(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１基板にリブ部を介して隣接して設けられた第１及び第２の溝と、
該各々の溝内に設けられた触媒を有する集電体層と、
前記２本の溝の開口部を閉塞する電解質膜と、
該電解質膜に積層してなる第２基板と、
第１基板と第２基板とを押圧する押圧部材とを具備してなると共に、
前記第１の溝に燃料を供給又は充填すると共に、第２の溝に酸化剤として酸素溶存溶液を供給又は充填してなり、
前記酸素溶存溶液がフルオロカーボン溶液であることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
第１基板にリブ部を介して隣接して設けられた第１乃至第３の溝と、
該各々の溝内に設けられた触媒を有する集電体層と、
前記３本の溝の開口部を閉塞する電解質膜と、
該電解質膜に積層してなる第２基板と、
第１基板と第２基板とを押圧する押圧部材とを具備してなると共に、
前記第１及び第３の溝に燃料を供給又は充填すると共に、第１及び第３の溝に挟まれた第２の溝に酸化剤として酸素溶存溶液を供給又は充填してなり、
前記酸素溶存溶液がフルオロカーボン溶液であることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
第１基板にリブ部を介して隣接して設けられた第１乃至第３の溝と、
該各々の溝内に設けられた触媒を有する集電体層と、
前記３本の溝の開口部を閉塞する電解質膜と、
該電解質膜に積層してなる第２基板と、
第１基板と第２基板とを押圧する押圧部材とを具備してなると共に、
前記第１及び第３の溝に酸化剤として酸素溶存溶液を供給又は充填すると共に、第１及び第３の溝に挟まれた第２の溝に燃料を供給又は充填してなり、
前記酸素溶存溶液がフルオロカーボン溶液であることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
第１基板にリブ部を介して隣接して設けられた第１及び第２の溝と、
前記第１の溝の溝内に設けられた第１の触媒を有する集電体層と、
前記２本の溝の開口部を閉塞する電解質膜と、
前記第２の溝の開口部側の電解質に設けた第２の触媒を有する集電体層と、
該電解質膜に積層してなる第２基板と、
第１基板と第２基板とを押圧する押圧部材とを具備してなると共に、
前記第１の溝に燃料を供給又は充填すると共に、第２の溝に酸化剤を供給又は充填してなることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一つにおいて、
前記燃料がメタノール、エタノール、プロピルアルコール、イソプロピルアルコール、ブタノール、ギ酸のいずれか一種又はこれらの水溶液又はこれらの混合物であることを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項１乃至３のいずれか一つにおいて、
前記燃料及び酸素溶存溶液のいずれか一方又は両方が電解質を添加してなることを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
請求項１の燃料電池を一セルとしてなり、複数のセルからスタックを構成してなることを特徴とする燃料電池。
【請求項８】
請求項２の燃料電池を一セルとしてなり、複数のセルから燃料電池スタックを構成してなることを特徴とする燃料電池。
【請求項９】
請求項３の燃料電池を一セルとしてなり、複数のセルから燃料電池スタックを構成してなることを特徴とする燃料電池。
【請求項１０】
請求項４の燃料電池を一セルとしてなり、複数のセルから燃料電池スタックを構成してなることを特徴とする燃料電池。
【請求項１１】
請求項７乃至１０のいずれか一つにおいて、
複数のセルが、同一基板に複数の溝を設けてなることを特徴とする燃料電池。
【請求項１２】
請求項７乃至１０のいずれか一つにおいて、
複数のセルが、積層してなることを特徴とする燃料電池。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のいずれか一つにおいて、
溝の幅が１０００μｍ以下、リブ部の幅が１０００μｍ以下、溝の深さが１０００μｍ以下であることを特徴とする超小型燃料電池。
【請求項１４】
請求項１３の超小型燃料電池を基板上に搭載してなることを特徴とする燃料電池を備えた大規模集積回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料に例えばメタノール等の溶液を用いた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、二次電池よりも高いエネルギー密度を実現できる可能性を有しており、例えば携帯情報端末等への次世代のエネルギー源として注目されている。一般に燃料電池の燃料としては水素（Ｈ2）を用いており、図１９に示すように、固体高分子電解質１の一方に設けられたアノード側で下記アノード反応（１）により、プロトンと電子を出し、プロトンは電解質中を移動し、電子は外部回路を移動して、カソード側で下記カソード反応（２）により酸素を還元している。なお、全反応は下記（３）で表され、水素と酸素とから水が生成される。
このプロトンを供与する物質として例えばメタノールを用いることができ、一般に直接メタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ）と称されている。
このＤＭＦＣは、図２０に示すように、アノード側で下記アノード反応（４）により、メタノールと水の各一分子から二酸化炭素を生成し、この際プロトンと電子を得ている。カソード側では、下記カソード反応（５）により酸素を還元している。なお、全反応は下記（６）で表され、メタノールと酸素とから水が生成される（非特許文献１）。
【０００３】
Ｈ2→２Ｈ+＋ｅ-                        ・・・（１）
１／２Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ        ・・・（２）
Ｈ2＋１／２Ｏ2→Ｈ2Ｏ                ・・（３）
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ-・・・（４）
３／２Ｏ2＋６Ｈ+＋６ｅ-→３Ｈ2Ｏ        ・・（５）
ＣＨ3ＯＨ＋３／２Ｏ2→ＣＯ2＋２Ｈ2Ｏ    ・・（６）
【０００４】
また、従来においては、図２１に示すように、電解質膜１の両側に触媒層を有する集電体層２と、該集電体層２に燃料（メタノール）及び酸素を供給する流路としての溝３を形成した基板４を対向するように配置させてセルを構成していた。
【０００５】
このような電解質膜１を挟むような構造とする場合には、燃料を十分に拡散させる拡散層を形成することが必要であると共に、電解質膜と電極である集電体層との接触が良好であることが望まれている。
【０００６】
特に、小型化した燃料電池を構成する際には、拡散層の形成の複雑性と電解質膜と集電体層との良好な接触を保持したままで小型燃料電池を構成することは困難であるという問題がある。
【０００７】
そこで、本発明者等は、先に、Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ(ＭＥＭＳ)技術を用い、２ｃｍ×２ｃｍ基板上にリソグラフィー技術により、リード及び電極となるパターンを形成し、図２２に示すような同一基板に燃料流路を併設して構成し、該流路間の凸部を電解質膜（ＰＥＭ）に当接させることで、燃料の液絡を防止し、プロトンの移動を可能とする構造を提案した。前記溝には電極（Ａｕ／Ｔｉ）をＥＢ蒸着すると共に該電極に電気めっきにより触媒（Ｐｔ／Ｒｕ）を担持させた（非特許文献２）。
【０００８】
【非特許文献１】現代化学「マイクロ燃料電池」  梅田実、２００３年１１月号６２−６７頁
【非特許文献２】日本化学会第８３春季年会講演予稿集Ｉ  「ＭＥＭＳ技術を利用した小型直接メタノール型燃料電池の作製」  本川慎二等、２００３年３月３日発行
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前述したような燃料としてメタノールを用いる場合には、メタノールが電解質膜を透過する、いわゆるメタノールクロスオーバ現象が発生し、燃料のロス及びメタノールが正極側で反応することに基づく出力低下が発生するという、問題がある（非特許文献１第６３頁）。
【００１０】
特に、図２１のような膜溝同士が対向した構造の場合には、膜厚を薄くするとこのメタノールクロスオーバ現象が顕著となるので、所定膜厚が必要となり、薄膜化及び超小型化に、問題がある。
【００１１】
一方、先に本発明者等が提案した同一基板上に流路を形成した場合においては、単に溝に電解質膜を載せただけでは、メタノールの移動を十分に阻止することができず、良好な発電効率を得ることはできなかった。
また、溝内におけるプロトンの移動速度が遅いので、プロトンを迅速に移動させる媒体が必要となる。
【００１２】
このようなことから、本発明は、メタノール等の液体燃料を用いて、良好に発電を行うことができ、且つ構成が簡易な燃料電池を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、第１基板にリブ部を介して隣接して設けられた第１及び第２の溝と、該各々の溝内に設けられた触媒を有する集電体層と、前記２本の溝の開口部を閉塞する電解質膜と、該電解質膜に積層してなる第２基板と、第１基板と第２基板とを押圧する押圧部材とを具備してなると共に、前記第１の溝に燃料を供給又は充填すると共に、第２の溝に酸化剤を供給又は充填してなることを特徴とする燃料電池にある。
【００１４】
第２の発明は、第１基板にリブ部を介して隣接して設けられた第１乃至第３の溝と、該各々の溝内に設けられた触媒を有する集電体層と、前記２本の溝の開口部を閉塞する電解質膜と、該電解質膜に積層してなる第２基板と、第１基板と第２基板とを押圧する押圧部材とを具備してなると共に、前記第１及び第３の溝に燃料を供給又は充填すると共に、第１及び第３の溝に挟まれた第２の溝に酸化剤を供給又は充填してなることを特徴とする燃料電池にある。
【００１５】
第３の発明は、第１基板にリブ部を介して隣接して設けられた第１乃至第３の溝と、該各々の溝内に設けられた触媒を有する集電体層と、前記２本の溝の開口部を閉塞する電解質膜と、該電解質膜に積層してなる第２基板と、第１基板と第２基板とを押圧する押圧部材とを具備してなると共に、前記第１及び第３の溝に酸化剤を供給又は充填すると共に、第１及び第３の溝に挟まれた第２の溝に燃料を供給又は充填してなることを特徴とする燃料電池にある。
【００１６】
第４の発明は、第１基板にリブ部を介して隣接して設けられた第１及び第２の溝と、前記第１溝の溝内に設けられた第１の触媒を有する集電体層と、前記２本の溝の開口部を閉塞する電解質膜と、前記第２の溝の開口部側の電解質に設けた第２の触媒を有する集電体層と、該電解質膜に積層してなる第２基板と、第１基板と第２基板とを押圧する押圧部材とを具備してなると共に、前記第１の溝に燃料を供給又は充填すると共に、第２の溝に酸化剤を供給又は充填してなることを特徴とする燃料電池にある。
【００１７】
第５の発明は、第１乃至４のいずれか一つの発明において、前記液体燃料がメタノール、エタノール、プロピルアルコール、イソプロピルアルコール、ブタノール、ギ酸のいずれか一種又はこれらの水溶液又はこれらの混合物であることを特徴とする燃料電池にある。
【００１８】
第６の発明は、第１乃至３のいずれか一つの発明において、前記燃料溶液及び酸素溶存溶液のいずれか一方又は両方が電解質を添加してなることを特徴とする燃料電池にある。
【００１９】
第７の発明は、第１乃至３のいずれか一つの発明において、前記酸素溶存溶液がフルオロカーボン溶液であることを特徴とする燃料電池にある。
【００２０】
第８の発明は、第１の発明の燃料電池を一セルとしてなり、複数のセルからスタックを構成してなることを特徴とする燃料電池にある。
【００２１】
第９の発明は、第２の発明の燃料電池を一セルとしてなり、複数のセルから燃料電池スタックを構成してなることを特徴とする燃料電池にある。
【００２２】
第１０の発明は、第３の発明の燃料電池を一セルとしてなり、複数のセルから燃料電池スタックを構成してなることを特徴とする燃料電池にある。
【００２３】
第１１の発明は、第４の発明の燃料電池を一セルとしてなり、複数のセルから燃料電池スタックを構成してなることを特徴とする燃料電池にある。
【００２４】
第１２の発明は、第８乃至１１のいずれか一つの発明において、複数のセルが、同一基板に複数の溝を設けてなることを特徴とする燃料電池にある。
【００２５】
第１３の発明は、第８乃至１１のいずれか一つの発明において、複数のセルが、積層してなることを特徴とする燃料電池にある。
【００２６】
第１４の発明は、第１乃至１３のいずれか一つの発明において、溝の幅が１０００μｍ以下、リブ部の幅が１０００μｍ以下、溝の深さが１０００μｍ以下であることを特徴とする超小型燃料電池にある。
【００２７】
第１５の発明は、第１基板にリブ部を介して隣接する溝を形成する溝形成工程と、溝内に集電体層を形成する集電体層形成工程と、集電体層の表面に触媒層を形成する触媒層形成工程と、溝を覆うように電解質膜と第２の基板を積層させる積層工程とを含むことを特徴とする燃料電池の製造方法にある。
【００２８】
第１６の発明は、第１５の発明において、前記溝形成工程がエッチング工程であることを特徴とする燃料電池の製造方法にある。
【００２９】
第１７の発明は、第１５の発明おいて、前記集電体形成工程が蒸着工程であることを特徴とする燃料電池の製造方法にある。
【００３０】
第１８の発明は、第１５の発明において、前記触媒層形成工程が電気析出工程であることを特徴とする燃料電池の製造方法にある。
【００３１】
第１９の発明は、第１４の燃料電池を基板上に搭載してなることを特徴とする燃料電池を備えた大規模集積回路にある。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、押圧部材を設けて、第１基板と第２基板を押圧するので、簡易な構成で且つメタノールクロスオーバ現象を阻止して、電解質膜をプロトンのみが移動することができる。これにより、燃料のロスを防ぐと共に、出力の低下を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。
【実施例１】
【００３４】
本発明による燃料電池の実施例について図１を用いて説明する。図１は、燃料電池の概略断面図である。
本実施例にかかる燃料電池は、第１基板１１にリブ部１２を介して隣接して設けられた第１の溝１３−１及び第２の溝１３−２と、該各々の溝１３−１，１３−２内に設けられた触媒１４を有する集電体層１５と、前記２本の溝１３−１、１３−２の開口部を閉塞する電解質膜１６と、該電解質膜１６に積層してなる第２基板１７と、第１基板１１と第２基板１７とを押圧する押圧部材（図示せず）とを具備してなると共に、前記第１の溝１３−１に燃料である液体燃料１８を供給又は充填すると共に、第２の溝１３−２に酸化剤である酸素溶存溶液１９を供給又は充填してなるものである。
【００３５】
本実施例では、第１の基板１１としてケイ素基板を用いたが、本発明ではこれに限定されるものではなく、強度があり、寸法安定性が優れている材料であれば特に限定されるものではない。特に、ポリアクリル樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ＡＢＳ樹脂及びこれらの混合物、若しくはこれらの材料に無機材料を充填してなる複合材料を用いることが好ましい。
【００３６】
また、溝１３−１、１３−２内に形成される集電体層１５は、本実施例では導電層である金と密着層であるチタンを溝の内壁に作り込んだが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば金等の集電機能を発揮する金属であれば、特に限定されるものではない。
【００３７】
また、集電体層１５に担持される触媒１４としては、本実施例では白金を用いているが、本発明はこれに限定されるものではなく、白金と、ルテニウム、イリジウム、オスミウム、鉄、ニッケル、金、コバルト、パラジウム、タングステン、モリブデン及び錫からなる群より選択される一種又は二種以上の元素との白金基合金を用いることができる。特に、高起電力及び高出力の燃料電池が得られる点から白金ルテニウム合金を用いることが好ましい。
【００３８】
また、電解質膜１６は、プロトン輸送材料が含浸されたＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）からなることが好ましい。このような電解質は適度な強度、伸度、弾性、硬さ、こわさを有しているので、本発明の燃料電池を構成する上で好適である。プロトン輸送材料としては、例えば、パーフルオロスルホン酸系高分子が好ましい。固体高分子電解質膜としては、例えば、「フレオミン膜」（商標名：旭硝子社製）、「ナフィオン膜」（商標名：デュポン社製）等が好適に用いられる。
【００３９】
また、第１の溝１３−１に供給する液体燃料１８としては、メタノール、エタノール、プロピルアルコール、イソプロピルアルコール、ブタノール、ギ酸のいずれか一種又はこれら水溶液又はこれらの混合物を挙げることができるが、本発明はこれに限定されるものではなく、プロトンを供与する液体燃料であれば特に限定されるものではない。
【００４０】
本発明では、液体燃料１８として、特には安価なメタノールを用いたメタノール水溶液を用いるのが好ましい。
また、メタノールを燃料とする場合には、高濃度のメタノールを用いることが好ましい。また、後述するように、加圧によりリブ部１２により電解質膜の膜密度を向上させることで、電解質の膨潤を抑制することにより、濃度の高いメタノール水溶液を用いることが可能となる。
【００４１】
前記第２の溝１３−２に供給する酸素溶存溶液１９としては、酸素を溶存させた溶液であることが必要である。
【００４２】
また、前記酸素溶存溶液１９としてフルオロカーボン置換基を有するフルオロカーボン溶液を用いることができる。このフルオロカーボン溶液は、酸素を高濃度に溶存させる機能と酸素を運搬する機能とを併用しているので、燃料電池の酸化剤である酸素供給に用いて好適なものである。
【００４３】
また、燃料溶液１８及び該酸素溶存溶液１９中においてプロトンの移動を促進させるために、希硫酸溶液等の電解質を添加することが好ましい。これにより、溝内部で発生したプロトンを電解質膜１６まで効率的に移動させることができ、好ましい。
【００４４】
液体燃料１８及び酸素溶存溶液１９は溝内に供給する場合であっても、予め充填する場合であってもいずれでもよい。溝に供給する場合には、例えばポンプ又はシリンジ等の液体供給装置を設置するようにすればよい。
【００４５】
また、本実施例では、燃料及び酸化剤として液体のものを用いているが、本発明はこれに限定されるものではなく、気体状態又は固体状態であってもよい。
【００４６】
前記溝１３−１、１３−２の形状は特に限定されるものではないが、異方性形状（角型）及び等方性形状（丸型、半円型）とすることができる。また、溝側壁は垂直の場合の他、図１５に示すように、第１の基板１１に形成される溝１３の側壁１３ａを斜め形状として電極を蒸着させる場合における蒸着効率を向上させるようにしてもよい。
また、半円形の側面或いは穏かな側面をもった構造とすることができる。
【００４７】
第２の基板１７は特に限定されるものではないが、ガラス基板及び樹脂基板を例示することができる。特に耐熱性のガラス、耐薬品性の樹脂基板を用いることが好ましい。特に、ポリアクリル樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ＡＢＳ樹脂及びこれらの混合物、若しくはこれらの材料に無機材料を充填してなる複合材料を用いるとよい。
【００４８】
第１の基板１１と第２の基板１７とを押圧する手段としては、例えば図２、図３に示すような枠体２１，２２用いて、ボルト２３及びナット２４を用い、所定圧力で締結して燃料電池２０とすればよい。なお、枠体２１，２２の材質は特に限定されるものではないが、例えばステンレス製、繊維強化プラスチック製等を用いるとよい。
【００４９】
この枠体２１，２２を用いることにより、第１の基板１１のリブ部１２が電解質膜１６を押圧することとなり、押圧部分の膜密度が向上し、メタノールの移動を防止することとなり、メタノールクロスオーバを抑制することができる。前記リブ部１２は電気的に絶縁とし、電解質膜に任意圧力にて当接させることで、燃料の液絡を防ぎ、プロトンのみの輸送を可能としている。また、プロトンに輸送は平面輸送であるので、電解質膜の膜厚に依存せず、リブ部の幅を調整することで、電解質膜の抵抗損を低減することができる。
【００５０】
図２において、溝１３−１、１３−２の開口部を閉塞する電解質膜は、プロトンの移動をセル単位で行うために、仕切り部２５を用いて、３枚の電解質膜１６−１〜１６−３としている。
【００５１】
また、図２及び図３に示すような枠体２１，２２等の押圧装置を用いる以外に、例えば膜密度が高い電解質膜を用いて、メタノールの移動を抑制するようにしてもよい。すなわち、溝開口部は膜密度が低く、リブ部１２と当接する部分は膜密度を高くし、傾斜構造の電解質膜を用いるようにして、メタノールクロスオーバを抑制するようにしてもよい。
【００５２】
また、リブ部１２と電解質膜１６との接触部に例えば接着剤又は粘着性樹脂等による密着層を形成して両者の密着性を向上させて、界面でのメタノールの移動を抑制するようにしてもよい。なお、密着層は燃料により膨潤することのないものを選定することが必要である。
【００５３】
図４、図５は本実施例におけるプロトン輸送の概念図である。
図４はアノード側であり、ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ-の反応が進行する。また、図５はカソード側であり、３／２Ｏ2＋６Ｈ+＋６ｅ-→３Ｈ2Ｏの反応が進行する。このような構造となるので、図２１に示すような従来において対向する燃料電池構造で用いた膜―電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）構造が不用となり、集電効率の向上に寄与することができる。
【００５４】
また、集電体層１５に触媒を担持する場合においても、例えば電析を行うことで担持させることができ、触媒の担持も容易となる。
【００５５】
また、触媒と燃料及び酸素との接触においても、溝内面全体で行うことができるので、図２１のような溝の膜開口部分においてのみ反応する場合と較べて、反応効率が向上する。
【００５６】
また、溝の幅及び深さ、並びにリブ部の幅については、燃料電池の用途、大きさ及びその発電容量に応じて適宜変化させることができ、特に限定されるものではない。
【００５７】
ここで、本発明の燃料電池の溝幅等は特に限定されるものではないが、小型の燃料電池とする場合には、例えば溝の幅が１０００μｍ以下、リブ部の幅が１０００μｍ以下、溝の深さが１０００μｍ以下とするようにすればよい。
【００５８】
なお、リブ部１２の幅はプロトンの移動が平面移動となるので、幅が小さいほうが好ましいが、あまり小さいとプロトンの移動以外にメタノールの移動が生じるので、メタノール移動が生じないように押圧力との関係により、適宜変更するようにしている。
【００５９】
図６に示すように、本実施例では、超小型燃料電池の構成として、第１の基板１１に形成する溝１３−１，１３−２の溝幅（ａ）を１００μｍ、溝深さ（ｂ）を１００μｍ、溝長さ（Ｃ）を６０００μｍ、リブ部の幅（ｄ）を１００μｍと規定し、電極の面積を（２ｂ＋ａ）×ｃとして１．８×１０-2ｃｍ2としたが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００６０】
また、本発明にかかる燃料電池の反応温度は室温が好ましいが、触媒活性を考慮して室温〜１００℃までとするようにしてもよい。
【００６１】
上述の構成による燃料電池の電流密度と電圧及び出力密度との関係を図７示す。１セルあたりの出力電圧は最大３００ｍＶであり、電力の出力密度は最大０．４４ｍＷ／ｃｍ2であった。触媒としては、アノード及びカソードともに白金（Ｐｔ）を用いた。
【００６２】
なお、この際の液体燃料（２Ｍメタノール、０．５Ｍ  Ｈ2ＳＯ4）及び酸素溶存溶液（酸素飽和溶液  、０．５Ｍ  Ｈ2ＳＯ4）の流速は１０μｌ／ｍｉｎであり、液体温度及び反応温度は室温で行った。
【００６３】
また、触媒として白金／ルテニウムを用いた場合には、図８及び図９に示すように、１セルあたりの出力電圧は最大３００ｍＶが４００ｍＶとなり、電力の出力密度は最大０．４４ｍＷ／ｃｍ2が０．７８ｍＷ／ｃｍ2となった。
【００６４】
図１０〜図１２は本発明の燃料電池のセルの構成単位について説明する。図１０は図１の燃料電池のセル１単位の構成図である。
隣接する溝１３−１、１３−２とそれに対応する電解質膜１６−１が仕切り部２５により、仕切られてプロトンの移動方向を抑制し、隣接する他のセルへの移動を防止するようにしている。なお、図１０において、集電体層、触媒及び第２基板については省略している（以下同様である）。
【００６５】
図１１は第１の基板１１に隣接する３本の溝１１−１〜１１−３をセル１単位とし、中央の溝にメタノールである燃料溶液１８を供給し、その両側の溝１１−１、１１−３には酸素溶存溶液１９を供給するようにしている。これにより、酸素の供給量が少ない場合には、酸素供給量を増大させることができる。
【００６６】
図１２は第１の基板１１に隣接する３本の溝１１−１〜１１−３をセル１単位とし、中央の溝に酸素溶存溶液１９を供給し、その両側の溝１１−１、１１−３にはメタノールである燃料溶液１８を供給するようにしている。これにより、メタノール等の燃料溶液の供給量が少ない場合には、酸素供給量を増大させることができる。
【００６７】
このようなセルを１単位として、複数のセルから燃料電池スタックを構成し、大容量又は長寿妙の燃料電池とすることができる。また、この際、同一基板上に複数の溝を形成し、これらを電気的に接合して燃料電池スタックを構成することで、簡易な製造方法で大容量又は長寿命の燃料電池を製造することができる。
【００６８】
また、図１３に示すように、溝１３−１，１３−２を形成した第１の基板１１と電解質膜１６からなるセルを積層してスタックとし、積層型の燃料電池を構成するようにしてもよい。この際、第２の基板１７は最上層のセルにのみ設けるようにすればよい。
なお、溝の数及び配置は何ら限定されるものではない。
【００６９】
次に、図１の燃料電池の製造工程の一例を図１４及び図１５を参照して説明する。
先ず、図１４に示すように、酸化工程により、第１の基板１１の熱酸化を行う（工程Ａ）。本実施例では、厚さが２００μｍのケイ素を用いた。
次に、基板上に酸化膜のエッチングによりパターニングを行う（工程Ｂ，Ｃ）。
次に、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥレジストパターンを形成後、ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ：反応性イオンエッチング）装置を用いて溝１３−１，１３−２流路の形成を行い、その後レジストを剥離し、次いで熱酸化を行う（工程Ｄ，Ｅ）。
次に、図１５に示すように、金属電極及び配線部のパターニングを行い、密着層としてＴｉ、集電体層１５の金属としてＡｕを真空エレクトロンビーム（ＥＢ）蒸着により蒸着させ、リフトオフによりパターン部以外のレジスト及び金属を除去する（工程Ｆ〜Ｈ）。
次に、電極部となる流路内部に電析法により触媒１４を担持する（工程Ｉ）。
最後に、電解質膜１６と第２の基板ガラス基板１７を積層させ、セルを組み立てる（工程Ｊ）。
【００７０】
その後、図２及び図３に示すような例えばステンレス製の枠体で第１の基板１１と第２の基板１７とを所定圧力により押圧し、リブ部１２により固体電解質膜１６を密着させる。
なお、工程Ｈにおいて、基板を左右に揺動しているのは、溝の側壁への蒸着を良好とさせるためである。
また、その際、密着層としてチタンを用いているのは、酸化ケイ素と導電層としての金属との密着性を向上させるためである。
【００７１】
このように厚さが２００μｍの基板に燃料を供給する溝を形成すると共に、電極を形成し、固体高分子電解質膜を載せるという簡易な構成で、超小型の燃料電池を提供することができる。Ｓｉの微細加工技術であるＭＥＭＳを用いることで、公知の半導体製造と同様のプロセス技術により、燃料電池を製造することができるので、大量生産におけるコストの低廉化を図ることができる。また、同一基板平面に隣接した溝を形成することで、セルを構成することができるので、製造が簡易となり、製造コストの低廉化を図ることができる。
【００７２】
得られた燃料電池は超小型の燃料電池であるので、例えば図１７に示すように、基板３１の上に燃料電池２０を設置し、該燃料電池に供給する燃料タンク３２、酸化剤タンク３３を設けてマイクロキャパシタ３４、ＤＣ／ＤＣコンバータ３５を介してマイクロマシーン３６を駆動するようにすることができる。よって、超小型燃料電池２０を備えた大規模集積回路（ＬＳＩ）３０を構築することができる。
【００７３】
また、この燃料電池は燃料タンク３２、酸化剤タンク３３を設置しているので、燃料が続く限り、駆動することができる。
【００７４】
また、別途設けた燃料充填装置３７を用いることにより、再利用に供することができる。燃料充填装置３７は燃料及び酸化剤カートリッジ３８と燃料供給口３９−１、酸化剤供給口３９−２を備えたマイクロシリンジポンプ４０とから構成され、適宜燃料タンク３２、酸化剤タンク３３に燃料及び酸化剤を各々を供給するようにしている。
この結果、マイクロマシーンを永続的に駆動することが可能となる。
【００７５】
また、燃料タンク及び酸化剤タンクを設置せず、溝内に充填した液体燃料及び酸素溶存溶液を使いきりにして、使い捨てのマイクロマシーンとすることも可能である。この際、液体燃料及び酸素溶存溶液の供給を開始するための弁等を設け、電源駆動開始を行うようにすればよい。
【実施例２】
【００７６】
本発明による燃料電池の他の実施例２について図１８を用いて説明する。なお、前述した実施例１の燃料電池と同様の構成については同一符号を付してその説明は省略する。
図１８に示すように、本実施例にかかる燃料電池は、第１基板１１にリブ部１２を介して隣接して設けられた第１の溝１３−１及び第２の溝１３−２と、前記第１の溝１３−１内に設けられた第１の触媒１４−１を有する集電体層１５−１と、前記２本の溝の開口部を閉塞する電解質膜１６と、前記第２溝１３−２の開口部側の電解質に設けた第２の触媒１４−２を有する集電体層１５−２と、該電解質膜１６に積層してなる第２の基板１７と、第１基板１１と第２基板１７とを押圧する押圧部材（図示せず）とを具備してなると共に、前記第１の溝１３−１に液体燃料１８を供給又は充填すると共に、第２の溝１３−２に酸素を含む気体５１を供給又は充填してなるものである。
【００７７】
また、第１の溝１３−１に供給する燃料溶液１８については、実施例１と同様である。
第２の溝は膜―電極接合体（ＭＥＡ）構造となり、本実施例では酸化剤としての酸素は空気等の気体を供給するようにすればよい。
なお、酸化剤としては、液体であってもよい。
【００７８】
これにより、第２の溝１３−２においては、酸素を気体状態で供給することができ、電解質膜１６の膜面で酸化反応が生じることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
以上のように、本発明にかかる燃料電池は、同一基板に複数の溝と電解質膜から１単位のセルを構成し、電力を得ることができ、小型燃料電池のみならす、マイクロオーダの超小型燃料電池に用いて適している。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】第１の実施例にかかる燃料電池の断面概略図である。
【図２】第１の実施例にかかる燃料電池の断面図であり、図３のＩＩ−ＩＩ断面である。
【図３】第１の実施例にかかる燃料電池の断面図であり、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面である。
【図４】アノードのプロトン輸送の概念図である。
【図５】カノードのプロトン輸送の概念図である。
【図６】第１の実施例の溝形状の寸法図である。
【図７】電流密度と１セルあたりの電圧及び出力密度の関係図である。
【図８】電流密度と１セルあたりの電圧の関係図である。
【図９】電流密度と出力密度の関係図である。
【図１０】セルの構成単位の説明図である。
【図１１】セルの構成単位の説明図である。
【図１２】セルの構成単位の説明図である。
【図１３】燃料電池スタックの説明図である。
【図１４】燃料電池の製造工程図である。
【図１５】燃料電池の製造工程図である。
【図１６】溝形状の説明図である。
【図１７】ＬＳＩの説明図である。
【図１８】第２の実施例にかかる燃料電池の断面概略図である。
【図１９】ＰＥＦＣの燃料電池の模式図である。
【図２０】ＤＭＦＣの燃料電池の模式図である。
【図２１】ＤＭＦＣの燃料電池の概略構成図である。
【図２２】平面型ＤＭＦＣの概略図である。
【符号の説明】
【００８１】
１１  第１基板
１２  リブ部
１３−１第１の溝
１３−２  第２の溝
１４  触媒
１５  集電体層
１６  電解質膜
１７  第２基板
１８  液体燃料
１９  酸素溶存溶液
２０  燃料電池
２１  枠体
【図１】
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【図２】
0004679825.tif 000003
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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