(57)【要約】本発明は、微小繊維状燃料電池サブ束構造体、燃料電池束、並びに、かかる燃料電池サブ束および束によって形成される燃料電池組立体に関する。具体的には、燃料電池サブ束（１０）が提供され、これは、複数の微小繊維状燃料電池（１２）を含む。それぞれの微小繊維状燃料電池は、（ａ）電解質媒体を含んでなる中空微小繊維状膜分離器（６）、（ｂ）かかる膜分離器の内側表面と接触する内部電極触媒層（４）、（ｃ）かかる膜分離器の外側表面と接触する外部電極触媒層（８）、および（ｄ）かかる膜分離器の内側表面と電気的に接触する個々の集電装置装置（２）を含む。それぞれのかかる複数の微小繊維状燃料電池は、その膜分離器の外側表面で共通集電装置と電気的に接触する。
2006520087.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の微小繊維状燃料電池を含む燃料電池サブ束であって、それぞれの微小繊維状燃料電池が、
（ａ）電解質媒体を含む中空微小繊維状膜分離器と、
（ｂ）前記膜分離器の内側表面と接触する内部電極触媒層と、
（ｃ）前記膜分離器の外側表面と接触する外部電極触媒層と、
（ｄ）前記膜分離器の内側表面と電気的に接触する個々の集電装置と、
を備え、かつ、前記複数の微小繊維状燃料電池のそれぞれが、その膜分離器の外側表面で共通集電装置と電気的に接触する、燃料電池サブ束。
【請求項２】
繊維状または管状形態を有する、請求項１に記載の燃料電池サブ束。
【請求項３】
前記共通集電装置は、繊維状形態を有する、請求項１に記載の燃料電池サブ束。
【請求項４】
それぞれの微小繊維状燃料電池は、約１００ミクロン〜約１０ミリメートルの範囲の外径によって特徴づけられる、請求項１に記載の燃料電池サブ束。
【請求項５】
それぞれの微小繊維状燃料電池の前記中空微小繊維状膜分離器が、ペルフルロカーボン−スルホン酸系高分子、ポリスルホン系高分子、ペルフルオロカルボン酸系高分子、スチレン−ビニル−ベンゼン−スルホン酸系高分子およびスチレン−ブタジエン系高分子からなる群から選択されるイオン交換高分子を含む、請求項１に記載の燃料電池サブ束。
【請求項６】
それぞれの微小繊維状燃料電池の前記中空微小繊維状膜分離器は、ペルフルロカーボン−スルホン酸系高分子を含む、請求項１に記載の燃料電池サブ束。
【請求項７】
前記共通集電装置は、固体の繊維状要素を備える、請求項１に記載の燃料電池サブ束。
【請求項８】
前記共通集電装置は、中心空洞を有する中空繊維状要素を備える、請求項１に記載の燃料電池サブ束。
【請求項９】
前記共通集電装置は、炭素、黒鉛、炭素繊維強化材料、ファイバーグラス強化材料、金属、金属合金、導電性高分子、高分子複合材料および導電性セラミックからなる群から選択される材料を含む、請求項１に記載の燃料電池サブ束。
【請求項１０】
前記共通集電装置は、チタン、ニオビウム、ニッケル、ジルコニウム、金、タンタル、白金、パラジウム、銀およびそれらの合金からなる群から選択される金属または金属合金を含む、請求項１に記載の燃料電池サブ束。
【請求項１１】
前記共通集電装置は、固相結合で互いに結合した２つ以上の金属層を有する金属被覆複合材料を含む、請求項１に記載の燃料電池サブ束。
【請求項１２】
前記金属被覆複合材料は、
（１）チタン、ニオビウム、ニッケル、ジルコニウム、金、タンタル、白金、パラジウム、銀およびそれらの合金からなる群から選択される金属または金属合金から形成される一番外側の層と、
（２）銅、アルミニウム、黄銅、青銅、ニッケル、銀およびそれらの合金からなる群から選択される金属または金属合金から形成される１つ以上の内側の層と、
を含む、請求項１１に記載の燃料電池サブ束。
【請求項１３】
少なくとも１つの微小繊維状燃料電池の前記個々の集電装置は、固相結合で互いに結合した２つ以上の金属層を有する金属被覆複合材料を含む、請求項１に記載の燃料電池サブ束。
【請求項１４】
前記複数の微小繊維状燃料電池は、包装要素により共通集電装置のまわりに巻回される、請求項１に記載の燃料電池サブ束。
【請求項１５】
前記共通集電装置は、燃料電池サブ束の一端部で微小繊維状燃料電池の膜分離器を越えて延在し、かつ、前記微小繊維状燃料電池要素の個々の集電装置は、前記燃料電池サブ束の他端で前記膜分離器を越えて延在する、請求項１に記載の燃料電池サブ束。
【請求項１６】
前記微小繊維状燃料電池要素が並列に接続され、かつ、前記燃料電池サブ束が、第１および第２の電気的接触をさらに含む、請求項１に記載の燃料電池サブ束。
【請求項１７】
前記燃料電池サブ束の両端部が、微小繊維状燃料電池要素の孔側をそれらの胴側から隔離するために注型封入される、請求項１に記載の燃料電池サブ束。
【請求項１８】
前記燃料電池サブ束と、前記燃料電池サブ束がこれに直列に接続される隣接する燃料電池サブ束との間の電気的短絡を防止する多孔性の絶縁層をさらに含む、請求項１に記載の燃料電池サブ束。
【請求項１９】
前記多孔性の絶縁層が、多孔性のファイバーグラス・マトリックス、発泡体様の構造を有する多孔性の高分子マトリックスまたは絶縁メッシュを含む、請求項１８に記載の燃料電池サブ束。
【請求項２０】
複数の微小繊維状燃料電池要素、並びに、共通の熱交換および／または加湿要素を備える燃料電池サブ束であって、それぞれの微小繊維状燃料電池要素は、
（ａ）内部集電装置と、
（ｂ）電解質媒体を含む中空繊維状膜分離器と、
（ｃ）内部電極触媒層と、
（ｄ）外部電極触媒層と、
（ｅ）外部集電装置と、
を備える、燃料電池サブ束。
【請求項２１】
前記共通の熱交換および／または加湿要素が、非導電性／熱伝導性材料を含む、請求項２０に記載の燃料電池サブ束。
【請求項２２】
前記共通の熱交換および／または加湿要素が、非多孔性かつ親水性、または微小孔性かつ疎水性材料を含む膜壁を含む、請求項２０に記載の燃料電池サブ束。
【請求項２３】
電気絶縁性かつ多孔性の被覆層をさらに含む、請求項２０に記載の燃料電池サブ束。
【請求項２４】
前記電気絶縁性かつ多孔性の被覆層が、発泡体様の構造を有する多孔性のファイバーグラス・マトリックスまたは多孔性の高分子マトリックスを含む、請求項２３に記載の燃料電池サブ束。
【請求項２５】
前記電気絶縁性かつ多孔性の被覆層が、１種または複数の疎水性材料を含む、請求項２３に記載の燃料電池サブ束。
【請求項２６】
複数の燃料電池要素および共通集電装置を備える燃料電池構造体であって、それぞれの燃料電池要素が、
（１）電解質媒体を有する膜分離器と、
（２）前記膜分離器の第１の表面と電気的に接触する第１の電極触媒層と、
（３）前記膜分離器の第２の反対側の表面と電気的に接触する第２の電極触媒層と、
（４）前記膜分離器の第１の表面と電気的に接触する個々の集電装置と、
を備え、かつ、それぞれの燃料電池要素が、その膜分離器の第２の反対側の表面で共通集電装置と電気的に接触する、燃料電池構造体。
【請求項２７】
熱伝導性管状の要素およびその中に配置される１つ以上の燃料電池サブ束を含む燃料電池束であって、それぞれの燃料電池サブ束が、全てが共通集電装置と電気的に接触する複数の微小繊維状燃料電池を含み、それぞれの微小繊維状燃料電池が、
（ａ）電解質媒体を含む中空微小繊維状膜分離器と、
（ｂ）前記膜分離器の内側表面と接触する内部電極触媒層と、
（ｃ）前記膜分離器の外側表面と接触する外部電極触媒層と、
（ｄ）前記膜分離器の内側表面と電気的に接触する個々の集電装置と、
を備える燃料電池束。
【請求項２８】
前記熱伝導性管状の要素内に配置される複数の燃料電池サブ束を含む、請求項２７に記載の燃料電池束。
【請求項２９】
前記熱伝導性管状の要素が、炭素、黒鉛、炭素繊維強化複合材料、ファイバーグラス強化複合材料、金属、金属合金、熱伝導性高分子、高分子複合材料および熱伝導性セラミック材料からなる群から選択される材料を含む、請求項２７に記載の燃料電池束。
【請求項３０】
前記熱伝導性管状の要素が、炭素、黒鉛、炭素繊維強化複合材料およびファイバーグラス強化複合材料からなる群から選択される材料を含む、請求項２７に記載の燃料電池束。
【請求項３１】
前記熱伝導性管状の要素が、チタン、ニオビウム、ニッケル、ジルコニウム、金、タンタル、白金、パラジウム、銀およびそれらの合金からなる群から選択される金属または金属合金を含む、請求項２７に記載の燃料電池束。
【請求項３２】
前記熱伝導性管状の要素が、固相結合で互いに結合した２つ以上の金属層を有する金属被覆複合材料を含む、請求項２７に記載の燃料電池束。
【請求項３３】
前記熱伝導性管状の要素が、チタン、ニオビウム、ニッケル、ジルコニウム、金、タンタル、白金、パラジウム、銀およびそれらの合金からなる群から選択される金属または金属合金を含む最も内側の層と、銅、アルミニウム、黄銅、青銅、ニッケル、銀およびそれらの合金からなる群から選択される金属または金属合金を含んでなる１つ以上の外側の層とを含む、請求項３２に記載の燃料電池束。
【請求項３４】
前記熱伝導性管状の要素が、熱伝導性高分子、高分子／金属複合材料、高分子／炭素複合材料および高分子／セラミック複合材料からなる群から選択される１種または複数の高分子材料を含む、請求項２７に記載の燃料電池束。
【請求項３５】
前記１つ以上の燃料電池サブ束が、熱伝導性管状の要素内に着脱可能に取り付けられるコア構造体を形成するように組み立てられる、請求項２７に記載の燃料電池束。
【請求項３６】
前記コア構造体は、前記微小繊維状燃料電池要素の胴側をそれらの孔側から隔離し、かつ、前記燃料電池サブ束を束ねる注型封入部材を含む、請求項３５に記載の燃料電池束。
【請求項３７】
前記コア構造体は、前記注型封入部材のまわりにオーリング要素をさらに含む、請求項３６に記載の燃料電池束。
【請求項３８】
前記コア構造体の注型封入部材が、前記熱伝導性管状の要素の内側表面を気密に密封する、請求項３６に記載の燃料電池束。
【請求項３９】
前記コア構造体は、互いに並列接続の複数の燃料電池サブ束を含む、請求項３５に記載の燃料電池束。
【請求項４０】
前記コア構造体は、互いに直列接続の複数の燃料電池サブ束を含み、かつ、それぞれの燃料電池サブ束は、多孔性の絶縁層によって覆われる、請求項３５に記載の燃料電池束。
【請求項４１】
前記コア構造体は、前記複数の燃料電池サブ束を直列に接続する接続ワイヤを有する端末要素を含む、請求項４０に記載の燃料電池束。
【請求項４２】
前記熱伝導性管状の要素が、第１の端部で第１の組の穿孔を、かつ、第２の端部で第２の組の穿孔を形成するように穿孔される、請求項３６に記載の燃料電池束。
【請求項４３】
前記第１およびの組の穿孔の間の距離が、前記コア構造体の注型封入部材間のそれより小さい、請求項４２に記載の燃料電池束。
【請求項４４】
空気チャネル管内に配置される１つ以上の微小繊維状燃料電池要素を備える燃料電池束であって、それぞれの微小繊維状燃料電池要素が、
（ａ）内部集電装置と、
（ｂ）内部電極触媒と、
（ｂ）電解質媒体を含む中空繊維状膜分離器と、
（ｄ）外部電極触媒層と、
（ｅ）任意選択の外部集電装置と、
を備える、燃料電池束。
【請求項４５】
前記空気チャネル管は熱伝導性管状の要素を備える、請求項４４に記載の燃料電池束。
【請求項４６】
前記空気チャネル管は、熱および電気伝導性の管状の要素を備える、請求項４４に記載の燃料電池束。
【請求項４７】
前記空気チャネル管は、炭素材料、炭素繊維強化複合材料、ファイバーグラス強化複合材料、金属、金属合金、熱伝導性高分子、高分子複合材料および熱伝導性セラミックからなる群から選択される材料を含む、請求項４４に記載の燃料電池束。
【請求項４８】
前記空気チャネル管は、固相結合で互いに結合した２つ以上の金属層を有する金属被覆複合材料を含む、請求項４４に記載の燃料電池束。
【請求項４９】
前記空気チャネル管は、チタン、ニオビウム、ニッケル、ジルコニウム、金、タンタル、白金、パラジウム、銀およびそれらの合金からなる群から選択される金属または金属合金を含んでなる最も内側の層と、銅、アルミニウム、黄銅、青銅、ニッケル、銀およびそれらの合金からなる群から選択される金属または金属合金を含んでなる１つ以上の外側の層と、を含む、請求項４８に記載の燃料電池束。
【請求項５０】
前記空気チャネル管は、非多孔性かつ親水性の膜壁を有する高分子管状の要素を備える、請求項４４に記載の燃料電池束。
【請求項５１】
前記空気チャネル管は、微小孔性かつ疎水性の膜壁を有する高分子管状の要素を備える、請求項４４に記載の燃料電池束。
【請求項５２】
前記空気チャネル管は、非多孔性かつ親水性、または微小孔性かつ疎水性の膜壁を有する熱伝導性高分子管状の要素を備える、請求項４４に記載の燃料電池束。
【請求項５３】
前記空気チャネル管は、高分子／金属複合材料、高分子／炭素組成物材料および高分子／セラミック複合材料からなる群から選択される高分子複合材料を含む熱伝導性高分子管状の要素を備える、請求項４４に記載の燃料電池束。
【請求項５４】
ハウジング内に配置される燃料電池束の組立体を供える燃料電池組立体であって、それぞれの燃料電池束が、熱伝導性管状の要素およびその中に配置される１つ以上の燃料電池サブ束を備え、それぞれの燃料電池サブ束が、全てが共通集電装置と電気的に接触する複数の微小繊維状燃料電池を備え、それぞれの微小繊維状燃料電池が、
（ａ）電解質媒体を含む中空微小繊維状膜分離器と、
（ｂ）前記膜分離器の内側表面と接触する内部電極触媒層と、
（ｃ）前記膜分離器の外側表面と接触する外部電極触媒層と、
（ｄ）前記膜分離器の内側表面と電気的に接触する個々の集電装置と、
を備え、前記ハウジングは、複数の気密に分離された区画、並びに、電気および熱エネルギーを生成するため、前記燃料電池束を経由して燃料含有流体、酸化体含有流体および熱交換流体を別々に通過させるように設定され、かつ、構成された複数の流体入口および出口を含む、燃料電池組立体。
【請求項５５】
前記ハウジングは、中心区画、第１および第２の中間区画、並びに、第１および第２の端部区画を画定する管板の第１の対および管板の第２の対を含む、請求項５４に記載の燃料電池組立体。
【請求項５６】
前記中心区画は、そこを経由して熱交換流体を通過させる前記燃料電池束の前記導電性管状の要素の胴側と連通する、請求項５５に記載の燃料電池組立体。
【請求項５７】
前記第１および第２の中間区画は、燃料含有流体を前記微小繊維状燃料電池要素の胴側に供給するため、および、前記燃料電池束から消費された燃料を排出するため、それぞれの燃料電池束の熱伝導性管状の要素内に配置される前記燃料電池サブ束の微小繊維状燃料電池要素の胴側と連通する、請求項５５に記載の燃料電池組立体。
【請求項５８】
前記第１および第２の端部区画は、酸化体含有流体を前記微小繊維状燃料電池要素の胴側に供給するため、および、消費された酸化体を前記燃料電池束から排出するため、それぞれの燃料電池束の熱伝導性管状の要素内に配置される燃料電池サブ束の微小繊維状燃料電池要素の孔側と連通する、請求項５５に記載の燃料電池組立体。
【請求項５９】
前記第２の中間区画と、それに接続される放出管を有する前記第２の端部区画との間に隔離区画をさらに含む、請求項５５に記載の燃料電池組立体。
【請求項６０】
前記ハウジングは長手方向軸線を有し、前記流体入口および出口は、前記ハウジングの前記長手方向軸線に対して略平行である、請求項５４に記載の燃料電池組立体。
【請求項６１】
前記流体入口および出口は、熱交換入口管、熱交換出口管、燃料入口管および燃料出口管を含む、請求項６０に記載の燃料電池組立体。
【請求項６２】
その中に配置される１つ以上の燃料電池要素を有し、長手方向軸線を有する細長いハウジング構造体を備える燃料電池組立体であって、前記細長いハウジング構造体は、前記燃料電池要素を経由して２種以上の流体を別々に通過させる複数の流体入口および出口を含み、かつ、前記細長いハウジング構造体の全ての流体入口および出口は、前記細長いハウジングの長手方向軸線に対して略平行である、燃料電池組立体。
【請求項６３】
ハウジング内に配置される燃料電池束の組立体を備える燃料電池組立体であって、それぞれの燃料電池束が、空気チャネル管内に配置される１つ以上の微小繊維状燃料電池要素を含み、それぞれの微小繊維状燃料電池要素が、
（ａ）内部集電装置と、
（ｂ）内部電極触媒層と、
（ｃ）電解質媒体を含む中空繊維状膜分離器と、
（ｄ）外部電極触媒層と、
（ｅ）任意選択の外部集電装置と、
を備え、前記ハウジングは、複数の気密に分離された区画、並びに、電気および熱エネルギーを生成するため、前記微小繊維状燃料電池束を経由して燃料含有流体、酸化体含有流体および熱交換流体を別々に通過させるように設定され、かつ、構成された複数の流体入口および出口を含む、燃料電池組立体。
【請求項６４】
水溶性熱交換流体が供給され、かつ、それぞれの燃料電池束の前記空気チャネル管は、非多孔性かつ親水性の膜壁を有する高分子管を含む、請求項６３に記載の燃料電池組立体。
【請求項６５】
水溶性熱交換流体が、供給され、かつ、それぞれの燃料電池束の前記空気チャネル管は、微小孔性かつ疎水性の膜壁を有する高分子管を含む、請求項６３に記載の燃料電池組立体。
【請求項６６】
水溶性熱交換流体が、供給され、前記組立体が、それぞれの燃料電池束毎に少なくとも１つの中空加湿繊維をさらに含み、それぞれの中空加湿繊維が、水溶性熱交換流体を、その孔を経由してそれぞれの前記燃料電池束の空気チャネル管のルーメンの中に流すように設定されかつ構成され、それによって前記空気チャネル管内の前記微小繊維状燃料電池要素を加湿する水蒸気が供給される、請求項６３に記載の燃料電池組立体。
【請求項６７】
それぞれの中空加湿繊維が、非多孔性かつ親水性の高分子膜壁を含む、請求項６６に記載の燃料電池組立体。
【請求項６８】
それぞれの中空加湿繊維が、微小孔性かつ疎水性の高分子膜壁を含む、請求項６６に記載の燃料電池組立体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の背景
発明の分野
本発明は、一般に、燃料電池構造体および組立体に関し、より詳しくは、効率のよい熱および／または湿気管理のために設定されかつ構成される複数の微小繊維状燃料電池要素を備える燃料電池構造体並びに組立体に関する。
【背景技術】
【０００２】
関連技術の説明
近年、燃料電池または燃料電池組立体は、分散型発電用途だけでなく、携帯型または移動式の電気装置、電気を動力源とする車両に使用する電力源としてますます利用可能になってきた。
【０００３】
燃料電池は、従来の燃焼ベースのエネルギー源と比較すると、高いエネルギー効率、および低いレベルのガス状／固体状放出物を示すので、エネルギー変換素子として特に魅力的な可能性を提供する。
【０００４】
電気エネルギーを発生することに加えて、燃料電池は、電気化学反応の際、燃料に蓄えられている化学エネルギーの一部を熱に変換し、それは、効率的に収集かつ利用されるなら、全体のエネルギー（電気的＋熱的）、燃料電池システムの効率を著しく増大させる。したがって、かかるシステムの効率を増大させるために、電気エネルギーおよび熱エネルギー両方のコジェネレーションシステムとして燃料電池システムを開発する際、継続的な関心がある。かかるコジェネレーションシステムによって生成される熱エネルギーは、加熱および冷却（吸収または吸着冷却機あるいは乾燥剤冷却機を使用することによる）の両方を使用して、隣接する工業的設備と家庭用住宅を支援することができる。
【０００５】
従来の燃料電池コジェネレーションシステムに使用される熱エネルギー管理装置または構造体は、通常大きさがかなりかさ高く、それには、様々な熱交換パネル、パイプ、流体ポンプ、および管状物が含まれ、そのため、燃料電池それ自体のスペースに加えて、かなりのスペースが必要になる。したがって、その特性上スペースをとらない熱エネルギー収集／伝達構成要素を有する小型の燃料電池システムを提供する必要性がある。
【０００６】
さらに、プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池では、原料（たとえば、水素またはメタノール）および酸化体（たとえば、空気または酸素）の連続した流れが、そこでの電気化学反応に必要になり、この原料または酸化体流れは、燃料電池内の膜分離器の乾燥を防止するため、十分に加湿されることが必要になる。したがって、電気化学反応速度およびエネルギー出力密度を維持するためには、水または水蒸気を燃料電池システムに供給するための給水タンク、ポンプ、管状物および制御装置などの装置または構造体を加湿することが必要である。かかる加湿装置または構造体は、燃料電池システムの大きさをさらに増加させる。したがって、スペースをとらない特性を有する信頼できる加湿要素を有する小型の燃料電池システムを提供することが有利であろう。
【０００７】
燃料電池工業界における最近の技術革新は、全てレイ  Ｒ．エシュラギー（Ｒａｙ  Ｒ．  Ｅｓｈｒａｇｈｉ）に付与された米国特許第５，９１６，５１４号明細書、米国特許第５，９２８，８０８号明細書、米国特許第５，９８９，３００号明細書、米国特許第６，００４，６９１号明細書、米国特許第６，３３８，９１３号明細書、米国特許第６，３９９，２３２号明細書、米国特許第６，４０３，２４８号明細書、米国特許第６，４０３，５１７号明細書、米国特許第６，４４４，３３９号明細書、米国特許第６，４９５，２８１号明細書に詳細に記載されているような微小繊維状燃料電池の開発である。かかる微小繊維状燃料電池は、かなり小さい断面直径（数百ミクロンから数ミリメートルの範囲）を有する細長い繊維として成形され、直列および／または並列に設定され、相互接続され、かつかなり高い電圧および出力密度の小型の燃料電池組立体の中に詰め込むことができる。
【０００８】
かかる微小繊維状燃料電池組立体における熱管理について、エシュラギー特許は、中空繊維状の熱交換管を使用することを開示しており、それは、微小繊維状燃料電池と並べて詰め込まれ、かかる燃料電池組立体からの熱を除去するため、そこを冷却材媒体が通過する。
【０００９】
さらに、エシュラギー特許は、かかる中空繊維状熱交換管が、水溶冷却材媒体に由来する水がかかる熱交換管の孔から膜壁を経由して原料流れの中に透過するように水透過性かつ多孔性の膜壁を含み、それによって電気化学反応の環境を加湿できることを開示している。
【００１０】
したがって、エシュラギー特許は、一体化された熱および湿気管理構造体を有する小型の燃料電池組立体を提供する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、エシュラギー燃料電池組立体における熱および／または湿気管理の効率を改善し、かつ、電気および熱エネルギーの態様におけるミクロ（Ｍｉｃｒｏｃｅｌｌ（商標））電池技術を進歩させる。
【００１２】
その他の本発明の目的は、後に続く開示および添付の特許請求の範囲からより完全に明らかになるだろう。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
発明の概要
本発明の一の態様では、燃料電池サブ束に関し、これは、複数の微小繊維状燃料電池を含み、この場合、それぞれの微小繊維状燃料電池が、
（ａ）電解質媒体を含む中空微小繊維状膜分離器と、
（ｂ）かかる膜分離器の内側表面と接触する内部電極触媒層と、
（ｃ）かかる膜分離器の外側表面と接触する外部電極触媒層と、
（ｄ）かかる膜分離器の内側表面と電気的に接触する個々の集電装置と、
を備え、かつ、複数の微小繊維状燃料電池のそれぞれは、その膜分離器の外側表面で共通集電装置と電気的に接触する。
【００１４】
必ずというわけではないが、かかる共通集電装置が繊維状の形態を有し、そのまわりに複数の微小繊維状燃料電池を取り付けて、繊維状または管状のサブ束構造体を形成できることが好ましい。
【００１５】
本発明の別の態様は、複数の燃料電池要素および共通集電装置を備える燃料電池構造体に関し、この場合、それぞれの燃料電池要素は、
（１）電解質媒体を有する膜分離器と、
（２）膜分離器の第１の表面と電気的に接触する第１の電極触媒層と、
（３）膜分離器の第２の反対側の表面と電気的に接触する第２の電極触媒層と、
（４）膜分離器の第１の表面と電気的に接触する個々の集電装置と、
を備え、それぞれの燃料電池要素は、その膜分離器の第２の反対側の表面で共通集電装置と電気的に接触する。
【００１６】
本発明のさらなる態様は、熱伝導性管状の要素、およびその中に配置される１つ以上の燃料電池サブ束を含む燃料電池束に関し、この場合、それぞれの燃料電池サブ束は、複数の微小繊維状燃料電池を含み、全てが共通集電装置と電気的に接触しており、それぞれの微小繊維状燃料電池は、
（ａ）電解質媒体を含む中空微小繊維状膜分離器と、
（ｂ）膜分離器の内側表面と接触する内部電極触媒層と、
（ｃ）膜分離器の外側表面と接触する外部電極触媒層と、
（ｄ）膜分離器の内側表面と電気的に接触する個々の集電装置と、
を備える。
【００１７】
本発明のなおさらに別の態様は、空気チャネル管内に配置される１つ以上の微小繊維状燃料電池要素を含む燃料電池束に関し、それぞれの微小繊維状燃料電池要素は、
（ａ）内部集電装置と、
（ｂ）内部電極触媒層と、
（ｃ）電解質媒体を含む中空繊維状膜分離器と、
（ｄ）外部電極触媒層と、
（ｅ）任意選択の外部集電装置と、
を備える。
【００１８】
本発明のさらに別の態様は、燃料電池組立体に関し、これは、ハウジング内に配置される上記燃料電池束の組立体を含み、この場合、かかるハウジングは、複数の気密に分離された区画、並びに、電気および熱エネルギーを生成するため、燃料電池束を経由して燃料含有流体、酸化体含有流体および熱交換流体を別々に通過させる複数の流体入口および出口を含む。
【００１９】
本発明のなおさらに別の態様は、その中に配置される１つ以上の燃料電池要素を有し、長手方向軸線を有する細長いハウジング構造体を備える燃料電池組立体に関し、この場合、前記細長いハウジング構造体は、燃料電池要素を経由して２種以上の流体を別々に通過させる複数の流体入口および出口を含み、かつ、前記細長いハウジング構造体の全ての流体入口および出口は、前記細長いハウジングの長手方向軸線に対して略平行である。
【００２０】
その他の態様、特徴および本発明の利点は、後に続く開示および添付の特許請求の範囲からより完全に明らかになるだろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
発明の詳細な説明およびその好適な実施形態
米国特許第５，９１６，５１４号明細書、米国特許第５，９２８，８０８号明細書、米国特許第５，９８９，３００号明細書、米国特許第６，３３８，９１３号明細書、米国特許第６，３９９，２３２号明細書、米国特許第６，４０３，２４８号明細書、米国特許第６，４０３，５１７号明細書、米国特許第６，４４４，３３９号明細書、米国特許第６，４９５，２８１号明細書、および２００３年３月７日に出願の米国仮特許出願第６０／４５２，６３５号明細書の内容は、参照によりそれらの全体があらゆる目的のために本明細書に援用される。
【００２２】
用語「微小繊維状」、「繊維状」および「繊維」は、本明細書では互換性があるように使用され、約１０ミクロン〜約１０ミリメートル、好ましくは１００ミクロン〜約１０ミリメートル、より好ましくは約１０ミクロン〜約５ミリメートル、最も好ましくは約１０ミクロン〜約１ミリメートルの範囲の断面外径を有する細長い構造体を定義する。
【００２３】
用語「管状」および「管」は、少なくとも１ミリメートル、好ましくは少なくとも１センチメートル、より好ましくは少なくとも５センチメートルの断面外径を有する細長い構造体を定義するために、本明細書で使用される。
【００２４】
用語「多孔性」および「微小孔性」は、本明細書では互換性があるように使用され、１オングストローム〜約１０ミクロンの範囲の細孔径を有する構造体を定義する。
【００２５】
燃料電池サブ束（(FuelCell Sub-Bundle)
本発明の一の態様では、新規な燃料電池サブ束構造体を提供し、これは、共通集電装置を共有する複数の燃料電池要素を備える。それぞれの燃料電池要素は、その中に電解質媒体を有する多孔性または非多孔性膜分離器を含む。この膜分離器は、第１の表面および第２の反対側の表面を画定する。第１および第２の電極触媒層が、かかる膜分離器のそれぞれの第１および第２の表面に設けられ、電気化学反応を促進する。それぞれの膜分離器の第１の表面にそれぞれの燃料電池要素用に個々の集電装置が設けられ、一方、共通集電装置はそれらの膜分離器の第２の反対側の表面で燃料電池要素の全てと電気的に接触する。
【００２６】
本発明の好適な実施形態では、燃料電池要素は、その内側表面で複数の個々の集電装置と電気的に接触する複数の中空微小繊維状膜分離器、および、その外部表面で共通の繊維状または管状集電装置を備える。
【００２７】
図１は、本発明の一の実施形態による例示的な燃料電池サブ束構造体１０を例示する。かかる燃料電池サブ束１０は、共通外部集電装置１４と電気的に接触する複数の微小繊維状燃料電池要素１２を含む。
【００２８】
図１の下部に示すように、それぞれの微小繊維状燃料電池要素１２は、その中に電解質媒体を有する中空微小繊維状膜分離器６を含む。中空微小繊維状膜分離器６は、孔側３および胴側５を画定する。内部電極触媒層４および個々の集電装置２が、膜分離器６の孔側にその内側表面と電気的に接触して設けられ、外部電極触媒層８が、膜分離器６の胴側にその外側表面と電気的に接触して設けられる。さらに、燃料含有流体（または、代わりに酸化体含有流体）が燃料電池要素１２の孔を経由して通過し、一方、かかる燃料電池要素１２の胴が酸化体含有流体（または、代わりに燃料含有流体）にさらすことができるように、ルーメンが膜分離器６の孔側３に設けられる。
【００２９】
中空繊維状膜分離器６は、液体電解質媒体または固体電解質媒体を含むことができる。かかる中空繊維状膜分離器は、液体または固体電解質媒体がかかる膜分離器のミクロ細孔に含浸された微小孔性とすることができる。あるいは、かかる中空繊維状膜分離器は、固体のイオン交換セラミック材料かまたは固体のイオン交換高分子材料のいずれかから本質的になるそれ自体で固体のイオン交換膜であり、それは、構造上の支持体を提供する膜マトリックス、および、電気化学反応を実行する電解質媒体としての両方の機能を果たす。膜分離器は、ペルフルロカーボン−スルホン酸系高分子、ポリスルホン系高分子、ペルフルオロカルボン酸系高分子、スチレン−ビニル−ベンゼン−スルホン酸系高分子およびスチレン−ブタジエン系高分子からなる群から選択される固体のイオン交換高分子（すなわちカチオン交換高分子またはアニオン交換高分子のいずれか）を含むことが好ましい。本発明に使用するのに適切なイオン交換高分子膜の例には、デュポン（ＤｕＰｏｎｔ）（ノースカロライナ州フェイエットヴィル（Ｆａｙｅｔｔｅｖｉｌｌｅ））によって製造されるナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）（登録商標）膜、旭硝子社（日本、東京）によって製造されるフレミオン（Ｆｌｅｍｉｏｎ）（登録商標）膜、および旭化成社（日本、大阪）によって製造されるアシプレックス（Ａｃｉｐｌｅｘ）（登録商標）膜が含まれる。
【００３０】
共通外部集電装置１４は、繊維状または管状の要素であることが好ましく、そのまわりに複数の微小繊維状燃料電池要素１２をしっかりと詰めるか、またはそうしない場合は組み立てて、構造上の安定性が改善された小型の燃料電池サブ束１０を形成することができる。特定の実施形態では、かかる共通集電装置は、固体の（すなわち空洞がない）繊維状または管状の要素を含む。本発明の別の実施形態では、それは、その中に中心空洞を有する中空繊維状または管状の要素を含み、熱交換流体がそこを通過して、複数の燃料電池要素によって生成される熱を除去することができる。
【００３１】
共通集電装置１４は、これらに限定されないが、炭素、黒鉛、炭素繊維またはファイバーグラス強化材料、金属、金属合金、導電性高分子、高分子複合材料および導電性セラミックなどを含めて、適宜の適切な導電性材料およびこれらの混合物を含むことができる。共通集電装置は、これらに限定されないが、チタン、ニオビウム、ニッケル、ジルコニウム、金、タンタル、白金、パラジウム、銀およびそれらの合金を含めて、金属または金属合金を含むことが好ましい。固相結合で互いに結合した２つ以上の金属層を有する金属被覆複合材料を使用して、熱伝導性管を形成することがより好ましい。具体的には、金属被覆複合材料は、チタン、ニオビウム、ニッケル、ジルコニウム、金、タンタル、白金、パラジウム、銀およびそれらの合金などの耐腐食性金属または金属合金から形成される一番外側の層、並びに、銅、アルミニウム、黄銅、青銅、ニッケル、銀、およびそれらの合金などのより高い導伝性および／またはより低い原価の金属または金属合金を含む１つ以上の内側の層を含む。金属被覆複合材料のより多くの説明が、２００２年７月２日出願の米国特許出願第１０／１８８、４７１号明細書「腐食耐性のある集電装置を有するミクロ電池電気化学装置および組立体並びにその製造方法」に提供されており、その内容は、参照によりその全体があらゆる目的のために本明細書に援用される。
【００３２】
図２は、別の繊維状燃料電池サブ束２０の部分斜視図を示し、それは、本発明の一の実施形態によれば、包装要素２６で共通集電装置２２のまわりに巻回された複数の微小繊維状燃料電池２４を含む。共通集電装置２２の末端部を覆うため、および、内部および外部集電装置間の電気的短絡を防止するため、任意選択の絶縁層を設けることができる。
【００３３】
図３は、本発明の他の実施形態によるさらに別の燃料電池サブ束３０の長手方向側面図を示す。かかる燃料電池サブ束は、中心部分３２、中心部分３２の一端部に第１の端末３４および中心部分３２の他端に第２の反対側の端末３６を含む。
【００３４】
かかる燃料電池サブ束３０に含まれる微小繊維状燃料電池要素の膜分離器は、中心部分３２を経由して延在し、第１と第２の端末３４および３６でそれぞれ終端する。共通集電装置２２は、中心部分３２を越えて第１の端末３４の中に延在し、燃料電池サブ束２０の第１の電気的接触（正または負のいずれか）を提供し、一方、かかる燃料電池サブ束３０に含まれる複数の微小繊維状燃料電池の個々の集電装置は、中心部分３２を越えて第２の端末３６の中に延在する。かかる個々の集電装置を相互接続して、第２の電気的接触（負または正のいずれか）を提供することができ、それは、燃料電池サブ束３０の第１の電気的接触から絶縁される。この特定の実施形態では、燃料電池サブ束３０に含まれる複数の微小繊維状燃料電池は、互いに並列に相互接続され、増加した電流出力が提供される。
【００３５】
燃料電池サブ束構造体３０は、米国特許第５，９１６，５１４号明細書、米国特許第５，９２８，８０８号明細書、米国特許第５，９８９，３００号明細書、米国特許第６，３３８，９１３号明細書、米国特許第６，３９９，２３２号明細書、米国特許第６，４０３，２４８号明細書、米国特許第６，４０３，５１７号明細書、米国特許第６，４４４，３３９号明細書，および米国特許第６，４９５，２８１号明細書に開示されているように、第１と第２の端末３４および３６近傍の中心部分３０の両端部で注型封入して、複数の微小繊維状燃料電池要素の孔側をその胴側から隔離かつ密封することができる。あるいは、上記したような複数の燃料電池サブ束を一緒に詰めて、その両端部で注型封入し、燃料電池コア構造体を形成することができ、これは、以下にさらに詳細に記載される。
【００３６】
燃料電池サブ束の上記提供した例は、主に微小繊維状燃料電池に関するが、いうまでもなく、この説明は、平坦または平面の燃料電池および当技術分野で周知の他の任意の構成の燃料電池を含めて、一般に燃料電池の任意の型式に適用できる。たとえば、燃料電池要素は、その第１の側で複数の個々の集電装置と電気的に接触し、かつ、その第２の反対側で共通の平坦または平面の集電装置と電気的に接触する複数の平坦または平面の膜分離器を含むことができ、代わりとして、かかる燃料電池要素は、その内側表面で複数の個々の集電装置と電気的に接触し、かつ、その外側表面で共通の管状または円筒状の集電装置と電気的に接触する複数の管状または円筒状の膜分離器を含むことができる。
【００３７】
本発明の別の態様は、共通の熱交換および／または加湿要素を共有する複数の微小繊維状燃料電池要素を含む燃料電池サブ束構造体に関し、この場合、それぞれの微小繊維状燃料電池要素は、
（ａ）内部集電装置と、
（ｂ）電解質媒体を含む中空繊維状膜分離器と、
（ｃ）内部電極触媒層と、
（ｄ）外部電極触媒層と、
（ｅ）外部集電装置と、
を備える。
【００３８】
かかる燃料電池サブ束の構造は、図１〜３に例示したものに類似しているが、ただし、そのまわりに複数の燃料電池要素が設定される中心管状要素が、共通集電装置ではなく、非導電性／熱伝導性の材料を含む中空管状の熱交換および／または加湿要素であること、並びに、それぞれの微小繊維状燃料電池が、共通の外部集電装置を共有するのではなく、追加の個々の外部集電装置を含むことを除く。かかる熱交換および／または加湿要素は、水または水蒸気がそこを透過して、周囲の微小繊維状燃料電池を加湿するのを可能にする非多孔性かつ親水性、または微小孔性かつ疎水性の膜壁を含むことができる。
【００３９】
上記したような燃料電池サブ束は、多孔性の絶縁材料の薄層で覆うことができる。かかる多孔性の絶縁層は、直列に接続されるときの隣接する燃料電池サブ束間の電気的短絡を防止し、しかし、燃料または酸化体流体がそこを経由して拡散し、サブ束内のそれぞれの微小繊維状燃料電池の外部電極触媒層と接触するのを可能にする。この多孔性の絶縁層は、たとえば、多孔性のファイバーグラス・マトリックス、発泡体様の構造を有する多孔性の高分子マトリックス（たとえば、ポリウレタン発泡体層）、または絶縁メッシュを含んでなることができる。多孔性の絶縁層が１種または複数の疎水性材料を含むことが好ましい。
【００４０】
熱交換管を有する燃料電池束
本発明の別の態様は、その中に配置される１つ以上の燃料電池サブ束を有する熱伝導性管状の要素を備える燃料電池束に関する。
【００４１】
熱伝導性管状の要素は、燃料電池サブ束によってその中に生成される熱を、その外側表面と接触する熱交換流体に伝導させる熱交換管としての機能を果たし、それによって過大な熱が燃料電池サブ束から除去され、過熱に起因する燃料電池要素の損傷が低減される。さらに、それは、燃料電池サブ束に対し追加の構造上の支持体を提供する。
【００４２】
具体的には、図４は、例示的な燃料電池束４０の横断面図を示し、これは、孔側４３および胴側４５を有する熱伝導管４４を含む。複数の燃料電池サブ束４２は、孔４３内に配置され、かつ、かかる熱伝導管４４の壁と熱伝達する関係に設定される。作動中、熱交換流体は、熱伝導管４４の胴側４５を通過して、燃料電池サブ束４２によって生成される熱を、管壁を経由して吸収する。
【００４３】
上記例示したような熱伝導管４４は、燃料電池要素の作動中の化学環境に耐える十分に耐腐食性の適宜の適切な材料で形成することができる。たとえば、それは、炭素、黒鉛、炭素繊維またはファイバーグラス強化複合材料、金属、金属合金、熱伝導性高分子、高分子複合材料、および当技術分野でよく知られている熱伝導性セラミックを含むことができる。
【００４４】
本発明の好適な実施例では、熱伝導管は、炭素、黒鉛、あるいは、炭素繊維またはファイバーグラス強化複合材料を含む。
【００４５】
別の実施形態では、かかる熱伝導管は、これらに限定されないが、チタン、ニオビウム、ニッケル、ジルコニウム、金、タンタル、白金、パラジウム、銀およびそれらの合金を含めて、金属または金属合金を含む。固相結合で互いに結合した２つ以上の金属層を有する金属被覆複合材料を使用して、熱伝導管を形成することができる。具体的には、金属被覆複合材料は、チタン、ニオビウム、ニッケル、ジルコニウム、金、タンタル、白金、パラジウム、銀およびそれらの合金などの耐腐食性金属または金属合金で形成される最も内側の層、並びに、銅、アルミニウム、黄銅、青銅、ニッケル、銀、およびそれらの合金などのより高い導伝性および／またはより低い原価の金属または金属合金を含んでなる１つ以上の外側の層を含む。
【００４６】
別の実施形態では、熱伝導性材料を含み、十分な伝熱特性を示す高分子材料を使用して本発明の熱伝導管を形成することができる。適切な高分子材料には、これらに限定されないが、熱伝導性高分子、高分子／金属複合材料、高分子／炭素複合材料、および高分子／セラミック複合材料が含まれる。
【００４７】
燃料電池サブ束４２は、無制限に適宜の構成で熱伝導管内に詰め込むことができる。本発明の好適な実施形態では、燃料電池サブ束は、コア構造体に組み立てられ、それを、小型のユニットとして熱伝導管の中に挿入し、かつそこから取り出すことができる。
【００４８】
図５Ａおよび５Ｂは、例示的なコア構造体５０の斜視図を示し、これは、互いに平行に整列配置された複数の燃料電池サブ束５２を含む。注型封入部材５４Ａおよび５４Ｂが、
（１）全ての微小繊維状燃料電池要素の胴側を、その孔側から隔離するために、および
（２）燃料電池サブ束５２を一緒にして単一のコア構造体に束ねるために、
燃料電池サブ束５２の両端部に設けられる。図５Ａおよび５Ｂに示すように、微小繊維状燃料電池要素は、注型封入部材５４Ａおよび５４Ｂの外側表面上に開口部を有し、かかる開口部を経由して微小繊維状燃料電池要素の孔の中に原料または酸化体含有流体を導入することができる。場合により、さらにオーリング要素５６Ａおよび５６Ｂを使用して、孔側から胴側への気密の密封を確実にすることができる。
【００４９】
図５Ａおよび５Ｂに例示したこの特定の実施形態の複数の燃料電池サブ束５２の集電装置は、その並列接続にとって特に適切な構成で設定される。具体的には、燃料電池サブ束５２の全ての共通集電装置５７は、コア構造体５０の一端部から延在し、一方、全ての個々の集電装置５８は、かかるコア構造体の他端から延在する。したがって、複数の燃料電池サブ束５２は、コア構造体５０の一端部で全ての共通集電装置５７を第１の端末（正または負のいずれか）と電気的に接続することによって、および、他端で全ての個々の集電装置５８を第２の端末（負または正のいずれか）と電気的に接続することによって、容易に並列に接続することができる。
【００５０】
あるいは、複数の燃料電池サブ束は、直列接続に適切な異なる構成で取り付けることができる。たとえば、１つの燃料電池サブ束の共通集電装置、および先行する燃料電池サブ束の個々の集電装置が、コア構造体の一端部から延在し、一方、かかる燃料電池サブ束の個々の集電装置、および後続の燃料電池サブ束の共通集電装置が、コア構造体の他端から延在するなどして、それによって頭−尾配列を形成する。米国特許第６，３９９，２３２号明細書、米国特許第６，４０３，２４８号明細書、米国特許第６，４０３，５１７号明細書、米国特許第６，４４４，３３９号明細書、および米国特許第６，４９５，２８１号明細書の記載と一致して、着脱可能な端末接続器、または組込み接続ワイヤを有する端末要素を使用して、かかる燃料電池サブ束を直列に接続することができる。さらに、多孔性の絶縁層を使用して、隣接する直列に接続された燃料電池サブ束間の電気的短絡を防止するために、この構成のそれぞれの燃料電池サブ束を覆い、一方、燃料または酸化体流体がそこを経由して拡散して、サブ束内のそれぞれの微小繊維状燃料電池の外部電極触媒層と接触するのを可能にできる。
【００５１】
図６は、熱伝導管６２を示し、本発明の特定の実施形態によれば、その中にコア構造体を挿入することができる。気密に密封すること、または、熱伝導管６２の内側表面とその中に挿入されるコア構造体の注型封入部材との間が嵌合するのを確実にするため、かかる熱伝導管６２の内径は、オーリング要素、および／またはその中に挿入されるコア構造体の注型封入部材の外径と同じかもしくはそれよりわずかに小さいものとして提供される。
【００５２】
図６に示すように、熱伝導管６２は、両端部近傍が穿孔され、穿孔６４Ａの第１の組と穿孔６４Ｂの第２の組の間の距離が、その中に挿入されるコア構造体の２つの注型封入部材の間の距離に比べて小さい。コア構造体をかかる熱伝導管６２内に配置したとき、穿孔６４Ａおよび６４Ｂは、微小繊維状燃料電池要素の孔側でなく、胴側に入口を提供し、同時に、熱伝導管６２の２つの開口端は、微小繊維状燃料電池要素の胴側ではなく、孔側に入口を提供する。
【００５３】
図７は、本発明の一の実施形態による、その中に配置されるコア構造体７６を有する熱伝導管７２を含む燃料電池束７０の長手方向断面図を示す。注型封入部材７８Ａ、７８Ｂ、およびオーリング要素７９Ａ、７９Ｂは、熱伝導管７２の内側表面とともに気密の密封を形成し、それによって熱伝導管７２の内部体積が、中央区間８１、第１の端部区間８２、および第２の端部区間８３を含む３つの区間に分割される。
【００５４】
熱伝導管７２の両端部近傍の穿孔７４Ａおよび７４Ｂは、中央区間８１と連通し、したがって、燃料含有または酸化体含有流体を中央区間８１に導入して、コア構造体７６に含まれる微小繊維状燃料電池要素の胴側に供給することができる。同様に、端部区間８２および８３は、微小繊維状燃料電池要素の孔側と、注型封入部材７８Ａおよび７８Ｂのそれぞれの外側表面上の開口部を経由して連通し、したがって、酸化体含有または燃料含有流体を端部区間８２および８３に導入して、微小繊維状燃料電池要素の孔側に供給することができる。
【００５５】
上記例は、コア構造体、および複数の燃料電池サブ束をその中に含む燃料電池束を例示するが、いうまでもなく、本発明のコア構造体および燃料電池束は、単一の燃料電池サブ束を含むことができ、それは、この明細書の一般的な開示および本発明の広い技術的範囲内に整合する。
【００５６】
本発明のさらなる態様は、空気チャネル管内に配置される１つ以上の微小繊維状燃料電池要素を含む燃料電池束に関し、それぞれの微小繊維状燃料電池要素は、
（ａ）内部集電装置と、
（ｂ）電解質媒体を含む中空繊維状膜分離器と、
（ｃ）内部電極触媒層と、
（ｄ）外部電極触媒層と、
（ｅ）任意選択の外部集電装置と
を備える。
【００５７】
用語「空気チャネル管」は、本明細書で使用されるとき、大まかには酸化体（たとえば、空気または酸素ガス）または燃料（たとえば、水素ガスまたはメタノール）のいずれかの供給に使用できる管状の構造体を指し、したがって、かかる用語は、空気の供給のみに制限されない。かかる空気チャネル管は、金属、金属合金、炭素、黒鉛、炭素繊維またはファイバーグラス強化複合材料、高分子複合材料、セラミックなどの適宜の適切な材料を使用して製造することができる。
【００５８】
本発明によって達成される１つの特有の利点は、全体のシステムにわたる酸化体（または燃料）の均等かつ均一な分配であり、酸化体（または燃料）は、それぞれの燃料電池束のそれぞれの空気チャネル管の孔を経由して均一に通過し、したがって、それぞれの空気チャネル管内の微小繊維状燃料電池は、本発明のシステムに含まれる燃料電池束の数に関係なく、酸化体（または燃料）に均一にさらされる。
【００５９】
好適な実施形態では、かかる空気チャネル管は、微小繊維状燃料電池要素によって生成された熱を燃料電池束から伝達する熱交換管としての機能も果たす熱伝導管である。さらに、かかる空気チャネル管は、熱および電気伝導性の管とすることができ、それは、熱交換管、および、その中に配置される微小繊維状燃料電池要素用の共通外部集電装置としての両方の機能を果たすことができる。それに対応して、微小繊維状燃料電池要素から、追加の外部集電装置をなくすことができる。
【００６０】
本発明で用いられるような熱および／または電気伝導性の管は、十分に耐腐食性の適宜の適切な材料から形成することができ、それには、これらに限定されないが、炭素材料（たとえば、黒鉛および炭素）、炭素繊維またはファイバーグラス強化複合材料、金属および金属合金（たとえば、チタン、ニオビウム、ニッケル、ジルコニウム、金、タンタル、白金、パラジウム、銀およびそれらの組合せ）、熱および／または電気伝導性の高分子、高分子複合材料、並びに熱および／または電気伝導性のセラミックが含まれる。
【００６１】
かかる熱および／または電気伝導性の管は、固相結合で互いに結合した２つ以上の金属層を有する金属被覆複合材料を含むことが好ましく、その場合、最も内側の層は、チタン、ニオビウム、ニッケル、ジルコニウム、金、タンタル、白金、パラジウム、銀およびそれらの組合せなどの耐腐食性の金属または金属合金を含み、かつ、外側の層は、銅、アルミニウム、黄銅、青銅、ニッケル、銀およびそれらの組合せなどのより低い原価および／またはより高い導伝性の金属または金属合金を含む。
【００６２】
本発明の別の実施形態では、かかる空気チャネル管は、高分子管である。十分に薄い、または、熱伝導性材料を含む高分子複合材料から製造された高分子管は、十分な伝熱特性を示すことができ、本発明の熱交換管としても使用することができる。ここで使用される高分子管は、約２５ミクロン〜約１ミリメートルの範囲の厚さを有する膜壁を含むことが好ましく、熱伝導性高分子、高分子／金属複合材料、高分子／炭素複合材料または高分子／セラミック複合材料などの材料から製造することができる。かかる高分子管は、かかる高分子管が燃料電池束内の電気化学反応環境の高温度に耐えることができるように、十分に融点の高い（すなわち、＞８０℃、より好ましくは＞１００℃、最も好ましくは＞１２０℃）高分子材料を含むことが好ましい。
【００６３】
さらに、かかる高分子管は、非多孔性かつ親水性の膜壁を含むことができる。かかる高分子管を水溶性の熱交換溶液に浸漬した場合、水がその親水性膜壁を経由してその孔側に拡散し、したがって、その中に配置される微小繊維状燃料電池要素を加湿するために、水蒸気をかかる高分子管の内部体積の中に供給する。かかる非多孔性かつ親水性の膜壁を形成するのに特に適切な高分子材料には、これらに限定されないが、デュポン（ノースカロライナ州フェイエットヴィル）によって製造されるナフィオン（登録商標）膜材料、旭硝子社（日本、東京）によって製造されるフレミオン（登録商標）膜材料、旭化成社（日本、大阪）によって製造されるアシプレックス（登録商標）膜材料などのペルフルオロスルホネート・イオノマーが含まれ、そのうちでナフィオン膜材料が最も好ましい。
【００６４】
あるいは、かかる高分子管は、微小孔性かつ疎水性の膜壁を含むことができる。かかる高分子管を水溶性の熱交換溶液に浸漬した場合、この熱交換溶液は、疎水性のため、その微小孔性膜壁を通過することができず、一方、かかる水溶液に由来する水蒸気は、かかる高分子管のルーメンを通過する原料または酸化体流れを加湿するために、微小孔性膜壁を経由してそのルーメンの中に拡散することができる。
【００６５】
したがって、非多孔性かつ親水性、または微小孔性かつ疎水性の膜壁を有する熱伝導性高分子管は、空気チャネル管、熱交換管およびその中に配置される微小繊維状燃料電池要素用の加湿器として、３つの機能を同時に行うことができ、それを使用すると、事実上、熱および湿気管理の統合化が達成される。
【００６６】
特定の実施形態では、空気チャネル管およびその中に配置される微小繊維状燃料電池要素は、燃料電池束を経由して３つの流体経路を提供するように大きさを設定され、それには、
（１）微小繊維状燃料電池要素の孔側の原料（または酸化体）経路、
（２）空気チャネル管内の微小繊維状燃料電池要素の胴側の酸化体（または原料）経路、および
（３）空気チャネル管の外側の熱交換流体経路
が含まれる。これらの３つの流体経路は、微小繊維状燃料電池の膜分離器および空気チャネル管のそれぞれの壁によって互いに分離される。微小繊維状燃料電池要素の中空繊維状膜分離器は、両端部で空気チャネル管を越えて延在することが好ましい。かかる方法において、燃料（たとえば、水素またはメタノール）、酸化体（たとえば、酸素）、および熱交換流体が、上記３つの流体経路を経由して別々に燃料電池束を通過できるように、空気チャネル管と微小繊維状燃料電池の膜分離器を別々に注型封入して、それらのそれぞれの孔側を胴側から密封することができる。
【００６７】
燃料電池組立体
本発明のなおさらに別の態様は、ハウジング内に配置される上記燃料電池束の組立体を含む燃料電池組立体に関し、それは、複数の気密に分離された区画、並びに、電気および熱エネルギーを生成するため、燃料電池束を経由して燃料含有流体、酸化体含有流体および熱交換流体を別々に通過させるように設定された複数の流体入口および出口を含む。
【００６８】
図８に示すような例示的な実施形態では、燃料電池組立体８０は、２つの開口端、およびその中に配置される複数の燃料電池束９０を有するハウジング８１を含む。それぞれの燃料電池束９０は、上記したように、その中に挿入されるコア構造体を有する熱伝導管を含む。管板８２Ａ、８２Ｂの第１の対、および管板８３Ａ、８３Ｂの第２の対が、燃料電池束９０を取り付けるために設けられる。さらに、かかる管板８２Ａ、８２Ｂ、８３Ａ、および８３Ｂは、ハウジング８１の内側表面に気密に固定され、それによってハウジング８１の内部体積が５つの別々の区画に分割され、それには、中心区画８４、第１の中間区画８５Ａ、第２の中間区画８５Ｂ、第１の端部区画８６Ａ、および第２の端部区画８６Ｂが含まれる。
【００６９】
管板８２Ａおよび８２Ｂの第１の対によって画定される中心区画８４は、燃料電池束９０の熱伝導管の胴側のみと連通する。第１および第２の中間区画８５Ａおよび８５Ｂは、熱伝導管の両端部近傍の穿孔を経由して、その中に配置される微小繊維状燃料電池要素の胴側だけでなく、かかる熱伝導管の孔側とも連通する。しかし、かかる第１および第２の中間区画８５Ａおよび８５Ｂは、上記したように、微小繊維状燃料電池要素の両端部に部材を注型封入することによって、微小繊維状燃料電池要素の孔側から隔離される。第１および第２の端部区画８６Ａおよび８６Ｂは、微小繊維状燃料電池要素の両端部での注型封入部材の開口部を経由して、それぞれの燃料電池束９０の微小繊維状燃料電池の孔側と連通する。
【００７０】
したがって、熱交換流体９６を中心区画８４に導入し、燃料電池束９０の熱伝導管の胴側を通過させ、熱伝導管内に配置される微小繊維状燃料電池要素によって生成される熱を、燃料電池束９０から除去することができる。かかる燃料電池組立体から排出されるこの熱交換流体は、かかる熱交換流体によって運ばれる熱エネルギーが熱交換器に運ばれるように、熱交換器に通過させることが好ましく、その熱交換器は、自動車もしくは家庭住宅内のラジエータかまたは工業的設備の温水システムのいずれか、あるいはそれらと同種のものとすることができる。熱エネルギーが減少した熱交換流体は、燃料電池組立体からより多くの熱を集めるために燃料電池組立体の中に戻して循環することが好ましい。
【００７１】
さらに、燃料含有（または酸化体含有）流体を、熱伝導管内の微小繊維状燃料電池要素の胴側に供給するために、第１の中間区画８５Ａの中に導入することができ、消費された原料を、第２の中間区画８５Ｂから排出することができる。同様に、酸化体含有（または燃料含有）流体を、微小繊維状燃料電池要素の孔側に供給するために、第１の端部区画８６Ａの中に導入することができ、消費された原料を、第２の端部区画８６Ｂから排出することができる。
【００７２】
したがって、燃料、酸化体、および熱交換流体は、それによって電気および熱エネルギーを生成するため、ハウジング８１内の燃料電池束９０を経由して別々に通過する。
【００７３】
本発明の別の態様では、改善された流体導入機構を提供し、これは、ハウジング８１の複数の区画の中に、およびそこから、複数の流体を、かかるハウジングの長手方向軸線に対し略平行の方向に沿って別々に導入するため、ハウジング８１の長手方向軸線に関して全て平行に整列配置された複数の流体入口および出口を含む。
【００７４】
具体的には、熱交換入口管９４は、その中に熱交換流体を導入するため、管板８２Ａおよび８３Ａを経由して中心区画８４の中に延在し、対応する熱交換出口管９５は、使用した熱交換流体をハウジング８１から排出するため、中心区画８４から管板８２Ａおよび８３Ａを経由して延在する。燃料（または酸化体）入口管９２は、燃料含有（または酸化体含有）流体を微小繊維状燃料電池要素の胴側に供給するため、管板８３Ａを経由して第１の中間区画８５Ａの中に延在し、一方、対応する燃料（または酸化体）出口管は、消費された燃料（または酸化体）流体をハウジング８１から排出するため、第２の中間区画８５Ｂから管板８２Ｂ、８２Ａ、および８３Ａを経由して延在する。さらに、酸化体（または燃料）は、微小繊維状燃料電池要素の孔側に供給するため、第１の端部区画で８６Ａに供給され、消費された酸化体（または燃料）は、追加の入口及び出口に関係なく、ハウジング８１の第２の端部区画８６Ｂから排出される。
【００７５】
全ての上述の入口および出口管は、図８の矢印によって示されるように、ハウジングの長手方向軸線に対して略平行の方向に沿って流体をハウジング８１に導入し、かつ、流体をそこから排出するため、ハウジング８１の長手方向軸線に対して略平行である。流体入口および出口のかかる平行構成により、そのハウジング上に横手開口部が全くない燃料電池組立体の構造体が可能になり、それを、エネルギー消費システムに電気および熱エネルギーを供給するため、エネルギー消費システムの中に容易に取り付けるか、またはそうしない場合は一体化することができる。
【００７６】
図９は、別のハウジング１００の長手方向断面図を示し、それは、管板１０２Ａおよび１０２Ｂの第１の対、管板１０３Ａおよび１０３Ｂの第２の対、並びに単一の管板１０４によって、６つの気密に分離された区画に分割され、中心区画１０５、第１の中間区画１０６Ａ、第２の中間区画１０６Ｂ、隔離区画１０６Ｃ、第１の端部区画１０７Ａ、および第２の端部区画１０７Ｂが含まれる。この隔離区画１０６Ｃは、管板１０３Ｂが破壊または漏れた場合、第２の中間区画１０６Ｂの燃料（または酸化体）と第２の端部区画１０７Ｂの酸化体（または燃料）の起こりうる混合を防止するため、ここでは任意選択の安全特徴体として設けられる。
【００７７】
燃料電池束に対する管板および区画の相対的位置を示すため、１つの燃料電池束１１０が図９に例示的に示される。具体的には、かかる燃料電池束の熱伝導管上の穿孔は、第１および第２の中間区画１０６Ａおよび１０６Ｂに配置され、かかる燃料電池束の熱伝導管の２つの開口端は、第１および第２の端部区画１０７Ａおよび１０７Ｂで終端する。
【００７８】
熱交換入口管１１３は、ハウジング１００の外側から管板１０３Ａおよび１０２Ａを経由して延在し、中心区画１０５で終端する。対照的に、熱交換出口管１１２は、中心区画１０５から管板１０３Ａおよび１０２Ａを経由して延在し、ハウジング１００の外で終端する。
【００７９】
燃料（または酸化体）入口管１１４は、ハウジング１００の外から管板１０３Ａを経由して延在し、第１の中間区画１０６Ａで終端し、一方、燃料（または酸化体）出口管は、第２の中間区画１０６Ｂから管板１０２Ｂ、１０２Ａ、および１０３Ａを経由して延在し、ハウジング１００の外で終端する。
【００８０】
加えて、放出管１１７が設けられ、それは、隔離区画１０６Ｃから管板１０４を経由して延在し、ハウジング１００の外で終端する。管板が破壊または漏れた場合、漏れた燃料または酸化体はまず隔離区画１０６Ｃに入り、それが、電池火災または電池に対する不可逆的損傷の原因になるおそれがある限界濃度および／または温度に到達する前に、放出管１１７によってハウジング１００から直ちに排出される。
【００８１】
図１０は、管板１０２Ａ、１０２Ｂ、１０３Ａ、１０３Ｂ、および１０４の斜視図であり、これは、燃料電池束１１０を取り付けるようにその中で大きさを設定された複数の開口部１０９、熱交換入口および出口管１１２および１１３、並びに、燃料（または酸化体）入口および出口管１１４および１１５を含む。
【００８２】
本発明の別の実施形態は、ハウジング内に位置する複数の燃料電池束を含む燃料電池組立体に関し、この場合、それぞれの燃料電池束は、上記したように、空気チャネル管内に配置される複数の微小繊維状燃料電池要素を含む。このハウジングは、上記開示に整合して、燃料電池束を経由して燃料、酸化体および熱交換流体を別々に通過させる区画に分けられる。
【００８３】
かかる燃料電池組立体は、それぞれの燃料電池束毎に少なくとも１つの中空加湿繊維をさらに含むことができる。かかる中空加湿繊維は、非多孔性かつ親水性の膜壁、または微小孔性かつ疎水性の膜壁を含むことができる。この加湿繊維は、空気チャネル管の孔を経由して延在し、燃料電池組立体の中心区画の中で開口し、それは、水溶性熱交換流体で満たされていることが好ましい。かかる水溶性熱交換流体に由来する水が、加湿繊維の孔をおよび空気チャネル管の内部体積を経由して流れ、したがって、酸化体（または燃料）およびかかる空気チャネル管内の微小繊維状燃料電池要素を加湿するための水蒸気を提供する。
【００８４】
本発明の加湿繊維は、デュポン（ノースカロライナ州フェイエットヴィル）によって製造され、ミクロセル社（Ｍｉｃｒｏｃｅｌｌ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）によって加工品に仕上げられるナフィオン（登録商標）膜材料のような親水性高分子材料、または、アメルシャム・バイオサイエンス（Ａｍｅｒｓｈａｍ  Ｂｉｏｓｃｉｅｎｃｅｓ）（ニュージャージー州ピスカタウェイ（Ｐｉｓｃａｔａｗａｙ））によって製造されるポリスルホン膜材料のような微小孔性かつ疎水性の高分子材料（かかるポリスルホン膜材料は、それらの疎水性をさらに強化するため、疎水性付与材料でさらに処理することができる）を含むことができる。
【００８５】
水溶性熱交換溶液中の一部の水が、燃料電池組立体の微小繊維状燃料電池要素を加湿するのに使用される場合、微小繊維状燃料電池要素によって消費された水を補うため、熱交換溶液に水を供給することが必要である。
【００８６】
したがって、本発明の好適な一実施形態では、微小繊維状燃料電池における電気化学反応によって生成される水を集め、熱交換回路用の給水としてそれを使用する。
【００８７】
本発明は、特定の実施形態、特徴および態様を参照して本明細書に記載されてきたが、本発明はそれによって限定されず、むしろ他の修正形態、変形形態、応用、および実施形態まで有用性が広がるものであり、したがって、かかる他の修正形態、変形形態、応用、および実施形態の全ては、本発明の精神の範囲内にあるものとしてみなされるべきであることが認識されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
図面の簡単な説明
【図１】本発明の一実施形態による共通外部集電装置を取り囲みかつそれと接触する複数の微小繊維状燃料電池要素を含む燃料電池サブ束の横断面図である。
【図２】本発明の一実施形態による管状の共通外部集電装置を取り囲みかつそれと接触する複数の微小繊維状燃料電池要素を含む燃料電池サブ束の部分斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態による管状の共通外部集電装置を取り囲みかつそれと接触する複数の微小繊維状燃料電池要素を含む燃料電池サブ束の側面図である。
【図４】本発明の一実施形態による熱伝導性管状の要素およびその中に配置される複数の燃料電池サブ束を含む燃料電池束の横断面図である。
【図５Ａ】本発明の一実施形態による複数の燃料電池サブ束を含むコア要素の斜視図である。
【図５Ｂ】本発明の一実施形態による複数の燃料電池サブ束を含むコア要素の斜視図である。
【図６】熱伝導性管状の要素の斜視図であり、その中にコア要素が挿入されて、本発明の一実施形態による燃料電池束を形成することができる。
【図７】本発明の一実施形態による、その中に配置されるコア要素を有する熱伝導性管状の要素を含む燃料電池束の長手方向断面図である。
【図８】ハウジング内に配置される燃料電池束の組立体を含む燃料電池組立体の長手方向断面図であり、それは、本発明の一実施形態による、複数の気密に分離された区画、並びに、燃料電池束を経由して燃料含有流体、酸化体含有流体、および熱交換流体を別々に通過させる流体入口および出口を含む。
【図９】複数の流体入口および出口を有する、区画に分けられたハウジングの長手方向断面図であり、それを使用して、本発明の一実施形態による複数の燃料電池束を配置し、燃料電池組立体を形成することができる。
【図１０】図９のハウジングの様々な構成要素の斜視図である。
【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６】
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【図７】
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【図９】
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【図１０】
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【図８】
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【国際調査報告】
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