(57)【要約】【解決手段】  本発明は、膜電極体と、アノード側の電極およびカソード側の電極、電流コレクタ構造と、燃料および酸化剤の分散構造とを備える燃料電池に関する。本発明はさらに、このような燃料電池を製造する方法、および、このような燃料電池を複数備えるスタックに関する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）少なくとも１つのアノード側の電極および少なくとも１つのカソード側の電極、ならびに、前記電極間に配設されている少なくとも１つの膜を有する少なくとも１つの膜電極体と、
（ｂ）前記アノード側および前記カソード側にそれぞれ配設されている電流コレクタ構造と、
（ｃ）前記アノード側および前記カソード側にそれぞれ配設される燃料および酸化剤の分散構造と
を備え、
前記構成要素（ａ）から（ｃ）は、一体的に構成された担体構造に一体化して設けられている燃料電池。
【請求項２】
前記担体構造は、ポリマー材料およびセラミック材料の少なくとも一方から形成されているか、または、ポリマー材料およびセラミック材料の少なくとも一方を実質的に含む請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記ポリマー材料は、複数の高性能ポリマーを含む群から選択される請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記セラミック材料は、複数の超高強度酸化物セラミックを含む群から選択され、特に、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化シリコン、および、これらの混合物をベースとするものである請求項２に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記担体構造は、１つの部品である請求項１から請求項４のうちいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記担体構造は、オートメーション方式で生産されたキャスティングであり、特に、射出成形、エンボス加工、または、スタンピング成形によって生産されている請求項１から請求項５のうちいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記担体構造は、超音波溶接および焼結の少なくとも一方によって一体的に互いに接続されている少なくとも２つの部分から形成されている請求項１から請求項６のうちいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記燃料電池の前記アノード側は、気体および液体を浸透させないように外囲環境に対して封止されている請求項１から請求項７のうちいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項９】
燃料および酸化剤を供給するための接続部、特に、ホースまたはアダプタを接続するためのオリーブまたは差込接続部は、前記担体構造内に一体化して設けられている請求項１から請求項８のうちいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記担体構造は、前記電極および前記少なくとも１つの膜の層構造に対して、均一な接触圧を加えるプレストレスを持つ請求項１から請求項９のうちいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項１１】
媒質、特に、例えば水である抽出物および反応生成物を輸送するべく、前記カソード側および前記アノード側の少なくとも一方にキャピラリー構造を備える請求項１から請求項１０のうちいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記カソード側の表面および前記アノード側の表面の少なくとも一方に、親水性のコーティングおよび疎水性のコーティングの少なくとも一方が施されている請求項１から請求項１１のうちいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項１３】
前記コーティングは、フロック加工された繊維材料で形成されている請求項１２に記載の燃料電池。
【請求項１４】
前記カソード側の表面および前記アノード側の表面の少なくとも一方に、電流コレクタ構造および配線として機能するメタライゼーションの少なくとも一方を備える請求項１から請求項１３のうちいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項１５】
前記カソード側および前記アノード側にそれぞれ拡散層を備える請求項１から請求項１４のうちいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項１６】
気体媒質を排出させるべく気体分離膜を少なくとも１つ備える請求項１から請求項１５のうちいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項１７】
請求項１から請求項１６のうちいずれか一項に記載の燃料電池を少なくとも２つ備えるスタック。
【請求項１８】
請求項１から請求項１７のうちいずれか一項に記載の燃料電池を製造する方法であって、
オートメーション化された鋳造によって、前記膜電極体、前記電流コレクタ構造、および、前記燃料および酸化剤の分散構造を、前記担体構造に一体化して設ける方法。
【請求項１９】
請求項１から請求項１８のうちいずれか一項に記載の燃料電池を製造する方法であって、
前記担体構造は、少なくとも２つの部分から構成され、前記膜電極体、前記電流コレクタ構造、および、前記燃料および酸化剤の分散構造は、前記担体構造に一体化して設けられ、その後で前記担体構造の前記少なくとも２つの部分を一体的に接続する方法。
【請求項２０】
前記少なくとも２つの部分は、超音波溶接および焼結の少なくとも一方によって、一体的に接続される
請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記担体構造にはさらに、特に、抽出物および反応生成物である媒質を輸送するべくキャピラリー構造が一体化して設けられ、燃料および酸化剤を供給するための接続部も前記燃料電池内に設けられる
請求項１８から請求項２０のうちいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜電極体と、アノード側電極およびカソード側電極と、電流コレクタ構造と、燃料および酸化剤用の分散構造とを備える燃料電池に関する。また、本発明は、このような燃料電池を製造する方法に関すると共に、このような燃料電池を複数備えるスタックにも関する。
【背景技術】
【０００２】
膜電極体を備える燃料電池システムが知られている。膜電極体は、カソード側およびアノード側にそれぞれ配設されており、電流コレクタ構造が設けられ、燃料および酸化剤用の対応する供給ラインが設けられている。
【０００３】
このような平面型の自己吸気型燃料電池は、機械加工処理を用いて製造され、従来の結合技術を用いて実装されることが多い。具体的には、貼付方式または螺着あるいは圧着等の機械的接続方式が用いられる。しかし、このような製造方法は通常、複雑で、コストが高く、精度に問題がある。
【０００４】
このような燃料電池については、自己吸気型の露出した電極で生成される水の輸送という問題もある。受動型の水輸送方法は、電極表面で凝結した水を蒸発させるという単純な方法である。このため、水を取り込むことによって低減されるが、電極表面のうちアクティブな部分が減るので燃料電池の性能が低下してしまう。
【０００５】
さらに、燃料、例えば、水素、メタノール、エタノールまたは水素化物において輸送する場合にも問題が発生し得る。例えばポンプまたはバルブ等のアクティブな部材を用いた解決策を提案する試みが行われている。しかし、この種の方法は、問題が発生することが多く、アクティブな周辺部材を利用することが避けられないので、燃料電池の電気効率が低下してしまう。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このため本発明は、精度を高くしつつ生産コストを低く抑えて生産が可能な燃料電池を提供することを目的とした。同時に、より高効率の燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この目的は、請求項１に記載した特徴を備える包括的な燃料電池、請求項１７に記載した特徴を備えるスタック、および、請求項１８に記載した特徴を備える燃料電池製造方法によって実現される。その他の従属項には有益な発展形を記載する。
【０００８】
本発明によれば、以下の構成要素を備える燃料電池が提供される。
（ａ）少なくとも１つのアノード側の電極および少なくとも１つのカソード側の電極、ならびに、両電極間に配設されている少なくとも１つの膜を有する少なくとも１つの膜電極体
（ｂ）アノード側およびカソード側にそれぞれ配設されている電流コレクタ構造
（ｃ）前記アノード側および前記カソード側にそれぞれ配設される燃料および酸化剤の分散構造
【０００９】
本発明は特に、上記の構成要素（ａ）から（ｃ）が、一体的に構成された担体構造に一体化して設けられていることを特徴とする。
【００１０】
尚、本発明の範囲において、一体的な担体構造とは、最終状態において不可分な組立体を形成する、つまり、１つの部品から成る担体構造を意味するものと理解されたい。しかし、一体的な担体構造とは、例えば接着剤または機械的接続部品等の封着手段を追加で利用することなく製造工程において互いに一体的に接続される、複数の担体構造部分をも意味すると理解されたい。
【００１１】
担体構造は、ポリマー材料および／またはセラミック材料から形成されること、または、これらの材料を実質的に含むことが好ましい。
【００１２】
ポリマー材料としては、一連の高性能ポリマーから選ばれたものが特に好ましい。尚、本願の範囲において、高性能ポリマーとは、特別な特性によって従来のポリマーとは区別されるポリマーを意味するものと理解されたい。本明細書では、具体的に、恒久的耐熱性が高く、機械的強度が高く、純度が高いものを含む。
【００１３】
このような種類のポリマーの例を挙げると、ポリエステル、部分フッ素化ポリマー、ポリアクリル酸、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルケトン、ポリスルホン、液晶ポリマー、ポリフェニル硫化物、ポリアクリルイミド、ポリアミドイミド、ポリアセタール、および、これらの混合物がある。
【００１４】
セラミック材料は、複数の超高強度酸化物セラミックを含む群から選択されることが好ましい。本明細書では特に、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化シリコン、および、これらの酸化物の混合物をベースとするセラミックを含む。
【００１５】
オートメーション方式で生産されたキャスティングを担体構造として用いることが好ましい。この場合に適切な加工技術としては、射出成形、エンボス加工、または、スタンピング成形が挙げられる。このため、鋳造加工を用いることによって担体構造において平面型燃料電池と電流コレクタ構造および分散構造とを一体化させることが可能となる。したがって、さらに加工工程を実行することなく燃料電池を直接外部に対して封止することが可能となる。
【００１６】
別の好ましい例によると、担体構造は、後工程で超音波溶接および／または焼結によって一体的に互いに接続されている少なくとも２つの部分から形成されている。実際には、例えば、鋳造加工を用いて、ポリマー材料またはセラミック材料から上側プレートおよび下側プレートから成る担体構造を製造するとしてよい。そして、両プレートには織布または同様の構造を設けるとしてよく、後工程で互いに接続される。接続方法としては、超音波溶接加工または焼結加工を利用することができる。さらにこの変形例では、内部の燃料電池は、気体および液体を浸透させないように外囲環境に対して封止されているとしてよい。
【００１７】
燃料電池について高い自由度を実現するべく、燃料および酸化剤の供給用の接続部を担体構造に一体化して設けることが同様に好ましい。本明細書では特に、ホースまたはアダプタを接続するためのオリーブまたは差込接続部が設けられている。このように、製造工程において、さらに加工工程を実行することなく燃料電池を直接外部に対して封止することが可能となる。
【００１８】
別の好ましい変形例によると、担体構造は、電極および少なくとも１つの膜を含む層構造に対して、均一な接触圧を加えることができるプレストレスを持つ。担体構造の材料は、電極を固定する際にプレストレスを持ち、アクティブ素子について恒久的に事前調整された圧縮を加えるようにする。
【００１９】
燃料電池は、媒質、特に、例えば水である抽出物および反応生成物を輸送するべく、アノード側およびカソード側にキャピラリー構造を備えるとしてよい。本発明によると、当該キャピラリー構造は、例えば、ポケットまたは同様の構造であり、鋳造金型に挿入されるとしてよく、構成要素の外側および／または内側に鋳造処理中に形成することができる。そして、当該キャピラリー構造は、例えば、反応生成物を受動的に輸送して除去するという機能を持つ。しかし、鋳造工程中に直接鋳造材料にキャピラリー構造を描画して、射出材料またはその他の材料の利用を省略することも可能である。
【００２０】
別の好ましい変形例によると、燃料電池は、カソード側の表面および／またはアノード側の表面に、親水性および／または疎水性のコーティングが施されている。このコーティングは、繊維材料、特に、フロック加工で形成されていることが好ましい。当該コーティングはさらに、燃料の注入および／または反応生成物の排出のために利用されるとしてよい。
【００２１】
同様に、燃料電池は、カソード側の表面および／またはアノード側の表面に、例えば、電流コレクタ構造または配線として機能するメタライゼーションを備えるとしてよい。
【００２２】
また、燃料電池は、カソード側およびアノード側にそれぞれ拡散層を備えることが好ましい。
【００２３】
同様に、燃料電池は、気体媒質を排出させるべく気体分離膜を少なくとも１つ備えるとしてよい。
【００２４】
本発明によれば、上述した燃料電池を少なくとも２つ備えるスタックが提供される。
【００２５】
また、本発明によれば、上述した燃料電池を製造する方法が提供される。当該方法によると、オートメーション化された鋳造によって、膜電極体、電流コレクタ構造、および、燃料および酸化剤の分散構造を、担体構造内に一体化して設ける。
【００２６】
本発明に係る燃料電池製造方法の別の変形例によると、担体構造は、少なくとも２つの部分から構成され、膜電極体、電流コレクタ構造、および、燃料および酸化剤の分散構造は、担体構造内に一体化して設けられ、その後で担体構造の少なくとも２つの部分を一体的に接続する。
【００２７】
少なくとも２つの部分は、超音波溶接および／または焼結によって、一体的に接続されることが好ましい。
【００２８】
また、担体構造にはさらに、特に、抽出物および反応生成物である媒質を輸送するべくキャピラリー構造が一体化して設けられ、燃料および酸化剤を供給するための接続部も前記燃料電池内に設けられることが好ましい。
【００２９】
本発明に係る上記の燃料電池およびその製造方法は、燃料電池を高精度且つ低コストで製造することができるという効果を奏する。上述した接続方法、例えば、超音波溶接または焼結を用いた組み立ては、非常に短時間で完了し、特に材料を追加する必要もない。同様に、上述したように鋳造工程でキャピラリー構造を一体化して設けることで、水分均衡および生成物である水の受動的な放出が改善され得る。このため、平面型燃料電池システムの効率が改善される。上述したような表面コーティングを設けることによって、温度、自由対流、および、定められた再循環に基づき、水分均衡を制御することも可能となる。
【００３０】
本発明の主題は以下の図面を参照しつつより詳細に記載するが、本発明の主題は本明細書に示す特定の実施形態に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係る燃料電池を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
図１には、本発明に係る燃料電池を示す。図示されるように、上側筐体部分３および下側筐体部分３´によって担体構造が形成されている。膜５、カソード４、およびアノード６を有する膜電極体は、この担体構造内に一体化されている。また、電流コレクタ構造１、１´は、担体構造のアノード側およびカソード側に埋設されている。アノード側には、燃料分散チャネル２がさらに配設されている。燃料分散チャネル２は、電流コレクタ構造のアノード６とは反対側に配設されている。カソード側には、例えば、酸化チャネル７がさらに配設されている。酸化チャネル７は、例えば、親水性表面または疎水性表面を持つとしてよい。さらに、カソード側では、親水性および／または疎水性のキャピラリー構造８が露出している。筐体部分３、３´が接続されている様子は、結合シーム９で表している。結合シーム９は、例えば、超音波溶接シームであってよい。膜には担体構造に対する封止面１０があり、外囲環境に対して封止されている。
【図１】
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【手続補正書】
【提出日】平成22年10月18日(2010.10.18)
【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】
（ａ）少なくとも１つのアノード側の電極および少なくとも１つのカソード側の電極、ならびに、前記電極間に配設されている少なくとも１つの膜を有する少なくとも１つの膜電極体と、
（ｂ）前記アノード側および前記カソード側にそれぞれ配設されている電流コレクタ構造と、
（ｃ）前記アノード側および前記カソード側にそれぞれ配設される燃料および酸化剤の分散構造と
を備え、
前記構成要素（ａ）から（ｃ）は、一体的に構成された担体構造に一体化して設けられている燃料電池。
【請求項２】
前記担体構造は、ポリマー材料およびセラミック材料の少なくとも一方から形成されているか、または、ポリマー材料およびセラミック材料の少なくとも一方を含む請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記ポリマー材料は、複数の高性能ポリマーを含む群から選択される請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記セラミック材料は、複数の超高強度酸化物セラミックを含む群から選択され、特に、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化シリコン、および、これらの混合物をベースとするものである請求項２に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記担体構造は、１つの部品である請求項１から請求項４のうちいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記担体構造は、オートメーション方式で生産されたキャスティングである請求項１から請求項５のうちいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記キャスティングは、射出成形、エンボス加工、または、スタンピング成形によって生産されている請求項６に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記担体構造は、超音波溶接および焼結の少なくとも一方によって一体的に互いに接続されている少なくとも２つの部分から形成されている請求項１から請求項７のうちいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記燃料電池の前記アノード側は、気体および液体を浸透させないように外囲環境に対して封止されている請求項１から請求項８のうちいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項１０】
燃料および酸化剤を供給するための接続部は、前記担体構造内に一体化して設けられている請求項１から請求項９のうちいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記接続部は、ホースまたはアダプタを接続するためのオリーブまたは差込接続部である請求項１０に記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記担体構造は、前記電極および前記少なくとも１つの膜の層構造に対して、均一な接触圧を加えるプレストレスを持つ請求項１から請求項１１のうちいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項１３】
媒質を輸送するべく、前記カソード側および前記アノード側の少なくとも一方にキャピラリー構造を備える請求項１から請求項１２のうちいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項１４】
前記媒質は、抽出物および反応生成物である請求項１３に記載の燃料電池。
【請求項１５】
前記抽出物および前記反応生成物は水である請求項１４に記載の燃料電池。
【請求項１６】
前記カソード側の表面および前記アノード側の表面の少なくとも一方に、親水性のコーティングおよび疎水性のコーティングの少なくとも一方が施されている請求項１から請求項１５のうちいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項１７】
前記コーティングは、フロック加工された繊維材料で形成されている請求項１６に記載の燃料電池。
【請求項１８】
前記カソード側の表面および前記アノード側の表面の少なくとも一方に、電流コレクタ構造および配線として機能するメタライゼーションの少なくとも一方を備える請求項１から請求項１７のうちいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項１９】
前記カソード側および前記アノード側にそれぞれ拡散層を備える請求項１から請求項１８のうちいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項２０】
気体媒質を排出させるべく気体分離膜を少なくとも１つ備える請求項１から請求項１９のうちいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項２１】
請求項１から請求項２０のうちいずれか一項に記載の燃料電池を少なくとも２つ備えるスタック。
【請求項２２】
請求項１から請求項２１のうちいずれか一項に記載の燃料電池を製造する方法であって、
オートメーション化された鋳造によって、前記膜電極体、前記電流コレクタ構造、および、前記燃料および酸化剤の分散構造を、前記担体構造に一体化して設ける方法。
【請求項２３】
請求項１から請求項２１のうちいずれか一項に記載の燃料電池を製造する方法であって、
前記担体構造は、少なくとも２つの部分から構成され、前記膜電極体、前記電流コレクタ構造、および、前記燃料および酸化剤の分散構造は、前記担体構造に一体化して設けられ、その後で前記担体構造の前記少なくとも２つの部分を一体的に接続する方法。
【請求項２４】
前記少なくとも２つの部分は、超音波溶接および焼結の少なくとも一方によって、一体的に接続される
請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記担体構造にはさらに、媒質を輸送するべくキャピラリー構造が一体化して設けられ、燃料および酸化剤を供給するための接続部も前記燃料電池内に設けられる
請求項２２から請求項２４のうちいずれか一項に記載の方法。
【請求項２６】
前記媒質は、抽出物および反応生成物である請求項２５に記載の方法。
【国際調査報告】
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