(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造物で互いに固定され保持された複数の中空組立体であって、各々が、陽極、電解質、及び陰極をこの順に積層することにより形成された、少なくとも３層のスタックを側面に有し、各中空組立体は、上部および下部において、前記３層により覆われていない２つの部分を有する、複数の中空組立体；
前記中空組立体の内側が前記陽極側となる場合、前記中空組立体のそれぞれの内部を通過するように、燃料を循環させ、
前記中空組立体の内側が前記陰極側となる場合、前記中空組立体のそれぞれの内部を通過するように、酸化剤を循環させる第１手段；並びに
前記中空組立体の内側が前記陽極側となる場合、前記中空組立体の外側で酸化剤を循環させ、
前記中空組立体の内側が前記陰極側となる場合、前記中空組立体の外側で燃料を循環させる第２手段；
を有する小型燃料電池ベーシックモジュールであって、
前記中空組立体のそれぞれの内部に流れる流体は、第１反応物と称され、
前記中空組立体の外側に流れる流体は、第２反応物と称され、
前記構造物は、複数の中空組立体用のスペースを備え、
各スペースには、複数の前記中空組立体が同一の平面上に配置され、
各スペースは、中間ボーダーにより互いに上下方向に分離され、
前記中空組立体は、前記中間ボーダーと上下方向で接し、
各中間ボーダーには、前記中空組立体の上部に配置された循環ホールが備えられ、
各スペースには、少なくとも１つのインレットホールを備える側面ボーダーが設けられることを特徴とする小型燃料電池ベーシックモジュール。
【請求項２】
前記中空組立体の内部には、前記第１反応物が透過することが可能な材料が充填されていることを特徴とする請求項１に記載のベーシックモジュール。
【請求項３】
前記第１反応物が透過することが可能な前記材料は、多孔性シリコンで構成されることを特徴とする請求項２に記載のベーシックモジュール。
【請求項４】
前記中間ボーダーのうち最も下側に配置された中間ボーダーは、下部ボーダーとなり、
前記中間ボーダーのうち最も上側に配置された中間ボーダーは、上部ボーダーとなり、
前記２つの反応物は、前記下部ボーダー及び上部ボーダーには不浸透性であり、
前記下部ボーダー及び上部ボーダーは、前記中空組立体と接する位置で穿孔され、
これにより、前記第１反応物を循環させる前記第１手段の一部が形成されることを特徴とする請求項１に記載のベーシックモジュール。
【請求項５】
前記第２反応物を循環させる前記第２手段は、前記中空組立体を取り囲み、前記第２反応物が浸透しない前記側面ボーダーで構成され、
前記中空組立体同士の間の空間は、前記第２反応物が流通する空間となることを特徴とする請求項４に記載のベーシックモジュール。
【請求項６】
前記第２反応物を循環させる前記第２手段は、前記中空組立体のそれぞれの間の空間に充填され、該空間を補強する多孔性材料とともに使用されることを特徴とする請求項５に記載のベーシックモジュール。
【請求項７】
前記側面ボーダーは、シリコンリングで構成されることを特徴とする請求項４に記載のベーシックモジュール。
【請求項８】
前記下部ボーダーは、前記第１反応物を分配する基板で構成され、
前記中空組立体同士間にあり、前記２つの反応物の漏洩を防止する層により、被覆されていることを特徴とする請求項４に記載のベーシックモジュール。
【請求項９】
前記分配する基板は、中空ベースを有することを特徴とする請求項８に記載のベーシックモジュール。
【請求項１０】
前記第１反応物を循環させる前記第１手段は、さらに、前記上部ボーダー上に配置された収集スペースを有し、
該収集スペースは、前記中空組立体の下流側において、前記第１反応物を収集するカバーで形成されることを特徴とする請求項４に記載のベーシックモジュール。
【請求項１１】
前記側面ボーダーには、少なくとも１つのアウトレットホールが設けられ、
前記第１反応物及び前記第２反応物を循環させる前記第１手段及び前記第２手段は、
前記中空組立体及び前記インレットホールの上流側に、正圧を適用する手段、並びに／又は
前記中空組立体及び前記アウトレットホールの下流側に、負圧を発生させる手段
とともに、使用されることを特徴とする請求項５に記載のベーシックモジュール。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本発明は、標準的な出力を有する燃料電池に適用され得る小型燃料電池に関する。特に、携帯可能微小エネルギー源として使用される燃料電池を形成する小型マイクロシステム又はモジュールに関する。また、ＰＥＭＦＣ（固体高分子型燃料電池  ；Ｐｒｏｔｏｎｓ  Ｅｘｃｈａｎｇｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）として知られる水素／酸素で制御するイオン交換型電池及びＤＭＦＣ（ダイレクトメタノール燃料電池；Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｔｈａｎｏｌ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）として知られるメタノール／酸素を用いた電池に同様に適用可能である。
【０００２】
（先行技術及び課題）
燃料電池は、電気エネルギーを発生するステージのスタックで通常構成される電気化学電池である。各ステージは、陽極及び陰極を備えており、そのそれぞれは、メンブレンで通常構成される他の電解液の各側面上に配置される。異なる反応物、いわゆる燃料及び酸化剤は、これら２つの電極の外部表面のそれぞれに到達する。これらは、電解液を介して化学反応を起こし、上記の２つの電極の端子で電圧を取得可能となる。
【０００３】
標準的な出力の燃料電池に関して、２極グラファイトプレート又はステンレススチールプレートと、２つのファブリックメンブレン及び１つのプロトン伝導メンブレンをプレスして得られる電極／メンブレン／電極組立体とを組み合わせるように、「フィルター／プレス」型組立体が頻繁に使用される。しかしながら、小型電池及びマイクロ電池（０．５〜５０Ｗ）の製造に関して、新規のアーキテクチャー及び工程を使用してもよく、特にマイクロエレクトロニクス技術を使用してもよい。
【０００４】
複数のベーシックモジュールアーキテクチャーが知られており、多孔性シリコンの薄プレートを使用して、触媒及びメンブレンに続き、導電性材料上に堆積させ、再度導電材料を堆積させ、電極／メンブレン／電極組立体を形成する。
【０００５】
さらに、Ｌａｗｒｅｎｃｅ  Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ  Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙのチームは、シリコン基板を用いてマイクロセルベーシック燃料電池を製造した。その第１ステップは、この基板上にニッケルの薄金属層を堆積させ、集電装置として機能し、その後、触媒及びその後プロトン伝導として機能する。ニッケルはその後、化学エッチングにより貫通され、触媒と還元剤とが接触する。
【０００６】
また、国際特許出願ＷＯ−９７／１１５０３号パンフレット及び米国特許第５，７５９，７１２号明細書は、燃料電池を開示しており、その動作は、マイクロセルモジュールの中央領域としてプロトン伝導体を含浸させた微小多孔性材料を使用することに基づく。燃料電池を形成する他の材料は、常套的な真空蒸着を用いてこの基板の各側面上に堆積される。
【０００７】
これら燃料電池モジュールに関する全ては、平坦であって、携帯可能電子機器ユニットに供給するのに必要とする電気エネルギーを発生するのに十分な大きさの電極を提供することはできない。従って、本発明の目的はこの欠点を克服することである。
【０００８】
さらに、反応物ガスの１つが、平板状の電池の多孔性材料を通過して発生し得ることが知られている。
【０００９】
（本発明の開示）
本発明の主要な目的は、小型燃料電池であって、主として：
構造物で互いに固定して保持された複数のマイクロボリューム（中空組立体、以下同じ）であって、そのそれぞれが、陽極、電解質及び陰極を備える少なくとも３層のスタックを有し、且つ、２つの端部で上記の３層により覆われていない２つの部分を有するマイクロボリューム；
各マイクロボリュームの内部を通過するように第１反応物を循環させる第１手段；並びに
上記のマイクロボリュームの外部で第２反応物を循環させる第２手段；
で構成される。
【００１０】
非常に有利と考えられるのは、マイクロボリュームの内部が第１反応物に対して浸透性を有する材料で製造されている点である。
【００１１】
この場合、多孔性シリコンを選択することが好ましい。
【００１２】
本発明の主要な実施例において、その構造物は、上記の２つの反応物に浸透性を有さない２つの下部及び上部ボーダーで構成され、その間にマイクロボリュームが配置され、これら２つのボーダーは、マイクロボリュームの端部で穿孔され、これにより第１反応物を循環させる上記の第１手段の一部を形成する。
【００１３】
この場合、第２反応物を循環させる上記の第２手段は、少なくとも第２反応物に対して浸透性を有さない側面ボーダーで部分的に構成され、少なくとも１つのインレット開口部を有し、マイクロボリューム間のスペースはフリーとなっている。
【００１４】
第２反応物を循環させる第２手段に関するその他の好適実施例において、これら手段は、各マイクロボリューム間のスペースを充填する多孔性材料で補強されることにより完成される。
【００１５】
モジュールの側面ボーダーはシリコンリングで構成されるのが有利である。
【００１６】
第１反応物を分配させる上記の第１手段に関する第１実施例において、下部ボーダーは、２つの反応物の漏洩を防止するマイクロボリューム間の層にて覆われた分配基板（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｎｇ  ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）で構成される。
【００１７】
第２実施例において、この分配基板は、中空ベースを有する。
【００１８】
これらの場合のいずれにおいても、第１反応物は、上記の組立体の上部ボーター上に配置された収集スペースを介して収集されてもよい。
【００１９】
第１反応物及び第２反応物を循環させる第１手段及び第２手段と共に使用するのに有利なのは、マイクロボリュームの上流側又は第１反応物を循環させる第１手段のインレットホールの上流側に弱陽圧を適用する手段か、マイクロボリュームの下流側又は第２反応物を循環させる第２手段のアウトレットホールに弱陰圧を発生する手段か、である。
【００２０】
本発明によるベーシックモジュールに関する一つの特別な実施例は、複数のマイクロボリュームステージを備え、各ステージは、マイクロボリュームの上部に配置された循環ホールをそれぞれ設ける中間ボーダーで互いに分離され、上部ボーダーにはマイクロボリュームの上部に循環ホールを設けられており、各ステージには、少なくとも１つのインレットホールを設けられた側面ボーダーを設けている。
【００２１】
（図面の一覧）
本発明及び本発明の種々の技術的特徴は、２つの図面とともにする以下の説明を読むことにより、より良好に理解される。
【００２２】
（本発明の２つの実施例に関する詳細な説明）
図１を参照すると、本発明によるモジュールの原理は、薄い厚みに大型で複数のマイクロボリュームを使用しており、その壁は、燃料電池のベーシックメンブレン／電極要素を形成する多重層で覆われている。第１反応物の循環は、マイクロボリューム上に堆積された多重層の２つの電極の１つに接触するように、各マイクロボリュームの内部で行われ、一方、第２反応物の循環は、形成される各ベーシック要素の他の電極に接触するように、各マイクロボリュームの周囲で起こる。メンブレンは、２つの反応物の漏洩を防止する。
【００２３】
図２に示すモジュールの主要要素は、下部ベース１及び上部ベース２であって、その間に複数のマイクロボリューム１０が設けられている。組立体は、側面ボーダー３で取り囲まれており、側面ボーダー３は、下部ベース１と上部ベース２との間の平坦循環スペースを規定する。この循環形状は、機能的ではなく、種々の形状（方形、正方形等）を使用し得る。第１反応物の循環は、概略的に垂直方向の矢印で示するように、マイクロボリューム１０のそれぞれの内部で起こる。従って、下部ベース１の表面は、各マイクロボリューム１０のベースで規定される表面を除く面において、２つの反応物の漏洩を防止するように製造される。従って、下部ベース１が第１反応物の循環を可能とする多孔性材料で構成されるので、この反応物は、各マイクロボリューム１０の範囲で下部ベース１により全体的又は部分的に移行され得る。第２に、図１に示すモジュールの場合、この組立体は、その上方でキャップ２０に覆われ、上部ベース２の外周に固定され、収集スペース２２を規定し、収集スペース２２では、各マイクロボリューム１０をちょうど通過した第１反応物が利用可能となる。上部ベース２は、各マイクロボリューム１０の上端部に対応する表面の一部を除いて２つの反応物の漏洩を防止するように設計される。アウトレット吸引ホール２１は、第２反応物の循環を行うようにキャップ２０に形成される。しかしながら、このアウトレットホールは、上記の反応物が反応中に消費されるので、必須ではない。
【００２４】
実際、本発明によるモジュールには、垂直方向の矢印で概略的に示すように、モジュールの内部でこの反応物を循環させるように、第１反応物を再循環する第１手段を設ける。
【００２５】
さらに、第２反応物の第２の循環は、下部ベース１と、上部ベース２と、側面ボーダー３との間で且つマイクロボリューム１０間で規定された閉鎖スペース内で起こる。この循環は、側面ボーダー３の１つの側面に形成されたインレットホール４Ａと、インレットホール４Ａの反対側の上部ベース２と同様の側面に形成されたアウトレットホール４Ｂとを介して強制的に起こる。図中の水平方向の矢印は、第１反応物の循環を概略的に示す。しかしながら、アウトレットホール４Ｂは、第２反応物が反応中消費され得るので、必須ではない。
【００２６】
この第２の循環を実行するため、インレットホール４Ａの上流側の若干の加圧を制御し或いはアウトレットホール４Ｂの下流側で陰圧を発生する種々の装置を使用してもよい。同様に、下部ベース１の上流側、言い換えればその下部に陽圧を発生する手段及び／又はアウトレット吸引ホール２１からアウトレットにおいて弱陰圧を発生する手段の使用も可能である。
【００２７】
この図において、マイクロボリューム１０は、円錐型を有するように示されているが、これは単に１つの具体例であって、これらマイクロボリューム１０を形成するのにその他の形状を使用してもよい。
【００２８】
マイクロボリュームの内部を形成するため、下部ベース１を形成する多孔性材料もまた使用し得る。
【００２９】
側面ボーダー３は、マイクロボリューム１０の構築と同数でシリコンリングを使用して好ましく製造されてもよい。
【００３０】
この種の電池モジュールの製造に想定される手段として、例えば、上記の２つの反応物に対して浸透性を有さないラミネートフィルムなど、２つの反応物の漏洩を防止する材料を使用し得る。マイクロボリュームの端部に対応する位置で一度穿孔されると、これらフィルムは、下部ベース１の内部表面及び上部ベース２の表面の少なくとも１つに適用され得る。
【００３１】
さらに、マイクロボリューム１０の端部において、隔離（ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）により下部ベース１及び上部ベース２にホールを形成するのに、１つ以上の感光フィルムを使用してもよい。さらに、このように上部ベース２に形成されるホールの寸法は、各マイクロボリュームの上部における寸法よりも小さい。
【００３２】
図２を参照すると、第１反応物を循環させる第１手段は、マイクロボリューム１０の上流側において異なってもよい。第１実施例における下部ボーダー３１は、その全厚みにおいて２つの反応物に対して漏洩を防止するプレートで構成されてもよく、これを介して、各マイクロボリュームの底面に対応するホール３３は穿孔される。従って、下部ボーダー３１の下部に中空ベースを設定することにより、下部ボーダー３１で分配スペース３４を規定すると、第１反応物をマイクロボリューム１０に内部に移行させ得る。第１反応物は、この分配スペース３４内で若干高い圧力であり、従って、底部から上部へと各マイクロボリューム１０の内部を通過可能となる。各マイクロボリューム１０を維持するため、下部ボーダー３１のホール３３を、マイクロボリューム１０の内部を充填するのに使用される材料と等価な多孔性材料で充填することが有利である。
【００３３】
また、この組立体を機械的に強化するように且つ特にマイクロボリューム１０の強度を増加するように、ポリマーなどの多孔性充填材料３５で、下部ベース１に示す実施例の下部ベース１と上部ベース２との間のスペースフリーを充填することも興味深い。この種の多孔性材料は、球状プラスティックペレットの形態で例えばポリスチレンボールに堆積させその後これらの異なるペレット又はボールを成形するのに加熱してもよい。このように導入されたこれら多孔性充填材料３５は、図１のインレットホール４Ａからアウトレットホール４Ｂに向かって下部ボーダー３１との間の内部スペースの内部を第２反応物が循環することを可能とする。
【００３４】
図３を参照すると、本発明のベーシックモジュールに関する特定実施例は、マイクロボリューム１０が同一の平面上にそれぞれ配置された複数のステージで構成される。これら各ステージは、横ボーダー１０３を有し、インレットホール１０４Ａ及び可能であればアウトレットホール１０４Ｂを設けている。各ステージは、各マイクロボリューム１１０の上方で開口するホール１４９を設けた中間ボーダー１３０で、上部ステージ又は下部ステージから分離される。下部ボーダー１３１にもまたマイクロボリューム１１０の底部にインレットホール１３３を設けており、且つ上部ボーダー１３２自体にもマイクロボリューム１１０の上部にホール１４９を設けているので、マイクロボリューム１１０内での第１反応物単独での循環が起こり得ると理解される。この循環は、中空ベース１３０で形成された分配スペース１３４に開口する第１反応物のインレット１２９を用いて、上述の実施例と同様の様式にて行われる。アウトレット吸引ホール１２１がスタックの上部に形成された上にはカバー１２０が存在する。
【００３５】
各マイクロボリューム１１０は、多孔性シリコンなどの多孔性材料１３５で有利に使用され得る。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明によるモジュールに関する第１実施例である。
【図２】本発明によるモジュールに関する第２実施例を示す断面図である。
【図３】本発明によるモジュールに関する第３実施例を示す断面図である。
【図１】
0004731163.tif 000002
【図２】
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【図３】
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