(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極電極（１１６）、空気極電極（１０８）、電解質（１１２）及び少なくとも１つの電流コレクタ（１０４）をそれぞれ有する、１つ又は複数の燃料電池（１０５）と、
前記１つ又は複数の燃料電池（１０５）を備える１つ又は複数の燃料電池チャンバ（１０２）と、
を含む燃料電池装置（１００）であって、前記燃料電池チャンバ（１０２）の少なくとも１つの面が、前記燃料電池（１０５）の前記電流コレクタ（１０４）の一端のみを支持することにより前記燃料電池（１０５）を物理的に支持しており、
前記電流コレクタ（１０４）が、パターニングされた導電体層であり；
前記パターニングされた導電体層が、前記電流コレクタ（１０４）に取り付けられた電極（１０８）に燃料電池装置（１００）のガスを行き来させるための開口部を提供するパターンを備え、
前記パターニングされた導電体層が、前記燃料電池（１０５）を物理的に支持している、燃料電池装置（１００）。
【請求項２】
前記電極（１０６又は１０８）が、前記電流コレクタ（１０４）に付着層として取り付けられている、請求項１に記載の燃料電池装置（１００）。
【請求項３】
前記電極（１０６又は１０８）が、前記電流コレクタ（１０４）に電着によって取り付けられる、請求項２に記載の燃料電池装置（１００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書の主な内容は、電気化学的電力システムに関し、より詳細には、電流コレクタ支持型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の主な要素として、燃料極、空気極、電解質、及び電流コレクタが挙げられる。多くの燃料電池の設計では、燃料極と空気極との間に電解質が挟まれて単セルが形成されており、この単セルが、燃料電池装置内で直列及び／又は並列に繰り返されている。この電池のサンドイッチ構造は、電極間で電流を行き来させる２つの電流コレクタに接続されている。電流コレクタは、ガス交換のために電極面のできるだけ多くの部分を露出させておこうとされている。
【０００３】
燃料電池の種類として、例えば、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ、すぐ後でより詳細に説明する）、プロトン伝導セラミックス燃料電池、アルカリ燃料電池、高分子電解質膜（ＰＥＭ）燃料電池、溶融炭酸塩燃料電池、固体酸燃料電池、及び直接メタノールＰＥＭ燃料電池が挙げられる。
【０００４】
ＳＯＦＣは、燃料電池の全種類のなかで最も効率が高く、機能的燃料電池要素の一部にセラミックス材料を使用している。代表的な燃料極は、例えば電導性ニッケル／イットリア安定化ジルコニアサーメット（Ｎｉ／ＹＳＺ）から構成することができるが、燃料極及び空気極は、特定の最終用途による要求及び／又は必要に応じて、ニッケルやクロム酸ランタンなどの任意の適切な材料から形成することができる。種々の例示的な燃料極及び／又は空気極は、金属、セラミックス及び／又はサーメットである。燃料極に適し得る金属のいくつかの例として、限定はしないが、ニッケル、白金、及びこれらの混合物のうちの少なくとも１つが挙げられる。燃料極に適し得るセラミックスのいくつかの例には、限定はしないが、ＣｅxＳｍyＯ2-δ、ＣｅxＧｄyＯ2-δ、ＬａxＳｒyＣｒzＯ3-δ、及びこれらの混合物のうちの少なくとも１つが含まれる。燃料極に適し得るサーメットのいくつかの例には、限定はしないが、Ｎｉ−ＹＳＺ、Ｃｕ−ＹＳＺ、Ｎｉ−ＳＤＣ、Ｎｉ−ＧＤＣ、Ｃｕ−ＳＤＣ、Ｃｕ−ＧＤＣ、及びこれらの混合物のうちの少なくとも１つが含まれる。
【０００５】
ＳＯＦＣは、一方の電極−電解質境界面から他方の境界面に帯電アニオンを輸送するのに液相を必要としないため、真に固体状態である。ＳＯＦＣは、腐食問題がなく、電解質に交換を要する部分又は相がなく、従って固体電解質がひび割れることはあっても液体化学種が存在しないので漏れることがなく、設計を簡略化でき、製造コストを削減することができる。ＳＯＦＣは、一般に９００℃〜１０００℃で作動するが、それよりも低い温度で作動し得るＳＯＦＣもある。
【０００６】
空気極に適し得る金属のいくつかの例として、限定はしないが、銀、白金、及びこれらの混合物のうちの少なくとも１つが挙げられる。代表的な空気極は、ペロブスカイト、マンガン酸ランタン（ＬａＭｎＯ3）で構成することができる。空気極に適し得るセラミックスのいくつかの例には、限定はしないが、ＳｍxＳｒyＣｏＯ3-δ、ＢａxＬａyＣｏＯ3-δ、ＧｄxＳｒyＣｏＯ3-δのうちの少なくとも１つが含まれる。
【０００７】
代表的な酸素伝導性固体電解質は、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）により製造されるが、例示的な電解質は、任意の適切な電解質材料で形成し得る。種々の例示的な電解質として、酸素アニオン伝導膜電解質、プロトン伝導性電解質、炭酸塩（ＣＯ32-）伝導性電解質、ＯＨ-伝導性電解質、及びこれらの混合物を挙げることができる。
【０００８】
他の例示的な電解質には、立方体蛍石構造電解質、ドープド立方体蛍石電解質、プロトン交換ポリマー電解質、プロトン交換セラミックス電解質、及びこれらの混合物のうちの少なくとも１つが含まれる。他の例示的な電解質として、サマリウムドープドセリア、ガドリニウムドープドセリア、ＬａaＳｒbＧａcＭｇdＯ3-δ、及びこれらの混合物のうちの少なくとも１つを挙げることができ、これらは、固体酸化物燃料電池に使用するのに特に適している。
【０００９】
適切な電圧を生成するために、同一スタック内の複数の燃料電池を、隣接ユニットの燃料極及び空気極を接続するドープドクロム酸ランタン（例えば、Ｌａ０．８Ｃａ０．２ＣｒＯ３）を用いて、相互連結させることができる。スタック構造にはいくつかあるが、一般的な構造は平面（又は、「平板」）ＳＯＦＣである。
【００１０】
例示的な燃料電池の燃料流には、ダブルチャンバ燃料電池により発電するのに適している炭化水素燃料（例えばメタン（ＣＨ4））、水素（Ｈ2）や、燃料電池内で使用される特定の電極組成物に適している他の炭化水素燃料、即ちエタン、ブタン、プロパン、天然ガス、メタノール、さらにガソリンが含有される。図には、代表的な燃料としてメタンと水素を示している。
【００１１】
燃料極において、燃料は（通常多孔質の）燃料極表面に吸着し、燃料極−電解質境界面の方に拡散する。空気極では、空気からの酸素（０2）などの酸化剤分子が（通常多孔質の）空気極表面に吸着し、空気極−電解質境界面の方に拡散する。
【００１２】
代表的な酸素アニオン伝導性電解質に関しては、酸素分子が空気極−電解質境界面の方に拡散すると、これらの酸素分子は、電池の外部電気回路から入ってくる電子と接触し、電子を捕捉して酸素アニオン（０-2）となる。当該酸素アニオンは、正にバイアスされた燃料極−電解質境界面の方に移動する。酸素アニオンと燃料が、燃料極−電解質境界面で接触すると、燃料が酸素アニオンと結合して（酸化反応）、水や二酸化炭素などの反応生成物を形成する。反応生成物の形成後、電子が残る。酸素アニオンが、燃料の炭素原子あるいは２つの水素原子のどちらかと結合するたびに２つの電子が残る。失われた電子は、電池の外部電気回路において利用し得る電流の源となる。水と二酸化炭素は、燃料極の外側面の方に拡散し、燃料流の流れに戻る。
【００１３】
従来の燃料電池の多くの種類では、燃料電池チャンバ内の電池全体を物理的に支持する機構として電極又は電解質を用いようとして、製造業者が電極や電解質を厚くすると、性能が低下してしまう。ＳＯＦＣなどの多くの種類の燃料電池の効率的作動には、稠密で薄い電解質と多孔質で薄い電極を用いることが望ましい。しかしながら、電極及び電解質は、薄いほどその構造的完全性（強度）が低下する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
そこで本発明では、燃料電池チャンバ内の電池を物理的に支持する機構として電流コレクタを利用する装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本明細書の主な内容は、燃料電池用の電流コレクタに関する。当該電流コレクタは、燃料電池装置内の燃料電池を物理的に支持する。燃料電池の電極は当該電流コレクタに付着層として取り付けられている。当該電流コレクタは、電極との間でガスを行き来させるための開口部を備えている。
【発明の効果】
【００１６】
本発明では、電流コレクタを用いて燃料電池を物理的に支持しており、電極及び電解質の薄膜化を実現できるため、燃料電池の発電効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
概要
図１に示すように、本明細書の主な内容には、燃料電池チャンバ１０２と、燃料電池１０５（即ち、１０４、１０８、１１２、１１６及び１２０）と関連する例示的な電流コレクタ（例えば、１０４）とを備える燃料電池装置１００が包含され、ここで、例示的な電流コレクタ１０４は、燃料電池装置１００内で燃料電池１０５を物理的に支持している。図１では、例示的な電流コレクタ１０４が燃料電池チャンバ１０２の壁に取り付けられており、燃料電池装置１００内で燃料電池１０５が支持されている。一方、燃料電池１０５の他の要素は燃料電池チャンバ１０２の壁に取り付けても取り付けなくてもよく、それらは燃料電池１０５の物理的支持に関しては重要視されない。
【００１８】
図示した燃料電池装置１００の構成は単に１つの例として示すものであり、そこでは、電圧を高めるために２つの燃料電池が電気的に直列に接続されている。１つの例示的な電流コレクタ１０４には、空気極（１０８）、続いて電解質１１２、燃料極１１６及び次の（第２の）電流コレクタ１２０が順番に付着している。他の例示的な電流コレクタ１０６には、燃料極１１０、電解質１１４、空気極１１８、及び次の（第２の）電流コレクタ１２２が別の順序で付着している。説明した内容を実施するのに適する、熟練者が考案可能な、燃料電池構造の構成は他にも多数ある。例えば、一実施形態においては、例示的な電流コレクタ１０４は、燃料電池チャンバ１０２の壁以外の燃料電池構成要素に取り付けられることによって燃料電池１０５を支持してもよく、例えば、例示的な電流コレクタ１０４は、相互接続（インターコネクタ）部分にのみ取り付けらてもよい。
【００１９】
一実施形態では、燃料電池１０５を構成する際、燃料電池１０５の電極（例えば、空気極）１０８は例示的な電流コレクタ１０４上に薄層として付着される（電極１０８の例として空気極を使用したが、付着電極１０８は燃料極でもよい）。例示的な電流コレクタ１０４は、予め形作られ且つ／又は電極付着後にエッチングされ、それによって、燃料電池装置１００のガス（１２４、１２６、１２８）は、例示的な電流コレクタ１０４を介して電極１０８との間で行き来することができる。例示的な電流コレクタ１０４をエッチングする場合には、化学的エッチング、乾式エッチング、機械的エッチング、光学的エッチング、レーザエッチング、及び電子ビームエッチングなどのうちの任意のエッチングを利用して、それを達成することができる。
【００２０】
電気伝導性；非常に薄く製造されるべき燃料電池要素の支持をはじめとする燃料電池１０５の構成要素の構造的完全性／物理的支持；燃料電池装置１００の電極へのガスの自由な流れをもたらし得る、例示的な電流コレクタ１０４の製造法及び使用法を提供する。従って、例示的な電流コレクタ１０４によって、燃料電池１０５の要素をきわめて薄くすることができるため、燃料電池効率向上の可能性がもたらされる。
【００２１】
固体電解質の出現により、従来の燃料電池メーカーは、燃料電池の電極又は固体電解質を用いて燃料電池スタックを支持したことがある。これには、通常、スタックの残りの部分を物理的に支持するのに十分な強さとなるように電極又は電解質を増大させる、即ち厚くすることが必要であった。しかしながら、電極や電解質を厚くすると、一般に、ガスとイオンが移動しなければならない経路の長さと曲りが大きくなり、イオンに対する抵抗が発現し、電池効率が低下する。
【００２２】
電流コレクタの厚さ及び／又は機械的強度は、通常、燃料電池装置１００の電気化学的効率に影響せず、したがって、例示的な電流コレクタ１０４は比較的厚くすることができる。一方、電極（１０８、１１６）及び電解質１１２は比較的薄くされる。このように、物理的支持の役割を電池の電気化学的作動の機能的要素から１つ又は複数の電流コレクタ１０４に移すことは、燃料電池１０５の全要素に有益である。スタックアセンブリの構造的完全性を低下させることなく電極１０８、１１６と電解質１１２を薄くできるばかりでなく、例示的な電流コレクタ１０４の厚さが大きいと、抵抗が小さくなり大きな電流を流すことができる。例えば、固体酸化物電解質１１２を５ミクロン以下の厚さに薄くすることができるが、電解質を１ミクロンの厚さにすると、電極間で電気的短絡が起こり得る。
【００２３】
燃料電池１０５を支持するために物理的に丈夫な電流コレクタを単に電極１０８に接続するだけでは、必ずしも改善された実用的な電池スタック１０５を得ることができるとは限らない。本明細書に示す例示的な電流コレクタ１０４は、電流の収集、電池スタック１０５の物理的支持、及び電池自体にガスが自由に流れるようにするという３つの役割を果たし、且つきわめて薄い電極１０８と電解質１１２の支持基材として平坦さを与えることによって、電池１０５を改善する。
例示的方法 
例示的な方法は、燃料１２４及び酸化剤ガス１２６、１２８を遮ることなく燃料電池１０５を支持できるように例示的な電流コレクタ１０４を作製し使用するステップと、薄く積層された電極１０８、１１６及び電解質１１２を作製するステップと、例示的な電流コレクタ１０４を使用する燃料電池１０５を作製するステップとを包含する。このような例示的な方法では、様々な電極、電解質、電流コレクタ、及び相互接続（インターコネクタ）が、互いに重なって層又はフィルムとして付着され得る。本明細書で用いる「付着（Depositing）」とは、２つの材料間で少なくとも物理的に、また通常は電気的接触も確立されることを意味し、第１の材料の表面に、第２の材料が、例えば塗装、噴霧、めっき、電鋳、電着、スパッタ（真空蒸着）、浸漬コート、スピンコート、昇華（sublimed）、蒸着により結合していることを意味する。さらに、第１の材料と第２の材料は、付着後に、２つの材料面間の固体結合、即ちその物理的及び電気的結合の強度を高めるために、例えば焼結、アニール、又は圧縮することができる。
電流コレクタの製造法 
図２は、その上に他の燃料電池要素を付着することができる例示的な電流コレクタ１０４を製造するための例示的な方法２００のフローチャートを示している。当該フローチャートでは、操作（各製造ステップ）は個々のブロックにまとめられている。
【００２４】
例示的な方法２００は、ブロック２０２において、最初に、電流コレクタとして適する材料又は組成物（「材料」）を得る。材料は、例示的な電流コレクタ１０４の所望の最終形状に成形又は形成された際、例示的な電流コレクタ１０４と同じスタック１０５内の他の燃料電池要素を支持することができる引張り強さ、剛性、硬度などを有することが好ましい。多くの実施形態では、電池アセンブリを物理的に支持するのに十分な厚さにおいて、例示的な電流コレクタ１０４が高温ＳＯＦＣなどの高温燃料電池１００内の高い温度、熱膨張、熱収縮に耐え得るように、材料を選択することが好ましい。例示的な電流コレクタ１０４のいくつかの例示的な適切な材料として、ステンレス鋼、タングステン、チタン、ニッケルなどと、いくつかの合金、及びいくつかの導電性セラミックスが挙げられる。使用環境によっては、燃料電池のいくつかの要素内部における酸化特性を抑えるために、アルミニウムを金属と合金に添加することができる。どの材料を使用すべきかを検討する際、例示的な完成した電流コレクタの公称厚さは、約２００ミクロンである。チタンなどの比較的丈夫な出発材料を用いる場合は、より薄くすることができる。例示的な完成した電流コレクタ１０４の厚さは、材料が充分な構造的支持性能をもたらしていれば電池の電気化学的作動には重要でなく、従って、１０ミクロン以下〜１０００ミクロン（１ミリメートル）以上という幅広い厚さを選択することが可能である。一実施形態においては、例示的な電流コレクタ層は、電極と電解質のいずれかの約１０倍〜１２倍の厚さを有する。
【００２５】
材料の選択に関しては、電池スタックの構造的完全性及び物理的支持に必要となる最小限の厚さだけではなく、例示的な電流コレクタ１０４が伝導しなければならない電流の量も考慮しなければならない。例示的な電流コレクタ１０４は、燃料電池１００が起動し停止するときに熱サイクルを受けるため、例示的な電流コレクタ１０４は、熱応力に耐え得ることが好ましい。例えば、例示的な電流コレクタ１０４が導電性セラミックスの場合は、セラミックスの脆性によって破壊を受けやすい。
【００２６】
ブロック２０４において、前記ステップで得た材料に応じて、例示的な材料の内部張力を除去するために応力除去ステップを使用することができる。応力除去ステップは、通常の電池作動で熱膨張及び熱収縮した際に、選択した材料が裂けたり、ひび割れたり、破損したりするのを防ぐことができる。材料によっては、材料を加熱して分子又はイオンを移動させ、次にゆっくりと冷却して分子を安定位置に配置する（即ち、不安定な分子配列の位置エネルギーを取り除く）ことによって、応力除去ステップを実施し得る。応力除去ステップにおいて材料分子が安定配列となった場合は、材料は、平坦面（後で説明する）を保持し且つ多くの燃料電池内の固有の温度変動を許容するのに適するようになる。
【００２７】
ブロック２０６において、材料は、材料の少なくとも１つの面を実質的に平坦にするために、例えば付着、切削、研磨される。この平坦さによって、その次の層の均一な付着が可能となり、清浄化が容易になる。当然ながら、開始するときに平坦な材料を選択することができる。例えば銅箔やニッケル箔など、十分な平坦さを与える多くの箔を使用することができる。
【００２８】
ブロック２０８において、電流コレクタ材料の少なくとも１つの平面を清浄にして、接触抵抗を最小にすることができる。「清浄（Clean）」とは、材料の酸化物をはじめとする、電流コレクタ材料と異質な化学種を可能な限り少なくすることを意味する。表面が汚れていると、例示的な電流コレクタ１０４と、例示的な電流コレクタ１０４に付着又は接続されている電極１０８との間の不十分な結合に帰着する。また、表面が汚れていると、平面を形成した後で酸化物層即ちさびが発生した場合に、例示的な電流コレクタ１０４と例示的な電極１０８との間に電気抵抗が生じる場合がある。表面の酸化物層は、薬品賦活によって除去することができる。
【００２９】
図３は、図２の例示的な方法２００によって製造された例示的な電流コレクタ３００を表す図である。
燃料電池の製造法 
次に、燃料電池１０５の例示的な製造法を説明する。例示的な方法のいくつかの部分は、ＳＯＦＣ燃料電池１０５を製造するのに特に適している。燃料電池１０５を製造する際に薄層の作製を何回も実施することがあり、燃料電池１０５を製造する例示的な方法と、薄い電極１０８、１１６及び電解質１１２の層を製造する例示的な方法は重複することがある。
【００３０】
図４、図５ａ、及び図５ｂはそれぞれ、燃料電池１０５を製造する１つの例示的方法４００のフローチャート及びそれを図示したものである。フローチャートでは、操作（各製造ステップ）は個々のブロックにまとめられている。
【００３１】
例示的な方法４００は最初に、ブロック４０２において、前述の例示的な方法２００によって、例示的な第１の電流コレクタ１０４を得る。第１の電流コレクタ１０４は、燃料電池１０５を構成する他の層がその上に付着する基材となる。
【００３２】
ブロック４０４において、平坦で清浄な面を有する例示的な第１の電流コレクタ１０４を得た後、例示的な第１の電流コレクタ１０４の平坦面に第１の電極層１０８が付着される（図５ａの５０２）。第１の電極層１０８及び第１の電流コレクタ１０４に使用される材料によっては、これらの表面間の融合又は結合を高めるために焼結することが望ましい場合がある。
【００３３】
ブロック４０６において、電解質層１１２が、第１の電極層１０８上に付着される（５０４）。付着方法は、電解質層１１２に使用される材料に依存する。第１の電極層１０８に使用される材料及び電解質層１１２に使用される材料によっては、これらの表面間の融合又は結合を高めるために焼結することが望ましい場合がある。
【００３４】
ブロック４０８において、第２の電極層１１６、即ち「対向電極」が、電解質層１１２に付着される（５０６）。付着方法は、第２の電極層１１６に使用される材料に依存する。電解質層１１２に使用される材料及び第２の電極層１１６に使用される材料によっては、これらの表面間の融合又は結合を高めるために焼結することが望ましい場合がある。
【００３５】
いくつかの実施形態では、ブロック４１０において、この時点までに製造された部分的な電池アセンブリ１０５が、この段階で、個々の層に対して実施されるそれまでの焼結ステップの代わりとして又はそれに追加して、焼結を実施することができる。
【００３６】
ブロック４１２では、第２の電流コレクタ層１２０が、第２の電極層１１６上に付着される（５０８）。付着方法は、第２の電流コレクタ層１２０に使用される材料に依存する。第２の電流コレクタ層１２０の材料は、第１の電流コレクタ１０４の材料と同じものを用いることができる。しかしながら、例えば、第１の電流コレクタ１０４は完全に積層された電池アセンブリ１０５を物理的に支持するが、第２の電流コレクタ層１２０はそれを支持しない場合には異なってもよい。第２の電流コレクタ層１２０及び第２の電極層１１６に使用される材料によっては、それらの表面間の融合又は結合を高めるために焼結することが望ましい場合がある。
【００３７】
ＳＯＦＣなどのいくつかの種類の燃料電池では、ブロック４１４において、燃料及び／又は酸化剤ガスに対する電極表面の露出を最大にするために、第１の電流コレクタ１０４及び第２の電流コレクタ層１２０は、支持機能を損なわない範囲において、第１の電極層１０８及び第２の電極層１１６のできるだけ多くの部分を開放させることが望ましい。従って、第１の電極層１０８の多くの部分を露出させるために、第１の電流コレクタ１０４の一部が第１の電極層１０８の表面領域の少なくとも一部から除去されるか又はエッチングされる（５１０）。第１の電流コレクタ１０４がそれ自体の非エッチング部の全て及び第１の電極層１０８と一体的に電気接触したままにし得るエッチングパターン又は構造を使用することができる。換言すると、エッチングパターンは、燃料及び／又は酸化剤（通常は空気）が、第１の電流コレクタ１０４と第２の電流コレクタ層１２０を「通過」して電極層１０８、１１６に達することができるような穴を提供する。好ましく使用されるエッチングパターン又は構造により、第１の電流コレクタ１０４は、スタックアセンブリ１０５全体の物理的支持を与えるという機能を維持することができる。従って、いくつかの実施形態では、第１の電流コレクタ１０４がエッチング後に望ましい物理的寸法を維持し得るように、第１の電流コレクタ１０４に過剰な出発材料（原料）を使用することができる。エッチングは、化学的方法、乾式エッチング、機械的方法、光学的方法（例えば、レーザ、フォトリソグラフィ）、電子ビーム、その他の方法によって実施することができる。あるいはまた、第１の電流コレクタ１０４は製造時から穴又はチャネルのパターンを有していてもよい。例えば、それは、第１の電流コレクタ１０４に穴又はチャネルを付与する型又はダイ（「型」）内で第１の電流コレクタ１０４を製造することによって達成し得る。型として、例えば、図８及び図９を参照して後に検討するように、マンドレル（基材）上のフォトレジスト材料からなるパターン層を用いることができる。
【００３８】
ブロック４１６で、燃料及び／又は酸化剤ガスに対する第２の電極表面の露出を最大にするために、次の（第２の）電流コレクタ層１２０は、その支持機能を損わない範囲において、第２の電極層１１６のできるだけ多くの部分を開放させることが望ましい。従って、実際の燃料電池の作動時に、第２の電極層１１６が燃料及び／又は酸化剤に露出するようにするために、第２の電流コレクタ層１２０の一部が第２の電極層１１６の表面領域の少なくとも一部から除去又はエッチングされる（５１２）。第２の電流コレクタ１２０が、それ自体の非エッチング部の全て及び第２の電極層１１６と完全な電気接触を維持し得るエッチングパターン又は構造を使用することができる。第２の電流コレクタ層１２０は、第１の電流コレクタ１０４と異なる材料を用いて形成することもでき、また第１の電流コレクタ１０４と異なる物理寸法を有することもできるため、エッチングプロセスは第１の電流コレクタ１０４に使用されるプロセスと異なってもよい。しかしながら、いくつかの実施形態では、第２の電流コレクタ層１２０もまた、スタックアセンブリ１０５の物理的支持に関係するため、同じエッチングプロセスを用いることができる。
【００３９】
図６及び図７は、付着によって第１の電流コレクタ層１０４を製造する例示的方法６００のフローチャート及びそれに対応する図７００を示している。当該フローチャートでは、操作（各製造ステップ）は個々のブロックにまとめられている。
【００４０】
一実施形態では、蒸着、電着、電鋳などによって第１の電流コレクタ層１０４がその上に付着する平坦な出発表面を提供するために、マンドレル７０２が使用される。マンドレル７０２は、その上で付着を実施することができる基材である。一実施形態では、マンドレル７０２は、その上に最初に予備導電体層が付着し、次いで一時的な除去可能層が付着又は形成される、ガラス片のような再使用可能な材料である。このマンドレル７０２上に第１の電流コレクタ層１０４を形成した後、マンドレル７０２は除去され、次いで別の第１の電流コレクタ層１０４を製造するために再使用される。
【００４１】
例えばマンドレル７０２上に第１の電流コレクタ層１０４を作製する付着方法として、電着は、他の付着方法よりも清浄で、接触抵抗が小さく、付着層の厚さの制御性が高く、次の層の接着性に優れるという、新しい金属表面が持つ利点をもたらす。電鋳のための極めて平坦な面を提供するために、ガラスなどのマンドレル７０２材料を選択することができる。そのような平坦な面に対応する平坦な第１の電流コレクタ層１０４が得られる。電着により第１の電流コレクタ層１０４を作製することによって、ニッケル、銅、金、ロジウム、パラジウム、白金、亜鉛、クロムなどの金属及びステンレス鋼などの合金を使用することが可能である。例示的方法６００のフローチャートにおいては、各操作（各製造ステップ）を個々のブロックにまとめて示す。
【００４２】
ブロック６０２において、付着を実施し得る平坦面を有するマンドレル７０２が得られる。電着のために、マンドレル表面は導電性であり、従って、マンドレルの材料として、金属又は半金属の導電体を用いることができ、又は前述のように、第１の電流コレクタ層１０４の付着前に既に付着している予備導電体層を有するガラスなどの非導電体を用いることもできる。マンドレル７０２の導電性面は、本来的に導電性であるか又は予備導電体層の付着によって導電性にされたかに関係なく、通常は、付着される第１の電流コレクタ層１０４をマンドレル７０２の表面から容易に除去できるように表面酸化物層などの「除去層」がその上に配置されている。
【００４３】
ブロック６０４では、第１の電流コレクタ層１０４がマンドレル７０２上に付着される。電着を利用する場合は、第１の電流コレクタ層１０４の厚さが制御されるが、当然ながら、層の厚さは、完成したスタックアセンブリ１０５を物理的に支持するために電着される特定の金属又は合金の特性に応じて選定する。
【００４４】
ブロック６０６では、一般に、第１の電極層１０８が第１の電流コレクタ層１０４上に付着される。これによって、第１の電流コレクタ層１０４がマンドレル７０２によって依然として平坦な状態で支持されたまま、第１の電流コレクタ層１０４と第１の電極層１０８の間に境界が形成される。
【００４５】
ブロック６０８において、マンドレル７０２を除去することができる（特にマンドレル７０２として選択された材料が後続の層の高温焼結に耐えることができない場合に）。マンドレル７０２を除去する場合は、次いで、例示的方法６００では、電解質層１１２、第２の電極層１１６、第２の電流コレクタ層１２０の付着、及び前述の例示的方法４００に類似のエッチングプロセスが実施される。
【００４６】
あるいはまた、マンドレル７０２が焼結に耐え得る場合又は焼結が必要でなかった場合は、例示的方法６００は、マンドレル７０２をそのままの状態に維持することができる。
【００４７】
電気的相互接続（インターコネクタ）を使用して、１つのスタックアセンブリ１０５の燃料極１１６又は空気極１０８を別のスタックアセンブリの対向電極に取り付けてスタックを直列に接続することができる。そのようなインターコネクタの材料は、一般に、ほとんどの金属が示す酸化劣化を示さないクロム酸ランタン（ＬａＣｒＯ3）などのセラミックス酸化物である。
【００４８】
例示的な燃料電池１０５を製造したら、例示的な電流コレクタ１０４を、１つ又は複数の燃料電池アセンブリを収容している燃料電池チャンバ１０２の表面に直に又は間接的に取り付けることができる。燃料電池チャンバ１０２は、通常、燃料電池アセンブリの物理的支持の基礎をもたらすが、それはまた、所与の電池アセンブリの適切な電極に燃料と酸化剤ガスを区分して導くのにも有効である。
【００４９】
図８及び図９は、例示的な電流コレクタ１０４を製造する例示的な方法８００のフローチャート及びそれに対応する図９００を示している。当該フローチャートにおいては、操作（各製造ステップ）は個々のブロック内にまとめられている。
【００５０】
電池の一部又は全てを組み立てた後、第１の電流コレクタ１０４をエッチングする代わりに、この例示的方法８００は、ガスを通すためのチャネル又は穴のパターンを（元々）既に備える第１の電流コレクタ１０４を作製する。これは、一実施形態では、通常のリソグラフィ法によって達成し得るパターニングされたマンドレル７０２を用いて実施することができる。
【００５１】
ブロック８０２では、フォトレジスト９０２又は別の除去可能な又は溶解可能な一時的な材料が、あるパターンにてマンドレル７０２上に配置される。
【００５２】
ブロック８０４では、第１の電流コレクタ１０４の材料が、チャネル上及び／又はチャネル間に付着されるか、フォトレジスト９０２によってパターニングされる。第１の電流コレクタ１０４の材料を付着させるために使用される付着プロセスによって、フォトレジストチャネル又はパターンの高さを超える過剰な材料が残存する場合は、その過剰な材料を取り除き、上面を、例えば平滑化し、サンド磨きし、研磨することによって、第１の電流コレクタ１０４及びフォトレジスト９０２材料が平坦な面となるようにする。
【００５３】
ブロック８０６では、第１の電極１０８が、ブロック８０４で作製された平坦面上に付着される。
【００５４】
ブロック８０８では、第１の電極１０８を、パターニングされた第１の電流コレクタ１０４及びフォトレジスト９０２又は他の一時的な材料に取り付けたまま、マンドレル７０２がスタックアセンブリから除去される。あるいはまた、例えばマンドレルが、他の層が追加されたときに実施される焼結処理に耐え得る材料からなる場合は、マンドレル７０２は取り付けられたままである。
【００５５】
ブロック８１０において、フォトレジストや他の一時的な材料が、例えば、現像されたり、溶解されたり、焼結ステップにより焼失したり、あるいは生物分解されたりすることによって除去され、第１の電極層１０８に付着しているパターニングされた第１の電流コレクタ１０４のみが残る。
【００５６】
焼結を要し且つまだ実施されていない場合は、パターニングされた第１の電流コレクタ１０４と第１の電極層１０８をこの段階で焼結することができる。電池スタックの他のアセンブリはまた、例えば、例示的方法４００及び６００のように、焼結することなく進めることができる。しかしながら、例示的なパターニングされた第１の電流コレクタ１０４には既に、パターンによる既存のチャネル又は穴があるので、第１の電流コレクタ１０４をエッチングする操作は省略される。
結論
以上、電流コレクタ支持燃料電池について説明した。一実施形態では、例示的な電流コレクタは、燃料電池構成要素の構造的完全性と物理的支持をもたらすことができ、同時に、燃料電池の電気化学的要素をきわめて薄くできるため、燃料電池効率を高めることができる。本明細書の内容は、構造的特徴及び／又は方法論的行為に固有の語句を用いて説明したが、特許請求の範囲に定義した内容が、説明した特定の特徴又は行為に必ずしも限定されないことを理解されたい。むしろ、特定の特徴及び行為は、特許請求の範囲の内容を実施する例示的形態として開示したものである。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】例示的な電流コレクタを備える燃料電池
【図２】例示的な電流コレクタを製造する例示的方法のフローチャート
【図３】図２の方法によって製造された例示的電流コレクタ
【図４】燃料電池スタックを製造する例示的方法のフローチャート
【図５ａ】図４の例示的方法に対応する図
【図５ｂ】図４の例示的方法に対応する図
【図６】マンドレル上に電流コレクタを製造する例示的な方法
【図７】図６の例示的方法に対応する図
【図８】マンドレルを使用して燃料電池スタックを製造する例示的方法
【図９】図８の例示的な方法に対応する図
【符号の説明】
【００５８】
１００  燃料電池装置
１０４  電流コレクタ
１０５  燃料電池
１０８  電極
１１２  電解質
１１６  次の（第２の）電極
１２０  次の（第２の）電流コレクタ
【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５ａ】
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【図５ｂ】
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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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