JP3789913B2 - 燃料電池およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は薄膜燃料電池およびその製造方法に関する。

安全性、汚染物質の低排出性、発電形態の自由性等の要求から、燃料電池への関心が高まっている。燃料電池は一般的に、水素と酸素のように、燃料と酸化剤とを直に化合して、電気と水とを生成する電気化学装置である。燃料電池は、電解質、およびそれによって隔てられる燃料（水素）極と空気極とから構成される。固体酸化物形燃料電池の場合、燃料極において水素が酸化されてプロトンが生成され、それに伴って電子が放出される。放出された電子は外部負荷を通って空気極に流れる。空気極では、酸素分子が電子の働きで酸素イオンに還元され、これが電解質を介して燃料極に拡散しプロトンと反応して水を生成する（電解質の種類により、燃料極で発生したプロトンが電解質を介して空気極に拡散し、酸素イオンと反応して水を生成するものもある）。水素を燃料とする燃料電池は、有毒ガスを排出せず、静音性に優れる。また、８０％近い効率を示すという特長を有する。

薄膜燃料電池としては、電解質に固体電解質を用いる燃料電池が知られており、多くの場合、固体酸化物を電解質として採用している。電解質層は燃料極層と空気極層との間に挟まれており、それらの層構造は、化学蒸着法（ＣＶＤ）、燃焼ＣＶＤ（ＣＣＶＤ）、物理蒸着法（ＰＶＤ）、スクリーンプリント法、スラリー析出法、原子層析出法等のような技法を用いて微小規模で形成させることができる。また、それら薄膜電池を基板上に支持させることもできる。薄膜電池は、ポータブル電気機器および超小型電気機器等に応用されることが望ましい。

しかしながら、薄膜固体酸化物形燃料電池には、未だ解決されていない幾つかの問題点がある。例えば、その作動温度は高く、これにより問題が生じる。すなわち、燃料極層、空気極層、電解質層および基板層はそれぞれ異なる熱膨張係数を有する場合があり、その場合には熱サイクル中に各層は異なる割合で膨張、収縮する。このため、層に応力がかかり、亀裂が生じ、層間剥離が起こる。また、薄膜電池の最下層（基板層に接する層）にも当然反応ガスが到達する必要があり、薄膜電池の最下層まで反応ガスが到達できる経路が必要となる。

本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、熱歪みおよびガス供給路確保の問題を解決する薄膜燃料電池の製造法および該薄膜燃料電池を提供することにある。

本発明によれば、燃料電池の製造方法は、基板上に犠牲層を形成するステップ、犠牲層上に薄膜燃料電池を形成させ基板に接続するステップ、犠牲層を除去し薄膜燃料電池層と基板との間に反応ガス経路となる間隙を形成させるステップからなる。

本発明では、薄膜燃料電池がコネクタを介して自立して基板上に支持される。このため、燃料電池が基板のヒートシンク効果の影響を受け難く、結果として、燃料電池内の熱応力、亀裂および層間剥離の発生が抑えられる。また、基板への熱の流出が抑制され、燃料電池は高い作動温度を良好に維持できる。さらに、薄膜燃料電池と基板との間に反応ガスが流れる間隙があるため、燃料電池両極での反応が円滑に進行する。

本発明を実施する好ましい形態として、薄膜規模のシングルチャンバ固体酸化物形燃料電池装置の製造方法および該燃料電池装置が挙げられる。

該製造方法は図１のフローチャート１０で示される。まず、基板上に犠牲層が形成される（ブロック１２）。次に、犠牲層上に燃料電池が形成され（ブロック１４）、基板に接続される（ブロック１６）。その後、犠牲層が化学エッチングあるいは他の適当な方法によって除去され、燃料電池と基板との間に間隙が形成される（ブロック１８）。結果として、燃料電池はコネクタを介して基板上に支持され、それにより基板上に自立して存在する。

以下、各形成段階にある燃料電池装置２００を示す図２（ａ）〜（ｅ）および図３（ａ）〜（ｅ）を用いて、本発明の実施形態をより具体的に説明する。これらの図およびそれに付随する他の図からわかるように、本発明は燃料電池装置の製造方法だけでなく、燃料電池装置自体も対象にする。したがって、本発明の燃料電池装置の製造方法に関する実施形態についてなされる説明は、装置自体の実施形態を説明する際にも有用であり、またその逆の場合も同様である。

図２（ａ）および図３（ａ）は、基板２０４上に形成される犠牲層２０２を示す。犠牲層２０２は基板２０４の平坦な表面２０６上に形成される。犠牲層２０２は、蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ、ＣＣＶＤ、ＰＶＤ、スクリーンプリント法、スラリー析出法、原子層析出法等の当分野において周知の技法を用いて、基板２０４上に形成することができる。犠牲層２０２は、限定はしないが、たとえばＴｉ、Ｃｕ、Ａｌのような金属、ポリシリコン、Ｓｉ−Ｇｅのような半導体材料、シリコンおよびアルミニウムの酸化物、種々のスピンオンガラスからなる適切な材料から形成することができる。基板２０４は誘電体であることが好ましいが、電気的絶縁層を有する導体を用いることもできる。基板２０４は、限定はしないが、たとえば高温ステンレス鋼（酸化物層を有する）のような鋼板、チタン、あるいはチタンおよびアルミニウムの酸化物からなる適切な材料から形成することができる。好ましくは、熱およびエッチング等の処理技法の影響で変形および他の欠陥が起こりにくい材料を用いる。たとえば、比較的低コストで、かつ典型的な固体酸化物形燃料電池層と比較的等しい熱膨張係数を有する利点を活かして、アルミニウム酸化物（アルミナ）を基板２０４として用いることができる。

図２（ｂ）および図３（ｂ）によって最もわかりやすく示されるように、犠牲層２０２上に燃料極層２０８が形成される。燃料極層２０８は、適切な材料から作成され、当分野において周知の技法を用いて犠牲層２０２上に形成することができる。一例として、燃料極層２０８は、Ｎｉのような金属、Ｎｉ−イットリア安定化ジルコニア、ドープドセリア（たとえば、Ｃｅ_０．８Ｓｍ_０．２Ｏ_１．９、Ｃｅ_０．９Ｇｄ_０．１Ｏ_１．９）修飾Ｎｉ、Ｃｕのような金属／セラミック複合材（サーメット）からなる。燃料極層２０８は、蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ、ＣＣＶＤ、ＰＶＤ、スクリーンプリント法、スラリー析出法、原子層析出法等の方法で形成することができる。また、燃料極層２０８は高稠密のものでもよいが、多孔性であることがより好ましい。燃料極層２０８は基板表面２０６にコネクタを介して接合されるが、そのコネクタは燃料極層２０８と一体形成されたもの２１０であることが好ましい。ここで、「一体形成」とは、連続した、同じ物質から形成されることを意味する。したがって、燃料極層２０８と一体形成されたコネクタ２１０は、燃料極層２０８と同時に形成することができる。コネクタ２１０は、犠牲層２０２の一方のエッジ上に、基板表面２０６と接触するように形成されることが好ましい。

図２（ｃ）および図３（ｃ）は、燃料極層２０８上に形成される固体酸化物電解質層２１２を示す。電解質層２１２は、適当な材料から、周知の技法を用いて形成することができる。一例として、電解質層２１２は、イットリウムドープドジルコニア酸化物、あるいはＳｍもしくはＧｄドープドセリアのような酸素イオン伝導性セラミックから形成することができる。他の適当な材料は、限定はしないが、Ｌａ_０．９Ｓｒ_０．１Ｇａ_０．８Ｍｇ_０．２Ｏ_３のようなドープドペロブスカイト酸化物、ＢａＺｒＯ_３、ＳｒＣｅＯ_３およびＢａＣｅＯ_３のようなプロトン伝導性ペロブスカイト、ならびに他のプロトン交換セラミックを含む。電解質層２１２は、蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ、ＣＣＶＤ、ＰＶＤ、スクリーンプリント法、スラリー析出法、原子層析出法等の適切な方法で形成することができる。

図２（ｄ）および図３（ｄ）に最もわかりやすく示されるように、空気極層２１４は電解質層２１２上に形成される。空気極層２１４は多孔性であっても高稠密であってもよいが、多孔性であることが好ましい。空気極層２１４は、適切な材料から、周知の技法を用いて形成することができる。一例として、空気極層２１４は、Ａｇ化合物、サーメット等から形成することができる。他の適当な材料は、限定はしないが、Ｓｍ_０．５Ｓｒ_０．５ＣｏＯ_３、Ｂａ_０．８Ｌａ_０．２ＣｏＯ_３およびＧｄ_０．５Ｓｒ_０．５ＣｏＯ_３のようなドープドペロブスカイトが挙げられる。また、それらペロブスカイトのＢサイトが、Ｆｅ、Ｍｎ等でドープされる場合がある。空気極層２１４は、蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ、ＣＣＶＤ、ＰＶＤ、スクリーンプリント法、スラリー析出法、原子層析出法等の周知の技法で形成することができる。

空気極層２１４を基板表面２０６に接続するためにコネクタが形成されるが、それは空気極層２１４と一体形成されたもの２１６であることが好ましい。空気極コネクタ２１６および燃料極コネクタ２１０は、機械的な強度を有することに加えて、いずれも電子伝導性を有し、電気機器に電流を供給するための回路あるいは他の接続を介して、その電気機器に接続させることができる。

燃料極層２０８、電解質層２１２および空気極層２１４は全体として、燃料電池２１８を形成する。個々の層２０８、２１２および２１４については、燃料電池２１８内での配置は設計上の検討事項によって変更できる。たとえば、燃料極層２０８が最も上側にあり、空気極層２１４が間隙２２０に面する燃料電池２１８を形成できる。さらに、燃料電池２１８は、電子機器あるいは他の負荷で用いられる電流を収集するために燃料極および空気極に接続される集電体を有する。

図２（ｅ）および図３（ｅ）で示されるように、燃料電池２１８の形成後、犠牲層２０２が除去され、燃料電池２１８と基板表面２０６との間に間隙２２０が形成される。犠牲層２０２は、エッチングなどの適切な技法にて除去することができる。犠牲層２０２が除去されると、燃料電池２１８は基板表面２０６上に自立して存在しており、コネクタ２１０および２１６によってのみ支持される。よって、反応ガスは間隙２２０を通って、燃料極層２０８の底面２２２に到達することができる。

犠牲層２０２の厚みは、燃料電池２１８を良好に動作させるために、間隙２２０内に十分なガス流が生じる程度に厚いことが好ましい。燃料電池の作動温度、構成材料、燃料電池厚みにより、好適な厚みは異なる。一例として、０．１〜５００μｍの厚みの犠牲層が有用であり、より好ましくは０．１〜１００μｍであると考えられる。

燃料極層２０８、電解質層２１２、空気極層２１４の幅、長さおよび厚みは、たとえば、所望の電流および／または電圧レベル、利用可能な空間等の詳細な設計事項の要求どおりに、あるいはそれに相応しいものにすることができる。各層２０８、２１２および２１４の寸法は、燃料−空気混合物が燃料極層２０８および空気極層２１４と反応できるように最適化されることが好ましい。一般的に、燃料極層２０８、電解質層２１２および空気極層２１４の表面積は設計上許される限り最大とすることが望ましい。その厚みは、各層２０８、２１２、２１４の構成材料、面積、所望の電圧および／または電流などに応じて変更することができる。電解質層２１２に関しては、厚みが減少するのに応じてインピーダンスが線形に減少するため、一般的には薄い方が望ましいが、適度な機械的強度を持つ程度に厚くなければならない。燃料極層および空気極層は、所望の電圧および／または電流出力を得るために必要とされる燃料の分解および酸素の還元反応を促進するのに十分な触媒活性を与えるだけの厚み、また場合によっては適度な機械的強度を与えるだけの十分な厚みにしなければならない。各層の厚みは０．１〜５００μｍの範囲が好ましく、より好ましくは０．５〜１５μｍである。

図２（ｅ）によって示されるように、燃料電池装置２００を収容し、燃料電池装置２００との間で燃料および酸化剤ガスが行き来するための１つあるいは複数のポート（図示せず）を有するように、チャンバ２２４が設けられることが好ましい。チャンバ２２４は、使用形態によって、それに適した形状および構成をとることができる。一例として、チャンバ２２４は、基板内に形成されるチャネル、壁を互いに結合することにより構成される密閉容器等からなる。燃料電池２１８から電気機器２２８のような負荷に電流を供給するために、集電体２２６が設けられる。集電体は一般的に当分野において周知のものを使用できる。集電体は、燃料極層２０８および／または空気極層２１４と接触する金属製の繊維あるいはコードのような導電性物質からなる。図２（ｅ）の図面は概略的なものにすぎず、実際には、機械的に支持するために、コネクタ２１６および２１０に隣接して集電体２１６を配置することが好ましい。

固体酸化物形燃料電池２１８は、燃料極層２０８表面上で燃料が酸化されて陽イオンに、また空気極層２１４表面上で酸素分子が還元されて酸素イオン（陰イオン）になるときに機能する。燃料極層２０８および空気極層２１４は、それらの反応を促進するように、高い触媒作用を有する。電解質層２１２は、燃料極層２０８と空気極層２１４との間で陽イオンあるいは陰イオンのいずれかを輸送する役割を果たす。燃料電池２１８は、燃料極層２０８および空気極層２１４が、たとえば集電体２２６を介して電気機器２２８あるいは他の外部負荷と接続されるときに電流を発生する。

燃料電池２１８が自立して基板上に支持されることで、いくつかの利点が生まれる。たとえば、燃料電池２１８が間隙２２０によって基板２０４から分離されるので、基板２０４のヒートシンク効果の影響を受けない。結果として、燃料電池２１８内の熱に起因する応力、亀裂および層間剥離の発生が抑えられる。また、基板２０４への熱の流出が抑制され、燃料電池２１８は高い作動温度を良好に維持できる。

図２および図３においては、燃料電池構成を概略的にのみ表しており、実際の形状あるいは縮尺を表すことを意図していない。たとえば、図示されるような陰極層２１４のコネクタ２１６は例示的なものにすぎず、実際には、コネクタ２１６は図のように空間上に延長しない場合がある。さらに別の例として、コネクタ２１６は、燃料電池装置２００の燃料極コネクタ２１０とは異なる側に配置することもできる。しかしながら、電池層の柔軟性を高くするために、コネクタが２つ以上の異なる側に存在する場合よりも、１つの側に配置されることが好ましい。

図４は、犠牲層を除去する前の燃料電池４００の形状をさらに正確に表し、各層の位置関係を例示している。図４（ａ）は燃料電池装置４００の平面図であり、図４（ｂ）〜（ｄ）は、図４（ａ）で示される各線に沿った燃料電池の断面図である。犠牲層４０２が基板４０４上に、詳細には基板表面４０６上に堆積される。図示されるように、犠牲層４０２は、傾斜したエッジ４０８を有することが好ましい。エッジ４０８は３０°〜６０°の角度θを有し、熱的および機械的応力の集中を抑えるのに有効な形状を提供する。燃料極層４１０が犠牲層４０２上に堆積され、それと一体形成されたコネクタ４１２が、犠牲層４０２の傾斜のあるエッジ４０８上と、基板表面４０６とに接合される。図４（ａ）および（ｄ）によって最もわかりやすく示されるように、コネクタ４１２は、基板表面４０６に沿って延在し、さらに強い接合強度および支持強度を与えることが好ましい。

次に、電解質層４１４が燃料極層４１０上に堆積される。図４（ｂ）および（ｃ）の図によって示されるように、電解質層４１４は、燃料極コネクタ４１２を通り過ぎて基板表面４０６まで延在する一体形成されたコネクタ４１６を有する。次に、空気極層４１８が電解質層４１４上に堆積されるが、図４（ｂ）によって示されるように、空気極層４１８は、電解質コネクタ４１６を通り過ぎて基板表面４０６まで延在するコネクタ４２０を有する。

図４によって示されるように、電解質層４１４は、短絡を防止するため、燃料極層４１０が空気極層４１８と接触するのを防ぐように堆積されることが好ましい。たとえば、電解質層４１４は、図４（ｂ）および（ｃ）によって示されるように、燃料極層４１０の両方のエッジ４２２を包み込み、覆うことが好ましい。図４（ｂ）および（ｃ）では図示されないが、電解質層４１４はエッジ４２２に対して垂直なエッジをさらに覆うこともできる。また図４（ａ）によって示されるように、燃料電池４００は、空気極層４１８の外周が下側にある電解質層４１４の外周よりも小さく、さらに、その電解質層４１４の外周は下側にある燃料極層４１０の外周よりも大きく構成されることが好ましい。これは、燃料極層４１０および空気極層４１８が互いに接触するのを防ぐ利点を有する。

各層４１０、４１４および４１８の１つあるいは複数の層のコネクタは、図示されるコネクタに加えて、あるいはその代わりとして、犠牲層４０２の異なる側に配置することができる。一例として、燃料極層コネクタ４２０は、図４（ｂ）に示されるように左側下方に延在するのではなく、右側下方に延在することもできる。また他の実施形態として、層４１０、４１４あるいは４１８のうちの任意の１つあるいは２つの層からのコネクタ（複数可）のみにより支持することができ、残りの１つあるいは２つの層が支持層との結合を通して機械的に支持される形態でも良い。たとえば、燃料極層４１０からのコネクタ４１２を用いて燃料極層を支持層とすることができ、電解質層４１４および空気極層４１８が燃料極層４１０への結合を通してのみ支持されることが考えられる。また、燃料電池４００は、空気極層４１８が電解質層４１４の下側にあり、燃料極層４１０が最も上側にあるように配置できる。

２１８あるいは４００のような個々の燃料電池は比較的少量のエネルギーしか供給することができない。したがって、実際には、電気機器に必要な電圧および／または電流を供給するために、複数の燃料電池を並列あるいは直列に接続し組み合わせて用いることができる。以下、複数の燃料電池を含む燃料電池装置およびその製造方法の実施形態を図５を用いて説明する。図５（ａ）は、基板５０６の平坦な表面５０４上に形成される第１の犠牲層５０２を示す。その後、第１の燃料電池５０８が第１の犠牲層５０２上に形成される。燃料電池５０８は、自身を基板表面５０４に接合するコネクタ５１０を有する。犠牲層５０２、燃料電池５０８、およびコネクタ５１０は、蒸着法、スパッタリング法等の当分野における典型的な技法を用いて形成することができる。

便宜的に図５（ｂ）では燃料電池５０８が単一の要素として示されている。しかしながら、燃料電池５０８は、燃料極、空気極および電解質、ならびに集電体のような多数の個別の層を含む。さらに、コネクタ５１０は１つあるいは複数のコネクタを含むことができ、たとえば燃料極層と一体形成されたコネクタ、および／または空気極層と一体形成されたコネクタからなる。燃料電池５０８は、図２および図３の燃料電池２１８あるいは図４の燃料電池４００と寸法、形状および好ましい構成材料などが一致する。同様に、犠牲層５０２は、寸法、形状および好ましい構成材料が犠牲層２０２あるいは４０２に一致しているものとみなすことができる。

図５（ｃ）は第１の燃料電池５０８上に形成される第２の犠牲層５０２と第２の燃料電池５０８とを示す。図５（ｄ）は、第２の燃料電池５０８上に順に積層される複数の犠牲層５０２と燃料電池５０８とを示す。複数の個々の燃料電池はそれぞれコネクタ５１０によって基板表面５０４に接合される。その際、単一のコネクタ５１０を形成するために、所望の数の燃料電池を積層した後にコネクタを各燃料電池の燃料極および／または空気極と一体形成し接合してもよいし、あるいは燃料電池を１つ積み重ねる度にコネクタを接合してもよい。

所望の数の燃料電池５０８が形成された後に、犠牲層５０２が除去され、図５（ｅ）において５１２で示される燃料電池装置が残される。犠牲層５０２を除去した後に、各燃料電池５０８間に間隙５１４が形成され、結果として、燃料電池５０８が自立して基板上に支持される。犠牲層５０２は、エッチング等の当分野において典型的な技法を用いて除去することができる。犠牲層５０２は一度に１つずつ除去するか、多層を同時に除去することができる。

燃料電池装置５１２は、ガスを供給し、排気を排出するための少なくとも１つあるいは複数のポート５１８を有するチャンバ５１６等の密閉容器に収容されることが好ましい。チャンバ５１６は所望の構成をとることができる。また、燃料電池装置５１２から、電気機器５２２のような電気的負荷に電流を流すために集電体５１２が設けられることが好ましい。集電体５２０は一本の線として図示されているが、実際には、少なくとも２つの接続を含み、その１つが陰極層に、もう１つが陽極層に接続されなければならない。また、集電体５２０により、燃料電池装置５１２は電気機器５２２に直列にも並列にも接続することができる。本発明は、所望の電流および／または電圧を発生するため、任意の数の燃料電池５０８を用いて実施することができる。

燃料電池装置５１２が基盤上に自立して支持されることで、数多くの利点が生じる。たとえば、燃料電池５０８が基板５０６のヒートシンク効果の影響を受けにくくなるので、層間剥離、熱応力および亀裂を低減することができる。また、低コストで、熱的挙動が比較的良好である酸化アルミニウムのような基板を用いることができる点で有利である。燃料電池装置５１２の積層構造も、利便性、コンパクトな構成および経済性に関する利点を提供する。たとえば、複数の燃料電池５０８を、フットプリントを比較的小さくし、スタックを高くしながら、シングルチャンバ内に設けることができる。これはたとえば、燃料電池装置５１２を小型あるいは超小型の電気機器に適用するときに望ましい。さらに、燃料電池５０８は、間隙５１４によって基板５０６への熱の流出が抑制されるため高い作動温度を良好に維持することができる。

図６は、本発明の燃料電池装置の能力をさらに高め、高い作動温度を維持するのに有用な、さらに別の実施形態を表したものである。燃料電池装置６００は、前述の他の燃料電池と一致しているが、基板６０６の平坦な表面６０４上に反射層６０２が設けられている点が異なる。反射層６０２は、燃料電池６０８から放射されるか、あるいは別の態様で伝達される熱エネルギーから基板６０６を遮断するために有用である。これはたとえば、高温によって装置の性能に悪影響が及ぼされる電気機器において燃料電池装置６００を用いる際に有利である。反射層６０２は、赤外線（ＩＲ）反射性であることが好ましい。反射層は、燃料に対して触媒作用を発現せず、容易に酸化されず、比較的高い融点を有する金属からなるのが好ましく、Ａｕがその一例である。

反射層６０２は、基板６０６上に堆積され、その後、犠牲層が層６０２上に形成されることが好ましい。犠牲層が除去されるとき、反射層６０２が残され、基板６０６を断熱する。反射層６０２は、層形成のための典型的な技法を用いて形成することができ、たとえば、限定はしないが、それは蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ、ＣＣＶＤ、ＰＶＤ、スクリーンプリント法、スラリー析出法、原子層析出法等である。反射層６０２の好ましい厚みの範囲は、０．１〜１０μｍである。

以上、本発明の特定の実施形態が図示および記載されてきたが、本発明がこれら特定の実施形態に限定されず、他の形態へ変更、一部を置換および代替することも可能である。そのような変更、置換および代替は、特許請求の範囲によって決定される本発明の趣旨および範囲から逸脱することなくなされることができる。

本発明の種々の特徴は添付の特許請求の範囲に記載される。

本発明の燃料電池製造方法の好ましい実施形態を示すフローチャート 各形成段階にある燃料電池装置の概略的な側面図 各形成段階にある燃料電池装置の概略的な側面図 各形成段階にある燃料電池装置の概略的な側面図 各形成段階にある燃料電池装置の概略的な側面図 各形成段階にある燃料電池装置の概略的な側面図 各形成段階にある図２記載の燃料電池装置の概略的な平面図 各形成段階にある図２記載の燃料電池装置の概略的な平面図 各形成段階にある図２記載の燃料電池装置の概略的な平面図 各形成段階にある図２記載の燃料電池装置の概略的な平面図 各形成段階にある図２記載の燃料電池装置の概略的な平面図 図３（ｄ）の例示的な燃料電池装置の平面図 図４（ａ）中の線４（ｂ）−４（ｂ）に沿った燃料電池の断面図 図４（ａ）中の線４（ｃ）−４（ｃ）に沿った燃料電池の断面図 図４（ａ）中の線４（ｄ）−４（ｄ）に沿った燃料電池の断面図 図２−図４と異なる実施形態の各形成段階にある燃料電池装置の概略的な側面図 図２−図４と異なる実施形態の各形成段階にある燃料電池装置の概略的な側面図 図２−図４と異なる実施形態の各形成段階にある燃料電池装置の概略的な側面図 図２−図４と異なる実施形態の各形成段階にある燃料電池装置の概略的な側面図 図２−図４と異なる実施形態の各形成段階にある燃料電池装置の概略的な側面図 図２−４および図５で示される実施形態とはさらに異なる実施形態の燃料電池装置の概略的な側面図

符号の説明

２００ 燃料電池装置
２０２ 第１の犠牲層
２０４ 基板
２０６ 基板２０４の平坦な表面
２０８ 燃料極層
２１０ 陽極層コネクタ
２１２ 電解質層
２１４ 空気極層
２１６ 陰極層コネクタ
２１８ 燃料電池（２０８、２１２、２１４）
２２０ 間隙
２２２ 燃料極層２０８の底面
２２４ チャンバ
２２６ 集電体
２２８ 電気機器
４００ 犠牲層を除去する前の燃料電池（４０２、４１０、４１４、４１８）
４０２ 犠牲層
４０４ 基板
４０６ 基板４０４の平坦な表面
４０８ 犠牲層４０２の傾斜したエッジ
４１０ 燃料極層
４１２ 燃料極コネクタ
４１４ 電解質層
４１６ 電解質層コネクタ
４１８ 空気極層
４２０ 空気極層コネクタ
４２２ 燃料極層４１０のエッジ
５０２ 犠牲層
５０６ 基板
５０８ 燃料電池
５１０ コネクタ
５１２ 燃料電池装置
５１４ 間隙
５１６ チャンバ
５１８ ポート
５２０ 集電体
５２２ 電気機器
６００ 燃料電池装置
６０２ 反射層
６０４ 基板６０６の平坦な表面
６０６ 基板６０８ 燃料電池

Claims (10)

1. 薄膜燃料電池装置の製造方法であって、
   表面（２０６）が平坦な基板（２０４）上に平坦な第１の犠牲層（２０２）を形成するステップと、
   前記平坦な第１の犠牲層（２０２）上に第１の燃料電池（２０８、２１２、２１４）を形成し、前記第１の燃料電池（２０８、２１２、２１４）を前記基板（２０４）の平坦な表面に接合するステップと、
   前記平坦な第１の犠牲層（２０２）を除去し、前記基板の平坦な表面（２０６）と前記第１の燃料電池（２０８、２１２、２１４）との間に間隙（２２０）を形成し、それによって前記表面（２０６）が平坦な基板上において前記第１の燃料電池を自立させるステップと、
   からなる薄膜燃料電池装置の製造方法。
2. 前記第１の燃料電池（２０８、２１２、２１４）を形成するステップが、
   燃料極層（２０８）を形成するステップと、
   空気極層（２１４）を形成するステップと、
   前記燃料極層（２０８）と前記空気極層（２１４）との間に挟まれる電解質層（２１２）を形成するステップと、
   からなる請求項１に記載の薄膜燃料電池装置の製造方法。
3. 前記燃料極層（２０８）、前記空気極層（２１４）および前記電解質層（２１２）の各層はそれぞれセラミックあるいは金属／セラミック複合材料のうちの１つから作製され、前記基板（２０４）は酸化アルミニウムから作製される請求項２に記載の薄膜燃料電池装置の製造方法。
4. 前記燃料極層（２０８）、前記空気極層（２１４）および前記電解質層（２１２）はそれぞれ０．５〜１５μｍの厚みを有し、前記犠牲層（２０２）は０．１〜１００μｍの厚みを有する請求項２に記載の薄膜燃料電池装置の製造方法。
5. 前記第１の燃料電池（２０８、２１２、２１４）を前記基板（２０４）に接合するステップが、前記第１の燃料電池（２０８、２１２、２１４）と一体形成されるコネクタ（２１０、２１６）を介して前記基板（２０４）に接合することからなる請求項１に記載の薄膜燃料電池装置の製造方法。
6. 前記第１の燃料電池（５０８）上に複数の燃料電池（５０８）および犠牲層（５０２）を、犠牲層（５０２）を最下層にして交互に形成し、交互に配置された前記複数の燃料電池（５０８）をそれぞれ前記基板（５０６）に接合するステップと、
   交互に配置された前記複数の犠牲層（５０２）を除去し、前記複数の燃料電池（５０８）の個々を分離する間隙（５１４）を形成するステップと、
   をさらに含む請求項１に記載の薄膜燃料電池装置の製造方法。
7. 薄膜燃料電池装置であって、
   表面（２０６）が平坦な基板（２０４）と、
   少なくとも１つのコネクタ（２１０、２１６）によって前記基板（２０４）の平坦な表面（２０６）上に支持される第１の燃料電池（２０８、２１２、２１４）と、
   からなり、前記第１の燃料電池（２０８、２１２、２１４）と前記平坦な表面（２０６）との間に間隙（２２０）のある薄膜燃料電池装置。
8. 少なくとも１つの前記コネクタ（５１０）によって前記基板（５０６）上に接合される複数の燃料電池（５０８）をさらに含み、前記複数の燃料電池（５０８）が前記第１の燃料電池（５０８）上に前記間隙（５１４）を挟んで垂直なスタックとして配置され、前記複数の燃料電池（５０８）の個々の間にも間隙（５１４）のある請求項７に記載の薄膜燃料電池装置。
9. 請求項７に記載の薄膜燃料電池装置を構成要素とする電子装置であって、
   前記燃料電池装置（５１２）を収容し、ガスを流すための少なくとも１つのポート（５１８）を有するチャンバ（５１６）と、
   前記電子装置（５２２）に電流を供給するために前記燃料電池装置（５１２）に接続される集電体（５２０）と、
   をさらに構成要素として含む電子装置。
10. 電気機器に電流を供給するための燃料電池装置であって、
    表面が平坦な基板と、
    前記基板上に支持される複数の燃料電池からなる垂直なスタックであって、前記垂直なスタックと前記基板の平坦な表面との間および前記複数の燃料電池の個々の間に間隙があり、少なくとも１つのコネクタによって前記基板に接合される前記垂直なスタックと、
    前記複数の燃料電池の全ておよび前記基板の少なくとも一部を収容するチャンバであって、ガスを流すための少なくとも１つのポートを有する前記チャンバと、
    前記複数の燃料電池から前記電気機器に電流を供給する集電体であって、前記複数の燃料電池に接続される前記集電体と、を構成要素として含む燃料電池装置。

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