JP2003059509A - 多素子薄膜燃料電池 - Google Patents
多素子薄膜燃料電池Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 製造が経済的かつ容易な小型化燃料電池を提
供する。 【解決手段】 シリコンウェーハなどから作られる基板
から形成される燃料チャンバを有する小型化燃料電池で
あり、基板内に互いに液通する複数の細長い燃料チャン
バが画定され、細長い電解質、陽極及び陰極を該燃料チ
ャンバに沿って延在させることにより効果的な電解質表
面を最大化し、それにより燃料電池が生成する電流量が
増大される。細長い燃料チャンバは好ましくは基板内で
鏡像配置にパターン化され、２つの薄膜基板が、そこに
沿って延在する２つの細長い電解質、陽極及び陰極を有
する燃料チャンバを画定するよう結合され得る。本発明
の燃料電池は、適当なフレーム内に１つ又はより多くが
積み重ねられ得、燃料と空気（又は酸素）の層が交互に
画定され、それにより、比較的小さな外形にも関わら
ず、より増大された電流及び／又は電圧を提供する３次
元の燃料電池スタックが画定される。
供する。 【解決手段】 シリコンウェーハなどから作られる基板
から形成される燃料チャンバを有する小型化燃料電池で
あり、基板内に互いに液通する複数の細長い燃料チャン
バが画定され、細長い電解質、陽極及び陰極を該燃料チ
ャンバに沿って延在させることにより効果的な電解質表
面を最大化し、それにより燃料電池が生成する電流量が
増大される。細長い燃料チャンバは好ましくは基板内で
鏡像配置にパターン化され、２つの薄膜基板が、そこに
沿って延在する２つの細長い電解質、陽極及び陰極を有
する燃料チャンバを画定するよう結合され得る。本発明
の燃料電池は、適当なフレーム内に１つ又はより多くが
積み重ねられ得、燃料と空気（又は酸素）の層が交互に
画定され、それにより、比較的小さな外形にも関わら
ず、より増大された電流及び／又は電圧を提供する３次
元の燃料電池スタックが画定される。
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は薄膜燃料電池に関す
る。より詳細には、本発明は、容易に、かつ経済的に製
造することができ、薄膜基板内の燃料の容積を増加さ
せ、かつ電解質表面積を増加させることができる薄膜燃
料電池に関する。 【０００２】 【従来の技術】燃料電池は、燃焼することなく、燃料の
化学的エネルギーを電気的エネルギーに直接変換する電
気化学素子である。したがって、燃料電池は、環境に優
しく、軽量で、発電効率が高く、再生可能な電源を提供
する可能性を有し、特に、電気自動車およびポータブル
電子装置を含む幅広い応用形態において用いられるため
に注目を集めている。 【０００３】燃料電池の作用は一般によく理解されてい
る。典型的な燃料電池は、２つの電極間に電解質を延在
させることにより作動する。電極のうちの一方は陰極と
して、他方は陽極として作用する。酸素が一方の電極上
を通過し、水素が他方の電極上を通過して、電気、水お
よび熱が生成される。詳細には、化学燃料が水素を含
み、水素は燃料電池の陽極に給送される。酸素（あるい
は空気）は、陰極を通って燃料電池に入る。触媒によっ
て反応が促進されると、水素原子は陽子と電子に分解さ
れ、それらは陰極へ通じる別々の経路を取る。陽子は電
解質内を通過し、一方、電子は個別の電流を生成し、そ
の個別の電流が陰極に戻る前にこれを利用することがで
き、陰極では、電子が水素および酸素と再結合し、水の
分子が形成される。 【０００４】種々の異なる燃料および電解質を利用する
幅広い燃料電池が現時点で利用可能であるか、あるいは
開発中である。これらの様々なタイプの燃料電池は、リ
ン酸燃料電池、溶融カーボネート燃料電池、固体酸化物
燃料電池、アルカリ燃料電池、直接メタノール燃料電池
および再生燃料電池を含む。 【０００５】これらの利用可能な燃料電池の中には、一
般に陽子交換膜（ＰＥＭ）燃料電池と呼ばれるタイプが
ある。ＰＥＭ燃料電池は、比較的低温で作動し、高い電
力密度の可能性を有し、高速に出力を変更することがで
き、電源要求の変化を満たすことができる。米国エネル
ギー省によれば、「燃料電池は軽量車両、建築物の用途
の有力な候補であり、充電式電池の代替品のような非常
に小さな応用形態の用途への可能性も有する。」とされ
ている。 【０００６】ＰＥＭ燃料電池のＰＥＭは典型的には多孔
性炭素電極を含み、後にそれら電極間に陽子伝導性電解
質材料を挟む触媒領域を設けるため、電極には白金が充
填される。陽子伝導性電解質材料は典型的には、パーフ
ルオロスルホン酸ポリマーである。一旦、電極間に挟ま
れたなら、膜電極アセンブリは加熱され、電解質が白金
充填電極に含浸し、かつ層間に結合を形成できるように
なる。膜電極アセンブリはその後、燃料および酸化剤を
電極に給送するために、マニホールド構造に配置され
る。 【０００７】ポータブル電子装置において、ＰＥＭ燃料
電池を含む燃料電池を従来の電池の代わりに使用できる
ようにするためには、燃料電池はコンパクトかつ軽量で
なければならないが、それでも燃料電池が使用される装
置が作動するのに十分な電流を供給する。しかしなが
ら、これらのタイプの燃料電池によって生成される電流
の量は、利用可能な燃料の容積、および燃料と反応する
ための利用可能なＰＥＭ表面積の大きさに比例する。し
たがって、これらの燃料電池をそのような応用形態のた
めに十分に小さくするために、マニホールド構造は適当
にコンパクトでなければならないが、一方、利用可能な
燃料の容積および関連するＰＥＭ表面積は、燃料電池が
使用される装置が作動するのに十分な電気を実際に生成
するよう、十分な大きさを保持しなければならない。 【０００８】従来技術が図１および図２に示されるよう
に、研究者達は、従来のシリコンウェーハ１２をマニホ
ールド構造１４として用いて、小型化ＰＥＭ燃料電池１
０を製造することに、ある程度の成功を収めている。一
般に、この研究者達は、シリコンウェーハ１２内に複数
のカップ形状のチャンバ１６を画定するために、従来の
薄膜堆積、パターニングおよびエッチングプロセスを用
いた。その後、各カップ状チャンバ１６は適当な燃料を
充填され、好ましくは陽極２０と、陰極２２と、陽子交
換膜２４とを有する上記の膜電極アセンブリ１８が、マ
ニホールド構造１４に動作するよう有効に固定され、そ
れにより、膜電極アセンブリ１８によって分割される酸
素（空気）領域２６と燃料領域２８とを画定する。 【０００９】この研究者達は、その小型化された構造か
ら電気を生成することができた。しかしながら、その設
計は、生成することができる電気の量を不必要に制限
し、かつその製造が必要以上に複雑になり、それにより
商用の電池を得るための有用性を制限する。たとえば、
燃料と反応するのに利用できるＰＥＭ２４の表面積の大
きさが制限される。さらに、最初に製造し、その後、複
数のカップ状チャンバ１６に燃料を確実に充填すること
は難しく、時間がかかる。また、その燃料電池の作動中
に利用可能なカップ状チャンバ１６の全ての中を流れる
流量を一定にすることは難しい。したがって、そのよう
な問題点を克服するための既知の方法は、各燃料電池を
製造するコストを必然的に上昇させるか、あるいは別法
では、燃料電池が生成する電気の量を制限する。 【００１０】 【発明が解決しようとする課題】したがって、燃料電池
技術の進歩にもかかわらず、依然として、小型化燃料電
池を経済的に、かつ容易に製造し、電解質と燃料との間
の利用可能な表面積を最大にし、かつマニホールド構造
内の燃料の充填および分散を容易にする燃料電池が必要
とされている。以下に開示される他の利点とともに、本
発明はこれらの要件を満たすものである。 【００１１】 【課題を解決するための手段】本発明は、空気あるいは
酸素チャンバから燃料チャンバを分離する、陽極と陰極
との間に固定される電解質を含む小型化燃料電池であ
る。燃料チャンバは、シリコンウェーハなどの基板材料
から形成され、従来の薄膜堆積、パターニングおよびエ
ッチングプロセスを用いて、その基板内に互いに液通す
る複数の細長い燃料チャンバを画定することが好まし
い。細長い電解質、陽極および陰極は、燃料チャンバに
沿って延在し、有効な電解質面積を最大にし、それによ
り燃料電池によって生成される電流の量が増加する。 【００１２】好ましい実施態様では、細長い燃料チャン
バが鏡像配置で基板内でパターニングされ、２枚の薄膜
基板が互いに結合され、それに沿って延在する２つの細
長い電解質、陽極および陰極部分を有する燃料チャンバ
が画定されるようにする。チャンバは、互いに液通する
ことが好ましく、燃料はチャンバ内に封止され、消耗し
たときには容易に交換することができる。別法では、基
板外にある超小型ポンプなど、チャンバに燃料を継続的
に補給するためのシステムを設けることができる。 【００１３】１つ又はより多くの本発明の燃料電池を、
適当なフレーム内に積み重ね、燃料および空気（酸素）
チャンバの層を交互に画定する場合があり、それにより
相対的に小さな外形を有するが、単位容積当たりに供給
される電流および／または電圧をさらに増加させる燃料
電池の３次元スタックが画定される。 【００１４】 【発明の実施の形態】電解質４２と燃料４４との間で利
用可能な表面積を最大にし、かつマニホールド構造４６
内の燃料４４の充填および分散を容易にする、小型化燃
料電池４０を経済的、かつ容易に製造することが図３〜
図８に示される。 【００１５】本発明は、水素含有燃料（４４）の化学エ
ネルギーを、燃焼することなく電流に変換するための、
小型化薄膜燃料電池（４０、４０’、４０’’）であっ
て、表面（６４）と、前記燃料（４４）を収容するため
に画定された細長い燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２
ｋ）とを有する基板（６２）から構成されるマニホール
ド構造（４６）であり、前記燃料チャンバ（５２、５２
ａ〜５２ｋ）は前記表面（６４）に沿って細長い開口部
を有するマニホールド構造（４６）と、前記燃料チャン
バ（５２、５２ａ〜５２ｋ）に隣接して配置される陽極
（５０）と、酸素含有領域（５４）に隣接して配置され
る陰極（４８）との間に固定される、細長い電解質（４
２）であって、該電解質（４２）は、前記燃料チャンバ
（５２、５２ａ〜５２ｋ）に隣接する前記基板（６２）
の前記表面（６４）に対して動作するよう有効に固定さ
れ、それにより前記燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２
ｋ）が前記酸素含有領域（５４）から流体的に隔離され
る、細長い電解質とを備え、かつ前記燃料チャンバ（５
２、５２ａ〜５２ｋ）内に収容される前記燃料（４４）
は、前記細長い開口部の長さに沿った前記陽極（５０）
と動作するよう有効に接触し、かつ、前記酸素含有領域
（５４）からの酸素は、前記陰極（４８）と動作するよ
う有効に接触し、触媒によって反応が促進される際に、
前記燃料（４４）由来の水素原子は陽子と電子に分解さ
れ、該陽子および該電子は前記陰極（４８）へ通じる別
々の経路を取り、それにより電流が生成されるようにす
る、小型化薄膜燃料電池を提供する。 【００１６】Ａ．全体構成 図４に最もわかりやすく示されるように、燃料電池４０
は、マニホールド構造４６内に収容される燃料チャンバ
５２を覆って、それにより空気（酸素）チャンバ５４と
燃料チャンバ５２との間を密閉する、陰極４８と陽極５
０との間に配置される電解質４２を含む。好ましい実施
形態では、燃料電池４０はＰＥＭ燃料電池であり、その
場合には、陰極４８および陽極５０は多孔性炭素電極で
あり、触媒領域を設けるために白金が充填され、陽子伝
導電解質材料が電極間に配置されて膜電極アセンブリ６
０が画定される。電極は、既知の構造と導通状態にあ
り、電子が陽極５０から流れ、陰極４８に戻される前に
有用な電気として用いられるようにし、陰極では水素と
酸素が再結合され、水の分子が形成される。 【００１７】既知の有効な陽子伝導電解質材料の１つ
は、パーフルオロスルホン酸ポリマーであり、厚さが50
μｍ〜100μｍの範囲の厚膜シート状で得られる。一
旦、電極間に挟まれたなら、膜電極アセンブリ６０は加
熱され、電解質４２が白金充填電極に含浸し、かつ空気
あるいは酸素チャンバ５４と燃料チャンバ５２との間に
結合を形成する。燃料チャンバ５２内に収容される既知
の有効な燃料４４の１つは、メタノールと水の混合物で
ある。 【００１８】燃料チャンバ５２は、従来の薄膜堆積、パ
ターニングあるいはエッチングプロセスを用いて、シリ
コンウェーハなどの基板６２から形成されることが好ま
しい。具体的に図７を参照すると、基板６２は、基板内
に収容される複数の細長い燃料チャンバ５２ａ〜５２ｋ
を含み、各燃料チャンバが他のチャンバと液通している
ことが好ましい。詳細には、各燃料チャンバ５２ａ〜５
２ｋは、表面６４から背面６６まで基板６２を貫通して
延在する細長いトレンチであり、異方性ウエットあるい
はドライエッチング技術により形成されることが好まし
い。異方性ディープ反応性イオンエッチング（ＤＲＩ
Ｅ）技術によって好ましく形成される、より浅いトレン
チ６８ａ〜６８ｊが、基板６２を貫通せずに、燃料チャ
ンバ５２ａ〜５２ｋの間に延在し、燃料チャンバ５２ａ
〜５２ｋを互いに液通状態にする。 【００１９】充填トレンチ７０および排出トレンチ７２
が、基板の外側縁部７４から、それぞれ燃料チャンバ５
２ａ、５２ｋのそれぞれまで延在し、浅いトレンチ６８
ａ〜６８ｊは図のようにチャンバ５２ａ〜５２ｋの間の
端部に交互に配置され、それにより、矢印７６に沿っ
て、充填トレンチ７０から、基板６２上の全ての燃料チ
ャンバ５２ａ〜５２ｋを通り、排出トレンチ７２までの
蛇行した液通経路を画定することが好ましい。別法で
は、液体の流れの平衡を保ち、かつその中の化学反応の
平衡を保つために、平行形体が用いられる場合もある。
より好ましくは、燃料チャンバ５２ａ〜５２ｋが、基板
６２内に鏡像配置でパターニングされ、１つの基板６２
ｂ（図８）が反転され、別の基板６２ａ（図８）上に背
合わせに配置され、燃料チャンバ５２ａ〜５２ｋおよび
トレンチ６８ａ〜６８ｊが図８に示されるように位置合
わせされるようにする。 【００２０】膜電極アセンブリ６０は、ＣＭＯＳタイプ
のプロセスなどの既知の方法を用いてマニホールド基板
４６上に形成され、それにより、空気チャンバ５４を燃
料チャンバ５２ａ〜５２ｋから操作可能に封止する。詳
細には、図３および図４に最もわかりやすく示されるよ
うに、複数の膜電極アセンブリ６０ａ〜６０ｋが存在
し、各膜電極アセンブリは細長く、かつ基板６２の表面
６４においてそれぞれ燃料チャンバ５２ａ〜５２ｋ内の
開口部を覆うような大きさに形成される。電極は互いに
導通し、所望の電流および電圧を得るために、所望の並
列および直列接続の組み合わせにおいて配向される。好
ましくは、金のボンディングパッド７８が膜電極アセン
ブリ６０に動作するよう有効に固定され、そのアセンブ
リが他の構成要素と導通できるようにする。 【００２１】Ｂ．シングルマニホールド構造燃料電池 シングルマニホールド構造燃料電池４０’が図４におい
て開示される。これは、膜電極アセンブリ６０ａ〜６０
ｋを有する図７の１枚の薄膜基板６２を含み、１つの膜
電極アセンブリが、基板６２の表面６４上で、それぞれ
燃料チャンバ５２ａ〜５２ｋの各開口部を覆う。背面６
６は図４に示されるように密閉され得る。別法では、背
面６６上の燃料チャンバ５２ａ〜５２ｋからの開口部
は、密閉された燃料プレナム（図示せず）内へ誘導され
得る。 【００２２】シングルマニホールド構造燃料電池４０’
が組み立てられた後、既知の方法で、燃料４４が燃料チ
ャンバ５２ａ〜５２ｋに添加される。たとえば、燃料給
送チューブ（図示せず）が充填トレンチ７０に挿入さ
れ、それを介して燃料４４をポンプで注入することがで
きる。燃料チャンバ５２ａ〜５２ｋ内の空気は、燃料４
４が各チャンバ５２ａ〜５２ｋに入るのに応じて、排出
トレンチ７２を通って排出される。燃料チャンバ５２ａ
〜５２ｋおよび相互に接続される浅いトレンチ６８ａ〜
６８ｊの向きによって画定される蛇行した液通経路は、
各燃料チャンバ５２ａ〜５２ｋが充填プロセス中に容易
に、かつ最大容量まで確実に充填されるようにする。 【００２３】全ての燃料チャンバ５２ａ〜５２ｋが燃料
４４を充填されたとき、充填トレンチ７０および排出ト
レンチ７２は、ＵＶ硬化または熱硬化エポキシ（図示せ
ず）、着脱可能にまたは堅く固定されるプラグ（図示せ
ず）のような既存の素子で封止される。別法では、燃料
チャンバ５２ａ〜５２ｋに燃料４４を継続的に補給する
ためのシステムを設けることができる。たとえば、大型
／中型の給送チューブを、接着剤あるいはＯリングタイ
プの構造体を用いて、充填チューブおよび排出チューブ
に固定することができ、その給送チューブが、燃料チャ
ンバ５２ａ〜５２ｋを通って連続して循環する燃料のプ
レナムと液通する。 【００２４】細長い燃料チャンバ５２ａ〜５２ｋおよび
対応する細長い膜電極アセンブリ６０ａ〜６０ｋのた
め、燃料４４と電解質４２との間の表面積は、基板マニ
ホールドカップ形状燃料チャンバの設計全体にわたって
増大され、それにより、燃料電池の電気容量が増加す
る。 【００２５】Ｃ．デュアルマニホールド構造燃料電池 デュアルマニホールド構造燃料電池４０’’を、図５、
図６および図８に開示する。これは、図７のシングル薄
膜基板６２を２つ含み、反転された基板６２ｂ（図８）
が、他方の基板６２ａ（図８）上に背合わせに配置さ
れ、燃料チャンバ５２ａ〜５２ｋおよびトレンチ６８ａ
〜６８ｊが図８に示されるように位置合わせされるよう
にする。各基板６２ａ、６２ｂの表面６４は、膜電極ア
センブリ６０ａ〜６０ｋを含み、１つの膜電極アセンブ
リが、各基板６２ａ、６２ｂの第１の表面６４上で、燃
料チャンバ５２ａ〜５２ｋのそれぞれの開口部を覆う。
したがって、図６に最もわかりやすく示されるように、
各燃料チャンバには２つの膜電極アセンブリ６０を含ま
れ、基板６２ａ、６２ｂの各表面６４上には１つ含まれ
る。 【００２６】各基板６２ａ、６２ｂの背面６６は、Ｓｉ
−ＳｉＯ２／Ｓｉ−Ｓｉ熱／圧力、ウエットまたは陽極
ボンディングのような既存の方法、あるいは低温プラズ
マ活性ウェーハボンディングのような特殊な技術を用い
て、互いに結合される。１つの既知で効果的な、市販の
低温プラズマ活性ウェーハボンディング技術が、Silico
n Genesis Corporation（米国カリフォルニア州Campbel
l）によって提供される。別法では、紫外線あるいは熱
活性接着剤、あるいはフォトレジストボンディングまた
はハンダバンプボンディングが用いられる場合もある。
基板６２ａ、６２ｂ間のこの結合は、それほど正確な配
置公差を必要としないが、燃料チャンバ５２ａ〜５２ｋ
内の燃料４４が漏れたり、漏れることはなくても、空気
に対して拡散したりするのを防ぐ不可浸入障壁として機
能しなければならない。 【００２７】デュアルマニホールド構造燃料電池４
０’’が組み立てられた後、シングルマニホールド構造
燃料電池４０’に関して先に記載されたように、既知の
方法で燃料チャンバ５２ａ〜５２ｋに燃料４４が添加さ
れる。燃料チャンバ５２ａ〜５２ｋと、それらを接続す
る浅いトレンチ６８ａ〜６８ｊとの配向によって画定さ
れる蛇行した液通経路によって、各燃料チャンバ５２ａ
〜５２ｋが、充填プロセス中に容易に、かつ最大容量ま
で確実に充填されるようになる。 【００２８】全ての燃料チャンバ５２ａ〜５２ｋが燃料
で満たされるとき、充填トレンチ７０および排出トレン
チ７２が、ＵＶ硬化または熱硬化エポキシ（図示せ
ず）、着脱可能にまたは堅く固定されるプラグ（図示せ
ず）のような既存の素子で封止される。別法では、燃料
チャンバ５２ａ〜５２ｋに燃料４４を継続的に補給する
ためのシステムを設けることができる。たとえば、大型
／中型の給送チューブを、接着剤あるいはＯリングタイ
プの構造体を用いて、充填チューブおよび排出チューブ
に固定することができ、その給送チューブが、燃料チャ
ンバ５２ａ〜５２ｋを通って連続して循環する燃料のプ
レナムと液通する。別法では、ポリメチル−メタクリレ
ート（ＰＭＭＡ）などの熱可塑性の、予め加工されたプ
レナムブロックへの気密封止により、封止が完全とな
り、マニホールドとして機能し得る。 【００２９】細長い燃料チャンバ５２ａ〜５２ｋおよび
対応する細長い膜電極アセンブリ６０ａ〜６０ｋのた
め、さらに各燃料チャンバ５２ａ〜５２ｋが２つのその
ような細長い膜電極アセンブリ６０ａ〜６０ｋを含むと
いう事実のため、燃料４４と電解質４２との間の表面積
は、シングル基板マニホールドカップ形状燃料チャンバ
の設計全体にわたって増大する。したがって、燃料電池
の電気容量が最大にされ、一方、燃料電池の全体サイズ
は最小限に抑えられる。 【００３０】Ｄ．３次元スタック燃料電池 図５および図６に最もわかりやすく示されるように、本
発明によるシングルあるいはデュアルマニホールド構造
燃料電池４０’、４０’’（図５および図６において示
される４０’’）は、適当なフレーム８０内に積み重ね
られ場合があり、燃料チャンバの層と空気（あるいは酸
素）チャンバの層が交互に画定され、それにより比較的
小さな外形を有するが、供給される電流および／または
電圧がさらに増大された、３次元スタックの燃料電池４
０’あるいは４０’’（図５および図６において示され
る４０’’）が画定される。 【００３１】詳細には、フレーム８０は実質的に剛性で
あり、かつシングルあるいはデュアルマニホールド構造
燃料電池４０’、４０’’のそれぞれをその中に収容
し、燃料電池４０’’は互いから離隔して配置され、積
み重ねられるそれぞれの燃料電池４０’’の間に空気チ
ャンバ５４ａ〜５４ｄを画定するような大きさに構成さ
れる。フレーム８０は、作動中、燃料電池４０’’によ
って達成される最高温度に耐えるような適当な材料から
構成される。ＰＥＭ燃料電池用として知られている効果
的な材料には、熱可塑性物質あるいはセラミックが包含
される。好ましくは、フレーム８０は、誤って接触する
のを防ぐよう、燃料電池４０’’を封鎖する。しかしな
がら、空気チャンバ５４ａ〜５４ｄからの漏れがあって
も、それは無害な空気である可能性が高いので、フレー
ム８０自体は必ずしも気密である必要はない。 【００３２】複数の積み重ねられた燃料電池４０’’の
電極は、所望の電流および電圧を得るために、互いに導
通し、所望の並列および直列接続の組み合わせで配向さ
れる。同様に、複数の積み重ねられた燃料電池４０’’
の燃料チャンバ５２ａ〜５２ｋは、それらチャンバから
延在する既存のデバイスを用いて互いに液通することが
できる。たとえば、大型／中型の給送チューブを、各燃
料電池４０’’の充填チューブおよび排出チューブに固
定することができ、その給送チューブが、燃料チャンバ
を通って連続して循環される燃料の共通のプレナムと液
通する。 【００３３】別法では、各燃料電池４０’’の燃料チャ
ンバ５２ａ〜５２ｋが互いに直列に液通する場合があ
り、蛇行した連続液通経路が、そのスタックにおいて１
番目の燃料電池の充填トレンチ７０から、燃料電池４
０’’のスタック中全ての燃料チャンバ５２ａ〜５２ｋ
を通って、最後の燃料電池の排出トレンチ７２まで続く
ようにする。そのような蛇行した液通経路により、燃料
電池４０’’のスタックにおける燃料チャンバの充填お
よび補充を容易になる。 【００３４】Ｅ．別の実施態様 上記の説明は、ＰＥＭ燃料電池の製造が中心であった
が、本発明の基本的な概念は、リン酸燃料電池、溶融カ
ーボネート燃料電池、固体酸化物燃料電池、アルカリ燃
料電池、直接メタノール燃料電池および再生燃料電池を
含む他のタイプの燃料電池に対しても同じく良好に影響
を与えることは理解されたい。さらに、選択される燃料
は、液体、気体あるいは固体であってもよい。 【００３５】また、本発明の基本的な概念の理解を助け
るために、本発明の燃料電池は完全なシリコンウェーハ
上に構成されるものとして示されてきた。当業者は、燃
料電池および関連する燃料チャンバが、その全体が従来
のシリコンウェーハの１つのダイ上に配置される場合を
含め、非常に小さな規模で構成できることは理解されよ
う。同様に、上記のように、２つの燃料電池基板を互い
に結合することは、個々のシリコンダイを互いに結合す
ることに限定され得る。 【００３６】さらに、シリコンが好ましい基板６２であ
るが、燃料電池において用いられる燃料のタイプ、およ
びその特定の燃料電池の予想される運転温度に応じて、
ＰＭＭＡ、プラスチックあるいはセラミック材料などの
他の既知の基板が使用され得る。また、京セラ（京都、
日本）から販売されているセラミックなどの、液通およ
び導通の両方を可能にする多層セラミック（ＭＬＣ）
を、複数の積み重ねられた燃料電池用の燃料チャンバと
して効果的に使用することができる。基板の材料がセラ
ミックあるいはプラスチックの場合には、燃料チャンバ
および関連する液通経路は成形されるか、あるいはその
材料内で機械加工され得る。 【００３７】したがって、ここでは本発明の好ましい実
施態様を記載してきたが、本発明の範囲内で、そのよう
な実施態様に対する他の変更が当業者によってなされ得
ることが予想される。したがって、本発明の好ましい実
施態様および代替の実施態様を記載してきたが、本発明
の精神および範囲はそれら実施態様には限定されず、特
許請求の範囲によって規定されるような、種々の変更形
態および等価形態に拡張されることは理解されたい。 【００３８】以下に、本発明の好ましい実施の態様を要
約して示す。 １． 水素含有燃料（４４）の化学エネルギーを、燃焼
することなく電流に変換するための、小型化薄膜燃料電
池（４０、４０’、４０’’）であって、表面（６４）
と、前記燃料（４４）を収容するために画定された細長
い燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）とを有する基
板（６２）から構成されるマニホールド構造（４６）で
あって、前記燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）は
前記表面（６４）に沿って細長い開口部を有するマニホ
ールド構造（４６）と、前記燃料チャンバ（５２、５２
ａ〜５２ｋ）に隣接して配置される陽極（５０）と、酸
素含有領域（５４）に隣接して配置される陰極（４８）
との間に固定される、細長い電解質（４２）であって、
該電解質（４２）は、前記燃料チャンバ（５２、５２ａ
〜５２ｋ）に隣接する前記基板（６２）の前記表面（６
４）に対して動作するよう有効に固定され、それにより
前記燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）が前記酸素
含有領域（５４）から流体的に隔離される、細長い電解
質とを備え、かつ前記燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５
２ｋ）内に収容される前記燃料（４４）は、前記細長い
開口部の長さに沿った前記陽極（５０）と動作するよう
有効に接触し、かつ、前記酸素含有領域（５４）からの
酸素は、前記陰極（４８）と動作するよう有効に接触
し、触媒によって反応が促進される際に、前記燃料（４
４）由来の水素原子は陽子と電子とに分解し、該陽子お
よび該電子は前記陰極（４８）へ通じる別々の経路を取
り、それにより電流が生成されるようにする、小型化薄
膜燃料電池。 ２． 前記基板（６２）が、シリコンウェーハである、
上記１に記載の小型化薄膜燃料電池。 ３． 前記基板（６２）が、シリコンウェーハの一部分
である、上記１に記載の小型化薄膜燃料電池。 ４． 前記基板（６２）内に収容される複数の細長い燃
料チャンバ（５２ａ〜５２ｋ）であって、該複数の細長
い燃料チャンバ（５２ａ〜５２ｋ）におけるそれぞれの
燃料チャンバ（５２ａ〜５２ｋ）は、前記表面（６４）
に沿って細長い開口部を有し、かつ、前記複数の燃料チ
ャンバ（５２ａ〜５２ｋ）の他の燃料チャンバとそれぞ
れ互いに液通する、複数の細長い燃料チャンバと、陽極
（５０）と陰極（４８）との間に固定される複数の細長
い電解質（４２）であって、各前記燃料チャンバ（５２
ａ〜５２ｋ）に各１つの該陽極（５０）が隣接して配置
され、該陰極（４８）は前記酸素含有領域（５４）に隣
接して配置され、前記複数の細長い電解質（４２）は、
前記基板（６２）の前記表面（６４）に動作するよう有
効に固定され、前記複数の燃料チャンバ（５２ａ〜５２
ｋ）の各燃料チャンバに前記複数の細長い電解質（４
２）のそれぞれ１つが隣接して配置され、それにより前
記複数の燃料チャンバ（５２ａ〜５２ｋ）が前記酸素含
有領域（５４）から流体的に隔離される、細長い電解質
（４２）とをさらに備える、上記１に記載の小型化薄膜
燃料電池。 ５． 前記燃料電池（４０、４０’、４０’’）が、陽
子交換膜燃料電池であり、前記電解質（４２）が陽子伝
導性電解質材料である、上記１に記載の小型化薄膜燃料
電池。 ６． 前記陽子伝導性電解質材料が、50μｍから100μ
ｍの厚さを有するパーフルオロスルホン酸ポリマーであ
る、上記５に記載の小型化薄膜燃料電池。 ７． 第２の表面（６６）と、前記燃料（４４）を収容
するために画定された第２の細長い燃料チャンバ（５
２、５２ａ〜５２ｋ）とを有する第２の基板（６２ｂ）
から構成される第２のマニホールド構造（４６）であっ
て、前記第２の燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）
は、前記第２の表面（６６）に沿って細長い開口部を有
する、第２のマニホールド構造（４６）と、前記第２の
燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）に隣接して配置
される第２の陽極（５０）と、前記酸素含有領域（５
４）に隣接して配置される第２の陰極（４８）との間に
固定される第２の細長い電解質（４２）であって、該第
２の細長い電解質（４２）は、前記第２の燃料チャンバ
（５２、５２ａ〜５２ｋ）に隣接する前記第２の基板
（６２ｂ）の前記第２の表面（６６）に動作するよう有
効に固定され、それにより前記第２の燃料チャンバ（５
２、５２ａ〜５２ｋ）が前記酸素含有領域（５４）から
流体的に隔離される、第２の細長い電解質とをさらに備
え、前記第２の燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）
内に収容される前記燃料（４４）は、前記第２の細長い
開口部の長さに沿った前記第２の陽極（５０）と動作す
るよう有効に接触し、前記酸素含有領域（５４）からの
酸素は、前記第２の陰極（４８）と動作するよう有効に
接触し、触媒によって反応が促進される際に、前記燃料
（４４）由来の水素原子は、陽子と電子とに分解し、該
陽子および該電子は前記第２の陰極（４８）へ通じる別
々の経路を取り、それにより電流が生成されるようにす
る、上記１に記載の小型化薄膜燃料電池。 ８． 前記マニホールド構造（４６）および前記第２の
マニホールド構造（４６）は互いから離隔して配置さ
れ、フレーム（８０）内に動作するよう有効に固定され
て、該フレーム（８０）内に第１および第２の酸素含有
領域（２４ａ〜２４ｄ）を画定する、上記７に記載の小
型化薄膜燃料電池。 ９． 前記基板（６２ａ）が背面（６６）を有し、か
つ、前記細長い燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）
が該基板（６２ａ）を貫通して延在し、前記背面（６
６）に沿って背面開口部を画定し、前記第２の基板（６
２ｂ）は第２の背面（６６）を有し、前記第２の細長い
燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）は前記第２の基
板（６２ａ）を貫通して延在し、前記第２の背面（６
６）に沿って第２の背面開口部を画定し、前記第１およ
び前記第２の基板（６２ａ、６２ｂ）は、前記細長い燃
料チャンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）および前記第２の
細長い燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）が互いに
液通するように、それらそれぞれの前記背面と前記第２
の背面（６６）に沿って互いに結合される、上記７に記
載の小型化薄膜燃料電池。 １０． 複数の前記小型化薄膜燃料電池（４０’’）を
備え、該複数の前記小型化薄膜燃料電池（４０’’）は
フレーム（８０）によってそれぞれが互いに離隔して配
置される、上記９に記載の小型化された薄膜燃料電池。 １１． 前記複数の小型化薄膜燃料電池（４０’’）の
前記燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）が互いに液
通する、上記１０に記載の小型化薄膜燃料電池。 １２． 前記複数の小型化薄膜燃料電池（４０’’）の
前記燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）間の前記液
通が、蛇行したパターンあるいは平行なパターンを有す
る、上記１１に記載の小型化薄膜燃料電池。 １３． 前記基板（６２ａ）内に収容される複数の細長
い燃料チャンバ（５２ａ〜５２ｋ）であって、該複数の
細長い燃料チャンバ（５２ａ〜５２ｋ）の各燃料チャン
バは、前記表面（６４）に沿って細長い開口部を有し、
かつ、前記複数の燃料チャンバ（５２ａ〜５２ｋ）の他
の各前記燃料チャンバと液通する、複数の細長い燃料チ
ャンバと、前記複数の細長い燃料チャンバ（５２ａ〜５
２ｋ）の各燃料チャンバにそれぞれ１つが隣接して配置
される陽極（５０）と、前記酸素含有領域（５４）に隣
接して配置される陰極（４８）との間に固定される複数
の細長い電解質（４２）であって、該複数の細長い電解
質（４２）は、前記基板（６２ａ）の前記表面（６４）
に動作するよう有効に固定され、前記複数の細長い電解
質（４２）は、前記複数の燃料チャンバ（５２ａ〜５２
ｋ）の前記各燃料チャンバにそれぞれ１つが隣接して配
置され、それにより前記複数の燃料チャンバ（５２ａ〜
５２ｋ）が前記酸素含有領域（５４）から流体的に隔離
される、複数の細長い電解質と、前記第２の基板（６２
ｂ）内に収容される複数の細長い第２の燃料チャンバ
（５２ａ〜５２ｋ）であって、該複数の細長い第２の燃
料チャンバ（５２ａ〜５２ｋ）の前記各第２の燃料チャ
ンバは前記第２の表面（６４）に沿って第２の細長い開
口部を有し、前記複数の燃料チャンバ（５２ａ〜５２
ｋ）の他の各燃料チャンバと液通する、複数の細長い第
２の燃料チャンバと、前記第２の燃料チャンバ（５２ａ
〜５２ｋ）の各燃料チャンバに隣接してそれぞれ１つ配
置される陽極（５０）と、前記酸素含有領域（５４）に
隣接して配置される陰極（４８）との間に固定される複
数の細長い第２の電解質（４２）であって、該複数の細
長い第２の電解質（４２）は、前記第２の基板（６２
ｂ）の前記第２の表面（６４）に動作するよう有効に固
定され、前記複数の細長い第２の電解質（４２）は、前
記複数の第２の燃料チャンバ（５２ａ〜５２ｋ）の前記
各第２の燃料チャンバにそれぞれ１つが隣接して配置さ
れ、それにより前記複数の第２の燃料チャンバ（５２ａ
〜５２ｋ）が前記酸素含有領域（５４）から流体的に隔
離される、複数の細長い第２の電解質とを含み、前記基
板（６２ａ）の前記燃料チャンバ（５２ａ〜５２ｋ）
と、前記第２の基板（６２ｂ）の前記第２の燃料チャン
バ（５２ａ〜５２ｋ）とは互いに液通する、上記９に記
載の小型化薄膜燃料電池。 １４． 表面（６６）を有する実質的に平坦な薄膜基板
（６２、６２ａ）から作られるマニホールド構造（４
６）を備える薄膜燃料電池（４０、４０’、４０’’）
を製造する方法であって、前記薄膜基板（６２、６２
ａ）において細長い燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２
ｋ）を画定し、前記燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２
ｋ）が前記基板（６２、６２ａ）の前記表面に沿って細
長い開口部を設けるようにするステップと、陽極（５
０）および陰極（４８）を有する細長い陽子交換膜電極
アセンブリ（６０）を、前記細長い燃料チャンバ（５
２、５２ａ〜５２ｋ）に隣接して、前記基板（６２、６
２ａ）に操作可能に固定するステップと、水素含有燃料
（４４）で前記細長い開口部の長さに沿って前記陽極
（５０）と動作するよう有効に接触し、酸素含有領域
（５４）からの酸素で前記陰極（４８）と動作するよう
有効に接触し、触媒によって反応が促進されるとき、前
記燃料（４４）からの水素原子が陽子と電子とに分解さ
れ、該陽子と該電子とが前記陰極（４８）へ通じる別々
の経路を取り、それにより電流が生成されるよう前記燃
料チャンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）に、水素含有燃料
（４４）を充填するステップとを含む薄膜燃料電池を製
造する方法。 １５． 複数の前記薄膜燃料電池（４０、４０’、４
０’’）をフレーム（８０）内に積み重ねるステップを
さらに含み、該フレーム（８０）内の前記薄膜燃料電池
（４０、４０’、４０’’）は互いに離隔して配置され
るが、互いに導通する、上記１４に記載の薄膜燃料電池
を製造する方法。 １６． 第２の薄膜基板（６２ｂ）において細長い第２
の燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）を画定し、該
第２の燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）が前記第
２の基板（６２ｂ）の前記第２の表面（６６）に沿って
第２の細長い開口部を設けるようにするステップと、第
２の陽極（５０）および第２の陰極（４８）を有する第
２の細長い陽子交換膜電極アセンブリ（６０）を、前記
第２の細長い燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）に
隣接して、前記基板（６２ｂ）に操作可能に固定するス
テップと、前記細長い燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５
２ｋ）と前記第２の燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２
ｋ）とが互いに液通するように、前記薄膜基板（６２
ａ）と前記第２の薄膜基板（６２ｂ）とを結合するステ
ップと、水素含有燃料（４４）で前記細長い開口部の長
さに沿って前記第２の陽極（５０）と動作するよう有効
に接触し、酸素含有領域（５４）からの酸素で前記第２
の陰極（４８）と動作するよう有効に接触し、触媒によ
って反応が促進されるとき、前記燃料（４４）からの水
素原子が陽子と電子とに分解され、該陽子と該電子とは
前記第２の陰極（４８）へ通じる別々の経路を取り、そ
れにより電流が生成されるよう、前記第２の燃料チャン
バ（５２、５２ａ〜５２ｋ）に前記水素含有燃料（４
４）を充填するステップとをさらに含む、上記１４に記
載の薄膜燃料電池を製造するための方法。 １７． 複数の前記薄膜燃料電池（４０’’）をフレー
ム（８０）内で積み重ねるステップをさらに含み、該フ
レーム（８０）内の複数の前記薄膜燃料電池（４
０’’）は互いに離隔して配置されるが、互いに導通す
る、上記１６に記載の薄膜燃料電池を製造する方法。 【００３９】 【発明の効果】上記のように、本発明によれば、小型化
燃料電池を経済的に、かつ容易に製造し、電解質と燃料
との間の利用可能な表面積を最大にし、かつマニホール
ド構造内の燃料の充填および分散を容易にする燃料電池
およびその製造方法を実現することができる。
る。より詳細には、本発明は、容易に、かつ経済的に製
造することができ、薄膜基板内の燃料の容積を増加さ
せ、かつ電解質表面積を増加させることができる薄膜燃
料電池に関する。 【０００２】 【従来の技術】燃料電池は、燃焼することなく、燃料の
化学的エネルギーを電気的エネルギーに直接変換する電
気化学素子である。したがって、燃料電池は、環境に優
しく、軽量で、発電効率が高く、再生可能な電源を提供
する可能性を有し、特に、電気自動車およびポータブル
電子装置を含む幅広い応用形態において用いられるため
に注目を集めている。 【０００３】燃料電池の作用は一般によく理解されてい
る。典型的な燃料電池は、２つの電極間に電解質を延在
させることにより作動する。電極のうちの一方は陰極と
して、他方は陽極として作用する。酸素が一方の電極上
を通過し、水素が他方の電極上を通過して、電気、水お
よび熱が生成される。詳細には、化学燃料が水素を含
み、水素は燃料電池の陽極に給送される。酸素（あるい
は空気）は、陰極を通って燃料電池に入る。触媒によっ
て反応が促進されると、水素原子は陽子と電子に分解さ
れ、それらは陰極へ通じる別々の経路を取る。陽子は電
解質内を通過し、一方、電子は個別の電流を生成し、そ
の個別の電流が陰極に戻る前にこれを利用することがで
き、陰極では、電子が水素および酸素と再結合し、水の
分子が形成される。 【０００４】種々の異なる燃料および電解質を利用する
幅広い燃料電池が現時点で利用可能であるか、あるいは
開発中である。これらの様々なタイプの燃料電池は、リ
ン酸燃料電池、溶融カーボネート燃料電池、固体酸化物
燃料電池、アルカリ燃料電池、直接メタノール燃料電池
および再生燃料電池を含む。 【０００５】これらの利用可能な燃料電池の中には、一
般に陽子交換膜（ＰＥＭ）燃料電池と呼ばれるタイプが
ある。ＰＥＭ燃料電池は、比較的低温で作動し、高い電
力密度の可能性を有し、高速に出力を変更することがで
き、電源要求の変化を満たすことができる。米国エネル
ギー省によれば、「燃料電池は軽量車両、建築物の用途
の有力な候補であり、充電式電池の代替品のような非常
に小さな応用形態の用途への可能性も有する。」とされ
ている。 【０００６】ＰＥＭ燃料電池のＰＥＭは典型的には多孔
性炭素電極を含み、後にそれら電極間に陽子伝導性電解
質材料を挟む触媒領域を設けるため、電極には白金が充
填される。陽子伝導性電解質材料は典型的には、パーフ
ルオロスルホン酸ポリマーである。一旦、電極間に挟ま
れたなら、膜電極アセンブリは加熱され、電解質が白金
充填電極に含浸し、かつ層間に結合を形成できるように
なる。膜電極アセンブリはその後、燃料および酸化剤を
電極に給送するために、マニホールド構造に配置され
る。 【０００７】ポータブル電子装置において、ＰＥＭ燃料
電池を含む燃料電池を従来の電池の代わりに使用できる
ようにするためには、燃料電池はコンパクトかつ軽量で
なければならないが、それでも燃料電池が使用される装
置が作動するのに十分な電流を供給する。しかしなが
ら、これらのタイプの燃料電池によって生成される電流
の量は、利用可能な燃料の容積、および燃料と反応する
ための利用可能なＰＥＭ表面積の大きさに比例する。し
たがって、これらの燃料電池をそのような応用形態のた
めに十分に小さくするために、マニホールド構造は適当
にコンパクトでなければならないが、一方、利用可能な
燃料の容積および関連するＰＥＭ表面積は、燃料電池が
使用される装置が作動するのに十分な電気を実際に生成
するよう、十分な大きさを保持しなければならない。 【０００８】従来技術が図１および図２に示されるよう
に、研究者達は、従来のシリコンウェーハ１２をマニホ
ールド構造１４として用いて、小型化ＰＥＭ燃料電池１
０を製造することに、ある程度の成功を収めている。一
般に、この研究者達は、シリコンウェーハ１２内に複数
のカップ形状のチャンバ１６を画定するために、従来の
薄膜堆積、パターニングおよびエッチングプロセスを用
いた。その後、各カップ状チャンバ１６は適当な燃料を
充填され、好ましくは陽極２０と、陰極２２と、陽子交
換膜２４とを有する上記の膜電極アセンブリ１８が、マ
ニホールド構造１４に動作するよう有効に固定され、そ
れにより、膜電極アセンブリ１８によって分割される酸
素（空気）領域２６と燃料領域２８とを画定する。 【０００９】この研究者達は、その小型化された構造か
ら電気を生成することができた。しかしながら、その設
計は、生成することができる電気の量を不必要に制限
し、かつその製造が必要以上に複雑になり、それにより
商用の電池を得るための有用性を制限する。たとえば、
燃料と反応するのに利用できるＰＥＭ２４の表面積の大
きさが制限される。さらに、最初に製造し、その後、複
数のカップ状チャンバ１６に燃料を確実に充填すること
は難しく、時間がかかる。また、その燃料電池の作動中
に利用可能なカップ状チャンバ１６の全ての中を流れる
流量を一定にすることは難しい。したがって、そのよう
な問題点を克服するための既知の方法は、各燃料電池を
製造するコストを必然的に上昇させるか、あるいは別法
では、燃料電池が生成する電気の量を制限する。 【００１０】 【発明が解決しようとする課題】したがって、燃料電池
技術の進歩にもかかわらず、依然として、小型化燃料電
池を経済的に、かつ容易に製造し、電解質と燃料との間
の利用可能な表面積を最大にし、かつマニホールド構造
内の燃料の充填および分散を容易にする燃料電池が必要
とされている。以下に開示される他の利点とともに、本
発明はこれらの要件を満たすものである。 【００１１】 【課題を解決するための手段】本発明は、空気あるいは
酸素チャンバから燃料チャンバを分離する、陽極と陰極
との間に固定される電解質を含む小型化燃料電池であ
る。燃料チャンバは、シリコンウェーハなどの基板材料
から形成され、従来の薄膜堆積、パターニングおよびエ
ッチングプロセスを用いて、その基板内に互いに液通す
る複数の細長い燃料チャンバを画定することが好まし
い。細長い電解質、陽極および陰極は、燃料チャンバに
沿って延在し、有効な電解質面積を最大にし、それによ
り燃料電池によって生成される電流の量が増加する。 【００１２】好ましい実施態様では、細長い燃料チャン
バが鏡像配置で基板内でパターニングされ、２枚の薄膜
基板が互いに結合され、それに沿って延在する２つの細
長い電解質、陽極および陰極部分を有する燃料チャンバ
が画定されるようにする。チャンバは、互いに液通する
ことが好ましく、燃料はチャンバ内に封止され、消耗し
たときには容易に交換することができる。別法では、基
板外にある超小型ポンプなど、チャンバに燃料を継続的
に補給するためのシステムを設けることができる。 【００１３】１つ又はより多くの本発明の燃料電池を、
適当なフレーム内に積み重ね、燃料および空気（酸素）
チャンバの層を交互に画定する場合があり、それにより
相対的に小さな外形を有するが、単位容積当たりに供給
される電流および／または電圧をさらに増加させる燃料
電池の３次元スタックが画定される。 【００１４】 【発明の実施の形態】電解質４２と燃料４４との間で利
用可能な表面積を最大にし、かつマニホールド構造４６
内の燃料４４の充填および分散を容易にする、小型化燃
料電池４０を経済的、かつ容易に製造することが図３〜
図８に示される。 【００１５】本発明は、水素含有燃料（４４）の化学エ
ネルギーを、燃焼することなく電流に変換するための、
小型化薄膜燃料電池（４０、４０’、４０’’）であっ
て、表面（６４）と、前記燃料（４４）を収容するため
に画定された細長い燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２
ｋ）とを有する基板（６２）から構成されるマニホール
ド構造（４６）であり、前記燃料チャンバ（５２、５２
ａ〜５２ｋ）は前記表面（６４）に沿って細長い開口部
を有するマニホールド構造（４６）と、前記燃料チャン
バ（５２、５２ａ〜５２ｋ）に隣接して配置される陽極
（５０）と、酸素含有領域（５４）に隣接して配置され
る陰極（４８）との間に固定される、細長い電解質（４
２）であって、該電解質（４２）は、前記燃料チャンバ
（５２、５２ａ〜５２ｋ）に隣接する前記基板（６２）
の前記表面（６４）に対して動作するよう有効に固定さ
れ、それにより前記燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２
ｋ）が前記酸素含有領域（５４）から流体的に隔離され
る、細長い電解質とを備え、かつ前記燃料チャンバ（５
２、５２ａ〜５２ｋ）内に収容される前記燃料（４４）
は、前記細長い開口部の長さに沿った前記陽極（５０）
と動作するよう有効に接触し、かつ、前記酸素含有領域
（５４）からの酸素は、前記陰極（４８）と動作するよ
う有効に接触し、触媒によって反応が促進される際に、
前記燃料（４４）由来の水素原子は陽子と電子に分解さ
れ、該陽子および該電子は前記陰極（４８）へ通じる別
々の経路を取り、それにより電流が生成されるようにす
る、小型化薄膜燃料電池を提供する。 【００１６】Ａ．全体構成 図４に最もわかりやすく示されるように、燃料電池４０
は、マニホールド構造４６内に収容される燃料チャンバ
５２を覆って、それにより空気（酸素）チャンバ５４と
燃料チャンバ５２との間を密閉する、陰極４８と陽極５
０との間に配置される電解質４２を含む。好ましい実施
形態では、燃料電池４０はＰＥＭ燃料電池であり、その
場合には、陰極４８および陽極５０は多孔性炭素電極で
あり、触媒領域を設けるために白金が充填され、陽子伝
導電解質材料が電極間に配置されて膜電極アセンブリ６
０が画定される。電極は、既知の構造と導通状態にあ
り、電子が陽極５０から流れ、陰極４８に戻される前に
有用な電気として用いられるようにし、陰極では水素と
酸素が再結合され、水の分子が形成される。 【００１７】既知の有効な陽子伝導電解質材料の１つ
は、パーフルオロスルホン酸ポリマーであり、厚さが50
μｍ〜100μｍの範囲の厚膜シート状で得られる。一
旦、電極間に挟まれたなら、膜電極アセンブリ６０は加
熱され、電解質４２が白金充填電極に含浸し、かつ空気
あるいは酸素チャンバ５４と燃料チャンバ５２との間に
結合を形成する。燃料チャンバ５２内に収容される既知
の有効な燃料４４の１つは、メタノールと水の混合物で
ある。 【００１８】燃料チャンバ５２は、従来の薄膜堆積、パ
ターニングあるいはエッチングプロセスを用いて、シリ
コンウェーハなどの基板６２から形成されることが好ま
しい。具体的に図７を参照すると、基板６２は、基板内
に収容される複数の細長い燃料チャンバ５２ａ〜５２ｋ
を含み、各燃料チャンバが他のチャンバと液通している
ことが好ましい。詳細には、各燃料チャンバ５２ａ〜５
２ｋは、表面６４から背面６６まで基板６２を貫通して
延在する細長いトレンチであり、異方性ウエットあるい
はドライエッチング技術により形成されることが好まし
い。異方性ディープ反応性イオンエッチング（ＤＲＩ
Ｅ）技術によって好ましく形成される、より浅いトレン
チ６８ａ〜６８ｊが、基板６２を貫通せずに、燃料チャ
ンバ５２ａ〜５２ｋの間に延在し、燃料チャンバ５２ａ
〜５２ｋを互いに液通状態にする。 【００１９】充填トレンチ７０および排出トレンチ７２
が、基板の外側縁部７４から、それぞれ燃料チャンバ５
２ａ、５２ｋのそれぞれまで延在し、浅いトレンチ６８
ａ〜６８ｊは図のようにチャンバ５２ａ〜５２ｋの間の
端部に交互に配置され、それにより、矢印７６に沿っ
て、充填トレンチ７０から、基板６２上の全ての燃料チ
ャンバ５２ａ〜５２ｋを通り、排出トレンチ７２までの
蛇行した液通経路を画定することが好ましい。別法で
は、液体の流れの平衡を保ち、かつその中の化学反応の
平衡を保つために、平行形体が用いられる場合もある。
より好ましくは、燃料チャンバ５２ａ〜５２ｋが、基板
６２内に鏡像配置でパターニングされ、１つの基板６２
ｂ（図８）が反転され、別の基板６２ａ（図８）上に背
合わせに配置され、燃料チャンバ５２ａ〜５２ｋおよび
トレンチ６８ａ〜６８ｊが図８に示されるように位置合
わせされるようにする。 【００２０】膜電極アセンブリ６０は、ＣＭＯＳタイプ
のプロセスなどの既知の方法を用いてマニホールド基板
４６上に形成され、それにより、空気チャンバ５４を燃
料チャンバ５２ａ〜５２ｋから操作可能に封止する。詳
細には、図３および図４に最もわかりやすく示されるよ
うに、複数の膜電極アセンブリ６０ａ〜６０ｋが存在
し、各膜電極アセンブリは細長く、かつ基板６２の表面
６４においてそれぞれ燃料チャンバ５２ａ〜５２ｋ内の
開口部を覆うような大きさに形成される。電極は互いに
導通し、所望の電流および電圧を得るために、所望の並
列および直列接続の組み合わせにおいて配向される。好
ましくは、金のボンディングパッド７８が膜電極アセン
ブリ６０に動作するよう有効に固定され、そのアセンブ
リが他の構成要素と導通できるようにする。 【００２１】Ｂ．シングルマニホールド構造燃料電池 シングルマニホールド構造燃料電池４０’が図４におい
て開示される。これは、膜電極アセンブリ６０ａ〜６０
ｋを有する図７の１枚の薄膜基板６２を含み、１つの膜
電極アセンブリが、基板６２の表面６４上で、それぞれ
燃料チャンバ５２ａ〜５２ｋの各開口部を覆う。背面６
６は図４に示されるように密閉され得る。別法では、背
面６６上の燃料チャンバ５２ａ〜５２ｋからの開口部
は、密閉された燃料プレナム（図示せず）内へ誘導され
得る。 【００２２】シングルマニホールド構造燃料電池４０’
が組み立てられた後、既知の方法で、燃料４４が燃料チ
ャンバ５２ａ〜５２ｋに添加される。たとえば、燃料給
送チューブ（図示せず）が充填トレンチ７０に挿入さ
れ、それを介して燃料４４をポンプで注入することがで
きる。燃料チャンバ５２ａ〜５２ｋ内の空気は、燃料４
４が各チャンバ５２ａ〜５２ｋに入るのに応じて、排出
トレンチ７２を通って排出される。燃料チャンバ５２ａ
〜５２ｋおよび相互に接続される浅いトレンチ６８ａ〜
６８ｊの向きによって画定される蛇行した液通経路は、
各燃料チャンバ５２ａ〜５２ｋが充填プロセス中に容易
に、かつ最大容量まで確実に充填されるようにする。 【００２３】全ての燃料チャンバ５２ａ〜５２ｋが燃料
４４を充填されたとき、充填トレンチ７０および排出ト
レンチ７２は、ＵＶ硬化または熱硬化エポキシ（図示せ
ず）、着脱可能にまたは堅く固定されるプラグ（図示せ
ず）のような既存の素子で封止される。別法では、燃料
チャンバ５２ａ〜５２ｋに燃料４４を継続的に補給する
ためのシステムを設けることができる。たとえば、大型
／中型の給送チューブを、接着剤あるいはＯリングタイ
プの構造体を用いて、充填チューブおよび排出チューブ
に固定することができ、その給送チューブが、燃料チャ
ンバ５２ａ〜５２ｋを通って連続して循環する燃料のプ
レナムと液通する。 【００２４】細長い燃料チャンバ５２ａ〜５２ｋおよび
対応する細長い膜電極アセンブリ６０ａ〜６０ｋのた
め、燃料４４と電解質４２との間の表面積は、基板マニ
ホールドカップ形状燃料チャンバの設計全体にわたって
増大され、それにより、燃料電池の電気容量が増加す
る。 【００２５】Ｃ．デュアルマニホールド構造燃料電池 デュアルマニホールド構造燃料電池４０’’を、図５、
図６および図８に開示する。これは、図７のシングル薄
膜基板６２を２つ含み、反転された基板６２ｂ（図８）
が、他方の基板６２ａ（図８）上に背合わせに配置さ
れ、燃料チャンバ５２ａ〜５２ｋおよびトレンチ６８ａ
〜６８ｊが図８に示されるように位置合わせされるよう
にする。各基板６２ａ、６２ｂの表面６４は、膜電極ア
センブリ６０ａ〜６０ｋを含み、１つの膜電極アセンブ
リが、各基板６２ａ、６２ｂの第１の表面６４上で、燃
料チャンバ５２ａ〜５２ｋのそれぞれの開口部を覆う。
したがって、図６に最もわかりやすく示されるように、
各燃料チャンバには２つの膜電極アセンブリ６０を含ま
れ、基板６２ａ、６２ｂの各表面６４上には１つ含まれ
る。 【００２６】各基板６２ａ、６２ｂの背面６６は、Ｓｉ
−ＳｉＯ２／Ｓｉ−Ｓｉ熱／圧力、ウエットまたは陽極
ボンディングのような既存の方法、あるいは低温プラズ
マ活性ウェーハボンディングのような特殊な技術を用い
て、互いに結合される。１つの既知で効果的な、市販の
低温プラズマ活性ウェーハボンディング技術が、Silico
n Genesis Corporation（米国カリフォルニア州Campbel
l）によって提供される。別法では、紫外線あるいは熱
活性接着剤、あるいはフォトレジストボンディングまた
はハンダバンプボンディングが用いられる場合もある。
基板６２ａ、６２ｂ間のこの結合は、それほど正確な配
置公差を必要としないが、燃料チャンバ５２ａ〜５２ｋ
内の燃料４４が漏れたり、漏れることはなくても、空気
に対して拡散したりするのを防ぐ不可浸入障壁として機
能しなければならない。 【００２７】デュアルマニホールド構造燃料電池４
０’’が組み立てられた後、シングルマニホールド構造
燃料電池４０’に関して先に記載されたように、既知の
方法で燃料チャンバ５２ａ〜５２ｋに燃料４４が添加さ
れる。燃料チャンバ５２ａ〜５２ｋと、それらを接続す
る浅いトレンチ６８ａ〜６８ｊとの配向によって画定さ
れる蛇行した液通経路によって、各燃料チャンバ５２ａ
〜５２ｋが、充填プロセス中に容易に、かつ最大容量ま
で確実に充填されるようになる。 【００２８】全ての燃料チャンバ５２ａ〜５２ｋが燃料
で満たされるとき、充填トレンチ７０および排出トレン
チ７２が、ＵＶ硬化または熱硬化エポキシ（図示せ
ず）、着脱可能にまたは堅く固定されるプラグ（図示せ
ず）のような既存の素子で封止される。別法では、燃料
チャンバ５２ａ〜５２ｋに燃料４４を継続的に補給する
ためのシステムを設けることができる。たとえば、大型
／中型の給送チューブを、接着剤あるいはＯリングタイ
プの構造体を用いて、充填チューブおよび排出チューブ
に固定することができ、その給送チューブが、燃料チャ
ンバ５２ａ〜５２ｋを通って連続して循環する燃料のプ
レナムと液通する。別法では、ポリメチル−メタクリレ
ート（ＰＭＭＡ）などの熱可塑性の、予め加工されたプ
レナムブロックへの気密封止により、封止が完全とな
り、マニホールドとして機能し得る。 【００２９】細長い燃料チャンバ５２ａ〜５２ｋおよび
対応する細長い膜電極アセンブリ６０ａ〜６０ｋのた
め、さらに各燃料チャンバ５２ａ〜５２ｋが２つのその
ような細長い膜電極アセンブリ６０ａ〜６０ｋを含むと
いう事実のため、燃料４４と電解質４２との間の表面積
は、シングル基板マニホールドカップ形状燃料チャンバ
の設計全体にわたって増大する。したがって、燃料電池
の電気容量が最大にされ、一方、燃料電池の全体サイズ
は最小限に抑えられる。 【００３０】Ｄ．３次元スタック燃料電池 図５および図６に最もわかりやすく示されるように、本
発明によるシングルあるいはデュアルマニホールド構造
燃料電池４０’、４０’’（図５および図６において示
される４０’’）は、適当なフレーム８０内に積み重ね
られ場合があり、燃料チャンバの層と空気（あるいは酸
素）チャンバの層が交互に画定され、それにより比較的
小さな外形を有するが、供給される電流および／または
電圧がさらに増大された、３次元スタックの燃料電池４
０’あるいは４０’’（図５および図６において示され
る４０’’）が画定される。 【００３１】詳細には、フレーム８０は実質的に剛性で
あり、かつシングルあるいはデュアルマニホールド構造
燃料電池４０’、４０’’のそれぞれをその中に収容
し、燃料電池４０’’は互いから離隔して配置され、積
み重ねられるそれぞれの燃料電池４０’’の間に空気チ
ャンバ５４ａ〜５４ｄを画定するような大きさに構成さ
れる。フレーム８０は、作動中、燃料電池４０’’によ
って達成される最高温度に耐えるような適当な材料から
構成される。ＰＥＭ燃料電池用として知られている効果
的な材料には、熱可塑性物質あるいはセラミックが包含
される。好ましくは、フレーム８０は、誤って接触する
のを防ぐよう、燃料電池４０’’を封鎖する。しかしな
がら、空気チャンバ５４ａ〜５４ｄからの漏れがあって
も、それは無害な空気である可能性が高いので、フレー
ム８０自体は必ずしも気密である必要はない。 【００３２】複数の積み重ねられた燃料電池４０’’の
電極は、所望の電流および電圧を得るために、互いに導
通し、所望の並列および直列接続の組み合わせで配向さ
れる。同様に、複数の積み重ねられた燃料電池４０’’
の燃料チャンバ５２ａ〜５２ｋは、それらチャンバから
延在する既存のデバイスを用いて互いに液通することが
できる。たとえば、大型／中型の給送チューブを、各燃
料電池４０’’の充填チューブおよび排出チューブに固
定することができ、その給送チューブが、燃料チャンバ
を通って連続して循環される燃料の共通のプレナムと液
通する。 【００３３】別法では、各燃料電池４０’’の燃料チャ
ンバ５２ａ〜５２ｋが互いに直列に液通する場合があ
り、蛇行した連続液通経路が、そのスタックにおいて１
番目の燃料電池の充填トレンチ７０から、燃料電池４
０’’のスタック中全ての燃料チャンバ５２ａ〜５２ｋ
を通って、最後の燃料電池の排出トレンチ７２まで続く
ようにする。そのような蛇行した液通経路により、燃料
電池４０’’のスタックにおける燃料チャンバの充填お
よび補充を容易になる。 【００３４】Ｅ．別の実施態様 上記の説明は、ＰＥＭ燃料電池の製造が中心であった
が、本発明の基本的な概念は、リン酸燃料電池、溶融カ
ーボネート燃料電池、固体酸化物燃料電池、アルカリ燃
料電池、直接メタノール燃料電池および再生燃料電池を
含む他のタイプの燃料電池に対しても同じく良好に影響
を与えることは理解されたい。さらに、選択される燃料
は、液体、気体あるいは固体であってもよい。 【００３５】また、本発明の基本的な概念の理解を助け
るために、本発明の燃料電池は完全なシリコンウェーハ
上に構成されるものとして示されてきた。当業者は、燃
料電池および関連する燃料チャンバが、その全体が従来
のシリコンウェーハの１つのダイ上に配置される場合を
含め、非常に小さな規模で構成できることは理解されよ
う。同様に、上記のように、２つの燃料電池基板を互い
に結合することは、個々のシリコンダイを互いに結合す
ることに限定され得る。 【００３６】さらに、シリコンが好ましい基板６２であ
るが、燃料電池において用いられる燃料のタイプ、およ
びその特定の燃料電池の予想される運転温度に応じて、
ＰＭＭＡ、プラスチックあるいはセラミック材料などの
他の既知の基板が使用され得る。また、京セラ（京都、
日本）から販売されているセラミックなどの、液通およ
び導通の両方を可能にする多層セラミック（ＭＬＣ）
を、複数の積み重ねられた燃料電池用の燃料チャンバと
して効果的に使用することができる。基板の材料がセラ
ミックあるいはプラスチックの場合には、燃料チャンバ
および関連する液通経路は成形されるか、あるいはその
材料内で機械加工され得る。 【００３７】したがって、ここでは本発明の好ましい実
施態様を記載してきたが、本発明の範囲内で、そのよう
な実施態様に対する他の変更が当業者によってなされ得
ることが予想される。したがって、本発明の好ましい実
施態様および代替の実施態様を記載してきたが、本発明
の精神および範囲はそれら実施態様には限定されず、特
許請求の範囲によって規定されるような、種々の変更形
態および等価形態に拡張されることは理解されたい。 【００３８】以下に、本発明の好ましい実施の態様を要
約して示す。 １． 水素含有燃料（４４）の化学エネルギーを、燃焼
することなく電流に変換するための、小型化薄膜燃料電
池（４０、４０’、４０’’）であって、表面（６４）
と、前記燃料（４４）を収容するために画定された細長
い燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）とを有する基
板（６２）から構成されるマニホールド構造（４６）で
あって、前記燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）は
前記表面（６４）に沿って細長い開口部を有するマニホ
ールド構造（４６）と、前記燃料チャンバ（５２、５２
ａ〜５２ｋ）に隣接して配置される陽極（５０）と、酸
素含有領域（５４）に隣接して配置される陰極（４８）
との間に固定される、細長い電解質（４２）であって、
該電解質（４２）は、前記燃料チャンバ（５２、５２ａ
〜５２ｋ）に隣接する前記基板（６２）の前記表面（６
４）に対して動作するよう有効に固定され、それにより
前記燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）が前記酸素
含有領域（５４）から流体的に隔離される、細長い電解
質とを備え、かつ前記燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５
２ｋ）内に収容される前記燃料（４４）は、前記細長い
開口部の長さに沿った前記陽極（５０）と動作するよう
有効に接触し、かつ、前記酸素含有領域（５４）からの
酸素は、前記陰極（４８）と動作するよう有効に接触
し、触媒によって反応が促進される際に、前記燃料（４
４）由来の水素原子は陽子と電子とに分解し、該陽子お
よび該電子は前記陰極（４８）へ通じる別々の経路を取
り、それにより電流が生成されるようにする、小型化薄
膜燃料電池。 ２． 前記基板（６２）が、シリコンウェーハである、
上記１に記載の小型化薄膜燃料電池。 ３． 前記基板（６２）が、シリコンウェーハの一部分
である、上記１に記載の小型化薄膜燃料電池。 ４． 前記基板（６２）内に収容される複数の細長い燃
料チャンバ（５２ａ〜５２ｋ）であって、該複数の細長
い燃料チャンバ（５２ａ〜５２ｋ）におけるそれぞれの
燃料チャンバ（５２ａ〜５２ｋ）は、前記表面（６４）
に沿って細長い開口部を有し、かつ、前記複数の燃料チ
ャンバ（５２ａ〜５２ｋ）の他の燃料チャンバとそれぞ
れ互いに液通する、複数の細長い燃料チャンバと、陽極
（５０）と陰極（４８）との間に固定される複数の細長
い電解質（４２）であって、各前記燃料チャンバ（５２
ａ〜５２ｋ）に各１つの該陽極（５０）が隣接して配置
され、該陰極（４８）は前記酸素含有領域（５４）に隣
接して配置され、前記複数の細長い電解質（４２）は、
前記基板（６２）の前記表面（６４）に動作するよう有
効に固定され、前記複数の燃料チャンバ（５２ａ〜５２
ｋ）の各燃料チャンバに前記複数の細長い電解質（４
２）のそれぞれ１つが隣接して配置され、それにより前
記複数の燃料チャンバ（５２ａ〜５２ｋ）が前記酸素含
有領域（５４）から流体的に隔離される、細長い電解質
（４２）とをさらに備える、上記１に記載の小型化薄膜
燃料電池。 ５． 前記燃料電池（４０、４０’、４０’’）が、陽
子交換膜燃料電池であり、前記電解質（４２）が陽子伝
導性電解質材料である、上記１に記載の小型化薄膜燃料
電池。 ６． 前記陽子伝導性電解質材料が、50μｍから100μ
ｍの厚さを有するパーフルオロスルホン酸ポリマーであ
る、上記５に記載の小型化薄膜燃料電池。 ７． 第２の表面（６６）と、前記燃料（４４）を収容
するために画定された第２の細長い燃料チャンバ（５
２、５２ａ〜５２ｋ）とを有する第２の基板（６２ｂ）
から構成される第２のマニホールド構造（４６）であっ
て、前記第２の燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）
は、前記第２の表面（６６）に沿って細長い開口部を有
する、第２のマニホールド構造（４６）と、前記第２の
燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）に隣接して配置
される第２の陽極（５０）と、前記酸素含有領域（５
４）に隣接して配置される第２の陰極（４８）との間に
固定される第２の細長い電解質（４２）であって、該第
２の細長い電解質（４２）は、前記第２の燃料チャンバ
（５２、５２ａ〜５２ｋ）に隣接する前記第２の基板
（６２ｂ）の前記第２の表面（６６）に動作するよう有
効に固定され、それにより前記第２の燃料チャンバ（５
２、５２ａ〜５２ｋ）が前記酸素含有領域（５４）から
流体的に隔離される、第２の細長い電解質とをさらに備
え、前記第２の燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）
内に収容される前記燃料（４４）は、前記第２の細長い
開口部の長さに沿った前記第２の陽極（５０）と動作す
るよう有効に接触し、前記酸素含有領域（５４）からの
酸素は、前記第２の陰極（４８）と動作するよう有効に
接触し、触媒によって反応が促進される際に、前記燃料
（４４）由来の水素原子は、陽子と電子とに分解し、該
陽子および該電子は前記第２の陰極（４８）へ通じる別
々の経路を取り、それにより電流が生成されるようにす
る、上記１に記載の小型化薄膜燃料電池。 ８． 前記マニホールド構造（４６）および前記第２の
マニホールド構造（４６）は互いから離隔して配置さ
れ、フレーム（８０）内に動作するよう有効に固定され
て、該フレーム（８０）内に第１および第２の酸素含有
領域（２４ａ〜２４ｄ）を画定する、上記７に記載の小
型化薄膜燃料電池。 ９． 前記基板（６２ａ）が背面（６６）を有し、か
つ、前記細長い燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）
が該基板（６２ａ）を貫通して延在し、前記背面（６
６）に沿って背面開口部を画定し、前記第２の基板（６
２ｂ）は第２の背面（６６）を有し、前記第２の細長い
燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）は前記第２の基
板（６２ａ）を貫通して延在し、前記第２の背面（６
６）に沿って第２の背面開口部を画定し、前記第１およ
び前記第２の基板（６２ａ、６２ｂ）は、前記細長い燃
料チャンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）および前記第２の
細長い燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）が互いに
液通するように、それらそれぞれの前記背面と前記第２
の背面（６６）に沿って互いに結合される、上記７に記
載の小型化薄膜燃料電池。 １０． 複数の前記小型化薄膜燃料電池（４０’’）を
備え、該複数の前記小型化薄膜燃料電池（４０’’）は
フレーム（８０）によってそれぞれが互いに離隔して配
置される、上記９に記載の小型化された薄膜燃料電池。 １１． 前記複数の小型化薄膜燃料電池（４０’’）の
前記燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）が互いに液
通する、上記１０に記載の小型化薄膜燃料電池。 １２． 前記複数の小型化薄膜燃料電池（４０’’）の
前記燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）間の前記液
通が、蛇行したパターンあるいは平行なパターンを有す
る、上記１１に記載の小型化薄膜燃料電池。 １３． 前記基板（６２ａ）内に収容される複数の細長
い燃料チャンバ（５２ａ〜５２ｋ）であって、該複数の
細長い燃料チャンバ（５２ａ〜５２ｋ）の各燃料チャン
バは、前記表面（６４）に沿って細長い開口部を有し、
かつ、前記複数の燃料チャンバ（５２ａ〜５２ｋ）の他
の各前記燃料チャンバと液通する、複数の細長い燃料チ
ャンバと、前記複数の細長い燃料チャンバ（５２ａ〜５
２ｋ）の各燃料チャンバにそれぞれ１つが隣接して配置
される陽極（５０）と、前記酸素含有領域（５４）に隣
接して配置される陰極（４８）との間に固定される複数
の細長い電解質（４２）であって、該複数の細長い電解
質（４２）は、前記基板（６２ａ）の前記表面（６４）
に動作するよう有効に固定され、前記複数の細長い電解
質（４２）は、前記複数の燃料チャンバ（５２ａ〜５２
ｋ）の前記各燃料チャンバにそれぞれ１つが隣接して配
置され、それにより前記複数の燃料チャンバ（５２ａ〜
５２ｋ）が前記酸素含有領域（５４）から流体的に隔離
される、複数の細長い電解質と、前記第２の基板（６２
ｂ）内に収容される複数の細長い第２の燃料チャンバ
（５２ａ〜５２ｋ）であって、該複数の細長い第２の燃
料チャンバ（５２ａ〜５２ｋ）の前記各第２の燃料チャ
ンバは前記第２の表面（６４）に沿って第２の細長い開
口部を有し、前記複数の燃料チャンバ（５２ａ〜５２
ｋ）の他の各燃料チャンバと液通する、複数の細長い第
２の燃料チャンバと、前記第２の燃料チャンバ（５２ａ
〜５２ｋ）の各燃料チャンバに隣接してそれぞれ１つ配
置される陽極（５０）と、前記酸素含有領域（５４）に
隣接して配置される陰極（４８）との間に固定される複
数の細長い第２の電解質（４２）であって、該複数の細
長い第２の電解質（４２）は、前記第２の基板（６２
ｂ）の前記第２の表面（６４）に動作するよう有効に固
定され、前記複数の細長い第２の電解質（４２）は、前
記複数の第２の燃料チャンバ（５２ａ〜５２ｋ）の前記
各第２の燃料チャンバにそれぞれ１つが隣接して配置さ
れ、それにより前記複数の第２の燃料チャンバ（５２ａ
〜５２ｋ）が前記酸素含有領域（５４）から流体的に隔
離される、複数の細長い第２の電解質とを含み、前記基
板（６２ａ）の前記燃料チャンバ（５２ａ〜５２ｋ）
と、前記第２の基板（６２ｂ）の前記第２の燃料チャン
バ（５２ａ〜５２ｋ）とは互いに液通する、上記９に記
載の小型化薄膜燃料電池。 １４． 表面（６６）を有する実質的に平坦な薄膜基板
（６２、６２ａ）から作られるマニホールド構造（４
６）を備える薄膜燃料電池（４０、４０’、４０’’）
を製造する方法であって、前記薄膜基板（６２、６２
ａ）において細長い燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２
ｋ）を画定し、前記燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２
ｋ）が前記基板（６２、６２ａ）の前記表面に沿って細
長い開口部を設けるようにするステップと、陽極（５
０）および陰極（４８）を有する細長い陽子交換膜電極
アセンブリ（６０）を、前記細長い燃料チャンバ（５
２、５２ａ〜５２ｋ）に隣接して、前記基板（６２、６
２ａ）に操作可能に固定するステップと、水素含有燃料
（４４）で前記細長い開口部の長さに沿って前記陽極
（５０）と動作するよう有効に接触し、酸素含有領域
（５４）からの酸素で前記陰極（４８）と動作するよう
有効に接触し、触媒によって反応が促進されるとき、前
記燃料（４４）からの水素原子が陽子と電子とに分解さ
れ、該陽子と該電子とが前記陰極（４８）へ通じる別々
の経路を取り、それにより電流が生成されるよう前記燃
料チャンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）に、水素含有燃料
（４４）を充填するステップとを含む薄膜燃料電池を製
造する方法。 １５． 複数の前記薄膜燃料電池（４０、４０’、４
０’’）をフレーム（８０）内に積み重ねるステップを
さらに含み、該フレーム（８０）内の前記薄膜燃料電池
（４０、４０’、４０’’）は互いに離隔して配置され
るが、互いに導通する、上記１４に記載の薄膜燃料電池
を製造する方法。 １６． 第２の薄膜基板（６２ｂ）において細長い第２
の燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）を画定し、該
第２の燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）が前記第
２の基板（６２ｂ）の前記第２の表面（６６）に沿って
第２の細長い開口部を設けるようにするステップと、第
２の陽極（５０）および第２の陰極（４８）を有する第
２の細長い陽子交換膜電極アセンブリ（６０）を、前記
第２の細長い燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）に
隣接して、前記基板（６２ｂ）に操作可能に固定するス
テップと、前記細長い燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５
２ｋ）と前記第２の燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２
ｋ）とが互いに液通するように、前記薄膜基板（６２
ａ）と前記第２の薄膜基板（６２ｂ）とを結合するステ
ップと、水素含有燃料（４４）で前記細長い開口部の長
さに沿って前記第２の陽極（５０）と動作するよう有効
に接触し、酸素含有領域（５４）からの酸素で前記第２
の陰極（４８）と動作するよう有効に接触し、触媒によ
って反応が促進されるとき、前記燃料（４４）からの水
素原子が陽子と電子とに分解され、該陽子と該電子とは
前記第２の陰極（４８）へ通じる別々の経路を取り、そ
れにより電流が生成されるよう、前記第２の燃料チャン
バ（５２、５２ａ〜５２ｋ）に前記水素含有燃料（４
４）を充填するステップとをさらに含む、上記１４に記
載の薄膜燃料電池を製造するための方法。 １７． 複数の前記薄膜燃料電池（４０’’）をフレー
ム（８０）内で積み重ねるステップをさらに含み、該フ
レーム（８０）内の複数の前記薄膜燃料電池（４
０’’）は互いに離隔して配置されるが、互いに導通す
る、上記１６に記載の薄膜燃料電池を製造する方法。 【００３９】 【発明の効果】上記のように、本発明によれば、小型化
燃料電池を経済的に、かつ容易に製造し、電解質と燃料
との間の利用可能な表面積を最大にし、かつマニホール
ド構造内の燃料の充填および分散を容易にする燃料電池
およびその製造方法を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来技術による、シリコンウェーハマニホー
ルド構造を有する既知のＰＥＭ燃料電池の概略的な平面
図である。 【図２】 図１の線２−２に沿って見た、図１の従来技
術によるＰＥＭ燃料電池の部分断面図である。 【図３】 本発明の好ましい実施態様による燃料電池の
概略的な平面図である。 【図４】 図３の線４−４に沿って見た、図３の燃料電
池の部分断面図である。 【図５】 本発明の別の好ましい実施態様にしたがっ
て、１組の燃料電池基板を画定するために２つの燃料電
池基板を互いに結合することが可能であり、かつ複数の
組の燃料電池を積み重ねることが可能であることを示
す、本発明の好ましい実施態様による複数の燃料電池の
部分断面図である。 【図６】 図５の線６ａ−６ａと線６ｂ−６ｂとの間で
見た、図５の多数の組が積み重ねられた燃料電池の拡大
した部分断面図である。 【図７】 本発明の好ましい実施態様による可能な燃料
チャンバの配向を示す基板マニホールドの拡大した等角
図である。 【図８】 本発明の好ましい実施態様による鏡像配置で
燃料チャンバの可能な位置合わせを示すために、一方が
反転されて他方の上に積み重ねられる、図７の２つの基
板マニホールドの拡大した組立分解等角図である。 【符号の説明】 ４０、４０’、４０’’ 小型化燃料電池 ４２ 電解質 ４４ 燃料 ４８ 陰極 ５０ 陽極 ５２、５２ａ〜５２ｋ 燃料チャンバ ６０ 膜電極アセンブリ ６２、６２ａ、６２ｂ 基板 ７０ 充填トレンチ ７２ 排出トレンチ ８０ フレーム
ルド構造を有する既知のＰＥＭ燃料電池の概略的な平面
図である。 【図２】 図１の線２−２に沿って見た、図１の従来技
術によるＰＥＭ燃料電池の部分断面図である。 【図３】 本発明の好ましい実施態様による燃料電池の
概略的な平面図である。 【図４】 図３の線４−４に沿って見た、図３の燃料電
池の部分断面図である。 【図５】 本発明の別の好ましい実施態様にしたがっ
て、１組の燃料電池基板を画定するために２つの燃料電
池基板を互いに結合することが可能であり、かつ複数の
組の燃料電池を積み重ねることが可能であることを示
す、本発明の好ましい実施態様による複数の燃料電池の
部分断面図である。 【図６】 図５の線６ａ−６ａと線６ｂ−６ｂとの間で
見た、図５の多数の組が積み重ねられた燃料電池の拡大
した部分断面図である。 【図７】 本発明の好ましい実施態様による可能な燃料
チャンバの配向を示す基板マニホールドの拡大した等角
図である。 【図８】 本発明の好ましい実施態様による鏡像配置で
燃料チャンバの可能な位置合わせを示すために、一方が
反転されて他方の上に積み重ねられる、図７の２つの基
板マニホールドの拡大した組立分解等角図である。 【符号の説明】 ４０、４０’、４０’’ 小型化燃料電池 ４２ 電解質 ４４ 燃料 ４８ 陰極 ５０ 陽極 ５２、５２ａ〜５２ｋ 燃料チャンバ ６０ 膜電極アセンブリ ６２、６２ａ、６２ｂ 基板 ７０ 充填トレンチ ７２ 排出トレンチ ８０ フレーム
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】 【提出日】平成１４年１１月６日（２００２．１１．
６） 【手続補正１】 【補正対象書類名】明細書 【補正対象項目名】特許請求の範囲 【補正方法】変更 【補正内容】 【特許請求の範囲】 【請求項１】 水素含有燃料（４４）の化学エネルギー
を、燃焼することなく電流に変換するための、小型化薄
膜燃料電池（４０、４０’、４０’’）であって、 表面（６４）と、前記燃料（４４）を収容するために画
定された細長い燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）
とを有する基板（６２）から構成されるマニホールド構
造（４６）であり、前記燃料チャンバ（５２、５２ａ〜
５２ｋ）は前記表面（６４）に沿って細長い開口部を有
するマニホールド構造（４６）と、 前記燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）に隣接して
配置される陽極（５０）と、酸素含有領域（５４）に隣
接して配置される陰極（４８）との間に固定される、細
長い電解質（４２）であって、該電解質（４２）は、前
記燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）に隣接する前
記基板（６２）の前記表面（６４）に対して動作するよ
う有効に固定され、それにより前記燃料チャンバ（５
２、５２ａ〜５２ｋ）が前記酸素含有領域（５４）から
流体的に隔離される、細長い電解質とを備え、かつ前記
燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）内に収容される
前記燃料（４４）は、前記細長い開口部の長さに沿った
前記陽極（５０）と動作するよう有効に接触し、かつ、
前記酸素含有領域（５４）からの酸素は、前記陰極（４
８）と動作するよう有効に接触し、触媒によって反応が
促進される際に、前記燃料（４４）由来の水素原子は陽
子と電子に分解され、該陽子および該電子は前記陰極
（４８）へ通じる別々の経路を取り、それにより電流が
生成されるようにする、小型化薄膜燃料電池。 【請求項２】 前記基板（６２）が、シリコンウェーハ
である、請求項１に記載の小型化薄膜燃料電池。 【請求項３】 前記基板（６２）が、シリコンウェーハ
の一部分である、請求項１に記載の小型化薄膜燃料電
池。 【請求項４】 前記基板（６２）内に収容される複数の
細長い燃料チャンバ（５２ａ〜５２ｋ）であって、該複
数の細長い燃料チャンバ（５２ａ〜５２ｋ）におけるそ
れぞれの燃料チャンバ（５２ａ〜５２ｋ）は、前記表面
（６４）に沿って細長い開口部を有し、かつ、前記複数
の燃料チャンバ（５２ａ〜５２ｋ）の他の燃料チャンバ
とそれぞれ互いに液通する、複数の細長い燃料チャンバ
と、 陽極（５０）と陰極（４８）との間に固定される複数の
細長い電解質（４２）であって、各前記燃料チャンバ
（５２ａ〜５２ｋ）に各１つの該陽極（５０）が隣接し
て配置され、該陰極（４８）は前記酸素含有領域（５
４）に隣接して配置され、前記複数の細長い電解質（４
２）は、前記基板（６２）の前記表面（６４）に動作す
るよう有効に固定され、前記複数の燃料チャンバ（５２
ａ〜５２ｋ）の各燃料チャンバに前記複数の細長い電解
質（４２）のそれぞれ１つが隣接して配置され、それに
より前記複数の燃料チャンバ（５２ａ〜５２ｋ）が前記
酸素含有領域（５４）から流体的に隔離される、細長い
電解質（４２）とをさらに備える、請求項１に記載の小
型化薄膜燃料電池。 【請求項５】 前記燃料電池（４０、４０’、４
０’’）が、陽子交換膜燃料電池であり、前記電解質
（４２）が陽子伝導性電解質材料である、請求項１に記
載の小型化薄膜燃料電池。 【請求項６】 前記陽子伝導性電解質材料が、50μｍか
ら100μｍの厚さを有するパーフルオロスルホン酸ポリ
マーである、請求項５に記載の小型化薄膜燃料電池。 【請求項７】 第２の表面（６６）と、前記燃料（４
４）を収容するために画定された第２の細長い燃料チャ
ンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）とを有する第２の基板
（６２ｂ）から構成される第２のマニホールド構造（４
６）であって、前記第２の燃料チャンバ（５２、５２ａ
〜５２ｋ）は、前記第２の表面（６６）に沿って細長い
開口部を有する、第２のマニホールド構造（４６）と、 前記第２の燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）に隣
接して配置される第２の陽極（５０）と、前記酸素含有
領域（５４）に隣接して配置される第２の陰極（４８）
との間に固定される第２の細長い電解質（４２）であっ
て、該第２の細長い電解質（４２）は、前記第２の燃料
チャンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）に隣接する前記第２
の基板（６２ｂ）の前記第２の表面（６６）に動作する
よう有効に固定され、それにより前記第２の燃料チャン
バ（５２、５２ａ〜５２ｋ）が前記酸素含有領域（５
４）から流体的に隔離される、第２の細長い電解質とを
さらに備え、 前記第２の燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）内に
収容される前記燃料（４４）は、前記第２の細長い開口
部の長さに沿った前記第２の陽極（５０）と動作するよ
う有効に接触し、前記酸素含有領域（５４）からの酸素
は、前記第２の陰極（４８）と動作するよう有効に接触
し、触媒によって反応が促進される際に、前記燃料（４
４）由来の水素原子は、陽子と電子とに分解し、該陽子
および該電子は前記第２の陰極（４８）へ通じる別々の
経路を取り、それにより電流が生成されるようにする、
請求項１に記載の小型化薄膜燃料電池。 【請求項８】 前記マニホールド構造（４６）および前
記第２のマニホールド構造（４６）は互いから離隔して
配置され、フレーム（８０）内に動作するよう有効に固
定されて、該フレーム（８０）内に第１および第２の酸
素含有領域（２４ａ〜２４ｄ）を画定する、請求項７に
記載の小型化薄膜燃料電池。 【請求項９】 前記基板（６２ａ）が背面（６６）を有
し、かつ、前記細長い燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５
２ｋ）が該基板（６２ａ）を貫通して延在し、前記背面
（６６）に沿って背面開口部を画定し、 前記第２の基板（６２ｂ）は第２の背面（６６）を有
し、前記第２の細長い燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５
２ｋ）は前記第２の基板（６２ａ）を貫通して延在し、
前記第２の背面（６６）に沿って第２の背面開口部を画
定し、 前記第１および前記第２の基板（６２ａ、６２ｂ）は、
前記細長い燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）およ
び前記第２の細長い燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２
ｋ）が互いに液通するように、それらそれぞれの前記背
面と前記第２の背面（６６）に沿って互いに結合され
る、請求項７に記載の小型化薄膜燃料電池。 【請求項１０】 複数の前記小型化薄膜燃料電池（４
０’’）を備え、該複数の前記小型化薄膜燃料電池（４
０’’）はフレーム（８０）によってそれぞれが互いに
離隔して配置される、請求項９に記載の小型化された薄
膜燃料電池。 【請求項１１】 前記複数の小型化薄膜燃料電池（４
０’’）の前記燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）
が互いに液通する、請求項１０に記載の小型化薄膜燃料
電池。 【請求項１２】 前記複数の小型化薄膜燃料電池（４
０’’）の前記燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）
間の前記液通が、蛇行したパターンあるいは平行なパタ
ーンを有する、請求項１１に記載の小型化薄膜燃料電
池。 【請求項１３】 前記基板（６２ａ）内に収容される複
数の細長い燃料チャンバ（５２ａ〜５２ｋ）であって、
該複数の細長い燃料チャンバ（５２ａ〜５２ｋ）の各燃
料チャンバは、前記表面（６４）に沿って細長い開口部
を有し、かつ、前記複数の燃料チャンバ（５２ａ〜５２
ｋ）の他の各前記燃料チャンバと液通する、複数の細長
い燃料チャンバと、 前記複数の細長い燃料チャンバ（５２ａ〜５２ｋ）の各
燃料チャンバにそれぞれ１つが隣接して配置される陽極
（５０）と、前記酸素含有領域（５４）に隣接して配置
される陰極（４８）との間に固定される複数の細長い電
解質（４２）であって、該複数の細長い電解質（４２）
は、前記基板（６２ａ）の前記表面（６４）に動作する
よう有効に固定され、前記複数の細長い電解質（４２）
は、前記複数の燃料チャンバ（５２ａ〜５２ｋ）の前記
各燃料チャンバにそれぞれ１つが隣接して配置され、そ
れにより前記複数の燃料チャンバ（５２ａ〜５２ｋ）が
前記酸素含有領域（５４）から流体的に隔離される、複
数の細長い電解質と、 前記第２の基板（６２ｂ）内に収容される複数の細長い
第２の燃料チャンバ（５２ａ〜５２ｋ）であって、該複
数の細長い第２の燃料チャンバ（５２ａ〜５２ｋ）の前
記各第２の燃料チャンバは前記第２の表面（６４）に沿
って第２の細長い開口部を有し、前記複数の燃料チャン
バ（５２ａ〜５２ｋ）の他の各燃料チャンバと液通す
る、複数の細長い第２の燃料チャンバと、 前記第２の燃料チャンバ（５２ａ〜５２ｋ）の各燃料チ
ャンバに隣接してそれぞれ１つ配置される陽極（５０）
と、前記酸素含有領域（５４）に隣接して配置される陰
極（４８）との間に固定される複数の細長い第２の電解
質（４２）であって、該複数の細長い第２の電解質（４
２）は、前記第２の基板（６２ｂ）の前記第２の表面
（６４）に動作するよう有効に固定され、前記複数の細
長い第２の電解質（４２）は、前記複数の第２の燃料チ
ャンバ（５２ａ〜５２ｋ）の前記各第２の燃料チャンバ
にそれぞれ１つが隣接して配置され、それにより前記複
数の第２の燃料チャンバ（５２ａ〜５２ｋ）が前記酸素
含有領域（５４）から流体的に隔離される、複数の細長
い第２の電解質とを含み、 前記基板（６２ａ）の前記燃料チャンバ（５２ａ〜５２
ｋ）と、前記第２の基板（６２ｂ）の前記第２の燃料チ
ャンバ（５２ａ〜５２ｋ）とは互いに液通する、請求項
９に記載の小型化薄膜燃料電池。 【請求項１４】 表面（６６）を有する実質的に平坦な
薄膜基板（６２、６２ａ）から作られるマニホールド構
造（４６）を備える薄膜燃料電池（４０、４０’、４
０’’）を製造する方法であって、 前記薄膜基板（６２、６２ａ）において細長い燃料チャ
ンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）を画定し、前記燃料チャ
ンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）が前記基板（６２、６２
ａ）の前記表面に沿って細長い開口部を設けるようにす
るステップと、陽極（５０）および陰極（４８）を有す
る細長い陽子交換膜電極アセンブリ（６０）を、前記細
長い燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）に隣接し
て、前記基板（６２、６２ａ）に操作可能に固定するス
テップと、 水素含有燃料（４４）で前記細長い開口部の長さに沿っ
て前記陽極（５０）と動作するよう有効に接触し、酸素
含有領域（５４）からの酸素で前記陰極（４８）と動作
するよう有効に接触し、触媒によって反応が促進される
とき、前記燃料（４４）からの水素原子が陽子と電子と
に分解され、該陽子と該電子とが前記陰極（４８）へ通
じる別々の経路を取り、それにより電流が生成されるよ
う前記燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）に、水素
含有燃料（４４）を充填するステップとを含む薄膜燃料
電池を製造する方法。 【請求項１５】 複数の前記薄膜燃料電池（４０、４
０’、４０’’）をフレーム（８０）内に積み重ねるス
テップをさらに含み、該フレーム（８０）内の前記薄膜
燃料電池（４０、４０’、４０’’）は互いに離隔して
配置されるが、互いに導通する、請求項１４に記載の薄
膜燃料電池を製造する方法。 【請求項１６】 第２の薄膜基板（６２ｂ）において細
長い第２の燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）を画
定し、該第２の燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）
が前記第２の基板（６２ｂ）の前記第２の表面（６６）
に沿って第２の細長い開口部を設けるようにするステッ
プと、 第２の陽極（５０）および第２の陰極（４８）を有する
第２の細長い陽子交換膜電極アセンブリ（６０）を、前
記第２の細長い燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）
に隣接して、前記基板（６２ｂ）に操作可能に固定する
ステップと、前記細長い燃料チャンバ（５２、５２ａ〜
５２ｋ）と前記第２の燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５
２ｋ）とが互いに液通するように、前記薄膜基板（６２
ａ）と前記第２の薄膜基板（６２ｂ）とを結合するステ
ップと、 水素含有燃料（４４）で前記細長い開口部の長さに沿っ
て前記第２の陽極（５０）と動作するよう有効に接触
し、酸素含有領域（５４）からの酸素で前記第２の陰極
（４８）と動作するよう有効に接触し、触媒によって反
応が促進されるとき、前記燃料（４４）からの水素原子
が陽子と電子とに分解され、該陽子と該電子とは前記第
２の陰極（４８）へ通じる別々の経路を取り、それによ
り電流が生成されるよう、前記第２の燃料チャンバ（５
２、５２ａ〜５２ｋ）に前記水素含有燃料（４４）を充
填するステップとをさらに含む、請求項１４に記載の薄
膜燃料電池を製造する方法。 【請求項１７】 複数の前記薄膜燃料電池（４０’’）
をフレーム（８０）内で積み重ねるステップをさらに含
み、該フレーム（８０）内の複数の前記薄膜燃料電池
（４０’’）は互いに離隔して配置されるが、互いに導
通する、請求項１６に記載の薄膜燃料電池を製造する方
法。
【手続補正書】 【提出日】平成１４年１１月６日（２００２．１１．
６） 【手続補正１】 【補正対象書類名】明細書 【補正対象項目名】特許請求の範囲 【補正方法】変更 【補正内容】 【特許請求の範囲】 【請求項１】 水素含有燃料（４４）の化学エネルギー
を、燃焼することなく電流に変換するための、小型化薄
膜燃料電池（４０、４０’、４０’’）であって、 表面（６４）と、前記燃料（４４）を収容するために画
定された細長い燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）
とを有する基板（６２）から構成されるマニホールド構
造（４６）であり、前記燃料チャンバ（５２、５２ａ〜
５２ｋ）は前記表面（６４）に沿って細長い開口部を有
するマニホールド構造（４６）と、 前記燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）に隣接して
配置される陽極（５０）と、酸素含有領域（５４）に隣
接して配置される陰極（４８）との間に固定される、細
長い電解質（４２）であって、該電解質（４２）は、前
記燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）に隣接する前
記基板（６２）の前記表面（６４）に対して動作するよ
う有効に固定され、それにより前記燃料チャンバ（５
２、５２ａ〜５２ｋ）が前記酸素含有領域（５４）から
流体的に隔離される、細長い電解質とを備え、かつ前記
燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）内に収容される
前記燃料（４４）は、前記細長い開口部の長さに沿った
前記陽極（５０）と動作するよう有効に接触し、かつ、
前記酸素含有領域（５４）からの酸素は、前記陰極（４
８）と動作するよう有効に接触し、触媒によって反応が
促進される際に、前記燃料（４４）由来の水素原子は陽
子と電子に分解され、該陽子および該電子は前記陰極
（４８）へ通じる別々の経路を取り、それにより電流が
生成されるようにする、小型化薄膜燃料電池。 【請求項２】 前記基板（６２）が、シリコンウェーハ
である、請求項１に記載の小型化薄膜燃料電池。 【請求項３】 前記基板（６２）が、シリコンウェーハ
の一部分である、請求項１に記載の小型化薄膜燃料電
池。 【請求項４】 前記基板（６２）内に収容される複数の
細長い燃料チャンバ（５２ａ〜５２ｋ）であって、該複
数の細長い燃料チャンバ（５２ａ〜５２ｋ）におけるそ
れぞれの燃料チャンバ（５２ａ〜５２ｋ）は、前記表面
（６４）に沿って細長い開口部を有し、かつ、前記複数
の燃料チャンバ（５２ａ〜５２ｋ）の他の燃料チャンバ
とそれぞれ互いに液通する、複数の細長い燃料チャンバ
と、 陽極（５０）と陰極（４８）との間に固定される複数の
細長い電解質（４２）であって、各前記燃料チャンバ
（５２ａ〜５２ｋ）に各１つの該陽極（５０）が隣接し
て配置され、該陰極（４８）は前記酸素含有領域（５
４）に隣接して配置され、前記複数の細長い電解質（４
２）は、前記基板（６２）の前記表面（６４）に動作す
るよう有効に固定され、前記複数の燃料チャンバ（５２
ａ〜５２ｋ）の各燃料チャンバに前記複数の細長い電解
質（４２）のそれぞれ１つが隣接して配置され、それに
より前記複数の燃料チャンバ（５２ａ〜５２ｋ）が前記
酸素含有領域（５４）から流体的に隔離される、細長い
電解質（４２）とをさらに備える、請求項１に記載の小
型化薄膜燃料電池。 【請求項５】 前記燃料電池（４０、４０’、４
０’’）が、陽子交換膜燃料電池であり、前記電解質
（４２）が陽子伝導性電解質材料である、請求項１に記
載の小型化薄膜燃料電池。 【請求項６】 前記陽子伝導性電解質材料が、50μｍか
ら100μｍの厚さを有するパーフルオロスルホン酸ポリ
マーである、請求項５に記載の小型化薄膜燃料電池。 【請求項７】 第２の表面（６６）と、前記燃料（４
４）を収容するために画定された第２の細長い燃料チャ
ンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）とを有する第２の基板
（６２ｂ）から構成される第２のマニホールド構造（４
６）であって、前記第２の燃料チャンバ（５２、５２ａ
〜５２ｋ）は、前記第２の表面（６６）に沿って細長い
開口部を有する、第２のマニホールド構造（４６）と、 前記第２の燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）に隣
接して配置される第２の陽極（５０）と、前記酸素含有
領域（５４）に隣接して配置される第２の陰極（４８）
との間に固定される第２の細長い電解質（４２）であっ
て、該第２の細長い電解質（４２）は、前記第２の燃料
チャンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）に隣接する前記第２
の基板（６２ｂ）の前記第２の表面（６６）に動作する
よう有効に固定され、それにより前記第２の燃料チャン
バ（５２、５２ａ〜５２ｋ）が前記酸素含有領域（５
４）から流体的に隔離される、第２の細長い電解質とを
さらに備え、 前記第２の燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）内に
収容される前記燃料（４４）は、前記第２の細長い開口
部の長さに沿った前記第２の陽極（５０）と動作するよ
う有効に接触し、前記酸素含有領域（５４）からの酸素
は、前記第２の陰極（４８）と動作するよう有効に接触
し、触媒によって反応が促進される際に、前記燃料（４
４）由来の水素原子は、陽子と電子とに分解し、該陽子
および該電子は前記第２の陰極（４８）へ通じる別々の
経路を取り、それにより電流が生成されるようにする、
請求項１に記載の小型化薄膜燃料電池。 【請求項８】 前記マニホールド構造（４６）および前
記第２のマニホールド構造（４６）は互いから離隔して
配置され、フレーム（８０）内に動作するよう有効に固
定されて、該フレーム（８０）内に第１および第２の酸
素含有領域（２４ａ〜２４ｄ）を画定する、請求項７に
記載の小型化薄膜燃料電池。 【請求項９】 前記基板（６２ａ）が背面（６６）を有
し、かつ、前記細長い燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５
２ｋ）が該基板（６２ａ）を貫通して延在し、前記背面
（６６）に沿って背面開口部を画定し、 前記第２の基板（６２ｂ）は第２の背面（６６）を有
し、前記第２の細長い燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５
２ｋ）は前記第２の基板（６２ａ）を貫通して延在し、
前記第２の背面（６６）に沿って第２の背面開口部を画
定し、 前記第１および前記第２の基板（６２ａ、６２ｂ）は、
前記細長い燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）およ
び前記第２の細長い燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２
ｋ）が互いに液通するように、それらそれぞれの前記背
面と前記第２の背面（６６）に沿って互いに結合され
る、請求項７に記載の小型化薄膜燃料電池。 【請求項１０】 複数の前記小型化薄膜燃料電池（４
０’’）を備え、該複数の前記小型化薄膜燃料電池（４
０’’）はフレーム（８０）によってそれぞれが互いに
離隔して配置される、請求項９に記載の小型化された薄
膜燃料電池。 【請求項１１】 前記複数の小型化薄膜燃料電池（４
０’’）の前記燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）
が互いに液通する、請求項１０に記載の小型化薄膜燃料
電池。 【請求項１２】 前記複数の小型化薄膜燃料電池（４
０’’）の前記燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）
間の前記液通が、蛇行したパターンあるいは平行なパタ
ーンを有する、請求項１１に記載の小型化薄膜燃料電
池。 【請求項１３】 前記基板（６２ａ）内に収容される複
数の細長い燃料チャンバ（５２ａ〜５２ｋ）であって、
該複数の細長い燃料チャンバ（５２ａ〜５２ｋ）の各燃
料チャンバは、前記表面（６４）に沿って細長い開口部
を有し、かつ、前記複数の燃料チャンバ（５２ａ〜５２
ｋ）の他の各前記燃料チャンバと液通する、複数の細長
い燃料チャンバと、 前記複数の細長い燃料チャンバ（５２ａ〜５２ｋ）の各
燃料チャンバにそれぞれ１つが隣接して配置される陽極
（５０）と、前記酸素含有領域（５４）に隣接して配置
される陰極（４８）との間に固定される複数の細長い電
解質（４２）であって、該複数の細長い電解質（４２）
は、前記基板（６２ａ）の前記表面（６４）に動作する
よう有効に固定され、前記複数の細長い電解質（４２）
は、前記複数の燃料チャンバ（５２ａ〜５２ｋ）の前記
各燃料チャンバにそれぞれ１つが隣接して配置され、そ
れにより前記複数の燃料チャンバ（５２ａ〜５２ｋ）が
前記酸素含有領域（５４）から流体的に隔離される、複
数の細長い電解質と、 前記第２の基板（６２ｂ）内に収容される複数の細長い
第２の燃料チャンバ（５２ａ〜５２ｋ）であって、該複
数の細長い第２の燃料チャンバ（５２ａ〜５２ｋ）の前
記各第２の燃料チャンバは前記第２の表面（６４）に沿
って第２の細長い開口部を有し、前記複数の燃料チャン
バ（５２ａ〜５２ｋ）の他の各燃料チャンバと液通す
る、複数の細長い第２の燃料チャンバと、 前記第２の燃料チャンバ（５２ａ〜５２ｋ）の各燃料チ
ャンバに隣接してそれぞれ１つ配置される陽極（５０）
と、前記酸素含有領域（５４）に隣接して配置される陰
極（４８）との間に固定される複数の細長い第２の電解
質（４２）であって、該複数の細長い第２の電解質（４
２）は、前記第２の基板（６２ｂ）の前記第２の表面
（６４）に動作するよう有効に固定され、前記複数の細
長い第２の電解質（４２）は、前記複数の第２の燃料チ
ャンバ（５２ａ〜５２ｋ）の前記各第２の燃料チャンバ
にそれぞれ１つが隣接して配置され、それにより前記複
数の第２の燃料チャンバ（５２ａ〜５２ｋ）が前記酸素
含有領域（５４）から流体的に隔離される、複数の細長
い第２の電解質とを含み、 前記基板（６２ａ）の前記燃料チャンバ（５２ａ〜５２
ｋ）と、前記第２の基板（６２ｂ）の前記第２の燃料チ
ャンバ（５２ａ〜５２ｋ）とは互いに液通する、請求項
９に記載の小型化薄膜燃料電池。 【請求項１４】 表面（６６）を有する実質的に平坦な
薄膜基板（６２、６２ａ）から作られるマニホールド構
造（４６）を備える薄膜燃料電池（４０、４０’、４
０’’）を製造する方法であって、 前記薄膜基板（６２、６２ａ）において細長い燃料チャ
ンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）を画定し、前記燃料チャ
ンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）が前記基板（６２、６２
ａ）の前記表面に沿って細長い開口部を設けるようにす
るステップと、陽極（５０）および陰極（４８）を有す
る細長い陽子交換膜電極アセンブリ（６０）を、前記細
長い燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）に隣接し
て、前記基板（６２、６２ａ）に操作可能に固定するス
テップと、 水素含有燃料（４４）で前記細長い開口部の長さに沿っ
て前記陽極（５０）と動作するよう有効に接触し、酸素
含有領域（５４）からの酸素で前記陰極（４８）と動作
するよう有効に接触し、触媒によって反応が促進される
とき、前記燃料（４４）からの水素原子が陽子と電子と
に分解され、該陽子と該電子とが前記陰極（４８）へ通
じる別々の経路を取り、それにより電流が生成されるよ
う前記燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）に、水素
含有燃料（４４）を充填するステップとを含む薄膜燃料
電池を製造する方法。 【請求項１５】 複数の前記薄膜燃料電池（４０、４
０’、４０’’）をフレーム（８０）内に積み重ねるス
テップをさらに含み、該フレーム（８０）内の前記薄膜
燃料電池（４０、４０’、４０’’）は互いに離隔して
配置されるが、互いに導通する、請求項１４に記載の薄
膜燃料電池を製造する方法。 【請求項１６】 第２の薄膜基板（６２ｂ）において細
長い第２の燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）を画
定し、該第２の燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）
が前記第２の基板（６２ｂ）の前記第２の表面（６６）
に沿って第２の細長い開口部を設けるようにするステッ
プと、 第２の陽極（５０）および第２の陰極（４８）を有する
第２の細長い陽子交換膜電極アセンブリ（６０）を、前
記第２の細長い燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）
に隣接して、前記基板（６２ｂ）に操作可能に固定する
ステップと、前記細長い燃料チャンバ（５２、５２ａ〜
５２ｋ）と前記第２の燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５
２ｋ）とが互いに液通するように、前記薄膜基板（６２
ａ）と前記第２の薄膜基板（６２ｂ）とを結合するステ
ップと、 水素含有燃料（４４）で前記細長い開口部の長さに沿っ
て前記第２の陽極（５０）と動作するよう有効に接触
し、酸素含有領域（５４）からの酸素で前記第２の陰極
（４８）と動作するよう有効に接触し、触媒によって反
応が促進されるとき、前記燃料（４４）からの水素原子
が陽子と電子とに分解され、該陽子と該電子とは前記第
２の陰極（４８）へ通じる別々の経路を取り、それによ
り電流が生成されるよう、前記第２の燃料チャンバ（５
２、５２ａ〜５２ｋ）に前記水素含有燃料（４４）を充
填するステップとをさらに含む、請求項１４に記載の薄
膜燃料電池を製造する方法。 【請求項１７】 複数の前記薄膜燃料電池（４０’’）
をフレーム（８０）内で積み重ねるステップをさらに含
み、該フレーム（８０）内の複数の前記薄膜燃料電池
（４０’’）は互いに離隔して配置されるが、互いに導
通する、請求項１６に記載の薄膜燃料電池を製造する方
法。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 【請求項１】 水素含有燃料（４４）の化学エネルギー
を、燃焼することなく電流に変換するための、小型化薄
膜燃料電池（４０、４０’、４０’’）であって、 表面（６４）と、前記燃料（４４）を収容するために画
定された細長い燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）
とを有する基板（６２）から構成されるマニホールド構
造（４６）であり、前記燃料チャンバ（５２、５２ａ〜
５２ｋ）は前記表面（６４）に沿って細長い開口部を有
するマニホールド構造（４６）と、 前記燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）に隣接して
配置される陽極（５０）と、酸素含有領域（５４）に隣
接して配置される陰極（４８）との間に固定される、細
長い電解質（４２）であって、該電解質（４２）は、前
記燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）に隣接する前
記基板（６２）の前記表面（６４）に対して動作するよ
う有効に固定され、それにより前記燃料チャンバ（５
２、５２ａ〜５２ｋ）が前記酸素含有領域（５４）から
流体的に隔離される、細長い電解質とを備え、かつ前記
燃料チャンバ（５２、５２ａ〜５２ｋ）内に収容される
前記燃料（４４）は、前記細長い開口部の長さに沿った
前記陽極（５０）と動作するよう有効に接触し、かつ、
前記酸素含有領域（５４）からの酸素は、前記陰極（４
８）と動作するよう有効に接触し、触媒によって反応が
促進される際に、前記燃料（４４）由来の水素原子は陽
子と電子に分解され、該陽子および該電子は前記陰極
（４８）へ通じる別々の経路を取り、それにより電流が
生成されるようにする、小型化薄膜燃料電池。
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| JPH07176314A (ja) | 平板型固体電解質燃料電池のプレリフォーマ |
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