JP5000830B2 - 燃料電池及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
（関連出願）
本出願は、２０００年５月８日に出願された米国仮出願第６０／２０２，８２７号及び２０００年１０月２３日に出願された米国仮出願第６０／２４２，１３６号を基礎とすることによる利益を受けんとするものであって、それらの記載事項は、本出願の一部をなすものとする。
【０００２】
（技術分野）
本発明は、電解質層と、この電解質層を挟む対をなすガス拡散電極層と、各ガス拡散電極層に接する燃料ガス及び酸化剤ガスの通路を画定するための対をなす配流板とを有する少なくとも１つセルから構成された燃料電池に関する。
【０００３】
（発明の背景）
燃料電池は、電解質層の両側に一対の電極を取り付け、一方の電極に水素やアルコール等の燃料ガス、他方の電極に酸素や空気などの酸化剤ガスを供給し、触媒による電気化学反応を起こさせて電気を発生させるものであり、電解質層に使用する電解質によってリン酸型、固体高分子型、溶融炭酸塩型等のものがある。
【０００４】
このうち、電解質にイオン交換膜を使用する固体高分子電解質型燃料電池（ＳＰＦＣ）は、固体酸化物電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）に比較して、小型化が可能であり、作動温度が低く（１００℃以下）、発電効率が高いことから注目されている。
【０００５】
上記固体高分子電解質型燃料電池にあっては、固体高分子電解質（ＳＰＥ）としては、例えばパーフロオロカーボンスルフォン酸（Ｎａｆｉｏｎ：商品名）やフェノールスルフォン酸、ポリスチレンスルフォン酸、ポリトリフルオロスチレンスルフォン酸などのイオン交換樹脂の薄膜が用いられ、このイオン交換樹脂の薄膜の両面に白金などからなる触媒紛を含むカーボンペーパーをガス拡散電極として設けて膜・電極接合体（ＭＥＡ）とし、このＭＥＡの一方の面側に燃料ガス通路を、他方の面側に空気などの酸化剤ガス通路を配流板（セパレータ）により画定して燃料電池セルを構成している。
【０００６】
この燃料電池セルを、通常、多数直列に接続して使用するが、燃料電池セルを積層して積層方向に隣接するセル同士でその間の配流板を共用するなどしてスタックを構成している。
【０００７】
一方、燃料電池を安定して作動させるためには、各ガスや配流板、電解質の温度、各ガスの流速等を必要に応じて制御することが重要であり、例えば、特開平８−１８５８７８号公報や特開平１１−１６２４９０号公報には燃料電池に反応ガスの温度、流量等を検出するセンサを設ける旨開示されている。
【０００８】
しかしながら、上記公報によれば、各センサは燃料電池外に設けられていることから、各燃料電池セル毎の情報が得られず、必ずしも精度の高い検出・制御を行うことができなかった。また、特開平１１−１６２４９０号公報には電圧センサ及び抵抗値センサを燃料電池スタックに組み込む旨開示されているが、これらのセンサをスタックに別付けする場合、ガスシールの構造が複雑になり、スタックの組み立てが煩雑になり、場合によっては特にシール部分の耐久性も低下すると云う問題があった。各燃料電池セル毎にセンサを組み込む場合、この問題は一層深刻になる。
【０００９】
（発明の概要）
このような従来技術の問題点に鑑み、本発明の主な目的は、シール構造を複雑化することなく、燃料電池セルに、センサ及びまたはヒータを容易に組み込むことができるような燃料電池を提供することにある。
【００１０】
本発明の第２の目的は、製造過程を煩雑化することなく、燃料電池セルに、センサ及びまたはヒータを容易に組み込むことができるような燃料電池を提供することにある。
【００１１】
このような目的は、本発明によれば、電解質層と、前記電解質層を挟む対をなすガス拡散電極層と、前記各ガス拡散電極層に接する燃料ガス及び酸化剤ガスの通路を画定するための対をなす配流板とを有する少なくとも１つのセルから構成された燃料電池であって、前記配流板の少なくともいずれかに、該配流板の温度、前記各ガスの温度及び流速のうちの少なくとも１種を検出するためのセンサ及び／または配流板を加温するためのヒータが一体的に形成されていることを特徴とする燃料電池を提供することにより達成される。特に、前記センサ及び／またはヒータが、該センサ及び／またはヒータを構成する材料を前記各配流板に所望の形状に成膜することにより形成され、前記各配流板が、基板をエッチング処理することにより形成され、前記センサ及び／またはヒータを形成する過程を、前記各配流板を形成する過程と一連に行うものとすることにより、センサ、ヒータの組み込みが容易になると共に埋め込み構造とすることでセンサ等のためのシール構造を別途必要とすることもない。
【００１２】
（発明を実施するための形態）
図１は、本発明が適用された燃料電池スタックの構造の一部を示す分解斜視図である。実際にはこのスタックを複数併設して直列または並列に接続し、これにアルコール等を改質し、または直接水素ガスを燃料として供給し、更に空気等を酸化剤ガスとして供給することにより燃料電池が構成される。
【００１３】
この燃料電池スタックは複数の燃料電池セル１を積層してなる。図２（ａ）、（ｂ）に併せて示すように、各燃料電池セル１は、積層方向中央の電解質層２と、その表裏にガス拡散電極層３、４を介して設けられた対をなす配流板５とから構成されている。ここで、各配流板５は、その両面を加工することで、当該セル１と積層方向に隣接する次段または前段のセルと共用している。
【００１４】
電解質層２は、格子状をなすフレーム２１と、このフレーム２１の各格子２１ａ間、即ち通孔２１ｂに電解質として充填されたＳＰＥ２２とからなる。ＳＰＥ２２としては、例えばパーフロオロカーボンスルフォン酸（Ｎａｆｉｏｎ：商品名）やフェノールスルフォン酸、ポリスチレンスルフォン酸、ポリトリフルオロスチレンスルフォン酸などが用いられる。
【００１５】
ここで、格子状フレーム２１はシリコン基板をエッチング、その他の加工をしてなり、四角形かつ環状をなす周縁部と、環状周縁部の内側に設けられた四角形格子部分とを有する。格子状フレーム２１の格子部分の各格子２１ａには、図２（ａ）、図２（ｂ）に示すように、対応する通孔２１ｂ中間部に向けて突出するように突起２１ｃが設けられている。突起２１ｃは、各格子２１ａの長手方向に延在する突条をなし、各通孔２１ｂ内に、狭い中間部を画定している。突起２１ｃは、各通孔２１ｂ内にＳＰＥ２２を保持するのを助ける。
【００１６】
このような突起は、都合良く、格子状フレーム２１を形成するのと同時に形成することができる。図３（ａ）〜図３（ｃ）は、電解質層２を形成する過程を示す。先ず、図３（ａ）に示すように、格子状フレーム２１の材料としてのシリコン基板の表裏両面に、所定のパターンにレジスト１３、１４を形成する。これを、図３（ｂ）に示すように、両面から異方性エッチング（ウェットエッチング）することにより、突起２１ｃにより、その厚み方向中間部が狭くなるようにされた通孔２１ｂが形成される。次に、ＳＰＥ２２を各通孔２１ｂ内に注入し、電解質層２の各面を概ね平坦な面とする。
【００１７】
この実施例では、格子状フレーム２１の対角位置に四角形の通孔２３ａ、２３ｂ、２４ａ、２４ｂが形成されている。格子状フレーム２１の一方の対角位置の通孔２３ａ、２３ｂは燃料ガス供給路及び排出路を構成し、別の対角位置の通孔２４ａ、２４ｂは酸化剤ガス供給路及び排出路を構成する。これら通孔２３ａ、２３ｂ、通孔２４ａ、２４ｂは上記同様な異方性エッチング（ウェットエッチング）により形成すれば通孔２１ｂと同様な形状の方形の開口を有する孔となり、また、例えばドライエッチングにより形成すればその開口形状は任意である。
【００１８】
一方、配流板５もシリコン基板を加工してなり、概ね四角形の同形をなす。その中央部の表裏両面に、平坦な底部を有する四角形の凹部５１、５２が形成され、この中央凹部５１、５２の平坦な底部上には多数の四角錐台状の突起５３、５４が設けられている。また、凹部５１、５２及び各突起５３、５４の表面には外部回路とガス拡散電極層３、４とを接続するための金（Ａｕ）めっき層からなる電極端子膜５５、５６が公知の成膜法により成膜されている。
【００１９】
図４（ａ）〜図４（ｃ）は、各配流板５の形成方法を示す。図４（ａ）に示すように、シリコン基板の各面に所定のパターンにレジスト１５、１６を形成し、図４（ｂ）に示すように、シリコン基板をその両面から異方性エッチングすることにより、凹部５１、５２及び各突起５３、５４を同時に形成する。尚、燃料電池セル１の積層方向両端の配流板５では、内側になる面のみに中央凹部、四角錐台状の突起が設けられていて良い。次に、レジスト１５、１６を除去し、図４（ｃ）に示すように、凹部５１、５２及び各突起５３、５４の表面に電極端子膜５５、５６を成膜する。
【００２０】
配流板５は、格子状フレーム２１に対して同形であり、従って４角形をなす。４角形の通孔５７ａ、５７ｂ、５８ａ、５８ｂが、その縁部の各隅部に設けられている。一方の対角位置に設けられた通孔５７ａ、５７ｂは、燃料ガス供給路及び排出路を構成し、別の対角位置に設けられた通孔５８ａ、５８ｂは、酸化剤ガス供給路及び排出路を構成する。ここで、図１に示すように、凹部５１と通孔５８ａ、５８ｂとは、縁部に設けられた酸化剤ガス用溝５９ａ、５９ｂにより連通し、凹部５２と通孔５７ａ、５７ｂとは、同様な燃料ガス用溝６０ａ、６０ｂにより連通している。これら溝５９ａ、５９ｂ、溝６０ａ、６０ｂは異方性エッチング（ウェットエッチング）により形成され、Ｖ字状断面の溝となっている。また、通孔５７ａ、５７ｂ、通孔５８ａ、５８ｂも上記同様な異方性エッチングにより形成したことにより、格子状フレーム２１の通孔２１ｂと同様な形状の方形の開口を有する孔となっている。
【００２１】
図５に良く示すように、配流板５の適所には、ガス温度センサ６１ａ、流量センサ６１ｂ、配流板温度センサ６１ｃが配流板５と一体的に形成されている。ガス温度センサ６１ａ及び配流板温度センサ６１ｃは、例えば白金膜と白金ロジウム膜とを接触させた熱電対からなり、これらの材料を配流板５上に成膜し、加工したものである。実際には例えばシリコン基板の一部をドーピングして、半導体膜の熱による電流変化を利用したセンサとしても良い。また、ガス温度センサ６１ａは、流動しないガスの温度を測定するべく配流板５の独立した凹部６４に位置している。流量センサ６１ｂは抵抗センサからなり、流量変化により抵抗が温度変化し、抵抗値が変化することを利用したものである。また、稼働開始時などに早期に所望の出力を得ると共に安定した発電を行うべく配流板５の周縁部にはその全周に亘りヒータ６２が形成されている。尚、図１には図の最も下段の配流板５上面部にのみガス温度センサ６１ａ、流量センサ６１ｂ、配流板温度センサ６１ｃ及びヒータ６２を図示したが、実際には中間部の配流板５にはその両面、最上段の配流板５にはその下面に各々センサ６１ａ、６１ｂ、６１ｃ及びヒータ６２が形成されている。また、センサ、ヒータの位置、個数も後記するような成膜、エッチング工程で製造可能な範囲で任意である。
【００２２】
流量センサ６１ｂ及びヒータ６２の製造手順を図６（ａ）〜図６（ｉ）に示す。まず、シリコン基板の表面にＳｉＮ絶縁膜６５、Ｐｔ抵抗膜６６、ＳｉＮ絶縁膜６７をこの順番に例えば物理蒸着法により成膜し（図６（ａ））、流量センサ６１ｂ及びヒータ６２のパターンにレジスト６８、６９を形成する（図６（ｂ））。そして、レジスト６８、６９のない部分のＰｔ抵抗膜６６、ＳｉＮ絶縁膜６７をエッチングにより除去し（図６（ｃ））、再度ＳｉＮ絶縁膜７０でオーバーコートする（図６（ｄ））。更に、ヒータ６２の電極用の窓７２となる部分以外の部分にレジスト７１を形成し（図６（ｅ））、該部分のＳｉＮ絶縁膜６７、７０をエッチングして窓７２を形成し（図６（ｆ））、レジスト７１を除去後、更に上記同様な手順で凹部５１、５２、溝５９ａ、５９ｂが形成されるべき部分のＳｉＮ絶縁膜６５、７０を除去する（図６（ｇ））。そして、ＣｒまたはＡｕ膜を成膜し、上記同様にパターニングして電極膜７４を得て、ヒータ６２が形成される（図６（ｈ））。その後、図４（ａ）〜４（ｄ）に示すエッチング処理を行うことにより、凹部５１、５２及び各突起５３、５４が形成されると同時に流量センサ６１ｂが形成される（図６（ｉ））。ここで、流量センサ６１ｂをシリコン基板の結晶方向に対して斜めに配置して異方性エッチングすることで、流量センサ６１ｂの下部もエッチングされ（アンダーカット）、ガス通路を確保できる。
【００２３】
尚、ガス温度センサ６１ａは、白金ロジウム膜の成膜工程が増えるものの、他の成膜工程は流量センサ６１ｂ及びヒータ６２と同時に行うことができ、特にセンサ下部のエッチング等は流量センサ６１ｂと同様に行うことができる。また、配流板温度センサ６１ｃは、センサ下部のエッチングは行わないもののガス温度センサ６１ａと同じ成膜材料を用いて同時に、かつ同様な手順で形成できる。従って、ガス温度センサ６１ａ及び配流板温度センサ６１ｃの製造手順の説明を省略する。
【００２４】
上記成膜工程としては各種物理蒸着法（ＰＶＤ）以外に各種化学蒸着法（ＣＶＤ）、スパッタリング法、各種めっき法、ゾルゲル法を含む塗布及び乾燥・固化による方法等を用いて良く、膜を除去する工程として、ウェットエッチング、ドライエッチング、プラズマエッチング、放電加工、レーザ加工、電子ビーム加工等を用いることができる。
【００２５】
ガス拡散電極層３、４は、カーボンペーパーからなるガス拡散層３ａ、４ａの電解質層２側の表面近傍に白金（Ｐｔ）触媒３ｂ、４ｂをＳＰＥ２２と同様なＳＰＥと共に分散させたものからなる。
【００２６】
上記電解質層２をガス拡散電極層３、４を介して一対の配流板５で挟み、凹部５１、５２を囲むようにその周囲全周に亘り接着剤８により接着することにより、その内部が気密に密閉され、中央凹部５１側に酸化剤ガスとしての空気通路１０が細い通路として画定され、中央凹部５２側に燃料ガス通路１１が細い通路として画定されている。ここで、各配流板５の各突起５３、５４は、電極端子５５、５６としての金メッキ層により概ね全体的に覆われており、各ガス拡散電極層３、４を、電解質層２のフレーム２１に軽く押し付ける。従って、各ガス拡散電極層３、４は、対応する配流板５に対して、多数の突起５３、５４を介して電気的に並列に接続され、電解質層２と外部回路とが確実に導通するようになっている。
【００２７】
フレーム２１と配流板５との間の接合は、様々な方法で実現することができる。好ましくは、接着剤による接着に代えて陽極接合を用いると良い。その場合、各センサ６１ａ、６１ｂ、６１ｃ及びヒータ６２の引き出し線を、例えば配流板にスルーホールを形成して配流板５の裏面側に出して外部回路に接続すると良い。
【００２８】
このような各燃料電池セル１に、各センサ６１ａ、６１ｂ、６１ｃの測定結果に応じてヒータ６２により加温しつつ燃料ガス及び酸化剤ガス（空気）を流すことにより、触媒（Ｐｔ）による電気化学反応が発生し、各電極端子膜５５、５６間に電位差が生じ、これを直列に接続したスタックから外部回路に電源として供給することができる。
【００２９】
上記した説明により明らかなように、本発明による燃料電池及びその製造方法によれば、電解質層と、この電解質層を挟む対をなすガス拡散電極層と、各ガス拡散電極層に接する燃料ガス及び酸化剤ガスの通路を画定するための対をなす配流板とを有する１つ以上のセルから構成された燃料電池を、少なくとも一方の配流板に、該配流板の温度、各ガスの温度または流速を検出するためのセンサ及び／または電解質を加温するためのヒータが一体的に形成されているものとすることで、センサ、ヒータの組み込みが容易になり、埋め込み構造とすることでセンサ等のためのシール構造を別途必要とすることもない。特にセンサ及び／またはヒータを、各配流板にセンサ及び／またはヒータを構成する材料を所望の形状に成膜することにより形成し、更に各配流板を、基板をエッチング処理することにより形成し、これらを一連の製造工程の一部として行うことにより、一層、センサ、ヒータの組み込み及び燃料電池の製造が容易になる。
【００３０】
以上、本発明を特定の実施例について説明したが、当業者であれば、添付の請求の範囲に記載された本発明の技術分野から逸脱することなく本発明に様々な改変を加え得ることは言うまでもない。例えば、本出願中では、燃料電池のための燃料及び酸化剤がガスであると、発明の詳細な説明或いは請求の範囲に記載されているが、本発明の技術分野から逸脱することなく、液体であっても良いことを了解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明が適用された燃料電池スタックの構造を示す分解斜視図。
【図２ａ】 図１のＩＩａ−ＩＩａ線について見た部分拡大断面図。
【図２ｂ】 図１のＩＩｂ−ＩＩｂ線について見た部分拡大断面図。
【図３ａ】 本発明が適用された燃料電池セルの電解質層の製造手順を説明する断面図。
【図３ｂ】 本発明が適用された燃料電池セルの電解質層の製造手順を説明する断面図。
【図３ｃ】 本発明が適用された燃料電池セルの電解質層の製造手順を説明する断面図。
【図４ａ】 本発明が適用された燃料電池セルの配流板の製造手順を説明する断面図。
【図４ｂ】 本発明が適用された燃料電池セルの配流板の製造手順を説明する断面図。
【図４ｃ】 本発明が適用された燃料電池セルの配流板の製造手順を説明する断面図。
【図５】 本発明が適用された燃料電池セルのセンサ及びヒータの要部を拡大して示す斜視図。
【図６ａ】 本発明が適用された燃料電池セルのセンサ及びヒータ部分の製造手順を説明する断面図。
【図６ｂ】 本発明が適用された燃料電池セルのセンサ及びヒータ部分の製造手順を説明する断面図。
【図６ｃ】 本発明が適用された燃料電池セルのセンサ及びヒータ部分の製造手順を説明する断面図。
【図６ｄ】 本発明が適用された燃料電池セルのセンサ及びヒータ部分の製造手順を説明する断面図。
【図６ｅ】 本発明が適用された燃料電池セルのセンサ及びヒータ部分の製造手順を説明する断面図。
【図６ｆ】 本発明が適用された燃料電池セルのセンサ及びヒータ部分の製造手順を説明する断面図。
【図６ｇ】 本発明が適用された燃料電池セルのセンサ及びヒータ部分の製造手順を説明する断面図。
【図６ｈ】 本発明が適用された燃料電池セルのセンサ及びヒータ部分の製造手順を説明する断面図。
【図６ｉ】 本発明が適用された燃料電池セルのセンサ及びヒータ部分の製造手順を説明する断面図。
（関連出願）
本出願は、２０００年５月８日に出願された米国仮出願第６０／２０２，８２７号及び２０００年１０月２３日に出願された米国仮出願第６０／２４２，１３６号を基礎とすることによる利益を受けんとするものであって、それらの記載事項は、本出願の一部をなすものとする。
【０００２】
（技術分野）
本発明は、電解質層と、この電解質層を挟む対をなすガス拡散電極層と、各ガス拡散電極層に接する燃料ガス及び酸化剤ガスの通路を画定するための対をなす配流板とを有する少なくとも１つセルから構成された燃料電池に関する。
【０００３】
（発明の背景）
燃料電池は、電解質層の両側に一対の電極を取り付け、一方の電極に水素やアルコール等の燃料ガス、他方の電極に酸素や空気などの酸化剤ガスを供給し、触媒による電気化学反応を起こさせて電気を発生させるものであり、電解質層に使用する電解質によってリン酸型、固体高分子型、溶融炭酸塩型等のものがある。
【０００４】
このうち、電解質にイオン交換膜を使用する固体高分子電解質型燃料電池（ＳＰＦＣ）は、固体酸化物電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）に比較して、小型化が可能であり、作動温度が低く（１００℃以下）、発電効率が高いことから注目されている。
【０００５】
上記固体高分子電解質型燃料電池にあっては、固体高分子電解質（ＳＰＥ）としては、例えばパーフロオロカーボンスルフォン酸（Ｎａｆｉｏｎ：商品名）やフェノールスルフォン酸、ポリスチレンスルフォン酸、ポリトリフルオロスチレンスルフォン酸などのイオン交換樹脂の薄膜が用いられ、このイオン交換樹脂の薄膜の両面に白金などからなる触媒紛を含むカーボンペーパーをガス拡散電極として設けて膜・電極接合体（ＭＥＡ）とし、このＭＥＡの一方の面側に燃料ガス通路を、他方の面側に空気などの酸化剤ガス通路を配流板（セパレータ）により画定して燃料電池セルを構成している。
【０００６】
この燃料電池セルを、通常、多数直列に接続して使用するが、燃料電池セルを積層して積層方向に隣接するセル同士でその間の配流板を共用するなどしてスタックを構成している。
【０００７】
一方、燃料電池を安定して作動させるためには、各ガスや配流板、電解質の温度、各ガスの流速等を必要に応じて制御することが重要であり、例えば、特開平８−１８５８７８号公報や特開平１１−１６２４９０号公報には燃料電池に反応ガスの温度、流量等を検出するセンサを設ける旨開示されている。
【０００８】
しかしながら、上記公報によれば、各センサは燃料電池外に設けられていることから、各燃料電池セル毎の情報が得られず、必ずしも精度の高い検出・制御を行うことができなかった。また、特開平１１−１６２４９０号公報には電圧センサ及び抵抗値センサを燃料電池スタックに組み込む旨開示されているが、これらのセンサをスタックに別付けする場合、ガスシールの構造が複雑になり、スタックの組み立てが煩雑になり、場合によっては特にシール部分の耐久性も低下すると云う問題があった。各燃料電池セル毎にセンサを組み込む場合、この問題は一層深刻になる。
【０００９】
（発明の概要）
このような従来技術の問題点に鑑み、本発明の主な目的は、シール構造を複雑化することなく、燃料電池セルに、センサ及びまたはヒータを容易に組み込むことができるような燃料電池を提供することにある。
【００１０】
本発明の第２の目的は、製造過程を煩雑化することなく、燃料電池セルに、センサ及びまたはヒータを容易に組み込むことができるような燃料電池を提供することにある。
【００１１】
このような目的は、本発明によれば、電解質層と、前記電解質層を挟む対をなすガス拡散電極層と、前記各ガス拡散電極層に接する燃料ガス及び酸化剤ガスの通路を画定するための対をなす配流板とを有する少なくとも１つのセルから構成された燃料電池であって、前記配流板の少なくともいずれかに、該配流板の温度、前記各ガスの温度及び流速のうちの少なくとも１種を検出するためのセンサ及び／または配流板を加温するためのヒータが一体的に形成されていることを特徴とする燃料電池を提供することにより達成される。特に、前記センサ及び／またはヒータが、該センサ及び／またはヒータを構成する材料を前記各配流板に所望の形状に成膜することにより形成され、前記各配流板が、基板をエッチング処理することにより形成され、前記センサ及び／またはヒータを形成する過程を、前記各配流板を形成する過程と一連に行うものとすることにより、センサ、ヒータの組み込みが容易になると共に埋め込み構造とすることでセンサ等のためのシール構造を別途必要とすることもない。
【００１２】
（発明を実施するための形態）
図１は、本発明が適用された燃料電池スタックの構造の一部を示す分解斜視図である。実際にはこのスタックを複数併設して直列または並列に接続し、これにアルコール等を改質し、または直接水素ガスを燃料として供給し、更に空気等を酸化剤ガスとして供給することにより燃料電池が構成される。
【００１３】
この燃料電池スタックは複数の燃料電池セル１を積層してなる。図２（ａ）、（ｂ）に併せて示すように、各燃料電池セル１は、積層方向中央の電解質層２と、その表裏にガス拡散電極層３、４を介して設けられた対をなす配流板５とから構成されている。ここで、各配流板５は、その両面を加工することで、当該セル１と積層方向に隣接する次段または前段のセルと共用している。
【００１４】
電解質層２は、格子状をなすフレーム２１と、このフレーム２１の各格子２１ａ間、即ち通孔２１ｂに電解質として充填されたＳＰＥ２２とからなる。ＳＰＥ２２としては、例えばパーフロオロカーボンスルフォン酸（Ｎａｆｉｏｎ：商品名）やフェノールスルフォン酸、ポリスチレンスルフォン酸、ポリトリフルオロスチレンスルフォン酸などが用いられる。
【００１５】
ここで、格子状フレーム２１はシリコン基板をエッチング、その他の加工をしてなり、四角形かつ環状をなす周縁部と、環状周縁部の内側に設けられた四角形格子部分とを有する。格子状フレーム２１の格子部分の各格子２１ａには、図２（ａ）、図２（ｂ）に示すように、対応する通孔２１ｂ中間部に向けて突出するように突起２１ｃが設けられている。突起２１ｃは、各格子２１ａの長手方向に延在する突条をなし、各通孔２１ｂ内に、狭い中間部を画定している。突起２１ｃは、各通孔２１ｂ内にＳＰＥ２２を保持するのを助ける。
【００１６】
このような突起は、都合良く、格子状フレーム２１を形成するのと同時に形成することができる。図３（ａ）〜図３（ｃ）は、電解質層２を形成する過程を示す。先ず、図３（ａ）に示すように、格子状フレーム２１の材料としてのシリコン基板の表裏両面に、所定のパターンにレジスト１３、１４を形成する。これを、図３（ｂ）に示すように、両面から異方性エッチング（ウェットエッチング）することにより、突起２１ｃにより、その厚み方向中間部が狭くなるようにされた通孔２１ｂが形成される。次に、ＳＰＥ２２を各通孔２１ｂ内に注入し、電解質層２の各面を概ね平坦な面とする。
【００１７】
この実施例では、格子状フレーム２１の対角位置に四角形の通孔２３ａ、２３ｂ、２４ａ、２４ｂが形成されている。格子状フレーム２１の一方の対角位置の通孔２３ａ、２３ｂは燃料ガス供給路及び排出路を構成し、別の対角位置の通孔２４ａ、２４ｂは酸化剤ガス供給路及び排出路を構成する。これら通孔２３ａ、２３ｂ、通孔２４ａ、２４ｂは上記同様な異方性エッチング（ウェットエッチング）により形成すれば通孔２１ｂと同様な形状の方形の開口を有する孔となり、また、例えばドライエッチングにより形成すればその開口形状は任意である。
【００１８】
一方、配流板５もシリコン基板を加工してなり、概ね四角形の同形をなす。その中央部の表裏両面に、平坦な底部を有する四角形の凹部５１、５２が形成され、この中央凹部５１、５２の平坦な底部上には多数の四角錐台状の突起５３、５４が設けられている。また、凹部５１、５２及び各突起５３、５４の表面には外部回路とガス拡散電極層３、４とを接続するための金（Ａｕ）めっき層からなる電極端子膜５５、５６が公知の成膜法により成膜されている。
【００１９】
図４（ａ）〜図４（ｃ）は、各配流板５の形成方法を示す。図４（ａ）に示すように、シリコン基板の各面に所定のパターンにレジスト１５、１６を形成し、図４（ｂ）に示すように、シリコン基板をその両面から異方性エッチングすることにより、凹部５１、５２及び各突起５３、５４を同時に形成する。尚、燃料電池セル１の積層方向両端の配流板５では、内側になる面のみに中央凹部、四角錐台状の突起が設けられていて良い。次に、レジスト１５、１６を除去し、図４（ｃ）に示すように、凹部５１、５２及び各突起５３、５４の表面に電極端子膜５５、５６を成膜する。
【００２０】
配流板５は、格子状フレーム２１に対して同形であり、従って４角形をなす。４角形の通孔５７ａ、５７ｂ、５８ａ、５８ｂが、その縁部の各隅部に設けられている。一方の対角位置に設けられた通孔５７ａ、５７ｂは、燃料ガス供給路及び排出路を構成し、別の対角位置に設けられた通孔５８ａ、５８ｂは、酸化剤ガス供給路及び排出路を構成する。ここで、図１に示すように、凹部５１と通孔５８ａ、５８ｂとは、縁部に設けられた酸化剤ガス用溝５９ａ、５９ｂにより連通し、凹部５２と通孔５７ａ、５７ｂとは、同様な燃料ガス用溝６０ａ、６０ｂにより連通している。これら溝５９ａ、５９ｂ、溝６０ａ、６０ｂは異方性エッチング（ウェットエッチング）により形成され、Ｖ字状断面の溝となっている。また、通孔５７ａ、５７ｂ、通孔５８ａ、５８ｂも上記同様な異方性エッチングにより形成したことにより、格子状フレーム２１の通孔２１ｂと同様な形状の方形の開口を有する孔となっている。
【００２１】
図５に良く示すように、配流板５の適所には、ガス温度センサ６１ａ、流量センサ６１ｂ、配流板温度センサ６１ｃが配流板５と一体的に形成されている。ガス温度センサ６１ａ及び配流板温度センサ６１ｃは、例えば白金膜と白金ロジウム膜とを接触させた熱電対からなり、これらの材料を配流板５上に成膜し、加工したものである。実際には例えばシリコン基板の一部をドーピングして、半導体膜の熱による電流変化を利用したセンサとしても良い。また、ガス温度センサ６１ａは、流動しないガスの温度を測定するべく配流板５の独立した凹部６４に位置している。流量センサ６１ｂは抵抗センサからなり、流量変化により抵抗が温度変化し、抵抗値が変化することを利用したものである。また、稼働開始時などに早期に所望の出力を得ると共に安定した発電を行うべく配流板５の周縁部にはその全周に亘りヒータ６２が形成されている。尚、図１には図の最も下段の配流板５上面部にのみガス温度センサ６１ａ、流量センサ６１ｂ、配流板温度センサ６１ｃ及びヒータ６２を図示したが、実際には中間部の配流板５にはその両面、最上段の配流板５にはその下面に各々センサ６１ａ、６１ｂ、６１ｃ及びヒータ６２が形成されている。また、センサ、ヒータの位置、個数も後記するような成膜、エッチング工程で製造可能な範囲で任意である。
【００２２】
流量センサ６１ｂ及びヒータ６２の製造手順を図６（ａ）〜図６（ｉ）に示す。まず、シリコン基板の表面にＳｉＮ絶縁膜６５、Ｐｔ抵抗膜６６、ＳｉＮ絶縁膜６７をこの順番に例えば物理蒸着法により成膜し（図６（ａ））、流量センサ６１ｂ及びヒータ６２のパターンにレジスト６８、６９を形成する（図６（ｂ））。そして、レジスト６８、６９のない部分のＰｔ抵抗膜６６、ＳｉＮ絶縁膜６７をエッチングにより除去し（図６（ｃ））、再度ＳｉＮ絶縁膜７０でオーバーコートする（図６（ｄ））。更に、ヒータ６２の電極用の窓７２となる部分以外の部分にレジスト７１を形成し（図６（ｅ））、該部分のＳｉＮ絶縁膜６７、７０をエッチングして窓７２を形成し（図６（ｆ））、レジスト７１を除去後、更に上記同様な手順で凹部５１、５２、溝５９ａ、５９ｂが形成されるべき部分のＳｉＮ絶縁膜６５、７０を除去する（図６（ｇ））。そして、ＣｒまたはＡｕ膜を成膜し、上記同様にパターニングして電極膜７４を得て、ヒータ６２が形成される（図６（ｈ））。その後、図４（ａ）〜４（ｄ）に示すエッチング処理を行うことにより、凹部５１、５２及び各突起５３、５４が形成されると同時に流量センサ６１ｂが形成される（図６（ｉ））。ここで、流量センサ６１ｂをシリコン基板の結晶方向に対して斜めに配置して異方性エッチングすることで、流量センサ６１ｂの下部もエッチングされ（アンダーカット）、ガス通路を確保できる。
【００２３】
尚、ガス温度センサ６１ａは、白金ロジウム膜の成膜工程が増えるものの、他の成膜工程は流量センサ６１ｂ及びヒータ６２と同時に行うことができ、特にセンサ下部のエッチング等は流量センサ６１ｂと同様に行うことができる。また、配流板温度センサ６１ｃは、センサ下部のエッチングは行わないもののガス温度センサ６１ａと同じ成膜材料を用いて同時に、かつ同様な手順で形成できる。従って、ガス温度センサ６１ａ及び配流板温度センサ６１ｃの製造手順の説明を省略する。
【００２４】
上記成膜工程としては各種物理蒸着法（ＰＶＤ）以外に各種化学蒸着法（ＣＶＤ）、スパッタリング法、各種めっき法、ゾルゲル法を含む塗布及び乾燥・固化による方法等を用いて良く、膜を除去する工程として、ウェットエッチング、ドライエッチング、プラズマエッチング、放電加工、レーザ加工、電子ビーム加工等を用いることができる。
【００２５】
ガス拡散電極層３、４は、カーボンペーパーからなるガス拡散層３ａ、４ａの電解質層２側の表面近傍に白金（Ｐｔ）触媒３ｂ、４ｂをＳＰＥ２２と同様なＳＰＥと共に分散させたものからなる。
【００２６】
上記電解質層２をガス拡散電極層３、４を介して一対の配流板５で挟み、凹部５１、５２を囲むようにその周囲全周に亘り接着剤８により接着することにより、その内部が気密に密閉され、中央凹部５１側に酸化剤ガスとしての空気通路１０が細い通路として画定され、中央凹部５２側に燃料ガス通路１１が細い通路として画定されている。ここで、各配流板５の各突起５３、５４は、電極端子５５、５６としての金メッキ層により概ね全体的に覆われており、各ガス拡散電極層３、４を、電解質層２のフレーム２１に軽く押し付ける。従って、各ガス拡散電極層３、４は、対応する配流板５に対して、多数の突起５３、５４を介して電気的に並列に接続され、電解質層２と外部回路とが確実に導通するようになっている。
【００２７】
フレーム２１と配流板５との間の接合は、様々な方法で実現することができる。好ましくは、接着剤による接着に代えて陽極接合を用いると良い。その場合、各センサ６１ａ、６１ｂ、６１ｃ及びヒータ６２の引き出し線を、例えば配流板にスルーホールを形成して配流板５の裏面側に出して外部回路に接続すると良い。
【００２８】
このような各燃料電池セル１に、各センサ６１ａ、６１ｂ、６１ｃの測定結果に応じてヒータ６２により加温しつつ燃料ガス及び酸化剤ガス（空気）を流すことにより、触媒（Ｐｔ）による電気化学反応が発生し、各電極端子膜５５、５６間に電位差が生じ、これを直列に接続したスタックから外部回路に電源として供給することができる。
【００２９】
上記した説明により明らかなように、本発明による燃料電池及びその製造方法によれば、電解質層と、この電解質層を挟む対をなすガス拡散電極層と、各ガス拡散電極層に接する燃料ガス及び酸化剤ガスの通路を画定するための対をなす配流板とを有する１つ以上のセルから構成された燃料電池を、少なくとも一方の配流板に、該配流板の温度、各ガスの温度または流速を検出するためのセンサ及び／または電解質を加温するためのヒータが一体的に形成されているものとすることで、センサ、ヒータの組み込みが容易になり、埋め込み構造とすることでセンサ等のためのシール構造を別途必要とすることもない。特にセンサ及び／またはヒータを、各配流板にセンサ及び／またはヒータを構成する材料を所望の形状に成膜することにより形成し、更に各配流板を、基板をエッチング処理することにより形成し、これらを一連の製造工程の一部として行うことにより、一層、センサ、ヒータの組み込み及び燃料電池の製造が容易になる。
【００３０】
以上、本発明を特定の実施例について説明したが、当業者であれば、添付の請求の範囲に記載された本発明の技術分野から逸脱することなく本発明に様々な改変を加え得ることは言うまでもない。例えば、本出願中では、燃料電池のための燃料及び酸化剤がガスであると、発明の詳細な説明或いは請求の範囲に記載されているが、本発明の技術分野から逸脱することなく、液体であっても良いことを了解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明が適用された燃料電池スタックの構造を示す分解斜視図。
【図２ａ】 図１のＩＩａ−ＩＩａ線について見た部分拡大断面図。
【図２ｂ】 図１のＩＩｂ−ＩＩｂ線について見た部分拡大断面図。
【図３ａ】 本発明が適用された燃料電池セルの電解質層の製造手順を説明する断面図。
【図３ｂ】 本発明が適用された燃料電池セルの電解質層の製造手順を説明する断面図。
【図３ｃ】 本発明が適用された燃料電池セルの電解質層の製造手順を説明する断面図。
【図４ａ】 本発明が適用された燃料電池セルの配流板の製造手順を説明する断面図。
【図４ｂ】 本発明が適用された燃料電池セルの配流板の製造手順を説明する断面図。
【図４ｃ】 本発明が適用された燃料電池セルの配流板の製造手順を説明する断面図。
【図５】 本発明が適用された燃料電池セルのセンサ及びヒータの要部を拡大して示す斜視図。
【図６ａ】 本発明が適用された燃料電池セルのセンサ及びヒータ部分の製造手順を説明する断面図。
【図６ｂ】 本発明が適用された燃料電池セルのセンサ及びヒータ部分の製造手順を説明する断面図。
【図６ｃ】 本発明が適用された燃料電池セルのセンサ及びヒータ部分の製造手順を説明する断面図。
【図６ｄ】 本発明が適用された燃料電池セルのセンサ及びヒータ部分の製造手順を説明する断面図。
【図６ｅ】 本発明が適用された燃料電池セルのセンサ及びヒータ部分の製造手順を説明する断面図。
【図６ｆ】 本発明が適用された燃料電池セルのセンサ及びヒータ部分の製造手順を説明する断面図。
【図６ｇ】 本発明が適用された燃料電池セルのセンサ及びヒータ部分の製造手順を説明する断面図。
【図６ｈ】 本発明が適用された燃料電池セルのセンサ及びヒータ部分の製造手順を説明する断面図。
【図６ｉ】 本発明が適用された燃料電池セルのセンサ及びヒータ部分の製造手順を説明する断面図。
Claims (3)
- 電解質層と、前記電解質層を挟む対をなすガス拡散電極層と、前記各ガス拡散電極層に接する燃料ガス及び酸化剤ガスの通路を画定するための対をなす配流板とを有する少なくとも１つのセルから構成された燃料電池であって、
前記配流板の少なくともいずれかに、前記各ガスの温度を検出する温度センサと、前記各ガスの流量を検出する流量を検出する流量センサとを有し、
前記温度センサは前記配流板に形成された凹部に配置され、前記流量センサは前記配流板にアンダカットによって形成されたガス通路上に配置されていることを特徴とする燃料電池。 - 前記温度センサと前記流量センサは、各センサを構成する材料の成膜によって前記配流板に形成されている請求項１記載の燃料電池。
- 電解質層と、前記電解質層を挟む対をなすガス拡散電極層と、前記各ガス拡散電極層に接する燃料ガス及び酸化剤ガスの通路を画定するための対をなす配流板とを有する少なくとも１つのセルから構成された燃料電池の製造方法であって、
前記配流板にエッチングによって凹部を形成する工程と、
前記凹部に温度センサを構成する材料の成膜によって温度センサを形成する工程と、
前記各配流板に流量センサを構成する材料の成膜によって流量センサを形成する工程と、
前記流量センサの下部にアンダカットのエッチングによってガス通路を形成する工程と、
を有することを特徴とする燃料電池の製造方法。
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