JP2006107819A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池を電子機器等に使用するにあたり、装置の大型化を抑制することができる電源装置を提供すること。
【解決手段】燃料電池セルに供給すべき燃料ガスを発生する平板状の燃料ユニット２１と、この燃料ユニット２１に積層する形で隣接配置される平板状の加熱セルと、更にこの加熱体に積層する形で隣接配置され、平板状の１つ又は複数の燃料電池セルにより構成される発電ユニット２０とを備えている。更に、加熱体と発電ユニットの間に断熱シート３５が配置されることが好ましい。加熱セル及び発電ユニット２０は、燃料ユニットの両側に積層される形態で夫々一対配置されることが好ましい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池セルにより構成される電源装置に関する。

ポリマー電解質のような固体高分子電解質を使用した高分子型燃料電池は、高いエネルギー効率を持ち、薄型小型・軽量であることから、家庭用ジェネレーションシステムや自動車向けに開発が活発化している。かかる燃料電池の従来技術の構造として、下記の非特許文献１に開示されており、これを図１２に示す。

図１２に示すように、固体高分子電解質膜１００を挟んでアノード１０１とカソード１０２とを配設する。さらに、ガスケット１０３を介して一対のセパレータ１０４により挟持して単位セル１０５を構成する。この単位セル１０５を多数個積層し、単位セル１０５どうしを電気的に直列に接続して燃料電池Ｎを構成する。電極１０６は、積層した両端の単位セル１０５から取り出すことができる。このような燃料電池Ｎは、クリーンかつ高効率という特徴から、種々の用途、特に、電気自動車用電源や家庭用分散型電源として注目されている。

一方、近年のＩＴの発展に伴い、携帯電話、ノートパソコン、デジタルカメラ等のモバイル機器（携帯機器）のほとんどの電源は、リチウムイオン二次電池が用いられている。しかし、これらモバイル機器の高機能化に伴い消費電力がますます増加する傾向にあり、その電源用としてクリーンで高効率な燃料電池に注目が集まっている。また、その他の家電等の電子機器に使用する電池としても燃料電池が注目されつつある。

かかる電子機器に電源装置として燃料電池を搭載する場合に、燃料電池セルだけでなく、それ以外の付随する部品・装置等も必要とされる。従って、電子機器等の電源として、燃料電池を使用する場合には、それらの点を考慮して装置全体のサイズが大型化しないような構成を採用する必要がある。例えば、水素等の燃料を燃料電池セルに供給するための燃料供給装置をどのように配置するか等を考慮する必要がある。例えば、水素を燃料電池セルに供給するためのマイクロポンプや、水素を発生するための化学反応を起こすためには、所定の温度にするための加熱機構が必要となる。しかしながら、これらの機構を通常の形態で組み込んでいたのでは、電源装置が大型化せざるを得ない。
日経メカニカル別冊「燃料電池開発最前線」発行日２００１年６月２９日、発行所：日経ＢＰ社、第３章ＰＥＦＣ、３．１原理と特徴ｐ４６

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、その課題は、燃料電池を電子機器等に使用するにあたり、装置の大型化を抑制することができる電源装置を提供することである。

上記課題を解決するため本発明に係る電源装置は、
燃料電池セルに供給すべき燃料ガスを発生する平板状の燃料ユニットと、
この燃料ユニットに設けられ、燃料ガスの発生を促進する機能を有する平板状の加熱体と、
前記燃料ユニットに積層する形で隣接配置され、平板状の１つ又は複数の燃料電池セルにより構成される発電ユニットとを備えていることを特徴とするものである。

この構成による電源装置の作用・効果を説明する。燃料電池セルに供給する燃料ガスを発生する燃料ユニットを平板状に形成し、この燃料ユニットに対して発電ユニットを積層する形で配置する。これら各ユニットを平板状に形成して、順に重ねていくことで電源装置としての必要な機能を合理的に配置することができる。燃料ユニットとして、化学反応により燃料ガスを発生する場合、加熱体を配置することで、適切な温度設定を行うことができ、燃料ガスの供給を効率良く行うことができる。各ユニットを平板状に形成しているので、全体としても薄型化を図ることが可能になる。その結果、燃料電池を電子機器等に使用するにあたり、装置の大型化を抑制することができる電源装置を提供することができる。

本発明において、加熱体と発電ユニットの間に断熱体が配置されることが好ましい。

加熱体は、燃料ユニット及び発電ユニットに隣接して配置されるが、燃料ユニットに対する加熱作用が主な機能である。従って、発電ユニットに対して必要以上に加熱作用をしないようにする必要がある。そこで、発電ユニットと加熱体の間に断熱体を配置することで、電源装置の内部を適切な温度に設定することができる。

本発明に係る発電ユニットは、燃料ユニットの両側に積層される形態で一対配置されると共に、加熱体も発電ユニットに隣接する形で一対配置されることが好ましい。

燃料ユニットの両側に発電ユニットを夫々配置することで、出力電圧を大きく取ることができる。また、加熱体を一対設けることで、燃料ガスの発生を効率良く行うことができる。

本発明に係る前記燃料電池セルは、板状の固体高分子電解質と、その固体高分子電解質の両側に配置された一対の電極板と、この電極板の更に外側に配置された一対の金属板とを備え、これら金属板の周縁が絶縁層を間に介在させた状態でカシメにより封止されていることが好ましい。

板状の固体高分子電解質をベースに燃料電池セルを構成することで、セルの厚みを薄くすることができ、その結果、発電ユニットの厚みも薄くしてコンパクトな形状とすることができる。また、一対の金属板の周縁を絶縁層を介してカシメにより封止することで、両者の短絡を防止しながら、厚みをさほど増加させずにセルごとに確実に封止を行うことができる。また、図１２に示す従来構造と比較してセルに剛性が要求されないため、各燃料電池セルを大幅に薄型化することができる。更に、固体高分子電解質や金属板を使用するため、自由な平面形状や屈曲が可能となり、小型軽量かつ自由な形状設計が可能となる。

本発明において、一対の金属板のうち、カソード側金属板には、空気取り込み用の開口部が設けられていることが好ましい。

この構成によれば、カソード側金属板の開口部から空気を自然供給できるため、アノード側金属板の注入口から燃料を供給することで、各々の電極板で電極反応を生じさせることができ、電極板に接する金属板から電流を取り出すことができる。空気を自然供給する構成なので、空気を供給するための特別の部材等が不要となり、小型化に寄与することができる。

本発明に係る燃料電池セルの複数を平面的に並べた状態で平板状支持基板に対して取り付けることが好ましい。

複数の燃料電池セルを平面的に並べることで、取り出すことのできる電圧を大きくすることができると共に、発電ユニットの厚みを像重ねなくてもすむ。これにより、発電ユニットの薄型化を達成することができる。

本発明において、前記開口部が外側に配置されるように、前記支持基板に対して取り付けられることが好ましい。

開口部が外側を向くように配置することで、開口部から空気を効率良く取りこむことができる。

本発明に係る燃料電池セルを前記支持基板に取り付けるための金属製の押さえ部材を備え、この押さえ部材が、燃料電池セルの電極を支持基板に形成された配線パターンに接続させる機能も備えていることが好ましい。

この構成によると、押さえ部材により、燃料電池セルを支持基板に固定することができる。また、押さえ部材が金属製であるので、燃料電池セルの電極と支持基板の配線パターンとの電気的接続を押さえ部材により行うことができる。これにより、発電ユニットの構成を簡素化し、小型化を図ることができる。

本発明に係る前記支持基板には、燃料電池セルの出力電圧を所定の電圧値に昇圧させる昇圧回路と、電圧値を安定化させる定電圧回路とが搭載されることが好ましい。

１つの燃料電池セルにより取り出せる電圧の値は、例えば、０．５Ｖといった低いレベルであり、携帯型コンピュータ内部の電子回路に要求される電圧値は、例えば、１５Ｖといった高いレベルである。従って、昇圧回路を組み込むことにより、少ない個数の燃料電池セルを用いて、所望の電圧を取り出すことができる。また、燃料電池セルからの出力電圧は、変動しており安定していないので、定電圧回路を設けることで、安定した状態で電子機器等へ電源供給を行うことができる。

本発明に係る燃料発生ユニットは、鉄を収容する鉄収容部と、鉄に対して水又は水蒸気を供給するための水供給部とを備え、前記加熱体は、鉄収容部と水供給部の両方を加熱する機能を有し、
鉄と水又は水蒸気との反応により発生する水素をガス供給路を介して発電ユニットに供給するように構成することが好ましい。

燃料ユニットとして、平板状の水素発生セルを設けており、鉄が収容される。水供給部から供給される水あるいは水蒸気が鉄と反応することで、水素を発生する。発電ユニットに隣接して加熱セルを配置することで、水素発生の化学反応を適切な環境下で行わせることができる。また、水を加熱して水蒸気を発生させる場合にも利用することができる。

本発明において、前記水供給部は、水を収容するタンクを備え、タンク内の水量を視認できるように構成することが好ましい。

水素発生に用いられる水は、タンクに収容されるが、徐々に水は減少してくる。タンク内の水量を視認できるようにすることで、水を補給すべきか否かを容易に判断することができる。

本発明において、前記鉄収容部に収容される鉄は、純鉄の粉末を圧縮成形することで得られたタブレットの形で収容されることが好ましい。

純鉄を用いることで、純水素を発生させることができ、環境に対して悪影響を与えることを防止することができる。また、純鉄の粉末を圧縮成形してタブレットにすることで、高い密度で鉄を収容することができると共に取り扱いを容易にすることができる。

本発明に係る電源装置の好適な実施形態を図面を用いて説明する。図１は、電源装置の構成を示す模式図である。この電源装置は、ノートパソコン、ＰＤＡ、コンピュータゲーム等のコンピュータ機器、携帯型のステレオ装置、ＣＤ再生装置、その他の種々の電子機器を駆動するための電源装置として使用することができ、電子機器等に対して着脱自在な状態で取り付けることができる。

＜電源装置の構成＞
この電源装置は、図１に示すように、平板状に形成された各ユニットを積層する形で構成している。すなわち、平板状に形成された燃料ユニット２１の両側に隣接して断熱シート３５（断熱体に相当する）が配置され、さらにその断熱シート３５に隣接して発電ユニット２０が配置される。発電ユニット２０は、積層体の一番外側に配置される。

発電ユニット２０は、８つの燃料電池セルＳが平面的に並べて配置されており、回路基板２３（平板状の支持基板に相当）に対して接続されている。燃料電池セルＳも平板状であり、これを平面的に並べて配置することで、出力電圧を大きくできると共に、発電ユニット２０全体を薄型化することができる。なお、本発明として燃料電池セルＳを何個搭載するかは、適宜決めることができる。発電ユニット２０は、２つ設けられており、構成は何れも同じである。各燃料電池セルＳは、後述するように空気を取り込むための多数の開口部４ｃが形成されており、その開口部４ｃが外側を向くように積層配置される。これにより、開口部４ｃから空気を取り込みやすいようにしている。

回路基板２３の燃料電池セルＳが搭載される面とは反対側の面には、電子回路が搭載され、主に昇圧回路と定電圧回路が搭載される。１つの燃料電池セルＳによる出力電圧はごくわずかであるので、燃料電池セルＳを複数直列接続することで、出力電圧を大きくすることができる。この出力電圧をさらに昇圧することで、コンピュータを駆動するのに適した電圧値にすることができる。また、燃料電池セルＳの出力は安定していないため、これを安定化させるための定電圧回路を設けることで、安定した電圧をコンピュータに供給することができる。回路基板２３には、不図示の電極（正極及び負極）が設けられており、これらを介して電子機器等に電源が供給される。

図１の構成例では、全部で１６個の燃料電池セルＳが配置されることになり、これらを直列接続する。なお、回路基板２３も２つ設けられているが、昇圧回路と定電圧回路については、いずれか一方の回路基板２３に搭載すればよい。

燃料ユニット２１は、一対の加熱セル２４と、この加熱セル２４に挟持される水素発生セル２５とを備えている。加熱セル２４と水素発生セル２５は、平板状に形成されており、薄型化することができる。水素発生セル２５は、純鉄タブレットが収容される鉄収容ケース２５ａ（鉄収容部に相当）と、これに隣接して取り付けられる水収容ケース２５ｂ（水収容部に相当）とが設けられている。加熱セル２４は、鉄収容ケース２５ａと水収容ケース２５ｂの両方を加熱できるような大きさに形成されている。水収容ケース２５ｂには、水を供給するための水供給口２５ｃが設けられる。

水素発生セル２５により発生した水素ガスは、ガス供給チューブ２２（ガス供給路に相当）を通って発電ユニット２０へと供給される。水素発生セル２５には、チューブ接続口２５ｄが設けられており、ガス供給チューブ２２と着脱自在に接続される。発電ユニット２０は２つあるので、ガス供給チューブ２２には、途中に分岐部２２ａが設けられており、双方の発電ユニット２０に対して水素ガスが供給される。なお、各発電ユニット２０に対して個別にガス供給チューブ２２を設けてもよい。

＜水素発生セルの構成＞
次に、水素発生セル２５の詳細構成を図２により説明する。この水素発生セル２５は、平板状の鉄収容ケース２５ａと、これに隣接する水収容ケース２５ｂとを備えている。鉄収容ケース２５ａには、複数個の純鉄タブレット３０が収容される。なお、タブレット３０を収容するための開口部も設けられている。タブレット３０は、純鉄の粉末を金型で圧縮成形することにより得ることができる。かかるタブレット３０を用いることで、高密度で純鉄を収容することができ、水素ガスの発生量を多くすることができる。なお、タブレット３０の個数や大きさについては、適宜決めることができる。

水収容ケース２５ｂには、水が収容されるが、水保持体としての脱脂綿３１が収容されている。水は、水供給口２５ｃから注入することができ、注入された水は脱脂綿に保持される。また、水収容ケース２５ｂについては、透明性の樹脂材料で形成することが好ましく、これにより、水の残量を視認することができる。水収容ケース２５ｂと鉄収容ケース２５ａの境界には、仕切り部材２５ｅが設けられており、脱脂綿３１に保持された水が加熱されて水蒸気の形で供給できるように、ネット状の仕切り部材２５ｅとしている。かかる仕切り部材２５ｅにより、水あるいは水蒸気のみが、仕切り部材２５ｅを通過できるようにしている。なお、境界においてネット状に形成する範囲は、適宜決めることができる。

この水あるいは水蒸気と純鉄とを反応させることで、純水素を発生する。発生した水素は、チューブ接続口２５ｄに接続されたガス供給チューブ２２を通って、燃料電池セルＳへと供給される。

水素を発生するときの化学反応は、次の式に示すとおりである。
［化１］
４Ｈ₂Ｏ＋３Ｆｅ → Ｆｅ₃Ｏ₄＋４Ｈ₂
すなわち、純鉄に水（水蒸気）を供給すると、これらが反応し、酸化鉄と水素ガスを生成する。この化学反応では、二酸化炭素や一酸化炭素のような環境に対して悪影響を与えるガスを発生しない。すなわち、クリーンなエネルギーであるということができる。水素ガスのみ（純水素）が、燃料電池セルＳに対して供給されることになる。

水素発生セル２５における化学反応は、１００℃〜４００℃程度で行われる。水素発生セル２５を上記温度範囲となるようにするための加熱セル２５が、図２でも説明したように、設けられている。加熱セル２４は、水素発生セル２５と同じ平板状に形成されており、水素発生セル２５を挟むように両側に配置される。加熱セル２４は、純鉄と水蒸気の反応を促進させる目的と、水収容ケース内の水を水蒸気に変化させる目的とを有している。

加熱セル２４は、一般的なフィルムヒーターを用いることができるが、次のように構成することもできる。すなわち、加熱セル２４として、水素発生セル２５と同じように、純鉄タブレットあるいは純鉄の粉末を収容した平板状の容器を設け、純鉄と空気（酸素）とを反応させる。この酸化反応で生じる熱により、水素発生セル２５を加熱することができる。フィルムヒーターの場合は、加熱回路と接続する必要があるが、純鉄を利用する場合は、そのような構成は必要なく、構成を簡素化することができる。

断熱シート３５は、加熱セル２４と発電ユニット２０の間に挟持される形で配置される。加熱セル２４は、燃料ユニット２１における水素ガスの発生を効率良く行わせるために、燃料ユニット２１を所定の環境温度にするために設けている、図１の構成の場合、加熱セル２４は発電ユニット２０にも隣接しており、発電ユニット２０が必要以上に加熱されないようにしておく必要がある。そのために、加熱セル２４と発電ユニット２０の間に断熱シート３５が配置される。

＜燃料電池セルの構成＞
次に、燃料電池セルＳの構成を図３及び図４により説明する。図３は、本発明の燃料電池の単位セルの一例を示す組み立て斜視図であり、図４は、本発明の燃料電池の単位セルの一例を示す縦断面図である。

本発明の燃料電池セルは、図３〜図４に示すように、板状の固体高分子電解質１と、その固体高分子電解質１の一方側に配置されたカソード側電極２と、他方側に配置されたアノード側電極板３とを備えるものである。本実施形態では、アノード側金属板５に、エッチングにより燃料の流路溝９が形成され、アノード側金属板５とカソード側金属板４の周縁部がエッチングにより他の部分より厚みを薄くしてある例を示す。

固体高分子電解質１としては、従来の固体高分子膜型電池に用いられるものであれば何れでもよいが、化学的安定性及び導電性の点から、超強酸であるスルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体からなる陽イオン交換膜が好適に用いられる。このような陽イオン交換膜としては、ナフィオン（登録商標）が好適に用いられる。その他、例えば、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂からなる多孔質膜に上記ナフィオンや他のイオン伝導性物質を含浸させたものや、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂からなる多孔質膜や不織布に上記ナフィオンや他のイオン伝導性物質を担持させたものでもよい。固体高分子電解質１の厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効であるが、イオン伝導機能、強度、ハンドリング性などを考慮すると、１０〜３００μｍが使用可能であるが、２５〜５０μｍが好ましい。

電極板２，３は、ガス拡散層としての機能を発揮して、燃料ガスや、酸化ガス及び水蒸気の供給・排出を行なうと同時に、集電の機能を発揮するものが使用できる。電極板２，３としては、同一又は異なるものが使用でき、その基材には電極触媒作用を有する触媒を担持させることが好ましい。触媒は、固体高分子電解質１と接する内面２ｂ，３ｂに少なくとも担持させるのが好ましい。

電極基材としては、例えば、カーボンペーパー、カーボン繊維不織布などの繊維質カーボン、導電性高分子繊維の集合体などの電導性多孔質材が使用できる。一般に、電極板２，３は、このような電導性多孔質材にフッ素樹脂等の撥水性物質を添加して作製されるものであって、触媒を担持させる場合、白金微粒子などの触媒とフッ素樹脂等の撥水性物質とを混合し、これに溶媒を混合して、ペースト状或いはインク状とした後、これを固体高分子電解質膜と対向すべき電極基材の片面に塗布して形成される。

一般に、電極板２，３や固体高分子電解質１は、燃料電池に供給される還元ガスと酸化ガスに応じた設計がなされる。本発明では、酸化ガスとして空気が用いられると共に、還元ガスとして水素ガスを用いるのが好ましい。また、還元ガスの代わりに、メタノールやジメチルエーテル等を用いることもできる。

例えば、水素ガスと空気を使用する場合、空気が自然供給される側のカソード側電極２では、酸素と水素イオンの反応が生じて水が生成するため、かかる電極反応に応じた設計をするのが好ましい。特に、低作動温度、高電流密度及び高ガス利用率の運転条件では、特に水が生成する空気極において水蒸気の凝縮による電極多孔体の閉塞（フラッディング）現象が起こりやすい。したがって、長期にわたって燃料電池の安定な特性を得るためには、フラッディング現象が起こらないように電極の撥水性を確保することが有効である。

触媒としては、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、銀、ニッケル、鉄、銅、コバルト及びモリブデンから選ばれる少なくとも１種の金属か、又はその酸化物が使用でき、これらの触媒をカーボンブラック等に予め担持させたものも使用できる。

電極板２，３の厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効であるが、電極反応、強度、ハンドリング性などを考慮すると、５０〜５００μｍが好ましい。電極板２，３と固体高分子電解質１とは、予め接着、融着等を行って積層一体化しておいてもよいが、単に積層配置されているだけでもよい。このような積層体は、薄膜電極組立体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）として入手することもでき、これを使用してもよい。

カソード側電極板２の表面にはカソード側金属板４が配置され、アノード側電極板３の表面にはアノード側金属板５が配置される。アノード側金属板５には燃料の注入口５ｃ及び排出口５ｄが設けられ、更に本実施形態では、アノード側金属板５に流路溝９が設けられている。

カソード側金属板４には、空気中の酸素を供給するための多数の開口部４ｃが設けられている。開口部４ｃは、カソード側電極板２が露出可能であれば、その個数、形状、大きさ、形成位置などは何れでもよい。但し、空気中の酸素の供給効率と、カソード側電極板２からの集電効果などを考慮すると、開口部４ｃの面積はカソード側電極板２の面積の１０〜５０％であるのが好ましく、特に２０〜４０％であるのが好ましい。カソード側金属板４の開口部４ｃは、例えば規則的又はランダムに複数の円孔やスリット等を設けたり、または金属メッシュによって開口部を設けてもよい。

金属板４，５としては、電極反応に悪影響がないものであれば何れの金属も使用でき、例えばステンレス板、ニッケル、銅、銅合金などが挙げられる。但し、伸び、重量、弾性率、強度、耐腐食性、プレス加工性、エッチング加工性などの観点から、ステンレス板、ニッケルなどが好ましい。

アノード側金属板５に設けられる流路溝９は、電極板３との接触により水素ガス等の流路が形成できるものであれば何れの平面形状や断面形状でもよい。但し、流路密度、積層時の積層密度、屈曲性などを考慮すると、金属板５の一辺に平行な縦溝９ａと垂直な横溝９ｂを主に形成するのが好ましい。本実施形態では、複数本（図示した例では３本）の縦溝９ａが横溝９ｂに直列接続されるようにして、流路密度と流路長のバランスを取っている。

なお、このような金属板５の流路溝９の一部（例えば横溝９ｂ）を電極板３の外面に形成してもよい。電極板３の外面に流路溝を形成する方法としては、加熱プレスや切削などの機械的な方法でもよいが、微細加工を好適に行う上で、レーザ照射によって溝加工を行うことが好ましい。レーザ照射を行う観点からも、電極板２，３の基材としては、繊維質カーボンの集合体が好ましい。

金属板５の流路溝９に連通する注入口５ｃ及び排出口５ｄは、それぞれ１個又は複数を形成することができる。なお、金属板４，５の厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効であるが、強度、伸び、重量、弾性率、ハンドリング性などを考慮すると、０．１〜１ｍｍが好ましい。金属板５に流路溝９を形成する方法としては、加工の精度や容易性から、エッチングが好ましい。エッチングによる流路溝９では、幅０．１〜１０ｍｍ、深さ０．０５〜１ｍｍが好ましい。また、流路溝９の断面形状は、略四角形、略台形、略半円形、Ｖ字形などが好ましい。

金属板４への開口部４ｃの形成、金属板４，５の周辺部の薄肉化、金属板５への注入口５ｃ等の形成についても、エッチングを利用するのが好ましい。エッチングは、例えばドライフィルムレジストなどを用いて、金属表面に所定形状のエッチングレジストを形成した後、金属板４，５の種類に応じたエッチング液を用いて行うことが可能である。また、２種以上の金属の積層板を用いて、金属ごとに選択的にエッチングを行うことで、流路溝９の断面形状をより高精度に制御することができる。

図４に示す実施形態は、金属板４，５のカシメ部（周辺部）をエッチングにより厚みを薄くした例である。このように、カシメ部をエッチングして適切な厚さにすることで、カシメによる封止をより容易に行うことができる。この観点から、カシメ部の厚みとしては、０．０５〜０．３ｍｍが好ましい。

本発明では、金属板４，５の周縁は、電気的に絶縁した状態でカシメにより封止されている。電気的な絶縁は、絶縁材料６や固体高分子電解質１の周縁部、又はその両者を介在させることで行うことができる。本発明では、カシメを行う際、図４に示すように、金属板４，５の周縁によって固体高分子電解質１を挟持する構造が好ましく、絶縁材料６を介在させつつ固体高分子電解質１を挟持する構造がより好ましい。このような構造によると、電極板２，３の一方から他方へのガス等の流入を効果的に防止することができる。絶縁材料６の厚みとしては、薄型化の観点から、０．１ｍｍ以下が好ましい。なお、絶縁材料をコーティングすることにより、更なる薄型化が可能である（例えば絶縁材料６の厚み１μｍも可能）。

絶縁材料６としては、シート状の樹脂、ゴム、熱可塑性エラストマー、セラミックスなどが使用できるが、シール性を高める上で、樹脂、ゴム、熱可塑性エラストマーなどが好ましく、特にポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエステル、フッ素樹脂、ポリイミドが好ましい。絶縁材料６は、金属板４，５の周縁に直接あるいは粘着剤を介して貼着したり、塗布したりして、予め金属板４，５に一体化しておくことも可能である。

カシメ構造としては、シール性や製造の容易性、厚み等の観点から図４に示すものが好ましい。つまり、一方の金属板５の外縁部５ａを他方の外縁部４ａより大きくしておき、絶縁材料６を介在させつつ、一方の金属板５の外縁部５ａを他方の金属板４の外縁部４ａを挟圧するように折り返したカシメ構造が好ましい。このカシメ構造では、プレス加工等によって、金属板４の外縁部４ａに段差を設けておくのが好ましい。このようなカシメ構造自体は金属加工として公知であり、公知のカシメ装置によって、それを形成することができる。

図４には、注入口５ｃにジョイント用の金属製ピン５ｅが金属板５に対して取り付けられている。この取り付けは、カシメや圧入により行うことができる。このピン５ｅに対して、ガス供給チューブ２２を圧入して取り付けることができる。

本発明の燃料電池セルを用いると、薄型化が可能で小型軽量かつ自由な形状設計が可能である。

＜燃料電池セルの基板への取り付け＞
図５に示すように、各燃料電池セルＳは、押さえ部材１８により回路基板２３に対して固定される。押さえ部材１８は、例えば、リン青銅のような金属製（他の金属でもよい）であり、リン青銅板をプレス加工することにより形成することができる。燃料電池セルＳの表面（図５で上側）は、前述したように金属板４により形成され、電極（正極）として機能している。従って、金属製の押さえ部材１８を用いることで、燃料電池セルＳの電極を回路基板１４の配線パターンに接続することができる。また、燃料電池セルＳの裏面（図５で下側）も金属板５であり、もう一方の電極（負極）を構成する。従って、回路基板２３の表面に形成された別の電極パターンに押さえつけることで、電気的な接続を行うことができる。この電極パターンへの押さえ付けも、押さえ部材１８により行うことができる。

押さえ部材１８は、枠形状を有する押え部１８ａと、回路基板２３に固定するための爪部１８ｂとを有している。燃料電池セルＳの外縁部４ａ（矩形のセルの四辺部）を押え部１８ａにより押さえつけ、回路基板２３に形成された孔２３ａを利用して、押さえ部材１８の爪部１８ｂをはんだ付け等により固定する。これにより、燃料電池セルＳを回路基板２３に対して固定することができると共に、配線パターンとも電気的に接続することができる。

回路基板２３の裏面には、昇圧回路（電子回路に相当）が設けられている。１つの燃料電池セルにより取り出せる出力電圧は０．５Ｖ程度である。これを図示のように２つ設けて直列接続すれば、１Ｖ程度の出力電圧となる。一方、携帯機器の内部の回路に電源を供給するためには、１５Ｖ程度の出力電圧が必要である。そこで、上記のような昇圧回路（ＤＣ−ＤＣコンバータ）を設けることで、適切な電圧に昇圧して、ノートパソコン本体に供給することができる。ただし、昇圧回路は公知の回路構成を用いることができる。コンピュータに電源供給するための端子部の位置及び形状は、図示しないが、特定の形態に限定されるものではなく、適宜の構成にすることができる。

＜ガス流路の構成＞
次に、各燃料電池セルへ水素ガスを供給する場合の流路構成を図６により説明する。図６において、燃料ユニット２１の水素発生セル２５により発生させられた水素ガスは、ガス供給路２２を通って、各発電ユニット２０における特定の燃料電池セルＳ１の注入口５ｃへ水素ガスが供給され、排出口５ｄから排出される。排出口５ｄから排出された水素ガスは、次の燃料電池セルＳ２の注入口５ｃへガス供給路２２１に供給される。同様に燃料電池セルＳ２の排出口５ｄから排出された水素ガスは、ガス供給路２２２により次の燃料電池セルＳ３へと供給される。このように、各発電ユニット２０において、燃料電池セルＳは水素ガスの流路が直列的に接続されている。

図７は別実施形態を示す。図６は、各発電ユニット２０においてガス供給路が直列接続されていたが、図７では並列接続されている。すなわち、水素発生セル２５により発生した水素ガスは、同時に各燃料電池セルＳへと供給される。

図８は、さらに別の実施形態を示し、ガス供給路を完全に直列接続した構成例である。その他の実施形態として、直列接続と並列接続を適宜組み合わせてガス供給路を構成することもでき、多数の変形例が考えられる。

＜別実施形態＞
前述の実施形態では、図４に示すカシメ構造を採用する例を示したが、本発明では、図９（ａ）〜（ｂ）に示すようなカシメ構造を採用してもよい。

図９（ａ）に示すカシメ構造は、両方の金属板４，５の外縁部４ａ，５ａを折り返したカシメ構造である。なお、この単位セルでは、各々の電極板２，３から拡散したガスが混合しないように、金属板４，５の各々と固体高分子電解質１との間に、シール部材Ｓを介在させている。

更に、図９（ｂ）に示すカシメ構造は、両方の金属板４，５の外縁部４ａ，５ａを折り返さずに、別の金属板７によって、各々の金属板４，５を絶縁する絶縁材料６ａ，６ｂを介して、挟圧したカシメ構造である。なお、カシメ構造では、両者の金属板４，５をプレス加工せずに平板のまま使用することも可能である。

図３，４，９では、絶縁材料６（絶縁層に相当）を介してカシメを行っているが、固体高分子電解質１の周縁部を延ばし、これを介在させてカシメを行ってもよい。この場合、固体高分子電解質１が絶縁層として機能する。この場合は、絶縁材料を設ける必要がないので、構成を簡素化することができる。

前述の実施形態では、エッチングによりアノード側金属板に流路溝を形成する例を示したが、本発明では、プレス加工、切削などの機械的な方法により、アノード側金属板に流路溝を形成してもよい。

図１０は、プレス加工による金属板５の変形により流路溝９を形成した例である。プレス加工により流路溝９を形成する場合、流路溝９としては幅０．１〜１０ｍｍ、深さ０．１〜１０ｍｍが好ましい。また、流路溝９の断面形状は、略四角形、略台形、略半円形、Ｖ字形などが好ましい。

燃料電池セルＳに形成する開口部の大きさや個数については、適宜設定することができる。本実施形態では、鉄をタブレットの形で収容しているが、これ以外の形態（例えば、粉末状）で収容してもよい。

図１１は、電源装置の別実施形態を示し、発電ユニット２０と断熱シート３５については、片側にのみ設けた構成例である。また、加熱セル２４は水素発生セル２５の両側に配置しているが、これを片側にのみ配置してもよい。

電源装置の構成を示す模式図 水素発生セルの構成を示す断面図 本発明の燃料電池セルの一例を示す組み立て斜視図 本発明の燃料電池セルの一例を示す縦断面図 燃料電池セルの回路基板への取り付け構造を示す図 燃料電池セルへの燃料ガス供給路を示す図 燃料電池セルへの燃料ガス供給路を示す図（別実施形態１） 燃料電池セルへの燃料ガス供給路を示す図（別実施形態２） 本発明の燃料電池セルのカシメ構造の他の例を示す要部断面図 本発明の燃料電池セルの他の例を示す縦断面図 電源装置の他の構成例を示す模式図 従来の燃料電池の構成を示す斜視図

符号の説明

１ 固体高分子電解質
２ カソード側電極板
３ アノード側電極板
４ カソード側金属板
５ アノード側金属板
１８ 押さえ部材
２０ 発電ユニット
２１ 燃料ユニット
２２ ガス供給チューブ
２３ 回路基板
２４ 加熱セル
２５ 水素発生セル
２５ａ 鉄収容ケース
２５ｂ 水収容ケース
２５ｃ 水供給口
２５ｄ チューブ接続口
２５ｅ 仕切り部材
３０ 純鉄タブレット
３５ 断熱シート
Ｓ 燃料電池セル

Claims (9)

1. 燃料電池セルに供給すべき燃料ガスを発生する平板状の燃料ユニットと、
   この燃料ユニットに設けられ、燃料ガスの発生を促進する機能を有する平板状の加熱体と、
   前記燃料ユニットに積層する形で隣接配置され、平板状の１つ又は複数の燃料電池セルにより構成される発電ユニットとを備えていることを特徴とする電源装置。
2. 加熱体と発電ユニットの間に断熱体が配置されることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
3. 発電ユニットは、燃料ユニットの両側に積層される形態で一対配置されると共に、加熱体も発電ユニットに隣接する形で一対配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載の電源装置。
4. 前記燃料電池セルは、板状の固体高分子電解質と、その固体高分子電解質の両側に配置された一対の電極板と、この電極板の更に外側に配置された一対の金属板とを備え、これら金属板の周縁が絶縁層を間に介在させた状態でカシメにより封止されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の記載の電源装置。
5. 一対の金属板のうち、カソード側金属板には、空気取り込み用の開口部が設けられていることを特徴とする請求項４に記載の電源装置。
6. 前記燃料電池セルの複数を平面的に並べた状態で平板状支持基板に対して取り付けていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電源装置。
7. 前記開口部が外側に配置されるように、前記支持基板に対して取り付けられることを特徴とする請求項６に記載の電源装置。
8. 燃料電池セルを前記支持基板に取り付けるための金属製の押さえ部材を備え、この押さえ部材が、燃料電池セルの電極を支持基板に形成された配線パターンに接続させる機能も備えていることを特徴とする請求項６又は７に記載の電源装置。
9. 前記支持基板には、燃料電池セルの出力電圧を所定の電圧値に昇圧させる昇圧回路と、電圧値を安定化させる定電圧回路とが搭載されることを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載の電源装置。

Images