燃料電池用容器及燃料電池以及電子機器的製作方法
2023-09-19 07:17:30 1
專利名稱：燃料電池用容器及燃料電池以及電子機器的製作方法
技術領域：
本發明涉及收裝電解質構件的由陶瓷製成的小型並且高可靠性的燃料電池用容器及使用它的燃料電池以及電子機器。
背景技術：
近年來，對於在比以往更低的溫度下動作的小型燃料電池的開發十分活躍。在燃料電池中，根據其中使用的電解質的種類，已知有固體高分子電解質型燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell以下記作PEFC)和磷酸型燃料電池或者稱為固體電解質型燃料電池的電池。
其中，PEFC動作溫度達到80～100℃左右的低溫，具有如下的優點，(1)輸出密度高，可以小型化、輕量化。
(2)由於電解質為非腐蝕性，而且動作溫度低，因此從耐腐蝕性方面考慮，對電池構成材料的制約較少，所以容易實現成本降低。
(3)由於可以在常溫下起動，因此起動時間短。
所以，PEFC充分利用以上的優點，不僅適用於車輛用的驅動電源或家庭用的熱電聯產(cogeneration)等，而且可以考慮用作攜帶電話、PDA(Personal Digital Assistants)、筆記本電腦、數位相機或攝像機等輸出為數W～數十W的攜帶電子機器用的電源。
PEFC大致上例如具有由附著了鉑或鉑-釕等的催化劑微粒的碳電極構成的燃料極(陰極)、由附著了鉑等的催化劑微粒的碳電極構成的空氣極(陽極)、插裝於燃料極和空氣極之間的薄膜狀的電解質構件(以下記作電解質構件)。這裡，向燃料極供給經過改性部抽出的氫氣(H2)，另一方面，向空氣極供給大氣中的氧氣(O2)。這樣即利用電化學反應生成特定的電能(發電)，生成相對於負載成為驅動電源(電壓/電流)的電能。
具體來說，當向燃料極供給氫氣(H2)時，如下述的化學反應式(1)所示，利用所述催化劑產生電子(e-)分離的氫離子(質子；H+)，經過電解質構件而通過空氣極側，同時，由構成燃料極的碳電極取出電子(e-)，向負載供給。
…(1)另一方面，當向空氣極供給空氣時，如下述的化學反應式(2)所示，利用所述催化劑，經過了負載的電子(e-)、通過了電解質構件的氫離子(H+)和空氣中的氧氣(O2)反應，生成水(H2O))。
…(2)此種一連串的電化學反應(式(1)及式(2))大約是在80～100℃的比較低的溫度的溫度條件下進行的，電能以外的副產物基本上僅為水(H2O)。
構成電解質構件的離子導電膜(交換膜)已知為具有磺酸基的聚苯乙烯類的陽離子交換膜、氟碳磺酸和聚偏氟1，1-二氟乙烯的混合膜、在氟碳化合物中將三氟乙烯接枝化了的材料等，最近，使用全氟碳磺酸膜(例如商品名「Nafion」，杜邦公司制)等。
圖4以剖面圖表示以往的燃料電池(PEFC)的構成。同圖中，21為PEFC，23為電解質構件，24及25為被按照夾持電解質構件的方式配置在電解質構件23上、且具有作為氣體擴散層及催化劑層的功能的一對多孔電極，即燃料極及空氣極，26為氣體隔膜，28為燃料流路，29為空氣流路。
氣體隔膜26由形成氣體隔膜26的外形的疊層部及氣體流入流出框、分離燃料流路28和空氣流路29的隔膜部、按照貫穿該隔膜部的方式設置的與電解質構件23的燃料極24及空氣極25對應地配置的電極構成。電解質構件23的燃料極24、空氣極25按照電串聯及/或並聯的方式夾隔氣體隔膜26而層疊多層，形成作為電池的最小單位的燃料電池組，將該燃料電池組收裝於箱體中的結構為一般的PEFC。
從改性器穿過形成於氣體隔膜26上的燃料流路28，向燃料極24供給含有水蒸氣的燃料氣體(富含氫的氣體)，另外，從大氣中穿過空氣流路29向空氣極25供給作為氧化氣體的空氣，利用電解質構件23中的化學反應發電。
作為相關技術，有特開2001-266910號公報及特表2001-507501號公報。
但是，作為此種高電壓、高容量的電池，以往所提出並開發的燃料電池21是具有電池組構造並且構成元件被大面積化了的大重量並且大型的電池，作為小型電池的燃料電池的利用以往基本上尚未考慮。
即，此種燃料電池21的以往的氣體隔膜26中，有如下的問題。即，在使用氣體隔膜26而層疊了電解質構件23的疊層體中，由於電解質構件23的側面向外部露出，因此由於攜帶時的下落等容易受到損傷，從而有難以確保燃料電池21整體的機械的可靠性的問題。
另外，為了在攜帶電子機器中搭載燃料電池21，就需要與以往的大型燃料不同的緊湊性、簡便性、安全性優良的燃料電池用容器。即，若要作為像通用的化學電池那樣的可攜式電源使用，為了將達到動作溫度為止的溫度上升的時間縮短，另外，為了減小熱容量，有必要將燃料電池用容器小型化、低厚化。但是，以往的燃料電池21中，佔熱容量的比例的大部分的氣體隔膜26特別是在碳板的表面利用切削加工形成流路的隔膜26等情況下，由於當進行薄壁化時就會變脆，因此需要有數mm的厚度。所以，還有難以實現小型化、低厚化的問題。
另外，燃料電池21的輸出電壓由向電解質構件23的表背面的各電極24、25供給的氣體的分壓決定。即，當向電解質構件23供給的燃料氣體在氣體流路28中前進而在發電反應中被消耗時，燃料極24的面上的燃料氣體的分壓就會下降，輸出電壓下降。與之相同，當空氣在空氣流路19中前進而被消耗時，空氣極25的面上的氧的分壓也會下降，輸出電壓下降。所以，有必要均勻地供給燃料氣體。但是，以往的燃料電池21的氣體隔膜26由於特別是在碳板的表面利用切削加工形成流路，因此在薄型化時，流路的槽就會變窄。所以，流路阻力變大，從而有難以實現均一的氣體供給的問題。
另外，多個電解質構件23和與之相面對的燃料極24、空氣極25和氣體隔膜26的組合有必要被任意地有效地串聯或並聯，從而可以對整體的輸出電壓及輸出電流進行調整。但是，以往的燃料電池21中，為了從夾持電解質構件23的燃料極及空氣極中取出電能，只有向外部引出、連接的方法或使氣體隔膜26作為導電性材料重合串聯的方法，在小型燃料電池中會有難以實現的問題。
發明內容
本發明是鑑於如上的以往的技術問題而完成的，其目的在於，提供可靠性高的燃料電池用容器及使用它的燃料電池，該燃料電池用容器可以收裝電解質構件、小型並且牢固，而且該燃料電池用容器可以實現氣體的均勻供給、燃料電池容器內的溫度分配的均一化、高效率的電連接。
本發明的燃料電池用容器具有如下特徵，即，具備在一方面側具有收裝電解質構件的凹部的由陶瓷製成的基體，其中所述電解質構件在一方及另一方主面上分別具有第1及第2電極，和從與所述電解質構件的所述一方主面相面對的所述凹部的底面到所述基體的外面形成的第1流體流路，和一端配設於與所述電解質構件的所述第1電極相面對的所述凹部的底面而另一端向所述基體的外面導出的第1配線導體，和在所述基體的所述凹部的周圍的一方面上覆蓋所述凹部而安裝的、不透氣地密封所述凹部的蓋體，和從與所述電解質構件的所述另一方的主面相面對的所述蓋體的一方面到所述蓋體的外面形成的第2流體流路，和一端配設於與所述電解質構件的所述第2電極相面對的所述蓋體的一方面上而另一端向所述蓋體的外面導出的第2配線導體；且所述基體的凹部的底面及所述蓋體的一方面的至少一方按照向所述電解質構件側凸出的方式翹曲。
本發明中，其特徵是，所述基體中，所述凹部的底面的翹曲的頂點和所述凹部的外周部之間的高度為10到150μm。
本發明中，其特徵是，所述蓋體中，所述蓋體的所述一方面的翹曲的頂點和所述一方面的外周部之間的高度為10到150μm。
本發明中，其特徵是，所述基體及所述蓋體的至少一方彎曲強度在200MPa以上。
本發明中，其特徵是，所述基體及所述蓋體的至少一方用由相對密度在95％以上的緻密質構成的氧化鋁質燒結體形成。
本發明中，其特徵是，所述基體及所述蓋體的至少一方的厚度為0.2mm至5mm。
本發明中，其特徵是，所述第1配線導體從所述基體的所述凹部的底面突出。
本發明中，其特徵是，所述第2配線導體從所述蓋體的一方面突出。
本發明中，其特徵是，所述第1流體流路及所述第2流體流路的至少一方，其孔徑在0.1mm以上並且間隔一定而配置。
本發明中，其特徵是，所述第1流體流路及所述第2流體流路的至少一方在其內壁覆蓋有吸溼材料。
本發明中，其特徵是，所述吸溼材料被設為相對於所述第1流體流路及所述第2流體流路的橫截面的開口面積為10％以下的面積的厚度。
本發明是具有如下特徵的燃料電池，即，包括在一方及另一方主面上分別具有第1及第2電極的電解質構件、所述的燃料電池用容器，在所述燃料電池用容器的所述凹部中收裝所述電解質構件，按照在所述電解質構件的所述一方主面和所述第1流體流路之間及所述電解質構件的所述另一方主面和所述第2流體流路之間，各自的流體可以交換的方式配置所述一方和另一方主面，同時，將所述第1電極與所述第1配線導體電連接，將所述第2電極與所述第2配線導體電連接，在所述基體的所述凹部的周圍的一方面上覆蓋所述凹部安裝所述蓋體。
本發明的電子機器的特徵是，作為電源，具有所述的燃料電池。
根據本發明，燃料電池用容器具備在一方面側具有收裝電解質構件的凹部的由陶瓷製成的基體，其中所述電解質構件在一方及另一方主面上分別具有第1及第2電極，和在該基體的凹部的周圍的一方面上覆蓋凹部而被安裝的不透氣地密封凹部的蓋體。因此，通過將燃料電池用容器內不透氣地密封，就不會有氣體等流體的洩漏，除了該容器以外，就不需要設置包裝盒等容器。這樣，就可以獲得能夠效率優良地動作的燃料電池，同時在小型化方面也有效。另外，由於可以在由基體和蓋體形成的箱體內收裝多個電解質構件而形成燃料電池，其中所述基體在上面具有凹部並由陶瓷製成，所述蓋體密封該凹部，因此，就不會有電解質構件向容器的外部露出而受到損傷的情況，作為燃料電池整體的機械的可靠性提高。另外，由於除了一端配設於由凹部及蓋體構成的容器內部的第1及第2配線導體以外，不用與電解質構件自身進行無用的電接觸，因此可以獲得可靠性及安全性高的燃料電池。另外，通過使用陶瓷作為燃料電池用容器的構成材料，可以獲得對於以各種氣體為代表的流體的耐腐蝕性優良的燃料電池。
另外，具備從與電解質構件的一方主面相面對的凹部的底面到基體的外面形成的第1流體流路、從與電解質構件的另一方主面相面對的蓋體的一方面到蓋體的外面形成的第2流體流路。所以，由於多個各流體流路分別被設於夾隔電解質構件而分別相面對的內壁面上，因此就可以使向電解質構件供給的流體的均勻供給性提高。利用此種流體路徑，由於流體垂直於電解質構件而流動，因此例如在流體為氫氣和空氣(氧)的情況下，就會有如下的效果，即，向電解質構件在下側及上側主面上分別所具有的第1及第2電極供給的各氣體分壓不會下降，可以獲得特定的穩定的輸出電壓。另外，由於所供給的流體的壓力例如氣體分壓穩定，因此燃料電池用容器的內部溫度的分布被均勻化，其結果是，可以抑制電解質構件上產生的熱應力，可以提高燃料電池的可靠性。另外，各個流體流路形成於基體和蓋體上。所以，各流路的密閉性優良，不會有由於本來應當在流路上被隔絕的2種原料流體(例如氧氣和氫氣或甲醇等)混合而造成無法實現作為燃料電池的功能的情況。另外，由於沒有可燃性的流體在高溫下被混合後而產生著火、爆炸的危險性，因此可以提供安全的燃料電池。
本發明的燃料電池用容器中，基體的凹部的底面及蓋體的下面的至少一方按照向電解質構件側凸出的方式翹曲。所以，在使基體和蓋體的外周部接合時，可以在向電解質構件的第1及第2電極施加較高壓力的狀態下使第1及第2配線導體接觸。這樣，就會有效地減少在第1及第2配線導體和第1及第2電極之間產生非接觸部的情況，可以將它們良好地電連接。其結果是，可以減小電阻而提高發電效率，同時，不需要向基體和蓋體的外周部以外的部位施加較多用於壓接第1及第2配線導體和第1及第2電極的載荷。這樣，就可以有效地防止由施加在基體或蓋體上的多餘的載荷導致在燃料電池用容器上產生裂紋或破裂等的情況。
根據本發明，燃料電池在本發明的燃料電池用容器的凹部中收裝電解質構件，按照在該電解質構件的一方主面和第1流體流路之間及電解質構件的另一方主面和第2流體流路之間，各自的流體可以交換的方式來配置一方及另一方主面，同時，將第1電極與第1配線導體電連接，將第2電極與第2配線導體電連接，在基體的凹部的周圍的一方面上覆蓋凹部而安裝蓋體。所以，就可以獲得可靠性高的燃料電池，該燃料電池具有如上的本發明的燃料電池用容器的優點且小型，牢固，並可以實現氣體的均勻供給、燃料電池容器內的溫度分配的均一化、高效率的電連接。
根據本發明，由於電子機器作為電源具有本發明的燃料電池，因此就可以獲得具有利用如上的本發明的燃料電池用容器而產生的優點的小型、低厚並且可以長期穩定動作的安全性和方便性優良的電子機器。
另外，作為電源而具有的燃料電池中，在基體及蓋體的至少一方具備外部連接用端子(正極端子及負極端子)時，就可以容易地與電子機器的電路基板電連接，拆裝變得自由。所以，不用利用具有特殊的安全設備的設施等，就可以容易地將燃料電池更換為新的電池，從而可以使電子機器的方便性提高。
另外，由於可以在燃料電池用容器的基體的內部利用金屬化方法等以各種形狀、電氣特性形成金屬層，因此就可以在基體的內部形成作為電阻或電容、阻抗等發揮作用的電子電路元件。所以，例如在由於與燃料電池平行地形成大容量的電容器，而使從燃料電池中輸出的電流變為不足的狀態時，就可以補充不足的電流部分而確保與目標輸出電流對應的電流供給。另外，由於可以形成升壓電路，因此就可以確保電子機器所必需的電壓。
本發明的目的、特色及優點從下述的詳細說明和附圖可以清楚了解。
圖1A及圖1B是表示用於製作使用了本發明的一個實施方式的燃料電池用容器的燃料電池的工序圖。
圖2是表示使用了本發明的另一個實施方式的燃料電池用容器的燃料電池的剖面圖。
圖3是表示使用了本發明的另一個實施方式的燃料電池用容器的燃料電池的實施方式的其他例子的剖面圖。
圖4是以往的燃料電池的剖面圖。
具體實施例方式
下面將參照附圖對本發明的合適的實施例進行詳細說明。
圖1A及圖1B是表示用於製作使用了本發明的一個實施方式的燃料電池用容器的燃料電池的工序圖，圖1A是將電解質構件收裝在本發明的燃料電池用容器中之前的剖面圖，圖1B是在燃料電池用容器中收裝電解質構件而形成的本發明的燃料電池的剖面圖。圖1A及圖1B中，1為燃料電池，2為燃料電池用容器，3為電解質構件，4為第1電極，5為第2電極，6為基體，7為蓋體，8為第1流體流路，9為第2流體流路，10為第1配線導體，11為第2配線導體。
本發明的電解質構件3例如在離子導電膜(交換膜)的兩主面上，一體化地形成有成為陽極側電極的燃料極(未圖示)、成為陰極側電極的空氣極(未圖示)。第1電極4在作為電解質構件3的一方主面的下側主面上，被按照與燃料極相面對的方式形成。第2電極5在作為電解質構件3的另一方主面的上側主面上，被按照與空氣極相面對的方式形成。此外，形成可以使由電解質構件3產生的電流向第1電極4、第2電極5流動並向外部輸出的結構。
此種電解質構件3的離子導電膜(交換膜)由全氟碳磺酸樹脂例如商品名「Nafion」(杜邦公司制)等質子傳導性的離子交換樹脂構成。另外，燃料極及空氣極為多孔狀態的氣體擴散電極，是兼有多孔催化劑層和氣體擴散層兩者的功能的電極。這些燃料極及空氣極例如由利用聚四氟乙烯之類的疏水性樹脂粘結劑保持了導電性微粒例如碳微粒的多孔體構成，該導電性微粒擔載了鉑、鈀或它們的合金等催化劑。
電解質構件3的下側主面的第1電極4及上側主面的第2電極5可以用如下的方法形成，即，將附著了鉑或鉑-釕等催化劑微粒的碳電極熱壓在電解質構件3上的方法、將附著了鉑或鉑-釕等催化劑微粒的碳電極材料和分散了電解質材料的溶液的混合物塗布或轉印到電解質上的方法等。
燃料電池用容器2由在作為一方面側的上面側上具有凹部的基體6和蓋體7構成，具有將電解質構件3搭載於凹部的內部並不透氣地密封的作用，由氧化鋁(Al2O3)質燒結體、莫來石(3Al2O3·2SiO2)質燒結體、碳化矽(SiC)質燒結體、氮化鋁(AlN)質燒結體、氮化矽(Si3N4)質燒結體、玻璃陶瓷燒結體等陶瓷材料形成。
而且，玻璃陶瓷燒結體由玻璃成分和填充劑成分構成，作為玻璃成分，例如可以舉出SiO2-B2O3類、SiO2-B2O3-Al2O3類、SiO2-B2O3-Al2O3-MO類(其中，M表示Ca、Sr、Mg、Ba或Zn)、SiO2-Al2O3-M1O-M2O類(其中，M1及M2相同或不同，表示Ca、Sr、Mg、Ba或Zn)、SiO2-B2O3-Al2O3-M1O-M2O類(其中，M1及M2與所述相同)、SiO2-B2O3-M32O類(其中，M3表示Li、Na或K)、SiO2-B2O3-Al2O3-M32O類(其中，M3與所述相同)、Pb類玻璃、Bi類玻璃等。
另外，作為填充劑成分，例如可以舉出Al2O3、SiO2、ZrO2和鹼土類金屬氧化物的複合氧化物、TiO2和鹼土類金屬氧化物的複合氧化物、含有從Al2O3及SiO2中選擇的至少1種的複合氧化物(例如尖晶石、莫來石、堇青石)等。
燃料電池用容器2由具有凹部的基體6和蓋體7構成。在基體6的凹部的周圍通過覆蓋凹部安裝蓋體7來對凹部進行不透氣地密封。特別是，利用以焊錫或銀焊料等金屬接合材料的接合、以環氧樹脂等樹脂材料的接合、在凹部的周圍的上面接合用鐵合金等製作的密封圈而用縫焊或電子束、雷射等進行焊接的方法等，將蓋體7安裝在基體6上。而且，在蓋體7上也可以形成與基體6相同的凹部。
基體6及蓋體7為了分別將其厚度減薄，從而可以實現燃料電池1的低厚化，作為機械強度的彎曲強度最好在200MPa以上。
基體6及蓋體7最好用由例如相對密度在95％以上的緻密質構成的氧化鋁質燒結體形成。此時，例如，首先在氧化鋁粉末中添加、混合稀土類氧化物粉末或燒結助劑，調整氧化鋁質燒結體的原料粉末。然後，在該氧化鋁質燒結體的原料粉末中添加、混合有機粘結劑及分散劑而形成糊狀物，從該糊狀物開始，利用刮刀法，或者在原料粉末中加入有機粘結劑，利用衝壓成形、壓延成形等，製作特定厚度的未加工板。此後，在該未加工板上，利用採用模具的衝裁法、採用微鑽的打孔法、採用雷射照射的打孔法等，形成作為第1流體流路8及第2流體流路9的貫穿孔以及用於配設第1配線導體10及第2配線導體11的貫穿孔。
第1配線導體10及第2配線導體11為了防止氧化，最好用鎢及/或鉬形成。此時，例如相對於100質量份作為無機成分的鎢及/或鉬粉末，以3～20質量份的比例添加Al2O3，以0.5～5質量份的比例添加Nb2O5，調製成導體糊狀物。將該導體糊狀物填充在未加工板的貫穿孔內，形成作為貫穿導體的穿通導體(via conductor)。
在這些導體糊狀物中，為了提高與基體6或蓋體7的陶瓷的密接性，也可以以例如0.05～2體積％的比例添加氧化鋁粉末或與形成基體6和蓋體7的陶瓷成分相同的組合物粉末。
而且，向基體6或蓋體7的表層及內層上的第1配線導體10及第2配線導體11的形成是在向貫穿孔中填充導體糊狀物而形成穿通導體前後或與之同時，將同樣的導體糊狀物利用網板印刷、凹版印刷等方法以特定的圖案印刷塗布在未加工板上而進行的。
其後，使印刷並填充了導體糊狀物的特定片數的薄片狀成形體對齊位置並層疊壓接。之後，在例如非氧化性氣氛中，以最高煅燒溫度1200～1500℃的溫度煅燒該疊層體，得到作為目的物的陶瓷的基體6或蓋體7及第1配線導體10、第2配線導體11。
另外，由陶瓷製成的基體6或蓋體7最好將其厚度設為0.2mm以上、5mm以下。如果厚度小於0.2mm，則由於有強度降低的傾向，因此由將蓋體7安裝在基體6上時產生的應力，就會有在基體6及蓋體7上容易產生破裂等的傾向。另一方面，當厚度超過5mm時，由於難以進行薄型化、低厚化，因此就不適於作為小型攜帶機器上所搭載的燃料電池，另外，由於熱容量變大，因此，就會有難以快速地設定到與電解質構件3的電化學反應條件相當的適合的溫度的傾向。
第1配線導體10及第2配線導體11分別與電解質構件3的第1電極4及第2電極5電連接，作為用於將由電解質構件3產生的電流向燃料電池用容器2的外部輸出的導電路發揮作用。
第1配線導體10形成為，一端配設於與基體6的凹部的底面的電解質構件3的第1電極4相面對的部位上，另一端向基體6的外面導出。此種第1配線導體10最好如前所述，與基體6一體化形成，為了使第1配線導體10容易與第1電極4接觸，按照從基體6的凹部的底面突出10μm以上的方式形成。為了獲得該高度，如前所述，在印刷塗布導體糊狀物而形成時，按照加厚印刷條件的方式設定即可。另外，第1配線導體10最好與第1電極4相面對而配置多個，減少由第1配線導體10造成的電損失，對於第1配線導體10的基體6的貫通部，最好採用50μm以上的直徑。
另外，第2配線導體11形成為，一端被配設於與作為蓋體7的一方面的下面的電解質構件3的第2電極5相面對的部位上，另一端向蓋體7的外面導出。此種第2配線導體11最好也與第1配線導體10相同，與蓋體7一體化地形成，為了使第2配線導體11容易與第2電極5接觸，按照從蓋體7的下面突出10μm以上的方式形成。為了獲得該突出高度，如前所述，在印刷塗布導體糊狀物而形成時，按照加厚印刷條件的方式設定即可。另外，第2配線導體11最好與第2電極5相面對而配置多個，減少由第2配線導體11造成的電損失，對於第2配線導體11的蓋體7的貫通部，最好採用50μm以上的直徑。
當在這些第1配線導體10及第2配線導體11上，在其露出的表面上，利用鍍膜法覆蓋由鎳製成的導電性優良並且耐腐蝕性及與焊料的浸潤性良好的金屬時，就可以使第1配線導體10及第2配線導體11、第1配線導體10及第2配線導體11以及外部電路形成良好的電連接。所以，第1配線導體10及第2配線導體11最好在其露出的表面上利用鍍膜法覆蓋由鎳製成的導電性良好並且耐腐蝕性及與焊料的浸潤性良好的金屬。
此外，這些第1配線導體10和第1電極4的電連接及第2配線導體11和第2電極5的電連接由如下等的構成進行即可，即，通過用基體6和蓋體7夾入電解質構件3，使第1配線導體10和第1電極4壓接接觸並使第2配線導體11和第2電極5壓接接觸而電連接。
另外，在與第1電極4相面對的基體6的凹部的底面上，配置有第1流體流路8，在與第2電極5相面對的蓋體7的下面，配置有第2流體流路9。第1流體流路8從基體6的凹部的底面形成到基體6的外面，另外，第2流體流路9從蓋體7的下面形成到蓋體7的外面。這些第1及第2流體流路8、9分別由基體6或蓋體7上形成的貫穿孔或槽來形成，被作為燃料氣體例如富含氫的改性氣體或者氧化氣體例如空氣等的向電解質構件3供給的流體的通路，或者被作為由反應產生的水等的在反應後從電解質構件3排出的流體的通路而設置。
作為第1流體流路8及第2流體流路9形成於基體6及蓋體7上的貫穿孔或槽，按照向電解質構件3均勻地供給燃料氣體或氧化氣體等流體的方式，與燃料電池1的規格對應地決定貫穿孔的直徑和數目或者槽的寬度、深度、配置即可。
本發明的燃料電池用容器2及燃料電池1中，第1流體流路8及第2流體流路9為了合適地以均一的壓力使流體向電解質構件3流動，採用直徑0.1mm以上的孔徑，並使間隔一定來配置即可。
通過像這樣與電解質構件3的形成了第1電極4的下側主面相面對地形成第1流體流路8，與形成了第2電極5的上側主面相面對地形成第2流體流路9，就可以在電解質構件3的下側及上側主面和第1及第2流體流路8、9之間進行流體交換，該流體穿過各個流路而被供給或排出。此外，當例如作為流體供給氣體時，就可以消除分別向電解質構件3的第1電極4及第2電極5供給的氣體分壓下降的情況，從而可以獲得特定的穩定的輸出電壓。另外，由於所供給的氣體分壓穩定，因此燃料電池1的內部壓力被均勻化，其結果是，由於可以抑制電解質構件3上產生的熱應力，因此可以使燃料電池1的可靠性提高。
此外，本發明中，基體6的凹部的底面及蓋體7的下面的至少一方(在本實施方式中，基體6的凹部的底面及蓋體7的下面兩者)按照向電解質構件3側凸出的方式翹曲。所以，當使基體6和蓋體7的外周部接合時，可以在向電解質構件3的第1及第2電極4、5施加較高壓力的狀態下使第1及第2配線導體10、11接觸。這樣，就會有效地減少在第1及第2配線導體10、11和第1及第2電極4、5之間產生非接觸部的情況，可以將它們良好地電連接。其結果是，可以減小電阻而提高發電效率，同時，不需要向基體6和蓋體7的外周部以外的部位施加較多用於壓接第1及第2配線導體10、11和第1及第2電極4、5的載荷。這樣，就可以有效地防止由施加在基體6或蓋體7上的多餘的載荷導致在燃料電池用容器2上產生裂紋或破裂等的情況。
而且，基體6的凹部的底面的翹曲的大小是，使基體6的凹部的底面的翹曲的頂點和凹部的外周部的高度在10～150μm的範圍即可。當小於10μm時，通過將基體6和蓋體7的外周部接合而增大加在第2配線導體11和第2電極5的接觸部的壓力來提高連接可靠性的效果就會變小，同時，加在接觸部上的壓力降低。所以，由於接觸部的表面粗糙度等，在第2配線導體11和第2電極5之間產生非接觸部，發電效率就容易降低。另一方面，當超過150μm時，在將基體6和蓋體7的外周部接合時，需要在基體6的外周部上施加較大的力，同時，為了使蓋體7良好地壓接在電解質構件3上，就要對基體6的凹部的底面的翹曲進行較大的矯正，因此蓋體7容易破損。
另外，蓋體7的下面的翹曲的大小是，使蓋體7的下面的翹曲的頂點和外周部的高度在10～150μm的範圍即可。當小於10μm時，通過將基體6和蓋體7的外周部接合而增大加在第2配線導體11和第2電極5的接觸部的壓力來提高連接可靠性的效果就會變小，同時，加在接觸部上的壓力降低。所以，由於接觸部的表面粗糙度等，在第2配線導體11和第2電極5之間產生非接觸部，發電效率就容易降低。另一方面，當超過150μm時，在將基體6和蓋體7的外周部接合時，需要在蓋體7的外周部上施加較大的力，同時，為了使蓋體7良好地壓接在電解質構件3上，就要對蓋體7的翹曲進行較大的矯正，因此蓋體7容易破損。
另外，也可以在第1流體流路8或第2流體流路9的內壁上覆蓋吸溼材料。此時，由於可以將在電解質構件3中因電化學反應生成的水蒸氣或水等利用該吸溼材料吸收而除去，因此就可以有效地防止成為空氣的流路的第1及第2流體流路8、9的堵塞。所以，可以有效地防止第1及第2電極4、5的電極的表面被水(H2O)覆蓋，從而可以穿過第1及第2流體流路8、9從大氣中有效地供給作為氧化氣體的空氣。所以，可以促進電解質構件3上的電化學反應，可以進行高效率的發電。
作為所述吸溼材料，雖然使用矽膠、氧化鋁、白土、活性炭、紙、木屑等容易吸收水(H2O)的材料即可，但是，特別是矽膠、氧化鋁、白土等無機粉末由於容易通過利用粉碎等調整粉末的大小來調節水(H2O)的吸收面積，因此在容易獲得所需的吸溼特性方面是理想的材料。
當使吸溼材料覆蓋在第1流體流路8及第2流體流路9的內壁上時，為了確保從大氣中作為氧化氣體穿過第1流體流路8及第2流體流路9的空氣的流動的均勻性，最好在全部的第1及第2流體流路8、9上覆蓋吸溼材料。另外，由於有必要在供給作為氧化氣體的空氣時減小壓力損失的影響，因此吸溼材料的厚度最好為相對於第1及第2流體流路8、9的橫截面的開口面積達到10％以下的面積的厚度。
另外，為了利用空氣的流動促進水分從吸溼材料中的蒸發，最好在第1及第2流體流路8、9的內壁整體上覆蓋吸溼材料。這樣，當將本發明的燃料電池用容器2及燃料電池1用於例如攜帶用的直接式甲醇燃料電池(DMFC)等小型的電池中時，例如就可以用10ml甲醇運轉數十小時，同時，作為此時的水(H2O)的生成量，相對於1g甲醇的消耗也僅為1ml，微量。所以，吸溼材料所吸收的水(H2O)就可以成為利用使用風扇的鼓風而充分蒸發的水量，在連續運轉中也沒有問題。
利用以上的構成，可以獲得圖1所示的可以收裝電解質構件3的小型並且牢固的燃料電池用容器2，從而可以獲得可以高效率控制的本發明的燃料電池1。
下面，對作為電源具有所述的燃料電池1的本發明的電子機器進行說明。
本發明的電子機器由於作為電源具有如上所述的燃料電池1，因此可以獲得具有利用如上所示的本發明的燃料電池用容器2而帶來的優點的、小型、低厚並且能夠長期穩定動作的安全性和方便性優良的電子機器。
另外，在作為電源所具有的燃料電池1中，當使基體6及蓋體7的至少一方具有外部連接用端子(正極端子及負極端子)時，就可以容易地與電子機器的電路基板電連接，並且拆裝自由。所以，不用採用具有特殊的安全設備的設施，就可以容易地將燃料電池1更換為新的電池，從而可以提高電子機器的方便性。
另外，由於可以在燃料電池用容器2的基體6的內部利用金屬化方法等以各種形狀、電氣特性形成金屬層，因此就可以在基體6的內部形成作為電阻或電容、阻抗等發揮作用的電子電路元件。所以，例如在由於與燃料電池1平行地形成大容量的電容器，而使從燃料電池1中輸出的電流變為不足的狀態時，就可以補充不足的電流部分而確保與目標輸出電流對應的電流供給。另外，由於可以形成升壓電路，因此就可以確保電子機器所必需的電壓。
而且，在像這樣在基體6的內部形成電阻、電容或阻抗的情況下，基體6最好由玻璃陶瓷製成。
此外，作為本發明的電子機器，具體來說，有攜帶電話PDA(PersonalDigital Assistants)、數位相機或攝像機、遊戲機等玩具等攜帶型電子機器或以筆記本型PC(個人電腦)為首的可攜式印表機、傳真機、電視機、通信機器、音像機器、電風扇等各種家電產品、電動工具等電子機器。
這些電子機器近年來正逐漸使用附加了使用了液晶顯示裝置等動畫顯示的功能的裝置。此種動畫顯示由於電源的消耗非常大，因此使用以往蓄電池的電子機器短時間後就無法動作，與之相反，本發明的電子機器搭載有可以提供非常長時間的電源的燃料電池1，即使進行動畫顯示，也可以進行長時間的動作。
例如對於攜帶電話的情況，由中央處理裝置(CPU)、控制部、隨機存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、將由使用者操作的數據輸入CPU的輸入部、天線、將由天線接收的信號解調而向控制部供給並且調製由控制部供給的信號而利用天線發送的無線部、根據來自控制部的鳴動信號而進行振鳴的揚聲器、根據來自控制部的控制進行點燈、滅燈或點滅操作的發光二極體(LED)、根據來自控制部的信號進行信息的顯示的顯示部、根據來自控制部的驅動信號進行振動的振動器、將使用者的聲音轉換為聲音信號而向控制部傳遞並將來自控制部的聲音信號轉換為聲音而輸出的送受話部、向各部分供給電源的電源部構成。通過在其電源部中裝入本發明的燃料電池1及燃料電池容器2，由於燃料電池1及燃料電池容器2在緊湊性、簡便性及安全性方面優良並且可以實現燃料的均勻供給及利用高效率的電連接進行的長時間的電源供給，因此就可以實現攜帶電話的小型、低厚及輕量化。
另外，如果考慮到最近的攜帶電話在小型化、低厚化方面已經十分充分的情況，則像這樣可以在通過將燃料電池1小型、低厚化而產生的空間中例如再新裝入照相機或攝像機等具有電話功能以外的功能的電子部件，從而可以進行進一步的多功能化。
另外，也可以不裝入新的電子部件，而為了保護主要電子電路而設置衝擊吸收材料或防衝擊構件等。此時，就可以形成能夠使因下落等而在攜帶電話主體上施加了衝擊時的耐衝擊性或在雨中使用等時的防水性等比以往更加牢固的構造。
另外，由於可以縮小攜帶電話主體內部的電路部，因此對攜帶電話主體的外形的制約減少，例如就可以形成採用對於老人或孩子來說容易握持攜帶電話的形狀等設計性優良的外部形狀。
另外，在將電源部的構造如上所述那樣設為燃料電池1及燃料電池容器2自由拆裝的構造時，如果預先準備預備的燃料電池1及燃料電池容器2，則由於可以在發生了電池破裂等的情況下容易地更換為預備的燃料電池1及燃料電池容器2，或者可以將燃料電池1取出而進行燃料的補給或更換，因此就可以繼續進行通話等，與將以往的蓄電池作為電源使用的電話等相比，在方便性方面更加優良。
另外，被更換的使用完的燃料電池1由於可以通過補給燃料而立即再次利用，因此與充電相比，使用更加方便，另外還可以有效地利用資源。另外，還有如下的優點，即，即使在因自然災害等造成的長期停電等的緊急情況下或在屋外時也可以使用。
另外，對於筆記本型PC(個人電腦)的情況，由以下構成組成，即，具備個人電腦主體、收納了用於向個人電腦主體輸入特定的數據的鍵盤的第1筐體、收納了用於顯示利用鍵盤輸入的數據或者利用個人電腦主體處理的數據的顯示器的第2筐體，第2筐體被可以開閉地安裝在第1筐體上，另外將向各部分供給電源的電源部設於第1筐體上，在其電源部上裝有燃料電池1及燃料電池容器2。此時，與所述的攜帶電話相同，裝入本發明的電子機器中的燃料電池1及燃料電池容器2在緊湊性、簡便性及安全性方面優良，可以實現燃料的均勻供給及利用高效率的電連接產生的長時間的電源供給。所以，可以實現筆記本型PC(個人電腦)主體的小型、低厚化、輕量化及多功能化，同時，與顯示器的大型化或高析像度化對應，還可以穩定地長期供給大電流，從而可以形成容易觀看顯示器並且攜帶時的重量或容積上的負擔也較少等方便性高的筆記本型PC(個人電腦)。
另外，在將電源部的構造設為燃料電池1及燃料電池容器2自由拆裝的構造的情況下，如果預先準備預備的本發明的燃料電池1及燃料電池容器2，則在屋外或客機等移動體內等僅能使用2次電池的狀況下，有可以實現與以往相比長時間的電源供給的優點。另外，在像這樣在公共場所使用的情況下，由於在安全性方面也優良，因此可以成為不受制約地使用的在方便性方面優良的裝置。
而且，本發明並不限定於以上的實施方式，只要是在不脫離本發明的主要思想的範圍中，也可以進行各種變更。例如，對於第1流體流路或第2流體流路，為了將燃料電池1整體薄型化，也可以設置從基體6或蓋體7的側面的流入口。這樣，特別是在作為攜帶電子機器用實現小型化方面有效。另外，對於第1及第2配線導體10、11，也可以將向基體6及蓋體7的外面導出的另一端按照分別向相同側的側面拉出的方式配設。這樣，就可以將配線或流路等集中在燃料電池的一方側面上，從而容易實現小型化和對與外部的接合部的保護，可以實現高可靠性的設計，同時，還可以形成能夠長時間穩定動作的燃料電池。
另外，也可以在基體6的凹部的內部，收裝多個電解質構件3，利用第1及第2配線導體10、11將它們電連接，從而作為整體可以獲得高電壓或大電流的輸出。
另外，圖2中以剖面圖表示本發明的另一個實施方式的燃料電池用容器及燃料電池。在燃料電池用容器2』中，也可以將第1流體流路8』及第2流體流路9』的至少一方用開口部13、連接部14、流體的導入部15、流體的排出部(未圖示)構成。開口部13在凹部的底面或蓋體7』的下面，按照與電解質構件3的作為一方主面的下側主面或作為另一方主面的上側主面相面對的方式，以相同長度等間隔地形成相同寬度的槽狀的多個開口。連接部14將形成於基體6』及蓋體7』的至少一方的內部中的多個開口的一端之間及另一端之間分別連接。流體的導入部15從連接部14的一方形成到基體6』及蓋體7』的至少一方的外面。流體的排出部從另一方形成到基體6』及蓋體7』的至少一方的外面。另外，也可以按照在具有凹部的基體6』的凹部中收裝電解質構件3，將第1及第2電極4、5分別與第1及第2配線導體10』、11』電連接的方式，構成燃料電池1』。
這樣，就容易利用流體的導入部15和連接部14向多個形成槽狀的開口部13供給流體，由於開口部13的多個槽狀的開口被以相同長度相同寬度等間隔地形成，因此即使在流體的流入速度較快的情況下，從導入部15到排出部的距離變短，流路阻力減小。其結果是，可以提高向電解質構件3供給的流體的均一供給性，在使從大氣中作為氧化氣體供給的空氣出入時，可以將因化學反應生成的水(H2O)連續地乾燥除去。
另外，圖3中以剖面圖表示本發明的另一個實施方式的燃料電池用容器及使用它的燃料電池。在燃料電池容器2」中，也可以按照如下的方式構成燃料電池1」，即，在具有多個凹部的基體6」的各個凹部中分別收裝有電解質構件3，同時，跨越相鄰的凹部的端部間配設第3配線導體16，將多個電解質構件3的第1電極4之間或第1電極4和第2電極5之間電連接，為了將作為整體的輸出取出，將第1配線導體10」及第2配線導體11」分別與配置在成為兩端的位置上的電解質構件3電連接。
這樣，由於可以利用第1～第3配線導體10」、11」、16來自由地三維配線，因此就可以將多個電解質構件3任意地串聯或並聯。其結果是，由於可以效率優良地調整整體的輸出電壓及輸出電流，因此就形成可以將由電解質構件3電化學地生成的電能良好地向外部輸出的燃料電池用容器2」及燃料電池1」。
本發明可以用不脫離其精神或主要特徵的其他各種方式實施。所以，所述的實施方式在任意方面都只不過是單純的示例，本發明的範圍是權利要求的範圍中所示的，不受說明書正文的任何約束。另外，屬於權利要求的範圍的變形或變更全都是本發明的範圍內的內容。
權利要求
1.一種燃料電池用容器(2、2』、2」)，其特徵是，具備在一方面側具有收裝電解質構件(3)的凹部的、由陶瓷製成的基體(6、6』、6」)，所述電解質構件(3)在一方及另一方主面上分別具有第1及第2電極(4、5)，和從與所述電解質構件(3)的所述一方主面相面對的所述凹部的底面到所述基體(6、6』、6」)的外面形成的第1流體流路(8、8』、8」)，和一端配設於與所述電解質構件(3)的所述第1電極(4)相面對的所述凹部的底面而另一端向所述基體(6、6』、6」)的外面導出的第1配線導體(10、10』、10」)，和在所述基體(6、6』、6」)的所述凹部的周圍的一方面上覆蓋所述凹部而安裝的、不透氣地密封所述凹部的蓋體(7、7』、7」)，和從與所述電解質構件(3)的所述另一方的主面相面對的所述蓋體(7、7』、7」)的一方面到所述蓋體(7、7』、7」)的外面形成的第2流體流路(9、9』、9」)，和一端配設於與所述電解質構件(3)的所述第2電極(5)相面對的所述蓋體(7、7』、7」)的一方面上而另一端向所述蓋體(7、7』、7」)的外面導出的第2配線導體(11、11』、11」)；所述基體(6、6』、6」)的凹部的底面及所述蓋體(7、7』、7」)的一方面的至少一方按照向所述電解質構件(3)側凸出的方式翹曲。
2.根據權利要求1所述的燃料電池用容器(2、2』、2」)，其特徵是，所述基體(6、6』、6」)中，所述凹部的底面的翹曲的頂點和所述凹部的外周部之間的高度為10到150μm。
3.根據權利要求1所述的燃料電池用容器(2、2』、2」)，其特徵是，所述蓋體(7、7』、7」)中，所述蓋體(7、7』、7」)的所述一方面的翹曲的頂點和所述一方面的外周部之間的高度為10到150μm。
4.根據權利要求1所述的燃料電池用容器(2、2』、2」)，其特徵是，所述基體(6、6』、6」)及所述蓋體(7、7』、7」)的至少一方彎曲強度在200MPa以上。
5.根據權利要求1所述的燃料電池用容器(2、2』、2」)，其特徵是，所述基體(6、6』、6」)及所述蓋體(7、7』、7」)的至少一方是用由相對密度在95％以上的緻密質構成的氧化鋁質燒結體形成。
6.根據權利要求1所述的燃料電池用容器(2、2』、2」)，其特徵是，所述基體(6、6』、6」)及所述蓋體(7、7』、7」)的至少一方的厚度為0.2mm至5mm。
7.根據權利要求1所述的燃料電池用容器(2、2』、2」)，其特徵是，所述第1配線導體(10、10』、10」)從所述基體(6、6』、6」)的所述凹部的底面突出。
8.根據權利要求1所述的燃料電池用容器(2、2』、2」)，其特徵是，所述第2配線導體(11、11』、11」)從所述蓋體(7、7』、7」)的一方面突出。
9.根據權利要求1所述的燃料電池用容器(2、2』、2」)，其特徵是，所述第1流體流路(8、8』、8」)及所述第2流體流路(9、9』、9」)的至少一方，其孔徑在0.1mm以上並且使間隔一定而被配置。
10.根據權利要求1所述的燃料電池用容器(2、2』、2」)，其特徵是，所述第1流體流路(8、8』、8」)及所述第2流體流路(9、9』、9」)的至少一方在其內壁覆蓋有吸溼材料。
11.根據權利要求10所述的燃料電池用容器(2、2』、2」)，其特徵是，所述吸溼材料被設為相對於所述第1流體流路(8、8』、8」)及所述第2流體流路(9、9』、9」)的橫截面的開口面積為10％以下的面積的厚度。
12.一種燃料電池(1、1』、1」)，其特徵是，包括在一方及另一方主面上分別具有第1及第2電極(4、5)的電解質構件(3)、權利要求1至11中任意一項所述的燃料電池用容器(2、2』、2」)，在所述燃料電池用容器(2、2』、2」)的所述凹部中收裝所述電解質構件(3)，按照在所述電解質構件(3)的所述一方主面和所述第1流體流路(8、8』、8」)之間及所述電解質構件(3)的所述另一方主面和所述第2流體流路(9、9』、9」)之間，各自的流體可以交換的方式配置所述一方主面及另一方主面，同時，將所述第1電極(4)與所述第1配線導體(10、10』、10」)電連接，將所述第2電極(5)與所述第2配線導體(11、11』、11」)電連接，在所述基體(6、6』、6」)的所述凹部的周圍的一方面上覆蓋所述凹部安裝所述蓋體(7、7』、7」)。
13.一種電子機器，其特徵是，作為電源，具有權利要求12所述的燃料電池(1、1』、1」)。
全文摘要
本發明提供燃料電池用容器及燃料電池，燃料電池用容器具備具有收裝電解質構件(3)的凹部的基體(6)、所述電解質構件(3)具有第1及第2電極(4、5)，和從凹部的底面到基體(6)的外面形成的第1流體流路(8)，和一端配設於凹部的底面而另一端向基體(6』)的外面導出的第1配線導體(10)，和安裝在基體(6)的凹部的周圍的上面的蓋體(7)，和從蓋體(7)的下面到外面形成的第2流體流路(9)，和一端配設於蓋體(7)的下面上而另一端向蓋體(7)的外面導出的第2配線導體(11)；基體(6)的凹部的底面及蓋體(7)的下面的至少一方按照向電解質構件(3)側凸出的方式翹曲。本發明的燃料電池，可以收裝電解質構件，並且小型牢固，並可以實現氣體的均勻供給、容器內的溫度分配的均勻化、可以實現高效率的電連接、高效率的發電，具有可靠性。
文檔編號H01M8/00GK1601781SQ20041001186
公開日2005年3月30日 申請日期2004年9月24日 優先權日2003年9月25日
發明者菅井廣一朗 申請人:京瓷株式會社