燃料電池用の性能増強層
実施例は、１つ、またはそれ以上の電気伝導性材料およびバインダを有し、上記電気伝導性材料の少なくとも１つが粒子を含み、当該粒子が形態学的な異方性を有して当該層に異方性伝導性を付与するように配向される、燃料電池用性能像競争に関し、バインダは粒子を相互に接触させて位置づける。
【代表図】 図４Ａ
【代表図】 図４Ａ
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
燃料電池は、漸増する大規模用途、例えば、材料ハンドリング（例えばフォークリフト）、交通（例えば電気またはハイブリッド自動車）、およびオフグリッド電力源（例えば非常電力源または通信）のための電力源として採用できる。より小型の燃料電池は可搬型の消費者用途、例えば、ノートブックコンピュータ、セルラー電話、パーソナルデジタルアシスタンツ（ＰＤＡ）、その他に向けて、現在開発されている。
【０００２】
燃料電池は慣用的な燃料電池スタックの形態で結合して良い。多くの慣用的な燃料電池スタックはガス拡散層（ＧＤＬ）を採用して１つのユニット電池の触媒層（例えばアノード）から電流を集めてこれを次のユニット電池の対向する触媒層（例えばカソード）に搬送する。多くの慣用的な燃料電池スタックにおいて、電流の流れの優勢な方向は燃料電池およびＧＤＬの平面と直交する方向である。
【０００３】
燃料電池は、端部集結構造、例えば平坦構造で、結合されても良い。そのような実施例においては、電子の流れの優勢な方向は、慣用的な燃料電池スタックにおける電子の流れの優勢な方向と異なって良い。慣用的な燃料電池スタックで用いられるＧＤＬは端部集結燃料電池システムとともに使用されて最適ではないであろう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００９／０１３０５２７号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００２／０１６８５２６号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００９／０１５１８４７号明細書
【発明の開示】
【０００５】
実施例は、１またはそれ以上の電子電導性材料を有し、これら電子伝導性材料の少なくとも１つが、形態学的に異方性を有して層およびバインダにおいて異方性伝導性を付与するように配向された粒子を含み、バインダが粒子を相互に接触するように位置づける、燃料電池用の性能増強層に関する。
【０００６】
この発明の実施例は、電極コーティングを具備する燃料電池層ようの性能増強層を製造する方法に関し、この方法は、スラリーを生成するのに充分な、１またはそれ以上の電気電導性材料、バインダ、および溶媒を混合するステップ、湿潤なフィルムを生成するのに充分なスラリーを成型するステップ、浸潤なフィルムフィルムを完成させるのに充分なだけ湿潤なフィルムを乾燥するステップ、およびフィルムを燃料電池層にボンディングするステップを含む。
【０００７】
実施例は、１つのイオン伝導性要素、および、２つまたはそれ以上の電子伝導性要素を含む複合体と、各々、イオン伝導性要素とイオン性接触を行い電子伝導性要素の少なくとも１つと電気的に接触する、２つの電極コーティングと、性能増強層とを含み、当該電極コーティングの各々は内側表面および外側表面を有し、当該性能増強層は、電極コーティングのうちの１つとその１つの表面で接触するように配置され、または近接して配置される、燃料電池に関する。当該層は、関連する電子伝導性要素への、または、それからの、電気伝導性経路を実現する。
【０００８】
添付の実施例はこの発明の非制約的な事例の実施例を図説する。図面において、同様の番号は類似の要素を記述するけれども、必ずしも同一である必要はない。異なるサフィックス文字を伴う同様の番号は類似の要素の異なる例を表すけれども、同一である必要はない。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】慣用的な燃料電池スタックの断面模式図である。
【図１Ａ】図１の慣用的な燃料電池スタックの従来のユニット燃料電池の拡大模式図である。
【図２Ａ】第１の例の平面燃料電池層の断面図である。
【図２Ｂ】第１の例の平面燃料電池層の断面図である。
【図３】図２の事例的な平面燃料電池層の事例的なユニット燃料電池の断面星傷である。
【図４Ａ】事例の実施例に従う、性能増強層（ＰＥＬ）を具備する事例の平面燃料電池層の断面図である。
【図４Ｂ】第２の事例の実施例に従う、ＰＥＬを具備する事例の平面燃料電池層の断面図である。
【図４Ｃ】第３の事例の実施例に従う、ＰＥＬを具備する事例の平面燃料電池層の断面図である。
【図５Ａ】事例の平面燃料電池における電子の流れの断面模式図である。
【図５Ｂ】事例の実施例に従う、ＰＥＬを具備する、事例の平面燃料電池における電子の流れの断面模式図である。
【図６】第４の事例の実施例に従う、ＰＥＬを具備する事例の平面燃料電池層の断面図である。
【図７】事例の実施例に従う、ＰＥＬを具備する燃料電池層を準備する方法のプロセスブロック図である。
【図８】ＰＥＬを具備しない燃料電池層、および、事例の実施例に従う、ＰＥＬを具備する燃料電池層の性能を示すグラフである。
【図９】事例の実施例に従う、ＰＥＬを具備する燃料電池層の頂部を示す図である。
【図１０】具体的な事例の実施例に従い準備されたＰＥＬフィルムから切り出した試片に対する、抵抗・対・角度および伝導性・対・角度のプロット図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下の説明において、具体的な詳細はこの発明の理解をより確実にするために提示される。しかしながら、この発明はこのような詳細を伴うことなく実施できる。他の例においては、この発明が不必要に不明瞭にならないようにするために周知の事柄は示されないし、説明されない。図は、理解を助けるために、この発明が実施できる具体的な実施例を示す。この発明の趣旨を逸脱することなく、これら実施例は組み合わされて良く、他の要素または構造上、または論理状の修正を行って良い。したがって、明細書および図面は説明のためのものであり、制約的でないものとして理解されなくてはならない。
【００１１】
この文書において参照されている文献、特許、および特許文書は、個々に参照してここに組み入れているけれども、ここで、すべて参照して組み入れることとする。当該文書とそれら文書との間で一貫性のない用例がある場合には、それら組み入れられた文書中の用例は当該文書の用例を補充するものと理解すべきであり、調整ができない場合には当該文書の用例が採用される。
【００１２】
当該文書においては、用語「１」が用いられる場合には、特許文献で通常のように、１または１より大きな場合を含み、これは任意の他の事例、または「少なくとも１つ」や「１または複数」の用例とは別である。当該文書においては、用語「または」は、そうでないと示される場合を除いて、非排他的なものを指すものとして用いられ、例えば、「Ａ、Ｂ、またはＣ」は「Ａ」のみ、「Ｂ」のみ、「Ｃ」のみ、「ＡおよびＢ」、「ＢおよびＣ」、「ＡおよびＣ」、および「Ａ、ＢおよびＣ」を含む。
【００１３】
添付の側面およびいずれの請求項においても、用語「第１」、「第２」、および「第３」等は単にラベルとして採用され、それらの対象の数的な要求を課すものでないことに留意されたい。
【００１４】
端部集結燃料電池用の性能増強層（ＰＥＬ）がここに実現される。ＰＥＬは、１つのユニット燃料電池における電極コーティングから電流コレクタ（または電子伝導性要素）へ、次のユニット電池の反対側の電極コーティングへの電流の流れのための経路を実現する。ＰＥＬは、異方性伝導性を有して良い。ＰＥＬは粒子を具備する電気伝導性材料を含む。粒子は形態学的な異方性を有し、性能増強層において大きな平面内伝導性を付与するように配向されてよい。ＰＥＬおよびＰＥＬを含む燃料電池層を準備する方法も提供される。
【００１５】
この発明の実施例は、プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池、またはＰＥＭ燃料電池の部品として説明される。しかしながら、実施例は、他のタイプの燃料電池、例えば、アルカリ燃料電池または固体酸化燃料電池において実施できる。実施例は、他のタイプの電気化学電池、例えば、電解槽または塩素アルカリ電池にも適用できる。
【００１６】
いくつかの実施例に従う燃料電池システムは、種々の用途の給電源として採用されて良い。例えば、燃料電池システムは、可搬型の消費者用途の装置、例えば、ノートブックコンピュータ、セルラー電話、またはＰＤＡを給電するのに採用されて良い。しかしながら、この発明は携帯型のアプリケーションに制約されるものではなく、実施例は、大規模用途、例えば、材料ハンドリングアプリケーション、交通アプリケーション、およびオフグリッド電力源、または他のより小型のアプリケーションに給電するのにも実施できる。
【００１７】
この発明の実施例は異なる設計の種々の燃料電池とともに実施できる。いくつかの端部集結燃料電池の実施がここで説明され、これは一般的には平面層からなる。ただし、代替的には、同一または他の実施例を他の端部集結燃料電池とともに採用して良く、これは存在していても、したいなくても良い。参照を容易にするために、ここでの説明を通じて、そのような端部集結燃料電池および関連技術は「平面」（ｐｌａｎａｒ）燃料電池、「平面」燃料電池システム、または「平面」燃料電池層と呼ばれる。しかしながら、いくつかの実施例において、そのような燃料電池は、この発明とともに実施するために平面でなくてよいことに留意されたい。例えば、ユニット燃料電池のすべてが同一平面に横たわらないかもしれない（例えば、それらは柔軟性があり、螺旋状であり、筒状であり、または波状であってよい）。他の例において、ユニット燃料電池のすべてまたは一部が同一平面に横たわってよい。
【００１８】
［定義］
ここで使用されるように、「複合層」または「複合体」は、厚さを伴う少なくとも２つの表面を含む層であって、１または複数のイオン伝導性の通路および１または複数の電気伝導性通路がそれら表面の間に設けられているものを指す。複合体のイオン伝導性および電気伝導性は、イオン伝導性通路および電気伝導性通路を異なる寸法、形状、密度、または配列で設けることにより、当該複合体の異なる領域で変化されてよい。複合層は１または複数のインターフェース領域を含んでよい。複合層は、流体、または具体的なタイプの流体（例えば気体または液体）に対して非透過性であってよい。いくつかの実施例において、層は、いくつかの流体には実質的に非透過性であり、他には透過性であってよい。例えば、層は、燃料から加えられるガス圧には実質的に非透過性であり、それでいて、水は、イオン伝導性要素に渡って浸入することができる。
【００１９】
ここで使用されるように、「電子伝導性要素」は電気的な伝導性通路を形成する複合層の要素を指す。電子伝導性要素は、電気的に伝導性の材料、たとえば、金属、金属フォーム、炭素質材料、電気伝導性セラミック、電気伝導性ポリマー、これらの組み合わせ等の１つまたは複数を含む。電子伝導性要素は電気伝導性でない材料を含んでも良い。電子伝導性要素はここでは「電流伝導性要素」または「電流コレクタ」も指すことがある。
【００２０】
ここで使用されるように、「イオン伝導性要素」はイオン伝導性通路を形成する要素を指す。イオン伝導性要素は複合体の要素であってよい。イオン伝導性要素はイオン伝導性材料、例えば、フルオロポリマー基礎のイオン伝導性材料、または炭化水素基礎の伝導性材料を含む。イオン伝導性要素は「電解質」または「電解質膜」とも呼ばれる。
【００２１】
ここで使用されるように、「インターフェース領域」は、電気的に伝導性でない、複合層の要素を指す。インターフェース領域は、例えば、無視可能なイオン伝導性および無視可能な電気伝導性を有する材料を含んで良い。インターフェース領域は電子伝導性領域と件連付けて用いられて電流コネクタを形成してよく、この場合、インターフェース領域は電子伝導性領域に隣接して電子伝導性領域の一方の側または両側に被着される。電子伝導性領域はインターフェース領域中に埋め込まれて電流コレクタを形成して良い。インターフェース領域は電流コレクタにおいてオプションの要素であり、必須の要素でないことに留意されたい。電流コレクタの要素として使用されるときには、インターフェース領域は、電子伝導性領域およびイオン伝導性領域の間の接着性を向上させるために使用でき、および／または、隣接電気化学電池の間の電気絶縁を実現するのに使用できる。
【００２２】
ここで使用されるように、「粒子」は材料の部分、ピース、フラグメントを指す。例えば、電気伝導性粒子は電気化学層の繊維、フレーク、フラグメント、または非連続な部分を含んでよい。
【００２３】
ここで使用されるように、「平面」（ｐｌａｎｅ）は、既知拡張および空間方向または位置を伴う２次元仮想表面を指す。例えば、矩形ブロックは、相互に直交する、１つの垂直の平面および２つの水平な平面を具備して良い。平面は相互との関係で、例えば、９０°より大きな、または小さな角度を用いて定義されて良い。
【００２４】
ここで使用されるように、「燃料」は、燃料電池における燃料として使用して好適な任意の材料を指す。燃料の例は、これに限定されないけれども、水素、メタノール、エタノール、ブタン、水素化ホウ素化合物、例えば、水素化ホウ素ナトリウムまたはカリウム、蟻酸、アンモニア、およびアンモニア誘導体、例えば、アミンおよびヒドラジン、金属錯体水素化物化合物、例えば、アルミニウム水素化ホウ素、ボラン例えばジボラン、炭化水素、例えば、シクロヘキサン、カルバゾール、例えば、ドデカヒドロ−ｎ−エチルカルバゾール、および他の飽和環状、多環式炭化水素、飽和アミノボラン、例えば、シクロトリボラザンを含んでよい。
【００２５】
慣用的な従来の燃料電池スタック１０は図１に示される。燃料電池スタック１０は個々の燃料電池２０を具備し、これらは直列に配置される。燃料電池２０は例えばプロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池を含んで良い。燃料電池スタック１０はマニホールド（図示しない）を有し、このマニホールドに燃料、例えば水素ガス、および、酸化剤、例えば空気または酸素が案内される。
【００２６】
燃料および酸化剤は、ユニポーラプレート１１およびバイポーラプレート１２を介してユニット燃料電池２０へ移動し、これらは流れチャネル２２および陸部２４を具備する。燃料はバイポーラプレート１２Ａ中の流れチャネル２２から多孔性の電流搬送層またはガス拡散層（ＧＤＬ）１４Ａを介してアノード触媒層１６Ａへと移動する。アノード触媒層１６Ａにおいて、燃料は化学反応を経験して自由電子および正帯電イオン（典型的にはプロトン）を生成する。自由電子はＧＤＬ１４Ａによって集められ、バイポーラプレート１２Ａを通過して次のユニット燃料電池のＧＤＬ１４Ｃへと進む。イオンは電子絶縁性のイオン交換膜１８を通じて反対方向へ移動する。イオン交換膜１８はアノード触媒層１６Ａおよびカソード触媒層１６Ｃの間に横たわる。
【００２７】
図１Ａは、図１の慣用的な燃料電池スタック１０のユニット燃料電池２０の断面模式図である。燃料電池２０において、電子はアノード触媒層１６Ａの化学反応サイトからＧＤＬ１４Ａへと移動する。プロトン（または他の正に帯電したイオン）はイオン交換膜１８を入り、この中を電子の流れる方向と逆の方向に流れていく。ＧＤＬ１４Ａにおいて回収された電子はバイポーラプレート１２Ａの陸部２４を通じて次のユニット電池のＧＤＬ１４Ｃへと移動する。そのような燃料電池において、電子の流れ、および、イオンの流れは一般的には逆方向であり、両者は、イオン交換膜１８、ＧＤＬ１４および触媒層１６の平面に対して実質的に直交である。
【００２８】
触媒層１６Ｃにおいて、プロトンおよび負帯電の酸素イオンが結合して水を形成する。生成された水はＧＤＬ１４Ｃに残り、あるいはイオン交換膜１８に吸収されて、バイポーラプレート１２Ｃの流れチャネル２２へと移動し、または、これらが組合わさる。
【００２９】
ＧＤＬ１４は、電子をバイポーラから触媒層に案内し、またはその逆に案内するので、ＧＤＬ１４はしばしば大きな平面内伝導性を必要とし、例えば、燃料電池およびＧＤＬの平面に直交する方向に電気伝導性を必要とする。
【００３０】
典型的には、燃料電池スタックに圧縮力が加えられて燃料および酸化剤の漏洩を防止し、触媒層、ＧＤＬ、およびバイポーラプレートの間の接触抵抗を減少させる。具体的には、多くの燃料電池スタックは、ＧＤＬおよびバイポーラプレートの間の良好な電気接触を実現するために圧縮力を必要とする。燃料電池スタックは、そのために、多くの部品（例えばクランプ）を必要とし、組立が極めて複雑になる。
【００３１】
図２Ａおよび２Ｂは、第１例の平面燃料電池層１００および第２例の平面燃料電池１１０の断面図を示し、これらは本出願人の出願に係る米国特許第１１／０４７，５６０号および特許協力条約出願第ＣＡ２００９／０００２５３号に説明され、これらの名称はそれぞれ、「電気化学反応層の下に設けた電流搬送構造を具備する電気化学電池」および「電気化学電池およびこれに関連する膜」である。事例の平面燃料電池層１００、１１０は複合層１２４、１２４'を有し、これがイオン伝導性要素１１８、１１８'、および電子伝導性要素１１２、１１２'を具備する。オプションとして、複合体１２４、１２４'はインターフェースまたは基体領域１２２、１２２'を具備しても良い。インターフェースまたは基体領域１２２、１２２'は、電気的かつイオン的絶縁性を有する材料を含む。燃料電池層１００、１１０は、２つのタイプの電極コーティング、すなわち、カソードコーティング１１６Ｃ、１１６Ｃ'、およびアノードコーティング１１６Ａ、１１６Ａ'を具備する。カソードコーティング１１６Ｃ、１１６Ｃ'は複合層１２４、１２４'の第１の側に配され、複合層１２４、１２４'の第１の表面に接着される。アノードコーティング１１６Ａ、１１６Ａ'は複合層１２４、１２４'の第２の側に配され、複合層１２４、１２４'の第２の表面に接着される。カソードコーティング１１６Ｃ、１１６Ｃ'およびアノードコーティング１１６Ａ、１１６Ａ'はギャップまたは誘電体領域１２０、１２０'によって相互に分離される。
【００３２】
図３は、事例の平面燃料電池層１００のユニット燃料電池１４０の断面模式図である。図示の実施例において、燃料および酸化剤はそれぞれ水素および酸素である。ただし、この発明の実施例は燃料および酸化剤の他の組み合わせを採用した燃料電池とともに採用されてよいことに留意されたい。水素はアノードコーティング１１６Ａに接触し、プロトンおよび電子に分解する。電子は、アノードコーティング１１６Ａの平面と主に平行な方向にアノードコーティング１１６Ａを通じて移動し、電子伝導性要素１１２Ｂに入りこれを通じて移動し、この電子伝導性要素１１２Ｂは次のユニット電池と共有される。プロトンは、アノードコーティング１１６Ａ内の化学反応サイトから移動し、アノードコーティング１１６Ａを通じて電子が移動する方向と実質的に直交する方向に移動する。電子伝導性要素１１２ｂにおいて収集された電子は次のユニット電池のカソードコーティングへと移動していく。電子は電子伝導性要素１１２ａからカソードコーティングを通じて、カソードコーティング１１６Ｃの平面と主に平行な方向に移動する。酸素はカソードコーティング１１６Ｃと接触し、化学反応サイトへと移動する。酸素は還元され、その結果、水が生成され、これはカソードコーティング１１６Ｃから出て、または、そこに残る。
【００３３】
いくつかの端部集結燃料電池層では、電極コーティングまたは他の層が、当該コーティングの平面に平行な方向（例えば、多くの慣用的な燃料電池と同様に、コーティングの平面と直角な方向と逆に）に対して良好な電気伝導性を伴うことが好ましいであろう。いくつかの端部集結燃料電池層は非常に小さな個々の燃料電池を採用して電子の流れが移動する距離を小さくし、これにより、オーム損失を最小化する。いくつかの端部集結燃料電池の電極コーティングは、電気化学作用に必要なものより大きい、触媒充填を伴う。そのような端部集結燃料電池では、触媒は、電流を案内すると共に電気化学反の触媒作用を起こすために利用される。いくつかの端部集結燃料電池層では、電極コーティングはクラックを生じやすく、これはコーティングの平面の電気抵抗を増大させる。いくつかの端部集結燃料電池の電極コーティングは伝導性が大きな材料を採用して電極コーティングの電気伝導性を大きくし、これは本出願人の出願に係る「改良された伝導性を伴う触媒層を具備する平面燃料電池」という名称の米国特許出願第１２／２７５，０２０号に説明され、その内容は参照してここに組み入れる。この発明の実施例は、電極コーティングの平面に平行に良好な伝導性を有する電気経路を利用する燃料電池層を説明する。
【００３４】
図４Ａは、事例の実施例に従う性能増強層を具備する平面燃料電池層の断面図である。平面燃料電池層１５０は、イオン伝導性要素１１８および電子伝導性要素１１２を具備する複合層１２４を含む。オプションとして複合層１２４はインターフェース領域１２２を具備しても良い。カソードコーティング１１６Ｃは複合体１２４の第１の側に配置され複合体１２４の第１の表面に接着される。アノードコーティング１１６Ａは複合体１２４の第２の側に配置され複合体１２４の第２の表面に接着される。カソードコーティング１１６Ｃおよびアノードコーティング１１６Ａは各々ギャップまたは誘電体領域１２０によって分離される。
【００３５】
平面燃料電池層１５０は１またはそれ以上のユニット燃料電池１４０を具備する。理解できるように、燃料電池層として組み立てられると、ユニット電池において、カソードコーティングは関連するイオン伝導性要素の第１の表面に配され、実質的に当該イオン伝導性要素と同一領域まで伸びる。アノードコーティングは関連するイオン伝導性要素の第２の表面に配され、実質的に当該イオン伝導性要素と同一領域まで伸びる。カソードコーティングおよびアノードコーティングの双方はイオン伝導性要素とイオン的に接触し、電子伝導性要素の１つに電気接触する。ユニット電池のカソードコーティングは第１の電子伝導性要素を実質的にカバーするように伸び、アノードコーティングは第２の電子伝導性要素を実質的にカバーするように伸びる。図示の例では、ユニット電池は直列に接続される。しかしながら、ユニット電池は、代替的には、並列にも、直列・並列の組み合わせの態様でも接続されて良い。
【００３６】
平面燃料電池層１５０は性能増強層（ＰＥＬ）１５２Ｃおよび１５２Ａを具備する。カソードＰＥＬ１５２Ｃはカソードコーティング１１６Ｃの外側に配されカソードコーティング１１６Ｃの外側表面に接着される。アノードＰＥＬ１５２Ａはアノードコーティング１１６Ａの外側に配されアノードコーティング１１６Ａの外側表面に接着される。カソードＰＥＬ１５２ＣおよびアノードＰＥＬ１５２Ａは各々ギャップまたは誘電体領域１２０によって分離される。ここでの説明を通して、用語「外側」および「内側」は、複合体またはイオン伝導性要素の中心を基準にして、それぞれ、より離れている方向、より近い方向を指すために用いられる。イオン伝導性要素は説明を容易にするために矩形のものとして示されているけれども、いくつかの実施例において、イオン伝導性要素は被規則的な形状を有し、凹または凸の表面を具備し、あるいは燃料電池層の中央を基準にして非対称に配されて良いことは、本発明者の理解し、意図するところである。さらに、イオン伝導性要素（および電子伝導性要素）のそのような潜在的な非対称性は、本出願人の出願に係る、「燃料電池および非対称性構造を具備する燃料電池要素ならびにその方法」という名称の米国特許出願第６１／２９０，４４８号、および、その優先権を主張する関連出願において見いだすことができ、その開示内容は参照してここに組み入れる。
【００３７】
ここでの記述を通じて、用語「性能増強」層は採用される。しかしながら、性能増強層は燃料電池層の電気性能を改善する必要がないことに留意されたい。ＰＥＬを含む燃料電池層は、ＰＥＬを伴わない燃料電池層に対して、以下の性能改善の１または複数を発揮して良い。すなわち、改善された電気性能、コストの低減；製造の大幅な容易化；劣化率の低減（改善された寿命性能）；性能ばらつきの低減、または、より大きな環境条件に渡る性能上の満足度；および環境汚染（例えば窒素酸化物、硫黄酸化物、炭素酸化物、その他）への耐性の改善である。
【００３８】
ＰＥＬは、電極コーティングの反応サイトと、関連する電子伝導性要素との間の電気経路を増強する。ＰＥＬを伴う燃料電池層では、電極コーティングの厚さをより薄くでき、このため触媒充填量を減少でき、よい経費効率を増強できる。ＰＥＬを伴う燃料電池層では、電気抵抗を小さくでき、そのため、ＰＥＬを伴わない燃料電池層にくらべて良好な性能を発揮できる。
【００３９】
図示の実施例において、カソードＰＥＬ１５２ＣおよびアノードＰＥＬ１５２Ａは実質的にカソードコーティング１１６Ｃおよびアノードコーティング１１６Ａとそれぞれ同一の広がりを有する。しかしながら、カソードＰＥＬ１５２ＣおよびアノードＰＥＬ１５２Ａは関連する電極コーティングと同一の広がりを有しなくとも良い。いくつかの実施例において、ＰＥＬは電極領域の全体まで広がらず、その表面面積は関連する電極コーティングの表面面積より小さい。他の実施例において、ＰＥＬは電極領域の全体を覆って広がり、その表面面積は関連する電極コーティングの表面面積より大きい。
【００４０】
図４Ｂは、第２の例の実施例に従う、ＰＥＬを伴う事例の燃料電池層の断面図である。平面燃料電池層１６０は、カソードコーティング１１７Ｃおよびアノードコーティング１１７Ａを具備する。図示の実施例において、カソードコーティング１１７Ｃおよびアノードコーティング１１７Ａは関連するイオン伝導性要素１１８と実質的に同一の広がりを有し、関連する電子伝導性要素１１２とはまったく、またはほとんど物理的に接触しない。平面燃料電池層１６０はカソードＰＥＬ１５４ＣおよびアノードＰＥＬ１５４Ａを具備する。図示の実施例において、カソードＰＥＬ１５４ＣおよびアノードＰＥＬ１５４Ａの各々は関連する電極コーティング１１７の外側表面の実質的にすべて、また関連する電子伝導性要素１１２の外側表面の実質的にすべてを覆うように伸びる。カソードＰＥＬ１５４Ｃはカソードコーティング１１７Ｃおよび関連する電子伝導性要素１１２の間の電気接続を実現する。アノードＰＥＬ１５４Ａはアノードコーティング１１７Ａおよび関連する電子伝導性要素１１２の間の電気接続を実現する。
【００４１】
燃料電池層１６０では、図説の実施例のＰＥＬを伴うので、電極コーティングの厚さがまたは面積が小さくなり、したがって、触媒充填が小さくなる。この結果、図説の実施例のＰＥＬによれば、平面燃料電池層の経費効率をより良好にすることとなる。これに加えて、あるいは、代替的に、ＰＥＬを伴う燃料電池層では、電気抵抗が小さくなり、このため、性能が大きくなる。ＰＥＬを伴う燃料電池層の準備方法では、触媒が燃料電池層の電子伝導性要素を被覆する必要がないので、ＰＥＬを伴わない燃料電池層に較べて精密性が要請されない。
【００４２】
図４Ｃは、第３の例の実施例に従う、ＰＥＬを伴う事例の燃料電池層の断面図である。平面燃料電池層１７０は、カソードコーティング１１６Ｃ'およびアノードコーティング１１６Ａ'を具備する。図示の実施例において、カソードコーティング１１６Ｃ'およびアノードコーティング１１６Ａ'は関連するイオン伝導性要素１１８'と実質的に同一の広がりを有し、関連する電子伝導性要素１１２の少なくとも一部を被覆するように広がる。燃料電池層はカソードＰＥＬ１５６ＣおよびアノードＰＥＬ１５６Ａを具備する。カソードＰＥＬ１５６ＣおよびアノードＰＥＬ１５６Ａは、各々、関連する電極コーティング１１６'の一部を被覆するように伸びる。図示の実施例において、ＰＥＬ１５６の表面面積は関連する電極コーティング１１６'の表面面積より小さい。図説の実施例のＰＥＬを伴う燃料電池層では、ＰＥＬを伴わない燃料電池層に較べて、個々の電極コーティングの電気絶縁を簡便にできる。この結果、ＰＥＬ１５７を伴う燃料電池層は準備するのがより簡便になる。
【００４３】
ＰＥＬは種々の材料を含んで良く、また、燃料電池層において、種々の異なる機能または目的のうちの１つまたは複数を達成してよい。ＰＥＬは、触媒充填を削減した電極コーティングを可能にすることによりコストを低減できる。これに加えて、または代替的に、ＰＥＬはユニット田地内の電気伝導性を改善し、これにより、燃料電池層の抵抗損失を減少させることができる。
【００４４】
ＰＥＬは大木の異なる態様で電気伝導性を改善して良い。例えば、ＰＥＬは電極コーティングにおけるクラック間の橋渡しをおこなってよい。図５Ａおよび図５ＢはＰＥＬと伴わない事例の平面燃料電池のユニット燃料電池１８０、事例の実施例に従う、ＰＥＬを伴う平面燃料電池のユニット電池１８５のそれぞれの断面模式図である。燃料電池１８０、１８５は、各々、カソードコーティング１７６Ｃ、１８６Ｃおよびアノードコーティング１７６Ａ、１８６Ａを具備する。カソードコーティング１７６Ｃ、１８６Ｃおよびアノードコーティング１７６Ａ、１８６Ａは各々クラック１２６を具備する。燃料電池１８５はカソードＰＥＬ１８８ＣおよびアノードＰＥＬ１８８Ａを具備する。
【００４５】
燃料電池１８０、１８５では先行するユニット電池からの電子が電子伝導性要素を通じてカソードコーティング１７６Ｃ、１８６Ｃに入る。燃料電池１８０のカソードコーティング１７６Ｃでは、電子は曲がりくねった経路と取って反応サイトに至る。アノードコーティング１７６Ａにおいて、電子は、反応サイトから電子伝導性要素へ至る、曲がりくねった経路と取る。しかしながら、クラック１２６'がアノードコーティング１７６Ａの厚さ全体に渡って伸びているので、電子は電子伝導性要素に到達できず、燃料電池１８０は作用しない。
【００４６】
燃料電池１８５のカソードコーティング１８６Ｃでは、電子は、カソードコーティング１８６Ｃの厚さを通じ、ＰＥＬ１８８Ｃの平面と平行な方向にＰＥＬ１８８Ｃを通じ、さらに、再び、触媒コーティング１８６Ｃの厚さを通じて移動することにより、反応サイトに到着する。アノード側で、電子は類似の経路をとる。電極コーティングがクラックを伴う事例の平面燃料電池において、ＰＥＬは電極コーティング内のクラックを超える架橋を形成することにより伝導性を改善できる。そのような燃料電池、すなわち、触媒充填が減少した電極を伴う燃料電池では、ＰＥＬが付加的な電気伝導性経路を付与して電圧損失を減少させることができる。
【００４７】
ＰＥＬは電気的に伝導性であり、多くの実施例において、ＰＥＬは大きな面内電気伝導性を伴う。いくつかの実施例において、ＰＥＬは電気的に異方性を伴い、例えば、それらは、１またはそれ以上の方向で１またはそれ以上の他の方向に較べて大きくなる電気伝導性を発現する。いくつかの実施例において、ＰＥＬは、ＰＥＬの面内の１またはそれ以上の方向で、ＰＥＬの平面と直角な方向の電気伝導性より大きな電気伝導性を伴う。いくつかの事例の実施例において、ＰＥＬは、ＰＥＬの平面内の第１の方向で、ＰＥＬの平面と直角な第２の方向、および、ＰＥＬの平面内の第３の方向の双方の電気伝導性より大きな電気伝導性を伴う。第３の方向は、第１の方向と直交で良く、また、第１の方向から他の角度だけ方位付けられていて良い。具体的な例の実施例では、ＰＥＬは、１つの電子伝導性要素から次の電子伝導性要素へ伸びる方向、および、その逆に伸びる方向に最も大きな電気伝導性を伴う。
【００４８】
ＰＥＬは、種々の電気伝導性材料を含んで良い。ＰＥＬは、腐食抵抗性である１またはそれ以上の電気伝導性材料を含んで良い。例えば、ＰＥＬは、カーボンブラック、グラファイト、カーボン繊維、カーボンフォーム、カーボンフレーク、カーボンナノチューブ、カーボン針、非晶質カーボンのような炭素を含んでよい。ＰＥＬは、付加的に、または代替的に、貴金属、腐食抵抗性金属または金属合金、および伝導性ポリマー（例えば（ポリアニリン）のような他の電気伝導性材料を含んで良い。
【００４９】
電気伝導性材料はＰＥＬの不連続な粒子または部分、例えば、フラグメント、フレークまたは繊維を含んで良い。いくつかの実施例において、電気伝導性材料は形態学的に異方性がある粒子を含む。例えば、電子伝導性材料は、形態学的に異方性がある、カーボン粒子、例えばカーボン繊維を含んで良い。電気伝導性材料は短いカーボン繊維（例えばユニット燃料電池の長さより小さな大きさのオーダーの平均長を伴う繊維）または長いカーボン繊維（例えばユニット燃料電池の長さと同じ大きさのオーダーの平均長を伴う繊維）を含んで良い。１の例の実施例では、繊維はイオン伝導性要素の厚さより短い。そのような実施例は繊維がイオン伝導性要素中へ侵入することにより起こされる電気ショートの発生を回避できる。
【００５０】
いくつかの実施例において、電気伝導性材料の異方性粒子は、ＰＥＬ中に異方性（例えば電気または熱の伝導性の異方性）を付与するように配向される。事例の実施例において、異方性粒子は、好ましい方位に剪断応力を加えることにより、配向される。そのような実施例は、異方性粒子を含むスラリーを引き出すことにより準備され、結果物のＰＥＬ中の異方性粒子は引き出した方向に整合される。他の実施例では、電気伝導性材料中の異方性の利点を有する。そのような実施例では、電気伝導性材料は織物または非織物のカーボン繊維の形態でカーボン繊維を含む。
【００５１】
いくつかの実施例において、ＰＥＬは強固または堅固であってよく、あるいは強固または堅固な材料を含んで良い。そのような実施例では、ＰＥＬをイオン伝導性要素の支持体を構成できる。他の実施例において、ＰＥＬは柔らかく、または弾力性があって良い。いくつかの実施例において、ＰＥＬは柔軟性があり、柔軟な、または屈曲可能な燃料電池層、例えば、本出願人の出願に係る、「屈曲可能な燃料電池により電力供給されるデバイス」という名称の米国特許第７，４７４，０７５号、または、それぞれ、「外部サポートを伴う柔軟な燃料電池構造」および「省スペース流体プレナムを含む燃料電池システムおよび関連方法」という名称の米国特許出願第１１／３２７，５１６号、および同第１２／２３８，２４１号に説明される燃料電池層と共に用いて良い。１つの事例の実施例において、ＰＥＬは、燃料電池の通常の動作において存在する応力または歪みが加えられたときに、弾力的であってよい。
【００５２】
ＰＥＬは異方性ある弾力性を伴っても良く、例えば、ＰＥＬは１またはそれ以上の方向で、１またはそれ以上の他の方向に較べて大きな弾力性を伴って良い。いくつかの実施例において、ＰＥＬは、ＰＥＬの平面内の１またはその以上の方向で、ＰＥＬの平面に直角な方向の弾力性に較べて大きな弾力性を有する。いくつかの事例の実施例において、ＰＥＬは、ＰＥＬの平面内の第１の方向で、ＰＥＬの平面と直角な第２の方向、および、ＰＥＬの平面内の第３の方向の双方の弾力性より大きな弾力性を伴う。第３の方向は、第１の方向と直交で良く、また、第１の方向から他の角度だけ方位付けられていて良い。具体的な例の実施例では、ＰＥＬは、１つの電子伝導性要素から次の電子伝導性要素へ伸びる方向、および、その逆に伸びる方向に最も大きな弾力性を伴う。
【００５３】
いくつかの実施例において、ＰＥＬは電極コーティング中にクラックが形成されるのを防ぎ、または減少させることにより電圧損失を減少させて良い。燃料電池の通常の動作の間、イオン伝導性要素は、水を吸収して拡大することになる。そのような実施例において、ＰＥＬをイオン伝導性要素の拡張を減少させて良く、あるいは、そのような拡張が電極コーティングに付与する応力を減少させて良い。例えば、ＰＥＬが堅固であれば、あるいは部分的に堅固であれば、ＰＥＬはイオン伝導性要素の変形を減少させることができる。
【００５４】
ＰＥＬはバインダまたは母材として機能する材料を含んでよい。いくつかの実施例において、バインダまたは母材として機能する材料は触媒層への接着を容易にする材料であって良い。バインダ材料は、電気伝導性粒子を一緒に保持するように働き、または電気伝導性材料を電極コーティングに結合するように働き、あるいはその両方として働いて良い。バインダ材料は、付加的な役割、例えば、燃料電池層中の熱や水を管理する役割を有して良い。バインダ材料は、電極コーティング、電子伝導性材料、またはイオン伝導性材料と良く結合して良い。バインダ材料は化学的に負活性または腐食に対して抵抗性を有して良い。バインダ材料は変形可能、水に対して不溶性、または、燃料の存在下で安定であってよい。例えば、ＰＥＬは、熱可塑性または熱硬化性のポリマーのようなプラスチックであるバインダ材料を含んで良い。例えば、ＰＥＬは、以下のうちの１つまたはそれ以上を含んで良い。すなわち、ポリビニリデンフロライド（ＰＶＤＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、およびペルフルオロスルホン酸（例えば、Ｅ．Ｉ．ＤｕＰｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐａｎｙから入手できるＮａｆｉｏｎ（商標）フルオロスルホン酸）のようなフルオロポリマー；非フッ素化アイオノマー；ポリエチレン、およびポリプロピレンのような非フッ素化熱可塑性材料；またはポリウレタンである。
【００５５】
いくつかの実施例において、触媒層が、当該触媒層を、電気連続性を完全に破壊すること無しにより変形可能にするバインダを含んで良い。これらバインダは、触媒層およびＰＥＬの間の結合も増強させ、よい頑強な燃料電池層を実現して良い。そのようなバインダ材料は、例えば、プラスチックまたは伝導性プラスチックである。例えば、Ｎｏｆｉｏｎのようなアイオノマー分散剤を触媒層用のバインダとして利用して良い。他の適切なバインダ材料はポリテトラフルオロエチレン（例えばＴｅｆｌｏｎ、商標）、ポリプロピレン、または、他の相対的に負活性な、触媒層の弾性を増強させることが可能な添加剤を含んで良い。
【００５６】
平面燃料電池の触媒層は、クラックが生じるのを防ぐ手段、または当該層を通じて電気的非連続性が生成されるのを防ぐ手段を採用して良い。例えば、触媒層は伝導性材料から製造されたマイクロ構造または伝導性材料でコーティングされた非伝導性構造を採用して良い。そのようなマイクロ構造は長くて薄くて良く、全体の寸法は材料を包囲する流れ、例えば、反応剤および副産物を邪魔しない程度であり、ここでは、「クラック架橋」マイクロ構造と呼んで良い。潜在的なクラック架橋マイクロ構造の例は、様々の種類のカーボン繊維、カーボンナノチューブ、プラスチックまたはセラミック繊維上に配される伝導性材料（例えば白金、金）を含む。
【００５７】
触媒層は、「クラックピニング」（クラックピン止め）マイクロ構造も採用して良く、ここで、触媒層中のクラックの伝播が、触媒層中に構造強化剤を付加することにより阻止される。そのようなマイクロ構造は、電気伝導性であってもなくても良い。クラックピン止めマイクロ構造の例は、例えば、イオン伝導性要素または触媒層を汚染しない不活性材料を含んで良く、比較的非弾性敵であって良く、例えばプラスチック、セラミック、または、ある種の有機材料であって良い。
【００５８】
燃料電池層にＰＥＬを使用すると、触媒充填を減少でき、そのような減少により、クラッキング傾向がより少ない、より延性のある触媒も実現できる。触媒層はさらに任意の数の添加剤、例えば、カーボン担持白金、金、カーボンまたはグラファイトを採用して良く、これが触媒層の耐久性を増大させ、ある場合には、ＰＥＬが燃料電池層へ結合するのを増強し、また、当該層内の電気伝導性を増大させても良い。
【００５９】
いくつかの実施例において、ＰＥＬは、電極コーティング、電子伝導性要素、またはオプションとしてイオン伝導性要素に確実に結合することを可能にする特性を有して良い。この結果、そのようなＰＥＬは電子伝導性要素および電極コーティングとの電気的接触を維持するための圧縮力を必要としないことになる。そのようなＰＥＬを組み込んだ燃料電池システムは組立がより簡便になる。
【００６０】
いくつかの実施例において、ＰＥＬは、燃料電池層、または燃料電池層の電極コーティングに、熱、および／または圧力、あるいは、ＰＥＬを結合するための任意の適切な手段を用いて結合されて良い。
【００６１】
他の実施例において、ＰＥＬは燃料電池に結合されなくても良く、そのため、燃料電池カバー、または、伝導性層に力を加えて燃料電池との接触を維持させる他の構造的機構を必要とするかもしれない。いくつかの例では、複数の別々の部品を構造体にくみ上げれば、有益なことに、結合させる必要がなくなり、またＰＥＬにギャップを絵規制する必要もなくなる。１つの事例の実施例において、燃料電池はそれ自体で非対称であって良く、イオン伝導性要素の１側が一般的にはプロフィール上、凹んでいて良い。そのような実施例において、イオン伝導性要素の、電流コレクタの平面を基準にして凹んだ部分により形成された空洞は、多孔性伝導性材料、例えば、カーボン布地、カーボン粉末、腐食耐性金属布地、腐食耐性金属粉末、グラファイト粉末、またはＰＥＬにより充填され、または支持されて良い。そのような実施例において、外部支持構造が、多孔性インサートを職場移送中に押圧してよく、これにより、電気的接触が増強され、電流が多孔性構造中に流れることが可能になり、たとえ触媒にクラックがあっても、低抵抗の電流計路を実現できる。燃料電池中の凹んだ領域に挿入された多孔性伝導性材料の他の機械的および化学的特性は、燃料電池の働きを最も良好にするように選択されて良く、例えば、ＰＥＬは圧縮可能な層で良く、また、水の管理を容易にするのに適した水保持特性を伴っても良い。そのような実施例において、支持構造は、燃料電池層（例えば電流コレクタ）および／またはＰＥＬに結合されて構造支持を確実にして良い。
【００６２】
いくつかの実施例において、ＰＥＬは燃料電池層に結合するのに先立って、活性化処理または事前処理されて良い。事例の実施例において、ＰＥＬは活性化処理または事前処理されて電極コーティングとの結合または接着を改善され、あるいはＰＥＬおよび電極コーティングの間の接触抵抗を減少させる。
【００６３】
いくつかの実施例において、カソードおよびアノードＰＥＬは充分に多孔性があって、酸化剤または燃料をそれぞれ大量に搬送できるようにして良い。いくつかの実施例において、ＰＥＬは水または熱の管理を改善するように設計されて良い。例えば、ＰＥＬの空隙率を操作して水または熱の保持の度合いを操作してよい。空隙率、疎水性、および熱伝動性のような特性を種々の層（例えば、カソードコーティング、アノードコーティング、カソードＰＥＬ、およびアノードＰＥＬ）において変化させて水または熱の管理を行って良い。ＰＥＬは疎水性または親水性に影響を与える材料、例えば、アイオノマー（ペルフルオロスルホン酸、ポリアリーレンスルホン酸、および、スチレンとジビニルベンゼンのコポリマー）、ＰＴＦＥ、ナイロン、酸化物（例えばシリカ、酸化錫）、または、その他を含んで良い。
【００６４】
事例の実施例において、ＰＥＬの厚さは約１ｍｍより小さい。この厚さは、例えば、約３５μｍから約７５０μｍの間、約５０μｍから約５００μｍの間、または約１００μｍから約３５０μｍの間である。いくつかの実施例において、ＰＥＬの厚さは約５０μｍから約２００μｍの範囲であって良い。
【００６５】
いくつかの実施例において、ＰＥＬは、アノードコーティングまたはカソードコーティングの内側表面に隣接した複合層の１つまたはそれ以上の表面に配される。図６は、事例の実施例に従う、ＰＥＬを具備する、事例の平面燃料電池層１９０の断面図である。燃料電池層１９０は、アノードコーティング１１６Ａ、カソードコーティング１９６Ｃ、アノードＰＥＬ１５２Ａ、および、カソードＰＥＬ１９２Ｃを具備する。カソードコーティング１９６ＣおよびカソードＰＥＬ１９２Ｃの位置は、アノードコーティング１１６ＡおよいアノードＰＥＬ１５２Ａの位置、先に説明した実施例の電極コーティングおよびＰＥＬの位置を基準にして逆になっている。カソードＰＥＬ１９２Ｃは複合体１２４の第１の側に配され、複合体１２４の第１の表面に接着される。
【００６６】
ユニット燃料電池内で、カソードコーティング１９６ＣはカソードＰＥＬ１９２Ｃの外側に配され、カソードＰＥＬ１９２Ｃの外側表面に接着される。燃料電池の動作中、プロトン（または他のイオン）は、アノードコーティング１１６Ａの反応サイトから、イオン伝導性要素１１０を通じ、さらにカソードＰＥＬ１９２Ｃを通じ、カソードコーティング１０６Ｃ中の反応サイトへと移動する。電子は、電子伝導性要素１１２からカソードＰＥＬ１９２Ｃを通じカソードコーティング１９６Ｃ中の反応サイトへと移動する。酸化剤はカソードコーティング１９６Ｃ中を移動し、反応サイトで還元される。
【００６７】
カソードＰＥＬ１９２Ｃは異なった特性を伴って良く、上述した実施例のＰＥＬと異なった材料を含んで良い。カソードＰＥＬ１９２Ｃは、カソードコーティング１９２Ｃの内側表面に配されているので、ＰＥＬ１９２Ｃは酸化剤に対して透過性である必要がない。ＰＥＬ１９２Ｃはプロトンまたは他のイオンに対して透過性であって良い。例えば、ＰＥＬ１９２Ｃはイオン伝導性経路、例えばアイオノマー（例えばペルフルオロスルホン酸、またはスチレンおよびジビニルベンゼンのコポリマー）を含んで良い。
【００６８】
燃料電池層１９０は、相互に異なり、対応する電極コーティングを基準にして異なる配列を伴う、カソードＰＥＬおよびアノードＰＥＬを具備する。他の実施例において、カソードＰＥＬおよびアノードＰＥＬは、同一であって良く、対応する電極コーティングを基準にして同一の配列を伴って良い。
【００６９】
図４Ａ、４Ｂ、および４Ｃにそれぞれ示される燃料電池層１５０、１６０、および１７０の各々は、対応する電極コーティングを基準にして同一の配列であるカソードＰＥＬおよびアノードＰＥＬを具備する。しかしながら、燃料電池層のカソードＰＥＬおよびアノードＰＥＬは、組成物、特性、寸法および機能の点で同一でも異なっていても良いことにも、また、留意されたい。燃料電池層内のカソードＰＥＬはすべて同一であっても異なっていても良い。燃料電池層内のアノードＰＥＬはすべて同一であっても異なっていても良い。燃料電池層はカソードＰＥＬおよびアノードＰＥＬの双方を具備しても良いし、カソードＰＥＬのみ、またはアノードＰＥＬのみを具備しても良い。
【００７０】
図示の実施例において、ＰＥＬは連続的であり、電極コーティングまたはイオン伝導性要素の表面を実質的に被覆するように伸びる。しかしながら、他の実施例では、ＰＥＬは空間的に非連続であって良い。例えば、ＰＥＬは、開口またはスリットまたは他の非連続部分を具備して良く、指状または蛇行したパターンを伴って良い。そのような非連続性またはパターンにより、反応物質、燃料、またはプロトンの電極コーティングへの大量の搬送が改善でき、また水の電極コーティングからの除去を改善できる。いくつかの実施例において、ＰＥＬは当該層に渡って部分的にしか伸びなくて良く、また、各ユニット電池に沿って部分的にまたは完全に伸びても良い。
【００７１】
ＰＥＬは種々の慣用的な、または非慣用的な燃料電池層に適用されて良い。例えば、ＰＥＬは従来の電気化学電池に適用されて良く、これは、例えば、「電池のサイド・バイ・サイドの配列を伴う電気化学電池システム」という名称の米国特許第５，９８９，７４１号、「燃料電池」という名称の米国特許出願第１２／１５３，７６４号、および「いくつかの電池を含有する膜線条として形状付けられたバッテリ」という名称の米国特許第５，８６１，２２１号に説明されるものである。
【００７２】
ＰＥＬは、燃料電池層、電子伝導性要素、イオン伝導性要素、またはこれらの組み合わせへと結合され、または、接着されて良い。この結果、いくつかの実施例において、ＰＥＬを具備する燃料電池層は、付加的なまたは外部的な圧縮力を最小限にし、またはまったく用いることなく、ＰＥＬと電極コーティングまたは電子伝導性要素との間の接触抵抗を小さくできる。いくつかの例において、ＰＥＬは、例えば、膜の変形、触媒のクラック、または双方を減らすことにより、付加的な構造支持および堅牢性を燃料電池層に設けて良い。
【００７３】
図７は、ＰＥＬを具備する燃料電池層を準備する１つの潜在的な方法のプロセスブロック図である。この方法２００において、スラリー要素２０２が混合段階２４０で処理されてスラリー２１４を生成して良い。スラリー２１４は成型段階２５０で処理されて湿潤なフィルム２１６を生成して良い。湿潤なフィルム２１６は乾燥段階２６０で処理されて良く、オプションとして孔生成段階２６５、および、さらにオプションとして活性化段階２６７で処理されて、ＰＥＬフィルム２１８を形成して良い。ＰＥＬフィルム２１８は燃料電池層とともに燃料電池付加段階２７０で処理され、オプションとして、ギャップ形成段階２７５で処理され、ＰＥＬを具備する燃料電地層２２２を形成して良い。
【００７４】
混合段階２４０では、スラリー要素２０２が組みあわされ混合されて良い。スラリー要素２０２は、１つまたはそれ以上の電気伝導性材料２０４、１つまたはそれ以上のバインダ２０６、および１つまたはそれ以上の溶媒２０８を含んで良い。電気伝導性材料２０４は粒子、例えばフラグメントまたは繊維を含んで良い。電気伝導性材料は異方性のある粒子を含んで良い。そのような電気伝導性材料を含むＰＥＬは電気的な異方性を発現して良い。
【００７５】
スラリー要素２０２は、フィラーとして作用し、またはスラリー２１４のレオロジーに影響を与え、例えば、ずれ流動性を付与することによりそのようになす、電気伝導性材料を含んで良い。スラリー要素２０２は、ＰＥＬのマイクロ構造に影響し、例えば、孔またはマイクロ孔を形成し、あるいは、他の電気伝導性材料の粒子とリンクすることによりそのようになす、電気伝導性材料を含んで良い。電気伝導性材料２０４はＰＥＬ中に所望のマイクロ構造を形成するのに最適化された平均径または寸法を伴う粒子（フラグメント）を含んで良い。１例の実施例では、粒子は、ＰＥＬ中に充分な空隙性を付与するのに充分なだけ大きく、容易にスラリー２１４を成型するのに充分なだけ小さい。具体的な例の実施例では、電気伝導性材料２０４はカーボンファイバー、カーボンブラック、およびグラファイトの１または複数を含む。
【００７６】
スラリー要素２０２は電気伝導性材料への接着および／または接触を助長するためにバインダ２０６を含んで良い。スラリー要素２０２はＰＥＬ中に弾性または延性を付与するバインダを含んで良い。スラリー要素２０２は、腐食耐性のあるバインダを含んで良い。一例の実施例において、スラリー要素２０２では、バインダ２０６の電気伝導性材料２０４に対する比は、電気伝導性材料２０４の粒子が一緒に保持されるに足るだけ大きく、ＰＥＬフィルム２１８が充分な空隙性および伝導性を有するに充分なだけ小さなものである。具体的な事例の実施例では、スラリー要素２０２はＰＶＤＦを含む。スラリー要素２０２はバインダを溶かす溶媒２０８を含んで良い。
【００７７】
スラリー要素２０２はオプションとして孔生成剤を含んで良い。スラリー要素２０２は、例えば、溶解、蒸発、または焼成によって除去される材料を含んで良い。例えば、スラリー要素２０２は１つまたはそれ以上の孔生成剤、例えば、塩、ワックス、および他の変形しやすい材料を含んで良い。
【００７８】
スラリー要素２０２は、種々の手段、例えば、攪拌、混合、揺動、または回転により混合されて、スラリー２１４を生成してよい。スラリー２１４は種々の特性を有して良い。スラリー２１４は、成型段階２５０で用いられるコーティングまたはプリント方法のタイプに適合できる特性を伴って良い。例えば、スラリー２１４は引き出しを可能にする特性を伴って良い。躯体的な事例の実施例において、スラリー２１４は、表面に渡ってドクターブレードを引くことにより成型できるように固体内容物およびレオロジーを伴う。
【００７９】
成型段階２５０では、スラリー２４０は転写フィルム２１５に塗布されて湿潤なＰＥＬフィルム２１６を生成して良い。転写フィルム２１５は化学的に不活性で、温度耐性があり、変形可能な材料を含んで良い。いくつかの事例の実施例では転写フィルム２１５はポリテトラフルオロエチレン（ＰＥＦＥ）を含んで良い。スラリー２１４は種々の異なる方法を用いて塗布または成型されて良い。例えば、スラリー２１４は剪断応力をスラリー２１４に加える方法により成型されて良い。事例の実施例では、スラリー２１４は表面に渡ってそれを引き出すことにより成型される。しかしながら、スラリー２１４は、代替的には、他のタイプのフィルム成型（例えばテープ成型）、スクリーン印刷、または他の慣用的なコーティングまたはプリント方法を用いて塗布されて良い。
【００８０】
いくつかの実施例において、成型段階２５０は、形態学的に異方性を有する湿潤ＰＥＬフィルム２１６、例えば、主に１つの方向に配向された異方性電気伝導性材料の粒子を伴う湿潤フィルムを製造する。具体的な事例の実施例では、成型段階２５０は、湿潤ＰＥＬフィルム２１６の平面上の１つの方向に主に配向された異方性電気伝導性材料の粒子を伴う湿潤フィルムを製造する。
【００８１】
乾燥段階２６０では、溶媒を蒸発可能にして、実質的に溶媒を含まない、ＰＥＬフィルム２１８を形成する。湿潤ＰＥＬフィルム２１６はある温度、ある圧力で所定の時間歓送されよい。事例的な実施例において、湿潤ＰＥＬフィルム２１６は、バインダのガラス転移温度または溶融温度以下の温度で乾燥されて良い。事例の実施例において、湿潤ＰＥＬフィルム２１６は、それを迅速に乾燥させることができる温度および圧力で乾燥されて、電気伝導性材料のマイグレーションが阻止できるようになし、かつ、蒸発する溶媒がマイクロ構造を破壊するほど迅速ではないようにする。具体的な事例の実施例では、湿潤ＰＥＬフィルム２１６は約８０°Ｃ〜約１２０°Ｃの範囲の温度、約１気圧未満の圧力で、約２０〜約４０分の間の時間だけ、加熱されて良い。
【００８２】
燃料電池付加段階２７０では、ＰＥＬフィルム２１８が燃料電池層２２０上に付加される。燃料電池層２２０は平面燃料電池であって良い。燃料電池層は、個々の電極コーティングの間にギャップまたは誘電体領域を伴う完成した燃料電池層２２０ａであっても良く、個々の電極コーティングの間にギャップまたは誘電体領域を伴わない不完全な燃料電池層２２０ｂであっても良い。
【００８３】
事例の燃料電池付加段階２７０においては、ＰＥＬフィルム２１８は燃料電池層２２０の上または下に配置され、ＰＥＬフィルム２１８および燃料電池層２２０が、所定の時間だけ、ある温度に加熱され、ある圧力に置かれて良い。ＰＥＬフィルム２１８および燃料電池層２２０は、例えば、燃料電池沿う中のイオン伝導性要素のガラス転移温度より高い温度で、かつ、イオン伝導性要素が劣化する温度、バインダ２０６のガラス転移温度より若干高い温度より低い温度で加熱されて良い。ＰＥＬフィルム２１８は、ＰＥＬフィルム２１８および燃料電池層２２０の電極コーティングを密接な接触の下におくのに充分な圧力にさらして良い。事例の実施例において、ＰＥＬフィルム２１８および燃料電池層２２０は、約１０分より短い時間間隔だけ、約１１０°Ｃ〜約１５０°Ｃの範囲の温度に加熱され、約２５ｐｓｉ〜約２００ｐｓｉの範囲の圧力の下に置かれて良い。
【００８４】
いくつかの実施例において、ＰＥＬフィルム２１８は、平坦ではない電極コーティングを具備する燃料電池層２２０に適用されて良い。例えば、ＰＥＬフィルム２１８は、本出願人の出願に係る、「非対称構造を伴う燃料電池および燃料電池要素ならびにその方法」という名称の米国特許出願に説明されるような、非対称燃料電池層、または波条あるいは非規則的な燃料電池層に適用されて良い。例えば、ＰＥＬフィルムは、変形可能な材料（例えば、オープンセルスポンジのようなスポンジ）をＰＥＬフィルムの外側に配して、アノードコーティングの表面形状を保ったままで、ＰＥＬおよびアノードコーティングの間を密に接触させて、凹の、またはたる型形状のアノードコーティングを伴う円両電池層に結合させて良い。そのような実施例において、燃料電池層は、さらに、支持構造を燃料電池層および／またはＰＥＬに結合させて付加的な支持を実現して良い。そのような支持構造は、当該層のアノード側、当該層のカソード側、または双方に結合されて良い。例えば、支持構造は寸法的に安定した多孔性材料を含んで良く、これは、燃料電池層の電流コレクタに結合されて良い。そのような支持構造は付加的な圧縮または結合力を付与してＰＥＬおよび電極コーティングの間の接触を増強させて良い。
【００８５】
結合されたＰＥＬフィルムおよび燃料電池層は、オプションとして、パターン処理段階２７５で処理されてＰＥＬを具備する燃料電池層２２２を形成して良い。パターン処理段階２７５では、個々のＰＥＬの間で、オプションとして個々の電極コーティングの間で、非連続性が形成されて良い。そのような非連続性は、隣接する電気化学電池を電気的に絶縁することができる。いくつかの実施例において、非連続性は、コーティング段階２５０の間に、ギャップまたは誘電体領域として湿潤ＰＥＬフィルム２１６に前置パターン処理されて良く、またはコーティング段階２５０の後に形成されて良い。いくつかの実施例において、非連続性は、燃料電池付加段階２７０に先立って、ギャップまたは誘電体領域として湿潤ＰＥＬフィルム２１６に形成されて良い。本出願人の出願に係る、「非連続性の領域を含む電気化学電子組立体」という名称の米国特許出願第１２／３４１，２９４号は実現可能な非連続性用の配列を説明し、その内容は参照してここに組み入れる。
【００８６】
スラリー要素２０２が孔生成剤を含むならば、方法２００はオプションの孔生成段階２６５を含んで良い。孔生成段階２６５では、孔生成剤が、例えば、溶媒中での溶解または蒸発により除去されて良い。孔生成段階２６５は、それがある場合には、乾燥段階２６０の前、期間、またはその後に実行されて良い。
【００８７】
いくつかの実施例において、方法２００はオプションの活性化段階２６７を含む。オプションの活性化段階２６７では、湿潤ＰＥＬフィルム２１６、ＰＥＬフィルム２１８、または燃料電池層２２０が活性化処理または前処理を受けて良い。活性化処理は、媒介剤２１７の塗布を含んで良い。媒介剤２１７は、例えば、ＰＥＬフィルム２１８と燃料電池層２２０の電極コーティングとの間の結合または接着を改善させる。媒介剤２１７は、ＰＥＬフィルム２１８または燃料電池層２２０の電極コーティング中に存在する材料、例えば、バインダ２０６、触媒、アイオノマー、または電子伝導性材料２０４を含んで良い。他の実施例において、オプションの活性化段階は、湿潤ＰＥＬフィルム２１６、ＰＥＬフィルム２１８、または燃料電池層２２０を活性化させる他の方法を含んで良い。活性化段階２６７がある場合には、この活性化段階２６７は乾燥段階２６０の前、途中、または、その後に実行されて良く、また、オプションの孔生成段階がある場合にはその前、途中、または、その後に実行されて良い。
【００８８】
方法２００またはそのいずれの段階も、燃料電池層がカソードおよびアノードＰＥＬの双方を有すべきなのか、カソードＰＥＬまたはアノードＰＥＬの一方のみを有すべきなのかに応じて、繰り返されて良い。
【００８９】
［例］
事例の実施例において、方法２００に従って準備されたＰＥＬフィルムが図２Ｂの事例の平面燃料電池層と類似の燃料電池層に結合された。図８は性能増強層を伴うそのような燃料電池層の事例の性能データを、性能増強層を伴わない燃料電池層の性能と比較して図説する。図から理解できるように、ＰＥＬをともなう燃料電池層の性能はＰＥＬを伴わない燃料電池層の性能に較べて顕著に大きい。
【００９０】
図９は、方法２００に従って準備された燃料電池層の模式的平面図であり、ここでは、ＰＥＬフィルムは、ファイバ２８６を含むスラリーを引き出してそのようなファイバを図９において示すＹ方向に整合させることにより準備された。図説の実施例では、ファイバ２８６の配向の主たる方向は、ＰＥＬ２８２の平面中にあり、各ユニット燃料電池の１つの側から他の側へ伸びる、１つ方向である（図ではＹ方向として示される）。
【００９１】
上述の事例の実施例に従って準備されたＰＥＬフィルムについて抵抗測定が行われた。これらの測定から、伝導性が計算された。１インチ×２インチの寸法を各々有する３つの試片がＰＥＬフィルムから切り出された。各試片は、引っ張り方向（例えば、剪断応力が加えられた方向）を基準にした３つの異なる配向を伴っていた。すなわち、（１）引っ張り方向と平行、（２）引っ張り方向と４５°、および、（３）引っ張り方向と９０度である。
【００９２】
試片の各々の平面内抵抗が、試片に接触された２つのアームの間に電圧を印可して結果としての電流を測定することにより、測定された。表１および図１０の各々は試片の抵抗および伝導性を示す。
【表１】
【００９３】
理解できるように、引っ張り、または引き出しの方向からの角度（例えば剪断応力が加えられた方向からの角度）が増加すると、ＰＥＬフィルムの抵抗が増大し、その伝導性が減少する。したがって、異方性電気特性を伴うＰＥＬフィルムが準備された。ＰＥＬフィルムは好ましい配向で燃料電池層に適用されて予め定められた方向の伝導性が大きなＰＥＬを形成して良い。例えば、剪断応力が加えられた方向が個々のユニット燃料電池の長さ方向と直交するようにＰＥＬフィルムを配向させることにより、ＰＥＬフィルムを燃料電池層に適用して良い。
【００９４】
方法２００は、ＰＥＬを伴う燃料電池層を準擬する方法の１例である。他の実施例において、アノードコーティングまたはカソードコーティングの内側にＰＥＬを配した燃料電池層が、ＰＥＬを複合体に結合させ；電極コーティングをＰＥＬフィルムの外側に付加し；オプションとして複合体、ＰＥＬフィルムおよび電極コーティングを結合させ；オプションとしてＰＥＬフィルムまたは電極コーティングにギャップを形成することにより、準備されて良い。
【００９５】
他の実施例は、電極コーティングを直接にＰＥＬフィルムに付加し；ＰＥＬフィルムおよび電極コーティングを燃料電池層に結合し；オプションとしてＰＥＬフィルムまたは電極コーティングにギャップを形成することにより、準備されるＰＥＬを伴う燃料電池層を含む。
【００９６】
さらに他の実施例において、ＰＥＬフィルムは、バインダ、およびオプションとして電気伝導性材料を混合してスラリーを形成し；スラリーを異方性粒子を含む電気伝導性材料に成型して湿潤ＰＥＬフィルムを形成し；湿潤ＰＥＬフィルムを乾燥させてＰＥＬフィルムを形成することにより、準備されて良い。
【００９７】
［付加的な実施例］
この発明は以下の事例的な実施例を実現し、その符号付けは必ずしも図において説明された実施例の番号付けと関連しない。
【００９８】
実施例１は、燃料電池用の性能増強層において：１またはそれ以上の電気伝導性材料であって、少なくともそのうちの１つが、形態学的に異方性を有し、当該層内において異方性伝導性をもたらす粒子を含むものと；バインダとを有し；上記バインダは上記粒子を相互に接触するように位置づけることを特徴とする性能増強層を実現する。
【００９９】
実施例２は、上記１またはそれ以上の電気伝導性材料のうちの少なくとも１つにある上記粒子が、上記層において、上記層の平面内の第１の方向に、上記層の上記平面と直角な第２方向に較べて、大きくなる伝導性を付与するように配向される実施例１記載の性能増強層を実現する。
【０１００】
実施例３は、上記１またはそれ以上の電気伝導性材料のうちの少なくとも１つにある上記粒子が、上記層において、上記層の平面内の第１の方向に、上記層の上記平面内の第３の方向に較べて、大きくなる伝導性を付与するように配向される実施例１または２記載の性能増強層を実現する。
【０１０１】
実施例４は、上記粒子は上記第１の方向に剪断応力を加えることにより配向される実施例１〜３記載の性能増強層を実現する。
【０１０２】
実施例５は、上記電気伝導性材料は炭素を有する実施例１〜４記載の性能増強層を実現する。
【０１０３】
実施例６は、上記電気伝導性材料はカーボンファイバー、カーボンブラック、グラファイト、またはこれらの組み合わせを有する実施例１〜５記載の性能増強層を実現する。
【０１０４】
実施例７は、上記異方性粒子はカーボンファイバーである実施例１〜６記載の性能増強層を実現する。
【０１０５】
実施例８は、上記電気伝導性材料はカーボンブラックを有する実施例１〜７記載の性能増強層を実現する。
【０１０６】
実施例９は、上記電気伝導性材料はグラファイトを有する実施例１〜８記載の性能増強層を実現する。
【０１０７】
実施例１０は、上記バインダはポリビニリデンフロライドを有する実施例１〜９記載の性能増強層を実現する。
【０１０８】
実施例１１は、上記バインダは上記層中に弾力性、可塑性、または双方を付与する実施例１〜１０記載の性能増強層。
【０１０９】
実施例１２は、上記層は多孔性であり、上記層の一側から他側へ流体を大量に搬送可能にする実施例１〜１１記載の性能増強層を実現する。
【０１１０】
実施例１３は、上記層の厚さは１ｍｍより小さい実施例１〜１２記載の性能増強層。
【０１１１】
実施例１４は、上記層の厚さは約５０μｍから約２００μｍの範囲である実施例１〜１３記載の性能増強層を実現する。
【０１１２】
実施例１５は、上記層はイオンの流れに対して透過性を有する実施例１〜１４記載の性能増強層を実現する。
【０１１３】
実施例１６は、さらに、上記バインダと接触する、２またはそれ以上の電極コーティングを有する実施例１〜１５記載の性能増強層を実現する。
【０１１４】
実施例１７は、電極コーティングを具備する燃料電池用の性能増強層を製造する方法において：１またはそれ以上の電気伝導性材料、バインダ、および溶媒を十分に混合してスラリーを形成するステップと；上記スラリーを十分に成型して湿潤フィルムを製造するステップと；上記湿潤フィルムを十分に乾燥させてフィルムを製造するステップと；上記フィルムを燃料電池層に結合するステップとを有することを特徴とする、上記方法を実現する。
【０１１５】
実施例１８は、上記性能増強層、上記電極コーティング、上記性能増強層を伴う上記燃料電池層、またはこれらの組み合わせをパターン処理するステップを有する実施例１７記載の方法を実現する。
【０１１６】
実施例１９は、上記スラリーは固体成分を有し、それを成型するレオロジーを有する実施例１７〜１９記載の方法を実現する。
【０１１７】
実施例２０は、上記成型のステップは、上記スラリーを転写フィルムに成型することを含む実施例１７〜１９記載の方法を実現する。
【０１１８】
実施例２１は、上記フィルムを活性化させて上記電極コーティングの表面への接着を改善させるステップを有する実施例１７〜２０記載の方法を実現する。
【０１１９】
実施例２２は、上記活性化のステップは、上記電極コーティングへの接着を助長する材料を塗布することを有する実施例２１記載の方法を実現する。
【０１２０】
実施例２３は、実質的に平坦な層を形成するように隣接して配された１または複数の燃料電池と；１つのイオン伝導性要素および２つまたはそれ以上の電子伝導性要素を含む複合体と；それぞれ上記イオン伝導性要素とイオン性接触を行い、上記電子伝導性要素の少なくとも１つと電気接触を行う２つの電極コーティングであって、それぞれ内側表面および外側表面を含むものと；上記電極コーティングのうちの１つの１の表面と接触し、または近接して配される性能増強層であって、関連する電子伝導性要素への、または、それからの電気伝導性経路を形成するものとを有することを特徴とする燃料電池層を実現する。
【０１２１】
実施例２４は、上記性能増強層は、少なくとも１つの電気伝導性材料と１つのバインダとを有する実施例２３記載の燃料電池層を実現する。
【０１２２】
実施例２５は、上記電気伝導性材料のうちの１つは形態学的な異方性を伴う粒子を有する実施例２３〜２４記載の燃料電池層を実現する。
【０１２３】
実施例２６は、上記粒子は上記層中に伝導性異方性を付与するように配向される実施例２３〜２５記載の燃料電池層を実現する。
【０１２４】
実施例２７は、上記性能増強層は上記電極コーティングの上記内側表面に隣接して配される実施例２３〜２６記載の燃料電池層を実現する。
【０１２５】
実施例２８は、上記性能増強層は上記電極コーティングの上記外側表面に隣接して配される実施例２３〜２７記載の燃料電池層を実現する。
【０１２６】
実施例２９は、上記性能増強層は、上記燃料電池層に対して構造的支持を実現する実施例２３〜２８記載の燃料電池層を実現する。
【０１２７】
実施例３０は、上記性能増強層は、上記燃料電池層を変形しにくくする実施例２３〜２９記載の燃料電池層を実現する。
【０１２８】
以上の記述は説明的であることを意図しており、制約的ではない。他の実施例も利用でき、例えば、当業者は以上の記述を検討することにより採用できる。また、以上の発明の詳細な説明において、種々の特徴をグループ化して説明を簡便にしている。これは、特許請求の範囲に記載されていない特徴がいずれかの請求項において基本的であると理解されてはならない。したがって、特許請求の範囲は発明の詳細な説明に組み込まれ、各請求項はそれ自体で個別の実施例を表す。この発明の範囲は、特許請求の範囲や、そのような特許請求の範囲の権限が及ぶ均等の全範囲を参照にして決定されるべきである。
【０１２９】
要約は規則（３７Ｃ．Ｆ．Ｒ １．７２（ｂ））に適合するものであり読者に技術的開示の本質を即座に把握させることを可能にする。これは、請求項の範囲の意味を解釈したり範囲を限定するのに使用されないことに留意されたい。
【符号の説明】
【０１３０】
１１２ 電子伝導性要素
１１６Ａ アノードコーティング
１１６Ｃ カソードコーティング
１１８ イオン伝導性要素
１２０ 誘電体領域（インターフェース領域）
１２４ 複合層（複合体）
１２６ クラック
１４０ ユニット燃料電池
１５０ 平面燃料電池層
【背景技術】
【０００１】
燃料電池は、漸増する大規模用途、例えば、材料ハンドリング（例えばフォークリフト）、交通（例えば電気またはハイブリッド自動車）、およびオフグリッド電力源（例えば非常電力源または通信）のための電力源として採用できる。より小型の燃料電池は可搬型の消費者用途、例えば、ノートブックコンピュータ、セルラー電話、パーソナルデジタルアシスタンツ（ＰＤＡ）、その他に向けて、現在開発されている。
【０００２】
燃料電池は慣用的な燃料電池スタックの形態で結合して良い。多くの慣用的な燃料電池スタックはガス拡散層（ＧＤＬ）を採用して１つのユニット電池の触媒層（例えばアノード）から電流を集めてこれを次のユニット電池の対向する触媒層（例えばカソード）に搬送する。多くの慣用的な燃料電池スタックにおいて、電流の流れの優勢な方向は燃料電池およびＧＤＬの平面と直交する方向である。
【０００３】
燃料電池は、端部集結構造、例えば平坦構造で、結合されても良い。そのような実施例においては、電子の流れの優勢な方向は、慣用的な燃料電池スタックにおける電子の流れの優勢な方向と異なって良い。慣用的な燃料電池スタックで用いられるＧＤＬは端部集結燃料電池システムとともに使用されて最適ではないであろう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００９／０１３０５２７号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００２／０１６８５２６号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００９／０１５１８４７号明細書
【発明の開示】
【０００５】
実施例は、１またはそれ以上の電子電導性材料を有し、これら電子伝導性材料の少なくとも１つが、形態学的に異方性を有して層およびバインダにおいて異方性伝導性を付与するように配向された粒子を含み、バインダが粒子を相互に接触するように位置づける、燃料電池用の性能増強層に関する。
【０００６】
この発明の実施例は、電極コーティングを具備する燃料電池層ようの性能増強層を製造する方法に関し、この方法は、スラリーを生成するのに充分な、１またはそれ以上の電気電導性材料、バインダ、および溶媒を混合するステップ、湿潤なフィルムを生成するのに充分なスラリーを成型するステップ、浸潤なフィルムフィルムを完成させるのに充分なだけ湿潤なフィルムを乾燥するステップ、およびフィルムを燃料電池層にボンディングするステップを含む。
【０００７】
実施例は、１つのイオン伝導性要素、および、２つまたはそれ以上の電子伝導性要素を含む複合体と、各々、イオン伝導性要素とイオン性接触を行い電子伝導性要素の少なくとも１つと電気的に接触する、２つの電極コーティングと、性能増強層とを含み、当該電極コーティングの各々は内側表面および外側表面を有し、当該性能増強層は、電極コーティングのうちの１つとその１つの表面で接触するように配置され、または近接して配置される、燃料電池に関する。当該層は、関連する電子伝導性要素への、または、それからの、電気伝導性経路を実現する。
【０００８】
添付の実施例はこの発明の非制約的な事例の実施例を図説する。図面において、同様の番号は類似の要素を記述するけれども、必ずしも同一である必要はない。異なるサフィックス文字を伴う同様の番号は類似の要素の異なる例を表すけれども、同一である必要はない。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】慣用的な燃料電池スタックの断面模式図である。
【図１Ａ】図１の慣用的な燃料電池スタックの従来のユニット燃料電池の拡大模式図である。
【図２Ａ】第１の例の平面燃料電池層の断面図である。
【図２Ｂ】第１の例の平面燃料電池層の断面図である。
【図３】図２の事例的な平面燃料電池層の事例的なユニット燃料電池の断面星傷である。
【図４Ａ】事例の実施例に従う、性能増強層（ＰＥＬ）を具備する事例の平面燃料電池層の断面図である。
【図４Ｂ】第２の事例の実施例に従う、ＰＥＬを具備する事例の平面燃料電池層の断面図である。
【図４Ｃ】第３の事例の実施例に従う、ＰＥＬを具備する事例の平面燃料電池層の断面図である。
【図５Ａ】事例の平面燃料電池における電子の流れの断面模式図である。
【図５Ｂ】事例の実施例に従う、ＰＥＬを具備する、事例の平面燃料電池における電子の流れの断面模式図である。
【図６】第４の事例の実施例に従う、ＰＥＬを具備する事例の平面燃料電池層の断面図である。
【図７】事例の実施例に従う、ＰＥＬを具備する燃料電池層を準備する方法のプロセスブロック図である。
【図８】ＰＥＬを具備しない燃料電池層、および、事例の実施例に従う、ＰＥＬを具備する燃料電池層の性能を示すグラフである。
【図９】事例の実施例に従う、ＰＥＬを具備する燃料電池層の頂部を示す図である。
【図１０】具体的な事例の実施例に従い準備されたＰＥＬフィルムから切り出した試片に対する、抵抗・対・角度および伝導性・対・角度のプロット図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下の説明において、具体的な詳細はこの発明の理解をより確実にするために提示される。しかしながら、この発明はこのような詳細を伴うことなく実施できる。他の例においては、この発明が不必要に不明瞭にならないようにするために周知の事柄は示されないし、説明されない。図は、理解を助けるために、この発明が実施できる具体的な実施例を示す。この発明の趣旨を逸脱することなく、これら実施例は組み合わされて良く、他の要素または構造上、または論理状の修正を行って良い。したがって、明細書および図面は説明のためのものであり、制約的でないものとして理解されなくてはならない。
【００１１】
この文書において参照されている文献、特許、および特許文書は、個々に参照してここに組み入れているけれども、ここで、すべて参照して組み入れることとする。当該文書とそれら文書との間で一貫性のない用例がある場合には、それら組み入れられた文書中の用例は当該文書の用例を補充するものと理解すべきであり、調整ができない場合には当該文書の用例が採用される。
【００１２】
当該文書においては、用語「１」が用いられる場合には、特許文献で通常のように、１または１より大きな場合を含み、これは任意の他の事例、または「少なくとも１つ」や「１または複数」の用例とは別である。当該文書においては、用語「または」は、そうでないと示される場合を除いて、非排他的なものを指すものとして用いられ、例えば、「Ａ、Ｂ、またはＣ」は「Ａ」のみ、「Ｂ」のみ、「Ｃ」のみ、「ＡおよびＢ」、「ＢおよびＣ」、「ＡおよびＣ」、および「Ａ、ＢおよびＣ」を含む。
【００１３】
添付の側面およびいずれの請求項においても、用語「第１」、「第２」、および「第３」等は単にラベルとして採用され、それらの対象の数的な要求を課すものでないことに留意されたい。
【００１４】
端部集結燃料電池用の性能増強層（ＰＥＬ）がここに実現される。ＰＥＬは、１つのユニット燃料電池における電極コーティングから電流コレクタ（または電子伝導性要素）へ、次のユニット電池の反対側の電極コーティングへの電流の流れのための経路を実現する。ＰＥＬは、異方性伝導性を有して良い。ＰＥＬは粒子を具備する電気伝導性材料を含む。粒子は形態学的な異方性を有し、性能増強層において大きな平面内伝導性を付与するように配向されてよい。ＰＥＬおよびＰＥＬを含む燃料電池層を準備する方法も提供される。
【００１５】
この発明の実施例は、プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池、またはＰＥＭ燃料電池の部品として説明される。しかしながら、実施例は、他のタイプの燃料電池、例えば、アルカリ燃料電池または固体酸化燃料電池において実施できる。実施例は、他のタイプの電気化学電池、例えば、電解槽または塩素アルカリ電池にも適用できる。
【００１６】
いくつかの実施例に従う燃料電池システムは、種々の用途の給電源として採用されて良い。例えば、燃料電池システムは、可搬型の消費者用途の装置、例えば、ノートブックコンピュータ、セルラー電話、またはＰＤＡを給電するのに採用されて良い。しかしながら、この発明は携帯型のアプリケーションに制約されるものではなく、実施例は、大規模用途、例えば、材料ハンドリングアプリケーション、交通アプリケーション、およびオフグリッド電力源、または他のより小型のアプリケーションに給電するのにも実施できる。
【００１７】
この発明の実施例は異なる設計の種々の燃料電池とともに実施できる。いくつかの端部集結燃料電池の実施がここで説明され、これは一般的には平面層からなる。ただし、代替的には、同一または他の実施例を他の端部集結燃料電池とともに採用して良く、これは存在していても、したいなくても良い。参照を容易にするために、ここでの説明を通じて、そのような端部集結燃料電池および関連技術は「平面」（ｐｌａｎａｒ）燃料電池、「平面」燃料電池システム、または「平面」燃料電池層と呼ばれる。しかしながら、いくつかの実施例において、そのような燃料電池は、この発明とともに実施するために平面でなくてよいことに留意されたい。例えば、ユニット燃料電池のすべてが同一平面に横たわらないかもしれない（例えば、それらは柔軟性があり、螺旋状であり、筒状であり、または波状であってよい）。他の例において、ユニット燃料電池のすべてまたは一部が同一平面に横たわってよい。
【００１８】
［定義］
ここで使用されるように、「複合層」または「複合体」は、厚さを伴う少なくとも２つの表面を含む層であって、１または複数のイオン伝導性の通路および１または複数の電気伝導性通路がそれら表面の間に設けられているものを指す。複合体のイオン伝導性および電気伝導性は、イオン伝導性通路および電気伝導性通路を異なる寸法、形状、密度、または配列で設けることにより、当該複合体の異なる領域で変化されてよい。複合層は１または複数のインターフェース領域を含んでよい。複合層は、流体、または具体的なタイプの流体（例えば気体または液体）に対して非透過性であってよい。いくつかの実施例において、層は、いくつかの流体には実質的に非透過性であり、他には透過性であってよい。例えば、層は、燃料から加えられるガス圧には実質的に非透過性であり、それでいて、水は、イオン伝導性要素に渡って浸入することができる。
【００１９】
ここで使用されるように、「電子伝導性要素」は電気的な伝導性通路を形成する複合層の要素を指す。電子伝導性要素は、電気的に伝導性の材料、たとえば、金属、金属フォーム、炭素質材料、電気伝導性セラミック、電気伝導性ポリマー、これらの組み合わせ等の１つまたは複数を含む。電子伝導性要素は電気伝導性でない材料を含んでも良い。電子伝導性要素はここでは「電流伝導性要素」または「電流コレクタ」も指すことがある。
【００２０】
ここで使用されるように、「イオン伝導性要素」はイオン伝導性通路を形成する要素を指す。イオン伝導性要素は複合体の要素であってよい。イオン伝導性要素はイオン伝導性材料、例えば、フルオロポリマー基礎のイオン伝導性材料、または炭化水素基礎の伝導性材料を含む。イオン伝導性要素は「電解質」または「電解質膜」とも呼ばれる。
【００２１】
ここで使用されるように、「インターフェース領域」は、電気的に伝導性でない、複合層の要素を指す。インターフェース領域は、例えば、無視可能なイオン伝導性および無視可能な電気伝導性を有する材料を含んで良い。インターフェース領域は電子伝導性領域と件連付けて用いられて電流コネクタを形成してよく、この場合、インターフェース領域は電子伝導性領域に隣接して電子伝導性領域の一方の側または両側に被着される。電子伝導性領域はインターフェース領域中に埋め込まれて電流コレクタを形成して良い。インターフェース領域は電流コレクタにおいてオプションの要素であり、必須の要素でないことに留意されたい。電流コレクタの要素として使用されるときには、インターフェース領域は、電子伝導性領域およびイオン伝導性領域の間の接着性を向上させるために使用でき、および／または、隣接電気化学電池の間の電気絶縁を実現するのに使用できる。
【００２２】
ここで使用されるように、「粒子」は材料の部分、ピース、フラグメントを指す。例えば、電気伝導性粒子は電気化学層の繊維、フレーク、フラグメント、または非連続な部分を含んでよい。
【００２３】
ここで使用されるように、「平面」（ｐｌａｎｅ）は、既知拡張および空間方向または位置を伴う２次元仮想表面を指す。例えば、矩形ブロックは、相互に直交する、１つの垂直の平面および２つの水平な平面を具備して良い。平面は相互との関係で、例えば、９０°より大きな、または小さな角度を用いて定義されて良い。
【００２４】
ここで使用されるように、「燃料」は、燃料電池における燃料として使用して好適な任意の材料を指す。燃料の例は、これに限定されないけれども、水素、メタノール、エタノール、ブタン、水素化ホウ素化合物、例えば、水素化ホウ素ナトリウムまたはカリウム、蟻酸、アンモニア、およびアンモニア誘導体、例えば、アミンおよびヒドラジン、金属錯体水素化物化合物、例えば、アルミニウム水素化ホウ素、ボラン例えばジボラン、炭化水素、例えば、シクロヘキサン、カルバゾール、例えば、ドデカヒドロ−ｎ−エチルカルバゾール、および他の飽和環状、多環式炭化水素、飽和アミノボラン、例えば、シクロトリボラザンを含んでよい。
【００２５】
慣用的な従来の燃料電池スタック１０は図１に示される。燃料電池スタック１０は個々の燃料電池２０を具備し、これらは直列に配置される。燃料電池２０は例えばプロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池を含んで良い。燃料電池スタック１０はマニホールド（図示しない）を有し、このマニホールドに燃料、例えば水素ガス、および、酸化剤、例えば空気または酸素が案内される。
【００２６】
燃料および酸化剤は、ユニポーラプレート１１およびバイポーラプレート１２を介してユニット燃料電池２０へ移動し、これらは流れチャネル２２および陸部２４を具備する。燃料はバイポーラプレート１２Ａ中の流れチャネル２２から多孔性の電流搬送層またはガス拡散層（ＧＤＬ）１４Ａを介してアノード触媒層１６Ａへと移動する。アノード触媒層１６Ａにおいて、燃料は化学反応を経験して自由電子および正帯電イオン（典型的にはプロトン）を生成する。自由電子はＧＤＬ１４Ａによって集められ、バイポーラプレート１２Ａを通過して次のユニット燃料電池のＧＤＬ１４Ｃへと進む。イオンは電子絶縁性のイオン交換膜１８を通じて反対方向へ移動する。イオン交換膜１８はアノード触媒層１６Ａおよびカソード触媒層１６Ｃの間に横たわる。
【００２７】
図１Ａは、図１の慣用的な燃料電池スタック１０のユニット燃料電池２０の断面模式図である。燃料電池２０において、電子はアノード触媒層１６Ａの化学反応サイトからＧＤＬ１４Ａへと移動する。プロトン（または他の正に帯電したイオン）はイオン交換膜１８を入り、この中を電子の流れる方向と逆の方向に流れていく。ＧＤＬ１４Ａにおいて回収された電子はバイポーラプレート１２Ａの陸部２４を通じて次のユニット電池のＧＤＬ１４Ｃへと移動する。そのような燃料電池において、電子の流れ、および、イオンの流れは一般的には逆方向であり、両者は、イオン交換膜１８、ＧＤＬ１４および触媒層１６の平面に対して実質的に直交である。
【００２８】
触媒層１６Ｃにおいて、プロトンおよび負帯電の酸素イオンが結合して水を形成する。生成された水はＧＤＬ１４Ｃに残り、あるいはイオン交換膜１８に吸収されて、バイポーラプレート１２Ｃの流れチャネル２２へと移動し、または、これらが組合わさる。
【００２９】
ＧＤＬ１４は、電子をバイポーラから触媒層に案内し、またはその逆に案内するので、ＧＤＬ１４はしばしば大きな平面内伝導性を必要とし、例えば、燃料電池およびＧＤＬの平面に直交する方向に電気伝導性を必要とする。
【００３０】
典型的には、燃料電池スタックに圧縮力が加えられて燃料および酸化剤の漏洩を防止し、触媒層、ＧＤＬ、およびバイポーラプレートの間の接触抵抗を減少させる。具体的には、多くの燃料電池スタックは、ＧＤＬおよびバイポーラプレートの間の良好な電気接触を実現するために圧縮力を必要とする。燃料電池スタックは、そのために、多くの部品（例えばクランプ）を必要とし、組立が極めて複雑になる。
【００３１】
図２Ａおよび２Ｂは、第１例の平面燃料電池層１００および第２例の平面燃料電池１１０の断面図を示し、これらは本出願人の出願に係る米国特許第１１／０４７，５６０号および特許協力条約出願第ＣＡ２００９／０００２５３号に説明され、これらの名称はそれぞれ、「電気化学反応層の下に設けた電流搬送構造を具備する電気化学電池」および「電気化学電池およびこれに関連する膜」である。事例の平面燃料電池層１００、１１０は複合層１２４、１２４'を有し、これがイオン伝導性要素１１８、１１８'、および電子伝導性要素１１２、１１２'を具備する。オプションとして、複合体１２４、１２４'はインターフェースまたは基体領域１２２、１２２'を具備しても良い。インターフェースまたは基体領域１２２、１２２'は、電気的かつイオン的絶縁性を有する材料を含む。燃料電池層１００、１１０は、２つのタイプの電極コーティング、すなわち、カソードコーティング１１６Ｃ、１１６Ｃ'、およびアノードコーティング１１６Ａ、１１６Ａ'を具備する。カソードコーティング１１６Ｃ、１１６Ｃ'は複合層１２４、１２４'の第１の側に配され、複合層１２４、１２４'の第１の表面に接着される。アノードコーティング１１６Ａ、１１６Ａ'は複合層１２４、１２４'の第２の側に配され、複合層１２４、１２４'の第２の表面に接着される。カソードコーティング１１６Ｃ、１１６Ｃ'およびアノードコーティング１１６Ａ、１１６Ａ'はギャップまたは誘電体領域１２０、１２０'によって相互に分離される。
【００３２】
図３は、事例の平面燃料電池層１００のユニット燃料電池１４０の断面模式図である。図示の実施例において、燃料および酸化剤はそれぞれ水素および酸素である。ただし、この発明の実施例は燃料および酸化剤の他の組み合わせを採用した燃料電池とともに採用されてよいことに留意されたい。水素はアノードコーティング１１６Ａに接触し、プロトンおよび電子に分解する。電子は、アノードコーティング１１６Ａの平面と主に平行な方向にアノードコーティング１１６Ａを通じて移動し、電子伝導性要素１１２Ｂに入りこれを通じて移動し、この電子伝導性要素１１２Ｂは次のユニット電池と共有される。プロトンは、アノードコーティング１１６Ａ内の化学反応サイトから移動し、アノードコーティング１１６Ａを通じて電子が移動する方向と実質的に直交する方向に移動する。電子伝導性要素１１２ｂにおいて収集された電子は次のユニット電池のカソードコーティングへと移動していく。電子は電子伝導性要素１１２ａからカソードコーティングを通じて、カソードコーティング１１６Ｃの平面と主に平行な方向に移動する。酸素はカソードコーティング１１６Ｃと接触し、化学反応サイトへと移動する。酸素は還元され、その結果、水が生成され、これはカソードコーティング１１６Ｃから出て、または、そこに残る。
【００３３】
いくつかの端部集結燃料電池層では、電極コーティングまたは他の層が、当該コーティングの平面に平行な方向（例えば、多くの慣用的な燃料電池と同様に、コーティングの平面と直角な方向と逆に）に対して良好な電気伝導性を伴うことが好ましいであろう。いくつかの端部集結燃料電池層は非常に小さな個々の燃料電池を採用して電子の流れが移動する距離を小さくし、これにより、オーム損失を最小化する。いくつかの端部集結燃料電池の電極コーティングは、電気化学作用に必要なものより大きい、触媒充填を伴う。そのような端部集結燃料電池では、触媒は、電流を案内すると共に電気化学反の触媒作用を起こすために利用される。いくつかの端部集結燃料電池層では、電極コーティングはクラックを生じやすく、これはコーティングの平面の電気抵抗を増大させる。いくつかの端部集結燃料電池の電極コーティングは伝導性が大きな材料を採用して電極コーティングの電気伝導性を大きくし、これは本出願人の出願に係る「改良された伝導性を伴う触媒層を具備する平面燃料電池」という名称の米国特許出願第１２／２７５，０２０号に説明され、その内容は参照してここに組み入れる。この発明の実施例は、電極コーティングの平面に平行に良好な伝導性を有する電気経路を利用する燃料電池層を説明する。
【００３４】
図４Ａは、事例の実施例に従う性能増強層を具備する平面燃料電池層の断面図である。平面燃料電池層１５０は、イオン伝導性要素１１８および電子伝導性要素１１２を具備する複合層１２４を含む。オプションとして複合層１２４はインターフェース領域１２２を具備しても良い。カソードコーティング１１６Ｃは複合体１２４の第１の側に配置され複合体１２４の第１の表面に接着される。アノードコーティング１１６Ａは複合体１２４の第２の側に配置され複合体１２４の第２の表面に接着される。カソードコーティング１１６Ｃおよびアノードコーティング１１６Ａは各々ギャップまたは誘電体領域１２０によって分離される。
【００３５】
平面燃料電池層１５０は１またはそれ以上のユニット燃料電池１４０を具備する。理解できるように、燃料電池層として組み立てられると、ユニット電池において、カソードコーティングは関連するイオン伝導性要素の第１の表面に配され、実質的に当該イオン伝導性要素と同一領域まで伸びる。アノードコーティングは関連するイオン伝導性要素の第２の表面に配され、実質的に当該イオン伝導性要素と同一領域まで伸びる。カソードコーティングおよびアノードコーティングの双方はイオン伝導性要素とイオン的に接触し、電子伝導性要素の１つに電気接触する。ユニット電池のカソードコーティングは第１の電子伝導性要素を実質的にカバーするように伸び、アノードコーティングは第２の電子伝導性要素を実質的にカバーするように伸びる。図示の例では、ユニット電池は直列に接続される。しかしながら、ユニット電池は、代替的には、並列にも、直列・並列の組み合わせの態様でも接続されて良い。
【００３６】
平面燃料電池層１５０は性能増強層（ＰＥＬ）１５２Ｃおよび１５２Ａを具備する。カソードＰＥＬ１５２Ｃはカソードコーティング１１６Ｃの外側に配されカソードコーティング１１６Ｃの外側表面に接着される。アノードＰＥＬ１５２Ａはアノードコーティング１１６Ａの外側に配されアノードコーティング１１６Ａの外側表面に接着される。カソードＰＥＬ１５２ＣおよびアノードＰＥＬ１５２Ａは各々ギャップまたは誘電体領域１２０によって分離される。ここでの説明を通して、用語「外側」および「内側」は、複合体またはイオン伝導性要素の中心を基準にして、それぞれ、より離れている方向、より近い方向を指すために用いられる。イオン伝導性要素は説明を容易にするために矩形のものとして示されているけれども、いくつかの実施例において、イオン伝導性要素は被規則的な形状を有し、凹または凸の表面を具備し、あるいは燃料電池層の中央を基準にして非対称に配されて良いことは、本発明者の理解し、意図するところである。さらに、イオン伝導性要素（および電子伝導性要素）のそのような潜在的な非対称性は、本出願人の出願に係る、「燃料電池および非対称性構造を具備する燃料電池要素ならびにその方法」という名称の米国特許出願第６１／２９０，４４８号、および、その優先権を主張する関連出願において見いだすことができ、その開示内容は参照してここに組み入れる。
【００３７】
ここでの記述を通じて、用語「性能増強」層は採用される。しかしながら、性能増強層は燃料電池層の電気性能を改善する必要がないことに留意されたい。ＰＥＬを含む燃料電池層は、ＰＥＬを伴わない燃料電池層に対して、以下の性能改善の１または複数を発揮して良い。すなわち、改善された電気性能、コストの低減；製造の大幅な容易化；劣化率の低減（改善された寿命性能）；性能ばらつきの低減、または、より大きな環境条件に渡る性能上の満足度；および環境汚染（例えば窒素酸化物、硫黄酸化物、炭素酸化物、その他）への耐性の改善である。
【００３８】
ＰＥＬは、電極コーティングの反応サイトと、関連する電子伝導性要素との間の電気経路を増強する。ＰＥＬを伴う燃料電池層では、電極コーティングの厚さをより薄くでき、このため触媒充填量を減少でき、よい経費効率を増強できる。ＰＥＬを伴う燃料電池層では、電気抵抗を小さくでき、そのため、ＰＥＬを伴わない燃料電池層にくらべて良好な性能を発揮できる。
【００３９】
図示の実施例において、カソードＰＥＬ１５２ＣおよびアノードＰＥＬ１５２Ａは実質的にカソードコーティング１１６Ｃおよびアノードコーティング１１６Ａとそれぞれ同一の広がりを有する。しかしながら、カソードＰＥＬ１５２ＣおよびアノードＰＥＬ１５２Ａは関連する電極コーティングと同一の広がりを有しなくとも良い。いくつかの実施例において、ＰＥＬは電極領域の全体まで広がらず、その表面面積は関連する電極コーティングの表面面積より小さい。他の実施例において、ＰＥＬは電極領域の全体を覆って広がり、その表面面積は関連する電極コーティングの表面面積より大きい。
【００４０】
図４Ｂは、第２の例の実施例に従う、ＰＥＬを伴う事例の燃料電池層の断面図である。平面燃料電池層１６０は、カソードコーティング１１７Ｃおよびアノードコーティング１１７Ａを具備する。図示の実施例において、カソードコーティング１１７Ｃおよびアノードコーティング１１７Ａは関連するイオン伝導性要素１１８と実質的に同一の広がりを有し、関連する電子伝導性要素１１２とはまったく、またはほとんど物理的に接触しない。平面燃料電池層１６０はカソードＰＥＬ１５４ＣおよびアノードＰＥＬ１５４Ａを具備する。図示の実施例において、カソードＰＥＬ１５４ＣおよびアノードＰＥＬ１５４Ａの各々は関連する電極コーティング１１７の外側表面の実質的にすべて、また関連する電子伝導性要素１１２の外側表面の実質的にすべてを覆うように伸びる。カソードＰＥＬ１５４Ｃはカソードコーティング１１７Ｃおよび関連する電子伝導性要素１１２の間の電気接続を実現する。アノードＰＥＬ１５４Ａはアノードコーティング１１７Ａおよび関連する電子伝導性要素１１２の間の電気接続を実現する。
【００４１】
燃料電池層１６０では、図説の実施例のＰＥＬを伴うので、電極コーティングの厚さがまたは面積が小さくなり、したがって、触媒充填が小さくなる。この結果、図説の実施例のＰＥＬによれば、平面燃料電池層の経費効率をより良好にすることとなる。これに加えて、あるいは、代替的に、ＰＥＬを伴う燃料電池層では、電気抵抗が小さくなり、このため、性能が大きくなる。ＰＥＬを伴う燃料電池層の準備方法では、触媒が燃料電池層の電子伝導性要素を被覆する必要がないので、ＰＥＬを伴わない燃料電池層に較べて精密性が要請されない。
【００４２】
図４Ｃは、第３の例の実施例に従う、ＰＥＬを伴う事例の燃料電池層の断面図である。平面燃料電池層１７０は、カソードコーティング１１６Ｃ'およびアノードコーティング１１６Ａ'を具備する。図示の実施例において、カソードコーティング１１６Ｃ'およびアノードコーティング１１６Ａ'は関連するイオン伝導性要素１１８'と実質的に同一の広がりを有し、関連する電子伝導性要素１１２の少なくとも一部を被覆するように広がる。燃料電池層はカソードＰＥＬ１５６ＣおよびアノードＰＥＬ１５６Ａを具備する。カソードＰＥＬ１５６ＣおよびアノードＰＥＬ１５６Ａは、各々、関連する電極コーティング１１６'の一部を被覆するように伸びる。図示の実施例において、ＰＥＬ１５６の表面面積は関連する電極コーティング１１６'の表面面積より小さい。図説の実施例のＰＥＬを伴う燃料電池層では、ＰＥＬを伴わない燃料電池層に較べて、個々の電極コーティングの電気絶縁を簡便にできる。この結果、ＰＥＬ１５７を伴う燃料電池層は準備するのがより簡便になる。
【００４３】
ＰＥＬは種々の材料を含んで良く、また、燃料電池層において、種々の異なる機能または目的のうちの１つまたは複数を達成してよい。ＰＥＬは、触媒充填を削減した電極コーティングを可能にすることによりコストを低減できる。これに加えて、または代替的に、ＰＥＬはユニット田地内の電気伝導性を改善し、これにより、燃料電池層の抵抗損失を減少させることができる。
【００４４】
ＰＥＬは大木の異なる態様で電気伝導性を改善して良い。例えば、ＰＥＬは電極コーティングにおけるクラック間の橋渡しをおこなってよい。図５Ａおよび図５ＢはＰＥＬと伴わない事例の平面燃料電池のユニット燃料電池１８０、事例の実施例に従う、ＰＥＬを伴う平面燃料電池のユニット電池１８５のそれぞれの断面模式図である。燃料電池１８０、１８５は、各々、カソードコーティング１７６Ｃ、１８６Ｃおよびアノードコーティング１７６Ａ、１８６Ａを具備する。カソードコーティング１７６Ｃ、１８６Ｃおよびアノードコーティング１７６Ａ、１８６Ａは各々クラック１２６を具備する。燃料電池１８５はカソードＰＥＬ１８８ＣおよびアノードＰＥＬ１８８Ａを具備する。
【００４５】
燃料電池１８０、１８５では先行するユニット電池からの電子が電子伝導性要素を通じてカソードコーティング１７６Ｃ、１８６Ｃに入る。燃料電池１８０のカソードコーティング１７６Ｃでは、電子は曲がりくねった経路と取って反応サイトに至る。アノードコーティング１７６Ａにおいて、電子は、反応サイトから電子伝導性要素へ至る、曲がりくねった経路と取る。しかしながら、クラック１２６'がアノードコーティング１７６Ａの厚さ全体に渡って伸びているので、電子は電子伝導性要素に到達できず、燃料電池１８０は作用しない。
【００４６】
燃料電池１８５のカソードコーティング１８６Ｃでは、電子は、カソードコーティング１８６Ｃの厚さを通じ、ＰＥＬ１８８Ｃの平面と平行な方向にＰＥＬ１８８Ｃを通じ、さらに、再び、触媒コーティング１８６Ｃの厚さを通じて移動することにより、反応サイトに到着する。アノード側で、電子は類似の経路をとる。電極コーティングがクラックを伴う事例の平面燃料電池において、ＰＥＬは電極コーティング内のクラックを超える架橋を形成することにより伝導性を改善できる。そのような燃料電池、すなわち、触媒充填が減少した電極を伴う燃料電池では、ＰＥＬが付加的な電気伝導性経路を付与して電圧損失を減少させることができる。
【００４７】
ＰＥＬは電気的に伝導性であり、多くの実施例において、ＰＥＬは大きな面内電気伝導性を伴う。いくつかの実施例において、ＰＥＬは電気的に異方性を伴い、例えば、それらは、１またはそれ以上の方向で１またはそれ以上の他の方向に較べて大きくなる電気伝導性を発現する。いくつかの実施例において、ＰＥＬは、ＰＥＬの面内の１またはそれ以上の方向で、ＰＥＬの平面と直角な方向の電気伝導性より大きな電気伝導性を伴う。いくつかの事例の実施例において、ＰＥＬは、ＰＥＬの平面内の第１の方向で、ＰＥＬの平面と直角な第２の方向、および、ＰＥＬの平面内の第３の方向の双方の電気伝導性より大きな電気伝導性を伴う。第３の方向は、第１の方向と直交で良く、また、第１の方向から他の角度だけ方位付けられていて良い。具体的な例の実施例では、ＰＥＬは、１つの電子伝導性要素から次の電子伝導性要素へ伸びる方向、および、その逆に伸びる方向に最も大きな電気伝導性を伴う。
【００４８】
ＰＥＬは、種々の電気伝導性材料を含んで良い。ＰＥＬは、腐食抵抗性である１またはそれ以上の電気伝導性材料を含んで良い。例えば、ＰＥＬは、カーボンブラック、グラファイト、カーボン繊維、カーボンフォーム、カーボンフレーク、カーボンナノチューブ、カーボン針、非晶質カーボンのような炭素を含んでよい。ＰＥＬは、付加的に、または代替的に、貴金属、腐食抵抗性金属または金属合金、および伝導性ポリマー（例えば（ポリアニリン）のような他の電気伝導性材料を含んで良い。
【００４９】
電気伝導性材料はＰＥＬの不連続な粒子または部分、例えば、フラグメント、フレークまたは繊維を含んで良い。いくつかの実施例において、電気伝導性材料は形態学的に異方性がある粒子を含む。例えば、電子伝導性材料は、形態学的に異方性がある、カーボン粒子、例えばカーボン繊維を含んで良い。電気伝導性材料は短いカーボン繊維（例えばユニット燃料電池の長さより小さな大きさのオーダーの平均長を伴う繊維）または長いカーボン繊維（例えばユニット燃料電池の長さと同じ大きさのオーダーの平均長を伴う繊維）を含んで良い。１の例の実施例では、繊維はイオン伝導性要素の厚さより短い。そのような実施例は繊維がイオン伝導性要素中へ侵入することにより起こされる電気ショートの発生を回避できる。
【００５０】
いくつかの実施例において、電気伝導性材料の異方性粒子は、ＰＥＬ中に異方性（例えば電気または熱の伝導性の異方性）を付与するように配向される。事例の実施例において、異方性粒子は、好ましい方位に剪断応力を加えることにより、配向される。そのような実施例は、異方性粒子を含むスラリーを引き出すことにより準備され、結果物のＰＥＬ中の異方性粒子は引き出した方向に整合される。他の実施例では、電気伝導性材料中の異方性の利点を有する。そのような実施例では、電気伝導性材料は織物または非織物のカーボン繊維の形態でカーボン繊維を含む。
【００５１】
いくつかの実施例において、ＰＥＬは強固または堅固であってよく、あるいは強固または堅固な材料を含んで良い。そのような実施例では、ＰＥＬをイオン伝導性要素の支持体を構成できる。他の実施例において、ＰＥＬは柔らかく、または弾力性があって良い。いくつかの実施例において、ＰＥＬは柔軟性があり、柔軟な、または屈曲可能な燃料電池層、例えば、本出願人の出願に係る、「屈曲可能な燃料電池により電力供給されるデバイス」という名称の米国特許第７，４７４，０７５号、または、それぞれ、「外部サポートを伴う柔軟な燃料電池構造」および「省スペース流体プレナムを含む燃料電池システムおよび関連方法」という名称の米国特許出願第１１／３２７，５１６号、および同第１２／２３８，２４１号に説明される燃料電池層と共に用いて良い。１つの事例の実施例において、ＰＥＬは、燃料電池の通常の動作において存在する応力または歪みが加えられたときに、弾力的であってよい。
【００５２】
ＰＥＬは異方性ある弾力性を伴っても良く、例えば、ＰＥＬは１またはそれ以上の方向で、１またはそれ以上の他の方向に較べて大きな弾力性を伴って良い。いくつかの実施例において、ＰＥＬは、ＰＥＬの平面内の１またはその以上の方向で、ＰＥＬの平面に直角な方向の弾力性に較べて大きな弾力性を有する。いくつかの事例の実施例において、ＰＥＬは、ＰＥＬの平面内の第１の方向で、ＰＥＬの平面と直角な第２の方向、および、ＰＥＬの平面内の第３の方向の双方の弾力性より大きな弾力性を伴う。第３の方向は、第１の方向と直交で良く、また、第１の方向から他の角度だけ方位付けられていて良い。具体的な例の実施例では、ＰＥＬは、１つの電子伝導性要素から次の電子伝導性要素へ伸びる方向、および、その逆に伸びる方向に最も大きな弾力性を伴う。
【００５３】
いくつかの実施例において、ＰＥＬは電極コーティング中にクラックが形成されるのを防ぎ、または減少させることにより電圧損失を減少させて良い。燃料電池の通常の動作の間、イオン伝導性要素は、水を吸収して拡大することになる。そのような実施例において、ＰＥＬをイオン伝導性要素の拡張を減少させて良く、あるいは、そのような拡張が電極コーティングに付与する応力を減少させて良い。例えば、ＰＥＬが堅固であれば、あるいは部分的に堅固であれば、ＰＥＬはイオン伝導性要素の変形を減少させることができる。
【００５４】
ＰＥＬはバインダまたは母材として機能する材料を含んでよい。いくつかの実施例において、バインダまたは母材として機能する材料は触媒層への接着を容易にする材料であって良い。バインダ材料は、電気伝導性粒子を一緒に保持するように働き、または電気伝導性材料を電極コーティングに結合するように働き、あるいはその両方として働いて良い。バインダ材料は、付加的な役割、例えば、燃料電池層中の熱や水を管理する役割を有して良い。バインダ材料は、電極コーティング、電子伝導性材料、またはイオン伝導性材料と良く結合して良い。バインダ材料は化学的に負活性または腐食に対して抵抗性を有して良い。バインダ材料は変形可能、水に対して不溶性、または、燃料の存在下で安定であってよい。例えば、ＰＥＬは、熱可塑性または熱硬化性のポリマーのようなプラスチックであるバインダ材料を含んで良い。例えば、ＰＥＬは、以下のうちの１つまたはそれ以上を含んで良い。すなわち、ポリビニリデンフロライド（ＰＶＤＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、およびペルフルオロスルホン酸（例えば、Ｅ．Ｉ．ＤｕＰｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐａｎｙから入手できるＮａｆｉｏｎ（商標）フルオロスルホン酸）のようなフルオロポリマー；非フッ素化アイオノマー；ポリエチレン、およびポリプロピレンのような非フッ素化熱可塑性材料；またはポリウレタンである。
【００５５】
いくつかの実施例において、触媒層が、当該触媒層を、電気連続性を完全に破壊すること無しにより変形可能にするバインダを含んで良い。これらバインダは、触媒層およびＰＥＬの間の結合も増強させ、よい頑強な燃料電池層を実現して良い。そのようなバインダ材料は、例えば、プラスチックまたは伝導性プラスチックである。例えば、Ｎｏｆｉｏｎのようなアイオノマー分散剤を触媒層用のバインダとして利用して良い。他の適切なバインダ材料はポリテトラフルオロエチレン（例えばＴｅｆｌｏｎ、商標）、ポリプロピレン、または、他の相対的に負活性な、触媒層の弾性を増強させることが可能な添加剤を含んで良い。
【００５６】
平面燃料電池の触媒層は、クラックが生じるのを防ぐ手段、または当該層を通じて電気的非連続性が生成されるのを防ぐ手段を採用して良い。例えば、触媒層は伝導性材料から製造されたマイクロ構造または伝導性材料でコーティングされた非伝導性構造を採用して良い。そのようなマイクロ構造は長くて薄くて良く、全体の寸法は材料を包囲する流れ、例えば、反応剤および副産物を邪魔しない程度であり、ここでは、「クラック架橋」マイクロ構造と呼んで良い。潜在的なクラック架橋マイクロ構造の例は、様々の種類のカーボン繊維、カーボンナノチューブ、プラスチックまたはセラミック繊維上に配される伝導性材料（例えば白金、金）を含む。
【００５７】
触媒層は、「クラックピニング」（クラックピン止め）マイクロ構造も採用して良く、ここで、触媒層中のクラックの伝播が、触媒層中に構造強化剤を付加することにより阻止される。そのようなマイクロ構造は、電気伝導性であってもなくても良い。クラックピン止めマイクロ構造の例は、例えば、イオン伝導性要素または触媒層を汚染しない不活性材料を含んで良く、比較的非弾性敵であって良く、例えばプラスチック、セラミック、または、ある種の有機材料であって良い。
【００５８】
燃料電池層にＰＥＬを使用すると、触媒充填を減少でき、そのような減少により、クラッキング傾向がより少ない、より延性のある触媒も実現できる。触媒層はさらに任意の数の添加剤、例えば、カーボン担持白金、金、カーボンまたはグラファイトを採用して良く、これが触媒層の耐久性を増大させ、ある場合には、ＰＥＬが燃料電池層へ結合するのを増強し、また、当該層内の電気伝導性を増大させても良い。
【００５９】
いくつかの実施例において、ＰＥＬは、電極コーティング、電子伝導性要素、またはオプションとしてイオン伝導性要素に確実に結合することを可能にする特性を有して良い。この結果、そのようなＰＥＬは電子伝導性要素および電極コーティングとの電気的接触を維持するための圧縮力を必要としないことになる。そのようなＰＥＬを組み込んだ燃料電池システムは組立がより簡便になる。
【００６０】
いくつかの実施例において、ＰＥＬは、燃料電池層、または燃料電池層の電極コーティングに、熱、および／または圧力、あるいは、ＰＥＬを結合するための任意の適切な手段を用いて結合されて良い。
【００６１】
他の実施例において、ＰＥＬは燃料電池に結合されなくても良く、そのため、燃料電池カバー、または、伝導性層に力を加えて燃料電池との接触を維持させる他の構造的機構を必要とするかもしれない。いくつかの例では、複数の別々の部品を構造体にくみ上げれば、有益なことに、結合させる必要がなくなり、またＰＥＬにギャップを絵規制する必要もなくなる。１つの事例の実施例において、燃料電池はそれ自体で非対称であって良く、イオン伝導性要素の１側が一般的にはプロフィール上、凹んでいて良い。そのような実施例において、イオン伝導性要素の、電流コレクタの平面を基準にして凹んだ部分により形成された空洞は、多孔性伝導性材料、例えば、カーボン布地、カーボン粉末、腐食耐性金属布地、腐食耐性金属粉末、グラファイト粉末、またはＰＥＬにより充填され、または支持されて良い。そのような実施例において、外部支持構造が、多孔性インサートを職場移送中に押圧してよく、これにより、電気的接触が増強され、電流が多孔性構造中に流れることが可能になり、たとえ触媒にクラックがあっても、低抵抗の電流計路を実現できる。燃料電池中の凹んだ領域に挿入された多孔性伝導性材料の他の機械的および化学的特性は、燃料電池の働きを最も良好にするように選択されて良く、例えば、ＰＥＬは圧縮可能な層で良く、また、水の管理を容易にするのに適した水保持特性を伴っても良い。そのような実施例において、支持構造は、燃料電池層（例えば電流コレクタ）および／またはＰＥＬに結合されて構造支持を確実にして良い。
【００６２】
いくつかの実施例において、ＰＥＬは燃料電池層に結合するのに先立って、活性化処理または事前処理されて良い。事例の実施例において、ＰＥＬは活性化処理または事前処理されて電極コーティングとの結合または接着を改善され、あるいはＰＥＬおよび電極コーティングの間の接触抵抗を減少させる。
【００６３】
いくつかの実施例において、カソードおよびアノードＰＥＬは充分に多孔性があって、酸化剤または燃料をそれぞれ大量に搬送できるようにして良い。いくつかの実施例において、ＰＥＬは水または熱の管理を改善するように設計されて良い。例えば、ＰＥＬの空隙率を操作して水または熱の保持の度合いを操作してよい。空隙率、疎水性、および熱伝動性のような特性を種々の層（例えば、カソードコーティング、アノードコーティング、カソードＰＥＬ、およびアノードＰＥＬ）において変化させて水または熱の管理を行って良い。ＰＥＬは疎水性または親水性に影響を与える材料、例えば、アイオノマー（ペルフルオロスルホン酸、ポリアリーレンスルホン酸、および、スチレンとジビニルベンゼンのコポリマー）、ＰＴＦＥ、ナイロン、酸化物（例えばシリカ、酸化錫）、または、その他を含んで良い。
【００６４】
事例の実施例において、ＰＥＬの厚さは約１ｍｍより小さい。この厚さは、例えば、約３５μｍから約７５０μｍの間、約５０μｍから約５００μｍの間、または約１００μｍから約３５０μｍの間である。いくつかの実施例において、ＰＥＬの厚さは約５０μｍから約２００μｍの範囲であって良い。
【００６５】
いくつかの実施例において、ＰＥＬは、アノードコーティングまたはカソードコーティングの内側表面に隣接した複合層の１つまたはそれ以上の表面に配される。図６は、事例の実施例に従う、ＰＥＬを具備する、事例の平面燃料電池層１９０の断面図である。燃料電池層１９０は、アノードコーティング１１６Ａ、カソードコーティング１９６Ｃ、アノードＰＥＬ１５２Ａ、および、カソードＰＥＬ１９２Ｃを具備する。カソードコーティング１９６ＣおよびカソードＰＥＬ１９２Ｃの位置は、アノードコーティング１１６ＡおよいアノードＰＥＬ１５２Ａの位置、先に説明した実施例の電極コーティングおよびＰＥＬの位置を基準にして逆になっている。カソードＰＥＬ１９２Ｃは複合体１２４の第１の側に配され、複合体１２４の第１の表面に接着される。
【００６６】
ユニット燃料電池内で、カソードコーティング１９６ＣはカソードＰＥＬ１９２Ｃの外側に配され、カソードＰＥＬ１９２Ｃの外側表面に接着される。燃料電池の動作中、プロトン（または他のイオン）は、アノードコーティング１１６Ａの反応サイトから、イオン伝導性要素１１０を通じ、さらにカソードＰＥＬ１９２Ｃを通じ、カソードコーティング１０６Ｃ中の反応サイトへと移動する。電子は、電子伝導性要素１１２からカソードＰＥＬ１９２Ｃを通じカソードコーティング１９６Ｃ中の反応サイトへと移動する。酸化剤はカソードコーティング１９６Ｃ中を移動し、反応サイトで還元される。
【００６７】
カソードＰＥＬ１９２Ｃは異なった特性を伴って良く、上述した実施例のＰＥＬと異なった材料を含んで良い。カソードＰＥＬ１９２Ｃは、カソードコーティング１９２Ｃの内側表面に配されているので、ＰＥＬ１９２Ｃは酸化剤に対して透過性である必要がない。ＰＥＬ１９２Ｃはプロトンまたは他のイオンに対して透過性であって良い。例えば、ＰＥＬ１９２Ｃはイオン伝導性経路、例えばアイオノマー（例えばペルフルオロスルホン酸、またはスチレンおよびジビニルベンゼンのコポリマー）を含んで良い。
【００６８】
燃料電池層１９０は、相互に異なり、対応する電極コーティングを基準にして異なる配列を伴う、カソードＰＥＬおよびアノードＰＥＬを具備する。他の実施例において、カソードＰＥＬおよびアノードＰＥＬは、同一であって良く、対応する電極コーティングを基準にして同一の配列を伴って良い。
【００６９】
図４Ａ、４Ｂ、および４Ｃにそれぞれ示される燃料電池層１５０、１６０、および１７０の各々は、対応する電極コーティングを基準にして同一の配列であるカソードＰＥＬおよびアノードＰＥＬを具備する。しかしながら、燃料電池層のカソードＰＥＬおよびアノードＰＥＬは、組成物、特性、寸法および機能の点で同一でも異なっていても良いことにも、また、留意されたい。燃料電池層内のカソードＰＥＬはすべて同一であっても異なっていても良い。燃料電池層内のアノードＰＥＬはすべて同一であっても異なっていても良い。燃料電池層はカソードＰＥＬおよびアノードＰＥＬの双方を具備しても良いし、カソードＰＥＬのみ、またはアノードＰＥＬのみを具備しても良い。
【００７０】
図示の実施例において、ＰＥＬは連続的であり、電極コーティングまたはイオン伝導性要素の表面を実質的に被覆するように伸びる。しかしながら、他の実施例では、ＰＥＬは空間的に非連続であって良い。例えば、ＰＥＬは、開口またはスリットまたは他の非連続部分を具備して良く、指状または蛇行したパターンを伴って良い。そのような非連続性またはパターンにより、反応物質、燃料、またはプロトンの電極コーティングへの大量の搬送が改善でき、また水の電極コーティングからの除去を改善できる。いくつかの実施例において、ＰＥＬは当該層に渡って部分的にしか伸びなくて良く、また、各ユニット電池に沿って部分的にまたは完全に伸びても良い。
【００７１】
ＰＥＬは種々の慣用的な、または非慣用的な燃料電池層に適用されて良い。例えば、ＰＥＬは従来の電気化学電池に適用されて良く、これは、例えば、「電池のサイド・バイ・サイドの配列を伴う電気化学電池システム」という名称の米国特許第５，９８９，７４１号、「燃料電池」という名称の米国特許出願第１２／１５３，７６４号、および「いくつかの電池を含有する膜線条として形状付けられたバッテリ」という名称の米国特許第５，８６１，２２１号に説明されるものである。
【００７２】
ＰＥＬは、燃料電池層、電子伝導性要素、イオン伝導性要素、またはこれらの組み合わせへと結合され、または、接着されて良い。この結果、いくつかの実施例において、ＰＥＬを具備する燃料電池層は、付加的なまたは外部的な圧縮力を最小限にし、またはまったく用いることなく、ＰＥＬと電極コーティングまたは電子伝導性要素との間の接触抵抗を小さくできる。いくつかの例において、ＰＥＬは、例えば、膜の変形、触媒のクラック、または双方を減らすことにより、付加的な構造支持および堅牢性を燃料電池層に設けて良い。
【００７３】
図７は、ＰＥＬを具備する燃料電池層を準備する１つの潜在的な方法のプロセスブロック図である。この方法２００において、スラリー要素２０２が混合段階２４０で処理されてスラリー２１４を生成して良い。スラリー２１４は成型段階２５０で処理されて湿潤なフィルム２１６を生成して良い。湿潤なフィルム２１６は乾燥段階２６０で処理されて良く、オプションとして孔生成段階２６５、および、さらにオプションとして活性化段階２６７で処理されて、ＰＥＬフィルム２１８を形成して良い。ＰＥＬフィルム２１８は燃料電池層とともに燃料電池付加段階２７０で処理され、オプションとして、ギャップ形成段階２７５で処理され、ＰＥＬを具備する燃料電地層２２２を形成して良い。
【００７４】
混合段階２４０では、スラリー要素２０２が組みあわされ混合されて良い。スラリー要素２０２は、１つまたはそれ以上の電気伝導性材料２０４、１つまたはそれ以上のバインダ２０６、および１つまたはそれ以上の溶媒２０８を含んで良い。電気伝導性材料２０４は粒子、例えばフラグメントまたは繊維を含んで良い。電気伝導性材料は異方性のある粒子を含んで良い。そのような電気伝導性材料を含むＰＥＬは電気的な異方性を発現して良い。
【００７５】
スラリー要素２０２は、フィラーとして作用し、またはスラリー２１４のレオロジーに影響を与え、例えば、ずれ流動性を付与することによりそのようになす、電気伝導性材料を含んで良い。スラリー要素２０２は、ＰＥＬのマイクロ構造に影響し、例えば、孔またはマイクロ孔を形成し、あるいは、他の電気伝導性材料の粒子とリンクすることによりそのようになす、電気伝導性材料を含んで良い。電気伝導性材料２０４はＰＥＬ中に所望のマイクロ構造を形成するのに最適化された平均径または寸法を伴う粒子（フラグメント）を含んで良い。１例の実施例では、粒子は、ＰＥＬ中に充分な空隙性を付与するのに充分なだけ大きく、容易にスラリー２１４を成型するのに充分なだけ小さい。具体的な例の実施例では、電気伝導性材料２０４はカーボンファイバー、カーボンブラック、およびグラファイトの１または複数を含む。
【００７６】
スラリー要素２０２は電気伝導性材料への接着および／または接触を助長するためにバインダ２０６を含んで良い。スラリー要素２０２はＰＥＬ中に弾性または延性を付与するバインダを含んで良い。スラリー要素２０２は、腐食耐性のあるバインダを含んで良い。一例の実施例において、スラリー要素２０２では、バインダ２０６の電気伝導性材料２０４に対する比は、電気伝導性材料２０４の粒子が一緒に保持されるに足るだけ大きく、ＰＥＬフィルム２１８が充分な空隙性および伝導性を有するに充分なだけ小さなものである。具体的な事例の実施例では、スラリー要素２０２はＰＶＤＦを含む。スラリー要素２０２はバインダを溶かす溶媒２０８を含んで良い。
【００７７】
スラリー要素２０２はオプションとして孔生成剤を含んで良い。スラリー要素２０２は、例えば、溶解、蒸発、または焼成によって除去される材料を含んで良い。例えば、スラリー要素２０２は１つまたはそれ以上の孔生成剤、例えば、塩、ワックス、および他の変形しやすい材料を含んで良い。
【００７８】
スラリー要素２０２は、種々の手段、例えば、攪拌、混合、揺動、または回転により混合されて、スラリー２１４を生成してよい。スラリー２１４は種々の特性を有して良い。スラリー２１４は、成型段階２５０で用いられるコーティングまたはプリント方法のタイプに適合できる特性を伴って良い。例えば、スラリー２１４は引き出しを可能にする特性を伴って良い。躯体的な事例の実施例において、スラリー２１４は、表面に渡ってドクターブレードを引くことにより成型できるように固体内容物およびレオロジーを伴う。
【００７９】
成型段階２５０では、スラリー２４０は転写フィルム２１５に塗布されて湿潤なＰＥＬフィルム２１６を生成して良い。転写フィルム２１５は化学的に不活性で、温度耐性があり、変形可能な材料を含んで良い。いくつかの事例の実施例では転写フィルム２１５はポリテトラフルオロエチレン（ＰＥＦＥ）を含んで良い。スラリー２１４は種々の異なる方法を用いて塗布または成型されて良い。例えば、スラリー２１４は剪断応力をスラリー２１４に加える方法により成型されて良い。事例の実施例では、スラリー２１４は表面に渡ってそれを引き出すことにより成型される。しかしながら、スラリー２１４は、代替的には、他のタイプのフィルム成型（例えばテープ成型）、スクリーン印刷、または他の慣用的なコーティングまたはプリント方法を用いて塗布されて良い。
【００８０】
いくつかの実施例において、成型段階２５０は、形態学的に異方性を有する湿潤ＰＥＬフィルム２１６、例えば、主に１つの方向に配向された異方性電気伝導性材料の粒子を伴う湿潤フィルムを製造する。具体的な事例の実施例では、成型段階２５０は、湿潤ＰＥＬフィルム２１６の平面上の１つの方向に主に配向された異方性電気伝導性材料の粒子を伴う湿潤フィルムを製造する。
【００８１】
乾燥段階２６０では、溶媒を蒸発可能にして、実質的に溶媒を含まない、ＰＥＬフィルム２１８を形成する。湿潤ＰＥＬフィルム２１６はある温度、ある圧力で所定の時間歓送されよい。事例的な実施例において、湿潤ＰＥＬフィルム２１６は、バインダのガラス転移温度または溶融温度以下の温度で乾燥されて良い。事例の実施例において、湿潤ＰＥＬフィルム２１６は、それを迅速に乾燥させることができる温度および圧力で乾燥されて、電気伝導性材料のマイグレーションが阻止できるようになし、かつ、蒸発する溶媒がマイクロ構造を破壊するほど迅速ではないようにする。具体的な事例の実施例では、湿潤ＰＥＬフィルム２１６は約８０°Ｃ〜約１２０°Ｃの範囲の温度、約１気圧未満の圧力で、約２０〜約４０分の間の時間だけ、加熱されて良い。
【００８２】
燃料電池付加段階２７０では、ＰＥＬフィルム２１８が燃料電池層２２０上に付加される。燃料電池層２２０は平面燃料電池であって良い。燃料電池層は、個々の電極コーティングの間にギャップまたは誘電体領域を伴う完成した燃料電池層２２０ａであっても良く、個々の電極コーティングの間にギャップまたは誘電体領域を伴わない不完全な燃料電池層２２０ｂであっても良い。
【００８３】
事例の燃料電池付加段階２７０においては、ＰＥＬフィルム２１８は燃料電池層２２０の上または下に配置され、ＰＥＬフィルム２１８および燃料電池層２２０が、所定の時間だけ、ある温度に加熱され、ある圧力に置かれて良い。ＰＥＬフィルム２１８および燃料電池層２２０は、例えば、燃料電池沿う中のイオン伝導性要素のガラス転移温度より高い温度で、かつ、イオン伝導性要素が劣化する温度、バインダ２０６のガラス転移温度より若干高い温度より低い温度で加熱されて良い。ＰＥＬフィルム２１８は、ＰＥＬフィルム２１８および燃料電池層２２０の電極コーティングを密接な接触の下におくのに充分な圧力にさらして良い。事例の実施例において、ＰＥＬフィルム２１８および燃料電池層２２０は、約１０分より短い時間間隔だけ、約１１０°Ｃ〜約１５０°Ｃの範囲の温度に加熱され、約２５ｐｓｉ〜約２００ｐｓｉの範囲の圧力の下に置かれて良い。
【００８４】
いくつかの実施例において、ＰＥＬフィルム２１８は、平坦ではない電極コーティングを具備する燃料電池層２２０に適用されて良い。例えば、ＰＥＬフィルム２１８は、本出願人の出願に係る、「非対称構造を伴う燃料電池および燃料電池要素ならびにその方法」という名称の米国特許出願に説明されるような、非対称燃料電池層、または波条あるいは非規則的な燃料電池層に適用されて良い。例えば、ＰＥＬフィルムは、変形可能な材料（例えば、オープンセルスポンジのようなスポンジ）をＰＥＬフィルムの外側に配して、アノードコーティングの表面形状を保ったままで、ＰＥＬおよびアノードコーティングの間を密に接触させて、凹の、またはたる型形状のアノードコーティングを伴う円両電池層に結合させて良い。そのような実施例において、燃料電池層は、さらに、支持構造を燃料電池層および／またはＰＥＬに結合させて付加的な支持を実現して良い。そのような支持構造は、当該層のアノード側、当該層のカソード側、または双方に結合されて良い。例えば、支持構造は寸法的に安定した多孔性材料を含んで良く、これは、燃料電池層の電流コレクタに結合されて良い。そのような支持構造は付加的な圧縮または結合力を付与してＰＥＬおよび電極コーティングの間の接触を増強させて良い。
【００８５】
結合されたＰＥＬフィルムおよび燃料電池層は、オプションとして、パターン処理段階２７５で処理されてＰＥＬを具備する燃料電池層２２２を形成して良い。パターン処理段階２７５では、個々のＰＥＬの間で、オプションとして個々の電極コーティングの間で、非連続性が形成されて良い。そのような非連続性は、隣接する電気化学電池を電気的に絶縁することができる。いくつかの実施例において、非連続性は、コーティング段階２５０の間に、ギャップまたは誘電体領域として湿潤ＰＥＬフィルム２１６に前置パターン処理されて良く、またはコーティング段階２５０の後に形成されて良い。いくつかの実施例において、非連続性は、燃料電池付加段階２７０に先立って、ギャップまたは誘電体領域として湿潤ＰＥＬフィルム２１６に形成されて良い。本出願人の出願に係る、「非連続性の領域を含む電気化学電子組立体」という名称の米国特許出願第１２／３４１，２９４号は実現可能な非連続性用の配列を説明し、その内容は参照してここに組み入れる。
【００８６】
スラリー要素２０２が孔生成剤を含むならば、方法２００はオプションの孔生成段階２６５を含んで良い。孔生成段階２６５では、孔生成剤が、例えば、溶媒中での溶解または蒸発により除去されて良い。孔生成段階２６５は、それがある場合には、乾燥段階２６０の前、期間、またはその後に実行されて良い。
【００８７】
いくつかの実施例において、方法２００はオプションの活性化段階２６７を含む。オプションの活性化段階２６７では、湿潤ＰＥＬフィルム２１６、ＰＥＬフィルム２１８、または燃料電池層２２０が活性化処理または前処理を受けて良い。活性化処理は、媒介剤２１７の塗布を含んで良い。媒介剤２１７は、例えば、ＰＥＬフィルム２１８と燃料電池層２２０の電極コーティングとの間の結合または接着を改善させる。媒介剤２１７は、ＰＥＬフィルム２１８または燃料電池層２２０の電極コーティング中に存在する材料、例えば、バインダ２０６、触媒、アイオノマー、または電子伝導性材料２０４を含んで良い。他の実施例において、オプションの活性化段階は、湿潤ＰＥＬフィルム２１６、ＰＥＬフィルム２１８、または燃料電池層２２０を活性化させる他の方法を含んで良い。活性化段階２６７がある場合には、この活性化段階２６７は乾燥段階２６０の前、途中、または、その後に実行されて良く、また、オプションの孔生成段階がある場合にはその前、途中、または、その後に実行されて良い。
【００８８】
方法２００またはそのいずれの段階も、燃料電池層がカソードおよびアノードＰＥＬの双方を有すべきなのか、カソードＰＥＬまたはアノードＰＥＬの一方のみを有すべきなのかに応じて、繰り返されて良い。
【００８９】
［例］
事例の実施例において、方法２００に従って準備されたＰＥＬフィルムが図２Ｂの事例の平面燃料電池層と類似の燃料電池層に結合された。図８は性能増強層を伴うそのような燃料電池層の事例の性能データを、性能増強層を伴わない燃料電池層の性能と比較して図説する。図から理解できるように、ＰＥＬをともなう燃料電池層の性能はＰＥＬを伴わない燃料電池層の性能に較べて顕著に大きい。
【００９０】
図９は、方法２００に従って準備された燃料電池層の模式的平面図であり、ここでは、ＰＥＬフィルムは、ファイバ２８６を含むスラリーを引き出してそのようなファイバを図９において示すＹ方向に整合させることにより準備された。図説の実施例では、ファイバ２８６の配向の主たる方向は、ＰＥＬ２８２の平面中にあり、各ユニット燃料電池の１つの側から他の側へ伸びる、１つ方向である（図ではＹ方向として示される）。
【００９１】
上述の事例の実施例に従って準備されたＰＥＬフィルムについて抵抗測定が行われた。これらの測定から、伝導性が計算された。１インチ×２インチの寸法を各々有する３つの試片がＰＥＬフィルムから切り出された。各試片は、引っ張り方向（例えば、剪断応力が加えられた方向）を基準にした３つの異なる配向を伴っていた。すなわち、（１）引っ張り方向と平行、（２）引っ張り方向と４５°、および、（３）引っ張り方向と９０度である。
【００９２】
試片の各々の平面内抵抗が、試片に接触された２つのアームの間に電圧を印可して結果としての電流を測定することにより、測定された。表１および図１０の各々は試片の抵抗および伝導性を示す。
【表１】
【００９３】
理解できるように、引っ張り、または引き出しの方向からの角度（例えば剪断応力が加えられた方向からの角度）が増加すると、ＰＥＬフィルムの抵抗が増大し、その伝導性が減少する。したがって、異方性電気特性を伴うＰＥＬフィルムが準備された。ＰＥＬフィルムは好ましい配向で燃料電池層に適用されて予め定められた方向の伝導性が大きなＰＥＬを形成して良い。例えば、剪断応力が加えられた方向が個々のユニット燃料電池の長さ方向と直交するようにＰＥＬフィルムを配向させることにより、ＰＥＬフィルムを燃料電池層に適用して良い。
【００９４】
方法２００は、ＰＥＬを伴う燃料電池層を準擬する方法の１例である。他の実施例において、アノードコーティングまたはカソードコーティングの内側にＰＥＬを配した燃料電池層が、ＰＥＬを複合体に結合させ；電極コーティングをＰＥＬフィルムの外側に付加し；オプションとして複合体、ＰＥＬフィルムおよび電極コーティングを結合させ；オプションとしてＰＥＬフィルムまたは電極コーティングにギャップを形成することにより、準備されて良い。
【００９５】
他の実施例は、電極コーティングを直接にＰＥＬフィルムに付加し；ＰＥＬフィルムおよび電極コーティングを燃料電池層に結合し；オプションとしてＰＥＬフィルムまたは電極コーティングにギャップを形成することにより、準備されるＰＥＬを伴う燃料電池層を含む。
【００９６】
さらに他の実施例において、ＰＥＬフィルムは、バインダ、およびオプションとして電気伝導性材料を混合してスラリーを形成し；スラリーを異方性粒子を含む電気伝導性材料に成型して湿潤ＰＥＬフィルムを形成し；湿潤ＰＥＬフィルムを乾燥させてＰＥＬフィルムを形成することにより、準備されて良い。
【００９７】
［付加的な実施例］
この発明は以下の事例的な実施例を実現し、その符号付けは必ずしも図において説明された実施例の番号付けと関連しない。
【００９８】
実施例１は、燃料電池用の性能増強層において：１またはそれ以上の電気伝導性材料であって、少なくともそのうちの１つが、形態学的に異方性を有し、当該層内において異方性伝導性をもたらす粒子を含むものと；バインダとを有し；上記バインダは上記粒子を相互に接触するように位置づけることを特徴とする性能増強層を実現する。
【００９９】
実施例２は、上記１またはそれ以上の電気伝導性材料のうちの少なくとも１つにある上記粒子が、上記層において、上記層の平面内の第１の方向に、上記層の上記平面と直角な第２方向に較べて、大きくなる伝導性を付与するように配向される実施例１記載の性能増強層を実現する。
【０１００】
実施例３は、上記１またはそれ以上の電気伝導性材料のうちの少なくとも１つにある上記粒子が、上記層において、上記層の平面内の第１の方向に、上記層の上記平面内の第３の方向に較べて、大きくなる伝導性を付与するように配向される実施例１または２記載の性能増強層を実現する。
【０１０１】
実施例４は、上記粒子は上記第１の方向に剪断応力を加えることにより配向される実施例１〜３記載の性能増強層を実現する。
【０１０２】
実施例５は、上記電気伝導性材料は炭素を有する実施例１〜４記載の性能増強層を実現する。
【０１０３】
実施例６は、上記電気伝導性材料はカーボンファイバー、カーボンブラック、グラファイト、またはこれらの組み合わせを有する実施例１〜５記載の性能増強層を実現する。
【０１０４】
実施例７は、上記異方性粒子はカーボンファイバーである実施例１〜６記載の性能増強層を実現する。
【０１０５】
実施例８は、上記電気伝導性材料はカーボンブラックを有する実施例１〜７記載の性能増強層を実現する。
【０１０６】
実施例９は、上記電気伝導性材料はグラファイトを有する実施例１〜８記載の性能増強層を実現する。
【０１０７】
実施例１０は、上記バインダはポリビニリデンフロライドを有する実施例１〜９記載の性能増強層を実現する。
【０１０８】
実施例１１は、上記バインダは上記層中に弾力性、可塑性、または双方を付与する実施例１〜１０記載の性能増強層。
【０１０９】
実施例１２は、上記層は多孔性であり、上記層の一側から他側へ流体を大量に搬送可能にする実施例１〜１１記載の性能増強層を実現する。
【０１１０】
実施例１３は、上記層の厚さは１ｍｍより小さい実施例１〜１２記載の性能増強層。
【０１１１】
実施例１４は、上記層の厚さは約５０μｍから約２００μｍの範囲である実施例１〜１３記載の性能増強層を実現する。
【０１１２】
実施例１５は、上記層はイオンの流れに対して透過性を有する実施例１〜１４記載の性能増強層を実現する。
【０１１３】
実施例１６は、さらに、上記バインダと接触する、２またはそれ以上の電極コーティングを有する実施例１〜１５記載の性能増強層を実現する。
【０１１４】
実施例１７は、電極コーティングを具備する燃料電池用の性能増強層を製造する方法において：１またはそれ以上の電気伝導性材料、バインダ、および溶媒を十分に混合してスラリーを形成するステップと；上記スラリーを十分に成型して湿潤フィルムを製造するステップと；上記湿潤フィルムを十分に乾燥させてフィルムを製造するステップと；上記フィルムを燃料電池層に結合するステップとを有することを特徴とする、上記方法を実現する。
【０１１５】
実施例１８は、上記性能増強層、上記電極コーティング、上記性能増強層を伴う上記燃料電池層、またはこれらの組み合わせをパターン処理するステップを有する実施例１７記載の方法を実現する。
【０１１６】
実施例１９は、上記スラリーは固体成分を有し、それを成型するレオロジーを有する実施例１７〜１９記載の方法を実現する。
【０１１７】
実施例２０は、上記成型のステップは、上記スラリーを転写フィルムに成型することを含む実施例１７〜１９記載の方法を実現する。
【０１１８】
実施例２１は、上記フィルムを活性化させて上記電極コーティングの表面への接着を改善させるステップを有する実施例１７〜２０記載の方法を実現する。
【０１１９】
実施例２２は、上記活性化のステップは、上記電極コーティングへの接着を助長する材料を塗布することを有する実施例２１記載の方法を実現する。
【０１２０】
実施例２３は、実質的に平坦な層を形成するように隣接して配された１または複数の燃料電池と；１つのイオン伝導性要素および２つまたはそれ以上の電子伝導性要素を含む複合体と；それぞれ上記イオン伝導性要素とイオン性接触を行い、上記電子伝導性要素の少なくとも１つと電気接触を行う２つの電極コーティングであって、それぞれ内側表面および外側表面を含むものと；上記電極コーティングのうちの１つの１の表面と接触し、または近接して配される性能増強層であって、関連する電子伝導性要素への、または、それからの電気伝導性経路を形成するものとを有することを特徴とする燃料電池層を実現する。
【０１２１】
実施例２４は、上記性能増強層は、少なくとも１つの電気伝導性材料と１つのバインダとを有する実施例２３記載の燃料電池層を実現する。
【０１２２】
実施例２５は、上記電気伝導性材料のうちの１つは形態学的な異方性を伴う粒子を有する実施例２３〜２４記載の燃料電池層を実現する。
【０１２３】
実施例２６は、上記粒子は上記層中に伝導性異方性を付与するように配向される実施例２３〜２５記載の燃料電池層を実現する。
【０１２４】
実施例２７は、上記性能増強層は上記電極コーティングの上記内側表面に隣接して配される実施例２３〜２６記載の燃料電池層を実現する。
【０１２５】
実施例２８は、上記性能増強層は上記電極コーティングの上記外側表面に隣接して配される実施例２３〜２７記載の燃料電池層を実現する。
【０１２６】
実施例２９は、上記性能増強層は、上記燃料電池層に対して構造的支持を実現する実施例２３〜２８記載の燃料電池層を実現する。
【０１２７】
実施例３０は、上記性能増強層は、上記燃料電池層を変形しにくくする実施例２３〜２９記載の燃料電池層を実現する。
【０１２８】
以上の記述は説明的であることを意図しており、制約的ではない。他の実施例も利用でき、例えば、当業者は以上の記述を検討することにより採用できる。また、以上の発明の詳細な説明において、種々の特徴をグループ化して説明を簡便にしている。これは、特許請求の範囲に記載されていない特徴がいずれかの請求項において基本的であると理解されてはならない。したがって、特許請求の範囲は発明の詳細な説明に組み込まれ、各請求項はそれ自体で個別の実施例を表す。この発明の範囲は、特許請求の範囲や、そのような特許請求の範囲の権限が及ぶ均等の全範囲を参照にして決定されるべきである。
【０１２９】
要約は規則（３７Ｃ．Ｆ．Ｒ １．７２（ｂ））に適合するものであり読者に技術的開示の本質を即座に把握させることを可能にする。これは、請求項の範囲の意味を解釈したり範囲を限定するのに使用されないことに留意されたい。
【符号の説明】
【０１３０】
１１２ 電子伝導性要素
１１６Ａ アノードコーティング
１１６Ｃ カソードコーティング
１１８ イオン伝導性要素
１２０ 誘電体領域（インターフェース領域）
１２４ 複合層（複合体）
１２６ クラック
１４０ ユニット燃料電池
１５０ 平面燃料電池層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池用の性能増強層において、
１またはそれ以上の電気伝導性材料であって、少なくともそのうちの１つが、形態学的に異方性を有し、当該層内において異方性伝導性をもたらす粒子を含むものと、
バインダとを有し、
上記バインダは上記粒子を相互に接触するように位置づけることを特徴とする性能増強層。
【請求項２】
上記１またはそれ以上の電気伝導性材料のうちの少なくとも１つにある上記粒子が、上記層において、上記層の平面内の第１の方向に、上記層の上記平面と直角な第２方向に較べて、大きくなる伝導性を付与するように配向される請求項１記載の性能増強層。
【請求項３】
上記１またはそれ以上の電気伝導性材料のうちの少なくとも１つにある上記粒子が、上記層において、上記層の平面内の第１の方向に、上記層の上記平面内の第３の方向に較べて、大きくなる伝導性を付与するように配向される請求項１または２記載の性能増強層。
【請求項４】
上記粒子は上記第１の方向に剪断応力を加えることにより配向される請求項３記載の性能増強層。
【請求項５】
上記電気伝導性材料は炭素を有する請求項１または２記載の性能増強層。
【請求項６】
上記電気伝導性材料はカーボンファイバー、カーボンブラック、グラファイト、またはこれらの組み合わせを有する請求項５記載の性能増強層。
【請求項７】
上記異方性粒子はカーボンファイバーである請求項５記載の性能増強層。
【請求項８】
上記電気伝導性材料はカーボンブラックを有する請求項６記載の性能増強層。
【請求項９】
上記電気伝導性材料はグラファイトを有する請求項６記載の性能増強層。
【請求項１０】
上記バインダはポリビニリデンフロライドを有する請求項１または２記載の性能増強層。
【請求項１１】
上記バインダは上記層中に弾力性、可塑性、または双方を付与する請求項１または２記載の性能増強層。
【請求項１２】
上記層は多孔性であり、上記層の一側から他側へ流体を大量に搬送可能にする請求項１または２記載の性能増強層。
【請求項１３】
上記層の厚さは１ｍｍより小さい請求項１または２記載の性能増強層。
【請求項１４】
上記層の厚さは約５０μｍから約２００μｍの範囲である請求項１３記載の性能増強層。
【請求項１５】
上記層はイオンの流れに対して透過性を有する請求項１または２記載の性能増強層。
【請求項１６】
さらに、上記バインダと接触する、２またはそれ以上の電極コーティングを有する請求項１記載の性能増強層。
【請求項１７】
電極コーティングを具備する燃料電池用の性能増強層を製造する方法において、
１またはそれ以上の電気伝導性材料、バインダ、および溶媒を十分に混合してスラリーを形成するステップと、
上記スラリーを十分に成型して湿潤フィルムを製造するステップと、
上記湿潤フィルムを十分に乾燥させてフィルムを製造するステップと、
上記フィルムを燃料電池層に結合するステップとを有することを特徴とする、上記方法。
【請求項１８】
上記性能増強層、上記電極コーティング、上記性能増強層を伴う上記燃料電池層、またはこれらの組み合わせをパターン処理するステップを有する請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
上記スラリーは固体成分を有し、それを成型するレオロジーを有する請求項１７記載の方法。
【請求項２０】
上記成型のステップは、上記スラリーを転写フィルムに成型することを含む請求項１７記載の方法。
【請求項２１】
上記フィルムを活性化させて上記電極コーティングの表面への接着を改善させるステップを有する請求項１７記載の方法。
【請求項２２】
上記活性化のステップは、上記電極コーティングへの接着を助長する材料を塗布することを有する請求項２１記載の方法。
【請求項２３】
実質的に平坦な層を形成するように隣接して配された１または複数の燃料電池と、
１つのイオン伝導性要素および２つまたはそれ以上の電子伝導性要素を含む複合体と、
それぞれ上記イオン伝導性要素とイオン性接触を行い、上記電子伝導性要素の少なくとも１つと電気接触を行う２つの電極コーティングであって、それぞれ内側表面および外側表面を含むものと、
上記電極コーティングのうちの１つの１の表面と接触し、または近接して配される性能増強層であって、関連する電子伝導性要素への、または、それからの電気伝導性経路を形成するものとを有することを特徴とする燃料電池層。
【請求項２４】
上記性能増強層は、少なくとも１つの電気伝導性材料と１つのバインダとを有する請求項２３記載の燃料電池層。
【請求項２５】
上記電気伝導性材料のうちの１つは形態学的な異方性を伴う粒子を有する請求項２３記載の燃料電池層。
【請求項２６】
上記粒子は上記層中に伝導性異方性を付与するように配向される請求項２３記載の燃料電池層。
【請求項２７】
上記性能増強層は上記電極コーティングの上記内側表面に隣接して配される請求項２３記載の燃料電池層。
【請求項２８】
上記性能増強層は上記電極コーティングの上記外側表面に隣接して配される請求項２３記載の燃料電池層。
【請求項２９】
上記性能増強層は、上記燃料電池層に対して構造的支持を実現する請求項２３記載の燃料電池層。
【請求項３０】
上記性能増強層は、上記燃料電池層を変形しにくくする請求項２３記載の燃料電池層。
【請求項１】
燃料電池用の性能増強層において、
１またはそれ以上の電気伝導性材料であって、少なくともそのうちの１つが、形態学的に異方性を有し、当該層内において異方性伝導性をもたらす粒子を含むものと、
バインダとを有し、
上記バインダは上記粒子を相互に接触するように位置づけることを特徴とする性能増強層。
【請求項２】
上記１またはそれ以上の電気伝導性材料のうちの少なくとも１つにある上記粒子が、上記層において、上記層の平面内の第１の方向に、上記層の上記平面と直角な第２方向に較べて、大きくなる伝導性を付与するように配向される請求項１記載の性能増強層。
【請求項３】
上記１またはそれ以上の電気伝導性材料のうちの少なくとも１つにある上記粒子が、上記層において、上記層の平面内の第１の方向に、上記層の上記平面内の第３の方向に較べて、大きくなる伝導性を付与するように配向される請求項１または２記載の性能増強層。
【請求項４】
上記粒子は上記第１の方向に剪断応力を加えることにより配向される請求項３記載の性能増強層。
【請求項５】
上記電気伝導性材料は炭素を有する請求項１または２記載の性能増強層。
【請求項６】
上記電気伝導性材料はカーボンファイバー、カーボンブラック、グラファイト、またはこれらの組み合わせを有する請求項５記載の性能増強層。
【請求項７】
上記異方性粒子はカーボンファイバーである請求項５記載の性能増強層。
【請求項８】
上記電気伝導性材料はカーボンブラックを有する請求項６記載の性能増強層。
【請求項９】
上記電気伝導性材料はグラファイトを有する請求項６記載の性能増強層。
【請求項１０】
上記バインダはポリビニリデンフロライドを有する請求項１または２記載の性能増強層。
【請求項１１】
上記バインダは上記層中に弾力性、可塑性、または双方を付与する請求項１または２記載の性能増強層。
【請求項１２】
上記層は多孔性であり、上記層の一側から他側へ流体を大量に搬送可能にする請求項１または２記載の性能増強層。
【請求項１３】
上記層の厚さは１ｍｍより小さい請求項１または２記載の性能増強層。
【請求項１４】
上記層の厚さは約５０μｍから約２００μｍの範囲である請求項１３記載の性能増強層。
【請求項１５】
上記層はイオンの流れに対して透過性を有する請求項１または２記載の性能増強層。
【請求項１６】
さらに、上記バインダと接触する、２またはそれ以上の電極コーティングを有する請求項１記載の性能増強層。
【請求項１７】
電極コーティングを具備する燃料電池用の性能増強層を製造する方法において、
１またはそれ以上の電気伝導性材料、バインダ、および溶媒を十分に混合してスラリーを形成するステップと、
上記スラリーを十分に成型して湿潤フィルムを製造するステップと、
上記湿潤フィルムを十分に乾燥させてフィルムを製造するステップと、
上記フィルムを燃料電池層に結合するステップとを有することを特徴とする、上記方法。
【請求項１８】
上記性能増強層、上記電極コーティング、上記性能増強層を伴う上記燃料電池層、またはこれらの組み合わせをパターン処理するステップを有する請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
上記スラリーは固体成分を有し、それを成型するレオロジーを有する請求項１７記載の方法。
【請求項２０】
上記成型のステップは、上記スラリーを転写フィルムに成型することを含む請求項１７記載の方法。
【請求項２１】
上記フィルムを活性化させて上記電極コーティングの表面への接着を改善させるステップを有する請求項１７記載の方法。
【請求項２２】
上記活性化のステップは、上記電極コーティングへの接着を助長する材料を塗布することを有する請求項２１記載の方法。
【請求項２３】
実質的に平坦な層を形成するように隣接して配された１または複数の燃料電池と、
１つのイオン伝導性要素および２つまたはそれ以上の電子伝導性要素を含む複合体と、
それぞれ上記イオン伝導性要素とイオン性接触を行い、上記電子伝導性要素の少なくとも１つと電気接触を行う２つの電極コーティングであって、それぞれ内側表面および外側表面を含むものと、
上記電極コーティングのうちの１つの１の表面と接触し、または近接して配される性能増強層であって、関連する電子伝導性要素への、または、それからの電気伝導性経路を形成するものとを有することを特徴とする燃料電池層。
【請求項２４】
上記性能増強層は、少なくとも１つの電気伝導性材料と１つのバインダとを有する請求項２３記載の燃料電池層。
【請求項２５】
上記電気伝導性材料のうちの１つは形態学的な異方性を伴う粒子を有する請求項２３記載の燃料電池層。
【請求項２６】
上記粒子は上記層中に伝導性異方性を付与するように配向される請求項２３記載の燃料電池層。
【請求項２７】
上記性能増強層は上記電極コーティングの上記内側表面に隣接して配される請求項２３記載の燃料電池層。
【請求項２８】
上記性能増強層は上記電極コーティングの上記外側表面に隣接して配される請求項２３記載の燃料電池層。
【請求項２９】
上記性能増強層は、上記燃料電池層に対して構造的支持を実現する請求項２３記載の燃料電池層。
【請求項３０】
上記性能増強層は、上記燃料電池層を変形しにくくする請求項２３記載の燃料電池層。
【図１】
【図１Ａ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１Ａ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公表番号】特表２０１３−５１６０３９（Ｐ２０１３−５１６０３９Ａ）
【公表日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５４６２９５（Ｐ２０１２−５４６２９５）
【出願日】平成２２年１２月２３日（２０１０．１２．２３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＣＡ２０１０／００２０２６
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０７９３７８
【国際公開日】平成２３年７月７日（２０１１．７．７）
【出願人】（５０１４３６６６５）ソシエテ ビック (73)
【氏名又は名称原語表記】ＳＯＣＩＥＴＥ ＢＩＣ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２３日（２０１０．１２．２３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＣＡ２０１０／００２０２６
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０７９３７８
【国際公開日】平成２３年７月７日（２０１１．７．７）
【出願人】（５０１４３６６６５）ソシエテ ビック (73)
【氏名又は名称原語表記】ＳＯＣＩＥＴＥ ＢＩＣ
【Ｆターム（参考）】
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