JP2004178934A - Container for fuel cell and fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質部材を収容可能なセラミックスから成る小型で高信頼性の燃料電池用容器およびそれを用いた燃料電池に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、これまでよりも低温で動作する小型燃料電池の開発が活発になされている。燃料電池には、これに用いる電解質の種類により、固体高分子電解質型燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell:以下、PEFCと記す)やリン酸型燃料電池、あるいは固体電解質型燃料電池といったものが知られている。
【0003】
中でもPEFCは、作動温度が80〜100℃程度という低温であり、
(1)出力密度が高く、小型化・軽量化が可能である、
(2)電解質が腐食性でなく、しかも作動温度が低いため、耐食性の面から電池構成材料の制約が少ないので、コスト低減が容易である、
(3)常温で起動できるため、起動時間が短い、
といった優れた特長を有している。このためPEFCは、以上のような特長を活かして、車両用の駆動電源や家庭用のコジェネレーションシステム等への適用ばかりでなく、携帯電話・PDA(Personal Digital Assistants)・ノートパソコン・デジタルカメラやビデオ等の出力が数W〜数十Wの携帯電子機器用の電源としての用途が考えられてきている。
【0004】
PEFCは、大別して、例えば、白金や白金−ルテニウム等の触媒微粒子が付着した炭素電極から成る燃料極(アノード)と、白金等の触媒微粒子が付着した炭素電極から成る空気極(カソード)と、燃料極と空気極との間に介装されたフィルム状の電解質部材(以下、電解質部材と記す)とを有して構成されている。ここで、燃料極には、改質部を介して抽出された水素ガス(H2)が供給され、一方、空気極には、大気中の酸素ガス(O2)が供給されることにより、電気化学反応により所定の電気エネルギーが生成(発電)され、負荷に対する駆動電源(電圧/電流)となる電気エネルギーが生成される。
【0005】
具体的には、燃料極に水素ガス(H2)が供給されると、次の化学反応式(1)に示すように、上記触媒により電子(e−)が分離した水素イオン(プロトン;H+)が発生し、電解質部材を介して空気極側に通過するとともに、燃料極を構成する炭素電極により電子(e−)が取り出されて負荷に供給される。
3H2 → 6H++6e− ・・・(1)
一方、空気極に空気が供給されると、次の化学反応式(2)に示すように、上記触媒により負荷を経由した電子(e−)と電解質部材を通過した水素イオン(H+)と空気中の酸素ガス(O2)とが反応して水(H2O)が生成される。
6H++3/2O2+6e− → 3H2O ・・・(2)
このような一連の電気化学反応(式(1)および式(2))は、概ね80〜100℃の比較的低温の温度条件で進行し、電力以外の副生成物は基本的に水(H2O)のみとなる。
【0006】
電解質部材を構成するイオン導電膜(交換膜)は、スルホン酸基を持つポリスチレン系の陽イオン交換膜、フルオロカーボンスルホン酸とポリビニリデンフルオライドとの混合膜、フルオロカーボンマトリックスにトリフルオロエチレンをグラフト化したもの等が知られており、最近ではパーフルオロカーボンスルホン酸膜(例えばナフィオン:商品名、デュポン社製)等が用いられている。
【0007】
図3に、従来の燃料電池(PEFC)の構成を断面図で示す。同図において、21はPEFC、23は電解質部材、24および25は電解質部材を挟持するように電解質部材23上に配置され、ガス拡散層および触媒層としての機能を有する一対の多孔質電極、すなわち燃料極および空気極であり、26はガスセパレータ、28は燃料流路、29は空気流路である。
【0008】
ガスセパレータ26は、ガスセパレータ26の外形を形成する積層部およびガス流入出枠と、燃料流路28と空気流路29とを分離するセパレータ部と、このセパレータ部を貫通するように設けられた、電解質部材23の燃料極24および空気極25に対応するように配置された電極とから構成されている。電解質部材23の燃料極24、空気極25が電気的に直列および/または並列に接続されるようにガスセパレータ26を介して多数積層して電池の最小単位である燃料電池スタックとし、この燃料電池スタックを、箱体に収納したものが一般的なPEFC本体である。
【0009】
ガスセパレータ26に形成された燃料流路28を通して燃料極24には改質器から水蒸気を含む燃料ガス(水素に富むガス)が供給され、また、空気極25には空気流路29を通して大気中から酸化剤ガスとして空気が供給され、電解質部材23での化学反応により発電される。
【0010】
【特許文献1】
特開2001−266910号公報
【特許文献2】
特表2001−507501号公報
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような高電圧・高容量の電池として従来より提案され開発されている燃料電池21は、スタック構造を有し構成要素が大面積化された大重量で大型の電池であり、小型電池としての燃料電池の利用は、従来はほとんど考えられていなかった。
【0012】
すなわち、このような燃料電池21における従来のガスセパレータ26には、これを用いて電解質部材23を積層した積層体において、電解質部材23の側面が外部に露出していることによって、携帯時の落下等により損傷を受けやすく、燃料電池21全体の機械的信頼性を確保し難いという問題点があった。
【0013】
また、携帯電子機器に燃料電池21を搭載するためには、従来の大型燃料とは異なった、コンパクト性・簡便性・安全性に優れる燃料電池用容器が必要になる。すなわち、汎用の化学電池のようなポータブル電源として適用するためには、作動温度までの温度上昇を短時間化するために、また熱容量を小さくするために、燃料電池用容器を小型化・低背化する必要があるが、従来の燃料電池21では熱容量の割合の大部分を占めるガスセパレータ26は、特にカーボン板の表面に切削加工で流路形成されるガスセパレータ26の場合など、薄肉化すると脆くなるため、数mmの厚みが必要である。このため、小型化・低背化が困難であるという問題点もあった。
【0014】
さらに、燃料電池21の出力電圧は、電解質部材23の表裏面の各電極24・25に供給されるガスの分圧によって決まる。すなわち、電解質部材23に供給された燃料ガスがガス流路28を進んで発電反応において消費されると、燃料極24の面上の燃料ガスの分圧が下がって出力電圧が下がる。これと同様に、空気も空気流路29を進んで消費されると、空気極25の面上の酸素の分圧が下がって出力電圧が下がる。従って、燃料ガスを均等に供給する必要があるが、従来の燃料電池21のガスセパレータ26は、特にカーボン板の表面に切削加工により流路を形成していることから、薄型化したときには流路の溝が狭くなるため、流路抵抗が大きくなり、均一なガス供給が困難であるという問題点もあった。
【0015】
また、複数の電解質部材23とその対向する燃料極24・空気極25とガスセパレータ26との組み合わせが、任意に効率よく直列接続または並列接続されて、全体の出力電圧および出力電流が調整されるようにする必要があるが、従来の燃料電池21では電解質部材23を挟む燃料極および空気極から電気を取り出すためには、外部に引き出し接続する方法か、もしくはガスセパレータ26を導電性材料として重ね合わせ直列接続する方法しかなく、小型燃料電池においてはそれが困難であるという問題点もあった。
【0016】
本発明は以上のような従来の技術の問題点に鑑み完成されたものであり、その目的は、電解質部材を収納可能な、小型で、堅牢な燃料電池用容器であり、また、ガスの均等供給・燃料電池容器内の温度勾配の均一化・高効率な電気接続を図ることができる信頼性のある燃料電池用容器およびそれを用いた燃料電池を提供することにある。
【0017】
【課題を解決するための手段】
本発明の第1の燃料電池用容器は、下側および上側主面にそれぞれ第1および第2電極を有する電解質部材を複数個収容する凹部を上面に有するセラミックスから成る基体と、前記電解質部材の前記下側主面に対向する前記凹部の底面から前記基体の外面にかけて形成された第1流体流路と、前記電解質部材の前記第1電極に対向する前記凹部の底面に一端が配設され、他端が前記基体の外面に導出された第1配線導体と、前記基体の前記凹部の周囲の上面に前記凹部を覆って取着される、前記凹部を気密に封止する蓋体と、前記電解質部材の前記上側主面に対向する前記蓋体の下面から前記蓋体の外面にかけて形成された第2流体流路と、前記電解質部材の前記第2電極に対向する前記蓋体の前記蓋体の下面に一端が配設され、他端が前記蓋体の外面に導出された第2配線導体と、前記基体に形成され、一端が前記凹部の底面で前記電解質部材の1つの前記第1電極に対向するとともに、他端が前記凹部の底面で前記電解質部材の他の1つの前記第1電極に対向する第3配線導体とを具備することを特徴とするものである。
【0018】
また、本発明の第2の燃料電池用容器は、下側および上側主面にそれぞれ第1および第2電極を有する電解質部材を複数個収容する凹部を上面に有するセラミックスから成る基体と、前記電解質部材の前記下側主面に対向する前記凹部の底面から前記基体の外面にかけて形成された第1流体流路と、前記電解質部材の前記第1電極に対向する前記凹部の底面に一端が配設され、他端が前記基体の外面にかけて形成された第1配線導体と、前記基体の前記凹部の周囲の上面に前記凹部を覆って取着される、前記凹部を気密に封止する蓋体と、前記電解質部材の前記上側主面に対向する前記蓋体の下面から前記蓋体の外面にかけて形成された第2流体流路と、前記電解質部材の前記第2電極に対向する前記蓋体の下面に一端が配設され、他端が前記蓋体の外面に導出された第2配線導体と、一端が前記凹部の底面で前記電解質部材の1つの前記第1電極に対向するとともに、他端が前記基体の前記蓋体が取着される上面に導出された第4配線導体と、一端が前記蓋体の下面で前記電解質部材の他の1つの前記第2電極に対向するとともに、他端が前記蓋体の前記基体の前記上面に取得される下面に前記第4配線導体の他端と対向するように導出された第5配線導体とを具備することを特徴とするものである。
【0019】
また、本発明の第1の燃料電池は、上記構造の本発明の第1の燃料電池用容器の前記凹部に複数個の電解質部材を収容して、この電解質部材の前記下側および上側主面を前記第1および第2流体流路との間でそれぞれ流体のやりとり可能なように配置するとともに、前記第1および第2配線導体を前記第1および第2電極に、ならびに前記第3配線導体を前記第1電極にそれぞれ電気的に接続し、前記基体の前記凹部の周囲の上面に前記凹部を覆って前記蓋体を取着して成ることを特徴とするものである。
【0020】
また、本発明の第2の燃料電池は、上記構成の本発明の第2の燃料電池用容器の前記凹部に複数個の電解質部材を収容して、この電解質部材の前記下側および上側主面を前記第1および第2流体流路との間でそれぞれの流体がやりとり可能なように配置するとともに、前記第1および第2配線導体を前記第1および第2電極に、ならびに前記第4および第5配線導体を前記第1および第2電極にそれぞれ電気的に接続し、前記基体の前記凹部の周囲の上面に前記凹部を覆うとともに前記第4および第5配線導体の前記他端同士を接続して前記蓋体を取着して成ることを特徴とするものである。
【0021】
本発明の第1および第2の燃料電池用容器によれば、下側および上側主面にそれぞれ第1および第2電極を有する電解質部材を複数個収容する凹部を上面に有するセラミックスから成る基体と、この基体の凹部の周囲の上面に凹部を覆って取着される、凹部を気密に封止する蓋体とを具備していることから、燃料電池用容器内を気密に封止することで、気体等の流体の漏れがなく、この容器の他にパッケージ等の容器を設ける必要がないので、効率良く動作させることができる燃料電池を得ることができるとともに、小型化にも有効なものとなる。また、凹部を上面に有するセラミックスから成る基体とこの凹部を封止する蓋体とで形成される箱体内に複数の電解質部材を収納して燃料電池とすることができるので、電解質部材が容器の外部に露出して損傷を受けたりすることがなく、燃料電池全体としての機械的信頼性が向上する。また、凹部および蓋体で構成される容器内部に一端が配設された第1〜第3配線導体、または第1,第2,第4および第5配線導体の他には電解質部材自体に無用な電気的接触をしないで済むので、信頼性および安全性の高い燃料電池を得ることができる。さらに、燃料電池用容器の構成材料としてセラミックスを用いたことにより、各種のガスを始めとする流体に対する耐食性に優れる燃料電池を得ることができる。
【0022】
また、電解質部材の下側主面に対向する凹部の底面から基体の外面にかけて形成された第1流体流路と、電解質部材の上側主面に対向する蓋体の下面から蓋体の外面にかけて形成された第2流体流路とを具備していることから、複数のそれぞれの流体流路は、電解質部材を挟んで、それぞれ対向する内壁面に設けられているため、電解質部材へ供給される流体の均一供給性を向上させることができる。このような流体経路によれば、流体が電解質部材に対して垂直に流れるため、例えば、流体が水素ガスと空気(酸素)ガスとの場合に、電解質部材が下側および上側主面にそれぞれ有する第1および第2電極に供給される各ガス分圧が下がることはなく、所定の安定した出力電圧を得ることができるという効果がある。さらに、供給される流体の圧力、例えばガス分圧が安定するため、燃料電池用容器の内部温度の分布が均一化され、その結果、電解質部材に生じる熱応力を抑制することができ、燃料電池の信頼性を向上させることができる。さらにまた、それぞれの流体流路は基体と蓋体とに形成されるため、各流路の密閉性に優れ、本来は流路的に隔絶されるべき2種類の原料流体(例えば酸素ガスと水素ガスもしくはメタノール等)が混合してしまうことによって燃料電池としての機能が発現されなくなるようなことがなく、また、可燃性の流体が高温で混合された後に引火・爆発を起こす危険性もないので、安全な燃料電池を提供することができる。
【0023】
さらに、本発明の第1の燃料電池用容器によれば、基体に形成された、一端が凹部の底面で電解質部材の1つの第1電極に対向するとともに、他端が凹部の底面で電解質部材の他の1つの第1電極に対向する第3配線導体とを具備していることから、複数個の電解質部材を電気的に接続することでそれらを並列接続することが可能となる。その結果、燃料電池全体の出力電流の調整ができるため、電解質部材にて電気化学的に生成された電気を良好な状態で外部に取り出すことができる。
【0024】
さらにまた、本発明の第2の燃料電池用容器によれば、複数個の電解質部材を収容する凹部を有する基体およびこれに取着される蓋体に形成された、一端が凹部の底面で電気電解部材の1つの第1電極に対向するとともに、他端が基体の上面の蓋体が取着される部位に導出された第4配線導体と、一端が蓋体の下面で電解質部材の他の1つの第2電極に対向するとともに、他端が蓋体の下面の基体の上面に取着される部位に第4配線導体の他端と対向するように導出された第5配線導体とを具備していることから、複数個の電解質部材を電気的に接続することでそれらを直列接続することが可能となる。その結果、一つ一つの電解質部材の発電では微小電圧であっても、直列接続により合計の電圧の調整ができるため、電解質部材にて電気化学的に生成された電気を良好な状態で外部に取り出すことが可能となる。
【0025】
また、本発明の第1および第2の燃料電池によれば、本発明の第1および第2の燃料電池用容器の凹部に電解質部材を収容して、この電解質部材の下側および上側主面を第1および第2流体流路との間でそれぞれの流体がやりとり可能なように配置するとともに、第1および第2電極を第1〜第3配線導体、ならびに第1,第2,第4および第5配線導体にそれぞれ電気的に接続し、基体の凹部の周囲の上面に凹部を覆って蓋体を取着して成ることから、以上のような本発明の第1および第2の燃料電池用容器による特長を備えた、小型・堅牢で、ガスの均等供給・燃料電池容器内の温度勾配の均一化・高効率な電気接続を図ることができる信頼性のある燃料電池を得ることができるとともに、複数個の電解質部材を並列接続することにより燃料電池全体の出力電流の調整ができるため、あるいは複数個の電解質部材を直列接続することにより合計の電圧の調整ができるため、電解質部材にて電気化学的に生成された電気を良好な状態で外部に取り出すことができる。
【0026】
従って、本発明の燃料電池用容器および燃料電池によれば、コンパクト性・簡便性・安全性に優れ、流体の均等供給・高効率な電気接続により、長期にわたり安定して作動させることができる燃料電池を提供することができる。
【0027】
【発明の実施の形態】
次に、本発明を添付図面に基づき詳細に説明する。
【0028】
図1は本発明の第1の燃料電池用容器およびそれを用いた第1の燃料電池について実施の形態の一例を示す断面図である。図1において、1は燃料電池、2は燃料電池用容器、3は電解質部材、4は第1電極、5は第2電極、6は基体、7は蓋体、8は第1流体流路、9は第2流体流路、10は第1配線導体、11は第2配線導体、12は第3配線導体である。
【0029】
電解質部材3は、例えばイオン導電膜(交換膜)の両主面上に、下側主面に形成された第1電極4および上側主面に形成された第2電極5にそれぞれ対向するように、アノード側電極となる燃料極(図示せず)と、カソード側電極となる空気極(図示せず)とが一体的に形成されている。そして、電解質部材3で発電された電流を第1電極4,第2電極5へ流し、外部へ取り出すことができるものとなっている。
【0030】
このような電解質部材3のイオン導電膜(交換膜)は、パーフルオロカーボンスルフォン酸樹脂、例えばナフィオン(商品名、デュポン社製)等のプロトン伝導性のイオン交換樹脂により構成されている。また、燃料極および空気極は、多孔質状態のガス拡散電極であり、多孔質触媒層とガス拡散層の両方の機能を兼ね備えるものである。これらの燃料極および空気極は、白金・パラジウムあるいはこれらの合金等の触媒を担持した導電性微粒子、例えばカーボン微粒子をポリテトラフルオロエチレンのような疎水性樹脂結合剤により保持した多孔質体によって構成されている。
【0031】
電解質部材3の下側主面の第1電極4および上側主面の第2電極5は、白金や白金−ルテニウム等の触媒微粒子の付いた炭素電極を電解質部材3上にホットプレスする方法、または、白金や白金−ルテニウム等の触媒微粒子の付いた炭素電極材料と電解質材料を分散した溶液との混合物を電解質上に塗布または転写する方法等により形成される。
【0032】
燃料電池用容器2は、凹部を有する基体6と蓋体7とから成り、電解質部材3を凹部の内部に搭載して気密に封止する役割を持ち、酸化アルミニウム(Al2O3)質焼結体,ムライト(3Al2O3・2SiO2)質焼結体,炭化珪素(SiC)質焼結体,窒化アルミニウム(AlN)質焼結体,窒化珪素(Si3N4)質焼結体,ガラスセラミックス焼結体等のセラミックス材料で形成されている。
【0033】
なお、ガラスセラミックス焼結体はガラス成分とフィラー成分とから成るが、ガラス成分としては、例えばSiO2−B2O3系,SiO2−B2O3−Al2O3系,SiO2−B2O3−Al2O3−MO系(但し、MはCa,Sr,Mg,BaまたはZnを示す),SiO2−Al2O3−M1O−M2O系(但し、M1およびM2は同一または異なってCa,Sr,Mg,BaまたはZnを示す),SiO2−B2O3−Al2O3−M1O−M2O系(但し、M1およびM2は前記と同じである),SiO2−B2O3−M3 2O系(但し、M3はLi,NaまたはKを示す),SiO2−B2O3−Al2O3−M3 2O系(但し、M3は前記と同じである),Pb系ガラス,Bi系ガラス等が挙げられる。
【0034】
また、フィラー成分としては、例えばAl2O3,SiO2,ZrO2とアルカリ土類金属酸化物との複合酸化物、TiO2とアルカリ土類金属酸化物との複合酸化物、Al2O3およびSiO2から選ばれる少なくとも1種を含む複合酸化物(例えばスピネル,ムライト,コージェライト)等が挙げられる。
【0035】
燃料電池用容器2は、凹部を有する基体6と蓋体7とから成り、基体6の凹部の周囲に凹部を覆って蓋体7を取着することによって凹部を気密に封止するため、半田や銀ろう等の金属接合材料での接合、エポキシ等の樹脂材料での接合、凹部の周囲の上面に鉄合金等で作られたシールリング等を接合してシームウェルドやエレクトロンビームやレーザ等で溶接する方法等によって、蓋体7が基体6に取着される。なお、蓋体7にも基体6と同様の凹部を形成しておいてもよい。
【0036】
基体6および蓋体7は、それぞれ厚みを薄くし、燃料電池1の低背化を可能とするためには、機械的強度である曲げ強度が200MPa以上であることが好ましい。
【0037】
基体6および蓋体7は、例えば相対密度が95%以上の緻密質からなる酸化アルミニウム質焼結体で形成されていることが好ましい。その場合であれば、例えば、まず酸化アルミニウム粉末に希土類酸化物粉末や焼結助剤を添加・混合して、酸化アルミニウム質焼結体の原料粉末を調整する。次いで、この酸化アルミニウム質焼結体の原料粉末に有機バインダおよび分散媒を添加・混合してペースト化し、このペーストからドクターブレード法によって、あるいは原料粉末に有機バインダを加え、プレス成形,圧延成形等によって、所定の厚みのグリーンシートを作製する。そして、このグリーンシートに対して、金型による打ち抜き・マイクロドリル・レーザ等により、第1流体流路8および第2流体流路9としての貫通穴、ならびに第1配線導体10,第2配線導体11および第3配線導体12を配設するための貫通孔を形成する。
【0038】
第1配線導体10,第2配線導体11および第3配線導体12は、酸化を防ぐために、タングステンおよび/またはモリブデンで形成されているのが好ましい。その場合であれば、例えば、無機成分としてタングステンおよび/またはモリブデン粉末100質量部に対して、Al2O3を3〜20質量部,Nb2O5を0.5〜5質量部の割合で添加してなる導体ペーストを調製する。この導体ペーストをグリーンシートの貫通孔内に充填して、貫通導体としてのヴィア導体を形成する。
【0039】
これらの導体ペースト中には、基体6や蓋体7のセラミックスとの密着性を高めるために、酸化アルミニウム粉末や、基体6や蓋体7を形成するセラミックス成分と同一の組成物粉末を、例えば0.05〜2体積%の割合で添加することも可能である。
【0040】
なお、基体6や蓋体7の表層および内層への第1配線導体10、第2配線導体11および第3配線導体12の形成は、貫通孔へ導体ペーストを充填してヴィア導体を形成する前後あるいはそれと同時に、同様の導体ペーストをグリーンシートに対しスクリーン印刷,グラヴィア印刷等の方法で所定パターンに印刷塗布して形成する。
【0041】
その後、導体ペーストを印刷し充填した所定枚数のシート状成形体を位置合わせして積層圧着した後、この積層体を、例えば非酸化性雰囲気中にて、焼成最高温度が1200〜1500℃の温度で焼成して、目的とするセラミックスの基体6や蓋体7および第1配線導体10,第2配線導体11,第3配線導体12を得る。
【0042】
また、セラミックスから成る基体6や蓋体7は、その厚みを0.2mm以上とすることが好ましい。厚みが0.2mm未満では、強度が不足しがちなため、基体6に蓋体7を取着したときに発生する応力により、基体6および蓋体7に割れ等が発生しやすくなる傾向がある。他方、厚みが5mmを超えると、薄型化・低背化が困難となるため、小型携帯機器に搭載する燃料電池としては不適切となり、また、熱容量が大きくなるため、電解質部材3の電気化学反応条件に相当する適切な温度にすばやく設定することが困難となる傾向がある。
【0043】
第1配線導体10,第2配線導体11および第3配線導体12は、それぞれ電解質部材3の第1電極4および第2電極5に電気的に接続されて、電解質部材3で発電された電流を燃料電池用容器2の外部へ取り出すための導電路として機能する。
【0044】
第1配線導体10は、基体6の凹部の底面の電解質部材3の第1電極4に対向する部位に一端が配設され、他端が基体6の外面に導出されて形成されている。このような第1配線導体10は、前述のように基体6と一体的に形成されている。また、第1配線導体10は、その両端を第1電極4に接触させやすいように基体6の凹部の底面より10μm以上高くするように形成するのが望ましい。この高さを得るためには、前述したように導体ペーストを印刷塗布して形成する際に、塗布厚みを厚くするように印刷条件を設定すればよい。また、第1配線導体10は第1電極4に対向させて複数配置し、第1配線導体10による電気損失を減少させることが望ましく、第1配線導体10の基体6の貫通部についてはφ50μm以上の径とすることが好ましい。
【0045】
また、第2配線導体11は、蓋体7の下面の電解質部材3の第2電極5に対向する部位に一端が配設され、他端が蓋体7の外面に導出されて形成されている。このような第2配線導体11も、第1配線導体10と同様に、蓋体7と一体的に形成されている。また、第2配線導体11は、その両端を第2電極5に接触させやすいように蓋体7の下面より10μm以上高くするように形成するのが望ましい。この高さを得るためには、前述したように導体ペーストを印刷塗布して形成する際に、塗布厚みを厚くするように印刷条件を設定すればよい。また、第2配線導体11は第2電極5に対向させて複数配置し、第2配線導体11による電気損失を減少させることが望ましく、第2配線導体11の蓋体7の貫通部についてはφ50μm以上の径とすることが好ましい。
【0046】
また、第3配線導体12は、基体6の凹部の底面の電解質部材3の1つの第1電極4に対向する部位に一端が配設され、他端が同じ凹部の底面で電解質部材3の他の1つの第1電極4に対向する部位に配設されて基体6と一体的に形成されている。また、第3配線導体12は、その両端を第1電極4に接触させやすいように基体6の凹部の底面より10μm以上高くするように形成するのが望ましい。この高さを得るためには、前述したように導体ペーストを印刷塗布して形成する際に、塗布厚みを厚くするように印刷条件を設定すればよい。また、第3配線導体12は第1電極4に対向させて複数配置し、第3配線導体12による電気損失を減少させることが望ましく、第3配線導体12の基体6の貫通部についてはφ50μm以上の径とすることが好ましい。
【0047】
これら第1配線導体10,第2配線導体11および第3配線導体12には、その露出する表面にニッケルから成る良導電性で、かつ耐蝕性およびロウ材との濡れ性が良好な金属をメッキ法により被着させておくと、第1配線導体10,第2配線導体11および第3配線導体12と、第1配線導体10,第2配線導体11および第3配線導体12ならびに外部電気回路との電気的接続を良好とすることができる。従って、第1配線導体10,第2配線導体11および第3配線導体12は、その露出する表面にニッケルから成る良導電性で、かつ耐蝕性およびロウ材との濡れ性が良好な金属をメッキ法により被着させておくことが好ましい。
【0048】
そして、これら第1,第2および第3配線導体10・11・12と第1および第2電極4・5との電気的な接続は、基体6と蓋体7とで電解質部材3を挟み込むことによって、第1,第2および第3配線導体10・11・12と第1および第2電極4・5とを圧着接触させて電気的接続させる等の構成によって行なえばよい。
【0049】
また、第1電極4および第2電極5に対向する基体6の凹部の底面および蓋体7の下面には、それぞれ第1流体流路8および第2流体流路9が配置されており、第1流体流路8は基体6の外面にかけて、また第2流体流路9は蓋体7の外面にかけて形成されている。これら第1および第2流体流路8・9は、それぞれ基体6や蓋体7に形成した貫通穴あるいは溝によって、燃料ガス例えば水素に富む改質ガス、あるいは酸化剤ガス例えば空気等の、電解質部材3へ供給される流体の通路として、あるいは反応で生成される水等の、反応後に電解質部材3から排出される流体の通路として設けられている。
【0050】
第1流体流路8および第2流体流路9として基体6および蓋体7に形成される貫通穴あるいは溝は、電解質部材3に均等に燃料ガスや酸化剤ガス等の流体が供給されるように、燃料電池1の仕様に応じて、貫通穴の径や数、あるいは溝の幅,深さ,配置を決めればよい。
【0051】
本発明の第1の燃料電池用容器2および第1の燃料電池1においては、第1流体流路8および第2流体流路9は、好適には、電解質部材3に均一な圧力で流体を流すため、φ0.1mm以上の穴径とし、間隔を一定にして配置するようにするとよい。
【0052】
このように電解質部材3の第1電極4が形成された下側主面に対向させて第1流体流路8を、第2電極5が形成された上側主面に対向させて第2流体流路9を形成したことによって、電解質部材3の下側および上側主面と第1および第2流体流路8・9との間で流体がやりとり可能となり、その流体がそれぞれの流路を通して供給あるいは排出されることとなる。そして、例えば流体としてガスを供給する場合であれば、電解質部材3の第1電極4および第2電極5にそれぞれ供給されるガス分圧が下がることをなくすことができ、所定の安定した出力電圧を得ることができる。さらに、供給されるガス分圧が安定するため、燃料電池1の内部圧力が均一化され、その結果、電解質部材3に生じる熱応力を抑制することができるので、第1の燃料電池1の信頼性を向上させることができる。
【0053】
以上の構成により、図1に示すような、電解質部材3を収納可能な、小型で堅牢な本発明の第1の燃料電池用容器2が得られ、高効率制御が可能な本発明の第1の燃料電池1が得られる。
【0054】
次に図2は本発明の燃料電池用容器およびそれを用いた第2の燃料電池について実施の形態の一例を示す断面図であり、図3はその平面図である。これらの図において、1’は燃料電池、2’は燃料電池用容器、3は電解質部材、4は第1電極、5は第2電極、6は基体、7は蓋体、8は第1流体流路、9は第2流体流路、10は第1配線導体、11は第2配線導体、13は第4配線導体、14は第5配線導体である。
【0055】
図2および図3の3から11については図1と同様となる。第4配線導体13は、基体6の凹部の底面で複数個の電解質部材3の1つの第1電極4に対向する部位に一端が配設され、他端が基体6の上面の蓋体7が取着される部位に導出されている。また、第5配線導体14は、蓋体7の下面の複数個の電解質部材3の他の1つの第2電極5に対向する部位に一端が配設され、他端が蓋体7の下面の基体6の上面に取着される部位に第4配線導体13の他端と対向するように導出されて形成されている。
【0056】
このような第4配線導体13は、第3配線導体12と同様に、基体6と一体的に形成され、その一端を第1電極4に接触させやすいように基体6の凹部の底面より10μm以上高くするように形成するのが望ましい。この高さを得るためには、前述したように導体ペーストを印刷塗布して形成する際に、塗布厚みを厚くするように印刷条件を設定すればよい。また、第4配線導体13は第1電極4に対向させて複数配置し、第4配線導体13による電気損失を減少させることが望ましく、第4配線導体13の基体6の貫通部についてはφ50μm以上の径とすることが好ましい。
【0057】
また、第5配線導体14も、第2配線導体11と同様に、蓋体7と一体的に形成され、その一端を第2電極5に接触させやすいように蓋体7の下面より10μm以上高くするように形成するのが望ましい。この高さを得るためには、前述したように導体ペーストを印刷塗布して形成する際に、塗布厚みを厚くするように印刷条件を設定すればよい。また、第5配線導体14も第2電極5に対向させて複数配置し、第5配線導体14による電気損失を減少させることが望ましく、第5配線導体14の蓋体7の貫通部についてはφ50μm以上の径とすることが好ましい。
【0058】
図1,図2および図3に示すように、本発明の第1および第2の燃料電池用容器2・2’ならびに第1および第2の燃料電池1・1’によれば、基体6の凹部に複数個の電解質部材3を収容するとともに、第3配線導体12、または第4配線導体13および第5配線導体14を配設し、複数の電解質部材3の第1電極4の間、または第1電極4と第2電極5との間を電気的に接続し、両端となる位置に配置された電解質部材3に全体としての出力を取り出すように第1配線導体10および第2配線導体11をそれぞれに電気的に接続することで、第1〜第3配線導体10・11・12により、ならびに第1,第2,第4および第5配線導体10・11・13・14により3次元的に自由に配線ができるため、複数個の電解質部材3を任意に直列接続または並列接続することが可能となる。その結果、全体の出力電圧および出力電流を効率よく調整することが可能となるため、複数個の電解質部材3にて電気化学的に生成された電気を良好に外部に取り出すことができる燃料電池となる。
【0059】
なお、本発明は以上の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば、種々の変更を行なっても何ら差し支えない。例えば、第1流体流路や第2流体流路については、燃料電池全体を薄型化するため、基体または蓋体の側面からの流入口を設けるようにしてもよい。これによれば、特に携帯電子機器用として小型化を図る上で有効となる。さらに、第1および第2配線導体については、基体および蓋体の外面に導出される他端を、それぞれ同じ側の側面に引き出すように配設してもよい。これによれば、燃料電池の一方側面に配線や流路等をまとめることができ、小型化と外部への接合部の保護とが容易となり、信頼性の高い設計が可能となるとともに、長期間安定した作動が可能な燃料電池となる。
【0060】
【発明の効果】
本発明の第1および第2の燃料電池用容器によれば、下側および上側主面にそれぞれ第1および第2電極を有する電解質部材を収容する凹部を上面に有するセラミックスから成る基体と、この基体の凹部の周囲の上面に凹部を覆って取着される、凹部を気密に封止する蓋体とを具備していることから、燃料電池用容器内を気密に封止することで、気体等の流体の漏れがなく、この容器の他にパッケージ等の容器を設ける必要がないので、効率良く動作させることができる燃料電池を得ることができるとともに、小型化にも有効なものとなる。また、凹部を上面に有するセラミックスから成る基体とこの凹部を封止する蓋体とで形成される箱体内に複数の電解質部材を収納して燃料電池とすることができるので、電解質部材が容器の外部に露出して損傷を受けたりすることがなく、燃料電池全体としての機械的信頼性が向上する。また、凹部および蓋体で構成される容器内部に一端が配設された第1〜第3配線導体、または第1,第2,第4および第5配線導体の他には電解質部材自体に無用な電気的接触をしないで済むので、信頼性および安全性の高い燃料電池を得ることができる。さらに、燃料電池用容器の構成材料としてセラミックスを用いたことにより、各種のガスを始めとする流体に対する耐食性に優れる燃料電池を得ることができる。
【0061】
また、電解質部材の下側主面に対向する凹部の底面から基体の外面にかけて形成された第1流体流路と、電解質部材の上側主面に対向する蓋体の下面から蓋体の外面にかけて形成された第2流体流路とを具備していることから、複数のそれぞれの流体流路は、電解質部材を挟んで、それぞれ対向する内壁面に設けられているため、電解質部材へ供給される流体の均一供給性を向上させることができる。このような流体経路によれば、流体が電解質部材に対して垂直に流れるため、例えば、流体が水素ガスと空気(酸素)ガスとの場合に、電解質部材が下側および上側主面にそれぞれ有する第1および第2電極に供給される各ガス分圧が下がることはなく、所定の安定した出力電圧を得ることができるという効果がある。さらに、供給される流体の圧力、例えばガス分圧が安定するため、燃料電池用容器の内部温度の分布が均一化され、その結果、電解質部材に生じる熱応力を抑制することができ、燃料電池の信頼性を向上させることができる。さらにまた、それぞれの流体流路は基体と蓋体とに形成されるため、各流路の密閉性に優れ、本来は流路的に隔絶されるべき2種類の原料流体(例えば酸素ガスと水素ガスもしくはメタノール等)が混合してしまうことによって燃料電池としての機能が発現されなくなるようなことがなく、また、可燃性の流体が高温で混合された後に引火・爆発を起こす危険性もないので、安全な燃料電池を提供することができる。
【0062】
また、本発明の第1および第2の燃料電池によれば、本発明の第1および第2の燃料電池用容器の凹部に電解質部材を収容して、この電解質部材の下側および上側主面を第1および第2流体流路との間でそれぞれの流体がやりとり可能なように配置するとともに、第1および第2電極を第1〜第3配線導体、ならびに第1,第2,第4および第5配線導体にそれぞれ電気的に接続し、基体の凹部の周囲の上面に凹部を覆って蓋体を取着して成ることから、電解質部材が露出して損傷を受けることがなく、また、凹部および蓋体で構成される容器内部に一端が配設された第1〜第3配線導体、ならびに第1,第2,第4および第5配線導体の他には電解質部材に無用な電気的接触をしないで済むので、信頼性および安全性の高い燃料電池を得ることができる。また、第1および第2流体流路は、電解質部材を挟んで、それぞれ対向する内壁面である基体の凹部の底面および蓋体の下面に設けられているため、電解質部材へ供給されるガスの均一供給性を向上させることができ、電解質部材の第1および第2電極に供給されるガス分圧が下がることをなくすことができるので、所定の安定した出力電圧を得ることができる。そして、電解質部材に生じる応力も抑制することができ、信頼性を向上させることができる。
【0063】
さらに、本発明の第1の燃料電池用容器によれば、基体に形成された、一端が凹部の底面で電解質部材の1つの第1電極に対向するとともに、他端が凹部の底面で電解質部材の他の1つの第1電極に対向する第3配線導体とを具備していることから、複数個の電解質部材を電気的に接続することでそれらを並列接続することが可能となる。その結果、燃料電池全体の出力電流の調整ができるため、電解質部材にて電気化学的に生成された電気を良好な状態で外部に取り出すことができる。
【0064】
さらにまた、本発明の第2の燃料電池用容器によれば、複数個の電解質部材を収容する凹部を有する基体およびこれに取着される蓋体に形成された、一端が凹部の底面で電気電解部材の1つの第1電極に対向するとともに、他端が基体の上面の蓋体が取着される部位に導出された第4配線導体と、一端が蓋体の下面で電解質部材の他の1つの第2電極に対向するとともに、他端が蓋体の下面の基体の上面に取着される部位に第4配線導体の他端と対向するように導出された第5配線導体とを具備していることから、複数個の電解質部材を電気的に接続することでそれらを直列接続することが可能となる。その結果、一つ一つの電解質部材の発電では微小電圧であっても、直列接続により合計の電圧の調整ができるため、電解質部材にて電気化学的に生成された電気を良好な状態で外部に取り出すことが可能となる。
【0065】
また、本発明の第1および第2の燃料電池によれば、本発明の第1および第2の燃料電池用容器の凹部に電解質部材を収容して、この電解質部材の下側および上側主面を第1および第2流体流路との間でそれぞれの流体がやりとり可能なように配置するとともに、第1および第2電極を第1〜第3配線導体、ならびに第1,第2,第4および第5配線導体にそれぞれ電気的に接続し、基体の凹部の周囲の上面に凹部を覆って蓋体を取着して成ることから、以上のような本発明の第1および第2の燃料電池用容器による特長を備えた、小型・堅牢で、ガスの均等供給・燃料電池容器内の温度勾配の均一化・高効率な電気接続を図ることができる信頼性のある燃料電池を得ることができるとともに、複数個の電解質部材を並列接続することにより燃料電池全体の出力電流の調整ができるため、あるいは複数個の電解質部材を直列接続することにより合計の電圧の調整ができるため、電解質部材にて電気化学的に生成された電気を良好な状態で外部に取り出すことができる。
【0066】
従って、本発明の燃料電池用容器および燃料電池によれば、コンパクト性、簡便性・安全性に優れ、ガスの均等供給・高効率な電気接続により、長期にわたり安定して作動させることができる燃料電池を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の燃料電池用容器およびそれを用いた本発明の第1の燃料電池の実施の形態の一例を示す断面図である。
【図2】本発明の第2の燃料電池用容器およびそれを用いた本発明の第2の燃料電池の実施の形態の一例を示す断面図である。
【図3】本発明の第2の燃料電池用容器およびそれを用いた本発明の第2の燃料電池の実施の形態の一例を示す平面図である。
【図4】従来の燃料電池の例を示す断面図である。
【符号の説明】
1,1’:燃料電池
2,2’:燃料電池用容器
3:電解質部材
4:第1電極
5:第2電極
6:基体
7:蓋体
8:第1流体流路
9:第2流体流路
10:第1配線導体
11:第2配線導体
12:第3配線導体
13:第4配線導体
14:第5配線導体[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a small and highly reliable fuel cell container made of ceramics capable of accommodating an electrolyte member, and a fuel cell using the same.
[0002]
[Prior art]
In recent years, small fuel cells that operate at lower temperatures than ever have been actively developed. Depending on the type of electrolyte used for the fuel cell, a fuel cell such as a solid polymer electrolyte fuel cell (Polymer Electrolyte Fuel Cell: hereinafter referred to as PEFC), a phosphoric acid fuel cell, or a solid electrolyte fuel cell is known. ing.
[0003]
Above all, PEFC has a low operating temperature of about 80 to 100 ° C,
(1) High power density, enabling downsizing and weight reduction
(2) Since the electrolyte is not corrosive and has a low operating temperature, there are few restrictions on the battery constituent materials from the viewpoint of corrosion resistance, so that cost reduction is easy.
(3) Since it can be started at room temperature, the startup time is short,
It has such excellent features. For this reason, PEFC, taking advantage of the above features, is applicable not only to driving power supplies for vehicles and cogeneration systems for home use, but also to mobile phones, PDAs (Personal Digital Assistants), notebook computers, digital cameras, and the like. The use as a power supply for portable electronic devices having an output such as video of several W to several tens W has been considered.
[0004]
PEFCs are roughly classified into, for example, a fuel electrode (anode) composed of a carbon electrode to which catalyst particles such as platinum or platinum-ruthenium are attached, and an air electrode (cathode) composed of a carbon electrode to which catalyst particles such as platinum are attached. It has a film-shaped electrolyte member (hereinafter, referred to as an electrolyte member) interposed between the fuel electrode and the air electrode. Here, a hydrogen gas (H2) Is supplied to the air electrode, while oxygen gas (O2) Is supplied, predetermined electrical energy is generated (generated) by an electrochemical reaction, and electrical energy that is a driving power source (voltage / current) for the load is generated.
[0005]
Specifically, hydrogen gas (H2) Is supplied, as shown in the following chemical reaction formula (1), electrons (e) are−) Separated hydrogen ion (proton; H+) Is generated and passes through the electrolyte member to the air electrode side, and electrons (e) are generated by the carbon electrode constituting the fuel electrode.−) Is taken out and supplied to the load.
3H2 → 6H++ 6e− ... (1)
On the other hand, when air is supplied to the air electrode, as shown in the following chemical reaction formula (2), electrons (e−) And hydrogen ions (H+) And oxygen gas (O2) Reacts with water (H2O) is generated.
6H++ 3 / 2O2+ 6e− → 3H2O ... (2)
Such a series of electrochemical reactions (Equations (1) and (2)) proceed under relatively low temperature conditions of about 80 to 100 ° C., and by-products other than electric power are basically water (H2O) only.
[0006]
The ionic conductive film (exchange membrane) constituting the electrolyte member is a polystyrene-based cation exchange membrane having sulfonic acid groups, a mixed membrane of fluorocarbon sulfonic acid and polyvinylidene fluoride, and trifluoroethylene grafted to a fluorocarbon matrix. Such materials are known, and recently, a perfluorocarbon sulfonic acid membrane (for example, Nafion: trade name, manufactured by DuPont) or the like is used.
[0007]
FIG. 3 is a sectional view showing a configuration of a conventional fuel cell (PEFC). In the figure, 21 is a PEFC, 23 is an electrolyte member, 24 and 25 are disposed on the
[0008]
The
[0009]
A fuel gas (hydrogen-rich gas) containing water vapor is supplied from a reformer to the
[0010]
[Patent Document 1]
JP 2001-266910 A
[Patent Document 2]
JP 2001-507501 A
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
However, the
[0012]
That is, in the
[0013]
In addition, in order to mount the
[0014]
Further, the output voltage of the
[0015]
Further, the combination of the plurality of
[0016]
The present invention has been completed in view of the problems of the conventional technology as described above, and an object of the present invention is to provide a small, robust fuel cell container capable of storing an electrolyte member, and a method for equalizing gas. An object of the present invention is to provide a reliable fuel cell container capable of achieving a uniform temperature gradient in a supply / fuel cell container and highly efficient electrical connection, and a fuel cell using the same.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
A first fuel cell container according to the present invention includes a base body made of ceramics having a concave portion on an upper surface for accommodating a plurality of electrolyte members having first and second electrodes on a lower side and an upper main surface, respectively. A first fluid flow path formed from a bottom surface of the concave portion facing the lower main surface to an outer surface of the base, and one end provided on a bottom surface of the concave portion facing the first electrode of the electrolyte member; A first wiring conductor whose other end is led out to an outer surface of the base, a lid body hermetically sealing the recess, attached to the upper surface of the base around the recess, covering the recess; A second fluid flow path formed from a lower surface of the lid facing the upper main surface of the electrolyte member to an outer surface of the lid, and the lid of the lid facing the second electrode of the electrolyte member; One end is disposed on the lower surface of the A second wiring conductor led out to the outer surface of the body and formed on the base, one end of which faces the first electrode of one of the electrolyte members at the bottom surface of the concave portion, and the other end of which is formed at the bottom surface of the concave portion. And a third wiring conductor facing the other one of the first electrodes of the electrolyte member.
[0018]
Further, a second fuel cell container of the present invention includes a base body made of ceramics having a concave portion on an upper surface for accommodating a plurality of electrolyte members having first and second electrodes on a lower side and an upper main surface, respectively. A first fluid flow path formed from a bottom surface of the concave portion facing the lower main surface of the member to an outer surface of the base; and one end disposed on a bottom surface of the concave portion facing the first electrode of the electrolyte member. A first wiring conductor having the other end formed over the outer surface of the base, and a lid hermetically sealing the recess, attached to the upper surface of the base around the recess to cover the recess. A second fluid flow path formed from a lower surface of the lid facing the upper main surface of the electrolyte member to an outer surface of the lid, and a lower surface of the lid facing the second electrode of the electrolyte member At one end and the other end at the front. The second wiring conductor led out to the outer surface of the lid, one end of which faces the one first electrode of the electrolyte member at the bottom surface of the concave portion, and the other end of which is attached to the lid of the base. A fourth wiring conductor led out to the upper surface, one end of which faces the other second electrode of the electrolyte member at the lower surface of the lid, and the other end is obtained on the upper surface of the base of the lid. And a fifth wiring conductor led out to face the other end of the fourth wiring conductor.
[0019]
In the first fuel cell of the present invention, a plurality of electrolyte members are accommodated in the concave portion of the first fuel cell container of the present invention having the above structure, and the lower and upper main surfaces of the electrolyte member are provided. Are arranged so that fluid can be exchanged with the first and second fluid flow paths, respectively, and the first and second wiring conductors are provided on the first and second electrodes, and the third wiring conductor is provided. Are electrically connected to the first electrodes, respectively, and the lid is attached to the upper surface of the base around the recess to cover the recess.
[0020]
In the second fuel cell of the present invention, a plurality of electrolyte members are accommodated in the concave portion of the second fuel cell container of the present invention having the above-described configuration, and the lower and upper main surfaces of the electrolyte member are provided. Are arranged such that respective fluids can be exchanged between the first and second fluid flow paths, and the first and second wiring conductors are provided on the first and second electrodes, and the fourth and fourth wiring conductors are provided on the first and second electrodes. A fifth wiring conductor is electrically connected to the first and second electrodes, respectively, and the upper surface around the concave portion of the base covers the concave portion and connects the other ends of the fourth and fifth wiring conductors. And the lid is attached.
[0021]
According to the first and second fuel cell containers of the present invention, a base made of ceramics having a concave portion on the upper surface for accommodating a plurality of electrolyte members having first and second electrodes on the lower and upper main surfaces, respectively; A lid that is attached to the upper surface around the recess of the base to cover the recess and hermetically seals the recess, so that the inside of the fuel cell container is hermetically sealed. Since there is no leakage of fluid such as gas and there is no need to provide a container such as a package in addition to this container, it is possible to obtain a fuel cell that can be operated efficiently and to be effective for miniaturization. Become. Further, since a plurality of electrolyte members can be housed in a box formed by a ceramic base having a recess on the upper surface and a lid sealing the recess, a fuel cell can be obtained. It is not exposed to the outside and is not damaged, and the mechanical reliability of the fuel cell as a whole is improved. In addition to the first to third wiring conductors, one end of which is disposed inside the container formed by the concave portion and the lid, or the first, second, fourth, and fifth wiring conductors, there is no need for the electrolyte member itself. As a result, a highly reliable and safe fuel cell can be obtained. Further, by using ceramics as a constituent material of the fuel cell container, it is possible to obtain a fuel cell having excellent corrosion resistance to various gases and other fluids.
[0022]
A first fluid flow path formed from the bottom surface of the concave portion facing the lower main surface of the electrolyte member to the outer surface of the base; and a first fluid flow channel formed from the lower surface of the lid facing the upper main surface of the electrolyte member to the outer surface of the lid. Since the plurality of fluid flow paths are provided on the inner wall surfaces facing each other with the electrolyte member interposed therebetween, the fluid supplied to the electrolyte member is provided. Can be more uniformly supplied. According to such a fluid path, since the fluid flows perpendicular to the electrolyte member, for example, when the fluid is a hydrogen gas and an air (oxygen) gas, the electrolyte member has the lower and upper main surfaces, respectively. The partial pressure of each gas supplied to the first and second electrodes does not decrease, and there is an effect that a predetermined stable output voltage can be obtained. Further, since the pressure of the supplied fluid, for example, the gas partial pressure is stabilized, the distribution of the internal temperature of the fuel cell container is made uniform, and as a result, the thermal stress generated in the electrolyte member can be suppressed. Reliability can be improved. Furthermore, since each fluid flow path is formed in the base and the lid, each flow path is excellent in hermeticity and two kinds of material fluids (for example, oxygen gas and hydrogen Gas or methanol) does not cause the fuel cell to lose its function, and there is no danger of ignition or explosion after the flammable fluid is mixed at a high temperature. Thus, a safe fuel cell can be provided.
[0023]
Further, according to the first fuel cell container of the present invention, one end formed on the base is opposed to one first electrode of the electrolyte member at the bottom surface of the recess, and the other end is formed at the bottom surface of the electrolyte member at the bottom surface of the recess. And the third wiring conductor facing the other one first electrode, the plurality of electrolyte members can be connected in parallel by electrically connecting the plurality of electrolyte members. As a result, the output current of the entire fuel cell can be adjusted, so that electricity generated electrochemically by the electrolyte member can be extracted to the outside in a good state.
[0024]
Furthermore, according to the second fuel cell container of the present invention, one end formed on the base having the recess accommodating the plurality of electrolyte members and the lid attached thereto has one end electrically connected to the bottom surface of the recess. A fourth wiring conductor which is opposed to one first electrode of the electrolytic member, the other end of which is led out to a portion of the upper surface of the base where the lid is attached; A fifth wiring conductor which is opposed to one second electrode and has a fifth wiring conductor led out to face the other end of the fourth wiring conductor at a position where the other end is attached to the upper surface of the base on the lower surface of the lid; Therefore, it is possible to connect a plurality of electrolyte members in series by electrically connecting them. As a result, even if a very small voltage is generated by each of the electrolyte members, the total voltage can be adjusted by series connection, so that the electricity electrochemically generated by the electrolyte members can be externally supplied in a good state. It can be taken out.
[0025]
Further, according to the first and second fuel cells of the present invention, the electrolyte member is accommodated in the concave portion of the first and second fuel cell containers of the present invention, and the lower and upper main surfaces of the electrolyte member are accommodated. Are arranged so that respective fluids can be exchanged with the first and second fluid flow paths, and the first and second electrodes are connected to the first to third wiring conductors, and the first, second, fourth And a fifth wiring conductor, respectively, and a lid is attached to the upper surface of the base around the concave so as to cover the concave. Thus, the first and second fuels of the present invention as described above are provided. It is possible to obtain a reliable, compact, robust fuel cell that has the features of a battery container and that can provide a uniform supply of gas, a uniform temperature gradient inside the fuel cell container, and highly efficient electrical connection. And by connecting multiple electrolyte members in parallel. Since the output current of the entire fuel cell can be adjusted, or the total voltage can be adjusted by connecting a plurality of electrolyte members in series, the electricity generated electrochemically by the electrolyte members can be adjusted in a good state. Can be taken out.
[0026]
Therefore, according to the fuel cell container and the fuel cell of the present invention, a fuel that is excellent in compactness, simplicity, and safety, and can be stably operated for a long period of time by uniform supply of fluid and highly efficient electrical connection. A battery can be provided.
[0027]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Next, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
[0028]
FIG. 1 is a sectional view showing an example of an embodiment of a first fuel cell container of the present invention and a first fuel cell using the same. In FIG. 1, 1 is a fuel cell, 2 is a fuel cell container, 3 is an electrolyte member, 4 is a first electrode, 5 is a second electrode, 6 is a base, 7 is a lid, 8 is a first fluid flow path, 9 is a second fluid flow path, 10 is a first wiring conductor, 11 is a second wiring conductor, and 12 is a third wiring conductor.
[0029]
The
[0030]
The ion conductive film (exchange membrane) of the
[0031]
The first electrode 4 on the lower main surface of the
[0032]
The fuel cell container 2 is composed of a base 6 having a concave portion and a lid 7, has a role of mounting the
[0033]
The glass-ceramic sintered body is composed of a glass component and a filler component.2-B2O3System, SiO2-B2O3-Al2O3System, SiO2-B2O3-Al2O3-MO system (however, M represents Ca, Sr, Mg, Ba or Zn), SiO2-Al2O3-M1OM2O type (however, M1And M2Represent the same or different Ca, Sr, Mg, Ba or Zn), SiO2-B2O3-Al2O3-M1OM2O type (however, M1And M2Is the same as above), SiO2-B2O3-M3 2O type (however, M3Represents Li, Na or K), SiO2-B2O3-Al2O3-M3 2O type (however, M3Is the same as described above), Pb-based glass, Bi-based glass and the like.
[0034]
As the filler component, for example, Al2O3, SiO2, ZrO2Oxide of TiO2 and alkaline earth metal oxide, TiO2Oxide of aluminum and alkaline earth metal oxide, Al2O3And SiO2And complex oxides containing at least one selected from the group consisting of spinel, mullite, cordierite, and the like.
[0035]
The fuel cell container 2 includes a base 6 having a concave portion and a lid 7. The lid 6 is attached around the concave portion of the base 6 so as to cover the concave portion and hermetically seal the concave portion. Bonding with a metal bonding material such as iron or silver solder, bonding with a resin material such as epoxy, bonding a seal ring made of an iron alloy or the like to the upper surface around the recess, and using seam welding, electron beam, laser, etc. The lid 7 is attached to the base 6 by a welding method or the like. Note that a recess similar to the base 6 may be formed in the lid 7.
[0036]
In order to reduce the thickness of each of the base 6 and the lid 7 and enable the height of the fuel cell 1 to be reduced, the bending strength, which is a mechanical strength, is preferably 200 MPa or more.
[0037]
The base 6 and the lid 7 are preferably formed of a dense aluminum oxide sintered body having a relative density of, for example, 95% or more. In that case, for example, first, a rare earth oxide powder and a sintering aid are added to and mixed with the aluminum oxide powder to adjust the raw material powder of the aluminum oxide sintered body. Next, an organic binder and a dispersion medium are added to and mixed with the raw material powder of the aluminum oxide sintered body to form a paste, and the paste is added to the raw material powder by a doctor blade method, or an organic binder is added to the raw material powder, for example, press forming, rolling forming, and the like. Thus, a green sheet having a predetermined thickness is produced. Then, through-holes as the first
[0038]
The
[0039]
In these conductor pastes, in order to enhance the adhesion of the base 6 and the lid 7 to the ceramics, aluminum oxide powder or the same composition powder as the ceramic component forming the base 6 or the lid 7 is used, for example. It is also possible to add 0.05 to 2% by volume.
[0040]
The
[0041]
Then, after a predetermined number of sheet-shaped molded bodies filled with printed and filled conductor paste are laminated and pressure-bonded, the laminated body is heated, for example, in a non-oxidizing atmosphere at a maximum firing temperature of 1200 to 1500 ° C. To obtain the desired ceramic base 6, lid 7,
[0042]
Further, it is preferable that the thickness of the base 6 and the lid 7 made of ceramics be 0.2 mm or more. If the thickness is less than 0.2 mm, the strength tends to be insufficient, so that the stress generated when the cover 7 is attached to the base 6 tends to easily cause cracks and the like in the base 6 and the cover 7. . On the other hand, if the thickness exceeds 5 mm, it becomes difficult to reduce the thickness and height of the
[0043]
The
[0044]
One end of the
[0045]
Further, one end of the
[0046]
In addition, one end of the
[0047]
The
[0048]
The electrical connection between the first, second, and
[0049]
Further, a first
[0050]
The through-holes or grooves formed in the base 6 and the lid 7 as the first
[0051]
In the first fuel cell container 2 and the first fuel cell 1 of the present invention, the
[0052]
As described above, the first
[0053]
With the above configuration, as shown in FIG. 1, a small and robust first fuel cell container 2 of the present invention capable of storing the
[0054]
Next, FIG. 2 is a sectional view showing an example of an embodiment of a fuel cell container of the present invention and a second fuel cell using the same, and FIG. 3 is a plan view thereof. In these figures, 1 'is a fuel cell, 2' is a fuel cell container, 3 is an electrolyte member, 4 is a first electrode, 5 is a second electrode, 6 is a base, 7 is a lid, and 8 is a first fluid. The flow path, 9 is a second fluid flow path, 10 is a first wiring conductor, 11 is a second wiring conductor, 13 is a fourth wiring conductor, and 14 is a fifth wiring conductor.
[0055]
2 and 3 are the same as in FIG. One end of the
[0056]
Like the
[0057]
Similarly to the
[0058]
As shown in FIGS. 1, 2 and 3, according to the first and second fuel cell containers 2.2 ′ and the first and second fuel cells 1.1 ′ of the present invention, A plurality of
[0059]
It should be noted that the present invention is not limited to the above embodiments, and various changes may be made without departing from the scope of the present invention. For example, the first fluid flow path and the second fluid flow path may be provided with an inlet from the side surface of the base or the lid in order to reduce the thickness of the entire fuel cell. This is particularly effective for miniaturization of portable electronic devices. Further, the first and second wiring conductors may be arranged so that the other ends led out to the outer surfaces of the base and the lid are respectively drawn to the side surfaces on the same side. According to this, the wiring, the flow path, and the like can be integrated on one side of the fuel cell, the miniaturization and the protection of the joint to the outside can be easily performed, and a highly reliable design can be performed. A fuel cell that can operate stably.
[0060]
【The invention's effect】
According to the first and second fuel cell containers of the present invention, a base made of ceramics having a concave portion on its upper surface for accommodating an electrolyte member having first and second electrodes on the lower and upper main surfaces, respectively, Since a lid is provided on the upper surface around the concave portion of the base body so as to cover the concave portion and hermetically seals the concave portion, the inside of the fuel cell container is hermetically sealed, so that There is no need to provide a container such as a package in addition to this container, so that it is possible to obtain a fuel cell that can be operated efficiently, and it is also effective for miniaturization. Further, since a plurality of electrolyte members can be housed in a box formed by a ceramic base having a recess on the upper surface and a lid sealing the recess, a fuel cell can be obtained. It is not exposed to the outside and is not damaged, and the mechanical reliability of the fuel cell as a whole is improved. In addition to the first to third wiring conductors, one end of which is disposed inside the container formed by the concave portion and the lid, or the first, second, fourth, and fifth wiring conductors, there is no need for the electrolyte member itself. As a result, a highly reliable and safe fuel cell can be obtained. Further, by using ceramics as a constituent material of the fuel cell container, it is possible to obtain a fuel cell having excellent corrosion resistance to various gases and other fluids.
[0061]
A first fluid flow path formed from the bottom surface of the concave portion facing the lower main surface of the electrolyte member to the outer surface of the base; and a first fluid flow channel formed from the lower surface of the lid facing the upper main surface of the electrolyte member to the outer surface of the lid. Since the plurality of fluid flow paths are provided on the inner wall surfaces facing each other with the electrolyte member interposed therebetween, the fluid supplied to the electrolyte member is provided. Can be more uniformly supplied. According to such a fluid path, since the fluid flows perpendicular to the electrolyte member, for example, when the fluid is a hydrogen gas and an air (oxygen) gas, the electrolyte member has the lower and upper main surfaces, respectively. The partial pressure of each gas supplied to the first and second electrodes does not decrease, and there is an effect that a predetermined stable output voltage can be obtained. Further, since the pressure of the supplied fluid, for example, the gas partial pressure is stabilized, the distribution of the internal temperature of the fuel cell container is made uniform, and as a result, the thermal stress generated in the electrolyte member can be suppressed. Reliability can be improved. Furthermore, since each fluid flow path is formed in the base and the lid, each flow path is excellent in hermeticity and two kinds of material fluids (for example, oxygen gas and hydrogen Gas or methanol) does not cause the fuel cell to lose its function, and there is no danger of ignition or explosion after the flammable fluid is mixed at a high temperature. Thus, a safe fuel cell can be provided.
[0062]
Further, according to the first and second fuel cells of the present invention, the electrolyte member is accommodated in the concave portion of the first and second fuel cell containers of the present invention, and the lower and upper main surfaces of the electrolyte member are accommodated. Are arranged so that respective fluids can be exchanged with the first and second fluid flow paths, and the first and second electrodes are connected to the first to third wiring conductors, and the first, second, fourth And the fifth wiring conductor are electrically connected to each other, and the lid is attached to the upper surface around the concave portion of the base so as to cover the concave portion, so that the electrolyte member is not exposed and damaged, and The first to third wiring conductors, one end of which is disposed inside the container formed by the concave portion and the lid, and the first, second, fourth, and fifth wiring conductors, and unnecessary electricity for the electrolyte member. A reliable and safe fuel cell because no electrical contact is required Door can be. Further, since the first and second fluid flow paths are provided on the bottom surface of the concave portion of the base body and the lower surface of the lid, which are the inner wall surfaces opposed to each other with the electrolyte member interposed therebetween, the gas supplied to the electrolyte member is The uniform supply property can be improved, and the partial pressure of the gas supplied to the first and second electrodes of the electrolyte member can be prevented from decreasing, so that a predetermined stable output voltage can be obtained. And the stress which arises in an electrolyte member can also be suppressed and reliability can be improved.
[0063]
Further, according to the first fuel cell container of the present invention, one end formed on the base is opposed to one first electrode of the electrolyte member at the bottom surface of the recess, and the other end is formed at the bottom surface of the electrolyte member at the bottom surface of the recess. And the third wiring conductor facing the other one first electrode, the plurality of electrolyte members can be connected in parallel by electrically connecting the plurality of electrolyte members. As a result, the output current of the entire fuel cell can be adjusted, so that electricity generated electrochemically by the electrolyte member can be extracted to the outside in a good state.
[0064]
Furthermore, according to the second fuel cell container of the present invention, one end formed on the base having the recess accommodating the plurality of electrolyte members and the lid attached thereto has one end electrically connected to the bottom surface of the recess. A fourth wiring conductor which is opposed to one first electrode of the electrolytic member, the other end of which is led out to a portion of the upper surface of the base where the lid is attached; A fifth wiring conductor which is opposed to one second electrode and has a fifth wiring conductor led out to face the other end of the fourth wiring conductor at a position where the other end is attached to the upper surface of the base on the lower surface of the lid; Therefore, it is possible to connect a plurality of electrolyte members in series by electrically connecting them. As a result, even if a very small voltage is generated by each of the electrolyte members, the total voltage can be adjusted by series connection, so that the electricity electrochemically generated by the electrolyte members can be externally supplied in a good state. It can be taken out.
[0065]
Further, according to the first and second fuel cells of the present invention, the electrolyte member is accommodated in the concave portion of the first and second fuel cell containers of the present invention, and the lower and upper main surfaces of the electrolyte member are accommodated. Are arranged so that respective fluids can be exchanged with the first and second fluid flow paths, and the first and second electrodes are connected to the first to third wiring conductors, and the first, second, fourth And a fifth wiring conductor, respectively, and a lid is attached to the upper surface of the base around the concave so as to cover the concave. Thus, the first and second fuels of the present invention as described above are provided. It is possible to obtain a reliable, compact, robust fuel cell that has the features of a battery container and that can provide a uniform supply of gas, a uniform temperature gradient inside the fuel cell container, and highly efficient electrical connection. And by connecting multiple electrolyte members in parallel. Since the output current of the entire fuel cell can be adjusted, or the total voltage can be adjusted by connecting a plurality of electrolyte members in series, the electricity generated electrochemically by the electrolyte members can be adjusted in a good state. Can be taken out.
[0066]
Therefore, according to the fuel cell container and the fuel cell of the present invention, a fuel which is excellent in compactness, simplicity and safety, and can be stably operated for a long period of time by uniform supply of gas and highly efficient electric connection. Battery could be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of an embodiment of a first fuel cell container of the present invention and a first fuel cell of the present invention using the same.
FIG. 2 is a sectional view showing an example of an embodiment of a second fuel cell container of the present invention and a second fuel cell of the present invention using the container.
FIG. 3 is a plan view showing an example of an embodiment of a second fuel cell container of the present invention and a second fuel cell of the present invention using the same.
FIG. 4 is a sectional view showing an example of a conventional fuel cell.
[Explanation of symbols]
1, 1 ': fuel cell
2, 2 ': container for fuel cell
3: Electrolyte member
4: First electrode
5: Second electrode
6: Substrate
7: Lid
8: First fluid flow path
9: Second fluid flow path
10: first wiring conductor
11: second wiring conductor
12: Third wiring conductor
13: Fourth wiring conductor
14: Fifth wiring conductor
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