JP5425061B2 - 平面燃料電池及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、固体高分子電解質燃料電池及び数百ミリワットから数十ワットの電力を発生させるその携帯用の実装の分野に関する。

本発明は、より詳細には、シール平面燃料電池における電池コアを開発する方法に関し、シール型多孔性基板の使用に基づく。

本発明は、水素燃料電池に関するものであり、さらにメタノール、エタノール、ギ酸、エチレングリコール、または水素化ホウ素ナトリウム溶液等の液体を含む燃料電池に関する。また、本発明はさらに、アニオンまたはカチオン電解質燃料電池に関する。

燃料電池の構造には以下の２種類がある。
・複数の燃料電池コアのスタックを備えた加圧ろ過型である。この第１型は一般的に、高電力の使用が含まれる場合に好適である。
・複数の燃料電池コアが同一平面内に並置された平面型である。この第２型は一方で、携帯用の低電力の使用に好適である。本発明はこの型のものである。

平面型は、以下の２つの主要な製造技術を使用する。

第１の技術は、多孔性材料を利用した透過性基板上に積層された電極−膜−商業用電極（電池コア）アセンブリの使用を含み、例えば特許文献１に開示されている。

第２の技術は、電池コア支持体として別の種類の透過性基板の使用を含み、非特許文献１に開示されている。

前記電池コア１は、図１に示すように、前記コアを構成する材料の連続した層の積層（電流コレクタ１０、活性層１１、膜）によって製造される。この図に記載されているように、透過性基板２はシリコンからなり、水素が電池コア１に到達できるようにチャネル４が刻まれている。

その結果、単一の基板２上に複数の電池コア１を製造することができ、直列に配置すると所望の電気的特性を有する発電機を提供する（図２）。実際、この設計では、電池コアの数によってシステム電圧が決定され、電池コアの表面によって電流が決定される。

前記セルは、燃料との“接続”を可能にするために、製造されるとすぐに“パッケージ”へと集積されなければならない。図２において前記“パッケージ”３は、燃料タンクを構成するカートリッジへと接続され、電池アノードに燃料が供給される。さらに、それによりシステムの不透過性が確保される。従って、前記“パッケージ”は保護カバーを構成し、着脱可能なシールキャップの形態をとり得る。

結果として、この種類の燃料電池を製造する場合、基板２または電池コア１の支持体を構成する材料と、“パッケージ”３を構成する材料の２つの“不活性”材料が使用される。燃料電池への集積は、追加の切断及び組み立て段階を含むため、前記実施形態は魅力に欠けるものとなる。

従って、製造方法がより簡単で実装が早い新規の平面燃料電池設計の開発が必要である。

本発明は、平面燃料電池の電池コアの基板または支持体として、電池の燃料に透過性を有するが、少なくとも１つのその外表面上でシールされる材料の使用に基づく。

従って、同一材料が、一方で燃料を拡散し且つ電池と接触するよう意図された多孔性または透過性領域を有し、他方で多孔性領域を覆い外部と接触する少なくとも１つの不透過性またはシールされた（非多孔性且つ不透過性）領域を有する。

実際には、多孔性または透過性材料は局部的にシールされているかまたは圧縮されている。単一の材料の使用を通じて対立する２つの機能（透過性／不透過性）が実現すると、構造の均一性が確保され、製造方法が簡略化される。

支持体として作用する材料の燃料に対する透過性は、以下の２つの手段によって確保されると有利である。

本発明の第１側面によって開示されるように、前記材料にはチャネルが設けられている。これは、特にシリコンに関して従来技術において報告されているようなエッチングによってなされると有利である。

また、第２側面によって開示されるように、透過性材料は多孔性材料である。

実際、本発明の文脈中で実証されているように、エッチングされたシリコンは、多孔性材料によって容易に置き換えられることができ、その燃料拡散及び基板に関する特性は非常に近いものである。

従って、優れた燃料拡散性及び同一の製造方法を維持したままで、多孔性材料上に連続した層を積層させることによって、電池コアを形成することが可能である。

本発明によって開示される多孔性材料は、０．５から４０μｍの細孔径を備え、４０から８０％の多孔率（全容量に対する細孔容量の割合）を有すると有利である。この特徴は、実装される初期材料に関連するため、基板に関する限りでは、基板の非シール部分においてのみ見られる。

本発明の基板は１から５ｍｍの厚さを有すると有利である。

好ましい実施形態において、使用される材料はポリマーであり、さらに好ましくは、ポリオレフィン、ポリエステル、ポリアミドまたはフッ素化ポリマー等の熱可塑性ポリマーの分類に属し、さらに詳細にはポリエチレンまたはポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）のホモポリマーまたはヘキサフルオロプロペンとのコポリマーである。前記ポリマーは、１００から２００℃の軟化点を有する。

本発明において、適応される材料は、透過性及び導電性の少なくとも２つの性能を有していなければならない。

細孔によって透過性になされるポリマーの好ましい場合、材料が本質的に多孔性でなければ、そのようになり得る。いくつかの多孔性ポリマーが入手可能な場合、その他のポリマーは細孔原性剤での押出またはポリマー粒子焼結によって多孔性になされ得る。

さらに、材料が本質的に導電性を有さない場合、導電体が追加され得る。

このような材料はさらに、メタノール、エタノール等の液体燃料を含有するタンク機能も有し得る。

本発明の必須の特徴によって開示されるように、支持体は少なくとも１つのその外表面上でシールされる。

論理的には、シール表面は、電池コア、特に燃料タンクと接触するようになっていない。

選択される材料は熱可塑性、つまり加熱下で軟化する特徴を有するポリマーであると有利である。結果として、層の積層後に透過性ポリマーの全接触可能な表面上に加えられる局部的及び周囲の温度上昇によって、材料の変形が引き起こされる。この軟化によって材料のチャネルまたは細孔が充填され、高密層が得られる。従って、集積された電池アセンブリは、外部及びカソードには不透過性を有しつつ、燃料拡散領域を備える。

従って、本発明では、不透過性機能を実現するために追加のキャップを使用しなくてよい。

その結果として、本発明はより小型のシステムを提供するため、より優れた電力密度Ｗ／ｋｇまたはＷ／Ｌを与える。

別の側面によって開示されるように、本発明は少なくとも１つの電池コアを含む平面燃料電池に関し、前述のように支持体の外側の非シール面上に複数配置されると有利である。

本発明はまた前記平面燃料電池の製造方法に関する。本製造方法は、
−透過性且つ導電性を有する支持体を準備する段階と、
−連続した層を積層して１つの外表面上に電池コアを形成する段階と、
−その他の面をシールする段階と、を含む。

既に述べたように、支持体を準備する段階は導電材料の追加及び／または多孔化を含み得る。

第２段階において、電流コレクタ、活性層及び膜の層を連続して積層することによって、電池コアは支持体の１つの面上に構成される。

その後、電池コアが配置されていない基板の面はシールされる。

支持体に使用される材料が熱可塑性ポリマーであるような好ましい状況では、電池コアが配置されていない表面を、典型的に１００から２００℃である材料の軟化点以上の温度に暴露することによってシールされる。その後、表面が軟化して高密外層が形成される。

１好ましい実施形態において、支持体は適応する寸法を有するモールドに配置されて前記モールドは適切な温度まで加熱される。

米国特許第５，７５９，７１２号明細書

Ｊ．Ｓ． Ｗａｉｎｒｉｇｈｔ、「Ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ」、Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｉｍｉｃａ Ａｃｔａ、Ｖｏｌｕｍｅ ４８（２００３）、Ｐａｇｅｓ ２８６９−７７

従来技術の支持体上に位置する電池コアの横断面図を示す。 従来技術の支持体上に配置され、不透過性“パッケージ”におおわれたた３つの電池コアを備えた平面燃料電池の横断面図を示す。 本発明の多孔性基板上の単一平面に位置する３つの電池コアの横断面図を示す。 本発明の多孔性且つ不透過性基板上に配置された３つの電池コアを含む平面燃料電池の横断面図を示す。

本発明の実装方法及びその利点は、添付の図面によって支持される情報の目的で与えられる非限定的な以下の実施形態からより明確になるだろう。

電池コア１を積層するための支持体として、細孔径２０μｍ、多孔性４０％を有し、厚さ１．６ｍｍを有するポリエチレン基板２が使用される。

本発明において、第１段階は電流コレクタ１０として作用する金の第１層を堆積する段階を含む。続いて、スパッタリングによって活性アノード層１１が堆積される。前記層は、好適例である白金の触媒を含む。金の層のように局部的に堆積され、最終的には複数の１ｃｍ^２の電池コアが形成される。

次いでスルホン化過フッ素化ポリマーの分散溶液に相当するＮａｆｉｏｎ（登録商標）溶液をコーディングによって基板の全面上に堆積する。続いて、活性カソード層１１はカソード層の反対側にも局在するアノード層と同じ方法でスパッタリングによって堆積される（図３）。

次に、このアセンブリは基板２のサイズに適応する寸法を有するモールドに配置される。アセンブリは１ｂａｒの圧力下に２０秒間配置され、モールドは１００℃の温度に加熱される。その後、アセンブリはモールドから取り出される。

その結果、燃料部分はシールされる。その後、事前に高密材料にねじ込まれたパイプ及びコネクタを介して、電池は水素と連結される（図４）。

１ 電池コア
２ 基盤
３ パッケージ
４ チャネル
１０ 電流コレクタ
１１ 活性層

Claims (8)

1. 電池の燃料に対して透過性を有する材料を使用して形成された平面燃料電池コア用支持体（２）であって、
   前記材料が燃料を拡散する領域を有し、かつ前記材料が前記支持体の少なくとも１つの外面上にシール領域（３）を有し、
   前記材料が熱可塑性ポリマーである平面燃料電池コア用支持体と、
   前記支持体のシールされていない外面上に配置された複数の電池コア（１）とを備えた平面燃料電池。
2. 透過性材料が、チャネル（４）を備えることを特徴とする請求項１に記載の平面燃料電池。
3. 透過性材料が、非シール領域において多孔性を有し、多孔率４０から８０％を有することを特徴とする請求項１に記載の平面燃料電池。
4. 多孔性材料が、非シール領域において０．５から４０μｍの細孔径を有することを特徴とする請求項３に記載の平面燃料電池。
5. １から５ｍｍの厚さを有することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の平面燃料電池。
6. 前記材料がポリエチレンまたはポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の平面燃料電池。
7. 前記支持体が、表面軟化を施された熱可塑性材料（３）を使用して形成されることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の平面燃料電池。
8. −透過性且つ導電性を有する支持体（２）を準備する段階と、
   −連続した層を積層して１つの外面上に電池コア（１）を形成する段階と、
   −その他の面（３）をシールする段階と、を含み、
   前記支持体を構成する材料が熱可塑性ポリマーであり、前記材料の軟化点以上の温度に表面を暴露することよってシールを行う、
   平面燃料電池の製造方法。