(57)【要約】実施例は、複数の電子伝導性要素、複数のイオン伝導性要素を有し、各々が第１の表面および第２の表面を有し、各イオン伝導性要素が２つの電子伝導性要素の間に位置づけられる。電子伝導性要素およびイオン伝導性要素が層を形成し、イオン伝導性要素および電子伝導性要素の少なくとも１つがマグネシウムおよび珪素を接触１または複数の次元において幾何学的に非対称である。【代表図】  図２Ａ
2013516038.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池用の複合体であって、
複数の電子伝導性要素と、
複数のイオン伝導性要素であって、各々が第１の表面および第２の表面を具備し、各々が２つの電子伝導性要素の間に配される、上記複数のイオン伝導性要素とを有し、
上記電子伝導性要素および上記イオン伝導性要素が１の層を形成し、
上記イオン伝導性要素または上記電子伝導性要素のうちの少なくとも１つが１または複数の次元において幾何学的に非対称であることを特徴とする複合体。
【請求項２】
上記複合体は厚さおよび少なくとも２つの表面を伴い、
上記イオン伝導性要素の各々が１の表面から他の表面へのイオン伝導性経路を形成し、
上記電子伝導性要素の各々が１の表面から他の表面への電子伝導性経路を形成する請求項１記載の複合体。
【請求項３】
上記イオン伝導性要素のうちの少なくとも１つは非対称である請求項１記載の複合体。
【請求項４】
上記イオン伝導性要素の少なくとも１つの上記第１および第２の表面が表面面積、表面形状、複合体の中心を基準にした位置、またはこれらの組み合わせに関して非対称である請求項３記載の複合体。
【請求項５】
複数の電流コレクタであって、各々が上記電子伝導性要素の１つを有するものを有し、
上記イオン伝導性要素は、イオン伝導性材料を、電流コレクタの間の空間に成型する請求項１または３記載の複合体。
【請求項６】
上記電流コレクタはインターフェース領域を有する請求項５記載の複合体。
【請求項７】
上記イオン伝導性要素の少なくとも１つの上記第１および第２の表面が異なる表面面積を伴う請求項３記載の複合体。
【請求項８】
上記イオン伝導性要素の少なくとも１つの上記第１および第２の表面が上記複合体の中心を基準にして異なる位置にある１、３または７記載の複合体。
【請求項９】
上記第１および第２の表面の１つは上記隣接する電子伝導性要素の対応する表面を基準にして後退している請求項８記載の複合体。
【請求項１０】
上記第１および第２の表面の１つは上記隣接する電子伝導性要素の対応する表面を基準にして持ち上げられている請求項８記載の複合体。
【請求項１１】
上記イオン伝導性要素の少なくとも１つの上記第１および第２の表面の形状が異なる請求項３または７記載の複合体。
【請求項１２】
上記イオン伝導性要素の少なくとも１つの上記第１および第２の表面は、上記複合体の中心を基準にして位置が異なる請求項１１記載の複合体。
【請求項１３】
上記第１および第２の表面の１つは凸である請求項１１記載の複合体。
【請求項１４】
上記第１および第２の表面の１つは凹んでいる請求項１１記載の複合体。
【請求項１５】
上記第１および第２の表面の１つはおけ型形状である請求項１１記載の複合体。
【請求項１６】
複数の電流コレクタであって、各々が上記電子伝導性要素の１つを有するものを有し、
上記イオン伝導性要素は、イオン伝導性材料を、電流コレクタの間の空間に成型する請求項１５記載の複合体。
【請求項１７】
上記電流コレクタはインターフェース領域を有する請求項１６記載の複合体。
【請求項１８】
複数の電流コレクタであって、各々が上記電子伝導性要素の１つを有するものを有し、
上記電流コレクタの少なくとも１つは非対称である請求項１、３、４または７記載の複合体。
【請求項１９】
上記非対称の電流コレクタは、非対称である電子伝導性要素を有する請求項１８記載の複合体。
【請求項２０】
上記非対称の電子伝導性要素の２つの対抗する表面が異なる表面面積を有する請求項１９記載の複合体。
【請求項２１】
複数の電流コレクタであって、各々が上記電子伝導性要素の１つを有するものを有し、
上記電流コレクタの少なくとも１つは非対称である請求項８記載の複合体。
【請求項２２】
上記非対称の電子伝導性要素の２つの対抗する表面が異なる表面面積を有する請求項２１記載の複合体。
【請求項２３】
上記非対称の電子伝導性要素の２つの対抗する表面が異なる表面面積を有する請求項２２記載の複合体。
【請求項２４】
第１の表面および第２の表面を伴い幾何学的に１の非対称なイオン伝導性要素と、第１の表面および第２の表面を伴う２またはそれ以上の電子伝導性要素とを含む複合層であって、上記イオン伝導性要素が上記電子伝導性要素の間に位置決めされる上記複合層と、
上記イオン伝導性要素に対してイオン接触して上記電子伝導性要素に対して電気接触する２つの電極コーティングとを有することを特徴とする燃料電池。
【請求項２５】
上記２つの電極コーティングは上記イオン伝導性要素の上記第１の表面に配置されるカソードコーティングと、上記イオン伝導性要素の上記第２の表面に配置されるアノードコーティングとを有する請求項２４記載の燃料電池。
【請求項２６】
上記アノードコーティングおよび上記カソードコーティングは、表面が表面面積、表面形状、複合体の中心を基準にした位置、またはこれらの組み合わせに関して非対称である請求項２５記載の燃料電池。
【請求項２７】
上記アノードコーティングおよび上記カソードコーティングの表面面積が異なる請求項２５記載の燃料電池。
【請求項２８】
２つの電流コレクタであって、各々が上記電子伝導性要素の１つを有するものを有し、
上記イオン伝導性要素は、イオン伝導性材料を、電流コレクタの間の空間に成型する請求項２５または２７に記載の燃料電池。
【請求項２９】
上記電流コレクタはインターフェース領域を有する請求項２８記載の燃料電池。
【請求項３０】
上記アノードコーティングおよび上記カソードコーティングの表面の形状が異なる請求項２５または２７記載の燃料電池。
【請求項３１】
上記アノードコーティングまたは上記カソードコーティングは凸である請求項３０記載の燃料電池。
【請求項３２】
上記アノードコーティングまたは上記カソードコーティングは凹んでいる請求項３０記載の燃料電池。
【請求項３３】
上記アノードコーティングは凹んでおり、流体を案内できる空洞を形成する請求項３２記載の燃料電池。
【請求項３４】
上記アノードコーティングまたは上記カソードコーティングはおけ型形状である請求項３０記載の燃料電池。
【請求項３５】
上記アノードコーティングはおけ型形状であり、流体を案内できる空洞を形成する請求項３４記載の燃料電池。
【請求項３６】
２つの電流コレクタであって、各々が上記電子伝導性要素の１つを有するものを有し、
上記イオン伝導性要素は、イオン伝導性材料を、電流コレクタの間の空間に成型する請求項３０記載の燃料電池。
【請求項３７】
上記電流コレクタはインターフェース領域を有する請求項３６記載の燃料電池。
【請求項３８】
上記イオン伝導性要素の上記第１の表面および上記第２の表面の表面面積が異なる請求項２５または２７記載の燃料電池。
【請求項３９】
２つの電流コレクタであって、各々が上記電子伝導性要素の１つを有するものを有し、
上記電流コレクタの少なくとも１つは非対称である請求項２５または２７記載の燃料電池。
【請求項４０】
上記非対称の電流コレクタは、非対称である電子伝導性要素を有する請求項３９記載の燃料電池。
【請求項４１】
上記非対称の電子伝導性要素の上記第１の表面および上記第２の表面が異なる表面面積を有する請求項４０記載の燃料電池。
【請求項４２】
上記複数の電流コレクタはインターフェース領域を有し、上記非対称の電流コレクタは、非対称なインターフェース領域を有する請求項３９記載の燃料電池。
【請求項４３】
請求項２４〜４２のいずれかの燃料電池を２以上有し、これらが隣接して配列されて実質的に平坦の層を形成する燃料電池層。
【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】
典型的な従来の燃料電池（例えば燃料電池スタック）では、燃料は流れチャネルを具備するバイポーラ板を介して膜電極組立体（ＭＥＡ）へと移動する。燃料の分散とは別に、バイポーラ板はユニット燃料電池を分離するようにも働く。バイポーラ板を使用すると、燃料電池スタックおよびシステムが占める空間が大きくなるかもしれない。バイポーラ板およびＭＥＡの間の電気接触を確実にし、また、燃料および酸化剤が漏れないようにするために、慣用的な燃料電池スタックは圧縮力により一緒に保持する必要がある。種々の部品が慣用的な燃料電池スタックを保持するために採用されて良い。したがって、慣用的な燃料電池スタックは多くの部品を必要とし、アッセンブリは極めて複雑になってしまう。
【０００３】
燃料電池は端部集結構造、例えば平坦構造（ｐｌａｎａｒ  ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）で連結しても良い。いくつかの端部集結燃料電池デザインでは、電流が、個々のユニット燃料電池の端部から集められて燃料電池の平面で移動する。
【０００４】
いくつかの端部集結または平坦構造の燃料電池システムは、燃料電池システムの燃料電池層と種々の他の部品との間の良好な接触を維持するためには圧縮力を採用することがない。このような燃料電池システムでは、部品は他の手段により組付けられて接触状態に維持される。
【０００５】
端部集結燃料電池は、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）、その他に電力供給するのに採用されて良い。そのような用途では、燃料電池用に利用できるスペースがしばしばほとんどない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】ＷＯ２００９／１０５８９６パンフレット
【特許文献２】米国特許第７，４７３，４８２号明細書
【特許文献３】米国特許第５，９８９，７４１号明細書
【特許文献４】米国特許第５，８６１，２２１号明細書
【特許文献５】ＷＯ２００９／０３９６５４パンフレット
【発明の開示】
【０００７】
実施例は、複数の電子伝導性要素、複数のイオン伝導性要素を有し、各々第１の表面および第２の表面を伴い、各イオン伝導性要素が２つの電子伝導性要素の間に位置づけられる、燃料電池層のための複合体に関する。電子伝導性要素およびイオン伝導性要素は層を形成子、複数のイオン伝導性要素または複数の電子伝導性要素の少なくとも１つが、１または複数の次元において幾何学的に非対称である。
【０００８】
実施例は、第１の表面および第２の表面を伴う、１つの幾何学的に非対称なイオン伝導性要素と、１または複数の、第１の表面および第２の表面を伴う電子伝導性要素を含む複合体を有する燃料電池にも関する。イオン伝導性要素は電子伝導性要素の間、イオン伝導性要素とそれぞれイオン接触する、２つの電極コーティングの間に位置決めされる。
【０００９】
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】
【００１０】
【図１】第１の例の平坦燃料電池層の断面図である。
【図１Ａ】第２の例の平坦燃料電池層の断面図である。
【図２Ａ】第１の例の実施例の非対称燃料電池の断面図である。
【図２Ｂ】第１の例の実施例の非対称複合体の断面図である。
【図３】第２の例の実施例の非対称燃料電池の断面図である。
【図４Ａ】第２の例の実施例の非対称複合体の断面図である。
【図４Ｂ】第３の例の実施例の非対称燃料電池の断面図である。
【図４Ｃ】第３の例の実施例の非対称複合体の断面図である。
【図５Ａ】第４の例の実施例の非対称燃料電池の断面図である。
【図５Ｂ】第５の例の実施例の非対称燃料電池の断面図である。
【図５Ｃ】第６の例の実施例の非対称燃料電池の断面図である。
【図５Ｄ】第７の例の実施例の非対称燃料電池の断面図である。
【図６】事例の実施例に従う、非対称平坦燃料電池層を準備する１つの実現可能な方法のプロセスブロック図である。
【図７】事例の実施例に従う非対称燃料電池層を具備する燃料電池システムの拡大斜視図である。
【図８】図７の燃料電池システムの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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、または論理上の変更を行って良い。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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
当該文書において、用語「上」（ａｂｏｖｅ）および「下」（ｂｅｌｏｗ）は、複合体の中心との関係で２つの異なる方向を記述するのに採用され、用語「より上」（ｕｐｐｅｒ）および「より下」（ｌｏｗｅｒ）は複合体の異なる２つの面を記述するのに採用される。カソード層またはコーティングは複合体の「上」（ａｂｏｖｅ）にあると記述される一方、アノード層またはコーティングは複合体の「下」（ｂｅｌｏｗ）にあると記述される。しかしながら、これらの用語は単に記述を容易にするために用いられ、記述される実施例の燃料電池層の方位を固定するように理解されるべきではない。
【００１５】
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。
【００１６】
平坦燃料電池システムは小型の携帯アプリケーションに給電するのに使用できる。そのようなアプリケーションはしばしば燃料電池用に利用できるスペースがほとんどないので、燃料電池システムが省スペース要請を満たすことは有益である。燃料電池システムが占めるスペースは、燃料電池層において、非対称な複合層を採用することにより削減できる。
【００１７】
いくつかの平坦燃料電池システムでは、プレナムを、燃料を燃料電池層のアノードに搬送するのに採用する。このようなプレナムは流れチャネルを具備しても具備しなくても良い。いくつかの実施例の非対称燃料電池層は燃料電池層に部分的なまたは完全な流れチャネルを含んでよく、これにより、燃料電池システムが占めるスペースを小さくする。
【００１８】
いくつかの平坦燃料電池システムにおいて、部品は、圧縮されることなく、相互に接着させて部品間の十分の接触を形成して維持して良い。例えば、部品は、内部保持構造によって一緒に接着されて良く、これは例えば、本件出願人の出願に係る、「省スペース流体プレナムを有する燃料電池システムおよび関連方法」という題名の米国特許出願公開第２００９／００８１４９３号、および、本件出願人の出願に係る、「電気化学セルおよびこれに関連する膜」という題名のＰＣＴパンフレットの第ＷＯ／２００９／１０５８９６号に見いだされるものであり、その内容は参照してここに組み入れる。正のガス反応物圧力で動作するいくつかの平坦燃料電池システムにおいて、これらのボンドは、内部ガス圧によって、燃料電池に加わる負荷と対抗する。いくつかの実施例に従う非対称燃料電池層は容易に相互に接着し、例えば、燃料プレナムに容易に接着することができる。
【００１９】
燃料電池用の複合層が実現され、複合層は非対称構造を具備する。複合体はイオン電導性部品と電子伝送性部品とを具備する。複合体はイオン伝導性の非対称性、スペースが電子伝送性の非対称性、または双方に由来して非対称であって良い。非対称性複合体を含む非対称性燃料電池層が実現される。燃料電池に非対称性燃料電池層を採用することにより、燃料電池システムの組立がより簡単になり、または、燃料電池が占めるスペースを削減でき、または双方が可能になる。
【００２０】
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。
【００２１】
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、パまたは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。
【００２２】
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。
【００２３】
［定義］
ここで使用されるように、「触媒」はそれが変更または消費されることなしに反応の開始や反応速度の増加を支援する材料または物質である。触媒層は、即座に適用するのに適した任意のタイプの電極触媒を含んで良い。触媒または触媒層は純粋な白金、炭素支持白金、炭素黒、白金・ルテニウム、パラジウム、銅、酸化錫、ニッケル、金、カーボンブラックの混合物、および、１または複数のバインダを含んでよい。バインダはアイオノマー、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリカーボネート、ポリイミド、フルオロポリマー、および他のポリマー材料を含んでよく、フィルム、粉末、または分散剤であってよい。ポリイミドの一例はＫａｐｔｏｎ（商標）である。フルオロポリマーの一例は、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）すなわちＴｅｆｒｏｎ（商標）である。他のフルオロポリマーは、ＰＦＳＡ（ペルフルオロスルホン酸）、ＦＥＰ（フルオロ化エチレンプロピレン）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエチレンケトン）、および、ＰＦＡ（ペルフルオロアルコエチレン）を含む。バインダは、ＰＶＤＦ（ポリビニリデンジフルオライド）粉末（例えばＫｙｎａｒ（商標））、および二酸化珪素粉末であってもよい。バインダは、ポリマーまたはアイオノマーの任意の組み合わせを含んでよい。カーボンブラックは、適切に細かく分割した炭素材料、例えば、アセチレンブラックカーボン、炭素粒子、炭素フレーク、炭素繊維、炭素針、カーボンナノチューブを含んでよい。
【００２４】
ここで使用されるように、「コーティング」は複合層の表面に被着される伝導性薄膜を指す。例えば、コーティングは触媒層、または、電極、例えば、アノードおよびカソードであってよい。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
図１Ａおよび１Ｂ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１５０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。この発明の実施例はこれらの例の背面燃料電池層に適応されて説明されるけれども、他の端部集結または平坦燃料電池層に適用されてよい。他の平坦燃料電池層の例は、それぞれ「電池を並んで配列させた電気化学電池システム」および「複数電池を含む膜線条として形作られたバッテリ」という名称の米国特許第５，９８９，７４１号および第５，８６２，２２１号、および、「燃料電池」という名称の米国特許出願第１２／１５３，７６４号に説明されている。
【００３２】
例の平面燃料電池層１００、１５０は、イオン伝導性要素１１８、１６８および電子伝導性要素１１２、１６２を具備する複合層１２４、１７４を含む。複合層１２４、１７４はオプションとしてインターフェースまたは基体領域１２２、１７２も有してよい。インターフェースまたは基体領域１２２、１７２は、非伝導性の材料を含む。電子伝導性要素１１２およびオプションのインターフェースまたは基体領域１２２は電流コレクタ１１０を形成して良い。燃料電池層１００、１５０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、１６６Ｃ、およびアノードコーティング１１６Ａ、１６６Ａを具備する。カソードコーティング１１６Ｃ、１６６Ｃは複合層１２４、１７４の上側に被着され、複合層１２４、１７４の上側表面に接着される。アノードコーティング１１６Ａ、１７６Ａは複合層１２４、１７４の下側に被着され、複合層１２４、１７４の下側表面に接着される。
【００３３】
図２Ａおよび３Ａは、２つの事例的な実施例に従う、１または複数の次元で幾何学的に非対称な構造を伴う２つの平面燃料電池の断面図を示す。平面燃料電池２００、２５０は、イオン伝導性要素２１８、２６８および電子伝導性要素２１２、２６２を具備する複合層２２４、２７４を含む。複合層２２４、２７４はオプションとしてインターフェースまたは基体領域２２２、２７２も有してよい。インターフェースまたは基体領域２２２、２７２は、電気的に、および／またはイオン的に非伝導性の材料を含む。電子伝導性要素２１８およびオプションのインターフェースまたは基体領域２２２は電流コレクタ２１０を形成して良い。図示の実施例においては、イオン伝導性要素２１８、２６８はそれぞれ非対称である。図示の実施例においては、複合体２２４、２７４も非対称である。複合体２２４、２７４は図２Ｂ、３Ｂに示される。
【００３４】
非対称な複合体は、３つの異なるタイプの非対称性のうちの１つまたは複数を伴うイオン伝導性要素を具備し、これは、表面形状およびプロフィールにおける非対称性、表面面積における非対称性、複合体の中心との関係の位置に非対称性である。図示の実施例においては、イオン伝導性要素２１８、２６８の各々は３つのタイプの非対称性のすべてを伴う。しかしながら、複合体は、３つより少ないタイプの非対称性しか持たない、または３より大きな数のタイプの非対称性を有するイオン伝導性要素を具備してよいことに留意されたい。
【００３５】
図示の実施例においては、イオン伝導性要素２１８、２６８は、表面形状またはプロフィールにおける非対称性を伴う。すなわち、上側表面２２６、２７６は実質的に平坦で同一レベルであり、下側表面２２８、２７８は実質的に凹んで、または、おけ形状をしている。しかしながら、表面形状またはプロフィールにおける他の組み合わせも可能である。例えば、イオン伝導性要素は実質的に凹んだ表面を伴ってよい。図４Ａは、第３の事例的な実施例に従う、非対称構造を伴う平坦燃料電池の断面図を示す。燃料電池層３００は、実質的に凸状の上側表面３２６および実質的におけの形状の下側表面３２８を具備するイオン伝導性要素３１８を有する複合体３２４を具備するけれども、それは燃料電池または燃料電池層の動作時に形状を変化させてよい。
【００３６】
図２および図３に示す実施例において、おけ形状の下側表面２２８、２７８の表面面積は平坦な上側表面２２６、２７６の表面面積より大きいので、イオン伝導性要素２１８、２６８は表面面積において非対称である。図２および図３に示す実施例において、下側表面（例えば、アノードコーティングと接触する表面）の表面面積は上側表面（例えば、カソードコーティングと接触する表面）の表面面積より大きい。しかしながら、他の事例的な実施例において、上側表面の表面面積が下側表面の表面面積より大きい。他の実施例において、上側表面および下側表面は同じ表面面積を有する（そのため、表面面積に関しては非対称ではない）。
【００３７】
図２および図３に示す実施例において、いくつかの例では、下側表面はアノードコーティングと接触して良く、他方、上側表面はカソードコーティングと接触して良い。他の例では、下側表面はカソードコーティングと接触して良く、他方、上側表面はアノードコーティングと接触して良い。そのような実施例においては、図２および３で説明されるイオン伝導性要素の凹んだ部分は燃料電池層のアノード部分でなく、カソード部分を形成する。そのような構造は、反応物がアノード、または燃料、プレナムに案内されるときに種々に変形する燃料電池層を実現し、これが、イオン伝導性要素の凹んだ部分が燃料電池層のアノード部分を形成する構造において、層を押圧し、この結果、どのように層が変形し、ストレスを加えるかに関連して、膜およびコーティングに加わる負荷を変化させる。いずれの構造でも、燃料電池層の凹んだ部分は所定の形態のフィラー材料（図示しない）で満たされてイオン伝導性要素および電極コーティングに対して構造的な支持を実現してよい。そのようなフィラー材料は伝導性でも非伝導性でもよく、また多孔性で反応物を電極コーティングに反応可能であってもよい。フィラーが電気的に伝導性であれば、隣接電池の間の電気接続を不用意に形成することがないように、フィラーを配置することになる。適切な多孔性・伝導性材料は、炭素繊維、炭素粉末、腐食耐性金属繊維、腐食耐性金属粉末、グラファイト粉末、または他の適切な材料を含んでよい。
【００３８】
図示の実施例において、イオン伝導性要素２１８、２６８は、複合体２２４、２７４または燃料電池層２００、２５０の中心との関係で位置的に非対称である。図から理解できるように、上側表面２２６、２７６は電子伝導性要素２１２、２６２の上側表面と近似的に面一であり、他方、下側表面２２８、２７８は電子伝導性要素２１２、２６２の下側表面から後退している。図４に示される実施例においては、上側表面３２６は電子伝導性要素３１２の上側表面に対して上昇しており、他方、下側表面３２８は電子伝導性要素３１２の下側表面から後退している。しかしながら、イオン伝導性要素の表面の位置の他の組み合わせも可能である。代替的な事例的な実施例においては、双方の表面が電子伝導性要素の表面から後退している。このような実施例では非対称でも対称でもよく、これは上側および下側の表面が同一の程度に公開しているかどうか、また、これらが同一の表面形状および表面面積を有しているかどうかに左右される。図４Ｃはイオン伝導性要素３４８を具備する燃料電池層を示す。図示の実施例において、イオン伝導性要素３４８は複合体の上側表面と面一となっており、下側表面からインデントされており、この結果、位置に関連して非対称となっている。イオン伝導性要素３４８"は複合体３４４の両表面に対してインデントされているけれども、位置的に非対称であり、すなわち、燃料電池層の中心軸からずれている。イオン伝導性要素は燃料電池層の上側および下側表面に関連して任意数の位置に配置されて良い。
【００３９】
ここに説明する非対称性に加えて、複合体および燃料電池層は他の非規則性を伴って良く、例えば、複合体および燃料電池層はここに説明する非対称性の他に、規則的または対称的である必要はない。例えば、燃料電池層は、異なる触媒負荷または異なる形態を伴うアノードおよびカソードコーティングを含んでよく、不規則なマクロまたはマイクロ構造を伴うイオン伝導性要素または電極コーティングを含んでよく、同様の他のものを含んでよい。燃料電池層は、それ自体は対称または非対称であってよい支持構造を含んでよく、これは、これらがアノード側および／またはカソード側に被着されてよく、燃料電池層の１つの側のみに被着されて良く、またはアノード側とカソード側で異なる構造としてよいからである。
【００４０】
燃料電池層２００、２５０、３００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２１６Ｃ、２６６Ｃ、３１６Ｃとアノードコーティング２１６Ａ、２６６Ａ、３１６Ａとを具備する。カソードコーティング２１６Ｃ、２６６Ｃ、３１６Ｃは複合体２２４、２７４、３２４の上側に配されて、複合体２２４、２７４、３２４の上側に接着される。アノードコーティング２１６Ａ、２６６Ａ、３１６Ａは複合体２２４、２７４、３２４の上側に配されて、複合体２２４、２７４、３２４の上側に接着される。図示の実施例では、下側表面２２８、２７８、３２８とアノードコーティング２１６Ａ、２６６Ａ、３１６Ａとは空洞（ボイド）２２３、２７３、３２３を形成し、ここに流体が案内されて良い。アノードコーティングおよびカソードコーティングはこの分野で周知の方法および材料を用いて準備できる。先に述べたように、コーティング２１６Ｃ、２６６Ｃ、および３１６Ｃは代替的にはアノードコーティングであってよく、この場合、コーティング２１６Ａ、２６６Ａ、および３１６Ａはカソードコーティングを形成する。
【００４１】
燃料電池層２００、２５０、３００は１または複数のユニット燃料電池２２０、２７０、３２０を具備する。図示の実施例において、ユニット電池について、カソードコーティングが関連するイオン伝導性要素の上側表面に配され、実質的にイオン伝導性要素と同一範囲まで広がる。アノードコーティングが関連するイオン伝導性要素の下側表面に配され、実質的にイオン伝導性要素と同一範囲まで広がる。ユニット電池のカソードコーティングは、第１の電子伝導性要素の上まで実質的に伸び、アノードコーティングは、第２の電子伝導性要素の上まで実質的に伸びる。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、イオン伝導性要素に対してイオン接触し、電子伝導性要素の１つと電気接触する。図示の実施例では、ユニット電池は直列に接続される。ただし、ユニット電池は代替的には並列に接続されて良く、また、直列・並列の組み合わせで接続されて良い。
【００４２】
図示の第１および第３の実施例は、非対称なイオン伝導性要素と非対称な電流コレクタ（非対称な電子伝導性用をを含む）を含む。しかしながら、他の実施例では、電流コレクタすなわち電子伝導性要素が非対称であってよい。図５Ａ〜５Ｃは、第４、第５、および第６の事例的な実施例に従う非対称な燃料電池層の断面図を示す。燃料電池層３５０、３６０、３７０は非対称な電流コレクタ３５７、３６７、３７７を具備する。電流コレクタ３５７において、電子伝導性要素およびインターフェース領域は形状および表面面積に関連して非対称である（例えば、電子伝導性要素およびインターフェース領域の上側および下側表面の表面面積が異なる）。図示の実施例の非対称性の電流コネクタは燃料電池システムを容易に組み立てることができる。そのような実施例において、電流コネクタのベースがより広くなっているので、接着剤を塗布する面積を大きくすることにより、燃料電池システムを容易に組み立てることができる。
【００４３】
図５Ｄは、第７の実施例を示す。この実施例は、非対称性のイオン伝導性要素、および非対称性の電流コレクタを含み、この場合、電流コレクタは、図５Ａ〜５Ｃに示す実施例と較べたときに、逆の幾何態様で配列されて良い。図５Ｄにおいて、電流コレクタ３８２の幅広のベース３８２ａは、燃料電池層３８５の底表面に示され、イオン伝導性要素３８８の平坦表面３８８ａと整合される。電流コレクタ３８２の幅狭いエッジ３８２ｂは、燃料電池層３８５のイオン伝導性要素３８８の凹んだ表面３８８ｂと同一の表面上にある。そのような配向では、イオン伝導性要素３８８が分散によって被着される実施例、電流コレクタ要素３８２が所定のタイプの製造目的で平坦表面に配列される実施例において、有益であろう。分散物は、隣接する電流コレクタ要素３８２の間に（例えば、電流コレクタ要素の上から）被着されてイオン伝導性要素３８８が形成されて良い。
【００４４】
当業者は、非対称な電流コレクタの選択された実施例のみがかかる事例の実施例において示され、多くの他の代替的な非対称性が可能であり発明者に想定されていることに留意されたい。
【００４５】
容易に理解できるように、燃料電池層３５０、３６０の電極コーティングは表面形状および位置と関連して非対称である。燃料電池層３５０、３６０の電極コーティングは表面面積に関して非対称であってもよい。燃料電池層３５０、３６０の構造は有益である。おけの形状の（または代替的には凹んだ形状の）アノードコーティングによれば、十分にまたは部分的に流体流れチャネルとして利用できる空洞を可能にする。いくつかの実施例においてカソード反応の反応速度はより遅いので、表面面積が大きなカソードコーティングを採用すると燃料電池システムの全体の反応性能を改善する。
【００４６】
燃料電池層３７０の電極コーティングは表面面積に関して非対称である。アノードおよびカソードコーティングの双方がおけ型形状として説明されていても、カソードコーティングの表面面積はより大きい。燃料電池層３７０の構造は他の利点もある。おけ型形状の（代替的には凹んだ形状の）アノードコーティングによれば、表面面積が大きなカソードコーティングを採用すると燃料電池システムの全体の反応性能を改善する。カソードコーティングの後退（電子伝導性要素の上側表面との関係で）により、燃料電池層をより簡便に製造できる。
【００４７】
上述のとおり、燃料電池層はカバーまたは支持構造を有して良く、これらは層のアノード側およびカソード側の双方に、アノード側のみに、またはカソード側のみに被着されて良いので、これらは燃料電池層に関して対称または非対称にできる。例えば、いくつかの実施例において、支持構造、例えば、寸法上で安定した多孔性材料は、燃料電池層のカソード側で電子伝導性要素に接着されて良い。支持構造は電子伝導性要素に接着剤、例えば、ウレタン接着剤で接着されて良いけれども、任意の適切な接着手段を採用できる。この構造は、各電子伝導性要素の長さ方向に沿って連続的に接着されて良く、また、規則的な間隔で個別の電子伝導性要素に沿ってタック接着されて良い。いくつかの実施例において、支持構造は各電子伝導性要素に接着されて良いけれども、他の実施例では、支持構造は１または複数の電子伝導性要素に接着されて良い。支持構造は前置応力の張力を加えて平面からの変形に対する対抗性を増大させて良い。イオン伝導性要素が水和し、またはガス圧がアノードプレナムに印可されるとき、支持構造は張力部材として働き、イオン伝導性要素の変形を阻止する。接着されたカバー、例えばここで説明されるカバーは、単独で使用されても良いし、安定性が必要とされる実施例においては、堅固性増強部品とともに使用されても良い。支持構造用に選択される材料は、カソードの上に搬送層を付加するという有益な特性を最大化させるように選ばれてよいけれども、例えば、ガス圧または水和が適用されるときに、寸法的に安定するように、かつ、電解質層の変形を抑制しまたは制限するのに十分な引張り強さを有するように選ばれてよい。性能的に有益な支持構造材料は、例えば、メッシュ、織り込まれた、または織り込まれていない繊維、引っ張られたシート、または不連続な糸を含み、これは燃料電池中に使用して好適な特性を伴う不活性な材料からなり、こては、例えば、種々のプラスチック、セラミック、紙、有機繊維を含む。潜在的な材料は「電気化学電池用のカバーおよび関連する方法」という名称の、本出願人の出願に係る特許出願ＷＯ２００９／０３９６５４に見いだせる。
【００４８】
他の実施例において、支持構造、例えば、寸法的に安定した多孔性材料は、燃料電池層のアノード側で燃料電池に接着されて良い。支持構造は燃料電池層のカソード側に接続する場合、支持構造は電流コレクタ、または、電極コーティング、または電流コレクタの頂部に被着された伝導性エージェントに接着されてよい。接着は、例えばウレタン接着剤のような接着剤を用いて実施して良いけれども、多孔性材料を接着する任意の適切な手段を採用しても良い。支持構造は、各電流コレクタの長さ方向に沿って連続的に接着されて良く、また、規則的な間隔で個別の電流コレクタに沿ってタック接着されて良い。いくつかの実施例において、支持構造はすべての電流コレクタに接着されて良いけれども、他の実施例では、支持構造は１または複数の電流コレクタに接着されて良い。いくつかの実施例において、支持構造は、燃料電池層に接着されるのに加えて、流体または燃料分配マニホールドに、接着剤、または任意の他の適切な接着方法を利用して、接着されて良い。いくつかの実施例において、ガス圧がアノードプレナムに印加されるときに、支持構造は張力部材として働き、燃料電池層をマニホールドに結びつける。そのような実施例において、支持構造は、付加的な利点を実現するように選択されて良く、例えば、プレナム中で受動的にまたは能動的に水素分配を改善し、または、制御するように、例えば、「電気化学電池用のカバーおよび関連する方法」という名称の、本出願人の出願に係る特許出願ＷＯ２００９／０３９６５４に説明される材料を用いる。他の性能的に有益な支持構造材料は、例えば、メッシュ、織り込まれた、または織り込まれていない繊維、引っ張られたシート、または不連続な糸を含み、これは燃料電池中に使用して好適な特性を伴う不活性な材料からなり、こては、例えば、種々のプラスチック、セラミック、紙、有機繊維を含む。
【００４９】
支持構造が採用される実施例において、イオン伝導性が凹んだ表面を層の一方または双方の側で具備するように、燃料電池層を配列して良い。凹んで表面を使用して燃料電池層のアノード側または燃料電池層のカソード側を形成して良い。
【００５０】
図６は、事例の実施例に従う非対称構造を伴う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。この方法４４０において、電流コレクタ４０２は複合体準備段階４００で処理されて複合体４１２を付与される。複合体４１２は触媒塗布段階４５０で処理されてコーティングされた複合体４１２を形成する。コーティングされた複合体４４４は接着段階４５２で処理されて接着された複合体４４４を生成してよい。接着された複合体４４６はオプションのパターニング段階４５４で処理されて非対称構造を伴う燃料電池層４４８を形成する。
【００５１】
複合体準備段階４００は電流コレクタ４０２および電解質要素の組立を含んでよい。例えば、電流コレクタ４０２は並列線条の形態に配列されて良く、イオン伝導性要素は隣接電流コレクタの間に配される。イオン伝導性要素は、例えば、アイオノマー分散体を成型して硬化させて配され、または、プロトン交換膜材料の不連続な線条として配置されて良い。さらに、この要素は一緒に接着されて複合層を形成してよい。
【００５２】
電流コレクタ４０２は電子伝導性材料、および、オプションとして非伝導性材料を含む。例えば、電流コレクタは、炭素（例えばカーボン繊維、カーボンフォーム等）、金属、または金属合金のような電子伝導性材料を含んでよい。電流コレクタは非伝導性材料、例えば、化学的に不活性な絶縁材料を含んでよい。事例の実施例において、電流コレクタは２つの非伝導性材料、すなわち、フィラーおよび非伝導性バインダを含む。
【００５３】
図示の実施例において、電流コレクタ４０２は、電気的に伝導性がない材料により包囲された電気的に伝導性の材料の線条であり、これはオプションとして非イオン伝導性でもある。しかしながら、種々の他の実施例に従おう電流コレクタも使用できる。例えば、電流コレクタは、電子伝導性材料を含み、不連続な電子非伝導性材料を省略して良く、または、電子伝導性材料の１側にのみ非電子伝導性材料を含んでも良い。いくつかの事例的な実施例において、電流コレクタは非電子伝導性フレームワーク中に埋め込まれた電子伝導性経路を含んでよく、例えば、カーボンファイバがエポキシフレームワーク中に埋め込まれる。他の事例的な実施例において、電流コレクタは１または複数の異なる電子伝導性材料を含む。電流コレクタは種々の形状、例えば、矩形（図示しない）、台形のプロフィールを伴って良く、また、凹または凸のレンズのプロフィールを伴って良い。
【００５４】
複合体準備段階４００は、イオン伝導性材料を電流コレクタ４０２の間に成型するステップ、および硬化するステップを含む。イオン伝導性材料４０６は高分子電解質、例えば、フッ素化アイオノマー、例えば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）、または非フッ素化アイオノマー（例えばアイオノマーベースの炭化水素）、例えば、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。イオン伝導性材料４０６は分散体（例えば溶液または懸濁液）またはゲルの形態のアイオノマーを含んで良い。
【００５５】
イオン伝導性材料４０６は種々の方法を用いて配置して良い。分散系のイオン伝導性材料は種々の方法、例えば、シリンジ放出、浸漬、噴霧、およびスロットダイ成型によって配置して良い。他の実施例では、イオン伝導性材料のゲルは種々の方法を用いて塗布してよく、これは、例えば、スクリーン印刷、ナイフコーティング、ディスペンサからの絞り出しである。
【００５６】
硬化処理は、電流コレクタ４０２およびイオン伝導性材料４０６をイオン伝導性材料４０６のガラス転移または硬化温度へ、またはそれまで加熱処理することを含む。硬化処理は、例えば、架橋を誘発し、イオン伝導性材料４０６中にイオン伝導性チャネルを形成してイオン伝導性要素を構成してよい。
【００５７】
代替的には、複合体準備段階４００は、電流コレクタ４０２およびイオン伝導性材料４０６の組み立て、ならびにボンディングを含んでよい。例えば、イオン伝導性材料４０６はプロトン交換膜の線条の形態であってよい。
【００５８】
方法４００を修正したり、他の方法を採用して非対称複合体を準備して良い。例えば、方法４００は、付加的な段階、例えば、オプションの活性化段階を付加して修正して良い。オプションの活性化段階は電流コレクタ４０２を活性化してアイオノマーが電流コレクタ４０２に確実に接着するように改善する。いくつかの実施例において、イオン伝導性要素は、アイオノマー先駆樹脂を隣接電流コレクタの間に射出成型して、先駆体を加水分解してイオン伝導性要素を形成することにより、製造されて良い。
【００５９】
他の実施例において、方法４００は、非対称複合体を準備するための連続モード方法を実施して修正できる。例えば、電流コレクタは連続ロールの形態であってよく、これがロールの両端に張力を加えて整合させてよい。イオン伝導性材料はロール上の電流コレクタの間の空間に成型されてよい。ロールはチャンバおよび炉を通り抜け、イオン伝導性材料を乾燥・硬化させて良い。
【００６０】
いくつかの実施例の非対称複合体は、他の事例的な方法で準備されてよい。例えば。図３Ｂの非対称複合体は、イオン伝導性材料を成型して、電子伝導性要素およびインターフェース領域を含む基体を形成することにより準備されて良い。
【００６１】
１実施例において、複合体４１２は触媒塗布段階４５０で処理されてコーティング済み複合体４５０が形成される。触媒塗布段階４５０はカソード層を複合体４１２の上側表面に塗布し、アノード層を複合体４１２の下側表面に塗布する処理を含んでよい。代替的には、触媒塗布段階４５０は、アノード層を複合体４１２の上側表面に塗布し、カソード層を下側表面に塗布する処理を含んでよい。コーティング済み複合体４４４はボンディング段階４５２で処理されて良い。オプションのボンディング段階４５２では、コーティング済みの複合体４５０は所定の温度に加熱され所定の時間間隔だけ加圧されてよい。ボンディング済み複合体４４６はオプションの過ターン処理段階４５４で処理され、非対称構造の燃料電池層４４８が形成される。パターニング処理は、それがある場合は、ボンディング処理段階４５２の前または後で実施されて良い。代替的には、触媒は複合層の上に選択されたパターンで直接に配置されてよく、これにより、パターニング段階が不要となる。他の実施例において、付加的な層、例えば、支持層またはカバー層が燃料電池層に付加されて良く、これは触媒塗布段階４５０に続いて、オプションのボンディング段階４５２の前または後に行われて良い。この付加的な層は燃料電池層に直接にボンディングされてよく、また、他の手段で連結されて良い。
【００６２】
非対称燃料電池層、例えば、図２Ｂに示すような実施例は製造を容易にできる。燃料電池層２００は電流コレクタから後退するアノードコーティングを具備する。
【００６３】
図７は、事例的な実施例に従う、非対称な燃料電池層を含む事例的な燃料電池システム５００の拡張斜視図である。燃料電池システムは非対称な燃料電池層５０２、および流体マニホールド組立体５２０を含む。燃料電池層５０２、流体マニホールド組立体５２０、または双方は、柔軟であってよく、これは、本出願人の出願に係る「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する方法」という名称の米国特許出願公開第２００９／００８１４９３号に説明されており、その内容は参照してここに組み入れる。しかしながら燃料電池層５０２も流体マニホールド組立体５２０も柔軟である必要はないことに留意されたい。
【００６４】
図７に示される事例の実施例において、流体マニホールド組立体５２０はマニホールド封止層５２６、チャネル５３４を含むマニホールド管層５２４、開口５３２を含む内側マニホールド層５２２、および、リブ５１２を含む基部層５１０を含む。流体マニホールド組立体５２０は流体貯蔵部（図示しない）や、オプションとしての流体圧力調整器（図示しない）に連結されて良い。流体マニホールド組立体５２０および流体圧力調整器（存在する場合）は、燃料貯蔵部から燃料電池層５０２への燃料の分配、安定化、および搬送を実現する。いくつかの事例では、燃料は燃料入口５３６を介して流体マニホールド組立体５２０に入り、チャネル５３４および開口５３２を通じて燃料電池層５０２のアノードコーティングへと移動して良い。燃料電池層５０２は基部層５１０と、例えば、盆ディン具または接着により連結されて良い。
【００６５】
図８は、燃料電池システム５００のＢ−Ｂ'線に沿う断面図である。燃料電池沿う５０２は非対称であり、おけ型形状のアノードコーティングを伴い、これが空洞５０６を形成する。図示の実施例において、燃料電池層５０２は接着剤５１４を介して基部層５１０に結合されている。理解できるように、過剰な接着剤５１４は空洞５０６に流れ込むことになる。アノードコーティングが電子伝導性要素と面一となっている対称正の燃料電池層では、過剰な接着剤がアノードコーティングの活性化領域をブロックしてしまう。したがって、非対称な燃料電池層を具備する燃料電池システムは組み立てがより容易である。非対称燃料電池層を含む組み立て方法では欠陥のある燃料電池システムを製造することが少なくなる。
【００６６】
空洞は、燃料または酸化剤が流れる部分的なまたは十分な流れチャネルとして働いて良い。図示の実施例においては、空洞５０６が、チャネル５３４からアノードコーティング５０４への流れを可能にする部分的な流れチャネルとして働く。したがって、非対称な燃料電池層を具備する燃料電池システムは、従来の平面燃料電池層を具備する燃料電池システムより空間占有が少ないことになる。空洞は、先に説明した多孔性材料（図示しない）または支持構造をオプションとして含んで良く、これは反応物分配に影響し、および／または付加的な構造的な支持を燃料電池層に付与するのに採用されて良い。
【００６７】
いくつかの実施例において、内側マニホールド層５２２の表面は図８に示されるように実質的に平坦であってよく、他の実施例においては、それらはチャネルまたは反応物の他の手段を実現するようにパターン処理されて良い。いくつかの実施例において、燃料電池層５０２は流体マニホールドを基準にして鏡像構造で配列されてよく、イオン伝導性要素のおけ型形状の部分がカソードコーティングを形成する。そのような実施例においては、多孔性層が流体マニホールドおよび燃料電池層の間に配されて反応物分配を実現してよく、またはマニホールドがパターン処理されて電子伝導性要素を基準にして面一のアノード表面に付与される流れチャネルを実現してよい。
【００６８】
［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。
【００６９】
実施例１は、燃料電池用の複合体であって：複数の電子伝導性要素と；、複数のイオン伝導性要素であって、各々が第１の表面および第２の表面を具備し、各々が２つの電子伝導性要素の間に配される、上記複数のイオン伝導性要素とを有し；上記電子伝導性要素および上記イオン伝導性要素が１の層を形成し；上記イオン伝導性要素または上記電子伝導性要素のうちの少なくとも１つが１または複数の次元において幾何学的に非対称であることを特徴とする複合体を実現する。
【００７０】
実施例２は、上記複合体は厚さおよび少なくとも２つの表面を伴い；上記イオン伝導性要素の各々が１の表面から他の表面へのイオン伝導性経路を形成し；上記電子伝導性要素の各々が１の表面から他の表面への電子伝導性経路を形成する実施例１の複合体を実現する。
【００７１】
実施例３は、上記イオン伝導性要素のうちの少なくとも１つは非対称である実施例１または２の複合体を実現する。
【００７２】
実施例４は、上記イオン伝導性要素の少なくとも１つの上記第１および第２の表面が表面面積、表面形状、複合体の中心を基準にした位置、またはこれらの組み合わせに関して非対称である実施例１〜３の複合体。
【００７３】
実施例５は、複数の電流コレクタであって、各々が上記電子伝導性要素の１つを有するものを有し；上記イオン伝導性要素は、イオン伝導性材料を、電流コレクタの間の空間に成型する実施例１〜４の複合体を実現する。
【００７４】
実施例６は、上記電流コレクタはインターフェース領域を有する実施例５記載の複合体。
【００７５】
実施例７は、上記イオン伝導性要素の少なくとも１つの上記第１および第２の表面が異なる表面面積を伴う実施例１〜６記載の複合体を実現する。
【００７６】
実施例８は、上記イオン伝導性要素の少なくとも１つの上記第１および第２の表面が上記複合体の中心を基準にして異なる位置にある１〜７の複合体を実現する。
【００７７】
実施例９は、上記第１および第２の表面の１つは上記隣接する電子伝導性要素の対応する表面を基準にして後退している実施例８の複合体を実現する。
【００７８】
実施例１０は、上記第１および第２の表面の１つは上記隣接する電子伝導性要素の対応する表面を基準にして持ち上げられている実施例８〜９の複合体を実現する。
【００７９】
実施例１１は、上記イオン伝導性要素の少なくとも１つの上記第１および第２の表面の形状が異なる実施例１〜１０の複合体を実現する。
【００８０】
実施例１２は、上記イオン伝導性要素の少なくとも１つの上記第１および第２の表面は、上記複合体の中心を基準にして位置が異なる実施例１〜１１の複合体を実現する。
【００８１】
実施例１３は、上記第１および第２の表面の１つは凸である実施例１〜１２の複合体を実現する。
【００８２】
実施例１４は、上記第１および第２の表面の１つは凹んでいる実施例１〜１３の複合体を実現する。
【００８３】
実施例１５は、上記第１および第２の表面の１つはおけ型形状である実施例１〜１４の複合体を実現する。
【００８４】
実施例１６は、複数の電流コレクタであって、各々が上記電子伝導性要素の１つを有するものを有し；上記イオン伝導性要素は、イオン伝導性材料を、電流コレクタの間の空間に成型する実施例１〜１５の複合体を実現する。
【００８５】
実施例１７は、上記電流コレクタはインターフェース領域を有する実施例１〜１６の複合体を実現する。
【００８６】
実施例１８は、複数の電流コレクタであって、各々が上記電子伝導性要素の１つを有するものを有し；上記電流コレクタの少なくとも１つは非対称である実施例１〜１７の複合体を実現する。
【００８７】
実施例１９は、上記非対称の電流コレクタは、非対称である電子伝導性要素を有する実施例１８の複合体を実現する。
【００８８】
実施例２０は、上記非対称の電子伝導性要素の２つの対抗する表面が異なる表面面積を有する実施例１８〜１９の複合体を実現する。
【００８９】
実施例２１は、複数の電流コレクタであって、各々が上記電子伝導性要素の１つを有するものを有し；上記電流コレクタの少なくとも１つは非対称である実施例１〜２０の複合体を実現する。
【００９０】
実施例２２は、上記非対称の電子伝導性要素の２つの対抗する表面が異なる表面面積を有する実施例２１の複合体を実現する。
【００９１】
実施例２３は、上記非対称の電子伝導性要素の２つの対抗する表面が異なる表面面積を有する実施例２１〜２２の複合体を実現する。
【００９２】
実施例２４は、第１の表面および第２の表面を伴い幾何学的に１の非対称なイオン伝導性要素と、第１の表面および第２の表面を伴う２またはそれ以上の電子伝導性要素とを含む複合層であって、上記イオン伝導性要素が上記電子伝導性要素の間に位置決めされる上記複合層と；上記イオン伝導性要素に対してイオン接触して上記電子伝導性要素に対して電気接触する２つの電極コーティングとを有することを特徴とする燃料電池を実現する。
【００９３】
実施例２５は、上記２つの電極コーティングは上記イオン伝導性要素の上記第１の表面に配置されるカソードコーティングと、上記イオン伝導性要素の上記第２の表面に配置されるアノードコーティングとを有する実施例２４の燃料電池を実現する。
【００９４】
実施例２６は、上記アノードコーティングおよび上記カソードコーティングは、表面が表面面積、表面形状、複合体の中心を基準にした位置、またはこれらの組み合わせに関して非対称である実施例２４〜２５の燃料電池を実現する。
【００９５】
実施例２７は、上記アノードコーティングおよび上記カソードコーティングの表面面積が異なる実施例２４〜２６の燃料電池を実現する。
【００９６】
実施例２８は、２つの電流コレクタであって、各々が上記電子伝導性要素の１つを有するものを有し；上記イオン伝導性要素は、イオン伝導性材料を、電流コレクタの間の空間に成型する実施例２４〜２７の燃料電池を実現する。
【００９７】
実施例２９は、上記電流コレクタはインターフェース領域を有する実施例２４〜２８の燃料電池を実現する。
【００９８】
実施例３０は、上記アノードコーティングおよび上記カソードコーティングの表面の形状が異なる実施例２４〜２９の燃料電池を実現する。
【００９９】
実施例３１は、上記アノードコーティングまたは上記カソードコーティングは凸である実施例２４〜３０の燃料電池を実現する。
【０１００】
実施例３２は、上記アノードコーティングまたは上記カソードコーティングは凹んでいる実施例２４〜３１の燃料電池を実現する。
【０１０１】
実施例３３は、上記アノードコーティングは凹んでおり、流体を案内できる空洞を形成する実施例２４〜３２の燃料電池を実現する。
【０１０２】
実施例３４は、上記アノードコーティングまたは上記カソードコーティングはおけ型形状である実施例２４〜３３の燃料電池を実現する。
【０１０３】
実施例３５は、上記アノードコーティングはおけ型形状であり、流体を案内できる空洞を形成する実施例２４〜３４の燃料電池を実現する。
【０１０４】
実施例３６は、２つの電流コレクタであって、各々が上記電子伝導性要素の１つを有するものを有し；上記イオン伝導性要素は、イオン伝導性材料を、電流コレクタの間の空間に成型する実施例２４〜３５の燃料電池を実現する。
【０１０５】
実施例３７は、上記電流コレクタはインターフェース領域を有する実施例３６の燃料電池を実現する。
【０１０６】
実施例３８は、上記イオン伝導性要素の上記第１の表面および上記第２の表面の表面面積が異なる実施例２４〜３７の燃料電池を実現する。
【０１０７】
実施例３９は、２つの電流コレクタであって、各々が上記電子伝導性要素の１つを有するものを有し；上記電流コレクタの少なくとも１つは非対称である実施例２４〜３８の燃料電池を実現する。
【０１０８】
実施例４０は、上記非対称の電流コレクタは、非対称である電子伝導性要素を有する実施例３９の燃料電池を実現する。
【０１０９】
実施例４１は、上記非対称の電子伝導性要素の上記第１の表面および上記第２の表面が異なる表面面積を有する実施例３９〜４０の燃料電池を実現する。
【０１１０】
実施例４２は、上記複数の電流コレクタはインターフェース領域を有し、上記非対称の電流コレクタは、非対称なインターフェース領域を有する実施例３９〜４１の燃料電池を実現する。
【０１１１】
実施例４３は、実施例２４〜４２のいずれかの燃料電池を２以上有し、これらが隣接して配列されて実質的に平坦の層を形成する燃料電池層を実現する。
【０１１２】
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。
【０１１３】
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】
【０１１４】
２００    平面燃料電池（層）
２１０    電流コレクタ
２１２    電子伝導性要素
２１６Ａ    アノードコーティング
２１６Ｃ    カソードコーティング
２１８    イオン伝導性要素
２２０    ユニット燃料電池
２２２    基体領域
２２３    空洞
２２４    複合層（複合体）
２２６    上側表面
２２８    下側表面
【図１Ａ】
2013516038.tif 000003
【図１Ｂ】
2013516038.tif 000004
【図２Ａ】
2013516038.tif 000005
【図２Ｂ】
2013516038.tif 000006
【図３Ａ】
2013516038.tif 000007
【図３Ｂ】
2013516038.tif 000008
【図４Ａ】
2013516038.tif 000009
【図４Ｂ】
2013516038.tif 000010
【図４Ｃ】
2013516038.tif 000011
【図５Ａ】
2013516038.tif 000012
【図５Ｂ】
2013516038.tif 000013
【図５Ｃ】
2013516038.tif 000014
【図５Ｄ】
2013516038.tif 000015
【図６】
2013516038.tif 000016
【図７】
2013516038.tif 000017
【図８】
2013516038.tif 000018
【手続補正書】
【提出日】平成24年9月12日(2012.9.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池用の複合体であって、
複数の電子伝導性要素と、
複数のイオン伝導性要素であって、各々が第１の表面および第２の表面を具備し、各々が２つの電子伝導性要素の間に配される、上記複数のイオン伝導性要素とを有し、
上記電子伝導性要素および上記イオン伝導性要素が１の層を形成し、
上記イオン伝導性要素または上記電子伝導性要素のうちの少なくとも１つが１または複数の次元において幾何学的に非対称であることを特徴とする複合体。
【請求項２】
上記複合体は厚さおよび少なくとも２つの表面を伴い、
上記イオン伝導性要素の各々が１の表面から他の表面へのイオン伝導性経路を形成し、
上記電子伝導性要素の各々が１の表面から他の表面への電子伝導性経路を形成する請求項１記載の複合体。
【請求項３】
上記イオン伝導性要素のうちの少なくとも１つは非対称である請求項１または２のいずれかに記載の複合体。
【請求項４】
上記イオン伝導性要素の少なくとも１つの上記第１および第２の表面が表面面積、表面形状、複合体の中心を基準にした位置、またはこれらの組み合わせに関して非対称である請求項１〜３のいずれかに記載の複合体。
【請求項５】
複数の電流コレクタであって、各々が上記電子伝導性要素の１つを有するものを有し、
上記イオン伝導性要素は、イオン伝導性材料を、電流コレクタの間の空間に成型して形成される請求項１〜４のいずれかに記載の複合体。
【請求項６】
上記電流コレクタはインターフェース領域を有する請求項５記載の複合体。
【請求項７】
上記イオン伝導性要素の少なくとも１つの上記第１および第２の表面が異なる表面面積を伴う請求項１〜６のいずれかに記載の複合体。
【請求項８】
上記イオン伝導性要素の少なくとも１つの上記第１および第２の表面が上記複合体の中心を基準にして異なる位置にある１〜７のいずれかに記載の複合体。
【請求項９】
上記第１および第２の表面の１つは上記隣接する電子伝導性要素の対応する表面を基準にして後退している請求項８記載の複合体。
【請求項１０】
上記第１および第２の表面の１つは上記隣接する電子伝導性要素の対応する表面を基準にして持ち上げられている請求項８または９のいずれかに記載の複合体。
【請求項１１】
上記イオン伝導性要素の少なくとも１つの上記第１および第２の表面の形状が異なる請求項１〜１０のいずれかに記載の複合体。
【請求項１２】
上記第１および第２の表面の１つは凸である請求項１〜１１のいずれかに記載の複合体。
【請求項１３】
上記第１および第２の表面の１つは凹んでいる請求項１〜１２のいずれかに記載の複合体。
【請求項１４】
上記第１および第２の表面の１つはおけ型形状である請求項１〜１３のいずれかに記載の複合体。
【請求項１５】
複数の電流コレクタであって、各々が上記電子伝導性要素の１つを有するものを有し、
上記電流コレクタの少なくとも１つは非対称である請求項１〜１４のいずれかに記載の複合体。
【請求項１６】
非対称の上記電流コレクタは、非対称である電子伝導性要素を有する請求項１５記載の複合体。
【請求項１７】
非対称の上記電子伝導性要素の２つの対抗する表面が異なる表面面積を有する請求項１５または１６のいずれかに記載の複合体。
【請求項１８】
第１の表面および第２の表面を伴い幾何学的に非対称な１のイオン伝導性要素と、第１の表面および第２の表面を伴う２またはそれ以上の電子伝導性要素とを含む複合層であって、上記イオン伝導性要素が上記電子伝導性要素の間に位置決めされる上記複合層と、
それぞれ上記イオン伝導性要素に対してイオン接触して上記電子伝導性要素の１つに対して電気接触する２つの電極コーティングとを有することを特徴とする燃料電池。
【請求項１９】
上記２つの電極コーティングは上記イオン伝導性要素の上記第１の表面に配置されるカソードコーティングと、上記イオン伝導性要素の上記第２の表面に配置されるアノードコーティングとを有する請求項１８記載の燃料電池。
【請求項２０】
上記アノードコーティングおよび上記カソードコーティングは、表面が表面面積、表面形状、複合体の中心を基準にした位置、またはこれらの組み合わせに関して非対称である請求項１９記載の燃料電池。
【請求項２１】
上記アノードコーティングおよび上記カソードコーティングの表面面積が異なる請求項１９または２０のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項２２】
２つの電流コレクタであって、各々が上記電子伝導性要素の１つを有するものを有し、
上記イオン伝導性要素は、イオン伝導性材料を、電流コレクタの間の空間に成型して形成する請求項１８〜２１のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項２３】
上記電流コレクタはインターフェース領域を有する請求項２２記載の燃料電池。
【請求項２４】
上記アノードコーティングおよび上記カソードコーティングの表面の形状が異なる請求項１９〜２３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項２５】
上記アノードコーティングまたは上記カソードコーティングは凸である請求項１９〜２４のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項２６】
上記アノードコーティングまたは上記カソードコーティングは凹んでいる請求項１９〜２５のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項２７】
上記アノードコーティングは凹んでおり、流体を案内できる空洞を形成する請求項１９〜２６のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項２８】
上記アノードコーティングまたは上記カソードコーティングはおけ型形状である請求項１９〜２７のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項２９】
上記アノードコーティングはおけ型形状であり、流体を案内できる空洞を形成する請求項１９〜２８のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項３０】
上記電子伝導性要素の上記第１の表面および上記第２の表面は異なる表面面積を有する請求項１８〜２９のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項３１】
２つの電流コレクタであって、各々が上記電子伝導性要素の１つを有するものを有し、
上記電流コレクタの少なくとも１つは非対称である請求項１８〜３０のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項３２】
非対称の上記電流コレクタは、非対称である電子伝導性要素を有する請求項３１記載の燃料電池。
【請求項３３】
非対称の上記電子伝導性要素の上記第１の表面および上記第２の表面が異なる表面面積を有する請求項３１または３２のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項３４】
上記複数の電流コレクタはインターフェース領域を有し、非対称の上記電流コレクタは、非対称なインターフェース領域を有する請求項３１〜３３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項３５】
請求項１８〜３４のいずれかの燃料電池を２以上有し、これらが隣接して配列されて実質的に平坦の層を形成する燃料電池層。
【請求項３６】
さらに支持構造を有する請求項１８〜３４のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項３７】
第１の表面および第２の表面を伴い幾何学的に非対称な１のイオン伝導性要素と、第１の表面および第２の表面を伴う２またはそれ以上の電子伝導性要素とを含む複合層であって、上記イオン伝導性要素が上記電子伝導性要素の間に位置決めされる上記複合層と、
それぞれ上記イオン伝導性要素に対してイオン接触して上記電子伝導性要素の１つに対して電気接触する２つの電極コーティングと、
上記２つの電極コーティング、
上記電子伝導性要素の１つまたはそれ以上、
流体または燃料分配マニホールド、または
それらの組み合わせに結合される支持構造とを有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３８】
上記支持構造は上記複合層と流体または燃料分配マニホールドとの近傍に配される請求項３７記載の燃料電池システム。
【請求項３９】
上記支持構造は、不活性材料からなる、寸法的に安定した多孔性材料、メッシュ、織り込まれた、または織り込まれていない繊維、引っ張られたシート、または不連続な糸である請求項３７または３８のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項４０】
上記支持構造はテンション部材として働く請求項３７〜３９のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項４１】
上記支持構造は前置ストレステンションを加えられる請求項３７〜４０のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項４２】
上記支持構造は上記燃料電池の内部の反応物の分配に影響を与える請求項３７〜４１のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項４３】
上記支持構造は伝導性である請求項３７〜４２のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項４４】
上記支持構造は非伝導性である請求項３７〜４３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項４５】
上記支持構造は対称性を伴う請求項３７〜４４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項４６】
上記支持構造は非対称性を伴う請求項３７〜４５のいずれかに記載の燃料電池システム。
【国際調査報告】
2013516038.tif 000019
2013516038.tif 000020