JP5620637B2 - 不連続な領域を有する化学電池部材 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、不連続な領域を有する化学電池部材に関し、この不連続な領域は、アレイ中で隣りあう電池同士を分離し絶縁する役目を果たす。

燃料電池などの化学電池（電気化学電池）には、荷電化学種を輸送するための経路がある。電気化学反応から生じるイオンが、燃料電池のイオン交換膜（プロトン交換膜など）を通って運ばれて、隣りあう燃料電池間で電子が搬送されることになる。具体的には、プロトン伝導路を燃料電池内に組み込みつつ、隣りあう燃料電池間に電子伝導路をつくることで、燃料電池装置の正負双方の電気的接続全般をもとにした電気回路が得られるのである。二極式燃料電池を配置すると、交換膜を通るイオン流と逆方向の電流が得られる。あるいは別の手法として、端部集電式（edge-collected）燃料電池を用いると、イオン流が交換膜を通る際、その交換膜と平行な方向の電流が得られる。

端部集電式と二極式のどちらの場合でも、電解質がプロトン伝導体と電気的絶縁体の双方の役目をすることになる。これはつまり電解質が、二個の反応電極間を隔てて電流の短絡を防ぐということである。しかし電気的絶縁の役割のひとつは、単位燃料電池の二個の電極同士の互いとの電気的短絡を防ぐことでもある。

マイクロ燃料電池用途のため、別の種類の燃料電池構造も世にあらわれている。この構造は、近傍の燃料電池が（アレイなどとして）隣りあっているという薄層型燃料電池構造である。この変種の燃料電池層に、複数の燃料電池を組み込む場合には、電極と同一平面内になんらかの形態をとった電気的絶縁材料を置いて、隣りあう電池間の電気的短絡を防止する必要がある。こうした平面型燃料電池アレイには、同様の電極を持つ複数の燃料電池が含まれており、これらの電極は燃料電池層の同じ側にて互いに隣りあうようにして配置される。隣りあう同様の電極間での電気的短絡を防ぐために必要なこととしてはたとえば、絶縁材料を加えるということがあるのだが、こうした絶縁材料はアレイの活性領域を全般的に損ねてしまう。現行の設計では、エネルギー転換に貢献しない絶縁材料に、空間の大部分を費してしまうのである。しかも、それとわかるように（実効的に）絶縁材料を加えるとなると、燃料電池の設計に費用面からも複雑さの面からも負担が増してしまうのである。

本発明の実施形態は、アレイをなす複数の化学電池のための、被覆電解質複合材料に関する。こうした被覆電解質複合材料には、複合材料層と、その複合材料層の表面上に配された二つ以上の導電性領域とが含まれている。そしてこの複合材料層が、誘電部分および導電部分を有する。この導電性の領域には上塗材（coating）が含まれ、この上塗材は、ひとつ以上の電気化学反応領域か、ひとつ以上の集電領域か、もしくはそれらの組み合わせかを有する。導電部分は、この上塗材と接している。また、近傍の導電性の領域は、不連続領域ができるようにして配置されている。

本発明の実施形態は、化学電池の中心部材に関する。この中心部材には、二個以上の電極部材が含まれる。この各電極部材には、一個以上の電極と、一個以上の電池相互接続部と、その一個以上の電極および一個以上の電池相互接続部と接触した誘電材料と、が含まれる。近接する電極部材群から、二個以上の同様の電極を、実質的に平面型アレイをなすようにして配置して、その二個以上の電極部材のあいだに島状の間隙（insular break）ができるようにする。

また本発明の実施形態は、アレイをなすように配置された二個以上の化学電池を含んだ化学電池部材にも関する。各化学電池には、アノード電極と、カソード電極と、そのアノード電極とカソード電極とのあいだに在るイオン交換層と、第一の化学電池のアノード電極および第二の化学電池のカソード電極に接続した電池相互接続部と、が含まれる。なおこの第一の化学電池と第二の化学電池は、アレイとして隣りあうように配されている。隣りあって設置された化学電池の持つ同様の電極の配置にあたっては、隣りあう電池同士間に不連続部位ができるようにして、しかも隣接した化学電池の持つ同様の電極同士がほぼ同一平面上に在るようにする。

本発明の実施形態は、二個以上の電極部材を有する化学電池のための中心部材に関する。その電極部材の各々には、一個以上の電極と、その電極のうちのひとつと結合した電池相互接続部と、それら一個以上の電極および一個以上の電池相互接続部と接続した誘電材料と、が含まれる。隣りあう電極部材からの二個以上の同様の電極を、ほぼ平面型アレイをなすように、しかもその二個以上の電極部材のあいだに島状の間隙（破断）ができるようにして配置する。

図面は原寸大である必然性はなく、いくつかの図にわたって類似する番号は、実質的に同様な構成要素を示している。類似する番号であって末尾が異なるものは、実質的に同様な構成要素のさまざまな例であることを表している。図面では一般に、本文書にて論じる種々の実施形態群を限定のためではなく例示のために示している。
或る実施形態群にかかる、化学電池の中心部材の上面図を描いてある。 或る実施形態群にかかる、不均一な境界を有した化学電池の中心部材の上面図を描いてある。 或る実施形態群にかかる、化学電池の中心部材の断面図を描いてある。 或る実施形態群にかかる、化学電池の中心部材の断面図であって、電池相互接続部に接触した不連続領域を有している。 或る実施形態群にかかる、化学電池の中心部材の断面図であって、誘電部分に接触した不連続領域を有している。 或る実施形態群にかかる、角度をつけた（傾いた）電池相互接続部を持つ化学電池部材の断面図である。 或る実施形態群にかかる、導電性領域が整列した化学電池部材の断面図である。 或る実施形態群にかかる、導電性領域をずらしてある化学電池部材の断面図である。 或る実施形態群にかかる、化学電池の中心部材の断面図であって、イオン非伝導性材料を有している。 或る実施形態群にかかる、化学電池の中心部材の断面図であって、気体拡散層を有している。 或る実施形態群にかかる、化学電池の中心部材の断面図であって、燃料プレナムを有している。 或る実施形態群にかかる、化学電池の中心部材の断面図であって、酸化剤プレナムおよび燃料プレナムを有している。

以下の詳細な説明では、詳細な説明の一部をなす付図への参照もしている。図面では、本発明を実施可能な特定の実施形態群をあくまで例示のために描いてある。これらの実施形態群（本明細書では「実施例」とも称する）は、当業者が本発明を実施するうえで充分な程度に詳細に記載されている。本発明の範囲から逸脱することなく、こうした実施形態同士を組み合わせてもよいし、または他の実施形態を用いてもよいし、あるいは構造的変
更・論理的変更を施すことも可能である。ゆえに以下の詳細な説明は、限定的な意味で捉えるべきではないものである。本発明の範囲は、付随の請求項とその均等な特徴によって定まるものである。

本文書では、"a" もしくは"an" （「或る」、「ひとつの」、など）という語は、ひとつ以上のものを含む。また特に他に定めないかぎりは、 "or" （「もしくは」、「または」など）という語は、非排他的な "or" を指すものとして使われる。さらに、本明細書にて用いる語法や術語は、特に他に定めないかぎりは、説明のみを目的としており限定をしようとするものではない、ということを理解されたい。そして、本明細書にて言及した刊行物、特許、特許文献のすべては、この参照によって本明細書にその全体が、個別に参照されて組み込まれたかのようして、含まれる。本明細書とそうして参照により包含された文献とのあいだに用法の不一致があった場合には、包含された文献での用法が、本明細書の用法を補完するものとみなす。相容れない不一致があったときには、本明細書での用法が優先する。

本発明の実施形態は、化学電池（燃料電池電解槽やバッテリーなど）に関し、また他の種類の化学電池（塩素-アルカリ処理に用いるものなど）でも使える用途を持つ。本発明の或る実施形態群では、個々の電池、言い換えれば「単位」電池からなるアレイを有するような化学電池層が得られる。アレイはたとえば、ほぼ平面型であってもよいし、ほぼ円筒型であってもよい。

本発明に応じて、任意の適切な種類の燃料電池としかるべき材料を使用でき、たとえば、プロトン交換膜形燃料電池（PEMFCs）、固体酸化物形燃料電池（SOFCs）、熔融炭酸塩形燃料電池（MCFCs）、アルカリ形燃料電池、その他の適切な燃料電池、およびそれらの材料、を使用できるが、これらに限定はされない。電解質にはたとえば、プロトン交換膜を含めることができる。あるいは別の手法として、電解質には、薄膜固体酸化物電解質を含めてもよい。本発明の或る実施形態群では、電解質上に形成された複数の独立した単位電池を含んだ化学電池層を構築可能である。

複数のイオン伝導領域を有する基板を用意することで、複数の単位電池を有する化学電池層を構築可能である。そうした基板を用意するにあたってはたとえば、非導電性材料もしくは部分的導電性材料のシートを選択的に処理してイオン伝導性領域をつくるようにしてもよいし、あるいは、イオン伝導性材料のシートを選択的に処理して非導電性領域をつくるようにしてもよい（本出願人に譲渡された application Pub. No. 2005/0249994, 表題 "MEMBRANES AND ELECTROCHEMICAL CELLS INCORPORATING SUCH MEMBRANES" などを参照のこと、なおこの文献は本参照により本開示に含まれる）。また、本発明にかかる単位電池を、他の形状に沿わせるように変形可能な平面型化学電池層に使ってもよい（application Pub. No. 2007/0090786, 表題 "DEVICES POWERED BY CONFORMABLE FUEL CELLS" 、および application Ser. No. 12/238,241, 2008年09月25日出願, 表題 "FUEL CELL SYSTEMS INCLUDING SPACE-SAVING FLUID PLENUM AND RELATED METHODS" などを参照のこと、なおこれらの文献は本参照により本開示に含まれる）。

単位電池のアレイを構築して、可変電力を発生する化学電池層を構築してもよく、この化学電池層内には電気化学構造全体が包含される。これはつまり、集電用板などの付加的な部品を、省いてもよいしあるいは別の機能を発揮する構造と取り替えてもよい、ということである。本明細書に記載のものに類似する構造は、連続的工程での製造に向いている。こうした構造は、個別の部分を機械的に組み立てる必要がないように設計可能なのである。或る実施形態群では、こうした構造内の導電路長をきわめて短くするようにたもつことで、触媒層でのオーミック損失（オーム抵抗損失）を最小限にできる。

アレイと言ったとき、複数の独立した単位電池のことを指すこともある。こういった複数の電池を、イオン交換膜材料でできたシート上、または基板上に形成してもよい。あるいは、そうした複数の電池を、特定の手法を用いて多数の部品を組みあげることで形成してもよい。アレイは、任意の適切な形状へと加工できる。燃料電池の平面型アレイの例は、共有にかかるU.S. application publication number 2005/0250004, 表題 "ELECTROCHEMICAL CELLS HAVING CURRENT CARRYING STRUCTURES UNDERLYING ELECTROCHEMICAL REACTION LAYERS" に開示されており、この文献はこの参照により本開示に含まれる。また、アレイをなす燃料電池群が他の平面をなぞるようにしてもよく、そうした例としては円筒型燃料電池での筒などがある。別箇の手法としてかもしくは付加的に、アレイに、他の形状に沿わせられる可撓性材料を含めてもかまわない。

本発明の実施形態群は、化学電池の中央部材、化学電池部材、および被覆電解質複合材料に関する。本発明の実施形態群では、アレイ内の隣りあう化学電池の導電性領域同士のあいだに、正確に定められた島状領域（insular region）もしくは不連続領域を設けることで、導電性に不連続点をつくりだして、実効的な絶縁材料をまったく必要としないようにできる。マイクロ燃料電池を製造するうえでの目標として、所与の占有面積全体に対する活性領域をできるかぎり大きくとる、ということがある。つまり、隣りあう電池間の空隙が重要なのである。たとえば、電気的な短絡を抑止するためには、電池間の空隙が電池自体と同じくらい必要なのだとすれば、電気化学反応的に観て電池の射影面積の50%しか活性にできないわけである。だが、この絶縁帯の巾を減らすのは難しい。

隣りあう電池間に、絶縁材料を電極と同一平面上にくるようにして設置するような構造もある。こうやって絶縁をすると、電極を分離して短絡を防げる。しかし、実効的に絶縁材料を付加することで、費用が嵩み、しかも燃料電池の設計が複雑化してしまう。

本発明の実施形態群は、複合材料層（電解質など）の上で、正確に定められた空隙もしくは不連続領域を、電極の在る面内にて用いることで、平面型燃料電池アレイ中の隣りあう燃料電池同士のあいだに絶縁性障壁をつくりだすことにも関する。電極層を互いに対して整列するように慎重に調整して、狭いが定まった間隙をつくることで、第三の材料を必要とすることなく層間に電気的短絡が生じないようにできる。

〔定義〕
本明細書では、「化学電池」（"electrochemical cell"）とは、化学エネルギーを電気エネルギーへと変換する装置のことか、もしくは電気エネルギーを化学エネルギーへと変換するような装置のことを指す。化学電池の例としては、ガルバニ電池、電解質電池、電解槽、燃料電池、バッテリー、および金属-空気電池などがあり、たとえば亜鉛/空気の燃料電池もしくはバッテリーなどがある。燃料電池のさらなる例としては、プロトン交換膜形燃料電池、直接メタノール形燃料電池、アルカリ形燃料電池、燐酸形燃料電池、熔融炭酸塩形燃料電池、もしくは固体酸化物形燃料電池、などがある。

本明細書では、「誘電材料」（"dielectric material"）とは、無視できる程度の導電性しか示さないような物質のことを指す。誘電材料には、イオン伝導性材料、イオン非伝導性材料（non-ion-conducting materials）、およびそれらの組み合わせが含まれることを理解されたい。イオン伝導性材料の例には、本用途に適切な任意のアイオノマーもしくは電解質が含まれ、たとえば、イオン交換高分子 （ポリマー）、アルカリ溶液、燐酸、アルカリ炭酸塩、およびイオン伝導性酸化物セラミック（oxide ion-conducting ceramics）などが含まれる。イオン非伝導性材料の例としてはポリマーがあり、たとえば、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリカーボナート、ポリエチレンエーテルケトン、ポリイミド、ポリアミド、フルオロポリマー、および他の高分子 膜などがある。ポリイミドの例としては、カプトン^TMの膜がある。フルオロポリマーの例には、PTFE（ポリテトラフルオ
ロエチレン）の膜、もしくはテフロン^TMの膜がある。他のフルオロポリマーとしては、PFSA（過弗化スルホン酸）、FEP（弗素化エチレンプロピレン）、およびPFA（過弗化アルコキシエチレン）などがある。また誘電材料には、補強した複合材料（ファイバーガラスなど）や、任意の適切な非ポリマー材料（珪素もしくは硝子など）や、ならびにそれらの組み合わせも含めてもよい。こうした誘電材料には、たとえば電解質を含めてもよい。こういった電解質として、固体電解質膜を用いてもかまわない。

本明細書では、「複合材料層」（"composite layer"）とは、或る厚さを有し二つ以上の表面を持つ層のことを指し、これらの表面間には、ひとつ以上のイオン伝導路が定められており、さらにひとつ以上の導電路も定められている。イオン伝導路と導電路をさまざまな大きさ、形状、密度、および／もしくは配置で定めることにより、こうした複合材料層のイオン伝導性および導電性を、複合材料層内のいろいろな領域についてさまざまに変更できる。本明細書にて記載する複合材料層では、所望の導電性、イオン伝導性、気体透過性、および力学的強度特性を、複合材料層の空間的広がりにわたって、設計者の自由裁量で変更できる。これにより、設計における大幅な柔軟性が得られ、さらには局所的に力学的変数と電気的変数を調整することで、燃料電池や類似の系の内部でのイオン伝導性と力学的強度という競合してしまう要請を絶妙に合わせることが可能となるのである。一例として、一種以上の、所望の導電性を得るための導電性部位（電池相互接続部など）、所望のイオン伝導性を得るためのイオン伝導性部位（電解質など）、ならびに、気体透過性および／もしくは力学的強度を下げるための他のイオン非伝導性の誘電性部位（後述）を、複合材料層に含めてもよい。

本明細書では、「誘電性部位」（"dielectric component"）とは、一種以上の誘電材料を含んだ複合材料層のうちの或る部位のことを指す。複合材料膜の誘電性部位には、イオン伝導路、誘電性保護層、誘電性皮膜、誘電性支持構造（後述）、もしくはそれらのなんらかの組み合わせ、などを含めることができる。また、誘電性部位には、プロトン交換膜部位もしくは薄膜酸化物電解質などを含めてもよい。

本明細書では、「導電性領域」（"conductive region"）とは、複合材料層の導電性である領域のことを指す。導電性領域は、複合材料層の表面のうちの或る領域であってもよい。また導電性領域は、複合材料層上に配置されたりもしくは複合材料層と一体化したような態様を、有していてもよい。導電性領域はさらに、複合材料層の態様を有していてもかまわない。たとえば導電性領域にて、上塗材、導電性気体拡散層、他の適切な導電性膜、もしくはそれらのなんらかの組み合わせ、の下に在る電池相互接続部が露出した表面を有しているようにしてもよい。また導電性領域を、貴金属からつくってもよいし、もしくは耐蝕層で覆った金属からつくってもよい。そうした耐蝕層で覆った金属としては、PEMCoat^TM（INEOS Chlor^TM Americas Inc., Wilmington, DE）などがある。あるいは導電性領域を、導電性非金属からつくってもよく、たとえば炭素、黒鉛、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ、導電性セラミック、もしくは導電性ポリマーからつくることが可能である。加えて、導電性領域がイオン伝導性であってもよい。

本明細書では、「不連続領域」（"discontinuity region"）もしくは「島状間隙」（"insular break"）とは、導電性領域間に電気的な分離をもたらすような、複合材料層の表面上の或る領域のことを指す。

本明細書では、「上塗材」（"coating"）とは、複合材料層の表面上に配された、導電性の薄層のことを指す。たとえば上塗材としては、触媒層、または電極（アノードやカソードなど）を使用できる。

本明細書では、「触媒」（"catalyst"）とは、自身が変質もしくは消費されることなく
、反応の開始や反応速度の増進をたすけるような、材料もしくは物質のことを指す。触媒層には、懸案の用途にとって適切な、任意の種類の電気触媒を含めることができる。触媒または触媒層には、純白金、炭素で担持した白金、白金黒、白金-ルテニウム、パラジウム、銅、酸化錫、ニッケル、金、黒色炭素の混合物、あるいはそれの組み合わせ、を含めることができる。触媒層にはさらに結合剤を含めてもよい。そうした結合剤としては、PFSA（過弗化スルホン酸）、PTFE（ポリテトラフルオロエチレン）、PVDF（二弗化ポリビニリデン）粉末（Kynar^TMなど）、および二酸化珪素粉末、またはそれらの組み合わせ、などのうちの一種以上を含めてもよい。黒色炭素としては、任意の適切に細かくされた炭素材料を使うことができ、たとえば、アセチレン黒色炭素、カーボンファイバー、カーボンニードル、カーボンナノチューブ、およびカーボンナノ粒子のうちの一種以上を使用できる。

本明細書では、「気体拡散層」（"gas diffusion layers"）とは、導電性もしくは誘電性の多孔質部品のことを指す。気体拡散層は、上塗材に付けるように配置してもよいし、もしくは上塗材と一体化してもかまわない。気体拡散層によって、触媒層を気体が通り抜ける路が得られるようにしてもよい。気体拡散層はたとえば、カーボン繊維（carbon cloth）もしくはカーボンファイバー紙からつくることができる。また、共有にかかるU.S. Patent Application Serial No. 12/238,040, 表題 "FUEL CELL COVER"（2008年09月25日出願、この参照により全体が本開示に含まれる）、およびU.S. Patent 7,132,192, 表題 "FUEL CELL USING VARIABLE POROSITY GAS DIFFUSION MATERIAL"（この参照により全体が本開示に含まれる）などに記載されているような、適応材料もしくは他の形態の適応可能な燃料電池外被を、気体拡散層として用いてもよい。

本明細書では、「電気化学反応領域」（"electrochemical reaction area"）とは、複合材料層の誘電部位に付いた上塗材のうちの或る領域のことを指す。電気化学反応のうちのすべてもしくは一部が、この電気化学反応領域内で発生しうる。電気化学反応領域には、触媒もしくは触媒層を含めてもよい。

本明細書では、「集電領域」（"current collecting area"）とは、複合材料層のうちの導電部位と接触している、上塗材のうちの或る領域のことを指す。

本明細書では、「電池相互接続部」（"cell interconnect"）とは、二個以上の単位燃料電池の電極と電気的に接続した、導電性部品のことを指す。アレイを外部回路に接続するために、電池相互接続部が、複合材料層の導電路のうちのどれかひとつ、および／もしくは、端部集電器（terminal current collector）を有してもよい。

本明細書では、「電極領域」（"electrode regions"）もしくは「電極」（"electrodes"）とは、電気化学反応におけるアノード、カソード、もしくはその両方の機能を発揮するような、材料または部品のことを指す。電極領域または電極は、導電性領域もしくは複合材料層の一部、上塗材、またはその両方であってもよい。電極には、触媒層、気体拡散層、もしくはその両方を含めてもよい。

図１Ａでは、或る実施形態群にかかる、化学電池の中心部材の上面図 100 を示している。この中心部材には、導電性領域 102, 104 が含まれており、そして導電路がこの中心部材の表面に沿って設けられている。導電性領域 102, 104 には、中心部材の複数の態様を含めてもよい。第一の導電性領域 102 を、第二の導電性領域 104 から、不連続領域 106 で隔てるようにしてもよい。

或る実施形態群では、導電性領域102, 104 には、中心部材の複数の態様を含めることができ、たとえば、中心部材の表面に沿わせた導電性上塗材、および／もしくは、中心部
材の面を貫く方向に導電性を得るための態様、を含めてもよい。上面図 100 には、中心部材の表面上に露出した電池相互接続部 108 が描いてある。第二の導電性領域104 を、電池相互接続部 108 から、巾 110 の別の不連続領域 106 で隔てるようにしてもよい。図１Ｂの中心部材を、上面図 101 によって示しており、ここでは、第一の導電性領域 103 および第二の導電性領域 105 を、巾 109 の不連続領域 107 で隔てている。この中心部材の表面上に露出した電池相互接続部 111 を、第二の導電性領域 105 から、不連続領域 107 で隔ててもよい。図１Ａとは異なり、図１Ｂの各部品の（ひとつ以上の）境界線はたとえば、不均一であるかもしくは非直線的であってもよい。一例として、巾 110 は、1mm未満でもよいし、0.1mm未満でもよいし、もしくは0.025mm未満であってもかまわない。図１Ｂの巾 109 が、この部材の部分に依って実質的に異なってもよい。。

図２では、或る実施形態群にかかる、化学電池の中心部材の断面図 200 を示している。上塗材 202, 204, 206, 208 は、複合材料層 218 と接触していてもよい。或る実施形態群では、これらの上塗材は導電性である。不連続な領域 214 によって、複合材料層 218 の両側の表面に沿って、近接する導電性上塗材 202, 206 ならびに導電性上塗材 204, 208 を、隔てて電気的に絶縁することが可能である。不連続領域 214 は巾 216 を持つ。この実施形態では、複合材料層 218 と接続した導電性上塗材 202 と導電性上塗材 206 とのあいだに、不連続な領域 214 が在る。

複合材料層 218 には、導電性部位と誘電性部位が含まれてもよい。或る実施形態群では、この導電性部位に一個以上の電池相互接続部 210 が含まれ、そして誘電性部位には電解質 212 が含まれるようにしてもよい。この電解質はたとえば、この一個以上の電池相互接続部 210 のうちの一個以上の一部と、接続してもよいしもしくは蔽ってもよい。

上塗材 202, 206 と、電池相互接続部 210 とのあいだに、実質的な重なりもしくは接触を持たせることにより、電気化学反応箇所から電池相互接続部への電流移送がより効率的になる。だが、隣りあう単位燃料電池同士の短絡を避けるためには、隣りあう上塗材の配置を、電池相互接続部を通る電気的連絡を軽減できるようなものにするとよい。こうした狭い不連続部 214 をつくりだす製造工程の作用により、性能にかなりの影響が出る。しかし、この実施形態と他の実施形態では、図２に示した実施形態とは性能が違ってくる可能性はあるものの、製造にあたって若干の不正確さは許容でき、正常に機能する電池を得ることができる。均一に定まって分布した層状領域を適切につくるためのふさわしい方法については、共有にかかるU.S. application Ser. No. 12/242,231, 表題 "METHODS OF
MANUFACTURING ELECTROCHEMICAL CELLS" （2008年09月30日出願、この参照により本開示に含まれる）に記載されている。

図３では、或る実施形態群にかかる、化学電池のための中心部材の断面図 300 を示しており、ここには電池相互接続部と接した不連続領域が在る。上塗材 202, 204, 206, 208 は、複合材料層 218 と接続している。各上塗材には、電池相互接続部に接する不連続な集電領域 302 と、複合材料層の誘電性部位212 に接する不連続な電気化学反応領域 303 と、が含まれるようにできる。

複合材料層 218 の或る態様（電池相互接続部 210 など）が露出するように、上塗材 202, 204, 206, 208 を配置できる。すると、任意の上塗材を用いて、下地である電池相互接続部 210 を露出させることで、上塗材 206 とその露出した電池相互接続部 210 とから、導電性領域 306 を形成可能である。一個以上の電池相互接続部 210 が、長方形の形状をとり、そして一個以上の導電性領域 306 または上塗材 202, 204, 206, 208 に対して実質的に垂直であってもよい。また、一個以上の電池相互接続部 210 がたとえば、或る方向については長方形であって、しかも別の方向からでは傾いているかもしくは円形であるようになっていてもよい。

単独の電池相互接続部 210 を、第一の導電性領域と接続して、その第一の導電性領域に隣りあって配置された第二の導電性領域から分離するようにしてもよい。また、一個以上の電池相互接続部 210 が、複合材料層 218 の表面を少なくとも部分的に貫通していてもよい。電池相互接続部 210 は（たとえば相互接続部を別の平面で切って見たときに）、長方形や円形であってもよいし、傾いていてもよいし、もしくはそれらの組み合わせであってもかまわない。また電池相互接続部 210 が、不均一な形状であってもよい。また電池相互接続部 210 が、一個以上の導電性領域に対してほぼ垂直であるような長方形の形状を含んでいてもよい。

複合材料層 218 は、第一の表面と、その第一の表面の反対側に在る第二の表面と、を有してもよい。複合材料層218 の対向する表面の上に在る複数の導電性領域 306 を、互いに整列させてもよいし、もしくは互いに対してずらしてもかまわない。

不連続な領域 214 によって、隣りあう上塗材 204, 208 の電気化学反応領域から、電流搬送領域を分離できる。また、隣りあう上塗材によって露出している電池相互接続部から、上塗材の電流搬送領域もしくは電気化学反応領域を、不連続な領域304 により分離してもよい。図４では、不連続領域 402 を、一個以上の電池相互接続部210 から離して配置してある。なお、複合材料層 218 の誘電性部位 212 が、不連続領域 402 から露出している。不連続な領域 214 の配置を、電池相互接続部 210 に接するでもなく縁をあわせるでもなく、そしてその代わりに隣りあう上塗材の電気化学反応領域同士を隔てるようなものにしてもよい。

図５では、或る実施形態群にかかる、化学電池部材の断面図 500 を示しており、ここでは電池相互接続部が傾いている。（複合材料層 218 の一部としての）電解質 212 および一個以上の電池相互接続部 502 に、上塗材 202, 204, 206, 208 を接続してもよい。電池相互接続部 502 は、上塗材 202, 204, 206, 208 に対して傾いている。電池相互接続部 502 は、上塗材 202, 204, 206, 208 に対して約90°よりも大きいか小さい角度を以って接続しているので、ほぼ整列した上塗材 202, 204, 206, 208 を電気的に短絡せずに分離できるように、不連続な領域 504 を作成できる。単独の電池相互接続部 502 が、第一の上塗材に接続し、その第一の上塗材に隣りあって配置された第二の上塗材から分離されてもよい。

図６では、或る実施形態群にかかる、化学電池部材の断面図 600 を示しており、ここでは導電性領域同士が整列している。導電性領域 602 は、複合材料層 604 と一個以上の電池相互接続部 606 とに接続してもよい。電池相互接続部 606 の配置によって、複合材料層 604 の対向する表面上に複数の導電性領域 602 が整列するようにできる。不連続な領域 608 によって、隣りあう領域 602 同士のあいだを絶縁できる。図に示しているように、電池相互接続部 606 または電解質 604 に関して水平方向もしくは垂直方向（矢印 610 などを参照）またはその両方に、不連続な領域 608 を向けてもよい。たとえば、電池相互接続部 606 と導電性領域 602 とのあいだに垂直方向に不連続な領域 608 を配置してもよいし、あるいは隣りあう導電性領域 602 同士のあいだに水平方向に不連続な領域 608 を配置してもかまわない。

図７では、或る実施形態群にかかる、化学電池部材の断面図 700 を示しており、ここでは導電性領域同士がずれて配置されている。導電性領域 702 は、電解質 604 および一個以上の電池相互接続部 606 に接続できる。電池相互接続部 606 を配置することで、電解質 604 の対向する表面上に在る導電性領域 702 同士がずれるようにして配置できる。不連続な領域 608 により、隣りあう領域 702 同士のあいだを絶縁できる。図に示しているように、電池相互接続部 606 または電解質 604 に関して、平行な方向（図３-５）
、直交する方向（図６）、もしくは、何か別の形状で傾いた方向（図７の矢印 712 を参照）へと、不連続な領域608 を向けることができる。

図８には、或る実施形態群にかかる、誘電材料を有する化学電池の中心部材の断面図 800 を示してある。導電性領域 804 および 806 は、電解質 802 および一個以上の電池相互接続部 810 に接続できる。導電性領域 804 、導電性領域 806、電解質 802 、もしくは電池相互接続部 810 のうちの一種以上に、一個以上の誘電材料 814 を接続できる。隣りあう導電性領域804 同士のあいだ、もしくは隣りあう導電性領域806 同士のあいだに、不連続領域 812 をつくって、そこから誘電材料 814 のうちの一個以上が露出するようにできる。

誘電材料 814 を使って、電池のさらなる機能を支持したり得たりできる。誘電性の材料もしくは部品 814 を、電池相互接続部 810 上に部分的に配置し、かつ複合材料層 816
の誘電性部位の上に少なくとも部分的に配置するようにできる。誘電材料 814 の配置によって、非導電性材料に沿って隣りあういずれかの導電性領域 804 同士のあいだ、もしくは非導電性材料に沿って隣りあういずれかの導電性領域806 同士のあいだに、不連続領域が得られる。

図９では、或る実施形態群にかかる、気体拡散層を有する化学電池の中心部材の断面図
900 を示してある。導電性領域 902 は、電解質 910 および一個以上の電池相互接続部 906 に接続できる。電解質 910 の反対側にて、導電性領域 902 を気体拡散層 904 に接続できる。不連続領域 908 により、隣りあう導電性領域 902 同士を絶縁分離できる。図１０では、導電性領域 902 のうちの一個以上、電解質 910 、気体拡散層 904 のうちの一個以上、電池相互接続部 906 のうちの一個以上、またはそれらの組み合わせに、燃料プレナム 1002 を接続できる。

図１１では、或る実施形態群にかかる、化学電池の中心部材の断面図 1100 を示しており、ここには酸化剤プレナムおよび燃料プレナムが含まれている。導電性領域 1102 は、電解質 910 および一個以上の電池相互接続部 906 に接続できる。導電性領域 1102 にはたとえば、気体拡散層を含めてもよい。不連続領域 908 によって、隣りあう導電性領域 1102 同士を絶縁分離できる。導電性領域 1102 のうちの一個以上、電解質 910 、電池相互接続部 906 のうちの一個以上、またはそれらの組み合わせに、燃料プレナム 1002 を接続できる。また、この中心部材の反対側にて、導電性領域 1102 のうちの一個以上、電解質 910 、電池相互接続部 906 のうちの一個以上、またはそれらの組み合わせに、酸化剤プレナム 1104 を接続できる。燃料としてはたとえば、水素を使用できる。とはいえ、メタノール、アンモニアボラン、ヒドラジン、エタノール、蟻酸、ブタン、水素化硼素化合物、などといった任意の適切な燃料を使ってもよいことを申し添える。酸化剤としてはたとえば、空気や酸素を使用できる。

導電性領域 1102 には、電極（アノードやカソードなど）を含めることができる。こうしたアノードやカソードには、触媒層もしくは気体拡散層、またはその両方を含めることができる。アノードとカソードとを分離するにあたっては、イオン交換膜を使用できる。電池相互接続部 906 はたとえば、そうしたイオン交換膜を介してアノードおよびカソードと接続可能である。電池相互接続部 906 によって、化学電池のアレイに対して直交する方向へ電流を導くことができる。また、アノードおよびカソードをたとえば、整列させてもよいし、もしくはずらすように配置してもかまわない。イオン交換性の膜もしくは層を、集電領域または集電器に、重ね被せるようにもしくは実質的に重ね被せるようにできる。

単位電池を相互接続するにあたっては、単位電池群で小型アレイをなすようにできるさまざまな手法を用いてよい。個々の単位電池は、直列にも並列にも接続できる。上述したU.S. application Pub. No. 2005/0250004、表題 "ELECTROCHEMICAL CELLS HAVING CURRE
NT CARRYING STRUCTURES UNDERLYING ELECTROCHEMICAL REACTION LAYERS" の記載を参照のこと。

本要約書は、37 C.F.R. §1.72(b)に則り、読者が技術開示の特質と要点を掻い摘めるよう用意したものである。請求項の範囲もしくは意味するところを説明するためまたは限定するために用いないという取り決めの下、本要約書は提出されたものである。

Claims (27)

1. アレイをなす複数の化学電池のための、被覆電解質複合材料であって、
   一種以上の誘電材料を含んだ複合材料層のうちのひとつの部位である誘電性部位および導電性である導電性部位を有する、或る厚さを有し二つ以上の表面を持ち、これらの表面間に、ひとつ以上のイオン伝導路が定められており、さらにひとつ以上の導電路が定められている複合材料層と、
   導電性もしくは誘電性の多孔質部品である気体拡散層と、ひとつ以上の複合材料層の誘電部位に付いた上塗材のうちのひとつの領域である電気化学反応領域、ひとつ以上の複合材料層のうちの導電性部位と接触している、上塗材のうちの或る領域である集電領域、もしくはそれらの組み合わせを有する、複合材料層の表面上に配された導電性の薄層である上塗材とを、各々が含んだ、二つ以上の導電性領域と、を含み、ここで、
   前記導電性部位が、前記上塗材と接続し、また、
   隣りあう導電性領域の配置により、導電性領域間に電気的な分離をもたらすような、複合材料層の表面上のひとつの領域である不連続領域が得られ、前記不連続領域の境界との間に不均一な幅を有していることを特徴とする、被覆電解質複合材料。
2. 前記導電性部位が、電池相互接続部を含む、請求項１記載の被覆電解質複合材料。
3. 前記誘電性部位が、電解質を含む、請求項１または２記載の被覆電解質複合材料。
4. 前記誘電性部位が、プロトン交換膜もしくは固体酸化物電解質を含む、請求項３記載の被覆電解質複合材料。
5. 前記電池相互接続部上に少なくとも部分的に配され、かつ前記複合材料層の前記誘電性部位上に少なくとも部分的に配された、イオン非伝導性誘電材料をさらに含む、請求項１から４のいずれか１項に記載の被覆電解質複合材料。
6. 前記誘電材料の配置により、前記誘電材料に沿って隣りあういずれの導電性領域に対しても、電気的な分離が得られる、請求項５記載の被覆電解質複合材料。
7. 前記ひとつ以上の集電領域と前記ひとつ以上の電気化学反応領域とが、分離しており、各領域の周縁に接するように複合材料層が配置される、請求項１から６のいずれか１項に記載の被覆電解質複合材料。
8. 前記上塗材が、触媒層を含む、請求項１から７のいずれか１項に記載の被覆電解質複合材料。
9. 前記ひとつ以上の電気化学反応領域のうちの少なくともいくつかが、前記誘電性部位に接続している、請求項１から８のいずれか１項に記載の被覆電解質複合材料。
10. 前記不連続領域によって、ひとつ以上のイオン伝導路を含む前記誘電性部位のうちの少なくとも一部分が露出する、請求項１から９のいずれか１項に記載の被覆電解質複合材料。
11. 単独の電池相互接続部が、第一の導電性領域に接続し、かつ第二の導電性領域から絶縁されており、前記第二の導電性領域が、前記第一の導電性領域に隣りあうように配置されていることを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載の被覆電解質複合材料。
12. 前記ひとつ以上の電池相互接続部が、前記複合材料層内に完全に配置され、かつ前記複合材料層の各側上の一つの電気化学反応領域内に配置されている、請求項１から６のいずれか１項に記載の被覆電解質複合材料。
13. 前記複合材料層が、
    第一の表面と、
    前記第一の表面の反対側に在る第二の表面と、を含み、
    前記二つ以上の導電性領域が、前記第一の表面と前記第二の表面の双方の上に位置し、対向する表面上の前記二つ以上の導電性領域が、整列している、ことを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載の被覆電解質複合材料。
14. 化学電池のための中心部材であって、
    二つ以上の電極部材を含み、
    各電極部材が、
    ひとつ以上の電極であって、ひとつ以上の電気化学反応領域、ひとつ以上の集電領域、或いは電気化学反応領域および集電領域の両方の組み合わせを含む、ひとつ以上の電極と、
    ひとつ以上の電池相互接続部と、
    前記ひとつ以上の電極および前記ひとつ以上の電池相互接続部に接続する誘電材料であって、イオン伝導性材料を含む誘電材料と、を含み、ここで、
    隣りあう電極部材からの二つ以上の同様の電極の配置が、全体としてほぼ平面のアレイをなすようになっており、かつ前記二つ以上の電極部材のあいだに島状間隙が得られるようになっており、ひとつ以上の前記電極は気体拡散層を含み、ひとつ以上の電気化学反応領域は触媒層を含み、且つ、前記誘電材料に接続され、前記島状の間隔は隣接する電極部材の境界との間の不均一な幅を有していることを特徴とする、中心部材。
15. 前記島状間隙により、前記イオン伝導性材料の少なくとも一部が露出する、請求項１４記載の中心部材。
16. 前記ひとつ以上の集電領域の各々が、前記ひとつ以上の電池相互接続部のうちの少なくともひとつと接続する、請求項１４または１５記載の中心部材。
17. 単独の電池相互接続部が、第一の電極に接続し、かつ第二の電極から絶縁されており、前記第二の電極が、前記第一の電極に隣りあうように配置されていることを特徴とする、請求項１４から１６のいずれか１項に記載の中心部材。
18. アレイをなすように配置された二つ以上の化学電池を含み、
    各々の化学電池が、
    アノード電極と、
    カソード電極と、
    前記アノード電極と前記カソード電極とのあいだに位置するイオン交換層であって、各化学電池のひとつ以上の前記アノード電極もしくは前記カソード電極は気体拡散層を含む、イオン交換層と、
    第一の化学電池のアノード電極および第二の化学電池のカソード電極に接続する、電池相互接続部と、を含んでおり、ここで、
    前記第一の化学電池と前記第二の化学電池が、アレイ内で隣りあって位置しており、また、隣りあって位置する化学電池同士の同様の電極の配置によって、前記隣りあって位置する化学電池同士のあいだに電気的な絶縁が得られ、
    前記隣りあって位置する化学電池の前記同様の電極同士が、アレイ全体としてほぼ同一平面上に在り、前記隣接する電池間の電気的な分離は、隣接する電池の境界との間の不均一な幅を有する不連続領域を含むことを特徴とする、化学電池部材。
19. 前記二つ以上の化学電池が、プロトン交換膜（PEM）形燃料電池、固体酸化物形燃料電池、もしくはアルカリ形燃料電池、を含む、請求項１８記載の化学電池部材。
20. 前記アレイが、アレイ全体としてほぼ平面型である、請求項１８または１９記載の化学電池部材。
21. 前記アノード電極もしくは前記カソード電極のうちの少なくとも一方が、触媒層を含む、請求項１８から２０のいずれか１項に記載の化学電池部材。
22. 前記電池相互接続部が、前記イオン交換層を介して前記アノード電極および前記カソード電極と接続する、請求項１８から２１のいずれか１項に記載の化学電池部材。
23. 前記電池相互接続部が、電流を前記アレイに直交する方向に導く、請求項１８から２２のいずれか１項に記載の化学電池部材。
24. 前記アノード電極が、各化学電池の前記カソード電極とアレイ全体としてほぼ整列する、請求項１８から２３のいずれか１項に記載の化学電池部材。
25. 前記気体拡散層が導電性であることを特徴とする請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載の被覆電解質複合材料。
26. 前記気体拡散層が導電性であることを特徴とする請求項１４から請求項１７のいずれか１項に記載の中心部材。
27. 前記気体拡散層が導電性であることを特徴とする請求項１８から請求項２４のいずれか１項に記載の化学電池部材。