JP2018139186A - 燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】少ないエネルギで電解質膜を昇温することのできる燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料電池１０は、基板８と、電解質膜６と、第１及び第２電極膜５、７と、絶縁膜３とヒータ４を備えている。基板８には、燃料ガスが通る窪み９が設けられている。電解質膜６は窪み９の開口を覆っている。絶縁膜３は、電解質膜６の一方の面を覆っているとともに、電解質膜６に達する貫通孔３ａを備えている。第１電極５は、貫通孔内で電解質膜６の一方の面に接しており、第２電極膜７は電解質膜６の他方の面に接している。ヒータ４は、貫通孔３ａに隣接する位置で絶縁膜３に配置されている。電解質膜６の近傍でヒータ４が電解質膜６を昇温する。
【選択図】図４
【解決手段】燃料電池１０は、基板８と、電解質膜６と、第１及び第２電極膜５、７と、絶縁膜３とヒータ４を備えている。基板８には、燃料ガスが通る窪み９が設けられている。電解質膜６は窪み９の開口を覆っている。絶縁膜３は、電解質膜６の一方の面を覆っているとともに、電解質膜６に達する貫通孔３ａを備えている。第１電極５は、貫通孔内で電解質膜６の一方の面に接しており、第２電極膜７は電解質膜６の他方の面に接している。ヒータ４は、貫通孔３ａに隣接する位置で絶縁膜３に配置されている。電解質膜６の近傍でヒータ４が電解質膜６を昇温する。
【選択図】図４
Description
本明細書が開示する技術は、燃料電池に関する。特に、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）の技術を適用するのに好適であるとともに、起動時に少ないエネルギで電解質膜を昇温することのできる燃料電池に関する。
燃料電池は、水素と酸素が反応するのに高温の環境を必要とする。水素と酸素が反応を開始すると、自己発熱により高温環境が維持される。しかし、燃料電池の起動時は、外部から熱エネルギを投入して高温環境を実現する必要がある。燃料電池の起動時に高温環境を実現するのに２つのタイプがある。一つは、水素燃料を昇温して電極へ送る方式であり、もう一つは、反応領域、即ち、２つの電極に挟まれた電解質膜を昇温する方式である。前者の例が特許文献１−３に開示されており、後者の例が特許文献４、５に開示されている。
一方、近年、エッチングなどの微細加工技術を使って超小型の燃料電池を製造する技術も提案されている（例えば、特許文献１、３）。エッチングなどの微細加工技術を使ってアクチュエータやセンサなどの超小型デバイスを製造する技術は、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術と呼ばれる。
燃料を昇温するタイプは、電解質膜とその両側の電極の積層体の他に昇温ユニットが必要となり、装置が大型化してしまう。電解質膜を昇温するタイプである特許文献４、５に開示された燃料電池は、電解質膜とその両側の電極の積層体の全体を昇温するようにヒータが配置されている。それゆえ、積層体を支える筐体などに熱が拡散するため、電解質膜を昇温するのに余計な熱エネルギを必要とする。即ち、電解質膜を迅速に昇温するには大きなエネルギが必要となる。本明細書は、ＭＥＭＳ技術を使って製造するのに適しているとともに、少ないエネルギで電解質膜を昇温することのできる技術を提供する。
本明細書が開示する燃料電池は、基板と、電解質膜と、絶縁膜と、第１及び第２電極と、ヒータを備えている。基板には、燃料ガスが通る窪みが設けられている。電解質膜は、基板の窪みを覆うように配置されている。絶縁膜は、電解質膜の一方の面を覆っているとともに、電解質膜に達する貫通孔を備えている。第１電極は、貫通孔内で電解質膜の一方の面に接している。第２電極は、電解質膜の他方の面に接している。ヒータは、貫通孔に隣接する位置で絶縁膜に配置されている。この燃料電池は、貫通孔の底に相当する電解質膜の領域で水素と酸素が反応する。その貫通孔に隣接する位置に配置されているヒータが、直近で電解質膜の反応領域を昇温する。すなわち、ヒータが電解質膜の反応領域を局所的に昇温する。それゆえ、少ないエネルギで電解質膜の反応領域を昇温することができる。
ヒータは、貫通孔に隣接する位置で絶縁膜内に埋設されていることが望ましい。高温になるヒータを露出させることなく絶縁膜内に埋設することで安全性が増す。また、ヒータを埋設するほどに絶縁膜を厚くすることで、絶縁膜の強度が高まり、電解質膜をより良く保護することができる。
絶縁膜は、電解質膜の窪みの反対側の面を覆っているとよい。ＭＥＭＳ技術を使って燃料電池を製造する場合、基板の窪みを覆うように電解質膜を形成し、その上（即ち、電解質膜の窪みの反対側の面）に絶縁膜を形成する方が、製造し易い。
絶縁膜は、複数の貫通孔を備えており、夫々の貫通孔内で電解質膜に対向するように第１電極が形成されているとよい。大きな一つの貫通孔よりも複数の貫通孔を備えることで、電解質膜を補強する絶縁膜の強度が高まり、燃料電池の信頼性が向上する。また、その場合、ヒータは、複数の貫通孔の列の両側を通過するように配策されているとよい。貫通孔の底に相当する反応領域を貫通孔の両側から素早く昇温することができる。
先に述べたように、本明細書が開示する燃料電池は、ＭＥＭＳ技術で製造することが好適である。ＭＥＭＳの微細加工技術を用いると、例えば、絶縁膜に設けられた貫通孔の最大幅（貫通孔が円形の場合はその直径であり、貫通孔が矩形である場合は長辺が最大幅に相当する）が１［ｍｍ］未満のサイズとなる。本明細書が開示する燃料電池をＭＥＭＳ技術によって製造する場合、そのような燃料電池は「ＭＥＭＳ型燃料電池」を称してもよい。
絶縁膜は、例えば、シリコン窒化膜、または、シリコン窒化膜とシリコン酸化膜の多層膜で良い。本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。
図面を参照して実施例の燃料電池を説明する。図１に、燃料電池１０を含む燃料電池システム１００のブロック図を示す。燃料電池システム１００は、電解質膜と電極の積層体を含む燃料電池１０に、周辺機器を加えたものである。
燃料電池１０は、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）である。燃料電池１０の詳細な構造は後に図２−図４を参照して説明する。燃料電池１０の燃料である水素は、水素ガスカートリッジ２１に蓄えられる。水素ガスカートリッジ２１と燃料電池１０は燃料供給パイプ２２で接続されている。燃料供給パイプ２２の途中には減圧弁２３が取り付けられている。燃料供給パイプ２２の先端は、燃料電池１０の燃料供給口２４に接続されている。水素ガスカートリッジ２１の中の高圧の水素は、減圧弁２３で適切な圧力に減圧されて燃料電池１０に供給される。燃料電池１０の内部で水素のほとんどは外気の酸素と反応して水に変化する。このときに電子（即ち電力）が生成される。燃料電池１０の内部で酸素と反応した水（及び生成される二酸化炭素）と、反応に寄与しなかった残水素は、排出口２５から排出される。排出口２５には、排出パイプ２６が接続されており、水と二酸化炭素と残水素は、排出パイプ２６を通じて燃料電池システム１００の外部へ排出される。なお、排出パイプ２６の途中には燃料封止弁２７が備えられている。酸素を含む外気は、大気吸入パイプ２８を通じて燃料電池１０に供給される。大気吸入パイプ２８の途中には開閉弁２９が取り付けられている。
反応後の外気は、大気排出パイプ３０を通じて外部へ放出される。大気排出パイプ３０の途中には、封止弁３１が取り付けられている。
固体酸化物型燃料電池は（ＳＯＦＣ）は、固体電解質膜を高温にすることで水素と酸素が反応し、電力が生成される。生成された電力は出力線３５を通じて負荷装置３６（あるいは二次電池）に送られる。燃料電池１０が高温になるため、ヒートシンク３２が燃料電池１０の筐体に取り付けられている。後述するように燃料電池１０には電解質膜を局所的に昇温するヒータが備えられており、小型電池３３からヒータへ電力が供給される。コントローラ３４が、減圧弁２３や燃料封止弁２７などの弁や、小型電池３３を制御する。図１では、コントローラ３４から各デバイスへ延びる信号線は図示を省略してある。
燃料電池１０の斜視図を図２に示す。燃料電池１０は、シリコン基板８に形成されている。シリコン基板８は、２枚の基板（上基板８ａ、下基板８ｂ）を貼り合わせたものである。図２では隠れて見えないが、上基板８ａには、複数の貫通孔が設けられている。貫通孔は、上基板８ａの下側からエッチングで形成される。下基板８ｂには、上基板８ａの貫通孔に燃料ガスを導く燃料流路１２が設けられている。燃料流路１２の一端が先に述べた燃料供給口２４に相当し、他端が排出口２５に相当する。下基板８ｂは、貫通孔の下側を塞ぐカバーでもある。図２の上面側が空気極側である。空気極側には外気を誘導するカバーが取り付けられるが、図２ではそのカバーの図示は省略してある。
図２では隠れて見えないが、シリコン基板８には、複数の窪みが設けられている。窪みは、上基板８ａに設けられた貫通孔と、その貫通孔の底を塞ぐ下基板８ｂで形成される。窪みについては、後に図３を参照して改めて説明する。
シリコン基板８に設けられた窪みは、固体の電解質膜６で覆われる。電解質膜６の上に第１電極膜５が形成されている。図２では電解質膜６に隠れて見えないが、電解質膜６の下には第２電極膜が形成されている。本実施例の燃料電池１０では、第１電極膜５が空気極（正極）に対応し、第２電極膜が燃料極（負極）に対応する。
シリコン基板８の上面には、電力を取り出す出力電極１３ａ、１３ｂが備えられている。出力電極１３ａ（正極）は、ケーブルにて第１電極膜５と接続されている。図２では隠れて見えないが、出力電極１３ｂは、シリコン基板８（上基板８ａ）の内部を通り、電解質膜６の下側に位置する第２電極膜と接続されている。
第１電極膜５の上に絶縁膜３が形成されている。絶縁膜３には、シリコン基板８の窪みに対向する位置に複数の貫通孔３ａが設けられている。図２では、右上の一つの貫通孔にのみ符号３ａを付し、残りの貫通孔には符号を省略した。
絶縁膜３の内部には、ヒータ４が埋設されている。ヒータ４は、通電により発熱する高抵抗の導電線である。ヒータ４は、貫通孔３ａの側方を通過するように絶縁膜３に埋設されている。符号１４は、ヒータ４の入力端子であり、この入力端子１４に、図１に示した小型電池３３が接続される。
図２の破線IIIが示す範囲の平面図を図３に示す。図３では、理解を助けるために、絶縁膜３をグレーで示してある。図３のIV―IV線に沿った燃料電池１０の断面図を図４に示す。図３において、破線９がシリコン基板８に設けられた窪みを示している。本実施例では、一つの窪み９の開口に対向するように、絶縁膜３に１２個の貫通孔３ａが設けられている。図３では、右上の貫通孔にのみ符号３ａを付し、他の貫通孔には符号を省略した。また、先に述べたように、絶縁膜３と電解質膜６（図２参照）の間には、第１電極膜５が挟まれている。図３の平面視では、貫通孔３ａの内側に第１電極膜５が見える。図３では、右上の貫通孔３ａの内側に見える第１電極膜にのみ、符号５を付し、他の貫通孔３ａの内側に見える第１電極膜には符号を省略した。第１電極膜５は、電解質膜６に接している。また、図３では見えないが、第１電極膜５とは反対側で、電解質膜６に第２電極膜７が接している。
図２において複数の貫通孔３ａが設けられた範囲であって破線IIIが示す範囲のほかの範囲も図３、図４と同様の構造を有している。即ち、基板８には複数の窪み９が設けられており、夫々の窪み９の開口を電解質膜６が覆っている。そして、電解質膜６の窪み９とは反対側を絶縁膜３が覆っており、その絶縁膜３には、窪み９と対向する範囲に複数の貫通孔３ａが設けられている。貫通孔３ａの内側で第１電極膜５が電解質膜６に接しており、第１電極膜５とは反対側で第２電極膜７が電解質膜６に接している。以下では、窪み９の開口部を覆っている複合膜（電解質膜６と第１電極膜５と第２電極膜７と絶縁膜３の複合膜）をダイアフラムと称する場合がある。
先に述べたように、絶縁膜３には、貫通孔３ａの横を通過するようにヒータ４が埋設されている。図３に示されているように、ヒータ４は細長い線状であり、複数の貫通孔３ａの列を両側から挟み込むように配策されている。ヒータ４は、電解質膜６と第１電極膜５と第２電極膜７の積層体をそのごく近傍で昇温する。シリコン基板８に形成された窪み９の径（図４における窪み９の幅）は、大きくても数ｍｍ以下であり、絶縁膜３の貫通孔３ａの径は、大きくても１ｍｍ未満である。そのような微細な範囲にヒータ４が通過しており、ヒータ４は少ない電力で電解質膜６と第１電極膜５と第２電極膜７の積層体を反応可能温度（例えば数百度）まで昇温することができる。
図４に示されているように、シリコン基板８の内部の燃料流路１２を通じて窪み９に水素ガス（燃料ガス）が供給される。水素ガスは、第２電極膜７に触れるように、窪み９に満たされる。電解質膜６と第１電極膜５と第２電極膜７の積層体は、ヒータ４により反応可能温度まで昇温されている。第１電極膜５（空気極）の側から酸素イオンが電解質膜６を通過し、第２電極膜７（燃料極）の側へ到達すると、水素や一酸化炭素が酸素イオンと反応し、水と二酸化炭素が生成される、この際に放出される電子が電力となって出力される。
酸素と水素の反応が始まると発熱により反応が継続する。燃料電池１０の起動時は、ヒータ４により電解質膜６と第１電極膜５と第２電極膜７の積層体を昇温する。先に述べたように、ヒータ４は、直近で積層体の昇温することができるので、少ないエネルギで素早く積層体を昇温することができる。
絶縁膜３は、シリコン基板８の窪み９に対応する範囲で、複数の貫通孔３ａを備えている。別言すれば、絶縁膜３は、窪み９に対応する範囲で格子状である。格子状の絶縁膜３は、薄い電解質膜６に接合しており、窪み９の開口を覆う電解質膜６の強度を担保する役割も果たす。
図５Ａ〜図５Ｉを使って図４の燃料電池１０の製造方法、及び、電極等の材料について説明する。燃料電池１０は、エッチングなどの微細加工技術（ＭＥＭＳ技術）を使って製造される。燃料電池１０は、ＭＥＭＳ型燃料電池と称することができる。なお、図２、図４に示した下基板８ｂについては製造方法の説明を割愛する。
まず、シリコン基板（上基板８ａ）の上面（第１主面）に、薄膜の電解質膜６を成膜する（図５Ａ）。電解質膜６は、アパタイト系珪酸ランタン（ＬＳＯ、ランタンシリケート）、あるいは、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、ランタンガレート（ＬａＧａＯ３）などの薄膜が良い。電解質膜６の厚みは、１０［ｎｍ］〜２０００［ｎｍ］程度である。
電解質膜６の上に、第１電極膜５（空気極）を成膜する（図５Ｂ）。第１電極膜５は、触媒と集電効果を有する金属であり、例えば、プラチナ（Ｐｔ）、ニッケル合金（Ｃｒ／Ｎｉ）やプラチナ合金（Ｎｉ／Ｐｔ、Ｔｉ／Ｐｔ、Ｃｒ／Ｐｔ）などの金属薄膜である。あるいは、第１電極膜５は、上記の金属粒子が担持された導電性膜（例えば導電性セラミック膜）であってもよい。第１電極膜５は、多孔質構造（ポーラス構造）を有する。このため、ガス（酸素）が電極膜の中を通り、電解質膜６まで到達することができ、電解質膜６の表面で金属膜の触媒反応によってガスがイオン化し、そのイオンが電解質膜６を通過する。なお、第１電極膜５（空気極）は、導電性の酸化物半導体膜であってもよい。
次に、第１電極膜５の上に絶縁膜３ｅを成膜する（図５Ｃ）。ここでは、完成品の燃料電池１０における絶縁膜３よりも薄く成膜する。絶縁膜３ｅ（絶縁膜３）の材料としては、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜、またはそれらの積層構造が望ましい。ダイアフラム（電解質膜６と第１電極膜５と第２電極膜７と絶縁膜３の複合膜）の強度を保つため、絶縁膜３は、引張応力が加わった状態で成膜されるのがよい。
次に、絶縁膜３ｅを覆うように、ヒータ４の元となる導電膜４ｅを成膜する（５Ｄ）。そしてヒータ４として残したい範囲にレジストマスク５１を形成し、レジストマスク５１以外の範囲の導電膜４ｅをドライエッチング又はウェットエッチングにより除去する(図５Ｅ）。ヒータ４の厚みは、１０［ｎｍ］〜２０００［ｎｍ］程度である。ヒータ４の材料は、例えば、プラチナ（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）、チタン（Ｔｉ）と窒化チタン（ＴｉＮ）の積層膜、ニッケルクロム（ＮｉＣｒ）、シリコンの薄膜などが好ましい。
次に、ヒータ４を覆うように、絶縁膜を追加成膜する（図５Ｆ）。絶縁膜は、ヒータ４の下に予め成膜された絶縁膜３ｅと一体になり、絶縁膜３ｆとなる。このときの絶縁膜３ｆも、窪み９を覆うダイアフラムの強度を補助するために全体として引張応力が加わった状態で成膜されるのがよい。
次に、貫通孔３ａの予定範囲を除いてレジストマスク５２を形成し、ドライエッチングあるいはウェットエッチングにより絶縁膜３ｆの一部を除去し、貫通孔３ａを形成する（５Ｇ）。
次に、上基板８ａの反対側の面（第２主面）の側からドライエッチングあるいはウェットエッチングを施し、窪み９を形成する。上基板８ａの反対側の面のうち、窪み９の予定範囲を除いてレジストマスク５３を形成し、ドライエッチングあるいはウェットエッチングを施し、窪み９を形成する(図５Ｈ）。
そして、上基板８ａの裏側（第２主面側）に、第２電極膜７（燃料極）を成膜する（図５Ｉ）。第２電極膜７は、窪み９の内側、即ち、電解質膜６の窪み９を向く面にも形成される。第２電極膜７は、触媒と集電効果を有する金属であり、例えば、プラチナ（Ｐｔ）、ニッケル合金（Ｃｒ／Ｎｉ）やプラチナ合金（Ｎｉ／Ｐｔ、Ｔｉ／Ｐｔ、Ｃｒ／Ｐｔ）などの金属薄膜である。あるいは、第２電極膜７は、上記の金属粒子が担持された導電性膜（例えば導電性セラミック膜）であってもよい。第２電極膜７も、多孔質構造（ポーラス構造）を有する。
以下、燃料電池２の変形例を説明する。以下の説明では、図２、図４で示した下基板８ｂについては説明を割愛する。
（第１変形例）第１変形例の燃料電池１０ａを説明する。図６は、第１変形例の燃料電池１０ａの断面図である。先の燃料電池１０では、ヒータ４は絶縁膜３に埋設されていた。変形例の燃料電池１０ａでは、ヒータ４は、絶縁膜１０３の上に配策されている。高温になるヒータ４は、図４のように絶縁膜３に埋設されていることが安全上は好ましいが、絶縁膜１０３の上に配策されていてもよい。また、絶縁膜３を、ヒータ４を埋設するほどに厚くすることで、電解質膜６を保護する役割としての絶縁膜３の強度が高まる。なお、図６の符号１０３ａは、絶縁膜１０３に設けられた複数の貫通孔を示している。
（第２変形例）第２変形例の燃料電池１０ｂを説明する。図７は、第２変形例の燃料電池１０ｂの断面図である。先の燃料電池１０では、絶縁膜３は、基板８の窪み９とは反対側で電解質膜６を覆っており、その絶縁膜３にヒータ４が埋設されていた。第２変形例の燃料電池１０ｂでは、絶縁膜３とヒータ４に加え、窪み９の側でも別の絶縁膜２０３が電解質膜６を覆っている。別の絶縁膜２０３には、絶縁膜３の貫通孔３ａと対向するように貫通孔２０３ａが設けられている。そして、絶縁膜２０３には、貫通孔２０３ａに隣接するように別のヒータ２０４が埋設されている。この変形例では、２つのヒータ４、２０４が、電解質膜６を両側から加熱するので、電解質膜６をより早く昇温することができる。また、電解質膜６の両面に接している絶縁膜３、２０３は、電解質膜６をより強固に保護する。
（第３変形例）第３変形例の燃料電池１０ｃを説明する。図８は、第３変形例の燃料電池１０ｃの部分平面図である。図９は、図７のIX−IX線に沿った断面図である。先の実施例の燃料電池１０では、電解質膜６と絶縁膜３の間に第１電極膜５が成膜されていた。第３変形例の燃料電池１０ｃでは、電解質膜６の上に、貫通孔３０３ａを有する絶縁膜３０３が成膜され、その上に第１電極膜３０５が成膜される。図８では、薄いグレーでハッチングを施した範囲が第１電極膜３０５を表している。第１電極膜３０５は、貫通孔３０３ａの内側では、実施例の燃料電池１０と同じく電解質膜６に接している。第１電極膜３０５は、貫通孔３０３ａの内側面と、絶縁膜３０３の上面も覆っている。
また、第１電極膜３０５は、基板８を平面視したときの窪み９の大きさと概ね同じ大きさである。第１電極膜３０５は、隣りの窪みを覆っている別の第１電極膜と、細い接続導電線６１で接続される。第１電極膜３０５の範囲を窪み９に対応する内側の範囲に限定することで、第１電極膜３０５を通じて拡散する熱を抑えることができる。その結果、電解質膜６を効率良く昇温することができるようになる。
図１０Ａ〜図１０Ｇを使って第３実施例の燃料電池１０ｃの製造方法を説明する。まず、シリコン基板（上基板８ａ）の上面（第１主面）に、薄膜の電解質膜６を成膜する（図１０Ａ）。次に、電解質膜６の上に絶縁膜３０３ｅを成膜する（図１０Ｂ）。ここでは、完成品の燃料電池１０ｃにおける絶縁膜３０３よりも薄く成膜する。次に、絶縁膜３０３ｅを覆うように、ヒータ４の元となる導電膜を成膜する。そしてヒータ４として残したい範囲にレジストマスク５１を形成し、レジストマスク５１以外の範囲の導電膜をドライエッチング又はウェットエッチングにより除去し、ヒータ４を形成する(図１０Ｃ）。次に、ヒータ４を覆うように、絶縁膜を追加成膜する（図１０Ｄ）。絶縁膜は、ヒータ４の下に予め成膜された絶縁膜３０３ｅと一体になり、絶縁膜３０３ｆとなる。
次に、貫通孔３０３ａの予定範囲を除いてレジストマスク５２を形成し、ドライエッチングあるいはウェットエッチングにより絶縁膜３０３ｆの一部を除去し、貫通孔３０３ａを形成する（１０Ｅ）。次に、絶縁膜３０３の上から第１電極膜３０５（空気極）を成膜する。このとき、第１電極膜３０５が不要な範囲にはレジストマスク５３を形成しておく。第１電極膜３０５は、貫通孔３０３ａの内部では、電解質膜６の上に成膜される（図１０Ｆ）。
次に、上基板８ａの反対側の面（第２主面）の側からドライエッチングあるいはウェットエッチングを施し、窪み９を形成する。上基板８ａの反対側の面のうち、窪み９の予定範囲を除いてレジストマスク５４を形成し、ドライエッチングあるいはウェットエッチングを施し、窪み９を形成する(図１０Ｇ）。そして、上基板８ａの裏側（第２主面側）に、第２電極膜７（燃料極）を成膜する（図１０Ｈ）。第２電極膜７は、窪み９の内側、即ち、電解質膜６の窪み９を向く面にも形成される。
（第４変形例）図１１、図１２を参照して第４変形例の燃料電池１０ｄを説明する。図１１は、燃料電池１０ｄを裏面側（第２主面側）からみた部分平面図である。図１２は、図１１のXII−XII線に沿った断面図である。第４変形例の燃料電池１０ｄでは、第１主面側の構造は先の第３変形例の燃料電池１０ｃと同じである。従って、図１２において電解質膜６より上側の構造は、図９と同じであり、図９と同じ符号を用いている。燃料電池１０ｄでは、第２電極膜４０７は、窪み９の内側に限定して設けられている。窪み９の外側、即ち、上基板４０８ａの第２主面には、別の導電膜４０９が形成されており、その別の導電膜４０９と第２電極膜４０７は、幅の狭い連結導電膜４１０で電気的に接続されている。他の窪みにも、窪み内に限定された第２電極膜４０７が形成されている。それらの第２電極膜４０７も、幅の狭い連結導電膜４１０で別の導電膜４０９と電気的に接続される。第２電極膜を窪みの内側に限定することで、第２導電膜を通じて拡散する熱を抑えることができる。
（その他の実施例）実施例では基板８に設けた窪み９は平面視で矩形であったが、窪み９の平面視の形状は矩形に限られない。窪み９の形状は円、楕円、あるいは多角形であってもよい。同様に、絶縁膜３に設けられた貫通孔３ａの平面視における形状も矩形に限られない。貫通孔３ａの平面視における形状も、円、楕円、あるいは、多角形であってもよい。
ヒータは、絶縁膜に埋設されていることが望ましいが、これに限られず、絶縁膜の上に露出していてもよい。絶縁膜とヒータは、電解質膜の窪みとは反対側に備えられることが好ましいが、電解質膜の窪みの側に備えられてもよい。
実施例では窪み９の反対側で電解質膜６に接している第１電極膜５が空気極であり、窪み９の側で電解質膜６に接している第２電極膜７が燃料極であった。これとは逆に、窪みの反対側で電解質膜６に接している第１電極膜が燃料極であり、窪みの側で電解質膜に接している第２電極膜が空気極であってもよい。
（燃料電池システムの用途）燃料電池システム１００は、種々の用途に用いることができる。本発明によれば、燃料電池システムを小型にできる。かつ、発電に必要な温度に昇温する部位は、熱容量の小さなダイアフラムであるため、発電に必要なオン時間が短くなり、短時間にオンオフを繰り返すことが可能となる。よって、例えば、図１３に示すように、燃料電池システム１００は、充電ケーブル８０を介してタブレット等のモバイル機器８２に接続可能な、充電器として用いることができる。この場合、モバイル機器８２が備えるバッテリ８４と、モバイル機器８２の電力負荷と、燃料電池システム１００を、電気的に並列に接続し、切り替えスイッチによって電力の供給先を切替可能な構成とすることで、燃料電池システム１００によって、バッテリ８４の充電を行なうこともできるし、モバイル機器８２の電力負荷に電力を供給することもできる。
あるいは、図１４に示すように、燃料電池システム１００は、電力によって駆動する小型のモビリティ８６（例えばシニアカー）に搭載されるサブバッテリとして用いることができる。この場合、燃料電池システム１００は、電力供給線８８を介して、モビリティ８６が備えるバッテリ９０に接続される。この場合、モビリティ８６が備えるバッテリ９０と、モビリティ８６のモータ９２と、燃料電池システム１００を、電気的に並列に接続し、切り替えスイッチによって電力の供給先を切替可能な構成とすることで、燃料電池システム１００によって、バッテリ９０の充電を行なうこともできるし、モータ９２に電力を供給することもできる。
あるいは、図１５に示すように、燃料電池システム１００は、電力によって駆動する歩行支援ロボット９４のサブバッテリとして用いることができる。この場合、燃料電池システム１００は、電力供給線９６を介して、歩行支援ロボット９４が備えるバッテリ９８に接続される。この場合、歩行支援ロボット９４が備えるバッテリ９８と、歩行支援ロボット９４のモータ９９と、燃料電池システム１００を、電気的に並列に接続し、切り替えスイッチによって電力の供給先を切替可能な構成とすることで、燃料電池システム１００によって、バッテリ９８の充電を行なうこともできるし、モータ９９に電力を供給することもできる。
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
３、３ｅ、３ｆ、１０３、２０３、３０３：絶縁膜 ３ａ、２０３ａ、３０３ａ：貫通孔 ４、２０４：ヒータ ４ｅ：導電膜 ５、３０５：第１電極膜 ６：電解質膜 ７、４０７：第２電極膜 ８：シリコン基板 ８ａ、４０８ａ：上基板 ８ｂ：下基板 ８ｃ：凸部 ９：窪み １０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ：燃料電池 １２：燃料流路 １３ａ、１３ｂ：出力電極 １４：入力端子 ２１：水素ガスカートリッジ ２２：燃料供給パイプ ２３：減圧弁 ２４：燃料供給口 ２５：排出口 ２６：排出パイプ ２７：燃料封止弁 ２８：大気吸入パイプ ２９：開閉弁 ３０：大気排出パイプ ３１：封止弁 ３２：ヒートシンク ３３：小型電池 ３４：コントローラ ３５：出力線 ３６：負荷装置 ５１、５２、５３、５４：レジストマスク ６１：接続導電線 ８０：充電ケーブル ８２：モバイル機器 ８４：バッテリ ８６：モビリティ ８８：電力供給線 ９０：バッテリ ９２：モータ ９４：歩行支援ロボット ９６：電力供給線 ９８：バッテリ ９９：モータ １００：燃料電池システム
Claims (7)
- 燃料ガスが通る窪みが設けられている基板と、
前記窪みの開口を覆っている電解質膜と、
前記電解質膜の一方の面を覆っているとともに、前記電解質膜に達する貫通孔を備えている絶縁膜と、
前記貫通孔内で前記電解質膜の前記一方の面に接している第１電極と、
前記電解質膜の他方の面に接している第２電極と、
前記貫通孔に隣接する位置で前記絶縁膜に配置されているヒータと、
を備える燃料電池。 - 前記ヒータは、前記貫通孔に隣接する位置で前記絶縁膜内に埋設されている、請求項１に記載の燃料電池。
- 前記絶縁膜は、前記電解質膜の前記窪みの反対側の面を覆っている、請求項１又は２に記載の燃料電池。
- 前記絶縁膜は、複数の前記貫通孔を備えており、夫々の貫通孔内で前記電解質膜に接するように前記第１電極が形成されている、請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池。
- 前記ヒータは、複数の前記貫通孔の列の両側を通過するように配策されている、請求項４に記載の燃料電池。
- 前記貫通孔の最大幅が１ｍｍ未満であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池。
- 前記絶縁膜は、シリコン窒化膜、または、シリコン窒化膜とシリコン酸化膜の多層膜である、請求項１から６のいずれか１項に記載の燃料電池。
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