(57)【要約】  燃料電池内で生成された水は、少なくとも１つの疎水性要素（２６）と親水性要素（２３）とを有するアセンブリによって、制御され、及び／又は、制限される。前記親水性要素（２３）は、カソード（１８）の外部表面（２０）の第１領域の少なくとも１つと接する。前記疎水性要素（２６）は、前記カソード（１８）の前記外部表面（２０）と対向する、前記親水性要素（２３）の表面（２４）の全体を覆い、且つ、前記親水性要素（２３）の前記表面（２４）の領域をリリースする開口部（２７）の少なくとも１つを有する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池は、
−アノード（１６）と、電解膜（１７）と、カソード（１８）と、を連続的に重ねたスタックと、
−前記カソード（１８）の外部表面（２０）の少なくとも一部分の上に配置され、前記カソード（１８）の前記外部表面（２０）の第１領域の少なくとも１つに接する少なくとも１つの親水性要素（２３）と、前記カソード（１８）の前記外部表面（２０）と対向する前記親水性要素（２３）の表面（２４）の全体を覆う疎水性要素（２６）と、を備えるアセンブリと、
を有するものであって、
前記疎水性要素は、前記親水性要素（２３）の前記表面（２４）の領域をリリースする開口部（２７）を少なくとも１つ有することを特徴とする電池。
【請求項２】
前記疎水性要素（２６）は、前記疎水性要素（２６）の中に均一に配置される、複数の開口部（２７）を有することを特徴とする請求項１に記載の電池。
【請求項３】
前記疎水性要素（２６）は、前記疎水性要素（２６）の中に不均一に配置される、複数の開口部（２７）を有することを特徴とする請求項１に記載の電池。
【請求項４】
請求項１から３の１つに記載の電池であって、前記電池は、前記カソード（１８）の前記外部表面（２０）の第２領域の少なくとも１つと接するカソード側集電極（２２）を有することを特徴とする電池。
【請求項５】
前記カソード側集電極（２２）は、前記カソード（１８）の前記外部表面（２０）の前記第１領域をリリースするトラバース通路を少なくとも１つ有する薄膜によって形成されることを特徴とする請求項４に記載の電池。
【請求項６】
前記疎水性要素の前記開口部（２７、２７ａ、２７ｂ）は、前記カソード側集電極（２２）の前記トラバース通路の上に配置されることを特徴とする請求項５に記載の電池。
【請求項７】
前記疎水性要素（２６）の前記開口部（２７、２７ａ、２７ｂ）は、前記カソード側集電極（２２）の前記トラバース通路のものと同一の幅を有することを特徴とする請求項６に記載の電池。
【請求項８】
請求項１から７の１つに記載の電池であって、前記親水性要素（２３）は、多孔質グラファイト、処理されたセラミックス、及び、親水性基を有する高分子、から選択される材料を有することを特徴とする電池。
【請求項９】
請求項１から８の１つに記載の電池であって、前記疎水性要素（２６）は、フッ化高分子、アモルファスシリコンオキシカーバイド、及び、カーボンナノチューブ、から選択される材料を有することを特徴とする電池。
【請求項１０】
請求項１から９の１つに記載の電池であって、前記親水性要素（２３）と、前記疎水性要素（２６）とは、１０μｍから１０ｍｍの間の厚さを、それぞれ有することを特徴とする電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、特に、マイクロ燃料電池（fuel microcell）に関する。前記マイクロ燃料電池は、
−アノードと、電解膜と、カソードと、を連続的に重ねたスタックと、
−前記カソードの外部表面の少なくとも一部分の上に配置され、前記カソードの前記外部表面の第１領域の少なくとも１つに接する少なくとも１つの親水性要素と、前記カソードの前記外部表面と対向する前記親水性要素の表面の全体を覆う疎水性要素と、を備えるアセンブリと、
を有する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池分野においては、現在、２つの電池のカテゴリーが存在する。フィルタープレスタイプスタック（filter press type stack）を有する燃料電池と、マイクロテクノロジーに由来する技術を用いて、特に基板上に薄膜を積層しパターニングすることで製造される、小型燃料電池と、である。
【０００３】
例えば、小型燃料電池として用いられる基本的な燃料電池を、図１に示す。その燃料電池は、前方表面１ａと後方表面１ｂとを備える電解膜１を有する。前方表面１ａと後方表面１ｂとは、それぞれ連続的に、第１触媒層２ａと第２触媒層３ａと、拡散層（diffusion layer）２ｂと３ｂと、によって覆われる。第１触媒層２ａと第１拡散層２ｂとは、アノード２を形成し、一方、第２触媒層３ａと第２拡散層３ｂとはカソード３を形成する。第１集電極（current collector）４と第２集電極５とは、それぞれ、第１拡散層２ｂと第２拡散層３ｂとの外部表面の上に配置される。ＥＭＥスタックと、第１集電極４と、第２集電極５とは、１つのエレメンタル・セルを形成する。それらは、それぞれ、金属堆積により形成され、拡散層を流体が通過することができるように設計された複数のトラバース通路（transverse passage）４ａと５ａとを備える。通常、燃料として用いられる水素は、アノード側集電極４のトラバース通路４ａを通過することができ、アノード２の拡散層２ｂに到達する。通常、可燃性物質（combustive agent）として振舞う、酸素又は空気は、カソード側集電極５のトラバース通路５ａを通過し、カソード３の拡散層３ｂに到達する。燃料電池の動作中に生成される水は、同じトラバース通路５ａを経て、これまでと同様に、除去される。
【０００４】
フィルタープレスタイプスタックセルと呼ばれる電池は、通常、直列に配置された数多くのエレメンタル・セルを備える。それぞれのセルは、スタックを有し、スタックは、電解膜で隔てられた、アノードと、カソードと、を有する。ＥＭＥ（電極−膜−電極）スタックと通常呼ばれるスタックは、２つの集電極板（current collecting plate）の間に配置される。エレメンタル・セルのセットは、直列に配置されたＥＭＥスタックのそれぞれの側面に固定された固定板（clamping plate）とともに、フィルタープレスタイプのアセンブリを形成する。図２は、フィルタープレスタイプの電気化学セルを示し、図１と同様に、フィルタープレスタイプの電気化学セルは、２つの流体分配層（fluid distribution layer）１０と１１との間に配置された、アノード７と電解膜８とカソード９と、により形成されたアセンブリ６と、を備えるものである。層１０と１１とは、導電性の層であり、且つ、電気化学セルと循環チャンネル（circulation channel）１２との間を流入したり流出したりする、ガスと液体とのためのダクトとしても振舞う。
【０００５】
このようなタイプの電池も、マイクロテクノロジーに由来する技術を用いて得られる燃料電池も、反応性流体（reactive fluid）を有する電極を供給し、且つ、特定の問題を引き起こし、且つ、電池の動作中に形成される、生成物を取り除く。特に、燃料電池中の水を制御することは、燃料電池の動作状態においては特に重要である。燃料電池又は電気化学セルの中の余分な水は、実際には、前記カソードにおいてあふれることとなる。前記カソードの触媒サイト（catalytic site）における、酸素又は空気の余剰は、障害となり、燃料電池の動作を止めることとなる。
【０００６】
図２に示されるような、米国特許出願ＵＳ−Ａ−２００５／０１８１２６４号明細書の開示は、特徴的なカソード側集電極板を用いることによって、フィルタープレスタイプの電気化学セルにより生成される水の制御を改善するものである。層１１は、カソード９の外部表面９ａの上に配置され、電気化学セルによって生成され、カソード９の中に含まれる水を、チャンネル１２に向かって押し出すような、疎水性を示す。しかしながら、層１１の疎水性は、カソード９のものよりは低い。さらに、チャンネル１２の壁面は、親水性多孔質層１３と、流体に対して不活性な層１４と、のスタックにより形成される。親水性多孔質層１３は、毛細管力によってカソード９の中にたまった水と反応し、不活性な層１４は、異なる電気化学セルの間の物理的障壁を形成し、その両方により、チャンネル１２への水の除去を促進する。
【０００７】
しかしながら、これらの解決策は、水を全部排出させることでは十分ではなく、問題を起こすこととなる。この問題は、電解膜を積極的に乾燥させることによって実際には引き起こされ、これによって、イオン伝導性を失い、セルの動作能力を低下させることとなる。
【０００８】
米国特許出願ＵＳ２００４／０１３７３１１号明細書においては、水の制御は、ＥＭＥスタックの電極の触媒層と接するように配置された拡散支持体（diffusion support）によって制御される。拡散支持体は、それぞれ、２つの積層（superposed layer）を備える。電極と接し、且つ、多孔質マトリックスと、水を運ぶように設計された粒子と、で形成される第１層と、第１層全体を覆う第２疎水性層と、である。しかしながら、このような拡散支持体によって前記燃料電池の中で生成された水の流れの制御は、前記第１層の全体の上に配置された前記疎水性層が、前記電池の核（core）と水とが反撥するような欠点を示す限り、十分なものではない。多量の水が生成された際には、前記疎水性層が示す性質は、前記第１層の多量の流れ（flooding）のリスクを生じさせるものであり、従って、スタックのパフォーマンスを低下させるものである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、先行技術の欠点を改善した燃料電池を提供することにある。特に、本発明の目的は、燃料電池の中の湿度（humidity）を、効率よく制御し、且つ、最適なパフォーマンスを示すことができる、アセンブリを備える、燃料電池を提供することである。
【００１０】
本発明によれば、添付のクレームにより本目的は達成される。
【００１１】
特に、この目的は、疎水性要素が、親水性要素の表面の領域をリリースする開口部（through opening）を少なくとも１つ備えることにより、達成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
他の利点及び特徴は、本発明の特有な実施形態についての下記の説明により、さらに明らかにされる。本発明の特有な実施形態は、単なる例示であって、本発明を限定するものではない。本発明の特有な実施形態は、添付の図面により示される。
【００１３】
良いパフォーマンスを示す燃料電池を得るため、液体の状態で除去される、及び／又は、蒸発される、水の量が、カソードによって生成されるものよりも多くなるようにしないためには、水を欠乏させることによる電解膜の乾燥を行わないことが、好ましい。
【００１４】
カソードで生成される水の量は、実際には、燃料電池の動作電流（operating current）にもっぱら依存し、一方、除去される水の量は、前記燃料電池内の温度と、スタックと前記燃料電池の外側との間の熱交換表面（heat exchange surface）の湿潤性（wettability）と、に依存する。
【００１５】
図３において示されるように、曲線Ａ、Ｂ、及びＣは、燃料電池内の温度に対する電気化学セルの中に流れる水の除去量の変化を示すものであり、それぞれ、熱交換表面が異なるものである。曲線Ｂに対応する熱交換表面は、グラファイトカソードの外部表面に対応する基準熱交換表面である。曲線Ａ及びＣに対応する熱交換表面は、それぞれ、疎水性と親水性とである。疎水性の熱交換表面は、例えば、シリコンオキシカーバイド膜でカソードの外部表面を覆うことによって得ることができる。一方、親水性表面は、シリコンオキシカーバイド膜で、同じカソードの外部表面を覆い、さらに、ＵＶ線を照射することにより得ることができる。
【００１６】
電気化学セルの中において、生成された水と、除去された水と、の間の平衡点は、図３の中の、破線Ｄ、Ｅ、及びＦによって示される。破線ＤからＦは、実際には、カソードによって生成された水の流量の変化を示し、それぞれ、動作電流を、１００ｍＡ、１５０ｍＡ、及び、２００ｍＡ、としたものである。生成された水の流量（破線Ｄ、Ｅ、又は、Ｆ）は、外部環境に依存し、例えば、２つの動作温度のような、２つの平衡点を有することが観測される。これらの２つの平衡点は、曲線Ｄ、Ｅ、又は、Ｆと、曲線Ａ及びＣの交差点に対応する。
【００１７】
アノード−電解膜−カソードのスタックの中の湿度は、従って、制御された方法によりカソードによって生成された水を制限することができるアセンブリによって、制御される。従って、本発明によれば、燃料電池内で、特にマイクロ燃料電池内で、生成された水は、カソードの外部表面の少なくとも一部分の上に配置されたアセンブリによって、制御され、及び／又は、制限される。前記アセンブリは、少なくとも１つの疎水性要素と親水性要素とを備え、好ましくは、それぞれが１０μｍから１０ｍｍの間の厚さを有する。
【００１８】
図４に示される実施形態と、図５、及び、図６に示される他の実施形態と、によれば、マイクロ燃料電池１５は、アノード１６と、電解膜１７と、カソード１８と、を連続的に重ねたスタックを備える。アノード１６とカソード１８とは、それぞれ、集電極２１と２２とが上に配置されるような、外部表面１９と２０とを有する。集電極２１と２２とは、スタックの中で一体化される。それぞれ、通路と外部表面のリリースする領域とを備える、薄膜で形成される。
【００１９】
カソード側集電極２２は、通路を備えるものであり、好ましくは親水性層２３によって形成される親水性要素によって覆われている。カソード１８の外部表面２０の領域は、カソード側集電極２２によっては覆われておらず、従って、親水性層２３によって覆われている。これにより、カソード１８の外部表面２０の領域と親水性層２３との間の接触を確保することとなる。
【００２０】
親水性層２３は、例えば、多孔質黒鉛、親水性表面を得るために処理されたセラミックス、及び、親水性基を有する高分子、から選択される材料を有し、一方、疎水性要素は、フッ化高分子、アモルファスシリコンオキシカーバイド、及び、カーボンナノチューブ、から選択される材料を有する。
【００２１】
親水性層２３は、好ましくは、カソード１８の外部表面２０に接する表面と対向する平坦な表面２４を備える。図４から図６の中では、親水性層２３の厚さは、カソード側集電極２２のものよりも大きい。従って、カソード側集電極２２は、親水性層２３により全体を覆われた表面２５を備える。カソード側集電極２２の表面２５は、カソード１８と接する表面の１つと対向する表面である。
【００２２】
疎水性要素は、親水性要素２３の表面２４の全体を覆う。疎水性要素は、外部環境とマイクロ燃料電池との間の液体に対する物理的障壁を形成する。疎水性要素と親水性要素とは、一方では、例えば、空気又は酸素といった、ガス状の可燃性物質を透過させるものであり、困難なくそれらをカソードに到達させることができる。さらに、図４から図６に示されるように、疎水性要素は、親水性要素２３の表面２４の領域の１つを少なくともリリースする、少なくとも１つの開口部（through opening）を備える。図４から図６に示されるように、疎水性要素は、表面２４の領域をリリースする開口部を備える疎水性層２６を形成する。図４と図６とにおいては、疎水性層２６の開口部２７は、前記層の中に均一（uniform）に形成され、一方、図５においては、前記層の中に不均一に形成されている。
【００２３】
図５においては、疎水性層２６は、実際には、３つの開口部を備える。第１開口部２７ａは、層２６の中の実質的に中央に配置され、２つの開口部２７ｂは、前記第１開口部２７ａと比べて狭い開口であり、前記層２６の端部の近傍に配置される。
【００２４】
図６においては、疎水性層２６の中の開口部２７の配置（distribution）は、疎水性層２６の開口部２７が、集電極２２の通路の上に配置されることである。集電極２２の通路と、疎水性層２６の開口部とは、積極的には同じ幅であり、開口部２７は集電極２２の通路を拡張するものである。この場合には、疎水性層２６の疎水性領域は、開口部２７によって輪郭が示され、さらに好ましくは、集電極２２を形成する領域の上に、配置され、且つ、通路により輪郭が示される。
【００２５】
電池内の湿度の限定は、親水性層２３の第１領域の中に保持される水によって制御され、一方、親水性層２３の第２領域によって水は除去される。親水性層２３の第１領域は、疎水性層２６によって覆われた親水性層２３の領域であり、第２領域は、前記層２６により覆われてはいない。親水性層２３の前記第２領域による水の除去は、実際には、表面２４の自由領域を用いて行われる。疎水性層２６の中の開口部の特徴は、親水性層の第１領域の中での水の保持の局在と、前記層の第２領域の中での水の除去の局在とを、確保することを可能にする。例えば、図６で示される他の実施形態においては、水の保持は、燃料電池の反応が劣った領域において積極的に行われる。例えば、その領域とは、疎水性層２６に接するのみならず、集電極２２の表面２５とも接する、親水性層の第１領域である。
【００２６】
さらに、燃料電池内で保持される水の量は、各親水性層、疎水性層の物理的構造にしたがって制御される。保持される水の量は、実際には、親水性層に厚さに依存し、一方、除去される水の量は、疎水性層２６の中に形成される開口部の幅に依存する。表面２４の自由領域によって除去される水の量と、親水性層２３の第１領域に保持される水の量と、の間の平衡点を見つけることは可能であり、電解膜近傍部分の湿度によって維持されるからである。このような場合、開口部の幅を広げることによって、及び／又は、親水性層の厚さを薄くすることによって、保持される水の量と比較して、除去される水の量を多くすることができる。特に電池が高い動作電流を示す場合には、このことは、特に興味深いものである。開口部の形状は、円形、四角、等の様々な形状にすることができる。
【００２７】
疎水性層の中の開口部の均一でない配置は、カソード１８の外部表面２０の中央部と端部との間の異なる水の制御を得ることができるという利点を示すこととなる。このことは、スタックの周辺と中央との間に起こる動作に違いを、保障することを可能にする。実際には、通常の方法においては、集電極により生じる熱は、スタックの中央と比較して周辺の方が高くなる。
【００２８】
親水性要素と疎水性要素とは、マイクロエレクトロニクスに由来する技術によって堆積され、もしくは、プレスのような従来のアセンブリ技術によって形成される。親水性要素は、カソードの外部表面の上に、好ましくは、多孔質グラファイト、親水性表面を得るように処理されたセラミックス、及び、例えば、酸性基（例えば、ナフィオン（登録商標））のような親水性基を有するような高分子、から選択される材料から形成される薄膜を堆積することで得ることができる。これは、親水性表面、又は、高分子が、得られるように処理された、薄膜によって形成することもでき、カソード１８の外部表面２０の上に、前記膜はプレスされる。実際には、セラミックス、又は、生成物は、親水性表面を有するように処理することができる。例えば、この処理は、プラズマ処理とすることができる。
【００２９】
同様に、疎水性要素は、好ましくは、フッ素化高分子、アモルファスシリコンオキシカーバイド、及び、カーボンナノチューブから選択される材料から形成される薄膜を、堆積することによって形成される。さらに、疎水性表面を得るように処理された薄膜によって形成され、次いで、生成物は、スタックにプレスされる。
【００３０】
例えば、図４と図５とに示される他の実施形態は、疎水性層２３は、吸収ゲル溶剤（absorbent gel solution）によって覆われた、カソード１８の外部表面２０の上に堆積することができ、次いで、溶液は乾燥され、且つ、水は蒸発する。疎水性層２６は、例えば、水を除去するために設計された開口部２７の形状を定めたステンシルマスクを通して、物理的蒸着法によって、親水性層２３の表面２４の上に堆積される。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】先行技術によるフィルタープレスタイプセルの電気化学セルの第１実施形態。
【図２】先行技術によるフィルタープレスタイプセルの電気化学セルの第２実施形態。
【図３】３つの熱交換表面のタイプ別の温度に対する電気化学セル内の水の流量の変化を示す図。
【図４】本発明にかかる燃料電池の第１の実施形態。
【図５】本発明にかかる燃料電池の第２の実施形態。
【図６】本発明にかかる燃料電池の第３の実施形態。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【手続補正書】
【提出日】平成20年11月21日(2008.11.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２】
2009530782.tif 000009
【国際調査報告】
2009530782.tif 000010
2009530782.tif 000011
2009530782.tif 000012
2009530782.tif 000013
2009530782.tif 000014
2009530782.tif 000015