(57)【要約】【課題】  従来の燃料電池よりも高い効率で燃料電池反応に伴う熱を利用する燃料電池を提供する。【解決手段】  本発明の燃料電池アセンブリは、当該アセンブリの内側領域の境界の周りに少なくとも１回は延在し且つ当該アセンブリの外側領域と関連する上流端及び内側領域と関連する下流端を有する少なくとも１つの反応物経路（１３４、１３５、１３６）を備えている。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
境界を画定する外側領域と内側領域とを有するハウジング（１０２、１０２ｂ、１０２ｃ）と、
前記内側領域の前記境界の周りに少なくとも１回は延在しており、且つ前記外側領域と関連する上流端及び前記内側領域と関連する下流端を有する少なくとも１つの反応物経路（１３４、１３５、１３６）を画定するよう形成された少なくとも１つの燃料電池（１１４、１１４ａ、１１４ｃ、１１６、及び１１６ｃ）と、
を含む燃料電池アセンブリ。
【請求項２】
前記ハウジング（１０２、１０２ｂ、１０２ｃ）が、前記少なくとも１つの反応物経路（１３４、１３５、１３６）の前記上流端と関連する少なくとも１つのハウジング入口（１０８、１０９、１１０）と、前記少なくとも１つの反応物経路（１３４、１３５、１３６）の前記下流端に作動し得る状態で接続される少なくとも１つの排出口（１１２）とを備える、請求項１に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項３】
前記少なくとも１つの燃料電池が、第１及び第２の燃料電池（１１４、１１４ｃ、１１６、１１６ｃ）を備え、前記少なくとも１つの反応物経路がそれぞれ、前記内側領域の前記境界に少なくとも１回は延在し且つ前記外側領域と関連する前記上流端及び前記内側領域と関連する前記下流端とをそれぞれ有する燃料経路１３４及び酸化剤経路１３６を含む、請求項１に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項４】
前記ハウジング（１０２、１０２ｃ）が、前記燃料経路の前記上流端と関連する燃料入口（１０８）と、前記酸化剤経路の前記上流端と関連する酸化剤入口（１１０）とを備える、請求項３に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項５】
前記反応物経路（１３４、１３５、１３６）が、前記ハウジング（１０２、１０２ｂ、１０２ｃ）の前記内側領域の前記境界の周りに２回以上延在している、請求項１に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項６】
前記反応物経路（１３４、１３５、１３６）が、前記ハウジング（１０２、１０２ｂ、１０２ｃ）の前記内側領域の前記境界の周りに少なくとも複数回延在している、請求項１に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項７】
前記ハウジング（１０２、１０２ｂ、１０２ｃ）の前記内側領域と関連する副生物排出管（１２８、１２８’）をさらに備える、請求項１に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項８】
前記ハウジングが、前記内側領域に作動し得る状態で接続されている排出口（１１２）を備え、且つ前記燃料電池アセンブリが、前記ハウジングと関連し、前記排出口に作動し得る状態で接続されている熱交換器（２００）をさらに備える、請求項１に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項９】
前記少なくとも１つの反応物経路（１３４、１３５、１３６）の前記上流端に作動し得る状態で接続されている少なくとも１つの反応物供給機構（１２４、１２５、１２６）をさらに備える、請求項１に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項１０】
前記反応物経路（１３４、１３５、１３６）が、渦巻き形状を画定する、請求項１に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項１１】
前記反応物経路（１３４、１３５、１３６）が、実質的に曲線的な渦巻き形状を画定する、請求項１０に記載の燃料電池アセンブリ。
【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。
【背景技術】
【０００２】
反応物（例えば、燃料と酸化剤）を電気と反応生成物に変換する燃料電池は、充電式電池のような長い再充電サイクルによって中断されず、比較的小さく軽量で、実質的に環境排出物を生成しないので有利である。しかしながら、本願発明者は、従来の燃料電池に改良の余地があると判断した。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
例えば、本願発明者は、従来の燃料電池よりも高い効率で燃料電池反応に伴う熱を利用する燃料電池を提供することが望ましいと判断した。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の一実施形態によると、燃料電池アセンブリは、当該アセンブリの内側領域の境界の周りに少なくとも１回は延在し且つ当該アセンブリの外側領域と関連する上流端及び内側領域と関連する下流端を有する少なくとも１つの反応物経路（１３４、１３５、１３６）を備えている。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によって、従来の燃料電池よりも高い効率で燃料電池反応に伴う熱を利用する燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、現在最もよく知られている本発明の実施形態を説明する。以下の説明は、本発明を限定するものと解釈されるべきではなく、単に本発明の一般的な原理を例示するものである。本発明に関係のない燃料電池構造に関する詳細な考察は、簡略化のために省略することとする。本発明はまた、現在開発中又はこれから開発される予定のものを含む広範な燃料電池技術及び燃料電池システムにも適用可能である。例えば、以下では、様々な例示的な燃料電池システムを、固体電解質燃料電池（「ＳＯＦＣ」）と関連して説明するが、プロトン交換膜（「ＰＥＭ」）燃料電池などの他のタイプの燃料電池にも同様に本発明を適用し得る。
【０００７】
例えば図１〜図５に示すように、本発明の一実施形態による燃料電池アセンブリ１００は、主壁１０４、端壁１０６、燃料入口１０８、酸化剤入口１１０、及び１対の排出口１１２を有するハウジング１０２を備える。好ましくは、ハウジング１０２はまた、絶縁材を含むか、又は絶縁特性を有する材料から形成され、その内面は、赤外線反射材料からなるコーティングを有することが好ましい。また、例示的なアセンブリは、１対の燃料電池１１４及び１１６を含み、この燃料電池はそれぞれ、電解質１２２によって隔てられている燃料極１１８と空気極１２０を有する。燃料供給機構１２４は、Ｈ２、又はＣＨ４、Ｃ２Ｈ６、Ｃ３Ｈ８などの炭化水素燃料のような燃料を、燃料入口１０８から各燃料電池の燃料極１１８に供給し、酸化剤供給機構１２６は、Ｏ２や周囲空気などの酸化剤を、酸化剤入口１１０から各燃料電池の空気極１２０に供給する。当該燃料電池アセンブリには、燃料電池によって消費される全ての燃料が最初から燃料供給機構内にあるものだけでなく、燃料供給機構１２４が補充可能又は交換可能なものも包含される。周囲空気を使用する場合には、酸化剤供給機構は、単に、通気孔、又は通気孔とファン機構とすることができる。酸化剤は、空気極１２０で電気化学的にイオン化され、生じたイオンは、導電性電解質１２２中を拡散し、燃料極１１８の燃料と反応して副生物（例示的な実施形態では、ＣＯ２と水蒸気）を生成する。副生物及び未使用の反応物は、排出口１１２まで延在する副生物排出管１２８を通ってハウジング１０２から放出される。副生物排出管１２８はまた、例示的アセンブリ１００の長軸を画定している。
【０００８】
例示的な排出管１２８は、多孔質イットリア安定化ジルコニア（「ＹＳＺ」）などの、ガス透過性材料で形成されている。ガス透過性排出管１２８に用いるＹＳＺは、その未加工状態では、比較的大きなＹＳＺ粒／粉末粒子（例えば、１０μｍ〜１００μｍ）として有機結合剤中に存在するか、また場合によっては、より細かいＹＳＺ粉末（例えば、０．５μｍ）として有機結合剤中に存在する。そのような材料は、未加工状態のときに圧力を加えることで管内に押し出し成形することができ、焼結したときに多孔質の管を生成する。また、未加工のＹＳＺ材料に、白金触媒粒子を埋め込むこともできる。あるいはまた、図６に示している例示的な副生物排出管１２８’を本明細書に開示する任意の燃料電池アセンブリに使用することができ、それは、ＹＳＺなどの、非透過性材料から形成され、副生物及び未使用の反応物を通すための複数の小孔１３０を備える。いずれの場合にも、副生物排出管１２８及び１２８’の内面の一部分は、未使用の燃料が排出口１１２に到達する前に確実に消費されるように、白金などの触媒燃焼材料１３２（図６）を備え得る。
【０００９】
燃料極１１８及び空気極１２０には、電流コレクタ（図示せず）が接続されている。空気極１２０と同様に、燃料極１１８は、互いに直列又は並列に接続することができる。好ましい接続方式は、負荷の電力要件に依存する。例示的な燃料電池アセンブリ１００、並びに共に燃料電池システムを画定する燃料供給機構１２４及び酸化剤供給機構１２６の動作を監視し制御するために、コントローラを設けることができる。あるいはまた、燃料電池システムの作動は、ホスト（即ち、電力を消費する）装置によって制御することができる。
【００１０】
図１〜図５に示す例示的な燃料電池アセンブリ１００内の燃料電池１１４及び１１６は、実質的に同一の大きさを有し、各電池の燃料極１１８は互いに向かい合い（又は、ハウジング主壁１０４の一部分と向かい合い）、それによってその間に燃料通路１３４を画定し、且つ空気極１２０は互いに向かい合い（又は、ハウジング主壁の一部分と向かい合う）、それによってその間に酸化剤通路１３６を画定するよう配置されている。図４及び図５をより詳細に参照すると、燃料電池１１４及び１１６は、燃料、酸化剤、及び反応副生物が燃料電池アセンブリ１００の外側領域からアセンブリの内側領域に移動し、燃料通路１３４及び酸化剤通路１３６を通って燃料入口１０８及び酸化剤入口１１０から副生物排出管１２８に達するまでに、アセンブリの内側領域を１回又は複数回循環するよう配置されている。燃料通路１３４及び酸化剤通路１３６内の反応物と副生物の流れは、熱を内側に（対流伝熱により）移動させ、熱が外側に（伝導又は放射熱伝達により）移動しないように機能する。このように熱を保持することにより、アセンブリ全体の熱損失が減少し、自立的な燃料電池反応を促進する環境が作り出される。
【００１１】
図１〜図５に示している例示的な実施形態では、アセンブリ１００の内側領域は、副生物排出管１２８によって画定されている。燃料電池１１４及び１１６は、両方とも渦巻き形であり、副生物排出管１２８の周りを複数回（一般的に、約１〜５０回以上）取り巻いていることが好ましい。従って、燃料（及び、関連する副生物）及び酸化剤（及び、関連する副生物）は、それぞれ、渦巻き形の燃料通路１３４及び酸化剤通路１３６内を通る。従って、反応物及び副生物は、燃料電池１１４及び１１６の上流端、即ち入口１０８及び１１０近傍の端部から、燃料電池の下流端、即ち副生物排出管近傍の端部に達するまで、副生物排出管１２８に絶え間なく近づくこととなる。燃料電池の副生物排出管１２８近傍の端部は、図７〜図８Ｂにおいて、符号１４２及び１４４を付して示している。
【００１２】
本発明は、図５に示している実質的に円形の渦巻き形構造（側面から見たとき）の燃料電池１１４及び１１６に限定されるものではないことに注意されたい。例えば、実質的に楕円の渦巻き形構造を有する燃料電池を使用することができる。本発明はまた、円や楕円などの曲線形状に限定されない。反応物通路が、副生物及び未使用反応物を燃料電池アセンブリの周りの内側領域に導く限り、正方形や長方形、八角形などの直線形状を基本とした渦巻き形状を使用することもできる。
【００１３】
例示的な燃料電池１１４及び１１６の材料、寸法及び構成は、燃料電池のタイプ（例えば、ＳＯＦＣ、ＰＥＭなど）と用途によって決定されるが、且つ本発明は、任意の特定の材料、寸法、構成及び種類に限定されものではないが、以下においては、例示的な燃料電池を、携帯型電子装置などの用途で使用するための比較的小型の燃料電池アセンブリから、より大きな電気装置と共に使用するための中型の燃料電池アセンブリにまでわたる燃料電池アセンブリに関して説明する。例示的な燃料電池は、厚さ約５０μｍ〜１ｍｍであることが好ましいが、用途の要求に応じてもっと薄い又は厚い燃料電池を使用することができる。燃料通路１３４及び酸化剤通路１３６の厚さは約２５μｍ〜２ｍｍであり、燃料電池１１４及び１１６の幅は、一般に端壁１０６から端壁１０６まで約１０ｍｍ〜３００ｍｍである。燃料極は、多孔質の、セラミックスと金属との複合物（「サーメット」とも呼ばれる）フィルムとすることが好ましい。適切なセラミックスには、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）、及びＹＳＺが含まれ、適切な金属には、ニッケル及び銅が含まれる。空気極は、多孔質セラミックスフィルムとすることが好ましい。適切なセラミックス材料には、サマリウム・ストロンチウム・コバルト酸化物（「ＳＳＣＯ」）、ランタン・ストロンチウム・マンガン酸塩、銅置換ビスマス・バナジン酸塩が含まれる。電解質は、ＳＤＣ、ＧＤＣ、ＹＳＺなどの非多孔質セラミックスフィルムとすることが好ましい。
【００１４】
例示的な燃料電池１１４及び１１６はまた、種々の方法で形成することができる。図７〜図８Ｂに移ると、例示的な燃料電池１１４及び１１６は、概ね平面状の燃料電池シート１３８及び１４０から形成されている。シート１３８及び１４０はそれぞれ、燃料極１１８、空気極１２０及び電解質１２２を含み、個別の燃料極、空気極及び電解質のフィルムを単一シートに接合するテープカレンダ（ｔａｐｅ  ｃａｌｅｎｄａｒｉｎｇ）法によって製造されることが好ましい。電流コレクタは、一般的に、燃料極シート及び空気極シートの一部である。また、キャスティング、ラミネーション、転写、シャドーマスキングと吹付け、押出し印刷（ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ  ｐｒｉｎｔｉｎｇ）、型押しによる押出し印刷などの他の方法を使用することもできる。燃料電池シート１３８及び１４０の下流端１４２及び１４４は、イソプロピルアルコールなどの溶剤を用いて副生物排出管１２８に固定される。溶剤は、接合する材料の一部分を軟化させ、それによって、燃料電池シートがまだ柔軟な未加工状態のときに互いに密に接触させると材料が溶融する。溶剤は、最終的に蒸発する。燃料電池シートが互いに固着するのを防ぐ犠牲充填材シート１４６及び１４８が設けることができる。また、必要に応じて、排出管１２８と接する表面積を増大させるために、図７及び図８Ａに示しているように、燃料電池シート１３８及び１４０の下流端１４２及び１４４にテーパを付け得ることに注意されたい。そのようなテーパのない端部に関しては、図１６〜図１７Ｂに示している。
【００１５】
次に、燃料電池シート１３８及び１４０は、図４及び図８Ａに示している渦巻き位置に配置されるまで、副生物排出管１２８の周囲に矢印Ａ及びＢ（図７）の方向に向かって巻き付けられる。これは、シートが未加工状態の間に、燃料電池シート１３８及び１４０自体に力を加えるか、副生物排出管１２８を縦軸のまわりに巻き付けるか、あるいはこれらの組み合わせによって達成することができる。次に、シート１４６及び１４８（及び、副生物排出管１２８）は、有機溶剤及び結合剤を燃焼し尽くし、セラミックス材料を焼結させるために焼かれる。これにより、シートは、図４及び図８Ｂに示している渦巻き方向に配置され、それによって燃料電池１１４及び１１６を画定する燃料極及び空気極が形成され、犠牲充填材シート１４６及び１４８が燃焼除去される。次に、燃料電池１１４及び１１６と副生物排出管１２８を、ハウジング１０２内に配置することができる。
【００１６】
図９及び図１０に、全体が符号１００ａを付して示されている別の例示的な燃料電池アセンブリを示す。燃料電池アセンブリ１００ａは、実質的にアセンブリ１００に類似しており、類似する要素は類似の符号を用いて表している。しかしながら、ここでは、燃料電池アセンブリは、燃料極１１８部分（図１２）が互いに向かい合い（又は、ハウジング主壁１０４の一部分と向かい合い）、それによってその間に燃料通路１３４が画定され、空気極１２０部分（図１２）が互いに向かい合い（又は、ハウジング主壁の一部分と向かい合う）、それによってその間に酸化剤通路１３６が画定されるよう配置されている、単一の燃料電池１１４ａを備えている。燃料、酸化剤、及び反応副生物は、燃料電池アセンブリ１００ａの外側領域からアセンブリの内側領域まで移動し、それらが燃料通路１３４及び酸化剤通路１３６を通って燃料入口１０８及び酸化剤入口１１０からアセンブリの内側領域に達するまでに、アセンブリの内側領域を１回又は複数回循環する。より詳細には、例示的な燃料電池アセンブリ１００ａ内の燃料通路１３４及び酸化剤通路１３６は、燃料電池アセンブリ１００のそれらと同じ渦巻き形状を有し、燃料電池アセンブリ１００により与えられる場合と同じ優れた熱効率を与える。
【００１７】
また、図９及び図１０に示している例示的な燃料電池アセンブリ１００ａには、例示的なアセンブリ１００に備えられている副生物排出管１２８が備えられていない。その代わりに、例示的な燃料電池アセンブリ１００ａは、燃料電池１１４ａの一部によって画定され且つハウジング１０２上の排出口１１２に接続されている、１対の副生物出口領域１２８ａ及び１２８ｂをアセンブリの内側領域に備えている。燃料電池１１４ａの副生物出口領域１２８ａ及び１２８ｂを画定する各部分には、燃料通過小孔１５０、酸化剤通過小孔１５２、及び混合小孔１５４が含まれる（図１０）。燃料通過小孔１５０及び酸化剤通過小孔１５２は、燃料通路１３４及び酸化剤通路１３６からの副生物（及び、未使用反応物）が副生物出口領域１２８ａ及び１２８ｂに入るのを可能にする。混合小孔１５２は、副生物出口領域１２８ａ及び１２８ｂの内容物が混合されるのを可能にし、それによって、未使用の反応物を適切に消費することができる。そのために、副生物出口領域１２８ａ及び１２８ｂ内に、触媒燃焼材料を配置することができる。
【００１８】
製造に関しては、例示的な燃料電池１１４ａは、図１１及び図１２に示している概ね平坦な燃料電池シート１３８ａから形成することができ、この燃料電極シート１３８ａは、燃料極１１８、空気極１２０、及び電解質１２２を含み、前述のように製造される。小孔１５０〜１５４は、シートがまだ未加工状態のときに、燃料電池シート１３８ａに穿孔することができる。また、前述のように、犠牲充填材シート（図示せず）を設けることもできる。図１３Ａ及び図１３Ｂに移り、未加工の燃料電池シート１３８ａは、最初に、図１３Ａに示す向きに曲げられ、次に図１３Ｂに示す向きに曲げられる。これは、例えば、領域Ｃ（図１２）の燃料電池シート１３８ａを係合させ、混合小孔１５４の経路により画定される軸に関して領域Ｃを回転させることによって達成することができる。その時、燃料電池シート１３８ａは、位置１５６及び１５８にて自身と結合し、副生物出口領域１２８ａ及び１２８ｂを封止する。次いで、図９及び図１０に示している渦巻き方向に配置されるまで、副生物出口領域１２８ａ及び１２８ｂの相対する側の燃料電池シート１３８ａは、矢印Ａ及びＢ（図１３Ｂ）の方向に向けて、副生物出口領域の周りに巻き付けられる。これは、シート１３８ａが未加工状態の間に、燃料電池シート部分自体に力を加えるか、副生物出口領域１２８ａ及び１２８ｂをそれらの長軸に関して回転させるか、又はこれらを組み合わせることによって達成することができる。次に、燃料電池シート１３８ａは、有機溶剤及び結合剤を燃焼し尽くし、セラミックス材料を焼結するために燃やされる。これにより、シート１３８ａが、図９及び図１０に示す渦巻き方向に配置されて燃料電池１１４ａが作成され、且つ犠牲充填材シートが燃焼除去される。次いで、燃料電池１１４ａをハウジング１０２内に配置することができる。
【００１９】
図１４及び図１５に、全体を符号１００ｂを付して示している、もう１つの例示的な燃料電池アセンブリを示す。燃料電池アセンブリ１００ｂは、実質的にアセンブリ１００に類似しており、類似する要素は類似の符号によって示されている。しかしながら、ここでは、燃料電池アセンブリ１００ｂは、単一の燃料電池１１４を備えるシングルチャンバアセンブリである。燃料電池１１４は、燃料極１１８と空気極１２０とが互いに向かい合い（又は、ハウジング主壁の一部分と向かい合い）、それによってその間に統合された燃料／酸化剤通路１３５を画定するよう配置されている。燃料、酸化剤、及び反応副生物は、燃料電池アセンブリ１００ｂの外側領域からアセンブリの内側領域に移動し、それらが燃料／酸化剤通路１３５を通って統合された燃料／酸化剤入口１０９から内側領域に達するまでに、アセンブリの内側領域を１回又は複数回循環する。より詳細には、燃料／酸化剤通路１３５は渦巻き形状を有し、個別の燃料通路１３４と酸化剤通路１３６が燃料電池アセンブリ１００内に設けられているものと同じ優れた熱効率を与える。反応副生物及び未使用の反応物は、ハウジング排出口１１２（図１）にまで延在する副生物排出管１２８を通ってハウジング１０２ｂから放出される。統合された燃料／酸化剤供給部１２５は、燃料／酸化剤入口１０９と接続することができる。
【００２０】
アセンブリ１００ｂ内の例示的な燃料電池１１４は、アセンブリ１００内の燃料電池１１４と実質的に同様に製造される。より詳細には、図１６に記載のように、シートがまだ未加工状態のときに、前述のようにして、ほぼ平坦な燃料電池シート１３８の下流端１４２を副生物排出管１２８に固定する。また、焼き付きを防ぐために、犠牲充填材シート１４６もまた設ける。次に、燃料電池シート１３８を、図１４及び図１７Ａに示す渦巻き方向に配置されるまで、副生物排出管１２８のまわりに前述のようにして巻き付ける。次に、燃料電池シート１３８を焼成し、図１４及び図１７Ｂに示す渦巻き方向に配置し、それによって燃料電池１１４を形成する。このとき、犠牲充填材シート１４６は燃焼除去される。次に、燃料電池１１４及び副生物排出管１２８を、ハウジング１０２ｂ内に配置する。
【００２１】
図１〜図１７Ｂに関連して上述した例示的な燃料電池１１４、１１４ａ及び１１６は、その長さ方向の両端、即ち燃料電池が図１に示されている向きにあるときの右端及び左端、が開いている。従って、ハウジング１０２及び１０２ｂは端壁１０６を含み、この端壁によって、燃料通路１３４、混合燃料／酸化剤通路１３５、及び酸化剤通路１３６内に反応物及び副生物が保持される。図１８に示している例示的な燃料電池アセンブリ１００ｃは、燃料電池電解質１２２ｃの一部分から形成されたアセンブリ自体からなる端壁１６０（図１８には１つだけ示している）を備えている。また、電解質１２２ｃと同じ材料から形成されている対応するハウジング１０２ｃも、端壁１６０のわずかな部分を構成している。
【００２２】
より詳細には、図１９Ａ〜図１９Ｃを参照して、燃料電池シート１３８ｃ及び１４０ｃ内の電解質１２２ｃは、シートが図４に示す向きと類似する最終的な向きに配置された後に（図１９Ａ）、当該電解質部分が燃料極１１８及び空気極１２０よりも長軸方向に長く延在するよう構成される。電解質１２２ｃの自由端から燃料極１１８と空気極１２０までの距離は、副生物排出管１２８からの距離と共に増大する。燃料電池シート１３８ｃ及び１４０ｃが未加工状態の間に、余分な電解質材料は、電解質１２２ｃを半径方向に圧縮するか又は副生物排出管１２８（図１９Ｂ）の方に向けて曲げることができる。未加工電解質１２２ｃは、必要に応じて、柔軟性を高めるために溶剤で処理することができる。燃焼（焼成）処理中、燃料電池１１４ｃ及び１１６ｃが形成される際に、電解質１２２ｃの湾曲部分が一体化し端壁１６０となる。
【００２３】
ハウジング１０２ｃの説明に移ると、ハウジングは、副生物排出管１２８にシートを巻き付ける前に燃料電池シート１３８ｃ及び１４０ｃの端部にそれぞれ固定された比較的厚くて長い電解質材料から形成することが好ましい。この材料は、燃料電池シートを副生物排出管１２８に巻き付けた後に、燃料電池シート１３８ｃ及び１４０ｃに巻き付けられる。電解質材料の燃料入口及び酸化剤入口を画定する領域にはあらかじめ穴が成形されるが、燃焼（焼成）後に何らかの機械加工が必要なことがある。図１９Ｃに示すように、最終的にハウジング１０２ｃを形成する電解質材料のわずかな部分は、燃料極１１８及び空気極１２０を越えて長軸方向に延在している。この電解質材料のわずかな部分は、（必要に応じて）溶剤で処理され、半径方向に圧縮されるか、又は電解質１２２ｃの湾曲部分に当たるまで副生物排出管１２８の方に向けて曲げられる。次いで、当該構造物を燃焼（焼成）し、図１８に示す例示的な燃料電池アセンブリ１００ｃが形成される。
【００２４】
図１８及び図１９Ｃに示す方法で燃料電池アセンブリを構成する１つの利点は、ハウジングと反応物マニホルド（ここでは、燃料及び酸化剤通路）が燃料電池自体と同時に形成されるという統合された低コストの製造方法が実現されることである。
【００２５】
前述の例示的な燃料電池アセンブリは、効率をさらに高めるために１つ又は複数の熱交換器を備えることができる。図２０〜図２３に移ると、例示的な一実施形態においては、燃料電池アセンブリ１００と実質的に同一の燃料電池アセンブリ１００ｄは、１対の熱交換器２００を備えている。熱交換器２００は、ハウジング端壁１０６にそれぞれ取り付けられている。例示的な熱交換器２００の各々は、内面に赤外線反射材料からなるコーティングを有する絶縁材料で形成されているハウジング２０２、燃料電池アセンブリ排出口１１２と嵌合するよう適合された入口２０４、燃料電池排出物を収容する内側領域２０６、を備える。あるいはまた、熱交換器ハウジング２０２の外面に絶縁体が配置することができる。例示的な熱交換器２００はまた、「スイスロール（Ｓｗｉｓｓ  ｒｏｌｌ）」構造を有する。１対の渦巻き壁２０８及び２１０が、１対の渦巻き排気経路２１２及び２１４を画定する。燃料電池排出物は、内側領域２０６から、渦巻き状排出経路２１２及び２１４を通り、各熱交換器２００の出口２１６及び２１８まで移動する。排出物が内側領域を渦巻き状に移動するとき、熱は端壁１０６によって燃料電池ハウジング１０２に伝達される。よって、熱交換器２００を含む燃料電池アセンブリの実施形態においては、端壁１０６は、優れた熱伝達特性を有する材料で形成されなければならない。
【００２６】
燃料電池アセンブリハウジングに熱を供給するのに加えて、１つ又は複数の熱交換器を用いて、ハウジングに入る前の反応物を予熱することもできる。例えば図２４〜図２７に示すように、燃料電池アセンブリ１００ｄと実質的に同一の例示的な燃料電池アセンブリ１００ｅは、燃料ヒータ２２０及び酸化剤ヒータ２２２を備えている。燃料ヒータ２２０及び酸化剤ヒータ２２２は、実質的に互いに同一で且つ熱交換器２００と同一である。より詳細には、燃料ヒータ２２０と酸化剤ヒータ２２２は、それぞれ、内面に赤外線反射材料からなるコーティングを有する絶縁材で形成されたハウジング２２４を含むことが好ましい。また、燃料ヒータ２２０と酸化剤ヒータ２２２は、それぞれ、燃料及び酸化剤供給機構と接続するよう適合された入口２２６、出口２２８、並びに前述の内側領域、渦巻き状壁、及び経路を含む。燃料と酸化剤は、内側領域から渦巻き状経路を通って出口２２８まで移動する。燃料と酸化剤が、ヒータ２２０及び２２２の内側領域を渦巻き状に流れるので、燃料電池排気物からの熱は、ハウジング１０２に熱を供給するためにも使用される熱交換器２００を介して、燃料電池アセンブリ１００ｅに入る燃料及び酸化剤に伝達される。そのため、燃料ヒータと酸化剤ヒータを含む燃料電池アセンブリの実施形態では、燃料及び酸化剤ヒータ２２０近傍の熱交換器２００の壁は、優れた熱伝達特性を有する材料で形成されなければならない。
【００２７】
本発明は、前述の燃料電池システムのうちの１つによって少なくともある程度電力を供給される電子装置（例えば、ノートブック型コンピュータ、携帯情報端末、ディジタルカメラ、携帯電話機、ゲーム）、車両、家、キャンプに使用されるような比較的小さい携帯型発電機、商用の比較的大きい携帯型発電機をはじめとする種々様々な電気装置を包含する。図２８に移ると、例示的な装置又はシステム３００は、燃料電池アセンブリ１００と、様々な消費電力の装置３０２、３０４及び３０６を含む。
【００２８】
以上、本発明を好ましい実施形態に関連して説明したが、当業者には、以上述べた好ましい実施形態に対して多くの修正及び／又は追加をなし得ることが明らかであろう。本発明の適用範囲は、そのような全ての修正及び／又は追加に拡張される。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施形態による燃料電池アセンブリの正面図
【図２】図１記載の燃料電池アセンブリの背面図
【図３】図１記載の燃料電池アセンブリを含む燃料電池システムの側面図
【図４】図１の線４−４に沿った断面図
【図５】図４記載の断面の一部分の拡大図
【図６】本発明の一実施形態による副生物排出管の断面図
【図７】本発明による製造方法の各工程を示す側面図
【図８Ａ】本発明による製造方法の各工程を示す側面図
【図８Ｂ】本発明による製造方法の各工程を示す側面図
【図９】本発明の一実施形態による燃料電池アセンブリの断面図
【図１０】図９記載の断面の一部分の拡大図
【図１１】本発明の一実施形態による燃料電池シートの上面図
【図１２】図１１の線１２−１２に沿った断面図
【図１３Ａ】本発明による製造方法の各工程を示す断面図
【図１３Ｂ】本発明による製造方法の各工程を示す側面図
【図１４】本発明の一実施形態による燃料電池アセンブリの断面図
【図１５】図１４記載の断面の一部分の拡大図
【図１６】本発明による製造方法の各工程を示す側面図
【図１７Ａ】本発明による製造方法の各工程を示す側面図
【図１７Ｂ】本発明による製造方法の各工程を示す側面図
【図１８】本発明の一実施形態による燃料電池アセンブリの部分断面図
【図１９Ａ】本発明による製造方法の各工程を示す部分断面図
【図１９Ｂ】本発明による製造方法の各工程を示す部分断面図
【図１９Ｃ】本発明による製造方法の各工程を示す部分断面図
【図２０】本発明の一実施形態による燃料電池アセンブリの正面図
【図２１】図２０記載の燃料電池アセンブリの背面図
【図２２】図２０の線２２−２２に沿った断面図
【図２３】図２０の線２３−２３に沿った断面図
【図２４】本発明の一実施形態による燃料電池アセンブリの正面図
【図２５】図２４記載の燃料電池アセンブリの背面図
【図２６】図２４記載の燃料電池アセンブリの上面図
【図２７】図２４記載の燃料電池アセンブリの下面図
【図２８】本発明の一実施形態によるシステム又は装置の図
【符号の説明】
【００３０】
１０２、１０２ｂ、１０２ｃ  ハウジング
１０８、１０９、１１０  ハウジング入口
１１２  排出口
１１４、１１４ａ、１１４ｃ、１１６、１１６ｃ  燃料電池
１２８、１２８’  副生物排出管
１３４、１３５、１３６  反応物経路
２００  熱交換器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図１９Ｃ】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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