JP4459820B2 - 拡散層と燃料電池 - Google Patents
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Description
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。
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。
Claims (54)
- 燃料電池内で使用され、第1主要面と第1主要面に対向して配置される第2主要面により規定される基板として全体が形成され、且つ多孔質基質から取られる材料から成る水移送粒子の分布物を支える多孔質基質から成る、平板状の多孔質拡散媒体であって、
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、多孔質拡散媒体の第1主要面と第2主要面に平行な方向で、前記多孔質拡散媒体の第1主要面と第2主要面との間を横切って交替しており、
前記水移送粒子は、前記多孔質拡散媒体の前記第1および第2主要面間に画定された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。 - 前記水移送粒子が、カーボン、グラファイト、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、金属酸化物、およびこれらの組合せから選択される請求項2に記載の多孔質拡散媒体。
- 前記金属酸化物が二酸化珪素を含む請求項2に記載の多孔質拡散媒体。
- 前記水移送粒子がカーボン/ポリマー複合物を含む請求項1に記載の多孔質拡散媒体。
- 前記水移送粒子が、カーボンファイバまたはカーボン粉、グラファイトファイバまたはグラファイト粉、およびこれらの組合せから選択される請求項1に記載の多孔質拡散媒体。
- 前記多孔質基質がカーボン紙を含み、前記水移送粒子がカーボンファイバまたはカーボン粉を含む請求項1に記載の多孔質拡散媒体。
- 前記多孔質基質がカーボン紙および疎水性材料層を含み、前記水移送粒子がカーボンファイバまたはカーボン粉を含む請求項1に記載の多孔質拡散媒体。
- 前記水移送粒子が非結合のダストを含む請求項1に記載の多孔質拡散媒体。
- 前記水移送粒子が、前記多孔質拡散媒体の断面を横切って、前記多孔質拡散媒体の第1主要面と第2主要面との間に分散されている請求項1に記載の多孔質拡散媒体。
- 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が、前記多孔質拡散媒体の第1および第2主要面の少なくとも1つを横切って交替している請求項1に記載の多孔質拡散媒体。
- 前記交替する密度領域が1cm以下の周期性を特徴とする請求項10に記載の多孔質拡散媒体。
- 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が、前記多孔質拡散媒体の第1および第2主要面を横切って交替している請求項1に記載の多孔質拡散媒体。
- 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の、それぞれの多孔質拡散媒体の断面方向での寸法が、前記多孔質拡散媒体の第1主要面と第2主要面との間で互いに逆に変化している請求項1に記載の多孔質拡散媒体。
- 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の、前記それぞれの断面寸法が、前記主要面の1つが前記相対的に高い粒子密度の領域によって占められるが、前記主要面の他の1つは前記相対的に低い粒子密度の領域によって占められるように変化している請求項13に記載の多孔質拡散媒体。
- 前記第1主要面の少なくとも一部が集合的に前記第2主要面よりもより親水性であり、前記第2主要面の少なくとも一部が集合的に前記第1主要面よりもより疎水性である請求項1に記載の多孔質拡散媒体。
- 前記相対的に高い粒子密度の領域の密度値が、1つの高粒子密度領域から次の高粒子密度領域まで、前記多孔質拡散媒体の前記第1および第2主要面の1つを横切って均一のままである請求項1に記載の多孔質拡散媒体。
- 前記相対的に高い粒子密度の領域の密度値が、1つの高粒子密度領域から次の高粒子密度領域まで、前記多孔質拡散媒体の前記第1および第2主要面の1つを横切って変化する請求項1に記載の多孔質拡散媒体。
- 前記密度値の前記変化が、前記多孔質拡散媒体の流れ場入口領域から前記多孔質拡散媒体の流れ場出口領域まで増加する密度値プロファイルを定義する請求項17に記載の多孔質拡散媒体。
- 前記高粒子密度領域が、前記多孔質拡散媒体の前記第1および第2主要面の1つに沿って135°〜180°の前進接触角を画定するために十分に親水性である請求項1に記載の多孔質拡散媒体。
- 前記高粒子密度領域が、前記多孔質拡散媒体の前記第1および第2主要面の1つに沿って160°〜168°の前進接触角を画定するために十分に親水性である請求項1に記載の多孔質拡散媒体。
- 前記高粒子密度領域が、前記多孔質拡散媒体の前記第1および第2主要面の1つに沿って95°〜135°の後退接触角を画定するために十分に親水性である請求項1に記載の多孔質拡散媒体。
- 前記高粒子密度領域が、前記多孔質拡散媒体の前記第1および第2主要面の1つに沿って95°〜105°の後退接触角を画定するために十分に親水性である請求項1に記載の多孔質拡散媒体。
- 前記多孔質基質が、前記第1および第2主要面の間を横切って均一の多孔性プロファイルを定義する請求項1に記載の多孔質拡散媒体。
- 前記多孔質基質が、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から選択された導電性材料を含む請求項1に記載の多孔質拡散媒体。
- 前記多孔質基質が20μm〜1000μmの厚さを画定する請求項1に記載の多孔質拡散媒体。
- 前記多孔質基質が200μmの厚さを画定する請求項1に記載の多孔質拡散媒体。
- 前記多孔質基質が、0.5インチ(1.3cm)の水において50ft3/分/ft2(1.5リットル/分/cm2)のパーメオメータ数(permeometer number)を特徴とする孔隙率を定義する請求項1に記載の多孔質拡散媒体。
- 前記多孔質基質が、0.5インチ(1.3cm)の水において20ft3/分/ft2(0.6リットル/分/cm2)〜100ft3/分/ft2(3.0リットル/分/cm2)のガーレイ・パーメオメータ数(Gurley permeometer number)を特徴とする孔隙率を定義する請求項1に記載の多孔質拡散媒体。
- 前記多孔質拡散媒体が、前記水移送粒子を前記多孔質基質に少なくとも部分的に固着するために構成されているバインダをさらに含む請求項1に記載の多孔質拡散媒体。
- 前記バインダがフルオロポリマーを含む請求項29に記載の多孔質拡散媒体。
- 前記多孔質拡散媒体が疎水性材料をさらに含む請求項1に記載の多孔質拡散媒体。
- 疎水性材料が前記多孔質拡散媒体の前記第1および第2主要面の1つに沿って配置されている請求項31に記載の多孔質拡散媒体。
- 前記疎水性材料が1つの層を含む請求項32に記載の多孔質拡散媒体。
- 前記疎水性層が125μmまでの厚さを有する請求項33に記載の多孔質拡散媒体。
- 前記第1および第2主要面の1つに沿って配置された前記疎水性材料が、多孔質拡散媒体面積cm 2 当り5mgまでの塗布量であることを特徴とする請求項32に記載の多孔質拡散媒体。
- 前記疎水性材料が、前記多孔質拡散媒体の相対的に高粒子密度の領域および相対的に低粒子密度の領域よりも、疎水性材料を水滴に対してより撥水性になるように構成されている請求項31に記載の多孔質拡散媒体。
- 前記疎水性材料が、カーボン、グラファイト、フルオロポリマー、ポリマー、およびこれらの組合せの1つを含む請求項31に記載の多孔質拡散媒体。
- 前記疎水性材料が、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の1つから生成されたフルオロポリマーを含む請求項37に記載の多孔質拡散媒体。
- 前記疎水性材料が、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されたポリマーを含む請求項37に記載の多孔質拡散媒体。
- 前記疎水性材料が、前記多孔質拡散媒体の前記第1および第2主要面の1つのみに沿って配置されている請求項31に記載の多孔質拡散媒体。
- 触媒層に対向して置かれた平板状の多孔質拡散媒体を含む装置であって、
前記多孔質拡散媒体は、第1主要面と第1主要面に対向して配置される第2主要面により規定される基板として全体が形成され、且つ多孔質基質から取られる材料から成る水移送粒子の分布物を支える多孔質基質から成り、
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、前記多孔質拡散媒体の前記第1主要面と第2主要面に平行な方向で、前記多孔質拡散媒体の第1主要面と第2主要面との間を横切って交替しており、
前記水移送粒子は、前記多孔質拡散媒体の前記第1および第2主要面間に画定された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、
装置。 - 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の、それぞれの断面寸法が、前記第1主要面は相対的に大きな断面積寸法の高い粒子密度の領域によって特徴付けられ、前記第2主要面は前記相対的に小さい断面積寸法の高い粒子密度の領域によって特徴付けられるように、前記多孔質拡散媒体の第1主要面と第2主要面との間で前記多孔質拡散媒体の断面を逆に横切って変化する請求項41に記載の装置。
- 前記多孔質拡散媒体が、前記多孔質拡散媒体の前記第1主要面に沿って前記触媒層に対向して置かれている請求項42に記載の装置。
- 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の、それぞれの断面寸法が、前記主要面の1つが相対的に高い粒子密度の領域によって占められるが、前記主要面の他の1つが相対的に低い粒子密度の領域によって占められるように、前記多孔質拡散媒体の断面を横切って、前記多孔質拡散媒体の第1主要面と第2主要面との間で変化する請求項41に記載の装置。
- 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の、それぞれの性質が、前記第1主要面が集合的に第2主要面よりも親水性であり、前記第2主要面が集合的に第1主要面よりも疎水性であるように、前記多孔質拡散媒体の前記第1主要面と第2主要面の間の前記多孔質拡散媒体の断面を横切って変化している請求項41に記載の装置。
- 前記多孔質拡散媒体が、前記多孔質拡散媒体の前記第1主要面に沿って前記触媒層に対向して置かれている請求項45に記載の装置。
- 前記多孔質拡散媒体が、前記多孔質拡散媒体の前記第2主要面に沿って配置された疎水性材料を含む請求項46に記載の装置。
- 前記触媒層および前記多孔質拡散媒体と組み合わせて、アノード流れ場とカソード流れ場との間に挟まれた膜電極アセンブリを規定する追加構造をさらに含む請求項41に記載の装置。
- 前記膜電極アセンブリ、前記アノード流れ場、および前記カソード流れ場と組み合わせて、燃料電池を定義する追加構造をさらに含む請求項48に記載の装置。
- 前記水移送粒子が、前記電池の動作中に前記触媒層の一表面に前記水移送粒子の移送を可能にするために十分な移動の自由度を有することを特徴とする請求項49に記載の装置。
- 前記燃料電池と組み合わせて車両を規定する追加構造をさらに含む請求項49に記載の装置。
- 前記燃料電池が前記車両の動力源を規定する請求項50に記載の装置。
- 燃料電池のアノード流れ場とカソード流れ場との間に挟まれた膜電極アセンブリを含む装置であって、
平板状の多孔質拡散媒体が前記膜電極アセンブリの触媒層に対向して置かれ、前記多孔質拡散媒体は、第1主要面と、該第1主要面に対向して配置される第2主要面により規定される基板として全体が形成され、
前記多孔質拡散媒体が、多孔質基質から取られる材料から成る水移送粒子の分布物を支持する多孔質基質を含み、
前記多孔質基質がカーボン紙を含み、前記水移送粒子がカーボンファイバまたはカーボン粉を含み、
水移送粒子の前記分布物が、前記水移送粒子の相対的に高い密度を特徴とする複数の高密度粒子領域と、前記水移送粒子の相対的に低い密度を特徴とする複数の低密度粒子領域とを画定し、
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、前記多孔質拡散媒体の第1および第2主要面に平行な方向で、前記多孔質拡散媒体の第1主要面と第2主要面との間を横切って交替しており、
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の、それぞれの性質が、前記第1主要面が集合的に前記第2主要面よりもより親水性であり、前記第2主要面が集合的に前記第1主要面よりもより疎水性であるように、前記多孔質拡散媒体の前記第1および第2の主要面の間で前記多孔質拡散媒体の断面を横切って変化しており、
前記多孔質拡散媒体が、前記多孔質拡散媒体の前記第1主要面に沿って触媒層に対向して置かれ、
前記多孔質拡散媒体が、前記多孔質拡散媒体の前記第2主要面に沿って前記燃料電池の一流れ場に対向して置かれ、
前記多孔質拡散媒体が、前記多孔質拡散媒体の前記2主要面に沿って置かれた疎水性材料を含み、
前記疎水性材料がポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を含む
装置。 - 請求項1に記載の平板状の多孔質拡散媒体を製造する方法であって、多孔質基質から取られた材料から成る水移送粒子は、前記第1主要面と第2主要面の一方から多孔質基質を研削し、その後、真空により第1主要面と第2主要面との間の多孔質拡散媒体の少なくとも一部の領域を通じて研削した粒子を引き出して形成されることを特徴とする、方法。
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