燃料电池单元电池、燃料电池单元电池阵列、燃料电池模件和燃料电池系统

摘要

本发明的目的在于提供可小型化和低成本化的燃料电池单元电池、燃料电池单元电池阵列、燃料电池模件和燃料电池系统。本发明的燃料电池单元电池具有pin结构，该pin结构具备由p型半导体构成的燃料极(11)、由n型半导体构成的氧极(13)和存在于燃料极(11)和氧极(13)之间且由真性半导体构成的中间层(12)，燃料极(11)和氧极(13)是多孔的且为流体透过性的，在多孔部的空孔内面形成金属系催化剂层，中间层(12)是多孔的且具有使燃料极(11)生成的氢离子透过而不使电子通过的性质，以将含有氢的燃料供给到燃料极(11)的表面，将含有氧的氧化性流体供给到氧极(13)的表面的方式而构成，具有与燃料极(11)和氧极(13)分别电连接的连接端子。

说明书

技术领域

本发明涉及具有pin结构或pn结构的燃料电池单元电池、燃料电池模件和燃料电池系统，更详细地说，涉及能够有效地发挥包括铂、钌的金属系催化剂或氧化物系催化剂的催化作用，适用于小型燃料电池的燃料电池单元电池、燃料电池单元电池阵列、燃料电池模件和燃料电池系统。

背景技术

燃料电池主要使用燃料气体作为燃料，通过使用氢气、甲烷气等含氢气体或甲醇等液体，使燃料气体或液体燃料与空气中的氧气等反应，从而产生电能。此时的排出物主要是水，二氧化碳、一氧化碳气体等有害排出物极少，因此作为对环境友好的能源产生机构，近年来特别受到关注。此外，燃料电池还具有与发动机、涡轮机等不同，产生噪音少且效率高的优点，因此作为将来有希望的能源产生机构之一，向实用化方向的活跃的研究开发在不断进行。再有，有时还替代燃料气体而使用甲醇等液体燃料，替代空气等氧化性气体而使用含过氧化氢等的液体氧化剂。

燃料电池的用途广，燃料电池汽车等已达到实用化范围。此外，正在考虑应用于空调、热水供给等需要大量热源和电力的设施的能源系统，应用于一般家庭用的能源系统，作为移动电话、笔记本电脑等便携终端用的电源的利用等。

图14为对利用燃料电池的发电的原理进行说明的图，该图示意地表示出单元电池的基本构成和电化学反应。再有，图14表示使用甲醇作为燃料的例子。如图14所示，燃料电池中，将燃料极(阳极)101和氧极(阴极)103相对配置，在燃料极101和氧极103之间存在电解质层102。

在燃料极101，如下述(1)式所示，供给的甲醇(CH₃OH)和水(H₂O)反应，解离为氢离子(H⁺)和电子(e^-)，同时产生二氧化碳(CO₂)。

CH₃OH+H₂O→6H⁺+6e^-+CO₂       (1)

在电解质层102，氢离子可以移动，但电子不能移动。因此，氢离子在电解质层102中扩散并向氧极103移动，电子通过在外部将燃料极101和氧极103连接的电路104而向氧极103移动。

在氧极103，供给的氧气(O₂)和从电解质层移动而来的氢离子和从燃料极流来的电子如下述(2)式所示反应，生成水(H₂O)。

6H⁺+6e^-+3/2O₂→H₂O             (2)

如果继续补给甲醇和氧气，上述(1)式和(2)式的反应继续发生，电子在电路104中继续流动。即，通过持续供给燃料流体(CH₃OH、H₂等)和氧化性流体(O₂等)，利用图14所示的单元电池，能够得到从氧极103向燃料极101流动的电流，即电力。

燃料电池有几种类型，根据电解质的种类，有熔融碳酸盐型、固体高分子型、磷酸型、固体氧化物型、碱水溶液型等。这些燃料电池中，熔融碳酸盐型和固体氧化物型的工作温度高，分别为600～700℃、800～1000℃左右。其他类型的工作温度一般约为200℃以下。

工作温度高的燃料电池的情况下，在燃料极(1)式的反应利用温度的能量而进行。另一方面，工作温度低的燃料电池的情况下，如何高效地使燃料极和氧极中的上述反应发生，换言之，如何提高各个电极中的反应速度是重要的课题。为了促进(1)式和(2)式的反应，在燃料极101和氧极103中利用催化剂，通常使用铂作为催化剂。这样，对于在低温下工作的燃料电池而言，铂发挥了极其重要的作用。

作为催化剂，除了铂以外，可以使用铱、钯、铑、钌和含有这些中至少2种的合金、铂和它们的合金、钛氧化物等。但是，作为燃料电池用的催化剂，由于铂最优异，因此实际情况是主要使用铂。

此外，在燃料电池的情况下，在燃料极101和氧极103中，为了使燃料流体或氧性流体通过，同时促进这些电极中(1)式或(2)式的反应，通常使用多孔的碳电极。进而，在低温下工作的燃料电池的情况下，形成了在多孔的电极的空孔内面负载铂等催化剂微粒的结构。这样，在促进上述(1)式和(2)式的反应方面，催化剂，特别是其作用优异的铂是不可缺少的材料。

但是，铂是贵金属，价格极高，因此成为了使燃料电池的价格高的主要原因。此外，铂与CO气结合的性质强，因燃料流体中的CO气、由燃料极中的氧化反应产生的CO气等而产生CO中毒。因此，铂具有如果产生CO中毒则作为催化剂的功能显著降低的缺点。

另一方面，由于用于燃料电池的甲醇、氢气、甲烷气等通常以天然气的烃为原料制造，特别是氢气、甲烷气含有少量的CO气。此外，使用甲醇的燃料电池的情况下，在甲醇的氧化过程中形成CO。其间的CO被吸附在铂等的表面上且极其稳定。因此，利用铂作为催化剂，使用甲醇、氢气等作为燃料的情况下，不能避免铂的CO中毒问题。也可以使用铂以外的催化剂，但与铂相比催化效果差，因此具有燃料极和氧极中的反应速度比铂差的缺点。

在甲醇燃料电池中，通过向铂中添加钌等，认为能够在某种程度上抑制铂的CO中毒。其原因认为是钌促进H₂O的氧化而生成氢氧根离子，将CO氧化为CO₂。但是，由于不能充分地维持铂的催化效果，因此还不能说在实用上已解决了铂中毒问题。

因此，使用铂作为催化剂，使用甲醇、氢气作为燃料流体的情况下，不能避免铂的CO中毒问题。另一方面，铂以外的催化剂与铂相比催化效果差。因此，对于现状的燃料电池单元电池，存在燃料极和氧极发生的反应的速度慢的缺点。

为了解决上述问题，提出了不使用铂作为催化剂的燃料电池(例如，专利文献1)。专利文献1中公开的燃料电池由燃料极、氧极和燃料极与氧极之间的电解质层构成，燃料极由掺杂了p型杂质的III-IV族化合物半导体构成。该燃料电池的情况下，在燃料极，引起了将氢气分解为氢自由基，使氢自由基解离为氢离子和电子的反应。由于该反应迅速进行，因此认为不需要铂。即，认为掺杂有p型杂质的化合物半导体起到了使氢气解离为氢离子和电子的催化剂的作用。

此外，作为电极使用半导体的燃料电池，提出了应用pn接合型半导体的构成的燃料电池(例如，专利文献2)。专利文献2中公开的燃料电池是将燃料电池整体设置在燃料气体和含氧气体的混合气体气氛中的单室型，这点与例如上述专利文献1中公开的通常的双室型的燃料电池不同。专利文献2中公开的燃料电池由载体为空穴的p型半导体层和载体为电子的n型半导体层和其间的pn混合层构成，所有层都成为达到混合气体通过程度的多孔状。

该燃料电池的情况下，发电的机理认为如下所述。在夹持在p型半导体和n型半导体之间的空乏层(pn接合层)附近的p型半导体的表面吸附氧气而极化，同时在n型半导体的表面吸附氢气而极化，在p型半导体的表面产生正电荷，在n型半导体的表面产生负电荷。吸附的氢离子(H⁺)和氧离子(O^2-)反应而生成水(H₂O)的一系列过程中，空乏层(pn接合层)附近的p型半导体中的价电子带的电子被激发，在该价电子带中生成空穴，在生成的电子空穴对中，电子向n型半导体移动，同时空穴向p型半导体侧移动。根据这样的机理，认为在p型半导体(阴极)和n型半导体(阳极)之间产生电位差，能够将该电位差作为电力取出。

在上述专利文献1和2中公开的使用半导体的燃料电池中，均没有使用催化剂。在燃料极和氧极中，为了有效地发生(1)式或(2)式的反应，优选使用催化剂，特别优选使用铂。但是，如上所述，如何促进燃料极和氧极中的反应是个问题，特别是使用铂作为催化剂的情况下，如何防止铂的CO中毒是重要的课题。但是，关于使用了催化剂时的反应速度的提高、防止铂的CO中毒，实际情况是还没有得到有效的对策，要求进一步提高铂的催化活性。

此外，在现有的甲醇燃料电池中，存在称为“甲醇穿透”的大问题。所谓甲醇穿透，是指供给到燃料极的甲醇穿过电解质层等中间层而移动到氧极，由于在氧极发生反应而抵消发电效果的现象。

即，在现有的燃料电池内，甲醇通过电解质从燃料极(阳极)横跨到氧极(阴极)，由于与氧极中氧的反应，未产生电而产生热。因此，产生甲醇的损失，同时燃料电池的发生电压降低。例如，在阴极中，认为在规定的电流密度下产生100mV～140mV的电压降低。

专利文献3和4中记载了控制甲醇穿透的方法，在实用上不能说得到了充分的效果，不能说甲醇穿透问题已得到了解决。

甲醇燃料电池的另一问题是与氢燃料电池相比，为了进一步提高阳极的电位，阳极的活化是必要的。作为其对策，为了提高反应速度，必须通过电极面使用大量的催化剂。催化剂量多时，燃料电池的成本升高，因此产生必须降低成本的问题。

此外，在使用固体聚合物电解质的现有的燃料电池中，催化剂在例如由碳粉末支撑的固体电解质的两面上形成。在这种情况下，不能高效地发挥催化剂的效果。进而，由于表面的面积(两维的表面面积)受到限制，因此在低电力用直接甲醇型燃料电池中小型化困难。这样，为了能够提高反应速度，提高电力产生效率，需要确立催化剂的有效利用法。作为其对策之一，要求扩大电极面的面积，同时减少电极中催化剂量的使用量。

进而，还希望开发携带型的电话机、笔记本电脑等携带终端用的小型的燃料电池。为了能够应对该希望，需要通过提高氧极和燃料极的反应速度来实现电极的小型化，但在工作温度低的燃料电池的情况下，实际情况是只要不解决上述几个问题，就不能实现燃料电池的小型化。

专利文献1：特开2004-319250号公报

专利文献2：特开2004-199877号公报

专利文献3：美国专利第5,599,638号说明书

专利文献4：美国专利第5,919,583号说明书

发明内容

发明要解决的课题

本发明的目的在于解决上述课题，其目的在于提供能够有效地发挥包括铂的金属系催化剂或氧化物系催化剂的催化作用，同时可以抑制铂的CO中毒，可以小型化和低成本化的燃料电池单元电池、燃料电池单元电池阵列、燃料电池模件和燃料电池系统。

用于解决课题的机构

用于解决上述课题的本发明所涉及的燃料电池单元电池(1)，其特征在于：具有pin结构，该pin结构具备由p型半导体构成的燃料极、由n型半导体构成的氧极和存在于上述燃料极和上述氧极之间且由真性半导体构成的中间层，上述燃料极是多孔的且为燃料流体透过性的，在多孔部的空孔内面形成金属系催化剂层，上述氧极是多孔的且为氧化性流体透过性的，在多孔部的空孔内面形成金属系催化剂层，上述中间层是多孔的且可以保持电解质溶液，具有使上述燃料极生成的氢离子透过而不使电子通过的性质，以将含有氢的燃料流体供给到上述燃料极的表面，将含有氧的氧化性流体供给到上述氧极的表面的方式而构成，具有与上述燃料极和上述氧极分别电连接的连接端子。

此外，本发明所涉及的燃料电池单元电池(2)，其特征在于：具有p-n结构，该p-n结构具备由p型半导体构成的燃料极、由n型半导体构成的氧极和存在于上述燃料极和上述氧极之间的中间层，上述燃料极是多孔的且为燃料流体透过性的，在多孔部的空孔内面形成金属系催化剂层，上述氧极是多孔的且为氧化性流体透过性的，在多孔部的空孔内面形成金属系催化剂层，上述中间层在上述燃料极和上述氧极中的至少一方侧形成，是多孔的且可以保持电解质溶液，具有使上述燃料极生成的氢离子透过而不使电子通过的性质，上述燃料极和上述氧极在形成了上述中间层的面接合，以将含有氢的燃料流体供给到上述燃料极的表面，将含有氧的氧化性流体供给到上述氧极的表面的方式而构成，具有与上述燃料极和上述氧极分别电连接的连接端子。

此外，本发明所涉及的燃料电池单元电池(3)，其特征在于：具有pn-pn结构，该pn-pn结构具备：具有燃料流体供给面侧由p型半导体层构成且另一面由n型半导体层构成的pn接合区域的燃料极、具有氧化性流体供给面侧由n型半导体层构成且另一面由p型半导体层构成的pn接合区域的氧极、和作为存在于上述燃料极的上述n型半导体层和上述氧极的p型半导体层之间的中间层的电解质层，上述燃料极是多孔的，上述燃料极中的上述p型半导体层比上述n型半导体层厚度厚且为燃料流体透过性的，在多孔部的空孔内面形成金属系催化剂层，上述n型半导体层为燃料流体非透过性的，上述氧极是多孔的，上述氧极中的上述n型半导体层比上述p型半导体层厚度厚且为氧化性流体透过性的，在多孔部的空孔内面形成金属系催化剂层，上述中间层含有电解质溶液，具有使上述燃料极生成的氢离子透过的性质，以将含有氢的燃料流体供给到上述燃料极的表面，将含有氧的氧化性流体供给到上述氧极的表面的方式而构成，具有与上述燃料极和上述氧极分别电连接的连接端子。

此外，本发明所涉及的燃料电池单元电池(4)，其特征在于：在上述燃料电池单元电池(1)～(3)中的任一项中，上述燃料极和上述氧极中的至少一方为光透过性的。

此外，本发明所涉及的燃料电池单元电池(5)，其特征在于：在上述燃料电池单元电池(1)～(3)中的任一项中，以使光照射到上述中间层的上述电解质的方式而构成。

此外，本发明所涉及的燃料电池单元电池(6)，其特征在于：在上述燃料电池单元电池(1)～(3)中的任一项中，在上述燃料极和上述氧极中至少一方的上述催化剂层和上述空孔的内面之间具有金属系导电性层。

此外，本发明所涉及的燃料电池单元电池(7)，其特征在于：在上述燃料电池单元电池(1)～(3)中的任一项中，上述燃料流体是甲醇或氢气。

此外，本发明所涉及的燃料电池单元电池(8)，其特征在于：在上述燃料电池单元电池(1)或(2)中，上述燃料极中具有燃料流体透过性的多孔部的空孔的直径和上述氧极中具有氧化性流体透过性的多孔部的空孔的直径为微米级，上述中间层的多孔部的空孔的直径为纳米级。

此外，本发明所涉及的燃料电池单元电池(9)，其特征在于：在上述燃料电池单元电池(3)中，上述燃料极中p型半导体层部的空孔的直径和上述氧极中n型半导体层部的空孔的直径为微米级，上述燃料极中n型半导体层部的空孔的直径和上述氧极中p型半导体层部的空孔的直径为纳米级。

此外，本发明所涉及的燃料电池单元电池(10)，其特征在于：在上述燃料电池单元电池(1)～(3)中的任一项中，构成上述燃料极、上述氧极和上述中间层的半导体材料是硅、锗和包括氧化钛的氧化物半导体中的任一种。

此外，本发明所涉及的燃料电池单元电池(11)，其特征在于：在上述燃料电池单元电池(1)～(3)中的任一项中，构成上述金属系催化剂层的金属系催化剂是铂、铱、钯、铑、钌和含有它们中至少2种的合金中的一种，或钛氧化物。

此外，本发明所涉及的燃料电池单元电池(12)，其特征在于：在上述燃料电池单元电池(1)～(3)的任一项中，上述电解质溶液是酸性的。

本发明所涉及的燃料电池单元电池阵列(1)，其特征在于，其以下述方式构成：将上述燃料电池单元电池(1)～(3)的任一项的多个上述燃料电池单元电池以平面方式排列，同时将它们并联和/或串联地电连接，将多个上述燃料电池单元电池产生的电力集中而输出。

本发明所涉及的燃料电池单元电池阵列(2)，其特征在于，其以下述方式构成：将上述燃料电池单元电池(1)～(3)的任一项的多个上述燃料电池单元电池介由上述燃料流体供给机构、上述氧化性流体供给机构和光导入机构而层叠，同时将它们串联地电连接，将多个上述燃料电池单元电池产生的电力加合而输出。

本发明所涉及的燃料电池模件，其特征在于：具有上述燃料电池单元电池阵列(1)、燃料流体供给部和氧化性流体供给部，在上述燃料流体供给部和上述氧化性流体供给部之间配置有上述燃料电池单元电池阵列，以使流体不在上述燃料流体供给部和上述氧化性流体供给部之间透过的方式而构成，上述燃料电池单元电池阵列的燃料极面向上述燃料流体供给部，上述燃料电池单元电池阵列的氧极面向上述氧化性流体供给部，上述燃料流体供给部具有燃料导入部和流体排出部，上述氧化性流体供给部具有氧化性流体导入部和流体-水排出部，包围上述燃料流体供给部的壁部中与上述燃料极面对的壁部和/或包围上述氧化性流体供给部的壁部中与上述氧极面对的壁部由光透过性材料构成，具有将上述燃料电池单元电池阵列产生并集中的电力输出的输出机构。

本发明所涉及的燃料电池系统，其特征在于：将多个上述燃料电池模件组合为一体，将它们连接以使从各个上述燃料电池模件的上述输出机构输出的电力集中，具有将集中的电力输出的燃料电池输出部，具有与该燃料电池输出部电连接的DC-DC换流器。

应予说明，本说明书中使用的所谓微米级，主要是指1μm以上，小于1mm。此外，所谓纳米级，主要是指1nm以上，小于1μm。此外，所谓燃料流体，是指甲醇、氢气等流体状的燃料，所谓氧化性流体，是指氧气、空气、过氧化氢溶液等流体状的氧化性物质。

发明效果

根据上述燃料电池单元电池(1)～(12)，燃料电池单元电池基本上具有pin或pn接合结构，电解质溶液位于p型半导体层和n型半导体层之间。在这些燃料电池单元电池中，未必照射光，但当照射光时，利用光电效应而产生的空穴使燃料极中的催化作用显著活化，而且利用光电效应而产生的电子使氧极中的催化作用显著活化。换言之，燃料极中的氧化反应速度和氧极中的还原反应速度显著提高。其原因在于，由于到达了燃料极的空穴的强力的氧化作用，燃料极中甲醇等燃料流体的氧化得以促进，由于达到了氧极的光电子，氧极中氧化性流体的还原得以促进。此外，利用光电效应产生的电极-电解质部间的电场，因而双层效果(double layereffect)提高。因此，得到反应进一步得以促进的效果，产生的电流密度、能量密度增大。

此外，pin或pn结构的情况下，能够将电极和电解质区域两者形成在1个硅基板上，因此能够得到紧凑、低成本、高能量密度的燃料电池单元电池。

因此，当使燃料电池单元电池的产生电力一定时，可以减少燃料极和氧极中使用的催化剂的所需量，实现电极的小型化、燃料电池单元电池进而燃料电池的小型化。此外，由于催化作用被活化，因此能够使用价格更低的催化剂。此外，当使燃料电池单元电池的大小、催化剂的使用量等一定时，能够大幅度地增加每个单元电池的产生电力量。

特别是使用铂作为催化剂的情况下，即使有时燃料流体中含有少量的CO气，或者由燃料流体产生CO气，由于燃料极中的反应的活性高，因此容易将CO气氧化为CO₂。因此，即使使用铂作为催化剂，也能够解决对于通常的燃料电池而言难以解决的重要课题，即铂的CO中毒问题。

此外，在燃料极和氧极的至少一方中，在空孔的内面和催化剂层之间具有金属系导电层时，即使使用甲醇作为燃料流体，也能够基本上防止甲醇穿透。因此，可以防止甲醇的损失，能够提高发电效率。

由于上述燃料电池单元电池具有上述特长，因此采用本发明所涉及的燃料电池单元电池，能够利用这些特长而获得燃料电池的高输出化、低成本化、小型化、长寿命化等优异的效果。

此外，根据上述燃料电池单元电池阵列(1)或(2)，由于单元电池阵列由上述燃料电池单元电池(1)～(3)的任一个构成，因此能够得到具有上述燃料电池单元电池(1)～(3)所具有的特长的燃料电池单元电池阵列。

此外，根据上述燃料电池模件，由于燃料电池模件由上述燃料电池单元电池阵列(1)构成，因此能够得到具备上述燃料电池单元电池(1)～(3)的任一个和上述燃料电池单元电池阵列(1)所具有的特长的燃料电池模件。

此外，根据上述燃料电池系统，由于燃料电池系统由上述燃料电池模件形成，因此能够得到具备上述燃料电池单元电池(1)～(3)的任一个、上述燃料电池单元电池阵列(1)和上述燃料电池模件所具有的特长的燃料电池系统。此外，由于上述燃料电池系统具备DC-DC换流器，因此能够容易地产生燃料电池系统所要求的输出电压。特别是由于得到小型的燃料电池系统，因此极其适合作为携带型的电话机或个人电脑的电源。

附图说明

图1A是示意地表示本发明的第1实施方案所涉及的燃料电池单元电池的基本构成的斜视图。

图1B是示意地表示沿图1A所示的IB-IB’线的切断面的构成的部分放大截面图。

图2A是示意地表示本发明的第2实施方案所涉及的燃料电池单元电池的基本构成的斜视图。

图2B是示意地表示沿图2A所示的IIB-IIB’线的切断面的构成的部分放大截面图。

图3A是示意地表示本发明的第3实施方案所涉及的燃料电池单元电池的基本构成的斜视图。

图3B是示意地表示沿图3A所示的IIIB-IIIB’线的切断面的构成的部分放大截面图。

图4A是表示燃料极的空孔的分布和形状的例子的平面示意图。

图4B是表示燃料极的空孔的分布和形状的另一例子的平面示意图。

图5是示意地表示由微米级的空孔和纳米级的空孔构成的区域的部分放大截面图。

图6是对形成具有规定图案的多孔部的方法进行说明的图，是表示对形成多孔部的基板实施预蚀刻的过程中基板的截面结构的图。

图7是对形成具有规定图案的多孔部的方法进行说明的图，是表示对预蚀刻后的基板采用阳极蚀刻法进一步实施蚀刻的方法的截面示意图。

图8是表示燃料流体和氧化性流体的供给机构的例子的斜视示意图。

图9是表示燃料流体和氧化性流体的供给机构的另一例子的斜视示意图。

图10A是表示本发明的实施方案所涉及的单元电池阵列的示意图，是表示将单元电池并联连接的单元电池阵列的截面图。

图10B是表示本发明的实施方案所涉及的单元电池阵列的示意图，是表示将单元电池串联连接的单元电池阵列的截面图。

图10C是表示本发明的实施方案所涉及的单元电池阵列的示意图，是表示将单元电池纵、横连接的单元电池阵列的斜视图。

图11是示意地表示本发明的另一实施方案所涉及的单元电池阵列的构成的截面图。

图12A是示意地表示本发明的实施方案所涉及的燃料电池模件的截面图。

图12B是示意地表示本发明的另一实施方案所涉及的燃料电池模件的截面图。

图13是表示本发明的实施方案所涉及的燃料电池系统的构成的方块图。

图14是说明燃料电池的发电原理的图，是表示单元电池的基本构成和电化学反应的示意图。

具体实施方式

以下参照附图具体说明本发明的实施方案所涉及的燃料电池单元电池、燃料电池单元电池阵列、燃料电池模件和燃料电池系统。应予说明，在以下所示的图中，表示同样的构件、作用的位置标注相同的符号，省略重复说明。

图1A是示意地表示本发明的第1实施方案所涉及的燃料电池单元电池(以下将燃料电池单元电池简称为单元电池)的基本构成的斜视图。此外，图1B是示意地表示沿图1A所示的IB-IB’线的切断面的构成的部分放大截面图。

参照图1A和1B，以下对实施方案所涉及的单元电池1的基本构成和工作原理进行说明。再有，作为一例，对半导体材料为多孔的硅，燃料流体为甲醇，氧化性流体为氧气的情况进行说明。

单元电池1具有pin型接合结构，该pin型接合结构由p型半导体层、n型半导体层和位于其间的i型半导体层(真性半导体层)这3层构成。第1层是构成阳极的燃料极11，由掺杂了硼、铝等p型杂质元素的p型半导体层构成。第2层为构成电解区域的中间层12，由没有掺杂杂质元素(非掺杂)的真性半导体层构成。第3层为构成阴极的氧极13，由掺杂了磷、砷等n型杂质元素的n型半导体层构成。

燃料极11、中间层12和氧极13，例如，优选均由多孔的硅构成。在作为p型半导体层的燃料极11和作为n型半导体层的氧极13中，如图1B所示，形成了空孔15a、15b，空孔15a、15b分别被壁16a、16b分隔。燃料极11和氧极13分别可以透过甲醇、氢气等燃料流体，氧气、空气、过氧化氢溶液等氧化性流体，即，燃料流体、氧化性流体可以侵入各个层的空孔15a、15b。此外，在中间层也形成了空孔19。

这里，燃料极11和氧极13的空孔15a、15b的直径优选比中间层12的空孔19的直径大。例如，前者为微米级，例如为20μm以下，优选为4～8μm，后者优选为纳米级。不过，当使用氢等气体状的物质作为燃料流体时，燃料极11和氧极13的空孔15a、15b的直径、中间层12的空孔19的直径可以大致相等，均为纳米级。应予说明，本说明书中，所谓“直径”，是指空孔的内侧的直径，例如，不是圆形而是四边形等时，是指内侧的平均直径。此外，当存在直径不同的空孔时，是指这些空孔的平均直径。

燃料极11和氧极13的空孔15a、15b的内表面被覆有铂、钌、它们的合金等催化剂。再有，空孔15a、15b的内表面和催化剂层之间优选具有钯、镍、钽、铌等导电性金属层。此外，燃料极11和/或氧极13优选为光透过性的，优选以使光介由燃料极11和氧极13到达中间层12的方式而构成。当燃料极11和氧极13不是光透过性时，优选具有将光导入中间层12的光纤等机构。

此外，在燃料极11和氧极13中设置有相当于与外部电路14的连接部的连接端子(未图示)。

将电解质溶液含浸于中间层12的空孔19内，该电解质溶液利用毛细管现象产生的静态力而被保持在空孔内。作为电解质溶液，硫酸溶液(H₂SO₄)、磷酸溶液(H₃PO₄)、三氟甲烷磺酸等酸性溶液适合。此外，电解质溶液不一定必须是这些酸性溶液，例如，可以是碱性溶液、水。这是因为，即使中间层12中保持的溶液是碱性溶液或水，氢离子也能从燃料极11向氧极13移动。因此，本说明书中，电解质溶液也包括碱性溶液和水。

燃料极11、中间层12或氧极13用的半导体材料，有包括单晶硅、多晶硅、无定形硅的硅和单晶锗等IV属半导体，镓-砷、铟-磷、铝-镓-砷等III-IV属化合物半导体、硫化镉、硫化铜等II-VI属化合物半导体，氧化钛、氧化锌、氧化镍、氧化锡、三氧化二铁、氧化钴、四氧化三铁、氧化铜等氧化物系半导体，可以使用能够分别构成p型半导体、n型半导体或真性半导体的材料。再有，这些半导体材料中，用于燃料极11和氧极13的材料均为多孔的，具备气体、液体等流体透过的性质(流体透过性)。

此外，中间层12中可以使用在上述半导体材料中能够形成真性半导体层的多孔材料。例如硅、锗等没有掺杂杂质的材料。再有，中间层12中使用的材料具有能够利用空孔的毛细管力保持电解质溶液或水的性质。

此外，燃料极11的p型半导体层和氧极13的n型半导体层的厚度比中间层12厚，前者优选为微米级，特别优选是200～500μm，后者优选为200μm以下，特别优选为80μm以下。

作为被覆燃料极11、氧极13的空孔内面的催化剂层中使用的催化剂，除了铂以外，铱、钯、铑、钌等贵金属或含有它们中至少两种的合金也是适合的。此外，可以使用氧化钛。其中，铂具有最优异的催化作用。金属系催化剂在燃料极11和氧极13的空孔内壁的被覆可以采用原子层生长法、表面有机金属化学法(surface organometallic chemistry method)、电镀法、使用等离子体的溅射法、采用CVD法的蒸镀等方法进行。原子层生长法、表面有机金属化学法特别适合金属系催化剂的被覆。应予说明，本说明书中，将包括氧化钛的上述催化剂记为“金属系催化剂”。

此外，导电性金属层在燃料极11和氧极13的空孔15a、15b的内表面的被覆可以采用原子层生长法、电镀法、电极沉积法等方法进行。

图2A是示意地表示本发明的第2实施方案所涉及的单元电池的基本构成的斜视图。此外，图2B是示意地表示沿图2A中所示的IIB-IIB’线的切断面的构成的部分放大截面图。

图2A和图2B中所示的单元电池2具有pn型接合结构，由p型半导体层21、n型半导体层23和位于其间的中间层22这三层构成。作为第1层的p型半导体层是构成阳极的燃料极21，掺杂有硼、铝等p型杂质。第2层是构成电解区域的中间层22。作为第3层的n型半导体层是构成阴极的氧极23，掺杂有磷、砷等n型杂质元素。

中间层22由在构成燃料极21的硅基板的1面侧形成的中间层22a、在构成氧极23的硅基板的1面侧形成的中间层22b构成。这样的中间层22具有容易制造单元电池2的优点。此外，中间层22可以不在燃料极21和氧极23的两面上形成，而是只在任一方上形成。即，可以由中间层22a和中间层22b中的任一方构成。再有，单元电池2优选通过使中间层22a、22b相对进行接合而形成。

燃料极21、中间层22和氧极23优选均由多孔的硅构成。在作为p型半导体层的燃料极21和作为n型半导体层的氧极23中，如图2B所示，形成空孔25a、25b，空孔25a、25b分别被壁26a、26b分隔。燃料极21和氧极23分别可以透过甲醇等燃料流体、氧气等氧化性流体，即燃料流体、氧化性流体可以侵入各个层的空孔25a、25b。此外，中间层22中也形成有空孔29。

其中，燃料极21和氧极23的空孔25a、25b的直径优选比中间层22的空孔29的直径大。例如，前者优选为微米级，例如20μm以下，优选4～8μm，后者优选为纳米级。不过，使用氢等气体状的物质作为燃料流体时，燃料极21和氧极23的空孔25a、25b的直径、中间层22的空孔29的直径可以大致相等，例如，可以全部为纳米级。

此外，燃料极21和氧极23的空孔25a、25b的内表面用铂、铱、钯、铑、钌等贵金属或含有它们中至少两种的合金等被覆。进而，在空孔25a、25b的内表面和催化剂层之间优选具有钯、镍、钽、铌等导电性金属层。

使中间层22的空孔29内含浸电解质溶液，利用毛细管产生的静态力将该电解质溶液保持在空孔内。作为电解质溶液，可以使用与第1实施方案时同样的溶液。

此外，燃料极21和氧极23的至少一方优选为光透过性的，优选以使光介由燃料极21或氧极23到达中间层22的方式而构成。当燃料极21和氧极23不为光透过性时，优选具有将光导入中间层22的光纤等机构。

进而，在燃料极21和氧极23中还设置有与外部电路14的连接部相当的连接端子(未图示)。

图3A是示意地表示本发明的第3实施方案所涉及的单元电池的基本构成的斜视图。此外，图3B是示意地表示沿图3A所示的IIIB-IIIB’线的切断面的构成的部分放大截面图。

图3A和图3B所示的单元电池3由具有第1和第2的pn型接合结构的2个pn型半导体层和位于其间的中间层这3层构成，其排列从燃料极侧起成为pn-中间层-pn。第1层是构成阳极的燃料极31，由掺杂了硼、铝等p型杂质元素的p型半导体层31a和掺杂了磷、砷等n型杂质元素的n型半导体层31b构成。第2层为构成电解质区域的中间层32。第3层为构成阴极的氧极33，由掺杂了磷、砷等n型杂质元素的n型半导体层33a和掺杂了硼、铝等p型杂质元素的p型半导体层33b构成。

燃料极31和氧极33，例如，优选均由多孔的硅构成。在作为pn接合结构的半导体层的燃料极31和氧极33中，如图3B所示，形成有空孔35a、35b，空孔35a、35b分别被壁36a、36b分隔。燃料极31的p型半导体层31a和氧极33的n型半导体层33a分别可以透过甲醇等燃料流体、氧气等氧化性流体，燃料流体、氧化性流体可以侵入各个层的空孔35a、35b。

这里，燃料极31的p型半导体层31a和氧极33的n型半导体层33a中形成的空孔35a、35b的直径优选比燃料极31的n型半导体层31b和氧极33的p型半导体层33b中形成的空孔39的直径大，前者优选为微米级，例如20μm以下，优选4～8μm，后者优选为纳米级。不过，使用氢等气体状的物质作为燃料流体时，燃料极31的p型半导体层31a和氧极33的n型半导体层33a中形成的空孔35a、35b的直径可以与燃料极31的n型半导体层31b和氧极33的p型半导体层33b中形成的空孔39的直径大致相等，例如，可以全部为纳米级。

此外，燃料极31的p型半导体层31a和氧极33的n型半导体层33a的厚度优选比燃料极31的n型半导体层31b和氧极33的p型半导体层33b厚，前者优选为微米级，特别优选为300～500μm，后者优选为50μm以下，特别优选为10μm以下。

此外，燃料极31的p型半导体层31a的空孔35a和氧极33的n型半导体层33a的空孔35b的内表面用铂、铱、钯、铑、钌等贵金属或含有它们中至少两种的合金等催化剂被覆。在空孔35a、35b的内表面和催化剂层之间优选具有钯、镍、钽、铌等的导电性金属层。

用密封板34a、34b将中间层32上下密封，在燃料极31和氧极33之间的空间部充满与第1和第2实施方案时使用的溶液相同的电解质溶液。

此外，燃料极31和氧极33的至少一方优选为光透过性的，优选以使光介由燃料极31或氧极33到达中间层32的方式而构成。当燃料极31和氧极33不为光透过性时，优选密封板34a、34b中的至少一方为光透过性的，以使光介由密封板34a或34b而到达中间层32的方式而构成。此外，可以具有将光导入中间层32的光纤等机构。

进而，在燃料极31和氧极33中还设置有与外部电路14的连接部相当的连接端子(未图示)。

图1B、2B和3B中示出燃料极的燃料流体透过部和氧极的氧化性流体透过部的空孔的截面形状为相同的四边形且为规则形状的图案的例子。但是，空孔的尺寸、形状不必是一定的，尺寸可以不同，形状也可以不同。此外，深度方向可以不是直线状的而是弯曲的形状。平面上观看燃料极和氧极时的空孔的形状、分布等的图案也不限定于特定的图案。

图4A和图4B为表示燃料极的空孔的分布和形状的例子的平面示意图。再有，图4A和4B表示第1实施方案所涉及的单元电池1的燃料极11的例子。图4A中所示的空孔15a是平面形状一定的空孔规则地排列的例子。空孔15a的平面形状不必是一定的，可以由不同形状的空孔构成，此外，也可以不规则地分布。图4B所示的燃料极11A的空孔15a’是平面形状不规则且被壁16a’分隔而不规则分布的例子。如上所述，空孔15a’的平面形状可以为无定形，而且可以不规则地分布。

单元电池1～3的发生电流主要根据单元电池1～3的面积和燃料极和氧极的杂质浓度而决定。从适当的性能发挥、商业规模的生产等观点出发，单元电池1～3的大小优选例如为纵横5～30mm，厚度优选为微米级～数mm级。

在如上所述构成的第1～第3实施方案所涉及的单元电池1～3的情况下，能够将燃料极和氧极中的反应活化，有效地产生电力。以下主要以第1实施方案所涉及的单元电池1的情况为对象，说明其理由。再有，根据需要提及第2或第3实施方案所涉及的单元电池2、3。

向燃料极11的表面供给例如作为燃料流体的甲醇和水(H₂O)，则发生前面所示的式(1)的反应，解离为氢离子(H⁺)和电子(e^-)，产生二氧化碳(CO₂)。由于中间层12是真性半导体层，因此电子不能在中间层12中移动。再有，在单元电池2的情况下在燃料极21和氧极23之间存在pn接合部，在单元电池3的情况下在燃料极31内和氧极33内存在pn接合部，因此利用该区域可以防止电子从燃料极向氧极移动。进而，在单元电池3的情况下，由于中间层32由电解质溶液构成，因此电子的移动在中间层32得到阻止。

另一方面，氢离子能够介由中间层12的空孔19(单元电池2的情况下为中间层22的空孔29，单元电池3的情况下为中间层32)中保持的电解质溶液而移动到氧极13。在氧极13，介由外部电路14而移动到氧极13的电子、介由中间层12内的电解质溶液而移动来的氢离子和供给到氧极13表面的氧气之间发生(2)式的反应，生成水(H₂O)。

在第1实施方案所涉及的单元电池1的情况下，利用以下说明的机理，燃料极11和氧极13中的反应的活性得到显著活化，因此具有上述一系列的反应速度被显著提高的特征。即，单元电池1成为了pin结构，作为真性半导体层(i层)的中间层12(单元电池2的情况下为中间层22，单元电池3的情况下为燃料极31和氧极33的pn接合部与中间层32的组合)起到了现有的燃料电池所不具有的重要的作用。

在热平衡的状态下，空穴从p型半导体层的燃料极11移动到中间层12，电子从n型半导体层的氧极13移动到中间层12。因此，空穴和电子在中间层12中再结合，形成空乏区域。其结果，从氧极13向燃料极11形成强电场。

产生上述状态的激发的电子和空穴。特别是当光到达中间层12内时，由于光照射到中间层12中存在的空乏层附近，更高效地产生激发的电子和空穴。如果产生电子和空穴，通过基于空乏层的电场而使其加速，电子移动到n型半导体层的氧极13，空穴移动到p型半导体层的燃料极11。利用该电子和空穴的移动，使燃料极11和氧极13之间，即阳极和阴极间的电位差，与中间层12的电位平衡。

在具有pin结构的太阳能电池的情况下，利用高强度的太阳光，产生大量的空穴和电子，这些空穴和电子在产生的电位差下移动，因此将该电位差作为电力源利用。但是，在第1～第3实施方案所涉及的单元电池1～3的情况下，由于能够用尽可能少的电流产生必要的电位差，因此光不一定是必要的，即使在照射光的情况下，光的强度也可以弱。可以利用产生的电位差促进燃料极11和氧极13各自中的反应，能够使各个电极中的催化效果显著提高。这样，使燃料极11中的氧化反应、氧极13中的还原反应显著活化。其结果，在燃料极11中(1)式的反应得到促进，在氧极13中(2)式的反应得到促进。

因此，当使单元电池1的产生电力一定时，能够减少催化剂的必需量，因此可以使电极小型化，能够实现燃料电池的低成本化和小型化。另一方面，当使燃料电池的尺寸一定时，能够实现每单位面积的产生电流的增加，即燃料电池的大电力化。

进而，即使燃料流体中存在少量的CO气，由于燃料极11中的氧化活性高，因此容易将CO气氧化为CO₂。因此，使用铂作为催化剂时，铂与CO气的反应，即铂的CO中毒得到防止，能够使铂的优异的催化效果长时间持续。

以上以单元电池1为对象，对基本的构成和工作机理进行了说明。在单元电池2和3的情况下，基本的工作机理也大致相同，因此省略说明。在第1和第2实施方案所涉及的单元电池1、2的情况下，通过设定为达到毛细管现象产生的毛细管力，即按照下述式(3)的静力学法则表示的毛细管压Pc以上的条件，将电解质溶液保持在多孔的中间层12、22的空孔19、29内。

Pc＝2δ/r·cosθ≒2δ/r             (3)

其中，Pc：毛细管压(单位：N/m²)，r：空孔的半径(单位：m)，δ：电解质溶液的表面张力(单位：N/m)，θ：润湿角(单位：°)。因此，中间层12的空孔的半径优选根据保持在空孔内的电解质溶液的表面张力δ、电解质溶液对于半导体材料的润湿角θ而设定。

如前所述，在第1～第3实施方案所涉及的单元电池1～3中，说明了燃料流体使用甲醇时，在燃料极中的燃料流体供给面侧的微米级的空孔和氧极中的氧化性流体供给面侧的微米级的空孔之间优选存在纳米级的空孔。微米级的空孔使电极部的比表面积增大，同时将其直径设定为燃料流体或氧化性流体可以侵入其内部。此外，在第1和第2实施方案的情况下，将纳米级的空孔设定为具有保持电解质溶液的功能和抑制甲醇穿透的功能，在第3实施方案的情况下，将其设定为主要具有抑制甲醇穿透的功能。能够在不损害燃料电池功能的情况下抑制甲醇穿透的理由如下所述。

图5是示意地表示由微米级空孔和纳米级空孔构成的区域的部分放大截面图。再者，图5中表示第1实施方案所涉及的单元电池1中的燃料极11的例子。

在图5所示的燃料极11的情况下，在燃料极11的p型半导体层部有被壁16a分隔形成的空孔15a，在空孔15a的内面由钯(Pa)、镍(Ni)、钽(Ta)、铌(Nb)等金属形成导电性金属层18。再有，图中没有示出该金属层上形成的金属系催化剂层。该导电性金属层具有使硅等燃料极11的导电性提高的效果，同时具有防止甲醇穿透的效果。

氢离子必须从燃料极11向氧极13(参照图1B)移动。在上述金属的情况下，氢离子在金属层扩散，因此即使将导电性金属层18被覆于空孔15a的内壁面，也不妨碍氢离子的移动。即，到达了导电性金属层18的表面的氢离子被吸附在金属面上，从金属层接受电子，以氢原子的形态在导电性金属层18内扩散。氢原子因扩散而到达导电性金属层18的另一面，即壁16a侧或中间层12。因此，放出电子而从导电性金属层18脱离而成为氢离子，向燃料极11的p型半导体层内或中间层12内移动。因此，即使存在导电性金属层18，也不妨碍氢离子从燃料极11向氧极13移动。

另一方面，甲醇不能穿过导电性金属层18。因此，甲醇不能从燃料极11向氧极13移动，几乎完全防止单元电池1中的甲醇穿透。再有，如图5中所示，将导电性金属充满于燃料极11的空孔15a的底部开口的、中间层12中的纳米级的空孔19中与空孔15a的底部邻接的区域A的空孔部。因此，能够更有效地防止甲醇穿透。

上述第1～第3实施方案所涉及的单元电池1～3的优选的制造方法如下所述。构成单元电池1～3的主要部分的多孔的燃料极、氧极和中间层的形成方法大致有2种方法。第1种方法是以规定的图案形成图4A所示的规定形状的空孔的方法。第2种方法是以无规分布的图案形成图4B所示的无定形的空孔的方法。作为后者的第2种方法，可以采用利用CVD法的板状体的形成、使用了板状半导体材料的氟化钠等的化学蚀刻、使用氟化氢(HF)溶液等的阳极蚀刻等方法制造。但是，作为多孔部的形成方法，以下说明的第1种方法适合。

图6和图7是说明采用上述第1种方法形成具有规定图案的多孔部的方法的图。图6是表示对形成多孔部的基板实施预蚀刻的过程中基板的截面结构的图，图7是表示对预蚀刻后的基板采用阳极蚀刻法进一步实施蚀刻的方法的截面示意图。再有，以下对基板为硅的例子进行说明。

在形成具有图案化的空孔的多孔硅的情况下，首先，采用离子注入法等方法形成p型半导体或n型半导体的硅基板41。然后，采用在半导体装置的制造等中通常采用的光刻法在硅基板41的1面侧形成图案化的掩模42。进而，在带有图案化的掩模的状态下，采用使用了氢氧化钾(KOH)溶液的各向异性蚀刻，进行硅基板41的预图案化。采用该预图案化，在硅基板41上形成凹部43。然后，将掩模42除去。

其次，采用图7所示的阳极蚀刻法，对预图案化的部分进一步蚀刻，从而形成深度深的空孔。在图7所示的装置中，在容器45内装入氟化氢(HF)等电解质溶液，将铂电极46浸渍于其中，与铂电极46相对，在容器45的侧壁的开口部水密封地安装有硅基板41。进而，将铂电极46与电源E的负侧，将硅基板41与电源E的正侧连接。再有，当硅基板41为n型半导体时，进行使用光的光化学HF阳极蚀刻，当硅基板41为p型半导体时，进行不照射光的HF阳极蚀刻。

采用图7所示的HF阳极蚀刻，在硅基板41上形成例如图1B所示的图案化的空孔15a、15b。空孔的直径依赖于晶片的电阻、光电流、HF溶液的浓度等蚀刻条件，因此优选根据目标直径而选择蚀刻条件。此外，空孔的深度依赖于蚀刻时间。

蚀刻到规定深度后，例如，为了在图1B所示的空孔15a(例如直径为微米级)的底部，进一步在中间层12上形成直径小的空孔19(例如纳米级)，可以提高电解质溶液(HF)的浓度，同时增加电流而进行阳极蚀刻。

此外，当使燃料极和氧极的空孔的直径和中间层的空孔的直径大致相同时，可以在电解质溶液的浓度、电流等一定的条件下进行氧极和中间层的阳极蚀刻。

上述方法是从硅基板的一面形成空孔的方法，但也可以例如从一侧的面形成微米级的直径大的空孔，从另一侧的面形成纳米级的直径小的空孔。该方法特别适合形成实施方案2所涉及的单元电池2的燃料极21、氧极23和实施方案3所涉及的单元电池3的燃料极31、氧极33的空孔。

硅基板被预先注入离子而成为了n型或p型半导体，为了提高燃料极或氧极的导电性，控制电阻损失，优选在蚀刻后进行再掺杂。例如，对由n型半导体构成的氧极进行磷(P)的再掺杂，对由p型半导体构成的燃料极进行硼(B)的再掺杂。该掺杂可以使用离子注入、CVD、热扩散等方法。虽然未图示，但掺杂磷时，例如，可以将磷酸(H₃PO₄)的醇溶液导入空孔，掺杂硼时，可以将硼酸(H₃BO₄)的醇溶液导入空孔，通过在1200℃下加热4小时左右，能够在空孔内面掺杂P或B。

燃料极、氧极和中间层的多孔部的形成和单元电池的形成的关系如下所述。

在第1实施方案所涉及的单元电池1的情况下，可以通过分别制作燃料极11、中间层12、氧极13，如图1A所示，在燃料极11和氧极13之间夹持中间层12并接合来制作。此外，可以使用1片硅基板，在燃料极11侧的面上形成空孔15a，在氧极13侧的面上形成空孔15b，在中间形成空孔19，从而一体地形成。

在第2实施方案所涉及的单元电池2的情况下，可以通过分别制作燃料极21、氧极23，如图2A所示进行接合来制作。再有，空孔29可以在燃料极21和氧极23的任一方上形成。此外，可以使用1片硅基板，在燃料极21侧上形成空孔25a和29，在氧极23侧上形成空孔25b和29，从而一体地构成。但是，在这种情况下，空孔29可以形成在燃料极21和氧极23的任一方上。

在第3实施方案所涉及的单元电池3的情况下，可以分别制作燃料极31、氧极33，如图3A所示，使用密封板34a、34b以在燃料极31和氧极33之间形成间隙的方式组装单元电池3。

在采用上述方法制作的单元电池1～3中保持电解质溶液的方法如下所述。在单元电池1和2的情况下，使电解质溶液保持在纳米级的多孔部是必要的。电解质溶液是H₂SO₄、H₃PO₄、三氟甲烷磺酸等的溶液的情况下，可以在槽内的电解质溶液中浸渍12小时左右组装的单元电池1、2。作为电解质，可以使用固体电解质聚合物，但在这种情况下，可以将组装的单元电池1、2浸渍在Nafion溶液中。

图8和图9是表示燃料流体和氧化性流体的供给机构的例子的斜视示意图。再有，图8和图9表示单元电池1的例子。

图8所示的燃料流体供给部51和氧化性流体供给部52均为槽结构，槽部利用板53a、53b而气密封或液密封地密封。该槽部可以通过例如使用光刻法的图案化和KOH溶液，进行燃料极11的燃料流体供给面侧、氧极13的氧化性流体供给面侧的各向异性蚀刻来形成。

图9所示的燃料流体供给部54和氧化性流体供给部55由多孔体构成，将燃料流体或氧化性流体保持在多孔体的空孔部。燃料流体为氢气时，可以在燃料流体供给部54使用氢吸藏合金等。

图8、图9表示燃料流体供给部和氧化性流体供给部为相同结构的情况，但燃料流体供给部是槽结构、氧化性流体供给部为多孔体，或者反之亦可。燃料流体供给部和氧化性流体供给部优选根据单元电池1的用途、功能等适当选择。

图10A～10C是示意地表示实施方案所涉及的单元电池阵列的图，图10A是表示将单元电池并联连接的单元电池阵列4A的截面图，图10B是表示将单元电池串联连接的单元电池阵列4B的截面图，图10C是表示将单元电池纵、横连接的单元电池阵列4C的斜视图。再有，在以下的说明中，将单元电池阵列4A～4C合起来表记为单元电池阵列4。此外，图10A～10C中表示使用单元电池1的例子。

图10A是表示将多个单元电池1以平面方式排列，同时将其并联地电连接的单元电池阵列4A的截面图。单元电池1的面积越大，则电流越大。需要增大产生的电流时，将单元电池1的面积扩大是一种方法。从机械强度等观点出发，当难以扩大单元电池1的面积时，如图10A所示，优选将单元电池1并联地连接。即，可以利用外部电路61、62，将各个单元电池1的燃料极11之间、氧极13之间连接。

图10B是表示将多个单元电池1以平面方式排列，同时将其串联地电连接的单元电池阵列4B的截面图。单元电池1的电动势依赖于燃料和氧。例如，使用氢的氢燃料电池的情况下，理想的输出电压约为1.229V。但是，由于在电极中不可逆地产生的超电势，氢燃料电池的实际的输出电压约为0.6～0.85V左右。通过使用本实施方案所涉及的pin或pn半导体结构，能够大幅度地降低超电势。

当必须要提高该电压时，如图10B所示，优选将各个单元电池1串联连接。即，可以通过外部电路63将燃料极11和氧极13连接。

图10C是表示将多个单元电池1以平面方式排列，同时将其纵、横地电连接的单元电池阵列4C的斜视图。当需要提高电压，增大电流时，如图10C中所示，优选将单元电池1纵、横地排列，例如，如图10A所示那样将行侧并联连接，如图10B所示那样将列侧串联连接。能够使用面积大的单元电池1时，可以代替行侧并联连接的单元电池而利用面积大的单元电池。

图11是示意地表示另一实施方案所涉及的单元电池阵列的构成的截面图。再有，图11中示出了使用单元电池1的例子。另一实施方案所涉及的单元电池阵列5是将多个单元电池1串联连接地层叠而成的堆叠型的阵列。此外，在各个单元电池阵列1间，如图11中所示，插入了流场板71、72和光纤73。

流场板71、72是薄片状，形成了用于流通气体等流体的沟或细管(未图示)。流场板71向氧极13供给例如空气等氧化性气体，流场板72向燃料极11供给例如甲醇等燃料流体，同时将剩余的燃料、生成的水等排出。此外，在流场板71和72之间插入多根光纤73，介由燃料极11面或氧极13面能够将光导入中间层12。再有，光纤使位于流场板71和72之间的部分的被覆除去，使光到达中间层12。

进而，在层叠的单元电池1之间将燃料极11和氧极13电连接。当流场板71、72由导电性材料形成时，通过在将光纤73所在的部分除去的区域使流场板71和73直接接触，能够确保该电连接。当流场板71、73由非导电性材料形成时，用导体将燃料极11和氧极13电连接。

通过如上所述构成的单元电池阵列5，可以实现层叠有单元电池1的堆叠型的阵列，在堆叠型的单元电池阵列5中，能够产生与单元电池1的层叠数相对应的电压。

图12A是示意地表示实施方案所涉及的燃料电池模件的截面图。再有，图12A示出了使用单元电池阵列4A的例子。图12A所示的燃料电池模件6A具有单元电池阵列4A、燃料流体供给部82和氧化性流体供给部83。燃料流体供给部82和氧化性流体供给部83被单元电池阵列4A分隔。图12A所示的分隔构件84是根据需要设置的。

如后面说明那样，单元电池阵列4A以能够将规定的电压和电流取出的方式构成，燃料极侧与燃料流体供给部82相面对。此外，单元电池阵列4A被支撑构件85支撑在燃料流体供给部82和氧化性流体供给部83之间，以使燃料流体和氧化性流体不透过单元电池阵列4A部。

从燃料流体导入口82a将燃料流体导入燃料流体供给部82，将剩余的流体从流体排出口82b排出。此外，在燃料流体供给部82的壁部中，单元电池阵列4A面对的壁部成为光透过窗82c，由玻璃质等光透过性材料构成。

将氧化性流体从氧化性流体导入口83a导入氧化性流体供给部83，将剩余的氧化性流体和水从流体-水排出口83b排出。

向如上所述构成的燃料电池模件6A中，从燃料流体供给部82的燃料流体导入口82a将例如甲醇等燃料流体导入，从氧化性流体供给部83的氧化性流体导入口83a将例如氧气等氧化性气体导入，利用通过光透过窗82c而照射到单元电池阵列4A(参照图10A)的中间层12的光，使燃料极11和氧极13中的反应活化，在燃料极11中上述(1)式的反应活跃地进行，在氧极13中上述(2)式的反应活跃地进行。由此从单元电池阵列4A产生电力，通过在燃料极11和氧极13中作为集电层设置的集电器(未图示)，作为电力取出到燃料电池模件6A的外部。

图12B是示意地表示另一实施方案所涉及的燃料电池模件6B的截面图。图12B所示的燃料电池模件6B是特别适合作为携带型的设备的电源的燃料电池模件，具有单元电池阵列4A、燃料流体供给部85和氧化性流体供给部86。燃料流体供给部85和氧化性流体供给部86被单元电池阵列4A分隔。再者，根据需要设置图12B所示的流体透过性的分隔构件89。

燃料电池模件6B中，燃料流体供给部85中的流体供给源由氢吸藏合金85a构成，作为燃料流体，将例如氢气从氢吸藏合金85a供给到单元电池阵列4A。该氢吸藏合金85a的氢的吸收和放出，例如，可以通过组合佩尔蒂元件，进行加热-冷却来控制(例如，参照特开平6-265238号公报)。此外，单元电池阵列4A在附图上由配置在单元电池阵列4A下的扁平的块状的氢吸藏合金85a支撑。

氧化性流体供给部86，在附图上位于单元电池阵列4A的上侧，将例如空气从氧化性流体导入口86a供给到氧化性流体供给部86，从排出口86b将氮气、剩余的氧气和水或水蒸汽排出。此外，在燃料电池模件6B的情况下，氧化性流体供给部86的上部壁，即与单元电池阵列4A的氧极侧面对的壁部成为了光透过窗86c，由玻璃质等光透过性材料构成，单元电池的氧极(阴极)成为了光透过性的。

向如上所述构成的燃料电池模件6B中，由燃料流体供给部85的氢吸藏合金85a供给作为燃料气的氢气，从氧化性流体供给部86的氧化性流体导入口86a导入例如空气，则利用通过光透过窗86c照射到单元电池阵列4A的中间层的光，使燃料极和氧极中的反应活化，在燃料极上述(1)式的反应活跃地进行，在氧极上述(2)式的反应活跃地进行。由此从单元电池阵列4A产生电力，通过在燃料极和氧极中设置的集电器(未图示)，作为电力取出到燃料电池模件6B的外部。

图13是表示实施方案所涉及的燃料电池系统7的构成的方块图。燃料电池系统7中，将多个燃料电池模件6A(图13中，示出了燃料电池模件6A的例子，但可以是燃料电池模件6B)一体地组合，具有将各个燃料电池模件6A电连接而成的燃料电池91、与燃料电池91电连接的DC-DC换流器92、与DC-DC换流器92的输出侧连接的DC-AC换流器93和输出部94。再有，根据需要组装DC-AC换流器93，作为电源不需交流时，将DC-DC换流器92与输出部94直接连接。

燃料电池91由多个燃料电池模件6A构成，将规定的电压和电流的电力输出到DC-DC换流器92。

在DC-DC换流器92中，由燃料电池91输送的电力在外部负荷设备(未图示)中升压到所需的电压。在这种情况下，根据电压的上升电流减小，因此需要设定燃料电池91的输出，即燃料电池模件6A的构成，以使得能够在外部负荷设备确保所需的电流。

当外部负荷设备需要交流时，用DC-DC换流器92升压的电力在DC-AC换流器93中被转换为交流，从燃料电池系统7通过输出部94而作为交流电力输出。如上所述，作为直流利用时，作为燃料电池系统7的输出，将直流电力从DC-DC换流器92通过输出部94输出。

如图11中所示，例如单元电池1的输出电压能够通过将单元电池1层叠而使之上升。但是，在难以采用将单元电池1层叠的结构时，如实施方案所涉及的燃料电池系统7那样，通过利用DC-DC换流器92，能够容易地使输出电压上升。