより挟まれたイオン伝達部材５０を有する膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）４８を備えている。膜電極アッセンブリ４８は、アノード表面二極式プレート５６と、カソード表面二極式プレート５８とにより更に挟まれている。
【００１１】
イオン伝達部材５０は、好ましくは固体ポリマー膜電解質であり、より好ましくはＰＥＭである。そのような膜電解質に適したポリマーは、当該技術分野で周知されており、米国特許番号５，２７２，０１７号及び３，１３４，６９７号に記載され、他の特許文献及び非特許文献の他の箇所にも記載されている。しかし、イオン伝達性部材５０の組成は、当該技術分野で従来から使用されている陽子伝達性ポリマーの任意のものを含んでいてもよい。好ましくは、例えば、ナフィオン（Ｒ）等の過フッ化スルホン酸ポリマーが使用される。更には、ポリマーは、膜の単独構成成分であってもよく、又は、別の材料の孔内に担持されていてもよい。
【００１２】
本発明によれば、アノード電極５２及びカソード電極５４は、複数の電子化学的活性領域６０から構成される。これらの電子化学的活性領域６０は、複数のストライプ形状の領域（図示）として示されているが、これに限定されるものではなく、複数のドット形状の領域（図示せず）であってもよい。電子化学的活性領域６０は、複数の隣接して配置された導電領域６２により互いから分離されている。
【００１３】
電子化学的活性領域６０の組成は、当該技術分野で従来から使用されている任意の電子化学的活性材料であってもよい。この点において、電子化学的活性領域６０は、ポリマー結合剤に埋め込まれた触媒被覆の炭素粒子又はグラファイト粒子を備えるのが好ましい、該ポリマー結合剤は、ポリマー膜と同様に、例えば、ナフィオン（Ｒ）等の陽子伝達材料である。電子化学的活性領域６０は、触媒としてプラチナを含むのが好ましい。導電領域６２に関して、例えばナフィオン（Ｒ）等のポリマー結合剤に埋め込まれた炭素粒子又はグラファイト粒子を利用するのが好ましい。
【００１４】
アノード表面二極式プレート５６及びカソード表面二極式プレート５８は、当該技術分野で知られている任意の二極式プレートであってもよい。二極式プレートとして使用するため好ましい材料は、鋼鉄、アルミニウム、チタニウム、複合材料、又は、ポリマー材料を含んでいる。複合材料は、更に、炭素繊維、グラファイト繊維、鋼鉄繊維、又は、電気伝導を容易にする他の任意の導電材料を含んでいてもよい。更には、電気的伝導を容易にすることを援助し、腐食耐性においても更に援助することができる例えば貴金属、チタニウム、アルミニウム等のコーティングで二極式プレートを被覆することも本発明の範囲から逸脱するものではない。
【００１５】
本発明の第１の実施例では、アノード５２及びカソード５４の電子化学的活性領域６０は、好ましくは、図３により明瞭に表された二極式プレート５６及び５８のチャンネル又は通路６４に対応するか又は整列する、ストライプパターンで形成されている。一実施例では、電子化学的活性領域６０は、二極式プレート５６及び５８のチャンネル６４の幅よりも小さい幅に形成されるのが好ましく、チャンネル６４が電子化学的活性領域６０を取り巻くか又は囲むように、チャンネル６４の幅の半分より小さい幅で形成されるのが更に好ましい。これは、電子化学的活性領域６０の二極式プレート５６及び５８のチャンネル６４との正確な整列が要求されないので、簡略化された製造プロセスを促進する。更には、電子化学的活性領域６０のストライプパターンの沈着は、連続的な電極に比較して高価のプラチナ触媒がより小さい量で使用されるという点で、膜電極アッセンブリ４８及び燃料電池のコストを全体的に減少させる。
【００１６】
図３でも理解することができるように、二極式プレート５６及び５８のランド６６は、アノード５２及びカソード５４の導電領域６２と直接接触する。純粋なＨ２又は水素改質物の燃料の流れがアノード５２の電子化学的活性領域６０に亘って分散されるとき、水素酸化反応により生成された電子は、隣接して配置された導電領域６２に電子化学的活性領域６０を通って短距離だけ横方向に伝達される。二極式プレート５６のランド６６がアノード５２の導電領域６２と直接接触するので、電気的伝導が促進され、向上する。アノード反応から生成された陽子（Ｈ＋）は、湿度のある燃料流れからの水と結合して、電子化学的活性領域６０を通ってＰＥＭ５０へと至り、該ＰＥＭを通ってカソード５４へと至る。
【００１７】
酸素を含むＯ２又は周囲空気の流れは、カソード５４の電子化学的活性領域６０に亘って分散される。酸素は、還元反応を経験し、生成された電子は、電子化学的活性領域６０を通って隣接する導電領域６２へと短距離だけ横方向に伝達される。還元された酸素は、アノード５２からの陽子と反応し、液体の水が生成される。
【００１８】
電子化学的活性領域６０は、本質的にチャンネル６４と合致し又は整列すると共に、チャンネル６４の幅よりも小さい幅を有するので、燃料電池の電子化学的反応から生成された水は、選択的にランド６６上では形成されず、本質的にチャンネル６４に拘束されることが理解されるべきである。従って、チャンネル６４の水は高速空気の流れと接触し、該高速空気は燃料電池から水を対流的に除去する。
【００１９】
当業者が容易に認めるであろう本発明の独自の態様は、アノード５２及びカソード５４の電子化学的活性領域６０に隣接して配置された導電領域６２は熱伝導材料としても機能するということである。導電材料に加えて熱伝導材料として機能することにより、燃料電池の電子化学的反応の間に生成された熱を、活性領域からより効果的且つより効率的にランドへと伝達することができる。
【００２０】
図４に示されるような本発明の第２の実施例では、アノード５４及びカソード５４の電子化学的活性領域６０は、二極式プレート５６及び５８のチャンネル６４の幅よりも大きい幅に形成されている。電子化学的活性領域６０がチャンネル６４の幅よりも大きい幅に堆積することにより、電子化学的活性領域６０の二極式プレート５６及び５８のチャンネル６４との正確な整列が要求されないので、簡単な製造プロセスを促進する。更には、電子化学的活性領域６０が、二極式プレート５６及び５８のチャンネル６４の幅よりも大きい幅に堆積することにより、アノード反応及びカソード反応を生じさせるための反応領域を増大させ、ひいては、より大きい電流密度が生成することを可能にする。
【００２１】
なお、アノード５２及びカソード５４の両方のための電子化学的活性領域６０は、幅が本質的に等しいように示されているが、本発明は、それに限定されるものではない。しかし、満足のいく電流密度を維持するためには、電子化学的活性領域６０の幅が、アノード５２及びカソード５４の両方に対して本質的に等しいことが好ましい。
【００２２】
第１の実施例に戻って参照すると、アノード及びカソード反応から生成された電子は、電子化学的活性領域６０を通って導電領域６２へと短距離だけ横方向に伝達され、電子を二極式プレート５６及び５８へと伝達させる。電子の横方向の伝達は、第２の実施例でも生じる。しかし、図４で理解することができるように、アノード５２及びカソード５４の電子化学的活性領域６０は、二極式プレート５６及び５８と直接接触し、電子化学的活性領域６０から二極式プレート５６及び５８への直接的な電子の伝達を促進する。
【００２３】
電子化学的活性領域６０が、電子の伝導率を促進するようにランド６６と接触するため、チャンネル６４の幅よりも大きい幅に拡大されるので、反応面積は、電子化学的活性領域６０と、アノード５２及びカソード５４の供給流れとの間で増大する。かくして、酸化反応及び還元反応におけるより大量の電子の生成に起因してより高い電流密度が生成されるが、より多くの水が生成されて、燃料電池を溢れさせ得る。従って、余剰水の除去を援助するため電子化学的活性領域６０に隣接して導電領域６２に空洞空間を形成することが望ましい。かくして、領域６２の一部又は全てを除去して、空洞即ち開放領域６８を作ることができる。
【００２４】
図４に示されるように、カソード５４の導電領域６２は、開放領域又は孔６８を示すため除去されている。かくして、これらの孔６８は、特に燃料電池が垂直に配位されたとき水が燃料電池から出るための追加の経路を提供する。この配位は好ましくあるが、これに限定されるものではない。燃料電池が垂直に配位されるとき（図示せず）、重力が、孔６８を通した水の除去を援助する。
【００２５】
なお、図４では、カソード５４の導電領域６２だけが除去されている。これは、燃料電池の電子化学反応の間に膜電極アッセンブリのカソード表面に水が形成され、水除去のためより大きな必要性が要求されるからである。カソードの導電領域６２のみを除去することが好ましいが、本発明は、アノード５２の導電領域６２も同様に除去することが望ましいので、これに限定されるべきではない。導電領域６２をアノード５２から除去することにより、湿度のある燃料の流れが、ＰＥＭ５０を適切に水和する加湿手段として機能する。適切に水和されたＰＥＭ５０は、カソード５４への陽子の輸送にとって重要である。
【００２６】
図５に示された本発明の第３の実施例では、電子化学反応を更に促進し、燃料電池からの水の対流的な除去を改善するため、二極式プレート５６及び５８のチャンネル６４は、変形された形状を持っていてもよい。図５に示されるように、チャンネル６４の断面は、長方形形状７０から三角形形状又はＶ字状形状７２に変形することができる。より詳しくは、チャンネル６４のエッジ又は側壁７４は、膜電極アッセンブリ４８とエッジ７４との間で鋭角が形成されるように、膜電極アッセンブリ４８に向かってテーパー形成され又は傾斜されている。
【００２７】
図５に示された変形形状を用いることにより、流れ領域が事実上半分となり、実際に、供給流れのガス速度が事実上２倍となる。供給流れの速度を増加させることにより、電子化学的活性領域６０と接触するようになる反応ガスの量を増加させ、適切な条件の下では、電子化学反応の速度を増大させ、その結果、電流を増大させる。更には、ガス拡散媒体を使用する必要がないので、二極式プレート５６及び５８のランド６６を横切りガス拡散媒体を通って流れるガスが存在しなくなる。このことは、現存するスタック設計のものよりもガス速度を更に増大させる。しかし、本発明は、膜電極アッセンブリと二極式プレートとの間にガス拡散媒体等の中間材料を使用しない好ましい実施例で記載されるが、例えば、支持、伝導又は分散等の目的のため、スクリーン、布又は発泡体等の中間要素を含むことも可能である。
【００２８】
チャンネル６４の形状に戻ると、電子化学反応速度が増大するとき、より多くの水が生成されることが理解できる。このようにして、チャンネル６４を通過する供給流れの増大した速度も、燃料電池から水を対流的に除去することを援助する。変形した三角形断面７２の別の態様は、チャンネル６４のエッジ７４が、膜電極アッセンブリ４８の表面の電子化学的活性領域６０から離れて液体水を蓄積させるため低速度領域７６を提供するように湾曲され、特定の輪郭に形成されることができるということである。
【００２９】
「狭いダクトにおける高圧環状２相流れ」、即ちトラボルトらによる２０００年６月のＡＳＭＥ１２２の「液滴場におけるパートＩ局所測定」に記載されているように、連続的な液体は最低速領域に蓄積しようとする傾向があるということが２相流れの文献から知られている。このようにして、チャンネル４のエッジ７４の輪郭を特定形状に定めることによって、低速度領域７６が発展する。図５で理解することができるように、低速度領域７６は、カソード５４の電子化学的活性領域６０から離れて位置しており、それにより電子化学反応により生成された水は、電子化学的活性領域６０から離れて蓄積し、これによって反応ガスが、電子化学的活性領域６０の触媒領域に到達することを可能にする。更には、流れ場プレートと膜電極アッセンブリとの間の鋭いエッジ状のインターフェースの消去は、膜電極アッセンブリに損傷を与え得る応力集中点がもはや存在しないため、耐久性が追加されるといった利点を持っている。
【００３０】
本発明の上述した実施例は、例えば、ストライプ形状領域又はドット形状領域等の複数の電子化学的活性領域として電子化学的活性材料の沈着により可能となることが理解されるべきである。複数の領域６０として電子化学的活性材料を沈着させるために、直接書き込み技術が用いられるのが好ましいが、これに限定されるものではない。直接書き込み技術は、ドラムヘラーに付与された米国特許番号４，４８５，３８７号に記載されており、直接書き込み技術の一例が図６に示されている。直接書き込み技術を可能とする装置の製造者は、マイクロペン社であり、該会社は、ニューヨーク、ホネオイにあるオームクラフト社の子会社である。
【００３１】
直接書き込み技術は、幅広い範囲の粘性率に亘って、様々な幅及び厚さに流体を塗布するため、薄いノズル先端を備えた装置を用いている。例えば、約０．００１インチ乃至約０．０８０インチ（１ミル乃至８０ミル、即ち、０．０２５ｍｍ乃至２．０ｍｍ）の範囲に及ぶ幅と、約０．０１０インチ（１０ミル即ち０．２５ｍｍ）までに及ぶ厚さとを有するラインを、その技術を用いて実現することができる。好ましくは、電子化学的活性材料６０の幅は、二極式プレート５６及び５８の対応するチャンネル６４の幅の少なくとも半分又は約１．２５倍以内である。チャンネル６４の幅は、約０．０１インチ乃至約０．１２０インチ（１０ミル乃至１２０ミル、即ち０．２５ｍｍ乃至３．０ｍｍ）の範囲にあるのが好ましく、約０．０２インチ乃至約０．０６インチ（２０ミル乃至６０ミル、即ち０．５０ｍｍ乃至１．５ｍｍ）の範囲にあるのが更に好ましい。このように電子化学的活性材料６０の幅は、約０．００５インチ乃至約０．１５０インチ（５ミル乃至１５０ミル、即ち０．１０ｍｍ乃至４．０ｍｍ）の範囲にあるのが好ましく、約０．０１インチ乃至約０．０７５インチ（１０ミル乃至７５ミル、即ち０．２５ｍｍ乃至２．０ｍｍ）の範囲にあるのが更に好ましい。
【００３２】
電子化学的活性領域６０をＰＥＭに沈着させる好ましい方法は、当該技術分野で周知されているように所謂デカルコマニア法における直接書き込み技術を利用することである。デカルコマニア法では、触媒被覆された炭素又はフィルターらファイト、ポリマー結合剤、及び、鋳造溶媒のスラリーがテフロンのブランク部に亘って均等に塗布される。テフロンのブランク部は、オーブンで焼かれ、次に、例えばＰＥＭ等の膜に加圧圧搾される。テフロンのブランク部は、膜から剥ぎ取られ、触媒被覆の炭素又はグラファイトは、膜電極アッセンブリを完全に形成するため膜への連続的な電極として埋め込まれた状態のままとなっている。
【００３３】
本発明の電子化学的活性領域を塗布するという目的のため、直接書き込み技術は、電子化学的活性領域のための所望のパターンで所望の幅及び厚さにテフロンのブランク部に電子化学的活性材料のスラリーを塗布するため使用される。本発明の目的のための一例としてのスラリーは、約４％のプラチナ、約４％のイオノマー、約４％の炭素、約１９％のイソプロピルアルコール、及び、６９％の水を含み得るが、これに限定されるものではない。スラリーがテフロンブランク部に所望のパターンで沈着された後、ブランク部は、５分間に亘って８０℃でオーブン乾燥される。テフロンのブランク部は、１４６℃の温度及び２．７６ＭＰａ（４００ｐｓｉｇ）の圧力でＰＥＭの両表面上へと加圧圧搾される。次に、テフロンのブランク部は、除去され、電子化学的活性材料は、膜電極アッセンブリを形成するようにストライプ形状の領域又はドット形状の領域の好ましいパターンでアノード及びカソードの電子化学的領域としてＰＥＭ上に沈着された状態のままとなっている。なお、電子化学的活性材料に隣接した導電領域も、このようにして沈着されてもよい。
【００３４】
上述の方法は、好ましいものであるが、本発明は、それに限定されるものではないことも理解されるべきである。例えば、多数の直接書き込み装置が、電子化学的活性領域及び導電領域の両方を本質的に同時に沈着させるように同時に用いられるようにしてもよい。更には、スラリーの様々な量及び構成要素に応じて、異なる圧力及び温度が、焼成工程及び加圧圧搾工程のため、必要とされ得ることが理解されるべきである。別の可能な変更例によれば、電子化学的活性領域及び導電領域を、直接書き込み技術を用いてＰＥＭ上に直接沈着させるようにしてもよい。
【００３５】
更には、チャンネル６４当たりに沈着された単一の電子化学的活性領域６０を持つことが好ましいが、チャンネル６４当たりにして複数の電子化学的活性領域６０を沈着させることも本発明の範囲から逸脱するものではない。複数の電子化学的活性領域６０がチャンネル６４当たりに沈着された場合、より多くの触媒領域が与えられ、これにより、電子化学的反応の速度を増大させる。
【００３６】
当業者が容易に認めるであろう本発明の更に別の独自の利点は、二極式プレート５６及び５８の流れ場の簡単化である。図７で理解することができるように、二極式プレート５６、５８のランド６６及びチャンネル６４は、燃料電池からの水の除去を援助するため、直線チャンネル列、好ましくは、垂直に配列される。これは、電子化学的活性領域６０が対応するチャンネル６４に本質的に合致するか又は整列し、これによりガス拡散媒体を無くすように配置されるという事実に起因している。ガス拡散媒体が無くされたので、もはや蛇行状又は指間形態に曲がりくねって流れる複数のチャンネルを通して供給流れを流れさせる必要はなくなる。更には、個々のチャンネル６４内部の圧力降下がヘッダー内よりも遙かに大きいので、供給流れの反応ガスの流れは、チャンネル６４の間で均等に分割されるべきである。その上、流れの均一性を、列に亘るチャンネル断面を変化させることにより最適化することができる。ヘッダーポートに最近接したものは、ヘッダーポートから最も遠いものよりも断面積が僅かに小さくなる。なお、簡単化された流れ場は、二極式プレートの製造を非常に簡単にし、それらの製造に伴うコストを減少させる。
【００３７】
本発明の説明は、その本質上単なる例示にしか過ぎず、よって、本発明の要旨から逸脱しない変更は、本発明の範囲内にあるものとみなされるべきである。そのような変更は、本発明の精神及び範囲からの逸脱としてみなされるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】図１は、本発明に係るＰＥＭ燃料電池スタック（２つだけの電池が示されている）の概略的な分解図である。
【図２】図２は、本発明の第１の実施例に係る燃料電池の拡大分解図である。
【図３】図３は、本発明の第１の実施例に係る燃料電池の拡大断面図である。
【図４】図４は、本発明の第２の実施例に係る燃料電池の拡大断面図である。
【図５】図５は、本発明の第３の実施例に係る燃料電池の拡大断面図である。
【図６】図６は、本発明に従って使用される直接書き込み技術の一例を表す写真である。
【図７】図７は、本発明に従って使用される概略的な導電流体分布要素の俯瞰図である。
【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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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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