JP5154256B2 - 作用面積における拡散性が制御されたガス拡散層 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池、より詳細には燃料電池内部の水管理を改良するように適合された拡散媒体およびその製造方法に関し、拡散媒体は多孔質の基板層、様々なサイズおよび頻度の孔パターンを有する薄い有孔層、ならびに少なくとも１つの微細孔層を含み、微細孔層および薄い有孔層は多孔質の基板層の上に適用される。

燃料電池は、電気自動車および他の用途の電源として使用されることが多くなってきている。陽子交換膜（ＰＥＭ）燃料電池では、水素ガスが燃料電池のアノード側に供給され、酸素ガスが酸化剤として燃料電池のカソード側に供給される。燃料電池内の反応ガス間で起きる反応によって、アノード側で水素が消費され、カソード側で生成水が生成される。ＰＥＭ燃料電池は、一方の面にアノード側、他方の面にカソード側が配設された薄い陽子透過性の非導電性固体ポリマー電解質膜を含む膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を有する。

ガス拡散媒体はＰＥＭ燃料電池内で重要な役割を果たしている。一般にガス拡散媒体は燃料電池内で触媒電極とバイポーラプレートの流路との間に配設され、反応物および生成物の透過性、導電性、および伝熱性、ならびに燃料電池の適正な機能に必要とされる機械的強度を提供する。燃料電池の効率的な動作は、システム内での効果的な水管理を行なう能力に依存する。拡散媒体は、バイポーラプレートのガス流路から触媒電極へと反応ガスの流れを維持しながら、生成水を触媒電極から除去することによって、電極が水で充填されて酸素の流れを制限すること（フラッディングとして知られている）を防ぐ。

一般に、ＰＥＭ燃料電池で使用される拡散媒体は、拡散媒体の孔の構造およびサイズが均一であるので、媒体の全面積にわたって比較的一定の拡散抵抗を有する。現在の拡散媒体を使用する自動車燃料電池の性能は、反応物の流れが未飽和であることが多く、電池の作用面積での湿度および電流（すなわち、水生成）が多様であることから、制限されている。したがって、燃料電池内で十分な陽子伝導性を得るために、湿った動作領域で生成水を除去する速度は、乾いた動作領域でのある程度の膜の水和を維持する必要性との均衡を保たなければならない。
米国特許第７，０６３，９１３号 米国特許第６，８６１，１７３号 Ｄ．Ｂａｋｅｒ、Ｃ．Ｗｉｅｓｅｒ、Ｋ．Ｃ．Ｎｅｙｅｒｌｉｎ、Ｍ．Ｗ．Ｍｕｒｐｈｙによる「Ｔｈｅ Ｕｓｅ ｏｆ Ｌｉｍｉｔｉｎｇ Ｃｕｒｒｅｎｔ ｔｏ Ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｉｎ ＰＥＭ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ」、ＥＣＳ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ，３（１）９８９−９９９（２００６） Ｕ．Ｂｅｕｓｃｈｅｒによる「Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ Ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ Ｍａｓｓ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ａ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ」、Ｊ．Ｅｌｅｃ．Ｓｏｃ．，１５３（９）Ａ１７８８−Ａ１７９３（２００６）

したがって、本発明は、最大の燃料電池性能を可能にするために様々な局所的な水管理を提供するように適合された拡散媒体である。本明細書で説明された拡散媒体では、作用面積の乾いた領域では反応ガスの許容可能な流れも維持しながら許容可能な膜陽子伝導性を維持するように膜からの水蒸気流速を制限し、燃料電池の湿った領域では過剰な水保持および反応ガスの遮断によって燃料電池の性能が低下することがないように制限を低くすることによって、乾いた領域での改良された動作が達成される。

本発明と一致および調和する、燃料電池の性能を改良しながら水管理を改良するように適合された拡散媒体がこれまで発見されてきた。
別の実施形態では、ＰＥＭ燃料電池で使用するための拡散媒体は、導電性であり第１の側および第２の側を有する多孔質の基板層；複数の孔を有する薄い有孔層；第１の微細孔層が前記多孔質の基板層の第１の側と前記薄い有孔層の間に配設され、第１の微細孔層が前記多孔質の基板層の第１の側に組み込まれ、薄い有孔層が第１の微細孔層に組み込まれた、第１の微細孔層；および薄い有孔層の上に配設されてそれに組み込まれた第２の微細孔層を含む。

一実施形態では、ＰＥＭ燃料電池で使用するための拡散媒体は、導電性であり第１の側および第２の側を有する多孔質の基板層；第１の微細孔層；および複数の孔、第１の側、および第２の側を有する薄い有孔層を含み、前記第１の微細孔層は前記多孔質の基板層の第１の側と前記薄い有孔層の第１の側の間に配設され組み込まれている。

別の実施形態では、ＰＥＭ燃料電池で使用するための拡散媒体の製造方法は、導電性である多孔質の基板層を設けるステップ；様々なサイズおよび頻度の孔パターンの１つを備えた薄い有孔層を設けるステップ；多孔質の基板層をフッ化ポリマーで処理するステップ；フッ化ポリマーで処理された多孔質の基板層をペーストで被覆して微細孔層を形成するステップ；薄い有孔層を湿った微細孔層の上に圧迫するステップ；微細孔層および多孔質の基板層を乾燥させるステップ；および多孔質の基板層、薄い有孔層、および微細孔層を互いに焼結するステップを含む。

本発明の上述ならびに他の利点は、以下の好ましい実施形態の詳細な説明を添付の図面に照らして考えれば、当業者には容易に明らかとなろう。
以下の詳細な説明および添付の図面によって、本発明の様々な例示的な実施形態を説明し図示する。説明および図面は、当業者が本発明を製作し使用することを可能にし、本発明の範囲をどのようにも制限するものではない。開示された方法に関して、提示されたステップは例示的な性質のものであり、したがってステップの順番は必須ではなく重要でもない。

図１は本発明の実施形態による拡散媒体１０を示す。拡散媒体１０は多孔質の基板層１２、第１の微細孔層１４、薄い有孔層１６、および第２の微細孔層１８を含む。拡散媒体１０およびその層１２、１４、１６、１８の厚さは、拡散媒体１０が使用される燃料電池の所望の性能に応じて様々とすることができることを理解されたい。

多孔質の基板層１２は第１の側２０および第２の側２２を有する炭素繊維紙（ＣＦＰ）である。図示された実施形態では、多孔質の基板層１２はポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）（図示せず）などのフッ化炭素ポリマーで処理される。Ｍｉｔｓｕｂｉｓｈｉ Ｒａｙｏｎ Ｃｏｍｐａｎｙで製造されているＭＲＣ Ｕ−１０５ペーパーなど従来のＣＦＰを使用することができる。多孔質の基板層１２はまた炭素繊維布または導電性および伝熱性に適合された他の従来材料とすることもできることを理解されたい。さらに、多孔質の基板層１２は所望に応じてフッ化炭素ポリマー以外の材料で処理することもしないこともできる。

第１の微細孔層１４および第２の微細孔層１８は炭素粉末およびフッ化炭素ポリマー混合物から形成される。第１の微細孔層１４または第２の微細孔層１８のどちらかを必要としないこともでき、第１の微細孔層１４または第２の微細孔層１８の一方のみを使用することもできることを理解されたい。

薄い有孔層１６は複数の選択的に分布された孔４３を有する。薄い有孔層１６はまた、図５に示すように、孔の開いていない周辺部分４５も有する。薄い有孔層１６は所望に応じて孔の開いていない周辺部分４５を有さないこともできることを理解されたい。図示された実施形態では、薄い有孔層１６はグラファイトフォイルである。しかし、薄い有孔層１６は、例えば金属シート、ポリマー材料、複合材料、含浸ポリマー材料、または従来の非伝導性材料など、他の従来材料から形成することもできる。薄い有孔層１６の孔４３は、局所的な特性に変化をもたらすように様々とすることができる。例えば、薄い有孔層１６の孔４３のサイズおよび頻度は、異なる開口領域（すなわち、孔の大きさ）をもたらすように様々とすることができる。薄い有孔層１６の孔４３の頻度を減らすことによって、拡散媒体１０の蛇行性（すなわち、有効な孔の長さ）がより高くなる。グラファイトフォイルの均一な片を使用して薄い有孔層１６を形成することができ、または図２に示すように、互いに隣接して配設された様々なサイズおよび頻度の孔を有する複数のグラファイトフォイルシート１６ａ、１６ｂから薄い有孔層１６を形成することもできる。

拡散媒体１０を形成するために、多孔質の基板層１２はＰＴＦＥで処理され、処理済みの多孔質の基板層１２が形成される。所望の開口領域および孔パターンを有する薄い有孔層１６は、フォイルに所望のパターン、形状、およびサイズの孔４３を形成するように適合された突起要素を有するローラー（図示せず）間でグラファイトシートを回転することによって、グラファイトフォイル（図示せず）のシートから形成される。所望に応じて、Ｍｅｒｃｕｒｉらの米国特許第６，５２１，３６９号に開示されたものと同様の連続的プロセスまたは複数ステップのプロセスを使用して、薄い有孔層１６を形成することもできる。突起要素のサイズおよび配置は、拡散媒体１０を通る所望の拡散抵抗を得るために、孔４３の所望のパターン、形状およびサイズに基づいて様々となる。

次いで、炭素粉末とフッ化炭素ポリマーの混合物を含むペースト（図示せず）が形成され、多孔質の基板層１２の第１の側２０に塗布されて、第１の微細孔層１４が多孔質の基板層１２の第１の側２０で穴内へと浸透するように、第１の微細孔層１４を形成する。第１の微細孔層１４が湿っている間に、図１に示すように、第１の微細孔層１４が薄い有孔層１６の孔４３内へと押し出されて、薄い有孔層１６に第１の微細孔層１４および多孔質の基板層１２を組み込むように、薄い有孔層１６は多孔質の基板層１２の第１の側２０で第１の微細孔層１４へと圧迫される。次いで第１の微細孔層１４を乾燥させることができる。本明細書で使用される組み込むとは、層の統合を促進するために拡散媒体１０の１つの層が隣接する層の隙間へと接着、貫通、滲出、または他の方法で浸透することを意味すると理解されたい。

炭素粉末ペーストが薄い有孔層１６に塗布され、第２の微細孔層１８が薄い有孔層１６の孔へと浸透するように第２の微細孔層１８が形成される。次いで、処理済みの多孔質の基板層１２、第１の微細孔層１４、薄い有孔層１６、および第２の微細孔層１８が３８０℃またはその付近で焼結されて、拡散媒体１０が形成される。焼結プロセスによって、第１の微細孔層１４、薄い有孔層１６、第２の微細孔層１８、および多孔質の基板層１２が互いに接着される。本出願人が所有する、ＤＩＦＦＵＳＩＯＮ ＭＥＤＩＡ ＷＩＴＨ Ａ ＭＩＣＲＯＰＯＲＯＵＳ ＬＡＹＥＲという名称の米国特許第７，０６３，９１３号を参照によって援用し、ペーストおよび他の材料の作製方法ならびに拡散媒体１０を作製する際に使用されるプロセスをさらに説明する。薄い有孔層１６がポリマー材料または同様の材料である場合、多孔質の基板層１２、第１の微細孔層１４、薄い有孔層１６、および第２の微細孔層１８を熱間加圧して、層１２、１４、１６、１８を互いに接着することができることを理解されたい。

図４は２つの燃料電池を含む複数セル燃料電池スタック２４の分解図である。燃料電池スタック２４の燃料電池の数は様々とすることができることを理解されたい。図に示すように、燃料電池スタック２４は、導電性燃料分布要素３０（以下、バイポーラプレートという）によって互いに離間された一対の膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）２６および２８を有する。ＭＥＡ２６、２８およびバイポーラプレート３０は、ステンレス鋼クランププレートまたはエンドプレート３２、３４とコンタクト要素３６、３８の間で互いに積み重ねられている。エンドコンタクト要素３６はカソードであり、エンドコンタクト要素３８はアノードである。エンドコンタクト要素３６、３８、ならびにバイポーラプレート３０の両側作用面は、燃料および酸化ガス（すなわち、水素および酸素）をＭＥＡ２６、２８に分布するための複数の溝または経路４０を含む。バイポーラプレート３０およびエンドコンタクト要素３６および３８は金属から製造することができるが、所望であれば他の材料から製造することもできる。例えば、バイポーラプレートおよびエンドコンタクト要素は、軽量で耐腐食性でありＰＥＭ燃料電池スタック２４の環境で導電性である、グラファイトから製造することもできる。

図４に示す実施形態では、拡散媒体１０、１０’、１０”、１０”’はシール４２に隣接している。拡散媒体１０、１０’、１０”、１０”’に隣接するシール４２は、燃料電池スタック２４の構成部品間を密封し絶縁するガスケットである。拡散媒体１０、１０’、１０”、１０”’の薄い有孔層１６の孔の開いていない周辺部分４５の一部が、シール４２にすぐ隣に配設され、燃料電池スタックの構成部品間でサブガスケットとして作用している。例えば、参照によって援用する、ＣＡＴＡＬＹＳＴ ＬＡＹＥＲ ＥＤＧＥ ＰＲＯＴＥＣＴＩＯＮ ＦＯＲ ＥＮＨＡＮＣＥＤ ＭＥＡ ＤＵＲＡＢＩＬＩＴＹ ＩＮ ＰＥＭ ＦＵＥＬ ＣＥＬＬＳという名称の米国特許第６，８６１，１７３号に教示されたサブガスケットなど、孔の開いていない部分４５またはサブガスケットは、アノードおよびカソードの作用面積を画成することもできる。周辺部分４５は、プレート３０、３６、３８の縁部を保護することもでき、酸性で腐食の可能性のある膜がプレート３０、３６、３８およびシール４２と接触することを防ぐ。孔の開いていない周辺部分４５は、ＭＥＡ２６のための機械的支持体として作用することもできる。拡散媒体１０は、エンドコンタクト要素３６とＭＥＡ２６との間に配設されている。拡散媒体１０’はＭＥＡ２６とバイポーラプレート３０のアノード側との間に配設されており、拡散媒体１０”はバイポーラプレート３０のカソード側とＭＥＡ２８との間に配設されている。拡散媒体１０”’はＭＥＡ２８とエンドコンタクト要素３８との間に配設されている。

図５は、組立て済みの図４の燃料電池スタック２４の燃料電池の一部の断面図である。図に示すように、ＭＥＡ２６はアノード触媒２６ｃとカソード触媒２６ｂとの間に挟まれた陽子交換膜２６ａを含む。ＭＥＡ２６はエンドコンタクト要素３６とバイポーラプレート３０のアノード側との間に配設されている。拡散媒体１０はエンドコンタクト要素３６とＭＥＡ２６との間に配設されており、拡散媒体１０の多孔質の基板層１２の第２の側２２がエンドコンタクト要素３６の経路４０に隣接して配設されている。拡散媒体１０の第２の微細孔層１８はカソード触媒２６ｂに隣接して配設されている。拡散媒体１０’はバイポーラプレート３０のアノード側とＭＥＡ２６との間に配設されており、拡散媒体１０’の多孔質の基板層１２の第２の側２２はバイポーラプレート３０の経路４０に隣接している。拡散媒体１０’の第２の微細孔層１８はアノード触媒２６ｃに隣接して配設されている。

使用の際は、水素が水素供給源４８からエンドコンタクト要素３８および燃料電池スタック２４のバイポーラプレート３０のアノード側５０に供給される。酸素が酸化剤として酸素供給源４４からエンドコンタクト要素３６およびバイポーラプレート３０のカソード側に供給される。あるいは、周辺空気を酸化剤としてカソード側に供給し、水素をメタノールまたはガソリン改質装置からアノードに供給することもできる。

アノード側５０では、水素は触媒的に陽子と電子に分離する。形成された陽子は膜２６ａを通ってカソード側５２へと浸透する。電子は外部負荷回路（図示せず）に沿ってＭＥＡ２６のカソード側５２へと移動し、したがって燃料電池スタック２４の電流出力が形成される。一方、酸素の流れはＭＥＡ２６のカソード側５２へと送られる。カソード側５２では、酸素分子が膜２６を通って浸透する陽子および水分子を形成する外部経路（図示せず）を通って到着する電子と反応する。拡散媒体１０、１０’は、電極２６ｃおよび２６ｂのフラッディングを避けるため、および燃料電池アセンブリ２４の燃料電池の乾いた操作条件時または乾いた領域における適切な陽子伝導性を得るように膜２６の水和度を維持するために、燃料電池アセンブリ２４の燃料電池の湿った操作条件時または湿った領域における過剰な生成水を除去する。拡散媒体１０、１０’の過剰な水は、拡散媒体１０、１０’に隣接しそれを通る水素および酸素ガスの流れによって、マニホールド（図示せず）を通して燃料電池スタック２４から除去される。

燃料電池スタック２４での水管理は、燃料電池スタック２４の動作を長期間上手く行なうために不可欠である。拡散媒体１０、１０’は、燃料電池スタック２４における水管理の助けとなる。拡散媒体１０、１０’はいくつかの特定の機能を有する。拡散媒体１０、１０’によって、流路４０から触媒層２６ｂ、２６ｃへの反応ガスのアクセスが可能になる。さらに拡散媒体１０、１０’は、燃料電池スタック２４の動作のための電子経路および熱除去を提供するために、導電性かつ伝熱性である。また、拡散媒体１０、１０’は燃料電池スタック２４のカソード側５２から生成水を除去することを容易にし、次いで水を燃料電池スタック２４から除去するために流路４０内へと放出する。

自動車用途に適合されたＰＥＭ燃料電池スタック２４では、ドライヤーの安定状態動作条件が好ましく、膜２６の所望の水和を維持するために拡散媒体１０が良好な水の保持能力を有する必要がある。拡散抵抗の高い拡散媒体もまた反応物の質量輸送を低減するので、拡散媒体１０の拡散特性は適切に選択するべきである。プレート３０、３６、３８の経路出口付近など、局所的な相対湿度が高く反応物濃度が低い燃料電池の作用面積の領域では、拡散抵抗の低い拡散媒体１０を使用することによって性能を最適化することができる。プレート３０、３６、３８のガス流路入口付近など、局所的な相対湿度が低く反応物濃度が高い燃料電池の作用面積の領域では、拡散抵抗の高い拡散媒体１０を使用することによって性能を最適化することができる。本明細書で使用される作用面積とは、化学反応に利用可能な個々の燃料電池の表面積として定義される。作用面積のサイズは、冷却、反応物の分布、および密封機構に対応するように適合された燃料電池の全面積に基づいて、様々とすることができる。

本発明は、燃料電池の作用面積に拡散媒体１０の様々な拡散特性をもたらすための手段を提供する。様々な特性は、薄い有孔層１６を拡散媒体１０内へと組み込み、かつ孔４３のサイズ、空間頻度、および形状パターンを変化させることによってもたらされる。薄い有孔層１６のサイズ、空間頻度、および形状パターンを変化させることによって、拡散媒体１０を通る全体的なガス拡散特性が影響を受ける。孔４３のサイズおよび頻度を低減することによって多孔性が低下し、孔４３の頻度を低減することによって拡散媒体１０の蛇行性（τ）が高くなる。ガス拡散層を通る自由拡散係数（Ｄ）と有効拡散係数（Ｄ_ｅｆｆ）の間の比率は、拡散媒体１０の多孔性および蛇行性の両方に依存する。その関係は次のように表される。

したがって、拡散媒体１０の薄い有孔層１６の孔４３のサイズおよび空間頻度が低下すると、

が増加する。
図３は本発明の別の実施形態による拡散媒体１１を示す。拡散媒体１１は、第１の多孔質の基板層１２、第１の微細孔層１４、第１の薄い有孔層１６、第２の微細孔層１８、第３の微細孔層１４’、第２の薄い有孔層１６’、および第４の微細孔層１８’を含む。拡散媒体１１およびその層１２、１４、１６、１８、１４’、１６’、１８’の厚さは、拡散媒体１１が使用される燃料電池の所望の性能に応じて様々とすることができることを理解されたい。

多孔質の基板層１２は、第１の側２０および第２の側２２を有する炭素繊維紙（ＣＦＰ）である。図示された実施形態では、多孔質の基板層１２はポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）（図示せず）で処理されている。Ｍｉｔｓｕｂｉｓｈｉ Ｒａｙｏｎ Ｃｏｍｐａｎｙで製造されているＭＲＣ Ｕ−１０５ペーパーなど従来のＣＦＰを使用することができる。多孔質の基板層１２はまた炭素繊維布または導電性および伝熱性に適合された他の従来材料とすることもできることを理解されたい。さらに、多孔質の基板層１２は所望に応じてフッ化炭素ポリマー以外の材料で処理することもしないこともできる。

第１の微細孔層１４、第２の微細孔層１８、第３の微細孔層１４’、および第４の微細孔層１８’は、炭素粉末およびフッ化炭素ポリマーの混合物から形成される。４つの微細孔層１４、１４’、１８、１８’のすべてが所望される必要はなく、拡散媒体１１は所望に応じて微細孔層１４、１４’、１８、１８’のいずれかの組合せを含むこともできることを理解されたい。

薄い有孔層１６、１６’は、図１および２に示す拡散媒体１０の孔４３と同様の、複数の選択的に分布された孔を有する。図示された実施形態では、薄い有孔層１６、１６’はグラファイトフォイルである。しかし、薄い有孔層１６、１６’は、例えば金属シート、ポリマーまたは複合材料など、他の従来材料から形成することもできる。薄い有孔層１６、１６’の孔は、局所的な特性に変化をもたらすように様々とすることができる。例えば、薄い有孔層１６、１６’の孔４３のサイズおよび頻度は、様々なガス拡散抵抗をもたらすように様々とすることができる。薄い有孔層１６、１６’の孔の頻度を減らすことによって、拡散媒体１１の蛇行性（すなわち、有効な孔の長さ）がより高くなる。所望に応じて、薄い有孔層１６、１６’は同様のサイズおよび頻度の孔パターンを有することもでき、または薄い有孔層１６、１６’は異なるサイズおよび頻度の孔パターンを有することもできることを理解されたい。

拡散媒体１１を形成するために、多孔質の基板層１２はＰＴＦＥで処理され、処理済みの多孔質の基板層１２が形成される。所望のサイズおよび頻度の孔パターンを有する薄い有孔層１６、１６’は、フォイルに所望のパターン、形状、およびサイズの孔を形成するように適合された突起要素を有するローラー（図示せず）間でグラファイトシートを回転することによって、グラファイトフォイル（図示せず）のシートから形成される。所望に応じて、Ｍｅｒｃｕｒｉらの米国特許第６，５２１，３６９号に開示されたものと同様の連続的プロセスまたは複数ステップのプロセスを使用して、薄い有孔層１６、１６’を形成することもできる。突起要素のサイズおよび配置は、所望のガス拡散抵抗を得るために、所望のパターン、形状、およびサイズの孔に基づいて様々となる。

次いで、炭素粉末およびフッ化炭素ポリマーの混合物を含むペースト（図示せず）が形成され、多孔質の基板層１２の第１の側２０および第２の側２２に塗布されて第１の微細孔層１４および第３の微細孔層１４’が形成される。第１および第３の微細孔層１４、１４’が湿っている間に、図３に示すように、第１の微細孔層１４が第１の薄い有孔層１６の孔４３内へと押し出されて、第１の薄い有孔層１６に第１の微細孔層１４を組み込むように、第１の薄い有孔層１６が多孔質の基板層１２および第１の微細孔層１４と接合される。次いで、ペーストは第１の薄い有孔層１６の露出側に塗布されて、第２の微細孔層１８が形成される。第２の微細孔層１８が湿っている間に、第２の微細孔層１８が第２の薄い有孔層１６’の孔４３内へと押し出されて、第２の薄い有孔層１６’に第２の微細孔層１８を組み込むように、第２の薄い有孔層１６’は第２の微細孔層１８および第１の薄い有孔層１６と接合される。次いで、炭素粉末ペーストは第２の薄い有孔層１６’の露出側に塗布されて、第４の微細孔層１８’が形成される。次いで、微細孔層１４、１４’、１８、１８’を乾燥させることができる。

次いで、処理済みの多孔質の基板層１２、第１の微細孔層１４、第１の薄い有孔層１６、第２の微細孔層１８、第３の微細孔層１４’、第２の薄い有孔層１６’、および第４の微細孔層１８’が、３８０℃またはその付近で焼結される。焼結プロセスによって、微細孔層１４、１４’、１８、１８’、薄い有孔層１６、１６’、および多孔質の基板層１２が互いに接着される。

上述の拡散媒体は、燃料電池アセンブリ２４の水管理特性を最適化するために、燃料電池のカソード側５２、燃料電池のアノード側５０、またはその両方で使用することができる。本明細書で説明された拡散媒体１０の配置は、流路４０の設計および燃料電池アセンブリ２４の動作条件に依存する。

以上、本発明を好ましい実施形態に関して説明してきた。以下の実施例に、他の非限定的な実施例を示す。

２００ミクロンの厚さのＭｉｔｓｕｂｉｓｈｉ ＭＲＣ−Ｕ−１０５ Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ ＰａｐｅｒをＰＴＦＥ分散液に含浸し、約１０重量％のＰＴＦＥの含有を得る。紙を乾燥させた後、アセチレンカーボンブラックおよびＰＴＦＥ混合物から形成されたペーストを炭素繊維紙の一方の側に被覆して微細孔層を形成する。ペーストは水溶液およびアルコール中に分散された４．８重量％の固体から構成され、固体は重量比が３：１のアセチレンカーボンブラックおよびＰＴＦＥである。微細孔層が湿っている間に、Ｇｒａｆｔｅｃｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｌｔｄ．製の有孔の展開されたグラファイトフォイルを微細孔層および炭素繊維紙に対して押し付ける。微細孔層を乾燥させた後、別の微細孔層を薄い有孔のグラファイトフォイル上に被覆する。被覆あたりの微細孔層のおよその充填量は１ｍｇ／ｃｍ^２であり、約２０ミクロンの乾燥被覆厚さとなる。最終的に、微細孔層を有する炭素紙および薄い有孔層を３８０℃で加熱することによって焼結する。

第１の試料、拡散媒体Ａを上記の方法で薄い有孔層の組込みを省略して作製した。したがって、拡散媒体Ａは、薄い有孔層を含む試料とほぼ同じ全体的な微細孔充填量を得るために、ペーストの２つの被覆を有する。第２の試料、拡散媒体Ｂを、平均厚さが１５７ミクロン、孔が平方インチあたり１０，０００個であり、薄い有孔層の平均開口面積が２５％となる孔のサイズを有するＧｒａｆＴｅｃｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｌｔｄ．製のグラファイトフォイルを使用して上記の方法によって作製した。第３の試料、拡散媒体Ｃを、平均厚さが１９０ミクロン、孔が平方インチあたり１０，０００個であり、薄い有孔層の平均開口面積が５％となる孔のサイズを有するＧｒａｆＴｅｃｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｌｔｄ．製のグラファイトフォイルを使用して作製した。したがって、全体的な拡散媒体の厚さおよび薄い有孔層の有無のみが、試料Ａおよび試料ＢおよびＣの間の公称での差異である。

図６は５ｃｍ^２の作用面積の燃料電池における限界電流測定値から計算された３つの試料の質量輸送抵抗値、拡散抵抗測定値の表である。限界電流測定値およびその後の有効拡散係数の計算は、Ｄ．Ｂａｋｅｒ、Ｃ．Ｗｉｅｓｅｒ、Ｋ．Ｃ．Ｎｅｙｅｒｌｉｎ、Ｍ．Ｗ．Ｍｕｒｐｈｙによる「Ｔｈｅ Ｕｓｅ ｏｆ Ｌｉｍｉｔｉｎｇ Ｃｕｒｒｅｎｔ ｔｏ Ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｉｎ ＰＥＭ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ」、ＥＣＳ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ，３（１）９８９−９９９（２００６）およびＵ．Ｂｅｕｓｃｈｅｒによる「Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ Ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ Ｍａｓｓ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ａ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ」、Ｊ．Ｅｌｅｃ．Ｓｏｃ．，１５３（９）Ａ１７８８−Ａ１７９３（２００６）という文献に説明されている。表の値は全質量輸送抵抗、

であり、式中、「ｆ」は燃料電池の経路形状を説明する形状因子であり、「ｈ」は全体的なガス拡散層の厚さである。質量輸送抵抗は秒／センチメートル（ｓ／ｃｍ）単位である。全質量輸送抵抗は、２００ｋＰａ絶対ガス圧力で示されている。図６は、第１の試料Ａから第２の試料Ｂ、第３の試料Ｃへと、質量輸送抵抗の増加を示す。したがって、試料Ｂ、Ｃのガス輸送抵抗は孔領域の減少に伴って増加した。

拡散媒体試料Ａ、Ｂ、Ｃを異なる動作条件で、燃料電池で試験した。図７および８は、試料Ａ、Ｂ、およびＣの電流対電圧曲線に関する結果を表す。各試料Ａ、Ｂ、Ｃで反復試験を行ない、６つの曲線Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２、Ｃ１、Ｃ２を算出した。試料はＧｏｒｅ ５５１０膜電極アセンブリを使用して燃料電池のカソード拡散媒体として組み立てた。Ｊｏｈｎｓｏｎ Ｍａｔｔｈｅｙ拡散媒体をアノード側に使用した。燃料電池には作用面積が５ｃｍ^２の直線状の経路が含まれた。燃料電池は、化学量論数が３から６の間である４つの高電流密度設定点を除き、ほとんどの場合１０より大きい、高アノードおよび高カソード化学量論数で動作した。上記の動作条件で試料Ａ、Ｂ、Ｃで実施された試験は、差動セル試験として知られている。差動セル試験では、反応物濃度および相対湿度を含む動作条件が測定領域の経路に沿って一定であると仮定することができる。

図７は、８０℃、１５０ｋＰａ絶対値、および７１％相対湿度で実施された試料Ａ、Ｂ、Ｃの電流耐電圧曲線を示す。第２の試料Ｂ１、Ｂ２および第３の試料Ｃ１、Ｃ２の曲線は、比較的低い電流（１．０Ａ／ｃｍ^２以下）で第１の試料Ａ１、Ａ２の曲線と比較して顕著な変化を示さず、第３の試料Ｃ１、Ｃ２の電圧は、高い電流密度（１．５Ａ／ｃｍ^２）で大きな減少を示した。第１の試料Ａ１、Ａ２および第２の試料Ｂ１、Ｂ２はこの動作条件で安定的な水管理能力を有する拡散媒体であることが示されている。

図８は、８０℃、１５０ｋＰａ、および２２％相対湿度で実施された試料Ａ、Ｂ、Ｃの電流耐電圧曲線を示す。この比較的乾いた条件では、各曲線は明確な差を有する。第３の試料Ｃ１、Ｃ２の曲線は、第１の試料Ａ１、Ａ２と比較して燃料電池の性能が改良されていることを示す。第２の試料Ｂ１、Ｂ２の曲線は、第１の試料Ａ１、Ａ２と比較して燃料電池の性能がさらに大きく改良されていることを示す。有孔の薄いフォイルを使用した第２の試料Ｂ１、Ｂ２および第３の試料Ｃ１、Ｃ２は、比較的乾いた条件で、第１の試料Ａ１、Ａ２と比較して優れた水管理能力を示す。

したがって、上記の例では、相対的に湿ったおよび乾いた動作条件での異なるガス拡散媒体試料Ａ、Ｂ、Ｃの利益が示されている。薄い有孔層１６を多孔質の基板層１２へと組み込むことによって、薄い有孔層１６の特定の孔特徴に応じて燃料電池スタック内での拡散抵抗および水管理能力が増加した。

上記の説明から、当業者は本発明の基本的な特徴をその精神および範囲から逸脱せずに容易に確定することができ、これを様々な使用法および条件に適合させるように本発明に様々な変更および修正を行なうことができる。

本発明の実施形態によるガス拡散媒体の断面図である。 本発明の別の実施形態によるガス拡散媒体の断面図である。 本発明の別の実施形態によるガス拡散媒体の断面図である。 図１に示すガス拡散媒体を含む２つの燃料電池を示す、燃料電池スタックの分解図である。 図１に示すガス拡散媒体を含む単一のＰＥＭ燃料電池の断面図である。 薄い有孔層のないガス拡散媒体、開口領域が２５％である薄い有孔層を有するガス拡散媒体、および開口領域が５％である薄い有孔層を有するガス拡散媒体の、全拡散抵抗を示す表である。 高い相対湿度で動作される燃料電池において、薄い有孔層のないガス拡散媒体、開口領域が２５％である薄い有孔層を有するガス拡散媒体、および開口領域が５％である薄い有孔層を有するガス拡散媒体の、電流電圧性能を示すグラフである。 低い相対湿度で動作される燃料電池において、薄い有孔層のないガス拡散媒体、開口領域が２５％である薄い有孔層を有するガス拡散媒体、および開口領域が５％である薄い有孔層を有するガス拡散媒体の、電流電圧性能を示すグラフである。

符号の説明

１０ 拡散媒体
１２ 多孔質の基板層
１４ 第１の微細孔層
１６ 薄い有孔層
１８ 第２の微細孔層
２０ 第１の側
２２ 第２の側
１６ａ グラファイトフォイルシート
１６ｂ グラファイトフォイルシート
２４ 燃料電池スタック
２６ 膜電極アセンブリ
２６ａ 膜
２６ｂ カソード触媒
２６ｃ アノード触媒
２８ 膜電極アセンブリ
３０ バイポーラプレート
３２ エンドプレート
３４ エンドプレート
３６ コンタクト要素
３８ コンタクト要素
４０ 経路
４２ シール
４３ 孔
４４ 酸素供給源
４５ 周辺部分
４８ 水素供給源
５０ アノード側
５２ カソード側

Claims (17)

1. ＰＥＭ燃料電池で使用するための拡散媒体であって、
   導電性であり第１の側および第２の側を有する多孔質の基板層と、
   第１の微細孔層と、
   第２の微細孔層と、
   複数の孔、第１の側、および第２の側を有する有孔層とを含み、前記有孔層が、様々な水管理を容易にするように前記拡散媒体の作用エリアで様々なサイズおよび頻度の孔パターンを有し、前記第１の微細孔層が前記多孔質の基板層の前記第１の側と前記有孔層の前記第１の側との間に配設されて組み込まれており、前記第２の微細孔層が前記有孔層の第２の側に配設されて組み込まれており、前記第１の微細孔層及び前記第２の微細孔層は同一の材料からなる拡散媒体。
2. 前記多孔質の基板層が炭素繊維紙である、請求項１に記載の拡散媒体。
3. 前記有孔層が展開されたグラファイトフォイルである、請求項１に記載の拡散媒体。
4. 前記第１の微細孔層および前記第２の微細孔層が、炭素粉末、フッ化炭素ポリマー、および炭素粉末とフッ化炭素ポリマーの混合物のうちの１つである、請求項１に記載の拡散媒体。
5. 前記フッ化炭素ポリマーがポリテトラフルオロエチレンである、請求項４に記載の拡散媒体。
6. 前記様々なサイズおよび頻度の孔パターンを、単一の有孔のシートに、またはそれぞれが均一のサイズおよび頻度の孔パターンを有する複数の有孔のシートを組み合わせることによって、形成することができる、請求項１に記載の拡散媒体。
7. 前記有孔層が、前記燃料電池の構成部品間のサブガスケットを形成するように適合された孔の開いていない周辺部を含む、請求項１に記載の拡散媒体。
8. 前記第１の微細孔層、前記多孔質の基板層、および前記有孔層が互いに焼結される、請求項１に記載の拡散媒体。
9. ＰＥＭ燃料電池で使用するための拡散媒体であって、
   導電性であり第１の側および第２の側を有する多孔質の基板層と、
   複数の孔を有する有孔層と、
   前記多孔質の基板層の前記第１の側と前記有孔層との間に配設され、前記多孔質の基板層の前記第１の側に組み込まれ、前記有孔層が組み込まれた第１の微細孔層と、
   前記有孔層の上に配設されて組み込まれた第２の微細孔層とを含み、前記有孔層が、様々な水管理を容易にするように前記拡散媒体の作用エリアで様々なサイズおよび頻度の孔パターンを有し、前記第１の微細孔層及び前記第２の微細孔層は同一の材料からなる拡散媒体。
10. 前記第１の微細孔層および前記第２の微細孔層が、炭素粉末、フッ化炭素ポリマー、および炭素粉末とフッ化炭素ポリマーの混合物のうちの１つである、請求項９に記載の拡散媒体。
11. 前記フッ化炭素ポリマーがポリテトラフルオロエチレンである、請求項１０に記載の拡散媒体。
12. 前記様々なサイズおよび頻度の孔パターンを、単一の有孔のシートに、またはそれぞれが均一のサイズおよび頻度の孔パターンを有する複数の有孔のシートを組み合わせることによって、形成することができる、請求項９に記載の拡散媒体。
13. 前記有孔層が、前記燃料電池の構成部品間のサブガスケットを形成するように適合された孔の開いていない周辺部を含む、請求項９に記載の拡散媒体。
14. 前記第１の微細孔層、前記多孔質の基板層、および前記有孔層が互いに焼結される、請求項９に記載の拡散媒体。
15. ＰＥＭ燃料電池で使用するための拡散媒体の製造方法であって、
    導電性である多孔質の基板層を設けるステップと、
    様々なサイズおよび頻度の孔パターンの１つを備え、第１の側と第２の側とを有する有孔層を設けるステップと、
    多孔質の基板層をフッ化ポリマーで処理するステップと、
    前記フッ化ポリマーで処理された多孔質の基板層をペーストで被覆して第１の微細孔層を形成するステップと、
    前記有孔層の第１の側を湿った前記第１の微細孔層の上に圧迫するステップと、
    前記第１の微細孔層および前記多孔質の基板層を乾燥させるステップと、
    前記有孔層の第２の側を前記ペーストで被覆して第２の微細孔層を形成するステップと、
    前記多孔質の基板層、前記有孔層、前記第１の微細孔層、及び前記第２の微細孔層を共に焼結するステップとを含む方法。
16. 前記様々なサイズおよび頻度の孔パターンの１つを得るための所望のパターンの突起を有するローラーで前記有孔層を形成するステップをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
17. 所望の可変のガス拡散抵抗を得るために、前記第１の微細孔層の上に互いに隣接して配設された複数の前記有孔層を設けるステップをさらに含む、請求項１５に記載の方法。

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