(57)【要約】本発明は、複数の燃料電池および反応物供給部品を含んでなるパワーパックに関する。一実施態様では、パワーパックは、燃料または酸化体の一方を含んでなる反応物用の反応物供給部品、および複数の円筒形燃料電池を含んでなる。反応物供給部品は、これらの複数の燃料電池と整列し、２個以上の燃料電池に反応物を送れる。第二の実施態様では、パワーパックは、燃料を含んでなる反応物用の反応物供給部品、および反応物供給部品に取り付けられた複数の燃料電池を含んでなる。複数の燃料電池の少なくとも２個は、着脱可能に反応物供給部品に取り付けられており、パワーパックは受動的酸化体供給部を含んでなる。
2006507628.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を含んでなる反応物のための反応物供給部品と、
前記反応物供給部品に取り付けられた複数の燃料電池を含んでなり、
受動的酸化体供給手段を含んでなる、パワーパック。
【請求項２】
前記複数の燃料電池の少なくとも２個が、着脱可能に前記反応物供給部品に取り付けられてなる、請求項１に記載のパワーパック。
【請求項３】
前記燃料電池の少なくとも一個が、少なくともフレキシブルグラファイトのガス拡散層を含んでなる、請求項１に記載のパワーパック。
【請求項４】
前記ガス拡散層が、少なくとも一個の有孔区域を含んでなる、請求項３に記載のパワーパック。
【請求項５】
前記ガス拡散層が、少なくとも一個の無孔区域をさらに含んでなる、請求項４に記載のパワーパック。
【請求項６】
前記ガス拡散層と連絡するフローフィールドプレートをさらに含んでなる、請求項３に記載のパワーパック。
【請求項７】
前記フローフィールドプレートの構築材料が重合体状材料を含んでなる、請求項６に記載のパワーパック。
【請求項８】
燃料貯蔵部をさらに含んでなる、請求項１に記載のパワーパック。
【請求項９】
前記燃料貯蔵部が、着脱可能に前記パワーパックに取り付けられたカートリッジを含んでなる、請求項８に記載のパワーパック。
【請求項１０】
前記複数の燃料電池の少なくとも２個が直列に取り付けられている、請求項１に記載のパワーパック。
【請求項１１】
前記反応物供給部品に取り付けられた少なくとも第二の複数の燃料電池をさらに含んでなる、請求項１に記載のパワーパック。
【請求項１２】
前記複数の燃料電池の少なくとも２個が並列に取り付けられている、請求項１に記載のパワーパック。
【請求項１３】
請求項１に記載のパワーパックを含んでなる電気装置であって、前記パワーパックが、前記装置に給電するように前記装置に取り付けられている、電気装置。
【請求項１４】
前記パックが着脱可能に前記装置に取り付けられている、請求項１３に記載の電気装置。
【請求項１５】
前記装置が携帯電話を含んでなる、請求項１３に記載の電気装置。
【請求項１６】
複数の燃料電池を燃料供給部品に取り付け、
前記燃料電池の少なくとも２個に、酸化体を受動的に供給する、
ことを含んでなる、パワーパックの製造方法。
【請求項１７】
前記燃料電池の少なくとも２個を直列に接続することをさらに含んでなる、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記複数の燃料電池と前記供給部品とをチャンバーの中に組み立て、前記チャンバー中に酸化体をポンプで供給する、ことをさらに含んでなる、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記燃料電池の少なくとも２個を前記供給部品を、着脱可能に取り付けることを含んでなる、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記受動供給工程が、燃料電池、供給部品、およびパワーパックのそれぞれが相関するように燃料電池を整列させることにより、少なくとも２個の燃料電離の外側表面に周囲大気から、酸化体が、その少なくとも２個の燃料電池の外側表面に供給される、ことを含んでなる、請求項１６に記載の方法。
【請求項２１】
前記フローフィールドプレートの構築材料がフレキシブルグラファイトを含んでなる、請求項６に記載のパワーパック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、装置に電力を供給するための燃料電池の使用に、特に装置用の燃料電池パワーパックおよびそのパワーパックの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
イオン交換メンブラン燃料電池、より詳しくはプロトン交換メンブラン（ＰＥＭ）燃料電池は、水素と空気中の酸素との電気化学的反応により電気を発生する。燃料電池内では、アノードおよびカソードと呼ばれる電極が重合体電解質を取り囲み、一般的にメンブラン電極組立構造またはＭＥＡと呼ばれるものを形成している。電極は、燃料電池のガス拡散層（またはＧＤＬ）としても機能することが多い。触媒材料が、燃料、例えば水素またはメタノールを刺激して水素イオン（プロトン）および電子に分裂させる。電子は電気エネルギーとして利用される。プロトンは電解質を通して移行し、酸素および電子と結合し、水を形成する。
【０００３】
ＰＥＭ燃料電池は、２個のグラファイトフローフィールドプレート間に挟まれたメンブラン電極組立構造を包含する。従来、メンブラン電極組立構造は、不規則に配向した炭素繊維紙電極（アノードおよびカソード）からなり、触媒材料、特に白金または白金族金属、の薄い層を含み、これらの層は、電極間に配置されたプロトン交換メンブランのいずれかの側に結合した等方性炭素粒子、例えばランプブラック上に設けられている。動作の際、水素はフローフィールドプレートの一方にある通路を通ってアノードに流れ、そこで触媒が、水素の水素原子への、さらにはプロトンと電子への分裂を促進し、プロトンはメンブランを通過し、電子は外部負荷を通って流れる。空気は他方のフローフィールドプレート中にある通路を通ってカソードに流れ、そこで空気中の酸素が酸素原子に分裂し、その酸素原子がプロトン交換メンブランを通してプロトンと結合し、また回路を通して電子と結合し、組み合わされて水を形成する。メンブランは絶縁体なので、電子は外部の回路を通って移動し、そこで電気が使用され、カソードでプロトンと結合する。カソード側の空気流は、水素と酸素の組合せにより形成される水を除去する機構の一つである。その様な燃料電池が燃料電池積重構造中で組み合わされ、所望の電圧を供給する。
【０００４】
フローフィールドプレートは、出入口を備えた連続的な反応物流動通路を有する。入口は、アノードフローフィールドプレートの場合は燃料供給源に、カソードフローフィールドプレートの場合は酸化体供給源に接続されている。燃料電池積重構造中に組み立てられた時、各フローフィールドプレートは集電装置として機能する。
【０００５】
ガス拡散層とも呼ばれることがある電極は、本願明細書中に記載するグラファイトシートを用意し、そのシートに通路を設けることにより形成できるが、それらの通路は、好ましくは平滑な側面を有し、フレキシブルグラファイトシートの平行な対向する表面の間を通り、圧縮された膨脹可能なグラファイトの壁により分離されている。本発明のフレキシブルグラファイトシートが電気化学的燃料電池における電極として機能する場合、イオン交換メンブランと実際に接しているのはフレキシブルグラファイトシートの壁である。
【０００６】
フレキシブルグラファイトシートには、複数の箇所で、機械的な衝撃により通路を形成するのが有利である。例えば、フレキシブルグラファイトシートに通路のパターンを形成する。そのパターンは、通路を通る流体の流れを、所望により制御する、最適化する、または最大にするために工夫することができる。例えば、フレキシブルグラファイトシート中に形成されたパターンにより、上記のように通路を選択的に配置することも、あるいは通路密度または通路形状を変化させ、例えば、使用時や当業者に自明の他の目的のために、電極表面に沿って流体圧力を等化することもできる。
【０００７】
衝撃力は、好ましくは適切に制御された、パターン形成されたローラーを使用して作用させ、グラファイトシート中に孔を効果的に形成する。フレキシブルグラファイトシートに衝撃を与えて通路を形成する際、グラファイトはシート内で移動し、膨脹したグラファイト粒子の平行な向きがかき乱され、変形する。その結果、移動したグラファイトは、隣接する突起の側面およびローラーの平滑な表面により「ダイ−成形」される。これによって、フレキシブルグラファイトシート中の異方性を低下させ、対向する表面を横断する方向でシートの電気的および熱的伝導性を増加することができる。同様の効果は、円錐台形の、および側面が平行で末端が平らな釘形の突起でも達成できる。
【０００８】
グラファイトは、炭素原子の六角形配列または網目の層平面から形成されている。これらの、六角形に配置された炭素原子の層平面は、実質的に平らであり、実質的に互いに平行で等間隔になるように配向または配列されている。実質的に平らで、平行で、等間隔の炭素原子のシートまたは層は、通常、グラフェン層または基底面と呼ばれ、一つに連結または結合されており、それらの群がクリスタライトに配置されている。高度に秩序付けられたグラファイトは、かなりの大きさのクリスタライトからなり、それらのクリスタライトは、相互に高度に整列または配向しており、十分に秩序付けられた炭素層を有する。つまり、高度に秩序付けられたグラファイトは、高度の選択的クリスタライト配向を有する。グラファイトは、異方性構造を有し、従って、方向性が高い多くの特性、例えば熱的および電気的伝導性および流体拡散性、を示すか、または有する。
【０００９】
簡潔に述べると、グラファイトは炭素のラミネート構造、すなわち弱いファンデルワールス力により一つに接合された炭素原子の重なり合った層または薄片からなる構造として特徴付けることができる。グラファイト構造を考える時、２つの軸または方向、すなわち「ｃ」軸または方向および「ａ」軸または方向、を表示する。簡単にするために、「ｃ」軸または方向は炭素層に対して直角の方向と考えることができる。「ａ」軸または方向は炭素層に対して平行の方向または「ｃ」方向に対して直角の方向と考えることができる。フレキシブルなグラファイトシートを製造するのに最も適したグラファイトは、非常に高度の配向を有する。
【００１０】
上記の様に、炭素原子の平行な層を一つに保持している結合力は弱いファンデルワールス力だけである。天然グラファイトを処理し、重なり合った炭素層または薄片間の間隔を十分に広げ、その層に対して直角の方向、すなわち「ｃ」方向に大きく拡張し、膨張した、または膨れあがったグラファイト構造を形成することができ、その際、炭素層の薄層特性は実質的に維持されている。
【００１１】
大きく膨張した、より詳しくは、最終的な厚さ、つまり「ｃ」方向寸法が本来の「ｃ」方向寸法の約８０倍以上にも膨張したグラファイトフレークを、結合剤を使用せずに形成し、膨張したグラファイトの凝集性の、または一体化されたシート、例えばウェブ、紙、細片、テープ、ホイル、マット、等（典型的には「フレキシブルグラファイト」と呼ばれる）を製造することができる。最終的な厚さ、つまり「ｃ」方向寸法が本来の「ｃ」方向寸法の約８０倍以上にも膨張したグラファイト粒子を、一体化されたフレキシブルなシートに、結合剤を使用せずに圧縮により形成することは、大きく膨張したグラファイト粒子間に達成される機械的なかみ合わせ力または凝集性により、可能であると考えられる。
【００１２】
シート材料は、膨張グラファイト粒子およびグラファイト層が、非常に大きな圧縮、例えばロールプレス加工、により得られるシートの対向面に対して実質的に平行に配向しているために、フレキシブルであることに加え、上記の様に、熱的および電気的な伝導性および流体拡散性に関して、出発材料である天然グラファイトに匹敵する高度の異方性を有することも分かっている。この様にして製造されたシート材料は、フレキシブル性に優れ、良好な強度を有し、非常に高度に配向している。
【００１３】
簡潔に述べると、フレキシブルで、結合剤を含まない、異方性のグラファイトシート材料、例えばウェブ、紙、細片、テープ、ホイル、マット、等の製造方法は、予め決められた負荷の下で、結合剤の不存在下で、「ｃ」方向寸法が本来の粒子の約８０倍以上にも膨張したグラファイト粒子を圧縮または圧迫し、実質的に平らで、フレキシブルで、一体化されたグラファイトシートを形成することを含んでなる。膨張したグラファイト粒子は、一般的に外観がウォーム状である、または細長く、圧縮された後、圧縮永久ひずみを維持し、シートの対向する主表面と整列している。シート材料の密度および厚さは、圧縮の程度を制御することにより変えることができる。シート材料の密度は約０．０４ｇ／ｃｃ〜約２．０ｇ／ｃｃである。フレキシブルのグラファイトシート材料は、グラファイト粒子がシートの対向する平行な主要表面に対して平行に整列しているために、かなりの程度の異方性を示し、異方性の程度は、シート材料をロールプレス加工し、密度を増加することにより増加する。ロールプレス加工した異方性シート材料では、厚さ、すなわち、対向する平行なシート表面に対して直角の方向は「ｃ」方向を含んでなり、長さおよび幅に沿った、すなわち対向する主要表面に沿った、または平行な方向は、「ａ」方向を含んでなり、シートの熱的、電気的および流体拡散性は、「ｃ」および「ａ」方向で非常に大きく、数等級異なっている。
【００１４】
グラファイト粒子から物体を製造する方法が提案されている。例えば、Haywardの米国特許第５，８８２，５７０号には、フレキシブルな未含浸グラファイトホイルを小さな粒子径に粉砕し、粒子に熱衝撃を与えて膨脹させ、膨脹したグラファイトを熱硬化性フェノール系樹脂と混合し、混合物を射出成形して低密度ブロックまたは他の形状を形成し、次いでブロックを熱処理して材料を熱硬化させる方法が開示されている。得られたブロックは、炉などの断熱材として使用できる。Haywardの国際特許第ＷＯ００／５４９５３号および米国特許第６，２１７，８００号には、米国特許第５，８８２，５７０号の方法に関連する方法が記載されている。
【００１５】
燃料電池の技術に関して、反応物（例えば水素、酸素、または両方）を複数の円筒形燃料電池に供給し、複数の燃料電池を、電気的装置、例えば携帯電話用の電源として使用するための技術および装置を確立する必要がある。本発明は、この必要性に応えるものである。
【発明の開示】
【００１６】
本発明の態様は、パワーパックを含む。好ましくは、パワーパックの一実施態様は、燃料または酸化体の一方を含んでなる反応物用の反応物供給部品を含んでなる。パワーパックは、複数の円筒形燃料電池をさらに含んでなることができる。好ましくは、反応物供給部品は、これらの複数の燃料電池の２個以上に反応物を送れるように、複数の燃料電池と整列する。
【００１７】
本発明の別の態様は、電力供給源を含む。本発明の電源の実施態様は、燃料供給部品および複数の円筒形燃料電池を含む、着脱可能な電力組立構造を含んでなる。好ましくは、燃料供給部品は、これらの複数の燃料電池の２個以上に燃料を送れるように、複数の燃料電池と整列する。
【００１８】
本発明の別の態様は、電気装置である。電気装置の実施態様は、燃料または酸化体の一方を含んでなる反応物用の反応物供給部品および電源を包含することができる。好ましくは、電源は、複数の円筒形燃料電池を含んでなる。電源は、電源が装置に電力を供給できるように、装置に接続することができる。また、反応物供給部品は、該供給部品が、これらの複数の燃料電池の２個以上に反応物を送れるように、複数の燃料電池と整列することも好ましい。好ましい電気装置の例としては、携帯電話、ポケットベル(pager)、デジタルビデオ装置、パーソナルデジタルアシスタント、または携帯コンピュータの少なくとも一つがある。
【００１９】
さらに、本発明の態様は、パワーパックのもう一つの実施態様を包含する。この実施態様においては、本発明のパワーパックは、燃料または酸化体の一方を含んでなる反応物用の反応物供給部品を含んでなる。パワーパックは、反応物供給部品に取り付けた複数の燃料電池をさらに含んでなる。好ましくは、複数の燃料電池の少なくとも２個は、反応物供給部品に着脱可能に取り付けてある。
【００２０】
本発明の実施により多くの利点を実現することができる。本発明の利点の一つは、燃料電池を携帯用電気装置ならびに固定型電気装置に使用できることである。これらの利点は、着脱可能な燃料電池パワーパックを装置、好ましくは携帯用装置の中に取り込む能力を含む。これらの利点は、個々の燃料電池の一個以上を取り外すことができる燃料電池パワーパックを有する能力をさらに含む。パワーパックまたはパワーパックの個々の燃料電池を取り外すことの利点は、故障した、または消耗したパワーパックまたは燃料電池を交換する能力を含む。この交換能力により、そのような装置に燃料電池を使用する便利さが向上し、燃料電池が、電源としてコスト的により効果的な技術にもなる。
【００２１】
他の利点としては、反応物、例えば燃料または酸化体、を複数の円筒形燃料電池に送れる能力が含まれ、その際、燃料電池は並列、直列、またはそれらの組合せに配置される。本発明の別の利点は、パワーパックの内側に燃料または酸化体を貯蔵する新規な技術である。
【００２２】
本発明のパワーパックは、競合する電力技術、例えばアルカリバッテリーと比較して、パワーパックの重量および体積に対して有利な電力密度を有するように形成することができる。本発明のパワーパックのもう一つの優位性は、本発明のパックを小さな空間に適合するように形成できることである。さらに、本発明は、パワーパックの電圧出力を押し上げる(boast)ことにも使用できる。
【００２３】
本発明の別の利点は、複数の燃料電池の中の特定の燃料電池を取り外し、その取り外した燃料電池の代わりにダミー燃料電池を使用することなく、パワーパックを作動させることができることである。好ましくは、取り外した燃料電池の位置に供給部品から反応物が供給されるのを阻止するために、密封部品を使用する。密封部品は、プラグ、パッチ、カバー、または他の、開口部中への流れを阻止するための好適な部品を含んでなることができる。
【００２４】
本発明のパワーパックは、複数の燃料電池の各燃料電池の周りに開いた空間を有する利点も含む。カソードとして外側表面を含む燃料電池の場合、開いた空間は、いずれかの特定の燃料電池に対する酸化体、例えば空気、の供給源として機能し得る。
【００２５】
本発明のもう一つの優位性は、本発明を直接メタノール燃料（「ＤＭＦ」）方式に応用できることである。ＤＭＦ方式は、リホーマを使用せずにアルコール（例えばメタノール、エタノール、プロパン、等）を燃料として使用できるので好ましい。
【００２６】
本発明の他の特徴および優位性は、以下に述べる詳細な説明、特許請求の範囲、および添付図面に記載する。
【００２７】
上記の一般的な説明および下記の詳細説明のいずれも、本発明の実施態様に関するものであり、特許請求する本発明の性質および正確を理解するための全体像または骨格を与えるものである。添付図面は、本発明をより深く理解するために与えられ、明細書の一部を構成する。これらの図面は、本発明の様々な実施態様を例示し、説明と共に、本発明の原理および操作を説明するのに役立つ。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
グラファイトは、平らな層状平面で共有結合した原子を含んでなり、平面間で弱く結合した結晶形態の炭素である。グラファイトの粒子、例えば天然グラファイトフレーク、を、例えば硫酸および硝酸の溶液のインターカレート(intercalant)で処理することにより、グラファイトの結晶構造が反応し、グラファイトとインターカレートの化合物を形成する。処理したグラファイト粒子を、以下、「インターカレーション処理されたグラファイトの粒子」と呼ぶ。高温にさらすことにより、インターカレーション処理されたグラファイトの粒子が、「ｃ」方向で、すなわちグラファイトの結晶平面に対して直角の方向で、アコーディオン状に、その本来の体積の約８０倍以上もの寸法で膨張する。剥離されたグラファイト粒子は、細長い外観を呈するので、一般的にウォームと呼ばれる。これらのウォームを一緒に圧迫し、フレキシブルなシートを形成することができるが、これらのシートは、本来のグラファイトフレークと異なり、様々な形状に成形および裁断し、機械的な衝撃で変形させることにより、小さな横方向開口部を形成することができる。
【００２９】
本発明で使用するのに好適なフレキシブルシート用のグラファイト出発材料は、有機および無機酸ならびにハロゲンでインターカレーション処理し、次いで加熱した時に膨脹することができるグラファイト化度の高い炭素質材料である。これらのグラファイト化度の高い炭素質材料は、最も好ましくは約１．０のグラファイト化度を有する。本発明で使用する用語「グラファイト化度」は、式
【数１】
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に従う値を意味する。ここでｄ（００２）は、オングストローム単位で測定した結晶構造中にある炭素のグラファイト層間における間隔である。グラファイト層間の間隔ｄは標準的なＸ線回折技術により測定される。（００２）、（００４）および（００６）ミラー指数に対応する回折ピークの位置を測定し、標準的な最小二乗法を使用し、これらのピークすべてに対する総誤差を最小にする間隔を導く。グラファイト化度の高い炭素質材料の例としては、様々な供給源から得られる天然グラファイト、ならびに他の炭素質材料、例えば化学蒸着、等により製造された炭素、がある。天然グラファイトが最も好ましい。
【００３０】
本発明で使用するフレキシブルシート用のグラファイト出発材料は、出発材料の結晶構造が必要なグラファイト化度を維持し、剥離可能である限り、非炭素成分を含むことができる。一般的に、結晶構造が必要なグラファイト化度を有し、剥離可能である炭素含有材料はすべて、本発明で使用するのに好適である。その様なグラファイトは、好ましくは灰分が２０重量％未満である。より好ましくは、本発明で使用するグラファイトは、純度が少なくとも約９４％である。最も好ましい実施態様では、使用するグラファイトの純度が少なくとも約９９％である。
【００３１】
グラファイトシート、例えばホイルをフレキシブルグラファイトから製造する一般的な方法は、Shaneらの米国特許第３，４０４，０６１号に記載されている（この開示は本願明細書に参考として包含される）。Shaneらの方法の典型的な実施では、例えば硝酸および硫酸の混合物の酸化体を、好ましくはグラファイトフレーク１００重量部あたりインターカレート溶液約２０〜約３００重量部（ｐｐｈ）のレベルで含む溶液中にフレークを分散させることにより、天然グラファイトフレークをインターカレーション処理する。インターカレーション溶液は、少なくとも一種の酸化剤および一種以上のインターカレーション剤を含むことができる。インターカレーション溶液の例としては、酸化剤および酸化性混合物を含む溶液、例えば硝酸、塩素酸カリウム、クロム酸、過マンガン酸カリウム、クロム酸カリウム、二クロム酸カリウム、過塩素酸酸、等、または混合物、例えば、濃硝酸と塩素酸塩、クロム酸とリン酸、硫酸と硝酸、または強有機酸の混合物、例えばトリフルオロ酢酸、および有機酸に可溶な強酸化剤、を含む溶液が挙げられる。あるいは、電位を利用してグラファイトの酸化を引き起こすこともできる。電解酸化を利用してグラファイト結晶中に導入することができる化学種は、硫酸ならびに他の酸を含む。
【００３２】
好ましい実施態様では、インターカレーション剤は、硫酸、または硫酸およびリン酸、と酸化剤、例えば硝酸、過塩素酸酸、クロム酸、過マンガン酸カリウム、過酸化水素、ヨウ素酸または過ヨウ素酸、等、との混合物の溶液である。あまり好ましくはないが、インターカレーション溶液は、金属ハロゲン化物、例えば塩化第二鉄、および硫酸と混合した塩化第二鉄、またはハロゲン化物、例えば臭素と硫酸の溶液として、または臭素の有機溶剤溶液として、臭素を含むこともできる。
【００３３】
フレークをインターカレーション処理した後、過剰の溶液はすべてフレークから排出し、フレークを水洗する。インターカレーション処理したグラファイトの洗浄した粒子は、「残留化合物」と呼ばれることがある。排出した後にフレーク上に保持されるインターカレーション溶液の量は、グラファイトフレーク約１００重量部あたり溶液約２０〜約１５０重量部（ｐｐｈ）、より好ましくは約５０〜約１２０ｐｐｈである。あるいは、インターカレーション溶液の量を、グラファイト１００重量部あたり溶液約１０〜約５０重量部（ｐｐｈ）に制限することができ、これによって、米国特許第４，８９５，７１３号（この開示は本願明細書に参考として包含される）に開示されている様に、洗浄工程を無くすことができる。
【００３４】
インターカレーション溶液で処理したグラファイトフレークの粒子は、所望により、例えば混合により、アルコール、糖、アルデヒドおよびエステルから選択された、温度２５℃〜１２５℃で酸化性インターカレーション溶液の表面被膜と反応し得る還元剤と接触させることができる。好適な、具体的な有機試剤としては、ヘキサデカノール、オクタデカノール、１−オクタノール、２−オクタノール、デシルアルコール、１，１０デカンジオール、デシルアルデヒド、１−プロパノール、１，３−プロパンジオール、エチレングリコール、ポリプロピレングリコール、デキストロース、フルクトース、ラクトース、スクロース、ジャガイモデンプン、エチレングリコールモノステアレート、ジエチレングリコールジベンゾエート、プロピレングリコールモノステアレート、グリセロールモノステアレート、ジメチルオキシレート、ジエチルオキシレート、メチルホルメート、エチルホルメート、アスコルビン酸およびリグニンに由来する化合物、例えばリグノ硫酸ナトリウムがある。有機還元剤の量は、グラファイトフレーク粒子の約０．５〜４重量％であるのが好適である。
【００３５】
インターカレーションの前、最中または直後に膨脹助剤を使用することによっても改良することができる。これらの改良には、剥離温度の低下および膨脹体積（「ウォーム体積」とも呼ばれる）の増加が含まれる。本明細書における膨脹助剤は、膨脹の改良を達成できるように、インターカレーション溶液に十分に可溶な有機材料が有利である。より詳しくは、好ましくは炭素、水素および酸素だけを含む、この種の有機材料を使用するとよい。カルボン酸が特に効果的であることが分かっている。膨脹助剤として有用な、好適なカルボン酸は、少なくとも一個の炭素原子、好ましくは約１５個までの炭素原子を有し、インターカレーション溶液中に、剥離の一つ以上の特徴を大きく改善するのに有効な量で溶解し得る、芳香族、脂肪族または環状脂肪族、直鎖状または分岐鎖状の、飽和および不飽和モノカルボン酸、ジカルボン酸およびポリカルボン酸から選択される。有機膨脹助剤のインターカレーション溶液に対する溶解度を改良するために、好適な有機溶剤を使用することができる。
【００３６】
飽和脂肪族カルボン酸の代表例は、例えば式Ｈ（ＣＨ２）ｎＣＯＯＨ（ｎは０〜約５の数である）を有する酸であり、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸、ペンタン酸、ヘキサン酸、等を包含する。カルボン酸の代わりに、酸無水物または反応性カルボン酸誘導体、例えばアルキルエステル、も使用できる。アルキルエステルの代表例は、ギ酸メチルおよびギ酸エチルである。硫酸、硝酸および他の公知の水性インターカレートは、ギ酸を最終的に水および二酸化炭素に分解する能力を有する。このため、ギ酸および他の敏感な膨脹助剤をグラファイトフレークと接触させた後で、水性インターカレートにフレークを浸漬するのが有利である。ジカルボン酸の代表例は、２〜１２個の炭素原子を有する脂肪族ジカルボン酸、特にシュウ酸、フマル酸、マロン酸、マレイン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、１，５−ペンタンジカルボン酸、１，６−ヘキサンジカルボン酸、１，１０−デカンジカルボン酸、シクロヘキサン−１，４−ジカルボン酸および芳香族ジカルボン酸、例えばフタル酸またはテレフタル酸である。アルキルエステルの代表例は、シュウ酸ジメチルおよびシュウ酸ジエチルである。環状脂肪族酸の代表例は、シクロヘキサンカルボン酸であり、芳香族カルボン酸の代表例は、安息香酸、ナフトエ酸、アントラニル酸、ｐ−アミノ安息香酸、サリチル酸、ｏ−、ｍ−およびｐ−トリル酸、メトキシおよびエトキシ安息香酸、アセトアセタミド安息香酸およびアセトアミド安息香酸、フェニル酢酸およびナフトエ酸である。ヒドロキシ芳香族酸の代表例は、ヒドロキシ安息香酸、３−ヒドロキシ−１−ナフトエ酸、３−ヒドロキシ−２−ナフトエ酸、４−ヒドロキシ−２−ナフトエ酸、５−ヒドロキシ−１−ナフトエ酸、５−ヒドロキシ−２−ナフトエ酸、６−ヒドロキシ−２−ナフトエ酸および７−ヒドロキシ−２−ナフトエ酸である。ポリカルボン酸の中ではクエン酸が特記される。
【００３７】
インターカレーション溶液は、水性であり、剥離を強化するのに有効な量、好ましくは約１〜１０％の膨脹助剤を含む。膨脹助剤をグラファイトフレークと、インターカレーション水溶液中に浸漬する前または後に接触させる実施態様では、膨脹助剤をグラファイトと、典型的にはグラファイトフレークの約０．２〜約１０重量％の量で、好適な手段、例えばＶ−ブレンダーにより、混合することができる。
【００３８】
グラファイトフレークをインターカレーション処理してインターカレート被覆した、インターカレーション処理したグラファイトフレークを有機還元剤と混合した後、その混合物を温度２５〜１２５℃にさらし、還元剤とインターカレート被覆の反応を促進する。加熱期間は約２０時間までであり、上記範囲中の高い温度では、より短く、例えば少なくとも約１０分間である。高い温度では、１時間半以下、例えば１０〜２５分間のオーダーの時間でよい。
【００３９】
高温、例えば少なくとも約１６０℃、特に約７００℃〜約１２００℃以上の温度で処理することにより、インターカレーション処理されたグラファイトの粒子は、ｃ−方向で、すなわち構成するグラファイト粒子の結晶面に対して直角の方向で、アコーディオン状に、その本来の体積の約８０〜１０００倍以上にも膨張する。膨脹した、すなわち剥離されたグラファイト粒子は、細長い外観を呈するので、一般的にウォームと呼ばれる。これらのウォームを一緒に圧縮し、フレキシブルなシートを形成することができるが、これらのシートは、本来のグラファイトフレークと異なり、様々な形状に成形および裁断し、以下に説明する様に、機械的衝撃を加えて変形させることにより、小さな横方向開口部を形成することができる。
【００４０】
フレキシブルグラファイトシートおよびホイルは、凝集性であり、良好な取扱強度を有し、例えばロールプレス加工により、厚さ約０．００３〜約０．１５インチおよび密度約０．１〜１．５グラム／立方センチメートルに効果的に圧縮される。米国特許第５，９０２，７６２号（この開示は本願明細書に参考として包含される）に開示されている様に、約１．５〜３０重量％のセラミック添加剤をインターカレーション加工したグラファイトフレークと混合し、最終的なフレキシブルグラファイト製品の樹脂含浸性を高めることができる。これらの添加剤は、長さ約０．１５〜１．５ミリメートルのセラミック繊維粒子を含む。粒子の幅は約０．０４〜０．００４ｍｍが好適である。セラミック繊維粒子は、グラファイトに対して非反応性で非粘着性であり、約１１００℃までの、好ましくは約１４００℃以上の温度で安定している。好適なセラミック繊維粒子は、細断した石英ガラス繊維、炭素およびグラファイト繊維、ジルコニア、窒化ホウ素、炭化ケイ素およびマグネシア繊維、天然鉱物繊維、例えばメタケイ酸カルシウム繊維、ケイ酸カルシウムアルミニウム繊維、酸化アルミニウム繊維、等から形成される。
【００４１】
フレキシブルグラファイトシートは、場合により、樹脂で処理するのが有利であり、吸収された樹脂は、硬化後、フレキシブルグラファイトシートの耐湿性および取扱強度、すなわち剛性、を高めると共に、シートの形状を「固定する」。好適な樹脂含有量は、好ましくは少なくとも５〜約９０重量％、より好ましくは約１０〜３５重量％であり、約６０重量％までが好適である。本発明の実施に特に有用であることが分かっている樹脂としては、アクリル、エポキシおよびフェノールを基剤とする樹脂系、ポリテトラフルオロエチレン、ポリ二フッ化ビニル、またはそれらの混合物がある。好適なエポキシ樹脂系には、ジグリシジルエーテルまたはビスフェノールＡ（ＤＧＥＢＡ）を基剤とする系、および他の多官能性樹脂系があり、使用できるフェノール系樹脂としては、レゾールおよびノボラックフェノール系がある。他の好適な種類の樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン、およびポリ二フッ化ビニルがある。
【００４２】
上記のように製造したグラファイトシートを切断し、トリミングして所望の物体を形成する。本発明の方法は、トリミングした部分を包含する上記のグラファイトシートを使用することができる。より詳しくは、本発明の方法は、以下に記載するように完成までの様々な段階でトリミングした部分を包含する上記のグラファイトシートを使用することができる。
【００４３】
フレキシブルグラファイトは、上記の発明で燃料電池の一個以上の部品を形成するのに好ましい構築材料の一種である。そのような部品の例としては、フローフィールドプレート、ガス拡散層、ガス拡散基材、電極、およびそれらの組合せがある。本発明は、円筒形燃料電池ならびに平型燃料電池にも等しく適用できる。円筒形燃料電池に関しては、２００２年６月２８日提出の米国特許出願第１０／１８４，８１５号および第１０／１８４，８１７号（この開示は本願明細書に参考として包含される）にさらに説明されている。平型燃料電池に関しては、米国特許第６，４１３，６３３号および第６，４１３，６７１号（この開示は本願明細書に参考として包含される）の明細書にさらに説明されている。上記の特許出願および特許は、少なくともそれぞれの燃料電池の部品、各型の燃料電池をどのように構築するか、および各型の燃料電池がどのように作動するか、に関してさらに説明するために、本願明細書に包含される。
【００４４】
本発明を添付の図面に関連させてさらに説明する。これらの図面の説明では、同様の、または類似の部品を説明する時に、類似の番号を様々な図面で使用する。
【００４５】
好ましい電気装置用のパワーパックを図１に全体的に１０で示す。パワーパックに関する他の用語としては、電力供給源、電源、または電力供給パッケージがある。好ましくは、パワーパック１０は、燃料または酸化体の一方を含んでなる反応物用の供給部品１２を包含する。図に示す様に、供給部品１２は、複数の反応物ポート１３をを包含する。作動の際、反応物は、反応物入口ポート（図には示していない）を通して供給部品１２に入り、一個以上のポート１３を通って供給部品１２から外に出る。
【００４６】
反応物に関して、燃料は、プロトンおよび電子に転化され得るすべての化合物でよく、プロトンはメンブランを通過することができる。好適な燃料の例としては、水素、炭化水素、例えばアルコール（メタノール、エタノール、等）、アンモニア、アンモニウム含有化合物、およびそれらの組合せがある。好適な酸化体の例としては、空気、酸素、およびそれらの組合せがある。
【００４７】
供給部品１２は、反応物を送達するのに好適なすべての材料、好ましくは反応物と反応しない材料、を含んでなることができる。望ましい特定の機能的特徴に応じて、供給部品１２は、実質的に導電性の材料または実質的に非導電性の材料から構成することができる。しかし、供給部品１２の構築材料は、反応物に対して化学的に不活性であるのが最も好ましい。重合体状材料は、好適な構築材料の一例である。重合体状材料とは、ここではプラスチック、熱可塑性エラストマー、およびゴムの少なくとも一種を含んでなる材料を説明するのに使用する。供給部品１２を構築するのに好適な材料の他の例としては、シリカ、石英、天然グラファイト、合成グラファイト、炭素、金属、合金、およびそれらの組合せがある。
【００４８】
図１に示すように、パワーパック１０は、燃料貯蔵部１５を包含する。供給部品１２は、燃料が貯蔵部１５から供給部品１２の中に流れ込むように貯蔵部１５に取り付ける。好ましくは、貯蔵部１５は、取り外しできるようにパック１０に取り付ける。図に示す貯蔵部１５はパワーパック１０の一部であるが、本発明は、パック１０の一部である貯蔵部１５に限定されない。あるいは、貯蔵部１５は、パック１０の外にあってもよい。別の実施態様では、貯蔵部１５は円筒形燃料電池１４の中央開口部の中に収容される。貯蔵部１５は、閉鎖末端およびスプリングを有する燃料電池を使用することにより開口部の中に収容することができる。貯蔵部１５を供給部品１２に接続するのに、分路または他の種類の管路を使用することができる。貯蔵部１５は、反応物をガスまたは液体の形態で貯蔵するのに適している。貯蔵部１５を構築するのに好適な材料は、少なくとも供給部品１２と同じ材料を包含する。
【００４９】
パワーパック１０を反応物貯蔵部と共に包含する電気装置の場合、装置用の電力制御装置を使用し、反応物をパワーパック１０の供給部品１２に供給するためのバルブをトリガすることができる。例えば、貯蔵部は、装置用の電力が供給された時にスイッチが開くマイクロポンプまたは他の種類のマイクロ−エレクトロ機構（「ＭＥＭＳ」）部品を包含することができる。
【００５０】
好ましくは、パワーパック１０は、複数の円筒形燃料電池１４を包含することもできる。反応物供給部品１２は、供給部品１２が反応物を複数の電池１４の２個以上に送達できるように、複数の電池１４と整列することができる。供給部品１２は、マニホルドの形態にあり、反応物を燃料電池１４の各１個に、または複数の燃料電池のいずれかの組合せに供給することができる。
【００５１】
好ましくは、複数の電池１４の少なくとも一個は、プロトン交換メンブラン燃料電池を含んでなる。より好ましくは、複数の中の少なくとも約半分がプロトン交換メンブラン燃料電池を含んでなる。複数の燃料電池の少なくとも一個が、ＰＥＭ燃料電池の触媒と連絡するグラファイト部品、より詳しくは、主としてグラファイトから形成されたＧＤＬを含んでなるのも好ましい。好ましくは、触媒は、一種以上の遷移金属を含んでなる。より好ましくは、触媒は、白金族、すなわち白金、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、イリジウム、モリブデン、およびそれらの組合せの少なくとも一種の元素を含んでなる。触媒は、ＭＥＡの形態にあっても、またはメンブランから分離しているが、なおメンブランと接触している形態にあってよい。好ましい一実施態様では、触媒層はＧＤＬの一体的な部品であり、触媒層はＧＤＬの、メンブランに面した表面上にある。好ましくは、グラファイト部品は、グラファイト部品の第一表面からグラファイト部品の第二表面に伸びる複数の横方向通路をさらに含んでなる。所望により、通路の少なくとも一個は、第一表面から第二表面に斜めに走っている。
【００５２】
燃料電池１４は、供給部品１２から取り外しできるように取り付けることができる。一実施態様では、供給部品１２のポート１３は、燃料電池１４の一端を解除できるように保持する押し込みソケットを含んでなる。別の実施態様では、電池１４は、ポート１３の中に解除できるように保持される、テーパーの付いた末端を有する。別の実施態様では、燃料電池１４は、スプリングまたは分路を使用することにより、解除できるように供給部品１２と整列させることができる。
【００５３】
所望により、パワーパック１０は、反応物を供給部品１２に供給するためのポンプ１６（図５）をさらに含んでなることができる。さらに、ポンプ１６は、反応物の貯蔵部と流体連絡することができる。ポンプ１６の別の実施態様は、反応物を輸送するための毛細管機構を含んでなることができる。他の所望により使用する特徴は、燃料電池１４の少なくとも一個を供給部品１２に取り外しできるように取り付けられることである。燃料電池１４のすべてを供給部品１２に取り外しできるように取り付けられるのが好ましい。パワーパック１０は、排出ライン１８およびパワーパック１０から反応副生成物を除去するための一個以上の排出ポート１９をさらに含んでなることができる。さらに、パワーパック１０は、燃料が反応物供給部品１２を通して送達される場合には酸化体を、酸化体が反応物供給部品１２を通して送達される場合には燃料を、送達するための第二の反応物供給部品を包含することができる。好ましくは、第二の反応物送達ラインは、酸化体をそれぞれの個別燃料電池１４に送達し、これは、「能動的」パワーパック１０と呼ぶことができる。さらに、パワーパック１０は、排出ライン１８に沿って、または排出ライン１８の代わりに、反応物再循環ラインを包含することができる。パワーパック１０自体に関して、パック１０は、電気装置に取り外しできるように取り付けられるか、または装置の一体的な部品でよい。さらに、ライン１８を包含する代わりに、燃料電池１４は「行き止まり」でもよい、つまり燃料電池１４の燃料出口が閉鎖されていてもよい。
【００５４】
図７および８に示すように、燃料電池１４は、並列、直列、またはそれらのいずれかの組合せで互いに接続することができる。図７には、全体的に７０で示す、並列に接続されている複数（例示のために約８個）の燃料電池１４を示す。燃料電池１４は、部品７２により並列に接続されている。一実施態様では、部品７２は、導電性材料、例えば金属ワイヤまたはフレキシブルグラファイトの小片、例えばＯＨ、LakewoodのGraftech Inc.から市販のGRAFOIL（登録商標）フレキシブルグラファイトシート、を含んでなり、これが隣接する燃料電池１４、例えば１４ａおよび１４ｂ、の表面と接触している。この実施態様では、好ましくは並列に接続された各燃料電池の外側が導電性である。第二の実施態様では、部品７２は互いに接触している隣接する燃料電池１４の外側表面の一部を含んでなり、上記の金属ワイヤを使用していない。
【００５５】
図８に示すのは、全体的に８０で示す直列に接続された複数（約８個）の燃料電池１４である。複数の燃料電池１４は導電性部品８２、例えば金属ワイヤまたはGRAFOIL（登録商標）材料で直列に接続されている。好ましくは、部品８２は、複数の中の１個の燃料電池１４のアノードおよび複数の中の第二の燃料電池１４のカソードに、またはその逆に接続されている。直列接続構造８０は、隣接する燃料電池１４の外側表面間に絶縁体８４も包含する。
【００５６】
供給部品１１２のもう一つの例を図２に示す。図２の供給部品１１２は、実質的に円筒形の物体を含んでなる。この物体の周囲は、いずれかの好適な形状、例えば円形、正方形、長方形、等を有することができる。好ましくは、供給部品１１２は、少なくとも２個以上の反応物ポート１１３を包含する。これらの反応物ポートは、供給部品１１２の外側表面に沿って一様に、または不規則に配列することができる。図に示す様に、供給部品１１２は、２列の反応物ポート１１３を包含する。供給部品１１２は、反応物ポート列は特定の数に限定されない。好ましくは、供給部品１１２は、反応物を供給部品１１２全体にわたって配分するための中央通路（図には示していない）をさらに包含する。ポート１１３が、燃料電池を受け入れる形状を有するのも好ましい。好ましくは、燃料電池は供給部品１１２から放射状に外に伸びる。
【００５７】
図３および４に示すように、燃料電池１４は、供給部品１１２から放射状に伸びることができる。図３は、供給部品１１２から一方向に伸びている一列の燃料電池１４を示す。図４では、二列の燃料電池１４が示されている。図４における各列の燃料電池１４は、供給部品１１２から離れるように異なった方向に伸びている。
【００５８】
一実施態様では、燃料が供給部品１１２から、中央開口または中央輪状開口部を通って各個別の燃料電池１４中に流れ込む。ここに記載する燃料の流れは、図３の矢印Ｆにより表す。図３に例示するように、酸化体、例えば空気、は長い外側開口部１１６または複数の長い外側開口部１１６を通って電池１４に入ることができる。図３に示す実施態様では、外側はガス拡散層でよい。空気は電池１４に、一つ以上の方向で同時に入ることができる。図３に示すように、空気は電池１４に、二つ以上の方向（矢印Ａ参照）、より好ましくはすべての方向から入る。
【００５９】
図３は、受動的パワーパックの実施態様と呼ぶこともできる。受動的パワーパックでは、空気はパワーパックハウジングの内側に供給されるが、燃料電池の特定の部分に直接供給されるのではない。受動的パワーパックでは、空気を特定の燃料電池１４のカソード側と接触させるためのポンプまたはマニホルド機構を使用せずに、空気は流れ込み、特定燃料電池１４と接触する。受動的燃料電池の一実施態様では、個々の燃料電池のカソード側が周囲の空気に露出されている。しかし、受動的機構は、パワーパック用ハウジングの内側キャビティの中に酸化体を吸い込むためのファンを包含することができる。また、受動的パワーパックの酸化体は空気に限定されるものでもない。
【００６０】
本発明のパワーパックのさらなる実施態様を図５および６に全体的に５００として示す。パック５００は、供給部品５１２および複数の燃料電池５１４を包含する。図に示す様に、供給部品５１２は、好ましくは非導電性材料から形成されたチューブを含んでなる。チューブ５１２は、複数の開口部（５１７）を包含する。好ましくは、チューブ５１２の少なくとも一個の開口部は、燃料電池５１４の一つに反応物を送達するように整列している。より好ましくは、各燃料電池１４は、それぞれの燃料電池に反応物を送達するように整列した、少なくとも一個のチューブ５１２のそれぞれの開口部を有する。別の実施態様では、チューブ５１２中に２個以上の開口部を使用し、燃料を特定の燃料電池５１４に送達することができる。
【００６１】
図６に示す各燃料電池５１４に関して、各燃料電池は少なくとも一対の、好ましくは放射状に対向する、チューブ５１２を受け入れるための開口部５２０を燃料電池５１４の一端に有するのが好ましい。燃料電池５１４は、第二の対の、好ましくは放射状に対向する、排出ライン５２８を受け入れるための開口部５２４を燃料電池５１４の第二末端に有するのがさらに好ましい。チューブ５１２と同様に、排出ライン５２８は、複数の燃料電池５１４の各燃料電池５１４から一種以上の副生成物を受け取るように整列した、一個以上のそれぞれの開口部を含むのが好ましい。排出ライン５２８は、供給部品５１２と同じ材料から構築することができる。
【００６２】
図１９に示すように、パワーパック１９００は、ポンプ１６に加えて、バッテリー１９０２（例えばリチウムイオンバッテリーまたはアルカリバッテリー）、コンデンサー１９０４、またはＤＣ−ＤＣ変換器１９０６を包含することができる。バッテリー１９０２およびコンデンサー１９０４は、電気装置に初期電力を与えるのに使用でき、バッテリー１９０２およびコンデンサー１９０４は、問題とする電気装置が操作のスタンバイモードにある時に、バックアップ電力または電力を与えるのに使用できる。ＤＣ−ＤＣ変換器１９０６は、パワーパック１９００が関連する電気装置のための十分な電力を発生していない場合に、パワーパック１９００を使用して電力出力を押し上げる(boast)ことができる。例えば、パワーパック１９００が１ボルトの電力しか発生できない場合、ＤＣ−ＤＣ変換器を使用して電力出力を少なくとも約３．７ボルト増加することができよう。
【００６３】
図１９は、反応物貯蔵部１９１０をパワーパック１９００から分離できることも示している。図に示す様に、反応物貯蔵部は、取り外しできるようにポンプ１６に接続できるカートリッジ１９１０を含んでなる。カートリッジ１９１０は、ここに記載する手段のいずれかにより、パワーパック１９００に取り付けることができる。
【００６４】
上記のように、本発明は、平型燃料電池にも適用できる。複数の平型燃料電池に好適な供給部品の一例を図９に、全体的に９１２で示す。供給部品９１２は、平型燃料電池を受け入れるための複数の開口部９１３を包含する。部品９１２は、開口部１１３（長円形）に対する開口部９１３の形状（長方形）を除いて、部品１１２に類似している。各１１２および９１２の構築材料は同一でよい。
【００６５】
図１０および１１に示すのは、図３および４に示すのと同じ様式で供給部品９１２と連絡している平型燃料電池である。図１０および１１における供給部品は、複数の燃料電池を受け入れる開口部が、図９に示す開口部と類似しており、図２に示す開口部のようではないという点で、図３および４における供給部品１１２とは異なっている。図３および４における複数の燃料電池のための開口部は、図２に示す開口部と似ているのに対し、図９に示す開口部とは似ていない。供給部品１１２の他の特徴はすべて、供給部品９１２の特徴と同一であるか、または類似している。
【００６６】
本発明のパワーパックの別の実施態様は、燃料または酸化体の一方を含んでなる反応物のための反応物供給部品を包含する。この実施態様は、反応物供給部品に取り付けた複数の燃料電池をさらに包含し、その際、複数の中の少なくとも２個は反応物供給部品に取り外しできるように取り付ける。複数の燃料電池は、円筒形燃料電池、平型燃料電池、またはそれらのいずれかの組合せを含むことができる。
【００６７】
好ましくは、本発明のパワーパックの別の実施態様で、反応物供給部品は、図１２に全体的に１２００で示すような、約２個以上のフローフィールドプレート１２０２および非導電性結合器１２０４を含んでなる。好ましくは、結合器１２０４は、フローフィールドプレート１２０２を流体連絡する状態に維持する。好ましくは、反応物はフローフィールドプレート１２０２の一つに供給され、その反応物は、結合器１２０４により一つに接続されたフローフィールドプレート１２０２のそれぞれの間を流れることができる。好ましくは、プレート１２０２は、取り外しできるように結合器１２０４に取り付けられる。結合器１２０４の構築材料の一例は、非導電性重合体である。結合器１２０４は、圧縮、接着剤、ネジ接合、または他の公知の技術により、ブレード１２０２に接続することができる。作動の際、反応物はフローフィールドプレート１２０２の一つに供給される。反応物は、フローフィールドプレート１２０２の通路１２０６を満たし、結合器１２０４を通って隣接するフローフィールドプレート１２０２に流れるか、または反応物は、それぞれのフローフィールドプレートに関連する燃料電池の中に流れ込むことができる。好ましくは、各フローフィールドプレートは、それぞれの燃料電池に対して垂直または水平に整列する（例えば図１３参照）。燃料電池をそれぞれのフローフィールドプレート１２０２に、圧縮または他の上記の技術により、取り外しできるように取り付けることも好ましい。図１２に示すように、２個のフローフィールドプレート１２０２は実質的に直列に接続される。
【００６８】
並列に接続された２個以上の燃料電池を図１３に全体的に１３００で示す。パワーパック１３００は、中央通路１３１８、および中央通路１３１８から外に伸びる複数の放射状通路１３２０を有するフローフィールドプレート１３１２を包含する。パワーパック１３００は、フローフィールドプレート１３１２から放射状に伸びる４個の燃料電池１３０２、１３０６、１３０８、および１３１０をさらに包含する。燃料電池１３０２、１３０６、１３０８、および１３１０のそれぞれ１個は、放射状通路１３２０の一個以上から反応物を受け取るように整列している。好ましくは、各燃料電池は、ＧＤＬおよびＧＤＬに付加した触媒を含んでなる電極（１３３０）を包含する。メンブラン（１３３２）が電極１３３０と連絡しており、第二の電極１３３４がメンブラン１３３２に取り付けてある。第二電極１３３４は、電極１３３０と同一でよい。別の実施態様では、フローフィールドプレート１３１２は、図１２に示すのと同様に、一つに接続された２個以上のフローフィールドプレートを包含することができる。別の実施態様では、フローフィールドプレートは、上記のように結合器１２０４により取り付けることができる。
【００６９】
作動の際、反応物は、フローフィールドプレート１３１２の通路１３１８を通ってパワーパック１３００に入る。反応物は、放射状通路１３２０の一つを通ってフローフィールドプレート１３１２から外に流出し、フローフィールドプレート１３１２に隣接する４個の燃料電池の一つに入る。好ましくは、上記のフローフィールドプレートは、実質的に導電性の材料、例えばフレキシブルグラファイト、から構築される。
【００７０】
図１４〜１８には、直列に接続された複数の平型燃料電池の製造方法を例示する。図１４に基材１４０２を示すが、好ましくは、基材１４０２がフローフィールドプレートを含んでなる。基材１４０２は、導電性または非導電性材料から形成することができる。例えば、基材１４０２は、導電性重合体、非導電性重合体、金属、合金、セルロース材料、およびそれらの組合せから構築することができる。基材１４０２は、供給部品として機能することができる。好ましくは、基材１４０２の中に流動通路をエンボス加工または成形することができる。次に、ガス拡散層１４０４、好ましくはフレキシブルグラファイト、例えばＯＨ、LakewoodのGraftech Inc.から市販のGRAFOIL（登録商標）シート、から形成されたガス拡散層を基材１４０２に貼り付ける。好ましくは、各ＧＤＬ１４０４ａは、隣接するガス拡散層１４０４ｂに取り付けた接続部品１４０５を含む。所望により、ガス拡散層１４０４は、基材１４０２上に張り合わせることができる。ガス拡散層１４０４は、無孔区域、好ましくは周辺部区域を含むことができる。無孔区域は、フレキシブルグラファイト、重合体、およびそれらの組合せを含むことができる。
【００７１】
あるいは、ガス拡散層１４０４は、フローフィールドプレートとガス拡散層の組合せを含んでなることができる。ガス拡散層１４０４がフローフィールドプレートを含む場合、基材１４０２は、フローフィールドプレートとして機能しなくてもよい。あるいは、ガス拡散層１４０４は、電極を含んでなることができる。ガス拡散層１４０４が電極を包含する場合、触媒層はガス拡散層１４０４に塗布される。
【００７２】
図１６における一実施態様では、メンブラン電極組立構造１４０６をガス拡散層１４０４上に押し付ける。組立構造１４０６の非導電性区域をガス拡散層１４０４に取り付けることができる。接着剤、例えばポリエチレンまたは他の好適な種類のシーラント、を使用して組立構造１４０６をガス拡散層１４０４に密封することができる。あるいは、ガス拡散層１４０４が電極を含んでなる場合、組立構造１４０６は、電極１４０４に隣接する触媒層を実質的に含まなくてもよい。図１７に示すように、第二のガス拡散層１４０８、および所望によりフローフィールドプレート、をメンブラン電極組立構造１４０６上にプレス加工し、各燃料電池を完成する。ガス拡散層１４０８は、隣接するガス拡散層１４０８を直列接続するための接続部品を含んでなることもできる。ガス拡散層１４０４のすべての変形もガス拡散層１４０８に当てはまる。
【００７３】
フローフィールドプレートがガス拡散層１４０８と共に含まれない場合、図１８は、フローフィールドプレート１４１０をガス拡散層１４０８に付ける様子を示す。その場合、１４０８は燃料電池のカソード側を示し、図１８は、多孔質材料、例えばポリテトラフルオロエチレン、を各燃料電池に付ける様子を示すことができる。好ましくは、多孔質材料により、酸化体、例えば空気、は完成した燃料電池に入ることができる。
【００７４】
一実施態様では、燃料が、供給部品１４０２に沿って複数の燃料電池１４１２に移動する。さらに、酸化体としての空気が、大気中に開いているガス拡散層１４０８を通して燃料電池１４１２の中に導入される。空気は、強制的に送り込むこともできる。さらに、より高い電圧が必要な場合には、複数の個別燃料電池１４１２を互いに積み重ねることができる。
【００７５】
本発明は、電気装置をさらに包含することができる。好ましくは、この装置は、少なくとも反応物供給部品１２および複数の円筒形燃料電池１４を含んでなる電源を包含する。好ましくは、反応物供給部品１２はその複数と整列し、供給部品１２が複数の燃料電池の２個以上に反応物を送達することができる。装置は、携帯電話、ポケットベル、デジタルビデオ装置、パーソナルデジタルアシスタント、または携帯コンピュータ（ＡＫＡラップトップ）の少なくとも一つを含んでなるのがさらに好ましい。好ましくは、電源を装置に接続し、その装置に電力を供給する。パーソナルデジタルアシスタント（ＰＤＡ）は、情報、例えばカレンダー、コンタクトおよびｅメール、を追うことができる携帯装置である。ＰＤＡは、ＰＣや他のＰＤＡと情報を交換する、音楽をダウンロードする、およびインターネットにアクセスすることもできる。デジタルカメラは、フィルムの代わりに電気的光センサーを使用して画像を記録し、その画像をデータファイルとして保存する。次いで、これらのファイルをコンピュータにダウンロードし、編集し、印刷することができる。ほとんどのデジタルカメラは、再使用可能な、取り外しできるメモリーカードまたはスティックを包含するが、これらは、潜在的に無限の画像保存能力を提供する。画像は、カメラのＬＣＤモニター上で瞬時に見ることができる。画像は保存しても、削除してもよい。
【００７６】
本発明の用途の一つは、装置に電力を微量供給することである。これは、このパワーパックが、装置に約１００ワット以下の電力を送達できることを定義する。本発明のパワーパックが送達する電力の適量の例は、約５０ワット以下、約１０ワット以下、または約５ワット以下である。
【００７７】
上記の説明は、当業者が本発明を実施できるようになることを意図している。この説明を読むことにより当業者には明らかになる、可能な変形や修正のすべてを詳細に説明することは意図していない。しかし、そのような修正および変形のすべては、請求項により規定される本発明の範囲内に入る。状況が特に反対のことを示していない限り、請求項は、記載する部品および工程を、本発明が意図する目的に有効であるあらゆる配置または順序で含む。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明のパワーパックの１実施態様の上面図である。
【図２】本発明のパワーパックの供給部品の１実施態様の上面図である。
【図３】本発明のパワーパックのさらなる実施態様の側面図である。
【図４】本発明のパワーパックのさらなる実施態様の側面図である。
【図５】本発明のパワーパックの別の実施態様の上面図である。
【図６】図５に示す燃料電池を図式的に示すブロック図である。
【図７】並列に接続した複数の円筒形燃料電池の上面図である。
【図８】直列に接続した複数の円筒形燃料電池の上面図である。
【図９】本発明により製造された複数の平型燃料電池のための供給部品の上面図である。
【図１０】本発明により製造された複数の平型燃料電池を包含するパワーパックの側面図である。
【図１１】本発明の２列の平型燃料電池を有するパワーパックの別の実施態様の側面図である。
【図１２】本発明により直列に接続された一対のフローフィールドプレートの上面図である。
【図１３】本発明により互いに並列に接続された複数の燃料電池の上面図である。
【図１４】本発明により直列に接続された複数の平型燃料電池の製造方法を図式的に示す図である。
【図１５】本発明により直列に接続された複数の平型燃料電池の製造方法を図式的に示す図である。
【図１６】本発明により直列に接続された複数の平型燃料電池の製造方法を図式的に示す図である。
【図１７】本発明により直列に接続された複数の平型燃料電池の製造方法を図式的に示す図である。
【図１８】本発明により直列に接続された複数の平型燃料電池の製造方法を図式的に示す図である。
【図１９】は、所望により使用する追加部品、燃料カートリッジ、バッテリー、コンデンサー、および変換器を包含する本発明のパワーパックの一実施態様である。
【図１】
2006507628.tif 000004
【図２】
2006507628.tif 000005
【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８】
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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１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【手続補正書】
【提出日】平成17年6月2日(2005.6.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料または酸化体の一つを含んでなる反応物のための反応物供給部品と、
複数の管状の燃料電池を含んでなり、
前記反応物供給部品が、複数の燃料電池の１個以上に前記反応物を送れるように、それら複数の燃料電池とともに整列している、パワーパック。
【請求項２】
前記複数の燃料電池の少なくとも１個が、触媒と連絡したグラファイト部品を含んでなる、請求項１に記載のパワーパック。
【請求項３】
前記反応物供給部品に反応物を供給するポンプと、そのポンプに連絡した貯蔵部を更に含んでなる、請求項１に記載のパワーパック。
【請求項４】
前記複数の燃料電池の少なくとも１個が、着脱可能に前記反応物供給部品に取り付けられてなる、請求項１に記載のパワーパック。
【請求項５】
前記複数の燃料電池の１個以上に取り付けられた排気部品を更に含んでなる、請求項５に記載のパワーパック。
【請求項６】
前記複数の燃料電池が、前記供給部品の根本から少なくとも一方向に伸びている、請求項１に記載のパワーパック。
【請求項７】
前記反応物が燃料をさらに含んでなる、請求項１に記載のパワーパック。
【請求項８】
前記反応物供給部品が、複数の開口を有するチューブと、その複数の開口の１つ以上の内側に位置する少なくとも１つの開口を有するチューブ部分とを含んでなる、請求項１に記載のパワーパック。
【請求項９】
前記複数の燃料電池の少なくとも１個が、その燃料電池の中央開口部に反応物貯蔵部をさらに含んでなり、前記反応物貯蔵部クが前記反応物供給部品と液体で連絡している、請求項１に記載のパワーパック。
【請求項１０】
燃料供給部品と複数の管状燃料電池とを含んでなる、着脱可能な電源組立部品を含んでなる電気電源であって、前記燃料供給部品が、前記複数の燃料電池の１個以上に燃料を供給できるように、前記複数の燃料電池とともに整列してなる、電気電源。
【請求項１１】
前記燃料電池の少なくとも１個が、前記供給部品と液体で連絡した着脱可能な内部燃料貯蔵部を含有する、請求項１に記載のパワーパック。
【請求項１２】
燃料を含んでなる反応物のための反応物供給部品と、
前記反応物供給部品に取り付けられた複数の燃料電池を含んでなり、
受動的酸化体供給手段を含んでなる、パワーパック。
【請求項１３】
前記複数の燃料電池の少なくとも２個が、着脱可能に前記反応物供給部品に取り付けられてなる、請求項１２に記載のパワーパック。
【請求項１４】
前記燃料電池の少なくとも一個が、少なくともフレキシブルグラファイトのガス拡散層を含んでなる、請求項１２に記載のパワーパック。
【請求項１５】
前記ガス拡散層が、少なくとも一個の有孔区域を含んでなる、請求項１４に記載のパワーパック。
【請求項１６】
前記ガス拡散層が、少なくとも一個の無孔区域をさらに含んでなる、請求項１５に記載のパワーパック。
【請求項１７】
前記ガス拡散層と連絡するフローフィールドプレートをさらに含んでなる、請求項１４に記載のパワーパック。
【請求項１８】
燃料貯蔵部をさらに含んでなり、前記燃料貯蔵部が、着脱可能に前記パワーパックに取り付けられたカートリッジを含んでなる、請求項１３に記載のパワーパック。
【国際調査報告】
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