(57)【要約】      （修正有）【課題】高効率な発電が可能な、小型で高信頼性の燃料電池を提供する。【解決手段】燃料電池１は、Ｎ個（Ｎは２以上の自然数）の電解質部材３を容器体２の内部に収容するとともに、容器体２の内面に、電解質部材３に燃料を供給する流路を形成し、流路４は、その一端側に設けられる供給口５より他端側に設けられる排出口に向かって、Ｎ個の電解質部材３上を所定の順序で通過した後、通過順序と逆の順序で帰還する循環ループを有している。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎ個（Ｎは２以上の自然数）の電解質部材を容器体の内部に収容するとともに、該容器体の内面に、前記電解質部材に燃料を供給する流路を形成してなる燃料電池であって、前記流路は、その一端側に設けられる供給口より他端側に設けられる排出口に向かって、前記Ｎ個の電解質部材上を所定の順序で通過した後、該通過順序と逆の順序で帰還する循環ループを有していることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記流路がＮ個の電解質部材上を蛇行するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記流路が前記循環ループを複数連結して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記電解質部材上で隣接する流路を流れる燃料の向きが逆向きであることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記Ｎ個の電解質部材が単一の容器体内に並設されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項６】
前記容器体がセラミックスから成ることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項７】
前記容器体の内面に前記電解質部材に当接される集電体が前記電解質部材と１対１に対応して形成されているとともに、これら集電体を直列接続して外部に導出したことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、比較的低温で動作する小型の燃料電池が活発に開発されている。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】
その中でもＰＥＦＣは、その作動温度が８０〜１００℃程度と比較的低温で、
（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、携帯電話機、ＰＤＡ（Personal Digital Assistants）、ノートパソコン、デジタルカメラやビデオカメラ等のように、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いる。
【０００４】
ＰＥＦＣは、大別して、例えば、白金や白金−ルテニウム等の触媒微粒子が付着した炭素電極から成る燃料極（アノード）と、白金等の触媒微粒子が付着した炭素電極から成る空気極（カソード）と、燃料極と空気極との間に介装されたフィルム状の電解質部材（以下、電解質部材と記す）とを含んで構成される。ここで、燃料極には、改質部を介して抽出された水素ガス（Ｈ２）が供給され、一方、空気極には、大気中の酸素ガス（Ｏ２）が供給されることにより、電気化学反応により所定の電気エネルギーが生成（発電）され、負荷に対する駆動電源（電圧／電流）となる電気エネルギーが生成される。
【０００５】
具体的には、燃料極に水素ガス（Ｈ２）が供給されると、次の化学反応式（１）に示すように、上記触媒により電子（ｅ−）が分離した水素イオン（プロトン；Ｈ＋）が発生し、電解質部材を介して空気極側に通過するとともに、燃料極を構成する炭素電極により電子（ｅ−）が取り出されて負荷に供給される。
【０００６】
３Ｈ２ → ６Ｈ＋＋６ｅ− ・・・（１）
一方、空気極に空気が供給されると、次の化学反応式（２）に示すように、上記触媒により負荷を経由した電子（ｅ−）と電解質部材を通過した水素イオン（Ｈ＋）と空気中の酸素ガス（Ｏ２）とが反応して水（Ｈ２Ｏ）が生成される。
【０００７】
６Ｈ＋＋３／２Ｏ２＋６ｅ− → ３Ｈ２Ｏ ・・・（２）
このような一連の電気化学反応（上記式（１）および式（２））は、概ね８０〜１００℃の比較的低温の温度条件で進行し、電力以外の副生成物は基本的に水（Ｈ２Ｏ）のみとなる。
【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フォン酸膜（例えば、商品名「ナフィオン」デュポン社製）等が用いられる。
【０００９】
従来、ＰＥＦＣは、セパレータ２０２に形成された流路２０４を介して水素などの燃料ガスが燃料極に供給され、空気などの酸素を含む酸化剤ガスが空気極に供給され、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学的反応により起電力を生ずると共に水が生成される。
【００１０】
携帯電子機器用の電源として使用されることを想定した場合、燃料電池２０１の低背化を図るために、従来のスタックタイプ（複数の電解質部材２０３を上下に積層したもの）とは異なり、電解質部材２０３を多数平面上に分割した構成となるため、その流路２０４は、各電解質部材２０３に面した流路が直列に連結され、流路供給口の電解質部材から流路排出口の電解質部材に向かって一方向に流れる形態となる（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００２−２８００４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
燃料電池２０１では、発電を行う際に電解質部材２０３を構成するイオン導電膜（交換膜）にプロトンを伝導させる必要があり、そのためには電解質部材２０３が適度に吸湿していることが重要となる。電解質部材２０３の吸湿量が低下すると、電気抵抗が大きくなって、出力電圧や出力電力の低下を招く。
【００１２】
しかしながら、従来の燃料電池の流路形態では、必ずしも各電解質膜の吸湿量を均一にすることができず、吸湿量のばらつきに起因して発電にばらつきが生じる。
【００１３】
また、発電を行う際には電気化学的な反応によって水が生成されることになるが、セパレータ２０２に形成された流路内に水が凝縮して蓄積された場合、水によって流路２０４が閉塞され、水素ガス等の燃料ガスの円滑な流通の妨げになるという不具合を生じることがある。
【００１４】
さらには、空気極の発電面を水が覆ってしまうことにより、プロトンと酸素との接触が阻害されて反応が抑制され、発電を安定して継続することが困難になる虞れがある。特に、流路のうち排出口に近い部位では、各電解質部材で生成した水が蓄積されるため、上述した発電の阻害が特に問題となる。
【００１５】
本発明は、上述した問題点に鑑み案出されたもので、その目的は、複数の電解質部材を用いて燃料電池を構成する場合に電解質部材間の出力バラツキを低減し、高効率な発電を得ることが可能な高性能の燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の燃料電池は、Ｎ個（Ｎは２以上の自然数）の電解質部材を容器体の内部に収容するとともに、容器体の内面に、電解質部材に燃料を供給する流路を形成してなる燃料電池であって、流路は、その一端側に設けられる供給口より他端側に設けられる排出口に向かって、Ｎ個の電解質部材上を所定の順序で通過した後、通過順序と逆の順序で帰還する循環ループを有していることを特徴とするものである。
【００１７】
また、本発明の燃料電池は、流路がＮ個の電解質部材上を蛇行するように配置されていることを特徴とするものである。
【００１８】
さらに、本発明の燃料電池は、流路が循環ループを複数連結して形成されていることを特徴とするものである。
【００１９】
またさらに、本発明の燃料電池は、電解質部材上で隣接する流路を流れる燃料の向きが逆向きであることを特徴とするものである。
【００２０】
さらにまた、本発明の燃料電池は、Ｎ個の電解質部材が単一の容器体内に並設されていることを特徴とするものである。
【００２１】
またさらに、本発明の燃料電池は、容器体がセラミックスから成ることを特徴とするものである。
【００２２】
さらにまた、本発明の燃料電池は、容器体の内面に電解質部材に当接される集電体が電解質部材と１対１に対応して形成されているとともに、これら集電体を直列接続して外部に導出したことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の燃料電池は、Ｎ個（Ｎは２以上の自然数）の電解質部材を容器体の内部に収容するとともに、容器体の内面に、電解質部材に燃料を供給する流路を形成してなる燃料電池であって、前記流路は、その一端側に設けられる供給口より他端側に設けられる排出口に向かって、Ｎ個の電解質部材上を所定の順序で通過した後、通過順序と逆の順序で帰還する循環ループを有していることから、各電解質部材には、Ｎ個目の電解質部材に向かう側の流路（往きの流路、以下、通過側流路ともいう）と、帰還する流路との両方から電解質部材に水が供給される。このとき、通過側流路からの水の供給量が少ない電解質部材には、帰還側の流路からの水の供給量が多く、通過側流路からの水の供給量が多い電解質部材には、帰還側の流路からの水の供給量が少なくなる。従って、各電解質部材には、同程度の水が供給されて各電解質部材の湿り具合が均一化され、その結果、各電解質部材の電気抵抗も同程度となり、発電の化学反応が同程度の速度で進むこととなって、発電量の安定化及び信頼性向上が図られる。
【００２４】
また、本発明の燃料電池によれば、上述した如く各電解質部材に供給される水の量が同程度であることから、一部の電解質部材で水の量が多くなって電極の発電面が水で覆われるといった不都合が有効に抑制される。そのため、Ｎ個の各電解質部材において、同じように継続した反応・発電が可能になり、燃料電池としての出力の安定性、信頼性を高く維持することができる。
【００２５】
さらに、本発明の燃料電池によれば、流路がＮ個の電解質部材上を蛇行するように配置することにより、入口の電解質部材から出口の電解質部材に向かって順に一方向に流れる構造を取らず、Ｎ個の電解質部材上を上記の循環ループにより複数回往復するような流路を一体形成することが可能である。この場合、容器内のＮ個の電解質部材の湿潤状態をより均一な状態とすることができ、電解質部材の位置による湿り具合のバラツキを極めて小さく抑えることができる。
【００２６】
またこの場合、流路を容器体全体にわたって蛇行させることで、流路の屈曲箇所数を少なくし、流路の直線部分を長く確保することができるため、流路を流れる燃料や酸化剤ガスの速度を均一に保ち易くなる。これにより、速度が不均一な箇所は少なくなることから、セパレータに形成された流路内に水が凝縮して蓄積されることは抑制され、また、水で流路が閉塞され、燃料ガスの円滑な流通の妨げになるといった不具合も有効に防止することができる。さらには、電極の発電面を水が覆って反応を抑制することも低減されるため、発電を安定して継続することができ、また、電解質部材の電気抵抗バラツキを小さくすることで出力電圧を安定化させることもできる。
【００２７】
またさらに、本発明の燃料電池によれば、上述の循環ループを複数連結して流路を形成することにより、循環ループの連結部をセパレータの内部に形成して燃料の気密性を向上させることができ、これによっても発電を安定させることができるとともに、複雑な流路パターンにおいても燃料の漏れがなく、効率良く動作させることができる高信頼性の燃料電池を得ることができ、加えて、流路を複数連結して一体形成した小型の燃料電池が得られるようになる。
【００２８】
さらにまた、本発明の燃料電池によれば、電解質部材上で隣接する流路を流れる燃料の向きを逆向きとすることにより、電解質部材に供給される水分（水蒸気）の量が隣接する流路同士間で調整されることとなるため、各電解質部材における発電量が同程度となるように、より高い精度で制御することができる。すなわち、少量の水蒸気量を含んだ燃料が流れる通過側（流路のうち供給口からＮ個目の電解質部材に至る部位）と電気化学反応によって生じた水によって多量の水蒸気を含んだ燃料が流れる帰還側（流路のうちＮ個目の電解質部材から排出口に至る部位）が隣接する形に流路を設計することにより、電解質部材全域にわたって水分量をより均一になすことができ、これによって各電解質部材の湿潤状態をより均一になすことができる。よって、出力が高いレベルに安定化された燃料電池を得ることが可能となる。
【００２９】
またさらに、本発明の燃料電池によれば、同一の電解質部材において、帰還側と通過側流路を隣接させて配置することにより、帰還側の流路を流れる燃料に含まれている水蒸気が凝縮し、流路が閉塞され、燃料ガスの円滑な流通の妨げになることといった不都合が有効に低減されるため、より一層安定した発電を継続して行なうことができる。
【００３０】
さらにまた、本発明の燃料電池によれば、Ｎ個の電解質部材を単一の容器体内に並設させることにより、例えば、電解質部材で生じる電流を容器体の外側に導出させて、導出部分を外部接続用の端子として利用することができるようになる。これにより、単電池として取り扱うことも可能となるため、使い勝手や実用性が向上し、小型化可能な燃料電池を提供することができる。
【００３１】
またさらに、本発明の燃料電池によれば、容器体をセラミックスで形成することにより、電解質部材で生じた電気を取り出す集電体と隣接する電解質部材を良好に絶縁し、電解質部材自体に不要な電気的接触をしないで済むので、組立てが簡単になり、信頼性および安全性に優れた燃料電池が得られる。さらにこの場合、セラミックスから成る容器体は腐食されにくいことから、各種のガスを始めとする流体に対する容器体の耐食性も向上される。しかも、容器体を形成するセラミックはカーボン系の材料やステンレスなどの金属系の材料やプリント板等と比較して剛性や機械的強度にも優れているため、容器体の厚みを薄くしても電解質部材との接触抵抗を小さく抑えることができ、発電時の電圧ロスを少なくすることで発電性能を向上させることもできる。
【００３２】
さらにまた、本発明の燃料電池によれば、容器体の内面に電解質部材に当接される集電体を電解質部材と１対１に対応して形成するとともに、これら集電体を直列接続して外部に導出させることにより、一つ一つの電解質部材の発電が小さい場合であっても、直列接続により合計の電圧を調整することができ、電解質部材にて生成された電力を良好な状態で外部へ取り出すことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、本発明を添付図面に基づき詳細に説明する。図１は本発明の実施の形態にかかる燃料電池の一例を示す断面図であり、図２は燃料電池に用いられる容器を示す平面図である。図１において、１は燃料電池、２は容器体、３は電解質部材、４は流路、５は供給口、６は排出口である。
【００３４】
これらの図に示す燃料電池１の電解質部材３は、例えばイオン導電膜（交換膜）の両主面上に触媒が担時されたアノード側電極となる燃料極と、カソード側電極となる空気極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両電極へ流し、外部へ取り出すことができるものとなっている。
【００３５】
このような電解質部材３のイオン導電膜（交換膜）は、パーフルオロカーボンスルフォン酸樹脂、例えば商品名「ナフィオン」（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。
【００３６】
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。
【００３７】
電解質部材３の両主面の電極は、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イオン導電膜上にホットプレスする方法、または、白金や白金−ルテニウム等の触媒微粒子の付いた炭素電極材料と電解質材料を分散した溶液との混合物を電解質上に塗布または転写する方法等により形成される。
【００３８】
容器体２は、容器本体を形成する絶縁材料と、上述した電解質部材３の電極と電気的に接続し、これを容器体２の外面に導出する配線導体（図示せず）等を形成する導電材料との組み合わせにより構成されている。
【００３９】
この容器体２は、内部にＮ個（Ｎは２以上の自然数）の電解質部材を収容する。
【００４０】
本実施形態において、容器体２は、燃料である水素（メタノール水溶液）を供給する流路を備えた一方の容器と、空気（酸素）を供給する流路を備えた他方の容器とから成る。この２つの容器は、それぞれ主面に凹部を有し、その凹部同士が対向するようにして互いに接合することにより、電解質部材３を内部に収容する。
【００４１】
上述した一対の容器内には、電解質部材の形状に合わせたシール部材（図示せず）と電解質部材とが挿入され、両容器を取着させることにより封止されている。
【００４２】
この場合、容器体２には、Ｎ個の凹部を設けておくことが好ましい。Ｎ個の電解質部材３をＮ個の凹部内にそれぞれ収容することで、各電解質部材３を、各凹部と容器体２の外縁部とにより２重に封止することができるので、電解質部材３をより良好な状態で気密封止することができる。
【００４３】
容器体２は、導電材料としては、カーボン系あるいはクロムやステンレスなどの金属イオン溶出が少ない金属あるいは表面を耐食性のあるＡｕなどでコーティングされた金属材料、絶縁材料（枠状絶縁部２０９）としては、エポキシやポリカーボネイトなどの材料で射出成形品からなる絶縁物で形成される。また、絶縁材料に各種セラミックスを用いた場合、導電材料としては、タングステン、銀、銅などのメタライズにＡｕメッキされたもので構成される。
【００４４】
容器体２は、内面（この実施形態では凹部に面した面）に流路４が形成されている。また空気を流す流路４は、電解質部材に自然吸気するための開口を形成してもよい。
【００４５】
また、流路４は、一端側に供給口５が設けられ、他端側に排出口６が設けられている。
【００４６】
流路４は、気体や液体等の流体を流すものであり、容器体２の内部（凹部内）に収容されている電解質部材３に水素等の燃料ガスや、空気（酸素）を供給する機能を有している。
【００４７】
すなわち、供給口５から排出口６に向かって燃料ガス（水素を含有するもの）や空気が送り込まれ、流路４を介して、各電解質部材３に燃料ガスや空気が供給される。そして、電解質部材３において、この供給された燃料ガスと空気との間で水を生成する反応が生じ、同時に発電が行なわれる。
【００４８】
そして、前記流路４は、その一端側に設けられる供給口５より他端側に設けられる排出口６に向かって、Ｎ個の電解質部材３上を所定の順序で通過した後、通過順序と逆の順序で帰還する循環ループを有している。このように、Ｎ個の電解質部材３上を所定の順序で通過した後、通過順序と逆の順序で帰還する循環ループを含んで流路４を形成するようにしたことから、燃料ガスや空気等の流体を供給口より排出口に向かって供給した場合、電解質部材３を通過する距離に応じて水（水蒸気）が生成され、この水の流体中の含有量は、排出口に向かって漸次増加する。この流路は、Ｎ個の電解質部材３上を所定の順序で通過した後、通過順序と逆の順序で帰還する循環ループを有しているため、各電解質部材３には、Ｎ個目の電解質部材３に向かう側の流路と、帰還する流路との両方から電解質部材に水が供給される。
【００４９】
つまり、通過側流路からの水の供給が少ない（多い）電解質部材３には、帰還側の流路からの水の供給が多く（少なく）なり、各電解質部材３には、ほぼ均一な量の水が供給されることになる。帰還の流路においては、反応で生じた水の電解質部材３からの逆拡散により、水蒸気を含んだ燃料が供給されやすいが、通過順序と逆の順序で帰還する循環のループを有しているため、容器内のＮ個の電解質部材３の湿潤状態が通過と帰還の燃料の水蒸気が拡散されることにより、各電解質部材３の湿り具合を均一にすることができる。その結果、各電解質部材３において電気抵抗が同じ程度になって発電の化学反応が同程度の速度で進むことになり、発電量が均一化され、燃料電池としての発電量の安定・信頼性の向上が可能となる。
【００５０】
また、上記のように各電解質部材３に供給される水の量が同程度であることから、一部の電解質部材３で水の量が多くなって電極の発電面が水で覆われるようなことは抑制される。そのため、Ｎ個の各電解質部材３において、同じように継続した反応・発電が可能になり、燃料電池としての出力の安定性、信頼性を優れたものとすることができる。
【００５１】
流路４は、容器体２が長方形状に形成され、電解質部材３が行列状に収容される場合、その長手方向等の、電解質部材３の並びの数の多い行または列に沿って主に形成されることが望ましい。これにより、折り返しの数が低減され、流路４の屈曲部において不要な流体抵抗の増加やガスの流れの不均一が形成される事が抑制される。なお、流路４の流体抵抗の低減を重視する場合には、電解質部材３は直線状に収容されることが最も好ましい。なお、電解質部材の形状は、出力に必要な電流に応じて容器体２の長手方向（電解質部材の並びの数の多い方）のサイズを設定すればよい。
【００５２】
また、流路４は、Ｎ個の電解質部材上を蛇行するように配置されていることが好ましい。流路がＮ個の電解質部材上を蛇行するように配置されている場合には、入口の電解質部材から出口の電解質部材に向かって順に一方向に流れる構造を取らず、Ｎ個の電解質部材上を上記の循環ループにより複数回往復するような流路を一体形成することが可能である。従って、容器内のＮ個の電解質部材の湿潤状態を均一にすることができ、電解質部材の位置による湿り具合の影響を最低限に抑えることが容易である。
【００５３】
さらには、容器体全体の蛇行の流路により、流路の屈曲部が低減され、直線の流路長も長くなるため、流路を流れる燃料や酸化剤ガスの速度を均一に保ち易い。その結果、速度が不均一な箇所が少なくなるため、セパレータに形成された流路内に水が凝縮して蓄積されることが抑制され、また、水によって流路が閉塞され、燃料ガスの円滑な流通の妨げになるという不具合を回避する事が可能である。さらには、電極の発電面を水が覆って反応を抑制することが低減されるため、発電を安定して継続すること可能である。また、電解質部材の電気抵抗バラツキがさらに小さくなり、出力電圧が安定し、結果として出力電力を安定させることが可能となる。流路４がN個の電解質部材３を一筆にて経過することができれば、とくに流路４の引き回しに制限はないが、蛇行回数が少ないほうが望ましい。
【００５４】
また、流路４は、循環ループを複数連結して形成されていることが好ましい。循環ループの連結部をセパレータ内部に形成することにより、燃料の気密性を向上させ、発電を安定させることが可能である。その結果、複雑な流路パターンにおいても燃料の漏れがなく、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、流路が複数連結され一体形成されているため小型化にも有効なものとなる。循環ループ同士の連結は、例えば、流路４の一端を、隣接する流路４の他端に連結用の流路（図示せず）を介して連通させることにより行なうことができる。連結用の流路は、容器体２の内部に、流路４を形成する手段（後述）と同様の手段で形成されたものや、容器体２に、流路４に接続するようにして取着された管状の部材（図示せず）等により構成される。また、連結する際は、容器内部にて連結されることが望ましい。これにより、燃料の気密性を確保するのと同時に、厚み方向に流路を形成する事で、外形サイズを大きくすることなく、小型の燃料電池を提供する事が可能である。複数（Ｎ個）の電解質部材３間の流路を、３次元的に自由に形成し、組み合わせることにより、電解質部材３の配置に応じて、高密度に流体流路を形成することが可能となり、燃料電池１の小型化が可能となる。流路４は、電解質部材３に均一な圧力で流体を流し、電気化学反応後に生成される水蒸気や水が凝集することによる流路塞がりを避けるために、好適には、流体抵抗を小さくする必要があり、例えば、流路４の幅を１ｍｍ、深さを１ｍｍとすればよい。また、流路４ピッチ（隣り合う流路４の側縁間の距離）を小さくすることが重要である。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ためには、好適には例えば、流路４の幅を０．５ｍｍ、深さを０．５ｍｍとすればよく、さらに流路４のピッチを０．５ｍｍと小さくし、流路４の本数を増やすことで、流体の均一供給性を上げることも可能である。ただし、燃料電池１の仕様に応じて、流路の幅，深さ，開口の数、大きさ、配置を決めればよい。
【００５５】
また、燃料電池１は、電解質部材３上で隣接する流路４を流れる燃料の向きが逆向きであることが好ましい。電解質部材３上で隣接する流路を流れる燃料の向きが逆向きとした場合には、電解質部材３に供給される水（水蒸気）の量を隣接する流路同士において調整することが可能となり、各電解質部材３における発電量が同じようになるように、より高い精度で制御することができる。
【００５６】
すなわち、水蒸気量が少量の燃料が流れる通過側（流路のうち供給口からＮ個目の電解質部材３に至る部位）と電気化学反応によって生じた水によって水蒸気を多く含んだ燃料が流れる帰還側（流路のうちＮ個目の電解質部材３から排出口に至る部位）が隣接するように流路を設計することにより、電解質部材３の全域にわたり水分をより一層均一化でき、各電解質部材３の湿潤状態をより確実に精度よく均一にすることが可能となる。
【００５７】
従って、さらに出力が安定した燃料電池とすることが可能となる。
【００５８】
さらには、同一の電解質部材３において、帰還側と通過側流路が隣接するため、帰還側の流路を流れる燃料が持つ水蒸気が凝縮し、流路４が閉塞され、燃料ガスの円滑な流通の妨げになることがさらに低減されるため、より一層安定して発電を継続することができる。
【００５９】
また、上述した燃料電池１は、Ｎ個の電解質部材３が単一の容器体２内に並設されていることが好ましい。Ｎ個の電解質部材３が単一の容器体２内に並設することにより、出力が安定し、しかも単電池として取り扱うことが可能となるため、使い勝手や実用性が向上し、さらなる小型化が可能な燃料電池を提供することができる。電解質部材の数は、使用する携帯機器の電源使用に応じて決まる。なお、この場合、出力される電圧を昇圧するＤＣ／ＤＣ（Direct Current to Direct Current）コンバータといった電圧変換回路、センサによって検知された温度や湿度等の各種環境条件を取得することによって各種部材の駆動に関する指示を与える制御回路等が実装されることにより電圧を調整しても構わない。
【００６０】
さらに、上述した燃料電池１は、容器体２をセラミックスにより形成することが好ましい。図３は容器体２をセラミックスで形成した燃料電池１の構成を示す断面図であり、図４は図３の燃料電池に用いられる容器の平面図である。なお、図３および図４に示す燃料電池において図１および図２の燃料電池と同一箇所には同じ参照符を付し、重複する説明を省略するものとする。
【００６１】
図３および図４において、１は燃料電池、２は容器体、３は電解質部材、４は流路、５は供給口、６は排出口、７は集電体である。ここで集電体７は、それぞれ電解質部材３の両電極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容器体２の外部へ取り出すための導電路として機能し、タングステン、銀、銅などのメタライズにＡｕメッキされたもので構成される。
【００６２】
この実施の形態の例においては、容器体２がセラミックスから成っていることから、絶縁材料に流路が形成されており、電解質部材３で生じた電気を取り出す集電部と隣接する電解質部材３が絶縁され、電解質部材自体に不要な電気的接触をしないで済むようになっている。これにより、組立てが容易で、信頼性および安全性に優れた燃料電池を得ることができる。
【００６３】
また、容器体２をセラミックスで形成することにより、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１を得ることができる。また、セラミックはカーボン系の材料やステンレスなどの金属系の材料やプリント板等と比較して剛性や機械的強度に優れているため、容器体２の厚みを薄くする場合であっても、電解質部材３との接触抵抗を小さく抑えることができ、発電時の電圧ロスを抑制して発電性能を向上させることが可能となる。
【００６４】
容器体２を形成するセラミック材料としては、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）質焼結体、ムライト（３Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２）質焼結体、炭化珪素（ＳｉＣ）質焼結体、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）質焼結体、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）質焼結体、ガラスセラミックス焼結体等が用いられる。
【００６５】
なお、ガラスセラミックス焼結体はガラス成分とフィラー成分とから成るが、ガラス成分としては、例えばＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系，ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３系，ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３−ＭＯ系（但し、ＭはＣａ，Ｓｒ，Ｍｇ，ＢａまたはＺｎを示す），ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｍ１Ｏ−Ｍ２Ｏ系（但し、Ｍ１およびＭ２は同一または異なってＣａ，Ｓｒ，Ｍｇ，ＢａまたはＺｎを示す），ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３−Ｍ１Ｏ−Ｍ２Ｏ系（但し、Ｍ１およびＭ２は上記と同じである），ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ｍ３２Ｏ系（但し、Ｍ３はＬｉ，ＮａまたはＫを示す），ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３−Ｍ３２Ｏ系（但し、Ｍ３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。
【００６６】
また、フィラー成分としては、例えばＡｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２，ＺｒＯ２とアルカリ土類金属酸化物との複合酸化物、ＴｉＯ２とアルカリ土類金属酸化物との複合酸化物、Ａｌ２Ｏ３およびＳｉＯ２から選ばれる少なくとも１種を含む複合酸化物（例えばスピネル，ムライト，コージェライト）等が挙げられる。
【００６７】
ここで容器体２の厚みを薄くし、燃料電池１の低背化を図るには、機械的強度である曲げ強度が２００ＭＰａ以上のセラミック材料で形成することが好ましい。
【００６８】
また、容器体２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。かかる容器体２は以下のようにして製作される。すなわち、例えば、まず酸化アルミニウム粉末に希土類酸化物粉末や焼結助剤を添加、混合して、酸化アルミニウム質焼結体の原料粉末を調整する。次いで、この酸化アルミニウム質焼結体の原料粉末に有機バインダおよび分散剤を添加、混合してペースト化し、このペーストからドクターブレード法によって、あるいは原料粉末に有機バインダを加え、プレス成形、圧延成形等によって、所定の厚みのグリーンシートを作製する。そして、このグリーンシートに対して、金型による打ち抜き法、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、流路としての貫通穴、ならびに集電体７を配設するための貫通孔を形成する。なお、流路４は、金型による打ち抜きやプレス成形等により表面や内部に形成された溝であってもよい。
【００６９】
容器体２を構成するセラミックス材料に酸化アルミニウム質焼結体を用いる場合には、集電体７は、その酸化を防ぐために、タングステンおよび／またはモリブデンで形成することが好ましい。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、Ａｌ２Ｏ３を３〜２０質量部，Ｎｂ２Ｏ５を０．５〜５質量部の割合で添加してなる導体ペーストを調製する。この導体ペーストをグリーンシートの貫通孔内に充填して、貫通導体としてのビア導体を形成する。これらの導体ペースト中には、容器体２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、容器体２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。
【００７０】
なお、容器体２の表層および内層への集電体７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。
【００７１】
その後、導体ペーストを印刷し充填した所定枚数のシート状成形体を位置合わせして積層圧着した後、この積層体を、例えば非酸化性雰囲気中にて、焼成最高温度が１２００〜１５００℃の温度で焼成して、目的とするセラミックス７の容器体２、集電体７を得る。
【００７２】
また、電解質部材３にて電気化学的に生成された電気を効率よく外部に取り出すという観点においては、集電体７の比電気抵抗を０.１ミリΩｃｍ以下に設定することが好ましい。このような材料としては、銀，銀系の金属，銅，銅系の金属等が挙げられる。例えば、容器体２をガラスセラミックス焼結体で形成し、集電体７を銅や銅系の金属とすることにより、容器体２を集電体７と同時焼成して低抵抗の配線導体を容易に形成することができる。
【００７３】
さらに、容器体２に形成された集電体７を含むすべての導体の体積は、容器体２の体積の０．５％以上であるのが好ましい。これにより、容器体２に形成された導体の抵抗が小さくなり、電解質部材３にて電気化学的に生成された電気を効率よく外部に取り出すことができる。
【００７４】
またさらに、容器体２を構成する一対の容器の少なくとも一方に、半田やロウ付け等により外部接続用端子（図示せず）を接合しておいてもよい。外部接続用端子は、電子機器の主となる電子回路を形成するためのマザーボード等と良好な電気接続が行なえる形状であることが望ましい。このような形状としては、例えば、電子機器の主となる電子回路に端子同士を接触や挿入することにより簡単に電気的，機械的に接続することができるような棒状、鉤状、円錐状等のものが用いられる。なお、電子機器の主となる電子回路のうち、このような外部接続用端子が接続される部位には、この外部接続用端子に対応した嵌合部（穴など）を設けておくことが好ましい。さらに、外部接続用端子を容器体の側面に配置することで、電子機器の低背化を行なうことができる。
【００７５】
さらにまた、容器体２をセラミックスにより形成する場合、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、容器体２同士を取着したときに発生する応力により、容器体２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１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。
【００７６】
燃料電池１は、容器体２の内面に電解質部材３に当接される集電体７が電解質部材と１対１に対応して形成されているとともに、これら集電体７を直列接続して外部に導出されていることが好ましい。
【００７７】
集電体７は、それぞれ電解質部材３の両電極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容器体２の外部へ取り出すための導電路として機能する。
【００７８】
集電体７は、複数個が互いに電気的に絶縁されて配列形成されているとともに、隣接する燃料極および空気極のそれぞれで直列に接続されていることから、複数個の電解質部材３を電気的に直列接続することが可能となる。その結果、一つ一つの電解質部材３の発電が小さくても、直列接続により合計の電圧の調整ができるため、電解質部材３にて電気化学的に生成された電気を良好な状態で外部に取り出すことが可能となる。
【００７９】
集電体７は、容器体２の凹部の底面の電解質部材３の電極に対向する流路の開口部の周辺に、好ましくは電解質部材３の電極が接触する部位の面の全域に一端が当接するように形成されている。これにより、電解質部材３の電極と集電体７との接触面積を大きくすることができることから、電気抵抗の増大化および接触不良を有効に抑えることができ、高い発電効率を有した燃料電池１を提供することができる。
【００８０】
また、集電体７は、電解質部材３の電極に接触させやすいように容器体の凹部の底面より１０μｍ以上高くするように形成するのが望ましい。この高さを得るためには、前述したように導体ペーストを印刷塗布して形成する際に、印刷条件を厚くするように設定すればよい。また、集電体７は電解質部材３の電極に対向させて複数配置し、集電体７による電気損失を減少させることが望ましく、集電体７の容器体２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。
【００８１】
これら集電体７および外部接続用端子には、その露出する表面に良導電性で、かつ、耐蝕性およびロウ材との濡れ性が良好な金、白金およびパラジウム等の金属をメッキ法により被着させておくと、これらの導体と電子機器の主となる電子回路を形成するためのマザーボード等との電気的接続を良好とすることができる。
【００８２】
そして、これら集電体７と電解質部材３の電極との電気的な接続は、容器体２同士で電解質部材３を挟み込むことによって、集電体７と電解質部材３の電極とを圧着接触させて電気的接続させる等の構成によって行なえばよい。
【００８３】
なお、本発明は以上の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更、改良等が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】本発明の実施の形態にかかる燃料電池の一例を示す断面図である。
【図２】図１の燃料電池に用いられる容器の平面図である。
【図３】本発明の実施の形態にかかる燃料電池の他の例を示す断面図である。
【図４】図３の燃料電池に用いられる容器の平面図である。
【図５】従来の燃料電池の断面図である。
【図６】図５の燃料電池に用いられる容器の平面図である。
【符号の説明】
【００８５】
１：燃料電池
２：容器体
３：電解質部材
４：流路
５：供給口
６：排出口
７：集電体
【図１】
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【図２】
2006278164.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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