JP2008509521A - 疎水性と親水性を有する拡散媒体 - Google Patents

Abstract

PEM燃料電池において用いるための拡散媒体は、改良された水の制御のための疎水性領域と親水性領域を有する。フッ素樹脂などの疎水性ポリマーが紙の上に付着されて疎水性の領域を画定し、そしてポリアニリンまたはポリピロールなどの導電性ポリマーが紙の上に付着されて親水性の領域を画定する。様々な態様において、炭素繊維をベースとする拡散媒体の上の疎水性領域と親水性領域の基材は、フルオロカーボンポリマーなどの疎水性ポリマーで予め被覆されている拡散媒体の上への親水性ポリマーの電気重合によって生成される。電気重合のためのモノマーを含有する水溶液がフルオロカーボンで被覆された拡散媒体と接触すると、親水性のポリマーは、フルオロカーボンによって被覆されていない炭素繊維をベースとする拡散媒体の領域の上に優先的に付着するだろう。
【選択図】図１

Description

発明の詳細な説明

発明の分野
本発明は燃料電池および燃料電池が作動する間の水の制御を改良するための方法に関する。本発明はさらに、空間的にパターン化された疎水性領域と親水性領域を有する燃料電池のための拡散媒体を調製するための方法に関する。

発明の背景
燃料電池は、電気自動車やその他の適用のための電力源としてますます使用されつつある。典型的な燃料電池は、触媒電極とこの電極の間に形成されたプロトン交換膜を有する膜電極集成体（MEA）を有している。燃料電池が作動する間に、MEAの内部で生じる水素と酸素の間の電極化学反応に基づいてカソード電極において水が生じる。燃料電池の効率的な作動は、装置内で有効な水の制御を与える能力に依存する。

気体拡散媒体はPEM燃料電池において重要な役割をする。一般に、拡散媒体は生成した水をカソード触媒層から吸い取り、それと同時に気体流通路からの触媒層への反応物質の気体の流れを維持する必要がある。さらに、電極の間のプロトン交換膜は、それが十分に水和されるときに最も良好に作動する。従って、気体拡散媒体の最も重要な機能の一つは、燃料電池が作動する間に水の制御を行なうことである。

最良の水の制御のためには、親水性と疎水性の好ましいバランスを有する気体拡散媒体を提供することが望ましい。親水性と疎水性の適切なバランスを有する気体拡散媒体を提供することによって、反応物質の気体と生成した水のための異なる輸送通路を与えることができ、それにより、気体拡散媒体の細孔内での水の過剰な蓄積による電池の中での溢水を防ぐことができ、同時に、プロトン交換膜の適切な水和が維持され、特に高密度の流れでの浸透性の吸引によってプロトンを介してアノード側からカソード側へ水が運ばれるときの適切な水和が維持される。加えて、気体拡散媒体の中で十分な量の液体水が維持されることや電池内での液体水の再循環によって、かなり乾燥した注入反応物質の気体を利用することができ、従って外部の加湿器に対する容量の要件が低減されるだろう。

炭素繊維の拡散媒体にポリテトラフルオロエチレン（PTFE）を添加することが、燃料電池の技術において一般的である。そのような添加によって媒体はより疎水性になり、そして利点が与えられる。PTFEを被覆した媒体の水を制御する能力を改良するために様々な試みがなされてきたが、それには例えば、追加の微孔質層を被覆すること、および／または拡散媒体の中に吸収性材料を埋め込むことがある。

従って、燃料電池における効率的な水の制御を与えるために利用することのできる疎水性と親水性の改良されたバランスを有する気体拡散媒体を提供することが望ましいであろう。また、最適な燃料電池効率を得るために疎水性と親水性の領域が正確に配置されうるように、そのような拡散媒体の上にポリテトラフロオロエチレンなどの疎水性材料を付着させる方法を提供することが望ましいであろう。

発明の概要
一つの態様において、PEM燃料電池において用いるための拡散媒体は、改良された水の制御のための疎水性領域と親水性領域を有する。この拡散媒体は、二つの面を有するシートの形状の炭素繊維の紙を含む。疎水性ポリマーが紙の上に付着（deposit）されて疎水性の領域を画定し、そして親水性の導電性ポリマーが紙の上に付着されて親水性の領域を画定する。様々な態様において、炭素繊維をベースとする拡散媒体の上の疎水性領域と親水性領域の基材は、フルオロカーボンポリマーなどの疎水性ポリマーで予め被覆されている拡散媒体の上への親水性ポリマーの電気重合によって生成される。電気重合のためのモノマーを含有する水溶液がフルオロカーボンで被覆された拡散媒体と接触すると、親水性の導電性ポリマーは、フルオロカーボンによって被覆されていない炭素繊維をベースとする拡散媒体の領域の上に優先的に付着するだろう。電気重合は主としてフルオロカーボンによって被覆されていない領域の上で生じるので、疎水性領域と親水性領域のバランスを有する拡散媒体が生成される。

別の態様において、電池のカソード側とアノード側で画定された流体分配チャンバーの中に両極性板などの不透過性の導電性部材を介して配置された拡散媒体を有するPEM燃料電池が提供される。拡散媒体の上の親水性領域と疎水性領域のバランスは、燃料電池において所望のレベルの水の制御を与えるように調整してもよい。例えば、様々な態様において、流体分配チャンバーは反応物質の気体の入口側と出口側を有する。酸素などの酸化剤ガスがカソードの入口に供給される。水素燃料がアノードの入口に供給される。水素はアノードで酸化されてプロトンを形成し、そしてプロトンはアノードからカソードへポリマー交換膜を通過し、酸素ガスと反応することによって水が形成される。生成した水は拡散媒体の作用によってカソード電極から吸収され、そして酸化剤ガスの流れを介して電池から取り出される。一つの態様において、拡散媒体の上の疎水性ポリマーの含有量は、入口側に隣接する拡散媒体の領域におけるよりも出口側に隣接する拡散媒体の領域における方が大きい。あるいは、親水性ポリマーの含有量は、出口側に隣接する領域におけるよりも入口側に隣接する拡散媒体の領域における方が大きくてもよい。

様々な態様において、疎水性ポリマーはポリテトラフルオロエチレン（PTFE）などのフルオロカーボンポリマーを含み、電気重合によって付着される求電子的ポリマーはポリアニリンまたはポリピロールである。好ましくは、疎水性ポリマーは非導電性のものである。

別の態様において、拡散媒体は、炭素繊維をベースとする基板などの伝導性で多孔質の基板の上にフルオロカーボンポリマーを、基板の一部がフルオロカーボンポリマーで被覆されないままになるようなパターンで付着させることを含む方法によって調製される。次いで、基板の被覆されていない部分の上に導電性ポリマーが電気重合によって優先的に付着される。好ましくは、電気重合の工程を実施する前に、付着したフルオロカーボンポリマーを高温に晒し、それによってポリマーを焼結し、フルオロカーボンポリマーの溶液から分散剤を焼き尽くし、そしてそれを炭素繊維をベースとする基板の上に固定する。

本発明のさらなる応用分野は、以下で提示する詳細な説明から明らかになるだろう。その詳細な説明と特定の実施例は、本発明の様々な態様を提示しているが、それらは単に例証する目的のためのものであり、本発明の範囲を限定することを意図しているのではない、ということが理解されるべきである。

詳細な説明
好ましい態様についての以下の説明は本質的に単に例示のものであり、本発明とその適用あるいは用途を限定することは決して意図されていない。

改良された水の制御のための疎水性領域と親水性領域を有するPEM燃料電池において用いるための拡散媒体は、二つの面を有するシートの形状の導電性多孔質材料；多孔質材料の上に付着（deposit）されていて疎水性の領域を画定している疎水性ポリマー；および多孔質材料の上に付着されていて親水性の領域を画定している親水性の導電性ポリマーを含む。好ましい多孔質材料は炭素繊維の紙または炭素の布である。

様々な態様において、疎水性ポリマーはフルオロカーボンポリマーである。適当な疎水性ポリマーとしては、限定するものではないが、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）、フッ素化エチレンプロピレン（FEP）、およびポリフルオロアルコキシ（PFA）がある。好ましい導電性ポリマーとしては、限定するものではないが、ポリアニリンおよびポリピロールがある。様々な態様において、疎水性ポリマーの被覆によって画定される疎水性領域は主として紙の一方の側にあり、一方、導電性ポリマーの付着物によって画定される親水性領域は主として紙の他方の側にある。他の態様において、疎水性領域と親水性領域からなるあるパターンが紙の一方の側または両側に付与され、それによって親水性と疎水性のバランスを有する拡散媒体が与えられる。

別の態様において、疎水性の領域と親水性の領域を有する炭素繊維をベースとする拡散媒体を調製する方法は、a）炭素をベースとする基板の上に疎水性ポリマーを、基板の一部が疎水性ポリマーで被覆されないままになるようなパターンで付着させること、そして次に、b）基板の被覆されていない部分の上に導電性ポリマーを付着させることを含む。様々な態様において、疎水性ポリマーはPTFEなどのフルオロカーボンポリマーを含み、導電性ポリマーはポリアニリンまたはポリピロールを含む。幾つかの態様において、疎水性ポリマーは主として基板の一方の側に付着され、導電性ポリマーは主として他方の側に付着される。

疎水性ポリマーまたはフルオロカーボンポリマーは、炭素繊維をベースとする基板の上に様々な方法によって付着させることができる。様々な好ましい態様において、以下に説明する方法および本件の譲受人に共通に譲渡されて2004年４月14日に出願番号10/824,032として提出された「パターン化された拡散媒体の調製」という名称の同時係属出願の中で説明されている方法によって、所望のパターンのフルオロカーボンポリマーを炭素繊維の基板の上に付着させることができる（その出願の開示は本明細書中に参考文献として援用される）。様々な態様において、フルオロカーボンポリマーは次の工程を含む方法を用いて基板の上に付着される、a）炭素繊維の紙のシートをフルオロカーボンポリマーの水性乳濁液中の溶媒で湿らせること（これは例えば、紙を乳濁液の中に浸すことによって行われる）、b）湿らせたシートを、フルオロカーボンポリマーの付着物の所定のパターンに一致するように配置された１以上の開口を有するパターン部材と接触させること、およびc）シートがパターン部材と接触している間にシートから溶媒を蒸発させること。その結果、フルオロカーボンポリマーは、パターン部材上の開口に隣接する領域においてシート上で濃縮される。接触させる工程は、二つの型（mold）の表面の間にシートを保持し、このとき少なくとも一つの型の表面が開口を有していて、これを通して溶媒が蒸発することができるようにすることによって実施してもよい。別の態様において、一方の型の表面が開口を有していて、他方の型の表面が中実（solid）である。別の態様において、両方の型の表面が開口を有していて、そしてあるパターンのフルオロカーボンポリマーが炭素繊維の紙の両側に付着される。パターン部材はスクリーン（網状のもの）を含んでいてもよい。

様々な態様において、溶媒を蒸発させることは、シートを加熱して溶媒を除去することによって達成される。様々な好ましい態様において、シートの少なくとも一方の側がその面積の約１０％を超えて約９０％までがフルオロカーボンポリマーで被覆される。他の態様において、シートの少なくとも一方の側がその面積の約１０％を超えて約６０％までがフルオロカーボンポリマーで被覆される。

様々な態様において、以下に説明するようにして、および本件の譲受人に共通に譲渡されて2004年８月５日に提出された「電気重合による炭素繊維の紙の親水性の増大」という名称の同時係属出願（代理人整理番号8540G-000212（GP-303506））の中で説明されているようにして、導電性ポリマーを付着させることができる（その出願の開示は本明細書中に参考文献として援用される）。好ましくは、導電性ポリマーは電気化学重合によって重合性モノマー（polymerizing monomer）の水溶液から付着される。好ましくは、その溶液は、電解質と、ピロール、チオフェン、アニリン、フラン、アズレン、カルバゾール、およびこれらの誘導体からなる群から選択されるモノマーを含有する。電気重合（electropolymerization）は、フルオロカーボンポリマーで部分的に被覆された炭素繊維の基板を電気重合プロセスにおける作動電極として設定することによって達成される。溶液がアニリンを含有する場合、ポリアニリンが基板の上に付着される。一方、溶液がピロールを含有する場合、ポリピロールが付着される。導電性ポリマーは、親水性の領域を与える基板の被覆されていない部分の上に優先的に付着されるだろう。というのは、電気重合は主として導電性の表面上で起こるからである。

様々な好ましい態様において、本発明の拡散媒体は燃料電池において用いられる。典型的な燃料電池はアノード、カソード、およびアノードとカソードの間に配置されたプロトン交換膜（PEM）を有する。不透過性の導電性部材がカソードとアノードに隣接して設けられ、各々の電極と共にカソードとアノードのそれぞれと結びついた流体分配チャンバーを画定する。上述したような拡散媒体が、流体分配チャンバーの一方または両方において配置される。好ましい態様において、好ましい分配チャンバーは気体の入口側と気体の出口側を有し、そして拡散媒体は流体分配チャンバーの入口側から出口側にまで及んでいる。アノード側において気体は反応物質としての水素であり、一方、カソードにおいて気体は酸化剤としての酸素である。拡散媒体の疎水性領域と親水性領域のバランス（すなわち、疎水性ポリマーの量と面積範囲、親水性ポリマーの量と面積範囲、およびこれら二つの相対的比率）は、燃料電池において水の制御を与えるために所望により変えることができる。例えば、流体分配チャンバーの入口側と出口側に隣接する各々の拡散媒体の部分において疎水性ポリマーの量が異なっていてもよい。拡散媒体がカソード側にある非限定的な例において、疎水性ポリマーの含有量は、入口側に隣接する拡散媒体の領域におけるよりも出口側に隣接する拡散媒体の領域における方が大きい。

本発明の一つの面において、炭素繊維をベースとする拡散媒体などの多孔質材料の上の疎水性領域と親水性領域の基材は、非伝導性の疎水性ポリマーで部分的に被覆されている拡散媒体の上への親水性ポリマーの電気重合によって生成される。電気重合のためのモノマーを含有する水溶液が、部分的に被覆された拡散媒体に付与されると、主として疎水性ポリマーで被覆されていない基板の領域において導電性ポリマーの付着作用が生じるだろう。このことは一部においては被覆の電気的な非伝導性と疎水性の性質によるものであると考えられ、それによって電気重合性モノマーを含有する溶液で炭素繊維が湿潤されるのが妨げられ、そのため電気重合のプロセスを開始させるために非伝導性ポリマーの被覆を通して電子が移動することができないからである。

疎水性ポリマー（これは様々な好ましい態様においてフルオロカーボンポリマーを含む）は、基板の少なくとも一部が被覆されないままになる限りにおいて、様々な手段によって多孔質材料の基板の上に付着させることができる。一つの態様において、炭素繊維の基板はフルオロカーボンポリマーの乳濁液の中に浸され、乳濁液から取り出され、そしてガラススライド（載物ガラス）などの堅い支持体の上に置かれる。基板から溶媒が蒸発すると、基板の上に付着したフルオロカーボンポリマーは溶媒が蒸発した側で濃縮し、その反対側ではその表面上のフルオロカーボンポリマーの含有量は比較的少ないであろう。付着したフルオロカーボンからなる所望の端から端までの平坦な分布を基板の厚みを通して得るために、溶媒が蒸発する速度は、例えば温度を変化させることによって、調整することができる。あるいは、付着したフルオロカーボンポリマーの平面内での分布を変化させてもよい。例えば、燃料電池における反応物質の気体のための入口または入口側に隣接する領域における拡散媒体の疎水性/親水性のバランスを、出口または出口側で与えられるバランスと異なるようにしてもよい。

本発明において用いるための多孔質材料または基板は一般に、水またはその他の後述するポリマーの溶液と関連する溶媒によって湿らせることのできる多孔質の2-D（２次元）可撓性材料である。一つの態様において、多孔質材料（シート材料とも呼ばれる）は織布または不織布で製造されてもよい。そのような布は、ポリマーの溶液によって湿らせることのできる繊維で製造される。必要であれば、ポリマーと溶媒が繊維上に浸潤することができるように、ポリマーの溶液に界面活性剤または湿潤剤を添加してもよい。

好ましい態様において、シート材料は炭素繊維の紙で製造される。炭素繊維の紙は、炭素繊維からなる不織布であるとみなすことができる。炭素繊維の紙は様々な形態で商業的に入手することができる。様々な態様において、例えば、紙の密度はおよそ０.３〜０.８g/cm³ またはおよそ０.４〜０.６g/cm³、紙の厚さは約１００μm〜約１０００μm、好ましくは約１００μm〜約５００μmであり、そして細孔率は約６０％〜約８０％である。後述する燃料電池への適用における用途のための適当な炭素繊維の紙は、例えばToray Industries USAから入手できる。Torayから商業的に入手できる炭素繊維の紙の例はTGP H-060であり、これは０.４５gm/cm³ の嵩密度を有し、約１８０ミクロンの厚さである。

本発明で用いられ、そして本発明の方法によってシート材料の上に付着される疎水性ポリマーは、後述する蒸発条件下で乳濁液から沈殿するかあるいは溶液から沈殿するポリマーである。好ましくは、シート材料の上に付着されるポリマーは、燃料電池における拡散媒体などの最終目的の適用における用途の条件の間にシートの一部と安定して接触したままでいるポリマーである。後述するように、シート材料と接触するポリマーの適合性または安定性は特定の後硬化工程によって高めることができて、それにおいては、被覆されたシート材料が高温に加熱され、それによってポリマーの構造物がシート材料の上に固定される。

好ましい態様において、用いられるポリマーは、ポリマーが付着する基板のシート材料に疎水性を付与するものである。ポリマー材料の表面自由エネルギーがシート材料自体の表面自由エネルギーよりも小さい場合に、ポリマーは基板の表面を疎水性にする。ポリマーとシート材料の表面自由エネルギーは、ポリマーまたはシート材料のそれぞれと接触する水の接触角によって測定することができ、そしてそれと互いに関係がある。例えば、ポリマーの上の水の接触角がシート材料の上の水の接触角よりも大きい場合、ポリマーは疎水性の材料であるとみなすことができる。ポリマーの上の水の接触角がシート材料の上の水の接触角よりも小さい場合、ポリマーは親水性のポリマーであるとみなすことができる。

疎水性ポリマーの非限定的な例としてはフッ素樹脂がある。フッ素樹脂はフッ素を含有するポリマーであり、少なくとも一つのフッ素原子を含む１以上のモノマーを重合または共重合することによって製造される。「フッ素樹脂」および「フルオロカーボンポリマー」という用語は、そうではないことを示さない限り、相互に交換可能に用いられる。重合してフルオロカーボンポリマーを生成しうるフッ素含有モノマーの非限定的な例としては、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、フッ化ビニリデン、ペルフルオロメチルビニルエーテル、ペルフルオロプロピルビニルエーテル、その他同種類のものがある。フッ素−炭素結合の存在はこれらのポリマーの疎水性の原因であると考えられる。好ましいフッ素樹脂の具体的な例はポリテトラフルオロエチレン（PTFE）、すなわちテトラフルオロエチレンのホモポリマーである。

様々な態様において、疎水性ポリマーをシート材料の上にあるパターンで付着させるための方法は、溶媒とポリマーを含むポリマー分散液でシート材料を湿らすことを含む。シート材料がポリマー分散液の中に浸された後、次にシート材料は前記のパターンと一致する開口を有するパターン部材と接触される。次いで、湿った多孔質のシート材料から溶媒が蒸発され、このときシート材料はパターン部材と接触したままにされる。溶媒は開口の位置でパターン部材を通ってシートから出ていく。このようにして、疎水性ポリマーは、主として開口の位置で、シートの上に付着される。

好ましい態様において、フッ素樹脂は炭素繊維の紙の上に、この炭素繊維の紙のシートの１００％未満の範囲（例えば５０％〜９９％の範囲）がフッ素樹脂に相当するパターンで、付着される。他の態様において、フッ素樹脂などのポリマーはシートの面積の１０％〜９０％、好ましくは１０％〜６０％または１０％〜５０％を覆ってもよい。この方法は、炭素繊維の紙のシートをフッ素樹脂の水性乳濁液の中で湿らして、次いで、フッ素樹脂の水性乳濁液から溶媒が完全に蒸発する前に、湿ったシートをパターン部材と接触させることを含む。パターン部材は、炭素繊維の紙の上でのポリマーの範囲のパターンと一致するように配置された１以上の開口を有する。次いで、シートがパターン部材と接触したままになっている間に炭素繊維の紙のシートから水が蒸発される。その結果、パターン部材における開口と一致する位置で、疎水性ポリマーは炭素繊維の紙の上で濃縮される。

様々な態様において、シートが溶媒で湿ったままになっている間にシートをパターン部材と接触させる工程は、熱圧のプロセスによって達成される。例えば、炭素繊維の紙のシートは、水とフッ素樹脂の粒子を含む水性乳濁液を用いるフッ素樹脂の分散液の中に浸される。炭素繊維の紙のシートが水で湿ったままになっている間に、シートは熱圧のプロセスによってパターン部材と接触され、そしてシートがパターン部材と接触している間に水はシートから蒸発される。

上にあるパターンで付着したフッ素樹脂などのポリマーを有する炭素繊維の紙のようなシート材料は、例えば燃料電池における拡散媒体として有用である。そのような燃料電池は、アノードとカソードおよびこれらアノードとカソードの間に配置されたプロトン交換膜を有する。燃料電池が作動する間、カソードの表面において水が生成する。拡散媒体は、燃料電池における水の制御と反応物質の気体の輸送において有用な様々な機能を果たすために、アノードとカソードの触媒層と接触させて配置される。

膜はプロトン交換膜（PEM）であり、これは典型的に、ペルフルオロスルホネートイオノマーの膜などのイオン交換成分を含む。そのような商業的に入手できる膜の一つは、E. I. DuPont De Nemours & Co. によってNAFION（登録商標）の商品名で販売されているプロトン伝導性膜である。アノードとカソードは典型的に多孔質材料を含み、酸素と水素の電気化学反応を促進するために、中に触媒の粒子が分配されている。プロトンの輸送のために膜を適度に水和した状態に保つことと、適切な内部の耐性を与えることが重要である。

様々な態様において、本発明の拡散媒体はアノード側、カソード側、あるいは両者において用いられる。拡散媒体にいくぶんかの水を保持するための貯水要素を付与することによって、カソード側での水の再分配が促進され、またアノードの反応物質の気体が加湿されることも促進されるだろう。さらに、拡散媒体がアノード側とカソード側のいずれかで用いられるとき、膜が水和した状態が保たれるだろう。

燃料電池が作動する間、アノードにおいて水素ガスが導入され、そこで水素（H₂）は二つのプロトン（H⁺）に分かれて、二つの電子を放出する。プロトンは膜を横切ってカソード側へ移動する。カソード側において酸素または空気が導入され、そこでそれは多孔質の電極の中へ流入する。カソード電極の中の触媒粒子はプロトン（H⁺）と酸素（O₂）の間の反応を促進し、それにより電極の中で水が形成される。すなわち、液体の水が発生するので、多孔質のカソード材料への気体の流入が同時に維持されなければならない。さもなければ、電極は液体で「溢水する」可能性がある。溢水は拡散媒体を通しての電極への気体の流れを妨げ、その結果、MEAにおいて生じるいかなる反応も低下するかまたは停止する。拡散媒体は、一部において、水の制御を容易にするために提供される。

様々な態様において、疎水性ポリマーは、ポリマーと溶媒を含む湿潤性組成物の中でシート材料を湿らすことによって、シート材料に付加される。幾つかの態様において、湿潤性組成物は乳濁液の形で付与することができる。溶液を用いてもよい。幾つかの態様において、ポリマーを溶液または懸濁液の中に保持するために、あるいはシート材料を湿らすのを助けるために、湿潤性組成物は界面活性剤またはその他の薬剤を含有する。例えば、シート材料を湿らすために用いられる乳濁液は、ポリテトラフルオロエチレンなどの疎水性ポリマーの粒子を１〜約７０wt.％含有していてもよい。他の態様において、１％〜２０％の範囲が好ましい。好ましい態様において、ポリマー組成物はポリマーの固体を重量でおよそ２％〜１５％含有する。上で指摘したように、ポリマー組成物は、水やポリテトラフルオロエチレン粒子などのポリマー粒子のような溶媒に加えて、界面活性剤または湿潤剤を含有していてもよい。

シート材料を湿らすことは、シートの上に所望の量の疎水性ポリマーが付着するように選択される時間およびポリマー濃度で、シート材料を湿潤性組成物に晒すことによって達成することができる。例えば、シート材料を湿潤性溶液の中に浸漬（dip、immerse、soak）してもよい。好ましくは、ポリマーとシート材料を合計した重量に基づいて約１％〜約２０％、より好ましくはおよそ２％〜１５％、そしてより好ましくはおよそ４％〜１０％の重量のポリマーがシート材料の上に付着される。ポリマーが被覆する範囲の量およびパターンは、シート材料が相対的にどれだけ疎水性であるかあるいは親水性であるか、付着させるポリマーの疎水性、および付着させるポリマーでシート材料を被覆する範囲の所望のパーセントに応じて変化させてもよく、それらは全て最終用途の要件を考慮して行われる。非限定的な例において、付着させるポリマー（例えばPTFEまたはその他のフッ素樹脂）を約７重量％含有する炭素繊維の紙は、燃料電池において用いるのに満足できるものであることが見出された。

パターン部材がこのように呼ばれる理由は、シート材料の上に疎水性ポリマーが付着されるパターンを画定する開口を有する比較的堅い骨組み材料でそれが製造されるからである。パターン部材における開口は、穴、貫通孔、溝、またはその他の形状の形態で付与してもよく、そしていかなる適当な打抜き、切断、またはその他の方法によってパターン部材に設けてもよい。他の態様において、パターン部材は、一次元または二次元の穴または開口のパターンを有するスクリーン（網状のもの）の形態で付与されてもよい。スクリーンの形態のパターン部材は、孔あき板または金網の織物の形状をとってもよい。非限定的な例としては、鉄の孔あきシートやステンレス鋼の孔あきスクリーンがある。様々な態様において、シートと接触するスクリーンの面積の１０％〜９０％を開口が構成している。他の態様において、開口はスクリーンの接触面積の１０％〜６０％、あるいは好ましくは１０％〜５０％を構成していてもよい。別の態様において、パターン部材は板または本質的に平坦な部材の形態で付与されてもよい。パターン部材は平坦であってもよく、あるいはわずかに湾曲していてもよい。いずれにしても、パターン部材は、後述する次の蒸発工程の間にシート材料にプレスされるように調整される。

別の態様において、パターン部材は円筒形であってもよい。この態様において、円筒形のパターン部材は、高温ロールのプロセスによってシート材料の上にあるパターンの被覆が形成されるように調整されてもよい。この態様において、円筒形のパターン材料の一部が最初にシート材料にプレスされる。シート材料が円筒と接触している間、シート材料から溶媒を蒸発させるために高温またはその他の条件が適用される。円筒形のパターン部材がシート材料と瞬間的に接触する間に蒸発が起こるのに十分なほどにゆっくりした速度で、円筒はシートを横切って回転する。そのような回転する円筒形のパターン部材を有する装置の中に、湿ったシート材料を連続的に供給することができる。

好ましくは、パターン部材の骨組み材料を構成するための材料は水またはその他の溶媒を通さず、また好ましくは、後述する溶媒の蒸発が促進されるように熱伝導性であるべきである。シート材料と接触するとき、パターン部材における開口は、パターン部材と接触させて保持される多孔質のシート材料から溶媒が逃散するための蒸発通路を画定する。

シート材料がまだ湿っているとき、パターン部材をシート材料と接触させ、そして蒸発条件を適用することによって蒸発工程が実施される。好ましい態様において、シート材料はパターン部材と接触している間に加熱される。他の態様において、シート材料がパターン部材と接触している間に蒸発を促進するために、溶媒が蒸発するように真空引きしてもよく、あるいは空気またはその他の気体をシート材料の表面に吹きつけてもよい。マイクロ波や赤外線の放射を用いて材料を加熱して溶媒を蒸発させることによっても、乾燥を達成することができる。そのような蒸発条件の組合せを用いてもよい。

溶媒を蒸発させるためにシート材料が加熱されるとき、蒸発の速度は温度、周囲の相対湿度および対流の流量などの幾つかの変数の関数である。この乾燥の速度は、ひいては板の全体を通しての疎水性ポリマーの分布に影響を及ぼす。例えば、乾燥が速いほどPTFEは開口の位置で紙の表面に引き寄せられる傾向があり、一方、乾燥が遅いほど紙の断面すなわち大部分により多くのPTFEが付着する結果となる傾向があるだろう。温度、真空、および気体の流れなどの条件の適当な組合せを選択することによって、溶媒が許容できる速度で蒸発し、それによって望ましい断面でのPTFE分布を生成させるための条件を選択することができる。

一つの態様において、パターン部材は、開口を有しているかあるいは有していなくてもよい型の中でシート材料と接触される（幾つかの態様は図面で示される）。別の好ましい態様において、パターン部材は熱圧のプロセスによってシート材料と接触させてもよい。そのようなプロセスにおいて、パターン部材は好ましくは、シート部材と接触させる前に加熱される。熱圧する部材は、上述したような板、湾曲材料または円筒物の形態であってもよい。熱圧法は、連続プロセスまたは大処理量のプロセスに適合させるのに特に適している。

乾燥工程または蒸発工程の間、PTFE粒子などのポリマー粒子は溶媒とともに移動し、そして溶媒が基板から蒸発する位置で定着する。付着させる疎水性ポリマーの含有量がシート材料上で比較的高いことが望ましいかあるいはそれが企図される位置で開口または溝が切り込まれるようにして、パターン部材は用意される。シート材料はポリマーの溶液に浸されるかまたは晒されてもよく、そして炭素繊維の紙などの湿ったシート材料は、二つの同一で鏡像パターンを有する型の間に置かれてもよい。あるいは、シート材料を、このシート材料の両側で異なるパターンの模様を有する型またはパターン部材と接触させてもよい。さらに別の選択肢として、シート材料の一方の側をパターン部材と接触させ、そして他方の側を密閉したブロックに触れさせてもよい。これらの態様およびその他の態様は、非限定的な例において図面によってさらに説明される。

このようにして、PTFE粒子またはその他のポリマー粒子は、溶媒がシート材料から蒸発する位置で最も濃厚になってシート材料の上に付着される。付着する位置はパターン部材における開口と一致する。パターン部材の中実部分（すなわち、開口ではない部分）と接触するシート材料上の位置は検知できる量のポリマー付着物を有していてもよいが、しかしそれは開口における量よりは少ないだろう。

溶媒が蒸発して疎水性ポリマーがシート材料の上に所望のパターンで付着した後、さらに後硬化工程または焼結工程を行うのが通常は望ましい。この後硬化は一般に、比較的高い温度に、硬化が達成されるのに十分な時間、加熱することによって達成される。ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素樹脂の被覆の場合、一般に約３８０℃の温度まで加熱すれば十分である。一般に、全てのそのようなポリマー被覆は、その溶融温度あるいは軟化温度の付近に加熱するのが好ましい。軟化によってポリマーはシート材料の布とよりいっそう密に接触することが可能になる。乾燥工程の間に布の上に付着したパターンは、高温の硬化によっては変化しない。従って、パターンを形成する工程は比較的低い温度で実施してもよく、それは低コストの方法を提供する。

図１Ａは、中実の部分または不浸透性の部材６からなるパターン部材２と、このパターン部材２において画定されている開口８（ここでは一連の溝８として示されている）を示す。図１Ｂは、中実の部分６と開口８を示すパターン部材２の断面を示す。図１Ｃは、本発明の方法に従ってパターン部材２を多孔質の布と接触させることによって製造されたシート材料４を示す。シート４は、パターン部材における開口８に隣接して保持された位置に相当する領域10と、パターン部材の中実部分６に隣接して保持された位置に相当する接触領域12を有する。ポリマーは主として開放領域８においてシートの上に付着される。

図２Ａはパターン部材２の別の態様の斜視図を示し、ここではパターン部材の中で二次元のパターンでの穴の形の開口８を有するスクリーンの形の中実部分６が示されている。図２Ｂは主として開放領域10の上に付着されたポリマーを有する多孔質の布４を示し、しかし接触領域12の上にはポリマーはほとんどまたは全く付着されていない。

図３Ａは多孔質の布４と接触しているパターン部材２の断面を示す。パターン部材２は、多孔質の布４の中の溶媒のための蒸発通路を画定している開口８を有する中実部分６からなる。多孔質の布４は接触領域12でパターン部材と接触し、多孔質の布の開放領域10はパターン部材と接触していない。図３Ａに示される態様において、多孔質の布４の反対側11は、蒸発工程の間はパターン部材と接触していない。図３Ｂは、蒸発工程の後の３Ａの多孔質の布の構造を概略的な形態で示す。図３Ｂは、図３Ａの多孔質の布の主として開放領域10に相当する位置と反対側11において多孔質の布４の上に付着されたポリマーを示す。一方、蒸発工程の間に多孔質の布がパターン部材と接触していなかった場所に相当する多孔質の布の上の位置12においては、ポリマーはほとんどまたは全く付着されていない。

図４Ａは、一方の側でパターン部材２と接触していて、他方の側で中実の型の表面５と接触している本発明の多孔質の布を示す。図４Ｂは、蒸発工程の後の４Ａの多孔質の布の上のポリマー付着物のパターンを示す。パターン部材と接触していた側は位置10においてポリマー付着物を示し、しかし位置12においてはポリマーは全く付着されていない。また、多孔質の布の反対側11は、蒸発工程の間に型の表面と接触していて、従って反対側から与えられる蒸発通路はなかったので、付着したポリマーをほとんどまたは全く含んでいない。

図５Ａは、一方の側でパターン部材２と接触していて、他方の側でパターン部材２’ と接触している多孔質の布４を概略的な形態で示す。多孔質の布の反対側にあるパターン部材２’ は中実の部分６’ とパターン部材の中の開口８’ からなる。多孔質の布４は蒸発工程の間に位置12および12’ でパターン部材と接触していて、一方、各々のパターン部材２および２’ の位置10および10’ は蒸発工程の間に接触していない。図５Ｂは、図５Ａにおいて蒸発によって製造された付着したポリマーを有する多孔質の布を示す。図５Ａの開放領域に相当する位置10および10’ で、ポリマーは多孔質の布４の上に付着されている。さらに、蒸発工程の間の布とパターン部材の間の接触領域に相当する位置12および12’ で、ポリマーはほとんどまたは全く付着されていない。

炭素繊維をベースとする基板などのシート材料の上に疎水性ポリマーが付着されると、基板の上に親水性ポリマーが付着される。様々な態様において、親水性ポリマーは、主として、疎水性ポリマーで覆われていない基板の領域の上に付着される。

様々な態様において、親水性ポリマーは電気化学重合のプロセスによって製造される。上で説明したようにしてフルオロカーボンポリマーで部分的に被覆された炭素繊維の紙は、電気化学電池の作用電極として用いられる。以下の電気化学重合の説明における炭素繊維についての全ての言及は、上で説明したフルオロカーボンポリマーで部分的に被覆された炭素繊維の基板を指しているものと理解されるべきである。炭素繊維の紙のアノードは、モノマーと電解質の溶液の中に浸される。この作用電極に正の電位が印加され、そしてモノマーラジカルの陽イオンのアノードカップリングによって伝導性のポリマーが形成される（例えば、ピロールラジカルの陽イオンは2,5位置においてポリピロールを形成する）。伝導性のポリマーの構成と被覆の表面特性は、モノマーの濃度、電解質の濃度、および反応条件に依存する。

適当なモノマーとしては、モノマーの酸化電位よりも高い電圧を有するアノードで重合が生じたときに導電性のポリマーを形成するものとして知られているモノマーがある。そのようなモノマーの非限定的な例としては、ピロール、チオフェン、アニリン、フラン、アズレン、カルバゾール、およびこれらの置換誘導体がある。置換誘導体としては、1-メチルピロール、および様々な -置換ピロール、チオフェン、およびフランがある。 -置換チオフェンの非限定的な例としては、例えば、 -アルキルチオフェン、 -ブロモチオフェン、 -CH₂CNチオフェン、および -ジブロモチオフェンがある。フラン環またはピロール環の上で同様の置換が行われてもよい。さらに、様々なアルキル、ハロ、およびその他の置換アズレンおよびカルバゾールが用いられてもよい。上で言及したように、炭素繊維の紙は電気重合の間、作用電極すなわちアノードとして設定される。適当な対極、例えば黒鉛ブロックまたはステンレス鋼のスクリーンも設けられる。作用電極に近接して標準カロメル参照電極（SCE）を配置してもよい。炭素繊維の紙は金属箔などの集電体に電気的に連結してもよく、あるいは適当なクリップ、導線またはその他の装置によって回路に直接接続してもよい。対極と作用電極のそれぞれのために、半透膜で分離された二つのチャンバーまたは単一のチャンバーを用いることができる。対極と作用電極は一般に、同じ電解液の中に浸漬される。中に作用電極が保持される区画はさらに、適当な濃度の重合性モノマーを含んでいる。

一般に、重合性モノマーの濃度は、重合の条件に応じて広範囲にわたって選ぶことができる。重合の速度および炭素繊維の表面上にポリマーを組み込む程度は、一部においてはモノマーの濃度によって決定されるであろう、ということが理解されるべきである。適当なモノマーの濃度には、約０.０１Mとモノマーの上限の溶解度との間の濃度が含まれる。様々な態様において、重合性モノマーの約１.５Mの最大濃度が用いられる。様々な他の態様において、モノマーの濃度は少なくとも約０.１M、少なくとも約０.５M、あるいは約０.５Mから約１.５Mの範囲である。

電気重合の区画は適当な濃度の電解質も含んでいる。多様な種類の電解質を用いることができて、電解質の濃度は電気化学電池のその他の特性およびその他の反応条件に応じて選択される。好ましくは、電解質の分子による電池を通る電荷の移動が律速的ではないように、電解質の濃度が選択される。モノマーの場合と同様に、電解質の濃度は約０.０１Mから溶媒中のその溶解度限界以下までの範囲であってもよい。好ましくは、電解質は約０.０１Mと約１.５Mの間の範囲、好ましくは約０.１Mから約１.０Mまでの範囲で用いられる。好ましい溶媒は水である。

電解質は、分子電荷（molecular charge）を有していて、そして電極の間の溶液を通して電子を運ぶことのできる分子または分子の混合物から選択することができる。一般に用いられる電解質としてはスルホン酸およびスルホネートがあり、例えば、限定するものではないが、ショウノウスルホン酸、パラトルエンスルホン酸、ドデシルベンゼンスルホン酸、硫酸、アリザリンレッドS-一水和物、およびこれらの塩、特にナトリウム塩である。電解質は通常、付着させる導電性ポリマーの被覆の中に含ませる。電解質の構成と濃度は、被覆される炭素繊維の表面自由エネルギーに影響を及ぼすだろう。

十分な量のモノマーが反応して炭素繊維の表面上に導電性ポリマーが形成されるように酸化する時間、重合区画に電流を通すことによって、導電性ポリマーがアノード炭素繊維の紙の上に付着される。ポリマーを付着させるための反応時間は、電池の温度、モノマーと電解質の濃度、印加される電位、電池の構造、および炭素繊維の紙の上に付加させるポリマーの所望の程度などの多くの因子に依存するだろう。典型的な反応時間は数秒から数分の範囲である。パラメーターをこのように変えることによって、未被覆の炭素繊維の表面自由エネルギーをわずかに超える値から７０ダイン/cmを超える値までの表面自由エネルギーを有する被覆された炭素繊維の紙を調製することができる。

電気重合は、重合性モノマーの酸化電位を超える電圧に保持されるアノードを用いて実施される。この電圧よりも上で、反応時間、所望の表面自由エネルギー、モノマーの濃度、電解質の濃度、反応温度およびその他のパラメーターと調和するように、印加する電圧を選択することができる。実際的なこととして、印加する電圧は、電気化学電池の中で水が加水分解する電圧よりも低くするべきである。様々な態様において、印加する電圧は約０.５ボルトから約２.５ボルトの範囲である。白金のメッシュ、チタンのメッシュ、および黒鉛のブロックなどの様々な対極を用いることができる。

好ましい態様において、電気重合はパルス付着法を用いることによって実施される。例えば、パルス電圧（特定の周波数での矩形波関数）を与えるためにポテンシオスタットが設置されるとき、重合のプロセスは主として溶液中よりもむしろ露出した炭素繊維の領域で起こりやすい。溶液中でのポリマーの形成は、最初に非伝導性の疎水性ポリマーで被覆された領域の上へのポリマーの望ましくない付着をもたらす可能性がある。サイクルの間に電圧が印加されるとき、アノードの表面でモノマーが酸化されてその表面上で重合する。それと同時に、基板の表面の周りの電解質が集まった部分では、一時的にモノマーが減少する。電圧サイクルから離れると、反応は停止し、モノマーの濃度はアノードセルの電解質の集まりからの拡散によってアノードの表面で再生されうる。電圧を再び復帰させると、モノマーはアノードの表面で酸化されて、前のように重合する。電圧または電流パルスの持続時間は、表面上での導電性ポリマーの形成の速度と均一性が最適になるように選択してもよい。例えば、パルスの周波数は約０.１Hzから約０.００１Hzまでの範囲で選択してもよい。サイクルの間のオン/オフ時間のパーセントも変えることができる。典型的な態様において、オン/オフのサイクル時間は５０/５０である。

本発明の被覆された炭素繊維の紙を製造するための方法において、電気重合のための好ましいモノマーとしてはピロールとアニリンがある。炭素繊維の紙における炭素繊維の表面上にポリピロールまたはポリアニリンが付着される。一般に、この方法においては電着した伝導性ポリマーの中に少量の電解質が組み込まれ、これはポリマー被覆の伝導性と表面自由エネルギーを調整するために用いることができる。

被覆された炭素繊維の紙の表面自由エネルギーおよびその他の有用な物理特性は、ポリマーの中に組み込まれる対イオン（電解質）の種類、ポリマーの量、および表面上に電気重合されるポリマーの表面形態などの様々な因子に依存する。様々な態様において、吸収材料は、重量で約２％〜約３０％、あるいは約２％〜約１５％の導電性ポリマーで被覆された炭素繊維の紙を含む。好ましい態様において、ポリマー被覆の厚さは炭素繊維の直径の約５％〜約１０％である。

様々な態様において、上述の疎水性および親水性の付着したポリマーを含む拡散媒体は、電気化学燃料電池において完全な水の制御を与えるために用いられる。そのような水の制御機能は次のことを含む：燃料電池の湿った領域から水を移動させること（この領域で水は燃料電池の電気化学反応における生成物として発生する）；内部で水を比較的乾燥した全ての領域へ運ぶこと；湿潤作動条件および乾燥作動条件の間に水を貯蔵しそして放出するための貯水要素として作用すること；そして、膜電極集成体（MEA）のプロトン交換膜（PEM）に湿り気を与えること、である。

図６を参照すると、本発明の一つの好ましい態様に従う三つの個々のプロトン交換膜（PEM）燃料電池が接続されて積層体が形成されている。各々のPEM燃料電池はそれぞれ膜-電極-集成体MEA 13、15、14を有していて、これらは導電性で不透過性の隔離板16、18によって互いに分離されていて、さらに積層体の各々の端部で末端隔離板20、22の間に挟まれていて、各々の末端隔離板20、22は電気的に活性な面24、26を一つだけ有している。積層体の中で直列には接続されていない個々の燃料電池は隔離板を有していて、また電気的に活性な面を一つだけ有している。ここで示されているような複数の燃料電池積層体において、好ましい両極性隔離板16は典型的に二つの電気的に活性な面28、30を有していて、それら活性な面の各々は分離された反対の電荷を有する別個のMEA 13、15に面している（従って「両極性」板と呼ばれる）。ここで説明するように、燃料電池積層体は複数の燃料電池を有する積層体として伝導性で両極性の隔離板を有するが、しかし本発明は単一の燃料電池だけを有する積層体の中の伝導性隔離板にも同様に適用できる。

示されている態様において、MEA 13、15、14および両極性板16、18は、積層体の各々の端部においてアルミニウムの締付け板32の間で一緒に積層されていて、端部は末端の板の要素20、22と接触している。端部で接触している末端の板の要素20、22および二つの両極性隔離板16、18の作用面28、30および31、33は、MEA 13、15、14に燃料と酸化体ガス（すなわちH₂とO₂）を分配するための複数の気体流通路（図示せず）を有する。非伝導性のガスケットまたはシール（図示せず）が、燃料電池積層体の幾つかの構成要素の間の密封と電気的な絶縁を与える。気体透過性の伝導性拡散媒体34がMEA 13、15、14の電極面に対して圧設されている。燃料電池積層体が組み立てられたとき、伝導性気体拡散層34はMEA 13、15、14の電極を通しての気体の均一な分配を促進し、また積層体の全体に電流を伝えるのを促進する。

積層体における各々の燃料電池のカソード側36へ酸素が貯蔵タンク40から適当な供給配管42を通して供給され、一方、燃料電池のアノード側38へ水素が貯蔵タンク44から適当な供給配管46を通して供給される。あるいは、周囲からカソード側36へ空気が供給されてもよく、そしてメタノールまたはガソリン改質油あるいはその種の他のものからアノード38へ水素が供給されてもよい。MEA 13、15、14のアノード側のための排気用配管48とカソード側のための排気用配管50が設けられる。カソード側において、配管は出口側を示す。積層体への気体の流入と流出は典型的には、図６において代表的な形状として示されているような送風機60によって促進される。示されている送風機の形状と数は単なる例示であり、これに限定されるものではない。

外部で加湿することが望ましい場合、非限定的な態様として、図６で示されているようにそれを設けてもよい。図６の態様において示されるように、カソードの流出液50が積層体から凝縮器54へ送られ、この凝縮器はカソードの流出液の流れ50における蒸気を液化して回収するために用いられる。液体（例えば水）は貯蔵のために貯水器56へ送られる。カソードからの流出液の流れ50は、MEAの内部で生じた電気化学反応によって発生した水および冷却のために導入された全ての追加の水のために高濃度の蒸気（例えば水蒸気）を含んでいる。水は燃料電池の内部の圧力と温度の条件のために蒸発する。好ましくは、流出液の流れは蒸気で飽和されている（例えば、およそ１００％の相対湿度での水の場合）。示されているように、貯水器56を積層体における燃料電池へ相互に連結することによって、供給管61が各々のMEA 13、15、14のカソード側へ水を供給する。場合によって、装置内にポンプ（図示せず）を設けて、貯水器56から積層体への液体の輸送、あるいは装置の他の領域への輸送を促進してもよい。

不透過性で導電性の層80は、中実で伝導性の本体86を含む。不透過性で導電性の層80は流体と気体の流れの両者を通さず、従って幾つかの燃料電池の間あるいは積層体の末端部に物理的なバリヤーを与える。不透過性で導電性の層80は、例えばアルミニウム、チタン、ステンレス鋼、およびこれらの合金、あるいは炭素の複合材など、当分野で知られている伝導性の材料で構成することができる。好ましくは、伝導性で不透過性の層80は流体分配手段72に隣接して付設される。

本発明を特定の態様に関して上で説明した。本発明のさらなる非限定的な説明を以下の実施例で行う。
実施例
実施例１
ステンレス鋼のシートの中に一連の穴を有するスクリーンの形状のパターン部材が用意され、このとき穴の面積がパターン部材の総表面積のおよそ２０〜６３％を占めるようにされる。このようなスクリーンは、例えばMcMaster-Carrから商業的に入手できる。炭素繊維の紙のシート（例えばToray TGP H-060、Toray、日本、厚さ約１８０μm、繊維の直径７μm、および細孔率７５％）が、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）の３wt％分散液の中に４分間浸される。この３wt％PTFE溶液は、６０wt％のDuPont T-30 PTFE分散液を２０：１に希釈することによって調製される。次いで、炭素繊維の紙がパターン部材と接触させて置かれ、そして１２０℃において０.５時間乾燥される。この時点で、およそ８wt％の吸収量があり、これは概ねPTFEと市販用の溶液中の界面活性剤からなる。溶媒が除去された後、パターン部材と接触している状態から紙が取り出され、そして３８０℃で２０分間硬化される。硬化工程の後、およそ７wt％のPTFEの吸収量となる。

実施例２
実施例１のPTFEを被覆した紙の上に、ポリスチレンスルホン酸の電解液中でポリアニリンが付着される。めっき浴は、水の中に１.３Mのアニリンと０.２mg/mlのポリスチレンスルホン酸を含有する。一枚の３インチ×３インチのToray 060の炭素紙（実施例１で用意したものと同じ）が、作用電極としてめっき浴の中央に置かれる。二つのステンレス鋼の対極が炭素繊維の紙の両側に置かれ、これらは炭素紙の表面から約１.５インチ離される。参照電極としてSCE電極が炭素紙の表面の近くに置かれる。

ポテンシオスタットを用いて電気重合プロセスが次の方法で実施される：アニリンを電気重合させるために、０.９Vと０Vの間の矩形波の印加電圧が０.１Hzにおいて５０/５０の持続時間で印加される（電圧は０.９Vで５秒間、次いで０Vで５秒間印加される）。総反応時間は５０秒である（０.９Vで２５秒）。紙を目視検査することによって、最初にPTFEで被覆されない領域の上にポリアニリンが優先的に付着されることが確認される。

伝導性ポリマーの付着量は、付着効率を較正した（既知の量の電流または電荷を装置に通し、次いで試料をすすぎ、そして乾燥することによって重量増加を測定する）後に、付着セルを通過した電荷（charge）によって見積もることができる。

本発明の説明は本質的に例示したものに過ぎず、本発明の要旨からはずれない変形は本発明の範囲内のものであることが意図されている。そのような変形は本発明の精神と範囲から離脱しているものとはみなされない。

図１は基板の上に疎水性ポリマーを所望のパターンで付着させるための方法を実施するために用いられるパターン部材の態様を示す。 図２は基板の上に疎水性ポリマーを所望のパターンで付着させるための方法を実施するために用いられるパターン部材の態様を示す。 図３は本方法で用いられる型の断面図である。 図４は本方法で用いられる型の断面図である。 図５は本方法で用いられる型の断面図である。 図６は典型的な燃料電池装置における積層体における三つの電池の概略図である。

Claims (32)

1. アノード；
   カソード；
   アノードとカソードの間に配置されたプロトン交換膜；
   カソードと結合していて気体の入口と気体の出口側を有する流体分配チャンバー；
   アノードと結合していて気体の入口と気体の出口側を有する流体分配チャンバー；
   カソードと結合している流体分配チャンバーの内部、アノードと結合している流体分配チャンバーの内部、または両者に配置された拡散媒体；
   を有している燃料電池であって、このとき拡散媒体は流体分配チャンバーの入口側から出口側にまで及んでいて、そして
   拡散媒体のうちの少なくとも一つは、
   導電性の多孔質材料；
   多孔質材料の上に付着されていて疎水性の領域を画定している疎水性ポリマー；および
   多孔質材料の上に付着されていて親水性の領域を画定している親水性ポリマー；
   を含んでいる、前記燃料電池。
2. 疎水性ポリマーはフルオロカーボンポリマーを含む、請求項１に記載の燃料電池。
3. 疎水性ポリマーはポリテトラフルオロエチレンを含む、請求項２に記載の燃料電池。
4. 親水性ポリマーはポリアニリンを含む、請求項１に記載の燃料電池。
5. 親水性ポリマーはポリピロールを含む、請求項１に記載の燃料電池。
6. 疎水性ポリマーと親水性ポリマーを含む拡散媒体のうちの少なくとも一つは、入口側に隣接する拡散媒体の領域と出口側に隣接する拡散媒体の領域とで異なる含有量の疎水性ポリマーを有する、請求項１に記載の燃料電池。
7. カソードに隣接して配置された拡散媒体は、入口側に隣接する領域におけるよりも出口側に隣接する拡散媒体の領域における方が高い含有量の疎水性ポリマーを有する、請求項６に記載の燃料電池。
8. 多孔質材料は炭素繊維の紙を含む、請求項１に記載の燃料電池。
9. 疎水性の領域と親水性の領域を有する拡散媒体を調製する方法であって；
   a）多孔質の基板の上に疎水性ポリマーを、基板の一部がポリマーで被覆されないままになるようなパターンで付着させること；そして次に
   b）基板の被覆されていない部分の上に導電性ポリマーを付着させること；
   を含む方法。
10. 疎水性ポリマーはフルオロカーボンポリマーを含む、請求項９に記載の方法。
11. フルオロカーボンポリマーはポリテトラフルオロエチレンを含む、請求項９に記載の方法。
12. 導電性ポリマーはポリアニリンまたはポリピロールを含む、請求項９に記載の方法。
13. 基板の一方の側に主として疎水性ポリマーを付着させ、そして他方の側に主として導電性ポリマーを付着させることを含む、請求項９に記載の方法。
14. 工程a）は：
    炭素繊維の紙のシートである基板を、疎水性ポリマーを含む水性乳濁液中の溶媒で湿らせること；
    湿らせたシートを、所定のパターンに一致するように配置された１以上の開口を有するパターン部材と接触させること；および
    シートがパターン部材と接触している間にシートから溶媒を蒸発させ、それによって疎水性ポリマーをシート上の開口の位置で濃縮させること；
    を含む、請求項９に記載の方法。
15. 接触させる工程は、二つの型の表面の間にシートを保持し、このとき少なくとも一つの型の表面が開口を有していて、この開口を通して溶媒が蒸発することができるようにすることを含む、請求項１４に記載の方法。
16. 一方の型の表面が開口を有していて、他方の型の表面が中実である、請求項１５に記載の方法。
17. 両方の型の表面が開口を有していて、そしてあるパターンの疎水性ポリマーがシートの両側に付着される、請求項１４に記載の方法。
18. パターン部材はスクリーンを含む、請求項１４に記載の方法。
19. 蒸発させることは、シートを加熱して溶媒を除去することによって達成される、請求項１４に記載の方法。
20. シートの少なくとも一方の側がその面積の１０％を超えて９０％までがフルオロカーボンポリマーで被覆される、請求項１４に記載の方法。
21. シートの少なくとも一方の側がその面積の１０％を超えて６０％までがフルオロカーボンポリマーで被覆される、請求項１４に記載の方法。
22. 工程b）は、導電性ポリマーを電気化学重合によってモノマーの水溶液から付着させることを含む、請求項９に記載の方法。
23. 溶液は、電解質と、ピロール、チオフェン、アニリン、フラン、アズレン、カルバゾール、およびこれらの誘導体からなる群から選択されるモノマーを含有する、請求項２２に記載の方法。
24. モノマーはアニリンを含む、請求項２３に記載の方法。
25. モノマーはピロールを含む、請求項２３に記載の方法。
26. 改良された水の制御のための疎水性領域と親水性領域を有するPEM燃料電池において用いるための拡散媒体であって：
    二つの面を有する多孔質の伝導性基板；
    基板の上に付着されていて疎水性の領域を画定している疎水性ポリマー；および
    基板の上に付着されていて親水性の領域を画定している導電性ポリマー；
    を含む、前記拡散媒体。
27. 疎水性ポリマーはフルオロカーボンポリマーを含む、請求項２６に記載の拡散媒体。
28. 疎水性ポリマーはポリテトラフルオロエチレンを含む、請求項２７に記載の拡散媒体。
29. 導電性ポリマーはポリアニリンまたはポリピロールを含む、請求項２６に記載の拡散媒体。
30. 疎水性領域は主として基板の一方の側にあり、親水性領域は主として他方の側にある、請求項２６に記載の拡散媒体。
31. 基板は炭素繊維の紙を含む、請求項２６に記載の拡散媒体。
32. 疎水性ポリマーはフルオロカーボンポリマーを含む、請求項３１に記載の拡散媒体。

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