JPH08509571A - ポリマー燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、構成部品として、集電器、膜の形態を有したポリマー固体電解質、ガス分配器リング及び電流分配器を有する燃料電池に関するものであり、全ての部品は、溶剤に溶解可能な熱可塑性基本ポリマーからできており、この燃料電池においては、この基本ポリマーが個々の部品に合うように変性されており、集電器（1）は電気的に伝導性であり、膜（4）はイオン導電性であり、電流分配器（3）はガス透過性で、かつ電気的に伝導性であり、ガス分配器リング（2）は非変性及び／又は電気的に伝導性の基本ポリマーでできていること、及び、これらの部品がシール材を使用せずに結合行程によって結合されている。

Description

【発明の詳細な説明】 ポリマー燃料電池 本発明は燃料電池に関するもので、この燃料電池の個々の構成部品は、集電器 （current collector）、膜の形態を有した固体電解質、ガス分配器リング及び 電流分配器（current distributor）であり、これらは１種類でしかも同一の基 本ポリマーからできており、個々の構成部品は結合工程によって結合されている 。 燃料電池は、分離した個々の電池としてか、あるいは、いわゆる燃料電池スタ ックとして構成される。このスタック構造においては、対応する高出力電圧が供 給されるように、幾らかの数の個々の電池が順々に組み合わされる。最も頻繁に 使用される燃料電池、即ち、水素／酸素燃料電池は、主として以下の個々の構成 部品、集電器、水素ガス分配器リング、イオン交換膜、電流分配器構造物及び、 水素ガス分配器リングから構成される。個々の電池の場合には、集電器として陽 極板又は陰極板が使用され、燃料電池スタックの場合、集電器として双極板が使 用され、この双極板は、対応する燃料電池スタック中に造られている。従来技術 では、今日まで、個々の構成部品は密封リングを経て互いに結合されてきた。 しかしながら、この方法には重大な欠点がある。シール材の使用は、一般に批 判のない要因ではない。というのは、必要とされるシール性に加えて、この材料 が脆化や分解を起こすことなく、不変負荷として温度が上昇した時に（約８０℃ ）、純粋で、しかも湿った酸素及び水素に耐えなければならないからである。こ の目的に対して提案された添加剤又は可塑剤を含む材料の使用は、これらの材料 が時間が経過するにつれて拡散し、どこか他の所に析出するか、あるいは、この システムの破壊を誘導し得る触媒を汚染する。添加物を含まない材料では、シー ル効果を確実なものとするために、高い接触圧力を必要とすることがしばしばあ る。これは、これらの応力に耐えるために、順番に、機械的に非常に安定な膜を 必要とする。薄膜は、非常に良好なイオン伝導率のために、その使用が好ましい が、これまでに知られている従来技術によっては製造することができない。 特に、燃料電池スタックの場合には、シール材を使用するとまた別の問題が生 じる。シール材が機械的に変形可能であるために、個々の構成部品の互いに対す る幾何的位置に変化が起こる。特に、２つの密封リングの間にクランプされたイ オン交換膜の場合には、膜材料にシワが生じる可能性があり、これは、作用する 間にポテンシャル破損点に相当するものとなる。このような材料破損は、その後 に、水素と酸素の間の直接的な接触をもたらすことがあり、これは電池の破損を 伴うことになる。 このような従来技術から進んで、本発明の目的は、個々の構成部品の間のシー ル材の使用を最も少なくするか、あるいは完全に避けられた燃料電池又は燃料電 池スタックを提供することである。 この目的は、請求項１に記載される特徴によって達成される。従属項２〜１４ は、更に好ましい実施態様を示している。 本発明による解決のための、即ち、全ての構成部品の製造は、単一かつ同一の 基本ポリマーから、あるいは個々の構成部品についての改良形態から行われ、個 々の構成部品が結合行程により一緒に連結でき、これによって、シーリング材を 最小限とするか、あるいは完全に回避することができる。 この点において、個々の構成部品を製造するのに準備される熱可塑性ポリマー は、非常に重要である。 水素／酸素燃料電池において生じる特異な機械的及び化学的必要条件を満足す る場合には、このような熱可塑性ポリマーしか適していない。 この準備される熱可塑性ポリマーは、燃料電池構造の支持部品のための構成材 料として適したものでなければならない、即ち、圧力下で、上昇した温度にて寸 法安定性を有していなければならない。加えて、この材料は、乾燥した水素又は 酸素によっても、湿った水素又は酸素によっても化学的に侵されないものでなけ ればならず、更に、加水分解的に安定でなければならない。 更なる必要条件は、この熱可塑性材料が、８０℃の最低温度にまで上記の性質 を安定して維持しなければならないということである。 これらの性質はそれら自身、必要ではあるが、本発明のポリマー燃料電池によ る概念にとって充分なものではない。更に、このような特異な物理的又は化学的 性質は、それぞれの個々の成分に対して必要なものとして実現化できるように、 この材料を改良することができなければならない。集電器、即ち陽極板及び陰極 板、又は両極板については、電流分配構造についても同様に、電気的に伝導性の あるポリマー基本材料にできなければならない。イオン交換膜については、イオ ンに対して導電性のある同様の材料で作られなければならない。 本発明によれば、ポリマー基本材料として、これらの熱可塑性ポリマーが挙げ られ、これらポリマーは「芳香族骨格」を有しており、しかも適当な溶剤に可溶 性である。この基礎ポリマーの重合度は、この点で選択されなければならない。 このようなポリマーには、以下のものがある。 ポリスルホン類（Ｉ） ポリエーテルスルホン類（II） ポリエーテルケトン類（III） ポリフェニレンスルフィド類（IV） ｘは、広い範囲内で変化可能であるが、このポリマーが適当な溶剤内に溶解可 能であることが必要である。それゆえ、Ｘは、ポリマー及び溶剤にもよるが、５ と１０，０００の間にあることが好ましい。 しかしながら、上記のモノマー類の共重合体が使用できるということは、本発 明によっても可能である。特に好ましいのは、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ） を使用することである。ＰＥＳは、高い引張り強度、衝撃性、熱変形に対する耐 性及び化学薬品に対する耐性によって特徴付けられ、同時に、耐燃性及び自己消 火性である。それゆえ、ＰＥＳは、本発明による用途の熱可塑性ポリマーとして 特に適している。 更に、ＰＥＳは、脂肪族性ＣＨ結合を有しておらず、芳香族性ＣＨ結合しか有 していない。脂肪族性のものに比べて芳香族性ＣＨ結合は、より高い結合エネル ギーであるために、このような物質は、酸素によってラジカル的に起こる酸化に 比べてかなり安定であり、これにより、燃料電池における酸素を含む環境での使 用安定性を有している。更に、ＰＥＳは、例えばエステル基のような容易に加水 分解される官能基を有しておらず、困難さを伴ってしか攻撃されないスルホン基 又はエーテル基を有しているだけであり、従って、加水分解反応中に非常に安定 な仕方で挙動する。ＰＥＳを使用することによる更なる利点は、ＰＥＳが射出成 形又は押出成形によって加工できるので、プラスチック溶接又は接着によって、 ＰＥＳでできた個々の構成部品を互いに結合できるということである。更に、変 性技術として、導電性粒子の混合により、電気的に伝導性のあるプラスチックを 製造することができる。ポリマー骨格における芳香族環は、イオン導電性プラス チックが製造されるようにするために、イオン性基を化学的に導入することがで きることをもたらす。従って、ＰＥＳは、ポリマー燃料電池にとっての基本材料 として使用するのに必要な適した性質を全て有している。 そのことからして、個々の構成部品は、この基本ポリマーを用いるか、あるい は、これを変性した形態のものを用いて製造することができる。 集電器、即ち、陽極板及び陰極板、又は両極板を製造するためには、重合した 熱可塑性基本材料は、電気伝導率を達成するために変性されなければならない。 このことは、例えば、高導電性カーボンブラック、グラファイト、炭素繊維、電 気的に伝導性のあるポリマー粒子又は繊維（例えばポリアニリン）、金属粒子、 フレーク、繊維又は金属化されたキャリヤー材料のような、導電性物質の添加に よって行われる。このような場合における導電性粒子の混合は、種々の方法にお いて行うことができる。 １．導電性粒子を溶融したポリマーに添加し、均一で微細な分布を、分散後に混 練又は混合機構によって行う。 ２．導電性粒子を、掻き混ぜ器又はミキサーによって、溶媒に溶解された熱可塑 性プラスチックシステム中に掻き混ぜ、続いて、所望の微細な分散が達成される まで分散する。 ３．ポリマー成分を溶融させることなく、導電性粒子を、粉末状ポリマーと激し く混合し、その後、熱プレスする。この場合、変性されるべき材料中に、導電性 粒子は均一に分散されないが、導電性粒子は、分離した形態で存在するポリマー 粒子を取り囲む。 初期生産物（導電性粒子）、ポリマーの性質及び組成は別として、この混合物 の導電性もまたプロセスパラメータに依存する。カーボンブラックポリマー混合 物の場合には、５と７０％の間、好ましくは１５と５０％の間のカーボンブラッ ク濃度は、導電性をもたらすために必要である。変性された生成物の機械的特性 は、固さ及び熱変形に対する抵抗が増加し、伸張性及び衝撃抵抗性が低くなるに つれて変わる。これらの変化は、良好な固さ及び熱変形に対する抵抗が主として 必要とされるので、ポリマー燃料電池において使用するのに重大ではない。 ガス分配器リングは、変性されていないポリマー基本材料から製造されても良 いし、上述の電気伝導性のあるポリマー材料から製造されても良い。 イオン交換膜は、個々の電池の水素側と酸素側との間のプロトン移送の原因と なり、即ち、この膜は、カチオンを誘導可能な材料から成るものでなければなら ない。水性の環境でのカチオン誘導の能力は、ポリマー材料内で行われ、この材 料には、例えばカルボン酸類（−ＣＯ₂Ｈ）、スルホン酸類（−ＳＯ₃Ｈ）又はリ ン酸類（−ＰＯ₃Ｈ₂）のような酸グループが化学的に導入され、これらの酸グル ープは、水性の環境でイオンに解離する。 典型的には、強い酸性のスルホン酸基は、これらの高いイオン導電性膜に使用 される。ポリマー燃料電池に適した基本材料は芳香族環系を含み、文献から知ら れているように、これに基づいて、置換反応はイオン性基の導入を伴って実施す ることができる。スルホン酸基を導入するのに適した試薬は、例えばスルフルト リオキシド又はクロロスルホン酸である。より高い導電性を達成するために必要 とされるスルホン化度は、３〜２００％の範囲内を動き、より典型的には５０と １００％の間の範囲内である。 この膜は、その全表面に渡ってイオン導電性材料から成っても良い（１成分膜 ）。このような構造は、固体連結が燃料電池の他の構成部品との間に必要でない 場合に、特に選択される。更に、この膜は、２つの材料から構成されても良い（ ２成分膜）。この場合には、膜は、基本材料から成る外側非イオン導電性表面に よって囲まれた内側のイオン導電性表面から成る。これには、接着又は溶接によ るガス分配器リングに対する、膜の表面対表面結合の場合に、２つの全体に同一 の材料が互いに結合され、２つの部品のより安定な結合がもたらされるという利 点がある。更に、２成分膜としての構造は、この非イオン性基本材料が、水中に おいて無視し得る程度しか膨潤しないので、水中におけるイオン性ポリマーの膨 潤の程度が高くなることによって引き起こされる側面領域の長さ及び体積につい ての好ましくない変化を回避する。このような膜構造は、種々の方法で製造する ことができる。 １．イオン導電性領域を設けるべき位置において、一部が型に合わせて押し切ら れている非変性基本材料のフィルムを、基体上に固定する。変性されていない材 料をも溶解可能な溶媒中にイオン導電性材料を溶解させる。この溶液を、フィル ムにおける凹部内に注ぎ、フィルムの端をエッチングする。この膜フィルムを、 その後、２０〜２５０℃の範囲の温度にて乾燥させ、基体から取り外す。 ２．イオン導電性領域を設けるべき位置において、一片が型に合わせて押し切ら れている非変性基本材料のフィルムを、基体上に固定する。正確な形状の凹部を 有し、イオン導電性材料からなるフィルムの一片を、前記凹部内に固定する。接 着システムで２つのフィルムを結合する。好ましくは、この接着システムは、基 本材料とイオン導電性材料の両方が溶解可能な溶媒中に溶解されたポリマーから なる。この接着システムのポリマー成分については、主として変性されていない 基本材料自身、イオン導電性材料又は、上記の２つの材料の混合物、ブロック又 はグラフト共重合体が考慮される。 ３．イオン導電性領域を設けるべき位置において、一片が型に合わせて押し切ら れている非変性基本材料のフィルムを、基体上に固定する。その後、イオン導電 性材料のフィルムを凹部の上に置く。このようにして、イオン導電性フィルムの 表面は、凹部の表面よりもわずかに大きく、両方のフィルムは部分的に重なり合 う。重なり合った端は、前述の点において記載されるように、接着システムによ って接着されても良い。最終的には、両方のフィルムは、平らな膜フィルムとな るまで加圧溶接される。この点では、内側イオン導電性表面が、その交換機能が いずれも破壊されない範囲となるように、熱的に圧迫されるだけであるというこ とに、特別な注意が払われるべきである。この交換機能は、重なり領域において 破壊されることがある。 ４．イオン導電性領域を設けるべき位置において、一部が型に合わせて押し切ら れている非変性基本材料のフィルムを、基体上に固定する。その後、イオン導電 性材料のフィルムを凹部の上に置く。このようにして、イオン導電性フィルムの 表面は、凹部の表面よりもわずかに大きく、両方のフィルムは部分的に重なり合 う。重なり合った端は、前述の点において記載されるように、接着システムによ って接着されても良い。第１フィルムと同様の寸法を有した、変性されていない 基本材料の第２フィルムは、イオン導電性フィルムの重なり領域にも接着可能な システムの上に置かれる。最終的には、両方のフィルムは、平らな膜表面となる まで加圧溶接される。ここでも、内側イオン導電性表面が、その交換機能が損傷 を受けない範囲となるように、熱的に圧迫されるだけであるということに注意す べきである。この交換機能は、重なり領域において破壊されることがある。 ２成分膜の更に別の変形例においては、この膜はまず最初に、その全表面に渡 ってイオン導電性材料から製造される。引き続いて、膜の外側領域が変性され、 その結果、分解反応及び／又は架橋反応によって、高度な水膨潤性が激しく減少 する。また別の処理は、例えば温度処理であっても良く、この膜は２枚の熱板の 間で２００℃以上の温度にまで加熱される。この点において重要な要素は、膜の 外側領域しか高温に曝されないということであり、その結果、膜表面の中央領域 が、イオン的に導電性に保たれ、固体電解質として役立つことができる。 ポリマー燃料電池の構造によっては、種々の大きさの膜が必要とされることが ある。ある変形例においては、この膜は、ガス分配器リングよりも小さい。この ような大きさは、それを部分的には覆うが、ガス／水ダクトに対する穴までは達 しないような大きさである。第２の変形例では、膜は、ガス分配器リングと同じ 大きさであり、しかも、それ自身がガス／水ダクトに対する穴を有している。 この重合した基本材料はまた、電流分配器構造物を製造するために変性されな ければならない。燃料電池スタックにおいては、この電流分配器構造物は、両極 板と、触媒がコートされた膜との間にある。これは、膜表面上が均一な状態とな るように、電流の供給又は採取、あるいはガスの供給又は採取を確実なものとす る。それゆえ、この材料は、ガス透過可能で、しかも電気的に伝導性のある特性 を有していなければならない。これまでに知られている材料、例えば金属又は炭 素繊維の、網又は織物、多孔性金属焼結部材又は多孔性炭素紙を、構成材料とし て使用することが可能である。同様に、導電性ポリマー材料を構成材料として使 用することができる。この材料はガス透過性が得られるように多孔性でなければ ならない。この空孔は、例えば水、酸類又は灰汁に溶解可能な微粉砕無機塩類に よって達成することができ、この塩類は、構成材料を加工する前に添加される。 その後、前記の塩類が溶解し、多孔性構造が形成される。 本発明によれば、例えば溶接又は接着などの結合工程によって、個々の構成部 品を互いに結合させることが提案される。このようにして、燃料電池又は燃料電 池スタックについて、シールを全く必要としないか、あるいはほんのわずかのシ ーリング材しか必要としない構成とすることが可能となる。 本発明のまた別の特徴、詳細及び利点は、実施例によって示された本発明の具 体例及び、図１〜７についての以下の説明から明らかとなる。この具体例は、燃 料電池スタックに関するものである。 図１には、従来技術による水素／酸素燃料電池スタックの基本構造が示されて おり、 図２には、構造領域「両極板、イオン交換膜」における、これまでに知られて いる燃料電池スタックが示されており、 図３には、本発明による、領域「両極板、イオン交換膜」の構造が示されてお り、この分配ユニットは２つの個々の構成部品からなっており、 図４には、本発明による、領域「両極板、イオン交換膜」の構造が示されてお り、この分配ユニットは１つの構成部品からなっており、 図５には、密封リングを有したポリマー燃料電池の全体構造が示されており、 図６には、密封リングを有しない個々の電池の全体構造が示されており、 図７には、構成部品Ｃによる燃料電池スタックのコア領域の構造が示されてい る。 図１は、従来技術から知られている水素／酸素燃料電池スタックの基本構造を 示すものである。水素／酸素燃料電池のスタックの構造において重要な個々の構 成部品は、一般的には、電池ユニットについての、両極板１、ガス分配器リング ２、イオン交換膜４、及び電流分配器構造物３からなる。わかり易くするために 、この図及び以下の図においては、膜の触媒被膜の図示は省略されている。これ は、以下の説明において必要ではないからである。 図１に示されている基本構造は、燃料電池スタックのコア領域を示すものであ る。この際、このコア領域は、対応する陽極又は陰極端板によって規定される。 個々の構成部品の密封を互いに確実なものとするために、シール５が設けられて いる。この場合においては、これらシール５はそれぞれ、両極板１とガス分配器 リング２との間、及びガス分配器リング２と膜４の間に配置されている。この燃 料電池は、それから圧力によって結合される。 従来技術の説明において既に述べたように、シーリング材の使用は、重大な欠 点を含んでいる。シーリング材の機械的変形性のために、一方では、お互いに対 して個々の構成部品の幾何学的位置の変化が生じ、他方では、上昇した温度での シーリング材への永久負荷のために脆化又は分解が起こる。 図２には、これまでに知られている燃料電池スタックにおける、領域「両極板 イオン交換膜」の基本構造が示されている。両極板１とイオン交換膜４の間に、 ２つの密封リング５、ガス分配器リング２及び、電流分配器構造物３がある。こ の点において重要な要素は、このイオン交換膜４が、領域ＡとＢにおいて、一つ の表面にあるとは確実に言うことができない表面と接していることである。領域 Ａでは、膜４は、固定された基体上にあるが、一方、領域Ｂでは、ブロック（密 封−分配器リングシール）の厚みが、接触圧力及び構成部品許容量によって変化 可能である。それゆえ、領域ＡからＢへの転移においては、膜の接触表面におい て高さの差が生じ、これは、膜に鋭いシワや電位破壊点をもたらす。 図３は、領域「両極板イオン交換膜」についての本発明による解決を示すもの である。本発明によるポリマー燃料電池は、図２に関連して示されている問題を 回避するものであり、両極板１とガス分配器リング２は、同じポリマー基本材料 でできており、これによって、互いに溶接又は接着することができる。このよう な構造により、領域ＡとＢにおいて膜基材が常に一つの平面に位置することを確 実にすることができ、その結果、危険な材料シワが生じないようにすることがで きる。従って、この領域におけるシール材の使用を省くことができる。膜４は、 ガス分配器リング２に対して接着又は溶接されても良い。 しかしながら、このような結合加工は、絶対的に必要なものではない。本発明 による解決は、圧力を用いて両方の構成部品を結合することにより、実現化する こともできる。 領域「両極板交換膜」の構造についての、また別の解決法が図４に示されてい る。両極板１とガス分配器リング２からなる、接着又は溶接された結合体の変わ りに、ワンピースとして製造された分配器ユニット６が使用されても良い。 密封リング５を有するスタックのための個々の電池の全体構造は、図５から見 ることができる。図５によれば、各電池の半分については、それぞれの両極板１ が、それぞれのガス分配器リング２に溶接又は接着されており、いわゆる分配器 ユニットを形成している。この場合には、この電流分配器構造体３は、同様に両 極板１に溶接又は接着されても良く、電流分配器構造体３について選択された材 料とする限り、対応する加工が許容される。この構造は、本発明による半電池と 称される。 ここで半電池上に固定されている膜４は、ガス分配器リング２に対して溶接又 は接着できるが、これに限られるものではない。この場合には、膜４の直径は、 中心から見て、ガス分配器リング２の始まり部分上にわずかに延びているものと なっているが、ガス／水ダクトに対する穴７の前で明らかに終わっている。２つ の半電池の結合は、密封リング５によって達成される。この密封リング５は、ガ ス／水ダクトに対する穴７を含み、膜４の端とガス分配器リング２を両方とも覆 っており、その結果、互いの半電池の密封と、ガス／水ダクトからの半電池の密 封が提供される。膜４は、熱可塑性基本材料に基づかれており、先に述べたよう に、イオン導電性材料だけか、あるいは非イオン導電性材料とイオン導電性材料 との組み合わせのいずれかから成っても良い。言い換えると、両極板１とガス分 配器リング２との接着又は溶接された結合体の代わりに、一つの部品として、分 配器ユニット６が使用されても良い。 単一の燃料電池の構成は同様である。両極板として、集電器１の設計の代わり に、端板が使用される。そして、この燃料電池は、２つのこのような半電池から 、即ち、陽極端板を有する半電池と、陰極端板を有する半電池とから構成される （図示されていない）。膜４との結合は、スタックの個々の電池に対して、前述 のようにして行われる。 図６は、密封リングを有さない本発明の個々の電池の全体構造を示すものであ る。図６によれば、それぞれの半電池に対して、それぞれの両極板１が、それぞ れのガス分配器リング２に溶接又は接着され、いわゆる分配器ユニットを形成し ている。集電器構造体３も同様に、選択された電流分配器構造の材料が対応する 加工を許容する限りは、両極板に溶接又は接着されても良い。この場合では、膜 ４は、ガス分配器リング２と同じ直径を有し、しかも、ガス／水ダクトに対する 穴７を含んでいる。この膜４は、それぞれの半電池のガス分配器リング２に対し て、両面が溶接又は接着される。この膜４は、本発明によれば熱可塑性基本材料 に基づいており、先に述べたように、イオン導電性材料か、あるいは非イオン導 電性材料とイオン導電性基本材料との組み合わせのいずれかから成っても良い。 この具体例では、又、両極板１とガス分配器リング２の結合体の代わりに、一つ の部品として、分配器ユニット６が代わりに使用されても良い。 図５の説明において既に述べたように、個々の電池は、密封することなく陽極 及び陰極端板を使用して、同様にいて構成されても良い。この時には、それぞれ の両極板１の代わりに、陽極又は陰極端板が使用される。 燃料電池スタック（図７）は、ここでは、複数のこれらの個々の電池から構成 されている。この場合における燃料電池スタックのコア領域は、両極電極１のい ずれか一方の面に設けられるようにして構成されており、それぞれ個々の電池の 内部方向に、電流分配器３及びガス分配器リング２は上述のものである。この構 成ユニットは、本発明によって構成部品Ｃとして認められる。コア領域は、ここ では、ｎ個のこれら構成部品Ｃから形成されており、これらのｎ個の構成部品Ｃ は、膜４によって順番に結合されている。より見易くするために、膜４と構成部 品Ｃとの間には、空いた空間が残っている。完成された燃料電池スタックにおい ては、膜４はもちろん、既に述べたように、構成ユニットＣに連結されている。 この燃料電池スタックのコア領域は、個々の電池に関連して既に記載したように 、再び言い換えると、一つのユニットからなる分配器ユニット６から構成される ことができる。もちろん、本発明による電池の構造は、図５と同様に、膜４と構 成ユニットＣとの間にそれぞれ、個々の密閉リングが設けられたものにおいて可 能である。 完全な燃料電池を構成するために、２〜３００の構成部品Ｃが使用されること が好ましい。その後、この完全な電池は、陽極端板から形成され、反対面上に、 陰極端板から形成され、これらは順番に溶接又は接着された膜によって、コアユ ニットに結合されている。 燃料電池の、又は燃料電池スタックの個々の構成部品を互いに固定するための 最終永久方法は、触媒を用いてコートされた膜面と、電流分配器構造体との良好 な接触を確実なものとするため、及び、この電池の密封品質を保証するために必 要である。構成部品を互いに固定するための永久方法は、この構造が、最終的な ネジ込み又は同様の機械的手段、圧力を作用させることによって、加圧下で結合 されるようにして行われても良い。同様に、個々の分配器ユニットを互いに最終 液に溶接／接着することによって構成部品が互いに固定されることを確実にする ことが可能である。この場合には、例えば変性されていないポリマー基本材料の フィルム／板状物のような補剤が使用されても良く、これらは、永久結合を生成 させるために、結合されるべき分配器ユニットの周囲に配置され、それに溶接又 は接着される。 本発明によれば、個々の構成部品又は、上述の如く、完成した燃料電池は、結 合加工によって互いに固定されても良い。燃料電池の構成部品全てが、同じ基本 材料から構成されているという考えはここでは、例えば接着又は溶接によって、 ここでは安定した結合を可能となり、これは、従来技術において知られている燃 料電池の個々の構成部品に一般的に見られるような、非適合性又は分離が予期さ れることがないからである。 本発明によれば、結合工程として、溶接又は接着を使用することが好ましい。 本発明によれば、プラスチックによる溶接は、熱及び力の使用による、あるい は溶接添加物を用いた、熱可塑性プラスチックの一体化を意味している。この目 的のために、接合部分の表面は、プラスチック状態にならなければならない。原 理的には、構成部品の連結は、以下の述べる方法の一つを用いて行うことができ る。以下に挙げられている種々の溶接方法は、これらの方法によって、接合部分 の表面がプラスチック状態となり得る。以下の溶接方法が特に考えられる。 １．発熱体溶接：接合表面は、主に電気的に加熱された金属部品によって加熱さ れる。熱は、直接、発熱体から接合表面に流れることができるか（直接発熱体溶 接）、あるいは接合部分を通して接合表面に流れることができる（間接発熱体溶 接）。 ２．超音波溶接：表面の可塑化は、超音波の導入によって行われる。超音波溶接 は、ポリマーの機械的減衰能に基づく。ほとんど全てのプラスチックでは、機械 的減衰が非常に大きいので、超音波工程によって溶接を実施することが可能であ る。 他の溶接工程も原理的には可能である（熱ガス溶接、摩擦溶接又は高周波溶接 ）。しかしながら、これらは、全てのプラスチック材料又は成形タイプに適した ものではない。ポリエーテルスルホンについては、この材料が熱又は超音波溶接 によって影響を受けることがあることが知られている。 接着剤を用いる結合は、さらに別の結合方法として好ましい。 接着剤結合の接着品質は、接着及び凝集によって影響され、接着とは、接着さ れるべき本体と接着剤との間の境界面における結合力を意味し、凝集は、接着剤 自身における結合力を意味している。主として、全ての種類の接着剤は、ポリマ ー燃料電池の部品を結合するのに適しており、例えば、溶剤接着剤、ディスパー ジョン接着剤、溶融接着剤、コンタクト接着剤、重合、重付加及び重縮合接着剤 などである。 しかしながら、ポリマー燃料電池の部品が溶解性であるために、溶剤接着剤が 特に使用される。接着システムの溶剤成分としては、これらが、両方の接合部分 が溶解可能であることが考慮される。溶剤は接合部分の中に部分的に拡散し、そ の結果、接着剤と接合部分との間の相互作用が促進される（良好な接着）。 ポリマー基本材料としては、ポリエーテルスルホンが使用され、スルホン化さ れたポリエーテルスルホンがイオン導電性材料として使用される場合には、例え ばジメチルホルムアミドを使用することができる。この接着システムにおけるポ リマー成分としては、ポリマー基本材料自身、変性されたイオン導電性基本材料 、両者の混合物、あるいは、共重合体、特にブロック及びグラフト共重合体のい ずれかが有用である。ポリマー基本材料の２つの表面が接着される際には、この 材料は、主に接着システムの成分であっても良く、いずれにせよ、接着及び接合 部分のポリマー成分が混和性であるために、永久的な結合を生成することができ る（良好な接着）。接着剤中におけるポリマー成分が、接合部分自身と同じ材料 でできているので、同様に、良好な粘着が形成される。共重合体は特に、全く同 じでない材料、例えば、イオン導電性材料と非イオン導電性材料などを接着する 場合に、接着成分として使用される。グラフト及びブロック共重合体は、接着を 行う間、一般的には混ざり合わない材料を確実に結合するのに寄与する。という のは、ブロック又はグラフト共重合体における両方の材料が、分子面上で化学結 合によって結合されるからである。 同様に、ポリマーが添加されていない純粋な溶媒を用いて結合することも可能 であり、これは膨潤溶接（swell welding）とも言われている。 ２つの導電性部品を接着する場合には、接着剤の導電性を確実なものとするた めに、導電性粒子を添加することによって、先に説明した接着剤の組成を広げる ことが必要となることがある。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９５年５月９日 【補正内容】 補正した請求の範開 １．集電器、膜の形態であるポリマー固体電解質、ガス分配器リング、及び電流 分配器を構成部品として有した燃料電池であって、全ての構成部品が溶媒に溶解 可能な熱可塑性基本ポリマーからできていること、この基本ポリマーが個々の構 成部品に適して変性されており、上記集電器（1）が電気的に伝導性で、上記膜 （4）が非導電性であり、上記電流分配器（3）がガス透過性、かつ電気的に伝導 性であり、しかも、上記ガス分配器リング（2）が、非変性及び／又は電気的に 伝導性の基本ポリマーからできていること、及び、これらの構成部品が結合工程 によって結合されており、上記基本ポリマーがホモポリマーであり、上記ホモポ リマーが、一般式Ｉのポリスルホン類の基： 一般式IIのポリエーテルスルホン類の基： 一般式IIIのポリエーテルケトン類の基： 又は、一般式IVのポリフェニルスルフィド類の基： から選ばれた単量体単位から構成されたものであることを特徴とする燃料電池。 ２．上記熱可塑性基本ポリマーが、請求項１に記載の単量体単位の共重合体であ ることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。 ３．上記燃料電池が、第１集電器からなる第１半電池と、ガス分配器リングと、 電極膜を経たシール材を使用することなく、第２電流分配器からなる第２半電池 に連結されている電流分配器と、第２ガス分配器リングと、第２集電器とを含む ことを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池。 ４．上記燃料電池が、燃料電池スタックの形態で構成され、両極集電器（1）の 両側にそれぞれ、個々の電池の内部の方向に配置されるようになっており、電流 分配器（3）及びガス分配器リング（2）（部品Ｃ）、ｎ個の部品Ｃがそれぞれ、 膜（4）を経て結合されていること、及び、これらｎ個の部品Ｃが、請求項２に 記載の半電池Ａによって特徴付けられていること、及び、上記半電池がそれぞれ 、膜（4）を経て上記ｎ個の部品Ｃと再び結合されており、ｎが２〜３００の範 囲内にあることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池。 ５．上記半電池又は上記構成ユニットＣの、上記膜との結合が、シール材（5） を経て行われていることを特徴とする請求項１〜４の少なくとも１項に記載の燃 料電池。 ６．上記集電器（1）が、それぞれのガス分配器リング（2）と、接着又は溶接に よって結合されており、しかも、分配器ユニット（6）を形成していることを特 徴とする請求項１〜５の少なくとも１項に記載の燃料電池。 ７．上記分配器ユニット（6）が、ワンピース構造であり、しかも、熱可塑性ポ リマーを加工するための適切な方法、例えば射出成形やプレスのような方法によ って、電気的に伝導性のある変性ポリマー基本材料から製造されることを特徴 とする請求項６記載の燃料電池。 ８．上記電流分配器（3）が、上記分配器ユニット（6）と、溶接又は接着によっ て結合されていることを特徴とする請求項１〜７の少なくとも1項に記載の燃料 電池。 ９．上記燃料電池の個々の部品が、適切な方法によって加圧下に保たれているこ とを特徴とする請求項１〜８の少なくとも１項に記載の燃料電池。 10．上記の個々の部品が、ネジ込みによって加圧下に保たれていることを特徴と する請求項９記載の燃料電池。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ Ｈ０１Ｍ 8/02 9444−4Ｋ Ｈ０１Ｍ 8/02 Ｐ 8/10 9444−4Ｋ 8/10

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．集電器、膜の形態であるポリマー固体電解質、ガス分配器リング、及び電流 分配器を構成部品として有した燃料電池であって、全ての構成部品が溶媒に溶解 可能な熱可塑性基本ポリマーからできていること、この基本ポリマーが個々の構 成部品に適して変性されており、上記集電器（1）が電気的に伝導性であり、上 記膜（4）が非導電性であり、上記電流分配器（3）がガス透過性、かつ電気的に 伝導性であり、しかも、上記ガス分配器リング（2）が、非変性及び／又は電気 的に伝導性の基本ポリマーからできていること、及び、これらの構成部品が、シ ール材を用いない結合工程によって結合されていることを特徴とする燃料電池。 ２．上記熱可塑性基本ポリマーがホモポリマーであり、上記ホモポリマーが、一 般式Ｉ： のポリスルホン類のグループから選ばれた単量体単位から構成されていることを 特徴とする請求項１記載の燃料電池。 ３．上記熱可塑性基本ポリマーがホモポリマーであり、上記ホモポリマーが、一 般式II： のポリエーテルスルホン類のグループから選ばれた単量体単位から構成されてい ることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。 ４．上記熱可塑性基本ポリマーがホモポリマーであり、上記ホモポリマーが、一 般式III： のポリエーテルケトン類のグループから選ばれた単量体単位から構成されている ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。 ５．上記熱可塑性基本ポリマーがホモポリマーであり、上記ホモポリマーが、一 般式IV： のポリフェニレンスルフィド類から選ばれた単量体単位から構成されていること を特徴とする請求項１記載の燃料電池。 ６．上記熱可塑性基本ポリマーが、請求項２〜５に記載の単量体単位の共重合体 であることを特徴とする請求項１〜５記載の燃料電池。 ７．上記燃料電池が、第１集電器からなる第１半電池と、ガス分配器リングと、 電極膜を経たシールなく、第２電流分配器を含む第２半電池に連結されている電 流分配器と、第２ガス分配器リングと、第２集電器とを含むことを特徴とする請 求項１〜６記載の燃料電池。 ８．上記燃料電池が、燃料電池スタックの形態で構成され、両極集電器（1）の 両側にそれぞれ、個々の電池の内部の方向に配置されるようになっており、電流 分配器（3）及びガス分配器リング（2）（部品Ｃ）、ｎ個の部品Ｃがそれぞれ、 膜（4）を経て結合されていること、及び、これらｎ個の部品Ｃが、請求項７に 記載の半電池Ａによって特徴付けられていること、及び、上記半電池がそれぞれ 、膜（4）を経て上記ｎ個の部品Ｃと再び結合されており、ｎが２〜３００の範 囲内にあることを特徴とする請求項１〜６記載の燃料電池。 ９．上記半電池又は上記構成ユニットＣの、上記膜との結合が、シール材（5） を経て行われていることを特徴とする請求項１〜８記載の燃料電池。 10．上記集電器（1）が、それぞれのガス分配器リング（2）と、接着又は溶接に よって結合されており、しかも、分配器ユニット（6）を形成していることを特 徴とする請求項１〜９記載の燃料電池。 11．上記分配器ユニット（6）が、ワンピース構造であり、しかも、熱可塑性ポ リマーを加工するための適切な方法、例えば射出成形やプレスのような方法によ って、電気的に伝導性のある変性ポリマー基本材料から製造されることを特徴と する請求項１０記載の燃料電池。 12．上記電流分配器（3）が、上記分配器ユニット（6）と、溶接又は接着によっ て結合されていることを特徴とする請求項１〜１１記載の燃料電池。 13．上記燃料電池の個々の部品が、適切な方法によって加圧下に保たれているこ とを特徴とする請求項１〜１２記載の燃料電池。 14．上記の個々の部品が、ネジ込みによって加圧下に保たれていることを特徴と する請求項１３記載の燃料電池。