JP4713120B2 - Fuel cell container, fuel cell and electronic device - Google Patents
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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。 The present invention relates to a small and highly reliable fuel cell container made of ceramics that accommodates an electrolyte member, a fuel cell using the same, and an electronic device.
近年、従来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。 In recent years, development of small fuel cells that operate at a lower temperature than before has been actively conducted. Depending on the type of electrolyte used for the fuel cell, a polymer electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as PEFC), a phosphoric acid fuel cell, or a solid electrolyte fuel cell is known. ing.
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。
Among them, PEFC has a low operating temperature of about 80-100 ° C,
(1) The output density is high, and the size and weight can be reduced.
(2) Since the electrolyte is not corrosive and the operating temperature is low, since there are few restrictions on the battery constituent materials from the viewpoint of corrosion resistance, cost reduction is easy.
(3) Since it can be started at room temperature, the startup time is short.
It has excellent features such as For this reason, PEFC takes advantage of the above features and is not only applied to driving power sources for vehicles and cogeneration systems for homes, but also to mobile phones, PDAs (Personal Digital Assistants), laptop computers, digital cameras, The use as a power source for portable electronic devices whose output of a video camera or the like has several W to several tens of W has been considered.
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。 The PEFC is roughly divided, for example, a fuel electrode (cathode) composed of a carbon electrode to which catalyst fine particles such as platinum and platinum-ruthenium are adhered, and an air electrode (anode) composed of a carbon electrode to which catalyst fine particles such as platinum are adhered, It has a film-like electrolyte member interposed between the fuel electrode and the air electrode. Here, hydrogen gas (H 2 ) extracted through the reforming unit is supplied to the fuel electrode, while oxygen gas (O 2 ) in the atmosphere is supplied to the air electrode, Predetermined electric energy is generated (power generation) by the electrochemical reaction, and electric energy that is a driving power source (voltage / current) for the load is generated.
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。 Specifically, when the hydrogen gas to the fuel electrode (H 2) is supplied, as shown in the following chemical equation (1), electrons by the catalyst (e -) is separated hydrogen ions (protons; H + ) Is generated and passes through the electrolyte member to the air electrode side, and electrons (e − ) are taken out by the carbon electrode constituting the fuel electrode and supplied to the load.
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。
3H 2 → 6H + + 6e − (1)
On the other hand, when air is supplied to the air electrode, as shown in the following chemical reaction formula (2), electrons (e − ) passing through the load by the catalyst and hydrogen ions (H + ) passing through the electrolyte member, Reaction with oxygen gas (O 2 ) in the air produces water (H 2 O).
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。
6H + + 3 / 2O 2 + 6e − → 3H 2 O (2)
Such a series of electrochemical reactions (formula (1) and formula (2)) proceeds at a relatively low temperature condition of approximately 80 to 100 ° C., and by-products other than electric power are basically water (H 2 O) only.
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フォン酸膜(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。 The ion conductive film (exchange membrane) constituting the electrolyte member is a polystyrene-based cation exchange membrane having a sulfonic acid group, a mixed membrane of fluorocarbon sulfonic acid and polyvinylidene fluoride, and trifluoroethylene grafted on a fluorocarbon matrix. Recently, a perfluorocarbon sulfonic acid film (for example, trade name “Nafion” manufactured by DuPont) or the like has been used.
図3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、即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。 FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration of a conventional fuel cell (PEFC). In the figure, 21 is a PEFC, 23 is an electrolyte member, 24 and 25 are arranged on the electrolyte member 23 so as to sandwich the electrolyte member, and a pair of porous electrodes having functions as a gas diffusion layer and a catalyst layer, that is, A fuel electrode and an air electrode, 26 is a gas separator, 28 is a fuel flow path, and 29 is an air flow path.
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。
The
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。
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。即ち、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。
However, the fuel cell 21 conventionally proposed and developed as such a high-voltage, high-capacity battery is a large-sized and large-sized battery having a stack structure and a large area, and a small battery. Conventionally, the use of the fuel cell has been hardly considered. That is, in the
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。即ち、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、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が形成されているガスセパレータ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。
In order to mount the fuel cell 21 on a portable electronic device, a fuel cell container that is different from the conventional large-sized fuel cell and is excellent in compactness, simplicity, and safety is required. That is, in order to be applied as a portable power source such as a general-purpose chemical battery, it is necessary to reduce the size and height of the fuel cell container. However, in the conventional fuel cell 21, the gas that accounts for the majority of the heat capacity ratio. Since the
また、従来の大型燃料電池は、セルの積層方向の一端、他端には、それぞれ所定の厚さを有するエンドプレートが備えられている。このエンドプレートには、一対のネジ穴が形成されていて、ネジが挿通するようになっている。そして、これに伴い、各セルのセパレータにも上記エンドプレートに形成されたネジ穴に対応した穴が形成されている。そして、これら積層されたセルをボルトにて結合し、一体化する。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。 Further, the conventional large fuel cell is provided with end plates each having a predetermined thickness at one end and the other end in the cell stacking direction. The end plate is formed with a pair of screw holes so that screws can be inserted therethrough. Accordingly, holes corresponding to the screw holes formed in the end plate are also formed in the separator of each cell. Then, these stacked cells are combined by bolts and integrated. Therefore, there is a problem that it is difficult to reduce the size and height.
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が、電解質部材23に供給された燃料ガスが燃料流路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。また同様に、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、一定の分圧を維持しながら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、薄型化したときに流路の溝の深さが小さくなるため、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。
Further, the output voltage of the fuel cell 21 is determined by the partial pressure of the gas supplied to the electrodes 24 and 25 on the front and back surfaces of the electrolyte member 23, but the fuel gas supplied to the electrolyte member 23 travels through the
また、複数の電解質部材23,燃料極24,空気極25およびガスセパレータ26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24および空気極25から電気を取り出すためには、外部に配線導体を引き出し接続する方法か、もしくはガスセパレータ26を導電性シートと重ね合わせて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。
In addition, the combination of the plurality of electrolyte members 23, the fuel electrode 24, the air electrode 25, and the
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、また燃料電池の組み立ての容易化を図ると共に発電性能の向上を図る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。 The present invention has been completed in view of the above-described problems of the prior art, and an object of the present invention is a small and robust container for a fuel cell that can accommodate an electrolyte member, and assembling the fuel cell. It is an object of the present invention to provide a highly reliable fuel cell container and a fuel cell using the same, which can improve the power generation performance.
本発明の燃料電池用容器は、下側主面に第1電極、上側主面に第2電極がそれぞれ形成された電解質部材を収容する凹部を上面に複数個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セラミックスから成る蓋体と、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、一端が前記第2電極に対向する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、一端が1つの前記凹部の底面で前記第1電極に対向し、他端が前記基体の前記蓋体が取着される上面に導出された第3配線導体と、一端が前記蓋体の下面で他の1つの前記凹部側の前記第2電極に対向し、他端が前記基体の上面に取着される前記蓋体の下面に前記第3配線導体の他端と対向するように導出された第4配線導体とが形成されている燃料電池用容器であって、前記基体内部の前記第3配線導体の他端の周囲および前記蓋体内部の前記第4配線導体の他端の周囲の少なくとも一方にヒーターが形成されていることを特徴とする。
A container for a fuel cell according to the present invention comprises a substrate made of ceramics having a plurality of recesses on the upper surface for accommodating an electrolyte member in which a first electrode is formed on a lower main surface and a second electrode is formed on an upper main surface, and the electrolyte One end is disposed on the first fluid flow path formed from the bottom surface of the recess facing the lower main surface of the member to the outer surface of the base, and the bottom surface of the recess facing the first electrode, and the other end a first wiring conductor but derived on the outer surface of the base body, a lid Ru consists attached to ceramic covering the recess on the upper surface around said recess of said base, said upper major surface of the electrolyte member A second fluid flow path formed from the lower surface of the facing lid body to the outer surface of the lid body, one end is disposed on the lower surface of the lid body facing the second electrode, and the other end of the lid body The second wiring conductor led out to the outer surface and one end in front A third wiring conductor that is opposed to the first electrode at the bottom surface of the recess and whose other end is led out to an upper surface to which the lid body of the base body is attached; facing the second electrode of the concave side, a fourth wiring conductor whose other end is derived so as to face the other end of the third wiring conductor on the lower surface of the lid to be worn taken on the upper surface of the base body A heater is formed in at least one of the periphery of the other end of the third wiring conductor in the base and the periphery of the other end of the fourth wiring conductor in the lid. It is characterized by being.
本発明の燃料電池容器の接合方法は、燃料電池用容器の前記第3配線導体の他端と前記第4配線導体の他端との間に設けられた導電性接合材を前記ヒーターによって局所的に加熱することによって、前記第3および第4配線導体を電気的に接続するとともに前記基体および前記蓋体を取着することを特徴とする。 According to the fuel cell container joining method of the present invention, a conductive joining material provided between the other end of the third wiring conductor and the other end of the fourth wiring conductor of the fuel cell container is locally applied by the heater. The third and fourth wiring conductors are electrically connected to each other by heating, and the base body and the lid are attached.
本発明の燃料電池容器の製造装置は、燃料電池用容器の前記基体および前記蓋体に加重を加えてそれらを圧接させた状態で前記ヒーターに電力を入力することにより、前記第3および第4配線導体を電気的に接続することを特徴とする。 The fuel cell container manufacturing apparatus of the present invention is configured to apply power to the heater in a state in which a weight is applied to the base body and the lid body of the fuel cell container and the lid body is in pressure contact with the base body and the lid body. The wiring conductor is electrically connected.
本発明の燃料電池は、燃料電池用容器の複数個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第1電極が形成された前記下側主面に対向させて前記第1流体流
路を形成し、前記電解質部材の前記第2電極が形成された前記上側主面に対向させて前記第2流体流路を形成して、前記第1流体流路と前記電解質部材の前記下側主面との間および前記第2流体流路と前記電解質部材の前記上側主面との間でそれぞれの流体がやりとり可能にするとともに、前記第1および第2配線導体を前記第1および第2電極に、ならびに前記第3および第4配線導体を前記第1および第2電極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、前記凹部を覆うとともに、前記第3配線導体の他端と前記第4配線導体の他端との間に設けられた導電性接合材を前記ヒーターによって局所的に加熱することによって、前記第3および第4配線導体の他端同士を接続して前記蓋体を取着して成ることを特徴とする。
In the fuel cell of the present invention, the electrolyte member is accommodated in a plurality of the recesses of the fuel cell container, and is opposed to the lower main surface on which the first electrode of the electrolyte member is formed. Fluid flow
Forming a path and forming the second fluid flow path so as to face the upper main surface on which the second electrode of the electrolyte member is formed, and the lower side of the first fluid flow path and the electrolyte member main surface and between said second fluid flow path and the electrolyte said upper major surface and each fluid exchange capable to Rutotomoni between the members, said first and second wiring conductor first and second And electrically connecting the third and fourth wiring conductors to the first electrode and the second electrode, respectively, covering the concave portion on the upper surface around the concave portion of the base , and the third wiring The other ends of the third and fourth wiring conductors are connected to each other by locally heating the conductive bonding material provided between the other end of the conductor and the other end of the fourth wiring conductor by the heater. And the lid is attached. .
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。 An electronic device according to the present invention includes the fuel cell according to the present invention as a power source.
本発明の燃料電池用容器は、下側主面に第1電極、上側主面に第2電極がそれぞれ形成された電解質部材を収容する凹部を上面に複数個有するセラミックスから成る基体と、基体の凹部の周囲の上面に凹部を覆って取着され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、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。
A fuel cell container according to the present invention comprises a substrate made of ceramics having a plurality of recesses on the upper surface for accommodating an electrolyte member having a first electrode on the lower main surface and a second electrode on the upper main surface, since it is provided with a lid Ru consists mounted by ceramics over the recess on the upper surface of the surrounding recess by sealing the fuel cell container airtight, no leakage of fluid such as gas Since it is not necessary to provide a container such as a package in addition to this container, it is possible to obtain a fuel cell that can be operated efficiently and to be effective for downsizing. In addition, since a plurality of electrolyte members can be housed in a box formed by a ceramic body having a concave portion on the upper surface and a lid that seals the concave portion, a fuel cell can be obtained. The mechanical reliability of the entire fuel cell is improved without being exposed to the outside and being damaged. In addition to the first and second wiring conductors, one end of which is disposed inside the container constituted by the recess and the lid, unnecessary electrical contact with the electrolyte member itself can be avoided, so that reliability and safety are ensured. High fuel cell can be obtained. Furthermore, by using ceramics as the constituent material of the fuel cell container, it is possible to obtain a fuel cell having excellent corrosion resistance against fluids including various gases.
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のを抑制し、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。 Also, a first fluid channel formed from the bottom surface of the recess facing the lower main surface of the electrolyte member to the outer surface of the substrate, and formed from the lower surface of the lid body facing the upper main surface of the electrolyte member to the outer surface of the lid body. Since each of the plurality of fluid flow paths is provided on the inner wall surfaces facing each other across the electrolyte member, the fluid supplied to the electrolyte member The uniform supply performance can be improved. According to such a fluid path, since the fluid flows perpendicularly to the electrolyte member, for example, when the fluid is hydrogen gas and air (oxygen) gas, the electrolyte member has on the lower and upper main surfaces, respectively. The gas partial pressure supplied to the first and second electrodes can be suppressed from decreasing, and a predetermined stable output voltage can be obtained. Further, since the pressure of the fluid to be supplied, for example, the gas partial pressure is stabilized, the distribution of the internal temperature of the fuel cell container is made uniform, and as a result, the thermal stress generated in the electrolyte member can be suppressed. Reliability can be improved.
さらに、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)が混合する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。 Furthermore, since each fluid flow path is formed in a base body and a lid, each of the two types of raw material fluids (for example, oxygen gas and hydrogen gas) that are excellent in hermeticity of each flow path and should be isolated from each other by the flow path is used. (Methanol, etc.) is not mixed so that its function as a fuel cell is not lost, and there is no risk of ignition or explosion after a flammable fluid is mixed at a high temperature. Can be provided.
また、本発明の燃料電池用容器によれば、電解質部材を収容する複数個の凹部を有する基体およびこれに取着される蓋体に形成された、一端が1つの凹部の底面で第1電極に対向し、他端が基体の蓋体が取着される上面に導出された第3配線導体と、一端が蓋体の下面で他の1つの凹部側の第2電極に対向し、他端が基体の上面に取着される蓋体の下面に第3配線導体の他端と対向するように導出された第4配線導体とを具備していることから、複数個の電解質部材を電気的に接続することでそれらを直列接続することが可能となる。その結果、一つ一つの電解質部材の発電では微小電圧であっても、直列接続により合計の電圧の調整ができるため、電解質部材で電気化学的に生成された電気を良好な状態で外部に取り出すことが可能となる。
Also, according to the fuel cell container of the present invention, the first electrode is formed on the bottom surface of one recess formed on the base having a plurality of recesses for accommodating the electrolyte member and the lid attached to the base. The other end of the third wiring conductor led to the upper surface to which the lid of the base body is attached, and the other end of the third wiring conductor on the lower surface of the lid, facing the other one of the recesses, and the other end electrical but because it is provided with a fourth wiring conductor derived so as to face the other end of the third wiring conductors to the lower surface of the lid to be worn taken on the upper surface of the base member, a plurality of electrolyte member By connecting them to each other, they can be connected in series. As a result, even if the power is generated by each electrolyte member, even if it is a minute voltage, the total voltage can be adjusted by series connection, so that the electricity electrochemically generated by the electrolyte member is taken out in a good state. It becomes possible.
また、基体内部の第3配線導体の他端の周囲および蓋体内部の第4配線導体の他端の周囲の少なくとも一方にヒーターが形成されているため、ヒーターに電流を印加し、電流を制御することにより、第3配線導体と第4配線導体の隙間を電気的に接続するための導電性接合材を溶融し、硬化させるに十分な熱量を局所的に供給することが可能となる。ヒーターから発生する熱が3配線導体と第4配線導体の接合領域のみに制限されるため、低耐熱の電解質部材が破れる、ピンホールを発生させるなどの損傷を防ぐことができる。 In addition, since a heater is formed around the other end of the third wiring conductor inside the base and around the other end of the fourth wiring conductor inside the lid, current is applied to the heater to control the current. By doing so, it becomes possible to locally supply an amount of heat sufficient to melt and harden the conductive bonding material for electrically connecting the gap between the third wiring conductor and the fourth wiring conductor. Since the heat generated from the heater is limited only to the junction region between the three wiring conductors and the fourth wiring conductor, damage such as breakage of the low heat resistant electrolyte member or generation of pinholes can be prevented.
また、本発明の燃料電池容器の接合方法によれば、燃料電池用容器の第3配線導体の他端と第4配線導体の他端との間に設けられた導電性接合材をヒーターによって局所的に加熱することによって、第3および第4配線導体を電気的に接続するとともに基体および蓋体を取着するため、第3および第4配線導体の接合部の電気抵抗および接触抵抗が小さくなるため、発電時の電圧ロスが抑制され、結果として発電性能が向上する。また、接合部における接続信頼性を高くすることができる。 Further, according to the joining method of the fuel cell container of the present invention, the conductive joining material provided between the other end of the third wiring conductor and the other end of the fourth wiring conductor of the fuel cell container is locally applied by the heater. By electrically heating, the third and fourth wiring conductors are electrically connected and the base body and the lid are attached, so that the electrical resistance and contact resistance of the joint portion of the third and fourth wiring conductors are reduced. Therefore, voltage loss during power generation is suppressed, and as a result, power generation performance is improved. Moreover, the connection reliability in a junction part can be made high.
また、本発明の燃料電池容器の製造装置によれば、燃料電池用容器の基体および蓋体に加重を加えてそれらを圧接させた状態でヒーターに電力を入力することにより、第3および第4配線導体を電気的に接続するため、リフロー処理を行う場合においては、電解質部材に許容以上の温度負荷が加わるため、電解質部材が損傷しやすく、また、炉内で必要十分な加重を加えることが困難であるのに対し、上記の本発明の燃料電池用容器の製造装置を用いることにより、燃料電池のサイズや厚みに制約を受けることなく、電解質部材を損傷することなく、燃料電池製造の際の製造工程の簡略化、コストの抑制を図ることができる。
In addition, according to the fuel cell container manufacturing apparatus of the present invention, the third and fourth are obtained by applying electric power to the heater in a state in which a weight is applied to the base and lid of the fuel cell container and they are pressed against each other. electrically connected to order a conductor, in the case of performing the reflow process, since the allowable temperature above the load to the electrolyte member is applied, tends electrolyte member is damaged, also adds the necessary sufficient weight in a furnace However, by using the fuel cell container manufacturing apparatus of the present invention described above, it is possible to manufacture a fuel cell without being restricted by the size and thickness of the fuel cell and without damaging the electrolyte member. In this case, the manufacturing process can be simplified and the cost can be reduced.
本発明の燃料電池は、燃料電池用容器の複数個の凹部に電解質部材を収容して、電解質部材の下側主面および上側主面を第1流体流路および第2流体流路の間でそれぞれの流体が流通可能なように配置するとともに、第1および第2配線導体を第1および第2電極に、ならびに第3および第4配線導体を第1および第2電極にそれぞれ電気的に接続し、基体の凹部の周囲の上面に、凹部を覆うとともに第3および第4配線導体の他端同士を接続し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、燃料電池の組み立ての容易化を図ると共に、発電性能の向上を図る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。 In the fuel cell of the present invention, the electrolyte member is accommodated in the plurality of recesses of the fuel cell container, and the lower main surface and the upper main surface of the electrolyte member are disposed between the first fluid channel and the second fluid channel. The first and second wiring conductors are electrically connected to the first and second electrodes, and the third and fourth wiring conductors are electrically connected to the first and second electrodes. Since the cover is attached to the upper surface around the recess of the base body by covering the recess and connecting the other ends of the third and fourth wiring conductors, the fuel cell of the present invention as described above It is possible to obtain a highly reliable fuel cell that is small, robust, and can be easily assembled, and can improve power generation performance.
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。 Since the electronic device according to the present invention has the fuel cell according to the present invention as a power source, the electronic device according to the present invention is small, low-profile, and stable over a long period of time with the features of the fuel cell container according to the present invention. Thus, it is possible to obtain an electronic device with excellent safety and convenience.
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。 In addition, if the fuel cell as a power source is provided with external connection terminals (positive terminal and negative terminal) on at least one of the base and lid, it can be easily electrically connected to the circuit board of the electronic device. And can be freely attached and detached. Therefore, the fuel cell can be easily replaced with a new one without using a facility equipped with special safety equipment, and the convenience of the electronic device can be enhanced.
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。 Furthermore, since a metal layer can be formed in various shapes and electrical characteristics by a metallization method or the like inside the base of the fuel cell container, an electronic circuit element that functions as a resistance, capacitance, inductance, etc. is provided inside the base. Can be formed. Therefore, for example, when a large capacity capacitor is formed in parallel with the fuel cell, when the current output from the fuel cell becomes insufficient, the insufficient current is compensated to meet the target output current. It is possible to ensure a sufficient current supply. In addition, since a booster circuit can be formed, a voltage necessary for the electronic device can be secured.
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。 A fuel cell container and a fuel cell according to the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings.
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は第3配線導体、13は第4配線導体、14はヒーター、15は導電性接合材、16は接合電極、17は接合材である。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of an embodiment of a fuel cell container of the present invention and a fuel cell using the same. In FIG. 1, 1 is a fuel cell, 2 is a fuel cell container, 3 is an electrolyte member, 4 is a first electrode, 5 is a second electrode, 6 is a base, 7 is a lid, 8 is a first fluid flow path, 9 is the second fluid flow path, 10 is the first wiring conductor, 11 is the second wiring conductor, 12 is the third wiring conductor, 13 is the fourth wiring conductor, 14 is the heater, 15 is the conductive bonding material, and 16 is the bonding An
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。
The
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。
Such an ion conductive film (exchange membrane) of the
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。
The
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。
The
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は上記と同じである),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。 The glass ceramic sintered body includes a glass component and a filler component. Examples of the glass component include SiO 2 —B 2 O 3 , SiO 2 —B 2 O 3 —Al 2 O 3 , and SiO 2 —. B 2 O 3 —Al 2 O 3 —MO system (M represents Ca, Sr, Mg, Ba or Zn), SiO 2 —Al 2 O 3 —M 1 O—M 2 O system (M 1 and M 2 are the same or different and represent Ca, Sr, Mg, Ba or Zn), SiO 2 —B 2 O 3 —Al 2 O 3 —M 1 O—M 2 O system (provided that M 1 and M 2 is the same as above), SiO 2 —B 2 O 3 —M 3 2 O system (where M 3 represents Li, Na or K), SiO 2 —B 2 O 3 —Al 2 O 3 — M 3 2 O-based (where M 3 is the same as above), Pb-based glass And Bi-based glass.
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。 Examples of the filler component include a composite oxide of Al 2 O 3 , SiO 2 , ZrO 2 and an alkaline earth metal oxide, a composite oxide of TiO 2 and an alkaline earth metal oxide, Al 2 O 3. And composite oxides containing at least one selected from SiO 2 (for example, spinel, mullite, cordierite) and the like.
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の凹部に、電解質部材3の形状に合わせたシール部材(図示せず)と電解質部材3を挿入し、蓋体7が基体6に取着されることで、封止されている。なお、蓋体7にも基体6と同様の凹部を形成してもよい。
The
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。
In order to reduce the thickness of the
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、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。次に、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剤を添加、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、第2配線導体11、第3配線導体12および第4配線導体13を配設するための貫通孔を形成する。なお、第1流体流路8および第2流体流路9は、金型による打ち抜きやプレス成形等により表面や内部に形成された溝であってもよい。
The
基体6および蓋体7を構成するセラミックス材料に酸化アルミニウム質焼結体を用いる場合、第1配線導体10、第2配線導体11、第3配線導体12および第4配線導体13は、酸化を防ぐために、タングステンおよびモリブデンで形成されているのが好ましい。その場合、例えば無機成分として、タングステンおよびモリブデンの粉末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、貫通導体としてのビア導体を形成する。
When an aluminum oxide sintered body is used as the ceramic material constituting the
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。
In these conductor pastes, in order to improve the adhesion of the
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、第2配線導体11、第3配線導体12および第4配線導体13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。
The formation of the
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、第1配線導体10、第2配線導体11、第3配線導体12および第4配線導体13を得る。
Then, after aligning and laminating and pressure-bonding a predetermined number of sheet-like molded bodies filled with conductive paste, the laminated body is heated at a maximum firing temperature of 1200 to 1500 ° C., for example, in a non-oxidizing atmosphere. To obtain the target
また、第1配線導体10〜第4配線導体13は、電解質部材3にて電気化学的に生成された電気を効率よく外部に取り出すという観点からは、比電気抵抗が0.1ミリΩcm以下であることが好ましい。このような材料としては、銀,銀合金,銅,銅合金等が挙げられる。例えば、基体6や蓋体7をガラスセラミックス焼結体で形成し、第1配線導体10〜第4配線導体13を銅や銅合金とすることにより、基体6や蓋体7を第1配線導体10〜第4配線導体13と同時焼成して低抵抗の配線導体を容易に形成することができる。
The
また、燃料電池用容器2に形成された第1配線導体10〜および第4配線導体13を含むすべての導体の体積は、燃料電池用容器2の体積の0.5%以上であるのがよい。これにより、燃料電池用容器2に形成された導体の抵抗が小さくなり、電解質部材3にて電気化学的に生成された電気を効率よく外部に取り出すことができる。
The volume of all conductors including the
また、基体6や蓋体7の少なくとも一方に、半田やロウ付け等により外部接続用端子(図示せず)が接合されてもよい。外部接続用端子は、電子機器の主となる電子回路を形成するためのマザーボード等と良好な電気接続が行なえる形状であることが望ましい。このような形状としては、例えば、電子機器の主となる電子回路に端子同士を接触や挿入することにより簡単に電気的、機械的に接続することができるような棒状、鉤状、円錐状等のものが用いられる。なお、電子機器の主となる電子回路のうち、このような外部接続用端子が接続される部位には、この外部接続用端子に対応した嵌合部(挿入穴やコネクタ等の接続孔)を設けておくことが好ましい。さらに、外部接続用端子を基体6や蓋体7の側面に配置することで、電子機器の低背化を行なうことができる。
Further, an external connection terminal (not shown) may be joined to at least one of the
また、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。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1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。
Moreover, it is preferable that the base |
第1配線導体10、第2配線導体11、第3配線導体12および第4配線導体13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。
The
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の開口部の周辺に、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当接するように形成されている。これにより、電解質部材3の第1電極4と第1配線導体10との接触面積を大きくすることができることから、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1を得ることができる。
The
また、第1配線導体10は、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以上高くするように形成するのが良い。この高さを得るためには、上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良く、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。
Further, the
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、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の外面に導出されて形成されているのがよい。これにより、電解質部材3の第2電極5と第2配線導体11との接触面積を大きくすることができ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1を得ることができる。
Further, the second wiring conductor 11 is a portion where the
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第2電極5に対向する蓋体7の下面より10μm以上高くするように形成するのが良い。この高さを得るためには、上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良く、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。
Similar to the
これら第1配線導体10〜第4配線導体13および外部接続用端子には、その露出する表面に良導電性で、かつ耐蝕性およびロウ材との濡れ性が良好なニッケル、銅、金、白金およびパラジウム等の金属をメッキ法により被着させておくと良く、これらの導体と電子機器の主となる電子回路を形成するためのマザーボード等との電気的接続を良好とすることができる。
The
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。
The first and
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。
In addition, a first
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。
The through holes or grooves formed in the
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。
In the
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。そして、例えば流体としてガスを供給する場合、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。
In this way, the first
そして、本発明においては、電解質部材3を収容する凹部複数個有するセラミックスから成る基体6およびこれに取着されセラミックスから成る蓋体7に形成された、一端が1つの凹部の底面で第1電極4に対向し、他端が基体6の蓋体7が取着される上面に導出された第3配線導体12と、一端が蓋体7の下面で他の1つの凹部側の第2電極5に対向し、他端が基体6の上面に取着される蓋体7の下面に第3配線導体12の他端と対向するように導出された第4配線導体15とを具備していることから、複数個の電解質部材3を電気的に接続することでそれらを直列接続することが可能となる。その結果、一つ一つの電解質部材3の発電では微小電圧であっても、直列接続により合計の電圧の調整ができるため、電解質部材3にて電気化学的に生成された電気を良好な状態で外部に取り出すことが可能となる。
Then, in the present invention, which is formed in the
本発明において、基体6内部の第3配線導体12の他端の周囲および蓋体7内部の第4配線導体13の他端の周囲の少なくとも一方にヒーター14が形成され、電流を制御することにより、第3配線導体12と第4配線導体13の隙間を電気的に接続するための導電性接合材15を溶融し、硬化させるに十分な熱量を局所的に供給することが可能となる。ヒーター14のパターンとしては、メアンダ形状のもの、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、導電性接合材15や接合材17を均一に加熱できるパターン形状であればよく、種々のパターンとすることができる。また、発熱の局所性を上げるために、ヒーター14を複数のパターンに分割することも可能である。
In the present invention, a
ヒーター14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。ヒーター14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等により、導通が確保されている。これにより、ヒーター14に電流を印加することにより、局所的に温度を上げることが可能となる。その結果、ヒーター14の発生する熱により、低耐熱の電解質部材3が破れる、ピンホールを発生させるなどの損傷を防ぐことができる。
The
導電性接合材15としては、錫−銀合金半田、錫−銀−銅合金半田等の半田、金−錫合金ろう材等の低融点ろう材、銀−ゲルマニウム合金ろう材等の高融点ろう材、銀,銅等の導電性粉末を樹脂で結合して成る導電性樹脂接着剤、金、銀、アルミ、銅などの金属箔、メッシュ状の金属板、金属箔粘着テープなどを使用することができる。接触抵抗や導通抵抗を低減するために、導電性接合材15の電気抵抗は、10mΩ/cm2以下とすることが好ましく、さらに1mΩ/cm2であることが好ましい。
As the
接合材17としては、錫−銀合金半田、錫−銀−銅合金半田等の半田、金−錫合金ろう材等の低融点ろう材、銀−ゲルマニウム合金ろう材等の高融点ろう材、シリコーン系、ポリイミド系、アクリル系などの樹脂材料系の接着剤、ポリエステル系樹脂等である熱可塑性の接着シート等が挙げられるが、接合電極16同士を強固に固着することができる材質であればよく、さらに硬化した後に常圧程度であれば、気密性を保持できる材質であることが望ましい。
As the
また、燃料電池用容器2の第3配線導体12の他端と第4配線導体13の他端との間に設けられた導電性接合材15をヒーター14によって局所的に加熱することによって、第3および第4配線導体を電気的に接続するとともに基体6および蓋体7を取着することから、第3および第4配線導体12,13の接合部の電気抵抗および接触抵抗が小さくなるため、発電時の電圧ロスが抑制され、結果として発電性能が向上する。また、接合部における接続信頼性を高くすることができる。
Further, the
さらに、燃料電池用容器2の基体6側の接合電極16と蓋体6側の接合電極16との間に設けられた接合材17をヒーター14によって局所的に加熱することによって、基体6側および蓋体7側の接合電極16を接合するとともに基体6および蓋体7を取着するため、燃料電池用容器2の固定に必要なエンドプレートやネジなどの部材が不要となり、部品点数の削減による、小型、低背化が可能となる。そのため、機器の小型化への制約や設計上の制約を解消し得る燃料電池1を得ることができる。また、接合後においても、ヒーター14に電流を印加することで容易にリペアも可能である。
Furthermore, by locally heating the
ここで、第3配線導体12の他端と第4配線導体13の他端との電気的な接続、および基体6側および蓋体7側の接合電極16の接合を同時に行い、ヒーター14への電力印加を簡易にするため、各部のヒーター14は連続された配線であるのが好ましい。さらには、各部のヒーター14の抵抗を変更することにより、導電性接合材15および接合材17の硬化に必要な温度を調整することも可能である。また、導電性接合材15および接合材17は同じ材料であってもよい。
Here, the electrical connection between the other end of the
燃料電池用容器2の製造装置(図示せず)として、燃料電池用容器2の基体6および蓋体7に加重を加えてそれらを圧接させた状態でヒーター14に電力を入力することにより、第3および第4配線導体12,13を電気的に接続する、または、燃料電池用容器2の基体6および蓋体7に加重を加えてそれらを圧接させた状態でヒーター14に電力を入力することにより、第3および第4配線導体12,13を電気的に接続するとともに基体6側および蓋体7側の接合電極16を接合するために、ヒーター14に電力を印加可能な接続端子を表面に備えた支持部により、燃料電池用容器2の基体6および蓋体7の両面を圧縮する機能を具備すればよい。
As an apparatus (not shown) for manufacturing the
このとき、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と第1配線導体10〜第4配線導体13との十分な接触を保持するために、適切で均一な加重が必要である。また、ヒーター14への電力印加は、導電性接合材15および接合材17の溶融に十分な熱が短時間に供給されるような電流値および時間が必要である。また、導電性接合材15および接合材17にヒーター14によって局所的に加熱されるように、支持部の構造は、燃料電池用容器2に接触する場所に応じて、断熱あるいは放熱の構造をとることが好ましい。
At this time, in order to maintain sufficient contact between the
従って、リフロー処理を行う場合、電解質部材3に許容以上の温度負荷が加わるため、電解質部材3が損傷しやすく、また、炉内で必要十分な加重を加えることが困難であるのに対し、上記本発明の燃料電池用容器2の製造装置を用いることにより、燃料電池1のサイズや厚みに制約を受けることなく、電解質部材3を損傷することなく、燃料電池1製造の際の製造工程の簡略化、コストの抑制を図ることができる。
Therefore, when performing the reflow treatment, the
本発明の燃料電池1は、燃料電池用容器2の複数個の凹部に電解質部材3を収容して、電解質部材3の下側主面および上側主面を第1流体流路8および第2流体流路9の間でそれぞれの流体が流通可能なように配置するとともに、第1および第2配線導体10,11を第1および第2電極4,5に、ならびに第3および第4配線導体12,13を第1および第2電極4,5にそれぞれ電気的に接続し、基体6の凹部の周囲の上面に、凹部を覆うとともに第3および第4配線導体12,13の他端同士を接続して蓋体7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2による特長を備えた、小型、堅牢で、燃料電池1の組み立ての容易化を図ると共に、発電性能の向上を図ることができる信頼性の高い燃料電池1を得ることができる。
In the
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。
With the above configuration, a small and robust
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。
Next, the electronic apparatus of the present invention having the
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。
Since the electronic device of the present invention has the
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。
Further, when the
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。
Furthermore, since a metal layer can be formed in various shapes and electrical characteristics by the metallization method or the like inside the
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。
In addition, when forming resistance, a capacitance, and an inductance in the inside of the base |
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。 Specifically, the electronic device of the present invention includes portable electronic devices such as mobile phones, PDAs (Personal Digital Assistants), toys such as digital cameras, video cameras, and game machines, and notebook PCs (personal computers). ) And other portable printers, fax machines, televisions, communication equipment, audio-video equipment, electric appliances such as electric fans, and electronic equipment such as electric tools.
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。
In recent years, these electronic devices have been added with a function of displaying a moving image using a liquid crystal display device or the like. Such a video display consumes a large amount of power, so that an electronic device using a conventional storage battery cannot be operated in a short time, whereas the electronic device of the present invention supplies a very long time power. The
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および燃料電池用容器2が組み込まれることによって、燃料電池1および燃料電池用容器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。
For example, in the case of a mobile phone, a central processing unit (CPU), a control unit, a random access memory (RAM), a read-on memory (ROM), an input unit for inputting data operated by a user to the CPU, The antenna, the signal received by the antenna is demodulated and supplied to the control unit, the radio unit that modulates the signal supplied from the control unit and transmitted from the antenna, and the sound is generated based on the ringing signal from the control unit A speaker, a light emitting diode (LED) that is turned on, off, or blinking under the control of the control unit, a display unit that displays information by a signal from the control unit, a vibrator that vibrates by a drive signal from the control unit, and a user The voice signal from the control unit is transmitted to the control unit, the voice signal from the control unit is converted into voice and output, and the power source that supplies power to each unit The
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。
Also, considering that recent mobile phones are sufficient in terms of miniaturization and low profile, in the space generated by miniaturizing and reducing the height of the
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。 Further, instead of newly incorporating electronic components, an impact absorbing material, an impact preventing member or the like can be provided so as to protect the main electronic circuit. In this case, it is also possible to have a structure that can make the impact resistance when a shock is applied to the mobile phone main body due to dropping or the like, the waterproofness when used in rain, etc. stronger than before.
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。 In addition, by making it possible to reduce the size of the electric circuit inside the mobile phone body, there are fewer restrictions on the external shape of the mobile phone body, for example, making the mobile phone a shape that is easy for an elderly person or child to grip. It becomes possible to make the outer shape excellent in design.
また、電源部の構造を上述のように燃料電池1および燃料電池用容器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および燃料電池用容器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および燃料電池用容器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。
Further, in the case where the structure of the power source is a structure in which the
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。
In addition, since the replaced (used)
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および燃料電池用容器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および燃料電池用容器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。
In the case of a notebook PC (personal computer), a personal computer main body, a first housing containing a keyboard for inputting predetermined data to the personal computer main body, data input by the keyboard, or a personal computer And a second housing containing a display for displaying data processed by the main body, the second housing is attached to the first housing so as to be openable and closable, and power is supplied to each part. The power supply unit is configured to be provided in the first casing, and the
また、電源部の構造を燃料電池1および燃料電池用容器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および燃料電池用容器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。
If the
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。
It should be noted that the present invention is not limited to the embodiments described above, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. For example, the first
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。
A plurality of
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、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溝状の開口が葛折状に形成された開口部18と、開口部18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18と、他の開口部18または連結部19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21とから構成してもよい。
In addition, as shown in a cross-sectional view in FIG. 2 as another example of the fuel cell container and the fuel cell according to the present invention, at least one of the first
これにより、平面に並んだ複数の電解質部材3への燃料ガスや酸化剤ガスの供給や排出が、基体6’または蓋体7’の内部に形成された3次元的な流体流路である連結部19、導入部20、排出部21を用いて、外部に漏れることなく気密に行なうことができるため、安全でかつ電気化学的に良好に、効率的に取り出すことができる燃料電池1’を提供することができる。
Thereby, the supply and discharge of the fuel gas and the oxidant gas to the plurality of
これにより、複数の電解質部材3の間の流体流路を、連結部19、導入部20、および排出部21で3次元的に自由に形成し、組み合わせることができ、電解質部材3の配置に応じて、燃料供給の一様性を保ちつつ、高密度に流体流路を形成することが可能となり、燃料電池1’の低背化,小型化が可能となる。
Thereby, the fluid flow path between the plurality of
さらに、第3、第4配線導体12’,13’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。
Furthermore, since the third and fourth wiring conductors 12 'and 13' can be freely wired three-dimensionally, the plurality of
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種々の変更を加えることは何ら差し支えない。 In addition, this invention is not limited to the example of the above embodiment, A various change may be added in the range which does not deviate from the summary of this invention.
1,1’:燃料電池
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’:基体
7,7’:蓋体
8,8’:第1流体流路
9,9’:第2流体流路
10,10’:第1配線導体
11,11’:第2配線導体
12,12’:第3配線導体
13,13’:第4配線導体
14,14’:ヒーター
15,15’:導電性接合材
16,16’:接合電極
17,17’:接合材
DESCRIPTION OF
Claims (5)
の接合方法を用いて前記第3および第4配線導体の他端同士を接続して前記蓋体を取着して成ることを特徴とする燃料電池。 2. The fuel cell container according to claim 1, wherein the electrolyte member is accommodated in a plurality of the recesses, and the first fluid flow is opposed to the lower main surface on which the first electrode of the electrolyte member is formed. Forming a path and forming the second fluid flow path so as to face the upper main surface on which the second electrode of the electrolyte member is formed, and the lower side of the first fluid flow path and the electrolyte member wherein between and the second fluid flow path and the electrolyte the upper major surface can flow each of the fluid between a way to Rutotomoni member, said first and second wiring conductor of the principal first and the second electrode, and the connected third and fourth wiring conductor, respectively electrically to said first and second electrodes, on the upper surface around said recess of the base body, covering the recess, claim 2. The fuel cell container according to 2
A fuel cell, wherein the lid is attached by connecting the other ends of the third and fourth wiring conductors using the joining method .
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