(57)【要約】燃料電池（１）において、燃料流体または酸化剤流体の通路となる凹部（１０）を画定する各セパレータ（１１、１２）の両面を結ぶ貫通導電路をセパレータ（１１、１２）を貫通する貫通孔（３３）の側壁を覆う第２導電膜（３６）により形成し、第２導電膜（３６）によって、凹部（１０）内に設けた突起（３０）の上面をなす第１導電膜（３５）と、セパレータ（１１、１２）の凹部（１０）が形成されたのとは相反する側の面を覆う第３導電膜（３７）とを接続するものとした。
2005528742.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
電解質層と、
前記電解質層を挟む一対の触媒電極層と、
前記電解質層に向いた第１面と、該第１面に相対する第２面とを有し、前記第１面に前記触媒電極層に接する燃料流体または酸化剤流体が通る凹部が形成された一対のセパレータと、
各セパレータの前記第１面から前記第２面へと貫通する１または複数の貫通孔と
各セパレータの前記第１面の少なくとも一部を覆い前記燃料電池の組み立て状態において関連する前記触媒電極層に電気的に接続する第１導電膜と、
前記貫通孔の側壁の少なくとも一部を覆い且つ前記第１導電膜と電気的に接続された第２導電膜と、
前記一対のセパレータの前記第２面の少なくとも一部を覆い且つ前記第２導電膜と電気的に接続された第３導電膜とを有することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記一対のセパレータの前記凹部内に設けられた少なくとも１つの突起を有し、
前記第１導電膜が、前記突起の上面の少なくとも一部を構成し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】
前記一対のセパレータの各々が、複数の前記凹部を有し、それによって複数の燃料電池セルが共通の平面上に配列され、各セパレータの前記第２面上には前記複数の燃料電池セルに対応して複数の前記第３導電膜が形成され、
当該燃料電池は、前記複数の燃料電池セルを電気的に接続するべく前記一対のセパレータの前記第２面上の前記第３導電膜に接する１以上の電気接続部材を有す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】
前記セパレータが、無機材料からなる基板をエッチングする過程を含むプロセスにより形成されたものであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項５】
前記第１〜第３導電膜が、物理蒸着（ＰＶＤ）、化学蒸着（ＣＶＤ）、スピンコート、スパッタリングまたはスクリーン印刷のいずれかにより、金属材料を前記一対のセパレータ上に成膜することで形成されたものであることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記貫通孔の各々が前記セパレータの前記第１面から前記第２面へ向けて拡開するよう各貫通孔の前記側壁が傾斜していることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記貫通孔が前記突起に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記貫通孔が前記凹部の底面に設けられ、前記第１導電膜の少なくとも一部が前記凹部の前記底面上を延在し、前記凹部の前記底面に設けられた前記貫通孔の側壁上の第２導電膜に接続し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９】
前記基板が半導体材料からなり、前記第１導電膜と前記セパレータの前記第１面との間、前記第２導電膜と前記貫通孔の前記側壁との間、及び前記第３導電膜と前記セパレータの前記第２面との間に絶縁膜が形成されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記セパレータの各々と関連する触媒電極層との間に導電性を有する拡散層を具備することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項１１】
燃料電池用セパレータであって、
第１面と、
前記第１面と相対する第２面と、
前記第１面と第２面の少なくとも一方に形成された燃料流体または酸化剤流体が通る凹部と、
前記セパレータの前記第１面から前記第２面へと貫通する１または複数の貫通孔と、
前記セパレータの前記第１面の少なくとも一部を覆う第１導電膜と、
前記貫通孔の側壁の少なくとも一部を覆い且つ前記第１導電膜と電気的に接続された第２導電膜と、
前記セパレータの前記第２面の少なくとも一部を覆い且つ前記第２導電膜と電気的に接続された第３導電膜とを有することを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池及びそのセパレータに関する。特にエッチングなどの半導体プロセスまたはマイクロマシンプロセスを用いて形成されたセパレータを有する小型燃料電池及びそのセパレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質層の両側に一対の触媒を担持した電極を取り付け、一方の電極に水素やアルコール等の燃料流体、他方の電極に酸素や空気などの酸化剤流体を供給し、電気化学反応を起こさせて電気を発生させるものである。多種多様な燃料電池が提案されている。多くのものは、液体の電解質を用いるものであるが、固体電解質を用いるものが、製造及び取り扱いの点で優れているために、好まれるようになってきた。
【０００３】
このような固体電解質型燃料電池の単セルから発生する電圧は通常１Ｖ以下のオーダであるが、多くの用途においてそれよりもかなり高い電圧が必要とされる。そのため、複数のセルを電気的に直列接続する必要がある。典型的にはそのような直列接続は複数の燃料電池セルを積層し、燃料電池セルスタックを形成することにより実現されるが、複数のセルを平面的に配置したシート状の燃料電池も提案されている（国際公開番号ＷＯ０１／９５４０６号）。
【０００４】
この燃料電池では、燃料ガス（例えば水素）及び酸化剤ガス（例えば酸素）を流す流路を定めるべく電解質層を挟むように設けられるセパレータ（配流板）に複数のセルに対応したガス流路として働く複数の凹部がマトリクス状に形成され、隣接する凹部は異なるガス供給系に接続され、それによって極性の異なるセルが隣接して配置される。各燃料電池セルは、電解質層の両面にガス流路（または配流板の凹部）に面して設けられた白金（Ｐｔ）触媒を含むカーボンシート等からなるガス拡散電極によって、例えば全体に直列接続をなすように、隣接するセルに接続される。ガス拡散電極は多孔質であることから抵抗値が大きくなりがちであるため、セル間接続をセパレータの電解質層に対向する側の面に例えば金を蒸着することなどにより形成した導電膜によって行い抵抗を低減することも提案されている。
【０００５】
上記したような複数セルを画定するセパレータなどの部品は、例えば単結晶シリコンやガラスからなる基板のエッチングといった半導体プロセスまたはマイクロマシンプロセスを用いて好適に形成することができる。特に、バッテリー等の代わりに用いられるような出力１〜１００Ｗ程度のセルを含む小型燃料電池用のセパレータの製作には高い精度が要求されるため機械加工を行うことは困難であるが、半導体プロセスまたはマイクロマシンプロセスを用いることでそのようなセパレータを精度高く且つ効率よく形成することができる。
【０００６】
上記によれば複数の燃料電池セルを接続したシート状（または平板型）燃料電池を実現することができるが、セル間接続を行うガス拡散電極または導電膜は電解質層とセパレータの間に位置しているため、いったん燃料電池を組み上げるとセル間接続を変更することは実質的に不可能であった。
【０００７】
また、燃料電池が一つのみのセルからなる場合であっても、セパレータの外面に外部との接続のための電極を配置することが望まれる場合がある。例えばそのような構造により、燃料電池を複数個積層して直列接続して燃料電池スタックを形成するのが容易になる。図１４に、そのようなセパレータの外面に電極を設けることが可能な燃料電池の一例を示す。この燃料電池１００は、燃料流体（例えば水素ガス）または酸化剤流体（例えば酸素ガス）が流れる流体通路を定める凹部１１０が形成された例えばシリコンからなる一対のセパレータ１１１、１１２と、両セパレータ１１１、１１２の間に挟まれた電解質層１１３と、電解質層１１３の両面にセパレータ１１１、１１２の凹部１１０と向かい合うように設けられた拡散電極１１４とを有している。各拡散電極１１４は、電解質層１１３に接触する触媒電極層１１５と、セパレータ１１１、１１２の凹部１１０に隣接する拡散層１１６とを含む。この燃料電池１００では、各セパレータ１１１、１１２の表面が例えば蒸着などにより形成される導電膜１２０で覆われており、それにより、拡散電極１１４に接する各セパレータ１１１、１１２の内面から、内面と相反する外面へと導電膜１２０を通じて拡散電極１１４の電位を伝達することが可能であり、外面に外部との接続のための電極１２１を設けることができる。しかしながら、この燃料電池１００では、導電膜１２０によって定められる導電路が長くなり、燃料電池１００の内部抵抗が大きくなるという問題がある。またセパレータ１１１、１１２の上面及び下面には導電膜１２０を均一に被着させることは比較的容易であるが、上面または下面に垂直な側面部に導電膜１２０を均一に被着させることは困難であり、側面部の導電膜１２０が不所望に薄くなると、それによっても燃料電池１００の内部抵抗が増大し得る。
【０００８】
特開２０００−１７３６２９号には、例えば複数の金属ピンまたは複数の突起部を有する金属板をインサートモールド用金型に配置し、そこに溶融した樹脂材料を射出して一体成形することによりセパレータを形成し、金属ピンまたは金属板がセパレータの樹脂を貫通するようにすることが開示されている。これによればセパレータの内面に接触する電極（アノードまたはカソード）の電位をこれら金属ピンまたは金属板を通じてセパレータの外面に取り出すことが可能である。また、こうして得られる導電路はセパレータ表面を覆うのではなくセパレータを貫通していることから、導電路が短くなり、燃料電池の内部抵抗もより小さくすることができる。しかしながら、このような方法は、単結晶シリコンやガラスなどの無機材料からなる基板をエッチングすることで形成されるセパレータには適用することができない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は上記したような従来の問題を解決するためのものであり、その主たる目的は、エッチングなどの半導体プロセスまたはマイクロマシンプロセスを用いて形成され且つ１以上の貫通導電路を備えた一対のセパレータを有する小型燃料電池を提供することである。
【００１０】
本発明の第２の目的は、同一平面上に配置された複数のセルを有し、これらセルの電気接続が容易な小型燃料電池を提供することである。
【００１１】
本発明の第３の目的は、エッチングなどの半導体プロセスまたはマイクロマシンプロセスを用いて形成され且つ１以上の貫通導電路を備えた燃料電池用セパレータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため本発明の一側面によると、燃料電池（１）であって、電解質層（１３）と、電解質層を挟む一対の触媒電極層（１５）と、電解質層に向いた第１面と、該第１面に相対する第２面とを有し、第１面に触媒電極層に接する燃料流体または酸化剤流体が通る凹部（１０）が形成された一対のセパレータ（１１、１２）と、各セパレータの第１面から第２面へと貫通する１または複数の貫通孔（３３）と、各セパレータの第１面の少なくとも一部を覆い燃料電池の組み立て状態において関連する触媒電極層に電気的に接続する第１導電膜（３５）と、貫通孔の側壁の少なくとも一部を覆い且つ第１導電膜と電気的に接続された第２導電膜（３６）と、一対のセパレータの第２面の少なくとも一部を覆い且つ第２導電膜と電気的に接続された第３導電膜（３７）とを有することを特徴とする燃料電池が提供される。流体（通常はガス）を触媒電極層上に均一に拡散させ反応効率を向上するため、セパレータの各々と関連する触媒電極層との間に導電性を有する拡散層（１６）を具備するとよい。上記構造によれば、セパレータの第１面を覆う第１導電膜とセパレータの第２面を覆う第３導電膜とを接続する貫通孔の側壁を覆う第２導電膜が貫通導電路として機能する。
【００１３】
これにより、セパレータが無機材料からなる基板をエッチングする過程を含む半導体プロセスまたはマイクロマシンプロセスを用いて形成される場合でも、第１〜第３導電膜を物理蒸着（ＰＶＤ）、化学蒸着（ＣＶＤ）、スピンコート、スパッタリング、スクリーン印刷などを用いて容易に形成することができ、１以上の貫通導電路を備えた一対のセパレータを有する小型燃料電池を実現することができる。このように貫通導電路を設けることで、燃料電池の内部抵抗を増大することなく、セパレータ外面に電極を設けることが可能である。
【００１４】
好適には、燃料電池は、一対のセパレータの凹部内に設けられた少なくとも１つの突起（３０、５５、５６）を有し、第１導電膜が突起の上面の少なくとも一部を構成する。このようにすることで、凹部内において良好な流体の流れを確保しつつ、第１導電膜と触媒電極層（または拡散層）との間に十分な接触面積を実現することができる。
【００１５】
一対のセパレータの各々が複数の凹部を有し、それによって複数の燃料電池セル（２５ａ〜２５ｄ）が共通の平面上に配列され、各セパレータの第２面上には複数の燃料電池セルに対応して複数の第３導電膜が形成される場合、当該燃料電池は、複数の燃料電池セルを電気的に接続するべく一対のセパレータの第２面上の第３導電膜に接する電気接続部材（２６ａ〜２６ｉ）を有するとよい。これにより、電気接続部材の配置を変えるだけで、複数の燃料電池セルの接続を容易に変えることができる。
【００１６】
好適には、貫通孔の各々がセパレータの第１面から第２面へ向けて拡開するよう各貫通孔の側壁が傾斜する。これにより、例えば蒸着により第２導電膜を貫通孔の側壁上に成膜する場合、均一な厚さの第２導電膜を容易に形成することができる。このような傾斜した側壁を有する貫通孔は、例えばシリコン基板（５０）をウェットエッチングすることにより形成することができる。
【００１７】
一実施例では、貫通孔がセパレータの凹部内に設けられた突起に形成される。その場合、第１導電膜が突起の上面の少なくとも一部をなすようにすると、第１導電膜と第２導電膜の接続が容易である。別の実施例では、貫通孔を凹部の底面に設け、第１導電膜の少なくとも一部が凹部の底面上を延在し、凹部の底面に設けられた貫通孔の側壁上の第２導電膜に接続するようにしてもよい。これにより突起内に貫通孔を設けることが不要になるため、突起の上面の第１導電膜を平坦にして第１導電膜と触媒電極層（または拡散層）との間の接触面積を増大し、燃料電池の内部抵抗をより一層低減することができる。
【００１８】
また、セパレータを構成する基板が半導体からなるような場合において、より確実な絶縁特性をもたせたい場合、第１導電膜とセパレータの第１面との間、第２導電膜と貫通孔の側壁との間、及び第３導電膜とセパレータの第２面との間に絶縁膜（５１、５２、５３）を形成することもできる。
【００１９】
本発明の別の側面に基づくと、燃料電池用セパレータ（１１、１２）であって、第１面と、第１面と相対する第２面と、第１面と第２面の少なくとも一方に形成された燃料流体または酸化剤流体が通る凹部（１０）と、セパレータの前記第１面から前記第２面へと貫通する１または複数の貫通孔（３３）と、セパレータの第１面の少なくとも一部を覆う第１導電膜（３５）と、貫通孔の側壁の少なくとも一部を覆い且つ第１導電膜と電気的に接続された第２導電膜（３６）と、セパレータの第１導電膜が設けられた面とは反対側の面の少なくとも一部を覆い且つ第２導電膜と電気的に接続された第３導電膜（３７）とを有することを特徴とする燃料電池用セパレータが提供される。このように、貫通導電路を貫通孔の側壁を覆う第２導電膜により実現することで、セパレータが無機材料からなる基板をエッチングする過程を含む半導体プロセスまたはマイクロマシンプロセスを用いて形成される場合でも、容易に貫通導電路を形成することができる。
【００２０】
本発明の特徴、目的及び作用効果は、添付図面を参照しつつ好適実施例について説明することにより一層明らかとなるだろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１は、本発明に基づく燃料電池の好適実施例を示す分解斜視図である。この燃料電池１は、燃料流体（例えば水素ガス）または酸化剤流体（例えば酸素ガス）が流れる流体通路を定める複数（本例では４つ）の概ね四角形の凹部１０がマトリクス状に配置されるよう形成された一対のセパレータ１１、１２と、両セパレータ１１、１２の間に挟まれた電解質層１３とを有している（図の上側のセパレータ１１では下面に凹部１０が形成され、下側のセパレータ１２では上面に凹部１０が形成されている）。各凹部１０は、例えば１４ｍｍ×１４ｍｍの寸法とすることができる。
【００２２】
電解質層１３の両面にはセパレータ１１、１２の凹部１０と向かい合うように、対応する複数の拡散電極１４が設けられている。各拡散電極１４は、電解質層１３に接触する触媒電極層１５と、セパレータ１１、１２の凹部１０に隣接する拡散層１６とを含む（図４）。触媒電極層１５は通常触媒として白金を担持したカーボンからなり、拡散層１６はカーボンペーパーやカーボンクロスなどの導電性の多孔質材料からなるものとすることができる。触媒電極層１５と拡散層１６とを別体としてもよい。場合によっては、拡散層１６を省略することも可能である。
【００２３】
更に、各セパレータ１１、１２と電解質層１３との間にはシール板１８、１９が設けられている。各シール板１８、１９は、拡散電極１４と概ね同じ厚み（例えば３５０μｍ）を有し、セパレータ１１、１２の凹部１０と整合した位置に拡散電極１４よりやや大きい開口１７が形成され、動作時に各凹部１０内に供給される流体がセパレータ１１、１２と電解質層１３との間から不所望に漏れ出すのを防止する働きをする。尚、本明細書において、セパレータ１１、１２の電解質層１３に向いた面を第１面（または内面）、反対側の面を第２面（または外面）と呼ぶ。
【００２４】
セパレータ１１、シール板１８、電解質層１３、シール板１９、セパレータ１２をこの順番に重ね、各シール板１８、１９の開口１７内に対応する拡散電極１４を配置した状態で、それらを一体に接着することで燃料電池１が形成される。この例では一方のセパレータ１１の一つの流体通路（凹部）１０と、これに対向する他方のセパレータ１２の流体通路１０と、これら対向する流体通路１０の間に配置された一対の拡散電極１４と、その間の電解質層１３とにより一つの燃料電池セルが形成されるため、燃料電池１全体では平面上に配置された４つの燃料電池セル２５ａ〜２５ｄが形成される（図５ａ等参照）。尚、図示した例では燃料電池１は、４つのセル２５ａ〜２５ｄに対して共通の一つの電解質層１３を有しているが、セル２５ａ〜２５ｄの各々に対して別個の電解質層１３を設けてもよい。
【００２５】
本分野ではよく知られているように、各セル２５ａ〜２５ｄの電気極性は流体通路１０に流れる流体によって決定される。即ち、水素ガス（Ｈ２）などの燃料流体に接触する拡散電極１４は負極となり、酸素ガス（Ｏ２）などの酸化剤流体に接する拡散電極１４は正極となる。尚、燃料流体として供給するＨ２はアルコール等を改質することで生成可能であり、酸化剤流体としてはＯ２を含む空気を用いることができる。また、当業者であれば容易に理解できるように、燃料流体及び酸化剤流体はガスでなくアルコールや過酸化水素のような液体とすることもできる。
【００２６】
更にこの燃料電池１は、後に詳述するように、４つの燃料電池セル２５ａ〜２５ｄを直列、並列などの所望の接続形態で接続するためセパレータ１１、１２の外面（流体通路１０が形成された面と反対側の面）に取着される電気接続部材としての複数の導電板２６を有する。
【００２７】
図２は図１に示したセパレータ１１、１２をより詳細に示す一部破断した部分拡大斜視図、図３はセパレータ１１（１２）の一つの凹部１０を示す部分平面図、図４は導電板２６を取り付ける前の組上がった状態における燃料電池１のセル一つ分を示す断面図である。尚、図２及び図３ではセパレータ１１（１２）に密着されたシール板１８（１９）も共に示されている。
【００２８】
これらの図によく示されているように、この実施例では、セパレータ１１、１２に設けられた四角形の各凹部（流体通路）１０は複数の平行に伸びる突条３０を有し、これら突条の間に細長い溝（レーン）３１が形成され、これらの溝３１に燃料流体または酸化剤流体が流れるようになっている。そのため、各溝３１の両端部には燃料流体または酸化剤流体の出入りが可能なように開口（流体ポート）３２が設けられている。溝３１の深さ（即ち突条３０の高さ）は例えば２００μｍとすることができ、幅は例えば１ｍｍとすることができる。このような複数の溝３１を有する流体通路１０の形成されたセパレータ１１、１２は、シリコンやガラスなどの無機材料からなる基板をエッチングなどにより加工することで好適に形成することができる。
【００２９】
図２及び図４によく示されているように、本発明によると、セパレータ１１、１２の凹部１０内の各突条３０にはセパレータ１１、１２の第１面から第２面へと貫通する貫通孔３３が形成され、各貫通孔３３の第１面側の開口は第１導電膜３５で覆われ、第１導電膜３５が突条３０の上面を形成している。突条３０に沿って延在する貫通孔３３を各突条３０につき一つ設けてもいいし、各突条３０に対して複数の貫通孔３３を設けてもよい。各貫通孔３３の側壁は第２導電膜３６で覆われ、セパレータ１１、１２の第２面は各セル２５ａ〜２５ｄに対応した複数の第３導電膜３７で覆われている。これにより、突条３０の上面の第１導電膜３５は対応する貫通孔３３の側壁の第２導電膜３６を介してセパレータ１１（１２）の第２面の対応する第３導電膜３７に接続される。図４の断面図に示すように、燃料電池１を組み上げた際、突条３０の上面の第１導電膜３５は関連する拡散電極１４に接触する。これにより、各拡散電極１４の触媒電極層１５は拡散層１６を介して第１導電膜３５に電気的に接続される。従って、各触媒電極層１５は、関連する第１導電膜３５及び第２導電膜３６を介して、セパレータ１１（１２）の第２面（外面）の対応する第３導電膜３７に電気的に接続される。これにより、以下に説明するように、セル２５ａ〜２５ｄに対応するセパレータ１１（１２）の第２面の第３導電膜３７を適切な導電板２６で接続することにより、セル２５ａ〜２５ｄを任意の接続形態で電気的に接続することが容易にできる。
【００３０】
図５ａ及び図５ｂは、導電板２６によるセル２５ａ〜２５ｄの接続例を示す模式図である。この例では、導電板２６は、燃料電池１の上面側に配置された３つの導電板２６ａ〜２６ｃと、下面側に配置された２つの導電板２６ｄ、２６ｅとを含む。図５ａは、図１に示した燃料電池１の上面側の導電板２６ａ〜２６ｃの配置を、図５ｂは下面側の導電板２６ｄ、２６ｅの配置を示し、どちらも上側から見た配置を示している。尚、この例では４つのセル２５ａ〜２５ｄのうち、対角線に位置するセルは同じ極性であり、左右方向または上下方向に位置するセルは逆の極性とする（例えば図５ａにおいて記号で示すように、左上と右下に位置するセル２５ａ、２５ｄでは上面側に負電圧が現れ、右上と左下に位置するセル２５ｂ、２５ｃでは上面側に正電圧が現れるものとする）。
【００３１】
図５ａ、図５ｂに示した例では、燃料電池１の上面側において左下のセル２５ｃと右下のセル２５ｄが導電板２６ｃで接続され、下面側において左上のセル２５ａと左下のセル２５ｃ、及び、右上のセル２５ｂと右下のセル２５ｄが導電板２６ｄ、２６ｅでそれぞれ接続されている。これにより、上面側において左上のセル２５ａに接続する導電板２６ａと、右上のセル２５ｂに接続する導電板２６ｂとの間で４つのセル２５ａ〜２５ｄが、セル２５ａ→セル２５ｃ→セル２５ｄ→セル２５ｂの順で直列に接続される。尚、導電板２６ａ〜２６ｅの各々には、セパレータ１８、１９の各凹部１０の底面に設けられた流体出入り口として機能する開口３２を露出してそれら開口３２を燃料流体または酸化剤流体の供給源（図示せず）またはそれら流体の排出路（図示せず）と接続することが可能なように、所定の位置に開口または切り欠き４０が形成されている。
【００３２】
図６ａ、図６ｂは、導電板２６によるセル２５ａ〜２５ｄの接続の別の例を示す図５ａ、図５ｂと同様の模式図である。図６ａ、図６ｂにおいて図５ａ、図５ｂと同様の箇所には同じ符号を付して詳しい説明を省略する。この例では左右方向のセルは同じ極性であり、左上のセル２５ａと右上のセル２５ｂは上面に正電圧が現れ、左下のセル２５ｃと右下のセル２５ｄは上面に負電圧が現れるものとする。図６ａに示すように燃料電池１の上面側において左上のセル２５ａと右下のセル２５ｄが導電板２６ｆにより接続され、図６ｂに示すように燃料電池の下面側において上下方向に整列したセル２５ａとセル２５ｃ及びセル２５ｂとセル２５ｄが導電板２６ｄ、２６ｅによってそれぞれ接続されている。これにより、上面側において左下のセル２５ｃに接続する導電板２６ａと、右上のセル２５ｂに接続する導電板２６ｂとの間で４つのセル２５ａ〜２５ｄがセル２５ｃ→セル２５ａ→セル２５ｄ→セル２５ｂの順で直列に接続される。このように、４つのセル２５ａ〜２５ｄを直列に接続する場合、直列接続の端に位置するセルを任意に選択することができる。
【００３３】
図７ａ、図７ｂは、導電板２６によるセル２５ａ〜２５ｄの接続の更に別の例を示す図５ａ、図５ｂと同様の模式図である。図７ａ、図７ｂにおいて図５ａ、図５ｂと同様の箇所には同じ符号を付して詳しい説明を省略する。この例では、図７ａにおいて記号で示すように、上下方向のセルは同じ極性であり、左上のセル２５ａと左下のセル２５ｃは上面側に負電圧が現れ、右上のセル２５ｂと右下のセル２５ｄは上面側に正電圧が現れるものとする。図７ａに示すように燃料電池１の上面側において同じ極性のセル同士（即ち、セル２５ａとセル２５ｃ、セル２５ｂとセル２５ｄ）が導電板２６ｇ、２６ｈにより接続され、図７ｂに示すように燃料電池１の下面側において４つのセル２５ａ〜２５ｄ全てが導電板２６ｉによって接続されている。これにより、上面と下面の間で、２組の並列接続されたセルを直列に接続することができる。このように、セル２５ａ〜２５ｄの極性、導電板２６（２６ａ〜２６ｉ）の形状／配置等を変えることにより、所望のセルの電気接続パターンを実現することができる。
【００３４】
使用時、上記したような本発明に基づく燃料電池１及び図１４に示した従来の燃料電池１００を負荷（図示せず）に接続される。図８は、負荷の大きさを変えたとき負荷に印加される電圧と、負荷に流れる電流（より詳しくは電流密度）の関係を示したグラフである。尚、両燃料電池１、１００において極力同じ部品を用い、無負荷時（即ち電流がゼロの時）の出力電圧が概ね同じになるようにした。図示されているように、本発明に基づく燃料電池１は、従来の燃料電池１００に比べて、負荷が大きい場合（即ち電流が大きい）でも、負荷に供給される電圧の低下が小さい、即ち、燃料電池１の内部抵抗が小さい。これは図１４に示した燃料電池１００では、セパレータ１１１、１１２の表面を覆う導電膜（表面電極）１２０によりセパレータ１１１、１１２の第１面と第２面を結ぶ導電路を形成しているのに対し、本発明の燃料電池１では、第１〜第３導電膜３５〜３７によりセパレータ１１、１２を貫通する導電路（貫通電極）が形成されていることによる。
【００３５】
図９ａ〜図９ｅ及び図１０ａ〜図１０ｅを参照して上記したような本発明に基づく燃料電池１のセパレータ１１（１２）の好適な製造方法について以下に説明する。尚、これらの図において上記した実施例と対応する部分には同じ符号を付した。
【００３６】
まず、図９ａに示すように、例えば単結晶シリコンからなる厚さ約４００μｍの基板５０を硫酸等を用いて洗浄した後、スパッタリングにより上面及び下面に絶縁膜として例えば厚さ０．５μｍの窒化シリコン膜５１、５２を形成する。
続いて図９ｂに示すように、マスク（図示せず）を用いて反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を行い、貫通孔３３が形成される部分において基板５０上面の窒化シリコン膜５１を除去した後、図９ｃに示すように例えば物理蒸着（ＰＶＤ）により基板５０の上面に厚さ約４μｍの第１導電膜３５を形成する。第１導電膜３５は例えばチタン（Ｔｉ）層の上に金（Ａｕ）層を設けた２層構造とするとよい。チタンは窒化シリコンと金の密着性を高める働きをし、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）を代わりに用いることもできる。また、金の代わりにニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、プラチナ（Ｐｔ）、鉄（Ｆｅ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、ドープしたシリコン、ポリシリコンなどの他の導電性材料を用いることもできる。物理蒸着の他に化学蒸着（ＣＶＤ）、スピンコート、スパッタリング、スクリーン印刷などの他の成膜方法を用いてもよい。
【００３７】
次のステップでは、図９ｄに示すように、マスク（図示せず）を用い貫通孔３３を形成する部分において基板５０の下面側の窒化シリコン膜５２をエッチングにより除去した後、例えばＫＯＨ水溶液などのアルカリ水溶液を用いたウエットエッチングを行い、シリコン基板５０に上面の第１導電膜３５に達する貫通孔３３を形成する。このプロセスは異方性エッチングであるため、シリコンの結晶方位を反映して貫通孔３３の側壁は所定の角度で傾斜し、貫通孔３３の断面形状は基板５０の上面から下面へ向かって（即ち、セパレータ１１（１２）の第１面から第２面へ向かって）拡開した形状となる。
【００３８】
続いて、図９ｅに示すように、図３に示したステップと同様にＴｉ、Ａｕなどの金属材料を基板５０の下面側から蒸着し、貫通孔３３の側壁及び基板５０の下面に例えば厚さ約４μｍの第２導電膜３６、第３導電膜３７を形成する。このとき貫通孔３３の上側開口を覆っている第１導電膜３５にも下側から金属が蒸着されるため、第１導電膜３５の厚みが増す。また、上記したように貫通孔３３の側壁が傾斜しているため蒸着金属が付着しやすく、十分な厚さのむらのない第２導電膜３６を好適に成膜することができる。尚、図９ｄのステップでウェットエッチングの代わりにドライエッチングなどにより貫通孔３３を形成し、側壁が傾斜しないようにすることもできるが、側壁上に第２導電膜３６を均一に形成することはウェットエッチングにより貫通孔３３を形成した場合に比べると困難となり得る。
【００３９】
図１０ａに示すステップでは、基板５０の上面側においてマスク（図示せず）を用いてエッチングを行い、流体通路１０内の突条３０の上面をなす部分の第１導電膜３５は残し、溝（レーン）３１を形成する部分の第１導電膜３５を除去する。また同様に、図１０ｂに示すステップでは、基板５０の下面側においてマスク（図示せず）を用いてエッチングを行い、流体ポート３２を形成する部分において第３導電膜３７を除去する。
【００４０】
続いて図１０ｃに示すステップでは、マスク（図示せず）を使用し、基板５０の下面側で反応性イオンエッチングを行い、流体ポート３２を形成すべき箇所において窒化シリコン膜５２を除去する。また、図１０ｄに示すように、マスク（図示せず）を用いて基板５０の上面側で反応性イオンエッチングを行い、溝３１を形成すべき箇所において窒化シリコン膜５１を除去する。
【００４１】
そうして、図１０ｅに示すように、ＫＯＨ水溶液を用いてウェットエッチングを行い、基板５０の上面側と下面側から露出されたシリコンをエッチングして突条３０、溝３１及び流体ポート３２を形成し、セパレータ１１（１２）が完成する。
【００４２】
このように本発明によれば、セパレータ１１（１２）をシリコンなどの無機材料からなる基板５０のエッチングを含む半導体プロセスまたはマイクロマシンプロセスを用いて形成する場合において、セパレータ１１（１２）の第１面（図９ａ〜図１０ｅでは上面）と第２面（図９ａ〜図１０ｅでは下面）を結ぶ導電路をセパレータ１１（１２）を貫通する貫通孔３３の側壁を覆う第２導電膜３６により実現し、それにより突条３０の上面をなす第１導電膜３５と、セパレータ１１（１２）の第２面を覆う第３導電膜３７とを接続することができる。上記したように、これら第１〜第３導電膜３５〜３７は、蒸着などの半導体プロセスまたはマイクロマシンプロセスを用いて形成することができるため、インサートモールド等を行う必要がなく、従って、そのような導電路を含むセパレータ１１（１２）を高い生産性で且つ精度良く形成することが可能である。
【００４３】
セパレータ１１（１２）の材料としてシリコンのような半導体を用いている場合、要求性能上、十分な絶縁性を得られない場合がある。そのような場合、貫通孔３３の内部の側壁を絶縁膜で覆い、その上に第２導電膜３６を形成するとよい。即ち、図９ｄと図９ｅに示すステップの間に、図１１ａに示すように貫通孔３３の側壁を例えば窒化シリコン膜５３で覆うとよい。窒化シリコンの代わりに酸化シリコンや金属酸化物を用いることもできる。またコーティング法としては、物理蒸着（ＰＶＤ）、化学蒸着（ＣＶＤ）などの気相法、スピンコーティングなどの湿式法を用いることができる。他のプロセスは図９ａ〜図１０ｅを参照して説明したのと同様である。図１１ｂは、そのような図１１ａに示したステップを含む製造方法で製造されたセパレータ１１（１２）の図１０ｅと同様の部分断面図である。
【００４４】
本発明を実施例に基づいて詳細に説明したが、これらの実施例はあくまでも例示であって本発明は実施例によって限定されるものではない。当業者であれば特許請求の範囲によって画定される本発明の技術的思想を逸脱することなく様々な変形若しくは変更が可能であることは言うまでもない。例えば、上記実施例では各流体通路（または凹部）１０は複数の突条３０とその間の溝３１とを有するものとしたが、別の形状とすることもできる。例えば図１２ａ及び図１２ｂの平面図に示すように例えば直径約０．５ｍｍの断面円形の複数の支柱５５、或いは、例えば一辺の長さが約０．７ｍｍの断面が四角形の複数の支柱５６を含むものとし、これら支柱５５、５６の各々を貫通する例えば直径０．１ｍｍの導電路（図示せず）を形成してもよい。このように凹部１０内の突起は様々な形状とすることができる。また、上記実施例では基板５０（またはセパレータ１１、１２）を貫通する貫通孔３３を突条３０に設けたが、図１３に示すように、貫通孔３３ａを溝３１（即ち凹部１０の底面）に形成し、突条３０の上面をなす第１導電膜３５を溝３１の底面に設けた貫通孔３３ａまで延在させて貫通孔３３ａの側壁上の第２導電膜３６ａと接続してもよい。この場合、突条３０内に貫通孔を設ける必要がないことから、突条３０の上面の第１導電膜３５を概ね平坦にすることができ、それにより第１導電膜３５が拡散電極１４に接する面積が増大する。更に、上記実施例ではセル２５ａ〜２５ｄの電気接続を導電板２６（２６ａ〜２６ｉ）により行ったが、導電板２６（２６ａ〜２６ｉ）の代わりにセパレータ１１、１２の外面に成膜される導電膜を用いることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
上記したように、本発明によれば、燃料流体または酸化剤流体の通路となる凹部１０を画定する各セパレータ１１、１２の両面を結ぶ貫通導電路をセパレータ１１、１２を貫通する貫通孔３３の側壁を覆う第２導電膜３６により形成し、それによって、凹部１０内に設けた突起３０の上面をなす第１導電膜３５と、セパレータ１１、１２の凹部１０が設けられたのとは相反する側の面を覆う第３導電膜３７とを接続するものとした。これにより、セパレータ１１、１２がエッチングなどの半導体プロセスまたはマイクロマシンプロセスを用いて形成される場合でも、第１〜第３導電膜３５〜３７を蒸着などにより形成することで貫通導電路を容易に形成し、１以上の貫通導電路を備えた一対のセパレータを有する小型燃料電池を実現することができる。また、複数の燃料電池セルを形成するようにセパレータ１１、１２が複数の凹部１０を画定している場合、各セルに対応する第３導電膜３７を電気接続部材２６で接続することでこれセルを直列接続、並列接続など任意の接続形態で接続することができ、その変更も容易である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】図１は、本発明に基づく燃料電池の好適実施例を示す分解斜視図である。
【図２】図２は、図１のセパレータの詳細を示すべく一部を破断した部分拡大斜視図である。
【図３】図３は、図１のセパレータの流体通路を示すための部分平面図である。
【図４】図４は、図１における燃料電池を組み上げた状態のセル一つ分の断面図である。
【図５ａ】図５ａは、図１に示した燃料電池におけるセル間接続の一例を示す平面図である。
【図５ｂ】図５ｂは、図１に示した燃料電池におけるセル間接続の一例を示す平面図である。
【図６ａ】図６ａは、図１に示した燃料電池におけるセル間接続の別の例を示す平面図である。
【図６ｂ】図６ｂは、図１に示した燃料電池におけるセル間接続の別の例を示す平面図である。
【図７ａ】図７ａは、図１に示した燃料電池におけるセル間接続の更に別の例を示す平面図である。
【図７ｂ】図７ｂは、図１に示した燃料電池におけるセル間接続の更に別の例を示す平面図である。
【図８】図８は、本発明に基づく燃料電池と従来の燃料電池における負荷に流れる電流と負荷に印加される電圧の関係を示すグラフである。
【図９ａ】図９ａは本発明に基づく燃料電池のセパレータの好適な製造方法を示す部分断面図である。
【図９ｂ】図９ｂは本発明に基づく燃料電池のセパレータの好適な製造方法を示す部分断面図である。
【図９ｃ】図９ｃは本発明に基づく燃料電池のセパレータの好適な製造方法を示す部分断面図である。
【図９ｄ】図９ｄは本発明に基づく燃料電池のセパレータの好適な製造方法を示す部分断面図である。
【図９ｅ】図９ｅは本発明に基づく燃料電池のセパレータの好適な製造方法を示す部分断面図である。
【図１０ａ】図１０ａは本発明に基づく燃料電池のセパレータの好適な製造方法を示す部分断面図である。
【図１０ｂ】図１０ｂは本発明に基づく燃料電池のセパレータの好適な製造方法を示す部分断面図である。
【図１０ｃ】図１０ｃは本発明に基づく燃料電池のセパレータの好適な製造方法を示す部分断面図である。
【図１０ｄ】図１０ｄは本発明に基づく燃料電池のセパレータの好適な製造方法を示す部分断面図である。
【図１０ｅ】図１０ｅは本発明に基づく燃料電池のセパレータの好適な製造方法を示す部分断面図である。
【図１１ａ】図１１ａは、本発明に基づく燃料電池のセパレータの好適な製造方法の別の実施例を示す部分断面図である。
【図１１ｂ】図１１ｂは、本発明に基づく燃料電池のセパレータの好適な製造方法の別の実施例を示す部分断面図である。
【図１２ａ】図１２ａは、本発明に基づく燃料電池のセパレータによって定められる流体通路の別の例を示す図３と同様の平面図である。
【図１２ｂ】図１２ｂは、本発明に基づく燃料電池のセパレータによって定められる流体通路の別の例を示す図３と同様の平面図である。
【図１３】図１３は、本発明に基づく燃料電池のセパレータの別の実施例を示す部分断面図である。
【図１４】図１４は、従来の燃料電池の一例を示す模式的な断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図８】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図９ｃ】
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【図９ｄ】
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【図９ｅ】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１０ｃ】
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【図１０ｄ】
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【図１０ｅ】
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【図１１ａ】
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【図１１ｂ】
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【図１２ａ】
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【図１２ｂ】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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