JP5313423B2 - 燃料電池および電力チップ - Google Patents

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Description

本発明の背景技術
電気化学的燃料電池は新しいものではない。１８３９年、Alexander Groveによって発明された燃料電池は近年、広範囲に開発されている技術である。NASAは1960年の宇宙計画において燃料電池の原理を利用した。しかし、この技術における最新の開発の大部分は自動車産業によって推し進められている。Daimler-ChryslerおよびFord Motor Coは、燃料電池システムを開発するためにパートナーシップのもとに約7億5000万ドルを投資している。環境問題が増大し、環境関連の法律が厳しくなるとともに、”緑の”エネルギー源の開発は、要求はされないものの、行動方針としてより正当化されるようになる。
情報化時代は、情報を検討し、処理し、管理し、入手利用し、および制御する新しい方法の必要性の到来を告げている。基本技術および設備が進歩して、これらの新しい必要条件を満たすにつれて、より小さく、より軽く、かつより速い（補給/充電するのが）電気エネルギー源の必要性が増大している。 小型燃料電池をベースにした電力源は、特に、持ち運びできるコンピューターおよび通信機器におおいに役立つであろう。
本発明によれば、重合体/SAM（自己集合単分子層），MEMS（マイクロ電気機械システム），“チップ上の化学”および半導体製造技術の組合わせを使用して、直接基板上で、好ましくは、半導体ウェーハ上で電力電池の配列を形成する方法および装置が提供される。これらのウェーハは、（電気的に直列または並列に接続されているもの。および、個々が、様々な電力(V*I)特性およびアプリケーション駆動形態を達成するようにプログラムされている）“積み重ねられている”ものであってよい。
本発明の好適な実施形態の１つは、平板上の半導体ウェーハ上で複数の個々の燃料電池を製造することにより形成される。この半導体ウェーハ内に、エッチングまたは他のよく知られている既知の半導体製造工程により流れチャネルが形成される。酸素を一方のチャネルに、水素を他方のチャネルに入れており、膜によって、この２つのガスが隔てられている。電極が膜の両側に形成され、触媒が電極および膜の両側に電気伝達状態、つまり電気的に連結された状態で配置されている。最後に、ガス不浸透性カバーまたは蓋が電池に取付けられる。
好ましくは、膜はPEM(プロトン交換膜)であり、基板中のエッチングされたチャネル内へ重合体（ポリマ）の柱状体を配置することによって、または重合体を積層することによって形成されて、酸素および水素間のガス気密バリヤを形成する。このバリヤは、触媒によって生成された水素イオンを該バリヤを横切って運ぶことができて、水素イオンが他のチャネル内で酸素と接続するときに、接触子および水を横切って電気を生成する。
さらに、多数の燃料電池は、電気的に相互接続されており、かつ同一のウェーハの一部分上でガス源に接続されて、”電力チップ”を形成する。従来の電気回路は、個々の電池用に動作監視および制御機能を提供するためにウェーハ上でチップとともに一体化される。複数のチップ（電力ディスク）または複数の電池を含むウェーハを垂直に互いに重ねることができる。
以下の詳細な説明および下記の図面により、本発明の性質および利点のさらなる理解が得られるであろう。
本発明の前述のものおよび他の目的、ならびに特徴および利点は、全図を通じて同一部分に同一符号を付してある添付の図面に例示されているように、好適な実施形態のさらに詳細な説明によって明らかにされるであろう。図は必ずしも倍尺または縮尺どおりではなく、かわりに本発明の本質を説明することに強調がおかれている。
［発明の詳細な説明］
本発明の最適な実施形態を以下に説明する。図１には、従来の半導体ウェーハ１０の平面図が示されている。この半導体ウェーハ上には複数の半導体燃料電池１２が形成されている。複数の電池が、ウェーハ上で電気的に相互接続された上でガスが供給されて一つの電力チップ１５を形成する場合もある。簡略化のために、燃料電池１２およびチップ１５は倍率どおりに示されていないが、４インチウェーハ上には少なくとも８０００万個の電池を形成することができる。そのような電池の一つが図２の部分断面図に示されている。この電池の最も簡略な形では、各電池１２は基板１４、接触子１６A，１６Bおよび導電性重合体ベース１８から成っている。この伝導性重合体ベース１８が、非導電性の重合体層支持構造体２０の第１層２０（ａ）の両側上で形成されており、かつ前記金属電気接触子と密接している。
中心構造体２０の両側に位置する導電性重合体２２内に触媒粒２８が埋め込まれており、この導電性重合体２２は、この中心構造体の左側に存在する水素ガスを右側に存在する酸素ガスから分離するPEMバリヤを形成する。酸素ガスおよび水素ガス導入用のエッチングされたチャネル５０Ｂ，５０Ａおよび電池を覆う放熱用蓋４０が図２に示されている。
図３（A）〜３（H）は、ＰＥＭバリヤ３０の製造工程の詳細を段階的に示している一連の概略断面図である。図３（A）は、半導体基板１４内にエッチングされている電力電池チャネルの底部を示している。また、電子を電力電池１２から電力配電路および残りの回路へ運ぶ役割を担う接触子１６を示している。これらの接触子は半導体製造工程において既知のフォトリソグラフ処理によって形成されている。
図３（B）は、構造体に取付けられている導電性重合体ベース１８を示している。この導電性重合体ベース１８は接触子１６と物理的および電気的接触状態にあり、かつ図３（A）〜３（H）に示されている工程の導電性重合体２２を引きつけるように設定されている。
図３（C）は、構造体２０用いられている非導電性重合体ベース２０(ａ)を示している。この非導電性重合体ベースは二つの導電性重合体ベース１８間に位置しており、非導電性重合体２０を引きつけるように設定されている。
図３（D）は、構造体に取付けられている重合体レジスト２１を示している。このレジスト２１は導電性重合体をはねのけて、この重合体が不要な領域内で形成されるのを防ぐ責任を担っている。
図３（E）は非導電性重合体ベース２０Ａ上に成長形成された非伝導性重合体の第１層２０Bを示しそいる。この非伝導性重合体はPEMバリヤの中心部材である。この非導電性重合体は、その外側に、これよりも薄い伝導性重合体２２が構成されたとき、この伝導性重合体を支持する。
図３（F）は、続いて一層ずつ敷かれて、縦バリヤを形成する非導電性重合体２０の積み重ねられた複数の層を示している。この縦方向性がバリヤの領域拡大を可能にしている。
図３（G）は、導電性重合体ベース１８上に成長形成される導電性重合体の第１層２２Aを示している。この導電性重合体が、ＰＥＭバリヤの触媒を有する外側壁部材である。
図３（H）は、構造体上に一層ずつ敷かれた導電性重合体２２の積み重ねられた複数の層を示している。図２は、重合体レジスト層２１を除去し、蓋４０および簡略化のために図３（A）〜３（H）から削除されているが既に存在している側壁５２を加えた後の完成された構造体を示している。重合体レジスト層２１が半導体製造工程において基本的に最終段階のパッシベーション層である場合、このレジスト層を必ずしも取り除く必要はない。
再び、図２を参照して、燃料電池１２を形成する要素のさらなる詳細を説明する。３０で示されているプロトン交換膜PEMは燃料Ｈ2および酸化剤Ｏ2間にバリヤを形成する。
ＰＥＭバリヤ３０は２つの素材から成る３つの部分で構成されている。このＰＥＭバリヤは第１の外面壁２２Ｂ、中心体２０および第２の外面壁２２Ｃを有している。第１の素材から成る中心片２０が第２の素材から成る二つの外面壁に接触するように構成されている。
中心片を形成する素材２０は、好ましくは、水素イオン（プロトン）を水素側から酸素側へ通り抜けさせることができるイオン重合体である。素材２０は非導電性なので、二つの接触子１６Ａ，１６Ｂ間での電力電池の短絡を効果的に防ぐ。この部材は、Nafion（登録商標）または同様の素材で形成することができる。電力を引き出すために、点線で示されている外部負荷５を接触子間に接続することができる。
二つの外面壁を形成する第２の素材２２は、前記素材２０と同様に水素イオンを導入させることができるイオン重合体である。さらに、この部材は白金触媒または合金触媒のようなナノサイズの触媒粒２８（ドットで示されている）ドーピングされており、かつ導電性である。この第二の素材２２の側面が基板１４に垂直な活性面となっている。
触媒粒２８を重合体２２に埋め込むことにより、重合体２２はPEMバリヤ３０と最大限の密接な接触が得られる。この密接な接触により、イオンの陰極電極１６Bへの自由な移動を許す通路が容易に得られる。触媒は表面効果なので、触媒粒２８を重合体２２内に浮遊させることにより、触媒の全表面積を効果的に使用することができる。これによりシステム効率が飛躍的に増大するであろう。
第２の素材２２を導電性にすることにより、電極が作成される。電極を触媒反応に近づけることは、電極がどの程度電子を集めるかということに影響する。この方法により触媒反応が効果的に電極自体の中で生じる。触媒粒２８と重合体２２との密接な接触により、電子の陽極１６Aへの自由な移動を許す通路が容易に得られて、自由電子の大部分を集めることができる。また、これによりシステム効率が飛躍的に増大するであろう。
前述のPEMバリヤ３０の電気的および化学的／機能的特性に加えて、以下に説明される重要な物理的特性がある。この自己集合工程はPEMバリヤの最適な構成を可能にし、設計によっては、さらに効率的になるであろう。
まず第１に、分離している水素の通路および酸素の通路を形成する問題である。この問題は、PEM構造体が成長して／形成されて、エッチングされたチャネル５０を完全に分離している二つのチャネル５０A，５０Bに分けることを必要としている。これは、PEM構造体がチャネルの中心で成長しなければならず、かつ電力電池の端壁にしっかりと直面していなければならないことを意味する。また、PEM構造体は、蓋４０の底面上の粘着剤４２と接触するためにチャネルと同一の高さに成長しなければならない。
第２に、気密封止を形成する事である。この事は、PEM構造体３０がベース構造体１８，２０A、基板１４、電力電池の端壁（図示せず）、および蓋４０を被覆する粘着剤４２に完全に接続されていることを必要とする。重合体の適切な選択により、化学接続が、チャネル内で接触する素材間で形成される。この化学接続に加えて、PEMバリヤの頂部に蓋４０をかぶせることにより、物理的な封止効果が得られる。PEMバリヤの高さが正確に制御された場合、かぶせられた蓋の圧力が機械的“Oリング”型自己封止を形成する。PEM３０を蓋４０と組み合わせるとき、基板１４上でPEM３０を成長させることは、いかなる微細な位置合わせの問題を解消する。目標合わせを必要とする微細構造が蓋にはない。
図４の概略斜視図には、鋳造／注入工程を伴うPEMバリヤの他の実施形態が示されている。
MEMS機械加工方法を使用して、三つのチャネル６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃが半導体基板１４０内にエッチングされる。外側の二つのチャネル６０Ａ，６０Ｃが薄壁７０Ａ，７０Ｂにより中央のチャネル６０Ｂから隔てられている。複数の細い切込み溝Ｓ1〜Ｓnがこれらの薄壁内にエッチングされている。その結果得られた、フォーク状の歯Ｔ1〜Ｔn+1が触媒２８０を有しており、この触媒が歯の切込み溝の領域内に配置されている。薄壁７０Ａ，７０Ｂのベース部で、かつ外側のチャネル６０Ａ，６０Ｃの壁面を形成する側に、金属電極１６０Ａ，１６０Ｂが配置される。電極１６０が配置された後に、触媒２８０が歯上に配置される。このようにして触媒が配置されて、電極と電気的に接触し、かつ薄壁７０A，７０Bのベース部で各電極の一部を覆う。さらに、金属導電体９０が各電極１６０
に接続されるように配置されており、かつチャネル６０Ａ，６０Ｂ側の基板１４０上に沿って上方へ延び、さらに電池外へ延びている。
蓋４００を基板１４０に接続するために使用される粘着剤４２０が、この蓋に付けられている。このようにして、三つの分離しているチャネル、つまり水素チャネル６０Ａ、反応チャネル６０Ｂおよび酸素チャネル６０Ｃが基板内に形成される。さらに、蓋４００が種々の条件に合わせて配置された電解質注入孔（注入口）５００を有している。これらの孔５００が、反応チャネル６０B内のみで重合体からなる電解質膜（図示せず）へ導く供給路を提供している。孔が基板を貫通して形成された場合、一つ以上のチャネルが電池を貫通して垂直に並ぶ。複数のチャネルへの供給を制御するために、頂部の蓋またはウェーハの底部のいずれかの孔にマニフォルドを連絡させることができる。
図４の構造体は以下のようにアセンブリされる。まず最初に、基板機械加工および全ての電気回路の形成を含む半導体製造工程が実行される。
次に、蓋４００が機械加工されて、粘着剤４２０が付着される。蓋４００が基板１４０に接続される。それから、電解質（図示せず）が構造体に注入される。
反応チャネル６０Bの薄壁７０Ａ，７０Ｂが、電解質鋳造工程の間、電解質を保持する役目を務める。切込み溝Ｓ1〜Ｓnにより、チャネル６０Ａ，６０Ｂ内のそれぞれ水素および酸素が触媒２８０およびＰＥＭ３００に達することを可能にする。フォーク状の歯Ｔ1〜ＴN+1の切込み溝の領域を触媒２８０で被覆することにより、H2ガスが切込み溝に入ってきたときに、反応個所が提供される。電解質が反応チャネル６０B内に注入されたとき、電解質がチャネル６０Bを完全に満たす。液体電解質の表面張力によって、この液体電解質が切込み溝内に侵入してガス・チャネル内を満たすのを妨げる。電解質を使用すると、ある程度の圧力が伴うので、圧力が電解質を切込み溝内に押し入れるにつれて、電解質表面のバルーニング（膨れ）効果が現れる。このバルーニング効果が、電解質を切込み溝Ｓ1〜ＳNの側部を被覆する触媒２８０に接触させる。一旦、この接触が形成されて、膜（電解質）が水化されると、この膜（電解質）はさらに膨らんで、触媒との良好な接触を確実にする。H2／O2ガスは、触媒領域内で、（極薄、例えば５ミクロンの）膜内に浸透することができる。膜を薄くできるので、より効率的な作用を生じる、つまり抵抗損（Ｉ2R）が少なくなる。この少ない抵抗損により、膜は反応の三つの成分、つまりＨ2ガス，Ｏ2ガスおよび電解質を互いに接触させる。触媒２８０と電気的に接触している電極１６０Ａ，１６０Ｂが四番目の成分であり、水素イオンが電界質膜を導入して、チャネル６０Ｃ上で反応を完了する間、自由電子（外部の負荷（図示せず）を介して）が通る通路を提供する。
図５〜７の断面図を参照しながら、本発明にかかるPEM構造体の種々の構成を説明する。図５は、連続する非導電性垂直部材として形成される中心PEM構造体２０およびリード・ワイヤ９０が取り付けられている非連続部材である電極／触媒１６，２８を示している。図６は、触媒２８が非導電性コア２０内に埋め込まれており、電極１６がこの触媒の横方向に近接して形成されている他のPEM構造体を示している。最後に、図７は、図５のPEM構造体に似ているが、中心コア２０1が非連続のPEM構造体を示している。
図８は、本発明により実施可能な電気回路を示す概略ブロック図であり、この回路を半導体ウェ−ハ１０上で複数のマイクロコントローラと一体化して、複数の電池の動作を監視し、制御する構成を示す図である。複数のセンサ回路８０，８２，８４，８６が特定の機能を遂行するために設けられている。
温度回路８０からの入力を受けて、マイクロコントローラ８８が燃料電池１２の熱的プロフィルを作成する。電圧回路８２が、コンフィグレーション階層または電池群の様々なレベルで電圧を監視する。こうすることで負荷内で生じる変化に関する情報が得られる。この情報に基づいて、プロセッサ８８はシステムのコンフィグレーションを調整して、要求された動作を達成／維持する。電流回路８４が、上記の電圧監視回路８２と同様な機能を遂行する。
圧力回路８６が、内部のガス通路５０A，５０B内の圧力を監視する。この圧力がシステムの動作に影響するので、マイクロプロセッサ８８は、これらの読み取りに基づいて調整を行い、システムを最適な動作で作動するのを維持する。さらなる機能の追加を見越して、機能を割り当てていない未規定の回路８１がマイクロ８８に予備の入力を供給するために利用可能となっている。
さらに、少なくともV*Iスイッチ（図９に関連して説明される）を制御するために、制御プログラムを持つコンフィグレーション回路９４を使用することができる。電圧および電流の可能出力がこれらスイッチのコンフィグレーションによって規定される。局部回路９２が、監視回路のパラメータのように、スイッチを動的にプログラムする必要があるときに設けられる。その変化をもたらすためにこれらの出力を使用することができる。局部サブシステム９４が、マイクロ８８によってガス流量、欠陥隔離および生成物除去を制御するために使用される。局部電力回路９６が、燃料電池１２によって生成された電気の一部を振り分けて内蔵エレクトロニクスに電力を供給する。この電力供給回路９６は自己の規制および調整回路を有する。2線式伝達インターフェイス装置98はチップ上に一体化されて、伝達装置とそれらを接続する電力バス（図示せず）との間に電気的インターフェイスを提供するようにしてもよい。
マイクロコントローラ８８は統合エレクトロニクス・サブシステムの心臓部であり、全ての指定されたシステム機能を監視し、制御する責任がある。さらに、マイクロコントローラ８８はいかなる外部伝達の伝達プロトコルも扱う。マイクロコントローラ８８は“回路内プログラミング”が可能なので、重要な制御プログラムを必要通りに更新できる。また、マイクロコントローラ８８はデータ記憶およびデータ処理、ならびに自己／システム診断およびセキュリティ動作が可能である。
図９には本発明のさらなる詳細が示されている。この実施形態において、個々の電力電池１２1，１２2〜１２nはウェーハ上に形成されており、かつ図８のマイクロプロセッサ８８により制御されているトランジスタ・スイッチ９７を用いて、電力バス９９A，９９B間に並列にワイヤ接続されている。スイッチ９７B，９７Aはそれぞれ負のバス・スイッチおよび正のバス・スイッチであるが、スイッチ９７Cは直列スイッチであり、スイッチ９７Ｄ，９７Ｅはそれぞれ正の並列スイッチおよび負の並列スイッチである。
この実施形態は、個々の電池または電池群（電力チップ１５）が種々の形態、例えば並列または直列で導電されることを可能としている。種々の電圧が、直列に電池を接続することにより生成される。また、電流容量が、電池を並列に接続することにより増大する。一般に、電力チップの電力プロフィルを動的に制御して、“プログラムされた”仕様を達成するか、または維持することができる。逆に、製造時において、チップを静的プロフィルに構成することもでき、これにより、電力スイッチの必要性を除去できる。スイッチをオンおよびオフにすることにより、かつ配線の極性を変えることにより、ACおよびDCの電力出力を発生させることができる。
電力管理サブシステムを実施するためには、電力発生工程からのフィードバックが必要である。回路を直接、チップ上に形成して、電力発生工程の効率性を絶えず測定することができる。このフィードバックを閉回路内においてシステム制御を修正するために利用できる。こうすることによりシステムを動的に維持するための最大限のシステム効率を得ることができる。これらの回路のうちいくつかを次に説明する。
システムに対する要求が時間とともに変化するにつれて、電力発生工程の質は変化する。数種の動作パラメータの実時間状態の把握がシステムの自動調整を可能にして、最適な動作を維持する。これらのパラメータの境界がプログラムのよって規定される。
例えば、個々の電池または電池群の電圧および電流を測定することは可能である。電力出力を監視することができ、電池または電池群が動作していない場合、動作していない電池を、必要ならば除去することができる。前述の電力スイッチ９７によって、この作動していない電池を回路から外すことができる。代わりに、最適なシステム性能を得るために、内蔵MEMS付きマイクロ送風機を燃料電池間または電力電池群層間で酸素または水素の流れを制御するのに使用してもよい。
チップ上で稼動中の“負荷された”領域を動かしながら、平均電力水準を維持することができる。常時（１００％時間）、負荷されている領域は存在しないので、こうすることによってより良い全体の性能レベルを達成できる。このデューティサイクルが、特に、急激な電力要求に対して適している。ここでの概念はより良い電池使用の特性のために電力を細分化することである。
電力チップの熱特性が電気的負荷によって変化し、かつこの熱が電力電池の電力発生に悪影響を及ぼすことが予期される。十分な温度感知および電力電池利用に対する適切な応答によって、熱的蓄積による損傷を最小限に抑えることができる。
蓋４０は、二部品からなる“電力チップ”組立てのうちの二番目の部品である。こわれやすい半導体基板１４に機械的に頑丈な支持体を提供するためには、蓋４０が金属製であることが好ましい。これによって、電力チップを容易に扱うことが可能になり、かつ“電力積層体”、例えば、文字通り互いに積み重ねられた複数の電力チップ１５、を作るための安定した土台を提供することが可能である。ここでの目的はより大きな電力を持つ物理的なユニットを作ることにある。
図１０は、どのようにして燃料５０Aおよび酸化剤／生成物のチャネル５０A（５０Bは図示されていない）が基板１４の表面内にエッチングされるかを示している。これらのトラフ（溝）は３つの側面を有し、頂部は閉じられて、封止されていなければならない。蓋４０および粘着剤４２は、基板１４に接続されて、チャネルを完成したときに気密封止を形成する機能を提供する。これによって、燃料供給用、酸化剤用、および生成物である水除去用のチャネルの基盤（matrix）が、基板の表面に形成される。
蓋４０が、機械的に安定しているインターフェイスを提供し、このインターフェイス上に入力／出力孔を形成することができる。これらの孔はガス供給孔および水除去孔である。この設計が、大きな外側世界から基板上のマイクロメーターサイズの構造へのサイズ移行を含まなければならない。これは、マイクロメーターサイズのチャネルを比較的により大きな孔Hへ通すことによって達成できる。この孔Hが蓋および基板間の位置あわせを減少させる。蓋の大きな孔は、機械加工で形成されたマイクロサイズのチャネルを持つ基板に設けた大きな孔に対応しており、前記チャネルは基板の孔から動力セルにまで延びている。
各ウェーハは各々、マニフォルドを有してもよい。これによって、燃料供給、酸化剤および生成物除去のための外部との接続が要求される。この外部への配管に自動連結システムが必要となることもある。現在のMEMS工程はウェーハを貫通して孔をエッチングすることを可能としている。このような垂直貫通孔がマニフォルドの設計を容易にし、ガス流れを改良する。
図１１および１２は、電力チップ１５を形成するために数個の電池１２（この例では、三つの電池が並んでいる）をウェーハ１４上で横に並べることができる多くの方法のうちの一つを示している。電力ディスクを垂直に互いに重ねることにより、流入孔５０HI，５０OIを備えた垂直の柱状体を形成する。この流入孔５０HIおよび５０OIがそれぞれ水素および酸素源に連結されている。電力チップを備えたウェーハの柱状体が電力積層体（９３）を構成している。
図１２は、どのようにして多数の電力ディスク１５の積み重ねが、十分な電力を備えた電力積層体（９３）を形成するために使用されるかを示している。“積み重ねる”という単語の使用は理に適っている。なぜなら、この単語は、ウェーハが互いに近接して、短い電気的相互接続および最小限の配管を可能としていることを示唆しているからである。現実において、この単語は、より大電力の装置を形成するために複数のウェーハの電力を組み合わせることを言っている。この組合わせを達成するには、ウェーハを電気的に互いに積み重ねるだけでよい。しかしながら、最小限の空間内において最大限の効率で最大電力量を発生させることが望ましい。最短の電気的接続（電力バス）を代案として考慮するとき、主要なマニフォルドのうち二つを電力バスとして使用する可能性を考慮しなければならない。この代案は、これらのマニフォルド／電力バス・セグメント同士を絶縁して、これらのセグメントを、電力を各ウェーハから次のウェーハまで運ぶために使用することによって実現できる。これにより、電力用の配線に要求される事項を減らし、高い正確性および信頼性を伴って、この電力運搬が自動的に実行される。
望ましいマニフォルドの設計によって、電力ディスクの積み重ねを可能する。この設計では、実際のマニフォルド９５が分割して構成され、各分割体が蓋４０に一体形成される。ディスクが積み重ねられるに従って、マニフォルド（チューブ）が形成される。この設計タイプは外部配管の必要性を大幅に減少させる。特別な端末キャップをかぶせて電力積層体の端部でマニフォルドを完成させるであろう。
要約すれば、本発明の主要な目的の一つは、準標準の半導体製造方法を利用して、複数の電力電池１２を含むウェーハ１０から成る電力チップ１５を大量生産することにある。この製造が本質的に極小の構造体を支持する。これらの構造体（電力電池）が電池当りの電力量を極少にする。各電池は、素材が支持（許容）できる最大限の電力を発生するように設計される。真の実質的な電力を得るために、数百万個の燃料電池が単一の電力チップ１５上に形成されて、多数の電力チップが“電力ディスク”（半導体ウェーハ１０）上に形成されるであろう。これが単一のウェーハから大きな電力出力が得られる理由である。１０ｕＭ×１０ｕＭのサイズの電力電池では、１ｃｍ2当りに１００万個の電力電池が設けられる。最終的な電力電池の形態は構成素材の物理的特性により決定される。
固形重合体水素燃料電池の基本的な電気化学的反応は８０℃から１００℃間の動作温度で最も効率的である。この温度範囲はシリコンのような典型的な半導体基板の動作可能範囲内である。しかしながら、複数のウェーハが積み重ねられた場合、ヒートシンク（放熱装置）がさらに追加される必要がある。いずれにしてもカバーは必要なので、蓋４０をヒートシンクとして放熱能力に余裕をもたせることは道理にかなっている。
燃料および酸化剤／生成物チャネルは半導体基板の表面にエッチングされる。これらのトラフは３面に壁を持つ構造であり、頂部は閉じられて、封止されていなければならない。蓋４０がこの機能を提供する。蓋４０が基板１４に接続されて、チャネルを完成したとき、粘着剤で被覆されて、気密封止を形成する。これによって、燃料供給用、酸化剤用および生成物である水除去用のチャネルの基盤（matrix）が、基板の表面に形成される。電力電池の二つの主要なチャネルは、前記と同一の粘着剤に接合されているPEMによって分離されている。したがって、精密な位置合わせが不要になる。
 均等物
この発明を、その好ましい実施形態とともに詳細に示し、説明したが、この発明の特許請求の範囲内で、この発明に関する多くの変更および詳細をこの発明の範囲から逸脱することなく実行できることは当業者によって理解されよう。例えば、よく規定された電気的および機械的特性を有するシリコンを基板１４用素材として選択できる。一方で、Ｇｄ，ＧｅまたはＧａＡｓのようなIII-V化合物を他の半導体素材として代用してもよい。代わりに、電池
用基板がガラス，プラスチックまたはフェノールのようなアモルファス材料から成っていてもよい。この場合、電池の制御回路を別の半導体ダイ上で形成し、電池群に電気的に接続してハイブリッド構造体を形成することができる。PEM構造体間のインターフェイスは、好ましくは金から成っている集合単層（SAM）インターフェイスである。しかしながら、銀または白金のような金属を使用してもよい。同様に、PEMは多数の分子鎖から成っているが、好ましくは、金との親和力を備えた塩ベースを有していて、その結果、金から成るSAM構造体に接続できる。また、白金および銀のような純金属を代わりに使用してもよい。SAMに使用して、別の触媒を使用することも可能である。そのような触媒およびPEMを、捨て鋳型または蒸着およびエッチングを用いて基板に付着させてもよい。
本発明にかかる半導体燃料電池アレイを示す概略平面図である。 本発明にかかる図１の燃料電池１２を線II-II沿って切った簡易概略断面図である。 本発明にかかるPEMバリヤ構造体３０の主たる製造工程を示す概略断面工程図である。 別の型形成PEMバリヤ発明を明示する概略断面図である。 本発明の一実施形態にかかるPEM構造体を示す断面図である。 本発明にかかる他のPEM構造体を示す断面図である。 本発明にかかるさらに他のPEM構造体を示す断面図である。 燃料電池チップ上に一体化される回路を示すブロック図である。 個々の電池または電池群を作動させる一体化制御システム用の配線を示す概略図である。 電力電池用のマニフォルド・システムを示す概略側面図である。 複数の電池の概略平面図であり、この複数の電池が、ウェーハ上で並んで配置されて電力チップを形成し、かつ互いの頂面同士を合わせるように重ねられて電力ディスクを形成する。 図１１の部分側面図である。
５…負荷、１０…半導体ウェーハ、１２…燃料電池、１５…電力チップ、１４…基板、１６A,１６B…接触子、１８…導電性重合体ベース、２０…膜（重合体層支持構造体）、２０（ａ）…非導電性重合体ベース、２２…電極（導電性重合体）、２８…触媒、３０…PEMバリヤ、４０…蓋、４２…粘着剤、５０A…水素ガス導入用チャネル、５０B…酸素ガス導入用チャネル。

Claims (42)

  1. ａ）基板と、
    ｂ）前記基板内に形成された、燃料導入用の第１のチャネルおよび酸化剤導入用の第２のチャネルと、
    ｃ）第１および第２の側面を有する柱状のプロトン交換膜であって、前記基板上に形成され、前記第１のチャネルを前記第２のチャネルから分離する膜と、
    ｄ）前記膜の第１の側面にある第１の電極および前記膜の第２の側面にある第２の電極と、
    ｅ）前記膜の各側面に埋め込まれて前記電極に電気的に接続されている触媒と、
    ｆ）前記膜の頂部に接合されて前記膜とともに気密封止を形成するガス不浸透性素材から成るカバーと、
    を備える燃料電池。
  2. ａ）基板と、
    ｂ）前記基板内に形成された、燃料導入用の第１の流路および酸化剤導入用の第２の流路と、
    ｃ）前記基板上に形成され、内側の流路を形成する領域を囲み、かつ前記内側の流路を外側の流路から分離する第１および第２の側面を有するプロトン交換膜と、
    ｄ）前記膜の第１の側面にある第１の電極および前記膜の第２の側面にある第２の電極と、
    ｅ）前記膜の各側面に埋め込まれて前記電極に電気的に接続されている触媒と、
    ｆ）前記膜の頂部に接合されて前記膜とともに気密封止を形成するガス不浸透性素材から成るカバーと、
    を備える燃料電池。
  3. 請求項１または２において、前記触媒が前記膜の第１および第２の側面に導入されている燃料電池。
  4. 請求項１または２において、前記触媒が前記電極内に導入されている燃料電池。
  5. 請求項１または２において、前記電極が導電性重合体から成る燃料電池。
  6. 請求項１または２において、前記膜が重合体から成る燃料電池。
  7. 請求項６において、前記重合体が層を形成している燃料電池。
  8. 請求項１または２において、前記膜が鋳造品である燃料電池。
  9. 請求項１または２において、前記膜がフィルム膜である燃料電池。
  10. 請求項９において、前記膜がエッチングされて、前記第１および第２の側面が造られる燃料電池。
  11. 請求項９において、前記膜が、スピンコーティング法を用いて形成されている燃料電池。
  12. 請求項１または２において、前記膜を波形にして、表面積を増大させる燃料電池。
  13. 請求項１または２において、外部の負荷が、前記電極に電気的に接続された金属の接触子を介して接続されている燃料電池。
  14. 請求項１３において、PtSi，WSi2，TiSi2，Ti:WおよびTiNのいずれかを用いて、前記接触子が造られている燃料電池。
  15. 請求項１３において、Al，Cu，Au，Agまたは金属合金を用いて、前記接触子が造られている燃料電池。
  16. 請求項１３において、ポリシリコン、けい化ポリシリコンまたは前記基板を用いて、前記接触子が造られている燃料電池。
  17. 請求項１または２において、前記基板が、燃料または酸化剤が流れる孔を有しており、この孔が該基板面に対して垂直である燃料電池。
  18. 請求項１７において、前記孔が燃料または酸化剤を燃料電池の内側または外側に供給する燃料電池。
  19. 請求項１または２において、前記電極への相互接続のために少なくとも１つの電気回路の導電性素材が前記膜の下を横断して延びている燃料電池。
  20. ａ）一体化基板と、ｂ）電力チップを形成するために電気的に相互接続されるように配列された複数の燃料電池のアレイであって、i）複数の、前記基板内に形成された燃料導入用の第１の流路および酸化剤導入用の第２の流路と、ii）第１および第２の側面を有する複数の柱状のプロトン交換膜であって、前記基板上に形成され、前記第１の流路を前記第２の流路から分離する膜と、iii）前記各膜の第１の側面にある第１の電極および前記各膜の第２の側面にある第２の電極と、iv）前記膜の第１および第２の側面に埋め込まれて前記電極に電気的に接続された触媒と、v）前記膜の頂部に接合されて前記アレイの膜と気密封止を形成するガス不浸透性素材から成るカバーと、を含む前記燃料電池のアレイと、ｃ）前記アレイを囲んで、燃料および酸化剤を前記複数の燃料電池に分配する複数のマニフォルドと、ｄ）複数の電力ターミナルと、を備える電力チップ。
  21. 請求項２０において、前記基板が絶縁体から成っている電力チップ。
  22. 請求項２１において、前記絶縁体がガラスからなる電力チップ。
  23. 請求項２０において、前記基板が半導体素材から成っている電力チップ。
  24. 請求項２３において、前記半導体素材がSi，GeおよびGaAsから成る一群から選択されている電力チップ。
  25. 請求項２０において、前記アレイ内の燃料電池のカバーが前記マニフォルドと一体化されている電力チップ。
  26. 請求項２０において、複数の燃料電池が、電池間の接続構成を調整可能な方法で、スイッチ，ヒューズまたは金属リンクを介して電気的に相互接続されている電力チップ。
  27. 請求項２６において、スイッチが前記基板上に一体形成された半導体トランジスタである電力チップ。
  28. 請求項２６において、前記電池間の接続構成が一回でプログラム可能である電力チップ。
  29. 請求項２６において、前記電池間の接続構成がマイクロコントローラの制御下にある電力チップ。
  30. 請求項２０において、一以上のマイクロコントローラが電力出力、温度または燃料消費である動作パラメータを監視する電力チップ。
  31. 請求項２０において、一以上のマイクロコントローラが前記基板上に形成されている電力チップ。
  32. 温度、電圧、電流、ガス圧力および流れセンサである複数の一体化されたセンサを含む請求項２０に記載の電力チップ。
  33. ａ）平板状の基板と、ｂ）i）燃料および酸化剤導入用の複数の流路、ii）燃料電池のアレイ、およびiii）複数の電力ターミナル、を備える複数の請求項２０に記載の電力チップと、ｃ）前記燃料電池のアレイを囲み、燃料および酸化剤を前記複数の電力チップに分配する複数のマニフォルドと、ｄ）複数の電力バス・ターミナルと、を備える電力ディスク。
  34. 請求項３３において、前記マニフォルドが、交換可能な燃料および／または酸化剤サブシステム用のインターフェイス孔を含む電力ディスク。
  35. 請求項３３において、電力出力がプログラムによって規定される電力ディスク。
  36. ａ）各々が互いに垂直に配置されている複数の請求項２０に記載の電力チップおよび／または請求項３３に記載の電力ディスクと、ｂ）前記複数の電力チップおよび／または電力ディスク間の電気的相互接続と、ｃ）燃料および酸化剤を前記電力チップおよび／または電力ディスクに供給するマニフォルドと、を備える電力積層体。
  37. ａ）基板を形成するステップと、ｂ）燃料が通る第１のチャネルおよび酸化剤が通る第２のチャネルを前記基板内に形成するステップと、ｃ）第１および第２の側面を有する柱状のプロトン交換膜であって、前記第１のチャネルを前記第２のチャネルから分離する膜を前記基板上に形成するステップと、ｄ）前記膜の第１の側面に第１の電極および第２の側面に第２の電極を形成するステップと、ｅ）前記膜の各側面に埋め込まれて前記電極に電気に連結されている触媒を形成するステップと、ｆ）前記膜の頂部に接合されて前記膜とともに気密封止を形成するガス不浸透性素材から成るカバーを形成するステップと、を含む燃料電池の形成方法。
  38. ａ）平板状の基板を形成するステップと、ｂ）i）燃料および酸化剤導入用の複数の流路、ii）請求項３７に記載の方法によって形成される燃料電池のアレイ、およびiii）複数の電力ターミナル、を備える複数の電力チップおよび／または前記複数の電力チップを有する電力ディスクを形成するステップと、ｃ）前記アレイを囲み、燃料および酸化剤を前記複数の電力チップおよび／または電力ディスクに分配する複数のマニフォルドを形成するステップと、ｄ）複数の電力バス・ターミナルを形成するステップと、を含む電力装置を形成する方法。
  39. ａ）請求項３８に記載のステップによって、各々が互いに垂直に配置されている複数の電力チップおよび／または電力ディスクを形成するステップと、ｂ）前記電力チップおよび／または電力ディスク間の電気的相互接続を形成するステップと、ｃ）燃料および酸化剤を前記電力チップおよび／または電力ディスクに供給するマニフォルドを形成するステップと、を含む電力積層体の形成方法。
  40. 請求項３７において、さらに、ａ）基板内で、複数の垂直な切込み溝を有する壁によって各々が互いに分離されている三つの流れチャネルである、一つの内側チャネルおよび二つの外側チャネルを形成するステップと、ｂ）各壁の外側のベース部上に電極を形成するステップと、ｃ）前記切込み溝間に形成される複数の歯上および前記電極上に触媒を形成するステップと、を含む燃料電池の形成方法。
  41. 平板状の基板を用いて、請求項３７に記載の方法によって燃料電池を形成する方法であって、前記燃料電池の活性表面が前記平板状の基板の面に対して垂直であり、かつ活性表面の高さに対する幅の比率が大きい燃料電池形成方法。
  42. 電池間の接続構成、および／または燃料消費、および／または効率を感知および／または制御するエレクトロニクスが、基板上に一体化され、その同一の基板上で、請求項３７に記載の方法によって燃料電池を形成する方法。
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