(57)【要約】      （修正有）【課題】高性能な燃料電池を得るために一般的に好ましいとされる材料を用いて、所定の構造を有する燃料電池を作製する方法及び該燃料電池を提供する。【解決手段】燃料電池を作製する方法は、基体表面１４上に所定の微細な三次元的形状を作り出すために、原型１２を基体表面１４上に配置するステップ、前記原型１２上に、燃料極層１６、空気極層１８、及び/又は電解質層２０を付着させるステップ、化学機械研磨によって、下側の微細な三次元的形状領域２４から上側の微細な三次元的形状領域２２を除去し、所定の燃料電池構造を形成するステップとからなる。【選択図】図１
2004152763.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池（１０）を作製する方法であって、
基体表面（１４）上に所定の微細な三次元的形状を作り出すために、前記基体表面（１４）上に原型（１２）を配置するステップと、
前記原型（１２）の上に、燃料極層（１６）、空気極層（１８）及び電解質層（２０）のうちの少なくとも１つを付着させるステップと、
化学機械研磨によって、下側の微細な三次元的形状領域（２４）から上側の微細な三次元的形状領域（２２）を除去して、所定の燃料電池構造（１０）を形成するステップと、
からなる方法。
【請求項２】
前記原型（１２）が、犠牲材料から形成されており、且つ前記燃料電池構造（１０）から前記原型（１２）を除去するステップをさらに有する請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記原型（１２）を配置するステップが、
前記基体表面（１４）に原型材料（１２'）を付着させるステップと、
シャドーマスキング法、フォトイメージング法、スクリーンプリント法、ウェットエッチング法、プラズマエッチング法及びこれらの組み合わせのうちの少なくとも１つによって前記原型材料（１２'）をパターニングするステップと、
からなる請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記燃料電池（１０）が、固体電解質形燃料電池である請求項１から３のいずれか１つに記載の方法。
【請求項５】
前記基体表面（１４）が、基材（２６）、燃料極（１６）、空気極（１８）、電解質（２０）及び電流コレクタ（２８）のうちの１つである請求項１から４のいずれか１つに記載の方法。
【請求項６】
前記燃料極層（１６）、前記空気極層（１８）及び前記電解質層（２０）の厚さがそれぞれ、約０．５μｍ〜約１０００μｍの範囲にある請求項１から５のいずれか１つに記載の方法。
【請求項７】
前記燃料極層（１６）、前記空気極層（１８）及び前記電解質層（２０）の全てを合わせた厚さが、約１５０μｍ〜約６００μｍの範囲にある請求項１から６のいずれか１つに記載の方法。
【請求項８】
燃料電池スタック（４０）を作製する方法であって、
基体表面（１４）上に所定の微細な三次元的形状を作り出すために、前記基体表面（１４）上に第１の原型（１２）を配置するステップと、
前記第１の原型（１２）の上に、燃料極層（１６）、空気極層（１８）及び電解質層（２０）のうちの少なくとも１つを付着させるステップと、
前記燃料極層（１６）、前記空気極層（１８）及び前記電解質層（２０）のうちの前記少なくとも１つの上に第２の原型（４２）を配置するステップと、
前記第２の原型（４２）の上に、前記燃料極層（１６）、前記空気極層（１８）及び前記電解質層（２０）のうちの少なくとも１つを付着させるステップと、
化学機械研磨によって、下側の微細な三次元的形状領域（２４）から上側の微細な三次元的形状領域（２２）を除去して、所定の燃料電池スタック構造（４０）を形成するステップと、
からなる方法。
【請求項９】
前記第１（１２）及び第２（４２）の原型が犠牲材料から形成されており、且つ前記燃料電池スタック構造（４０）から前記第１（１２）及び第２（４２）の原型を除去するステップをさらに有する請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記原型（１２，４２）を配置するステップの各々が、
前記基体表面（１４）、前記燃料極層（１６）、前記空気極層（１８）及び前記電解質層（２０）のうちの少なくとも１つの上に原型材料（１２'）を付着させるステップと、
シャドーマスキング法、フォトイメージング法、スクリーンプリント法、ウェットエッチング法、プラズマエッチング法及びこれらの組み合せのうちの少なくとも１つによって前記原型材料（１２'）をパターニングするステップと、
からなる請求項８又は９のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１１】
前記基体表面（１４）が、基材（２６）、燃料極（１６）、空気極（１８）、電解質（２０）及び電流コレクタ（２８）のうちの１つである請求項８から１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
少なくとも１つの自立形の膜構造体（３４）を有している燃料電池（１０）であって、
前記膜構造体（３４）が、
電解質層（２０）と、
前記電解質層（２０）の一方の側に配置されている燃料極層（１６）と、
前記電解質層（２０）の前記一方の側又は反対の側に配置されている空気極層（１８）と、
から構成されている燃料電池（１０）。
【請求項１３】
前記自立形の膜構造体（３４）が、実質的にＶ字型である部材の一辺（３６）を有し、且つ前記燃料電池（１０）が、前記実質的にＶ字型である部材の他方の一辺（３８）が配置されている基体表面（１４）をさらに有している請求項１２に記載の燃料電池（１０）。
【請求項１４】
前記一辺（３６）と前記他方の一辺（３８）との間の角度（θ）が、鋭角から鈍角の範囲である請求項１２又は１３のいずれか１つに記載の燃料電池（１０）。
【請求項１５】
前記燃料電池（１０）が、固体電解質形燃料電池である請求項１２から１４のいずれか１つに記載の燃料電池（１０）。
【請求項１６】
前記基体表面（１４）が、基材（２６）、燃料極（１６）、空気極（１８）、電解質（２０）及び電流コレクタ（２８）のうちの１つである請求項１２から１５のいずれか１つに記載の燃料電池（１０）。
【請求項１７】
前記燃料電池（１０）が、デュアルチャンバ燃料電池であり、反応物が前記燃料極層（１６）に露出している第１のガス流路（３０）に流れ込むようになっており、酸化剤が前記空気極層（１８）に露出している第２のガス流路（３２）に流れる込むようになっており、前記第１（３０）及び第２（３２）のガス流路の少なくとも一方が、犠牲原型材料（１２'）の除去によって形成されている請求項１２から１６のいずれか１つに記載の燃料電池（１０）。
【請求項１８】
負荷（Ｌ）と、
前記負荷（Ｌ）に接続されている請求項１２から１７のいずれか１つに記載の燃料電池（１０）と、
からなる電気機器。
【請求項１９】
前記燃料極層（１６）、前記電解質層（２０）及び前記空気極層（１８）が、それぞれ幅（４６，５０，４８）を有し、前記燃料極（１６）及び前記空気極（１８）の各々の幅（４６，４８）が約１．５μｍ〜約１００μｍの範囲にあり、前記電解質（２０）の前記幅（５０）が約０．５μｍ〜約１００μｍの範囲にある請求項１２から１７のいずれか１つに記載の燃料電池（１０）。
【請求項２０】
シングルチャンバ固体電解質形燃料電池（１０）を形成する方法であって、
基材（２６）上に電極層（１６，１８）を付着させるステップと、
前記基材（２６）上に所定の微細な三次元的形状を作り出すために、前記電極層（１６，１８）をパターニングするステップと、
前記パターニングされた電極層（１６，１８）の上に電解質層（２０）を付着させるステップと、
前記電解質層（２０）の上に対向電極層（１８，１６）を付着させるステップと、
化学機械研磨によって、下側の微細な三次元的形状領域（２４）から上側の微細な三次元的形状領域（２２）を除去して、所定の固体電解質形燃料電池構造（１０）を形成するステップと、
からなる方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、燃料電池に関する。より詳細には、化学機械研磨（ＣＭＰ）を用いて作製される燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素と酸素から、電気と熱への電気化学的エネルギー変換を使用する。燃料電池は、携帯用電源として、一次電池及び二次電池に取って代わるものと期待されている。燃料電池では、燃料（水素源を含む）が、酸素源によって酸化されて、（主に）水と二酸化炭素を生成する。燃料極上で起こる酸化反応（電子を遊離する）と、空気極上で起こる還元反応（電子を消費する）とが組み合わさって、負荷に、有効な電圧と電流を供給する。
【０００３】
そのような機能において、燃料電池は、モータ、ライト、電気機器などに使用できる直流（ＤＣ）電圧を供給する。固体電解質形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、携帯用途に有効な燃料電池の一種である。
【０００４】
残念なことに、高性能な燃料電池装置を得るために一般的に好ましいとされる材料では、そのような携帯用途の燃料電池装置を製造するのが非常に困難である。
【０００５】
薄膜セラミックのパターニングは、全く新しい応用例である。可能な解決策の多くは、薄膜集積回路技術を用いているが、これは、耐熱性物質、たいていの稠密な金属酸化物薄膜にはそれほど適さない。パターニング処理法及びその欠点の例をいくつか挙げると、次のようなものがある。ウェットエッチングの場合は、高い選択性を有するエッチング用腐食液を見出すのは極めて困難である。プラズマ／ドライエッチング（イオンミリング）では、側壁に材料の望ましくない再付着が起こる場合がある。再付着した材料は、望ましくない層になったり、化学量論に悪影響を及ぼしたり、及び／又は不適切な電気接続を形成したりすることがある。また、プラズマエッチングは、比較的遅く、一般に選択性がない。リフトオフマスキングは、高温下での凝集に耐えることができない。さらに、リフトオフマスクは、一般に、付着後に影が残る（すなわち、付着が不連続的である）。パターニングを使用しない場合、即ち、多孔性基材の一方に燃料極を、他方に空気極を被覆する場合は、利用できる構造が大幅に制限される。シャドーマスキングは、後ろに粒子を残すことがあり、幾何学的分解能がある程度制限され、例えば、一般に、付着層の最小輪郭の寸法を約１００μｍ〜１５０μｍより小さくすることができない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、高性能な燃料電池を得るために一般的に好ましいとされる材料を用いて、所定の構造を有する燃料電池を作製する方法及び該燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、燃料電池の作製方法を提供することによって前述の欠点を解決する。基体表面に所定の微細な三次元的形状を作り出すために、基体表面に原型が配置される。その原型の上に、燃料極層、空気極層及び／又は電解質層が付着される。次に、化学機械研磨によって、上側の微細な三次元的形状領域が下側の微細な三次元的形状領域から除去されることで、所定の燃料電池構造が形成される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、化学機械研磨（ＣＭＰ）を利用する比較的簡便な方法によって、一般に高性能な燃料電池を得るために適しているとされる材料を用いて、所定の構造を有する燃料電池を作製することを可能にする。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の実施形態の目的、特徴及び利点は、以下の詳細な説明及び図面を参照することにより明らかになる。
【００１０】
本発明は、所定の微細な三次元的形状を作り出す原型を事前に配置すると共に、化学機械研磨（ＣＭＰ、化学機械平坦化としても知られる）技術を用いることで、所定の構造を有する新規で且つ望ましい燃料電池装置を比較的単純、迅速及び効率的に作製できるという予期しなかった偶然の発見に基づいている。さらに、本発明の方法を実施した結果、自立形の膜を有している新しく且つ望ましい燃料電池装置も作製できることが見出された。
【００１１】
本発明の実施形態では、燃料電池装置を作製する新規の方法が示される。本明細書で開示される内容は特定のタイプの燃料電池に限定されるものではなく、本明細書で示された様々な方法を活用することで、ミクロスケールの固体電解質形燃料電池装置を含む様々な固体電解質形燃料電池を作製することができる。固体電解質形燃料電池（ＳＯＦＣ）装置としては、薄膜ＳＯＦＣ、厚膜ＳＯＦＣ又は薄膜／厚膜複合ＳＯＦＣが挙げられる。
【００１２】
ＣＭＰを用いることで、金属酸化物のエッチング及び／又はリフトオフに伴うパターニングの問題が有利に解決される。ＣＭＰは、燃料電池構造を支持している基体表面をポリッシング又はラッピング（どちらも研磨技術の一種）を施すことで、下側の微細な三次元的形状領域から上側の微細な三次元的形状領域を選択的に除去するため、材料を、垂直ではなくほぼ水平に除去する。ポリッシング又はラッピングは、限定はしないが、例えば、スラリー懸濁液による研磨、ダイヤモンドを含む布又は石による研磨、ブレードを使用した材料の削り取り（ミクロトーム加工）、及び機械的処理と共に１つ又は複数の薄膜を化学的に侵食する物質を使用する研磨を含む様々な方法によって達成することができる。
【００１３】
ＣＭＰは、研磨処理後の薄膜上に望ましくない残渣が再付着する恐れが実質的になく、極めて硬く砕けやすい材料の研磨処理を有利に可能にする。さらに、この方法により、他の方法では不可能ではないにしても極めて作製が困難な独特のＳＯＦＣ構造を作製することができる。
【００１４】
本発明を実施する利点には以下のものがあるが、これらに限定されものではない。ＣＭＰは、比較的温度勾配が小さい方法であり、例えば、ＣＭＰは、室温で達成することができる。本発明の方法の実施形態は、除去した材料の望ましくない再付着が実質的に起こらない高耐熱性材料の研磨方法を提供する。さらに、本発明の方法の実施形態は、独特なＳＯＦＣ構造、例えばミクロスケールの燃料電池の作製を可能にする。
【００１５】
次に図１を参照する。燃料電池を作製する方法は、基体表面１４に原型１２を配置して基体表面１４に所定の微細な三次元的形状を作製するステップを含む。基体表面１４は、基材２６、燃料極１６、空気極１８、電解質２０及び／又は電流コレクタ２８（図８）であることを理解されたい。
【００１６】
基材２６として、任意の適切な材料を選択することができる。一実施形態において、基材２６は、単結晶シリコン、多結晶シリコン、絶縁性物質を含む酸化シリコン、アルミナ、サファイヤ、セラミック、及びこれらの混合物のうちの少なくとも１つから形成される。本発明の実施形態としては、単結晶シリコンが基材２６として特に好ましい。
【００１７】
この方法は、原型１２の上に燃料極層１６、空気極層１８及び／又は電解質層２０を付着させるステップをさらに含む。図１では、原型上に最初に燃料極層を付着させ、次に電解質層２０、次に空気極層１８を付着させているが、本明細書で説明するいずれの実施形態においても、原型上に最初に空気極層１８を付着させ、次に電解質層２０、次に燃料極層１６を付着させることもできる。さらに、原型１２（及び以下で論ずる４２）の上に、燃料電池の能動要素（燃料極層１６、空気極層１８、電解質層２０）のうちのいずれか１つ又は２つの層だけを付着させてもよく、あるいは同じ能動要素を複数層付着させることもできる。
【００１８】
燃料電池１０は、固体電解質形燃料電池、プロトン透過セラミック燃料電池、アルカリ型燃料電池、高分子固体電解質膜型（ＰＥＭ）燃料電池、溶融炭酸型燃料電池、固体酸型燃料電池、及び直接メタノールＰＥＭ燃料電池のいずれでもよい。本発明の一実施形態において、燃料電池１０は固体電解質形燃料電池である。
【００１９】
電解質２０は、任意の適切な材料から形成することができる。本発明の一実施形態において、電解質２０は、酸素イオン透過膜、プロトン伝導体、炭酸（ＣＯ３２−）伝導体、ＯＨ−伝導体及びこれらの混合物のうちの１つである。
【００２０】
代替実施形態において、電解質２０は、立方蛍石構造、ドープ立方蛍石、プロトン交換重合体、プロトン交換セラミックス、及びこれらの混合物のうちの少なくとも１つである。さらに他の実施形態において、電解質２０は、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、サマリウムドープドセリア（ＳＤＣ）、ガドリニウムドープドセリア（ＧＤＣ）、ＬａａＳｒｂＧａｃＭｇｄＯ３−δ、及びこれらの混合物のうちの少なくとも１つである。
【００２１】
特定の最終用途による要望及び／又は必要に応じて、燃料極層１６及び空気極層１８は任意の適切な材料から形成することができる。一実施形態において、燃料極層１６及び空気極層１８はそれぞれ、金属、セラミック及びサーメットのうちの少なくとも１つである。
【００２２】
本発明の実施形態において、燃料極１６に適している金属の例をいくつか挙げると、限定はしないが、ニッケル、白金及びこれらの混合物がある。燃料極１６に適しているセラミックの例をいくつか挙げると、限定はしないが、ＣｅｘＳｍｙＯ２−δ、ＣｅｘＧｄｙＯ２−δ、ＬａｘＳｒｙＣｒｚＯ３−δ、及びこれらの混合物がある。燃料極１６に適しているサーメットの例をいくつか挙げると、限定はしないが、Ｎｉ−ＹＳＺ、Ｃｕ−ＹＳＺ、Ｎｉ−ＳＤＣ、Ｎｉ−ＧＤＣ、Ｃｕ−ＳＤＣ、Ｃｕ−ＧＤＣ及びこれらの混合物がある。
【００２３】
本発明の実施形態において、空気極１８に適している金属の例をいくつか挙げると、限定はしないが、銀、白金及びこれらの混合物がある。空気極１８に適しているセラミックの例をいくつか挙げると、限定はしないが、ＳｍｘＳｒｙＣｏＯ３−δ（ＳＳＣＯ）、ＢａｘＬａｙＣｏＯ３−δ、ＧｄｘＳｒｙＣｏＯ３−δ及びこれらの混合物がある。
【００２４】
次に図２を参照する。所定の燃料電池構造１０を形成するために、化学機械研磨によって、下側の微細な三次元的形状領域２４から上側の微細な三次元的形状領域２２が除去される。例示的な研磨線Ｃは、ＣＭＰを行うことができる面を示す。露出することが望ましい燃料電池の全ての能動要素が露出されている限り、研磨線Ｃは、特定の最終用途による要望及び／又は必要に応じて、図示されたものより高くても低くてもよい。
【００２５】
原型１２は、燃料電池構造１０の一部分として残してもよく、除去してもよい。さらに、原型１２は、任意の適切な材料から形成することができる。原型材料は、容易にパターニングされる材料又は比較的容易にパターニングされる材料であることが望ましい。容易にパターニングされる材料は、犠牲材料である。本明細書において「パターニング」が論じられる場合、パターニング工程は、限定はしないが、シャドーマスキング法、フォトイメージング法、スクリーンプリント法、ウェットエッチング法、プラズマエッチング法、及び／又はこれらの組み合わせを含む任意の適切なパターニング法によって達成できる。
【００２６】
犠牲材料の例をいくつか挙げると、限定はしないが、フォトイメージング薄膜、アルミニウムなどの金属、金属酸化物、及び／又はこれらの混合物、及び／又は燃料電池構造１０の一部分でもよくそうでなくてもよい他の容易にパターニングされる材料がある。フォトイメージング薄膜としては、限定はしないが、例えば、スピンオンフォトレジスト材料、ドライフィルムフォトレジスト材料などがある。
【００２７】
原型１２を除去する場合、除去ステップは、任意の適切な方法によって行うことができる。一実施形態において、プラズマエッチング、ウェットエッチング、酸素アッシング、溶剤ストリッピング、類似の方法、及び／又はこれらの組み合わせにより、除去ステップが達成される。図２は、１つ又は複数の第１のガス流路３０を形成するために原型１２が除去されたことを示している。燃料極１６及び空気極１８のどちらが第１のガス流路３０に露出されてもよい。図２の実施形態では、第１のガス流路３０に燃料極１６が露出している。第２のガス流路３２は、燃料電池構造１０の構築により及び／又は原型１２の除去により、形成することができる。燃料極１６及び空気極１８のどちらが第２のガス流路３２に露出されてもよい。図２の実施形態では、空気極１８が第２のガス流路３２に露出している。
【００２８】
本発明の燃料電池１０の実施形態は、シングルチャンバ燃料電池でもデュアルチャンバ燃料電池でもよい。燃料電池１０がシングルチャンバの場合、反応物と酸化剤の混合物が、燃料極１６と空気極１８の両方に送られる。燃料電池１０がデュアルチャンバの場合は、反応物が燃料極１６に送られ、酸化剤が空気極１８に送られる。したがって、図２の燃料電池１０がデュアルチャンバ燃料電池の場合は、第１のガス流路３０が反応物を送り、第２のガス流路３２が酸化剤を送ることになる。
【００２９】
一実施形態において、反応物は燃料であり、酸化剤は、酸素、空気及びこれらの混合物のうちの１つである。本発明の燃料電池１０では、任意の適切な燃料／反応物を使用できる。一実施形態において、燃料／反応物は、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、メタノール、エタノール、例えば天然ガスやガソリン（低硫黄ガソリン、低硫黄灯油、低硫黄ディーゼル油のような低硫黄炭化水素が好ましい）などの高次の直鎖又は混合炭化水素、及びこれらの混合物のうちの少なくとも１つから選択される。代替実施形態において、燃料／反応物は、ブタン、プロパン、メタン、ペンタン及びこれらの混合物からなる群から選択される。内部改質及び／又は直接改質への適合性、対象となる作動温度範囲内の適切な蒸気圧、及び／又は類似の条件を考慮して、適切な燃料を選択することができる。
【００３０】
燃料電池１０及び能動要素の各々は、特定の最終用途による要望及び／又は必要に応じて、任意の寸法、形状及び／又は構成でよい。一実施形態において、燃料極層１６、空気極層１８、及び電解質層２０はそれぞれ、約０．５μｍ〜約１０００μｍの範囲の厚さを有する。代替実施形態において、各層１６、１８、２０は、約５０μｍ〜約２００μｍの範囲の厚さを有する。さらに他の実施形態において、燃料極層１６、空気極層１８及び電解質層２０の全てを合わせた厚さは、約１．５μｍ〜約３０００μｍの範囲にある。代替実施形態において、層１６、１８、２０の全てを合わせた厚さは、約１５０μｍ〜約６００μｍの範囲にある。層１６、１８、２０の全てを合わせた望ましい厚さは、一般に、システムの力学的特性に依存する。
【００３１】
図２に示すような燃料電池１０は、少なくとも１つの自立形膜構造体３４を有している（非限定的な例として、６つの自立形膜構造体３４を示している）。膜構造体３４は、電解質層２０、電解質層２０の一方の側に配置されている燃料極層１６、及び電解質層２０の前記一方の側又は他方の側に配置されている空気極層１８からなる。
【００３２】
一実施形態において、自立形膜構造体３４は、実質的にＶ字形である部材の一辺３６を含む。実質的にＶ字形である部材の他方の一辺３８は、基体表面１４上に配置されるか、又は部分的に基体表面１４内に配置される。
【００３３】
前記一辺３６と前記他方の一辺３８との間の角度θは、鋭角から鈍角までの範囲である。図２において、鋭角θは点線で示され、鈍角θは実線で示されている。したがって、薄膜及び／又は厚膜の付着に使用される方法及び最終装置の所望の形状にもよるが、本発明のいずれの実施形態においても、側壁／原型の断面は、垂直（θが９０°）でも、傾斜（θが鋭角あるいは鈍角）していてもよい。図２の原型断面は傾斜して示されており、図６Ｅ及び図７Ｅの原型断面は実質的に垂直に示されている。
【００３４】
次に図３を参照する。燃料電池スタックを作製する方法は、前述のように、基体表面１４上に所定の微細な三次元的形状を作り出すために第１の原型１２を基体表面１４に配置するステップと、第１の原型１２の上に燃料極層１６、空気極層１８及び／又は電解質層２０を付着させるステップとを含む。
【００３５】
燃料電池スタックを作製する方法は、さらに、燃料極層、空気極層及び電解質層のうちの少なくとも１つの上に第２の原型４２を配置するステップを含む。第２の原型４２の上に、さらなる燃料極層１６、空気極層１８及び／又は電解質層２０が付着される。
【００３６】
次に図４を参照する。次に、化学機械研磨によって、下側の微細な三次元的形状領域２４から上側の微細な三次元的形状領域２２を除去して、所定の燃料電池スタック構造４０を形成する。例示的な研磨線Ｃ'は、ＣＭＰを行うことができる面を示している。露出させることが望ましい燃料電池の全ての能動要素が露出されている限り、研磨線Ｃ'は、特定の最終用途による要望及び／又は必要に応じて、図示した面より高くても低くてもよい。
【００３７】
燃料電池スタック構造４０は、縦型スタック構造である。図示していないが、スタック構造４０は、また、基材２６上に水平に延在することができる。（図２には水平型スタックを示している）
【００３８】
原型１２，４２を燃料電池構造１０の一部として残してもく、原型１２，４２の一方又は両方を除去してもよい。さらに、原型１２，４２は、任意の適切な材料から形成することができる。原型材料は、容易にパターニングされる材料又は比較的容易にパターニングされる材料であることが望ましい。一実施形態において、第１及び第２の原型１２，４２は、犠牲材料から形成されている。犠牲材料のいくつかの非限定的な例は上述の通りである。
【００３９】
原型１２及び／又は４２を除去する場合、除去ステップは、例えば前述の非限定的な方法のうちの１つ又は複数によるような、任意の適切な方法によって達成できる。図４は、１つ又は複数の第１のガス流路３０を形成するために原型１２が除去される様子を示している。燃料極１６及び空気極１８のどちらが第１のガス流路３０に露出していてもよい。図４の実施形態では、空気極１８が第１のガス流路３０に露出している。第２のガス流路３２は、燃料電池構造１０の形成によって、及び／又は原型４２（流路３２'）の除去によって形成することができる。燃料極１６及び空気極１８のどちらが第２のガス流路３２，３２'に露出していてもよい。図４の実施形態では、燃料極１６が第２のガス流路３２'に露出し、空気極１８が第２のガス流路３２に露出している。
【００４０】
図２及び図４に示すような燃料電池１０の実施形態は、シングルチャンバ固体電解質形燃料電池である。しかしながら、本明細書に示したように、この燃料電池１０は、デュアルチャンバ燃料電池になるように適応させることもできる。そのような適応の非限定的な１つの例として、原型１２，４２を再構成させたり、研磨線Ｃ'を水平研磨線（図示しているような）から垂直研磨線に移したり、また燃料ガス流路及び空気ガス流路を形成するために原型１２，４２を除去したりすることができる。
【００４１】
次に図５Ａを参照する。電解質層２０が付着され、基体表面１４として機能する。本発明の方法の実施形態の原型配置ステップは、基体表面１４上に原型材料１２'を付着させるステップ（図５Ｂに示しているような）と、原型材料１２'をパターニングして原型１２を形成するステップ（図５Ｃに示しているような）とを含む。図５Ｂとそれ以下の図においては、原型１２が、犠牲材料から形成されている。図５Ｄにおいては、原型１２の上にさらに電解質層２０が付着される。付け加えられた電解質層２０から望ましくない材料がＣＭＰによって除去される。図５Ｆは、原型１２が除去された様子を示し、原型１２の反転原型でパターニングされた電解質層２０が残る。これは、例えば標準的なフォトリソグラフィ技術によってパターニングするのが難しい材料に微細な三次元的形状を作り出す本法の一実施態様を用いた例である。
【００４２】
基体表面１４上への原型材料１２'の最初の付着は、基体表面１４上でもよく、部分的に基体表面１４内へであってもよい。図５Ｂは、基体表面１４上への付着の例を示す。
【００４３】
次に、図６Ａを参照する。燃料電池１０を形成する方法は、基体表面１４／基材２６上に電極層１６，１８を付着させるステップを含む。図６Ｂは、基材２６上に所定の微細な三次元的形状を作製するために原型１２で形成された追加電極層１６，１８を示す。図６Ｃは、パターニングされた追加電極層１２，１６，１８の上に電解質層２０が付着されている様子を示している。図６Ｄは、電解質層２０の上に対向電極層１８、１６が付着している様子を示している（例えば、電極層が燃料極１６の場合、対向電極層は空気極１８である。その逆の場合でもよい）。図６Ｅは、所定の燃料電池構造１０を形成するために、ＣＭＰによって下側の微細な三次元的形状領域２４から上側の微細な三次元的形状領域２２が除去された様子を示している。
【００４４】
電極１６，１８をパターニングする場合（図６Ｂと図７Ｂに示しているように）、電極１６，１８は比較的パターニングしやすい材料から形成されていることが望ましい。そのような材料のいくつかの例として、限定はしないが、主成分としてアルミニウム、タンタル、タングステン、鉄、ニッケル及びこれらの混合物のうちの少なくとも１つを含有している燃料極及び／又は空気極に適した材料が挙げられる。
【００４５】
さらに図６Ｅを参照する。燃料電池構造１０は、複数の燃料電池アセンブリ４４を含み、燃料電池アセンブリの各々は、電解質２０の一方の側に配置されている燃料極１６と、電解質２０の前記一方の側又は他方の側に配置されている空気極１８とからなる（燃料極１６／空気極１８／電解質２０は、電解質２０が空気極１８と燃料極１６とを分離している限り、どのような形で構成されてもよい）。燃料極１６、空気極１８及び電解質２０はそれぞれ、幅４６、４８、５０を有する。燃料極の幅４６及び空気極の幅４８はそれぞれ、約１．５μｍ〜約１００μｍの範囲でよい。電解質の幅５０は、約０．５μｍ〜約１００μｍの範囲でよい。
【００４６】
図６Ｅの燃料電池１０は、シングルチャンバ固体電解質形燃料電池の１例である。
【００４７】
以上、様々な幅、長さ及びその他の寸法を示すために参照された図は、例示のために参照されたものであり、記載した種々の寸法の値は、本明細書に開示した任意の実施形態及び本明細書の任意又は全ての図面に当てはまるものである。
【００４８】
次に図７Ａを参照する。燃料電池１０を形成する方法は、基体表面１４／基材２６上に電極層１６、１８を付着させるステップを含む。図７Ｂは、基材２６上に所定の微細な三次元的形状を作製する原型１２で形成された追加電極層１６，１８が付着している様子を示している。図７Ｃは、パターニングされた追加電極層１６、１８、１２の上に電解質層２０が付着している様子を示している。図７Ｄは、電解質層２０の上に対向電極層１８、１６が付着している様子を示している（例えば、電極層及び追加電極層が燃料極１６の場合、対向電極層は空気極１８である。その逆の場合もよい）。図７Ｅは、所定の燃料電池構造１０を形成するために、ＣＭＰによって上側の微細な三次元的形状領域２２が除去された下側の微細な三次元的形状領域２４を示している。
【００４９】
図７Ｅの燃料電池１０は、シングルチャンバ固体電解質形燃料電池の１例である。
【００５０】
次に図８を参照すると、図６Ｅ又は図７Ｅの燃料電池１０の平面図を示している。電極プローブ５２及び対向電極プローブ５４はそれぞれ、燃料電池１０に有効に接続されている。燃料電池１０は、任意の適切な形状、寸法及び／又は構成でよい。一実施形態において、燃料電池構造１０の幅５６は約０．０１ｃｍ〜約１２ｃｍの範囲に、燃料電池構造の長さ５８は約０．０１ｃｍ〜約１２ｃｍの範囲にそれぞれすることができる。代替実施形態において、燃料電池構造の幅５６は約５ｍｍ〜約２５ｍｍの範囲に、燃料電池構造の長さ５８は約５ｍｍ〜約２５ｍｍの範囲にそれぞれすることもできる。
【００５１】
燃料電池１０を使用する方法は、燃料電池１０を電気的負荷Ｌと電気貯蔵装置Ｓの少なくとも一方に有効に接続するステップを含むことができる。電気的負荷Ｌには、限定はしないが、例えば、コンピュータ、携帯型電子機器（例えば、携帯情報端末（ＰＤＡ）、携帯型電気工具など）、及び民生用と軍事用両方の携帯用又はそうでない通信装置を含む多くの装置がある。電気貯蔵装置Ｓには、非限定的な例として、キャパシタ、バッテリ及び電力調整装置が挙げられる。電力調整装置の詳細例をいくつか挙げると、無停電電源装置、直流／交流変換器、直流電圧変換器、電圧調整器、電流リミッタなどがある。
【００５２】
また、本発明の燃料電池１０は、いくつか例を挙げると、運送業界では、例えば自動車に電力を供給するため、また設備業界では、例えば発電装置内で使用するために適していると考えられる。
【００５３】
図９は、本発明の方法により形成された燃料電池構造１０の一実施形態を上から観察した２５００倍のＳＥＭ（走査電子顕微鏡）画像である。図９に示している燃料電池１０を形成するために使用された材料の１つはＳＤＣである。
【００５４】
図１０は、本発明の方法により形成された燃料電池構造１０の代替実施形態を上から観察した１２００倍のＳＥＭ画像である。図１０に示している燃料電池１０を形成するために使用された材料の１つはＳＤＣである。
【００５５】
図１１は、本発明の方法により形成された燃料電池構造１０のさらに他の代替実施形態を上から観察した２５００倍のＳＥＭ画像である。図１１に示している燃料電池１０を形成するために使用された材料の１つはＳＳＣＯである。
【００５６】
本明細書に開示したいずれの方法の付着ステップも、任意の適切な方法によって達成できる。そのような方法の例をいくつか挙げると、限定はしないが、化学蒸着法（ＣＶＤ）、物理蒸着法（ＰＶＤ）、スピンコーティング、原子蒸着及び／又は類似の方法及び／又はこれらの組み合わせがある。
【００５７】
本発明の方法のいずれの実施形態においても、任意あるいは全ての所望の層又は所望の層の任意の組み合わせを付着させた後で、燃料電池１０は約２００℃〜約１５００℃の範囲の温度で焼結／焼なましされる。一代替実施形態において、燃料電池１０は、約６００℃〜約１１００℃の範囲の温度で焼結／焼なましされる。この温度は、燃料極１６、空気極１８及び電解質２０を焼結するのに十分に高くなければならず、燃料電池１０の動作温度よりも高くなければならず、燃料電池の任意の能動要素が耐えることができる温度よりも低くなくてはならない。
【００５８】
本発明のいくつかの実施形態を詳細に説明したが、開示した実施形態を改良できることは当業者に明らかでる。したがって、以上の説明は、本発明を限定するものではなく、本発明を例示するものとみなされるべきであり、本発明の真の範囲は、併記の特許請求の範囲によって定義される。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の燃料電池の一実施形態の切取断面図（原型材料をＣＭＰ及び任意除去する前）
【図２】本発明の燃料電池の一実施形態の切取断面図（原型材料をＣＭＰ及び任意除去した後）
【図３】本発明の燃料電池の代替実施形態の切取断面図（原型材料をＣＭＰ及び任意除去する前）
【図４】本発明の燃料電池の代替実施形態の切取断面図（原型材料をＣＭＰ及び任意除去した後）
【図５Ａ】本発明の燃料電池を作製する方法の一実施形態の第１ステップ
【図５Ｂ】本発明の燃料電池を作製する方法の一実施形態の第２ステップ
【図５Ｃ】本発明の燃料電池を作製する方法の一実施形態の第３ステップ
【図５Ｄ】本発明の燃料電池を作製する方法の一実施形態の第４ステップ
【図５Ｅ】本発明の燃料電池を作製する方法の一実施形態の第５ステップ
【図５Ｆ】本発明の燃料電池を作製する方法の一実施形態の第６ステップ
【図６Ａ】本発明の燃料電池を作製する方法の代替実施形態の第１ステップ
【図６Ｂ】本発明の燃料電池を作製する方法の代替実施形態の第２ステップ
【図６Ｃ】本発明の燃料電池を作製する方法の代替実施形態の第３ステップ
【図６Ｄ】本発明の燃料電池を作製する方法の代替実施形態の第４ステップ
【図６Ｅ】本発明の燃料電池を作製する方法の代替実施形態の第５ステップ
【図７Ａ】本発明の燃料電池を作製する方法のさらに他の代替実施形態の第１ステップ
【図７Ｂ】本発明の燃料電池を作製する方法のさらに他の代替実施形態の第２ステップ
【図７Ｃ】本発明の燃料電池を作製する方法のさらに他の代替実施形態の第３ステップ
【図７Ｄ】本発明の燃料電池を作製する方法のさらに他の代替実施形態の第４ステップ
【図７Ｅ】本発明の燃料電池を作製する方法のさらに他の代替実施形態の第５ステップ
【図８】図６Ｅ又は図７Ｅ記載の実施形態の平面図
【図９】本発明の燃料電池構造の一実施形態を上から観察したＳＥＭ画像（２５００倍）
【図１０】本発明の燃料電池構造の代替実施形態を上から観察したＳＥＭ画像（１２００倍）
【図１１】本発明の燃料電池構造のさらに他の代替実施形態を上から観察したＳＥＭ画像（２５００倍）
【符号の説明】
【００６０】
１０  燃料電池
１２  （第１の）原型
１４  基体表面
１６  燃料極（層）
１８  空気極（層）
２０  電解質（層）
２２  上側の微細な三次元的形状領域
２４  下側の微細な三次元的形状領域
２６  基材
２８  電流コレクタ
３０  第１のガス流路
３２  第２のガス流路
３４  自立形の膜構造体
３６  実質的にＶ字型である部材の一辺
３８  実質的にＶ字型である部材の他の一辺
４０  燃料電池スタック
４２  第２の原型
４４  燃料電池アセンブリ
４６  燃料極の幅
４８  空気極の幅
５０  電解質の幅
５２  電極プローブ
５４  対向電極プローブ
５６  燃料電池構造の幅
５８  燃料電池構造の長さ
【図１】
2004152763.tif 000003
【図２】
2004152763.tif 000004
【図３】
2004152763.tif 000005
【図４】
2004152763.tif 000006
【図５Ａ】
2004152763.tif 000007
【図５Ｂ】
2004152763.tif 000008
【図５Ｃ】
2004152763.tif 000009
【図５Ｄ】
2004152763.tif 000010
【図５Ｅ】
2004152763.tif 000011
【図５Ｆ】
2004152763.tif 000012
【図６Ａ】
2004152763.tif 000013
【図６Ｂ】
2004152763.tif 000014
【図６Ｃ】
2004152763.tif 000015
【図６Ｄ】
2004152763.tif 000016
【図６Ｅ】
2004152763.tif 000017
【図７Ａ】
2004152763.tif 000018
【図７Ｂ】
2004152763.tif 000019
【図７Ｃ】
2004152763.tif 000020
【図７Ｄ】
2004152763.tif 000021
【図７Ｅ】
2004152763.tif 000022
【図８】
2004152763.tif 000023
【図９】
2004152763.tif 000024
【図１０】
2004152763.tif 000025
【図１１】
2004152763.tif 000026