(57)【要約】【課題】この発明は、単電池の直列構造体をシリコンウエハに形成するようにし、小型、高電圧を実現できる燃料電池およびその製造方法を得る。【解決手段】燃料側触媒層４、電解質膜５および酸化剤側触媒層６を積層してなる単電池１０６がシリコンウエハ１の表面に複数形成され、各単電池１０６の下部にキャビティ１４が形成されている。そして、複数の単電池１０６は、異なる単電池１０６の一方の単電池１０６の燃料側触媒層４と他方の単電池１０６の酸化剤側触媒層６とがイオン非透過性の導電性材料からなるバリア層７を介して電気的に接続して直列に接続されている。そして、燃料側触媒層４および電解質膜５の酸化剤側触媒層６からの露出部が絶縁体７に埋設されている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンウエハと、シリコンウエハの表面に互いに離間して形成された複数の多孔質シリコン、上記シリコンウエハの表面の多孔質シリコン非形成領域に形成された絶縁膜と、上記複数の多孔質シリコンのそれぞれの上に成膜された燃料側触媒層、この燃料側触媒層上に成膜された電解質膜およびこの電解質膜上に成膜された酸化剤側触媒層からなる複数の単電池と、上記シリコンウエハの各単電池形成領域の下部に裏面側から上記多孔質シリコンに至るように形成された複数のキャビティと、上記シリコンウエハの裏面に接合されて上記複数のキャビティへの燃料導入空間を形成するとともに、該燃料導入空間に燃料を導入する燃料導入口が形成された封止用キャップとを備え、
上記複数の単電池が、異なる単電池の一方の単電池の上記燃料側触媒層と他方の単電池の上記酸化剤側触媒層とをイオン非透過性の導電性材料からなるバリア層を介して電気的に接続して直列に接続され、かつ、上記燃料側触媒層および上記電解質膜の上記酸化剤側触媒層からの露出部が絶縁体に埋設されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
シリコンウエハと、上記シリコンウエハの表面の形成された絶縁膜と、上記シリコンウエハの上記絶縁膜上に互いに離間して成膜された燃料側触媒層、この燃料側触媒層上に成膜された電解質膜およびこの電解質膜上に成膜された酸化剤側触媒層からなる複数の単電池と、上記シリコンウエハの各単電池形成領域の下部に裏面側から上記燃料側触媒層に至るように形成された複数の貫通孔と、上記シリコンウエハの裏面に接合されて上記複数の貫通孔への燃料導入空間を形成するとともに、該燃料導入空間に燃料を導入する燃料導入口が形成された封止用キャップとを備え、
上記複数の単電池が、異なる単電池の一方の単電池の上記燃料側触媒層と他方の単電池の上記酸化剤側触媒層とをイオン非透過性の導電性材料からなるバリア層を介して電気的に接続して直列に接続され、かつ、上記燃料側触媒層および上記電解質膜の上記酸化剤側触媒層からの露出部が絶縁体に埋設されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
上記複数の単電池の上記燃料側触媒層の下部および上記酸化剤側触媒層の上部の少なくとも一方に集電電極が形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の燃料電池。
【請求項４】
上記多孔質シリコンが集電機能を有するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項５】
燃料排出口が上記封止用キャップに形成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１項に記載の燃料電池。
【請求項６】
上記封止用キャップが上記シリコンウエハに陽極接合により接合されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項７】
請求項１記載の燃料電池の製造方法であって、複数の多孔質シリコンを（１００）方位のシリコンウエハの表面に互いに離間して形成し、該シリコンウエハおよび該多孔質シリコンの表面を熱酸化する工程と、強アルカリ溶液を用いて、上記シリコンウエハの裏面側から上記多孔質シリコンに至るように該シリコンウエハをエッチングしてキャビティを形成する工程とを有することを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項８】
請求項１又は請求項２記載の燃料電池の製造方法であって、材料溶液をスピンコート又はスクリーン印刷によりシリコンウエハの表面側に塗布し、その塗布膜をエッチング又はリフトオフでパターニングして燃料側触媒層、電解質膜および酸化剤側触媒層の少なくとも１つを形成する工程を有することを特徴とする燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池およびその製造方法に関し、特に小型の電力源として用いられる燃料電池およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池では、燃料側触媒層および酸化剤側触媒層を両側に配した電解質保持体を一対の電極基材間に挟み込んで構成された複数の積層体を将棋倒しの状態に配列し、全体を上下方向に加圧してプレス整形して、複数の単電池が直列に接続された単電池の直列構造体を作製していた。そして、この単電池の直列構造体をガス流路が形成されたガス分離板を介して積層して、燃料電池を構成していた（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特公平６−６５０４５号公報（第１図および第４図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この従来の燃料電池では、電極基材および電解質保持体のバルク材料の積層体を将棋倒しの状態に配列し、全体をプレス成形して単電池の直列構造体を作製しているので、製品精度がせいぜいサブミリオーダーであり、燃料電池の小型化が図れないという課題があった。
【０００５】
この発明は、上記の課題を解消するためになされたもので、単電池の直列構造体をシリコンウエハに形成するようにし、小型、高電圧を実現できる燃料電池およびその製造方法を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る燃料電池は、シリコンウエハと、シリコンウエハの表面に互いに離間して形成された複数の多孔質シリコン、上記シリコンウエハの表面の多孔質シリコン非形成領域に形成された絶縁膜と、上記複数の多孔質シリコンのそれぞれの上に成膜された燃料側触媒層、この燃料側触媒層上に成膜された電解質膜およびこの電解質膜上に成膜された酸化剤側触媒層からなる複数の単電池と、上記シリコンウエハの各単電池形成領域の下部に裏面側から上記多孔質シリコンに至るように形成された複数のキャビティと、上記シリコンウエハの裏面に接合されて上記複数のキャビティへの燃料導入空間を形成するとともに、該燃料導入空間に燃料を導入する燃料導入口が形成された封止用キャップとを備え、上記複数の単電池が、異なる単電池の一方の単電池の上記燃料側触媒層と他方の単電池の上記酸化剤側触媒層とをイオン非透過性の導電性材料からなるバリア層を介して電気的に接続して直列に接続され、かつ、上記燃料側触媒層および上記電解質膜の上記酸化剤側触媒層からの露出部が絶縁体に埋設されているものである。
【０００７】
また、この発明に係る燃料電池は、シリコンウエハと、上記シリコンウエハの表面の形成された絶縁膜と、上記シリコンウエハの上記絶縁膜上に互いに離間して成膜された燃料側触媒層、この燃料側触媒層上に成膜された電解質膜およびこの電解質膜上に成膜された酸化剤側触媒層からなる複数の単電池と、上記シリコンウエハの各単電池形成領域の下部に裏面側から上記燃料側触媒層に至るように形成された複数の貫通孔と、上記シリコンウエハの裏面に接合されて上記複数の貫通孔への燃料導入空間を形成するとともに、該燃料導入空間に燃料を導入する燃料導入口が形成された封止用キャップとを備え、上記複数の単電池が、異なる単電池の一方の単電池の上記燃料側触媒層と他方の単電池の上記酸化剤側触媒層とをイオン非透過性の導電性材料からなるバリア層を介して電気的に接続して直列に接続され、かつ、上記燃料側触媒層および上記電解質膜の上記酸化剤側触媒層からの露出部が絶縁体に埋設されているものである。
【０００８】
また、この発明に係る燃料電池の製造方法は、複数の多孔質シリコンを（１００）方位のシリコンウエハの表面に互いに離間して形成し、該シリコンウエハおよび該多孔質シリコンの表面を熱酸化する工程と、強アルカリ溶液を用いて、上記シリコンウエハの裏面側から上記多孔質シリコンに至るように該シリコンウエハをエッチングしてキャビティを形成する工程とを有するものである。
【０００９】
また、この発明に係る燃料電池の製造方法は、材料溶液をスピンコート又はスクリーン印刷によりシリコンウエハの表面側に塗布し、その塗布膜をエッチング又はリフトオフでパターニングして燃料側触媒層、電解質膜および酸化剤側触媒層の少なくとも１つを形成する工程を有するものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図について説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る燃料電池を示す断面図、図２および図３はそれぞれこの発明の実施の形態１に係る燃料電池の製造方法を説明する工程断面図である。
【００１１】
図１において、５つの多孔質シリコン３が、それぞれ所定の面積を有し、かつ、互いに離間してシリコンウエハ１の表面に１列に配列する島状に形成されている。そして、絶縁膜２ａが、シリコンウエハ１の表面の多孔質シリコン３の非形成領域に形成されている。また、キャビティ１４が各多孔質シリコン３の形成領域に対応してシリコンウエハ１の裏面側から多孔質シリコン３に至るように形成されている。さらに、絶縁膜２ｂが、シリコンウエハ１の裏面のキャビティ１４の非形成領域に形成されている。
【００１２】
燃料側触媒層４が、各多孔質シリコン３を覆い、かつ、互いに離間してシリコンウエハ１の表面側に１列に配列する島状に形成されている。電解質膜５が、燃料側触媒層４の配列方向の一側（図１中左側）を露出するように各燃料側触媒層４を覆い、かつ、互いに離間してシリコンウエハ１の表面側に１列に配列する島状に形成されている。また、イオン非透過性の導電性材料からなるバリア層７が、燃料側触媒層４の露出部の一部と絶縁膜２ａとに跨り、かつ、電解質膜５から離間してシリコンウエハ１の表面側に島状に形成されている。さらに、酸化剤側触媒層６が、各電解質膜５をほぼ覆い、かつ、各電解質膜５の配列方向の他側（図１中右側）に位置するバリア層７をほぼ覆うようにシリコンウエハ１の表面側に互いに離間して１列に配列する島状に形成されている。この酸化剤触媒層６は、燃料側触媒層４に直接接しないように形成されている。また、絶縁体８が、燃料側触媒層４、電解質膜５およびバリア層８の露出部を埋設するように形成されている。なお、酸化剤触媒層６の多孔質シリコン３の形成領域上部は露出されている。
また、負極１１が配列方向の一側端部（図１中左側）に位置する燃料側触媒層４に電気的に接続されるように形成され、正極１２が配列方向の他側端部（図１中右側）に位置する酸化剤側触媒層６に電気的に接続されるように形成されている。
【００１３】
そして、封止用キャップ９がシリコンウエハ１の裏面に接合されている。この封止用キャップ９は、シリコンウエハ１側に凹部９ａが形成され、各キャビティ１４を連通する燃料導入空間を構成している。また、封止用キャップ９には、少なくとも１つの燃料導入口１０が凹部９ａと外部とを連通するように形成されている。
【００１４】
このように作製された燃料電池１００においては、燃料側触媒層４と酸化剤側触媒層６とにより電解質膜５を挟持して構成された５つの単電池１０６が１列に配列され、隣り合う単電池１０６の燃料側触媒層４と酸化剤触媒層６とがバリア層７を介して電気的に接続されて、５つの単電池１０６が正極１２と負極１１との間に直列に接続されて構成されている。そして、燃料が燃料導入口１０からキャビティ１４および多孔質シリコン３を介して各単電池１０６の燃料側触媒層４に供給され、空気中の酸素が各単電池１０６の酸化剤側触媒層６に供給される。
【００１５】
ついで、この燃料電池１００の動作について説明する。
まず、燃料である水素ガスが燃料導入口１０から導入され、各キャビティ１４から多孔質シリコン３内を透過し、各単電池１０６の燃料側触媒層４に供給される。一方、空気が各単電池１０６の酸化剤側触媒層６に供給される。
そして、燃料側触媒層４において、水素が酸化され、水素イオンと電子が生成される。一方、酸化剤側触媒層６において、燃料側触媒層４から電解質膜５中を移動して酸化剤側触媒層６に到達した水素イオンが、酸化剤側触媒層６内の空気中の酸素および外部回路を介して酸化剤側触媒層６に供給された電子と反応し、水が生成される。そして、この化学反応で生成された電子を外部回路により電流として取り出すことになる。
ここで、各単電池１０６は、厚さ：約１ｍｍ、幅：３ｍｍ、長さ：３ｍｍを有し、約０．５Ｖの発電電圧となる。そこで、本燃料電池１００では、約２．５Ｖの電圧を得ることができる。
【００１６】
つぎに、この燃料電池１００の製造方法について図２および図３を参照しつつ説明する。
まず、図２の（ａ）に示されるように、シリコン窒化膜１３をシリコンウエハ１の表面に成膜する。ここで、シリコン窒化膜１３が稠密な膜となるようにＬＰＣＶＤ（Low Pressure Chemical Vapor Deposition)により成膜することが望ましい。また、内部応力に起因する膜の剥離を防止するために、０．３μｍ（３０００Å）以下の膜厚にシリコン窒化膜１３を成膜することが望ましい。
ついで、写真製版技術およびエッチング技術（反応性イオンエッチング或いは熱リン酸）を用いてシリコン窒化膜１３をパターニングする。これにより、図２の（ｂ）に示されるように、シリコン窒化膜１３が部分的に除去され、所定面積を有する島状のシリコン窒化膜除去領域３０が５×ｎのマトリックス状に形成される。
そして、シリコンウエハ１をフッ酸中で電気化学エッチングする。これにより、図２の（ｃ）に示されるように、多孔質シリコン３がシリコンウエハ１のシリコン窒化膜除去領域３０に深さ（厚み）１μｍ〜１００μｍに形成される。
【００１７】
ついで、シリコン窒化膜１３を熱リン酸等で除去した後、シリコンウエハ１全体を熱酸化する。これにより、図２の（ｄ）示されるように、シリコン酸化膜からなる絶縁膜２ａ、２ｂがシリコンウエハ１の露出部分に１μｍ以下の厚みに形成される。このとき、多孔質シリコン３も同時に酸化される。
そして、写真製版技術およびエッチング技術を用いてシリコンウエハ１の裏面に形成された絶縁膜２ｂをパターニングする。これにより、図２の（ｅ）に示されるように、多孔質シリコン３の形成領域に相対する絶縁膜２ｂの部位が除去され、所定面積を有する島状の絶縁膜除去領域３１が５×ｎのマトリックス状に形成される。
【００１８】
ついで、ＫＯＨ（水酸化カリウム）溶液、ＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウムヒドロオキシド）溶液等の強アルカリ溶液を用いて、シリコンウエハ１をエッチングする。これにより、図２の（ｆ）に示されるように、シリコンウエハ１の一部が絶縁膜除去領域３１から多孔質シリコン３に至るように除去され、キャビティ１４が形成される。なお、強アルカリ溶液を用いたウエットエッチング法に代えて、シリコン反応性ガスを用いたドライエッチング法によりキャビティ１４を形成してもよい。ここで、絶縁膜２ｂを除去する場合には、図２の（ｆ）の工程の後、シリコンウエハ１の裏面側をフッ酸等に浸して絶縁膜２ｂを除去することになる。また、キャビティ１４の内側全面に絶縁膜２ｂを形成する場合には、図２の（ｆ）の工程の後、シリコンウエハ１を熱酸化することになる。
【００１９】
ついで、図３の（ａ）に示されるように、封止用キャップ９をシリコンウエハ１の裏面に接合する。この封止用キャップ９の接合面側には、１列に配列された５個のキャビティ１４を連通する凹部９ａがｎ列形成され、燃料導入口１０が各凹部９ａと外部とを連通するように形成されている。また、封止用キャップ９とシリコンウエハ１との接合は、接着剤或いは陽極接合が用いられる。なお、陽極接合を用いた場合、封止用キャップ９を精度よく強固にシリコンウエハ１に接合できる。そして、陽極接合する場合には、得られる接合力の観点から絶縁膜２ｂの厚みを０．２μｍ（２０００Å）以下にすることが望ましく、絶縁膜２ｂを完全に除去すればさらに大きな接合力を得ることができる。この封止用キャップ９の接合工程は、後述する図３の（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）のいずれの工程の後に行ってもよい。
【００２０】
そして、図３の（ｂ）に示されるように、燃料側触媒液をスピンコート等の方法によりシリコンウエハ１の表面に塗布し、所望の形状にパターニングした後、約１００℃で熱処理を施し、燃料側触媒層４を形成する。燃料側触媒層４は１０μｍ程度の厚みが必要であることから、パターニングはレジストのリフトオフで行うことが好ましい。この燃料側触媒層４は、各多孔質シリコン３の形成領域を覆い、かつ、互いに離間する島状に形成されている。
ついで、図３の（ｂ）に示されるように、電解質液をスピンコート等の方法によりシリコンウエハ１の表面に塗布し、所望の形状にパターニングした後、熱処理を施し、電解質膜５を形成する。電解質膜５は２０μｍ〜５０μｍ程度の厚みとすることが望ましく、パターニングはレジストのリフトオフで行うことが好ましい。また、電解質膜５は、燃料側触媒層４の配列方向の一側を露出するように各燃料側触媒層４を覆い、かつ、互いに離間する島状に形成されている。なお、電解質膜５は、隣接する燃料側触媒層４に跨ることなく形成されている。
【００２１】
そして、例えばチタンをスパッタリング、真空蒸着等の方法によりシリコンウエハ１の表面に成膜し、所望の形状にパターニングする。これにより、各バリア層７が、図３の（ｃ）に示されるように、燃料側触媒層４の露出部分と燃料側触媒層４の配列方向の一側の絶縁膜２ａとに跨るパターンに形成される。この時、負極１１および正極１２が同時に形成される。
ついで、図３の（ｃ）に示されるように、酸化剤側触媒液をスピンコート等の方法によりシリコンウエハ１の表面に塗布し、所望の形状にパターニングした後、約１００℃で熱処理を施し、酸化剤側触媒層６を形成する。酸化剤側触媒層６は１０μｍ程度の厚みが必要であることから、パターニングはレジストのリフトオフで行うことが好ましい。また、酸化剤側触媒層６は、各電解質膜５を覆い、かつ、互いに離間する島状に形成されている。そして、酸化剤側触媒層６は、配列方向の他側のバリア層７上に至るように形成されている。
【００２２】
そして、図３の（ｄ）に示されるように、絶縁材料をスパッタリングや塗布により成膜し、パターニングして、絶縁体８を形成する。この絶縁体８は、少なくとも酸化剤側触媒層６の多孔質シリコン３の形成領域上部を露出させ、かつ、少なくとも燃料側触媒層４および電解質膜５の露出部分を埋設するように形成されている。これにより、直列に接続された５つの単電池１０６の列がシリコンウエハ１にｎ列形成される。
その後、シリコンウエハ１を直列に接続された５つの単電池１０６の列毎にダイシングにより切断分離し、ｎ個の燃料電池１００が得られる。
【００２３】
このように、この実施の形態１によれば、シリコンウエハ１上に複数の単電池１０６を形成し、燃料側触媒層４と酸化剤側触媒層６とをバリア層７を介して電気的に接続して複数の単電池１０６を直列に接続しているので、薄型かつ小型の燃料電池１００が得られ、小型の電子機器の電源用として適用できる。
また、隣り合う単電池１０６の一方の単電池１０６の燃料側触媒層４と他方の単電池１０６の酸化剤側触媒層６とを接続するバリア層７が水素イオンの透過を阻止できる導電性材料で作製されているので、燃料側触媒層４で生成された水素イオンが直接酸化剤側触媒層６に移動することなく、電解質膜５を介して酸化剤側触媒層６側に移動され、発電効率の低下が抑えられる。
また、燃料側触媒層４および電解質膜５の酸化剤側触媒層６からの露出部が絶縁材８により埋設されているので、燃料側触媒層４で生成された水素イオンが酸化剤側触媒層６に移動せずに外部に逃げることが阻止され、発電効率の低下が抑えられる。
【００２４】
また、この燃料電池１００の製造方法では、ＩＣ製造プロセスと同様な、いわゆるマイクロマシニング技術を用いて、成膜、アライメント、パターニングを行っているので、超小型の単電池１０６をシリコンウエハ１上に一括して多数作製することができる。そこで、高精度、小型で量産性に優れ、燃料電池を安価に製造することができる。また、シリコンウエハ１上に単電池１０６を多数形成でき、かつ、それらを簡易に直列に接続できるので、高電圧の平面型燃料電池を簡易に安価に製造することができる。
【００２５】
ここで、シリコンウエハ１のウエハ方位は、キャビティ１４を形成する方法によって適宜選択すればよい。つまり、異方性エッチングによりキャビティ１４を形成する場合には、（１００）方位が望ましい。この場合、酸化膜の部分でエッチングが自動的に止まるので、キャビティ１４の製造プロセスが容易となり、量産性がよい。また、ドライエッチングによりキャビティ１４を形成する場合には、ウエハ方位はどの方位でもよい。また、シリコンウエハ１は、ｎ型でも、ｐ型でもよいが、多孔質シリコン３がスポンジ構造になりやすいｎ型のシリコンウエハ１がより望ましい。
また、絶縁膜２ａ、２ｂには、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜が用いられるが、プロセス上の取り扱いが容易であることからシリコン酸化膜を用いることが望ましい。また、絶縁膜２ｂは製造工程中に必要となるが、動作には直接関係がなく、最終形態として省略してもよい。あるいは、キャビティ１４の側面を含め、キャビティ１４内の全面に形成してもよい。
また、多孔質シリコン３は、孔径を数十μｍ以下とすることが望ましく、孔径が数ｎｍで、スポンジ状であればさらに望ましい。
また、燃料側触媒層４および酸化剤側触媒層６には、例えばカーボンと白金とからなる膜が用いられる。
【００２６】
また、電解質膜５には、例えば固体高分子電解質膜が用いられ、具体的には、ナフィオン（デュポン社の登録商標）、アシプレックス（旭化成（株）の登録商標）、フレミオン（旭硝子（株）の登録商標）が用いられる。
また、バリア層７は、燃料イオン、即ち水素イオンが燃料側触媒層４から電解質膜５を通ることなく酸化剤側触媒層６に透過することを防止する機能を有するものである。そこで、バリア層７は、水素イオンの通過を阻止できるイオン非透過性の導電性材料であればよく、例えばチタン、クロム、ニッケル、アルミ、白金、金等の金属、それらの金属の合金あるいはシリサイド等を用いることができる。
【００２７】
また、絶縁体８は、水素イオンが燃料側触媒層４および電解質膜５から空気に逃げるのを防止する機能を有するものであり、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコーン樹脂やフッ素樹脂のゴム等を用いることができる。
また、封止用キャップ９は、燃料を各キャビティ１４に行き渡らせるためのもので、樹脂、シリコン、ガラス等を用いることができる。そして、封止用キャップ９がシリコンウエハ１に接合されていることから、シリコンウエハ１と熱膨張係数の近い材料、例えばホウケイ酸ガラスの一種であるパイレックス（登録商標）を用いることが望ましく、シリコンウエハであればさらに望ましい。
また、燃料側触媒層４、電解質膜５、酸化剤側触媒層６および絶縁体８の塗布方法は、上記の方法に限らず、例えばスクリーン印刷を用いてもよい。
【００２８】
実施の形態２．
この実施の形態２による燃料電池１０１は、図４に示されるように、各単電池１０６の形成領域の下部にシリコンウエハ１の裏面から燃料側触媒層４に至るように多数の貫通孔１５がシリコンウエハ１に形成されている。この貫通孔１５は、直径１００μｍ以下の孔であり、例えばドライプロセスの反応性エッチングを用いて形成され、その内壁面に熱酸化膜等の絶縁膜が形成され、燃料側触媒層４同士の電気的絶縁を図っている。
なお、この燃料電池１０１は、多孔質シリコン３およびキャビティ１４が省略され、貫通孔１５が形成されている点を除いて、上記実施の形態１の燃料電池１００と同様に構成されている。
【００２９】
このように構成された燃料電池１０１では、燃料である水素ガスが燃料導入口１０から導入され、各貫通孔１５から各単電池１０６の燃料側触媒層４に供給されるので、上記燃料電池１００と同様に動作する。
【００３０】
従って、この実施の形態２においても、上記実施の形態１と同様の効果が得られる。
また、この実施の形態１では、単電池１０６がダイヤフラム状に形成されているのに対し、この実施の形態２では、キャビティ１４を省略しているので、単電池１０６を構成する膜の燃料圧力に対する強度が大きくなり、耐久性が高められる。
【００３１】
なお、この実施の形態２では、貫通孔１５を中空に形成するものとしているが、フッサ酸中で電気化学エッチングによりシリコンウエハ１の裏面から燃料側触媒層４に至るようにスポンジ状の多孔質シリコン層を形成してもよい。
【００３２】
実施の形態３．
この実施の形態３による燃料電池１０２は、図５に示されるように、燃料側集電電極１６が燃料側触媒層４と多孔質シリコン３との間に介装され、酸化剤側集電電極１７が酸化剤側触媒層６に反電解質膜側の面に形成されている。
なお、この燃料電池１０２は、燃料側集電電極１６および酸化剤側集電電極１７が形成されている点を除いて、上記実施の形態１の燃料電池１００と同様に構成されている。
【００３３】
ここで、燃料側集電電極１６および酸化剤側集電電極１７は、導電性材料からなる膜であり、例えばチタン、クロム、ニッケル、アルミ、白金、金等の金属、それらの合金あるいはシリサイド、カーボン繊維等の材料が用いられる。そして、燃料側集電電極１６および酸化剤側集電電極１７には多数の孔が設けられており、水素や空気が燃料側触媒層４および酸化剤側触媒層６に導入できるようになっている。
また、燃料側集電電極１６は、燃料側触媒層４の形成工程に先立って、導電性材料からなる膜を成膜・パターニングして形成される。一方、酸化剤側集電電極１７は、酸化剤側触媒層６の形成工程若しくは絶縁体８の形成工程の後、導電性材料からなる膜を成膜・パターニングして形成される。
【００３４】
この実施の形態３によれば、燃料側集電電極１６および酸化剤側集電電極１７を形成しているので、燃料側触媒層４および酸化剤側触媒層６の抵抗値を低減することができ、負極１１と正極１２との間の電流値を高めることができる。
【００３５】
なお、上記実施の形態３では、燃料側集電電極１６および酸化剤側集電電極１７を形成するものとしているが、燃料側集電電極１６および酸化剤側集電電極１７のいずれか一方を形成してもよい。
また、上記実施の形態３では、上記実施の形態１による燃料電池１００に燃料側集電電極１６および酸化剤側集電電極１７を形成するものとしているが、上記実施の形態２による燃料電池１０１に燃料側集電電極１６および酸化剤側集電電極１７を形成してもよい。
【００３６】
実施の形態４．
この実施の形態４による燃料電池１０３は、図６に示されるように、多孔質シリコン３に代えて、多孔質シリコン兼燃料側集電電極２０を形成するものとしている。
尚、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。
【００３７】
多孔質シリコン兼燃料側集電電極２０は、図２の（ｂ）の工程の後に、リンやボロン等の不純物をシリコン窒化膜除去領域３０からシリコンウエハ１にドーピング或いは拡散させて抵抗値を低減させ、その後シリコンウエハ１をフッ酸中で電気化学エッチングしてシリコン窒化膜除去領域３０に１μｍ〜１００μｍの深さに多孔質シリコンを形成して構成されている。そして、多孔質シリコン兼燃料側集電電極２０の表面および内部には熱酸化膜がなく、シリコン表面が現れている。さらに、キャビティ１４の内側全面に熱酸化膜２ｃを形成し、多孔質シリコン兼燃料側集電電極２０とシリコンウエハ１との電気的絶縁性を高めている。
【００３８】
この実施の形態４によれば、燃料側集電電極１６が不要となり、上記実施の形態３に比べて、製造プロセスが簡略化され、量産性を向上させることができる。
【００３９】
なお、上記実施の形態４では、リンやボロン等の不純物をドーピング或いは拡散させて多孔質シリコン層の抵抗値を積極的に低減させて多孔質シリコン兼燃料側集電電極２０を構成するものとしているが、上記実施の形態１における多孔質シリコン３の表面および内部のシリコン表面を露出させて集電機能を付与し、多孔質シリコン兼燃料側集電電極としてもよい。
【００４０】
実施の形態５．
この実施の形態５による燃料電池１０４では、図７に示されるように、燃料排出口１８が封止用キャップ９に少なくとも１箇所形成されている。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。
【００４１】
従って、この実施の形態５によれば、燃料が燃料導入口１０から導入され、燃料排出口１８から排出されるようになる。そこで、燃料として、メタノールなどの液体燃料を用いることができ、燃料の選択の幅が広がる。
【００４２】
なお、上記各実施の形態では、燃料電池は５つの単電池１０６を直列に接続して構成した単電池直列構造体をシリコンウエハ１上に形成するものとして説明しているが、単電池直列構造体を構成する単電池１０６の個数は出力電圧の仕様に合わせて適宜設定されるものである。つまり、携帯電話では約４Ｖ、ノート型のパソコンでは約１１Ｖ以上の電力源が必要となり、これらの電気機器にあわせて必要な電圧が得られるように単電池１０６の個数を設定することになる。
また、上記各実施の形態では、単電池直列構造体は単電池１０６を１列に配列して構成されているものとして説明しているが、単電池１０６をシリコンウエハ１上にマトリクス状に配列し、それらの単電池１０６を直列に接続するようにしてもよい。
また、上記各実施の形態では、単電池１０６が３ｍｍ×３ｍｍの大きさに形成されているものとして説明しているが、本発明はＩＣ製造プロセスと同様な技術を用いているので、単電池１０６の幅や長さは十数μｍオーダーまで小型化が可能となる。さらに、単電池１０６は数百個レベルまで直列接続が可能であり、１００Ｖ以上の電圧が得られる小型・薄型の平面型燃料電池を実現できる。
【００４３】
【発明の効果】
この発明は、以上説明したように、シリコンウエハと、シリコンウエハの表面に互いに離間して形成された複数の多孔質シリコン、上記シリコンウエハの表面の多孔質シリコン非形成領域に形成された絶縁膜と、上記複数の多孔質シリコンのそれぞれの上に成膜された燃料側触媒層、この燃料側触媒層上に成膜された電解質膜およびこの電解質膜上に成膜された酸化剤側触媒層からなる複数の単電池と、上記シリコンウエハの各単電池形成領域の下部に裏面側から上記多孔質シリコンに至るように形成された複数のキャビティと、上記シリコンウエハの裏面に接合されて上記複数のキャビティへの燃料導入空間を形成するとともに、該燃料導入空間に燃料を導入する燃料導入口が形成された封止用キャップとを備え、上記複数の単電池が、異なる単電池の一方の単電池の上記燃料側触媒層と他方の単電池の上記酸化剤側触媒層とをイオン非透過性の導電性材料からなるバリア層を介して電気的に接続して直列に接続され、かつ、上記燃料側触媒層および上記電解質膜の上記酸化剤側触媒層からの露出部が絶縁体に埋設されているので、薄型、小型で高電圧の燃料電池が得られる。
【００４４】
また、シリコンウエハと、上記シリコンウエハの表面の形成された絶縁膜と、上記シリコンウエハの上記絶縁膜上に互いに離間して成膜された燃料側触媒層、この燃料側触媒層上に成膜された電解質膜およびこの電解質膜上に成膜された酸化剤側触媒層からなる複数の単電池と、上記シリコンウエハの各単電池形成領域の下部に裏面側から上記燃料側触媒層に至るように形成された複数の貫通孔と、上記シリコンウエハの裏面に接合されて上記複数の貫通孔への燃料導入空間を形成するとともに、該燃料導入空間に燃料を導入する燃料導入口が形成された封止用キャップとを備え、上記複数の単電池が、異なる単電池の一方の単電池の上記燃料側触媒層と他方の単電池の上記酸化剤側触媒層とをイオン非透過性の導電性材料からなるバリア層を介して電気的に接続して直列に接続され、かつ、上記燃料側触媒層および上記電解質膜の上記酸化剤側触媒層からの露出部が絶縁体に埋設されているので、薄型、小型で高電圧の耐久性に優れた燃料電池が得られる。
【００４５】
また、複数の多孔質シリコンを（１００）方位のシリコンウエハの表面に互いに離間して形成し、該シリコンウエハおよび該多孔質シリコンの表面を熱酸化する工程と、強アルカリ溶液を用いて、上記シリコンウエハの裏面側から上記多孔質シリコンに至るように該シリコンウエハをエッチングしてキャビティを形成する工程とを有するので、キャビティの形成プロセスが容易で、量産に適する薄型、小型で高電圧の燃料電池の製造方法が得られる。
【００４６】
また、材料溶液をスピンコート又はスクリーン印刷によりシリコンウエハの表面側に塗布し、その塗布膜をエッチング又はリフトオフでパターニングして燃料側触媒層、電解質膜および酸化剤側触媒層の少なくとも１つを形成する工程を有するので、精度よく膜を形成でき、量産に適する薄型、小型で高電圧の燃料電池の製造方法が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１に係る燃料電池を示す断面図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る燃料電池の製造方法を説明する工程断面図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係る燃料電池の製造方法を説明する工程断面図である。
【図４】この発明の実施の形態２に係る燃料電池を示す断面図である。
【図５】この発明の実施の形態３に係る燃料電池を示す断面図である。
【図６】この発明の実施の形態４に係る燃料電池を示す断面図である。
【図７】この発明の実施の形態５に係る燃料電池を示す断面図である。
【符号の説明】
１  シリコンウエハ、２ａ  絶縁膜、３  多孔質シリコン、４  燃料側触媒層、５  電解質膜、６  酸化剤側触媒層、７  バリア層、８  絶縁体、９  封止用キャップ、９ａ  凹部（燃料導入空間）、１０  燃料導入口、１４  キャビティ、１５  貫通孔、１６  燃料側集電電極、１７  酸化剤側集電電極、１８  燃料排出口、２０  多孔質シリコン兼燃料側集電電極、１００、１０１、１０２、１０３、１０４  燃料電池。
【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５】
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【図６】
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【図７】
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