JP6016879B2 - 電源セルの触媒の洗浄方法および洗浄装置 - Google Patents

Description

関連出願

本願は、２００６年９月１４日付の米国特許出願第11/521,593号の一部継続出願である。この米国特許出願第11/521,593号は、２００５年１２月２９日付の米国特許出願第11/322,760号（現在は放棄）の継続出願であり、この米国特許出願第11/322,760号は、２００４年９月２９日付の米国特許出願第10/953,038号（現在は米国特許第6,991,866号である）および２００４年１１月９日付の米国特許出願第10/985,736号（現在は米国特許第7,029,779号である）の継続出願であり、これら特許出願に基づく優先権を主張している。さらに、米国特許出願第10/953,038号および米国特許出願第10/985,736号は、それぞれ、２００１年９月７日付の米国特許出願09/949,301号（現在は米国特許第6,815,110号である）の分割出願および継続出願であり、米国特許出願09/949,301号は、１９９９年１１月２４日付の米国特許出願第09/449,377号（現在は米国特許第6,312,846号である）の継続出願である。さらに、本願は、２００６年３月２日付の米国特許出願第60/778,584号および２００６年３月２日付の米国特許出願第60/778,563号に基づく優先権を主張している。上記の出願および特許の全教示内容は、参照によって本明細書に組み込まれたものとする。

本発明は、電源セルと、これを使用してエネルギーを生成する方法とに関する。

電気化学燃料電池は、新しいものではない。電気化学燃料電池は、１８３９年にＷｉｌｌｉａｍ Ｒｏｂｅｒｔ Ｇｒｏｖｅ氏によって発明され、最近では広範囲にわたる開発の対象となっている。環境への懸念が高まり、エネルギー法案が厳格化する中で、「グリーン」なエネルギー源の開発は、必須ではないとしても、行動方針として正当化されるようになった。

過去１０年間において、大規模な固定型の発電プラント（キロワットないしメガワット）から移動手段（バス、自動車、スクータ）および小型の電子装置（ノート型コンピュータ、携帯電話、携帯情報端末（ＰＤＡ））まで、様々な用途およびそれに応じた電力レベルに対応するように設計された、様々な種類の燃料電池が開発されてきた。

特許文献１および特許文献２において、Ｍａｒｓｈ氏は、半導体基板上に作製されたプロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池の方法を記載している。従来の半導体製造方法を用いることによって、これらのような燃料電池を、単一の基板上に、きわめて小型で、きわめて大量に、かつ、きわめて低コストで製作することができる。

米国特許第６，３１２，８４６号明細書 米国特許第６，８１５，１１０号明細書

本発明の例示的な実施形態によると、燃料電池のスケーラブル（拡張可能）なアレイを基板（好ましくは、半導体ウェハ）上に直接生成するために、自己組織化単分子層（ＳＡＭｓ）、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）、「ケミストリー・オン・ア・チップ（ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ−ｏｎ−ａ−ｃｈｉｐ）」、および半導体製造技術を組み合わせて用いた方法および装置を提供する。これらのウェハは、「スタック（積層）」されていてもよい（すなわち、電気的に直列または並列に接続され、さらには様々な電力（Ｖ＊Ｉ）特性および用途に応じた構成を達成するように個別にプログラムされていてもよい）。

本発明の一実施形態は、電源セル（例えば、燃料電池）である。電源セルが、第１側部および第２側部を有する膜を備えている。この膜は、体積空間を取り囲む三次元の幾何学的構造を有している。電源セルは、さらに、膜に連結されて、膜において第１流路を第２流路から隔てるカバーを備えていてもよい。この燃料電池において、第１触媒および第２触媒が、第１流路および第２流路とそれぞれ気体連通し、かつ膜の第１側部および第２側部とそれぞれイオン連通していてもよい。さらに、第１電極が、膜の第１側部において第１触媒に電気的に接続され、第２電極が、膜の第２側部において第２触媒に電気的に接続されている。一実施形態において、電源セルは、さらに、膜に接続された基板を備えていてもよい。

本発明の一実施形態は、電源セルを使用してエネルギーを生成する方法である。この方法は、電源セルのプロトン交換膜によって取り囲まれた体積空間を通して燃料または酸化剤を流す過程を含んでいる。

本発明の一実施形態は、電源セルのアレイを備える電源チップである。電源セルのアレイは、第１側部および第２側部を有し、それぞれ体積空間を取り囲む三次元の幾何学的構造を有している複数の膜を備えている。少なくとも１つのカバーが、膜に連結されて、膜において第１流路を少なくとも１つの第２流路から隔てる。電源セルのアレイは、さらに、第１流路および少なくとも１つの第２流路とそれぞれ気体連通し、膜の第１および第２側部とそれぞれイオン連通する第１触媒および第２触媒を備えていてもよい。電源セルのアレイにおいて、少なくとも１つのプレナムが、燃料または酸化剤を供給する、第１流路または少なくとも１つの第２流路に気体連通していてもよい。少なくとも１対の端子が、少なくとも電源セルのアレイのサブセットの第１触媒および第２触媒に電気的に接続されて、電源セルによって生成されるエネルギーのインターフェイスとなる。

本発明の一実施形態は、電源チップを使用してエネルギーを生成する方法である。この方法は、電源セルのアレイのプロトン交換膜によって取り囲まれた体積空間を通して燃料または酸化剤を流す過程を含んでいる。

本発明の一実施形態は、電源セルのアレイを備える電源ディスクである。この電源ディスクの電源セルのアレイは、第１側部および第２側部を有し、それぞれ体積空間を取り囲む三次元の幾何学的構造を有している複数の膜を備えていてもよい。少なくとも１つのカバーが膜に連結され、膜において第１流路を少なくとも１つの第２流路から隔てる。電源セルのアレイは、さらに、第１流路および少なくとも１つの第２流路とそれぞれ気体連通し、膜の第１および第２側部とイオン連通する第１触媒および第２触媒を備えていてもよい。電源ディスクは、さらに、燃料または酸化剤を供給する、第１流路または少なくとも１つの第２流路に気体連通している少なくとも１つのプレナムを備えていてもよい。少なくとも１対の端子が、少なくとも電源セルのアレイのサブセットの第１触媒および第２触媒に電気的に接続されて、電源セルによって生成される電力のインターフェイスとなる。さらに、電源ディスクは、少なくとも１対の端子に電気的に接続されている少なくとも１つの電源バスを備えていてもよい。

あるいは、他の実施形態において、電源ディスクは、基板と基板に接続された少なくとも１つの電源チップとを備えていてもよい。この電源チップは、体積空間を取り囲む三次元の電源セルのアレイと、燃料および酸化剤を分配すべく電源セルのアレイと気体連通している複数のチップ流路と、電源セルのアレイに電気的に接続されたチップ端子とを備えていてもよい。チップ流路の少なくとも１つが、少なくとも１つのディスクマニフォルドと一直線状に整列していてもよい。電源ディスクは、さらに、チップ端子に電気的に接続された少なくとも１つの電源ディスクバスを備えていてもよい。

他のさらなる実施形態の電源ディスクは、基板と基板に接続されている電源セルのアレイとを備えていてもよい。電源セルのアレイは、第１側部および第２側部を有し、それぞれ体積空間を取り囲む三次元の幾何学的構造を有している複数の膜を備えていてもよい。少なくとも１つのカバーが、膜に連結され、膜において第１流路を少なくとも１つの第２流路から隔てていてもよい。第１触媒および第２触媒が、第１流路および少なくとも１つの第２流路とそれぞれ気体連通していてもよい。第１触媒および第２触媒は、さらに、膜の第１および第２側部とそれぞれイオン連通していてもよい。さらに、電源ディスクは、膜の第１側部において第１触媒に電気的に接続された第１電極と、膜の第２側部において第２触媒に電気的に接続された第２電極とを備えていてもよい。さらに、電源ディスクは、第１電極および第２電極へとそれぞれ電気的に接続された１対の電源ディスクバスを備えていてもよい。

本発明の一実施形態は、電源ディスクを使用してエネルギーを生成する方法である。この方法は、燃料または酸化剤を、基板を通して電源セルのアレイによって取り囲まれた体積空間に流す過程を含んでいる。

本発明の一実施形態は、電源スタックである。電源スタックは、少なくとも１つのスタックマニフォルドに関連する電源スタック構造体と、それぞれに電源セルを備え、電源スタック構造体に接続されている複数の電源ディスクとを備えている。それぞれの電源ディスクは、電源ディスクに接続された電源チップへと燃料または酸化剤を分配するため、少なくとも１つのスタックマニフォルドと気体連通した少なくとも１つのディスクマニフォルドに関連する少なくとも１つの基板を備えていてもよい。それぞれの電源ディスクは、さらに、電源チップに電気的に接続されたディスク端子を備えていてもよい。電源スタックは、さらに、電源スタック構造体に関連し、ディスク端子に電気的に接続されるように構成されている電源スタック端子を備えていてもよい。

本発明の他の実施形態は、電源スタックを使用してエネルギーを生成する方法である。この方法は、電源セルを支持する電源ディスクに関連する少なくとも１つのディスクマニフォルドに、燃料または酸化剤を、少なくとも１つのスタックマニフォルドを介して流す過程と、燃料または酸化剤を少なくとも１つのディスクマニフォルドを介して電源セルに流す過程とを含んでいる。

本発明の例示的な一実施形態は、流路をエッチングまたは他の周知の半導体プロセスによって形成し、プレーナ型の半導体ウェハ上に、複数の別個の燃料電池を作製することによって形成される。酸素が流路の一方の側部に導入され、水素が他方の側部に導入され、これら２つの気体が、膜によって隔てられている。膜の両側部に電極が形成され、触媒が、両側部において電極および膜とイオン連通するように設けられている。最後に、気体不透過性のカバーすなわち蓋が、電源セルに取り付けられる。

基板は、特定の電力生成用途を満たすようにそれぞれ寸法合わせされた別個の燃料電池装置に分割されてもよい。あるいは、全ての基板が、より大量の電力を生成すべくスタックに組み立てられてもよい。

本発明の実施形態は、燃料電池の固有の三次元性質により、単位基板あたりの反応表面積が三次元性質を有さないものよりも遥かに大きい燃料電池アセンブリ（電源チップ）を形成することができる。また、これにより、出力密度および製造コストについて多大な効果が得られる。

さらに、複数の燃料電池を、電子的に相互接続し、同一の基板または同一のウェハの少なくとも一部において気体源に接続することで、「電源チップ」を形成してもよい。個々の燃料電池についてプロセス監視および制御機能を行うために、従来の電気回路を電源チップと共にウェハ上に組み込んでもよい。次に、複数の電源チップ（電源ディスク）または複数の燃料電池を備えた基板またはウェハ（電源ディスク）を、互いに上下に積層して電源スタックを形成してもよい。

本発明の一実施形態は、燃料および酸化剤の存在下、複数の電源セルのうちの電源セルの少なくともサブセットによる電力の生成を、複数の電源セルの少なくともサブセットに接続された少なくとも１つの電気素子の電気制御によって動的に制御することで電源セルを動作させる方法、またはこれに対応する装置を含む。

上記の少なくとも１つの電気素子は、電源セルを直列または並列に接続するように構成された配置にて電源セルに接続された複数のスイッチであってもよい。電力の生成を動的に制御する過程は、複数の電源セルによる合計の出力電圧、電流、または両方を制御すべくスイッチを開閉する過程を含んでいる。電力の生成は、複数の電源セルによる物理的に可能な動作状態の範囲内の任意の動作状態へと、開ループまたは閉ループの方法で制御されてもよい。複数の電源セルによって出力される電力を調節するように少なくとも１つの電気素子を制御すべく、センサが、電力の検出値をフィードバックしてもよい。負荷による電力の取り出しを検知し、この電力の取り出しの値をフィードバックすることによって、コントローラが、この電力の取り出しを支持するために十分であるが、電力の取り出しの値のフィードバックが存在しないときの電力生成に比べて余剰な電力量が低減されるように、電力の生成を動的に制御してもよい。さらに、コントローラは、入力電圧もしくは電流の波形の関数としての電圧もしくは電流波形、入力電圧もしくは電流の波形に比例もしくは反比例する電圧もしくは電流波形、入力電圧もしくは電流の波形の線形関数としての電圧もしくは電流波形、または入力電圧もしくは電流の波形の非線形関数としての電圧もしくは電流波形を有する電力を、動的に生成するように制御してもよい。内部または外部の電子機器の素子が、波形の検出値を提供してもよく、コントローラが、この検出値の関数としてアレイを制御してもよい。電圧または電流波形は、負荷の影響を補正するように調節されてもよい。

他の実施形態において、複数の電源セルを動作させる方法は、電力を負荷に供給するための出力電圧および電流を生成するように、直列に組み合わされた電源セルからなる第１バンクを構成する過程と、電源セルからなる少なくとも１つの第２バンクを動的に構成する過程とを含んでおり、少なくとも１つの第２バンクが、第１バンクと実質的に同じ出力電圧を生成するように構成され、第１バンクおよび少なくとも１つの第２バンクによって生成される電圧および電流の組み合わせの関数として電力を供給するように、第１のバンクに並列に構成される。

各バンクの複数の電源セルは、並列に接続されていてもよく、任意で、静的または動的に構成されていてもよい。

他のさらなる実施形態において、コントローラは電源セルのアレイを制御し、複数の電源セルを直列または並列に組み合わされた電源セルのアレイに動的に構成することによって出力電力を生成したり、電源セルの直列の組み合わせを動的に構成することによって出力電力を粗く調節したり、電源セルの並列の組み合わせを動的に構成することによって出力電力を微細に調節したりする。

出力電力を粗くまたは微細に調節する過程は、電源セルの少なくとも１つの動作パラメータをフィードバックし、少なくとも１つの動作パラメータの関数として電源セルの直列または並列のそれぞれの組み合わせを動的に構成する過程を含んでいてもよい。一実施形態において、上記の少なくとも１つの動作パラメータは、出力電圧、出力電流、電源セルにおける圧力、電源セルにおける温度、または電源セルにおける湿度のうちの少なくとも１つを含んでいる。出力電力を生成する過程は、電源セルのアレイ内の複数のグループの中から、出力電力を生成するための電源セルのグループを選択する過程を含んでいてもよい。さらに、出力電力を生成するための電源セルのグループを選択する過程は、周期的な時間、ランダムな時間、擬似ランダムな時間、オンデマンド、または事象駆動に基づいて、出力電力を生成するための異なる電源セルのグループを選択する過程を含んでいてもよい。

本発明のさらなる一実施形態において、電源セルのアレイは、電源セルの表面積を選択可能な直列または並列の組み合わせで組み合わせることにより、選択可能な効率で負荷に電力を供給することによって電力を生成してもよい。電源セルの表面積を組み合わせる過程は、電源セルのバンクを単位にして電源セルのバンクの表面積を組み合わせる過程、または電源セルを単位にして電源セルの表面積を組み合わせる過程を含んでいてもよい。

他の実施形態は、電源セルのアレイを動作させる方法、またはこれに対応する装置である。コントローラまたは他の装置が、電源セルのアレイ内の電源セルの少なくともサブセットによって、所与の電流密度に対する選択可能な効率において電力を生成してもよい。この例示的な実施形態は、燃料の効率的な消費のために効率を最適化するか、または熱の効率的な生成のために効率を最適化してもよい。

さらなる一実施形態において、電源セルのアレイを、電源セルのアレイ内の故障の電源セルを特定し、故障の電源セルを動作から外し、電源セルのアレイ内の故障でない電源セルを動作させて電力を生成することによって制御してもよい。

電源セルを動作させるための他の方法またはこれに対応する装置は、電源セルのアレイ内の複数の電源セルを直列および並列の組み合わせに動的に構成する過程と、電源セルを、電圧源、電流源、ＡＣ電源、および音声出力増幅器からなる群から選択されるモードにて動作させるように、電源セルの直列および並列の組み合わせをリアルタイムで変更する過程とを含んでいる。

電源セルのアレイ内の電源セルを自己洗浄できる実施形態において、例示的な方法またはこれに対応する装置は、電源セルのアレイにおいて少なくとも１つの第１電源セルを第２電源セルに接続する過程と、第２電源セルによって、少なくとも１つの第１電源セルを、少なくとも１つの第１電源セルの触媒を洗浄するための電圧で駆動する過程とを含んでいる。

この例示的な実施形態において、電源セルのアレイは、少なくとも１つの第３電源セルによって負荷を同時に駆動してもよい。他の実施形態において、コントローラは、触媒の洗浄の後に、少なくとも１つの第１電源セルを第２電源セルから切り離し、少なくとも１つの第１電源セルを負荷に接続するように制御してもよい。さらに、この例示的な実施形態は、少なくとも１つの電源セルの触媒の汚れの状態を判定するものであってもよい。

電源セルのアレイを制御するために使用されるコントローラの一実施形態は、処理のカーネル層の制御のもとで電源セルを定常的に動作させ、処理の高次層によってカーネル層を使用して、電源セルに選択可能な方式で電力を生成させるように制御してもよい。

この実施形態において、処理のカーネル層の制御のもとで電源セルを定常的に動作させる過程は、電源セルによって生成される電力の質および量を監視および制御する過程を含んでいる。さらに、高次層によってカーネル層を使用する過程は、カーネル層にとって未知である高次機能に従って電源セルに電力を生成させるためにカーネル層を使用する過程を含んでいてもよく、これら高次機能は、冷間始動、正弦波の出力電力、任意の波形の電力出力、電圧調節、電流調節、効率の制御、および電力増幅器モードからなる群から選択される。

冷間始動の状況において、一実施形態は、始動セルとなるべき電源セルのサブセットを定め、これら始動セルから電流を取り出して始動セルにおいて熱を発生させるために始動セルに負荷を加えることにより、始動セルの周囲の電源セルを暖めるものであってもよい。この実施形態は、始動セルの周囲の電源セルを暖めた後に、始動セルの周囲の電源セルによる電力の生成を可能にするものであってもよい。

始動セルの周囲の電源セルを電力供給可能にする過程は、始動セルの周囲の電源セルを始動セルとの直列または並列の組み合わせに構成する過程を含んでいてもよい。さらに、この実施形態は、始動セルまたは始動セルの周囲の電源セルの温度を監視する過程と、この温度の関数として、始動セルを囲み、かつ始動セルから外方に広がって配置されている電源セルによる電力の生成を可能にする過程とを含んでいてもよい。さらに、上記の、始動セルの周囲の電源セルを電力供給可能にする過程は、周囲の電源セルによって生成される電力を始動セルから電流を取り出している負荷に導く過程を含んでいてもよい。ある実施形態では、上記の、始動セルの周囲の電源セルを電力供給可能にする過程が、周囲の電源セルによって生成される電力を、始動セルから電流を取り出している負荷とは異なる負荷に導く過程を含んでいる。

他のさらなる実施形態において、電源セルのアレイを動作させる方法またはこれに対応する装置は、電源セルのアレイの少なくともサブセットを直列および並列の組み合わせに構成する過程と、直列および並列の組み合わせに構成された電源セルに接続された負荷による電力の使用を追跡する過程と、負荷によって使用されない余剰な電力の生成を最小限にする方式で負荷に十分な電力を供給するように、電源セルのアレイからのより多数またはより少数の電源セルにて、電源セルを直列および並列の組み合わせに動的に再構成する過程とを含んでいてもよい。

他のさらなる実施形態において、コントローラは、電源セルのアレイのサブセットを直列および並列の組み合わせに動的に構成し、任意の量の出力電力を生成するために、電源セルの直列または並列の組み合わせを動的に再構成するように構成されていてもよい。電源セルの直列または並列の組み合わせを動的に再構成する過程は、さらに、経時変化する電圧または電流を生成するように電源セルを動的に再構成する過程を含んでいてもよい。

他の実施形態において、電源セルのアレイを動作させる方法またはこれに対応する装置は、電源セルの少なくともサブセットを直列および並列の組み合わせに接続する過程と、負荷の影響を補正すべく調節された経時変化する波形を有する電圧または電流を生成するように、電力を生成する電源セルをより多く、あるいはより少なく含むように、直列または並列の組み合わせの電源セルを動的に再構成する過程とを含んでいる。

本発明の一実施形態は、携帯電話または複数の電圧を用いる他の用途などの特定の用途における使用のために、共通の貯蔵されたエネルギー源を共有する電源セルのアレイによって複数の電圧を同時に生成する。

ある実施形態において、複数の電圧のうちの少なくとも１つは、経時変化する電圧である。複数の電圧を生成する過程は、電圧のうちの少なくとも１つを変更するように電源セルを構成する過程を含んでいてもよく、任意で、複数の電圧のうちの少なくとも１つに対して電流能力が増大するように電源セルを構成する過程も含んでいてもよい。少なくとも１つの実施形態において、複数の電圧のうちの少なくとも１つは、経時変化する波形である。この場合、電源セルからの電子の流れを制御するために使用される電気素子を、少なくとも１つの電源セルの触媒の汚れを除去するために、経時変化する波形を少なくとも１つの電源セルに導くように制御してもよい。

本発明の一実施形態は、反応成分を反応させる方法であって、体積空間を取り囲み、少なくとも１つの触媒を備える少なくとも１つの膜の両側部において反応成分を電気化学的に反応させる過程を含んでいる方法である。他の実施形態において、この方法は、水の電気分解などの電気分解を実行する過程を含んでいる。他のさらなる実施形態において、上記の、反応成分を電気化学的に反応させる過程は、少なくとも１つの膜の両側部に電位差を加える過程を含んでいる。

本発明の一実施形態は、反応成分を反応させる装置である。この装置は、第１および第２側部を有しており、それぞれの体積空間を取り囲んでいる少なくとも１つの膜を備えている。この装置は、さらに、第１および第２側部に結合された少なくとも１つの触媒であって、この少なくとも１つの触媒と気体連通する第１および第２側部において反応成分を電気化学的に反応させる少なくとも１つの触媒と、少なくとも１つの膜に連結されて、第１および第２側部の流路を隔てるカバーとを備えている。

本発明の半導体燃料電池のアレイの概略平面図である。 本発明の燃料電池１２の、図１の２−２線に沿った簡略化された概略断面図である。 本発明のＰＥＭバリヤ３０の構造を製造するための主要な過程を示すプロセスの概略断面図である。 本発明のＰＥＭバリヤ３０の構造を製造するための主要な過程を示すプロセスの概略断面図である。 本発明のＰＥＭバリヤ３０の構造を製造するための主要な過程を示すプロセスの概略断面図である。 本発明のＰＥＭバリヤ３０の構造を製造するための主要な過程を示すプロセスの概略断面図である。 本発明のＰＥＭバリヤ３０の構造を製造するための主要な過程を示すプロセスの概略断面図である。 本発明のＰＥＭバリヤ３０の構造を製造するための主要な過程を示すプロセスの概略断面図である。 本発明のＰＥＭバリヤ３０の構造を製造するための主要な過程を示すプロセスの概略断面図である。 本発明のＰＥＭバリヤ３０の構造を製造するための主要な過程を示すプロセスの概略断面図である。 本発明の他の実施形態に係る成形されたＰＥＭバリヤを示す断面概略図である。 ＰＥＭ構造の一実施形態の断面図である。 ＰＥＭ構造の変形例の断面図である。 ＰＥＭ構造の他の変形例の断面図である。 燃料電池チップ上に組み込むことができる回路のブロック図である。 個々の電源セルまたは電源セルのグループを動作させる統合制御システムの配線の概略図である。 燃料電池に用いられるマニフォルドシステムの概略側面図である。 ウェハ上に並んで配置されて電源チップを形成し、互いに上下に積層配置されて電源ディスクを形成する複数の燃料電池の概略平面図である。 図１１の部分側面図である。 本発明の一実施形態の半導体燃料電池のアレイの概略平面図である。 本発明の燃料電池の概略図である。 本発明の図１４の燃料電池の簡略化された概略断面図である。 本発明の実施形態の燃料電池の概略断面図である。 本発明の実施形態の燃料電池の概略断面図である。 本発明の実施形態の燃料電池の概略断面図である。 本発明の実施形態の燃料電池の概略断面図である。 本発明の一実施形態の、有効面積を増やす「フィン」を有するＰＥＭの表面の概略平面図である。 典型的な二次元の燃料電池と本発明の実施形態の燃料電池の構造との間の、占有面積の比較を説明する図である。 典型的な二次元の燃料電池と本発明の実施形態の燃料電池の構造との間の、占有面積の比較を説明する図である。 典型的な二次元の燃料電池と本発明の実施形態の燃料電池の構造との間の、占有面積の比較を説明する図である。 本発明の実施形態の燃料電池のカバーの構成を示す概略平面図である。 本発明の実施形態の燃料電池のカバーの構成を示す概略平面図である。 それぞれ多数の電源チップを含む複数の電源ディスクで構成された例示的な電源スタックの階層構造を示す断面概略図である。 本発明の一実施形態の電源スタックの概略平面図である。 本発明の一実施形態の燃料電池を積層することによって生じる体積の増加による段階的な出力密度の増加を説明する図である。 本発明の一実施形態の燃料電池を積層することによって生じる重量の増加による段階的な出力密度の増加を説明する図である。 バッテリー、燃料電池または他の同様の装置からの調節電力の生成に関する従来技術を示す回路図である。 超小型燃料電池の典型的な電圧−電流（Ｖ−Ｉ）曲線を、環境条件による変化と共に示す図である。 燃料電池の、直列−並列で切り替えられる構成の相互接続形態を示す例図である。 出力電流および回路に接続される列の数が変化し、負荷インピーダンスが減少したときの電圧の変化を示す図である。 燃料電池の数を変えることができる直列接続の列の切替の接続形態の例図である。 動作状態に切り替えられた後の燃料電池に典型な過渡応答を示す図である。 燃料電池の典型的な伝達機能を示す概略図である。 燃料電池または電源セルのアレイについて電圧調節および最適の燃料使用を達成するために使用する例示的な閉ループ制御システムのブロック図である。 燃料電池などの電源セルを動作させるために使用される制御システムに組み込まれた例示的な制御プロセスのフローチャートである。 温度、湿度、圧力および装置の故障にも適応する図９の制御プロセスのフローチャートである。 燃料電池の集合アレイのＶ−Ｉ曲線が、１つの列の直列接続された燃料電池装置の数と共にどのように変化するのかを示した図である。 燃料電池の集合アレイのＶ−Ｉ曲線が、１つの行の並列接続された燃料電池装置の数と共にどのように変化するのかを示した図である。 典型的なＶ−Ｉ曲線について、生成される総電力、内部での電力消費、負荷に供給される電力、および電力効率を示した図である。 典型的なＶ−Ｉ曲線について、生成される総電力、内部での電力消費、負荷に供給される電力、および電力効率を示した図である。 中間の平均値を維持するために電源セルを繰り返しオン・オフすることによって失われるエネルギーを示す概略回路図である。 図３６Ａの概略回路図に対応する電流の動作図である。 独立して調節される複数の電圧を供給するように構成された燃料電池のアレイの切替の接続形態を示す図である。 出力増幅器の構成で電力を生成するために使用される電源セルのアレイのブロック図である。 電源セルのアレイによって生成され、負荷の影響を補正するように出力電力を調節すべく制御された出力波形を示すブロック図である。 負荷に電力を供給するために順序付けられているかまたは選択されるゾーンを有する電源セルの例示的なアレイのブロック図である。 例示的な始動手順において電源セルを暖めるように動作される電源セルのアレイのブロック図である。 カーネル（基本）機能と、カーネル機能を利用するように構成された高次機能とを備えたコントローラの機能図である。 パルスまたは他の波形を生成する他の電源セルに接続され、これを受け取ることによって汚染物質が洗浄される電源セルの概略図である。 電気化学反応を行う電源セルの概略平面図である。

本発明の前述および他の目的、特徴ならびに利点は、添付の図面に示された本発明の例示的な実施形態についての以下の詳細な説明から明確になるであろう。添付の図面における同一の符号は、異なる図を通して同一の部分を示している。図面は必ずしも縮尺どおりではなく、本発明の原理を示すことに重点が置かれている。

本発明の例示的な実施形態を以下で説明する。

図１には、従来の半導体のウェハ１０の平面図が示されている。この半導体のウェハ上には、半導体上の複数の燃料電池１２が作製されている。これら複数の燃料電池をウェハ上で電気的に相互接続し、かつ気体を供給することで、電源チップ１５を形成してもよい。簡略化のため、燃料電池１２および電源チップ１５は縮尺どおりに示していないが、４インチのウェハ上には少なくとも８０００万個の燃料電池を形成することができる。そのような燃料電池の１つを図２の部分断面図に示す。最も単純な形態において、各燃料電池１２は、基板１４と、コンタクト１６Ａおよび１６Ｂと、導電性のポリマーの基部１８とで構成されている。この導電性のポリマーの基部１８は、非導電性のポリマーが積層した支持構造体２０の第１層２０（ａ）の両側に形成されており、電気を通す金属製のコンタクトに密着している。

中央の構造体２０の両側に位置し、触媒の粒子２８が埋め込まれた導電性のポリマー２２は、左側にある水素気体を右側にある酸素気体から隔てるプロトン交換膜（ＰＥＭ）バリヤを形成している。Ｏ_２（酸素）気体およびＨ_２（水素）気体をそれぞれ導入するための流路である、エッチングされたチャネル５０Ｂおよび５０Ａと、燃料電池１２上の放熱用の蓋４０とが図２に示されている。

図３Ａ〜図３Ｈは、ＰＥＭバリヤ３０の関連する製造の詳細を段階的に示した一連の概略断面図である。図３Ａには、半導体の基板１４にエッチングされた燃料電池のチャネルの底部が示されている。図３Ａには、さらに、電子を燃料電池１２から残りの回路に運ぶ金属製のコンタクト１６が示されている。これら金属製のコンタクトは、半導体製造プロセスのメタライゼーション段階における周知のフォトリソグラフィ工程によって堆積処理されている。

図３Ｂには、この構造に塗布された導電性のポリマーの基部１８が示されている。基部１８は、金属製のコンタクト１６と物理的／電気的に接触しており、図３Ａ〜図３Ｈに示された過程の導電性のポリマー２２を引き付ける。

図３Ｃには、この構造に塗布された非導電性のポリマーの基部である第１層２０（ａ）が示されている。この非導電性のポリマーの基部は２つの導電性のポリマーの基部１８の場所間に位置決めされ、非導電性のポリマーの構造体２０を引き付ける。

図３Ｄには、この構造に塗布されたポリマーのレジスト２１が示されている。このレジスト２１は、導電性のポリマーをはじき、不必要な領域にポリマーが形成することを防ぐ。

図３Ｅには、基部２０Ａ上に成長した非伝導性のポリマーの第１層２０Ｂが示されている。この非伝導性のポリマーはＰＥＭバリヤの中心材であり、薄い外側部である導電性のポリマー２２が形成される時にこのポリマー２２を支持する。

図３Ｆには、一層ずつ積層されて垂直のバリヤを形成する、非導電性のポリマーの構造体２０の次の層が示されている。このバリヤが垂直なことにより、領域を変形例することができる。

図３Ｇには、基部１８上に成長する導電性のポリマーの第１層２２ａが示されている。これが、触媒を備えた、ＰＥＭバリヤの外壁材である。

図３Ｈには、この構造に一層ずつ積層された導電性のポリマー２２の次の層が示されている。図２には、ポリマーのレジスト２１の層を除去し、蓋４０を取り付け、簡略化のために図３Ａ〜図３Ｈからは省略したが既に存在している側壁５２を加えた後の、完成された構造が示されている。元来、レジスト２１の層が半導体製造プロセスにおける最終工程のパッシベーション層である場合、このレジストの層を必ずしも除去する必要はない。

再び図２を参照し、燃料電池１２を形成する構成要素のさらなる詳細について説明する。大まかに符号３０で示したプロトン交換膜は、燃料の水素（Ｈ_２）と酸化剤の酸素（Ｏ_２）との間にバリヤを形成する。

ＰＥＭバリヤ３０は２つの材料を有する３つの部分で構成されている。このＰＥＭバリヤ３０には、第１外壁２２Ｂと、次に中心の構造体２０と、最後に第２外壁２２Ｃとが存在する。ＰＥＭバリヤは、第１の材料の中心の構造体２０が第２の材料の２つの外壁に接触するようにして構成されている。

好ましくは、中心の構造体２０を形成する材料は、水素イオン（プロトン）を水素側から酸素側に通過させることができるイオン性ポリマーである。この材料は非導電性なので、２つのコンタクト１６Ａと１６Ｂとの間における電源セルの短絡を効果的に防ぐ。この材料は、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）または同様の特性を有する材料で形成されていてもよい。点線で示されている外部負荷５を、電力を取り出すためにコンタクト間に接続してもよい。

導電性のポリマー２２である２つの外面壁を形成する第２の材料も、水素イオンを通過させることができる同様なイオン性ポリマーである。さらに、この第２の材料は、白金／合金触媒などのナノ触媒の粒子２８（ドットで示されている）でドーピングされており、かつ導電性である。

触媒の粒子２８をポリマー２２に埋め込むことにより、ＰＥＭバリヤ３０との最大限の密接が得られる。この密接により、イオンのカソード電極１６Ｂに向かってイオンが自由に移動する経路が容易に得られる。触媒は表面効果であり、触媒の粒子２８をポリマー２２内に留めることにより、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劇的に向上する。

ポリマー２２を第２の材料を導電性にすることにより、電極が形成される。触媒反応と電極とが近いほど、電極が電子を集める良好性に影響する。この方法により、触媒反応が電極内で効果的に生じる。この密接により、アノード１６Ａに向かって電子が自由に移動する経路が容易に得られる。これにより、自由電子の大部分を集めることに成功できる。同様に、これによってシステム効率が劇的に増大する。

上述のＰＥＭ３０の電気的および化学的／機能的特性に加えて、以下で説明する重要な物理的特性も存在する。

この自己組立プロセスにより、ＰＥＭバリヤをより最適に構築することができ、設計によっては、さらに効率的になるであろう。

第１に、別個の水素の流路および酸素の流路を形成する必要がある。こうするには、エッチングされたチャネル５０を２つの別個のチャネル５０Ａ、５０Ｂに完全に分割するように、ＰＥＭの構造体を成長／形成する必要がある。これは、ＰＥＭの構造体を、チャネルの中央で成長させ、電源セルの端壁にしっかりと当接するようにパターン化することを意味する。また、ＰＥＭの構造体を、蓋４０の底部における接着剤４２に接触するように、チャネルの高さにまで成長させてもよい。

第２に、気密封止する必要がある。こうするには、ＰＥＭ３０の構造体が基部１８および２０Ａの構造と、基板１４と、電源セルの端壁（図示せず）と、蓋４０を被覆する接着剤４２とに完全に接着されていることが必要となる。ポリマーを適切に選択することにより、チャネル内でポリマーが接触する材料間に化学結合が形成される。この化学結合に加えて、ＰＥＭバリヤの上に蓋４０を付着させることによる物理的な密封効果が得られる。ＰＥＭ３０の高さが正確に制御されている場合、付着された蓋の圧力により機械的な「Ｏリング」型の自己シールが形成される。ＰＥＭ３０を基板１４上に成長させることによって、ＰＥＭ３０を蓋４０と組み合わせるときに微細な調節の問題が生じない。蓋については注目すべき詳細はない。

図４の概略斜視図には、流入／注入工程および流入／注入構造を伴う、ＰＥＭバリヤの他の実施形態が示されている。

微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）の機械加工方法を用いて、３つのチャネル６０Ａ、６０Ｂおよび６０Ｃが半導体の基板１４０にエッチングされる。外側の２つのチャネル６０Ａおよび６０Ｃは、薄壁７０Ａ、７０Ｂによって中央のチャネル６０Ｂから隔てられている。これらの薄壁には複数の細いスリットＳ_１〜Ｓ_ｎがエッチングされている。その結果得られた歯部Ｔ_１〜Ｔ_ｎ＋１には、触媒２８０がスリットの領域に堆積している。薄壁７０Ａ、７０Ｂの底部で、かつ外側のチャネル６０Ａ、６０Ｃの壁が形成されている側に、金属製の電極１６０Ａ、１６０Ｂが配置されている。触媒２８０は、電極１６０Ａ、１６０Ｂが配置された後に歯部に堆積される。これにより触媒は、薄壁７０Ａ、７０Ｂの基部で各電極１６０Ａ、１６０Ｂと電気的に接触し、かつこれらの電極の一部を覆う。さらに、金属製の導電体９０が、各電極１６０Ａ、１６０Ｂに接触するように配置されており、さらに外側のチャネルを上って外に延びている。

蓋４００には、蓋４００を基板１４０に接着するために用いられる接着剤４２０の層が設けられている。このようにして、３つの別個のチャネル、すなわち、水素用のチャネル６０Ａ、反応用のチャネル６０Ｂおよび酸素用のチャネル６０Ｃが基板に形成される。さらに、蓋４００は、適宜に配置された電解質の様々な注入孔５００として形成された注入口を有している。これらの注入孔５００は、反応用のチャネル６０Ｂのみにある、ポリマー材料の電解質膜（図示せず）に導く供給路を形成している。

図４の構造体は以下のようにして組み立てられる。

第１に、基板機械加工および全ての電気回路の堆積を含む半導体製造プロセスが実行される。

次に、蓋４００が機械加工され、さらに接着剤４２０付きの状態に加工される。蓋４００が基板１４０に接着される。次に、電解質（図示せず）がこの構造体に注入される。

反応用のチャネル６０Ｂの薄壁７０Ａ、７０Ｂは、電解質が流入する間、電解質を保持する。スリットＳ_１〜Ｓ_ｎにより、各チャネル６０Ａ、６０Ｂ内の水素および酸素が触媒２８０およびＰＥＭ３００に達することができる。歯部Ｔ_１〜Ｔ_Ｎ＋１のスリットの領域を触媒２８０によって被覆することにより、水素（Ｈ_２）気体がスリットに進入するときに、反応点が形成される。電解質が反応用のチャネル６０Ｂ内に流入／注入されると、電解質はチャネル６０Ｂを完全に充填する。液状の電解質の表面張力により、電解質は、スリットを通って気体用のチャネル内に押し入ってこのチャネルを充填することができない。電解質を適用すると、ある程度の圧力が伴うので、圧力が電解質をスリット内に押しやることにより、電解質の表面の膨張効果が生じる。これにより、電解質は、スリットＳ_１〜Ｓ_Ｎの側部を被覆する触媒２８０に接触する。一旦この接触がなされて膜（電解質）に水分が与えられると、この膜（電解質）はさらに膨張し、触媒と確実に良好に接触する。Ｈ_２（水素）／Ｏ_２（酸素）気体は、触媒の領域において、膜（極薄であり、すなわち５マイクロメートル）内へと拡散することができる。膜を薄くできるので、より効率的になり、すなわち抵抗損失（Ｉ^２Ｒ）が小さくなる。これにより、反応の３つの成分は互いに接触する。触媒２８０と電気的に接触する電極１６０Ａ、１６０Ｂが第４の成分であり、水素イオンが電界質膜を通過して他方の側部で反応を完了する間、自由電子のための経路（外部の負荷（図示せず）を通って）を形成する。

図５〜図７の断面図を参照しながら、本発明のＰＥＭ３０の構造体の他の様々な実施形態を詳細に説明する。図５には、ＰＥＭの中央の構造体２０が、連続する非導電性の垂直に延びる要素として形成されており、電極／触媒１６、２８は、リードワイヤである金属製の導電体９０に取り付けられた不連続な要素である。図６は、ＰＥＭの構造体の変形例の図であり、触媒２８が非導電性の構造体２０である芯部に埋め込まれており、電極１６が触媒の側方向に隣接して形成されている。最後に、図７では、図５のＰＥＭの構造体に類似であるが、中央の芯部であるＰＥＭの構造体２０’が不連続である。

図８は、マイクロコントローラと共に半導体のウェハ１０に組み込むことができる実施可能な回路の幾つかを示す概略ブロック図であり、これらの回路は、複数の燃料電池の性能を監視し制御するものである。幾つかのセンサ回路８０、８２、８４および８６が、特定の機能を実行する。

温度用の回路８０の入力により、マイクロコントローラ８８は燃料電池１２の熱プロファイルを形成することができる。電圧用の回路８２は、構成階層、すなわち燃料電池のグループの様々な階層における電圧を監視する。これにより、負荷における変化についての情報が得られる。プロセッサであるマイクロコントローラ８８は、この情報を用いて、システムの構成を調節し、要求される動作を達成／維持する。電流用の回路８４は、上述の電圧を監視する回路８２と同様の機能を実行する。

圧力用の回路８６は、気体の内部の流路であるチャネル５０Ａ、５０Ｂ内の圧力を監視する。システムの性能はこの圧力によって左右されるので、マイクロプロセッサ（マイクロコントローラ）８８は、これらの測定値に基づいて調節を行い、システムの最適の動作を維持する。今後の機能の追加を予想して、未定義の回路８１が利用可能に設けられており、マイクロ（マイクロコントローラ）８８に対して余分な入力をすることができる。

さらに、校正用の回路９４が、少なくとも電力（Ｖ＊Ｉ）スイッチ（図９を用いて説明する）を制御するために用いられてもよい。出力電圧および電流の能力は、これらスイッチの構成によって定められる。ローカル回路９２は、動的にプログラムされている必要があり、例えば、監視用のパラメータがプログラムされる。これらの出力は、上記の変化をもたらすために使用されてもよい。ローカルサブシステムである構成用の回路９４は、気体の流量、故障の隔離および生成物の除去を制御するためにマイクロ（マイクロコントローラ）８８によって使用される。ローカル電源回路９６は、燃料電池１２によって生成された電気の一部を取り出して基板上の電子機器に電力を供給する。電力供給回路であるローカル電源回路９６は、調節回路および調整回路を備える。２線式通信インターフェイス装置９８は、通信装置とこれら通信装置間を接続する電源バス（図示せず）との間の電気インターフェイスとなるために、チップに組み込まれてもよい。

マイクロコントローラ８８は統合型電子機器のサブシステムの心臓部であり、指定された全てのシステム機能を監視し制御する。さらに、マイクロコントローラ８８は、いかなる外部通信の通信プロトコルも対処する。マイクロコントローラ８８は「インサーキット・プログラミング（ｉｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ）」が可能なので、実行制御プログラムを必要に応じて更新することができる。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が可能であり、さらに自身／システムの診断判定およびセキュリティ機能を備え、使用することができる。

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、燃料電池１２である個々の電源セルがウェハ上に形成されており、図８のマイクロプロセッサ（マイクロコントローラ）８８から制御できるトランジスタのスイッチ９７を用いて電源バス９９Ａ、９９Ｂ間に並列に配線接続されている。スイッチ９７Ｂおよび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り、スイッチ９７Ｃは直列スイッチＳＳであり、スイッチ９７Ｄおよび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。

これにより、個々の電源セルまたは電源セルのグループ（電源チップ１５）を様々な構成で、すなわち並列または直列で配線接続することができる。電源セルを直列に配線接続することによって様々な電圧が生成される。また、電源セルを並列に配線接続することによって電流能力を向上させることができる。一般に、電源チップの電力プロファイルを動的に制御することによって、「プログラム」された仕様を達成したり、維持したりすることができる。逆に、製造時において、電源チップを静的なプロファイルに構成してもよく、よって電力スイッチの必要性が解消される。スイッチをオン・オフしたり、配線の極性を変えたりすることによって、交流（ＡＣ）および直流（ＤＣ）の電力出力を作り出すことができる。

電力を管理するためのサブシステムを実現するためには、電力生成プロセスからのフィードバックが必要である。プロセスの効率を絶えず測定する回路を、チップ上に直接形成してもよい。このフィードバックは、閉ループ方式でシステムの制御を変更するために用いられてもよい。こうすることにより、最大レベルのシステム効率が動的に維持される。これらの回路の幾つかを次に説明する。

システムに対する要求が経時的に変化するにつれて、電力発生プロセスの性質は変化する。幾つかの動作パラメータのリアルタイムの状態に基づく判定により、システムは、自動調節によって最適の動作を維持することができる。これらパラメータの境界はプログラムによって定められる。

例えば、個々の電源セルまたは電源セルのグループの電圧と電流との両方を測定してもよい。電力出力を監視してもよく、電源セルまたは電源セルのグループが動作していない場合、必要ならば、これを除いてもよい。前述したトランジスタのスイッチである電力スイッチ９７によって、この動作していない電源セルまたは電源セルのグループを除いてもよい。

また、平均出力レベルは、チップ上における活性中の「負荷を受ける」領域を移動させながら維持することができる。こうすることにより、常時（１００％の時間）動作する領域が存在しないので、より良好な全体の動作レベルを達成できる。デューティサイクルによるこの方法は、要求が急激に高まった場合に特に適用可能である。ここでの概念は、電力を分割してより良好な電源セルの利用特性を得ることである。

電源チップの熱特性が電気的負荷によって変化し、この熱が電源セルレベルの電力生成に悪影響を与えかねないことが予測できる。十分な温度感知と、電源セルの使用に対する適切な応答とによって、熱蓄積による有害な作用を最小限にすることができる。

蓋４０は、２つの部品による「電源チップ」アセンブリの第２部品である。好ましくは、蓋４０は金属製であり、もろい半導体の基板１４に対する機械的に強固な基材となっている。これにより、容易に扱うことが可能になり、さらに、「電源スタック」、すなわち、文字どおりに互いに上下に積層した複数の電源チップ１５を組み立てるための安定した土台が提供される。目的は、より大きい電力を有する物理的ユニットを作ることである。

図１０には、どのようにして燃料および酸化剤／生成物のチャネル５０Ａ（ならびに図示されていない５０Ｂ）を基板１４の表面にエッチングすることができるかが示されている。これらの溝は３つの側面を有しており、上側は閉じられ、封止されていてもよい。蓋４０および接着剤４２は、基板１４に接着してチャネルを完成させるとチャネルを密封する。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の除去用のチャネルの基（ｍａｔｒｉｘ）が、基板の表面に形成される。

蓋４０は、入口／出口を形成することができる、機械的に安定したインターフェイスとなる。これらは、気体供給口および水除去口である。これらの構造は、広大な外界から基板上のマイクロメートル寸法の構成に寸法移行するものであってもよい。この寸法移行は、マイクロメートル寸法のチャネルを、これよりも相対的に遥かに大きい孔Ｈに延設することによって達成できる。この大きい孔によって、蓋と基板との間の調節があまり必要でない。蓋の大きい孔は、機械加工で基板に形成されたマイクロメートル寸法のチャネルを持つ基板の大きい孔と一直線状に整列し、このチャネルは、基板の大きい孔から電源セルに延在する。

各ウェハは、マニフォルドを備えていてもよい。これにより、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部材が必要となることが考えられ、さらに、この外部の管接続は自動的な連結システムを必要とし得る。

図１１および図１２には、いくつかの燃料電池１２である電源セル（この例では３つの燃料電池が並んでいる）をウェハまたは基板１４に形成して電源チップ１５を形成する多くの方法のうちの１つが示されている。電源ディスクを垂直に互いに上下に積層することにより、それぞれ水素源および酸素源に連結された、導入孔５０ＨＩ、５０ＯＩを備える垂直の柱状体を形成してもよい。ウェハの柱状体は、内部に電源チップを形成しており、また、電源スタックを備えている。

図１２には、複数の電源ディスク１５をスタックすることにより、多大な電力を備える電源スタックが形成されている様子が示されている。「スタックする」という単語の使用は理にかなっている。なぜなら、この単語は、ウェハ同士が互いに近接することにより、短い電気的な相互接続と最小限の管接続とが可能になることを示唆しているからである。実際には、この「スタックする」という単語は、複数のウェハの電力を組み合わせてより高出力の装置を形成することをいう。この組み合わせを形成するのであれば、ウェハを電気的に重ね合わせるだけでよい。しかしながら、最小のスペースにおいて最大の効率性で最大の電力を生成することが所望とされる。最短の電気的な相互接続（電源バス接続）の変形例を検討する場合、主要なマニフォルドのうち２つを電源バスとして使用する可能性も考慮すべきである。これは、これらマニフォルド／電源バスの一部を電気的に絶縁し、これらの部分を、各ウェハからその次のウェハに電力を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、大電力配線の必要性が軽減し、電力供給のこの機能が自動的になされ、かつ、精度および信頼性が向上する。

所望のマニフォルドの構造によって、電源ディスクを積層することができる。この構造では、実際のマニフォルド９５は部分単位で構成され、各々の部分は蓋４０と一体である。電源ディスクが積層されるにつれて、マニフォルド（管）が形成されていく。この種類の構造は、外部の管の必要性を大幅に減少させる。特殊な末端キャップにより、電源スタックの端部においてマニフォルドが完成する。

これまでに開示した実施形態を要約すると、本発明の主な目的の１つは、準標準的なの半導体加工方法を利用して、燃料電池１２である複数の電源セルを含んだウェハ１０で構成される電源チップ１５を大量生産できるようにすることである。このプロセスは、もともと、極めて小さい特徴に対応できる。また、これらの特徴（電源セル）は、１個につき極めて小さい電力を生成するものと考えられる。各電源セルは、材料が支援できる最大限の電力を有するように設計される。現実的な大量の電力を得るために、数百万個の電源セルが単一の電源チップ１５上に作製され、多数の電源チップが「電源ディスク」（半導体のウェハ１０）上に作製される。これが、単一のウェハから十分な電力出力を得ることができる理由である。１０マイクロメートル（μＭ）×１０マイクロメートル（μＭ）の電源セルにより、１立方センチメートル（ｃｍ^２）あたりに１００万個の電源セルが作製可能である。最終的な電源セルのトポロジーは、構成材料の物理的性質およびその特徴により決定される。

固体高分子水素燃料電池（ｓｏｌｉｄ ｐｏｌｙｍｅｒ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ）の基本的な電気化学的な反応は８０〜１００℃の動作温度で最も効率的である。これは、シリコンのような一般的な半導体の基板の動作範囲内である。しかしながら、ウェハが積層されるのであれば、さらなる放熱が必要になり得る。いずれにせよカバーは必要なので、さらなる余裕のために蓋４０を放熱体とすることは道理にかなっている。

燃料および酸化剤／生成物用のチャネルが半導体の基板の表面にエッチングされる。これらの溝は３つの側面を有しており、上側は閉じられて、封止されていてもよい。蓋４０がこの機能を果たす。蓋４０は接着剤で被覆されており、半導体の基板に接着しチャネルを完成させると、チャネルを密封する。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の除去用のチャネルの基（ｍａｔｒｉｘ）が、基板の表面に形成される。電源セルの２つの主なチャネルは、この同一の接着剤に接着したＰＥＭによって隔てられている。したがって、いかなる微粒子も除去することによって、整合の要求条件を達成するのが容易になる。

電源セルおよび電源チップの構造
上述の電源セルが、体積空間を取り囲む三次元の幾何学的構造を有する膜と、膜に連結されて、膜において第１流路を第２流離から隔てるカバーとを備えていてもよいことを理解されたい。本明細書において、「電源セル」および「燃料電池」は同義であり、互換的に用いられる。電源セルは、さらに、カバーにアノード触媒層と、カソード触媒層とを備えていてもよい。任意で、電源セルは、燃料または酸化剤が触媒に流れるための孔を有する基板を備えていてもよい。本発明の他の実施形態は、電源チップである。電源チップは、第１の実施形態の電源セルのアレイに、燃料または酸化剤を供給すべく、第１流路または少なくとも１つの第２流路と気体連通したマニフォルドを設けたものを備えている。電源チップは、さらに、電源セルによって生成されたエネルギーのインターフェイスとなる、第１触媒および第２触媒に電気的に接続された端子も備えている。アレイまたはアレイのサブセットを構成し、外部の負荷と相互作用させるために、電気的な相互接続を、電源セルと、スイッチ、ヒューズまたは金属製のリンクとの間に延設してもよい。電源チップの構成は、プログラムできるものであってもよく、スイッチなどの制御電子機器の素子を備えていてもよい。電源チップは、さらに、電源チップのスタック（積層体）を支持するボンドパッドおよびパッケージを備えていてもよい。

本発明の他の実施形態は、第１の実施形態で説明した燃料電池のアレイを備えた電源ディスクであり、このアレイは、電極を触媒に電気的に相互接続し、さらに任意で、電極を外部の負荷にも相互接続した基板を備えている。電気的な相互接続は、構成可能な方式で、燃料電池と、スイッチ、ヒューズまたは金属製のリンクとの間に延設されてもよい。電源チップの構成は、プログラムできるものであってもよい。電源ディスクは、さらに、電源チップのスタック（積層体）を支持するボンドパッドおよびパッケージを備えていてもよい。

本発明の他のさらなる実施形態は、電源スタックである。電源スタックは、複数の電源ディスクと、電気的な相互接続および平行な気体の流れのための相互接続を有するパッケージと、燃料または酸化剤を供給すべく燃料電池のアレイを取り囲んでいるマニフォル系統とを含む、電源ディスクのアレイを備えている。

他の実施形態は、選択された平面視の幾何学的形状（例えば、円形、四角形、蛇行）、壁の城郭、波形（壁のフィン）、カバーの触媒、カバー構造「低出力」および「高出力」、双方向の動作手段（電解槽および燃料電池）、ならびにチップ上の一般的なマイクロスケールの化学反応装置などの、さらに詳しく後述するこれらの組み合わせを有する燃料電池を備えていてもよい。

図１３は、複数の半導体燃料電池が作製された従来の半導体のウェハ１３０５の平面図である。このウェハ１３０５上に、複数の電源チップ１３１０が、後述する少数の例外を除く標準的かつ広く定着した半導体製造方法および微小電気機械システムの製造方法を用いて形成されている。簡略化のため、電源チップ１３１０は、縮尺どおりに示していない。

電源チップは、製造そしてウェハレベルの試験の後、製造される集積回路の１つの複製をそれぞれ含んだ個々の電力生成装置として、分割されパッケージされてもよい。これらの装置のそれぞれ１つは、「ダイ」と称される。個々のダイの寸法は、電源チップの用途における必要性に応じて１立方センチメートル（ｃｍ^２）以下または１立方センチメートル（ｃｍ^２）以上であってもよい。

基板（ウェハ１３０５）が、金属、ガラス、炭化ケイ素などの他の形態の基板であってもよいことを理解されたい。

図１４には、電源チップ１４１０の構成要素が示されている。各電源チップは、幾つかの従属構成品を備えている。各電源チップを、標準的なシリコンウェハなどの基板１４０５上に構築してもよく、基板１４０５には、多数の燃料電池１４１２が様々な微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）による製造プロセスによって構築される。金属層１４１６、１４１５ａ、および１４１５ｂが、シリコンに付加され、電源セル１４１２間に適切な、電気的な相互接続のネットワークを形成すべくエッチングされる。従来の半導体の手法に従い、適切な絶縁層１４２０が、金属層を挟み、電気的な絶縁と化学的、機械的および環境的な保護とをも行っている。

ボンドパッド１４２５が、同じく従来の手法に従い、電源チップ１４１０の縁部に構築されており、電源チップ１４１０と外部の回路（図示せず）との間の電気的接続の手段となっている。ボンドのリード（図示せず）を、通常のチップ・オン・ボードの方法を用いて回路基板に接続したり、後述するように複数の電源チップの積層を容易にする成形パッケージの縁部のコンタクト（図示せず）に接続したりしてもよい。

さらに、電源チップ１４１０の電源セル（燃料電池１４１２）の構造の下および間におけるシリコン領域が、制御電子機器の回路素子１４３０を備えていてもよい。これら回路素子１４３０には、電源チップ１４１０の動作時において、監視、制御、最適化、ならびに外部装置および／または他の燃料電池への報告を協働して行うことができる、埋め込みの制御回路と、ＲＡＭ、ＦＬＡＳＨまたはＲＯＭメモリと、論理、例えばデジタル特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）の形態での論理と、Ａ／Ｄと、検知および切替のための装置とが含まれるが、これらに限定されない。

図１５は、個々の燃料電池１５００の一実施形態の垂直断面を示す斜視図である。本発明の燃料電池の一実施形態によると、プロトン交換膜（ＰＥＭ）の壁１５０５は、第１流路１５１０の体積空間１５０７を形成する三次元の幾何学的構造を形成するように構成されている。すなわち、図１５の例において、ＰＥＭの壁１５０５は、例えば円筒形である体積空間１５０７を取り囲み、第１流路の一部を形成している。カバー１５２０が、ＰＥＭの壁１５０５の構造によって形成された三次元の幾何学的構造の上部に連結され、閉じた空間を作り出し、ＰＥＭの壁１５０５において第１流路１５１０を第２流路１５１５から隔てている。カバー１５２０をＰＥＭの壁１５０５に連結させることで体積空間１５０７の一端が封止される一方、体積空間１５０７の他端（第１流路１５１０の入口に近い端部）は開放しており、酸化剤または燃料の流れが入ることができる。

カバー１５２０は、酸化剤と燃料との間の短絡を防ぐために気体不透過性材料で形成してもよく、ＰＥＭの壁１５０５の材料と異なる材料または同一の材料で形成してもよい。好ましくは、ＰＥＭの壁１５０５は、水素イオン（プロトン）を水素側から酸素側に通過させることができるイオン性ポリマーである。ＰＥＭの壁１５０５は非導電性であり、ＰＥＭの壁１５０５の両側のアノード１５３０とカソード１５３５との間における燃料電池１５００の短絡を効果的に防ぐ。ＰＥＭの壁１５０５は、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）または同様の特性を有する材料で形成されていてもよい。負荷（図示せず）を、アノード１５３０およびカソード１５３５に電気的に接続されたコンタクト（例えば、金属製のワイヤ１５４５ａ、１５４５ｂ）間に接続してもよく、燃料電池１５００の動作時に、電力を取り出すことができる。さらに、ＰＥＭの壁１５０５を、導電性の白金／合金触媒などの触媒の粒子でドーピングしてもよい。

一実施形態において、電源セルは、上述したように、燃料電池１５００を支持することができる基板１５４０を備えている。しかしながら、基板１５４０は、燃料電池１５００に関して任意の構成要素である。すなわち、ＰＥＭの壁１５０５は、三次元の構造であるので、それ自体で直立することができる自律構造であってもよい。したがって基板１５４０は、本発明の燃料電池１５００にとって必須の構成要素ではない。基板１５４０が使用される場合、ＰＥＭの壁１５０５を、燃料または酸化剤が体積空間１５０７に流れ込むことができる基板の位置に接続してもよい。カバー１５２０が、当業者にとって一般的に知られた方法でＰＥＭの壁１５０５に連結され、第１流路１５１０および第２流路１５１５をさらに隔てる。

一実施形態において、カバー１５２０は、熱、溶剤、接着剤、音波溶接、および／または下向きの圧力の、適切な組み合わせを使用して取り付けられてもよい。例えば、カバー１５２０は、パターン化およびエッチングされていてもよい。半導体製造の手法において馴染み深いあらゆる方法が用いられてもよい。例えば、ＰＥＭの壁１５０５は、接着剤によって基板１５４０に完全に接着されて密封を行う。あるいは、カバー１５２０およびＰＥＭの壁１５０５同士を、例えばポリマーを使用して、材料間に化学結合を形成することによって取り付けてもよい。この化学的結合に加えて、ＰＥＭの壁１５０５の上部１５０９にカバー１５２０を付着させることによる物理的な密封効果が得られる。ＰＥＭの壁１５０５の高さが正確に制御されている場合、付着されたカバーの圧力により機械的な「Ｏリング」型の自己シールが形成される。ＰＥＭの壁１５０５を基板１５４０上に成長させることによって、ＰＥＭの壁１５０５をカバーと組み合わせるときに微細な調節の問題が生じない。

ある実施形態において、三次元構造の上部に接するカバー１５２０を「活性」させる（すなわち、円筒状の壁（ＰＥＭの壁）と同様の構成で、各側に、対応する触媒で被覆された電極を備えさせる）ことによって、電気を生成するための活性表面積を増加させることができる。さらに、気体不透過性の第３の材料（図示せず）をＰＥＭの壁１５０５の上部に形成し、この第３の材料を介してカバー１５２０をＰＥＭの壁１５０５に付着してもよいことを理解されたい。例えば、スペーサ（図示せず）を、ＰＥＭの壁１５０５の上部１５０９に配置し、カバー１５２０が、電気を生成するために第１流路１５１０と気体連通することを維持しながら、カバー１５２０がＰＥＭの壁１５０５のいかなる部分とも物理的に接触しないようにしてもよい。

他の実施形態において、製造において使用されるプロセス過程の特定の順序に依存するが、触媒のコーティングを、カバーの片面または両面にも拡張させてよく、これにより、装置の反応表面積を増加させることができる。あるいは、カバーの第１の層に、カバーを図１５に示した三次元構造の上部に接着させるために使用される接着剤層を設けてもよい。

図１５に示した燃料電池１５００において、さらに、金属１５４５ａおよび金属１５４５ｂは、絶縁層１５０６によって隔てられた２つの別個の金属層である。金属１５４５ａは、燃料電池のカソード１５３５に接続され、金属１５４５ｂは、燃料電池のアノード１５３０に接続されている。アノード１５３０およびカソード１５３５は、ＰＥＭの壁１５０５の層によって隔てられている。

一実施形態において、触媒（アノード１５３０の）および触媒（カソード１５３５の）が、ＰＥＭの壁１５０５の側部に埋め込まれている。触媒を埋め込むことによって、ＰＥＭの壁１５０５との最大限の密接が得られる。触媒は表面効果である。この密接により、カソード１５３５に向かってイオンが自由に移動する経路が容易に得られる。触媒をＰＥＭの壁１５０５に留めることによって、全表面積を効果的に使用することができる。これにより、システム効率が劇的に向上する。

気体の燃料（例えば、水素）１５５５は、燃料電池１５００の第１流路１５１０を促す基板１５４０の孔を通して、体積空間１５０７に導入させてもよく、アノード１５３０の触媒との接触によって還元される。この反応の結果生じる電子が、導電性の触媒層を通って金属１５４５ｂに移動し、次いで負荷（図示せず）に移動する。この反応の結果生じるプロトンは、ＰＥＭの壁１５０５を通ってカソード１５３５に移動する。燃料電池１５００のカソード１５３５の第２流路１５１５を介して周囲の空気から得ることができる酸化剤１５５０（例えば、酸素）が、ＰＥＭの壁１５０５を通って流れるプロトン、および金属１５４５ａを通って負荷からやって来る電子と結合して水蒸気を生じる。

あるいは、アノード１５３０およびカソード１５３５を、反対の構成に組み立ててもよく、アノード１５３０は一方の金属１５４５ａに接続され、カソード１５３５は、他方の金属１５４５ｂに接続される。このような構成においては、気体の燃料は、第２流路１５１５を通して導入され、酸化剤は、第１流路１５１０を通して導入される。

ＰＥＭの材料は、最初に、スピンコート、吹き付け、浸漬、または半導体製造において従来使用されている他の方法によって、基板またはウェハに堆積してもよい。次に、このＰＥＭの材料を、フォトリソグラフィでパターン化しエッチングをすることによって、ＰＥＭの壁１５０５として図１５に示した壁の輪郭を形成してもよい。触媒層であるアノード１５３０およびカソード１５３５を、スパッタリング、蒸着、吹き付け、転写および浸漬の適切な組み合わせを有する従来の半導体製造方法を再び用いて、コーティングとしてＰＥＭに付着させてもよい。結果として得られる触媒層は、複数の副層を有してもよく、これら副層は、周囲の気体と接触し、ＰＥＭへのプロトンの移動を支援できるイオン伝導度を維持し、基板上の金属層への電子の移動を支援できる電気伝導度を維持するという、大きい表面積の相反する必要条件をサポートするために特別に構成されている。触媒の層が複数あることにより、表面全体を効果的に使用することができる。

図１５には、円筒形状の燃料電池が示されているが、特定の用途に関して所望とされる動作特性に応じて、他の形状も実施可能である。例えば、図１６Ａ〜１６Ｄの平面図に示した形状、これらを組み合わせたもの、またはこれらの拡張形態を使用してもよい。

図１６Ａには、図１５に示した構造と同様の円筒形状の構造体１６００を、カバーを省略した状態の電源チップの簡略化した概略断面平面図にて示している。一実施形態において、円形の断面積を有する円筒形状の構造体１６００が、基板１６１０とＰＥＭ壁の１６０５とを備えており、ＰＥＭ壁の１６０５は、それぞれカソードおよびアノードとして機能する触媒層１６１５、１６２０の間に位置している。円筒形状の構造体１６００の中心には、燃料または酸化剤が流れるための流路１６２５が形成されている。

図１６Ｂには、図１６Ａの構成要素と同一の構成要素であるが、非円形の断面形状を有する構造体１６５０の断面平面図が示されている。この構造体１６５０では、図１６Ａに示したものと同様の円形の断面積を有する円筒形状の構造体に比べ、単位占有面積当たりの反応表面積（すなわち、壁の長さ×高さ）が大きくなる。しかしながら、非円筒形状にすると、非円筒形状の燃料電池からなる高密度のアレイを構成した場合に、カソードの周囲において燃料または酸化剤の流れに利用可能な体積空間が減少してしまう可能性がある。

図１６Ｃは、円筒形状および矩形の同等物の構成要素と同じ構成要素を備えている曲線状の構造１６６０の一例である。曲線状の構造１６６０では、矩形および円筒形状の構造よりも、単位占有面積あたりの反応表面積の割合が大きくなる。さらに、曲線状の構造１６６０は、図１６Ｃに示すように、燃料または酸化剤の流れを促進する１つ以上の流路１６６５を備えていてもよい。

図１６Ｄは、平面視で蛇行形状を有している燃料電池構造１６７０の一例である。

図１７は、城郭状の表面にエッチングによりフィン１７１０を形成した、さらなる変形例を示す他の断面図である。この実施形態は、図１６Ａ〜１６Ｄに示した全体形状のうちのいずれかの形状の任意の部分に適用できるＰＥＭ壁１７０５の断面を、上方から示している。フィン１７１０によって、表面積を大幅に増加させることができる。しかしながら、フィンのアスペクト比が大きすぎると、プロトン伝導経路の実効抵抗が増加するので、フィンの効果が小さくなることがある。さらに、使用されるエッチングプロセスの特性によっては、この方法から得られる増加量には限界が存在する場合がある。なお、水素は途中で行き止まっても、流れ続けてもよく、酸素が流入および流出することにより、例えばフィン１７０５を有するＰＥＭ１７１０を備えた燃料電池に接続されたマニフォルドを介して、水が除去される。

図１８Ａ〜１８Ｃは、高出力密度を得るのに使用される装置の反応表面積を、どのようにしてさらに増加させるかを示す平面図である。反応表面積を、上述の構成を使用して増加させることができ、以下で説明するように、さらに増加させることができる。図１８Ａは、従来技術のプレーナ型の燃料電池の典型例である、標準的なプレーナ型ＰＥＭ１８０５を示しており、例えば４０μｍ×４００μｍの寸法を有し、１６０００μｍ^２の占有面積および８０００μｍ^２の反応表面積を有している。図１８Ｂに示す例では、これと同一の占有面積に、本発明の実施形態に係る矩形の三次元のＰＥＭ１８１０の構造を形成することで、７６０００μｍ^２または図１８Ａの平面上のＰＥＭの４倍超の反応表面積が得られる。図１８Ｃは、ＰＥＭ壁１８１５を城郭状とすることで、表面積をさらに２倍にしてプラーナ型の表面積の８倍とすることができる（反応表面積が１４４０００μｍ^２に増加するので）ことを示している。半導体部品のコストは、使用されるシリコンの「占有」面積に比例して増加する傾向にあるので、上記のように多数倍とすることで、これに応じた有効出力密度の増加と、生成されるワット当たりのコストの低減とが達成される。

図１９Ａおよび１９Ｂは、燃料電池構造の有用な変形例を示す図である。図１を参照して説明したように、本発明の一実施形態は、電気的に相互接続され、別個の流路にガスおよび酸化剤が供給される、電源チップを形成する燃料電池のアレイである。相互接続されて電源チップを形成する燃料電池としては、本明細書に開示される任意の実施形態の燃料電池のアレイを含むことができる。電源チップは、さらに、流路と気体連通して燃料または酸化剤を供給する少なくとも１つのプレナムと、電源セルのアレイの少なくともサブセットのアノード触媒に電気的に接続された１対の端子とを備えていてもよい。

図１９Ａは、燃料電池１９０５ａのアレイを、燃料電池１９０５ａの内部の三次元の幾何学的体積空間（すなわち、円筒）を取り囲む複数の膜１９２２とともに備える電源チップ１９００ａを示す図である。それぞれのＰＥＭ壁１９２２は、カバー１９１０ａに連結されており、このカバー１９１０ａがＰＥＭ壁１９２２を封止して各燃料電池１９０５を行き止まりにしている。次に、燃料が、アノード触媒１９１５ａと気体連通するよう、ＰＥＭ壁１９２２の三次元の幾何学的体積空間内に流れ込む。カソード触媒１９２５ａは外気１９２０に曝されているので、カソード触媒１９２５ａは、外気１９２０中の酸化剤（例えば、酸素）を効果的に利用して、電源チップ１９００ａにおいて燃料および酸化剤を反応させてエネルギーを生成することができる。電源チップ１９００ａの燃料電池を、サブセットに分割して、各サブセットへの電子の流入またはサブセットからの電子の流出を可能および不可能にすることによって、各サブセットを制御することができる。

図１９Ｂは、図１９Ａのカバーの構成の代替例となるカバーの構成を示す、電源チップ１９００ｂの図である。ここでは、カバー１９１０ｂは、図１９Ａのカバー１９１０ａの「ネガ」である。すなわち、電源チップ１９００ｂは、図１９ａに示したような複数のカバーを備える代わりに、１つの連続的なカバーを燃料電池の膜に連結させて使用することができる。このような構成においては、円筒１９０５ｂの内部を通過する流路が行き止まりではないので、電源セル１９０５ｂが、反応の副生成物をより効果的に除去することができる。この実施形態において、カソードにおいて形成される水または他の副生成物をより容易に除去することができるよう、カソード１０２５ｂとアノード１９１５ｂとを入れ替えてもよい。

上述の構成の変形例は、高出力のシステムにおいて有用である場合がある。図１３の構成とは対照的に、基板またはウェハ（本明細書において、電源ディスクとも称される）は、分割されて小さいユニットにパッケージされるようには構成されていない。一実施形態において、電源ディスクは、（１）本明細書において開示された燃料電池の任意の実施形態のアレイ、（２）燃料および酸化剤を供給する燃料電池の流路に気体連通する少なくとも１つの空間、（３）燃料電池の少なくともサブセットのアノードおよびカソードの触媒に電気的に接続されて、電源セルによって生成されるエネルギーのインターフェイスとなる１対の端子、および（４）端子に電気的に接続された少なくとも１つのバス電力、を備えていてもよい。金属層の相互接続および制御電子機器（図示せず）を、個々の燃料電池または基板全体に接続されるように構成してもよい。一実施形態においは、電源ディスクは、さらに、電源チップ同士を電気的に選択可能に相互接続するスイッチを備えていてもよい。好ましい実施形態において、電源ディスクは、さらに、スイッチを制御するための電子機器を備えていてもよい。電源セルのアレイが基板に接続される場合、プレナムが実質的に均一な圧力で燃料または酸化剤を供給するように構成されることに注意すべきである。プレナムには、例えば、燃料と、酸化剤と、電源セル間の反応副生成物とを除去することができるよう、少なくとも１つの出口が設けられていてもよい。次いで、複数のこれらの電源ディスクを、電気的に並列な接続で積層し、電源スタックを形成してもよい。

電源チップの一実施形態において、燃料電池が、ワイヤまたは回路による電気的な相互接続の代わりに、膜の両側部における金属製の被膜すなわちフィルムによって電気的に接続されている。金属の被膜は、電源チップの１つの縁部において端子に電気的に連絡しており、該縁部においてこの端子は外部の負荷に接続されている。

電源スタックの他の実施形態において、電源スタックが、少なくとも１つの電源チップが接続された基板を備えていてもよい。電源チップは、本明細書に開示される電源チップの任意の実施形態であってもよい。電源チップのさらに他の実施形態は、基板と、本明細書に開示される電源セルの任意の実施形態のアレイと、対応するカソードおよびアノードの触媒にそれぞれ接続された１対の電極と、それぞれ第１電極および第２電極にそれぞれ電気的に接続された１対の電源ディスクバスを含むことができる。

電源スタックの一実施形態において、電源スタックは、電源スタック構造体と、該構造体に接続されている複数の電源ディスクと、電源スタック構造体に関連し、ディスク端子に電気的に接続されるように構成された電源スタック端子を含むことができる。

電源スタックの一実施形態においては、図２０Ａに示されるように、酸化剤および燃料の流れが別個のマニフォルドによって促進されるように、個々の電源ディスク２００５ａ、２００５ｂが積層されていてもよい。例えば、電源ディスク２００５ａ、２００５ｂが、燃料および酸化剤を電源ディスクに供給する経路を形成するマニフォルドシステムが設けられた電源スタック構造体２０００に取り付けられている。電源ディスク２００５ａ、２００５ｂは、上側のプレナム２０１０ａ、２０１０ｂと下側のプレナム２０１５ａ、２０１５ｂとの間に配置される。図２０Ａは、例示のために、それぞれの電源ディスク２００５ａ、２００５ｂがただ１つの個々の電源セル２０２９ａ、２０２９ｂを有する旨を示している。すなわち、図２０Ａには示されていないが、それぞれの電源ディスク２００５ａ、２００５ｂが、電源セルのアレイを、機能的な電源ディスクを形成するための他の構成要素とともに備えてもよいことを、理解すべきである。

さらに図２０Ａを参照すると、電源スタックに、燃料または酸化剤の入口ポイントである第１流入溝２０２５が設けられる。第１流入溝２０２５は、燃料または酸化剤が上側プレナム２０１０ａ、２０１０ｂできるよう、開口部２０２７ａ、２０２７ｂを有している。例えば、ひとたび酸化剤の流れが上側プレナム２０１０ａ、２０１０ｂに達すると、酸化剤が、基板２０４１ａ、２０４１ｂに接続された電源セル２０２９ａ、２０２９ｂのカソード触媒２０３１ａ、２０３１ｂに接触する。同時に、燃料の流れが、下側プレナム２０１５ａ、２０１５ｂに開放した第２流入溝２０３０を通って進入する。ここで、燃料がアノード触媒２０３３ａ、２０３３ｂに接触し、電子を生成すべく燃料、酸化剤、および触媒の間の反応が開始する。それぞれの電源ディスク２００５ａ、２００５ｂは、電子を運ぶべく触媒に電気的に接続された電極を備えることができる。あるいは、アノードおよびカソード触媒を、構成要素２０３１ａ、２０３１ｂがアノード触媒であって、構成要素２０３３ａ、２０３３ｂがカソード触媒である反対の構成に組み立てることも可能である。このような構成においては、燃料が第１流入溝２０２５を介して導入され、酸化剤が第２流入溝２０３０を介して導入される。

さらに、図２０Ａに開示されている第１流入溝２０２５から始まる流路には、出口路が設けられている。例えば、それぞれの触媒と反応した後の使用済みの燃料または酸化剤は、流路２０４７ａ、２０４７ｂを通過し、出口プレナム２０４３ａ、２０４３ｂに流れる。使用済みの燃料または酸化剤が、出口プレナム２０４３ａ、２０４３ｂを通過して、出口２０４５が設けられている流出溝２０４０に達する。一実施形態においては、出口プレナム２０４３ａ、２０４３ｂおよび流出溝２０４０を経由するこの出口路が、燃料、酸化剤、および燃料電池の間の反応によって生成される副生成物を除去するための出口になっている。

さらに、図２０Ａを参照すると、燃料または酸化剤の流れは、それぞれの電源ディスクに対して実質的に平行であってよく、比較的小さい圧力損失しか生じない。個々の反応部位がきわめて小さいので、各部位において必要とされる反応体の化学量論量は、きわめて少ない。多くの状況において、行き止まりの拡散主導の流れを、きわめて申し分なく使用することができる。

図２０Ｂは、電源スタックの他の実施形態を示す図である。複数の電源ディスク２０５５が、この実施形態においては、２つ以上の中空路で形成された電源スタック構造体２０６０に接続されている。電源スタック構造体２０６０は、この例示の構造体の両方の中空柱（中空路）に接続された補強材（図示せず）を備えていてもよく、燃料（例えば、水素）の流路２０７０（破線で示されている）を形成するように構成されている。流路２０７０は、電源ディスクの入口２０５１と気体連通しており、燃料がこの入口２０５１を通って少なくとも１つのディスクマニフォルド２０６５を介して各電源ディスク２０５５に流入できる。電源ディスク２０５５は、周囲空気に曝されているので、空気中の酸化剤（すなわち、酸素）を利用することができる。したがって、電源スタックは、酸化剤を電源スタック構造体２６００および電源ディスク２０５５のマニフォルドにおける酸化剤の流れを通して意図的に供給する必要なく、十分にエネルギーを生成することができる。

このような構成に従って組み立てられた電源ディスクは、大きな出力を生成することができる。図２１および２２は、例を示している。

図２１は、どのようにして体積空間１リットル当たり１０ＫＷを、小さな反応表面積あたり出力密度に基づいて達成できるのかを示す一連の燃料電池構造体および関連の寸法を含んでいる。

図２２は、ワット／ｋｇについての同様の計算を示す寸法および重量を有する別の図を含んでいる。

発電機のアレイの制御
燃料電池などの電源セルは、一般に、電源インピーダンスを有しており、したがって、装置がもたらすことができる電圧は、供給される電流の関数である。結果として、負荷が、より多くの電流を必要とするほど、複数の燃料電池装置を直列に配置することによって生成することができる供給電圧を低下させる傾向にある。例えば、０．９ボルトの開路電位を有し、０．４ボルトにおいて１ミリアンペア（ｍＡ）の最大電流出力容量を有している燃料電池を用いる場合、このような装置１２個を直列に接続すれば、４．８ｍＷの最大電力出力において４．８Ｖが得られ、このような装置６個を直列に接続すれば、ゼロｍＷの出力において５．４Ｖを示す。内部損失がないと仮定すれば、１アンペアの電力供給容量は、このような１ｍＡの装置が直列接続された列を１０００個並列に接続することによって生成することができる。

大部分の電子部品は、例えば、５ボルト±１０％など、ある許容範囲への電圧調節を必要とする。いくつかの従来技術のシステムにおいては、電圧調節が、外部の電圧レギュレータまたは他の同様の電力調整回路によって達成されている。

いくつかの実施形態においては、電源セルの配置構成が、直列装置の数を自動的に切り替えることで外部の電力レギュレータを不要としており、これによって、エネルギー効率を向上させ、生じる熱を少なくし、回路基板が必要とするスペースを減らし、システムの総コストを低減している。

出力レベルが低いと電力変換効率が高くなるというのが、燃料電池および他の多くの発電機の特性である。なぜなら、装置内部での電力損失が少ないからである。電源セルを説明する電圧‐電流（Ｖ‐Ｉ）曲線の形状または同等の特性に応じて、最適な効率を提供する電力レベルが存在し得る。燃料電池において典型的には、最適な効率は、電圧降下が可能な限り小さいこと、つまり電流が最小限であることである。この場合、燃料効率と、電力装置の数、すなわちシステムのコストおよびサイズとの間に、トレードオフが存在する。

したがって、本発明のいくつかの実施形態に係る燃料電池のための最適制御技術は、一例として、電圧が実際の負荷にとっての許容範囲内にあるように各列の直列装置の数の調節をもたらす粗制御ループと、所望の電流を供給するためにシステムをＶ‐Ｉ曲線の上下に移動させることによって電圧をさらに調節すべく、並列に接続されたそのような装置の列の数を増減させる微制御ループとを含むことができる。

さらに、フィードバック制御システムを使用する実施形態においては、制御技術は、切り替えによって電力生成回路に取り入れられ、またはこの回路から除外されるときに時間的な過渡応答を有している、燃料電池の単セル、アレイ、またはバンクを考慮するものであってもよい。したがって、負荷の推移の存在下においてフィードバック制御システムの安定な動作を保証するために、フィルタまたは他の制御法則を、フィードバックループにおいて使用することができる。

さらに、燃料電池装置の特性、すなわちフィードバックフィルタまたは他の制御法則における係数は、それまでの燃料電池装置の状態、あるいは温度、湿度、および圧力といった周囲の条件に左右され得る。

本明細書において開示される方法の実施例には、（ｉ）複数の電圧レベルを必要とすることが典型的である携帯電話機、ＰＤＡ（携帯情報端末）、およびノート型コンピュータなどの負荷に対応するため、複数の電圧レベルまたは電流レベルの電流供給を制御する（すなわち、定電圧電源ではなくて定電流源である）こと、および（ｉｉ）一定の設定点電圧ではなくて経時変化する設定点電圧に追従すること、まで含まれる。この追従の特徴を、例えば、６０Ｈｚの正弦波出力を直接的かつ効率的に生成するために使用することができ、あるいは携帯電話機において直接的かつ効率的にスピーカを駆動するための音声増幅器として使用することができる。

いくつかの用途においては、燃料を効率的に使用すると同時に必要とされる電力プロファイルを負荷に供給するように、生成される電力を、利用可能な燃料電池装置に割り当てることが有用である。ノート型コンピュータ、ＰＤＡ、および携帯電話機などの可搬の電力用途においては、電力必要条件は、複数の電圧レベルを含んでいる。各電圧レベルは経時変化する電流に対応しており、かつ、電力必要条件の大幅な変化および極めて大きなピーク／平均比を含むことが多い。自動車およびバスの電源などのより大規模な用途も、同様の条件を特徴とする。

燃料電池電力システムの商業的成功は、エネルギー貯蔵密度（ワット時／キログラムおよびワット時／リットル）、ピークおよび平均電力密度（ワット／リットルおよびワット／キログラム）、ならびにコスト（ドル／ワット、ドル／ワット時）によって決定されると予想される。これらの指標を、燃料の貯蔵、燃料の供給、および燃料電池そのものを含む全体システムに対して適用することができる。

したがって、本発明の一実施形態は、多数の小型燃料電池からなるアセンブリ（それぞれの小型燃料電池が、アセンブリ全体によって生成される総電力の一部を生成する）の動作を、長期的な燃料消費を最小にし、負荷への電力出力を１つまたは複数の電圧において求められる電圧および／または電流の調節によって維持し、負荷変動を所要の許容範囲内で支持するように制御するための方法またはそれに対応する装置を含む。いくつかの実施形態においては、この方法およびそれに対応する装置を用いる制御システムが、温度、湿度、ならびに燃料および酸化剤の両方の利用可能な気体の圧力（例えば、高度によって変化する）による燃料電池の性能の変化を考慮し、これに応じて制御方式を調節する。

他の実施形態は、多数の小型発電機からなるアセンブリの集合動作制御、例えば最適制御などを行う方法またはこれに対応する装置を提供する。この場合の小型発電機としては、燃料電池、マイクロバッテリー、光電素子、圧電素子、周囲の振動によって駆動される他の装置、または、効率が、バッテリーの放電曲線または燃料電池のＶ‐Ｉ曲線におおむね類似する何らかの特性に従う動作レベルに依存する、他のあらゆる電源を用いることができる。集合動作の制御は、最適制御の原理または他の形態の制御原理によって実行することができる。

前述したように、以下の開示の詳細は燃料電池についてのものであるが、説明される概念、装置、または方法は、このような小型または比較的小型のあらゆる電力生成装置にも適用されると解釈されるべきである。

図２３に、燃料電池スタックまたはバッテリーを主たる電力源２３０１として使用する標準的な従来技術の電源回路２３００を示す。レギュレータ２３０２が、負荷２３０４おける目標電圧２３０３を維持するために使用されており、目標電圧は、直流５Ｖ±０．５Ｖなど、負荷２３０４の適切な動作のために必要な範囲内の電圧レベルである。レギュレータは、典型的には主たる電力源２３０１の電圧がそのままでは目標電圧を維持できないような様相で変化するために、使用されている。レギュレータは、３端子の線形レギュレータであってよく、この技術分野において一般的に知られている、スイッチングレギュレータのいくつかの接続形態（ブースト、バック、バック‐ブースト）のいずれかであってもよい。典型的にはフィルタコンデンサ２３０５を用いて、負荷２３０４によって引き起こされる過渡電流を緩衝し、過渡電流によって引き起こされる電源ノイズを吸収する。

図２４は、マイクロ燃料電池の典型的な電流‐電圧（Ｖ‐Ｉ）曲線２４００の図である。曲線２４００は、オームの法則に従って、電流とともに変化する出力電圧を表わしており、これから、負荷インピーダンスとともに変化する出力電圧を読み取ることもできる。この技術分野において周知のとおり、燃料電池は、典型的には、３つの動作領域を有している。すなわち、活性化エネルギーに支配される領域２４０６、内部抵抗に支配される領域２４０７、および物質移動に支配される領域２４０８である。曲線２４００の全体は、破線の曲線２４０９に示すように、温度よってシフトする傾向があり、さらに気体の圧力および湿度につれてシフトする傾向がある。電流Ｉ＝０における電圧値が、開路電位２４１０と称される。

並列切替
このようなＶ‐Ｉ曲線特性を念頭に、図２５に示す、燃料電池２５１２のアレイ２５０５を備える回路の接続形態２５００を考える。ここで、各燃料電池２５１２は、図２４に示した曲線２４００と同様の曲線で表される動作特性を有している。

図２５を参照すると、アレイ２５０５は、燃料電池２５１２を直列接続してなる複数の列２５１１ａ、２５１１ｂ、・・・、２５１１ｘを含んでいる。各列２５１１ａ〜ｘは、燃料電池２５１２と電源バス２５１５との間にそれぞれのスイッチ（２５１３ａ、２５１３ｂ、・・・、２５１３ｘ）を有しており、スイッチ２５１３ａ〜ｘが閉じられたとき、対応する直列接続の列２５１１ａ〜ｘが、互いに並列に接続され、かつ負荷２５１４に並列に接続される。

まず、最も左側の列２５１１ａのための最も左側のスイッチ２５１３ａが閉じられ、他のスイッチ２５１３ｂ〜ｘが開かれている状況を考える。負荷２５１４のインピーダンスが極めて高い場合、負荷にかかる電圧Ｖ_ｌは、この直列アレイを構成している個々の燃料電池の開路電位の合計に近い。負荷２５１４のインピーダンスが小さい場合、この例では最も左側の列２５１１ａの燃料電池２５１２によって出力される、負荷電流Ｉ_ｌに実質的に等しい電流が増加し、燃料電池２５１２の列２５１１ａによって生成される電圧が、個々の燃料電池のＶ‐Ｉ曲線の合計に従って低下する。次に、第２の直列接続の列２５１１ｂが、対応するスイッチ２５１３ｂを閉じることによって接続された場合を考える。この状況において、各列２５１１ａ、２５１１ｂを通過して流れる電流は、ほぼ半分に減少し、これに対応して各列２５１１ａ、２５１１ｂの電圧が高くなる。したがって、出力電圧を、セル２５１２の列２５１１ａ〜ｘの接続および切り離しによって、あらかじめ定められた許容範囲内に維持することができ、これにより、図２６に示すように、負荷インピーダンスの関数としての電圧の定常状態変動がもたらされる。

図２６は、負荷インピーダンス２６１４が低下し、それに従って負荷電流２６１５が増加する状況を説明するグラフである。より多数の列２６１６を回路（例えば、図２５のアレイ２５０５）に接続するにつれて、回路には、電流２６１５の関数としての、電圧２６１７の鋸刃状の変動が生じる。

直列切替
多くの状況において、装置の有用な動作範囲は、電圧の許容範囲よりもはるかに大きい。この場合、列の数のみならず、各列における直列接続される装置の数を切り替えることが有用であると考えられる。

図２７に示す接続形態２７００は、直列構成要素２７１９の数を様々に選択するための列接続形態２７１８に設けられたスイッチ２７２０を備えている。この列接続形態を、微細に選択できる電流レベルにて負荷２７１４を駆動するために、並列の接続形態にて複数回繰り返すことができる。

過渡応答
制御プロセスの設計における別の考慮事項は、個々の装置の過渡応答である。装置は、典型的には、最初に負荷回路へと切り換えられたとき、すぐに完全に応答せずに、経時的な過渡応答状態を経る。

図２８は、燃料電池などの個々の電力生成装置のステップ関数を示すグラフである。時刻Ｔ１において、電力生成装置を負荷回路に接続すると、結果として、実線の曲線２８２１で示すように、装置の関数である時定数にて、時間に対して指数関数的な電流の増加が生じる。装置の状態、および、燃料電池の場合にはプロトン交換膜（ＰＥＭ）におけるイオンの分布に依存して、初期の輸送遅延２８２２も存在し得る。初期の輸送遅延は、温度および不活性度（すなわち、装置の前回の作動がどれくらい前であったか）の関数でもあり得る。これら後者のパラメータによる典型的な変化が、破線２８２３として示されている。

燃料電池の過渡応答は、燃料電池の平衡状態に達する能力によって影響される。平衡が確立される領域として、ｉ）反応層の膜（例えば、Ｎａｆｉｏｎ）の水和、ｉｉ）反応層における水の収支（例えば、液体の水が気孔空間に残って気体の触媒への到達を妨げていないか？）、ｉｉｉ）酸化剤／燃料の供給（例えば、所望の負荷を支持するための十分な反応気体が存在しているか？）が挙げられ、領域ｉｉおよびｉｉｉは相関していてよい。プロトン交換膜（ＰＥＭ）の動作条件および構造の最適化は、燃料電池の過渡応答の最小化するための因子である。

過渡応答は、正であっても負であってもよい。膜が正しく調整され、セルがある期間にわたって不活性であったことによって、反応層の気孔空間の水が取り除かれて、さらに、反応ガスが、反応層の全体へと拡散して、このガス拡散がなければ液体の水を捕捉することによって隔離され得る、可能なすべての活性触媒部位を占めるための時間を有する場合、過渡応答はピーク出力の経時的な低下を呈する。この出力低下は、反応層の気孔空間に液体の水が生成し、活性触媒を隔離するためであると考えられる。定常状態の出力は、液体の水の蓄積が除去の速度を超えていないが、ある程度の水が、除去が容易でない領域に蓄積されたときに生じる。システムの水分が除かれた場合、または反応気体の供給に中断が生じた場合、過渡電流は、ピーク電力未満の値を示し、定常状態に達するまで上昇する。ひとたびシステムが「定常状態」となると、出力は、動作条件および構成の性状に応じて変動する。したがって、水の形成と、反応層全体への反応体気体の分配に対する水形成の影響とを管理する能力が、燃料電池を適切に動作させるのに有用である。

したがって、制御プロセスが、これらの影響を考慮し、不安定をもたらすことがない制御フィルタ処理または制御法則を取り入れることが有用である。

図２９は、一般的な形態の等価回路２９００として示された燃料電池の電気モデルである。典型的には、輸送遅延２９２４に加え、オーミック抵抗２９２５、活性化損失に関する第２の抵抗２９２７、および電極の電気二重層に起因する電気容量２９２６が存在する。

電圧サーボループ構造
いくつかの実施形態においては、制御ループを最適化し、あるいは他の方法で動作させるために、例えば、回路素子またはソフトウェアの形態のフィードバックフィルタまたは制御法則を、測定された電流を燃料電池の伝達関数あるいは複数の直列または並列の燃料電池の集合伝達関数の逆数によって補正するために使用することができる。燃料電池または他の電源セル装置の特性は、温度、湿度、圧力、および負荷に関する装置のキャラクタリゼーションによって確立することができ、制御理論およびデジタル信号処理（ＤＳＰ）について確立された方法を使用して、デジタル信号処理へと取り入れることができる。非ＤＳＰの装置および方法を使用することもできる。センサをシステムにおいて使用して、例えば温度および湿度の値の測定を提供することができ、これらの値を使用して、ＤＳＰフィルタまたは他の制御法則のための係数のアレイを指標化することができる。これらの係数を、ニューラルネットワークなどによって適応させて調整することができ、各組の周囲条件のもとでの燃料電池の改善された動作が、ニューラルネットワークのノードの結合（すなわち、燃料電池の直列接続の列および複数の並列接続の列）を変える。

図３０は、燃料電池３０３８または他の形態の電源セルのアレイを制御するための例示的な制御構造体のブロック図である。アレイ３０３８が、経時変化するインピーダンスを有する負荷３０３０に供給する設定点電圧３０２９が存在し得る。アレイ３０３８によって負荷に供給される電圧を検知（３０３１）し、適切なフィルタ３０３３または状態空間方程式を介して切り換えロジック３０３２にフィードバックすることができる。このフィルタは、燃料電池のアレイ３０３８の種々の点３０３７において検知された電圧を含む入力状態ベクトル３０２０によって動作することができる。入力状態ベクトル３０２０は、温度センサ３０１５および相対湿度センサ３０１６ａ、３０１６ｂからの状態を、アナログまたはデジタル表現の形態で含むことができる。適切なフィルタとしてのＤＳＰフィルタブロック３０３３が、通例の手法に沿った行列演算を適用することによって、状態ベクトル３０２０について動作することができ、状態ベクトル３０２０へと適用される行列（図示せず）は、フィードバック制御システムの分野において理解されるとおり、燃料電池アレイ３０３８を記述する離散伝達関数Ｈ（ｚ）の適切に修正された逆数を表わすことができ、さらに、いくつかの実施形態においては負荷３０３０のモデルを考慮することができる。

ＤＳＰフィルタブロック３０３３から得られるフィルタ処理された出力（「指令」）電圧３０３５および設定点電圧３０２９が一緒に、切替制御ブロック３０３２に提示される。切替制御ブロック３０３２を、アドレスがフィルタ処理された出力電圧および設定点電圧の関数であってよいメモリアレイとして好都合に実現でき、メモリ３０２５内のデータ３０２６が、アレイ３０３８のどのスイッチ３０３６をオン（すなわち、閉）にし、どのスイッチ３０３６をオフ（すなわち、開）にするかを制御するバイナリワードであってよい。一実施形態においては、例えば、指令電圧３０３５の値および設定点電圧３０２９の値の組み合わせのそれぞれが、メモリ３０２５内のただ１つの位置へとマッピングされ、その位置は、どのスイッチ３０３６がオンであり、どのスイッチ３０３６がオフであるのかについてのビットパターン（図示せず）を含んでいる。メモリアレイの内容を、後述のとおり、温度、出力湿度、および他の要因を制御する監視制御プロセスを動作させる監視プロセッサ３０２７の制御のもとで、更新または変更することができる。メモリアレイの内容を、外部のシステム（図示せず）から受信してもよい。

切替制御ブロックであるコンパレータスイッチ制御ブロック３０３２が、コンピュータ、組み合わせロジック、論理ゲートに実践される組み合わせロジックの並列実行、などにおいて実行される特定の一連の指示を使用して、切替プロセスを実行するが、そのような切替プロセスは、負荷電圧３０３１および負荷電流３０３４の両方の関数として直列構成要素の数を切り替える粗いループ、ならびにアレイ３０３８において活性な並列に接続される３００５ａ、３００５ｂの数を切り替える微細なループの両方の形態で実践できる。微細なループは、フィルタ処理された出力電圧である負荷電圧３０３５が、しきい値を下回って低下する場合に、列３００５ａ、３００５ｂを追加することができ、フィルタ処理された負荷電圧３０３５がしきい値を上回って上昇する場合に、列３００５ａ、３００５ｂを除去することができる。システムが、例えばエネルギー効率の観点から、Ｖ−Ｉ曲線上の最適なまたは他のポイントからある許容範囲を超えて逸脱する場合、あるいは並列３００５ａ、３００５ｂの大部分が使用中となる状態に近付いた場合に、直列素子３００７のさらなる行を、粗いループに従って切り替えによって回路内に追加することができる。同様に、システムの負荷が過度に低い場合、粗いまたは微細なループによって行を除去することができる。

故障セルの迂回
個々の燃料電池が、劣化または故障することがある。直列接続の列３００５ａ、３００５ｂにおいて、列の全体の電圧は、電流が通過するあらゆるセルの個々の電圧の合計である。電流は各セルにおいて同じであるため、列内の最も性能の低いセルに対応する電流が流れる。この状況を、それぞれの電圧３０３２’を生成するための図３０に示す各列３００５ａ、３００５ｂの小さな電流検知抵抗３０１０ａ、３０１０ｂを利用するか、あるいは、列３００５ａ、３００５ｂ内の複数の点において電圧３０３７を検知して一様性をチェックすることによって、検知することができる。大きな非一様性が検知される場合、１つ以上のセル３００７が過剰なエネルギーを消耗している可能性が高く、スイッチ制御ブロック３０３２が、それらのセル３００７を、例えば、利用可能な他の列が電流の需要を満たすことができる限りにおいて、行全体をメモリ３０２５から「外す」ことによって使用から除去することができる。直列接続列のうちのどのセルが故障であるかに応じて、使用する直列接続列内のセル数を減らす代わりに、より多数の列を使用するなど、利用可能であれば、他の構成も考えられる。

関連する多くの用途において、平均負荷を満足させる必要がある燃料電池アレイの能力を超えるピーク負荷に対処するため、あるいはセルの応答時間を超える過渡要件を満足させるために、バッテリーまたはコンデンサを備えていてもよい。負荷プロファイルのピーク／平均比が小さい場合、図２６に示したように、コンデンサ３０３３が過渡電流に対応できる。（例えば、ハードディスク、または頻繁に無線で通信するセンサなどのように）ピーク／平均比が大きい場合、再充電可能なバッテリーによって、アレイの活性表面積ではピーク電流負荷の供給に十分でないピーク期間に対応することができる。この場合、充電／放電サイクルまたはバッテリーを適切に管理することに注意を払うことができる。大部分の種類のバッテリーは、限られた回数の充電／放電サイクルにしか対応できない。したがって、バッテリーを、再充電の前に、複数回のサイクルによって放電させることができる。バッテリーの寿命最大にするために、この回数は、再充電に利用できる余分な燃料電池容量（すなわち、ピークエネルギーおよびピークの頻度と非ピーク負荷を超える燃料電池容量）の範囲内で、可能な限り多くする必要がある。制御プロセスが、バッテリーの電圧を監視し、所定のパラメータまたは最近の負荷挙動履歴にもとづいて、再充電ポイントを決定することができる。

図３１は、例示的な粗制御ループおよび微制御ループを使用する制御プロセスの一例の構成を示すフローチャートである。比較的速い速度で制御プロセス３１００の反復を生じさせる「高速」タイマのタイマ割り込み後に、制御プロセス３１００が開始される（３１０５）。オンデマンドおよび／またはイベント駆動の割り込みなど、他の形態の割り込みによって制御プロセス３１００を開始させてもよいことを理解すべきである。プロセス３１００の粗い部分３１０１において、負荷の駆動電流（または、電圧）の大きな変化に関して、判定が行われる。これが、検出された負荷電圧が上限を超えているか否か（３１１０）、あるいは下限を下回っているか否か（３１２０）に基づき、アレイからの行の除去（３１１５）またはアレイへの行の追加（３１２５）を引き起こす。制御プロセス３１００の微細な部分（３１０２）においては、電流を微量だけ取り除き、または追加するために、並列に接続された列を、アレイから除去する（３１３５）か否か、またはアレイに追加する（３１４５）か否かに関して、判定（３１３０、３１４０）が行われる。その後、制御プロセス３１００は終了（３１５０）する。

温度／湿度サーボループ構造体
さらなるサーボループの考慮事項が、温度、圧力、および湿度によるＶ−Ｉ曲線の変化から生じる。例えば、多くの用途において、水素−空気燃料電池から出力される空気は、蒸気の水への凝縮を引き起こさない湿度および温度にあることが好ましい。したがって、制御プロセスは、最初に出力湿度をチェックし、高すぎる場合には、動作温度の設定点を高くすることができる。これにより、水の出力が同じであれば、相対湿度（ＲＨ）が低くなる。相対湿度の低下は、同じ電力をより少数の燃料電池から生成することによって達成でき、これは、例えば図３０の制御ブロック３０３２のメモリ３０２５内の参照テーブル（図示せず）のデータ３０２６を変えることによって達成できる。次いで、別のループが、動作温度を設定点に対して比較し、テーブルに対して相応の調節を行うことができる。しかしながら、内部の抵抗損失を最小化することによって動作温度を可能な限り低く保つことで、最高の燃料効率が得られる。したがって、温度設定点は、制御プロセスによって、湿度の問題を生じさせない限りにおいて可能な限り低くされる。

いくつかの燃料電池構造体は、出力の増加に伴う消費の増加と、より高い温度によるより少ない消費との対比に基づく、出力集中の最適値（すなわち、作動セルの数量）を有する場合がある。

出力の集中に基づく制御ループを、始動時の温度を高くするため、および動作時に最適な温度を維持するため、の両方のために使用することができる。システムが電流供給容量を下回る電流で動作している場合、制御システムは、随意により、列が妥当かつ一様な平均温度を保つよう、利用可能な種々の列を介してサイクルさせることができる。

図３２は、温度または前述した考慮事項にもとづいて燃料電池のアレイの動作パラメータを変化させるための例示的なプロセスのフローチャートである。図３２は、図３１の制御プロセス３１００よりも遅い速度で生じるプロセス３２００のフローを示している。図３２を参照すると、タイマ割り込み（低速）または他の形態の割り込み（３２０５）によって、プロセス３２００が開始される。出力湿度が上限よりも高いか否かについて、判定が行われる（３２１０）。出力湿度が上限よりも低い場合（３２１０）、プロセス３２００は、出力湿度を下限と比較する（３２１５）。出力湿度が上限よりも高い場合（３２１０）、プロセス３２００は、出力湿度を下げるべく設定点温度を上昇させる（３２２０）。出力湿度が下限を下回る場合（３２１５）、プロセス３２００は、設定点温度を下げようと試みる（３２２５）。

さらにプロセス３２００を、設定点における温度、および、随意により温度のヒステリシスを監視（３２３０）するように構成することもできる。温度が設定点（＋ヒステリシス）よりも低い場合、プロセス３２００は、温度が設定点（−ヒステリシス）よりも低いか否かを判定する（３２３５）。温度が設定点（＋ヒステリシス）よりも高い場合（３２３０）、電源セルの冷却のための新たな切替テーブルをロードすることができる（３２４０）。温度が設定点（−ヒステリシス）よりも低い場合（３２３５）、プロセス３２００は、負荷を駆動することによって電源セルを加温するための新たな切替テーブルをロードすることができる（３２４５）。すでに述べたように（すなわち、より小さいまたはより大きい触媒表面積）、電源セルの加温または冷却は、典型的には、負荷の駆動に使用する電源セルの数を増減させることを意味する。

さらに、プロセス３２００は、負荷を駆動するための電源セルのバンクまたは電源セルの列をローテーションさせてもよい。内部のクロックまたはカウンタ（図示せず）を使用することによって、アレイ内の別のユニットにサイクルさせるか否かについて、判定を行うことができる（３２５０）。適切な時期である場合（３２５０）、プロセス３２００は、どの電源セルを負荷の駆動に使用すべきかを判断するためにアクセスされる新たな切替テーブルを、プロセッサまたは記憶領域にロード（３２５５）することができる。アレイ内の別のユニットへのサイクルを行う時期でない場合（３２５０）、プロセス３２００は、サイクルカウンタを増加させる（３２６０）。その後、プロセス３２００は、故障の電源セルを探して電圧Ｖ_{ＳＥＮＳＥ}を検査し、あるいは読み取る。電源セルが、出力電流または電圧の監視（３２６５）などによって正しく機能していると判断される場合、プロセス３２００は終了する（３２７５）。電源セルが故障であると判断される場合（３２６５）、プロセス３２００は、新たな切替テーブルを計算して、それをロードする（３２７０）。その後にプロセス３２００は終了する（３２７５）。

図３１および３２のフロー図が、あくまでも例であることを理解すべきである。これらのフロー図の決定事項の数、順序、流れ、または他の態様を、図３１および３２の例示の実施形態の範囲から逸脱することなく変形でき、変更でき、あるいは他の方法で説明できる。さらに、これらのフロー図を、ハードウェア、ファームウェア、またはソフトウェアにて実現することが可能であることを、理解すべきである。ソフトウェアにて実現される場合には、そのようなソフトウェアを、任意の形態のソフトウェアに書き込むことができ、本明細書に開示する発電に関して機能するのに適した任意のプロセッサによって実行することができる。また、ソフトウェアを、コンピュータで読み取り可能な任意の形式の媒体（プロセッサによってロードされるＲＡＭ、ＲＯＭ、磁気または光学媒体、など）に保存される指示であって、プロセッサにプロセス３１００、３２００またはこの技術分野において理解されるとおりのそれらの変形例を実行させるべく実行される指示の形態で実現できることを、理解すべきである。

寿命を改善するためのセルのローテーション
燃料電池または他の発電セルのアレイの動作において考慮すべきさらなる一連の決定事項を、時間または出力（エネルギー）の時間積分にもとづいて行うことにより、燃料電池または電源セルのアレイにおいて利用できるより多数のセルのなかで動作セルのローテーションを行うことができる。動作セルのローテーションのロジックは、典型的には、図３１の電圧制御ループよりも低い頻度で実行される。

電力の最適化
図３０および３１に関して説明したように、電源セルのアレイによる全体の出力電力を制御するために、直列に接続されたセルまたはセルのバンクの数を変更する粗い電圧制御ループを、並列に接続されたなセル列またはセルバンクの数を変更する微細な電圧制御ループと組み合わせて動作させることができる。アレイの制御のこの選択の理由は、以下のとおりであってよい。装置ごとの典型的な電圧範囲は、０．９Ｖの開路電位から最大出力における約０．４Ｖまでであってよく、典型的な電流は、燃料電池の場合には反応表面積（ＲＳＡ）に依存して１ミリアンペア以下であってよい。この状況において、列の電源セルの直列の切り替えを、粗い調節として最も適切に使用することができ、列の並列の切り替えを、微細な調節として最も適切に使用することができる。粗制御ループおよび微制御ループの実現を、図３３および３４を参照して以下に説明する。

図３３は、直列の組合せ（すなわち、列）の燃料電池の数に応じて異なる、複数のＶ−Ｉ曲線の図である。直列の各燃料電池を通る電流は同一であり、電圧は加算される。したがって、Ｖ−Ｉ曲線は上方に移動し得、その傾きは、各直列の素子によって加えられる追加の電源インピーダンスに起因し増大する。曲線３３３９、３３４０および３３４１は、この順番で、直列の燃料電池の数の増加を示している。線３３４２は、負荷抵抗Ｒ_Ｌの特定の数値について、オームの法則に従う負荷電圧−対−電流、Ｖ＝ＩＲ_Ｌを示している。この線３３４２とＶ−Ｉ曲線との交差点が、負荷抵抗に対するそれぞれの動作点である。つまり、負荷が一定に維持されたままで、直列の燃料電池を追加すると、電圧と電流とが、例えば、負荷の線３３４２とＶ−Ｉ曲線３３３９との交差点から、負荷の線３３４２とＶ−Ｉ曲線３３４０との交差点へと変化する。

図３４には、セルを並列に積層することによる結果が示されている。曲線３４４２、３４４３および３４４４は、並列の燃料電池の数の増加を示している。この場合、負荷電圧３４４２は同一であり、電流は、電源インピーダンスが小さくなることによって増加する。

直列の装置の数は典型的に少なく（例えば、３．３ボルトの供給に対して４〜６個）、他方、並列の数は大きい（例えば、１アンペアの供給に対して１０００個）ので、列の追加によって生じる電圧の変化は、典型的に、行の追加による電圧の変化よりもはるかに小さく、より緻密な調節が可能になる。

システムは、単純な電圧調節の他にも、システムを効率的に動作させることによって燃料に貯えられたエネルギーを最適に使用し得る。

図３５Ａおよび図３５Ｂは、動作点、供給電力および消費電力の間の例示的な関係を示す図である。図３５Ａは、基本的に、図２４に示したＶ−Ｉ曲線の繰り返しである。図３５Ｂには、燃料の酸化によって生成される総電力３５４５と、総電力から起動損失を除いたもの３５４５’と、負荷に供給される電力３５４６と、装置において消費される電力３５４７とが示されている。起動損失は、電流Ｉに対して一定であるものと考えられる。したがって、消費電力および供給電力は、Ｖ−Ｉ曲線のほぼ真っ直ぐな抵抗領域の延長線がＶ軸に交差するポイントであるＶ_ＩＮＴ３５４８（図３５Ａ）によって決定される。

総電力３５４５の第１の近似は、
Ｐ_ＴＯＴ＝Ｖ_ＩＮＴＩ＋Ｐ_ＡＣＴ
である。

小さく、かつ電流Ｉに対してほぼ一定である起動損失Ｐ_ＡＣＴを除くと、Ｐ_ＴＯＴは、図３５Ａおよび図３５Ｂに示されているように、傾きｌを有するＩの線形関数である。

負荷に供給される電力は、
Ｐ_ｄｅｌ＝Ｖ（Ｉ）Ｉ
Ｐ_ｄｅｌ＝（Ｖ_ＩＮＴ−Ｒ_ＳＩ）Ｉ＝ＩＶ_ＩＮＴ−Ｉ^２Ｒ_Ｓ
であり、Ｒ_Ｓは、装置の電源抵抗である。

装置において消費される電力は、
Ｐ_ｄｉｓｓ＝Ｐ_ＴＯＴ−Ｐ_ｄｅｌ＝Ｖ_ＩＮＴＩ−（ＩＶ_ＩＮＴ−Ｉ^２Ｒ_Ｓ）
Ｐ_ｄｉｓｓ＝Ｉ^２Ｒ_Ｓ
である。

図３５Ａに示すようなＶ−Ｉ曲線を有する装置において、供給電力は、電流に対する二次方程式であり、下方に凹形であり、Ｐ_ｄｅｌ＝Ｐ_ｄｉｓｓのポイント３５４９で最大の供給電力になる。

最適の電力：電源セル毎の電流の最小化
消費電力は、電流に対する二次方程式であり、上方に凹形であり、電流が少ないほど消費も少ないことを示している。しかしながら、電流が少ないということは、それに比例してより多くの装置が必要であることを意味する。最適の効率は、総電力に対する供給電力の割合である。したがって、効率は、電流が減少するにつれて単調減少する。

実際問題として、動作の安定性および他の設計要因を考慮すると、特定の装置の、上述の単純モデルの一部ではない詳細な特性に応じて、若干高い電流動作点を選択することになるかもしれない。実際のシステムにおいて、装置毎の電流が少ないほど、装置の数が多くなり、これによってシステムに係るコストが増大するので、最適の効率はさらに限定され得る。

最適の電力：切替による、可能な限り最小の増加
図３６Ａおよび図３６Ｂは、それぞれ、回路図３６４８および電流波形３６４９であり、消費および供給電力の二次方程式の性質に起因し得る他の効果を示している。装置が、５０％デューティサイクルでオン・オフされ、電流ゼロと電流２Ｉとの間を等しい時間間隔で交互することによって平均電力ＶＩを供給する状況において、オンの時間に消費される電力は、半分の時間で消費される電力の４倍、または平均消費電力の２倍である。まず、供給電力がＩ^２Ｒ_Ｌであり、消費電力がＩ^２Ｒ_Ｓである一定の電流出力３６５０を考える。次に、平滑コンデンサに対する電源電流が５０％デューティサイクルで電流ゼロと電流２Ｉとの間で切り替わる曲線３６５２を考える。負荷に供給される平均電流３６５１は、依然としてＩであり、平滑コンデンサの出力３６５３（図３６Ａ）において若干変動するのみである。しかしながら、消費電力は、
Ｐ_ｄｉｓ＝（２Ｉ）^２Ｒ_Ｓ／２＝２Ｉ^２Ｒ_Ｓ
であり、これは一定の電流出力３６５０の２倍である。

すなわち、電力の消費を最小限にするため、制御プロセスは、可能な限り小数の装置を切り替えて設定点電圧を維持する。上述の例示的な制御プロセスは、これを行う。

さらに、個々の装置または独立的に切り替えられる装置のグループが小型であるほど、システムのエネルギー変換がより効率的になるのは当然である。

複数の電圧出力
図３７は、複数のサブアレイまたはバンク３７１０ａ、３７１０ｂ、・・・、３７１０ｎとして構成された電源セル（例えば、燃料電池）のアレイ３７０５で構成される複数電圧供給３７００の接続形態である。複数電圧供給３７００は、開示された構造の拡張形態であり、複数の電圧を必要とする電子装置において有用である。例えば、現代の携帯電話またはノート型コンピュータは、ディスプレイ、論理ハードディスク（ｌｏｇｉｃ ｈａｒｄ ｄｉｓｋ）、ＲＦ装置などに異なる電圧を供給する複数の電圧レギュレータを備えている。超小型の燃料電池または他の電力生成セルのアレイは、電話機またはノート型コンピュータの従来の電力調整システムに関連する電力損失、熱の発生、基板コストおよび別個の構成品のコストを伴うことなく、このような複数の電圧を供給するように容易に構成することができる。燃料電池のアレイ３７０５が、冗長性をもたらすためのさらなるバンク（例えば、３７１０ｎ−２、３７１０ｎ−１、および３７１０ｎ）を備えるように構成されていてもよく、これらさらなるバンクが、主要なバンクによって供給される任意の電圧を供給するように設定可能であってもよいことを理解されたい。さらに、全てのバンク３７１０ａ〜ｎは、いかなる電圧も供給できるように設定可能であってもよく、これにより、バンクをローテーションして寿命を長くすることができる。

電流源、ＡＣ電源、音声出力増幅器
上記の基本的な構造のさらなる幾つかの変形例が実施可能である。システムは、変化する電圧に対して一定の電流を維持するように構成されていてもよい（すなわち、電圧源ではなくて電流源であり、例えば、ある種類のセンサを動作させるために有用である）。システムは、一定の電圧または電流を追跡するのではなく、代わりに、経時変化する設定点を追跡し、したがって、例えば家庭のバックアップ電源用の６０ＨｚのＡＣ電源を提供するものであってもよい。またはシステムは、音声周波数信号を追跡し、例えば携帯電話のスピーカを駆動する、極めて効率的な電力増幅器を形成するものであってもよい。この構成は、一定の設定点電圧３０２９が経時変化する入力で置き換えられる点を除き、図３０の構成と同一であってもよい。

電源チップにおける構築
従来技術のＭａｒｓｈの特許（米国特許第6,312,846号および米国特許第6,815,110号）に記載された、シリコン基板上におけるＭＥＭＳ構造および製造方法を使用し、上述の制御システムを燃料電池と同一のシリコン基板上に組み込むことによってシリコンの表面積の増加を最小限にすることが、コスト効率に優れ得る。まず、電源アレイ用のトランジスタスイッチ、電圧センサおよび電流センサ、ならびに制御プロセスを実現するゲートのアレイを製造し得る確立された従来の半導体製造の手法に従い、基板上に一連の層を堆積し、これらをパターン化し、エッチングしてもよい。変形例として、書き換え可能な大規模集積回路（ＦＰＧＡ）、または組み込み型のプロセッサ中央処理装置（ＣＰＵ）とメモリとを備える構造が、用いられてもよい。書き換え可能な大規模集積回路（ＦＰＧＡ）の構成またはプログラムメモリは、所望に応じて、製造後に装置を種々の用途に合わせてカスタマイズする必要性により、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、ワンタイムプログラマブル（ＯＰＴ）メモリまたはＦＬＡＳＨメモリであってもよい。最新のＣＭＯＳ製造法を使用することで、これらの方法はいずれも、１ｃｍ^２の燃料電池のアレイよりも小さいシリコン領域を使用してもよく、ＭＥＭＳ燃料電池構造体の同一のシリコン領域に容易に構築することができる。

電源ディスク、電源スタックの階層制御
大型の電源について、Ｍａｒｓｈ（米国特許第6,312,846号および米国特許第6,815,110号）には、複数の電源セルを電源ディスクに組み立て、複数の電源ディスクを電源スタックに組み立ててもよいことが記載されている。この状況において、階層制御システムを実装してもよく、各電源チップは本発明の例示的な一実施形態に従って制御されるが、設定点は、個々の電源チップに電源ディスクレベルで作用する同様の制御システムによって決定される。同様に、複数の電源ディスクを、電源スタックに組み立てて、電源ディスクの合計の電力出力が最適になるように制御してもよい。

電力増幅器
図３８は、増幅器の機能を実行するために、通常は電圧レール（ｖｏｌｔａｇｅ ｒａｉｌ）を使用するところを、電力生成器を使用したシステム３８００のブロック図である。この例では、外部の装置３８０５が増幅器３８１０に受け取られ、低レベルの電圧信号３８３５を生成する。増幅器３８１０は、高インピーダンス入力ステージ３８１５と、電力生成セルコントローラ３８２０と、電子機器電源セル３８２５と、信号生成電源セル３８３０とを備えている。符号３８１５、３８２０、３８２５、３８３０で示されるこれらのモジュールは、当該技術分野において理解される任意の典型的な方法で相互接続されており、単一のシリコンのウェハに組み込まれ、例えば、前述したように相互接続されている。高インピーダンス入力ステージ３８１５および電力生成セルコントローラ３８２０は、増幅器３８１０の電子機器を動作させるために十分な電力を供給する電子機器電源セル３８２５によって給電される。高インピーダンス入力ステージ３８１５は、入力波形３８３５の出力値３８１７を電力生成セルコントローラ３８２０に供給し、そして電力生成セルコントローラ３８２０が、信号生成電源セル３８３０を制御し、入力波形３８３５を増幅した形態として電圧または電流波形３８４０を生成する。電圧波形または電流波形３８４０である出力波形は、負荷３８４５（例えば、携帯電話のヘッドセットスピーカ）、または例示的な増幅器３８１０によって駆動されるのに適した電気特性を有する他の形態の負荷を駆動するために使用されてもよい。

図３９は、波形を生成するように制御される電力生成セルの例示的な使用を示す１対の波形３９００の図である。１対の波形３９００は、正弦波の電力波形３９０５および調節された電力波形３９１０を含んでいる。調節された電力波形３９１０は、波形３９０５に対する負荷３９１５の影響を補正する形状で生成される。調節された電力波形３９１０が、必ずしも縮尺どおりではなく、実際に用いられる予定のない調節された波形の、単なる例にすぎないことを理解されたい。また、調節された電力波形３９１０が、電力供給の分野において理解される力率または電力品質を改善する目的で使用されてもよいことを理解されたい。

図４０は、電源セル（図示せず）のＡ〜Ｉまでの列４０１０ａ、４０１０ｂ、４０１０ｃ、・・・、４０１０ｉを有する電源セルのアレイ４０００のブロック図である。アレイ４０００は、さらに、コントローラ４００５を、電源セルと一体で基板上に備えるか、または電源セルを有する基板とは別個に備えている。いずれの場合も、コントローラは、バス４０１５を介して負荷４０２５に電力４０２０を供給するために、どの列４０１０ａ〜ｉを使用するかを制御するために用いられてもよい。すなわち、コントローラ４００５は、列４０１０ａ〜ｉを順番に進むか、または電源セルの列を選択し、負荷４０２５に供給する電力を生成してもよい。例示的な実施形態において、コントローラ４００５は、列ＡからＩへと順に進んで電力を生成し、よって電力４０２０は、これに応じた順序で供給される（すなわち、最初に列Ａ４０１０ａが電力Ｐ_ａを供給し、次に列Ｂ４０１０ｂが電力Ｐ_ｂを供給し、・・・、最後に列Ｉ４０１０ｉが電力Ｐ_ｉを供給する）。

図４１は、発電システム４１１０が電源セル４１０７、４１１０ａ〜ｅのアレイに関連したコントローラ４１０５を備えている場合を示すブロック図である。この例では、始動セル４１０７が、まず出力Ｐ_ｏｕｔ４１２０を生成してバス４１１５を介して外部の負荷４１２５に供給し、これによって熱を生成し、周囲にあり、外側に延在する電源セル４１１０ａを暖める。変形例として、始動セル４１０７は、電源セルのアレイと同一の基板４１０２上に位置する任意の内部負荷４１４０に、電力Ｐ_ｗａｒｍ４１２２を供給してもよい。これにより、始動セル４１０７は、外部の負荷４１２５に接続される必要なく暖まることができる。始動セル４１０７の位置を、例えば、４方向のいずれかにおいて高温の電源セルのより中心になるように、アレイの電源セル４１１０ａ〜ｅの中の他の位置に設定してもよいことを理解されたい。

動作時において、コントローラ４１０５は、始動セルから温度フィードバック４１３５を受け取ってもよい。温度フィードバック４１３５の関数としてコントローラ４１０５によって決定される温度が増加すると、コントローラ４１０５は、始動セル４１０７を囲む電力生成セルすなわち電源セル４１１０ａを動作させてもよい。次に、周囲の電源セル４１１０ａが暖まると、コントローラ４１０５は、始動セル４１１０ａを囲む次のセットの電源セル４１１０ｂを動作させて、電力４１２０を生成しバス４１１５を介して外部の負荷４１２５に供給する。このプロセスは、全ての電力生成セルすなわち電源セル４１１０ａ〜ｅが活性して電力４１２０を生成し、外部の負荷４１２５に供給するようになるまで継続してもよい。

矢印４１３０によって示される進行が、図示のように斜め方向ではなく、代わりに、始動セル４１０７の領域および電源セル４１１０ａ〜ｅの領域のそれぞれが、図４０または図３０に示されているように電源セルの縦方向のセクタであってもよいことを理解されたい。どの実施形態が選択されるにせよ、始動セル４１０７が、効率的に熱を生成し速やかに暖まるように低効率で動作されてもよく、活性される次のサブセットの電源セルのそれぞれが、高速または通常速度で温度上昇し、所与の環境での使用において電源セルを始動させるための所与のプロファイルに合致するように所与の効率で駆動されてもよいことを理解されたい。

図４２は、カーネル機能４２０５および「高次」機能４２１０の２つのレベルの機能を備えたコントローラ４２００のブロック図である。カーネル機能４２０５は、基本的な電源管理および制御機能であってもよく、これらは、例えば、電圧レベルを対応するスイッチの閉止にマッピングし、さらに、電力要求を列内の行の数および／または並列接続の列の数に変換し、電源セルのどのスイッチを閉止するかを選択して直列および並列の組合せを構成し、電力を生成するために使用される。他の基本的な機能も、カーネル機能４２０５内で使用されてよい。

高次機能４２１０は、電源セルのインテリジェント制御を行う機能を備えていてもよい。高次機能の例には、冷間始動、正弦波制御、任意波形制御、電圧調節、電流調節、電源セルのローテーション、調節、および汚染除去が含まれる。図４３を用いて後で説明する振動も、「水浸し」事象の加速補正の支援としての高次機能の例であり得る。

例示的な一実施形態において、コントローラ４２００は、前述の機能または他の高レベル機能のうちの１つを実行するようにカーネル機能４２０５に要求４２２５を与える高次機能４２１０を備えている。次に、カーネル機能４２０５は、要求４２２５を実行するために、燃料または酸化剤の流れの制御素子などのスイッチもしくは他の制御素子（例えば、ＭＥＭＳスイッチ）に制御信号４２１５を与える。フィードバック４２２０がカーネル機能４２０５へと返され、そしてカーネル機能４２０５が、高次機能４２１０による読み取りに適した形態でフィードバック４２３０を提示してもよい。変形例として、フィードバック４２２０は、高次機能４２１０に直接提示されてもよい。

コントローラ４２００が、他の方法で区分化されてもよく、また、単一の電源セルまたは電源セルのアレイに対して使用されるのに適した他の機能を備えていてもよいことを理解されたい。

コントローラ４２００は、さらに、複数のコントローラが統一された方式または分散された方式で機能できるように、コントローラ間あるいは電源ディスク／電源チップ内または電源ディスク／電源チップ間の通信モジュール４２１２を備えていてもよい。電源ディスク／電源チップ間の通信は、さらに、冗長性に対するサポートをしたり、事実上無限の数の電源セルの巨大なアレイを支援したりしてもよい。

図４３は、電源セルが形成されたパルス生成器４３１０に電気的に接続されているか、または任意で、１対のスイッチ４３１５ａ、４３１５ｂを介して電子パルス発生器に接続されている電気的に接続して備えている電源セル４３０５を備えたシステム４３００の概略図である。この実施形態において、スイッチ４３１５ａ、４３１５ｂは、電源セル４３０５が、負荷４３１２に電力を供給することから、パルス発生器４３１０からのパルス４３２５ａまたはパルス４３２５ａ、４３２５ｂを受け取るように切り替わるために用いられる。パルス発生器４３１０が、正弦波、チャープまたは他の波形などの典型的または非典型的な波形を生成する、いかなる形態の信号発生器であってもよいことを理解されたい。

パルス４３２５ａの目的は、壁の両側の触媒に電圧または電流を加えることである。触媒をパルス４３２５ａ、４３２５ｂで駆動させることによって、触媒に付着し得る汚染物質を、電源セルから外向きに突出している複数の矢印４３３０で示されているように排出してもよい。同様のセットの複数の矢印４３３０が、電源セル４３０５によって取り囲まれた体積空間の内部でも生じ得るが、汚染除去のプロセスがどのように作用するのかについて容易に理解できるように、それを図示していないことを理解されたい。さらに、一方の触媒の側を他方の触媒の側よりも良好に汚染除去するために、一方のパルス４３２５ａ、４３２５ｂを、接地電位などの基準レベルにしてもよいことを理解されたい。

さらに、１ボルトまたは他の低電圧波形が、電源セル４３０５を形成するために用いられ、極めて薄い膜であってもよい触媒被覆された膜を振動させるために使用されてもよい。振動は、電源セル４３０５による電力生成を低下させ得る水浸しの状態の除去を加速させるために使用されてもよい。この目的のために、電源セル４３０５の厚さ、高さおよび直径、ならびに触媒の厚さ、区分け、または他の物理的パラメータが、電源セル４３０５が振動する能力を向上させるために特別に構成されてもよい。さらに、振動（または熱）は、電源セル４３０５における反応を生じさせたり、加速させたり、影響を及ぼしたりするために使用されるエネルギーを増やすように用いられてもよく、電源セル４３０５は、反応における特定の反応または特定の段階でのエネルギー供給またはエネルギー削減を向上させるために、単一また複数の周波数の振幅またはオフセットで駆動されてもよい。

検査の観点からみて、電源セル４３０５は、導電性触媒の形態の２枚の「プレート」（膜の外壁および内壁）を有しているので、コンデンサと同様に電気インピーダンスを有している。このインピーダンスは、自動検査のために使用することができ、コントローラを使用して、電源セル４３０５から、静電容量計に接続された電源チップまたは電源ディスクの縁部のピンへと電気路を切り替えてもよい。このようにして、電源セルの巨大なアレイを、素早く検査または検査することができる。

さらに、制御プログラムが、カスタムゲートアレイまたは特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）の階層構造に実装され、複数の電源セルが、上述のマイクロプロセッサの電力生成器のアレイのように制御され、また、電源ディスクを形成するように組み立てられており、同様のプロセスが、電源ディスクにおける電源セルに対する電力生成の割り当てを制御している。ある実施形態では、複数の電源ディスクが電源スタックを形成するように組み立てられている階層構造において、同様のプロセスが、電源スタックにおける電源ディスクに対する電力生成の割り当てを制御している。

例えば、最適の制御、ファジー論理、ニューラルネットワーク、およびＨインフィニティ制御など、上述の制御フィルタ、制御則または他の制御則のうちどれでも、プロセッサのソフトウェアの形態で実行し、電力生成の動作を制御してもよい。ハードウェアまたはファームウェア実装を用いてもよい。制御プログラムは、上述の制御に加えて、任意で、個々の装置または装置のバンクが古くなるときの経時的な電源セルの特性に適応できるものであってもよい。制御プログラムは、さらに、現場設置後または製造後に変更もしくはアップグレードされてもよく、これにより、以前は同一であった装置に対して異なる用途のための異なる動作特性が与えられる。

一実施形態において、超小型電力生成器のアレイは、再充電可能なバッテリー、コンデンサ、光電池、振動利用の電力生成器などを備えたハイブリッドシステムとして構成してもよい。バッテリーの充電サイクルは、バッテリーの長寿命を強化するように構成されたものであってもよい。

電源セルの電気化学用途
本発明の他の態様の一実施形態は、反応成分を反応させる方法である。例示的な一方法は、体積空間を取り囲む少なくとも１つの膜の両側で、少なくとも１つの触媒の存在下、反応成分を電気化学的に反応させる過程を含んでいる。ここで述べる方法は、本明細書に開示されている電源セル、電源チップ、電源ディスクまたは電源スタックの任意の実施形態によって実施されてもよい。

図４４には、本発明の方法の上記の実施形態の例が示されている。電源セル４４００は、アノード４４０５の触媒、カソード４４１０の触媒、および膜４４１５（例えば、イオンまたはプロトン交換膜）などの、他の電源セルに関して上述した構成品と同一もしくは同様の構成品を備えている。電源セル４４００は、基板４４２０に接続されていてもよく、反応成分は、この基板４４２０を通り、矢印４４４０で示されたとおりに流れるものであってもよい。本明細書で述べる膜４４１５は、イオン交換膜またはプロトン交換膜などの、不織布および膜の積層体であってもよい。三次元の幾何学的構造体を形成するように構成された電源セルと同様に、この膜は体積空間４４２５を取り囲んでいる。超小型電源セルの用途において、体積空間４４２５は、１立方ミリメートル未満になり得る。他の用途において、体積空間４４２５は、１立方センチメートル未満、１立方メートル未満、さらには１立方マイクロメートル未満になり得る。スイッチ４４５５と負荷４４５７とを含む電気回路が、カソード４４１０およびアノード４４０５に接続されていてもよい。電源セル４４００は、セパレータ４４１５の両側面上または内側の他の反応成分と協働して、電気化学反応を引き起こしてもよい。例えば、電源セル４４００は、水の電気分解を用いて水素を生成するために使用されてもよい。
２Ｈ_２Ｏ_（ｌ）→２Ｈ_２（ｇ）＋Ｏ_２（ｇ）

水の電気分解は、電源セル４４００によって生成された電流を水の滴４４４０に通すことによって行うことができる（実際には、食塩水を用いて反応強度を増大させることで、観察を容易にすることができる）。水素気体が、白金電極を使用するカソード４４１０において見られ、酸素の気泡が、同じく白金電極を使用するアノード４４０５において見られる。他の金属がアノードとして使用される場合、酸素が気体として放出されずにアノードと反応する可能性がある。例えば、塩化ナトリウムの溶液内で鉄電極を使用すると、アノードにおいて酸化鉄が生成され、これが反応して水酸化鉄を形成してしまう。他の産業上の利用として、電気分解を用いて金属化合物から金属を還元し、純粋な形態の金属を得るプロセスである電気冶金が含まれる。例えば、金属形態の水酸化ナトリウムが、電気分解によってナトリウムと水素とに分離され、これらナトリウムおよび水素のどちらにも、重要な化学的用途がある。この例示的な方法は、さらに、アルミニウム、リチウム、ナトリウム、カリウムまたはアスピリンを製造するために用いられてもよい。電源セルによる電気分解の他の実用的な用途は、アノード酸化処理である。これにより、金属の表面を防食性にする。例えば、水中の船は、電気分解によりなされるこのプロセスによって、水中の酸素による腐食から護られる。このプロセスは、表面を装飾的にするために使用されてもよい。

さらに、水の電気分解によって生成される水素気体を、他のさらなる反応の燃料として使用してもよい。例えば、水素気体４４６０は、出口４４７０を通って流れ、燃料として集められてもよい。

上述の電気分解を、電源セルのコンテクストで説明したが、このような方法を、電源セルのアレイ、電源ディスク、または電源スタックに用いてもよい。

この方法の他の実施形態は、さらに、電気化学反応を行うために電位差を加える過程を含む。図４４において、さらに、スイッチ４４８０をオンすることによって、電源セル４４００をバッテリー４４８２に電気的に接続することができる。しかしながら、バッテリー４４８２は例示である。したがって、ＤＣ、ＡＣ、固定周波数、任意波形、またはこれらの任意の組み合わせなどの他の形態の電力を、電源セル４４００に加えてもよい。

アノードとカソードとに電位差を加えることによって、電気化学反応を引き起こすことができる。例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）などの材料で作られた膜を備えた電源セルは、正弦波、パルス、チャープまたは他の波形などの電流が加えられると振動することができる。したがって、例えば、熱を生成したり（すなわち、膜４４１５において）、ある物理的状態（すなわち、液体、擬固体、気体、擬液体または固体）から他の物理的状態に変換したり、反応の様々な段階の間に、または反応の単一の段階において、電位差のプロファイルを変化させたりする電気化学反応を、電源セル４４００に電位差を加えることによって引き起こしたり向上させたりできる。電位差を電源セルのアレイに加える場合、熱を生成している対象に熱的に近接した、アレイのサブセットに電位差を加えてもよい。

電気化学反応を監視するために、センサを使用してもよい。例えば、システム４４０１は、水の電気分解の際のハウジング４４０３内部の水素気体のレベルを測定するセンサ４４０６を備えていてもよい。また、このシステムは、反応に関連する測定基準（例えば、濃度もしくは温度）、または典型的な反応に対する電源セルに関連する測定基準（例えば、温度もしくは圧力）のフィードバックを監視することによって、フィードバックシステムを備えてもよい。このフィードバックシステムを用いた電気化学反応の監視は、少なくとも１つの測定基準の関数として電気化学反応を調節、調整、および／または制御するのに有用になり得る。測定基準として、例えば、少なくとも１つの反応成分の温度、圧力、湿度、時間、濃度が含まれていてもよい。さらに、何時、如何にして電位差を加えるのかについて調整できるものであってもよい。例えば、典型的な反応において、電位差を減少させたり増加させたりすることによって、電気化学反応を減速させたり加速させたりしてもよい。

さらに、電気化学反応の生成物は、抽出、吐出、排出、放出または排気などの方法を用いて出力してもよく、他の電気化学反応が、第１の電気化学反応の間または後に生じてもよい。第１の電気化学反応の間または後に少なくとも１つの他の反応成分を導入することによって、新しい電気化学反応を引き起こすか、または現在進行中の電気化学反応の次の段階において使用することができる。さらに、新しい電気化学反応の生成物も、先の電気化学反応と同様の方法で取り出してもよい。

本発明を、例示的な実施形態を用いて詳細に示し説明したが、当業者であれば、添付の特許請求の範囲に包含される本発明の範囲から逸脱することなく、形態および細部の様々な変更が可能であることを理解できるであろう。

５，３８４５，３９１５，４０２５，４１２５，４１４０，４３１２，４４５７ 負荷
１５，１３１０，１４１０，１９００ａ，１９００ｂ 電源チップ
１５，２００５ａ，２００５ｂ，２０５５ 電源ディスク
１６，１６０Ａ、１６０Ｂ 電極
２８，２８０，１９１５ａ，１９２５ａ，２０３１ａ，２０３１ｂ，２０３３ａ，２０３３ｂ 触媒
３０，１９９２，４４１５ 膜
４０，４００，１５２０，１９１０ａ，１９１０ｂ カバー（蓋）
５０Ａ，５０Ｂ，１５１０，１５１５，１６２５，１６６５，２０４７ａ，２０４７ｂ，２０７０ 流路（チャネル）
８８，３８２０，４００５，４１０５，４２００ コントローラ
９５，２０６５ マニフォルド
９９Ａ，９９Ｂ，２５１５ 電源バス
１５０７，４４２５ 体積空間
１５５０ 酸化剤
１５５５ 燃料
１９０５ｂ，２０２９ａ，２０２９ｂ，３８２５，３８３０，４１０７，４１１０ａ〜ｅ，４３０５，４４００ 電源セル
２０１０ａ，２０１０ｂ，２０１５ａ，２０１５ｂ，２０４３ａ，２０４３ｂ プレナム
２５０５，３０３８，３７０５，４０００ アレイ
２６００ 電源スタック
３７１０ａ〜ｎ バンク
３８１０ 増幅器
４１０７，４１１０ａ 始動セル
４２０５ カーネル
４２１０ 高次

Claims (16)

1. 電源セルのアレイ内の電源セルを洗浄する方法であって、
   電源セルのアレイにおいて少なくとも１つの第１電源セルを第２電源セルに接続する過程と、
   前記第２電源セルによって、前記少なくとも１つの第１電源セルに、該少なくとも１つの第１電源セルの触媒を洗浄するための電圧を印加する過程と、
   を含んでおり、
   前記触媒が、前記少なくとも１つの第１電源セルの壁の第１の側の第１の触媒と、第２の側の第２の触媒とを含み、
   前記少なくとも１つの第１電源セルに電圧を印加する過程が、前記第１の触媒および第２の触媒に、それぞれ、第１の波形および第２の波形の電圧を印加することを含む
   方法。
2. 請求項１において、少なくとも１つの第３の電源セルによって負荷の駆動を同時に行う過程を含んでいる方法。
3. 請求項２において、さらに、前記触媒の洗浄の後に、前記少なくとも１つの第１電源セルを前記第２電源セルから切り離し、該少なくとも１つの第１電源セルを負荷に接続する過程を含んでいる方法。
4. 請求項１において、さらに、前記少なくとも１つの電源セルの触媒の汚れの状態を判定する過程を含んでいる方法。
5. 請求項１において、前記第２電源セルによって前記少なくとも１つの第１電源セルに電圧を印加する過程が、前記第２電源セルによって、正弦波、チャープ、少なくとも一つの振幅又はオフセットを有する単一又は複数の周波数の波形からなる群から選択された電圧を生成することを含む方法。
6. 請求項１において、前記第２電源セルによって前記少なくとも１つの第１電源セルに電圧を印加する過程が、前記第２電源セルによって、前記少なくとも１つの第１電源セルを振動させる波形を生成することを含む方法。
7. 請求項１において、前記第１の波形および第２の波形が、それぞれ、第１のパルスおよび第２のパルスである方法。
8. 請求項７において、前記第１のパルスまたは第２のパルスの電位を制御することにより、前記第１側の触媒または第２の側の触媒を、他方の触媒よりも多く汚染除去する方法。
9. 電力を生成する装置であって、
   電源セルのアレイと、
   前記電源セルのアレイにおいて少なくとも１つの第１電源セルを第２電源セルに接続するように構成された電気素子と、
   前記電気素子に接続され、前記少なくとも１つの電源セルを前記第２電源セルに接続し、前記第２電源セルによって前記少なくとも１つの第１電源セルに、該少なくとも１つの第１電源セルの触媒を洗浄するための電圧を印加するコントローラと、
   を備えており、
   前記触媒が、前記少なくとも１つの第１電源セルの壁の第１の側の第１の触媒と、第２の側の第２の触媒とを含み、前記コントローラが、前記第２の電源セルに、前記第１の触媒および第２の触媒を、それぞれ、第１の波形および第２の波形の電圧を印加する装置。
10. 請求項９において、前記コントローラが、負荷を駆動すべく前記少なくとも１つの第１電源セルを負荷に接続すると同時に、前記第２電源セルによって前記少なくとも１つの第１電源セルの触媒を洗浄する電圧を前記少なくとも１つの第１電源セルに印加するように、前記電気素子を制御するように構成されている装置。
11. 請求項１０において、前記コントローラが、前記触媒の洗浄の後に前記少なくとも１つの第１電源セルを前記第２電源セルから切り離し、該少なくとも１つの第１電源セルを負荷に接続するように構成されている装置。
12. 請求項９において、センサおよび判定ユニットをさらに備えており、該センサが、電力を生成している電源セルについての情報を提供し、前記判定ユニットが、電力を生成している電源セルの触媒の汚れの状態を診断する装置。
13. 請求項９において、前記コントローラが、前記第２電源セルに、正弦波、チャープ、少なくとも一つの振幅又はオフセットを有する単一又は複数の周波数の波形からなる群から選択された電圧を生成させる装置。
14. 請求項９において、前記コントローラが、前記第２電源セルに、前記少なくとも１つの第１電源セルを振動させる波形を生成させる装置。
15. 請求項９において、前記第１の波形および第２の波形が、それぞれ、第１のパルスおよび第２のパルスである装置。
16. 請求項１５において、前記第１のパルスまたは第２のパルスの電位を制御することにより、前記第１側の触媒または第２の側の触媒が、他方の触媒よりも多く汚染除去される装置。

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