JP2006513545A - Diffusion layer and fuel cell - Google Patents
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Abstract
本発明による多孔質の拡散媒体は、膜電極アセンブリの触媒層に対向して置かれ、多孔質基質はカーボン紙を含み、水移送粒子はカーボンファイバまたはカーボン粉を含む。相対的に高い水移送粒子密度の領域と相対的に低い水移送粒子密度の領域が、多孔質拡散媒体を横切って交替している。前記媒体の第1主要面は第2主要面よりも集合的に親水性であり、第2主要面は第1主要面よりも集合的に疎水性であってもよい。この拡散媒体は、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一流れ場に対向して置かれている。多孔質拡散媒体は、この拡散媒体の第2主要面に沿って配置された疎水性材料を含む。The porous diffusion medium according to the present invention is placed opposite the catalyst layer of the membrane electrode assembly, the porous substrate includes carbon paper, and the water transport particles include carbon fibers or carbon powder. A region of relatively high water transport particle density and a region of relatively low water transport particle density alternate across the porous diffusion medium. The first major surface of the medium may be more collectively hydrophilic than the second major surface, and the second major surface may be more collectively hydrophobic than the first major surface. The diffusion medium is placed along the first major surface of the diffusion medium facing the catalyst layer and along the second major surface of the diffusion medium facing the flow field of the fuel cell. The porous diffusion medium includes a hydrophobic material disposed along the second major surface of the diffusion medium.
Description
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。 The present invention relates generally to diffusion media, fuel cells employing the diffusion media according to the present invention, and fuel cell powered systems utilizing such fuel cells. Specifically, the present invention relates to the use of diffusion media when addressing the difficulty of water transport under wet operating conditions in fuel cells and other types of devices.
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。 A porous diffusion medium is provided comprising a porous matrix that supports a distribution of water transport particles configured to address the difficulties of water transport under humid operating conditions.
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。 In accordance with one embodiment according to the present invention, a porous diffusion medium is provided comprising a porous matrix that supports a distribution of water transport particles. The distribution of water transport particles includes a plurality of high particle density regions characterized by relatively high density water transport particles and a plurality of low particle density regions characterized by relatively low density water transport particles. Define. The relatively high and low particle density regions alternate across the major planar dimensions of the porous diffusion medium. That is, the surface of the diffusion medium may include a checkerboard pattern of a high particle density region and a low particle density region, or another arrangement of regions where the high particle density region and the low particle density region are alternately adjacent to each other. .
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。
According to another embodiment of the present invention there is provided an apparatus in which a porous diffusion medium according to the present invention is placed opposite the catalyst layer.
In accordance with yet another embodiment of the present invention, an apparatus is provided that includes a membrane electrode assembly inserted between an anode flow field and a cathode flow field of a fuel cell. A porous diffusion medium according to the invention is placed opposite the catalyst layer of the membrane electrode.
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。 According to yet another embodiment of the present invention, a porous diffusion medium according to the present invention is placed opposite a membrane electrode assembly, the porous substrate comprising carbon paper and water transport particles comprising carbon fiber or carbon powder. It consists of and. The relatively high water transport particle density region and the relatively low water transport particle density region alternate across the main two-dimensional area of the porous diffusion medium. Each characteristic of the relatively high particle density region and the relatively low particle density region varies across the cross section of the porous diffusion medium between the first major surface and the second major surface of the diffusion medium. The first major surface is collectively more hydrophilic than the second major surface, and the second major surface is collectively more hydrophobic than the first major surface. The diffusion medium is placed along the first major surface of the diffusion medium facing the catalyst layer and along the second major surface of the diffusion medium facing the flow field of the fuel cell. The porous diffusion medium includes a hydrophobic material disposed along the second major surface of the diffusion medium.
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。 The following detailed description of specific embodiments of the present invention can be best understood when read in conjunction with the appended drawings. In the drawings, like structures are indicated by like reference numerals.
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。
Referring first to FIG. 1, a fuel cell 10 incorporating a porous diffusion medium 20 according to the present invention is illustrated. Specifically, the fuel cell 10 includes a membrane electrode assembly 30 sandwiched between an anode flow field 40 and a cathode flow field 50 of the fuel cell 10. It is contemplated that the flow fields 40, 50 and the membrane electrode 30 may take a variety of conventional or further forms to be developed without departing from the scope of the present invention. Although a particular shaped membrane electrode assembly 30 is beyond the scope of the present invention, in the illustrated embodiment, the membrane electrode assembly 30 includes a respective
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。
Referring to FIG. 2, a porous diffusion medium 20 according to the present invention includes a
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。
As will be described in detail later, the
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。
Suitable
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。
The
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。
It should be noted that the
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。
2 and 4 together, the
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。
The inventors have clearly understood the advantages, confirming that the water transport on the anode and cathode sides of the fuel cell is supplemented by gas transport across the diffusion medium 20. As shown in FIGS. 2 and 4, the alternate configuration of the
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。
As shown in FIG. 2, in one application, the cross-sectional dimensions of a relatively high
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。
The inventors have recognized that water transfer requirements in the catalyst layer of a fuel cell should be addressed in order to avoid problems associated with catalyst flooding. Specifically, water is generated in the cathode layer and back-dispersed from the cathode to the anode, leading to flooding on the cathode side and / or anode side of the fuel cell. As shown in FIG. 3, a first major surface 21 occupied by a relatively high
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。 The density of the relatively high particle density region remains essentially uniform across one of the first and second major surfaces of the diffusion medium from one high particle density region to the next high particle density region. It may be. As an alternative, the density or configuration of the relatively high particle density region varies from one high particle density region to the next high particle density region across one of the first and second major surfaces of the diffusion medium. May be. This change in density across the surface of the diffusion medium can be useful in connection with fuel cells. This is because the water transfer requirements are more important near the flow field outlet area compared to the flow field inlet area, so the characteristic of increasing from the flow field inlet area of the diffusion medium to the flow field outlet area of the diffusion medium. This is because it may be preferable to provide a density value profile.
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。
In some embodiments of the present invention, the high
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。
As also shown in FIGS. 2 and 3, the porous diffusion medium 20 may include a
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。
The
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。
Referring to FIG. 5, it should be noted that an apparatus according to the present invention may include a fuel cell powered
Referring to a suitable method of making a diffusion medium according to the present invention, the first step of the method may be to immerse the substrate in a relatively hydrophobic material. A typical substrate is carbon fiber paper having a thickness of 100 to 400 microns, such as Toray TGPH-060 manufactured by Toray (Japan). The solution is generally a dispersion containing a hydrophobic material, such as polytetrafluoroethylene (PTFE) suspended in a solvent. A typical dispersion is a T-30 solution from duPont. The substrate is immersed in the dispersion for a time sufficient to achieve near complete saturation of the substrate with the material. Specifically, the substrate is placed in the solution for about 3 minutes. Remove the substrate slowly and at a slight angle to prevent breakage, allowing excess solution to flow out of the substrate. The paper is then allowed to dry on the grid shelf without squeezing for about 5 to about 10 minutes. The grid shelf holding the substrate is then placed in a furnace to withstand thermal cycling.
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。 The thermal cycle can be divided into three stages and the furnace temperature can be increased at 10 ° C./min. In the first stage, the thermal cycle can be increased from about 40 ° C. to about 96 ° C., and this temperature can be held for about 45 minutes. In the second stage, the temperature of the thermal cycle can be increased from 96 ° C. to about 300 ° C., and this temperature can be held for about 30 minutes. In the third stage, to sinter PTFE, the temperature of the thermal cycle can be increased from about 300 ° C. to about 390 ° C., and this temperature can be held for about 20 minutes. The furnace is then allowed to cool to 40 ° C. and the substrate is removed from the furnace.
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。 Usually about 0.1% to 25% of the mass of the dispersion medium, specifically about 7% of the mass of the dispersion medium, is composed of sintered PTFE. After sintering, PTFE is distributed substantially uniformly over the first and second sides of the substrate to form a relatively hydrophobic material layer. It should be understood that an accidental amount of a relatively hydrophobic material layer may remain in most substrates. The relatively hydrophobic layer may include a continuous layer or a discontinuous layer.
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。 The second side of the substrate is placed on a vacuum draw. The vacuum draw includes air holes that suck the substrate and hold the substrate against the vacuum table. The air holes are typically about 1/16 inch (about 1.59 mm) in diameter and are spaced apart from each other by about 1/4 inch (6.35 mm). The air holes are in rows about 1/4 inch (6.35 mm) apart from each other. These rows are usually in a staggered arrangement.
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。 The first side of the substrate is then exposed to a vacuum draw and subjected to a grinding step. Grinding creates dust, which is drawn by a vacuum draw 70 through a region of the substrate, creating the high and low particle density regions described above. The vacuum draw pump draws air through the air holes at about 210 cubic feet per minute (about 5900 liters) for a substrate with an area of about 1000 cm 2 .
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。 The substrate is ground on its first side, with about 10 to 500 microns of the substrate being worn away. The final thickness after grinding can be from about 185 to about 200 microns from a starting material of about 300 microns in thickness, so that typically about 100 microns of the substrate is worn away. In one embodiment of the invention where the hydrophobic material (eg, PTFE) is most concentrated on the outer surface of the substrate prior to grinding, the vacuum draw is performed throughout the grinding process and all of the relatively hydrophobic dust is passed through the substrate. Otherwise it can be continued for a sufficient time to draw the majority into a vacuumed waste container. Thus, the relatively hydrophobic dust generated near the first side 21 is the last part to be drawn through the substrate. When the vacuum is turned off, the dust can settle in and on the substrate. Specifically, relatively hydrophilic dust that has been drawn through the substrate but has not completely reached the waste container remains in the pores of the substrate. The remaining relatively hydrophobic dust that has not yet reached the pores of the substrate can settle over the first side of the substrate, thereby forming a hydrophilic layer. As an alternative, instead of relying on a ground where the relatively hydrophilic dust settles on the ground side of the substrate to form a relatively hydrophilic layer, an optional relatively hydrophilic material may be applied to the substrate. It may be spread or applied over the entire surface. The use of a grinding step with a precisely controlled thickness can improve the thickness uniformity of the diffusion media, resulting in improved thickness uniformity between and within the sheet. That is, it is well known that the thickness of the diffusion medium of the current technology is a troublesome problem because the thickness control without a margin is not allowed in the current production process.
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。 As explained above, the vacuum draw can include a series of air holes spaced at a certain distance according to a predetermined pattern. This pattern can be used to define separate active areas of the diffusion medium. As explained above, the fuel cell inlet region has different requirements than the fuel cell outlet region.
「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。 Terms such as “preferably”, “usually”, and “generally” are used herein to limit the scope of the invention for which a patent application is filed or certain features have been patented. It should be noted that it is not utilized to imply that it is critical, essential, or more important to the structure or function of the present invention. Rather, these terms are merely used to highlight alternative or additional features that may or may not be utilized in a particular embodiment of the present invention.
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。 For purposes of describing and defining the present invention, the term “substantially” is used herein to refer to the inherent degree of uncertainty that can be attributed to any quantitative comparison, number, measurement, or other indication. Note that it is used to represent. The term “substantially” is also used herein to indicate the degree to which a quantitative expression can change from a specified criterion without changing the basic function of the subject matter in question.
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。 Although the invention has been described in detail with reference to specific embodiments thereof, it will be appreciated that modifications and changes can be made without departing from the scope of the invention as defined in the appended claims. Will. More specifically, although some embodiments of the present invention have been considered preferred or particularly advantageous, the present invention is not necessarily limited to these preferred embodiments of the invention.
Claims (45)
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、前記拡散媒体の第1および第2主要面に平行に前記多孔質拡散媒体の主要平面寸法を横切って交替しており、
前記水移送粒子は、前記拡散媒体の前記第1および第2主要面間に画定された前記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。 A porous diffusion medium consisting of a porous matrix that supports a distribution of water transport particles,
The distribution of water transport particles includes a plurality of high particle density regions characterized by relatively high density water transport particles and a plurality of low particle density regions characterized by relatively low density water transport particles; Define
The relatively high particle density region and the relatively low particle density region alternate across a major planar dimension of the porous diffusion medium parallel to the first and second major surfaces of the diffusion medium. And
The water transport particles have a dimension that is small enough to allow movement of the water transport particles through the thickness dimension of the porous substrate defined between the first and second major surfaces of the diffusion medium. A porous diffusion medium characterized by the above.
前記拡散媒体が、前記拡散媒体の前記第1主要面に沿って触媒層に対向して置かれている
請求項42に記載の装置。 The respective properties of the relatively high particle density region and the relatively low particle density region are such that the first major surface is collectively more hydrophilic than the second major surface; Changing across the cross section of the porous diffusion medium between the first and second major surfaces of the diffusion medium such that the major surfaces are collectively more hydrophobic than the first major surface. And
43. The apparatus of claim 42, wherein the diffusion medium is placed opposite the catalyst layer along the first major surface of the diffusion medium.
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