(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水を電解するためのデバイスであって、
前記デバイスは、電解ユニットを備え、
前記電解ユニットは、
チャンバと、
前記チャンバ内のイオン交換構造であって、
前記チャンバを第１の区画および第２の区画に分離するように構成されたイオン交換部材と、
前記イオン交換部材の第１の部分に配置されたカソードであって、前記第１の区画内に位置するカソードと、
前記イオン交換部材の第２の異なる部分に配置されたアノードであって、前記第２の区画内に位置するアノードと
を備える、イオン交換構造と
を備え、
前記デバイスは、
前記イオン交換構造内の水の電解から生じる水素ガスを受容する高圧チャンバを封入するケースと、
バネ荷重空気袋を備える圧潰式リザーバを封入するリザーバ筐体であって、前記リザーバ筐体は、前記高圧チャンバ内に配置されており、前記リザーバ筐体は、前記圧潰式リザーバの内側部分と前記電解ユニットの前記チャンバの前記第２の区画との流体連通を提供する少なくとも１つのチャネルと、前記高圧チャンバと流体連通する少なくとも１つのポートとを有し、前記圧潰式リザーバは、水を貯蔵し、貯蔵された水を前記電解ユニットの前記チャンバに供給するように構成されている、リザーバ筐体と
をさらに備える、デバイス。
【請求項２】
前記イオン交換構造は、プロトン交換膜を含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記圧潰式リザーバの前記バネ荷重空気袋は、
空気袋と、
前記空気袋と前記リザーバ筐体との間に結合されたバネであって、前記バネは、前記空気袋に圧力を印加する、バネと
を備える、請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記イオン交換構造は、第１のイオン交換構造であり、
前記デバイスは、前記チャンバ内に、前記第１のイオン交換構造を含む複数のイオン交換構造をさらに備える、請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
前記第１の区画と流体連通する水素放出ポート、および／または、前記第２の区画と流体連通する酸素放出ポートをさらに備える、請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
前記イオン交換構造内に、水の電解から生じる酸素ガスを受容する第２の高圧チャンバをさらに備え、前記第２の高圧チャンバは、外部環境と流体連通する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項７】
前記第２の高圧チャンバ内に配置された放出弁であって、前記第２の高圧チャンバから前記外部環境への酸素の流出を制御する放出弁をさらに備える、請求項６に記載のデバイス。
【請求項８】
前記電解ユニットは、
電解槽を提供する第１の基板を含む複数の基板であって、前記第１の基板は、チャンバと、水を前記チャンバに送達するためのチャネルとを形成する、複数の基板
をさらに備え、
前記イオン交換部材は、多孔性基板を含み、
前記高圧チャンバは、外部環境と流体連通する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項９】
前記高圧チャンバは、外部環境と流体連通し、前記第２の区画から流体隔離する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記高圧チャンバは、外部環境と流体連通し、前記第１の区画と直接流体連通する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１１】
水を電解する際に使用されるデバイスであって、
前記デバイスは、電解ユニットを備え、
前記電解ユニットは、
チャンバを形成する基板を含む複数の基板であって、前記基板は、水を前記チャンバに送達するために前記基板内に形成されたチャネルを有する、複数の基板と、
前記チャンバ内の少なくとも１つのイオン交換構造であって、前記チャンバを第１の区画および第２の区画に分離する少なくとも１つのイオン交換構造と
を備え、
前記イオン交換構造は、
多孔性基板と、
前記多孔性基板上に配置されたカソードであって、前記第１の区画内に位置するカソードと、
前記多孔性基板上の前記カソードの反対側に配置されたアノードであって、前記第２の区画内に位置するアノードと
を備え、
前記デバイスは、
前記イオン交換構造内の水の電解から生じる水素ガスを受容する高圧チャンバを少なくとも部分的に封入するケースであって、前記高圧チャンバは、外部環境と流体連通する、ケースと、
圧潰式リザーバを封入するリザーバ筐体であって、前記リザーバ筐体は、前記高圧チャンバ内に配置され、前記リザーバ筐体は、前記電解ユニットのチャンバと流体連通する少なくとも１つのチャネルと、前記高圧チャンバと流体連通する少なくとも１つのポートとを有し、前記圧潰式リザーバは、前記電解ユニットのチャンバに供給された水を貯蔵するように構成されている、リザーバ筐体と
をさらに備える、デバイス。
【請求項１２】
前記基板は、第１の基板であり、前記デバイスは、
前記第１の基板に陽極接合された第２の基板であって、前記チャンバを被覆する第２の基板
をさらに備える、請求項１１に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記カソードおよび前記アノードは、樹枝状金属層の形態であり、前記基板の材料は、シリコンまたはガラスまたはセラミックである、請求項１１に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記基板内に配置された第１のセットのビア導体と、前記基板内に配置された第２のセットのビア導体とをさらに備え、前記第１のセットのビア導体は、前記カソード電気接触し、前記第２のセットのビア導体は、前記アノードと電気接触する、請求項１１に記載のデバイス。
【請求項１５】
前記第１の基板および前記第２の基板は、シリコンから構成されており、
前記デバイスは、
前記第２のシリコン基板の一部によって支持される第１の液体−ガス隔離板であって、前記第１の区画と流体連通する第１の液体−ガス隔離板と、
前記第２のシリコン基板によって支持される第２の液体−ガス隔離板であって、前記第２の区画と流体連通する第２の液体−ガス隔離板と
をさらに備える、請求項１２に記載のデバイス。
【請求項１６】
複数の付加的電解ユニットをさらに備え、
前記複数の付加的電解ユニットのそれぞれは、
チャンバを形成する対応するシリコン基板であって、前記対応するシリコン基板は、前記対応するシリコン基板内の前記チャンバに水を送達するために、前記対応するシリコン基板内に形成されたチャネルを有する、対応するシリコン基板と、
前記チャンバを第１の区画と第２の区画とに分離するために、前記対応するシリコン基板の前記チャンバ内に形成されたイオン交換構造であって、前記イオン交換構造は、
多孔性基板と、
前記多孔性基板上のプロトン交換膜と、
前記多孔性基板上に配置されたカソードであって、前記第１の区画内にあるカソードと、
前記多孔性基板上の前記カソードの反対側に配置されたアノードであって、前記第２の区画内にあるアノードと
を含む、イオン交換構造と
を備える、請求項１１に記載のデバイス。
【請求項１７】
前記基板は、単結晶シリコン基板である、請求項１６に記載のデバイス。
【請求項１８】
前記イオン交換構造は、多孔性である、請求項１７に記載のデバイス。
【請求項１９】
前記複数の付加的電解ユニットは、直列に、または、並列に、または、直列構成および並列構成の組み合わせで電気的に接続されている、請求項１６に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、高圧ガスシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
水素ガスは、エネルギーを搬送し、例えば、燃料電気内で使用され、電気を生成することができる。水素ガスは、種々の方法で発生されることができる。例えば、水は、いわゆるホフマン電量計を使用して、酸素および水素に電解されることができる。しかしながら、発生された水素ガスを効果的に使用するために、特に、オフライン使用のために、ホフマン電量計から発生された水素ガスは、貯蔵される必要がある。そのようなオフライン使用は、例えば、水素が発生された時／場所と異なる時間および／または場所で使用するためのものである。概して、水素ガスを貯蔵するために、それを高密度で貯蔵することが望ましい。しかしながら、高密度で水素ガスを貯蔵することは、高圧まで、例えば、最大数千ポンド／平方インチ（ｐｓｉ）まで、ガスの圧縮を要求する。所望の水素密度を達成するために、多段階圧縮が、例えば、水圧ラムを使用することによって、無潤滑かつ清潔な様式において、高圧圧縮を提供するために使用される。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
説明されるのは、水素ガスを圧縮する、高圧電解デバイス／システムである。水素ガスは、圧縮のための有意な電力を必要とせずに、電解デバイス／システム内で圧縮される。水素の圧縮の例示的範囲は、典型的には、最大約１０，０００ｐｓｉ、例えば、約１，８００ｐｓｉ〜２，４００ｐｓｉの範囲内である。他の範囲も、可能性として考えられる。水素の圧縮に加え、デバイスはまた、酸素を圧縮することができる。ガスを圧縮することによって、ガスまたは複数のガスは、タンクおよび同等物内で高圧貯蔵のために利用可能となる。
【０００４】
本電解デバイス／システムの使用は、任意の外部コンプレッサの必要性を排除し、そうでなければ、水素ガスが高圧で貯蔵される前に、水素ガスを圧縮するためにかかるであろうエネルギーを節約する。圧縮範囲は、システムの用途または安全性等の他の考慮に基づいて判定される。電解デバイス／システムを形成する際に使用される種々の材料の引張強度は、システムが、安全域を伴って、所望の圧縮範囲に耐えることを可能にするために選択される。本明細書に説明されるのは、水素ガスを発生および貯蔵するための高圧電解システムの実施形態である。高圧電解システムは、例えば、ウエハ上に統合された制御を伴う、シリコンベースのＭＥＭＳウエハの１つ以上のスタックを含む。
【０００５】
ある側面によると、水を電解するためのデバイスは、チャンバと、チャンバ内のイオン交換構造であって、チャンバを第１の区画および第２の区画に分離するように構成される、イオン交換部材と、イオン交換部材の第１の部分上に配置され、第１の区画内に位置する、カソードと、イオン交換部材の第２の異なる部分上に配置され、第２の区画内に位置する、アノードとを含む、イオン交換構造とを含む、電解ユニットを含む。本デバイスはまた、少なくとも部分的に、イオン交換構造内の水の電解から生じる水素ガスを受容する、高圧チャンバを封入する、ケースと、電解ユニットのチャンバと流体連通する、リザーバであって、高圧チャンバ内に配置され、電解ユニットのチャンバに供給される水を貯蔵するように構成される、リザーバとを含む。
【０００６】
本デバイスは、以下の特徴のうちの１つ以上を含んでもよい。
【０００７】
イオン交換構造は、プロトン交換膜を含む。ケースはさらに、電解ユニットおよびリザーバを封入するように構成される。イオン交換構造は、第１のイオン交換構造である。本デバイスはさらに、チャンバ内の第１のイオン交換構造を含む、複数のイオン交換構造を含む。本デバイスはさらに、第１の区画と流体連通する、水素放出ポートを含む。本デバイスはさらに、第２の区画と流体連通する酸素放出ポートを含む。本デバイスはさらに、イオン交換構造内の水の電解から生じる酸素ガスを受容する、第２の高圧チャンバであって、外部環境と流体連通する、第２の高圧チャンバを含む。本デバイスはさらに、第２の高圧チャンバ内に配置され、第２の高圧チャンバから外部環境への酸素の流出を制御する、放出弁を含む。高圧チャンバは、外部環境と流体連通し、第１の区画から流体隔離する。高圧チャンバは、外部環境と流体連通し、第１の区画と直接流体連通する。
【０００８】
付加的側面によると、水を電解する際に使用するためのデバイスは、複数の基板を備える、電解ユニットであって、電解槽を提供する、第１の基板であって、チャンバを形成し、その中に、水をチャンバに送達するためのチャネルが形成される、第１の基板と、第１のチャンバ内の少なくとも１つのイオン交換構造であって、チャンバを第１の区画および第２の区画に分離するように構成される、イオン交換部材であって、多孔性基板を含む、イオン交換部材と、イオン交換部材の第１の部分上に配置され、第１の区画内に位置する、カソードと、イオン交換部材の第２の異なる部分上に配置され、第２の区画内に位置する、アノードとを含む、イオン交換構造と備える、電解ユニットを含む。本デバイスはまた、少なくとも部分的に、イオン交換構造内の水の電解から生じる水素ガスを受容する、高圧チャンバを封入する、ケースであって、高圧チャンバは、外部環境と流体連通する、ケースと、電解ユニットのチャンバと流体連通する、リザーバであって、高圧チャンバ内に配置され、電解ユニットのチャンバに供給される水を貯蔵するように構成される、リザーバとを含む。
【０００９】
本デバイスは、以下の特徴のうちの１つ以上を含んでもよい。
【００１０】
リザーバは、高圧チャンバ内にあって、バネ荷重空気袋を備える。例えば、第１の基板に陽極接合され、ガスチャネルを生成する、第２の基板が、存在する。カソードおよびアノードは、樹枝状の形態であることができ、基板の材料は、シリコンまたはガラスまたはセラミックである。本デバイスは、カソードと電気接触する第１の基板内に配置される、第１のセットのビア導体と、アノードと電気接触する第１の基板内に配置される、第２のセットのビア導体とを含む。第１の液体−ガス隔離板および第２の液体−ガス隔離板は、第２の基板によって支持される。第１の液体−ガス隔離板は、第１の区画と流体連通し、第２の液体−ガス隔離板は、第２の区画と流体連通する。それぞれ、イオン交換構造を含む、付加的ユニットが、第１のシリコン基板、カソードおよびアノードの一体部分として形成される。チャンバ、ユニットのイオン交換構造、およびチャネルは、単一結晶シリコンウエハをエッチングすることによって形成される。イオン交換構造は、多孔性である。ユニットは、直列、並列、または直列および並列の組み合わせにおいて、電気的に接続される。
【００１１】
付加的側面によると、水を電解する際に使用するためのデバイスは、水を貯蔵するためのリザーバと、水を電解するためのイオン交換構造を含有するチャンバと、リザーバおよびシリコン基板を格納する、ケース（圧力容器）とを含む。ケースは、ガス放出ポートおよびガス戻りポートを備える。本デバイスはまた、ガス放出ポートおよびガス戻りポートと流体連通する、貯蔵タンクを含む。チャンバおよびイオン交換構造は、シリコン基板内で一体的に形成される。
【００１２】
本デバイスは、以下の特徴のうちの１つ以上を含んでもよい。
【００１３】
チャンバ、リザーバ、および貯蔵タンク内の内部圧力は、約２，０００ｐｓｉ〜約５，０００ｐｓｉである。リザーバの内側および外側ならびにケース内の圧力は、実質的に、同一である。バネが、ケースとリザーバとの間に提供される。センサが、チャンバ内の圧力を感知するために提供される。本デバイスは、チャンバ区画の差圧を感知するための１つ以上のセンサを含む。本デバイスは、センサから信号を受信する、プロセッサを含む。プロセッサは、デバイスを動作させ、制御するように構成される。
【００１４】
付加的側面によると、水を電解する際に使用するためのデバイスは、第１のシリコン基板および第２のシリコン基板を含む、第１のスタック基板を含む。第１のシリコン基板は、第１のシリコン基板の一体部分として、第１のシリコン基板内に形成されるチャンバ内に形成される、少なくとも２つのイオン交換構造と、第１のシリコン基板内に形成される、ガスチャネルとを備える。第２のシリコン基板は、ガスチャネルを備える。第２のシリコン基板は、第１のシリコン基板に陽極接合された第１の表面を有する。第２のシリコン基板内のガスチャネルは、第１のシリコン基板のガスチャネルと流体連通する。
【００１５】
本デバイスはまた、以下の特徴のうちの１つ以上を含んでもよい。本デバイスは、第１のスタック基板と同一の第２のスタック基板を含む。第２のスタック基板および第１のスタック基板は、ともに陽極接合される。本デバイスは、上部スタック基板および底部スタック基板を含み、上部スタック基板は、第１または第２のスタックの一方に接続され、上部スタック基板は、上部および底部スタック基板の他方に接合される。
【００１６】
付加的側面によると、水を電解する際に使用するためのデバイスは、第１のシリコン基板、第２のシリコン基板、第３の基板、および第４の基板を含む、スタックを含む。第１のシリコン基板は、第１のシリコン基板の一体部分として、第１のシリコン基板内に形成されるチャンバ内に形成される、少なくとも２つのイオン交換構造と、第１のシリコン基板内に形成される、ガスチャネルとを備える。第２のシリコン基板は、ガスチャネルを備える。第２のシリコン基板は、第１のシリコン基板に陽極接合された第１の表面を有する。第２のシリコン基板内のガスチャネルは、第１のシリコン基板のガスチャネルと流体連通する。第３のシリコン基板は、第３のシリコン基板の一体部分として、第３のシリコン基板内に形成されるチャンバ内に形成される、少なくとも２つのイオン交換構造と、第３のシリコン基板内に形成される、ガスチャネルとを備える。第２のシリコン基板はさらに、第３のシリコン基板に陽極接合された第２の表面を有する。第４のシリコン基板は、ガスチャネルを備える。第４のシリコン基板は、第３のシリコン基板に陽極接合された第１の表面を有する。第４のシリコン基板内のガスチャネルは、第３のシリコン基板のガスチャネルと流体連通する。
【００１７】
本デバイスはまた、以下の特徴のうちの１つ以上を含んでもよい。
【００１８】
本デバイスは、上部スタック基板および底部スタック基板を含み、上部スタック基板は、第１または第２のスタックの一方に接合され、上部スタック基板は、上部および底部スタック基板の他方に接合される。
【００１９】
本発明の１つ以上の実施形態の詳細が、付随の図面および以下の説明に記載される。本発明の他の特徴、目的、および利点は、説明および図面ならびに請求項から明白である。
本明細書は、例えば、以下を提供する。
（項目１）
水を電解するためのデバイスであって、
電解ユニットであって、
チャンバと、
上記チャンバ内のイオン交換構造であって、
上記チャンバを第１の区画および第２の区画に分離するように構成される、イオン交換部材と、
上記イオン交換部材の第１の部分上に配置され、上記第１の区画内に位置する、カソードと、
上記イオン交換部材の第２の異なる部分上に配置され、上記第２の区画内に位置する、アノードと
を備える、イオン交換構造と
を備える、電解ユニットを備え、上記デバイスは、さらに、
少なくとも部分的に、上記イオン交換構造内の水の電解から生じる水素ガスを受容する、高圧チャンバを封入する、ケースと、
上記電解ユニットのチャンバと流体連通する、リザーバであって、上記高圧チャンバ内に配置され、上記電解ユニットのチャンバに供給される水を貯蔵するように構成される、リザーバと
を備える、デバイス。
（項目２）
上記イオン交換構造は、プロトン交換膜を含む、項目１に記載のデバイス。
（項目３）
上記ケースはさらに、少なくとも部分的に、上記電解ユニットおよびリザーバを封入するように構成される、項目１に記載のデバイス。
（項目４）
上記イオン交換構造は、第１のイオン交換構造であって、上記デバイスは、
上記チャンバ内の上記第１のイオン交換構造を含む、複数のイオン交換構造をさらに備える、項目１に記載のデバイス。
（項目５）
上記第１の区画と流体連通する、水素放出ポートをさらに備える、項目１に記載のデバイス。
（項目６）
上記第２の区画と流体連通する、酸素放出ポートをさらに備える、項目１に記載のデバイス。
（項目７）
上記イオン交換構造内の水の電解から生じる酸素ガスを受容する、第２の高圧チャンバであって、外部環境と流体連通する、第２の高圧チャンバをさらに備える、項目１に記載のデバイス。
（項目８）
第２の高圧チャンバ内に配置され、上記第２の高圧チャンバから上記外部環境への酸素の流出を制御する、放出弁をさらに備える、項目７に記載のデバイス。
（項目９）
上記高圧チャンバは、外部環境と流体連通し、上記第１の区画から流体隔離する、項目１に記載のデバイス。
（項目１０）
上記高圧チャンバは、外部環境と流体連通し、上記第１の区画と直接流体連通する、項目１に記載のデバイス。
（項目１１）
水を電解する際に使用するためのデバイスであって、
複数の基板を備える、電解ユニットであって、
電解槽を提供する、第１の基板であって、チャンバを形成し、その中に、水を上記チャンバに送達するためのチャネルが形成される、第１の基板と、
上記第１のチャンバ内の少なくとも１つのイオン交換構造であって、
上記チャンバを第１の区画および第２の区画に分離するように構成される、イオン交換部材であって、多孔性基板を含む、イオン交換部材と、
上記イオン交換部材の第１の部分上に配置され、上記第１の区画内に位置する、カソードと、
上記イオン交換部材の第２の異なる部分上に配置され、上記第２の区画内に位置する、アノードと
を備える、イオン交換構造と
を備える、電解ユニットを備え、上記デバイスは、さらに、
少なくとも部分的に、上記イオン交換構造内の水の電解から生じる水素ガスを受容する、高圧チャンバを封入する、ケースであって、上記高圧チャンバは、外部環境と流体連通する、ケースと、
上記電解ユニットのチャンバと流体連通するリザーバであって、上記高圧チャンバ内に配置され、上記電解ユニットのチャンバに供給される水を貯蔵するように構成される、リザーバと
を備える、デバイス。
（項目１２）
上記リザーバは、上記高圧チャンバ内にあり、バネ荷重空気袋を備える、項目１１に記載のデバイス。
（項目１３）
上記第１の基板に陽極接合され、上記チャンバを被覆する、第２の基板をさらに備える、項目１１に記載のデバイス。
（項目１４）
上記カソードおよび上記アノードは、樹枝状金属層の形態であり、上記基板の材料は、シリコンまたはガラスまたはセラミックである、項目１１に記載のデバイス。
（項目１５）
上記カソードと電気接触する上記第１の基板内に配置される、第１のセットのビア導体と、上記アノードと電気接触する上記第１の基板内に配置される、第２のセットのビア導体とをさらに備える、項目１１に記載のデバイス。
（項目１６）
上記第２のシリコン基板の一部によって支持される、第１の液体−ガス隔離板であって、上記第１の区画と流体連通する、第１の液体−ガス隔離板と、
上記第２のシリコン基板によって支持される、第２の液体−ガス隔離板であって、上記第２の区画と流体連通する、第２の液体−ガス隔離板と、
をさらに備える、項目１３に記載のデバイス。
（項目１７）
付加的ユニットをさらに備え、各付加的ユニットは、
上記第１のシリコン基板、カソード、およびアノードの一体部分として形成される、イオン交換構造を備える、項目１１に記載のデバイス。
（項目１８）
上記チャンバ、上記ユニットのイオン交換構造、および上記チャネルは、単結晶シリコン基板内に提供される、項目１７に記載のデバイス。
（項目１９）
上記イオン交換構造は、多孔性である、項目１８に記載のデバイス。
（項目２０）
上記付加的ユニットは、直列、並列、または直列および並列構成の組み合わせで電気的に接続される、項目１７に記載のデバイス。
（項目２１）
水を電解する際に使用するためのデバイスであって、
水を貯蔵するためのリザーバと、
上記水を電解するためのイオン交換構造を含有するチャンバであって、上記チャンバおよび上記イオン交換構造は、シリコン基板内に一体的に形成される、チャンバと、
上記リザーバおよび上記シリコン基板を格納するケースであって、ガス放出ポートおよびガス戻りポートを備える、ケースと、
上記ガス放出ポートおよび上記ガス戻りポートと流体連通する、貯蔵タンクと
を備える、デバイス。
（項目２２）
上記チャンバ、上記リザーバ、および上記貯蔵タンク内の内部圧力は、約２，０００ｐｓｉ〜約５，０００ｐｓｉである、項目２１に記載のデバイス。
（項目２３）
上記リザーバの内側および外側ならびに上記ケース内の圧力は、実質的に、同一である、項目２１に記載のデバイス。
（項目２４）
上記ケースと上記リザーバとの間にバネをさらに備える、項目２１に記載のデバイス。
（項目２５）
上記チャンバ区画の差圧を感知するための１つ以上のセンサをさらに備える、項目２１に記載のデバイス。
（項目２６）
上記センサから信号を受信する、プロセッサをさらに備え、上記プロセッサは、上記デバイスを動作させ、制御するように構成される、項目２５に記載のデバイス。
（項目２７）
水を電解する際に使用するためのデバイスであって、
第１のスタック基板であって、
第１のシリコン基板の一体部分として、上記第１のシリコン基板内に形成されるチャンバ内に形成される、少なくとも２つのイオン交換構造と、上記第１のシリコン基板内に形成される、ガスチャネルとを備える、第１のシリコン基板と、
ガスチャネルを備える、第２のシリコン基板であって、上記第１のシリコン基板に陽極接合された第１の表面を有し、上記第２のシリコン基板内の上記ガスチャネルは、上記第１のシリコン基板の上記ガスチャネルと流体連通する、第２のシリコン基板と
を備える、第１のスタック基板を備える、デバイス。
（項目２８）
上記第１のスタック基板と同一の第２のスタック基板をさらに備え、上記第２のスタック基板および上記第１のスタック基板は、接合される、項目２７に記載のデバイス。
（項目２９）
上部スタック基板および底部スタック基板をさらに備え、上記上部スタック基板は、上記第１または第２のスタックの一方に接合され、上記上部スタック基板は、上記上部および底部スタック基板の他方に接合される、項目２７に記載のデバイス。
（項目３０）
水を電解する際に使用するためのデバイスであって、
スタックであって、
第１のシリコン基板の一体部分として、上記第１のシリコン基板内に形成されるチャンバ内に形成される、少なくとも２つのイオン交換構造と、上記第１のシリコン基板内に形成される、ガスチャネルとを備える、第１のシリコン基板と、
ガスチャネルを備える、第２のシリコン基板であって、上記第１のシリコン基板に陽極接合された第１の表面を有し、上記第２のシリコン基板内の上記ガスチャネルは、上記第１のシリコン基板の上記ガスチャネルと流体連通する、第２のシリコン基板と、
第３のシリコン基板の一体部分として、上記第３のシリコン基板内に形成されるチャンバ内に形成される、少なくとも２つのイオン交換構造と、上記第３のシリコン基板内に形成される、ガスチャネルとを備える、第３のシリコン基板であって、上記第２のシリコン基板はさらに、上記第３のシリコン基板に陽極接合された第２の表面を有する、第３のシリコン基板と、
ガスチャネルを備える、第４のシリコン基板であって、上記第３のシリコン基板に陽極接合された第１の表面を有し、上記第４のシリコン基板内の上記ガスチャネルは、上記第３のシリコン基板の上記ガスチャネルと流体連通する、第４のシリコン基板と
を備える、スタックを備える、デバイス。
（項目３１）
上部スタック基板および底部スタック基板をさらに備え、上記上部スタック基板は、上記第１または第２のスタックの一方に接合され、上記上部スタック基板は、上記上部および底部スタック基板の他方に接合される、項目３０に記載のデバイス。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１Ａ】図１Ａおよび１Ｂは、高圧電解システムのブロック図である。
【図１Ｂ】図１Ａおよび１Ｂは、高圧電解システムのブロック図である。
【図２Ａ】図２Ａおよび２Ｂは、高圧電解システムのための電解槽ユニットを示す、ブロック図である。
【図２Ｂ】図２Ａおよび２Ｂは、高圧電解システムのための電解槽ユニットを示す、ブロック図である。
【図３】図３は、イオン交換構造を示す、ブロック図である。
【図４Ａ】図４Ａは、電解スタックの概略断面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、電解スタックの一部の概略断面図である。
【図５Ａ】図５Ａ−５Ｃは、電解槽基板の概略底部、断面、および上面図である。
【図５Ｂ】図５Ａ−５Ｃは、電解槽基板の概略底部、断面、および上面図である。
【図５Ｃ】図５Ａ−５Ｃは、電解槽基板の概略底部、断面、および上面図である。
【図６Ａ】図６Ａ−６Ｂは、ガスチャネル基板の概略上部および断面図である。
【図６Ｂ】図６Ａ−６Ｂは、ガスチャネル基板の概略上部および断面図である。
【図７Ａ】図７Ａ−７Ｂは、上部キャップ基板の概略上部および断面図である。
【図７Ｂ】図７Ａ−７Ｂは、上部キャップ基板の概略上部および断面図である。
【図８】図８Ａ−８Ｂは、底部キャップ基板の概略上部および断面図である。
【図９−１】図９Ａ−９Ｃは、圧力容器ケース内の電解スタックの概略断面図である。
【図９−２】図９Ａ−９Ｃは、圧力容器ケース内の電解スタックの概略断面図である。
【図１０】図１０は、電解システムのユニット（ブロックで示される）の電気配線図である。
【図１１】図１１は、電解システムとのユーザ相互作用のブロック図である。
【図１２】図１２は、電解システムの異なる動作構成要素を示す、略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１Ａを参照すると、高圧電解システム１０は、１つ以上の貯蔵タンク１４、１６（その１つは、貯蔵タンク１４と電解槽１２との間のガス導管ループ１８を介して接続される）に接続される、電解槽１２を含む。高圧電解システム１０は、弁または他のデバイス２０を使用して、外部環境から隔離される。電解の間、電解槽１２は、水を水素（Ｈ２）および酸素（Ｏ２）に継続的に電解（分離）する。水素および酸素ガスが蓄積するにつれて、高圧電解システム１０の内部圧力は、増加し、約５００ｐｓｉ〜１０，０００ｐｓｉ、約１，０００ｐｓｉ〜５，０００ｐｓｉ、または約２，０００ｐｓｉ、および／または最大約５，０００ｐｓｉに到達する。実施例として、システム１０は、水素ガスを説明された約２０００ｐｓｉで貯蔵するように構成されることができる。他の圧力に対しても、システム１０は、以下の議論において明白となるであろうように、他の圧力等のために構成される弁等に修正がされ、基本的に、同一となるであろう。水素ガスは、ガスを圧縮するための外部コンプレッサデバイスを必要とせずに、貯蔵タンク内に高内部圧力で貯蔵される。タンクは、その独自の弁（図示せず）を有する。コンプレッサデバイスの排除は、ガスを高圧に圧縮するために、コンプレッサを駆動する有意な量のエネルギーの必要性を排除することによって、よりエネルギー効率的である、システムを提供する。
【００２２】
電解槽１２、ループガス導管１８、および貯蔵タンク１４は、接続され（Ｏリング、弁、または他のアプローチを使用して）、被り得る高内部圧力に耐えることができる材料で作製される。特に、以下にさらに詳細に説明されるように、いくつかの実施形態では、電解槽１２は、１つ以上のシリコンウエハ基板、例えば、単一結晶シリコンから形成され、高圧に耐えることができるケース２２内に配置される、１つ以上の電解スタック（図示せず）を含む（高圧容器ケース２２は、図９Ａ−９Ｃと関連して後述される）。代替材料として、ガラス、セラミック、および同等強度を有し、電気的に非伝導性であって、多孔性である、またはそのように処理されることができる、他の材料が挙げられる。高圧容器ケース２２は、ケース内にガスを高圧で含有するために、高強度を有する。種々の材料が、使用されることができるが、材料が、特定の圧力のために、必要引張強度等を有することを前提とする。
【００２３】
電解に先立って、電解槽１２は、外部水処理／貯蔵デバイス２４から、水を受容し、貯蔵する。電解槽が、水を受容した後、水を送達するポートは、例えば、弁または他の機構（図示せず）を介して、密閉される。水貯蔵デバイス２４は、例えば、家庭給水から水を受容することができ、必要に応じて、化学またはｐＨ調節あるいは粒状物質の減少を含む、受動的水処理を提供する。いくつかの実装では、家庭給水からの水は、貯蔵デバイス２４に提供され、調整される。例えば、水は、最初に、粒子濾過を受け、水中の小粒子を除去する。粒子濾過は、複数のステップを含むことができ、１ミクロンを上回る寸法を有する粒子を除去することができる。粒子の除去は、高圧電解システム１０の電解槽１２内のミクロチャネルの塞栓を防止する。水はさらに、化学的に濾過されることができる。これは溶解された鉱物、例えば、塩等の望ましくない化学物質を除去する。加えて、濾過された水のｐＨが、効率的電解のための値に調節されることができる。いくつかの実装では、水貯蔵デバイス２４に貯蔵され、電解槽１２に提供される水は、家庭給水の圧力、例えば、６０ｐｓｉまたは家庭給水が供給される他の圧力を有する。
【００２４】
発生された高圧水素および酸素ガスは、電解槽１２から、水素のための導管２９ａおよび酸素のための導管２９ｂ等の別個の導管を通して、それぞれ、水素および酸素のそれぞれのための１つ以上の貯蔵タンク１４、１６に送達される。貯蔵タンク１４、１６は、標準的市販の高圧ガスシリンダである。水素の産生が、燃料電池のためである用途の場合、多くの場合、酸素は、貯蔵されないであろうが、後述のように、通気されるであろう。貯蔵タンク１４からの水素ガスは、燃料電池等の水素ガス消費デバイスに供給されることができる。貯蔵タンク１４と電解槽１２との間のガス導管ループ１８は、水素を水素放出ポート２８から受容し、同時に、貯蔵タンクを充填し、直接、水素戻りポート３０を通して、圧力容器ケース２２内に水素を戻す。導管ループ１８は、容器ケース２２内の電解スタックの高内部圧力と電解スタックの外部圧力とを平衡化する（さらに後述される）。加えて、圧力調整器３０が使用され、出力ポート３２を介して、燃料電池に送達するために、貯蔵タンク１４の高圧を低下させる。
【００２５】
図１Ａに示されるシステム１０は、水素ガス消費デバイスと同一の場所に位置することができる。いくつかの実装では、隔離弁２０が、電解スタック（電解槽１２）をＨ２貯蔵タンク１４から隔離するために使用される。隔離弁の実施例は、圧力定格電気制御ソレノイド弁である。十分な量の水素ガスが、発生され、貯蔵タンク１４内に貯蔵されると、貯蔵タンク１４は、電解槽１２から分離されることができる。貯蔵タンク１４は、次いで、任意の所望の場所に移動され、水素ガスをガス消費デバイス（図示せず）に供給することができる。高圧電解システム１０は、配電網から、あるいは他の源、例えば、太陽または風からの電気エネルギーによって給電されることができる。発生されたＨ２ガスは、後に使用されることができる、貯蔵エネルギーとなる。
【００２６】
図２Ａを参照すると、導管ループ１８に接続された電解槽１２の一実施例が、示される。電解槽１２は、水充填弁４０によって制御される水流入チャネル３９を含む。弁４０が開放されると、水、例えば、圧力約６０ｐｓｉにおける家庭用水が、電解槽チャンバ４２およびリザーバ４４を充填する。電解槽チャンバ４２は、Ｏ２導管５３ａおよび放出弁５３を介して、水充填動作の間、余分なガスをパージすることができる。リザーバ４４は、所望の量の水を貯蔵する。容量の考慮に加え、水の量は、産生されることが所望される水素の量、例えば、約１リットル〜約１２１リットルに依存する。付加的量の水が、電解槽１２内に導入され、その中のチャンバおよび導管を充填する。他の範囲も、システム１０の具体的要件および具体的構成に応じて、可能である。リザーバ４４が完全に充填された後、水充填弁４０は、閉鎖される。電解槽１２は、電解槽チャンバ４２内に、例えば、プロトン交換膜４６（ＰＥＭ）を含む、イオン交換構造４５を含む。膜４６は、２つの接続される区画４８ａ、４８ｂをチャンバ内に提供する。区画は、チャンバ４２の高さより短い長さを有するように構成される、膜４６の底部に接続される。
【００２７】
１つのみのイオン交換構造４５が、示されるが、電解槽１２は、全方向、例えば、ｘ、ｙ、ｚ方向に沿って、複数のイオン交換構造４５を含むことができる。そのような実施形態の詳細は、以下にさらに論じられる。議論の便宜上、電解槽１２の電解槽ユニット４３は、イオン交換構造４５上のＰＥＭ膜４６によって、２つの隣接する区画４８ａ、４８ｂに分離される、１つのチャンバを有する。同一の電解槽１２の複数の電解槽ユニット４３は、用途の特異性によって要求されるように、同一のリザーバ４４、水充填弁４０、水流入チャネル３９を共有する、あるいは異なるリザーバ、弁、またはチャネルを使用することができる。
【００２８】
図２Ａに示される実施例では、水は、電解槽ユニット４３のチャンバ４２およびリザーバ４４内に充填される。複数のそのような電解槽ユニット４３は、ユニット、すなわち、スタック（１つのスタックが示される）間の水充填孔５０を通して充填される。電解槽ユニット４３は、以下に詳述されるように、１つの基板、例えば、シリコンウエハ内に、または複数のスタックされた基板内に形成されることができる。いくつかの実装では、１つの基板内のユニットは、隣接するユニットを分離するための分離壁を有していない（例えば、図４参照）（すなわち、ユニットは、チャンバを共有する）。
【００２９】
イオン交換構造４５は、多孔性シリコン等の多孔性材料から作製され、イオン、例えば、プロトンが、構造を横断して通過することを可能にする。イオン交換構造４５は、水素ガスまたは酸素ガスのいずれも、膜４６を横断して通過することができないように、ガス不浸透性である。いくつかの実装では、イオン交換構造内の細孔は、小さく、例えば、ミクロ細孔またはナノ細孔であって、気泡が、イオン交換構造を通して通過しないように防止する。イオン交換構造は、イオン交換構造４５内の細孔内に、矢印によって示される（番号が付与されていない）水経路を有し、イオンが、構造を横断して通過することを可能にする。イオン交換構造４５は、経路内のイオン抵抗を低減するために、十分に薄く、かつ構造を横断する過剰なガスの拡散を防止するために十分に厚い。構造を横断する有意なガス拡散は、電解効率の損失につながり、したがって、そのような拡散は、最小限にされるべきである。
【００３０】
イオン交換構造４５の両側方側には、金属、例えば、白金または金の層が、形成される。片側の金属層４５ａは、負の導線５２に接続され、カソードとして作用し、他側の金属層４５ｂも形成され、正の導線５４に接続され、アノードとして作用する。ユニット１２の各区画４８ａ、４８ｂは、それらの電極の一方と関連付けられる。電圧差が、２つの金属層４５ａ、４５ｂ間に印加されると、水は、金属コーティングの表面で電解され、一方の区画４８ａ内のカソードで水素を、他方の区画４８ｂ内のアノードで酸素を産生する。
【００３１】
電解を向上させるために、金属コーティングは、「樹枝状形態」をとり、水に接触するための大きな表面積を提供することができる。加えて、金属はまた、１つ以上の触媒であって、電解を促進し、反応における電子のための電気経路を提供してもよい。いくつかの実装では、触媒は、電極内／上に支持されてもよく、または電極は、イオン交換構造を通るイオン移動を遮断せず、実質的電流密度を支持するように構成される、触媒材料から作製されることができる。
【００３２】
産生される水素および酸素は、電解槽チャンバ４２のその個別の区画内で分離されたままであって、異なるガスチャネルを通して、貯蔵または使用のために、異なるガスチャンバ６０、６１および／またはタンクに指向される。液体−ガス隔離板５６ａ、５６ｂ、例えば、分離膜が、各チャネルと電解槽区画４８ａ、４８ｂとの間に設置される。そのような隔離板は、ガス、すなわち、水素および酸素が、個別の導管５８ａ、５８ｂ内へと隔離板を貫通する一方、水が、隔離板によって、導管５８ａ、５８ｂに流入しないように阻止されるように、ガスに浸透性であって、水に不浸透性である。いくつかのタイプの液体ガス隔離板が、使用されることができる。例えば、多孔性シリコンは、疎水性であるように処理された制御サイズを伴って使用されることができる。代替として、プラズマまたはエッチングによって処理され、小サイズ孔をもたらす、Ｔｅｆｌｏｎ等のプラスチックポリマー片を挿入することができる。いくつかの実装では、液体−ガス隔離板は、疎水性表面を有する。酸素ガスは、例えば、酸素のための意図された使用が存在しないとき、貯蔵せずに、放出されることができる。ガス産生は、リザーバ４４、電解槽１２、および貯蔵タンク１４内の圧力を増加させる（図１Ａ参照）。
【００３３】
いくつかの実装では、システムの内部圧力は、継続的に水を電解することを通したガスの産生に応じて、約２，０００ｐｓｉ〜約５，０００ｐｓｉ以上に到達することができる。リザーバの内側および外側の圧力は、平衡化される。産生された水素ガスは、リザーバ４４を経由して、導管ループ１８および水素戻りポート３０（図１Ａ）を通して、水素チャンバ６０を充填する。水素チャンバ６０は、容器ケース２２と電解槽ユニット４３との間に提供され、リザーバ４４およびその筐体６８（また、図９Ｃ参照）を含有する。水素チャンバ６０は、リザーバ筐体６８内の１つ以上のポート６８ａを通して、リザーバ４４の外側表面と流体連通する。いくつかの実装では、リザーバ４４は、圧潰式リザーバ、例えば、水が、電解のために、電解槽チャンバ４２内で消費されるにつれて、リザーバ４４が、水の体積変化に従って圧潰し、より多くの水をチャンバ４２内に付勢するように、ゴム材料から作製される空気袋である。同様に、酸素チャンバ６１も、電解から生じる酸素を受容するために提供される。酸素チャンバもまた、高圧（例えば、水素チャンバと同一の圧力）である。Ｏ２放出値は、チャンバ内で感知された圧力に従って、圧力を放出するように制御される。したがって、種々の圧力センサ（アイテム「Ｓ」によって、図２Ａに示されるように）が、ガス圧力を感知するために、チャンバ６０および６１等の種々のチャンバ内に、ならびに水圧を感知するために、リザーバ４４内に配置されて示される。他のセンサ（ガスおよび／または水を感知する）も、区画４８ａ、４８ｂ内等、デバイス１０の種々の部分内に含まれることができる。これらのセンサは、導体または同等物（図示せず）を介して、コントローラ（図１１）に信号を送給する。
【００３４】
図２Ａに示される実施例では、バネ７０が、リザーバ筐体６８とリザーバ４４との間に設置され、圧縮力を水に印加し、水が消費されるにつれて、水を電解チャンバ４２に継続的に補充する。図２Ａに示されるものと異なるユニットもまた、使用されることができる。例えば、リザーバ４４および水素チャンバ４２は、異なって配列され、例えば、電解のための所望の量の水を貯蔵するために、異なるサイズを有するリザーバ４４を収容することができる。バネ力は、水が電解槽１２内に導入される圧力に従って選定される。一般に、水によって付与される圧力は、バネによってリザーバ４４に印加される力を克服する必要があるであろう。
【００３５】
いくつかの実装では、図１Ａおよび２Ａに示されるシステムの部分は、代替として、構成されることができる。
【００３６】
次に、図１Ｂおよび２Ｂを参照すると、代替配列が、示される。本代替システム１０’は、リザーバの内側および外側圧力を平衡化するために（図１Ａおよび２Ａに示されるように）、水素ガスを圧力容器ケース内に戻すための図１Ａの導管ループ１８を含まない。代替システム１０’は、電解槽１２（図２Ａ）の構造に類似する、電解槽１２’内に電解ユニットを含む。図２Ｂでは、区画４８ａは、液体／ガス隔離板５８ａを通して、導管によって、高圧水素チャンバ６０に連結される。したがって、電解からの水素は、示されるように、直接、Ｈ２チャンバ６０を充填する。
【００３７】
図１Ａ、１Ｂ、２Ａ、および２Ｂでは、リザーバの内側および外側の圧力の平衡は、Ｏ２放出弁５３からの酸素ガスの制御通気によって達成される。Ｏ２チャンバ内の圧力は、このように、Ｈ２チャンバ６０に対して平衡化される。水素貯蔵チャンバ６０内の水素ガスはさらに、水素放出ポート２８を通して、水素貯蔵タンク１６に送達される。図１Ｂおよび２Ｂ内の他のアイテムは、図１Ａおよび１Ｂに関して個別に説明された通りである。
【００３８】
特に、図１Ａおよび２Ａに示されるシステムと比較して、電解ユニットの水素流出ポートと圧力容器ケース上の水素放出ポートとの間の容器ケース２２の内側の導管は、除去される。加えて、水素パージポート８０が、使用され、隔離弁２０が閉鎖されると、例えば、長期間、システム１０の貯蔵状態の間、圧力容器ケース２２および電解槽ユニット４３の内側の圧力を低下させる。
【００３９】
次に、図３を参照すると、電解槽１２の電解ユニット内のイオン交換構造４５、カソード４５ａ、およびアノード４５ｂの例示的配列が、示される。白金等の１つ以上の触媒が、多孔性イオン交換構造４５上に配置され、電解を促進し、電子のための経路を提供する。さらに、イオン交換構造４５は、例えば、シリコンの表面処理によって、材料でコーティングされ、親水性表面８４を提供し、水をイオン交換構造中に誘引し、電解プロセスを向上させることができる。カソードおよびアノード４５ａ、４５ｂは、表面積を増加させるために、樹枝状、例えば、イオン交換構造上の金属コアから分岐された突起の形態であることができる。いくつかの実装では、カソードは、「樹枝状白金」から形成されることができ、アノードは、「樹枝状」ＲｕＩｒ０５Ｔａ０５Ｏ２合金から形成されることができる。白金ならびに他の材料である、両電極等の他の好適な材料もまた、使用されることができる。いくつかの実装では、チャンバ内の水のｐＨは、効率的電解を提供するために、酸性に調節される。
【００４０】
水素および酸素区画４８ａ、４８ｂは、イオン交換構造４５によって、分離されるが、イオン交換構造の底部に間隙が存在するために、それによって密閉されない。本間隙は、両区画内の圧力を均等にし、したがって、実質的に、イオン交換構造を横断して、かつその真下の水素または酸素の任意の側方流（交差）を最小限にするように機能する。間隙はまた、イオンのための付加的経路を提供する。使用時、実質的量の産生された水素ガスおよび酸素ガスは、別個に、２つのタイプのガスの実質的混合を伴わずに、個別の液体−ガス隔離板に浸透する。
【００４１】
図４Ａおよび４Ｂを参照すると、電解スタックとして構成される（高強度圧力容器ケース内に設置され、電解槽１２を提供するため）電解ユニット４３は、１つ以上の（２つ示される）スタック９０を含み、各スタック９０は、ガスチャネル基板９４に接合された、例えば、陽極接合９１された電解槽基板９２を含む。各電解槽基板９２は、複数の電解槽チャンバ４８ａ、４８ｂを伴う、複数の電解槽ユニット４３を有する。複数のスタック９０が、ｙ方向に沿ってスタックされると、１つのスタック基板内の電解槽基板の表面は、隣接するスタック基板内のガスチャネル基板の表面に接合する。電解スタックはまた、両端上の電解スタック９０をキャップする、上部キャップ基板９６および底部キャップ９８基板を含む。電解槽基板、ガスチャネル基板、上部キャップ基板、および底部キャップ基板はそれぞれ、別個のシリコンウエハ、例えば、単一結晶シリコンウエハ内に形成されることができる。異なる基板は、陽極接合（または、直接シリコン接合）を使用して接合される。電解スタックの材料、構造、および接合は、例えば、電解槽チャンバまたはいずれかの場所内における高内部圧力、最大約１０，０００ｐｓｉに耐えることができる。
【００４２】
図４Ａおよび４Ｂに示される実施例では、各電解槽基板９２は、ガスチャネル基板９４に接合され、単一スタック基板９７を形成する。これらのスタック基板９７のうちの１つ以上は、ともにスタックされ、電解容量を増加させ、次いで、上部９６キャップ基板および底部キャップ基板９８でキャップされることができる。付加的スタック基板９２が、上部キャップ９６と底部キャップ基板９８との間に含まれることができる（ｙ方向）。他の基板は、紙面に垂直な方向（ｚ方向）に沿って、および／またはｘ方向に沿って、スタックされることができる。各スタック基板９７は、電解槽チャンバ４２を含み、それぞれ、イオン交換構造によって分離される、接続された区画４８ａ、４８ｂを有する。
【００４３】
水は、全スタックされた電解槽基板内のチャンバの全区画に整合された、上部キャップ基板内に開口部を有する水チャネル１０１を通して充填されることができる。水素ガスおよび酸素ガスは、チャンバから、ガスチャネル基板９４内の指定されるガスチャネル１０３を通して流動する（詳細は、後述される）。
【００４４】
次に、図５Ａ−５Ｃを参照すると、図４Ａおよび４Ｂの電解槽基板９２の電解槽チャンバ４２およびチャンバ区画４８ａ、４８ｂが、単一結晶シリコンウエハ（図示せず）をエッチングすることによって形成される。理解されるであろうように、複数のそのような電解槽チャンバ４２が、シリコンウエハからダイとして加工されることができる。水チャネル、ガスチャネル、または他のチャネル／区画を画定する壁、およびイオン交換構造は、マスクされる一方、ウエハの他の部分は、エッチングによって除去される。いくつかの実装では、付加的膜壁支持体が、膜に沿って形成される（図５Ｃ）。イオン交換構造はさらに、例えば、従来のエッチング技法を使用して、多孔性となるようにエッチングされることができる。いくつかの実装では、イオン交換構造は、親水性となるように処理される。加えて、液体−ガス隔離板が、例えば、エッチングによって、疎水性多孔性シリコンとして形成される。
【００４５】
金属層、すなわち、アノードおよびカソードは、蒸着または鍍着技法を使用して、イオン交換構造に沿って、接続された樹枝状体として形成されることができる。イオン交換構造の基部には、ビアが、電解槽基板内に埋入され、イオン交換構造の電極から、電解システムを配線するために使用される、電気バスに電子を運搬する。ビアは、半導体加工プロセスを使用して作製され、超低電気抵抗を有する。ビアは、イオン交換構造の表面に沿って、実質的に均等に分布される。
【００４６】
図５Ａに示される実施例では、異なるイオン交換構造の伝導性ビア１１０（したがって、電極）は、伝導性、例えば、金属の材料から形成される電気接続１１２を使用して、直列に接続される。そのような配列では、電解槽に印加される総電圧は、実質的に、各ユニット（１つのイオン交換構造、アノード、およびカソードを含有する）に均等に分割されることができる。総電圧は、所望のユニット電圧に基づいて、選定されることができる。いくつかの実装では、各ユニット電圧は、約１．４Ｖ〜１．７Ｖである。ユニットはまた、並列に電気的に接続されることができる。他の実装では、電解ユニットの数は、直列に電気的に接続されることができ、複数の群の直列に接続された電解ユニットは、並列に接続されることができる。構成の実施例は、図１０に示される。
【００４７】
使用時、前述のように、水素ガスおよび酸素ガスは、それぞれ、イオン交換構造のカソードおよびアノード側に形成される。産生されたガスは、図５Ｂに示される矢印によって示される方向に沿って流動する。特に、ガスは、イオン交換構造に沿って、基板内に形成される開口部１１４内に上向きに流動する。開口部１１４は、ガスチャネル基板（例えば、以下の図４および図６Ｂ参照）によって密閉され、ガスが、液体−ガス隔離板を通って通過し、基板からガスチャネル基板内に流出するように付勢する。Ｈ２チャネル１１６およびＯ２チャネル１１８（図５Ｃ）は、基板のスタックを通して、上部から底部に走り、スタック内の全電解槽基板を接続する、垂直チャネルである。
【００４８】
図６Ａおよび６Ｂを参照すると、ガスチャネル基板９４はまた、単一結晶シリコンウエハ内に形成され、陽極接合を使用して、電解槽基板（図５Ａ−５Ｃ）に接合される。ガスチャネル基板９４は、電解槽基板９２に接合されると、電解槽基板９２内の液体−ガス隔離板と流体連通し、産生されたガスを電解槽基板９２から受容する、水素および酸素ガスチャネル１２０、１２２を含む。
【００４９】
図６Ａに示されるように、ガスチャネル基板９４の上部表面上には、水素および酸素チャネルと連通する、延在された水素および酸素チャネルが、形成される。液体−ガス隔離板から送達されるガス（水素および酸素）は、ガスチャネル基板内の個別のガス延在チャネル（水素ガスチャネルおよび酸素ガスチャネル）に到達し、（垂直）ガスチャネル内に拡散する。延在水素および酸素チャネルは、ガス送達チャネルの断面積を増加させ、電解システムと貯蔵タンクとの間のガス送達を促進することができる。
【００５０】
ガスチャネル基板はまた、電解槽基板に接合されると、電解槽基板内のビア１１０と電気接触する、電気的伝導性ビア１２８を含む。１つ以上のアノードバス１３２またはカソードバス１３４が、例えば、金属のガスチャネル基板上に形成され、外部電気源と接続する電解槽を提供する。加えて、ガスチャネル基板は、電解槽基板に接合されると、電解槽基板内の水チャネル１０１と流体連通する、水チャネル１３６を含む。水は、ガスチャネル基板内の水チャネルを通して、電解槽基板の水チャネルに充填される。開口部１２９は、基板９２内の開口部１１９と噛合して示される。
【００５１】
図７Ａ−７Ｂを参照すると、上部キャップ基板９６は、最上部スタック基板（図示せず）のガスチャネル基板（図示せず）に取着される。上部キャップ基板９６は、例えば、シリコンゴム空気袋によって提供される、リザーバ１４４を封入するリザーバ筐体１４２を支持する。筐体１４２は、上部キャップ基板上の外側部分上に金属層を形成し、金属部材を上部キャップ基板上にはんだ付けすることによって提供されることができる。代替として、筐体は、水素貯蔵チャンバ内の高圧容器ケースに搭載され得る。リザーバ筐体１４２は、筐体１４２の内側の圧力と筐体１４２の外側の圧力を同一に維持する、１つ以上のポート１４６を含む。
【００５２】
１つ以上のバネ１４８（３つ示される）が、リザーバ１４４とリザーバ筐体１４２との間に設置され、水リザーバを圧縮し、電解の間、電解槽チャンバ４２内で消費されるにつれて、水を空気袋から付勢する。バネ力は、水が、例えば、家庭用水源から、リザーバ内に充填されることができるように選択される。例えば、水源が、家庭給水であるとき、バネ力は、水がリザーバ内に充填される圧力（例えば、６０ｐｓｉにおける家庭用水圧力）が、バネ力を克服し、リザーバが、上部キャップ基板９６内の１つ以上の水チャネル１５２を通して、水で充填されることを可能にすることができるように選定される。電解の間、リザーバ内の水は、上部キャップ基板内の水チャネルを通して、電解槽チャンバ内に送達される。
【００５３】
加えて、上部キャップ基板はまた、最上部ガスチャネル基板に接合されると、水素チャネルおよびガスチャネル基板内（図６Ａ）の水素延在チャネルと流体連通する、水素チャネル１５４を含む。水素は、上部キャップ基板９６の水素チャネル１５４から、水素流出ポート１５６において、高圧容器ケース内の水素放出ポート３２（例えば、図１Ａ参照）に流動する。水素放出ポートは、発生された水素を貯蔵および他の使用のために送達する。
【００５４】
図８Ａ−８Ｂを参照すると、底部キャップ基板９８が、電解槽ユニット４３の最底部電解槽基板９２、すなわち、上部キャップ基板９６が接合される電解槽９２の反対表面上に取着、例えば、接合される。基板９２および９８が、接合されると、底部キャップ基板９８内の酸素チャネル１６０は、電解槽基板９２内の酸素チャネルと連通する。電解槽ユニット４３が、高圧容器（後述）内に配置されると、電解槽基板９２からの酸素ガスは、図８Ｂ内の矢印によって示されるように、底部キャップ基板９８を通って流動する。ＭＥＭＳ（微小電気機械）弁１６４が、容器ケースと電解スタック（Ｏ２チャンバ）との間の空間から、酸素流出ポートを通して、外部環境への酸素の放出を調整する。弁１６４は、酸素圧が、水素圧と平衡化され、適切な機能および液体−ガス隔離板の保護を維持するように、電解槽ユニット内の酸素圧力を調節するように閉鎖または開放される。
【００５５】
前述のように（例えば、図２Ａおよび３に関して）、イオン交換構造を横断する水素圧と酸素圧との間の差異は、実質的に、ゼロに維持される。例えば、水素圧が、増加（例えば、発生のため）または減少（例えば、消費のため）するにつれて、酸素の圧力は、ＭＥＭＳ弁１６４を使用して、制御様式において、酸素を通気させることによって調整される。
【００５６】
図９Ａ−９Ｃを参照すると、図４Ａ−４Ｂ、５Ａ−５Ｃ、６Ａ−６Ｂ、７Ａ−７Ｂ、および８Ａ−８Ｂに説明される部分から成る、電解槽ユニットは、圧力容器ケース２２内に密閉される。圧力容器ケース２２の断面は、任意の形状、例えば、長方形、卵形、円筒形、または円形であることができる。長方形形状のケースが、示される。しかしながら、円形形状は、長方形より優れている傾向にある、卵形より高圧に耐えることが可能な傾向にあるため、好ましくあり得る。容器ケースは、ともにボルト締めされる、複数の部品、例えば、上部ケース部分１７２および底部ケース部分１７４を含むことができる。容器ケース部分１７２および１７４は、ともに密閉され、産生された水素および酸素ガスを外部環境から隔離する。密閉は、例えば、１つ以上のＯリング１７６または締まり嵌め金属表面または他の技法によって提供される。容器ケース２２は、金属であって、Ｏリング１７６とともに、高内部圧力、例えば、約２，０００ｐｓｉ〜約５，０００ｐｓｉまたは約２，２００ｐｓｉに耐えるように構成されることができる。いくつかの実装では、容器ケース２２およびＯリング１７６は、安全のために、電解システム１０の動作圧力の２倍に足せることができる。加えて、電気接続１７１、例えば、ガスチャネル基板の電気バス（例えば、図６Ａ参照）および外部電気源を接続する導線が、容器ケースを通って通過する。
【００５７】
特に、図９Ｃを参照すると、圧力容器は、水素を貯蔵タンクに送達するための上部キャップ基板９６内の水素流出ポート１５６と、上部キャップ基板内の水素放出ポート１８０およびリザーバ４４と流体連通する、水素戻りポート１８２とに接続される、水素放出ポート１８０を含む。特に、水素戻りポート１８２は、容器とリザーバ（Ｈ２チャンバ）との間の水素貯蔵空間を電解槽チャンバ（図示せず）内の水素と同一の圧力、例えば、２，２００ｐｓｉを有する水素で充填する。水素貯蔵空間内の水素は、筐体１４２内のポート１９９を通して、リザーバ筐体１４２内に流入し、水リザーバ４４の内側および外側の圧力を平衡化する。リザーバとＨ２貯蔵空間との間の他の構成も、使用され、例えば、所望の量の水を貯蔵するために、リザーバの所望のサイズを収容することができる。
【００５８】
圧力容器底部ケース部分１７６と電解槽ユニット４３との間には、また、低圧シールを使用して、水素貯蔵空間から密閉される、酸素貯蔵空間（Ｏ２チャンバ）が、存在する。酸素貯蔵空間内の酸素圧は、水素貯蔵空間内の水素圧と実質的に同一であるように制御されることができる。
【００５９】
圧力容器ケース２２はまた、水充填弁４０および水充填ポート２００を含み、また、水パージ弁およびポート（図示せず）を含むことができる。水充填弁４０が開放されると、水は、水充填ポート２００を通して、圧力約６０ｐｓｉで、水チャネル、リザーバ４４、および電解槽ユニット４３内に充填される。
【００６０】
図９Ｂに戻って参照すると、容器ケース２２はまた、酸素放出弁２０６によって制御される、酸素放出ポート２０４を有する。酸素貯蔵空間内の酸素は、直接、外部環境に放出される。いくつかの実装では、発生された酸素はまた、使用のために、水素と同様の様式で貯蔵され、例えば、酸素貯蔵タンクに送達されることができる。水素とともに、貯蔵された酸素の使用は、ガスを消費し、電力を産生する、燃料電池の効率を増加させることができる。水素戻りポート以外の他のポート、すなわち、水素放出ポート、酸素放出ポート、および水充填ポートは、圧力容器と電解スタックとの間の空間から隔離される。
【００６１】
電解スタック１２ならびに圧力容器ケース２２は、水素が産生される速度および所望の最大動作圧力に従って、定寸されることができる。電解槽ユニット４３の基板は、種々の寸法を有するダイに切断される、シリコンウエハとして提供される。
【００６２】
図１０を参照すると、一実施例では、３５３個の電解ユニット（Ｎ）が、群（Ｇ）として、直列に接続され、そのような群の数１０個（Ｇ〜Ｇ＋９）は、並列に接続される。源電流が、２０Ａであるとき、源電圧は、６００Ｖであって、源電力は、１２ＫＷである。各電解ユニット（Ｎ）は、電解プロセスを実施するために、電圧約１．７Ｖを印加させる。ユニット（Ｎ）はまた、システムが、例えば、風または太陽等の再生可能エネルギー源からの、あるいはシステムの温度が変化するにつれた、可変電気流入電力を再構成することを可能にする、動的制御下で配線されることができる。
【００６３】
図１１を参照すると、ユーザは、ユーザインターフェース（図示せず）を通して、電解システム１０と相互作用することができる。種々のタイプのユーザインターフェースが、使用されることができる。例えば、コントローラによってもたらされ、ディスプレイ上にレンダリングされる、グラフィカルユーザインターフェースが、使用されることができる。
【００６４】
電解システム１０は、コントローラならびにメモリおよび入力／出力ポートを含む。好適なコントローラとして、マイクロコントローラ、プロセッサ、または他のタイプのコンピューティングデバイスが挙げられ得、コンピュータも含むことができる。水素貯蔵空間内の水素圧センサ、酸素貯蔵空間内の酸素圧センサ、および水リザーバ内の水圧センサ等のセンサ（図２Ａで述べられ、全実施形態に含まれる）は、電解システム１０または１０’’内に配置され、システムの自動制御を促進する。いくつかの実装では、センサは、電力を電解槽チャンバに提供する、同一の外部電源によって給電される。コントローラは、水素および酸素ガスの放出／送達を制御するために、自動的に、弁、例えば、隔離弁、水充填ＭＥＭＳ弁、酸素放出ＭＥＭＳ弁等を制御する。コントローラは、自動的に、例えば、センサの出力に基づいて、システム１０を制御する。
【００６５】
電解システム１０は、繰り返し、日常ベースで稼働することができるが、所望に応じて、より長いベースで動作されることができる。例えば、システムは、オフピーク時間（深夜／早朝）の間、６時間、動作し、約１１リットルの水を電解し、発生された水素をタンク内に入れ、酸素を放出する（但し、酸素はまた、所望に応じて、タンク内に入れられることもできる）。水素は、電解槽と貯蔵タンクとの間に任意のコンプレッサを伴わずに、高圧、例えば、約２，０００ｐｓｉ〜約５，０００ｐｓｉで貯蔵される。貯蔵された水素は、ＰｏｗｅｒＮｏｄｅTM（Ｅｎｃｉｔｅ，  ＬＬＣ）（例えば、水素／空気燃料電池）内で使用され、電気ピーク負荷周期の間以降に電気を提供することができる。
【００６６】
図１２を参照すると、電解システム１０は、以下の様式で動作されることができる。電解システム１０が、水で充填される。例証的実施例では、電解システム１０は、約１１リットルの処理済み水で充填される。電解システム１０は、水を電解し、水素および酸素を産生する。電解システム１０が、水を電解するにつれて、システムは、水素（および、所望に応じて、酸素）を貯蔵し、システムは、水の全てが電解されると、休止状態となり、水素が使用され始めるまで、休止状態のままである。システムは、使用の間、プロトン交換膜を横断する圧力平衡を維持する。加えて、電力が、電解システム１０に利用不可能であるとき、システムは、オフ状態のとなり、電力が再び利用可能になる、例えば、オフピーク周期の間（または、太陽光または風が戻る）まで待機するし、再び、サイクルを開始する。
【００６７】
コントローラは、デジタル電子回路、またはコンピュータハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア、またはそれらの組み合わせ内に実装される。装置は、プログラマブルプロセッサによる実行のために、コンピュータ可読記憶デバイス内に有形的に具現化される、コンピュータプログラム製品を含むことができる。コントローラは、一例として、汎用および特殊用途マイクロプロセッサの両方を含む、好適なプロセッサを使用して、実装されることができる。概して、プロセッサは、命令およびデータを読取専用メモリおよび／またはランダムアクセスメモリから受信するであろう。コンピュータプログラム命令およびデータを有形的に具現化するために好適な記憶デバイスとして、一例として、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＲＡＭ、およびフラッシュメモリデバイス等の半導体メモリデバイスを含む、あらゆる形態のメモリが挙げられる。加えて、内部ハードディスクおよびリムーバブルディスク等の磁気ディスク、光磁気ディスク、およびＣＤＲＯＭディスクも、使用され得る。前述のいずれかは、ＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）によって補完される、またはその中に組み込まれることができる。いくつかの実装では、実行環境は、オペレーティングシステムを含むことができる。
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図８】
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【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図３】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図９−１】
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【図９−２】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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