(57)【要約】【課題】  本発明の目的は、乾燥しない電解質を備えた燃料電池を提供することにある。【解決手段】  本発明は、電解質層６の両側にそれぞれ積層された第１及び第２触媒層５、７にはそれぞれアノード１０及びカソード１２が接続され、第１触媒層５には水素が供給され、第２触媒層７には酸素が供給され、親水性層２０は第２触媒層７を被覆するように設けられ、酸素は前記親水性層２０を通して第２触媒層７に供給されている燃料電池を提供する。【選択図】図１
2007095697.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
使用時に水を生成する燃料電池において、
親水性層は前記水が生成される領域の近傍に配置されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記親水性層は前記水が生成される領域を被覆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】
前記親水性層は酸素を含有する気体を透過すべく、多孔性であるか、又は該親水性層に穿設された貫通孔を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
疎水性層が前記親水性層を被覆していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の燃料電池
【請求項５】
前記疎水性層は酸素を含有する気体を透過すべく、多孔性であるか、又は該親水性層に穿設された貫通孔を有す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】
前記親水性層は、発生する熱が前記水を蒸発させることを抑制するために該熱を外部に放散させるべく、熱伝導性を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１つに記載の燃料電池。
【請求項７】
前記親水性層はカーボンナノチューブを含有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１つに記載の燃料電池。
【請求項８】
前記疎水性層は、発生する熱が前記水を蒸発させることを抑制するために該熱を外部に放散させるべく、熱伝導性を有することを特徴とする請求項４乃至７のいずれか１つに記載の燃料電池。
【請求項９】
前記疎水性層はカーボンナノチューブを含有することを特徴とする請求項４乃至８のいずれか１つに記載の燃料電池。
【請求項１０】
電解質層の両側にそれぞれ積層された第１及び第２触媒層にはそれぞれアノード及びカソードが接続され、該第１触媒層には水素が供給され、該第２触媒層には酸素が供給されている燃料電池において、
前記親水性層は前記第２触媒層を被覆するように設けられ、前記酸素は前記親水性層を通して前記第２触媒層に供給されていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１つに記載の燃料電池。
【請求項１１】
請求項１０に記載の燃料電池が設けられているウエハにおいて、
前記第１触媒層がその表面と対向するように、前記燃料電池が載置されていることを特徴とするウエハ。
【請求項１２】
請求項１０に記載の燃料電池が設けられているウエハにおいて、
前記第１触媒層に接続されている前記アノードがその表面と対向するように、前記燃料電池が載置されていることを特徴とするウエハ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池及びウエハに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図３において、超小型電子技術を用いて製造された燃料電池の一例が示されている。このセルは、第１の薄い絶縁層２と第２のより厚い絶縁層３とによって被覆されたウエハ１上に形成されている。ウエハ１はシリコン、ガリウムヒ素等の金属又は金属化合物半導体、もしくはＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）のそれぞれ単一で使用、又は混在させて使用することによって構成されている。絶縁層３の一部には、開口部が設けられている。この開口部には、連続的にサポート４、第１触媒層５、電解質（電解質層）６及び第２触媒層（上部触媒層）７が設けられている。第１の絶縁層２上に設けられた電極１０によってサポート４の上において下部電池表面上に接触が可能となる。第２の絶縁層３の開口部１１によって電極（アノード）１０へのアクセスが可能となっている。上部電極１２によって上部触媒層７上に接触が可能となる。電極１０及び電極（カソード）１２には開口部が設けられ、下部表面メタライゼーションにおける開口部に対向するウエハ１にはチャネル１３が形成されている。下部電極１０と上部電極１２とは、それぞれアノードとカソードとを形成する。
【０００３】
電解質６は、例えばナフィオン（登録商標）などの固体状のポリマーの酸であり、触媒層は、例えば炭素またはプラチナ系の層である。これは実施例の一例に過ぎない。図３に示されるように形成され得る様々な種類の燃料電池が従来技術において公知である。
【０００４】
燃料電池を作動するため、下部表面側上に矢印Ｈ2 に沿って水素を投入し、（酸素を含む）空気を、上部表面側上に導入する。この水素は、第１触媒層５のレベルで「分解」されて、一方では電解質６に向かうＨ+ プロトンを形成し、他方ではアノード１０に向かい続いて外部を通じてカソード１２に向かうエレクトロンを形成する。Ｈ+ プロトンは、電解質６を横断して上部触媒層７に到達し、酸素と、カソード１２を介してセルの外部から到達したエレクトロンと再結合する。このような構成では、公知の方法でカソード１２で（酸素供給側で）正の電圧が得られ、アノード１０で（水素供給側で）負の電圧が得られる。
【０００５】
この種の燃料電池の欠点としては、使用とともに電解質６が乾燥する傾向にあり、よってセル性能が低下することが挙げられる。
【特許文献１】特開２００６−２５２９６６号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、乾燥しない電解質を備えた燃料電池を提供することにある。
【０００７】
本発明の目的は、簡単な構造でこのような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】
【０００８】
これらの目的を達成するために、本発明は、使用時に水を生成する燃料電池において、親水性層は前記水が生成される領域の近傍に配置されていることを特徴とする燃料電池を提供する。
【０００９】
前述の燃料電池の一実施例によれば、前記親水性層は前記水が生成される領域を被覆している。
【００１０】
前述の燃料電池の一実施例によれば、前記親水性層は酸素を含有する気体を透過すべく、多孔性であるか、又は該親水性層に穿設された貫通孔を有する。
【００１１】
前述の燃料電池の一実施例によれば、疎水性層が前記親水性層を被覆している。
【００１２】
前述の燃料電池の一実施例によれば、前記疎水性層は酸素を含有する気体を透過すべく、多孔性であるか、又は該親水性層に穿設された貫通孔を有する。
【００１３】
前述の燃料電池の一実施例によれば、前記親水性層は、発生する熱が前記水を蒸発させることを抑制するために該熱を外部に放散させるべく、熱伝導性を有する。
前述の燃料電池の一実施例によれば、前記親水性層は、カーボンナノチューブを含有する。
【００１４】
前述の燃料電池の一実施例によれば、前記疎水性層は、発生する熱が前記水を蒸発させることを抑制するために該熱を外部に放散させるべく、熱伝導性を有する。
前述の燃料電池の一実施例によれば、前記疎水性層はカーボンナノチューブを含有する。
【００１５】
前述の燃料電池の一実施例によれば、電解質層の両側にそれぞれ積層された第１及び第２触媒層にはそれぞれアノード及びカソードが接続され、該第１触媒層には水素が供給され、該第２触媒層には酸素が供給されている燃料電池において、前記親水性層は前記第２触媒層を被覆するように設けられ、前記酸素は前記親水性層を通して前記第２触媒層に供給されている。
【００１６】
これらの目的を達成するために、本発明は、前記記載の燃料電池が設けられているウエハにおいて、前記第１触媒層がその表面と対向するように、前記燃料電池が載置されているウエハを提供する。
前述のウエハの一実施例によれば、前記記載の燃料電池が設けられているウエハにおいて、前記第１触媒層に接続されている前記アノードがその表面と対向するように、前記燃料電池が載置されている。
【発明の効果】
【００１７】
本発明においては、水が生成される領域を被覆している親水性層によって、燃料電池が備える電解質は容易には乾燥せず、発電性能を長時間に亘って維持することができるという効果を奏する。
本発明においては、水が生成される領域を被覆している親水性層を設け、簡単な構造で、燃料電池は発電性能を長時間に亘って維持することができるという効果を奏する。
本発明においては、ウエハに載置されている燃料電池が備える電解質は容易には乾燥せず、発電性能を長時間に亘って維持することができるという効果を奏する。
本発明においては、水が生成される領域を被覆している親水性層を設け、簡単な構造で、ウエハに載置されている燃料電池は発電性能を長時間に亘って維持することができるという効果を奏する。
【００１８】
以下において、本発明の前述及びその他の目的、特徴ならびに利点について、添付図面に関連して、限定しない具体的な実施例の説明において詳述する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の実施形態を明確にするために、同一要素に対しては異なる図面においても同一の符号を付与し、集積回路の描写においては通常どおりに、これらの図面の縮尺は不均等である。
【００２０】
燃料電池（セル）は使用時に水を生成するが、本発明においては、燃料電池の乾燥を防ぐために、燃料電池により生成された水を保持する。実際に、第１触媒層５で生成したＨ+ プロトンが酸素と再結合し、カソードにエレクトロンが移動するとき、上部触媒層（第２触媒層）７の表面で水が生成する。本発明においては、この水の蒸発を防ぐために、上部触媒層７の近傍に親水性ポリマー層（親水性層）を配置している。この親水性ポリマー層によってセル内、特に電解質（電解質層）６のレベルにおける湿気を帯びた環境が保持される。
【００２１】
図１は、図３において示されるセルのすべての要素を含む燃料電池の横断面図である。本発明の態様によると、親水性ポリマー層２０は、上部触媒層７の上方に配置される。この親水性ポリマー層２０は、上部触媒層７の上方に設けられた上部電極１２の一部と、上部触媒層７の近傍に設けられた絶縁層３の一部とを覆うものであり、即ち、親水性ポリマー層２０は、上部触媒層７の近傍といった水が生成される領域を被覆している。第２の絶縁層３の上方に設けられた上部電極１２の一部は、自由なアクセスを可能とするために開放されている。同様に、下部電極１０に対して自由にアクセスできるように開口部１１が開放されている。
【００２２】
さらに、空気、特に酸素の上部触媒７への透過を可能にするため、親水性ポリマー層２０は多孔性を有することが好ましい。多孔性親水性ポリマー層の一例は、例えばヒドロキシル基によって官能基化されている凝集ポリエチレンなどによって形成される。ポリマー層が多孔性を有しない場合、酸素の透過を可能にするために透過孔（貫通孔）が穿設される。
【００２３】
また、使用時には電池温度の上昇に伴って水の蒸発も増加するので、電池で生成した水の蒸発を抑制するための他の方法として、燃料電池を「クールダウン」させることも好ましい。燃料電池から発生した熱の外部への放散を促進するために、好ましくは、熱伝導性を有する親水性ポリマー層を用いる。
【００２４】
好ましい熱伝導性を実現するために、カーボンナノチューブを含有する親水性ポリマー層を使用することが可能である。カーボンナノチューブは、良好な熱伝導性物質であるため、少量を使用することで極めて良好な熱放散が可能となる。
【００２５】
図２は、図１において示されるセルと同一の要素を含む燃料電池の横断面図である。このセルは、さらに親水性ポリマー層２０を覆う疎水性材料層３０を有する。この疎水性材料層（疎水性層）３０によって燃料電池において生成される水の蒸発がさらに制限（抑制）される。
【００２６】
この疎水性材料層は、酸素を含有する気体又は酸素自体を透過させるべく多孔性を有する多孔性材料からなることが好ましい。そうでないとき、燃料電池作動流体に必要な酸素を流れさせるため、上部触媒層７の上方に疎水性材料層３０の貫通孔を穿設すべきである。
【００２７】
酸素を透過させる多孔性を有する疎水性層の一例は、カーボンナノチューブからなる層である。このような層によって、燃料電池によって生成される熱を極めて良好に発散（放散）させることが可能となる。
【００２８】
ウエハ１では、第１触媒層５が薄い絶縁層２を介してウエハ１の表面と対向しており、セルがウエハ１に載置されている構成となっている。また、ウエハ１では、第１触媒層５に接続されているアノード１０が薄い絶縁層２を介してウエハ１の表面と対向しており、セルがウエハ１に載置されている構成となっていてもよい。
【００２９】
もちろん、本発明には当業者が直ちに想到するであろうさまざまな変形例、改善例及び変更例が含まれ得る。具体的には、前述の図面においては単一の燃料電池のみが示されているが、実際には、同一ウエハ１上に、所望の使用法に従って、直列／並列して組み込まれる多数のセルを形成してよい。
【００３０】
さらに、本発明は、自身が生成する水を保持することが有効である多種多様な燃料電池に対して適用することが可能である。
【００３１】
このような変更例、変形例及び改善例は、本開示内容の一部を成すものとみなされ、本発明の精神及び範囲に含まれるものとする。したがって、前述の説明は、ほんの一例として記載するものであって、限定するものとして意図されない。本発明は、請求項及びその開示の等価物によってのみ限定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施の形態に係る燃料電池の横断面図である。
【図２】本発明の他の実施の形態に係る燃料電池の横断面図である。
【図３】従来技術の燃料電池の横断面図である。
【符号の説明】
【００３３】
５      第１触媒層
６      電解質（電解質層）
７      第２触媒層（上部触媒層）
１０    電極（アノード、下部電極）
１２    電極（カソード、上部電極）
２０    親水性ポリマー層（親水性層）
３０    疎水性材料層（疎水性層）
【図１】
2007095697.tif 000003
【図２】
2007095697.tif 000004
【図３】
2007095697.tif 000005