JP2004071426A - 燃料電池パッケージおよび燃料電池を用いた電子機器 - Google Patents
燃料電池パッケージおよび燃料電池を用いた電子機器 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】電子機器の周囲に遮蔽物が存在するような場合においても、確実に気体の供給を実現し発電を行うことが可能な構造の燃料電池パッケージおよび燃料電池を用いた電子機器を提供する。
【解決手段】燃料電池パッケージまたは燃料電池を用いた電子機器を構成する筐体の複数の面に開口部を形成し、複数の開口部から燃料電池への酸素の供給を行うようにする。これにより、周囲に遮蔽物が存在する場合においても、複数の開口部の何れかから燃料電池に対して酸素の供給が行われることになり、発電停止の危険性を低下することが可能となる。
【選択図】図１
【解決手段】燃料電池パッケージまたは燃料電池を用いた電子機器を構成する筐体の複数の面に開口部を形成し、複数の開口部から燃料電池への酸素の供給を行うようにする。これにより、周囲に遮蔽物が存在する場合においても、複数の開口部の何れかから燃料電池に対して酸素の供給が行われることになり、発電停止の危険性を低下することが可能となる。
【選択図】図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸素等の発電反応用ガスを外部から取り込む方式を採用する燃料電池パッケージおよび燃料電池を用いた電子機器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、燃料流体を供給することで発電体に電力を発生させる装置であり、そのような燃料電池の一例として、プロトン伝導体膜を電極で挟んだ構造を有し、所望の起電力を得る構造となっている。このような燃料電池は、自動車などの車両に搭載して電気自動車やハイブリット式車両としての応用が大きく期待されている他、その軽量化や小型化が容易となる構造から、現状の乾電池や充電式電池の如き用途に限らず、例えば携帯可能な機器への応用が研究や開発の段階にある。
【０００３】
ここで、プロトン伝導体膜を用いた燃料電池について、簡単に図１８を参照しながら説明する。プロトン伝導体膜５１は水素側電極５２と酸素側電極５３に挟持され、解離したプロトン（Ｈ＋）は図面矢印方向に沿って水素側電極５２から酸素側電極５３に向かってプロトン伝導体膜５１の膜中を移動する。水素側電極５２とプロトン伝導体膜５１の間には、触媒層５２ａが形成され、酸素側電極５３とプロトン伝導体膜５１の間には、触媒層５３ａが形成される。使用時には、水素側電極５２では導入口５４から水素ガス（Ｈ２）が燃料気体として供給され、排出口５５から水素が排出される。燃料気体である水素ガス（Ｈ２）が気体流路５６を通過する間にプロトンを発生し、このプロトンは酸素側電極５３に移動する。この移動したプロトンは、導入口５７から気体流路５８に供給されて排出口５９に向かう酸素（空気）と反応して、これにより所望の起電力が取り出される。
【０００４】
このような構成の燃料電池では、水素を燃料とする場合、負極である水素側電極では触媒と高分子電解質の接触界面において、Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−の如き反応が生ずる。酸素を酸化剤とした場合、正極である酸素側電極では同様に１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−＝Ｈ２Ｏの如き反応が起こり水が生成される。また、水を供給する加湿装置などが不要であるので、燃料電池システムの簡略化や軽量化を図ることができる。
【０００５】
前述のようなプロトン伝導体膜を用いた燃料電池では、プロトン伝導体膜５１とこれを挟む水素側電極５２と酸素側電極５３が発電体となり、その各電極側には起電力を取り出すための集電体もそれぞれ形成される。
【０００６】
ここで、従来の集電体を備えた構造の燃料電池について、図１９の分解斜視図を参照しながら説明すると、膜中を解離したプロトンが伝導するプロトン伝導体膜６０を挟んで、水素側電極６１と酸素側電極６２が形成され、それら水素側電極６１と酸素側電極６２の外側すなわちプロトン伝導体膜６０とは反対面に、それぞれ集電体６３、６４が密着される。集電体６３、６４の外側面は略平坦とされ、積層する場合に有利である。このような構造とすることで、複数の燃料電池を積層させることができ、プロトン伝導体膜６０の面積が小さい場合であっても、大きな起電力を得ることができることになる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の燃料電池パッケージおよび燃料電池を用いた電子機器においては、デバイス・パッケージの特定の面だけに空気取り入れ孔を形成しているため、使用状況によっては空気取り入れ孔が遮蔽物により塞がれてしまう。空気の取り入れ孔が塞がれてしまうと、燃料電池への酸素の供給が停止して発電に支障が生じるため、持続的な電流供給を必要とする機器においては好ましくない。また、携帯電話などの日常生活で頻繁に使用する電子機器においては、常に空気取り入れ孔周辺に遮蔽物が配置されないように使用者が気を配ることは現実的ではなく、利用者に負担を強いることになってしまう。
【０００８】
そこで、本願発明は上述の問題点に鑑みてなされたもので、電子機器の周囲に遮蔽物が存在するような場合においても、確実に気体の供給を実現し発電を行うことが可能な構造の燃料電池パッケージおよび燃料電池を用いた電子機器を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本願発明の燃料電池パッケージは、複数の面に開口部が形成され燃料電池を内部に配置した筐体と、前記燃料電池の燃料極に隣接して形成された水素供給部と、前記開口部から前記燃料電池の酸素極まで形成された空気導入路とを有することを特徴とする。
【００１０】
筐体の複数の面に開口部が形成され、開口部から燃料電池の酸素極まで空気導入路が形成されていることにより、複数の面から燃料電池に対して空気の供給が行われることとなり、燃料電池パッケージの周囲に遮蔽物が存在する場合においても、何れかの開口部から空気の供給が行われるため発電停止の危険性を低減することが可能となる。
【００１１】
また、上記課題を解決するために本願発明の燃料電池パッケージは、燃料電池を内部に配置した筐体と、前記燃料電池の燃料極に隣接して形成された水素供給部と、前記燃料電池の酸素極に隣接して配置された微細な空孔が多数形成された部材である多孔質体とを有することを特徴とする。
【００１２】
燃料電池の酸素極に隣接して多孔質体が配置されており、多孔質体に形成された微細な空孔同士の間で空気の輸送が行われることにより、多孔質体表面全体から多孔質体内部を通過して空気が燃料電池の酸素極に供給される。これにより、燃料電池パッケージの周囲に遮蔽物が存在する場合においても、燃料電池パッケージの複数の面に露出した多孔質体表面から空気の供給が行われるため、発電停止の危険性を低減することが可能となる。
【００１３】
また、上記課題を解決するために本願発明の燃料電池を用いた電子機器は、空気取り入れ孔が形成された燃料電池パッケージを内部に配置した筐体と、前記筐体を構成する複数の面に形成された開口部と、前記開口部から前記空気取り入れ孔まで形成された空気導入路とを有することを特徴とする。
【００１４】
筐体の複数の面に開口部が形成され、開口部から燃料電池パッケージの空気取り入れ孔まで空気導入路が形成されていることにより、複数の面から燃料電池に対して空気の供給が行われることとなり、電子機器の周囲に遮蔽物が存在する場合においても、何れかの開口部から空気の供給が行われるため発電停止の危険性を低減することが可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
［第一の実施の形態］
以下、本願発明を適用した燃料電池およびこれを応用した電気機器について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお本願発明は、以下の記述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において適宜変更可能である。
【００１６】
図１は、本発明を適用した燃料電池の一例を示すものである。本例は、デュアル・インライン・パッケージ（ＤＩＰ：Ｄｕａｌ Ｉｎｌｉｎｅ Ｐａｃｋａｇｅ）と呼ばれる挿入実装型のパッケージを採用したものであり、筐体１の中に発電体２が１あるいは２以上内蔵されている。筐体１の外形は複数の面を有しており、異なる側面および上面に空気取り入れ孔３ａ，３ｂ，３ｃが分散して形成されている。筐体１の複数の面に分散して設けられた空気取り入れ孔３ａ，３ｂ，３ｃからカソード側に空気が、同じく筐体１に取り付けられた燃料継ぎ手４からアノード側に燃料（水素）が供給され、発電が行われる。以下の説明において燃料を水素として記述を行うが、燃料電池の燃料として用いられる流体であればよい。
【００１７】
筐体１からは上記発電体２のアノード（燃料極）あるいはカソード（空気極）と接続される複数の端子ピン５ａ，５ｂが導出されており、電気機器との電気的な接続はこの端子ピン５ａ，５ｂを通じて行われる。すなわち、図１に示す構造の燃料電池は、例えば電気機器側に内蔵されているプリント配線板に設けられた接続孔に上記端子ピン５ａ，５ｂを挿入し、これを半田付けすることによって実装される。これにより、燃料電池の電極がプリント配線板に形成された配線と電気的に接続され、電気機器側の回路に電力が供給される。
【００１８】
発電体２は、図２に示すように、イオン伝導体膜２ａの両側を電極（アノード２ｂ及びカソード２ｃ）で挟んだ構造を有し、周囲はシール２ｄによって封止されている。このシール２ｄは、水素のカソード２ｃ側へのリークを防ぐことを目的に設けられている。シール２ｄは、射出成形、打ち抜き等により予め成形されたものを貼り合わせてもよいし、イオン伝導体膜２ａや電極に直接形成してもよい。
【００１９】
図３は、上記燃料電池を分解した状態を示すものである。本例の燃料電池は、上記発電体２が一対の集電体６，８によって挟み込まれた構造を有する。各集電体６，８には、それぞれガス取り込み用の開口部６ａ，８ａが設けられており、上記アノード２ｂやカソード２ｃには、これら開口部６ａ，８ａを介して燃料である水素ガスや酸素（空気）が取り込まれる。
【００２０】
カソード２ｃ側の集電体６およびアノード２ｂ側の集電体８は導電材料からなり、集電体６の筐体１の表面として露呈する側には、燃料ガスと反応する空気の流路７ａを設けた空気供給部７が配置されている。空気供給部７には筐体の上面および複数の側面に相当する位置に複数の空気取り入れ孔３ａ，３ｂ，３ｃが形成され、上記集電体６に設けられた開口部６ａと対向して開口部７ｂが設けられており、したがって燃料ガスと反応する空気は、上記空気取り入れ孔３ａ，３ｂ，３ｃから流路７ａ、開口部７ｂ、開口部６ａを介して発電体２のカソード２ｃへと供給される。なお、上記空気供給部７は、１つの部品として構成してもよいし、集電体６あるいは筐体１と一体型であってもよい。ここで、カソード２ｃ側の集電体６やアノード２ｂ側の集電体８を構成する導電材料としては、金属板、カーボンシート等の他、ポリマーフィルムやガラスエポキシ基板、セラミックス基板等に導電層を形成したいわゆる片面板を用いることができる。あるいは、発電体２にペースト印刷やメッキ等を施し、直接集電体層を形成してもよい。
【００２１】
上記集電体６あるいは集電体８は、それぞれ端子ピン５ａ，５ｂと電気的に接続されており、これを通じて電気機器との電気的な接続がなされる。端子ピン５ａ，５ｂの先端は、プリント配線板に設けられた接続孔に挿入が可能な形状、例えば細い板状やピン形状とすることが望ましく、なお且つ、プリント配線板に固定できる程度の剛性を持つことが望ましい。かかる端子ピン５ａ，５ｂは、上記集電体６や集電体８を金属板により形成する場合には、その先端を細板状、ピン形状に機械加工することにより一体的に設けることも可能である。また、端子ピン５ａ，５ｂを別途形成し、これを集電体６や集電体８に機械的及び電気的に接続してもよい。
【００２２】
また、上記アノード側の集電体８の外側には、燃料ガスである水素ガスの流路９ａを設けた水素供給部９が配置され、これに燃料継ぎ手４が固定されている。さらに、水素供給部９には、上記集電体８に設けられた開口部８ａと対向して開口部９ｂが設けられており、したがって、燃料ガスである水素ガスは、上記燃料継ぎ手４から流路９ａ、開口部９ｂ、開口部８ａを介して発電体２のアノード２ｂへと供給される。なお、上記水素供給部９は、１つの部品として構成してもよいし、集電体８あるいは筐体１と一体型であってもよい。
【００２３】
以上の構成部材（発電体２、集電体６，８、空気供給部７、水素供給部９）を重ね合わせて積層体とした後、これらを筐体１と共に固定し、図４に示すようにパッケージ化する。本例では、樹脂モールドによって積層体のパッケージングと筐体形成を一括して行っており、筐体１は上記積層体と一体化されている。勿論、これ以外にも種々の構造を採用することができる。例えば、筐体を上下２つに分割した部品とし、これらを用いて積層体を挟み込み、ネジ止めにより固定する構造、あるいは、上下筐体部品を超音波溶着や接着等により固定する構造等が採用可能である。
【００２４】
上記構成の燃料電池においては、水素ガスを上記アノード２ｂと接するように水素供給部９内に流入させるとともに、空気（酸素）を上記カソード２ｃと接するように開口部６ａから流入させると、アノード２ｂ側では反応式
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
で示される反応が起こるとともに、カソード２ｃ側では反応式
１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ＋反応熱Ｑ
で示される反応が起こり、全体では
Ｈ２＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏ
で示される反応が起こることになる。すなわち、アノード２ｂ側にて水素が電子を放出してプロトン化し、イオン伝導体膜２ａを通ってカソード２ｃ側に移動し、カソード２ｃにて電子の供給を受けて酸素と反応する。かかる電気化学反応に基いて起電力が得られる。
【００２５】
上記燃料電池の電解質膜に用いられるイオン伝導体（プロトン伝導体）としては、例えばパーフルオロアルキルスルホン酸等のフッ素樹脂系イオン交換膜や、プロトンを放出可能な官能基が導入された炭素クラスタ、酸化ケイ素とブレーンステッド酸を主体とする化合物、リン酸基を有するアクリル酸系高分子、ある種の固体無機酸化合物等を挙げることができるが、加湿の必要性が少なく上記燃料貯蔵装置の構成と相俟って小型化が可能である等の理由から、プロトンを搬送可能な官能基が導入された炭素クラスタの可能性もある。
【００２６】
図５は空気取り入れ孔３ａ，３ｂ，３ｃを図１とは異なる位置に形成した例を示す透視斜視図である。同一の機能を有する要素に関しては図１乃至図４と同様の符号を付して説明を行う。筐体１の内部には燃料電池２が配置され、燃料電池２の酸素極側には空気供給部７が形成され、燃料電池２の燃料極側には水素供給部９が形成されている。空気供給部７および水素供給部９はそれぞれ空気および水素が滞留する空間であり、空気供給部７と水素供給部９との間には燃料電池２および隔壁によって分離され、両者間での流体の授受は直接は起こらない。
【００２７】
筐体１の上面には空気取り入れ孔３ａが開口され、一方の側面には空気取り入れ孔３ｂが開口され、別の側面には空気取り入れ孔３ｃが開口されている。空気取り入れ孔３ａ，３ｂ，３ｃそれぞれから空気供給部７までは筐体１内部に空洞が形成され、筐体１の外部から燃料電池２の酸素極まで外部の空気を取り入れることが可能となっている。また、側面には燃料継手４が形成されて、水素供給部まで流路が形成され、燃料電池２の燃料極まで燃料である水素を供給することが可能となっている。
【００２８】
図６は、図５に示した燃料電池パッケージに形成された複数の空気取り入れ孔３ａ，３ｂ，３ｃの筐体１における位置を示す斜視図である。筐体１の複数の面に空気取り入れ孔３ａ，３ｂ，３ｃがそれぞれ形成され、空気供給部７への空気の流入が可能となっている。ここでは、筐体１の各面に形成された空気取り入れ孔３を示すために燃料継ぎ手４や端子ピン５ａ，５ｂは省略している。また、空気取り入れ孔３ａ，３ｂ，３ｃは任意の位置に形成することができ、各面に複数の空気取り入れ孔を形成してもよく、必ずしも全ての面に空気取り入れ孔３ａ，３ｂ，３ｃを形成する必要もない。
【００２９】
燃料電池パッケージの筐体１の複数の面にわたって複数の空気取り入れ孔３ａ，３ｂ，３ｃが形成されていることにより、燃料電池パッケージの一方の面付近に遮蔽物が存在して該当面に形成されている空気取り入れ孔３ａ，３ｂ，３ｃの何れかから空気が流入しない場合にも、他の面に形成されている他の空気取り入れ孔から空気を取り入れることが可能となる。これによって、燃料電池パッケージを電子機器内に配置する際に、燃料電池パッケージ周辺の遮蔽物に関しての弊害が軽減されるため、基板上に配列される他の電子部品との位置関係の自由度が向上する。
【００３０】
［第二の実施の形態］
本願発明を適用した燃料電池を用いた電子機器の例を以下に図面を参照して説明する。図７は上述した燃料電池パッケージが搭載された電子機器を示す外観斜視図である。電子機器２９は情報を表示する表示部３５や利用者の所定の操作を行う操作部３６を備えた携帯電話端末などの小型電子機器であり、電子機器２９の内部には燃料電池パッケージが搭載され、電子機器２９を駆動するための電気エネルギーを供給している。電子機器２９の筐体の表示部３５と操作部３６が形成された面には空気口３０ａが形成されており、一方の側面にも空気口３０ｂが形成され、他の側面には空気口３０ｃ形成されている。それぞれの面に分散して形成された空気口３０ａ，３０ｂ，３０ｃは、電子機器２９の筐体内部に空気を導入することが可能となっている。
【００３１】
電子機器２９内部に設けられた燃料電池パッケージと空気口３０ａ，３０ｂ，３０ｃとの関係を図８に示す。電子機器２９の各面に形成された空気口３０ａ，３０ｂ，３０ｃから電子機器２９内部には筒状の部材である空気導入路３１が設けられており、各々の空気導入路３１は電子機器２９内部に形成された空洞領域である空気室３２まで空気を導入する。燃料電池の筐体２１は、空気室３２によって空気取り入れ孔２３が覆われるように配置されている。これにより燃料電池への空気供給が、空気口３０から空気導入路３１および空気室３２を介して空気取り入れ孔２３に至るまで行われ、空気取り入れ孔２３から発電体２２のカソードへと空気が供給される。
【００３２】
また、電子機器２９の各面に形成された空気口３０ａ，３０ｂ，３０ｃにおいて空気の導入を妨げないための構造を図９に示す。図９は電子機器２９の表面に形成された空気口３０ａの部分拡大図であり、図９（ａ）は正面図、図９（ｂ）は図９（ａ）中のｂ−ｂ部断面図である。図９（ａ）および図９（ｂ）に示すように、空気口３０は電子機器２９の筐体に設けられた開口部３３と周囲よりも陥没した領域である溝状の凹部３４とにより構成されている。また、開口部３３は凹部３４の底面部分に形成され空気導入路３１と接続されている。ここでは、開口部３３が単独で形成されている例を示したが、一つの凹部３４領域に複数の開口部３３が形成されているとしてもよい。また、空気口３０ｂ，３０ｃも同様の構造を持っているとする。
【００３３】
図１０は、電子機器２９に内蔵された燃料電池パッケージを示した外観斜視図であり、筐体２１の中に発電体２２が１あるいは２以上内蔵されている。そして、筐体２１に設けられた空気取り入れ孔２３からカソード側に空気が、同じく筐体２１に取り付けられた燃料継ぎ手２４からアノード側に燃料（水素）が供給され、発電が行われる。
【００３４】
筐体２１からは上記発電体２２のアノード（燃料極）あるいはカソード（空気極）と接続される複数の端子ピン２５ａ，２５ｂが導出されており、電気機器との電気的な接続は、この端子ピン２５ａ，２５ｂを通じて行われる。すなわち、図１０に示す構造の燃料電池は、例えば電気機器側に内蔵されているプリント配線板に設けられた接続孔に上記端子ピン２５ａ，２５ｂを挿入し、これを半田付けすることによって実装される。これにより、燃料電池の電極がプリント配線板に形成された配線と電気的に接続され、電気機器側の回路に電力が供給される。
【００３５】
発電体２２は、図１１に示すように、イオン伝導体膜２２ａの両側を電極（アノード２２ｂ及びカソード２２ｃ）で挟んだ構造を有し、周囲はシール２２ｄによって封止されている。このシール２２ｄは、水素のカソード２２ｃ側へのリークを防ぐことを目的に設けられている。シール２２ｄは、射出成形、打ち抜き等により予め成形されたものを貼り合わせてもよいし、イオン伝導体膜２２ａや電極に直接形成してもよい。
【００３６】
図１２は、上記燃料電池を分解した状態を示すものである。本例の燃料電池は、上記発電体２２が一対の集電体２６，２７によって挟み込まれた構造を有する。各集電体２６，２７には、それぞれガス取り込み用の開口部２６ａ，２７ａが設けられており、上記アノード２２ｂやカソード２２ｃには、これら開口部２６ａ，２７ａを介して燃料である水素ガスや酸素（空気）が取り込まれる。
【００３７】
カソード２２ｃ側の集電体２６は、筐体２１の表面として露呈する側が絶縁材料により形成される絶縁材料層２６ｂ、発電体２２と接する側が導電材料からなる集電部２６ｃとされ、２層構造を有している。アノード２２ｂ側の集電体２７には、導電材料が用いられており、特にカソード２２ｃ側の集電体２６に形成されているような絶縁材料層は設けられていない。ここで、カソード２２ｃ側の集電体２６の集電部２６ｃやアノード２２ｂ側の集電体２７を構成する導電材料としては、金属板、カーボンシート等の他、ポリマーフィルムやガラスエポキシ基板、セラミックス基板等に導電層を形成したいわゆる片面板を用いることができる。あるいは、発電体２２にペースト印刷やメッキ等を施し、直接集電体層を形成してもよい。
【００３８】
上記集電体２６の集電部２６ｃ、あるいは集電体２７は、それぞれ端子ピン２５ａ，２５ｂと電気的に接続されており、これを通じて電気機器との電気的な接続がなされる。端子ピン２５ａ，２５ｂの先端は、プリント配線板に設けられた接続孔に挿入が可能な形状、例えば細い板状やピン形状とすることが望ましく、なお且つ、プリント配線板に固定できる程度の剛性を持つことが望ましい。かかる端子ピン２５ａ，２５ｂは、上記集電体２６の集電部２６ｃや集電体２７を金属板により形成する場合には、その先端を細板状、ピン形状に機械加工することにより一体的に設けることも可能である。また、端子ピン２５ａ，２５ｂを別途形成し、これを集電体２６の集電部２６ｃや集電体２７に機械的及び電気的に接続してもよい。
【００３９】
また、上記アノード側の集電体２７の外側には、燃料ガスである水素ガスの流路２８ａを設けた水素供給部２８が配置され、これに燃料継ぎ手２４が固定されている。さらに、水素供給部２８には、上記集電体２７に設けられた開口部２７ａと対向して開口部２８ｂが設けられており、したがって、燃料ガスである水素ガスは、上記燃料継ぎ手２４から流路２８ａ、開口部２８ｂ、開口部２７ａを介して発電体２２のアノード２２ｂへと供給される。なお、上記水素供給部２８は、１つの部品として構成してもよいし、集電体２７あるいは筐体２１と一体型であってもよい。
【００４０】
以上の構成部材（発電体２２、集電体２６，２７、水素供給部２８）を重ね合わせて積層体とした後、これらを筐体２１と共に固定し、図１３に示すようにパッケージ化する。本例では、樹脂モールドによって積層体のパッケージングと筐体形成を一括して行っており、筐体２１は上記積層体と一体化されている。勿論、これ以外にも種々の構造を採用することができる。例えば、筐体を上下２つに分割した部品とし、これらを用いて積層体を挟み込み、ネジ止めにより固定する構造、あるいは、上下筐体部品を超音波溶着や接着等により固定する構造等が採用可能である。
【００４１】
図１０乃至図１３に示した燃料電池パッケージでは、筐体２１の上面にのみ空気取り入れ孔２３が形成されており、複数の面に形成されたものではないので、発電体２２への空気の供給は空気取り入れ孔２３が形成された面のみから行われる。しかし、空気取り入れ孔２３が空気室３２に隣接しており、空気室３２に複数の空気導入路３１が接続されていることにより、電子機器２９の各面に形成された空気口３０ａ，３０ｂ，３０ｃから空気を取り入れることが可能となるため、電子機器２９の周囲に遮蔽物が存在する環境においても十分に発電体２２への空気供給が可能となる。これにより、携帯電話などの日常生活で頻繁に使用する電子機器においては、常に空気取り入れ孔周辺に遮蔽物が配置されないように使用者が気を配る必要がなくなり、利用者への負担を軽減することが可能となる。
【００４２】
また、開口部３３が凹部３４の底面部に形成されていることによって、電子機器２９の周囲に遮蔽物が存在する場合や電子機器２９を手に携帯した場合に、遮蔽物や手が電子機器２９の筐体表面に接触しても、凹部３４の底面に形成された開口部３３まで遮蔽物や手が到達せず、凹部３４によって生じる空間が確保されているために筐体内部への空気流入が可能となり、燃料電池での発電停止の危険性を更に低減することが可能となる。
【００４３】
［第三の実施の形態］
さらに本願発明を適用した燃料電池の他の例を以下に図面を参照して説明する。図１４は、本実施の形態における燃料電池パッケージを示した外観斜視図であり、筐体４１の中に発電体４２が１あるいは２以上内蔵されている。そして、筐体４１に設けられた多孔質体４７表面からカソード側に空気が、同じく筐体４１に取り付けられた燃料継ぎ手４４からアノード側に燃料（水素）が供給され、発電が行われる。
【００４４】
筐体４１からは上記発電体４２のアノード（燃料極）あるいはカソード（空気極）と接続される複数の端子ピン４５ａ，４５ｂが導出されており、電気機器との電気的な接続はこの端子ピン４５ａ，４５ｂを通じて行われる。すなわち、図１４に示す構造の燃料電池は、例えば電気機器側に内蔵されているプリント配線板に設けられた接続孔に上記端子ピン４５ａ，４５ｂを挿入し、これを半田付けすることによって実装される。これにより、燃料電池の電極がプリント配線板に形成された配線と電気的に接続され、電気機器側の回路に電力が供給される。
【００４５】
発電体４２は、図１５に示すように、イオン伝導体膜４２ａの両側を電極（アノード４２ｂ及びカソード４２ｃ）で挟んだ構造を有し、周囲はシール４２ｄによって封止されている。このシール４２ｄは、水素のカソード４２ｃ側へのリークを防ぐことを目的に設けられている。シール４２ｄは、射出成形、打ち抜き等により予め成形されたものを貼り合わせてもよいし、イオン伝導体膜４２ａや電極に直接形成してもよい。
【００４６】
図１６は、上記燃料電池を分解した状態を示すものである。本例の燃料電池は、上記発電体４２が一対の集電体４６，４８によって挟み込まれた構造を有する。各集電体４６，４８には、それぞれガス取り込み用の開口部４６ａ，４８ａが設けられており、上記アノード４２ｂやカソード４２ｃには、これら開口部４６ａ，４８ａを介して燃料である水素ガスや酸素（空気）が取り込まれる。
【００４７】
カソード４２ｃ側の集電体４６およびアノード４２ｂ側の集電体４８は導電材料からなり、集電体４６の筐体４１の表面として露呈する側には、内部に多数の微細な孔が形成された多孔質体４７が配置されており、隣接する孔同士の間を空気が通過可能となっているために燃料ガスと反応する空気の流路を形成している。したがって燃料ガスと反応する空気は、上記多孔質体４７の全ての表面から多孔質体４７の内部を通過して開口部４６ａを介して発電体４２のカソード４２ｃへと供給される。ここで、カソード４２ｃ側の集電体４６の集電部４６ｃやアノード４２ｂ側の集電体４８を構成する導電材料としては、金属板、カーボンシート等の他、ポリマーフィルムやガラスエポキシ基板、セラミックス基板等に導電層を形成したいわゆる片面板を用いることができる。あるいは、発電体４２にペースト印刷やメッキ等を施し、直接集電体層を形成してもよい。
【００４８】
上記集電体４６あるいは集電体４８は、それぞれ端子ピン４５ａ，４５ｂと電気的に接続されており、これを通じて電気機器との電気的な接続がなされる。端子ピン４５ａ，４５ｂの先端は、プリント配線板に設けられた接続孔に挿入が可能な形状、例えば細い板状やピン形状とすることが望ましく、なお且つ、プリント配線板に固定できる程度の剛性を持つことが望ましい。かかる端子ピン４５ａ，４５ｂは、上記集電体４６や集電体４８を金属板により形成する場合には、その先端を細板状、ピン形状に機械加工することにより一体的に設けることも可能である。また、端子ピン４５ａ，４５ｂを別途形成し、これを集電体４６や集電体４８に機械的及び電気的に接続してもよい。
【００４９】
多孔質体４７は、微細な空孔が表面から内部にわたって形成されたポーラス状の部材であり、隣接する空孔同士が連結していることによって空孔間を気体が通過する。このようなポーラス状の構造をもつため、多孔質体４７においては気体が表面全体から内部に侵入および通過することが可能である。
【００５０】
また、上記アノード側の集電体４８の外側には、燃料ガスである水素ガスの流路４９ａを設けた水素供給部４９が配置され、これに燃料継ぎ手４４が固定されている。さらに、水素供給部４９には、上記集電体４８に設けられた開口部４８ａと対向して開口部４９ｂが設けられており、したがって、燃料ガスである水素ガスは、上記燃料継ぎ手４４から流路４９ａ、開口部４９ｂ、開口部４８ａを介して発電体４２のアノード４２ｂへと供給される。なお、上記水素供給部４９は、１つの部品として構成してもよいし、集電体４８あるいは筐体４１と一体型であってもよい。
【００５１】
以上の構成部材（発電体４２、集電体４６，４８、多孔質体４７、水素供給部４９）を重ね合わせて積層体とした後、これらを筐体４１と共に固定し、図１７に示すようにパッケージ化する。本例では、樹脂モールドによって積層体のパッケージングと筐体形成を一括して行っており、筐体４１は上記積層体と一体化されている。勿論、これ以外にも種々の構造を採用することができる。例えば、筐体を上下２つに分割した部品とし、これらを用いて積層体を挟み込み、ネジ止めにより固定する構造、あるいは、上下筐体部品を超音波溶着や接着等により固定する構造等が採用可能である。
【００５２】
カソード４２ｃ側の集電体４６に多孔質体４７を積層させていることにより、多孔質体４７の各表面から燃料電池パッケージ内部への空気の流入が行われる。これにより、燃料電池パッケージの一方の面付近に遮蔽物が存在して該当面から空気が流入しない場合にも、他の面に形成されて露出いる空孔から多孔質体４７内部を介して空気を取り入れることが可能となる。これによって、燃料電池パッケージを電子機器内に配置する際に、燃料電池パッケージ周辺の遮蔽物に関しての弊害が軽減されるため、基板上に配列される他の電子部品との位置関係の自由度が向上する。
【００５３】
【発明の効果】
燃料電池パッケージおよび燃料電池を用いた電子機器において、燃料電池を内部に配置した筐体の複数の面に開口部を形成し、燃料電池への空気の供給を筐体の複数の面から行うことによって、燃料電池パッケージおよび燃料電池を用い電子機器の周辺に遮蔽物が存在する場合にも、複数の開口部の何れかから燃料電池に酸素の供給が行われるため、発電停止の危険性を低下することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第一の実施の形態における挿入実装型のパッケージ構造を有する燃料電池の一例を示す概略斜視図である。
【図２】第一の実施の形態における発電体の一構成例を示す概略断面図である。
【図３】第一の実施の形態における燃料電池を分解して示す概略断面図である。
【図４】第一の実施の形態における燃料電池の組み立て状態を示す概略断面図である。
【図５】燃料電池パッケージにおける各要素を模式的に示した透視斜視図である。
【図６】図５に示した複数の面に形成された空気取り入れ孔の位置を示した外観図である。
【図７】燃料電池パッケージを搭載した電子機器の一例であり、機器の複数の面に空気取り入れ孔が形成されている斜視図である。
【図８】燃料電池パッケージを搭載した電子機器内部での空気口、空気導入路、空気取り入れ孔、空気室の位置関係を示す斜視図である。
【図９】燃料電池パッケージを搭載した電子機器の筐体に形成された空気口と開口部と凹部との関係を示す図で、（ａ）は部分拡大図であり、（ｂ）はｂ部分断面図である。
【図１０】第二の実施の形態における挿入実装型のパッケージ構造を有する燃料電池を示す概略斜視図である。
【図１１】第二の実施の形態における発電体の一構成例を示す概略断面図である。
【図１２】第二の実施の形態における燃料電池を分解して示す概略断面図である。
【図１３】第二の実施の形態における燃料電池の組み立て状態を示す概略断面図である。
【図１４】第三の実施の形態における挿入実装型のパッケージ構造を有する燃料電池を示す概略斜視図である。
【図１５】第三の実施の形態における発電体の一構成例を示す概略断面図である。
【図１６】第三の実施の形態における燃料電池を分解して示す概略断面図である。
【図１７】第三の実施の形態における燃料電池の組み立て状態を示す概略断面図である。
【図１８】一般的なプロトン伝導体膜を用いた燃料電池の一例を示す模式図である。
【図１９】従来の燃料電池の一例を示す分解斜視図である
【符号の説明】
１，２１，４１ 筐体
２，２２，４２ 発電体
２ａ，２２ａ，４２ａ イオン伝導体膜
２ｂ，２２ｂ，４２ｂ アノード
２ｃ，２２ｃ，４２ｃ カソード
２ｄ，２２ｄ，４２ｄ シール
３ａ，３ｂ，３ｃ，２３ 空気取り入れ孔
４，２４，４４ 燃料継ぎ手
５ａ，５ｂ，２５ａ，２５ｂ，４５ａ，４５ｂ 端子ピン
６，８，２６，２７，４６，４８ 集電体
６ａ，８ａ，９ｂ，２６ａ，２７ａ，２８ｂ，３３，４６ａ，４７ｂ，４８ａ，４９ｂ 開口部
２６ｃ 集電部
７ａ，９ａ，２８ａ，４９ａ 流路
７ 空気供給部
９，２８，４９ 水素供給部
２６ｂ 絶縁材料層
２９ 電子機器
３０ａ，３０ｂ，３０ｃ 空気口
３１ 空気導入路
３２ 空気室
３４ 凹部
３５ 表示部
３６ 操作部
４７ 多孔質体
５１ プロトン伝導体膜
５２ 水素側電極
５２ａ，５３ａ 触媒層
５３ 酸素側電極
５４，５７ 導入口
５５，５９ 排出口
５６，５８ 気体流路
６０ プロトン伝導体膜
６１ 水素側電極
６２ 酸素側電極
６３，６４ 集電体
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸素等の発電反応用ガスを外部から取り込む方式を採用する燃料電池パッケージおよび燃料電池を用いた電子機器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、燃料流体を供給することで発電体に電力を発生させる装置であり、そのような燃料電池の一例として、プロトン伝導体膜を電極で挟んだ構造を有し、所望の起電力を得る構造となっている。このような燃料電池は、自動車などの車両に搭載して電気自動車やハイブリット式車両としての応用が大きく期待されている他、その軽量化や小型化が容易となる構造から、現状の乾電池や充電式電池の如き用途に限らず、例えば携帯可能な機器への応用が研究や開発の段階にある。
【０００３】
ここで、プロトン伝導体膜を用いた燃料電池について、簡単に図１８を参照しながら説明する。プロトン伝導体膜５１は水素側電極５２と酸素側電極５３に挟持され、解離したプロトン（Ｈ＋）は図面矢印方向に沿って水素側電極５２から酸素側電極５３に向かってプロトン伝導体膜５１の膜中を移動する。水素側電極５２とプロトン伝導体膜５１の間には、触媒層５２ａが形成され、酸素側電極５３とプロトン伝導体膜５１の間には、触媒層５３ａが形成される。使用時には、水素側電極５２では導入口５４から水素ガス（Ｈ２）が燃料気体として供給され、排出口５５から水素が排出される。燃料気体である水素ガス（Ｈ２）が気体流路５６を通過する間にプロトンを発生し、このプロトンは酸素側電極５３に移動する。この移動したプロトンは、導入口５７から気体流路５８に供給されて排出口５９に向かう酸素（空気）と反応して、これにより所望の起電力が取り出される。
【０００４】
このような構成の燃料電池では、水素を燃料とする場合、負極である水素側電極では触媒と高分子電解質の接触界面において、Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−の如き反応が生ずる。酸素を酸化剤とした場合、正極である酸素側電極では同様に１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−＝Ｈ２Ｏの如き反応が起こり水が生成される。また、水を供給する加湿装置などが不要であるので、燃料電池システムの簡略化や軽量化を図ることができる。
【０００５】
前述のようなプロトン伝導体膜を用いた燃料電池では、プロトン伝導体膜５１とこれを挟む水素側電極５２と酸素側電極５３が発電体となり、その各電極側には起電力を取り出すための集電体もそれぞれ形成される。
【０００６】
ここで、従来の集電体を備えた構造の燃料電池について、図１９の分解斜視図を参照しながら説明すると、膜中を解離したプロトンが伝導するプロトン伝導体膜６０を挟んで、水素側電極６１と酸素側電極６２が形成され、それら水素側電極６１と酸素側電極６２の外側すなわちプロトン伝導体膜６０とは反対面に、それぞれ集電体６３、６４が密着される。集電体６３、６４の外側面は略平坦とされ、積層する場合に有利である。このような構造とすることで、複数の燃料電池を積層させることができ、プロトン伝導体膜６０の面積が小さい場合であっても、大きな起電力を得ることができることになる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の燃料電池パッケージおよび燃料電池を用いた電子機器においては、デバイス・パッケージの特定の面だけに空気取り入れ孔を形成しているため、使用状況によっては空気取り入れ孔が遮蔽物により塞がれてしまう。空気の取り入れ孔が塞がれてしまうと、燃料電池への酸素の供給が停止して発電に支障が生じるため、持続的な電流供給を必要とする機器においては好ましくない。また、携帯電話などの日常生活で頻繁に使用する電子機器においては、常に空気取り入れ孔周辺に遮蔽物が配置されないように使用者が気を配ることは現実的ではなく、利用者に負担を強いることになってしまう。
【０００８】
そこで、本願発明は上述の問題点に鑑みてなされたもので、電子機器の周囲に遮蔽物が存在するような場合においても、確実に気体の供給を実現し発電を行うことが可能な構造の燃料電池パッケージおよび燃料電池を用いた電子機器を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本願発明の燃料電池パッケージは、複数の面に開口部が形成され燃料電池を内部に配置した筐体と、前記燃料電池の燃料極に隣接して形成された水素供給部と、前記開口部から前記燃料電池の酸素極まで形成された空気導入路とを有することを特徴とする。
【００１０】
筐体の複数の面に開口部が形成され、開口部から燃料電池の酸素極まで空気導入路が形成されていることにより、複数の面から燃料電池に対して空気の供給が行われることとなり、燃料電池パッケージの周囲に遮蔽物が存在する場合においても、何れかの開口部から空気の供給が行われるため発電停止の危険性を低減することが可能となる。
【００１１】
また、上記課題を解決するために本願発明の燃料電池パッケージは、燃料電池を内部に配置した筐体と、前記燃料電池の燃料極に隣接して形成された水素供給部と、前記燃料電池の酸素極に隣接して配置された微細な空孔が多数形成された部材である多孔質体とを有することを特徴とする。
【００１２】
燃料電池の酸素極に隣接して多孔質体が配置されており、多孔質体に形成された微細な空孔同士の間で空気の輸送が行われることにより、多孔質体表面全体から多孔質体内部を通過して空気が燃料電池の酸素極に供給される。これにより、燃料電池パッケージの周囲に遮蔽物が存在する場合においても、燃料電池パッケージの複数の面に露出した多孔質体表面から空気の供給が行われるため、発電停止の危険性を低減することが可能となる。
【００１３】
また、上記課題を解決するために本願発明の燃料電池を用いた電子機器は、空気取り入れ孔が形成された燃料電池パッケージを内部に配置した筐体と、前記筐体を構成する複数の面に形成された開口部と、前記開口部から前記空気取り入れ孔まで形成された空気導入路とを有することを特徴とする。
【００１４】
筐体の複数の面に開口部が形成され、開口部から燃料電池パッケージの空気取り入れ孔まで空気導入路が形成されていることにより、複数の面から燃料電池に対して空気の供給が行われることとなり、電子機器の周囲に遮蔽物が存在する場合においても、何れかの開口部から空気の供給が行われるため発電停止の危険性を低減することが可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
［第一の実施の形態］
以下、本願発明を適用した燃料電池およびこれを応用した電気機器について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお本願発明は、以下の記述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において適宜変更可能である。
【００１６】
図１は、本発明を適用した燃料電池の一例を示すものである。本例は、デュアル・インライン・パッケージ（ＤＩＰ：Ｄｕａｌ Ｉｎｌｉｎｅ Ｐａｃｋａｇｅ）と呼ばれる挿入実装型のパッケージを採用したものであり、筐体１の中に発電体２が１あるいは２以上内蔵されている。筐体１の外形は複数の面を有しており、異なる側面および上面に空気取り入れ孔３ａ，３ｂ，３ｃが分散して形成されている。筐体１の複数の面に分散して設けられた空気取り入れ孔３ａ，３ｂ，３ｃからカソード側に空気が、同じく筐体１に取り付けられた燃料継ぎ手４からアノード側に燃料（水素）が供給され、発電が行われる。以下の説明において燃料を水素として記述を行うが、燃料電池の燃料として用いられる流体であればよい。
【００１７】
筐体１からは上記発電体２のアノード（燃料極）あるいはカソード（空気極）と接続される複数の端子ピン５ａ，５ｂが導出されており、電気機器との電気的な接続はこの端子ピン５ａ，５ｂを通じて行われる。すなわち、図１に示す構造の燃料電池は、例えば電気機器側に内蔵されているプリント配線板に設けられた接続孔に上記端子ピン５ａ，５ｂを挿入し、これを半田付けすることによって実装される。これにより、燃料電池の電極がプリント配線板に形成された配線と電気的に接続され、電気機器側の回路に電力が供給される。
【００１８】
発電体２は、図２に示すように、イオン伝導体膜２ａの両側を電極（アノード２ｂ及びカソード２ｃ）で挟んだ構造を有し、周囲はシール２ｄによって封止されている。このシール２ｄは、水素のカソード２ｃ側へのリークを防ぐことを目的に設けられている。シール２ｄは、射出成形、打ち抜き等により予め成形されたものを貼り合わせてもよいし、イオン伝導体膜２ａや電極に直接形成してもよい。
【００１９】
図３は、上記燃料電池を分解した状態を示すものである。本例の燃料電池は、上記発電体２が一対の集電体６，８によって挟み込まれた構造を有する。各集電体６，８には、それぞれガス取り込み用の開口部６ａ，８ａが設けられており、上記アノード２ｂやカソード２ｃには、これら開口部６ａ，８ａを介して燃料である水素ガスや酸素（空気）が取り込まれる。
【００２０】
カソード２ｃ側の集電体６およびアノード２ｂ側の集電体８は導電材料からなり、集電体６の筐体１の表面として露呈する側には、燃料ガスと反応する空気の流路７ａを設けた空気供給部７が配置されている。空気供給部７には筐体の上面および複数の側面に相当する位置に複数の空気取り入れ孔３ａ，３ｂ，３ｃが形成され、上記集電体６に設けられた開口部６ａと対向して開口部７ｂが設けられており、したがって燃料ガスと反応する空気は、上記空気取り入れ孔３ａ，３ｂ，３ｃから流路７ａ、開口部７ｂ、開口部６ａを介して発電体２のカソード２ｃへと供給される。なお、上記空気供給部７は、１つの部品として構成してもよいし、集電体６あるいは筐体１と一体型であってもよい。ここで、カソード２ｃ側の集電体６やアノード２ｂ側の集電体８を構成する導電材料としては、金属板、カーボンシート等の他、ポリマーフィルムやガラスエポキシ基板、セラミックス基板等に導電層を形成したいわゆる片面板を用いることができる。あるいは、発電体２にペースト印刷やメッキ等を施し、直接集電体層を形成してもよい。
【００２１】
上記集電体６あるいは集電体８は、それぞれ端子ピン５ａ，５ｂと電気的に接続されており、これを通じて電気機器との電気的な接続がなされる。端子ピン５ａ，５ｂの先端は、プリント配線板に設けられた接続孔に挿入が可能な形状、例えば細い板状やピン形状とすることが望ましく、なお且つ、プリント配線板に固定できる程度の剛性を持つことが望ましい。かかる端子ピン５ａ，５ｂは、上記集電体６や集電体８を金属板により形成する場合には、その先端を細板状、ピン形状に機械加工することにより一体的に設けることも可能である。また、端子ピン５ａ，５ｂを別途形成し、これを集電体６や集電体８に機械的及び電気的に接続してもよい。
【００２２】
また、上記アノード側の集電体８の外側には、燃料ガスである水素ガスの流路９ａを設けた水素供給部９が配置され、これに燃料継ぎ手４が固定されている。さらに、水素供給部９には、上記集電体８に設けられた開口部８ａと対向して開口部９ｂが設けられており、したがって、燃料ガスである水素ガスは、上記燃料継ぎ手４から流路９ａ、開口部９ｂ、開口部８ａを介して発電体２のアノード２ｂへと供給される。なお、上記水素供給部９は、１つの部品として構成してもよいし、集電体８あるいは筐体１と一体型であってもよい。
【００２３】
以上の構成部材（発電体２、集電体６，８、空気供給部７、水素供給部９）を重ね合わせて積層体とした後、これらを筐体１と共に固定し、図４に示すようにパッケージ化する。本例では、樹脂モールドによって積層体のパッケージングと筐体形成を一括して行っており、筐体１は上記積層体と一体化されている。勿論、これ以外にも種々の構造を採用することができる。例えば、筐体を上下２つに分割した部品とし、これらを用いて積層体を挟み込み、ネジ止めにより固定する構造、あるいは、上下筐体部品を超音波溶着や接着等により固定する構造等が採用可能である。
【００２４】
上記構成の燃料電池においては、水素ガスを上記アノード２ｂと接するように水素供給部９内に流入させるとともに、空気（酸素）を上記カソード２ｃと接するように開口部６ａから流入させると、アノード２ｂ側では反応式
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
で示される反応が起こるとともに、カソード２ｃ側では反応式
１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ＋反応熱Ｑ
で示される反応が起こり、全体では
Ｈ２＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏ
で示される反応が起こることになる。すなわち、アノード２ｂ側にて水素が電子を放出してプロトン化し、イオン伝導体膜２ａを通ってカソード２ｃ側に移動し、カソード２ｃにて電子の供給を受けて酸素と反応する。かかる電気化学反応に基いて起電力が得られる。
【００２５】
上記燃料電池の電解質膜に用いられるイオン伝導体（プロトン伝導体）としては、例えばパーフルオロアルキルスルホン酸等のフッ素樹脂系イオン交換膜や、プロトンを放出可能な官能基が導入された炭素クラスタ、酸化ケイ素とブレーンステッド酸を主体とする化合物、リン酸基を有するアクリル酸系高分子、ある種の固体無機酸化合物等を挙げることができるが、加湿の必要性が少なく上記燃料貯蔵装置の構成と相俟って小型化が可能である等の理由から、プロトンを搬送可能な官能基が導入された炭素クラスタの可能性もある。
【００２６】
図５は空気取り入れ孔３ａ，３ｂ，３ｃを図１とは異なる位置に形成した例を示す透視斜視図である。同一の機能を有する要素に関しては図１乃至図４と同様の符号を付して説明を行う。筐体１の内部には燃料電池２が配置され、燃料電池２の酸素極側には空気供給部７が形成され、燃料電池２の燃料極側には水素供給部９が形成されている。空気供給部７および水素供給部９はそれぞれ空気および水素が滞留する空間であり、空気供給部７と水素供給部９との間には燃料電池２および隔壁によって分離され、両者間での流体の授受は直接は起こらない。
【００２７】
筐体１の上面には空気取り入れ孔３ａが開口され、一方の側面には空気取り入れ孔３ｂが開口され、別の側面には空気取り入れ孔３ｃが開口されている。空気取り入れ孔３ａ，３ｂ，３ｃそれぞれから空気供給部７までは筐体１内部に空洞が形成され、筐体１の外部から燃料電池２の酸素極まで外部の空気を取り入れることが可能となっている。また、側面には燃料継手４が形成されて、水素供給部まで流路が形成され、燃料電池２の燃料極まで燃料である水素を供給することが可能となっている。
【００２８】
図６は、図５に示した燃料電池パッケージに形成された複数の空気取り入れ孔３ａ，３ｂ，３ｃの筐体１における位置を示す斜視図である。筐体１の複数の面に空気取り入れ孔３ａ，３ｂ，３ｃがそれぞれ形成され、空気供給部７への空気の流入が可能となっている。ここでは、筐体１の各面に形成された空気取り入れ孔３を示すために燃料継ぎ手４や端子ピン５ａ，５ｂは省略している。また、空気取り入れ孔３ａ，３ｂ，３ｃは任意の位置に形成することができ、各面に複数の空気取り入れ孔を形成してもよく、必ずしも全ての面に空気取り入れ孔３ａ，３ｂ，３ｃを形成する必要もない。
【００２９】
燃料電池パッケージの筐体１の複数の面にわたって複数の空気取り入れ孔３ａ，３ｂ，３ｃが形成されていることにより、燃料電池パッケージの一方の面付近に遮蔽物が存在して該当面に形成されている空気取り入れ孔３ａ，３ｂ，３ｃの何れかから空気が流入しない場合にも、他の面に形成されている他の空気取り入れ孔から空気を取り入れることが可能となる。これによって、燃料電池パッケージを電子機器内に配置する際に、燃料電池パッケージ周辺の遮蔽物に関しての弊害が軽減されるため、基板上に配列される他の電子部品との位置関係の自由度が向上する。
【００３０】
［第二の実施の形態］
本願発明を適用した燃料電池を用いた電子機器の例を以下に図面を参照して説明する。図７は上述した燃料電池パッケージが搭載された電子機器を示す外観斜視図である。電子機器２９は情報を表示する表示部３５や利用者の所定の操作を行う操作部３６を備えた携帯電話端末などの小型電子機器であり、電子機器２９の内部には燃料電池パッケージが搭載され、電子機器２９を駆動するための電気エネルギーを供給している。電子機器２９の筐体の表示部３５と操作部３６が形成された面には空気口３０ａが形成されており、一方の側面にも空気口３０ｂが形成され、他の側面には空気口３０ｃ形成されている。それぞれの面に分散して形成された空気口３０ａ，３０ｂ，３０ｃは、電子機器２９の筐体内部に空気を導入することが可能となっている。
【００３１】
電子機器２９内部に設けられた燃料電池パッケージと空気口３０ａ，３０ｂ，３０ｃとの関係を図８に示す。電子機器２９の各面に形成された空気口３０ａ，３０ｂ，３０ｃから電子機器２９内部には筒状の部材である空気導入路３１が設けられており、各々の空気導入路３１は電子機器２９内部に形成された空洞領域である空気室３２まで空気を導入する。燃料電池の筐体２１は、空気室３２によって空気取り入れ孔２３が覆われるように配置されている。これにより燃料電池への空気供給が、空気口３０から空気導入路３１および空気室３２を介して空気取り入れ孔２３に至るまで行われ、空気取り入れ孔２３から発電体２２のカソードへと空気が供給される。
【００３２】
また、電子機器２９の各面に形成された空気口３０ａ，３０ｂ，３０ｃにおいて空気の導入を妨げないための構造を図９に示す。図９は電子機器２９の表面に形成された空気口３０ａの部分拡大図であり、図９（ａ）は正面図、図９（ｂ）は図９（ａ）中のｂ−ｂ部断面図である。図９（ａ）および図９（ｂ）に示すように、空気口３０は電子機器２９の筐体に設けられた開口部３３と周囲よりも陥没した領域である溝状の凹部３４とにより構成されている。また、開口部３３は凹部３４の底面部分に形成され空気導入路３１と接続されている。ここでは、開口部３３が単独で形成されている例を示したが、一つの凹部３４領域に複数の開口部３３が形成されているとしてもよい。また、空気口３０ｂ，３０ｃも同様の構造を持っているとする。
【００３３】
図１０は、電子機器２９に内蔵された燃料電池パッケージを示した外観斜視図であり、筐体２１の中に発電体２２が１あるいは２以上内蔵されている。そして、筐体２１に設けられた空気取り入れ孔２３からカソード側に空気が、同じく筐体２１に取り付けられた燃料継ぎ手２４からアノード側に燃料（水素）が供給され、発電が行われる。
【００３４】
筐体２１からは上記発電体２２のアノード（燃料極）あるいはカソード（空気極）と接続される複数の端子ピン２５ａ，２５ｂが導出されており、電気機器との電気的な接続は、この端子ピン２５ａ，２５ｂを通じて行われる。すなわち、図１０に示す構造の燃料電池は、例えば電気機器側に内蔵されているプリント配線板に設けられた接続孔に上記端子ピン２５ａ，２５ｂを挿入し、これを半田付けすることによって実装される。これにより、燃料電池の電極がプリント配線板に形成された配線と電気的に接続され、電気機器側の回路に電力が供給される。
【００３５】
発電体２２は、図１１に示すように、イオン伝導体膜２２ａの両側を電極（アノード２２ｂ及びカソード２２ｃ）で挟んだ構造を有し、周囲はシール２２ｄによって封止されている。このシール２２ｄは、水素のカソード２２ｃ側へのリークを防ぐことを目的に設けられている。シール２２ｄは、射出成形、打ち抜き等により予め成形されたものを貼り合わせてもよいし、イオン伝導体膜２２ａや電極に直接形成してもよい。
【００３６】
図１２は、上記燃料電池を分解した状態を示すものである。本例の燃料電池は、上記発電体２２が一対の集電体２６，２７によって挟み込まれた構造を有する。各集電体２６，２７には、それぞれガス取り込み用の開口部２６ａ，２７ａが設けられており、上記アノード２２ｂやカソード２２ｃには、これら開口部２６ａ，２７ａを介して燃料である水素ガスや酸素（空気）が取り込まれる。
【００３７】
カソード２２ｃ側の集電体２６は、筐体２１の表面として露呈する側が絶縁材料により形成される絶縁材料層２６ｂ、発電体２２と接する側が導電材料からなる集電部２６ｃとされ、２層構造を有している。アノード２２ｂ側の集電体２７には、導電材料が用いられており、特にカソード２２ｃ側の集電体２６に形成されているような絶縁材料層は設けられていない。ここで、カソード２２ｃ側の集電体２６の集電部２６ｃやアノード２２ｂ側の集電体２７を構成する導電材料としては、金属板、カーボンシート等の他、ポリマーフィルムやガラスエポキシ基板、セラミックス基板等に導電層を形成したいわゆる片面板を用いることができる。あるいは、発電体２２にペースト印刷やメッキ等を施し、直接集電体層を形成してもよい。
【００３８】
上記集電体２６の集電部２６ｃ、あるいは集電体２７は、それぞれ端子ピン２５ａ，２５ｂと電気的に接続されており、これを通じて電気機器との電気的な接続がなされる。端子ピン２５ａ，２５ｂの先端は、プリント配線板に設けられた接続孔に挿入が可能な形状、例えば細い板状やピン形状とすることが望ましく、なお且つ、プリント配線板に固定できる程度の剛性を持つことが望ましい。かかる端子ピン２５ａ，２５ｂは、上記集電体２６の集電部２６ｃや集電体２７を金属板により形成する場合には、その先端を細板状、ピン形状に機械加工することにより一体的に設けることも可能である。また、端子ピン２５ａ，２５ｂを別途形成し、これを集電体２６の集電部２６ｃや集電体２７に機械的及び電気的に接続してもよい。
【００３９】
また、上記アノード側の集電体２７の外側には、燃料ガスである水素ガスの流路２８ａを設けた水素供給部２８が配置され、これに燃料継ぎ手２４が固定されている。さらに、水素供給部２８には、上記集電体２７に設けられた開口部２７ａと対向して開口部２８ｂが設けられており、したがって、燃料ガスである水素ガスは、上記燃料継ぎ手２４から流路２８ａ、開口部２８ｂ、開口部２７ａを介して発電体２２のアノード２２ｂへと供給される。なお、上記水素供給部２８は、１つの部品として構成してもよいし、集電体２７あるいは筐体２１と一体型であってもよい。
【００４０】
以上の構成部材（発電体２２、集電体２６，２７、水素供給部２８）を重ね合わせて積層体とした後、これらを筐体２１と共に固定し、図１３に示すようにパッケージ化する。本例では、樹脂モールドによって積層体のパッケージングと筐体形成を一括して行っており、筐体２１は上記積層体と一体化されている。勿論、これ以外にも種々の構造を採用することができる。例えば、筐体を上下２つに分割した部品とし、これらを用いて積層体を挟み込み、ネジ止めにより固定する構造、あるいは、上下筐体部品を超音波溶着や接着等により固定する構造等が採用可能である。
【００４１】
図１０乃至図１３に示した燃料電池パッケージでは、筐体２１の上面にのみ空気取り入れ孔２３が形成されており、複数の面に形成されたものではないので、発電体２２への空気の供給は空気取り入れ孔２３が形成された面のみから行われる。しかし、空気取り入れ孔２３が空気室３２に隣接しており、空気室３２に複数の空気導入路３１が接続されていることにより、電子機器２９の各面に形成された空気口３０ａ，３０ｂ，３０ｃから空気を取り入れることが可能となるため、電子機器２９の周囲に遮蔽物が存在する環境においても十分に発電体２２への空気供給が可能となる。これにより、携帯電話などの日常生活で頻繁に使用する電子機器においては、常に空気取り入れ孔周辺に遮蔽物が配置されないように使用者が気を配る必要がなくなり、利用者への負担を軽減することが可能となる。
【００４２】
また、開口部３３が凹部３４の底面部に形成されていることによって、電子機器２９の周囲に遮蔽物が存在する場合や電子機器２９を手に携帯した場合に、遮蔽物や手が電子機器２９の筐体表面に接触しても、凹部３４の底面に形成された開口部３３まで遮蔽物や手が到達せず、凹部３４によって生じる空間が確保されているために筐体内部への空気流入が可能となり、燃料電池での発電停止の危険性を更に低減することが可能となる。
【００４３】
［第三の実施の形態］
さらに本願発明を適用した燃料電池の他の例を以下に図面を参照して説明する。図１４は、本実施の形態における燃料電池パッケージを示した外観斜視図であり、筐体４１の中に発電体４２が１あるいは２以上内蔵されている。そして、筐体４１に設けられた多孔質体４７表面からカソード側に空気が、同じく筐体４１に取り付けられた燃料継ぎ手４４からアノード側に燃料（水素）が供給され、発電が行われる。
【００４４】
筐体４１からは上記発電体４２のアノード（燃料極）あるいはカソード（空気極）と接続される複数の端子ピン４５ａ，４５ｂが導出されており、電気機器との電気的な接続はこの端子ピン４５ａ，４５ｂを通じて行われる。すなわち、図１４に示す構造の燃料電池は、例えば電気機器側に内蔵されているプリント配線板に設けられた接続孔に上記端子ピン４５ａ，４５ｂを挿入し、これを半田付けすることによって実装される。これにより、燃料電池の電極がプリント配線板に形成された配線と電気的に接続され、電気機器側の回路に電力が供給される。
【００４５】
発電体４２は、図１５に示すように、イオン伝導体膜４２ａの両側を電極（アノード４２ｂ及びカソード４２ｃ）で挟んだ構造を有し、周囲はシール４２ｄによって封止されている。このシール４２ｄは、水素のカソード４２ｃ側へのリークを防ぐことを目的に設けられている。シール４２ｄは、射出成形、打ち抜き等により予め成形されたものを貼り合わせてもよいし、イオン伝導体膜４２ａや電極に直接形成してもよい。
【００４６】
図１６は、上記燃料電池を分解した状態を示すものである。本例の燃料電池は、上記発電体４２が一対の集電体４６，４８によって挟み込まれた構造を有する。各集電体４６，４８には、それぞれガス取り込み用の開口部４６ａ，４８ａが設けられており、上記アノード４２ｂやカソード４２ｃには、これら開口部４６ａ，４８ａを介して燃料である水素ガスや酸素（空気）が取り込まれる。
【００４７】
カソード４２ｃ側の集電体４６およびアノード４２ｂ側の集電体４８は導電材料からなり、集電体４６の筐体４１の表面として露呈する側には、内部に多数の微細な孔が形成された多孔質体４７が配置されており、隣接する孔同士の間を空気が通過可能となっているために燃料ガスと反応する空気の流路を形成している。したがって燃料ガスと反応する空気は、上記多孔質体４７の全ての表面から多孔質体４７の内部を通過して開口部４６ａを介して発電体４２のカソード４２ｃへと供給される。ここで、カソード４２ｃ側の集電体４６の集電部４６ｃやアノード４２ｂ側の集電体４８を構成する導電材料としては、金属板、カーボンシート等の他、ポリマーフィルムやガラスエポキシ基板、セラミックス基板等に導電層を形成したいわゆる片面板を用いることができる。あるいは、発電体４２にペースト印刷やメッキ等を施し、直接集電体層を形成してもよい。
【００４８】
上記集電体４６あるいは集電体４８は、それぞれ端子ピン４５ａ，４５ｂと電気的に接続されており、これを通じて電気機器との電気的な接続がなされる。端子ピン４５ａ，４５ｂの先端は、プリント配線板に設けられた接続孔に挿入が可能な形状、例えば細い板状やピン形状とすることが望ましく、なお且つ、プリント配線板に固定できる程度の剛性を持つことが望ましい。かかる端子ピン４５ａ，４５ｂは、上記集電体４６や集電体４８を金属板により形成する場合には、その先端を細板状、ピン形状に機械加工することにより一体的に設けることも可能である。また、端子ピン４５ａ，４５ｂを別途形成し、これを集電体４６や集電体４８に機械的及び電気的に接続してもよい。
【００４９】
多孔質体４７は、微細な空孔が表面から内部にわたって形成されたポーラス状の部材であり、隣接する空孔同士が連結していることによって空孔間を気体が通過する。このようなポーラス状の構造をもつため、多孔質体４７においては気体が表面全体から内部に侵入および通過することが可能である。
【００５０】
また、上記アノード側の集電体４８の外側には、燃料ガスである水素ガスの流路４９ａを設けた水素供給部４９が配置され、これに燃料継ぎ手４４が固定されている。さらに、水素供給部４９には、上記集電体４８に設けられた開口部４８ａと対向して開口部４９ｂが設けられており、したがって、燃料ガスである水素ガスは、上記燃料継ぎ手４４から流路４９ａ、開口部４９ｂ、開口部４８ａを介して発電体４２のアノード４２ｂへと供給される。なお、上記水素供給部４９は、１つの部品として構成してもよいし、集電体４８あるいは筐体４１と一体型であってもよい。
【００５１】
以上の構成部材（発電体４２、集電体４６，４８、多孔質体４７、水素供給部４９）を重ね合わせて積層体とした後、これらを筐体４１と共に固定し、図１７に示すようにパッケージ化する。本例では、樹脂モールドによって積層体のパッケージングと筐体形成を一括して行っており、筐体４１は上記積層体と一体化されている。勿論、これ以外にも種々の構造を採用することができる。例えば、筐体を上下２つに分割した部品とし、これらを用いて積層体を挟み込み、ネジ止めにより固定する構造、あるいは、上下筐体部品を超音波溶着や接着等により固定する構造等が採用可能である。
【００５２】
カソード４２ｃ側の集電体４６に多孔質体４７を積層させていることにより、多孔質体４７の各表面から燃料電池パッケージ内部への空気の流入が行われる。これにより、燃料電池パッケージの一方の面付近に遮蔽物が存在して該当面から空気が流入しない場合にも、他の面に形成されて露出いる空孔から多孔質体４７内部を介して空気を取り入れることが可能となる。これによって、燃料電池パッケージを電子機器内に配置する際に、燃料電池パッケージ周辺の遮蔽物に関しての弊害が軽減されるため、基板上に配列される他の電子部品との位置関係の自由度が向上する。
【００５３】
【発明の効果】
燃料電池パッケージおよび燃料電池を用いた電子機器において、燃料電池を内部に配置した筐体の複数の面に開口部を形成し、燃料電池への空気の供給を筐体の複数の面から行うことによって、燃料電池パッケージおよび燃料電池を用い電子機器の周辺に遮蔽物が存在する場合にも、複数の開口部の何れかから燃料電池に酸素の供給が行われるため、発電停止の危険性を低下することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第一の実施の形態における挿入実装型のパッケージ構造を有する燃料電池の一例を示す概略斜視図である。
【図２】第一の実施の形態における発電体の一構成例を示す概略断面図である。
【図３】第一の実施の形態における燃料電池を分解して示す概略断面図である。
【図４】第一の実施の形態における燃料電池の組み立て状態を示す概略断面図である。
【図５】燃料電池パッケージにおける各要素を模式的に示した透視斜視図である。
【図６】図５に示した複数の面に形成された空気取り入れ孔の位置を示した外観図である。
【図７】燃料電池パッケージを搭載した電子機器の一例であり、機器の複数の面に空気取り入れ孔が形成されている斜視図である。
【図８】燃料電池パッケージを搭載した電子機器内部での空気口、空気導入路、空気取り入れ孔、空気室の位置関係を示す斜視図である。
【図９】燃料電池パッケージを搭載した電子機器の筐体に形成された空気口と開口部と凹部との関係を示す図で、（ａ）は部分拡大図であり、（ｂ）はｂ部分断面図である。
【図１０】第二の実施の形態における挿入実装型のパッケージ構造を有する燃料電池を示す概略斜視図である。
【図１１】第二の実施の形態における発電体の一構成例を示す概略断面図である。
【図１２】第二の実施の形態における燃料電池を分解して示す概略断面図である。
【図１３】第二の実施の形態における燃料電池の組み立て状態を示す概略断面図である。
【図１４】第三の実施の形態における挿入実装型のパッケージ構造を有する燃料電池を示す概略斜視図である。
【図１５】第三の実施の形態における発電体の一構成例を示す概略断面図である。
【図１６】第三の実施の形態における燃料電池を分解して示す概略断面図である。
【図１７】第三の実施の形態における燃料電池の組み立て状態を示す概略断面図である。
【図１８】一般的なプロトン伝導体膜を用いた燃料電池の一例を示す模式図である。
【図１９】従来の燃料電池の一例を示す分解斜視図である
【符号の説明】
１，２１，４１ 筐体
２，２２，４２ 発電体
２ａ，２２ａ，４２ａ イオン伝導体膜
２ｂ，２２ｂ，４２ｂ アノード
２ｃ，２２ｃ，４２ｃ カソード
２ｄ，２２ｄ，４２ｄ シール
３ａ，３ｂ，３ｃ，２３ 空気取り入れ孔
４，２４，４４ 燃料継ぎ手
５ａ，５ｂ，２５ａ，２５ｂ，４５ａ，４５ｂ 端子ピン
６，８，２６，２７，４６，４８ 集電体
６ａ，８ａ，９ｂ，２６ａ，２７ａ，２８ｂ，３３，４６ａ，４７ｂ，４８ａ，４９ｂ 開口部
２６ｃ 集電部
７ａ，９ａ，２８ａ，４９ａ 流路
７ 空気供給部
９，２８，４９ 水素供給部
２６ｂ 絶縁材料層
２９ 電子機器
３０ａ，３０ｂ，３０ｃ 空気口
３１ 空気導入路
３２ 空気室
３４ 凹部
３５ 表示部
３６ 操作部
４７ 多孔質体
５１ プロトン伝導体膜
５２ 水素側電極
５２ａ，５３ａ 触媒層
５３ 酸素側電極
５４，５７ 導入口
５５，５９ 排出口
５６，５８ 気体流路
６０ プロトン伝導体膜
６１ 水素側電極
６２ 酸素側電極
６３，６４ 集電体
Claims (6)
- 複数の面に開口部が形成され燃料電池を内部に配置した筐体と、前記燃料電池の燃料極に隣接して形成された水素供給部と、前記開口部から前記燃料電池の酸素極まで形成された空気導入路とを有することを特徴とする燃料電池パッケージ。
- 前記燃料電池の酸素極に隣接して空気供給部が形成され、複数の前記空気導入路が前記空気供給部に連結されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池パッケージ。
- 燃料電池を内部に配置した筐体と、前記燃料電池の燃料極に隣接して形成された水素供給部と、前記燃料電池の酸素極に隣接して配置された微細な空孔が多数形成された部材である多孔質体とを有することを特徴とする燃料電池パッケージ。
- 空気取り入れ孔が形成された燃料電池パッケージを内部に配置した筐体と、前記筐体を構成する複数の面に形成された開口部と、前記開口部から前記空気取り入れ孔まで形成された空気導入路とを有することを特徴とする燃料電池を用いた電子機器。
- 前記空気取り入れ孔に隣接して空気室が形成され、複数の前記空気導入路が前記空気室に連結されていることを特徴とする請求項４記載の燃料電池を用いた電子機器。
- 前記開口部が形成されている領域は、前記筐体表面に形成された凹部の底であることを特徴とする請求項４記載の燃料電池を用いた電子機器。
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