マイクロ燃料電池
燃料電池、燃料電池配列及びこれらを製造する方法が開示される。燃料電池は、第一の電極層を通る第一の開口表面により画成された第一の開口と、第二の電極層を通る第二の開口表面により画成された第二の開口とを形成することにより、製造することができる。陽子交換膜が第一の電極層と第二の電極層との間に積層される。第一の開口の少なくとも一部分は、第二の開口と少なくとも部分的に整合される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全体として、燃料電池の分野、より具体的には、マイクロ燃料電池及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電池内の水素又はメタノールのような燃料を電気化学的に酸化させ、燃料の化学的エネルギを電力に直接、変換することにより、電気エネルギを発生させる。燃料電池は、最近、クリーンな電気エネルギの供給源として注目を集めている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
携帯型及び（又は）無線の電子装置への給電は、今日の市場にて重大な関心事である。多くの無線センサ及び（又は）携帯型電気通信及び計算装置の速度及び機能は、電源によって制限される傾向である一方、優れた電源の利用可能性は、電子装置自体の開発に遅れをとっている。このため、改良された電力供給及び管理が不断に探求されている。
【０００４】
電子製品に使用するのに適した極小型の多数の燃料電池が今日、利用可能となっているが、これらの燃料電池を多岐に亙る用途のための、低コスト大量生産及びデバイスパッケージングに対する関心の度合いは低い。燃料電池を低コストで、しかも効率的に製造する方法のような事柄に関する文献情報は少ない。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、全体として、燃料電池、燃料電池配列及びそれらの製造方法に関する。一例としての実施の形態において、燃料電池は、第一の電極層を通る第一の開口表面により画成された第一の開口を形成するステップと、第二の電極層を通る第二の開口表面により画成された第二の開口を形成するステップとにより形成される。次に、陽子交換膜を第一の電極層と第二の電極層との間に、陽子交換膜が第一の開口及び第二の開口を跨ぐように積層する。また、複数の燃料電池を、以下に更に説明するように、同様の要領にて形成することができる。
【０００６】
幾つかの実施の形態において、第一の電極層及び第二の電極層と、陽子交換膜との間の接着を向上させるのに役立つよう、電極層と陽子交換膜との間に接着剤を提供することもできる。燃料電池の製造方法にしたがって、開口は、接着剤が提供される前、又は提供された後に形成してよい。
【０００７】
幾つかの実施の形態において、第一の電極層及び（又は）第二の電極層は、導電性基板を有することができる一方、その他の実施の形態において、第一の電極層及び（又は）第二の電極層は、その少なくとも一部分に導電層が施された非導電性基板を含むことができる。導電層が施されるとき、導電層は、１つ又はより多数の燃料電池の電気接点を形成するようパターン化することができる。場合によっては、電気接点は、開口付近の隣接する陽子交換膜から陽子交換膜の幅を超える領域まで伸びるようにする。第一の電極層及び第二の電極層の双方にかかる電気接点が提供されるとき、第一の電極層における電気接点の少なくとも幾つかは、第一の電極層及び第二の電極層が互いに積層される際、第二の電極層における電気接点の少なくとも幾つかと電気的に接続された状態となる。第一及び第二の電極層にて電気接点を適正にパターン化することにより、２つ以上の燃料電池は、直列、並列又はその何らかの組み合わせにて電気的に接続し、所望の電気的出力特性を提供することができる。
【０００８】
本明細書に開示された任意の数の方法を使用することにより、複数の燃料電池を形成することができる。例えば、第一の電極層及び第二の電極層は、各々が１つの燃料電池を画成する多数の開口を含むようにしてよい。陽子交換膜が第一の電極層と第二の電極層との間に積層されたとき、複数の燃料電池を形成することができる。次に、所望に応じて複数の燃料電池をダイシングし、単一の燃料電池又は燃料電池配列とすることができる。別の実施の形態において、第一の複数の開口と、第一の複数の電池接点とを有する第一の長さの材料は、第二の複数の開口と、第二の複数の電気接点とを有する第二の長さの材料と共に動かしてその間に陽子交換膜を有する接合単一体とすることができる。第二の複数の開口は第一の複数の開口と整合していることが好ましい。接合されたならば、形成される複数の燃料電池は、所望に応じてダイシングして単一の燃料電池又は燃料電池配列にすることができる。
【０００９】
本発明は、添付図面に関する本発明の色々な実施の形態の以下の詳細な説明を検討することにより、より完全に理解することができよう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明は、色々な変更例及び代替的な形態にて具体化可能であるが、その特定例を図面に単に一例として示し、且つこれについて詳細に説明する。しかし、これは、本発明を記載された特定の一例としての実施の形態に限定することを意図するものではないことを理解すべきである。むしろ、本発明の精神及び範囲に属する全ての変更例、等価物及び代替例を包含することを意図するものである。
【００１１】
以下の記載は、異なる図面において同様の部品を同様の番号にて表示する図面を参照しつつ読まれるべきである。必ずしも正確な縮尺通りではない図面は、選んだ実施の形態を示すものであり、本発明の範囲を限定することを意図するものではない。構造、寸法及び材料の例は、色々な要素に対して示してあるが、当該技術の当業者は、提供された例の多くが利用可能である適宜な代替例を有することが理解されよう。
【００１２】
本発明は、全ての装置、特に、小型の電源を使用することができる装置と共に使用するため適用可能である。幾つかの一例としての実施の形態において、本発明は、燃料源として水素及び酸素を使用して電力を提供する。本発明は、このように限定されるものではないが、以下に記載した色々な一例としての実施の形態及び例の説明を通して本発明の色々な形態が理解されよう。
【００１３】
図１Ａないし図１Ｄは、色々な製造ステップにおける一例としてのマイクロ燃料電池の断面概略図である。図１Ａにおいて、電極１１０は、頂面１１２と、底面１１４と、頂面１１２と底面１１４との間の距離により画成された厚さＴ１とを有している。一例としての実施の形態において、非導電性基板とすることのできる基板１１５は、頂面の少なくとも一部分及び底面１１４の少なくとも一部分が導電性材料１１６にて被覆されている。導電性材料１１６は、例えば、所望に応じて、１０００オングストローム以内又はそれ以上の厚さのような任意の有用な厚さとすることができる。また、頂面１１２における導電性材料１１６を、底面１１４における導電性材料１１６と電気的に接続する任意のフィードスルー接点１１７も示されている。一例としての実施の形態において、電極１１０は、例えば、０．０５０８ｍｍ（２ミル）以下の厚さのような任意の有用な厚さを有することができる。幾つかの実施の形態において、導電性材料１１６は、パターン化して１つ以上の電気接点又はパッドを形成することができる。導電性材料１１６のパターン化は、例えば、多数の燃料電池が同時に形成されるとき、隣接する燃料電池を電気的に隔離する助けとなる。
【００１４】
図１Ｂにおいて、任意の接着剤層１２０を、電極１１０に配設することができる。接着剤層１２０は、導電性とし、また、従来の方法を使用して配設することができる。接着剤層１２０は、任意の有用な厚さを有することができ、また、上述した導電性材料１１６と同様に、幾つかの実施の形態にて、所望に応じてパターン化することが可能である。
【００１５】
図１Ｃにおいて、開口１３５が電極１１０の厚さＴ１にわたって形成されている。開口１３５は、例えば、押抜き、エッチング又はレーザ切断のような従来の方法を使用して形成することができる。開口１３５は、開口１３５を取り囲む開口表面１３０により形成される。開口１３５は、任意の寸法又は形状とすることができる。一例としての実施の形態において、開口１３５は、矩形、四角形、又は円形とし、また、１ｍｍ２以下の断面表面積を有する。しかし、所望に応じて、その他の形状及び寸法を使用することも可能である。図１Ａないし図１Ｃにおいて、接着剤１２０は、開口１３５が形成される前に施されるものとして示されている。しかし、その他の実施の形態において、開口１３５が形成された後、接触剤１２０を施すことができる。
【００１６】
図１Ｄには、第一の電極１１０Ａと第二の電極１１０Ｂとの間に積層された陽子交換膜１４０が示されている。第一の電極１１０Ａ及び第二の電極１１０Ｂは、上述した電極１１０と同様のものとすることができる。陽子交換膜１４０は、イオンが該膜を横断して伝導するのを許容する任意の適宜な材料とすることができる。陽子交換膜を形成する方法は、スピン又は溶媒キャスト（ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｃａｓｔｉｎｇ）のような現所の技術を包含し、且つ触媒上に予形成したフィルムを提供するステップを含む。一例としての商業的に利用可能な陽子交換膜は、デュポン（Ｄｕｐｏｎｔ）が販売するナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）（登録商標名）（ポリテトラフルオロエチレン骨格を有するペルフルオロスルホン酸の膜）である。その他の陽子交換膜は商業的に利用可能であり、当該技術の当業者に既知である。１つの好ましい実施の形態において、陽子交換膜は、１０ないし５０μｍの範囲の厚さを有する。しかし、所望であれば、その他の厚さを使用してもよい。陽子交換膜１４０は、例えば、陽子交換膜１４０に隣接する炭素／白金層のような、頂部及び底部の触媒層を更に含むことができる。
【００１７】
一例としての実施の形態において、接着剤層１２０は、陽子交換膜１４０と第一の電極１１０Ａとの間、陽子交換膜１４０と第二の電極１１０Ｂとの間に配設される。第一の電極１１０Ａの開口は、第二の電極１１０Ｂの開口と整合され、これにより、燃料電池１１０を形成する。第一の電極１１０Ａの開口と第二の電極１１０Ｂの開口との間の完全な整合は不要であるが、第一の電極１１０Ａの開口は、第二の電極１１０Ｂの開口と少なくとも部分的に整合されることが好ましい。
【００１８】
一例としての燃料電池１００は、次のように作用する。例えば、水素又はメタノールのような燃料は、第一の電極１１０Ａの開口１３５内に導入され、陽子交換膜１４０の第一の電極側部１１０Ａにおける第一の触媒層に拡散する。第一の触媒層は、次式に従って、電子の除去を促進する（水素燃料の場合）。
【００１９】
【数１】
メタノールの場合、関係は、
【００２０】
【数２】
となる。
【００２１】
電子は、第一の触媒層から第一の電極１１０Ａにおける導電性材料１１６を通り、且つ外部回路（図示せず）を通って流れる一方、水素イオン（すなわち、陽子）は、陽子交換膜１４０を横断して陽子交換膜１４０の第二の電極側部１１０Ｂにおける第二の触媒層に向けて移動する。
【００２２】
例えば、空気又は酸素のような酸化剤が第二の電極１１０Ｂの開口１３５内に向けられ、且つ陽子交換膜１４０における第二の触媒層に拡散する。この第二の触媒層にて、酸化剤からの酸素は、次式に従い、膜１４０を横断して流れる水素イオンと外部回路から第二の触媒層まで流れる電子との双方と反応して水を形成する。
【００２３】
【数３】
【００２４】
電子の流れは、所望の電流を提供し、また、水という副産物は、しばしば蒸発によって電池から除去される。図１Ｅは、図１Ｄに示したマイクロ燃料電池１００の一例としての実施の形態の頂面概略図である。
【００２５】
図２Ａないし図２Ｄは、色々な製造ステップにおける別の一例としてのマイクロ燃料電池の断面概略図である。図２Ａにおいて、電極２１０は、頂面２１２と、底面２１４と、頂面２１２と底面２１４との間の距離により画成された厚さＴ２とを有する。一例としての実施の形態において、電極２１０は、例えば、導電性金属又は導電性ポリマーのような導電性材料である。一例としての実施の形態において、電極２１０は、例えば、０．０５０８ｍｍ（２ミル）以下の厚さのような任意の有用な厚さを有することができる。しかし、その他の厚さを使用することも可能である。
【００２６】
図２Ｂにおいて、任意の接着剤層２２０は、電極２１０に配設することができる。接着剤層２２０は、導電性とし、また、従来の方法を使用して配設することができる。接着剤層２２０は、任意の有用な厚さを有することができる。
【００２７】
図２Ｃにおいて、開口２３５は、電極２１０の厚さＴ２にわたって形成することができる。開口２３５は、例えば、押抜き、エッチング又はレーザ切断のような従来の方法を使用して形成することができる。開口２３５は、開口２３５を取り囲む開口表面２３０により画成される。開口２３５は、任意の有用な寸法又は形状とすることができる。一例としての実施の形態において、開口２３５は、矩形、四角形又は円形であり、また、１ｍｍ２以下の断面表面積を有している。図２Ａないし図２Ｃにおいて、接着剤２２０は、開口２３５が形成される前に、施される状態で示されている。しかし、その他の実施の形態において、開口２３５が形成された後に、接着剤２２０を施してもよい。
【００２８】
図２Ｄには、第一の電極２１０Ａと第二の電極２１０Ｂとの間にて積層された陽子交換膜２４０が示されている。第一の電極２１０Ａ及び第二の電極２１０Ｂは、上述した電極２１０と同様のものとすることができる。一例としての実施の形態において、陽子交換膜２４０と第一の電極２１０Ａとの間、及び陽子交換膜２４０と第二の電極２１０Ｂとの間に接着剤層２２０が配設される。上記と同様に、第一の電極２１０Ａの開口は、第二の電極２１０Ｂの開口と少なくとも部分的に整合される。完成された組立体は、燃料電池２００を形成する。陽子交換膜２４０は、上述したように、陽子交換膜２４０に隣接する頂部及び底部触媒層を更に有することができる。図２Ｅは、図２Ｄに示されたマイクロ燃料電池２００の一例としての実施の形態の頂面概略図である。
【００２９】
図３Ａないし図３Ｄは、製造中の色々なステップにおける別の一例としてのマイクロ燃料電池の断面概略図である。図３Ａにおいて、電極３１０は、頂面３１２と、底面３１４と、頂面３１２と底面３１４との間の距離により画成された厚さＴ３とを有している。一例としての実施の形態において、電極３１０は、例えば、導電性金属又は導電性ポリマーのような、導電性材料である。一例としての実施の形態において、電極３１０は、例えば、０．０５０８ｍｍ（２ミル）以下のような任意の有用な厚さを有することができる。
【００３０】
一例としての実施の形態において、開口３３５は、電極３１０の厚さＴ３にわたって予め形成することができる。開口３３５は、例えば、押抜き、エッチング又はレーザ切断のような従来の方法を使用して形成することができる。開口３３５は、開口３３５を取り囲む開口表面３３０により画成される。開口３３５は、任意の有用な寸法又は形状とすることができる。一例としての実施の形態において、開口３３５は、矩形、四角形又は円形とし、また、１ｍｍ２以下の断面表面積を有する。
【００３１】
図３Ｂにおいて、任意の接着剤層３２０を電極３１０上に配設することができる。接着剤層３２０は、導電性とし、また、従来の方法を使用して配設することができる。接着剤層３２０は、任意の有用な厚さを有することができる。図３Ａないし図３Ｃにおいて、接着剤層３２０は、開口３３５が形成された後、施される状態で示されている。しかし、その他の実施の形態において、開口３３５が形成される前に、接着剤３２０を施してもよい。
【００３２】
図３Ｃには、第一の電極３１０Ａと第二の電極３１０Ｂとの間にて積層された陽子交換膜３４０が示されている。第一の電極３１０Ａ及び第二の電極３１０Ｂは、上述した電極３１０と同様のものでよい。一例としての実施の形態において、陽子交換膜３４０と第一の電極３１０Ａとの間、及び陽子交換膜３４０と第二の電極３１０Ｂとの間に接着剤層３２０が配設される。第一の電極３１０Ａの開口は、第二の電極３１０Ｂの開口と少なくとも部分的に整合される。完成された組立体は、燃料電池３００を形成する。陽子交換膜３４０は、上述したように、陽子交換膜３４０に隣接する頂部及び底部触媒層を更に有することができる。図３Ｄは、図３Ｃに示したマイクロ燃料電池３００の一例としての実施の形態の頂面概略図である。
【００３３】
図４Ａないし図４Ｄは、製造中の色々なステップにおける別の一例としてのマイクロ燃料電池の断面概略図である。図４Ａにおいて、電極４１０は、頂面４１２と、底面４１４と、頂面４１２と底面４１４との間の距離により画成された厚さＴ４とを有する。一例としての実施の形態において、電極４１０は、非導電性材料又は基板４１５を有している。一例としての実施の形態において、電極４１０は、例えば、０．０５０８ｍｍ（２ミル）以下の厚さのような、任意の有用な厚さを有することができる。
【００３４】
一例としての実施の形態において、開口４３５が電極４１０の厚さＴ４にわたって予め形成される。開口４３５は、例えば、押抜き、エッチング又はレーザ切断のような従来の方法を使用して形成することができる。開口４３５は、開口４３５を取り囲む開口表面４３０により画成される。開口４３５は、任意の有用な寸法又は形状とすることができる。一例としての実施の形態において、開口４３５は、矩形、四角形又は円形とし且つ、１ｍｍ２以下の断面表面積を有している。
【００３５】
図４Ａの一例としての実施の形態において、基板４１５には、開口表面４３０の少なくとも一部分、又はその全体が導電性材料４１６にて被覆される。更に、導電性材料は、頂面４１２の少なくとも一部分及び（又は）底面４１４の少なくとも一部分に配設することができる。幾つかの実施の形態において、導電性材料は、頂面４１２及び（又は）底面４１４上にパターン化してもよい。表面開口４３０における導電性材料１１６は、特に、基板４１５が燃料源に対し多少、多孔質である場合、燃料が開口４３５から逃げるのを防止するのを助けるシールを提供することができる。一例としての実施の形態において、導電性材料１１６は、例えば、１０００オングストローム以内のような、任意の有用な厚さを有することができる。導電性材料１１６は、例えば、導電性金属又は導電性ポリマーとすることができる。
【００３６】
図４Ｂにおいて、任意の接着剤層４２０を電極４１０上に配設することができる。接着剤層４２０は、導電性とし、且つ従来の方法を使用して配設することができる。接着剤層４２０は、任意の有用な厚さを有することができる。場合によって、接着剤が施された後、開口が形成される一方、その他の場合、接着剤が施される前に開口が形成される。
【００３７】
図４Ｃには、第一の電極４１０Ａと第二の電極４１０Ｂとの間にて積層された陽子交換膜４４０が示されている。第一の電極４１０Ａ及び第二の電極４１０Ｂは、上述した電極４１０と同様のものとすることができる。一例としての実施の形態において、接着剤層４２０は、陽子交換膜４４０と第一の電極４１０Ａとの間、及び陽子交換膜４４０と第二の電極４１０Ｂとの間に配設される。上述したものと同様に、第一の電極４１０Ａの開口は、第二の電極４１０Ｂの開口と少なくとも部分的に整合される。完成された組立体は、燃料電池４００を形成する。陽子交換膜４４０は、上述したように、陽子交換膜４４０に隣接する頂部及び底部触媒層を更に有することができる。図４Ｄは、図４Ｃに示したマイクロ燃料電池４００の一例としての実施の形態の頂面概略図である。
【００３８】
図５は、マイクロ燃料電池配列の斜視図である。幾つかの一例としての実施の形態において、複数のマイクロ燃料電池５００は、大きい材料のシート５０１にて経済的に製造することができる。シート５１０は、上述したように、頂部電極５１０Ａ及び底部電極５１０Ｂに形成された複数の開口５３５を有することができる。開口の各々は、上述したように、開口断面表面積５３０を有している。陽子交換膜５４０は、好ましくは、燃料源に対して露出されるよう開口を跨いで頂部電極５１０Ａと底部電極５１０Ｂとの間に配設することができる。
【００３９】
図６は、色々な形態にダイシングされた、図５に示した燃料電池の配列６００の斜視図である。図５のシート５０１は、単一の燃料電池に、又は複数の燃料電池配列に分割することができる。場合によって、燃料電池配列中の燃料電池は、用途に依存して、直列、並列又はその組み合わせにて接続することができる。燃料電池を直列に接続することは、出力電圧レベルを増大させる傾向となる一方、燃料電池を並列に接続することは、出力電流レベルを増大させる傾向となる。このように、燃料電池を並列及び（又は）直列に適宜に接続することにより、燃料電池の所望の電気的出力特性を実現することができる。一例としての実施の形態において、燃料電池配列の各々は、直列に電気的に接続された５つ以上の燃料電池を有することができる。
【００４０】
図７は、本発明の一例としての実施の形態に従った燃料電池の配列７００の分解斜視図である。一例としての実施の形態において、頂部電極７１０Ａは、複数の開口７３５Ａを有し、また、底部開口７１０Ｂは、複数の開口７３５を有する。開口７３５Ａ、７３５Ｂは、頂部電極７１０Ａと底部電極７１０Ｂとの間に配設された陽子交換膜７４０と少なくとも部分的に整合された状態で示されている。陽子交換膜７４０は、開口７３５Ａ、７３５Ｂを跨ぎ且つ、陽子交換膜（ＰＥＭ）の領域７４５Ａ、７４５Ｂの間を伸びる状態で示されている。
【００４１】
電気接点７５０Ａは、頂部電極７１０Ａの開口７３５Ａから第一の領域７５５Ａまで伸びている。電気接点７５０Ｂは、底部電極７１０Ｂの開口７３５Ｂから第一の領域７５５Ｂまで伸びている。頂部電極７１０Ａにおける少なくとも１つの電気接点７５０Ａは、重なり合い領域７６０Ａ、７６０Ｂ内にて底部電極７１０Ｂにおける電気接点７５０Ｂと少なくとも部分的に重なり合う。一例として実施の形態において、陽子交換膜７４０は、重なり合い領域７６０Ａ、７６０Ｂ内にて頂部電極７１０Ａ又は底部電極７１０Ｂの間にて伸びない。このように、その間に陽子交換膜７４０が配設された状態にて頂部電極７１０Ａが底部電極に積層されたとき、頂部電極７１０Ａにおける電気接点７５０Ａは、底部電極７１０Ｂにおける電気接点７５０Ｂと電気的に接続される。この電気接点は、１つのマイクロ燃料電池を別のマイクロ燃料電池と直列に電気的に接続することができる。同様の方法を使用して、マイクロ燃料電池を所望に応じて、並列に及び（又は）直列に電気的に接続することができる。
【００４２】
図８は、マイクロ燃料電池を製造する一例としての方法を示す概略側面図である。一例としての実施の形態において、燃料電池の配列８００は、図５に示した連続的なシート上にロールからロールの(ｒｏｌｌ−ｔｏ−ｒｏｌｌ)過程にて形成することができる。頂部電極７１０Ａの連続的な長さを第一のロール７０５Ａに提供することができる。例えば、連続的な長さの底部電極７１０Ｂを第二のロール７０５Ｂ上に提供することができる。連続的な長さの頂部電極７１０Ａと底部電極７１０Ｂとの間にて連続的な長さの陽子交換膜８４０と共に、連続的な長さの頂部電極７１０Ａと底部電極７１０Ｂとを接合装置８８０内に同時に動かすことができる。開口は、予め形成し又は接合装置８８０に入る直前に形成することができる。頂部電極７１０Ａ及び底部電極７１０Ｂの開口は、接合装置８８０に入る前に、少なくとも部分的に整合している。接合装置８８０は、頂部電極８１０Ａ及び底部電極８１０Ｂに圧力を加えて本明細書にて説明した燃料電池積層体を形成する任意の従来の積層工程とすることができる。接着剤を使用すべきとき、接合装置８８０に入る前に、接着剤は、陽子交換膜及び（又は）頂部電極７１０Ａ及び底部電極７１０Ｂに施すことができる。接合装置８８０から出た後、所望であれば、複数の燃料電池をダイシングして単一の燃料電池又は燃料電池配列にするためダイサーを提供することができる。
【００４３】
図９は、燃料リザーバ９０９に取り付けられた一例としての燃料電池９００の斜視図である。一例としての実施の形態において、燃料電池配列９００は、リザーバ９０９に固定されて、陽子交換膜が開口を介してリザーバ９０９内の燃料に露呈されるようにする。リザーバ９０９は、水素又は同様のもののような燃料源を保持することができる。燃料電池配列９００は、直列、並列又はその幾つかの組み合わせにて接続された２つ以上の燃料電池を表わす電気接点９１２Ａ、９１２Ｂを有することができる。電気接点９１２Ａ、９１２Ｂを使用して外部荷重に対し電力を提供することができる。この実施の形態において、副産物は水であり、この水は、陽子交換膜の外面に集まり且つ、周囲の空気に蒸発する。
【００４４】
本発明は、上述した特定の実施の形態にのみ限定されものとみなすべきではなく、特許請求の範囲に妥当に記載された本発明の全ての形態を包含するものと理解すべきである。本発明が適用可能である色々な変更例、等価的な過程、及び多数の構造体は、本明細書を読んだとき、本発明の関係する技術の当業者に容易に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】１Ａないし１Ｄは、製造中の色々なステップにおける一例としてのマイクロ燃料電池の断面概略図である。
【００４６】
１Ｅは、図１Ｄに示したマイクロ燃料電池１００の頂面概略図である。
【図２】２Ａないし２Ｄは、製造中の色々なステップにおける別の一例としてのマイクロ燃料電池の断面概略図である。
【００４７】
２Ｅは、図２Ｄに示したマイクロ燃料電池の頂面概略図である。
【図３】３Ａないし３Ｃは、製造中の色々なステップにおける別の一例としてのマイクロ燃料電池の断面概略図である。
【００４８】
３Ｄは、図３Ｃに示したマイクロ燃料電池の頂面概略図である。
【図４】４Ａないし４Ｃは、製造中の色々なステップにおける別の一例としてのマイクロ燃料電池の断面概略図である。
【００４９】
４Ｄは、図４Ｃに示したマイクロ燃料電池の頂面概略図である。
【図５】マイクロ燃料電池配列の斜視図である。
【図６】色々な形態にダイシングされた、図５に示した燃料電池配列の斜視図である。
【図７】本発明の別の一例としての実施の形態に従った燃料電池配列の分解斜視図である。
【図８】マイクロ燃料電池を製造する一例としての方法を示す概略側面図である。
【図９】燃料リザーバに取り付けられた一例としての燃料電池の斜視図である。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図１Ｄ】
【図１Ｅ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図２Ｄ】
【図２Ｅ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図４Ｄ】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全体として、燃料電池の分野、より具体的には、マイクロ燃料電池及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電池内の水素又はメタノールのような燃料を電気化学的に酸化させ、燃料の化学的エネルギを電力に直接、変換することにより、電気エネルギを発生させる。燃料電池は、最近、クリーンな電気エネルギの供給源として注目を集めている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
携帯型及び（又は）無線の電子装置への給電は、今日の市場にて重大な関心事である。多くの無線センサ及び（又は）携帯型電気通信及び計算装置の速度及び機能は、電源によって制限される傾向である一方、優れた電源の利用可能性は、電子装置自体の開発に遅れをとっている。このため、改良された電力供給及び管理が不断に探求されている。
【０００４】
電子製品に使用するのに適した極小型の多数の燃料電池が今日、利用可能となっているが、これらの燃料電池を多岐に亙る用途のための、低コスト大量生産及びデバイスパッケージングに対する関心の度合いは低い。燃料電池を低コストで、しかも効率的に製造する方法のような事柄に関する文献情報は少ない。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、全体として、燃料電池、燃料電池配列及びそれらの製造方法に関する。一例としての実施の形態において、燃料電池は、第一の電極層を通る第一の開口表面により画成された第一の開口を形成するステップと、第二の電極層を通る第二の開口表面により画成された第二の開口を形成するステップとにより形成される。次に、陽子交換膜を第一の電極層と第二の電極層との間に、陽子交換膜が第一の開口及び第二の開口を跨ぐように積層する。また、複数の燃料電池を、以下に更に説明するように、同様の要領にて形成することができる。
【０００６】
幾つかの実施の形態において、第一の電極層及び第二の電極層と、陽子交換膜との間の接着を向上させるのに役立つよう、電極層と陽子交換膜との間に接着剤を提供することもできる。燃料電池の製造方法にしたがって、開口は、接着剤が提供される前、又は提供された後に形成してよい。
【０００７】
幾つかの実施の形態において、第一の電極層及び（又は）第二の電極層は、導電性基板を有することができる一方、その他の実施の形態において、第一の電極層及び（又は）第二の電極層は、その少なくとも一部分に導電層が施された非導電性基板を含むことができる。導電層が施されるとき、導電層は、１つ又はより多数の燃料電池の電気接点を形成するようパターン化することができる。場合によっては、電気接点は、開口付近の隣接する陽子交換膜から陽子交換膜の幅を超える領域まで伸びるようにする。第一の電極層及び第二の電極層の双方にかかる電気接点が提供されるとき、第一の電極層における電気接点の少なくとも幾つかは、第一の電極層及び第二の電極層が互いに積層される際、第二の電極層における電気接点の少なくとも幾つかと電気的に接続された状態となる。第一及び第二の電極層にて電気接点を適正にパターン化することにより、２つ以上の燃料電池は、直列、並列又はその何らかの組み合わせにて電気的に接続し、所望の電気的出力特性を提供することができる。
【０００８】
本明細書に開示された任意の数の方法を使用することにより、複数の燃料電池を形成することができる。例えば、第一の電極層及び第二の電極層は、各々が１つの燃料電池を画成する多数の開口を含むようにしてよい。陽子交換膜が第一の電極層と第二の電極層との間に積層されたとき、複数の燃料電池を形成することができる。次に、所望に応じて複数の燃料電池をダイシングし、単一の燃料電池又は燃料電池配列とすることができる。別の実施の形態において、第一の複数の開口と、第一の複数の電池接点とを有する第一の長さの材料は、第二の複数の開口と、第二の複数の電気接点とを有する第二の長さの材料と共に動かしてその間に陽子交換膜を有する接合単一体とすることができる。第二の複数の開口は第一の複数の開口と整合していることが好ましい。接合されたならば、形成される複数の燃料電池は、所望に応じてダイシングして単一の燃料電池又は燃料電池配列にすることができる。
【０００９】
本発明は、添付図面に関する本発明の色々な実施の形態の以下の詳細な説明を検討することにより、より完全に理解することができよう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明は、色々な変更例及び代替的な形態にて具体化可能であるが、その特定例を図面に単に一例として示し、且つこれについて詳細に説明する。しかし、これは、本発明を記載された特定の一例としての実施の形態に限定することを意図するものではないことを理解すべきである。むしろ、本発明の精神及び範囲に属する全ての変更例、等価物及び代替例を包含することを意図するものである。
【００１１】
以下の記載は、異なる図面において同様の部品を同様の番号にて表示する図面を参照しつつ読まれるべきである。必ずしも正確な縮尺通りではない図面は、選んだ実施の形態を示すものであり、本発明の範囲を限定することを意図するものではない。構造、寸法及び材料の例は、色々な要素に対して示してあるが、当該技術の当業者は、提供された例の多くが利用可能である適宜な代替例を有することが理解されよう。
【００１２】
本発明は、全ての装置、特に、小型の電源を使用することができる装置と共に使用するため適用可能である。幾つかの一例としての実施の形態において、本発明は、燃料源として水素及び酸素を使用して電力を提供する。本発明は、このように限定されるものではないが、以下に記載した色々な一例としての実施の形態及び例の説明を通して本発明の色々な形態が理解されよう。
【００１３】
図１Ａないし図１Ｄは、色々な製造ステップにおける一例としてのマイクロ燃料電池の断面概略図である。図１Ａにおいて、電極１１０は、頂面１１２と、底面１１４と、頂面１１２と底面１１４との間の距離により画成された厚さＴ１とを有している。一例としての実施の形態において、非導電性基板とすることのできる基板１１５は、頂面の少なくとも一部分及び底面１１４の少なくとも一部分が導電性材料１１６にて被覆されている。導電性材料１１６は、例えば、所望に応じて、１０００オングストローム以内又はそれ以上の厚さのような任意の有用な厚さとすることができる。また、頂面１１２における導電性材料１１６を、底面１１４における導電性材料１１６と電気的に接続する任意のフィードスルー接点１１７も示されている。一例としての実施の形態において、電極１１０は、例えば、０．０５０８ｍｍ（２ミル）以下の厚さのような任意の有用な厚さを有することができる。幾つかの実施の形態において、導電性材料１１６は、パターン化して１つ以上の電気接点又はパッドを形成することができる。導電性材料１１６のパターン化は、例えば、多数の燃料電池が同時に形成されるとき、隣接する燃料電池を電気的に隔離する助けとなる。
【００１４】
図１Ｂにおいて、任意の接着剤層１２０を、電極１１０に配設することができる。接着剤層１２０は、導電性とし、また、従来の方法を使用して配設することができる。接着剤層１２０は、任意の有用な厚さを有することができ、また、上述した導電性材料１１６と同様に、幾つかの実施の形態にて、所望に応じてパターン化することが可能である。
【００１５】
図１Ｃにおいて、開口１３５が電極１１０の厚さＴ１にわたって形成されている。開口１３５は、例えば、押抜き、エッチング又はレーザ切断のような従来の方法を使用して形成することができる。開口１３５は、開口１３５を取り囲む開口表面１３０により形成される。開口１３５は、任意の寸法又は形状とすることができる。一例としての実施の形態において、開口１３５は、矩形、四角形、又は円形とし、また、１ｍｍ２以下の断面表面積を有する。しかし、所望に応じて、その他の形状及び寸法を使用することも可能である。図１Ａないし図１Ｃにおいて、接着剤１２０は、開口１３５が形成される前に施されるものとして示されている。しかし、その他の実施の形態において、開口１３５が形成された後、接触剤１２０を施すことができる。
【００１６】
図１Ｄには、第一の電極１１０Ａと第二の電極１１０Ｂとの間に積層された陽子交換膜１４０が示されている。第一の電極１１０Ａ及び第二の電極１１０Ｂは、上述した電極１１０と同様のものとすることができる。陽子交換膜１４０は、イオンが該膜を横断して伝導するのを許容する任意の適宜な材料とすることができる。陽子交換膜を形成する方法は、スピン又は溶媒キャスト（ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｃａｓｔｉｎｇ）のような現所の技術を包含し、且つ触媒上に予形成したフィルムを提供するステップを含む。一例としての商業的に利用可能な陽子交換膜は、デュポン（Ｄｕｐｏｎｔ）が販売するナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）（登録商標名）（ポリテトラフルオロエチレン骨格を有するペルフルオロスルホン酸の膜）である。その他の陽子交換膜は商業的に利用可能であり、当該技術の当業者に既知である。１つの好ましい実施の形態において、陽子交換膜は、１０ないし５０μｍの範囲の厚さを有する。しかし、所望であれば、その他の厚さを使用してもよい。陽子交換膜１４０は、例えば、陽子交換膜１４０に隣接する炭素／白金層のような、頂部及び底部の触媒層を更に含むことができる。
【００１７】
一例としての実施の形態において、接着剤層１２０は、陽子交換膜１４０と第一の電極１１０Ａとの間、陽子交換膜１４０と第二の電極１１０Ｂとの間に配設される。第一の電極１１０Ａの開口は、第二の電極１１０Ｂの開口と整合され、これにより、燃料電池１１０を形成する。第一の電極１１０Ａの開口と第二の電極１１０Ｂの開口との間の完全な整合は不要であるが、第一の電極１１０Ａの開口は、第二の電極１１０Ｂの開口と少なくとも部分的に整合されることが好ましい。
【００１８】
一例としての燃料電池１００は、次のように作用する。例えば、水素又はメタノールのような燃料は、第一の電極１１０Ａの開口１３５内に導入され、陽子交換膜１４０の第一の電極側部１１０Ａにおける第一の触媒層に拡散する。第一の触媒層は、次式に従って、電子の除去を促進する（水素燃料の場合）。
【００１９】
【数１】
メタノールの場合、関係は、
【００２０】
【数２】
となる。
【００２１】
電子は、第一の触媒層から第一の電極１１０Ａにおける導電性材料１１６を通り、且つ外部回路（図示せず）を通って流れる一方、水素イオン（すなわち、陽子）は、陽子交換膜１４０を横断して陽子交換膜１４０の第二の電極側部１１０Ｂにおける第二の触媒層に向けて移動する。
【００２２】
例えば、空気又は酸素のような酸化剤が第二の電極１１０Ｂの開口１３５内に向けられ、且つ陽子交換膜１４０における第二の触媒層に拡散する。この第二の触媒層にて、酸化剤からの酸素は、次式に従い、膜１４０を横断して流れる水素イオンと外部回路から第二の触媒層まで流れる電子との双方と反応して水を形成する。
【００２３】
【数３】
【００２４】
電子の流れは、所望の電流を提供し、また、水という副産物は、しばしば蒸発によって電池から除去される。図１Ｅは、図１Ｄに示したマイクロ燃料電池１００の一例としての実施の形態の頂面概略図である。
【００２５】
図２Ａないし図２Ｄは、色々な製造ステップにおける別の一例としてのマイクロ燃料電池の断面概略図である。図２Ａにおいて、電極２１０は、頂面２１２と、底面２１４と、頂面２１２と底面２１４との間の距離により画成された厚さＴ２とを有する。一例としての実施の形態において、電極２１０は、例えば、導電性金属又は導電性ポリマーのような導電性材料である。一例としての実施の形態において、電極２１０は、例えば、０．０５０８ｍｍ（２ミル）以下の厚さのような任意の有用な厚さを有することができる。しかし、その他の厚さを使用することも可能である。
【００２６】
図２Ｂにおいて、任意の接着剤層２２０は、電極２１０に配設することができる。接着剤層２２０は、導電性とし、また、従来の方法を使用して配設することができる。接着剤層２２０は、任意の有用な厚さを有することができる。
【００２７】
図２Ｃにおいて、開口２３５は、電極２１０の厚さＴ２にわたって形成することができる。開口２３５は、例えば、押抜き、エッチング又はレーザ切断のような従来の方法を使用して形成することができる。開口２３５は、開口２３５を取り囲む開口表面２３０により画成される。開口２３５は、任意の有用な寸法又は形状とすることができる。一例としての実施の形態において、開口２３５は、矩形、四角形又は円形であり、また、１ｍｍ２以下の断面表面積を有している。図２Ａないし図２Ｃにおいて、接着剤２２０は、開口２３５が形成される前に、施される状態で示されている。しかし、その他の実施の形態において、開口２３５が形成された後に、接着剤２２０を施してもよい。
【００２８】
図２Ｄには、第一の電極２１０Ａと第二の電極２１０Ｂとの間にて積層された陽子交換膜２４０が示されている。第一の電極２１０Ａ及び第二の電極２１０Ｂは、上述した電極２１０と同様のものとすることができる。一例としての実施の形態において、陽子交換膜２４０と第一の電極２１０Ａとの間、及び陽子交換膜２４０と第二の電極２１０Ｂとの間に接着剤層２２０が配設される。上記と同様に、第一の電極２１０Ａの開口は、第二の電極２１０Ｂの開口と少なくとも部分的に整合される。完成された組立体は、燃料電池２００を形成する。陽子交換膜２４０は、上述したように、陽子交換膜２４０に隣接する頂部及び底部触媒層を更に有することができる。図２Ｅは、図２Ｄに示されたマイクロ燃料電池２００の一例としての実施の形態の頂面概略図である。
【００２９】
図３Ａないし図３Ｄは、製造中の色々なステップにおける別の一例としてのマイクロ燃料電池の断面概略図である。図３Ａにおいて、電極３１０は、頂面３１２と、底面３１４と、頂面３１２と底面３１４との間の距離により画成された厚さＴ３とを有している。一例としての実施の形態において、電極３１０は、例えば、導電性金属又は導電性ポリマーのような、導電性材料である。一例としての実施の形態において、電極３１０は、例えば、０．０５０８ｍｍ（２ミル）以下のような任意の有用な厚さを有することができる。
【００３０】
一例としての実施の形態において、開口３３５は、電極３１０の厚さＴ３にわたって予め形成することができる。開口３３５は、例えば、押抜き、エッチング又はレーザ切断のような従来の方法を使用して形成することができる。開口３３５は、開口３３５を取り囲む開口表面３３０により画成される。開口３３５は、任意の有用な寸法又は形状とすることができる。一例としての実施の形態において、開口３３５は、矩形、四角形又は円形とし、また、１ｍｍ２以下の断面表面積を有する。
【００３１】
図３Ｂにおいて、任意の接着剤層３２０を電極３１０上に配設することができる。接着剤層３２０は、導電性とし、また、従来の方法を使用して配設することができる。接着剤層３２０は、任意の有用な厚さを有することができる。図３Ａないし図３Ｃにおいて、接着剤層３２０は、開口３３５が形成された後、施される状態で示されている。しかし、その他の実施の形態において、開口３３５が形成される前に、接着剤３２０を施してもよい。
【００３２】
図３Ｃには、第一の電極３１０Ａと第二の電極３１０Ｂとの間にて積層された陽子交換膜３４０が示されている。第一の電極３１０Ａ及び第二の電極３１０Ｂは、上述した電極３１０と同様のものでよい。一例としての実施の形態において、陽子交換膜３４０と第一の電極３１０Ａとの間、及び陽子交換膜３４０と第二の電極３１０Ｂとの間に接着剤層３２０が配設される。第一の電極３１０Ａの開口は、第二の電極３１０Ｂの開口と少なくとも部分的に整合される。完成された組立体は、燃料電池３００を形成する。陽子交換膜３４０は、上述したように、陽子交換膜３４０に隣接する頂部及び底部触媒層を更に有することができる。図３Ｄは、図３Ｃに示したマイクロ燃料電池３００の一例としての実施の形態の頂面概略図である。
【００３３】
図４Ａないし図４Ｄは、製造中の色々なステップにおける別の一例としてのマイクロ燃料電池の断面概略図である。図４Ａにおいて、電極４１０は、頂面４１２と、底面４１４と、頂面４１２と底面４１４との間の距離により画成された厚さＴ４とを有する。一例としての実施の形態において、電極４１０は、非導電性材料又は基板４１５を有している。一例としての実施の形態において、電極４１０は、例えば、０．０５０８ｍｍ（２ミル）以下の厚さのような、任意の有用な厚さを有することができる。
【００３４】
一例としての実施の形態において、開口４３５が電極４１０の厚さＴ４にわたって予め形成される。開口４３５は、例えば、押抜き、エッチング又はレーザ切断のような従来の方法を使用して形成することができる。開口４３５は、開口４３５を取り囲む開口表面４３０により画成される。開口４３５は、任意の有用な寸法又は形状とすることができる。一例としての実施の形態において、開口４３５は、矩形、四角形又は円形とし且つ、１ｍｍ２以下の断面表面積を有している。
【００３５】
図４Ａの一例としての実施の形態において、基板４１５には、開口表面４３０の少なくとも一部分、又はその全体が導電性材料４１６にて被覆される。更に、導電性材料は、頂面４１２の少なくとも一部分及び（又は）底面４１４の少なくとも一部分に配設することができる。幾つかの実施の形態において、導電性材料は、頂面４１２及び（又は）底面４１４上にパターン化してもよい。表面開口４３０における導電性材料１１６は、特に、基板４１５が燃料源に対し多少、多孔質である場合、燃料が開口４３５から逃げるのを防止するのを助けるシールを提供することができる。一例としての実施の形態において、導電性材料１１６は、例えば、１０００オングストローム以内のような、任意の有用な厚さを有することができる。導電性材料１１６は、例えば、導電性金属又は導電性ポリマーとすることができる。
【００３６】
図４Ｂにおいて、任意の接着剤層４２０を電極４１０上に配設することができる。接着剤層４２０は、導電性とし、且つ従来の方法を使用して配設することができる。接着剤層４２０は、任意の有用な厚さを有することができる。場合によって、接着剤が施された後、開口が形成される一方、その他の場合、接着剤が施される前に開口が形成される。
【００３７】
図４Ｃには、第一の電極４１０Ａと第二の電極４１０Ｂとの間にて積層された陽子交換膜４４０が示されている。第一の電極４１０Ａ及び第二の電極４１０Ｂは、上述した電極４１０と同様のものとすることができる。一例としての実施の形態において、接着剤層４２０は、陽子交換膜４４０と第一の電極４１０Ａとの間、及び陽子交換膜４４０と第二の電極４１０Ｂとの間に配設される。上述したものと同様に、第一の電極４１０Ａの開口は、第二の電極４１０Ｂの開口と少なくとも部分的に整合される。完成された組立体は、燃料電池４００を形成する。陽子交換膜４４０は、上述したように、陽子交換膜４４０に隣接する頂部及び底部触媒層を更に有することができる。図４Ｄは、図４Ｃに示したマイクロ燃料電池４００の一例としての実施の形態の頂面概略図である。
【００３８】
図５は、マイクロ燃料電池配列の斜視図である。幾つかの一例としての実施の形態において、複数のマイクロ燃料電池５００は、大きい材料のシート５０１にて経済的に製造することができる。シート５１０は、上述したように、頂部電極５１０Ａ及び底部電極５１０Ｂに形成された複数の開口５３５を有することができる。開口の各々は、上述したように、開口断面表面積５３０を有している。陽子交換膜５４０は、好ましくは、燃料源に対して露出されるよう開口を跨いで頂部電極５１０Ａと底部電極５１０Ｂとの間に配設することができる。
【００３９】
図６は、色々な形態にダイシングされた、図５に示した燃料電池の配列６００の斜視図である。図５のシート５０１は、単一の燃料電池に、又は複数の燃料電池配列に分割することができる。場合によって、燃料電池配列中の燃料電池は、用途に依存して、直列、並列又はその組み合わせにて接続することができる。燃料電池を直列に接続することは、出力電圧レベルを増大させる傾向となる一方、燃料電池を並列に接続することは、出力電流レベルを増大させる傾向となる。このように、燃料電池を並列及び（又は）直列に適宜に接続することにより、燃料電池の所望の電気的出力特性を実現することができる。一例としての実施の形態において、燃料電池配列の各々は、直列に電気的に接続された５つ以上の燃料電池を有することができる。
【００４０】
図７は、本発明の一例としての実施の形態に従った燃料電池の配列７００の分解斜視図である。一例としての実施の形態において、頂部電極７１０Ａは、複数の開口７３５Ａを有し、また、底部開口７１０Ｂは、複数の開口７３５を有する。開口７３５Ａ、７３５Ｂは、頂部電極７１０Ａと底部電極７１０Ｂとの間に配設された陽子交換膜７４０と少なくとも部分的に整合された状態で示されている。陽子交換膜７４０は、開口７３５Ａ、７３５Ｂを跨ぎ且つ、陽子交換膜（ＰＥＭ）の領域７４５Ａ、７４５Ｂの間を伸びる状態で示されている。
【００４１】
電気接点７５０Ａは、頂部電極７１０Ａの開口７３５Ａから第一の領域７５５Ａまで伸びている。電気接点７５０Ｂは、底部電極７１０Ｂの開口７３５Ｂから第一の領域７５５Ｂまで伸びている。頂部電極７１０Ａにおける少なくとも１つの電気接点７５０Ａは、重なり合い領域７６０Ａ、７６０Ｂ内にて底部電極７１０Ｂにおける電気接点７５０Ｂと少なくとも部分的に重なり合う。一例として実施の形態において、陽子交換膜７４０は、重なり合い領域７６０Ａ、７６０Ｂ内にて頂部電極７１０Ａ又は底部電極７１０Ｂの間にて伸びない。このように、その間に陽子交換膜７４０が配設された状態にて頂部電極７１０Ａが底部電極に積層されたとき、頂部電極７１０Ａにおける電気接点７５０Ａは、底部電極７１０Ｂにおける電気接点７５０Ｂと電気的に接続される。この電気接点は、１つのマイクロ燃料電池を別のマイクロ燃料電池と直列に電気的に接続することができる。同様の方法を使用して、マイクロ燃料電池を所望に応じて、並列に及び（又は）直列に電気的に接続することができる。
【００４２】
図８は、マイクロ燃料電池を製造する一例としての方法を示す概略側面図である。一例としての実施の形態において、燃料電池の配列８００は、図５に示した連続的なシート上にロールからロールの(ｒｏｌｌ−ｔｏ−ｒｏｌｌ)過程にて形成することができる。頂部電極７１０Ａの連続的な長さを第一のロール７０５Ａに提供することができる。例えば、連続的な長さの底部電極７１０Ｂを第二のロール７０５Ｂ上に提供することができる。連続的な長さの頂部電極７１０Ａと底部電極７１０Ｂとの間にて連続的な長さの陽子交換膜８４０と共に、連続的な長さの頂部電極７１０Ａと底部電極７１０Ｂとを接合装置８８０内に同時に動かすことができる。開口は、予め形成し又は接合装置８８０に入る直前に形成することができる。頂部電極７１０Ａ及び底部電極７１０Ｂの開口は、接合装置８８０に入る前に、少なくとも部分的に整合している。接合装置８８０は、頂部電極８１０Ａ及び底部電極８１０Ｂに圧力を加えて本明細書にて説明した燃料電池積層体を形成する任意の従来の積層工程とすることができる。接着剤を使用すべきとき、接合装置８８０に入る前に、接着剤は、陽子交換膜及び（又は）頂部電極７１０Ａ及び底部電極７１０Ｂに施すことができる。接合装置８８０から出た後、所望であれば、複数の燃料電池をダイシングして単一の燃料電池又は燃料電池配列にするためダイサーを提供することができる。
【００４３】
図９は、燃料リザーバ９０９に取り付けられた一例としての燃料電池９００の斜視図である。一例としての実施の形態において、燃料電池配列９００は、リザーバ９０９に固定されて、陽子交換膜が開口を介してリザーバ９０９内の燃料に露呈されるようにする。リザーバ９０９は、水素又は同様のもののような燃料源を保持することができる。燃料電池配列９００は、直列、並列又はその幾つかの組み合わせにて接続された２つ以上の燃料電池を表わす電気接点９１２Ａ、９１２Ｂを有することができる。電気接点９１２Ａ、９１２Ｂを使用して外部荷重に対し電力を提供することができる。この実施の形態において、副産物は水であり、この水は、陽子交換膜の外面に集まり且つ、周囲の空気に蒸発する。
【００４４】
本発明は、上述した特定の実施の形態にのみ限定されものとみなすべきではなく、特許請求の範囲に妥当に記載された本発明の全ての形態を包含するものと理解すべきである。本発明が適用可能である色々な変更例、等価的な過程、及び多数の構造体は、本明細書を読んだとき、本発明の関係する技術の当業者に容易に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】１Ａないし１Ｄは、製造中の色々なステップにおける一例としてのマイクロ燃料電池の断面概略図である。
【００４６】
１Ｅは、図１Ｄに示したマイクロ燃料電池１００の頂面概略図である。
【図２】２Ａないし２Ｄは、製造中の色々なステップにおける別の一例としてのマイクロ燃料電池の断面概略図である。
【００４７】
２Ｅは、図２Ｄに示したマイクロ燃料電池の頂面概略図である。
【図３】３Ａないし３Ｃは、製造中の色々なステップにおける別の一例としてのマイクロ燃料電池の断面概略図である。
【００４８】
３Ｄは、図３Ｃに示したマイクロ燃料電池の頂面概略図である。
【図４】４Ａないし４Ｃは、製造中の色々なステップにおける別の一例としてのマイクロ燃料電池の断面概略図である。
【００４９】
４Ｄは、図４Ｃに示したマイクロ燃料電池の頂面概略図である。
【図５】マイクロ燃料電池配列の斜視図である。
【図６】色々な形態にダイシングされた、図５に示した燃料電池配列の斜視図である。
【図７】本発明の別の一例としての実施の形態に従った燃料電池配列の分解斜視図である。
【図８】マイクロ燃料電池を製造する一例としての方法を示す概略側面図である。
【図９】燃料リザーバに取り付けられた一例としての燃料電池の斜視図である。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図１Ｄ】
【図１Ｅ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図２Ｄ】
【図２Ｅ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図４Ｄ】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池を製造する方法において、
第一の電極層を通る第一の開口表面により画成された第一の開口を形成するステップと、
第二の電極層を通る第二の開口表面により画成された第二の開口を形成するステップと、
第一の電極層と第二の電極層との間にて陽子交換膜を積層して第一の開口を第二の開口と少なくとも部分的に整合させ、燃料電池を形成するようにするステップと、
を備える、燃料電池を製造する方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、第一の電極層と陽子交換膜との間に、及び第二の電極層と陽子交換膜との間に接着剤を提供するステップを更に備える、方法。
【請求項３】
請求項２に記載の方法において、接着剤を提供するステップは、第一及び（又は）第二の開口を形成するステップの前に行われる、方法。
【請求項４】
請求項２に記載の方法において、開口を形成するステップは、第一の電極層と陽子交換膜との間、及び第二の電極層と陽子交換膜との間に接着剤を提供するステップの前に行われる、方法。
【請求項５】
請求項１に記載の方法において、第一の電極層と第二の電極層とに導電層を設けるステップを更に備える、方法。
【請求項６】
請求項１に記載の方法において、開口を形成するステップの後に、第一の電極層と第二の電極層とに導電層を提供するステップを更に備える、方法。
【請求項７】
請求項１に記載の方法において、第一の電極層と第二の電極層とに導電層を設け、第一及び第二の電極層は実質的に非導電性であるようにするステップを更に備える、方法。
【請求項８】
複数の燃料電池を製造する方法において、
第一の電極シートを通して第一の複数の開口を形成するステップと、
第二の電極シートを通して第二の複数の開口を形成するステップと、
第一の電極シートと、第二の電極シートとの間にて陽子交換膜を積層して第一の複数の開口を第二の複数の開口と少なくとも部分的に整合し、複数の燃料電池を形成するようにするステップと、
を備える、複数の燃料電池を製造する方法。
【請求項９】
請求項８に記載の方法において、第一の電極シートと陽子交換膜との間に、及び第二の電極シートと陽子交換膜との間に接着剤を提供するステップを更に備える、方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の方法において、接着剤を提供するステップは、第一の複数の開口を形成し、且つ第二の複数の開口を形成するステップの前に行われる、方法。
【請求項１１】
請求項９に記載の方法において、開口を形成するステップは、第一の電極シートと陽子交換膜との間に、及び第二の電極シートと陽子交換膜との間に接着剤を提供するステップの前に行われる、方法。
【請求項１２】
請求項８に記載の方法において、積層するステップは、第一の電極シートと第二の電極との間に陽子交換膜を積層し、第一の電極シート及び第二の電極シートは少なくとも１つの領域内にて陽子交換膜を超えて伸びるようにするステップを備える、方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の方法において、陽子交換膜に隣接する第一の電極シートの表面に多数のパターン化した第一の電極と、陽子交換膜に隣接する第二の電極シートの表面に多数のパターン化した第二の電極とを提供し、第一及び第二のパターン化した電極の少なくとも一部が少なくとも１つの領域内に伸びるようにするステップを更に備える、方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の方法において、第一の電極の少なくとも１つは、少なくとも１つの領域内にて第二の電極の少なくとも１つと重なり合い、且つ該少なくとも１つの第二の電極と電気的に接触する、方法。
【請求項１５】
燃料電池において、
第一の電極であって、
第一の電極の頂面、
第一の電極の底面、
第一の電極の頂面と第一の電極の底面との間の第一の距離により画成された第一の電極の厚さ、及び
第一の電極の開口表面により画成された、第一の電極の厚さにわたる第一の電極開口を備える第一の電極と、
第二の電極であって、
第二の電極の頂面、
第二の電極の底面、
第二の電極の頂面と第二の電極の底面との間の第二の距離により画成された第二の電極の厚さ、及び
第二の電極の開口表面により画成された、第二の電極の厚さにわたる第二の電極開口を備える第二の電極と、
第一の電極の頂面の少なくとも一部分、第一の電極の底面の少なくとも一部分及び第一の電極の開口表面の少なくとも一部分に配設された第一の導電層と、
第二の電極の頂面の少なくとも一部分、第二の電極の底面の少なくとも一部分及び第二の電極の開口表面の少なくとも一部分に配設された第二の導電層と、
第一の導電層と第二の導電層とに接触し且つ、該第一の導電層と第二の導電層との間に配設された陽子交換膜とを備え、
第一の電極開口は、少なくとも部分的に第二の電極開口と整合される、燃料電池。
【請求項１６】
請求項１５に記載の燃料電池において、頂部触媒層と、陽子交換膜に隣接する底部触媒層とを更に備える、燃料電池。
【請求項１７】
請求項１５に記載の燃料電池において、陽子交換層は０．０２５４ｍｍ（１ミル）以下の厚さを有する、燃料電池。
【請求項１８】
請求項１５に記載の燃料電池において、第一の開口表面は１ｍｍ２以下の第一の開口の断面表面積を画成する、燃料電池。
【請求項１９】
請求項１５に記載の燃料電池において、第一の導電層は１０００Å以下の厚さを有する、燃料電池。
【請求項２０】
請求項１５に記載の燃料電池において、第二の導電層は１０００Å以下の厚さを有する、燃料電池。
【請求項２１】
請求項１５に記載の燃料電池において、第一の電極の厚さ及び第二の電極の厚さは０．０５０８ｍｍ（２ミル）以下である、燃料電池。
【請求項２２】
燃料電池において、
第一の開口を有する第一の電極と、
第二の開口を有する第二の電極と、
第一の電極と第二の電極と電気的に接触し且つ、該第一の電極と第二の電極との間に配設され、また、第一の開口及び第二の開口を跨ぐ陽子交換膜とを備え、
第一の開口は、少なくとも部分的に第二の開口と整合され、陽子交換層は、第一の開口と第二の開口との少なくとも主要部分を亙って非支持状態とされる、燃料電池。
【請求項２３】
燃料電池において、
第一の複数の電気接点と、第一の複数の開口とを有し、少なくとも選ばれた第一の電気接点が隣接する相応する開口から第一の領域まで伸びる頂部層と、
第二の複数の電気接点と、第二の複数の開口とを有し、少なくとも選ばれた第二の電気接点が隣接する相応する開口から第二の領域まで伸びる底部層と、第一の領域は、重なり合い領域にて第二の領域と少なくとも部分的に重なり合うことと、
開口に隣接するが、重なり合い領域内でなしに、頂部層と底部層との間に配設された陽子交換膜と、
を備える、燃料電池。
【請求項２４】
請求項２３に記載の燃料電池において、陽子交換膜と頂部層との間、陽子交換膜と底部層との間、又は陽子交換膜と底部層及び頂部層との間に接着剤層が配設される、燃料電池。
【請求項２５】
複数の燃料電池を製造する方法において、
第一の複数の開口と第一の複数の電気接点とを有する第一の長さの材料を提供するステップと、
第二の複数の開口と第二の複数の電気接点とを有する第二の長さの材料を提供するステップと、
陽子交換膜を提供するステップと、
第一の長さの材料を接合装置内に動かすステップと、
第二の複数の開口が第一の複数の開口と少なくとも部分的に整合するように第二の長さの材料を接合装置内に動かすステップと、
第一及び第二の長さの材料と共に且つ第一及び第二の長さの材料の間にて同時に陽子交換膜を接合装置内に動かし、陽子交換膜の少なくとも一部分が複数の第一及び第二の開口と整合されて複数の燃料電池を形成するようにするステップとを備える、複数の燃料電池を製造する方法。
【請求項２６】
請求項２５に記載の方法において、陽子交換膜と第一の長さの材料との間、陽子交換膜と第二の長さの材料との間、又は陽子交換膜と第一及び第二の長さの材料との間に接着剤層を提供するステップを更に備える、方法。
【請求項２７】
請求項２５に記載の方法において、複数の燃料電池をダイシングして単一の燃料電池にするステップを更に備える、方法。
【請求項２８】
請求項２５に記載の方法において、複数の燃料電池をダイシングして燃料電池配列にするステップを更に備える、方法。
【請求項１】
燃料電池を製造する方法において、
第一の電極層を通る第一の開口表面により画成された第一の開口を形成するステップと、
第二の電極層を通る第二の開口表面により画成された第二の開口を形成するステップと、
第一の電極層と第二の電極層との間にて陽子交換膜を積層して第一の開口を第二の開口と少なくとも部分的に整合させ、燃料電池を形成するようにするステップと、
を備える、燃料電池を製造する方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、第一の電極層と陽子交換膜との間に、及び第二の電極層と陽子交換膜との間に接着剤を提供するステップを更に備える、方法。
【請求項３】
請求項２に記載の方法において、接着剤を提供するステップは、第一及び（又は）第二の開口を形成するステップの前に行われる、方法。
【請求項４】
請求項２に記載の方法において、開口を形成するステップは、第一の電極層と陽子交換膜との間、及び第二の電極層と陽子交換膜との間に接着剤を提供するステップの前に行われる、方法。
【請求項５】
請求項１に記載の方法において、第一の電極層と第二の電極層とに導電層を設けるステップを更に備える、方法。
【請求項６】
請求項１に記載の方法において、開口を形成するステップの後に、第一の電極層と第二の電極層とに導電層を提供するステップを更に備える、方法。
【請求項７】
請求項１に記載の方法において、第一の電極層と第二の電極層とに導電層を設け、第一及び第二の電極層は実質的に非導電性であるようにするステップを更に備える、方法。
【請求項８】
複数の燃料電池を製造する方法において、
第一の電極シートを通して第一の複数の開口を形成するステップと、
第二の電極シートを通して第二の複数の開口を形成するステップと、
第一の電極シートと、第二の電極シートとの間にて陽子交換膜を積層して第一の複数の開口を第二の複数の開口と少なくとも部分的に整合し、複数の燃料電池を形成するようにするステップと、
を備える、複数の燃料電池を製造する方法。
【請求項９】
請求項８に記載の方法において、第一の電極シートと陽子交換膜との間に、及び第二の電極シートと陽子交換膜との間に接着剤を提供するステップを更に備える、方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の方法において、接着剤を提供するステップは、第一の複数の開口を形成し、且つ第二の複数の開口を形成するステップの前に行われる、方法。
【請求項１１】
請求項９に記載の方法において、開口を形成するステップは、第一の電極シートと陽子交換膜との間に、及び第二の電極シートと陽子交換膜との間に接着剤を提供するステップの前に行われる、方法。
【請求項１２】
請求項８に記載の方法において、積層するステップは、第一の電極シートと第二の電極との間に陽子交換膜を積層し、第一の電極シート及び第二の電極シートは少なくとも１つの領域内にて陽子交換膜を超えて伸びるようにするステップを備える、方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の方法において、陽子交換膜に隣接する第一の電極シートの表面に多数のパターン化した第一の電極と、陽子交換膜に隣接する第二の電極シートの表面に多数のパターン化した第二の電極とを提供し、第一及び第二のパターン化した電極の少なくとも一部が少なくとも１つの領域内に伸びるようにするステップを更に備える、方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の方法において、第一の電極の少なくとも１つは、少なくとも１つの領域内にて第二の電極の少なくとも１つと重なり合い、且つ該少なくとも１つの第二の電極と電気的に接触する、方法。
【請求項１５】
燃料電池において、
第一の電極であって、
第一の電極の頂面、
第一の電極の底面、
第一の電極の頂面と第一の電極の底面との間の第一の距離により画成された第一の電極の厚さ、及び
第一の電極の開口表面により画成された、第一の電極の厚さにわたる第一の電極開口を備える第一の電極と、
第二の電極であって、
第二の電極の頂面、
第二の電極の底面、
第二の電極の頂面と第二の電極の底面との間の第二の距離により画成された第二の電極の厚さ、及び
第二の電極の開口表面により画成された、第二の電極の厚さにわたる第二の電極開口を備える第二の電極と、
第一の電極の頂面の少なくとも一部分、第一の電極の底面の少なくとも一部分及び第一の電極の開口表面の少なくとも一部分に配設された第一の導電層と、
第二の電極の頂面の少なくとも一部分、第二の電極の底面の少なくとも一部分及び第二の電極の開口表面の少なくとも一部分に配設された第二の導電層と、
第一の導電層と第二の導電層とに接触し且つ、該第一の導電層と第二の導電層との間に配設された陽子交換膜とを備え、
第一の電極開口は、少なくとも部分的に第二の電極開口と整合される、燃料電池。
【請求項１６】
請求項１５に記載の燃料電池において、頂部触媒層と、陽子交換膜に隣接する底部触媒層とを更に備える、燃料電池。
【請求項１７】
請求項１５に記載の燃料電池において、陽子交換層は０．０２５４ｍｍ（１ミル）以下の厚さを有する、燃料電池。
【請求項１８】
請求項１５に記載の燃料電池において、第一の開口表面は１ｍｍ２以下の第一の開口の断面表面積を画成する、燃料電池。
【請求項１９】
請求項１５に記載の燃料電池において、第一の導電層は１０００Å以下の厚さを有する、燃料電池。
【請求項２０】
請求項１５に記載の燃料電池において、第二の導電層は１０００Å以下の厚さを有する、燃料電池。
【請求項２１】
請求項１５に記載の燃料電池において、第一の電極の厚さ及び第二の電極の厚さは０．０５０８ｍｍ（２ミル）以下である、燃料電池。
【請求項２２】
燃料電池において、
第一の開口を有する第一の電極と、
第二の開口を有する第二の電極と、
第一の電極と第二の電極と電気的に接触し且つ、該第一の電極と第二の電極との間に配設され、また、第一の開口及び第二の開口を跨ぐ陽子交換膜とを備え、
第一の開口は、少なくとも部分的に第二の開口と整合され、陽子交換層は、第一の開口と第二の開口との少なくとも主要部分を亙って非支持状態とされる、燃料電池。
【請求項２３】
燃料電池において、
第一の複数の電気接点と、第一の複数の開口とを有し、少なくとも選ばれた第一の電気接点が隣接する相応する開口から第一の領域まで伸びる頂部層と、
第二の複数の電気接点と、第二の複数の開口とを有し、少なくとも選ばれた第二の電気接点が隣接する相応する開口から第二の領域まで伸びる底部層と、第一の領域は、重なり合い領域にて第二の領域と少なくとも部分的に重なり合うことと、
開口に隣接するが、重なり合い領域内でなしに、頂部層と底部層との間に配設された陽子交換膜と、
を備える、燃料電池。
【請求項２４】
請求項２３に記載の燃料電池において、陽子交換膜と頂部層との間、陽子交換膜と底部層との間、又は陽子交換膜と底部層及び頂部層との間に接着剤層が配設される、燃料電池。
【請求項２５】
複数の燃料電池を製造する方法において、
第一の複数の開口と第一の複数の電気接点とを有する第一の長さの材料を提供するステップと、
第二の複数の開口と第二の複数の電気接点とを有する第二の長さの材料を提供するステップと、
陽子交換膜を提供するステップと、
第一の長さの材料を接合装置内に動かすステップと、
第二の複数の開口が第一の複数の開口と少なくとも部分的に整合するように第二の長さの材料を接合装置内に動かすステップと、
第一及び第二の長さの材料と共に且つ第一及び第二の長さの材料の間にて同時に陽子交換膜を接合装置内に動かし、陽子交換膜の少なくとも一部分が複数の第一及び第二の開口と整合されて複数の燃料電池を形成するようにするステップとを備える、複数の燃料電池を製造する方法。
【請求項２６】
請求項２５に記載の方法において、陽子交換膜と第一の長さの材料との間、陽子交換膜と第二の長さの材料との間、又は陽子交換膜と第一及び第二の長さの材料との間に接着剤層を提供するステップを更に備える、方法。
【請求項２７】
請求項２５に記載の方法において、複数の燃料電池をダイシングして単一の燃料電池にするステップを更に備える、方法。
【請求項２８】
請求項２５に記載の方法において、複数の燃料電池をダイシングして燃料電池配列にするステップを更に備える、方法。
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公表番号】特表２００７−５１７３７１（Ｐ２００７−５１７３７１Ａ）
【公表日】平成１９年６月２８日（２００７．６．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５４７２２３（Ｐ２００６−５４７２２３）
【出願日】平成１６年１２月８日（２００４．１２．８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００４／０４２７９８
【国際公開番号】ＷＯ２００５／０６７０８４
【国際公開日】平成１７年７月２１日（２００５．７．２１）
【出願人】（５００５７５８２４）ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド (1,504)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成１９年６月２８日（２００７．６．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１２月８日（２００４．１２．８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００４／０４２７９８
【国際公開番号】ＷＯ２００５／０６７０８４
【国際公開日】平成１７年７月２１日（２００５．７．２１）
【出願人】（５００５７５８２４）ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド (1,504)
【Ｆターム（参考）】
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