(57)【要約】本発明は、燃料電池または電解槽のような電気化学式エネルギー変換器の電極、構成要素、半電池および電池を製造するための方法に関する。本発明に従い、次のステップが設けられる。ａ）平らな多孔質支持材料（４ａ；４ｂ）を製造し、ｂ）電極材料（１）の少なくとも１つの層および／または触媒材料（１８）層を多孔質支持材料（４ａ）上に被覆形成し、ｃ）被覆形成された層と共に、多孔質支持材料（４ａ）を所定の厚さ（Ｄ）に圧延またはプレスして、平らで滑らかなあるいは構造を付与した表面を形成する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学式エネルギー変換器の電極、構成要素、半電池および電池を製造するための方法において、次のステップ
ａ）平らな多孔質支持材料（４ａ；４ｂ）を製造し、
ｂ）電極材料（１；２）の少なくとも１つの層および／または触媒材料（１８）
の層を多孔質支持材料（４ａ；４ｂ）上に被覆形成し、
ｃ）被覆形成された電極材料（１；２）の層および／または触媒材料（１８）の
層と共に、多孔質支持材料（４ａ；４ｂ）を圧延またはプレスして、平らでか
つ滑らかなまたは構造を付与した表面を形成し、この場合支持材料（４ａ；４ｂ）および／または電極材料（１；２）の層の厚さが薄くなる
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
ステップｃ）において、多孔質支持材料（４ａ；４ｂ）がその上に被覆形成された電極材料（１；２）の層および／または触媒材料（１８）の層と共に、所定の厚さ（ｄ）に圧延またはプレスされ、この厚さが圧延工程またはプレス工程の前の元の厚さ（Ｄ）よりも薄いことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
多孔質支持材料（４ａ；４ｂ）にテクスチャが形成されることを特徴とする請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
テクスチャがステップｃ）において成形要素（２５，２９；２６；２８；３０）を用いて圧延またはプレスすることによって形成されることを特徴とする請求項３記載の方法。
【請求項５】
テクスチャが付加的なステップｄ）において成形要素（２５，２９；２６；２８；３０）を用いて圧延またはプレスすることによって形成されることを特徴とする請求項３記載の方法。
【請求項６】
圧延またはプレスが、ステップｃ）の圧延またはプレスの後の付加的なステップｄ）において、成形要素（２５，２９；２６；２８；３０）を用いて行われることを特徴とする請求項５記載の方法。
【請求項７】
テクスチャが多孔質支持材料（４ａ；４ｂ）に、電気化学式エネルギー変換器で変換される媒体（ガス）を供給または排出するための搬送通路（１７）を形成することを特徴とする請求項３，４，５または６に記載の方法。
【請求項８】
テクスチャを生じる成形要素が、表面に成形部（２９）を備えたロール（２５）またはプレス部品によって形成されていることを特徴とする請求項４〜７のいずれか一つに記載の方法。
【請求項９】
テクスチャを生じる成形要素が別個の部品（２６；２８；３０）によって形成され、この部品がロール（２２；２４）またはプレス部品と多孔質支持材料（４ａ；４ｂ）の間に設けられていることを特徴とする請求項４〜７のいずれか一つに記載の方法。
【請求項１０】
テクスチャを生じる成形要素（２６；２８；３０）が格子または平らな成形部材であることを特徴とする請求項９記載の方法。
【請求項１１】
テクスチャを生じる成形要素（３０）が板状であることを特徴とする請求項９または１０記載の方法。
【請求項１２】
テクスチャを生じる成形要素（２６；２８）が循環するベルトであり、このベルトがロール（２２；２４）と多孔質（４ａ；４ｂ）の間を循環することを特徴とする請求項９または１０記載の方法。
【請求項１３】
圧延またはプレスの前に、乾燥工程、燃焼工程または焼結工程が行われることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一つに記載の方法。
【請求項１４】
圧延またはプレスの後で、燃焼工程または焼結工程が行われることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一つに記載の方法。
【請求項１５】
電極材料（１）の層が多孔質支持材料（４ａ）の一方の側に被覆形成されることと、触媒材料（１８）の層が多孔質支持材料（４ａ）の反対の側に被覆形成されることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一つに記載の方法。
【請求項１６】
多孔質支持材料（４ｂ）に電極材料（２）の層が被覆形成されることと、この電極材料（２）の層の上に電解質マトリックス材料（３）の層が被覆形成されることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか一つに記載の方法。
【請求項１７】
平らな多孔質支持材料（４ａ；４ｂ）の製造がカルボニル法、蒸着、電気メッキまたは発泡によって行われることを特徴とする請求項１〜１６のいずれか一つに記載の方法。
【請求項１８】
電極材料（１；２）の層および／または触媒材料（１８）の層の被覆形成が、吹き付け可能な電極原料または吹き付け可能な触媒材料の吹き付けによって行われることを特徴とする請求項１〜１７のいずれか一つに記載の方法。
【請求項１９】
電極材料（１；２）の層の被覆形成がねばねばしたまたはペースト状の電極原料をドクターブレードによって支持材料（４ａ；４ｂ）上に塗布することによって行われることを特徴とする請求項１〜１７のいずれか一つに記載の方法。
【請求項２０】
電極材料（１；２）の層の被覆形成が液状電極原料を多孔質支持材料（４ａ；４ｂ）上にキャスティング、フィルムキャスティングまたは浸漬することによって行われることを特徴とする請求項１〜１７のいずれか一つに記載の方法。
【請求項２１】
電解質マトリックス材料（３）の層の被覆形成が吹き付け可能なマトリックス原料の吹き付けによって行われることを特徴とする請求項１〜２０のいずれか一つに記載の方法。
【請求項２２】
電解質マトリックス材料（３）の層の被覆形成が液状、ねばねばした、ペースト状または可塑性の原料を、ドクターブレード塗布、キャスティング、フィルムキャスティングすることによって行われることを特徴とする請求項１〜２０のいずれか一つに記載の方法。
【請求項２３】
燃料電池装置用の電極、構成要素、半電池または電池を製造するための、請求項１〜２２のいずれか一つに記載の方法の使用。
【請求項２４】
電解槽装置用の電極、構成要素、半電池または電池を製造するための、請求項１〜２２のいずれか一つに記載の方法の使用。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、電気化学式エネルギー変換器のための電極、構成要素、半電池または電池を製造する方法に関する。
【０００２】
燃料電池装置または電解槽装置のような電気化学式エネルギー変換器のための電極、構成要素、半電池または電池の製造は、従来では、複雑でコストのかかるプロセスである。このプロセスの場合、構成要素は異なる製造方法で個別的に製造され、一部はガス雰囲気を制御して焼成、焼結、溶融物充填のような面倒な高温プロセスによって製造される。燃料電池または電解使用電池を製造するために、例えば電極と構成要素はフィルムキャスティングや乾燥注入法によって製造され、或る数の他のプロセスステップや処理ステップの後で互いに組み合わせて半電池、電池および積層電池が形成される。
【０００３】
本発明の課題は、電気化学式エネルギー変換器のための電極、構成要素、半電池または電池を製造する簡単化された方法を提供することである。
【０００４】
この課題は請求項１に記載した方法によって解決される。
【０００５】
本発明による方法の有利な実施形は従属請求項に記載されている。
【０００６】
本発明によって、電気化学式エネルギー変換器のための電極、構成要素、半電池または電池を製造する方法が提供される。この方法は本発明に従い、次のステップ
ａ）平らな多孔質支持材料を製造し、
ｂ）電極材料の少なくとも１つの層および／または触媒材料の層を多孔質支持材
料上に被覆形成し、
ｃ）被覆形成された電極材料の層および／または触媒材料の層と共に、多孔質支
持材料を圧延またはプレスして、平らでかつ滑らかなまたは構造を付与した表
面を形成する
を含んでいる。
【０００７】
本発明による方法の重要な利点は、上記の部品を製造するために必要な方法ステップの数が大幅に低減されることにある。例えば、ガス雰囲気の制御下でのコストのかかる高温ステップを省略することができる。
【０００８】
好ましくは、ステップｃ）において、多孔質支持材料がその上に被覆形成された電極材料の層および／または触媒材料の層と共に、所定の厚さに圧延またはプレスされ、この厚さが圧延工程またはプレス工程の前の元の厚さよりも薄い。
【０００９】
本発明による方法のきわめて有利な実施形では、多孔質支持材料にテクスチャおよび／または成形部が形成される。
【００１０】
好ましい実施形では、テクスチャがステップｃ）において成形要素を用いて圧延またはプレスすることによって形成される。
【００１１】
代替的な実施形では、テクスチャが付加的なステップｄ）において成形要素を用いて圧延またはプレスすることによって形成される。
【００１２】
最後に述べた実施形の場合、圧延またはプレスが、ステップｃ）の圧延またはプレスの後の付加的なステップｄ）において、成形要素を用いて行われる。
【００１３】
本発明による方法の有利な観点に従って、テクスチャが多孔質支持材料に、電気化学式エネルギー変換器で変換される媒体（ガス）を供給または排出するための搬送通路を形成する。
【００１４】
本発明による方法の実施形では、テクスチャを生じる成形要素が、表面に成形部を備えたロールまたはプレス部品によって形成されている。
【００１５】
きわめて有利である代替的な実施形では、テクスチャを生じる成形要素が別個の部品によって形成され、この部品がロールまたはプレス部品と多孔質支持材料の間を通過する。
【００１６】
本発明による方法の有利な実施形では、テクスチャを生じる成形要素が格子または平らな成形部材である。
【００１７】
他の実施形では、テクスチャを生じる成形要素が板状である。
【００１８】
きわめて有利な代替的な実施形では、テクスチャを生じる成形要素が循環するベルトであり、このベルトがロールと多孔質の間を循環する。
【００１９】
本発明による方法の付加的な実施形では、圧延またはプレスの前に、乾燥工程、燃焼工程または焼結工程が行われる。
【００２０】
本発明による方法の他の実施形では、圧延またはプレスの後で、燃焼工程または焼結工程が行われる。
【００２１】
本発明による方法の他の有利な実施形では、電極材料の層が多孔質支持材料の一方の側に被覆形成され、触媒材料の層が多孔質支持材料の反対の側に被覆形成される。
【００２２】
本発明による方法の代替的な実施形では、多孔質支持材料に電極材料の層が被覆形成され、この電極材料の層の上に電解質マトリックス材料の層が被覆形成される。
【００２３】
多孔質支持材料はカルボニル法、蒸着、電気メッキまたは発泡によって製造される。金属は電着方法、化学的方法、ＰＶＤ−およびＣＶＤ法によって、予備成形されたポリウレタンフォーム上に付着される。
【００２４】
本発明による方法の特に有利な実施形では、電極材料の層および／または触媒材料の層の被覆形成が、吹き付け可能な電極原料または吹き付け可能な触媒材料の吹き付けによって行われる。
【００２５】
本発明による方法の代替的な実施形では、電極材料の層の被覆形成がねばねばしたまたはペースト状の電極原料をドクターブレードによって支持材料上に塗布することによって行われる。
【００２６】
本発明による方法の他の代替的な実施形では、電極材料の層の被覆形成が液状電極原料を多孔質支持材料上にキャスティング、フィルムキャスティングまたは浸漬することによって行われる。
【００２７】
本発明のきわめて有利な他の実施形では、電解質マトリックス材料の層の被覆形成が吹き付け可能なマトリックス原料の吹き付けによって行われる。
【００２８】
本発明による方法の代替的な実施形では、電解質マトリックス材料の層の被覆形成が液状、ねばねばした、ペースト状または可塑性のマトリックス原料を、ドクターブレード塗布、キャスティング、フィルムキャスティングすることによって行われる。
【００２９】
本発明による方法のきわめて有利な観点によれば、この方法によって、燃料電池装置用の電極、構成要素、半電池または電池が製造される。
【００３０】
本発明による方法のきわめて有利な他の観点によれば、この方法によって、電解槽装置用の電極、構成要素、半電池または電池が製造される。
【００３１】
次に、図に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
【００３２】
図１は、本発明の実施の形態による電気化学式エネルギー変換器のための電極、構成要素、半電池および電池を製造するための方法の実施を概略的に示している。本実施の形態は例えば溶融炭酸塩型燃料電池のための半電池を製造する方法である。参照符号４ａは平らな多孔質支持材料を示している。この支持材料はカルボニル法、蒸着、電気メッキまたは発泡によって製造される。支持材料は例えば４％乃至約３５％の固体含有量を有するニッケル発泡材料または多孔質ニッケル焼結材料である。
【００３３】
多孔質支持材料４ａには電極材料１の層が被覆される。この電極材料は図示した実施の形態の場合特にアノード材料の層である。多孔質支持材料４ａはその上に被覆された電極材料１の層と共に、ロール２２，２４によって所定の厚さｄに圧延される。この場合、２個のロール２２，２４は向き合うように配置可能である。所定の厚さｄ（多孔質支持材料４ａがその上に位置する電極材料１の層と共にこの厚さに圧延される）は、圧延工程前の元の厚さＤよりも薄い。しかし、圧延の代わりにプレスによって平らな表面または構造を有する表面を得ることができる（図示していない）。以下において、圧延工程はプレス工程によって置き換え可能である。圧延またはプレスの際に、多孔質支持材料および／または電極材料は厚さが薄くなる。
【００３４】
多孔質支持材料４において電極１とは反対側に、成形要素によってテクスチャが発生する。図１ａ）に示した実施の形態の場合、成形要素２６は、格子または平らな成形体の形に形成された別個の部品である。この部品はロール２４と多孔質支持材料４ａの間で循環するベルトとして循環する。
【００３５】
プレスを使用する場合同様に、循環するベルトの代わりに、平らな部品がプレス部分と支持材料の間に挿入される。
【００３６】
その代わりに、図１ｂ）に示すように、成形要素はロール２５またはプレス部品によって形成可能である。このロールまたはプレス部品はその表面に、成形部２９を備え、図１ａ）のロール２２の代わりに使用される。
【００３７】
図１ｃ）に示す他の実施の形態の場合、テクスチャを生じる成形要素は別個の部品３０によって形成されている。この部品は格子または平らな成形体として形成され、板状であり、そしてロール２２と多孔質支持材料４ａの間を通過する。
【００３８】
図１ａ）〜１ｃ）に示した実施の形態の場合、テクスチャは、多孔質支持材料４ａをその上に被覆された電極材料層と共に所定の厚さｄに圧延する間、成形要素２６（図１ａ））または成形要素２５，２９（図１ｂ））または成形要素３０（図１ｃ））を用いて圧延によって発生させられる。その代わりに、テクスチャは付加的な方法ステップで成形要素２６；２５，２９；３０を用いて圧延によって生じることが可能である。この付加的な方法ステップは好ましくは所定の厚さｄに圧延した後で行われる。
【００３９】
図１ａ）を参照すると、その左側に、他の実施の形態が示してある。この場合、触媒材料１８の層が多孔質支持材料４ａに被覆されている。すなわち、電極１とは反対の多孔質支持材料４ａの側に、触媒材料の層が被覆されている。触媒層１８は、燃料電池装置の内部で燃焼ガスを内部改質する働きをする触媒層である。その際、電極１はアノードを形成し、触媒層１８は電極とは反対の側で多孔質支持材料４ａ上に位置する。この場合、多孔質支持材料４ａはその上に被覆形成された電極材料１の層および触媒材料１８の層と共に、所定の厚さｄに圧延される。その際、成形要素２６；２５，２９；３０によって発生したテクスチャを除いて、平らで滑らかな表面または構造を有する表面が発生する。
【００４０】
電極材料１の層の被覆形成は好ましくは吹き付け可能な電極原料を吹き付けることによって行われ、場合によって設けられる触媒材料１８の層の被覆形成は吹き付け可能な触媒材料の吹き付けによって行われる。
【００４１】
更に、図１に示すように、電気化学式エネルギー変換器の電極、構成要素、半電池または電池の製造の場合、他の方法ステップを実施することができる。例えば圧延の前に、乾燥工程、燃焼工程または焼結工程を行うことができる。圧延の後で同様に、燃焼工程または焼結工程を行うことができるかあるいは吹き付け、コーティングまたは組み合わせプロセスのような他の方法ステップを行うことができる。
【００４２】
図２は本発明による方法の他の実施の形態を示している。この場合、図１に類似して、電極材料２の層が多孔質支持材料４ｂ上に被覆形成される。多孔質支持材料４ｂは更に、電極材料２と共に所定の厚さｄに圧延される。この場合、平らで滑らかな表面が生じる。しかし、多孔質の支持材料４ｂ上には、電極材料２の層に加えて、電解質マトリックス材料３の層が被覆形成されている。図示した実施の形態の場合、電極材料２の層は特にカソードのための電極材料であるので、多孔質の支持材料４ｂはカソード２を支持し、カソード２自体は電解質マトリックス３を支持する。従って、多孔質支持材料４ｂは電極材料２の層およびその上にある電解質マトリックス３の層と共に、所定の厚さｄに圧延される。この厚さは圧延工程前のこの層の元の厚さＤよりも薄い。
【００４３】
多孔質支持材料４ｂには成形要素２８によってテクスチャが生じる。図示した実施の形態の場合、成形要素２８は別個の部品によって形成されている。この部品は格子または平らな成形体の形におよび循環するベルトとして形成されている。このルトはロール２４と多孔質支持材料４ｂの間を循環する。
【００４４】
図１ａ）〜１ｃに示した実施の形態の場合のように、成形要素はロールによって形成可能である。このロールはその表面に、成形部を備え、図２のロール２４の代わりに使用可能である。あるいはテクスチャを生じる成形要素は別個の部品によって形成可能である。この部品は格子または平らな成形体として形成され、板状であり、そしてロール２４と多孔質支持材料４ｂを通過する。
【００４５】
テクスチャは多孔質支持材料４ｂの圧延中に、その上に被覆形成された層と共に、所定の厚さｄで生じる。その代わりに、テクスチャは付加的な方法ステップにおいて成形要素を用いて圧延によって形成可能である。この方法ステップは特に、所定厚さｄへの圧延の後で行われる。
【００４６】
図１に示した実施の形態の場合のように、圧延の前に付加的な、乾燥工程、燃焼工程または焼結工程を行うことができ、圧延の後で燃焼工程または焼結工程あるいは吹き付け、コーティングまたは組み合わせプロセスのようなまたは付加的な方法ステップを実施することができる。
【００４７】
図１に示した実施の形態の場合と同様に、平らで多孔質の支持材料４ｂの製造は、カルボニル法、蒸着、電気メッキまたは発泡によって行うことができる。電極材料２の層の被覆形成は特に吹き付け可能な原料の吹き付けによって行うことができる。その代わりに、電極材料２の層の被覆形成は、多孔質支持材料４ｂ上にねばねばしたまたはペースト状の電極原料をドクターブレードで塗ることによって行われる。
【００４８】
他の実施の形態では、電極材料２の層の被覆形成が多孔質支持材料４上で、キャスティング、フィルムキャスティングまたは液状電極材料の浸漬によって行われる。
【００４９】
電解質マトリックス材料３の層の被覆形成は好ましくは吹き付け可能なマトリックス原料の吹き付けによって行われる。その代わりに、電解質マトリックス３の層の被覆形成は、液状、ねばねばした、ペースト状または可塑性のマトリックス原料のドクターブレードによる塗布、キャスティングまたはフィルムキャスティングによって行うことができる。
【００５０】
図３，４に概略的に示すように、本発明に従い、成形要素２６；２８；２５，２９，；３０によって行われるテクスチャ形成によって、ガス状または液状媒体のための搬送通路１７が多孔質支持材料４ａ；４ｂに形成される。この搬送通路は電気化学式エネルギー変換器で変換されるガスを供給または排出する働きをする。
【００５１】
被覆形成した電極１，２を備えた平らな多孔質支持材料４ａ；４ｂを示す、図３の拡大横断面図から判るように、テクスチャによって（巨視的な）ガス案内通路１７が形成される。このガス案内通路は図示した実施の形態の場合、それぞれの電極１；２とは反対側の多孔質支持材料４ａ；４ｂの表面に形成されている。多孔質支持構造体の内部には、多孔質に基づいて（中間視的）流路１６が形成されている。この流路はガス、例えば燃焼ガスまたは燃料電池のカソードガスを、搬送通路１７と当該の電極１；２の間で搬送する。
【００５２】
図４は多孔質支持材料４ａ；４ｂの斜視図である。この図から、多孔質構造体の表面の搬送通路１７の延長形状が明らかである。図示した簡単な搬送通路１７の代わりに、多孔質支持材料４ａ；４ｂ内のテクスチャは複雑なパターンを有していてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の方法の第１の実施の形態を概略的に示す図であり、図１ａ），１ｂ），１ｃ）はそのいろいろな変形を示している。
【図２】
本発明による方法の第２の実施の形態を概略的に示す図である。
【図３】
図１の一部の概略的な拡大横断面図であり、多孔質支持材料の層上の電極材料の層を示している。
【図４】
図１の一部の多孔質支持材料の概略的な拡大断面図兼斜視図である。
【符号の説明】
１                    アノード
２                    カソード
３                    電解質マトリックス
４ａ；４ｂ            多孔質支持材料
１６                  流路
１７                  流路
１８                  触媒層
２２                  ロール
２４                  ロール
２５                  ロール
２６                  成形要素
２８                  成形要素
２９                  成形部
３０                  成形要素
【図１】
2004516642.tif 000003
【図２】
2004516642.tif 000004
【国際公開パンフレット】
2004516642.tif 000005
2004516642.tif 000006
2004516642.tif 000007
2004516642.tif 000008
2004516642.tif 000009
2004516642.tif 000010
2004516642.tif 000011
2004516642.tif 000012
2004516642.tif 000013
2004516642.tif 000014
2004516642.tif 000015
2004516642.tif 000016
2004516642.tif 000017
2004516642.tif 000018
2004516642.tif 000019
2004516642.tif 000020
2004516642.tif 000021
2004516642.tif 000022
2004516642.tif 000023
2004516642.tif 000024
【手続補正書】
【提出日】平成14年7月17日(2002.7.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
電気化学式エネルギー変換器の電極、構成要素、半電池および電池を製造するための方法において、次のステップ
ａ）平らな多孔質支持材料（４ａ；４ｂ）を製造し、
ｂ）電極材料（１；２）の少なくとも１つの層および／または触媒材料（１８）
の層を多孔質支持材料（４ａ；４ｂ）上に被覆形成し、
ｃ）被覆形成された電極材料（１；２）の層および／または触媒材料（１８）の
層と共に、多孔質支持材料（４ａ；４ｂ）を圧延またはプレスして、平らでか
つ滑らかなまたは構造を付与した表面を形成し、この場合少なくとも多孔質支
持材料（４ａ；４ｂ）の厚さが薄くなる
ことを特徴とする方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項２】
ステップｃ）において、多孔質支持材料（４ａ；４ｂ）上に被覆形成された電極材料（１；２）の層または触媒材料（１８）の層の厚さが薄くなることを特徴とする請求項１記載の方法。
【国際調査報告】
2004516642.tif 000025
2004516642.tif 000026
2004516642.tif 000027
2004516642.tif 000028
2004516642.tif 000029
2004516642.tif 000030