(57)【要約】  本願では、容積が変化するアノードチャンバを備えた燃料電池システムに関係する物品、システム、及び方法が開示される。アノードチャンバの容積は、システムから一掃されなければならない汚染物質の流入を防止するために、始動時には比較的小さいか、又は本質的にゼロであり得る。燃料がアノードチャンバ中に導かれるにつれて、チャンバ容積は燃料流を収容するために増大する。
2018503947.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソード側面、膜、及びアノード側面を備えた燃料電池と、
前記アノード側面上に配置され、かつアノードチャンバを少なくとも部分的に画定するシェルアセンブリであって、前記アノード側面は前記アノードチャンバを少なくとも部分的に画定する、シェルアセンブリと、
前記アノードチャンバ内の第１容積を占有する少なくとも１つの圧縮可能な充填材であって、前記圧縮可能な充填材は、前記アノードチャンバ内において燃料圧力が増大すると、変形して第２容積を占有するように構成されており、第１容積は第２容積より大きい、圧縮可能な充填材と、
前記アノードチャンバと流体が流れるように連通した少なくとも１つの燃料チャネルとを備えた、燃料電池システム。
【請求項２】
前記圧縮可能な充填材は、前記アノードチャンバ内の燃料圧力が所定の閾値未満に低下すると、前記アノードチャンバ全体を占有するように構成されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記シェルアセンブリは燃料マニホルドである、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記圧縮可能な充填材は膨張可能なブラダーを備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料チャネルは前記圧縮可能な充填材を通って延在する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料マニホルドは、前記アノードチャンバ内に少なくとも１つの仕切りを備える、請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記圧縮可能な充填材は、非多孔質材料、閉鎖した多孔性を有する多孔質材料又はそれらの組み合わせから製造されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記シェルアセンブリは、前記アノードチャンバ内の燃料圧力が所定の閾値を超えると、変形するように構成されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記圧縮可能な充填材は、燃料圧力を所定レベルで維持するために、前記アノードチャンバ内の燃料を圧縮するように構成されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記アノードチャンバは複数の圧縮可能な領域に分割されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記システムは複数の燃料チャネルを備え、前記圧縮可能な領域の各々は、前記燃料チャネルのうちの少なくとも１つと流体が流れるように連通している、請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記システムは複数の圧縮可能な充填材を備え、前記圧縮可能な充填材の各々は前記圧縮可能な領域のうちの１つの中の容積を占有する、請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記燃料電池は、同一平面上のアレイ内に配された複数のユニット燃料電池の１つである、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記圧縮可能な充填材は、疎水性である第１主要面を備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記圧縮可能な充填材は、親水性である第１主要面を備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記圧縮可能な充填材は第１主要面を備え、第１主要面の少なくともいくつかの部分は前記燃料電池のアノード側面に固定されている、請求項１５に記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
前記圧縮可能な充填材は集電体である、請求項１６に記載の燃料電池システム。
【請求項１８】
前記圧縮可能な充填材は、前記圧縮可能な充填材が第１容積を占有するときに、前記燃料電池のアノード側面と接触する第１主要面を備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１９】
電気を発生する方法において、
燃料電池システムを設ける工程であって、前記燃料電池システムは、
カソード側面、膜、及びアノード側面を備えた燃料電池と、
前記アノード側面上に配置され、かつアノードチャンバを少なくとも部分的に画定するシェルアセンブリと、前記アノード側面は前記アノードチャンバを少なくとも部分的に画定することと、
前記アノードチャンバ内の第１容積を占有する少なくとも１つの圧縮可能な充填材と、前記圧縮可能な充填材は、前記アノードチャンバ内において燃料圧力が増大すると、変形して第２容積を占有するように構成されており、第１容積は第２容積より大きいことと、
前記アノードチャンバと流体が流れるように連通した少なくとも１つの燃料チャネルとを備える、燃料電池システムを設ける工程と、
前記燃料チャネルを介して前記アノードチャンバ内に燃料を導く工程と、
前記圧縮可能な充填材が変形されてアノードチャンバ内において第２容積を占有するまで、前記アノードチャンバ内の燃料圧力を増大する工程と、
前記アノード側面を前記燃料と接触させて電気を発生させる工程とを備える、方法。
【請求項２０】
前記圧縮可能な充填材は、前記圧縮可能な充填材が第１容積を占有したときに前記燃料電池のアノード側面と接触する第１主要面を備える、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の主題は、容積が変化するアノードチャンバを備えた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
歴代の携帯電子機器は性能を向上する一方で、より小型化の傾向に向かっている。電子部品はより小型に設計され、かつ高度で複雑な技術を取り入れているため、通常、関連する電源に対する需要電力は増大する。例えば、電源は、装置全体が付加的な技術を組み込んだり、又は外形寸法を低減したりすることができるように、占有する容積をより小さくするか、又はより小さな設置面積を有する必要があり得る。さらに、付加的な技術は、電源がより長時間にわたって作動すること、又は電子部品の安定した性能のために電力が一定の割合で供給されることを必要とし得る。
【０００３】
電力を生成するために、燃料電池システムには、典型的には、燃料電池反応において消費されて電力を生成する燃料が供給される。いくつかの燃料電池システムアーキテクチャにおいて、前記燃料は、燃料電池のアノードに隣接したチャンバに導かれる。このアノードチャンバ内に入ると、前記燃料はアノードと接触し、燃料電池反応において消費されて、電力を生成する。
【０００４】
しかしながら、始動プロセスの初期段階中、前記システムのアノードチャンバは空気を含んでいることがある。前記空気は浸透により燃料電池膜を通ってアノードチャンバに進入し得る。アノードチャンバ内のこの空気は燃料電池反応を妨げる可能性があり、よって一般的には前記空気は何らかの方法で除去されなければならない。前記空気の酸素成分は、燃料との燃料電池反応又は副反応中に消費され得るが、前記空気の窒素成分は、一般的には前記チャンバからパージされなければならない。窒素をパージするために、燃料電池システムは始動時にパージプロトコルを用いるか、かつ／又はアノードチャンバから空気をパージするための機構（例えばパージバルブシステム）を備え得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
アノードチャンバをパージするための特別なパージプロトコル又は追加機構を必要としない、簡素化された燃料電池システム及び方法が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、容積が変化するアノードチャンバを備えた燃料電池システムに関係する物品、システム、及び方法を含む。前記アノードチャンバの容積は、始動時には比較的小さいか、又は本質的にゼロであり得る。前記アノードチャンバ内に燃料が導かれるにつれて、前記チャンバ容積は燃料の流れを収容するために増大する。前記アノードチャンバはシステムの始動時には比較的小さく、燃料の流れによって拡張されるので、前記アノードチャンバは空気又は他の物質を実質的に含まず、それにより燃料流を収容するために前記アノードチャンバをパージする必要がない。このように、本発明のシステムはいかなるパージ要素又はいかなるパージプロトコルの使用も必要としないため、本発明は簡素化された燃料電池システムアーキテクチャを提供する。
【０００７】
いくつかの実施形態において、本発明は燃料電池システムを含む。前記システムは、カソード側面、膜、及びアノード側面を有する燃料電池を備え得る。前記システムはまた、前記アノード側面上に配置され、かつアノードチャンバを少なくとも部分的に画定するシェルアセンブリも備え得る。前記燃料電池のアノード側面は、前記アノードチャンバを少
なくとも部分的に画定し得る。前記システムはまた、前記アノードチャンバ内の第１容積を占有する少なくとも１つの圧縮可能な充填材も備え得る。前記圧縮可能な充填材は、前記アノードチャンバ内において燃料圧力が増大すると、変形して第２容積を占有するように構成されており、第１容積は第２容積より大きい。いくつかの実施形態において、前記圧縮可能な充填材が、前記アノードチャンバ内の燃料圧力が所定の閾値未満に低下すると、前記アノードチャンバの全体又はほぼ全体を占有するように構成されるように、第１容積は前記アノードチャンバの容積に等しいか、又はほぼ等しい。
【０００８】
本発明は、本発明のシステムを用いて電気を発生する方法を含む。例えば、本発明は、本願に記載する燃料電池システムを提供することと、前記燃料チャネルを介して前記アノードチャンバ内に燃料を導くことと、前記圧縮可能な充填材が変形されて前記アノードチャンバ内において第２容積を占有するまで、前記アノードチャンバ内の燃料圧力を増大することと、前記アノード側面を前記燃料と接触させて電気を発生させることとを含む、電気を発生する方法を含む。前記方法は、前記圧縮可能な部材が第１容積を占有するように拡張するまで、及び／又は前記圧縮可能な充填材の第１主要面が前記燃料電池のアノード側面と接触するまで、前記アノードチャンバへの燃料の流れを低減することをさらに含んでもよい。
【０００９】
必ずしも一定の縮尺で描かれていない図面において、同一の数字は、いくつかの図にわたって実質的に類似した構成要素を説明している。異なる文字の接尾辞を有する同一の数字は、実質的に類似した構成要素の異なる例を表わす。図面は、概して、本文書で検討される様々な実施形態を、例として、しかし限定する目的ではなく、示している。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】従来技術燃料電池システムの断面図。
【図２Ａ】本発明の燃料電池システムの一部の断面図。
【図２Ｂ】本発明の燃料電池システムの一部の断面図。
【図３Ａ】本発明の燃料電池システムの一部の断面図。
【図３Ｂ】本発明の燃料電池システムの一部の断面図。
【図４】本発明の燃料電池システムの一部の断面図。
【図５】本発明の燃料電池システムの一部の断面図。
【図６】本発明の方法の図式表示を示す図。
【図７】本発明の燃料電池システムの一部の断面図。
【図８】本発明の燃料電池システムの断面斜視図。
【図９】本発明の燃料電池システムの断面斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下の説明の全体にわたって、本発明のより完全な理解を提供するために、特定の詳細を示している。しかしながら、本発明はこれらの細部を有することなく実施されてもよい。他の場合には、本発明を不必要に不明瞭にするのを避けるために、周知の要素については詳細に図示又は説明していない。図面は、例証として、本発明が実施され得る特定の実施形態を示している。本発明の範囲から逸脱することなく、これらの実施形態が組み合わせられてもよいし、他の要素が用いられてもよいし、又は構造的又は論理的な変更が行なわれてもよい。従って、明細書及び図面は、限定的な意味ではなく、例示的な意味で考慮されるべきである。
【００１２】
本文書において参照される全ての刊行物、特許及び特許文献は、参照により個々に援用されるかのように、参照により余すところなく本願に援用される。本文書と、そのように参照により援用された文書との間で用法が一致しない場合には、援用された参考文献における用法は、本文書のそれに対する補足であると見なされるべきであり、相容れない矛盾
については本文書における用法が支配する。
【００１３】
本文書において、「１つの（ａ）」又は「１つの（ａｎ）」という用語は、「少なくとも１つ（ａｔ  ｌｅａｓｔ  ｏｎｅ）」又は「１つ以上（ｏｎｅ  ｏｒ  ｍｏｒｅ）」の任意の他の例又は用法とは無関係に、１つ又は２つ以上を含むように用いられる。この文書において、「又は（ｏｒ）」という用語は、非排他的論理和（ｎｏｎｅｘｃｌｕｓｉｖｅ  ｏｒ）を指しており、そのため、別段の指示がない限り、「Ａ、Ｂ又はＣ」は、「Ａのみ」、「Ｂのみ」、「Ｃのみ」、「Ａ及びＢ」、「Ｂ及びＣ」、「Ａ及びＣ」、並びに「Ａ、Ｂ及びＣ」を含む。「〜を超える（ａｂｏｖｅ）」及び「〜未満（ｂｅｌｏｗ）」という用語は、構成要素の中心に関して２つの異なる方向を説明するために用いられ、「上側（ｕｐｐｅｒ）」及び「下側（ｌｏｗｅｒ）」、又は「下方（ｉｎｆｅｒｉｏｒ）」及び「上方（ｓｕｐｅｒｉｏｒ）」という用語は、複合体の２つの異なる表面を説明するために用いられ得る。しかしながら、これらの用語は、単に説明をし易くするために用いられるものであり、燃料電池層又は記載された実施形態の向きを固定するものと理解すべきではない。添付の態様又は特許請求の範囲において、「第１」、「第２」、及び「第３」などの用語は、単に標識として用いられており、それらの対象に対して数的な要件を課するようには意図されない。この文書において明示的に開示される任意の数値範囲は、明示的に開示される範囲の任意の部分集合を、あたかもそのような部分集合範囲も明示的に開示されるかのように含むものとすることが理解されるべきであり、例えば、１〜１００の開示範囲はまた、１〜８０、２〜７６の範囲、又は１〜１００の間にある任意の他の数値範囲も含むものとする。別の例では、「１，０００以下」の開示範囲はまた、１，０００未満である任意の範囲、例えば５０〜１００、２５〜２９、又は２００〜１，０００も含むものとする。さらに別の例では、開示される非制限範囲は、下限より大きな任意の数値範囲も含むものとする（例えば、「１００以上」の範囲は、１００を超える任意の範囲、例えば１００〜２００、２００〜５００、又は６５０〜１０，０００を含むものとする）。
【００１４】
本発明は、容積が変化するアノードチャンバを備えた燃料電池システムに関係する物品、システム、及び方法を含む。前記アノードチャンバの容積は、始動時には比較的小さいか、又は本質的にゼロであり得る。燃料がアノードチャンバ中に導かれるにつれて、前記チャンバ容積は燃料の流れを収容するために増大する。前記アノードチャンバはシステムの始動時には比較的小さく、燃料の流れによって拡張されるので、前記アノードチャンバは空気又は他の物質を実質的に含まず、それにより燃料流を収容するためにアノードチャンバをパージする必要がない。このように、本発明のシステムはいかなるパージ要素又はいかなるパージプロトコルの使用も必要としないため、本発明は簡素化された燃料電池システムアーキテクチャを提供する。
【００１５】
図１は、従来技術の燃料電池システム１００を示す。燃料電池システム１００は、燃料電池１０２及びシェルアセンブリ１０４を備える。燃料電池１０２は、カソード１０８、膜１１０及びアノード１１２を備える。シール１０６は、シェルアセンブリ１０４と、燃料電池１０２のアノード側面との間に気密封止を提供することによって、アノードチャンバ１１４を形成する。作動中、燃料（例えば、水素のような気体又は液体燃料）の流れ１１６は、アノードチャンバ１１４に導かれ、そこでアノード１１２と接触する。
【００１６】
システム１００の始動時、アノードチャンバ１１４は一般的には空気を含んでいる。空気は、システム１００内の漏れによって、又は膜１１０を介した拡散により、チャンバ１１４に進入し得る。前記空気の酸素成分は作動中に（例えば燃料との反応により）除去され得るが、前記空気の窒素成分は、燃料流１１６がアノードチャンバ１１４の大部分又はすべてを満たし得るように、パージされなければならない。このパージは、典型的には、始動中にパージシステム（例えば、パージライン及び／又はバルブ）及び／又はパージ工
程を用いることによって行われる。
【００１７】
図２Ａ及び図２Ｂは、本発明の燃料電池システム２００を示す。燃料電池システム２００は、燃料電池２０２及びシェルアセンブリ２０４を備える。燃料電池２０２は、カソード２０８、膜２１０、及びアノード２１２を備える。シール２０６は、シェルアセンブリ２０４と、燃料電池２０２のアノード側面との間に気密封止を提供する。本発明のいくつかの実施形態において、カソード層及びアノード層は、燃料、酸化体又は他のガス状材料又は液体材料がそれを介して流れ得る相互に接続した細孔の網状組織を有する多孔質材料から形成され得る。
【００１８】
燃料電池システム１００と同様に、燃料電池システム２００は、気密シール２０６によって燃料電池２０２のアノード側面に取り付けられ、それによりアノードチャンバ２１４を画定するシェルアセンブリ２０４を備える。しかしながら、燃料電池システム１００とは異なり、燃料電池システム２００は、アノードチャンバ２１４内に配置された圧縮可能な充填材２１８を備える。圧縮可能な充填材２１８は、第１主要面２２４と、第１主要面２２４とは反対側の第２主要面２２６とを備える。燃料毛細管又は燃料チャネル２２０は、シェルアセンブリ２０４の一部を通り、圧縮可能な充填材２１８の第２主要面２２６とシェルアセンブリ２０４との間を通り、さらに圧縮可能な充填材２１８を通って延びている。燃料チャネル２２０は第１主要面２２４において終了する。燃料チャネル２２０は、アノードチャンバ２１４と燃料源（例えば水素貯蔵器）との間に流体が流れるような連通（ｆｌｕｉｄ  ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）を提供する。
【００１９】
本発明のシステムの圧縮可能な充填材は、アノードチャンバ内の燃料圧力が低下したときに、前記充填材が拡張してアノードチャンバのより大きな部分を占有するように、弾力性を有するように設計されている。例えば、本発明の圧縮可能な充填材は、アノードチャンバ内の燃料圧力が所定レベル未満に低下した場合、又はアノードチャンバが本質的に燃料を有さなくなった場合に、拡張してアノードチャンバのすべて又はほぼすべてを占有するように構成されていてもよい。このように、本発明のシステムは、該システムがシャットダウンされるとき、又は使用されていないときに、アノードチャンバが空気又は他の汚染物質で満たされることを防止する。
【００２０】
図２Ａは、燃料がアノードチャンバ２１４内にほとんど、又はまったく存在しない場合（例えば該システムの始動前）のシステム２００を示す。この状態においては、圧縮可能な充填材２１８は、アノードチャンバ２１４のすべて、又はほぼすべてを占有しており、圧縮可能な充填材２１８の第１主要面２２４はアノード２２４に隣接しており、かつ第２主要面２２６はシェルアセンブリ２０４に隣接している。圧縮可能な充填材２１８の第２主要面２２６は、接着剤又は他の固定手段によって、シェルアセンブリ２０４に接着又は結合され得るが、圧縮可能な充填材２１８の第１主要面２２４はアノード２１２に固定されていないか、又は他の場合には結合されていない。代わりに、圧縮可能な充填材２１８の第１主要面２２４は、前記圧縮可能な充填剤の拡張する性質によって、アノード２１２を圧迫する。圧縮可能な充填材２１８がアノードチャンバ２１４のすべて、又はほぼすべてを占有するので、圧縮可能な充填材２１８は、パージされる必要があり得る空気又は他の汚染物質がアノードチャンバ２１４に進入するのを防止する。
【００２１】
図２Ｂは、作動中（例えばシステム２００の始動直後）のシステム２００を示す。作動中、燃料流２１６は燃料チャネル２２０を介してアノードチャンバ２１４に導かれる。燃料流２１６は、シェルアセンブリ２０４及び圧縮可能な充填材２１８を通過し、第１主要面２２４において燃料チャネル２２０を退出し、圧縮可能な充填材２１８の第１主要面２２４とアノード２１２との間を流れる。前記燃料の圧力がアノードチャンバ２１４内において上昇するにつれ、増大した燃料圧力が第１主要面２２４を圧迫し、第１主要面２２４
をアノード２１２から引き離すことによって、燃料サブチャンバ２２２を形成する。このように、増大した燃料圧力は、充填材２１８をより小さな容積に圧縮することによって、圧縮可能な充填材２１８を変形させ、それにより図２Ｂに示すように、アノードチャンバ２１４内においてアノード２１２と第１主要面２２４との間に燃料サブチャンバ２２２を形成する。形成されると、燃料サブチャンバ２２２は、アノード２１２の表面の大部分又はすべてをサブチャンバ２２２内の燃料に曝露させる。圧縮可能な充填材は、前記アノードチャンバ内の燃料圧力が約３．４〜約４１３．７ｋＰａＧ（約０．５〜約６０ｐｓｉｇ）、又は３．４〜約４１３．７ｋＰａＧ（０．５〜約６０ｐｓｉｇ）の範囲内にある任意の燃料圧力サブレンジ（例えば約３．５〜６．９ｋＰａＧ（約０．５〜１ｐｓｉｇ）、約６．９〜３４．５ｋＰａＧ（約１〜５ｐｓｉｇ）、約３４．５〜６８．９ｋＰａＧ（約５〜１０ｐｓｉｇ）、約３４．５〜１７２．４ｋＰａＧ（約５〜２５ｐｓｉｇ）、約１３７．９〜２０６．８ｋＰａＧ（約２０〜３０ｐｓｉｇ）、約１７２．４〜３４４．７ｋＰａＧ（約２５〜５０ｐｓｉｇ）、又は約２７５．８〜４１３．７ｋＰａＧ（約４０〜６０ｐｓｉｇ））に達すると、変形して、より小さな容積に圧縮するように構成されている。
【００２２】
システム２００への燃料流２１６が低減されるか、又はすべて停止された場合には、前記システムはアノードチャンバ２１４内に残存しているいかなる量の燃料も消費し、アノードチャンバ２１４内の燃料圧力は低下するであろう。アノードチャンバ２１４内の燃料圧力が低下するにつれ、圧縮可能な充填材２１８は拡張してアノードチャンバ２１４のより大きな容積を占有する。アノードチャンバ２１４内の燃料圧力が所定の閾値未満に低下した場合、又はアノードチャンバ２１４が燃料を本質的に有さなくなった場合には、圧縮可能な充填材２１８は、第１主要面２２４が燃料電池２０２のアノード側面上のアノード２１２と接触するまで拡張するであろう。このように、圧縮可能な充填材２１８は、システム２００のシャットダウン中又はシステム２００の非作動時に、空気又は他の汚染物質がアノードチャンバ２１４に進入するのを防止するであろう。
【００２３】
本発明の圧縮可能な充填材は、好ましくはシステム２００の燃料物質又は燃料電池反応生成物に対して不活性であるエラストマー材料（例えばゴム、ポリウレタン、シリコーンなど）から形成され得る。前記圧縮可能な充填材は、電気絶縁性材料から形成されてもよい。前記圧縮可能な充填材は、発泡材料又は細孔の閉鎖した網状組織を有する他の材料であってもよい。前記圧縮可能な充填材の１つ以上の表面は、圧縮可能な充填材に所望の性質を与えるために表面処理を受けてもよい。例えば、前記圧縮可能な充填材は、前記圧縮可能な充填材表面の１つ以上（例えば、燃料電池のアノードに接触する圧縮可能な充填材の第１主要面）の上に薄膜層、例えば、水素サブチャンバの形成を容易にし得る前記圧縮可能な充填材の表面に親水性又は疎水性を与えるか、又は燃料電池の作動中における水管理を支援する薄膜を備えるように構成されてもよい。
【００２４】
本発明の圧縮可能な充填材は、１つ以上の膨張可能要素を含み得る。例えば、前記圧縮可能な充填材は、流体（例えば液体又は気体材料）によって膨張させることができるブラダーを備えてもよい。いくつかの実施形態において、前記圧縮可能な充填材は、前記圧縮可能な充填材によって占有される前記アノードチャンバ内の空間の量を能動的に制御することができるように、膨張制御システムに接続された膨張可能なブラダーを備えてもよい。前記ブラダーに気体又は液体を送り込むことによって、前記ブラダーを膨張又は収縮させ、それにより前記圧縮可能な充填材をアノードチャンバ内において拡張させるか、又は接触させ得る。アノードチャンバ内の燃料圧力が比較的低い場合、前記ブラダーの容積を能動的に縮小することにより、アノードチャンバ内に燃料を吸い込む。前記ブラダーの容積を能動的に増大することにより、アノードチャンバから燃料又は他の化学種を排出する。いくつかの実施形態において、前記圧縮可能な充填材は、複数の分割領域を有するブラダーを備え、前記分割領域のうちの１つ以上は他の分割領域とは独立して膨張又は収縮させることができ、それによりアノードチャンバから、又はアノードチャンバ内において、
気体及び他の材料種をパージ又は再分配するための手段を提供する。いくつかの実施形態において、膨張可能要素を備えた圧縮可能な充填材は、アノードチャンバ内の燃料圧力に応答して圧縮又は拡張するように構成されていなくてもよく、しかしながら代わりに能動的膨張制御システムの動作によって圧縮又は拡張するように構成され得る。
【００２５】
本発明の圧縮可能な充填材は、エンボス加工されたレリーフ面（ｅｍｂｏｓｓｅｄ  ｒｅｌｉｅｆ  ｓｕｒｆａｃｅｓ）及び／又は他のテクスチャー特徴（ｔｅｘｔｕｒｉｎｇ
ｆｅａｔｕｒｅｓ）を有する第１主要面（すなわち圧縮可能な充填材が完全に拡張したときに、燃料電池のアノード構成要素と接触する圧縮可能な充填材の表面）を備え得る。例えば、前記圧縮可能な充填材の第１主要面は、１つ又は複数の燃料チャネルがアノードチャンバに流れ込む場所から、又はそのまわりに延びる内部にエンボス加工された部分的なチャネルの網状組織を備えてもよい。前記圧縮可能な充填材が完全に拡張されて、第１主要面が燃料電池のアノードに対して押し付けられると、前記エンボス加工されたレリーフチャネルは、前記１つ又は複数の燃料チャネルからの燃料の改善された退出を提供し、第１主要面と燃料電池のアノードとの間を流れることができる。そのような実施形態において、そのエンボスパターンは、燃料を燃料電池の様々な領域に選択的に又は優先的に導いて、例えば、前記燃料電池の領域にわたって均一又は最適な性能を保証する。
【００２６】
前記燃料チャネルは、前記圧縮可能な充填材及び／又はシェルアセンブリの一部を除去することによって前記システム内に形成され得る。例えば、レーザードリル又は他の機械的切断器具を用いて、前記圧縮可能な充填材及び／又はシェルアセンブリの一部を除去することができる。前記燃料チャネルは、正方形、円形、又は他の幾何学的形状の断面形状を有してもよく、かつ５０ミクロン〜２ミリメートルの直径を有してもよい。
【００２７】
図２Ａ及び図２Ｂは、燃料チャネル２２０が圧縮可能な充填材２２０を通過するように示しているが、前記燃料チャネルは、任意で圧縮可能な充填材を通過せずに、シェルアセンブリのみを通って延在してもよい。図３は燃料電池システム３００の形態にあるそのような実施形態を示す。システム２００と同様に、システム３００は、燃料電池３０２及びシェルアセンブリ３０４を備える。燃料電池３０２は、カソード３０８、膜３１０及びアノード３１２を備える。シール３０６は、シェルアセンブリ３０４と、燃料電池３０２のアノード側面との間に気密封止を提供することによって、アノードチャンバ３１４を画定し、そのアノードチャンバ３１４内には圧縮可能な充填材３１８が配置されている。圧縮可能な充填材３１８は第１主要面３２４と、第１主要面３２４とは反対側の第２主要面３２６とを備える。システム２００とは異なり、システム３００は、シェルアセンブリ３０４の一部を通って延在するが、圧縮可能な充填材３１８を通っては延在しない燃料毛細管又は燃料チャネル３２０を備える。代わりに、燃料チャネル３２０は、シェルアセンブリ３０４の内面上において第１主要面３２４がアノード３１２と接触する場所に隣接した位置で終了する。燃料チャネル３２０は、アノードチャンバ３１４と燃料源（例えば水素貯蔵器）との間に流体が流れるような連通を提供する。燃料流３１６がチャネル３２０に導かれると、前記燃料は第１主要面３２４とアノード３１２との間に流れるであろう。アノードチャンバ３１４内の燃料圧力が増大するにつれ、前記燃料は第１主要面３２４を圧迫して、第１主要面３２４をアノード３１２から引き離して、燃料サブチャンバを形成するであろう。
【００２８】
図３Ｂは、作動中（例えばシステム３００の始動直後）のシステム３００を示す。作動中、燃料流３１６は燃料チャネル３２０を介してアノードチャンバ３１４に導かれる。燃料流３１６は、シェルアセンブリ３０４を通過し、第１主要面３２４とアノード３１２との接触平面のすぐ側方の位置において燃料チャネル３２０を退出する。燃料流３１６が圧縮可能な充填材３１８の第１主要面３２４とアノード３１２との間を流れるにつれて、前記燃料の圧力がアノードチャンバ３１４内において上昇し、増大した燃料圧力は第１主要
面３２４を圧迫して、第１主要面３２４をアノード３１２から引き離すことによって、燃料サブチャンバ３２２を形成する。このように、増大した燃料圧力は、充填材３１８をより小さな容積に圧縮することによって、圧縮可能な充填材３１８を変形させ、それにより図３Ｂに示すように、アノードチャンバ３１４内においてアノード３１２と第１主要面３２４との間に燃料サブチャンバ３２２を形成する。形成されると、燃料サブチャンバ３２２は、アノード３１２の表面の大部分又はすべてをサブチャンバ３２２内の燃料に曝露させる。前記圧縮可能な充填材は、アノードチャンバ内の燃料圧力が約３．４〜約４１３．７ｋＰａＧ（約０．５〜約６０ｐｓｉｇ）、又は３．４〜約４１３．７ｋＰａＧ（０．５〜約６０ｐｓｉｇ）の範囲内にある任意の燃料圧力サブレンジ（例えば約３．５〜６．９ｋＰａＧ（約０．５〜１ｐｓｉｇ）、約６．９〜３４．５ｋＰａＧ（約１〜５ｐｓｉｇ）、約３４．５〜６８．９ｋＰａＧ（約５〜１０ｐｓｉｇ）、約３４．５〜１７２．４ｋＰａＧ（約５〜２５ｐｓｉｇ）、約１３７．９〜２０６．８ｋＰａＧ（約２０〜３０ｐｓｉｇ）、約１７２．４〜３４４．７ｋＰａＧ（約２５〜５０ｐｓｉｇ）、又は約２７５．８〜４１３．７ｋＰａＧ（約４０〜６０ｐｓｉｇ））に達すると、変形して、より小さな容積に圧縮するように構成されている。本願に記載する任意の実施形態において、前記シェルアセンブリ（例えばシェルアセンブリ２０４又は３０４）は、前記アノードチャンバへの燃料の流れをさらに調整又は制御する流体マニホルドを形成してもよい。更に、簡潔にするために１つ又は少数の燃料入口のみが示されているが、本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池のアノードへの燃料の効率的な分配を容易にするために、アノードチャンバへの１つ、２つ又はいくつかの入口を備えていてもよい。
【００２９】
システム３００への燃料流３１６が低減されるか、又はすべて停止された場合には、前記システムはアノードチャンバ３１４内に残っているいかなる量の燃料も消費し、アノードチャンバ３１４内の燃料圧力は低下するであろう。アノードチャンバ３１４内の燃料圧力が低下するにつれ、圧縮可能な充填材３１８は拡張してアノードチャンバ３１４のより大きな容積を占有する。アノードチャンバ３１４内の燃料圧力が所定の閾値未満に低下した場合、又はアノードチャンバ３１４が燃料を本質的に有さなくなった場合には、圧縮可能な充填材３１８は、第１主要面３２４が燃料電池３０２のアノード側面上のアノード３１２と接触するまで拡張するであろう。このように、圧縮可能な充填材３１８は、システム３００のシャットダウン中又はシステム３００の非作動時に、空気又は他の汚染物質がアノードチャンバ３１４に進入するのを防止するであろう。
【００３０】
本発明のいくつかの実施形態において、前記燃料電池システムは２つ以上の燃料電池を備え、前記圧縮可能な充填材は各燃料電池にそれ自身の燃料サブチャネルを提供するように構成され得る。図４は燃料電池システム４００の形態にあるそのような実施形態を示す。燃料電池システム４００は、３ユニット燃料電池４０２の平面アレイ４０１を備える。平面アレイ４０１の各ユニット燃料電池４０２はカソード４０８及びアノード４１２を備える。各カソード４０８及びアノード４１２は膜４１０の反対側面上に配されている。
【００３１】
燃料電池システム４００は、シェルアセンブリ４０４と、アノードチャンバ４１４内に配置された圧縮可能な充填材４１８とを備える。シール４０６は、平坦な燃料電池アレイ４０１のアノード側面と、シェルアセンブリ４０４の一部及び圧縮可能な充填材４１８の第１主要面４２４との間に気密封止を提供する。圧縮可能な充填材４１８の第２主要面４２６は、接着剤又は他の固定手段によって、シェルアセンブリ４０４に接着されるか、又は結合されている。シール４０６の間においてアノード４１２の下に位置する第１主要面４２４の部分は、平坦な燃料電池アレイ４０１に固定されていないか、又は他の場合には結合されていない。
【００３２】
燃料毛細管又は燃料チャネル４２０は、シェルアセンブリ４０４の一部を通り、圧縮可能な充填材４１８の第２主要面４２６とシェルアセンブリ４０４との間を通り、さらにそ
れぞれ圧縮可能な充填材４１８を通過する一連のサブチャネル４２８を通って延びている。各サブチャネル４２８は第１主要面４２４において終了する。当然のことながら、本発明に記載するすべての実施形態について、燃料毛細管又は燃料チャネルの代わりに、アノードチャンバへの燃料の通過を可能にする任意の適当な入口孔が用いられてもよい。例えば、流体マニホルド又は流体マニホルド内の他の開口が用いられる。用いられ得る流体マニホルドのさらなる例は、２００８年９月２５日にシュルーテン（Ｓｃｈｒｏｏｔｅｎ）らによって出願され、米国特許出願公開第２００９／００８１４９３号として公表された米国特許出願番号第１２／２３８，２４１号；２００８年３月２１日にマクレーン（ＭｃＬｅａｎ）らによって出願され、米国特許第８，１３３，６２９として発行された米国特許出願番号第１２／０５３，４０８号；及び２０１２年１月３０日にシュルーテン（Ｓｃｈｒｏｏｔｅｎ）らによって出願され、米国特許出願公開第２０１２／０２６４０３６号として公開された米国特許出願番号第１３／３６１，８０８号に含まれており、上記特許文献の各々の開示は余すところなく本願に援用される。
【００３３】
図４は、作動中（例えばシステム４００の始動直後）のシステム４００を示す。作動中、燃料流４１６は燃料チャネル４２０を介してアノードチャンバ４１４に導かれる。燃料流４１６は、シェルアセンブリ４０４を通過し、次いでサブチャネル４２８を介して圧縮可能な充填材４１８を通過する。前記燃料は第１主要面４２４において各サブチャネル４２８を退出し、圧縮可能な充填材４１８とアノード４１２との間を流れる。前記燃料の圧力がアノードチャンバ４１４内において上昇するにつれ、増大した燃料圧力は、充填材４１８をより小さな容積に圧縮することによって、圧縮可能な充填材４１８を変形させ、それにより図４に示すように、アノードチャンバ４１４内においてアノード４１２と第１主要面４２４との間に燃料サブチャンバ４２２を形成する。形成されると、各燃料サブチャンバ４２２は、各アノード４１２の表面の大部分又はすべてを各サブチャンバ内の燃料に曝露させる。
【００３４】
作動前に、燃料がアノードチャンバ４１４内にほとんど、又はまったく存在しないとき（例えば該システムの始動前）には、圧縮可能な充填材４１８は、アノードチャンバ４１４のすべて、又はほぼすべてを占有しており、圧縮可能な充填材４１８の第１主要面４２４は各アノード４２４に隣接しており、かつ第２主要面４２６はシェルアセンブリ４０４に隣接している。圧縮可能な充填材４１８がアノードチャンバ４１４のすべて、又はほぼすべてを占有するので、圧縮可能な充填材４１８は、パージされる必要があり得る空気又は他の汚染物質がアノードチャンバ４１４に進入するのを防止する。
【００３５】
システム４００は３ユニット燃料電池４０２を備えているが、本発明の燃料電池システムはより多くのユニットの燃料電池を備えてもよい。例えば、本発明の燃料電池システムは（図２Ａ及び図２Ｂに示したような）１ユニットのみの燃料電池を備えてもよいし、又は複数の燃料電池（例えば５、１０、２５、５０、１００又は数千ユニットの燃料電池）を備えてもよい。本発明の燃料電池システムは、例えば、平面アレイ内に配された２〜１０，０００ユニットの燃料電池を備えてもよい。さらに、図４に示したシステム４００のユニット燃料電池４０２は、平坦な燃料電池アレイ４０１の全長に沿って延びる唯一の膜４１０を共有しているが、本発明のいくつかの実施形態では、ユニット燃料電池のうちのいくつか、又はすべてが各々それら自身の個別の（ｄｉｓｃｒｅｅｔ）膜を有するように、前記平面アレイは一連の不連続膜を備える。
【００３６】
本発明のいくつか実施形態において、アノードチャンバに接続された燃料電池は、２００８年９月２５日にシュルーテン（Ｓｃｈｒｏｏｔｅｎ）らによって出願され、米国特許出願公開第２００９／００８１４９３号として公表された米国特許出願番号第１２／２３８，２４１号；２０１２年６月２８日にシュルーテン（Ｓｃｈｒｏｏｔｅｎ）らによって出願され、米国特許出願公開第２０１２／０２８８７８１号として公開された米国特許出
願番号第１３／５１９，７１６号；２０１２年６月２８日に米国特許出願番号第１３／５３５，８８０号として出願され、２０１４年１月１４日にマクレーン（ＭｃＬｅａｎ）らに付与された米国特許第８，６２８，８９０号；２００６年８月１１日の特許協力条約に基づく国際出願、及び米国特許出願番号第１２／０６３，８８５号として出願され、２０１２年４月３日にキャプロン（Ｃａｐｒｏｎ）らに付与された米国特許第８，１４８，４３６号；又は２００６年１２月４日に特許協力条約に基づく国際出願番号第ＰＣＴ／ＦＲ２００６／００２６４０号として出願され、米国特許出願公開第２００９／０１６９９４５号として公開された米国特許出願番号第１２／０８５，０３５号のいずれかに記載されている燃料電池又は燃料電池層の１つであってもよい。これらの公報の各々の全教示は、参照によって、本願に援用される。さらに、本発明のいくつかの実施形態は、非平坦な燃料電池（例えば、燃料電池スタック、非空気吸い込み型（ｎｏｎ−ａｉｒ  ｂｒｅａｔｈｉｎｇ）である燃料電池、又は燃料プレナムを含む燃料電池アーキテクチャ）に接続されたアノードチャンバを含む。
【００３７】
いくつかの実施形態において、本発明は、米国特許出願公開第２０１２／０２８８７８１号に記載されている燃料電池のうちのいくつかのような、非対称アーキテクチャを有する燃料電池を備える。前記特許文献は参照によってその全容を本願に援用される。図７は燃料電池システム７００の形態にあるそのような実施形態を示す。燃料電池システム７００は、（複数のユニット燃料電池を含む）燃料電池層７０２及びシェルアセンブリ７０４を備える。燃料電池７０２は、イオン伝導要素７１０（例えば膜）と、電子伝導要素７５１とを有する複合層７２３を備える。任意で、複合層７２３はまた、電気非伝導性及び／又はイオン非伝導性である材料を含み得る界面又は基材領域７５２も備え得る。電子伝導性要素７５１及び任意の界面又は基材領域７５２は、集電システムを形成し得る。イオン電導性要素７１０は、それぞれ、複合層７２３として非対称である。燃料電池７０２の複合層７２３はまた、カソード７０８及びアノード７１２も備える。
【００３８】
燃料電池システム７００はシェルアセンブリ７０４を備える。シール７０６は、シェルアセンブリ７０４と、燃料電池７０２のアノード側面との間に気密封止を提供する。圧縮可能な充填材７１８はシェルアセンブリ７０４内に配置されている。圧縮可能な充填材７１８は第１主要面７２４と、第１主要面７２４とは反対側の第２主要面７２６とを備える。燃料毛細管又は燃料チャネル７２０は、シェルアセンブリ７０４の一部を通り、圧縮可能な充填材７１８の第２主要面とシェルアセンブリ７０４との間を通り、さらに圧縮可能な充填材７１８を通って延在する。燃料チャネル７２０は第１主要面において終了する。燃料チャネル７２０は、アノードチャンバ７１４と燃料源（例えば水素貯蔵器）との間に流体が流れるような連通を提供する。
【００３９】
図７は、燃料がアノードチャンバ７１４内にほとんど、又はまったく存在しないときの（例えば該システムの始動前の）システム７００を示す。この状態においては、圧縮可能な充填材７１８は、アノードチャンバ７１４のすべて、又はほぼすべてを占有しており、圧縮可能な充填材７１８の第１主要面７２４はアノード７２４に隣接しており、かつ第２主要面７２６はシェルアセンブリ７０４に隣接している。圧縮可能な充填材７１８の第２主要面７２６は、接着剤又は他の固定手段によって、シェルアセンブリ７０４に接着又は結合され得るが、圧縮可能な充填材７１８の第１主要面７２４はアノード７１２に固定されていないか、又は他の場合には結合されていない。代わりに、圧縮可能な充填材７１８の第１主要面７２４はアノード７１２を圧迫する。圧縮可能な充填材７１８がアノードチャンバ７１４のすべて、又はほぼすべてを占有するので、圧縮可能な充填材７１８は、パージされる必要があり得る空気又は他の汚染物質がアノードチャンバ７１４に進入するのを防止する。燃料がチャネル７２０を介してアノードチャンバ７１４に進入すると、増大した燃料圧力が圧縮可能な充填材７１８をより小さな空間に圧縮し、それによってアノード７１２に隣接する燃料プレナムを形成する。
【００４０】
図７では、チャネル７２０は流体マニホルド及び圧縮可能な充填材７１８を通って延びて、アノード７２４に接触するように示されているが、前記チャネルはアノードチャンバ７１４の全長にわたって連続していてもよいし、又は連続していなくてもよいことに留意すべきである。例えば、シェルアセンブリ７０４は、アノードチャンバ７１４内に燃料を導入するために、チャネル（例えば、直径約０．５ｍｍ〜５ｍｍ）のパターンを有してもよく、また小開口（例えば直径〜〜０．１ｍｍから１ｍｍ）を備えてもよい。これらの開口（図示せず）は、アノードチャンバ７１４にわたって燃料の均一な導入を保証するために、第２主要面７２６に沿ったアノードチャンバ７１４の領域にわたって分散されてもよいし、又は、代わりに、例えば、第２主要面７２６に沿った各ユニット燃料電池の端部に位置してもよい。そのような実施形態において、チャネル７２０は、前記開口に対応する位置の前記燃料電池層の領域にわたって分散した方法で位置してもよいし、又は代わりに各ユニット燃料電池の端部に位置してもよい。これらの実施形態において、圧縮可能な充填材７１８は、各ユニット燃料電池に沿って、かつ／又はアノードチャンバ７１４全体にわたる燃料電池層の領域にわたって延び、任意でチャネル７２０を提供するための断続的な貫通を有する、材料の連続部分であり得る。さらなる実施形態において、チャネル７２０が前記燃料電池層の一端に配置される場合には、圧縮可能な充填材７１８は、チャネル７２０を提供するために、アノードチャンバ７１４の端部まで延在していなくてよい。
【００４１】
さらなる実施形態において、本発明は、集電機能を有する圧縮可能な充填材を備える。図５は燃料電池システム５００の形態にあるそのような実施形態を示す。燃料電池システム５００は、燃料電池５０２及びシェルアセンブリ５０４を備える。燃料電池５０２は、カソード５０８、膜５１０及びアノード５１２を備える。シール５０６は、シェルアセンブリ５０４と、燃料電池５０２のアノード側面との間に気密封止を提供する。
【００４２】
燃料電池システム５００は、気密シール５０６によって燃料電池５０２のアノード側面に取り付けられ、それによりアノードチャンバ５１４を画定するシェルアセンブリ５０４を備える。燃料電池システム５００は、アノードチャンバ５１４内に配置された圧縮可能な充填材５１８を備える。圧縮可能な充填材５１８は第１主要面５２４と、第１主要面５２４とは反対側の第２主要面５２６とを備える。燃料毛細管又は燃料チャネル５２０は、シェルアセンブリ５０４の一部を通り、圧縮可能な充填材５１８の第２主要面５２６とシェルアセンブリ５０４との間を通り、さらに複数の燃料サブチャンネル５２８を介して圧縮可能な充填材５１８内を通って延びる。燃料サブチャネル５２８は第１主要面５２４において終了する。燃料チャネル５２０は、アノードチャンバ５１４と燃料源（例えば水素貯蔵器）との間に流体が流れるような連通を提供する。
【００４３】
圧縮可能充填材５１８の第１主要面５２４上には１つ以上の集電体５３０が備えられている。集電体５３０は、１種以上の導電性金属（例えばＣｕ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ又はＡｌ）及び／又は導電性炭素層を備える。集電体５３０は導電性接着部５３２によってアノード５１２に結合又は接着されている。
【００４４】
図５は、作動中（例えばシステム５００の始動後）のシステム５００を示す。作動中、燃料流５１６は燃料チャネル５２０を介してアノードチャンバ５１４に導かれる。燃料流５１６は、シェルアセンブリ５０４及び圧縮可能な充填材５１８を通過し、第１主要面５２４において燃料サブチャネル５２８を退出し、圧縮可能な充填材５１８の第１主要面５２４とアノード５１２との間に流れる。前記燃料の圧力がアノードチャンバ５１４内において上昇するにつれ、増大した燃料圧力は、第１主要面５２４を圧迫して、接着部５３２によってアノード５１２に結合されていない第１主要面５２４の部分をアノード５１２から引き離すことによって、燃料サブチャンバ５２２を形成する。このように、増大した燃料圧力は、圧縮可能な充填材５１８をより小さな容積に圧縮することによって、圧縮可能
な充填材５１８を変形させ、それにより図５に示すように、アノードチャンバ５１４内においてアノード５１２と第１主要面５２４との間に燃料サブチャンバ５２２を形成する。形成されると、燃料サブチャンバ５２２は、アノード５１２の表面の大部分をサブチャンバ５２２内の燃料に曝露させる。
【００４５】
集電体５３０はアノード５１２と電気的に連絡しており、アノード５１２で生成された電気を伝導する電気回路を提供する。システム５００が電力を生成すると、その電力は集電体５３０によってアノード５１２から収集され、所望の用途に送られる。このように、集電体５３０は圧縮可能な充填材５１４に集電機能を提供する。
【００４６】
本発明は、本願に記載する燃料電池システムによって電気を発生する方法を含む。図６はそのような方法の図式表示を示している。参照番号６０２において、前記方法は、本願に記載する本発明のシステムのうちの１つのような燃料電池を備えた燃料電池システムを提供することを含む。前記燃料電池は、カソード側面、膜、及びアノード側面を備え得る。前記システムはまた、前記燃料電池のアノード側面上に配置されたシェルアセンブリも備え得る。前記シェルアセンブリはアノードチャンバを少なくとも部分的に画定し、前記アノード側面は前記アノードチャンバを少なくとも部分的に画定する。前記システムはまた、前記アノードチャンバ内の第１容積を占有する少なくとも１つの圧縮可能な充填材も備え得る。前記圧縮可能な充填材は、前記アノードチャンバ内において燃料圧力が増大すると、変形して第２容積を占有するように構成されており、第１容積は第２容積より大きい。前記システムはまた、前記アノードチャンバと流体が流れるように連通した少なくとも１つの燃料チャネルも備え得る。
【００４７】
参照番号６０４では、前記燃料チャネルを介して前記アノードチャンバ内に燃料が導かれる。前記アノードチャンバが燃料をほぼ有さない場合（例えば、システムの始動時）、前記アノードチャンバに燃料を導くことにより、前記アノードチャンバ内の燃料圧力は、圧縮可能な充填材が変形されてアノードチャンバ内の第２容積を占有するまで増大されるであろう。
【００４８】
参照番号６０６では、燃料のアノード側面は、前記アノードチャンバに導かれた燃料によって接触される。前記燃料がアノード側面と接触すると、燃料電池反応が起こり、その結果として、前記燃料電池が電気を発生する。
【００４９】
参照番号６０８では、前記アノードチャンバ内の燃料圧力は低下し、前記圧縮可能な充填材は拡張して、より多くの空間を占有する。例えば、アノードチャンバへの燃料の流れを抑制して、アノードチャンバ内の燃料圧力の低下を生じさせてもよく、その結果として、前記圧縮可能な充填材が拡張して、より多くのアノードチャンバ容積を占有する。アノードチャンバ内の燃料圧力が所定レベル未満に低下した場合、又はアノードチャンバが燃料を本質的に有さなくなった場合には、前記圧縮可能な充填材はアノードチャンバの全容積を占有するように拡張し得る。いくつかの実施形態において、前記圧縮可能な充填材は、アノードチャンバ内において一定な燃料圧力を維持するために、徐々に拡張又は収縮し得る。
【００５０】
いくつかの実施形態において、本発明は、アノードチャンバを２つ以上の燃料流れ場に分割するシェルアセンブリを備える。すなわち、前記シェルアセンブリは、燃料がアノードチャンバに進入すると、それを通って流れ得るチャネル又はチャネルの網状組織を部分的に画定する内部仕切りを備える。図８Ａは燃料電池システム８００の形態にあるそのような実施形態を示す。燃料電池システム８００は、燃料電池８０２及びシェルアセンブリ８０４を備える。燃料電池８０２は、１つ以上のカソード（図示せず）、膜８１０及びアノード８１２を備える。
【００５１】
本願に記載した他の燃料電池システムと同様に、シェルアセンブリ８０４は、燃料電池８０２のアノード側面に取り付けられており、それによりアノードチャンバ８１４を画定する。アノードチャンバ８１４内には、１つ又は複数の圧縮可能な充填材８１８が配置されている。また本願に記載した他の燃料電池システムと同様に、圧縮可能な充填材８１８は、不要な物質がアノードチャンバ８１４に進入するのを防止するために、拡張又は収縮するように構成されている。
【００５２】
しかしながら、前述した燃料電池システムとは異なり、シェルアセンブリ８０４は、アノードチャンバ８１４を流れ場８１４ａ，８１４ｂに分割する仕切り８０５を備える。燃料がアノードチャンバ８１４に進入するにつれ、前記燃料は圧縮可能な充填材８１８をより小さな容積に圧縮し、圧縮可能な充填材８１８をアノード８１２から押し退けて、圧縮可能な充填材８１８の第１主要面とアノード８１２と間にサブチャネルを形成する。前記燃料は、１つ又は複数のサブチャンバに沿って流れることにより、流れ場８１４ａ，８１４ｂの長手方向長さに沿って、線８４９にほぼ平行な方向に伝播し得る。これに代わって、又は加えて、アノード８１２が細孔の相互に接続した網状組織を有する材料から形成されている場合には、前記燃料は、その多孔質アノードの長さにわたって流れることにより、流れ場８１４ａ，８１４ｂの長手方向長さに沿って、線８４９にほぼ平行な方向に伝播し得る。このように、シェルアセンブリは、燃料をアノードチャンバ全体に分散させるのを助け、１つ又は複数のアノード層との接触を改善するマニホルドとして機能することができる。
【００５３】
本発明のいくつかの実施形態において、前記シェルアセンブリは、アノードチャンバを流れ場の網状組織に分割する多重仕切り（ｍｕｌｔｉｐｌｅ  ｄｉｖｉｄｅｒｓ）及び／又は１つもしくは複数の仕切り（ａ  ｄｉｖｉｄｅｒ（ｓ））を有する。前記アノードチャンバ内の流れ場のすべて、又は一部は、相互に接続して、燃料を前記燃料電池のアノード上に分散させるのを助ける流れ場の網状組織を形成し得る。前記シェルアセンブリの仕切りは、前記仕切りと燃料電池との間の接触点において、接着剤又は機械的取付け手段によって、前記燃料電池に取り付けられ得る。
【００５４】
さらなる実施形態において、前記充填材は、可撓性であり得るシェルアセンブリに接続されていてもよい。そのような実施形態では、燃料のための空間を形成するためにアノードプレナムの加圧時に変形するのは、充填材だけでなく、シェルアセンブリ全体であり得る。例えば、前記充填材は、２０１４年７月２９日に発行され、「Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ  Ｓｐａｃｅ−Ｓａｖｉｎｇ  Ｆｌｕｉｄ  Ｐｌｅｎｕｍ  ａｎｄ  Ｒｅｌａｔｅｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ」と題された、シュルーテン（Ｓｃｈｒｏｏｔｅｎ）らに付与された共同所有の米国特許第８，７９０，８４２号に記載されているものように、可撓性燃料電池層の可撓性流体マニホルドに一体化されていてもよいし、又は２０１３年４月２日に発行され、「Ｆｌｅｘｉｂｌｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ｈａｖｉｎｇ  Ｅｘｔｅｒｎａｌ  Ｓｕｐｐｏｒｔ」と題された、マクレーン（ＭｃＬｅａｎ）らに付与された共同所有の米国特許第８，４１０，７４７号に記載されているもののように、燃料電池構造の可撓性流体プレナムに一体化されていてもよい。これらのような構成は、全体的なシステムの幾何学的形状及び容積のさらなる融通性を提供し得、前記プレナム内における充填材の材料の複合的利点を有する。
【００５５】
図８のシステム８００はアノード８１２の間を分割して延在し、膜８１０に接触する仕切り８０５を示しているが、いくつかの実施形態では、前記シェルアセンブリの仕切りのうちのいくつか又はすべては、燃料電池膜に接触しなくてもよく、前記シェルアセンブリの下面からアノードチャンバを通って燃料電池上のアノード面までのみに延在してもよい。図９は、燃料電池９０２及びカソードシェルアセンブリ９０４を備えた燃料電池システ
ム９００の形態にあるそのような実施形態を示す。燃料電池９０２は、１つ以上のカソード層（図示せず）、膜９１０及びアノード層９１２を備える。シェルアセンブリ９０４は、燃料電池９０２のアノード側面に固定され、アノードチャンバ９１４を通って延びる仕切り９０５を備え、それによりアノードチャンバ９１４を流れ場９１４ａ，９１４ｂに分割する。アノードチャンバ９１４内には圧縮可能な充填材９１８が配置されており、圧縮可能な充填材９１８は前述した実施形態の圧縮可能な充填材と同様に構成されている（すなわち、アノードキャビティ内の燃料電池圧力の変化に応答して、かつ／又は前記圧縮可能な充填材を膨張又は収縮させる能動的制御装置に応答して、拡張及び収縮するように構成されている）。燃料電池システム９００と図８に示した燃料電池システム８００との間の１つの相違は、燃料電池システム９００の仕切り９０５は、燃料電池アノード層を通って延びて膜に当接する代わりに、アノード９１２の表面に当接するということである。アノード層９１２が相互に接続した細孔の網状組織を含む場合、燃料はアノード層９１２を通って拡散し、仕切り９０５の上端を通り越すことにより、流れ場９１４ａから流れ場９１４ｂに伝播し得る。
【００５６】
上記の説明は、例示であり、限定的なものではないことが意図される。上記の説明の検討により、例えば当業者によって、他の実施形態が用いられ得る。例えば、１つの記載された実施形態の要素は他の記載された実施形態からの要素とともに用いられてもよい。また、上記の詳細な説明において、様々な特徴は開示を簡素化するためにグループ化され得る。これは、権利請求されていない開示された特徴が任意の請求項に対して必須であることを意図していると解釈されるべきでない。むしろ、本発明の主題は、特定の開示された実施形態のすべての特徴よりも少ない状態にあってもよい。したがって、以下の特許請求の範囲は、これにより詳細な説明に援用され、各請求項は別個の実施形態として自立している。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲、並びに係る特許請求の範囲が権利を享受する均等物の全範囲を参照して決定されるべきである。
【００５７】
要約書は、読者が技術的な開示の性質を迅速に確認することができるようにするために、米国特許法施行規則第１．７２条（ｂ）に準拠するために提供される。要約書は、請求項の範囲又は意味を解釈又は限定するためには用いられないという理解で提出されている。
【図１】
2018503947.tif 000003
【図２Ａ】
2018503947.tif 000004
【図２Ｂ】
2018503947.tif 000005
【図３Ａ】
2018503947.tif 000006
【図３Ｂ】
2018503947.tif 000007
【図４】
2018503947.tif 000008
【図５】
2018503947.tif 000009
【図６】
2018503947.tif 000010
【図７】
2018503947.tif 000011
【図８】
2018503947.tif 000012
【図９】
2018503947.tif 000013
【国際調査報告】
2018503947.tif 000014
2018503947.tif 000015
2018503947.tif 000016