(57)【要約】  本発明はガス拡散層と、ガス拡散層及び触媒層を有するデバイスと、ガス拡散層を備える燃料電池と、ガス拡散電極とに関する。本ガス拡散層は、固体マトリクスと、該固体マトリクスを通り抜ける相互連結した孔又は間隙と、少なくとも一つの外表面と、内表面（「内表面」とは前記孔又は間隙の壁面のことである。）とを有する柔軟性、非導電性、多孔性の材料を備え、前記少なくとも一つの外表面の少なくとも一部が導電性材料の単一又は複数層で被覆され、この導電性材料は大きさの異なる導電性炭素粒子の少なくとも二集団の混合物を含み、該導電性炭素粒子の該少なくとも二集団は前記少なくとも一つの外表面に沿って延びる平面方向に実質的に均一に混合される。【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体マトリクスと、該固体マトリクスを通り抜ける相互連結した孔又は間隙と、少なくとも一つの外表面と、内表面（「内表面」とは前記孔又は間隙の壁面のことである。）とを有する柔軟性、非導電性、多孔性の材料を備える燃料電池用の構造体（ここで、前記少なくとも一つの外表面の少なくとも一部は導電性材料の単一又は複数層で被覆されており、
前記導電性材料は導電性炭素粒子の少なくとも二集団の混合物を含み、導電性炭素粒子の該少なくとも二集団は前記少なくとも一つの外表面に沿って延びる平面方向に実質的に均一に混合され、該少なくとも二集団は以下よりなる群から選択される。
（ａ）少なくとも、導電性非繊維状炭素粒子の集団Ａと導電性非繊維状炭素粒子の集団Ｂ（集団ＡのＤ５０％と集団ＢのＤ５０％の比は１：ｍであり、ｍは少なくとも５００である。）；
（ｂ）少なくとも、導電性非繊維状炭素粒子の集団Ｃと導電性炭素繊維の集団Ｄ（集団ＣのＤ５０％と集団Ｄの平均繊維長さの比は１：ｎであり、ｎは少なくとも２である。）；並びに
（ｃ）少なくとも、導電性炭素繊維の集団Ｅと導電性炭素繊維の集団Ｆ（集団Ｅの平均繊維長さと集団Ｆの平均繊維長さの比は１：ｐであり、ｐは少なくとも２である。））。
【請求項２】
ｍが少なくとも１０００、ｎが少なくとも５、及びｐが少なくとも５である請求項１に記載の構造体。
【請求項３】
ｍが少なくとも２０００、ｎが少なくとも１０、及びｐが少なくとも１０である請求項２に記載の構造体。
【請求項４】
前記少なくとも二集団が少なくとも集団Ａ及び集団Ｂである請求項１に記載の構造体。
【請求項５】
ｍが少なくとも２５００である請求項４に記載の構造体。
【請求項６】
ｍが少なくとも３０００である請求項５に記載の構造体。
【請求項７】
ｍが約２０００〜約４０００である請求項４に記載の構造体。
【請求項８】
ｍが約２５００〜約３５００である請求項７に記載の構造体。
【請求項９】
ｍが約３０００〜約４０００である請求項８に記載の構造体。
【請求項１０】
ｍが約３０００〜約３５００である請求項９に記載の構造体。
【請求項１１】
前記少なくとも二集団が少なくとも集団Ｃ及び集団Ｄである請求項１に記載の構造体。
【請求項１２】
ｎが少なくとも約２０である請求項１１に記載の構造体。
【請求項１３】
ｎが少なくとも約１００である請求項１２に記載の構造体。
【請求項１４】
ｎが約１００〜約２０００である請求項１１に記載の構造体。
【請求項１５】
ｎが約２００〜約２０００である請求項１４に記載の構造体。
【請求項１６】
ｎが約５００〜約１０００である請求項１５に記載の構造体。
【請求項１７】
前記少なくとも二集団が少なくとも集団Ｅ及び集団Ｆである請求項１に記載の構造体。
【請求項１８】
ｐが少なくとも２０である請求項１７に記載の構造体。
【請求項１９】
ｐが少なくとも５０である請求項１８に記載の構造体。
【請求項２０】
導電性材料中の導電性炭素粒子の最小集団の含有量は、導電性炭素粒子の全乾燥重量に対して、約１％〜約５０％である請求項１に記載の構造体。
【請求項２１】
導電性材料中の導電性炭素粒子の最小集団の含有量は約５％〜約３０％である請求項２０に記載の構造体。
【請求項２２】
導電性材料中の導電性炭素粒子の最小集団の含有量は約１０％〜約２０％である請求項２１に記載の構造体。
【請求項２３】
導電性材料中の導電性炭素粒子の最小集団の含有量は約１０％〜約１５％である請求項２２に記載の構造体。
【請求項２４】
集団Ａはカーボンブラック粉末の集団であり、集団Ｂはカーボンフレークの集団である請求項４に記載の構造体。
【請求項２５】
カーボンブラック粉末のＤ５０％が０．０１〜０．０５μｍであり、カーボンフレークのＤ５０％が５０〜１２０μｍである請求項２４に記載の構造体。
【請求項２６】
カーボンブラック粉末のＤ５０％が約０．０３μｍであり、カーボンフレークのＤ５０％が約９０μｍである請求項２４に記載の構造体。
【請求項２７】
カーボンブラック粉末のＤ５０％が０．０１〜０．０５μｍであり、カーボンフレークのＤ５０％が５０〜２５０μｍである請求項２４に記載の構造体。
【請求項２８】
カーボンブラック粉末のＤ５０％が約０．０３μｍであり、カーボンフレークのＤ５０％が約９０〜約１２０μｍである請求項２４に記載の構造体。
【請求項２９】
導電性材料が更に約２０〜約９０μｍのＤ５０％を有する導電性カーボンフレークの集団を含む請求項２７に記載の構造体。
【請求項３０】
導電性材料が更に導電性炭素繊維の集団を含む請求項２４に記載の構造体。
【請求項３１】
前記炭素繊維は平均長さが約１２０〜約２００μｍであり、平均径が約３〜約３０μｍである請求項３０に記載の構造体。
【請求項３２】
柔軟性、非導電性、多孔性の材料がポリマー材料である請求項１に記載の構造体。
【請求項３３】
前記ポリマー材料はフォーム、繊維束、マット繊維、針状繊維、織繊維又は不織繊維、及びポリマービーズを加圧して作った多孔性ポリマーよりなる群から選択される請求項３２に記載の構造体。
【請求項３４】
前記ポリマー材料はフォーム、繊維束、及び織繊維又は不織繊維よりなる群から選択される請求項３３に記載の構造体。
【請求項３５】
前記ポリマー材料はポリウレタンフォーム、メラミンフォーム、ポリビニルアルコールフォーム、或いはポリアミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステル、セルロース、ポリアクリロニトリル、レーヨン及びこれらの混合物で出来た不織フェルト、織繊維、又は繊維束から選択される請求項３４に記載の構造体。
【請求項３６】
前記ポリマー材料はフォームである請求項３５に記載の構造体。
【請求項３７】
前記ポリマー材料はポリウレタンフォームである請求項３６に記載の構造体。
【請求項３８】
前記ポリマー材料はフェルト化ポリウレタンフォーム、網状ポリウレタンフォーム、又はフェルト化網状ポリウレタンフォームである請求項３７に記載の構造体。
【請求項３９】
前記ポリマー材料はフェルト化網状ポリウレタンフォームである請求項３８に記載の構造体。
【請求項４０】
前記ポリマー材料はポリエーテルポリウレタンフォームである請求項３７に記載の構造体。
【請求項４１】
前記ポリマー材料はポリエステルポリウレタンフォームである請求項３７に記載の構造体。
【請求項４２】
柔軟性、非導電性、多孔性の材料の少なくとも一つの外表面が実質的に完全に導電性材料で被覆されている請求項１に記載の構造体。
【請求項４３】
柔軟性、非導電性、多孔性の材料が湾曲した側部外表面及び二つの端部外表面を備え、該湾曲した側部外表面は該二つの端部外表面の各々に個別に隣接しており、該湾曲した側部外表面が導電性材料で被覆されている前記少なくとも一つの外表面である請求項４２に記載の構造体。
【請求項４４】
柔軟性、非導電性、多孔性の材料が四つの側部外表面及び二つの端部外表面をもつ長方形状を有し、側部外表面の一つの実質的に全部及び内表面の少なくとも一部が導電性材料の単一又は複数層で被覆され、この被覆された側部外表面及び被覆された内表面は一緒になって導電経路を形成する請求項４２に記載の構造体。
【請求項４５】
柔軟性、非導電性、多孔性の材料の内表面の実質的に全部が導電性材料で被覆されている請求項４４に記載の構造体。
【請求項４６】
導電性材料で被覆されている側部外表面とは反対側の側部外表面も導電性材料の単一又は複数層で実質的に完全に被覆されており、この二つの被覆された両側の側部外表面及び被覆された内表面が一緒になって導電性経路を形成する請求項４５に記載の構造体。
【請求項４７】
請求項１に記載の構造体及び燃料電池用の触媒層を備えるデバイス（前記触媒は少なくとも１種類の貴金属を含み、導電性材料で被覆された柔軟性、非導電性、多孔性の材料の少なくとも一つの外表面が該触媒層と接触している。）。
【請求項４８】
請求項４３に記載の構造体及び燃料電池用の触媒層を備えるデバイス（前記触媒は少なくとも１種の貴金属を含み、導電性材料で被覆された柔軟性、非導電性、多孔性の材料の湾曲した側部外表面が該触媒層と接触している。）。
【請求項４９】
請求項４５に記載の構造体及び燃料電池用の触媒層を備えるデバイス（前記触媒は少なくとも１種の貴金属を含み、導電性材料で被覆された柔軟性、非導電性、多孔性の材料の側部外表面が該触媒層と接触している。）。
【請求項５０】
直列に接触した以下の層：
（ｉ）第一のセパレータ又はバイポーラプレート；
（ｉｉ）第一のガス拡散層（第一のガス拡散層は導電性材料の単一又は複数層で被覆された柔軟性、非導電性、多孔性の材料の内表面の少なくとも一部を更に有する請求項１に記載の構造体である。）；
（ｉｉｉ）燃料電池用の粒子状触媒の層を備えるアノード（該触媒は貴金属又は貴金属の混合物である。）；
（ｉｖ）固体ポリマー電解質又はプロトン交換膜（ＰＥＭ）；
（ｖ）燃料電池用の粒子状触媒の層を備えるカソード（該触媒は貴金属又は貴金属の混合物）；
（ｖｉ）第二のガス拡散層（第二のガス拡散層は導電性材料の単一又は複数層で被覆された柔軟性、非導電性、多孔性の材料の内表面の少なくとも一部を更に有する請求項１に記載の構造体である。）；並びに
（ｖｉｉ）第二のセパレータ又はバイポーラプレート；
を備える燃料電池
（ここで、導電性材料で被覆された第一のガス拡散層の柔軟性、非導電性、多孔性の材料の少なくとも一つの外表面は、ＰＥＭと接触しているアノードの表面とは反対側のアノードの表面と接触しており、柔軟性、非導電性、多孔性の材料の被覆された少なくとも一つの外表面及び被覆された内表面はアノード及び第一のセパレータ又はバイポーラプレートと接触して導電経路を形成しており、並びに、
導電性材料で被覆された第二のガス拡散層の柔軟性、非導電性、多孔性の材料の少なくとも一つの外表面は、ＰＥＭと接触しているカソードの表面とは反対側のカソードの表面と接触しており、柔軟性、非導電性、多孔性の材料の被覆された少なくとも一つの外表面及び被覆された内表面はカソード及び第二のセパレータ又はバイポーラプレートと接触して導電経路を形成している。）。
【請求項５１】
固体基材の少なくとも外表面上に触媒を備える燃料電池用のガス拡散電極（ここで、該触媒は貴金属又は貴金属の混合物とであり、該固体基材は固体マトリクスと、固体マトリクスを通り抜ける相互連結した孔又は間隙と、少なくとも一つの外表面と、内表面（該内表面は前記孔又は間隙の壁面のことである。）とを有する柔軟性、非導電性、多孔性の材料を含み、前記少なくとも一つの外表面の少なくとも一部は導電性材料の単一又は複数層で被覆されており、
該導電性材料は導電性炭素粒子の少なくとも二集団の混合物を含み、導電性炭素粒子の該少なくとも二集団は該少なくとも一つの外表面に沿って延びる平面方向に実質的に均一に混合され、該少なくとも二集団は以下： 
（ａ）少なくとも、導電性非繊維状炭素粒子の集団Ａと導電性非繊維状炭素粒子の集団Ｂ（集団ＡのＤ５０％と集団ＢのＤ５０％の比は１：ｍであり、ｍは少なくとも５００である。）；
（ｂ）少なくとも、導電性非繊維状炭素粒子の集団Ｃと導電性炭素繊維の集団Ｄ（集団ＣのＤ５０％と集団Ｄの平均繊維長さの比は１：ｎであり、ｎは少なくとも２である。）；並びに
（ｃ）少なくとも、導電性炭素繊維の集団Ｅと導電性炭素繊維の集団Ｆ（集団Ｅの平均繊維長さと集団Ｆの平均繊維長さの比は１：ｐであり、ｐは少なくとも２である。）
よりなる群から選択される。）。
【請求項５２】
固体マトリクス及び少なくとも一つの外表面を有する柔軟性、非導電性、非透過性の材料を備える燃料電池用のバイポーラプレート（ここで、該少なくとも一つの外表面の少なくとも一部は導電性材料の単一又は複数層で被覆されており、
該導電性材料は導電性炭素粒子の少なくとも二集団の混合物を含み、導電性炭素粒子の該少なくとも二集団は該少なくとも一つの外表面に沿って延びる平面方向に実質的に均一に混合され、該少なくとも二集団は以下： 
（ａ）少なくとも、導電性非繊維状炭素粒子の集団Ａと導電性非繊維状炭素粒子の集団Ｂ（集団ＡのＤ５０％と集団ＢのＤ５０％の比は１：ｍであり、ｍは少なくとも５００である。）；
（ｂ）少なくとも、導電性非繊維状炭素粒子の集団Ｃと導電性炭素繊維の集団Ｄ（集団ＣのＤ５０％と集団Ｄの平均繊維長さの比は１：ｎであり、ｎは少なくとも２である。）；並びに
（ｃ）少なくとも、導電性炭素繊維の集団Ｅと導電性炭素繊維の集団Ｆ（集団Ｅの平均繊維長さと集団Ｆの平均繊維長さの比は１：ｐであり、ｐは少なくとも２である。）
よりなる群から選択される。）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は２００３年５月９日に出願した米国仮出願第６０／４６９，０２２号の利益を主張する（該開示を本明細書に援用する。）
【０００２】
本発明は、ポリマー電解質膜又はプロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池におけるカソードへの酸素輸送を助けるためにカソードに隣接して配置するのに好適なガス拡散層として、及び／又はアノードへの水素輸送を助けるためにアノードに隣接して配置するのに好適なガス拡散層として有用な、大きさの異なる導電性炭素粒子の少なくとも二集団で被覆された柔軟性、非導電性、多孔性の媒体に関する。また、この被覆された多孔性媒体はガス拡散電極（ＧＤＥ）又は他の電気化学デバイスのための基材としても有用である。
【背景技術】
【０００３】
ＰＥＭ燃料電池では、膜内部の陽イオンは移動性であり、自由に陽イオンを膜全体に運ぶ。アノードからカソードへの該膜を通る水素イオン（プロトン）の移動はＰＥＭ燃料電池の運転に不可欠である。水素イオンは膜を通過し、カソード側で酸素及び電子と結合して水を生成する。電子は膜を通過できない。それ故、アノードで集められた電子は該電池によって発生した電力を消費する電気負荷を駆動する外部回路を通過して、カソードへ配送される。カソードでの反応生成物は水である。単セルからの開放電圧は約１〜１．２Ｖである。より大きな電圧を得るためにいくつかのＰＥＭ燃料電池を直列に積層することができ、より大きなアンペア数を得るために膜面積を増加することができる。
【０００４】
ＰＥＭ燃料電池では、酸化半反応がアノードで生じ、還元半反応がカソードで生じる。酸化半反応では気体状の水素が水素イオン及び電子を生成する。この水素イオンがプロトン伝導膜を通ってカソードへ移動し、電子は外部回路を通ってカソードへ移動する。還元半反応ではカソードを通過する空気から供給された酸素がこの水素イオン及び電子と結合し、水及び過剰熱を生成する。各半反応速度を増加するために触媒（例えば微粒状の白金のような貴金属）がアノード及びカソードの両方で使用される。電池反応全体の最終生成物は電力、水及び熱である。燃料電池は通常、約８０℃に冷却される。この温度では、カソード生成した水は液体及び蒸気の双方の状態である。蒸気状の水は、ガス拡散層を通る空気流及びバイポーラプレート内の流れ場又は流路によって燃料電池から運び出される。  
【０００５】
先行技術における典型的なＰＥＭ燃料電池の構造１を図１の分解組立図に示す。膜電極接合体（“ＭＥＡ”）４、は一方の表面に隣接するアノード層５及び反対の表面に隣接するカソード層５ＡをもつＰＥＭ６を備える。ガス拡散層３，３Ａは各電極層に隣接して配置される。バイポーラプレート２，２Ａは各ガス拡散層３，３Ａに隣接して配置される。一般に、バイポーラプレートは導電材料で形成され、反応物質及び反応副産物が流れることのできる流路（又は流れ場）７を有する。燃料電池構造の隣り合う層は互いに接触するが、図１では理解の容易化及び説明のために分解組立図中で互いに離して表している。
【０００６】
この高分子電解質又はプロトン交換膜（ＰＥＭ）は、膜電極接合体（ＭＥＡ）の内部コアを構成する固体有機ポリマー（通常はパーフルオロスルホン酸）である。ＰＥＭとして使用するための商業的に入手可能なポリパーフルオロ酸はイー・アイ・デュポン・ドゥ・ヌムール・アンド・カンパニー（E. I. DuPont de Nemours & Company）よりＮＡＦＩＯＮ（登録商標）の商標で販売されている。代替的なＰＥＭの構造は、WLゴア・アンド・アソシエーツ社（W. L. Gore & Associates, Inc）から提案されているようなパーフルオロイオン交換ポリマーを含浸した多孔性ポリマー膜の複合物である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
大量の水がカソードで遊離するので、カソードの溢水やバイポーラプレート内のガス流路の閉塞（これによって酸素の供給が遮断されて局部的に反応が停止する。）を防止するためにこれを除去しなければならない。従来の燃料電池では、カソードに蒸気として存在する総ての水を燃料電池から運び出すためにカソードに空気が流される。
【０００８】
従来の燃料電池では、ＭＥＡのＰＥＭに隣接するガス拡散層又は背面層として多孔性の炭素紙、炭素繊維紙又は炭素布を組み込んだ。この多孔性炭素材料は反応ガスの電極触媒サイトへの拡散を助けるだけでなく、水管理をも支援するものであった。多孔性炭素紙が選ばれたのは、炭素はアノードを出てカソードに入る電子を伝導するからである。しかしながら、多孔性炭素紙はカソードから過剰な水を追い出すのには有効な材料ではなく、しばしば、炭素紙に疎水性層を追加して水の除去を補っている。炭素紙は柔軟性が制限的であり、曲げたり落としたりすると壊損しやすい。このような炭素紙はロール状で供給することはできないので、自動製造及び組立にはあまり適さない。これらは堅く、順応性がなく、圧縮性がない。炭素紙を介したＭＥＡとバイポーラプレート間の密接な電気的接触を維持するためには、厳しい公差が要求される。また、多孔性炭素紙は高価である。従って、燃料電池業界は燃料電池の性能に悪影響を与えたり、著しい重量や費用を追加したりすることなしに、燃料の輸送及び副産物の回収や除去を改善し、効果的なガス拡散及び効果的な導電接触を維持し、燃料電池の製造を単純化するガス拡散層を求め続けている。
【０００９】
従って、燃料電池業界は燃料電池の性能に悪影響を与えたり、著しい厚み、重量又は費用を追加したりすることなしに、効果的なガス拡散を維持して効果的な導電性を維持する改良されたガス拡散層を求め続けている。本発明は、改良されたガス拡散層を提供することによって従来のガス拡散層に関連したいくつかの問題点を解決することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第一の側面によれば、燃料電池用ガス拡散層は、固体マトリクス及びこれを通り抜ける相互連結した孔又は間隙を有し、少なくとも一つの外表面及び内表面（「内表面」とは前記孔又は間隙の壁面のことである。）を有する柔軟性、非導電性、多孔性の材料を備え、前記少なくとも一つの外表面の少なくとも一部、好ましくは実質的に全部が導電性材料の単一又は複数層で被覆されている。この導電性材料は導電性炭素粒子の少なくとも二集団の混合物を含み、導電性炭素粒子の該少なくとも二集団は前記少なくとも一つの外表面に沿って延びる平面方向に実質的に均一に混合され、該少なくとも二集団は以下よりなる群から選択される。
【００１１】
（ａ）少なくとも、導電性非繊維状炭素粒子の集団Ａと導電性非繊維状炭素粒子の集団Ｂ（集団ＡのＤ５０％と集団ＢのＤ５０％の比は１：ｍであり、ｍは少なくとも５００、好ましくは少なくとも１０００、より好ましくは少なくとも１５００、更により好ましくは少なくとも２０００、更により好ましくは少なくとも２５００、更により好ましくは少なくとも３０００である。）；
【００１２】
（ｂ）少なくとも、導電性非繊維状炭素粒子の集団Ｃと導電性炭素繊維の集団Ｄ（集団ＣのＤ５０％と集団Ｄの平均繊維長さの比は１：ｎであり、ｎは少なくとも２、好ましくは少なくとも５、より好ましくは少なくとも１０、更により好ましくは少なくとも１００、更により好ましくは少なくとも１０００、更により好ましくは少なくとも２０００である。）；並びに
【００１３】
（ｃ）少なくとも、導電性炭素繊維の集団Ｅと導電性炭素繊維の集団Ｆ（集団Ｅの平均繊維長さと集団Ｆの平均繊維長さの比は１：ｐであり、ｐは少なくとも２、好ましくは少なくとも５、より好ましくは少なくとも１０、更により好ましくは少なくとも２０、更により好ましくは少なくとも５０、更により好ましくは少なくとも１００である。）
【００１４】
ｍの値は約５００又は約１０００〜約９０００、好ましくは約１５００〜約８０００、
より好ましくは約２０００〜約７０００、更により好ましくは約２５００〜約６０００、更により好ましくは約２５００〜約５０００、更により好ましくは約２５００〜約４０００、更により好ましくは約３０００〜約４０００の範囲とすることができる。ｎの値は約２〜約５０００、好ましくは約５〜約３０００、より好ましくは約１０〜約２０００、更により好ましくは約５０〜約１５００、更により好ましくは約１００〜約１０００の範囲とすることができる。ｐの値は約２〜約２０００、好ましくは約５〜約１５００、より好ましくは約１０〜約１０００、更により好ましくは約２０〜約８００、又は約５０〜約５００の範囲とすることができる。
【００１５】
導電性炭素粒子の少なくとも二集団の混合物を含む導電性材料においては、最小集団の含有量は該混合物中の導電性炭素粒子の全乾燥重量に対して、約１％〜約５０％、好ましくは約２．５％〜約４０％、より好ましくは約５％〜約３０％、更により好ましくは約７．５％〜約２０％、更により好ましくは約１０％〜約２０％、更により好ましくは約１０％〜約１５％の範囲とすることができる。
【００１６】
導電性材料で部分的に又は実質的に完全に被覆されている前記少なくとも一つの外表面は、ガス拡散層が燃料電池内に設備されるときに電極と接触する外表面であるのが特に好適である。
【００１７】
本発明のガス拡散層のいくつかの実施形態では、導電性材料で被覆された前記少なくとも一つの外表面に加えて、柔軟性、非導電性、多孔性の材料の内表面の少なくとも一部、好ましくは実質的に全部が導電性材料の単一又は複数層で被覆されており、被覆された内表面及び被覆された少なくとも一つの外表面は一緒になって導電性経路を形成する。
【００１８】
柔軟性、非導電性、多孔性の材料が、導電性材料で被覆された前記少なくとも一つの外表面の少なくとも一部に加えて、二つ又はそれより多くの外表面を有するような本発明のガス拡散層のいくつかの実施形態では、該柔軟性、非導電性、多孔性の材料の別の少なくとも一つの外表面の少なくとも一部、好ましくは実質的に全部が導電性材料の単一又は複数層で被覆されており、被覆された前記少なくとも一つの外表面及び被覆された前記別の少なくとも一つの外表面は、被覆された前記少なくとも一つの外表面及び被覆された前記別の少なくとも一つの外表面が導電性流路を形成するように隣接する。随意的に、柔軟性、非導電性、多孔性の材料の内表面の少なくとも一部、好ましくは実質的に全部が導電性材料の単一又は複数層で被覆されており、被覆された前記内表面、被覆された前記少なくとも一つの外表面及び被覆された前記別の少なくとも一つの外表面は一緒になって導電性経路を形成する。
【００１９】
柔軟性、非導電性、多孔性の材料が、導電性材料で被覆された前記少なくとも一つの外表面の少なくとも一部に加えて、二つ又はそれより多くの外表面を有するような本発明のガス拡散層のいくつかの実施形態では、該柔軟性、非導電性、多孔性の材料の別の一つの外表面の少なくとも一部、好ましくは実質的に全部が導電性材料の単一又は複数層で被覆されており、被覆された前記少なくとも一つの外表面は被覆された前記別の一つの外表面と相対する。更に、柔軟性、非導電性、多孔性の材料の内表面の少なくとも一部、好ましくは実質的に全部が導電性材料の単一又は複数層で被覆されており、被覆された前記内表面、被覆された前記少なくとも一つの外表面及び被覆された前記別の一つの外表面は一緒になって導電性経路を形成する。
【００２０】
本発明のガス拡散層用の柔軟性、非導電性、多孔性の材料はポリマーとすることができる。この柔軟性、非導電性、多孔性のポリマー材料はフォーム、繊維束、マット繊維、針状繊維、織繊維又は不織繊維、ポリマービーズを加圧して作った多孔性ポリマー、ポーレックス（Ｐｏｒｅｘ）及びポーレックスに類似のポリマーから選択することができる。この柔軟性、非導電性、多孔性のポリマー材料はフォーム、繊維束、マット繊維、針状繊維、及び織繊維又は不織繊維から選択されるのが好ましい。より好ましくは、この柔軟性、非導電性、多孔性のポリマー材料はポリウレタンフォーム（好ましくはフェルト化ポリウレタンフォーム、網状ポリウレタンフォーム、又はフェルト化網状ポリウレタンフォーム）、メラミンフォーム、ポリビニルアルコールフォーム、或いはナイロンのようなポリアミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレートのようなポリエステル、セルロース、レーヨンのような改質セルロース、ポリアクリロニトリル、並びにこれらの混合物で出来た不織フェルト、織繊維、又は繊維束である。更により好ましくは、この柔軟性、非導電性、多孔性のポリマー材料は、ポリウレタンフォーム（例えば、フェルト化ポリウレタンフォーム、網状ポリウレタンフォーム、又はフェルト化網状ポリウレタンフォーム）のようなフォームである。更により好ましくは、この柔軟性、非導電性、多孔性のポリマー材料は、柔軟性網状ポリウレタンフォームのような柔軟性網状ポリマーフォームである。
【００２１】
柔軟性網状フォームは柔軟性細胞状ポリマー構造から細胞窓を除去し、ストランドの網状組織を残すことによって製造することができ、これにより、得られた網状フォームの流体透過性が増加する。フォームは現場（ｉｎ  ｓｉｔｕ）でフォーム製造の当業者に知られた化学的又は熱的な方法により網状化することができる。
【００２２】
本発明のガス拡散層を形成するのにフォームが使用されるときは、フォームは被覆前で孔径が約３〜約３００孔／インチ（pores per linear inch）の範囲であり、密度が約０．５〜約１０．０ポンド／立方フィート（pounds per cubic foot）の範囲であるポリエーテルポリウレタンフォームとすることができる。
【００２３】
柔軟性、非導電性、多孔性の材料は、ガス拡散層が燃料電池に設備されるときに電極の一つと接触するための少なくとも一つの平らな表面を有する限りは、任意の物理的形状とすることができる。従って、フォーム（例えば柔軟性網状ポリウレタンフォーム）が柔軟性、非導電性、多孔性の材料として使用されるときは、燃料電池への設備されるときに電極と接触するためにフォームが非圧縮状態（例えば、シート形状のフォーム）又は圧縮状態（例えば、円筒形状、又は二つの端部外表面に隣接する湾曲した外表面と楕円形の横断面とを有する構造の形状）で少なくとも一つの平らな表面を有している限り、該フォームは圧縮されていない時は任意の物理的形状とすることができる。
【００２４】
本発明のガス拡散層のいくつかの実施形態では、柔軟性、非導電性、多孔性の材料がストランドの網状組織（その間に間隙が形成される。）を有する柔軟性網状ポリマーフォームの場合は、該多孔性材料の少なくとも一つの外表面上のストランドの網状組織の少なくとも一部が導電性材料の単一又は複数層で被覆される。好ましくは、少なくとも一つの外表面上のストランドの網状組織の少なくとも一部及びフォーム内部のストランドの網状組織の少なくとも一部が導電性材料の単一又は複数層で被覆される。好ましくは、燃料電池に設備するときに電極に隣接して配置されるフォームの少なくとも一つの外表面上のストランドの少なくともいくつかは導電性材料の単一又は複数層で被覆される。より好ましくは、導電性材料で被覆された、電極に隣接して配置されるフォームの少なくとも一つの外表面上のストランドの少なくともいくつかに加えて、フォーム内部のストランドの少なくともいくつかが導電性材料の単一又は複数層で被覆される。更により好ましくは、（ｉ）電極に隣接して配置される少なくとも一つの外表面上のストランドの少なくともいくつか、（ｉｉ）フォームの内部ストランドの少なくともいくつか、並びに（ｉｉｉ）ガス拡散層を燃料電池に設備するときにセパレータ又はバイポーラプレートに隣接して配置されるフォームの外表面のストランドの少なくともいくつかが、電極からセパレータ又はバイポーラプレートまでの導電経路を形成するために電性材料の単一又は複数層で被覆される。
【００２５】
本出願において、“導電性非繊維状炭素粒子”とは繊維状ではない導電性粒子のことをいう。例示的な導電性非繊維状炭素粒子には非晶質炭素粒子（例えばカーボンブラック粉末及び非晶質グラファイト粉末）、及び非繊維グラファイト粒子（例えばグラファイトフレーク）が含まれる。グラファイトは天然グラファイト又は合成グラファイトとすることができる。
【００２６】
本明細書では“繊維”とは細い糸状の固体粒子のことと定義する。好ましくは、“導電性炭素繊維”は平均径の少なくとも５倍の平均長さを有する（すなわち、アスペクト比が５以上）。より好ましくは、平均長さは平均径の少なくとも１０倍、より好ましくは少なくとも２０倍である。例えば、“導電性炭素繊維”の平均長さは平均径の約５〜約１００倍、より好ましくは約１０〜約５０倍、更により好ましくは約１０〜約３０倍である。導電性炭素繊維はポリアクリロニトリル又はピッチから作ることができる。使用可能な炭素繊維の一例は大きさが約７μｍ×２００μｍである。
【００２７】
本発明のガス拡散層を製造するために導電性材料中で使用可能な導電性炭素粒子のいくつかの例は商業的に入手可能である。それらの例としてはＸＣ−７２（商品名）として市販されている一次粒径のＤ５０％が約０．０３μｍであるカーボンブラック粉末（これは導電性材料中の導電性炭素粒子の最小集団（例えば集団Ａ又はＣ）として使用することができる。）；体積メジアン径が約０．９μｍのコロイドグラファイト粒子を含有するアチソン・コロイド社（Ａｃｈｅｓｏｎ  Ｃｏｌｌｏｉｄｓ）のＡＱＵＡＤＡＧ  Ｅ（ＡＥ）（商品名）；ソリューション・ディスパーションズ社（Ｓｏｌｕｔｉｏｎ  Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎｓ）から市販されているＤ５０％が０．４４６μｍでＤ９０％０．９６０μｍのカーボンブラック粉末の分散体であるＰＢ（商品名）；Ｄ９０％が約１５０μｍのグラファイトフレークであるＡｌｄｒｉｃｈ  １５０（商品名）；Ｄ９０％が約４０μｍの黒鉛化コークスの形態であるＡ４９５７（商品名）；Ｄ９０％が約７５μｍの黒鉛化コークスの形態であるＡ４９５６（商品名）；Ｄ５０％が約１１４μｍでＤ９０％が約２４２μｍである市販のフレークである３１６０（商品名）；Ｄ５０％が約９１μｍでＤ９０％が約１４０μｍである寸法選別された３１６０（商品名）；Ｄ５０％が約２４１μｍでＤ９０％が約４００μｍのカーボンフレークの形態のＡ３４５９（商品名）；チムカル社（Timcal）から市販されているＤ９０％が約１８０μｍのＴ−１５０（商品名）；モーガン・スペシャルティ社（Morgan Specialty）から市販されているＤ５０％が約１０．５μｍでＤ９０％が約２５μｍのＰＧＰ０９（商品名）；チムカル社（Timcal）から市販されているＤ５０％が約３０．１μｍでＤ９０％が約６０μｍのＳＦＧ−７５（商品名）；７μｍ×１５０μｍの大きさの炭素繊維であるＡＧＭ９９（商品名）；及び、１３μｍ×２００μｍの大きさの炭素繊維であるＡＧＭ９５（商品名）が挙げられる。柔軟性、非導電性、多孔性の材料を被覆するのに使用可能ないくつかの導電性非繊維状炭素粒子の大きさを表１に示す。
【００２８】
【表１】
2006529054.tif 000002
【００２９】
Ｄ９０％は粒径分布に関連し、粒子の数の９０％がそれよりも大きくない粒径である。例えば、Ｄ９０％が３００μｍであるグラファイトフレークの集団というのは集団中のグラファイトフレークの数の９０％が３００μｍ以下の粒径であることを意味する。Ｄ５０％とは粒子の数の５０％がそれよりも大きくない粒径と定義する。
【００３０】
柔軟性、非導電性、多孔性の材料上に被覆されるとき均一なフィルムを形成するために、及び、導電性炭素粒子の分散体を含有する液状処方物の貯蔵寿命を増やすために、密度が類似した導電性炭素粒子の集団を本発明のガス拡散層を作るための導電性材料中で使用するのが好ましい。いくつかの導電性炭素粉末の密度を表２に示す。
【００３１】
【表２】
2006529054.tif 000003
【００３２】
本出願にて、“被覆”とは直接に、密接に接着していることを意味する。柔軟性、非導電性、多孔性の材料の表面の一部が導電性材料で被覆されると、該導電性材料は密接に該表面部分に接着し、“被覆”部分の固体マトリクスと導電性材料の間に隙間を実質的に残さない。従って、本発明に係るガス拡散層を作るために柔軟性、非導電性、多孔性の材料の表面を導電性材料で“被覆”するときは、その表面に炭素紙が押し付けられた柔軟性、非導電性、多孔性の材料は除外される。本発明のガス拡散層を形成する柔軟性、非導電性、多孔性の材料の固体マトリクスのストランドのある部位が導電性材料で“被覆”されるときは、この部位の実質的に全外表面がこれに密接に接着した導電性材料を有するので、該部位の断面図では固体マトリクスのコアが導電性材料の層によって囲まれてこれに直接接触している（図３参照）。
【００３３】
柔軟性、非導電性、多孔性の材料の表面は当業者に知られた方法（例えば、ディップ・ニップコーティング法）を用いて、又は液状バインダー中に分散した導電性炭素粒子の少なくとも二つの集団の混合物から作った塗料又はスラリーで該表面を塗装することによって、導電性材料で被覆することができる。多孔性の材料としてポリウレタンフォームを使用する場合は、被覆されたポリウレタンフォームは弾力、回復性及び柔軟性を保持する。そのような被覆されたポリウレタンフォームのシートは輸送及び供給の容易化のためにロール上に巻くことができる。
【００３４】
本発明のガス拡散層では、多孔性材料の表面部分を被覆する導電性材料の単一又は複数層は全体の厚みが約１０００、５００、１００、５０、１０、５、１、又は０．１μｍを超えないものとすることができ、或いは全体の厚みを約０．１〜１０００、１〜１０００、１〜５００、５〜１００、又は１０〜５０μｍとすることができる。
【００３５】
本発明に係るガス拡散層を形成する柔軟性、非導電性、多孔性の材料は、少なくとも１種類の導電性材料で被覆される前に、孔径が約３〜約３００孔／インチで、密度が約０．５〜約１０．０ポンド／立方フィートであるフォームが好ましく、ポリエーテルポリウレタンフォームがより好ましい。
【００３６】
本発明のガス拡散層のいくつかの実施形態では、柔軟性、非導電性、多孔性の材料はフォームである。導電性材料で被覆される前に、表面積及び透過性を調節するために加熱及び圧力下でフォームを圧縮して所望の厚み及び圧縮比にすることによってフェルト化してもよい。圧縮比は約１〜約２０（例えば、３、４、５、又は６）が好ましい。例えば、圧縮比が１０の場合は、フォームは元の厚みの１／１０に圧縮される。
【００３７】
フェルト化は加熱及び加圧下で行われ、フォーム構造を圧縮して堅さを増加させ、空隙率を減少させる。一度フェルト化するとフォームは元の厚みには回復することはなく、圧縮されて減少した厚みを維持する。フェルト化したフォームはフェルト化してないフォームよりも毛管作用及び保水性に優れている。依然として、フェルト化したフォームはガスを伝達するのに充分な多孔性を保持したままである。フェルト化したフォーム（例えば、フェルト化柔軟性網状ポリエーテルポリウレタンフォーム）をガス拡散層用の多孔質材料として選択する場合は、該フォームは密度が約０．６〜約４０ポンド／立方フィートの範囲、圧縮比が約１〜約２０の範囲（例えば、３、４、５又は６）とすることができる。
【００３８】
本発明の第二の側面は、燃料電池の電極（カソード又はアノード）と接触した上述した本発明のガス拡散層を備えるデバイスを指向し、該電極は粒子状触媒及び随意的な固体支持体を備える。触媒は燃料電池内で行われる酸化／還元用であり、１種類の貴金属（例えば白金（好ましい）、パラジウム、銀及び金）、又は貴金属の混合物とすることができる。デバイス中では、導電性材料で被覆された少なくとも一部を有するガス拡散層の柔軟性、非導電性、多孔性の材料の少なくとも一つの外表面が電極に接触した状態で隣接する。本発明のガス拡散層を燃料電池内で使用するのに好適な電極と接触させる工程を含むデバイスの製造方法は本発明の第二の側面の範囲内である。
【００３９】
本発明の第三の側面は、本発明のガス拡散層の少なくとも一つが設備された燃料電池を指向する。本発明の燃料電池は直列に接触した以下の層を備えることができる。
【００４０】
（ｉ）第一のセパレータ又はバイポーラプレート；
【００４１】
（ｉｉ）第一のガス拡散層；
【００４２】
（ｉｉｉ）随意的な固体支持体上の粒子状触媒（例えば、白金、パラジウム、金及び銀のような粒子状貴金属、又はこれらの混合物）を備えるアノード；
【００４３】
（ｉｖ）固体ポリマー電解質又はプロトン交換膜（ＰＥＭ）；
【００４４】
（ｖ）随意的な固体支持体上の粒子状触媒（例えば、白金、パラジウム、金及び銀のような粒子状貴金属、又はこれらの混合物）を備えるカソード；
【００４５】
（ｖｉ）第二ガス拡散層；並びに
【００４６】
（ｖｉｉ）第二のセパレータ又はバイポーラプレート。
ここで、第一及び第二のガス拡散層の少なくとも一方、好ましくは両方は、ガス拡散層の柔軟性、非導電性、多孔性の材料の少なくとも一つの外表面の一部、好ましくは実質的に全部が導電性材料で被覆され、ＰＥＭに接触する電極表面とは反対側のアノード又はカソードの表面に接触している本発明のガス拡散層であり、柔軟性、非導電性、多孔性の材料の少なくとも一つの外表面はガス拡散層に隣接したセパレータ又はバイポーラプレートと導電経路を形成している。本発明の燃料電池内の第一及び第二のガス拡散層が本発明のガス拡散層であるときは、導電性材料で被覆した第一及び第二のガス拡散層の各々の柔軟性、非導電性、多孔性の材料の少なくとも一つの外表面の一部、好ましくは実質的に全部は、ＰＥＭに接触する電極表面とは反対側のそれぞれの電極表面に接触しており、第一及び第二のガス拡散層の各々の柔軟性、非導電性、多孔性の材料の少なくとも一つの外表面はそれぞれのガス拡散層に隣接するセパレータ又はバイポーラプレートと導電経路を形成している。第一及び第二のガス拡散層は同一の又は異なるものであってよく、好ましくは各々が柔軟性、非導電性、多孔性の材料として（好ましくは網状の）ポリエーテルポリウレタンフォームのようなフォームのシートを備える。セパレータ又はバイポーラプレートは金属、炭素紙又は炭素布のような実質的に非多孔質の材料のシートとすることができる。バイポーラプレートはその表面の少なくとも一つに流れ場（すなわち溝）を有することができる。
【００４７】
カソードに隣接して配置された本発明のガス拡散層は最も長い寸法を有する。好ましくは、カソードのガス拡散層中の柔軟性、非導電性、多孔性の材料（例えばフォーム）は毛管作用により水を運搬し、次いでこの水は多孔性の材料から放出することができ、該多孔性の材料は自由浮上ウィック高さがカソードガス拡散層の最長寸法の少なくとも半分を超える。より好ましくは、該多孔性材料は自由浮上ウィック高さがカソードのガス拡散層の少なくとも最長寸法を超える。カソードに隣接したガス拡散層は、先にカソードのガス拡散層に運搬された水を燃料電池から引き抜くための液体引抜き手段と液体連通状態となることができる。液体引抜き手段は好ましくはポンプである。カソードに隣接したガス拡散層中の多孔性の材料（例えばフォーム）の該運搬作用はカソードから水を排出するのを助けてカソードの溢水を防止する。
【００４８】
本発明の第四の側面は燃料電池用のガス拡散電極を指向し、該ガス拡散電極は固体基材の少なくとも外表面上に触媒を備え、触媒は燃料電池内で行われる酸化／還元に好適なものであり、貴金属（例えば白金（好ましい）、パラジウム、銀及び金）、又は貴金属の混合物とすることができ、触媒は好ましくは粒子状である。固体基材は、固体マトリクス、固体マトリクスを通り抜ける相互連結した孔又は間隙、少なくとも一つの外表面及び内表面（該内表面は前記孔又は間隙の壁面のことである。）を有する柔軟性、非導電性、多孔性の材料を含み、前記少なくとも一つの外表面の少なくとも一部は導電性材料の単一又は複数層で被覆されている。
【００４９】
導電性材料は導電性炭素粒子の少なくとも二集団の混合物を含み、導電性炭素粒子の該少なくとも二集団は少なくとも一つの外表面に沿って延びる平面方向に実質的に均一に混合され、該少なくとも二集団は以下よりなる群から選択される。
【００５０】
（ａ）少なくとも、導電性非繊維状炭素粒子の集団Ａと導電性非繊維状炭素粒子の集団Ｂ（集団ＡのＤ５０％と集団ＢのＤ５０％の比は１：ｍであり、ｍは少なくとも５００、好ましくは少なくとも１０００である。）；
【００５１】
（ｂ）少なくとも、導電性非繊維状炭素粒子の集団Ｃと導電性炭素繊維の集団Ｄ（集団ＣのＤ５０％と集団Ｄの平均繊維長さの比は１：ｎであり、ｎは少なくとも２、好ましくは少なくとも５である。）；並びに
【００５２】
（ｃ）少なくとも、導電性炭素繊維の集団Ｅと導電性炭素繊維の集団Ｆ（集団Ｅの平均繊維長さと集団Ｆの平均繊維長さの比は１：ｐであり、ｐは少なくとも２、好ましくは少なくとも５である。）
ここで、導電性炭素粒子、柔軟性、非導電性、多孔性の材料、並びに数値ｍ、ｎ及びｐは上述した本発明のガス拡散層について開示したものと同じにすることができる。
【００５３】
本発明の第五の側面は燃料電池用のバイポーラプレートである。該バイポーラプレートは固体マトリクス及び少なくとも一つの外表面を有する柔軟性、非導電性、非透過性の材料を備える。該少なくとも一つの外表面の少なくとも一部は導電性材料の単一又は複数層で被覆される。
【００５４】
導電性材料は導電性炭素粒子の少なくとも二集団の混合物を含み、導電性炭素粒子の少なくとも二集団は少なくとも一つの外表面に沿って延びる平面方向に実質的に均一に混合され、該少なくとも二集団は以下よりなる群から選択される。
【００５５】
（ａ）少なくとも、導電性非繊維状炭素粒子の集団Ａと導電性非繊維状炭素粒子の集団Ｂ（集団ＡのＤ５０％と集団ＢのＤ５０％の比は１：ｍであり、ｍは少なくとも５００、好ましくは少なくとも１０００である。）；
【００５６】
（ｂ）少なくとも、導電性非繊維状炭素粒子の集団Ｃと導電性炭素繊維の集団Ｄ（集団ＣのＤ５０％と集団Ｄの平均繊維長さの比は１：ｎであり、ｎは少なくとも２、好ましくは少なくとも５である。）；並びに
【００５７】
（ｃ）少なくとも、導電性炭素繊維の集団Ｅと導電性炭素繊維の集団Ｆ（集団Ｅの平均繊維長さと集団Ｆの平均繊維長さの比は１：ｐであり、ｐは少なくとも２、好ましくは少なくとも５である。）
ここで、数値ｍ、ｎ及びｐは上述した本発明のガス拡散層について開示したものと同じにすることができ、非透過性の材料はフェルト化ポリウレタンフォームのような非透過性のポリマー材料とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５８】
まず図２を参照すると、燃料電池１０は、アノード１５及びカソード１５Ａに挟まれたポリマー電解質膜（ＰＥＭ）を備える膜電極接合体（ＭＥＡ）１４を包含する。ＰＥＭ１６は固体の有機ポリマー（通常はポリパーフルオロスルホン酸）であり、膜電極接合体（ＭＥＡ）の内部コアを構成する。触媒層（図示せず）はＰＥＭの両側に存在する。ＰＥＭはプロトン（水素イオン）交換体及び電解質として適切に機能するように水和されなければならない。
【００５９】
アノード１５に隣接して、導電性材料の被膜２２によって被覆された厚み７ｍｍ以下の８５孔／インチの網状ポリエーテルポリウレタンフォームのシートから形成したガス拡散層１３が設けられる。図３も参照されたい。ガス拡散層１３はアノード１５に水素源を均一に分配するのを助ける。ガス拡散層１３はアノードから電子を集めてアノードから負荷３０を通ってカソード１５Ａまでの電子流のための経路を提供する。各ガス拡散層１３、１３Ａに隣接するのがバイポーラプレート１２、１２Ａである。
【００６０】
随意的に、ガス拡散層を被覆する導電性材料と適合性のある導電性材料から形成したセパレータ（図示せず）をバイポーラプレート１２、１２Ａと一緒に又はこれに代えてガス拡散層に隣接して設けても良い。カソード１５Ａに隣接して、導電性材料で被覆された厚み７ｍｍ以下の８５孔の網状ポリエーテルポリウレタンフォームのシートから形成した第二のガス拡散層１３Ａが設けられる。第二のガス拡散層１３Ａは燃料電池のカソード側から水を除去するのを助けて溢水を防止し、空気又はその他の所望のガス状酸素源がカソード側と接触して酸素が確実に活性部位へと到達し続けることを可能にする。第二のガス拡散層１３Ａは最も長い寸法を有する。第二のガス拡散層１３Ａは好ましくは毛管作用によりカソードから水を運搬し、第二のガス拡散層のフォームは少なくともこの最長寸法を超える自由浮上のウィック高さを有する。随意的に、第二のガス拡散層１３Ａはポンプ１７と液体連通状態にあり、該ポンプは燃料電池から水を除去するために先に第二のガス拡散層に運搬された水を第二ガス拡散層から引き抜く。第二のガス拡散層１３Ａは電子を伝達してアノードとカソードの間の回路を完成することとなる。
【００６１】
実際には、燃料電池の各構成要素は隣接する構成要素と接触して配置される。図２は分解図であり、理解の容易化のために構成要素を離して示している。
【００６２】
運転の際には、水素源（水素ガスのような気体、メタノールや水蒸気のような蒸気）がアノード１５の表面で反応して水素イオン及び電子を遊離する。水素イオンはＰＥＭ１６の膜を通過してカソード１５Ａ側で酸素及び電子と結合し、水を生成する。電子は膜１６を通過することができず、アノード１５からカソード１５Ａまで、電池によって発生した電力を消費する電気負荷３０を有する外部回路を通って流れる。カソードにおける反応生成物は水である。ＰＥＭ燃料電池は通常０℃〜８０℃の温度で稼働し、遊離した水は水蒸気の形であることが多い。
【００６３】
本発明に係るガス拡散層１３、１３Ａは０．１〜１０ｍｍ、好ましくは７ｍｍ以下、より好ましくは０．２〜４．０ｍｍ、もっとも好ましくは約２．０ｍｍ未満の範囲の厚みを有する。
【００６４】
ガス拡散層１３、１３Ａは柔軟性ポリウレタンフォーム、フェルト化ポリウレタンフォーム、網状ポリウレタンフォーム、及びフェルト化網状ポリウレタンフォームから形成する。特に好ましいガス拡散層は、被覆前に、密度が０．５〜８．０ポンド／立方フィート、孔径が３〜３００、好ましくは５〜１５０孔／インチ、より好ましくは７０孔／インチ超（例えば約８５孔／インチ）である柔軟性網状ポリエーテルポリウレタンフォームから形成する。ガス拡散層としての使用に好適な柔軟性ポリウレタンフォームは圧縮及び３インチループ曲げの後に壊損（例えば割れ、裂け、変形、及び永久ひずみ）することなく回復すべきである。
【００６５】
図３を参照すると、導電性材料２２がポリウレタンフォームのストランド２０上に被覆されてガス拡散層を形成している。該被膜は細胞状ポリウレタン網状組織内の各支材又はストランドを密接に取り囲む。好ましくは、該被膜はサブミクロンのカーボンブラック粉末と導電性の大きな炭素粒子（例えばグラファイトフレーク）との混合物である。この導電性被膜は、導電性炭素粒子の少なくとも２集団が分散した（好ましくは水性の）液状媒体として形成した塗料又はスラリーを用いた浸漬、噴霧、塗装を含む、当業者に知られた種々の方法を用いて塗布することができる。ディップ・ニップコーティング法では、フォームをまず被覆液中に浸漬し、次いで二つの圧縮盤又はロール間で形成したニップ内で圧縮して被覆液をフォームから絞り出し、過剰な被覆液をフォームから排出する。
【００６６】
また、導電性被膜を塗布する前に、非導電性ポリマーの保護用予備被膜をフォームストランドに塗布することもできる。そのような予備被膜はアクリル、ビニル、天然又は合成ゴム、又は類似の材料を含むことができ、浸漬又は塗装（及び随意にそれに続くニッピング）のような水媒介又は有機溶剤媒介の被覆法を用いて塗布することができる。
【００６７】
ガス拡散層を形成するためにポリウレタンフォームのストランドに塗布された導電性被膜は２０Ωｃｍ未満、好ましくは１Ωｃｍ未満の抵抗率を有するべきである。ガス拡散層は負荷で使用してカソードに戻すためのアノードからの電流を収集及び伝導する能力を有しなければならない。燃料電池スタックにおいては、ガス拡散層は一つの燃料電池のアノードからの電流を隣の燃料電池のカソードへ伝導する。
【００６８】
本発明に係るガス拡散層の顕著な利点は弾力性、柔軟性、及び取り扱いの容易性である。ガス拡散層はこれらが設備された空間に容易に順応する。フォームは圧縮後に回復するので、ガス拡散層と該ガス拡散層に隣接するそれぞれのアノード又はカソードの表面との良好な接触が維持され得る。接触の改善は電流伝達がより効率的になることを意味する。更に、本発明に係るガス拡散層は柔軟性及び圧縮性フォームで作ることができるので、穿孔又は発泡金属（これらは燃料電池の組立中の取り扱い時にＭＥＡを傷付け及び変形し得る。）に付随する欠点を有しない。本発明の柔軟性及び圧縮性ガス拡散層はまた、壊れやすく、平坦なシート状でしか利用できず、自動組立にあまり適さない伝統的な炭素紙に対して優位である。
【００６９】
本発明のガス拡散層２０１の一実施形態を図４に示す。柔軟性、非導電性、多孔性の材料２０３は四つの側部外表面及び二つの端部外表面を有する長方形状であり、この側部外表面の一つの実質的に全部及び内表面の少なくとも一部が導電性材料２０２の単一又は複数層で被覆され（内表面の被膜は図４には示していない。）、被覆された側部外表面及び被覆された内表面は一緒になって導電経路を形成する。
【００７０】
本発明のガス拡散層２１１の別の一実施形態を図５に示す。柔軟性、非導電性、多孔性の材料２１３は四つの側部外表面及び二つの端部外表面を有する長方形状であり、二つの相対する側部外表面及び内表面の少なくとも一部が導電性材料２１２、２１４の単一又は複数層で被覆され（内表面の被膜は示していない。）、被覆された相対する側部外表面及び被覆された内表面は一緒になって導電経路を形成する。
【００７１】
ガス拡散層２２１の代替的な例では（図６に示す。）、柔軟性、非導電性、多孔性の材料２２３は四つの側部外表面及び二つの端部外表面を有する長方形状であり、側部外表面の一つ及び端部外表面の両方が導電性材料２２２、２２４、２２５の単一又は複数層で被覆され、内表面は導電性材料で被覆してもしなくてもよい。
【００７２】
本発明のガス拡散層２３１の別の例を図７に示す。柔軟性、非導電性、多孔性の材料２２３は四つの側部外表面及び二つの端部外表面を有する長方形状であり、二つの相対する側部外表面及び端部外表面の両方が導電性材料２３２、２３６、２３４、２３５の単一又は複数層で被覆され、内表面は導電性材料で被覆してもしなくてもよい。
【００７３】
本発明のガス拡散層の更に別の例では、柔軟性、非導電性、多孔性の材料は四つの側部外表面及び二つの端部外表面を有する長方形状であり、四つの側部外表面及び端部外表面の両方が導電性材料の単一又は複数層で被覆され、内表面は導電性材料で被覆してもしなくてもよい。
【００７４】
ガス拡散層２４１の別の実施形態を図８に示す。柔軟性、非導電性、多孔性の材料２４３は四つの側部外表面及び二つの端部外表面を有する長方形状であり、側部外表面の一つ及び端部外表面の一つが導電性材料２４２、２４４の単一又は複数層で被覆され、内表面は導電性材料で被覆してもしなくてもよい。
【００７５】
本発明のガス拡散層２５１の別の例は、湾曲した外表面、該湾曲した外表面に隣接する二つの端部外表面、及び楕円形の水平断面をもつ構造の形状をした柔軟性、非導電性、多孔性の材料２５３を有し、該湾曲した外表面の少なくとも一部、好ましくは実質的に全部が導電性材料２５２で被覆される。代替的に、少なくとも一つの端部外表面の少なくとも一部、好ましくは実質的に全部が導電性材料で被覆される。
【００７６】
本発明のガス拡散層２６１の別の例では（図１０参照）、柔軟性、非導電性、多孔性の材料２６３は湾曲した外表面及び二つの端部外表面を有する円筒形状であり、該湾曲した外表面の少なくとも一部、好ましくは実質的に全部が導電性材料２６２で被覆される。代替的に、少なくとも一つの端部外表面の少なくとも一部、好ましくは実質的に全部が導電性材料で被覆される。
【００７７】
図１１は図４に示すガス拡散層を内部に二つ有する本発明の燃料電池２０の一実施形態を示す。ガス拡散層２１の柔軟性、非導電性材料２３の側部外表面は導電性材料で実質的に完全に被覆されてアノード２５に接触している。多孔性材料２３の反対側の側部外表面は流れ場（その一つを１０２とした。）を有するバイポーラプレート２２に接触しており、導電性材料で被覆されたガス拡散層２１の多孔性材料２３の内表面の少なくとも一部、好ましくは実質的に全部がバイポーラプレート２２と接触している。同様に、ガス拡散層２１Ａの柔軟性、非導電性の材料２３Ａの側部外表面は導電性材料で実質的に完全に被覆されてカソード２５Ａに接触している。多孔性の材料２３Ａの反対側の側部外表面は流れ場（その一つを１０２Ａとした。）を有するバイポーラプレート２２Ａに接触しており、導電性材料で被覆されたガス拡散層２１Ａの多孔性材料２３Ａの内表面の少なくとも一部、好ましくは実質的に全部がバイポーラプレート２２Ａと接触している。アノード２５及びカソード２５ＡはＰＥＭ２６を挟んで、一緒にＭＥＡ２４を形成する。
【００７８】
図１２は図５に示すガス拡散層を内部に二つ有する本発明の燃料電池３０の一実施形態を示す。ガス拡散層３１の柔軟性、非導電性の材料３３の大きいほうの側部外表面は導電性材料の被膜３７で実質的に完全に被覆されてアノード３５に接触している。多孔性の材料３３の反対側の大きい方の側部外表面は導電性材料の被膜３８で被覆されており、流れ場（その一つを１０３とした。）を有するバイポーラプレート３２に接触している。内表面の少なくとも一部及び二つの被覆された側部外表面がバイポーラプレート３２と連結して導電性経路を形成するように、ガス拡散層３１の多孔性材料３３の内表面の少なくとも一部、好ましくは実質的に全部が導電性材料に被覆されている。同様に、ガス拡散層３１Ａの柔軟性、非導電性の材料３３Ａの大きい方の側部外表面は導電性材料のフィルム３７Ａで被覆されてカソード３５Ａに接触している。多孔性材料３３Ａの反対側の大きい方の側部外表面は導電性材料で実質的に完全に被覆されて、流れ場（その一つを１０３Ａとした。）を有するバイポーラプレート３２Ａに接触している。ガス拡散層３１Ａの多孔性材料３３Ａの内表面の少なくとも一部、好ましくは実質的に全部が導電性材料で被覆されてバイポーラプレート３２Ａと接触し、内表面の少なくとも一部及び二つの被覆された側部外表面はバイポーラプレート３２Ａと連結して導電経路を形成する。アノード３５及びカソード３５ＡはＰＥＭ３６を挟んで、一緒にＭＥＡ３４を形成する。
【００７９】
図１３は図６に示すガス拡散層を内部に二つ有する本発明の燃料電池４０の別の実施形態を示す。ガス拡散層４１の柔軟性、非導電性の材料４３の側部外表面は導電性材料４７で実質的に完全に被覆されてアノード４５に接触している。多孔性材料４３の二つの相対する端部外表面は導電性材料の二つのフィルム４８、４９で実質的に完全に被覆されて流れ場（その一つを１０４とした。）を有するバイポーラプレート４２に接触しており、随意的に、ガス拡散層４１の多孔性の材料４３の内表面の少なくとも一部、好ましくは実質的に全部が導電性材料で被覆されてバイポーラプレート４２に接触している。同様に、ガス拡散層４１Ａの柔軟性、非導電性の材料４３Ａの大きい方の側部外表面は導電性材料の被膜４７Ａで実質的に完全に被覆されてカソード４５Ａに接触している。多孔性の材料４３Ａの二つの相対する端部外表面は導電性材料の二つのフィルム４８Ａ、４９Ａで実質的に完全に被覆されて流れ場（その一つを１０４Ａとした。）を有するバイポーラプレート４２Ａに接触しており、随意的に、ガス拡散層４１Ａの多孔性材料４３Ａの内表面の少なくとも一部、好ましくは実質的に全部が導電性材料で被覆されてバイポーラプレート４２Ａに接触している。アノード４５及びカソード４５ＡはＰＥＭ４６を挟んで、一緒にＭＥＡ４４を形成する。
【００８０】
図１４は図７に示すガス拡散層を内部に二つ有する本発明の燃料電池５０の別の実施形態を示す。ガス拡散層５１の柔軟性、非導電性の材料５３の二つの相対する大きい方の側部外表面は導電性材料のフィルム５７、６７で実質的に完全に被覆されており、フィルム５７はアノード５５に接触している。多孔性材料５３の二つの相対する端部外表面は導電性材料のフィルム５８、５９で実質的に完全に被覆されて流れ場（その一つを１０５とした。）を有するバイポーラプレート５２に接触している。随意的に、内表面の少なくとも一部、二つの被覆された大きい方の側部外表面及び二つの被覆された端部外表面がバイポーラプレート５２と連結して導電性経路を形成するように、ガス拡散層５１の多孔性材料５３の内表面の少なくとも一部、好ましくは実質的に全部が導電性材料で被覆されている。同様に、ガス拡散層５１Ａの柔軟性、非導電性の材料５３Ａの二つの相対する大きい方の側部外表面は導電性材料のフィルム５７Ａ、６７Ａで実質的に完全に被覆されており、フィルム５７で被覆された表面はカソード５５Ａに接触している。多孔性材料５３Ａの二つの相対する端部外表面は導電性材料のフィルム５８Ａ、５９Ａで実質的に完全に被覆されて流れ場（その一つを１０５Ａとした。）を有するバイポーラプレート５２Ａに接触している。随意的に、ガス拡散層５１Ａの多孔性の材料５３Ａの内表面の少なくとも一部、好ましくは実質的に全部が導電性材料で被覆されてバイポーラプレート５２Ａに接触し、内表面の少なくとも一部、二つの被覆された大きい方の側部外表面及び二つの被覆された端部外表面がバイポーラプレート５２Ａと連結して導電性経路を形成する。アノード５５及びカソード５５ＡはＰＥＭ５６を挟んで、一緒にＭＥＡ５４を形成する。
【００８１】
図１５は図８に示すガス拡散層を内部に二つ有する本発明の燃料電池７０の別の実施形態を示す。ガス拡散層７１の柔軟性、非導電性の材料７３の側部外表面は導電性材料のフィルム７７で実質的に完全に被覆されてアノード７５に接触している。多孔性の材料４３の二つの相対する端部外表面は導電性材料の二つのフィルム４８、４９で被覆されて流れ場（その一つを１０４とした。）を有するバイポーラプレート４２に接触しており、随意的に、ガス拡散層４１の多孔性材料４３の内表面の少なくとも一部、好ましくは実質的に全部が導電性材料で被覆されてバイポーラプレート４２に接触している。同様に、ガス拡散層４１Ａの柔軟性、非導電性材料４３Ａの側部外表面は導電性材料のフィルム４７Ａで被覆されてカソード４５Ａに接触している。多孔性の材料４３Ａの二つの相対する端部外表面は導電性材料の二つの被膜４８Ａ、４９Ａで被覆されて流れ場（その一つを１０４Ａとした。）を有するバイポーラプレート４２Ａに接触しており、随意的に、ガス拡散層４１Ａの多孔性材料４３Ａの内表面の少なくとも一部、好ましくは実質的に全部が導電性材料で被覆されてバイポーラプレート４２Ａに接触している。アノード４５及びカソード４５ＡはＰＥＭ４６を挟んで、一緒にＭＥＡ４４を形成する。
【００８２】
図１６は図９又は１０に示すガス拡散層を内部に二つ有する本発明の燃料電池８０の一実施形態を示す。図９又は１０の何れかの二つのガス拡散層は燃料電池内に挿入されるときに圧縮される。ガス拡散層８１の柔軟性、非導電性の材料８３の湾曲した側部外表面は導電性材料のフィルム８７で実質的に完全に被覆されており、同一のフィルム８７がガス拡散層８１の両側にあるアノード８５及びバイポーラプレート８２に接触しており、バイポーラプレート８２は流れ場（その一つを１０７とした。）を有する。随意的に、内表面の少なくとも一部及び被覆された湾曲した外表面のフィルム８７がバイポーラプレート８２と連結して導電性経路を形成するように、ガス拡散層８１の多孔性材料８３の内表面の少なくとも一部、好ましくは実質的に全部が導電性材料に被覆されている。同様に、ガス拡散層８１Ａの多孔性材料８３Ａの湾曲した側部外表面は導電性材料のフィルム８７Ａで実質的に完全に被覆されており、同一のフィルム８７Ａがカソード８５Ａ及び流れ場（その一つを１０７Ａとした。）を有するバイポーラプレート８２Ａに接触している。随意的に、内表面の少なくとも一部及び被覆された湾曲した外表面がバイポーラプレート８２Ａと連結して導電性経路を形成するように、ガス拡散層８１Ａの多孔性材料８３Ａの内表面の少なくとも一部、好ましくは実質的に全部が導電性材料で被覆されてフィルム８７Ａに接触している。アノード８５及びカソード８５ＡはＰＥＭ８６を挟んで、一緒にＭＥＡ８４を形成する。
【００８３】
柔軟性、非導電性、多孔性の材料の表面を被覆するフィルムの抵抗率が低いほど、ＰＥＭ燃料電池内のガス拡散層として材料の期待される性能が向上することを指摘しておく。抵抗率が高くなるとより大きな寄生電力損失及び発熱につながる。対称的に、ガス透過性が高いほど、ＰＥＭ燃料電池内のガス拡散層として材料の期待される性能が向上することも指摘しておく。ガス透過性が高くなることは燃料電池内での燃料（水素ガス）のアノードへの流れが向上すること意味し、酸素のカソードへの流れ、水蒸気のカソードから出て行く流れが向上することを意味する。
【実施例１】
【００８４】
本発明のガス拡散層の製造に使用可能な柔軟性、非導電性、多孔性の材料の一例として、７０孔／インチの網状ポリエーテルポリウレタンフォームを以下の成分から調整した。
Arcol 3020ポリオール (Bayer社)          １００部
水                                      ４．７部
Dabco NEM (Air Products社)              １．０部
A-1(GE Silicone社/OSiスペシャルティ)    ０．１部
Dabco T-9 (Air Products社)            ０．１７部
L-620(GE Silicone社/Osiスペシャルティ)  １．３部
【００８５】
Ａｒｃｏｌ  ３０２０  ポリオールは、公称含有量９２％のポリプロピレンオキシド及び８％のポリエチレンオキシドを有するヒドロキシル価が５６のポリエーテルポリオールトリオールである。Ｄａｂｃｏ  ＮＥＭはＮ−エチルモルホリンである。Ａ−１は７０％のビス（ジメチルアミノエチル）エーテル及び３０％のジプロピレングリコールを含有する発泡触媒である。Ｄａｂｃｏ  Ｔ−９は安定化したオクタン酸第一錫である。Ｌ−６２０は慣用のスラブストックフォームのための高効率非加水分解性界面活性剤である。上記成分を６０秒間混合し、該混合成分を３０秒間脱気した後に、６０部のトルエンジイソシアナートを加えた。該混合物を１０秒間混合し、次いで１５インチ×１５インチ×５インチの箱に入れて２４時間膨脹及び硬化させた。生じたフォームは密度が１．４ポンド／立方フィートであった。
【００８６】
同様に、８８孔／インチのポリウレタンフォームを製造して、最終厚み２ｍｍのファームネス６（元の厚みの１／６へ圧縮）にフェルト化した。該フェルト化フォームを平方インチ毎に１１３個の直径１ｍｍの穴で穿孔した。穿孔された全体の空隙体積は１８％であった。フェルト化及び穿孔されたフォームは本発明のガス拡散層を作製するための柔軟性、非導電性、多孔性の材料として使用できる。
【実施例２】
【００８７】
導電性炭素粒子を含有する多数の処方物を調整し、該処方物から形成したフィルムの電気抵抗（Ｒ）を測定した。上記処方物のいくつかは柔軟性、非導電性、多孔性の媒体を被覆して本発明のガス拡散層を製造するのに使用することができる。抵抗（Ｒ）値はフィルム表面上にプローブ同士を１ｃｍ離して置いたときの検針値である。乾燥フィルム厚さ（ＤＦＴ）を示した。一般に抵抗は厚みが大きくなると低下する。より小さなＤＦＴでより低い抵抗を達成することが最適化のために求められる。
【００８８】
処方物ＡＥ／ＰＢ、すなわち、１０重量％（固体ベース）のＰＢを混合したＡＥを用いて導電性被膜を形成し、抵抗Ｒを測定した。次に、Ｒが更に低下するかどうかを見るために、ＡＥ／ＰＢブレンドと共に種々の“導電性添加剤”粉末を用いた。表３ａは、３０重量％（固体ベース）の追加的な粉末をＡＥ／ＰＢブレンドに加えたときの効果を示す。図１７は各被覆処方物に対して規準化したＲ値を比較することによってこの効果を更に示している。
【００８９】
【表３ａ】
2006529054.tif 000004
【００９０】
【表３ｂ】
2006529054.tif 000005
【００９１】
表３ｂ及び図１７では、非晶質カーボンブラックを使用したＦｏａｍｅｘ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ社の標準炭素被膜（Ｄ５０％＝０．４４６μｍ、Ｄ９０％＝０．９６０μｍ）を比較のために示している。
【００９２】
ＡＥ／ＰＢ処方物への３０重量％の追加的な粉末の添加によって被膜の抵抗（Ｒ）が有意に低下し、機械的特性が向上した（低摩擦、強度）。表４にこれらのブレンドのデータを示す。
【００９３】
【表４】
2006529054.tif 000006
【００９４】
表４は本実験において処方物２０６−６２Ｊ（すなわち、２５％ＡＥ／ＰＢ＋７５％ＳＦＧ−７５）が低接触Ｒ及び良好な機械的特性を有するフィルムを生じたことを示す。この処方物は本実験でテストした被膜処方物の中で最も導電性のある小粒径の被膜であり、小さいＰＳＤ処方物と呼ぶことにする。
【００９５】
被膜特性（低Ｒ及び良好な被膜）を更に最適化するべく、種々の炭素粉末について実験を行った。目的はどの粉末が最も導電性が有るかということ及びどのように充填密度が導電性に影響するかということを決定することであった。
【００９６】
粉末はＴｉｍｃａｌ  Ｇｒａｐｈｉｔｅ社、Ｓｕｐｅｒｉｏｒ  Ｇｒａｐｈｉｔｅ社、及びＡｓｂｕｒｙ  Ｃａｒｂｏｎｓ社を含む種々のサプライヤーから入手した。Ｓｐｅｒｒｙ  ＤＭ−４１００Ａ電圧計のリード線を取り付けた釘頭を両端に有する１ｃｍ（内径）のチューブを用いた。圧粉体は一定体積を満たすように振りかけることによって調製した。釘頭間の粉末で満たされた距離が１ｃｍになったときに測定した。この方法によって相対な抵抗の比較及び見掛け密度の計算が可能となる。表５ａ〜５ｃは導電性粉末の候補の結果を示す。
【００９７】
【表５ａ】
2006529054.tif 000007
【００９８】
【表５ｂ】
2006529054.tif 000008
【００９９】
【表５ｃ】
2006529054.tif 000009
【０１００】
他の粉末と混合されていない最も導電性の有る粉末に対する格付け基準は、１）低接触抵抗（フィルム形態として最密の粉末充填）；及び２）良好な充填のための密度であった。最良の導電性充填物は低密度及び小粒径と共に低接触抵抗を有するべきである。
【０１０１】
表５ａ〜５ｃに挙げた粉末を粒径及び形態論によって更に分類した。大きな粒径分布（Particle Size Distribution：ＰＳＤ）の材料、特にグラファイトフレークは最も稠密で最も導電性の圧粉体を形成した。次の実験の目的は導電性被膜処方物のための基礎を形成する最も導電性の有る粉末ブレンドを見出すことであった。E-chip（登録商標）の実験計画法ソフトウェアを用いて表５ａ〜５ｃで用いたのと同じ方法により、三つのブレンドを選択して測定により確認した。表６ａには三つの選択されたブレンドにアイするデータが含まれている。表６ｂは個々の粉末成分の密度を示す。
【０１０２】
【表６ａ】
2006529054.tif 000010
【０１０３】
【表６ｂ】
2006529054.tif 000011
【０１０４】
実験誤差の範囲内で、表６ａのブレンド１、２及び３は同等であった。これらは同等のフィルム抵抗となるべきである。次に、これらのブレンドに基づいて被膜を処方してフィルム抵抗を比較した。
【０１０５】
ブレンド１を表面被覆のための処方物に用いたときは、空隙のない低抵抗（８．９Ω／ｃｍ）を有する稠密に充填されたフィルム構造が生じた。しかしながら、ブレンド１中のＡＧＭ９９ファイバーをＡＧＭ９５に置き換えて生じたブレンドを表面被覆のための処方物に入れると、より高い抵抗（約２０Ω／ｃｍ）及びフィルム構造に乏しい大きな空隙を有する被膜が得られた。このことは、良好なフィルム特性を得るためには密度の適合が必要であることを更に繰り返すものである。類似の低抵抗・高密度の圧粉体を得るために種々の粒径をもつ粉末及びブレンドを使用することができることに留意されたい。
【０１０６】
ブレンド１及び３を二つの候補となる被膜を処方するのに用いた。繊維を含有しないブレンドが価格及び簡単の観点から有利であろう。表７ａはこれらのブレンドを基礎とした被膜に対するフィルムの結果を示す。ブレンド３０６−１Ａは固体重量で６０％のＡ３４５９：２０％のＡ４９５７：２０％のＡＧＭ９９を有した。このブレンドの問題は乏しいフィルム強度、底部に大きなフレークが沈降する傾向、及び被膜の粘度安定性である。
【０１０７】
【表７ａ】
2006529054.tif 000012
【０１０８】
３０６−１Ａを３０６−１Ｂと比較すると、Ａ３４５９フレークの量を増加させると抵抗が更に低下するように思われ、高価な繊維の必要量も低下することが注目される。３０６−１Ａと３０６−１Ｃとの比較は繊維がフィルムの抵抗を低下させるのに貢献できないことを示す。
【０１０９】
Ｃａｂｏｔ社よりＸＣ−７２として入手可能なＤ５０％が約０．０３μｍの一次炭素粒子を有する非繊維状サブミクロン非晶質カーボンブラック粉末（ここではＮＳＣＰと呼ぶ。）を、本発明に用いる導電性、非繊維状炭素粒子の集団の一つの例として試験した。ＮＳＣＰは表面積が大きい。導電性炭素皮膜処方物に組み込まれると、ＮＳＣＰは粘度を有意に上昇させる。これにより、被膜の安定化及び密度の高い大きな粒径のグラファイトの浮遊を助ける。表７ｂはＮＳＣＰを６５％のＡ３４５９：２５％のＡ４９５７：１０％のＡＧＭ９９を有するブレンドである３０６−１Ｂに加えたときの効果を示す。ＮＳＣＰの添加によってフィルムの抵抗が有意に低下したことは明らかである。
【０１１０】
【表７ｂ】
2006529054.tif 000013
【０１１１】
図１８は１０％のＮＳＣＰをブレンドしたフィルムのＲが２０％のＮＳＣＰをブレンドしたものと同等であることを示している（３０６−６Ｄと３０６−６Ｉの比較）。好ましくは、ＮＳＣＰの含有量は全固形重量の約１０％である。フィルムの機械的特性（密度及び強度）はＮＳＣＰの濃度を上げると改善されるように思われる。処方物３０６−６Ｄが最も優れており、４成分処方物について目標となる比率は６５％のＡ３４５９：２０％のＡ４９５７：５％のＡＧＭ９９：１０％のＮＳＣＰであることを示している。表７ａのデータはカーボンフレークとＮＳＣＰの２成分ブレンドが４成分混合物よりも優れるはずであることを示唆している。
【０１１２】
二つの被膜処方物を調整した。ＴＣ−１３１は上述した４成分ブレンドを含有していた（“ＴＣ”はＴｅｓｔ  Ｃｏａｔｉｎｇ（試験被覆）を表し、実験室規模で調整したバッチを示す。）。ＴＣ−１３９は８６％のＡ３４５９：１４％のＮＳＣＰを含有する２成分バッチとした。ＴＣ−１４６は８６％の大きいカーボンフレーク：１４％のＮＳＣＰを含有する別の２成分バッチであった（この大きいカーボンフレークはＴＣ−１３９に使用されるＡ３４５９よりは小さい。）。表７ｃはフィルムのデータを纏めたものである。
【０１１３】
【表７ｃ】
2006529054.tif 000014
【実施例３】
【０１１４】
小さい非晶質炭素と共に大きいＰＳＤフレークを用いるという概念が正当化された。小さいＰＳＤの被膜は大きいＰＳＤ処方物よりも貯蔵性、粘度安定性、及び物理的特性が優れている傾向にあった。これらの特性をもつ大きいＰＳＤ処方物が望ましい。
【０１１５】
種々の大きさのフレークを混合して類似の被膜処方物とした。本実験の目的は固形炭素の重量比がフレーク：ＮＳＣＰ＝８６：１４である処方物について最も導電性の有るフレークを選別することであった。評価したフレークはＤ５０％が約５、２０、５０、９１、１１４、１４４、２１０及び２４１μｍであった。Ｄ５０％が約５０μｍ〜約９０μｍの間（例えば９１μｍ）であるフレークについてフィルムの抵抗が劇的に低下した。Ｄ５０％が９１μｍを超えるフレークをもつ被膜処方物は実験誤差内で総て似たような低フィルム抵抗を有していた。ＴＣ−１４６はＤ５０％が９１μｍ及びＤ９０％が１４０μｍのカーボンフレーク及びＮＳＣＰを用いて処方し、最も低い抵抗及び最も安定な被膜を与えることが期待された。図１９は出来上がった種々の処方物の抵抗の傾向を比較したものであり、低フィルム抵抗へ向かう傾向を更に示している。
【０１１６】
図２０は三つの最適化された処方物の一つでフェルトを被覆することによって作製したフェルト上フィルムの表面抵抗率を比較するものである。表面抵抗率を類似の厚みをもつフェルトに対するピックアップ（被膜重量の利得）（％）の関数としてプロットした。ＴＣ−１４６は明らかに、標準炭素被膜又は小さいＰＳＤ処方物よりも低いピックアップ率でより低い抵抗率を有していた。また、小さいＰＳＤ処方物よりも塗膜片の剥がれが少なかった。Ｔ−１４６を用いて柔軟性、非導電性、多孔性の材料の少なくとも一つの外表面の少なくとも一部を被覆する導電性材料を形成して本発明に係る燃料電池用の構造体（例えばガス拡散層（Gas Diffusion Layer：ＧＤＬ）やガス拡散電極（Gas Diffusion Electrode：ＧＤＥ））を得ることができる。
【実施例４】
【０１１７】
炭素紙及び布は製造コストが非常に高い。被覆された発泡ＧＤＬはより簡単な方法でより安価に製造される。該材料は一般的な炭素紙ほど脆くなく、加工も難しくない。ＧＤＬ試験は圧力負荷で圧縮、透過度（ガス流に対する抵抗）、及び体積抵抗率の総てがどのように変化するかを示している。
【０１１８】
燃料電池では、燃料電池の種々の層を結合させておくために圧力が印加される。被覆されたフェルトのＧＤＬ試験は異なる圧力負荷での特性を理解するのに役立つ。試験治具には二つの導電性板が含まれていた。上板にバネを取り付けた。バネを圧縮することにより、試験片に種々の圧力負荷を印加することができる。上方及び下方の板の両方から円盤を切り出した。ガス源（空気又はＮ２）からの流路は水（ｍｍ）の圧力低下を測定する屋外圧力計に接続した。水圧低下（ｍｍ）は底部の金属スクリーンに対して測定した。観測誤差は±０．５ｍｍであった。ＧＤＬが存在しない場合は装置は３〜４ｍｍの圧力低下を指す。試験片をこの二つの板の間に設置した。最後に、板のリード線をＭａｃｃｏｒ社型式ＭＣ−４のバッテリーテストシステムに接続して、試験片の厚みを通過する抵抗を測定した。
【０１１９】
燃料電池の典型的なスタック圧力は１〜１２０ｐｓｉ（０〜８ｋｇ／ｃｍ２）である。隙間ゲージを用いて隙間距離（ｚ）を測定した。２インチの正方形サンプルを試験に用いた。
【０１２０】
体積抵抗率（ＶＲ）は材料の特性である。寸法が排除され、Ωｃｍの単位をもつ。（総てのサンプルが同じ厚さであり、長さと幅が等しい限りは）表面抵抗率（Ω／□）では寸法が無視される。
【０１２１】
圧力プローブのセットタップのために、電圧（Ｖ）を測定して電流（Ｉ）が一定のとき、抵抗はＶ／Ｉに等しい。体積抵抗又は体積抵抗率ＶＲは以下の式で計算することができる。
ＶＲ＝（Ｒ×ｘ×ｙ）／ｚ
（式中、
Ｒ＝測定された抵抗（Ω）
ｘ＝サンプルの幅（ｃｍ）
ｙ＝サンプルの長さ（ｃｍ）
ｚ＝サンプルの厚み（ｃｍ）、すなわち、隙間ゲージによるプローブの間隔
ｘｙ＝断面積（ｃｍ２）
ＶＲ＝体積抵抗又は体積抵抗率（Ωｃｍ）
である。）
【０１２２】
小さいＰＳＤで被覆されたフェルト及びＴＣ−１４６（大きいＰＳＤ）で被覆されたフェルト（両方とも厚み約２ｍｍのフェルト）を標準的な炭素紙（Ｂａｌｌａｄ社のＡｖｃａｒｂ炭素繊維紙、防水性、厚さ０．２２ｍｍ、３０重量％ＰＴＦＥ）及び布（東レの炭素布、未処理繻子織、厚み０．８ｍｍ）のＧＤＬ材料と比較した。
【０１２３】
図２１〜２３は体積抵抗率、流れ抵抗、及び圧縮率の関数としての圧力負荷の効果を示す。明細書の最後に掲げた表８は試験を行った四つのＧＤＬ材料に対するデータを纏めたものである。表８で“装置基準線”と書かれた行は装置内でＧＤＬサンプル無しで取ったデータである。表８は０．０４、４．３又は８．３ｋｇ／ｃｍ２の圧力が印加されたときの生の抵抗、体積抵抗率、圧縮率及び流量１０〜１２Ｌ／時間に維持した窒素流に対する抵抗を提示する。この結果は、体積抵抗率及び空気流抵抗（窒素流及び空気流に対する抵抗はほとんど同一である。）の両方の観点で、ＴＣ−１４６で被覆したフェルトは炭素紙又は炭素布よりも優れていた。
【０１２４】
炭素紙や炭素布に比べてフォームは本来的に柔軟で、様々な形状へ加工し易く、製造が容易で、安価である。より小さなグラファイト及び／又は非晶質炭素とブレンドして、より大きなグラファイトフレーク（より低い内部抵抗）を用いると、有意にフィルムの抵抗が低下する。如何なる理論的メカニズムに限定されるものではないが、このことは恐らく高い充填密度と、低い内部抵抗の（大きな）フレーク及び小さな導電性炭素粒子の組合せとの両方に起因するものであろう。
【０１２５】
本発明を詳細な記述及び好ましい実施形態の実施例により説明してきたが、形態及び細部の種々の変形は当業者の技量の範囲である。従って、本発明は実施例や好ましい実施形態の記述ではなく、特許請求の範囲によって定めなければならない。
【０１２６】
【表８】
2006529054.tif 000015
【図面の簡単な説明】
【０１２７】
【図１】ＭＥＡとバイポーラプレートの間に二つの炭素繊維ガス拡散層を有する先行技術に従う燃料電池の側面概略図である。
【図２】ＭＥＡとバイポーラプレートの間に本発明の二つの被覆された圧縮性フォームガス拡散層を有する本発明に従う燃料電池の側面概略図である。
【図３】本発明のガス拡散層の一実施形態の透視概略図である。
【図４】本発明のガス拡散層の別の一実施形態の透視概略図である。
【図５】本発明のガス拡散層の別の一実施形態の透視概略図である。
【図６】本発明のガス拡散層の別の一実施形態の透視概略図である。
【図７】本発明のガス拡散層の別の一実施形態の透視概略図である。
【図８】本発明のガス拡散層の別の一実施形態の透視概略図である。
【図９】本発明のガス拡散層の別の一実施形態の透視概略図である。
【図１０】本発明のガス拡散層の別の一実施形態の透視概略図である。
【図１１】本発明の二つのガス拡散層を有する本発明に従う燃料電池の側面概略図である。
【図１２】本発明の二つのガス拡散層を有する本発明に従う別の燃料電池の側面概略図である。
【図１３】本発明の二つのガス拡散層を有する本発明に従う別の燃料電池の側面概略図である。
【図１４】本発明の二つのガス拡散層を有する本発明に従う別の燃料電池の側面概略図である。
【図１５】本発明の二つのガス拡散層を有する本発明に従う別の燃料電池の側面概略図である。
【図１６】本発明の二つのガス拡散層を有する本発明に従う別の燃料電池の側面概略図である。
【図１７】３５ｍｉｌの乾燥フィルム厚（ＤＦＴ）に規準化した種々の被覆材料を用いて作製したフィルムの抵抗を示す。１ｍｉｌは０．００１インチであり、０．０２５４ｍｍに相当する。
【図１８】導電性材料中の約０．０３μｍのＤ５０％を有する非繊維状、サブミクロンのカーボンブラック粉末（ＮＳＣＰ）の被膜抵抗に対する効果を示す。
【図１９】異なる導電性材料で作製したフィルムの抵抗を比較したものである。
【図２０】導電性材料（ＴＣ−１４６、“小さいＰＳＤ”材料又は標準炭素被膜）で作った種々の炭素粒子処方物で被覆したフェルト化フォームの表面抵抗率対ピックアップ（％）を表す。
【図２１】種々の圧力負荷における４種類のガス拡散層の体積抵抗率を示す。本発明のガス拡散層は、ＴＣ−１４６で被覆された２５．８ｃｍ２の面積を有する厚み２ｍｍ、４５ｐｐｉ（孔／インチ）のフェルト；“小さいＰＳＤ”材料で被覆された２５．８ｃｍ２の面積及び４５ｐｐｉ（孔／インチ）を有する厚み１．５ｍｍのフェルト；３０重量％のポリテトラフルオロエチレンで防水した厚み０．２ｍｍのバラード（Ｂａｌｌａｒｄ）社のＡｖｃａｒｂ（商品名）炭素繊維紙；及び厚み０．８ｍｍの未処理の東レ（Ｔｏｒａｙ）社の炭素布を備える。
【図２２】図２１で試験をした４種類のガス拡散層の窒素流（１１Ｌ／時）に対する抵抗を示す。
【図２３】図２１で試験をした４種類のガス拡散層の圧縮挙動を示す。
【符号の説明】
【０１２８】
１      従来の燃料電池
２      バイポーラプレート
２Ａ    バイポーラプレート
３      ガス拡散層
３Ａ    ガス拡散層
４      膜電極接合体
５      アノード
５Ａ    カソード
６      ＰＥＭ
７      流れ場
７Ａ    流れ場
１０    本発明の燃料電池
１２    バイポーラプレート
１２Ａ  バイポーラプレート
１３    ガス拡散層
１３Ａ  第二のガス拡散層
１４    膜電極接合体（ＭＥＡ）
１５    アノード
１５Ａ  カソード
１６    ＰＥＭ
１７    ポンプ
２０    ストランド
２０    本発明の燃料電池
２１    ガス拡散層
２１Ａ  ガス拡散層
２２    バイポーラプレート
２２Ａ  バイポーラプレート
２３    多孔性の材料
２３Ａ  多孔性の材料
２４    膜電極接合体
２５    アノード
２５Ａ  カソード
２６    ＰＥＭ
２７    導電性材料
２７Ａ  導電性材料
３０    本発明の燃料電池
３１    ガス拡散層
３１Ａ  ガス拡散層
３２    バイポーラプレート
３２Ａ  バイポーラプレート
３３    多孔性の材料
３３Ａ  多孔性の材料
３４    膜電極接合体
３５    アノード
３５Ａ  カソード
３６    ＰＥＭ
３７    導電性材料
３７Ａ  導電性材料
３８    導電性材料
３８Ａ  導電性材料
４０    本発明の燃料電池
４１    ガス拡散層
４１Ａ  ガス拡散層
４２    バイポーラプレート
４２Ａ  バイポーラプレート
４３    多孔性の材料
４４    膜電極接合体
４３Ａ  多孔性の材料
４５    アノード
４５Ａ  カソード
４６    ＰＥＭ
４７    導電性材料
４７Ａ  導電性材料
４８    導電性材料
４８Ａ  導電性材料
４９Ａ  導電性材料
５０    本発明の燃料電池
５１    ガス拡散層
５１Ａ  ガス拡散層
５２    バイポーラプレート
５２Ａ  バイポーラプレート
５３    多孔性の材料
５３Ａ  多孔性の材料
５４    膜電極接合体
５５    アノード
５５Ａ  カソード
５６    ＰＥＭ
５７    導電性材料
５７Ａ  導電性材料
５８    導電性材料
５８Ａ  導電性材料
５９    導電性材料
５９Ａ  導電性材料
６７    導電性材料
６７Ａ  導電性材料
７０    燃料電池
７１    ガス拡散層
７１Ａ  ガス拡散層
７２    バイポーラプレート
７２Ａ  バイポーラプレート
７３    多孔性の材料
７３Ａ  多孔性の材料
７４    膜電極接合体
７５    アノード
７５Ａ  カソード
７６    ＰＥＭ
７７    導電性材料
７７Ａ  導電性材料
７８    導電性材料
７８Ａ  導電性材料
８０    燃料電池
８１    ガス拡散層
８１Ａ  ガス拡散層
８２    バイポーラプレート
８２Ａ  バイポーラプレート
８３    多孔性の材料
８３Ａ  多孔性の材料
８４    膜電極接合体
８５    アノード
８５Ａ  カソード
８６    ＰＥＭ
８７    導電性材料
８７Ａ  導電性材料
１０２  流れ場
１０２Ａ流れ場
１０３  流れ場
１０３Ａ流れ場
１０４  流れ場
１０４Ａ流れ場
１０５  流れ場
１０５Ａ流れ場
１０６  流れ場
１０６Ａ流れ場
１０７  流れ場
１０７Ａ流れ場
２０１  ガス拡散層
２０２  導電性材料
２０３  多孔性の材料
２１１  ガス拡散層
２１２  導電性材料
２１３  多孔性の材料
２１４  多孔性の材料
２２１  ガス拡散層
２２２  導電性材料
２２３  多孔性の材料
２２４  導電性材料
２２５  導電性材料
２３１  ガス拡散層
２３２  導電性材料
２３３  多孔性の材料
２３４  導電性材料
２３５  導電性材料
２３６  導電性材料
２４１  ガス拡散層
２４２  導電性材料
２４３  多孔性の材料
２４４  導電性材料
２５１  ガス拡散層
２５２  導電性材料
２５３  多孔性の材料
２６１  ガス拡散層
２６２  導電性材料
２６３  多孔性の材料
【図１】
2006529054.tif 000016
【図２】
2006529054.tif 000017
【図３】
2006529054.tif 000018
【図４】
2006529054.tif 000019
【図５】
2006529054.tif 000020
【図６】
2006529054.tif 000021
【図７】
2006529054.tif 000022
【図８】
2006529054.tif 000023
【図９】
2006529054.tif 000024
【図１０】
2006529054.tif 000025
【図１１】
2006529054.tif 000026
【図１２】
2006529054.tif 000027
【図１３】
2006529054.tif 000028
【図１４】
2006529054.tif 000029
【図１５】
2006529054.tif 000030
【図１６】
2006529054.tif 000031
【図１７】
2006529054.tif 000032
【図１８】
2006529054.tif 000033
【図１９】
2006529054.tif 000034
【図２０】
2006529054.tif 000035
【図２１】
2006529054.tif 000036
【図２２】
2006529054.tif 000037
【図２３】
2006529054.tif 000038
【国際調査報告】
2006529054.tif 000039
2006529054.tif 000040
2006529054.tif 000041
2006529054.tif 000042