(57)【要約】  平面基板上に構成されたポリマー電解質メンブレン（ＰＥＭ）燃料電池のメンブレン電極組み立て体（ＭＥＡ）装置が開示される。基板はＭＥＡの機械的な支持を提供し、また、ＭＥＡと動作可能に結合された集積回路をさらに含むことを容易にする。また、自己保有燃料電池電源を備える集積回路、ならびに自己保有制御回路を備える集積回路ＭＥＡの燃料電池が開示される。また、本発明は電解質材料の厚さを減少させる結果として、ＭＥＡの性能向上およびコストの低減を提供する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面および反対側の裏面、さらに多孔質領域を有する導電性平面基板と、
前記多孔質領域の少なくとも前記裏面に付着した触媒材料と、
前記平面基板の前記表面に付着した、アノード面および反対側のカソード面を有するポリマー電解質材料と、
前記ポリマー電解質材料の前記アノード面に結合したアノード導体と、
前記アノード導体に付着したガス拡散電極と、
ポリマー電解質材料の開口を貫通して導電性基板に電気的に結合したカソード導体とを含む、ポリマー電解質メンブレン（ＰＥＭ）燃料電池のメンブレン電極組み立て体（ＭＥＡ）装置。
【請求項２】
前記平面基板の前記多孔質領域の前記表面と前記ポリマー電解質材料の間に配設された、触媒とパラジウムの積層体をさらに含む請求項１に記載のＭＥＡ。
【請求項３】
前記ポリマー電解質材料と前記アノード導体の間に配設された、燃料の触媒作用を向上させる遷移層をさらに含む請求項１に記載のＭＥＡ。
【請求項４】
前記裏面の触媒材料に隣接する水バリアをさらに含む請求項１に記載のＭＥＡ。
【請求項５】
前記アノード導体と前記カソード導体が同一平面上にある請求項１に記載のＭＥＡ。
【請求項６】
前記ポリマー電解質材料が約３０ミクロン未満の厚さである請求項１に記載のＭＥＡ。
【請求項７】
前記ポリマー電解質材料が約５ミクロン未満の厚さである請求項１に記載のＭＥＡ。
【請求項８】
前記ポリマー電解質材料が約１ミクロン未満の厚さである請求項１に記載のＭＥＡ。
【請求項９】
前記ポリマー電解質材料がペルフルオロカーボン・コポリマーのプロトン導電性材料を含む請求項１に記載のＭＥＡ。
【請求項１０】
前記ポリマー電解質材料がＩ．Ｅ．ＤｕＰｏｎｔ  Ｎｅｍｏｕｒｓ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐａｎｙの登録商標であるＮＡＦＩＯＮを含む請求項１に記載のＭＥＡ。
【請求項１１】
前記触媒材料が、白金、イリジウム、パラジウム、ロジウム、モリブデン、金、およびニッケルからなる群から選択された１つまたは複数の金属を含む請求項１に記載のＭＥＡ。
【請求項１２】
前記触媒材料が白金を含む請求項１に記載のＭＥＡ。
【請求項１３】
前記触媒材料が白金とロジウムの合金を含む請求項１に記載のＭＥＡ。
【請求項１４】
前記基板がシリコンを含む請求項１に記載のＭＥＡ。
【請求項１５】
前記基板がサファイア上の導電性シリコン層を含む請求項１に記載のＭＥＡ。
【請求項１６】
前記基板がＩＩＩ−Ｖ族として知られる群から選択された１つまたは複数の半導体化合物を含む請求項１に記載のＭＥＡ。
【請求項１７】
前記ＭＥＡ部に動作可能に接続された燃料電池本体をさらに含む請求項１に記載のＭＥＡ。
【請求項１８】
前記アノード導体および前記カソード導体に動作可能に結合された前記基板の電気回路部をさらに含む請求項１に記載のＭＥＡ。
【請求項１９】
前記電気回路が前記メンブレン電極組み立て体と集積化されている請求項１８に記載のＭＥＡ。
【請求項２０】
ポリマー電解質メンブレン（ＰＥＭ）燃料電池のメンブレン電極組み立て体（ＭＥＡ）と、
前記メンブレン電極組み立て体に動作可能に結合された集積回路とを含む集積回路ベースの燃料電池装置。
【請求項２１】
前記集積回路が燃料電池制御回路を含む請求項２０に記載の集積回路ベースの燃料電池装置。
【請求項２２】
前記集積回路が、被駆動デバイスを含む請求項２０に記載の集積回路ベースの燃料電池装置。
【請求項２３】
前記ＭＥＡに動作可能に接続された燃料電池本体をさらに含む請求項２０に記載の集積回路ベースの燃料電池装置。
【請求項２４】
平面基板をさらに含む請求項２０に記載の集積回路ベースの燃料電池装置。
【請求項２５】
前記ＭＥＡが前記平面基板の多孔質領域をさらに含む請求項２４に記載の集積回路ベースの燃料電池装置。
【請求項２６】
前記平面基板がシリコンを含む請求項２４に記載の集積回路ベースの燃料電池装置。
【請求項２７】
前記平面基板がサファイア上の導電性シリコン層を含む請求項２４に記載の集積回路ベースの燃料電池装置。
【請求項２８】
前記基板がＩＩＩ−Ｖ族として知られる群から選択された１つまたは複数の半導体化合物を含む、請求項２４に記載の集積回路ベースの燃料電池装置。
【請求項２９】
前記ポリマー電解質材料がペルフルオロカーボン・コポリマーのプロトン導電性材料を含む、請求項２０に記載の集積回路ベースの燃料電池装置。
【請求項３０】
前記ポリマー電解質材料がＩ．Ｅ．ＤｕＰｏｎｔ  Ｎｅｍｏｕｒｓ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐａｎｙの登録商標であるＮＡＦＩＯＮを含む請求項２０に記載の集積回路ベースの燃料電池装置。
【請求項３１】
前記ポリマー電解質材料が約３０ミクロン未満の厚さである請求項２０に記載の集積回路ベースの燃料電池装置。
【請求項３２】
前記ポリマー電解質材料が約５ミクロン未満の厚さである請求項２０に記載の集積回路ベースの燃料電池装置。
【請求項３３】
前記ポリマー電解質材料が約１ミクロン未満の厚さである請求項２０に記載の集積回路ベースの燃料電池装置。
【請求項３４】
前記ＭＥＡが、白金、イリジウム、パラジウム、ロジウム、モリブデン、金、およびニッケルの群から選択された１つまたは複数の金属を含む触媒をさらに含む、請求項２０に記載の集積回路ベースの燃料電池装置。
【請求項３５】
前記ＭＥＡがさらに白金を含む触媒をさらに含む請求項２０に記載の集積回路ベースの燃料電池装置。
【請求項３６】
前記ＭＥＡがさらに白金とロジウムの合金を含む触媒をさらに含む、請求項２０に記載の集積回路ベースの燃料電池装置。
【請求項３７】
表面および反対側の裏面を有する前記平面基板の多孔質領域と、
前記裏面および前記多孔質領域の側壁に付着した触媒材料と、
アノード面および反対側のカソード面を有する、平面基板の前記表面に付着したポリマー電解質材料と、
前記ポリマー電解質材料のアノード面に結合されたアノード導体と、
前記アノード導体に付着したガス拡散電極と、
前記アノード導体と同一平面上にある、前記基板の導電性部と電気的に結合されたカソード導体と、
をさらに含むポリマー電解質メンブレン（ＰＥＭ）燃料電池のメンブレン電極組み立て体（ＭＥＡ）部を有する基板を含む集積回路であって、
前記基板が、前記ＭＥＡ部と動作可能に結合された集積回路部も有する、集積回路。
【請求項３８】
前記集積回路部が燃料電池制御回路を含む請求項３７に記載の集積回路。
【請求項３９】
前記集積回路部が、被駆動デバイスを含む請求項３７に記載の集積回路。
【請求項４０】
前記ＭＥＡ部と動作可能に接続された燃料電池本体をさらに含む請求項３７に記載の集積回路。
【請求項４１】
前記平面基板がシリコンを含む請求項３７に記載の集積回路。
【請求項４２】
前記平面基板がシリコンおよびサファイアを含む請求項３７に記載の集積回路。
【請求項４３】
前記基板がＩＩＩ−Ｖ族として知られる群から選択された１つまたは複数の半導体化合物を含む請求項３７に記載の集積回路。
【請求項４４】
前記ポリマー電解質材料がペルフルオロカーボン・コポリマーのプロトン導電性材料を含む請求項３７に記載の集積回路。
【請求項４５】
前記ポリマー電解質材料がＩ．Ｅ．ＤｕＰｏｎｔ  Ｎｅｍｏｕｒｓ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐａｎｙの登録商標であるＮＡＦＩＯＮを含む請求項３７に記載の集積回路。
【請求項４６】
前記ポリマー電解質材料が約３０ミル未満の厚さである請求項３７に記載の集積回路。
【請求項４７】
前記ポリマー電解質材料が約５ミル未満の厚さである請求項３７に記載の集積回路。
【請求項４８】
前記ポリマー電解質材料が約１ミル未満の厚さである請求項３７に記載の集積回路。
【請求項４９】
前記触媒が、白金、イリジウム、パラジウム、金、およびニッケルの群から選択された１つまたは複数の金属を含む請求項３７に記載の集積回路。
【請求項５０】
前記触媒が白金を含む請求項３７に記載の集積回路。
【請求項５１】
前記触媒が白金とロジウムの合金を含む請求項３７に記載の集積回路。
【請求項５２】
前記平面基板の前記多孔質領域の前記表面と前記ポリマー電解質材料の間に配設された、触媒とパラジウムの積層体をさらに含む請求項３７に記載の集積回路。
【請求項５３】
前記ポリマー電解質材料と前記アノード導体の間に配設された、横方向の電気抵抗を低下させる遷移層をさらに含む請求項３７に記載の集積回路。
【請求項５４】
前記裏面の触媒材料に隣接する水バリアをさらに含む請求項３７に記載の集積回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポリマー電極メンブレン（ＰＥＭ）燃料電池、詳細にはＰＥＭ燃料電池のための平面基板ベースのメンブレン電極組み立て体（ＭＥＡ）に関する。さらに、本発明はＭＥＡおよび共通基板上の追加の回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、燃料および酸化剤から電気エネルギーを生成する燃料電池は従来技術に知られている。燃料電池では、通常気体の形でアノードおよびカソードに提供される液体水素および液体酸素が電解質と反応すると、電力および水蒸気（副生産物として）が生成する。次いで、生成された電力は導線によって集められ、回路または電動機などの遠隔被駆動デバイスに送達される。
【０００３】
本質的に反応は燃料の酸化であるが、方法は電気エネルギーの直接生成をもたらし、副作用として熱エネルギーを生成する。水素ガスの代替として他の水素含有燃料を使用することもできる。メタノールはその燃料の１つであり、比エネルギー密度が高いので特に有利である。メタノール燃料をＰＥＭ燃料電池に使用することには特別の問題がある。未反応のメタノールがメンブレンを経てカソードに拡散し、反応を起こす可能性がある。これは全体のエネルギー効率を低下させる効果があり、潜在的にメタノールがカソードに蓄積することになる。ＰＥＭを設計するには燃料電池がメタノールと適合性があるように特別の注意を払う必要がある。さらに、直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）は一般に負荷状態で出力電圧が低い。このことは、特定のシステムの出力電圧を達成するために、多くの個々の電池を直列に接続する必要があることを意味する。
【０００４】
運転に際しては、水素ガスまたは他の燃料を燃料電池本体のアノード側に提供し、酸化剤としての酸素ガスをカソード側に提供する。次いで水素と酸素が反応して有用な電流が発生し、副生産物として水蒸気が生成する。電解質は固体、溶解ペースト、流れの自由な液体、または母材に捕捉された液体とすることができる。電解質の固体タイプ、またはポリマー電解質メンブレン（ＰＭＥ）は従来技術で良く知られている。
【０００５】
ポリマー電解質メンブレン（ＰＭＥ）燃料電池の重要な要素はメンブレン電極組み立て体（ＭＥＡ）である。ＭＥＡは燃料電池の重要な電気化学的機能を遂行する。それにはガス拡散電極、触媒、アノードおよびカソード導体、およびプロトンの導体として働く電解質フィルムが組み込まれている。従来のＰＥＭ燃料電池ＭＥＡでは、電解質フィルムがＭＥＡの機械的な支持を提供する。しかし、性能上の理由で薄い電解質メンブレンが望ましい。
【０００６】
薄いメンブレンを作る試みは機械的強度の必要性から制限され、より薄いメンブレンは用途の柔軟性が欠けることになる。さらに、従来技術のＰＥＭは、水がメンブレンから蒸発できるように高温で運転するように設計されている。メンブレンは高いプロトン導電性を保つためにいくらかの水を含有する必要がある。燃料電池機能の通常の一部として、水はカソードで生成される。この水のいくらかはメンブレンに拡散して戻り、アノード表面で水素化を起こす。しかし、高温で運転する厚いメンブレンでは、この拡散戻りはアノードの水素化を保つには不十分であろう。これは一般に外部のガス流の湿性化を必要とし、これに伴ってシステムに複雑さが加わる。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
多孔質領域を有する導電性平面基板上に構成した、ポリマー電解質メンブレン（ＰＥＭ）燃料電池のメンブレン電極組み立て体（ＭＥＡ）装置が開示される。基板はＭＥＡ触媒および電解質材料、および電極の機械的支持を提供し、さらに電子の伝導を提供する。
【０００８】
また、ＭＥＡと動作可能に結合された集積回路を有するプラナー基板上に構成した、ポリマー電解質メンブレン（ＰＥＭ）燃料電池のメンブレン電極組み立て体（ＭＥＡ）装置が開示される。
【０００９】
また、本明細書に開示する発明は、集積回路が燃料電池制御回路および／またはＭＥＡの出力で駆動される追加の回路を含む実施形態を含む。
本発明によって実現される技術的な利点には、本発明の薄くしたＭＥＡ電解質の結果として、性能の向上およびコストの低減が含まれる。
【００１０】
共通基板上でＭＥＡと追加の回路を集積化する可能性を含む追加の利点が本発明によって提供される。この利点はさらに、ＭＥＡベースの電源を有する集積回路を構成し、追加の回路を含む燃料電池を構成する広い柔軟性を与えることを含む利点をもたらす。さらなる利点は当業者には明らかであろう。
【００１１】
本発明の特徴は付随する図面と共に以下の説明を考究することからより明瞭に理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の様々な実施形態を製造し使用することが以下で詳細に論じられるが、本発明が種々の特定の状況で広く実現することのできる多くの実施可能な発明的な概念を提供することを認知すべきである。本明細書で論ずる特定の実施形態は、主として本発明を製造し使用する特定の方法を説明するものであって、本発明の範囲を制限するものではない。図面を参照するに際して、同じ参照番号は種々の図を通して同じ部品に使用されている。図の議論に使用されている、前部、後部、側部、上部、底部などの方向についての表示は、そのページに表記された図そのものを便宜的に参照するためであって、特に示さない限り発明の方向を制限するものではない。図面に縮尺はなく、特徴のいくつかは発明の特別な態様を示すために誇張されている。
【００１３】
発明をより良く理解するために、図１および２を参照する。この好ましい実施形態の例では、シリコン基板またはウェーハが使用される。他の材料、例えば導電性シリコン層を有するサファイアウェーハ、またはＩＩＩ−Ｖ族半導体として知られる材料などを使用できることは、当業者であれば理解するはずである。図２Ｎおよび２Ｏでは、シリコン基板１２上に構成されたＭＥＡ１０が示されている。
【００１４】
シリコンの異方性エッチングを可能にするためには、［１００］の面配向を有する基板１２を使用する（１００）ことが好ましい。良好な電気導電性を提供するために、シリコン基板１２は、他のドープ剤を使用してもよいがＰ型ドープ剤のホウ素で多量にドープすることが好ましい。ドープ剤のタイプはＮ型またはＰ型のいずれでもよいが、白金とシリコン間の優れたオーミック接触は、多量にドープしたＰ型ウェーハを使用することによって得られる。一般に、二酸化シリコン層を基板１２上に成長させ、パターニングおよびエッチングして基板１２の前部１６に絶縁台座１４を形成する（１０２）。基板１２の平坦面を基準とするこの最初のパターンは結晶面に良く位置合わせされていなければならない。絶縁台座１４以外は、シリコン基板１２の表面１６および裏面１８の両方とも最初は裸のままであることが好ましい。好ましい実施形態では、約１．０ミクロン以上の酸化物の厚さが用いられるが、約０．０５〜５．０ミクロンの範囲の厚さを用いてもよい。絶縁台座１４は、ＭＥＡ１０の機械的磨耗によってアノード導体４４と下地基板１２の間に望ましくない電気的接触が形成されることを防止する。
【００１５】
厚さ０．０２〜２．０ミクロンの範囲の窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）フィルムが、低圧化学気相成長（ＬＰＣＶＤ）、プラズマ強化化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）またはスパッタ法によってシリコンウェーハ１２の研磨した裏面１８に被着される（１０４）。次いでシリコンウェーハ１２の裏面１８にフォトレジストをコーティングし、位置合わせし、露光し、現像する。位置合わせは後部パターンと前部パターンの位置合わせ準備を含むべきである。窒化シリコン層はプラズマ法によってエッチングされる（１０６）。窒化シリコンがウェーハ１２の表面１６にも被着されていれば（ＬＰＣＶＤなどで）、それを除去する。次いでフォトレジストをウェーハ１２から剥離し、パターニングされたＳｉ３Ｎ４層１９が残る。
【００１６】
硬質マスク材料２０が、好ましくは適切なパターン形成フォトレジスト技術を用いて基板１２の表面１６に被着される（１０８）。白金は、それが触媒としても機能することができるので、硬質マスク２０として好ましいが、イリジウム、パラジウム、金、ロジウム、モリブデン、およびニッケルなど他の金属またはその組合せを使用することもできる。表面１６がパターニングされたフォトレジストで準備されると、次いで厚さ１〜２００ナノメートルの範囲の白金層２０を表面１６上に被着することが好ましい。好ましい実施形態では、厚さは約５ナノメートルである。「リフトオフ（ｌｉｆｔ−ｏｆｆ）」を行う（１１０）ことによって、表側の白金層２０が領域に残り、リフトオフの前にフォトレジストが存在した、パターニングされた領域の白金が除去される。酸化物台座１４など、硬質マスク２０の被着を防止するのが望ましい領域を被覆し、さらにＭＥＡ１０の活性領域２２に分配されたフォトレジストのピラー２１を残すために、フォトレジスト層が使用できることを理解されたい。これらのフォトレジストの円形ピラー２１は、直径約０．３ミクロン、高さ約０．２〜２．０ミクロン、中心間距離約０．６ミクロンであり得ることが好ましい。しかし、フォトレジストのピラー２１は他のサイズとすることができ、任意選択的に直径が約５０ナノメートル程小さく、任意選択的に中心間が約１００ナノメートル程に近接した間隔であってもよいことを理解されたい。フォトレジストピラーは、様々な比の矩形、六角形、または他の多角形など代替の形状を使用することができる。
【００１７】
ダイアフラム領域２４を、異方性エッチング技術を用いて基板１２の裏面１８中にエッチングし、好ましくは５〜１００ミクロンの範囲の厚さのダイアフラム２４を残す（１１２）。エッチングが異方性に進行して、シリコン結晶の［１１１］面が露出し、従来技術で知られているような良く制御されたエッチングされたダイアフラム２４が得られる限り、発明の特徴を変えることなく種々の混合物および種々のエッチング浴温度を用いることができる。裏側１８の異方性シリコンエッチングの間、表側１６は保護される。基板上のワックス搭載、封止用Ｏリング付きＴＥＦＬＯＮ（Ｉ．Ｅ．ＤｕＰｏｎｔ  Ｎｅｍｏｕｒｓ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐａｎｙの登録商標）固定具中の搭載、またはクロムなど一時的な保護層の付着を含む、多くの保護技術が使用可能である。基板１２の裏面１８上に適切なパターンを提供するとき、それが表面１６用に選択したパターンと位置合わせして配置されていることに留意すべきである。ダイアフラム領域２４が完成したならば、裏側の窒化シリコン層１９は従来の方法で除去することが好ましい。
【００１８】
基板１２の多孔質領域２６が、好ましくは基板１２の表面１６をドライプラズマ・シリコンエッチングに曝すことによって提供される（１１２）。孔２８は、多孔質領域２６が全体的に活性領域２２に対応するように基板１２の残る厚みを貫通してエッチングされる。基板１２のドライ異方性プラズマエッチングには知られている技術を用いることができる。これらの技術の限界によれば、アスペクト比約７０〜８０を有する孔２８を縦の寸法制御を失うことなく作製することができる。すなわち、直径０．３ミクロンの孔２８で孔の高さ（０．３×８０＝２４ミクロン）をほとんど完全に垂直な側壁３０で作製することができる。これよりも深い孔では、孔の最も深い部分が腐食される結果となり、孔は事実上広がる。本発明は、主な要求事項が単に基板１２の多孔質領域２６の機械的安定性であるので、その孔の腐食に対して耐性がある。したがって、孔２８の直径を約５０ナノメートル程に小さく、中心間間隔を約１００ナノメートル程に小さく作れる柔軟性がある。基板１２の異方性プラズマエッチングの間、硬質マスク層２０は、硬質マスク２０で被覆された領域のシリコンへの攻撃を防止する。さらに、プラズマシリコンエッチング技術での二酸化シリコンのエッチング速度は、絶縁台座１４がプラズマエッチングに曝された場合にその厚さが僅かに減少する程度であり、一般に非常に低い。
【００１９】
裏面１８の触媒層３２は、表面の硬質マスク２０に関して上で論じたように白金であるのが好ましく、一般にスパッタまたは蒸発技術によってスパッタリングされ（１１４）、上部および／または底部の白金層２０、３２の両方とも反応によって部分的にまたは完全に珪素化合物に変換できることが好ましい。これによって、絶縁層で保護されていない全ての領域で、硬質マスク層２０および触媒層３２の下地基板１２への優れたオーミック接触が可能になる。短時間の２７５℃以下のケイ化温度では白金層２０、３２が部分的に消費されてケイ化白金が形成されるであろう。白金２０、３２を完全にケイ化物層に変換したければ、より高い温度と長い時間を用いることができる。裏面の触媒層３２がエッチングした孔２８の側壁３０を部分的にコーティングすることが好ましい。
【００２０】
また、エッチングされた孔２８の側壁３０をさらにコーティングするために、任意選択的に、この場合白金の、追加の触媒２１を表面に被着することができる。ロジウム、モリブデン、イリジウム、パラジウム、金およびニッケルを含む他の触媒金属またはその組み合わせを使用することができる。無論、レジスト層をパターニングし、および第２のリフトオフを行って、触媒２１が基板１２の他の部分に被着するのを防止することができよう。さらに任意選択的に、メタノールなどの未反応燃料がアノードからカソードへ移動するのを最小にするために、追加の表面被着は１〜５０ｎｍのパラジウムを含むことができる。この場合、完全な被着は触媒とパラジウムの積層体を含むことができる。パラジウムは、メタノールなどの材料には浸透しないが、水素浸透性であることが従来技術で知られている。この場合、十分な厚さのパラジウムを付着して基板の多孔質領域を充填することができ、総メタノール浸透が顕著に減少する。
【００２１】
プロトンを伝導する電解質材料、好ましくはＮＡＦＩＯＮ（Ｉ．Ｅ．ＤｕＰｏｎｔ  Ｎｅｍｏｕｒｓ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐａｎｙの登録商標）を、好ましくはスピンまたはスプレーコーティングによって表面触媒２１に付着し、メンブレン３４を形成する（１１６）。他のペルフルオロカーボン材料を使用することもでき、メンブレン材料のプラズマ強化成長も用いることができる。基板１２加工の全てをクリーンルーム内で遂行することが好ましく、メンブレン３４の粒子状汚染を最小にすることを理解されたい。このようにしてメンブレン３４の集積化が維持される。所望する最終メンブレン３４の厚さによって、複数のコーティングステップ１１６を継続して遂行し、メンブレン３４を作り上げることができる。メンブレン材料３４がエッチングされたウェーハの孔２８に少なくとも部分的に浸透することが好ましい。メンブレン３４の実用的な最小厚さは、メンブレン３４を通る電子的な導通短絡回路を防止し、さらに未反応燃料の交差を最小にする必要度によって制約を受ける。メンブレン材料３４がエッチングされた孔２８に浸透する程度まで、メンブレン３４を通る未反応燃料の拡散路は増加する。しかし、薄いメンブレンはプロトンがメンブレン３４を通って移動するのに抵抗が少ないので、薄いメンブレン３４が望ましいということも理解されたい。発明の本実施形態は、メンブレン３４の公称厚さが小さく、好ましくは約０．１〜３０ミクロンの範囲であるので、これらの兼ね合いには比較的鈍感である。プロトン導電性メンブレン３４はカソード面３６、およびアノード面３８を有し、以下でさらに論ずる。
【００２２】
発明の好ましい実施形態では、遷移層４０がメンブレン３４のアノード面３８上に付着される。好ましい遷移層４０は、ＮＡＦＩＯＮ（Ｉ．Ｅ．ＤｕＰｏｎｔ  Ｎｅｍｏｕｒｓ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐａｎｙの登録商標）などのペルフルオロカーボン材料または類似の材料、および触媒をコーティングしたカーボン粒子の両方を含有する。
【００２３】
任意選択的に、遷移層４０を含むメンブレン３４の全体を化学的な処理、例えば、メンブレン３４を取り付けた基板１２を硫酸中で煮沸し、続いて脱イオン水で水洗して必要なイオン交換を完成させる処理によって、それをプロトン性の形に変換することが望ましい。
【００２４】
遷移層４０およびメンブレン３４を貫通する、好ましくはプラズマエッチングによって作製された（１１８）ビア（ｖｉａ）４２が、下地基板１２への電気的接触を完全にするために提供される。直接パターニングしたフォトレジスト、または硬質犠牲マスク材料のいずれかをプラズマエッチングの間の保護として使用することができる。
【００２５】
好ましくは、例えば金または白金などの高導電性金属で頂部を被覆した導電性材料の積層体を被着させることによって、導体、アノード導体４４、およびカソード導体４６を形成する（１２０）ことが好ましい。任意選択的にリフトオフ技術を使用してパターンを定めることができる。単一導電性層のエッチングによって形成された、導体４４、４６を定める間隔４８が示されている。クロムまたは銅またはチタン−タングステン（ＴｉＷ）合金などの接着層を導電性積層材料の最初の部分として任意選択的に使用することができる。導電性積層材料は、電流の分配を高めるためにアレイ状にパターニングすることができる。六角形のアレイはパターンとして好ましく、低い横方向の電気抵抗をもたらし、ガス流に対してほとんど抵抗がない。
【００２６】
ガス拡散電極（ＧＤＥ）層５０がＭＥＡ１０の頂部に加えられる（１２２）。ＧＤＥ層５０は触媒をコーティングしたカーボン粒子を含む。ＧＤＥ層５０はステンシルマスクを通してスクリーン印刷またはスプレーによって付着することが好ましい。ＧＤＥ層５０はＭＥＡ１０の活性領域２２に重なり合い、さらにアノード導体４４のアノード電流コレクター領域５２に重なり合って、ＧＤＥ５０、アノード導体４４、およびアノード電流コレクター領域５２の間の電気的接触を確実にする。
【００２７】
水バリア５４を好ましくはスピンコーティングまたはスプレーコーティングによって後部触媒３２に付着することが好ましい。水バリア５４は、液体の水が運転中にカソード面３６上に形成されることを防止し、次いで、酸素が触媒層３２と接触して所望の反応を妨害することを防止するために、ＴＥＦＬＯＮ（Ｉ．Ｅ．ＤｕＰｏｎｔ  Ｎｅｍｏｕｒｓ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐａｎｙの登録商標）、または他の疎水性材料を含むことが好ましい。
【００２８】
本発明では、横方向の電気抵抗はユニットセルのサイズが増加すると単調に増加する。ある用途では、これは問題になり得る。したがって、導電性層の厚さはこの横方向の抵抗を下げるために適切に調節してもよい。例えば、基板１２を後部側１８でコーティングする白金層３２は任意に厚さを増加させることができる。さらに、触媒３２は、白金などのより理想的な導体層で被覆した、より豊富な導電性金属の下地層を付着することによって層状に作製することができる。アノード導体層４６はシート抵抗を下げるために厚さを増加させることができる。
【００２９】
本発明によるＭＥＡ１０をウェーハ基板１２上で完成させ、次いで知られているダイシング技術を用いて分離して、複数の個々のＭＥＡ１０ユニットが製造できることは当業者には明らかであろう。また、本発明による可能なＭＥＡ１０のサイズが、大きい側では入手可能なウェーハサイズによってのみ束縛され、小さい側では入手可能なダイシング技術によって束縛されており、対応するサイズの範囲の燃料電池内に組み立てることに都合良く適していることも明らかであろう。
【００３０】
図３は図１および２に関して示し、説明したＭＥＡ１０を含む発明の他の例を示す。基板１２をＭＥＡ１０と共有する集積回路（ＩＣ）６０が示されている。ＩＣ６０はアノード導体４４への同一面上の電源接続６２によってＭＥＡ１０に結合していることが好ましい。好ましい実施形態では、導電性基板１２は、集積回路６０、およびＭＥＡ１０のカソード電流コレクター４６両方の接地回路への共通結線である。別法として分離した同一面上の電源接続（図示しない）を回路接地とカソード電流コレクター４６の間に作製してもよい。ＩＣ６０は自己保有電源を必要とする任意の回路であってもよい。任意選択的にＩＣ６０は燃料電池制御回路も含むことができる。好ましい燃料電池制御回路は、燃料電池の運転を監視し制御するようになされた検出機能および制御機能を提供する。
【００３１】
当業者であれば、ＭＥＡ１０の組み立て中にＩＣ６０が損傷から保護されるよう注意する限り、知られている方法によってＭＥＡ１０製作の前にＩＣ６０を基板１２上に作製できることを容認するであろう。絶縁台座１４はＩＣ６０製作の手順の一部として形成されることが好ましい。加工温度（ステップ１００〜１２２において）は約５００℃未満に保たれ、ＩＣ６０の特性が制御不能に変化することを防止することが好ましい。例えば、ＬＰＣＶＤ窒化シリコン（一般に約７５０℃の温度を必要とする）は後部の保護に用いるべきではなく、むしろスパッタまたはＰＥＣＶＤ成長を用いるべきである。さらに、ドライシリコンエッチング処理を用いる場合、基板１２のＩＣ６０部分は、知られている方法によって被着およびパターニングした厚いフォトレジスト層を加えることによって、エッチングから保護することが好ましい。
【００３２】
図示し説明したＭＥＡ１０およびＩＣ６０のレイアウトにおける変更は、本発明の概念から逸脱することなく可能であることを理解されたい。例えば、図４を参照すれば、同一面上の導体４４、４６を必要としなければ、ＭＥＡ構造を単純にすることができる。特に、ビア４２（図２）および関連するステップ（１１８）は省略することができ、導体４４および４６はウェーハ１２の前部１６および後部１８にそれぞれ配置されるであろう。
【００３３】
図５には、ＭＥＡ１０に関する本体５００を含む発明の図が示されている。本発明のＭＥＡ１０をＰＥＭ燃料電池組み立て体５０２に組み込むには、多くの実装方法が使用できることを理解されたい。例えば、本発明は「モジュール状ポリマー電解質メンブレン燃料電池ユニット組み立て体および燃料電池積層体（Ｍｏｄｕｌａｒ  Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｕｎｉｔ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ  ａｎｄ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔａｃｋ）」の名称のＦｏｓｔｅｒの米国特許出願第０９／７４５５６６号、２０００年１２月１９日出願に開示された燃料電池および燃料電池積層体装置と互換性があるが制限するものではなく、これは全ての目的のために参照して本出願に組み込まれている。
【００３４】
導電性シール５０４が、ＭＥＡ１０から外部導体５０６、５０８への電気的通路を提供すると同時に、密封封止を提供するために使用される。密封封止５１０も蓋５１２に加えて提供される。追加の要素５０４、１０、５１０、５１２を含んで、追加の燃料電池ユニット５０９が組み立て体５０２を完成するために使用され、各ＭＥＡ１０によって発生する電圧が加算される結果になることは明らかなはずである。完成した組み立て体５０２の端子電圧は末端コネクター５２０と５３０の間に現れるであろう。
【００３５】
本発明の実際の形態および用途において多くの変更が発明の概念から逸脱することなく可能であることを理解されたい。例えば、ＭＥＡおよびＩＣの実際の形状および形態、およびそれらの基板上の相対位置は発明にとって重要ではなく、当業者によって変更することができ、アノードおよびカソードは燃料と酸素をＭＥＡの示されたものとは逆の側から供給することによって交換が可能であり、基板ベースのＭＥＡ装置及び／またはＩＣを製造するのに用いられた組み立てプロセスは変更できる。本発明の原理によれば、数量、サイズ、複雑さ、内容、または共通基板上で１つまたは複数のＭＥＡと結合した集積回路の機能、または互いに結合することのできる本発明の個々の装置の数量には制限がない。
【００３６】
上に示し、説明した実施形態はただ例示するためである。多くの場合、従来技術には材料変更および部品の接続など多くの詳細が見られる。したがってその多くの詳細は示していないか説明していない。説明し、示した詳細、部品、要素、またはステップの全てを本明細書では発明されたものとして主張していない。本発明の多くの特徴及び利点を構造の詳細および発明の機能と共に、前述の説明によって示してきたが、この開示は例示するだけであり、特に機能部品の配置に関して、付随する請求項に使用した広い概括的な用語の意味によって示される全ての範囲にわたって、発明の原理の範囲内で詳細の変更を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】デバイス製造のプロセスフロー図である。
【図２Ａ】図１のプロセスフロー図に対応するデバイス断面図である。
【図２Ｂ】図１のプロセスフロー図に対応するデバイス断面図である。
【図２Ｃ】図１のプロセスフロー図に対応するデバイス断面図である。
【図２Ｄ】図１のプロセスフロー図に対応するデバイス断面図である。
【図２Ｅ】図１のプロセスフロー図に対応するデバイス断面図である。
【図２Ｆ】図１のプロセスフロー図に対応するデバイス断面図である。
【図２Ｇ】図２Ｆに対応する平面図である。
【図２Ｈ】図１のプロセスフロー図に対応するデバイス断面図である。
【図２Ｉ】図１のプロセスフロー図に対応するデバイス断面図である。
【図２Ｊ】図１のプロセスフロー図に対応するデバイス断面図である。
【図２Ｋ】図１のプロセスフロー図に対応するデバイス断面図である。
【図２Ｌ】図１のプロセスフロー図に対応するデバイス断面図である。
【図２Ｍ】図２Ｌに対応する平面図である。
【図２Ｎ】図１のプロセスフロー図に対応するデバイス断面図である。
【図２Ｏ】図２Ｎに対応する平面図である。
【図３】デバイス断面の他の例を示す図である。
【図４】デバイス断面の他の例を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態によるＭＥＡ、燃料電池体、および燃料電池積層体の上部前面透視図である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図２Ｆ】
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【図２Ｇ】
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【図２Ｈ】
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【図２Ｉ】
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【図２Ｊ】
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【図２Ｋ】
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【図２Ｌ】
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【図２Ｍ】
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【図２Ｎ】
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【図２Ｏ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図３Ｆ】
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【国際調査報告】
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