平面燃料電池アセンブリとその製造方法
【課題】改善された接続構造と、平面燃料電池アセンブリに、燃料電池の組立密度と、有効な反応面積の比率を増加させる方法を提供する。
【解決手段】固体高分子、陽極と陰極を提供するステップ、前記固体高分子の反対側に前記陽極と前記陰極を接合することによって膜・電極一体構造を形成するステップ、2つの導電ネットを提供するステップ、ｂ−ステージの接着剤を提供するステップ、前記導電ネットの表面にｂ−ステージの接着剤を塗布するステップ、および前記膜・電極一体構造の前記陽極と前記陰極の表面に各前記導電ネットを熱圧することによって、前記導電ネットを前記膜・電極一体構造の表面に直接接合するように保持させるステップを含む燃料電池の製造方法。
【解決手段】固体高分子、陽極と陰極を提供するステップ、前記固体高分子の反対側に前記陽極と前記陰極を接合することによって膜・電極一体構造を形成するステップ、2つの導電ネットを提供するステップ、ｂ−ステージの接着剤を提供するステップ、前記導電ネットの表面にｂ−ステージの接着剤を塗布するステップ、および前記膜・電極一体構造の前記陽極と前記陰極の表面に各前記導電ネットを熱圧することによって、前記導電ネットを前記膜・電極一体構造の表面に直接接合するように保持させるステップを含む燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接続構造の改善された燃料電池アセンブリに関し、特に、電子を伝送する導電ネットを取り付けた燃料電池アセンブリに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池（ＦＣ）は直接、水素と酸素の化学エネルギーを電力に変換する。従来の発電装置に比べ、燃料電池はより少ない汚染と騒音で、より高いエネルギー密度とエネルギー変換効率を有する。燃料電池はクリーンなエネルギーを提供し、携帯用電子機器、交通機関、軍装備品、発電システム、または宇宙産業、他の多くの用途に用いることができる。
【０００３】
異なる燃料電池によって異なる操作原理が用いられる。例えば、ダイレクトメタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）は、メタノール溶液の陽極を用いて酸化を進め、水素イオン（Ｈ＋）、またはプロトン、電子（ｅ−）と二酸化炭素（ＣＯ２）を作り出す。生成された水素イオンは、電解質によって反対の陰極へ拡散する。一方、酸素は陰極に送り込まれ、プロトンと酸素が陰極側で結合した時、水が生成される。電極間の電圧は、外部ローディングによって電子を陽極から陰極へ輸送する。生成されたネットは、水と二酸化炭素を副生成物とした電気を生成するためにダイレクトメタノール燃料電池がメタノールを用いたものである。
【０００４】
シングルセルの出力電圧は、低すぎるため、どの電子装置も駆動できない。よって、十分な出力電圧を提供するために、複数の燃料電池を燃料電池積層のように直列に接続しなければならない。燃料電池を接続する時、１つの燃料電池からもう１つの燃料電池に生成された電圧の送信を、特に、１つの燃料電池の陽極からもう１つの陰極に電子の送信を果たさなければならない。
【０００５】
図１では、従来の燃料電池１０は、陽極１２、固体高分子型燃料電池（ＰＥＭ）１１と陰極１３を含み、膜・電極一体構造（ＭＥＡ）を形成する。２つのガス拡散層１４はカーボン薄膜またはカーボン紙によってその上に形成される。更に、触媒、膜・電極一体構造、ガス拡散層１４、双極板１５と端板１７の従来の燃料電池は、ネジ１６によって組立てられ、適当な電気の接続と伝導性を提供する。
【０００６】
しかし、上述の従来の接続構造には問題がある。ネジによって提供される力は均一でなく、燃料電池アセンブリの抵抗を増加するか、または燃料が端板１７と双極板１５の溝を通過するのをブロックする。更に、この構造は、ネジに余分なスペースのゆとりを必要とし、これは組立密度を減少する。携帯式バッテリーの平面の燃料電池アセンブリでは、組立密度は３０〜５０％減少され、高パワー密度の要求を満足させることができない。
【０００７】
従来の積層型燃料電池アセンブリでは、図１に見られるように、双極板は、陽極と陰極の各二つの隣接する燃料電池に接続され、必要燃料を分離する。しかし、従来の積層型燃料電池は携帯装置と用いることに適さず、新しく平面配列された燃料電池が必要となる。
【０００８】
集電装置を備えた２つのプラスチックフレームを用いて膜・電極一体構造を間に挟む方式（特許文献参照）があるがしかし、集電装置は金属のネットで、プラスチックフレームによって与えられる力は、均一でないため、金属ネットは膜・電極一体構造の陽極と陰極に密着せず、燃料電池アセンブリの抵抗力が増加し、出力電力を減少する。
【０００９】
平面の燃料電池アセンブリに関する多くの構造と接続方法が開示されてきた。低圧で用いる改善された燃料電池のデザイン（特許文献参照）も説明されている。発明は、混合の粉末とルーズな繊維といった絶縁の接合構成と導電構成を含む導電ネットに直接接合した導電性の多孔性材料を備え、ガス拡散層を形成する。これらのガス拡散層は、熱圧によって膜・電極一体構造に接合され、燃料電池は、直列に接続される。
【００１０】
上述によって提供された方法は、依然として問題がある。導電性の多孔性材料を従来のプリント法で、導電ネットの異なる位置の反対面に塗布しなければならないことから、導電性の多孔性材料の均一性をコントロールするのが難しい。更に、従来のプリントプロセスによって形成されたガス拡散層の孔は、炭素布によって形成されたガス拡散層の孔より小さい。よって、プリントされたガス拡散層の厚さは減少されるか、精密にコントロールされなければならない。でなければ、燃料電池集合体の導電性と安定性は低下することになる。
【特許文献１】米国特許６、２７７、６５８号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
したがって、本発明の第１の目的は、改善された接続構造と、平面燃料電池アセンブリに、燃料電池の組立密度と有効な反応面積の比率を増加させる方法を提供することにある。
【００１２】
本発明のもう１つの目的は、燃料電池を直列に接続する導電ネットを備える接続構造を提供する。
【００１３】
本発明の第３の目的は、導電ネットの接続方法と各燃料電池の炭素層を提供する。
【００１４】
本発明の第４の目的は、伝導性を増加させるために、導電ネットと燃料電池間の接続を確実に固定する方法を提供する。
【００１５】
本発明の第５の目的は、容易に達成できる平面燃料電池アセンブリの製作方法を提供することで、平面燃料電池アセンブリのコストを減少することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は燃料電池の製造方法を提供する。固体高分子、陽極と陰極を提供し、前記固体高分子の反対側に前記陽極と前記陰極を接合することによって膜・電極一体構造を形成し、２つの導電ネットを提供し、前記導電ネットの表面にｂ−ステージの熱硬化性樹脂系接着剤を塗布し、および前記膜・電極一体構造の前記陽極と前記陰極の表面に各前記導電ネットを熱圧する。
【００１７】
多孔性導電層は、前記膜・電極一体構造の表面に形成、または付着され、導電性を増加させる。前記多孔性導電層はカーボン紙を含む。
【００１８】
前記導電ネットは、ニッケル、チタン、銅、アルミニウムまたはそれらの合金を含む。前記導電ネットは更に、腐食を防ぐために、金、プラチナ、ロジウム、ルテニウムまたはその他の貴金属でコーティングされる。
【００１９】
ｂ−ステージの接着剤は、１から１００μｍの間の厚さで膜として提供され、エポキシ樹脂、プルトニウム（ＰＵ）、ポリイミド（ＰＩ）またはその他の高分子ポリマーで構成されている。Ｂ−ステージの接着剤は、熱圧によって導電ネットの表面に付着され、伝導度を増加させるためにその中に複数の導電微粒子を含むことができる。
【００２０】
更に、転写の操作温度は２５から１００℃の間で、熱圧の運転温度は１００から２５０℃で、熱圧の圧力が５から５０ＭＰａである。
【００２１】
本発明は、２つの導電ネットを備えた膜・電極一体構造を有す燃料電池を提供する。膜・電極一体構造は、固体高分子、陽極と陰極を有し、前記陽極と前記陰極は固体高分子の反対側にそれぞれ設置される。
【００２２】
２つの導電ネットは、ｂ−ステージの接着剤によって前記固体高分子の前記陽極と前記陰極の表面にそれぞれ固定される。
【００２３】
多孔性導電層は、膜・電極一体構造と導電ネットの間に設置され、導電性を増加させる。多孔性導電層はカーボン紙を含む。
【００２４】
好適な実施例において、接着剤は熱硬化性樹脂系のものである。この熱硬化性樹脂系接着剤は導電ネットの表面上に塗布され、ベーキング処理される。このベーキング処理の動作温度は６０から２００℃の範囲内にある。
【００２５】
本発明は更に、絶縁フレームと直列に接続される複数の燃料電池を含む平面燃料電池アセンブリを提供する。絶縁フレームは、複数の開口を有する。燃料電池は、前記絶縁フレームの上に設置され、前記開口を覆う。
【００２６】
各燃料電池は、ｂ−ステージの接着剤によって前記固体高分子の前記陽極と前記陰極の表面に別々に固定される２つの導電ネットを備える膜・電極一体構造を含む。更に、前記隣接する燃料電池は、前記導電ネットにより直列に接続される。
【００２７】
前記導電ネットは、ニッケル、チタン、銅、アルミニウムまたはそれらの合金を含む。更に、前記導電ネットは、腐食を防ぐために、金、プラチナ、ロジウム、ルテニウムまたはその他ＣｒＮなどの耐腐食材料でコーティングされる。
【００２８】
ｂ−ステージの接着剤は、１から１００μｍの間の厚さで膜として提供され、エポキシ樹脂、プルトニウム（ＰＵ）、ポリイミド（ＰＩ）またはその他の高分子ポリマーで構成されている。Ｂ−ステージの接着剤は、熱圧によって導電ネットの表面に付着され、伝導度を増加させるためにその中に複数の導電微粒子を含むことができる。
【００２９】
好適な実施例において、絶縁フレームは上記金属ネットを固定するために複数の凸部を有する第１部分と、対応する複数の凹部を有する第２部分とから構成される。
【００３０】
燃料電池は、防水接着剤によって絶縁フレームに付着される。燃料電池は絶縁フレームの反対側に交互に設置され、燃料電池アセンブリの接続構造を簡素化する。
【００３１】
絶縁フレームは、各２つの隣接する開口の間に複数の接続部を有し、複数の接続電極は、接続部に埋め込まれる。更に、２つの隣接する燃料電池の接続された各導電ネットは、その間の接続電極によって直列に接続される。
【００３２】
２つの平面の燃料モジュールと絶縁フレームは、必要燃料のために密閉空間を形成する。絶縁フレームは更に、接続電極を有し、平面の燃料電池モジュールに接続する。更に、接続電極は、フレキシブルプリント基板を含む。
絶縁フレームは、繊維強化樹脂またはセラミック基板を含み、複数の孔を有し、燃料電池集合体の必要燃料を注入または放出する。
【発明の効果】
【００３３】
本発明は、改善された接続構造と平面燃料電池アセンブリの方法によって、燃料電池の組立密度と有効な反応面積の比率を増加することができる。金属ネットは熱圧による導電性ｂ−ステージ接着剤によって各燃料電池へ提供され、これらは各燃料電池の金属ネットと炭素層の間の導電率を改善するだけでなく、組立てプロセスも簡素化し、よって平面燃料電池アセンブリのコストが減少する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
本発明についての目的、特徴、長所が一層明確に理解されるよう、以下に実施形態を例示し、図面を参照にしながら、詳細に説明する。
【００３５】
図２Ａは、本発明の導電ネットにｂ−ステージ接着剤の塗布を示す概略図である。図２Ａでは、ｂ−ステージの熱硬化性樹脂系接着剤は、導電ネットと結合する膜２２と本発明の各燃料電池の膜・電極一体構造（ＭＥＡ）として提供される。膜２２の厚さは１〜１００μｍの間で、望ましくは４０μｍである。ｂ−ステージの熱硬化性樹脂系接着剤は、エポキシ樹脂、プルトニウム（ＰＵ）またはポリイミド（ＰＩ）またはその他の高分子ポリマーを含み、１〜１００μｍの間の厚さで、ｂ−ステージの材料に応じて、運転温度２５〜１００℃の間と、運転圧力５〜５０ＭＰａの間で、熱圧によって導電ネット２１の表面に転写される。
【００３６】
また、上記熱硬化性樹脂系接着剤は、コーティング法やスプレー法などによって導電ネットの表面上に塗布されうる。接着剤の塗布された導電ネットは接着剤がしっかり表面に付着するようにソフトベーク（焼きしめ）される。このベーキング処理の動作温度は６０から２００℃の範囲内にある。
【００３７】
図２Ｂは、図２Ａに接着剤を転写した導電ネットの断面図である。図２Ｂでは、導電ネット２１はニッケル、チタン、銅、アルミニウムまたはそれらの合金を含む。導電ネット２１は更に、金、プラチナ、ロジウム、ルテニウムまたはその他ＣｒＮなどの耐腐食材料２１１で腐食を防ぐためにコーティングされる。更に、導電度を増加させるために、ｂ−ステージ接着剤２２は、金、チタン、炭素といった複数の導電微粒子２２１を更に含んでもよい。
【００３８】
図３Ａは本発明の燃料電池の断面図である。図３Ｂは、図３Ａのエリア（ａ）の拡大図である。図３Ａでは、燃料電池３０は、膜・電極一体構造３１と２つの導電ネット３３を有する。膜・電極一体構造３１は、固体高分子型燃料電池（ＰＥＭ）３１１、陽極３１２と陰極３１３が固体高分子型燃料電池３１１の反対側に別々に接合される陽極３１２と陰極３１３を含む。更に、膜・電極一体構造３１の陽極３１２と陰極３１３は従来の熱圧またはプリント法によって接合される。
【００３９】
膜・電極一体構造３１の導電率とガス透過率を増加させるために、カーボン紙、または炭素布の２つのガス拡散層３２は、膜・電極一体構造３１の表面に形成、または付着される。ガス拡散層３２は、陽極３１２、陰極３１３と固体高分子型燃料電池３１１が接合された時、その上に熱圧され、膜・電極一体構造の一部となる。
【００４０】
図２Ｂと図３Ａ〜図３Ｂでは、熱圧と接着剤の塗布の後、金属ネット３３は、熱圧によって、膜・電極一体構造３１の反対側の表面に接合される。その間、ｂ−ステージ接着剤２２は、図３Ｂに見られるように設置される。最後に、ｂ−ステージ接着剤２２は、高運転温度によって固化され、金属ネット３３をガス拡散層３２の表面に接合させる。熱圧の運転温度は、１００〜２５０℃の間で、運転圧力が５ＭＰａ〜５０ＭＰｓの間で、熱圧の時間は１〜５分の間である。
【００４１】
金属ネット３３とガス拡散層３２間の最適な導電率は、運転温度が１６０℃で、３０ＭＰａの運転圧力、３分の接合時間である。
【００４２】
更に、本発明の膜・電極一体構造３１の上のガス拡散層３２は省略することができる。金属層３３は、接着剤によって膜・電極一体構造３１の陽極３１２と陰極３１３の表面に直接接合される。また、金属層３３をまず陽極３１２と陰極３１３の１つの表面にそれぞれ接着させることができ、図３Ｃに見られるようにその上にガス拡散層３２を熱圧することができる。
【実施例１】
【００４３】
図４Ａは、実施例１での平面燃料電池アセンブリの断面図である。図を簡素化するために、２つの燃料電池のみの燃料電池アセンブリを示しているが、２つと限定しているわけではない。
【００４４】
図４Ａでは、燃料電池アセンブリ４０は２つの燃料電池３０ａ、３０ｂ、絶縁フレーム４２、２つのフローガイド板４３ａ、４３ｂを有す。金属ネット４１はまず、ｂ−ステージ接着剤によって燃料電池３０ａの陽極と燃料電池３０ｂの陰極に接合され、その間に接続電極を形成する。接続された金属ネット４１の屈曲部４１１は、絶縁フレーム４２の中央に埋め込まれ、ダメージから屈曲部４１１を守ることができる。更に、絶縁フレーム４２は、セラミックプレートを含むか、または射出成形によって、ＰＣ、ＰＥの繊維強化樹脂、またはその他の高分子化合物により形成される。
【００４５】
さらに燃料電池アセンブリ４０の接続された金属ネット４１は、図４Ｂに示されるように接続部において接合される２つの金属ネットから構成されうる。
【００４６】
図４Ｃは、実施例１でのもう１つの平面燃料電池アセンブリの断面図である。図４Ｃでは、燃料電池３０ａ、３０ｂは、絶縁フレーム４２の中央部に埋め込まれた接続電極４５によって直列に接続される。金属ネット４１ａ、４２ｂは、ｂ−ステージ接着剤または直接熱圧によって接続電極４５に接合される。金属ネットはまた、接続電極４５にはんだ付けされることができ、平面燃料電池アセンブリ４０’を形成する。
【００４７】
図４Ｄでは絶縁フレームは一般的なフローガイド板と接合することができ、複数の凸部を有する第１部分と、対応する複数の凹部を有する第２部分とから構成される。平面燃料電池アセンブリ４０”を組み立てる際、燃料電池３０ａ、３０ｂは上記第１部分に設置され、上記第２部分はこの上に押圧される。これと同時に上記金属ネットはこれらの凹部と凸部とを介して接続される。
【００４８】
図４Ａと図４Ｂに見られる平面燃料電池アセンブリの接合された金属ネットは、燃料電池によって生成された電荷を収集する。よってフローガイド板４３ａ、４３ｂは、石墨以外のＰＣ、ＰＥまたはその他の絶縁高分子化合物より構成される。フローガイド板４３ａ、４３ｂでは、複数の溝４３１ａ、４３１ｂが燃料を導入する。フローガイド板４３ａ、４３ｂは、絶縁フレーム４２に付着され、防水接着剤４４によって密閉され、こうした実施例１での平面燃料電池アセンブリは、固体高分子型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）または直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）と共に用いるのに適される。
【００４９】
更に、燃料電池のガス拡散層を省略し、金属ネットを陽極または陰極の表面に直接接合させることができる。あるいは、金属ネットを陽極または陰極の表面の上にまず熱圧させ、その上にガス拡散層をその上に熱圧し、図３に示された構造を形成することができる。
【実施例２】
【００５０】
図５Ａは、実施例２での平面燃料電池アセンブリの分解斜視図で、図５Ｂは、その断面図である。図を簡素化するために、４つの燃料電池３０ａ〜３０ｄの燃料電池アセンブリ５０を示しているが、４つと限定しているわけではない。
【００５１】
図５Ａでは、燃料電池アセンブリ５０は、絶縁フレームと複数の燃料電池３０ａ〜３０ｄを含み、直列に接続される。絶縁フレームは、囲い部５１と２つのカバー５２ａ、５２ｂを含む。囲い部５１は長方形の絶縁フレームで、カバー５２ａ、５２ｂを支え、接続電極５１１は、その側壁に埋め込まれている。カバー５２ａ、５２ｂの両方とも２つの長方形の開口５２１を有している。燃料電池３０ａ〜３０ｄは、カバー５２ａ、５２ｂに設置され、開口５２１をカバーする。また、これらのカバー５２ａ、５２ｂを図４Ｂ〜図４Ｄに示される平面燃料電池アセンブリの構成に対応させて囲い部５１と接合させることも可能である。絶縁フレームの囲い部５１とカバー５２ａ、５２ｂは、ＰＣ、ＰＥの繊維強化樹脂、またはその他のセラミックプレートを含む。
【００５２】
実施例２での各燃料電池３０ａ〜３０ｄの構造は、図３Ａで示されたのと同一である。各燃料電池３０ａ〜３０ｄは、熱圧された固体高分子型燃料電池、陽極３１２と陰極３１３を有す。更に、カーボン紙または炭素布の２つのガス拡散層は、その上に接合される。
【００５３】
図５Ａと図５Ｂは、実施例２での平面燃料電池アセンブリ５０の製作中、金属ネット５５ａ〜５５ｄは、Ｂ−ステージ接着剤と熱圧を用いて、各燃料電池３０ａ〜３０ｄの１つの表面にまず接合される。次に、大きい方の金属ネット５４ａ、５４ｂは、第１燃料電池の陽極と第２燃料電池の陰極に接続するために適用され、デュアルセル・モジュールを形成する。
【００５４】
次に、デュアルセル・モジュールは、防水接着剤によってカバー５２ａ、５２ｂに別々に接合され、開口５２１をカバーする。その後、絶縁フレームのカバー５２ａ、５２ｂは、防水接着剤によって囲い部５１に付着され、絶縁フレームと各燃料電池３０ａ〜３０ｄは、その上に設置される。よって、密閉空間５３を形成し、必要とする液体燃料を入れることができる。
【００５５】
最後に、金属ネット５５ｂ、５５ｃは、異方性導電フィルム（ＡＣＦ）またははんだ付けによって接続電極５１１に接続され、完成した平面燃料電池集合体５０を形成し、電子装置に十分な出力電圧を提供する。更に、金属ネット５５ａ，５５ｂは、平面燃料電池アセンブリ５０の正と負極として働く。導電ネット５４ａ、５４ｂ、５５ａ〜５５ｄは、ニッケル、チタン、銅、アルミニウムまたはそれらの合金を含み、腐食を防ぐために、金、プラチナ、ロジウム、ルテニウムまたはその他ＣｒＮなどの耐腐食材料でコーティングされる。
【００５６】
図５Ａ、図５Ｂでは、各燃料電池の陽極は絶縁フレームの開口をカバーし、実施例２での平面燃料電池アセンブリは、直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）と共に用いるのに適される。必要とされるメタノール溶液は、孔５１２によって密閉空間５３に導入することができ、必要とされる酸素は直接大気、または別途のポンプシステムによって提供することができる。
【実施例３】
【００５７】
図５Ａに見られる実施例２のデュアルセル・モジュールの製作中、金属ネット５４ａ、５４ｂを２つの燃料電池に同時に屈曲と接合をさせるのは難しい。したがって、本発明は平面燃料電池アセンブリにもう１つの簡単に製作できる構造を提供する。
【００５８】
図６は、本発明の実施例３での平面燃料電池アセンブリの断面図である。図を簡素化するために、６つの燃料電池３０ａ〜３０ｆの燃料電池アセンブリ６０を示しているが、６つと限定しているわけではない。
【００５９】
図６Ａでは、燃料電池アセンブリ６０は、絶縁フレームと複数の燃料電池３０ａ〜３０ｆを含み、直列に接続される。絶縁フレームは、囲い部６１と２つのカバー６２ａ、６２ｂを含む。実施例２と類似して囲い部６１は長方形の絶縁フレームで、カバー６２ａ、６２ｂを支え、接続電極６１ｃは、その側壁に埋め込まれている。カバー６２ａ、６２ｂの両方とも３つの長方形の開口を有している。燃料電池３０ａ〜３０ｄは、カバー５２ａ、５２ｂに設置され、開口をカバーする。更に、４つの接続電極６１ａ〜６１ｄは、各２つの開口の間の接続部６４ａ〜６４ｄに埋め込まれる。接続電極６１ａ〜６１ｄは、一級燃料電池の陽極に接合された金属ネットを接続するのに用いられる。
【００６０】
絶縁フレームの包囲部５１とカバー５２ａ、５２ｂは、ＰＣ、ＰＥの繊維強化樹脂、またはその他のセラミックプレートを含む。
【００６１】
実施例３での各燃料電池３０ａ〜３０ｆの構造は、図３Ａで示されたのと同一である。各燃料電池３０ａ〜３０ｆは、熱圧された固体高分子型燃料電池、陽極３１２と陰極３１３を有す。更に、カーボン紙または炭素布の２つのガス拡散層は、その上に接合される。
【００６２】
図６では、平面燃料電池アセンブリ６０の構造を向上させるために、燃料電池３０ｂ、３０ｅは絶縁フレーム（６１、６２ａ、６２ｂ）の内側の表面に設置され、燃料電池３０ａ〜３０ｆは代わりに絶縁フレームの反対側に設置される。
【００６３】
実施例３の平面燃料電池アセンブリ６０の製作中、金属ネット３３ａ〜３３ｌは、Ｂ−ステージ接着剤と熱圧によって、各燃料電池３０ａ〜３０ｆの両表面に接合される。
【００６４】
次に、燃料電池３０ａ〜３０ｆは、防水接着剤によってカバー６２ａ、６２ｂの反対側に代わりに接合され、漏れから液体燃料を防ぐために開口をカバーする。次に、金属ネット３３ｂ〜３３ｅ、３３ｈ〜３３ｋは、異方性導電フィルム（ＡＣＦ）またははんだ付けによって接続電極６１ａ、６１ｂ、６１ｄ、６１ｅに接続され、２つの平面燃料電池モジュールを形成する。次に、絶縁フレームのカバー６２ａ、６２ｂは、防水接着剤によって囲い部６１に接着され、絶縁フレームと各燃料電池３０ａ〜３０ｆは、その上に配置される。よって、密閉空間６３を形成し、必要とする液体燃料を入れることができる。最後に金属ネット３３ｆ、３３ｇは、異方性導電フィルム（ＡＣＦ）またははんだ付けによって接続電極６１ｃに接続され、平面燃料電池アセンブリ６０を形成し、電子装置に十分な出力電圧を提供する。
【００６５】
更に、金属ネット３３ａ、３３ｌは、平面燃料電池アセンブリの正と負極として働く。導電ネット３３ａ〜３３ｌは、ニッケル、チタン、銅、アルミニウムまたはそれらの合金を含み、腐食を防ぐために、金、プラチナ、ロジウム、ルテニウムまたはその他の貴金属でコーティングされる。
【００６６】
図６では、各燃料電池３０ａ〜３０ｆの陽極は、絶縁フレームの開口をカバーし、実施例３での平面燃料電池アセンブリ６０は、直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）と共に用いるのに適する。必要メタノール溶液は、密閉空間６３に導入することができ、必要酸素は直接大気、または別途のポンプシステムによって提供することができる。
【００６７】
更に、陰極が内部に面した状態で、各燃料電池３０ａ〜３０ｆが絶縁フレームのカバー６２ａ、６２ｂの上に設置された時、密閉空間６３を空気または酸素を導入するのに用いることができる。水素またはメタノール溶液といった必要燃料は、外部から提供することができる。例えば、燃料は、実施例１のフローガイド板の溝を通ることができる。よって、平面燃料電池アセンブリ６０の構造は、従来の固体高分子型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）と直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）と共に用いるのに適する。
【００６８】
以上、本発明の好適な実施例を例示したが、これは本発明を限定するものではなく、本発明の精神及び範囲を逸脱しない限りにおいては、当業者であれば行い得る少々の変更や修飾を付加することは可能である。従って、本発明が保護を請求する範囲は、特許請求の範囲を基準とする。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１Ａ】従来の燃料電池の断面図である。
【図２Ａ】本発明の導電ネットにｂ−ステージ接着剤の塗布を示す概略図である。
【図２Ｂ】図２Ａに接着剤を転写した導電ネットの断面図である。
【図３Ａ】本発明の燃料電池の断面図である。
【図３Ｂ】図３Ａのエリア（ａ）の拡大図である。
【図３Ｃ】本発明の燃料電池のもう１つの実行可能な構造を示す断面図である。
【図４Ａ】本発明の実施例１での平面燃料電池アセンブリの断面図である。
【図４Ｂ】実施例１での別の平面燃料電池アセンブリの断面図である。
【図４Ｃ】実施例１での別の平面燃料電池アセンブリの断面図である。
【図４Ｄ】実施例１での別の平面燃料電池アセンブリの断面図である。
【図５Ａ】本発明の実施例２での平面燃料電池アセンブリの分解斜視図である。
【図５Ｂ】図５Ａの平面燃料電池アセンブリの断面図である。
【図６】本発明の実施例３での平面燃料電池アセンブリの断面図である。
【符号の説明】
【００７０】
２１ 導電ネット
２２ 膜（ｂ−ステージ接着剤）
２２１ 導電微粒子
３０、３０’、３０ａ〜３０ｆ 燃料電池
３１ 膜・電極一体構造
３１１ 固体高分子型燃料電池
３１２ 陽極
３１３ 陰極
３２ ガス拡散層
３３、３３ａ〜３３１ 金属ネット
４０、４０’平面燃料電池アセンブリ
４１、４１ａ、４１ｂ 金属ネット
４１１ 屈曲部
４２ 絶縁フレーム
４３ａ、４３ｂ フローガイド板
４３１ａ、４３１ｂ 溝
４４ 防水接着剤
５０、６０ 平面燃料電池アセンブリ
５１、６１ 絶縁フレームの囲い部
５１１、６１ａ〜６１ｂ 接続電極
５１２ 孔
５２ａ、５２ｂ、６２ａ、６２ｂ カバー
５２１ 開口
５３、６３ 密閉空間
５４ａ、５４ｂ 金属ネット
５５ａ、５５ｄ 金属ネット
６４ａ、６４ｄ 接続部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接続構造の改善された燃料電池アセンブリに関し、特に、電子を伝送する導電ネットを取り付けた燃料電池アセンブリに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池（ＦＣ）は直接、水素と酸素の化学エネルギーを電力に変換する。従来の発電装置に比べ、燃料電池はより少ない汚染と騒音で、より高いエネルギー密度とエネルギー変換効率を有する。燃料電池はクリーンなエネルギーを提供し、携帯用電子機器、交通機関、軍装備品、発電システム、または宇宙産業、他の多くの用途に用いることができる。
【０００３】
異なる燃料電池によって異なる操作原理が用いられる。例えば、ダイレクトメタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）は、メタノール溶液の陽極を用いて酸化を進め、水素イオン（Ｈ＋）、またはプロトン、電子（ｅ−）と二酸化炭素（ＣＯ２）を作り出す。生成された水素イオンは、電解質によって反対の陰極へ拡散する。一方、酸素は陰極に送り込まれ、プロトンと酸素が陰極側で結合した時、水が生成される。電極間の電圧は、外部ローディングによって電子を陽極から陰極へ輸送する。生成されたネットは、水と二酸化炭素を副生成物とした電気を生成するためにダイレクトメタノール燃料電池がメタノールを用いたものである。
【０００４】
シングルセルの出力電圧は、低すぎるため、どの電子装置も駆動できない。よって、十分な出力電圧を提供するために、複数の燃料電池を燃料電池積層のように直列に接続しなければならない。燃料電池を接続する時、１つの燃料電池からもう１つの燃料電池に生成された電圧の送信を、特に、１つの燃料電池の陽極からもう１つの陰極に電子の送信を果たさなければならない。
【０００５】
図１では、従来の燃料電池１０は、陽極１２、固体高分子型燃料電池（ＰＥＭ）１１と陰極１３を含み、膜・電極一体構造（ＭＥＡ）を形成する。２つのガス拡散層１４はカーボン薄膜またはカーボン紙によってその上に形成される。更に、触媒、膜・電極一体構造、ガス拡散層１４、双極板１５と端板１７の従来の燃料電池は、ネジ１６によって組立てられ、適当な電気の接続と伝導性を提供する。
【０００６】
しかし、上述の従来の接続構造には問題がある。ネジによって提供される力は均一でなく、燃料電池アセンブリの抵抗を増加するか、または燃料が端板１７と双極板１５の溝を通過するのをブロックする。更に、この構造は、ネジに余分なスペースのゆとりを必要とし、これは組立密度を減少する。携帯式バッテリーの平面の燃料電池アセンブリでは、組立密度は３０〜５０％減少され、高パワー密度の要求を満足させることができない。
【０００７】
従来の積層型燃料電池アセンブリでは、図１に見られるように、双極板は、陽極と陰極の各二つの隣接する燃料電池に接続され、必要燃料を分離する。しかし、従来の積層型燃料電池は携帯装置と用いることに適さず、新しく平面配列された燃料電池が必要となる。
【０００８】
集電装置を備えた２つのプラスチックフレームを用いて膜・電極一体構造を間に挟む方式（特許文献参照）があるがしかし、集電装置は金属のネットで、プラスチックフレームによって与えられる力は、均一でないため、金属ネットは膜・電極一体構造の陽極と陰極に密着せず、燃料電池アセンブリの抵抗力が増加し、出力電力を減少する。
【０００９】
平面の燃料電池アセンブリに関する多くの構造と接続方法が開示されてきた。低圧で用いる改善された燃料電池のデザイン（特許文献参照）も説明されている。発明は、混合の粉末とルーズな繊維といった絶縁の接合構成と導電構成を含む導電ネットに直接接合した導電性の多孔性材料を備え、ガス拡散層を形成する。これらのガス拡散層は、熱圧によって膜・電極一体構造に接合され、燃料電池は、直列に接続される。
【００１０】
上述によって提供された方法は、依然として問題がある。導電性の多孔性材料を従来のプリント法で、導電ネットの異なる位置の反対面に塗布しなければならないことから、導電性の多孔性材料の均一性をコントロールするのが難しい。更に、従来のプリントプロセスによって形成されたガス拡散層の孔は、炭素布によって形成されたガス拡散層の孔より小さい。よって、プリントされたガス拡散層の厚さは減少されるか、精密にコントロールされなければならない。でなければ、燃料電池集合体の導電性と安定性は低下することになる。
【特許文献１】米国特許６、２７７、６５８号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
したがって、本発明の第１の目的は、改善された接続構造と、平面燃料電池アセンブリに、燃料電池の組立密度と有効な反応面積の比率を増加させる方法を提供することにある。
【００１２】
本発明のもう１つの目的は、燃料電池を直列に接続する導電ネットを備える接続構造を提供する。
【００１３】
本発明の第３の目的は、導電ネットの接続方法と各燃料電池の炭素層を提供する。
【００１４】
本発明の第４の目的は、伝導性を増加させるために、導電ネットと燃料電池間の接続を確実に固定する方法を提供する。
【００１５】
本発明の第５の目的は、容易に達成できる平面燃料電池アセンブリの製作方法を提供することで、平面燃料電池アセンブリのコストを減少することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は燃料電池の製造方法を提供する。固体高分子、陽極と陰極を提供し、前記固体高分子の反対側に前記陽極と前記陰極を接合することによって膜・電極一体構造を形成し、２つの導電ネットを提供し、前記導電ネットの表面にｂ−ステージの熱硬化性樹脂系接着剤を塗布し、および前記膜・電極一体構造の前記陽極と前記陰極の表面に各前記導電ネットを熱圧する。
【００１７】
多孔性導電層は、前記膜・電極一体構造の表面に形成、または付着され、導電性を増加させる。前記多孔性導電層はカーボン紙を含む。
【００１８】
前記導電ネットは、ニッケル、チタン、銅、アルミニウムまたはそれらの合金を含む。前記導電ネットは更に、腐食を防ぐために、金、プラチナ、ロジウム、ルテニウムまたはその他の貴金属でコーティングされる。
【００１９】
ｂ−ステージの接着剤は、１から１００μｍの間の厚さで膜として提供され、エポキシ樹脂、プルトニウム（ＰＵ）、ポリイミド（ＰＩ）またはその他の高分子ポリマーで構成されている。Ｂ−ステージの接着剤は、熱圧によって導電ネットの表面に付着され、伝導度を増加させるためにその中に複数の導電微粒子を含むことができる。
【００２０】
更に、転写の操作温度は２５から１００℃の間で、熱圧の運転温度は１００から２５０℃で、熱圧の圧力が５から５０ＭＰａである。
【００２１】
本発明は、２つの導電ネットを備えた膜・電極一体構造を有す燃料電池を提供する。膜・電極一体構造は、固体高分子、陽極と陰極を有し、前記陽極と前記陰極は固体高分子の反対側にそれぞれ設置される。
【００２２】
２つの導電ネットは、ｂ−ステージの接着剤によって前記固体高分子の前記陽極と前記陰極の表面にそれぞれ固定される。
【００２３】
多孔性導電層は、膜・電極一体構造と導電ネットの間に設置され、導電性を増加させる。多孔性導電層はカーボン紙を含む。
【００２４】
好適な実施例において、接着剤は熱硬化性樹脂系のものである。この熱硬化性樹脂系接着剤は導電ネットの表面上に塗布され、ベーキング処理される。このベーキング処理の動作温度は６０から２００℃の範囲内にある。
【００２５】
本発明は更に、絶縁フレームと直列に接続される複数の燃料電池を含む平面燃料電池アセンブリを提供する。絶縁フレームは、複数の開口を有する。燃料電池は、前記絶縁フレームの上に設置され、前記開口を覆う。
【００２６】
各燃料電池は、ｂ−ステージの接着剤によって前記固体高分子の前記陽極と前記陰極の表面に別々に固定される２つの導電ネットを備える膜・電極一体構造を含む。更に、前記隣接する燃料電池は、前記導電ネットにより直列に接続される。
【００２７】
前記導電ネットは、ニッケル、チタン、銅、アルミニウムまたはそれらの合金を含む。更に、前記導電ネットは、腐食を防ぐために、金、プラチナ、ロジウム、ルテニウムまたはその他ＣｒＮなどの耐腐食材料でコーティングされる。
【００２８】
ｂ−ステージの接着剤は、１から１００μｍの間の厚さで膜として提供され、エポキシ樹脂、プルトニウム（ＰＵ）、ポリイミド（ＰＩ）またはその他の高分子ポリマーで構成されている。Ｂ−ステージの接着剤は、熱圧によって導電ネットの表面に付着され、伝導度を増加させるためにその中に複数の導電微粒子を含むことができる。
【００２９】
好適な実施例において、絶縁フレームは上記金属ネットを固定するために複数の凸部を有する第１部分と、対応する複数の凹部を有する第２部分とから構成される。
【００３０】
燃料電池は、防水接着剤によって絶縁フレームに付着される。燃料電池は絶縁フレームの反対側に交互に設置され、燃料電池アセンブリの接続構造を簡素化する。
【００３１】
絶縁フレームは、各２つの隣接する開口の間に複数の接続部を有し、複数の接続電極は、接続部に埋め込まれる。更に、２つの隣接する燃料電池の接続された各導電ネットは、その間の接続電極によって直列に接続される。
【００３２】
２つの平面の燃料モジュールと絶縁フレームは、必要燃料のために密閉空間を形成する。絶縁フレームは更に、接続電極を有し、平面の燃料電池モジュールに接続する。更に、接続電極は、フレキシブルプリント基板を含む。
絶縁フレームは、繊維強化樹脂またはセラミック基板を含み、複数の孔を有し、燃料電池集合体の必要燃料を注入または放出する。
【発明の効果】
【００３３】
本発明は、改善された接続構造と平面燃料電池アセンブリの方法によって、燃料電池の組立密度と有効な反応面積の比率を増加することができる。金属ネットは熱圧による導電性ｂ−ステージ接着剤によって各燃料電池へ提供され、これらは各燃料電池の金属ネットと炭素層の間の導電率を改善するだけでなく、組立てプロセスも簡素化し、よって平面燃料電池アセンブリのコストが減少する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
本発明についての目的、特徴、長所が一層明確に理解されるよう、以下に実施形態を例示し、図面を参照にしながら、詳細に説明する。
【００３５】
図２Ａは、本発明の導電ネットにｂ−ステージ接着剤の塗布を示す概略図である。図２Ａでは、ｂ−ステージの熱硬化性樹脂系接着剤は、導電ネットと結合する膜２２と本発明の各燃料電池の膜・電極一体構造（ＭＥＡ）として提供される。膜２２の厚さは１〜１００μｍの間で、望ましくは４０μｍである。ｂ−ステージの熱硬化性樹脂系接着剤は、エポキシ樹脂、プルトニウム（ＰＵ）またはポリイミド（ＰＩ）またはその他の高分子ポリマーを含み、１〜１００μｍの間の厚さで、ｂ−ステージの材料に応じて、運転温度２５〜１００℃の間と、運転圧力５〜５０ＭＰａの間で、熱圧によって導電ネット２１の表面に転写される。
【００３６】
また、上記熱硬化性樹脂系接着剤は、コーティング法やスプレー法などによって導電ネットの表面上に塗布されうる。接着剤の塗布された導電ネットは接着剤がしっかり表面に付着するようにソフトベーク（焼きしめ）される。このベーキング処理の動作温度は６０から２００℃の範囲内にある。
【００３７】
図２Ｂは、図２Ａに接着剤を転写した導電ネットの断面図である。図２Ｂでは、導電ネット２１はニッケル、チタン、銅、アルミニウムまたはそれらの合金を含む。導電ネット２１は更に、金、プラチナ、ロジウム、ルテニウムまたはその他ＣｒＮなどの耐腐食材料２１１で腐食を防ぐためにコーティングされる。更に、導電度を増加させるために、ｂ−ステージ接着剤２２は、金、チタン、炭素といった複数の導電微粒子２２１を更に含んでもよい。
【００３８】
図３Ａは本発明の燃料電池の断面図である。図３Ｂは、図３Ａのエリア（ａ）の拡大図である。図３Ａでは、燃料電池３０は、膜・電極一体構造３１と２つの導電ネット３３を有する。膜・電極一体構造３１は、固体高分子型燃料電池（ＰＥＭ）３１１、陽極３１２と陰極３１３が固体高分子型燃料電池３１１の反対側に別々に接合される陽極３１２と陰極３１３を含む。更に、膜・電極一体構造３１の陽極３１２と陰極３１３は従来の熱圧またはプリント法によって接合される。
【００３９】
膜・電極一体構造３１の導電率とガス透過率を増加させるために、カーボン紙、または炭素布の２つのガス拡散層３２は、膜・電極一体構造３１の表面に形成、または付着される。ガス拡散層３２は、陽極３１２、陰極３１３と固体高分子型燃料電池３１１が接合された時、その上に熱圧され、膜・電極一体構造の一部となる。
【００４０】
図２Ｂと図３Ａ〜図３Ｂでは、熱圧と接着剤の塗布の後、金属ネット３３は、熱圧によって、膜・電極一体構造３１の反対側の表面に接合される。その間、ｂ−ステージ接着剤２２は、図３Ｂに見られるように設置される。最後に、ｂ−ステージ接着剤２２は、高運転温度によって固化され、金属ネット３３をガス拡散層３２の表面に接合させる。熱圧の運転温度は、１００〜２５０℃の間で、運転圧力が５ＭＰａ〜５０ＭＰｓの間で、熱圧の時間は１〜５分の間である。
【００４１】
金属ネット３３とガス拡散層３２間の最適な導電率は、運転温度が１６０℃で、３０ＭＰａの運転圧力、３分の接合時間である。
【００４２】
更に、本発明の膜・電極一体構造３１の上のガス拡散層３２は省略することができる。金属層３３は、接着剤によって膜・電極一体構造３１の陽極３１２と陰極３１３の表面に直接接合される。また、金属層３３をまず陽極３１２と陰極３１３の１つの表面にそれぞれ接着させることができ、図３Ｃに見られるようにその上にガス拡散層３２を熱圧することができる。
【実施例１】
【００４３】
図４Ａは、実施例１での平面燃料電池アセンブリの断面図である。図を簡素化するために、２つの燃料電池のみの燃料電池アセンブリを示しているが、２つと限定しているわけではない。
【００４４】
図４Ａでは、燃料電池アセンブリ４０は２つの燃料電池３０ａ、３０ｂ、絶縁フレーム４２、２つのフローガイド板４３ａ、４３ｂを有す。金属ネット４１はまず、ｂ−ステージ接着剤によって燃料電池３０ａの陽極と燃料電池３０ｂの陰極に接合され、その間に接続電極を形成する。接続された金属ネット４１の屈曲部４１１は、絶縁フレーム４２の中央に埋め込まれ、ダメージから屈曲部４１１を守ることができる。更に、絶縁フレーム４２は、セラミックプレートを含むか、または射出成形によって、ＰＣ、ＰＥの繊維強化樹脂、またはその他の高分子化合物により形成される。
【００４５】
さらに燃料電池アセンブリ４０の接続された金属ネット４１は、図４Ｂに示されるように接続部において接合される２つの金属ネットから構成されうる。
【００４６】
図４Ｃは、実施例１でのもう１つの平面燃料電池アセンブリの断面図である。図４Ｃでは、燃料電池３０ａ、３０ｂは、絶縁フレーム４２の中央部に埋め込まれた接続電極４５によって直列に接続される。金属ネット４１ａ、４２ｂは、ｂ−ステージ接着剤または直接熱圧によって接続電極４５に接合される。金属ネットはまた、接続電極４５にはんだ付けされることができ、平面燃料電池アセンブリ４０’を形成する。
【００４７】
図４Ｄでは絶縁フレームは一般的なフローガイド板と接合することができ、複数の凸部を有する第１部分と、対応する複数の凹部を有する第２部分とから構成される。平面燃料電池アセンブリ４０”を組み立てる際、燃料電池３０ａ、３０ｂは上記第１部分に設置され、上記第２部分はこの上に押圧される。これと同時に上記金属ネットはこれらの凹部と凸部とを介して接続される。
【００４８】
図４Ａと図４Ｂに見られる平面燃料電池アセンブリの接合された金属ネットは、燃料電池によって生成された電荷を収集する。よってフローガイド板４３ａ、４３ｂは、石墨以外のＰＣ、ＰＥまたはその他の絶縁高分子化合物より構成される。フローガイド板４３ａ、４３ｂでは、複数の溝４３１ａ、４３１ｂが燃料を導入する。フローガイド板４３ａ、４３ｂは、絶縁フレーム４２に付着され、防水接着剤４４によって密閉され、こうした実施例１での平面燃料電池アセンブリは、固体高分子型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）または直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）と共に用いるのに適される。
【００４９】
更に、燃料電池のガス拡散層を省略し、金属ネットを陽極または陰極の表面に直接接合させることができる。あるいは、金属ネットを陽極または陰極の表面の上にまず熱圧させ、その上にガス拡散層をその上に熱圧し、図３に示された構造を形成することができる。
【実施例２】
【００５０】
図５Ａは、実施例２での平面燃料電池アセンブリの分解斜視図で、図５Ｂは、その断面図である。図を簡素化するために、４つの燃料電池３０ａ〜３０ｄの燃料電池アセンブリ５０を示しているが、４つと限定しているわけではない。
【００５１】
図５Ａでは、燃料電池アセンブリ５０は、絶縁フレームと複数の燃料電池３０ａ〜３０ｄを含み、直列に接続される。絶縁フレームは、囲い部５１と２つのカバー５２ａ、５２ｂを含む。囲い部５１は長方形の絶縁フレームで、カバー５２ａ、５２ｂを支え、接続電極５１１は、その側壁に埋め込まれている。カバー５２ａ、５２ｂの両方とも２つの長方形の開口５２１を有している。燃料電池３０ａ〜３０ｄは、カバー５２ａ、５２ｂに設置され、開口５２１をカバーする。また、これらのカバー５２ａ、５２ｂを図４Ｂ〜図４Ｄに示される平面燃料電池アセンブリの構成に対応させて囲い部５１と接合させることも可能である。絶縁フレームの囲い部５１とカバー５２ａ、５２ｂは、ＰＣ、ＰＥの繊維強化樹脂、またはその他のセラミックプレートを含む。
【００５２】
実施例２での各燃料電池３０ａ〜３０ｄの構造は、図３Ａで示されたのと同一である。各燃料電池３０ａ〜３０ｄは、熱圧された固体高分子型燃料電池、陽極３１２と陰極３１３を有す。更に、カーボン紙または炭素布の２つのガス拡散層は、その上に接合される。
【００５３】
図５Ａと図５Ｂは、実施例２での平面燃料電池アセンブリ５０の製作中、金属ネット５５ａ〜５５ｄは、Ｂ−ステージ接着剤と熱圧を用いて、各燃料電池３０ａ〜３０ｄの１つの表面にまず接合される。次に、大きい方の金属ネット５４ａ、５４ｂは、第１燃料電池の陽極と第２燃料電池の陰極に接続するために適用され、デュアルセル・モジュールを形成する。
【００５４】
次に、デュアルセル・モジュールは、防水接着剤によってカバー５２ａ、５２ｂに別々に接合され、開口５２１をカバーする。その後、絶縁フレームのカバー５２ａ、５２ｂは、防水接着剤によって囲い部５１に付着され、絶縁フレームと各燃料電池３０ａ〜３０ｄは、その上に設置される。よって、密閉空間５３を形成し、必要とする液体燃料を入れることができる。
【００５５】
最後に、金属ネット５５ｂ、５５ｃは、異方性導電フィルム（ＡＣＦ）またははんだ付けによって接続電極５１１に接続され、完成した平面燃料電池集合体５０を形成し、電子装置に十分な出力電圧を提供する。更に、金属ネット５５ａ，５５ｂは、平面燃料電池アセンブリ５０の正と負極として働く。導電ネット５４ａ、５４ｂ、５５ａ〜５５ｄは、ニッケル、チタン、銅、アルミニウムまたはそれらの合金を含み、腐食を防ぐために、金、プラチナ、ロジウム、ルテニウムまたはその他ＣｒＮなどの耐腐食材料でコーティングされる。
【００５６】
図５Ａ、図５Ｂでは、各燃料電池の陽極は絶縁フレームの開口をカバーし、実施例２での平面燃料電池アセンブリは、直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）と共に用いるのに適される。必要とされるメタノール溶液は、孔５１２によって密閉空間５３に導入することができ、必要とされる酸素は直接大気、または別途のポンプシステムによって提供することができる。
【実施例３】
【００５７】
図５Ａに見られる実施例２のデュアルセル・モジュールの製作中、金属ネット５４ａ、５４ｂを２つの燃料電池に同時に屈曲と接合をさせるのは難しい。したがって、本発明は平面燃料電池アセンブリにもう１つの簡単に製作できる構造を提供する。
【００５８】
図６は、本発明の実施例３での平面燃料電池アセンブリの断面図である。図を簡素化するために、６つの燃料電池３０ａ〜３０ｆの燃料電池アセンブリ６０を示しているが、６つと限定しているわけではない。
【００５９】
図６Ａでは、燃料電池アセンブリ６０は、絶縁フレームと複数の燃料電池３０ａ〜３０ｆを含み、直列に接続される。絶縁フレームは、囲い部６１と２つのカバー６２ａ、６２ｂを含む。実施例２と類似して囲い部６１は長方形の絶縁フレームで、カバー６２ａ、６２ｂを支え、接続電極６１ｃは、その側壁に埋め込まれている。カバー６２ａ、６２ｂの両方とも３つの長方形の開口を有している。燃料電池３０ａ〜３０ｄは、カバー５２ａ、５２ｂに設置され、開口をカバーする。更に、４つの接続電極６１ａ〜６１ｄは、各２つの開口の間の接続部６４ａ〜６４ｄに埋め込まれる。接続電極６１ａ〜６１ｄは、一級燃料電池の陽極に接合された金属ネットを接続するのに用いられる。
【００６０】
絶縁フレームの包囲部５１とカバー５２ａ、５２ｂは、ＰＣ、ＰＥの繊維強化樹脂、またはその他のセラミックプレートを含む。
【００６１】
実施例３での各燃料電池３０ａ〜３０ｆの構造は、図３Ａで示されたのと同一である。各燃料電池３０ａ〜３０ｆは、熱圧された固体高分子型燃料電池、陽極３１２と陰極３１３を有す。更に、カーボン紙または炭素布の２つのガス拡散層は、その上に接合される。
【００６２】
図６では、平面燃料電池アセンブリ６０の構造を向上させるために、燃料電池３０ｂ、３０ｅは絶縁フレーム（６１、６２ａ、６２ｂ）の内側の表面に設置され、燃料電池３０ａ〜３０ｆは代わりに絶縁フレームの反対側に設置される。
【００６３】
実施例３の平面燃料電池アセンブリ６０の製作中、金属ネット３３ａ〜３３ｌは、Ｂ−ステージ接着剤と熱圧によって、各燃料電池３０ａ〜３０ｆの両表面に接合される。
【００６４】
次に、燃料電池３０ａ〜３０ｆは、防水接着剤によってカバー６２ａ、６２ｂの反対側に代わりに接合され、漏れから液体燃料を防ぐために開口をカバーする。次に、金属ネット３３ｂ〜３３ｅ、３３ｈ〜３３ｋは、異方性導電フィルム（ＡＣＦ）またははんだ付けによって接続電極６１ａ、６１ｂ、６１ｄ、６１ｅに接続され、２つの平面燃料電池モジュールを形成する。次に、絶縁フレームのカバー６２ａ、６２ｂは、防水接着剤によって囲い部６１に接着され、絶縁フレームと各燃料電池３０ａ〜３０ｆは、その上に配置される。よって、密閉空間６３を形成し、必要とする液体燃料を入れることができる。最後に金属ネット３３ｆ、３３ｇは、異方性導電フィルム（ＡＣＦ）またははんだ付けによって接続電極６１ｃに接続され、平面燃料電池アセンブリ６０を形成し、電子装置に十分な出力電圧を提供する。
【００６５】
更に、金属ネット３３ａ、３３ｌは、平面燃料電池アセンブリの正と負極として働く。導電ネット３３ａ〜３３ｌは、ニッケル、チタン、銅、アルミニウムまたはそれらの合金を含み、腐食を防ぐために、金、プラチナ、ロジウム、ルテニウムまたはその他の貴金属でコーティングされる。
【００６６】
図６では、各燃料電池３０ａ〜３０ｆの陽極は、絶縁フレームの開口をカバーし、実施例３での平面燃料電池アセンブリ６０は、直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）と共に用いるのに適する。必要メタノール溶液は、密閉空間６３に導入することができ、必要酸素は直接大気、または別途のポンプシステムによって提供することができる。
【００６７】
更に、陰極が内部に面した状態で、各燃料電池３０ａ〜３０ｆが絶縁フレームのカバー６２ａ、６２ｂの上に設置された時、密閉空間６３を空気または酸素を導入するのに用いることができる。水素またはメタノール溶液といった必要燃料は、外部から提供することができる。例えば、燃料は、実施例１のフローガイド板の溝を通ることができる。よって、平面燃料電池アセンブリ６０の構造は、従来の固体高分子型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）と直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）と共に用いるのに適する。
【００６８】
以上、本発明の好適な実施例を例示したが、これは本発明を限定するものではなく、本発明の精神及び範囲を逸脱しない限りにおいては、当業者であれば行い得る少々の変更や修飾を付加することは可能である。従って、本発明が保護を請求する範囲は、特許請求の範囲を基準とする。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１Ａ】従来の燃料電池の断面図である。
【図２Ａ】本発明の導電ネットにｂ−ステージ接着剤の塗布を示す概略図である。
【図２Ｂ】図２Ａに接着剤を転写した導電ネットの断面図である。
【図３Ａ】本発明の燃料電池の断面図である。
【図３Ｂ】図３Ａのエリア（ａ）の拡大図である。
【図３Ｃ】本発明の燃料電池のもう１つの実行可能な構造を示す断面図である。
【図４Ａ】本発明の実施例１での平面燃料電池アセンブリの断面図である。
【図４Ｂ】実施例１での別の平面燃料電池アセンブリの断面図である。
【図４Ｃ】実施例１での別の平面燃料電池アセンブリの断面図である。
【図４Ｄ】実施例１での別の平面燃料電池アセンブリの断面図である。
【図５Ａ】本発明の実施例２での平面燃料電池アセンブリの分解斜視図である。
【図５Ｂ】図５Ａの平面燃料電池アセンブリの断面図である。
【図６】本発明の実施例３での平面燃料電池アセンブリの断面図である。
【符号の説明】
【００７０】
２１ 導電ネット
２２ 膜（ｂ−ステージ接着剤）
２２１ 導電微粒子
３０、３０’、３０ａ〜３０ｆ 燃料電池
３１ 膜・電極一体構造
３１１ 固体高分子型燃料電池
３１２ 陽極
３１３ 陰極
３２ ガス拡散層
３３、３３ａ〜３３１ 金属ネット
４０、４０’平面燃料電池アセンブリ
４１、４１ａ、４１ｂ 金属ネット
４１１ 屈曲部
４２ 絶縁フレーム
４３ａ、４３ｂ フローガイド板
４３１ａ、４３１ｂ 溝
４４ 防水接着剤
５０、６０ 平面燃料電池アセンブリ
５１、６１ 絶縁フレームの囲い部
５１１、６１ａ〜６１ｂ 接続電極
５１２ 孔
５２ａ、５２ｂ、６２ａ、６２ｂ カバー
５２１ 開口
５３、６３ 密閉空間
５４ａ、５４ｂ 金属ネット
５５ａ、５５ｄ 金属ネット
６４ａ、６４ｄ 接続部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子、陽極と陰極を提供するステップ、
前記固体高分子の反対側に前記陽極と前記陰極を接合することによって膜・電極一体構造を形成するステップ、
2つの導電ネットを提供するステップ、
ｂ−ステージの接着剤を提供するステップ、
前記導電ネットの表面にｂ−ステージの接着剤を塗布するステップ、および
前記膜・電極一体構造の前記陽極と前記陰極の表面に各前記導電ネットを熱圧することによって、前記導電ネットを前記膜・電極一体構造の表面に直接接合するように保持させるステップを含む燃料電池の製造方法。
【請求項２】
前記膜・電極一体構造の表面に多孔性導電層を形成するステップを更に含む請求項1記載の燃料電池の製造方法。
【請求項３】
前記ｂ−ステージの接着剤は、膜として提供された後、熱圧によって該膜から分離して、前記導電ネットと前記膜・電極一体構造の接触表面の周囲に塗布される請求項１に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項４】
前記塗布ステップの運転温度は２５から１００℃の間である請求項３記載の燃料電池の製造方法。
【請求項５】
前記膜・電極一体構造の前記陽極と前記陰極の表面に各前記導電ネットを熱圧する際の温度は、１００から２５０℃の間であり、圧力は１から５０ＭＰａである請求項３記載の燃料電池の製造方法。
【請求項６】
固体高分子、陽極と陰極を有し、前記陽極と陰極は、前記固体高分子の反対側にそれぞれ設置される膜・電極一体構造、および
ｂ−ステージの接着剤によって前記膜・電極一体構造の前記陽極と前記陰極の表面にそれぞれ固定され、
かつ前記膜・電極一体構造の表面に直接接合するように保持する２つの導電ネットを含む燃料電池。
【請求項７】
前記ｂ−ステージの接着剤は、エポキシ樹脂、ポリウレタン（ＰＵ）またはポリイミド（ＰＩ）を含む請求項６に記載の燃料電池。
【請求項８】
複数の開口を有する絶縁フレームと、
固体高分子、陽極と陰極を有し、前記陽極と前記陰極は、前記固体高分子の反対側にそれぞれ設置される膜・電極一体構造、およびｂ−ステージの接着剤によって前記膜・電極一体構造の前記陽極と前記陰極の表面にそれぞれ固定される２つの導電ネットをそれぞれ有し、前記導電ネットを前記膜・電極一体構造の表面に直接接合するように保持させ、前記絶縁フレームの上に設置され、前記開口を覆う複数の燃料電池とを含み、
前記導電ネットによって、第１の燃料電池の陽極と、該第１の燃料電池に隣接する第２の燃料電池の陰極とが直列に接続される平面燃料電池アセンブリ。
【請求項９】
隣接しあう各２つの前記燃料電池において接続する導電ネットは熱圧によって接合される請求項８の平面燃料電池アセンブリ。
【請求項１０】
前記絶縁フレームは、隣接しあう各２つの開口の間に設けられる複数の接続部を有し、前記接続部には複数の接続電極が埋め込まれる請求項８記載の平面燃料電池アセンブリ。
【請求項１１】
前記隣接しあう各２つの燃料電池は、前記接続する導電ネットの間に介在する前記接続電極によって、直列に接続される請求項１０に記載の平面燃料電池アセンブリ。
【請求項１２】
防水接着剤によって前記絶縁フレームに固定され、前記平面燃料電池アセンブリ内に燃料および酸化剤を導入するために複数の溝を有する複数のフローガイド板を更に含む請求項８に記載の平面燃料電池アセンブリ。
【請求項１３】
前記絶縁フレームは複数の凸部を有する第１部分と、対応する複数の凹部を有する第２部分とを含む請求項８に記載の平面燃料電池アセンブリ。
【請求項１４】
外枠と、該外枠の内側に設置された、複数の開口を有する上カバーおよび下カバーとで構成された絶縁フレーム、ならびに
複数の燃料電池、
を有し、
前記燃料電池の各々は、前記上カバーまたは下カバーに、前記開口を塞ぐように置載され、前記複数の燃料電池と前記絶縁フレームとによって、密閉空間が形成され、
各燃料電池は、
固体高分子、陽極および陰極を有し、前記陽極と前記陰極は熱圧によって前記固体高分子の反対側にそれぞれ設置される膜・電極一体構造、ならびに
ｂ−ステージの接着剤によって、前記膜・電極一体構造の前記陽極と前記陰極のそれぞれの表面に固定される２つの導電ネット
を有し、
前記導電ネットは、前記膜・電極一体構造の表面に直接接合するように保持され、
前記導電ネットによって、第１の燃料電池の陽極と、該第１の燃料電池に隣接する第２の燃料電池の陰極とが直列に接続される平面燃料電池アセンブリ。
【請求項１５】
前記絶縁フレームは、隣接しあう２つの開口の間に設けられる複数の接続部を有し、前記接続部には複数の接続電極が埋め込まれる請求項１４に記載の平面燃料電池アセンブリ。
【請求項１６】
前記隣接しあう各２つの燃料電池は、前記接続する導電ネットの間に介在する前記接続電極によって、直列に接続される請求項１４に記載の平面燃料電池アセンブリ。
【請求項１７】
前記燃料電池は前記絶縁フレームの反対側に交互に設置される請求項１６記載の平面燃料電池アセンブリ。
【請求項１８】
前記絶縁フレームは、前記平面燃料電池アセンブリのための燃料を導入又は放出するための複数の孔を有する請求項１７に記載の平面燃料電池アセンブリ。
【請求項１９】
固体高分子、陽極と陰極を提供するステップ、
前記固体高分子の反対側に前記陽極と前記陰極を接合することによって膜・電極一体構造を形成するステップ、
2つの導電ネットを提供するステップ、
熱硬化性樹脂系接着剤を提供するステップ
前記導電ネットの表面に熱硬化性樹脂系接着剤を塗布し、ベーキング処理を実施するステップ、および
前記膜・電極一体構造の前記陽極と前記陰極の表面に各前記導電ネットを熱圧することによって、前記導電ネットを前記膜・電極一体構造の表面に直接接合するように保持させるステップを含む燃料電池の製造方法。
【請求項２０】
前記ベーキング処理における温度は、６０から２００℃である請求項１９記載の方法。
【請求項１】
固体高分子、陽極と陰極を提供するステップ、
前記固体高分子の反対側に前記陽極と前記陰極を接合することによって膜・電極一体構造を形成するステップ、
2つの導電ネットを提供するステップ、
ｂ−ステージの接着剤を提供するステップ、
前記導電ネットの表面にｂ−ステージの接着剤を塗布するステップ、および
前記膜・電極一体構造の前記陽極と前記陰極の表面に各前記導電ネットを熱圧することによって、前記導電ネットを前記膜・電極一体構造の表面に直接接合するように保持させるステップを含む燃料電池の製造方法。
【請求項２】
前記膜・電極一体構造の表面に多孔性導電層を形成するステップを更に含む請求項1記載の燃料電池の製造方法。
【請求項３】
前記ｂ−ステージの接着剤は、膜として提供された後、熱圧によって該膜から分離して、前記導電ネットと前記膜・電極一体構造の接触表面の周囲に塗布される請求項１に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項４】
前記塗布ステップの運転温度は２５から１００℃の間である請求項３記載の燃料電池の製造方法。
【請求項５】
前記膜・電極一体構造の前記陽極と前記陰極の表面に各前記導電ネットを熱圧する際の温度は、１００から２５０℃の間であり、圧力は１から５０ＭＰａである請求項３記載の燃料電池の製造方法。
【請求項６】
固体高分子、陽極と陰極を有し、前記陽極と陰極は、前記固体高分子の反対側にそれぞれ設置される膜・電極一体構造、および
ｂ−ステージの接着剤によって前記膜・電極一体構造の前記陽極と前記陰極の表面にそれぞれ固定され、
かつ前記膜・電極一体構造の表面に直接接合するように保持する２つの導電ネットを含む燃料電池。
【請求項７】
前記ｂ−ステージの接着剤は、エポキシ樹脂、ポリウレタン（ＰＵ）またはポリイミド（ＰＩ）を含む請求項６に記載の燃料電池。
【請求項８】
複数の開口を有する絶縁フレームと、
固体高分子、陽極と陰極を有し、前記陽極と前記陰極は、前記固体高分子の反対側にそれぞれ設置される膜・電極一体構造、およびｂ−ステージの接着剤によって前記膜・電極一体構造の前記陽極と前記陰極の表面にそれぞれ固定される２つの導電ネットをそれぞれ有し、前記導電ネットを前記膜・電極一体構造の表面に直接接合するように保持させ、前記絶縁フレームの上に設置され、前記開口を覆う複数の燃料電池とを含み、
前記導電ネットによって、第１の燃料電池の陽極と、該第１の燃料電池に隣接する第２の燃料電池の陰極とが直列に接続される平面燃料電池アセンブリ。
【請求項９】
隣接しあう各２つの前記燃料電池において接続する導電ネットは熱圧によって接合される請求項８の平面燃料電池アセンブリ。
【請求項１０】
前記絶縁フレームは、隣接しあう各２つの開口の間に設けられる複数の接続部を有し、前記接続部には複数の接続電極が埋め込まれる請求項８記載の平面燃料電池アセンブリ。
【請求項１１】
前記隣接しあう各２つの燃料電池は、前記接続する導電ネットの間に介在する前記接続電極によって、直列に接続される請求項１０に記載の平面燃料電池アセンブリ。
【請求項１２】
防水接着剤によって前記絶縁フレームに固定され、前記平面燃料電池アセンブリ内に燃料および酸化剤を導入するために複数の溝を有する複数のフローガイド板を更に含む請求項８に記載の平面燃料電池アセンブリ。
【請求項１３】
前記絶縁フレームは複数の凸部を有する第１部分と、対応する複数の凹部を有する第２部分とを含む請求項８に記載の平面燃料電池アセンブリ。
【請求項１４】
外枠と、該外枠の内側に設置された、複数の開口を有する上カバーおよび下カバーとで構成された絶縁フレーム、ならびに
複数の燃料電池、
を有し、
前記燃料電池の各々は、前記上カバーまたは下カバーに、前記開口を塞ぐように置載され、前記複数の燃料電池と前記絶縁フレームとによって、密閉空間が形成され、
各燃料電池は、
固体高分子、陽極および陰極を有し、前記陽極と前記陰極は熱圧によって前記固体高分子の反対側にそれぞれ設置される膜・電極一体構造、ならびに
ｂ−ステージの接着剤によって、前記膜・電極一体構造の前記陽極と前記陰極のそれぞれの表面に固定される２つの導電ネット
を有し、
前記導電ネットは、前記膜・電極一体構造の表面に直接接合するように保持され、
前記導電ネットによって、第１の燃料電池の陽極と、該第１の燃料電池に隣接する第２の燃料電池の陰極とが直列に接続される平面燃料電池アセンブリ。
【請求項１５】
前記絶縁フレームは、隣接しあう２つの開口の間に設けられる複数の接続部を有し、前記接続部には複数の接続電極が埋め込まれる請求項１４に記載の平面燃料電池アセンブリ。
【請求項１６】
前記隣接しあう各２つの燃料電池は、前記接続する導電ネットの間に介在する前記接続電極によって、直列に接続される請求項１４に記載の平面燃料電池アセンブリ。
【請求項１７】
前記燃料電池は前記絶縁フレームの反対側に交互に設置される請求項１６記載の平面燃料電池アセンブリ。
【請求項１８】
前記絶縁フレームは、前記平面燃料電池アセンブリのための燃料を導入又は放出するための複数の孔を有する請求項１７に記載の平面燃料電池アセンブリ。
【請求項１９】
固体高分子、陽極と陰極を提供するステップ、
前記固体高分子の反対側に前記陽極と前記陰極を接合することによって膜・電極一体構造を形成するステップ、
2つの導電ネットを提供するステップ、
熱硬化性樹脂系接着剤を提供するステップ
前記導電ネットの表面に熱硬化性樹脂系接着剤を塗布し、ベーキング処理を実施するステップ、および
前記膜・電極一体構造の前記陽極と前記陰極の表面に各前記導電ネットを熱圧することによって、前記導電ネットを前記膜・電極一体構造の表面に直接接合するように保持させるステップを含む燃料電池の製造方法。
【請求項２０】
前記ベーキング処理における温度は、６０から２００℃である請求項１９記載の方法。
【図１Ａ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図４Ｄ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図４Ｄ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【公開番号】特開２００９−９９５２（Ｐ２００９−９９５２Ａ）
【公開日】平成２１年１月１５日（２００９．１．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２３２７０４（Ｐ２００８−２３２７０４）
【出願日】平成２０年９月１０日（２００８．９．１０）
【分割の表示】特願２００４−２２２１０７（Ｐ２００４−２２２１０７）の分割
【原出願日】平成１６年７月２９日（２００４．７．２９）
【出願人】（３９００２３５８２）財団法人工業技術研究院 (524)
【氏名又は名称原語表記】ＩＮＤＵＳＴＲＩＡＬ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＲＥＳＥＡＲＣＨ ＩＮＳＴＩＴＵＴＥ
【住所又は居所原語表記】１９５ Ｃｈｕｎｇ Ｈｓｉｎｇ Ｒｄ．，Ｓｅｃ．４，Ｃｈｕｔｕｎｇ，Ｈｓｉｎ−Ｃｈｕ，Ｔａｉｗａｎ Ｒ．Ｏ．Ｃ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１月１５日（２００９．１．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年９月１０日（２００８．９．１０）
【分割の表示】特願２００４−２２２１０７（Ｐ２００４−２２２１０７）の分割
【原出願日】平成１６年７月２９日（２００４．７．２９）
【出願人】（３９００２３５８２）財団法人工業技術研究院 (524)
【氏名又は名称原語表記】ＩＮＤＵＳＴＲＩＡＬ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＲＥＳＥＡＲＣＨ ＩＮＳＴＩＴＵＴＥ
【住所又は居所原語表記】１９５ Ｃｈｕｎｇ Ｈｓｉｎｇ Ｒｄ．，Ｓｅｃ．４，Ｃｈｕｔｕｎｇ，Ｈｓｉｎ−Ｃｈｕ，Ｔａｉｗａｎ Ｒ．Ｏ．Ｃ
【Ｆターム（参考）】
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