JP5771643B2 - 改良された電気化学装置 - Google Patents

Description

本発明は、平面構成空気呼吸ポリマー電解質電気化学装置で使用するための燃料電池装置と、燃料電池装置で使用するための支持板、気体接続手段、締め付け手段に関する。電気化学装置は、燃料電池または電気分解器として使用しても良い。

一般的に、燃料電池は化学反応のエネルギーを電気に変換する装置である。燃料電池は、燃料と酸化体が供給される限り電力を発生することができるセルの外部に燃料と酸化体が蓄積されている点で、バッテリーとは異なる。燃料電池は、電解質によって隔てられた２つの好適な電極に燃料と酸化体を接触させることによって起電力を生成する。電気分解器は、燃料電池とは反対の機能を持った装置である。それは、電気エネルギーを水素と酸素の形の化学エネルギーに変換する。ポリマー電解質燃料電池では、水素ガスのような燃料が、式１で明らかにされるように、陽子と電子を形成する負電極（陰極）の電気触媒表面上でそれが分解する１つの電極において導入される。電子は、電極の導電性構造内を通り、そこから前記燃料電池によって活性化された外部電気回路へと通る。第一の電極で水素の分解によって形成された陽子は電解質を通して第二の電極に至る。同時に、酸素ガスや空気のような酸化体は、それがそこで正電極（陽極）の電気触媒表面上に吸収され、燃料電池によって活性化された外部電気回路を横切った電子によって表面酸素種を形成するように電気化学的に還元される、第二の電極に導入される。この表面酸素は電解質からの陽子と反応して、総反応の生成物である水を形成する。水は、電極から脱着して陰極内のセルから離れる。形成された水のいくらかは、濃縮された形にあって、陰極と吸湿性膜内に残留する。２つの電極における水素消費型燃料電池のための半セル反応は、それぞれ以下の通りである。

Ｈ２’２Ｈ＋＋２ｅ−（１）； １／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−’Ｈ２Ｏ（２）
外部回路を通して２つの電極を繋ぐことは、回路内に電流が流れることを引き起こし、セルから電力を引き出す。上述した別々の半セル反応の合計である全体的燃料電池反応は、電気エネルギーと熱を生成する。

いくつかの応用では単独のセルが利用されるが、燃料電池は実際には、個々のセル電圧を加算的に組み合わせてより大きく、より便利な電圧を達成するようにしばしば直列に接続される。与えられた列のセルは、単一部品の対向面が一つのセルの陽極と隣接するセルの陰極と接触して、または外部電気結合を通じて、直接接続されることができる。燃料電池スタックと呼ばれる燃料電池の列は、通常２つの気体の分配のためのマニフォールドシステムが備えられている。燃料と酸化体は正しい電極へとマニフォールドによって向けられ、反応物または冷媒によって冷却が提供される。スタック内にはまた、電流コレクター、セル間シール、その他の部品がある。スタックと付随するハードウェアが燃料電池モジュールを構成する。

固体ポリマー電解質を使う燃料電池では、膜は電解質および反応物気体の混合を防止するバリアーとして働く。ＰＥＭ燃料電池は、Dharの米国特許第５、２４２，７６４号に詳述されており、それはここに引用によって組み込まれる。陽子交換膜（ＰＥＭ）燃料電池の電力対重量比率を向上することに多くの研究や開発が捧げられてきた。この研究のほとんどは、比較的重たいスタックの単位容積当りの電力を増加することを含んでいる。

本発明のポリマー電解質電気化学装置は小さな装置である。固定用または輸送用応用（１−２００ｋＷ）の情況とは違い、小さなポリマー電解質燃料電池（マイクロから数百ワット）を開発することの主たる動機は、環境的恩恵にあるのではなく、主に一次および二次バッテリーである確立された技術に比較して予見可能な向上した技術的特性にある。また、バッテリーは比較的高価であるので、材料コストは輸送用応用よりも低い障壁である。バッテリーに対するポリマー電解質燃料電池（ＰＥＦＣ）の期待される利点は、より高いエネルギー密度（Ｗｈ ｇ−１）と再充電時間がないことである。

これまで、ＰＥＦＣは、付随する補助部品（冷却システム、圧縮機や換気扇、給湿機）の示唆された重量および電力消費によってある種の規制（温度、反応物フローや湿度）を持つことの恩恵がより重要視されない、大きなセルのために主に開発されてきた。より最近では、重い炭素部材をより薄く軽い金属部材に置き換えることによってスタック重量を低減することに努力がなされた。しかし、これらのユニットは、いくつかにおいては約３０ｋＷのオーダーの大規模応用のために設計されており、従って上述したのと同様のスタック補助設備を必要とする。更に、これらのシステムにおけるスタックに含められる補助設備はキロワットのレベルで効率的に作動するように設計されていた。約５０から約１５０ワットの範囲内のようなはるかに少ない電力を要求する応用においてこれらのシステムの小規模化バージョンが試みられてきた。しかし、これらのシステムは、ポンプや圧縮機のような回転する部品がよく小規模化しないために数十または数百ワットのスタック出力にはよく適していない。結果として、この設計の小規模システムでさえ携帯用応用や個人使用のような多くの小さな応用には重すぎる。

従って、携帯用および個人的応用のために最も重要な目的は、恐らく単位容積当りのワットではなく単位重量あたりのワット、即ちＷ／ｇとＷ／ｃｍ３、である。

小さな燃料電池は、最小化された制御で働くように設計されなければいけない。平面セルは高められた熱除去と空気アクセスを陰極に供するので、設計は自然にスタックから平面セルへと移行していた。あらゆる平面構成は、直列接続のために混合された導体／絶縁体パターンを示唆する。平面セル間の直列接続は２つのやり方で作ることができる。一番目は、しばしばバンデッドデザインと呼ばれるが、陰極をどちらかの側に、陽極を反対側に配置し、各陰極は次の隣接セルの陽極に接続されているものからなる。接続は、膜の中央エリアに破れ目を作るか、または膜端を越えた活性エリアのわきに電流を導きそこで接続を作ることによって作り得る。後者は膜を通して切り裂くことを避け、そうすることによって各陽極を個別に過度に締め付けることを避ける。平面セルの直列接続を作る二番目のやり方は、しばしばフリップフロップデザインと呼ばれるが、それぞれがその表面に沿って交番する陰極と陽極を有する２つのセルハウス板の構成を含む。一つのセルの陰極はそれから次のセルの陽極に電気的に接続される。受動的ＰＥＦＣは、面内直列接続のためのデザイン選択に拘わらず、水が燃料電池反応だけから起因するとしても、小さな抵抗を有する膜を要求する。この事実は、燃料クロスオーバーが心配ではない限り薄い膜を求める。もしＰＥＦＣが、平均して２００ｍＡｃｍ−２かそれより大きい電流密度で働くとすると、燃料クロスオーバーは心配ではなく、膜の薄さはその機械的一体性だけによって制限される。

小さなＰＥＦＣのために３種類の材料とそれらに付随する技術がこれまで調査されてきた。

（ｉ）電流コレクターとセルハウジングのために黒炭またはステンレス鋼板を持った従来のＰＥＦＣデザインの縮小化；
（ｉｉ）シリコン技術；シリコンウェハー上の導電／非導電経路のパターニングか、反応物気体のためのチャネルの上に多孔性のシリコン層の複雑な構築物をウェハー内に作り出す方法の開発；
（ｉｉｉ）印刷回路ボード（ＰＣＢ）技術；電気的に絶縁された複合材料上での銅の薄層の使用。

本発明は、あらゆる十分に気密性材料（例えば、金属、プラスチック、または紙や紙合成物でさえ）から作ることができる気体供給支持板だけを要求するので、これらの技術に限定されない。

燃料電池を改良し簡素化する要望がある。締め付け手段を接着剤結合に部分的に置き換えることを含んだいくつかの試みがなされた。一つの方法はＵＳ２００４／０１６１６５５に記載されており、それは望ましい数の膜電極アッセンブリーと２極板を使って、膜電極の非活性な周囲を２極板の一側面の周囲枠に接着剤結合することによる電気化学スタックのアッセンブリーを開示している、密封エリア上に硬化可能なまたは熱プラスチック製の接着剤の薄層が置かれ、接着剤が完全に硬化してセル枠と膜電極アッセンブリーを一緒に結合するまでセル枠と膜電極アッセンブリーが一緒に押さえつけられる。この方法では、一つの膜と電極のアッセンブリーの陰極側が、膜と電極のアッセンブリーが結合されている２極グリッドまたは２極板の陰極側に対向するように、膜と電極のアッセンブリーが適切に向き付けされていることを確かにするように注意が払われなければならない。更に、それらの各々のエリアに閉じ込められた反応物液、冷却液または加熱液を保つ必要な液体シールを提供するように、例えばフロー場、マニフォールド、チャネル、およびそれらの組み合わせのような、２極部材上のあらゆる特徴の周囲に接着剤が注意深く適用されなければならない。更に、この方法で生成されたセルスタックは、特に大きなセルのために、締め付け力がまだ必要である。

従って、向上されたパワー密度を提供し補助設備の多くを排除する軽量の燃料電池システムの必要がある。作成が簡単で取り扱いが便利な高性能燃料電池または電気分解器の必要もある。本発明の目的はよって、燃料電池または電気分解器として機能できる改良された電気化学装置を提供することである。本発明の他の目的は活性部品の容易な交換を許容する電気化学装置を提供することである。

上記目的は、燃料電池が活性部品（電流コレクター、ＧＤＬｓ、ＭＥＡ）を支持板に接着剤で取り付けることによって形成される、ＷＯ２００６／０４１３９７として出版された特許出願ＰＣＴ／ＳＥ２００５／００１５１４において達成される。以下に記載される発明は、その発明の重要な改良と他の平面構成燃料電池の改良にも言及する。

ポリマー電解質電気化学装置は、本願の文脈では、例えば陽子導電膜、または例えば固定化されたＫＯＨとＨ２Ｏなどのポリマーマトリックスで固定化された液体電解質によって作られたポリマー膜などのイオン導電ポリマー膜電解質を有する電気化学装置である。そのような装置の例は、水素供給型ポリマー電解質燃料電池、直接型メタノール燃料電池、ポリマー電解質電気分解器である。簡単のために、以下の文章では燃料電池の陽極と陰極に言及するが、これらの表記は電気分解器を参照する時には入れ替えられるべきであることは当業者には理解されるであろう。

本発明の電気化学装置は、陽極電流コレクターと、陽極および陰極気体裏板を持った膜電極アッセンブリーと、陰極電流コレクターからなる。電気化学装置は好ましくは多数セル直列接続配置での使用のためにデザインされる。

発明の一側面では、支持板２１１の一表面上で直列接続に配置された少なくとも２つの燃料電池２’、２’’を含んだ平面構成空気呼吸ポリマー電解質電気化学装置が提供される。燃料電池２’、２’’は、支持板の面積よりも大きな面積を有する軸受け板２１８に対して押し付けるように配置されている。軸受け板２１８は、好ましくは各燃料電池２’、２’’のエリア内に位置する気体浸透性部２１７を含み、好ましくはアーチ形の形状を有する。板２１８は、好ましくは携帯電話のような製品のアーチ形または彎曲した筐体である。

好ましい実施形態では、支持板２１１は、サンドイッチ構造の少なくとも３層からなり、第一の外側層は燃料気体入口２０１からなり、中間層は気体チャネルを形成する開口孔２２１、２２４からなり、第二の外側層は各燃料電池の燃料電池気体チェンバーへの／からの気体の入口と出口のための開口部２２２、２２３からなる。支持板の一端に気体接続手段が好ましくは設けられている。

前記燃料電池の各々は好ましくは、陽極電流コレクター２０７、２０６’と、陽極気体拡散層２０８と、陰極気体拡散層２１０と、陰極電流コレクター２０６’、２０６’’と、膜電極アッセンブリー２０９からなる。膜電極アッセンブリーは、固体イオン導電ポリマー膜電解質、陽極、陰極からなり、膜電極アッセンブリー２０９と気体拡散層２０８、２１０は、陽極気体チェンバーを規定するように陽極気体拡散層が陽極電流コレクターに向けられて取り付けられ、陰極気体拡散層が陰極電流コレクターに向けられて取り付けられるように、陽極電流コレクター２０７、２０６’と陰極電流コレクター２０６’、２０６’’の間に配置される。

膜電極アッセンブリーは好ましくは、接着剤によって密封されて陽極電流コレクターに直接取り付けられ、その接着剤は、陽極気体裏板に隣接して対応する第一の領域と、第一の領域を取り囲む第二の領域をカバーし、それにより膜電極アッセンブリーと陽極電流コレクターの間にシールを作成し、よって陽極気体チェンバーを作成し、前記接着剤は少なくとも前記第一の領域において電気的に導電性である。

発明の他の側面では、支持板１１１上で直列接続に配置された少なくとも２つの燃料電池１’、１’’を含んだ平面構成空気呼吸ポリマー電解質電気化学装置が提供される。燃料電池１’、１’’は、支持板の反対側の表面上に対になって配置されている。好ましい実施形態では、支持板１１１は、サンドイッチ構造の少なくとも３層からなる。第一の外側層３０９は燃料気体入口３０１からなり、中間層３１０は気体チャネルを形成する開口孔３０２、３０８からなり、第二の外側層３１１は燃料電池気体チェンバーへの／からの気体の入口と出口のための開口部３０３、３０４からなる。支持板はまた好ましくは、その上に燃料電池１’、１’’が配置されたメイン支持板部１１２、３１２と端板部１１３、３１３からなる。最初の燃料電池１’の陰極電流コレクター１０５と最後の燃料電池１’’の陽極電流コレクター１０７は端板部１１３，３１３の表面エリアまで伸び、それは電流コレクターコンタクトへの接続のために適応されている。支持板の端板部に気体接続手段が好ましくは設けられている。

他の好ましい実施形態では、装置は締め付け手段が設けられており、それはアーチ形締め付けバーまたは締め付け板の形状を有する。

装置の前記燃料電池１’、１’’の各々は好ましくは、陽極電流コレクター１０６ａ、１０７と、陽極気体拡散層１０８と、陰極気体拡散層１１０と、陰極電流コレクター１０５、１０６ｂと、膜電極アッセンブリー１０９からなる。膜電極アッセンブリーは、固体イオン導電ポリマー膜電解質、陽極、陰極からなり、膜電極アッセンブリー１０９と気体拡散層１０８、１１０は、陽極気体チェンバーを規定するように陽極気体拡散層が陽極電流コレクターに向けられて取り付けられ、陰極気体拡散層が陰極電流コレクターに向けられて取り付けられるように、陽極電流コレクター１０６ａ、１０７と陰極電流コレクター１０５、１０６ｂの間に配置される。

膜電極アッセンブリーは有利には、接着剤によって密封されて陽極電流コレクターに直接取り付けられ、その接着剤は、陽極気体裏板に隣接して対応する第一の領域と、第一の領域を取り囲む第二の領域をカバーする。それにより膜電極アッセンブリーと陽極電流コレクターの間にシールを作成し、よって陽極気体チェンバーを作成する。接着剤は少なくとも前記第一の領域において電気的に導電性である。

本発明はまた、上記平面構成空気呼吸ポリマー電解質電気化学装置の接続のための電流コレクターコンタクトに関する。コンタクトは、電気化学装置の支持板３１１の端板部３１３が開口孔に挿入された時に、陽極電流コレクター１０７と陰極電流コレクター１０５に接触するように、コンタクト手段７０４が設けられた伸長された開口孔７０３からなる。

本発明はまた、燃料電池の締め付けのための締め付け装置４ａ、ｂ、ｃに関する。締め付け装置は、載置部材を受けるためのその端部４３ａ、ｂ、ｃに、燃料電池に対して締め付け装置を締めてしっかり締め付けるための手段４１ａ、ｂ、ｃを有する締め付けバー４０ａ、ｂ、ｃからなり、締め付けバーはアーチ形の形状を有する。

締め付けバー４０ａ、ｂ、ｃは好ましくは、端部４３ａ、ｂ、ｃよりも高い曲げ抵抗を中央部４４ａ、ｂ、ｃにおいて有する。一実施形態では、締め付けバー４０ａは、中央部４４ａが端部４３ａよりも高い硬度を有するように、一様な厚さを有し、非一様な材料硬度を有する材料から作られている。他の実施形態では、締め付けバー４０ｂは、中央部４４ｂが端部４３ｂよりも高い厚さを有するように、一様な材料硬度と非一様な厚さを有する。さらに他の実施形態では、締め付けバー４０ｃは、中央部４４ｃが端部４３ｃよりも高い曲げ彎曲を有するように、一様な厚さと非一様なアーチ形の形状を有する。

載置部材を受けるための手段４１は好ましくは、伸長された板４０の各端部に位置する開口部である。

更なる実施形態によると、締め付け装置４ｄが提供され、それは、空気アクセスのための開口部が設けられ、載置部材を受けるためのその角部４３ｄに、燃料電池に対して締め付け装置を締めてしっかり締め付けるための手段４１ｄを有する締め付け板４０ｄからなる。中央部４４ｄが２つの垂直な方向に曲げられるように締め付け板は彎曲している。

更なる実施形態によると、締め付け装置４ｅが提供され、それは、実質的に平坦な前側４７と、後ろ側４８を有する締め付け板４０ｅからなる。締め付け板は、固体部４５と開口孔部４６からなる。開口孔部は、開口孔部の中央部４４ｅが後ろ側４８の方向にふくらむように、弾力性材料から構成されアーチ形であるかまたは彎曲している。

発明はまた、上記締め付け装置のいずれかからなる燃料電池に関する。

本発明はまた、燃料入口チャネルと燃料出口３０８からなる燃料電池支持板に関する。燃料入口チャネルは、燃料サプライへの接続のための入口開口部３０１と、燃料電池陽極気体チェンバーへの接続のための出口開口部３０３を有する。支持板は、少なくともサンドイッチ構造の第一の外側層３０９、中間層３１０、第二の外側層３１１からなり、燃料入口チャネルは第一および第二の外側層３０９，３１１の表面との組み合わせで中間層３１０内の伸長された開口孔３０２によって閉じ込められる。入口開口部３０１は伸長された開口孔３０２の一端に隣接して第一の外側層３０９内に配置され、出口開口部３０３は伸長された開口孔の他の端に隣接して第二の外側層３１１内に配置されている。好ましい実施形態では、支持板は更に、支持板の一つの側から支持板の反対側への燃料の伝導のための燃料転送チャネルから更になる。支持板は好ましくはまた、電流コレクターコンタクトへの接続のための電流コレクター部３１２からなり、その電流コレクター部は支持板から伸びている。燃料入口チャネルの入口開口部３０１は電流コレクター部３１２に有利に設けられている。

図１ａは、発明の第一の実施形態による燃料電池装置の断面図である。 図１ｂは、下から見た図１ａに描かれた装置の部分切開平面図である。 図２ａは、発明の第二の実施形態による燃料電池装置の断面図である。 図２ｂは、気体チェンバーと気体チャネルが破線で示された、図２ａの装置で使用するための支持板の上方図である。 図３ａ−ｃは、燃料電池装置支持板の部品の側方立面図である。 図４ａは、締め付け装置の一実施形態の上面図４ａ（Ｉ）と断面４ａ（ＩＩ）である。 図４ｂは、締め付け装置の他の実施形態の上面図４ｂ（Ｉ）と断面４ｂ（ＩＩ）である。 図４ｃは、締め付け装置の更なる実施形態の上面図４ｃ（Ｉ）と断面４ｃ（ＩＩ）である。 図４ｄは、締め付け装置のさらに他の実施形態の上面図４ｄ（Ｉ）と斜視図４ｄ（ＩＩ）である。 図４ｅは、締め付け装置のさらに他の実施形態の上面図４ｅ（Ｉ）と側面図４ｅ（ＩＩ）と斜視図４ｅ（ＩＩＩ）である。 図５は、気体コネクター手段の分解側方立面図である。 図６ａ−ｂは、図５に示された気体コネクター手段の断面側面図である。 図７ａは、気体コネクターも有する電流コレクターコンタクトの側面図である。図７ｂは、図７ａにおける線Ａ−Ａに跨る断面側面図である。図７ｃは、図７ａの電流コレクターコンタクトの上面図である。 図８は、円形シリコンフィッティングまたはＯ−リングを気体シール８１２として有する気体コネクター手段のデザインを示す、電流コレクターコンタクトの他の実施形態である。図８ａは、電流コレクターコンタクトの上面図である。図８ｂは、電流コレクターコンタクトの側面図である。 図９は、従来技術の燃料電池装置の断面側面図である。 図１０ａは、支持板の上層の上面図である。 図１０ｂは、支持板の中間層の上面図である。 図１０ｃは、支持板の下層の上面図である。 図１１は、携帯電話筐体の内部に置かれた燃料電池装置の概略図である。

平面構成空気呼吸ポリマー電解質燃料電池は、国際出願ＰＣＴ／ＳＥ２００５／００１５１４に記載されている。本願の図９に示されているこの燃料電池は、陽極電流コレクター２０１、陽極および陰極気体裏板２０６、２０８を持った膜電極アッセンブリー２０４、陰極電流コレクターからなる。膜電極アッセンブリーは接着剤手段によって封印され陽極電流コレクターに取り付けられて、それにより陽極気体チェンバーを作り出す。陽極気体裏板は、膜電極アッセンブリーの下側に設けられており、陰極気体裏板はその上側に設けられている。陽極電流コレクターは支持板２１０からなり、それに接着テープが取り付けられ、それは膜電極アッセンブリーに面した上側と支持板と接触されている下側を有する導電フォイルからなる。フォイルの両側は接着被膜を有し、それは膜電極アッセンブリーに面した側上で電気的に導電している。膜電極アッセンブリーは、導電フォイルの上側の接着被膜によって陽極電流コレクターに対して封印されている。陰極電流コレクターは導電性の金メッキされたステンレス鋼網の目２０２と、締め付けバー２１９からなる。締め付けバーは、空気アクセスのための開口孔が設けられた印刷回路ボード板からなる。

燃料電池のパワー密度、即ちパワー出力／セル容積またはセル重量、を増加することに継続した熱望があり、従ってよりシンプルでコンパクトなデザインの燃料電池装置の必要がある。

本発明の目的は、上記問題に苦しむことのない改良された燃料電池装置を提供することにある。

従来技術の燃料電池装置では、支持板は、締め付けバーによって印加される曲げ力に耐えるように十分硬いものであるために、いくらかの厚さを有しなければならない。上述した、増加したパワー密度を達成する熱望は、より高いパワー密度を提供することができる燃料電池の代替デザインの必要に繋がる。

発明の燃料電池装置は、一般的な側面において、直列接続された少なくとも２つの燃料電池からなり、それら燃料電池は支持板上に配置される。

図２は、発明の一側面に従った燃料電池装置の実施形態を示し、その装置は、直列に接続され支持板２１１の一表面上に並べて配置された多数の燃料電池からなり、それにより片面燃料電池装置を形成する。図２では３つのセルが示されているが、この実施形態の装置にいかなる望ましい数のセルが配置されても良いことは注意されるべきである。図２の燃料電池は、第一２’、第二２’’、第三２’’’の燃料電池と呼ばれる。各燃料電池は、陽極電流コレクターフォイル、陽極ＧＤＬ２０８、ＭＥＡ２０９、陰極ＧＤＬ２１０、陰極電流コレクターフォイル、空気浸透性締め付け部品２０４からなる。図１に示す実施形態におけるのと同様のやり方で気体チェンバーが燃料電池内に形成され、気体チェンバーは接着剤手段によって封印される。締め付け部品は開口孔を有する網、または板、またはフォイルの形状であっても良い。締め付け部品はまた、アーチ形または彎曲した形状を有する。燃料電池は、軸受け板２１８に対して押し付けるように配置され、それは各燃料電池のエリア内に開口部または開口孔領域２１７を含む枠の形状を有していても良い。軸受け板の面積は、支持板の面積よりも大きい。軸受け板は好ましくは、携帯電話筐体の内部表面である。最も好ましい実施形態では、軸受け板はアーチ形の形状を有し、それは凹でも凸でも良い。軸受け板はまた、図４に示す締め付け板のいずれかと同様に、彎曲した形状を有しても良い。支持板と燃料電池は、スナップ接続によって、または支持板の下の製品（例えば、携帯電話）に存在する、即ち燃料電池を軸受けする側と反対の支持板の側上の、他の部品に締め付けられて、軸受け板に取り付けられそれに対して押されている。

燃料電池は、電流コレクターフォイルの配置によって直列接続されている。電流コレクターフォイル２０６’は、第一のセル２’については陰極電流コレクターとして、第二のセル２’’については陽極電流コレクターとして機能し、電流コレクターフォイル２０６’’は第二のセル２’’については陰極電流コレクターとして、第三のセル２’’’については陽極電流コレクターとして機能する。

図２ｂに示す支持板は、少なくとも２つの層からなり、第一の外側層は燃料気体入口２０１からなり、中間層は気体チャネルを形成する開口孔２２１、２２４からなり、第二の外側層は各燃料電池の燃料電池気体チェンバーへの／からの気体の入口と出口のための開口部２２２、２２３からなる。燃料気体は、気体入口開口部２０１から気体チャネル２２１を通して伝導され、開口部２２２を通して第一の燃料電池２’の陽極電流コレクターとＭＥＡの間に形成された気体チェンバーに入る。燃料気体フローは気体チェンバーを通して導かれ、開口部２２３を通して離れて、その後更に次の燃料電池２’’の気体チェンバーに伝導される。最後に、気体フローは支持板の燃料気体出口チャネル２２５を通して装置を離れる。好ましくは図４と５で以下に記載する種類の気体コネクター手段は、気体入口開口部２０１に関連して支持板上に設けられても良い。第一のセル２’の陽極チェンバーエリアは破線（２２０）によって示される。

増加したパワー密度は、本発明の他の側面に従って、両面燃料電池装置を形成するように両側に施された燃料電池を有する支持板からなる燃料電池装置の用意によって達成される。両方の燃料電池は、燃料電池に必要とされる全ての部品からなるが、それらは共通した支持板を有する。両方の燃料電池は、それらの外向け表面上の締め付け装置と、締め付け装置によって加えられた曲げ力によって締め付けられ、それによりお互いに反作用する。支持板への機械的ストレスと、それにより硬度要求もまた、減少される。よって、より低い厚さの支持板を使っても良い。マルチ燃料電池装置を形成するように、そのような両面燃料電池装置が更に、追加の両面燃料電池装置と直列接続されても良い。両側において支持板が利用されるので、燃料電池装置のより高いパワー密度が達成される。

増加したパワー密度を達成する問題の他の解決策は、本発明の他の側面に従った燃料電池装置によって提供される。これによると、改良された燃料電池装置は、ここからは支持フォイルとも呼ばれ、燃料電池装置への燃料気体の提供のための気体チャネルからなる、薄い支持板からなる。燃料電池は支持フォイルの一つの側に配置される。支持フォイルは好ましくは、サンドイッチ構造の３つ以上の層からなる。支持フォイルは好ましくは、約０．３−１ｍｍと非常に薄く、締め付け力に耐えるのに十分な機械的硬度を持つ必要はない。支持フォイルは、支持フォイルの背面上の硬い板またはバーによって支援され、締め付けバーまたは締め付け板によって一つの側で締め付けられる。

増加したパワー密度を達成する問題のさらに他の解決策は、本発明の更なる側面に従った燃料電池装置によって提供される。この側面の装置は、上述したものと同じく支持フォイルからなる。この実施形態では、支持フォイルは支援されず、その代わりに陰極気体拡散層（ＧＤＬ）が、支持フォイルよりも大きな面積を有し、陰極への／からの気体アクセスを提供する開口部を含んだ固い板に対して押し付けられる。この板は、例えば、携帯電話筐体の内部であっても良い。この解決策は従って、燃料電池装置を他の製品内部に設置するという向上された柔軟性を提供する。

図１ａは、発明の第一の側面による燃料電池装置の一実施形態の断面分解図を示す。図１ｂは、図１ａに従って下から見た、この実施形態の部分切開図である。燃料電池装置は、両面燃料電池装置を形成するように、支持板１１１の反対側に配置された２つの直列接続されたセル１’、１’’からなる。２つの燃料電池は同様の構成であって、各燃料電池は、陽極電流コレクターフォイル、陽極ＧＤＬ（気体拡散層）、ＭＥＡ（膜電極アッセンブリー）、陰極ＧＤＬ，陰極電流コレクターフォイル、締め付け装置からなる。気体チェンバーが、気体拡散層によって陽極電流コレクターフォイルとＭＥＡの間に形成される。セルの活性エリアは従って、ＧＤＬのエリアに相当し、１．５×５ｃｍ程度の寸法を典型的に有する。図１ａにおいて、第一の燃料電池１’は支持板１1１の下に示されるのに対し、第二の燃料電池１’’は支持板の上に示されている。しかし、燃料電池装置はいかなる方向にも向けられて良いことと、“上に／下に”や”上部／下部“という用語は記載の簡単化のためだけに使われていることは注意されるべきである。

第一の下部セル１’は従って、陽極電流コレクターフォイル１０６ａ、陽極ＧＤＬ１０８’、ＭＥＡ１０９’、陰極ＧＤＬ１１０’、陰極電流コレクターフォイル１０５、締め付け網１０４’を含む締め付け装置からなる。第二の上部セル１’’は、陽極電流コレクターフォイル１０７、陽極ＧＤＬ１０８’’、ＭＥＡ１０９’’、陰極ＧＤＬ１１０’’、陰極電流コレクターフォイル１０６ａ、締め付け網１０４’’を含む締め付け装置１０４からなる。各セルの陽極電流コレクターフォイルとＭＥＡの間に形成された気体チェンバーは、接着剤層によって封印され、電流コレクターフォイル１０５、１０６、１０７は、それらの隣接する部品に接着剤で取り付けられる。アッセンブリー全体は、開口部１１７に載置されたスクリューまたはボルト１０２とナット１０３のような締め付け手段によって締め付けられる。活性エリア全体、即ちＧＤＬに相当するエリア、に渡って均等で低い内在電気抵抗を達成するために、燃料電池アッセンブリーに渡って均等な締め付け圧力を得ることが重要である。この目的のために、図４ｄまたは４ｅに示すような彎曲した締め付け装置が好ましい。

セルは、両セル１’、１’’の部品である電流コレクターフォイル１０６によって直列接続されて、それが第一のセル１’では陽極電流コレクターフォイル１０６ａとして配置されて支持板１１１の周りに畳まれ、第二のセル１’’では陰極電流コレクターフォイル１０６ｂとして配置されるようになっている。

支持板１１１は、燃料電池装置の活性エリア、即ち各陽極電流コレクターフォイルと陽極ＧＤＬの間に形成された気体チェンバーのエリア、がその上に置かれたメイン支持板部１１２と、セル１’、１’’の電流コレクターフォイルを支持し、電流コレクターコンタクトへの挿入のために適応された端板部１１３からなる。この構成により、装置の最初の陽極（負極）電流コレクターは、装置の最後の陰極電流コレクター（正極）の反対側に置かれる。ここからは端板部と呼ばれるこの両面板は、電流を導くためのプッシュインコンタクトの中に容易に載置できる。

そのような電流コレクターコンタクトは図７ａ、７ｂ、７ｃと８ａ、８ｂに示されている。支持板は、端板部１１３に置かれた気体毛細管のような気体サプライへの接続のための手段１０１と、第一の燃料電池１’の陽極チェンバーへの燃料気体の伝導のための気体チャネル３０２（図３参照）からなる。気体は、それが出口チャネル３０８を通して燃料電池装置から出る前に、第一のセルの気体チェンバーを通り、それから支持板の開口部３０４、３０５、３０６を通して第二の燃料電池１’’の中に導かれる。支持板は好ましくは以下に記載する種類のものである。

燃料電池装置のセルへの気体サプライは、並列または直列接続されるかあるいはその組み合わせにすることができる。動作中に小さな圧力低下を経験したセルを有する時には、気体サプライを直列に接続することが有利である。これは、例えば気体チャネル内の水滴の凝集によって、もし気体妨害イベントが起こると、過剰圧力が燃料（例えば水素）源から積み上がってチャネルから水滴を押し出すからである。しかし、もし動作中に多数のセルに渡る圧力低下が高すぎると、第一のセルで起こっている過剰圧力は気体漏洩を引き起こすことができる。その場合には、気体サプライを並列または直列と並列の組み合わせに接続する方がより良い。

図１ａは、２つの直列接続された燃料電池からなる燃料電池装置を示すが、燃料電池装置はいかなる偶数個の燃料電池を含むことができ、僅かな変形とともに奇数個のセルも含むことが出来ることは明白なはずである。装置の出力電圧は従って、広い範囲の電圧に渡って選択することができる。

両面燃料電池装置によって得られる一つの利点は、支持板が両側で利用されているので、より高いパワー密度を有することである。他の利点は、曲げ力がお互いに反作用する締め付けバーまたは締め付け板によって両側で装置が締め付けられるので、支持板は薄くすることができることである。

図１１は、携帯電話筐体の内部に置かれた燃料電池装置の概略図である。９４１は携帯電話前面、９４２ａは携帯電話背面板の内部、９４２ｂは携帯電話背面板の外部、９４３は携帯電話背面の内部に押し付けられた燃料電池装置、９４４は空気入口穴を示す。

締め付けバー
燃料電池装置の部品は、通常一緒に締め付けられる必要がある。低い内部抵抗は、あらゆる燃料電池装置の性能を向上するための鍵となるパラメータである。内部抵抗は、装置の部品の総内在抵抗、即ち活性層の抵抗と、ＧＤＬ、膜、コンタクトの抵抗、である。一般に、燃料電池への締め付け力の印加は２つの目的のために働くことができる：
ｉ）気体拡散層（ＧＤＬ）を圧縮し、部品をお互いに対して（例えば、電流コレクターをＧＤＬに対しておよび／またはＧＤＬを膜電極アッセンブリー（ＭＥＡ）に対して）押し付けることにより、ＧＤＬと部品間（即ち、コンタクト抵抗）の内在電気抵抗が低下する；
ｉｉ）締め付け圧力が、締め付けエリアを取り囲むシールの正しい機能に貢献する。

陽極区画の封印が接着剤の使用によって果たされる燃料電池では、特許出願ＰＣＴ／ＳＥ２００５／００１５１４に記載されているように、酸素側が空気に開いている間は、締め付けは封印の目的では必要ないが、上記（ｉ）の内在電気抵抗の減少に貢献する。

燃料電池装置のパワー密度を増加するために、締め付けバーを出来るだけ薄くすることが望ましい。しかし、より薄い締め付けはより少ない機械的一体性と硬度を導き、それはより均等ではない締め付け圧力を与えることになる。この発明の改良された締め付けの目的は従って、薄い締め付けバーを有しつつ、締め付けバーエリア全体の下に一様な締め付け圧力を得ることである。

高いパワー密度を得るには、締め付けバーを細くすることも望ましい。細い締め付けバーはまた、陰極への酸素の拡散がより少なく妨害されることを導く。もし締め付けバーが細ければ、締め付けバーと陰極ＧＤＬの間に置かれた電気的に導電性で多孔性の媒体（例えば、金属網の目）は、陰極ＧＤＬエリア全体にわたって一様に（締め付けバーによって提供される）締め付け力を分配するために、高い機械的一体性と硬度を有する必要がある。

締め付けバーが議論されているが、この締め付けバーは、それがセルエリア全体をカバーできるようにその長さと厚さに比較して有意な幅を有することができることは注意されるべきである。もし締め付けバーが有意な幅を有していれば、それは、一つはバーの長さに沿ったもの、一つはそれと垂直のものである２つの垂直な方向に曲げることができる。締め付けバーは、陰極への空気アクセスを向上するように一つまたはいくつかの穴を有することができる。締め付けバーは、電気的に導電性である必要はない。

図９（従来技術）に示されたもののような燃料電池では、締め付けバーはその端におけるボルトによって燃料電池に対して締めてしっかり締め付けられるので、締め付けバーによって働かされた圧力は均等でなくなる傾向がある。よって締め付け圧力は締め付けバーの中央エリアでより低く、ボルトに向かってより高くなる傾向がある。これは、締め付けバーがその長さに比較して薄い時には特に本当である。図１に示されたもののようなＰＣＢボードにとっては、締め付けバーが２０ｍｍより長い時にこの問題が特に顕著になる。

本発明の更なる側面の目的は、燃料電池の均等でない締め付けの問題に解決策を提供することである。この目的は以下に記載する締め付け装置によって達成される。

この発明によると、より一様な締め付けは締め付け装置をわずかにアーチ形にすることを通じて果たされる。発明の締め付け装置は、図１、２に示されたもののような内部抵抗を低減するのに締め付けが要求される燃料電池や、またはＰＣＴ／ＳＥ２００５／００１５１４に記載された種類およびその他の種類の燃料電池に好適である。

ここで図４ａ−４ｄを参照すると、締め付け装置は、端部４３と中央部４４を有し、その長さに比較してむしろ細い締め付けバーからなる。締め付けバーは、その端部４３において締め付け装置を燃料電池に対して締めてしっかりと締め付けるための、ボルトまたはスクリューとナット、スナップ接続、弾力性結合等のような載置部材を受けるための手段４１が設けられ、曲がった中央部がそこに置かれている平面が締め付けバーの端部の平面から距離を置かれているように彎曲したまたはアーチ形の形状を有する。締め付け装置は、曲がった表面が、陰極電流コレクターの網の目に向けて燃料電池に内向きに面して、燃料電池内に載置される。しっかり締め付けられていない状態では、締め付けバーの中央部４４は陰極電流コレクターに接触するとともに、端部４３は陰極電流コレクターから距離を置かれている。しっかり締め付けられた状態では、締め付けバーの端部における載置手段によって所望の締め付け圧力が働かされるように載置手段はしっかり締め付けられる。締め付けバーのアーチ形の形状のため、真っ直ぐな、即ち非アーチ形の締め付け装置でそうなるであろうよりも高い締め付け圧力で、中央部４４が陰極電流コレクターに対して押し付けられる。

均等な締め付け圧力を得るために、締め付けバーは好ましくは、端部におけるよりも中央部において高い曲げ抵抗を有する。これは、図４ａ−４ｄに示す実施形態に従って異なるやり方で達成しても良い。図４ａ−４ｃの実施形態では、締め付け装置４の締め付けバー４０は伸長された長方形の形状を有する。載置手段４１は締め付けバーの各端に位置する開口部である。図４ａに示す実施形態では、締め付けバー４０ａは一様な厚さを有し、非一様な材料硬度を有する材料から作られている。これにより中央部４４ａは端部４３ａよりも高い硬度を有し、それに従い例えば締め付けバーの材料に補強を組み込むことによってより高い曲げ抵抗を有する。

図４ｂに示す実施形態では、締め付けバー４０ｂは、中央部４４ｂが端部４３ｂよりも高い厚さを有し、よってより高い曲げ抵抗を有するように、一様な材料硬度と非一様な厚さを有する。

図４ｃに示す実施形態では、締め付けバー４０ｃは、中央部４４ｃが端部４３ｃよりも高い曲げ彎曲を有するように、一様な厚さと非一様なアーチ形の形状を有する。この実施形態では、締め付けバーは放物線状の形状を有するが、中央部のより高い曲げ抵抗をもたらす他の均等でない彎曲も考えられて良い。締め付けバーの放物線状の形状により、単に一様な厚さと材料の締め付けバーを曲げるだけで、中央部の所望のより高い曲げ抵抗を容易に得ることができる。

図４ｄに示す実施形態は、締め付けバー４１ｄがはるかに幅広く、締め付け板にはるかによく似ている点で図４ａ−４ｃの実施形態と異なる。この実施形態では締め付けバーの幅は、それが載置される燃料電池の幅と実質的に対応する。締め付けバーはよって、長方形または正方形であり、載置部材を受けるための手段４１ｄは、板４０ｄの各角部に位置する開口部である。もし望ましければ、追加の載置ボルトを取り付けることができる。締め付けバーは、中央部４４ｄが板の長さに沿ってと幅に沿っての２つの垂直な方向に曲げられるように、彎曲されている。この実施形態の締め付けバーの幅は、締め付けバーがセルエリア全体をカバーすることを許容する。

もし望ましければ、締め付けバーの形状は上述した形状の組み合わせであっても良い、つまり締め付けバーは非一様な材料硬度および／または非一様な厚さおよび／または非一様なアーチ形の形状を有していても良い。

締め付けバーは、陰極への空気アクセスを向上するように一つまたはいくつかの穴を有していても良く、それは電気的に導電性である必要はない。

締め付け板
図９に示す従来技術の燃料電池では、陰極電流コレクターの導電性網の目２０２（例えば、金メッキされたステンレス鋼網の目）は平坦であり、弱くて柔軟な構造のものであった。結果として、締め付け力は締め付けバーの真下で最も高く、締め付けバーと垂直の方向に網の周縁に向けて減少する。

この発明の他の側面では、均等でない締め付け圧力の問題への追加の解決策が従って提供される。発明のこの側面によると、金網の目と締め付けバーは、締め付けバーと網の目の特徴を組み合わせる締め付け板によって置き換えられる。

図４ｅに示す締め付け装置は、前側４７と後ろ側４８を有する締め付け板４０ｅからなる。前側は、燃料電池内に載置された時に外向けに方向付けられ、実質的に平坦である。後ろ側は、載置された時に燃料電池の内向けに方向付けられる。締め付け板は、固体部４５と開口孔部４６からなる。開口孔部は、陰極酸素電極への／からの気体アクセスを提供するように複数の開口部を有する。

固体部４５は、好ましくは長方形で開口孔部を保持する枠として機能する。固体部はよって、開口孔部４６がその中に置かれる開口部（“窓”）を有する。この開口部と、それにより開口孔部は、締め付け装置が燃料電池内に載置された時に、開口孔部が燃料電池の膜電極アッセンブリー（ＭＥＡ）のエリア内に着地するように、位置している。図４ｅに示す締め付け装置では、開口孔部４６は固体部４５の一つの側に位置している。

開口孔部は、開口孔部の中央部４４ｅが後ろ側４８の方向にふくらむように、弾力性材料から構成されアーチ形であるかまたは彎曲している。開口孔部４６の彎曲は、図４ａ−４ｄの実施形態のいずれかと同様の、またはその組み合わせの形状にできる。開口孔部のために選ばれた弾力性材料は、活性エリアの表面に対してそれ自身を形成するのに十分柔軟性がなければならないが、同時に燃料電池部品上に締め付け力を働かせることができるように十分硬くなくてはならない。開口孔部は、網構造かまたは穴があけられたか多孔性の部分であっても良い。それは、固体部と同じかまたは異なる材料のものであっても良い。

一つの好ましい実施形態では、固体部と開口孔部は別々に作製され、それからお互いに取り付けたれる。これにより開口孔部は固体とは異なる材料で作ることができる。これは、非弾力性の固体部が望ましい場合に有利である。

他の好ましい実施形態では、固体部と開口孔部は、一つの一体部分として作製され、両部は同じ材料のものである。これは、開口孔部を固体部内に載置するステップが省略されるので、締め付け装置の作製を簡略化する。

開口孔部４６は、それが燃料電池の活性エリア（例えば、気体拡散層、ＧＤＬ）を実質的にカバーするようなサイズを有すべきである。開口孔部の材料は非常に電気的に導電性または導電性に乏しくすることができる。もし導電性に乏しい材料が選ばれれば、電気的導電性を向上し、隣接するセル陽極の電流コレクターとの関係で電気的コンタクトを向上するように、非常に導電性の層が好ましくはＧＤＬに取り付けられるべきである。

発明のこの側面に従った締め付け装置の他のデザインは、図１ａに示された装置での使用に好適である。このデザインでは、締め付け板は、締め付け板によって締め付けられることになる燃料電池の位置に対応した、複数の窓または開口孔部からなる。

この側面の締め付け装置は、
金メッキされた網の目と締め付けバーが単一の部品で置き換えられ、従って燃料電池装置の組立てのステップがより少なくなり、例えば部品の誤配置のようなエラーの危険がより少ないので、簡略化された構成、
この側面の締め付け装置の使用はよりコンパクトなデザインを導き、それは燃料電池装置のより高いパワー密度を与えることになるので、増加されたパワー密度、
という利点を有する。

記載された発明の他の改良点は、（図４ａ−４ｅに示す）上記の締め付け装置の締め付け板を硬く軽い材料から作ることである。

好適な材料は、その低い生来のセルのＧＤＬへのコンタクト抵抗のため、例えば炭素である。一実施形態では、締め付け装置の締め付けバーまたは締め付け板は、カーボンファイバー網、カーボンファイバー布、カーボンフェルト、熱分解されたポリマー、またはカーボン紙から作られ、それは硬度を提供するためにエポキシ樹脂等のような硬いバインダーが全体的にまたは部分的にしみ込まされる。部分的なしみ込ませの場合には、締め付けバーまたは板は、上に示したカーボン基板の一つの側をワックス合成物で被膜し、基板を所望のアーチ形の形状に成形し、それから化学および／または熱処理によってワックス被膜を除去する前に、カーボン基板にバインダーをしみ込ませる。他の実施形態では、締め付け装置の締め付けバーまたは締め付け板は、カーボンファイバー網、カーボンファイバー布、カーボンフェルト、熱分解されたポリマー、またはカーボン紙から作られ、それは熱分解されたポリマー（フェノール樹脂等）が全体的にまたは部分的にしみ込まされる。さらに他の実施形態では、締め付け装置の締め付けバーまたは締め付け板は、鋳型で前成形されて熱分解された、熱分解されたポリマーから作られる。

両面燃料電池を与えるように、上記締め付け装置のペアが図１に概略的に示されるように燃料電池装置内の支持板の各側に載置されることもできる。締め付けバーも、上記の実施形態の組み合わせに従ってデザインされることができる。

締め付け板はオプションで、例えばテフロン（登録商標）被膜を施すことによって、疎水性に作ることができる。しかし、疎水性の層が隣接する部品（例えば、隣接セルの陰極または電流コレクターまたは陽極のＧＤＬ）への電気的コンタクト抵抗を増加しないように注意されなければならない。

締め付け板と隣接セルの陽極の電流コレクターの金属表面の間のより良い電気的コンタクトを提供するには、締め付け板はオプションで、例えばプラズマスプレーおよび／または蒸着法によって、金属層で被膜されることができる。金属被膜は締め付け板を全体的にまたは部分的にカバーできる。

他の実施形態では、締め付け板は、電気的に非導電性だが硬いプラスチック材料（例えば、硬いＰＶＣ）から作られ、それはＧＤＬに面した側で電気的に導電性の層（例えば、金属性Ｃｕまたはステンレス鋼）によって被膜される。このデザインの利点は、プラスチックの詳細は大量生産するのが安価であることと、金属被膜は、締め付け、または溶着やはんだ付けでさえによっても、隣接セルの陽極電流コレクターの金属表面によく接続することである。金属被膜から金属イオンが溶解し、ＭＥＡを毒する危険は、燃料電池技術で使われる、金、炭素またはその他の保護的でコンタクト抵抗を低減する層のような、保護的層の追加によって克服できる。

代替的実施形態では、締め付け板の曲げ強度も、締め付け板の中にプロファイルを導入することによって達成できる。前記プロファイルは、例えば中心でより高い強度を与えるように、異なる深さを有することができる。

支持板
図９に示す従来技術の燃料電池では、その中に気体チャネルが掘られていて、それにセルへの水素の提供のために気体毛細管が取り付けられた支持板が使われる。気体チャネルは支持板を通して伸び、気体チャネルの気体毛細管への接続は支持板の側面に位置している。支持板は、典型的にはプレキシグラスのような堅い材料で作られている。気体チャネルは、接続を許容するために気体毛細管の直径を超える直径を有さなければならない。従って、支持板の厚さは気体毛細管の外径を超えなければならず、よって数ミリメータ、例えば２−３ｍｍ、になる。支持板の厚さは、図９に示す燃料電池のパワー密度に限度を設定する。

増加したパワー密度を持つ燃料電池を得ることに継続した熱望があり、従って増加したパワー密度を持った燃料電池装置の必要がある。

発明の一つの目的は従って、増加したパワー密度を持った燃料電池装置を提供することである。この目的は、非常に薄い支持板を提供する本発明によって達成される。

発明の燃料電池支持板は、サンドイッチ構成に配置された少なくとも３つの層、第一の外側層、中間層、第二の外側層、からなる。燃料入口チャネルと燃料出口チャネルが支持板サンドイッチ構成内にある。燃料入口チャネルは、隣接する第一および第二の外側層との組み合わせでサンドイッチ構成の中間層内の伸長された開口孔によって閉じ込められる。

気体毛細管のような気体サプライを接続することができる燃料チャネルの入口開口部は、中間層の伸長された開口孔の一つの端に隣接するエリア内の第一の外側層に配置される。燃料チャネルの出口開口部は、伸長された開口孔の他の端に隣接するエリア内の第二の外側層に配置される。支持板が燃料電池内に配置された時、燃料チャネルの出口開口部は陽極気体チェンバーのエリア内に位置していて、燃料が陽極気体チェンバーの中に伝導できる。支持板に設けられた燃料出口チャネルは、燃料フローの放出のために陽極気体チェンバーから支持板の外側開口部まで伸びている。発明のアイデアは従って、一緒に所望の燃料チャンネルを形成する開口孔と開口部が設けられた３つ以上の薄い層をサンドイッチすることによって支持板を作り上げることである。燃料は、好ましくは気体、最も好ましくは水素気体である。

支持板の層は、前述した締め付けバーまたは締め付け板の曲げ力に反作用することができるように、好ましくは硬い材料から作られている。締め付けバーと締め付け力によって露呈される圧力は、典型的には５０Ｎ／ｃｍ２であって良い。ハイパワー燃料電池装置のために、支持板材料は、５０℃より上の温度に耐えるように好ましくは熱耐性でもあるべきである。支持板の材料は、好ましくは燃料電池装置のＭＥＡに有害ないかなる気体も開放しないべきである。支持板は、好ましくは電気的に導電性ではない。

発明によると、層は、ポリマーフォイルシート、金属フォイルシート、または共に積層されたポリマーワックスで被膜された紙シートから作られても良い。各層は、好ましくは０．１と１ｍｍの間の厚さを有する。支持板は、第一および第二の外側層の間に積層された、２つまたは４つまたはそれより多くの層からなっても良い。これは、もし異なる方向に導く気体チャネルまたはお互いに交差する気体チャネルを提供することが望ましければ、有利である。支持板の層は、高温シーリングによって、糊付けによって、または接着フィルムを使って、お互いに積層することができる。

好ましい実施形態では、支持板は、第一および第二の外側層の間を支持板サンドイッチ構成を通して伸びる燃料転送チャネルが設けられ、一つの燃料電池の陽極気体チェンバーから支持板の反対側に配置されている他の燃料電池の陽極気体チェンバーまで燃料が伝導できる。

図３に、支持板の一つの好ましい実施形態を概略的に示す。この実施形態では、支持板は、支持板の反対側に配置された２つの燃料電池ユニットへの気体サプライのために適応されている。そのような配置の図が図１ａに示されている。この実施形態では、サンドイッチ支持板は３つの層：第一の外側層３０９、中間層３１０、第二の外側層３１１、からなる。各層は、突出したタブの形を持った端板３１３を含む。電流コレクター部は、図７に示したもののような、電流コレクターコンタクトの中への挿入に適応されている。

使用において、燃料気体は、第一の外側層の電流コレクター部３１３に位置する入口開口部３０１に入り、それから第二の外側層に設けられた気体チェンバー入口開口部である気体チャネル出口開口部３０３に向けて気体チャネル３０２を通して伝導され、そこで気体は支持板が配置された燃料電池装置の陽極気体チェンバーに入る。気体入口チャンネル３０２は、第一の外側層３０９と第二の外側層３１１と共に、中間層に設けられた伸長された開口孔によって形成される。気体チャネルの高さはよって中間層の厚さと一致する。気体チャネルの幅は伸長された開口孔の幅と一致する。気体チャネルの下部および上部壁は、それぞれ第一および第二の外側層である。

気体入口チャネル３０２を離れた後、燃料気体は、陽極気体チェンバーを通り、第二の外側層の開口部３０４から出る。中間層と第一の外側層は両方、開口部３０４と一致する開口部３０５、３０６を有する。これらの開口部は、支持板の反対側に配置された燃料電池の陽極気体チェンバーへの燃料気体の転送のための燃料転送チャネルを一緒に形成する。気体はよって、開口部３０６を通して反対の燃料電池の陽極気体チェンバーに入り、第一に外側層３０９に設けられた開口部３０７を通して陽極気体チェンバーから出て、気体入口チャネル３０２と同様のやり方で支持板に設けられた出口気体チャネル３０８を通して燃料電池装置から出る。

平坦な表面に設けられた入口開口部に気体毛細管を接続することによって、支持板の厚さは１ｍｍ未満に削減することができる。

上記の支持板の層の開口部と開口孔はある位置と形状を有しており、それはある利点を有しているが、発明の範囲は、異なる位置にある気体開口部と他の形状と位置の開口孔を有する支持板も含んでいることは明らかなはずである。

この特定の実施形態では、電流コレクター端板３１３は突出したタブの形を有し、それは使用済み燃料電池装置の新鮮なものへの取り替えを簡略化する。しかし、例えば単に支持板層の幅を引き伸ばすことによって、電流コレクター部を異なるように成形することが望ましくても良い。

本発明の代替的実施形態では、支持板の一部は装置の筐体内に一体化される。支持板の上部（燃料電池に最も近い層）は、締め付け内のものを除いて、燃料電池部品（つまりＭＥＡ、ＧＤＬ、導電フォイル／テープ部品）と一体化される。締め付けは、開口孔部を含んだ締め付け板からなる。

使用中のとき、前記上部は接着剤によって筐体に取り付けられる。前記上部はそれによりそのサービス寿命の後に取り替えるのが容易である。図１０は、どのようにこの実施形態を使うことが出来るかを描いている。

図１０ａは、上層の図である。この層は、空気アクセスのための開口孔部（９２１）を有する締め付け板（９２０）を含む。

図１０ｂは、中間層の図である。この層は、ＭＥＡ、ＧＤＬ、導電テープを含む。正方形９２２は、ＧＤＬと活性エリアの相対的サイズを描いている。燃料電池部品の下には、水素気体アクセスのための穴（９２４）を有する支持層（９２３）がある。支持板は、それが気体イン／アウトと下層におけるチャネルをカバーするように大きいべきである。

図１０ｃは、下層の図である。この層は装置の筐体（例えば、鋳型成形されたプラスチック筐体）と一体化できる。この層は、気体入口穴（９２５）と気体出口穴（９２６）を有する。それらの間には、水素気体フローのための溝付きパターン（９２７）がある。前記パターンは、気体を強制的にセルを通らせるように中断することもできる。

中間層と下層の間のインターフェースが気体気密性であることは重要である。これは接着剤および／または締め付け力を使って果たすことができる。

気体接続
従来技術の燃料電池装置では、燃料（例えば、水素気体）は板の短い端を通して支持板に入る。この解決策では、支持板の気体入口開口部は、気体毛細管の先端を受けることができなければならず、それは気体毛細管の外径を超える支持板の厚さを示唆する。より薄い支持板の使用を許容するであろう、燃料電池装置に気体を提供する代替的なやり方を見つけることが有利であろう。

発明によると、燃料気体が、支持板の短い側の代わりに、平坦な表面上の燃料電池装置に入ることを許容する気体接続手段が設けられる。気体接続手段は、気体毛細管先端を受けて、支持板厚さには何の要求もしない。この配置はまた、以下に記載するように電流コレクターコンタクト部品を通した燃料気体の供給を許容する。気体接続手段は、図１に示した燃料電池装置の実施形態との関連で使用されても良い。

代替的実施形態では、気体接続手段は代わりにプッシュインコンタクト内に置かれる、即ち、図３に描かれているように燃料電池装置は端板部に入口開口部３０１を有する。装置が電流コレクターコンタクト８０２（図８参照）の中に押し込まれた時に、開口部は、気体気密性であるを確かにするばね力を有した、コンタクト内のシール８１２（例えば、Ｏ−リングまたは円形シリコンシール）が開口部を取り囲むように置かれる。

気体接続手段５００の更に他の実施形態が図５、６に表示されている。気体接続手段は、支持板５１１と外側部品５０１の間に配置された弾力性シーリング部品５０３からなる。気体接続手段の部品５０３、５０１は、気体コネクターの気体気密性と機械的一体性を確かにする接着剤または糊で作られたコンタクト層５０２、５０４によって、お互いと支持板に取り付けられる。弾力性シーリング部品５０３は、好ましくはその中心に開口部５０７を有するシリコンゴムまたはあらゆる他の弾性ポリマーから作られている。開口部５０７の直径は、燃料電池装置に接続されることになる気体毛細管５０８の外径よりも小さい。シーリング部品の弾性特性は、気体毛細管の気体気密性接続を確かにする。

部品５０３、５０１は、支持板の気体入口開口部５０５と部品の開口部５０７、５０６が一致して、気体毛細管がその中に挿入されることになる短い入口接続チャネル６０７（図６ａ参照）を形成するように、支持板上に配置される。支持板と外側部品の開口部５０５、５０７の直径は、接続されている気体毛細管５０８の外径と同じである。外側部品は、好ましくは非弾力性材料から、最も好ましくは支持板と同じプラスチック材料から作られる。上層の目的は、気体毛細管の挿入角度を舵取りして、それが接続されている時に支持板に垂直に（または他の望ましい角度で）挿入されるようにすることである。

上層は有利には、その周縁部を支持板に直接取り付けることができるように、シリコンゴム板より有意に大きい。このデザインは、気体接続手段の機械的一体性を高める。

図６ａ、６ｂに示す一つの好ましい実施形態では、外側部品６０１は、接着剤、糊付け、または高温圧縮によって支持板６１１に直接取り付けられて、燃料コネクター手段の向上された機械的一体性を提供する。

電流コレクターコンタクト
図９に示す従来技術の燃料電池装置では、燃料電池装置の端電流コレクターは、お互いから距離を置いて異なる位置に置かれており、それは端電流コレクターからの電流導線の接続を複雑にする。本発明は、例えばマイクロ燃料電池システムのパワーエレクトロニクスへの、燃料電池装置の電流コレクターの接続のための簡略化された解決策を提供することを目的とする。

図１ａ、ｂに示す発明の燃料電池装置の実施形態は、支持板上に配置された直列接続されたセルからなる。支持板は、上記の通り突出した電流コレクター端板を有し、それは電流コレクターコンタクトへの接続に適応されている。

図７ａ−ｃは、そのような電流コレクターコンタクト７０２の一実施形態を示す。電流コレクターコンタクトは、伸長されたプッシュインコンタクトとしてデザインされている。締め手段のための開口部７０８を有する取り付け部７０１が、コンタクトの各端に設けられている。コンタクトは、コンタクト７０２に沿って伸びるコンタクトくぼみ７０３からなる。コンタクトくぼみは、好ましくは平坦な下表面７０７を有した縦スリットの形を有する。コンタクトくぼみ７０３の内部には、図７ｃに示されるようにコンタクト手段７０４が配置される。コンタクト手段は好ましくは、支持板の端板部１１３上にコンタクト手段７０４によって働かされたばね力によって十分なコンタクト圧力を確かにする弾力性金属舌である。有利には、コンタクト舌はコンタクト抵抗を減少する被膜、例えば金被膜、を有する。均等なコンタクト圧力としっかりしたコンタクトを得るように、複数のコンタクト手段７０４が好ましくはコンタクトくぼみ７０３内に設けられ、コンタクトくぼみの反対側に配置される。

その上に燃料電池が配置される支持板の端板部（図３の３１３）は、コンタクトくぼみ７０３に挿入されることになり、従ってコンタクトくぼみの寸法は、コンタクトくぼみが端板部を収容できるように選ばれなければならない。燃料電池装置のコンタクト配置はよって、支持板の端板部（雄コンタクト）と電流コレクターコンタクト（雌コンタクト）を含む。

好ましい実施形態は、支持板の端板部３１３上に配置された（図５−６に示されたような）気体接続手段５００を有した燃料電池装置を燃料気体サプライに接続できるように、電流コレクターコンタクト内に気体接続７０９を提供するものである。気体接続７０９は、それから、燃料電池装置の気体接続手段５００に自動的にフィットするように配置される。これにより、電流コレクターコンタクト機能と燃料電池装置への気体の提供を、同じ部品によって果たすことができ、よって装置の構成を更に簡略化する。

特に有利なオプションとして、気体コネクター手段は代わりにプッシュインコンタクト内に置かれる、即ち、図３に描かれているように燃料電池装置は端板部に入口開口部３０１を有する。装置が電流コレクターコンタクト８０２（図８参照）の中に押し込まれた時に、開口部は、気体気密性であることを確かにするばね力を有した、コンタクト内のシール８１２（例えば、Ｏ−リングまたは円形シリコンシール）が開口部を取り囲むように置かれる。

本発明によると、セルを多数の異なる構成に置くことが出来る。後続のセルを、例えばＵまたはＯ（円）形状のデザインとして置くことができる。一つの好ましい構成は、４つのセルを正方形構成に置くことである。（これは例２で例示される）
この構成では、締め付けは、締め付け板または支持板の周縁だけに設けられるのではなく、それは支持板の中間にも置くことができても良い。

寒い環境での燃料電池装置の作動
図９に示したもののような燃料電池装置は、周辺環境の温度に敏感である。もし温度が０℃に近いかそれより低ければ、燃料電池装置内部の触媒反応と陽子伝導性は温度に敏感なので、装置からハイパワーを得ることは困難である。更に、もし装置が０℃に近いかそれより低い温度で作動されると、燃料電池装置の使用中に（凝集された形の）水が形成され、それは低下した性能を導くかもしれないという問題があり得る。よって、周辺環境よりも高い温度に燃料電池装置を保つことができる必要がある。

この問題は、例えば接着剤手段によって支持板の後ろ側に電気加熱部材を取り付けることによる燃料電池装置の改良によって解決することができる。加熱部材は、燃料電池装置がより多くのパワーとよって継続した動作のためのより多くの熱を配ることができるように、ＭＥＡを加熱する燃料電池装置の始動の前とその間に使用することができる。動作中、加熱部材は、水が望まれない形で凝集されないことを確かにするように、オプションでオンのままにすることができる。燃料電池装置のシャットダウン中は、セルを適正に乾かすために加熱部材はセルを加熱できる。

寒い環境での作動に関する本発明の他の改良は、断熱性だが多孔性のシートを陰極締め付け板または締め付けバーの外部に取り付けることである。例えばこのカバーシートは、例えば多孔性テフロン（登録商標）のような多孔性ポリマーシートで作られることができる。両面燃料電池装置の場合には、カバーシートは、その中に燃料電池装置が置かれるポケットとして作られることができる。

以下の非限定的な例によって、発明が更に説明される。

例１
鋼鉄板を持つ４セルユニット
この例では、各セルが２．１ｃｍ２活性表面を有する４セルユニットが組み立てられる。偏極曲線データが、例１として下のテーブルに提示されている。この燃料電池の締め付け手段は、１５ｍｍ×１４ｍｍの気体拡散層（ＧＤＬ）と同じサイズの長方形穴を有する１ｍｍ厚の鋼鉄板であった。穴上で中心にあるが両面接着剤によって鋼鉄板からは電気的に絶縁された、１７ｍｍ×２３ｍｍでｃｍ当り６５０個の穴の網の目を有した４つの金メッキされた鋼鉄網も使われた。膜電極アッセンブリー（ＭＥＡ）は、GoreからのPrimea 58（０．４ｍｇＰｔｃｍ−２陰極、０．４ｍｇＰｔｃｍ−２陽極、１８μｍ厚膜）であった。ＧＤＬは、それらのマイクロ多孔側をＭＥＡに向けられた、GoreからのCarbel製品であった。

鋼鉄板を形成するのに、我々は各々０．８ｍｍ厚の３つのプラスチックシートから始める。これら３つのシートは、上、中間、下層とラベル付けされる。我々はそれからそれらのシート上の印刷されたテンプレートに従って穴を開ける。これらの穴は、それによって水素気体がセルに到達するチャネルを形成する。下層の穴は外部気体接続のために使われる。TESAによって供給される両面テープを使って、穴とチャネルがこのテープを通しても開けられた形で我々はこのテープを中間層の両側に取り付け、それからそれを上および下層の両方に取り付け、よって３層の支持板”サンドイッチ“が得られる。3Mからの両面非導電性接着テープがそれからサンドイッチにくっつけられ、その最も上の表面を完全にカバーし、これにより元々開いていたチャネルを閉じる。上層の表面上の保護層がそれから剥がされて、電気的に導電性の接着剤が支持板から離れるように向いた形で、その上にTESAによって供給された銅フォイル（製品番号４３８４）が接着され、よって陽極電流コレクターを形成する。穴がそれから開けられて、各セルの気体インおよび気体アウトチャネルが形成される。

燃料電池部品（ＭＥＡ，ＧＤＬ、導電テープ）は、図２ａに記載された通りに置かれる。

我々は、２０ｍｍ×２１ｍｍのものであった４ピースのＭＥＡを使う。ＭＥＡとＧＤＬは１２０℃で高温圧縮されてそれらを一緒にくっつける。それから、銅の最も上の保護層の除去の後で、気体インおよび気体アウト穴をカバーするようにＭＥＡ／ＧＤＬピースは中心に置かれ、陽極銅フォイル上に優しくくっつけた。この裏板の寸法が、この4ユニットセル内の各セルの活性エリア、即ちセル当り２．１ｃｍ２、を決める。裏板をカバーしていないＭＥＡの表面はそれから、例えば滑らかなテフロン（登録商標）ピースでＭＥＡを柔らかく拭くことによって陽極銅フォイルに対して封印された。

この４セルユニットのための締め付けは、各々１ｍｍ厚で、支持板よりも大きな寸法を有する２つの鋼鉄板から来る。非導電性接着剤テープがそれから貼り付けられて金メッキされた鋼鉄網を鋼鉄板から電気的に絶縁する。我々はそれから、3層の４セルユニットを鋼鉄板に取り付け、鋼鉄板に前に開けられていた穴にスクリューを挿入することによって両方の鋼鉄板を一緒にねじ締めして、要求される締め付け圧力を達成する。陰極が静かな空気大気と接触していた間に、純粋で乾いた水素が陽極で使われた。水素フローは、マスフローメーター（Brooks Instruments）によって制御された。電流密度は、負荷セル（TTI,LD300）によって制御された。

例２
セルが正方形に置かれた４セルユニット
他の例では、６０ｍｍ×４０ｍｍの寸法の正方形にセルが置かれた４セルユニットが組み立てられてテストされた。ここではスクリューによって正方形の中心で締め付けが起こるので、この例の締め付けは例１とは異なる。また、締め付けの陰極側は、支持板よりも大きい平坦な内部表面を有する硬いプラスチックボックスの筐体である。金メッキされた鋼鉄網と両面接着剤が、前のものと同様のやり方でこの例でも使われた。この例のＭＥＡとＧＤＬのような部品とアッセンブリーは、正方形構造にフィットするやり方で気体フローチャネルが異なるようにデザインされた以外は、前に述べたものと同様であった。この例と上に挙げたものとのもう一つの違いは、燃料電池の総活性エリアであり；この場合にはそれは５．２８ｃｍ２で、例１よりも少ない。

偏極曲線データは例２として下に提示されている。

例３
湾曲した表面を持つ４セルユニット
この例は、例１と同様の４セル装置であり、事実セル当り２．１ｃｍ２の同一の活性エリア表面も有する。金メッキされた鋼鉄網と両面接着剤が、前の２つのものと同様のやり方でこの例でも使われた。しかし、第一の例とこれの間には２つの大きな違いがある。第一に、セルは、３６ｍｍの外径の彎曲した支持板表面上に作成される。セルのアッセンブリーは前の場合と同様になされたが、今回ＭＥＡとＧＤＬは彎曲した表面の周りに巻かれ、よってアーチ形になっている。陰極側の締め付けは、彎曲した表面に渡って貼り付けられた０．０５ｍｍ厚の薄いステンレス鋼フォイルであった。そして第二に、この例で使われたＭＥＡは、GoreからのPrimea 5710（０．４ｍｇＰｔｃｍ−２陰極、０．１ｍｇＰｔｃｍ−２陽極、１８μｍ厚膜）である。

偏極曲線データは例３として下に提示されている。

Claims (7)

1. 直列接続に配置された少なくとも２つの燃料電池を含んだ平面構成空気呼吸ポリマー電解質電気化学装置であって、
   前記空気呼吸ポリマー電解質燃料電池の各々は、
   −陽極電流コレクターと、
   −陰極電流コレクターと、
   −固体イオン導電ポリマー膜電解質、陽極、陽極気体拡散層、陰極、陰極気体拡散層を含む膜電極アッセンブリー（１０９）を含み、
   前記膜電極アッセンブリー（１０９）は、陽極気体拡散層が陽極電流コレクターに向けられて取り付けられ、陰極気体拡散層が陰極電流コレクターに向けられて取り付けられるように前記陽極電流コレクターと前記陰極電流コレクターの間に配置され、
   前記燃料電池は支持板（１１１、９２３）の一表面上に設けられ、
   前記支持板（１１１、９２３）は、サンドイッチ構造の少なくとも３層からなり、前記３層は、
   少なくとも２つの燃料気体入口（３０１）を含む第一の外側層（３０９）、
   少なくとも２つの気体チャネルを形成する開口孔（３０２、３０８）を含む中間層（３１０）、および、
   燃料電池気体チェンバーへの／からの気体の入口と出口のための少なくとも２組の開口部（３０３、３０４）を含む第二の外側層（３１１）であり、支持板の各層は０．１〜１ｍｍの厚さを有し、
   前記少なくとも２つの燃料電池の各々には、その燃料電池の下に位置する前記支持板の領域に、対応する燃料気体入口（３０１）と気体チャネルと開口部（３０３、３０４）との組合せが提供され、
   前記燃料電池上に締め付け板（９２０）が設けられ、前記締め付け板は、空気アクセスのための開口部（９２１）が設けられ、前記燃料電池に対して前記締め付け板を固定して締め付けるために、前記締め付け板の角部（４３ｄ）に載置部材を受けるための手段（４１ｄ）を有し、中央部（４４ｄ）が２つの垂直な方向に曲げられるように前記締め付け板は彎曲しており、
   気体入口穴（９２５）と気体出口穴（９２６）を有する下層が前記支持板（９２３）の下に設けられ、両穴の間には、水素気体フローのための溝付きパターン（９２７）があり、前記溝付きパターンは前記支持板（９２３）の前記少なくとも２つの燃料気体入口（３０１）に水素気体を供給し、
   前記支持板（１１１、９２３）と前記下層との間のインターフェースが気体気密性であることを特徴とする装置。
2. 燃料電池（９４３）は、支持板（１１１）の面積よりも大きな面積を有する上部板（９４２）に対して、前記締め付け板（９２０）を介して押し付けるように配置されており、上部板（９４２）は、各燃料電池（９４３）のエリア内に位置する穴（９４４）を含んだ気体浸透性部を含む、請求項１の装置。
3. 燃料電池（９４３）は、支持板（１１１）の面積よりも大きな面積を有する上部板（９４２）に対して、前記締め付け板（９２０）を介して押し付けるように配置されており、上部板（９４２）は、携帯電話を含んだ製品のアーチ形または彎曲した筐体である、請求項１の装置。
4. 膜電極アッセンブリーは、接着剤によって密封されて陽極電流コレクターに直接取り付けられ、その接着剤は、陽極気体拡散層に隣接して対応する第一の領域と、第一の領域を取り囲む第二の領域をカバーし、それにより膜電極アッセンブリーと陽極電流コレクターの間に封印を作成し、よって陽極気体チェンバーを作成し、前記接着剤は前記第一の領域において電気的に導電性である、請求項１〜３のいずれか一つの装置。
5. 支持板（１１１）は、０．３〜１ｍｍの厚さを有する、請求項１〜４のいずれか一つの装置。
6. 前記支持板（１１１）の層は、ポリマーフォイルシート、金属フォイルシート、または共に積層されたポリマーワックスで被膜された紙シートから作られている、請求項１〜５のいずれか一つの装置。
7. 前記支持板（１１１）の層は、高温シーリングによって、糊付けによって、または接着フィルムを使って、お互いに積層する、請求項１〜６のいずれか一つの装置。

Images