DE102004034036A1

DE102004034036A1 - Separator für Brennstoffzellen und eine diesen enthaltende Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102004034036A1
Application number: DE102004034036A
Authority: DE
Inventors: Kazuo Ibaraki Ouchi; Hitoshi Ibaraki Ishizaka
Original assignee: Nitto Denko Corp
Current assignee: Nitto Denko Corp
Priority date: 2003-07-15
Filing date: 2004-07-13
Publication date: 2005-04-14
Also published as: US20050026028A1; JP4031740B2; JP2005038727A; US7632599B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung macht als Separator für Brennstoffzellen, der leicht ist, leicht dünn hergestellt werden kann und der eine überlegene Korrosionsbeständigkeit und Formstabilität aufweist, eine Brennstoffzelle 100, die einen Separator für Brennstoffzellen 10 enthält, wobei ein Leitermuster 2 auf einer Hauptebene 1A einer Isolierschicht 1 ausgebildet ist, wodurch eine Rille für einen Gasströmungsweg 3 gebildet wird, die durch das Leitermusster 2 auf dieser Hauptebene unterteilt wird, ein Leiteranschluss 4 auf der anderen Hauptebene 1B der Isolierschicht 1 ausgebildet ist und dieser Leiteranschluss 4 und das Leitermuster 2 durch ein die Isolierschicht 1 durchdringendes Kontaktloch 5 elektrisch verbunden sind, und eine Membranelektrodenbaugruppe (einen Komplex mit einer Elektrolytmembran und einer Elektrode (Brennstoffelektrode, Sauerstoffelektrode), die darauf laminiert sind) 14, wobei der Separator für Brennstoffzellen auf beiden Flächen angeordnet ist, verfügbar.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Separator für Brennstoffzellen, der leicht dünn herstellbar ist und ein geringes Gewicht aufweist, eine Brennstoffzelle, bei der der Separator verwendet wird, eine Leiterplatte mit dem Separator für Brennstoffzellen und eine Leiterplatte mit eingebauter Brennstoffzelle.

Die Brennstoffzelle erregt als Energiequelle, die keine Umweltverschmutzung verursacht, Aufmerksamkeit, und in den vergangenen Jahren sind Untersuchungen damit aktiv erfolgt. Eine Brennstoffzelle erzeugt durch eine elektrochemische Umsetzung von Wasserstoff und Sauerstoff direkt Elektrizität. Eine Brennstoffzelle besteht als Einheit im Wesentlichen aus einer Stromerzeugungszelle, in der eine Membranelektrodeneinheit gehalten wird, indem sie zwischen einem Separator mit einer Rille, bei der es sich um den Strömungsweg eines Brennstoffgases (Wasserstoffgas) handelt, und einem Separator, der eine Rille umfasst, bei der es sich um einen Strömungsweg für Sauerstoffgas (Luft) handelt, positioniert wird. Hier besteht die Membranelektroden-Baugruppe aus einer Elektrolytmembran, einer Brennstoffelektrode, die auf einer Fläche der Elektrolytmembran angeordnet ist, und einer Sauerstoffelektrode, die auf der anderen Seite der Elektrolytmembran angeordnet ist. Ein Separator, der eine Rille umfasst, bei der es sich den Strömungsweg eines Brennstoffgases (Wasserstoffgas) handelt, übernimmt die Aufgabe, das Brennstoffgas (Wasserstoffgas) zu leiten, sodass das Brennstoffgas (Wasserstoffgas), das von außen in eine Stromerzeugungszelle eingespeist wird, mit der Oberfläche der Brennstoffelektrode in Kontakt kommt, auf diese gelangt und dann zum Äußeren der Stromerzeugungszelle abgeführt wird. Ein Separator, der eine Rille umfasst, bei der es sich um einen Strömungsweg für Sauerstoffgas (Luft) handelt, übernimmt die Rolle, das Sauerstoffgas (Luft) zu leiten, sodass das Sauerstoffgas (Luft), das von außen einer Stromerzeugungszelle zugeführt wird, mit der Oberfläche der Brennstoffelektrode in Kontakt kommt, darauf gelangt und dann zum Äußeren der Stromerzeugungszelle abgeführt wird. Im Wesentlichen besteht eine Brennstoffzelle aus einer Stromerzeugungszelle. Wenn jedoch eine Stromerzeugung mit hoher Ausgangsleistung durchgeführt wird, wird eine Mehrzahl von Stromerzeugungszellen aufeinander gestapelt, die eine Brennstoffzelle darstellen. Eine aus einer solchen Mehrzahl von aufeinander gestapelten Stromerzeugungszellen bestehende Brennstoffzelle wird gewöhnlich als Brennstoffzellenstapel bezeichnet.

Wie oben erwähnt wurde, teilt ein Separator in einer Brennstoffzelle Gasströmungswege eines Brennstoffgases und eines Sauerstoffgases ab und muss deswegen Gasundurchlässigkeit und Korrosionsbeständigkeit aufweisen, die sich kaum verschlechtern, wenn sie einem Gas ausgesetzt sind. Ein Separator muss eine elektrische Leitfähigkeit aufweisen, weil er zusätzlich zur Rolle als Gasströmungsweg die Rolle einer Sammelelektrode zum Sammeln des in einer Stromerzeugungsschicht erzeugten elektrischen Stroms und dessen Ableitung nach außen übernimmt. Somit wird als Separator für Brennstoffzellen gewöhnlich ein Separator verwendet, der durch das Einwirkenlassen einer Pressbearbeitung auf leitfähige Materialien wie Metall, Kohlenstoff und dergleichen umfassende Platte oder auf eine Platte, die durch das Einwirkenlassen einer Schneidbearbeitung wie einem Fingerfräsen, Bohrfräsen und dergleichen unter Bildung einer Rille, bei der es sich um einen Gasströmungsweg handelt, auf die Platte erhalten wird, wie zum Beispiel in JP-A-10-125337 und JP-A-2000-36309 aufgeführt ist.

Es ist jedoch schwierig, herkömmliche Separatoren dünner zu machen. Der Grund dafür ist, dass eine Platte eine bestimmte Dicke haben muss, um bei der Verarbeitung während der Pressbearbeitung oder der Schneidarbeit einer Metallplatte, einer Kohlenstoffplatte und dergleichen verarbeitbar zu bleiben (Verarbeitungsstabilität). Folglich werden herkömmliche Brennstoffzellen natürlich dicker, wodurch die Bildung einer dünnen Brennstoffzelle natürlich erschwert wird. Bei der Verwendung einer Metallplatte als Separator ist die Verwendung einer Platte beispielsweise aus reinem Kupfer, rostfreiem Stahl und dergleichen typisch. Bei der Verwendung einer Metallplatte wird ein Separator aber nicht nur schwerer, sondern weist auch die Nachteile auf, sich durch einen Langzeitkontakt mit dem als Brennstoffgas verwendeten Wasserstoffgas zu verschlechtern und dass infolge der zur Bildung von Rillen erforderlichen Schneidarbeits- und Ätzverfahren eine erhöhte Zahl von Schritten erforderlich sind und damit höhere Kosten anfallen, während, wenn der Separator dünn ausgebildet wird, eine plastische Verformung auftritt, wodurch die Beibehaltung der Form schwierig wird. Im Gegensatz dazu ist eine Graphitplatte, obwohl sie eine überlegene Gasundurchlässigkeit und ein niedriges Gewicht aufweist, teuer, und die Herstellung der Graphitplatte selbst ist zeitaufwendig. Daher ist sie hinsichtlich der Produktivität unterlegen. Darüber hinaus nehmen die Zahl der Schritte und die Kosten zu, weil zur Bearbeitung der Graphitplatte das In-Scheiben-Schneiden mit einem Diamantschneider erforderlich ist. Darüber hinaus bricht eine Graphitplatte leicht, wenn sie dünn hergestellt wird, weil sie eine hohe Härte aufweist.

Die vorliegende Erfindung ist mit Hinblick auf die oben erwähnte Situation gemacht worden, wobei die Aufgabe in der Bereitstellung eines Separators für Brennstoffzellen, der leicht ist und leicht dünn hergestellt werden kann und der eine überlegene Korrosionsbeständigkeit und Formstabilität aufweist, und eine Brennstoffzelle, bei der der Separator verwendet wird, besteht.

Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Leiterplatte mit einem Separator für Brennstoffzellen, wobei eine Leiterplatte, die einen elektrischen Apparat darstellt, und ein Separator für Brennstoffzellen integriert worden sind, und eine Leiterplatte mit eingebauter Brennstoffzelle, bei der dieser verwendet wird.

Um die oben erwähnte Aufgabe zu lösen, hat die vorliegende Erfindung die folgende Beschaffenheit.

Demgemäß betrifft die vorliegende Erfindung

(1) einen Separator für Brennstoffzellen, umfassend eine Isolierschicht, eine Rille für einen Gasströmungsweg, die auf einer Hauptebene der oben erwähnten Isolierschicht ausgebildet ist, indem sie durch ein auf einer Hauptebene der oben erwähnten Isolierschicht ausgebildete Leitermuster unterteilt wird, einen Leiteranschluss, der auf der anderen Hauptebene der oben erwähnten Isolierschicht ausgebildet ist, und ein Kontaktloch, das die oben erwähnte Isolierschicht durchdringt und den oben erwähnten Leiteranschluss und das oben erwähnte Leitermuster elektrisch verbindet,
(2) den Separatar des oben erwähnten (1), der weiterhin eine Rille umfasst, die in einen nicht mit einem Leitermuster ausgebildeten Bereich auf einer Hauptebene der Isolierschicht geschnitten ist, wobei die untere Fläche der oben erwähnten Rille die untere Fläche einer Rille für einen Gasströmungsweg wird,
(3) den Separator des oben erwähnten (1) oder (2), wobei eine Fläche des Leitermusters aus einem Edelmetall besteht,
(4) einen Separator für Brennstoffzellen, umfassend eine Isolierschicht, Rillen für Gasströmungswege, die auf beiden Hauptebenen der oben erwähnten Isolierschicht ausgebildet sind, indem sie durch auf beiden Hauptebenen der oben erwähnten Isolierschicht ausgebildete Leitermuster unterteilt werden, und einen Leiteranschluss, der die oben erwähnte Isolierschicht durchdringt und die auf den beiden Hauptebenen ausgebildeten Leitermuster elektrisch verbindet,
(5) den Separator des oben erwähnten (4), der weiterhin eine Rille umfasst, die in einen nicht mit einem Leitermuster ausgebildeten Bereich auf wenigstens einer der beiden Hauptebenen der Isolierschicht geschnitten ist, wobei die untere Fläche der oben erwähnten Rille die untere Fläche einer Rille für einen Gasströmungsweg wird,
(6) den Separator des oben erwähnten (4) oder (5), wobei eine Fläche des Leitermusters aus einem Edelmetall besteht,
(7) eine Brennstoffzelle, umfassend den Separator eines der oben erwähnten (1)–(6),
(8) eine Separatorbaugruppe für Brennstoffzellen, umfassend mehrere Separatoren nach dem oben erwähnten (1) oder (2) auf einer einzigen Isolierschicht,
(9) eine Struktur einer Brennstoffzellen-Baugruppe, wobei eine Baugruppe eines elektrizitätserzeugenden Elements, das mehrere elektrizitätserzeugende, auf einer einzigen Elektrolytmembran ausgebildete Membranelektroden-Verbundstrukturen umfasst, abgestützt wird, indem es zwischen den Separatorbaugruppen aus dem oben erwähnten (8) an bei den Flächen auf dessen Ober- und Unterseite angeordnet wird,
(10) einen Brennstoffzellenstapel, umfassend zwei oder mehr aufeinander gestapelte Zellen zur Elektrizitätserzeugung, wobei der Separator nach dem oben erwähnten (4) oder (5) zwischen zwei benachbarten Zellen zur Elektrizitätserzeugung ausgebildet ist und der Separator nach dem oben erwähnten (1) oder (2) auf den äußersten Teilen beider Seiten in Stapelrichtung der Zelle zur Elektrizitätserzeugung ausgebildet ist,
(11) eine Leiterplatte mit einem Separator für Brennstoffzellen, wobei eine Schaltung und der Separator nach einem der oben erwähnten (1)–(6) auf einer einzigen Isolationsschicht ausgebildet sind und die oben erwähnte Schaltung und der oben erwähnte Separator elektrisch verbunden sind, und
(12) eine Leiterplatte mit eingebauter Brennstoffzelle, wobei die Brennstoffzelle aus dem Separator des oben erwähnten (11) besteht.

Der Separator für Brennstoffzellen der vorliegenden Erfindung hat eine Struktur, bei der eine leitfähige Schicht, die ein elektrisch leitfähiges Material (Metallmaterial) enthält, auf beiden Hauptebenen eines Substrats (Isolierschicht) teilweise ausgebildet ist. Daher kann sie leicht dünn und mit einem geringen Gewicht hergestellt werden, weist eine Biegsamkeit auf, behält ihre Festigkeit sogar dann, wenn sie vergleichsweise dünn angefertigt wird, und weist eine überlegene Formbeständigkeit auf. Diese überlegenen Merkmale fehlen bei herkömmlichen Separatoren. Demgemäß können durch die Verwendung des Separators Wirkungen wie die Realisierung einer leichten Brennstoffzelle (Brennstoffzellenstapel), die dünner als herkömmliche ist und eine verbesserte Vibrationsbeständigkeit, Haltbarkeit und dergleichen aufweist, durch die Verwendung des Separators bewerkstelligt werden.

Darüber hinaus wird eine Brennstoffzelle (die Struktur der Brennstoffzellenbaugruppe der vorliegenden Erfindung), wobei eine Baugruppe mit einem elektrizitätserzeugenden Element erhalten wird, indem mehrere Membranelektroden-Verbundstrukturen zur Elektrizitätserzeugung auf einer einzigen Elektrolytmembran ausgebildet werden, dadurch getragen, dass sie auf beiden Seiten, oben und unten, zwischen den Separatorbaugruppen für Brennstoffzellen der vorliegenden Erfindung, angeordnet ist sowohl dünn ist als auch eine hohe Leistung abgibt.

Darüber hinaus kann eine Leiterplatte mit einer eingebauten Brennstoffzelle, wobei die Brennstoffzelle und die Schaltung (das Schaltungselement) auf demselben Substrat integriert sind, erhalten werden, indem ein Separator der Leiterplatte mit einem Separator für Brennstoffzellen der vorliegenden Erfindung, wobei eine Leiterplatte und ein Separator für Brennstoffzellen integriert sind, verwendet werden. Bei einer solchen Leiterplatte mit eingebauter Brennstoffzelle sind Schaltungen und Anschlüsse für die elektrische Verbindung zwischen einer Brennstoffzelle und einem Schaltungselement nicht erforderlich. Somit erfüllt es vorzugsweise die Anforderung eines kleinen Raumbedarfs und der Verkleinerung von kompakten elektronischen Geräten.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist eine Draufsicht einer Leitermuster-Seite eines Beispiels (erstes Beispiel) des Separators für Brennstoffzellen in einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 2 ist eine Draufsicht einer Anschlussseite eines Beispiels (erstes Beispiel) des Separators für Brennstoffzellen in einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 3 ist eine Schnittansicht eines Beispiels (erstes Beispiel) des Separators für Brennstoffzellen in einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 4 ist eine Schnittansicht eines Beispiels für Brennstoffzellen (Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle), die unter Verwendung des in den 1–3 dargestellten Separators konstruiert ist. 5 ist eine Schnittansicht eines anderen Beispiels (zweites Beispiel) eines ersten Modus des Separators für Brennstoffzellen der vorliegenden Erfindung. 6 ist eine Schnittansicht eines anderen Beispiels (drittes Beispiel) eines ersten Modus des Separators für Brennstoffzellen der vorliegenden Erfindung. Die 7((a)–(d)) sind andere Schnittansichten für jeden Schritt zur Herstellung des in den 1–3 dargestellten Separators. 8 ist eine Schnittansicht eines Beispiels des Separators für Brennstoffzellen in der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 9 ist eine Schnittansicht eines Beispiels für einen Brennstoffzellenstapel der vorliegenden Erfindung. 10 ist eine Schnittansicht des Hauptteils eines anderen Beispiels für den Brennstoffzellenstapel der vorliegenden Erfindung. 11(a) ist eine vereinfachte perspektivische Ansicht eines Beispiels für eine Separatorbaugruppe für Brennstoffzellen der vorliegenden Erfindung, und 11(b) ist eine Schnittansicht von 11(a) entlang der Linie X-X. 12(a) ist eine vereinfachte perspektivische Ansicht eines Beispiels für eine Brennstoffzellen-Baugruppenstruktur der vorliegenden Erfindung, und 12(b) ist eine Schnittansicht von 12(a) entlang der Linie Y-Y. 13 ist eine vereinfachte perspektivische Ansicht eines Beispiels für eine Leiterplatte mit dem Separator für Brennstoffzellen der vorliegenden Erfindung. 14 ist eine vereinfachte perspektivische Ansicht einer Leiterplatte mit einer eingebauten Brennstoffzelle, die unter Verwendung der in 13 dargestellten Leiterplatte mit dem Separator für Brennstoffzellen hergestellt ist.

Die Symbole in jeder Zeichnung haben die folgende Bedeutung.

1: Isolierschicht, 1A und 1B: Hauptebenen der Isolierschicht, 2: Leitermuster, 3: Rille für den Gasströmungsweg, 4: Leiteranschluss, 5: Kontaktloch, 10: Separator für Brennstoffzellen, 11: Polymerelektrolytmembran, 12: Brennstoffelektrode, 13: Sauerstoffelektrode, 14: Membranelektrodenbaugruppe (Teil zur Elektrizitätserzeugung), 15: Klebeschicht, 100: Brennstoffzelle.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend ausführlicher unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.

1–3 sind vereinfachte Zeichnungen eines Beispiels (erstes Beispiel) für einen Separator für eine Brennstoffzelle in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei 1 eine Draufsicht auf die Anschlussseite ist, 2 eine Draufsicht auf die Leitermuster-Seite ist und 3 eine Schnittansicht entlang der Linie III-III in 1 ist.

Der Separator für Brennstoffzellen (hiernach einfach als "Separator" bezeichnet) in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist als Grundanordnung, die für den Separator 10 der ersten Ausführungsform dargestellt ist, einen Aufbau auf, wobei ein Leitermuster 2 auf einer Hauptebene 1A einer Isolierschicht 1 ausgebildet ist, wodurch eine Rille für einen Gasstromweg 3 gebildet wird, der durch ein Leitermuster 2 auf der Hauptebene 1A unterteilt wird, wobei ein Leiteranschluss 4 auf der anderen Hauptebene 1B der Isolierschicht 1 gebildet wird, und der Leiteranschluss 4 und das Leitermuster 2 werden durch ein Kontaktloch 5, das die Isolierschicht 1 durchdringt, elektrisch verbunden.

Der hier verwendete Begriff "Rille" für einen Gasströmungsweg 3 ist ein rillenartiger Raum, der durch ein leitfähiges Muster 2 auf der Hauptebene der Isolierschicht 1 unterteilt ist, und wird während des Gebrauchs ein Strömungsweg für ein Brennstoffgas oder ein Sauerstoffgas. Eines der beiden Enden 3A, 3B der Rille für einen Gasströmungsweg 3 wird ein Strömungseinlass für das Gas von außen, und das andere wird ein Auslass für das eingeströmte Gas.

4 ist eine vereinfachte Schnittansicht für ein Beispiel einer Brennstoffzelle, die unter Verwendung des oben erwähnten Separators 10 konstruiert ist. In diesem Beispiel ist eine Brennstoffzelle 100 eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (PEFC). Diese Brennstoffzelle weist eine Membranelektrodenbaugruppe 14 als Teil zur Elektrizitätserzeugung und Separatoren 10, die auf beiden Hauptebenen der Membranelektrodenbaugruppe 14 angeordnet sind, auf, wobei die Membranelektrodenbaugruppe 14 eine Brennstoffelektrode 12, die auf eine Hauptebene der Polymerelektrolytmembran 11 laminiert ist, und eine Sauerstoffelektrode 13, die auf die andere Hauptebene laminiert ist, umfasst, wobei eine Fläche der Seite mit dem Leitermuster 2 auf jedem Separator 10 so angeordnet ist, dass sie der Membranelektrodenbaugruppe 14 gegenüberliegt. Das Symbol 15 in der Figur zeigt eine Klebeschicht zum Anschluss des Separators 10 und der Membranelektrodenbaugruppe 14. Die Klebeschicht 15 ist auf der Isolierschicht 1 des Separators 10 und der Polymerelektrolytmembran 11 der Membranelektrodenbaugruppe 14 ausgebildet. Die Klebeschicht 15 dient auch als Distanzstück zum In-Kontakt-Bringen des Leitermusters 2 mit einer Elektrode (Brennstoffelektrode 12, Sauerstoffelektrode 13) mit einem niedrigen Kontaktdruck, der das Elektrodenmaterial, aus dem eine Elektrode (Brennstoffelektrode 12, Sauerstoffelektrode 13) der Membranelektrodenbaugruppe 14 besteht, nicht beschädigt.

Wie an der Brennstoffzelle 100 dieses Beispiels dargestellt ist, wird der Separator 10 der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hauptsächlich als Separator einer Brennstoffzelle verwendet, die aus einer einzigen Stromerzeugungszelle besteht. Der von der Membranelektrodenbaugruppe 14 erzeugte Strom wird vom Leitermuster 2 dieses Separators 10 gesammelt, über das Kontaktloch 5 zum Leiteranschluss 4 geleitet und über einen äußeren (nicht dargestellten) Stromkreis, der an den Leiteranschluss 4 angeschlossen ist, entnommen.

Beim Separator der vorliegenden Erfindung werden zum Beispiel verschiedene Kunststofffolien wie eine Polyethylenfolie, eine Polypropylenfolie, eine Polystyrolfolie, eine Polyvinylchloridfolie, eine Polyethylenterephthalatfolie, eine Polycarbonatfolie, TPX (Methylpentenharz-Folie) eine Alkydharzfolie, eine Polyimidfolie, eine Polysulfonfolie, eine Polyethersulfonfolie, eine Polyamidfolie, eine Polyamidimidfolie, eine Polyetherketonfolie, eine Polyphenylensulfidfolie und dergleichen für die Isolierschicht 1 verwendet. Ein Verbundmaterial (Verbundsubstrat), das als Grundsubstrat für eine Leiterplatte (Platine) bekannt ist und erhalten wird, indem ein oder mehrere Matrixmaterialien, die aus Papier, Glasfaserstoff und Vliespapier mit einem warmhärtenden Harz (z.B. Epoxyharz, BT-Harz, Aramidharz, Phenolharz etc.) ausgewählt sind, imprägniert wird, wird aufgrund seiner Überlegenheit hinsichtlich der Verarbeitbarkeit vorzugsweise als Isolierschicht 1 verwendet.

Die Dicke der Isolierschicht 1 ist nicht besonders eingeschränkt und beträgt vorzugsweise 0,1–10,0 mm, noch mehr bevorzugt 0,5–2,0 mm, weil mit einer dünneren Isolierschicht ein dünnerer Separator hergestellt werden kann, und wenn die Dicke der Isolierschicht 1 weniger als 0,1 mm beträgt, können Schwierigkeiten wie ein niedrigerer Kontaktdruck zwischen einer Sammelschicht (jede Elektrode) und einem Leitermuster innerhalb der Zelle, ein niedrigerer Kontaktdruck zwischen der Polymerelektrolytmembran und Katalysatorkomponenten auf jeder Elektrodenfläche, eine niedrigere mechanische Festigkeit und dergleichen auftreten. Wenn die Dicke der Isolierschicht 1 10,0 mm übersteigt, erlangt der Separator eine größere Festigkeit, ist dann aber nicht mehr dünn, wodurch eine ausreichende Erfüllung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung verhindert wird.

Wie im Separator 10 und der Brennstoffzelle 100 im oben erwähnten Beispiel veranschaulicht ist, ist das "Leitermuster 2'' des Separators der vorliegenden Erfindung eine leitfähige Schicht, die aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht, das auf der Hauptebene der Isolierschicht 1 mit dem Zweck der Bildung einer Rille (Rillenmuster), bei dem es sich um einen Gasströmungsweg 3 handelt, auf der Hauptebene der Isolierschicht 1 ausgebildet ist. Der "Leiteranschluss 4'' ist eine leitfähige Schicht, die aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht, das auf der Hauptebene der Isolierschicht 1 auf der gegenüberliegenden Seite derjenigen Hauptebene ausgebildet ist, auf der die Isolierschicht 1 gebildet wurde, und wird ein Anschluss (Kotaktende, das mit der Außenverkabelung zu verbinden ist) zur Aufnahme des im Elektrizitätserzeugungsteil (Membranelektrodenbaugruppe 14) der Zelle erzeugten Stroms. Demgemäß ist der Leiteranschluss 4 mit Hinsicht auf ein leichtes Gewicht des Separators, die Kosten und dergleichen nicht auf der gesamten Fläche der Isolierschicht 1 ausgebildet, sonder vorzugsweise entlang des Rands des laminierten Teils (Brennstoffelektrode 12/Membran 11/Sauerstoffelektrode 13) der Membranelektrodenbaugruppe 14 der Zelle ausgebildet, wie in 4 veranschaulicht ist.

Die Materialien des Leitermusters 2 und des Leiteranschlusses 4 im Separator der vorliegenden Erfindung sind nicht besonders eingeschränkt, solange sie eine elektrische Leitung aufweisen, und bekannte metallische Materialien, elektrisch leitfähige Paste und dergleichen können erwähnt werden. Als Metallmaterial können zum Beispiel Metalle wie Gold, Silber, Kupfer, Platin, Blei, Zinn, Nickel, Kobalt, Indium, Rhodium, Chrom, Wolfram und Ruthenium, verschiedene Legierungen, die wenigstens zwei aus diesen ausgewählte Arten enthalten (z.B. Lötmittel, Nickel-Zinn, Gold-Kobalt etc.), korrosionsbeständige Legierungen wie rostfreier Stahl und dergleichen erwähnt werden. Als elektrisch leitfähige Paste kann eine erwähnt werden, die durch das Dispergieren eines Metallpulvers wie Gold, Silber, Kupfer, Platin, Zinn, Nickel, Blei und dergleichen, oder ein Kohlenstoffpulver und dergleichen in einem Bindemittel, bei dem es sich um eine Mischung aus einem oder mehreren Arten handelt, die aus einem Epoxyharz, Phenolharz, Polyimidharz, Polyamidimidharz, Siliconharz, Fluorharz und dergleichen ausgewählt sind, erhalten wird. Von diesen elektrisch leitfähigen Materialien ist ein Metallmaterial aufgrund des Aspekts der elektrischen Leitfähigkeit bevorzugt, und ein Material, das wenigstens einen guten elektrischen Leiter wie Kupfer, Nickel und dergleichen enthält, die als allgemeine Schaltungsmaterialien für Leiterplatten verwendet werden, ist bevorzugt. Darüber hinaus können das Leitermuster 2 und der Leiteranschluss 4 jeweils eine einschichtige Struktur oder eine mehrschichtige Struktur sein, und wenigstens in dem Leitermuster 2 wird wenigstens eine Fläche (freiliegende Fläche) davon vorzugsweise aus einem Edelmetall wie Gold, Platin, Silber und dergleichen hergestellt, und wenigstens eine Fläche (freiliegende Fläche) sowohl des Leitermusters 2 als auch des Leiteranschlusses 4 wird noch mehr bevorzugt aus einem Edelmetall wie Gold, Platin, Silber, Palladium und dergleichen hergestellt. Durch die Ausgestaltung der Oberfläche des Leitermusters 2, des Leiteranschlusses 4 und dergleichen mit einem Edelmetall können die Korrosionsbeständigkeit und die Zuverlässigkeit des Separators verbessert werden, und weiterhin kann eine Wirkung der Unterdrückung der Bildung eines Metallions, die durch eine Verschlechterung der Polymerelektrolytmembran verursacht wird, erreicht werden. Demgemäß ist eine am meisten bevorzugte Ausführungsform des Leitermusters und/oder des Anschlusses eine mehrschichtige Struktur, die eine Grundschicht umfasst, die aus einem guten elektrischen Leiter wie Kupfer, Nickel und dergleichen und einer darauf laminierten Edelmetallschicht besteht.

Es ist bevorzugt, das Leitermuster 2 und den Leiteranschluss 4 aus demselben Material zu bilden, weil die Anzahl der Schritte zur Herstellung des Separators vermindert werden kann, wobei sie aber nicht notwendigerweise aus demselben Material bestehen müssen. Ein Material, das für beide geeignet ist, kann unter den Aspekten der Funktion und Kosten für das Leitermuster 2 und den Leiteranschluss 4 im Separator ausgewählt werden.

Beim Separator der vorliegenden Erfindung entspricht die Dicke (D1 in 3) des Leitermusters 2 der Dicke (Höhe) des Gasströmungsweges 3 des Separators. Daher ist die Dicke des Leitermusters 2 aus dem Bereich von vorzugsweise 1–1000 μm, noch mehr bevorzugt 10–200 μm, in Abhängigkeit von den Merkmalen und dergleichen der Elektrolytmembran, die die Membranelektrodenbaugruppe 14 als Teil zur Elektrizitätserzeugung einer Brennstoffzelle darstellen, ausgewählt. Andererseits ist die Dicke (D2 in 3) des Leiteranschlusses 4, obwohl sie nicht besonders eingeschränkt ist, dieselbe Dicke wie diejenige des Leitermusters und beträgt vorzugsweise 1–1000 μm und noch mehr bevorzugt 10–200 μm, weil die Materialkosten vermindert werden und der Separator und der Leiteranschluss gleichzeitig in einem einzigen Schritt hergestellt werden können.

In der vorliegenden Erfindung ist die Form des Leitermusters 2 nicht auf die in den 1–3 dargestellten Formen (Form von zwei einander gegenüberliegenden kammförmigen Mustern innerhalb des rechteckigen, ringartigen Rahmenmusters) eingeschränkt und kann in zahlreichen Formen vorliegen, vorzugsweise in einer Form, die dazu fähig ist, die gesamte Form des Separators zu stabilisieren und eine Rille für einen Gasströmungsweg zu gewährleisten, der dazu fähig ist, ein Gas in ausreichendem Maße mit einer Elektrode des Teils zur Elektrizitätserzeugung (Membranelektrodenbaugruppe 14) in Kontakt zu bringen.

Das Kontaktloch 5 im Separator der vorliegenden Erfindung wird so gebildet, dass es die Isolierschicht 1 durchdringt, wodurch das Leitermuster 2 mit dem Leiteranschluss 4 elektrisch verbunden wird, wobei seine Form jedoch nicht besonders eingeschränkt ist. Das "Kontaktloch" der vorliegenden Erfindung bedeutet dasselbe wie das "Kontaktloch", das auf dem Gebiet der elektrischen Apparate verwendet wird. Insbesondere bedeutet es einen leitfähigen, die Isolierschicht durchdringenden Kanal, der darauf abzielt, leitfähige Schichten (auf einer Hauptebene der Isolierschicht und der anderen Hauptebene gebildete leitfähige Schichten), die durch die Isolierschicht einer Leiterplatte getrennt sind, elektrisch zu verbinden. Daher kann die Form eines bekannten Kontaktlochs (eines leitfähigen Kanals) einer Leiterplatte so, wie es ist, als Kontaktloch der vorliegenden Erfindung angewandt werden. Das Kontaktloch eines Separators weist vorzugsweise kein Durchgangsloch auf, um ein unerwünschtes Austreten eines in eine Batteriezelle eingeführten Gases zu verhindern. Demgemäß sind (i) eine Konfiguration, die eine leitfähige Schicht umfasst, die eine Innenfläche eines auf einer Isolierschicht gebildeten Durchgangslochs bedeckt, und das Implantieren von Materialien zum Füllen eines innerhalb der leitfähigen Schicht gebildeten Durchgangslochs, (ii) eine Konfiguration, wobei das in einer Isolierschicht gebildete Durchgangsloch vollständig mit einem elektrisch leitfähigen Material gefüllt wird, und dergleichen bevorzugt. Ein unerwünschtes Austreten eines in eine Batteriezelle eingeführten Gases (Brennstoffgas, Sauerstoffgas) kann durch diese Konfigurationen verhindert werden. Zur Herstellung eines Kontaktlochs ist auch ein Verfahren zur Herstellung eines nicht durchgehenden Kontaktlochs anwendbar. Das Verfahren zur Herstellung eines nicht durchgehenden Kontaktlochs ist auch als Verfahren zur Herstellung eines Kontaktlochs bekannt, bei dem in der Anfangsstufe eines Schritts zur Herstellung einer Leiterplatte kein Durchgangsloch gebildet wird.

Das Kontaktloch 5 im Separator 10 eines in den 1–3 dargestellten Beispiels ist ein Kontaktloch der im oben erwähnten (i) erwähnten Konfiguration. Das innere Durchgangsloch 51 in der leitfähigen Schicht 8, die die Innenfläche des Durchgangslochs 1a in der Isolierschicht 1 bedeckt, ist mit einem Implantationsmaterial 52 gefüllt. 5 ist ein anderes Beispiel (zweites Beispiel) der ersten Ausführungsform des Separators der vorliegenden Erfindung. Dieser Separator 10A hat ein Kontaktloch 5 der Konfiguration des oben erwähnten (ii). Genau gesagt umfasst das Kontaktloch 5 ein Durchgangsloch 5a, das erhalten wird, indem das Laminat des Leiteranschlusses 4/der Isolierschicht 1/des Leitermusters 2 perforiert wird und ein elektrisch leitfähiges Material 5b in das Durchgangsloch 5a gefüllt wird.

Das Durchgangsloch im Separator der vorliegenden Erfindung kann durch ein Verfahren gebildet werden, das demjenigen für bekannte Kontaktlöcher in Leiterplatten auf dem Gebiet der elektrischen Apparate ähnlich ist, bei dem es sich insbesondere um ein Plattieren, Bedrucken, Implantieren eines Metallstücks und dergleichen handelt. Folglich können als elektrisch leitfähiges Material zur Bildung eines Kontaktlochs zum Beispiel Metallmaterialien wie Gold, Kupfer, Nickel, Lötmittel und dergleichen und eine elektrisch leitfähige Paste, die als Material für das oben erwähnte Leitermuster und den oben erwähnten Anschluss veranschaulicht ist, und dergleichen verwendet werden.

Wenn bei der Bildung eines Kontaktlochs das Durchgangsloch implantiert wird, können Epoxyharz, Siliconharz, Fluorharz, Polyimidharz, Keramiken, Metall und dergleichen als Implantiermaterial erwähnt werden. Von diesen sind Epoxyharz, Siliconharz, Fluorharz und dergleichen von den Aspekten einer Verhinderung eines Austretens von Gas und der Wasserbeständigkeit her bevorzugt.

In der vorliegenden Erfindung ist die Größe des Durchgangslochs 5, in anderen Worten der Höchstwert der Breite (D3 in 3) in dem zur Achse des Kontaktlochs senkrechten Schnitt nicht besonders eingeschränkt, beträgt aber unter dem Aspekt einer leichten Verarbeitbarkeit, der Gewährleistung des Stromvolumens und der Leichtigkeit der Implantierung vorzugsweise 0,01–5 mm, noch mehr bevorzugt 0,05–1 mm.

6 ist eine Schnittansicht eines anderen Beispiels (drittes Beispiel) einer ersten Ausführungsform des Separators der vorliegenden Erfindung. Dieser Separator 10B umfasst eine Rille für einen Gasströmungsweg 3, der durch eine Rille 2a gebildet wird, die durch das Leitermuster 2 auf der Hauptebene der Isolierschicht 1 und die Rille 11, die in die Hauptebene der Isolierschicht 1 geschnitten ist, unterteilt wird. Solange eine solche Anordnung erreicht wird, kann sogar dann, wenn die Dicke des Leitermusters 2 dünner als diejenige des Separators 10 des oben erwähnten ersten Beispiels ist, eine Rille für einen Gasströmungsweg 3 mit derselben Rillenhöhe (-tiefe) realisiert werden, und als Folge kann elektrisch leitfähiges Material zur Bildung eines Leitermusters gespart werden. Dies ist noch wirksamer, um den gesamten Separator dünner zu machen.

Wenn die Rille 11 zu tief ist, nimmt die Festigkeit der Isolierschicht ab, und die Haltbarkeit des Separators verschlechtert sich. Daher beträgt die Tiefe der Rille vorzugsweise nicht mehr als etwa 75 % der Dicke der Isolierschicht.

Die 7((a)–(d)) zeigen ein Beispiel für den Schritt zur Herstellung des in den 1–3 veranschaulichten Separators 10. Das Verfahren zur Herstellung des Separators der vorliegenden Erfindung ist nachfolgend unter Bezugnahme auf diese Figuren erläutert.

Zunächst wird eine Laminatplatte (-folie) 50, wobei leitfähige Schichten 7a, 7b auf beide Flächen der Isolierschicht 1 laminiert werden, hergestellt (7(a)). Die leitfähigen Schichten 7a, 7b sind leitfähige Schichten, von denen jede ein Anschluss oder ein Leitermuster wird. Als Verfahren zur Bildung der leitfähigen Schicht 7a, 7b der Laminatplatte 50 können die Laminierung von Folien wie einer Metallfolie und dergleichen sowie ein oder mehrere Verfahren in Kombination, die aus der Abscheidung aus der Gasphase, Sputtern, Bedrucken, der elektrochemischen Metallisierung und Ionenplattierung ausgewählt sind, eine Kombination von diesen mit dem Plattieren und dergleichen erwähnt werden.

Dann wird ein Durchgangsloch 50A, das die Laminatplatte 50 in Dickenrichtung durchdringt, an der vorbestimmten Stelle in der Laminatplatte (-folie) 50 gebildet, wodurch ein Kontaktloch gebildet wird (7(b)). Als Verfahren zur Bildung dieses Durchgangslochs 50A können ein Verfahren wie eine mechani sche Verarbeitung mittels eines Bohrers, eine Laserbearbeitung, ein Plasmaätzen, eine Stanzbearbeitung und dergleichen erwähnt werden. Zur Bildung eines nicht durchgehenden Kontaktlochs ist eine Laserbearbeitung geeignet.

Danach wird das Kontaktloch 5 gebildet, indem zum Beispiel durch Plattieren eine leitfähige Schicht (Metallschicht) 8 gebildet wird, die die Innenfläche des Durchgangslochs 50A bedeckt (7(c)). Die Bildung der leitfähigen Schicht (Metallschicht) 8 durch Plattieren kann selektiv für das Durchgangsloch 50A und dessen Umgebung erfolgen, wobei dadurch jedoch die Anzahl der Schritte und die Herstellungskosten erhöht werden. Der Grund dafür ist, dass ein Schritt zur Bildung einer Maske auf dem Teil der Laminatplatte (-folie) 50 erforderlich ist, wo das Wachstum einer Metallschicht durch Plattieren nicht erwünscht ist. Demgemäß wird vorzugsweise eine Plattierung auf die gesamte Fläche der Laminatplatte (-folie) 50 aufgetragen. In diesem Fall wird eine leitfähige Schicht (Metallschicht) 8 durch Plattieren nicht nur auf der Innenfläche des Durchgangslochs 50A, sondern auch auf den leitfähigen Schichten 7a, 7b auf beiden Flächen der Isolierschicht 1 (7(c)) gebildet. Zur Einstellung der Dicke einer jeden der leitfähigen Schichten 7a, 7b wird daher die Gesamtdicke der Wachstumsdicke der leitfähigen Schicht (Metallschicht) 8 so vorgesehen, dass die elektrische Leitfähigkeit des Kontaktlochs ausreichend ist, und die Dicke der leitfähigen Schicht 7a (7b) ist vorzugsweise eine gewünschte Dicke (siehe D1 in 3) des Leitermusters 2 oder eine gewünschte Dicke (siehe D2 in 3) des Anschlusses 3.

Dann wird das Durchgangsloch 51 im Kontaktloch 5 mit dem Implantiermaterial 52 gefüllt (7(d)).

Wenn das Kontaktloch 5 der Konfiguration von 5 zu bilden ist, wird zum Beispiel eine elektrisch leitfähige Paste durch Drucken in das Durchgangsloch 50A gefüllt, oder eine Metallschicht allein wird durch elektrisches Plattieren selektiv im Durchgangsloch 50A selektiv gezogen.

Dann werden die leitfähigen Schichten (die leitfähige Schicht 7a und die leitfähige Schicht 8 und die leitfähige Schicht 7b und die leitfähige Schicht 8) auf beiden Hauptebenen der Isolierschicht 1 der Laminatplatte 50 mit einem Muster in einer vorbestimmten Form versehen, wodurch ein Leitermuster 3 auf einer Hauptebene der Isolierschicht 1 und ein Leiteranschluss 4 auf der anderen Hauptebene der Isolierschicht 1 gebildet werden (7(d)). Dieses Aufbringen eines Musters erfolgt vorzugsweise durch das Ätzen einer leitfähigen, mit einem Muster aus einem Photoresist maskierten Schicht auf dieselbe Weise wie bei der Schaltungsbildung (Bildung des Schaltungsmusters) während der Herstellung der Leiterplatte.

Als Photoresist können ein bekannter Trockenfilmresist, ein flüssiger Resist und dergleichen, die zur Herstellung der gesamten Leiterplatte verwendet werden, erwähnt werden, wobei unter den Aspekten der Herstellungskosten und dergleichen ein Trockenfilmresist bevorzugt ist. Von den Trockenfilmresists ist ein Acryl-Trockenfilmresist unter dem Aspekt der Säurebeständigkeit bevorzugt. Wenn ein flüssiger Resist verwendet wird, wird eine Resistmembran mittels Siebdruck, Schleuderbeschichtung und dergleichen gebildet. Wenn ein Trockenfilmresist verwendet wird, wird der Resist mit einer geeigneten Walze gepresst, um den Resist auf der leitfähigen Schicht zu befestigen.

Als Mittel zur Bildung eines Resistmusters, in anderen Worten eines Mittels zur Bildung einer Öffnung in einer Resistmembran, können die Laserbearbeitung, die Photolithographie und dergleichen erwähnt werden. Unter den Aspekten der Präzision der Größe und der Bearbeitungskosten ist die Photolithographie bevorzugt. Bei der Photolithographie handelt es sich um ein Verfahren zur Bildung einer Öffnung durch die Bestrahlung mittels einer Photomaske, gefolgt von einer Entwicklung.

Auf diese Weise kann der Separator der vorliegenden Erfindung auf dieselbe Weise wie bei einer Leiterplatte, die für verschiedene elektrische Apparate und dergleichen verwendet wird, hergestellt werden. Der Separator der vorliegen den Erfindung kann im Vergleich zu herkömmlichen Separatoren, bei denen eine Rille auf einer Platte aus einem Metall, Kohlenstoff und dergleichen durch eine Verarbeitung durch In-Scheiben-Schneiden, Schneidarbeiten und dergleichen gebildet wird, durch eine kleinere Anzahl von Schritten und in einem kürzeren Zeitraum erzeugt werden. Wie bei der gleichzeitigen Herstellung von mehreren Leiterplatten auf einem großen Bereich eines Grundsubstrats können mehrere Separatoren alle gleichzeitig auf einer Isolierschicht (Kunststofffolie, einem Grundsubstrat für eine Leiterplatte etc.) mit einer großen Fläche hergestellt werden. Danach können sie in einzelne Separatoren geschnitten werden, wodurch mehrere Separatoren erhalten werden, wodurch die Herstellungskosten somit weiter vermindert werden.

8 ist eine vereinfachte Schnittansicht eines Beispiels für einen Separator der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie bei diesem Separator 20 dargestellt ist, hat der Separator der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Leitermuster 2 auf beiden Hauptebenen 1A, 1B der Isolierschicht 1, und Rillen für einen Gasströmungsweg 3 sind auf jeder Fläche der beiden Hauptebenen 1A, 1B der Isolierschicht 1 ausgebildet. Die eine Seite und die andere Seite der Draufsicht des Separators sind dieselben wie in der oben erwähnten 1.

In der vorliegenden Erfindung kann der Separator der zweiten Ausführungsform im Wesentlichen durch dieselben Schritte wie der Separator in der oben erwähnten ersten Ausführungsform hergestellt werden, und noch spezieller kann der durch das Formen und Versehen von leitfähigen Schichten auf beiden Hauptebenen der Isolierschicht mit einer Struktur hergestellt werden, sodass die leitfähige Schicht auf beiden Hauptebenen ein Leitermuster 2 wird, mit der die Rille für einen Gasströmungsweg 3 unterteilt wird.

Dieser Separator der zweiten Ausführungsform wird hauptsächlich als Separator verwendet, der gewöhnlich zwischen benachbarten Stromerzeu gungszellen in einem Brennstoffzellenstapel verwendet wird, der mehrere Stromerzeugungszellen umfasst, die eine Membranelektrodenbaugruppe enthalten.

Beim Separator der zweiten Ausführungsform kann auf dieselbe Weise wie beim Separator 10B der oben erwähnten 6 eine Rille für einen Gasströmungsweg 3 ebenfalls durch ein Leitermuster, das auf der Hauptebene der Isolierschicht 1 gebildet ist, und eine Rille, die in die Hauptebene der Isolierschicht 1 geschnitten ist, ausgebildet sein. In diesem Fall ist eine Rille, die in beide Hauptebenen geschnitten ist, unter den Aspekten der Festigkeit der Isolierschicht und der Formstabilität vorzugsweise nicht an den entsprechenden Positionen vorhanden, und die Tiefe der Rille beträgt vorzugsweise nicht mehr als etwa 75 % der Dicke der Isolierschicht.

Weil der Separator der vorliegenden Erfindung eine Struktur aufweist, die eine Isolierschicht (Kunststofffolie, Grundsubstrat für eine Leiterplatte etc.) als Substrat und eine leitfähige, aus einem elektrisch leitfähigen Material (Metallmaterial) hergestellte Schicht umfasst, die teilweise auf beiden Hauptebenen des Substrats ausgebildet ist, weist er überlegene Merkmale, die herkömmlichen Separatoren fehlen, dahingehend auf, dass er leicht dünn und mit einem niedrigen Gewicht hergestellt werden kann, Biegsamkeit aufweist, eine hohe Festigkeit sogar dann beibehält, wenn er vergleichsweise dünn hergestellt wird, und eine überlegene Formbeständigkeit aufweist.

Wenn der Separator der vorliegenden Erfindung zur Herstellung einer Brennstoffzelle verwendet wird, wie im oben erwähnten Beispiel in 4 veranschaulicht ist, werden eine Isolierschicht (eine Kunststofffolie, ein Grundsubstrat für die Leiterplatte etc.) des Separators und eine Elektrolytmembran 11 der Membranelektrodenanordnung 14 mittels der Klebeschicht 15 angeklebt, wodurch die Zelle versiegelt wird. Für eine solche Klebeschicht kann jedes Material ohne eine spezielle Einschränkung verwendet werden, solange es eine Haftung an der Isolierschicht 1 des Separators und der Elektrolytmembran der Membranelektrodenbaugruppe 14 aufweist. Gewöhnlich weist das Material der für den Separator der vorliegenden Erfindung zu verwendenden Isolierschicht eine Haftung an der Elektrolytmembran von bekannten Brennstoffzellen auf. Somit können Kunststoffmaterialien und Verbundmaterialien derselben Art wie diese Isolierschicht als Material für die Klebeschicht 15 verwendet werden. Von diesen ist ein Verbundmaterial, das durch das Imprägnieren eines Matrixmaterials mit einem warmhärtenden Harz erhalten wird, unter den Aspekten einer Verhinderung des Austretens von Gas, der Beibehaltung der Form (insbesondere der Verhinderung einer Verformung unter einem Innendruck), der Wärmebeständigkeit, der Antikorrosivität, der Klebekraft und dergleichen bevorzugt. Bei einem hier verwendeten Matrixmaterial handelt es sich um eine oder mehrere Arten von Materialien, die aus Papier, Glas und Vliespapier ausgewählt sind. Als warmhärtendes Harz seien zum Beispiel Epoxyharz, BT-Harz, Aramidharz, Phenolharz und dergleichen erwähnt.

9 ist eine vereinfachte Schnittansicht eines Beispiels eines Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen- (PEFC-)Stapels, der unter Verwendung des Separators 20 von 8 und des Separators 10 des ersten, in den 1–3 veranschaulichten Separators hergestellt ist. Der Brennstoffzellenstapel 200 besteht aus zwei Stromerzeugungszellen 51A und 51B in einem Stapel. Insbesondere umfasst er eine Membranelektrodenbaugruppe 14, die mittels eines Separators 20, der ein Leitermuster 2 (eine Rille für einen Gasströmungsweg 3) auf beiden Hauptebenen der Isolierschicht 1 ausgebildet enthält, an der Seite der einen Fläche und die Seite der anderen Fläche gebunden ist, und einen Separator 10, der weiterhin an eine Fläche auf der gegenüberliegenden Seite des Separators 20 der beiden Membranelektrodenbaugruppen 14 gebunden ist.

Die hier verwendeten Enden des Randes der beiden Flächen der Isolierschicht 1 des Separators 20 und der Polymerelektrolytmembran 11 der Membranelektrode 14 werden mit einer Klebeschicht 15 angeklebt, und ein Ende des Randes einer Fläche der Isolierschicht 1 des Separators 10 und der Polymerelektrolytmembran 11 der Membranelektrodenbaugruppe 14 werden mit einer Klebeschicht 15 angeklebt. Auf diese Weise wird jede Stromerzeugungszelle versiegelt.

Darüber hinaus ist ein Rohr 21 in einen Teil der Klebeschicht 15, die die Polymerelektrolytmembran 11 der Membranelektrodenbaugruppe 14 einer Stromerzeugungszelle 51A mit der Isolierschichten 1 der Separatoren 10, 20 verklebt, eingebettet, und durch das Rohr 21 wird ein Gas wie ein Brennstoffgas, Sauerstoffgas oder Luft vom Äußeren in die Zelle eingeführt. Ein Rohr 22 ist in einen Teil der Klebeschicht 15, die die Polymerelektrolytmembran 11 der Membranelektrodenbaugruppe 14 der anderen Stromerzeugungszelle 51B mit den Isolierschichten 1 der Separatoren 10, 20 verklebt, eingebettet, und durch die Leitung 22 wird ein Gas wie ein Brennstoffgas, Sauerstoffgas oder Luft aus dem Inneren der Zelle nach außen abgelassen. Weiterhin ist ein Rohr 23 in einen Teil eingebettet, der von demjenigen Teil verschieden ist, in den den oben erwähnten Leitungen 21, 22 in einer jeden Klebeschicht 15 der Stromerzeugungszelle 51A und der Stromerzeugungszelle 51B gesetzt sind, und das Rohr 23 fördert ein Gas wie Brennstoffgas, Sauerstoffgas oder Luft aus dem Inneren der Stromerzeugungszelle 51A in das Innere der Stromerzeugungszelle 51B. Auf diese Weise wird ein Gas wie Brennstoffgas, Sauerstoffgas oder Luft aus dem Äußeren durch das Innere der beiden Stromerzeugungszellen 51A, 51B nach außen abgelassen. Als die Rohre 21–23 sind zum Beispiel ein Rohr aus rostfreiem Stahl, Siliconrohr, Polypropylenrohr und dergleichen unter den Aspekten der Gasundurchlässigkeit, der mechanischen Festigkeit, der Korrosionsschutzeigenschaft, der Falteigenschaft und dergleichen bevorzugt.

Das Brennstoffzellenpaket 200 in der Ausführungsform von 9 besteht aus zwei Stromerzeugungszellen in einem Stapel. Um eine Zelle mit einer hohen Leistung zu erhalten, kann der Brennstoffzellenstapel der vorliegenden Erfindung aus drei oder mehr Stromerzeugungszellen in einem Stapel bestehen. Ein aus zwei Stromerzeugungszellen bestehender Stapel benötigt nur eine Platte aus einem Separator, wobei auf beiden Flächen eine Rille ausgebildet ist. Andererseits weist ein Stapel, der aus drei oder mehr Stromerzeugungszellen besteht, nicht weniger als eine Stromerzeugungszelle auf, die zwischen zwei Separatoren angeordnet ist, wobei die oben erwähnten beiden Separatorplatten Separatoren der benachbarten Stromerzeugungszelle sind. Demgemäß wird, wie zum Beispiel in 10 dargestellt ist, weil die beiden Separatorplatten an beiden Flächen der dazwischen liegenden Stromerzeugungszelle 52B in einem drei Stromerzeugungszellen 52A–52C umfassenden Brennstoffzellenstapel 201 gebunden sind, ein Separator 20 verwendet, der auf beiden Flächen ausgebildete Rillen umfasst. In dem Maße, in dem sich die Anzahl der Stromerzeugungszellen eines Brennstoffzellenstapels auf 4 Platten, 5 Platten und dergleichen erhöht, erhöht sich die Anzahl der Stromerzeugungszellen, die zwischen zwei Separatorplatten mit Rillen auf beiden Flächen angeordnet sind. Demgemäß wird in dem Maße, in dem die Anzahl der Stromerzeugungszellen, über die ein Brennstoffzellenstapel verfügt, zunimmt, der Brennstoffzellenstapel der vorliegenden Erfindung dünner als herkömmliche Brennstoffzellenstapel.

11(a) ist eine vereinfachte perspektivische Ansicht eines Beispiels für eine Separatorbaugruppe, bei der die in den 1–3 dargestellten Separatoren 10 in mehreren Bereichen einer einzigen Isolierschicht 1 ausgebildet sind und entsprechende Separatoren 10 elektrisch verbunden sind, und 11(b) ist eine Schnittansicht von 11(a) entlang der Linie X-X.

Wie in der Separatorbaugruppe 300 in diesem Beispiel veranschaulicht ist, umfasst die Separatorbaugruppe der vorliegenden Erfindung eine einzige Isolierschicht 1 und darauf ausgebildet mehrere Separatoren der vorliegenden Erfindung (Separatoren 10). Die mehreren Separatoren der vorliegenden Erfindung (Separatoren 10) können im selben Schritt unter Anwendung eines Verfahrens zur Herstellung einer Leiterplatte als solche integral gebildet werden. Ein Separator, der elektrisch verbunden ist, kann zweckmäßigerweise aus mehreren Separatoren 10 in Abhängigkeit vom erwünschten Strom und der erwünschten elektrischen Leistung der unter Verwendung einer Separatorbaugruppe herzustellenden Zellenbaugruppe ausgewählt sein. Ein Verfahren zur elektrischen Verbindung von mehreren Separatoren ist nicht besonders eingeschränkt, und eine (nicht dargestellte) Schaltungsschicht, die Leiteranschlüsse 4 von verschiedenen Separatoren 10 verbindet, wird vorzugsweise gleichzeitig mit der Bildung der Leiteranschlüsse 4 während der Herstellung der mehreren Separatoren 10 gebildet. In anderen Worten ist es bevorzugt, Anschlüsse von Separatoren und mit den Anschlüssen verbundenen Schaltungsmustern durch das Versehen einer auf der Hauptebene der Isolierschicht gebildeten leitfähigen Schicht mit einem Muster zu bilden. Durch eine auf diese Weise erfolgende Bildung eines Schaltungsmusters können verschiedene Separatoren elektrisch verbunden werden, ohne ein anderes Verbindungsmittel wie eine Verkabelungsschaltung und dergleichen herzustellen. Folglich kann die Anzahl der Herstellungsschritte vermindert werden, und die Herstellungskosten können ebenfalls vermindert werden. Weiterhin können alle Schaltungen auf derselben Ebene gebildet werden, und die Schaltung ragt nicht in Dickenrichtung heraus, wodurch die Herstellung einer dünnen Zelle erleichtert wird.

Die in 11 gezeigte Separatorbaugruppe umfasst eine Ansammlung von Separatoren 10 vom Typ der Rille auf einer Fläche (siehe 1–3) mit Leitermustern (einer Rille für einen Gasströmungsweg), die auf einer Hauptebene der Isolierschicht ausgebildet sind. Auf vergleichbare Weise kann eine Separatorbaugruppe aus dem Separatortyp 20 mit Rillen auf beiden Flächen (siehe 8) bestehen, der ein auf beiden Hauptebenen der Isolierschicht ausgebildetes Leitermuster (eine Rille für einen Gasströmungsweg) umfasst.

<Brennstoffzellen-Baugruppe>

12(a) ist eine vereinfachte perspektivische Ansicht eines Beispiels für eine Brennstoffzellen-Baugruppenstruktur unter Verwendung der Separatorbaugruppe der vorliegenden Erfindung, und 12(b) ist eine Schnittansicht von 12(a) entlang der Linie Y-Y. In diesen Figuren zeigen dieselben Symbole wie in den 1–3, 4, 11 dieselben oder entsprechende Teile. Die Brennstoffzellen-Baugruppenstruktur 400 in diesem Beispiel umfasst eine elektrizitätserzeugende Elementbaugruppe 350 und eine Separatorbaugruppe 300 und entspricht einer Baugruppe, die mehrere Zelleneinheiten (Stromerzeugungszellen) 401 umfasst, die parallel auf derselben Ebene angeordnet und integriert sind. Die hier verwendete elektrizitätserzeugende Elementbaugruppe 350 umfasst eine (elektrizitätserzeugende) Membranelektrodenbaugruppe 14' (Brennstoffelektrode 12/Elektrolytmembran 11/Sauerstoffelektrode 13), die in jedem der mehreren Bereiche einer einzigen großflächigen Elektrolytmembran 11 ausgebildet sind, und die Separatorbaugruppe 300 (siehe 11) ist dadurch abgestützt, dass die elektrizitätserzeugende Elementbaugruppe 350 zwischen den beiden Seiten der Hauptebenen angeordnet ist.

Bei mehreren Zelleneinheiten (Stromerzeugungszellen) 401 kommunizieren benachbarte Zelleinheiten (Stromerzeugungszellen) über ein Rohr 24. Das Rohr 24 ist in jede Klebeschicht 15 auf der Seite der Brennstoffelektrode 12 und der Seite der Sauerstoffelektrode 13 einer Membranelektrodenbaugruppe 14' innerhalb der Zelleneinheit (Stromerzeugungszelle) eingeführt. Mit dem Rohr 24 gelangt ein von außen der Struktur 400 zugeführtes Gas (Brennstoffgas und Sauerstoffgas (Luft)) die mehreren Zelleinheiten (Stromerzeugungszellen) und wird damit aus der Struktur 400 abgeführt.

Auf diese Weise werden bei der Brennstoffzellen-Baugruppenstruktur der vorliegenden Erfindung mehrere Stromerzeugungszellen nicht wie bei einem Brennstoffzellenstapel gestapelt, sondern mehrere Stromerzeugungszellen parallel auf derselben Ebene angeordnet, wodurch eine dünne und hohe Brennstoffzelle erzeugt wird. Bei mehreren Zelleinheiten (Stromerzeugungszellen) 401 der Brennstoffzellen-Baugruppenstruktur 400 im oben erwähnten Beispiel kommunizieren benachbarte Zelleinheiten innerhalb der Einheit über die Leitung 24. Ein Gas kann jedoch in jede Zelleinheit (Stromerzeugungszelle) ein- und daraus abgeführt werden, oder das Innere von einigen der benachbarten Zelleinheiten (Stromerzeugungszellen) kann durch ein Rohr verbunden werden, und ein Gas kann einzeln in andere Zelleinheiten (Stromerzeugungszellen) ein- und aus diesen abgeführt werden. Der Modus der Gaszu- und -abführung kann zweckmäßigerweise in Abhängigkeit von der Art eines Werkzeugs zur Einarbeitung einer Brennstoffzellen-Baugruppenstruktur und der gewünschten Höhe der Stromerzeugung (Strom, Spannung) und dergleichen geändert werden.

13 ist eine vereinfachte perspektivische Ansicht eines Beispiels einer Leiterplatte mit einem Separator für Brennstoffzellen der vorliegenden Erfindung. In dieser Figur veranschaulichen dieselben Symbole wie in den 1–3 dieselben oder entsprechende Teile. Wie für eine Leiterplatte mit einem Separator für Brennstoffzellen 500 in diesem Beispiel veranschaulicht ist, umfasst die Leiterplatte mit einem Separator für Brennstoffzellen der vorliegenden Erfindung eine Schaltung 501 und einen Separator für Brennstoffzellen der vorliegenden Erfindung 10, die auf einer einzigen Isolierschicht 1 ausgebildet sind, wobei die Schaltung 501 und der Separator 10 elektrisch verbunden sind. Bei der hier verwendeten Schaltung 501 kann es sich um eine Schaltung mit einer einzigen Fläche handeln, die auf einer Hauptebene der Isolierschicht 1 gebildet ist, oder um eine Schaltung mit zwei Flächen, die auf beiden Hauptebenen der Isolierschicht 1 gebildet ist. Die Schaltung 501 und der Separator 10 sind durch eine (nicht dargestellte) Schaltungsschicht, die eine Schaltung 501 und einen Leiteranschluss 4 und/oder ein Leitermuster 2 des Separators 10 verbindet, elektrisch verbunden. Die Schaltungsschicht wird während der Herstellung der Schaltung 501 und des Separators 10 auf der Hauptebene der Isolierschicht 1 gebildet. In anderen Worten werden durch das Versehen der auf der Hauptebene der Isolierschicht 1 gebildeten leitfähigen Schicht mit einem Muster die Schaltung 501 und der Leiteran schluss 4 und/oder das Leitermuster 2 des Separators 10 sowie eine diese verbindende Schaltungsschicht (Schaltungsmuster) gebildet.

Der Separator, über den die Leiterplatte mit einem Separator für Brennstoffzellen 500 dieses Beispiels verfügt, ist ein in den 1–3 dargestellter Separator. Die Leiterplatte mit einem Separator für Brennstoffzellen der vorliegenden Erfindung kann über die oben erwähnten Separatoren 10A (5), 10B (6), 20 (8) und dergleichen von anderen Beispielen verfügen.

Die Leiterplatte mit einem Separator für Brennstoffzellen der vorliegenden Erfindung kann über einen Separator oder mehrere Separatoren verfügen. Wenn die Leiterplatte mit einem Separator für Brennstoffzellen der vorliegenden Erfindung über mehrere Separatoren verfügt, können verschiedene Separatoren elektrisch verbunden sein, oder andernfalls können einige Teile von mehreren Separatoren elektrisch verbunden sein, und andere Separatoren brauchen nicht elektrisch verbunden zu sein.

14 ist eine vereinfachte perspektivische Ansicht eines Beispiels für die Leiterplatte mit eingebauter Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung. In dieser Figur zeigen dieselben Symbole wie in den 1–3, 4 und 13 dieselben oder entsprechende Teile. Wie in der Leiterplatte mit eingebauter Brennstoffzelle 600 in diesem Beispiel veranschaulicht ist, wird in der Leiterplatte mit eingebauter Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung ein Separator 10 einer Leiterplatte mit einem Separator für Brennstoffzellen 500 der vorliegenden Erfindung, wie er in 13 dargestellt ist, zum Aufbau einer Brennstoffzelle (Batteriezelle) 100 verwendet. In anderen Worten wird eine Brennstoffzelle 100 mit dem Separator 10 vereinigt, wodurch eine Leiterplatte einer elektrischen Apparatur und eine Brennstoffzelle integriert werden. In der hier verwendeten Leiterplatte 500 sind, wie oben erwähnt wurde, die Schaltung 501 und der Separator 10 durch die (nicht dargestellte) Schal tungsschicht, die auf der Hauptebene der Isolierschicht 1 ausgebildet ist, elektrisch gebildet.

In die Leiterplatte mit eingebauter Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung können eine oder mehrere Brennstoffzellen eingebaut sein. Wie in 14 veranschaulicht ist, sind mehrere Separatoren 10 ausgebildet, die als Leiterplatte mit einem Separator für Brennstoffzellen 500 verwendet werden, und eine Brennstoffzelle wird mit jedem der Separatoren 10 vereinigt, in anderen Worten wird eine Membranelektrodenstruktur 14 auf jeden der mehreren Separatoren 10 laminiert, ein getrennt hergestellter Separator 10 wird darauf laminiert und mit einer Klebeschicht 15 versiegelt, wodurch eine Batteriezelle 100 erhalten wird, wodurch die eingebaute Brennstoffzelle eine höhere Ausgangsleistung haben kann.

In der Leiterplatte mit eingebauter Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung kann der in der Brennstoffzelle erzeugte Strom durch eine Schaltungsschicht, die auf der Hauptebene des Substrats (Isolierschicht 1) ausgebildet ist, direkt zu einer Schaltung (elektrische/elektronische Schaltung) geleitet werden. Daher sind komplizierte Schaltungen (äußere Schaltungen wie ein Draht und dergleichen) und Anschlüsse zur Verbindung einer Brennstoffzelle und einer Schaltung nicht erforderlich. Dies trägt dazu bei, die Anforderungen einer Platzeinsparung, der Dünnheit und dergleichen, die für ein kleines elektronisches Gerät erforderlich sind, zu erfüllen.

In der obigen Erläuterung konkreter Beispiele ist eine Brennstoffzelle verwendet worden, die eine Polymerelektrolytmembran als Elektrolytmembran eines Stromerzeugungsteils umfasst, wobei der Separator der vorliegenden Erfindung natürlich auch auf eine Brennstoffzelle mit einer Membranelektrode aus geschmolzenem Carbonat, festem Oxid (Keramiken) oder Phosphorsäure angewandt werden kann.

Darüber hinaus umfasst der Separator der vorliegenden Erfindung im Wesentlichen eine Isolierschicht aus einer Kunststofffolie oder einem Verbundmaterial für die Leiterplatte und eine leitfähige Schicht, die teilweise auf beiden Hauptebenen der Isolierschicht ausgebildet ist, und weist dahingehend Merkmale auf, dass er leicht dünn hergestellt werden kann und im Vergleich zu herkömmlichen Separatoren besonders leicht und biegsam ist. Folglich kann die Vibrationsbeständigkeit einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (PEFC), die in jüngster Zeit eine besondere Aufmerksamkeit erregt, weil sie biegsam ist, eine höhere Ausgangsleistung hat und klein und leicht hergestellt werden kann, wie in den oben erwähnten Beispielen veranschaulicht ist, durch die Verwendung des Separators der vorliegenden Erfindung als Separator von Brennstoffzellen weiter verbessert werden, ihre Ausgangsleistung kann noch erhöht werden, und die Zelle kann klein (dünn) und mit einem niedrigen Gewicht hergestellt werden.

Als Polymerelektrolytmembran, die für eine den Separator der vorliegenden Erfindung umfassende Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (PEFC) zu verwenden ist, können diejenigen, die als Polymerelektrolytmembranen einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (PEFC) bekannt sind, ohne jede Einschränkung verwendet werden. Von diesen ist eine Perfluorkohlenstoffsulfonsäurepolymer-Membran besonders bevorzugt, weil sie eine hohe Stromerzeugungskapazität hat und nicht leicht zersetzt wird. Darüber hinaus sind eine partiell fluorierte Sulfonsäuremembran, eine Polybenzimidazol-Membran und dergleichen ebenfalls bevorzugt.

Als Elektrode (Brennstoffelektrode, Sauerstoffelektrode), die auf eine Polymerelektrolytmembran zu laminieren ist, können diejenigen, die als Brennstoffelektroden für Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen (PEFC) bekannt sind, so, wie sie sind, verwendet werden. Von diesen besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform umfassend eine Katalysatorreaktionsschicht, die als Hauptkomponente ein einen Platinmetallkatalysator umfassendes Kohlenstoffpulver trägt, und eine Diffusionsschicht, die ein auf diese Katalysatorreaktionsschicht zu laminierendes Kohlenstoffpapier umfasst. Als Diffusionsschicht ebenfalls bevorzugt ist darüber hinaus eine, die eine gesinterte Membran umfasst, die durch das Sintern eines organischen, polymeren Materials wie Polyimid, Polyethylen und dergleichen erhalten wird. Statt der obigen Elektrode, die frei von einer Diffusionsschicht ist, kann eine Elektrode verwendet werden, bei der eine Katalysatorreaktionsschicht direkt auf eine Polymerelektrolytmembran übertragen wird, wodurch die Zelle dünner gemacht werden kann.

Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf Beispiele, die nicht als einschränkend aufzufassen sind, ausführlicher erläutert.
(Beispiel 1)
(Herstellung des Separators)
Eine Laminatplatte, die Kupferschichten umfasst, die jeweils eine Dicke von 0,018 mm aufweisen und auf beide Hauptebenen eines Glasepoxysubstrats mit einer Dicke von 1,6 mm laminiert waren, wurde hergestellt, und Löcher mit einem Durchmesser von 1 mm wurden mit einem Bohrer an vorbestimmten Positionen in der Hauptebene der Laminatplatte angefertigt. Dann wurde eine Kupferplattierung auf die gesamte Oberfläche der beiden Flächen der Laminatplatte aufgetragen, bis die Kupferschicht eine Dicke von 0,2 mm aufwies. Als Ergebnis wurde ein Kontaktloch mit einer Kupferschicht erhalten, die auf der Innenfläche der Löcher mit einem Durchmesser von 1 mm gebildet war. Die Kupferschicht auf der Innenfläche der Löcher mit einem Durchmesser von 1 mm wurde mit der Kupferschicht verbunden, die auf die Hauptebene der Laminatplatte laminiert war. Dann wurde ein auf der Innenseite der Kupferschicht im Kontaktloch verbleibendes Durchgangsloch mit einem flüssigen Epoxyharz (EPOX-AH333, Mitsui Chemical) gefüllt und gehärtet, um das Loch zu verschließen. Ein Trockenfilmresist (SPG-252, Asahi Kasei Corporation) wurde auf die beiden Flächen der Lamiatplatte mit den darin ausgebildeten Kontaktlöchern laminiert und mit UV-Licht bestrahlt, wodurch ein vorbestimmtes Muster gebildet wurde, und die unbestrahlten Bereiche wurden mit einer Entwicklerflüssigkeit für Trockenfilm entfernt, wodurch das Resistmuster vollendet wurde. Unter Verwendung des Resistmusters als Maske wurde die Kupferschicht mit einer Eisen(III)-chloridlösung geätzt, wodurch ein Leitermuster und ein Anschluss auf der einen Hauptebene und der anderen Hauptebene des Glasepoxysubstrats gebildet wurde. Dann wurden eine Nickel-Dünnschicht (1 μm dick) und eine Gold-Dünnschicht (0,1 μm dick) in dieser Reihenfolge auf den Flächen des Leitermusters gebildet und der Anschluss auf diese Weise durch Elektroplattieren gebildet. Auf diese Weise wurde ein Separator 10 mit einem Leitermuster 2, umfassend ein rechteckiges Rahmenmuster und ein kammförmiges Muster, die auf einer Hauptebene einer Isolierschicht (Glas-Epoxy-Substrat) 1 gebildet sind, einem Anschluss 4, umfassend ein rechteckiges Rahmenmuster, das auf der anderen Hauptebene der Isolierschicht 1 gebildet war, und einer elektrischen Verbindung mittels eines Kontaktlochs zwischen dem Leitermuster 2 und dem Anschluss 4 (1–3) vollendet.
Die Größe des fertigen Separators war wie folgt.
Isolierschicht (Glas-Epoxy-Substrat): Länge 30 mm, Breite 30 mm,
Anteil des eine Hauptebene der Isolierschicht (Glas-Epoxy-Substrat) einnehmenden Leitermusters (Flächenanteil): 76 %,
volle Länge (Länge zwischen der einen Strömungswegöffnung und der anderen Strömungswegöffnung) des Gasströmungsweges: 250 mm,
Breite (Breite der Rille in der Achse senkrecht zur Achse des Strömungsweges): 0,8 – 2,4 mm,
maximale Dicke des Separators: 2,0 mm.
(Herstellung der Zelle)
Eine Polymerelektrolytmembran (Nafion N112, Du Pont) mit einer Dicke von 0,05 mm wurde zwischen zwei Stück Kohlenstoffpapier (Dicke 0,25 mm) mit einem darauf ausgebildeten Platinkatalysator angeordnet, wodurch ein Laminat (Stromerzeugungsschicht) erhalten wurde, und der gemäß der obigen Beschreibung hergestellte Separator wurde auf beiden Flächen des Laminats angeordnet, das zwischen zwei Glas-Epoxy-Prepregs (MCL-E-67, Hitachi Chemical Co., Ltd.) mit einer Dicke von 0,35 mm angeordnet wurde, und einem Vakuumpressen unterzogen, wodurch eine Brennstoffzelle erhalten wurde. Das Gewicht der gesamten erhaltenen Brennstoffzelle betrug 80 g, und die maximale Dicke in Laminatrichtung betrug 1,9 mm.
Wasserstoffgas und Sauerstoffgas wurden der oben erwähnten Brennstoffzelle zugeführt, und als Ergebnis wurden 100 mW/cm² Elektrizität erzeugt.
(Beispiel 2)
(Herstellung des Separators)
Eine Laminatplatte, die Kupferschichten umfasst, die jeweils eine Dicke von 0,018 mm aufweisen und auf beide Hauptebenen eines Glasepoxysubstrats mit einer Dicke von 1,6 mm laminiert waren, wurde hergestellt, und Löcher mit einem Durchmesser von 1 mm wurden mit einem Bohrer an vorbestimmten Positionen in der Hauptebene der Lamiatplatte angefertigt. Dann wurde eine Kupferplattierung auf die gesamte Oberfläche der beiden Flächen der Laminatplatte aufgetragen, bis die Kupferschicht eine Dicke von 0,03 mm aufwies. Als Ergebnis wurde ein Kontaktloch mit einer Kupferschicht erhalten, die auf der Innenfläche der Löcher mit einem Durchmesser von 1 mm gebildet war. Die Kupferschicht auf der Innenfläche der Löcher mit einem Durchmesser von 1 mm wurde mit der Kupferschicht verbunden, die auf die Hauptebene der Laminatplatte laminiert war. Dann wurde ein auf der Innenseite der Kupferschicht im Kontaktloch verbleibendes Durchgangsloch mit einem flüssigen Epoxyharz (EPOX-AH333, Mitsui Chemical) gefüllt und gehärtet, um das Loch zu verschließen. Die beiden Hauptebenen eines Glasepoxysubstrats, das eine darauf laminierte Kupferschicht umfasste, wurden einer mechanischen Bearbeitung unterzogen, wodurch ein Leitermuster mit einer Kupferschicht bzw. ein Anschluss mit einer Kupferschicht auf der einen Hauptebene bzw. der anderen Hauptebene des Glas-Epoxy-Substrats gebildet wurden. Die Tiefe der auf dem Glas-Epoxy-Substrat gebildeten Rille betrug dann 0,2 mm. Dann wurden eine Nickel-Dünnschicht (1 μm dick) und eine Gold-Dünnschicht (0,1 μm dick) in dieser Reihenfolge auf den Flächen der Leitermuster und des Anschlusses durch Elektroplattieren gebildet. Auf diese Weise wurde ein Separator 10 mit einem Leitermuster 2, einem cyclischen Muster mit einer etwa quadratischen äußeren Form und einem kammförmigen Muster auf einer Hauptebene einer Isolierschicht (Glas-Epoxy-Substrat) 1, einem Anschluss 4, der ein quadratisch-cyclisches Muster umfasste, das auf der anderen Hauptebene der Isolierschicht 1 ausgebildet war, und einer elektrischen Verbindung mittels eines Kontaktlochs 5 zwischen dem Leitermuster 2 und dem Anschluss 4 vollendet (1–3).
Die Größe des fertigen Separators war wie folgt.
Isolierschicht (Glas-Epoxy-Substrat): Länge 30 mm, Breite 30 mm,
Anteil des eine Hauptebene der Isolierschicht (Glas-Epoxy-Substrat) einnehmenden Leitermusters (Flächenanteil): 76 %,
volle Länge (Länge zwischen der einen Strömungswegöffnung und der anderen Strömungswegöffnung) des Gasströmungsweges: 250 mm,
Breite (Breite der Rille in der Achse senkrecht zur Achse des Strömungsweges): 0,8–2,4 mm,
maximale Dicke des Separators: 1,9 mm.
(Beispiel 3)
(Herstellung einer Brennstoffelektrode und einer Sauerstoffelektrode)
Eine Paste, die eine Polymerelektrolytmembran-Lösung ("Nation", Du Pont) ein Kohlenstoffpulver und einen Platinkatalysator (Nafion:Kohlenstoffpulver:Platinkatalysator = 7:5:3 (Gewichtsverhältnis)) umfasste, wurde hergestellt. Diese Paste wurde mit einer Rakelbeschichtungsvorrichtung auf ein Kohlenstoffpapier (Dicke 175 μm) aufgetragen, wodurch auf dem Kohlenstoffpapier eine Pastenmembran gebildet wurde, die dann einem Heißpressen (130°C, 2 min, 196 N (20 kgf/cm²)) unterzogen wurde, um die Oberfläche der Pastenmembran zu glätten (Dicke im trockenen Zustand 50 μm). Zwei Bögen aus Kohlenstoffpapier mit einer glatten Oberfläche und einer Pastenmembran wurden gebildet und nachfolgend als Brennstoffelektrode und Sauerstoffelektrode verwendet.
(Herstellung eines Brennstoffzellenstapels)
Eine Polymerelektrolytmembran ("Nafion N-112", Du Pont, Dicke 50 μm) wurde zwischen der oben erwähnten Brennstoffelektrode und der oben erwähnten Sauerstoffelektrode so angeordnet, dass eine Katalysatorfläche (Pastenfläche) der Elektroden sich in Kontakt mit der Polymerelektrolytmembran befand, und einem Heißpressen (130°C, 2 min, 196 N (20 kgf/cm²)) unterzogen, wodurch eine Membranelektrodenbaugruppe erhalten wurde. Zwei dieser Membranelektrodenbaugruppen wurden hergestellt.
Diese beiden Membranelektrodenbaugruppen, die in Beispiel 1 hergestellten beiden Separatoren vom Typ mit Rillen auf einer Fläche und ein unter Befolgung von Beispiel 1 hergestellter Separator vom Typ mit Rillen auf zwei Flächen wurden gemäß der Abbildung in 9 laminiert und mit einem Epoxyklebstoff fixiert, wodurch ein Brennstoffzellenstapel vervollständigt wurde. Als Rohre zur Einführung (Injektion) des Brennstoffgases und von Sauerstoffgas in die Zelle und zum Auslass davon aus der Zelle sowie zur Leitung davon zwischen Zellen wurde ein Rohr aus rostfreiem Stahl verwendet.
Ein Brennstoffgas (Wasserstoffgas) und Sauerstoffgas wurden jeweils mit 50 cm³/min in den Brennstoffzellenstapel injiziert. Dann wurde die Spannung zwischen den Anschlüssen gemessen, und es wurde gefunden, dass sie 3,18 V betrug. Dann wurde der Brennstoffzellenstapel an eine elektronische Last angeschlossen und so eingestellt, dass eine Klemmenspannung von 1,5 V erreicht wurde. Als Folge betrug der Strom 1,8A. Somit betrug die erhaltene elektrische Leistung 2,7W.
(Beispiel 4)
Beispiel für eine Brennstoffzellen-Baugruppenstruktur)
Acht Sätze von Membranelektrodenbaugruppen gemäß der Darstellung in Beispiel 3 wurden hergestellt. Unter Verwendung ähnlicher Materialien (Glas-Epoxy-Substrat, Kupfer) wie in Beispiel 1 wurden zwei Separatorenbaugruppen vom Typ mit einer Rille auf einer Fläche (siehe 11), die ein Separatorelement umfassten (Leitermuster und Anschluss in Kombination), angeordnet in Abfolgen von 2 × 4 auf einem Bogen aus Glas-Epoxy-Substrat, hergestellt. Die oben erwähnten Elektrodenbaugruppen mit 8 Membranen wurden zwischen diesen beiden Separatorbaugruppen so angeordnet, dass jede Membranelektrodenbaugruppe sich in Kontakt mit einem Leitermuster auf der Separatorbaugruppe befand, und mit einem Epoxyklebstoff fixiert. Eine Kupferfolie wurde mit einem elektrisch leitfähigen Klebstoff an jeden Anschluss der mehreren Separatorelemente, die in einer Abfolge von 2 × 4 auf den beiden Flächen der so erhaltenen Laminatstruktur angeordnet waren, befestigt. Auf diese Weise wurde eine Brennstoffzellenbaugruppe erhalten, bei der Anschlüsse von mehreren Separatorelementen parallel verbunden waren (siehe 12). Als Rohre zur Einführung (Injektion) des Brennstoffgases und von Sauerstoffgas in die Zelle und zum Auslass davon aus der Zelle sowie zur Leitung davon zwischen Zellen wurde ein Siliconrohr verwendet.
Ein Brennstoffgas (Wasserstoffgas) und ein Sauerstoffgas wurden jeweils mit 50 cm³/min in die Brennstoffzellen-Baugruppenkonstruktion injiziert. Die Spannung zwischen den Anschlüssen wurde dann gemessen, und es wurde gefunden, dass sie 1,05 V betrug. Dann wurde die Brennstoffzellen-Baugruppenkonstruktion an eine elektronische Last angeschlossen und so eingestellt, dass zwischen den Anschlüssen eine Spannung von 0,6 V erreicht wurde. Als Folge betrug der Strom 12A. Somit betrug die erhaltene elektrische Leistung 7,2W.
(Beispiel 5)
(In eine Leiterlatte eingebaute Brennstoffzelle)
Zwei Membranelektrodenbaugruppen wie in Beispiel 3 wurden hergestellt. Unter Verwendung ähnlicher Materialien (Glas-Epoxy-Substrat, Kupfer) wie in Beispiel 1 wurde eine Separatorbaugruppe vom Typ einer Rille auf einer Fläche, die ein Separatorelement (Leitermuster und Anschluss in Kombination) umfasste, in zwei Elementen auf einem Bogen Glas-Epoxy-Substrat hergestellt. Darüber hinaus wurde unter Verwendung ähnlicher Materialien (Glas-Epoxy-Substrat, Kupfer) wie in Beispiel 1 ein Separator vom Typ einer Rille auf einer Fläche (Leiterplatte mit Separator) hergestellt, der ein Separatorelement (Leitermuster und Anschluss in Kombination) umfasste, die in zwei Elementen auf einem Bogen aus Glas-Epoxy-Substrat angeordnet waren, und ein Spannungsverstärker-Schaltungsmuster und ein Leistungsstabilisator-Schaltungsmuster wurde erzeugt. Auf diesem Separator vom Typ einer Rille auf einer Fläche (Leiterplatte mit Separator) wurde gleichzeitig ein Schaltungsmuster ausgebildet, um den Anschluss des Separatorelements mit dem Spannungsverstärker-Schaltungsmuster und dem Leistungsstabilisator-Schaltungsmuster elektrisch zu verbinden.
Die beiden Membranelektrodenbaugruppen wurden zwischen den oben erwähnten Separatorbaugruppen vom Typ einer Rille auf einer Fläche und der Leiterplatte mit Separator so angeordnet, dass jede Membranelektrodenbau gruppe sich in Kontakt mit den Leitermustern der Separatorbaugruppe und der Leiterplatte mit dem Separator befand, und mit einem Epoxyklebstoff fixiert. Eine Kupferfolie wurde mit einem elektrisch leitfähigen Klebstoff auf jedem Anschluss der auf den beiden Flächen der so erhaltenen Laminatstruktur befestigt. Auf diese Weise wurde eine Leiterplatte mit eingebauter Brennstoffzelle erhalten, wobei die Anschlüsse der mehreren Separatorelemente parallel geschaltet waren.
Ein Brennstoffgas (Wasserstoffgas) und ein Sauerstoffgas wurden jeweils mit 50 cm³/min in die Leiterplatte mit eingebauter Brennstoffzelle injiziert. Zu diesem Zeitpunkt betrug die Spannung an der Eingangsseite der Spannungsverstärker-Schaltung 2,0V, und die Spannung auf der Ausgangsseite wurde auf 5,0 V verstärkt. Dann wurde ein mit etwa 1,5 W betriebener PDA (Personal Digital Assistant, persönlicher digitaler Assistent) an den Anschluss auf der Ausgangsseite angeschlossen. Als Folge nahm die Eingangsspannung auf etwa 1,0 V ab, aber die Spannung an der Ausgangsseite der Spannungsverstärker-Schaltung wurde auf 5,0 V gehalten, und der PDA konnte normal betrieben werden.

Claims

Separator für eine Brennstoffzelle, umfassend eine Isolierschicht, eine Rille für einen Gasströmungsweg, die auf einer Hauptebene der Isolierschicht ausgebildet wird, indem die Rille durch ein auf einer Hauptebene der Isolierschicht ausgebildetes Leitermuster unterteilt wird, einen Leiteranschluss, der auf der anderen Hauptebene der Isolierschicht ausgebildet ist, und ein Durchgangsloch, das die Isolierschicht durchdringt und den Leiteranschluss und das Leitermuster elektrisch verbindet.
Separator nach Anspruch 1, weiterhin umfassend eine Rille, die in einen Bereich einer Hauptebene der Isolierschicht geschnitten ist, auf dem kein Leitermuster ausgebildet ist, wobei die untere Fläche der Rille die untere Fläche einer Rille für einen Gasströmungsweg wird.
Separator nach Anspruch 1, wobei eine Fläche des Leitermusters aus einem Edelmetall besteht.
Separator nach Anspruch 2, wobei eine Fläche des Leitermusters aus einem Edelmetall besteht.
Separator für eine Brennstoffzelle, umfassend eine Isolierschicht, Rillen für Gasströmungswege, die auf beiden Hauptebenen der Isolierschicht ausgebildet werden, indem sie durch auf beiden Hauptebene der Isolierschicht ausgebildete Leitermuster unterteilt werden, ein Durchgangsloch, das die Isolierschicht durchdringt und die auf beiden Hauptebenen ausgebildeten Leitermuster elektrisch verbindet.
Separator nach Anspruch 5, weiterhin umfassend eine Rille, die in einen Bereich auf wenigstens einer der beiden Hauptebenen der Isolierschicht geschnitten ist, auf dem kein Leitermuster ausgebildet ist, wobei die untere Fläche der Rille die untere Fläche einer Rille für einen Gasströmungsweg wird.
Separator nach Anspruch 5, wobei eine Fläche des Leitermusters aus einem Edelmetall besteht.
Separator nach Anspruch 6, wobei eine Fläche des Leitermusters aus einem Edelmetall besteht.
Brennstoffzelle, umfassend den Separator nach einem der Ansprüche 1–8.
Separatorbaugruppe für eine Brennstoffzelle, umfassend mehrere Separatoren nach Anspruch 1 oder 2 auf einer einzigen Isolierschicht.
Brennstoffzellen-Baugruppenstruktur, wobei eine elektrizitätserzeugende Elementbaugruppe, die mehrere auf einer einzigen Elektrolytmembran ausgebildete Membranelektroden-Verbundstrukturen zur Elektrizitätserzeugung umfasst, dadurch getragen wird, dass sie zwischen den Separatorbaugruppen von Anspruch 10 auf beiden Flächen, oben und unten, angeordnet ist.
Brennstoffzellenstapel, umfassend zwei oder mehr aufeinander gestapelte Zellen zur Elektrizitätserzeugung, wobei der Separator nach Anspruch 5 oder 6 zwischen zwei benachbarten Zellen zur Elektrizitätserzeugung ausgebildet ist und der Separator nach Anspruch 1 oder 2 auf den äußersten Teilen beider Seiten in Stapelrichtung der Zelle zur Elektrizitätserzeugung ausgebildet ist.
Leiterplatte mit einem Separator für eine Brennstoffzelle, wobei eine Schaltung und der Separator nach einem der Ansprüche 1–8 auf einer einzigen Isolierschicht ausgebildet sind und die Schaltung und der Separator elektrisch verbunden sind.
Leiterplatte mit eingebauter Brennstoffzelle, wobei die Brennstoffzelle aus dem Separator nach Anspruch 13 besteht.