(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池ハウジングと、
前記燃料電池ハウジング内に配置された燃料電池と、
前記燃料電池ハウジングの外部に隣接して配置され、前記燃料電池ハウジングの外部に近接して断熱を提供するように選択された圧力を有する領域を規定する断熱空間と、
前記断熱空間の一部を渡り、前記燃料電池と前記断熱空間の外部とを流体連絡するフレームアレスタ導管とを備え、
前記フレームアレスタ導管の直径が０．０５ｍｍ乃至１．６５ｍｍである燃料電池装置。
【請求項２】
前記燃料電池ハウジングの周囲に配置され、前記燃料電池ハウジングの外部から間隔が空けられて前記断熱空間のチャンバを規定する機器ハウジングをさらに備える、請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記燃料電池ハウジングが、１００ｃｃ以下の容積を有する内部チャンバを有する、請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記選択された圧力が、１００ｍｔｏｒｒ以下である、請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項５】
前記燃料電池ハウジング内に配置され、前記燃料電池と流体連絡している燃料改質器をさらに備える、請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項６】
前記燃料電池ハウジング内に配置され、前記燃料電池と流体連絡している後部ガスバーナーをさらに備える、請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項７】
データを収集するために配置されたセンサーと、
前記センサーと連絡する流体流コントローラーと、をさらに備える、請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項８】
前記センサーが前記断熱空間と連絡して配置されており、前記センサーが、圧力検出器または温度検出器のうちのいずれか１つである、請求項７に記載の燃料電池装置。
【請求項９】
前記センサーが、前記燃料電池と熱連絡して配置されており、前記センサーが温度検出器である、請求項７に記載の燃料電池装置。
【請求項１０】
前記センサーが、流体流検出器、化学検出器、圧力検出器、比較回路、電圧検出器、電流検出器、直接質量流量検出器、間接質量流量検出器、体積流検出器、差動検出器、温度検出器、放射検出器、およびこれの組み合わせからなるグループから選択されている、請求項７に記載の燃料電池装置。
【請求項１１】
前記収集されたデータが、温度データ、流体流データ、圧力データ、放射データ、電気信号データ、電流データ、電圧データ、形状データ、構造的安定性データ、振動データ、剪断応力データ、化学組成データ、およびこれらの組み合わせからなるグループから選択される、請求項７に記載の燃料電池装置。
【請求項１２】
前記流体流コントローラーが、バルブ、１方向性フロー機器、ガスケット、シール、ゲート、膜、絞り、閉塞物、ベント、導管、およびこれらの組み合わせからなるグループから選択される、請求項７に記載の燃料電池装置。
【請求項１３】
前記燃料電池と流体連絡する燃料源をさらに備え、前記燃料源が、前記流体流コントローラーと連絡する認証回路を備える、請求項７に記載の燃料電池装置。
【請求項１４】
前記燃料電池と流体連絡する第一の導管をさらに備え、前記流体流コントローラーが、前記第一の導管を通じる流体流を調節するように適合している、請求項７に記載の燃料電池装置。
【請求項１５】
燃料改質器と流体連絡する第１の導管、および後部ガスバーナーと流体連絡する第２の導管、および前記第１または第２の導管における少なくとも１つの流体流を計測するための少なくとも１つのセンサーをさらに備える、請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項１６】
前記機器ハウジングおよび前記燃料電池ハウジングの間に接続された機械的サポートをさらに備える、請求項２に記載の燃料電池装置。
【請求項１７】
燃料電池ハウジングと、
前記燃料電池ハウジング内に配置された燃料電池と、
前記燃料電池ハウジングの外部に隣接して配置され、減少された熱伝導の領域を規定する断熱空間と、
前記断熱空間の一部を渡り、前記燃料電池と前記断熱空間の外部とを流体連絡するフレームアレスタ導管とを備え、
前記フレームアレスタ導管の直径が０．０５ｍｍ乃至１．６５ｍｍである燃料電池装置。
【請求項１８】
前記断熱空間が、減少された圧力の領域、断熱繊維材、断熱ゲル材、セラミック材、循環する熱伝導流体のうちの少なくとも１つを含む、請求項１７に記載の燃料電池装置。
【請求項１９】
前記フレームアレスタ導管の直径が、前記燃料電池装置に使用された流体についての実験的最大セーフ・ギャップの１．５４倍以下である、請求項１７に記載の燃料電池装置。
【請求項２０】
前記フレームアレスタ導管の直径が、０．０５ｍｍ乃至０．４３ｍｍである、請求項１７に記載の燃料電池装置。
【請求項２１】
前記断熱空間が、１００ｍｔｏｒｒ以下である減少された圧力の領域を規定する、請求項１７に記載の燃料電池装置。
【請求項２２】
前記燃料電池に関連する制御システムをさらに備え、前記制御システムが、流体流検出器、圧力検出器、比較回路、電圧検出器、電流検出器、直接質量流量検出器、間接質量流量検出器、体積流検出器、差動検出器、フィードバックループ、温度検出器、放射検出器、バルブ、単一方向性フロー機器、ガスケット、シール、ゲート、膜、絞り、閉塞物、ベント、導管、およびこれらの組み合わせからなるグループから選択される、請求項１７に記載の燃料電池装置。
【請求項２３】
燃料電池ハウジングであって、その中に配置された燃料電池を有する燃料電池ハウジングと、
前記燃料電池ハウジングの外部に隣接して配置された断熱空間と、
前記燃料電池ハウジングと流体連絡する入力空気導管と、
前記燃料電池と流体連絡する入力流体送達導管と、
前記断熱空間の一部を渡り、前記燃料電池と流体連絡するフレームアレスタ導管とを備え、
前記フレームアレスタ導管の直径が０．０５ｍｍ乃至１．６５ｍｍである燃料電池装置。
【請求項２４】
前記入力空気導管が第１のセンサーと組み合わされ、前記入力流体送達導管が第２のセンサーと組み合わされ、前記フレームアレスタ導管が第３のセンサーと組み合わされている、請求項２３に記載の燃料電池装置。
【請求項２５】
前記断熱空間が、真空引きされた圧力の領域を規定する、請求項２３に記載の燃料電池装置。
【請求項２６】
前記ハウジングの容積が、０．５ｃｃから１００ｃｃまでの範囲である、請求項２５に記載の燃料電池装置。
【請求項２７】
内側に燃料電池を配置する内部チャンバを有する燃料電池ハウジングを提供する工程と、
機器ハウジング内に前記燃料電池ハウジングを配置し、前記機器ハウジングの内面と前記燃料電池ハウジングの外面との間に断熱空間を形成する工程と、
前記燃料電池と前記断熱空間の外部とを流体連絡するフレームアレスタ導管を前記断熱空間の一部を延びるように設ける工程と、
前記フレームアレスタ導管の直径が０．０５ｍｍ乃至１．６５ｍｍであることと、
前記断熱空間を真空引きして、前記燃料電池ハウジングの外部に近接して断熱を提供するように選択された圧力を有する領域を規定する工程と、を備える燃料電池を製造する方法。
【請求項２８】
前記機器ハウジング内で、前記選択された圧力を有する領域における圧力または温度を表すパラメータを計測するためのセンサーを配列する工程をさらに備える、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記パラメータに応答して前記内部チャンバ内の圧力を調節するためのバルブを提供する工程をさらに備える、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記燃料電池ハウジングを支持し、前記燃料電池ハウジングを前記機器ハウジングから間隔を空けるように、前記燃料電池ハウジングおよび前記機器ハウジングの間に離隔サポートを接続する工程をさらに備える、請求項２７に記載の方法。
【請求項３１】
前記燃料電池ハウジングと前記機器ハウジングとの間に、放射シールドを提供する工程をさらに備える、請求項２７に記載の方法。
【請求項３２】
前記燃料電池ハウジングに燃料を送達し、前記燃料電池ハウジングを前記機器ハウジング内で支持するための流体導管を、前記燃料電池ハウジングおよび前記機器ハウジングに取り付ける工程をさらに備える、請求項２７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明は、燃料電池効率と安全性を改善する装置と方法に関する。１つの実施形態において、発明は、多数の燃料電池構成要素を等温ゾーンにおいて一体化することによって、エネルギーバランスを改善するように適合した燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、気体水素、メタノール、ブタン、またはディーゼル燃料で充填された交換可能な燃料容器を伴って動作する燃料電池は、発展しつつある技術である。このようなタイプの燃料電池は、消費者製品に電力供給するさまざまなバッテリーソリューションと競合するように設計されている。バッテリーに対するこのような燃料電池の競争力は、多くの要因に依存している。例えば、容器中の燃料のエネルギー密度、特定の効率で化学エネルギーを電気エネルギーに変換する燃料電池の能力、ならびに燃料電池スタックおよび関連する流体ポンプおよび電力制御構成要素を、競合するバッテリーの物よりも大きくせずにしておく必要性、等の要因に依存している。
【０００３】
エネルギー密度と化学的変換効率における改善は、高分子膜の代わりにセラミック膜を利用する固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）で達成されてきた。固体電解質型燃料電池は、各種炭化水素等、種々異なる分子燃料タイプを電気に変換することができるので、固体電解質型燃料電池は、エネルギー密度のある液体燃料を利用することができ、さらに適切なエネルギー変換効率を達成することができる。
【０００４】
しかし、固体電解質型燃料電池は、膜と、６００℃を超過する（多くの場合７５０℃を超える）触媒動作とを必要とする。従って、携帯型電源用途の固体電解質型燃料電池の設計者は、全体システムのサイズを極端に増加することなく、極度の熱からエンドユーザーを保護しなければならない。さらに、８００℃で動作する現在の固体電解質型燃料電池は、ユーザーに供給される電気エネルギーよりも１０倍多くのエネルギーを廃熱として環境に容易に放射または伝達する。そのようなシステムは、１０％効率を超えることができない。すなわち、システムは、反応器の８００℃動作温度を維持する目的のみのために９０％を超過する燃料エネルギーを使用している。従って、このような低効率では、現在の固体電解質型燃料電池はバッテリーと競合することができそうもない。
【０００５】
最新型の携帯型固体電解質型燃料電池は、バッテリーと同様の体積を達成することができていない。固体電解質型燃料電池発電機は、断熱材（ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ）なしでは、０．３５ワット毎立方センチメートル（Ｗ／ｃｃ）を超えることは稀である。エネルギー効率的な動作のために充分な厚みを有する断熱層を追加すると、通常の固体電解質型燃料電池が提供する体積に対する出力の比率は、０．１Ｗ／ｃｃを下回る。
【０００６】
さらに、既存の燃料電池装置およびシステム設計は、システムの効率を高めるため、（固体電解質型燃料電池スタック以外の）加熱された構成要素を提供する。しかし、各加熱された構成要素は、装置の体積と過剰な熱損失を回避するため必要な断熱材の量とを追加する。
【０００７】
その結果、携帯型燃料容器と組み合わせて、充電式バッテリーのエネルギー貯蔵容量と同様か、または凌駕するエネルギー貯蔵容量（例えば２００ワット−時間毎リットル（Ｗ−時間／Ｌ）を上回る、好ましくは４００Ｗ−時間／Ｌを上回る）を提供することができるミニチュア燃料電池装置を構築する必要性が存在する。今日、バッテリーのエネルギー容量によってその機能がしばしば制約される携帯型電子機器に電力供給するため、燃料電池は大いに価値あるものとなろう。さらに、個別の消費者に多くの所定の潜在的電力供給用途があることを考慮すると、個別のユーザーに安全である燃料電池は、大いに価値あるものでもある。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
発明の要旨
燃料効率は、一部には熱効率を調節することにより達成される。特に、改善された熱効率は、一部には次の要因のいずれかまたはその組み合わせの結果による。すなわち、燃料改質器、燃料電池、および後部ガスバーナー（ｔａｉｌ  ｇａｓ  ｂｕｒｎｅｒ）の単一の、本質的に等温の、高温ゾーンへの一体化。燃料電池スタックの出力密度を、好ましくは、２Ｗ／ｃｃを超過する値へ増加させることにより、熱いゾーンの熱放散領域を実質的に削減すること。高温動作を必要とする全構成要素が、単一のハウジング内に含まれるような、断熱材の効率的な（エアロゲルにしろ真空にしろ）手段の使用であって、そのような断熱材がハウジングの外部に配置されている手段の使用。燃料電池装置と外部との間で流体を交換し、燃料電池から電流を抽出するための低熱伝導接続の組み込み。および／または、好ましくは断熱ゾーン内に配置された熱回収器の組み込みであって、熱回収器は、熱いゾーンと外部周囲の温度の中間の温度で動作することができる組み込み。
【０００９】
本明細書で使用する「燃料電池装置」および「燃料電池システム」とは、次の構成要素の一部または全部を含み得る装置または機器を意味する。すなわち、燃料改質器、後部ガスバーナー、アノード／電解質／カソード要素、ポンプ、および制御である。しかし、「燃料電池」は、アノード／電解質／カソード膜構造を意味する。さらに、「出力密度」は、所与の体積中で生成された出力の比率を意味し、および燃料電池技術で理解されるような他の意味である。
【００１０】
発明は、異なる局面と実施形態に関するが、本明細書に開示の異なる局面と実施形態は、適切に、全体または一部として共に一体化され得ることが理解される。従って、本明細書に開示の各実施形態は、所与の実施のために適切な程度に改変されて各局面において一体化され得る。さらに、局面および実施形態の一部は、「ための手段（ｍｅａｎｓ  ｆｏｒ）」用語を使用して記載されているが、本明細書に開示された全ての、局面、実施形態、および他の概念は、特定の「ための手段」用語が記載の特定の部分において使用されていないとしても、ミーンズプラスファンクションクレームのサポートとして作用し得ることが理解される。
【００１１】
用語「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、特に別に規定していなければ「１以上」を意味する。
【００１２】
本明細書で使用する「と連絡する」は、直接または間接に連絡することを意味し、例えば、壁、管、半導体トレースおよび層、配線、ならびに他の当業者に公知の手段、ならびにこれらの組み合わせのような適切な接続を介する等の直接的または間接的接触である。
【００１３】
１つの局面において、発明は、ハウジングおよび１以上の安全機構を含む燃料電池装置に関する。
【００１４】
発明の、先述のならびに他の特徴および長所は、発明自体と共に、説明、図面、および特許請求の範囲からさらに充分に理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
次の説明は、本発明の特定の実施形態を例示する添付の図面を参照する。別の実施形態が可能であり、発明の精神と範囲から逸脱することなく実施形態に対して改変がなされ得る。従って、次の詳細な説明は本発明を限定する意図ではなく、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によって規定される。
【００１６】
発明の方法の工程の順序は、発明が実施できる限り重要ではないことが理解されるべきである。さらに２つ以上の工程が、別に特定しない限り同時になされ得る。
【００１７】
一体型燃料電池装置、パッケージ、および接続
本明細書中に記載した燃料電池装置実施形態は、２Ｗ／ｃｃを超えて、および３Ｗ／ｃｃを超えて電力を生成することができる。このような燃料電池装置は、出力定格が１００ワット未満、２０ワット未満、または５ワット未満であっても、携帯用途のために充分に小さい断熱したパッケージサイズに独自に製造することができる。それに対して、既存の燃料電池設計は、典型的には、０．５Ｗ／ｃｃ未満の出力密度を発生するだけである。その結果、低出力密度燃料電池は大きすぎて、例えば民生用バッテリー代替品のような多くの用途に対して充分に効率的ではない。
【００１８】
出力密度（Ｗ／ｃｃ）は、一体型燃料電池装置および個別の燃料電池または燃料電池スタック（複数の個別の燃料電池）の設計に主に依存する。特に、ハウジング内の種々の燃料電池装置構成要素の近接的一体性の程度は、重要な設計要因である。その結果、燃料電池装置効率は、機械的強度と流路の制約を条件として、種々の燃料電池膜がどれだけ近接して配置され得るか、の関数であることができる。本明細書に記載した多くの局面と実施形態は、１つの熱的領域内における構成要素の一体性と熱損失の制御に関連する技術とに関する。本明細書に開示の多くの実施形態において半導体構造を使用することで、小型サイズと高エネルギー密度を可能とし、これにより、燃料電池装置が各種バッテリータイプと競合することができる。
【００１９】
図１は、燃料電池装置５の１つの実施例を断面図で示す。図１は、燃料改質器１０、一対の固体電解質型燃料電池膜１４および１６、ならびに後部ガスバーナー１２を示し、これら全てが単一のハウジング１８内に含まれる。ハウジングは、熱伝導材で作製されているので、ハウジング内の構成要素の全ては、実質的に同一温度で動作することができる。従って、ハウジングは、実質的に等温であるゾーンの形成を容易としている。
【００２０】
図１のハウジング１８は、その中に、燃料と空気を燃料電池セル（複数）に分配するための全ての流路手段を含む。燃料流２０は、燃料改質器１０から第１の燃料電池１６のアノード側に沿って流れていく。燃料流２０’は、その後、第２の燃料電池１４のアノード側２２に沿って流れて、最終的に、後部ガスバーナー１２に至る。空気流２６は、（図示しない内部経路チャンネルによって）燃料電池１４、１６のカソード側２４に沿って流れて、後部ガスバーナー１２に到達し、ここでは、未使用の排出燃料の燃焼のために過剰空気が利用可能である。（ガスバーナーへの空気の導入は、図１に現れない。）
【００２１】
また、図１には、断熱空間（ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ  ｖｏｌｕｍｅ）２８を示し、これは、ハウジング１８を装置５の外壁３０から分離する。外壁は、実質的に、燃料電池装置によって電力供給される電気機器の周囲温度またはその付近の温度で維持される。固体電解質型燃料電池装置の効率的な運転のために、ハウジング内の温度は、４００℃を越えなければならず、温度が、５５０℃、６００℃、または７５０℃を超えて維持されると、さらに良好な運転効率が得られる。外部電気回路の周囲温度および燃料電池装置の外壁３０は、典型的には０℃から６０℃までの範囲であろう。従ってこの実施形態においては、介在する断熱空間２８の厚みを通じてのみならず、流体接続３２、電気接続３６に沿って、および機械支持３８に沿っても、３００℃を超過する大きな熱勾配が望ましくは維持される。
【００２２】
断熱空間は、断熱材を一体化してハウジングからの熱放散を実質的に削減することができる。従って、断熱空間内で部分的に真空が形成されてよく、または低熱伝導材が断熱空間に添加されてもよい。赤外放射シールド４０も、燃料電池装置の内部または上に配置されてよい。低圧または真空断熱材実施形態を製作するとき、断熱空間内の全ガス圧を必要な低いレベルに維持することが有益である。この目的のため、背景ガスを吸収し、機器の作動寿命にわたって高レベルの真空を維持する能力を有するゲッター材４２を追加することが有用である。電気的加熱の間作動され得る非蒸発性のゲッターは、この目的のために有用であり、ＳＡＥＳゲッターＳＴ１７１デバイス（ｗｗｗ．ｓａｅｓｇｅｔｔｅｒｓ．ｃｏｍ）などがある。
【００２３】
ハウジング内部に含まれる一体型燃料電池は２．５ｍｍの全体の厚みを有することができる。図１において、２つの燃料電池層１４および１６、ならびに、３個の経路層４６、４８、および５０が存在し、それぞれ０．５ｍｍの厚みを有する。２つの燃料電池層のそれぞれは、０．４Ｗ／ｃｍ２の電力を生成することができる。その結果、代表的な一体型燃料電池装置は、（２＊０．４）／２．５＝３．２Ｗ／ｃｃの出力密度を送達することができる。
【００２４】
１つの温度ゾーンにおいて、燃料改質器、一式の燃料電池膜、後部ガスバーナー、および全内部流体マニホールドの機能を一体化するハウジングは、多くの製作技術によって製作されることが可能である。特に、発明の実施形態は、ＭＥＭＳ（微小電気機械シ
ステム）技術または、マイクロマシニング技術を使用して製作されることが可能である。このような技術によって、薄膜材（例えば薄膜電解質、アノード、カソードおよび／または電気的接続）を、エッチングしたマイクロチャンネルと一体化して、熱伝導性で機械的に丈夫な共通基板への流体流の制御を可能とする。構造的な支持膜は、アノードまたはカソードを、離散した領域にパターン化するのに有用であるため、実施形態によっては含まれているものもある。個別の膜電極アセンブリおよび流体マニホールドが、種々の接合技術によって共にスタックされて、流体処理「システム」を作製することが可能である。
【００２５】
例えば、一体化したハウジングは、実質的にプレーナー型半導体構造または非プレーナー型半導体構造のグループから組み立てられることが可能である。特に、５個のシリコン基板が共に結合されて、その中に、さまざまな燃料電池装置構成要素が一体化された「ボックス」を形成することが可能である。５個のシリコン基板を共に結合することで、スタックした形態を得ることができる。１つの実施形態において、基板は次のようにスタックされ得る。（１）流体相互連絡を含む燃料処理基板、（２）膜電極アセンブリ、（３）流路層、（４）別の膜電極アセンブリ、および（５）後部ガスバーナーを含む頂部流路層。従って層のスタックは、一体型燃料電池装置の一部または全部を形成することができる。
【００２６】
好適な実施形態において、燃料電池膜と他のマニホールド構造を構築するための基板としてシリコンが選択される。しかし、マイクロマシン技術も、ガラスおよびセラミックの硬質ウェハーにおける流体流チャンネルを構築するために存在し、これらの材料は全て、固体電解質型燃料電池に必要な高温耐性を有する。膜アセンブリの異なるポイント間での電気的短絡を防ぐため、シリコン基板は、何層かの酸化珪素または窒化珪素でコーティングされて電気的に絶縁してもよい。
【００２７】
エッチングされた流体マイクロチャンネルは、さまざまな技術で基板の上に形成される。そのような技術としては、湿式および乾式化学エッチング、レーザーアブレーション、ダイヤモンドミリング、テープ成形、または注入成形が挙げられる。各種基板またはウェハー接合技術が利用可能であり、そのような技術には、融着、陽極接合、共晶ハンダ材もしくは薄膜によるシーリング、またはガラスフリットによるシーリングが挙げられる。
【００２８】
アノード、カソード、および電解質を含む燃料電池アセンブリは、各種薄膜および厚膜堆積技術によって堆積されてよく、そのような堆積技術には、スパッタリング、蒸着、化学蒸着、レーザーアブレーション、スクリーン印刷、浸せきコーティング、またはヴェーパスプレー法などが挙げられる。
【００２９】
電解質についての好適な材料は、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）であるが、さまざまなセリア添加材もこの目的のために利用可能である。燃料電池のアノードの好適な材料は、ニッケルおよびＹＳＺのサーメットであるが、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｆｅ、またはＣｏのような他の触媒金属が採用されてもよく、およびセリアのような他の酸化物マトリクス材が使用されてもよい。燃料電池のカソードのための好適な材料は、ランタン（ストロンチウム）マンガン（ＬＳＭ：ｌａｎｔｈａｎｕｍ  （ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ）  ｍａｎｇａｎａｔｅ）であるが、記載してきた他のカソード材には、ランタン（ｌａｎｔｈａｎａｕｍ）（ストロンチウム）コバルト（ＬＳＣ）およびランタン（ストロンチウム）コバルト−フェライト（ＬＳＣＦ）が含まれる。燃料電池における薄膜電気接続のための好適な材料は、白金であるが、クロム酸ランタンも本出願において記載した。
【００３０】
図２は、図１の燃料電池装置をさらに説明し、流体接続と熱回収器３４の配置について強調している。一体型燃料電池装置のハウジング１８は、その外観においてのみ示し、燃料改質器１０、および後部ガスバーナー（または触媒コンバーター）１２の提案された配置を示すサブ領域を有している。燃料と空気の混合物は、入口管６０に沿って直接に燃料改質器１０に入る。その後、改質された燃料は、内部経路チャンネルによって燃料電池のアノードのそばを通過し、最終的には後部ガスバーナー１２の領域に達する。燃料電池のカソードのための空気は、入口管６２を通じて入り、制御されたルートを介して内部に流れ、燃料電池のカソードに至る。空気流と燃料流の両方は、後部ガスバーナー１２において最終的に再結合し、酸化の残りの熱をいくらかでも抽出し、その後出口管６４から熱いゾーンを出る。
【００３１】
入口管および出口管は、ハウジングと冷たい外壁との間の領域をブリッジし、低熱伝導率に設計されるべきである。例として、このような管は、国際公開公報ＷＯ０３／０１３７２９に記載されているように、窒化珪素で構成されてよく、好ましくは５ミクロン以下の壁厚を有する。あるいは、管は、石英ガラスキャピラリーから作製されてもよい。例えば、ガラスキャピラリーは、１ｍｍ外径で、１２５ミクロンしかない壁厚で入手可能である。このようなキャピラリーに沿って伝達されるであろう熱出力は、５ｍｍ長で８００℃に渡る温度勾配であれば、０．０５ワットのみである。
【００３２】
ハウジング内における燃料改質器と後部ガスバーナーの別の配置が本発明の範囲内であることは、当業者によって認識されるであろう。同様に、図２に示したものとは、別の配置の入口管と出口側、および異なる数の入口管と出口管が可能である。例えば、比較的長い燃料電池装置に対しては、外部フロー調節システムから直接に燃料改質器への、燃料と空気の独立した流れを送達するため、４番目の管を追加することが好適かもしれない。２つの独立した空気のソースをカソード領域へ提供し、燃料電池装置内で、および／または燃料電池膜の局所領域における燃料電池電圧を制御するための手段として、流体圧低下がさらに効率的に管理されることも好適かもしれない。また、特定の実施形態においては、同芯管も使用されてよい。
【００３３】
熱回収器
図２を再度参照すると、２つのバーとして示す熱回収器３４は、熱回収のための手段であり、流体管アセンブリの一体化部分として構築されてもよい。熱回収器は、典型的にはシリコンのような熱伝導材で作製され、出口管６４を通過する排出ガスの熱が吸収されて、入口管６０と６２の流入するガス流に移動され得る。
【００３４】
図１に示すように、断熱空間２８内に熱回収器３４を設置することで改善された性能が可能である。この位置において、一体型燃料電池装置と外壁との間の中間で、熱回収器のさまざまな内部温度が維持され得る。既存の断熱空間内に熱回収器を設置することで、熱回収器の周囲で別の断熱材が削除されるため、全体のシステムサイズも削減される。さらに、熱回収器の熱勾配を、一体型燃料電池装置と外壁との間の既存の熱勾配と合わせることで、熱回収器からの熱損失を減少させる。これは、熱回収器の所与の部分と隣接する断熱空間の間に、あったとしても温度差がほとんど無いからである。
【００３５】
図２に示す並列管配置以外にも熱回収器の種々の手段が可能である。例えば、管中管（ｔｕｂｅ−ｉｎ−ｔｕｂｅ）対向流配置が適切であり、または、機械加工や成型されたマイクロチャンネルによって対向流が可能に形成された薄金属シートのスタックである。熱回収器の物理的配置が、燃料電池装置の等温の（「熱い」）ゾーンと冷たい外壁との間の中間領域内にある限り、多くの他の仕組みが本発明の範囲内に該当する。
【００３６】
低熱伝導流体接続
発明の全体的目標は、ハウジングからの全熱放散を管理することである。１つの特定の要素において、流体入口管と流体出口管の長さに沿った熱の固体伝導の要因となる、管を介する熱損失（Ｑ管）を管理するため、管を介する熱損失が、ａ）管壁材の熱伝導率、ｂ）管に沿った温度降下、およびｃ）管壁材の断面積、の積を、ｄ）管の長さ、で除算することから計算され得る。
【００３７】
小型燃料電池装置システムについては、流体管から許容される最大熱損失は、システム効率を改善するために決定される。その熱損失（Ｑ管）は、管あたり０．１ワット未満に、好ましくは管あたり０．０５ワット未満に、望ましくは維持される。この熱損失値は当業者に公知の実施形態をかなり下回るが、流体接続管がこの臨界値を下回る熱損失で構築されるとき、システム効率は劇的に改善する。表２は、典型的な既知の管材料および設計ならびに臨界熱損失条件を満足するように構築されている本実施形態と共に使用するのに適する代表的な管（実施形態３および４）を示す。
【表２】
0005425465.tif 000002
流体接続管材の比較（出力損失Ｑは、７００℃の全体の温度低下を仮定する。）
【００３８】
３３％効率、２ワット燃料電池装置発電機において、燃料電池装置は、６ワット相当の燃料を燃焼するものと考えられ、管あたり０．１ワットの熱損失は全消費パワーの５％のみを表すものである。５〜３０ワットの大型の燃料電池装置については、増加した量の流体流を扱うため、さらに多くの管か、さらに大きな断面積を有する管が必要かもしれない。各管の熱損失を０．５ワット未満に、好ましくは０．１ワット未満に維持することによって、機器中で燃料として燃焼された全パワーのうち、流体接続による熱損失の割合は、１０％以下、および好ましくは５％以下に維持することができる。
【００３９】
低熱伝導電気接続
発明の別の全体の目標は、電気接続に沿って固体伝導として表される熱損失を削減することである。好適な実施形態において、電線あたりの熱損失の値は、０．５ワット未満であるべきであり、さらに好ましくは約０．１ワット未満である。しかし、線あたり０．１ワット以下の電気的損失は、より高い抵抗とより細い径の線接続の使用を必要とする。表３は、線径、線抵抗、および既知の線についての損失の間の相関と、発明において有用なもの（実施形態３および４）とを示す。線抵抗と、線に沿った熱出力損失との間の逆相関に注意すること。これは金属導電体について典型的である。既知の燃料電池システムについて、スタック出力が典型的に１００ワットを超えており、放散される全体の熱が３００ワットを超過していると、線あたり１ワットの損失は過剰ではない。２０ワット以下の定格の燃料電池装置について、線による熱損失の削減が望まれる。熱損失を制御するためこの発明に採用された方法は、電気抵抗が０．１オームを超過し、好ましくは０．５オームを超過する電気的接続を選択することである。
【表３】
0005425465.tif 000003
電気接続線の比較。（線の長さに沿った温度低下は、７００℃であると仮定する。）
【００４０】
表３から、絶縁空間をブリッジする接続線を選択する。ここで線の抵抗が０．５オームを超過することが有利である。しかし、この制約を有して効率的な燃料電池装置を達成するためには、他に、燃料電池装置動作パラメータへの変更と、燃料電池スタックの構成への変更とが必要である。例えば、接続線における抵抗による過剰な電力損失を防ぐため、出力電流は、充分低いレベルに維持されなければならない。従って、本明細書に開示の技術を使用すると、燃料電池電圧を増加することによって、電流は所与の出力レベルに低減され得る。しかし、電圧が追加されるように、個別の燃料電池を直列に接続またはスタックすることによってこの目的は過去において達成された。０．５オームを超過するコネクタワイヤを配置する本発明については、１０ボルトを超える、好ましくは１５ボルトを超えるスタックされた出力電圧が必要とされる。
【００４１】
電圧スタッキングについての１つの方法は、面内スタッキング配置であり、この場合、燃料電池膜層は、１つのセルのアノードがそのすぐ上のセルのカソードに、電気的に接触するように垂直にスタックされる。燃料電池スタックに対する１０ボルトの出力要求であれば、１２から２０の燃料電池膜層が垂直スタックに組み立てられることが必要である。しかし、図１に示した実施形態は、体積効率のため２つの膜層のみを示す。それでもなお、本明細書に開示の面内スタッキングコンセプトを使用して有利な出力電圧が可能である。
【００４２】
図３は、面内スタッキングのコンセプトを示す。面内スタッキングは、アノード、カソード、および電解質を、直列型の電圧接続が作製され得るようにパターン付けする能力が必要である。図３において、燃料電池電解質２３Ａのアノード２２において、隣接する燃料電池電解質２３Ｂの背後に配置されているカソード２４に電気的に接触することが可能となる。相互接続材２５は、アノード２２とカソード２４の間で低抵抗電気接続を可能とする。
図１に示す構造的支持部材も、アノードまたはカソードのいずれかを離散した領域へパターン付けするために有用である。
【００４３】
図１に示す一体型燃料電池装置の小型性と、電気接続が細いゲージワイヤ（直径約１００ミクロン未満）で達成される目標を考えると、嵩張るネジや圧着端子を使用することなくコネクタワイヤを取り付けるための信頼できる方法を提供することも望ましい。１つの実施形態において、細いゲージワイヤは、一体型燃料電池装置と外壁におけるコネクタ片との両方に、高温ろう付け合金によって、または好ましくは熱機械接合（ｔｈｅｒｍｏ−ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｂｏｎｄ）のような接合方法によって取り付けられるべきである。
【００４４】
一体型燃料電池装置の等温性
燃料改質器、燃料電池および後部ガスバーナーの全ての機能が、単一のハウジング内へ最小の表面積を有して一体化するとき、固体型燃料電池装置の効率は改善する。また、構成要素間で、熱の効率的な分配または熱エネルギーの共有を可能とする充分な熱伝導率を有してハウジングが設計されるとき、効率は改善する。特に、全体の効率を改善する補足の熱を共有するように後部ガスバーナーが使用されてよい。従って、後部ガスバーナーで生成された熱エネルギーは、燃料電池装置内でさらに高くさらに効率の良い動作温度を維持する。このようにして、装置を加熱したりまたは冷却したりする際の熱的ストレスとコストが削減される。   
【００４５】
さらに、改善された燃料電池効率は、平衡電気化学電位に近いさらに高電圧で燃料電池を動作させることにより可能である。このような動作条件は、比較的低い燃料電池電圧で動作する場合に比べて、より少ない廃熱の生成を示唆する。動作温度を維持するために必要な熱エネルギーの量は、後部ガスバーナーにおいて、あまり利用されていない燃料の燃焼から熱を抽出することで達成可能である。
【００４６】
充分な熱伝導率と燃料電池装置内構成要素間でのほぼ等温動作を維持するために、いくつかの方法が採用され得る。基板材料として使用されるシリコンは、高温における優れた熱電導体である。ガラスまたはセラミック基板は、得られる壁厚が実質的に１００ミクロンを超過し、好ましくは３００ミクロンを超過するという条件では、熱伝導率に基づく適切な材料選択である。ガラス基板の熱伝導率は、ハウジングの外面のような通電されていない領域を覆う金属薄膜の堆積によって高められる。候補の熱伝導金属コーティングには、クロム、金、および白金が含まれる。
【００４７】
システムの実質的等温動作を可能とする手段として、一体型ハウジングを設計することが役立つ。一体型ハウジングは、分離した構成要素（燃料改質器、後部ガスバーナー、および燃料電池膜）が、そのいずれかのペアの間で少なくとも１つの共通の構造的壁を共有するようにしている。この壁は、ハウジングの外壁であってよく、または、形成された内壁であってもよく、例えば個別の基板の接合を介する。
【００４８】
構造的壁を共有することで、または充分に熱伝導率を有する基板を提供することで、動作中、構成要素間で、１５０℃未満までの、好ましくは５０℃未満の任意の温度差を維持することができる。
【００４９】
出力密度
携帯型固体電解質型燃料電池装置を設計するとき、燃料エネルギーを過剰に消費をすることなく、高い運転温度を維持する適切な断熱材の最小の厚みを決定することが重要である。一体型燃料電池装置から放散するであろう熱の量は、その表面積に比例する。従って、５ワット用に設計された一体型燃料電池装置は、２０ワット以上用に設計された一体型燃料電池装置に比べて、その表面の体積に対する比率が非常に高いので、効率的に断熱することは困難となる。
【００５０】
一体型燃料電池装置の出力密度は、重要な設計パラメータである。特に、出力密度は、最終的効率と断熱したパッケージのサイズとに最も影響ある設計パラメータであり得る。一体型燃料電池装置の出力密度は、ワット毎立方センチメートル（Ｗ／ｃｃ）で表され、生成される電気のワット毎にどの程度表面積が露出しているかを決定する。その結果、最終パッケージサイズにおける、一体型燃料電池装置の電力密度の影響は、大きく不釣合いである。例えば、５ワットおよび１ｗ／ｃｃで出力を生成することができる一体型燃料電池装置は、断熱材を含めて６６ｃｃのパッケージサイズを要求するであろう。これに対して、５ワットおよび２ｗ／ｃｃの定格の一体型燃料電池装置は、１７．８ｃｃのみで、パッケージ内で断熱されることが可能である。従って、出力密度の２倍の増加は、熱効率を失うことなく、パッケージサイズにおける３．７倍の減少となる。（この例は、８００℃の温度降下を維持し、０．０４Ｗ／ｍ−Ｋにおける定格のａｅｒｏｇｅｌ（商標）断熱材の使用を仮定する。）
【００５１】
図４は、本発明の別の実施形態を示し、この場合、大型燃料電池装置１０５は、四つの異なる膜層を採用する。燃料電池膜１１４、空気または酸素経路層１４８、または燃料経路層１４７、１４９．１５０、の各層は、全体のスタックが高さ約４．８ｍｍとなるようにいずれも約０．５ｍｍ以下の厚みである。図４は、そのハウジング内に燃料改質器１１０と層１４６の一部として構成された後部ガスバーナー１１２も含む。燃料経路層は、燃料を改質器から運んで各燃料電池膜を通過させ、および／または排気を各燃料電池膜を通過させた後、後部ガスバーナーに運ぶ。図４を使って、全体の一体型燃料電池装置の高さ（４．８ｍｍ）を膜層の数（４）で除算して規定される、膜層間の平均の間隔が計算され得る。従って図４の平均の膜間隔は、約１．２ｍｍである。この場合、出力密度は、各燃料電池層の平均の出力密度（０．４Ｗ／ｃｍ２）を平均の膜間隔で除算することによって得ることができ、約３．３Ｗ／ｃｃの出力密度という結果となる。
【００５２】
一体型燃料電池装置の体積の１立方センチメートルあたり約２ワットを超過する電気エネルギーを可能とする燃料電池スタックの構成が好ましい。２Ｗ／ｃｃを超えて生成する方法で、所与の燃料電池スタックを動作することも望ましい。燃料電池によって生成された出力は、電圧を変更することによって、および燃料電池の温度を変更することによって、制御されることが可能である。比較的大きな燃料電池は、化学エネルギーから電気エネルギーへの変換の効率を高めるため、典型的には最大出力以上の電圧で動作している。１Ｗ／ｃｃ、１．５Ｗ／ｃｃ、または好ましくは２Ｗ／ｃｃを超える出力密度が本発明に含まれる。
【００５３】
約２Ｗ／ｃｃ未満に出力を低下するレベルへ電圧を高めることは、小型システムにおいて実際には全体のシステム効率を低下させる。これは、必要な温度を維持するためには不十分な熱しか生成されないからである。触媒コンバーターまたは後部ガスバーナーを一体化することで、燃料電池出力をいくぶん低下させることが可能である。
【００５４】
１つの主要な出力密度の改善は、膜間の垂直間隔を近づけることで達成される。既存技術における膜間の平均間隔は、２．５〜４ｍｍの範囲である一方、本発明に典型的な膜間の平均的間隔は、約１．５ｍｍ未満であり、１．０ｍｍの値の小ささに近づいている。膜間がより近づく利点は、２つの有利な構造的特徴から得られる。すなわち、ａ）機械的に頑丈な複合膜設計の使用、およびｂ）面内スタッキング（ｉｎ−ｐｌａｎｅ  ｓｔａｃｋｉｎｇ）の使用により可能である構造的に簡単な流路層の使用、である。この実施形態において、有利な使用は、面内燃料電池スタッキングの構築でもなされる。面内燃料電池スタッキングによって、多くの構造的利点が可能となり、これらが一緒に作用して膜間の間隔を減少させ、かつ２Ｗ／ｃｃを優に超える値に出力密度を増加させる。
【００５５】
複合膜構造の使用は、共有の国際公開公報ＷＯ２００５／０３０３７６号に記載されてきた。簡単には、複合膜構造は、強い構造的支持膜と、薄い（＜２μｍ）ＹＳＺ膜層との組み合わせを可能とする。このような構造は、過剰な基板厚みを必要とすることなく熱的サイクルの応力に耐える強度を有し、約０．５ｍｍ以下のシリコンウェハー厚みを使用して達成されることが可能である。同様の複合構造は、熱膨張係数にかかわらず、高密度のセラミック基板、例えばＡｌ２Ｏ３材料から、上記に特定される特許出願にレイアウトされた設計規則に従う程度であれば構築されることが可能である。
【００５６】
公知の層製作技術において、燃料と空気との間でガス流を分離するため、気体不透過性の双極性プレートが必要である。垂直の平面スタックは、１つの膜層のアノードから隣接する層のカソードへの電気的接触を必要とする。しかし、アノードを通過する燃料は、カソード上を流れる空気と混合してはならない。従って導電性双極性プレートが典型的に採用され、これは、層間の電気的接続のみではなく、アノードに至る燃料の経路、カソードに至る空気の経路、およびガス流間の密封した分離にも影響する。
【００５７】
図１に戻って、燃料電池膜１４のカソードが燃料電池膜１６のカソードに直接面するので、流路層においてそのようなガス分離は要求されない。両方の膜層は、同一のガス流を共有し、これら２つの燃料電池層間において電気的接続は必要とされない。従って流路層の設計が簡単化されて、０．３〜０．５ｍｍの範囲の厚みを有する極端に薄い流路層が可能である。
【００５８】
図５は、１つのこのような流路層を示し、図４に示す４層燃料電池スタックに適合する形状を有している。開口１８０は、スタックの一層から上下の層への燃料の垂直通過を提供する。チャンネル１８２は、カソード上の空気の流れを提供する。流路層１４８が２つのカソードに面する層を分離するという程度で、ごく簡単なリブ付の構造が必要であり、これにより、両方の構造的頑丈さをスタックに追加し、かつ、全カソード面上に充分な空気の分配を提供する。
【００５９】
流路層は、シリコンのような硬質材で構成されてよい。この実施形態におけるシリコンの選択は、全膜層と流路層の間で構造材を整合する別の利点を有する。このようにして、このような２つの構造材間の異なる熱膨張係数に関連する応力を避けることができる。
【００６０】
流路層は、機械加工されるかまたは金属材から打ち抜かれ得る。しかし、流路層の熱膨張係数は、膜層における構造材のものと実質的に類似であることが維持されなければならない。薄い金属性流路層は、シリコンから構築された経路層ほど頑丈ではないが、膜層用に採用されたシリコンまたは他のセラミック材料は、充分すぎる頑丈さを提供し、熱サイクルの応力に耐える充分な強度を全体のスタックに提供する。
【００６１】
熱生成／断熱
さらに、約２Ｗ／ｃｃを超える電力出力の維持に加えて、生成された熱が２Ｗ／ｃｃを超えて維持される場合、システム性能とサイズも改善される。小型サイズにおける表面積の急速な増加のために、装置の動作温度を維持するため、充分に高い熱密度を維持することが望ましい。燃料電池装置単独で充分な熱を生成しない場合、１立方センチメートルあたり２Ｗの熱を超過して維持するためには、後部ガスバーナーを使用して余剰の燃料を燃焼させることが、効率的な機器の運転のために有利である。機器が、１立方センチメートルあたり２Ｗの熱を超過して運転されるであろうことを確実とすることで、断熱材の厚みを最小化することができ、これにより、既存のバッテリーと競合する機器を製造することができる。
【００６２】
固体電解質型燃料電池システムにおける断熱空間の設計は、固体電解質型燃料電池の効率を改善するための別の領域である。断熱材からの伝導によって損失する廃熱の量を最小化しつつ、外側パッケージとその周囲から高温ハウジングを隔離する機能のため、繊維状セラミックスまたは多孔質セラミックスが利用されてきた。例えば、低熱伝導率を有し、かつ８００℃の運転中に安定した０．０４Ｗ／ｍ−Ｋの低さである、エアロゲル材が利用可能である。
【００６３】
おそらく最も空間効率的な断熱は、特に小型パッケージにおいては真空断熱である。これにより、外壁と、ハウジング内に一体化された内容物を所望の温度に維持する断熱空間とを有する魔法瓶として、燃料電池装置の各部が機能することを可能とする。断熱空間中の全体のガス圧を１００ｍｔｏｒｒ未満に、好ましくは２０ｍｔｏｒｒ未満に、さらに好ましくは１０ｍｔｏｒｒ未満に維持することで、ガス相を通じたハウジングから出る伝導による、何らかの熱損失を実質的に除去することが可能である。外壁によって区切られた断熱空間中に、ガス放出口から真空ポンプ用いた真空引きによって、あるいは、真空引きされた雰囲気中で外壁の要素を共にシールする処理を実施することで、部分的真空が形成されてもよい。
【００６４】
真空パッケージの実施形態を利用するとき、エアロゲルのような比較的厚い固体断熱材の使用を止めるとき、ハウジングからの新たなタイプの熱損失が、赤外放射による熱損失の形態で問題となる。ハウジングの表面から放射する赤外放射は、図１に示した断熱パッケージに対して、事実上、主要な熱損失メカニズムとなり得る。
【００６５】
放射による熱損失を削減するため、少なくも三つの方法がある。そのうちのいずれか単独が、または組み合わせて使用され得る。これらは、図１に戻って確認することができる。第１に、一体型燃料電池装置の外面に反射コーティングが塗布され、これにより、赤外放射率と熱い面からの出力損失を削減する。第２に、赤外放射を一体型燃料電池装置に戻す目的のため、真空の外壁３０の内面に沿って放射反射体４０が設置されてもよい。この放射反射体は、外壁３０の内面に堆積された金属製コーティングによって、または真空壁の内面に機械的に取り付けられる金属製もしくは赤外反射性材によって、構築され得る。さらに、一連の並行する赤外反射体が、外壁の熱い面と冷たい面との間に設置されてもよい。
【００６６】
燃料電池装置調整、モニタリング、および安全性
上述のように燃料改質器、燃料電池および後部ガスバーナーを実質的に等温ゾーン内に一体化することで、燃料電池装置の効率を改善し、好適なバッテリー代替装置であることを可能とする。バッテリー代替のエネルギー密度が増加することで商品価値を改善しても、大量の化学エネルギーおよび熱エネルギーを小さい体積に局所化することで、燃焼、爆発、および／または有害化学物質の放出が制御できなくなる可能性が高くなる。本明細書に開示の多くの装置は、携帯電話バッテリー代替等、消費者が使用するのに好適であるため、燃料電池装置に、安全機構と装置監視機構を一体化することが所望されている。
【００６７】
上述した実施形態の説明において常に明確に強調しているわけではないが、前に本明細書に開示した発明の多くの構造的局面および化学的フローの局面によって、燃料電池装置の安全な運転が本来的に可能となる。例えば、上述の断熱空間は、熱を閉じ込めることで、等温ゾーンにおけるエネルギー密度を高める一方で、断熱空間は、機器のユーザーを過剰な熱から遮断する。同時に、断熱空間は、何らかの制御されない燃焼を停止する補足ゾーンとして作用し、断熱空間が破れたり他に突き通された場合には、燃料転換反応を停止するための手段として作用することができる。このような機構と他の安全機構を以下に詳細に記載する。
【００６８】
一般に、燃料電池装置、特に携帯型固体電解質型燃料電池装置の安全性を改善するための多数の設計戦略がある。しかし、組織上の目的のため、安全機構は、二つの広いカテゴリーにグループ化することができ、さまざまな実施形態は、両方のカテゴリーに置かれる機構を含むことができる点に注意すべきである。第１に、断熱空間の熱を閉じ込める利点等の受動的設計構造および方法がある。受動的安全機構の中には、背景において絶え間なく動作し、装置の変化に対して直接的な起動の必要がなく応答するものもある。例えば、燃焼伝搬を制御する燃料電池構成の設計的局面は、別の受動的安全機構を意味する。
【００６９】
第２のカテゴリーの安全機構には、能動的方法と装置が含まれる。代表的な能動的安全機構は、何らかのイベントに応答して装置動作を終了させる電子制御システムである。導管が閉鎖された場合にアラームし、アラームに応答して燃焼終了指示を適切に開始するセンサーなどである。一般に、制御システム／センサーシステムは、能動的安全機構カテゴリーに該当する。
【００７０】
再び、用語、受動的および能動的が使用されるが、組織的目的のために使用され、詳細な説明および特許請求の範囲を限定する意図ではないことが理解される。従って、能動的または自動的として記載されていても、さまざまな安全機構は、能動的要素と受動的要素の両方を制限なく含むことができる。
【００７１】
それぞれの安全機構をより詳細に記載する前に、本明細書に開示された燃料電池装置に一体化され得る、異なる能動的機器および受動的機器ならびに方法の実施形態を導入することが有用であろう。このような異なる機構の組み合わせ、および本明細書に開示の実施形態が可能であるので、広い範囲の燃料電池装置が当業者によって製作されることが可能である。
【００７２】
受動的安全機構の中には、断熱空間および他の形態の機器断熱材、導管径を調節して揮発性物質の放出を制限すること、構造材の選択により機器内の熱エネルギーレベルを調節すること、燃料改質器と後部ガスバーナーのような機器構成要素を、燃料転換反応を制御する自己調節温度レベルが可能となるように編成すること、種々の流れ（ｆｌｏｗ  ｓｔｒｅａｍ）および導管の径のような各種機器形状を調節して燃焼伝搬を制御すること、後部ガスバーナーのような機器構成要素を一体化して、揮発性燃料および／または燃料転換副産物を予反応することにより実質的に不揮発性の排気を提供すること、が含まれるものもある。
【００７３】
次に、能動的安全機構の中には、機械式および／または電子式センサーを一体化して、燃料電池装置およびそのサブシステムの動作をモニターすること、閉止弁のような制御要素を使用して、アラームに応答して機器動作を停止すること、センサーと制御要素を組み込むシステムを制御して、安全ではない機器動作を防ぐこと、燃料電池装置と共に使用する所与の燃料源の適合性を確認する認証機器、ならびに燃料電池装置およびその構成要素の識別、認証、制御、モニタリング、および動作を提供するための各種回路が含まれるものもある。
【００７４】
従って、何らかの機器の故障や異常動作の兆候が、機器の構成要素の全部または一部の停止をトリガーするようなフェールセーフ動作を提供する機構を発明はさらに含む。このため、エネルギーの放出に先立って機器動作を停止させることによって、致命的な故障にもなりかねない影響が減少する。逆に、熱からユーザーを保護する断熱フォームのような安全性を高めるための、動作中の背景において作動する受動技術も、発明の範囲内である。
【００７５】
図６は、種々の能動的および受動的安全機構を一体化する燃料電池装置２００の実施形態の各部の概略図を示す。固体電解質型燃料電池２０２、燃料改質器２０４、および後部ガスバーナー２０６が、互いに流体連絡および熱連絡している。燃料電池２０２から生成された電気を集めるために使用される収集回路２０７の一部も示している。さらに、三つの構成要素全てが、ハウジング２０８の内部において、断熱空間２１０である程度区切られた等温ゾーン内で共に一体化されている。次いで、断熱空間２１０は、燃料電池装置２００の外壁２１２ならびに流体マニホールドの各部およびデバイスパッケージ２１４によってある程度規定されている。ハウジングの体積（ｖｏｌｕｍｅ）は、約０．５ｃｃから約１００ｃｃまでの範囲であり得る。一つの実施形態において、ハウジングの体積は、約０．５ｃｃから約１０ｃｃまでの範囲であり得る。別の実施形態において、ハウジングの体積は、約１ｃｃから約５ｃｃまでの範囲であり得る。さらに、断熱空間は、約２００ｃｃ以下である。
【００７６】
燃料２１５は、通常は、燃料タンクまたは燃料カートリッジ２１６の内部に含まれる。燃料タンク２１６は、さらに、燃料タンク電気接続２１８および燃料タンク流体接続２２０を含み、燃料タンク２１６は、燃料タンク電気接続２１８と連絡するか、または独立したアドレス可能機器として、認証回路２２２も含むことができる。空気ポンプ２２３も、燃料電池装置２００に一体化されて、燃焼を維持するために必要な空気を等温ゾーンに供給することができる。１以上の機器制御システム２２４が含まれて、センサーデータおよび／または回路入力／出力を受け、およびこれらに応答して動作することができる。
【００７７】
種々の導管および伝導要素が使用されて、燃料、空気、燃焼副産物、ならびに燃料電池への他の化合物および燃料電池からの他の化合物、を流れやすくしている。種々の導管と輸送機構が使用されることができるので、特定の構造ではない流れまたは経路を図示することが有用である。しかし、適切に寸法決めされた導管、チャンネル、または他の流体輸送機構が使用され得て、当業者に公知の流れを含むことができる。
【００７８】
このようなさまざまな流路／流れＦ１からＦ５を図６に示す。流路Ｆ１は、燃料２１５の機器への流れを示し、一方で、流路Ｆ２は、空気の機器への導入と流れを示す。次に、流路Ｆ３は、空気と、燃料改質器２０４を出た処理された燃料との混合を示す。燃料電池２０２における初期反応の後、化合物および反応副産物が、流路Ｆ４に沿って後部ガスバーナー２０６に流れる。最終的に、後部ガスバーナー２０６による処理の後、装置２００からの熱エネルギーおよび実質的に非揮発性の排気流が、流路Ｆ５に沿って流れる。
【００７９】
発明は、装置内で異なる反応が生じる場所を制御することで、固体電解質型燃料電池の動作を調節する技術をある程度提供する。一つの実施形態において、燃料は、燃料改質器内で反応温度Ｔ１において水素と副産物に転換される。反応温度は、反応温度範囲内である。例えば、図８の下に述べたように、ブタンについての反応温度範囲は、約２００℃から約８００℃までである。副産物は、排気産物と熱エネルギーに転換される。排気（ｅｘｌｉａｕｓｔ）産物が水、酸素、および／または二酸化炭素のような非揮発性である場合は、排気産物は機器から流路Ｆ５に沿って流れる。
【００８０】
流路Ｆ４に沿ってなお揮発性化合物が検出される場合は、後部ガスバーナーは、環境に入る前の排気流を、例えば実質的に完全に酸化することによってさらに浄化する。さらに副産物を転換する工程からの熱エネルギーは、反応温度範囲を維持するのに役立つ。その結果、等温ゾーン内の異なる機器構成要素が使用されることができ、入ってくる燃料を予熱し、燃料改質器の温度を維持することができる。そのため各構成要素は、制御要素として作用して燃料転換を停止したり、または開始することができる。
【００８１】
図６に戻って、制御システム／制御回路２２４が使用されて、燃料タンク２１６の認証回路２２２とやり取りすることができる。一つの実施形態において、制御回路２２４は、また、燃料電池装置２００の動作に関するデータを受け、そのデータに応答して、燃料電池装置の動作を調節する。温度センサー２２６、流れセンサー（単数または複数）２２８、圧力センサー（図示せず）、ならびに他のセンサーおよび検出器が、燃料電池装置の各種構成要素の内部または外部に一体化されて、種々の動作パラメータをモニターすることができる。電気的／機械的に制御されたフローバルブ２３０が、燃料導管に伴ってもよいし、または燃料カートリッジの一部であってもよい。好適なセンサーには、流体流検出器、化学検出器、圧力検出器、比較回路、電圧検出器、電流検出器、直接質量流量検出器、間接質量流量検出器、体積流検出器、差動（微分）検出器、温度検出器、放射検出器、およびこれらの組み合わせが含まれ得るが、これらに限定されない。
【００８２】
制御システムは、図に明示していない種々の電気接続を介して装置データを送ったり、および受けたりすることができる。従って装置は、不規則に動作し始めてユーザーにリスクを呈することがある。制御システムは、温度データ、流れデータ、圧力データ、事前設定データ、または他のデータを介して不規則性を識別することができる。これに応じて、制御回路は、フローバルブや、または燃料改質器のような他の燃料電池機器構成要素に電気信号を送って、燃料転換を停止させることができる。従って、バルブベースのシステムに対して、制御システムは、バルブを閉鎖して燃料改質器への燃料流を停止させるよう指示を出す。好適な装置データには、温度データ、流体流データ、圧力データ、放射データ、電気信号データ、電流データ、電圧データ、形状（ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ）データ、構造的安定性データ、振動データ、剪断応力（ｓｈｅｅｒ  ｓｔｒｅｓｓ）データ、化学組成データ、およびこれらの組み合わせが含まれ得るがこれらに限定されない。
【００８３】
センサー、導管、バルブ、制御、および回路は、システム内の種々の位置に配置されることができることが、当業者であれば明白であろう。例えば燃料流センサーは、図６に示す電気制御弁の下流ではなく、上流に配置されてよい。さらに、電子制御回路と各種センサー、バルブおよびポンプとの間で、種々の電気接続が図示されていないが、当業者に公知の、各種導管、半導体トレーシング、マイクロ流路、およびワイヤベースの接続で適切な接続が達成され得る。
【００８４】
当業者に公知の各種センサーが、異なる実施形態の装置に組み込まれる。特に好適なセンサーには、限定されないが、熱電対、Ｏｍｅｇａ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｉｎｃ．製モデル番号Ｐ１３Ｒ−００１のようなシース無し細線熱電対、タイプＲ、０．００１”径、モデル番号ＷＳ８１（Ｏｎｅ  Ｏｍｅｇａ  Ｄｒｉｖｅ，  Ｓｔａｍｆｏｒｄ，コネチカット州０６９０７−００４７米国のＯｍｅｇａ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｉｎｃ．）のような白金抵抗温度検出器（ＲＴＤ）、および流量センサー、モデルＤ６Ｆ（５５Ｃｏｍｍｅｒｃｅ  Ｄｒｉｖｅ，Ｓｃｈａｕｍｂｕｒｇ、イリノイ州６０１７３米国のオムロン電子部品）のようなＭＥＭＳ流量センサーが含まれる。
【００８５】
センサーは、対象の特定のパラメータを直接検出するように配置されるか、または異なるソースからのデータを補足するよう間接的に配置され得る。熱センサーは、熱源から出ている温度を計測する機器に一体化されていても、流路に沿って伝搬する間接的な熱を補足するように配置されてよい。
【００８６】
発明に有用な各種センサーおよび制御要素には、限定されないが、流体流検出器、圧力検出器、比較器回路、電圧検出器、電流検出器、直接質量流量検出器、間接質量流量検出器、体積流検出器、差動検出器、フィードバックループ、温度検出器、放射検出器、バルブ、単一方向性フロー機器、ガスケット、シール、ゲート、膜、絞り（ｉｒｉｓ）、閉塞物、ベント、導管、およびこれらの組み合わせが含まれる。
【００８７】
制御システム（複数）は、燃料電池装置の安全な動作を確実とする能動的設計ソリューションを表す。図７Ａおよび７Ｂは、それぞれ流れデータおよび温度に応じて機器動作を調節する制御フロー図を示す。図７Ａの制御フローは、等温ゾーンに接続されている全入力流体流と出力流体流に流体流センサーが追加されている機器に関する。燃料改質器への燃料の流れを制御する電子制御弁も含まれている。比較器回路のような電子回路や、または全ての入ってくる流れを全ての出て行く流れと比較する他の好適な回路が、全体の制御システム内に組み込まれている。図７Ａに示すように、流れが整合しない場合は、燃料電池装置内の構成要素が誤動作している可能性がある。制御システムは、自動的に燃料バルブに電子的に働きかけ、これを閉じさせて、燃料の流れを制限したり、または止めたりする。流路の閉塞によって、何らかの連続する安全ではない燃料の放出を抑止したり、および燃料源を等温ゾーンから隔離したりする。閉塞することによって、さらに、燃料転換と熱エネルギーがさらに作られることを抑止もする。
【００８８】
一つの実施形態において、出力流と入力流の質量流量は、通常動作においては実質的に等しい。しかし体積流量は、例えば化学反応または温度変化によって通常動作においても異なるかもしれない。流れセンサーは、直接質量流センサーまたは間接質量流センサーであることができるが、他のセンサーが適切に使用されることが可能である。別の実施形態において、流れセンサーは体積流センサーであり、電子回路は、体積流量において予期される差を補正する。当然ながら、質量センサーおよび流れセンサーの両方が共に使用され得る。
【００８９】
図７Ｂにおいて、燃料電池装置を調節する制御システムで使用するための好適な別の制御フローを図示する。図７Ｂに記載の制御フローは、図６に示した機器実施形態と共に使用するように、制御システム、制御可能バルブ、および温度センサーを機器が含むという程度において好適である。燃料電池、燃料改質器、および後部ガスバーナーのうちの少なくとも一つを含む等温ゾーンにおける温度を計測するために、温度センサーが使用される。事前設定された温度または温度範囲は、動作中の機器に対して決定されることが可能である。さらに温度事前設定は、燃料改質器、燃料電池、および後部ガスバーナーのような各種個別の機器構成要素について決定され得る。温度事前設定は、センサーが配置されている場所、介在する断熱材のレベル、使用されている燃料のタイプ、および他の関連する要因に基づいて計算され得る。
【００９０】
図７Ｂの制御フローに示すように、隔離された熱領域または装置内の他の対象領域における実際の温度と所定の事前設定された温度が比較される。値が整合する場合は、機器は通常の動作状態であると判断して計測が繰り返される。一つの実施形態において、許容可能な値の範囲が、事前設定された値と正確に整合する必要なく許可される。しかし、温度計測と事前設定された温度が実質的に異なる場合は、制御システムは、燃料の流れを制限するか、または別の方法で機器動作を停止させる。センサー、制御システム、および燃料調節要素を使用する他の能動制御フローアプローチも、発明の範囲内である。
【００９１】
上述の制御システムとセンサーベースのアプローチに加えて、装置の燃料タンクインターフェイス部に別の安全機構が一体化されることができる。図６の機器実施形態に関して、上述したように、燃料タンクまたはカートリッジなどの使い捨て可能または再充填可能な燃料源が、認証回路や、または燃料の送達を調節するための機械的インターフェイス部を含むように、製作されることが可能である。こうすることで、特定の燃料電池装置が、特定のベンダーからのブタンを用いて作動するのみの設計であるとき、燃料電池装置のインターフェイスは、燃料電池装置とやり取りする、標準的なブタン燃料タンクや、または他のタイプの燃料を含む燃料タンクを許容しない特定の形状を有して設計されてよい。タンクの特定のインターフェイス部と、装置が燃料送達を可能とするように組み合わされなければならない機械的ロックおよびキーモデルとを使用して、燃料タンク／燃料電池装置インターフェイス制御は実行され得る。上げ下げしたインターフェイスピンと溝のパターンも使用されて、このようにアクセス制御された燃料送達目的を達成することができる。
【００９２】
あるいは、電気的接点が関連する回路と共に燃料タンクに一体化され得て、その回路が対応する接点と燃料電池装置の燃料インターフェイス部の回路に接続することができる。タンクおよび／または燃料電池装置の両方の回路部は、タンク源を認証する都度やり取りして、タンクからの燃料送達が許可されるべきかを決定することができる。タンクがしかるべく許可されたものでない場合は、燃料装置は、連動することによって電子的に燃料送達を阻止する。すなわちフローバルブを開放して燃料が装置内に渡されることを許可しない。燃料電池装置は、燃料電池カートリッジに電気的に照会し、受動的または能動的応答信号を判断することができる。あるいは、燃料電池制御回路の機能的部分（例えばファームウェアやソフトウェア）が、燃料電池カートリッジに配置されてもよい。その結果、ユーザーは、燃料電池カートリッジが、許可された安全なカートリッジであることを確認することができる。
【００９３】
制御システム内または燃料電池のインターフェイス部内のいずれにおいても、回路を一体化することは、燃料電池装置が、燃料タンクの内容物を計測して燃料の残量を報告することも可能とする。このように、好適な回路を含めることで、燃料電池装置は、グラフィックディスプレイまたは他のアラーム要素を介して、燃料残量や、または現状の使用レベルを考慮したとき、特定の期間内に燃料が充分に消費されるであろうことを報告することができる。制御システムおよび／または種々の電気構成要素は、質量流センサーを使用することで、燃料消費をモニターすることができる。そして、消費された燃料の量を決定するため、流量は時間に関して積分され、または固定した時間間隔でサンプリングされ、格納されることができる。この情報は、燃料電池カートリッジのメモリーに定期的に書き込まれて、カートリッジに残る燃料の正確な報告を維持することができる。
【００９４】
燃料タンクまたは燃料電池カートリッジは、電子的に書き込み可能か再設定可能なカウンター機器も含むことができる。燃料がシステムによって使用されるとき、このカウンター機器は、燃料電池システムによって修正される。従って、カートリッジから引き出された燃料の量および／またはカートリッジ内に残る燃料の量が追跡され得る。この情報は、充分な燃料が利用可能ではないとき、燃料電池が動作しようとしないことを確実にすることで、ユーザーを保護するのに役立つ。このように、一つの実施形態においては、燃料リザーブレベルが事前設定されてよい。従って、燃料源が燃料リザーブレベルであることを、一旦、制御要素または回路が報告すると、燃料電池動作は低下されるか停止されることが可能である。燃料消費に関する請求書作成目的のためにカウンター機器が使用されることも可能である。この機構は、安全ではないかもしれないカートリッジが接続された場合に装置を停止する認証システムに関して、上述の実施形態の物と組み合わされることが可能である。燃料消費記録実施形態に関する代表的な制御フローを図７Ｃに示す。
【００９５】
上述の、制御システムセンサーベースのアプローチの中には、無毒および／または不揮発性の化合物が、燃料電池装置から排気として放出されることを確実にするように改変されることができるものもある。実質的に不揮発性の排気を生成するという目的は、受動的アプローチおよび能動的アプローチの両方を使用して達成されることができる。能動的アプローチにおいては、入ってくる空気、入ってくる燃料、および排気流量が計測される。このような異なる流量は、その後、電子的に比較されて、燃料格納機器から放出されている実質的に全ての燃料が処理されて、燃料電池機器によって排出されているかを決定する。過剰な燃料が放出されている場合は、未処理の燃料が排気として放出されている決定がなされ得、機器が停止されるか、またはタンクから送達された燃料の量が、必要として調節されることが可能である。
【００９６】
既存の燃料電池装置構成要素を使用して、燃料流を受動的に処理して、機器の排気中の熱エネルギーおよび望ましくない化学物質への、ユーザーの暴露を制限することも可能である。燃焼生成物が、排気流によって機器を出ることが可能である場合は、機器のユーザーは、毒性化合物または爆発性化合物に暴露されることがある。従って、燃料電池装置の排気が追加の加熱によって浄化され、危険な化合物のレベルが減少したことを確認することが望ましい。
【００９７】
ブタンなどの入力した燃料の幾ばくかも排気へと通り抜けることが無いようにするため、後部ガスバーナーおよび／または燃料電池は、全ての排気を酸化または燃焼し、主に水と二酸化炭素を生成する。このように浄化することで、水素、一酸化炭素、ホルムアルデヒド、またはメタノールのような、燃料改質器からの何らかの中間副産物の排出を抑制もする。酸化プロセスは、また、本明細書で先に記載したように熱を生成する。酸化は、例えば、隔離された後部ガスバーナーにおいて、または燃料電池の動作の一部として生じ得る。燃料電池装置内で生じ得る、燃焼または酸化以外の他の熱生成反応も、発明の範囲内である。このような機器構成要素によって生成された過剰な熱は、本明細書中に記載したように、反応温度を維持するために使用されて、実質的に全ての放出された副産物を確実に不揮発性とさせることができる。
【００９８】
後部ガスバーナーが誤動作すると、他のタイプの機器不具合が生じ得、燃料改質器が動作し続けることにより、各種の中間燃料の排気を引き起こし、その中には、毒性であり得るものもある。発明は、燃料電池と燃料改質器および後部ガスバーナーとを一体化させて、後部ガスバーナーまたは燃料電池装置からの熱が、燃料改質器の動作を維持するように使用されるようにする。このような動作は、取り囲む断熱材からの熱損失と、燃料電池、後部ガスバーナー、および燃料改質器の少なくとも一つによって生成された熱とを均衡させることにより達成される。通常に動作している間、燃料改質器を最低動作温度を上回って維持するための充分な熱が利用可能である。しかし、後部ガスバーナーが故障した場合は、不十分な熱しか利用できない。その結果、燃料改質器温度は、最大「オフ」温度を下回って低下し、燃料転換が停止するであろう。（例えばブタンに関する温度の詳細は図８）。
【００９９】
その結果、この温度低下は中間産物の生成を止めるか実質的に減少させる。従って、機器構成要素の配列は、１以上の構成要素が不具合であると、燃料転換反応を駆動するためには不十分な熱が維持されるという自己調節温度制御システムを提供する。従って機器構成要素の不具合は、ユーザーになんら害を生じさせることなく機器を停止させる。このような機構は、図６に関して上記した制御システムと組み合わせることにより、固体電解質型燃料技術を使用して、安全なバッテリー代替品の製作を可能とする。
【０１００】
図８は、ブタンを燃料電池装置のエネルギーに転換する温度特性の一部を示す。特に図８は、ブタン転化対温度のデータグラフを示し、ほぼ５００℃を超過する効率的な動作と、ほぼ３００℃を下回ってゼロに近い転化であることを示している。特定の温度は、形状依存性および成分依存性である（例えばメタノール転化であれば、比較的低い温度どうしである）。しかしグラフは、エネルギー転化の停止をもたらす温度レベルを知ることで、自己制限的反応制御パラメータとして反応温度範囲が使用され得る点を示唆する。その結果、安全制御システムの一部として、または通常動作中に、装置をオンオフするため、このような温度範囲が選択的に使用され得る。
【０１０１】
特定の燃料電池装置内の燃料改質器は、特定の燃料または特定の種類の燃料を処理するように作製されることが可能である。従って燃料改質器は、入力産物としてブタンを処理し、部分的に水素および一酸化炭素へと酸化するように適合されることが可能である。このようなブタン部分酸化の実施形態について、主要な転換は５００℃において生じ、より好ましくは６００℃、７００℃、または８００℃においてである。これに対して、４００℃を下回る比較的低い温度においては、このようなブタン特定実施形態について、転化はほとんど生じないか全く生じない。さらに、ブタン適合された燃料改質器について、約３００℃以下、約２００℃以下、または約１００℃以下における動作によっては、燃料転化がさらに減少する。代替の実施形態は、水とメタノールを水素と二酸化炭素に蒸気改質することに基づいている。このようなメタノール蒸気改質実施形態において、最小の「オン」温度は、典型的には、２００℃、２５０℃、３００℃、および３５０℃であり、一方最大の「オフ」温度は、典型的には、２００℃、１５０℃、１００℃、または５０℃である。従って機器の一部が故障するか、または装置がそれ以外にこのような範囲の一つに冷却されたとき、燃料転化は停止する。本明細書中に記載した温度制御に加えて、他の受動的アプローチも可能である。
【０１０２】
燃料電池装置の導管、シール、または壁部分の機械的破損によっては、熱いゾーンまたは熱い反応副産物を外部ユーザーまたは環境に暴露することがある。本発明の一つの実施形態においては、断熱空間において低減した圧力を使用する。この実施形態においては、機械的破損によって、部分的に真空が放散されながら必然的に断熱空間中での圧力の増加がもたらされる。その代わり、断熱空間中におけるこのような圧力の変化によって、燃料改質器、燃料電池、および、後部ガスバーナーの少なくとも一つを含むハウジングからの熱損失において劇的な増加が生じる。一つの実施形態において、断熱空間の形状は、最小動作温度を上回ってハウジングが維持される程度に低減された圧力において熱伝導が充分に低いようにされている。上述のように、この最小温度は、燃料転換反応を維持するために必要である。従って、断熱空間が大気圧またはその付近であると、断熱の利点がなくなり、ハウジングから多くの熱が追い出される。この熱損失と、それに伴って最大非動作すなわち「オフ」温度を下回るハウジング冷却により、燃料電池の動作を抑制する。
【０１０３】
「オフ」温度は、種々の安全性または動作要求を満たすように選択されてよく、例えば温度は、傷害のリスクを最小化するように充分に低い。これは点火によって爆発が発生することがない温度レベルを設定することにより、あるいは「オフ」温度は、毒性の中間体が形成され得ないように選択することで達成される。従って、機器パッケージに破損が生じても、断熱空間温度制御と反応温度の要求は、動作中の機器から熱がユーザーに到達するリスクを削減する。
【０１０４】
装置不具合は、燃料流量における微小変化による大きな温度スパイクまたは燃料電池効率の減少の結果としても生じる。固体断熱材を有する実施形態において、温度は、生成された熱にほぼ直線的に比例する。例えば、システムが４ワットの熱入力で８００℃において動作するように構成されており、熱入力が５ワットに増加すると、その後温度は、直線的に、１０００℃まで上昇し得る。この２００℃の温度の増加によって、材料溶解のような危険な故障状態を生じることがある。本発明において低減した圧力断熱空間（固体断熱材以外）を使用することで、および、低伝導管および電気接続要素を所望により使用することで、主な熱損失メカニズムは熱的に誘導されている放射となる。
【０１０５】
熱放射による熱損失の大きさは、絶対温度の４乗に比例する。このように超線形的な相関性の結果として、熱入力の微小な増加は、温度が少し増加するのみの結果となる。例えば、４ワットの熱入力を有して８００℃で動作するように構成された機器において、熱放射が唯一の熱損失メカニズムであり、熱入力が５ワットに増加すると、その後温度は、８６２℃に上昇するだけである。このような過剰な熱の低下は、安全性と効率性の両方に関して重要な改善である。その結果、このような別の理由から、低圧断熱空間を使用することで、ユーザーが熱エネルギーに暴露されるリスクを制限する安全な機器実施形態が可能となる。一つの代表的な実施形態において、発明は、７００℃と９００℃との間の公称温度で動作し、２５０ｍＴ未満の真空でパッケージされ、赤外放射が主な熱損失メカニズムであるような自己制限的燃料電池機器に関する。
【０１０６】
装置が故障状態または他の徴候の変則的挙動に入ると、熱い領域内から外部環境に伝搬する燃焼の可能性を低減することが望ましい。機器における各種流体流を規定する流体伝導要素の直径を寸法決めすることで、燃焼伝搬は調節することができる。従って、フレーアレスタ導管のような流体伝導要素の直径は、実験的最大セーフ・ギャップ（ＭＳＥＧ）の約１５４％未満に制約されてよい。例えば、米国防火協会（ＮＦＰＡ）は、水素についてのＭＳＥＧを０．２８ｍｍと記載している。従って、一つの実施形態において、流体伝導要素の直径は、約０．０５ｍｍから約０．４３ｍｍまでの範囲である。流体導管要素の長さも、長さが直径の約１５０％を超過するように制約され得る。このような値は、Ｂｒｉｔｔｏｎ，Ｌ．Ｇ．によるＰｒｏｃｅｓｓ  Ｓａｆｅｔｙ  Ｐｒｏｇｒｅｓｓ，１９，１４０−１４５（２００４）の「フレームアレスタを選択するための実験的最大セーフ・ギャップの使用（Ｕｓｉｎｇ  ｍａｘｉｍｕｍ  ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ  ｓａｆｅ  ｇａｐ  ｔｏ  ｓｅｌｅｃｔ  ｆｌａｍｅ  ａｒｒｅｓｔｅｒｓ）」に記載されたような実験的研究から得られる。
【０１０７】
このような導管の寸法決めに関する形状設計要求が機器を製作するために使用され、低減された圧力断熱空間も組み込まれているとき、機器故障イベントの間に、おそらく装置の外側に火炎は伝搬しなくなる。特に、断熱空間において、低減された圧力／低酸素レベルが、伝搬を阻止する。流体接続において、小さい直径と充分な長さの制約を受けた形状は、燃焼伝搬を阻止する。最も慎重な場合であるため、水素についての燃焼形状値を使用することが理に適っている。しかし、機器に存在するガス混合物についてのさらに正確な値も予期される。例えば、ＮＦＰＡは、ブタンについてＭＳＥＧを１．０７ｍｍと記載する。
【０１０８】
ブタンについてのＭＳＥＧを使用する実施形態は、直径が約０．０５ｍｍから約１．６５ｍｍの範囲の流体伝導要素を有してよい。このようなアプローチが上述の他の安全機構と組み合わされると、多くの安全でユーザーフレンドリーな機器実施形態が可能である。
【０１０９】
他の代表的機器の実施
上述の安全性、制御、モニタリング、および認証の方法ならびに機構は、各種代表的システムと機器において組み込まれることが可能である。従って、例えば異なる機器の実施が、センサー、制御システム、認証回路、および他の機構を組み込むことができる。代表的な機器の実施の中には、上述の安全機構をさらに含むことができるものもあるが、以下に提供する。
【０１１０】
第１の代表的機器実施において、機器は、ハウジングを含む燃料電池装置に関する。ハウジングは、実質的に等温ゾーンを規定している。このように、ハウジングは、燃料電池および後部ガスバーナーを等温ゾーンで一体化している。燃料電池および後部ガスバーナーは、熱連絡し、共通の壁を共有する。
【０１１１】
第２の代表的機器実施において、ハウジングは、燃料改質器を一体化し、燃料改質器は、燃料電池と熱連絡している。燃料電池および後部ガスバーナーは、約２Ｗ／ｃｃ以上の出力密度を生成するように配置されている。燃料電池は、固体電解質型燃料電池である。あるいは、別の実施形態において、固体電解質型燃料電池は、約５００μｍ以下、約１ｍｍ以下、または約１．５ｍｍ以下の厚みを有する膜層を含んでいる。固体電解質型燃料電池は、面内（ｉｎ−ｐｌａｎｅ）燃料電池スタックを作製する面を規定する複数の燃料電池を含むことができる。その一方、別の実施においては、ハウジングは、実質的に平行である２つの面内燃料電池スタックを含む。
【０１１２】
異なる機器実施は、後部ガスバーナーと流体連絡する低熱伝導流体接続要素を含むことができる。別の実施形態において、低熱伝導流体接続要素は、ミクロ機械加工された流体伝導管、同芯管、またはガラスキャピラリー管である。燃料電池と電気連絡する低熱伝導電気要素が発明の一部の実施形態に含まれている。低熱伝導電気要素は、１つの実施形態においては、約５０μｍ以下の直径を有している。あるいは、１つの実施形態においては、断熱空間がハウジングの外側に隣接して配置されている。断熱空間を有する機器については、断熱空間は、減少された圧力、断熱フォーム、熱反射体、またはそれらの組み合わせを含むことができる。１つの実施は、さらに、後部ガスバーナーと熱連絡する熱回収器を含む。さらに、熱回収器は、断熱空間中に配置されてもよい。
【０１１３】
一部の実施においては、燃料改質器は、燃料電池膜でさらに効率的に利用するため、ブタンをより小分子に転換する等、複合燃料を転換する。一部の局面においては、用語燃料改質器および燃料処理器が、当業者に交換可能に使用され得る。さらに、一部の局面においては、用語後部ガスバーナーおよび触媒コンバーターが、当業者に交換可能に使用され得る。一部の局面と実施形態においては、後部ガスバーナーは、燃料電池によってまだ転換も消費もされていない排気流中の何らかの燃料から、燃焼して有用な熱を抽出する。一部の局面と実施形態において、熱回収器または熱交換器は、燃料電池に入ってくる燃料と空気流の予熱に使用するため、熱エネルギーを反応器の排気流から抽出する。
【０１１４】
第３の代表的機器実施は、燃料電池と、燃料電池と熱連絡する後部ガスバーナーとを含む燃料電池装置に関する。燃料電池および後部ガスバーナーは、約２Ｗ／ｃｃ以上の出力密度を生成するように配置されている。
【０１１５】
第４の代表的機器実施は、固体電解質型燃料電池の動作中の熱損失を最小化する方法に関する。方法は、燃料電池を含むハウジングを提供する工程と、ハウジングの体積に対する出力の比率が約２Ｗ／ｃｃを超えるように、燃料電池を動作させる工程とを含む。
【０１１６】
第５の代表的機器実施において、機器は、第１の固体電解質型燃料電池と第２の固体電解質型燃料電池とを含む燃料電池装置に関する。第１の固体電解質型燃料電池は、アノード層、カソード層、および電解質層を含む。次に、第２の固体電解質型燃料電池は、アノード層、カソード層、および電解質層を含む。この局面において、第１の固体電解質型燃料電池の電解質層の中央線と、第２の固体電解質型燃料電池の電解質層の中央線との間の距離が、約１．５ｍｍ以下、または約１ｍｍ以下である。
【０１１７】
第６の代表的機器実施において、機器は、固体電解質型燃料電池と、固体電解質型燃料電池と流体連絡する低熱伝導流体接続要素とを含む燃料電池装置に関する。固体電解質型燃料電池は、約４００℃以上の温度で動作するように適合している。また、低熱伝導流体接続要素は、低熱伝導流体接続要素の中実（固体）の断面により、低熱伝導流体接続要素毎に約０．１ワット未満である熱損失を生成するように設計されている
【０１１８】
第７の代表的機器実施において、機器は、固体電解質型燃料電池と、固体電解質型燃料電池と電気連絡する低熱伝導電気要素と、を含む燃料電池装置に関する。固体電解質型燃料電池は、約６００℃以上の温度で動作するように適合しており、低熱伝導電気要素は、約０．５オーム以上の抵抗を有する。１つの実施形態において、低熱伝導電気要素は、白金を含み、約２００μｍ以下の、または約１００μｍ以下の直径を有する。
【０１１９】
第８の代表的機器実施において、機器は、固体電解質型燃料電池を含むハウジングと、ハウジングの外側に隣接して配置された断熱空間とを含む。断熱空間は、減少された圧力におけるものである。
【０１２０】
第９の代表的機器実施において、機器は、固体電解質型燃料電池を含むハウジングと、ハウジングの外側に隣接して配置された断熱空間と、固体電解質型燃料電池と熱連絡する熱交換器とを含む。熱交換器は、断熱空間内に配置されている。
【０１２１】
第１０の代表的機器実施において、機器は、固体電解質型燃料電池と、固体電解質型燃料電池と流体連絡する低熱伝導流体接続要素とを含む。固体電解質型燃料電池は、約４００℃以上の温度で動作するように適合している。低熱伝導流体接続要素は、低熱伝導流体接続要素の中実の断面により、低熱伝導流体接続要素毎に約０．１ワット未満である熱損失を生成するように設計されている。
【０１２２】
第１１の代表的機器実施において、機器は、固体電解質型燃料電池と、固体電解質型燃料電池と電気連絡する低熱伝導電気要素とを含む。固体電解質型燃料電池は、約４００℃以上の温度で動作するように適合しており、低熱伝導電気要素は、約０．５オーム以上の抵抗を有する。特定の実施形態において、低熱伝導電気要素は、白金を備え、および／または、約２００μｍ以下の直径を有する。
【０１２３】
第１２の代表的機器実施において、機器は、固体電解質型燃料電池を含むハウジングと、ハウジングの外側に隣接して配置された断熱空間と、を含む燃料電池装置に関する。断熱空間は、減少された圧力におけるものである。
【０１２４】
第１３の代表的機器実施において、機器は、固体電解質型燃料電池を含むハウジングと、ハウジングの外側に隣接して配置された断熱空間と、固体電解質型燃料電池と熱連絡する熱交換器とを含む燃料電池装置に関する。熱交換器は、断熱空間内に配置されている。
【０１２５】
第１４の代表的機器実施において、機器は、実質的に等温ゾーンを規定するため、かつ特定の空間内で要素を一体化するための空間分離手段を含む燃料電池装置に関する。従って、空間分離手段は、燃料を電気に変換するための手段、および、等温ゾーン内の何らかの燃料から、燃焼して熱エネルギーを抽出するための手段を一体化する。燃料を電気に変換するための手段と、燃焼して熱エネルギーを抽出するための手段とは、熱連絡しており共通の壁を共有する。１つの実施形態において、この空間分離手段はハウジングである。別の実施形態においては、空間分離手段は外側壁である。さらに別の実施形態においては、空間分離手段は、半導体構造である。
【０１２６】
発明は、その精神または本質的特徴から逸脱することなく他の特定の形態で具体化されてもよい。従って、先述の実施形態は、全ての点において、本明細書に記載した発明を限定するというよりも、説明のためであると考えられるべきである。従って、発明の範囲は、先述の説明というよりも添付の特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲の均等の意味と範囲内となる全ての改変が、その中に包含されることが意図されている。
【０１２７】
上記開示の各特許文書と科学刊行物は、参照により本明細書中に事実上一体化される。
【図面の簡単な説明】
【０１２８】
本明細書中の符号への参照は、発明の方法と装置のより良い理解を提供することを意図するものであるが、発明の範囲を特に描写した実施形態に限定する意図ではない。図面は必ずしも寸法どおりではなく、発明の原理を説明する際に代わりに強調が置かれている。各図における類似の参照記号は、典型的には対応する部分を示す。
【図１】発明の例示の実施形態に従った燃料電池装置の断面側面図。
【図２】発明の例示の実施形態に従った、流体接続部および熱回収器を有する燃料電池構成要素の斜視図。
【図３】発明の例示の実施形態に従った燃料電池装置における使用に適した形態に配置された、アノード、カソード、および電解質の概略図。
【図４】発明の例示の実施形態に従った別の燃料電池装置の断面側面図。
【図５】発明の例示の実施形態に従った燃料電池装置での使用に適した流路層の概略図。
【図６】発明の例示の実施形態に従った種々の安全機構を一体化する燃料電池装置の概略図。
【図７】図７Ａは、発明の例示の実施形態に従った燃料電池装置を調節する制御フローを示す概略図。図７Ｂは、発明の例示の実施形態に従った燃料電池装置を調節する制御フローを示す概略図。図７Ｃは、発明の例示の実施形態に従った燃料電池装置を調節する制御フローを示す概略図。
【図８】事前設定する温度に設定するのに適した温度の関数としてのブタン転化、および発明の実施形態を調節する反応温度範囲のグラフ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８】
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