(57)【要約】【課題】【解決手段】  本発明は、燃料を有する燃料プレナムと、酸化剤を有する酸化剤プレナムと、前記燃料および酸化剤プレナムと連通する多孔質基板と、前記多孔質基板で作られたチャネルと、アノードと、カソードと、前記アノードとカソードに接するチャネルの一部にあり前記カソードへの燃料の移動と前記アノードへの酸化剤の移動を防ぐ電解質と、前記多孔質基板の一部に燃料が流入するのを防ぐ第１のコーティングと、前記多孔質基板の一部に酸化剤が流入するのを防ぐ第２のコーティングと、２つのシーラント・バリアと、陽極および陰極接続とから作られる燃料電池であり、前記において本発明はまた、多重燃料電池層構造と、２層燃料電池層構造と、燃料電池層を作るための方法とに関与するものである。
2005517273.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
ａ．燃料を有する燃料プレナムと、
ｂ．酸化剤を有する酸化剤プレナムと、
ｃ．上部、底部、第１の側面、および第２の側面を有し、前記燃料プレナムおよび前記酸化剤プレナムと連通する多孔質基板と、
ｄ．前記多孔質基板を用いて形成されたチャネルであって、第１のチャネル壁と第２のチャネル壁を有するチャネルと、
ｅ．前記第１のチャネル壁の多孔質基板上に配置された第１の触媒層から形成されるアノードと、
ｆ．前記第２のチャネル壁の多孔質基板上に配置された第２の触媒層から形成されるカソードと、
ｇ．前記カソードへの燃料の移動と前記アノードへの酸化剤の移動を防ぐために、前記アノードおよび前記カソードに接触する前記チャネルの部分に少なくとも配置される電解質と、
ｈ．前記多孔質基板の少なくとも一部に燃料が入り込むのを防ぐために、前記多孔質基板の少なくとも一部分に配置される第１のコーティングと、
ｉ．前記多孔質基板の少なくとも一部に酸化剤が入り込むのを防ぐために、前記多孔質基板の少なくとも一部分に配置される第２のコーティングと、
ｊ．前記第１の側面に配置される第１のシーラント・バリアおよび前記第２の側面に配置される第２のシーラント・バリアと、
ｋ．前記第１の側面に配置される陽極接続と、
ｌ．前記第２の側面に配置される陰極接続と、を有し、
前記において結果として得られる燃料電池は外部負荷を駆動する電流を生み出すものである。
【請求項２】
請求項１の燃料電池において、前記第１の触媒層から形成される前記アノードは、前記第１のチャネル壁の多孔質基板に配置され、前記第２の触媒層から形成される前記カソードは、前記第２のチャネル壁の多孔質基板に配置されるものである。
【請求項３】
請求項２の燃料電池において、前記第１および第２の触媒層は、触媒活性をもたらすために必要な最低深度から最大深度を、前記第１のチャネル壁から前記第１の側面までの距離か、前記第２のチャネル壁から前記第２の側面までの距離かの中から選択し、前記多孔質基板に配置されるものである。
【請求項４】
請求項１の燃料電池において、前記第１のシーラント・バリアは前記アノードの反対側の前記第１の側面に配置され、前記第２のシーラント・バリアは前記カソードの反対側の前記第２の側面に配置されるものである。
【請求項５】
請求項１の燃料電池において、前記チャネルは前記多孔質基板の中に形成されるものである。
【請求項６】
請求項５の燃料電池において、切断、除去（アブレーティング）、成形、エッチング、押し出し成形、型押し、ラミネーティング、包埋、溶融、および前記技法の組み合わせを含む一群から選択する技法を用いて前記チャネルを形成するものである。
【請求項７】
請求項１の燃料電池において、前記チャネルは起伏しているものである。
【請求項８】
請求項１の燃料電池において、前記チャネルは少なくとも３つの平面にあるものである。
【請求項９】
請求項１の燃料電池において、前記酸化剤は純粋な酸化剤、ガス含有酸化剤、空気、酸素富有空気、およびそれらの組み合わせを含む一群の１つを有するものである。
【請求項１０】
請求項１の燃料電池において、前記燃料は以下の一群の１つを有する：純粋な水素、ガス含有水素、ギ酸、および以下の一群の１つを有する水溶液：アンモニア、メタノール、エタノール、ホウ化水素ナトリウム、およびそれらの組み合わせである。
【請求項１１】
請求項１の燃料電池において、前記多孔質基板は平面形を有するものである。
【請求項１２】
請求項１の燃料電池において、前記多孔質基板は一定の容積を包含する形状である。
【請求項１３】
請求項１２の燃料電池において、前記多孔質基板は円筒形を有するものである。
【請求項１４】
請求項１の燃料電池において、前記多孔質基板は導電性材料である。
【請求項１５】
請求項１の燃料電池において、前記多孔質機材は、金属発泡材、グラファイト、グラファイトコンポジット、少なくとも１つのシリコンウェファー、焼結ポリテトラフロロエチレン、結晶性ポリマー、結晶性ポリマーコンポジット、強化フェノール樹脂、カーボンクロス、炭素発泡材、カーボンエーロゲル、セラミック、セラミックコンポジット、炭素とポリマーのコンポジット、セラミックとガラスのコンポジット、再生有機材料などの材料、および前記材料の組み合わせを含む一群の１つを有するものである。
【請求項１６】
請求項１の燃料電池であって、さらに、第１のチャネル壁と第２のチャネル壁の間に配置される支材を有し、前記支材はシリコン、グラファイト、グラファイトコンポジット、ポリテトラフロロエチレン、ポリメタメタクリル樹脂、結晶性ポリマー、結晶性コポリマー、前記の架橋ポリマー、木材、および前記の組み合わせを含む一群の１つを有するものである。
【請求項１７】
請求項１の燃料電池であって、さらに、前記燃料プレナムに接続する燃料プレナム放出口を有するものである。
【請求項１８】
請求項１の燃料電池であって、さらに、前記燃料プレナムに接続する燃料プレナム注入口を有するものである。
【請求項１９】
請求項１の燃料電池であって、さらに、酸化剤プレナムと連通する酸化剤プレナム注入口を有するものである。
【請求項２０】
請求項１の燃料電池であって、さらに、酸化剤プレナムと連通する酸化剤プレナム放出口を有するものである。
【請求項２１】
請求項１の燃料電池において、前記燃料プレナムは透過性材料を有するものである。
【請求項２２】
請求項１の燃料電池において、前記燃料プレナムは透過性材料を有するものである。
【請求項２３】
請求項１の燃料電池において、前記燃料プレナムは流体場を持つ固体材料を有するものである。
【請求項２４】
請求項１の燃料電池において、前記電解質はスルホン基を含む過フッ化ポリマー、ｐＨが最高４までの酸性水溶液、ｐＨが７を超えるアルカリ水溶液、および前記の組み合わせを有する一群の１つである。
【請求項２５】
請求項１の燃料電池において、前記第１のコーティングおよび前記第２のコーティングは同じ材料である。
【請求項２６】
請求項１の燃料電池において、前記第１のコーティングおよび前記第２のコーティングは異なる材料である。
【請求項２７】
請求項１の燃料電池において、前記コーティングのうち少なくとも１つは、ポリマーコーティング、エポキシ、ポリテトラフロロエチレン、ポリメチルメタクリル樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレン、前記のコポリマー、前記の架橋ポリマー、導電性材料、および前記の組み合わせを含む一群の１つを有するものである。
【請求項２８】
請求項１の燃料電池において、前記触媒層のうち少なくとも１つは、貴金属、貴金属を有する合金、プラチナ、プラチナ合金、ルテニウム、ルテニウム合金、および前記の組み合わせを含む一群の１つを有するものである。
【請求項２９】
請求項２８の燃料電池において、前記触媒層の少なくとも１つは、少なくとも１つの貴金属を含む３元合金であるものである。
【請求項３０】
請求項２８の燃料電池において、前記触媒層の少なくとも１つはプラチナを有するものである。
【請求項３１】
請求項２８の燃料電池において、前記触媒層の少なくとも１つはプラチナ−ルテニウム合金を有するものである。
【請求項３２】
請求項２８の燃料電池において、前記触媒層の少なくとも１つは、もう一方の触媒層と異なる触媒負荷量を有するものである。
【請求項３３】
請求項１の燃料電池において、前記チャネルは高さ１ミクロン〜１０ｃｍ、幅１ナノメートル〜１ｍｍ、長さ１ナノメートル〜１００メートルの範囲のサイズである。
【請求項３４】
請求項１の燃料電池において、前記燃料電池は約０．２５ボルト〜約４ボルトの電圧を生むものである。
【請求項３５】
請求項１の燃料電池において、前記燃料プレナムは長方形の横断面を有するものである。
【請求項３６】
請求項１の燃料電池において、前記燃料プレナムと連通する前記多孔質基板は水平軸をさらに有し、前記チャネルに配置された前記電解質は前記水平軸に対して垂直に配置されるものである。
【請求項３７】
請求項１の燃料電池において、前記酸化剤プレナムは透過性材料を有するものである。
【請求項３８】
請求項１の燃料電池において、前記酸化剤プレナムは流体場を持つ固体材料を有するものである。
【請求項３９】
請求項１の燃料電池において、前記酸化剤プレナムは周辺環境に開かれているものである。
【請求項４０】
外部負荷に接続するための請求項１の燃料電池を少なくとも２つ有する燃料電池層。
【請求項４１】
請求項４０の燃料電池において、前記第１の触媒層から形成される前記アノードは、前記第１のチャネル壁の前記多孔質基板に配置され、前記第２の触媒層から形成される前記カソードは前記第２のチャネル壁の前記多孔質基板に配置されるものである。
【請求項４２】
請求項４０の燃料電池層において、前記第１および第２の触媒層は、触媒活性を起こすために必要な少なくとも最低限の深さで前記多孔質基板に配置されるものである。
【請求項４３】
請求項４０の燃料電池において、前記チャネルは前記多孔質基板の中に形成されるものである。
【請求項４４】
請求項４３の燃料電池において、切断、除去（アブレーティング）、成形、エッチング、押し出し成形、型押し、ラミネーティング、包埋、溶融、および前記の技法の組み合わせを含む一群から選択する技法を用いて前記チャネルを形成するものである。
【請求項４５】
請求項４０の燃料電池層において、前記チャネルの少なくとも１つは起伏しているものである。
【請求項４６】
請求項４０の燃料電池層において、前記チャネルの少なくとも１つは３つの平面にあるものである。
【請求項４７】
請求項４０の燃料電池層において、前記燃料電池の少なくとも１つは、前記第１のチャネル壁と前記第２のチャネル壁の間に置かれた支材をさらに有し、前記支材は、シリコン、グラファイト、グラファイトコンポジット、ポリテトラフロロエチレン、ポリメタメタクリル樹脂、結晶性ポリマー、結晶性コポリマー、前記の架橋ポリマー、木材、および前記の組み合わせを含む一群の１つを有するものである。
【請求項４８】
請求項４０の燃料電池層において、前記燃料電池の少なくとも１つは、スルホン基を含む過フッ化ポリマー、７を超えるｐＨの酸性水溶液、最高４までのｐＨのアルカリ水溶液、および前記の組み合わせを有する一群から選択される電解質を有するものである。
【請求項４９】
請求項４０の燃料電池層において、前記コーティングのうち少なくとも１つは、ポリマーコーティング、エポキシ、ポリテトラフロロエチレン、ポリメチルメタクリル樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレン、前記のコポリマー、前記の架橋ポリマー、導電性材料、および前記の組み合わせから成る一群の１つを有するものである。
【請求項５０】
請求項４０の燃料電池層において、前記触媒層の少なくとも１つは、貴金属、貴金属を有する合金、プラチナ、プラチナ合金、ルテニウム、ルテニウム合金、および前記の組み合わせから成る一群の１つである。
【請求項５１】
請求項５０の燃料電池層において、前記触媒層の少なくとも１つは、少なくとも１つの貴金属を有する３元合金である。
【請求項５２】
請求項５０の燃料電池層において、前記触媒層の少なくとも１つはプラチナである。
【請求項５３】
請求項５０の燃料電池層において、前記触媒層の少なくとも１つはプラチナ−ルテニウム合金である。
【請求項５４】
請求項５０の燃料電池層において、前記触媒層の少なくとも１つは、他の触媒層と異なる触媒負荷量を持つものである。
【請求項５５】
請求項４０の燃料電池層において、前記チャネルの少なくとも１つは高さ１ミクロン〜１０ｃｍ、幅１ナノメートル〜１ｍｍ、長さ１ナノメートル〜１００メートルの範囲のサイズである。
【請求項５６】
請求項４０の燃料電池層において、各燃料電池層は約０．２５ボルト〜約２５００ボルトの電圧を生むものである。
【請求項５７】
請求項４０の燃料電池層において、前記燃料電池層は１〜５０００個の燃料電池を有するものである。
【請求項５８】
請求項５７の燃料電池層において、前記燃料電池層は７５〜１５０個の燃料電池を有するものである。
【請求項５９】
請求項１の燃料電池を少なくとも２つ接続したものを有する燃料電池層。
【請求項６０】
請求項５９の燃料電池層において、前記第１の触媒層から形成される前記アノードは、前記第１のチャネル壁の前記多孔質基板に配置され、前記第２の触媒層から形成される前記カソードは前記第２のチャネル壁の前記多孔質基板に配置されるものである。
【請求項６１】
請求項６０の燃料電池層において、前記第１および第２の触媒層は、触媒活性を起こすために必要な少なくとも最低限の深さで前記多孔質基板に配置されるものである。
【請求項６２】
請求項５９の燃料電池層において、前記チャネルは前記多孔質基板の中に形成されるものである。
【請求項６３】
請求項６２の燃料電池層において、切断、除去（アブレーティング）、成形、エッチング、押し出し成形、型押し、ラミネーティング、包埋、溶融、および前記の技法の組み合わせを含む一群から選択する技法を用いて前記チャネルを形成するものである。
【請求項６４】
請求項５９の燃料電池層において、前記チャネルの少なくとも１つは起伏しているものである。
【請求項６５】
請求項５９の燃料電池層において、前記チャネルの少なくとも１つは少なくとも３つの平面にある。
【請求項６６】
請求項５９の燃料電池層において、前記多孔質基板の少なくとも１つは平面形を有するものである。
【請求項６７】
請求項５９の燃料電池層において、前記複数の燃料電池は一定の容積を包含する形状を有するものである。
【請求項６８】
請求項５９の燃料電池層において、前記複数の燃料電池の形状は円筒形を有するものである。
【請求項６９】
請求項５９の燃料電池層において、前記多孔質基板の少なくとも１つは導電性材料であるものである。
【請求項７０】
請求項５９の燃料電池層において、前記多孔質基板の少なくとも１つは、金属発泡材、グラファイト、グラファイトコンポジット、少なくとも１つのシリコンウェファー、焼結ポリテトラフロロエチレン、結晶性ポリマー、結晶性ポリマーコンポジット、強化フェノール樹脂、カーボンクロス、炭素発泡材、カーボンエーロゲル、セラミック、セラミックコンポジット、炭素とポリマーのコンポジット、セラミックとガラスのコンポジット、再生有機材料などの材料、およびそれらの材料の組み合わせを含む一群の１つを有するものである。
【請求項７１】
請求項５９の燃料電池層において、前記燃料電池の少なくとも１つはさらに、前記第１のチャネル壁と前記第２のチャネル壁の間に配置された支材を有し、前記支材は、シリコン、グラファイト、グラファイトコンポジット、ポリテトラフロロエチレン、ポリメタメタクリル樹脂、結晶性ポリマー、結晶性コポリマー、前記の架橋ポリマー、木材、および前記の組み合わせを含む一群のうち１つを有するものである。
【請求項７２】
請求項５９の燃料電池層において、前記燃料電池の少なくとも１つは、スルホン基を含む過フッ化ポリマー、ｐＨが最高４までの酸性水溶液、ｐＨが７を超えるアルカリ水溶液、および前記の組み合わせを有する一群から選択される電解質を有するものである。
【請求項７３】
請求項５９の燃料電池層において、前記燃料電池の少なくとも１つは、同じ材料の第１のコーティングと第２のコーティングを有するものである。
【請求項７４】
請求項５９の燃料電池層において、前記燃料電池の少なくとも１つは、異なる材料の第１のコーティングと第２のコーティングを有するものである。
【請求項７５】
請求項５９の燃料電池層において、前記コーティングのうち少なくとも１つは、ポリマーコーティング、エポキシ、ポリテトラフロロエチレン、ポリメチルメタクリル樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレン、前記のコポリマー、前記の架橋ポリマー、導電性材料、および前記の組み合わせを含む一群の１つを有するものである。
【請求項７６】
請求項５９の燃料電池層において、前記触媒層の少なくとも１つは、貴金属、貴金属を有する合金、プラチナ、プラチナ合金、ルテニウム、ルテニウム合金、および前記の組み合わせを含む一群の１つである。
【請求項７７】
請求項７６の燃料電池層において、前記触媒層の少なくとも１つは、少なくとも１つの貴金属を有する３元合金である。
【請求項７８】
請求項７６の燃料電池層において、前記触媒層の少なくとも１つはプラチナである。
【請求項７９】
請求項７６の燃料電池層において、前記触媒層の少なくとも１つはプラチナ−ルテニウム合金である。
【請求項８０】
請求項７６の燃料電池層において、前記触媒層の少なくとも１つは、他の触媒層と異なる触媒負荷量を持つものである。
【請求項８１】
請求項５９の燃料電池層において、前記チャネルの少なくとも１つは高さ１ミクロン〜１０ｃｍ、幅１ナノメートル〜１ｍｍ、長さ１ナノメートル〜１００メートルの範囲のサイズである。
【請求項８２】
請求項５９の燃料電池層において、前記燃料電池層は約０．２５ボルト〜約２５００ボルトの電圧を生むものである。
【請求項８３】
請求項５９の燃料電池層において、前記燃料電池層は１〜５０００個の合体した燃料電池を有するものである。
【請求項８４】
請求項８３の燃料電池層において、前記燃料電池層は７５〜１５０個の合体した燃料電池を有するものである。
【請求項８５】
燃料電池層を製造する方法であって、
ａ．上部と底部、第１の側面と第２の側面を有する多孔質基板を形成する工程と、
ｂ．前記上部の少なくとも一部に第１のコーティングを配置する工程と、
ｃ．前記底部の少なくとも一部に第２のコーティングを配置する工程と、
ｄ．前記多孔質基板を用い、各個別チャネルが第１のチャネル壁と第２のチャネル壁を有する複数の個別チャネルを形成する工程と、
ｅ．複数の第１の触媒層を前記第１のチャネル壁に置くことにより、複数のアノードを形成する工程と、
ｆ．複数の第２の触媒層を前記第２のチャネル壁に置くことにより、複数のカソードを形成する工程と、
ｇ．各個別チャネルの部分に少なくとも電解質を配置する工程と、
ｈ．前記第１の側面の少なくとも一部に第１のシーラント・バリアを配置する工程と、
ｉ．前記第２の側面の少なくとも一部に第２のシーラント・バリアを配置する工程と、
ｊ．個別チャネルそれぞれの間に複数の第３のシーラント・バリアを作り、互いに隣接する複数の独立した燃料電池を前記多孔質基板の中に作る工程と、
ｋ．前記多孔質基板の第１の側面に陽極接続を取り付ける工程と、
ｌ．前記多孔質基板の前記第２の側面に陰極接続を取り付ける工程と、
ｍ．燃料電池陽極接続を独立したそれぞれの燃料電池に取り付ける工程と、
ｎ．燃料電池陰極接続を、前記燃料電池層を形成する独立したそれぞれの燃料電池に取り付ける工程と、
ｏ．前記燃料電池層の少なくとも一部の周囲にシーラント・バリアを配置する工程と、
を有する方法である。
【請求項８６】
請求項８５の方法において、鋳造して焼成することによって前記多孔質基板を形成するものである。
【請求項８７】
請求項８５の方法において、前記前もって作られた塊から薄層をスライスして前記多孔質基板が形成されるものである。
【請求項８８】
請求項８５の方法において、前記多孔質基板は成形法によって形成されるものである。
【請求項８９】
請求項８５の方法において、前記多孔質基板は押し出し成形法によって形成されるものである。
【請求項９０】
請求項８５の方法において、前記多孔質基板は、それぞれの個別チャネルを形成する前に非平面形に形成されるものである。
【請求項９１】
請求項８５の方法において、前記多孔質基板は、それぞれの個別チャネルを形成する前に一定の容積を包含する形状に形成されるものである。
【請求項９２】
請求項８５の方法であって、前記第２のコーティングと異なる前記第１のコーティングの材料を用いる過程をさらに有する。
【請求項９３】
請求項８５の方法であって、さらに、前記第２のコーティングと同じ前記第１のコーティングの材料を用いる過程を有するものである。
【請求項９４】
請求項８５の方法であって、導電性金属、エポキシ、ポリマーコーティング、ポリテトラフロロエチレン、ポリメチルメタクリル樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレン、前記のコポリマー、前記の架橋ポリマー、および前記の組み合わせを含む一群から選択されるコーティングを用いる過程をさらに有するものである。
【請求項９５】
請求項９４の方法において、前記コーティングは金属コーティングであって、薄膜堆積法によって前記金属コーティングを前記上部に配置するものである。
【請求項９６】
請求項９５の方法において、前記薄膜堆積法は、スパタリング、非電着性金属析出法、電気めっき法、はんだ法、物理的蒸気堆積法、化学蒸気堆積法を有する一群の１つを含むものである。
【請求項９７】
請求項９４の方法において、前記コーティングはエポキシコーティングであり、前記エポキシコーティングを前記上部に、スクリーン印刷、インクジェット印刷、へらを用いて広げる方法、吹き付け堆積法、真空バギング、および前記の組み合わせを含む一群から選択した方法によって配置するものである。
【請求項９８】
請求項８５の方法であって、前記基板の上部と底部をコーティングする前に、前記多孔質基板をマスキングする工程をさらに有するものである。
【請求項９９】
請求項８５の方法であって、前記第１のチャネル壁と前記第２のチャネル壁のそれぞれの間に支材を挿入する工程をさらに有するものである。
【請求項１００】
請求項８５の方法であって、前記電解質を加える前に、上部と底部に配置されたコーティングの一部を選択的に除去する工程をさらに有するものである。
【請求項１０１】
請求項８５の方法であって、前記多孔質基板に１〜２５０以上の個別チャネルを形成する過程をさらに有するものである。
【請求項１０２】
請求項８５の方法において、前記個別チャネルを形成する前記工程は、型押し、除去（アブレーティング）、エッチング、押し出し成形、ラミネーティング、包埋、溶融、成形、切断、および前記の技法の組み合わせを含む一群から選択した方法によって行なわれるものである。
【請求項１０３】
請求項１０２の方法において、前記エッチングは、レーザーエッチング、深反応性イオンエッチング、アルカリエッチングを含む一群から選択した方法によって行なわれるものである。
【請求項１０４】
請求項８５の方法であって、シリコン、エポキシ、金属、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリブチレン、前記のコポリマー、前記のコンポジット、および前記の組み合わせを有する一群から選択した前記シーラント・バリア材料を用いる過程をさらに有するものである。
【請求項１０５】
請求項１０４の方法であって、シリコン、グラファイト、グラファイトコンポジット、ポリテトラフロロエチレン、ポリメチルメタクリル樹脂、結晶性ポリマー、結晶性コポリマー、前記の架橋ポリマー、木材、および前記の組み合わせを有する一群から選択した前記支材材料を用いる過程をさらに有するものである。
【請求項１０６】
請求項８５の方法であって、スルホン基を含む過フッ化ポリマー、ｐＨが７を超える酸性水溶液、ｐＨが最高４までのアルカリ水溶液、および前記の組み合わせを有する一群から選択される電解質を用いる過程をさらに有するものである。
【請求項１０７】
請求項１０６の方法において、圧力射出、真空形成、ホットエンボシング、および前記の組み合わせを含む一群の１つを有する方法によって、前記個別チャネルに前記電解質を配置するものである。
【請求項１０８】
請求項８５の方法において、前記第１のおよび第２の触媒層を、触媒活性を起こすために必要最低限の厚さにするものである。
【請求項１０９】
請求項８５の方法において、前記チャネル壁に第１のおよび第２の触媒層を配置する前記工程に代わり、前記チャネル壁の中に前記第１および第２の触媒層を形成する工程を用いるものである。
【請求項１１０】
請求項８５の方法において、前記第１のおよび第２の触媒層からの前記アノードと前記カソードが貴金属、合金含有貴金属、プラチナ、プラチナ合金、ルテニウム、ルテニウム合金、および前記の組み合わせを含む一群の１つを用いる過程を有するものである。
【請求項１１１】
請求項８５の方法において、前記の各個別チャネルは起伏チャネル、ストレートチャネル、不規則チャネルを有する一群の１つであるものである。
【請求項１１２】
請求項１１１の方法において、前記起伏チャネルの少なくとも１つはシヌソイド（正弦）形である。
【請求項１１３】
請求項１１１の方法において、前記ストレートチャネルの少なくとも１つは直線に従う形である。
【請求項１１４】
請求項１１１の方法において、前記不規則チャネルの少なくとも１つは少なくとも３つの平面にある形である。
【請求項１１５】
請求項８５の方法において、前記多孔質基板を形成する前記工程は、金属発泡材、グラファイト、グラファイトコンポジット、少なくとも１つのシリコンウェファー、焼結ポリテトラフロロエチレン、結晶性ポリマー、結晶性ポリマーコンポジット、強化フェノール樹脂、カーボンクロス、炭素発泡材、カーボンエーロゲル、セラミック、セラミックコンポジット、炭素とポリマーのコンポジット、セラミックとガラスのコンポジット、再生有機材料などの材料、およびそれらの材料の組み合わせを含む一群から選択した材料を用いる過程を有するものである。
【請求項１１６】
請求項８５の方法において、前記燃料電池層の前記独立燃料電池の前記燃料電池陽極接続と前記燃料電池陰極接続とを直列接続するものである。
【請求項１１７】
請求項８５の方法において、前記燃料電池層の前記独立燃料電池の前記燃料電池陽極接続と前記燃料電池陰極接続とを並列接続するものである。
【請求項１１８】
請求項８５の方法において、前記燃料電池層の前記独立燃料電池の前記燃料電池陽極接続と前記燃料電池陰極接続とを、直列と並列を組み合わせて接続するものである。
【請求項１１９】
ミクロ構造燃料電池装置であって、アノード側およびカソード側を有する燃料電池層と、陽極端および陰極端と、前記陽極端と前記陰極端の間に置かれる少なくとも１つの表面と、少なくとも１つの前記表面に取り付けられる少なくとも１つの電子装置とを有するものである。
【請求項１２０】
請求項１１９の装置において、前記電子装置はセル方式電話である。
【請求項１２１】
請求項１１９の装置において、ＰＤＡ、衛星電話、ラップトップコンピュータ、ポータブルＤＶＤ、ポータブルＣＤプレーヤー、ポータブルパーソナルケア・エレクトロニクス、ポータブルブームボックス、ポータブルテレビ、レーダー、無線送信機、レーダー探知機、および前記の組み合わせを有する一群から前記電子装置を選択するものである。
【請求項１２２】
請求項１１９の装置において、前記電子装置を取り付けた前記燃料電池層によって発電する電力を前記電子装置に供給するものである。
【請求項１２３】
請求項１１９の装置において、前記電子装置は燃料電池運転のための補助的機能を果たすものである。
【請求項１２４】
請求項１２３の装置において、前記補助機能は、燃料電池性能監視、燃料電池制御、燃料電池故障診断、燃料電池性能最適化、燃料電池性能記録、および前記の組み合わせを有する一群の１つである。
【請求項１２５】
請求項１１９の装置において、複数の燃料電池層が前記装置を構成するものである。
【請求項１２６】
請求項１２５の装置において、前記燃料電池層の片側に１つずつ電子装置を取り付けることにより、少なくとも２つの電子装置が取り付けられるものである。
【請求項１２７】
多重燃料電池層構造であって、
ａ．１つのアノード面と１つのカソード面、陽極端と陰極端を有する燃料電池層において、第１の燃料電池層のアノード側と第２の燃料電池層のカソード側が接するように第１の燃料電池層を第２の燃料電池層の上に積み重ね、第３の燃料電池層のカソード側が前記第２の燃料電池層のカソード側に接するように前記第３の燃料電池層を前記第２の燃料電池層に積み重ねることにより、燃料電池層が隣接するスタックを形成し、同様の方法によって追加的な燃料電池層を前記第１、第２、および第３の燃料電池層の上に載せることができる燃料電池層を複数と、
ｂ．少なくとも１つのプレナムを形成するように、隣接する前記燃料電池層の間にある少なくとも１つのシールと、
ｃ．外部負荷に前記スタックを接続するための陽極コネクタと、
ｄ．前記外部負荷に前記スタックを接続するための陰極コネクタと、を有し、
複数の燃料電池層のアノード側に燃料を供給し、複数の燃料電池層のカソード側に酸化剤を供給すると、前記外部負荷を駆動する電流が生まれるものである。
【請求項１２８】
請求項１２７の多重燃料電池層構造において、前記プレナムのうち少なくとも１つは、燃料プレナム、酸化剤プレナム、および前記の組み合わせを含む一群の１つである。
【請求項１２９】
請求項１２７の多重燃料電池層構造において、前記プレナムのうち少なくとも１つは透過性材料である。
【請求項１３０】
請求項１２７の多重燃料電池層構造において、前記プレナムのうち少なくとも１つは流体場を持つ固体材料である。
【請求項１３１】
請求項１２７の多重燃料電池層構造において、前記プレナムのうち少なくとも１つは周囲環境に開かれているものである。
【請求項１３２】
請求項１２７の多重燃料電池層構造において、前記陽極端と陰極端は、前記陽極と陰極コネクタの間で直列に接続されているものである。
【請求項１３３】
請求項１２７の多重燃料電池層構造において、前記陽極端と陰極端は、前記陽極と陰極コネクタの間で並列に接続されているものである。
【請求項１３４】
請求項１２７の多重燃料電池層構造において、前記陽極端と陰極端は、前記陽極と陰極コネクタの間で直列と並列の組み合わせによって接続されているものである。
【請求項１３５】
多重燃料電池層構造であって、
ａ．１つのアノード面と１つのカソード面すなわち陽極端と陰極端を有する燃料電池層において、第１燃料電池層のアノード側と第２の燃料電池層のカソード側が接するように第１燃料電池層を第２の燃料電池層の上に積み重ね、第３の燃料電池層のカソード側が前記第２の燃料電池層のカソード側に接するように前記第３の燃料電池層を前記第２の燃料電池層に積み重ねることにより、燃料電池層が隣接するスタックを形成し、同様の方法によって追加的な燃料電池層を前記第１の、第２および第３の燃料電池層の上に載せることができる燃料電池層を複数と、
ｂ．少なくとも１つのプレナムを形成するように、隣接する前記燃料電池層の間にある少なくとも１つのシールと、
ｃ．前記スタックの少なくとも１つの燃料電池層に作られる少なくとも１つの流体場と、
ｄ．外部負荷に前記スタックを接続するための陽極コネクタと、
ｅ．前記外部負荷に前記スタックを接続するための陰極コネクタと、を有し、
複数の燃料電池層のアノード側に燃料を供給し、複数の燃料電池層のカソード側に酸化剤を供給すると、前記外部負荷を駆動する電流が生まれるものである。
【請求項１３６】
請求項１３５の多重燃料電池層構造において、前記プレナムのうち少なくとも１つは、燃料プレナム、酸化剤プレナム、および前記の組み合わせを含む一群の１つである。
【請求項１３７】
請求項１３５の多重燃料電池層構造において、前記プレナムのうち少なくとも１つは透過性材料である。
【請求項１３８】
請求項１３５の多重燃料電池層構造において、前記プレナムのうち少なくとも１つは流体場を持つ固体材料である。
【請求項１３９】
請求項１３８の多重燃料電池層構造において、前記プレナムのうち少なくとも１つは周囲環境に開かれているものである。
【請求項１４０】
請求項１３５の多重燃料電池層構造において、前記陽極端と陰極端は、前記陽極と陰極コネクタの間で直列に接続されているものである。
【請求項１４１】
請求項１３５の多重燃料電池層構造において、前記陽極端と陰極端は、前記陽極と陰極コネクタの間で並列に接続されているものである。
【請求項１４２】
請求項１３５の多重燃料電池層構造において、前記陽極端と陰極端は、前記陽極と陰極コネクタの間で直列と並列の組み合わせによって接続されているものである。
【請求項１４３】
請求項１３５の多重燃料電池層構造において、前記流体場は、切断、除去（アブレーティング）、成形、型押し、エッチング、ラミネーティング、包埋、溶融、および前記の技法の組み合わせを有する一群から選択される方法によって作られるものである。
【請求項１４４】
二層燃料電池層構造であって、
ａ．各燃料電池層がアノード側とカソード側、陽極端と陰極端を有する第１の燃料電池層と第２の燃料電池層において、第１の燃料電池層のアノード側と第２の燃料電池層のアノード側と接して２層スタックを形成するように前記第１の燃料電池層が前記第２の燃料電池層の上に積み重ねられた第１の燃料電池層と第２の燃料電池層と、
ｂ．燃料プレナムを形成するように、前記第１および第２の燃料電池層の間に置かれたシールと、
ｃ．外部負荷に前記２層スタックを接続するための陽極コネクタと、
ｄ．前記外部負荷に前記２層スタックを接続するための陰極コネクタと、を有し、
前記燃料プレナムに燃料を供給し、前記カソード側を酸化剤にさらすと、前記外部負荷を駆動する電流が生まれる。
【請求項１４５】
請求項１４４の２層燃料電池層構造において、前記燃料プレナムは透過性材料である。
【請求項１４６】
請求項１４４の２層燃料電池層構造において、前記燃料プレナムは流体場を持つ固体材料である。
【請求項１４７】
請求項１４４の２層燃料電池層構造において、前記燃料プレナムは周囲環境に対して開いているものである。
【請求項１４８】
請求項１４４の２層燃料電池層構造において、前記陽極端と陰極端は、前記陽極と陰極コネクタの間で直列に接続されているものである。
【請求項１４９】
請求項１４４の２層燃料電池層構造において、前記陽極端と陰極端は、前記陽極と陰極コネクタに並列に接続されているものである。
【請求項１５０】
請求項１４４の２層燃料電池層構造において、前記燃料プレナムは水素貯蔵材料を有する一定の容積を有するものである。
【請求項１５１】
請求項１４４の２層燃料電池層構造であって、少なくとも１つの燃料電池層に作られた少なくとも１つの流体場をさらに有するものである。
【請求項１５２】
請求項１５１の２層燃料電池層構造において、前記流体場は、切断、除去（アブレーティング）、成形、型押し、エッチング、ラミネーティング、包埋、溶融、および前記の組み合わせを有する一群の方法から選択した方法によって作られるものである。
【請求項１５３】
二層燃料電池層構造であって、
ａ．各燃料電池層がアノード側とカソード側、陽極端と陰極端を有する第１の燃料電池層と第２の燃料電池層において、第１の燃料電池層のカソード側が第２の燃料電池層のカソード側と接して２層スタックを形成するように前記第１の燃料電池層が前記第２の燃料電池層の上に積み重ねられた第１の燃料電池層と第２の燃料電池層と、
ｂ．酸化剤プレナムを形成するように、前記第１および第２の燃料電池層の間に置かれたシールと、
ｃ．外部負荷に前記２層スタックを接続するための陽極コネクタと、
ｄ．前記外部負荷に前記２層スタックを接続するための陰極コネクタと、を有し、
前記酸化剤プレナムに酸化剤を供給し、前記アノード側を燃料にさらすと、前記外部負荷を駆動する電流が生まれるものである。
【請求項１５４】
請求項１５３の２層燃料電池層構造において、前記酸化剤プレナムは透過性材料である。
【請求項１５５】
請求項１５３の２層燃料電池層構造において、前記酸化剤プレナムは流体場を持つ固体材料である。
【請求項１５６】
請求項１５３の２層燃料電池層構造において、前記酸化剤プレナムは周辺環境に開かれているものである。
【請求項１５７】
請求項１５３の２層燃料電池層構造において、前記陽極端と陰極端は、前記陽極と陰極コネクタの間で直列に接続されているものである。
【請求項１５８】
請求項１５３の２層燃料電池層構造において、前記陽極端と陰極端は、前記陽極と陰極コネクタの間で並列に接続されているものである。
【請求項１５９】
請求項１５３の２層燃料電池層構造であって、少なくとも１つの燃料電池層に作られた少なくとも１つの流体場をさらに有するものである。
【請求項１６０】
請求項１５９の２層燃料電池層構造において、前記流体場は、切断、除去（アブレーティング）、成形、型押し、エッチング、ラミネーティング、包埋、溶融、および前記の技法の組み合わせを有する一群から選択される方法によって作られるものである。
【請求項１６１】
請求項４の装置において、前記ボールバルブはさらに、
a.前記球体の動きを制御するために前記アニュラス内に置かれる移動可能な制御手段と、
b.長さの延長と縮小のために移動可能な方法で前記ボールバルブに取り付けられるチューブラーピストンであり、前記制御手段信号に連動する前記チューブラーピストンを延長するための前記制御方法と合体される前記チューブラーピストンと、
c.開かれた位置と閉じられた位置の間にあるバルブ閉鎖材を動かすために交互に適用もしくは排出される、チュービングハンガー上部にある遠隔のソースからの加圧流体が流れる流体ポートとを有する。
【請求項１６２】
請求項５の装置において、凸状球体セグメントの曲面半径は、凹状球体セグメントの曲面半径と一致しており、前記セグメントは入れ子状態で合体する。
【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る。より具体的には、本発明は単一の多孔質基板を用いて形成される個別チャネル内にある複数の電池を有する燃料電池層に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高電力密度燃料電池は長い間望まれてきた。
【０００３】
既存の燃料電池は一般に、個々の燃料電池を積み上げたアセンブリになっており、各電池が低電圧で高電流を生み出す。典型的な電池構造は反応物質の分配と電流収集を行うデバイス類を含み、前記デバイス類はガス拡散層と、第１の触媒層と、電解層と、第２の触媒層と、第２のガス拡散層とから成る層状電気化学アセンブリに接触するように配置される。溶融炭酸塩電池のような高温燃料電池を除き、陽子交換膜か、直接メタノールか、固体酸化物か、あるいはアルカリかを用いた燃料電池の大半は層状平面構造を有し、前記の層状平面構造は、まず個別のコンポーネントとして層を形成した後にそれらの層を互いに接触させるように積み上げることにより機能的な燃料電池スタックとして組み立てられる。
【０００４】
前記の層状平面構造燃料電池の１つの大きな問題点は、層の密接な電気的接触が保たれなければならず、それらの接触が密でないと前記スタックの内的抵抗が高まり、前記燃料電池の全体的な効率が低減することであった。
【０００５】
前記層状平面構造燃料電池の第２の問題点は、前記層構造燃料電池の内部凹所にある反応物質と冷却剤を密閉し、正しい流れを確実に保つために、層間の接触を一定に維持しなければならないことであった。また、前記電池の全体的面積が大きくなり過ぎると、反応物質であるガス流体が電解質表面に正しく流通分布するのを維持するために必要な接触力を生み出すことが難しくなる。
【０００６】
また、前記層状平面構造の燃料電池を用いる既存のデバイス類は、燃料と酸化剤の両方を前記層状平面構造の燃料電池の平面内に流す必要があるため、実用可能な電池を作るためには、典型的に第１の流体場と第１のガス拡散層と第１の触媒層と第１の電解層と第２触媒層と第２ガス拡散層と第２流体場層と分離器とから成る、典型的に８層だが少なくとも４層、多い場合は１０層の個別層を必要とするという特徴も持つ。これらの層は通常、分離された燃料電池コンポーネントとして製造され、次に層を互いに接触させて燃料電池スタックが作られる。それらの層を接触させる際は、前記の層内部におけるガスの拡散を起こす一方、組み立てられた燃料電池スタックからガス漏れを防ぐように注意する必要がある。さらに、前記スタックの燃料電池が生み出す電流はすべて、前記スタックの各層を通過する必要があり、そのためには個別層の単純な接触によって導電性のあるパスが与えられなければならない。結果的に、周囲のシールを活性化し、内部の接触抵抗を減らすためには、組み立て後のスタックをかなりの力で押し付けなくてはシーリングと導電性が得られない。
【０００７】
既存の燃料電池のコンフィギュレーションを持つ層の製造は高価で難しくなりがちである。酸化剤および燃料流体場および分離器としての役割をする双極プレートは、加工の難しいグラファイトから作られることがよくあり、前記の燃料電池スタックのコストへのかなりの加算となる。膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）は通常、固体ポリマー電解質の片側をまず触媒でコーティングし、次にガス拡散電極を前記電解質に押し付けて作られる。前記燃料電池アセンブリにおいては、複数の個別双極プレートと膜電極アセンブリが連続的に接続されている必要がある。通常、隣り合わせとなる双極プレートと膜電極アセンブリの間に個別のシールを付ける必要があり、シールされた双極とＭＥＡの層から成るスタック全体をかなり強い圧縮力で押さえつけておく必要がある。
【０００８】
個別の層を連続的にアセンブリする方法を必要としない代替的な燃料電池設計がこれまで必要とされてきた。この必要に応える１つの方法は、従来の燃料電池設計に伴う共通の問題から開放された新規のデバイスを作り出すために、ミクロ製造技術とナノ構造材料を組み合わせることにより可能となるミクロ構造の方法を用いた燃料電池を構築することである。ミクロ規模技術の燃料電池への応用は数多くの明らかな利点がある。具体的には、より薄い層と新規の構成による電力密度の増加、熱および質量移動の向上、より優れた触媒利用率および／またはより正確な触媒利用率、導電パスの長さが短縮することによる損失削減により、燃料電池の効率が上がり、容積比の電力密度を上げることが可能となることである。前記の電池設計に付属システムを含める機会と新用途が期待されることも、さらなる潜在的利益である。
【０００９】
これまで、層状平面構造燃料電池よりも少ない部品から成るミクロ燃料電池の必要性があった。部品のより少ないミクロ燃料電池であれば、現在の燃料電池よりもはるかに少ない製造費になるだろう。
【００１０】
これまで、様々な電解質を利用することのできるミクロ燃料電池の必要性があった。
【００１１】
これまで、燃料電池内の接触抵抗がはるかに少ないミクロ燃料電池の必要性があった。
【００１２】
過去の数々の発明において、ミクロ規模の製造技術が燃料電池に使われてきた。米国特許第５，８６１，２２１号は、従来型のＭＥＡをいくつも用い、１つのＭＥＡの陰極端を次のＭＥＡの陽極端に直列接続した「膜片」について記述している２つのコンフィギュレーションが考慮されている。第１のコンフィギュレーションではＭＥＡを段階的コンフィギュレーションに置くことによって「膜片」を構築している。第２のコンフィギュレーションでは電池を直列接続するための導電部分を有する端と端をつないでＭＥＡを合体させている。同じ発明者らによるいくつかの追加研究（米国特許第５，９２５，４７７号）では、電池の導電性を改善するために前記電極間に分路が取り入れられている。ＭＥＡ自体は従来の層構造を持つ設計であり、端をつなげるアセンブリ全体は隣接するＭＥＡ間に従来から使われているシールに依然として依存している。
【００１３】
米国特許第５，６３１，０９９号と第５，７５９，７２１号も同様の直列接続のコンセプトを用いているが、その他数多くのミクロ規模の技術を燃料電池の設計に応用している。そうすることにより、単一の構造内に多重燃料電池が同時に形成される。前記燃料電池もキャリアに層状平面デバイスが取り付けられたものであり、隣接する燃料電池間を相互接続するにはキャリア層を貫通することが要求される。これらの特許に記述されている技術の大半は、メタノール耐性のある触媒の創出と、前記電池内のメタノールのクロスオーバーを防ぐために前記触媒にパラジウム層を応用することと関連している。
【００１４】
国際公開第０１／９５４０６号は複数のＭＥＡ構造を作り出すためにセグメント化された単一膜デバイスについて記述している。製造が困難である複雑な双極プレートは燃料と酸化剤の両方をＭＥＡ層の両側に提供する。米国特許第６，１２７，０５８号も同様の構造について記述しているが、反応ガスの複雑なマニホールドに代わり、ＭＥＡ層の片側に１つの反応物質を与えている。前記の単一ＭＥＡ層内に形成される燃料電池の直列相互接続は、ＭＥＡ層の上端からＭＥＡ層の下端へ電気的に接続されたデバイスの周辺に置かれた外部電流コレクタを通して行われる。前述の周辺電気接続は非効率的である。
【００１５】
先行技術の燃料電池の中には、ミクロ製造技術の応用によってサイズと製作費の削減を試みているものがある。例えば、ケース・ウェスタン・リザーブ大学のデバイスでは、印刷および半導体製造に用いられるものと同様の薄膜層プロセスを用いたキャリア基板に多重燃料電池が形成されている（Ｗａｉｎｗｒｉｇｈｔ  ｅｔ  ａｌ．"Ａ  ｍｉｃｒｏ  ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ  Ｈｙｄｒｏｇｅｎ／Ａｉｒ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ"１９５  Ｍｅｅｔｉｎｇ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ，Ｓｅａｔｔｌｅ，ＷＡ，１９９９）。これらの設計においても、燃料電池がベース基板の上に構築されている点を除き、従来の平面を用いた設計がそのまま使われている。まず前記カソードを前記の平面電解質の上に作らねばならず、次に明示的な相互接続を用いて隣接するアノードにそれを接続する必要がある。
【００１６】
上記の電池はすべて、電極の端で電流を集める方法を採用している。これにより、これら電池の内部における抵抗が大幅に高まる。これら電池はいずれも、容易な製造に適した唯一の電解質である固体ポリマー電解質をベースとしている。さらに、上記の電池はすべて、単一の電解質平面内に多重燃料電池を形成することによってミクロ燃料電池の設計を達成している。
【００１７】
平面ではない電解質を用いるという概念は過去にも考慮されてきた。英国特許第２，３３９，０５８号は起伏のある電解質層を用いた燃料電池について記述している。このコンフィギュレーションでは、従来の層状ＭＥＡが起伏するような形で構築されている。このＭＥＡは双極プレートの間に置かれる。この設計により、与えられた容積に入れ込むことが可能な活性面積が増える。しかし、この設計も依然として、イクスプリシット・シールを用いる高価で複雑な層構造に依存しており、内部の電気接続とシーリングを維持する圧縮力を要求する。日本特許第５０９０３／１９９６号は、非平面だが区分的にリニアな形状に（ＭＥＡであろう）発電エレメントを挟み込む働きをするための交互に突出した部分を持つ平面分離器を全般に有する固体ポリマー燃料電池について記述している。英国特許第２，３３９，０５８号と同じく、前記のものも引き続き、高価で複雑な層構造に依存しているが、この設計は分離器プレートを使って無理にＭＥＡを非平面にすることによりＭＥＡに不必要な応力を加えることにもなる。
【００１８】
非平面設計のほかに、一部の先行技術はチューブ状のコンフィギュレーションを採用している。米国特許第６，０６０，１８８号は単一のＭＥＡが円筒状に形成された円筒状の燃料電池について記述している。燃料もしくは酸化剤が前記円筒の内部凹所に運ばれ、別の反応物質がその外部に運ばれる。この設計内で各円筒構造が単一の燃料電池を作り出し、燃料電池である環状円筒形の壁を通って電流が流れる。燃料電池間の電気的相互接続を与える方法あるいは個々の燃料電池をシールする方法については開示されていない。この設計は、よく知られている固体酸化物燃料電池のチューブ状設計に類似している。
【００１９】
同じ容積の中に含まれる活性面積の増加、すなわち活性面積の密度の増加を可能にする燃料電池トポロジーあるいは燃料電池アーキテクチャーの開発が必要とされてきた。これにより、今日の燃料電池開発者の大半が行っているのとは異なる方法により燃料電池を最適化することが可能となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
本発明は、統合設計を持つ特定の燃料電池層アーキテクチャーに関するものであり、前記においてガス拡散層と触媒層と電解質層の機能は単一の基板に統合されている。この統合設計により、より単純な製造プロセスと設計のスケーリングが可能となる。
【００２１】
より具体的には、前述の燃料電池層は、燃料プレナムと、酸化剤プレナムと、前記燃料プレナムおよび前記酸化剤プレナムと連通する多孔質基板とを用いて外部負荷に接続する。前記燃料電池層は多孔質基板と、前記多孔質基板を用いて形成された数多くの燃料電池とを有する。各燃料電池は個別チャネルと、第１のチャネル壁に配置された第１の触媒層と、第２のチャネル壁に配置された第２の触媒層と、第１の触媒層から形成されたアノードおよび第２の触媒層から形成されたカソードと、カソードへの燃料移動およびアノードへの酸化剤移動を防ぐために前記個別チャネルに配置された電解質とを有する。前記燃料電池はまた、前記多孔質基板の一部に燃料が入り込まないようにするために前記多孔質基板の少なくとも一部に配置された第１のコーティングと、前記多孔質基板の一部に酸化剤が入り込まないようにするために前記多孔質基板の少なくとも一部に配置された第２のコーティングと、第１の側面に配置された第１のシーラント・バリアと、第２の側面に配置された第２のシーラント・バリアと、前記燃料電池間に配置された第３のシーラント・バリアと、第１の側面に配置された陽極接続と、第２の側面に配置された陰極接続とを有する。
【００２２】
複数の極めて細かなサイズの燃料電池が単一の基板の内部に作られると、より高い総合電力密度が達成される。さらに、前記単一基板内の多重燃料電池は、並列に並べることが可能であり、前記燃料電池層を高容量の自動化製造によって構築する可能性につながる。単一基板の中に燃料電池を組み合わせることにより、外的なシールとクランプを施す必要性が最小限になる。
【００２３】
前記燃料電池層の設計の様々なバリエーションが考えられる。それらバリエーションの中には、燃料と酸化剤のプレナムをデッドエンド式にするもの、前記燃料電池層が容積を封じ込めるもの、前記多孔質基板が非平面コンフィギュレーションあるいは平面コンフィギュレーションであるもの、前記燃料電池層が円筒形の中に容積を封じ込めるものが含まれる。様々な導電性および非導電性の多孔質媒体から前記基板を作ることができる。
【００２４】
サイズ的には、前記チャネルは高さ１ナノメートル〜１０ｃｍ、幅１ナノメートル〜１ｍｍ、長さ１ナノメートル〜１００メートルの範囲のサイズが可能である。本発明の単一の燃料電池の発電能力としては、約０．２５ボルト〜約４ボルトが考えられる。
【００２５】
この設計の燃料電池層１層に使用可能な燃料電池は１個〜５０００個であるが、好ましい実施形態において、前記燃料電池層は７５個〜１５０個を合体させた燃料電池を有するものと考えられる。この燃料電池層は０．２５ボルト〜２５００ボルトの電圧を産出する能力を持つものと考えられる。より多くのチャネルを持つ燃料電池は、より高い電圧を産出することができる。
【００２６】
本発明に使用可能な電解質は、ゲルか液体か固体材料である。前記電解質を１ナノメートル〜１．０ｍｍの厚さとすることができ、あるいは、第１の壁から第２の壁へのチャネルをそれぞれ単純に隙間なく満たすこともできると考えられる。薄いチャネルを有するということは、すなわち薄い電解質であるということであり、前記燃料電池の効率が上がる。
【００２７】
本発明の燃料電池層は、まず第１に燃料源を燃料プレナム注入口に接続し、第２に燃料プレナム放出口を再循環コントローラに接続し、第３に酸化剤プレナム注入口を酸化剤源に接続し、第４に酸化剤プレナム放出口をフロー制御システムに接続し、第５に陽極接続と陰極接続を外部負荷に接続し、第６に前記注入口に燃料と酸化剤を流し込み、最後に前記燃料電池によって発電された電気を用いて負荷装置を駆動することによって使用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本発明はミクロ構造燃料電池に関するものであり、好ましくは多孔質である基板と、単一あるいは複数の基板構造を有する燃料電池のアセンブリと、前述の燃料電池および燃料電池層の製造方法とに関するものである。
【００２９】
本発明は、統合設計を持つ特定の燃料電池アーキテクチャーに関するものであり、前記においてガス拡散層と触媒層と電解質層の機能は単一の基板に統合されている。このアーキテクチャーは、実用的な燃料電池を形成する様々な「層」をまとめて折り込み、直線、曲線、起伏だけでなくフラクタルな形状の電解質パスを作り出すことが可能であり、それにより電気化学的に活性な表面積を増やし、より高い容積ベースの電力密度を達成することができる。さらに、様々な燃料電池層を単一の基質内に作ることにより、電気接続を生み出すための燃料電池コンポーネントの単純な接触の問題がなくなり、よって、電池内抵抗を低減する可能性が生まれる。前記の電池層自体のコンフィギュレーションは、平面、非平面、あるいはインボリュートが可能であり、表面積を増やす上でいっそう有利であり、また、用途に関しても柔軟性が与えられる。この統合設計により、より単純な製造プロセスと設計のスケーリングが可能となる。
【００３０】
既存の燃料電池設計と異なり、本発明は１つの実施形態において、滑らかな起伏をしない回旋状電解層を提供する。本発明のその他の実施形態は本質的に滑らかではない形を含む。前述の滑らかでない電解パスにより、与えられた容積に前記燃料電池の反応を詰め込むための全体的な表面積が、従来の燃料電池設計のように平面電解層を用いた場合よりも大きくなる。本発明はまた、別々の電解層の間の距離を大幅に減らすことにより、与えられた容積における表面積を従来の設計よりも大きくすることができる。
【００３１】
本発明は、長い電解パス長を与えるフラクタル・パターンを参考にした設計を用いることを考慮する。本発明は、層状プロセスに依存せず、製造後に個別の層状コンポーネントをアセンブルする必要のない燃料電池と「スタック」を構築する方法を含む。ＭＥＡ層と双極プレートの従来の関係を排除し、多重分離層構造への依存をなくす。本発明はまた、アセンブル後の燃料電池デバイスの底面（フットプリント）全体に対して、個々の燃料電池が横に立てられた設計も考慮する。本発明は、並列製造方法を用い、単一の基板に１つに統合化された構造を持つ多重燃料電池の構築を考慮する。
【００３２】
具体的には、前記燃料電池に多孔質基板を用い、前記基板を通して反応ガスが駆動力をほとんど必要とせずに拡散することを考慮する。前記基板は導電性でも、そうでなくてもよい。導電性の場合は、典型的にカソードからアノードを分離する働きをするように前記基板の少なくとも一部を絶縁することが考慮され、カソードからアノードを分離する電解質によってこの絶縁体を作り、必要であれば絶縁構造部材を選択的に追加してもよい。より具体的には、前記燃料電池は、（ａ）燃料を伴う燃料プレナムと；（ｂ）酸化剤を伴う酸化剤プレナムと；（ｃ）前記燃料プレナムと連通する多孔質基板、および上部、底部、第１の側面、第２の側面を持つ前記酸化剤プレナムと；（ｄ）前記多孔質基板を用いて作られた、第１のチャネル壁と第２のチャネル壁を有するチャネルと；（ｅ）第１のチャネル壁の多孔質基板に配置された第１の触媒層から作られたアノードと；（ｆ）第２のチャネル壁の多孔質基板に配置された第２の触媒層から作られたカソードと；（ｇ）前記カソードへの燃料の移動を防ぎ、前記アノードへの酸化剤の移動を防ぐように、前記アノードおよび前記カソードに接触するチャネルの部分に少なくとも配置された電解質と；（ｈ）燃料が前記多孔質基板の少なくとも一部に入るのを防ぐために前記多孔質基板の少なくとも一部に配置された第１のコーティングと；（ｉ）酸化剤が前記多孔質基板の少なくとも一部に入るのを防ぐために前記多孔質基板の少なくとも一部に配置された第２のコーティングと；（ｊ）第１の側面に配置された第１のシーラント・バリアと第２の側面に配置された第２のシーラント・バリアと；（ｋ）第１の側面に配置された陽極接続と；（ｌ）第２の側面に配置された陰極接続とを有するものと考えられ、前記において結果的に得られる燃料電池は外部負荷を駆動する電流を生む。
【００３３】
本発明の１つの実施形態の横断面を示す図１において、燃料電池８は燃料１１を含むオプショナルな燃料プレナム１０を有する。多孔質基板１２は前記オプショナル燃料プレナム１０に隣接する。前記燃料プレナムはオプショナルな燃料プレナム注入口１８を有することができる。前記燃料プレナムはまた、オプショナルな燃料プレナム放出口２０を有することができる。オプショナルな酸化剤プレナム１６は、オプショナルな酸化剤プレナム注入口５２を有することができる。前記酸化剤プレナムはまた、オプショナルな酸化剤プレナム放出口５４を有することができる。酸化剤プレナムを使わない場合は、前記燃料電池は周囲環境を酸化剤源として用いる。
【００３４】
前記多孔質基板１２は長方形か、四角形か、直交形か、あるいは不規則な形を採ることができる。この図の実施形態においては単一の平面内に作られているが、非平面基板または多重基板コンフィギュレーションも想定される。
【００３５】
前記多孔質基板を用いて作られたチャネル１４は、直線形あるいは任意の設計とすることができる。任意の設計とする場合、本用途において一貫して前記チャネルは「起伏のある」チャネルと呼ばれる。複数のチャネルがある場合は、少なくとも１つが起伏のあるチャネルである場合がある。前記チャネル１４は第１のチャネル壁２２と第２のチャネル壁２４を有する。さらに、前記多孔質基板１２は上部１００と底部１０２と第１の側面１０４と第２の側面１０６を有する。
【００３６】
前記チャネルは起伏のあるチャネルか、直線的チャネルか、不規則なチャネルを持つことができる。起伏がある場合、前記チャネルはシヌソイド（正弦）形が可能であり、起伏がある場合、前記チャネルは少なくとも３つの平面を持つ形が可能である。
【００３７】
アノード２８は第１のチャネル壁２２の表面上あるいはその中に作られるが、前記アノードを前記壁に埋め込むことも可能である。アノード２８は、第１のチャネル壁２２の上あるいは中の第１の触媒層３８を用いて作り出される。
【００３８】
カソード３０は第２のチャネル壁２４の表面上あるいはその中に作られる。アノード２８と同様、カソード３０を第２のチャネル壁２４に埋め込むことが可能である。カソード３０は第２の触媒層４０を用いて作り出される。
【００３９】
図１ａ、１ｂ、１ｃは前記燃料電池の前記カソードおよびアノードの詳細を示す。図１ａは前記多孔質基板１２内の第１の深さにあるアノード２８を示し、図１ｂは前記多孔質基板１２内の第２の深さにあるアノード２８を示し、図１ｃはカソード３０を示す。
【００４０】
前記の触媒層を第１およびチャネル壁上に配置することも、前記チャネル壁中に作ることも可能である。１つの実施形態では、第１および第２の触媒層を前記多孔質基板に触媒活性を起こすために少なくとも最低限の深さで配置する。
【００４１】
図１を再び参照すると、チャネル１４に電解質３２が配置されている。
【００４２】
第１のコーティング３４を前記多孔質基板の部分に少なくとも配置し、前記多孔質基板１２の少なくとも一部に燃料が入り込むのを防ぐ。第２のコーティング３６を前記多孔質基板の部分に少なくとも配置し、前記多孔質基板１２の少なくとも一部に酸化剤が入り込むのを防ぐ。
【００４３】
第１のシーラント・バリア４４を前記多孔質基板の第１の側面に配置し、第２のシーラント・バリア４６を前記多孔質基板の第２の側面に配置する。前記シーラント・バリアをシーラント・バリアチャネル４３の内部に配置するという選択肢も可能である。
【００４４】
陽極接続５０を、前記多孔質基板の第１の側面上の前記多孔質基板１２と接続する。
【００４５】
陰極接続４８を、前記多孔質基板の第２の側面上の前記多孔質基板１２と接続する。
【００４６】
結果的に得られる燃料電池は外部負荷５８を駆動する電流５６を流す。
【００４７】
図２は本発明の別の実施形態であり、図１の実施形態に含まれていた燃料放出口２０と酸化剤放出口５４を具体的に排除した燃料電池１０８のデッドエンド式バージョンを示す。
【００４８】
本発明のこの実施形態の１つのバージョンにおいて、電解質３２を角度７６で、好ましくは多孔質基板１２の大半の部分の縦または横軸７４に直角となる角度でチャネル１４に取り付ける可能性を考慮する。
【００４９】
図２においてオプショナルな支材２６が第１のチャネル壁２２と第２のチャネル壁２４を分離しているが、前記支材はすべての実施形態で必要とされるものではない。いくつかの代替案は図２ａが示すような複数の資材を想定している。本発明において、１から５０あるいはそれ以上の支材が考慮される。
【００５０】
図２ａを参照すると、流体場１２６を持つ固体燃料プレナム１０および流体場１２６を持つ固体酸化剤プレナム１６とともに燃料電池が示されている。また、前記燃料プレナムは前記燃料を含む透過性材料を有するものと想定される。前記酸化剤プレナムも透過性材料を有することができる。前記燃料プレナムおよび酸化剤プレナムを同じ方法で構築する必要はなく、酸化剤および燃料プレナムのコンフィギュレーションの様々な組み合わせを用いることが可能であると理解される。前記燃料プレナムおよび前記酸化剤プレナムはそれぞれ、様々な形、円形、楕円形、長方形、あるいは四角形をとることができる。前記燃料プレナムを長方形の横断面とすることを特に考慮する。
【００５１】
図３は、図１の実施形態の燃料注入口１８と燃料放出口２０および酸化剤注入口５２と酸化剤放出口５４を排除した燃料電池１１０のデッドエンド式バージョンの別の実施形態の横断面である。図３ａは酸化剤プレナム１６がすべて取り除かれた燃料電池の実施形態を示す。前述の実施形態において、前記電池は酸化剤供給源として周囲環境を利用する。図３ｂは燃料プレナム１０が完全に取り除かれた燃料電池の実施形態を示す。このコンフィギュレーションにおいて、前記燃料電池は燃料供給源として周囲環境を利用する。
【００５２】
図４は第２の基板６２から作られた第２の燃料電池１１４に隣接するように作られた、基板１２から作られた第１の燃料電池６６を示す。第１および第２の燃料電池は、複数の基板をつなげることによって、あるいは図５が示すように、複数チャネル１４を単一基板１２の中に作り出すことによって、第１の燃料電池６６および第２の燃料電池１１４を作ることができる。
【００５３】
図４において、別々の多孔質基板を用いて多重燃料電池構造が作られており、それらをシーラント・バリア４４のところで互いに接続して燃料電池層が形成される。この図において第１の燃料電池６６は第２の燃料電池１１４に接続される。複数の燃料電池をこの方法で接続し、燃料側面１１６と酸化剤側面１１８を持つ燃料電池層６４を作り出すことができる。前記図面の詳細は、図１の記述の項目番号を参照すれば簡単に理解されるため、ここでは説明を省く。
【００５４】
この実施形態において、前記燃料電池層が外部負荷を駆動する電流を生み出すことができるように、前記燃料電池を直列か、並列か、直列と並列の組み合わせによって接続するものと想定する。
【００５５】
図４ａは、燃料プレナムが周囲環境に開かれている燃料電池層を示す。前記燃料プレナムは流体場を有する透過性材料または固体材料とすることができる。前記燃料プレナムはまた、長方形の横断面が可能である。図４ｂは、酸化剤プレナムが周囲環境に開かれている燃料電池層を示す。この図において、少なくとも１つのオプショナルな支材２６が、少なくとも１つの燃料電池上に示されている。図４ｃは図４で記述した方法によって最高５０００個の電池が接続された燃料電池層の実施形態を示す。
【００５６】
図５において、同じ燃料電池構造が単一の多孔質基板１２に形成されている。この実施形態において、多重燃料電池が図１の記述と同じ方法によって前記多孔質基板の中に作られる。この場合は前記燃料電池が単一基板の中に作られるため、それぞれの燃料電池に伴うシーラント・バリアと電気接続は必要ない。代わりに第１のシーラント・バリア４４を前記多孔質基板の第１の側面に配置し、第２のシーラント・バリア４６を前記多孔質基板の第２の側面に配置し、複数の第３のシーラント・バリア４５を前記燃料電池の間に置く。前記シーラント・バリアは前記燃料電池層の中の燃料電池間のガス透過性分離器となる。
【００５７】
図４ａ、４ｂ、４ｃの多重基板構造を示す同じ実施形態を、図５に示す単一基板構造にも用いることができるものと理解される。
【００５８】
図４の構造あるいは図５の構造のいずれによるものであっても、２つの燃料電池のこの関係は、互いに連結する、任意の数の燃料電池を置く場合にも同じである。どちらの実施形態においても、前記多重構造の末端はシーラント・バリア４４と第２のシーラント・バリア４６で密閉される。どちらの実施形態においても、陰極接続４８を前記多重燃料電池アセンブリの一方の端に取り付け、陽極接続５０を前記多重燃料電池アセンブリのもう一方の端に取り付けることにより、前記多重燃料電池アセンブリが外部負荷装置を駆動することが可能となる。
【００５９】
燃料プレナム１０とつなげられる燃料側面１１６と酸化剤プレナム１６とつなげられる酸化剤側面１１８を有する燃料電池層６４は、多重燃料電池の連結によって作り出される。
【００６０】
前記燃料電池層６４内の燃料電池が作られる基板が導電性であれば、個々の燃料電池によって作られる電流は前記基板と前記シーラント・バリア４４を通過して直接流れることができ、形成される前記の燃料電池層の中に双極燃料電池構造を作り出す。前記燃料電池層６４内の燃料電池が作られる基板が導電性でない場合は、第１のコーティング３４と第２のコーティング３６をどちらも導電性材料で作るべきであり、第１のコーティング３４がアノード４０と電気的に接触し、第２のコーティング３６がカソード３８と電気的に接触するようにするべきである。第１のコーティング３４と第２のコーティング３６はまた、導電性シーラント・バリア４４と電気的接触をするように作られる。いずれの場合も、導電性あるいは非導電性の基板を用い、前記燃料電池が生み出す電流を、陽極接続および陰極接続に伝達することが可能である。
【００６１】
図５ａは前記燃料電池層の別のコンフィギュレーションを示す。このコンフィギュレーションでは、第１の燃料電池のアノードを第２の燃料電池のカソードに接続するために第１のコーティング３４が延長されている。第２のコーティング３６も同様に、第１の燃料電池のアノードに接触するように延長されている。末端の第１のコーティングおよび末端の第２のコーティングを使い、末端の燃料電池を陽極接続５０および陰極接続４８に接続することができる。このコンフィギュレーションでは、第１のコーティングは燃料が前記アノードに到達するように部分的に多孔質になっており、第２のコーティングは酸化剤が前記カソードに到達するように部分的に多孔質になっている。このコンフィギュレーションでは、前記多孔質基板もシーラント・バリアも導電性である必要がない。また、前記電池間の電気的接触を与えるために第１のコーティングのみを延長すること、あるいは、前記電池間の電気的接触を与えるために第２のコーティングのみを延長することも想定する。
【００６２】
１つの燃料電池層に多重燃料電池を入れると、図４および図５が示すように、個々の燃料電池が直列電気接続される。前記の多重燃料電池の合計電圧は、前記燃料電池層の末端のどちらかに陽極接続と陰極接続の電位差を作り出す。より多くの燃料電池によって、前記燃料電池層が前記電気接続間により高い電圧を起こすことが可能になる。隣接するアノードとカソードの間に電気接続パスが作られる限り、導電性あるいは非導電性の基板、バリア、キャップのあらゆる組み合わせを使うことができる。この方法は、個別コンポーネントを押し付ける必要も、個別に作られる層状コンポーネントを使用することもなく、前記燃料電池層のそれぞれの燃料電池の電気接続は、エッジ・コレクト式（端で集める方法）か、好ましくは双極直列式かのいずれかによって実現される。また、前記燃料電池層の電流の流れの方向は、前記燃料電池に対し、大半の電流設計に見られるような直交にはならず、全体として前記燃料電池の平面の方向となる。また、燃料電池層内で前記燃料電池を並列または直列と並列の組み合わせで電気接続することも想定する。
【００６３】
図６は燃料電池層６４の破断斜視図である。この図において第１の燃料電池６６はシーラント・バリア４４によって第２の燃料電池１１４と分離されている。第３の燃料電池１１５は別のシーラント・バリア４によって第２の燃料電池１１４と分離されている。前記の層は図４および５が示す層と同じ構造を有する。前記単一燃料電池層６４はいくつでも希望する数のシーラント・バリアと電池を含むことができる。前記燃料電池層内の個々の燃料電池間の間隔は設計者の裁量によって決められるが、製造適合性という実用上の問題と前記多孔質基板の大量輸送の問題による制限を受ける。
【００６４】
前記燃料電池層６４の全体的な構造が、前記の個々の燃料電池の直列接続を作り出す。陽極接続５０と陰極接続４８が、前記燃料電池層内で作られる単一電池の電圧を掛けた数である電圧を生み出す燃料電池層に、外部負荷を接続するのを可能にする。
【００６５】
図７は前記燃料電池層６４を示す図６と類似の図であるが、この図においては、前記燃料電池８がそれぞれ、直線度の低い構造を持つチャネル１４を有する。図７もやはり図６と同じく、図４および５が示す構造と基本的に同じ構造を使っているが、複数回繰り返すことによって多重電池構造を作り出している。前記のチャネルが持つ直線度の低い構造により、前記チャネル壁に作られるアノードとカソードの電気化学的に活性な面積が増える。前記の直線度の低いチャネルを滑らかな起伏、あるいは極めて広い面積を持つことで知られているフラクタル構造のパスに似た不規則な形にすることが可能である。本発明ではどのような任意のチャネル構造を使うこともできるので、各燃料電池内の電極の面積が最適化される。１つの好ましい実施形態は、互いに平行に並び、フラクタル・パターンを思わせる形で逆に折り返す不規則なパスを描く複数の細いチャネルを含む。本発明の別の好ましい実施形態は、少なくとも３つの平面にある少なくとも１つのチャネルを含む。
【００６６】
図８は多重燃料電池層の円筒形バージョン２５０の斜視図である。このバージョンでは、数多くの非平面燃料電池２０８を組み合わせて、容積２１０を封じ込める燃料電池層６４が作られる。閉じ込められた容積２１０を燃料プレナムとして使い、前記電池の外側の環境が酸化剤を供給する。また、前記円筒の外側の環境によって燃料を供給し、閉じ込められた容積２１０を酸化剤プレナムとして使うことも想定する。前記円筒形燃料電池２５０を、図５で電池を組み合わせるために説明した方法を用いて、円筒形にした単一の多孔質基板を用いて作ることも、図４で電池を組み合わせるために説明した方法を用いて、複数の多孔質基板を合わせて円筒形にしたもので作ることもできる。
【００６７】
図８ａは前記燃料電池２０８の非平面バージョンの断面図である。前記燃料電池は燃料注入口１８と燃料放出口２０のある燃料プレナム１０と、酸化剤注入口５２と酸化剤放出口５４のある酸化剤プレナム１６を有する。非平面多孔質基板２１２は前記燃料プレナム１０とも前記酸化剤プレナム１６と連通する。チャネル１４は前記の非平面多孔質基板２１２内部に作られる。前記チャネル１４は、図１の説明方法で作られたアノード４０とカソード３８を有し、電解質３２で充填される。前記燃料電池は支材２６と第１のコーティング３４と第２のコーティング３６を有する。前記陰極コネクタ４８はシーラント・バリア４４に隣接している。前記陽極コネクタ５０はオプショナルなシーラント・バリア４６に隣接している。
【００６８】
この図面においては前記燃料電池の非平面的な性質を示すために弧を用いているが、あらゆる任意のコンフィギュレーションを用いることが可能である。図１の燃料電池と同じく、前記非平面燃料電池を組み合わせて多重電池を有する１つの非平面燃料電池層を形成することができ、前記非平面燃料電池を様々なコンフィギュレーションのオプショナルな酸化剤プレナムおよび燃料と組み合わせることができる。
【００６９】
図９は円筒形燃料電池の横断面である。この場合、前記非平面基板２１２を円筒形にして容積２１０を囲う。この図面の燃料電池は、燃料を前記燃料電池に与える働きをする封入された容積２１０の中に、燃料１１として示されている。このコンフィギュレーションにおいて、前記電池外部の周辺環境が酸化剤を供給する。また、封入された容積２１０の中に前記酸化剤を含め、周辺環境が燃料を供給することも想定する。
【００７０】
図１０は、別の実施形態である円筒形燃料電池２５１で、前記円筒の軸に対し放射状かつ直交するように配列された前記非平面燃料電池２０８のチャネル１４を有する。この図の燃料電池２０８を、図４で記述したように組み立てるか、あるいは図５で記述したように単一の円筒状基板の中に形成することができるものと理解される。
【００７１】
図１１は、別の実施形態である円筒状燃料電池２５２で、前記円筒の周辺にらせん状に巻くように配列された前記非平面燃料電池のチャネル１４を有する。この図においては単一のらせん状チャネル１４のみが示されているが、前記多孔質基板を用い、複数のチャネルを持つ多重燃料電池を形成することもできる。
【００７２】
容積を円筒形で囲う電池のみを示したが、押し出し成形の長方形、四角形、楕円形、三角形、およびその他の形、さらに非押し出し成形の円錐形、三角錐、フットボール形の物体、および容積を囲うその他の形も本発明の一部として含まれるものと想定する。
【００７３】
図１２は、２つの燃料電池層を有する２層燃料電池層構造２５４の内部が見える破断斜視図であり、第１の燃料電池層６４と第２の燃料電池層１１２がそれぞれアノード側とカソード側を有し、前記において第１の燃料電池層のアノード側２６４と第２の燃料電池層のアノード側２６８が互いに接するように第１の燃料電池層６４は第２の燃料電池層１１２の上に積まれている。
【００７４】
図１２において、シール１３０を第１と第２の燃料電池層の間に置き、燃料プレナム１２４を形成する。前記の２つの陽極接続を陽極コネクタ１２０に接続し、前記の２つの陰極接続を陰極コネクタ１２２に接続することにより、個々の燃料電池層が電気的に並列接続されるようにする。その結果得られるアセンブリは、上部７０と底部７２を有する２層燃料電池層構造２５４であり、前記上部および底部はそれぞれの燃料電池層のカソード側である。その結果得られる構造は、封入プレナム空気呼吸燃料電池（ｅｎｃｌｏｓｅｄ  ｐｌｅｎｕｍ  ａｉｒ  ｂｒｅａｔｈｉｎｇ  ｆｕｅｌ  ｃｅｌｌ）であり、前記燃料電池において、各燃料電池層の中の個々の燃料電池は直列電気接続されており、前記の２つの燃料電池層は並列電気接続されている。前記の構造内部に供給する必要があるのは燃料のみであり、電流は前記の２つの燃料電池層の内部を互いに独立に流れる。前記構造の燃料電池層の末端にある陽極接続と陰極接続が並列接続される場所においてのみ、前記の２つの燃料電池層の間で電気接続がある。
【００７５】
また、酸化剤を入れた共通プレナムを作り出すように、前記燃料電池層をカソード対カソードとなるように配置することも想定する。このコンフィギュレーションにおいて、前記燃料電池の層は燃料供給源として周囲環境を利用する。
【００７６】
本発明の多孔質基板として様々な材料を用いることができるが、１つの使用可能な材料として以下の導電性材料が挙げられる。金属発泡材、グラファイト、グラファイトコンポジット、少なくとも１つのシリコンウェファー、焼結ポリテトラフロロエチレン、結晶性ポリマー、結晶性ポリマーコンポジット、強化フェノール樹脂、カーボンクロス、炭素発泡材、カーボンエーロゲル、セラミック、セラミックコンポジット、炭素とポリマーのコンポジット、セラミックとガラスのコンポジット、再生有機材料などの材料、および前記材料の組み合わせを本発明に使用可能なものと考える。
【００７７】
前記チャネルは、チャネルの壁を分離するオプショナルな支材を最高５０まで有するものと考える。前記チャネルは前記多孔質基板の内部に形成されるものと想定する。前記チャネルを作る技法として、切断、除去（アブレーティング）、成形（モールディング）、エッチング、押し出し成形、型押し、ラミネーション、包埋法、溶融法、あるいは前記技法の組み合わせが挙げられる。前記チャネルは起伏したもの、あるいは少なくとも３つの平面にあるものが可能である。
【００７８】
前記支材は前記チャネルの最端部、たとえば上部または底部に置くか、前記チャネルの中央部分に置くか、あるいは前記チャネルの中央に斜めに向けて置くことができる。前記支材として絶縁材を使うことも考える。本発明において絶縁材を用いる場合は、シリコン、グラファイト、グラファイトコンポジット、ポリテトラフロロエチレン、ポリメタメタクリル樹脂、結晶性ポリマー、結晶性コポリマー、前記の架橋ポリマー、木材、および前記の組み合わせが使用可能である。
【００７９】
サイズ的には、前記チャネルは高さ１ナノメートル〜１０ｃｍ、幅１ナノメートル〜１ｍｍ、長さ１ナノメートル〜１００メートルの範囲のサイズが可能である。
【００８０】
選択的に燃料電池層内部に入ることもある本発明の単一の燃料電池の発電能力としては、約０．２５ボルト〜約４ボルトが考えられる。この設計の燃料電池層１層に使用可能な燃料電池は１個〜５０００個であるが、好ましい実施形態において、前記燃料電池層は７５個〜１５０個を合体させた燃料電池を有する。この燃料電池層は０．２５ボルト〜２５００ボルトの電圧を産出する能力を持つものと考えられる。より多くのチャネルを持つ燃料電池は、より高い電圧を産出することができる。
【００８１】
純粋な水素か、水素を含む気体か、ギ酸か、アンモニアとメタノールとエタノールとホウ化水素ナトリウムとを用いた水溶液か、前記の組み合わせかを前記燃料として用いて本発明を組み立てることができる。純粋な酸素か、酸素を含む気体か、空気か、酸素富化空気か、前記の組み合わせを前記酸化剤として用いて本発明を組み立てることができる。
【００８２】
本発明に使用可能な電解質は、ゲルか液体か固体材料である。以下を含め、様々な材料が使用可能なものと考慮され以下を含む。スルホン基を含む過フッ化ポリマー、ｐＨが最高４までの酸性水溶液、ｐＨが７を超えるアルカリ水溶液、および前記の組み合わせ。さらに、前記電解質層を１ナノメートル〜１．０ｍｍの厚さとすることができ、あるいは、第１の壁から第２の壁へ向かう起伏したチャネルをそれぞれ単純に隙間なく埋めることもできると考えられる。
【００８３】
前記多孔質基板に第１と第２のコーティングを用いて前記燃料電池を製造する。これらのコーティングは同じ材料でも異なる材料でもよい。少なくとも前記コーティングのうち１つは、ポリマーコーティングか、エポキシか、ポリテトラフロロエチレンか、ポリメチルメタクリル樹脂か、ポリエチレンか、ポリプロピレンか、ポリブチレンか、前記のコポリマーか、前記の架橋ポリマーか、導電性金属か、あるいは前記の組み合わせとすることができる。あるいは、第１または第２のコーティングは、金かプラチナかアルミニウムかブリキ、またはこれらの合金、またはその他の金属または金属的な組み合わせによるコーティングのような薄い金属層を有することができる。
【００８４】
本発明に使用可能な第１および第２の触媒層として、貴金属、貴金属を用いた合金、プラチナ、プラチナ合金、ルテニウム、ルテニウム合金、および前記材料の組み合わせが考えられる。好ましい電圧を生むために、少なくとも１つの貴金属を有する三元合金が使用可能と考えられる。プラチナ−ルテニウム合金とプラチナも本発明に使用可能と考えられる。前記のそれぞれの触媒層にはある量の触媒を有するが、触媒の量は各層によって異なる場合がある。
【００８５】
第１および第２の触媒層を、触媒活性を起こすために必要な少なくとも最低限の深さで前記多孔質基板に配置する。前記多孔質基板を燃料プレナムに接続し、さらに水平の軸を作る。前記チャネルに配置された電解質を、前記の水平軸に対し垂直な向きで配置する。前記の多孔質基板は平面形でも、容積を囲む形でも、円筒形でもよい。前記多孔質基板は導電性材料でもよい。
【００８６】
本発明で考慮されるオプショナルのシーラント・バリアとして、シリコン、エポキシ、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリブチレン、前記のコポリマー、前記のコンポジット、あるいは前記の組み合わせが可能である。
【００８７】
前記燃料電池を作る１つの方法として、以下の工程を考慮する。
ａ．第１の側面と第２の側面を有する上部と底部を有する多孔質基板を形成する。
ｂ．前記上部の少なくとも一部に第１のコーティングを配置する。
ｃ．前記底部の少なくとも一部に第２のコーティングを配置する。
ｄ．前記多孔質基板を用い、第１のチャネル壁と第２のチャネル壁を有するチャネルを形成する。
ｅ．第１のチャネル壁に第１の触媒層を置くことによりアノードを形成する。
ｆ．第２のチャネル壁に第２の触媒層を置くことによりカソードを形成する。
ｇ．前記アノードと前記カソードに接触するチャネルの部分に少なくとも電解質を配置する。
ｈ．陽極接続を前記多孔質基板の第１の側面の一方の端に取り付け、陰極接続を前記多孔質基板の第２の側面の一方の端に取り付ける。
ｉ．燃料電池を形成する前記多孔質基板に燃料プレナムを取り付ける。
ｊ．前記多孔質基板に酸化剤プレナムを取り付ける。
ｋ．前記燃料電池の少なくとも一部の周囲にシーラント・バリアを配置する。
ｌ．前記燃料プレナムに燃料を入れ、前記酸化剤プレナムに酸化剤を入れる。
【００８８】
使用する特定の材料の要求および製作プロセスの要求に応じて、記述した操作手順が変化したり、工程を組み合わせる場合がある。同様に、前記方法によれば前記多孔質基板の中に１から２５０若しくはそれ以上のチャネルを形成する場合がある。
【００８９】
本発明で想定する燃料電池を形成するもう１つの方法として、以下の工程を考慮する。ａ．前記燃料プレナムに前記多孔質基板を合体する前に、上記方法の工程ａ〜ｈを必要なだけ繰り返し、少なくとももう１つの追加燃料電池を形成する。
ｂ．少なくとも追加燃料電池のシーラント・バリアに前記多孔質基板をシーラント・バリアで固定して燃料電池を形成し、追加的に作られた燃料電池が固定されている燃料電池層を、前記燃料電池層にあるそれぞれのシーラント・バリアのところまで延長する。
ｃ．前記燃料電池層の陽極接続と陰極接続を合体する。
ｄ．前記の合体した燃料電池を前記燃料プレナムに取り付ける。
ｅ．前記の合体した燃料電池を前記酸化剤プレナムに取り付ける。
【００９０】
前記燃料電池層内の燃料電池の陽極接続と陰極接続は、直列か、並列か、直列と並列の組み合わせによって接続することができる。
【００９１】
燃料電池層を作るさらにもう１つの方法として、以下の工程を考慮する。
【００９２】
ａ．上部と底部、第１の側面と第２の側面を有する多孔質基板を形成する。
ｂ．前記上部の少なくとも一部に第１のコーティングを配置する。
ｃ．前記底部の少なくとも一部に第２のコーティングを配置する。
ｄ．前記多孔質基板を用いて複数の個別チャネルを形成し、前記において各個別チャネルは第１のチャネル壁と第２のチャネル壁を有する。
ｅ．複数の第１の触媒層を第１のチャネル壁に置くことにより、複数のアノードを形成する。
ｆ．複数の第２の触媒層を第２のチャネル壁に置くことにより、複数のカソードを形成する。
ｇ．各個別チャネルの部分に少なくとも電解質を配置する。
ｈ．第１の側面の少なくとも一部に第１のシーラント・バリアを配置する。
ｉ．第２の側面の少なくとも一部に第２のシーラント・バリアを配置する。
ｊ．個別チャネルそれぞれの間に複数の第３のシーラント・バリアを作り、互いに隣接する複数の独立した燃料電池を、前記多孔質基板の中に作る。
ｋ．前記多孔質基板の第１の側面に陽極接続を取り付ける。
ｌ．前記多孔質基板の第２の側面に陰極接続を取り付ける。
ｍ．燃料電池陽極接続を独立したそれぞれの燃料電池に取り付ける。
ｎ．燃料電池陰極接続を、燃料電池層を形成する独立したそれぞれの燃料電池に取り付ける。
ｏ．前記燃料電池層の少なくとも一部の周囲にシーラント・バリアを配置する。
【００９３】
上述の方法のいずれにおいても、前記多孔質基板を作るための異なる数々の方法が本発明において考慮される。前記多孔質基板を作る方法として、鋳造の後焼成する方法、前もって形成した塊から層をスライスする方法、成形法、押し出し成形法、あるいは前記の組み合わせが挙げられる。形成された多孔質基板は非平面ないし容積を封入するものとすることができる。
【００９４】
記述した方法のいずれにも、追加的工程を加えることができる。前記基板の上部および底部をコーティングする前に、前記多孔質基板をマスキングする工程を加えることができる。第１のチャネル壁と第２のチャネル壁それぞれの間に支材を挿入する工程を加えることができる。前記電解質を加える前に、上部と底部に配置されるコーティングの一部をはがすよう選択する工程を加えることができる。
【００９５】
個別チャネルを作る工程の方法として、型押し、除去（アブレーティング）、エッチング、押し出し成形、ラミネーション、型押し、包埋法、溶融法、成形（モールディング）、切断、あるいは前記の組み合わせが挙げられる。レーザーエッチング、深反応性イオンエッチング、あるいはアルカリエッチングによるエッチングが可能である。
【００９６】
前記燃料電池層の独立した燃料電池の燃料電池陽極接続と燃料電池陰極接続は、直列か、並列か、直列と並列の組み合わせによって接続することができる。
【００９７】
少なくとも前記コーティングのうち１つを薄膜堆積法により配置する場合はその方法として、スパタリング、非電着性金属析出法、電気めっき法、はんだ法、物理的蒸気堆積法、および化学蒸気堆積法を用いることができる。前記コーティングのうち少なくとも１つがエポキシコーティングである場合は、以下の１群から選択した方法によりそのコーティングを配置することができる。スクリーン印刷、インクジェット印刷、へらを用いて広げる方法、吹き付け堆積法、真空バギング、および前記の組み合わせ。前記多孔質基板に前記コーティングを施す際、マスクを使うことができる。必要であれば、前記電解質を加える前に前記コーティングの一部を取り除くことができる。
【００９８】
前記多孔質基板を作る方法として、鋳造の後焼成する方法、前もって作った塊から薄層をスライスする方法、成形法、あるいは押し出し成形法が挙げられる。それぞれの個別チャネルを形成する前に、前記多孔質基板を非平面形に形成することができる。また、それぞれの個別チャネルを形成する前に、前記多孔質基板を、容積を封入する形に形成することもできる。
【００９９】
本発明は、前記燃料電池層を有するミクロ構造燃料電池システムでもある。前記燃料電池層はアノード側とカソード側、陽極の末端と陰極の末端を有する。前記の陽極の末端と陰極の末端の間に少なくとも１つの表面があり、少なくとも１つの表面上に少なくとも１つの電子システムが取り付けられている。
【０１００】
前記の電子システムとは、携帯（セル方式）電話、ＰＤＡ、衛星電話、ラップトップコンピュータ、ポータブルＤＶＤ、ポータブルＣＤプレーヤー、ポータブルパーソナルケア・エレクトロニクス、ポータブルブームボックス、ポータブルテレビ、レーダー、無線送信機、レーダー探知機、あるいは前記の組み合わせである。前記のシステムが取り付けられた燃料電池層によって生産される電力が前記電子システムに供給される。前記電子システムはまた、燃料電池運転のための補助的機能も果たす。前記の補助的機能には、燃料電池性能監視、燃料電池制御、燃料電池故障診断、燃料電池性能最適化、燃料電池性能記録、あるいは前記の組み合わせが含まれる。前記燃料電池層の各側面に１つ以上の電子システムを取り付けることが可能である。
【０１０１】
本発明はまた、多数の燃料電池層を有する多重燃料電池層構造である。第１の燃料電池層のアノード側が第２の燃料電池層のアノード側に合体するように、第１の燃料電池層を第２の燃料電池層の上に積み上げる。第３の燃料電池層のカソード側が第２の燃料電池層のカソード側に合体するように、第３の燃料電池層を第２の燃料電池層の上に積み上げ、燃料電池層が互いに隣接するスタックを形成する。さらに追加燃料電池層を同様の方法で第１、第２、第３の燃料電池層に追加することができる。第１の燃料電池層のアノード側が第２の燃料電池層のアノード側に合体して２層スタックを形成するように第１の燃料電池層を第２の燃料電池層の上に積み上げると、２層燃料電池層構造が作られる。
【０１０２】
前記の多重燃料および２層電池層構造はまた、少なくとも１つのプレナムを形成する隣接する燃料電池層の間にある少なくとも１つのシールと、外部負荷に前記スタックを接続するための陽極コネクタと、外部負荷に前記スタックを接続するための陰極コネクタとを有する。前記燃料電池層のアノード側に燃料を供給し、前記の複数の燃料電池層のカソード側に酸化剤を供給すると、電流が流れて外部負荷を駆動する。
【０１０３】
また別の実施形態において、前記の多重燃料電池層構造ないし２層電池層構造は、前記スタックの少なくとも１つの燃料電池層に作られる少なくとも１つの流体場も有することができる。前記流体場を作る方法として切断、除去（アブレーティング）、成形、型押し、エッチング、ラミネーティング、包埋法、溶融法、あるいは前記の組合せが挙げられる。
【０１０４】
燃料電池層構造のプレナムとしては、燃料プレナム、酸化剤プレナム、あるいは前記の組み合わせが可能である。陽極の末端と陰極の末端は、陽極コネクタと陰極コネクタの間で直列に接続するか、陽極コネクタと陰極コネクタに並列に接続するか、前記両方を組み合わせた接続によって接続することができる。
【０１０５】
本発明の燃料電池を使用するには、第１に燃料源を燃料プレナム注入口に接続し、第２のに燃料プレナム放出口を再循環コントローラに接続し、第３に酸化剤プレナム注入口を酸化剤源に接続し、第４に酸化剤プレナム放出口をフロー制御装置に接続し、第５に陽極接続と陰極接続を外部負荷に接続し、第６に前記注入口に燃料と酸化剤を流し、前記燃料電池によって作られる電気によって負荷装置を駆動する。
【０１０６】
前記燃料電池のデッドエンド式バージョンを使う場合はずっと単純な操作になる。第１に前記燃料注入口を燃料供給に接続し、第２に前記酸化剤注入口を酸化剤供給に接続し、第３に陽極接続と陰極接続を外部負荷に接続すると、前記燃料電池が生み出す電気が負荷装置を駆動する。
【０１０７】
本発明の方法はさらに、前記燃料および酸化剤をそれぞれのプレナムに供給した後に前記プレナム放出口と注入口を密閉することによってデッドエンド式燃料電池を作る工程を有することができる。その後、陽極および陰極接続を用いて前記燃料電池を外部負荷に接続し、外部負荷を駆動することができる。
【０１０８】
本発明においては、前記燃料電池を稼動するために、あらゆる燃料および酸化剤の注入口と放出口の組み合わせを使うことを想定する。
【０１０９】
本発明の具体的な好ましい実施形態を参考として、本発明を詳細に説明してきたが、本発明の範囲内で様々なバリエーションと改良が可能であるものと理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【０１１０】
例として、本発明の具体的な実施形態を、添付の図面を参照して説明する。
【図１】図１は、本発明の燃料電池の第１の実施形態の横断面図である。
【図１ａ】図１ａは、多孔質基板に第１の深さで触媒を用いたアノードの詳細な横断面図である。
【図１ｂ】図１ｂは、多孔質基板に第２の深さで触媒を用いたアノードの詳細な横断面図である。
【図１ｃ】図１ｃはカソードの詳細な横断面図である。
【図２】図２は、本発明の燃料電池のデッドエンド式実施形態の横断面図である。
【図２ａ】図２ａは、燃料と酸化剤プレナムが固体であり、その中にフローチャネルが納まっている本発明に従った燃料電池の実施形態である。
【図３】図３は、デッドエンド式燃料電池の別の横断面図である。
【図３ａ】図３ａは、周囲環境に開かれた酸化剤プレナムを用いた本発明の実施形態である。
【図３ｂ】図３ｂは、周囲環境に開かれた燃料プレナムを用いた本発明の実施形態である。
【図４】図４は、図１で記述したタイプの複数の燃料電池を組み合わせることにより形成した燃料電池層の横断面図である。
【図４ａ】図４ａは、燃料プレナムが周囲環境に開かれた多重多孔質基板燃料電池層の横断面図である。
【図４ｂ】図４ｂは、酸化剤プレナムが周囲環境に開かれた多重多孔質基板燃料電池層の横断面図である。
【図４ｃ】図４ｃは、５０００個までの燃料電池を持つ燃料電池層の横断面図である。
【図５】図５は、図１で記述したタイプの多重燃料電池が単一の基板内に形成された燃料電池の横断面図である。
【図５ａ】図５ａは、多重電池を持つ燃料電池の別の実施形態である。
【図６】図６は、図１で記述したタイプの多重燃料電池を含む燃料電池層の斜視図である。
【図７】図７は、起伏したチャネルを持つ、本発明の燃料電池の別の詳細な斜視図である。
【図８】図８は、本発明に従った燃料電池の円筒形バージョンの斜視図である。
【図８ａ】図８ａは、図１の燃料電池の実施形態において基板が不規則な形である燃料電池の実施形態の横断面図である。
【図９】図９は、本発明に従った燃料電池の円筒形バージョンの横断面図である。
【図１０】図１０は、積層された環状リングの一式によって形作られたチャネルを持つ本発明の発明的燃料電池の別の実施形態である。
【図１１】図１１は、円筒の周囲をらせん状に回るように作られたチャネルを持つ本発明の燃料電池の別の実施形態である。
【図１２】図１２は、２層燃料電池構造の斜視図である。
【図１】
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【図１ａ】
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【図１ｂ】
2005517273.tif 000005
【図１ｃ】
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【図２】
2005517273.tif 000007
【図２ａ】
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【図３】
2005517273.tif 000009
【図３ａ】
2005517273.tif 000010
【図３ｂ】
2005517273.tif 000011
【図４】
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【図４ａ】
2005517273.tif 000013
【図４ｂ】
2005517273.tif 000014
【図４ｃ】
2005517273.tif 000015
【図５】
2005517273.tif 000016
【図５ａ】
2005517273.tif 000017
【図６】
2005517273.tif 000018
【図７】
2005517273.tif 000019
【図８】
2005517273.tif 000020
【図８ａ】
2005517273.tif 000021
【図９】
2005517273.tif 000022
【図１０】
2005517273.tif 000023
【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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