JP2004247173A - 燃料電池用容器および燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】携帯電子機器用の燃料電池として、電解質部材を収納可能な、小型で堅牢であり、ガスの均等供給・容器内の温度勾配の均一化・高効率な電気接続が可能な信頼性のある燃料電池用容器および燃料電池を提供すること。
【解決手段】第１および第２電極４・５を有する電解質部材３を収容する凹部を有する基体６と、凹部の底面から外面にかけて形成された第１流体流路８と、凹部の底面から外面に導出された第１配線導体１０と、基体６の上面に取着される蓋体７と、蓋体７の下面から外面にかけて形成された第２流体流路９と、蓋体７の下面から外面に導出された第２配線導体１１と、凹部の底面の第１流体流路８の開口の周辺および蓋体７の下面の第２流体流路９の開口の周辺の少なくとも一方に形成された、電解質部材３の下側主面または上側主面を加熱する発熱体１２とを具備している燃料電池用容器２およびこれを用いた燃料電池１である。
【選択図】 図１
【解決手段】第１および第２電極４・５を有する電解質部材３を収容する凹部を有する基体６と、凹部の底面から外面にかけて形成された第１流体流路８と、凹部の底面から外面に導出された第１配線導体１０と、基体６の上面に取着される蓋体７と、蓋体７の下面から外面にかけて形成された第２流体流路９と、蓋体７の下面から外面に導出された第２配線導体１１と、凹部の底面の第１流体流路８の開口の周辺および蓋体７の下面の第２流体流路９の開口の周辺の少なくとも一方に形成された、電解質部材３の下側主面または上側主面を加熱する発熱体１２とを具備している燃料電池用容器２およびこれを用いた燃料電池１である。
【選択図】 図１
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
図６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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
〔特許文献１〕
特開２００１−２６６９１０号公報
〔特許文献２〕
特表２００１−５０７５０１号公報
【００１３】
【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。
【００１４】
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。
【００１５】
また、携帯電子機器に燃料電池２１を搭載するためには、従来の大型燃料電池用容器とは異なった、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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明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、前記凹部の底面の前記第１流体流路の開口の周辺および前記蓋体の下面の前記第２流体流路の開口の周辺の少なくとも一方に形成された、前記電解質部材の前記下側主面または前記上側主面を加熱する発熱体とを具備することを特徴とするものである。
【００２０】
また、本発明の燃料電池は、上記構成の本発明の燃料電池用容器の前記凹部に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電極を前記第１および第２配線導体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。
【００２１】
本発明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および第２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。
【００２３】
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。
【００２４】
また、凹部の底面の第１流体流路の開口の周辺および蓋体の下面の第２流体流路の開口の周辺の少なくとも一方に形成された、電解質部材の下側主面または上側主面を加熱する発熱体を具備したことにより、従来のガスセパレータと比較して、熱容量が小さく、また電解質部材に近接した領域に発熱体を設置しているため、電解質部材や電極を所望の温度に調整することに対し、応答性と制御性に優れた燃料電池とすることができる。また、効率的な化学反応のためには、電解質部材の温度を概ね８０〜１００℃に上げることが好ましいが、本発明の燃料電池用容器によれば、上記のような発熱体を具備していることから、燃料の温度を上昇させるための付加装置が不要であり、容易に温度を制御することができ、化学反応の効率を上げることが可能である。特に、メタノールを直接燃料とするＤＭＦＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）の燃料電池においては、供給される燃料によって電解質部材が冷却されるため、本発明の燃料電池用容器によれば、内蔵された発熱体が温度制御に特に効果を発揮し、さらには、小型化と携帯性に優れる燃料電池用容器となる。
【００２５】
また、空気極にて化学反応式（２）で生成される水が多孔質の電極に滞留すると、空気の供給が妨げられて化学反応の効率が低下するという問題が発生するが、本発明の燃料電池用容器によれば、発熱体を用いて滞留した水を蒸発させることができ、これにより、効率低下を抑制することが可能である。
【００２６】
さらには、ＤＭＦＣでは、燃料極（アノード）において、メタノールが電極のＰｔに付着して酸化反応を起こす際にＣＯが発生し、ＣＯがＰｔに吸着することにより電極電位が上がって、結果として取り出せる電位が減ってしまう問題（以下、ＣＯ被毒という）があるが、電極を高温にすることによりＣＯをＣＯ２に酸化させることができるので、ＣＯ被毒を抑制することが可能である。
【００２７】
また、本発明の燃料電池によれば、本発明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および第２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。
【００２８】
また、凹部の底面の第１流体流路の開口の周辺および蓋体の下面の第２流体流路の開口の周辺の少なくとも一方に形成された、電解質部材の下側主面または上側主面を加熱する発熱体を具備したことにより、供給される燃料（水素やメタノール）や空気（酸素）の濃度・流量や電解質部材温度や周囲の環境（温度・湿度）に応じて、電解質部材や電極の温度を制御することができ、効率よく化学反応を行ない、電極に滞留した水の除去やＣＯ被毒の回避を行なうことができるので、高い発電効率を有した燃料電池を得ることができる。
【００２９】
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。
【００３０】
【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。
【００３１】
図１は本発明の燃料電池用容器およびそれを用いた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。また、図２は、本発明の燃料電池用容器およびそれを用いた燃料電池について実施の形態の一例を示す上面図である。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、１２は発熱体である。なお、図２においては、蓋体７を透視した状態で内部の様子を示している。
【００３２】
電解質部材３は、板状の固体電解質である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および第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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
本発明の燃料電池用容器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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
基体６および蓋体７は、それぞれ厚みを薄くし、本発明の燃料電池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。
【００４０】
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製する。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および第２配線導体１１を配設するための貫通孔を形成する。
【００４１】
第１配線導体１０および第２配線導体１１は、酸化を防ぐために、タングステンもしくはモリブデンまたはこれらの合金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もしくはモリブデン粉末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。
【００４２】
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。
【００４３】
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および第２配線導体１１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。
【００４４】
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を得る。
【００４５】
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。
【００４６】
第１配線導体１０および第２配線導体１１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。
【００４７】
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に対向する第１流体流路８の開口の周辺に、好ましくは電解質部材３の第１電極４が接触する部位の面の全域に一端が配設され、他端が基体６の外面（図１に示す例では側面）に導出されて形成されている。これにより、電解質部材３の第１電極４の主面の第１流体流路８の開口と対向する部位を除く部位の全域と第１配線導体１０とを当接させて直接に接続することができ、電解質部材３の第１電極４と第１配線導体１０との接触面積が大きくとれることから電気抵抗の増大化および接触不良を有効に抑えることができ、高い発電効率を有した燃料電池を提供することができる。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、第１配線導体１０を第１電極４に当接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、印刷条件を厚くするように設定すればよい。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ようにしてもよく、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。
【００４８】
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に対向する第２流体流路９の開口の周辺に、好ましくは図２に示すように、電解質部材３の第２電極５が接触する部位の面の全域に一端が配設され、他端が蓋体７の外面（図１および図２に示す例では側面）に導出されて形成されている。これにより、電解質部材３の第２電極５の主面の第２流体流路９の開口と対向する部位を除く部位の全域と第２配線導体１１とを当接させて直接に接続することができ、電解質部材３の第２電極５と第２配線導体１１との接触面積が大きくとれることから電気抵抗の増大化および接触不良を有効に抑えることができ、高い発電効率を有した燃料電池を提供することができる。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、第２配線導体１１を第２電極５に当接させやすいように蓋体７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、印刷条件を厚くするように設定すればよい。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ようにしてもよく、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。
【００４９】
これら第１配線導体１０および第２配線導体１１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および第２配線導体１１と、第１配線導体１０および第２配線導体１１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および第２配線導体１１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。
【００５０】
そして、これら第１および第２配線導体１０・１１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および第２配線導体１０・１１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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
本発明の燃料電池用容器２および燃料電池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。
【００５４】
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、燃料電池１の信頼性を向上させることができる。
【００５５】
また、発熱体１２は、基体６の凹部の底面の第１流体流路８の開口の周辺および蓋体７の下面の第２流体流路９の開口の周辺の少なくとも一方に、電解質部材３の下側主面または上側主面を加熱するように形成されている。発熱体１２のパターンとしては、基体６の凹部の底面の第１流体流路８の開口の周辺および蓋体７の下面の第２流体流路９の開口の周辺に、図２に示すような直線状の帯状のもの、あるいは円弧状の帯状のもの、同心円状のものや渦巻き状のものなど、電解質部材３を均一に加熱できるパターン形状であれば種々の形状のパターンとすることができる。また、均熱性を改善するため、発熱体１２を複数のパターンに分割することも可能である。
【００５６】
発熱体１２には、金や銀，パラジウム，白金族の金属またはこれらの合金や、タングステン，チタン，窒化チタン，ニッケル等の高融点金属を使用することができる。また、発熱体１２には、金や銀，パラジウム，白金等の材質から成る給電部（図示せず）が形成され、この給電部に導通端子を押圧して接触させることにより、導通が確保されている。
【００５７】
さらに、電解質部材３の温度を変更したり、電解質部材３の温度が変動した場合に、発熱体１２の給電部に供給する電流量を制御することにより、電解質部材３に温度むらが発生することを防止し、さらには、電解質部材３の温度分布を均一にすることが可能となる。
【００５８】
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燃料電池１が得られる。
【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、図示していないが、電解質部材３の下側主面または上側主面を加熱する発熱体１２と基体６および蓋体７の外面との間に、多孔質のセラミック等の断熱部材や、空気や真空状態の中空部を断熱層として設けてもよい。これにより、作動温度までの温度上昇を短時間化でき、電解質部材３の温度制御をさらに効率的に行なうことが可能となる。さらに、燃料電池用容器２の表面の温度上昇を抑制することが可能となるので、携帯電子機器に燃料電池１を搭載するのに必要な、コンパクト性・簡便性・安全性に優れるものとなる。
【００６０】
また、図３および図４に本発明の燃料電池用容器およびそれを用いた燃料電池の実施の形態の他の例を図１と同様の断面図および図２と同様の上面図で示すように、第１流体流路８’や第２流体流路９’については、燃料電池１’全体を薄型化するため、基体６’または蓋体７’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り、さらには、流体流路８’・９’を流れる空気の流速を速くすることで、空気極にて滞留した水を発熱体１２’にて蒸発させるのと同時に、空気にて蒸気を除去させることが可能となり、さらに効果がある燃料電池用容器２’および燃料電池１’を得ることができる。
【００６１】
さらに、第１および第２配線導体１０’・１１’については、基体６’および蓋体７’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１’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１’となる。
【００６２】
さらにまた、基体６’の凹部の内部には、複数の電解質部材３を収容してこれらを第１および第２配線導体１０’・１１’により電気的に接続して全体として高電圧あるいは大電流の出力を得るようにしてもよい。
【００６３】
また、図５に本発明の燃料電池用容器およびそれを用いた燃料電池の実施の形態のさらに他の例を図１と同様の断面図で示すように、複数の凹部を有する基体６’’の凹部のそれぞれに電解質部材３を収容するとともに、隣接する凹部の端部間にわたって基体６’’に第３配線導体１３を、および蓋体７’’に第４配線導体１４を配設してこれらを電気的に接続することによって複数の電解質部材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、これら第３配線導体１３および第４配線導体１４により直列に接続された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ようにしてもよい。これによれば、第１〜第４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、複数の電解質部材３を任意に直列接続することができ、また図示していないが、並列接続することも可能である。そのため、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、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用容器２’’および燃料電池１’’となる。
【００６４】
【発明の効果】
本発明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および第２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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
また、凹部の底面の第１流体流路の開口の周辺および蓋体の下面の第２流体流路の開口の周辺の少なくとも一方に形成された、電解質部材の下側主面または上側主面を加熱する発熱体を具備したことにより、従来のガスセパレータと比較して、熱容量が小さく、また電解質部材に近接した領域に発熱体を設置しているため、電解質部材や電極を所望の温度に調整することに対し、応答性と制御性に優れた燃料電池とすることができる。また、燃料の温度を上昇させるための付加装置が不要であり、容易に温度を制御することができ、化学反応の効率を上げることが可能である。特に、メタノールを直接燃料とするＤＭＦＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）の燃料電池においては、供給される燃料によって電解質部材が冷却されるため、本発明の燃料電池用容器によれば、内蔵された発熱体が温度制御に特に効果を発揮し、さらには、小型化と携帯性に優れる燃料電池用容器となる。
【００６８】
また、発熱体を用いて、空気極にて生成して多孔質の電極に滞留した水を蒸発させることができ、これにより、効率低下を抑制することが可能である。
【００６９】
さらには、燃料極（アノード）におけるＣＯ被毒の問題を、電極を高温にすることによりＣＯをＣＯ２に酸化させることができるので、抑制することが可能である。
【００７０】
また、本発明の燃料電池によれば、本発明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および第２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の内部に一端が配設された第１および第２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。
【００７１】
また、本発明の燃料電池によれば、第１および第２流体流路は、電解質部材を挟んで、それぞれ容器の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。
【００７２】
さらに、供給される燃料（水素やメタノール）や空気（酸素）の濃度・流量や電解質部材温度や周囲の環境（温度・湿度）に応じて、電解質部材や電極の温度を制御することで、効率よく化学反応を行い、電極に滞留した水の除去、ＣＯ被毒の回避を行うことができるので、高い発電効率を有した燃料電池を得ることができる。
【００７３】
また、凹部の底面の第１流体流路の開口の周辺および蓋体の下面の第２流体流路の開口の周辺の少なくとも一方に形成された、電解質部材の下側主面または上側主面を加熱する発熱体を具備したことにより、供給される燃料（水素やメタノール）や空気（酸素）の濃度・流量や電解質部材温度や周囲の環境（温度・湿度）に応じて、電解質部材や電極の温度を制御することができ、効率よく化学反応を行ない、電極に滞留した水の除去やＣＯ被毒の回避を行なうことができるので、高い発電効率を有した燃料電池を得ることができる。
【００７４】
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】本発明の燃料電池用容器およびそれを用いた本発明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】本発明の燃料電池用容器およびそれを用いた本発明の燃料電池の実施の形態の一例を示す上面図である。
【図３】本発明の燃料電池用容器およびそれを用いた本発明の燃料電池の実施の形態の他の例を示す断面図である。
【図４】本発明の燃料電池用容器およびそれを用いた本発明の燃料電池の実施の形態の他の例を示す上面図である。
【図５】本発明の燃料電池用容器およびそれを用いた本発明の燃料電池の実施の形態のさらに他の例を示す断面図である。
【図６】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’、１’’：燃料電池
２、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、６’、６’’：基体
７、７’、７’’：蓋体
８、８’、８’’：第１流体流路
９、９’、９’’：第２流体流路
１０、１０’、１０’’：第１配線導体
１１、１１’、１１’’：第２配線導体
１２、１２’、１２’’：発熱体
１３：第３配線導体
１４：第４配線導体
【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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
図６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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
〔特許文献１〕
特開２００１−２６６９１０号公報
〔特許文献２〕
特表２００１−５０７５０１号公報
【００１３】
【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。
【００１４】
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。
【００１５】
また、携帯電子機器に燃料電池２１を搭載するためには、従来の大型燃料電池用容器とは異なった、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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明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、前記凹部の底面の前記第１流体流路の開口の周辺および前記蓋体の下面の前記第２流体流路の開口の周辺の少なくとも一方に形成された、前記電解質部材の前記下側主面または前記上側主面を加熱する発熱体とを具備することを特徴とするものである。
【００２０】
また、本発明の燃料電池は、上記構成の本発明の燃料電池用容器の前記凹部に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電極を前記第１および第２配線導体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。
【００２１】
本発明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および第２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。
【００２３】
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。
【００２４】
また、凹部の底面の第１流体流路の開口の周辺および蓋体の下面の第２流体流路の開口の周辺の少なくとも一方に形成された、電解質部材の下側主面または上側主面を加熱する発熱体を具備したことにより、従来のガスセパレータと比較して、熱容量が小さく、また電解質部材に近接した領域に発熱体を設置しているため、電解質部材や電極を所望の温度に調整することに対し、応答性と制御性に優れた燃料電池とすることができる。また、効率的な化学反応のためには、電解質部材の温度を概ね８０〜１００℃に上げることが好ましいが、本発明の燃料電池用容器によれば、上記のような発熱体を具備していることから、燃料の温度を上昇させるための付加装置が不要であり、容易に温度を制御することができ、化学反応の効率を上げることが可能である。特に、メタノールを直接燃料とするＤＭＦＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）の燃料電池においては、供給される燃料によって電解質部材が冷却されるため、本発明の燃料電池用容器によれば、内蔵された発熱体が温度制御に特に効果を発揮し、さらには、小型化と携帯性に優れる燃料電池用容器となる。
【００２５】
また、空気極にて化学反応式（２）で生成される水が多孔質の電極に滞留すると、空気の供給が妨げられて化学反応の効率が低下するという問題が発生するが、本発明の燃料電池用容器によれば、発熱体を用いて滞留した水を蒸発させることができ、これにより、効率低下を抑制することが可能である。
【００２６】
さらには、ＤＭＦＣでは、燃料極（アノード）において、メタノールが電極のＰｔに付着して酸化反応を起こす際にＣＯが発生し、ＣＯがＰｔに吸着することにより電極電位が上がって、結果として取り出せる電位が減ってしまう問題（以下、ＣＯ被毒という）があるが、電極を高温にすることによりＣＯをＣＯ２に酸化させることができるので、ＣＯ被毒を抑制することが可能である。
【００２７】
また、本発明の燃料電池によれば、本発明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および第２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。
【００２８】
また、凹部の底面の第１流体流路の開口の周辺および蓋体の下面の第２流体流路の開口の周辺の少なくとも一方に形成された、電解質部材の下側主面または上側主面を加熱する発熱体を具備したことにより、供給される燃料（水素やメタノール）や空気（酸素）の濃度・流量や電解質部材温度や周囲の環境（温度・湿度）に応じて、電解質部材や電極の温度を制御することができ、効率よく化学反応を行ない、電極に滞留した水の除去やＣＯ被毒の回避を行なうことができるので、高い発電効率を有した燃料電池を得ることができる。
【００２９】
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。
【００３０】
【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。
【００３１】
図１は本発明の燃料電池用容器およびそれを用いた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。また、図２は、本発明の燃料電池用容器およびそれを用いた燃料電池について実施の形態の一例を示す上面図である。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、１２は発熱体である。なお、図２においては、蓋体７を透視した状態で内部の様子を示している。
【００３２】
電解質部材３は、板状の固体電解質である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および第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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
本発明の燃料電池用容器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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
基体６および蓋体７は、それぞれ厚みを薄くし、本発明の燃料電池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。
【００４０】
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製する。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および第２配線導体１１を配設するための貫通孔を形成する。
【００４１】
第１配線導体１０および第２配線導体１１は、酸化を防ぐために、タングステンもしくはモリブデンまたはこれらの合金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もしくはモリブデン粉末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。
【００４２】
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。
【００４３】
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および第２配線導体１１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。
【００４４】
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を得る。
【００４５】
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。
【００４６】
第１配線導体１０および第２配線導体１１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。
【００４７】
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に対向する第１流体流路８の開口の周辺に、好ましくは電解質部材３の第１電極４が接触する部位の面の全域に一端が配設され、他端が基体６の外面（図１に示す例では側面）に導出されて形成されている。これにより、電解質部材３の第１電極４の主面の第１流体流路８の開口と対向する部位を除く部位の全域と第１配線導体１０とを当接させて直接に接続することができ、電解質部材３の第１電極４と第１配線導体１０との接触面積が大きくとれることから電気抵抗の増大化および接触不良を有効に抑えることができ、高い発電効率を有した燃料電池を提供することができる。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、第１配線導体１０を第１電極４に当接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、印刷条件を厚くするように設定すればよい。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ようにしてもよく、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。
【００４８】
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に対向する第２流体流路９の開口の周辺に、好ましくは図２に示すように、電解質部材３の第２電極５が接触する部位の面の全域に一端が配設され、他端が蓋体７の外面（図１および図２に示す例では側面）に導出されて形成されている。これにより、電解質部材３の第２電極５の主面の第２流体流路９の開口と対向する部位を除く部位の全域と第２配線導体１１とを当接させて直接に接続することができ、電解質部材３の第２電極５と第２配線導体１１との接触面積が大きくとれることから電気抵抗の増大化および接触不良を有効に抑えることができ、高い発電効率を有した燃料電池を提供することができる。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、第２配線導体１１を第２電極５に当接させやすいように蓋体７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、印刷条件を厚くするように設定すればよい。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ようにしてもよく、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。
【００４９】
これら第１配線導体１０および第２配線導体１１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および第２配線導体１１と、第１配線導体１０および第２配線導体１１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および第２配線導体１１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。
【００５０】
そして、これら第１および第２配線導体１０・１１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および第２配線導体１０・１１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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
本発明の燃料電池用容器２および燃料電池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。
【００５４】
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、燃料電池１の信頼性を向上させることができる。
【００５５】
また、発熱体１２は、基体６の凹部の底面の第１流体流路８の開口の周辺および蓋体７の下面の第２流体流路９の開口の周辺の少なくとも一方に、電解質部材３の下側主面または上側主面を加熱するように形成されている。発熱体１２のパターンとしては、基体６の凹部の底面の第１流体流路８の開口の周辺および蓋体７の下面の第２流体流路９の開口の周辺に、図２に示すような直線状の帯状のもの、あるいは円弧状の帯状のもの、同心円状のものや渦巻き状のものなど、電解質部材３を均一に加熱できるパターン形状であれば種々の形状のパターンとすることができる。また、均熱性を改善するため、発熱体１２を複数のパターンに分割することも可能である。
【００５６】
発熱体１２には、金や銀，パラジウム，白金族の金属またはこれらの合金や、タングステン，チタン，窒化チタン，ニッケル等の高融点金属を使用することができる。また、発熱体１２には、金や銀，パラジウム，白金等の材質から成る給電部（図示せず）が形成され、この給電部に導通端子を押圧して接触させることにより、導通が確保されている。
【００５７】
さらに、電解質部材３の温度を変更したり、電解質部材３の温度が変動した場合に、発熱体１２の給電部に供給する電流量を制御することにより、電解質部材３に温度むらが発生することを防止し、さらには、電解質部材３の温度分布を均一にすることが可能となる。
【００５８】
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燃料電池１が得られる。
【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、図示していないが、電解質部材３の下側主面または上側主面を加熱する発熱体１２と基体６および蓋体７の外面との間に、多孔質のセラミック等の断熱部材や、空気や真空状態の中空部を断熱層として設けてもよい。これにより、作動温度までの温度上昇を短時間化でき、電解質部材３の温度制御をさらに効率的に行なうことが可能となる。さらに、燃料電池用容器２の表面の温度上昇を抑制することが可能となるので、携帯電子機器に燃料電池１を搭載するのに必要な、コンパクト性・簡便性・安全性に優れるものとなる。
【００６０】
また、図３および図４に本発明の燃料電池用容器およびそれを用いた燃料電池の実施の形態の他の例を図１と同様の断面図および図２と同様の上面図で示すように、第１流体流路８’や第２流体流路９’については、燃料電池１’全体を薄型化するため、基体６’または蓋体７’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り、さらには、流体流路８’・９’を流れる空気の流速を速くすることで、空気極にて滞留した水を発熱体１２’にて蒸発させるのと同時に、空気にて蒸気を除去させることが可能となり、さらに効果がある燃料電池用容器２’および燃料電池１’を得ることができる。
【００６１】
さらに、第１および第２配線導体１０’・１１’については、基体６’および蓋体７’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１’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１’となる。
【００６２】
さらにまた、基体６’の凹部の内部には、複数の電解質部材３を収容してこれらを第１および第２配線導体１０’・１１’により電気的に接続して全体として高電圧あるいは大電流の出力を得るようにしてもよい。
【００６３】
また、図５に本発明の燃料電池用容器およびそれを用いた燃料電池の実施の形態のさらに他の例を図１と同様の断面図で示すように、複数の凹部を有する基体６’’の凹部のそれぞれに電解質部材３を収容するとともに、隣接する凹部の端部間にわたって基体６’’に第３配線導体１３を、および蓋体７’’に第４配線導体１４を配設してこれらを電気的に接続することによって複数の電解質部材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、これら第３配線導体１３および第４配線導体１４により直列に接続された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ようにしてもよい。これによれば、第１〜第４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、複数の電解質部材３を任意に直列接続することができ、また図示していないが、並列接続することも可能である。そのため、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、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用容器２’’および燃料電池１’’となる。
【００６４】
【発明の効果】
本発明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および第２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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
また、凹部の底面の第１流体流路の開口の周辺および蓋体の下面の第２流体流路の開口の周辺の少なくとも一方に形成された、電解質部材の下側主面または上側主面を加熱する発熱体を具備したことにより、従来のガスセパレータと比較して、熱容量が小さく、また電解質部材に近接した領域に発熱体を設置しているため、電解質部材や電極を所望の温度に調整することに対し、応答性と制御性に優れた燃料電池とすることができる。また、燃料の温度を上昇させるための付加装置が不要であり、容易に温度を制御することができ、化学反応の効率を上げることが可能である。特に、メタノールを直接燃料とするＤＭＦＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）の燃料電池においては、供給される燃料によって電解質部材が冷却されるため、本発明の燃料電池用容器によれば、内蔵された発熱体が温度制御に特に効果を発揮し、さらには、小型化と携帯性に優れる燃料電池用容器となる。
【００６８】
また、発熱体を用いて、空気極にて生成して多孔質の電極に滞留した水を蒸発させることができ、これにより、効率低下を抑制することが可能である。
【００６９】
さらには、燃料極（アノード）におけるＣＯ被毒の問題を、電極を高温にすることによりＣＯをＣＯ２に酸化させることができるので、抑制することが可能である。
【００７０】
また、本発明の燃料電池によれば、本発明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および第２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の内部に一端が配設された第１および第２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。
【００７１】
また、本発明の燃料電池によれば、第１および第２流体流路は、電解質部材を挟んで、それぞれ容器の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。
【００７２】
さらに、供給される燃料（水素やメタノール）や空気（酸素）の濃度・流量や電解質部材温度や周囲の環境（温度・湿度）に応じて、電解質部材や電極の温度を制御することで、効率よく化学反応を行い、電極に滞留した水の除去、ＣＯ被毒の回避を行うことができるので、高い発電効率を有した燃料電池を得ることができる。
【００７３】
また、凹部の底面の第１流体流路の開口の周辺および蓋体の下面の第２流体流路の開口の周辺の少なくとも一方に形成された、電解質部材の下側主面または上側主面を加熱する発熱体を具備したことにより、供給される燃料（水素やメタノール）や空気（酸素）の濃度・流量や電解質部材温度や周囲の環境（温度・湿度）に応じて、電解質部材や電極の温度を制御することができ、効率よく化学反応を行ない、電極に滞留した水の除去やＣＯ被毒の回避を行なうことができるので、高い発電効率を有した燃料電池を得ることができる。
【００７４】
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】本発明の燃料電池用容器およびそれを用いた本発明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】本発明の燃料電池用容器およびそれを用いた本発明の燃料電池の実施の形態の一例を示す上面図である。
【図３】本発明の燃料電池用容器およびそれを用いた本発明の燃料電池の実施の形態の他の例を示す断面図である。
【図４】本発明の燃料電池用容器およびそれを用いた本発明の燃料電池の実施の形態の他の例を示す上面図である。
【図５】本発明の燃料電池用容器およびそれを用いた本発明の燃料電池の実施の形態のさらに他の例を示す断面図である。
【図６】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’、１’’：燃料電池
２、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、６’、６’’：基体
７、７’、７’’：蓋体
８、８’、８’’：第１流体流路
９、９’、９’’：第２流体流路
１０、１０’、１０’’：第１配線導体
１１、１１’、１１’’：第２配線導体
１２、１２’、１２’’：発熱体
１３：第３配線導体
１４：第４配線導体
Claims (2)
- 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、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、前記凹部の底面の前記第１流体流路の開口の周辺および前記蓋体の下面の前記第２流体流路の開口の周辺の少なくとも一方に形成された、前記電解質部材の前記下側主面または前記上側主面を加熱する発熱体とを具備することを特徴とする燃料電池用容器。
- 請求項１記載の燃料電池用容器の前記凹部に電解質部材を収容して、該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電極を前記第１および第２配線導体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燃料電池。
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