(57)【要約】      （修正有）【課題】従来の乾電池等の円筒状の電池として構成することが可能な燃料電池装置を提供する。【解決手段】燃料電池装置は、燃料ガスを発生する燃料処理器４０とアノード４４及びカソード４６を形成する電極を具備している燃料電池４２とを包含するハウジング、及び該電極間に位置されているイオン交換電解質を包含している。該ハウジングは市販されている電池と同様の構成としたバッテリセルを形成する第一及び第二の円筒状３２、３４の形態とした外側シェルセクションとして形成する。該電極は、該電極間に発生される熱が該電極のより低温の端部に向かって熱を強制させ且つ水素ガスを発生するために水を供給すべく毛細管作用により燃料処理器へポンプ動作により戻す形態とする。該電極は、ＭＥＭＳ弁により制御することが可能な少なくとも１個の燃料ガス入力チャンネルを具備する流れ分割器を包含するシリコン基板上に形成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池において、
燃料ガスを発生する燃料処理器を包含している第一の円筒状の形態をした外側シェルセクション、
共に円筒状の電池を形成するために前記第一外側シェルセクションと整合され且つ固定されている第二の円筒状の形態をした外側シェルセクション、
を有しており、前記第二外側シェルセクションがアノードとカソードとを形成する電極を具備している燃料電池をその中に収容しており、イオン交換電解質が前記電極間に位置されており、前記燃料電池が、電流を発生するために、前記燃料処理器から発生された燃料ガスと前記第二外側シェルセクションを介しての酸化剤ガスとを受取ることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
請求項１において、前記第一及び第二外側シェルセクションが、共に固定された場合に、ＡＡＡ、ＡＡ、Ｃ又はＤ寸法の電池のうちの１つとしての寸法の形態とされるように同様の寸法とされていることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項３】
請求項１において、前記電極が前記燃料ガス及び酸化剤ガスに対して透過性の触媒電極を有していることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項４】
請求項１において、前記第二外側シェルセクションが、前記燃料電池において水素と反応するために酸素を提供するために空気が通過することを許容する有孔性構造を有していることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項５】
請求項１において、前記第一外側シェルセクションが、前記アノードと動作接続されている導電性シェル部材を有していることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項６】
請求項５において、更に、前記導電性シェル部材の実質的な部分にわたっており且つ端部部分を露出させて負端子を形成させている絶縁体、及び前記第二外側シェルセクションの一端部に位置されており且つ前記カソードと動作接続されており且つ正端子を形成している導電性ディスク端子を有していることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項７】
請求項１において、前記燃料処理器が水素ガスを発生することを特徴とする燃料電池装置。
【請求項８】
請求項１において、前記燃料処理器が、水と接触した場合に水素ガスを発生する固体燃料物質を有していることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項９】
請求項１において、前記燃料処理器が、水の電気分解により水素が発生されるような燃料物質を有していることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項１０】
請求項９において、更に、水の電気分解により発生される水素ガスを格納する金属ハライド又はナノチューブマトリクスを有していることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項１１】
請求項９において、更に、水の電気分解のパワーを供給するためのソーラーチャージャーを有していることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項１２】
請求項１において、前記イオン交換電解質がプロトン交換媒体を有していることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項１３】
請求項１において、更に、前記第一及び第二円筒状の形態をした外側シェルセクションを分離しておりそれを介して水素が前記燃料電池内へ通過するダイヤフラム部材を有していることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項１４】
燃料電池装置において、
燃料電池ハウジング、
水との反応又は水の電気分解に基づいて水素ガスを発生する前記ハウジング内に収納されている燃料処理器、
前記ハウジング内に収納されている燃料電池、
を有しており、前記燃料電池が、
アノードとカソードとを形成している電極、
電流を発生するために酸素及び前記燃料処理器からの水素ガスを受取り前記電極間に位置しているイオン交換電解質であって、プロトンがイオン交換メンブレンを介して前記アノードから通過し且つ酸素が前記カソードから通過して前記プロトンと結合して水を形成するイオン交換電解質、
前記電極及びイオン交換電解質と共に動作し且つ前記燃料処理器へ動作接続されている熱毛細管ポンプであって、前記電極間に発生する熱が水を前記電極のより低温の端部に向かって強制し且つ前記燃料処理器へ毛細管作用によってポンプ動作されて水素ガスを発生するための水を供給するように前記電極が構成されている熱毛細管ポンプ、
を有していることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項１５】
請求項１４において、更に、前記電極間において検知される容量に基づいて電気を発生するために燃料電池反応を開始させるために前記燃料電池と共に動作可能なヒーター及び湿度センサーを有していることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項１６】
請求項１４において、前記燃料電池が、前記電極の各々が画定されているシリコン基板を有していることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項１７】
請求項１４において、更に、それを介して水素ガスが流れるテーパー付き入力チャンネルを具備している流れ分割器を有していることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項１８】
請求項１４において、更に、前記燃料処理器を前記燃料電池から分離し、水が前記燃料処理器へ且つ水素が前記アノードへ通過することを許容するダイヤフラム部材を有していることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項１９】
請求項１４において、前記ハウジングが、前記燃料処理器を受納する第一外側シェルセクションと、前記燃料電池を受納する第二外側シェルセクションとを有していることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２０】
請求項１９において、前記第一及び第二外側シェルセクションが、電池を形成する寸法とされており、軸方向に整合しており、円筒状の形態とされたシェルセクションを有していることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２１】
請求項２０において、更に、互いに反対側の第一及び第二外側シェルセクションの夫々の端部に位置されており且つ前記燃料電池の夫々のアノード及びカソードへ動作接続されている負端子及び正端子を有していることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２２】
請求項１９において、前記第二外側シェルセクションが、燃料電池動作のための酸素を供給するために空気が通過することを許容する有孔性構造を有していることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２３】
請求項１９において、前記第一外側シェルセクションが、前記燃料電池の前記アノードへ動作接続されている導電性シェル部材を有していることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２４】
請求項２３において、更に、前記外側シェルセクションの実質的な部分にわたっており且つ端部部分を露出させたままとし且つ負の端子を形成させている絶縁体を有していることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２５】
請求項１４において、前記電極が、前記燃料及び酸化剤ガスに対して透過性である触媒電極を有していることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２６】
請求項１４において、更に、前記燃料処理器内において、水の電気分解により発生される水素ガスを格納する金属ハライド又はナノチューブマトリクスを有していることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２７】
請求項２６において、更に、水の電気分解のパワーを供給するためのソーラーチャージャーを有していることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２８】
請求項１４において、前記イオン交換電解質がプロトン交換媒体を有していることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２９】
燃料電池装置において、
燃料電池ハウジング、
燃料ガスを発生する前記ハウジング内に受納されている燃料処理器、
前記ハウジング内に受納されている燃料電池、
を有しており、前記燃料電池が、
燃料ガス用の流れ分割器であって少なくとも１個の燃料ガス入力チャンネルを包含している流れ分割器とその上に画定されており且つアノードを形成している電極とを具備しているシリコン基板、
前記燃料ガス入力チャンネル内への燃料ガスの流れを規制するために前記燃料ガス入力チャンネルに形成されている微小電気機械（ＭＥＭＳ）弁、
カソードを形成する電極、
前記電極間に位置されており、電流を発生するために酸素と前記燃料処理器からの燃料ガスとを受取るイオン交換電解質であって、プロトンがイオン交換メンブレンを介して前記アノードから通過し且つ酸素が前記カソードから通過してプロトンと結合して水を形成するイオン交換電解質、
を有していることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項３０】
請求項２９において、前記燃料処理器が、水との反応又は水の電気分解に基づいて水素を発生し、更に、前記電極及びイオン交換電解質と共に動作し且つ前記燃料処理器へ接続されている熱毛細管ポンプを有しており、前記電極間で発生される熱が水を前記電極のより低温の端部に向かって強制させ且つ毛細管反応によって前記燃料処理器へポンプ動作されて水素ガス発生用の水を供給するように前記電極が構成されていることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項３１】
請求項２９において、更に、前記電極間で検知される容量に基づいて電気を発生するために燃料電池反応を開始させるために前記燃料電池と共に動作するヒーター及び湿度センサーを有していることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項３２】
請求項２９において、前記流れ分割器が、それを介して水素ガスが、前記アノードを形成する前記電極上に流れるテーパー付き入力チャンネルを具備していることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項３３】
請求項２９において、更に、前記燃料処理器を前記燃料電池から分離しているダイヤフラム部材を有していることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項３４】
請求項２９において、前記ハウジングが、前記燃料処理器を受納する第一外側シェルセクションと、前記燃料電池を受納する第二外側シェルセクションとを有していることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項３５】
請求項３４において、前記第一及び第二外側シェルセクションが、電池を形成する寸法とされており、軸方向に整合されており、円筒状の形態とされているシェルセクションを有していることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項３６】
請求項３４において、更に、互いに反対側の第一及び第二外側シェルセクションの夫々の端部に位置されており且つ前記燃料電池の夫々のアノード及びカソードへ動作接続されている負端子及び正端子を有していることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項３７】
請求項３４において、前記第二外側シェルセクションが、燃料電池動作のための酸素を供給するために空気が通過することを許容する有孔性構造を有していることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項３８】
請求項３４において、前記第一外側シェルセクションが、前記アノードと動作接続されている導電性シェル部材を有していることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項３９】
請求項３８において、更に、前記第一外側シェルセクションの実質的な部分にわたっており且つ端部部分を露出させたままとし且つ負端子を形成させている絶縁体を有していることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項４０】
請求項２９において、前記電極が、前記燃料及び酸化剤ガスに対して透過性の触媒電極を有していることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項４１】
請求項２９において、更に、前記燃料処理器内において、水の電気分解により発生される水素ガスを格納する金属ハライド又はナノチューブマトリクスを有していることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項４２】
請求項４１において、更に、水の電気分解のパワーを供給するソーラーチャージャーを有していることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項４３】
請求項２９において、前記イオン交換電解質がプロトン交換媒体を有していることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項４４】
燃料電池において、
アノードとカソードとを形成している電極、
前記電極間に位置されており、電流を発生するために水素ガス及び酸素を受取るイオン交換電解質であって、プロトンがイオン交換メンブレンを介して前記アノードから通過し且つ酸素が前記カソードから通過して結合して水を形成するイオン交換電解質、
前記電極及びイオン交換電解質と共に動作可能であり且つ熱処理器へ接続されるべき動作可能な熱毛細管ポンプであって、前記電極間で発生される熱が前記電極のより低温の端部に向かって水を強制させ且つ毛細管反応によって燃料処理器へポンプ動作させて水素ガスを発生するための水を供給するように前記電極が構成されている熱毛細管ポンプ、
を有していることを特徴とする燃料電池。
【請求項４５】
請求項４４において、更に、前記電極間の検知された容量に基づいて燃料電池動作における反応を開始させるためのヒーター及び湿度センサーを有していることを特徴とする燃料電池。
【請求項４６】
請求項４４において、前記燃料電池が、シリコン基板を有しており、その上に前記電極の各々が形成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項４７】
請求項４４において、更に、それを介して水素ガスが前記アノードを形成している電極上に流れるテーパー付き入力チャンネルを具備している流れ分割器を有していることを特徴とする燃料電池。
【請求項４８】
請求項４４において、前記電極が、燃料及び酸化剤ガスに対して透過性の触媒電極を有していることを特徴とする燃料電池。
【請求項４９】
請求項４４において、前記イオン交換電解質がプロトン交換媒体を有していることを特徴とする燃料電池。
【請求項５０】
燃料電池において、
燃料ガス用の流れ分割器及びその上に画定されるアノードを形成する電極を具備しているシリコン基板であって、前記流れ分割器が少なくとも１個の燃料ガス入力チャンネルを包含しているシリコン基板、
前記入力チャンネル内への燃料ガスの流れを規制するために前記燃料ガス入力チャンネルに形成されている微小電気機械的（ＭＥＭＳ）弁、
カソードを形成している電極、
前記電極間に位置されており、電流を発生するために燃料ガスと酸素とを受取るイオン交換電解質であって、プロトンがイオン交換メンブレンを介して前記アノードから通過し且つ酸素が前記カソードから通過して結合して水を形成するイオン交換電解質、
を有していることを特徴とする燃料電池。
【請求項５１】
請求項５０において、更に、前記電極及びイオン交換電解質と共に動作可能であり且つ燃料処理器と接続されるべく動作可能な熱毛細管ポンプを有しており、前記電極間で発生される熱が前記電極のより低温の端部に向かって水を強制させ且つ毛細管作用によって燃料処理器へポンプ動作されて燃料ガス発生用の水を供給するように前記電極が構成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項５２】
請求項５０において、前記電極が、前記燃料及び酸化剤ガスに対して透過性の触媒電極を有していることを特徴とする燃料電池。
【請求項５３】
請求項５０において、前記イオン交換触媒がプロトン交換媒体を有していることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池に関するものであって、更に詳細には、円筒状の電池の形態とすることが可能であり且つ燃料電池内への燃料ガスの流れ制御を与えながら燃料処理器における燃料電池反応期間中に形成される水を再使用することが可能な燃料電池装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
宇宙探査乗り物における異なる装置にパワーを供給するために最初に使用された１９５０年代後期以来毎年燃料電池は益々より一般的なものとなっている。現在大型の燃料電池は自動車及びバスにパワーを供給するために使用されており、且つより小型の燃料電池は、携帯電話やラップトップコンピュータを包含する電子装置にパワーを供給している。従って、燃料電池は種々の寸法のものがあり且つ無数の異なる適用例に対して使用することが可能である。大型の燃料電池は典型的に、自動車又はその他の乗り物にパワーを供給する個別的な燃料電池の大型の積層体として設計される。最も小さな燃料電池はシリコン上に形成することが可能であり且つ燃料電池自身と同一のシリコンチップ上に製造されるか否かに拘わらず、その他のシリコンを基礎とした装置にパワーを供給するために使用することが可能である。シリコンを基礎とした燃料電池の例は、本願出願人に譲渡されており公開された特許出願である発明者Ｄ’Ａｒｒｉｇｏ  ｅｔ  ａｌ．の米国特許出願番号第２００３／０００３３４７号及び発明者ＯＰｒｉｏｒｅ  ｅｔ  ａｌ．の米国特許出願番号第２００４／０１４２２１４号において開示されており、これらの公開された特許出願の開示全体を引用によって本明細書に取込む。
【０００３】
燃料電池は、典型的に、水素のような燃料ガスと空気から供給される酸素との間に存在する電気化学的反応から電気を発生する。大型の燃料電池装置又はシステムにおいては、薄く平坦又は平面状の形態とした燃料電池からなるスタック即ち積層体が互いに層形成されている。単一の燃料電池による発生される電気はその他の個別的な積層されている燃料電池と結合されて、個別的な燃料電池が供給することが可能なものよりも著しくより大きなパワーを必要とする乗り物又はその他の適用例に対して充分なパワーを供給する。
【０００４】
通常、燃料電池は、反応を開始させ且つ電気を発生させるアノード及びカソード電極と共に動作する２つの薄い「触媒」層の間に位置されており又は挟持されている高分子膜として形成されるイオン交換電解質を包含している。水素が燃料電池へ供給され且つアノード電極としての第一触媒層と接触する。水素分子は電子とプロトンとを開放する。該プロトンは該電解質を介して、典型的に、第二触媒層の一部としてのカソード電極へ移動し酸素と反応して水を形成する。アノードにおいてプロトンから分離された電子は該電解質膜を介して通過することができず、従って、その周りを移動して電流を形成する。
【０００５】
典型的に、電極間に位置される電解質のタイプに依存して多くの異なるタイプの燃料電池が存在している。例えば、多くの燃料電池は高分子電解質膜（ＰＥＭ）を使用し且つＰＥＭ燃料電池と呼ばれる。その他の燃料電池は、直接メタノール、アルカリ、燐酸、溶融炭酸塩、固体酸化物、及び再生燃料電池として分類することが可能である。再生燃料電池技術は、又、水素と酸素とから電気を発生し且つＰＥＭ燃料電池のようなその他の燃料電池と同様に副産物として熱と水とを発生する。然しながら、再生燃料電池システムは、又、ソーラーセル又はその他の供給源からパワーを引き出して、副産物として形成された水を電気分解を使用して酸素及び水素燃料の両方へ分解することが可能である。ＮＡＳＡは、この技術を活発的に開発している１つのグループである。
【０００６】
高分子電解質膜（ＰＥＭ）燃料電池はより良く知られ且つより人気のある燃料電池である。何故ならば、それは腐食性の流体を必要とすることが無く、且つ、典型的に、プラチナ触媒を包含する場合のある何等かのタイプの有孔性電極と共に電解質として固体の高分子を使用するからである。通常、ＰＥＭ燃料電池は何等かの態様で水素を発生するか又は水素格納タンク又はその他の格納システムを形成する燃料処理器から純粋な水素を受取る。ＰＥＭ燃料電池は、典型的に、低温度で約８０℃（１７６゜Ｆ）において動作し、そのことはより少ないウォームアップ時間で迅速に開始することを可能とする。このことは磨耗を減少させ、且つ耐久性を増加させ、燃料ガスのポンド当たりのパワーをより大きなものとさせ、且つ全体的により良い動作とさせる。通常、何等からのタイプの可動金属触媒がアノードと共に動作し、例えば、プラチナであって、水素の電子及びプロトンを分離させる。酸素及び空気を使用する反応において助けとなるために別の触媒がカソードと共に動作することが可能である。
【０００７】
多くのタイプの燃料電池において、燃料電池の動作を維持するための水素を格納することが欠点であり、且つ燃料電池の動作を持続させるための水素を発生し及び／又は格納するために種々の技術が考案されている。例えば、燃料電池は金属ハライド又は例えば２ナノメーターの直径の炭素の微小間であるカーボンナノチューブを使用して化学的に水素を格納する。然しながら、どのようなタイプの水素格納又は発生をしようとも、特に燃料電池を区別するものは、プロトン交換膜として動作する高分子電解質膜（ＰＥＭ）のようなイオン交換電解質の使用である。これらのタイプの膜は、典型的に、イオン交換樹脂膜として形成され、且つ非常に薄い膜として適用することが可能なものであり、時折注ぐか又は拭って付けることが可能である。ＰＥＭは、通常、「Ｎａｆｉｏｎ」の商標名で販売されているパーフルオロカーボンスルフォン酸、フェノールスルフォン酸、ポリエチレンスルフォン酸、ポリトリフルオロスルフォン酸及び同様の化合物から構成される。その他の例は、本明細書に取込んだ’３４７及び’２１４特許に記載されている化合物を包含することが可能である。有孔性カーボンシートをプラチナ粉末のような触媒で含湿させ且つこの樹脂膜の両側に配置させてガス拡散電極層として作用させる。この構造及び組立体は、通常、当業者により膜―電極組立体（ＭＥＡ）と呼ばれる。
【０００８】
流れ分割器は、しばしば、電極及びアノード及びカソードにおいて動作を行う。アノードにおける流れ分割器はＭＥＡの片側上で燃料ガス通路を形成する。酸化用ガス通路を流れ分割器を使用してＭＥＡの反対側に形成することが可能である。引用により本明細書に取込んだ上述した公開された特許出願’２１４及び’３４７において開示され及びクレームされているようなシリコン構成体を包含する分布プレート、分離プレート又はその他の組立体を流れ分割器として動作させることが可能である。
【０００９】
燃料電池は、又、標準のＡＡＡ、ＡＡ、Ｃ、Ｄ寸法の乾電池に対する代用物として益々望ましいものとなっている。個別的なＰＥＭ燃料電池の積層体で構成される多くの従来の燃料電池装置は、乾電池代用物としての適用に対して適切なものではなかった。その燃料電池は水を発生し且つ燃料電池内への燃料ガスの効率的な制御を有するものではない。発生された水は問題を発生することが有り、持続した燃料電池の動作を可能とさせるために水素ガスの格納又は発生も問題となることがある。又、効率を増加させ且つ浪費を減少させるために燃料電池へ入力される燃料ガスについての適切な制御が望ましい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、以上の点に鑑みなされたものであって、上述した如き従来技術の欠点を解消し、例えば周知の市販されている円筒状の乾電池等の円筒状の電池の形態とさせることが可能な燃料電池装置を提供することを目的とする。
【００１１】
本発明の別の目的とするところは、酸素と水素との間の燃料電池反応期間中に発生される水を再使用することが可能な燃料電池を提供することである。
【００１２】
本発明の更に別の目的とするところは、燃料電池内へ入力される燃料ガスについての向上された制御を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、１つの側面においては、燃料ガスを発生する燃料処理器を包含する第一の円筒状の形態とされた外側シェルセクションを包含する燃料電池に向けられている。第二の円筒状の携帯とされた外側シェルセクションが該第一外側シェルセクションと整合され且つそれに固定されて一体となって円筒状の電池を形成する。この第二外側シェルセクションはアノードとカソードとを形成する電極を具備している燃料電池を包含している。イオン交換電解質が該電極の間に位置されている。
【００１４】
本燃料電池は燃料処理器により発生される燃料ガスを受取る。空気が第二外側シェルセクション内を通過して電流を発生するための反応における酸素を提供する。負端子及び正端子を第一及び第二外側シェルセクションの反対側の夫々の端部に位置させることが可能であり且つ燃料電池の夫々のアノード及びカソードへ動作接続させて電池の端子を形成することが可能である。本発明の１つの側面においては、第一及び第二外側シェルセクションは、互いに固定された場合に、ＡＡＡ、ＡＡ、Ｃ又はＤ電池のうちの１つの形態とされるように寸法設定される。
【００１５】
該電極は、典型的に、燃料及び酸素ガスに対して透過性の触媒電極として形成される。第二外側シェルセクションは、空気がそのセクション内に通過することを許容し且つ燃料電池における水素と反応するための酸素を提供するために有孔性に形成される。第一外側シェルセクションは、アノードへ動作接続されている導電性シェル部材、及び該導電性シェル部材の実質的な部分にわたっており端部部分を露出させて負端子を形成させている絶縁体を包含することが可能である。
【００１６】
該燃料処理器は、好適には、水素ガスを発生し且つ水と接触することにより水素ガスを発生する固体の燃料物質として形成することが可能である。本発明の１つの側面においては、該固体の燃料物質は水素の気泡を発生する。別の実施例においては、電気分解ユニットが、燃料電池システムの再生タイプにおいての水の電気分解によって水素を発生することを可能とさせる。金属ハライド又はナノチューブマトリクスは水の電気分解により発生された水素ガスを格納することが可能である。水の電気分解のパワーを与えるためにソーラーチャージャーを使用することが可能である。
【００１７】
本発明の更に別の側面においては、イオン交換電解質がプロトン交換媒体を有している。ダイヤフラム部材が、好適には、第一及び第二の円筒状の形態とされた外側シェルセクションを分離し、それを介して、水素が燃料電池反応器内へ通過し且つ燃料処理器へ戻される毛細管動作による水の流れにわたり何等かの制御を与えることが可能である。
【００１８】
本発明の更に別の側面においては、熱毛細管ポンプが該電極及びイオン交換電解質と共に動作可能であり且つ燃料処理器へ動作接続されている。該電極は、該電極間において発生される熱が該電極のより低温の端部に対して水を強制させ且つ毛細管動作によって燃料処理器へポンプ動作させて水素ガスを発生する水を供給するような形態とされている。本燃料電池は、該電極間における検知された容量に基づいて電気を発生するための燃料電池反応を開始させるために該燃料電池と共に動作するヒーター及び湿度センサーを包含することが可能である。該ヒーターは、加熱プロセスを開始させ且つ該ヒーターへ初期的なエネルギを供給するためにバッテリを包含することが可能である。
【００１９】
本発明の更に別の側面においては、該燃料電池は、その上に電極の各々が形成されるシリコン基板を包含することが可能である。流れ分割器をアノードに位置させることが可能であり且つそれを介して水素ガスが流れるテーパー付き入力チャンネルを有することが可能である。別の流れ分割器をカソードに位置させることが可能であり且つそれを介して空気又は酸素が流れるテーパー付き入力チャンネルを有することが可能である。
【００２０】
本発明の更に別の側面においては、アノードにおける流れ分割器は、少なくとも１個の燃料ガス入力チャンネル、及び水素等の燃料ガスの燃料電池内への流れを規制するために該燃料ガス入力チャンネルに形成した微小電気機械（ＭＥＭＳ）弁を包含している。ＭＥＭＳ弁は、当業者に公知の技術によりシリコン基板上に形成することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明を、本発明の好適実施例を示した添付の図面を参照して以下により詳細に説明する。本発明は、然しながら、多くの異なる形態で実現することが可能なものであり、本明細書に記載した特定の実施例にのみ制限されるべきものではない。そうではなく、これらの実施例は、本開示が完全なものであり、本発明の範囲を当業者に対して充分に伝達する意図を持って提供されるものである。本明細書全体にわたり同様の参照番号は同様の要素を示しており、ダッシュは変形実施例における同様の要素を表わすために使用してある。
【００２２】
本発明は、ＡＡＡ、ＡＡ、Ｃ又はＤ寸法のバッテリ等の従来の乾電池に対して代用させることが可能な燃料電池装置を提供するものである。本発明は、又、燃料電池に包含されている電極及びイオン交換電解質と共に動作する効率的な熱毛細管ポンプにおいて水をポンプ動作させることにより形成された水を再使用することが可能な燃料電池を包含する燃料電池装置を提供するものである。燃料電池内へ流入する水素ガスのような燃料ガスの量は、流れ分割器の燃料ガス入力チャンネルに形成した微小電気機械的（ＭＥＭＳ）弁により制御することも可能である。このＭＥＭＳ弁はシリコン基板の半導体処理を使用して形成され、その上には、燃料ガス用の好適な流れ分割器及びアノードを形成する電極が画定されている。
【００２３】
本発明の燃料電池装置は、第一の円筒状の形態をした外側シェルセクションを包含することが可能であり、それは燃料ガスを発生する燃料処理器を包含している。第二の円筒状の形態とした外側シェルセクションが該第一外側シェルセクションと整合され且つそれに固定されている。一緒になって、これらの外側シェルセクションは円筒状の電池を形成する寸法及び形態とされている。第二外側シェルセクションは、アノードとカソードとを形成する電極を具備している燃料電池を包含している。イオン交換電解質が該電極の間に位置されている。該燃料電池は該燃料処理器から発生された燃料ガスを受取る。例えば空気である酸化剤ガスは第二外側シェルセクションを介して通過し且つ例えば水素である燃料ガスと一緒の反応において電流を発生させるための酸素を供給することが可能である。アノード端子及びカソード端子は、好適には、互いに反対側の第一及び第二外側シェルセクションの夫々の端部に位置されており、且つ燃料電池の夫々のアノード及びカソードと動作接続されている。従って、本発明の燃料電池装置は、典型的な円筒状の形態とされた乾電池に対して置換させることが可能である。
【００２４】
熱毛細管ポンプは、典型的に、電極及びイオン交換電解質と共に動作し且つ燃料処理器と動作接続されている。該電極は、該電極間において発生する熱が該電極のより低温の端部に対して水を強制させ且つ熱毛細管ポンプにおける毛細管動作によって燃料処理器へ戻るべくポンプ動作されて合金又はその他の物質と水との反応又は水の電気分解等に基づいて水素ガスを発生するための水を供給するように平坦状の形態とした部材の形態とさせることが可能である。
【００２５】
電極及び／又は流れ分割器を画定するために本発明においてシリコン基板を使用することにより、アノード電極及びそれを介して燃料ガスが電解質と係合するために流れることが可能な燃料ガス入力チャンネル及びその他のマイクロチャンネルを具備する流れ分割器を画定することが可能である。カソード電極及び空気／酸素用の流れ分割器は、シリコン基板を使用して同様に形成することが可能である。
【００２６】
次に、図１を参照すると、負荷１２へ接続している燃料電池装置１０のブロック図が示されており、本発明の１つの非制限的な例としての燃料電池装置において使用される典型的なコンポーネントの１例を示している。燃料電池装置１０は、燃料貯蔵器（又はタンク）１４を包含しており、それは、例えば、水素ガス等の燃料ガスを、本明細書において燃料電池とも呼称される燃料電池反応室１６へ供給する。燃料電池（又は反応室）１６は、又、空気からの酸素を受取る。アノード及びカソードにおける化学反応が電流と水とを形成する。その水は、例えば熱毛細管ポンプにおける毛細管動作によって、再生器システム１８へポンプ動作させることが可能であり、そこでその水は、例えば、水素ガスを発生するために水と反応する合金等の固体物質から水素ガスを発生するために使用される。水素は、又、電気分解によって発生させることも可能である。電気分解用のエネルギは、例えば、ソーラーセル等のエネルギ入力装置を介して供給することが可能であり、従って水の電気分解のためのエネルギを供給する。次いで、その水素は燃料貯蔵器又はタンク１４内に格納することが可能であり、且つ酸素は大気へ通気させるか又は燃料電池へリサイクルさせて再度燃料電池において使用することが可能である。
【００２７】
燃料電池により発生され且つ負荷１２へ供給される電気は、当業者により公知の任意の適宜のパワーレギュレータ２２によって規制することが可能である。燃料電池１６は、シリコン基板上に形成することが可能であり、且つ同一の又は別の集積回路チップ上に形成されるマイクロ電子装置を包含する小型の装置にパワーを供給するために使用される「マイクロ」燃料電池として形成することが可能である。燃料電池１６は、又、自動車又はその他の乗り物にパワーを供給することが可能な大型の燃料電池バッテリを形成するために一体的にグループ化される多数の燃料電池積層体によって形成することが可能である。
【００２８】
図２は例えばＡＡＡ、ＡＡ、Ｃ又はＤ寸法の乾電池である標準寸法の乾電池を置換させるべく設計することが可能な燃料電池装置３０の分解斜視図である。図２の例示した実施例は、ＡＡ寸法のバッテリとして構成された燃料電池装置を示しており、長さ「Ｘ」は、典型的に、約５０ｍｍであり且つ直径「Ｙ」は、典型的に、約１４ｍｍである。本燃料電池装置に対するその他の寸法は、異なる円筒状の形態であり且つ市販されている円筒状の乾電池を置換させるために使用することが可能である。
【００２９】
本燃料電池装置は、第一の円筒状の形態とされた外側シェルセクション３２を包含しており、それは軸整合状態で第二の円筒状の形態とされた外側シェルセクション３４を受納する。この第二セクション３４は、又、カップラーを形成している。第一及び第二外側シェルセクション３２，３４の間の固着は、例えば、カップラー３４の螺設端部内に受納された螺設延長部３６を具備することにより螺合接続を使用して達成することが可能である。第一セクション３２は３０ｍｍ（Ａ）であり且つ第二セクションは２０ｍｍ（Ｂ）とすることが可能であり、ＡＡシェルに対応する全体的で５０ｍｍの長さを形成している。第一及び第二セクションに対するその他の寸法及び第一及び第二外側シェルセクションに対するその他の固着システムは当業者により適宜使用することが可能である。
【００３０】
第一外側シェルセクション３２は燃料処理器４０を包含しており、それは水素ガス等の燃料ガスを発生する。第二外側シェルセクション３４は電気化学的プロセスが発生する燃料電池反応器を形成する燃料電池４２を包含している。燃料電池４２は、反応期間中にアノード電極４４とカソード電極４６とを形成する電極、及び電極４４，４６の間に位置されているイオン交換電解質４８を具備している。この非制限的例においては、燃料電池４２は燃料処理器４０から発生された燃料ガスと第二外側シェルセクションにおける通気孔又は小孔５０を介しての空気等の酸素ガスを受取る。第二外側シェルセクションを介して燃料電池内への空気の流れを与えるために本発明に対して異なるタイプの小孔デザインを使用することが可能である。
【００３１】
電極４４，４６は、好適には、燃料及び酸素ガスに対して透過性である触媒電極として形成される。例えば、あるタイプのカーボンファイバー紙を電極物質として使用することが可能である。何故ならば、それは有孔性で疎水性で導電性で且つ非腐食性だからである。該電極における触媒は、水素ガスを該反応のために必要なプロトンと電子とに分解させることを可能とする。別の触媒は空気からの酸素を発生することを助けることが可能である。電極４４，４６は反応用ガスと電解質４８との間のインターフェースを提供し且つ湿潤ガス浸透を可能とさせ且つ反応ガスが電解質と接触する反応表面を提供する。前に説明にしたように、通常、触媒は各電極４４，４６の表面へ付加され、且つ電解質４８と接触して化学反応が発生する割合を増加させる。プラチナは、その電極−触媒アクティビティ、安定性、及び電気的導電性が高いために使用することが可能である。水素はアノード電極４４からイオン交換電解質４８を介して流れることが可能であり、一方空気中の酸素は該イオン交換電解質を介して水素プロトンを吸引して結合し且つ電気化学的プロセスの一部として水を形成することが可能である。
【００３２】
典型的に、固体高分子電解質が使用され且つ薄い膜又はプラスチックフィルムとして形成され、且つ高分子電解質膜（ＰＥＭ）燃料電池を形成する。典型的に、高分子電解質膜は５０乃至約１７５ミクロンの範囲のプラスチックのようなフィルムとすることが可能であり、且つパーフルオロスルフォン酸及びスルフォン酸基（−ＳＯ32）で終了する側鎖を具備するテフロンのようなフルオロカーボン高分子である同様の酸から形成することが可能である。該高分子に対して使用することが可能な酸誘導体の代表的で非制限的な例は、「Ｎａｆｉｏｎ」の商標名で販売されているパーフルオロスルフォン酸、フェノールスルフォン酸、ポリエチレンスルフォン酸、ポリトリフルオロスルフォン酸、及び同様の化合物を包含している。
【００３３】
本発明の１つの側面においては、第一外側シェルセクション３２が導電性シェル部材５４を包含しており、該導電性シェル部材の実質的な部分にわたり絶縁体５６が位置されており、負端子６０を形成するために端部部分を露出させたままとしている。負端子６０のデザインは、アノード電極４４が延長部４４ａを包含すべくデザインし且つ導電性ストリップ６２を該アノードへ接続させ且つそれを導電性シェル部材５４へ戻るべく延在させることにより該アノードを導電性シェル部材５４へ接続させ、一方負端子６０を形成するために端部のみを露出させたままとすることにより達成することが可能である。正端子は、典型的に、ディスク形状のカップ６４として形成され、それは第二外側シェルセクション（又はカップラー）３４上に受納される。燃料電池４２はカップラーを形成する第二外側シェルセクションへ結合される正端子６４へ固着させることが可能な延長部４６ａを具備するカソード電極４６を包含することが可能である。従って、燃料電池４２はカップラー内の所定位置にロックされる。
【００３４】
ダイヤフラム７０は、好適には、第一及び第二の円筒状の形態とされた外側シェルセクション３２，３４の間に位置されており、それを介して、水素が燃料電池４２内へ通過し且つ水が第一外側シェルセクション内に包含されている燃料処理器４０内へ通過して以下により詳細に説明するように水を形成する。該ダイヤフラムは燃料処理器へ戻る何等かの水の流れを規制し、且つ水の逆流を阻止するためにある有孔度でデザインすることが可能である。それは、又、燃料電池を保持するカップラーセクション内への水素の一方向通過のみを可能とさせる。更に、別の実現例においては、このダイヤフラムはポンピング動作を発生しガス（酸素及び水素）を反応器内へ押し込むために前後に波動することが可能である。このポンピング動作はダイヤフラムの中心に取付け且つ該ダイヤフラムと対面する反応器端部上に固着させたピエゾ電気要素により形成される。
【００３５】
図３Ａ及び３Ｂは燃料処理器４０の２つの異なる実施例を示している。図３Ａは燃料プレフォームとして作用し且つ水素と酸素とを発生するための燃料電池反応からの水又は水副産物と反応する固体燃料８０を使用する燃料処理器４０を示している。このような固体燃料は、又、ゲルとすることが可能である。これらの燃料はカナダのオルタナティブエネルギコンバージョンインコーポレイテッドを包含する異なる会社により製造されている。固体燃料８０は水と反応し且つ金属合金コンポーネントとして形成することが可能であり、その場合には、水素収量の増加又は減少は種々のコンポーネントを混合することにより制御することが可能である。例えば、固体燃料８０は異なるｐＨ発生化学物質を具備する合金タブレットとして形成することが可能である。水素気泡はある量の水と混合した場合に特定の割合で発生することが可能である。水素は、従って、オンデマンドで所望のアプリケーションを実行することが可能である。これらの固体燃料８０化合物は、亜鉛、アルミニウム及び／又は１つの非制限的な例として水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）又は同様の試薬により制御されるような例えばｐＨ感受性環境において典型的な水と接触した場合に水素を発生するその他の物質の種々の合金から形成することが可能である。水は、燃料電池からの副産物として燃料電池反応により供給することが可能である。その水は燃料処理器へポンプ動作により戻されて水素ガス発生のために必要な水を供給する。この燃料電池バッテリは、最初に使用する前にこの燃料処理器内へ水滴を付加することによりチャージすることが可能である。
【００３６】
図３Ｂは燃料処理器４０の別の実施例を示しており、それは水素が水の電気分解により発生される再生プロセスの一部として動作可能な再生可能な燃料８２を包含している。第一外側シェルセクションの外側表面上のソーラーセル８４は、太陽光を受取り且つソーラーチャージャーとしてエネルギを供給することが可能である。適宜の電気的接続がソーラーセルから外側シェルセクション３２内の電気分解ユニット８６へ延在している。ソーラーセル８４から派生されるエネルギは電気分解ユニット８６にパワーを供給して燃料電池反応期間中に発生した水から水素と酸素とを発生する。その水素ガスが発生される場合に、それは水素格納装置の非制限的な例としての金属ハライド又はナノチューブマトリクス８８のいずれかにおいて吸収により格納させることが可能である。
【００３７】
図４は平面状の形態とした電極４４，４６と好適には高分子電解質膜として形成した平面状の形態としたイオン交換電解質４８とを包含する燃料電池４２と共に動作する２つのエッジセクション１００ａ，１００ｂとして形成した熱毛細管ポンプ１００を示している。燃料電池が反応により熱を発生することが可能であることは当業者に公知である。この熱毛細管ポンプは２つのエッジセクション１００ａ，１００ｂとして形成されており、それらはアノード電極及びカソード電極及びイオン交換電解質と係合し且つそれと共に動作し且つ燃料処理器４０へ動作接続されている。電極４４，４６は、それらの電極の間に発生される熱が該電極のより低温の端部へ水を強制させ且つ毛細管力により熱毛細管ポンプ１００の２つのエッジセクション１００ａ，１００ｂによって燃料処理器４０へポンプ動作により戻されて水素ガスを発生するための水を供給する形態とされている。ダイヤフラム７０は前述したようにどれ程の水を燃料処理器が受取るかについての何等かの制御を与えることが可能である。
【００３８】
熱毛細管ポンプ１００は該電極の端部へ強制された水を受取る各エッジ部材１００ａ，１００ｂ上の有孔性インテーク区域１０２を包含している。この有孔性インテーク区域１０２における毛細管小孔は、燃料電池の各側部に位置された熱毛細管ポンプの主要セクション内へ水が流れ込み且つシリコン又はより大きな管内に形成したマイクロチャンネルとすることが可能な排出管１０４を介して毛細管作用により排出させることが可能である。従って、管１０４は燃料電池のデザイン又は燃料処理器４０内へ戻されるべき水の量に依存して、直径が数ミクロン又は数ｍｍとすることが可能である。当然に、燃料電池が公開された特許出願で本明細書に取込んだ本願出願人と同一出願人による’３４７及び’２１４において記載されているタイプのようなマイクロ燃料電池としてデザインされる場合には、熱毛細管ポンプ用の排出管１０４は非常に直径が小さく且つシリコン基板上に形成することが可能である。
【００３９】
図５は本発明の１つの非制限的な例として使用される燃料電池のデフューザー及び反応器を形成する低圧流れ分割器デザインの１つのタイプを示している。図５は燃料電池又は同様の装置のアノード電極４４の一部を形成するシリコン基板２００を示している。シリコン基板２００は燃料ガス用の形成されている流れ分割器２０２を具備しており、且つアノード電極がその上に画定されている。図５に示したこの特定の実施例は２つの別個の燃料電池構成体４２ａ，４２ｂを有しており、それらは約１．２乃至約１．６ボルトを発生する。燃料電池４２はシリコン基板２００及び流れ分割器２０２及びその上に画定されているアノード電極を包含している。２つの燃料ガス入力チャンネル２０４が例示されており、即ち、例示した如く各セル構成体４２ａ，４２ｂに対して１個づつである。
【００４０】
多数の小さな燃料マイクロチャンネル又はガスフロートラック２０６が主要な燃料ガス入力チャンネル２０４から分岐し且つ多数の燃料ガスチャンネルを与えており、それを介して、燃料ガスはアノード電極及びイオン交換電解質全体にわたって拡散することが可能である。これら２つの燃料ガス入力チャンネル２０４は、好適には、燃料ガス速度を増加させ且つ画定したマイクロチャンネル２０６を介しての燃料ガスの低圧拡散流れを向上させるためにテーパーが付けられている。理解すべきことであるが、上述したような異なるマイクロチャンネル２０６及び構成を形成するために異なる技術を使用することが可能であり、引用により本願明細書に取り込んだ公開された特許出願に記載されているシリコン処理技術及び当業者に公知のその他のシリコン処理技術を包含している。カソード電極（不図示）は、酸素用の異なるテーパーの付けられたガスフロー入力チャンネル及びそれを介してカソード電極及び電解質に対して酸素を拡散させることが可能な毛細管マイクロチャンネルで同様に形成することが可能である。
【００４１】
図５に示したように、シリコン基板を使用しているので、微小電気機械的（ＭＥＭＳ）弁２１０を各燃料ガス入力チャンネル２０４において形成することが可能であり且つ該入力チャンネル内への燃料ガスの流れを規制することが可能である。そのＭＥＭＳ弁は種々の開放条件において制御することが可能な弁を形成するバランスさせた梁、片持ち梁又はその他の構成体とすることが可能である。ＭＥＭＳ制御器２１２はＭＥＭＳ弁の動作を制御し且つ燃料電池内への燃料ガスの流れを制御するために各ＭＥＭＳ弁２１０へ接続させることが可能である。ヒーター及び湿度又は温度センサー２２０を設け且つ本燃料電池と共に動作させることが可能である。湿度又は温度センサー部分２２０ａは、２つの平行な導電性要素の間の容量を測定することにより動作することが可能であり、且つヒーターにより供給される付加された熱を必要とする場合のある反応を初期的に開始させるためにヒーターの動作を開始させることが可能である。バッテリ２２２は初期的なスタートアップのためのヒーターにパワーを供給するために設けることが可能である。ヒーター、湿度センサー及び／又は温度センサーは、本発明のために使用される製造プロセス及びシリコン基板のタイプ及び使用されるデザインに依存して、導体としてポリシリコンを使用しＭＥＭＳ回路として形成することが可能である。ＭＥＭＳ制御器２１２は、又、ヒーター２２０を制御し且つパワーを規制するために使用することも可能である。
【００４２】
ＰＥＭ４８は図５に示した構成体の上に塗り付けることが可能なゲル又は高分子として形成することが可能である。本明細書に引用による取り込んだ公開された特許出願’２１４及び’３４７は、その背景技術及び明細書において、ＰＥＭ及び構成体の上に塗り付けるか又は注ぐことも可能なＰＥＭを提供するために本発明において使用するか又は修正することが可能な同様の物質に対するその他の従来の文献及び示唆について開示している。
【００４３】
以上、本発明の具体的実施の態様について詳細に説明したが、本発明は、これら具体例にのみ制限されるべきものではなく、本発明の技術的範囲を逸脱することなしに種々の変形が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の燃料電池装置において使用することが可能な基本的なコンポーネントを示したブロック図。
【図２】市販されている乾電池と同様の形態とさせた本発明の燃料電池装置の部分的分解斜視図。
【図３】（Ａ）は本発明の１つの非制限的例に従って燃料電池用の水素を発生するために水副産物と反応することが可能な固体燃料を具備する燃料処理器の１例を示した概略図、（Ｂ）は本発明の別の非制限的な例に基づいてソーラーエネルギを使用して水の電気分解により水素を発生する燃料処理器の別の実施例を示した概略図。
【図４】対向する電極とそれらの間に位置されているプロトン交換膜、及び毛細管作用により回収され且つ燃料処理器へポンプ動作により水が戻されることを可能とさせる熱毛細管ポンプを示しており、本発明に基づく燃料電池の１例の部分的分解斜視図。
【図５】本発明の１つの例に基づいてシリコン基板と燃料ガス用の流れ分割器と、燃料ガスの流れを規制するためのＭＥＭＳ弁を組込んだ流れ入力チャンネルとを示しており且つ２つの別個のセルとして形成した燃料電池の一部の部分的斜視図。
【符号の説明】
【００４５】
１０  燃料電池装置
１２  負荷
１４  燃料貯蔵器（タンク）
１６  燃料電池（反応室）
１８  再生器システム
３０  燃料電池装置
３２  第一外側シェルセクション
３４  第二外側シェルセクション
３６  螺設延長部
４０  燃料処理器
４２  燃料電池
４４  アノード電極
４６  カソード電極
４８  イオン交換電解質
５０  通気孔又は小孔
５４  導電性シェル部材
５６  絶縁体
６０  負端子
６２  導電性ストリップ
６４  ディスク形状キャップ
７０  ダイヤフラム
８０  固体燃料
８２  再生可能燃料
８４  ソーラーセル
８６  電気分解ユニット
８８  ナノチューブマトリクス
１００  熱毛細管ポンプ
【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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