特許 7052210 燃料電池

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-04-04

(45)【発行日】2022-04-12

(54)【発明の名称】燃料電池

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/1226 20160101AFI20220405BHJP

   H01M 8/12 20160101ALI20220405BHJP

【ＦＩ】

H01M8/1226

H01M8/12 101

H01M8/12 102A

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2017074561

(22)【出願日】2017-04-04

(65)【公開番号】P2018181448

(43)【公開日】2018-11-15

【審査請求日】2019-12-11

(73)【特許権者】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(74)【代理人】

【識別番号】110000110

【氏名又は名称】特許業務法人快友国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】井口 紘子

(72)【発明者】

【氏名】明石 照久

(72)【発明者】

【氏名】船橋 博文

(72)【発明者】

【氏名】堀 茂雄

【審査官】高木 康晴

(56)【参考文献】

【文献】特開２００２－２２２６５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００９－５２４２０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－２３５６５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－１６６５６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－２０６９９８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ８／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

固体酸化物型の燃料電池であって、
上面に向けて開口するキャビティを備える基板と、
前記基板の上面に積層され、かつ、一部が前記キャビティの上方に設けられている絶縁膜と、
前記絶縁膜に支持された電解質膜と、
前記電解質膜の上面に積層され、第１配線が接続されている第１電極膜と、
前記電解質膜の下面に積層された第２電極膜と、
前記絶縁膜を上面から下面まで貫通しており、下部が前記第２電極膜に接続され、上部に第２配線が接続されている貫通電極を備えており、
前記燃料電池を上方から平面視したときに、前記キャビティの輪郭が前記電解質膜の輪郭の周囲を囲んでおり、前記貫通電極の少なくとも一部が前記キャビティの輪郭よりも内側に設けられている、燃料電池。

【請求項2】

前記基板がシリコン基板である、請求項１の燃料電池。

【請求項3】

前記絶縁膜が引張応力を有する、請求項１または２の燃料電池。

【請求項4】

前記絶縁膜は、前記電解質膜の周縁の側面及び上面を支持する支持部を備えており、
前記電解質膜が引張応力を有する、請求項３の燃料電池。

【請求項5】

前記基板の下面に接合されており、前記キャビティに連通する燃料ガス流路が形成された別の基板をさらに備える、請求項１から４の何れか一項の燃料電池。

【請求項6】

前記燃料電池を上方から平面視したときに、前記電解質膜は、六角形以上の多角形状を有する、請求項１から５の何れか一項の燃料電池。

【請求項7】

前記燃料電池を上方から平面視したときに、前記電解質膜は、円形状に形成されている、請求項１から５の何れか一項の燃料電池。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書は、燃料電池に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１に、固体酸化物型の燃料電池が開示されている。その燃料電池は、上面に向けて開口するキャビティを備える基板と、基板の上面に積層された絶縁膜と、絶縁膜の上面に積層された電解質膜を備えている。その燃料電池では、燃料電池を上方から平面視したときに、電解質膜の輪郭がキャビティの輪郭の周囲を囲んでいる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００４－２８８３８２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

固体酸化物型の燃料電池は、発電時に５００－７００℃の高温に曝され、発電停止時は室温に曝されることになる。通常、基板と、絶縁膜と、電解質膜では、それぞれの線膨張係数に相違があるので、発電時の温度上昇および発電停止時の温度降下によって、基板に反りが生じる。

【0005】

特許文献１の燃料電池では、燃料電池を平面視したときに、電解質膜の輪郭がキャビティの輪郭の周囲を囲んでおり、電解質膜と基板が部分的に重なり合っている。このような構成では、基板の反りによって基板の上面が変形したときに、電解質膜も基板の上面に追従して変形してしまい、電解質膜に大きな歪が作用する。このため、燃料電池のオン／オフを繰り返した時に、電解質膜に繰り返し大きな歪が作用し、電解質膜に亀裂が生じて電解質膜が破損してしまうおそれがある。

【0006】

本明細書では、上記の課題を解決する。本明細書では、基板に積層された絶縁膜によって電解質膜が支持された固体酸化物型の燃料電池において、燃料電池がオン／オフを繰り返した時の電解質膜の破損を抑制することが可能な技術を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本明細書は、固体酸化物型の燃料電池を開示する。その燃料電池は、上面に向けて開口するキャビティを備える基板と、基板の上面に積層された絶縁膜と、絶縁膜に支持された電解質膜を備えている。その燃料電池では、燃料電池を上方から平面視したときに、キャビティの輪郭が電解質膜の輪郭の周囲を囲んでいる。

【0008】

上記の構成によれば、燃料電池を上方から平面視したときに、キャビティの輪郭が電解質膜の輪郭の周囲を囲んでおり、電解質膜と基板が重なり合う箇所がない。このため、基板の反りによって基板の上面が変形した場合でも、電解質膜が基板の上面に追従して大きく変形することがなく、電解質膜に大きな歪が作用することを抑制することができる。上記の構成によれば、燃料電池がオン／オフを繰り返して、それに伴う温度上昇および温度降下に起因して基板に反りが生じても、電解質膜への応力の作用が緩和されるので、電解質膜の破損を抑制することができる。

【0009】

上記の燃料電池では、基板がシリコン基板であってもよい。

【0010】

一般的に、シリコン基板を用いる場合、絶縁膜としては、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、またはこれらの積層膜などが用いられる。また、固体酸化物型の燃料電池においては、電解質膜として、ＬＳＯ（ランタンシリケート）、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、ＬａＧａＯ３（ランタンガレート）等の薄膜が用いられる。シリコンと、これらの絶縁膜の材料と、これらの電解質膜の材料では、それぞれの線膨張係数に相違があるので、発電時の温度上昇および発電停止時の温度降下によって、シリコン基板に反りが生じる。しかしながら、上記の構成によれば、シリコン基板の反りによってシリコン基板の上面が変形した場合でも、電解質膜がシリコン基板の上面に追従して大きく変形することがなく、電解質膜に大きな歪が作用することを抑制することができる。上記の構成によれば、燃料電池がオン／オフを繰り返して、それに伴う温度上昇および温度降下に起因してシリコン基板に反りが生じても、電解質膜への応力の作用が緩和されるので、電解質膜の破損を抑制することができる。

【0011】

上記の燃料電池では、絶縁膜が引張応力を有していてもよい。

【0012】

基板に引張応力を有する絶縁膜を積層した場合、絶縁膜に支持された電解質膜にも引張応力が作用する。このため、基板が上に凸な形状に反った場合や、燃料ガスの圧力変動により電解質膜に大きな面外方向の力が作用する場合でも、電解質膜に圧縮応力が作用することを防ぐことができ、電解質膜が座屈により破損してしまうことを防止することができる。

【0013】

上記の燃料電池は、電解質膜の上面に積層された第１電極膜と、電解質膜の下面に積層された第２電極膜と、絶縁膜を上面から下面まで貫通しており、第２電極膜に接続された貫通電極を備えていてもよい。

【0014】

上記の構成によれば、絶縁膜の上面側で、第１電極膜への配線と、第２電極膜への配線の両方を行なうことができる。燃料電池の製造プロセスを容易なものとすることができる。

【0015】

上記の燃料電池は、基板の下面に接合されており、キャビティに連通する燃料ガス流路が形成された別の基板をさらに備えていてもよい。

【0016】

上記の構成では、キャビティが燃料ガス流路に連通しているので、燃料ガスの充填時や発電反応時に、キャビティの内部に圧力変動が生じやすくなる。この圧力変動に起因して、キャビティの上方角部の近傍に応力が集中することが懸念される。しかしながら、上記の構成では、キャビティの上方角部には絶縁膜が配置されており、電解質膜は配置されていないので、電解質膜に応力が集中することを防止することができ、電解質膜の破損を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】実施例の燃料電池システム２の概略の構成を示す模式図である。

【図2】実施例の燃料電池４の概略の構成を示す斜視図である。

【図3】実施例の燃料電池４のIII-III断面でみた断面図である。

【図4】実施例の燃料電池４のIV-IV断面でみた断面図である。

【図5】実施例の燃料電池４の発電要素５４の詳細を示す断面図である。

【図6】実施例の燃料電池４の発電要素５４の詳細を示す上面図である。

【図7】実施例の燃料電池４の製造方法を説明する図である。

【図8】実施例の燃料電池４の製造方法を説明する図である。

【図9】実施例の燃料電池４の製造方法を説明する図である。

【図10】実施例の燃料電池４の製造方法を説明する図である。

【図11】実施例の燃料電池４の製造方法を説明する図である。

【図12】実施例の燃料電池４の製造方法を説明する図である。

【図13】実施例の燃料電池４の製造方法を説明する図である。

【図14】実施例の燃料電池４の製造方法を説明する図である。

【図15】変形例の燃料電池４の発電要素５４の詳細を示す上面図である。

【図16】変形例の燃料電池４の発電要素５４の詳細を示す断面図である。

【図17】実施例の燃料電池システム２の用途の例を示す図である。

【図18】実施例の燃料電池システム２の用途の別の例を示す図である。

【図19】実施例の燃料電池システム２の用途のさらに別の例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

（実施例）
図１は、燃料電池システム２の構成を模式的に示している。燃料電池システム２は、空気中の酸素と、燃料ガス中の水素を反応させて、電気と熱を生成する。燃料電池システム２は、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）である燃料電池４と、燃料電池４を加熱するヒータ６と、ヒータ６に電力を供給するバッテリ８と、燃料電池４から放熱するヒートシンク１０と、燃料電池システム２の外部から燃料電池４に空気を供給する空気供給経路１２と、空気供給経路１２に設けられた開閉弁１４と、燃料電池４から燃料電池システム２の外部に反応後の空気を排出する空気排出経路１６と、空気排出経路１６に設けられた封止弁１８と、燃料ガスが充填されたカートリッジ２０と、カートリッジ２０から燃料電池４に燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路２２と、燃料ガス供給経路２２に設けられた減圧弁２４と、燃料電池４から燃料電池システム２の外部に反応後の燃料ガスを排出する燃料ガス排出経路２６と、燃料ガス排出経路２６に設けられた封止弁２８を備えている。燃料電池システム２は、燃料電池４が発電した電力を、電力線Ｗを介して対象負荷Ｌに供給する。

【0019】

燃料電池システム２で発電を行う際には、減圧弁２４を開いて、カートリッジ２０に充填された燃料ガスを、燃料ガス供給経路２２を介して、燃料電池４に供給する。燃料電池４内に燃料ガスが充満したら、封止弁２８と減圧弁２４を閉じる。また、開閉弁１４を開いて、燃料電池システム２の外部の空気を、空気供給経路１２を介して、燃料電池４に供給する。燃料電池４内に空気が充満したら、封止弁１８と開閉弁１４を閉じる。その後、バッテリ８からの電力によってヒータ６を駆動し、燃料電池４を所定の反応温度、例えば６００℃まで加熱する。これによって、燃料電池４において、酸素と水素の化学反応によって、発電が開始される。酸素と水素の化学反応は発熱反応でもあるので、発電が開始された後は、ヒータ６による加熱をオフにしても、燃料電池４は高温に維持されて、発電は継続される。その後、封止弁２８や封止弁１８を開いて、反応に寄与しなかったガスや反応で発生した水蒸気を燃料電池システム２の外部に排出するとともに、減圧弁２４や開閉弁１４を開いて、燃料電池４内に燃料ガスと空気を再び供給する。これを繰り返すことで、燃料電池４による発電が継続される。燃料電池４が発電した電力は、電力線Ｗを介して、対象負荷Ｌに供給される。なお、対象負荷Ｌの種類に応じて、複数の燃料電池４を直列または並列に接続する構成としてもよい。

【0020】

図２－図４は、燃料電池４の構成を模式的に示している。図３、図４に示すように、燃料電池４は、第１シリコン基板３０と、第１シリコン基板３０の上面に積層された第２シリコン基板３２を備える積層基板３４に形成されている。第１シリコン基板３０と、第２シリコン基板３２は、いずれも、ノンドープの高抵抗のシリコン基板である。第２シリコン基板３２の上面には、絶縁膜３６が積層されている。絶縁膜３６は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜またはこれらの積層膜である。絶縁膜３６には、複数の開口３６ａが形成されている。図２に示すように、複数の開口３６ａのそれぞれは、燃料電池４を上方から平面視したときに、円形状に形成されている。絶縁膜３６において、複数の開口３６ａのそれぞれの周囲には、複数の支持部３６ｂが対応して形成されている。図３、図４に示すように、複数の支持部３６ｂのそれぞれは、絶縁膜３６の上面から上方に向けて突出する円筒形状を有している。図３、図４に示すように、絶縁膜３６の複数の開口３６ａのそれぞれには、複数の電解質膜３８が対応して設けられている。電解質膜３８は、ＬＳＯ（ランタンシリケート）、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、ＬａＧａＯ３（ランタンガレート）等の薄膜である。電解質膜３８の膜厚は、２０－２０００ｎｍ程度である。複数の電解質膜３８のそれぞれは、燃料電池４を上方から平面視したときに、円形状に形成されている。複数の電解質膜３８のそれぞれは、絶縁膜３６の支持部３６ｂによって、周縁部の側面および上面を支持されている。第２シリコン基板３２の内部には、それぞれの電解質膜３８に対応して、複数のキャビティ３２ａが形成されている。複数のキャビティ３２ａのそれぞれは、第２シリコン基板３２の上面から下面までを貫通している。すなわち、複数のキャビティ３２ａのそれぞれは、第２シリコン基板３２の上面に向けて開口している。複数のキャビティ３２ａのそれぞれは、第２シリコン基板３２の上面から下面に向けて伸びる円柱形状を有している。

【0021】

複数の電解質膜３８のそれぞれの上面には、複数の第１電極膜４０が形成されている。複数の第１電極膜４０は、触媒および集電効果を持つ電極膜であって、Ｐｔ、Ｃｒ／Ｎｉ、Ｎｉ／Ｐｔ、Ｔｉ／Ｐｔ、Ｃｒ／Ｐｔ、またはこれらを含む混合物あるいは積層膜で形成された金属膜である。あるいは、複数の第１電極膜４０は、これらの金属の粒子を含む、またはこれらの金属の粒子が担持された、導電性を持つ膜、例えば導電性セラミックス膜であってもよい。複数の第１電極膜４０は、ポーラス（多孔質）構造を有している。複数の第１電極膜４０は、燃料電池４の上方の空間に露出している。燃料電池４の上方の空間は、図１の空気供給経路１２および空気排出経路１６に連通している。複数の第１電極膜４０は、燃料電池４において、空気極として機能する。

【0022】

複数の電解質膜３８のそれぞれの下面には、複数の第２電極膜４２が形成されている。複数の第２電極膜４２は、触媒および集電効果を持つ電極膜であって、Ｐｔ、Ｃｒ／Ｎｉ、Ｎｉ／Ｐｔ、Ｔｉ／Ｐｔ、Ｃｒ／Ｐｔ、またはこれらを含む混合物あるいは積層膜で形成された金属膜である。あるいは、複数の第２電極膜４２は、これらの金属の粒子を含む、またはこれらの金属の粒子が担持された、導電性を持つ膜、例えば導電性セラミックス膜であってもよい。複数の第２電極膜４２は、ポーラス（多孔質）構造を有している。複数の第２電極膜４２は、第２シリコン基板３２の対応するキャビティ３２ａに露出している。複数の第２電極膜４２は、燃料電池４において、燃料極として機能する。

【0023】

図４に示すように、複数の第２電極膜４２のそれぞれは、対応する複数の貫通電極４４に電気的に接続している。複数の貫通電極４４は、５００－７００℃の高温に対して耐性を有しており、かつ空気や燃料ガスの通過を防ぐ緻密な構造を有する導電性材料であればよく、例えば、Ｐｔ／Ｃｒ、Ｐｔ／Ｎｉ、Ｐｔ／Ｔｉ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、ＷＳｉ等の金属から構成されている。複数の貫通電極４４のそれぞれは、絶縁膜３６を上面から下面まで貫通している。複数の貫通電極４４のそれぞれは、対応する複数の電解質膜３８の近傍に配置されている。

【0024】

図２に示すように、絶縁膜３６の上面には、第１電極パッド４６と第２電極パッド４８が設けられている。第１電極パッド４６は、第１電極配線５０を介して、複数の第１電極膜４０のそれぞれと電気的に接続している。第２電極パッド４８は、第２電極配線５２を介して、複数の貫通電極４４のそれぞれと電気的に接続している。第１電極パッド４６、第２電極パッド４８、第１電極配線５０および第２電極配線５２は、複数の貫通電極４４は、５００－７００℃の高温に対して耐性を有する導電性材料であればよく、例えば、Ｐｔ／Ｃｒ、Ｐｔ／Ｎｉ、Ｐｔ／Ｔｉ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、ＷＳｉ等の金属から構成されている。

【0025】

図３、図４に示すように、第１シリコン基板３０の内部には、燃料ガス流路３０ａが形成されている。燃料ガス流路３０ａは、第２シリコン基板３２の複数のキャビティ３２ａと連通している。また、燃料ガス流路３０ａは、図１の燃料ガス供給経路２２および燃料ガス排出経路２６に連通している。燃料ガス供給経路２２から燃料電池４に供給された燃料ガスは、燃料ガス流路３０ａを介して、複数のキャビティ３２ａのそれぞれに供給される。また、それぞれのキャビティ３２ａにおいて反応に寄与しなかった燃料ガスは、反応によって生成された水蒸気とともに、燃料ガス流路３０ａを介して、燃料ガス排出経路２６に排出される。

【0026】

以下では、個々の電解質膜３８と、その電解質膜３８に対応する第１電極膜４０および第２電極膜４２を合わせて、発電要素５４ともいう。図５、図６に、発電要素５４の詳細を示している。

【0027】

図５に示すように、燃料電池４においては、複数のキャビティ３２ａのそれぞれに燃料ガスが供給されている。一方、燃料電池４の上面側には、空気が供給されている。空気中の酸素は、ポーラス（多孔質）構造の第１電極膜４０の中に入り、電解質膜３８に到達する。そして、到達した酸素は、触媒の役割をするＰｔ粒子によって酸化物イオン（Ｏ^２－）となり、酸化物イオンが電解質膜３８を通過して、第２電極膜４２に到達する。また、燃料ガス中の水素は、ポーラス（多孔質）構造の第２電極膜４２を通過して電解質膜３８に到達し、酸化物イオンと反応して水蒸気が生成されるとともに、電子が放出される。放出された電子は、第２電極膜４２、貫通電極４４および第２電極配線５２を介して第２電極パッド４８に集電される。また、反応によって生成された水蒸気はキャビティ３２ａに放出され、反応に寄与しなかった水素とともに、キャビティ３２ａから排出される。

【0028】

図６に示すように、燃料電池４を上方から平面視したときに、キャビティ３２ａの輪郭は支持部３６ｂにより支持された電解質膜３８の輪郭の周囲を囲んでいる。このため、図５に示すように、電解質膜３８と第２シリコン基板３２は重なり合う箇所を有しておらず、電解質膜３８は周囲を取り囲む絶縁膜３６によって支持されている。絶縁膜３６と電解質膜３８は部分的に重なり合っており、電解質膜３８の周縁部は、絶縁膜３６の支持部３６ｂによって、側方および上方から支持されている。このため、第２シリコン基板３２の反りによって第２シリコン基板３２の上面が変形した場合でも、電解質膜３８が第２シリコン基板３２の上面に追従して大きく変形することがなく、電解質膜３８に大きな歪が作用することを抑制することができる。本実施例の燃料電池４によれば、燃料電池４がオン／オフを繰り返して、それに伴う温度上昇および温度降下に起因して第２シリコン基板３２に反りが生じても、電解質膜３８への応力の作用が緩和されるので、電解質膜３８の破損を抑制することができる。なお、電解質膜３８の形状は、絶縁膜３６の開口３６ａの形状と同じ形状としてもよい。また、第１電極膜４０の形状は、電解質膜３８の形状と同じ形状としてもよいし、より小さい形状としてもよい。

【0029】

本実施例の燃料電池４では、第２シリコン基板３２に積層された絶縁膜３６には、引張残留応力が存在しており、絶縁膜３６に支持された電解質膜３８にも、引張残留応力が作用する。このため、第２シリコン基板３２が上に凸な形状に反った場合や、燃料ガスの圧力変動により電解質膜３８に面外方向の力が作用した場合でも、電解質膜３８に圧縮応力が作用することを防ぐことができる。電解質膜３８が座屈により破損してしまうことを防止することができる。なお、絶縁膜３６がシリコン窒化膜である場合、絶縁膜３６には２００ＭＰａ程度の大きな引張残留応力が存在する。このため、電解質膜３８にも、大きな引張残留応力が作用するので、第２シリコン基板３２が上に凸な形状に大きく反った場合や、燃料ガスの圧力変動により電解質膜３８に大きな面外方向の力が作用した場合でも、電解質膜３８に圧縮応力が作用することを防ぐことができる。電解質膜３８が座屈により破損してしまうことを防止することができる。

【0030】

以下では、本実施例の燃料電池４の製造方法について説明する。

【0031】

まず、図７に示すように、第２シリコン基板３２となるシリコン基板を準備する。そして、第２シリコン基板３２をＲＣＡ洗浄した後、希フッ酸溶液にて第２シリコン基板３２をライトエッチングし、自然酸化膜を除去する。そして、第２シリコン基板３２の表面に前駆体膜５６をゾルゲル法によって成膜する。

【0032】

次いで、図８に示すように、前駆体膜５６を、電解質膜３８の形状にエッチング加工する。この際に、第２シリコン基板３２のシリコンについても、わずかにオーバーエッチングする。なお、この第２シリコン基板３２のオーバーエッチングについては、しなくてもよい。

【0033】

次いで、図９に示すように、第２シリコン基板３２を焼成する。これによって、前駆体膜５６が結晶化して電解質膜３８が形成される。次いで、第２シリコン基板３２の上面に絶縁膜３６を成膜する。

【0034】

次いで、図１０に示すように、絶縁膜３６にレジスト（図示せず）を塗布し、レジストパターンを形成して、絶縁膜３６をエッチングする。これによって、絶縁膜３６のうち、複数の開口３６ａに対応する箇所と、貫通電極４４が貫通する箇所が除去される。その後、絶縁膜３６からレジストを剥離する。

【0035】

次いで、図１１に示すように、第２シリコン基板３２の上面に電極材料膜５８を成膜する。そして、電極材料膜５８にレジスト（図示せず）を塗布し、レジストパターンを形成する。そして、電極材料膜５８をＲＩＥによりエッチングして、レジストを剥離する。これによって、貫通電極４４が形成される。

【0036】

次いで、図１２に示すように、第２シリコン基板３２の上面に電極材料膜６０を成膜する。そして、電極材料膜６０にレジスト（図示せず）を塗布し、レジストパターンを形成する。そして、電極材料膜６０をＲＩＥによりエッチングして、レジストを剥離する。これによって、第１電極膜４０が形成される。なお、この際に貫通電極４４上に成膜された電極材料膜６０については、第１電極膜４０から分離されていれば、そのまま残存させていてもよい。

【0037】

次いで、図１３に示すように、第２シリコン基板３２の下面にレジスト（図示せず）を塗布し、レジストパターンを形成する。そして、第２シリコン基板３２の下面から深掘りＲＩＥ（ＤＲＩＥ）を行って、キャビティ３２ａを形成する。

【0038】

次いで、図１４に示すように、第２シリコン基板３２の下面に電極材料膜６２を成膜する。そして、電極材料膜６２にレジスト（図示せず）を塗布し、レジストパターンを形成する。そして、電極材料膜６２をＲＩＥによりエッチングして、レジストを剥離する。これによって、第２電極膜４２が形成される。なお、この際にキャビティ３２ａの側壁上に成膜された電極材料膜６２については、そのまま残存させていてもよい。

【0039】

次いで、燃料ガス流路３０ａが形成された第１シリコン基板３０を準備し、第１シリコン基板３０と第２シリコン基板３２を接合する。さらに、第２シリコン基板３２の上面に、第１電極パッド４６、第２電極パッド４８、第１電極配線５０および第２電極配線５２を形成することで、燃料電池４が製造される。

【0040】

本実施例の燃料電池４において、絶縁膜３６の開口３６ａ、支持部３６ｂ、電解質膜３８および第１電極膜４０の形状は、種々の形状とすることができる。例えば、図１５に示すように、燃料電池４を上方から平面視したときに、絶縁膜３６の開口３６ａ、支持部３６ｂ、電解質膜３８および第１電極膜４０が、六角形状を有していてもよい。あるいは、燃料電池４を上方から平面視したときに、絶縁膜３６の開口３６ａ、支持部３６ｂ、電解質膜３８および第１電極膜４０は、六角形状以外の多角形状や、楕円形状など、任意の形状を有していてもよい。いずれの場合についても、本実施例の燃料電池４では、キャビティ３２ａの輪郭が電解質膜３８の輪郭の周囲を囲んでいる。このため、電解質膜３８と第２シリコン基板３２は重なり合う箇所を有しておらず、電解質膜３８は周囲を取り囲む絶縁膜３６の支持部３６ｂによって支持される。このような構成とすることによって、燃料電池４がオン／オフを繰り返して、それに伴う温度上昇および温度降下に起因して第２シリコン基板３２に反りが生じても、電解質膜３８への応力の作用が緩和されるので、電解質膜３８の破損を抑制することができる。

【0041】

上記の実施例では、絶縁膜３６を上面から下面まで貫通する貫通電極４４を介して、第２電極膜４２を、第２電極配線５２および第２電極パッド４８に電気的に接続する構成について説明した。これとは異なり、例えば図１６に示すように、貫通電極４４を設けない構成としてもよい。図１６に示す構成では、第２電極膜４２が、キャビティ３２ａの側壁と、第２シリコン基板３２の下面にも延在している。この場合、絶縁膜３６と第２シリコン基板３２を上面から下面まで貫通する貫通電極（図示せず）を別途設けることによって、第２シリコン基板３２の下面の第２電極膜４２と、絶縁膜３６の上面の第２電極配線５２および第２電極パッド４８を電気的に接続することができる。

【0042】

（燃料電池システム２の用途）
以上のように、本実施例の燃料電池４によれば、燃料電池４がオン／オフを繰り返して、それに伴う温度上昇および温度降下に起因して第２シリコン基板３２に反りが生じても、電解質膜３８への応力の作用が緩和され、電解質膜３８の破損を抑制することができる。上記のような固体酸化物型の燃料電池４を組み込んだ燃料電池システム２（図１参照）は、従来にない用途に用いることができる。

【0043】

例えば、図１７に示すように、燃料電池システム２は、充電ケーブル８０を介してタブレット等のモバイル機器８２に接続可能な、充電器として用いることができる。この場合、モバイル機器８２が備えるバッテリ８４と、モバイル機器８２の電力負荷と、燃料電池システム２を、電気的に並列に接続し、切り替えスイッチによって電力の供給先を切替可能な構成とすることで、燃料電池システム２によって、バッテリ８４の充電を行うこともできるし、モバイル機器８２の電力負荷に電力を供給することもできる。

【0044】

あるいは、図１８に示すように、燃料電池システム２は、電力によって駆動する小型のモビリティ８６（例えばシニアカー）に搭載されるサブバッテリとして用いることができる。この場合、燃料電池システム２は、電力供給線８８を介して、モビリティ８６が備えるバッテリ９０に接続される。この場合、モビリティ８６が備えるバッテリ９０と、モビリティ８６のモータ９２と、燃料電池システム２を、電気的に並列に接続し、切り替えスイッチによって電力の供給先を切替可能な構成とすることで、燃料電池システム２によって、バッテリ９０の充電を行うこともできるし、モータ９２に電力を供給することもできる。

【0045】

あるいは、図１９に示すように、燃料電池システム２は、電力によって駆動する歩行支援ロボット９４のサブバッテリとして用いることができる。この場合、燃料電池システム２は、電力供給線９６を介して、歩行支援ロボット９４が備えるバッテリ９８に接続される。この場合、歩行支援ロボット９４が備えるバッテリ９８と、歩行支援ロボット９４のモータ１００と、燃料電池システム２を、電気的に並列に接続し、切り替えスイッチによって電力の供給先を切替可能な構成とすることで、燃料電池システム２によって、バッテリ９８の充電を行うこともできるし、モータ１００に電力を供給することもできる。

【0046】

以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

【0047】

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

【符号の説明】

【0048】

２：燃料電池システム； ４：燃料電池； ６：ヒータ； ８：バッテリ； １０：ヒートシンク； １２：空気供給経路； １４：開閉弁； １６：空気排出経路； １８：封止弁； ２０：カートリッジ； ２２：燃料ガス供給経路； ２４：減圧弁； ２６：燃料ガス排出経路； ２８：封止弁； ３０：第１シリコン基板； ３０ａ：燃料ガス流路； ３２：第２シリコン基板； ３２ａ：キャビティ； ３４：積層基板； ３６：絶縁膜； ３６ａ：開口； ３６ｂ：支持部； ３８：電解質膜； ４０：第１電極膜； ４２：第２電極膜； ４４：貫通電極； ４６：第１電極パッド； ４８：第２電極パッド； ５０：第１電極配線； ５２：第２電極配線； ５４：発電要素； ５６：前駆体膜； ５８：電極材料膜； ６０：電極材料膜； ６２：電極材料膜； ８０：充電ケーブル； ８２：モバイル機器； ８４：バッテリ； ８６：モビリティ； ８８：電力供給線； ９０：バッテリ； ９２：モータ； ９４：歩行支援ロボット； ９６：電力供給線； ９８：バッテリ； １００：モータ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】