(57)【要約】  高電力密度発電機が可撓性の多層構造体を備えるように形成される。多層構造体は燃料層の各側部に隣接する個別の燃料電池スタックを備えた燃料層を有する。構造体は可撓性とすることができ、種々の形として形成することができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電機であって、
可撓性の燃料層を有する少なくとも１つの多層構造体、及び第１及び第２の可撓性の燃料電池層を備え、
前記燃料層が、第１及び第２の離間した側部と、その長さ又は幅のうちの１つよりも実質上小さな厚さとを有し、
前記燃料電池層が、前記燃料層のそれぞれの側部に位置し、前記燃料電池層の各々が、その電極長さ又は電極幅のうちの１つよりも実質上小さな厚さパラメータを有し、
前記構造体が、電気エネルギを発生させ、１０ワット／リットルを越える電力密度を与えるように構成されることを特徴とする発電機。
【請求項２】
構造体が細長く、実質上円筒形状に丸まることができることを特徴とする請求項１の発電機。
【請求項３】
複数の実質上同一の多層構造体を含み、構造体が直列又は並列に接続されたものの１つであることを特徴とする請求項１の発電機。
【請求項４】
直列に接続された複数の構造体が１０ワット／リットルを越える電力密度を有し、並列に接続された複数の構造体が１０ワット／リットルを越える電力密度を有することを特徴とする請求項３の発電機。
【請求項５】
外部の負荷に結合できる第１及び第２の電極を備えた実質上円筒状になるように構成されることを特徴とする請求項４の発電機。
【請求項６】
燃料電池層の少なくともいくつかが各々固形の可撓性電解質により離間された陽極及び陰極を有することを特徴とする請求項１の発電機。
【請求項７】
燃料電池層の選択された部材が互いに電気的に隔離され、直列又は並列の１つとして相互接続されることを特徴とする請求項６の発電機。
【請求項８】
構造体が平坦状又は円筒状の１つとして構成されることを特徴とする請求項１の発電機。
【請求項９】
燃料電池層の選択された部材が互いに電気的に隔離され、直列又は並列の１つとして相互接続されることを特徴とする請求項８の発電機。
【請求項１０】
その中に発生した水が付加的な水素を生じさせるように再生利用されることを特徴とする請求項９の発電機。
【請求項１１】
発電機であって、
固形の可撓性電解質により離間された陽極及び陰極を組み込んだ少なくとも１つの多層燃料電池；及び
多層燃料電池と組み合わさって多層燃料電池に隣接して位置し、電気エネルギを発生させ、１０ワット／リットルを越える電力密度を与えるように構成された燃料層；
を有することを特徴とする発電機。
【請求項１２】
少なくとも１つの燃料電池の１つにおいてそれに隣接して位置する第２の多層燃料電池を含み、燃料層が両方の燃料電池に対して共通の表面を有するか、または、第２の多層燃料電池が間に燃料層を伴って少なくとも１つの燃料電池から変位していることを特徴とする請求項１１の発電機。
【請求項１３】
燃料電池及び燃料層が、引き続きの反応に使用するための水素を発生させるために、燃料電池により実行された電気化学反応によって発生した水を使用するように形状付けられることを特徴とする請求項１２の発電機。
【請求項１４】
水素発生反応が自己規制式のものであり、燃料電池及び燃料層が規制弁無しで電気エネルギを発生させることを特徴とする請求項１３の発電機。
【請求項１５】
組み合わされた燃料電池及び燃料層が可撓性であることを特徴とする請求項１４の発電機。
【請求項１６】
電池及び燃料層が各々それぞれの長さ、幅及び厚さパラメータを有し、電池及び燃料層の厚さの複合厚さパラメータがそれぞれの長さ及び幅パラメータよりも実質上小さく、それによって、電力密度を向上させることを特徴とする請求項１４の発電機。
【請求項１７】
燃料電池及び燃料層が可撓性であり、選択された形状へ変形できることを特徴とする請求項１４の発電機。
【請求項１８】
燃料電池が周囲の大気及びその中の酸素に対して曝されるように構成され、それによって、電力密度を向上させることを特徴とする請求項１７の発電機。
【請求項１９】
燃料層により離間された第１及び第２の複数の燃料電池を有することを特徴とする請求項１７の発電機。
【請求項２０】
燃料電池が並列の列又は直列の列のうちの少なくとも１つとして相互接続されることを特徴とする請求項１９の発電機。
【請求項２１】
可撓性の燃料層を提供する工程と；
燃料電池の第１及び第２の可撓性の層を提供する工程と；
所定の形状に従ってそれぞれの電池を相互接続する工程と；
その間に燃料層を備えるように電池の層を位置決めし、それによって、多層発電機を形成する工程と；を含むことを特徴とする方法。
【請求項２２】
発電機を所定の形状に形成する工程を含むことを特徴とする請求項２１の方法。
【請求項２３】
燃料電池のそれぞれ１つを酸素に曝す工程を含むことを特徴とする請求項２２の方法。
【請求項２４】
多層発電機内で電気化学反応を開始させ、それによって、１０ワット／リットルを越える電力密度を有する電流を発生させる工程を含むことを特徴とする請求項２３の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0001]本発明はソリッドステート発電機（solid state electrical generators）に関する。特に、本発明は多層高電力密度発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
[0002]１つの形式の既知の燃料電池は膜の各側部に位置する電極と組み合わせた陽子交換膜と共に、種々のガス拡散層並びに関連する疎水性及び親水性コーティングを組み込んでいる。１つの形のこのような発電機は本出願人に譲渡された「陽子交換膜燃料電池」という名称の２００５年１０月２５日に出願された米国特許出願第１１／２５７，７３５号明細書に開示されている。多層燃料電池を組み込んだ別の形の発電機は電気及び副産物としての水を発生させる。水は回収することができ、固形の水素生成燃料との反応により付加的な水素ガスを生じさせるために使用することができる。このような発電機及び燃料電池は２００５年１１月９日に出願された「マイクロ発電機における水の回収」という名称の米国特許出願第１１／２７０，８４８号明細書に開示されている。
【特許文献１】米国特許出願第１１／２５７，７３５号明細書
【特許文献２】米国特許出願第１１／２７０，８４８号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
[0003]既知のソリッドステート発電機はその意図する目的にとって有用で、適しているが、エネルギ密度ではなく、今まで利用されていたものよりも一層大きな電力密度の発電機のための未解決の満たされていない要求が依然として存在する。マイクロ又はナノの応用に適する高電力密度ソリッド発電機のための要求が依然として存在する。好ましくは、このような発電機は軽量であり、比較的安価であり、弁無しのものであり、高電圧軽量の応用にとって十分な電力を与える。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００４】
[0008]本発明の実施の形態は多くの異なる形をとることができるが、その特定の実施の形態を図面に示し、ここで詳細に説明する。ただし、本開示は本発明の原理の例示及びこれを実践する最良の形態として考えるべきであり、本発明を図示の特定の実施の形態に限定する意図ではないことを理解されたい。
【０００５】
[0009]本発明に係る発電機は、水素発生化学反応を規制するために機内の水源又は弁のいずれをも必要とせずに、一層高い電力密度を与える。本発明の１つの態様においては、矩形形状の発電機はスタック間に燃料の薄い層を備えた燃料電池のスタックからほぼ全体的に形成することができる。このような発電機は大きな燃料電池領域を有するために（１０ワット／リットルを越える）極めて高い電力密度を有することを期待することができる。
【０００６】
[0010]上述の発電機は複数の可撓性の層を備えることができ、例えば超軽量航空車両の翼のように平坦状態で使用することができ、または、円筒形状に丸めることができる。本発明の更に別の態様においては、このような発電機は燃料の高い比エネルギの結果として本質的に軽量となることを期待することができ、適当に形状づけした場合は、超軽量航空車両を発進させるために使用できる電力レベルを生じさせることができる。
【０００７】
[0011]本発明の更に別の態様においては、３層発電機は、水蒸気に曝されたときに酸素を発生させることのできるリチウムアルミニウム水酸化物又は他の化学水酸化物のような燃料層である比較的薄い可撓性シートを組み込んでいる。開示された実施の形態における燃料層は２つの燃料電池スタック間に挟まれる。各スタックは、当業者なら理解できるように、少なくとも１つの陽子交換膜と、ガス拡散層と、電極と、関連する疎水性及び親水性のコーティングとを組み込んでいる。複合発電機は可撓性であり、特定の応用の要求に応じて平坦、実質上円筒状又は他の形に形成することができる。
【０００８】
[0012]本発明の更に別の態様においては、多層発電機は関連する燃料電池内で電気化学反応により発生した水を再生利用し、水素を発生させるために水を使用し、それによって、機内の水源のいかなる必要性をも排除する。更に、反応はそれ自体規制され、従って規制弁を必要としない。[0013]本発明に係る発電機は共通の燃料層を備えた列として履行することができる。燃料層の各側部に形成された複数の燃料電池の部材は出力電圧を増大させるために直列に相互接続することができる。多数のスタックは増大した出力電力を達成するために平行に、円筒形に又は平坦形に相互接続することができる。
【０００９】
[0014]本発明の更に別の態様においては、スタックが近接して配置された場合、高電力密度を発生させるのに必要な酸素の流れはスタックを通して周囲の大気を強制的に送ることにより達成することができる。これは、例えばロータ又は翼によって発生した空気流をスタックに対して通過させることにより航空機において達成することができる。他の応用においては、ファン又はポンプを使用して同じ効果を達成することができる。
【００１０】
[0015]図１は本発明に係る高電力密度超軽量発電機１０を示す。発電機１０は水蒸気に曝されたときに水素を生じさせる例えばリチウムアルミニウム水酸化物又は他の化学水酸化物のような燃料層１２を組み込んでいる。細長くすることができて、図１に示すようにほぼ矩形の形状を有する燃料層１２は、その各側部において１つずつ、これに関連する燃料電池スタック１４、１６を有する。発電機１６のすべての層１２、１４、１６は可撓性であり、いかなる制限をも伴わずに、平坦、実質上平坦、円筒形のような湾曲形状に形成できることを理解されたい。
【００１１】
[0016]当業者はまた、図１にほぼ矩形形状で示すが、発電機１０の層１２−１６がいかなる特定の形状にも限定されないことを理解できよう。発電機１０は、いかなる制限をも伴わずに及び本発明の精神及び要旨から逸脱することなく、種々の物理的な形状をとることができる。[0017]図２は図１の２−２面における断面図である。図２は発電機１０の種々の層間の関係を示す。
【００１２】
[0018]燃料電池スタック１４、１６の各々は、このような燃料電池スタックの履行にとって有用であるか又は望ましい、当業者にとって理解できるような陽極、陰極、陽子交換膜及び他の層を有する平坦な多層の燃料電池を組み込んでいる。発電機１０のような燃料発電機の利点の１つは、燃料電池スタック１４、１６が大きな領域を伴って形成できるという事実に由来する。これは、利用できる燃料の量に応じて、限られた時間量で極めて高い電力密度を生じさせることができる。
【００１３】
[0019]図３、４は本発明に係る１つの特定の形の発電機３０を一緒になって示す。発電機３０は燃料層３６の一側に形成された直列に接続された燃料電池３２ａの列と、燃料層３６の反対側に形成された第２の複数の燃料電池３２ｂとを組み込んでいる。複数３２ａ及び複数３２ｂの部材の各々は、単一の燃料電池で容易に達成できるものよりも一層高い出力電圧を接続部４０ａ、ｂ間に発生させるように直列に相互接続することができる。[0020]列３０の燃料電池は絶縁層３４ａ、ｂ、ｃ、ｄを介在させることにより互いに離間されることを理解されたい。また、列３０内に存在する燃料電池の数は本発明を限定するものではないことを理解されたい。
【００１４】
[0021]上述のことから、本発明の精神及び要旨から逸脱することなく、多数の変形及び修正を行うことができることが分かろう。ここに示す特定の装置に関する限定を意図するものでもなく推測すべきではないことを理解されたい。もちろん、特許請求の範囲に入るようなすべてのこのような修正は特許請求の範囲により保護されることを意図する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る発電機の斜視図である。
【図２】図１の２−２面における断面図である。
【図３】燃料電池の列を組み込んだ本発明に係る発電機を示す図である。
【図４】４−４面に沿った図３の発電機を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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