(57)【要約】【課題】セラミックヒーターの被加熱物の載置面における温度分布が大きく均一に熱を伝達できないという課題があった。【解決手段】セラミックヒーター１は、四角形状の基体２と、基体２に形成された線状の発熱抵抗体３と、発熱抵抗体３の両端に形成された電極４とを具備し、発熱抵抗体３は、基体２の中心部から外周部に向かうに伴って幅が小さくなるとともに、基体２の隅部で単位面積当たりの長さが長くなっている。【選択図】  図１
2005050626.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
四角形状のセラミック基体と、該セラミック基体に形成された線状の発熱抵抗体と、該発熱抵抗体の両端に形成された電極とを具備しており、前記発熱抵抗体は、前記セラミック基体の中心部から外周部に向かうに伴って幅が小さくなるとともに、前記セラミック基体の隅部で単位面積当たりの長さが長くなっていることを特徴とするセラミックヒーター。
【請求項２】
下側および上側主面にそれぞれ第１および第２電極を有する電解質部材を収容する凹部を上面に有する基体と、前記電解質部材の前記下側主面に対向する前記凹部の底面から前記基体の外面にかけて形成された第１流体流路と、前記電解質部材の前記第１電極に対向する前記凹部の底面に一端が配設され、他端が前記基体の外面に導出された第１配線導体と、前記基体の前記凹部の周囲の上面に前記凹部を覆って取着される、前記凹部を気密に封止する蓋体と、前記電解質部材の前記上側主面に対向する前記蓋体の下面から前記蓋体の外面にかけて形成された第２流体流路と、前記電解質部材の前記第２電極に対向する前記蓋体の下面に一端が配設され、他端が前記蓋体の外面に導出された第２配線導体とを具備した燃料電池において、前記基体および前記蓋体の少なくとも一方が請求項１記載のセラミックヒーターから成ることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
被処理流体を供給する供給部と、該供給部から被処理流体を流通させるとともに途中に処理部が設けられた流路と、該流路の下流側の端部に設けられて処理後の前記被処理流体を外部に導出する採取部とを有する基体を具備したマイクロ化学チップにおいて、前記基体は請求項１記載のセラミックヒーターが搭載されていることを特徴とするマイクロ化学チップ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミック基体の主面に線状の発熱抵抗体が形成されて成るセラミックヒーターおよびこれを用いた燃料電池ならびにマイクロ化学チップに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、セラミック基体の主面に線状の発熱抵抗体が形成されて成るセラミックヒーターは燃料電池等に利用されている。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】
中でもＰＥＦＣは、作動温度が８０〜１００℃程度という低温であり、
（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、
といった優れ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，ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ａｓｓｉｓｔａｎｔｓ），ノートパソコン，デジタルカメラやビデオ等の出力が数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きている。
【０００４】
かかる燃料電池は、化学反応により発電を行う電解質部材、電解質部材で発電された電気を取り出す、第一電極、第二電極、燃料と空気を分離し流通させるセラミック基体、セラミック蓋体から成るセパレータ、化学反応を効率的に行うようにするためのヒーター等の温度制御装置から構成される（特許文献１参照）。
【０００５】
また、セラミックヒーターはマイクロ化学チップにも利用される。化学技術やバイオ技術の分野では、試料に対する反応や試料の分析などを微少な領域で行うための研究が行われており、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム（ＭＥＭＳ）技術を用いて化学反応や生化学反応、試料の分析などのシステムを小型化したマイクロ化学システム技術が研究開発されている。
【０００６】
マイクロ化学システム技術は、例えばセラミック基体等の表面に微細な溝等から成る試料を流すための流路を有するマイクロ化学チップとして具体化されつつあり、従来のシステムに比べ、組み込まれる機器や構成全体が微細化されているので、試料の単位体積あたりの反応表面積を増大させ、反応時間を大幅に削減することができる。また、試料としての流体の流量の精密な制御が可能であるので、反応や分析を効率的に行うことができる。さらに反応に必要な試料や試薬の量を少なくすることができる。
【０００７】
このような利点を有することから、マイクロ化学システム技術の医療分野への応用が期待されている。たとえば、血液検査にマイクロ化学チップを用いることによって、検体である血液の量を少なくすることができるので、患者への負担を軽減することができる。また、検査に必要な試薬の量を少なくすることができるので、検査の費用を下げることができる。
【０００８】
マイクロ化学チップでは、供給部から被処理流体を供給し、流路で試薬と混合し、処理部で反応を行わせた後、採取部から反応後の被処理流体を外部に採取する。あるいは、処理部に試薬を仮固定しておき、供給部から被処理流体を流入させると、処理部において、被処理流体を反応させることができるので、採取部から反応後の被処理流体を取り出すことができる。さらに、処理部の流路の下方にヒーターなどの加熱手段を設け、処理部の流路を加熱すれば、被処理流体をより確実に反応させることができる（特許文献２参照）。
【０００９】
被処理流体の反応は、一定時間、適切な温度で混合することにより、効率的に行われるため、処理部での高精度な反応時間制御、反応温度制御が要求される。
このため、処理部の適切な温度での均熱化が必要である。すなわち、処理部の温度が適切な温度よりも低いと、目的とする被処理流体の処理量が減少して反応効率が下がってしまう。処理部の温度が適切な温度よりも高いと、目的の処理以外の反応が被処理流体で起こり、目的とする被処理流体の処理量が減少して反応効率が下がってしまう。
【００１０】
ヒーターの均熱化については、従来から検討がなされており、たとえばヒーターの形成されるセラミック基体として熱伝導率の高い窒化物セラミックを使用することが提案されている（特許文献３参照）。また、ヒーターに接するセラミック基体内部に貫通孔を適切に形成してセラミック基体表面を均熱化することが提案されている（特許文献４参照）。さらに、発熱抵抗体の幅、長さ、形状といったパターンを不均一に形成するとともにセラミック基体に均熱板を取着することによりセラミック基体の均熱化を行なうことが提案されている（特許文献５参照）。
【００１１】
【特許文献１】
特開２００３−０３５７０２号公報
【００１２】
【特許文献２】
特開２００３−１１４８２０号公報
【００１３】
【特許文献３】
特許第３１６５３９６号公報
【００１４】
【特許文献４】
特許第３４０４２６８号公報
【００１５】
【特許文献５】
特開２００２−１４１１６３号公報
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、燃料電池のセパレータに搭載されるヒーターは、電解質部材全体を化学反応が効率的に生じる８０〜１００℃に温度制御する必要があるが、ヒーターが搭載されるセパレータに熱伝導率が３〜３０Ｗ／ｍ・Ｋの低熱伝導率のセラミック材料を使用すると、ヒーター内の温度分布が大きくなり、発熱抵抗体のパターン幅やパターン間を不均一に形成することにより電力密度に変化をもたせたとしても、電解質部材全体の高精度な温度制御がしにくく、化学反応の効率が低下して発電効率が低下するという問題点を有していた。
【００１７】
また、発熱抵抗体の幅、長さ、形状といった発熱抵抗体のパターンを不均一に形成することにより、電力密度に変化を持たせて均熱化するという設計方法についても、パターンをどの程度の寸法、形状にすればよいのかという点については経験や実験にたよることが多く、目標とする均熱性を得るのが難しいという問題点を有していた。
【００１８】
また、ヒーターが搭載されるセパレータに熱電導率が１５０Ｗ／ｍ・Ｋ程の高熱伝導率の窒化アルミニウム等のセラミック材料を使用すると、電解質部材全体の高精度な温度制御はしやすくなるが、放熱性が高まるため、８０〜１００℃に温度制御するには大きな電流が必要となり、その結果電流の２乗に比例する電力量も大きくなるため燃料電池としての発電効率が低下するという問題点を有していた。
【００１９】
また、ヒーターの搭載されるセパレータ内部に貫通孔を適切に配置し、電解質部材全体の均熱化をはかるという手法は、薄型化が要求されているセパレータの強度が貫通孔により低下するだけでなく、貫通孔の寸法、位置等を適切に設計する必要があり、この設計方法についても経験や実験にたよることが多く、目標とする均熱性を得るのが難しいという問題点を有していた。
【００２０】
また、ヒーターの搭載されるセパレータに均熱板を取着して電解質部材全体の均熱化をはかるという手法は、セパレータの重量や、厚みが増すだけでなく、セパレータと均熱板が密着した状態で繰り返しの熱サイクルがおこり、セパレータと均熱板との熱膨張係数の違いにより繰り返しの熱応力が発生して、セパレータの信頼性を低下させるという問題点を有していた。
【００２１】
また、マイクロ化学チップに搭載されるヒーターは、処理部のみを、被処理流体の反応が効率的に行われる適切な温度（例えば９０±０．５℃）に温度制御する必要があるが、ヒーターが搭載されるマイクロ化学チップに熱伝導率が３〜３０Ｗ／ｍ・Ｋの低熱伝導率のセラミック材料を使用するとヒーター内の温度分布が大きくなり、発熱抵抗体のパターン幅やパターン間を不均一に形成することにより電力密度に変化をもたせたとしても、処理部全体の高精度な温度制御がしにくく、化学反応の効率が低下するという問題点を有していた。また、発熱抵抗体の幅、長さ、形状といったパターンを不均一に形成することにより、電力密度に変化を持たせて均熱化するという設計方法についても、パターンをどの程度の寸法、形状にすればよいのかという点については経験や実験にたよることが多く、目標とする均熱性を得るのが難しいという問題点を有していた。
【００２２】
また、ヒーターが搭載されるマイクロ化学チップに熱電導率が１５０Ｗ／ｍ・Ｋ程の高熱伝導率の窒化アルミニウム等のセラミック材料を使用すると、処理部の高精度な温度制御はしやすくなるが、放熱性が高まるため、適切な温度に温度制御するには大きな電流が必要であり、電流の２乗に比例する電力量も大きくなるほか、処理部以外の部分への熱の広がりも大きくなる結果、反応の高精度な時間制御、温度制御ができないという問題点を有していた。
【００２３】
また、ヒーターの搭載されるマイクロ化学チップのセラミック基体に貫通孔を適切に配置し、セラミック基体表面の均熱化をはかるという手段は、マイクロ化学チップの強度が貫通孔により低下するだけでなく、処理部と処理部以外の温度差により生じる熱応力が貫通孔に集中し、マイクロ化学チップの信頼性が低下するという問題点を有していた。また、貫通孔の大きさ、位置等を適切に設計する必要があり、この設計方法についても経験や実験にたよることが多く、目標とする均熱性を得るのが難しいという問題点を有していた。
【００２４】
また、ヒーターの搭載されるマイクロ化学チップに均熱板を取着して処理部の均熱化をはかるという手段は、マイクロ化学チップの重量や厚みが増すだけでなく、マイクロ化学チップと均熱板が密着した状態で繰り返しの熱サイクルが加わり、マイクロ化学チップと均熱板の熱膨張係数の違いにより繰り返しの熱応力が発生し、マイクロ化学チップの信頼性を低下させるという問題点を有していた。
【００２５】
したがって、本発明は上述の問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、高精度の均熱化が要求される燃料電池やマイクロ化学チップ等に好適なセラミックヒーターであって、発熱部の均熱性が高く、低電力、高強度で安価なセラミックヒーターおよびこれを用いた燃料電池ならびにマイクロ化学チップを提供することである。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
本発明のセラミックヒーターは、四角形状のセラミック基体と、該セラミック基体に形成された線状の発熱抵抗体と、該発熱抵抗体の両端に形成された電極とを具備しており、前記発熱抵抗体は、前記セラミック基体の中心部から外周部に向かうに伴って幅が小さくなるとともに、前記セラミック基体の隅部で単位面積当たりの長さが長くなっていることを特徴とする。
【００２７】
本発明のセラミックヒーターは、発熱抵抗体は、セラミック基体の中心部から外周部に向かうに伴って幅が小さくなるとともに、セラミック基体の隅部で単位面積当たりの長さが長くなっていることから、セラミック基体の中心部では発熱量が低く、外周部では発熱量が高くなる。これにより、温度が高くなりやすい中心部と温度が低くなりやすい外周部との温度差を解消して均一化することができ、セラミック基体上に載置される被加熱物に熱を均一に伝達させることができる均熱性の高いセラミックヒーターを得ることができる。
【００２８】
また、本発明のセラミックヒーターは、単位面積当たりの発熱抵抗体のパターンおよび発熱抵抗体のパターンの配置に関する基本構成が明確であることから、種々のセラミックヒーターに対して、基本構成を維持して均熱性の高い発熱抵抗体の全体パターンを数回の実験で定量的に決定することができる。
【００２９】
また、発熱抵抗体が形成されるセラミック基体が例えば熱伝導率が３〜３０Ｗ／ｍ・Ｋと低いガラスセラミックスやアルミナセラミックスから成る場合においても、セラミック基体全体の温度分布を±１％／ｃｍ２以下とすることができ、均熱性の高いセラミックヒーターを得ることができる。また一方、セラミック基体の熱伝導率が３〜３０Ｗ／ｍ・Ｋと低い場合には放熱性が小さいため、低電力で高精度の温度制御可能なセラミックヒーターを得ることができる。
【００３０】
また、本発明のセラミックヒーターは、均熱化のための貫通孔を形成する必要が無いためセラミック基体の強度が強くなり、温度差によりセラミック基体内に生じる熱応力が集中する箇所が無く、信頼性の高いものとなる。
【００３１】
さらに、本発明のセラミックヒーターは、均熱化のための均熱板を取着する必要が無いため、温度差により生じるセラミック基体と均熱板の熱応力が発生しないため、信頼性の高いものとなる。
【００３２】
本発明の燃料電池は、下側および上側主面にそれぞれ第１および第２電極を有する電解質部材を収容する凹部を上面に有する基体と、前記電解質部材の前記下側主面に対向する前記凹部の底面から前記基体の外面にかけて形成された第１流体流路と、前記電解質部材の前記第１電極に対向する前記凹部の底面に一端が配設され、他端が前記基体の外面に導出された第１配線導体と、前記基体の前記凹部の周囲の上面に前記凹部を覆って取着される、前記凹部を気密に封止する蓋体と、前記電解質部材の前記上側主面に対向する前記蓋体の下面から前記蓋体の外面にかけて形成された第２流体流路と、前記電解質部材の前記第２電極に対向する前記蓋体の下面に一端が配設され、他端が前記蓋体の外面に導出された第２配線導体とを具備した燃料電池において、前記基体および前記蓋体の少なくとも一方が請求項１記載のセラミックヒーターから成ることを特徴とする。
【００３３】
本発明の燃料電池は、基体および蓋体の少なくとも一方が本発明のセラミックヒーターから成ることから、高精度の温度制御ができ、低電力かつ高強度で信頼性が高く、小型で安価なものとなる。
【００３４】
本発明のマイクロ化学チップは、被処理流体を供給する供給部と、該供給部から被処理流体を流通させるとともに途中に処理部が設けられた流路と、該流路の下流側の端部に設けられて処理後の前記被処理流体を外部に導出する採取部とを有する基体を具備したマイクロ化学チップにおいて、前記基体は本発明のセラミックヒーターが搭載されていることを特徴とする。
【００３５】
本発明のマイクロ化学チップは、基体に本発明のセラミックヒーターが搭載されていることから、高精度の温度制御ができ、低電力かつ高強度で信頼性が高く、小型で安価なものとなる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
本発明のセラミックヒーターについて以下に詳細に説明する。図１は本発明のセラミックヒーターの実施の形態の一例を示し、発熱抵抗体を透視した透視平面図である。図２は図１のセラミックヒーターの断面図である。これらの図に示すように、本発明のセラミックヒーター１は、四角形状のセラミック基体２と、セラミック基体２に形成された線状の発熱抵抗体３と、発熱抵抗体３の両端に形成された電極４とを具備しており、発熱抵抗体３は、セラミック基体２の中心部から外周部に向かうに伴って幅が小さくなるとともに、セラミック基体２の隅部で単位面積当たりの長さが長くなっていることを特徴とする。
【００３７】
本発明におけるセラミック基体２は、酸化アルミニウム質焼結体（アルミナセラミックス）、窒化アルミニウム質焼結体、窒化珪素質焼結体、炭化珪素質焼結体等のセラミックから成り、例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化珪素（ＳｉＯ２）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化カルシウム（ＣａＯ）等に有機溶剤、溶媒を添加混合して泥漿物（スラリー）を得、次にスラリーを従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等を採用してテープ状に成形してセラミックグリーンシート（セラミック生シート）を得、しかる後、セラミックグリーンシートを打ち抜き加工法等により所定形状に加工するとともにこれを複数枚積層し、高温（約１６００℃）で焼成することによって製作される。
【００３８】
また、多層セラミックから成るセラミック基体２にはその内部に発熱抵抗体３が埋設され、電極４がセラミック基体２に設けた貫通孔により露出している。この発熱抵抗体３および電極４はタングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）、レニウム（Ｒｅ）、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）等により形成されている。
【００３９】
線状の発熱抵抗体３は所定の電力を印加した場合、発熱抵抗体３が有する電気抵抗によりジュール発熱を起こし、セラミックヒーター１を所定の温度とする作用をなす。電極４は、発熱抵抗体３の両端に形成されており、外部より発熱抵抗体３に電力を供給する作用をなす。
【００４０】
発熱抵抗体３および電極４は、タングステン（Ｗ）等の金属粉末に有機溶剤、溶媒を添加混合して得た金属ペーストを、焼成によってセラミック基体２と成るセラミックグリーンシートに、予めスクリーン印刷法等により厚みを５〜５０μｍ程度として所定パターンに印刷塗布しておくことによって、セラミック基体２の内部に埋設されて形成される。
【００４１】
本発明の発熱抵抗体３は、図１に示すように、セラミック基体２の中心部から外周部に向かうに伴って幅が小さくなるとともに、セラミック基体２の隅部で単位面積当たりの長さが長くなっている。
【００４２】
セラミックヒーター１は、一般にセラミック基体２の中心部ほど温度が上がりやすく、外周部ほど温度が下がりやすくなるため、本発明の構成とすることにより、セラミック基体２の中心部に対する外周部の電気抵抗を大きくして発熱量を上昇させ、温度分布の均熱化を成すことができる。また、セラミック基体２の中央部は外周部からの熱の流れ込みがあるため、外周部に比較して単位面積当たりの発熱抵抗体３の幅を大きくして長さを減少させることにより発熱量を抑制して均熱化を成すことができる。
【００４３】
単位面積当たりの発熱抵抗体３の幅、長さ、形状は、以下のようにして決定することができる。まず、図３に示すような単位面積当たりの発熱抵抗体３の幅、長さ、形状が一定のサンプルを作成し、電流を流して発熱させ、放射温度計等を用いて温度分布を計測する。計測された温度分布の一例を図４に示す。この温度分布は、外周部の温度が中心部に対して低下しているため、単位面積当たりの発熱量（熱流束）を補正する必要がある。
【００４４】
均熱補正後の熱流速は、ｑ’＝１／ｍ×［（ｔ−ｔ０）／（ｔ’−ｔ０）］ｎ×ｑ，Ｑ＝Σｑ＝Σｑ’により表すことができる。ただし、ｑは初期の熱流束、ｑ’は均熱補正後の熱流束、Ｑはセラミックヒーターの全熱量、ｔは初期のセラミックヒーターの温度、ｔ’は均熱補正後のセラミックヒーターの温度、ｔ０は周囲温度である。また、ｍは全熱量が初期と均熱補正後で等しくなる（Ｑ＝Σｑ＝Σｑ’）ような係数、ｎは発熱面積と放熱面積の比により決まる係数である。
【００４５】
また、均熱補正後の熱流束ｑ’は、ｑ’＝ｉ２×ρ×ｌ／ｗ／ｄにより表すことができる。ただし、ｉは電流値、ρは発熱抵抗体の体積固有抵抗、ｌ，ｗ，ｄは発熱抵抗体の単位面積当たりの長さ、幅、厚みである。
【００４６】
単位面積毎に、図３に示すサンプルで計測された温度ｔに対して均熱補正後の熱流束ｑ’を求め、発熱抵抗体の長さｌ、幅ｗ、厚みｄを決定する。長さｌ、幅ｗについては、例えば図５に示すように、パターンの長さｌ、幅ｗを変更することにより調整できる。
【００４７】
図５に示す単位面積当たりのパターンを、セラミック基体２の所定のセラミック層の主面全面に配置することにより、図１に示す発熱抵抗体３のパターンが形成され、図６に示すような均熱性の高い温度分布を有するセラミックヒーター１を得ることができる。
【００４８】
また、本発明のセラミックヒーター１においては、セラミック基体２の主面の面積が大きくなるのにともなって、その温度分布も大きくなる。しかし、基本構成を維持したまま発熱抵抗体３の幅、長さ、厚みを調整することにより、セラミック基体２の主面の面積が５ｃｍ２以上の大きな場合でも、その表面の温度分布を±１％以下とすることができる。例えば、発熱抵抗体３の金属ペーストを印刷塗布して形成する際にその印刷回数を部分的に変更することにより厚みを変更することができ、均熱化を達成できる。
【００４９】
なお、上述の例では、セラミックヒーター１は発熱抵抗体３をセラミック基体２内部に埋設した場合について説明したが、発熱抵抗体３をセラミック基体２の主面に形成してもよい。
【００５０】
また、上述の例では、セラミックヒーター１のセラミック基体２が酸化アルミニウム質焼結体から成る場合について説明したが、セラミック基体２は炭化珪素質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体等から成っていてもよい。例えば、セラミック基体２が炭化珪素質焼結体から成る場合、炭化珪素質焼結体は導電性を有しているため、発熱抵抗体３および電極４を形成するにあたってその電気的絶縁を確保するために、セラミック基体２の表面をガラス等から成る絶縁層で被覆する必要がある。またこの場合、炭化珪素質焼結体は高温で高強度であることから、セラミックヒーター１を高温で使用する場合に信頼性が高いものとなる。従って、セラミックヒーター１を高温で使用する場合、セラミック基体２を炭化珪素質焼結体で形成することが好ましい。
【００５１】
セラミック基体２が窒化アルミニウム質焼結体から成る場合、その窒化アルミニウム質焼結体としては、例えば窒化アルミニウム含有量が９７〜９９重量％でＡｌ２Ｏ３等の酸化物を１〜３重量％の範囲で含むもの、または窒化アルミニウム含有量が９１〜９９重量％でＹ２Ｏ３，Ｙｂ２Ｏ３，Ｅｒ２Ｏ３等の希土類元素酸化物を１〜９重量％の範囲で含むものを挙げることができる。
【００５２】
次に、本発明のセラミックヒーター１を用いた燃料電池について図７に基づき説明する。本発明の燃料電池１０１は、下側および上側主面にそれぞれ第１電極１０３および第２電極１０４を有する電解質部材１０２を収容する凹部を上面に有する基体１０９と、電解質部材１０２の下側主面に対向する凹部の底面から基体１０９の外面にかけて形成された第１流体流路１０５と、電解質部材１０２の第１電極１０３に対向する凹部の底面に一端が配設され、他端が基体１０９の外面に導出された第１配線導体１０７と、基体１０９の凹部の周囲の上面に凹部を覆って取着される、凹部を気密に封止する蓋体１１０と、電解質部材１０２の上側主面に対向する蓋体１１０の下面から蓋体１１０の外面にかけて形成された第２流体流路１０６と、電解質部材１０２の第２電極１０４に対向する蓋体１１０の下面に一端が配設され、他端が蓋体１１０の外面に導出された第２配線導体１０８とを具備した燃料電池１０１において、基体１０９および蓋体１１０の少なくとも一方が本発明のセラミックヒーターから成る。
【００５３】
基体１０９は、第１流体流路１０５、第１配線導体１０７および発熱抵抗体１１１が一体的に形成されている。基体１０９は、以下の手順で作製される。第１配線導体１０７となる金属ペーストを印刷したセラミックグリーンシート（以下、グリーンシートともいう）、発熱抵抗体１１１となる金属ペーストを印刷したグリーンシート、およびその他十分な強度になるように用意された数枚のグリーンシートを積層する。次に、このグリーンシート積層体を所定の型で押圧して第１流体流路１０５を形成する。次に、グリーンシート積層体を加熱焼成することにより、第１配線導体１０７、発熱抵抗体１１１、第１流体流路１０５が一体的に形成された基体１０９が得られる。
【００５４】
また、蓋体１１０は、第２流体流路１０６、第２配線導体１０８および発熱抵抗体１１１が一体的に形成されている。蓋体１１０は、基体１０９と同様の工程で作製される。
【００５５】
ここで、燃料電池１０１の仕組みについて述べる。先ず、第１電極１０３には水素ガス（Ｈ２）が供給され、一方第２電極１０４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。具体的には、第１電極１０３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、第１電極１０３に担持された触媒により電子（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１０２を介して第２電極１０４側に通過するとともに、第１電極１０３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。
【００５６】
３Ｈ２→６Ｈ＋＋６ｅ−・・・（１）
一方、第２電極１０４に空気が供給されると、次の化学反応式（２）に示すように、第２電極１０４に担持された触媒により負荷を経由した電子（ｅ−）と電解質部材１０２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。
【００５７】
６Ｈ＋＋３／２Ｏ２＋６ｅ−→３Ｈ２Ｏ・・・（２）
このような一連の電気化学反応｛式（１），（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。そして、化学反応式（１），（２）で生じる電解質部材１０２表面の電子の流れを第１電極１０３、第２電極１０４、第１配線導体１０７、第２配線導体１０８により外部に出力することにより、電気エネルギーとして利用できる。
【００５８】
次に、本発明のセラミックヒーター１を用いたマイクロ化学チップについて図８に基づき説明する。本発明のマイクロ化学チップ２０１は、被処理流体を供給する供給部２０３と、供給部２０３から被処理流体を流通させるとともに途中に処理部２０７が設けられた流路２０４と、流路２０４の下流側の端部に設けられて処理後の被処理流体を外部に導出する採取部２０５とを有する基体２０２を具備しており、基体２０２は本発明のセラミックヒーターが搭載されている。
【００５９】
このマイクロ化学チップ２０１は、基体２０２、供給部２０３、流路２０４、採取部２０５、発熱抵抗体２０６が一体的に形成されている。即ち、発熱抵抗体２０６となる金属ペーストを印刷するとともに埋め込むグリーンシート、所定の型で押圧して流路２０４を形成したグリーンシート、供給部２０３および採取部２０５を形成するための貫通孔が形成されたグリーンシート、およびその他十分な強度になるように数枚のグリーンシートを積層し、このグリーンシート積層体を加熱焼成することにより、基体２０２、供給部２０３、流路２０４、採取部２０５、発熱抵抗体２０６が一体的に形成されたマイクロ化学チップ２０１が得られる。
【００６０】
ここで、マイクロ化学チップ２０１の仕組みについて述べる。供給部２０３より被処理流体をポンプ等により送液、供給し、流路２０４内で合流して混合する。
【００６１】
ここで、流路２０４の断面積は２．５×１０−３〜１ｍｍ２が好ましい。流路２０４の断面積は小さいため、被処理流体の単位体積あたりの表面積が増大するので、反応効率が向上して反応時間が削減できる。流路２０４の断面積が１ｍｍ２より大きい場合、送液する被処理流体の量が多くなり、反応効率が低下する。また、流路２０４の断面積が２．５×１０−３より小さくなると圧力損失が大きくなり、送液に問題が生じる。
【００６２】
流路２０４の途中の処理部２０７には、発熱抵抗体２０６が基体２０２に搭載され、本発明のセラミックヒーターを構成しており、被処理流体の効率的な反応が生じる温度に設定される。セラミックヒーターは、均熱性が高く、流路２０４に近接して設けられているため、セラミックヒーター近傍に配置された流路２０４の長さ、流速の調整により、高精度の反応時間制御、反応温度制御が可能となり、効率的な化学反応を発生させることができる。
【００６３】
処理部２０７より下流側に配置された採取部２０５より処理後の被処理流体を採取する。
【００６４】
また、採取部２０５や処理部２０７にセンシング手段（図示せず）を配置することにより、被処理流体の反応効率を随時把握することが可能となり、流速や温度を変化させて連続的な駆動を行うことにより、より反応効率が高い条件で使用可能なマイクロ化学チップ２０１を得ることができる。
【００６５】
また、供給部２０３を３箇所以上、発熱抵抗体２０６を２箇所以上設けることにより、段階的な反応を発生させることも可能となる。
【００６６】
なお、本発明のセラミックヒーターは上述の実施の形態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あれば種々の変更は可能である。例えば発熱抵抗体３にＰｔ，Ａｕ，Ａｇ，Ｐｄ等の導電性粒子を含有させて耐熱性を向上させたり、ガラスを含有させて強度を高くしてもよい。
【００６７】
更に、上述の実施の形態ではセラミックヒーターを燃料電池１０１やマイクロ化学チップ２０１に使用した場合について述べたが、これに限定されるものではなく、石油ファンヒーター等の気化器、温水加熱ヒーター等の産業機器、電子部品および一般家庭用の各種加熱装置等の様々な機器に利用してもよい。また、本発明のセラミックヒーターを光通信に用いる光合分波器等に適用して、光合分波器の分波特性（多重波長をもつ光信号を入射し、各波長に分波した光信号を出射する特性）を向上させ、出射した光信号の波長のずれを小さくするようにしてもよい。
【００６８】
【実施例】
本発明のセラミックヒーターの実施例を以下に説明する。
【００６９】
先ず、図１に示すように、発熱抵抗体３となるタングステン等から成る金属ペーストを、酸化アルミニウムからなるグリーンシートの主面に図１のパターンで印刷塗布し、十分な強度になるようにその他の数枚のグリーンシートとともに積層し、このグリーンシート積層体を加熱し焼成することにより、発熱抵抗体３が形成された本発明のセラミックヒーター１を作製した。発熱抵抗体３となる金属ペーストの印刷パターン全体の寸法は、縦１０ｍｍ、横１０ｍｍ、厚み２０μｍである。四角形状の基体２を成す酸化アルミニウム質焼結体の寸法は、縦３０ｍｍ、横５０ｍｍ、厚み１ｍｍである。
【００７０】
また、比較例として図３に示すような均熱化を考慮していない従来のセラミックヒーターを、上述と同様に発熱抵抗体となるタングステン等から成る金属ペーストと酸化アルミニウムからなるセラミックグリーンシートを用いて作製した。
【００７１】
次に、本発明および従来のセラミックヒーターについて、基体の中心点の温度が安定時で９０℃になるよう電力を印加して、基体の主面の温度を放射温度計により測定し、発熱抵抗体の全体パターン（縦１０ｍｍ×横１０ｍｍ）の中心部の温度と、発熱抵抗体の全体パターン内中心の正方形部分（縦６ｍｍ×横６ｍｍ）の隅部および辺中心部の各温度との差が±１％以下ならば○、±１％を超え±５％未満であれば△、±５％以上であれば×として、本発明および従来のセラミックヒーターの均熱性能を評価した。その結果を表１に示す。
【００７２】
【表１】
2005050626.tif 000003
表１より、均熱化を考慮していない従来のセラミックヒーターは、基体の表面の温度分布（温度差）が隅部で８．７％、辺中心部で４．８％と大きいことがわかった。
【００７３】
これに対して、均熱化を考慮した本発明のセラミックヒーターは、基体の表面の温度分布が隅部で−０．１％、辺中心部で０．６％と小さく均熱性に優れることがわかった。
【００７４】
【発明の効果】
本発明のセラミックヒーターは、発熱抵抗体は、基体の中心部から外周部に向かうに伴って幅が小さくなるとともに、基体の隅部で単位面積当たりの長さが長くなっていることから、基体の中心部では発熱量が低く、外周部では発熱量が高くなる。これにより、温度が高くなりやすい中心部と温度が低くなりやすい外周部との温度差を解消して均一化することができ、基体上に載置される被加熱物に熱を均一に伝達させることができる均熱性の高いセラミックヒーターを得ることができる。
【００７５】
また、本発明のセラミックヒーターは、単位面積当たりの発熱抵抗体のパターンおよび発熱抵抗体のパターンの配置に関する基本構成が明確であることから、種々のセラミックヒーターに対して、基本構成を維持して均熱性の高い発熱抵抗体の全体パターンを数回の実験で定量的に決定することができる。
【００７６】
また、発熱抵抗体が形成される基体が例えば熱伝導率が３〜３０Ｗ／ｍ・Ｋと低いガラスセラミックスやアルミナセラミックスから成る場合においても、基体全体の温度分布を±１％／ｃｍ２以下とすることができ、均熱性の高いセラミックヒーターを得ることができる。また一方、基体の熱伝導率が３〜３０Ｗ／ｍ・Ｋと低い場合には放熱性が小さいため、低電力で高精度の温度制御可能なセラミックヒーターを得ることができる。
【００７７】
また、本発明のセラミックヒーターは、均熱化のための貫通孔を形成する必要が無いため基体の強度が強くなり、温度差により基体内に生じる熱応力が集中する箇所が無く、信頼性の高いものとなる。
【００７８】
さらに、本発明のセラミックヒーターは、均熱化のための均熱板を取着する必要が無いため、温度差により生じる基体と均熱板の熱応力が発生しないため、信頼性の高いものとなる。
【００７９】
本発明の燃料電池は、基体および蓋体の少なくとも一方が本発明のセラミックヒーターから成ることから、高精度の温度制御ができ、発電効率が高く、高強度で信頼性が高く、小型で安価なものとなる。
【００８０】
本発明のマイクロ化学チップは、基体は本発明のセラミックヒーターが搭載されていることから、高精度の温度制御ができ、低電力かつ高強度で信頼性が高く、小型で安価なものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセラミックヒーターについて実施の形態の例を示し、基体に埋設された発熱抵抗体を透視した透視平面図である。
【図２】図１のセラミックヒーターの断面図である。
【図３】従来のセラミックヒーターについて基体に埋設された発熱抵抗体を透視した透視平面図である。
【図４】図３のセラミックヒーターの温度分布図である。
【図５】（ａ），（ｂ）は本発明のセラミックヒーターにおける単位面積当たりの発熱抵抗体のパターン図である。
【図６】本発明のセラミックヒーターの実施の形態の例における温度分布図である。
【図７】本発明の燃料電池の実施の形態の例を示す断面図である。
【図８】本発明のマイクロ化学チップの実施の形態の例を示す断面図である。
【符号の説明】
１：セラミックヒーター
２：基体
３：発熱抵抗体
４：電極
１０１：燃料電池
１０２：電解質部材
１０３：第１電極
１０４：第２電極
１０５：第１流体流路
１０６：第２流体流路
１０７：第１配線導体
１０８：第２配線導体
１０９：基体
１１０：蓋体
１１１：発熱抵抗体
２０１：マイクロ化学チップ
２０２：基体
２０３：供給部
２０４：流路
２０５：採取部
２０６：発熱抵抗体
２０７：処理部
【図１】
2005050626.tif 000004
【図２】
2005050626.tif 000005
【図３】
2005050626.tif 000006
【図４】
2005050626.tif 000007
【図５】
2005050626.tif 000008
【図６】
2005050626.tif 000009
【図７】
2005050626.tif 000010
【図８】
2005050626.tif 000011