JP2006503415A - 薄膜燃料電池用電解質及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

電解質（１０）は、コア（１２）と、当該コア（１２）から延びる少なくとも１つの突出部（１６）を有する。コア（１２）は、基材上に支持されており、且つ少なくとも１つの突出部（１６）は、基材（１４）とは離れている。

Description

本発明は、薄膜燃料電池の分野に関する。本発明は、詳細には、薄膜電解質、薄膜構造、薄膜燃料電池、薄膜燃料電池を内蔵する電子装置、及び薄膜電解質と燃料電池を製造する方法に関する。

燃料電池は、水素や酸素などの、燃料と酸化剤とを直接結合させて、電気と、水などの排出物とを生成する電気化学装置である。それは、電解質によって分離された、陰極すなわち燃料極と、陽極すなわち空気極とを有する。水素は、燃料極上でプロトンへと酸化され、これに伴い電子が放出される。空気極では、分子状酸素が反応して酸素イオンとなり、このプロセスで電子が消費される。電子は、外部負荷を通って燃料極から空気極に流れ、回路は、電解質を通るイオン電流輸送によって完結する。水素燃料電池は有毒ガスを放出しない。それらは、静かに作動し、最大約８０パーセントの潜在的効率を有する。

燃料電池の１つの具体的種類に、固体電解質層を備える薄膜電池がある。この種の燃料電池は、小型装置やマイクロエレクトロニクス装置などの用途に特に適している。一般に、燃料電池の電力出力は、電解質と燃料極間並びに電解質と空気極間の有効境界面積にほぼ正比例して変化する。薄膜電池からの出力を高めるために、より長く幅の広い燃料極、空気極及び電解質層が提供されてきた。これらの層を大きくすると、電池のための設置面積を大きくする必要があった。これは、マイクロエレクトロニクス装置では望ましくない。

固体酸化物薄膜燃料電池に関しては、さらに他の問題も知られている。例えば、この燃料電池は、一般に、７００〜１０００℃の範囲の比較的高い作動温度を必要とする。このような高い温度によって、薄膜燃料電池の層間剥離問題が引き起こされることがある。詳細には、そのような作動温度への／からの熱サイクルによって、様々な燃料電池層の実質的な熱膨張と収縮が起こり得る。当該層は様々な熱膨張係数を有する種々の材料で製造されているため、それらは異なる程度にて膨張収縮し得る。この結果、層は互いに剥離し得る。

これらの問題のいくつかに対する解決策が提案されている。例えば、類似の熱膨張係数を有する燃料極、空気極及び電解質層を用いる燃料電池を構成することが提案されている。しかしながら、これは、熱膨張係数を厳密に一致させることが必ずしも燃料電池性能を高めることと相関しないため困難な場合がある。

本発明によれば、薄膜燃料電池と共に用いるための電解質は、基材上に支持されている電解質コアを含んで成る。少なくとも１つの電解質突出部が、前記コアから突出し且つ基材の上方で懸架されている。

本発明は、薄膜燃料電池、薄膜燃料電池用電解質、薄膜燃料電池を内蔵する電子装置、及び電解質と薄膜燃料電池を製造する方法に関する。本発明は、多くの利点を提供する。例えば、本発明を実施することによって得られる薄膜電解質の形状は、薄膜燃料電池の層の良好な機械的結合を可能にし、したがって層剥離に対する耐性の改善を可能にする。さらに、中間層の表面積が大きくなるため反応速度が比較的速くなり、流れ場における乱れを大きくする曲がりくねった構造を形成することができる。本発明の以上その他の利点は、本明細書に記載し且つ図面に示す例示的な発明の実施形態に関する詳細な説明を検討することによって、より良く理解されよう。次に図面に移ると、図１及び図２は、本発明の薄膜電解質の実施形態を概略的に１０で示す。電解質１０は、基材１４上に支持されている実質的に垂直なコア１２を有する。基材１４は、コア１２と導電的に接続される導体とも、絶縁体ともし得る。コア１２は、３次元の概して長方形の形状を有しているが、本発明は、限定はしないが、例えば円形、楕円形、多角形などをはじめとする様々な他の形状のコアを用いて実施することができる。複数の突出部１６は、コア１２に一体的に接続されており、且つ基材１４の上方において懸架されている。本明細書で用いるとき、用語「一体的に接続された」とは、同一完全体の一部及び連続したものの一部であることを広義に指すよう意図されている。

突出部１６は、ほぼ平面のコアの第１の側面２０及び反対のほぼ平面の第２の側面２２から外方に延在している。したがって、突出部１６は、基材１４の上方において支持されており、それらの間に画定された間隙１８を有する。突出部１６は、他の形状も考えられるが、概して、三次元の長方形に形成され、それらの上面及び下面の表面積が最大となるように、概して、コア１２よりも幅が広くて薄い。

例示的な電解質１０のような本発明の薄膜電解質にはいくつかの利点がある。例えば、突出部１６は、燃料極及び空気極との大きい接触表面積を提供する。さらに、突出部１６は、燃料極及び空気極に対し強力な機械的結合をもたらすため、層剥離問題が軽減される点で有利である。また、これらの構造を非線形構造にて配置することで、燃料流及び酸化剤流のための曲がりくねった経路が形成され、気体／表面の相互作用の機会を高めることができる。

薄膜電解質は、当分野で一般的に知られているような適切な材料を用いて製造し得ることが理解されよう。例を示せば、電解質１０が、固体酸化物燃料電池に使用されるものである場合、限定はしないが、例えば、イットリア安定化ジルコニア、サマリアドープドセリア、ガドリニアドープドセリア、ランタンストロンチウムガリウムマンガナイトなどのセラミックスのような材料で作ることができる。電解質１０は、固体酸化物燃料電池と共に使用するよう限定されるものではなく、異なる材料からなる電解質１０を形成することが望まれるような、他の多くの種類の燃料電池に有効であり得ることが理解されよう。例えば、電解質１０（及び／又は電解質支持構造）は、プロトンセラミック燃料電池、プロトン交換膜燃料電池、溶融炭酸塩燃料電池、アルカリ電解質燃料電池、又はりん酸燃料電池のいずれにも有効である。コア１２は、図２に寸法Ａとして示す約１〜約１０００ミクロンの幅を有することができる。好ましい幅は、約１〜約２５０ミクロンである。突出部１６はそれぞれ、図２に示すように、約０．２５〜約１５００ミクロンの幅Ｂを有する。コア１２は、図１に示すように、小さければ約０．２５ミクロン、大きければ約５００ミクロンの高さＣを有することができる。突出部１６はそれぞれ、図１にＤとして示す、約１ミクロン〜約５０ミクロンの高さを有することが好ましい。

長さをはじめとする、コア１２、突出部１６、及び基材１４の詳細な寸法は、具体的用途により変更し得る。例えば、境界面積を最大にしたり、層剥離を最大限に減少させたり、又はガスチャネルを形成するように、形状と寸法を決めた電解質１０を提供することが望ましい。表面積が大きく層剥離が少ない例示的なケースでは、ガスチャネル用途と比較して単位面積当たりの密度が高い、より小さい電解質１０を使用することが好ましい場合がある。

例えば図２を参照すると、表面積を大きくし且つ層剥離を減少させるために有効な本発明の電解質構造の実施形態においては、寸法Ａは約１ミクロン以下であり、そのような用途では寸法Ｂは約０．２５〜約５ミクロンであり、寸法Ｄ（図１）は約１ミクロン〜約２ミクロンである。ガスチャネルを形成する例示的なケースでは、より大きな電解質を使用してより大きなチャネルを形成し、それによって空気及び／又は燃料の流れの制約を少なくすることが好ましい場合がある。ガスチャネル電解質の用途では、例えば、図２の寸法Ａは約２５０ミクロンであり、寸法Ｂは約５００ミクロンであり、寸法Ｄ（図１）は約５０ミクロンである。

さらに、これらの用途では、他の形状のコア１２及び突出部１６が有効な場合がある。例えば、表面積を大きくし、層剥離を減らし、当該構造を通過するガス流の乱れを大きくするためには、独立した正方形、長方形、又は円形の構造が有効であり得る。実際に、本発明の他の例示的な実施形態では、電解質構造上に形成された燃料電池を通って流れるガスの乱れを大きくするために、複数の別個の電解質構造を非線形配列にて設けている。図３は、ガス流の乱れを大きくすべく、基材１４上に非線形配列にて構成された、複数の概して六角形の電解質コア１２及び突出部１６を表す上面図である。図３のコア、突出部及び基材を表すために、図１〜図２と共通の要素番号を用いているが、図３の突出部及びコアが図１〜図２のものとは異なる形状を有していることが理解されよう。表面積を最大にし流れの乱れを大きくするために、他の多くの形状及び配列もまた有効であることが当業者には理解されよう。

本発明の電解質の利点は、本発明の燃料電池の実施形態を検討する際に、より良く理解されよう。図４は、図１及び図２の例示的な電解質１０を備える、全体を３０で示した燃料電池を示している。燃料極３２は、電解質の第１の側面２０と、その側面から延在する複数の突出部１６とに付着している。空気極３４は、反対の第２の側面２２と、その側面から延在する複数の突出部１６とに付着している。同じ電池の燃料極３２と空気極３４は互いに離れていることが好ましいが、隣接する電池の燃料極３２と空気極３４とは、積み重ねるために接続することができる。当分野で一般的に知られているように、燃料極３２と空気極３４との間で電流を伝え、且つマイクロプロセッサや他の電子機器又はマイクロエレクトロニクス装置などの電気負荷３７に電流を送るために、電流コレクタ３５を設けることができる。この図に示す電流コレクタ３５は単なる例示にすぎず、多くの異なる設計を検討することができる。当業者は、電流コレクタ３５が、電極の性能を妨げるべきでないことも理解されよう。それは、例えば多孔質電流コレクタ３５を利用することによって達成し得る。

電解質１０の構造に起因して、従来技術のほぼ平坦な層状の電解質と比較して、燃料極３２及び空気極３４は電解質１０に対し比較的強く機械的に結合することが理解されよう。さらに、比較的小さい設置面積を維持しながら、電解質１０と燃料極３２及び空気極３４の間の境界表面積を比較的大きくすることができる。これにより、有効表面積が大きくなるため、比較的高い電流出力がもたらされる。

図５は、例示的な燃料電池４０の様式の、他の発明の実施形態を示している。電池４０は、燃料極４２及び空気極４４が電解質１０の表面にほぼ整合するような薄い層で形成されている点以外は、電池３０に類似する。燃料極４２及び空気極４４の厚さは、約０．５ミクロン以下と小さくできる。これは、図４の構成よりも大きい反応表面積をもたらすのに有利であり得る。

燃料極３２又は４２は、当分野で一般的に知られている有用な材料で作ることができる。例えば、ＳＯＦＣ用途の例示的な燃料極材料は、セラミックス／金属混合物（「サーメット」）であり、具体例として、限定はしないが、イットリア安定化ジルコニア／ニッケル、サマリアドープドセリア／ニッケル、サマリアドープドセリア／銅などが挙げられ、また、触媒作用が高く、導電性で、イオン伝導性のセラミックスの複合混合物も考慮することができる。空気極３４又は４４もまた、当分野で有効であることが知られている材料で形成することができ、ＳＯＦＣ用の例示的な材料として、電極触媒と酸素イオン伝導体との複合混合物が挙げられる。具体例として、限定はしないが、ランタンストロンチウムマンガナイト／イットリア安定化ジルコニア、ランタンストロンチウム輝コバルト鉱フェライト／サマリアドープドセリア、サマリウムストロンチウム輝コバルト鉱／サマリアドープドセリアなどが挙げられる。

様々な構成及び種類の電解質と燃料電池とを用いて本発明を実施できることが理解されよう。図６は、全体を５０で示す、さらに他の電解質の実施形態を示している。２つのほぼ垂直なコア５２が、基材５４の両側にある。複数の突出部５６が、コア５２の両側の平らな側面６０及び６２から延在している。基材５４は、電解質５０の一体部であることが好ましい。

図７は、電解質５０を備える、本発明のさらに他の燃料電池の実施形態を全体を７０で示している。燃料電池７０では、燃料極７２は、基材５０の第１の側のコア５２と突出部５６に付着しており、空気極７４は、基材５０の反対側の第２の側のコア５２と突出部５６に付着している。空気極７２と燃料極７４の各々を包囲する２つの筐体７６及び７８もまた設けられている。当業者には理解されるように、筐体７６及び７８は、燃料極７４及び／又は空気極７２と反応する燃料及び／又は酸化剤ガスを収容するために用いることができる。これらの筐体７６及び７８はまた、多孔質の燃料極７４及び空気極７２材料も収容することができる。筐体７６及び７８には、限定はしないが、例えばマニホルドや壁で構成されたチャンバなどをはじめとする、当分野で有効であることが一般的に知られている任意の筐体が包含され得る。

単一の電解質、単一の空気極及び単一の燃料極で構成された個別の燃料電池は、多くの用途において不十分であろう、比較的少ない電流及び電圧をもたらすことが当業者には理解されよう。当該理由並びにその他の理由のため、個別の燃料電池は、より大きくより有効な強度の合計電流及び電圧を提供すべく、多くの場合、組み合わされ、直列又は並列にて電気的に接続される。本発明の燃料電池は、そのような構成にて提供することができる。

例えば、図８は、図１の電解質１０と同じ全体を１０で示した複数の個別の電解質を備え且つ基材１１４上に支持されたほぼ垂直なコア、即ちコア１２を備える、全体を１００で示す本発明の燃料電池アセンブリを示している。それぞれのコア１２の両側から複数の突出部１６が延在している。それぞれのコア１２の側面とその側面から延在している複数の突出部１６に燃料極１３２が接続されている。それぞれのコア１２の両側とその側面から延在している複数の突出部１６に空気極１３４が接続されている。基材１１４、電解質１２、複数の燃料極３２、及び複数の空気極３４を覆うようにマニホルド１３６が設けられている。

マニホルド１３６はまた、複数のチャネル１３８を画定する機能を有する。各チャネル１３８は、チャネル間でガスを行き来させるための少なくとも１つのポート（図示せず）を有する。燃料極１３２と空気極１３４は、チャネル１３８の各々が燃料極１３２だけ又は空気極１３４だけを含むように配置される。すなわち、燃料極３１２は、隣接した対として配置され、空気極は、隣接した対として配置される。即ち、燃料電池アセンブリ１００は、隣接する電解質１０に互いに隣接するよう接続された２つの燃料極１３２を有し、同様に隣接する電解質１０に互いに隣接するよう接続された２つの空気極１３４を有する。燃料極１３２と空気極１３４がそれぞれ接続される個々の電解質１０の各々は、電流コレクタ（図示せず）によって直列又は並列にて電気的に接続することができる。

本発明の他の多くの構成の電解質及び燃料電池にも長所のあることが理解されよう。例えば、図９に全体を２００で示す燃料電池アセンブリは、それぞれが最大４つの燃料極２３２又は空気極２３４を有する複数のチャネル２３８を有している。燃料極２３２及び空気極２３４は、図１の電解質１０と同じで且つコアとコアから延在する複数の突出部とを含んで成る電解質１０の両側に接続されている。図示するように、チャネル２３８は、２つの対向する基材２１４の間に延在する壁２４０によって画定されており、壁２４０のいくつかは電解質１０によって受けられており、端の２つの壁は基材２１４によって受けられている。

燃料極２３２と空気極２３４は、各チャネル２３８が燃料極２３２か空気極２３４だけを含むように配置される。即ち、連続した電解質１０に接続される燃料極２３２が隣接するように、燃料極２３２は、各基材２１４上において、第１の電解質１０の第１の側面と、隣接する電解質１０の第２の側面に接続される。同様に、空気極２３４は、各基材２１４上において、連続した電解質１０からの空気極２３４が互いに隣接するように配置される。

図１０は、本発明のさらに別の燃料電池構成を示している。全体を３００で示す燃料電池は、その上面及び下面両側のそれぞれに支持されている複数の個別の電解質構成体３１０を有する基材３１４を含んで成る。電解質構成体３１０の各々は、図１の電解質１０と同じであり、コア又はコア、並びにコアから延在している複数の突出部又は突出部を含む。基材３１４は、電解質構成体３１０と同じ材料で作られており、電解質の一部をなすように電解質構成体３１０と一体的に接続されることが好ましい。したがって、基材３１４の各両側の電解質構成体３１０が電気的に接続されており、且つ構成体３１０と基材３１４は一緒になって機能的に単一の電解質を構成している。

基材の対向する側のうち一方の上にある複数の電解質構成体３１０に燃料極３３２が接続されており、対向する側の他方の上にある複数の構成体３１０に空気極３３４が接続されている。それによって、燃料極３３２と空気極３３４は、複数の構成体３１０によって電解質３１４にしっかりと固定化されている。少なくとも１つのポート（図示せず）を使用してガスを送ることができるチャネル３３８を画定するために、電解質基材３１４の一方の側にマニホルド３３６が接続される。空気極３３４を収容するチャネルを画定するためにさらに他のマニホルドを設け得ることは理解されよう。また、本発明の燃料電池の他の実施形態では、互いに直列又は並列に電気的に接続された複数の燃料電池３００が含まれ得ることも理解されよう。

本明細書で述べた本発明の燃料電池及び燃料電池アセンブリの他の実施形態も同様に、、直列、並列、又は他の方法で組み合わせ得ることが理解されよう。例えば、図１１は、図９のアセンブリ２００の２つを互いに積み重ねて含む燃料電池アセンブリ４００を示している。基材２１５は、２つのアセンブリ２００を互いに隔てさせ、その上面及び下面の両側に電解質１１０を支持している。基材２１５は、互いに層状に積み重ねられた２つの基材２１４を含んで成ることも、単一の基材層とすることもできる。各電池アセンブリ２００の燃料極２３２及び空気極２３４を直列あるいは並列に接続することによって、アセンブリ２００の全てからの累計の電流を供給することができる。２つの燃料電池アセンブリ２００のみを示したが、任意の所望の数の燃料電池アセンブリ２００を積み重ねることができることは理解されよう。当該構成は、比較的小さな設置面積しか必要としないが、電力出力が比較的大きいという利点をもたらす。

電解質及び燃料電池に加えて、本発明はまた、電解質を製造する方法並びに燃料電池を製造する方法に関する。図１２は、本発明の電解質を製造するための、本発明の方法の一実施形態を示すフローチャートである。最初のステップで、基材上に複数の層を付着させるが、当該層のうち少なくとも２つの層は、異なるエッチ選択性を有している（ブロック４０２）。当該層は、限定はしないが、例えば、シリコン、シリコン酸化物、ポリシリコン、不純物添加シリコン、スピンオンガラスなどをはじめとする、当分野で一般的に知られている様々な適切な材料で作ることができる。当該層は、限定はしないが、真空蒸着やスパッタリングなどをはじめとする、当分野で一般的に知られている付着方法を利用して付着させることができる。当該層のうち、異なるエッチ選択性を有する少なくとも２つの層は、異なる材料で作ることが好ましい。しかしながら、同じ材料で作製された層が異なるエッチ選択性を有し得ることは理解されよう。例えば、同じ材料では作られているが粒子径の異なる２つの層は、異なるエッチ選択性を有し得る。

次に、当該層を異方性エッチングすることによって、電解質コアを画定する第１のチャンバを、複数の層内に画定する（ブロック４０４）。層内にチャンバを画定するためのエッチング以外の除去方法は既知であり、本発明の実施に有効であることが当業者には理解されよう。コアチャンバを画定する際、異なる材料で作成された２つの層の各々の一部が除去される。複数の層の各々の一部を除去することが好ましい。したがって、２つの異なる材料、即ちそれぞれ異なるエッチ選択性を有する材料の両方を処理するのに有効なエッチングあるいは他の除去方法が使用される。

次のステップにおいて、複数の層のうちの１つ又は複数の特定の層の一部から少なくとも１つの追加のチャンバを画定することで、少なくとも１つの電解質突出部を画定するた（ブロック４０６）。当該ステップは、複数の層のうちの特定の層のみが反応するエッチングや他の除去法を用いるか、又は層のうちのいくつかが他の層よりも強く反応するエッチングを用いることによって達成し得る。例えば、２つの層ＡとＢがそれぞれ異なるエッチ選択性を有する場合、Ａよりも高い比率でＢに作用するエッチング技術を利用することで、Ｂでできた層のみに作用するか、あるいはＡの部分よりもＢの部分を実質的に大きくエッチングすることができる。複数の突出チャンバを形成することが好ましい。

コア及び突出部チャンバを画定するこれらのステップの後には、電解質を画定するパターンが複数の層内に存在する。次いで、この電解質画定チャンバに電解質材料を充填する（ブロック４０８）。パターンの充填は、真空蒸着やスパッタリングなど、当分野で一般的に知られている技術を利用して達成することができる。また、電解質材料として使用するために種々の材料が適しており、例示的な材料としては、本発明の電解質の実施形態に関して説明したセラミックスがある。

次いで、複数の層の残りの部分を除去して、基材上に自立した電解質構造を残す（ブロック４１０）。例えば、この実施形態の方法ステップによって構成された自立形電解質は、図１に示した電解質１０に一致する。当該電解質を備える燃料電池を製造すべく、次いで、電解質上に燃料極と空気極を形成するステップを実施する（ブロック４１２）。燃料極は電解質構造の一方の側に形成させ、空気極は他方の側に形成させ、そして２つを互いに離すことが好ましい。燃料極と空気極はそれぞれ、電解質コアから延在する複数の突出部に接続することが好ましい。これらのステップによって構成された例示的な燃料電池は、図４の燃料電池３０とほぼ一致し得る。

図１３（ａ）〜１３（ｇ）を検討することによって、本発明の電解質及び燃料電池を製造する方法に関する本発明の実施形態をさらに詳しく説明することができる。図１３（ａ）は、基材５０４上に付着した複数の層５０２を示している。複数の層５０２は、異なるエッチ選択性を有する少なくとも２つの個別の層５０６及び５０８を含む。即ち、少なくとも１つの第１の層５０６が第１のエッチ選択性を有し、少なくとも１つの第２の層５０８が第２のエッチ選択性を有する。２つの層５０６及び５０８は、互いに異なる材料で作ることが好ましい。第１及び第２の材料は、エッチングのような特定の除去方法に対する耐性が互いに異なることが好ましい。本発明の実施に際し、第１の材料又は第２の材料に様々な材料が適するであろうことは当業者には理解されよう。例えば、第１の材料には、等方性ＳＦ_６エッチング工程によって容易に除去され得るシリコンを用いることができ、第２の材料には、等方性ＳＦ_６エッチングによる除去に耐えるＳｉＯ_２を用いることができる。

複数の層５０２を付着させた後、図１３（ｂ）に示すように、エッチング工程や他の工程によってそれらの層の一部を除去してチャンバ５１０を形成する。即ち、チャンバ５１０を形成するために、層５０６及び５０８の各々の一部を除去している。チャンバ５１０は、電解質コアを画定することになり、それ故チャンバ５１０はコアチャンバと称し得る。両方の層の除去は、両方の層に作用する除去法によって実現することができ、又は特定の層に対し望ましいような異なる技術を利用して１つの層、そして次の層といった、複数の除去ステップによって実現することができる。

次の除去ステップにおいて、図１３（ｃ）に示すように、層５０８の一部のみを除去して、複数の突出部チャンバ５１２を形成させる。これらの突出部チャンバを画定する当該除去ステップは、層５０６のかなりの量を除去するのには効果のない方法であることが好ましい。突出部チャンバ５１２の各々が、電解質の複数の突出部のうちの１つを画定する。この第２のエッチングステップにおいて、第１の層５０６のわずかな部分が除去され得ることは理解されよう。しかしながら、この除去される量は、層５０８の除去部分よりも少ない。層５０６は、実質的にどの部分も除去されないことが好ましい。

チャンバ５１０及び５１２は、組み合わせで、コアと複数の突出部から成る電解質ためのパターン５１４を画定する。次に、図１３（ｄ）に示すように、このパターン５１４に電解質材料５１６を充填することによって、電解質を形成することができる。パターンを充填するには、真空蒸着やスパッタリングなどの技術を利用することができる。電解質材料５１６がパターン５１４内で硬化した後に、層５０６及び５０８の残りの部分を除去して、図１３（ｅ）に示す自立形の電解質５１８を残す。図１３を検討する際に、例えば電流コレクタを形成したり、構造コネクタを形成したりするための他のステップもまた設け得ることが理解されよう。

他の構成の電解質及び／又は燃料電池を製造するために、本発明の方法の他の実施形態を実施できることも当業者には理解されよう。例えば、本発明の方法に関する実施形態を実施することにより、本明細書で説明し、図１〜図１１に示した電解質又は燃料電池の何れの実施形態も製造できることは明らかであろう。

特定の例として、図１４は、本発明の電解質の他の実施形態を製造するのに有効な、本発明の方法のさらに他の実施形態を示す際に役立つ。図１４（ａ）では、基材６０４上に複数の層６０２が付着している。複数の層６０２は、第１のエッチ選択性を有する複数の第１の層６０６と、第２のエッチ選択性を有する複数の第２の層６０８から構成される。層６０６及び６０８両方の一部をエッチング又は除去して、図１４（ｂ）に示すようなコアチャンバ６１０を画定する。次のステップにおいて第１の層の材料６０６の一部のみを除去して、図１４（ｃ）に示すように複数の突出部チャンバ６１２を画定する。除去部分を異なる寸法にすることで、異なる寸法の突出部を作成することができる。

次いで、図１４（ｄ）に示すように、コアチャンバ６１０及び突出部チャンバ６１２に電解質材料６１４を充填する。図１４（ｅ）において、充填されたコアチャンバ６１０及び最も上の複数の層６０２の残存部分の上に、電解質基材６１６を付着させる。電解質基材６１６は、電解質材料６１０と同じ化学組成のものであることが好ましい。図１４（ｆ）は、電解質基材６１６上に追加の複数の層６１８を付着させた結果を示している。複数の層６０２と同様に、追加の複数の層６１８は、複数の第１の層６０６及び複数の第２の層６０８から構成される。次いで、図１４（ｇ）に示すように、第１の層６０６及び第２の層６０８の各々の一部を除去することによって、複数の層６１８内に第２のコアチャンバ６２０を画定する。図示するように、第２のコアチャンバ６２０は、第１のコアチャンバ６１０とは異なる寸法又は形状とし得る。

次いで、図１４（ｈ）に示すように、第２の層６０８の一部のみを除去することにより、複数の突出部チャンバ６２２を画定する。次いで、図１４（ｉ）に示すように、コアチャンバ６１８及び突出部チャンバ６２２に電解質材料６１０を充填する。複数の層６１８及び６０２の両方から全ての第１の層６０６及び第２の層６０８の残存部分を除去すると、図１４（ｊ）に示す電解質構造６２４が残る。電解質構造６２４は、基材６１６の両側に異なる寸法の下側コア６２８と上側コア６２６を有し、寸法が均一でない上側突出部６３０と下側突出部６３２を有することに留意されたい。上側電解質コア６２６と突出部６３０の総表面積は、下側コア６２８と突出部６３２の総表面積と実質的に同じであることが好ましい。

図１４（ｋ）は、燃料電池を製造すべく、電解質コア６２６及び６２８と、突出部６３０及び６３２とにそれぞれ取り付けられた燃料極６３４及び空気極６３６を示している。燃料極６３４と空気極６３６とは互いに離れている。例えば電流コレクタや、ガスを１つ又は複数の燃料極６３４及び空気極６３６に送るための１つ又は複数の筐体をはじめとする、一般的に知られている他の燃料電池構成要素をさらに設け得ることは当業者には理解されよう。

本発明の電解質コアを形成する方法のさらに他の実施形態では、電解質構造を基材上に形成させ、次いでエッチングすることで、少なくとも１つの突出部を有する電解質構造を形成することができる。図１５は、当該方法を示すのに有用である。図１５（ａ）は、基材７０４上に形成された電解質構造７０２を示しており、当該構造７０２は複数の個別の層７０６から構成されている。層７０６のうちの少なくとも２つは異なるエッチ選択性を有する。当業者は、エッチ選択性を様々な手段によって制御することができ、その２つの例は、粒子径及びバインダの選択であることが理解されよう。構造７１２をエッチング工程にかけると、層７１６の異なるエッチ選択性のために、層に応じて異なる程度でエッチングが進行し、電解質コアから延在する複数の突出部を有するところの図１５（ｂ）に示すような例示的結果が得られる。

本発明の特定の実施形態を示し説明してきたが、当業者には、他の修正、代替及び変更が明らかであることを理解されたい。そのような修正、代替及び変更は、添付の特許請求の範囲により定義される本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、実施することができる。本発明の様々な特徴は、添付の特許請求の範囲に記載される。

本発明の電解質の一実施形態の側面図 図１記載の電解質の平面図 本発明の電解質構成の一実施形態の平面図 図１記載の電解質を備える、本発明の燃料電池の一実施形態の側面図 図１記載の電解質を備える、本発明の燃料電池のさらに他の実施形態の側面図 本発明の電解質のさらに他の実施形態の側面図 図６記載の電解質を備える、本発明の燃料電池の一実施形態の側面図 本発明の燃料電池アセンブリの一実施形態の側面図 本発明の燃料電池アセンブリのさらに他の実施形態の側面図 本発明の燃料電池アセンブリのさらに他の実施形態の側面図 本発明の燃料電池アセンブリのさらに他の実施形態の側面図 本発明の方法の一実施形態を示すフローチャート 図１３（ａ）〜１３（ｇ）は、本発明の燃料電池の一実施形態を形成する際の様々な工程を示す 図１４（ａ）〜１４（ｋ）は、本発明の燃料電池のさらに他の実施形態を形成する際の様々な工程 図１５（ａ）〜１５（ｂ）は、本発明の電解質構造の一実施形態を形成する際の様々な工程

Claims (10)

1. 薄膜燃料電池と共に用いるための電解質であって、
   基材（１４）上に支持された電解質コア（１２）、及び
   前記コア（１２）に接続され且つ前記基材（１４）から離された少なくとも１つの電解質突出部（１６）
   を含む電解質。
2. 請求項１記載の電解質を含む薄膜燃料電池であって、
   前記コア（１２）が、対向する２つの側面（２０、２２）を有し、少なくとも１つの電解質突出部（１６）が、複数の電解質突出部（１６）を含み、
   前記複数の電解質突出部（１６）のうちの少なくとも第１の電解質突出部と、前記対向する２つのコア側面のうちの第１のコア側面（２０）とに接している空気極（３２）；及び
   前記対向する２つのコア側面のうちの他方のコア側面（２２）と、前記複数の電解質突出部（１６）のうちの少なくとも第２の電解質突出部とに接している燃料極（３４）であって、前記空気極（３２）と分離されている燃料極（３４）
   をさらに含む薄膜燃料電池。
3. 前記複数の電解質突出部（１６）のうちの前記少なくとも第１の電解質突出部が、少なくとも２つの電解質突出部（１６）と、前記少なくとも２つの電解質突出部間に画定された第１の間隙とを含み、前記空気極（３２）が前記第１の間隙を実質的に満たしており、
   前記複数の電解質突出部（１６）のうちの前記少なくとも第２の電解質突出部が、少なくとも２つの電解質突出部（１６）と、前記少なくとも２つの電解質突出部（１６）間に画定された第２の間隙とを含み、前記燃料極（３４）が前記第２の間隙を実質的に満たしている、請求項２に記載の薄膜燃料電池。
4. 前記電解質コア（１２）が、前記基材（１１４）上に支持された複数の電解質コア（１２）のうちの１つであり、前記複数の電解質コア（１２）がそれぞれ互いに分離されており、前記複数の電解質コア（１２）が、複数のチャネル（１３８）を画定するように配置され且つさらに前記複数の電解質コア（１２）のそれぞれに接続された燃料極（１３４）と空気極（１３２）を含み、前記燃料極（１３４）が前記複数のチャネル（１３８）のうち１つおきのチャネルのチャネル壁を画定し、前記空気極（１３２）が前記複数のチャネル（１３８）のうち介在するチャネルのチャネル壁を画定するように前記燃料極（１３４）と前記空気極（１３２）とが配置されている、請求項１に記載の薄膜燃料電池と共に用いるための電解質。
5. 前記コア（１２）が、約１ミクロン以下の幅（Ａ）と、約０．２５〜約５ミクロンの高さ（Ｃ）を有し、前記少なくとも１つの突出部（１６）がそれぞれ、約２〜約５ミクロンの幅（Ｂ）と、約１〜約２ミクロンの高さ（Ｄ）を有する、請求項１に記載の薄膜燃料電池と共に用いるための電解質。
6. 薄膜燃料電池と共に用いるための、少なくとも１つの自立形電解質を製造する方法であって、
   基材（５０４）上に第１の構造（５０２）を形成するステップ、
   前記第１の構造（５０２）内に少なくとも１つのチャンバを形成するステップであって、前記少なくとも１つのチャンバが、コア（５１０）と、前記コア（５１０）から延在する少なくとも１つの突出部（５１２）とを画定する、ステップ、
   前記少なくとも１つのチャンバに電解質材料（５１６）を充填するステップ、及び
   前記第１の構造を除去して、コア（１２）とそこから延在する少なくとも１つの突出部（１６）とを有する自立形電解質を露出させるステップであって、前記少なくとも１つの突出部（１６）が前記基材（１４）から離れている、ステップ、
   を包含する方法。
7. 前記第１の構造（５０２）を形成するステップが、前記基材（５０４）上に複数の層（５０２）を付着させることを包含し、且つ前記チャンバ（５１０）を形成するステップが、前記複数の層（５０２）をエッチングしてパターン（５１４）を形成する１つ又は複数のステップを包含する、請求項６に記載の少なくとも１つの自立形電解質を製造する方法。
8. 前記複数の層（５０２）のうちの少なくとも第１の層（５０６）が第１のエッチ選択性を有し、前記複数の層（５０２）のうちの少なくとも第２の層（５０８）が第２のエッチ選択性を有し、且つ前記複数の層（５０２）に前記パターン（５１４）をエッチングするステップが、前記第１の層（５０６）と前記第２の層（５０８）から前記少なくとも１つのチャンバのコア部分（５１０）をエッチングする第１のステップと、前記第２の層（５０８）の少なくとも一部はエッチングするが前記第１の層（５０６）は実質的にエッチングしないことにより、前記チャンバの複数の突出部分（５１２）をエッチングする第２のステップとを包含する、請求項７に記載の少なくとも１つの自立形電解質を製造する方法。
9. 前記基材（６１６）が、対向する第１及び第２の側を有し、少なくとも前記第１の構造（６０２）が前記第１の側に形成されており、さらに
   前記基材（６１６）の前記第２の側に第２の構造（６１８）を形成するステップ、
   前記第２の構造（６１８）内に少なくとも１つのチャンバを形成するステップであって、前記少なくとも１つのチャンバが、コア（６２０）と、前記コア（６２０）から延在する少なくとも１つの突出部（６２２）とを画定する、ステップ、
   前記基材上の前記少なくとも１つのチャンバに電解質（６１０）を充填するステップ、及び
   前記第２の構造を除去して、コア（６２６）とそこから延在する少なくとも１つの突出部（６３０）とを有する少なくとも１つの自立形電解質を前記基材の第２の側に残すステップであって、前記少なくとも１つの突出部（６３０）が前記基材の第２の側から離れている、ステップ
   を包含する、請求項６に記載の少なくとも１つの自立形電解質を製造する方法。
10. 前記電解質材料が充填された前記チャンバと前記構造（６０２）の上に電解質基材層（６１６）を付着させるステップ、
    前記電解質層（６１６）の上に第２の構造（６１８）を形成するステップ、
    前記第２の構造内に第２のチャンバを画定するステップであって、前記第２のチャンバがコアチャンバ（６２０）と少なくとも１つの突出部チャンバ（６２２）とを画定する、ステップ、
    前記第２のチャンバに前記電解質材料（６１０）を充填するステップ、及び
    前記第２の構造を除去して前記電解質基材層（６１６）上に自立形電解質を露出させるステップであって、前記自立形電解質が、コア（６２６）とそこから延在する少なくとも１つの突出部（６３０）とを有し、前記少なくとも１つの突出部（６３０）が前記電解質基材層（６１６）から離れている、ステップ、
    をさらに包含する、請求項６に記載の少なくとも１つの自立形電解質を製造する方法。

Images