JP5368983B2 - 改良燃料電池組立体 - Google Patents

Description

この発明は全般的には改良燃料電池システムに関し、より具体的には、アノード側で水素ガスが比較的均一に供給される、実質的に平坦な配列の燃料電池または膜電極組立体（ＭＥＡ）を含む燃料電池組立体に関する。

燃料電池は、反応物、すなわち燃料および酸素の化学エネルギを直流（ＤＣ）の電気に直接的に変換する装置である。多くの用途において、燃料電池は、化石燃料の燃焼のような従来の発電やリチウムイオン電池のような携帯用蓄電池より効率が良い。

一般に、燃料電池技術は、アルカリ燃料電池、高分子電解質燃料電池、リン酸燃料電池、溶融炭酸燃料電池、固体酸化物燃料電池、および酵素燃料電池のような様々な異なった燃料電池を含む。今日、より重要な燃料電池は、いくつかのカテゴリ、すなわち、（ｉ）燃料として圧縮水素（Ｈ_２）を利用している燃料電池、（ｉｉ）アルコール、例えばメタノール（ＣＨ_３ＯＨ）、金属水素化物、例えば水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ_４）、炭化水素、または水素燃料に改質される他の燃料を用いるプロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池、（ｉｉｉ）非水素燃料を直接に消費できるＰＥＭ燃料電池、すなわち直接酸化燃料電池、および、（ｉｖ）高温で炭化水素燃料を直接電気に変換する固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）を含む。

圧縮水素は、一般的に高圧下に維持され、そのため取扱いが難しい。その上、大きい貯蔵タンクが一般的に必要となり、そのため家庭用電子機器のために十分に小さくすることはできない。従来の改質燃料電池は、燃料を水素に変換させて燃料電池中で酸化剤と反応させるために、改質材や他の気化および補助システムを必要とする。最近の進歩により、家庭用電子機器用に改質材または改質燃料電池が有望になっている。最も一般的な直接酸化燃料電池は直接メタノール燃料電池またはＤＭＦＣである。他の直接酸化燃料電池は、直接テトラメチルオルトカーボネート燃料電池を含む。メタノールが燃料電池において酸化物と直接に反応させられる場合、ＤＭＦＣは最も簡単で潜在的に最も小さな燃料電池であり、消費者向け電子機器用の電力供給のために有望である。ＳＯＦＣは、ブタンのような炭化水素燃料を高熱で電気に変換する。ＳＯＦＣは、燃料電池反応を起こさせるために、１０００°Ｃの範囲の比較的高温を必要とする。

電気を発生させる化学反応は燃料電池のそれぞれのタイプごとに異なる。ＤＭＦＣでは、各電極での化学電気反応と直接メタノール燃料電池に関する総合的な反応は以下のとおり記述される：
アノードでの半反応：
ＣＨ_３ＯＨ ＋ Ｈ_２Ｏ → ＣＯ_２ ＋ ６Ｈ^＋ ＋ ６ｅ⁻
カソードでの半反応：
１．５Ｏ_２ ＋ ６Ｈ^＋ ＋ ６ｅ⁻ → ３Ｈ_２Ｏ
全体の燃料電池反応：
ＣＨ_３ＯＨ ＋ １．５Ｏ_２ → ＣＯ_２ ＋ ２Ｈ_２Ｏ

ＰＥＭを通る水素イオン（Ｈ^＋）がアノードからカソードを通り抜けてマイグレーションするために、また、自由電子（ｅ⁻）がＰＥＭを通り抜けられないため、電子は外部回路を通って流れなければならず、外部回路を通して電流を生じさせる。この外部回路は、モバイルすなわちセル電話、計算機、パーソナルデジタツアシスタンツ、ラップトップコンピュータ、動力工具などの有益な消費者向けの電子製品を給電するのに用いられてよい。

ＤＭＦＣは、特許文献１（米国特許第４，３９０，６０３号）および特許文献２（米国特許第４，８２８，９４１号）に開示されており、詳細は参照してここに組み入れる。一般に、ＰＥＭはＮａｆｉｏｎ（商標）などのポリマーから作られており、これはＤｕＰｏｎｔから入手可能であり、厚さが約０．０５ｍｍ〜約０．５０ｍｍの範囲のペルフルオスルホン酸系ポリマー、その他の膜である。アノードは、典型的には、そこに被着された、白金ルテニウムなどの触媒の薄層によってサポートされた、テフロン（商標。Ｔｅｆｌｏｎｉｚｅｄ）のカーボン紙から製造される。カソードは、典型的には、白金粒子が膜の一面に接着されるガス拡散電極である。

化学金属水素化物燃料電池において、水素化ホウ素ナトリウムが以下のように改質されて反応する。
ＮａＢＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ→（加熱または触媒）→４（Ｈ_２）＋（ＮａＢＯ_２）
アノードでの半反応：
Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
カソードでの半反応：
２（２Ｈ^＋＋２ｅ⁻）＋Ｏ_２→２Ｈ_２Ｏ

この反応に適切な触媒は、白金およびルテニウム、その他の金属である。水素化ホウ素ナトリウムを改質して生成された水素燃料は燃料電池中で、酸化剤例えばＯ_２と反応させられ、電気（すなわち電子の流れ）および水の副産物を生成する。ホウ酸ナトリウム（ＮａＢＯ_２）の副産物もこの改質プロセスで生成される。水素化ホウ素ナトリウム燃料電池は特許文献３（米国特許第４，２６１，９５６号）に検討されており、参照してここに組み入れる。

燃料電池システムは伝統的には複数のスタック中に配列された複数の燃料電池を具備する。これらスタックは比較的効率的でなく、燃料を均一に燃料電池のアノード側に流すのが困難である。

特許文献はスタックにおいて燃料の流れを改良する試みを開示している。１例において、特許文献４（米国特許第６，８８７，６１１Ｂ２号）は、ガスシーリングを維持し、誘電絶縁破壊を減少させつつ、スタックの屈曲や縮退を実現するように設計された、柔らかな外部燃料電池ガスマニホールドを開示している。

特許文献５（米国特許出願公開第２００５／０１９６６６６Ａ１号）は、実質的に平坦な配列に一体化された複数の燃料電池を開示している。これら実質的に平坦の燃料電池アレイは輪郭成型して所望の形状にでき、あるいは、柔らかな燃料電池として、または全体として曲線形状の個々の燃料電池を柔軟に連結して成るアレイとして構築可能である。しかしながら、この文献は燃料を燃料電池に分配する方法は開示せず、燃料透過層を通じて蒸発する燃料ゲルを検討する。

特許文献６（米国特許出願公開第２００５／０２５５３４９Ａ１号）も、実質的に平坦な燃料電池アレイを開示している。この文献は２つの狭い水素チャネルおよび２つの水素ポートを具備する水素マニホールドを開示する。

したがって、燃料を燃料電池に送る改良されたガスマニホールドが依然として要望される。

米国特許第４，３９０，６０３号 米国特許第４，８２８，９４１号 米国特許第４，２６１，９５６号 米国特許第６，８８７，６１１号 米国特許出願公開第２００５／０１９６６６６号 米国特許出願公開第２００５／０２５５３４９号

この発明は全般的には改良燃料電池システムに向けられており、より具体的には、アノード側で水素ガス供給が比較的均一な、実質的に平坦なアレイの燃料電池を含む燃料電池組立体、または膜電極組立体に向けられている。

１実施例において、この発明は、複数の開口を具備するフレーム、開口に配された燃料電池、および、少なくとも１つの燃料入口を具備しフレームに取り付けられてフレームおよび当該背面カバーの間にチャンバーを形成する背面カバーを含む燃料電池組立体に向けられている。形成されたチャンバーは、開放されて燃料がすべての燃料電池に自由に接触可能なようになっていてよく、また、それは、その内部に配されたチャネルを具備して燃料の流れを安定化させてよい。出口も背面カバー内に形成されて未反応の燃料または廃棄物を逃がせるようになっていてよい。燃料電池は好ましくは相互に直列または並列に電気的に接続される。フレームおよびカバーは可撓性材料で製造されて良く、また、アタッチメントを用いて燃料電池が多重プレーンに構成されるようにしてよい。

他の実施例において、この発明は、機能部品に電気的に接続された少なくとも１つの燃料電池を有し、機能部品は燃料電池（１つまたは複数）から電子装置に電気を搬送することができるような電力モジュールに向けられている。

さらに他の実施例において、この発明は電気を電子装置に供給する方法に関する。この方法は、燃料サプライから、機能部品に電気的に接続された燃料電池へ燃料を搬送すること、電流を利用可能電流に機能部品を用いて変換すること、および、利用可能電流を電子装置に搬送することを含む。

この発明に従う燃料電池組立体を、明瞭化のためにいくつかの燃料電池を省略して示す、部分斜視図である。 図１の燃料電池組立体の分解図である。 図１の完成した燃料電池組立体の電気接点を示す平面図である。 図３の燃料電池組立体の４−４線に沿う拡大断面図である。 水素貯蔵部用の異なる構造を示す、この発明に従う代替的な燃料電池組立体の斜視図である。 燃料電池を複数のプレーンに移動させることが可能な、この実施例に従う代替的な燃料電池組立体の斜視図である。 図５ａの燃料電池組立体の５ｂ−５ｂ線に沿う拡大断面図である。 図１の燃料電池組立体の代替的な背面カバーの平面図である。 集積回路チップにより特徴付けられる、この発明に従う代替的な燃料電池組立体の斜視図である。 図７の燃料電池組立体の分解図である。 電気接点を示す、図７の燃料電池組立体の平面図である。 代替的な電気接点を示す、図１の燃料電池組立体の一部の平面図である。 図１０の燃料電池組立体の１０ａ−１０ａ線に沿う拡大断面図である。 導電接着剤または溶接によってフレームに接続された単一の燃料電池を示す平面図である。 ワイヤーなしで電気的に接続された燃料電池を示す断面図である。

添付の図面に示し以下検討するように、この発明は複数の燃料電池１２用の組立体１０に向けられており、これを図１に示す。燃料電池１２は当業界で知られている任意のタイプの燃料電池で良く、これは、カソード、アノード、およびプロトン交換膜（ＰＥＭ）を含む。組立体１０は、個々の燃料電池１２を平坦なアレイに配列するフレーム１４を実現する。組立体１０は、図２に示すフレーム１４中に形成される開口１５へ燃料電池１２をシールして挿入することにより必要とされる任意の個数の個別の燃料電池１２を内包して良い。燃料電池１２は組立体１０内に配列されて、個々の燃料電池１２が燃料源、好ましくは水素にアクセスし、また、反応の任意の副産物、例えば水蒸気が含有され、または外部に搬送されて捨てられるようになっている。フレーム１４は抗バクテリア剤または抗微生物剤を有し、燃料電池組立体１０のような包囲環境中で起こる任意のバクテリアの繁殖を抑制するようにしてよい。図３に示すように、組立体１０はヒートシンク２３も含みヒートシンク２３を通じて熱伝導および発散を助長してよい。ヒートシンク２３は当業界で知られている任意の材料から製造されて良く、また当外界で知られている任意の形状を採用して良く、これに限定されないがフインであってよい。さらに、組立体１０は、燃料電池１２の組立体内の配列と無関係に、燃料電池１２を一体に連結するための直列的な電気接続を実現する。

図１および２を参照すると、フレーム１４は、組立体１０のサポート構造を提供し、組立体１０の外側輪郭を形成し、その輪郭の内部に、燃料電池１２を収容するように構成された複数の開口１５を形成する。開口１５は好ましくは行３０および列３２に配列される。開口１５は燃料電池１２を収容する寸法および形状を伴い、燃料電池１２が燃料電池１２の周囲で開口１５内にシールされるようになっており、その形状は当業界で知られている任意のものでよい。図４に示し、以下に詳細に検討するように、フレーム１４内において開口１５によって形成される側壁９は、少なくとも燃料電池１２の厚さと同程度に広がり、燃料電池１２を支持する。背面カバー１６は、これから立ち上がる複数の支持部１８を具備する。各支持部１８は燃料電池１２の幾何中心の近辺で燃料電池１２を支持する。当業者には明らかなように、図では９個の開口１５が示されているけれども、任意個数の開口１５および／または燃料電池１２がフレーム１４内に含まれても良い。開口１５は、燃料電池１２がフレーム１４から滑って外れないように１または複数の保持機構を含んでも良い。好ましくは、エポキシまたは他の接着剤を用いて燃料電池１２を開口１５内に固定する。燃料電池１２を開口１５内に保持する付加的な機構も採用できる。例えば、図１に示すように、開口１５は、燃料電池１２上に伸びて燃料電池１２を開口１５内に保持するためのオプションのタブ１７を含む。

フレーム１４はそれに付随するスカートまたは側壁２１を具備して良く、背面カバー１６がシール状態でフレーム１４に取り付けられ、これを図２に示す。背面カバー１６はフレーム１４の裏当てをなし、これが、燃料電池１２をフレーム１４内に固定して保持するように作用し、また燃料電池１２へ燃料を搬送するマニホールドを実現する。図４に示すように、背面カバー１６は、フレームに取り付けられた状態でマニホールド空間またはチャンバー２０が背面カバー１６および燃料電池１２の間に形成されるように構成される。換言すると、背面カバー１６をフレーム１４に取り付けると、箱状の構造が形成され、燃料電池１２が箱のカバーに配置されて燃料電池１２のアノード側部１１が箱の「内側」になり、燃料電池１２のカソード側部１３が箱の「頂部」に位置するようになす。当業者に理解されるように、組立体１０は任意の向きで用いられて良い。他の実施例では、フレーム１４は比較的浅く、背面カバー１６は比較的高い側壁２１を具備して箱を形成してよい。さらに、図示しないスペーサをフレーム１４および背面カバー１６の間にシール状態で挿入してチャンバー２０を形成するように分離を行って良い。

背面カバー１６は基部１９、少なくとも１つの支持部１８、燃料入口２２を含む。図４に最も良く示されるように、チャンバー２０の側部は背面カバー１６、側壁２１、フレーム１４、および燃料電池１２のアノード側部１１から形成される。背面カバー１６に形成された燃料入口２２はチャンバー２０と流体的に結合され、これは、図１−４に示すように、この実施例では、フレーム１４の背面において連続的な流体分配路またはマニホールドを形成する。支持部１８以外のものは燃料入口２２からチャンバー２０への燃料の搬送を顕著には阻まず、組立体１０において各燃料電池１２のアノード側部１１と接触することがない。

図１−４に示す実施例において、背面カバー１６および燃料電池１２の間は部分的に支持部１８および側壁２１によって分離維持される。燃料入口２２は基部１９における開口から形成され、基部１９から外側に伸び、フレーム１４から離れる。燃料入口２２は基部１９と単一的に一体に形成されてもよいし、別々に形成されてシール状態でこれに取り付けられても良い。例えば、基部１９および燃料入口２２がともに成型可能な材料から形成される場合、基部１９および燃料入口２２を別々に形成し、接着剤でシール状態で固着できる。代替的には、基部１９を燃料入口２２と一緒に成型して燃料入口２２を基部１９の一部としてよい。燃料入口２２は燃料カートリッジまたは燃料ソースに取り付けられるように構成され、燃料電池１２に燃料を供給するようになす。図１および２に示すように、燃料入口は背面カバー１６の一端に形成された単一のコンテナである。しかしながら、この発明はそのような構造に限定されない。燃料入口２２は背面カバー１６の周囲に配置された一連のキャビティとして燃料がチャンバー２０内のすべての燃料電池１２により迅速に分散するようにして良い。例えば、図５に示すように燃料入口２２を２つのキャビティ、すなわち、第１ポーと２２ａおよび第２ポート２２ｂに分割され、これらは組立体１０の両端に配される。このような構成において、燃料はチャンバー２０内を円状の流れパターンで流れる傾向があり、これが、チャンバー２０内に淀みが形成されるのを抑制し、この結果、チャンバー２０のマニホールドを通る燃料の分配が改善される。当業者には明らかなように、燃料入口２２として任意の個数の構造体を設けることができる。

燃料電池１２内において化学反応が行われるときに、いくらかの燃料が未反応に維持されることがあり得る。そのため、図５に示す実施例は、ポート２２ａまたはポート２２ｂの一方を燃料出口として未反応の燃料をチャンバー２０から出すように搬送して、リサイクルさせ、または、組立体１０から一体に搬出してよい。

フレーム１４は好ましくは堅固な材料から製造されて燃料電池１２を構造的に支持するけれども、当業界で知られている任意の材料がフレーム１４に採用されて好適である。好ましくは、フレーム１４は非電導性の材料から製造されて燃料電池１２により発生させられた電流が収集されて装置に案内されるようになす。例えば、フレーム１４は樹脂、プラスチック、およびポリマーのような成型可能材料、セラミック、ゴム、シリコーンのような可撓性材料、その他から製造されて良い。このため、燃料電池１２は任意の構造に配列でき、他方、直列または並列に電気的に接続できる。

背面カバー１６は好ましくは堅固な材料から製造されて組立体１０に対する構造的なサポートを実現する。しかしながら、燃料電池１２とともに使用されるタイプの燃料に対して実質的に不活性な、当業界で知られている任意の材料を背面カバー１６として使用して適切である。例えば、フレーム１４に使用されて適切なものとして先に列挙した任意の材料が背面カバー１６として使用して適切である。さらに、背面カバー１６またはその一部が燃料電池１２から離れて保持されるならば、背面カバー１６も金属のような導電性材料から製造されても良い。

図５ａおよび５ｂに示すように、フレーム１４および背面カバー１６は、行３０および／または列３２の間で１または複数の軸５０に沿って折れ曲がるように構成されて燃料電池１２を含む行３０または列３２が複数のプレーンに配列させられるようになってよい。したがって、燃料電池１２は図５ａにおいてプレーン１、２および３に配列される。プレーン１、２、および３の間の連結は、当業界で知られている任意のタイプの可撓性がある、または連結されたアタッチメント、例えば、ヒンジ、ライブヒンジ、材料の薄い部分等であってよい。代替的には、フレーム１４または背面カバー１６の一方、あるいは双方が可撓性のある材料、例えば、ゴム、シリコーン、薄いプラスチックまたは金属等から構築されて組立体１０が上述のように複数のプレーンに配置されるようになされてよい。当業者に理解されるように、軸５０は行３０の間、列３２の間に、任意の組み合わせで配列されて良い。さらに、任意個数の軸５０が含まれて良く、これはゼロから可撓性フレーム１４全体までであり、すなわち、フレームが実質的に円筒構造に巻くことが可能なものまでである。複数のプレーン１、２および３において行３０および／または列３２を畳み、または操作することができると、組立体を可撓性のある品物、例えば衣服や、スペースが貴重でデザイナーが内部部品の配列にオプションをほしがるような品物に組立体をフィットさせる上で好都合である。

燃料電池により生成された電流は電気導体およびコネクタにより収集される。図３に示すように、電気導体２４がフレーム１４の側部に沿ってその頂部表面上に伸びる。導体２４は、当業界で知られている任意のタイプの電気導体、例えば、銅および金を含む金属であってよく、当業界で知られている任意の構造、例えばフレーム１４の表面のフラットスプリットセット、フレーム１４内に組み込まれたワイヤーまたはフィラメント、その他を伴ってよい。導体２４は、好ましくは、開口１５のアレイの各行中の燃料電池１２が電気コネクタ２６を用いて相互に直列に接続できるように、配列される。電気コネクタ２６は、好ましくは、１つの燃料電池１２のカソード側部１３および隣接する燃料電池１２のアノード側部１１に電気的に接続された金属ワイヤーであり、電気導体２４と類似の材料から製造されて良い。コネクタ２６も、フレーム１４内に組み込まれたり、ワイヤーボンド、電導性のりのスポット、低融点金属、または、同等な相互接続技術を伴って、燃料電池１２の間の電気接続を最小化し、簡素化してよい。図１０ａ−１０ｂに示すように、導体２４は燃料電池１２の行（または列）の間に配され、また、フレーム１４内に組み込まれて良く、またコネクタ２６はカソード１３およびアノード１１を導体２４に接続する導電性スポットまたはボールである。

代替的には、燃料電池１２は接着剤または溶接部１０２によってフレーム１４に結合されて良く、これを図１０ｃ−１０ｄに示す。接着剤／溶接部１０２を用いると水素ガスがチャンバー２０内に確実にシールされる。接着剤／溶接部１０２を、燃料電池１２により生成された電気をコネクタ２６および導体２４に案内するのに用いても良い。図１０ｄは電気を収集する他の方法を示す。燃料電池１２はカソード１３に接続された電流収集プレート１０４を具備し、この電流収集プレート１０４がアノード１１に接続される。電流収集プレート１０４および１０６は燃料電池組立体において電流収集を改善する。接着剤／溶接部１０２はコネクタプレート１０４およびカソード１３をコネクタ２６に結合させ、導体２４はある燃料電池のカソード側部を隣接する燃料電池のアノード側部にブリッジするのに用いられ、これは図示のとおりである。図１０ｃ−１０ｄに示す実施例は電気的なワイヤーを用いず、電気的なワイヤーに一般的に伴うオーミックな損失を減少させる。

図３に示すように、平坦な配列の開口１５における各燃料電池１２は、単一の電気コネクタ２６によって行において水平に隣接するものに結合される。単一の電気コネクタ２６は行３０ａの末端の燃料電池１２ａを導体２４に結合する。導体２４は電気的に行３０ａを行３０ｂに接続する。そのようにして、単一の直列の電気経路が組立体１０に対して実現される。当業者に理解されるように、所望の任意の電気経路、例えば、並列経路、または直列および並列の組み合わせを組立体１０に対して実現でき、これには、単に、導体２４およびコネクタ２６を所望の電気経路を形成するように配列するだけである。少なくとも１つの導体２４が、電流を使用する装置（図示しない）、または使用目的の電流を収集し、貯蔵しまたは調整する中間的な装置に結合するように構成される。

図６は組立体１０に用いることができる代替的な背面カバー５６を示す。フレーム１４に取り付けられたときに図示の実施例において先に検討したように、単一のチャンバー２０を形成するのに代えて、背面カバー５６は単一の専用区画５８を形成して、開口１５によって形成される平坦配列中の各燃料電池１２に対応させる。各区画５８は、基部５７からこれを離れるようにフレーム１４（図１、２に示される）に伸びる側壁６０を含む。ここで、側壁６０は開口１５および燃料電池１２（図１、２に示す）の形状と類似した形状を形成する。側壁６０はフレーム１４に対してシーリングを実現して各燃料電池１２の下方に空洞６２が形成されるようになす。すなわち、空洞６２が基部５７、側壁６０、および燃料電池１２のアノード１１（図４に示す）により形成される。

区画５８は好ましくは一連のチャネル６４によって流体的に相互接続され、ただひとつの燃料サプライ、例えば燃料カートリッジまたは外部貯蔵部が組立体１０に燃料供給可能なようにする。チャネル６４は、側壁６０を通じて区画５８を結合するチューブ、基部５７中に形成されたチャネル、または当業界で知られている任意の他のタイプの流体コネクタであってよい。チャネル６４は複数の区画５８を通じて伸びても良いし、たった２つの区画を一緒にするだけでもよい。チャネル６４を相互接続する順番は設計者が望むどのような順番でもよい。例えば、各区画５８は唯一または２つの隣接する区画５８と結合されて良く、すなわち、直列接続であり、また、各区画５８は複数の他の区画と結合されて良く、その他であってもよい。

少なくとも１つのチャネル６４は、好ましくは、燃料用の入口６６に結合されるように構成され、また、少なくとも１つのチャネル６４は、好ましくは、出口６８に結合されるように構成される。他の実施例においては、出口６８は付加的な入口として働いても良い。燃料サプライは入口６６と、入口バルブ６７によって結合され、出口６８と、例えば、出口バルブ６９によって結合されて良い。入口バルブ６７および出口バルブ６９は、好ましくは、相互に反対方向に配向された遮断バルブであり、組立体１０内のチャネル６４の構造と無関係に、燃料が唯一の流路で燃料サプライに対して出入りするようになっている。当業者が理解するように、当業界で知られている任意のバルブがこの発明で用いて適切であり、またバルブが全くない場合もある。

図７−９において、この発明の組立体の代替的な実施例が示される。この実施例において、機能部品８０が組立体１０に取り付けられて組立体が直接に電気装置９０に電気を供給できるようになっている。換言すると、組立体１０および機能部品８０は一体となって電気装置９０用の電力モジュール１００として動作し、これはセルラー電話、ＭＰ３再生装置、ラップトップ、ＧＰＳ装置、その他であってよい。

好ましくは、機能部品８０は組立体１０内において燃料電池１２によって生成された電気を安定化させるように構成された回路を有する。当業界で知られているように、燃料電池１２は直流電流を生成し、これは多くの電子装置で採用されているタイプの電流と同一であるけれども、生成される電流および電圧のレベルは時間とともに大幅に変化する。これは、燃料電池１２に供給される燃料の安定供給、燃料電池１２の効率を含む、多くの要因に基づく。さらに、多くの燃料電池１２を設ける際に、各燃料電池１２が異なるレベルの電流および／または電圧を生成する。燃料電池１２の各々が一定の電流／または電圧を生成したとしても、電子装置は異なるレベルの電流および／または電圧を必要とするかもしれない。好ましくは、機能部品８０は少なくとの１つの特定用途向け集積回路チップ（ＡＳＩＣ）を有し、これが、例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータ、電圧安定化器、オペアンプ、またはその他であってよい。機能部品８０は種々の機能を実現するように構成されていても良く、これら機能はこれに限定されないが、燃料電池電解質の湿度を調整するために電流を調節して燃料電池反応を制御すること、燃料電池の電圧を増加または減少させて燃料電池システムの歩留りを制御すること、または、反応が進展するのに従って溢れや乾燥を回避するために燃料電池効率を制御することを含む。

図９に示すように、すべての燃料電池１２は、図３に示す実施例と同様に、コネクタ２６によって相互に直列に接続され、また、機能部品８０が燃料電池に電気的に接続されて燃料電池１２により生成された電気を収集して電子装置９０に適した出力に変換する。電気コネクタ２６は、ワイヤーボンド、電導性のりのスポット、低融点金属、または、当業界で知られている同等な相互接続技術によって形成されて良い。機能部品８０は、電子装置９０が動作するように正確な量の電気を供給する安定化器、バッテリ充電、過負荷に対する防護、または当業界で知られている他の用途として働いて良い。１の実施例において実現される電気は約３−７ボルトで約１５０−２５０ｍＡと考えられるが、これは燃料電池１２の数を異ならせ、または機能部品８０のタイプを異ならせることにより変化するであろう。

フレーム８４はフレーム１４と同様であって良く、これは図１−５に示され、この発明の燃料電池組立体１０の他の実施例に採用されている。ただし、機能部品８０用の開口の寸法および形状は機能部品８０自体の寸法および形状により決定され、燃料電池１２用の開口１５と同一寸法で同一形状であってもよいし、そうでなくてもよく、フレーム８４は機能部品８０用に異なる寸法の開口８５を提供して良い。オプションの絶縁層８７を開口８５の下方に設けて機能部品８０が電力モジュール１００の内部の燃料と接触しないようにしてよい。代替的には、図８に示すように、背面カバー８２が図４の側壁９と類似するシーリング壁８６を含んでよく、これが機能部品８０の下方の領域を燃料の自由な流れから絶縁する。

電力モジュール１００は電子装置９０に永久的に固着されるものでよく、この場合、新鮮な燃料が供給される必要がある。代替的には、電力モジュール１００は使い捨てであってよく、あるいは、電力モジュール１００は燃料カートリッジに取り付けられて良い。

ここに開示したこの発明の説明的な実施例がこの発明の目的を実現することは明らかであるが、多くの変形令や他の実施例を当業者がなし得ることに理解されたい。さらに、いずれの実施例の特徴および／または要素が、単一でも、また、他の実施例の特徴および／または要素と組みあわせても採用できる。したがって、添付の特許請求の範囲は、これらすべての変形例や実施例をカバーすることを意図し、これらはこの発明のその趣旨および範囲内のものであることは、容易に理解できる。ここで検討したすべての特許文献は、特許、特許出願、論文を含み、またこれに限定されないが、その内容は参照してここに組み入れられる。
以下、この発明の技術的特徴を列挙する。
［技術的特徴１］
内部に複数の開口を形成してアレイを構成するフレームと、
開口の各々の内部にシール状態で配されるアノード側部を有する燃料電池と、
上記燃料電池のアノード側において上記フレームとシール状態で取り付けられる背面カバーと、
上記背面カバーに結合され、燃料サプライに結合可能な燃料入口と、
上記フレームおよび上記背面カバーの間に形成されたチャンバーとを有し、
上記チャンバーは、上記燃料サプライと流体的に結合可能であり、上記燃料電池の各々は上記チャンバーと流体的に接触し、燃料が上記燃料サプライから上記チャンバーを介して分散されて上記燃料電池のアノード側部に供給される燃料電池組立体。
［技術的特徴２］
上記背面カバーの基部から少なくとも１つの燃料電池へ伸びる少なくとも１つの支持部をさらに有する技術的特徴１記載の燃料電池組立体。
［技術的特徴３］
上記少なくとも１つの支持部は柱部である技術的特徴１記載の燃料電池組立体。
［技術的特徴４］
各支持部は上記基部から伸びて上記フレームにシール状態で連結される少なくとも１つの側壁を有し、上記側壁は上記燃料電池のアノード側部を包囲して上記チャンバーを複数の区画に分割し、少なくとも１つのチャネルが１つの区画を少なくとも１つの隣接する区画に流体的に連結する技術的特徴２記載の燃料電池組立体。
［技術的特徴５］
少なくとも１つのチャネルは上記燃料入口に結合される技術的特徴４記載の燃料電池組立体。
［技術的特徴６］
上記燃料入口および上記少なくとも１つのチャネルに結合されたバルブをさらに有する技術的特徴５記載の燃料電池組立体。
［技術的特徴７］
少なくとも１つの付加的な燃料ポートを有する技術的特徴１記載の燃料電池組立体。
［技術的特徴８］
上記少なくとも１つの燃料ポートは入口であり、複数の燃料入口が組立体内部に並べられ、燃料が上記複数の燃料入口を介して案内されるときに円形の流れパターンが形成される技術的特徴７記載の燃料電池組立体。
［技術的特徴９］
第１の燃料入口が上記燃料電池組立体の第１端部に配され、第２の燃料入口が上記燃料電池組立体の反対の端部に配される技術的特徴７記載の燃料電池組立体。
［技術的特徴１０］
少なくとも２つの燃料電池が少なくとも２つの異なるプレーンに配すことが可能であるように上記フレームおよびカバーが少なくとも１つの軸に沿って調整可能である技術的特徴１記載の燃料電池組立体。
［技術的特徴１１］
上記少なくとも１つの付加的な燃料ポートは出口である技術的特徴７記載の燃料電池組立体。
［技術的特徴１２］
上記少なくとも２つの燃料電池はヒンジによって相互に取り付けられている技術的特徴１０記載の燃料電池組立体。
［技術的特徴１３］
上記フレームおよびカバーは可撓性材料を有する技術的特徴１０記載の燃料電池組立体。
［技術的特徴１４］
少なくとも１つの電気コネクタを有し、上記少なくとも１つの電気コネクタが第１の燃料電池を少なくとも１つの第２の燃料電池に接続する技術的特徴１記載の燃料電池組立体。
［技術的特徴１５］
上記少なくとも１つの電気コネクタは上記フレームの表面に配される技術的特徴１４記載の燃料電池組立体。
［技術的特徴１６］
上記少なくとも１つの電気コネクタは上記フレームまたは上記背面カバー内に埋め込まれる技術的特徴１４記載の燃料電池組立体。
［技術的特徴１７］
上記第１の燃料電池は上記少なくとも１つの第２の燃料電池と電気的に直列に接続される技術的特徴１４記載の燃料電池組立体。
［技術的特徴１８］
上記第１の燃料電池は上記少なくとも１つの第２の燃料電池と電気的に並列に接続される技術的特徴１４記載の燃料電池組立体。
［技術的特徴１９］
少なくとも１つの電池コネクタが上記少なくとも１つの燃料電池を装置に接続するように構成される技術的特徴１４記載の燃料電池組立体。
［技術的特徴２０］
機能部品に電気的に接続された少なくとも１つの燃料電池を有する電力モジュールにおいて、上記機能部品は上記少なくとも１つの燃料電池から生成された電気を収集し上記電気を調整した後に当該調整した電気を電子装置に供給し、上記少なくとも１つの燃料電池および上記機能部品が単一構造によって支持される電力モジュール。
［技術的特徴２１］
内部に複数の開口を形成してアレイを構成するフレームと、
上記燃料電池のアノード側において上記フレームとシール状態で取り付けられる背面カバーと、
上記背面カバーに結合され、燃料を含有する燃料サプライに結合可能な燃料入口と、
上記フレームおよび上記背面カバーの間に形成されたチャンバーとを有し、
上記チャンバーは、上記燃料サプライと流体的に結合可能であり、上記燃料電池の各々は上記チャンバーと流体的に接触し、燃料が上記燃料サプライから上記チャンバーを介して分散されて上記燃料電池のアノード側部に供給され、
上記少なくとも１つの燃料電池が上記複数の開口の少なくとも１つの内部にシール状態で配される技術的特徴２０記載の電力モジュール。
［技術的特徴２２］
上記燃料サプライは燃料カートリッジを有する技術的特徴２０記載の電力モジュール。
［技術的特徴２３］
上記機能部品はＤＣ−ＤＣコンバータ、オペアンプ、および電力安定化器からなるグループから選択される技術的特徴２０記載の電力モジュール。
［技術的特徴２４］
上記機能部品は特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）チップである技術的特徴２０記載の電力モジュール。
［技術的特徴２５］
上記機能部品は上記フレーム内の上記複数の開口の１つの内部に位置決めされる技術的特徴２０記載の電力モジュール。
［技術的特徴２６］
上記機能部品は上記燃料電池の少なくとも１つ、および電子装置に電気的に接続される技術的特徴２０記載の電力モジュール。
［技術的特徴２７］
上記電子装置はバッテリ、電話、ラップトップ装置、ＭＰ３再生装置、ＧＰＳ装置、およびＰＤＡからなるグループから選択される技術的特徴２６記載の電力モジュール。
［技術的特徴２８］
上記電力モジュールは、電圧が約３Ｖから約７Ｖの範囲で、アンペアが約１５０ｍＡから約２５０ｍＡの範囲である電流を出力する技術的特徴２６記載の電力モジュール。
［技術的特徴２９］
少なくとも２つの燃料電池が少なくとも２つの異なるプレーンに配すことが可能であるように上記フレームおよびカバーが少なくとも１つの軸に沿って調整可能である技術的特徴２０記載の電力モジュール。
［技術的特徴３０］
（ｉ）少なくとも１つの燃料電池および単一のプリント基板（ＰＣＢ）に配された機能部品を設けるステップと、
（ｉｉ）燃料を燃料サプライから上記少なくとも１つの燃料電池に搬送して燃料電池反応を開始させて初期電流を生成するステップと、
（ｉｉｉ）上記機能部品は上記フレーム側に配されて上記アレイ中の上記少なくとも１つの燃料電池と、電子装置とに電気的に接続されており、上記機能部品を用いて上記初期電流を利用可能電流に変換するステップと、
（ｉｖ）上記利用可能電流を上記機能部品から上記電子部品に搬送するステップとを有する、電子装置に電気を供給する方法。
［技術的特徴３１］
ステップ（ｉ）は、少なくとも１つの燃料電池のアレイを設けるステップを有し、燃料電池の各々はアノード側部およびカソード側部を有し、上記アレイはフレーム中に配列され、背面カバーが上記フレームとシール状態で取り付けられて上記燃料電池の上記アノード即部および上記背面カバーの間にチャンバーが形成される技術的特徴３０記載の方法。
［技術的特徴３２］
上記機能部品は特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）チップである技術的特徴３０記載の方法。
［技術的特徴３３］
上記燃料サプライは燃料カートリッジを有する技術的特徴３０記載の方法。
［技術的特徴３４］
ステップ（ｉｉｉ）はさらに上記初期電流を電力安定化させるステップをさらに有する技術的特徴３０記載の方法。
［技術的特徴３５］
ステップ（ｉｉｉ）はさらに電流レベルをＤＣ−ＤＣコンバータを用いて調整するステップをさらに有する技術的特徴３０記載の方法。
［技術的特徴３６］
ステップ（ｉｉｉ）はさらに電圧を上記オペアンプを用いて増幅するステップをさらに有する技術的特徴３０記載の方法。
［技術的特徴３７］
上記単一構造はプリント基板である技術的特徴２０記載の電力モジュール。
［技術的特徴３８］
上記少なくとも１つの電気コネクタはワイヤボンディングにより形成される技術的特徴１６記載の燃料電池組立体。
［技術的特徴３９］
上記少なくとも１つの電気コネクタはある量の導電性接着剤を有する技術的特徴１６記載の燃料電池組立体。
［技術的特徴４０］
上記少なくとも１つの電気コネクタはある量の低融点金属を有する技術的特徴１６記載の燃料電池組立体。

９ 側壁
１０ 燃料電池組立体
１１ アノード側部
１２ 燃料電池
１３ カソード側部
１４ フレーム
１５ 開口
１６ 背面カバー
１７ タブ
１８ 支持部
１９ 基部
２０ チャンバー
２１ 側壁
２２ 燃料入口
２３ ヒートシンク
２４ 電気導体
２６ 電気コネクタ

Claims (11)

1. 内部に複数の開口を形成してアレイを構成するフレームと、
   開口の各々の内部にシール状態で配されるアノード側部を有する燃料電池と、
   上記燃料電池のアノード側において上記フレームとシール状態で取り付けられる背面カバーと、
   上記背面カバーに結合され、燃料サプライに結合可能な燃料入口と、
   上記フレームおよび上記背面カバーの間に形成された単一のチャンバーとを有し、
   上記チャンバーは、上記燃料サプライと流体的に結合可能であり、上記燃料電池の各々は上記チャンバーと流体的に接触し、燃料が上記燃料サプライから上記チャンバーを介して分散されて上記燃料電池のアノード側部に供給される燃料電池組立体。
2. 上記背面カバーの基部から少なくとも１つの燃料電池へ伸びる少なくとも１つの支持部をさらに有する請求項１記載の燃料電池組立体。
3. 各支持部は上記基部から伸びて上記フレームにシール状態で連結される少なくとも１つの側壁を有し、上記側壁は上記各燃料電池のアノード側部を包囲して上記チャンバーを複数の区画に分割し、少なくとも１つのチャネルが１つの区画を少なくとも１つの隣接する区画に流体的に連結する請求項２記載の燃料電池組立体。
4. 少なくとも１つの付加的な燃料ポートを有する請求項１記載の燃料電池組立体。
5. 上記少なくとも１つの燃料ポートは入口であり、複数の燃料入口が組立体内部に並べられ、燃料が上記複数の燃料入口を介して案内されるときに円形の流れパターンが形成される請求項４記載の燃料電池組立体。
6. 少なくとも２つの燃料電池が少なくとも２つの異なるプレーンに配すことが可能であるように上記フレームおよびカバーが少なくとも１つの軸に沿って調整可能である請求項１記載の燃料電池組立体。
7. 上記少なくとも１つの付加的な燃料ポートは出口である請求項４記載の燃料電池組立体。
8. 上記少なくとも２つの燃料電池はヒンジによって相互に取り付けられている請求項６記載の燃料電池組立体。
9. 上記フレームおよびカバーは可撓性材料を有する請求項６記載の燃料電池組立体。
10. 上記第１の燃料電池は上記少なくとも１つの第２の燃料電池と電気的に直列に接続される請求項１記載の燃料電池組立体。
11. 上記第１の燃料電池は上記少なくとも１つの第２の燃料電池と電気的に並列に接続される請求項１記載の燃料電池組立体。

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