JP4565817B2

JP4565817B2 - Fuel cell container and fuel cell

Info

Publication number: JP4565817B2
Application number: JP2003204182A
Authority: JP
Inventors: 広一朗菅井
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-07-30
Filing date: 2003-07-30
Publication date: 2010-10-20
Anticipated expiration: 2023-07-30
Also published as: KR100576623B1; CN1297027C; KR20050014687A; JP2005050592A; CN1585176A

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，デジタルカメラおよびビデオカメラ等の出力が数Ｗ〜数十Ｗの携帯電子機器用の電源としての用途が考えられてきている。
【０００４】
ＰＥＦＣは、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（例えば商品名「ナフィオン」デュポン社製）等が用いられている。
【０００９】
図５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】
【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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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、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。
【００１８】
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２４および空気極２５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。
【００１９】
また、電解質部材２３において電気化学反応により生成した水（Ｈ_２Ｏ）が空気流路２９を塞いでしまうため、空気極２５に空気流路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難くなり、電解質部材２３での電気化学反応が阻害されるため発電効率が劣化してしまうという問題点もあった。
【００２０】
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行なう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。
【００２１】
【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、前記電解質部材の前記下側主面に対向する前記凹部の底面に形成された第１流体流路と、前記電解質部材の前記第１電極に対向する前記凹部の底面に一部が設けられた第１配線導体と、前記基体の前記凹部の周囲の上面に前記凹部を覆って取着される蓋体と、前記電解質部材の前記上側主面に対向する前記蓋体の下面に形成された第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蓋体の下面に一部が設けられた第２配線導体とを具備しており、前記第１電極と前記第１配線導体との接触部における前記第１配線導体および前記第２電極と前記第２配線導体との接触部における前記第２配線導体の少なくとも一方に凹部または凸部が形成されていることを特徴とする。
【００２２】
本発明の燃料電池容器は、好ましくは、前記第１流体流路および前記第２流体流路の少なくとも一方の内壁に吸湿材が被着されていることを特徴とする。
【００２３】
本発明の燃料電池は、上記構成の燃料電池用容器の前記凹部に前記電解質部材を収容して、前記電解質部材の前記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の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電極を前記第１および第２配線導体にそれぞれ電気的に接続して成ることを特徴とするものである。
【００２４】
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部が設けられた第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。
【００２５】
また、電解質部材の下側主面に対向する凹部の底面に形成された第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に形成された第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。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。
【００２６】
そして、本発明においては、前記第１電極と前記第１配線導体との接触部における前記第１配線導体および前記第２電極と前記第２配線導体との接触部における前記第２配線導体の少なくとも一方に凹部または凸部が形成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、または第２電極と第２配線導体との接触面積が増加する。また、燃料電池として、前記第１電極と前記第１配線導体との接触部における前記第１電極および前記第２電極と前記第２配線導体との接触部における前記第２電極の少なくとも一方に凹部または凸部が形成されていることによっても、同様に、電解質部材の第１電極と第１配線導体との接触面積、または第２電極と第２配線導体との接触面積が増加する。これにより、電解質部材で発電された電流を燃料電池用容器の外部へ取り出すための導電路として機能する第１配線導体または第２配線導体の電気抵抗が下がり発電効率が高くなるという作用効果を有する。
【００２７】
また、本発明の燃料電池容器は、好ましくは第１流体流路および第２流体流路の少なくとも一方の内壁に吸湿材が被着されていることから、電解質部材において電気化学反応で生成した水蒸気や水等を吸湿材により吸湿するので、空気の流路の閉塞を防ぎ、大気中から酸化剤ガスとしての空気を効果的に供給することができるため、電気反応を促進することができ、高効率な発電を行うことができるという作用効果を有する。
【００２８】
本発明の燃料電池は、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成すことができる信頼性のあるものとなる。
【００２９】
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。
【００３０】
【発明の実施の形態】
本発明の燃料電池用容器および燃料電池についてを添付図面に基づき以下に詳細に説明する。図１は本発明の燃料電池用容器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り、図２は、図１における要部拡大図である。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、１２は凹みである。
【００３１】
なお、図１は、凹み１２が第２電極５と蓋体７との各接触部に一つずつ形成された燃料電池を示し、図２は、凹み１２が第２電極５と蓋体７との各接触部に三つずつ形成された燃料電池を示すものである。
【００３２】
電解質部材３は、例えばイオン導電膜（交換膜）の両主面上に、下側主面に形成された第１電極４および上側主面に形成された第２電極５にそれぞれ対向するように、アノード側電極となる燃料極（図示せず）と、カソード側電極となる空気極（図示せず）とが一体的に形成されている。そして、電解質部材３で発電された電流を第１電極、第２電極へ流し、外部へ取り出すことができるものとなっている。
【００３３】
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。
【００３４】
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部材３上に塗布または転写する方法等により形成される。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
基体６および蓋体７は、それぞれ厚みを薄くし、燃料電池１の低背化を可能とするためには、機械的強度である曲げ強度が２００ＭＰａ以上であることが好ましい。
【００４０】
基体６および蓋体７は、例えば相対密度が９５％以上の緻密質からなる酸化アルミニウム質焼結体で形成されていることが好ましい。その場合、例えば、まず酸化アルミニウム粉末に希土類酸化物粉末や焼結助剤を添加し混合して、酸化アルミニウム質焼結体の原料粉末を調整する。次に、この酸化アルミニウム質焼結体の原料粉末に有機バインダおよび分散媒を添加、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、所定の厚みのセラミックグリーンシート（以下、グリーンシートともいう）を作製する。そして、このグリーンシートに対して、金型による打ち抜き法、マイクロドリルによる穴あけ法、レーザ光照射よる穴あけ法等により、第１流体流路８および第２流体流路９としての貫通穴、ならびに第１配線導体１０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。
【００４１】
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、タングステンおよび／またはモリブデンで形成されているのが好ましい。その場合、例えば、無機成分としてタングステンおよび／またはモリブデン粉末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、貫通導体としてのヴィア導体を形成する。
【００４２】
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。
【００４３】
なお、基体６や蓋体７の表層および内層での第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。
【００４４】
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、このグリーンシート積層体を、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。
【００４５】
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、強度が低下しがちなため、基体６に蓋体７を取着したときに発生する応力により、基体６および蓋体７に割れ等が発生しやすくなる傾向がある。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。
【００４６】
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。
【００４７】
第１配線導体１０は、基体６の凹部の底面の電解質部材３の第１電極４に対向する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、第１配線導体１０を第１電極４に接触させやすいように基体６の凹部の底面より、１０μｍ以上突出するように形成するのがよい。この突出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ことがよく、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。
【００４８】
また、第２配線導体１１は、蓋体７の下面の電解質部材３の第２電極５に対向する部位に一端が配設され、他端が蓋体７の外面に導出されて形成されている。
このような第２配線導体１１も、第１配線導体１０と同様に、蓋体７と一体的に形成され、第２配線導体１１を第２電極５に接触させやすいように蓋体７の底面より１０μｍ以上突出するように形成するのがよい。この突出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ことが望ましく、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。
【００４９】
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のがよく、第１配線導体１０および第２配線導体１１と、第１配線導体１０および第２配線導体１１ならびに外部電気回路との電気的接続を良好とすることができる。
【００５０】
そして、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手段によって行なえばよい。
【００５１】
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が形成されており、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、蓋体７に形成した貫通穴あるいは溝によって、水素に富む改質ガス等の燃料ガス、また空気等の酸化剤ガスの、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。
【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。
【００５５】
また、本発明においては、第１電極４と基体６との接触部または第２電極５と蓋体７との接触部の少なくとも一方に凹み１２が形成されていることから、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、または第２電極５と第２配線導体１１との接触面積が増加する。これにより、電解質部材３で発電された電流を燃料電池用容器の外部へ取り出すための導電路として機能する第１配線導体１０または第２配線導体１１の電気抵抗が下がり発電効率が高くなるという作用効果を有する。
【００５６】
この凹み１２の深さは、５０〜１００μｍ程度であるのが好ましい。これにより、第１電極４および第２電極５は、厚さ１００〜２００μｍ程度の炭素電極より成るので、第１電極４または第２電極５の表面に、基体６または蓋体７を有効に接触させることができる。
【００５７】
なお、基体６または蓋体７との接触部における第１電極４または第２電極５の形状をメッシュ形状にしたり、凹み１２となる、第１電極４または第２電極５の凹部または凸部の形状を均等に配置するなどして、凹み１２が均等に配列されているのが好ましく、基体６または蓋体７を第１電極４または第２電極５とに接触させた際に、基体６や蓋体７に局所的に負荷が集中して基体６や蓋体７が破壊されるのを防止することができる。
【００５８】
また、凹み１２は、第１流体流路８、第２流体流路９に露出していると、圧力損失が高くなるため、第１流体流路８、第２流体流路９に露出せずに第１電極４と基体６との接触部または第２電極５と蓋体７との接触部にのみ形成されているのが好ましい。
【００５９】
また本発明において、好ましくは第１流体流路８および第２流体流路９の少なくとも一方の内壁に吸湿材が被着されている。これにより、電解質部材３において電気化学反応で生成した水蒸気や水等をこの吸湿材により吸収し除去することができるため、空気の流路となる第１および第２流体流路８，９の閉塞を効果的に防止することができる。そのため、第１および第２電極４，５の表面が水（Ｈ_２Ｏ）で覆われることを効果的に防止することができ、第１および第２流体流路８，９を通して大気中から酸化剤ガスとして空気を効果的に供給することができるため、電解質部材３での電気化学反応を促進することができ高効率な発電を行なうことが可能となる。
【００６０】
上記吸湿材としては、シリカゲル，アルミナ，白土，活性炭，紙，木紛等の水（Ｈ_２Ｏ）を吸収しやすい材料を用いればよいが、特にシリカゲル，アルミナ，白土等の無機粉末は、粉砕等により粉末の大きさを調整することによって水（Ｈ_２Ｏ）の吸収面積を調節しやすいため、所望の吸湿特性を得やすい点で好ましい。
【００６１】
吸湿材を第１流体流路８および第２流体流路９の内壁に被着させる場合、第１および第２流体流路８，９を通して大気中から酸化剤ガスとして空気の流れの均一性を保つうえで、全ての第１および第２流体流路８，９に吸湿材を被着するのがよい。また、吸湿材の厚みは、酸化剤ガスとしての空気を供給する際に圧力損失の影響を小さくする必要があるため、第１および第２流体流路８，９の横断面での開口面積に対して１０％以下の面積となる厚みが好ましい。
【００６２】
さらに、空気の流れにより吸湿材からの水分の蒸発を促進するためにも、第１および第２流体流路８，９の内壁全体に吸湿材を被着することが好ましい。これにより、本発明の燃料電池用容器２および燃料電池１を、例えば携帯用直接形メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）等の小型タイプのものに使用する場合、例えばメタノール１０ｍｌで数十時間の運転が可能となるとともに、その際の水（Ｈ_２Ｏ）の生成量としてもメタノール１ｇの消費に対して１ｍｌと微量となる。そのため、吸湿材が吸収した水（Ｈ_２Ｏ）は、ファンを用いた送風によって十分蒸発させることが可能な水分量となり、連続運転に差し支えないものとなる。
【００６３】
以上の構成により、図１に示すような、電解質部材３を収納可能な、小型で堅牢な燃料電池用容器２が得られ、高効率制御が可能な本発明の燃料電池１が得られる。
【００６４】
また、本発明の燃料電池１を電子機器の電源として用いることで、コンパクト性，簡便性，安全性に優れ、流体の均等供給，高効率な電気接続が可能となるので、電子機器を小型，低背で、かつ長期にわたり安定して作動させることができ、さらに安全性や利便性に優れたものとすることができる。
【００６５】
例えば、本発明の燃料電池１が電源として用いられるものとしては、具体的には携帯電話，ＰＤＡ（Personal Digital Assistants），デジタルカメラやビデオカメラ，ゲーム機などの玩具等の携帯型電子機器、また、ノート型ＰＣ（パーソナルコンピュータ）をはじめとするポータブルなプリンター，ファクス，テレビ，通信機器，オーディオビデオ機器，扇風機等の各種家電製品，電動工具等の電子機器がある。
【００６６】
これらの電子機器は、近年、液晶表示装置等を用いた動画表示の機能を付加したものが使用されるようになってきている。このような動画表示は電源の消費が非常に大きいことから、従来の蓄電池を用いた電子機器では短時間で動作不能となるのに対し、本発明の電子機器は非常に長時間の電源を供給できる燃料電池を搭載しており、動画表示を行なっても長時間の動作が可能となる。
【００６７】
例えば携帯電話の場合、中央処理装置（ＣＰＵ）と、制御部と、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）と、リードオンメモリ（ＲＯＭ）と、使用者により操作されたデータをＣＰＵ１１１に入力する入力部と、アンテナと、アンテナで受信された信号を復調して制御部に供給すると共に、制御部から供給された信号を変調してアンテナより送信させる無線部と、制御部からの鳴動信号に基づき鳴音するスピーカと、制御部からの制御により点灯、消灯あるいは点滅する発光ダイオード（ＬＥＤ）と、制御部から信号により情報の表示を行なう表示部と、制御部からの駆動信号により振動するバイブレータと、使用者の音声を音声信号に変換して制御部へ伝達し、制御部からの音声信号は音声に変換して出力する送受話部と、各部に電源を供給する電源部とから構成されており、その電源部に本発明の燃料電池および燃料電池容器が組み込まれることによって、燃料電池および燃料電池容器が、コンパクト性、簡便性および安全性に優れ、燃料の均等供給および高効率な電気接続による長時間の電源供給が可能となることから、携帯電話の小型、低背化および軽量化が可能となる。
【００６８】
また、近時の携帯電話が小型化、低背化の面では十分であることを考慮すると、このように燃料電池を小型、低背化することよって生じたスペースに、例えば、カメラやビデオ等の電話機能以外の機能を有する電子部品を新たに組み込むことが可能となり、更なる多機能化を行なうことができる。
【００６９】
また、新たに電子部品を組み込む替わりに、衝撃吸収材や防止部材等を主要な電子回路を保護するようにして設けることもできる。この場合、落下等により携帯電話本体に衝撃が加わった際の耐衝撃性や、雨中での使用等の際の防水性などを従来よりも強固にし得る構造とすることもできる。
【００７０】
また、携帯電話本体内部の電気回路部を小さくすることが可能となることによって、携帯電話本体の外形への制約が少なくなり、例えば、携帯電話を老人や子供にとって握りやすい形状とすること等の意匠性に優れた外形状を形成することが可能となる。
【００７１】
また、電源部１２３の構造を上述のように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に容易に予備の燃料電池および燃料電池に交換、あるいは、燃料電池を取り出して、燃料の補給や交換をすることができるので、継続して通話等を行うことができ、従来の蓄電池を電源として使用するもの等に比べて利便性に優れるものとなる。
【００７２】
また、交換された（使用済みの）燃料電池は、燃料を補給することによりすぐに再利用できるので、充電に比べて使い勝手がよく、また資源を有効利用することも可能なものとなる。また、自然災害等による長期にわたる停電等の緊急時や屋外においても使用が可能となるという利点がある。
【００７３】
また、ノート型ＰＣ（パーソナルコンピュータ）の場合、パーソナルコンピュータ本体と、パーソナルコンピュータ本体に所定のデータを入力するためのキーボードとを納めた第１の筐体と、キーボードにより入力されたデータあるいはパーソナルコンピュータ本体により処理されたデータを表示するためのディスプレイを納めた第２の筐体とを備え、第２の筐体が第１の筐体に開閉可能に取り付けられており、さらに各部に電源を供給する電源部を第１の筐体に構成するという基本構成から成り、その電源部に燃料電池および燃料電池容器が組み込まれる。
この場合、前述の携帯電話と同様に、本発明の電子機器に組み込まれる燃料電池および燃料電池容器が、コンパクト性、簡便性および安全性に優れ、燃料の均等供給および高効率な電気接続による長時間の電源供給が可能となることから、ノート型ＰＣ（パーソナルコンピュータ）本体の小型、低背化、軽量化および多機能化が可能となるとともに、ディスプレイの大型化や高解像度化に対応して、大きな電流を安定して、長期にわたって供給することも可能で、ディスプレイが見やすく、かつ携帯の際の重量や容積上の負担も少ない、等の利便性の高いノート型ＰＣ（パーソナルコンピュータ）とすることができる。
【００７４】
また、電源部の構造を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、屋外や旅客機等の移動体内等の２次電池のみで使用するような状況において、従来に比べ飛躍的に長時間の電源供給が可能となるという利点がある。また、このように公共の場で使用する場合にも、安全性に優れることから、制約を受けることなく使用することが可能な、極めて利便性に優れたものとなる。
【００７５】
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内であれば、種々の変更を行なっても何ら差し支えない。例えば、第１流体流路や第２流体流路については、燃料電池全体を薄型化するために、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。これにより、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。
【００７６】
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。
【００７７】
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、凹部を有する基体６’の凹部に電解質部材３を収容するとともに、第１流体流路８’および第２流体流路９’の少なくとも一方は、凹部の底面に電解質部材３の下側主面または上側主面に対向するように、同じ長さで同じ幅の溝状の複数の開口が等間隔で形成された開口部１３と、複数の開口の一端同士および他端同士をそれぞれ連結する連結部１４と、連結部１４の一方および他方から外面にかけて形成された流体の導入部１５と排出部（図示せず）を設け、第１および第２電極４，５を第１および第２配線導体１０’，１１’にそれぞれ電気的に接続するようにしてもよい。
【００７８】
これにより、流体の導入部１５と連結部１４とにより複数の溝状に形成された開口部１３への流体の供給が容易であり、開口部１３における複数の溝状の開口は同じ長さで同じ幅で等間隔で形成されているため、流体の流入速度が速い場合においても、導入部１５から排出部までの距離が短くなり、流路抵抗が小さくなる。その結果、電解質部材３へ供給される流体の均一供給性を向上させることができ、大気中から酸化剤ガスとして供給した空気が出し入れした際、化学反応により生成した水（Ｈ_２Ｏ）を、連続的に乾燥除去することが可能となる。
【００７９】
さらに、第１、第２配線導体１０’，１１’により３次元的に自由に配線ができるため、複数の電解質部材３を任意に直列接続または並列接続することが可能となる。その結果、全体の出力電圧および出力電流を効率よく調整することが可能となるため、電解質部材３で電気化学的により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。
【００８０】
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第３配線導体１６を配設し、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、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。これにより、第１〜第３配線導体１０”，１１”，１６により３次元的に自由に配線ができるため、複数の電解質部材３を任意に直列接続または並列接続することが可能となる。その結果、全体の出力電圧および出力電流を効率よく調整することが可能となるため、電解質部材３で電気化学的により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。
【００８１】
【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部が設けられた第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。
【００８２】
また、電解質部材の下側主面に対向する凹部の底面に形成された第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に形成された第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。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。
【００８３】
そして、本発明において、第１電極と第１配線導体との接触部における第１配線導体および第２電極と第２配線導体との接触部における第２配線導体の少なくとも一方に凹部または凸部が形成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、または第２電極と第２配線導体との接触面積が増加する。これにより、電解質部材で発電された電流を燃料電池用容器の外部へ取り出すための導電路として機能する第１配線導体または第２配線導体の電気抵抗が下がり発電効率が高くなるという作用効果を有する。
【００８４】
また、本発明の燃料電池容器は、好ましくは第１流体流路および第２流体流路の少なくとも一方の内壁に吸湿材が被着されていることから、電解質部材において電気化学反応で生成した水蒸気や水等を吸湿材により吸湿するので、空気の流路の閉塞を防ぎ、大気中から酸化剤ガスとしての空気を効果的に供給することができるため、電気反応を促進することができ、高効率な発電を行うことができるという作用効果を有する。
【００８５】
本発明の燃料電池は、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成すことができる信頼性のあるものとなる。
【００８６】
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を用いた燃料電池の実施の形態の一例を示す断面図である。
【図２】図１の燃料電池用容器における要部拡大図である。
【図３】本発明の燃料電池用容器を用いた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。
【図５】従来の燃料電池の他の例を示す断面図である。
【符号の説明】
１，１’，１”：燃料電池
２，２’，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’，６”：基体
７，７’，７”：蓋体
８，８’，８”：第１流体流路
９，９’，９”：第２流体流路
１０，１０’，１０”：第１配線導体
１１，１１’，１１”：第２配線導体
１２，１２’，１２”：凹み[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 and The use as a power source for portable electronic devices whose output of a video camera or the like has several W to several tens of W has been considered.
[0004]
The PEFC is, for example, a fuel electrode (cathode) composed of a carbon electrode to which catalyst fine particles such as platinum and platinum-ruthenium are adhered, an air electrode (anode) composed of a carbon electrode to which catalyst fine particles such as platinum are adhered, a fuel electrode, It has a film-like electrolyte member (hereinafter referred to as an electrolyte member) interposed between the air electrode and the air electrode. Here, hydrogen gas extracted through the reforming section (H₂), 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, perfluorocarbon sulfonic acid membranes (for example, trade name “Nafion” manufactured by DuPont) and the like have been used.
[0009]
FIG. 5 is a cross-sectional view showing the configuration of a conventional fuel cell (PEFC). In the figure, 21 is a PEFC, 23 is an electrolyte member, 24 and 25 are arranged on the electrolyte member 23 so as to sandwich the electrolyte member, and a pair of porous electrodes having functions as a gas diffusion layer and a catalyst layer, that is, A fuel electrode and an air electrode, 26 is a gas separator, 28 is a fuel flow path, and 29 is an air flow path.
[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 general PEFC body is a stack in which a stack is housed.
[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]
[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.
[0015]
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.
[0016]
In addition, in order to mount the fuel cell 21 in a portable electronic device, a fuel cell container that is different from conventional large-sized fuels 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.
[0017]
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. 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. Since the groove becomes narrow, there is a problem that the flow resistance is increased and it is difficult to supply a uniform gas.
[0018]
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 24 and the air electrode 25 sandwiching the electrolyte member 23, a method of connecting to the outside or connecting the gas separator 26 with a conductive material is necessary. In other words, there is only a method of overlapping and connecting in series, and there is a problem that this is difficult in a small fuel cell.
[0019]
Further, the water (H₂O) blocks the air flow path 29, so that it becomes difficult to supply air as an oxidant gas from the atmosphere through the air flow path 29 to the air electrode 25, and the electrochemical reaction in the electrolyte member 23 is inhibited, so that power generation is performed. There was also a problem that efficiency deteriorated.
[0020]
The present invention has been completed in view of the above-described problems of the prior art, and an object of the present invention is a small and robust fuel cell container that can accommodate 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 perform supply, uniform temperature gradient in the fuel cell container, and highly efficient electrical connection.
[0021]
[Means for Solving the Problems]
  The fuel cell container of the present invention includes 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 the lower main surface of the electrolyte member. A first fluid passage formed on the bottom surface of the recess facing the first electrode, a first wiring conductor partially provided on the bottom surface of the recess facing the first electrode of the electrolyte member, and the base of the base A lid attached to the upper surface around the recess to cover the recess; a second fluid channel formed on the lower surface of the lid opposite to the upper main surface of the electrolyte member; and the electrolyte member A second wiring conductor partially provided on a lower surface of the lid body facing the second electrode, and in a contact portion between the first electrode and the first wiring conductorThe first wiring conductor andIn the contact portion between the second electrode and the second wiring conductorThe second wiring conductorAt least one ofConcave or convexIs formed.
[0022]
The fuel cell container of the present invention is preferably characterized in that a hygroscopic material is attached to at least one inner wall of the first fluid channel and the second fluid channel.
[0023]
  In the fuel cell of the present invention, the electrolyte member is accommodated in the recess of the fuel cell container having the above-described configuration, and the lower and upper main surfaces of the electrolyte member are between the first and second fluid flow paths. Are arranged so that each fluid can be supplied or discharged, and the first and second electrodes are electrically connected to the first and second wiring conductors, respectively.do itIt is characterized by comprising.
[0024]
  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 Cover the recess on the topTo be attachedSince 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. A fuel cell that can be operated efficiently can be obtained, and it is also effective for downsizing. In addition, since the electrolyte member can be housed in a box formed by a ceramic body having a concave portion on the upper surface and a lid body that seals the concave portion, a fuel cell can be obtained. The mechanical reliability of the fuel cell as a whole is improved without being exposed and damaged. Also, inside the container composed of the recess and lidSome were providedSince it is not necessary to make unnecessary electrical contact with the electrolyte member itself other than the first and second wiring conductors, a highly reliable and safe 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.
[0025]
  Also, the bottom surface of the recess facing the lower main surface of the electrolyte memberInThe formed first fluid flow path and the lower surface of the lid that faces the upper main surface of the electrolyte memberInSince each of the plurality of fluid flow paths is provided on the inner wall surface facing each other across the electrolyte member, the second fluid flow path formed is supplied to the electrolyte member. The uniform supply of fluid 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. 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.
[0026]
  And in this invention, in the contact part of a said 1st electrode and a said 1st wiring conductorThe first wiring conductor andIn the contact portion between the second electrode and the second wiring conductorThe second wiring conductorAt least one ofConcave or convexTherefore, the contact area between the first electrode and the first wiring conductor of the electrolyte member or the contact area between the second electrode and the second wiring conductor is increased.Further, as a fuel cell, a recess is formed in at least one of the second electrode in the contact portion between the first electrode and the second electrode and the second wiring conductor in the contact portion between the first electrode and the first wiring conductor. Alternatively, the formation of the convex portion similarly increases the contact area between the first electrode and the first wiring conductor of the electrolyte member or the contact area between the second electrode and the second wiring conductor.As a result, the electric resistance of the first wiring conductor or the second wiring conductor that functions as a conductive path for taking out the current generated by the electrolyte member to the outside of the fuel cell container is lowered, and the power generation efficiency is increased. .
[0027]
In the fuel cell container according to the present invention, since the hygroscopic material is preferably deposited on the inner wall of at least one of the first fluid channel and the second fluid channel, the water vapor generated by the electrochemical reaction in the electrolyte member Since water and water etc. are absorbed by the hygroscopic material, blockage of the air flow path can be prevented, and air as an oxidant gas can be effectively supplied from the atmosphere, so that the electric reaction can be promoted and high It has the effect of being able to perform efficient power generation.
[0028]
  In 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 respectively connected to the first and second fluid flow paths.Supply or dischargeThe 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. Therefore, it is possible to achieve a compact, robust, uniform gas supply, uniform temperature gradient in the fuel cell container, and high-efficiency electrical connection with the features of the fuel cell container of the present invention as described above. It will be reliable.
[0029]
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.
[0030]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The fuel cell container and fuel cell of the present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of an embodiment of a fuel cell using the fuel cell container of the present invention, and FIG. 2 is an enlarged view of a main part in FIG. 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, 11 is a second wiring conductor, and 12 is a recess.
[0031]
FIG. 1 shows a fuel cell in which one recess 12 is formed at each contact portion between the second electrode 5 and the lid 7, and FIG. 2 shows the recess 12 having the second electrode 5 and the lid 7. 3 shows three fuel cells formed at each contact portion.
[0032]
For example, the electrolyte member 3 faces the first electrode 4 formed on the lower main surface and the second electrode 5 formed on the upper main surface on both main surfaces of the ion conductive film (exchange membrane). A fuel electrode (not shown) serving as an anode side electrode and an air electrode (not shown) serving as a cathode side electrode are integrally formed. And the electric current generated with the electrolyte member 3 can be sent to the 1st electrode and the 2nd electrode, and it can take out outside.
[0033]
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 alloys thereof, for example, carbon fine particles are held by a hydrophobic resin binder such as polytetrafluoroethylene. Has been.
[0034]
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 The electrode member 3 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 the electrolyte material is dispersed onto the electrolyte member 3.
[0035]
The fuel cell container 2 includes 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 a ceramic material such as a quality sintered body or a glass ceramic sintered body.
[0036]
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.
[0037]
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).
[0038]
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.
[0039]
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, the bending strength, which is mechanical strength, is preferably 200 MPa or more.
[0040]
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 adjust the 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 doctor blade method, press forming, rolling forming Thus, a ceramic green sheet (hereinafter also referred to as a green sheet) having a predetermined thickness is produced. Then, through this green sheet, through holes as the first fluid flow path 8 and the second fluid flow path 9 are formed by a punching method using a mold, a drilling method using a micro drill, a drilling method using laser light irradiation, and the like. A through hole for arranging the first wiring conductor 10 and the second wiring conductor 11 is formed.
[0041]
The first wiring conductor 10 and the second wiring conductor 11 are preferably formed of tungsten and / or molybdenum in order to prevent oxidation. In that case, for example, with respect to 100 parts by mass of tungsten and / 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.
[0042]
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.
[0043]
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.
[0044]
Then, after aligning and laminating and pressure-bonding a predetermined number of sheet-like compacts printed and filled with a conductive paste, the green sheet laminate is fired at a maximum firing temperature of 1200 to 1500 ° C., for example, in a non-oxidizing atmosphere. The target ceramic substrate 6, lid 7, first wiring conductor 10, and second wiring conductor 11 are obtained by firing at the temperature of
[0045]
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 decrease. 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.
[0046]
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.
[0047]
The first wiring conductor 10 is formed such that one end is disposed at a portion of the bottom surface of the recess of the base 6 facing the first electrode 4 of the electrolyte member 3 and the other end is led out to the outer surface of the base 6.
The first wiring conductor 10 is formed integrally with the base body 6 as described above, and protrudes by 10 μm or more from the bottom surface of the recess 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 good to form so as to. In order to obtain this protruding height, the printing conditions may be set to be thick when the conductor paste is formed by printing and coating as described above. Also, a plurality of first wiring conductors 10 may be arranged to face the first electrode 4 to reduce electrical loss due to the first wiring conductors 10, and φ ( The diameter is preferably 50 μm or more.
[0048]
The second wiring conductor 11 is formed such that one end is disposed on the lower surface of the lid 7 facing the second electrode 5 of the electrolyte member 3 and the other end is led out to the outer surface of the lid 7. .
Similar to the first wiring conductor 10, the second wiring conductor 11 is also formed integrally with the lid body 7, and the bottom surface of the lid body 7 so that the second wiring conductor 11 can be easily brought into contact with the second electrode 5. It is preferable to form it so as to protrude more than 10 μm. In order to obtain this protruding height, the printing conditions may be set to be thick when the conductor paste is formed by printing and coating as described above. A plurality of second wiring conductors 11 are preferably arranged opposite to the second electrode 5 to reduce the electrical loss due to the second wiring conductors 11. The through-hole of the lid 7 of the second wiring conductor 11 is φ50 μm. It is preferable to set it as the above diameter.
[0049]
The first wiring conductor 10 and the second wiring conductor 11 are coated by plating with a metal having good conductivity, corrosion resistance and good wettability with the brazing material, on the exposed surfaces. The first wiring conductor 10 and the second wiring conductor 11, the first wiring conductor 10, the second wiring conductor 11, and the external electric circuit can be made favorable.
[0050]
The electrical connection between the first and second wiring conductors 10 and 11 and the first and second electrodes 4 and 5 is achieved by sandwiching the electrolyte member 3 between the base 6 and the lid body 7, thereby The two wiring conductors 10 and 11 and the first and second electrodes 4 and 5 may be brought into pressure contact with each other and electrically connected.
[0051]
A first fluid channel 8 and a second fluid channel 9 are formed 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 respectively formed of a fuel gas such as a reformed gas rich in hydrogen or an oxidant gas such as air by means of through holes or grooves formed in the base body 6 and the lid body 7, respectively. It is provided as a passage for the fluid supplied to the electrolyte member 3 or as a passage for the fluid discharged from the electrolyte member 3 after the reaction, such as water generated by the reaction.
[0052]
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.
[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 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.
[0055]
In the present invention, since the recess 12 is formed in at least one of the contact portion between the first electrode 4 and the base 6 or the contact portion between the second electrode 5 and the lid body 7, The contact area between the first electrode 4 and the first wiring conductor 10 or the contact area between the second electrode 5 and the second wiring conductor 11 increases. As a result, the electric resistance of the first wiring conductor 10 or the second wiring conductor 11 that functions as a conductive path for taking out the current generated by the electrolyte member 3 to the outside of the fuel cell container is lowered, and the power generation efficiency is increased. Has an effect.
[0056]
The depth of the recess 12 is preferably about 50 to 100 μm. Thereby, since the first electrode 4 and the second electrode 5 are made of carbon electrodes having a thickness of about 100 to 200 μm, the base 6 or the lid 7 is effectively brought into contact with the surface of the first electrode 4 or the second electrode 5. Can be made.
[0057]
The shape of the first electrode 4 or the second electrode 5 at the contact portion with the base body 6 or the lid 7 is made into a mesh shape, or the concave portion or the convex portion of the first electrode 4 or the second electrode 5 that becomes the dent 12. It is preferable that the recesses 12 are arranged uniformly, for example, by arranging the shapes uniformly. When the base 6 or the lid 7 is brought into contact with the first electrode 4 or the second electrode 5, the base 6 or It is possible to prevent the substrate 6 and the lid body 7 from being destroyed due to local concentration of the load on the lid body 7.
[0058]
Further, if the recess 12 is exposed to the first fluid channel 8 and the second fluid channel 9, the pressure loss increases, so that the recess 12 is not exposed to the first fluid channel 8 and the second fluid channel 9. Further, it is preferably formed only at the contact portion between the first electrode 4 and the base 6 or the contact portion between the second electrode 5 and the lid body 7.
[0059]
In the present invention, a hygroscopic material is preferably applied to at least one inner wall of the first fluid channel 8 and the second fluid channel 9. As a result, water vapor, water, and the like generated by the electrochemical reaction in the electrolyte member 3 can be absorbed and removed by the hygroscopic material, so that the first and second fluid flow paths 8, 9 serving as air flow paths are blocked. Can be effectively prevented. Therefore, the surfaces of the first and second electrodes 4 and 5 are water (H₂O) can be effectively prevented, and air can be effectively supplied as the oxidant gas from the atmosphere through the first and second fluid flow paths 8 and 9, and therefore the electrolyte member 3. Therefore, it is possible to promote the electrochemical reaction at high temperature and to perform highly efficient power generation.
[0060]
Examples of the hygroscopic material include water such as silica gel, alumina, white clay, activated carbon, paper, wood powder (H₂A material that easily absorbs O) may be used. In particular, inorganic powders such as silica gel, alumina, clay, etc. are prepared by adjusting the size of the powder by grinding or the like.₂Since it is easy to adjust the absorption area of O), it is preferable from the viewpoint of easily obtaining desired moisture absorption characteristics.
[0061]
When the hygroscopic material is applied to the inner walls of the first fluid channel 8 and the second fluid channel 9, the uniformity of the air flow as the oxidant gas from the atmosphere through the first and second fluid channels 8, 9 is improved. In order to maintain, it is preferable to apply a hygroscopic material to all the first and second fluid flow paths 8 and 9. Further, the thickness of the hygroscopic material needs to reduce the influence of pressure loss when supplying the air as the oxidant gas, and therefore the opening area in the cross section of the first and second fluid flow paths 8, 9 On the other hand, the thickness is preferably 10% or less.
[0062]
Furthermore, in order to promote the evaporation of moisture from the hygroscopic material by the air flow, it is preferable to apply the hygroscopic material to the entire inner walls of the first and second fluid flow paths 8 and 9. Thus, when the fuel cell container 2 and the fuel cell 1 of the present invention are used for a small type such as a portable direct methanol fuel cell (DMFC), for example, 10 ml of methanol can be operated for several tens of hours. And the water (H₂The production amount of O) is as small as 1 ml per consumption of 1 g of methanol. Therefore, the water absorbed by the hygroscopic material (H₂O) becomes the amount of water that can be sufficiently evaporated by blowing air using a fan, and does not interfere with continuous operation.
[0063]
With the above configuration, a small and robust fuel cell container 2 capable of accommodating the electrolyte member 3 as shown in FIG. 1 is obtained, and the fuel cell 1 of the present invention capable of high efficiency control is obtained.
[0064]
In addition, by using the fuel cell 1 of the present invention as a power source for an electronic device, it is excellent in compactness, simplicity, and safety, and it is possible to uniformly supply fluid and highly efficient electrical connection. It can be stably operated over a long period of time with a low profile, and can be further improved in safety and convenience.
[0065]
For example, the fuel cell 1 of the present invention can be used as a power source, specifically, portable electronic devices such as mobile phones, PDAs (Personal Digital Assistants), toys such as digital cameras, video cameras, and game machines, There are portable printers such as notebook PCs (personal computers), faxes, televisions, communication devices, audio-video devices, various home appliances such as electric fans, and electronic devices such as electric tools.
[0066]
In recent years, these electronic devices have been added with a function of displaying a moving image using a liquid crystal display device or the like. Such a video display consumes a large amount of power, so that an electronic device using a conventional storage battery cannot be operated in a short time, whereas the electronic device of the present invention supplies a very long time power. It is equipped with a fuel cell that can perform long-time operation even when a moving image is displayed.
[0067]
For example, in the case of a mobile phone, a central processing unit (CPU), a control unit, a random access memory (RAM), a read-on memory (ROM), an input unit for inputting data operated by a user to the CPU 111, The antenna, the signal received by the antenna is demodulated and supplied to the control unit, the radio unit that modulates the signal supplied from the control unit and transmitted from the antenna, and the sound is generated based on the ringing signal from the control unit A speaker, a light emitting diode (LED) that is turned on, off, or blinking under the control of the control unit, a display unit that displays information by a signal from the control unit, a vibrator that vibrates by a drive signal from the control unit, and a user The voice signal is converted into a voice signal and transmitted to the control unit. The voice signal from the control unit is converted into voice and output, and power is supplied to each unit. The fuel cell and the fuel cell container of the present invention are incorporated in the power supply unit, so that the fuel cell and the fuel cell container are excellent in compactness, simplicity, and safety, and the fuel is uniform. Since it is possible to supply power and supply power for a long time by highly efficient electrical connection, the mobile phone can be reduced in size, height and weight.
[0068]
Also, considering that recent mobile phones are sufficient in terms of miniaturization and low profile, the space created by miniaturization and low profile of the fuel cell in this way, for example, a camera or video Electronic components having functions other than the telephone function can be newly incorporated, and further multi-function can be achieved.
[0069]
Further, instead of newly incorporating an electronic component, an impact absorbing material, a preventing member or the like can be provided so as to protect the main electronic circuit. In this case, it is also possible to have a structure that can make the impact resistance when a shock is applied to the mobile phone main body due to dropping or the like, the waterproofness when used in rain, etc. stronger than before.
[0070]
In addition, by making it possible to reduce the size of the electric circuit inside the mobile phone body, there are fewer restrictions on the external shape of the mobile phone body, for example, making the mobile phone a shape that is easy for an elderly person or child to grip. It becomes possible to form an outer shape with excellent design.
[0071]
Further, when the structure of the power supply unit 123 is a structure in which the fuel cell and the fuel cell container are detachable as described above, if a spare fuel cell and the fuel cell container are prepared, the battery will run out. Can be easily replaced with a spare fuel cell and a fuel cell, or the fuel cell can be taken out and refueled or replaced. It is more convenient than the one used as a power source.
[0072]
In addition, since the replaced (used) fuel cell can be reused immediately by replenishing fuel, it is more convenient than charging, and resources can be used effectively. In addition, there is an advantage that it can be used in an emergency such as a long-term power outage due to a natural disaster or the like or outdoors.
[0073]
In the case of a notebook PC (personal computer), a personal computer main body, a first housing containing a keyboard for inputting predetermined data to the personal computer main body, data input by the keyboard, or a personal computer And a second housing containing a display for displaying data processed by the main body, the second housing is attached to the first housing so as to be openable and closable, and power is supplied to each part. The power supply unit is configured in a first casing, and a fuel cell and a fuel cell container are incorporated in the power supply unit.
In this case, similar to the above-described mobile phone, the fuel cell and the fuel cell container incorporated in the electronic device of the present invention are excellent in compactness, simplicity and safety, and are long due to the uniform supply of fuel and highly efficient electrical connection. Since power can be supplied for a long time, the laptop PC (personal computer) can be made compact, low-profile, lighter and more multifunctional, and can accommodate larger displays and higher resolutions. It is possible to supply a large current stably and over a long period of time, making the display easy to see, and reducing the burden on the weight and volume when carrying the portable PC (personal computer). be able to.
[0074]
In addition, when the structure of the power supply unit is a structure in which the fuel cell and the fuel cell container are detachable, if the spare fuel cell and fuel cell container of the present invention are prepared, the mobile body such as outdoors or passenger aircraft can be used. In the situation where only the secondary battery is used, there is an advantage that it is possible to supply power for a long time dramatically compared to the conventional case. Further, even when used in a public place as described above, since it is excellent in safety, it can be used without being restricted and is extremely convenient.
[0075]
It should be noted that the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. For example, with respect to the first fluid channel and the second fluid channel, an inflow port from the side surface of the base body or the lid may be provided 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 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.
[0076]
Further, a plurality of electrolyte members may be accommodated in the concave portion of the base body, and these may be electrically connected by the first and second wiring conductors to obtain a high voltage or large current output as a whole. .
[0077]
In addition, as shown in a cross-sectional view of the fuel cell container of the present invention and the fuel cell using the same in FIG. 3, the electrolyte member 3 is accommodated in the recess of the base 6 ′ having the recess. In addition, at least one of the first fluid channel 8 ′ and the second fluid channel 9 ′ has the same length and the same width so that the bottom surface of the recess faces the lower main surface or the upper main surface of the electrolyte member 3. A plurality of groove-shaped openings formed at equal intervals, a connecting portion 14 for connecting one end and the other end of the plurality of openings, respectively, and one and the other of the connecting portions 14 to the outer surface. In addition, a fluid introduction portion 15 and a discharge portion (not shown) are provided, and the first and second electrodes 4 and 5 are electrically connected to the first and second wiring conductors 10 ′ and 11 ′, respectively. Good.
[0078]
Thereby, it is easy to supply the fluid to the openings 13 formed in a plurality of grooves by the fluid introduction part 15 and the connecting part 14, and the plurality of groove-like openings in the openings 13 have the same length. Since they are formed at equal intervals with the same width, the distance from the introduction portion 15 to the discharge portion is shortened and the flow path resistance is reduced even when the fluid inflow rate is high. As a result, the uniform supply performance of the fluid supplied to the electrolyte member 3 can be improved, and water (H) generated by a chemical reaction when air supplied as oxidant gas from the atmosphere is taken in and out.₂O) can be continuously removed by drying.
[0079]
Further, since the first and second wiring conductors 10 'and 11' can be freely wired three-dimensionally, the plurality of electrolyte members 3 can be arbitrarily connected in series or in parallel. As a result, since it becomes possible to efficiently adjust the entire output voltage and output current, the fuel cell container 2 ′ capable of satisfactorily taking out the electricity generated electrochemically by the electrolyte member 3 and The fuel cell 1 ′ is obtained.
[0080]
Further, as shown in a sectional view of the fuel cell container of the present invention and the fuel cell using the same in FIG. 3, an electrolyte member is provided in each of the recesses of the base 6 ″ having a plurality of recesses. 3 and the third wiring conductor 16 is disposed between the ends of the adjacent recesses, and between the first electrodes 4 or between the first electrode 4 and the second electrode 5 of the plurality of electrolyte members 3. The first wiring conductor 10 "and the second wiring conductor 11" are electrically connected to each other so as to take out the output as a whole to the electrolyte member 3 disposed at both ends. As a result, since the first to third wiring conductors 10 ″, 11 ″, 16 can be freely wired three-dimensionally, a plurality of electrolyte members 3 can be arbitrarily connected in series or in parallel. As a result, the overall output voltage It becomes possible to adjust the fine output current efficiently, the fuel cell container 2 can be taken out to the well outside the electricity generated by electrochemical in electrolyte member 3 'and the fuel cell 1'.
[0081]
【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 Cover the recess on the topTo be attachedSince 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. A fuel cell that can be operated efficiently can be obtained, and it is also effective for downsizing. In addition, since a plurality of electrolyte members can be housed in a box formed by a ceramic body having a concave portion on the upper surface and a lid that seals the concave portion, a fuel cell can be obtained. The mechanical reliability of the entire fuel cell is improved without being exposed to damage to the outside. Also, inside the container composed of the recess and lidSome were providedSince it is not necessary to make unnecessary electrical contact with the electrolyte member itself other than the first and second wiring conductors, a highly reliable and safe 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.
[0082]
  Also, the bottom surface of the recess facing the lower main surface of the electrolyte memberInThe formed first fluid flow path and the lower surface of the lid that faces the upper main surface of the electrolyte memberInSince each of the plurality of fluid flow paths is provided on the inner wall surface facing each other across the electrolyte member, the second fluid flow path formed is supplied to the electrolyte member. The uniform supply of fluid 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. 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.
[0083]
  And in this invention, in the contact part of a 1st electrode and a 1st wiring conductorA first wiring conductor andAt the contact portion between the second electrode and the second wiring conductorSecond wiring conductorAt least one ofConcave or convexTherefore, the contact area between the first electrode and the first wiring conductor of the electrolyte member or the contact area between the second electrode and the second wiring conductor is increased. As a result, the electric resistance of the first wiring conductor or the second wiring conductor that functions as a conductive path for taking out the current generated by the electrolyte member to the outside of the fuel cell container is lowered, and the power generation efficiency is increased. .
[0084]
In the fuel cell container according to the present invention, since the hygroscopic material is preferably deposited on the inner wall of at least one of the first fluid channel and the second fluid channel, the water vapor generated by the electrochemical reaction in the electrolyte member Since water and water etc. are absorbed by the hygroscopic material, blockage of the air flow path can be prevented, and air as an oxidant gas can be effectively supplied from the atmosphere, so that the electric reaction can be promoted and high It has the effect of being able to perform efficient power generation.
[0085]
  In 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 respectively connected to the first and second fluid flow paths.Supply or dischargeThe 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. Therefore, it is possible to achieve a compact, robust, uniform gas supply, uniform temperature gradient in the fuel cell container, and high-efficiency electrical connection with the features of the fuel cell container of the present invention as described above. It will be reliable.
[0086]
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.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of an embodiment of a fuel cell using a fuel cell container of the present invention.
2 is an enlarged view of a main part of the fuel cell container of FIG. 1;
FIG. 3 is a cross-sectional view showing another example of the embodiment of the fuel cell using the fuel cell container of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing an example of a conventional fuel cell.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing another example of a conventional fuel cell.
[Explanation of symbols]
1, 1 ', 1 ": Fuel cell
2, 2 ', 2 ": Container for fuel cell
3: Electrolyte member
4: First electrode
5: Second electrode
6, 6 ', 6 ": substrate
7, 7 ', 7 ": lid
8, 8 ', 8 ": first fluid flow path
9, 9 ', 9 ": second fluid flow path
10, 10 ', 10 ": first wiring conductor
11, 11 ', 11 ": second wiring conductor
12, 12 ', 12 ": dent

Claims

Formed on the bottom surface of the concave portion facing the lower main surface of the electrolyte member, and a base made of ceramic having a concave portion for accommodating an electrolyte member having first and second electrodes on the lower and upper main surfaces respectively. The first fluid flow path, the first wiring conductor partially provided on the bottom surface of the recess facing the first electrode of the electrolyte member, and the recess on the upper surface of the base around the recess. A lid that covers and is attached; a second fluid channel formed on a lower surface of the lid that faces the upper main surface of the electrolyte member; and the lid that faces the second electrode of the electrolyte member and and a second wiring conductor which part is provided on the lower surface of the body, wherein at the contact portion between the first wiring conductor and the first electrode and the first wiring conductor and the second electrode second said second wiring conductor at the contact portion between the wiring conductor Fuel cell container, characterized in that the concave or convex portions on at least one is formed.

2. The fuel cell container according to claim 1, wherein a hygroscopic material is attached to at least one inner wall of the first fluid channel and the second fluid channel.

The said electrolyte member is accommodated in the said recessed part of the container for fuel cells of Claim 1 or Claim 2, The said lower side and upper side main surface of the said electrolyte member are between the said 1st and 2nd fluid flow paths. A fuel cell, wherein each of the fluids is disposed so as to be supplied or discharged, and the first and second electrodes are electrically connected to the first and second wiring conductors, respectively.

  A substrate made of ceramics having a recess on the upper surface;
  An electrolyte member having first and second electrodes on the lower and upper main surfaces, respectively, and housed in the recess;
  A first fluid flow path formed on the bottom surface of the recess facing the lower main surface of the electrolyte member so that fluid can be supplied to or discharged from the lower main surface of the electrolyte member; ,
  A part of the bottom surface of the recess facing the first electrode of the electrolyte member, and a first wiring conductor electrically connected to the first electrode;
  A lid attached to the upper surface of the base around the concave portion so as to cover the concave portion;
  A second fluid flow path formed on the lower surface of the lid that faces the upper main surface of the electrolyte member so that fluid can be supplied to or discharged from the upper main surface of the electrolyte member;
  A portion of the lower surface of the lid that faces the second electrode of the electrolyte member, and a second wiring conductor that is electrically connected to the second electrode;
  A concave portion or a convex portion is formed on at least one of the first electrode in the contact portion between the first electrode and the first wiring conductor and the second electrode in the contact portion between the second electrode and the second wiring conductor. A fuel cell characterized by comprising: