JP2009117350A - 電気化学セルの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】少なくとも部分的に触媒層の下にある集電体を有する電気化学セルの製造方法を提供する。
【解決手段】少なくとも１つの電解質開口部を有するように集電体１０２をパターニングし、少なくとも１つの開口部の中に、又は開口部を通じて電解質１０６を配置し、及び配置された電解質上に少なくとも部分的に触媒を配置する。当該方法は、基板１０８をパターニングすること、及びパターニングされた集電体を各面に取り付ける。集電体のパターニングは、連続シートを含み、連続シートは第１及び第２の分離可能な集電体を配置することができる。１つの例では、非多孔質材料を含浸させた材料を積層した連続炭素繊維シートがパターニングされる。別の例では、１つ以上の導電性粒子を含浸させた連続プラスチック材料シートがパターニングされる。集電体のパターンは、押出し成形されたスロット又は隣接して配置可能なストリップを配置することができる。
【選択図】図１Ａ

Description

［発明の優先権］
本非仮特許出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）の下で、２００７年１０月１日に出願された米国仮特許出願第６０／９７６，７８９号に対する優先権の利益を主張し、当該仮特許出願は参照により本明細書に援用される。

電気化学セルは、空間的に分離された２つの電極（陽極及び陰極）において、燃料及び酸化剤を電気、熱及び水に変換する。電気化学セルにおけるエネルギー変換過程は、その効率が相対的に高いことによって、他のエネルギー変換過程と区別される。このことから、電気化学セルは、輸送機器、自動車、固定機器、携帯機器及び超小型機器の用途において益々重要になっている。

電気化学セルの動作中に、燃料が陽極において触媒層と反応し、陽子及び電子を形成する。陽子は、イオノマー交換膜を通って陰極まで移動し、一方、電子は、陰極に達する前に負荷内で外部仕事を行う。陰極では、酸素含有反応物（酸化剤）の供給物が、陽子及び電子と化合し、反応生成物として水を形成する。

多くの電気化学セルは、通常、ある形態のイオノマー交換膜、ある形態の陽極電気化学反応層、ある形態の陰極電気化学反応層、ある形態の多孔質の伝導性反応物拡散媒質、及びある形態の反応物分散システムを含む、数多くの構成要素の組み合わせである。多構成要素システムがもともと複雑であることに起因して、これらの複雑なシステムは、多大なコスト及び製造に関する問題を引き起こす。例えば、電気化学セルを設計する際の１つの問題は、反応物がセルに入ることができ、且つ反応生成物がセルから出ることができるようにしながら、電流がセルに出入りすることができるようにする集電体を設けることである。

本発明者等は、特に、反応物が電気化学反応部位に達するのを改善する電気化学セルを製造する方法が必要とされていることを認識している。さらに、本発明者等は、そのような方法が、少なくともいくつかの例では、大量生産技法に適していなければならないことを認識している。大量生産技法に適していると、生産性及び速度を高めることによって製造効率を向上させ、それにより、製造コストを削減することができる。

この目的のために、少なくとも部分的に電気化学反応層（本明細書において、「触媒層」と称される）の下にある集電体を有する電気化学セルの製造方法が検討される。１つの方法例は、少なくとも１つの電解質開口部を有するように集電体をパターニングすること、その少なくとも１つの開口部の中に、又はその開口部を通じて電解質を配置すること、及び、配置された電解質上に少なくとも部分的に触媒を配置することを含む。任意に、その方法は、基板をパターニングすること、及びパターニングされた集電体を基板の各面に取り付けることを含む。集電体のパターニングは、第１の分離可能な集電体及び第２の分離可能な集電体を少なくとも含む連続シートをパターニングすることを含むことができる。１つのそのような例では、非多孔質材料を含浸させたか、又はそのような材料を積層した連続炭素繊維シートがパターニングされる。別のそのような例では、１つ以上の導電性粒子を含浸させた連続プラスチック材料シートがパターニングされる。集電体のパターンは、ロール・ツー・ロール工程又は押出し成形工程のような大量生産工程を用いて形成することができる。いくつかの例では、集電体パターンは、押出し成形されたスロット又はストリップを含む。パターニングされる際、集電体、及び任意に基板に、フレームを成形又は積層することができる。

本発明の実施の形態は、電気化学セルの製造方法に関する。当該方法は、集電体の表面に少なくとも１つの電解質開口部を形成することを含む、集電体をパターニングすること、その少なくとも１つの電解質開口部の中に電解質を配置すること、及び配置された電解質上の少なくとも一部上に触媒を配置することを含む。

また、実施の形態は、基板内に少なくとも１つの電解質開口部を形成することを含む、基板をパターニングする工程と、少なくとも１つの集電体をパターニングする工程と、集電体パターン内の開口部と基板内の少なくとも１つの電解質開口部とを位置合わせすることを含む、少なくとも１つの集電体を基板の各面に取り付ける工程と、少なくとも１つの電解質開口部内に電解質を配置する工程と、電解質の少なくとも一部上に触媒を配置する工程とを含む、電気化学セルの製造方法に関する。

本方法は、反応物の電気化学反応部位への到達が改善された電気化学セルを提供する。少なくともいくつかの例において、本方法は大量生産技法に適しており、それにより、生産性を上げ、製造コストを削減することができる可能性がある。本製造方法のこれらの、及び他の例、利点及び特徴は、一部が、以下に記載される「詳細な説明」において述べられる。この概説は、本特許明細書の主題の概説を提供することを意図している。この概説は、本発明の排他的又は包括的な説明を提供することは意図していない。詳細な説明及び関連する図面は、本特許明細書についてのさらに多くの情報を提供するために含まれる。

図面において、同様の番号は、いくつかの図を通じて同様の構成要素を示す。異なる文字を有する同様の符号は、同様の構成要素の異なる例を表す。図面は、本明細書において説明される種々の実施形態を大まかに例示するものであり、限定するものではない。

以下の詳細な説明は、詳細な説明の一部を構成する添付の図面への参照を含む。図面は、本発明を実施することができる具体的な実施形態を例示する。これらの実施形態は、本明細書において「実施例」と称されることもあり、当業者が本発明を実施することができるようにする程度に十分に詳しく記述される。本発明の範囲から逸脱することなく、それらの実施形態を組み合わせることができるか、他の実施形態を利用することができるか、又は構造的及び論理的な変更を加えることができる。それゆえ、以下の詳細な説明は、限定する意味に解釈されるべきではなく、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲及びその均等物によって画定される。

本明細書において、用語「１つの」は、１つ又は２つ以上のものを含むために用いられ、用語「又は」は、別段の指示がない限り、排他的でない「又は」を指すために用いられる。さらに、本明細書において用いられる言い回し及び専門用語は、別に定義されなければ、説明することだけを目的としており、限定するものではない。さらに、本明細書において参照される全ての刊行物、特許及び特許明細書は、参照により個別に援用されるかのように、参照により本明細書にその全体が援用される。本明細書と、参照により援用されるそれらの文書との間に一致しない使用法がある場合には、援用される参考文献内の使用法は、本明細書の使用法を補足するものと見なされるべきである。相容れない不一致がある場合、本明細書の使用法が優先する。

（定義）
本明細書において用いられる場合、「電気化学セル」は、化学エネルギーを電気エネルギーに変換するか、又は電気エネルギーを化学エネルギーに変換するデバイスを指している。電気化学セルの例としては、ガルバニ電池、電解質電池、電解槽、燃料電池、蓄電池、及び亜鉛空気燃料電池又は蓄電池のような金属空気電池が挙げられる。限定はしないが、陽子交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）、溶融炭酸塩燃料電池（ＭＣＦＣ）、アルカリ燃料電池、他の適切な燃料電池及びこれらの材料等の、燃料電池及び適切な材料を含む任意の適切なタイプの電気化学セルを、本発明に従って用いることができる。燃料電池のさらなる例としては、陽子交換膜燃料電池、直接メタノール燃料電池、アルカリ燃料電池、リン酸燃料電池、溶融炭酸塩燃料電池又は固体酸化物燃料電池が挙げられる。

本明細書において用いられる場合、「流体」は、その分子が互いの間を自由に動き、その容器の形状に合わせる傾向を有する連続した無定形の物質を指している。流体は、気体、液化ガス、液体又は圧力下にある液体であってよい。流体の例としては、流体反応物、燃料、酸化剤、及び熱伝達流体が挙げられる。燃料電池において用いられる流体燃料としては、水素ガス又は液体、及び任意の適切な流体の形をとる水素担体が挙げられる。流体の例としては、空気、酸素、水、水素、メタノール及びエタノール等のアルコール、アミン及びヒドラジン等のアンモニア及びアンモニア誘導体、ジシラン、トリシラン、ジシラブタン等のシラン、水素化ホウ素アルミニウム等の複合水素化金属化合物、ジボラン等のボラン、シクロヘキサン等の炭化水素、ドデカヒドロ−ｎ−エチルカルバゾール等のカルバゾール、及び他の飽和環状、多環式炭化水素、シクロトリボラザン等の飽和アミノボラザン、ブタン、水素化ホウ素ナトリウム及び水素化ホウ素カリウム等の水素化ホウ素化合物、並びにギ酸が挙げられる。

本明細書において用いられる場合、「フレキシブル電気化学層」（又はその変形）は、例えば、１つ以上の硬質の構成要素と１つ以上の可撓性の構成要素とを一体に構成している電気化学層を含むように、全体として又は部分的に可撓性である電気化学層を含むことを指している。「フレキシブル燃料電池層」は、その層内に１つ以上の燃料電池が組み込まれている層を指している。

本明細書において用いられる場合、「フレキシブル２次元（２Ｄ）燃料電池アレイ」は、１つの次元において薄く、且つ多数の燃料電池を支持するフレキシブルシートを指している。フレキシブル２次元燃料電池アレイは、フレキシブル燃料電池層の一例であることができる。燃料電池は、シートの一方の面から近づくことができる１つのタイプのアクティブエリア（例えば、陰極）と、シートの反対側の面から近づくことができる別のタイプのアクティブエリア（例えば、陽極）とを有する。それらのアクティブエリアは、シートのそれぞれの面上のエリア内に位置するように配置することができる（例えば、シート全体がアクティブエリアで覆われる必要はないが、アクティブエリアを大きくすることによって、燃料電池の性能を高めることができる）。

本明細書において用いられる場合、「誘電体材料」又は「イオン伝導性材料」は、無視することができる導電率を示す物質を指している。誘電体材料は、例えば、基板として用いられることがある。誘電体材料は、イオン伝導性材料、非イオン伝導性材料及びそれらの組み合わせを含むものと理解することができる。イオン伝導性材料の例としては、イオン交換ポリマー、アルカリ性溶液、リン酸、アルカリカーボネート、及び酸化物イオン伝導性セラミックのような、その用途に適した任意のイオノマー又は電解質が挙げられる。非イオン伝導性材料の例としては、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリアミド、フルオロポリマー及び他のポリマーフィルム等のポリマーが挙げられる。ポリイミドの一例としては、カプトン（商標）膜が挙げられる。フルオロポリマーの一例としては、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）又はテフロン（登録商標）膜が挙げられる。他のフルオロポリマーとしては、ＰＦＳＡ（パーフルオロスルホン酸）、ＦＥＰ（フッ素化エチレンプロピレン）、ＰＥＥＫ（ポリエチレンエーテルケトン）及びＰＦＡ（パーフルオロアルコキシエチレン）が挙げられる。また、誘電体材料としては、ガラス繊維等の強化複合材料、シリコン又はガラス等の任意の適切な非ポリマー材料、及びそれらの組み合わせが挙げられる。誘電体材料としては、例えば、電解質が挙げられる。電解質は、固体電解質膜として用いることができる。

本明細書において用いられる場合、「触媒」又は「電気化学反応層」は、それ自体が変更又は消費されることなく、反応を開始するのを助けるか、反応の速度を高める材料又は物質（又は材料若しくは物質の層）を指している。触媒層は、目先の用途に適した任意のタイプの電気触媒を含むことができる。触媒又は触媒層としては、純白金、炭素担持白金、白金ブラック、白金−ルテニウム、パラジウム、銅、酸化スズ、ニッケル、金、カーボンブラックの混合物、及び１つ以上の結合剤が挙げられる。結合剤としては、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリアミド、フルオロポリマー及び他のポリマーフィルムが挙げられる。ポリイミドの一例としては、カプトン（商標）膜が挙げられる。フルオロポリマーの一例は、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）又はテフロン（登録商標）膜である。他のフルオロポリマーとしては、ＰＦＳＡ（パーフルオロスルホン酸）、ＦＥＰ（フッ素化エチレンプロピレン）、ＰＥＥＫ（ポリエチレンエーテルケトン）及びＰＦＡ（パーフルオロアルコキシエチレン）が挙げられる。結合剤としては、ＰＶＤＦ（ポリ二フッ化ビニリデン）粉末（例えば、カイナー（Ｋｙｎｅｒ）（商標））及び二酸化ケイ素粉末が挙げられる。また、結合剤としては、ポリマーの任意の組み合わせも挙げられる。カーボンブラックとしては、アセチレンブラックカーボン、炭素粒子、炭素フレーク、炭素繊維、炭素針、カーボンナノチューブ及びカーボンナノ微粒子のうちの１つ以上のような、任意の適切な微粉炭素材料が挙げられる。

本明細書において用いられる場合、「連続」は、巻いてロールにすることができるか、又は他の大量生産の形をとる連続したシートを製造する、リール・ツー・リール工程のような工程を記述する方法を指している。その後、このロールの複数の部分を、電気化学セルにおいて用いるための所望のサイズ及び形状に分離することができる。ロール・ツー・ロール処理を容易にするために、シートは可撓性であり、且つ破損に耐える構造を有することが望ましいことがある。

本明細書において用いられる場合、用語「均一にする」、「均一にされる」又は「均一にすること」は、１つの次元を乾燥させること、又は１つの次元のバランスをとることを指している。例えば、配置される電解質の少なくとも１つの次元が均一にされることがある。

本明細書において用いられる場合、用語「配置する」、「配置される」又は「配置すること」は、ある構成要素を特定の場所又は適切な場所に置くことを指しており、いかなる方向性も、要求される動作も暗示しない。

図１Ａ〜図１Ｃ及び図２Ａ〜図２Ｄは、少なくとも部分的に触媒層１０４、２０４の下にある集電体１０２、２０２を含む電気化学セル１００、２００を示す。下にある集電体を含む電気化学セルのさらに別の例が、McLean他著「ELECTROCHEMICAL CELLS HAVING CURRENT-CARRYING STRUCTURE UNDERLYING ELECTROCHEMICAL REACTION LAYERS」と題する、共同所有の米国特許出願第１１／０４７，５６０号で議論されている。本発明による電気化学セルは、フレキシブル電気化学層、フレキシブル燃料電池層にすることができるか、又はフレキシブル２次元燃料電池アレイを形成することができる。集電体１０２、２０２を下に配置することによって、反応物が触媒層１０４、２０４に近づきやすくなり、触媒層の外側表面上に集電体（複数可）が配置されるセルよりも、電気化学セルのサイズを薄く構成することができるようになることがある。各セルは、その各面上に触媒層１０４、２０４を有するイオン交換領域を含む。イオン交換領域は電解質１０６、２０６を含む。ある特定の例によれば、シート内に形成され、直列又は並列に接続される複数の個別の単位セルを含む電気化学セル層を構成することができるようになる。

図１Ａを参照すると、電気化学セル１００の平面図が示される。この例では、基板１０８が、第１及び第２の集電体１０２Ａ、１０２Ｂ（図１Ｃ）と、電解質１０６と、触媒層１０４とを支持する。基板１０８に適した材料の例としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリアミド、又はＥ．Ｉ．ＤｕＰｏｎｔによってマイラ（登録商標）の商標名で市販されているようなポリエステルが挙げられる。また、基板１０８としては、パーフルオロ前駆体樹脂（例えば、Ｅ．Ｉ．ＤｕＰｏｎｔによってナフィオン（登録商標）の商標名で市販されている樹脂）又はイオノマー材料のような、イオノマー樹脂を挙げることもできる。イオノマー樹脂は、例えば、パターニングされることがある。基板１０８がイオノマー樹脂を含む例では、その材料は、加水分解過程を介して、少なくとも一部においてイオン伝導性になるように処理することができる。例えば、イオノマー樹脂の少なくとも一部が、イオン伝導電解質の形に変換されることがあり、その変換過程は、基板１０８の少なくとも一部を加水分解過程で処理することを含む。

図１Ａは、集電体１０２が隣接して配置される１つ以上のストリップ部材のパターンを含むことができることを示す。隣接したストリップ部材間には空間があり、その空間は基板内の電解質開口部と位置合わせされる。このようにして、触媒層１０４の複数の部分を、電解質開口部内の電解質１０６上に配置することができる。集電体１０２Ａ、１０２Ｂに用いるのに適している材料としては、限定はしないが、グラファイト、炭素、炭素繊維、限定はしないがポリアニリンのような導電性プラスチック、又は限定はしないが、例えば、銅、ニッケル、銀若しくは金のような金属が挙げられる。集電体材料として、任意の適切な導電性部材であることができる。利用される材料は、貴金属であるか、又はＩＮＥＯＳ Ｃｈｌｏｒ（商標）Americas Inc.（Wilmington, DE）から市販されているＰＥＭＣｏａｔ（商標）のような、耐食性の層でコーティングされた金属である金属から製造されることがあるか、又は導電性の非金属から製造されることもある。集電体は、金属、金属発泡体、炭質材料、グラファイト複合材料、導電性エポキシ、炭素、グラファイト、炭素繊維、カーボンナノチューブ、導電性セラミック、導電性ポリマー又はそれらの組み合わせから製造されることがある。集電体１０２Ａ、１０２Ｂの一部をマスクすること、スキージで除去すること(squeegeeing)、掻き取ること、サンディングすること、研磨すること、機械加工すること、又はエッチングすることのうちの少なくとも１つによって、電解質１０６が、集電体の一部を覆わないようにすることができる。

図１Ｂは、図１Ａの線１Ｂ−１Ｂに沿って見たような、電気化学セル１００の断面図である。図１Ｃは、電気化学セルの断面の一部の拡大図であり、基板１０８のそれぞれの面に取り付けられる第１及び第２の集電体１０２Ａ、１０２Ｂを示す。

図２Ａを参照すると、電気化学セル２００の平面図が示される。この例では、集電体２０２が、電解質２０６、触媒層２０４、及び任意に剥離層２１０（図２Ｃ）を支持する。集電体２０２は、例えば、１つ以上のスロットから成るパターンを含むことができる。１つ以上のスロットは、電解質２０６を配置することができる電解質開口部を形成する（集電体２０２の厚みに対する電解質２０６の厚みは、設計によって、及び／又は電解質を開口部及び／又はスロット内に配置するために用いられる方法の結果として変更されることがあることに留意されたい）。配置された電解質が硬化するまで一時的に所定の位置に保持するために、スロットの周囲に、剥離層２１０を取り付けることができる。集電体２０２に用いるのに適している材料としては、限定はしないが、グラファイト、炭素、炭素繊維、限定はしないがポリアニリンのような導電性プラスチック、又は限定はしないが、銅、ニッケル、銀若しくは金のような金属が挙げられる。触媒層２０４は、電解質２０６上に配置され、また、触媒層２０４としては、限定はしないが、白金、白金ブラック、炭素担持白金、白金−ルテニウム、パラジウム、ニッケル、金及びそれらの組み合わせ等の触媒活性材料が挙げられる。

図２Ｂは、図２Ａの線２Ｂ−２Ｂに沿って見たような、電気化学セル２００の断面図である。図２Ｃは、電気化学セルの断面の一部の拡大図であり、集電体２０２のスロットパターン例を示す。

図２Ｄは、導電性バイア２０７を含む代替的な電気化学セル実施形態２００の拡大断面図である。図２Ｄには、直列に配列される３つの微小燃料電池２０１が示される。集電体２０２は再び、電解質２０６が配置される適切な開口部及び／又はスロットを含む。個々の燃料電池２０１を作り出すために、シートの両面に陽極触媒２０４ａ及び陰極触媒２０４ｂが堆積される。この実施形態では、支持体として、絶縁性基板２０３が用いられている。電解質２０６のために適した開口部及び／又はスロットと共に、基板２０３は、導電性バイア２０７のための開口部も有し、導電性バイア２０７は、集電体２０２の陽極側と陰極側とを接続するための役割を果たす。導電性バイアを有する集電体を含むこの実施形態は、「FLEXIBLE CIRCUIT」と題する、共同所有の米国特許出願第２００８／０１４９３７１号に記述されている方法に従って製造することができ、当該特許出願の開示は参照により、その全体が本明細書に援用される。

図３は、電気化学セル又はセルアレイ（例えば、図２Ｄに示されるアレイ等）を製造する方法例３００を示す。３０２では、その表面内に少なくとも１つの電解質開口部を形成することによって、集電体をパターニングすることができる。集電体の少なくとも１つの開口部は、電解質を支持することができるか、又は基板の電解質開口部内に配置される電解質に近づくことができるようにし、基板は、３０４においてパターニングすることができる。集電体をパターニングすることは、ロールの形で保管される連続シートのような、連続集電体シートをパターニングすることを含むことができる。連続集電体シートは、少なくとも第１及び第２の集電体を含む。一例では、連続集電体シートは、非多孔質材料を含浸させたか又はそのような材料を積層した炭素繊維シートを含む。別の例では、連続集電体シートは、１つ以上の導電性粒子を含浸させたプラスチック材料シートを含む。そのような例のいずれにおいても、連続集電体シートは、モールディング、押出し成形又はロール・ツー・ロール工程のような大量生産工程を用いて形成することができる。種々の例において、集電体シートをパターニングすることは、グラファイト、炭素、金属、導電性プラスチック又は他の導電性、耐食性材料をパターニングすることを含む。一例では、集電体シートをパターニングすることは、約１２５ミクロン（μｍ）の厚みを有する、膨張グラファイトのロールをパターニングすることを含む。

集電体をパターニングするために、数多くの異なる製造工程を用いることができる。例えば、モールディング、押出し成形又はスタンピング(stamping)のような大量生産技法を用いて、そのパターンを形成することができる。押出し成形及びスタンピングのほかに、レーザパターニング法、ウォータージェットパターニング法、研削材噴射パターニング法、化学エッチング法、機械加工法（すなわち、鋸引き、研削等）、又は打抜き法を用いることができる。一例として、集電体パターンを形成することは、隣接して配置することができる１つ以上のストリップ部材を形成することを含む。別の例では、集電体パターンを形成することは、１つ以上のスロット領域を形成することを含み、各領域は、配置される電解質を支持するように構成される。ストリップ部材及びスロット領域のようなパターンは、ルーメン(lumens)のウェッビング(webbing)のような、さらに複雑な構造よりも公差を小さくすることができ、精度が低くても差し支えない。結果として、集電体のパターニングは、より迅速に行うことができる。

３０４では、任意に、その表面に、所望の電解質開口部及び導電性バイアのための開口部を形成することによって、基板がパターニングされる。存在する場合には、基板の電解質開口部を用いて、配置される電解質を支持することができる。基板のための材料選択肢としては、限定はしないが、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリイミド又はそれらの組み合わせを含む。一例では、基板をパターニングすることは、約２５ミクロン（μｍ）の厚みを有するポリエステルのロールをパターニングすることを含む。

基板をパターニングするために、数多くの異なる製造工程を用いることができる。例えば、モールディング又はスタンピングのような大量生産技法を用いて、そのパターンを形成することができる。モールディング及びスタンピングのほかに、レーザパターニング法、ウォータージェットパターニング法、研削材噴射パターニング法、化学エッチング法、機械加工法、又は打抜き法を用いることができる。

３０５では、基板が完全に洗浄される。洗浄は、限定はしないが、石鹸、水、酸、塩基又はアルコールのような、機械工程又は化学工程を用いて達成することができる。

３０６では、パターニングされた集電体が、パターニングされた基板と位置合わせされ、基板の各面に取り付けられる。集電体と基板との間の位置合わせは、個々の電解質と導電性バイア開口部との間の位置合わせを含むことができる。３０８では、結合工程又は積層工程（例えば、軸積層、静水圧積層、又は接着結合）のうちの少なくとも１つを用いて、パターニングされた集電体が、パターニングされた基板の各面に固定される。積層工程及び結合工程は、熱及び圧力のうちの少なくとも一方をかけながら行うことができる。積層工程又は結合工程のために熱及び圧力の両方を使用する例では、そのような作用は、同時に、又は連続して行うことができる。いくつかの例では、積層工程又は結合工程中にかけられる熱は、基板の軟化温度又はガラス転移温度（Ｔ_g）に概ね等しい。一例では、軸プレスが約１４０℃に予熱され、集電体及び基板のサンドイッチアセンブリが、約３０００ｐｓｉにおいて約６分間、プレスされる。また、バイア２０７において接続が行なわれるように（すなわち、上記の米国特許出願第２００８／０１４９３７１において記述されているように）、熱及び圧力によって、各面にある集電体が押圧される。

３１０では、余分なグラファイト部分のような、範囲外の集電体部分を切除して、個々の電気化学セル間の短絡を防ぐことができる。任意に、３１２では、集電体のパターンを再現するパターンを有するポリエステル（例えば、マイラ（登録商標））又は他の適切な材料の層が、その外側表面に取り付けられる。例えば、このポリエステルの層は、集電体（複数可）の部分への電解質マスクを提供する。

３１４では、集電体又は基板の少なくとも１つの電解質開口部内に電解質が配置される。電解質開口部を満たすために、集電体又は集電体／基板アセンブリを、少なくとも１つの成分としてイオノマー分散系を含む槽内に入れることができる。特に、イオノマー分散系は、パーフルオロスルホン酸、スチレンとジビニルベンゼンとのコポリマー、又はポリアリーレンスルホン酸のうちの少なくとも１つを含むことができる。例えば、イオノマー分散系槽は、商標名ナフィオン（登録商標）で市販されているような、２０％パーフルオロスルホン酸分散系を含むことができ、完全に染み込むまで、集電体又は集電体／基板アセンブリをその中に入れておくことができる。異なることもあるが、一例では、約４時間〜約８時間かけて、集電体又は集電体／基板アセンブリに完全に染み込ませる。別の例では、イオノマー樹脂を射出成形することによって、電解質が電解質開口部内に配置される。電解質を開口部内に配置するための他の実現可能な方法としては、浸漬鋳込、スロットダイキャスティング、薄膜流延(thin film casting)、注射器注入、インクジェット印刷、又はスクリーン印刷が挙げられる。

３１６では、集電体又は集電体／基板アセンブリが、電解液槽又は他の電解質配置技法から取り出される。いくつかの例では、３１８において、取り出されたとき、集電体又はアセンブリはスキージ除去されるか、又は他の方法で洗浄される（任意に、この洗浄工程は、工程Ｓ３２１においてマスキング層を除去した後に行われることがある）。この洗浄は、電解質が集電体（複数可）の複数の部分を覆うのを防ぐ。いくつかの例では、３２０において、空気のような、加熱された流体の流れに電解質をさらすことによって、配置された電解質の少なくとも１つの次元が均一にされる。任意に、３２０において、均一にされた後に、熱を用いて、少なくとも１つの電解質開口部内に配置される電解質を乾燥させることができる。電解質を支持する集電体又は集電体／基板アセンブリは、約３０℃〜約１２０℃に設定された加熱オーブンの中に、約５〜６０分間入れられる。任意に、３２１において、３１２において適用されるマスキング層を除去し、それにより、集電体（複数可）上の望ましくない電解質を同時に除去することができる。選択肢によっては、均一にした後に、又は乾燥させた後に、３２２において、電解質を支持する集電体又は集電体／基板アセンブリを約１２０℃〜約１４０℃に設定された加熱オーブンの中に、約１０〜６０分間入れることによって、少なくとも１つの電解質開口部内に配置される電解質を硬化させることができる。硬化温度及び時間は、用いられる電解質材料に応じて異なることがある。いくつかの例では、電解質が硬化することができるようにするために必要とされる熱及び加熱時間は、用いられるイオノマーによる。電解質を硬化させた後に、集電体（複数可）上に残される任意の電解質を、掻取り工程、サンディング工程、研磨工程、加工工程又はエッチング工程によって除去することができる。

一例では、３２４において、アセンブリの第１の面が、触媒パターンの輪郭を描くステンシルに押し付けられる。いくつかの例では、触媒パターンは、配置される電解質の全てを覆い、集電体（複数可）に少なくとも部分的に重なる。一例では、アセンブリの第１の面は、約１．５ｐｓｉ〜約３．０ｐｓｉを用いて約７５ミクロン（μｍ）の厚みを有するステンレス鋼ステンシルに押し付けられる。ステンシルが集電体の面に対して固定されると、３２６において、触媒活性材料が電解質上に配置される。触媒を電解質上に配置することは、電解質の少なくとも一部と接触し、且つ集電体の少なくとも一部と接触するように触媒を配置することを含む。触媒と、電解質又は集電体との間の接触は、その間に接続を実現することができる。一例では、触媒と電解質との間の接触は、その間にイオン接続を実現する。別の例では、触媒と集電体との間の接触は、その間に電気的接続を実現する。第１の電気化学セル面への触媒の堆積が完了すると、セルを反転させることができ、第２のセル面に対して工程３２４及び３２６が繰り返される。いくつかの例では、セルの両方の面に同時に触媒を配置することができるか、又は、セルの向きの変更を必要とすることなく、順次に配置することができる。

数多くの異なる製造工程を用いて触媒を堆積することができる。例えば、噴霧、スクリーン印刷、インクジェット印刷又はデカル転写のような大量生産技法を用いて、触媒層を形成することができる。１つのそのような例では、スプレーガンを用いて、触媒インクが電解質上に直接噴霧され、３２４において適用されるステンシルを用いて、触媒が少なくとも部分的に集電体（複数可）に重なるのを確実にする。触媒インクは、例えば、白金ブラック１重量部と、１０％水性パーフルオロスルホン酸分散系２重量部と、水１重量部の混合物から調製することができる。このインクは、使用前に、少なくとも２４時間、ボール混合（ball mix）することができる。触媒作用の後に、３２８において、電気化学セルを軸プレス内に置いて、約１分間、約２５ｐｓｉ〜約５０ｐｓｉでプレスして、触媒層をセルに結合することができる。

最後に、３３０及び３３２では、少なくとも第１及び第２の電気化学セルが、電気化学セルの連続シートから分離され、フレームを与えられる。工程３３０及び３３２は、３１４において電解質を配置する前等の製造工程の初期の段階で行われてもよいが、いくつかの例では、製造効率が良いことから、３３０まで連続シートで電気化学セルが製造されることがある。一例では、３３２において、分離された第１及び第２の電気化学セルの周囲に熱可塑性フレームが射出成形される。別の例では、３３２において、第１及び第２の電気化学セルの周囲にフレームが積層される。

電気化学セルは、信頼性があり、効率的であり、便利な電力源であることがわかっている。しかしながら、現在の電気化学セルは、１つには製造方法に時間を要することに起因して、供給される単位電力当たりのコストに関して非常に高価であることがわかっている。結果として、電気化学セルの実用性は制限されていた。上記の製造性の関する問題は、少なくとも１つの電解質開口部を有するように集電体をパターニングすること、少なくとも１つの開口部内に、又はその開口部を通じて電解質を配置すること、及び配置された電解質上に少なくとも部分的に触媒を配置することを含む、本主題によって軽減することができるものと考えられる。特に、本方法の１つ以上の工程は、大量生産に適しており、結果として、生産速度を高めることができ、製造コストを削減することができる可能性がある。

少なくとも１つの実施形態に従って構成されるような、電気化学セルの平面図である。 図１Ａの線１Ｂ−１Ｂに沿って見たような、電気化学セルの断面図である。 図１Ｂの部分１Ｃのような、電気化学セルの一部の拡大断面図である。 少なくとも１つの実施形態に従って構成されるような、電気化学セルの平面図である。 図２Ａの線２Ｂ−２Ｂに沿って見たような、電気化学セルの断面図である。 図２Ｂの部分２Ｃのような、電気化学セルの一部の拡大断面図である。 導電性バイアを含む代替的な電気化学セル実施形態の拡大断面図である。 少なくとも１つの実施形態に従って構成されるような、電気化学セルの製造方法例を示す図である。

Claims (23)

1. 集電体の表面に少なくとも１つの電解質開口部を形成することを含む、集電体をパターニングすること、
   前記少なくとも１つの電解質開口部の中に電解質を配置すること、及び
   前記配置された電解質の少なくとも一部上に触媒を配置すること
   を含む電気化学セルの製造方法。
2. 前記開口部の一面に剥離層を適用することによって電解質チャネルを形成する請求項１に記載の方法。
3. 前記集電体をパターニングすることが、集電体の連続シートをパターニングすることを含み、前記連続シートが、少なくとも第１の集電体及び第２の集電体を含む請求項１に記載の方法。
4. 前記連続集電体シートをパターニングすることが、非多孔質材料を含浸させたか又は非多孔質材料を積層した炭素繊維シートをパターニングすることを含む請求項３に記載の方法。
5. 前記集電体をパターニングすることが、その中に組み込まれた前記少なくとも１つの電解質開口部を有するプラスチック又は導電性材料の少なくとも１つを押出し成形することを含む請求項１に記載の方法。
6. 前記集電体をパターニングすることが、グラファイト系材料、炭素系材料又は金属系材料をパターニングすることを含む請求項１に記載の方法。
7. 前記少なくとも１つの電解質開口部の中に電解質を配置することが、浸漬鋳込法、スロットダイキャスティング法、薄膜流延法、注射器注入法、インクジェット印刷法、又はスクリーン印刷法の少なくとも１つを含む請求項１に記載の方法。
8. 前記電解質の少なくとも一部上に触媒を配置することが、前記集電体の少なくとも一部上に前記触媒を重ねるか、又は前記集電体の少なくとも一部と前記触媒とを接触させ、それらの間に接続を実現させる請求項１に記載の方法。
9. 前記集電体の少なくとも一部と前記触媒とを接触させることが、電気的接続を実現させる請求項８に記載の方法。
10. 前記電解質の少なくとも一部上に触媒を配置することが、噴霧法、スクリーン印刷法、インクジェット印刷法、又はデカル転写法の少なくとも１つを含む請求項１に記載の方法。
11. 前記集電体をパターニングすることが、隣接して配置することができる１つ以上のストリップ部材を形成することを含む請求項１に記載の方法。
12. 基板内に少なくとも１つの電解質開口部を形成することを含む、基板をパターニングすること、
    少なくとも１つの集電体をパターニングすること、
    前記集電体パターン内の開口部と前記基板内の少なくとも１つの電解質開口部とを位置合わせすることを含む、前記少なくとも１つの集電体を前記基板の各面に取り付けること、
    前記少なくとも１つの電解質開口部内に電解質を配置すること、及び
    前記電解質の少なくとも一部上に触媒を配置すること
    を含む電気化学セルの製造方法。
13. 結合工程又は積層工程の少なくとも１つを用いて、前記集電体を前記基板に固定することを含む請求項１２に記載の方法。
14. 前記集電体の一部をマスクすること、スキージで除去すること、掻き取ること、サンディングすること、研磨すること、機械加工すること、又はエッチングすることの少なくとも１つを含む、前記電解質が前記集電体の一部を覆うことを防止することを含む請求項１２に記載の方法。
15. 加熱された流体の流れに前記電解質をさらすことを含む、前記配置された電解質の少なくとも１つの次元を均一にすることを含む請求項１２に記載の方法。
16. 前記集電体をパターニングすることが、連続集電体シートをパターニングすることを含み、前記連続シートが、少なくとも第１の集電体及び第２の集電体を含む請求項１２に記載の方法。
17. 前記連続集電体シートをパターニングすることが、非多孔質材料を含浸させたか又は非多孔質材料を積層した炭素繊維シートをパターニングすることを含む請求項１６に記載の方法。
18. 前記集電体をパターニングすることが、グラファイト系材料、炭素系材料又は金属系材料をパターニングすることを含む請求項１２に記載の方法。
19. 前記基板をパターニングすることが、レーザパターニング法、ウォータージェットパターニング法、研削材噴射パターニング法、化学エッチング法、機械加工法、又は打抜き法の少なくとも１つを用いることを含む請求項１２に記載の方法。
20. 前記基板をパターニングすることが、ポリエチレン材料、ポリプロピレン材料、ポリエステル材料、ポリカーボネート材料、ポリアミド材料、又はポリイミド材料の少なくとも１つをパターニングすることを含む請求項１２に記載の方法。
21. 前記少なくとも１つの電解質開口部内に前記電解質を配置することが、少なくとも１つの成分としてイオノマー分散系を含む槽内に前記基板及び集電体を入れることを含む請求項１２に記載の方法。
22. 前記少なくとも１つの電解質開口部内に前記電解質を配置することが、浸漬鋳込法、スロットダイキャスティング法、薄膜流延法、注射器注入法、インクジェット印刷法、又はスクリーン印刷法の少なくとも１つを含む請求項１２に記載の方法。
23. 前記電解質の少なくとも一部上に前記触媒を配置することが、前記集電体の一部上に前記触媒を重ねるか、前記電解質の少なくとも一部と前記触媒とを接触させて触媒と電解質との接続を実現するか、又は前記電解質の少なくとも一部と前記触媒とを接触させて触媒と集電体との接続を実現する請求項１２に記載の方法。

Images