JP3740463B2

JP3740463B2 - Fuel cell container and fuel cell

Info

Publication number: JP3740463B2
Application number: JP2002375755A
Authority: JP
Inventors: 広一朗菅井; 貴幸宮尾
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-12-26
Filing date: 2002-12-26
Publication date: 2006-02-01
Anticipated expiration: 2022-12-26
Also published as: JP2004207086A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
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およびそれを用いた燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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（アノード）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（カソード）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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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、すなわ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。
【０００８】
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。
【０００９】
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剤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。
【００１０】
【特許文献１】
特開2001−266910号公報
【特許文献２】
特表2001−507501号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
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。
【００１２】
すなわち、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。
【００１３】
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形成されるガスセパレータ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。
【００１４】
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。すなわち、電解質部材23に供給された燃料ガスがガス流路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。これと同様に、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、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。
【００１５】
また、複数の電解質部材23とその対向する燃料極24・空気極25とガスセパレータ26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21では電解質部材23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26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。そのため、小型でかつ電解質部材23の有効利用面積を高めて燃料電池の体積出力密度を向上した燃料電池のスタック構造を提供することが困難であるという問題点もあった。
【００１６】
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、ガスの均等供給・燃料電池容器内の温度勾配の均一化・高効率な電気接続を図ることができる信頼性のある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。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池用容器は、第１および第２電極を両側主面に有する電解質部材が収容された第１凹部を上側主面に、第２凹部を下側主面に有するセラミックス製の基体と、該基体の内部に前記第１および第２凹部の間からそれぞれの凹部の底面にかけて形成された第１流体流路と、前記電解質部材の前記第１電極に対向するように前記第１および第２凹部のそれぞれ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て形成された第１配線導体と、前記基体の前記第１および第２凹部の周囲の上面にそれぞれ前記第１および第２凹部を覆って取着され、前記第１および第２凹部を気密に封止するセラミックス製の第１および第２蓋体と、前記電解質部材の前記第２電極に対向するように前記第１および第２蓋体の前記第１および第２凹部側の主面からそれぞれの外面にかけて形成された第２流体流路と、前記電解質部材の前記第２電極に対向する前記第１および第２蓋体の前記第１および第２凹部側の主面に一端が配設され、他端がそれぞれの外面に導出されて形成された第２配線導体とを具備して成ることを特徴とするものである。
【００１８】
また、本発明の燃料電池用容器は、上記構成において、前記第１流体流路は、前記第１および第２凹部の前記底面における開口を対向させて配置されていることを特徴とするものである。
【００１９】
また、本発明の燃料電池は、上記構成の本発明の燃料電池用容器の前記第１および第２凹部に前記電解質部材を収容して、この電解質部材の前記下側および上側主面を前記第１および第２流体流路との間でそれぞれ流体の供給あるいは排出が可能なように配置するとともに、前記第１および第２配線導体を前記第１および第２電極にそれぞれ電気的に接続し、前記基体の前記第１および第２凹部の周囲の上面にそれぞれの凹部を覆って前記第１および第２蓋体を取着して成ることを特徴とするものである。
【００２０】
本発明の燃料電池用容器によれば、第１および第２電極を両側主面に有する電解質部材が収容された第１凹部を上側主面に、第２凹部を下側主面に有するセラミックスから成る基体と、この基体の第１および第２凹部の周囲の上面にそれぞれ第１および第２凹部を覆って取着される、第１および第２凹部を気密に封止する第１および第２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、効率良く作動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、基体の両側主面に電解質部材を収容する第１および第２凹部を有する２層構造としたことから省スペース化を図ることができる。さらにまた、第１および第２凹部をそれぞれ上側主面および下側主面に有するセラミックスから成る基体と、この第１および第２凹部をそれぞれ封止する第１および第２蓋体とで形成される箱体内に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、第１および第２凹部ならびに第１および第２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。
【００２１】
また、基体の内部に第１および第２凹部の間からそれぞれの凹部の底面にかけて形成された第１流体流路と、電解質部材の第２電極に対向するように第１および第２蓋体の第１および第２凹部側の主面からそれぞれ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、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こととなるため、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ことはなく、所定の安定した出力電圧を得ることができるという効果がある。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。そのため、供給される流体の圧力が安定し、さらに両側主面にそれぞれ電解質部材を収容する第１および第２凹部を設けて、それらを覆って取着される第１および第２蓋体にそれぞれ第１流体流路および第２流体流路を有した構造としたことから、燃料電池の体積出力密度の向上を図ることができるものとなる。さらにまた、第１および第２流体流路は基体と蓋体とにそれぞれ形成されるため、各流体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。
【００２２】
さらに、本発明の燃料電池用容器によれば、第１配線導体の他端同士をそれぞれ電気的に接続することによって、複数個の電解質部材を電気的に短距離の並列接続することができ、かつ低抵抗な配線で接続可能なものとなる。その結果、燃料電池全体の出力電流の調整ができるため、電解質部材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できる平面スタック構造の燃料電池を提供することができる。
【００２３】
さらにまた、本発明の燃料電池用容器によれば、第１配線導体の他端と第２配線導体の他端とを電気的に接続するようにしたときには、複数個の電解質部材を電気的に短距離の直列接続することができ、かつ低抵抗な配線で接続可能なものとなる。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できる平面スタック構造の燃料電池を提供することができる。
【００２４】
また、基体の両側主面にそれぞれ電解質部材を収容し、基体ならびに第１および第２蓋体の内部に形成された第１および第２配線導体で接続可能な２層構造としたことから、配線長さを短くすることができるため低抵抗化を図ることが可能となる。
【００２５】
また、本発明の燃料電池用容器は、上記構成において、第１流体流路を、第１および第２凹部の底面における開口を対向させて配置されているものとしたときには、これら第１流体流路を第１および第２凹部の底面のほぼ全面にそれぞれ複数設けた場合であっても、それらを第１および第２凹部の間で容易に連結して燃料供給口が１箇所ですむものとすることができ、複雑な燃料供給システムを設ける必要がなくなるため、電解質部材への燃料供給が容易となるとともに省スペース化を図ることができる。
さらに、本発明の燃料電池用容器は、上記構成において、第１および第２流体流路を、複数個が一定の間隔で配置したものとしたときには、より一層確実に、電解質部材に均一な圧力で流体を流すことができ、出力をさらに安定させることができる。
またさらに、本発明の燃料電池用容器は、上記構成において、基体を曲げ強度２００ＭＰａ以上のセラミックスにより形成したときには、基体、第１蓋体、および第２蓋体の厚みをより有効に薄くして燃料電池の低背化に供することができる。
【００２６】
また、本発明の燃料電池によれば、本発明の燃料電池用容器の第１および第２凹部にそれぞれ電解質部材を収容して、電解質部材の下側および上側主面を第１および第２流体流路との間でそれぞれ流体の供給あるいは排出が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電極にそれぞれ電気的に接続し、基体の第１および第２凹部の周囲の上面にそれぞれの凹部を覆って第１および第２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、ガスの均等供給・燃料電池容器内の温度勾配の均一化・高効率な電気接続を図ることができる信頼性のある燃料電池を得ることができるとともに、複数個の電解質部材を並列接続することが可能となるため燃料電池全体の出力電流の調整ができ、あるいは複数個の電解質部材を直列接続することにより合計の電圧の調整ができるため、電解質部材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できる。
【００２７】
従って、本発明の燃料電池用容器および燃料電池によれば、コンパクト性・簡便性・安全性に優れ、流体の均等供給・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る。
【００２８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明を添付図面に基づき詳細に説明する。
【００２９】
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（第１および第２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配線導体である。
【００３０】
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、一方の主面に形成された第１電極４および他方の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ものとなっている。
【００３１】
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。
【００３２】
電解質部材３の一方の主面の第１電極４および他方の主面の第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。
【００３３】
本発明の燃料電池用容器２は、上側主面に第１凹部および下側主面に第２凹部を有する基体６と、これら第１および第２凹部の周囲の上面にそれぞれ第１および第２凹部を覆うように取着される第１および第２蓋体７とから成り、電解質部材３を第１および第２凹部それぞれ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。
【００３４】
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−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。
【００３５】
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。
【００３６】
燃料電池用容器２は、第１および第２凹部を有する基体６と第１および第２蓋体７とから成り、基体６の第１および第２凹部の周囲にそれぞれ第１および第２凹部を覆って第１および第２蓋体７を取着することによって第１および第２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、第１および第２蓋体７が基体６に取着される。なお、第１および第２蓋体７にも基体６と同様の凹部を形成しておいてもよい。
【００３７】
基体６および第１および第２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。
【００３８】
基体６および第１および第２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。
【００３９】
第１配線導体10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。
【００４０】
これらの導体ペースト中には、基体６や第１および第２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や第１および第２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。
【００４１】
なお、基体６や第１および第２蓋体７の表層および内層への第１配線導体10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。
【００４２】
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や第１および第２蓋体７ならびに第1配線導体10，第２配線導体11を得る。
【００４３】
また、セラミックスから成る基体６や第１および第２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に第１および第２蓋体７を取着したときに発生する応力により、基体６および第１および第２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。
【００４４】
第１配線導体10，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の外部へ取り出すための導電路として機能する。
【００４５】
第１配線導体10は、基体６の両側主面の第１および第２凹部のそれぞれの底面の電解質部材３の第１電極４に対向する部位に一端が配設され、他端が基体６の外面に導出されて形成されている。このような第１配線導体10は、前述のように基体６と一体的に形成されている。また、第１配線導体10は、その両端を第１電極４に接触させやすいように基体６の第１および第２凹部のそれぞれの底面より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、塗布厚みを厚くするように印刷条件を設定すればよい。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望ましく、第１配線導体10の基体６の貫通部についてはφ50μｍ以上の径とすることが好ましい。
【００４６】
また、第２配線導体11は、第１および第２蓋体７のそれぞれ電解質部材３の第２電極５に対向する側の主面に一端が配設され、他端がそれぞれの蓋体７の外面に導出されて形成されている。このような第２配線導体11も、第１配線導体10と同様に、第１および第２蓋体７と一体的に形成されている。また、第２配線導体11は、その両端を第２電極５に接触させやすいように第１および第２蓋体７のそれぞれの第２電極５側の主面より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、塗布厚みを厚くするように印刷条件を設定すればよい。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望ましく、第２配線導体11の第１および第２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。
【００４７】
また、図１に示す例では、第１配線導体10は、基体６の外面に導出する部位において基体６の両側主面の第１および第２凹部の底面でそれぞれ電解質部材３の第１電極４に接続した第１配線導体10の他端同士をまとめて基体６の外面に導出されて形成されている。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望ましく、第１配線導体10の基体６の貫通部についてはφ50μｍ以上の径とすることが好ましい。
【００４８】
これら第１配線導体10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および第２配線導体11と、第１電極４，第２電極５および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。
【００４９】
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と第１および第２蓋体７とでそれぞれ電解質部材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。
【００５０】
また、基体６の内部には、第１および第２凹部の間からそれぞれの凹部の底面にかけて、それぞれ第１および第２凹部の底面における開口を対向させるようにして配置された、第１流体流路８が形成されている。これら第１流体流路８は、基体６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の、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。
【００５１】
また、第２電極５に対向する第１および第２蓋体７のそれぞれの主面には、第２流体流路９が配置されており、第２流体流路９は第１および第２蓋体７のそれぞれの外面にかけて形成されている。第２流体流路９は、第１および第２蓋体７に形成した貫通穴あるいは溝によって、第１流体流路８と同様の流体の通路として設けられている。
【００５２】
第１流体流路８および第２流体流路９として基体６および第１および第２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、あるいは溝の幅，深さ，配置を決めればよい。
【００５３】
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。
【００５４】
このように電解質部材３の第１電極４が形成された側の主面に対向させて第１流体流路８を、第２電極５が形成された側の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。
【００５５】
以上の構成により、図１に示すような、電解質部材３を複数個収納可能な、小型で堅牢な本発明の燃料電池用容器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。
【００５６】
次に、図２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他の例を示す断面図である。図２において図１と同様の箇所には同じ符号を付してあり、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’は第１蓋体、７”は第２蓋体、８は第１流体流路、９は第２流体流路、10’および10”は第１配線導体、11および11’は第２配線導体である。
【００５７】
図２に示す例においては、第１配線導体10’は、基体６の上側主面の第１凹部の底面で電解質部材３の第１電極４に対向する部位に一端が配設され、他端が基体６の下側主面に、第２蓋体７”の外面に導出された第２配線導体11’の他端に対向して電気的に接続されるように導出されている。また、第１配線導体10”は、基体６の下側主面の第２凹部の底面で電解質部材３の第１電極４に対向する部位に一端が配設され、他端が基体６の外面、ここでは側面に導出されている。
【００５８】
第１配線導体10’・10”は、基体６と一体的に形成され、その一端を第１電極４に接触させやすいように基体６の第１および第２凹部のそれぞれの底面より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、塗布厚みを厚くするように印刷条件を設定すればよい。また、第１配線導体10’・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’・10”による電気損失を減少させることが望ましく、第１配線導体10’・10”の基体６の貫通部についてはφ50μｍ以上の径とすることが好ましい。
【００５９】
図１および図２に示すように、本発明の燃料電池用容器２・２’および燃料電池１・１’によれば、基体６の両側主面の第１および第２凹部のそれぞれに電解質部材３を収容するとともに、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との間を第１配線導体10・10’・10”および第２配線導体11・11’によって電気的に接続し、回路的に両端となる位置に配置された電解質部材３から全体としての出力を取り出すようにそれぞれの配線導体を電気的に接続することで、３次元的に自由に配線ができるため、複数個の電解質部材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、複数個の電解質部材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となる。
【００６０】
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２流体流路についても、燃料電池全体を薄型化するため、第１および第２蓋体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、基体ならびに第１および第２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。
【００６１】
【発明の効果】
本発明の燃料電池用容器によれば、第１および第２電極を両側主面に有する電解質部材が収容された第１凹部を上側主面に、第２凹部を下側主面に有するセラミックスから成る基体と、この基体の第１および第２凹部の周囲の上面にそれぞれ第１および第２凹部を覆って取着される、第１および第２凹部を気密に封止する第１および第２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、効率良く作動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、平面方向に電解質部材を収容する必要のない、基体の両側主面に電解質部材を収容する第１および第２凹部を有する２層構造としたことから省スペース化を図ることができる。さらにまた、第１および第２凹部をそれぞれ上側主面および下側主面に有するセラミックスから成る基体とこの第１および第２凹部をそれぞれ封止する第１および第２蓋体とで形成される箱体内に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、第１および第２凹部ならびに第１および第２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。
【００６２】
また、基体の内部に第１および第２凹部の間からそれぞれの凹部の底面にかけて形成された第１流体流路と、電解質部材の第２電極に対向するように第１および第２蓋体の第１および第２凹部側の主面からそれぞれ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、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こととなるため、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ことはなく、所定の安定した出力電圧を得ることができるという効果がある。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。そのため、供給される流体の圧力が安定し、さらに両側主面にそれぞれ電解質部材を収容する第１および第２凹部を設けて、それらを覆って取着される第１および第２蓋体にそれぞれ第１流体流路および第２流体流路を有した構造としたことから、小型でコンパクトな電解質部材の有効利用面積率を高めた燃料電池の体積出力密度の向上を図ることができるものとなる。さらにまた、第１および第２流体流路は基体と蓋体とにそれぞれ形成されるため、各流体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。
【００６３】
さらに、本発明の燃料電池用容器によれば、第１配線導体の他端同士をそれぞれ電気的に接続することによって、複数個の電解質部材を電気的に短距離の並列接続することができかつ低抵抗な配線で接続可能なものとなる。その結果、燃料電池全体の出力電流の調整ができるため、電解質部材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できる平面スタック構造の燃料電池を提供することができる。
【００６４】
さらにまた、本発明の燃料電池用容器によれば、第１配線導体の他端と第２配線導体の他端とを電気的に接続するようにしたときには、複数個の電解質部材を電気的に短距離の直列接続することができかつ低抵抗な配線で接続可能なものとなる。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できる平面スタック構造の燃料電池を提供することができる。
【００６５】
また、基体の両側主面にそれぞれ電解質部材を収容し、基体ならびに第１および第２蓋体の内部に形成された第１および第２配線導体で接続可能な２層構造としたことから、配線長さを短くすることができるため低抵抗化を図ることが可能となる。
【００６６】
また、本発明の燃料電池用容器は、上記構成において、第１流体流路を、第１および第２凹部の底面における開口を対向させて配置されているものとしたときには、これら第１流体流路を第１および第２凹部の底面のほぼ全面にそれぞれ複数設けた場合であっても、それらを第１および第２凹部の間で容易に連結して燃料供給口が１箇所ですむものとすることができ、複雑な燃料供給システムを設ける必要がなくなるため、電解質部材への燃料供給が容易となるとともに省スペース化を図ることができる。
【００６７】
また、本発明の燃料電池によれば、本発明の燃料電池用容器の第１および第２凹部にそれぞれ電解質部材を収容して、電解質部材の下側および上側主面を第１および第２流体流路との間でそれぞれ流体の供給あるいは排出が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電極にそれぞれ電気的に接続し、基体の第１および第２凹部の周囲の上面にそれぞれの凹部を覆って第１および第２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、ガスの均等供給・燃料電池容器内の温度勾配の均一化・高効率な電気接続を図ることができる信頼性のある燃料電池を得ることができるとともに、複数個の電解質部材を並列接続することが可能となるため燃料電池全体の出力電流の調整ができ、あるいは複数個の電解質部材を直列接続することにより合計の電圧の調整ができるため、電解質部材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できる。
【００６８】
従って、本発明の燃料電池用容器および燃料電池によれば、コンパクト性・簡便性・安全性に優れ、流体の均等供給・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る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明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。
【図２】本発明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。
【図３】従来の燃料電池の例を示す断面図である。
【符号の説明】
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：第１流体流路
９：第２流体流路
10，10’，10”：第１配線導体
11，11’：第２配線導体[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a small and highly reliable fuel cell container made of ceramics that can accommodate an electrolyte member, and a fuel cell using the same.
[0002]
[Prior art]
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.
[0003]
Among them, PEFC has a low operating temperature of about 80-100 ° C.
(1) The output density is high, and it is possible to reduce the size and weight.
(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, not only for driving power sources for vehicles and home cogeneration systems, but also for mobile phones, PDAs (Personal Digital Assistants), laptop computers, digital cameras, The use as a power source for portable electronic devices having an output of several watts to several tens of watts has been considered.
[0004]
The PEFC is roughly classified, for example, a fuel electrode (anode) composed of a carbon electrode to which catalyst fine particles such as platinum and platinum-ruthenium are adhered, and an air electrode (cathode) composed of a carbon electrode to which catalyst fine particles such as platinum are adhered, A film-like electrolyte member (hereinafter referred to as an electrolyte member) interposed between the fuel electrode and the air electrode is configured. Here, the fuel electrode is provided with hydrogen gas (H₂) Is supplied to the air electrode, while oxygen gas (O₂) Is generated (electric power generation) by the electrochemical reaction, and electric energy serving as a driving power source (voltage / current) for the load is generated.
[0005]
Specifically, hydrogen gas (H₂) Is supplied, as shown in the following chemical reaction formula (1), electrons (e^-) Separated hydrogen ions (protons; H⁺) Are generated and pass through the electrolyte member to the air electrode side, and electrons (e^-) Is taken out and supplied to the load.
3H₂ → 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^-) And hydrogen ions (H⁺) And oxygen gas (O₂) Reacts with water (H₂O) is generated.
6H⁺+ 3 / 2O₂+ 6e^- → 3H₂O (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 (H₂O) only.
[0006]
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 membrane (for example, Nafion: trade name, manufactured by DuPont) or the like has been used.
[0007]
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 functioning 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.
[0008]
The gas separator 26 is provided so as to penetrate the separator portion and the gas inflow / outflow frame that form the outer shape of the gas separator 26, the separator portion that separates the fuel passage 28 and the air passage 29, and the separator portion. The electrode member is configured to correspond to the fuel electrode 24 and the air electrode 25 of the electrolyte member 23. The fuel electrode 24 and the air electrode 25 of the electrolyte member 23 are stacked in large numbers via a gas separator 26 so that the fuel electrode 24 and the air electrode 25 are electrically connected in series and / or in parallel. A typical PEFC body is a stack in a box.
[0009]
A fuel gas containing water vapor (a gas rich in hydrogen) is supplied from the reformer to the fuel electrode 24 through the fuel flow path 28 formed in the gas separator 26, and the air electrode 25 is supplied to the atmosphere through the air flow path 29 in the atmosphere. Then, air is supplied as an oxidant gas, and power is generated by a chemical reaction in the electrolyte member 23.
[0010]
[Patent Document 1]
JP 2001-266910 A
[Patent Document 2]
Special table 2001-507501 gazette
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
However, the fuel cell 21 that has been conventionally proposed and developed as such a high-voltage / high-capacity battery is a large-sized, 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.
[0012]
That is, in the conventional gas separator 26 in such a fuel cell 21, in the laminated body in which the electrolyte member 23 is laminated using the gas separator 26, the side surface of the electrolyte member 23 is exposed to the outside, so that it falls when being carried. As a result, there is a problem that the mechanical reliability of the entire fuel cell 21 is difficult to be secured.
[0013]
In addition, in order to mount the fuel cell 21 in a portable electronic device, a fuel cell container excellent in compactness, simplicity, and safety, which is different from a conventional large fuel cell container, is required. That is, in order to be applied as a portable power source such as a general-purpose chemical battery, the fuel cell container is reduced in size and height to shorten the temperature rise to the operating temperature and to reduce the heat capacity. In the conventional fuel cell 21, the gas separator 26, which occupies most of the heat capacity, is thinned, particularly in the case of the gas separator 26 in which the flow path is formed by cutting on the surface of the carbon plate. Since it becomes brittle, a thickness of several mm is required. For this reason, there also existed a problem that size reduction and height reduction were difficult.
[0014]
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. That is, when the fuel gas supplied to the electrolyte member 23 travels through the gas flow path 28 and is consumed in the power generation reaction, the partial pressure of the fuel gas on the surface of the fuel electrode 24 decreases and the output voltage decreases. In the same manner, when the air also travels through the air flow path 29 and is consumed, the partial pressure of oxygen on the surface of the air electrode 25 decreases, and the output voltage decreases. Therefore, it is necessary to supply the fuel gas evenly. However, the gas separator 26 of the conventional fuel cell 21 has a flow path formed by cutting on the surface of the carbon plate in particular. Since the groove is narrow, there is a problem that the flow resistance is increased and it is difficult to supply a uniform gas.
[0015]
Further, a combination of the plurality of electrolyte members 23 and the opposed fuel electrode 24 / air electrode 25 and gas separator 26 is arbitrarily and efficiently connected in series or in parallel to adjust the overall output voltage and output current. However, in the conventional fuel cell 21, in order to take out electricity from the fuel electrode and the air electrode sandwiching the electrolyte member 23, it is possible to draw out and connect to the outside, or the gas separator 26 is stacked as a conductive material. There is only a method of connecting them in series, and there is a problem that it is difficult in a small fuel cell. Therefore, there is a problem that it is difficult to provide a stack structure of a fuel cell that is small in size and increases the effective use area of the electrolyte member 23 to improve the volume output density of the fuel cell.
[0016]
The present invention has been completed in view of the problems of the conventional techniques as described above, and an object of the present invention is a small and robust fuel cell container capable of accommodating an electrolyte member, and an equal gas. It is an object of the present invention to provide a reliable fuel cell container capable of achieving uniform supply and temperature gradient in the fuel cell container and highly efficient electrical connection, and a fuel cell using the same.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
  The fuel cell container according to the present invention is a ceramic substrate having a first concave portion in which an electrolyte member having first and second electrodes on both main surfaces is accommodated in an upper main surface and a second concave portion in a lower main surface. A first fluid channel formed in the substrate from between the first and second recesses to a bottom surface of each recess, and the first and second electrodes so as to face the first electrode of the electrolyte member. One end is disposed on the bottom surface of each of the second recesses, and the other end is led out to the outer surface of the base body, and the top surface around the first and second recesses of the base body, respectively. The first and second lids made of ceramics, which are attached to cover the first and second recesses and hermetically seal the first and second recesses, and face the second electrode of the electrolyte member. The first and second lids of the first and second lids A second fluid flow path formed from the main surface on the concave side to each outer surface, and the main on the first and second concave sides of the first and second lids facing the second electrode of the electrolyte member And a second wiring conductor formed with one end disposed on the surface and the other end led to the outer surface.
[0018]
The fuel cell container according to the present invention is characterized in that, in the above-described configuration, the first fluid flow path is arranged with the openings in the bottom surfaces of the first and second recesses facing each other. is there.
[0019]
  In the fuel cell of the present invention, the electrolyte member is accommodated in the first and second recesses of the fuel cell container of the present invention configured as described above, and the lower and upper main surfaces of the electrolyte member are disposed on the first and second recesses. Arranged so as to be able to supply or discharge fluid between the first and second fluid flow paths, respectively, and electrically connect the first and second wiring conductors to the first and second electrodes, respectively. The first and second lids are attached to the upper surface of the base around the first and second recesses so as to cover the respective recesses.
[0020]
  According to the fuel cell container of the present invention, the first concave portion in which the electrolyte member having the first and second electrodes on both main surfaces is accommodated on the upper main surface, and the ceramic having the second concave portion on the lower main surface. And a first and a second for hermetically sealing the first and second recesses, which are attached to the upper surfaces around the first and second recesses of the base so as to cover the first and second recesses, respectively. Since it has a lid, by sealing the fuel cell container in an airtight manner, there is no leakage of fluid such as gas, and there is no need 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. Further, since the two-layer structure having the first and second recesses for accommodating the electrolyte member on both main surfaces of the substrate is used, space saving can be achieved. Furthermore, it is formed of a base made of ceramics having first and second recesses on the upper main surface and lower main surface, respectively, and first and second lids for sealing the first and second recesses, respectively. Since the electrolyte member can be housed in a box to form a fuel cell, the electrolyte member is not exposed to the outside of the container and damaged, and the mechanical reliability of the entire fuel cell is improved. . In addition to the first and second wiring conductors, one end of which is disposed inside the container composed of the first and second recesses and the first and second lids, unnecessary electrical contact is made to the electrolyte member itself. Thus, a fuel cell with high reliability and safety 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.
[0021]
In addition, the first fluid passage formed between the first and second recesses and the bottom surface of each recess in the base, and the first and second lids so as to face the second electrode of the electrolyte member. Second fluid passages formed from the main surfaces on the first and second recess sides to the respective outer surfaces, and therefore, each fluid passage has an inner wall surface facing each other across the electrolyte member. Therefore, the uniform supply property of the fluid supplied to the electrolyte member 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 is on the lower and upper main surfaces. The gas partial pressures supplied to the first and second electrodes respectively in the first and second electrodes are not lowered, 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. Therefore, the pressure of the fluid to be supplied is stabilized, and further, first and second recesses for accommodating the electrolyte members are provided on the main surfaces on both sides, respectively, and the first and second lids attached to cover them are respectively provided. Since the structure has the first fluid channel and the second fluid channel, the volume output density of the fuel cell can be improved. Furthermore, since the first and second fluid flow paths are respectively formed in the base body and the lid, each of the fluid flow paths is excellent in hermeticity and originally two types of raw material fluids that should be isolated in the flow path ( (For example, oxygen gas and hydrogen gas or methanol, etc.) are not mixed, and the function as a fuel cell is not lost. In addition, after a flammable fluid is mixed at a high temperature, ignition or explosion occurs. Since there is no danger, a safe fuel cell can be provided.
[0022]
Further, according to the fuel cell container of the present invention, by electrically connecting the other ends of the first wiring conductors, a plurality of electrolyte members can be electrically connected in parallel over a short distance, In addition, it can be connected with low resistance wiring. As a result, since the output current of the entire fuel cell can be adjusted, it is possible to provide a fuel cell having a planar stack structure in which the electricity electrochemically generated by the electrolyte member can be taken out in a good state. .
[0023]
Furthermore, according to the fuel cell container of the present invention, when the other end of the first wiring conductor and the other end of the second wiring conductor are electrically connected, a plurality of electrolyte members are electrically connected. It can be connected in a short distance in series and can be connected with low resistance wiring. As a result, even when the voltage is generated by each electrolyte member, even if it is a minute voltage, the total voltage can be adjusted by series connection. Therefore, the electricity generated electrochemically by the electrolyte member can be externally maintained in good condition. A fuel cell having a planar stack structure that can be taken out can be provided.
[0024]
In addition, since the electrolyte member is accommodated on each of the main surfaces on both sides of the base, and the first and second wiring conductors formed inside the base and the first and second lids are connected, the two-layer structure is used. Since the length can be shortened, the resistance can be reduced.
[0025]
  In the fuel cell container of the present invention, in the above configuration, when the first fluid flow path is disposed with the openings in the bottom surfaces of the first and second recesses facing each other, the first fluid flow Even when a plurality of roads are provided on almost the entire bottom surfaces of the first and second recesses, they can be easily connected between the first and second recesses so that only one fuel supply port is required. In addition, since it is not necessary to provide a complicated fuel supply system, fuel supply to the electrolyte member is facilitated and space saving can be achieved.
  Furthermore, in the fuel cell container according to the present invention, in the above configuration, when a plurality of the first and second fluid flow paths are arranged at a constant interval, a more uniform pressure can be applied to the electrolyte member. The fluid can be made to flow and the output can be further stabilized.
  Furthermore, in the fuel cell container of the present invention, in the above configuration, when the base is formed of ceramics having a bending strength of 200 MPa or more, the thickness of the base, the first lid, and the second lid is made more effective. This can be used to reduce the height of the fuel cell.
[0026]
  Further, according to the fuel cell of the present invention, the electrolyte member is accommodated in the first and second recesses of the fuel cell container of the present invention, respectively, and the lower and upper main surfaces of the electrolyte member are the first and second fluids. The first and second wiring conductors are electrically connected to the first and second electrodes, respectively, so that fluid can be supplied to or discharged from the flow path. Since the first and second lids are attached to the upper surface around the recesses so as to cover the respective recesses, the features and advantages of the fuel cell container of the present invention as described above are small and robust. A reliable fuel cell capable of achieving uniform gas supply, uniform temperature gradient in the fuel cell container, and highly efficient electrical connection can be obtained, and a plurality of electrolyte members can be connected in parallel. To enable the entire fuel cell Force current can be adjusted, or the total voltage can be adjusted by connecting a plurality of electrolyte members in series, so that the electricity electrochemically generated by the electrolyte members can be taken out in a good state. it can.
[0027]
Therefore, according to the fuel cell container and the fuel cell of the present invention, the fuel that is excellent in compactness, simplicity, and safety and that can be stably operated over a long period of time by uniform supply of fluid and highly efficient electrical connection. A battery can be provided.
[0028]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
[0029]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of an embodiment of a fuel cell container and a fuel cell using the same according to the present invention. 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 body, and 7 is a lid (first and second lids). , 8 are first fluid passages, 9 is a second fluid passage, 10 is a first wiring conductor, and 11 is a second wiring conductor.
[0030]
The electrolyte member 3 is opposed to the first electrode 4 formed on one main surface and the second electrode 5 formed on the other main surface, for example, on both main surfaces of the ion conductive film (exchange membrane). In addition, a fuel electrode (not shown) serving as an anode electrode and an air electrode (not shown) serving as a cathode electrode are integrally formed. And the electric current generated with the electrolyte member 3 can be sent to the 1st electrode 4 and the 2nd electrode 5, and it can take out outside.
[0031]
The ion conductive film (exchange membrane) of the electrolyte member 3 is made of a proton conductive ion exchange resin such as perfluorocarbon sulfonic acid resin, for example, Nafion (trade name, manufactured by DuPont). Further, the fuel electrode and the air electrode are gas diffusion electrodes in a porous state, and have both functions of a porous catalyst layer and a gas diffusion layer. These fuel electrode and air electrode are constituted by a porous material in which conductive fine particles carrying a catalyst such as platinum, palladium, or an alloy thereof, for example, carbon fine particles are held by a hydrophobic resin binder such as polytetrafluoroethylene. Has been.
[0032]
The first electrode 4 on one main surface of the electrolyte member 3 and the second electrode 5 on the other main surface are hot-pressed on the electrolyte member 3 with a carbon electrode with catalyst fine particles such as platinum or platinum-ruthenium, Or it forms by the method of apply | coating or transferring on the electrolyte the mixture of the carbon electrode material with catalyst fine particles, such as platinum and platinum-ruthenium, and the solution which disperse | distributed electrolyte material.
[0033]
The fuel cell container 2 of the present invention has a base 6 having a first recess on the upper main surface and a second recess on the lower main surface, and first and second surfaces on the upper surfaces around the first and second recesses, respectively. The first and second lids 7 are attached so as to cover the recesses. The electrolyte member 3 is mounted inside each of the first and second recesses and hermetically sealed. Al₂O_Three) Quality sintered body, mullite (3Al₂O_Three・ 2SiO₂) Sintered body, silicon carbide (SiC) sintered body, aluminum nitride (AlN) sintered body, silicon nitride (Si)_ThreeN_Four) It is made of ceramic materials such as quality sintered body and glass ceramic sintered body.
[0034]
The glass ceramic sintered body is composed of a glass component and a filler component.₂-B₂O_ThreeSystem, SiO₂-B₂O_Three-Al₂O_ThreeSystem, SiO₂-B₂O_Three-Al₂O_Three-MO system (where M represents Ca, Sr, Mg, Ba or Zn), SiO₂-Al₂O_Three-M¹OM²O system (however, M¹And M²Are the same or different and represent Ca, Sr, Mg, Ba or Zn), SiO₂-B₂O_Three-Al₂O_Three-M¹OM²O system (however, M¹And M²Is the same as above), SiO₂-B₂O_Three-M^Three ₂O system (however, M^ThreeRepresents Li, Na or K), SiO₂-B₂O_Three-Al₂O_Three-M^Three ₂O system (however, M^ThreeIs the same as described above), Pb-based glass, Bi-based glass and the like.
[0035]
Moreover, as a filler component, for example, Al₂O_Three, SiO₂, ZrO₂And TiO, a complex oxide of alkaline earth metal oxides₂Al oxide of alkaline earth metal oxide, Al₂O_ThreeAnd SiO₂And composite oxides containing at least one selected from (for example, spinel, mullite, cordierite).
[0036]
The fuel cell container 2 includes a base 6 having first and second recesses and a first and second lid 7, and the first and second recesses are provided around the first and second recesses of the base 6, respectively. In order to hermetically seal the first and second recesses by covering and attaching the first and second lids 7, bonding with a metal bonding material such as solder or silver brazing, or a resin material such as epoxy The first and second lids 7 are attached to the base 6 by a method such as joining a seal ring made of an iron alloy or the like to the upper surface around the recess and welding with a seam weld, electron beam, laser, or the like. Worn. Note that the first and second lids 7 may also have recesses similar to those of the base 6.
[0037]
In order to reduce the thickness of the base body 6 and the first and second lid bodies 7 and to reduce the height of the fuel cell 1, it is preferable that the bending strength, which is mechanical strength, is 200 MPa or more.
[0038]
The base 6 and the first and second lids 7 are preferably formed of an aluminum oxide sintered body made of a dense material having a relative density of 95% or more, for example. In that case, for example, rare earth oxide powder and a sintering aid are first added to and mixed with the aluminum oxide powder to prepare a raw material powder of the aluminum oxide sintered body. Next, an organic binder and a dispersion medium are added to and mixed with the raw material powder of this aluminum oxide sintered body to form a paste. From this paste, an organic binder is added to the raw material powder by the press blade method, press forming, rolling forming, etc. Thus, a green sheet having a predetermined thickness is produced. The green sheet is punched by a die, micro drill, laser, or the like, and through holes as the first fluid flow path 8 and the second fluid flow path 9, and the first wiring conductor 10 and the second wiring conductor. A through-hole for arranging 11 is formed.
[0039]
The first wiring conductor 10 and the second wiring conductor 11 are preferably made of tungsten, molybdenum, or an alloy thereof in order to prevent oxidation. In that case, for example, 100 parts by mass of tungsten or molybdenum powder as an inorganic component, Al₂O_Three3 to 20 parts by mass, Nb₂O_FiveIs prepared at a ratio of 0.5 to 5 parts by mass. The conductor paste is filled into the through hole of the green sheet to form a via conductor as a through conductor.
[0040]
In these conductor pastes, in order to improve the adhesion between the base 6 and the ceramics of the first and second lids 7, aluminum oxide powder and ceramics forming the base 6 and the first and second lids 7 are used. It is also possible to add the same composition powder as the component in a proportion of 0.05 to 2% by volume, for example.
[0041]
The first wiring conductor 10 and the second wiring conductor 11 are formed on the surface layer and the inner layer of the base body 6 and the first and second lid bodies 7 before or after forming the via conductor by filling the through hole with a conductive paste. At the same time, a similar conductor paste is formed by printing on a green sheet in a predetermined pattern by a method such as screen printing or gravure printing.
[0042]
Then, after aligning and laminating and pressing a predetermined number of sheet-like molded bodies filled with printed conductor 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 ceramic base 6, first and second lids 7, first wiring conductor 10, and second wiring conductor 11.
[0043]
Moreover, it is preferable that the thickness of the base 6 made of ceramics and the first and second lids 7 be 0.2 mm or more. If the thickness is less than 0.2 mm, the strength tends to be insufficient. Therefore, the base 6 and the first and second lids 7 are cracked by the stress generated when the first and second lids 7 are attached to the base 6. Etc. tend to occur. On the other hand, if the thickness exceeds 5 mm, it will be difficult to reduce the thickness and height, making it unsuitable as a fuel cell to be mounted on a small portable device, and increasing the heat capacity. It tends to be difficult to quickly set an appropriate temperature corresponding to the conditions.
[0044]
The first wiring conductor 10 and the second wiring conductor 11 are electrically connected to the first electrode 4 and the second electrode 5 of the electrolyte member 3, respectively, and the current generated by the electrolyte member 3 is supplied to the fuel cell container 2. It functions as a conductive path for taking it out.
[0045]
One end of the first wiring conductor 10 is disposed at a portion facing the first electrode 4 of the electrolyte member 3 on the bottom surface of each of the first and second recesses on both main surfaces of the base 6, and the other end of the base 6. It is led out and formed on the outer surface. Such a first wiring conductor 10 is formed integrally with the base 6 as described above. Further, the first wiring conductor 10 is desirably formed so as to be 10 μm or more higher than the respective bottom surfaces of the first and second recesses of the base 6 so that both ends thereof can be easily brought into contact with the first electrode 4. In order to obtain this height, as described above, when the conductor paste is formed by printing and coating, the printing conditions may be set so as to increase the coating thickness. Also, it is desirable to arrange a plurality of first wiring conductors 10 so as to face the first electrode 4 and reduce the electrical loss due to the first wiring conductors 10. The through-hole portion of the base 6 of the first wiring conductor 10 is φ50 μm or more. It is preferable to set it as the diameter.
[0046]
The second wiring conductor 11 has one end disposed on the main surface of each of the first and second lids 7 facing the second electrode 5 of the electrolyte member 3, and the other end of each lid 7. It is led out and formed on the outer surface. Similar to the first wiring conductor 10, the second wiring conductor 11 is also formed integrally with the first and second lid bodies 7. Further, the second wiring conductor 11 is formed to be 10 μm or more higher than the main surface of each of the first and second lids 7 on the second electrode 5 side so that both ends thereof can be easily brought into contact with the second electrode 5. Is desirable. In order to obtain this height, as described above, when the conductor paste is formed by printing and coating, the printing conditions may be set so as to increase the coating thickness. In addition, it is desirable that a plurality of second wiring conductors 11 be arranged opposite to the second electrode 5 to reduce the electrical loss due to the second wiring conductors 11, and the first and second lids 7 of the second wiring conductors 11 can be reduced. The penetrating part preferably has a diameter of φ50 μm or more.
[0047]
Further, in the example shown in FIG. 1, the first wiring conductor 10 is a first electrode 4 of the electrolyte member 3 on the bottom surfaces of the first and second recesses on the main surfaces on both sides of the base 6 at the part leading to the outer surface of the base 6. The other ends of the first wiring conductors 10 connected to are collectively led out to the outer surface of the base 6. Also, it is desirable to arrange a plurality of first wiring conductors 10 so as to face the first electrode 4 and reduce the electrical loss due to the first wiring conductors 10. The through-hole portion of the base 6 of the first wiring conductor 10 is φ50 μm or more. It is preferable to set it as the diameter.
[0048]
The first wiring conductor 10 and the second wiring conductor 11 are coated by plating with a metal having good conductivity made of nickel and having good corrosion resistance and wettability with the brazing material on the exposed surface. In this case, the electrical connection between the first wiring conductor 10 and the second wiring conductor 11, the first electrode 4, the second electrode 5, and the external electric circuit can be improved. Therefore, the first wiring conductor 10 and the second wiring conductor 11 are formed by depositing a metal having good conductivity made of nickel and having good corrosion resistance and wettability with the brazing material on the exposed surface. It is preferable to keep.
[0049]
The electrical connection between the first and second wiring conductors 10 and 11 and the first and second electrodes 4 and 5 is performed by sandwiching the electrolyte member 3 between the base 6 and the first and second lids 7, respectively. Accordingly, the first and second wiring conductors 10 and 11 and the first and second electrodes 4 and 5 may be brought into pressure contact and electrically connected.
[0050]
Also, a first fluid flow is arranged inside the base 6 so that the openings at the bottom surfaces of the first and second recesses face each other from between the first and second recesses to the bottom surfaces of the respective recesses. A path 8 is formed. These first fluid flow paths 8 are passages for fluid supplied to the electrolyte member 3 such as a reformed gas rich in hydrogen gas or an oxidant gas such as air, by a through hole or groove formed in the base 6. Or as a passage for fluid discharged from the electrolyte member 3 after the reaction, such as water produced by the reaction.
[0051]
A second fluid channel 9 is disposed on the main surface of each of the first and second lids 7 facing the second electrode 5, and the second fluid channel 9 is composed of the first and second lids. It is formed over each outer surface of the body 7. The second fluid channel 9 is provided as a fluid passage similar to the first fluid channel 8 by through holes or grooves formed in the first and second lids 7.
[0052]
The through holes or grooves formed in the base 6 and the first and second lids 7 as the first fluid channel 8 and the second fluid channel 9 are fluids such as fuel gas and oxidant gas evenly in the electrolyte member 3. According to the specifications of the fuel cell 1, the diameter and number of the through holes, or the width, depth, and arrangement of the grooves may be determined.
[0053]
In the fuel cell container 2 and the fuel cell 1 of the present invention, the first fluid channel 8 and the second fluid channel 9 preferably have a diameter of 0.1 mm in order to allow fluid to flow through the electrolyte member 3 with uniform pressure. It is preferable that the holes have the above diameters and are arranged with a constant interval.
[0054]
In this way, the first fluid flow path 8 is made to face the main surface on the side where the first electrode 4 of the electrolyte member 3 is formed, and the second fluid is made to face the main surface on the side where the second electrode 5 is formed. By forming the flow path 9, fluid can be exchanged between the lower and upper main surfaces of the electrolyte member 3 and the first and second fluid flow paths 8 and 9, and the fluid is supplied through the respective flow paths. Or it will be discharged. For example, in the case of supplying a gas as a fluid, it is possible to prevent the partial pressure of the gas supplied to the first electrode 4 and the second electrode 5 of the electrolyte member 3 from decreasing, and a predetermined stable output voltage. Can be obtained. Further, since the supplied gas partial pressure is stabilized, the internal pressure of the fuel cell 1 is made uniform, and as a result, the thermal stress generated in the electrolyte member 3 can be suppressed, so that the reliability of the fuel cell 1 is improved. Can be made.
[0055]
With the above configuration, a small and robust fuel cell container 2 of the present invention capable of accommodating a plurality of electrolyte members 3 as shown in FIG. 1 is obtained, and the fuel cell 1 of the present invention capable of high efficiency control is obtained. Is obtained.
[0056]
Next, FIG. 2 is a sectional view showing another example of the embodiment of the fuel cell container of the present invention and the fuel cell using the same. In FIG. 2, the same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, 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 first lid, 7 "is a second lid, 8 is a first fluid channel, 9 is a second fluid channel, 10' and 10" are first wiring conductors, 11 and 11 'Is the second wiring conductor.
[0057]
In the example shown in FIG. 2, the first wiring conductor 10 ′ has one end disposed at a portion facing the first electrode 4 of the electrolyte member 3 on the bottom surface of the first recess on the upper main surface of the base 6. Is led out so as to be electrically connected to the lower main surface of the base 6 opposite to the other end of the second wiring conductor 11 ′ led out to the outer surface of the second lid 7 ″. One end of the first wiring conductor 10 ″ is disposed at a portion facing the first electrode 4 of the electrolyte member 3 on the bottom surface of the second concave portion on the lower main surface of the base 6 and the other end is the outer surface of the base 6 here. It is derived to the side.
[0058]
The first wiring conductors 10 ′ and 10 ″ are formed integrally with the base 6, and are higher than the bottom surfaces of the first and second recesses of the base 6 by 10 μm or more so that one end of the first wiring conductors 10 ′ and 10 ″ is easily brought into contact with the first electrode 4. In order to obtain this height, when the conductor paste is formed by printing and coating as described above, the printing conditions may be set so as to increase the coating thickness. It is desirable that a plurality of first wiring conductors 10 'and 10 "be arranged opposite to the first electrode 4 to reduce electrical loss caused by the first wiring conductors 10' and 10". The diameter of the through portion of the substrate 6 is preferably φ50 μm or more.
[0059]
As shown in FIGS. 1 and 2, according to the fuel cell container 2, 2 ′ and the fuel cell 1, 1 ′ of the present invention, an electrolyte member is provided in each of the first and second recesses on both main surfaces of the base 6. 3, and between the first electrodes 4 of the plurality of electrolyte members 3 or between the first electrode 4 and the second electrode 5, the first wiring conductors 10 ′, 10 ″ and the second wiring conductor 11 By electrically connecting the respective wiring conductors so as to take out the output as a whole from the electrolyte member 3 that is electrically connected by 11 ′ and arranged at positions that are both ends in terms of circuit, three-dimensionally Since wiring can be freely performed, it is possible to arbitrarily connect a plurality of electrolyte members 3 in series or in parallel, and as a result, it is possible to efficiently adjust the overall output voltage and output current, Electrochemically generated by a plurality of electrolyte members 3 Thus, the fuel cell can be taken out to the outside.
[0060]
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 second fluid flow path may also be provided with inflow ports from the side surfaces of the first and second lids in order to reduce the thickness of the entire fuel cell. This is effective in reducing the size especially for portable electronic devices. Furthermore, about the 1st and 2nd wiring conductor, you may arrange | position so that the other end derived | led-out to the outer surface of a base | substrate and a 1st and 2nd cover body may be pulled out to the side surface of the same side, respectively. According to this, wiring and flow paths can be integrated on one side of the fuel cell, facilitating miniaturization and protection of joints to the outside, enabling a highly reliable design, and The fuel cell can be operated stably.
[0061]
【The invention's effect】
  According to the fuel cell container of the present invention, the first concave portion in which the electrolyte member having the first and second electrodes on both main surfaces is accommodated on the upper main surface, and the ceramic having the second concave portion on the lower main surface. And a first and a second for hermetically sealing the first and second recesses, which are attached to the upper surfaces around the first and second recesses of the base so as to cover the first and second recesses, respectively. Since it has a lid, by sealing the fuel cell container in an airtight manner, there is no leakage of fluid such as gas, and there is no need 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. Further, since the two-layer structure having the first and second recesses for accommodating the electrolyte member on the main surfaces on both sides of the base body, which does not need to accommodate the electrolyte member in the plane direction, can be saved. Furthermore, the substrate is formed of a ceramic body having first and second recesses on the upper main surface and the lower main surface, respectively, and first and second lids for sealing the first and second recesses, respectively. Since the electrolyte member can be housed in the box to form a fuel cell, the electrolyte member is not exposed to the outside of the container and is not damaged, and the mechanical reliability of the entire fuel cell is improved. In addition to the first and second wiring conductors, one end of which is disposed inside the container composed of the first and second recesses and the first and second lids, unnecessary electrical contact is made to the electrolyte member itself. Thus, a fuel cell with high reliability and safety 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.
[0062]
In addition, the first fluid passage formed between the first and second recesses and the bottom surface of each recess in the base, and the first and second lids so as to face the second electrode of the electrolyte member. Second fluid passages formed from the main surfaces on the first and second recess sides to the respective outer surfaces, and therefore, each fluid passage has an inner wall surface facing each other across the electrolyte member. Therefore, the uniform supply property of the fluid supplied to the electrolyte member 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 is on the lower and upper main surfaces. The gas partial pressures supplied to the first and second electrodes respectively in the first and second electrodes are not lowered, 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. Therefore, the pressure of the fluid to be supplied is stabilized, and further, first and second recesses for accommodating the electrolyte members are provided on the main surfaces on both sides, respectively, and the first and second lids attached to cover them are respectively provided. Since the structure has the first fluid channel and the second fluid channel, it is possible to improve the volume output density of the fuel cell in which the effective use area ratio of the small and compact electrolyte member is increased. . Furthermore, since the first and second fluid flow paths are respectively formed in the base body and the lid, each of the fluid flow paths is excellent in hermeticity and originally two types of raw material fluids that should be isolated in the flow path ( (For example, oxygen gas and hydrogen gas or methanol, etc.) are not mixed, and the function as a fuel cell is not lost. In addition, after a flammable fluid is mixed at a high temperature, ignition or explosion occurs. Since there is no danger, a safe fuel cell can be provided.
[0063]
Furthermore, according to the fuel cell container of the present invention, by electrically connecting the other ends of the first wiring conductors, a plurality of electrolyte members can be electrically connected in parallel over a short distance, and Connectable with low resistance wiring. As a result, since the output current of the entire fuel cell can be adjusted, it is possible to provide a fuel cell having a planar stack structure in which the electricity electrochemically generated by the electrolyte member can be taken out in a good state. .
[0064]
Furthermore, according to the fuel cell container of the present invention, when the other end of the first wiring conductor and the other end of the second wiring conductor are electrically connected, a plurality of electrolyte members are electrically connected. Short-distance series connection is possible and connection is possible with low resistance wiring. As a result, even when the voltage is generated by each electrolyte member, even if it is a minute voltage, the total voltage can be adjusted by series connection. Therefore, the electricity generated electrochemically by the electrolyte member can be externally maintained in good condition. A fuel cell having a planar stack structure that can be taken out can be provided.
[0065]
In addition, since the electrolyte member is accommodated on each of the main surfaces on both sides of the base, and the first and second wiring conductors formed inside the base and the first and second lids are connected, the two-layer structure is used. Since the length can be shortened, the resistance can be reduced.
[0066]
In the fuel cell container of the present invention, in the above configuration, when the first fluid flow path is disposed with the openings in the bottom surfaces of the first and second recesses facing each other, the first fluid flow Even when a plurality of roads are provided on almost the entire bottom surfaces of the first and second recesses, they can be easily connected between the first and second recesses so that only one fuel supply port is required. In addition, since it is not necessary to provide a complicated fuel supply system, fuel supply to the electrolyte member is facilitated and space saving can be achieved.
[0067]
  Further, according to the fuel cell of the present invention, the electrolyte member is accommodated in the first and second recesses of the fuel cell container of the present invention, respectively, and the lower and upper main surfaces of the electrolyte member are the first and second fluids. The first and second wiring conductors are electrically connected to the first and second electrodes, respectively, so that fluid can be supplied to or discharged from the flow path. Since the first and second lids are attached to the upper surface around the recesses so as to cover the respective recesses, the features and advantages of the fuel cell container of the present invention as described above are small and robust. A reliable fuel cell capable of achieving uniform gas supply, uniform temperature gradient in the fuel cell container, and highly efficient electrical connection can be obtained, and a plurality of electrolyte members can be connected in parallel. To enable the entire fuel cell Force current can be adjusted, or the total voltage can be adjusted by connecting a plurality of electrolyte members in series, so that the electricity electrochemically generated by the electrolyte members can be taken out in a good state. it can.
[0068]
Therefore, according to the fuel cell container and the fuel cell of the present invention, the fuel that is excellent in compactness, simplicity, and safety and that can be stably operated over a long period of time by uniform supply of fluid and highly efficient electrical connection. A battery can be provided.
[Brief description of the drawings]
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 of the present invention using the same.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing another example of an embodiment of a fuel cell container of the present invention and a fuel cell of the present invention using the same.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing an example of a conventional fuel cell.
[Explanation of symbols]
1,1 ': Fuel cell
2, 2 ': Fuel cell container
3: Electrolyte member
4: First electrode
5: Second electrode
6, 6 ': substrate
7, 7 ': lid
8: First fluid flow path
9: Second fluid flow path
10, 10 ', 10 ": first wiring conductor
11, 11 ': Second wiring conductor

Claims

A ceramic base having a first recess containing an electrolyte member having first and second electrodes on both main surfaces on the upper main surface and a second recess on the lower main surface, and the first recess inside the base. A first fluid channel formed between the first and second recesses and a bottom surface of each recess, and one end on each bottom surface of the first and second recesses so as to face the first electrode of the electrolyte member; And the other end of the first wiring conductor formed on the outer surface of the base body and the upper surface around the first and second concave portions of the base body covering the first and second concave portions, respectively. And first and second lids made of ceramics that hermetically seal the first and second recesses, and the first and second lids so as to face the second electrode of the electrolyte member From the main surfaces of the body on the first and second recess sides One end is disposed on the main surface on the first and second recess sides of the first and second lids facing the second electrode of the electrolyte member and the second fluid channel formed on the outer surface, A fuel cell container comprising: a second wiring conductor formed such that the other end is led to each outer surface.

2. The fuel cell container according to claim 1, wherein the first fluid flow path is disposed with openings at the bottom surfaces of the first and second recesses facing each other.

3. The fuel cell container according to claim 1, wherein a plurality of the first and second fluid flow paths are arranged at regular intervals. 4.

The fuel cell container according to any one of claims 1 to 3, wherein the substrate is made of a ceramic having a bending strength of 200 MPa or more.

5. The electrolyte member is housed in the first and second recesses of the fuel cell container according to claim 1, and the lower and upper main surfaces of the electrolyte member are the first and second main surfaces. The base is arranged so that fluid can be supplied to or discharged from the second fluid flow path, and the first and second wiring conductors are electrically connected to the first and second electrodes, respectively. A fuel cell comprising the first and second lids attached to the upper surfaces around the first and second recesses so as to cover the respective recesses.