JP2005100834A - 燃料電池用容器および燃料電池ならびに電子機器 - Google Patents

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で小型堅牢であり、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、高効率な発電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】 燃料電池用容器は、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、凹部の底面から基体６の外面にかけて形成された第１流体流路８と、凹部の底面に一端が配設され、他端が基体６の外面に導出された第１配線導体１０と、基体６の凹部の周囲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の下面に一端が配設され、他端が蓋体７の外面に導出された第２配線導体１１とを有し、第１流体流路８および第２流体流路９の少なくとも一方が、電解質部材３側の一端の開口幅が他端の開口幅よりも大きくなっている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電解質部材を収容する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ならびに電子機器に関する。

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。

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カメラ等の出力が数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。

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（カソード）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（アノード）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（Ｈ_２）が供給され、一方、空気極には、大気中の酸素ガス（Ｏ_２）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。

具体的には、燃料極に水素ガス（Ｈ_２）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。

３Ｈ_２ → 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（Ｏ_２）とが反応して水（Ｈ_２Ｏ）が生成される。

６Ｈ^＋＋３／２Ｏ_２＋６ｅ⁻ → ３Ｈ_２Ｏ ・・・（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（Ｈ_２Ｏ）のみとなる。

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、商品名「ナフィオン」デュポン社製）等が用いられている。

図４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。

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。

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。
特開２００１−２６６９１０号公報 特表２００１−５０７５０１号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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成すことができる信頼性の高い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。

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配線導体とを具備しており、前記第１流体流路および前記第２流体流路の少なくとも一方が、前記電解質部材側の一端の開口幅が他端の開口幅よりも大きいことを特徴とする。

また、本発明の燃料電池用容器は、上記構成において、第１流体流路および前記第２流体流路の少なくとも一方が、その断面積が前記電解質部材に向かうに伴って漸次大きくなっていることを特徴とする。

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前記電解質部材を収容して、前記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。

本発明の電子機器は、電源として上記本発明の燃料電池を有していることを特徴とする。

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、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。

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。

そして、本発明の燃料電池用容器は、第１流体流路および前記第２流体流路の少なくとも一方が、電解質部材側の一端の開口幅が他端の開口幅よりも大きいことから、第１配線導体と第１電極との接触部および第２配線導体と第２電極との接触部の面積を小さくして、基体および蓋体を電解質部材に圧着させる際に、第１配線導体と第１電極との接触部および第２配線導体と第２電極との接触部に加わる単位面積辺りの荷重を大きくすることができ、接続信頼性を向上させることができる。その結果、基体および蓋体に加える荷重を小さくしても、第１配線導体および第２配線導体を第１電極および第２電極に良好に接触させることができ、基体および蓋体にクラックや割れが発生するのを有効に防止することができる。

また、第１電極および第２電極に空気および燃料ガスが接触する面積を大きくすることができるので、空気および燃料ガスの電気化学反応を促進させ、発電効率を高いものとすることができる。

本発明の燃料電池用容器は、第１流体流路および第２流体流路の少なくとも一方が、その断面積が電解質部材に向かうに伴って漸次大きくなっていることから、基体および蓋体を電解質部材に圧着させる際に、基体および蓋体に加える荷重を第１配線導体と第１電極との接触部および第２配線導体と第２電極との接触部に良好に集力させることができるとともに、第１流体流路の周辺および第２流体流路の周辺に発生する応力を有効に分散させることができ、基体や蓋体にクラックや割れが発生するのを有効に防止することができる。

また、第１流体流路および第２流体流路の壁面が滑らかであるので、空気や燃料ガスを滞留させることなく第１流体流路および第２流体流路を通して第１電極および第２電極に効率よく拡散させて効果的に供給することができ、発電効率を非常に高いものとすることができる。

本発明の燃料電池は、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成すことができる信頼性の高い燃料電池を得ることができる。

本発明の電子機器は、電源として本発明の燃料電池を有していることから、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，低背で、かつ長期にわたり安定して作動させることのできる安全性や利便性に優れた電子機器を得ることができる。

また、電源として有している燃料電池に、基体および蓋体の少なくとも一方に、外部接続用端子（正極端子および負極端子）を具備させると、電子機器の回路基板に容易に電気的接続が可能となり、着脱が自在となる。そのため、特殊な安全設備を備えた施設等によることなく、容易に燃料電池を新しいものと取り替えることができ、電子機器の利便性を高いものとすることができる。

さらに、燃料電池用容器の基体の内部にメタライズ法等により金属層を種々の形状，電気特性で形成することができるので、基体の内部に、抵抗やキャパシタンスやインダクタンス等として機能する電子回路素子を形成することができる。従って、例えば、燃料電池に平行して、大容量のキャパシタを形成することで、燃料電池から出力される電流が不足する状態となった場合、不足する電流分が補填されて目標出力電流に応じた電流供給を確保することが可能である。また、昇圧回路を形成することができるため、電子機器に必要な電圧を確保することが可能である。

本発明の燃料電池用容器および燃料電池を添付図面に基づき以下に詳細に説明する。

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。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は開口形状である。

本発明における電解質部材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。

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、例えば商品名「ナフィオン」（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。

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。

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（Ａｌ_２Ｏ_３）質焼結体、ムライト（３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２）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（Ｓｉ_３Ｎ_４）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。

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ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系，ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３系，ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３−ＭＯ系（但し、ＭはＣａ，Ｓｒ，Ｍｇ，ＢａまたはＺｎを示す），ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｍ^１Ｏ−Ｍ^２Ｏ系（但し、Ｍ^１およびＭ^２は同一または異なってＣａ，Ｓｒ，Ｍｇ，ＢａまたはＺｎを示す），ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｍ^１Ｏ−Ｍ^２Ｏ系（但し、Ｍ^１およびＭ^２は上記と同じである），ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ｍ^３ _２Ｏ系（但し、Ｍ^３はＬｉ，ＮａまたはＫを示す），ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｍ^３ _２Ｏ系（但し、Ｍ^３は上記と同じである），Ｐｂ系ガラス，Ｂｉ系ガラス等が挙げられる。

また、フィラー成分としては、例えばＡｌ_２Ｏ_３，ＳｉＯ_２，ＺｒＯ_２とアルカリ土類金属酸化物との複合酸化物、ＴｉＯ_２とアルカリ土類金属酸化物との複合酸化物、Ａｌ_２Ｏ_３およびＳｉＯ_２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。

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、エポキシ樹脂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。

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。

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法、マイクロドリルによる穴あけ法、レーザ光照射よる穴あけ法等により、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。

このとき、セラミックグリーンシートに形成される第１流体流路８および第２流体流路９の少なくとも一方について、セラミックグリーンシートの一方の主面から他方の主面に向けて３５〜７０度の角度θで広がるように形成する。これにより、第１流体流路８および第２流体流路９の少なくとも一方は、断面積が電解質部材３側に向かうに伴って漸次大きくなるような開口形状１２とすることができる。

このような開口形状１２を金型により形成するための打ち抜き方法としては、打ち抜き金型のパンチ（棒状の打ち抜き型）の径よりもダイスの貫通孔の径が大きく成るように隙間（クリアランス）を設定すればよく、これにより、打ち抜き時の出口側が入口側よりも大きくなる貫通孔を形成できる。例えばセラミックグリーンシートの厚みが０．５ｍｍ程度の場合であれば、上記の打ち抜きピンの外面とダイスの貫通孔の内面とのクリアランスを０．２〜０．５ｍｍ程度とすればよい。そうすることにより角度θを３５〜７０度とすることができる。なお、角度θが３５度未満であると、流路の内壁をそのような角度θで安定かつ効率良く形成することが困難となる傾向にある。

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、Ａｌ_２Ｏ_３を３〜２０質量部，Ｎｂ_２Ｏ_５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、貫通導体としてのビア導体を形成する。

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。

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ビ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、グラビ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。

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。

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、強度が低下しがちなため、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。

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。

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、第１配線導体１０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以上突出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φ（直径）５０μｍ以上の径とすることが好ましい。

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、第２配線導体１１を第２電極５に接触させやすいように蓋体７の凹部の底面より、１０μｍ以上突出するように形成するのが望ましい。この突出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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

そして、本発明においては、第１流体流路８および第２流体流路９の少なくとも一方が、電解質部３材側の一端の開口幅が他端の開口幅よりも大きくなっている。これにより、第１配線導体１０と第１電極４との接触部および第２配線導体１１と第２電極５との接触部の面積を小さくして、基体６および蓋体７を電解質部材３に圧着させる際に、第１配線導体１０と第１電極４との接触部および第２配線導体１１と第２電極５との接触部に加わる単位面積辺りの荷重を大きくすることができ、接続信頼性を向上させることができる。その結果、基体６および蓋体７に加える荷重を小さくしても、第１配線導体１０および第２配線導体１１を第１電極４および第２電極５に良好に接触させることができ、基体６および蓋体７にクラックや割れが発生するのを有効に防止することができる。

さらに、第１電極４および第２電極５に空気および燃料ガスが接触する面積を大きくすることができるので、空気および燃料ガスの電気化学反応を促進させ、発電効率を高いものとすることができる。

また、本発明において、好ましくは、第１流体流路８および第２流体流路９の少なくとも一方が、その断面積が電解質部材３に向かうに伴って漸次大きくなっている。これにより、基体６および蓋体７を電解質部材３に圧着させる際に、基体６および蓋体７に加える荷重を第１配線導体１０と第１電極４との接触部および第２配線導体１１と第２電極５との接触部に良好に集力させることができるとともに、第１流体流路８の周辺および第２流体流路９の周辺に発生する応力を有効に分散させることができ、基体６や蓋体７にクラックや割れが発生するのを有効に防止することができる。

さらに、第１流体流路８および第２流体流路９の壁面が滑らかであるので、空気や燃料ガスを滞留させることなく第１流体流路８および第２流体流路９を通して第１電極４および第２電極５に効率よく拡散させて効果的に供給することができ、発電効率を非常に高いものとすることができる。

また、第１流体流路８または第２流体流路９の内壁に、吸湿材が被着されていても良く、電解質部材３において電気化学反応で生成した水蒸気や水等をこの吸湿材により吸収し除去することができるため、空気の流路となる第１および第２流体流路８、９の閉塞を効果的に防止することができる。そのため、第１および第２電極４、５の電極の表面が水（Ｈ_２Ｏ）で覆われることを効果的に防止することができ、第１および第２流体流路８、９を通して大気中から酸化ガスとして空気を効果的に供給することができるため、電解質部材３での電気化学反応を促進することができ高効率な発電を行なうことが可能となる。

上記吸湿材としては、シリカゲル、アルミナ、白土、活性炭、紙、木紛等の水（Ｈ_２Ｏ）を吸収しやすい材料を用いればよいが、特にシリカゲル、アルミナ、白土等の無機粉末は、粉砕等により粉末の大きさを調整することによって水（Ｈ_２Ｏ）の吸収面積を調節しやすいため、所望の吸湿特性を得やすい点で好ましいものである。

吸湿材を第１流体流路８および第２流体流路９の内壁に被着させる場合、第１および第２流体流路８、９を通して大気中から酸化ガスとして空気の流れの均一性を保つうえで、全ての第１および第２流体流路８、９に吸湿材を被着するのがよく、また、吸湿材の厚みは、酸化ガスとしての空気を供給する際に圧力損失の影響を小さくする必要があるため、第１および第２流体流路８、９の横断面での開口面積に対して１０％以下の面積となる厚みが好ましい。

さらに、空気の流れにより吸湿材からの水分の蒸発を促進するためにも、第１および第２流体流路８、９の内壁全体に吸湿材を被着することが好ましい。これにより、本発明の燃料電池用容器２および燃料電池１を、例えば携帯用の直接形メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）等の小型タイプのものに使用する場合、例えばメタノール１０ｍｌで数十時間の運転が可能となるとともに、その際の水（Ｈ_２Ｏ）の生成量としてもメタノール１ｇの消費に対して１ｍｌと微量となる。そのため、吸湿材が吸収した水（Ｈ_２Ｏ）は、ファンを用いた送風によって十分蒸発させることが可能な水分量となり、連続運転に差し支えないものとなる。

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。

次に、上記の燃料電池１を電源として有する本発明の電子機器について説明する。

本発明の電子機器は電源として上記のような燃料電池１を有していることから、以上のような本発明の燃料電池用容器２による特長を備えた、小型，低背で、かつ長期にわたり安定して作動させることのできる安全性や利便性に優れた電子機器を得ることができる。

また、電源として有している燃料電池１に、基体６および蓋体７の少なくとも一方に、外部接続用端子（正極端子および負極端子）を具備させると、電子機器の回路基板に容易に電気的接続が可能となり、着脱が自在となる。そのため、特殊な安全設備を備えた施設等によることなく、容易に燃料電池１を新しいものと取り替えることができ、電子機器の利便性を高いものとすることができる。

さらに、燃料電池用容器２の基体６の内部にメタライズ法等により金属層を種々の形状，電気特性で形成することができるので、基体６の内部に、抵抗やキャパシタンスやインダクタンス等として機能する電子回路素子を形成することができる。従って、例えば、燃料電池１に平行して、大容量のキャパシタを形成することで、燃料電池１から出力される電流が不足する状態となった場合、不足する電流分が補填されて目標出力電流に応じた電流供給を確保することが可能である。また、昇圧回路を形成することができるため、電子機器に必要な電圧を確保することが可能である。

なお、このように基体６の内部に、抵抗やキャパシタンスやインダクタンスを形成する場合には、基体６はガラスセラミックスから成ることが好ましい。

そして、本発明の電子機器としては、具体的には携帯電話，ＰＤＡ（Personal Digital Assistants），デジタルカメラやビデオカメラ，ゲーム機などの玩具等の携帯型電子機器、また、ノート型ＰＣ（パーソナルコンピュータ）をはじめとするポータブルなプリンター，ファクス，テレビ，通信機器，オーディオビデオ機器，扇風機等の各種家電製品，電動工具等の電子機器がある。

これらの電子機器は、近年、液晶表示装置等を用いた動画表示の機能を付加したものが使用されるようになってきている。このような動画表示は電源の消費が非常に大きいことから、従来の蓄電池を用いた電子機器では短時間で動作不能となるのに対し、本発明の電子機器は非常に長時間の電源を供給できる燃料電池１を搭載しており、動画表示を行なっても長時間の動作が可能となる。

例えば携帯電話の場合、中央処理装置（ＣＰＵ）と、制御部と、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）と、リードオンメモリ（ＲＯＭ）と、使用者により操作されたデータをＣＰＵに入力する入力部と、アンテナと、アンテナで受信された信号を復調して制御部に供給すると共に、制御部から供給された信号を変調してアンテナより送信させる無線部と、制御部からの鳴動信号に基づき鳴音するスピーカと、制御部からの制御により点灯、消灯あるいは点滅する発光ダイオード（ＬＥＤ）と、制御部から信号により情報の表示を行なう表示部と、制御部からの駆動信号により振動するバイブレータと、使用者の音声を音声信号に変換して制御部へ伝達し、制御部からの音声信号は音声に変換して出力する送受話部と、各部に電源を供給する電源部とから構成されており、その電源部に本発明の燃料電池１および燃料電池容器２が組み込まれることによって、燃料電池１および燃料電池容器２が、コンパクト性、簡便性および安全性に優れ、燃料の均等供給および高効率な電気接続による長時間の電源供給が可能となることから、携帯電話の小型、低背化および軽量化が可能となる。

また、近時の携帯電話が小型化、低背化の面では十分であることを考慮すると、このように燃料電池１を小型、低背化することよって生じたスペースに、例えば、カメラやビデオ等の電話機能以外の機能を有する電子部品を新たに組み込むことが可能となり、更なる多機能化を行なうことができる。

また、新たに電子部品を組み込む替わりに、衝撃吸収材や衝撃防止部材等を主要な電子回路を保護するようにして設けることもできる。この場合、落下等により携帯電話本体に衝撃が加わった際の耐衝撃性や、雨中での使用等の際の防水性などを従来よりも強固にし得る構造とすることもできる。

また、携帯電話本体内部の電気回路部を小さくすることが可能となることによって、携帯電話本体の外形への制約が少なくなり、例えば、携帯電話を老人や子供にとって握りやすい形状とすること等の意匠性に優れた外形状とすることが可能となる。

また、電源部の構造を上述のように燃料電池１および燃料電池容器２が着脱自在となる構造とした場合には、予備の燃料電池１および燃料電池容器２を準備しておけば、電池切れ等が発生した場合に容易に予備の燃料電池１および燃料電池容器２に交換、あるいは、燃料電池１を取り出して、燃料の補給や交換をすることができるので、継続して通話等を行うことができ、従来の蓄電池を電源として使用するもの等に比べて利便性に優れるものとなる。

また、交換された（使用済みの）燃料電池１は、燃料を補給することによりすぐに再利用できるので、充電に比べて使い勝手がよく、また資源を有効利用することも可能なものとなる。また、自然災害等による長期にわたる停電等の緊急時や屋外においても使用が可能となるという利点がある。

また、ノート型ＰＣ（パーソナルコンピュータ）の場合、パーソナルコンピュータ本体と、パーソナルコンピュータ本体に所定のデータを入力するためのキーボードとを納めた第１の筐体と、キーボードにより入力されたデータあるいはパーソナルコンピュータ本体により処理されたデータを表示するためのディスプレイを納めた第２の筐体とを備え、第２の筐体が第１の筐体に開閉可能に取り付けられており、さらに各部に電源を供給する電源部を第１の筐体に設けるという基本構成から成り、その電源部に燃料電池１および燃料電池容器２が組み込まれる。この場合、前述の携帯電話と同様に、本発明の電子機器に組み込まれる燃料電池１および燃料電池容器２が、コンパクト性、簡便性および安全性に優れ、燃料の均等供給および高効率な電気接続による長時間の電源供給が可能となることから、ノート型ＰＣ（パーソナルコンピュータ）本体の小型、低背化、軽量化および多機能化が可能となるとともに、ディスプレイの大型化や高解像度化に対応して、大きな電流を安定して、長期にわたって供給することも可能で、ディスプレイが見やすく、かつ携帯の際の重量や容積上の負担も少ない等の利便性の高いノート型ＰＣ（パーソナルコンピュータ）とすることができる。

また、電源部の構造を燃料電池１および燃料電池容器２が着脱自在となる構造とした場合には、予備の本発明の燃料電池１および燃料電池容器２を準備しておけば、屋外や旅客機等の移動体内等の２次電池のみで使用するような状況において、従来に比べ飛躍的に長時間の電源供給が可能となるという利点がある。また、このように公共の場で使用する場合にも、安全性に優れることから、制約を受けることなく使用することが可能な、極めて利便性に優れたものとなる。

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成す上で有効となる。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。

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。

また、図２に本発明の燃料電池用容器および燃料電池の実施の形態の他の例を断面図で示すように、第１流体流路８’および第２流体流路９’の少なくとも一方を、凹部の底面または蓋体７’の下面に電解質部材３の下側主面または上側主面に対向するように、同じ長さで同じ幅の溝状の複数の開口が等間隔で形成された開口部１３と、基体６’または蓋体７’の内部に形成された複数の開口の一端同士および他端同士をそれぞれ連結する連結部１４と、連結部１４の一方から基体６’または蓋体７’の外面にかけて形成された流体の導入部１５および他方から基体６’または蓋体７’の外面にかけて形成された流体の排出部（図示せず）とから構成するとともに、凹部を有する基体６’の凹部に電解質部材３を収容し、第１および第２電極４，５を第１および第２配線導体１０’，１１’にそれぞれ電気的に接続するようにしてもよい。

これによれば、流体の導入部１５と連結部１４とにより複数の溝状に形成された開口部１３への流体の供給が容易であり、開口部１３における複数の溝状の開口は同じ長さで同じ幅で等間隔で形成されているため、流体の流入速度が速い場合においても、導入部１５から排出部までの距離が短くなり、流路抵抗が小さくなる。その結果、電解質部材３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、大気中から酸化ガスとして供給した空気を出し入れした際、化学反応により生成した水（Ｈ_２Ｏ）を、連続的に乾燥除去することが可能となる。

また、図３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第３配線導体１６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ようにしてもよい。

これによれば、第１〜第３配線導体１０”，１１”，１６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、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。

（ａ）は本発明の燃料電池用容器を用いた燃料電池の実施の形態の一例を示す断面図、（ｂ）は（ａ）の燃料電池の要部拡大断面図である。 本発明の燃料電池用容器を用いた燃料電池の実施の形態の他の例を示す断面図である。 本発明の燃料電池用容器を用いた燃料電池の実施の形態の他の例を示す断面図である。 従来の燃料電池の断面図である。

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：開口形状
１３：開口部
１４：連結部
１５：導入部
１６：第３配線導体

Claims (4)

1. 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配線導体とを具備して成り、前記第１流体流路および前記第２流体流路の少なくとも一方が、前記電解質部材側の一端の開口幅が他端の開口幅よりも大きいことを特徴とする燃料電池用容器。
2. 前記第１流体流路および前記第２流体流路の少なくとも一方が、その断面積が前記電解質部材に向かうに伴って漸次大きくなっていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用容器。
3. 請求項１乃至請求項２記載の燃料電池用容器の前記凹部に前記電解質部材を収容して、前記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。
4. 電源として請求項３記載の燃料電池を有していることを特徴とする電子機器。

Images