JP4750018B2 - 平面的な燃料電池及び該燃料電池の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、平面的な燃料電池及び該燃料電池の製造方法に関する。
本発明の属する技術分野は、例えば固体高分子電解質を備えている数百ミリワット〜数百キロワットの電気的な出力を発生する平面的な燃料電池であって、例えば発電装置またはボイラーのような定置式の用途、例えば陸上、海上または空輸のための移動手段、及び、例えば携帯電話やコンピュータのような携帯用または可搬式の用途に用いられるものに関する。

現在、大部分の燃料電池は、電解質の各側に配置された２つの電極から成るサンドイッチ構造に基づいて構成されている。 これらの電極は一般に、拡散層上に活性層（触媒層）を堆積して成るものである。 異なる試薬、すなわち燃料と酸化剤が、双方の電極の各外表面に到達される。 後者は電解質成分を介して化学反応を生じ、双方の電極の端子で電圧を取り出すことを可能とする。

燃料が水素で、酸化剤が酸素であるならば、水素の酸化はアノード側で起こり、酸素の水への還元はカソード側で起こる。

従って各々の電極は電解反応の中核であって、水素の水素原子への酸化 がアノード側で生じ、酸素の水への還元がカソード側で生じるとき、結果として生じる電圧、すなわちこれら双方の反応の間の電位差は通常、（電流が流れない状態で）約１Ｖである。 （例えばリチウムと炭素の組み合わせで）一次電圧が４Ｖにまで上昇され得る標準的な電池と比較して、この低電圧が、かかるセルの大きな障害となっている。 この問題を是正するために通常、フィルタプレスと呼ばれる技術によって、そのようなセルを多数積層することが行われている。 しかしこのフィルタプレス技術は、各々のセルにおける気体の分布が良くなく、各スタックにおいて漏れを生じるという問題を有しており、かかる問題はセルの積層数が多くなればなるほど悪化する傾向にある。 更に２つの一次セルを分離している二極プレートは、以下の特別な物理的及び化学的な基準に合致しなければならない：
− 非常に良好な電気伝導性を有すること。
− 気体に対する不透過性を有すること。
− 低質量であること。
− 水、酸素及び水素に対する耐化学性を有すること。
− 低コスト材料であること。
− 機械加工性が良いこと。

かかる基準に合致する二極プレート技術は今日では存在せず、高価な加工技術を用いるか、または非常に高コストの材料を使用せざるを得ない。 更にこの種の積層体は一般に、一体化するのに不都合な平行６面体形状を為している。

かかる欠点を解消するために、先行技術文献には、いくつかの電極対が同一の薄膜上で結合され、一次電圧を見掛け上は増大することができる新しい燃料電池のための形状が記載されている。 このような結合は、互いに相対的にずらされた積層材料によって達成されており、電子的な絶縁性を有した気体が分布されたプレートを用いる必要がある。

そのような燃料電池は、図１に示されるように、いくつかの個々のセル１０のアセンブリから成っており、セル１０は、互いに近位若しくは背位に位置決めされ、各々のセルはアノード１１とカソード１２とを備えていると共に、電解層１３を気密に囲繞している。 これらの個々のセル１０は、絶縁領域１７によって互いに隔てられている。 また個々のセル１０は、導電部１４、一のスタック１０のカソード１２に接続されている導電部１４の第１の端部１５、及び前記一のスタックに隣接している別のセル１０のアノードに接続されている導電部１４の第２の端部１６によって互いに接続されている。

このようなアセンブリは、小さい寸法で異なる個々のセル１０を生産することが困難であるばかりでなく、個々のセルを電気的に接続することも困難である。 更に気密性の問題は依然として存在している。

かかる欠点の対策を見出すために、いくつかの連続する段階により、異なる成分を絶縁性の緯糸（weft）上に浮流物（suspensions）として堆積させることによって、先行技術文献は、いくつかの一次セルを形成し、これにより基本的な燃料電池要素を作製することを提案している。

図２は、一旦仕上げられたそのような基本的な燃料電池要素のアセンブリを示している。 このアセンブリの全ての機能的な要素は、緯糸材料のプレート上及び／またはプレート内に次々に堆積される部分であって、その厚さは、イオン伝導層の厚さに対応している。 第１に、このアセンブリは、プレートの周囲で該プレートの全厚さに亘って設けられた周囲ガスケット２１を備えている。 この周囲ガスケット２１は、化学的に不活性であると共に、電子的にもイオン的にも絶縁性を有する材料で形成されている。 このアセンブリのこれら異なる一次セルの各々は、前記プレートの全厚さに亘って、プレートの一の面上に配置されたアノード２２、プレートの他の面上に配置されたカソード２３、及びアノード２２とカソード２３との間に設けられたイオン導体２４から成っている。 アノード２２は、イオン導体２４の一方の側の上で突設されており、カソード２３は、アノードとは反対の側の上でイオン導体２４から突設されている。 このようにして、アノード２２の突設部とカソード２３の突設部とは、前記プレートの厚さの範囲内で、隣り合っているセルのカソード２３若しくはアノード２２に対向している（但し、一の端部セルのアノード２２及び他の端部セルのカソード２３を除く。）。 前記プレートの全厚さに亘って堆積された電子導体２６によって、ｎ階層のセルのアノード２２は、隣り合っているｎ＋１階層のセルのカソード２３と接続可能とされており、このｎ＋１階層のセルは、後者に対向して配置されていて、あるセルの電圧Ｕｉ（０＜ｉ＜５）は他のセルに移動される。 上下方向絶縁層２５は、電子導体２６に隣接しているイオン導体２４の両部分から各電子導体２６を隔てている。 隣り合う２つの上下方向絶縁層２５の間隔は、５ｍｍのオーダーとすることができる。 第１の電子コレクタ２７が、一の端部セルから突設してアノード２２上に設けられ、第２のコレクタ２７は、他の端部セルから突設してカソード２３上に設けられている。

この種の平面的な燃料電池を作りこむ際に直面する大きな問題は、一方ではイオン導体材料／電子導体材料の界面の気密性であり、他方では電流のクロッシング（crossing）により得られる電子伝導性が低いことにある。 これらの低い伝導性の値によって大きな電圧降下が生じ、性能低下及びこれらクロッシングの（ジュール効果による）発熱を引き起こしている。
米国特許第５，８６３，６７２号明細書 仏国特許出願公開第２８１９１０７号明細書

本発明の目的は、上記のような問題を解決することにある。

本発明は、アノードとカソードとが電解質膜を介して積層された単一の燃料電池セルを平面的に複数配置した燃料電池に関するものであって、前記電解質膜は、織物にイオン導体を堆積させて得られたものであり、前記織物の経糸は、電気的な絶縁性を有する材料の連続的な繊維であり、絶縁材料の繊維である複数の緯糸により形成された絶縁領域と、導電性の繊維である複数の緯糸により形成された導電領域とが、前記絶縁領域に設けられた前記燃料電池セルが平面的に複数配置される方向において交互に設けられており、一の燃料電池セルにおける前記織物の一方の面に形成されたアノードの一端部と、前記一の燃料電池セルに隣接する別な一の燃料電池セルにおける前記織物の他方の面に形成されたカソードの一端部とが、導電領域を介して電気的に接続されていることを特徴としている。

絶縁材料内の前記繊維は、ポリマーまたは不活性ガラスであることが好ましい。 また、導電性材料内の前記繊維は、カーボン繊維またはステンレス鋼繊維であることが好ましい。

このようなセルは、特に以下の利点を有している：
− 上下方向絶縁層を堆積させるためのステップをなくすことにより製造を簡素化することができる。
− 電気的なクロッシングにおいて大量の電子導体を提供することによって、性能を向上することができる。
− 電子導体のサイズが、同一の表面上で電極対の数を増加可能とし、従って当該セルの電圧を増加可能とできる。

また本発明は、アノードとカソードとが電解質膜を介して積層された単一の燃料電池セルを平面的に複数配置した燃料電池を製造する方法に関するものであって、
− 材料片を所望の形状で切り出すステップと、
− この材料片の周囲に全厚さ方向に亘って、シール層を堆積させるステップと、
− この材料片の全厚さ方向に亘って、イオン導体を堆積させるステップと、
− 充填された前記材料片の一の表面上にアノードを堆積させると共に、他の表面上にカソードを堆積させるステップと、
− アノードが形成されたアセンブリの両端のうちの一端並びにカソードが形成されたアセンブリの両端のうちの他端に、電子コレクタを堆積させるステップとを備えている方法において、
前記材料片は織物の一片であり、前記材料片の経糸を電気的な絶縁性を有する材料の連続的な繊維とし、
絶縁材料の繊維である複数の緯糸により形成された絶縁領域と、導電性の繊維である複数の緯糸により形成された導電領域とを、前記絶縁領域に設けられた前記燃料電池セルが平面的に複数配置される方向において交互に設けるステップと、
一の燃料電池セルにおけるアノードの一端部と、前記一の燃料電池セルに隣接する別な一の燃料電池セルにおけるカソードの一端部とを、導電領域を介して電気的に接続するステップとを更に備えていることを特徴としている。

各導電領域のいずれかの側部に絶縁ガスケットを堆積させるステップを備えていることが好ましい。

前記繊維は、このファブリック片が編み込み構造とされていることにより、導電性の粒子が結合剤内に埋め込まれ、且つ、電気的な連続性が絶対的なものではない従来技術のデバイスとは異なり、電気的に緊密に接続されている。 従って、このファブリック片は、２倍から１０倍に増大された導電性を有しており、セルの性能が向上すると共に、絶縁領域のサイズひいてはセル自体のサイズを低減させることができる。

このようなタイプ（一体構造（monoblock）または多成分構造（polycomponent））の燃料電池技術によって意図される用途としては、供給電圧が１Ｖ以上であって重さ及び形状的な問題が重視される軽量且つポータブルなシステムが挙げられる。

従って、製造されたセルに供給される燃料は、前記セルの外側上で圧縮された気体として保持されるか、または、アノードと接触している水素化物のシートとして作成される吸収された水素化物の形態として保持され得る。

従来技術による並列された平面的なセルを製造する際には、図２に示されるように、局所的に所望の性能を発揮させるための適宜な材料で充填された多孔性のマトリックスが用いられている。 このような手法では、異なる領域の界面での気密性が問題となる。 更には、多孔材料の実際の構造により、電子伝導性は必ずしも高くない。

このような欠点を解消するために、本発明は多孔性のマトリックスに代えて、繊維を一体物としたファブリック３０を使用している。 図３に示されるように、経糸繊維（warp fibers）３１は、セルの一端から他端まで連続的（何らの界面も存在しないのでスペース的なロスも無い。）とされていると共に、電気的な絶縁性を有する材料とされている。 緯糸繊維（weft fibers）は、交互に設けられた絶縁性の繊維３１'若しくは導電性の繊維３２で作製されており、これによりセル要素の異なる機能を達成すると共にセルを形成するために当該要素を並列させている。

絶縁性の繊維３１及び繊維３１’は、例えばポリマーまたは化学的に不活性なガラス繊維とされる。 導電性の繊維３２は例えばカーボン繊維またはステンレス鋼繊維とされる。

これら導電性の繊維３２は、図３に示されるように、緯糸の厚さ方向で局所的に幅ｂに亘って電子伝導性をもたらすために導電領域３３を形成している。 ファブリックの表面積が１ｍ２で厚さが２０μｍ〜１００μｍであれば、この幅ｂは２ｍｍのオーダーとすることができる。

図３に示されるように、このファブリック３０は、適切な角度で標準的な繊維編み込みによって製造され得る。 繊維の本数及び編み込み角度は、選択されるセルの形状に応じて変更される場合がある。

このような平面的なセルを製造するための方法は、以下のステップを備えている：
− 導電領域３３によって隔てられた絶縁領域３４を含んで、ファブリック片３０を所望の形状で切り出す。
− ファブリック片３０の周囲に全厚さ方向に亘って、厚さに対して僅かに大き目にシール層４０を堆積させる。
− ファブリック片３０の全厚さ方向に亘って、イオン導体４１を堆積させる。
− 上記のように充填されたファブリック片の一の表面上にアノード４４を堆積させると共に、他の表面上にカソード４５を堆積させる。
− アノード４４が形成されたアセンブリの両端のうちの一端並びにカソード４５が形成されたアセンブリの両端のうちの他端に、（図４〜図６には図示しない）電子コレクタを堆積させる。

有利な点として、上記の異なる堆積ステップはマスク手段によって実現される。

いかなるイオン的なリークも回避することによって動作を改善するために、各導電領域３３のいずれかの側部に絶縁ガスケットを堆積させることも可能である。

従って、図４〜図６に示されたこれらのステップによって、平面的な燃料電池は、先行技術文献に記載されたセルで得られたものよりも優れた性能を発揮し、イオン導体／電子導体の界面をなくすことによって機械的強度が向上されると共に、水素／酸素の混合を生じるかもしれない内部リークの危険性にも歯止めをかけることができる。

上記で示されたような本発明のセル構造は単なる一例である。 本発明は例えば支持体上で刻印されたマイクロセル、または同一平面上に隔てられた導電性表面とイオン伝導性表面とを備えているあらゆるセルに適用可能なものである。

従来技術による一のデバイスを示すものである。 従来技術による別なデバイスを示すものである。 本発明による局所的な伝導性を有する緯糸を示すものである。 本発明の燃料電池の製造方法の第１段階を示す横断面図である。 本発明の燃料電池の製造方法の第１段階を示す平面図である。 本発明の燃料電池の製造方法の第２段階を示す横断面図である。 本発明の燃料電池の製造方法の第２段階を示す平面図である。 本発明の燃料電池の製造方法の第３段階を示す横断面図である。 本発明の燃料電池の製造方法の第３段階を示す平面図である。

符号の説明

３０ ファブリック
３１ 経糸繊維
３１' 絶縁性の繊維
３２ 導電性の繊維
３３ 導電領域
４０ シール層
４１ イオン導体
４４ アノード
４５ カソード
ｂ 導電領域の幅

Claims (5)

1. アノード（４４）とカソード（４５）とが電解質膜を介して積層された単一の燃料電池セルを平面的に複数配置した燃料電池であって、
   前記電解質膜は、織物にイオン導体（４１）を堆積させて得られたものであり、前記織物の経糸（３１）は、電気的な絶縁性を有する材料の連続的な繊維であり、
   絶縁材料の繊維である複数の緯糸（３１’）により形成された絶縁領域（３４）と、導電性の繊維である複数の緯糸（３２）により形成された導電領域（３３）とが、前記絶縁領域（３４）に設けられた前記燃料電池セルが平面的に複数配置される方向において交互に設けられており、
   一の燃料電池セルにおける前記織物の一方の面に形成されたアノード（４４）の一端部と、前記一の燃料電池セルに隣接する別な一の燃料電池セルにおける前記織物の他方の面に形成されたカソード（４５）の一端部とが、導電領域を介して電気的に接続されている、
   ことを特徴とする燃料電池。
2. 絶縁材料（３１，３１’）内の前記繊維が、ポリマーまたは不活性ガラスであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 導電性材料（３２）内の前記繊維が、カーボン繊維またはステンレス鋼繊維であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
4. アノード（４４）とカソード（４５）とが電解質膜を介して積層された単一の燃料電池セルを平面的に複数配置した燃料電池を製造する方法であって、
   − 材料片（３０）を所望の形状で切り出すステップと、
   − この材料片の周囲に全厚さ方向に亘って、シール層（４０）を堆積させるステップと、
   − この材料片の全厚さ方向に亘って、イオン導体（４１）を堆積させるステップと、
   − 充填された前記材料片の一の表面上にアノード（４４）を堆積させると共に、他の表面上にカソード（４５）を堆積させるステップと、
   − アノード（４４）が形成されたアセンブリの両端のうちの一端並びにカソード（４５）が形成されたアセンブリの両端のうちの他端に、電子コレクタを堆積させるステップと、
   を備えている方法において、
   前記材料片は織物の一片であり、前記材料片の経糸（３１）を電気的な絶縁性を有する材料の連続的な繊維とし、
   絶縁材料の繊維である複数の緯糸（３１’）により形成された絶縁領域（３４）と、導電性の繊維である複数の緯糸（３２）により形成された導電領域（３３）とを、前記絶縁領域（３４）に設けられた前記燃料電池セルが平面的に複数配置される方向において交互に設けるステップと、
   一の燃料電池セルにおけるアノード（４４）の一端部と、前記一の燃料電池セルに隣接する別な一の燃料電池セルにおけるカソード（４５）の一端部とを、導電領域を介して電気的に接続するステップと、
   を備えていることを特徴とする方法。
5. 前記材料片（３０）の導電領域（３３）のいずれかの側部に絶縁ガスケットを堆積させるステップを備えていることを特徴とする請求項４に記載の方法。

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