特許 6336906 複合材表面に燃料電池のアレイを形成する方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6336906

(24)【登録日】2018年5月11日

(45)【発行日】2018年6月6日

(54)【発明の名称】複合材表面に燃料電池のアレイを形成する方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/2418 20160101AFI20180528BHJP

   H01M 8/10 20160101ALI20180528BHJP

   H01M 8/0256 20160101ALI20180528BHJP

   H01M 4/92 20060101ALI20180528BHJP

   H01M 4/90 20060101ALI20180528BHJP

   H01M 4/86 20060101ALI20180528BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/2418

   H01M8/10 101

   H01M8/0256

   H01M4/92

   H01M4/90 M

   H01M4/86 B

【請求項の数】19

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2014-532021(P2014-532021)

(86)(22)【出願日】2012年9月21日

(65)【公表番号】特表2014-530468(P2014-530468A)

(43)【公表日】2014年11月17日

(86)【国際出願番号】US2012056648

(87)【国際公開番号】WO2013044083

(87)【国際公開日】20130328

【審査請求日】2015年9月17日

(31)【優先権主張番号】61/538,526

(32)【優先日】2011年9月23日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】504175659

【氏名又は名称】インテリジェント エナジー リミテッド

【氏名又は名称原語表記】ＩＮＴＥＬＬＩＧＥＮＴ ＥＮＥＲＧＹ ＬＩＭＩＴＥＤ

(74)【代理人】

【識別番号】100086531

【弁理士】

【氏名又は名称】澤田 俊夫

(72)【発明者】

【氏名】クーニー、エリン

(72)【発明者】

【氏名】ソベジュコ、ポール

(72)【発明者】

【氏名】スクルーテン、ジェレミー

【審査官】 高木 康晴

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−２５７９４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０５４３０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６４−０２７７９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６３−１８８４８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１６５６３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０１５０９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１２／１１７６６１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１０／０７９３７８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１２／１６０７７９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１２／１２４３２６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００５／０２０８３５４（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／０２

Ｈ０１Ｍ ８／２４

Ｈ０１Ｍ ４／８６−４／９８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料電池アレイを製造する方法であって、
複合層および第１のコーティングを実現するステップであって、上記複合層は第１の表面および第２の表面、少なくとも部分的に上記複合層を上記第１の表面および上記第２の表面の間を通り抜けて伸びる複数の間欠的なイオン交換要素、並びに、少なくとも部分的に上記複合層を上記第１の表面および上記第２の表面の間を通り抜けて伸びる複数の間欠的な電子伝導性要素を含み、上記第１のコーティングは上記第１の表面の少なくとも一部の上に被着される上記ステップと、
上記第１のコーティングの部分を機械ツールによって選択的に除去して上記第１のコーティングにおいて予め定められた位置に非連続領域を形成するステップであって、上記非連続領域は各々対応する燃料電池の電極領域を分離し、上記機械ツールは上記第１のコーティングの上記部分を選択的に除去するように整合され、上記機械ツールは上記第１のコーティングの部分を、カッティング、スクライビング、スコアリング、シェイビング、スクライピング、シェアリング、またはクリービングによって除去する、上記ステップと、
上記第１のコーティングの部分を選択的に除去する前にマスクを上記第１のコーティングまたは上記複合層に整合させて選択的な除去を支援するステップであって、上記機械ツールは上記マスクの開口によって案内される、上記ステップとを有することを特徴とする、上記方法。

【請求項2】

上記複合層は複数の間欠的な誘電体要素を含む請求項１記載の方法。

【請求項3】

上記複数の間欠的な誘電体要素の中の１つまたは複数が上記第１の表面から上記第２の表面まで伸びる請求項２記載の方法。

【請求項4】

上記非連続領域の１つまたは複数は誘電体要素の上に横たわる請求項１記載の方法。

【請求項5】

上記第１のコーティングは、触媒材料の層、電極材料の層、非多孔性材料で含浸または積層されたシート、１または複数の電気伝導性粒子で含浸されたプラスチックシート、誘電体材料の層、多孔質媒体、性能増強層、またはこれらの組み合わせを含む請求項１の方法。

【請求項6】

上記第１のコーティングは、白金、白金ブラック、炭素支持白金、パラジウム、銅、ニッケル、金、炭素繊維紙、カーボン紙、カーボンブラック、炭素粉末、黒鉛粉末、伸長黒鉛、またはこれらの組み合わせを含む請求項１記載の方法。

【請求項7】

第２のコーティングが上記第２の表面に隣接し、当該方法は、上記第２のコーティングの部分を選択的に除去して上記第２のコーティングにおいて予め定められた位置に非連続領域を形成するステップを含む請求項１記載の方法。

【請求項8】

第２のコーティングが上記第２の表面に隣接する請求項１記載の方法。

【請求項9】

上記第１のコーティングにおける上記非連続領域は上記第２のコーティングにおける上記非連続領域からずれている請求項７記載の方法。
請求項１記載の方法。

【請求項10】

上記複合層または上記第１のコーティングの上に予め定められた位置に対して１または複数の基準マークを特定し、または形成するステップをさらに有し、
上記第１のコーティングまたは上記複合層を上記１または複数の基準を使用して上記機械ツールに整合させる請求項１記載の方法。

【請求項11】

上記第１のコーティングを選択的に除去するステップは、予め定めれたシーケンスで少なくとも２つの上記機械ツールを使用するステップを含む請求項１記載の方法。

【請求項12】

上記非連続領域の幅は約７５および約１１５マイクロメータの間である請求項１記載の方法。

【請求項13】

上記第１のコーティングを選択的に除去するステップは、上記複合層の上に間欠的な電極のアレイを形成する請求項１記載の方法。

【請求項14】

上記非連続領域の幅は隣接電極の間の絶縁を実現するのに充分である請求項１３記載の方法。

【請求項15】

上記第１のコーティングは上記第１の表面に隣接する請求項１記載の方法。

【請求項16】

上記非連続領域の１つまたは複数が上記第１の表面まで伸びる請求項１記載の方法。

【請求項17】

第３のコーティングが上記第１のコーティングおよび上記第２のコーティングの少なくとも一部の間に配される請求項１記載の方法。

【請求項18】

上記第３のコーティングの部分を選択的に除去して上記第３のコーティングにおいて非連続領域を形成するステップをさらに含む請求項１７記載の方法。

【請求項19】

コンピュータビジョンシステムを利用して上記予め定められた位置の光学的な整合を上記１または複数の基準マークを検出することにより実行するステップと、
上記１または複数の基準マークから上記機械ツールが離れているかを計算して上記予め定められた位置を位置決めするステップとをさらに有する請求項１０記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【発明の優先権】

【0001】

この出願は、２０１１年９月２３日に出願した米国仮特許出願連続番号第６１／５３８，５２６号の優先権を主張し、これは参照してここに組み入れる。

【技術分野】

【0002】

この発明の内容は平坦な燃料電池アレイを製造する方法に関する。

【背景技術】

【0003】

燃料電池のような電気化学電池は、帯電化学種の搬送のための経路を含む。電気化学反応から生じたイオンは、イオン交換膜（例えばプロトン交換膜）を通じて搬送され、また、電子は隣接燃料電池の間を搬送させられる。いくつかのタイプの電池では、プロトン導電性のための経路は燃料電池内で一体化され、他方、電子の導電性のための経路は隣接する燃料電池の間に形成されて燃料電池装置の正および負の電気接続から電気回路を実現する。

【0004】

マイクロ燃料電池用途において使用するために、１つのクラスの燃料電池アーキテクチャが現れており、これは、燃料電池を相互に隣接させてアレイ状に配列させる薄型層状燃料電池構造を含む。この燃料電池アレイは、複数の燃料電池を含み、これら燃料電池は燃料電池層の同一フェース上に類似の電極を相互に隣接させて配列させる。そのような燃料電池アーキテクチャを生成するために改良された製造方法が必要である。

【発明の開示】

【0005】

この発明の種々の実施例が燃料電池アレイを製造する方法を提供する。これらの方法は、複合層および第１のコーティングを提供することを有し、複合層は第１の表面および第２の表面を含み第１のコーティングは第１の１表面の少なくとも一部の上に配置され、また、これらの方法は、第１のコーティングの複数の部分を選択的に除去して第１のコーティングにおいて予め定められた位置に非連続領域を形成することを有する。いくつかの実施例において、第１のコーティングの複数の部分は照射エネルギー（例えばレーザ）、物質の流れ（例えば水、固体、または双方）、または機械ツールにより選択的に除去される。いくつかの実施例において、マスクが第１のコーティングまたは複合層に整合されられて選択除去において支援を行う。

【0006】

この発明の方法において使用される複合層は、ここに説明される複合層のいずれか、または、ここで参照して組み入れる特許文献に説明される複合層のいずれかを含んで良く、その主たる表面に一方または双方の上のいくつかの形態のコーティング（例えば、電極層または触媒層のような電気化学反応層であるコーティング層など）を含むことができる。例えば、この発明に使用される複合層は、当該複合層の１または複数の側面に１または複数のコーティング層を含んで良い。コーティング層のいずれも触媒材料、電極材料、これらの双方、あるいは、触媒、および／または電極材料に加えて、またはこれに代えていくつかの他の材料を含んで良い。

【0007】

図面は、尺度を必ずしも描くものではないが、これらの図面において、いくつかの図を通じて同様の番号は実質的に類似の要素を記述する。異なるサフィックス文字を伴う同様の番号は類似の要素の異なる例を表す。図面は、この文書において検討される種々の実施例を図説するけれども、それは、全般的には一例としてものであり、限定を目的とするものではない。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1A】この発明の方法の１実施例を順次的に説明する図である。

【図1B】この発明の方法の１実施例を順次的に説明する図である。

【図1C】この発明の方法の１実施例を順次的に説明する図である。

【図1D】この発明の方法の１実施例を順次的に説明する図である。

【図1E】第２のコーティングを含む、コーティング済み複合材の断面図である。

【図2】コーティング済み複合層およびマスクを説明する図である。

【図3】誘電体要素を含まない複合層を説明する図である。

【図4】非対称な燃料電池アレイを説明する図である。

【図5】性能増強層を含む燃料電池アレイを説明する図である。

【図6】電極材料の層に非連続領域を形成する実現可能な１つの方法のブロックフロー図である。

【図7】電極材料の層に非連続領域を形成する実現可能な１つの方法のブロックフロー図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下の説明において、具体的な詳細はこの発明の理解をより確実にするために提示される。しかしながら、この発明はこのような詳細を伴うことなく実施できる。他の例においては、この発明が不必要に不明瞭にならないようにするために周知の事柄は示されないし、説明されない。図は、理解を助けるために、この発明が実施できる具体的な実施例を示す。この発明の趣旨を逸脱することなく、これら実施例は組み合わされて良く、他の要素または構造上、または論理状の修正を行って良い。したがって、明細書および図面は説明のためのものであり、制約的でないものとして理解されなくてはならない。

【0010】

この文書において参照されている文献、特許、および特許文書は、個々に参照してここに組み入れているけれども、ここで、すべて参照して組み入れることとする。当該文書とそれら文書との間で一貫性のない用例がある場合には、それら組み入れられた文書中の用例は当該文書の用例を補充するものと理解すべきであり、調整ができない場合には当該文書の用例が採用される。

【0011】

当該文書においては、用語「１」が用いられる場合には、特許文献で通常のように、１または１より大きな場合を含み、これは任意の他の事例、または「少なくとも１つ」や「１または複数」の用例とは別である。当該文書においては、用語「または」は、そうでないと示される場合を除いて、非排他的なものを指すものとして用いられ、例えば、「Ａ、Ｂ、またはＣ」は「Ａ」のみ、「Ｂ」のみ、「Ｃ」のみ、「ＡおよびＢ」、「ＢおよびＣ」、「ＡおよびＣ」、および「Ａ、ＢおよびＣ」を含む。当該文書において、用語「上」（ａｂｏｖｅ）および「下」（ｂｅｌｏｗ）は、複合材（ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）の中心との関係で２つの異なる方向を記述するのに採用され、用語「より上」（ｕｐｐｅｒ）および「より下」（ｌｏｗｅｒ）は複合材の異なる２つの面を記述するのに採用される。しかしながら、これらの用語は、単に記述を容易にするために用いられ、説明される実施例の燃料電池層の配位を固定するものとして理解されない。添付の側面およびいずれの請求項においても、用語「第１」、「第２」、および「第３」等は単にラベルとして採用され、それらの対象の数的な要求を課すものでないことに留意されたい。この文書において明示的に開示されたいかなる数値範囲は、その明示的に開示された数値範囲の任意の部分範囲を、その部分範囲が明示的に開示されたのと同様に、含むことに留意されたい。例えば、開示された１〜１００の範囲は、１〜８０の範囲、２〜７６の範囲、または１〜１００の間に入る任意の他の数値範囲を含むと理解される。

【0012】

燃料電池の平坦アレイは、隣接燃料電池を相互に隣接させた配列させた薄型層状燃料電池構造を含む。本件出願人の出願に係る、２００８年１２月２２日に提出され、名称が「非連続領域を含む電気化学電池組立体」の米国特許公報第２００９／０１６２７２２号、および、２００９年２月２７日に提出され、名称が「電気化学電池およびこれに関連する膜」のＰＣＴ国際特許出願公報第ＷＯ２００９／１０５８９６号（これらの内容は参照してここに組み入れる）のような先行する開示は、燃料電池アレイにおいて非連続領域の生成が、隣接電極の電気的な短絡を回避するために、必要なことを示している。

【0013】

アレイにおける隣接燃料電池の伝導性領域の間に正確に形成された非連続領域は、伝導性を非連続にする。非連続領域の幅を小さくするのが一般的には好ましく、それは、電極の平坦アレイを複数の電極領域に分割し、しかも、エネルギー変換に寄与しない空間の量を最小化し、もって、燃料電池層の電力密度を最大化させるためである。

【0014】

平坦燃料電池層の電極における非連続領域は、典型的には、電極材料を基板上に所望の位置で被着する、直接被着方法により、または、電極材料の被着を所望の位置で阻止する、マスク被着方法（ｍａｓｋｅｄ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ）により、実現される。直接被着方法の例は、パターン電極の転写印刷、電極のステンシル印刷、または、電極のインクジェット印刷を含む。マスク被着は、直接マスクまたはシャドウマスクを用いたスプレイ被着を伴う。

【0015】

これら従来の直接被着またはマスク方法を用いて、燃料電池アレイの電極領域における充分に狭い非連続領域を取得するのは困難である。一般的には、直接被着方法は厚さが漸減する領域を伴って材料を被着させ、一様で、正確な９０度の「エッジ」を伴うのではない。換言すると、直接被着方法では、鋭い「エッジ」をともなう境界を形成することが困難であり、これは、そのような方法は、テーパエッジの境界を伴う被着領域を形成しがちであるからである。このため、電極の最も厚い部分から非連続領域への遷移領域に充分に大きな空間を許容するためには、直接被着された隣接電極の間の非連続領域はかなり広くなくてはならない。

【0016】

マスク被着方法も、マスクを製造する上での制約ゆえの不利益がある。非連続領域の幅は、一般的には、マスクの耐久性を確実にするのに必要な幅より広く、かつ、下側の基体との整合が外れないように、製造されなくてはならない。さらに、マスク越しに材料をスプレイするときに電極材料がマスクの下に広がるおそれがあり、潜在的に短絡回路を形成することになる。これを防止するために、マスクの幅を広げて、マスクのいずれのエッジの下の望ましくない被着領域が電極接触を行わないようにする必要がある。またしても、この点によって、マスクの寸法、および、得られる非連続の幅を、高活性領域を利用できるようにするために必要な幅より、広くする必要がある。

【0017】

電極アレイ形成の従来の方法の他の欠点は、これら方法が、電極構造を形成するために使用される材料の種類を制約するという点である。燃料電池技術が進展するのに従って、種々の材料の複数の層を有する電極（層のすべてが被着インクとして処理できない）を構築することが好ましく、また、比較的大きな粒子または繊維を含んで良く、そのためこれら粒子または繊維が短絡回路を形成しないようにするために被着電極の空間を広げる必要がある複合インクから電極を構築することが好ましくなってきている。いくつかの場合、液体またはペーストとして被着できない材料（例えば、電気伝導性の織物または不織材料または多孔質の誘電体層であり、これは水の管理に有益である）を採用することが望まれる。そのような材料は、所望の寸法に切断して燃料電池層の上に直接配置させる必要があるであろうし（例えばラミネーション処理で）、それとともに、隣接配置要素の間の空間により非連続領域を形成する必要がある。そのような場合、要素を基体に整合させることは困難であろうし、比較的大きな非連続領域を形成し、もって、整合ミスを許容し、電気短絡回路を形成しないようにする必要がある。

【0018】

さらに、いくつかの被着方法はマスクの形成に役立たない。例えば、いくつかのスパッタリングまたは蒸着方法にマスクを使用することが知られているけれども、そのような方法は一般的には少量製造処理のためのものである。マスクベースのスパッタリングまたは蒸着方法は、一般的にはロール・ツー・ロールをベースにした処理を用いる、大量製造ラインには実用的でない。

【0019】

さらに、電極アレイ形成のマスク被着方法の他の欠点は、三次元複合基体が使用されるときに、マスクを複数の非連続領域に整合させることが困難であるということである。いくつかの複合層は、表面的には「平坦」または「平面」であるけれども、実際には三次元であり、これは、本出願人の出願に係る、２０１０年１２月２３日提出で、名称が「非対称な構造を具備する、燃料電池および燃料電池要素、並びにその方法」であるＰＣＴ国際出願公報第ＷＯ２０１１／０７９３７７号に説明されるとおりであり、その開示内容は参照してここに組み入れる。いくつかの複合基体は、全体に、またはその一部で、柔軟性、または適合性を有してよく、これは、本出願人の出願に係る、２００８年９月２５日提出で、名称が「省スペースの流体プレナムを含む燃料電池システムおよび関連する方法」、２００６年１月９日提出で、名称が「外部サポートを具備する柔軟性燃料電池構造」である米国特許出願公報第２００６／０１２７７３４号、および名称が「制御可能な燃料電池により給電される装置」である米国特許第７，７４７，０７５号に説明されるとおりであり、これらの内容は参照してここに組み入れる。

【0020】

液体インクの低精度のスプレイ被着でコンタクトまたはシャドウマスクを使用して複数の電極領域を一度に被覆するときには、使用されるマスクはどのようなものでも、複数の所望の非連続領域と同時に整合しなければならない。下側の複数の複合層の寸法は環境条件の変動に応じて変化しがちであるので、複数のマスクを同時に整合させることはとくに難易度が高い。下側の複合層の寸法の変動に由来して、非連続領域の幅は増大させなければならない。

【0021】

この発明は、非連続領域によって分離される電極領域のアレイを形成する代替的な方法を提供する。この方法は、サブトラクティブ技法を用いて電極材料を平面または非平面燃料電池構造の特定の領域から除去する。サブトラクティブ技法を用いることにより、より狭く、正確な非連続領域を形成することができ、もって、下側の複合基板の特徴部とより良好に整合させることができる。この方法は、直接被着またはマスク被着方法により達成できるものより狭い非連続領域を実現し、電極を形成するためにより幅広い種類の材料および被着方法を許容する。また、この方法は、燃料電池構造の１または複数の表面のそれぞれのすべてまたは一部に渡って非線形である、非連続領域を形成するのに利用できる。

【0022】

［定義］
ここで使用されるように、「触媒」はそれが変更または消費されることなしに反応の開始や反応速度の増加を支援する材料または物質である。触媒層は、手近な塗布に適した任意のタイプの電極触媒を含んで良い。触媒または触媒層は純粋な白金、炭素支持白金、炭素黒、白金−ルテニウム、パラジウム、銅、酸化錫、ニッケル、金、カーボンブラックの混合物、および、１または複数のバインダを含んでよい。バインダはアイオノマー、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリカーボネート、ポリイミド、フルオロポリマー、および他のポリマー材料を含んでよく、フィルム、粉末、または分散剤であってよい。ポリイミドの一例はＫａｐｔｏｎ（商標）である。フルオロポリマーの一例は、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）すなわちＴｅｆｒｏｎ（商標）である。他のフルオロポリマーは、ＰＦＳＡ（ペルフルオロスルホン酸）、ＦＥＰ（フルオロ化エチレンプロピレン）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエチレンケトン）、および、ＰＦＡ（ペルフルオロアルコエチレン）を含む。バインダは、ＰＶＤＦ（ポリビニリデンジフルオライド）粉末（例えばＫｙｎａｒ（商標））、および二酸化珪素粉末であってもよい。バインダは、ポリマーまたはアイオノマーの任意の組み合わせを含んでよい。カーボンブラックは、適切に細かく分割した炭素材料、例えば、アセチレンブラックカーボン、炭素粒子、炭素フレーク、炭素繊維、炭素針、カーボンナノチューブを含んでよい。

【0023】

ここで使用されるように、「コーティング」は複合層の表面に配され、または被着される伝導性または非伝導性の薄膜を指す。コーティングは、複合層の表面の上に、または、隣接して配され、または被着されて良く、また、コーティングは、複合層表面の上に、ただし、中間層の材料（例えば、同一または異なるコーティング材料の付加的な層）によって直接接触部から離間されて配され、または被着されて良い。例えば、コーティングは、触媒層または電極層（例えばアノードおよびカソード）のような電気化学反応層であって良い。

【0024】

ここで使用されるように、「複合層」または「複合材」（ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）は、厚さを伴う少なくとも２つの表面を含む層であって、１または複数のイオン伝導性の通路および１または複数の電気伝導性通路がそれら表面の間に設けられているものを指す。複合材のイオン伝導性および電気伝導性は、イオン伝導性通路および電気伝導性通路を異なる寸法、形状、密度、または配列で設けることにより、当該複合材の異なる領域で変化されてよい。複合層は、流体（例えば、気体または液体）に対して非透過性、または実質的に非透過性であって良い。複合層は誘電体材料を含んで良い。複合層は、所望の電気伝導性、イオン伝導性、気体透過性、気体非透過性、および機械強度特性を、複合層の全空間に渡って実現することができ、また複合層の種々の領域に渡ってそれらの程度を可変させることができる。複合層は基体として使用されて良い。この発明の方法が適用されて良い複合層は、ここに説明される複合層、または、ここで参照して組み入れる特許文献に説明される任意の複合層を含んで良く、その複合層の主たる表面に一方または双方の上に、またはこれに隣接して配されるコーティングを含み、または含むであろう。明確にするために、ここに挙げる図は、比較的少ない数の複合層要素のみの構成を含む複合層の種々の実施例を図説するけれども、この発明の方法は、より多くの数の複合層要素を伴う複合層に適用できる。

【0025】

ここに引用され組み込まれる、本出願人の出願に係る特許文献に加えて、以下の米国特許、または米国特許出願は、複合層アーキテクチャの複数の例を提供し、これは、この発明の方法の対象である複合層として採用することができる、燃料電池層のような電気化学電池のアレイを含む。
（ｉ）２００９年１２月１５日に発行された、「電気化学反応層の下に横たわる電流搬送構造を具備する電気化学電池」という名称の米国特許第７，６３２，５８７号
（ｉｉ）２００８年９月２５日に提出され、「省スペース流体プレナムを含む燃料電池システムおよび関連する方法」という名称の米国特許出願公報第２００９／００８１４９３号
（ｉｉｉ）２００８年１２月２２日に提出され、「非連続領域を含む電気化学電池組立体」という名称の米国特許出願公報第２００９／０１６２７２２号
（ｉｖ）２００９年２月２７日に、ＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＣＡ０９／００２５３号として、提出され、「電気化学電池およびこれに関連する膜」という名称の米国特許出願公報第２０１１／０００３２２９号
（ｖ）２０１０年１２月２８日に提出され、「燃料電池を外部回路に接続する装置および方法」という名称の米国特許出願公報第２０１１／０１６５４９５号
（ｖｉ）２０１１年６月２９日に提出され、「燃料電池を外部回路に接続する装置および方法」という名称の米国特許出願第１３／１７２６４５号
これら特許文献のすべては参照してここに組み入れる。

【0026】

ここで使用されるように、用語または句「電流コレクタ」、「インターコネクタ」、または「燃料電池接続要素」は、入れ換えて使用することができ、２またはそれ以上の燃料電池ユニットの電極を電気的に連絡する電気伝導性部材を指す。燃料電池接続要素または電池インターコネクトは、燃料電池の少なくとも１つの電極と外部回路との間、または、燃料電池の少なくとも１つの電極と他の燃料電池の少なくとも１つの電極との間の電気伝導性経路を実現するように燃料電池内で使用されるように適合化される。インターコネクトは、アレイを外部回路と連絡させるための、複合層および／または、最終電流コレクタの電気伝導性経路の任意の１つを含んで良い。この発明のいくつかの実施例において、インターコネクトは、電気伝導性要素に加えて、非伝導性の「インターフェース領域」または「誘電体要素」を含んで良い。いくつかの実施例において、インターコネクトは、誘電体要素を電気伝導性要素と一緒に積層させて形成して、複合材電流コレクタ要素を形成して良い。誘電体要素は寸法安定性を実現して良く、イオン伝導性要素と電流コレクタとの間の接着性を助長して良く、また、ここで説明されるように、隣接電池の間の電気非連続性の領域を形成するために使用されて良い。そのような複合材電流コレクタまたは電池インターコネクトの他の例は、本出願人の出願に係る、共に「燃料電池を外部回路に接続させるための装置および方法」という名称の米国特許出願公報第２０１１／０１６５４９５号、および、その一部継続出願である米国特許出願第１３／１７２，６４５号に見いだすことができ、その開示内容は参照してここに組み入れる。

【0027】

ここで使用されるように「誘電体要素」は、１または複数の誘電体材料を含む、複合層の要素を指す。誘電体要素は、イオン伝導性経路、誘電体保護層、誘電体スキン、誘電体支持構造、またはこれらの何らかの組み合わせを含んで良い。誘電体要素は、例えば、プロトン交換膜要素、薄膜酸化電解質、または繊維充填エポキシ樹脂を含んで良い。

【0028】

ここで使用されるように、「誘電体材料」は無視できる電気伝導性しか示さない物質を指す。誘電体材料は、イオン伝導性材料、非イオン伝導性材料、またはこれらの組み合わせを含むと理解されて良い。イオン伝導性材料の例は、イオン交換ポリマーのような所定の用途に適用可能なアイオノマーまたは電解質、アルカリ性溶液、酸性溶液、リン酸、アルカリカーボネート、および、酸化イオン伝導性セラミックを含む。非イオン伝導性材料の例は、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリカーボネート、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、および他のポリマーフィルムのようなポリマーを含む。ポリイミドの例はＫｅｐｔｏｎ（商標）フィルムを含む。フルオロポリマーの例はＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）またはＴｅｆｒｏｎ（商標）フィルムを含む。他のフルオロポリマーはＰＦＳＡ（ペルフルオロスルホン酸）、ＦＥＰ（フッ素化エチレンプロピレン）、およびＰＦＡ（ペルフルオロアルコキシエチレン）を含む。誘電体材料は、また、ファイバグラスのような強化複合材料、珪素またはガラスのような任意の適切な非ポリマー材料、およびこれらの組み合わせを含んで良い。誘電体材料は電解質を含んで良い。電解質は固体電解質膜であって良い。

【0029】

ここで使用されるように、「非連続領域」（ｄｉｓｃｏｎｔｉｎｕｉｔｙ ｒｅｇｉｏｎ）は複合層の表面の領域であって、コーティング領域の間の物理的な分離を実現する領域を指す。コーティング領域が伝導性の場合には、非連続領域がそれらの間の電気絶縁を実現する。非連続領域は「非連続の領域」（ｒｅｇｉｏｎ ｏｆ ｄｉｓｃｏｎｔｉｎｕｉｔｙ）または「島状ブレーク」（ｉｎｓｕｌａｒ ｂｒｅａｋ）とも呼ばれて良い。

【0030】

ここで使用されるように、「電気化学反応層」は電気化学反応が起こる領域を指す。電気化学反応層は、電気化学反応におけるアノード、カソード、またはそれら双方として機能する材料または要素を含んで良い。電気化学反応層は、電極材料、触媒材料、電気伝導性材料、基体透過性材料、および水反応性材料（例えば、親水性、および疎水性材料）を含むことができ、機械的な耐久性を付与する構造添加物を含んで良い。電気化学反応層の組成物は反応を助長するように最適化されて良い。

【0031】

ここで使用されるように、「電極領域」または「電極」は、電気化学反応におけるアノード、カソード、またはそれら双方として機能する材料または要素を指す。電極領域は、純粋な白金、白金ブラック、炭素支持白金、パラジウム、銅、ニッケル、金、織物および不織の炭素繊維紙、カーボン紙、カーボンブラックの混合物、炭素粉末、黒鉛粉末、伸長黒鉛、黒鉛充填エポキシのような伝導性接着剤、黒鉛充填Ｎａｆｉｏｎ（商標）のような伝導性プライマー、Ｎａｆｉｏｎ（商標）、またはこれらの組み合わせを含んで良い。電極領域は、微多孔性層も含んで良い。微多孔性層は、電極中において熱、水、電気の搬送を支援する機能を有し、電極に構造上の支持を付与する機能も有する。微多孔性層は、黒鉛粉末、炭素粉末、炭素ニードル、黒鉛フレーク、黒鉛ニードル、酸化錫、酸化珪素、およびバインダを含んで良い。バインダはアイオノマー、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリアミド、フルオロポリマー、および他のポリマー材料を含んでよく、フィルム、粉末、または分散剤であってよい。ポリイミドの一例はＫａｐｔｏｎ（商標）である。フルオロポリマーの一例は、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）すなわちＴｅｆｒｏｎ（商標）である。他のフルオロポリマーは、ＰＦＳＡ（ペルフルオロアルコエチレン）を含む。バインダは、ＰＶＤＦ（ポリビニリデンジフルオライド）粉末（例えばＫｙｎａｒ（商標））、および二酸化珪素粉末であってもよい。バインダは、ポリマーまたはアイオノマーの任意の組み合わせを含んでよい。そのような微多孔性層の例は、コートされたカーボン紙、およびコートされたカーボン繊維紙の形態で商業的に入手可能なもの、さらには、Ｆｒａｎｃｅ、ＣｌｉｃｈｙのＳｏｃｉｅｔｅ ＢＩＣにより製造されるものを含む。電極領域は、本出願人の出願に係る、２０１０年１２月２３日に提出され、名称が「燃料電池用の性能助長層」のＰＣＴ出願公報第ＷＯ２０１１／０７９３７８号に記載されているような層性能助長層を含んで良く、その開示内容は参照してここに組み入れる。電極領域は、コーティングの形態で、複合層の表面上に配されて良い。「電極領域」および「電極」はここでは交換可能に使用される。

【0032】

ここで説明されるように、「電子伝導性要素」は電気的な伝導性通路を形成する複合層の要素を指す。電子伝導性要素は、例えば、複合層の一方の層から、この複合層を通じて、この複合層の反対の表面に至る１または複数の電気的な伝導性通路を形成して良い。電子伝導性要素は、電気的に伝導性の材料、たとえば、金属、金属フォーム、炭素質材料、電気伝導性セラミック、電気伝導性ポリマー、これらの組み合わせ等の１つまたは複数を含む。

【0033】

ここで使用されるように、「イオン伝導性要素」はイオン伝導性通路を形成する要素を指す。イオン伝導性要素は複合材の要素であってよい。イオン伝導性要素はイオン伝導性材料、例えば、フルオロポリマーベースのイオン伝導性材料、または炭化水素ベースの伝導性材料を含む。イオン伝導性要素は「電解質」または「電解質膜」とも呼ばれる。

【0034】

ここで使用されるように、「平面」（ｐｌａｎｅ）は、既知拡張および空間方向または位置を伴う２次元仮想表面を指す。例えば、矩形ブロックは、相互に直交する、１つの垂直の平面および２つの水平な平面を具備して良い。平面は相互との関係で、例えば、９０°より大きな、または小さな角度を用いて定義されて良い。

【0035】

ここで使用されるように、「燃料電池アレイ」は複数の個別のユニット電池（セル）を指す。複数の電池（セル）はイオン交換膜材料のシートまたは他の基体の上に形成されて良く、また、複数の要素を具体的な態様で組み立てることにより形成して良い。アレイは任意の適切な幾何形状に形成することができる。燃料電池の平面アレイの例は、本出願人の出願に係る、２００５年２月２日に提出された、名称が「電気化学反応層の下に電流担持層を具備する電気化学電池」の米国特許出願公報第２００５／０２５０００４に説明されており、その内容は、本出願人の出願に係る他の出願とともに参照してここに組み入れる。アレイ中の燃料電池は、他の平面表面、例えばチューブ（筒状燃料電池に見いだされるようなもの）をたどってもよい。代替的には、またはこれに加えて、アレイは、種々の幾何形状に順応できる柔軟な材料を含むことができる。

【0036】

複数のユニット電池を含む燃料電池層は、複数のイオン伝導性領域を含む基体を実現することにより構築して良い。そのような基体は、例えば、非伝導性または部分的に伝導性を有する材料のシートを選択的に処理してイオン伝導性領域を形成することにより、またはイオン伝導性材料のシートを選択的に処理して非伝導性領域を形成することにより、実現できるでき、これは、例えば、本出願人の出願に係る、２００４年５月４日に提出した、名称が「膜および当該膜を組み込む電気化学電池」の米国特許出願公報第２００５／０２４９９９４号公報に説明されているようなものであり、その内容は参照してここに組み入れる。

【0037】

燃料電池層は、伝導性および誘電体線条部材をパターン化することによって製造された複数のユニット電池を含んでよく、これは例えば、本出願人の出願に係る、２００８年９月３０日に提出の、名称が「電気化学電池を製造する方法」の米国特許出願公報第２００９／００９５４０９号に説明されるとおりであり、その内容は参照してここに組み入れる。

【0038】

図１Ａ〜図１Ｄは、この発明の方法の１実施例の順次的な表示を図説し、コーティングされ、つぎにそのコーティングの一部が除去されて非連続領域を形成する複合層の断面図を示す。

【0039】

図１Ａは、複合層１０２を示し、これは第１の側面１２０および第２の側面１２２を含む。層１０２は複数のイオン伝導性要素１０４、誘電体要素１０６、および電子伝導性要素１０８を含む。要素１０４、１０６、および１０８の各々は、第１の側面１２０から第２の側面１２２へ伸びる。図１は、イオン伝導性、誘電体、および電子伝導性要素のすべてが第１から第２の側面に伸びている複合層を示すけれども、この発明のいくつかの実施例においては、１または複数の要素タイプの要素は第１の側面から第２の側面に伸びなくても良い。例えば、複合層は、第１の側面から第２の側面に伸びるイオン伝導性および電子伝導性要素と、第１の側面から第２の側面に伸びず、その代わりに、複合層を通じて部分的に伸びる、１または複数の誘電体要素とを含んで良い。

【0040】

図１Ｂは、第１のコーティング１１２が第１の側面１２０の上およびその近くに被着されたコーティング済み複合層１１０を形成した後の複合層１０２を示す。第１のコーティング１１２は、第１の側面１２０を形成する、要素１０４、１０６、および１０８の部分の上を覆う。第１のコーティング１１２は、電極材料の層であり、これは、図１Ｂに示すように、第１の側面１２０の上に１つの連続した電極領域を形成する。いくつかの実施例において、コーティングは触媒または電極の材料の層であって良い。

【0041】

図１Ｃは第１のコーティング１１２の部分の選択的な除去を図説する。レーザ１１４が使用されて予め定められた位置から第１の電極１１２の部分が切除、または焼却され、第１の電極１１２のそれらの選択位置から電極材料を取り除く。この発明のいくつかの実施例において、レーザ光の波長は約２００および約４００ナノメータの間、または、約２５０および約３５５ナノメータの間であるけれども、所定のコーティング材料を除去する上で有効である限り、任意の波長のレーザ光を採用して良い。

【0042】

図１Ｄは第１のコーティング１１２の部分が選択的に除去された後の、コーティング済み複合層１１０を図説する。図示のとおり、複合層１１０の３つの部分がレーザ１１４により除去され、非連続領域１１６を形成し、これらは、３つの誘電体要素１０６により形成された、第１の側面１２０の領域の上に位置して、その下に横たわる３つの誘電体要素１０６を露出させる。複合層１０２は、第１のコーティング１１２の３つの隣接する領域を支持し、３つの非連続領域１１６は、これら第１のコーティング１１２の３つの領域を、相互に分離し、電気的に絶縁させる。図１Ａ〜図１Ｄは３つの非連続領域の形成を図説するけれども、１、２、４、またはそれ以上の非連続領域をコーティング層中に適宜形成することができる。また、図１Ｃおよび図１Ｄは、複合層の誘電体要素の上にある、コーティング層の部分に非連続領域を形成することを図説するけれども、この発明はそのような点に限定されない。例えば、この発明のいくつかの実施例は、非連続領域が、複合層の他の部分（例えば、イオン伝導性および／または電子伝導性要素）の上にある、コーティングの領域に、形成される方法および物品を含む。

【0043】

この発明のいくつかの実施例において、複合層は、第１の側面および第２の側面の双方においてコーティングされ、また、両側面のコーティングが材料の選択的除去処理を施される。図１Ｅは、コーティング済み複合材１１０の他の断面図として、そのような実施例を図説し、複合材１１０は第２のコーティング１１８を含む。図１Ｂおよび図１Ｃに示されるように、第１のコーティング１１２が層形成され、その後、第１のコーティング１１２から材料の選択除去が行われるのと同様に、第２のコーティング１１８が、第２の側面１２２の上に、またそれに隣接して被着され、この後、レーザによって、コーティング１１８の部分から材料が選択的に除去される。コーティング１１８からの材料の選択的な除去によって、非連続領域１１６および非連続領域１１６Ａが形成され、これらが第２のコーティング１１８の３つの領域を相互に分離して電気的に絶縁させる。非連続領域１１６は、各々、誘電体要素１０６の１つにより形成された、第２の側面１２２の領域の上に位置し、これを露出させ、他方、非連続領域１１６Ａは、２つの誘電体要素１０６および１つの電子伝導性要素１０８により形成される、第２の側面１２２の領域の上に位置し、これらを露出させる。第２のコーティング１１８の３つの領域の中の２つは、電子伝導性要素１０８の１つの上に横たわるように示され、このため、第２のコーティング１１８のこれら２つの領域の各々は、対応して、下に横たわる、電子伝導性要素１０８と反対で、かつ隣接する、第１のコーティング１１２の領域と電気的に接続される。非連続領域１１６Ａは、コーティング済み複合層１１０から、電流コレクタによって電流を集めることができるようにし、もって外部装置に方向づけることが可能にする等の目的を実現する上で有益である。

【0044】

図１Ａ〜図１Ｄはレーザを用いてコーティング材料を選択的に除去することを図説するけれども、この発明の他の実施例はレーザ光以外のエネルギーの形態を利用し、または、物質の流れを利用してコーティング材料を除去する。例えば、液体の切除流（例えば水のジェット）、小さな固形粒子（例えばサンドブラスタ）、または液体および固体の双方からなるスラリを用いてコーティング材料を選択的に除去して良い。

【0045】

いくつかの実施例において、この発明は、複合層の上のコーティングから材料を除去するための機械ツールを使用した選択除去方法を含む。図２は、コーティング済み複合層２００を含むそのような実施例を図説する。コーティング済み複合層２００は、図１Ｃに図説されるコーティング済み複合層１１０と類似であり、このコーティング済み複合層２００は、複合層２０２と、この複合層２０２の第１の側面の上に、またはこれに隣接して被着された第１のコーティング２１２とを含む。複合層２０２はイオン伝導性要素２０４、誘電体要素２０６、および電子伝導性要素２０８を含む。いくつかの実施例において、第１のコーティング２１２は電極材料の層または触媒材料の層である。

【0046】

いくつかの実施例において、この発明は、基体（例えば、コーティング済み複合層）の上において、非連続領域を形成することが望まれる位置を特定し、また、材料を選択的に除去して当該非連続領域を形成するのに使用する１または複数のツールを位置合わせする方法および手段を含む。基体が幾何学的に安定しているならば、基板の上の整合点を使用して基体および材料除去ツール（１または複数）を相互に位置づけることができる。しかしながら、基体は幾何学的に安定していないかもしれない。例えば、温度および湿度の局所的な変動により、基体または基体の部分（例えば、プロトン伝導性膜材料）が伸びたり縮んだりする。また、非連続性を形成するために使用する方法は、基体の幾何的な不安定性をもたらすかもしれない。例えば、材料を除去する１または複数のツールが、熱を生成するかもしれず、これは基体または基体の部分の局所的な伸びをもたらす。

【0047】

いくつかの実施例において、この発明は、各非連続領域またはグループの非連続領域を形成する前に基体に対して１または複数のツールを再整合することを含む。例えば、基体上において、個々の非連続部およびグループの非連続部の所望の位置に対して１または複数の基準（ｆｉｄｕｃｉａｒｙ）マークが形成でき、これらマークが、基体を、材料除去用の１または複数のツールに対して、整合させるのに使用される。１つの基準マークをグループの非連続部を形成するための参照点として使用しなければならない場合には、グループに渡る基体の幾何学的な歪みが充分に小さく単一の基準マークでツールの整合に適切であることを確認するのを支援するために、許容試験を実行できる。基準マークは機械的な特徴、または光学的に検出可能な特徴であって良い。基準マークは、また、基体中に自然に存在する特徴であってよく、例えば、基体の要素の間の検出可能な境界である（例えば電流コレクタの間の境界または電解質領域の間の境界）。

【0048】

いくつかの実施例において、この発明は、１または複数の基準マークを検出して個々のまたはグループの非連続部を光学的に整合させるためのコンピュータビジョンシステムを利用すること、またその後、コンピュータ制御でツールを基準位置から離し所望の１または複数の非連続領域の位置に位置決めすることを含む。

【0049】

続けて図２を参照すると、マスク２１８は第１のコーティング２１２の上に被着される。マスク２１８は開口２１６を含み、この開口２１６は、そこから材料が除去される、第１のコーティングの領域の上に、配置される。機械ツール２１４はマスク２１８の開口２１６によって案内されて、第１のコーティング２１２から材料を除去して所望の非連続領域を形成する。機械ツール２１４は、カッティング、スクライビング、スコアリング、切削（ｓｈａｖｉｎｇ）、剥離（ｓｃｒａｐｉｎｇ）、剪断（ｓｈｅａｒｉｎｇ）、またはクリービングの各プロセスによって材料を除去して良い。所定の非連続領域に対する材料は、１つの材料除去ステップにおいてツールにより除去されて良く、また、複数のステップで、全体の材料のうちのいくつかの部分が各ステップで除去されて良い。

【0050】

この発明のいくつかの実施例において、２以上の機械ツールを用いて材料を除去することが望ましいかもしれない。これらの実施例において、２またはそれ以上の異なるまたは類似の機械ツールが同時にまたは順次的に使用されて１または複数の非連続領域を形成して良い。例えば、所定の非連続部を形成するのに材料の２またはそれ以上の段階で２つの異なる、または類似のツールを使用して材料を除去する必要があるかもしれず、これは、腰羽目（ｄａｄｏ）ブレードを用いて相互に近接した２つの平行なカットを形成し、その後、２つのカットで残された材料を除去するような場合である。他の例では、マスクが非連続領域用に複数の所望の位置を特定して良く、２またはそれ以上の類似または異なるツールを並行して使用してそれら位置から材料を除去して良い。これらの実施例において、マスクは、コーティング層が被着されない領域を規定するためというよりも、むしろ、コーティング層の領域を切除または除去から防護するために用いられる。いくつかの実施例において、２またはそれ以上の異なる、または類似の機械ツールを用いてマスクを使用することなく材料を除去する。

【0051】

マスク２１８は、当該マスクをコーティング済み複合層２００の特徴部に対して案内することにより、コーティング済み複合層２００上で適切に整合できる。例えば、コーティング済み複合層２００の構造上の特徴部（例えば、高さ、スロープ、または配位の相違）、領域の間のコントラスト、または領域の間の他の境界、または、構成上の特徴（例えば誘電体材料の領域）を案内部として用いてマスク２１８がコーティング済み複合層２００の上に適切に整合させられることを確実にして良い。マスク２１８は手作業で整合させて良く、また、光学、超音波を用い、または色、反射率、透過率、密度、トポグラフィー、その他の相違を検出する他の方法を用いる、コンピュータ制御で整合させて良い。

【0052】

マスクを整合させる上述の方法は、材料除去装置を整合するのにも使用できる。例えば、ＣＮＣ案内機械ツールは、以下にさらに説明するようなものであり、これは、上述したコンピュータ制御方法を利用してコーティングまたは複合層に整合させて良い。他の例では、コーティング材料をエネルギーまたは物質を用いて除去するのに使用される装置（例えばレーザまたは液体および／または固体の流れを放出する装置）を上述したコンピュータ制御方法を利用してコーティングまたは複合層に整合させて良い。

【0053】

図２は、マスクおよび機械ツールを用いて選択的にコーティング材料を除去することを図説するけれども、いくつかの実施例において、この発明は１または複数の機械ツールを、マスクを使用すること無しに採用する。例えば、コンピュータ数値制御工作機械（ＣＮＣ工作機械）に結合された１または複数の機械ツールをマスク無しの材料除去に利用でき、ＣＮＣ工作機械は、ツールに充分な制御精度を付与し、マスクを必要とすることなしに、非連続領域を実現できる。また、図２は、マスクおよび機械ツールを用いて選択的にコーティング材料を除去することを図説するけれども、いくつかの実施例において、この発明は、上述のエネルギー放射除去装置（例えばレーザ）または液体および／または固体の物質の流れを投射する除去装置と関連付けてマスクを採用する。例えば、いくつかの実施例において、この発明はマスクをコーティングまたは複合層に整合させ、その後、レーザを用いて選択的にコーティング材料を除去することを含む。

【0054】

この発明のいくつかの実施例において、複合層はイオン伝導性要素を含むけれども他の誘電体要素を含まない。図３は、コーティング済み複合層３００としてそのような実施例を図説する。コーティング済み複合層３００は、複合層３０２を含み、その第１の側面３２０の上に第１のコーティング３１２を被着し、その第２の側面３２２の上に第２のコーティング３１８を被着する。複合層は、イオン伝導性要素３０４および電子伝導性要素３０８を有し、要素３０４および３０８は層３０２の長さ方向に沿って交換的な位置に位置づけられる。材料は第１のコーティング３１２から選択的に除去され、第１のコーティング３１２の、３つの離間した個別の領域を第１の側面３２０に形成する。材料は第２のコーティング３１８からも同様に除去され、第２のコーティング３１８の、３つの離間した個別の領域を第２の側面３２２に形成する。

【0055】

この発明のいくつかの実施例において、非連続領域が、コーティング済みの複合層の２つの側面の上に形成され、非連続領域が複合層を横切って相互に整合させられるようになっている。他の実施例において、先の図に示したような非連続領域のように、非連続領域が、複合層を横切って交互にジグザグに配列され、または非整合状態である。さらに他の実施例において、非連続領域のいくつかは整合させられ、他の非連続領域は整合させられない。

【0056】

この発明のいくつかの実施例において、この発明の方法は、対称的でない燃料電池を製造するのに適用して良い。図４は、コーティング済み複合層４００を含むそのような実施例を図説する。コーティング済み複合層４００は、複合層４０２、第１のコーティング４１２、および第２のコーティング４１４を含む。第１のコーティング４１２は第１の側面４２０の上、または、これに隣接して被着され、他方、第２のコーティング４１４は第２の側面４２２の上、または、これに隣接して被着される。材料はコーティング４１２および４１４から選択的に除去されて３つの離間した個別の材料の領域を第１および第２のコーティング４１２、４１４から残す。複合層４０２は複数の誘電体要素４０６、電子伝導性要素４０８、およびイオン伝導性要素４０４を含む。複合層４０２は非対称な形状とされ、イオン伝導性要素４０４の各々が第２の側面に方向づけられた窪んだ凹みを具備する。

【0057】

この発明のいくつかの実施例において、得られた燃料電池は性能増強層を含む。そのような性能増強層の例は、本出願人の出願に係る、２０１０年１２月２３日に提出の、名称が「燃料電池用の性能増強層」に説明されており、その教示内容は参照してここに組み入れる。図５は、この発明の方法を用いて製造された燃料電池を図説し、これは性能増強層を含む。コーティング済み複合層５００は、複合層５０２、第１のコーティング５１２、および第２のコーティング５１４を含む。複合層５０２は複数の誘電体要素５０６、電子伝導性要素５０８、およびイオン伝導性要素５０４を含む。第１のコーティング５１２は第１の側面５２０の上、または、これに隣接して被着され、他方、第２のコーティング５１４は第２の側面５２２の上、または、これに隣接して被着される。性能増強層５２４は第１の側面５２０の上に、かつ第１のコーティング５１２の上、または、これに隣接して被着され、他方、性能増強層５２６は第２の側面５２２の上に、かつ第２のコーティング５１４の上、または、これに隣接して被着される。第１のコーティング５１２および性能増強層５２４は、ここに説明した方法を用いて選択的な材料除去を施されて、３つの離間した個別の領域に非連続領域５１６によって分割される。第２のコーティング５１４および性能増強層５２６も、ここに説明した方法を用いて選択的な材料除去を施されて、３つの離間した個別の領域に非連続領域５１８によって分割される。また、図５は、複合層の誘電体要素の上に横たわる、２つのコーティングの部分に非連続領域を形成することを図説するけれども、この発明はそのような点に限定されない。例えば、この発明のいくつかの実施例は、非連続領域が、複合層の他の部分（例えば、イオン伝導性および／または電子伝導性要素）の上にある、２つのコーティング層の領域に、形成される方法および物品を含む。

【0058】

いくつかの実施例において、この発明は、触媒または電極層の他のコーティング材料を選択的に除去する方法を含む。例えば、複合層は、その一方または双方の側面において、連続した伝導性シート、連続した絶縁性シート、電気化学電池において水管理を支援する材料の層、またはこれらの層のいくつかの組み合わせをコーティングして良い。ここで説明した、照射エネルギー、物質の流れ、または機械ツールを用いて連続した伝送性または絶縁性のシートから材料部分を選択的に除去できる。連続的な伝導性シートの例は、非多孔性材料で含浸させ、または積層させたカーボンファイバーシート、または、１または複数の電気伝導性粒子を含浸させたプラスチック材料シートを含む。水の管理を支援する材料の例は、多孔質ポリエチレン、伸ばしたポリエチレン、伸ばしたテフロン（商標）材料、およびポリエステルメッシュを含む。この発明は、これら材料の層において非連続鑞域を形成するのに使用して良い。いくつかの実施例において、この発明は、このような電導性または絶縁性のシートから材料を選択的に除去し、他方、複合層の上に被着された触媒または電極コーティング層から材料を残す方法を含む。

【0059】

この発明の方法は、任意の所望の幅を伴う非連続領域を形成するのに使用して良い。一般的には、残すことができる、最も小さな幅が、得られる電気化学電池の実現可能な最も大きな活性面積を可能にする上で好ましい。しかしながら、幅は、また、コーティング層の隣接電極領域の間の電気的な非連続を確実にするために充分なものでなくてはならない。１例において、非連続領域の好ましい幅は、約７５および約１１５マイクロメータの間の値である。

【0060】

図６は、電極材料の層に非連続領域を形成するための１つの実現可能な方法のブロックフロー図を図説する。方法６００において、コーティング層（例えば電極または触媒の材料あるいは双方の層）がステージ６１０で被着される。コーティングはステージ６５０においてレーザ光照射を受け、選択的にコーティング層材料が除去される。いくつかの実施例において、電極材料の層は、レーザ光ツールと整合させられて、もって、ステージ６５０の間、光が、選択的除去のための正確な位置に案内される。例えば、画像解析プログラムを用いてツール（例えばレーザ）が、処理対象のコーティング済み複合層に対して自動的かつ動的に整合させられる。

【0061】

図７は、電極材料の層に非連続領域を形成するための他の実現可能な方法のブロックフロー図を図説する。方法７００において、コーティング層（例えば電極または触媒の材料あるいは双方の層）がステージ７１０で被着される。マスクがステージ７３０で整合させられる。１または複数の機械ツールがステージ７５０において選択的にコーティング層から材料を除去する。ステージ７５０は繰り返されて良い。

【0062】

いくつかの実施例において、この発明は、コンピュータ数値制御（ＣＮＣ）工作機械を利用してツールを制御しコーティング材料を除去し、電極材料の層に非連続領域を形成する方法を含む。例えば、ＣＮＣ工作機械によって制御される除去ツールがコーティング材料をコーティング済み複合層から除去して良い。ＣＮＣ工作機械は充分正確に除去ツールを制御して防護マスクを複合層に整合させる必要がないようにできる。

【0063】

以上の記述は説明的であることを意図しており、制約的ではない。他の実施例も利用でき、例えば、当業者は以上の記述を検討することにより採用できる。また、以上の発明の詳細な説明において、種々の特徴をグループ化して説明を簡便にしている。これは、特許請求の範囲に記載されていない特徴がいずれかの請求項において基本的であると理解されてはならない。したがって、特許請求の範囲は発明の詳細な説明に組み込まれ、各請求項はそれ自体で個別の実施例を表す。この発明の範囲は、特許請求の範囲や、そのような特許請求の範囲の権限が及ぶ均等の全範囲を参照にして決定されるべきである。

【0064】

要約は規則（３７Ｃ．Ｆ．Ｒ １．７２（ｂ））に適合するものであり読者に技術的開示の本質を即座に把握させることを可能にする。これは、請求項の範囲の意味を解釈したり範囲を限定するのに使用されないことに留意されたい。

【符号の説明】

【0065】

２００ コーティング済み複合層
２０２ 複合層
２０４ イオン伝導性要素
２０６ 誘電体要素
２０８ 電子伝導性要素
２１２ コーティング
２１４ 機械ツール
２１６ 開口
２１８ マスク

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図1D】

【図1E】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】