(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学電池システムであって、
反応性表面を含む電気化学電池のアレイであって、該表面は、１つ以上の活性領域と、該１つ以上の活性領域と接触している１つ以上の活性の低い領域とを有する、電気化学電池のアレイと、
１つ以上の輸送バリア領域と１つ以上の開放領域とを有する輸送層を含むカバーと
を備え、
該輸送バリア領域は、該活性領域に近接し、該開放領域は、該活性の低い領域に近接する、電気化学電池システム。
【請求項２】
前記輸送バリア領域は、前記活性領域と実質的に整列される、請求項１に記載の電気化学電池システム。
【請求項３】
前記開放領域は、前記活性の低い領域と実質的に整列される、請求項１または２のいずれかに記載の電気化学電池システム。
【請求項４】
前記電気化学電池は、燃料電池を含む、請求項１〜３のいずれかに記載の電気化学電池システム。
【請求項５】
前記１つ以上の活性の低い領域は、隣接する活性領域を分離する、請求項１〜４のいずれかに記載の電気化学電池システム。
【請求項６】
前記１つ以上の活性領域は、１つ以上の触媒を含む、請求項１〜５のいずれかに記載の電気化学電池システム。
【請求項７】
前記１つ以上の輸送バリア領域の少なくとも一部分は、電気伝導性があるか、熱伝導性があるか、またはそれらの組み合わせであり、該輸送バリア領域の該伝導性の部分は、前記反応性表面の少なくとも一部分から電気的に絶縁される、請求項１〜６のいずれかに記載の電気化学電池システム。
【請求項８】
前記１つ以上の輸送バリア領域は、反応体に対して実質的に不浸透性である、請求項１〜７のいずれかに記載の電気化学電池システム。
【請求項９】
前記カバーと前記電気化学電池のアレイとの間に配置される多孔質層をさらに含む、請求項１〜８のいずれかに記載の電気化学電池システム。
【請求項１０】
前記多孔質層は、前記アレイの前記反応性表面上に配置される、請求項９に記載の電気化学電池システム。
【請求項１１】
前記多孔質層は、１つ以上の不連続点を含む、請求項９または１０のいずれかに記載の電気化学電池システム。
【請求項１２】
前記多孔質層、前記カバー、またはこれらが共に、取り外し可能である、請求項９〜１１のいずれかに記載の電気化学電池システム。
【請求項１３】
前記電気化学電池のアレイは、可撓性である、請求項１〜１２のいずれかに記載の電気化学電池システム。
【請求項１４】
電気化学電池アレイカバーであって、
１つ以上の輸送バリア領域と、１つ以上の開放領域とを含む輸送層を備え、
ここで、各輸送バリア領域は、電気化学電池のアレイの反応性表面の活性領域に近接し、そしてここで、各開放領域は、該電気化学電池のアレイの該反応性表面の活性の低い領域に近接する、
電気化学電池アレイカバー。
【請求項１５】
電気化学電池アレイを動作する方法であって、
電気化学電池アレイの活性領域をカバー中の開放領域を介して反応体流体と接触させることであって、該電気化学電池アレイは、反応性表面を含み、該表面は、１つ以上の活性領域と、該１つ以上の活性領域の間にはさまれた１つ以上の活性の低い領域とを有し、該カバーは、流体が通過し得る開放領域と、流体に対して実質的に不浸透性である輸送バリア領域とを含み、該カバーの該輸送バリア領域は、該アレイの該活性領域に近接し、該カバーの該開放領域は、該アレイの該活性の低い領域に近接し、該電気化学電池アレイの該カバーおよび該反応性表面は、該アレイの該活性領域に近接する局所的環境を規定する、ことと、
生成物流体が該局所的環境から除去されることをカバーの使用を通じて抑制することと
を包含し、
ここで、該局所的環境が、該カバーの該輸送バリア領域と該活性領域との間の容積中の大気である、
方法。
【請求項１６】
前記活性領域は、触媒とイオン交換膜とを含み、前記方法は、前記生成物流体によって該イオン交換膜を水和させることをさらに包含する、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
反応体流体を前記活性領域と接触させる速度を変えることと、生成物流体の除去を抑制することを変えることとをさらに包含する、請求項１５または１６のいずれかに記載の方法。
【請求項１８】
前記速度を変えることは、前記カバーの前記開放領域の寸法を変更することを包含する、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記速度を変えることは、多孔質層を通って前記流体を方向付けることを包含する、請求項１７または１８のいずれかに記載の方法。
【請求項２０】
前記多孔質層は、適応可能材料を含む、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（発明の優先権）
本特許出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）に基づき、２００８年１月１７日に出願された米国仮特許出願第６１／０２１，８２２号に対する優先権の利益を主張するものであり、該仮出願は参考として本明細書中に援用される。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムなどの電気化学電池システムは、広い範囲の用途に対する魅力的な電源として認められてきた。システムを取り囲む環境と、システムに近い環境との両方の環境条件は、電気化学電池の動作および性能に影響し得る。電気化学電池に近接する好都合な環境が電池性能を向上し得る。例として、湿度、温度、反応体の大量輸送、および電気化学電池に存在する汚染物質または汚染のレベルが、電池の性能に影響し得る。
【０００３】
現在、サブシステムが、電気化学電池システムに一体化されることにより、電気化学電池の動作パラメータを制御し、電気化学電池内に所望の状態を提供し得る。例えば、いくつかの燃料電池システムにおいては、外部の給湿システム、ヒータおよび冷却ループ、ならびに反応体の送達ポンプおよび流動場が、燃料電池の内部状態を調節するために存在している。あるいは、燃料電池システムは、内部状態の受動制御のための機能を一体化することによって、補助的構成要素の使用を最小化するように設計されてきた。例えば、燃料電池用の平面型アーキテクチャを有する燃料電池が開発されており、平面型アーキテクチャは、反応体を受け取る受動的呼吸表面を提供する。水分保持バリアは、燃料電池からの水分蒸発を管理するために用いられ得る。従来から、水分保持バリアは、活性エリアの上に配置された多孔質材料と、燃料電池の周囲のまわりに密封された不浸透性のフレームとを含む。
【０００４】
能動制御システムは、かなりの寄生的電力損失と、より大きな全体のフットプリントとを結果としてもたらし得る。さらに、内部状態を受動的に制御することを試みる既存技術は、今もなお膜脱水と、かなりの性能損失とを示す。流動場を用いる燃料電池に関して、全体の性能は、掛け値なしの自己給湿環境が可能であり得るのに、燃料電池にわたる一様でない含水量と、局在化したホットスポットとの結果として低くなり得る。平面型燃料電池アーキテクチャに関して、受動的呼吸表面からの水分の蒸発はなお、膜脱水を起こし得、性能は、膜中の不十分な含水量によって制限されたままである。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（概要）
本発明の実施形態は、電気化学電池システムに関する。システムは、反応性表面を含む電気化学電池のアレイを含み、表面は、１つ以上の活性領域と、１つ以上の活性領域と接触している１つ以上の活性の低い領域とを有する。システムはまた、輸送層を含むカバーを含み、輸送層は、１つ以上の輸送バリア領域と、１つ以上の開放領域とを有する。輸送バリア領域は活性領域に近接しており、開放領域は活性の低い領域に近接している。
【０００６】
実施形態はまた、輸送層を含む電気化学電池アレイカバーに関し、輸送層は、１つ以上の輸送バリア領域と、１つ以上の開放領域とを含む。輸送バリア領域は、電気化学アレイの１つ以上の電気化学電池の１つ以上の活性領域の上に重なる。
【０００７】
実施形態はまた、電気化学電池アレイを動作する方法に関し、方法は、電気化学電池アレイの活性領域を、カバー中の開放領域を介して反応体流体と接触させることと、生成物流体が局所的環境から除去されることをカバーの使用を通じて抑制することとを含む。
例えば、本発明は以下の項目を提供する。
（項目１）
電気化学電池システムであって、
反応性表面を含む電気化学電池のアレイであって、該表面は、１つ以上の活性領域と、該１つ以上の活性領域と接触している１つ以上の活性の低い領域とを有する、電気化学電池のアレイと、
１つ以上の輸送バリア領域と１つ以上の開放領域とを有する輸送層を含むカバーと
を備え、
該輸送バリア領域は、該活性領域に近接し、該開放領域は、該活性の低い領域に近接する、電気化学電池システム。
（項目２）
上記輸送バリア領域は、上記活性領域と実質的に整列される、項目１に記載の電気化学電池システム。
（項目３）
上記開放領域は、上記活性の低い領域と実質的に整列される、項目１に記載の電気化学電池システム。
（項目４）
上記電気化学電池は、燃料電池を含む、項目１に記載の電気化学電池システム。
（項目５）
上記１つ以上の活性の低い領域は、隣接する活性領域を分離する、項目１に記載の電気化学電池システム。
（項目６）
上記電気化学電池は、ガルバーニ電池、電解槽、電解浴、またはそれらの組み合わせを含む、項目１に記載の電気化学電池システム。
（項目７）
燃料電池は、陽子交換膜燃料電池、直接メタノール燃料電池、アルカリ燃料電池、燐酸燃料電池、溶融炭酸塩燃料電池、固体酸化物燃料電池、またはそれらの組み合わせを含む、項目４に記載の電気化学電池システム。
（項目８）
上記電気化学電池は、金属空気電池を含む、項目１に記載の電気化学電池システム。
（項目９）
上記１つ以上の活性領域は、１つ以上の触媒を含む、項目１に記載の電気化学電池システム。
（項目１０）
上記カバーは、取り外し可能である、項目１に記載の電気化学電池システム。
（項目１１）
上記カバーは、可搬型デバイス用の筐体に一体化される、項目１に記載の電気化学電池システム。
（項目１２）
上記１つ以上の輸送バリア領域は、水に対して実質的に不浸透性である、項目１に記載の電気化学電池システム。
（項目１３）
上記１つ以上の輸送バリア領域は、空気に対して実質的に不浸透性である、項目１に記載の電気化学電池システム。
（項目１４）
上記１つ以上の輸送バリア領域の少なくとも一部分は、電気的伝導性、熱的伝導性、またはそれらの組み合わせである、項目１に記載の電気化学電池システム。
（項目１５）
上記輸送バリア領域の上記伝導性の部分は、上記反応性表面の少なくとも一部分から電気的に絶縁される、項目１４に記載の電気化学電池システム。
（項目１６）
上記１つ以上の輸送バリア領域は、電気的絶縁、熱的絶縁、またはそれらの組み合わせである、項目１に記載の電気化学電池システム。
（項目１７）
多孔質層をさらに含む、項目１に記載の電気化学電池システム。
（項目１８）
上記多孔質層は、上記カバーと、上記電気化学電池のアレイとの間に配置される、項目１７に記載の電気化学電池システム。
（項目１９）
上記多孔質層は、上記アレイの上記反応性表面上に配置される、項目１７に記載の電気化学電池システム。
（項目２０）
電気化学電池アレイカバーであって、
１つ以上の輸送バリア領域と、１つ以上の開放領域とを含む輸送層を備え、
該輸送バリア領域は、電気化学アレイの１つ以上の電気化学電池の１つ以上の活性領域の上に重なる、電気化学電池アレイカバー。
（項目２１）
上記カバーは、取り外し可能である、項目２０に記載の電気化学電池アレイカバー。
（項目２２）
上記１つ以上の開放領域の寸法を変えるように構成されたパネルをさらに含む、項目２０に記載の電気化学電池アレイカバー。
（項目２３）
上記１つ以上の輸送バリア領域は、電気的伝導性、熱的伝導性、またはそれらの組み合わせである、項目２０に記載の電気化学電池アレイカバー。
（項目２４）
上記開放領域は、スロット、孔、ホール、多孔質材料、またはそれらの組み合わせを含む、項目２０に記載の電気化学電池アレイカバー。
（項目２５）
多孔質層をさらに含む、項目２０に記載の電気化学電池アレイカバー。
（項目２６）
上記多孔質層は、適応可能材料を含む、項目２５に記載の電気化学電池アレイカバー。
（項目２７）
上記多孔質層は、熱応答性ポリマーを含む、項目２５に記載の電気化学電池アレイカバー。
（項目２８）
上記熱応答性ポリマーは、複数の細孔を含む、項目２７に記載の電気化学電池アレイカバー。
（項目２９）
上記細孔は、より高い温度において低減される、項目２８に記載の電気化学電池アレイカバー。
（項目３０）
電気化学電池アレイを動作する方法であって、
電気化学電池アレイの活性領域をカバー中の開放領域を介して反応体の流体と接触させることと、
生成物の流体が局所的環境から除去されることをカバーの使用を通じて抑制することと
を包含し、
該電気化学電池は、反応性表面を含み、該表面は、１つ以上の活性領域と、該１つ以上の活性領域の間にはさまれた１つ以上の活性の低い領域とを有し、
該カバーは、流体が通過し得る開放領域と、流体に対して実質的に不浸透性である輸送バリア領域とを含み、
該カバーの該輸送バリア領域は、該アレイの該活性領域に近接し、
該カバーの該開放領域は、該アレイの該活性の低い領域に近接し、
該電気化学電池アレイの該カバーおよび該反応性表面は、該アレイの該活性領域に近接する局所的環境を規定する、
方法。
（項目３１）
上記活性領域は、触媒とイオン交換膜とを含み、上記方法は、上記生成物流体によって該イオン交換膜を水和させることをさらに包含する、項目３０に記載の方法。
（項目３２）
反応体流体を上記活性領域と接触させる速度を変えることと、生成物流体の除去を抑制することを変えることとをさらに包含する、項目３０に記載の方法。
（項目３３）
上記速度を変えることは、上記カバーの上記開放領域の寸法を変更することを包含する、項目３２に記載の方法。
（項目３４）
上記速度を変えることは、多孔質層を通って上記流体を方向付けることを包含する、項目３２に記載の方法。
（項目３５）
上記多孔質層は、適応可能材料を含む、項目３４に記載の方法。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
図面において、図面は、必ずしも縮尺通りに示されておらず、同様な参照番号は、いくつかの図にわたって実質的に同様な構成要素を記述する。異なる文字のサフィックスを有する同様な参照番号は、実質的に同様な構成要素の異なる例を表す。図面は、概して、本明細書において論じられる様々な実施形態を、例として示しているが、限定としては例示していない。
【図１】図１は、従来技術の電気化学電池システムの断面図を例示する。
【図２】図２は、いくつかの実施形態に従った、オフセットカバーを含む電気化学電池システムの断面図を例示する。
【図３】図３は、いくつかの実施形態に従った、オプションの多孔質層を有するオフセットカバーを含む電気化学電池システムの断面図を例示する。
【図４】図４は、いくつかの実施形態に従った、オプションの多孔質層を有するオフセットカバーを含む電気化学電池システムの断面図を例示する。
【図５】図５は、いくつかの実施形態に従った、オフセットカバーを利用する電気化学電池によって電力を供給された電子デバイスの斜視図を例示する。
【図６】図６は、いくつかの実施形態に従った、オフセットカバーを利用する電子デバイスの斜視図を例示する。
【図７】図７は、いくつかの実施形態に従った、電気化学電池アレイに反応体を送達する方法のブロックフロー図を例示する。
【図８】図８は、いくつかの実施形態に従った、計算された拡散距離対ギャップ高さのモデリング結果のグラフ図を例示する。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
詳細な説明は、添付の図面への参照を含み、図面は、詳細な説明の一部を形成する。図面は、発明が実施され得る特定の実施形態を例示として示す。これらの実施形態はまた、「例」として本明細書中に表される。本文書において参照されるすべての刊行物、特許、および特許文書は、参考として個々に援用されるかのように、それらの全体が参考として本明細書中に援用される。本文書と、参考としてそのように援用されるそれらの文書との間に矛盾する用法がある場合には、援用される参照における用法は、本文書の用法の補足と考えられるべきであり、両立しない矛盾に対しては、本文書の用法が優先する。
【００１０】
本文書において、用語「１つ（ａ）」または「１つ（ａｎ）」は、特許文書において一般的であるように、「少なくとも１つ」または「１つ以上」という任意の他の例または用法から独立な、１つ（ｏｎｅ）または１つを超える（ｍｏｒｅ  ｔｈａｎ  ｏｎｅ）を含むように用いられる。本文書において、非排他的または（ｏｒ）を表すために、用語「または」が用いられ、それによって、違った形で示されない場合には、「ＡまたはＢ」が、「ＡであるがＢでない」、「ＢであるがＡでない」、および「ＡおよびＢ」を含む。
【００１１】
添付の特許請求の範囲において、用語「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」と「それにおいて（ｉｎ  ｗｈｉｃｈ）」とが、それぞれの用語「包含する、備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」と「そこで（ｗｈｅｒｅｉｎ）」との明瞭な英語の均等物として用いられる。また、添付の特許請求の範囲において、用語「含む」および「包含する、備える」は無制限であり、すなわち、請求項においてそのような用語の後ろに列挙されたシステム、デバイス、物品、またはプロセスに加えて、要素を含むそれらがなお、その請求項の範囲に入ると見なされる。さらに、添付の特許請求の範囲において、用語「第一の」、「第二の」、および「第三の」などは単にラベルとして用いられ、それらの対象に数的な要求を課すことを意図していない。
【００１２】
本発明の実施形態は、電気化学電池アレイ用のカバーと、関連したシステムとに関する。本発明は、電気化学電池アレイの活性領域と、性能を期待以上に向上するカバーに一体化された輸送バリア領域との間の新規な構造的関係に関する。特に、カバーの輸送バリア領域が、電気化学電池の活性領域に近接して配置されることにより、活性領域と外部環境との間に輸送遮蔽を提供する。輸送バリア領域は、活性領域のすべてを遮蔽し得るかまたはその一部分を遮蔽し得る。いくつかの実施形態において、電気化学電池は、燃料電池であり得る。
【００１３】
従来的に、より高い電流密度における燃料電池などの電気化学電池の動作は、一般に、活性エリアに近接する領域を開放するかまたは拡張することによって活性エリアへの大量輸送を増大させることが好ましい。しかしながら、本発明の実施形態は、代わりに、活性エリアを取り囲む活性の低いエリアを通って活性エリアへの間接的な流動経路を提供することによって、活性エリアと外部環境との間に輸送バリアを有する材料を用いる場合には、活性エリアへの十分な反応体の送達を可能にする。
【００１４】
この間接的流動経路は、活性エリアをわたってより好都合な状態を提供する微小環境または局所的環境を促進することにより、燃料電池の性能を向上し得る。この間接的流動経路は、反応性表面に垂直な活性領域への輸送を効果的に低減し、反応性表面に対して面内の活性領域への輸送を増大させ得、さらに多孔質層を通る曲がりくねった流動を含み得る。間接的流動は、電気化学電池の活性領域周辺のすべてに接触するかまたはその一部分だけに接触する。
【００１５】
カバーは、例えば、「Ｄｅｖｉｃｅｓ  ｐｏｗｅｒｅｄ  ｂｙ  ｃｏｎｆｏｒｍａｂｌｅ  ｆｕｅｌ  ｃｅｌｌｓ」という発明の名称の共有に係る米国特許出願公開第２００７／００９０７８６号と、「Ｆｌｅｘｉｂｌｅ  ｆｕｅｌ  ｃｅｌｌｓ  ｈａｖｉｎｇ  ｅｘｔｅｒｎａｌ  ｓｕｐｐｏｒｔ」という発明の名称の共有に係る米国特許出願公開第２００６／０１２７７３４号と（それらの開示全体は参考として本明細書中に援用される）に記載されるような、可搬型デバイスの筐体内に一体化され得る。カバーは、燃料電池の受動的な反応体送達表面の上に配置され得る。燃料電池のアーキテクチャは平面であり得るが、カバーは、任意の適切なアーキテクチャに適合させられ得る。そのような燃料電池の例は、「ＥＬＥＣＴＲＯＣＨＥＭＩＣＡＬ  ＣＥＬＬＳ  ＨＡＶＩＮＧ  ＣＵＲＲＥＮＴ−ＣＡＲＲＹＩＮＧ  ＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ  ＵＮＤＥＲＬＹＩＮＧ  ＥＬＥＣＴＲＯＣＨＥＭＩＣＡＬ  ＲＥＡＣＴＩＯＮ  ＬＡＹＥＲＳ」という発明の名称の共有に係る米国特許出願公開第２００５／０２５０００４号と、２００８年９月２５日に出願された「Ｆｕｅｌ  ｃｅｌｌ  ｓｙｓｔｅｍｓ  ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ  ｓｐａｃｅ−ｓａｖｉｎｇ  ｆｌｕｉｄ  ｐｌｅｎｕｍ  ａｎｄ  ｒｅｌａｔｅｄ  ｍｅｔｈｏｄｓ」という発明の名称の共有に係る米国特許出願第１２／２３８，２４１号と（それらの開示全体は参考として本明細書中に援用される）に見出され得る。カバーに含まれる材料は、伝導性材料および非伝導性材料の組み合わせを含み得る。
【００１６】
（定義）
本明細書中に用いられる場合に、「反応性表面」は、電気化学反応のすべてまたは一部分が維持されるかまたは実行される電気化学電池アレイの表面を表す。
【００１７】
本明細書中に用いられる場合に、「活性領域」は、電気化学電池または電池アレイの反応性表面と接触するかまたは一体化された反応性エリアを表す。活性領域は、電気化学反応のすべてまたは一部分を維持する。活性領域は、例として、１つ以上の触媒、伝導性材料または非伝導性材料、あるいはガス拡散層を含み得る。
【００１８】
本明細書中に用いられる場合に、「活性の低い領域」は、電気化学電池または電池アレイの表面と接触するかまたは一体化されたエリアを表し、そこでは、電気化学反応が起こらないかまたは維持されないか、あるいはごくわずかな量だけが起こるかまたは維持される。活性の低い領域は、集電器、構造的支持部材、または絶縁ギャップを含み得る。
【００１９】
本明細書中に用いられる場合に、「輸送層」は、反応体の流動用の流動経路を提供する電気化学電池カバーの中の領域を表す。反応体の流動は、流動経路を通って能動的または受動的に移動し得る。輸送層は、例えば、輸送バリア領域と開放領域とを含み得る。
【００２０】
本明細書中に用いられる場合に、「輸送バリア領域」は、輸送機構を妨げたり、それに作用したり、それをブロックしたりする材料または構成要素を表す。輸送バリア領域は、機械的カバーであり得、例えば、空気または水または燃料電池の反応体（例えば、燃料）に対して実質的にまたは完全に不浸透性であり得る。例えば、妨げられたり、作用されたり、ブロックされたりする機構は、輸送機構の任意の組み合わせであり得、輸送機構には、活性エリアからの水分蒸発（例えば、活性領域上の低減された対流性の流体流動に起因する）、完全にまたは部分的に解隊した水蒸気、活性領域と外部環境との間の熱伝達（方向に依存しない）、汚染物質および／または汚染物（例えば、ＣＯ、ＮＨ３、ＮＯＸ、揮発性の有機化合物、塩）の低減された流入、活性エリアからの電流伝達（または電流の欠乏）などを含む。これらの機構は、電気化学電池中の増大した相対湿度、膜水和、より高い動作圧力、より高い限界電流密度、向上した面内の伝導度などの他の有益な状態を提供し得る。輸送バリア領域は、伝導性または非伝導性であり得るか、あるいは伝導性領域および非伝導性領域を含む組成物であり得る。伝導度は、導電率または熱伝導率を表し得る。電気的伝導性の場合には、輸送バリア領域は、活性領域から電気的に絶縁され得る。１つ以上の輸送バリア領域の一部分は、例えば、電気的伝導性、熱的伝導性、またはそれらの組み合わせであり得る。輸送バリア領域は、熱的絶縁、電気的絶縁、またはそれらの組み合わせであり得る。
【００２１】
本明細書中に用いられる場合に、「開放領域」は、反応体が流動し得る経路を表す。開放領域は、ホール、孔、スロット、パネル、細孔または多孔質の材料または層であり得る。
【００２２】
本明細書中に用いられる場合に、「電気化学アレイ」は、電気化学電池の順序正しくされた群を表す。アレイは、例えば、平面形または円筒形であり得る。電気化学電池は、エッジ収集型燃料電池などの燃料電池を含み得る。電気化学電池は、バッテリを含み得る。電気化学電池は、ガルバーニ電池、電解浴、電解槽、またはそれらの組み合わせであり得る。燃料電池の例としては、陽子交換膜燃料電池、直接メタノール燃料電池、アルカリ燃料電池、燐酸燃料電池、溶融炭酸塩燃料電池、固体酸化物燃料電池、またはそれらの組み合わせを含む。電気化学電池は、亜鉛空気燃料電池、亜鉛空気バッテリ、またはそれらの組み合わせなどの金属空気電池を含み得る。
【００２３】
本明細書中に用いられる場合に、「二次元（２−Ｄ）燃料電池アレイ」は、１次元において薄く、かつ多くの燃料電池を支持するシートを表す。二次元燃料電池アレイは、柔軟な燃料電池の層であり得る。柔軟な燃料電池層は、例えば、１つ以上の柔軟な構成要素と一体化された１つ以上の剛体の構成要素を有する電気化学層を取り囲むように全体的にまたは部分的に柔軟であり得る。燃料電池は、シートの一方の面からアクセス可能な一方のタイプの活性エリアまたは活性領域（例えば、カソード）と、シートの対向する面からアクセス可能な別のタイプの活性エリアまたは活性領域（例えば、アノード）とを有する。活性エリアは、シートのそれぞれの面のエリア内に横たわるように配置され得る（例えば、シート全体が活性エリアによってカバーされる必要はないが、燃料電池の性能は、その活性エリアを増大することによって増大させられ得る）。
【００２４】
本明細書中に用いられる場合に、「外部環境」または「外部条件」または「環境条件」は、その環境がデバイスまたは筐体の内側または外側にあるか否かにかかわらず、カバーに近接する大気を表す。例えば、外部条件は、温度、湿度、汚染物質、または汚染レベルを含む。
【００２５】
本明細書中に用いられる場合に、「局所的環境」または「微小環境」または「局所的条件」は、電気化学電池アレイの活性領域（１つ以上）に近接する大気を表す。そのような微小環境は、反応体流体が電気化学電池の活性領域と相互作用する環境であり得る。例えば、局所的環境は、活性領域と、カバーの輸送バリア領域との間の容積中の大気を表し得る。局所的条件は、例えば、温度、湿度、汚染物質、または汚染レベルを含み得る。
【００２６】
本明細書中に用いられる場合に、「金属空気電池」は、亜鉛空気燃料電池、亜鉛空気バッテリ、またはそれらの組み合わせを含む電気化学電池を表す。
【００２７】
図１を参照すると、従来の電気化学電池システムの断面図１００が示されている。電気化学電池システムは、反応性表面１０４上に配置された、点在した活性の低い領域１０８および活性領域１０６の組み合わせを含み得る。平面型電気化学電池層において、アノードとカソードとは、層の対向する側に配置され得る。燃料電池において、燃料（例えば、水素、メタノール、ブタン、蟻酸）が、燃料電池層１０２のアノード（図示されず）に提供され、一方で、酸化体１１６（例えば、空気）が、反応性表面１０４上の活性領域１０６（例えば、カソード）に提供される。燃料と酸化体とが反応して、電気と反応生成物１１８（例えば、燃料組成に依存する水蒸気、ＣＯ２など）とを形成する。燃料電池は、適切な動作を保証するために、支持、圧縮などを提供する一部の形態の外部構造がしばしば必要である。電気化学反応が活性領域への反応体のアクセスに依存するので、従来の論理は、任意のそのような支持システムまたはカバーの非多孔質エリアを、燃料電池の活性エリアから離して配置することを指示する。図１に例示されるように、非多孔質領域または輸送バリア１１２が、燃料電池アレイの活性の低い領域１０８に対して最も近くに配置され、一方で、開放領域１１４が、アレイの活性領域１０６に対して最も近くに配置される。そのような様態において、最大の空気アクセス１１６が、アレイの活性領域１０６に提供される。さらに、反応体生成物１１８が、反応部位から容易に除去され得る。
【００２８】
陽子交換膜（ＰＥＭ）を用いる燃料電池アレイなどの電気化学電池アレイの動作に対してさらに考慮すべきことは水分の平衡である。陽子交換膜は、陽子の輸送を促進するために、特定の量の水和を必要とする。なぜならば、陽子の伝導度が膜の含水量によって影響されるからである。しかしながら、電解質と結合する電極を水に浸し、電極中の細孔またはガス拡散層をブロックする非常に多くの水が存在してはならない。従って、平衡が、膜の十分な給湿と、カソードからの水の十分な蒸発との間に必要である。この平衡は、特に、受動的燃料電池において達成することが困難であり得る。
【００２９】
図２を参照すると、いくつかの実施形態に従った、オフセットカバーを含む電気化学電池システムの断面図２００が示されている。電気化学電池アレイ２０２は、反応性表面２０４上に配置された、１つ以上の活性領域２０６と、１つ以上の活性の低い領域２０８とを含み得る。活性の低い領域２０８は、活性領域２０６と接触するかまたは活性領域２０６を取り囲み得るか、活性領域２０６の間にはさまれ得るか、または隣接する活性領域２０６を随意に分離し得る。活性領域２０６が、例えば、活性の低い領域２０８と交互になり、それによって、各々の活性領域２０６が、活性領域２０６の各々の側の活性の低い領域２０８に隣接する。活性領域２０６は、幅（ｗ）２２０を有し得る。「カバー」とも呼ばれ得る輸送層２１０は、開放領域２１４と、輸送バリア領域２１２とを含み得る。例示された実施形態において、輸送バリア領域２１２が、電気化学電池アレイの活性領域２０６と実質的に整列され得、一方で、開放領域２１４が、アレイの活性の低い領域２０８と実質的に整列され得る。そのような構成において、（図１に例示されたように）活性領域１０６への直接的アクセスを有する反応体の流動１１６ではなく、（図２に例示されたように）反応体の流動２１６は、代わりに、活性領域２０６に間接的に提供され得る。そのような実施形態において、反応体の流動は、活性領域と直接的に接触させるのではなく、活性領域２０６の周辺から活性領域２０６の平面に沿って活性領域２０６の反応部位に向けられ得る。
【００３０】
図２に示された実施形態において、活性エリアへの空気のアクセスは、活性領域の（頁面の中への）長さと、空気ギャップδ２２２の寸法とに比例し、活性領域の幅ｗ（２２０）に反比例し得る。対照的に、図１に例示されたアレイの活性エリアへの空気アクセスは、活性領域１０６の（頁面の中への）長さと、活性領域１０６の幅１２０とに比例し得る。活性領域と空気ギャップとの寸法に依存して、図２に示された活性領域への空気アクセスは低減され得る（例えば、図１に示されたアレイに対して）。さらに、活性領域２０６の反応部位への酸化体の輸送は、酸化体の対流的輸送ではなく拡散によって起こり得る。アレイが正しく動作するためには、少なくとも化学量論的量の酸化体が、活性領域の反応部位にアクセスする必要がある。しかしながら、膜の乾燥を防止するために、化学量論的量を超えて酸化体のアクセスを制限することが有利であり得る。
【００３１】
モデリング結果は、図２に示された構成が実用的なサイズ限界を有し得ることを示す。電気化学電池アレイが空気呼吸燃料電池アレイであり、オフセットカバーがアレイのカソードに近接して配置される実施形態において、燃料電池が動作するための十分な酸素をなお得るために、式１
【００３２】
【数１】
0005490019.tif 000002
が、酸素拡散距離を計算するために用いられ得る。ここで、ＤＯ２が酸素拡散率であり、ｈｐがδ２２２であり、Ｆがファラデー定数（９６４８５Ｃ）であり、ＣＯＯ２が輸送バリア領域のエッジにおける酸素濃度であり、Ｉが酸素消費率（電流密度）である。電流密度および酸素消費率はまた、酸素の使用可能性に影響し、より高い消費率において、より多くの酸素アクセスがデバイス動作を維持するために必要とされ得る。
【００３３】
図８は、酸素が固体カバーの下を横向きに拡散し得る最大の距離対プレナムの高さ（図２のδ２２２）を例示し、仮定としては、酸素が（多孔質層を通って対向するような）空気によって満たされた空間を通って拡散し、電流密度Ｉが１２５ｍＡ／ｃｍ２であり、輸送バリア領域のエッジにおける酸素濃度ＣＯＯ２が０．１である。
【００３４】
図３を参照すると、オプションの多孔質の中間層３５０が、輸送層３１０とアレイ３０２との間に配置され得る。アレイ３０２は、反応性表面３０４を含み、そこでは、活性領域３０６と、活性の低い領域３０８とが、反応性表面３０４によって支持されるかまたはそれに一体化され得る。多孔質中間層３５０は、反応性表面３０４と、輸送層３１０との間に位置決めされ得る。多孔質層は、アレイ３０２の反応性表面３０４上に配置されたそれ自体が別個のエンティティであり得、反応性表面３０４のすべてまたは一部分に一体化され得るかまたは輸送層３１０に一体化され得る。多孔質層がアレイとカバーとの間に配置される場合には、モデリング結果は、開放性空間に対して多孔質層を通る流体の異なる（例えば、より低い）拡散率によって影響される。その結果、多孔質層の付加は、活性領域の最大の許容幅ｗ（３２０）に影響を与え得る。例えば、多孔質媒体内の流体の拡散率が開放性空間内の流体の拡散率よりも低い場合には、最大の拡散距離（従って、活性領域の最大幅）が、カバーと電池との間に多孔質媒体を有しない実施形態よりも低くなる。
【００３５】
電気化学電池への反応体の供給に影響することに加えて、輸送バリア領域の配置およびサイズと、開放領域の配置およびサイズとを含むカバー、ならびにオプションの多孔質層は、アレイに最も近い局所的環境からの反応生成物流体の除去にさらに影響し得る。例えば、空気呼吸燃料電池アレイにおいて、カバーは、アレイのカソードへの酸素のアクセスに影響し得るが、局所的環境から生成物水蒸気を除去することも妨げ得る。多孔質層は、局所的環境中の拡散率に影響することによって利益を提供し、それによって、十分な酸素が、カソードに提供されることにより、電気化学反応を維持し得るが、生成水の拡散が、イオン交換膜中の適正な陽子伝導度を提供するように十分に抑制されることにより、また反応を維持し得るが、燃料電池アレイのカソードが過剰の水に浸されるようになる位置まで抑制されないことがあり得る。
【００３６】
別の実施例において、カバーは、燃料電池アレイのアノードの最も近くに配置され得、アノードに提供される燃料の速度と量とに影響し得る。
【００３７】
多孔質層は、適応可能材料から製造され得る。多孔質層は、熱応答性ポリマーから製造され得る。ポリマーは複数の細孔を含み得る。カバーに含まれる適応性材料は、カバーに対する外部の状態、燃料電池の状態または燃料電池の近くの状態、能動制御機構、他の刺激、またはそれらの任意の組み合わせに応答し得る。状態の一部の例は、温度、湿度、電気的流動などを含む。熱応答性で適応可能材料の１つの例が、２００１年５月２９日に出願された「ＦＵＥＬ  ＣＥＬＬ  ＨＡＶＩＮＧ  Ａ  ＴＨＥＲＭＯ−ＲＥＳＰＯＮＳＩＶＥ  ＰＯＬＹＭＥＲ  ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＥＤ  ＴＨＥＲＥＩＮ」という発明の名称の米国特許第６，６９９，６１１号に記載され、その開示は本明細書中に援用される。
【００３８】
カバーは、複数の構成要素または層を含み得る。例えば、カバーは、輸送層（輸送バリア領域および開放領域を有する）と電気化学電池との間に配置された多孔質層を含み得る。カバー、外部の層、多孔質層、他の適切な層、またはそれらの任意の組み合わせは、取り外し可能であり得、および／または、刺激に応答する適応性材料を含み得る。取り外し可能な機能と、適応性材料とを有するカバーの例は、２００８年９月２５日に出願された「ＦＵＥＬ  ＣＥＬＬ  ＣＯＶＥＲ」という発明の名称の、共有に係る同時係属中の米国特許出願第１２／２３８，０４０号に記載され、その開示は参考として本明細書中に援用される。
【００３９】
図２および図３を参照すると、カバーまたは輸送層は、電気化学電池の活性領域２０６、３０６に近接する輸送バリア領域２１２、３１２、および活性の低い領域２０８、３０８に近接する開放領域２１４、３１４を含む。輸送バリア領域２１２、３１２は、活性領域２０６、３０６と実質的に整列されるように配置され得るか、あるいは活性領域幅（ｗ）２２０、３２０よりもわずかに小さい幅であるかまたは活性領域幅２２０、３２０よりもわずかに大きい幅であるように配置され得る。そのような実施形態において、輸送バリア領域２１２、３１２は、活性の低い領域２０８、３０８と重複し得ることが可能である。比例して、活性領域２０６、３０６の上に配置された輸送バリア領域２１２、３１２の部分は、活性の低い領域２０８、３０８の上の部分よりも大きくあり得る。開放領域２１４、３１４は、反応体が電気化学電池アレイに接触することを可能にし、開放領域のサイズは、アレイへのより多いかまたはより少ない反応体のアクセスを可能にするために変わり得る。いくつかの実施形態において、カバーは、１つ以上の燃料電池のカソード領域への酸化体の輸送に影響するように用いられ得る。輸送バリア領域２１２、３１２は、活性領域２０６、３０６と完全に整列するかまたは活性領域２０６、３０６と重複し得る。開放領域２１４、３１４は、実質的に活性の低い領域２０８、３０８と整列され得るか、あるいは活性の低い領域２０８、３０８よりも幅が小さいかまたは大きくあり得る。輸送バリア領域２１２、３１２が導電性である場合には、それらは、活性領域２０６、３０６から部分的にまたは完全に電気的に絶縁され得る。これは、例えば、輸送バリア領域２１２、３１２を活性領域２０６、３０６から実質的に絶縁し、輸送バリア領域２１２、３１２を活性の低い領域２０８から絶縁するか、または輸送バリア領域２１２、３１２のいずれかの少なくとも一部分から絶縁することによって遂行され得る。輸送バリア領域２１２、３１２は、アレイ中の隣接する電池間の短絡を避けるために選択された活性領域と活性の低い領域とから絶縁され得る。電気的構成において可能な多くの変化（例えば、並列、直列、それらの組み合わせ）が存在し、電気的絶縁は、それに応じて決定され得ることが当業者によって理解される。
【００４０】
図４を参照すると、多孔質の中間層４５２が電気化学電池アレイ４０２の全体にわたって延びない実施形態の断面的な概略図が示される。概略図が単に例示目的のためであり、多孔質の中間層４５２が例示されているよりも大きいかまたは小さくあり得るか、あるいは代替的に、多孔質層は、活性領域４０６の幅４２０をわたって延び得るが、活性の低い領域４０８をわたって切れ目を有することは理解されるべきである。上記議論は、酸化体を電気化学電池アレイのカソードに接触させることを示したが、同じ原理は、反応体（例えば、燃料）を電気化学電池アレイのアノードと接触させることに適用し得る。
【００４１】
図５を参照すると、いくつかの実施形態に従った、オフセットカバーを利用する電気化学電池によって電力を供給される電子デバイスの斜視図５００が示されている。オフセットカバー５０４は、付着されるかまたは電子デバイス５０２との接触状態にあり得る。カバー５０４は、孔、スロットまたはパネルなどの開口５０６、５０８を含み得る。カバー５０４は、複数の細孔またはホール６０２（図６を参照）を含み得る。
【００４２】
パネルは、開放領域または開口５０６、５０８の寸法を変えるために、カバーの中に構成され得る。カバー５０４はまた、例えば、多孔質材料を含み得る。パネルは、活性領域と外部環境との間の反応体の流動を変えるために、開放領域または開口５０６、５０８のアパーチャを修正する（例えば、開放領域にわたって摺動することによって）ように提供され得る。パネルの位置は、露出した活性領域を有する様々な電気化学電池に適応するために変わり得る。例えば、パネルは、電気化学電池の活性エリアの一部分を選択的に露出するか、または電気化学電池アレイの一部分を選択的に露出するように位置決めされ得る。パネルの位置は、ユーザが手動または電子的機構を介して作動させ得るか、または検出された条件に基づいて作動され得る。パネルの位置を変えるための条件の一部の例は、可搬型の用途デバイスの外部の環境条件、システムの性能、および待機モードまたは電力送達モードなどのモードを含む。
【００４３】
電子デバイス５０２は、燃料電池駆動のデバイスであり得る。デバイス５０２は、セル式電話、衛星電話、ＰＤＡ、スマートフォン、ラップトップコンピュータ、コンピュータアクセサリ、ウルトラモバイルパーソナルコンピュータ（ＵＭＰＣ）、ディスプレイ、個人用オーディオまたはビデオプレーヤ、医療用デバイス、テレビ、トランスミッタ、レシーバ、照明デバイス、懐中電灯または電子玩具であり得る。デバイス５０２は、例えば、燃料電池駆動の電子デバイス用の電気分解槽などの燃料補給器であり得る。燃料電池用の燃料は、例えば、水素であり得るが、メタノール、アンモニアボラン、ヒドラジン、エタノール、蟻酸、ブタン、ホウ化水素化合物などのような任意の適切な燃料が利用され得る。
【００４４】
カバー５０４は、取り外し可能であり得るかまたはデバイス５０２の筐体に一体化され得る。カバー５０４の１つ以上の輸送バリア領域が、例えば、デバイス５０２の筐体に一体化され得る。
【００４５】
図７を参照すると、いくつかの実施形態に従った、電気化学電池アレイを動作する方法のブロックフロー図７００が示されている。電気化学電池アレイは、１つ以上の活性領域と、１つ以上の活性領域と接触している１つ以上の活性の低い領域とを有する反応性表面を含み得る。活性領域は、触媒とイオン交換膜とを含み得る。カバーは、流体が通過し得る開放領域と、流体に対して部分的にまたは実質的に不浸透性の輸送バリア領域とを含み得る。カバーの輸送バリア領域は、アレイの活性領域に近接し得、カバーの開放領域は、アレイの活性の低い領域に近接し得る。電気化学電池アレイのカバーと反応性表面とは、アレイの活性領域に近接する局所的環境を規定し得る。
【００４６】
電気化学電池アレイの活性領域は、カバー中の開放領域を介して反応体流体と接触させられ得る。さらに、生成物流体は、電気化学電池に最も近い局所的環境から除去されることをカバーの使用を通じて抑制され得る。
【００４７】
イオン交換膜を有する燃料電池アレイの場合に、生成物流体の除去を抑制することは、さらに、アレイの動作のために有益であり得る、イオン交換膜を水和するかまたは給湿することを結果としてもたらし得る。
【００４８】
接触させること７０２と、抑制すること７０４とは、拡散によるなど受動的であり得る。反応体は、反応体の速度を下げ得る、（カバー中の開放領域経由の）活性領域への間接的経路をたどり得る。そのような反応体の流動は、例えば、対流性であるよりも拡散性であり得る。
【００４９】
反応体流動を活性領域と接触させること７０２と、生成物流体の除去を抑制すること７０４とが、影響されたり、限定されたり、妨害されたりし得る。影響は、例えば、開放領域の寸法を変えることかまたは多孔質層を通る反応体の流動を方向付けることを含み得る。多孔質層が適応可能材料を含む場合には、影響は、適応可能材料の特性を変えることを含み得る。適応可能材料の特性は、例えば、その有孔率であり得る。接触させること７０２と、抑制すること７０４とは、アレイの電気化学電池に近接する環境条件に応答して変わり得る。環境条件は、温度、湿度、または環境汚染レベルのうちの１つ以上を含み得る。
【００５０】
接触させること７０２と、抑制すること７０４とはまた、例えば、信号に応答して変わり得る。例えば、適応性材料は、信号に応答して加熱され得る。適応性材料を加熱することによって、適応性材料の特性のうちの１つ以上が変わり得る。別の実施例において、開放領域のアパーチャが、信号に応答して拡大するかまたは低減され得る。
【００５１】
電気化学電池アレイの性能が、定期的に決定されるかまたは連続的に監視され得る。
【００５２】
上記の説明は、例示であり、限定ではないことを意図している。例えば、上記された例は、互いと組み合わせて用いられ得る。他の実施形態が、上記の説明を検討する当業者などによって用いられ得る。また、上記の詳細な説明において、様々な機能が、開示を簡素化するためにグルーピングされ得る。これは、請求されていない開示された機能が任意の請求項に不可欠であることを意図することとして解釈されるべきでない。むしろ、本発明の主題は、特定の開示された実施形態のすべての機能よりも少なくあり得る。従って、添付の特許請求の範囲は、別個の実施形態としてそれ自体に基づく各々の請求項によって詳細な説明の中に援用される。本発明の範囲は、そのような請求項が与えられる均等物の完全な範囲とともに、添付の特許請求の範囲に関して決定されるべきである。
【００５３】
要約書は、読者が技術的開示の本質および要点を迅速に確かめることを可能にするために、米国特許法施行規則第１．７２条（ｂ）に従って提供される。要約書は、特許請求の範囲の意味または範囲を解釈したり、限定したりするために用いられないという理解によって提出される。
【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７】
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【図８】
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