(57)【要約】【課題】本発明の目的は、実用的であり、かつ経済的に優れた一般消費者向け電池を、燃料電池技術を用いて実現することにある。【解決手段】一般消費者向け電池は電気生成ユニット（ＥＧＵ）１００及び燃料供給ユニット（ＦＣＵ）２００を備え、これらのユニットがパッシブ型チューブ状燃料電池を形成する。ＥＧＵはチューブ状外側集電体１３０及びチューブ状内側集電体１４０を含み、ＥＧＵの各部品は両方の集電体の間に配置され、そしてチューブ状内側集電体によって外向きの圧力が前記部品に加わる。ＥＧＵは更に２つの隣接電気生成チューブ状セル１１０及び１２０を含み、これらのセルは直列接続され、かつ連続的に、または同軸状に配置することができる。各チューブ状セルはプロトン交換膜を含み、プロトン交換膜は各側に、触媒及びガス拡散体を有し、そして各チューブ状セルは更にセルを密閉し、そしてガス漏れを防止する２つ以上の円筒状シール材を含む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気生成ユニット（１００）及び燃料供給ユニット（２００）を備える一般消費者向け電池であって、これらのユニットの両方がパッシブ型チューブ状燃料電池を形成し、電気生成ユニットにはチューブ状外側集電体（１３０）が設けられ、これにより燃料供給ユニットがガス燃料を電気生成ユニットに供給し、酸化剤は空気中の酸素である。一般消費者向け電池においては、電気生成ユニットがチューブ状内側集電体（１４０）を含むので、電気生成ユニット（１００）の各部品がチューブ状外側集電体（１３０）とチューブ状内側集電体（１４０）との間に配置され、そしてチューブ状内側集電体によって外向きの圧力が両方の集電体の間に配置される前記部品に加わることを特徴とする一般消費者向け電池。
【請求項２】
電気生成ユニット（１００）が、直列接続される２つの隣接電気生成チューブ状セル（１１０；１２０）を含む、請求項１記載の一般消費者向け電池。
【請求項３】
各チューブ状セル（１１０；１２０）は少なくとも一つのプロトン交換膜（１１５）を含み、プロトン交換膜の各側には、触媒及びガス拡散体が設けられる、請求項２記載の一般消費者向け電池。
【請求項４】
前記プロトン交換膜（１１５）の内の少なくとも一つのプロトン交換膜を屈曲させて、平坦形状を原型とする円筒構造を採用する、請求項３記載の一般消費者向け電池。
【請求項５】
平坦膜を屈曲させて円筒とすることにより得られる少なくとも一つのチューブ状セルの両端部を結合させ、そして密閉してガス漏れを防止する、請求項４記載の一般消費者向け電池。
【請求項６】
プロトン交換膜の内の少なくとも一つのプロトン交換膜はチューブ状に作製される、請求項３記載の一般消費者向け電池。
【請求項７】
各チューブ状セル（１１０；１２０）は、セルを密閉し、そしてガス漏れを防止する少なくとも２つの円筒状シール材（１２４，１２６）を含み、前記シール材はセルの外側、かつ内側に配置される、請求項２〜６のいずれか一項に記載の一般消費者向け電池。
【請求項８】
円筒状シール材は、固化してセルを密閉し、そしてセルへのガスの流入、またはセルからのガスの流出を防止する流体材料を開始材料としてセルの作製中に形成される、請求項７記載の一般消費者向け電池。
【請求項９】
円筒状シール材はセルの作製中に、変形可能材料のシートを巻くことにより形成される、請求項７記載の一般消費者向け電池。
【請求項１０】
円筒状シール材は予備成形された変形可能な部材であり、この部材は、加圧された後にセルを密閉状態にする、請求項７記載の一般消費者向け電池。
【請求項１１】
シール材の変形は塑性変形である、請求項９又は１０のいずれか一項に記載の一般消費者向け電池。
【請求項１２】
シール材の変形は弾性変形である、請求項９又は１０のいずれか一項に記載の一般消費者向け電池。
【請求項１３】
２つの隣接チューブ状セル（１１０；１２０）は軸方向に配置される、すなわち連続する、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の一般消費者向け電池。
【請求項１４】
中間集電体（１５５）が内側集電体（１４０）と外側集電体（１３０）との間に配置され、前記中間集電体は、２つの半チューブを画定する２つの直径を有するチューブ状メッシュとして成形されて、一つのセルが大きい方の直径を有する半チューブの内側に配置され、そして隣接セルが小さい方の直径を有する半チューブの外側を取り囲むようになる、請求項１３記載の一般消費者向け電池。
【請求項１５】
２つの隣接チューブ状セル（１１０；１２０）は半径方向に配置される、すなわち同軸状である、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の一般消費者向け電池。
【請求項１６】
２つの前記同軸チューブ状セルは同じ向きになっている、すなわちこれらの同軸チューブ状セルでは、セルの構成要素が半径方向に同じ順番で配置されている、請求項１５記載の一般消費者向け電池。
【請求項１７】
電気コンタクトが、２つの同軸チューブ状セルの間に配置されるバイポーラリングにより確立される、請求項１６記載の一般消費者向け電池。
【請求項１８】
前記バイポーラリングは螺旋状波形チューブ（１５８）として成形され、螺旋状波形チューブによって、酸素を２つの同軸チューブ状セルの間で循環させる幾つかの通路も画定される、請求項１７記載の一般消費者向け電池。
【請求項１９】
２つの前記同軸チューブ状セルは逆向きになっている、すなわちこれらの同軸チューブ状セルでは、セルの構成要素が半径方向に逆の順番で配置されている、請求項１５記載の一般消費者向け電池。
【請求項２０】
電気生成ユニット（１００）が電池の正極コンタクトであり、そして燃料供給ユニット（２００）が負極コンタクトである、請求項１〜１９のいずれか一項に記載の一般消費者向け電池。
【請求項２１】
電気生成ユニット（１００）が電池の負極コンタクトであり、そして燃料供給ユニット（２００）が正極コンタクトである、請求項１〜１９のいずれか一項に記載の一般消費者向け電池。
【請求項２２】
電気生成ユニット及び燃料供給ユニットは個別の取り外し可能なユニットである、請求項１〜２１のいずれか一項に記載の一般消費者向け電池。
【請求項２３】
電気生成ユニット及び燃料供給ユニットは一体型の取り外し不能なユニットである、請求項１〜２１のいずれか一項に記載の一般消費者向け電池。
【請求項２４】
燃料供給ユニットは空になった後に廃棄することができる、請求項２２記載の一般消費者向け電池。
【請求項２５】
燃料供給ユニットは再充填することができる、請求項１〜２４のいずれか一項に記載の一般消費者向け電池。
【請求項２６】
燃料供給ユニットは、電池をその外囲筐体に収容したときに、前記ユニットがバネを有することになり、前記バネが燃料供給ユニット（２００）を電気生成ユニット（１００）の内側に向かって押し、この動作によってガス燃料用排出バルブ（２１０）が電気生成ユニットに対して開くように構成される、請求項２４又は２５のいずれか一項に記載の一般消費者向け電池。
【請求項２７】
ガス燃料が水素である、請求項１〜２６のいずれか一項に記載の一般消費者向け電池。
【請求項２８】
燃料供給ユニットは、金属水素化物に蓄えられた水素を貯蔵する、請求項２７記載の一般消費者向け電池。
【請求項２９】
燃料供給ユニットは水素を炭素ナノ繊維に含ませる形で貯蔵する、請求項２７記載の一般消費者向け電池。
【請求項３０】
燃料供給ユニットは水素を化学物質として、すなわち水素を含有する化合物として貯蔵する、請求項２７記載の一般消費者向け電池。
【請求項３１】
燃料供給ユニット（２００）は、電気生成ユニット（１００）の内側集電体（１４０）に含まれる容積の３分の２よりも大きい容積を占有する、請求項１〜３０のいずれか一項に記載の一般消費者向け電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般消費者向け電池に関し、一般消費者向け電池は電気生成ユニットと燃料供給ユニットを備え、これらの両方のユニットがチューブ状燃料電池を構成し、電気生成ユニットにはチューブ状外側集電体が設けられるので、燃料供給ユニットはガス燃料を電気生成ユニットに供給することができ、この場合、酸化剤は空気中の酸素である。
【背景技術】
【０００２】
所謂「一般消費者向け電池」は一体型の電気化学デバイスであり、この電気化学デバイスは開放回路起電力１．５Ｖの条件で直流電流を供給する（単一セル電池の場合；マルチセル電池の場合には、電圧は１．５Ｖの倍数となる）。これらの電池は異なる標準仕様で市場で販売されている。すなわち、最も典型的な一般消費者向け電池はＬＲＡＡタイプまたはＡＡタイプであり、高さ５０．５ｍｍ及び幅１４．２ｍｍの円筒形を有する。
【０００３】
一般消費者向け電池の現在の市場は、Ｚｎ（亜鉛）−ＭｎＯ２（二酸化マンガン）の化学反応（電解液がアルカリである形態が好ましい）を利用したものが主流であるが、電子機器の目覚しい発展によって、携帯型装置によるエネルギー要求に従来のアルカリ電池では応えられない場合が多くなっている。この限界が代替技術の開発に拍車を掛け、代替技術は一般消費者向け電池のサイズ及び電圧を維持しながら従来の電池よりも優れた利点を提供する。
【０００４】
前記代替技術の一つが燃料電池技術である。燃料電池は、プロトン及び電子の移動を利用し、この移動は、水が生成されるときの電気化学反応（４Ｈ＋＋Ｏ２＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ）において発生して電気を生成する。水素（異なる形態の）は通常、燃料として使用され、そして酸素（空気中の）は普通、酸化剤として使用される。無駄になる生成物は水だけである。
【０００５】
燃料電池は普通、複数の単位セルの積層構造から成り、これらの単位セルの各々は、電解質膜及び２つの電極、すなわち正極及び負極を含む。電解質膜によって正極室が負極室から仕切られ、正極室では、燃料の酸化が進行し（燃料の酸化では普通、水素が触媒作用によってプロトン及び電子に分解される）、そして負極室では、酸化剤の還元が起こる（これにより、酸化剤が酸素であるときに水が生成される）。これらの反応が生じ、そして電気が生成される場合、電解質膜はプロトンを通すが電子は通さない性質を持つ必要がある。このようにして、プロトンは電解質膜を通過することができ、そして電子は負極と正極との間に配置される外部回路を循環することができ、電流が生成される。正極では、プロトン、電子、及び酸素が結合して水が生成される。
【０００６】
燃料電池内での電気化学反応は多くの場合、高圧及び高温の状態で行なわれて反応効率が高くなる。一般消費者向け電池では、これらの条件を明らかに満たすことができないので、電池は常圧及び常温の状態で、ガスを強制的に供給することなく、かつ外部から温度を管理することなく、「パッシブ型」と呼ばれる方法で動作するように設計する必要がある。
【０００７】
燃料電池に適する電解質膜構成はプロトン交換膜（ｐｒｏｔｏｎ  ｅｘｃｈａｎｇｅ  ｍｅｍｂｒａｎｅ：ＰＥＭ）である。上記のある電池では、電解質膜は、触媒層でコーティングされた高分子膜であり、触媒層は電気化学反応を促進し、そして生成イオンを伝達する。前記膜及び電極群はＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜電極接合体）を構成する。普通、電極群はガス拡散体としても機能する、すなわちこれらの電極は、水素及び酸素が膜の触媒層へ拡散する現象を促進する。
【０００８】
説明した電気化学反応の理論上の電圧は１．２３Ｖであるが、内部抵抗及び他の要素によってこの値は約０．７Ｖに制限される。従って、一般消費者向け電池では、２つのセルまたはＭＥＡを直列に配置する必要がある。公知の燃料電池では、前記セル群はフラットな平面として使用され、かつ直列接続積層構造として使用されていた。しかしながら、一般消費者向け電池の断面サイズを持つフラットなセル、例えば円形セルは表面が小さすぎて必要な電力を供給することができないので、他の幾何学的構成を開発する必要がある。円筒型構造が一般消費者向け電池の形状に適すると考えられる。
【０００９】
円筒型セルを用いた燃料電池が良く知られている。これらのセルでは、種々の部品が円筒型またはチューブ型になっている。本出願人自身が、当該出願人の特許文献１において、一般消費者向け電池を開示しており、この一般消費者向け電池は、２つの個別の取り外し可能なユニット、すなわち電気生成ユニット（ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ  ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ  ｕｎｉｔ：ＥＧＵ）及び燃料供給ユニット（ｆｕｅｌ  ｃａｒｒｙｉｎｇ  ｕｎｉｔ：ＦＣＵ）を備え、これらのユニットは一緒になってチューブ状のパッシブ型燃料電池（この燃料電池では、ガスは加圧、加湿、または加熱されない）を構成する。ＥＧＵはチューブ状の外側集電体、及び同軸チューブ構造の２つのＭＥＡを有し、ＦＣＵが水素ガスをＭＥＡに供給するようになっており、この場合、酸化剤は空気中の酸素である。
【００１０】
当該文献は、一般消費者向け電池として実現される燃料電池を開示しているが、この燃料電池は、電気エネルギーを十分大きな電力で、かつ十分に保存しながら伝達する際に伴なう困難を十分に解決することができない。
【特許文献１】国際出願第ＰＣＴ／ＥＳ２００４／０１３５８号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、実用的であり、かつ経済的に優れた一般消費者向け電池を、燃料電池技術を用いて実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この目的を達成するために、電気生成ユニットはチューブ状内側集電体を含み、これにより、電気生成ユニットの各部品がチューブ状外側集電体とチューブ状内側集電体との間に配置され、そしてチューブ状内側集電体によって外向きの圧力が両方の集電体の間に配置される前記部品に加わる。従って、良好な電気的かつ化学的接触が、燃料電池の各部品の間に実現するだけでなく、極めて良好な密閉状態が実現して水素漏れを防止する。
【００１３】
有利なことに、電気生成ユニットは、直列接続される２つの隣接電気生成チューブ状セルを含む。このようにして、一般消費者向け電池は約１．５ボルトの電圧を供給する。
【００１４】
好適には、各チューブ状セルは少なくとも一つのプロトン交換膜を含み、プロトン交換膜の各側には、触媒及びガス拡散体が設けられる。
【００１５】
ある実施形態では、前記プロトン交換膜の内の少なくとも一つのプロトン交換膜を屈曲させて、平坦形状を原型とする円筒構造を導入し、そして平坦膜を屈曲させて円筒とすることにより得られる少なくとも一つのチューブ状セルの両端部を結合させ、そして密閉してガス漏れを防止する。
【００１６】
ある実施形態では、プロトン交換膜の内の少なくとも一つのプロトン交換膜はチューブ状に作製される。
【００１７】
有利なことに、各チューブ状セルは、セルを密閉し、そしてガス漏れを防止する少なくとも２つの円筒状シール材を含み、前記シール材はセルの外側に、かつ内側に配置される。
【００１８】
ある実施形態では、円筒状シール材は、固化してセルを密閉し、そしてセルへのガスの流入、またはセルからのガスの流出を防止する流体材料を開始材料としてセルの作製中に形成される。
【００１９】
ある実施形態では、円筒状シール材はセルの作製中に、変形可能材料のシートを巻くことにより形成される。
【００２０】
ある実施形態では、円筒状シール材は予備成形された変形可能な部材であり、この部材は、加圧された後にセルを密閉状態にする。
【００２１】
円筒状シール材の変形は塑性変形または弾性変形である。
【００２２】
ある実施形態では、２つの隣接チューブ状セルは軸方向に配置される、すなわち連続する。中間集電体が内側集電体と外側集電体との間に配置され、前記中間集電体は、２つの半チューブを画定する２つの直径を有するチューブ状メッシュとして成形されて、一つのセルが大きい方の直径を有する半チューブの内側に配置され、そして隣接セルが小さい方の直径を有する半チューブの外側を取り囲むようになる。メッシュ構造によって電気接触が正しく行なわれ、かつガスがメッシュを通過し易くなる。
【００２３】
ある実施形態では、２つの隣接チューブ状セルは半径方向に配置される、すなわち同軸状である。２つの前記同軸チューブ状セルは逆向きにすることができる、すなわちこれらの同軸チューブ状セルでは、セルの構成要素が半径方向に逆の順番で配置される。或いは、２つの前記同軸チューブ状セルは同じ向きにすることができる、すなわちこれらの同軸チューブ状セルでは、セルの構成要素が半径方向に同じ順番で配置される。後の方の事例では、電気コンタクトは、２つの同軸チューブ状セルの間に配置されるバイポーラリングにより確立される。
【００２４】
ある実施形態では、前記バイポーラリングは螺旋状波形チューブとして成形され、螺旋状波形チューブによって、酸素を２つの同軸チューブ状セルの間で循環させる幾つかの通路も画定される。
【００２５】
好適には、電気生成ユニットは電池の正極コンタクトであり、そして燃料供給ユニットは負極コンタクトであるが、この構成は逆にすることができる、すなわち電気生成ユニットは電池の負極コンタクトであり、そして燃料供給ユニットは正極コンタクトである。
【００２６】
ある実施形態では、電気生成ユニット及び燃料供給ユニットは個別の取り外し可能なユニットである。燃料供給ユニットは空になった後に廃棄することができる。
【００２７】
ある実施形態では、電気生成ユニット及び燃料供給ユニットは一体型の取り外し不能なユニットである。
【００２８】
有利なことに、燃料供給ユニットは再充填することができる。
【００２９】
ある実施形態では、燃料供給ユニットは、電池をその外囲筐体に収容したときに、前記ユニットがバネを有することになり、前記バネが燃料供給ユニットを電気生成ユニットの内側に向かって押し、この動作によってガス燃料用排出バルブが電気生成ユニットに対して開くように構成される。
【００３０】
好適には、ガス燃料は水素である。
【００３１】
ある実施形態では、燃料供給ユニットは、金属水素化物に蓄えられた水素を貯蔵する。
【００３２】
ある実施形態では、燃料供給ユニットは水素を炭素ナノ繊維に含ませる形で貯蔵する。
【００３３】
ある実施形態では、燃料供給ユニットは水素を化学物質として、すなわち水素を含有する化合物として貯蔵する。
【００３４】
ある実施形態では、燃料供給ユニットは、電気生成ユニットの内側集電体に含まれる容積の大きな部分を占める、好適には容積の３分の２よりも大きい部分を占有する。このようにして、利用可能な空間が、より高い効率で使用され、かつ電池がより長くもつようになる。
本発明の幾つかの特定の実施形態について以下に、非制限的な例を通して、添付の図を参照しながら説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
次に、一般消費者向け電池に（特に、電池ＬＲ６またはＡＡに）対応することができるサイズ及び性能を有し、かつ燃料電池技術を使用する電池の幾つかの実施形態について説明する。高分子膜を有するパッシブ型燃料電池を採用することが好ましく、「パッシブ型」であるとは、燃料電池では、ガス供給を強制的に行なうことがなく、かつ外部から温度を管理することがないことを意味し、燃料は水素であることが好ましい。高分子膜を有する燃料電池は、単一の電気生成セルである少なくとも一つのＭＥＡ（膜電極接合体）を備える。
【００３６】
一般的に、燃料電池は電気生成ユニット（ＥＧＵ）及び燃料供給ユニット（ＦＣＵ）に分割される。
【００３７】
ある実施形態の構成要素群は２つの部分、すなわちＥＧＵを含む再利用部分、及びＦＣＵを含む使い捨て部分にグループ化される。
【００３８】
別の実施形態のＦＣＵは、半永久的に使用される燃料カートリッジを含む。この場合、カートリッジは再充填可能であることが好ましいが、使い捨て型カートリッジを再充填することもできる。
【００３９】
要求される電圧（１．５Ｖ）を供給するために、ＥＧＵは、直列接続される少なくとも２つのセルまたはＭＥＡを有する。各ＭＥＡは膜により形成され、この膜は、Ｈ＋イオンが膜自体を通過するような性質を持ち、前記膜は触媒層を両側に有する。前記触媒によって、電気化学反応が容易になり、この反応では、一方では、水素が分解され、そして他方では、酸素も分解される。この３層接合体は３層ＭＥＡと表記される。燃料（Ｈ２）及び酸化剤（Ｏ２）が触媒にガスとして到達するので、触媒層への到達を容易にし、かつ電子の循環を可能にするように他の２つの層を（ＭＥＡの各側に１層ずつ）配置すると便利である。これらの層は拡散層と表記され、かつ他の３つの層と一緒になって５層ＭＥＡを構成する。特に断らない限り、以下の記述に出てくるＭＥＡの全てはこの５層接合体を指すものとする。
【００４０】
本発明では、フラットな複数のＭＥＡを軸方向に直交する方向に積み重ねることができる可能性を捨てる。というのは、各ＭＥＡの表面が非常に小さいので、多くのＭＥＡを使用する必要があり、この構成が電気接続及びガス供給を複雑にするからである。更に、水素を貯蔵するために利用することができる最終的な容積が非常に小さくなる。本出願人自身による国際出願第ＰＣＴ／ＥＳ２００４／０１３５８号に従って、本発明のＭＥＡはチューブ状に設けられる。
【００４１】
ＦＣＵ（燃料供給ユニット）が使い捨て型である場合のＦＣＵの交換を容易にするために、またはＦＣＵが再充填可能である場合のＦＣＵの再充填を容易にするために、ＦＣＵを電池接点領域に配置し、そしてＥＧＵ（電気生成ユニット）を他の電池接点領域に配置する。実際、これらの電池接点の内の一方をＥＧＵに設け、そして他方の電池接点をＦＣＵに設ける。
【００４２】
従って、ＥＧＵ（電気生成ユニット）とＦＣＵ（燃料供給ユニット）との間に極めて良好な電気接続を実現する必要がある。更に、両方のユニットの間の封止または密閉を効果的に行なってガス漏れを防止する必要がある。
【００４３】
図１は、ＦＣＵ２００（燃料供給ユニット）を使い捨てにすることができる構成の燃料電池を示している。使い捨て型ＦＣＵを使用するためには、簡単な密閉接続がＥＧＵ１００とＦＣＵとの間に必要になる、というのは、ＦＣＵは一旦空になると交換する必要があるからである。国際出願第ＰＣＴ／ＥＳ２００４／０１３５８号は、この構成だけでなく、２つのチューブ状ＭＥＡを直列接続する他の特徴を備えるシステムを開示しており、前記文献をここで参照することにより、当該文献の内容が本明細書に組み込まれる。
【００４４】
これとは異なり、再充填可能なＦＣＵを使用することにより、ＥＧＵ及びＦＣＵを単一の再充填型要素とすることができる。両方の構成要素の間の接続を簡易化すると、ＦＣＵデザインが更に複雑になってしまう。この場合、カートリッジを再充填することができるように注意を払う必要があり、カートリッジを再充填するには、カートリッジに補給バルブを設ける必要がある。
【００４５】
図１の電池では、ＦＣＵ２００は正極コンタクトを含み、そしてＦＣＵの端部は、一般消費者向け電池の正極コンタクトを構成する通常の中心突起を有し、この突起は、連続配置される２つの電池を逆向きに接続する操作を防止するように機能する。ＥＧＵ１００の下側の蓋は電池の負極コンタクトを含む。
【００４６】
電池が正極コンタクトをＥＧＵに、そして負極コンタクトをＦＣＵに有する場合、突起はＥＧＵに設けられ、そしてＥＧＵは、密閉蓋となる特殊部材を有する必要はない。ＦＣＵデザインはこれよりも更に簡単である、というのは、ＦＣＵの端部が平坦面になるからである。
【００４７】
２つのチューブ状ＭＥＡの更に簡単な構成では、この構成によって、これらのＭＥＡが２つの連続する円筒をチューブの外側領域に形成するように配置されて（図２参照）、各ＭＥＡ１１０及び１２０の一方の側面が外気に触れることができるようになる。このようにして、利用可能な表面が更に高い効率で使用され、そしてこれらのセルの間の接続が更に簡単になる。コネクタ１５０は２つのＭＥＡの間の接続手段となる。ガス領域も明確に分かれており、外側領域は酸素用であり、そして内側領域は水素用である。
【００４８】
この構成によって、ＥＧＵ１００は電池の全体の（または、ほぼ全体の）高さに対応することができ、そしてＦＣＵ２００はＥＧＵの内部に収容される。
【００４９】
別の構成では、ダブル同軸リングを形成するように２つのセルを配置する（図３）。この構成により、内側ＭＥＡ１２０は外側ＭＥＡ１１０よりも幾らか高くなる、というのは、内側ＭＥＡの直径が小さく、かつ２つのセルは同じ面積を持つ必要があるからである（内側セル内の触媒含有量を増やすことにより、触媒の効率が高くなるので、相対的に小さい面積で要求を満たすことになるが；従って、同じ高さの２つのセルを有するＥＧＵを設けることも可能になる）。
【００５０】
この構成により、ＥＧＵは電池の高さに対応することができず、そしてＦＣＵはＥＧＵの次に軸方向に配置され、この場合、ＦＣＵをＥＧＵの内部空洞に挿入してもよいという構成は排除されない。
【００５１】
同軸構造の変形例では、外側ＭＥＡ１１０は前の事例におけるように配置されるが、内側ＭＥＡ１２０では、電極の配置が逆の関係になっている（図４）。このようにして、２つのＭＥＡの負電極は同じ水素拡散体１０５を共有し、そして酸素吸入口はＥＧＵの外側領域、及びＥＧＵの内部空洞に設けられる。
【００５２】
この場合、２つのＭＥＡの間の電気接続は前の事例における電気接続よりも複雑である、というのは、互いに近接する２つの負電極を互いから絶縁する必要があるが、同時に、外側ＭＥＡの負電極は内側ＭＥＡの正電極とコンタクトする必要があるからである。更に、空気吸入口をＥＧＵの内部空洞に設ける必要があるので空洞全体を使用して水素を貯蔵するということができず、従ってＦＣＵに利用することができる空間がＥＧＵの上方の空間に、おそらく空洞の中心領域を加えた空間にしかならない。
【００５３】
一般的に、ＭＥＡ（膜電極接合体）は幾つかの構成要素（膜、触媒、ガス拡散体など）を含む。これらの構成要素は以下の通りである。
・膜：スルホン酸基を持つフッ化炭素ポリマー（ＤｕＰｏｎｔ製のＮａｆｉｏｎ，Ｇｏｒｅ製のＰｒｉｍｅａ，Ｓｏｌｖｅｙ製のＨｙｆｉｏｎ，ＤＦＣＣ製のＳｔｅｒｉｏｎなど）またはポリベンゾイミダゾール（ｐｏｌｙｂｅｎｃｉｍｉｄａｚｏｌ：ＰＢＩ）のような別のポリマーなど。
・触媒：普通は白金であるが、コバルト、ルテニウムなどの化合物が挙げられる。
・ガス拡散体：普通、炭素繊維布またはカーボン紙のような炭素により作製される。
【００５４】
各ＭＥＡのサイズを決定するために、検査を標準の高分子膜を有する燃料電池（Ｎａｆｉｏｎ膜、炭素粉末及びテフロン（登録商標）の混合物により作製される基本層を有する炭素繊維布の電極、炭素上に配置される白金触媒、金メッキスチール製の集電体、ボルトによる機械的密閉手段）に関して行なった。この燃料電池は、加圧容器（実際、当該容器は大気圧の水素を継続的に供給した）からの加圧されていない水素、及び対流空気（加圧されていない）を使用した。温度及び湿度は周囲の温度及び湿度であった。
【００５５】
この燃料電池及びアルカリ電池ＬＲ６を比較することにより、従来の一般消費者向け電池の性能と同等の性能（電界強度及び電圧）を持つ電池を実現するためには、４ｃｍ２の面積を有する２つのＭＥＡを直列接続する必要があることが判明した。
【００５６】
前記ＭＥＡは、フラットシートを曲げることにより作製することができる、またはこれらのＭＥＡはチューブ状膜を含むことができる。後者の事例では、押し当てローラを使用する印刷法により、または塗布用ピストルを使用してチューブ両端の一端からスプレーし、触媒層を付加することにより、触媒層を膜に塗布することができる。
【００５７】
電池には外側集電体１３０（図５参照）を設けることもでき、この集電体の機能は３種類あり、電子を負極から輸送する、酸素の通過を可能にする、そしてＥＧＵ構造全体を支持することである。これらの機能を実現するために、外側集電体は、導電性及び抵抗性の両方を備える材料により形成する必要がある。これらの要求を十分に満たす材料は、材料が腐食に対して保護されるとすると、スチールである。
【００５８】
ＥＧＵの外側集電体は、アルカリ電池に使用されるものと同様の金属枠であるが、この金属枠には、酸素吸入口が開口されている。電池の再利用部分が電池の下側部分に配置される場合、外側集電体は両端で開放される（図５ａ参照）が、再利用部分が上側部分に配置される場合には、外側集電体は一方の端部を閉じる（図５ｂ参照）。
【００５９】
最初の事例では、外側集電体は、当該集電体の最下部分に広い領域１３２を持つようにして、電池蓋（アルカリ電池の蓋と同様の）に合わせ、そしてＥＧＵの当該端部に蓋をする（他方の端部はＦＣＵで蓋をする）。２番目の事例では、ＥＧＵの上側蓋部分は、アルカリ電池の正極コンタクトに典型的に観察される上記突起を提供し、そして下側開放部分はＦＣＵによって蓋をされる。
【００６０】
ＥＧＵは更に内側集電体１４０を含み（図６参照）、この集電体の機能も３種類あり、電子を正極から輸送する、水素の通過を可能にする、そして圧力を供給してＥＧＵを封止することである。以下に説明するように、電池を作製している間、内側集電体１４０は外側に向かって拡大し、最終的に中間部品（複数のＭＥＡ、シール材、及び接続集電体）を外側集電体１３０に対して押し付ける。
【００６１】
内側集電体のデザインは電池構造によって変わり得る。ＥＧＵが電池の上側部分に配置される場合、内側集電体は開口壁を有するチューブの形に形成される。そうではなく、ＥＧＵが電池の下側部分に配置される場合（図６に示す事例に相当する）、内側集電体１４０を電池の蓋要素１３５に接続する必要がある。この要素は、電子を金属爪１３８を通して負極コンタクトに輸送する。内部抵抗を防止するために、内側集電体１４０（負極集電体）と前記爪１３８との間の最適コンタクトを溶接部１３７によって形成することができる。
【００６２】
内側集電体デザインに影響を与える別の要素はＥＧＵ構成である。ＭＥＡが連続的に配置される場合、内側集電体が長くなり、ＭＥＡが同軸になる場合、内側集電体が狭くなる。
【００６３】
ＭＥＡを密閉し、そしてガス漏れを防止するために、気密シール材を使用する。前記シール材は、シール材の中心部分から、ガス拡散体に対応する部分を切除することにより、膜と同じ形状、及び同じサイズを持つように作製される。図７ａは、膜１１５、及び２つの触媒／拡散体１１４及び触媒／拡散体１１６を備えるフラットなＭＥＡを示し、そして図７ｂは、上側シール材１２４及び下側シール材１２６で封止した構成の前記ＭＥＡを示している。シール材の高さはＭＥＡの高さと同等以上になるようにして、横方向のガス漏れを防止する必要がある。シール材の高さが高い場合、ガス拡散体が該当する集電体との間で行なう電気コンタクトの形成に対して障害が発生する。
【００６４】
シール材に使用される材料は変形する性質を持つ、というのは、当該材料は集電体ごとに異なる、集電体の不完全な部分の全てに適合し、かつガス漏れを効果的に防止するように変形可能である必要があるからである。最も普通に使用される材料はテフロン（登録商標）、シリコーン、ポリエチレン、ポリプロピレンなどである。
【００６５】
円筒構造では、シール材はＭＥＡを密閉して、ガスがチューブに沿って漏れることがないようにする必要がある。この要件を満たす幾つかの利用可能な部品があり、これらの利用可能な部品の中でもとりわけ、次のような部品を挙げることができる。
・プラスチックワッシャー：ワッシャーをチューブの上側部分に、そして別のワッシャーをチューブの下側部分に配置することにより、セルを良好に密閉することができる。ワッシャーは、膜を保持し、そして膜がチューブ壁に囲まれる形で膜を密閉するようにデザインされる。これらのワッシャーは安価であり、かつ取り扱いが容易である。
・Ｏ−リング：コンセプトは前に挙げた部品に関するコンセプトと同様である、というのは、Ｏ−リングの目的は、ＭＥＡをチューブに当接して保持することであるからである。Ｏ−リングは、当該リングがチューブを密閉するために非常に良く知られているシステムであるので有利である。
・円筒状シール材：フラットなシール材を円筒構造に適合させる。２つのシール材１２４及び１２６（図８）を使用し、一方のシール材をＭＥＡ１１４の上方に設け、そして他方のシール材をＭＥＡ１１４の下方にそれぞれ設ける。各シール材は、図７のフラットなＭＥＡに見られるような枠を形成する。提案するデザインでは枠の一つの辺が余分となり、この余分な辺を除去することにより、発生し得るガス漏れポイントの一つを回避することができる。
・プラスチック細片：前の節で説明した円筒状シール材は、適切なデザインのプラスチック細片を使用することにより手作りで作製される：細片１２５（図９）の幅はシール材の幅（ＭＥＡの膜の幅に等しい）と等しくする必要があり、そして複数の開口部１２７を細片に設ける必要があり、前記開口部はガス拡散体のサイズ及び形状を有する。細片の厚さによって変わるが、結果として得られる部材が円筒状内側シール材１２６（図８）の直径と同等以上の直径を持つようになるまで、細片を円筒状支持体（例えば、内側集電体）の周りに必要な回数だけ巻き付ける。次に、ＭＥＡを正規の位置に配置し、内側ガス拡散体がシール材によって形成される開口部に丁度収まるように巻く。その後、細片を膜の上で更に巻いて円筒状外側シール材１２４を形成すると（図８）、外側ガス拡散体が、細片を巻くたびに残る開口部に残される。最終的に得られる構造は図８に示すものと同様であるが、この構造の作製工程はずっと容易に自動化される。
【００６６】
既に指摘したように、単一のＭＥＡは一般消費者向け電池に対応するために必要な電圧を供給することができないので、一つよりも多くのＭＥＡを直列に接続する必要がある。この接続形態は、ＥＧＵ構造によって異なる。
【００６７】
２つのＭＥＡが連続して設けられる場合、これらのＭＥＡの間の電気接続は、金属メッシュ構造（この構造によってガスはメッシュを通過することができる）のコネクタ１５０（図１０）によって実現し、金属メッシュは、このメッシュが外側電極または一方のＭＥＡを他方のＭＥＡの内側電極に接続するように構成される。メッシュは完全なチューブを形成する必要はなく、これによってメッシュの配置が容易になる。図１０から分かるように、ＥＧＵが電池の下側部分に配置される場合、コネクタは下側ＭＥＡ１２０の外側電極を上側ＭＥＡ１１０の内側電極に接続する。ＥＧＵが上側部分に配置される場合、接続関係は逆になる。
【００６８】
コネクタ１５０と隣接集電体との間の電気接続は必ず回避する必要がある（回避できない場合、短絡が電池に発生する）。この目的のために、該当するシール材が長くなるようにシール材を作製することができ（そして、メッシュ構造となるように設けて、ガスがメッシュを通過することができるようにする）、または該当する集電体の上の領域であって、コネクタの影響を受ける領域を、例えば塗料層によって絶縁することができる。
【００６９】
別の代替構成（図１１）では、２つの半チューブを画定する２つの直径を有するチューブ状メッシュとして形成される中間集電体１５５を使用して、一方のセルが広い方の半チューブの内部に収容され、そして隣接セルが狭い方の半チューブの外側を取り囲むようにする。
【００７０】
２つのＭＥＡが同じ向きに同軸状に配置される場合、これらのＭＥＡの間のコネクタは、従来の電池のバイポーラプレートと等価であるが、円筒形（バイポーラリング）を有する部材である。前記コネクタは導電材料により作製される、というのは、電子を２つのＭＥＡの間で輸送するのがコネクタの機能であるからである。更に、コネクタは、ガスを２つのＭＥＡの間で通す通路として機能する必要があり、従ってガスを拡散させる互いに独立した２つの領域（内側領域は水素用に、そして外側領域は酸素用に設けられる）を有することになる。適切な形態は、波形スチールにより作製される螺旋型容器１５８である（図１２）。前記チューブは、チューブが２つの平滑チューブ（燃料電池では、これらのチューブは電極である）によって内側方向に、かつ外側方向に制限される場合、互いに独立した２つの連続通路を外側ＭＥＡ１１０と内側ＭＥＡ１２０との間に形成する。水素が外側導管を通って導入され、そして酸素が内側導管を通って導入される場合、フラットなバイポーラプレートによって実現するシステムと同様のガス供給システムが得られる。
【００７１】
前記バイポーラリングの代わりに、外側に溝を付けたチューブを使用して、電極に対して所定の間隔を設けて前記電極との電気コンタクトを維持しながら水素供給を容易にすることができる。別の構成として、金属発泡体により作製され、かつ内側部分で閉じるリングを使用することができる。
【００７２】
波形スチールの代わりに、内側及び外側の両方をネジ切りしたチューブを使用することができる（この場合には、リングの厚さが厚くなる）。別の構成として、金属発泡体により作製され、かつ中心部分が詰まったリングを使用することができる。
【００７３】
２つの同軸ＭＥＡが逆向きに配置される場合、これらのＭＥＡの間のコネクタは前に説明したものよりも複雑な要素となる。これにより、電気接続は２つのＭＥＡの内側電極の間で行なわれ、そして隣接電極の間の電気コンタクトは回避する必要がある。樹脂を前記隣接電極の間に数滴垂らすことにより、安全距離を隣接電極の間に維持することができる。
【００７４】
複数のＭＥＡが連続する構成では、酸素が電池の周囲に存在し、従って前に説明したように、正極外側集電体に複数の孔を設けるだけで十分である。簡単な構成では、ＥＧＵの中心の空洞は水素貯蔵容器として機能するので、電極への水素の供給が酸素の場合と同じように容易になる（上述のように、内側集電体にも孔を設ける）。
【００７５】
ＦＣＵが、利用可能な容積の使用効率を最高にするためにＥＧＵの内部空洞に丁度収まる形状を持つ好適な変形例では、水素をガスの排出ポイントから電極に達するように通路を通す必要がある。最も簡単な通路は、最小の一定距離をＦＣＵと内側集電体との間に維持することにより得られる。
【００７６】
ＦＣＵの開き動作は、例えば端部に配置され、かつＥＧＵに挿入される圧力バルブによって実現し、そしてＥＧＵには、前記開き動作を行わせる要素を設ける。前記要素のサイズを調整して、ＦＣＵが完全に閉じるときに、前記要素がバルブを押すことができるようにする。
【００７７】
ＦＣＵが使い捨ての場合、前記要素はＦＣＵを単に開くのではなく、ＦＣＵの密閉状態を壊すことができる。
【００７８】
いずれにしても、電池を電池の外囲筐体に収容する時間になるまで、水素排出口を閉じておくと都合がよい。これにより、電池を使用していないときに膜を通して浸透することによる水素漏れを防止する。この目的のために、バネの力を前記筐体において用いることができ、この力によってバルブを開くことができる。この機構は、押したときに電池の内部に向かってわずかに変位する突起を利用することができる、または前記バネがＦＣＵをＥＧＵの内側部分に向かって押すことによりＦＣＵの水素排気バルブを開くという現象を利用することができる。
【００７９】
ＥＧＵとＦＣＵとの間の接続は２つの機能を持つ。すなわちこの接続は、燃料漏れを防止し、そして両方の部分（これらの部分の各々は、電池のコンタクトを含む）の間の電気接続を確立する。
【００８０】
前記接続は、ＥＧＵが電池の下側部分に、または上側部分に配置されるかどうかによって変わる。
【００８１】
第１事例（ＥＧＵが電池の下側部分に配置される）では、正極コンタクトはＦＣＵに設けられ、そして負極コンタクトはＥＧＵに設けられる。両方のユニットの間の電気コンタクトは、ＥＧＵの外側集電体をＦＣＵに接続することにより外側領域で行なう必要がある。
【００８２】
第２事例（ＥＧＵが電池の上側部分に配置される）では、正極コンタクトはＥＧＵに設けられ、そして負極コンタクトはＦＣＵに設けられる。電気接続は内側領域で行なわれ、そして密閉は外側領域で行なわれる。
【００８３】
密閉系は、ネジ山のような従来のデザイン、またはチューブのスナップ蓋のような最新のデザインを利用することができる。
【００８４】
本発明による電池の作製プロセスでは、内側集電体を外側に広げ、これにより圧力を電池の他の要素に加え、密閉を良くし、かつ電気コンタクトを良好にすることによりチューブ状アセンブリを形成する。
【００８５】
本方法は、ＥＧＵ構成要素（ＭＥＡ、セル間コネクタ、シール材）の全てを２つの集電体の間に配置することから始まり、この場合、最終直径よりも短い初期直径を有するスチール製内側集電チューブが使用される。一旦、全ての構成要素が配置されると、ピストンを内側集電体の内側部分を通して挿入し、前記ピストンは前記内側チューブの直径よりもわずかに大きい直径を有する。ピストンは、内側チューブを半径方向に外側に変形させるために十分に大きな力を加えることができる装置（プレスなどのような）を使用して、前に説明したＥＧＵ構成要素をスチール製外側集電チューブの内壁に押し付けることにより挿入される。内側チューブは、塑性変形を維持する性質を持つ材料により作製され、一旦ピストンが引き抜かれると破壊することなく、圧力を加え続けながら延びる必要がある。その点に関しては、外側チューブは、当該チューブに印加される圧力を拡張プロセスの間に、かつ拡張プロセス後に維持するために十分に剛性の高い材料により作製される。
【００８６】
印加圧力は２つの機能を発揮する：
・一方では、当該圧力によってＥＧＵ構成要素の間の（特に、膜と触媒との間であるが、それだけでなく、ガス拡散体と集電体との間の）電気コンタクトが良好になるので、電池の内部抵抗が小さくなる。
・他方では、２つの集電体の間の蓋シール材が変形する。この変形によって、シール材を集電体のスチールの不規則形状に完全に追従させることができるので、電池の密閉度を上げることができる。
【００８７】
水素を供給するための便利な方法では、水素を金属水素化物として貯蔵する。この系は、水素が或る金属化合物に数気圧の圧力で結合すると、化学反応が起こり、そして所謂金属水素化物が生成されるという現象を利用する。このプロセスは可逆であるので、圧力が下がると、水素ガスが放出される。
【００８８】
別の構成として、最近の研究によれば、炭素ナノ繊維が非常に多くの量の水素を非常に小さな容積に、かつ非常に軽い重量で貯蔵することができるので、これらの材料が再充填型ＦＣＵ（ナノ材料は高価であるので、これらの材料は使い捨てにしないことが好ましい）に適することが指摘されている。
【００８９】
金属水素化物を含む再充填型ＦＣＵでは、金属水素化物を保持する容器の材料が耐久性を示す必要がある、というのは、金属水素化物が大気圧よりもずっと高い圧力で保存されるからである。
【００９０】
このような容器のデザインにおいては、前記容器がＥＧＵによって占有されない利用可能な容積のほとんどの部分を占有するように、採用するＥＧＵ及び一般消費者向け電池規格に適合させる必要がある。一般的に、これによって、ＥＧＵの内部空洞の使用率を上げることができる。
【００９１】
水素の排気バルブはＦＣＵの内、ＥＧＵに入り込む端部に配置されるので、ガスがＦＣＵからＥＧＵに輸送される間に発生する可能性のある漏れが少なくなる。ＦＣＵからの水素の排気バルブは、例えば圧力バルブである。というのは、当該排気バルブは、ユーザによる介入なしに自動的に開く必要があるからである。このバルブの開栓は、ＥＧＵ及びＦＣＵが結合し、そして閉じるときに行なわれてガス漏れを防止する必要がある。
【００９２】
ＦＣＵが再充填型である場合、ＦＣＵにＦＣＵを再充填する第２バルブを設ける必要がある。これにより、第１バルブを非常に簡単にすることができ、再充填処理中においても電池の気密性を上げることができる。これとは異なり、ＦＣＵが使い捨て型である場合、水素の排気は一つのバルブによって、または破壊的な方法を使用して行なうことができる。というのは、ＦＣＵは再利用されないからである。この場合、第２再充填バルブは必要ではない。
【００９３】
ＦＣＵが使い捨て型である場合、水素貯蔵の２つの変形例、すなわち物理的貯蔵及び化学的貯蔵が考えられる。
【００９４】
物理的貯蔵には、水素吸蔵または水素吸着（金属水素化物、炭素ナノ繊維など）等の物理的プロセスが用いられる。
【００９５】
化学的貯蔵では、多量の水素を水素の化合物として含有する材料を使用し、前記材料は、化学反応を起こすと水素を放出する性質を有する。このような材料の例として、ＮａＢＨ４，ＮＨ３−ＮＨ３，ＬｉＡｌＨ４などを挙げることができる。
【００９６】
本明細書では、本発明の特定の実施形態についてのみ示し、そして説明してきたが、当業者であれば、各事例の特定の要件によって変わる形で、かつ添付の請求項によって定められる権利保護の範囲から逸脱しない限り、変更を加え、そして本発明のいずれかの技術的特徴を技術的に等価な他の特徴に置き換えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】電気生成ユニット（ＥＧＵ）及び燃料供給ユニット（ＦＣＵ）を個別に示す一の実施形態の図である。
【図２】２つの連続するセルを有する電池を模式的に示す。
【図３】同じ向きに配置される２つの同軸セルを有する電池を示す。
【図４】逆向きに配置される２つの同軸セルを有する電池を示す。
【図５】外側集電体の２つの異なる形態の図である。
【図６】内側集電体と外側集電体との間のセルを示す。
【図７】フラット状ＭＥＡの幾つかのシール材を示す。
【図８】チューブ状ＭＥＡの幾つかのシール材を示す。
【図９】シール材から成る連続細片を示す。
【図１０】２つの連続するＭＥＡの間のコネクタを示す。
【図１１】２つの連続するＭＥＡの間の中間集電体を示す。
【図１２】２つの同じ向きの同軸状ＭＥＡの間のコネクタを示す。
【符号の説明】
【００９８】
１００    電気生成ユニット（ＥＧＵ）
１０５    水素拡散体
１１０    膜電極接合体
１１４    触媒／拡散体
１１５    プロトン交換膜
１１６    触媒／拡散体
１２０    膜電極接合体
１２４    シール材
１２５    細片
１２６    シール材
１２７    開口部
１３０    外側集電体
１３２    集電体の最下部分の広い領域
１３５    電池の蓋要素
１３７    溶接部
１３８    金属爪
１４０    内側集電体
１５０    コネクタ
１５５    中間集電体
１５８    螺旋型容器
２００    燃料供給ユニット（ＦＣＵ）
【図１】
2008159578.tif 000003
【図２】
2008159578.tif 000004
【図３】
2008159578.tif 000005
【図４】
2008159578.tif 000006
【図５】
2008159578.tif 000007
【図６】
2008159578.tif 000008
【図７】
2008159578.tif 000009
【図８】
2008159578.tif 000010
【図９】
2008159578.tif 000011
【図１０】
2008159578.tif 000012
【図１１】
2008159578.tif 000013
【図１２】
2008159578.tif 000014
【外国語明細書】
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2008159578000002.pdf
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