【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池およびその製造方法に関し、特に小型の電力源として用いられる燃料電池およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池では、燃料側触媒層および酸化剤側触媒層を両側に配した電解質保持体を一対の電極基材間に挟み込んで構成された複数の積層体を将棋倒しの状態に配列し、全体を上下方向に加圧してプレス整形して、複数の単電池が直列に接続された単電池の直列構造体を作製していた。そして、この単電池の直列構造体をガス流路が形成されたガス分離板を介して積層して、燃料電池を構成していた（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特公平６−６５０４５号公報（第１図および第４図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この従来の燃料電池では、電極基材および電解質保持体のバルク材料の積層体を将棋倒しの状態に配列し、全体をプレス成形して単電池の直列構造体を作製しているので、製品精度がせいぜいサブミリオーダーであり、燃料電池の小型化が図れないという課題があった。
【０００５】
この発明は、上記の課題を解消するためになされたもので、単電池の直列構造体をシリコンウエハに形成するようにし、小型、高電圧を実現できる燃料電池およびその製造方法を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る燃料電池は、シリコンウエハと、シリコンウエハの表面に互いに離間して形成された複数の多孔質シリコン、上記シリコンウエハの表面の多孔質シリコン非形成領域に形成された絶縁膜と、上記複数の多孔質シリコンのそれぞれの上に成膜された燃料側触媒層、この燃料側触媒層上に成膜された電解質膜およびこの電解質膜上に成膜された酸化剤側触媒層からなる複数の単電池と、上記シリコンウエハの各単電池形成領域の下部に裏面側から上記多孔質シリコンに至るように形成された複数のキャビティと、上記シリコンウエハの裏面に接合されて上記複数のキャビティへの燃料導入空間を形成するとともに、該燃料導入空間に燃料を導入する燃料導入口が形成された封止用キャップとを備え、上記複数の単電池が、異なる単電池の一方の単電池の上記燃料側触媒層と他方の単電池の上記酸化剤側触媒層とをイオン非透過性の導電性材料からなるバリア層を介して電気的に接続して直列に接続され、かつ、上記燃料側触媒層および上記電解質膜の上記酸化剤側触媒層からの露出部が絶縁体に埋設されているものである。
【０００７】
また、この発明に係る燃料電池は、シリコンウエハと、上記シリコンウエハの表面の形成された絶縁膜と、上記シリコンウエハの上記絶縁膜上に互いに離間して成膜された燃料側触媒層、この燃料側触媒層上に成膜された電解質膜およびこの電解質膜上に成膜された酸化剤側触媒層からなる複数の単電池と、上記シリコンウエハの各単電池形成領域の下部に裏面側から上記燃料側触媒層に至るように形成された複数の貫通孔と、上記シリコンウエハの裏面に接合されて上記複数の貫通孔への燃料導入空間を形成するとともに、該燃料導入空間に燃料を導入する燃料導入口が形成された封止用キャップとを備え、上記複数の単電池が、異なる単電池の一方の単電池の上記燃料側触媒層と他方の単電池の上記酸化剤側触媒層とをイオン非透過性の導電性材料からなるバリア層を介して電気的に接続して直列に接続され、かつ、上記燃料側触媒層および上記電解質膜の上記酸化剤側触媒層からの露出部が絶縁体に埋設されているものである。
【０００８】
また、この発明に係る燃料電池の製造方法は、複数の多孔質シリコンを（１００）方位のシリコンウエハの表面に互いに離間して形成し、該シリコンウエハおよび該多孔質シリコンの表面を熱酸化する工程と、強アルカリ溶液を用いて、上記シリコンウエハの裏面側から上記多孔質シリコンに至るように該シリコンウエハをエッチングしてキャビティを形成する工程とを有するものである。
【０００９】
また、この発明に係る燃料電池の製造方法は、材料溶液をスピンコート又はスクリーン印刷によりシリコンウエハの表面側に塗布し、その塗布膜をエッチング又はリフトオフでパターニングして燃料側触媒層、電解質膜および酸化剤側触媒層の少なくとも１つを形成する工程を有するものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図について説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る燃料電池を示す断面図、図２および図３はそれぞれこの発明の実施の形態１に係る燃料電池の製造方法を説明する工程断面図である。
【００１１】
図１において、５つの多孔質シリコン３が、それぞれ所定の面積を有し、かつ、互いに離間してシリコンウエハ１の表面に１列に配列する島状に形成されている。そして、絶縁膜２ａが、シリコンウエハ１の表面の多孔質シリコン３の非形成領域に形成されている。また、キャビティ１４が各多孔質シリコン３の形成領域に対応してシリコンウエハ１の裏面側から多孔質シリコン３に至るように形成されている。さらに、絶縁膜２ｂが、シリコンウエハ１の裏面のキャビティ１４の非形成領域に形成されている。
【００１２】
燃料側触媒層４が、各多孔質シリコン３を覆い、かつ、互いに離間してシリコンウエハ１の表面側に１列に配列する島状に形成されている。電解質膜５が、燃料側触媒層４の配列方向の一側（図１中左側）を露出するように各燃料側触媒層４を覆い、かつ、互いに離間してシリコンウエハ１の表面側に１列に配列する島状に形成されている。また、イオン非透過性の導電性材料からなるバリア層７が、燃料側触媒層４の露出部の一部と絶縁膜２ａとに跨り、かつ、電解質膜５から離間してシリコンウエハ１の表面側に島状に形成されている。さらに、酸化剤側触媒層６が、各電解質膜５をほぼ覆い、かつ、各電解質膜５の配列方向の他側（図１中右側）に位置するバリア層７をほぼ覆うようにシリコンウエハ１の表面側に互いに離間して１列に配列する島状に形成されている。この酸化剤触媒層６は、燃料側触媒層４に直接接しないように形成されている。また、絶縁体８が、燃料側触媒層４、電解質膜５およびバリア層８の露出部を埋設するように形成されている。なお、酸化剤触媒層６の多孔質シリコン３の形成領域上部は露出されている。
また、負極１１が配列方向の一側端部（図１中左側）に位置する燃料側触媒層４に電気的に接続されるように形成され、正極１２が配列方向の他側端部（図１中右側）に位置する酸化剤側触媒層６に電気的に接続されるように形成されている。
【００１３】
そして、封止用キャップ９がシリコンウエハ１の裏面に接合されている。この封止用キャップ９は、シリコンウエハ１側に凹部９ａが形成され、各キャビティ１４を連通する燃料導入空間を構成している。また、封止用キャップ９には、少なくとも１つの燃料導入口１０が凹部９ａと外部とを連通するように形成されている。
【００１４】
このように作製された燃料電池１００においては、燃料側触媒層４と酸化剤側触媒層６とにより電解質膜５を挟持して構成された５つの単電池１０６が１列に配列され、隣り合う単電池１０６の燃料側触媒層４と酸化剤触媒層６とがバリア層７を介して電気的に接続されて、５つの単電池１０６が正極１２と負極１１との間に直列に接続されて構成されている。そして、燃料が燃料導入口１０からキャビティ１４および多孔質シリコン３を介して各単電池１０６の燃料側触媒層４に供給され、空気中の酸素が各単電池１０６の酸化剤側触媒層６に供給される。
【００１５】
ついで、この燃料電池１００の動作について説明する。
まず、燃料である水素ガスが燃料導入口１０から導入され、各キャビティ１４から多孔質シリコン３内を透過し、各単電池１０６の燃料側触媒層４に供給される。一方、空気が各単電池１０６の酸化剤側触媒層６に供給される。
そして、燃料側触媒層４において、水素が酸化され、水素イオンと電子が生成される。一方、酸化剤側触媒層６において、燃料側触媒層４から電解質膜５中を移動して酸化剤側触媒層６に到達した水素イオンが、酸化剤側触媒層６内の空気中の酸素および外部回路を介して酸化剤側触媒層６に供給された電子と反応し、水が生成される。そして、この化学反応で生成された電子を外部回路により電流として取り出すことになる。
ここで、各単電池１０６は、厚さ：約１ｍｍ、幅：３ｍｍ、長さ：３ｍｍを有し、約０．５Ｖの発電電圧となる。そこで、本燃料電池１００では、約２．５Ｖの電圧を得ることができる。
【００１６】
つぎに、この燃料電池１００の製造方法について図２および図３を参照しつつ説明する。
まず、図２の（ａ）に示されるように、シリコン窒化膜１３をシリコンウエハ１の表面に成膜する。ここで、シリコン窒化膜１３が稠密な膜となるようにＬＰＣＶＤ（Low Pressure Chemical Vapor Deposition)により成膜することが望ましい。また、内部応力に起因する膜の剥離を防止するために、０．３μｍ（３０００Å）以下の膜厚にシリコン窒化膜１３を成膜することが望ましい。
ついで、写真製版技術およびエッチング技術（反応性イオンエッチング或いは熱リン酸）を用いてシリコン窒化膜１３をパターニングする。これにより、図２の（ｂ）に示されるように、シリコン窒化膜１３が部分的に除去され、所定面積を有する島状のシリコン窒化膜除去領域３０が５×ｎのマトリックス状に形成される。
そして、シリコンウエハ１をフッ酸中で電気化学エッチングする。これにより、図２の（ｃ）に示されるように、多孔質シリコン３がシリコンウエハ１のシリコン窒化膜除去領域３０に深さ（厚み）１μｍ〜１００μｍに形成される。
【００１７】
ついで、シリコン窒化膜１３を熱リン酸等で除去した後、シリコンウエハ１全体を熱酸化する。これにより、図２の（ｄ）示されるように、シリコン酸化膜からなる絶縁膜２ａ、２ｂがシリコンウエハ１の露出部分に１μｍ以下の厚みに形成される。このとき、多孔質シリコン３も同時に酸化される。
そして、写真製版技術およびエッチング技術を用いてシリコンウエハ１の裏面に形成された絶縁膜２ｂをパターニングする。これにより、図２の（ｅ）に示されるように、多孔質シリコン３の形成領域に相対する絶縁膜２ｂの部位が除去され、所定面積を有する島状の絶縁膜除去領域３１が５×ｎのマトリックス状に形成される。
【００１８】
ついで、ＫＯＨ（水酸化カリウム）溶液、ＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウムヒドロオキシド）溶液等の強アルカリ溶液を用いて、シリコンウエハ１をエッチングする。これにより、図２の（ｆ）に示されるように、シリコンウエハ１の一部が絶縁膜除去領域３１から多孔質シリコン３に至るように除去され、キャビティ１４が形成される。なお、強アルカリ溶液を用いたウエットエッチング法に代えて、シリコン反応性ガスを用いたドライエッチング法によりキャビティ１４を形成してもよい。ここで、絶縁膜２ｂを除去する場合には、図２の（ｆ）の工程の後、シリコンウエハ１の裏面側をフッ酸等に浸して絶縁膜２ｂを除去することになる。また、キャビティ１４の内側全面に絶縁膜２ｂを形成する場合には、図２の（ｆ）の工程の後、シリコンウエハ１を熱酸化することになる。
【００１９】
ついで、図３の（ａ）に示されるように、封止用キャップ９をシリコンウエハ１の裏面に接合する。この封止用キャップ９の接合面側には、１列に配列された５個のキャビティ１４を連通する凹部９ａがｎ列形成され、燃料導入口１０が各凹部９ａと外部とを連通するように形成されている。また、封止用キャップ９とシリコンウエハ１との接合は、接着剤或いは陽極接合が用いられる。なお、陽極接合を用いた場合、封止用キャップ９を精度よく強固にシリコンウエハ１に接合できる。そして、陽極接合する場合には、得られる接合力の観点から絶縁膜２ｂの厚みを０．２μｍ（２０００Å）以下にすることが望ましく、絶縁膜２ｂを完全に除去すればさらに大きな接合力を得ることができる。この封止用キャップ９の接合工程は、後述する図３の（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）のいずれの工程の後に行ってもよい。
【００２０】
そして、図３の（ｂ）に示されるように、燃料側触媒液をスピンコート等の方法によりシリコンウエハ１の表面に塗布し、所望の形状にパターニングした後、約１００℃で熱処理を施し、燃料側触媒層４を形成する。燃料側触媒層４は１０μｍ程度の厚みが必要であることから、パターニングはレジストのリフトオフで行うことが好ましい。この燃料側触媒層４は、各多孔質シリコン３の形成領域を覆い、かつ、互いに離間する島状に形成されている。
ついで、図３の（ｂ）に示されるように、電解質液をスピンコート等の方法によりシリコンウエハ１の表面に塗布し、所望の形状にパターニングした後、熱処理を施し、電解質膜５を形成する。電解質膜５は２０μｍ〜５０μｍ程度の厚みとすることが望ましく、パターニングはレジストのリフトオフで行うことが好ましい。また、電解質膜５は、燃料側触媒層４の配列方向の一側を露出するように各燃料側触媒層４を覆い、かつ、互いに離間する島状に形成されている。なお、電解質膜５は、隣接する燃料側触媒層４に跨ることなく形成されている。
【００２１】
そして、例えばチタンをスパッタリング、真空蒸着等の方法によりシリコンウエハ１の表面に成膜し、所望の形状にパターニングする。これにより、各バリア層７が、図３の（ｃ）に示されるように、燃料側触媒層４の露出部分と燃料側触媒層４の配列方向の一側の絶縁膜２ａとに跨るパターンに形成される。この時、負極１１および正極１２が同時に形成される。
ついで、図３の（ｃ）に示されるように、酸化剤側触媒液をスピンコート等の方法によりシリコンウエハ１の表面に塗布し、所望の形状にパターニングした後、約１００℃で熱処理を施し、酸化剤側触媒層６を形成する。酸化剤側触媒層６は１０μｍ程度の厚みが必要であることから、パターニングはレジストのリフトオフで行うことが好ましい。また、酸化剤側触媒層６は、各電解質膜５を覆い、かつ、互いに離間する島状に形成されている。そして、酸化剤側触媒層６は、配列方向の他側のバリア層７上に至るように形成されている。
【００２２】
そして、図３の（ｄ）に示されるように、絶縁材料をスパッタリングや塗布により成膜し、パターニングして、絶縁体８を形成する。この絶縁体８は、少なくとも酸化剤側触媒層６の多孔質シリコン３の形成領域上部を露出させ、かつ、少なくとも燃料側触媒層４および電解質膜５の露出部分を埋設するように形成されている。これにより、直列に接続された５つの単電池１０６の列がシリコンウエハ１にｎ列形成される。
その後、シリコンウエハ１を直列に接続された５つの単電池１０６の列毎にダイシングにより切断分離し、ｎ個の燃料電池１００が得られる。
【００２３】
このように、この実施の形態１によれば、シリコンウエハ１上に複数の単電池１０６を形成し、燃料側触媒層４と酸化剤側触媒層６とをバリア層７を介して電気的に接続して複数の単電池１０６を直列に接続しているので、薄型かつ小型の燃料電池１００が得られ、小型の電子機器の電源用として適用できる。
また、隣り合う単電池１０６の一方の単電池１０６の燃料側触媒層４と他方の単電池１０６の酸化剤側触媒層６とを接続するバリア層７が水素イオンの透過を阻止できる導電性材料で作製されているので、燃料側触媒層４で生成された水素イオンが直接酸化剤側触媒層６に移動することなく、電解質膜５を介して酸化剤側触媒層６側に移動され、発電効率の低下が抑えられる。
また、燃料側触媒層４および電解質膜５の酸化剤側触媒層６からの露出部が絶縁材８により埋設されているので、燃料側触媒層４で生成された水素イオンが酸化剤側触媒層６に移動せずに外部に逃げることが阻止され、発電効率の低下が抑えられる。
【００２４】
また、この燃料電池１００の製造方法では、ＩＣ製造プロセスと同様な、いわゆるマイクロマシニング技術を用いて、成膜、アライメント、パターニングを行っているので、超小型の単電池１０６をシリコンウエハ１上に一括して多数作製することができる。そこで、高精度、小型で量産性に優れ、燃料電池を安価に製造することができる。また、シリコンウエハ１上に単電池１０６を多数形成でき、かつ、それらを簡易に直列に接続できるので、高電圧の平面型燃料電池を簡易に安価に製造することができる。
【００２５】
ここで、シリコンウエハ１のウエハ方位は、キャビティ１４を形成する方法によって適宜選択すればよい。つまり、異方性エッチングによりキャビティ１４を形成する場合には、（１００）方位が望ましい。この場合、酸化膜の部分でエッチングが自動的に止まるので、キャビティ１４の製造プロセスが容易となり、量産性がよい。また、ドライエッチングによりキャビティ１４を形成する場合には、ウエハ方位はどの方位でもよい。また、シリコンウエハ１は、ｎ型でも、ｐ型でもよいが、多孔質シリコン３がスポンジ構造になりやすいｎ型のシリコンウエハ１がより望ましい。
また、絶縁膜２ａ、２ｂには、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜が用いられるが、プロセス上の取り扱いが容易であることからシリコン酸化膜を用いることが望ましい。また、絶縁膜２ｂは製造工程中に必要となるが、動作には直接関係がなく、最終形態として省略してもよい。あるいは、キャビティ１４の側面を含め、キャビティ１４内の全面に形成してもよい。
また、多孔質シリコン３は、孔径を数十μｍ以下とすることが望ましく、孔径が数ｎｍで、スポンジ状であればさらに望ましい。
また、燃料側触媒層４および酸化剤側触媒層６には、例えばカーボンと白金とからなる膜が用いられる。
【００２６】
また、電解質膜５には、例えば固体高分子電解質膜が用いられ、具体的には、ナフィオン（デュポン社の登録商標）、アシプレックス（旭化成（株）の登録商標）、フレミオン（旭硝子（株）の登録商標）が用いられる。
また、バリア層７は、燃料イオン、即ち水素イオンが燃料側触媒層４から電解質膜５を通ることなく酸化剤側触媒層６に透過することを防止する機能を有するものである。そこで、バリア層７は、水素イオンの通過を阻止できるイオン非透過性の導電性材料であればよく、例えばチタン、クロム、ニッケル、アルミ、白金、金等の金属、それらの金属の合金あるいはシリサイド等を用いることができる。
【００２７】
また、絶縁体８は、水素イオンが燃料側触媒層４および電解質膜５から空気に逃げるのを防止する機能を有するものであり、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコーン樹脂やフッ素樹脂のゴム等を用いることができる。
また、封止用キャップ９は、燃料を各キャビティ１４に行き渡らせるためのもので、樹脂、シリコン、ガラス等を用いることができる。そして、封止用キャップ９がシリコンウエハ１に接合されていることから、シリコンウエハ１と熱膨張係数の近い材料、例えばホウケイ酸ガラスの一種であるパイレックス（登録商標）を用いることが望ましく、シリコンウエハであればさらに望ましい。
また、燃料側触媒層４、電解質膜５、酸化剤側触媒層６および絶縁体８の塗布方法は、上記の方法に限らず、例えばスクリーン印刷を用いてもよい。
【００２８】
実施の形態２．
この実施の形態２による燃料電池１０１は、図４に示されるように、各単電池１０６の形成領域の下部にシリコンウエハ１の裏面から燃料側触媒層４に至るように多数の貫通孔１５がシリコンウエハ１に形成されている。この貫通孔１５は、直径１００μｍ以下の孔であり、例えばドライプロセスの反応性エッチングを用いて形成され、その内壁面に熱酸化膜等の絶縁膜が形成され、燃料側触媒層４同士の電気的絶縁を図っている。
なお、この燃料電池１０１は、多孔質シリコン３およびキャビティ１４が省略され、貫通孔１５が形成されている点を除いて、上記実施の形態１の燃料電池１００と同様に構成されている。
【００２９】
このように構成された燃料電池１０１では、燃料である水素ガスが燃料導入口１０から導入され、各貫通孔１５から各単電池１０６の燃料側触媒層４に供給されるので、上記燃料電池１００と同様に動作する。
【００３０】
従って、この実施の形態２においても、上記実施の形態１と同様の効果が得られる。
また、この実施の形態１では、単電池１０６がダイヤフラム状に形成されているのに対し、この実施の形態２では、キャビティ１４を省略しているので、単電池１０６を構成する膜の燃料圧力に対する強度が大きくなり、耐久性が高められる。
【００３１】
なお、この実施の形態２では、貫通孔１５を中空に形成するものとしているが、フッサ酸中で電気化学エッチングによりシリコンウエハ１の裏面から燃料側触媒層４に至るようにスポンジ状の多孔質シリコン層を形成してもよい。
【００３２】
実施の形態３．
この実施の形態３による燃料電池１０２は、図５に示されるように、燃料側集電電極１６が燃料側触媒層４と多孔質シリコン３との間に介装され、酸化剤側集電電極１７が酸化剤側触媒層６に反電解質膜側の面に形成されている。
なお、この燃料電池１０２は、燃料側集電電極１６および酸化剤側集電電極１７が形成されている点を除いて、上記実施の形態１の燃料電池１００と同様に構成されている。
【００３３】
ここで、燃料側集電電極１６および酸化剤側集電電極１７は、導電性材料からなる膜であり、例えばチタン、クロム、ニッケル、アルミ、白金、金等の金属、それらの合金あるいはシリサイド、カーボン繊維等の材料が用いられる。そして、燃料側集電電極１６および酸化剤側集電電極１７には多数の孔が設けられており、水素や空気が燃料側触媒層４および酸化剤側触媒層６に導入できるようになっている。
また、燃料側集電電極１６は、燃料側触媒層４の形成工程に先立って、導電性材料からなる膜を成膜・パターニングして形成される。一方、酸化剤側集電電極１７は、酸化剤側触媒層６の形成工程若しくは絶縁体８の形成工程の後、導電性材料からなる膜を成膜・パターニングして形成される。
【００３４】
この実施の形態３によれば、燃料側集電電極１６および酸化剤側集電電極１７を形成しているので、燃料側触媒層４および酸化剤側触媒層６の抵抗値を低減することができ、負極１１と正極１２との間の電流値を高めることができる。
【００３５】
なお、上記実施の形態３では、燃料側集電電極１６および酸化剤側集電電極１７を形成するものとしているが、燃料側集電電極１６および酸化剤側集電電極１７のいずれか一方を形成してもよい。
また、上記実施の形態３では、上記実施の形態１による燃料電池１００に燃料側集電電極１６および酸化剤側集電電極１７を形成するものとしているが、上記実施の形態２による燃料電池１０１に燃料側集電電極１６および酸化剤側集電電極１７を形成してもよい。
【００３６】
実施の形態４．
この実施の形態４による燃料電池１０３は、図６に示されるように、多孔質シリコン３に代えて、多孔質シリコン兼燃料側集電電極２０を形成するものとしている。
尚、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。
【００３７】
多孔質シリコン兼燃料側集電電極２０は、図２の（ｂ）の工程の後に、リンやボロン等の不純物をシリコン窒化膜除去領域３０からシリコンウエハ１にドーピング或いは拡散させて抵抗値を低減させ、その後シリコンウエハ１をフッ酸中で電気化学エッチングしてシリコン窒化膜除去領域３０に１μｍ〜１００μｍの深さに多孔質シリコンを形成して構成されている。そして、多孔質シリコン兼燃料側集電電極２０の表面および内部には熱酸化膜がなく、シリコン表面が現れている。さらに、キャビティ１４の内側全面に熱酸化膜２ｃを形成し、多孔質シリコン兼燃料側集電電極２０とシリコンウエハ１との電気的絶縁性を高めている。
【００３８】
この実施の形態４によれば、燃料側集電電極１６が不要となり、上記実施の形態３に比べて、製造プロセスが簡略化され、量産性を向上させることができる。
【００３９】
なお、上記実施の形態４では、リンやボロン等の不純物をドーピング或いは拡散させて多孔質シリコン層の抵抗値を積極的に低減させて多孔質シリコン兼燃料側集電電極２０を構成するものとしているが、上記実施の形態１における多孔質シリコン３の表面および内部のシリコン表面を露出させて集電機能を付与し、多孔質シリコン兼燃料側集電電極としてもよい。
【００４０】
実施の形態５．
この実施の形態５による燃料電池１０４では、図７に示されるように、燃料排出口１８が封止用キャップ９に少なくとも１箇所形成されている。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。
【００４１】
従って、この実施の形態５によれば、燃料が燃料導入口１０から導入され、燃料排出口１８から排出されるようになる。そこで、燃料として、メタノールなどの液体燃料を用いることができ、燃料の選択の幅が広がる。
【００４２】
なお、上記各実施の形態では、燃料電池は５つの単電池１０６を直列に接続して構成した単電池直列構造体をシリコンウエハ１上に形成するものとして説明しているが、単電池直列構造体を構成する単電池１０６の個数は出力電圧の仕様に合わせて適宜設定されるものである。つまり、携帯電話では約４Ｖ、ノート型のパソコンでは約１１Ｖ以上の電力源が必要となり、これらの電気機器にあわせて必要な電圧が得られるように単電池１０６の個数を設定することになる。
また、上記各実施の形態では、単電池直列構造体は単電池１０６を１列に配列して構成されているものとして説明しているが、単電池１０６をシリコンウエハ１上にマトリクス状に配列し、それらの単電池１０６を直列に接続するようにしてもよい。
また、上記各実施の形態では、単電池１０６が３ｍｍ×３ｍｍの大きさに形成されているものとして説明しているが、本発明はＩＣ製造プロセスと同様な技術を用いているので、単電池１０６の幅や長さは十数μｍオーダーまで小型化が可能となる。さらに、単電池１０６は数百個レベルまで直列接続が可能であり、１００Ｖ以上の電圧が得られる小型・薄型の平面型燃料電池を実現できる。
【００４３】
【発明の効果】
この発明は、以上説明したように、シリコンウエハと、シリコンウエハの表面に互いに離間して形成された複数の多孔質シリコン、上記シリコンウエハの表面の多孔質シリコン非形成領域に形成された絶縁膜と、上記複数の多孔質シリコンのそれぞれの上に成膜された燃料側触媒層、この燃料側触媒層上に成膜された電解質膜およびこの電解質膜上に成膜された酸化剤側触媒層からなる複数の単電池と、上記シリコンウエハの各単電池形成領域の下部に裏面側から上記多孔質シリコンに至るように形成された複数のキャビティと、上記シリコンウエハの裏面に接合されて上記複数のキャビティへの燃料導入空間を形成するとともに、該燃料導入空間に燃料を導入する燃料導入口が形成された封止用キャップとを備え、上記複数の単電池が、異なる単電池の一方の単電池の上記燃料側触媒層と他方の単電池の上記酸化剤側触媒層とをイオン非透過性の導電性材料からなるバリア層を介して電気的に接続して直列に接続され、かつ、上記燃料側触媒層および上記電解質膜の上記酸化剤側触媒層からの露出部が絶縁体に埋設されているので、薄型、小型で高電圧の燃料電池が得られる。
【００４４】
また、シリコンウエハと、上記シリコンウエハの表面の形成された絶縁膜と、上記シリコンウエハの上記絶縁膜上に互いに離間して成膜された燃料側触媒層、この燃料側触媒層上に成膜された電解質膜およびこの電解質膜上に成膜された酸化剤側触媒層からなる複数の単電池と、上記シリコンウエハの各単電池形成領域の下部に裏面側から上記燃料側触媒層に至るように形成された複数の貫通孔と、上記シリコンウエハの裏面に接合されて上記複数の貫通孔への燃料導入空間を形成するとともに、該燃料導入空間に燃料を導入する燃料導入口が形成された封止用キャップとを備え、上記複数の単電池が、異なる単電池の一方の単電池の上記燃料側触媒層と他方の単電池の上記酸化剤側触媒層とをイオン非透過性の導電性材料からなるバリア層を介して電気的に接続して直列に接続され、かつ、上記燃料側触媒層および上記電解質膜の上記酸化剤側触媒層からの露出部が絶縁体に埋設されているので、薄型、小型で高電圧の耐久性に優れた燃料電池が得られる。
【００４５】
また、複数の多孔質シリコンを（１００）方位のシリコンウエハの表面に互いに離間して形成し、該シリコンウエハおよび該多孔質シリコンの表面を熱酸化する工程と、強アルカリ溶液を用いて、上記シリコンウエハの裏面側から上記多孔質シリコンに至るように該シリコンウエハをエッチングしてキャビティを形成する工程とを有するので、キャビティの形成プロセスが容易で、量産に適する薄型、小型で高電圧の燃料電池の製造方法が得られる。
【００４６】
また、材料溶液をスピンコート又はスクリーン印刷によりシリコンウエハの表面側に塗布し、その塗布膜をエッチング又はリフトオフでパターニングして燃料側触媒層、電解質膜および酸化剤側触媒層の少なくとも１つを形成する工程を有するので、精度よく膜を形成でき、量産に適する薄型、小型で高電圧の燃料電池の製造方法が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１に係る燃料電池を示す断面図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る燃料電池の製造方法を説明する工程断面図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係る燃料電池の製造方法を説明する工程断面図である。
【図４】この発明の実施の形態２に係る燃料電池を示す断面図である。
【図５】この発明の実施の形態３に係る燃料電池を示す断面図である。
【図６】この発明の実施の形態４に係る燃料電池を示す断面図である。
【図７】この発明の実施の形態５に係る燃料電池を示す断面図である。
【符号の説明】
１ シリコンウエハ、２ａ 絶縁膜、３ 多孔質シリコン、４ 燃料側触媒層、５ 電解質膜、６ 酸化剤側触媒層、７ バリア層、８ 絶縁体、９ 封止用キャップ、９ａ 凹部（燃料導入空間）、１０ 燃料導入口、１４ キャビティ、１５ 貫通孔、１６ 燃料側集電電極、１７ 酸化剤側集電電極、１８ 燃料排出口、２０ 多孔質シリコン兼燃料側集電電極、１００、１０１、１０２、１０３、１０４ 燃料電池。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell and a method of manufacturing the same, and more particularly to a fuel cell used as a small power source and a method of manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
In a conventional fuel cell, a plurality of stacks configured by sandwiching an electrolyte holder having a fuel-side catalyst layer and an oxidant-side catalyst layer on both sides between a pair of electrode substrates are arranged in a shogi-defeated state, and Has been pressed and shaped in a vertical direction to form a series structure of unit cells in which a plurality of unit cells are connected in series. Then, the series structure of the unit cells is stacked via a gas separation plate in which a gas flow path is formed, thereby constituting a fuel cell (for example, see Patent Document 1).
[0003]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Publication No. 6-65045 (FIGS. 1 and 4)
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In this conventional fuel cell, the stacked body of the bulk material of the electrode base material and the electrolyte holder is arranged in a shogi-defeated state, and the whole is press-molded to produce a series structure of unit cells. There is a problem that the size of the fuel cell is at most a sub-millimeter order and the size of the fuel cell cannot be reduced.
[0005]
The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and provides a fuel cell capable of realizing a small size and a high voltage by forming a series structure of unit cells on a silicon wafer, and a method for manufacturing the same. is there.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
A fuel cell according to the present invention includes a silicon wafer, a plurality of porous silicons formed apart from each other on the surface of the silicon wafer, an insulating film formed in a porous silicon non-formation region on the surface of the silicon wafer, The fuel cell includes a fuel-side catalyst layer formed on each of the plurality of porous silicon, an electrolyte film formed on the fuel-side catalyst layer, and an oxidant-side catalyst layer formed on the electrolyte film. A plurality of cells, a plurality of cavities formed below the unit cell formation region of the silicon wafer from the back side to the porous silicon, and a plurality of cavities joined to the back surface of the silicon wafer And a sealing cap formed with a fuel inlet for introducing fuel into the fuel introducing space, wherein the plurality of cells are different cells. The fuel-side catalyst layer of one unit cell of the pond and the oxidant-side catalyst layer of the other unit cell are electrically connected via a barrier layer made of an ion-impermeable conductive material and connected in series. The exposed portions of the fuel-side catalyst layer and the electrolyte membrane from the oxidant-side catalyst layer are embedded in an insulator.
[0007]
Further, the fuel cell according to the present invention includes a silicon wafer, an insulating film formed on the surface of the silicon wafer, and a fuel-side catalyst layer formed on the insulating film of the silicon wafer so as to be spaced apart from each other. A plurality of cells comprising an electrolyte membrane formed on the fuel-side catalyst layer and an oxidant-side catalyst layer formed on the electrolyte membrane; and A plurality of through-holes formed to reach the fuel-side catalyst layer; and a fuel introduction space joined to the back surface of the silicon wafer to form a fuel introduction space to the plurality of through-holes, and to introduce fuel into the fuel introduction space. A plurality of cells, the fuel-side catalyst layer of one cell of the different cells and the oxidant-side catalyst layer of the other cell. The ion impermeable Electrically connected via a barrier layer made of an electrically conductive material and connected in series, and an exposed portion of the fuel-side catalyst layer and the electrolyte membrane from the oxidant-side catalyst layer is embedded in an insulator. Is what it is.
[0008]
In the method for manufacturing a fuel cell according to the present invention, a plurality of porous silicons are formed on a surface of a (100) oriented silicon wafer at a distance from each other, and the silicon wafer and the surfaces of the porous silicon are thermally oxidized. And forming a cavity by etching the silicon wafer from the back side of the silicon wafer to the porous silicon using a strong alkaline solution.
[0009]
Further, in the method for manufacturing a fuel cell according to the present invention, the material solution is applied to the surface side of the silicon wafer by spin coating or screen printing, and the applied film is patterned by etching or lift-off, and the fuel-side catalyst layer, the electrolyte membrane and And a step of forming at least one of the oxidant-side catalyst layers.
[0010]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a fuel cell according to Embodiment 1 of the present invention, and FIGS. 2 and 3 are process cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a fuel cell according to Embodiment 1 of the present invention.
[0011]
In FIG. 1, five porous silicons 3 each having a predetermined area are formed in an island shape arranged in a row on the surface of a silicon wafer 1 while being separated from each other. Then, an insulating film 2a is formed on the surface of the silicon wafer 1 in a region where the porous silicon 3 is not formed. Further, the cavity 14 is formed so as to reach the porous silicon 3 from the back surface side of the silicon wafer 1 corresponding to the formation region of each porous silicon 3. Further, an insulating film 2b is formed on the back surface of the silicon wafer 1 in a region where the cavity 14 is not formed.
[0012]
The fuel-side catalyst layer 4 is formed in an island shape that covers each porous silicon 3 and is arranged in a row on the surface side of the silicon wafer 1 so as to be separated from each other. The electrolyte membrane 5 covers each fuel-side catalyst layer 4 so as to expose one side (the left side in FIG. 1) of the fuel-side catalyst layer 4 in the arrangement direction, and is spaced apart from each other on the surface side of the silicon wafer 1. The islands are arranged in rows. Further, a barrier layer 7 made of an ion-impermeable conductive material straddles a part of the exposed portion of the fuel-side catalyst layer 4 and the insulating film 2a, and is separated from the electrolyte film 5 so that the surface of the silicon wafer 1 is separated. It is formed in an island shape on the side. Further, the silicon wafer 1 is formed such that the oxidant-side catalyst layer 6 substantially covers each of the electrolyte membranes 5 and substantially covers the barrier layer 7 located on the other side (the right side in FIG. 1) in the arrangement direction of each of the electrolyte membranes 5. Are formed in the shape of an island arranged in a row at a distance from each other. The oxidant catalyst layer 6 is formed so as not to directly contact the fuel-side catalyst layer 4. The insulator 8 is formed so as to bury the exposed portions of the fuel-side catalyst layer 4, the electrolyte membrane 5, and the barrier layer 8. The upper portion of the oxidant catalyst layer 6 where the porous silicon 3 is formed is exposed.
Further, the negative electrode 11 is formed so as to be electrically connected to the fuel-side catalyst layer 4 located at one end (the left side in FIG. 1) in the arrangement direction, and the positive electrode 12 is connected to the other end (see FIG. 1 is formed so as to be electrically connected to the oxidant-side catalyst layer 6 located on the right side of FIG.
[0013]
Then, a sealing cap 9 is bonded to the back surface of the silicon wafer 1. The sealing cap 9 has a recess 9 a formed on the silicon wafer 1 side, and forms a fuel introduction space that communicates with each cavity 14. In addition, at least one fuel inlet 10 is formed in the sealing cap 9 so that the recess 9a communicates with the outside.
[0014]
In the fuel cell 100 manufactured in this manner, five unit cells 106 configured by sandwiching the electrolyte membrane 5 between the fuel-side catalyst layer 4 and the oxidant-side catalyst layer 6 are arranged in a row, and are adjacent to each other. The fuel-side catalyst layer 4 and the oxidant catalyst layer 6 of the unit cell 106 are electrically connected through the barrier layer 7, and the five unit cells 106 are connected in series between the positive electrode 12 and the negative electrode 11. It is configured. Then, fuel is supplied from the fuel inlet 10 to the fuel-side catalyst layer 4 of each cell 106 via the cavity 14 and the porous silicon 3, and oxygen in the air is supplied to the oxidant-side catalyst layer 6 of each cell 106. Supplied.
[0015]
Next, the operation of the fuel cell 100 will be described.
First, hydrogen gas as a fuel is introduced from the fuel inlet 10, permeates through the porous silicon 3 from each cavity 14, and is supplied to the fuel-side catalyst layer 4 of each cell 106. On the other hand, air is supplied to the oxidant-side catalyst layer 6 of each cell 106.
Then, in the fuel-side catalyst layer 4, hydrogen is oxidized to generate hydrogen ions and electrons. On the other hand, in the oxidant-side catalyst layer 6, hydrogen ions moving from the fuel-side catalyst layer 4 through the electrolyte membrane 5 and reaching the oxidant-side catalyst layer 6 are converted into oxygen and oxygen in the air in the oxidant-side catalyst layer 6. It reacts with the electrons supplied to the oxidant-side catalyst layer 6 via the external circuit, and water is generated. Then, electrons generated by this chemical reaction are taken out as a current by an external circuit.
Here, each cell 106 has a thickness: about 1 mm, a width: 3 mm, and a length: 3 mm, and has a power generation voltage of about 0.5 V. Therefore, in the fuel cell 100, a voltage of about 2.5 V can be obtained.
[0016]
Next, a method for manufacturing the fuel cell 100 will be described with reference to FIGS.
First, as shown in FIG. 2A, a silicon nitride film 13 is formed on the surface of the silicon wafer 1. Here, it is desirable to form the silicon nitride film 13 by LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition) so as to be a dense film. Further, in order to prevent peeling of the film due to internal stress, it is desirable to form the silicon nitride film 13 to a thickness of 0.3 μm (3000 °) or less.
Next, the silicon nitride film 13 is patterned using a photolithography technique and an etching technique (reactive ion etching or hot phosphoric acid). Thereby, as shown in FIG. 2B, the silicon nitride film 13 is partially removed, and an island-shaped silicon nitride film removal region 30 having a predetermined area is formed in a 5 × n matrix. .
Then, the silicon wafer 1 is electrochemically etched in hydrofluoric acid. Thereby, as shown in FIG. 2C, the porous silicon 3 is formed in the silicon nitride film removal region 30 of the silicon wafer 1 to a depth (thickness) of 1 μm to 100 μm.
[0017]
Next, after removing the silicon nitride film 13 with hot phosphoric acid or the like, the entire silicon wafer 1 is thermally oxidized. Thereby, as shown in FIG. 2D, the insulating films 2a and 2b made of a silicon oxide film are formed on the exposed portion of the silicon wafer 1 to a thickness of 1 μm or less. At this time, the porous silicon 3 is simultaneously oxidized.
Then, the insulating film 2b formed on the back surface of the silicon wafer 1 is patterned by using a photolithography technique and an etching technique. As a result, as shown in FIG. 2E, the portion of the insulating film 2b corresponding to the region where the porous silicon 3 is formed is removed, and the island-shaped insulating film removed region 31 having a predetermined area becomes 5 × n. Are formed in a matrix.
[0018]
Next, the silicon wafer 1 is etched using a strong alkaline solution such as a KOH (potassium hydroxide) solution or a TMAH (tetramethylammonium hydroxide) solution. As a result, as shown in FIG. 2F, a part of the silicon wafer 1 is removed so as to reach the porous silicon 3 from the insulating film removal region 31 and the cavity 14 is formed. The cavity 14 may be formed by a dry etching method using a silicon reactive gas instead of the wet etching method using a strong alkaline solution. Here, in the case of removing the insulating film 2b, after the step of FIG. 2F, the back surface side of the silicon wafer 1 is immersed in hydrofluoric acid or the like to remove the insulating film 2b. In the case where the insulating film 2b is formed on the entire inner surface of the cavity 14, the silicon wafer 1 is thermally oxidized after the step of FIG.
[0019]
Next, as shown in FIG. 3A, the sealing cap 9 is bonded to the back surface of the silicon wafer 1. On the joining surface side of the sealing cap 9, n rows of recesses 9a communicating the five cavities 14 arranged in one row are formed, and the fuel inlet 10 communicates each recess 9a with the outside. Is formed. The bonding between the sealing cap 9 and the silicon wafer 1 is performed using an adhesive or anodic bonding. When anodic bonding is used, the sealing cap 9 can be accurately and firmly bonded to the silicon wafer 1. In the case of anodic bonding, the thickness of the insulating film 2b is desirably 0.2 μm (2000 °) or less from the viewpoint of the obtained bonding force. If the insulating film 2b is completely removed, a larger bonding force is obtained. be able to. The bonding step of the sealing cap 9 may be performed after any of the later-described steps of (b), (c), and (d) of FIG.
[0020]
Then, as shown in FIG. 3B, the fuel-side catalyst solution is applied to the surface of the silicon wafer 1 by a method such as spin coating and patterned into a desired shape, and then heat-treated at about 100 ° C. The fuel-side catalyst layer 4 is formed. Since the fuel-side catalyst layer 4 needs to have a thickness of about 10 μm, it is preferable to perform patterning by lift-off of the resist. The fuel-side catalyst layer 4 is formed in an island shape that covers the formation region of each porous silicon 3 and is separated from each other.
Next, as shown in FIG. 3B, an electrolyte solution is applied to the surface of the silicon wafer 1 by a method such as spin coating, patterned into a desired shape, and then subjected to a heat treatment to form an electrolyte film 5. . The thickness of the electrolyte membrane 5 is preferably about 20 μm to 50 μm, and the patterning is preferably performed by lift-off of the resist. The electrolyte membrane 5 covers each fuel-side catalyst layer 4 so as to expose one side in the arrangement direction of the fuel-side catalyst layer 4 and is formed in an island shape separated from each other. Note that the electrolyte membrane 5 is formed without straddling the adjacent fuel-side catalyst layer 4.
[0021]
Then, for example, a film of titanium is formed on the surface of the silicon wafer 1 by a method such as sputtering or vacuum evaporation, and is patterned into a desired shape. Thereby, as shown in FIG. 3C, each barrier layer 7 has a pattern that straddles the exposed portion of the fuel-side catalyst layer 4 and the insulating film 2a on one side in the arrangement direction of the fuel-side catalyst layer 4. It is formed. At this time, the negative electrode 11 and the positive electrode 12 are formed simultaneously.
Next, as shown in FIG. 3C, an oxidizing agent-side catalyst solution is applied to the surface of the silicon wafer 1 by a method such as spin coating, patterned into a desired shape, and then subjected to a heat treatment at about 100 ° C. Then, the oxidant-side catalyst layer 6 is formed. Since the oxidant-side catalyst layer 6 needs to have a thickness of about 10 μm, the patterning is preferably performed by lift-off of the resist. The oxidant-side catalyst layer 6 covers each of the electrolyte membranes 5 and is formed in an island shape separated from each other. The oxidant-side catalyst layer 6 is formed so as to reach the barrier layer 7 on the other side in the arrangement direction.
[0022]
Then, as shown in FIG. 3D, an insulating material is formed by sputtering or coating, and is patterned to form the insulator 8. The insulator 8 is formed so as to expose at least the upper portion of the oxidant-side catalyst layer 6 where the porous silicon 3 is formed and to bury at least the exposed portions of the fuel-side catalyst layer 4 and the electrolyte membrane 5. . Thereby, n rows of five unit cells 106 connected in series are formed on the silicon wafer 1.
Thereafter, the silicon wafer 1 is cut and separated by dicing for each row of five unit cells 106 connected in series, and n fuel cells 100 are obtained.
[0023]
As described above, according to the first embodiment, a plurality of cells 106 are formed on the silicon wafer 1, and the fuel-side catalyst layer 4 and the oxidant-side catalyst layer 6 are electrically connected via the barrier layer 7. Since the plurality of unit cells 106 are connected in series by connection, a thin and small fuel cell 100 can be obtained, which can be used as a power source for a small electronic device.
Further, a barrier layer 7 connecting the fuel-side catalyst layer 4 of one cell 106 of the adjacent cell 106 and the oxidant-side catalyst layer 6 of the other cell 106 is a conductive material capable of preventing permeation of hydrogen ions. Since the hydrogen ions generated in the fuel-side catalyst layer 4 do not directly move to the oxidant-side catalyst layer 6, they are moved to the oxidant-side catalyst layer 6 through the electrolyte membrane 5 to generate power. A decrease in efficiency is suppressed.
Further, since the exposed portions of the fuel-side catalyst layer 4 and the electrolyte membrane 5 from the oxidant-side catalyst layer 6 are buried with the insulating material 8, the hydrogen ions generated in the fuel-side catalyst layer 4 lose the oxidant-side catalyst layer. 6 is prevented from escaping without moving to the outside, and a decrease in power generation efficiency is suppressed.
[0024]
In the method of manufacturing the fuel cell 100, film formation, alignment, and patterning are performed using a so-called micro-machining technique similar to the IC manufacturing process. Many can be manufactured at once. Therefore, a fuel cell can be manufactured at a low cost with high accuracy, small size, excellent mass productivity, and low cost. Further, since a large number of unit cells 106 can be formed on the silicon wafer 1 and they can be easily connected in series, a high-voltage flat fuel cell can be manufactured easily and inexpensively.
[0025]
Here, the wafer orientation of the silicon wafer 1 may be appropriately selected depending on the method of forming the cavity 14. That is, when the cavity 14 is formed by anisotropic etching, the (100) orientation is desirable. In this case, since the etching is automatically stopped at the portion of the oxide film, the manufacturing process of the cavity 14 becomes easy and the mass productivity is good. When the cavity 14 is formed by dry etching, the wafer may have any orientation. The silicon wafer 1 may be either n-type or p-type, but more preferably an n-type silicon wafer 1 in which the porous silicon 3 tends to have a sponge structure.
Although a silicon oxide film or a silicon nitride film is used for the insulating films 2a and 2b, it is preferable to use a silicon oxide film because handling in a process is easy. The insulating film 2b is required during the manufacturing process, but has no direct relation to the operation, and may be omitted as a final form. Alternatively, it may be formed on the entire surface of the cavity 14 including the side surface of the cavity 14.
The porous silicon 3 preferably has a pore diameter of several tens μm or less, more preferably a pore diameter of several nm and a sponge shape.
For the fuel-side catalyst layer 4 and the oxidant-side catalyst layer 6, a film made of, for example, carbon and platinum is used.
[0026]
As the electrolyte membrane 5, for example, a solid polymer electrolyte membrane is used. Specifically, Nafion (registered trademark of DuPont), Aciplex (registered trademark of Asahi Kasei Corporation), Flemion (Asahi Glass Co., Ltd.) Registered trademark) is used.
The barrier layer 7 has a function of preventing fuel ions, that is, hydrogen ions, from passing from the fuel-side catalyst layer 4 to the oxidant-side catalyst layer 6 without passing through the electrolyte membrane 5. Therefore, the barrier layer 7 may be any conductive material that is impermeable to ions that can block the passage of hydrogen ions, such as metals such as titanium, chromium, nickel, aluminum, platinum, and gold, alloys of these metals, and silicide. Etc. can be used.
[0027]
The insulator 8 has a function of preventing hydrogen ions from escaping from the fuel-side catalyst layer 4 and the electrolyte membrane 5 to the air, and includes a silicon oxide film, a silicon nitride film, a rubber of a silicone resin or a fluorine resin, or the like. Can be used.
The sealing cap 9 is for distributing fuel to each cavity 14, and may be made of resin, silicon, glass, or the like. Since the sealing cap 9 is bonded to the silicon wafer 1, it is preferable to use a material having a thermal expansion coefficient close to that of the silicon wafer 1, for example, Pyrex (registered trademark) which is a kind of borosilicate glass. More preferably, it is a wafer.
Further, the method of applying the fuel-side catalyst layer 4, the electrolyte membrane 5, the oxidant-side catalyst layer 6, and the insulator 8 is not limited to the above-described method, and for example, screen printing may be used.
[0028]
Embodiment 2 FIG.
In the fuel cell 101 according to the second embodiment, as shown in FIG. 4, a large number of through-holes 15 are formed below the region where each unit cell 106 is formed so as to extend from the back surface of the silicon wafer 1 to the fuel-side catalyst layer 4. It is formed on the silicon wafer 1. The through hole 15 is a hole having a diameter of 100 μm or less. The through hole 15 is formed by, for example, reactive etching of a dry process. To achieve electrical insulation.
The fuel cell 101 has the same configuration as the fuel cell 100 of the first embodiment except that the porous silicon 3 and the cavity 14 are omitted, and the through-hole 15 is formed.
[0029]
In the fuel cell 101 configured as described above, hydrogen gas as a fuel is introduced from the fuel inlet 10 and supplied from each through hole 15 to the fuel-side catalyst layer 4 of each unit cell 106. Works the same as.
[0030]
Therefore, also in the second embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained.
In the first embodiment, the cell 106 is formed in a diaphragm shape, whereas in the second embodiment, the cavity 14 is omitted, so that the fuel pressure of the membrane constituting the cell 106 is reduced. And the durability is enhanced.
[0031]
In the second embodiment, the through-hole 15 is formed in a hollow shape. However, a sponge-like porous material is formed by electrochemical etching in fissic acid from the back surface of the silicon wafer 1 to the fuel-side catalyst layer 4. A silicon layer may be formed.
[0032]
Embodiment 3 FIG.
In the fuel cell 102 according to the third embodiment, as shown in FIG. 5, the fuel-side current collecting electrode 16 is interposed between the fuel-side catalyst layer 4 and the porous silicon 3, and the oxidant-side current collecting electrode 17 is formed on the oxidant-side catalyst layer 6 on the surface on the anti-electrolyte membrane side.
The fuel cell 102 has the same configuration as the fuel cell 100 of the first embodiment, except that the fuel-side current collecting electrode 16 and the oxidant-side current collecting electrode 17 are formed.
[0033]
Here, the fuel-side current collecting electrode 16 and the oxidant-side current collecting electrode 17 are films made of a conductive material, for example, metals such as titanium, chromium, nickel, aluminum, platinum, and gold, and alloys or silicides thereof. Materials such as carbon fiber are used. The fuel-side current collecting electrode 16 and the oxidant-side current collecting electrode 17 are provided with a large number of holes, so that hydrogen and air can be introduced into the fuel-side catalyst layer 4 and the oxidant-side catalyst layer 6. I have.
The fuel-side current collecting electrode 16 is formed by forming and patterning a film made of a conductive material prior to the step of forming the fuel-side catalyst layer 4. On the other hand, the oxidant-side current collecting electrode 17 is formed by forming and patterning a film made of a conductive material after the step of forming the oxidant-side catalyst layer 6 or the step of forming the insulator 8.
[0034]
According to the third embodiment, since the fuel-side current collecting electrode 16 and the oxidant-side current collecting electrode 17 are formed, the resistance values of the fuel-side catalyst layer 4 and the oxidant-side catalyst layer 6 can be reduced. As a result, the current value between the negative electrode 11 and the positive electrode 12 can be increased.
[0035]
In the third embodiment, the fuel-side current collecting electrode 16 and the oxidant-side current collecting electrode 17 are formed. However, one of the fuel-side current collecting electrode 16 and the oxidant-side current collecting electrode 17 is formed. It may be formed.
In the third embodiment, the fuel-side current collecting electrode 16 and the oxidant-side current collecting electrode 17 are formed in the fuel cell 100 according to the first embodiment. Alternatively, the fuel-side current collecting electrode 16 and the oxidant-side current collecting electrode 17 may be formed.
[0036]
Embodiment 4 FIG.
In the fuel cell 103 according to the fourth embodiment, as shown in FIG. 6, instead of the porous silicon 3, a porous silicon / fuel collecting electrode 20 is formed.
The other configuration is the same as that of the first embodiment.
[0037]
After the step of FIG. 2B, the porous silicon / fuel collecting electrode 20 is doped with impurities such as phosphorus or boron from the silicon nitride film removed region 30 to the silicon wafer 1 to reduce the resistance value. Thereafter, the silicon wafer 1 is electrochemically etched in hydrofluoric acid to form porous silicon at a depth of 1 μm to 100 μm in the silicon nitride film removed region 30. There is no thermal oxide film on the surface and inside of the porous silicon / fuel collecting electrode 20, and the silicon surface appears. Further, a thermal oxide film 2c is formed on the entire inner surface of the cavity 14 to enhance the electrical insulation between the porous silicon / fuel collecting electrode 20 and the silicon wafer 1.
[0038]
According to the fourth embodiment, the fuel-side current collecting electrode 16 becomes unnecessary, and the manufacturing process can be simplified and the mass productivity can be improved as compared with the third embodiment.
[0039]
In the fourth embodiment, the porous silicon / fuel collecting electrode 20 is formed by doping or diffusing impurities such as phosphorus and boron to positively reduce the resistance value of the porous silicon layer. However, the surface of the porous silicon 3 and the internal silicon surface in the first embodiment may be exposed to provide a current collecting function, and may be used as the porous silicon / fuel collecting electrode.
[0040]
Embodiment 5 FIG.
In the fuel cell 104 according to the fifth embodiment, as shown in FIG. 7, at least one fuel outlet 18 is formed in the sealing cap 9.
The other configuration is the same as that of the first embodiment.
[0041]
Therefore, according to the fifth embodiment, fuel is introduced from the fuel inlet 10 and discharged from the fuel outlet 18. Therefore, a liquid fuel such as methanol can be used as the fuel, and the range of choice of the fuel is widened.
[0042]
In each of the above embodiments, the fuel cell is described as forming a unit cell series structure in which five unit cells 106 are connected in series on the silicon wafer 1. The number of the cells 106 constituting the body is appropriately set according to the specification of the output voltage. That is, a mobile phone requires a power source of about 4 V and a notebook personal computer requires a power source of about 11 V or more, and the number of cells 106 is set so that a required voltage is obtained in accordance with these electric devices.
Further, in each of the above embodiments, the unit cell series structure is described as having the unit cells 106 arranged in one row, but the unit cells 106 are arranged in a matrix on the silicon wafer 1. Then, the unit cells 106 may be connected in series.
In each of the above embodiments, the unit cell 106 is described as having a size of 3 mm × 3 mm. However, since the present invention uses the same technology as the IC manufacturing process, The width and length of the 106 can be reduced to the order of several tens of μm. Furthermore, the unit cells 106 can be connected in series up to several hundred levels, and a small and thin flat fuel cell capable of obtaining a voltage of 100 V or more can be realized.
[0043]
【The invention's effect】
As described above, the present invention provides a silicon wafer, a plurality of porous silicons formed on the surface of the silicon wafer at a distance from each other, and an insulating film formed on a porous silicon non-formation region on the surface of the silicon wafer. A fuel-side catalyst layer formed on each of the plurality of porous silicon, an electrolyte film formed on the fuel-side catalyst layer, and an oxidant-side catalyst layer formed on the electrolyte film And a plurality of cavities formed below the unit cell formation region of the silicon wafer from the back surface side to the porous silicon, and a plurality of cavities joined to the back surface of the silicon wafer. And a sealing cap formed with a fuel inlet for introducing fuel into the fuel introducing space, wherein the plurality of cells are different. The fuel-side catalyst layer of one unit cell and the oxidant-side catalyst layer of the other unit cell are electrically connected in series via a barrier layer made of an ion-impermeable conductive material. And the exposed portions of the fuel-side catalyst layer and the electrolyte membrane from the oxidant-side catalyst layer are buried in the insulator, so that a thin, compact, high-voltage fuel cell can be obtained.
[0044]
Further, a silicon wafer, an insulating film formed on the surface of the silicon wafer, a fuel-side catalyst layer formed on the insulating film of the silicon wafer at a distance from each other, and a film formed on the fuel-side catalyst layer A plurality of single cells each including the formed electrolyte membrane and the oxidant-side catalyst layer formed on the electrolyte membrane, and the bottom of each unit cell formation region of the silicon wafer from the back side to the fuel-side catalyst layer. A plurality of through-holes formed therein, and a fuel introduction port joined to the back surface of the silicon wafer to form a fuel introduction space for the plurality of through-holes and a fuel introduction port for introducing fuel into the fuel introduction space. A sealing cap, wherein the plurality of cells are formed of an ion-impermeable conductive layer between the fuel-side catalyst layer of one of the unit cells and the oxidant-side catalyst layer of the other unit cell. Barrier layer made of material Since the exposed portions of the fuel-side catalyst layer and the electrolyte membrane from the oxidant-side catalyst layer are buried in the insulator, they are thin, small, and compact. A fuel cell having excellent voltage durability can be obtained.
[0045]
A step of forming a plurality of porous silicon layers on the surface of a (100) oriented silicon wafer at a distance from each other, and thermally oxidizing the surfaces of the silicon wafer and the porous silicon; Forming a cavity by etching the silicon wafer from the back side of the silicon wafer to the porous silicon, so that the cavity forming process is easy, and a thin, small, high-voltage fuel suitable for mass production. A method for manufacturing a battery is obtained.
[0046]
Further, a material solution is applied to the surface side of the silicon wafer by spin coating or screen printing, and the applied film is patterned by etching or lift-off to form at least one of a fuel-side catalyst layer, an electrolyte membrane, and an oxidant-side catalyst layer. Therefore, a method for manufacturing a thin, compact, high-voltage fuel cell suitable for mass production can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view showing a fuel cell according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 2 is a process sectional view illustrating the method for manufacturing the fuel cell according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 3 is a process sectional view illustrating the method for manufacturing the fuel cell according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 4 is a sectional view showing a fuel cell according to Embodiment 2 of the present invention.
FIG. 5 is a sectional view showing a fuel cell according to Embodiment 3 of the present invention.
FIG. 6 is a sectional view showing a fuel cell according to Embodiment 4 of the present invention.
FIG. 7 is a sectional view showing a fuel cell according to Embodiment 5 of the present invention.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 1 silicon wafer, 2a insulating film, 3 porous silicon, 4 fuel-side catalyst layer, 5 electrolyte film, 6 oxidant-side catalyst layer, 7 barrier layer, 8 insulator, 9 sealing cap, 9a recess (fuel introduction space ), 10 fuel inlet, 14 cavity, 15 through hole, 16 fuel-side current collecting electrode, 17 oxidant-side current collecting electrode, 18 fuel outlet, 20 porous silicon and fuel-side current collecting electrode, 100, 101, 102 , 103, 104 fuel cells.
