JP5535919B2 - 燃料電池カバー - Google Patents

Description

（本文中に技術分野に該当する記載なし。）

燃料電池といった電気化学電池は周囲の環境からの酸素を反応物質として利用し得る。電気を発生させる間に、電池内で起こる電気化学的反応によって水も発生し、この水は、例えば膜水和やシステムの各部品の加湿といった、電気化学電池の他の使用目的に供される場合がある。電子デバイスに電力を供給するための燃料電池の機能の拡大にしたがい、現在では、反応物質の気体輸送特性および水管理システムに影響を及ぼし得る様々な環境条件下でも燃料電池は使用されるようになっている。

燃料電池では、カソードの少なくとも一部と周囲環境との間のガス拡散層またはインタフェース（Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）が、電池が正しく機能するために導電性を有することが必要であり得る。インタフェースが導電性であり得るので、変化していく環境条件に対するインタフェースの適合性は制限され得る。

図面は必ずしも一定の縮尺で描かれたわけではなく、図面において、同一の参照番号は、いくつかの図面に渡って実質的に同様の構成要素を指す。異なる添え字が付された同一の参照番号は、実質的に同様の構成要素の異なる例を表し得る。これらの図面は、本書類で論じられる様々な実施形態を、どれも限定目的ではなく例示目的で、示す。
各種実施形態による、特徴を有する燃料電池カバーの斜視図である。 各種実施形態による、取り外し可能なアクセスプレートを含む燃料電池カバーの斜視図である。 各種実施形態による、燃料電池カバーを含む電子デバイスの斜視図である。 各種実施形態による、デバイスと実質的に同一平面上にあるカバーを含む電子デバイスの斜視図である。 各種実施形態による、取り外し可能なアクセスプレートを含む燃料電池カバーを有する電子デバイスの斜視図である。 各種実施形態による、電子デバイスシステムの分解図である。

各種実施形態は、一つ以上の燃料セルに近接するインタフェース構造を含む燃料電池カバーに関する。このインタフェース構造は、一つ以上の燃料セルの付近のまたは一つ以上の燃料セルに接している一つ以上の環境条件に影響を与え得る。

各種実施形態は、一つ以上の燃料セルに近接するインタフェース構造を含む燃料電池カバーであって、一つ以上の環境条件の選択されたセットにおいて一つ以上の燃料セルの性能を向上させる一つ以上の特徴を含み得る、燃料電池カバーに関する。

各種実施形態は、一つ以上の燃料セルに接触するカバーを含む燃料電池カバーにも関する。このカバーは、燃料セルの性能の向上のために一つ以上の燃料セルの付近のまたは一つ以上の燃料セルに接触する一つ以上の環境条件における変化に応答する一つ以上の特徴を含み得る。

各種実施形態は、電子デバイスと、この電子デバイスに接触する一つ以上の燃料セルと、適応的なインタフェース構造とを含む電子システムにも関し得る。カバーは一つ以上の燃料セルの付近のまたは一つ以上の燃料セルに接触する一つ以上の環境条件に影響を与え得る。

各種実施形態は、電子システムを製造する方法であって、電子デバイスを形成することと、電子デバイスに接触する一つ以上の燃料セルを形成することと、インタフェース構造を形成することと、一つ以上の燃料セルを電子デバイスに接触させることと、カバーを一つ以上の燃料セルまたは電子デバイスに接触させることとを含む、方法にも関し得る。

以下の詳細な説明は添付の図面への参照を含み、これら図面もこの詳細な説明の一部を成す。図面は、実施可能な各種実施形態を例示目的で示す。これら実施形態は、本書類では「実施例」または「例」と呼ぶこともあり、当業者がこれら実施形態を実行することができる程度に十分に詳細に記載されている。これら実施形態は、組み合わせることも可能であり、別の実施形態を利用することも可能であり、あるいは、構造的変更または論理的変更をこれら各種実施形態の範囲から逸脱しない範囲で行うことができる。従って、以下の詳細な説明は限定の意味に解釈されるべきではなく、各種実施形態の範囲は添付の請求項およびその均等物によって定義されるものである。

特記されている場合を除き、本書類において、「一つ」等（”ａ”または“ａｎ”の訳語）と言う語は一つまたは一つより多い場合を含むものとして使用され、また、「あるいは」、「もしくは」、「や」、「または」、「又は」等（”ｏｒ”の訳語）という語は非排他的な意味で使われる。さらに、本書類で採用されている表現や用語であって別に定義されないものは、説明目的のみであり、限定目的ではないことが理解される。さらに、本書類において参照されている全ての刊行物、特許、および特許文献は、参照によって個々に組み込まれるかのように、それらの全体が参照によって本書類に組み込まれる。万が一、本書類と上記のように参照によって組み込まれたこれら書類との間で用法における不一致があった場合は、組み込まれた参照資料の用法は、本書類の用法を補助するものと考えられるべきである。相容れない不一致に関しては、本書類の用法が優先される。

本願の各種実施形態は燃料電池カバーに関する。パッシブ型の燃料電池システムを含む燃料電池システムの性能は、湿度、周囲温度、周囲気圧を含む環境条件や他の環境条件によって影響され得る。スタック内あるいは燃料電池層内の実質的に全ての燃料セルと燃料電池の作用領域との適切な性能を引き出すために、反応物質は各作用領域および各セルの全体に渡ってほぼ均一かつ均等に分配されることが適切であり得る。燃料セルは、これを実現するように構成されたガス拡散層（ＧＤＬ）のある種の形態を利用し得る。比較的大きな燃料セルは、この目的の達成を助けるべく流れ場を画定する「バイポーラプレート」または「セパレータ」板を使用し得る。大半の燃料電池システムの設計のために、ＧＤＬと（使用される場合には）バイポーラプレートは、燃料電池反応で発生した電子を集めるために導電性を有し得る。結果として、これがこのような燃料電池のＧＤＬの製造に使用可能な材料を限定し得る。相応しい材料の一つは、多孔性かつ導電性を有するように構成された炭素繊維紙の形態である。

発生した電流を（ＧＤＬおよび関係する通電構造にではなく）セルの端部上に集める構造の燃料電池では、燃料電池カバーにおける適応性および互換性が得られる場合がある。例えば、薄層の燃料電池構造は、各面に電気化学反応層を持つイオン交換膜を含み得る。イオン交換膜は、一体形成の層を含み得、あるいは、二つ以上の材料で作られた複合層を含み得る。イオン交換膜は、例えば、プロトン交換膜を含み得る。本願の各種実施形態による電気化学電池は、電気通電構造が少なくとも部分的には電気化学反応層（本書類では「触媒層」と呼ぶこととする）の下にある、薄層の燃料電池構造を含み得る。各種実施形態では、イオン交換膜材料でできたシート上に形成された複数の個々の単位セルを有する電気化学電池層を作ることもできる。隣接する単位燃料セルは、これら隣接する単位セルに共通する通電構造を備えることによって、あるいは、隣接するセルの通電構造を相互に電気的に接続することによって、並列で接続され得る。隣接する単位セルは、互いに電気的に絶縁されてもよい。この場合は、隣接する単位セルは直列に接続され得る。単位セル構造の電気的な絶縁は、触媒層のある部分を非導電にすること、触媒層の単位セルに挟まれた部分を非連続にすること、および／または、単位セル構造の間に電気的絶縁隔壁を設けることによって、なされる。この場合、単位セルを並列配置以外の配置で電気的に相互接続することが可能である。ビアは、隣接する単位セルを直列に接続するために使用され得る。各種実施形態において、単位セルは直列接続され得、また、直列接続されたセルの隣接する触媒層は互いに電気的に絶縁され得る。

このような燃料電池の通電構造は燃料電池の端部に配置されるため、平坦な燃料電池層は導電性を有しないガス拡散層（ＧＤＬ）を使い得る。この特徴は、この特徴がなければＧＤＬとして共には使用不可能である素材および構成を含み得る、互換可能なまたは適応的な各種実施形態によるカバーの使用を可能とし得る。さらに、変化していく環境条件下で燃料電池の性能の向上のための特徴として、ＧＤＬと共に、従来の燃料電池に各種実施形態を使用することも可能である。

各種実施形態によるカバーは空気といった酸化剤が燃料電池のカソードに接触できるように機能し得る。カバーの、材料、構造、その他の物理的特性は、燃料電池の性能に影響し得る。燃料電池の性能は、例えば温度、湿度といった燃料電池に近接する環境条件と、燃料電池の全体に渡る反応物質の分配との両方に影響され得る。そして、反応物質の分配はカバーまたはガス拡散層の選択によって影響され得る。

各種実施形態によるカバーは、燃料電池または燃料電池によって電力供給を受ける電子デバイスに影響を与え得る環境条件の変化にカバーが、一般的な言葉でいって、応答するように、互換性または適応性あるいはそれらの両方を有し得るインタフェース構造を含み得る。一つ以上の燃料電池に取り外し可能に結合され得る互換性を有するカバーは、選択された環境条件のセットに基づいて、一つ以上の燃料電池の性能を向上させるように構成され得る。適応性を有するカバーは、一つ以上の燃料セルの性能が向上するように、環境条件に応答する適応的な一つ以上の材料を含み得る。カバーは、カソードと環境の間のインタフェースが導電性を有しなくてもよい一つ以上の燃料セルと共に利用され得る。このような燃料セルは、適切な気体輸送特性の維持に加えてカソードと環境との間のインタフェースまたはカバーが導電性にならないようにするために、一体型のカソード、触媒層および電流キャリアを利用し得る。したがって、カバーは、一方または両方の反応物質の燃料電池層への分配が能動的に制御されない、パッシブ型、即ち「エアーブリージング（ａｉｒ−ｂｒｅａｔｈｉｎｇ）」燃料電池と共に使用され得る。

ガス拡散層が導電性を有しない場合もある各種実施形態では、材料と構造の選択に柔軟性があり、この柔軟性は、燃料電池または燃料電池によって電力供給を受けているデバイスに隣接する環境の変化において助けになっている。加えて、従来の燃料電池システムと共に機能することが可能であるように、カバーは導電性を有する層と共に利用可能であり、あるいはカバーそれ自体が導電性を有していてもよい。カバーは構造または材料、あるいはその双方に基づいてカスタマイズ可能または適応可能に構成され得る。例えば、互換性のあるまたは適応性のあるカバーは、燃料電池に接触する温度、湿度、汚染物レベル、あるいは汚染物質レベルに影響し得る。本開示では、燃料セルに近接する環境条件への影響を、セルに近接する環境条件の上昇、低下、向上、調整、制御、あるいは除去と呼ぶ。

各種実施形態では、燃料電池カバーは、燃料電池層の反応表面上に置かれたまたはそれに近接した多孔インタフェース構造を含んでも良く、あるいは燃料電池の従来のガス拡散層（ＧＤＬ）に組み込まれていてもよい。多孔層は、適応性のある材料（適応材料）を採用するように構成され得る。多孔層は熱応答性ポリマーを採用するように構成され得る。ポリマーは複数の孔を含み得る。カバーに含まれる適応材料はカバーの外部の条件、燃料電池に接するまたは近接する条件に応答し得る。適応材料および構造はまた、能動制御機構、他の刺激、あるいはこれらの任意の組み合わせも含み得る。条件のいくつかの例には、温度、湿度、電流、またはその他の条件が含まれ得る。

＜定義＞
本書類における「電気化学アレイ」とは、電気化学セルの秩序だったグループを指し得る。アレイは、例えば平坦な形状でも円柱形状でもよい。電気化学セルは、端部集電式燃料セル（Ｅｄｇｅ−ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ）といった燃料セルを含み得る。電気化学セルはバッテリーを含み得る。電気化学セルは、ガルバーニ電池、電解槽、電解質セル、またはこれらの組み合わせを含み得る。燃料電池の例には、プロトン交換膜燃料電池、直接メタノール燃料電池、アルカリ燃料電池、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物型燃料電池、あるいはこれらの組み合わせが含まれ得る。電気化学電池は、亜鉛空気電池、亜鉛空気バッテリー、またはこれらの組み合わせといった金属空気電池を含み得る。

本書類における、「可撓性電気化学層」（またはその変化形）は、全体的にまたは部分的に可撓性をもつ電気化学層を含み得、例えば一つ以上の可撓性構成要素と一体化した１つ以上の剛性構成要素を持つ電気化学層を含み得る。「可撓性燃料電池層」とは、その層自体に組み込まれた複数の燃料セルを含む層を指し得る。

「可撓性２次元（２Ｄ）燃料セルアレイ」という語は、一方向に薄い寸法をもち、多数の燃料セルを支える可撓性シートを指し得る。燃料セルは、シートの第一の面からアクセス可能なあるタイプの作用領域（例えばカソード）と、シートの反対側の第二の面からアクセス可能な別のタイプの作用領域（例えばアノード）とを含み得る。作用領域は、シートの各面上のエリア内に存在するように構成され得る。例えば、シート全体が作用領域によって覆われる必要はないが、燃料セルの性能は、作用領域が増えることによって向上し得る。

本書類における「インタフェース構造」または「インタフェース層」は、例えば燃料セルアノードおよび／または燃料セルカソードといった燃料セル構成要素に近接する局部環境に影響するように構成された流体用のインタフェースを指し得る。

本書類における「カバー」は、一つ以上の燃料セルに近接する環境条件に影響するように構成されたインタフェース構造を含む一つ以上の燃料セルを囲むか、これらに接触するか、あるいはこれらに近接する装置を指し得る。

本書類における「特徴」は、カバーとして構築され得る燃料電池カバーの一側面のことを指し得、またはカバーに使用される材料に本来的に備わっている特性のことであり得る。特徴の例には、ポート、穴、スロット、メッシュ、多孔材料、フィルタ、およびラビリンス路（ｌａｂｙｒｉｎｔｈ ｐａｓｓａｇｅ）が含まれる。

本書類における「外部環境」または「外部条件」または「環境条件」または「周囲環境」は、その環境がデバイスまたはハウジングの内側にあるか外側にあるかと無関係に、カバーまたはインタフェース構造に近接する空気の条件のことを指し得る。従って、外部条件は、温度、圧力、湿度レベル、汚染物レベル、汚染物質レベル、または他の外部条件のうちの一つ以上を含み得る。「外部環境」または「外部条件」または「環境条件」または「周囲環境」はまた、温度、圧力、湿度レベル、汚染物レベル、汚染物質レベルあるいは他の外部条件のうちの２つ以上の組み合わせのことを指し得る。

各種実施形態による燃料電池カバー１００の斜視図である図１を参照する。燃料電池カバー１００は、エンクロージャ１０４内部に構成され得るか、エンクロージャ１０４を形成するために使用される材料に内在し得るか、あるいは燃料電池または燃料電池層に近接し得る、インタフェース構造１０２を含み得る。燃料電池カバー１００は、燃料電池または燃料電池層の表面と部分的または全体的に一体であり得る。相応しい燃料電池の構造は、例えば、可撓性のある壁に囲まれたプレナムであって、この可撓性のある壁のうちの少なくとも一つが一つ以上の燃料セルを支える第一の可撓性シートを含む、プレナムを含む。燃料電池は、第一の可撓シートの第一の面からアクセス可能なアノードと、第一の可撓シートの第二の面からアクセス可能なカソードとを含んで構成され得る。プレナムを、反応物質の供給源に接続するための注入口が備わっていてもよい。また、プレナムの外側への膨張を制限するために置かれる外部サポート構造が備わっていてもよい。可撓燃料電池層は、二次元層とその層に結合した基板内で実質的に一体化され、基板と層の間の囲まれた区域を画定する２つ以上の燃料セルを含み得る。層は、独立している場合でも動作可能であるように構成され得るように、平坦な構成または平坦でない構成に置かれ得る。可撓燃料電池層は、可撓層と接触する一つ以上の内部的な支持物をもさらに含み得る。

各種実施形態による、電動デバイスは、表面を有するエンベロープを画定するハウジングと、このハウジング内に置かれる少なくとも一つの電動構成要素とを含み得る。薄層の燃料セルアレイは、表面上のあるエリアと同一の外延を持ち、かつこのエリアと実質的に合致する形で、ハウジングに置かれ、担持され得る。燃料セルアレイは、それぞれがカソードとアノードを持ち、電動構成要素に電力を供給するために接続された複数の単位燃料セルを含み得る。単位燃料セルのカソードは、外に向いた燃料セルアレイの外側の表面上に配置され得、ハウジングの外側にある周囲の空気に直接接触し得る。単位燃料セルのアノードはハウジングの内側に向いた燃料セルアレイの内側の面上に配置され得る。各種実施形態では、燃料電池カバーは燃料セルアレイの外側の表面に近接して配置され得、これによって燃料電池カバー１００を通じて周囲の空気との直接の接触が可能となる。

例えば、燃料電池カバー１００は燃料電池装置に近接して配置されるインタフェース層を含み得る。インタフェース構造１０２は、エンクロージャ１０４の外側表面の実質的に全体に渡って拡がっていてもよく、あるいはエンクロージャ１０４の外側表面の一部のみに渡って拡がっていてもよい。インタフェース構造１０２は、一つ以上の環境条件の選択されたセットにおいて、エンクロージャ１０４内に配置される一つ以上の燃料セル（図示せず）の性能が向上するように構成され得る。従って、インタフェース構造１０２は、ポート、穴、スロット、メッシュ、多孔材料、フィルタネットワーク、あるいはこれらの任意の組み合わせといった特徴を含み得る。インタフェース構造１０２はまた、下記により詳細に説明される適応材料も含み得る。

インタフェース構造１０２は、例えば外部環境における、大気中の汚染物や過量の水分（例えば湿気）といった選択された物質を排除するように動作可能であり得る。インタフェース構造１０２はまた、燃料電池カバー１００が乾燥した外部環境に曝されているときは、例えば水分といった、選択された物質を通すように動作可能であり得る。インタフェース構造１０２のサイズ、多孔率、および配向の特徴は、望まれる条件に依存して、燃料電池への物質の流れに影響を与えるか、またはこの流れを制御するために変更され得る。

インタフェース構造１０２は、選択された一つ以上の局部環境条件に影響を与えるように動作可能であり得る。例えば、インタフェース構造１０２は、取り外しできるように、また、燃料電池が動作するときの環境条件に依存し得る、様々な物理的特徴を有する別のインタフェース構造１０２を提供するために変更することが可能であり得るように、エンクロージャ１０４に組み込まれ得る。例えば、あるインタフェース構造１０２は、砂漠のような高温乾燥の環境下で使用されるように構成され得、また、別のインタフェース構造１０２は、多雨林のような高温多湿の環境下で使用されるように構成され得る。また別のインタフェース構造１０２は、涼しく多湿の環境下で使用されるように構成され得、また別のインタフェース構造１０２は、寒冷で乾燥した環境下で使用されるように構成され得る。上記の例は、周囲環境に依存する、互換性を持つインタフェース構造１０２の可能性のある変形例を示したものである。インタフェース構造１０２と関連し得る材料と特徴は両方とも、幅広い範囲の環境条件で燃料電池層が動作可能であるように選択および／または適応され得る。図１はエンクロージャ１０４の一部に置かれたインタフェース構造１０２を示すが、各種実施形態では、エンクロージャ１０４の全体がインタフェース構造１０２を構成し得るように、また、先に述べた互換性が燃料電池カバー１００の全体に及び得るように、インタフェース構造１０２とエンクロージャ１０４が合致する構造を持ち得ることが理解される。各種実施形態においては、インタフェース構造１０２は、エンクロージャ１０４に囲まれた一つ以上の燃料セルに直接接触しても（あるいはそれらに組み込まれても）よく、あるいは、インタフェース構造１０２は、エンクロージャ１０４に囲まれた一つ以上の燃料セルから離間していてもよい。インタフェース構造１０２の一つ以上の特徴は、燃料電池の性能を向上させるために、一つ以上の燃料セルの付近のまたはそれに接触している一つ以上の環境条件の変化に応答し得る。これらの特徴は、一つ以上の適応材料に組み込まれてもよく、または、一つ以上の適応材料にもともと備わっていてもよい。

エンクロージャ１０４は、例えば、紙、（デラウェア州ウィルミントン市のイー・アイ・デュポン・ド・ヌムール・アンド・カンパニーにより製造される）ナイロン、および、繊維を形成する物質がアミド結合の８５パーセント未満が二つの脂肪族基に直接結合された（−ＣＯ−ＮＨ−）である長鎖の合成ポリアミドである人造繊維、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリビニル・アルコールあるいはポリエチレンなどの各種高分子化合物といった材料を含み得る。エンクロージャ１０４は、例えば、上に列記された材料や一つ以上の適応材料のある組み合わせで具体化され得る特徴、あるいはインタフェース構造１０２内に形成され得る特徴を含み得る。

インタフェース構造１０２は、温度、（大気圧や空気中の酸素分圧といった）圧力、湿度、ｐＨレベル、各種化合物および／または光を含み得る一つ以上の環境条件における変化に、物理的または化学的に応答し得る適応材料を含み得る。従って、インタフェース構造１０２は、エンクロージャ１０４内に配置され得る一つ以上の燃料セルの性能を向上させ得る。適応材料として相応しい材料の例には、蝋、繊維、又はコーティング（Ｃｏａｔｉｎｇ）が含まれ得る。熱応答性ポリマーも適応材料として使用され得る。熱応答性ポリマーは、一般に、温度の上昇に対して正の（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ）膨張挙動を示す。このような物質のうちのひとつは、Ｙｏｕｎｇ Ｍｏｏ Ｌｅｅ等による「Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ａｎｄ Ｓｗｅｌｌｉｎｇ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｐＨ ａｎｄ Ｔｈｅｒｍｏ−ｒｅｓｐｏｎｓｉｖｅ Ｉｎｔｅｒｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｈｙｄｒｏｇｅｌ Ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ Ｐｏｌｙ（ｖｉｎｙｌ ａｌｃｏｈｏｌ） ａｎｄ Ｐｏｌｙ（ａｃｒｙｌｉｃ ａｃｉｄ）」（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ １９９６，Ｖｏｌ．６２，３０１ ３１１に記載されている）。正の膨張挙動を示す熱応答性材料に加えて、負の（Ｎｅｇａｔｉｖｅ）膨張挙動を示す熱応答性ポリマーも使用され得る。負の膨張挙動を示す材料を使用する場合、材料層の境界条件は、例えば、温度の上昇にともなって孔が縮小可能であるといったものでなければならない。正の膨張挙動を示す材料と負の膨張挙動を示す材料を組み合わせて、ＧＤＬの可変の多孔性に関する望ましい挙動を実現することも可能である。可変の多孔性に関する挙動を示すまた別の材料は、Ｈｉｓａｏ Ｉｃｈｉｊｏ等による「Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｓｕｂｓｔａｎｃｅｓ ｗｉｔｈ Ｔｈｅｒｍｏ ｒｅｓｐｏｎｓｉｖｅ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｈｙｄｒｏｇｅｌ」（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｇｅｌｓ ａｎｄ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ ２，１９９４，３１５ ３２２ Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｌｉｍｉｔｅｄ）および、Ｍａｓａｒｕ Ｙｏｓｈｉｄａ等による「Ｎｏｖｅｌ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ ｗｉｔｈ Ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ Ｎａｎｏｐｏｒｅｓ Ｔｈａｔ Ｏｐｅｎ ａｎｄ Ｃｌｏｓｅ Ｄｅｐｅｎｄｉｎｇ ｏｎ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ： Ｆｉｒｓｔ Ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ」（Ｍａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌｅｓ １９９６，２９，８９８７ ８９８９）に記載されている。

熱応答性ポリマーは、上限臨界溶液温度（ＵＣＳＴ）かまたは下限臨界溶液温度（ＬＣＳＴ）を持つポリマーであるとも定義され得る。例えば、いくつかの熱応答性ポリマーは、ＬＣＳＴより低い温度では完全に水和し、ＬＣＳＴ以上の温度では脱水状態になり、凝集し、沈殿する。ＵＣＳＴを持つ熱応答性ポリマーには逆の挙動が見られる。つまり、そのようなポリマーは、ＵＣＳＴ以上の温度では完全に水和し、ＵＣＳＴより低い温度では、脱水状態になり、凝集し、沈殿する。ＵＣＳＴを持つ（ポジティブな）熱応答性ポリマーは温度が上昇すると親水性になり、ＬＣＳＴを持つ（ネガティブな）熱応答性ポリマーは温度が上昇すると疎水性になる。

温度の上昇に応答して疎水性における変化を示すポリマーは、例えば、生体系で知られている。例えば、ＬＣＳＴポリマーはインスタント写真術にて使用するためのタイミング層を作るために使用されてきており、これは広い温度帯での均一の処理を可能とする（Ｌｌｏｙｄ Ｄ． Ｔａｌｏｒによる「Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ Ｏｆ Ｐｏｌｙｍｅｒｓ， Ｔｈｅ Ｆｉｌｍｓ Ｏｆ Ｗｈｉｃｈ Ｅｘｈｉｂｉｔ Ａ Ｔｕｎａｂｌｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ Ｔｏ Ｐｅｒｍｅａｔｉｏｎ Ｂｙ Ａｑｕｅｏｕｓ Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ」、Ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｏｆ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ， Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ発行のＰｏｌｙｍｅｒ Ｐｒｅｐｒｉｎｔｓ，ｖ３９，ｎ２，Ａｕｇ．１９９８ ＡＣＳ ｐｐ．７５４−７５５）。ＵｒｒｙとＨａｙｅｓは、温度の上昇に応じて疎水性の折りたたみと会合の逆転移を示すポリマーと、生態系におけるスマートなファンクション（Ｓｍａｒｔ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）にそれらを使用することを、ワシントン州ベリングハムのＴｈｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｆｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ発行のＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＳＰＩＥ ｖ，２７１６ Ｆｅｂ．２６−２７，１９９６の「Ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ Ｆｏｒ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｂｙ Ｔｈｅ Ｄｅｌｔａ Ｔｔ−Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ， Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＳＰＩＥ」にて報告した。進歩した材料の設計が、ポリマーの疎水性の制御し、および関連する疎水性誘起シフトの利用することによって、逆温度転移が起こる特定の温度を制御する能力の観点から説明される。「スマート材料」とは、その材料が、着目した特定の変化に対し、および温度、ｐＨ，圧力その他といった要求される条件下で、応答する材料と定義される。ポリマーを適切に設計することによって、一方のファンクションを変更するエネルギ入力が、出力として、もう一方のファンクションにおける変化を引き起こすように、二つの区別可能なスマートなファンクションを結合させることができる。二つの区別可能なファンクションが結合されるようにするためには、それらは同一の疎水性の折り畳みドメインの一部でなければならない。例として、自由エネルギ変換のデルタＴサブｔメカニズム（ｄｅｌｔａ Ｔ．ｓｕｂ．ｔ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ）を用いて、温度およびｐＨに関する特定の条件下で、電気化学エネルギから化学エネルギへの変換、すなわち電気化学的変換を行うためのタンパク質ベースのポリマーが設計された。

Ａｏｋｉ等とＫａｔｏｎｏ等によって、ポリ（アクリル酸）（ＰＡＡｃ）およびポリ（Ｎ，Ｎ−ジメチルアクリルアミド）（ＰＤＭＡＡｍ）およびＰＡＡｃおよびポリ（アクリアミド−ｃｏ−アクリル酸ブチル）（ｐｏｌｙ（Ａａｍ−ｃｏＢＭＡ））からなる相互貫入ポリマネットワーク（ＩＰＮ）に関し、（ただしこれに限定されることなく）正の温度感知システムにおいて調査が行われた。これらは、興味深いポリマー間の分子間相互作用（特に水素結合による複合体形成）を示した。ＩＰＮにおける、この複合体形成と解離は可逆的な収縮変化と膨張変化を引き起こす。

ポリ（ビニルアルコール）（ＰＶＡ）とＰＡＡｃ ＩＰＮｓは熱感受性ヒドロゲル挙動を示し、これは以前から報告されている（Ｙａｍａｇｕｃｈｉ等によるＰｏｌｙｍ． Ｇｅｌｓ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ，１，２４７（１９９３）、
Ｔｓｕｎｅｍｏｔｏ等によるＰｏｌｙｍｅｒ． Ｇｅｌｓ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ，２，２４７（１９９４）、Ｐｉｎｇ等によるＰｏｌｙｍ． Ａｄｖ． Ｔｅｃｈ．，５，３２０（１９９３）、Ｒｈｉｍ等によるＪ．Ａｐｐｌ．Ｐｏｌｙｍ．Ｓｃｉ．，５０，６７９（１９９３））。溶解するまで加熱され、その後凍結され、融解されたＰＶＡは物理的に架橋したポリマー鎖のマトリックスを形成して、高弾性のゲルを作ることが近年報告されている（Ｓｔａｕｆｆｅｒ等によるＰｏｌｙｍｅｒ，３３，３９３２（１９９２））。このＰＶＡゲルは、室温で安定であり、かつ、元の形の６倍まで引き伸ばすことが可能である。ＰＶＡゲルの特性は分子量、水溶液の濃度、温度、凍結時間、および凍結融解サイクルの数に依存する。このＰＶＡゲルは、無害かつ非発がん性の生体適合性のために、生物医学および薬学の分野で特有の着目を受ける。ＰＥＢＡＸおよびポリウレタンエラストマーといったポリエーテルアミドエラストマーも使用され得る。

他の相応しい適応材料は、各種形状記憶ポリマー（ＳＭＰ）を含み得る。形状記憶ポリマーは温度、ｐＨレベル、様々な化合物、および／または光によって刺激され得る。一般に、形状記憶ポリマーは外部からの刺激を感知し、所定の方法で応答するように構成されたポリマー材料である。適切な形状記憶ポリマーのさらなる例としては、任意のポリウレタン系の熱可塑性高分子（ＳＭＰＵｓ）が挙げられる。このような材料は、（約−３０℃から＋６５℃の間であり得る）ポリマーのガラス転移温度に基づいて温度刺激性の（Ｔｅｍｅｐｒａｔｕｒｅ−ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ）形状記憶効果を示す。ＳＭＰから作られる繊維は、水性ＳＭＰＵといった形状記憶生地および繊維製品を作るのに使用され得る。相応しいＳＭＰの別の例としては、ポリエチレン／ナイロン−６６グラフトコポリマーが含まれ得る。

ＳＭＰは、水蒸気透過性、空気透過性、体積膨張性、弾性係数、屈折率といった物理的特性がガラス転移温度以上および未満で変化し得るように適切に構成され得る。水蒸気透過性を制御するために使用されるＳＭＰは、ポリエーテルアミドエラストマーまたはポリウレタンエラストマーといった、弾性でセグメント化された（ｅｌａｓｔｏｍｅｒｉｃ，ｓｅｇｍｅｎｔｅｄ）ブロック共重合体を含み得る。

形状記憶合金（ＳＭＡ）は、インタフェース構造１０２において使用可能な材料の、各種実施形態によるさらなる例である。例えば、温度、湿度あるいは他の物理的刺激といった環境条件に応じた孔のサイズを、インタフェース構造１０２に構成するために一つ以上のＳＭＡが使用され得る。広範な温度範囲にわたる環境適用性を備えるために、多様な転移温度を有する複数のＳＭＡが使用され得る。例えば、異なる転移温度を有する少なくとも２つのＳＭＡは協調してアクチュエータを形成し得、環境適用性を提供する。従って、温度の上昇に伴って、ＳＭＡアクチュエータを含むインタフェース構造１０２は加熱される。第一のＳＭＡアクチュエータの転移温度に達すると、そのＳＭＡアクチュエータは収縮し、カソードへの空気のアクセスを減らす。温度がさらに上昇すると、第二のＳＭＡアクチュエータの転移温度に達し得、結果としてこの第二のＳＭＡアクチュエータが収縮し、カソードへの空気のアクセスがさらに減らされる。あるいは、ＳＭＡアクチュエータは、例えば印加された信号に応答して印加され得る、ＳＭＡアクチュエータ全体に渡って印加される電流によって、制御されるように構成され得る。

各種実施形態によれば、適応材料の特性はアレイの電気化学セルに近接する環境条件に応答して変化し得る。適応材料の特性には、例えば、多孔率、疎水性、親水性、熱伝導率、導電率、抵抗率、材料の全体的な形状または構造が含まれ得る。環境条件は、温度、湿度、あるいは環境汚染物質レベルのうちの一つ以上を含み得る。

各種実施形態によれば、特性は、例えば印加される信号に応じて変化し得る。適応材料は、信号に応じて加熱され得る。例えば、適応材料を加熱することで、その適応材料の一つ以上の特性が変化し得る。電気化学セルアレイの性能も、定期的に決定または継続的にモニタされ得る。

適応材料の他の例は、湿度の上昇に伴って長さが増大し得る繊維またはリボンを有する織物材料を含み得、これによって織られた部分の多孔率が増加し、および燃料セルのカソードへの空気のアクセスが上昇する。逆に、繊維は湿度が下がれば短くなり、これによって織られた部分の多孔率は減少し、およびカソードへの空気のアクセスは低下し、膜の自己加湿が可能になる。

各種実施形態において、インタフェース構造１０２は、可変アパーチャを有するルーバーまたはポートといった機械的手段を使って適応可能となり得る。このような機械的な適応は、例えばセンサからのあるいは手動の入力による印加された信号に応答して自動的に達成され得る。

燃料電池カバー１００は、随意に、外部電子デバイスと物理的および／または電気的に結合されるように適切に構成されたアタッチメント機構１０６も含んでよい。アタッチメント機構１０６は、クリップ、ロック（Ｌｏｃｋ）、留め金、あるいは他の相応しいアタッチメント装置であり得る。

図２は、各種実施形態による燃料電池カバー２００の斜視図を示す。燃料電池カバー１０２は、エンクロージャ２０４の外側の面の少なくとも一部に形成される第一のインタフェース構造２０２を含み得る。燃料電池カバー２００はエンクロージャ２０４の内側の部分へのアクセスを可能とする取り外し可能なアクセスプレート２０６をも含み得る。アクセスプレート２０６は、第一のインタフェース構造２０２とは異なる特性（例えば、異なる多孔率、異なる材料、あるいは環境条件に対する異なる応答特性など）を有する第二のインタフェース構造２０８を含み得る。従って、各種実施形態において、取り外し可能なアクセスプレート２０６は別の特性を持った別のアクセスプレート２０６と交換され得、これによってエンクロージャ２０４内の燃料セルに近接する環境条件は「きめこまかく調整」され得る。従って、互換性のある材料、メッシュ、多孔性のある材料、スクリーン、通気孔、あるいはフィルタが利用され得るので、アクセスプレート２０６はカバー２００のカスタマイズを可能とし得る。随意的なアタッチメント機構２１０および２１２には、アクセスプレート２０６がエンクロージャ２０４に結合するように構成され得ることと、および、エンクロージャ２０４が電子デバイスに結合するように構成され得ることとが、それぞれ含まれ得る。

カバー２００またはその一部は、適応材料から製造され得、取り外し可能なアクセスプレート２０６は選択された環境条件のセットを考慮に入れるように構成され得、かつこのような条件下で最適化された性能の発揮を可能とする特徴を含み得る。このような構成のために、カバー２００は適応性能と互換性能とを有することが可能になる。加えて、上記した最適化は、カバー２００および／またはインタフェース構造に互換性がある場合に達成されることが理解される。

あるいは、カバー２００、その特徴、その材料、あるいはその構成要素は、環境条件の所定のセットに対して適応可能であり得、または、環境条件の所定のセットに対して最適化され得る。環境条件に依存して、カバー２００、その特徴、その材料、あるいはその部品は、より多くの又はより少ない酸化剤が、燃料電池層のカソードにアクセスできるように構成され得る。例えば、高温および／または乾燥した条件下では、燃料セルのイオン交換膜はドライアウトに曝され得る。このような環境条件の下では、カバー２００（並びに／または第一のインタフェース構造２０２及び第二のインタフェース構造２０８）はカソードへの空気の流れを減らし、イオン交換膜の自己加湿する能力が向上するように、構成され得る。対照的に、高いレベルの湿度を含む環境条件下では、イオン交換膜は、フラッディングする傾向があり、従って、カバー２００は、例えば、第一のインタフェース構造２０２と第二のインタフェース構造２０８を含む適応材料の孔のサイズを増大させることによって、あるいはより多孔率の高い第一のインタフェース構造２０２および／または第二のインタフェース構造２０８を使うことで、カソードへの空気の流れを増やすように構成され得る。各種実施形態において、第二のインタフェース構造２０８は随意的なものであり得ることが理解される。

燃料電池カバー２００（および／または第一のインタフェース構造２０２と第二のインタフェース構造２０８）は、面内と面通過方向との両方の伝導率、および電気化学反応の反応物質および生成物との両方の移動度に影響し得る。例えば、各種実施形態では、各種実施形態では、生成水の面内分配は燃料電池層全体に渡って促進され得、燃料セル全体に渡ってイオン交換膜は均一に加湿され、加えて、燃料電池システムからのバランス良い蒸発が可能になる。

さらに、各種実施形態において、上記で議論された燃料電池カバー２００の各種特性は、燃料電池層全体に渡って、不均等におよび／または非対称な方法で分配されるように構成され得る。例えとして、かつ各種実施形態による、燃料セルの作用領域の端部に近い特徴（例えば穴、パーフォレーション、あるいは他の開口）は、燃料セルの作用領域の中央部に近い特徴と比べて比較的高いまたは低い多孔率を有し得る。特徴の特性は、セルの外形との相対的な位置に依存して、セルへの空気のアクセスを増大または減少すべく変更され得る。

各種実施形態において、カバー２００の態様は交換可能あるいは使い捨て可能であり得る。例えば、カバー２００は、使い捨て可能であり得るフィルタ要素を含み得る。フィルタは、過度なレベルの汚染物あるいは汚染物質が存在し得る環境において、そのような汚染物が燃料電池層のカソードに到達することを防ぐために使用され得る。フィルタは、携帯電子デバイスのユーザの裁量で、または必要に応じて、現場交換可能であるように構成され得る。各種実施形態において、フィルタは、取り外し可能なアクセスプレート２０６と一体化していてもよく、あるいは取り外し可能なアクセスプレート２０６を解してアクセス可能であってもよい。

図３は、各種実施形態による電子システム３００の斜視図である。電子システム３００は、燃料電池カバー３０２を含み得、このシステムは例えば図１および図２に関連して開示された任意の実施形態を含み得る。電子デバイス３０４は燃料電池カバー３０２と接触し得る。電子デバイス３０４は、燃料電池カバー３０２に取りはずし可能に係合されるように構成され得る。燃料電池カバー３０２は、すでに記載されているように、一つ以上のインタフェース構造３０６を含み得る。随意のアタッチメント機構３０８は、燃料電池カバー３０２を電子デバイス３０４に結合するように構成され得る。

電子デバイス３０４は、例えば、携帯電話、衛星電話、ＰＤＡ、ラップトップ型コンピュータ、ウルトラモバイルパーソナルコンピュータ、コンピュータの周辺機器、表示装置、パーソナルオーディオ／ビデオプレイヤー、医療機器、テレビ、送信機、受信機、照明装置、懐中電灯、バッテリー用充電器、携帯電源、または電子おもちゃを含み得る。カバー３０２は、例えば、燃料電池エンクロージャを含む燃料電池または燃料電池システムの全体または一部を収容し得る。カバー３０２は、代わりに、後により詳細に記載されるように、燃料電池システムの部品を収容しないこともあり得る。

図４は、各種実施形態による電子システム４００の斜視図である。電子システム４００は、燃料電池カバー４０４をさらに含み得る電子デバイス４０２を含み得る。この燃料電池カバーの表面は随意に電子デバイス４０２の表面と実質的に同一平面であり得る。カバー４０４は、すでに記載されたように、一つ以上のインタフェース構造４０６を含み得、また、カバー４０４を電子デバイス４０２に結合するための随意的なアタッチメント機構３０８も含み得る。カバー４０４は、電子デバイス４０２の表面からカバー４０４の外側の輪郭が全くまたは殆ど突き出ることが無いように、電子デバイス４０２と同一平面上または実質的に同一平面上にあり得る。

図５は、各種実施形態によった、電子システム５００の斜視図を示す。電子システム５００は、燃料電池カバー５０４に動作可能に結合され得る電子デバイス５０２を含み得る。カバー５０４は、一つ以上のインタフェース構造５０８をさらに含み得る取り外し可能なアクセスプレート５０６と、随意的なアタッチメント機構５１０とを含み得る。カバー５０４はまた、一つ以上のインタフェース構造５１０を含み得る。カバー５０４は互換性を有し得、アクセスプレート５０２もまた互換性を有し得るため、カバー５０４内に囲まれた燃料セルの付近またはこれに接触する環境条件を調整する能力が向上する。

図６は、各種実施形態による電子システム６００の分解図を示す。システム６００は、電子デバイス６０２を含み得る。この電子デバイス６０２は、一つ以上の燃料電池層６０６を収容するように構成され、また、燃料電池層に動作可能に結合され得る一つ以上の燃料カートリッジ、流体／電力調整器またはこれらの組み合わせを随意に収容するように構成されるレセス６０４をさらに含み得る。したがって、燃料電池層６０６は、電子デバイス６０２に、動作可能に結合され得る。カバー６０８は、電子デバイス６０２上に配置されてもよく、あるいは燃料電池層６０６上に配置されてもよい。燃料電池カバー６０８は、以前に記載されたように、一つ以上のインタフェース構造６１０を含み得る。アタッチメント６１２はまた、随意にカバー６０８を電子デバイス６０２に結合してもよい。このような場合、燃料電池層、燃料電池カバー、および随意にその他の態様（例えば燃料カートリッジ、流体マニフォールド、弁、圧力調整器など）の組み合わせは、燃料電池システムを構成し得、そしてこれらは燃料電池システムとして電子デバイスに結合され得る。

要約は、米国特許規則１．７２（ｂ）に準拠して、技術的開示の性質と要点を読み手が短時間で確認できるように提供される。この要約は、請求項の範囲または意味を解釈するためまたは限定するためには使用されないという理解のもとで提出される。

Claims (12)

1. 少なくとも一つの可撓性燃料電池層と、
   前記少なくとも一つの可撓性燃料電池層に近接して配置され、エンクロージャの外側表面に形成するインタフェース構造、を含み、
   前記少なくとも一つの可撓性燃料電池層は、二次元層とその層に結合した基板内で実質的に一体化され、前記基板と前記二次元層との間の囲まれた区域を確定する二つ以上の燃料セルを含み、
   前記インタフェース構造は、外部環境における選択された物質を排除するように動作可能であり、前記少なくとも一つの可撓性燃料電池層に近接する二つ以上の環境条件における変化に応答して多孔率が変化し得る適応材料を含み、
   前記インタフェース構造は、取り外し可能な多孔構造を含み、
   前記適応材料は、前記燃料電池層に接触するために酸素がインタフェース層を通って通過することを許容するように構成された複数のアパーチャが設けられ、前記適応材料は、環境条件の変化または印加された信号に応答して、前記アパーチャの大きさを変更するように構成され、前記アパーチャは非一様な作用領域であって、外側の周囲近くの部分密度とは異なる中心の孔密度を有する作用領域に配置される、
   燃料電池システム。
2. 前記少なくとも一つの可撓性燃料電池層はさらに、前記燃料セルを支持する第一の可撓性シートを含む、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記インタフェース構造が、機械的に駆動される通気孔と、機械的に駆動されるアパーチャを有する多孔材料とのうちの少なくとも一つを含む、請求項１または２記載の燃料電池システム。
4. 前記インタフェース構造は形状記憶適応材料である、請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
5. 前記形状記憶適応材料は、形状記憶合金と、形状記憶ポリマーとのうちの少なくとも一つを含む、請求項４記載の燃料電池システム。
6. 前記インタフェース構造が非導電性である、請求項１から５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
7. 前記インタフェース構造は前記燃料電池層に取り外し可能に結合される、請求項１から６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
8. 電子デバイスに動作可能に結合された、請求項１から７のいずれか一項に記載の燃料電池システム、
   を含む電子システム。
9. 非導電性の前記インタフェース構造と、前記少なくとも一つの燃料電池層とに接触する、導電性ガス拡散層をさらに含む、請求項１から７のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
10. 二次元層とその層に結合した基板内で実質的に一体化され、前記基板と前記二次元層との間の囲まれた区域を確定する二つ以上の燃料セルを含む、可撓性燃料電池層を設けることと、
    前記可撓性燃料電池層に近接するインタフェース層であって、少なくとも１つの前記可撓性燃料電池層に近接し、外部環境における選択された物質を排除するように動作可能であり、前記少なくとも一つの可撓性燃料電池層の周囲の二つ以上の環境条件における変化に応答して多孔率が変化し得る適応材料を含み、エンクロージャの外側表面に形成するインタフェース層を配置することと、
    を含み、
    前記インタフェース層は、取り外し可能な多孔構造を含み、
    前記適応材料は、前記燃料電池層に接触するために酸素がインタフェース層を通って通過することを許容するように構成された複数のアパーチャが設けられ、前記適応材料は、環境条件の変化または印加された信号に応答して、前記アパーチャの大きさを変更するように構成され、前記アパーチャは非一様な作用領域であって、外側の周囲近くの部分密度とは異なる中心の孔密度を有する作用領域に配置される、
    方法。
11. 前記インタフェース層の配置は、アタッチメント機構を用いて前記インタフェース層を前記エンクロージャに結合することを含む、請求項１０記載の方法。
12. 前記燃料電池層に近接する少なくとも一つの環境条件における変化に応答する前記インタフェースの特性を自動的に選択することを含む、請求項１０または１１記載の方法。
    

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