JP4544836B2

JP4544836B2 - Fuel cell container and fuel cell

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Publication number: JP4544836B2
Application number: JP2003183145A
Authority: JP
Inventors: 国紀横峯
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-06-26
Filing date: 2003-06-26
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2023-06-26
Also published as: JP2005019235A

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（カソード）と、白金等の触媒微粒子が付着した炭素電極から成る空気極（アノード）と、燃料極と空気極との間に介装されたフィルム状の電解質部材（以下、電解質部材と記す）とを有して構成されている。
ここで、燃料極には、改質部を介して抽出された水素ガス（Ｈ_２）が供給され、一方、空気極には、大気中の酸素ガス（Ｏ_２）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（Ｈ_２）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。
【０００６】
３Ｈ_２ → 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（Ｏ_２）とが反応して水（Ｈ_２Ｏ）が生成される。
【０００７】
６Ｈ^＋＋３／２Ｏ_２＋６ｅ⁻ → ３Ｈ_２Ｏ・・・（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（Ｈ_２Ｏ）のみとなる。
【０００８】
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。
【０００９】
図４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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
【特許文献１】
特開2001−266910号公報
【００１３】
【特許文献２】
特表2001−507501号公報
【００１４】
【特許文献３】
特開平８−180883号公報
【００１５】
【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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
また、プレス加工やパンチング加工等によって金属板からガスセパレータ２６を作ることが特許文献３で提案されている。金属性ガスセパレータの適用が可能となれば、その機械的特性により、ガスセパレータ２６の薄肉化が可能であり、結果として、燃料電池用容器の小型化、低背化が可能となる。しかし、金属性ガスセパレータは、腐食しやすいという問題もあった。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池用容器は、下側および上側主面にそれぞれ第１および第２電極を有する電解質部材を収容する凹部を上面に有するセラミックスから成る基体と、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、電解質部材の第１電極に対向する凹部の底面に一端が配設され、他端が基体の外面に導出された第１配線導体と、基体の凹部の周囲の上面に凹部を覆って取着される、凹部を気密に封止する蓋体と、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、電解質部材の第２電極に対向する蓋体の下面に一端が配設され、他端が蓋体の外面に導出された第２配線導体とを具備して成り、第１配線導体および第２配線導体は、それぞれ第１電極および第２電極の主面の第１流体流路および第２流体流路の開口と対向する部位を除く部位の全域に当接するように形成されており、かつ表面が耐食性の金属で被覆されていることを特徴とするものである。
【００２３】
また、本発明の燃料電池は、好ましくは耐食性の金属は金、白金、パラジウムのいずれかから成ることを特徴とする。
【００２４】
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凹部に電解質部材を収容して、この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の流体が供給あるいは排出されるように配置するとともに、第１および第２電極を第１および第２配線導体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って蓋体を取着して成ることを特徴とするものである。
【００２５】
本発明の燃料電池用容器によれば、下側および上側主面にそれぞれ第１および第２電極を有する電解質部材を収容する凹部を上面に有するセラミックスから成る基体と、この基体の凹部の周囲の上面に凹部を覆って取着される、凹部を気密に封止す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。
【００２６】
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。
【００２７】
さらにまた、それぞれの流体流路は基体と蓋体とに形成されるため、各流路の密閉性に優れ、本来は流路的に隔絶されるべき２種類の原料流体（例えば酸素ガスと水素ガスもしくはメタノール等）が混合してしまうことによって燃料電池としての機能が発現されなくなるようなことがなく、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。
【００２８】
また、第１配線導体および第２配線導体は、それぞれ電解質部材の第１電極および第２電極に当接するように形成され、かつ表面が耐食性の金属で被覆されたものとしたことにより、電解質部材の第１電極および第２電極の第１流体流路および第２流体流路の開口を除く部位の全域と、第１配線導体および第２配線導体とをそれぞれ直接接触させて電気的に接続することができる。そのため、電解質部材の第１電極と第１配線導体との接触面積および第２電極と第２配線導体との接触面積が大きくとれるとともに直接に接続することができ、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るので、高い発電効率を有した燃料電池を提供することができる。さらに、第１配線導体および第２配線導体の表面を被覆する耐食性の金属の材質を金、白金、パラジウムのいずれかから成るものとしたときには、第１配線導体または第２配線導体の腐食を防止することができる。
【００２９】
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凹部に電解質部材を収容して、この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の流体が供給あるいは排出されるように配置するとともに、第１および第２電極を第１および第２配線導体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っ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、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。
【００３０】
また、第１配線導体および第２配線導体がそれぞれ第１電極および第２電極の主面の第１流体流路および第２流体流路の開口と対向する部位を除く部位の全域に当接するように形成され、表面が金、白金、パラジウムのいずれかで被覆されていることから、電解質部材の第１電極と第１配線導体との接触面積および第２電極と第２配線導体との接触面積が大きくとれるとともに直接に接続することができ、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、第１配線導体および第２配線導体の腐食を防止できるので、高い発電効率を有した燃料電池を得ることができる。
【００３１】
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。
【００３２】
【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。
【００３３】
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。また、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一例を示す上面図である。これらの図において、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配線導体である。なお、図２においては、蓋体７を透視した状態で内部の様子を示している。
【００３４】
電解質部材３は、板状の固体電解質である例えばイオン導電膜（交換膜）の両主面上に、下側主面に形成された第１電極４および上側主面に形成された第２電極５にそれぞれ対向するように、アノード側電極となる燃料極（図示せず）と、カソード側電極となる空気極（図示せず）とが一体的に形成されている。そして、電解質部材３で発電された電流を第１電極４および第２電極５へ流し、外部へ取り出すことができるものとなっている。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
本発明の燃料電池用容器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（Ａｌ_２Ｏ_３）質焼結体，ムライト（３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２）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（Ｓｉ_３Ｎ_４）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。
【００３８】
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ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系，ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３系，ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３−ＭＯ系（但し、ＭはＣａ，Ｓｒ，Ｍｇ，ＢａまたはＺｎを示す），ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｍ^１Ｏ−Ｍ^２Ｏ系（但し、Ｍ^１およびＭ^２は同一または異なってＣａ，Ｓｒ，Ｍｇ，ＢａまたはＺｎを示す），ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｍ^１Ｏ−Ｍ^２Ｏ系（但し、Ｍ^１およびＭ^２は上記と同じである），ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ｍ^３ _２Ｏ系（但し、Ｍ^３はＬｉ，ＮａまたはＫを示す），ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｍ^３ _２Ｏ系（但し、Ｍ^３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。
【００３９】
また、フィラー成分としては、例えばＡｌ_２Ｏ_３，ＳｉＯ_２，ＺｒＯ_２とアルカリ土類金属酸化物との複合酸化物、ＴｉＯ_２とアルカリ土類金属酸化物との複合酸化物、Ａｌ_２Ｏ_３およびＳｉＯ_２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。
【００４０】
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の凹部の周囲に凹部を覆って蓋体７を取着することによって凹部を気密に封止するため、半田や銀ろう等の金属接合材料での接合、エポキシ等の樹脂材料での接合、凹部の周囲の上面に鉄合金等で作られたシールリング等を接合してシームウェルドやエレクトロンビームやレーザ等で溶接する方法等によって、蓋体７が基体６に取着される。なお、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。
【００４１】
基体６および蓋体７は、それぞれ厚みを薄くし、本発明の燃料電池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（メガパスカル）以上であることが好ましい。
【００４２】
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。
【００４３】
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、Ａｌ_２Ｏ_３を３〜２０質量部、Ｎｂ_２Ｏ_５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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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および第１配線導体１０，第２配線導体１１を得る。
【００４７】
また、セラミックスから成る基体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、強度が不足しがちなため、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。
【００４８】
第１配線導体１０および第２配線導体１１は、それぞれ電解質部材３の第１電極４および第２電極５に電気的に接続されて、電解質部材３で発電された電流を燃料電池用容器２の外部へ取り出すための導電路として機能する。
【００４９】
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が接触する部位の面の全域に一端が配設され、他端が基体６の外面（図１に示す例では側面）に導出されて形成されている。これにより、電解質部材３の第１電極４の主面の第１流体流路８の開口と対向する部位を除く部位の全域と第１配線導体１０とを当接させて直接に接続することができ、電解質部材３の第１電極４と第１配線導体１０との接触面積が大きくとれることから電気抵抗の増大化および接触不良を有効に抑えることができ、高い発電効率を有した燃料電池を提供することができる。このような第１配線導体１０は、前述のように基体６と一体的に形成され、第１配線導体１０を第１電極４に当接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望ましい。この高さを得るためには、前述したように導体ペーストを印刷塗布して形成する際に、印刷条件を厚くするように設定すればよい。また、第１配線導体１０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ようにしてもよく、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。
【００５０】
また、第２配線導体１１は、図２に示すように、蓋体７の下面の電解質部材３の第２電極５が接触する部位の面の全域に一端が配設され、他端が蓋体７の外面（図１および図２に示す例では側面）に導出されて形成されている。これにより、電解質部材３の第２電極５の主面の第２流体流路９の開口と対向する部位を除く部位の全域と第２配線導体１１とを当接させて直接に接続することができ、電解質部材３の第２電極５と第２配線導体１１との接触面積が大きくとれることから電気抵抗の増大化および接触不良を有効に抑えることができ、高い発電効率を有した燃料電池を提供することができる。このような第２配線導体１１も、第１配線導体１０と同様に、蓋体７と一体的に形成され、第２配線導体１１を第２電極５に当接させやすいように蓋体７の凹部の底面より、１０μｍ以上高くするように形成するのが望ましい。この高さを得るためには、前述したように導体ペーストを印刷塗布して形成する際に、印刷条件を厚くするように設定すればよい。また、第２配線導体１１は第２電極５に対向させて複数配置し、第２配線導体１１による電気損失を減少させるようにしてもよく、第２配線導体１１の蓋体７の貫通部についてはφ５０μｍ以上の径とすることが好ましい。
【００５１】
さらに、第１配線導体１０、第２配線導体１１の表面は金、白金、パラジウムのいずれかで被覆する。この被覆の方法としては、蒸着法でも可能であるが、めっきにより形成されたものであることが好ましい。
【００５２】
めっきの方法としては、例えば、電解めっき法を採用する場合、基体６や蓋体７をシアン化金カリウム，シアン化カリウム，クエン酸三カリウム，リン酸二水素カリウム，硫酸アンモニウム，硫酸タリウムから成る電解金めっき液中に浸漬するとともに所定のめっき用電力を用いて、めっき用治具等を介して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第１配線導体１０および第２配線導体１１の表面に供給し、第１配線導体１０および第２配線導体１１の表面を金めっき膜にて被覆する。
【００５３】
なお、金めっき膜は、その厚みが０．１μｍ未満となると、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第１配線導体１０および第２配線導体１１の腐食を防止できないため、その厚みは０．１μｍ以上としておくことが好ましく、経済性を考慮すると０．１〜３μｍの範囲としておくことが好ましい。
【００５４】
第１配線導体１０および第２配線導体１１を被覆するめっき膜としては、以上の金めっきの他にも、腐食を防止する特性を有するめっきとして、例えば、金、白金、パラジウムもしくはこれらを主成分とする合金の少なくとも１種から成るめっき被膜を使用することができる。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
本発明の燃料電池１は、具体的には携帯電話，ＰＤＡ（ＰｅｒｓｏｎａｌＤｉｇｉｔａｌＡｓｓｉｓｔａｎｔｓ），デジタルカメラ，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，ファックス，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に電源として組み込まれるものであり、本発明の燃料電池１を用いた電子機器は、第１配線導体および第２配線導体がそれぞれ第１電極および第２電極の主面の第１流体流路および第２流体流路の開口と対向する部位を除く部位の全域に当接するように形成され、表面が金、白金、パラジウムのいずれかで被覆されていることから、電解質部材の第１電極と第１配線導体との接触面積および第２電極と第２配線導体との接触面積が大きくとれるとともに直接に接続することができ、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、第１配線導体および第２配線導体の腐食を防止できるので、高い発電効率を有した、長期にわたり安定して作動させることができる電子機器を提供することができるという利点がある。
【００６２】
また、この場合、本発明の燃料電池および燃料電池容器が、コンパクト性、簡便性に優れ、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、電子機器本体の小型、薄型および軽量化が可能となるとともに、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防水性などを従来よりも強固にし得る構造となる利点がある。
【００６３】
また、本発明の燃料電池および燃料電池容器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および燃料電池容器を準備しておけば、電池切れ等が発生した場合の充電に用する時間が不要となり、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。
【００６４】
なお本発明は上述の実施の形態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は可能であり、例えば、上述の実施例において燃料電池としてメタノールを燃料に用いたＤＭＦＣを用いたが、ジメチルエーテルを初めとする各種液体を燃料とする燃料電池を用いることもできる。
【００６５】
また、例えば、燃料電池全体を薄型化するため、基体または蓋体の側面からの流入口を設け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、基体および蓋体の外面に導出される他端を、それぞれ同じ側の側面に引き出すように配設してもよい。これによれば、燃料電池の一方側面に配線や流路等をまとめることができ、小型化と外部への接合部の保護とが容易となり、信頼性の高い設計が可能となるとともに、長期間安定した作動が可能な燃料電池となる。
【００６６】
また、以上の実施の形態の例では、第１配線導体１０および第２配線導体１１の両方を、それぞれ凹部の底面の第１流体流路８の開口の周辺の底面全体および蓋体７の下面の第２流体流路９の開口の周辺の下面全体に、第１電極４および第２電極５に当接するように形成したが、これは電解質部材３の第１電極４と第１配線導体１０との接触面積および第２電極５と第２配線導体１１との接触面積が大きくとれ、接触抵抗を低減できるためである。さらに電解質部材３へ流体供給を増加させて発電量を増やすため、第１流体流路８や第２流体流路９の電解質部材３側の開口を大きくする構成の１つとして、第１流体流路８，第２流体流路９の開口の周囲には第１配線導体１０および第２配線導体１１の非形成部を設けておくことによって各開口を電解質部材３側で広げるようにし、電解質部材３へ流体を供給し易くすることが可能である。
【００６７】
さらにまた、基体の凹部の内部には、複数の電解質部材を収容してこれらを第１および第２配線導体により電気的に接続して全体として高電圧あるいは大電流の出力を得るようにしてもよい。
【００６８】
また、図３に本発明の燃料電池用容器およびそれを用いた燃料電池の実施の形態の他の例を断面図で示すように、複数の凹部を有する基体６’の凹部のそれぞれに電解質部材３を収容するとともに、隣接する凹部の端部間にわたって基体６’に第３配線導体１２を、および蓋体７’に第４配線導体１３を配設してこれらを電気的に接続することによって複数の電解質部材３の第１電極４の間または第１電極４と第２電極５との間を電気的に接続し、これら第３配線導体１２および第４配線導体１３により直列に接続された両端となる位置に配置された電解質部材３に全体としての出力を取り出すように第１配線導体１０および第２配線導体１１をそれぞれに電気的に接続するようにしてもよい。これによれば、第１〜第４配線導体１０〜１３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を任意に直列接続することができ、また図示していないが、並列接続することも可能である。そのため、全体の出力電圧および出力電流を効率よく調整することが可能となるため、電解質部材３にて電気化学的に生成された電気を良好に外部に取り出すことができる燃料電池用容器２’および燃料電池１’となる。
【００６９】
【発明の効果】
本発明の燃料電池用容器によれば、下側および上側主面にそれぞれ第１および第２電極を有する電解質部材を収容する凹部を上面に有するセラミックスから成る基体と、この基体の凹部の周囲の上面に凹部を覆って取着される、凹部を気密に封止す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。
【００７０】
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。
【００７１】
さらにまた、それぞれの流体流路は基体と蓋体とに形成されるため、各流路の密閉性に優れ、本来は流路的に隔絶されるべき２種類の原料流体（例えば酸素ガスと水素ガスもしくはメタノール等）が混合してしまうことによって燃料電池としての機能が発現されなくなるようなことがなく、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。
【００７２】
また、第１配線導体および第２配線導体は、それぞれ電解質部材の第１電極および第２電極に当接するように形成され、表面が金、白金、パラジウムのいずれかで被覆されたものとしたことにより、電解質部材の第１電極および第２電極の第１流体流路および第２流体流路の開口を除く部位の全域と、第１配線導体および第２配線導体とをそれぞれ直接接触させて電気的に接続することができ、電極の腐食を防止できる。そのため、電解質部材の第１電極と第１配線導体との接触面積および第２電極と第２配線導体との接触面積が大きくとれるとともに直接に接続することができ、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るので、高い発電効率を有した燃料電池を提供することができる。
【００７３】
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凹部に電解質部材を収容して、この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の流体が供給あるいは排出されるように配置するとともに、第１および第２電極を第１および第２配線導体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って蓋体を取着して成ることから、電解質部材が露出して損傷を受けることがなく、また、凹部および蓋体で構成される容器の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。
【００７４】
また、本発明の燃料電池によれば、第１および第２流体流路は、電解質部材を挟んで、それぞれ容器の対向する内壁面である基体の凹部の底面および蓋体の下面に設けられているため、電解質部材へ供給されるガスの均一供給性を向上させることができ、電解質部材の第１および第２電極に供給されるガス分圧が下がることをなくすことができるので、所定の安定した出力電圧を得ることができる。
そして、電解質部材に生じる応力も抑制することができ、信頼性を向上させることができる。
【００７５】
さらに、本発明の燃料電池によれば、第１配線導体および第２配線導体がそれぞれ第１電極および第２電極の主面の前記第１流体流路および第２流体流路の開口と対向する部位を除く部位の全域に当接するように形成され、表面が金、白金、パラジウムのいずれかで被覆されていることから、電解質部材の第１電極と第１配線導体との接触面積および第２電極と第２配線導体との接触面積が大きくとれるとともに直接に接続することができ、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、第１配線導体および第２配線導体の腐食を防止できるので、高い発電効率を有した燃料電池を得ることができる。
【００７６】
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、ガスの均等供給、高効率な電気接続により、長期にわたり安定して作動させることができる燃料電池を提供することができた。
【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一例を示す上面図である。
【図３】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４】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：第１配線導体
１１：第２配線導体
１２：第３配線導体
１３：第４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 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 features described above and is not only applied to driving power sources for vehicles and home cogeneration systems, but also to mobile phones, PDAs (Personal Digital Assistants), notebook 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 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, 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.
[0006]
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.
[0007]
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.
[0008]
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.
[0009]
FIG. 4 is a sectional view showing the structure 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.
[0010]
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. A fuel cell stack, which is the smallest unit of a battery, is formed by stacking a large number of gas electrodes 26 so that the fuel electrode 24 and the air electrode 25 of the electrolyte member 23 are electrically connected in series and / or in parallel. A typical PEFC body is a stack in a box.
[0011]
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 passed through the air flow path 29 to the atmosphere. Then, air is supplied as an oxidant gas, and power is generated by a chemical reaction in the electrolyte member 23.
[0012]
[Patent Document 1]
JP 2001-266910 A
[0013]
[Patent Document 2]
Special table 2001-507501 gazette
[0014]
[Patent Document 3]
Japanese Patent Laid-Open No. 8-180883
[0015]
[Problems to be solved by the invention]
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.
[0016]
That is, in the conventional gas separator 26 in such a fuel cell 21, the side surface of the electrolyte member 23 is exposed to the outside in a laminate in which the electrolyte member 23 is laminated using the gas separator 26. There is a problem that the fuel cell 21 is easily damaged and it is difficult to ensure the mechanical reliability of the fuel cell 21 as a whole.
[0017]
In order to mount the fuel cell 21 in a portable electronic device, a fuel cell container that is different from the conventional large fuel cell container 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, in order to shorten the temperature rise to the operating temperature and to reduce the heat capacity, the fuel cell container is reduced in size and height. However, the gas separator 26 occupying most of the heat capacity in the conventional fuel cell 21 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. Therefore, there is a problem that it is difficult to reduce the size and height.
[0018]
Further, Patent Document 3 proposes that the gas separator 26 is made from a metal plate by pressing or punching. If a metallic gas separator can be applied, the gas separator 26 can be thinned due to its mechanical characteristics, and as a result, the fuel cell container can be reduced in size and height. However, the metal gas separator has a problem that it is easily corroded.
[0019]
Furthermore, 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. Accordingly, 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. Since the groove is narrow, there is a problem that the flow resistance is increased and it is difficult to supply a uniform gas.
[0020]
In addition, 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, a method of connecting to the outside or connecting the gas separator 26 as a conductive material is used. There is only a method of connecting them in series, and there is a problem that it is difficult in a small fuel cell.
[0021]
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. An object of the present invention is to provide a reliable fuel cell container and a fuel cell using the same that can achieve supply, uniform temperature gradient in the fuel cell container, and highly efficient electrical connection.
[0022]
[Means for Solving the Problems]
  The fuel cell container of the present invention has a base body made of ceramics having a recess on the upper surface for accommodating an electrolyte member having first and second electrodes on the lower and upper main surfaces, respectively, and a lower main surface of the electrolyte member. The first fluid flow path formed from the bottom surface of the concave portion to the outer surface of the base body, and the first end disposed on the bottom surface of the concave portion facing the first electrode of the electrolyte member and the other end led to the outer surface of the base body A wiring conductor, a lid that covers and attaches to the upper surface around the concave portion of the base, and seals the concave portion in an airtight manner, and an outer surface of the lid from the lower surface of the lid that faces the upper main surface of the electrolyte member And a second wiring conductor having one end disposed on the lower surface of the lid facing the second electrode of the electrolyte member and the other end led to the outer surface of the lid. The first wiring conductor and the second wiring conductor areRespectively1st electrodeandFirst fluid channel on the main surface of the second electrodeAnd second fluid flow pathIt is formed so that it may contact | abut the whole region of the site | part except the site | part which opposes this opening, and the surface is coat | covered with the corrosion-resistant metal.
[0023]
The fuel cell of the present invention is preferably characterized in that the corrosion-resistant metal is made of gold, platinum, or palladium.
[0024]
  In the fuel cell of the present invention, an electrolyte member is accommodated in the recess of the fuel cell container of the present invention having the above-described configuration, and the lower and upper main surfaces of the electrolyte member are connected to the first and second fluid flow paths. Each fluid in betweenSupplied or dischargedThe first and second electrodes are electrically connected to the first and second wiring conductors, respectively, and the lid is attached to the upper surface around the concave portion of the base so as to cover the concave portion. It is a feature.
[0025]
According to the fuel cell container of the present invention, a base body made of ceramics having a concave portion for accommodating an electrolyte member having first and second electrodes on the lower and upper main surfaces, respectively, and a periphery of the concave portion of the base body Since the upper surface of the fuel cell container is hermetically sealed, a fluid such as a gas leaks. In addition, 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 miniaturization. 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.
[0026]
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. Each gas partial pressure supplied to the first and second electrodes does not decrease, and there is an effect that 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.
[0027]
Furthermore, since each fluid flow path is formed in the base and the lid, each of the flow paths is excellent in hermeticity, and originally two kinds of source fluids (for example, oxygen gas and hydrogen) that should be isolated in the flow path are used. Gas or methanol, etc.) will not function as a fuel cell, and there is no risk of ignition or explosion after a flammable fluid is mixed at a high temperature. A safe fuel cell can be provided.
[0028]
  The first wiring conductor and the second wiring conductor areRespectivelyFirst electrode of electrolyte memberandThe first electrode of the electrolyte member is formed so as to be in contact with the second electrode and the surface is coated with a corrosion-resistant metal.andFirst fluid flow path of second electrodeandThe entire region excluding the opening of the second fluid flow path and the first wiring conductorandWith the second wiring conductorRespectivelyIt can be directly connected and electrically connected. Therefore, the contact area between the first electrode and the first wiring conductor of the electrolyte member and the contact area between the second electrode and the second wiring conductor can be increased and can be directly connected, and the electrical resistance is increased and the contact is poor. Therefore, it is possible to provide a fuel cell having high power generation efficiency. Further, when the corrosion-resistant metal material covering the surfaces of the first wiring conductor and the second wiring conductor is made of gold, platinum, or palladium, corrosion of the first wiring conductor or the second wiring conductor is prevented. can do.
[0029]
  According to the fuel cell of the present invention, the electrolyte member is accommodated in the recess of the fuel cell container of the present invention, and the lower and upper main surfaces of the electrolyte member are between the first and second fluid flow paths. Each fluid isSupplied or dischargedAnd the first and second electrodes are electrically connected to the first and second wiring conductors, respectively, and the lid is attached to the upper surface around the recess of the base so as to cover the recess. With the features of the fuel cell container of the present invention as described above, it is compact and robust, and can reliably supply gas, uniform temperature gradient in the fuel cell container, and highly efficient electrical connection. A characteristic fuel cell can be obtained.
[0030]
  In addition, the first wiring conductor and the second wiring conductor areRespectively1st electrodeandFirst fluid channel on the main surface of the second electrodeAnd second fluid flow pathSince the surface is covered with one of gold, platinum, and palladium, the first electrode of the electrolyte member and the first wiring conductor are formed. The contact area and the contact area between the second electrode and the second wiring conductor can be made large and can be directly connected, and an increase in electrical resistance and contact failure can be effectively suppressed. Since corrosion of the wiring conductor can be prevented, a fuel cell having high power generation efficiency can be obtained.
[0031]
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, can be stably operated over a long period of time by the uniform supply of fluid and high-efficiency electrical connection. A battery can be provided.
[0032]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
[0033]
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. FIG. 2 is a top view showing an example of the embodiment of the fuel cell container of the present invention and the fuel cell using the same. In these drawings, 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, and 8 is a first fluid flow path. , 9 is a second fluid flow path, 10 is a first wiring conductor, and 11 is a second wiring conductor. In FIG. 2, the inside is shown with the lid 7 seen through.
[0034]
The electrolyte member 3 is a plate-like solid electrolyte, for example, on both main surfaces of an ion conductive film (exchange membrane), the first electrode 4 formed on the lower main surface and the second electrode formed on the upper main surface. 5, 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.
[0035]
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.
[0036]
The first electrode 4 on the lower main surface and the second electrode 5 on the upper main surface of the electrolyte member 3 are a method of hot pressing a carbon electrode with catalyst fine particles such as platinum or platinum-ruthenium on the electrolyte member 3, or Further, it is formed by a method of applying or transferring a mixture of a carbon electrode material with catalyst fine particles such as platinum or platinum-ruthenium and a solution in which an electrolyte material is dispersed onto the electrolyte.
[0037]
The fuel cell container 2 of the present invention is composed of a base 6 having a recess and a lid 7, and has a function of mounting the electrolyte member 3 inside the recess and hermetically sealing the aluminum oxide (Al₂O₃) Quality sintered body, mullite (3Al₂O₃・ 2SiO₂) Sintered body, silicon carbide (SiC) sintered body, aluminum nitride (AlN) sintered body, silicon nitride (Si)₃N₄) It is made of ceramic materials such as quality sintered body and glass ceramic sintered body.
[0038]
The glass ceramic sintered body is composed of a glass component and a filler component.₂-B₂O₃System, SiO₂-B₂O₃-Al₂O₃System, SiO₂-B₂O₃-Al₂O₃-MO system (where M represents Ca, Sr, Mg, Ba or Zn), SiO₂-Al₂O₃-M¹OM²O system (however, M¹And M²Are the same or different and represent Ca, Sr, Mg, Ba or Zn), SiO₂-B₂O₃-Al₂O₃-M¹OM²O system (however, M¹And M²Is the same as above), SiO₂-B₂O₃-M³ ₂O system (however, M³Represents Li, Na or K), SiO₂-B₂O₃-Al₂O₃-M³ ₂O system (however, M³Is the same as above), Pb glass, Bi glass and the like.
[0039]
Moreover, as a filler component, for example, Al₂O₃, SiO₂, ZrO₂And TiO, a complex oxide of alkaline earth metal oxides₂Al oxide of alkaline earth metal oxide, Al₂O₃And SiO₂And composite oxides containing at least one selected from (for example, spinel, mullite, cordierite).
[0040]
The fuel cell container 2 is composed of a base 6 having a recess and a lid 7, and covers the recess around the recess of the base 6 to attach the lid 7 so that the recess is hermetically sealed. Bonding with metal bonding materials such as silver brazing, bonding with resin materials such as epoxy, bonding with a seal ring made of iron alloy etc. on the upper surface around the recess with seam weld, electron beam, laser etc. The lid body 7 is attached to the base body 6 by a welding method or the like. The lid 7 may be formed with a recess similar to the base 6.
[0041]
In order to reduce the thickness of the base body 6 and the lid body 7 and to reduce the height of the fuel cell 1 of the present invention, the bending strength, which is mechanical strength, should be 200 MPa (megapascal) or more. preferable.
[0042]
The base body 6 and the lid body 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, a rare earth oxide powder or a sintering aid is 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 the raw material powder of this aluminum oxide sintered body, mixed to form a paste, and from this paste, an organic binder is added to the raw material powder by a press blade method, press molding, rolling molding, etc. Thus, a green sheet having a predetermined thickness is produced. Then, through the green sheet, 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, by punching with a mold, micro drill, laser, or the like. A through hole for disposing 11 is formed.
[0043]
The first wiring conductor 10 and the second wiring conductor 11 are preferably formed 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, Al₂O₃3 to 20 parts by mass, Nb₂O₅Is 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.
[0044]
In these conductor pastes, in order to improve the adhesion of the substrate 6 and the lid 7 to the ceramic, aluminum oxide powder or the same composition powder as the ceramic component forming the substrate 6 and the lid 7 is used. It is also possible to add 0.05 to 2% by volume.
[0045]
The formation of the first wiring conductor 10 and the second wiring conductor 11 on the surface layer and the inner layer of the base body 6 and the lid body 7 is the same as before or after forming the via conductor by filling the through hole with the conductive paste. The conductive paste is formed by printing and applying to a predetermined pattern on the green sheet by a method such as screen printing or gravure printing.
[0046]
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 ceramic substrate 6, lid 7, first wiring conductor 10, and second wiring conductor 11.
[0047]
Moreover, it is preferable that the base | substrate 6 and the cover body 7 which consist of ceramics shall be 0.2 mm or more in thickness. If the thickness is less than 0.2 mm, the strength tends to be insufficient. Therefore, cracks and the like tend to occur in the base body 6 and the lid body 7 due to the stress generated when the lid body 7 is attached to the base body 6. . 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.
[0048]
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.
[0049]
  The first wiring conductor 10 is a bottom surface of the recess of the base 6Power ofOne end is disposed over the entire surface of the part of the refining member 3 where the first electrode 4 comes into contact, and the other end is led out to the outer surface (side surface in the example shown in FIG. 1). Thus, the entire region of the main surface of the first electrode 4 of the electrolyte member 3 excluding the portion facing the opening of the first fluid flow path 8 and the first wiring conductor 10 can be directly brought into contact with each other. Since the contact area between the first electrode 4 of the electrolyte member 3 and the first wiring conductor 10 can be increased, an increase in electrical resistance and contact failure can be effectively suppressed, and a fuel cell having high power generation efficiency can be obtained. Can be provided. The first wiring conductor 10 is formed integrally with the base body 6 as described above, and is 10 μm or more from the bottom surface of the concave portion of the base body 6 so that the first wiring conductor 10 can be easily brought into contact with the first electrode 4. It is desirable to form so as to be higher. In order to obtain this height, as described above, the printing conditions may be set to be thick when the conductor paste is formed by printing and coating. In addition, a plurality of first wiring conductors 10 may be arranged to face the first electrode 4 so as to reduce electrical loss due to the first wiring conductors 10. The diameter is preferably 50 (diameter) or more.
[0050]
  The second wiring conductor 11 isThe figureAs shown in Figure 2,On the lower surface of the lid 7One end is disposed over the entire surface of the portion of the electrolyte member 3 where the second electrode 5 contacts, and the other end is formed by being led out to the outer surface of the lid body 7 (the side surface in the example shown in FIGS. 1 and 2). Yes. Thereby, the entire region of the main surface of the second electrode 5 of the electrolyte member 3 excluding the portion facing the opening of the second fluid flow path 9 and the second wiring conductor 11 can be directly brought into contact with each other. In addition, since the contact area between the second electrode 5 of the electrolyte member 3 and the second wiring conductor 11 can be increased, an increase in electrical resistance and contact failure can be effectively suppressed, and a fuel cell having high power generation efficiency can be obtained. Can be provided. Similar to the first wiring conductor 10, the second wiring conductor 11 is also formed integrally with the lid body 7, so that the second wiring conductor 11 can be easily brought into contact with the second electrode 5. It is desirable to form it 10 μm or more higher than the bottom surface of the recess. In order to obtain this height, as described above, the printing conditions may be set to be thick when the conductor paste is formed by printing and coating. In addition, a plurality of second wiring conductors 11 may be arranged to face the second electrode 5 so as to reduce the electrical loss due to the second wiring conductors 11. Is preferably a diameter of φ50 μm or more.
[0051]
Furthermore, the surfaces of the first wiring conductor 10 and the second wiring conductor 11 are covered with gold, platinum, or palladium. As the coating method, a vapor deposition method can be used, but it is preferable that the coating method is formed by plating.
[0052]
As a plating method, for example, when an electrolytic plating method is employed, the base 6 and the lid 7 are made of electrolytic gold plating composed of potassium gold cyanide, potassium cyanide, tripotassium citrate, potassium dihydrogen phosphate, ammonium sulfate, and thallium sulfate. It is immersed in the liquid and supplied to the surfaces of the first wiring conductor 10 and the second wiring conductor 11 formed of tungsten, molybdenum, or an alloy thereof through a plating jig or the like using a predetermined plating power. Then, the surfaces of the first wiring conductor 10 and the second wiring conductor 11 are covered with a gold plating film.
[0053]
If the thickness of the gold plating film is less than 0.1 μm, corrosion of the first wiring conductor 10 and the second wiring conductor 11 formed of tungsten, molybdenum, or an alloy thereof cannot be prevented. The thickness is preferably set to 0.1 μm or more, and is preferably set to a range of 0.1 to 3 μm in consideration of economy.
[0054]
As the plating film covering the first wiring conductor 10 and the second wiring conductor 11, in addition to the above gold plating, for example, gold, platinum, palladium, or a main component thereof can be used as a plating having the property of preventing corrosion. A plating film comprising at least one of the alloys described above can be used.
[0055]
The first and second wiring conductors 10 and 11 and the first and second electrodes 4 and 5 are electrically connected to each other by sandwiching the electrolyte member 3 between the base 6 and the lid body 7. What is necessary is just to carry out by the structure of making the 2nd wiring conductors 10 and 11 and the 1st and 2nd electrodes 4 and 5 press-contact and electrically connecting.
[0056]
In addition, a first fluid channel 8 and a second fluid channel 9 are disposed on the bottom surface of the recess of the base 6 facing the first electrode 4 and the second electrode 5 and the bottom surface of the lid body 7, respectively. The first fluid channel 8 is formed over the outer surface of the base 6, and the second fluid channel 9 is formed over the outer surface of the lid 7. These first and second fluid flow paths 8 and 9 are formed of electrolytes such as a reformed gas rich in fuel gas, such as hydrogen, or an oxidant gas, such as air, by through holes or grooves formed in the base body 6 and the lid body 7, respectively. It is provided as a passage for fluid supplied to the member 3 or as a passage for fluid discharged from the electrolyte member 3 after the reaction, such as water generated by the reaction.
[0057]
Through holes or grooves formed in the base body 6 and the lid body 7 as the first fluid flow path 8 and the second fluid flow path 9 allow fluid such as fuel gas and oxidant gas to be supplied to the electrolyte member 3 evenly. In addition, the diameter and number of through holes, or the width, depth, and arrangement of the grooves may be determined according to the specifications of the fuel cell 1.
[0058]
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.
[0059]
In this way, the first fluid flow path 8 is made to face the lower main surface on which the first electrode 4 of the electrolyte member 3 is formed, and the second fluid flow is made to face the upper main surface on which the second electrode 5 is formed. By forming the passage 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. 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.
[0060]
With the above configuration, a small and robust fuel cell container 2 of the present invention capable of accommodating an electrolyte member 3 as shown in FIG. 1 is obtained, and a fuel cell 1 of the present invention capable of high efficiency control is obtained. It is done.
[0061]
  Specifically, the fuel cell 1 of the present invention is a portable electronic device such as a mobile phone, a PDA (Personal Digital Assistants), a digital camera, a video camera, a game machine or the like, or a notebook PC (personal computer). Electronic devices using the fuel cell 1 according to the present invention are incorporated as power sources in electronic devices such as portable printers, fax machines, televisions, communication devices, audio-video devices, electric fans, and other home appliances such as electric tools. The device has a first wiring conductor and a second wiring conductor.Respectively1st electrodeandFirst fluid channel on the main surface of the second electrodeAnd second fluid flow pathSince the surface is covered with any one of gold, platinum and palladium, the first electrode of the electrolyte member and the first wiring conductor are formed. The contact area and the contact area between the second electrode and the second wiring conductor can be increased and can be directly connected, and an increase in electrical resistance and contact failure can be effectively suppressed. Since corrosion of the wiring conductor can be prevented, there is an advantage that it is possible to provide an electronic device having high power generation efficiency and capable of operating stably over a long period of time.
[0062]
In this case, the fuel cell and the fuel cell container of the present invention are excellent in compactness and simplicity, and can supply power for a long time by highly efficient electrical connection. In addition to being able to reduce the weight, there is an advantage that a structure capable of strengthening impact resistance, waterproofing, and the like when a shock is applied to the mobile phone body due to dropping or the like can be obtained.
[0063]
In addition, when the fuel cell and the fuel cell container of the present invention are configured to be detachable, if the spare fuel cell and the fuel cell container of the present invention are prepared, charging when the battery runs out or the like occurs. There is an advantage that it can be used even in an emergency such as a power failure or outdoors.
[0064]
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention. For example, in the above-described embodiment, methanol is used as a fuel cell as a fuel cell. Although the DMFC used was used, a fuel cell using various liquids including dimethyl ether as fuel can also be used.
[0065]
Further, for example, in order to reduce the thickness of the entire fuel cell, an inflow port from the side surface of the base body or the lid may be provided. 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 cover body may each be pulled out to the side surface of the same side. According to this, wiring and flow paths can be integrated on one side of the fuel cell, facilitating downsizing and protection of joints to the outside, enabling a highly reliable design, and The fuel cell can be operated stably.
[0066]
  Moreover, in the example of the above embodiment, both the first wiring conductor 10 and the second wiring conductor 11 are respectively connected to the entire bottom surface around the opening of the first fluid flow path 8 on the bottom surface of the recess and the bottom surface of the lid body 7. The second fluid flow path 9 is formed on the entire lower surface around the opening of the second fluid flow path 9 so as to contact the first electrode 4 and the second electrode 5, which are the first electrode 4 and the first wiring conductor 10 of the electrolyte member 3. This is because the contact area between the second electrode 5 and the second wiring conductor 11 can be increased, and the contact resistance can be reduced.TheIn addition, in order to increase the amount of power generation by increasing the fluid supply to the electrolyte member 3, the first fluid channel 8 or the second fluid channel 9 is configured to increase the opening on the electrolyte member 3 side as the first fluid. By providing a non-formation part of the first wiring conductor 10 and the second wiring conductor 11 around the openings of the flow path 8 and the second fluid flow path 9, each opening is widened on the electrolyte member 3 side. Easy to supply fluid to member 3Is possible.
[0067]
Furthermore, a plurality of electrolyte members are accommodated in the recesses of the base, and these are electrically connected by the first and second wiring conductors to obtain a high voltage or large current output as a whole. Good.
[0068]
Further, as shown in a cross-sectional view in FIG. 3 as another example of the embodiment of the fuel cell container of the present invention and the fuel cell using the same, an electrolyte member is provided in each of the recesses of the base 6 ′ having a plurality of recesses. 3, and a third wiring conductor 12 is disposed on the base 6 ′ and a fourth wiring conductor 13 is disposed on the lid 7 ′ between the ends of the adjacent recesses, and these are electrically connected. The first electrodes 4 of the plurality of electrolyte members 3 or the first electrodes 4 and the second electrodes 5 are electrically connected, and are connected in series by the third wiring conductor 12 and the fourth wiring conductor 13. You may make it electrically connect the 1st wiring conductor 10 and the 2nd wiring conductor 11 to each so that the output as a whole may be taken out to the electrolyte member 3 arrange | positioned in the position used as both ends. According to this, since wiring can be freely performed three-dimensionally by the first to fourth wiring conductors 10 to 13, a plurality of electrolyte members 3 can be arbitrarily connected in series, and although not shown, It is also possible to connect. Therefore, since it becomes possible to efficiently adjust the entire output voltage and output current, the fuel cell container 2 ′ that can take out the electrochemically generated electricity in the electrolyte member 3 to the outside, and The fuel cell 1 ′ is obtained.
[0069]
【The invention's effect】
According to the fuel cell container of the present invention, a base body made of ceramics having a concave portion for accommodating an electrolyte member having first and second electrodes on the lower and upper main surfaces, respectively, and a periphery of the concave portion of the base body Since the upper surface of the fuel cell container is hermetically sealed, a fluid such as a gas leaks. In addition, 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 miniaturization. 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.
[0070]
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. Each gas partial pressure supplied to the first and second electrodes does not decrease, and there is an effect that 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.
[0071]
Furthermore, since each fluid flow path is formed in the base and the lid, each of the flow paths is excellent in hermeticity, and originally two kinds of source fluids (for example, oxygen gas and hydrogen) that should be isolated in the flow path are used. Gas or methanol, etc.) will not function as a fuel cell, and there is no risk of ignition or explosion after a flammable fluid is mixed at a high temperature. A safe fuel cell can be provided.
[0072]
  The first wiring conductor and the second wiring conductor areRespectivelyFirst electrode of electrolyte memberandThe first electrode of the electrolyte member is formed so as to be in contact with the second electrode, and the surface is coated with gold, platinum, or palladium.andFirst fluid flow path of second electrodeandThe entire region excluding the opening of the second fluid flow path and the first wiring conductorandWith the second wiring conductorRespectivelyDirect contact and electrical connection are possible, and corrosion of the electrodes can be prevented. Therefore, the contact area between the first electrode and the first wiring conductor of the electrolyte member and the contact area between the second electrode and the second wiring conductor can be increased and can be directly connected, and the electrical resistance is increased and the contact is poor. Therefore, it is possible to provide a fuel cell having high power generation efficiency.
[0073]
  According to the fuel cell of the present invention, the electrolyte member is accommodated in the recess of the fuel cell container of the present invention, and the lower and upper main surfaces of the electrolyte member are between the first and second fluid flow paths. Each fluid isSupplied or dischargedAnd the first and second electrodes are electrically connected to the first and second wiring conductors, respectively, and the lid is attached to the upper surface around the recess of the base so as to cover the recess. The electrolyte member is not exposed and damaged, and is unnecessary for the electrolyte member other than the first and second wiring conductors, one end of which is disposed inside the container constituted by the recess and the lid. Since electrical contact is not necessary, a highly reliable and safe fuel cell can be obtained.
[0074]
Further, according to the fuel cell of the present invention, the first and second fluid flow paths are provided on the bottom surface of the concave portion of the base body and the lower surface of the lid body, which are the inner wall surfaces of the container, respectively, across the electrolyte member. Therefore, the uniform supply property of the gas supplied to the electrolyte member can be improved, and the partial pressure of the gas supplied to the first and second electrodes of the electrolyte member can be prevented from being lowered. Output voltage can be obtained.
And the stress which arises in an electrolyte member can also be suppressed and reliability can be improved.
[0075]
  Furthermore, according to the fuel cell of the present invention, the first wiring conductor and the second wiring conductor areRespectively1st electrodeandThe first fluid channel on the main surface of the second electrodeAnd second fluid flow pathSince the surface is covered with one of gold, platinum, and palladium, the first electrode of the electrolyte member and the first wiring conductor are formed. The contact area and the contact area between the second electrode and the second wiring conductor can be made large and can be directly connected, and an increase in electrical resistance and contact failure can be effectively suppressed. Since corrosion of the wiring conductor can be prevented, a fuel cell having high power generation efficiency can be obtained.
[0076]
Therefore, according to the fuel cell container and the fuel cell of the present invention, the fuel is excellent in compactness, simplicity, and safety, and can be stably operated over a long period of time by uniform gas supply and high-efficiency electrical connection. Batteries could 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 top 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. 3 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. 4 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: First wiring conductor
11: Second wiring conductor
12: Third wiring conductor
13: Fourth wiring conductor

Claims

A base made of ceramics having a recess on the upper surface for accommodating an electrolyte member having first and second electrodes on the lower and upper main surfaces, respectively, and a bottom surface of the recess facing the lower main surface of the electrolyte member A first fluid channel formed over the outer surface of the base, and a first wiring in which one end is disposed on the bottom surface of the recess facing the first electrode of the electrolyte member and the other end is led to the outer surface of the base A conductor, a lid that covers and attaches to the upper surface of the base around the recess, and seals the recess hermetically; and the lid that faces the upper main surface of the electrolyte member. One end is disposed on the second fluid flow path formed from the lower surface to the outer surface of the lid, the lower surface of the lid facing the second electrode of the electrolyte member, and the other end on the outer surface of the lid A second wiring conductor led out , Site of the first wiring conductor and the second wiring conductor, excluding each of the first electrode and the first fluid flow path and part of the opening facing the second fluid flow path of the main surface of the second electrode A fuel cell container, wherein the container is formed so as to abut on the entire surface of the substrate and the surface thereof is coated with a corrosion-resistant metal.

2. The fuel cell container according to claim 1, wherein the corrosion-resistant metal is made of gold, platinum, or palladium.

An electrolyte member is housed in the recess of the fuel cell container according to claim 1 or 2, and the lower and upper main surfaces of the electrolyte member are respectively between the first and second fluid flow paths. The first and second electrodes are electrically connected to the first and second wiring conductors, respectively, and the concave portion is formed on the upper surface around the concave portion of the base body. A fuel cell comprising: a cover member attached to the cover.