(57)【要約】【解決手段】  本発明は１つの平面型の燃料電池システムに関しており、水平にオーバーラップした複数の接続ラグ（８および８´、１８および１８´）、および／または、複数の条導体（４０）と電気的に直列にマウントされる少なくとも２つの燃料電池、および高分子電解質膜（３）を備える。本発明において、電流経路は高分子電解質膜の周りに案内されており、燃料電池システムは、プリント回路基板技術によって、２つのプリント回路基板を１つの配置とすることにより具体化され、複数の集電器および複数の接続ラグが、その複数のプリント回路基板における複数の条導体として具体化される。【特許請求の範囲】
【請求項１】
水平にオーバーラップした複数の接続ラグ（８、８´、１４、１４´、４０、１７、１７´、１８、１８´）を介して、１つの平面上で電気的に直列に接続され、かつ、それぞれにおいて、アノード側（１０）、およびカソード側（１１）において前記接続ラグ（８、８´、１４、１４´、４０、１７、１７´、１８、１８´）および１つの高分子電解質膜（３）に電気的に接続された複数の集電器（１）を有する、少なくとも２つの燃料電池を備えた平面型燃料電池システムであって、電流経路は高分子電解質膜（３）の周囲に導かれており、
前記燃料電池システムが、１つのプリント回路基板技術により１つの第１のアノード側プリント回路基板１０、および１つの第２のカソード側プリント回路基板１１の複合体として設計され、
前記複数の集電器（１）および複数の接続ラグ（８、８´、１４、１４´、４０、１７、１７´、１８、１８´）が、前記複数のプリント回路基板における複数の条導体として設計される、平面型燃料電池システム。
【請求項２】
前記複数の接続ラグ（８、８´、１４、１４´、４０、１７、１７´、１８、１８´）が、前記プリント回路基板複合体における境界の範囲内に配置される、請求項１に記載の平面型燃料電池システム。
【請求項３】
オーバーラップ領域における前記複数の接続ラグ（８、８´、１４、１４´、４０、１７、１７´、１８、１８´）が、少なくとも１つの垂直接触要素（９）によってそれぞれ接続される、請求項１または２に記載の平面型燃料電池システム。
【請求項４】
前記少なくとも１つの垂直接触要素（９）が、１つの導電性材料で満たされた１つの導孔である、請求項３に記載の平面型燃料電池システム。
【請求項５】
前記導電性材料（９）が、半田、または導電性接着剤である、請求項４に記載の平面型燃料電池システム。
【請求項６】
前記導孔（９）がその内側で金属化される、請求項４または５に記載の平面型燃料電池システム。
【請求項７】
前記少なくとも１つの垂直接触要素（９）が１つのリベット（９）である、請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
複数のガス分配構造（６）が、前記第１のアノード側プリント回路基板に組み込まれる、請求項１から請求項７のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
複数のガス分配構造（６）が、前記第２のカソード側プリント回路基板に組み込まれた、請求項１から請求項８のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
外部へ向かう複数の空気開口部が、前記第２のカソード側プリント回路基板に組み込まれた請求項１から請求項８のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
それぞれにおける前記複数の燃料電池は、前記プリント回路基板に組み込まれ、かつ、プリント回路基板材料、および／またはラッカーにおける１つの高段部（１３）によって囲まれた１つの反応領域（１２）を有する、請求項１から請求項１０のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記反応領域は、１つのガス分配構造（６）、および１つの集電器（１）を有し、１つの拡散層（２）が前記集電器（１）の上に平らに配置されるように備えられる、請求項１から請求項１１のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記拡散層（２）は、金属化された複数のセグメントを備えた１つのプラスチック繊維として設計される、請求項１から請求項１２のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記燃料電池システムに含まれる前記複数の条導体（１、８、８´、１４、１４´、４０、１７、１７´、１８、１８´）および／または、前記複数の外側接触部（５、５´）は、腐食防止の為に、単層、或いは多層の電気伝導層によってコーティングされる、請求項１から請求項１３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記高分子電解質膜（３）は、１つのセグメント化された膜電極一体構造（ＭＥＡ）として設計される、請求項１から請求項１４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記プリント回路基板複合体の表面上に１つの電子回路を備える、請求項１から請求項１５のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
前記第１および第２のプリント回路基板における、前記複数の接続ラグ（１８、１８´）は、それらの上に、それぞれの場合において、反応領域側に配置され、１つの溶接接合によって、取り外せないように電気的に接続される、請求項１から請求項１６のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１８】
複数の条導体（２５）を介して１つの平面上に電気的に直列に接続され、前記複数の接続要素（２５）に電気的に接続された複数の集電器（１、１´）と１つの高分子電解質膜（３）とを備えた少なくとも２つの燃料電池を備える平面型燃料電池システムであって、電流経路は、前記高分子電解質膜（３）の周囲へと導かれており、
前記燃料電池システムは、１つの第１のプリント回路基板（２１）および１つの第２のプリント回路基板（２２）による１つの複合体として、１つのプリント回路基板技術で設計され、前記複数の集電器（１、１´）と前記複数の接続要素（２５）とは、前記複数のプリント回路基板における複数の条導体として設計され、当該複数のプリント回路基板は、それぞれの場合において交互に、アノードおよびカソードにおける複数のガス分配構造を備え、それぞれの場合において隣接するアノード側の集電器（１）と、カソード側の集電器（１´）は、前記接続要素（２５）によって、電気的に接続される、平面型燃料電池システム。
【請求項１９】
請求項１から請求項１８のいずれかにおける燃料電池システムを製造する為の方法であって、１つの第１および１つの第２のプリント回路基板キャリア（１０、１１）のそれぞれが、１つの上側および１つの下側を備えるように選択され、それぞれにおいて、両者のキャリア基板の為に、前記上側におけるステップが、
１つのプリント回路基板が出来上がるように、前記プリント回路基板キャリアの上に金属を堆積させる段階であって、銅、ニッケル、チタン、ステンレス鋼、および／またはこれらの合金の材料から選択された１つから、複数の金属膜または複数の薄膜が、前記プリント回路基板材料の上に積層され、或いは、前記金属化が、コーティング（スパッタリング法や蒸着法）によって実現され、その結果として前記層における電流補強とする、金属を堆積させる段階と、
前記複数の条導体が出来上がるように、またはミリングする段階であって、複数の反応空間（１２）において、それぞれの場合に、互いに滑らかに隣接する複数の集電器（１）、および複数の接続ラグ（８、８´、１４、１４´、１７、１７´、２５）を形成する前記金属膜を、選択的にエッチ除去或いはミリングする段階と、
前記プリント回路基板へ複数のガス分配構造（６）を組み込む段階と、
複数の拡散層（２）を堆積させる段階と、
が実行され、
その結果、膜電極一体構造（ＭＥＡ）（３）が、前記第１のプリント回路基板１０の上側に配置され、互いに対向する上面を有する前記第１および第２のプリント回路基板（１０、１１）が互いに連結され、前記複数の接続ラグ（８、８´、１４、１４´、１７、１７´、２５）が、互いに垂直に接続される燃料電池システムを製造する為の方法。
【請求項２０】
１つの膜電極一体構造（ＭＥＡ）（３）として、前記プリント回路基板の上へ配置される以前に、表面全体に渡って触媒でコーティングされたＭＥＡが、選択され、そしてセグメント化される、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記ＭＥＡ（３）におけるセグメント化が、レーザ切断、および／または、反応イオンエッチングによって組み込まれる請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記複数のガス分配構造を組み込んだ後に、それぞれの場合において、前記複数の反応空間における領域で１つの凹部ができるように前記複数の反応空間（１２）を囲んだ１つの高段部が堆積される請求項１９から２１のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１つの平面に配置されると共に、水平にオーバーラップする複数の接続ラグを介して電気的に直列に接続される少なくとも２つの燃料電池を備えた平面型燃料電池に関しており、この場合、燃料電池システムを流れる電流経路は、この燃料電池システムに含まれた高分子電解質膜の周囲に導かれるので、その結果、この膜が貫通されることがない。更に本発明は、この種の１つの燃料電池システムを製造するための１つの手段に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の燃料電池の個々の電圧を加えて、必要とするより高い１つの総電圧を達成する為に、幾つかの燃料電池を電気的に直列接続することは周知である。そして明らかに、この目的を達成する為に、１つの燃料電池システムでは、複数の燃料電池が互いに接続される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
通常、この目的の為に、いくつかの燃料電池が互いに配置されて、そして、ねじ込み式接続（積層設計）によって、２つのエンドプレートにより互いに圧せられる。しかし、燃料電池システムの幾何学的配置に関して述べるなら、この設計の結果として、構造上の高さが高くなり、そして、燃料電池システムにおけるエッジの長さは、好ましくない比率となってしまう。
【０００４】
数多くのアプリケーションで活用する為に、より平面状の幾何学的構造を有する燃料電池システムを実現することが望ましいので、１平面において、１つの燃料電池システム内における複数の燃料電池を直列に接続するというニーズが存在する。ここで、現在の技術には、周知の様々な概念が存在する。
【０００５】
独国特許第１９５０２３９１号明細書、および国際公開第９６／１８２１７号パンフレットでは、互いに隣り合って直列に配置された複数の燃料電池を備えた、いわゆる「ストリップ膜燃料電池（ｓｔｒｉｐ  ｍｅｍｂｒａｎｅ  ｆｕｅｌ  ｃｅｌｌｓ）」を開示している。ここでは、横方向の１つの導体構造が、１つの燃料電池におけるカソードを更なる１つの燃料電池におけるアノードへと接続すると同時に、複数の燃料電池に含まれる膜を貫通するようにして、直列接続が実現されている。この場合、膜を通る横方向の導体構造の経路によって、複数のリークが生じやすいという欠点がある。
【０００６】
米国特許６１２７０５８号明細書は、１つの平面に配置され、外側に横たわる複数の接続ラグによって、直列に接続された複数の燃料電池を備えた１つの燃料電池システムを開示する。この解決策をとった場合、電流経路は膜を貫通はしないが、技術的な製造費用は非常に高価なものとなり、また特に、産業的な大規模な製造に関しては、その設計上の理由から故障が生じ易くなる。更には、電流放電器として個々に組み立てられるべき少なくとも２つの部分が、それぞれのセルについて必要とされるという、相当な欠点が存在する。
【０００７】
Ｓ．Ｊ．Ｃクレグホーンらは、１９９８年の応用科学電気ジャーナル２８における「燃料電池における電流分布測定へのプリント回路基板アプローチ（Ａ  ｐｒｉｎｔｅｄ  ｃｉｒｃｕｉｔ  ｂｏａｒｄ  ａｐｐｒｏａｃｈ  ｔｏ  ｍｅａｓｕｒｉｎｇ  ｃｕｒｒｎｅｔ  ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ  ｉｎ  ａ  ｆｕｅｌ  ｃｅｌｌ）」において、アノード側における集電器とガス分配構造とが、１つのプリント回路基板による１つの構造様式であり、かつセグメント化された１つの様式で実現された１つの燃料電池を用いた方法で、１つの燃料電池における電流分布を測定する概念が述べられている。しかしながら、ここで記載されている構造は、試験的な分野において局所的に解析される診断目的にのみ適している。ここでもまた、これらの診断や計測（電流、電圧、インピーダンス分光法）の為に、個々のセルのセグメントが利用されるだけであり、直列接続は行われていない。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の目的は、１つの燃料電池システムを明示することであり、本発明の燃料電池システムは、安い技術費用であり、かつ産業的な大規模製造において経済的に製造されてよく、またこの燃料電池システムは、その適用される分野において堅牢で、かつ特に技術的に単純な様態で適用されてよく、またこの燃料電池システムは１つの平面状の幾何学的構造を有しており、燃料電池システムに含まれる複数の燃料電池は、より大きな１つの出力電圧を供給する。更に、前述した現状における技術上の複数の欠点が回避される。
【０００９】
この種の１つの燃料電池システムを製造するための１つの方法を明示することが、更なる本発明の目的である。
【００１０】
本発明によれば、燃料電池システムに関する目的は、請求項１によって達成され、そのような１つの燃料電池システムの為の製造方法に関しては、請求項１７によって達成される。
【００１１】
燃料電池システムが複数のプリント基板技術で作成されるという事実のために、大規模製造において１つの低い電気出力を有する１つの燃料電池システムを経済的に製造する為の信頼性の高い直列接続の製造技術が適用される。これはまた、特に、燃料電池システムに含まれる、相互に直列接続された複数の燃料電池間での接触に関連しており、これは、プリント基板技術について試行錯誤された複数の方法により実現される。
【００１２】
燃料電池システムが、１つの第１のアノード側のプリント回路基板、および１つの第２のカソード側のプリント回路基板による１つの複合体として設計されるという事実のために、一方では、そのような１つのシステムを製造する最中に生産される異なる複数の構成要素の数が削減され、これにより製造が単純化され、他方では、プリント回路基板複合体の上に複数の電子回路を作成することが可能となる。これら電子回路は、燃料電池システム自身から、回路の動作の為の電力を得る事が出来る。
【００１３】
プリント回路基板技術を用いた本発明に係る燃料電池システムの実現の特徴によると、燃料電池における電子の輸送に必要とされる複数の集電器および複数の接続ラグ（複数の燃料電池システムに含まれる複数の燃料電池が、これを介して互いに１平面上で直列に接続される）は複数のプリント回路基板における複数の条導体として実現され、これらの条導体から、プリント回路基板複合体が構成される。
【００１４】
こうした適用状況の範囲内において、プリント回路基板技術による１つのプリント回路基板とは、堆積された金属を備えた１つのプリント回路基板キャリアからなる基板であり、この場合、金属膜のそれぞれの部分は、通常、例えば、エッチングやミリングによって取り除かれ、その結果として金属膜の残った部分は、電導性を有する１つの条導体を形成する。このような複数の金属膜や複数の条導体は、１つのプリント回路における第１および／または第２の側面に配置されてよい。
【００１５】
複数の接続ラグが複数の条導体として設計されるのと同じ様に、複数の集電器が複数の条導体として設計されることにより、これらは、機械的に堅牢性を持って、そして更には省スペースとなるように、燃料電池システムへ空間的に統合される。更には、各条導体を実現する為に同じ金属層を利用することで、集電器を複数の接続ラグへと滑らかに併合させてもよい。
【００１６】
以下、従属項２から１６に係る燃料電池システムの有利な実施形態が説明される。
【００１７】
燃料電池システムは、複数の接続ラグがプリント回路基板複合体における境界の範囲内に配置されるという程度にまで更に有利に開発されてよく、これにより複数の接続ラグは、プリント回路基板複合体の輪郭を超えて突出しない。これにより機械的な堅牢性が更に改良され、実際の適用や処理において、技術費用が更に削減される。
【００１８】
水平にオーバーラップした複数の接続ラグがそれぞれのオーバーラップ領域において少なくとも１つの接触要素により接続されるという程度にまで燃料電池システムが更に有利に開発された場合に、接続ラグは互いに明確に区別され、かつ耐久性を持って互いに接続され、これにより、プリント回路基板の作成に伴うような方法による電気的な直列接続が実現される。プリント回路基板に組み込まれた１つの反応領域を各燃料電池が有しており、この反応領域は、プリント回路基板材料および／またはラッカーにおける１つの高段部によって囲まれているという更なる有利な開発の組み合わせと共に用いられる場合には、垂直な接触要素の為に、燃料電池システムに含まれる２つの燃料電池におけるオーバーラップした接続ラグの間に生じた垂直方向の距離がブリッジされるので、この接触要素は特に有利である。この接触要素は、１つの垂直方向の設計と共に有利に実現されてよい。しかしながら、そのような１つの設計に限定されるものではない。
【００１９】
そのような垂直な１つの接触要素を実現する為の具体的な１つの可能性とは、例えば、半田や導電性接着剤等の導電性材料によってその一部または全部が満たされた１つの導孔として設計することである。
【００２０】
更なる有利な実施形態は、その導孔を通る導電性を持った直線的な１つの構成要素（ワイヤ、釘、ボルト）を更に導くことにあり、この場合、接続ラグと導電性のある直線的な構成要素との間の電気接触は、それらの間における中間領域を満たす導電性材料により実現される。
【００２１】
その内側における導孔は、有利には金属化されてよく、この手法により接触が更に改良され、複数の毛管力により後押しされた液体状の半田は、その導孔の中へと流れ込んでよい。好ましくは、電気メッキにより成長させられた１つの金属層で実現されてよく、この場合、好ましくは銅が使用される。
【００２２】
また、導電性材料で満たさずに、導孔の内側のみを金属化することにより垂直な接触要素を設計することもできる。
【００２３】
更に有利には、２つのオーバーラップする接続ラグでのそれぞれの接続の為に、いくつかの接触方法を提供してもよく、この方法により、それぞれの境界抵抗が更に削減される。或いは、有利な垂直な接触要素は、複数のプリント回路基板から成る複合体の結合に関して、更に機械強度に貢献するリベットやプレスピンである。
【００２４】
接続ラグが相互に直接的に配置されるか、或いは接続ラグ間には小さな隙間しかない場合には、接触要素は、ポイント溶接（レーザや、抵抗溶接）によって実現されてよく、この場合、（カソード側、或いはアノード側の）少なくとも一方の条導体は、溶接の外側からアクセス可能となっている。
【００２５】
接触要素の更なる実現の可能性は、導孔を有さずに、オーバーラップした複数の接続ラグにおける中間領域を、導電性接着剤や導電性ラッカーで満たすという形態である。この実施形態における更なる有利な設計は、導電性接着剤で囲った複数の接続ラグにおける中間領域に、１つの金属片シートや１つの金属箔を組み込むというものである。
【００２６】
有利には、複数のガス分配構造は、第１のアノード側プリント回路基板、および第２のカソード側プリント回路基板へと組み込まれ、この場合、第２のカソード側プリント回路基板に追加して、或いは、複数のガス分配構造に代えて、燃料電池システムの外部へと向かう複数の空気開口部を備える。
【００２７】
燃料電池システムにおける複数の燃料電池が、それぞれのプリント回路基板へと組み込まれた１つの反応領域を備え、この反応領域が、反応領域を定めたプリント回路基板、および／またはラッカーにおける１つの高段部分と隣接している場合、更なる有利な実施形態では、これに関連して反応領域を定めると共に、更には反応領域の拡散層の中に改良された１つの固定および改良された１つの組み立てを提供することができる１つのポケットが生じる。
【００２８】
この更なる有利な実施形態では、１つの拡散層が備えられた反応領域には１つのガス分配構造と１つの集電器とが含まれ、この拡散層は、平らになるようにこの集電器の上に配置される。同時にこの拡散層は、半田や導電性接着剤によって集電器の金属層と電気的に接触してよく、或いは機械的に固定されてもよい。
【００２９】
プリント回路基板材料、および／またはカラー塗料における高段部は、実際に特に有利な１つの実施形態においては、１つのフレーム構造に対して相互に連結されてよく、この場合に付加される材料は、それらの自身の上に積層やボンディングが行われるプラスチックや、ＦＲ４や、樹脂含浸紙や、類似の材料であり、或いは、自身の上にプリントが行われるエポキシ接着剤や、更には半田遮蔽ラッカーであってもよい。
【００３０】
拡散層は１枚の炭素繊維紙であり、または特に有利な方法においては、金属化された１つのプラスチック繊維として設計されてもよく、具体的には、１つのプラスチック繊維は、好ましくは電極の領域に金属化された複数のセグメント、例えば、金（ニッケル‐金）を有する形態である。２０μｍから１００μｍの間のスレッドの直径を有し、メッシュの幅が３０μｍから５００μｍの適切なポリアミドやナイロンを備えたプラスチック繊維は、スクリーン印刷繊維として利用される。同時に、金属皮膜化された１つのセグメントは、プラスチック繊維に、公知のマスク処理やフォトリソグラフィー処理を行うことで達成されてもよい。
【００３１】
腐食を防止する為に、例えばニッケル金、ＣｒやＴｉＷ等の、単層または多層の導電性の抵抗被膜を有する、例えば銅を含んだ複数の条導体を有利に備える。
【００３２】
本発明全体の枠組みの範囲内においては、残った金属部と同様に、条導体は、銅、ニッケル、金、またはステンレス鋼、および／またはこれらの合金を含んでよい。
【００３３】
１つの第１のアノード側によって実現された１つの反応空間において、カソード側からアノード側を分離する為に、そしてまた、１つの第２のカソード側のプリント回路基板を同様に作成する為に、２つのプリント回路基板の複合体に対して、１つのプロトン導電性高分子膜は、これらのプリント回路基板の間に追加され、燃料電池システムの複数の燃料電池における複数の反応空間の領域において、触媒としてコーティングされた複数のセグメントのみを有する。同時に、好ましくは、セグメント化された１つの膜電極一体構造（ＭＥＡ）が使用される。これにより、この膜は、電流経路によって貫通されない、即ち、条導体のような役割を持つ複数の集電器や、複数の接続ラグによっては貫通されずに、或いは、２つの燃料電池において水平にオーバーラップした複数の接続ラグと接続した垂直な接続部材によっても貫通されない。
【００３４】
以下、本発明に関連する燃料電池システムを製造する方法に関する発明の利点が記載される。
【００３５】
１つの第１および１つの第２のプリント回路基板キャリアのそれぞれが上側および下側を備えるように選択され、両者のキャリア基板の為に、それぞれの上側において、多数の同じ方法のステップが実行されるので、これにより、産業的に大規模な生産を伴う製造のコストが削減され得る。これは、単一のプリント回路基板から幾つかの燃料電池システムを製造することで達成されてよい（多重使用）。
【００３６】
それぞれのプリント回路基板には金属化が施されているので、本発明の範囲内の１つのプリント回路基板が出来上がり、また、プリント回路基板における部分的な複数の領域において、この金属化された部分が選択的にエッチング除去されるので、複数の条導体は、高い信頼性で直列接続の製品を可能とし、かつ、１つの条導体として実現されると共に、条導体と同様の、互いにスムーズにつながった複数の接続ラグとして実現される複数の集電器が、その複数の反応空間において形成される。
【００３７】
同時に、複数の接続ラグは複数の集電器として同じ平面にある必要はなく、条導体の下側で金属化された１部分の形状の中に、更なる１つの条導体として実現されてもよい。
【００３８】
複数のガス分配構造はプリント回路基板へ組み込まれてもよく、複数の反応物質は、反応空間へと導かれ、そこで分配される。この組み込みは、例えばミリングによって達成されてよく、反応領域における１つの条導体が薄い場合には（例えば、３０μｍから１００μｍ）、プリント回路基板の下側の方向へ条導体の平面を通ってミリングを行うことができ、１つの条導体の層が厚い場合（例えば、２００μｍから５００μｍ）には、条導体層それ自体に対してミリングやエッチングを行ってもよい。
【００３９】
複数の反応空間を囲む１つの高段部が堆積されることにより、複数の反応空間におけるそれぞれの領域に、１つの凹部が出来上がり、この方法により、複数の拡散層のアセンブリが、有利に単純化される。このアセンブリを備える場合、条導体と拡散層との電気的かつ機械的な１つの接続は、半田や１つの導電性接着剤により達成されてよい。また、このアセンブリは、非導電性接着剤による機械的な接続のみによって達成されてもよい。
【００４０】
最初に、第１および第２の中間製品は、このようにして出来上がる。
【００４１】
その結果、膜電極一体構造（ＭＥＡ）が第１の中間生成物の上側の上に配置され、第１および第２の中間生成物は、互いにその上側を向かい合わせて連結され、このようなＭＥＡにより、分割されたアノード側およびカソード側の反応空間が出来上がる。この連結は、反応領域の外側で、互いに２つの平面をねじるようにしてもよいし、かつ／または、それぞれを圧力下に置くことで互いに接着させてもよく、この方法によって、拡散層と膜電極ユニットとの間の接触抵抗が低減されるのと同様に、条導体および拡散層における接触抵抗が低減される。
【００４２】
アノード側およびカソード側のプリント回路基板における複数の接続ラグが互いに接続されることにより、燃料電池システムに含まれる複数の燃料電池における複数の電気的な直列接続が生成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
以下において、本発明は、図面と共に、幾つかの実施例によって説明される。
【００４４】
図１は、プリント回路基板技術による１つの燃料電池の概略的な断面図を示しており、１つの第１のアノード側のプリント回路基板１０と、１つの第２のカソード側のプリント回路基板１１による１つの複合体として設計される。互いに対向して位置するプリント回路基板１０および１１は、この場合、完全に同じ方法で作成され、空間的に垂直に互いに１８０度互いに回転した上に配置されるが、それらの反応領域において、膜電極一体構造（ＭＥＡ）３によって分離されており、それぞれのエッジにおいて互いに接続される。プリント回路基板複合体における２つのプリント回路基板１０および１１によって形成された共通の反応領域は、先に述べた、多孔触媒被覆４を有するＭＥＡ３と同様に、両方のプリント回路基板における、ガス分配構造６、集電器１、および拡散層２を、同時に形成する。
【００４５】
図から推測できるように、集電器１を形成しているそれぞれの上部に配置された銅製の条導体のそれぞれが貫通されることにより、複数のガス分配構造６は、プリント回路基板１０および１１へと組み込まれる。或いは、２００μｍから５００μｍの厚さの銅製の複数の条導体を備えている場合には、複数のガス分配構造を、銅製の条導体自体へと組み込むことが可能である。複数のガス分配構造をこのように配置することにより、ＭＥＡ３に対向する複数のガス分配構造の側面は、集電器１と同一平面上で終端する。ガス分配構造６を経て供給された複数の反応物質が拡散層２へと入るように、また、拡散層２が電気的に複数の集電器１へと接続されるように、拡散層２はこの平面上に堆積される。
【００４６】
拡散層は、同時に、炭素繊維紙からできていてよいが、より好ましくは、金属化された
複数のセグメント（例えば、金や、ニッケル金）を、複数の電極１の領域に有するプラスチック繊維として設計されてよい。適切なポリアミドやナイロンを備えたプラスチック繊維は、その領域において、２０μｍから１００μｍの間のスレッド直径を有し、かつ、メッシュの幅が３０μｍから５００μｍであって、スクリーン印刷繊維として利用される。このような細かいプラスチック繊維に対する永久的な金属化処理の方法が幾つか知られているが、このセグメント構造は、金属化に先立ってプラスチック繊維にマスク処理やフォトリソグラフィー処理を行うことで達成されてもよい。
【００４７】
本例の拡散層２は、半田付けや導電性接着剤により、電気的に接触すると共に機械的に集電器１に有利に固定される。より確実に複数の拡散層を固定し、かつ拡散層の組み立てを単純化する為に、複数の拡散層は、プリント回路基板における１つの高段部１３によって囲われてもよく、その結果、いずれの場合においても、プリント回路基板１０および１１の一部分には反応の為の空間を形成する１つの凹部（ポケット部）が生じ、これにより１つのフレーム構造が形成される。このフレーム構造は、集電器１の平面までの結合継手７の距離によって特徴づけられ、通常は反応領域の外側に配置される。フレーム構造は、堆積やボンディングが行われるプラスチックや、ＦＲ４や、樹脂含浸紙、或いは、プリントが行われるエポキシ接着剤や半田遮蔽ラッカーやその他の手段による類似の材料によって実現される。
【００４８】
本実施形態の全ての実施例における複数の条導体は、銅またはその他の、先に述べた材料から製造され、そしてそれぞれの燃料電池における反応領域の範囲内に置かれ、これにより、複数の条導体が拡散層と接触する箇所は複数の集電器として機能する。複数の条導体は、複数の反応空間の外側において、電流を放電する為に使用され、同時に、燃料電池システムの外側と電流放電接触部５とを接触させる為に、そしてまた、複数の接続ラグを形成する為に、つまりは当該システムにおける複数の燃料電池の電気的な直列接続の為に使用される。腐食を避けるために、銅条導体は、一重（単層）または多重（多層）の抵抗被覆（例えば、ニッケル−金、Ｃｒ、ＴiＷ）を備えて配置される。
【００４９】
接触部５および５’は、燃料電池システムにおいて、永久的な電気接続として機能し、複数の集電器１と電気的に接続される。市販の標準化された複数のクランプコンタクト、複数の接続ラグ、複数のピン、複数のリベット等が、外側接触部５および５’として利用されてよい。図１では、横方向へ伸びた１つの外側接触部５が取り付けられるが、またこれに対して、プリント回路基板の外側の側面へ延びた垂直外側接触部５’が図示されており、これらは、半田処理やリベット処理によって条導体に接続される。
【００５０】
１つの反応物としてメタノールを使用する場合、アノード側のガス供給器の外側の側面は、ガス透過膜、或いは、複数の微細な開孔を有する１つのミクロ構造体から、その一部または全部が製造され、これにより、炭酸ガスの複数の気泡がミクロ構造体によって反応空間の外側へと輸送され、或いはミクロ構造体における複数の微細な開孔を通って外へと回収される。
【００５１】
図２は、平面図における図１の燃料電池システムのアノード側のプリント回路基板１０を示す。ガス分配構造６における複数の凹部は、集電器１の平面に組み込まれ、プリント回路基板材料は、その下に位置する。膜電極一体構造は、ここでは描かれていないが、破線３’により、その位置を示す。本実施形態において、ガス分配構造は、曲がりくねった１つの経路を有する。１つのフレーム構造を形成すると共に反応空間を囲む、機械的に堆積された高段部１３は、複数のエッジ領域部分で集電器１を覆っている。このため、平面図から見た集電器１は、反応空間における領域としてのみ認識されるかもしれない。フレーム構造によって覆われた集電器１は、電流放電接触部５と横方向に接続される。
【００５２】
図３は、プリント回路基板技術による１つの燃料電池システムを示しており、基本的には、アノード側のプリント回路基板１０およびカソード側プリント回路基板１１の複合体として図１における実施例と同じように構成される。ここでは１平面上に、膜電極一体構造（ＭＥＡ）領域の外側であって、プリント回路基板の範囲内に、電気的に直列に接続された３つの燃料電池が示される。
【００５３】
本図は、反応空間の領域の範囲内での１断面を示しているので、直列接続は、ここでは、詳細には示されていない。
【００５４】
プロトン導電性高分子膜３は、好ましくは、セグメント化された１つのＭＥＡとして設計され、ＭＥＡは、燃料電池システムの反応空間の領域において、触媒として被覆された複数のセグメント４を有するようにセグメント化される。同時に、このセグメント化は、例えばレーザアブレーションや反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等によって触媒として全表面上に被覆されたＭＥＡに、有利に組み込まれてよい。
【００５５】
カソード側の１つのガス分配構造に代えて、本実施形態の実施例では、プリント回路基板の複合体の外側に、複数の空気開口部９を有する。プリント回路基板１０および１１は、エッジ領域での接触抵抗を減らす為に、互いにねじ込まれ、或いは、圧力下で接着される。そして、複数の接続継手７が出来上がる。
【００５６】
ここで、フレーム構造を形成する複数の高段部１３は、他の形態の実施例においては、複数の反応領域の境界を定める。
【００５７】
図４は、プリント回路基板技術による３つの燃料電池を有する１つの燃料電池システムを通って、ＭＥＡの外側における概略的な断面図を示す。ここでは、ＭＥＡの領域の外側の１平面において、燃料電池を電気的に直列に接続する好適な方法が図示されている。
【００５８】
このことは、集電器１の銅条導体が反応領域の外側にあり、かつプリント回路基板複合体の境界の内側に取り外せないように導かれているという点で、達成される。これにより、プリント回路基板１１の接続ラグ８’が出来上がる。図３の中央における燃料電池の銅条導体は、接続ラグ８を形成する一方、同様に外側へ導かれる。接続ラグ８および８’は、垂直方向に互いに対向して配置され、これにより水平となるようにオーバーラップする。同時に、接続ラグ８および８’は、電気的な接点を作り出すために、複数の垂直接触部材１２により接続される。
【００５９】
膜電極一体構造（ＭＥＡ）を貫通しないように、集電器１における条導体は、高分子膜の外側の領域、或いは接続ラグ８の形状内のＭＥＡ３の外側の領域において、隣接する２つの燃料電池アセンブリの中間領域へ導かれる。対向して位置する条導体ラグ８および８’を接触させるために、１つの導孔１２が、プリント回路基板複合体に形成される。
【００６０】
接続ラグ８および８’の間の複数の接触部材１２による、導電性を有した接続の形成は、導孔１２の内側を金属化することによって出来上がる。これは、好ましくは、電気的な銅メッキの層により実現される。接触を更に改善する為に、この導孔は、半田や導電性接着剤によってその一部または全部が満たされてよい。また、この接触は、半田や導電性接着剤によってその一部または全部が導孔を満たすことにより導孔の内側を金属化する以外の方法で実現されてもよい。
【００６１】
プリント回路基板１０および１１を互いに連結する前に、それぞれの導孔がより大きな直径を持つようにドリル加工を施すという程度にまで導電可能に満たされた導孔が形成された接触要素１２による接触を有利に変更してもよく、これにより、反応空間側において、接続ラグ８および８´の接続においてより広い表面が開放される。そして、より小さな径を持つ１つの導孔によって、反対側から連続する１つの導孔を作成し、この場合、厚い導孔と薄い導孔とが同軸に位置し、薄い導孔は、接続ラグ８および８´を通過する。そして、前述したように、半田または導電性接着剤で満たすことにより、２つの接続ラグ８および８´の間の互いの接触が実行されてよい。全体として述べると、より厚い第１の導孔によって、互いに対向する複数の接続ラグにおける、より広範囲の表面が実現され、これにより改良された電気接触が達成される。
【００６２】
接触ラグ８および８´と、複数の垂直接触部材１２とが、水平にオーバーラップするという、この種類の接触形態の好適な例は、アノード側とカソード側において、それぞれの場合に、お互いを反応空間から分離しているプロトン導電性高分子膜３を貫通しないということである。
【００６３】
満たされた１つの導孔の代わりに、１つのリベットや複数のプレスピンによって接触部材１２が実現される場合、電気的な接触を得る為に、プリント回路基板複合体に一斉に圧力をかけてよい。これにより、更に非常に低い接触抵抗となり、かつ組み立て品に対して温度負荷がかからなくなる。１つの接続ラグ８とプリント回路基板１０または１１の表面との間からプリント回路基板材料を取り去った場合には、溶接による接続が可能である。プリント回路基板１０および１１の接続に、クランピング接続が、代わりに用いられるか、または追加的に用いられてもよい。
【００６４】
図５は、プリント回路基板１０の表面の平面図を示しており、この表面は、反応領域の側面（ＩＩ）とプリント回路基板複合体の外側（Ｉ）とに位置しており、堆積された１つの高段部や、複数の拡散層２やＭＥＡ３は示されておらず、この場合、ＭＥＡの位置は、破線３’で示される。
【００６５】
反応領域の側面（ＩＩ）において、複数のガス分配構造６がＳ字構造をしていることが明らかに見て取れる。本願において、”複数のガス分配構造”という用語は、反応領域において、或いは、反応領域に対して、複数の反応物質を分配し、そして供給する為の、全ての分配構造を意味する。同時に、複数の分配構造や複数の反応物質は、ガス専用の構造には限定されない。その他の複数の形態としては、例えば、メタノール等の液体状のものが考えられる。
【００６６】
反応領域の側面における図（ＩＩ）では、Ｓ字型のガス分配構造を囲うと共に、集電器１を形成する条導体が確認できる。本図において、ガス分配構造体６および集電器１と共に、反応領域の上部の右側、および反応領域の下部の左側において、条導体１は、複数の接続ラグ８と滑らかに併合する。本図では、ガス分配構造６および集電器１によって形成された長方形によってその境界が図示される反応領域は、本図にその詳細は記されてはいないが、この反応領域を囲い、かつプリント回路基板材料の高段部によって形成されるポケット内に存在する。同時に、ガス分配構造は、反応物質の供給に関連して、２つの燃料電池が互いに接続された位置において、ポケットを形成する高段部を貫通する。
【００６７】
また、垂直接触部材１２が本図には示されているが、この場合、反応領域の側（ＩＩ）から見た場合と同様に外側から見た図（Ｉ）が示されており、図（ＩＩ）においては、垂直接続部材が貫通する様子が、複数の接続ラグ８によって示されている。
【００６８】
複数の接続ラグ８による電子回路の構成が、反応領域の外側ではあるが、プリント回路基板１０の外側の境界の範囲内で行われることが明らかに見て取れる。このことから、その位置のみが図示されるＭＥＡ３´が貫通されることがなく、これにより、リークが生じないという電気接触において有利な点が達成されるだけでなく、通常は１つの平面に配列された複数の直列接続の燃料電池は高い電気損失であるのだが、好ましくは使用される集電器１および複数の接続ラグ８により形成された、良好な導電性を持つ複数の銅条導体を流れる電流がエッジ領域へと放電されるので、この高い電気損失が回避される。
【００６９】
図６および図７は、第２の１つの実施形態を示す。ここでは、プリント回路基板１０および１１における複数の内側配置接続ラグ１４および１４´が、図４および図５と同様に示されているが、複数の内側配置接続ラグ１４および１４´（図７参照）は、複数の集電器において、外側の領域へ向かう延長部を形成するだけであって、図４および図５における複数の接続ラグ８および８´において、隣接した燃料電池の方向に、角度を持って横へ向かう曲がった延長部をもはや有してはいない。
【００７０】
１つの平面で直列となった複数の燃料電池による電子回路構成についての本変形例の具体的箇所は、それぞれの場合において、複数の内側配置接続ラグ１４および１４´によって、複数の外側配置接触部４０へ向かう少なくとも１つの電気接続１５が形成されることであり、この場合、複数の接続ラグ８および８´と同様に、複数の外側配置条導体４０が、２つの燃料電池のそれぞれにおいて、図６に示すようにオーバーラップし、そして１つ以上の垂直接触部材１６によってお互いが接続されるように、複数の外側配置条導体４０が配置される。複数の内側配置接続ラグ１４および、回路構成４０の為の複数の外側配置条導体における基本的かつ全体的な同質性は、特に図７より明らかになる。本実施形態の形成において、複数の外側配置条導体４０と同様に、複数の内部配置接ラグ１４は、直列接続の為に電気的な接触しており、この場合、この電気的な接触は、図４および図５と原理的に同様に実現される。
【００７１】
図８および図９は、第３の１つの実施形態を示す。ここでは、プリント回路基板１０および１１における内部配置接続ラグ１７および１７´は、それぞれの場合において、垂直接触部材１９によって、アノード側およびカソード側のプリント回路基板の条導体１８および１８´と、電気的に接続され、これらの複数の条導体は互いに対向している。反応領域側において互いに対向し、これにより互いに反対に位置する条導体１８および１８´は、互いに僅かな距離を有しており、あるいは、境界表面を形成する。この導孔２０により、互いに対向して配置された内側条導体１８および１８´は、これらの複数の条導体が互いに対向して配置された１つの位置において外側からアクセス可能であって、ポイント溶接やレーザ溶接によって、取り外しができないように電気的に接触してよい。
【００７２】
図１０は、更なる１つの実施形態の反応空間を通る断面図を示しており、複数のアノード側ガス分配構造２４と、複数のカソード側ガス分配構造２３とが、プリント回路基板２１と２２のそれぞれに交互に配置され、カソード側のガス供給器における集電器１´は、１つの条導体２５を介して、アノード側のガス供給器に近接する集電器１と電気的に接続される。
【００７３】
本例において、カソード側ガス分配構造２３は、燃料電池システムの外側へ向かう複数の空気開口部と共に示される。複数の空気開口部の代わりに、アノード側のガス供給器２４と同じように、クローズ型の１つのガス分配構造２４を用いてもよい。
【００７４】
本実施形態における特に好ましい形態では、複数の燃料電池におけるアノード側とカソード側とを交互に配置することにより、プリント回路基板複合体において、ある１面の上に他の１面を接触させることを無しに済ませてもよい。プリント回路基板複合体における燃料電池は、単純に２つのプリント回路基板２１および２２を互いの上に配置することで実現されてよく、この場合の設計は特に精妙である必要がなく、また、製造にはコストもかからない。
【００７５】
本発明に係る１つの燃料電池システムは、２ｍｍから３ｍｍの高さを有しており、構造上、非常に低い高さを備える。このように燃料電池を平面状の幾何学的構造にすると、１つの装置の外側のハウジングを１つに統合する場合に、特に好適である。特に、外側へ開いた１つのカソードや、空気を供給する為の外側へ向かう適切な開口部を有する１つのカソードを備えた構造においては、例えば１つの通風孔によって酸素を供給する必要なく、自己吸気や消極的な様態によって、燃料電池システムを機能させる事が出来る。
【００７６】
プリント回路基板技術を用いることにより、相対的に低い電気出力を多数つなげることで、直列接続の製造と相性がよく、かつ複数の燃料電池システムの製造に対して高い信頼性の製造技術を、安いコストで、かつ複雑な技術を伴わずに提供する事が出来る。特に、電気的な直列接続、即ち、燃料電池システムにおいて燃料電池間の接続は、試行錯誤された産業的な手法により、実現されてよい。
【００７７】
１つのプリント回路基板複合体として設計することにより、燃料電池システムにおける複数の電子回路が単純に作成されてよいことが、更なる利点となる。一方で、こうした複数の回路が、燃料電池システムの振る舞いを検知、制御、そして改良し、他方では、電力を供給されるべき消費対象が、プリント回路基板複合体に対して直接的に配置されてよい。最初に述べた複数の電子回路の複数の例としては、以下に示すような名前を持った機器であってよく、それは例えば、ＤＣ／ＤＣ変換の為の電子技術、個々の燃料電池のパラメタ操作（電流、電流、インピーダンス、温度など）を測定し検知するためにセンサを備えた電子技術、反応物質（マイクロバルブやマイクロポンプの活性材）の流れを制御するための電子技術、保護用のダイオードやバイパス用のダイオード等によって個々の燃料電池を保護するための電子技術、他の機能は無いが、個々の燃料電池をブリッジするためだけの電子技術等である。
【００７８】
１つのマイクロ電子回路を形成するプリント回路基板に直接的に供給されるべき消費対象の一例は、例えば、燃料電池システムによって直接的に、電気が供給されるセンサである。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】１つの断面図におけるプリント回路基板技術を用いた１つの燃料電池の概略構成であって、本発明では、２つのプリント回路基板からなる１つの複合体として設計される。
【図２】１つの平面図におけるアノード側のプリント回路基板の概略構成である。
【図３】反応空間の領域における概略断面図であって、本発明に係る燃料電池システムの１つの第１の実施形態のＭＥＡの概略断面図であり、３つの燃料電池が１つの平面に直列に接続されている。
【図４】本発明に係る１つの燃料電池システムの１つの第１の実施形態を通る膜電極一体化構造（ＭＥＡ）の外側の領域の概略断面図であり、１つの平面に直列に接続されている。
【図５】堆積された１つの高段部、拡散層、およびＭＥＡを有さない、プリント回路基板複合体における、図４に示された２つのプリント回路基板のうちの１つについての、上側および下側の概略図である。
【図６】本発明に係る燃料電池システムの第２の１つの実施形態の概略断面図であって、プリント回路基板複合体内に３つの燃料電池を備えており、これらは、複数の内側配置接続ラグを介して１つの平面内に直列に接続されているだけでなく、複数の条導体を介して、プリント回路基板複合体の表面に接続される。
【図７】堆積された高段部、拡散層、およびＭＥＡを有さない、図６のプリント回路基板複合体における２つのプリント回路基板のうちの１つにおける、上側図および下側図である。
【図８】本発明に係る燃料電池システムの第３の１つの実施形態の概略断面図であって、プリント回路基板複合体における３つの燃料電池が、複数の内側配置接続ラグによって接続されるだけではなく、複数の条導体を介して１つの平面に電気的に直列に接続されており、それらの条導体は、反応領域側にあって互いに対向すると共に、アノード側とカソード側のプリント回路基板においてそれぞれの側面で互いに対向しており、外側へアクセス可能な１つの開口部から溶接される。
【図９】拡散層およびＭＥＡを有さないが、堆積された１つの高段部を有する、図８のプリント回路基板複合体における２つのプリント回路基板のうちの１つにおける、上側図および下側図である。
【図１０】本発明に関する燃料電池システムの第４の１つのその他の実施形態における反応空間の領域の概略断面図であって、４つの燃料電池を備えており、複数のアノードと複数のカソードとが、プリント回路基板の上側と下側に交互に配置され、かつ、１つの条導体によって２つの隣接するアノードおよびカソードにおける複数の集電器を接続することにより、１つの平面に直列に接続される。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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