JP4531019B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

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を用いた燃料電池に関するものである。

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（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。

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。

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。

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。

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。

図８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、１０１はＰＥＦＣ、１０３は電解質部材、１０４および１０５は電解質部材を挟持するように電解質部材１０３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、１０６はガスセパレータ、１０８は燃料流路、１０９は空気流路である。

ガスセパレータ１０６は、ガスセパレータ１０６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１０８と空気流路１０９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１０３の燃料極１０４および空気極１０５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１０３の燃料極１０４、空気極１０５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１０６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１０６に形成された燃料流路１０８を通して燃料極１０４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１０５には空気流路１０９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１０３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１０１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１０１における従来のガスセパレータ１０６には、これを用いて電解質部材１０３を積層した積層体において、電解質部材１０３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１０１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１０１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１０１では熱容量の割合の大部分を占めるガスセパレータ１０６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１０６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１０１の出力電圧は、電解質部材１０３の表裏面の各電極１０４・１０５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１０３に供給された燃料ガスがガス流路１０８を進んで発電反応において消費されると、燃料極１０４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１０９を進んで消費されると、空気極１０５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１０１のガスセパレータ１０６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１０３とその対向する燃料極１０４・空気極１０５とガスセパレータ１０６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１０１では電解質部材１０３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１０６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、電解質部材を収納した小型で、堅牢な燃料電池を提供することにある。

本発明は、下面に形成された第１電極および上面に形成された第２電極を有する電解質部材と、該電解質部材が収容される凹部を備えたセラミックスから成る基体と、前記凹部を覆って取着されるセラミックスから成る蓋体と、一端が前記第１電極に接続されるように前記凹部の底面に配設され、他端が前記基体の外面に導出された第１配線導体と、一端が前記第２電極に接続されるように前記蓋体の下面に配設され、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、前記凹部には、前記電解質部材が収容されて、前記第１電極の下面が当接するとともに、前記基体には、前記電解質部材の下面に沿って配列されるように形成された複数の溝と、該溝のそれぞれの一端に共通して接続される導入側連結部と、前記溝のそれぞれの他端に共通して接続される排出側連結部と、外部から流体を導入するために、前記導入側連結部に接続された導入部と、外部へと流体を排出するために、前記排出側連結部に接続された排出部と、からなる第１流体流路を備え、前記蓋体は、前記電解質部材が収容された前記凹部を覆って取着されて、前記第２電極の上面から前記蓋体の上面まで貫通するように形成された複数の第２流体流路を備えたことを特徴とする。

本発明は、前記基体を平面透視した場合に、前記溝に直交する溝の配列方向において前記導入部に近い溝ほど該溝の幅を小さくなすことで、前記導入部に近い溝ほど該溝の流路断面積を小さくなしたことを特徴とする。

本発明は、前記基体を平面透視した場合に、前記導入部は、前記溝に直交する溝の配列方向において中央部に配置されていることを特徴とする。

本発明は、前記基体および第１配線導体ならびに前記蓋体および第２配線導体が、前記基体となるセラミックグリーンシートと、前記第１配線導体となる導体ペーストならびに前記蓋体となるセラミックグリーンシートと、前記第２配線導体となる導体ペーストとを、同時に焼成することにより得られたことを特徴とする。

本発明は、前記導入部から流入した流体が、前記導入側連結部を経て、前記電解質部材の下面に沿って、且つ前記複数の溝ごとに分岐して流れ、該分岐して流れた流体が、前記排出側連結部を経て、前記排出部から外部へと排出されることを特徴する。

本発明によれば、下面に形成された第１電極および上面に形成された第２電極を有する電解質部材と、電解質部材が収容される凹部を備えたセラミックスから成る基体と、凹部を覆って取着されるセラミックスから成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、電解質部材が収容される凹部を備えたセラミックスから成る基体と、凹部を覆って取着されるセラミックスから成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、流体の導入部と導入側連結部とにより複数の溝状に形成された溝への流体の供給が容易であり、流体の流入速度が速い場合においても、導入部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、流路が分岐せずに複雑に長く蛇行するように形成された流体流路の場合と比較して、燃料ガスや空気が流体流路を進んで行くうちに消費されて出力電圧が下がるといった不具合の発生が抑制される。

さらにまた、本発明の第１乃至第５の燃料電池用容器によれば、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い燃料電池を提供することができる。

また、本発明の燃料電池によれば、コンパクト性、簡便性に優れ、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。

次に、本発明を添付図面に基づき詳細に説明する。

図１は本発明の第１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は本発明の第１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、図３は本発明の第２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、図４は本発明の第３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、図５は本発明の第４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、図６は本発明の第５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、それぞれ実施の形態の一例を示す基体の上面図である。

これらの図において、１・２１・４１・６１・８１は燃料電池、２・２２・４２・６２・８２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・２６・４６・６６・８６は基体、７は蓋体、８・２８・４８・６８・８８は第１流体流路、９は第２流体流路、１０・３０・５０・７０・９０は第１配線導体、１１は第２配線導体、１２・３２・５２・７２・９２は溝、１３・３３・５３・７３・９３は連結部、１４・３４・５４・７４・９４は導入部、１５・３５・５５・７５・９５は排出部である。

ここで、図２乃至図６の３〜１１については、図１と同様のものとなる。

また、第１乃至第５の発明において、溝１２・３２・５２・７２・９２、連結部１３・３３・５３・７３・９３、導入部１４・３４・５４・７４・９４、排出部１５・３５・５５・７５・９５は、配置や幅・深さがそれぞれ異なる。

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。

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。

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。

本発明の第１乃至第５の燃料電池用容器２・２２・４２・６２・８２は、凹部を有する基体６・２６・４６・６６・８６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。

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−Ｍ３２Ｏ系（但し、Ｍ３はＬｉ，ＮａまたはＫを示す），ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３−Ｍ３２Ｏ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。

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。

燃料電池用容器２・２２・４２・６２・８２は、凹部を有する基体６・２６・４６・６６・８６と蓋体７とから成り、基体６・２６・４６・６６・８６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・２６・４６・６６・８６に取着される。なお、蓋体７にも基体６・２６・４６・６６・８６と同様の凹部を形成しておいてもよい。

基体６・２６・４６・６６・８６および蓋体７は、それぞれ厚みを薄くし、本発明の第１乃至第５の燃料電池１・２１・４１・６１・８１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・２６・４６・６６・８６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・２８・４８・６８・８８および第２流体流路９としての貫通穴、溝、ならびに第１配線導体１０・３０・５０・７０・９０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。

第１配線導体１０・３０・５０・７０・９０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。

これらの導体ペースト中には、基体６・２６・４６・６６・８６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・２６・４６・６６・８６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・２６・４６・６６・８６や蓋体７の表層および内層への第１配線導体１０・３０・５０・７０・９０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。

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・２６・４６・６６・８６や蓋体７および第１配線導体１０・３０・５０・７０・９０・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・２６・４６・６６・８６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・２６・４６・６６・８６に蓋体７を取着したときに発生する応力により、基体６・２６・４６・６６・８６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・３０・５０・７０・９０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・２２・４２・６２・８２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・３０・５０・７０・９０は、基体６・２６・４６・６６・８６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・２８・４８・６８・８８の溝１２・３２・５２・７２・９２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・２６・４６・６６・８６の外面（図１に示す例では下面）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・２８・４８・６８・８８の溝１２・３２・５２・７２・９２と対向する部位を除く部位の全域と第１配線導体１０・３０・５０・７０・９０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・３０・５０・７０・９０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・３０・５０・７０・９０は、前述のように基体６・２６・４６・６６・８６と一体的に形成され、第１配線導体１０・３０・５０・７０・９０を第１電極４に当接させやすいように基体６・２６・４６・６６・８６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・３０・５０・７０・９０は第１電極４に対向させて複数配置し、第１配線導体１０・３０・５０・７０・９０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・３０・５０・７０・９０の基体６・２６・４６・６６・８６の貫通部についてはφ５０μｍ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に対向する第２流体流路９の溝の周辺に、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に示す例では上面）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の溝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・３０・５０・７０・９０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。

これら第１配線導体１０・３０・５０・７０・９０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・３０・５０・７０・９０および第２配線導体１１と、第１配線導体１０・３０・５０・７０・９０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・３０・５０・７０・９０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・３０・５０・７０・９０・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・２６・４６・６６・８６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・３０・５０・７０・９０・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・２６・４６・６６・８６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・２８・４８・６８・８８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・２８・４８・６８・８８は基体６・２６・４６・６６・８６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・２８・４８・６８・８８・９は、それぞれ基体６・２６・４６・６６・８６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。

本発明の第１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の少なくとも一方は、基体６の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溝１２と、基体６または蓋体７の内部に形成された複数の溝の一端同士および他端同士をそれぞれ連結する連結部１３と、連結部１２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１４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１５とから成り、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、あるいは溝状の開口の幅・深さ・配置を決めればよい。

連結部１３から溝１２に分流する場合、導入部１３と排出部１５側に位置する溝１２においては、流体の流入速度が速くなり、導入部１３と排出部１５から離れた位置にある溝１２では、流体の流入速度が遅くなる傾向がある。従って、溝１２の流体抵抗を小さくする必要があり、溝１２の本数を多くすることが重要である。

図３に示す本発明の第２の燃料電池用容器２２および燃料電池２１においては、溝３２同士を接続する連結部３３の流体抵抗を小さくすることが重要であり、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ために、溝３２の流路断面積に対し、連結部３３の流路断面積が大きいものとしている。

これにより、各溝間の連結部３３の流路抵抗を溝の流路抵抗に対して無視できるほど小さくすることができるので、導入部３４および排出部３５側に位置する溝のみに流体が多く供給されるのを抑制することができ、溝３２のへの流体供給を一様にすることができる。

このような連結部３３としては、上記の例えば幅を１ｍｍ、深さを０．２ｍｍとした溝に対して、好適には例えば、幅が４ｍｍ、深さが０．５ｍｍ以上の流路断面積を持つことが好ましい。

これにより、溝の流路抵抗は長さ／（幅×深さ）で求められることから、溝の流路抵抗と溝間の連結部３３の流路抵抗との比率が、２０／（１×０．２）：２／（４×０．５）から１００：１以上となり、溝間の連結部３３の流路抵抗が溝の流路抵抗に対して小さくなるため、溝３２への流体供給を一様にすることができる。ただし、燃料電池容器２２の小型化と低背化を考慮し、流路断面積が大きくなるように、連結部３３の幅と深さを決めればよい。

本発明の第３乃至第５の燃料電池用容器４２・６２・８２および燃料電池４１・６１・８１においては、導入部５４・７４・９４や排出部５５・７５・９５の配置によって、溝５２・７２・９２の幅や深さを変更することが重要である。

導入部５４・７４・９４および排出部５５・７５・９５側に位置する溝においては、溝の幅を狭くすることで流路抵抗を大きくし、導入部５４・７４・９４および排出部５５・７５・９５から離れた位置にある溝では、溝の幅を広くすることで流体抵抗を小さくするのが好ましく、溝５２・７２・９２の本数、溝５２・７２・９２および連結部５３・７３・９３の流路断面積および長さに応じて、順に各溝の流路断面積を調整することで、溝５２・７２・９２に供給される流体の均一性を図ることが可能である。

これにより、電解質部材３における化学反応が位置により不均一になることがなく安定するため、燃料電池用容器４２・６２・８２の内部温度の分布が均一化され、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、燃料電池４１・６１・８１の信頼性を向上させることができる。

すなわち、図４に示す本発明の第３の燃料電池用容器４２および燃料電池４１においては、導入部５４および排出部５５が溝５２の端に設けられており、溝の流路断面積が、導入部５４および排出部５５が設けられた同じ側の端から反対側の端に向かって順に大きくなっているものとしている。

これにより、導入部５４および排出部５５が設けられた同じ側の端の溝の流路抵抗が大きくなり、一方、反対側の端にある溝の流路抵抗が順に小さくなるので、導入部５４および排出部５５側に位置する溝のみに流体が多く供給されるのを抑制することができ、溝５２の各溝への流体供給を一様にすることができる。

また、図５に示す本発明の第４の燃料電池用容器６２および燃料電池６１においては、導入部７４が溝７２の並びの両端の一方側に、排出部７５がその両端の他方側に設けられており、溝７２の流路断面積が、その並びの両端から並びの中央に向かって順に大きくなっているものとしている。

これにより、溝７２の流路抵抗が、その並びの両端にて大きくなり、並びの中央に向かって順に小さくなるので、導入部７４および排出部７５側に位置する溝のみに流体が多く供給されるのを抑制することができ、各溝７２への流体供給を一様にすることができる。

また、図６に示す本発明の第５の燃料電池用容器８２および燃料電池８１においては、導入部９４および排出部９５が溝９２の並びの中央部にそれぞれ設けられており、溝９２の流路断面積が、溝の並びの中央部から両端に向かって順に大きくなっているものとしている。

これにより、溝９２の流路抵抗が、並びの中央部に位置する溝にて大きくなり、中央部から両端に向かって順に小さくなるので、導入部９４および排出部９５側に位置する溝のみに流体が多く供給されるのを抑制することができ、各溝９２への流体供給を一様にすることができる。

本発明の燃料電池用容器２・２２・４２・６２・８２および燃料電池１・２１・４１・６１・８１によれば、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・２８・４８・６８・８８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・２８・４８・６８・８８・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・２１・４１・６１・８１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・２１・４１・６１・８１の信頼性を向上させることができる。

以上の構成により、図１〜図６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・２２・４２・６２・８２が得られ、高効率制御が可能な本発明の燃料電池１・２１・４１・６１・８１が得られる。

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流体流路と第２流体流路をともに、燃料電池全体を薄型化するため、基体または蓋体の側面からの流入口を設けたものとしてもよい。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る。

さらに、第１および第２配線導体については、基体および蓋体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、以上の実施の形態の例では、第１配線導体１０・３０・５０・７０・９０および第２配線導体１１の両方を、それぞれ凹部の底面の第１流体流路８・２８・４８・６８・８８の溝の周辺の底面全体および蓋体７の下面の第２流体流路９の溝の周辺の下面全体に、第１電極４および第２電極５に当接するように形成したが、これは電解質部材３の第１電極４と第１配線導体１０・３０・５０・７０・９０との接触面積および第２電極５と第２配線導体１１との接触面積が大きくとれ、接触抵抗を低減できるためである。

これに対して、さらに電解質部材３へ流体供給を増加させて発電量を増やすため、第１流体流路８・２８・４８・６８・８８や第２流体流路９の電解質部材３側の溝部分を多孔質部材にて形成してもよい。

さらにまた、基体の凹部の内部には、複数の電解質部材を収容してこれらを第１および第２配線導体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７に本発明の第１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１６を、および蓋体７’に第４配線導体１７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１６および第４配線導体１７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’、１６、１７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。

この図７に示した構成は、図３乃至図６に示した本発明の第２乃至第５の燃料電池用容器およびそれを用いた燃料電池に適用してもよい。なお、図７において図１と同様の箇所には同様の符号を付してあるが、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’は溝、１３’は連結部、１４’は導入部、１５’は排出部、１６は第３配線導体、１７は第４配線導体である。

本発明の第１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。 本発明の第１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基体の上面図である。 本発明の第２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基体の上面図である。 本発明の第３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基体の上面図である。 本発明の第４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基体の上面図である。 本発明の第５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基体の上面図である。 本発明の第１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。 従来の燃料電池の例を示す断面図である。

符号の説明

１・２１・４１・６１・８１・１’：燃料電池
２・２２・４２・６２・８２・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・２６・４６・６６・８６・６’：基体
７・７’：蓋体
８・２８・４８・６８・８８・８’：第１流体流路
９：第２流体流路
１０・３０・５０・７０・９０・１０’：第１配線導体
１１・１１’：第２配線導体
１２・３２・５２・７２・９２・１２’：溝
１３・３３・５３・７３・９３・１３’：連結部
１４・３４・５４・７４・９４・１４’：導入部
１５・３５・５５・７５・９５・１５’：排出部
１６：第３配線導体
１７：第４配線導体

Claims (5)

1. 下面に形成された第１電極および上面に形成された第２電極を有する電解質部材と、該電解質部材が収容される凹部を備えたセラミックスから成る基体と、前記凹部を覆って取着されるセラミックスから成る蓋体と、一端が前記第１電極に接続されるように前記凹部の底面に配設され、他端が前記基体の外面に導出された第１配線導体と、一端が前記第２電極に接続されるように前記蓋体の下面に配設され、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、
   前記凹部には、前記電解質部材が収容されて、前記第１電極の下面が当接するとともに、前記基体には、前記電解質部材の下面に沿って配列されるように形成された複数の溝と、該溝のそれぞれの一端に共通して接続される導入側連結部と、前記溝のそれぞれの他端に共通して接続される排出側連結部と、外部から流体を導入するために、前記導入側連結部に接続された導入部と、外部へと流体を排出するために、前記排出側連結部に接続された排出部と、からなる第１流体流路を備え、
   前記蓋体は、前記電解質部材が収容された前記凹部を覆って取着されて、前記第２電極の上面から前記蓋体の上面まで貫通するように形成された複数の第２流体流路を備えたことを特徴とする燃料電池。
2. 前記基体を平面透視した場合に、前記溝に直交する溝の配列方向において前記導入部に近い溝ほど該溝の幅を小さくなすことで、前記導入部に近い溝ほど該溝の流路断面積を小さくなしたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記基体を平面透視した場合に、前記導入部は、前記溝に直交する溝の配列方向において中央部に配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池。
4. 前記基体および第１配線導体ならびに前記蓋体および第２配線導体が、前記基体となるセラミックグリーンシートと、前記第１配線導体となる導体ペーストならびに前記蓋体となるセラミックグリーンシートと、前記第２配線導体となる導体ペーストとを、同時に焼成することにより得られたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の燃料電池。
5. 前記導入部から流入した流体が、前記導入側連結部を経て、前記電解質部材の下面に沿って、且つ前記複数の溝ごとに分岐して流れ、該分岐して流れた流体が、前記排出側連結部を経て、前記排出部から外部へと排出されることを特徴する請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の燃料電池。

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