JP4042101B2 - 燃料電池および燃料電池を用いた電力供給方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はプロトン伝導体膜などを用いた燃料電池および燃料電池を用いた電力供給方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、燃料気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３４を参照しながら説明する。プロトン伝導体膜４０１は水素側電極４０２と酸素側電極４０３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４０２から酸素側電極４０３に向かってプロトン伝導体膜４０１の膜中を移動する。水素側電極４０２とプロトン伝導体膜４０１の間には、触媒層４０２ａが形成され、酸素側電極４０３とプロトン伝導体膜４０１の間には、触媒層４０３ａが形成される。使用時には、水素側電極４０２では導入口４１２から水素ガス（Ｈ_２）が燃料気体として供給され、排出口４１３から水素が排出される。燃料気体である水素ガス（Ｈ_２）が気体流路４１５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４０３に移動する。この移動したプロトンは、導入口４１６から気体流路４１７に供給されて排気口４１８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、Ｈ_２→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１／２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻＝Ｈ_２Ｏの如き反応が起こり水が生成される。プロトン伝導体膜４０１を通って、水素側電極４０２から供給されるプロトンが酸素側電極４０３に移動して、酸素と反応して水を生成する。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４０１とこれを挟む水素側電極４０２と酸素側電極４０３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】
【発明が解決しようとする課題】
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３５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４３１を挟んで、水素側電極４３２と酸素側電極４３３が形成され、それら水素側電極４３２と酸素側電極４３３の外側すなわちプロトン伝導体膜４３１とは反対面に、それぞれ集電体４３４、４３５が密着される。集電体４３４、４３５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４３１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】
ところが、このような密閉構造の燃料電池は複数の電池構造を積層させる場合に有利である反面、水素側のみならず酸素側についてもガスを供給するために、圧縮酸素若しくは圧縮空気がボンベやポンプなどの気体供給手段によって強制送風されることが一般に行われている。たとえば、特開平９−２１３３５９号公報では、パッケージ型の燃料電池装置が記載されているが、その内部には吸気部の内側に送気手段（図２の引用符号７）を設ける構成とされている。従って、通常は、発電体として機能する部分以外にもボンベやポンプなどの気体供給手段の配置に伴うスペースが必要とされ、さらにはこれら気体供給手段を作動させるための付加的な補助機器などを要し、携帯性が損なわれるという問題が発生している。
【０００８】
また、ノート型パソコンや携帯端末などのポータブル電子機器においては、カード形状のメモリカードなどのＰＣカードを側部に形成されたスロットから挿入できるように構成されており、このＰＣカードの挿入によってノート型パソコンなどの機能を容易に拡張し、しかもその携帯性を維持することができる。また、着脱自在なパッケージ内に一体化された燃料電池による電源装置を構成したものが知られており、例えば特開平９−２１３３５９号公報に記載される機器搭載用燃料電池装置は固体高分子膜を用いた構成であり、パソコンなどの電池電源を必要とする機器の電池装置収納部に収納される。このような構造とすることで、複数の燃料電池をパッケージ内で積層させることができ、仮にプロトン伝導体膜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。
【０００９】
しかしながら、このようなパッケージ構造の燃料電池は複数の電池構造を積層させる場合に有利である反面、水素側のみならず酸素側についてもガスを供給するために、圧縮酸素若しくは圧縮空気がボンベやポンプなどの気体供給手段によって強制送風されることが一般に行われている。たとえば、前述の公報では、パッケージ型の燃料電池装置の内部には吸気部の内側に送気手段（図２の引用符号７）を設ける構成とされており、通常は、発電体として機能する部分以外にもボンベやポンプなどの気体供給手段の配置に伴うスペースが必要とされ、さらにはこれら気体供給手段を作動させるための付加的な補助機器などを要し、携帯性が損なわれるという問題が発生する。機能カードは一般にＪＥＩＤＡ／ＰＣＭＣＩＡにより標準化されたサイズというものがあり、３．３ミリや５．０ミリなどの厚みに気体供給手段や補助機器などを実装することは現実には難しくなっている。
【００１０】
さらに、燃料電池の出力（電流値）を高めるためには、プロトン伝導体膜４０１とこれを挟む水素側電極４０２と酸素側電極４０３からなる発電体の寸法を大きくすることが有効である。例えば、プロトン伝導体膜４０１の面積を２倍とした場合では、その出力となる電流値も２倍となる。
【００１１】
しかしながら、プロトン伝導体膜４０１とこれを挟む水素側電極４０２と酸素側電極４０３からなる発電体のサイズを大きくした場合、面状の発電体にそりやうねりなどの形状の不規則な部分が発生しやすくなり、発電体と集電体の間の均一な接触ができないなどの問題が発生する。その結果、サイズの大きな燃料電池では、集電効率すなわち発電体で実際に生じた電力に対して集電板を介して外部に取り付けた電力の割合が悪くなってしまうと言う問題が生ずる。また、発電体と集電体の間の均一な接触を実現するためには、過大な集電体の発電体に対する押し圧が必要となったり、押圧力の分布を制御する必要がある。実際には、理想的な均一な接触を図る場合、構造が著しく複雑化することがあり、重量や大きさの大幅な増加などが必要となり、場合によっては理想とは大きくかけ離れたものしかできないといったことになりかねない。
【００１２】
また、従来、プロトン伝導体膜を水素側電極と酸素側電極で挟んで構成した場合、図３６に示すように、多少プロトン伝導体膜４２１を大きめに形成し、その周囲にシリコンゴムからなるシール材４２４を水素側電極４２２と酸素側電極４２３のそれぞれに取り付けるようにしてプロトン伝導体膜４２１を挟みこむ構造のものが知られている。水素側電極４２２と酸素側電極４２３の周囲を囲むように形成されたシール材４２４は、その一対のシール材４２４の間のプロトン伝導体膜４２１を挟みこむような形で取り付けられることになり、水素ガスと酸素ガス若しくは空気の気体漏れを防止する。水素側電極４２２と酸素側電極４２３のそれぞれは、シール材４２４と共に一対の集電体４２５、４２５に挟まれており、水素と酸素は集電体４２５、４２５に設けられた複数の孔４２６を介して供給される。
【００１３】
このような構造の燃料電池においてはシリコンゴム製のシール材４２４を水素側と酸素側の両方に取り付けており、弾性を有する一対のシール材４２４でプロトン伝導体膜４２１の周囲を挟みこむことから、シール材４２２の形状や材質が均一な場合には、プロトン伝導体膜４２４が弾性体によって挟まれるために所要の気密性を維持することができる。ところが、シリコンゴム製のシール材４２４の一部に厚み誤差や弾性特性のばらつきなどがある場合、プロトン伝導体膜４２１に偏った応力が加わってプロトン伝導体膜４２１の周囲の気密性の維持が困難となってしまう。特に、水素側電極４２２と酸素側電極４２３のそれぞれシール材４２４が合わせて形状誤差が生ずる場合、シール材４２４が挟持するプロトン伝導体膜４２１の部分での気体の漏れが発生する確率が高くなってしまう。
【００１４】
そこで、本発明は上述の技術的な課題に鑑み、限られた空間においても確実な気体の供給を実現し且つ携帯性も損なわない構造の燃料電池およびそのような燃料電池を用いた電力供給方法を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上述の技術的な課題を解決するため、本発明の第１の燃料電池は、開口部が一部に設けられた略平板状の筐体と、該筐体内に配置され燃料側電極と酸素側電極の間に電解質膜を介在させた略平板状の発電体と、前記開口部の前記筐体内側に配設され当該空気流動手段の周囲の空気を流動させる空気流動手段と、該空気流動手段によって筐体の内側に導入された空気を発電体の酸素側電極に沿って案内する空気路とを有し、該空気路が、筐体の内側に酸素側電極面に沿って延長された溝からなることを特徴とする。
また、本発明の第２の燃料電池は、開口部が一部に設けられた略平板状の筐体と、該筐体内に配置され燃料側電極と酸素側電極の間に電解質膜を介在させた略平板状の２枚の発電体と、筐体内側に配設され当該空気流動手段の周囲の空気を流動させる空気流動手段と、該空気流動手段によって筐体の内側に導入された空気を発電体の酸素側電極面に沿って案内する空気路と、発電体の燃料側電極に燃料を案内する燃料路とを有し、２枚の発電体は、それぞれの燃料側電極が燃料路を内側に挟持するように配設され、空気路が酸素側電極の各表面にそれぞれ沿った筐体の内部の溝からなることを特徴とする。
また、本発明の第３の燃料電池は、開口部が一部に設けられた略平板状の筐体と、該筐体内に配置され燃料側電極と酸素側電極の間に電解質膜を介在させた略平板状の２枚の発電体と、筐体内側に配設され当該空気流動手段の周囲の空気を流動させる空気流動手段と、該空気流動手段によって筐体の内側に導入された空気を発電体の酸素側電極面に沿って案内する空気路と、発電体の燃料側電極に燃料を案内する燃料路とを有し、２枚の発電体は、それぞれの燃料側電極が燃料路を内側に挟持するように配設され、発電体が略矩形状の主面を有し、空気流動手段が該矩形状の発電体の対向する端部に沿ってそれぞれ配設され、空気流動手段の一方が酸素側電極の一方に空気を案内し、空気流動手段の他方が酸素側電極の他方の空気を案内し、空気路が筐体の内側で発電体の一対の酸素側電極の各表面に沿った溝からなり、該各溝は対応する空気流動手段の一方と接続されることを特徴とする。
また、本発明の第４の燃料電池は、開口部が一部に設けられた略平板状の筐体と、該筐体内に配置され燃料側電極と酸素側電極の間に電解質膜を介在し酸素側電極の一部は空気取入部とされる略平板状の発電体と、開口部の筐体内側に配設され当該空気流動手段の周囲の空気を流動させる空気流動手段と、該空気流動手段によって筐体の内側に導入された空気を略平板状の発電体の酸素側電極面に沿って案内する空気路とを有し、空気路の一部が酸素側電極の空気取入部に連絡すると共に空気路の他の一部が酸素側電極の空気取入部以外の領域上で延長されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池を用いた電力供給方法は、略平板状の筐体内に配置され燃料側電極と酸素側電極の間に電解質膜を介在させた略平板状の発電体に燃料流体を供給すると共に筐体の一部に形成された開口部から空気流動手段によって筐体の内側に空気を導入し、空気路を用いて筐体の内側に導入された空気を略平板状の発電体の酸素側電極面に沿って案内すると共に、空気路が筐体の内側に酸素側電極面に沿って延長された溝からなることを特徴とする。
【００１８】
略平板状の発電体を用い、この発電体を内蔵する筐体に形成された開口部から空気を導入することで、酸素側電極への空気の供給が可能となる。空気流動手段は当該空気流動手段の周囲の空気を流動させるように作用し、この空気流動手段は前記開口部の前記筐体内側に配設される。またこの空気流動手段は好ましくは発電体と同じ平面内若しくはそれと平行した面内方向に搭載され、さらに好ましくは、当該空気流動手段がその長手方向を前記筐体主面内とするように搭載されることから、大幅なスペースを必要とせずに空気の流動が実現される。
【００４１】
【発明の実施の形態】
［参考形態］
以下、本発明の燃料電池の実施の形態について説明する前に、まず、本発明の燃料電池の参考形態について、図面を参照しながら説明する。
【００４２】
図１は、本発明の燃料電池の参考形態を示す燃料電池カードの分解斜視図であり、燃料電池カード１０は７つの主な板状要素を積層してＰＣカードサイズの機能カードの形状に構成される。この燃料電池カード１０は、上から順に当該燃料電池の上側筐体１４、上側の酸素側集電体１６、中央よりも上側に配される一対の発電体１１、１１、中央に配される燃料気体としての水素を供給する水素供給部１３、中央よりも下側に配される一対の発電体１２、１２、下側の酸素側集電体１７、更に上側筐体１４と対になって当該燃料電池の筐体を構成する下側筐体１５とを主たる構成要素とする。燃料電池カード１０には、燃料電池カード１０と略同じ厚みの板状に形成された水素を供給できる水素吸蔵スティック１８が接続可能であり、水素吸蔵スティック１８の結合側に形成された棒状の突起部２０から水素（H_２）が供給される。
【００４３】
この燃料電池カード１０は、図２に示すように、装置本体であるノート型パソコン２１のカード用スロット２２から挿入して装着することができる。ここでスロット２２は、当該燃料電池カード１０専用の装置本体のハウジングに設けられた穴とすることもできるが、ＪＥＩＤＡ／ＰＣＭＣＩＡにより標準化されたサイズのスロットとすることも可能である。具体的には、ＪＥＩＤＡ／ＰＣＭＣＩＡにより標準化されたサイズは、縦（長辺）が８５．６ｍｍ±０．２ｍｍ、横（短辺）が５４．０ｍｍ±０．１ｍｍと定められている。カードの厚みについては、タイプIとタイプＩＩのそれぞれについて規格化されており、すなわちタイプＩについては、コネクタ部の厚みが３．３±０．１ｍｍであり、基底部の厚さが３．３±０．２ｍｍである。また、タイプＩＩについては、コネクタ部の厚さが３．３±０．１ｍｍであり、基底部の厚さが５．０ｍｍ以下で且つその厚みの標準寸法±０．２ｍｍである。
【００４４】
なお、本参考形態では、スロット２２は、装置本体であるノート型パソコン２１のキーボード側本体の側部に設けられているが、このスロット２２が設けられる部分を図２で破線で示すセレクタブルベイ２３の一部とすることもできる。
【００４５】
図３は燃料電池カード１０を組み立てた状態の斜視図であり、図４は燃料電池カード１０の断面図である。携帯性を配慮して角部が丸みをもって形成される燃料電池カード１０は平板状の上側筐体１４が下側筐体１５に合わせられる構造とされ、図３では図示しない螺子などによって上側筐体１４が下側筐体１５に固着されている。上側筐体１４には酸素を筐体内に導入するための気体流入口として開口部３１が複数形成されている。本例では、開口部３１のそれぞれは略矩形状の貫通穴であり、５行３列の１５個の組が２組横並びに形成されており、上側筐体１４には全部で３０個の開口部３１が臨むことになる。この開口部３１によって酸素側電極が後述するように大気開放されることになり、有効な酸素の取り込みが特別な吸気装置を要せずして実現され、同時に排出される余分な水分の除去も実現される。
【００４６】
開口部３１の形状は、本参考形態では、各集電体のパターンを格子状とすることから、この格子状パターンと同形状とされるが、他の形状にすることも可能であり、個々の開口部の形状を円形、楕円形、ストライプ形状、多角形形状などの各種の形にすることも可能である。開口部３１の個数と並べ方は、いろいろな場合が可能であり、例えば6行5列の３０個の組が２組横並びに形成されていても良く、上側筐体１４には全部で６０個の開口部３１が並んでいても良い。また、開口部３１は、本例では板状の上側筐体１４を切り欠いて形成されているが、酸素側電極の大気開放状態を損なわない範囲でゴミやチリなどの侵入や付着を防止するために該開口部３１に網や不織布などを設けるようにすることも可能である。下側筐体１５には、図４に示すように上側筐体１４の開口部３１に対向して開口部４１が形成されているが、形状や網や不織布を設けることができる点については同様である。
【００４７】
前述の水素を供給できる水素吸蔵スティック１８は、図１４にも示すように、下側筐体１５の連結側側面に形成された嵌合孔３３に当該水素吸蔵スティック１８の連結側側面に形成されたピン１９が嵌合して、燃料電池カード１０に連結される。この時、水素吸蔵スティック１８の水素供給口である突起部２０が、下側筐体１５の連結側側面に形成された矩形の嵌合孔３２に挿入され、筐体内で嵌合孔３２の位置まで延在された図示しない水素配管部の端部に結合する。水素吸蔵スティック１８は燃料電池カード１０に対して着脱自在であり、例えば、水素吸蔵スティック１８内に貯蔵されていた水素の残りが少なくなった場合では、当該水素吸蔵スティック１８を燃料電池カード１０から外して、水素を十分に貯蔵してなる他の水素吸蔵スティック１８に交換したり、外した水素吸蔵スティック１８に水素を注入したりして、再び使用するようにすることも可能である。なお、本例では嵌合孔３３に水素吸蔵スティック１８のピン１９が嵌合することで水素吸蔵スティック１８が燃料電池カード１０に装着されるが、他の連結要素を用いることも可能であり、例えばキー溝に挿入する構造や、付勢バネに抗してスライドする係止部材や磁石などを用いる構造などを用いても良い。
【００４８】
次に、燃料電池カード１０の各構成部品について順に説明する。図５は下側筐体１５と下側に配置される酸素側集電体１７、及び絶縁フィルム５０を示す斜視図である。下側筐体１５は、ステンレス鋼や鉄、アルミニウム、或いはチタン、マグネシウムなどの金属材料や、エポキシ、ＡＢＳ、ポリスチレン、ＰＥＴ、ポリカーボネートの如き耐熱性や耐薬品性に優れた樹脂材料などを使用することができ、或いは繊維強化樹脂のような複合材料を用いても良い。この下側筐体１５の平板部には、前述の開口部３１と同様に、矩形状の切り欠きである開口部４１が５行３列の組を２組構成するように形成されている。
【００４９】
下側筐体１５は概ね３つの収納部に区分けされており、その２つは一対の発電体１１、１２を収納するための収納部であり、もう１つは水素配管部を収納するための収納部４６である。これらの収納部は底面から立ち上がるように形成された突条部４２と当該下側筐体の周端部で立ち上がる側壁部によって区切られるようになっている。突条部４２及び側壁部の上端は直接上側筐体１４の裏面に当接するため、略平坦な面を形成しており、複数の螺子孔４４が設けられている。突条部４２はその形状から全体として、後述する上側の酸素側集電体１６、一対の発電体１１、１２、水素を供給する水素供給部１３、下側の酸素側集電体１７に対する位置決め部材として用いられる。
【００５０】
前述のように、下側筐体１５の水素吸蔵スティック１８との結合側の側面４３には、一対の嵌合孔３３、３３が形成されており、水素配管部の端部に結合するための嵌合孔３２の側面部及び底面部も形成されている。この下側筐体１５の水素吸蔵スティック１８との結合側とは反対の側壁には、一対の電極取り出し溝４８、４９が形成されており、電極取り出し溝４８に酸素側電極に接続する酸素側集電体１６、１７からの電極取り出し片６４、１１４が突出し、電極取り出し溝４９に水素側電極に接続する水素側集電体８１、８２からの電極取り出し片９４、９４が突出する。水素配管部を収納するための収納部４６と一対の発電体１１、１２を収納するための収納部の間の突条部４２には、一対の発電体１１、１２の間に挟まれる水素供給部１３に水素配管部から水素ガスを供給するための連通溝４５、４５が形成されている。また、水平方向で並ぶ一対の収納部の間の突条部４２には、連絡溝４７が形成されており、この連絡溝４７に集電体１６、１７の各結合部１１２、６２が収納できる。
【００５１】
この下側筐体１５と下側酸素側集電体１７の間には、絶縁フィルム５０が配される。この絶縁フィルム５０は例えばポリカーボネート製であり、その膜厚は０．３ｍｍ程度とされる。一対の格子状領域が、前述の５行３列の組を２組構成する開口部４１のパターンを反映するように同じ垂直方向の位置で５行３列の組を２組構成する開口部５１を有して形成されており、略中央部には連絡溝４７に嵌めこまれる結合部５２が設けられる。
【００５２】
下側酸素側集電体１７は、例えば金メッキされた金属板から構成され、後述する発電体１２の酸素側電極に当接すると共に当該下側酸素側集電体１７に形成された５行３列の組を２組構成する開口部６１を介して酸素を供給する。ここで、各開口部６１は当該集電体の気体透過部として機能し、開口部６１自体は大きく開口しており、且つ絶縁フィルム５０の開口部５１及び下側筐体１５の開口部４１とも同じ垂直方向の位置で５行３列の組を２組構成する構造とされることから、発電体１２の酸素側電極を大気開放状態にさせることができ、圧力の低下すなわち空気中の酸素分圧を下げることなく発電体１２に酸素を供給できる。また、同時に発電体１２からは起電力の生成時に水分が生ずるが、開口部６１自体は大きく開口しており、大気開放状態となることから、電極表面に生成された水分も良好に除去することが可能である。下側酸素側集電体１７には、電極取り出し溝４８から突出する電極取り出し片６４が、当該燃料電池カード１０の長手方向に延長した矩形状の片として電極取り出し溝４８の位置に合わせて形成されており、更に、位置決め兼保持用の突出部６３も水素配管部の奥側のデッドスペースを有効に利用して形成されている。ここで電力取り出し片及び突出部６３、６４、９３、９４、１１３、１１４は全て必要というものではなく、例えば突出部９３−２と突出部１１３を電気的に結合させ、電力取り出し片６４、９４を外部出力端子とした場合は、他の電力取り出し片は不要にできる。なお、酸素側集電体１７としては、カーボン材料などの導電性プラスチックなどを用いても良く、支持体に金属膜など形成した構造などでも良い。
【００５３】
次に、図６、図１２、図１３を参照して、発電体１１、１２の構造について説明する。発電体１１、１２は共通の構造を有しており、異なる点については、筐体内で上側に配される方が発電体１１であり、筐体内で下側に配される方が発電体１２であり、さらに発電体１１、１２の水素側電極７３が筐体の中心側を向き、発電体１１、１２の酸素側電極７１が筐体の外側を向くようになるように実装される点であり、換言すれば、発電体１１、１２は同じ構造ながら取り付けの表裏の向きが異なっている。
【００５４】
固体高分子膜であるプロトン伝導体膜７２が正方形に近い略矩形状の形状で設けられており、発電中は当該プロトン伝導体膜７２の膜中を解離したプロトンが移動する。このプロトン伝導体膜７２を挟んで一方に酸素側電極７１が密着して形成され、他方に水素側電極７３が密着して形成される。酸素側電極７１はプロトン伝導体膜７２と実質的に同サイズの正方形に近い略矩形状の形状であるが、水素側電極７３はこれら酸素側電極７１及びプロトン伝導体膜７２よりは小さなサイズの正方形に近い略矩形状の形状とされる。このため水素側電極７３をプロトン伝導体膜７２上に貼り合わせた状態では、プロトン伝導体膜７２の周囲が約２ｍｍ程度の幅で露出した状態になる。図１２に示すように、本参考形態では、この水素側電極７３をプロトン伝導体膜７２上に貼り合わせた状態で露出するプロトン伝導体膜７２の周囲に、特にガスケット材であるシール材７４が密着するように取り付けられる。このシール材７４は例えばシリコンゴムなどの弾力性と気密性を供えた材料が用いられ、このシール材７４の内側に形成された大きな孔７５がプロトン伝導体膜７２よりは小さなサイズの水素側電極７３に外側から嵌合する。酸素側電極７１の側は、基本的に大きな開口部により大気開放されているので、ガスのシールが不要化可能であることから、このようなガスケット材が不要となり、これによって部品点数の削減や組み立て工数の低減を実現させることができる。ガスケット材として形成されるシール材７４は、水素側電極７３と実質的に同じ厚みで形成されるか、若しくは水素側電極７３よりも厚みが厚くされる。例えば、水素側電極７３の厚みが０．２ｍｍである場合に、シール材７４の厚みを０．３ｍｍとすることもでき、シール材７４は弾性材料であるために、集電体が押し付けられた場合には０．１ｍｍ程度の厚み方向の収縮が生じて均一な集電体とシール材７４及びその内側の水素側電極７３の接触が実現され、この均一な接触から電気的な特性も向上する。また、酸素側電極７１の側にはシール材が存在しないため、プロトン伝導体膜７２の端部は、従来の構造のように両面にシール材を形成するものに比べた場合では、シール材のばらつきの影響を受けずにその剛性度が確実に高くなり、気密特性を大幅に改善することができる。また、プロトン伝導体膜７２よりは小さなサイズに形成される水素側電極７３のシール材７４との当接面は、垂直な面とすることも可能であるが、逆テーパー形状とすることもでき、その場合にはシール材７４の孔７５の面を順テーパー形状とすることで、シール材７４のプロトン伝導体膜７２上に対する密着性を向上させることができる。
【００５５】
このような発電体１１、１２は、当該燃料電池カード１０内では、合計４個設けられており、筐体内では水平に２つずつ並べられており、これらは共通の集電体１６、１７等で電力が取り出されることから、２個の電池の並列回路が２つ存在する回路と等価であり、後述する２つの水素側集電体と酸素側集電体１６，１７をそれぞれ短絡させて使用することで、４つの発電体１１、１２の並列構造からなる出力を得ることができる。さらには前述の下側筐体１５の連絡溝４７の空間で２つの水素側集電体と酸素側集電体１６，１７からなる集電体間の接続をそれぞれ一旦切断し、上側の発電体１１の集電体と下側の発電体１２の接続をワイヤボンディングや配線用の小片などによって水素側集電体と酸素側集電体の間を電気的に接続させるようにすることで、４つの発電体１１、１２の直列接続も可能である。
【００５６】
次に、図７、図９、図１０、図１１を参照しながら水素供給部１３の構造について説明する。この水素供給部１３は燃料電池カード１０の垂直方向における中心に位置する部材であり、燃料気体である水素を発電体１１、１２の間のスペースに送り込むと共に集電体によって電力取り出しを行う機能を有している。この水素供給部１３は、一対の水素側集電体８２、８１と、その間に挟持されて発電体に連通する気体流路を形成する絶縁膜８３、８４と、燃料気体である水素を集電体８２、８１を介して発電体１１、１２に送り込むための水素配管部９１とからなる構造を有している。
【００５７】
水素側集電体８１は下側に配される発電体１２の表面に形成される水素側電極７３に面接触する部材であり、該発電体１２との接触面が水素ガスを透過させる。この水素側集電体８１は例えば金メッキされた金属板から構成され、図７中の裏面側で発電体１２の水素側電極７３に当接する。水素側集電体８１は５行３列の組を２組構成する開口部８７を介して水素を供給する。この発電体１２との接触面に位置する開口部８７によって水素ガスを面状の発電体１２の広い範囲にわたって送ることができる。この水素側集電体８１も略中央部には連絡溝４７に嵌めこまれる結合部９７が設けられる。
【００５８】
水素側集電体８２は上側に配される発電体１１の裏面に形成される水素側電極７３に面接触する部材であり、該発電体１１との接触面が水素ガスを透過させる。この水素側集電体８２も水素側集電体８１と同様に例えば金メッキされた金属板から構成され、図７中の表面側で発電体１１の水素側電極７３に当接する。水素側集電体８２は５行３列の組を２組構成する開口部８８を介して水素を供給する。この発電体１１との接触面に位置する開口部８８によって水素ガスを面状の発電体１１の広い範囲にわたって送ることができ、略中央部には連絡溝４７に嵌めこまれる結合部９７が設けられる。
【００５９】
このような水素側集電体８１、８２は面同士が対向するように配置され、その間のスペーサとして絶縁膜８３、８４が水素側集電体８１、８２の間に挟持されるように設けられている。一対の絶縁膜８３、８４は、例えばポリカーボネートなどの樹脂フィルムを型抜き加工したもので構成される。絶縁膜８３、８４は、それぞれ略コ字状の形状で、向かい合った中央部にほぼ５行３列の組を２組構成する開口部８７、８８の領域にわたるように略矩形状のスペースからなる気体流路を構成する。絶縁膜８３、８４の水素配管部９１側には、該水素配管部９１の中空部に連通する水素導入口８６が形成され、絶縁膜８３、８４の反対側の端部にはリーク孔８５が形成される。リーク孔８５は開閉自由な弁としても良く、またあえて形成しなくとも良い。これら絶縁膜８３、８４によって形成されるスペースは面同士が対向する水素側集電体８１、８２の間のスペースであり、これら絶縁膜８３、８４で高さ方向の厚みが決定される。
【００６０】
水素配管部９１は燃料電池カード１０の長手方向に沿って延長される断面矩形状の配管部材であり、水素吸蔵スティック１８が接続する側の端部には該水素吸蔵スティック１８の突起部２０が嵌合される嵌合孔９６が形成されている。水素配管部９１は水素を通過させるために中空とされている。この水素配管部９１内の一部に水素貯蔵合金などを配しても良い。水素配管部９１と水素側集電体８１、８２の接続点は水素配管部９１の側面に形成された横長な挿入口９２に突設片８９、９０の先端部が挿入されることで形成される。挿入口９２は2箇所に設けられており、水素側集電体８１、８２の側端部が面内方向に突設された突設片８９、９０を安定して水平に支持する。水素側集電体８１、８２には、電極取り出し溝４９から突出する電極取り出し片９４が、当該燃料電池カード１０の長手方向に延長した矩形状の片として電極取り出し溝４９の位置に合わせて形成されており、更に、位置決め兼保持用の突出部９３も水素配管部の奥側のデッドスペースを有効に利用して形成されている。また、燃料の流し方は、２個の供給口９２から各発電体毎に供給しても良く、また、一方の供給口９２から１本の流路で各発電体を通過するように形成しても良い。
【００６１】
図８は上側筐体１４と、その下側に配置される上側酸素側集電体１６、及び絶縁フィルム１００を示す斜視図である。上側筐体１４は、下側筐体１５と同様に、ステンレス鋼や鉄、アルミニウム、或いはチタン、マグネシウムなどの金属材料や、エポキシ、ＡＢＳ、ポリスチレン、ＰＥＴ、ポリカーボネートの如き耐熱性や耐薬品性に優れた樹脂材料などを使用することができ、或いは繊維強化樹脂のような複合材料を用いても良い。この上側筐体１４は矩形状の切り欠きである開口部３１が５行３列の組を２組構成するように形成されている。
【００６２】
この上側筐体１４と上側酸素側集電体１６の間には、絶縁フィルム１００が配される。この絶縁フィルム１００は例えばポリカーボネート製であり、その膜厚は０．３ｍｍ程度とされる。一対の格子状領域が、前述の５行３列の組を２組構成する開口部３１のパターンを反映するように同じ垂直方向の位置で５行３列の組を２組構成する開口部１０１を有して形成されており、略中央部には連絡溝４７に嵌めこまれる結合部１０２が設けられる。
【００６３】
上側酸素側集電体１６は、例えば金メッキされた金属板から構成され、上側の発電体１１の酸素側電極７１に当接すると共に当該上側酸素側集電体１６に形成された５行３列の組を２組構成する開口部１１１を介して酸素を供給する。ここで、各開口部１１１は当該集電体の気体透過部として機能し、開口部１１１自体は大きく開口しており、且つ絶縁フィルム１００の開口部１０１及び上側筐体１４の開口部３１とも同じ垂直方向の位置で５行３列の組を２組構成する構造とされることから、発電体１１の酸素側電極７１を大気開放状態にさせることができ、圧力の低下すなわち空気中の酸素分圧を下げることなく発電体１１に酸素を供給できる。また、同時に発電体１１からは起電力の生成時に水分が生ずるが、開口部１１１自体は大きく開口しており、大気開放状態となることから、電極表面に生成された水分も良好に除去することが可能である。上側酸素側集電体１６には、電極取り出し溝４８から突出する電極取り出し片１１４が、当該燃料電池カード１０の長手方向に延長した矩形状の片として電極取り出し溝４８の位置に合わせて形成されており、更に、位置決め兼保持用の突出部１１３も水素配管部の奥側のデッドスペースを有効に利用して形成されている。なお、酸素側集電体１６としては、カーボン材料などの導電性プラスチックなどを用いても良く、支持体に金属膜など形成した構造などでも良い。
【００６４】
このような構造の本参考形態の燃料電池カード１０は、水素側集電体８１、８２は面同士が対向するように配置されることから、発電体１１、１２を共通のガス供給部に対して積層させて、発電に寄与する面積を大きくとることができる。水素側集電体８１、８２の間のスペーサとして絶縁膜８３、８４が水素側集電体８１、８２の間に挟持されるように設けられていることから、燃料気体である水素を確実に面状発電体１１、１２に送り込むことができ、特に絶縁膜８３、８４をポリカーボネートのような合成樹脂膜などによって形成した場合では、一対の面状発電体１１、１２を均一な接触のために圧着させた際の弾性部材としても機能でき、発電体と集電体の均一な圧着を助けることになる。
【００６５】
また、本参考形態の燃料電池カード１０では、このシール材７４の内側に形成された大きな孔７５がプロトン伝導体膜７２よりは小さなサイズの水素側電極７３に外側から嵌合する。このため酸素側電極７１の側は、基本的に大きな開口部により大気開放されているので、ガスのシールが不要なため、部品点数の削減や組み立て工数の低減を実現させる。また、シール材７４は弾性材料であるために、集電体が押し付けられた場合には厚み方向の収縮が生じて均一な集電体とシール材７４及びその内側の水素側電極７３の接触が実現され、この均一な接触から電気的な特性も向上する。また、酸素側電極７１の側にはシール材が存在しないため、シール材のばらつきの影響を受けずにその剛性度が確実に高くなり、気密特性を大幅に改善することができる。
【００６６】
更に、本参考形態の燃料電池カード１０によれば、発電体１１、１２の酸素側電極を大気開放状態にさせることができ、圧力の低下すなわち空気中の酸素分圧を下げることなく発電体１１、１２に酸素を供給できる。また、同時に発電体１１、１２からは起電力の生成時に水分が生ずるが、開口部自体は大きく開口しており、大気開放状態となることから、電極表面に生成された水分も良好に除去することが可能である。
【００６７】
また、本参考形態の燃料電池カード１０は、図２に示したように、装置本体であるノート型パソコン２１のカード用スロット２２から挿入して装着することができる。特に、標準化されたＰＣカードと同じサイズにすることで、携帯用機器の使用時間を長くさせることも可能である。ＰＣカードの筐体の内部には、複数の発電体１１、１２が配設される構造とされるが、酸素側電極７１を大気開放していることから、酸素は酸素側電極７１に十分な圧力で供給され、ボンベやポンプなどの気体供給手段を設置する必要がない。このため燃料電池内の省スペース化が可能であり、余分な補助装置なども不要となる。
【００６８】
図１５乃至図１７は本参考形態の燃料電池カードの変形例であり、図１５の燃料電池カードは、燃料電池カード１５１の部分がＪＥＩＤＡ／ＰＣＭＣＩＡにより標準化されたタイプＩのサイズ（厚み３．３ｍｍ）を有している。この燃料電池カード１５１の内部構造については、前述の燃料電池カード１０と同様である。燃料電池カード１５１は、板状部材１５３と矩形部材１５２の組み合わせからなるカード型水素貯蔵部に接続可能とされ、且つその接続時には燃料電池カード１５１とカード型水素貯蔵部を構成する板状部材１５３を加えた厚みがＪＥＩＤＡ／ＰＣＭＣＩＡにより標準化されたタイプＩＩの厚み（約５ｍｍ以下）とされる。このような構成とすることで、多くの種類のノート型パソコンに当該燃料電池カード１５１を装着することができ、カード型水素貯蔵部は板状部材１５３と矩形部材１５２の容積を合わせた分を水素ガス用として確保することができ、長時間の使用にも耐えうることになる。
【００６９】
図１６は同様なPCカードタイプの燃料電池カードのシステムであり、燃料電池カード１６１に厚いサイズの水素貯蔵部１６２が接続されるように構成されたものである。この燃料電池カード１６１の内部構造については、前述の燃料電池カード１０と同様であり、水素貯蔵部１６２は該燃料電池カード１６１に対して着脱自在とされる。水素貯蔵部１６２は前述の参考形態の水素吸蔵スティック１８よりは厚い厚みを有し、より長時間の使用にも耐えうることになる。
【００７０】
図１７はリムーバブルディスクなどの筐体と同じサイズで、燃料電池１７１を構成したものであり、燃料電池１７１の一端側に設けられたスロット１７３に水素吸蔵スティック１７２を挿入して水素を供給できるものである。この燃料電池１７１の一部には、当該燃料電池の起電力を出力するための出力端１７４が形成され、この出力端１７４から延長された電源プラグ１７５をパソコンなどの機器本体に接続することで、燃料電池１７１を利用した作動が実現される。
【００７１】
図１８は絶縁膜の形状を例示した図面である。図１８の（ａ）は、前述の参考形態に説明した絶縁膜８３、８４と同じ形状であり、絶縁性のポリカーボネートフィルムの如き絶縁膜１８０を用い、略矩形状に広がった燃料流路１８１を構成したものである。図１８の（ｂ）は、絶縁膜１８２は（ａ）の絶縁膜１８０と異なり燃料流入口に対して垂直な方向に突出した突出部１８４を左右２箇所ずつ形成した構成を有しており、これら突出部１８４でも対向する水素側電極を支えることができ、燃料流路１８３を確保すると共に対向する一対の面状水素側電極の間の絶縁が問題となる場合に好適である。図１８の（ｃ）は、絶縁膜１８５は（ｂ）の絶縁膜１８２と異なり燃料流入口に対して平行な方向に突出した突出部１８７を左右２箇所ずつ形成した構成を有しており、これら突出部１８７でも対向する水素側電極を支えることができ、燃料流路１８６を確保すると共に対向する一対の面状水素側電極の間の絶縁が問題となる場合に好適である。
【００７２】
図１８の（ｄ）は矩形端部に沿って帯状に延長される絶縁膜１８８の略中央部分に円形状の絶縁部１９０が形成され、燃料流入口から流入した水素ガスやメタノールなどの燃料が円形状の絶縁部１９０に沿って燃料流路１８９内を拡散し、起電力を高めることが可能である。また、図１８の（e）は円形の絶縁部１９３を複数、本例では５個、形成した例であり、矩形端部に沿って帯状に延長される絶縁膜１９１に囲まれた燃料流路１９２内を好適に水素ガスやメタノールなどの燃料が拡散できることになる。
【００７３】
図１９は絶縁膜の構成の例を示す図である。図１９の（ａ）は、前述の実施形態に説明した絶縁膜８３、８４と同じ形状であり、絶縁性のポリカーボネートフィルムの如き絶縁膜１９５を用い、略矩形状に広がった燃料流路の流入口１９５eと排出孔１９５ｆを有する構成となっている。この排出孔１９５ｆから、余分な燃料を排出することも可能である。図１９の（ｂ）は、このようなリーク孔を有しない構成であり、矩形端部に沿って帯状に延長される絶縁膜１９６は燃料流路の流入口１９６eだけが燃料流路に接続する流通路となっている。図１９の（ｃ）は、絶縁性のポリカーボネートフィルムの如き絶縁膜１９７を矩形端部に沿って帯状に延在させ、略矩形状に広がった燃料流路の流入口１９７eと排出孔１９７ｆを有する構成となっており、更に排出孔１９７ｆの出口には弁１９８が形成されている。この弁１９８は内部の水素などの燃料の圧力が高くなり過ぎた場合に、開いて内部圧を下げるように動作でき、燃料の圧力が適正な範囲においては弁１９８が閉じて燃料の無駄な漏れを防止できる。
【００７４】
[第１の実施の形態]
次に、本発明の燃料電池の第１の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。本実施の形態は、図２０乃至図２７に示すように、略平板形状のカード型燃料電池の他の例であり、特に、空気流動手段としてモーターによって駆動されるファンをカード型燃料電池の側部に有し、酸素側燃料としてファンから送られる空気を発電体の表面に案内する空気路として筐体の内側に複数の溝を形成した例である。
【００７５】
図２１に示すように、当該カード型燃料電池の筐体は、所要の剛性、耐熱性、及び耐酸性を有した合成樹脂材料を成型したものであり、上側筐体２１１と、下側筐体２１２を重ね合わせてカード型の略平板状の筐体を構成する。ここで、カード型燃料電池の筐体は、一例として、ＰＣカードとして標準化されたサイズとすることが可能であり、具体的には、ＪＥＩＤＡ／ＰＣＭＣＩＡにより標準化されたサイズを適用できる。この標準化されたサイズは、縦（長辺）が８５．６ｍｍ±０．２ｍｍ、横（短辺）が５４．０ｍｍ±０．１ｍｍと定められている。また、カードの厚みについては、タイプIとタイプＩＩのそれぞれについて規格化されており、すなわちタイプＩについては、コネクタ部の厚みが３．３±０．１ｍｍであり、基底部の厚さが３．３±０．２ｍｍである。また、タイプＩＩについては、コネクタ部の厚さが３．３±０．１ｍｍであり、基底部の厚さが５．０ｍｍ以下で且つその厚みの標準寸法±０．２ｍｍである。本実施の形態では、上側筐体２１１と下側筐体２１２を重ねて電池本体の筐体を構成するが、その電池本体のサイズをＪＥＩＤＡ／ＰＣＭＣＩＡにより標準化されたサイズとすることもでき、後述するような水素貯蔵カートリッジ２０２と合体した際に、ＪＥＩＤＡ／ＰＣＭＣＩＡにより標準化されたサイズとなるように構成することも可能である。また、アダプターなどを組み合わせて電池本体のサイズをＪＥＩＤＡ／ＰＣＭＣＩＡにより標準化されたサイズとすることも可能である。
【００７６】
上側筐体２１１には、矩形状の長辺部に近い側に沿って２列の開口部２２２、２２３が設けられている。開口部２２２、２２３は上側筐体２１１の肉厚を貫通する透孔であって空気の筐体内部への取り入れ口と排出口となる。本実施形態においては、開口部２２２、２２３の形状は円形であるが、これに限らず楕円形、矩形や多角形状などであっても良い。上側筐体２１１の表面には、使用者が手で扱う場合の滑り止めとして機能する複数の溝２２４が形成されている。
【００７７】
上側筐体２１１の内側面には図２４に示す複数の並行する溝２４１が形成されており、略矩形状の長辺方向に沿って配設されるファン２３３の位置から、他端側のファン２３１の位置近傍まで略直線状に延長されている。なお、ファン２３３及びファン２３１は空気流動手段を構成し、複数の並行する溝は空気路を構成する。個々の溝は略コ字状の断面を有しているが、上側筐体２１１ではファン２３３を囲んで形成されるファン空間部２３７に連続する。ファン空間部２３７は略矩形状の長辺方向に沿って配設される様に延長されており、ファン空間部２３７の外郭が略円筒状のファン２３３、２３１を所定の空隙を以って包むように構成される。上側筐体２１１においては、当該上側筐体２１１に形成された外側の開口部２２２の直下にファン空間部２３７が位置し、開口部２２２から導入された空気がファン２３１によって筐体内の溝内を流動するように制御される。本実施の形態においては、開口部２２２から導入された空気はファン２３１によって下側筐体２１２に形成された溝２３８に空気が案内される。上側筐体２１１に設けられた溝の内部を通過する空気はファン２３３から導入されたものであり、その開口部２３９は下側筐体２１２の長辺側端部寄りに形成される。
【００７８】
下側筐体２１２は、上側筐体２１１と対となってカード状のハウジングを形成する部材である。上側筐体２１１と同様、図２１に示すように、複数の並行する溝２３８が形成されており、略矩形状の長辺方向に沿って配設されるファン２３１のファン空間部２３７の位置から、他端側のファン２３３のファン空間部２３７の位置近傍まで略直線状に延長されている。個々の溝２３８は略コ字状の断面を有しているが、下側筐体２１２ではファン２３１を囲んで形成されるファン空間部２３７に連続する。各溝２３８は反対側のファン２３３の近傍で終端し、各溝２３８の終端部に設けられた開口部２４０によって筐体外側に連続する。下側筐体２１２においては、当該下側筐体２１２に形成された外側の開口部２３９の直上にファン空間部２３７が位置し、開口部２３９から導入された空気がファン２３３によって上側筐体２１１の内側の溝２４１内を流動するように制御される。
【００７９】
上述の上側筐体２１１と下側筐体２１２には、当該筐体の側面に垂直な方向に延長されるように夫々溝が形成されるが、各溝が形成された各筐体の内側には、それぞれ発電体２５１、２５２が当接して配設される。本実施形態では、一対の発電体２５１、２５２がそれぞれ水素側電極を他の発電体側に配置するように、即ち一対若しくは１つの水素側電極を挟むように表側と裏側の両側に構成される。水素側電極を中心に配置することで、一対の発電体２５１、２５２にはその中心部の水素側電極に水素系燃料、メタノール系燃料、ボロハイドライド系燃料などの気体若しくは液体の状態の燃料が供給される。また、水素側電極を中心に配置することで、酸素側電極が重ねられた一対の発電体２５１、２５２の表面と裏面の両面に位置することになり、略平板状の一対の発電体２５１、２５２の周囲を酸素側電極で挟んで有効面積を大きく稼ぐことができる。
【００８０】
ここで一対の発電体２５１、２５２について説明すると、電解質膜としてのプロトン伝導膜を挟むように、一方の側に水素側電極が形成され、他方の側に酸素側電極が形成される。水素側電極には外部から水素ガスなどの燃料流体が供給され、該燃料流体が電極内の細かい孔を通って反応領域に達し、この電極内に存在する触媒に吸着されて活発な水素原子となる。この水素原子は水素イオンとなり、対極である酸素側電極に移動するともに、イオン化の際に生ずる電子を水素側電極に送り、これら電子が起電力となって外部に接続された回路を通って酸素側電極に達する。
【００８１】
酸素側電極や水素側電極は、金属板や、多孔質性の金属材料、或いは炭素材料などの導電性材料からなり、これら酸素側電極や水素側電極には集電体が接続される。集電体は、電極で発生する起電力を取り出すための電極材であり、金属材料や炭素材料、導電性を有する不織布などを用いて構成される。このような電解質膜を酸素側電極及び水素側電極で挟んだ構造の発電体２５１、２５２はＭＥＡ（電解質膜／電極複合体：Membrane and Electrode Assembly）と呼ばれており、特に本実施の形態では、２枚の発電体２５１、２５２が水素側電極を内側にするように重ねられ、その結果として重ねられた２枚の発電体２５１、２５２の表面側と裏面側の酸素側電極が位置することになる。本実施の形態においては、発電体２５１、２５２はそれぞれカード状の筐体２１１、２１２の長辺方向に沿って長手方向となる略矩形平板状であり、発電体２５１、２５２の短辺はカード状の筐体２１１、２１２の略半分から空気流動手段であるファン２３１、２３３とその周囲の部材の分だけ差し引いたサイズとされている。従って、本実施の形態の燃料電池では、4枚の発電体２５１、２５２のうちの2枚が重ねられた構造のものが並べられた構造とされ、4枚分の発電体２５１、２５２を直列することで高い起電力を得ることもでき、また接続パターンを変えて4枚分の発電体２５１、２５２を並列接続させて電池としての稼動時間を長くすることも可能である。
【００８２】
なお、本実施の形態の燃料電池では、それぞれの形状がカード状の筐体の短辺側を分割するような構造としたが、長辺側を分割するような形状で発電体を積層して配置することも可能であり、4枚で構成する場合に限らず、６枚や8枚、或いはそれ以上の枚数の発電体を組み合わせても良い。また、それぞれの発電体の形状が同じであれば、製造上同一の発電体を実装すれば良いことになるが、これに限定されず異なる形状の発電体を組み合わせても良い。例えば、大きなサイズの発電体と小さなサイズの発電体を同一面内に配設するように構成しても良く、或いは厚い厚みの発電体と薄い厚みの発電体を同一面内に配設するように構成しても良い。また、容量や効率などの点で性能が異なる様な発電体の種類が異なるものを組み合わせて筐体内に実装しても良い。更に、本実施の形態において、各発電体２５１、２５２は所要の剛性を以って筐体内に配設されるが、各発電体は可とう性を有していても良く、その場合には筐体も可とう性を有する材料で構成することができる。また、発電体自体が所要のカートリッジタイプで置換可能とできるような構造であっても良い。また、発電体の位置を移動させ、例えば筐体内で発電体をスライドさせて位置をずらし、発電体間の接続形態を変えるようにしても良い。
【００８３】
次に、空気流動手段としてのファン２３１、２３３について説明する。本実施の形態では、ファン２３１、２３３はその中心に位置する円柱形状の回転軸２６０の周囲に、放射状に円周上一定間隔を空けて８枚の羽根部２６１が取り付けられている。各羽根部２６１は当該ファン２３１、２３３の回転軸２６０の軸方向を長手方向とする矩形状であり、当該羽根部２６１の端部は上側筐体２１１及び下側筐体２１２を切り欠いて形成されたファン空間部２３７の内壁と僅かなクリアランスを以って離間する。図２１において、ファン２３１は手前側に、筐体２１１、２１２の長辺に沿って且つ筐体２１１、２１２の側部近傍に配設され、逆にファン２３３は奥側に、筐体２１１、２１２の長辺に沿って且つ筐体２１１、２１２の側部近傍に配設される。このようなファン２３１、２３３の配置とすることで、発電体の各電極の面積を大きくとることが可能となる。ファン２３１、２３３はそれぞれ筐体２１１、２１２の長辺に沿って一対設けられ、合計４個のファン２３１、２３３がそれぞれ独立したモーター２３５、２３６に駆動される。片側で一対のファン２３１は同軸となるように配設され、ファン２３１の回転軸２６０の軸受け２３２は一対のファン２３１で共用とされる。モーター２３５、２３６は、直流駆動の微小モーターであり、ファン２３１、２３３と略同径とされ、特に円筒形状の切欠きであるファン空間部２３７の端部が支持部となってモーター２３５、２３６を固定する。モーター２３５、２３６には、図示しない配線からの電流が供給されるが、当該燃料電池で発生した起電力の一部をモーター２３５、２３６の回転力に当てることができる。モーター２３５、２３６の駆動回路は、同じ筐体２１１、２１２の内部に配置される配線基板２７１に実装される例えば集積回路などの電子部品２７２によって構成される。
【００８４】
このような構成のファン２３１、２３３は、モーター２３５、２３６に対して電源を供給することで回転する。このモーター２３５、２３６に供給される電力としては、当該燃料電池で発生する即ち発電体２５１、２５２が発生させた起電力を用いることができる。ファン２３１、２３３が軸周りに回転すると、羽根部２６１の周りのファン空間部２３７内の空気は流動し、その回転方向に従って押し出される。前述のように、ファン２３１側のファン空間部２３７は下側筐体２１２の内側に形成された複数の溝２３８に連続していることから、ファン２３１の回転につれてファン空間部２３７内の空気は下側筐体２１２の溝２３８に押し出される。また、ファン２３３側のファン空間部２３７は上側筐体２１１の内側に形成された複数の溝に連続していることから、ファン２３３の回転につれてファン空間部２３７内の空気は上側筐体２１１の溝２４１に押し出されることになる。このようなファン空間部２３７内の空気の溝への押し出し動作と同時に、ファン空間部２３７では吸気動作が生ずることになり、ファン２３１側のファン空間部２３７は上側筐体２１１に形成された開口部２２２から空気を取り入れ、ファン２３３側のファン空間部２３７は下側筐体２１２に形成された開口部２３９から空気を取り入れる。
【００８５】
上側筐体２１１と下側筐体２１２には、当該筐体の側面に垂直な方向に延長されるように夫々溝２４１、２３８が形成されており、これらの溝２４１、２３８にはファン２３３、２３１から空気が送りこまれる。溝２４１は、その断面の三方を上側筐体２１１に囲まれているが、下面では上側の発電体２５１の表面が直接溝２４１内に露出し、当該溝２４１の内部はファン２３３の駆動によって空気が流動しているために、上側の発電体２５１の表面の酸素側電極に滞留する可能性がある水を蒸発させて除去することができる。また、溝２３８も同様に、その断面の三方を下側筐体２１２に囲まれているが、溝の上面では下側の発電体２５２の表面即ち底面が直接溝２３８内に露出し、当該溝２３８の内部はファン２３１の駆動によって空気が流動しているために、下側の発電体２５２の表面の酸素側電極に滞留する可能性がある水を蒸発させて除去することができる。溝２４１、２３８を通過した空気は溝２４１、２３８の終端部に設けられた開口部２２３、２４０から筐体外部に排出され、この時、発電体２５１、２５２の表面に発生していた水分も同時に当該燃料電池外に排出されることになる。従って、燃料電池として電力を供給している際に発生する水は効率良く電池外に排出されることになる。
【００８６】
なお、本実施の形態においては、空気路として機能する溝２３８、２４１は、複数の並行した直線状に形成されているが、これに限らず正弦波などの波状や矩形波状のパターンや螺旋状やＵ字状などの各種平面パターンであっても良く、溝の数についても単数でも良く、複数でも良い。また、個々の溝が全て同じサイズや長さである必要はなく、水分が多く発生しやすい部分の空気の流速を高めるような形状であっても良い。また、溝の全体が本実施形態のように中空であっても良く、吸水性の部材を設けるようにすることも可能である。また、空気の排出口となる開口部も各溝で１つに限定されず、複数箇所で開口するようにしても良い。また、開口部には塵などの筐体内部への侵入を防止するためのネットやシャッター機構を設けても良い。更に、本実施の形態においては、溝２３８、２４１を筐体の内側面に形成するものとしているが、別部材を発電体と筐体の間に挟持させる構造としても良く、また、発電体側に空気路を取り付ける構造であっても良い。空気路の他の例としては、通気性のある繊維材料や不織布、多孔質材料などの部材を配置するようにすることも可能である。
【００８７】
本実施の形態の燃料電池２０１の内部には、上述の如き発電体２５１、２５２やファン２３１、２３３及びモーター２３５、２３６に加えて、燃料流量調整部２８１が設けられている。燃料流量調整部２８１は、当該カード状の燃料電池２０１の水素貯蔵カートリッジ２０２とのインターフェイス部として機能し、水素貯蔵カートリッジ２０２からの燃料流体を適切な量に調整しながら、燃料流体を発電体２５１、２５２に効率良く供給するための機構を有する。具体的には燃料流量調整部２８１は、水素貯蔵カートリッジ２０２の燃料取出し口２８２と結合可能な結合部２８３を有しており、この結合部２８２に連続する形で図示しない弁体が内部に設けられていて、所定の圧力の燃料を発電体２５１、２５２の間のスペースに供給するような構造とされている。この燃料流量調整部２８１には、水素貯蔵カートリッジ２０２の燃料取出し口２８２との結合状態をモニターする監視部や、水素貯蔵カートリッジ２０２からの燃料の圧力を測定する圧力測定部、当該燃料電池２０１や水素貯蔵カートリッジ２０２の温度検出部などが設けられ、更には燃料漏れ防止機構部も形成可能である。例えば、燃料の圧力を測定する圧力測定部からのデータによって、圧力が高すぎると判断される場合には、弁体を閉じたりする制御も可能であり、圧力が低すぎると判断される場合には、逆に弁体を開いたりする制御も可能である。このような制御はＩ／Ｏ部２８５を介して水素貯蔵カートリッジ２０２の状態をモニターすることで可能であり、このようなＩ／Ｏ部２８５は、水素貯蔵カートリッジ２０２の結合用突設片２８４と嵌合する嵌合部２８６の近傍に配置され、水素貯蔵カートリッジ２０２の同様なＩ／Ｏ部との間でデータ通信が可能である。また、同様なＩ／Ｏ部２７５は出力側にも設けられており、当該燃料電池２０１の出力電力を消費する側の状態を検知して、出力を制御するようにすることも可能である。例えば、出力電力を消費する側の機器がアクティブ状態、スリープ状態、ソフトオフ状態、待機状態などでその消費電力が変化する場合には、そのような消費電力の状態に応じた制御が可能である。
【００８８】
また、本実施の形態の燃料電池２０１の内部には、前述の如き配線基板２７１が設けられており、この配線基板２７１上に搭載される電子部品２７２等によって、前述のモーター２３５、２３６の回転数や停止・回転などの制御や当該燃料電池２０１の出力電圧の調整なども可能であり、突設片２７３、２７４に形成される端子に起電力を出力することで、当該燃料電池２０１に接続される機器に電力を送ることが可能となる。
【００８９】
前述の燃料流量調整部２８１に接続する水素貯蔵カートリッジ２０２は、内部に水素吸蔵合金などを有する部材であり、燃料電池２０１の筐体に対して着脱自在とされ、着装時には燃料取出し口２８２と結合部２８３が結合することによって燃料流体が流動可能となり、水素貯蔵カートリッジ２０２が外された際には、当該水素貯蔵カートリッジ２０２からの燃料流出が止められる機構を有している。この水素貯蔵カートリッジ２０２は、カード形状の燃料電池２０１と略同じ厚みと略同じ短辺サイズを有しており、従って、当該水素貯蔵カートリッジ２０２を燃料電池２０１に接続した場合には、全体としてカード状の長手方向に延長された形態となり、取扱いが容易となる。なお、本実施形態では、水素貯蔵カートリッジ２０２は、カード形状の燃料電池２０１と略同じ厚みと略同じ短辺サイズを有しているものとして説明しているが、これに限定されず他の形状、例えば厚みの厚いものであっても良く、結合可能な水素貯蔵カートリッジも単数に限定されずに複数であっても良い。また、結合部も単数に限らず複数とすることができ、信号の伝達手段などを結合部又はその周辺に配設するようにしても良い。
【００９０】
本実施の形態の燃料電池２０１は、上述のように、発電体２５１、２５２の酸素側電極の表面に空気路としの溝２３８、２４１が形成され、これらの溝２３８、２４１を通過する、ファン２３１、２３３によって導入された空気が酸素側電極の表面の水分を蒸発させ、蒸発した水分を含む空気は更に開口部２２３、２４０から筐体の外部へと排出される。このため燃料電池に生成する水を適切な量に制御することができ、常に効率良く電力を発生させることができる。空気の自然流入によって水分を蒸発させる場合には、その蒸発速度が自然対流の状態や外気の温度、湿度、更には開口サイズ等によって大きく影響を受けるという問題が発生するが、本実施形態の燃料電池では、酸素側電極の表面を通過する空気はファン２３１、２３３によって強制的に供給されたものであり、自然流入に依存する場合に比べて水分を安定して蒸発できることになる。
【００９１】
なお、本実施の形態の燃料電池２０１は、ファン２３１、２３３の位置は筐体２１１、２１２の長辺に沿って且つ筐体２１１、２１２の側部近傍に配設されるものとして説明したが、ファンの位置は他の場所でも良く、例えばカード状の筐体の短辺に沿ってファンを設けるようにしても良い。また、ファンなどの空気流動手段は平面状に展開する複数の発電体の間の位置に配設されるように形成しても良い。また、カード状の筐体２１１、２１２は所要の合成樹脂や金属、ガラス、セラミック、繊維強化合成樹脂などによって形成されるが、必ずしも変形できないものに限定されず、折りたたみ可能であったり、或いは一部の部材などが着脱できる構造であっても良い。
【００９２】
図２８はファンの変形例を説明するための図面である。水素貯蔵カートリッジ２９２に結合した略平板状の筐体２９５内に断面上で一対のファン２９１、２９１がそれぞれの回転軸２９０が直線上に並ぶように配されており、各ファン２９１は螺旋状に延在される羽根部２９２が回転軸２９０の周りに形成される。ファン２９１はモーター２９３と同軸とされ、モーター２９３の回転によってファン２９１が軸周りに回転し、軸方向に送風するように機能する。一対のファン２９１は、それぞれ同じ方向に回転するように制御しても良く、共通の軸受け部に溝などの空気路の入り口を設け、そこから両側に空気を送るようにしても良い。
【００９３】
[第２の実施の形態]
本実施の形態は、一方の側面にファンを用いた空気流動手段を形成した燃料電池の例である。図２９に示すように、略矩形状のカード型筐体３０１が設けられており、この筐体３０１の内部に、発電体３０３が配設されている。ここで、カード型燃料電池の筐体３０１は、一例として、ＰＣカードとして標準化されたサイズとすることが可能であり、具体的には、ＪＥＩＤＡ／ＰＣＭＣＩＡにより標準化されたサイズを適用できる。この標準化されたサイズは、縦（長辺）が８５．６ｍｍ±０．２ｍｍ、横（短辺）が５４．０ｍｍ±０．１ｍｍと定められている。また、カードの厚みについては、タイプIとタイプＩＩのそれぞれについて規格化されており、すなわちタイプＩについては、コネクタ部の厚みが３．３±０．１ｍｍであり、基底部の厚さが３．３±０．２ｍｍである。また、タイプＩＩについては、コネクタ部の厚さが３．３±０．１ｍｍであり、基底部の厚さが５．０ｍｍ以下で且つその厚みの標準寸法±０．２ｍｍである。カード型筐体３０１も上側筐体と下側筐体を重ねるように構成することが可能である。
【００９４】
このカード型筐体３０１には、該カード型筐体３０１の長手方向に垂直な面で略同サイズとなって連続的に配設可能な水素貯蔵カートリッジ３０２が結合されている。この水素貯蔵カートリッジ３０２の内部には、水素吸蔵合金などの水素貯蔵部が配されており、燃料電池の筐体３０１に対して着脱自在とされる。水素貯蔵カートリッジ３０２は、着装時には燃料取出し口と結合部が結合することによって燃料流体が流動可能となり、水素貯蔵カートリッジ３０２が外された際には、当該水素貯蔵カートリッジ３０２からの燃料流出が止められる機構を有している。
【００９５】
カード型筐体３０１の内側には、４枚の発電体を組み合わせた発電部３０３と、水素貯蔵カートリッジ３０２からの燃料流体を該カード型筐体３０１内に導入するための結合部３０４と、この結合部３０４が挿入されて結合する発電側結合部３０５と、この発電側結合部３０５にパイプ３０６を介して接続する流量調整部３０７と、該流量調整部３０７と発電部３０３を接続するパイプ３０８と、配線基板３１１上に電子部品３１０を搭載させてこれら電子部品等により出力制御などを行う制御回路部３０９とを有している。そして、当該カード型筐体３０1の内部には、さらに空気流動手段としての一対のファン３１２、３１３が筐体の側面に沿って延長されるように配されている。ファン３１２、３１３はそれぞれ対応するモーター３１４、３１５によって回転するように駆動される。ファン３１２とファン３１３は平行して配置され、特に本実施の形態においては、ファン３１２とファン３１３は上下方向に並んで配設され、それぞれ上側に位置する発電体と下側に位置する発電体に空気を送り込む。
【００９６】
ファン３１２、３１３は、円筒状の回転軸の周囲に羽根部が設けられた構造を有し、各羽根部は回転軸方向に直線状に延長され、回転軸の径方向では放射状に形成される。従って、ファン３１２、３１３はモーター３１４、３１５の駆動によって回転軸を中心に回転し、筐体内のスペースに回転軸と垂直な方向に空気を図示しない溝に沿って送り込む。このファン３１２、３１３は後述するように酸素側電極に生成される水の蒸発用として用いられると共に、空気を送ることで放熱を図ることも可能である。ファン３１２、３１３はモーター３１４、３１５に対してコネクタ３１６、３１７を介して接続するが、コネクタ３１６、３１７を設けずに直接モーター３１４、３１５とファン３１２、３１３が接続されるようにしても良い。
【００９７】
発電部３０３は、４枚の発電体を組み合わせた構造体であり、１つの発電体は、プロトン伝導体などの電解質膜を水素側電極と酸素側電極で挟持した構造を有しており、酸素側電極や水素側電極は、金属板や、多孔質性の金属材料、或いは炭素材料などの導電性材料からなり、これら酸素側電極や水素側電極には集電体が接続される。集電体は、電極で発生する起電力を取り出すための電極材であり、金属材料や炭素材料、導電性を有する不織布などを用いて構成される。４枚の発電体は、２枚重ねられたものが筐体内に２つ並べられて配設される。発電体を２枚重ねる場合には、水素側電極同士が面同士で向かい合うように重ねることができ、この場合には燃料流体を重ね合わされた水素側電極同士の間のスペースに送り込むことで電極の活性化が可能となり、酸素の供給が必要な面は重ね合わされた発電体の表面と裏面が酸素側電極面となる。
【００９８】
発電側結合部３０５は、水素貯蔵カートリッジ３０２の結合部３０４と結合して水素貯蔵カートリッジ３０２からの気密を維持しながら燃料流体を燃料電池内に導入するための機構部である。具体的には、発電側結合部３０５に結合部３０４の先端が挿入され、更に押し込んだ時にロックするような機構を有し、このような着装動作の間においてガス漏れが防止されるように配慮されている。燃料流体が水素ガスではなく、ダイレクトメタノール方式の如き液体の場合には、水素貯蔵カートリッジ３０２の代わりに着脱自在な燃料流体貯蔵タンクを使用することができる。
【００９９】
このような発電側結合部３０５に機械的な流量調整機構を設けることも可能であるが、本実施形態の燃料電池においては、発電側結合部３０５と発電部３０３の間に流量調整部３０７が配設されている。この流量調整部３０７は電子的或いは機械的に燃料流体の流量を一定にするための装置であり、弁体等を設けて圧力を制御することができる。
【０１００】
制御回路部３０９は発電部３０３から出力される起電力を制御する回路であり、更には燃料供給側である水素貯蔵カートリッジ３０２との結合状態を監視したり、出力の供給先の負荷状態を検出しながら出力の調整、例えば、起電力を利用する機器のモード（アクティブモード、待機モードやスリープモードなど）に応じた出力電圧の調整などを行うことも可能である。また、制御回路部３０９には、前述のファン３１２、３１３を駆動するモーター３１４、３１５を制御する回路部を設けることも可能である。この制御回路３０９に使用される電源としては、当該発電部３０３で発生した電力の一部を使用しても良い。この制御回路３０９からは一対の出力端子３１８、３１９が突出し、該出力端子３１８、３１９の先端はカード型筐体３０１から外部に突出する。
【０１０１】
このような構造を有する本実施の形態の燃料電池は、カード状筐体３０１の一側面に、酸素を燃料電池に供給し且つ酸素側電極の表面の生成水の蒸発を促進させるためのファン３１２、３１３が配設されている。これらファン３１２、３１３を回転させて空気を図示しない溝に沿って案内することで、酸素側電極の表面に生成する水の効果的な除去が可能となり、出力電圧の低下を防止することが可能である。
【０１０２】
また、本実施の形態の燃料電池では、制御回路部３０９も搭載されているため、出力電圧の適正化や、条件、環境に応じた制御を容易に実行することができ、単なる発電デバイスではなく情報処理機能も備えた電池として有用である。また、結合部ではガス漏れなどの流体漏れが未然に防止される構造とされ、デバイスとしての安全性も十分とされる。
【０１０３】
[第３の実施の形態]
本実施の形態は、図３０乃至図３２に示すように、複数の溝の一部が酸素側電極に生成する水の蒸発用に使用され、他の一部が電極の放熱に使用される例である。
【０１０４】
図３０は発電体の上を通過する溝３７１、３７２が蒸発用と放熱用に使用される例であり、放熱用に使用される溝３７２と、蒸発用に使用される溝３７１が筐体３７０に交互に設けられている。それぞれの溝３７１、３７２は略直線状であり、発電体の短辺方向で両端に亘る長さに延長されている。各溝３７１、３７２の断面形状は、略矩形状であるが、これに限定されず半円形状やＶ字状などの他の形状であっても良い。
【０１０５】
溝３７１、３７２の端部には、それぞれファン３５１、３５３が設けられている。これらファン３５１、３５３は円筒状の回転軸の周囲に羽根部を形成した構造を有しており、モーター３５２、３５４によって駆動され、溝３７１、３７２の延長方向に空気を流動させる。ここでファン３５１とファン３５３はその役割が異なっており、ファン３５１は、蒸発用の溝３７１に連続して発電体の表面の集電板近傍の水分を蒸発させるように空気を送り込み、ファン３５３は放熱用の溝３７２に連続してセパレータを介して発電体の温度が過度にならないように制御する。各溝３７１、３７２のファン３５１、３５３が形成された側の反対側には、空気の排出口３７３、３７４が形成されており、溝３７１、３７２を通過した空気が排出される。
【０１０６】
図３１には発電体の概略断面が示されており、下側から順に集電板３８１、水素側電極３８２、プロトン伝導体である電解質膜３８３、酸素側電極３８４、集電板３８５、セパレーター３８６が積層された構造を有している。セパレーター３８６は電気的な絶縁を図るためのフィルムであり、溝３７１に応じた開口部３７５が設けられている。このため溝３７１を通過する空気は、セパレーター３８６で分離されずに、集電板３８５の及び酸素側電極３８４の周囲にまで到り生成された水分を蒸発させながら除去することが可能となる。また、放熱用の溝３７２はセパレーター３８６で分離されていて溝３７２を通過する空気は集電板３８５の及び酸素側電極３８４の周囲に到ることは無く、該セパレーター３８６を介して伝わった熱をセパレーター３８６の表面から運び去るようにして放熱を促す。開口部３７５は、蒸発用に開口したものに限らず、通常の酸素供給用に開口したもので良く、酸素供給用と蒸発用を兼用とすることができる。
【０１０７】
このような構造の燃料電池においては、ファン３５１を回転させることでファン３５１からの空気流入量を増加させることができ、この場合には燃料電池への酸素の供給量を増大させることができると共に、酸素側電極３８４で発生する水も蒸発させて除去させることができ、当該燃料電池の出力を増大させることができる。また、反対側に配設されるファン３５３を回転させることでファン３５３からの空気流入量を増加させることができ、この場合にはセパレーター３８６の表面からの放熱を図ることができる。従って、燃料電池の出力を安定した値に制御することが可能となる。
【０１０８】
また、本実施の形態の燃料電池では、蒸発用の溝３７１と放熱用の溝３７２のそれぞれにシャッター３５５、３５９を設けている。シャッター３５５は接続部３５８、３６３を介して開閉用のアクチュエーター３５７に接続されており、アクチュエーター３５７を作動させることで、シャッター３５５を各溝３７１の延長方向とは垂直な方向にずらすことができる。同様に、シャッター３５９は接続部３６２、３６４を介して開閉用のアクチュエーター３６１に接続されており、アクチュエーター３５７を作動させることで、シャッター３５５を各溝３７１の延長方向とは垂直な方向にずらすことができる。図３２は、アクチュエーター３５７、３６１が作動して、シャッター３５５、３５９が共に閉鎖状態となったところを示している。この閉鎖状態は、シャッター３５５、３５９の開口部３５６、３６０の位置が溝３７１、３７２の位置とずれることで生ずる。このようにシャッター３５５、３５９を閉じることで、ファン３５１、３５３からの空気は溝３７１、３７２に流入せず、従って蒸発と放熱はシャッターを開いた状態に比べて抑制されることになる。なお、図３２では、アクチュエーター３５７、３６１が作動して、シャッター３５５、３５９が共に閉鎖状態となっているが、一方のアクチュエーター３５７、３６１だけを作動させて制御を行うこともでき、また、シャッター機構を設けずにファンの動作を休止したり回転速度を調整するようにしても良い。
【０１０９】
本実施の形態の燃料電池では、酸素の供給に限らず、放熱を水分の除去が可能であり、高出力と安定した出力が実現されることになる。また、シャッター機構などによって蒸発と放熱についての個別の制御が可能であり、更に制御特性を向上させることができる。
【０１１０】
[第４の実施の形態]
本実施の形態は、単独のファンによって放熱と蒸発の両方を制御する燃料電池の例である。図３３に示すように、放熱用に使用される溝３９８と、蒸発用に使用される溝３９９が筐体４００に交互に設けられている。それぞれの溝３９８、３９９は略直線状であり、発電体の短辺方向で両端に亘る長さに延長されている。各溝３９８、３９９の断面形状は、略矩形状であるが、これに限定されず半円形状やＶ字状などの他の形状であっても良い。なお、放熱用に使用される溝３９８は発電体のセパレーター上を通過し、蒸発用に使用される溝３９９は発電体のセパレーターに設けられた開口部上を通過する。
【０１１１】
溝３９８、３９９の一方の端部には空気流動手段であるファン３９０が設けられており、他方の端部にはファンなどの空気流動手段が形成されていない。ファン３９０は円筒状の回転体の周囲に螺旋状に羽根部３８９が形成された構造を有しており、モーター３９１を回転させた場合では、回転軸に沿った方向に空気を流動させることができる。モーター３９１を正転させた場合と逆転させた場合では、ファン３９０のモーター側端部から送風されるかモーター３９１の反対側端部から送風されるかが異なってくることになる。
【０１１２】
複数の蒸発用溝３９９は連絡部３９６に設けられた溝３９７に共通して接続され、この溝３８７はファン３９０のモーター３９１の反対側端部に管３９５を介して接続する。従って、モーター３９１の反対側端部から送風されるようにモーター３９１を回転させると、管３９５と溝３９７を介して複数の蒸発用溝３９９に空気が案内されて発電体表面の水分の蒸発を促進させることができる。また、複数の放熱用溝３９８は、連絡部３９３に設けられた溝３９４に共通して接続され、この溝３８４はファン３９０のモーター側端部に管３９２を介して接続する。従って、モーター３９１に近い側の端部から送風されるようにモーター３９１を回転させると、管３９２と溝３９４を介して複数の放熱用溝３９８に空気が案内されて発電体表面の放熱を促進させることができる。なお、逆方向の送風を防止するためにシャッターや弁などを管３９２、３９５の途中などに設けても良い。
【０１１３】
このような構造の本実施の形態の燃料電池においては、単独のファン３９０によって放熱と蒸発の両方を制御することが可能である。従って、部品点数も少なくできることから、燃料電池の低コスト化と発電効率の向上を同時に実現できる。
【０１１４】
なお、上述の実施の形態においては、空気流動手段として主にファンを形成する例について説明したが、例えばポンプなどの空気に圧力差を生じさせて流動させる機器を使用しても良い。
【０１１５】
なお、本発明においては、燃料電池、燃料電池カードを搭載する機器の一例としてノート型パソコンについて説明したが、他の使用例として、本発明は、ポータブルなプリンターやファクシミリ、パソコン用周辺機器、電話機、テレビジョン受像機、通信機器、携帯端末、時計、カメラ、オーディオビデオ機器、扇風機、冷蔵庫、アイロン、ポット、掃除機、炊飯器、電磁調理器、照明器具、ゲーム機やラジコンカーなどの玩具、電動工具、医療機器、測定機器、車両搭載用機器、事務機器、健康美容器具、電子制御型ロボット、衣類型電子機器、輸送機械、その他の用途に使用できるものである。
【０１１６】
また、本発明では、燃料として主に水素ガスを使用する例について説明したが、いわゆるダイレクトメタノール方式に対応してメタノール等アルコール類（液体）を燃料とする構成としても良い。
【０１１７】
【発明の効果】
本発明の燃料電池および燃料電池を用いた電力供給方法によれば、空気流動手段が使用されることから、酸素側電極に水分が溜まった場合でも確実な除去が可能であり、また、略平板状の発電体を用い、この発電体を内蔵する筐体に形成された開口部から空気を導入することで、酸素側電極への確実な空気の供給が可能となる。空気流動手段は当該空気流動手段の周囲の空気を流動させるように作用し、この空気流動手段は前記開口部の前記筐体内側に配設されることから、大幅なスペースを必要とせずに空気の流動が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の参考形態の燃料電池カードの分解斜視図である。
（１）上側筐体
（２）上側集電体
（３）発電体
（４）水素供給部
（５）発電体
（６）下側集電体
（７）下側筐体
【図２】 前記参考形態の燃料電池カードをノート型パソコンに挿入することを示す斜
視図である。
【図３】 前記参考形態の燃料電池カードの外観斜視図である。
【図４】 前記参考形態の燃料電池カードの断面図である。
【図５】 前記参考形態の燃料電池カードにおける下側筐体などの分解斜視図である。
（１）下側集電体
（２）絶縁フィルム
（３）下側筐体
【図６】 前記参考形態の燃料電池カードにおける発電体の分解斜視図である。
（１）シール材
（２）水素側電極
（３）プロトン伝導体膜
（４）酸素側電極
【図７】 前記参考形態の燃料電池カードにおける水素供給部の分解斜視図である。
（１）水素側集電体
（２）絶縁膜
（３）水素側集電体
【図８】 前記参考形態の燃料電池カードにおける上側筐体などの分解斜視図である。
（１）上側筐体
（２）絶縁フィルム
（３）上側集電体
【図９】 前記参考形態の燃料電池カードにおける水素供給部の一部の平面図である。
【図１０】 前記参考形態の燃料電池カードにおける水素供給部の断面図である。
【図１１】 前記参考形態の燃料電池カードにおける水素供給部の斜視図である。
【図１２】 前記参考形態の燃料電池カードにおける発電体の平面図である。
【図１３】 前記参考形態の燃料電池カードにおける発電体の拡大断面図である。
【図１４】 前記参考形態の水素吸蔵スティックを示す図であって、平面図、左側面図、
底部を示す。
【図１５】 前記参考形態の燃料電池の他の一例を示す概略斜視図である。
【図１６】 前記参考形態の燃料電池のまた他の一例を示す概略斜視図である。
【図１７】 前記参考形態の燃料電池のさらに他の一例を示す概略斜視図である。
【図１８】 前記参考形態の燃料電池の絶縁膜の形状を示す平面図である。
【図１９】 前記参考形態の燃料電池の絶縁膜周辺の構造例を示す平面図及び側面図である。
【図２０】 本発明の第１の実施の形態の燃料電池を示す斜視図である。
【図２１】 本発明の第１の実施の形態の燃料電池を示す分解斜視図である。
（１）上側筐体
（２）発電体等
（３）下側筐体
【図２２】 本発明の第１の実施の形態の燃料電池を示す一部破断した平面図である。
【図２３】 本発明の第１の実施の形態の燃料電池を示す断面図であり、図２２のＸＸＩＩ
Ｉ−ＸＸＩＩＩ線に沿った断面図である。
【図２４】 本発明の第１の実施の形態の燃料電池を示す断面図であり、図２２のＸＸＩＶ
−ＸＸＩＶ線に沿った断面図である。
【図２５】 本発明の第１の実施の形態の燃料電池を示す断面図であり、図２２のＸＸＶ−
ＸＸＶ線に沿った断面図である。
【図２６】 本発明の第１の実施の形態の燃料電池を示す側面図であり、出力端子側の側面
を示す。
【図２７】 本発明の第１の実施の形態の燃料電池を示す側面図であり、水素貯蔵カートリ
ッジ側の側面を示す。
【図２８】 本発明の第１の実施の形態の燃料電池の変形例を示す断面図であり、ファンの
羽根部が螺旋状に形成される例を示す。
【図２９】 本発明の第２の実施の形態の燃料電池を一部透過して示す斜視図である。
【図３０】 本発明の第３の実施の形態の燃料電池の模式的な要部平面図である。
【図３１】 本発明の第３の実施の形態の燃料電池の要部断面図である。
【図３２】 本発明の第３の実施の形態の燃料電池の模式的な要部平面図であってシャッタ
ーが閉じた状態を示す図である。
【図３３】 本発明の第４の実施の形態の燃料電池の模式的な要部平面図である。
【図３４】 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３５】 従来の燃料電池の一例を示す分解斜視図である。
【図３６】 従来の燃料電池の一例を示す断面図である。

Claims (21)

1. 開口部が一部に設けられた略平板状の筐体と、
   該筐体内に配置され燃料側電極と酸素側電極の間に電解質膜を介在させた略平板状の発電体と、
   前記開口部の前記筐体内側に配設され当該空気流動手段の周囲の空気を流動させる空気流動手段と、
   前記空気流動手段によって前記筐体の内側に導入された空気を前記発電体の酸素側電極に沿って案内する空気路と
   を有し、
   前記空気路は、前記筐体の内側に酸素側電極面に沿って延長された溝からなる
   ことを特徴とする燃料電池。
2. 前記溝は複数個配設され、それぞれ互いに略並行に延長される
   ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
3. 開口部が一部に設けられた略平板状の筐体と、
   該筐体内に配置され燃料側電極と酸素側電極の間に電解質膜を介在させた略平板状の２枚の発電体と、
   前記筐体内側に配設され当該空気流動手段の周囲の空気を流動させる空気流動手段と、
   前記空気流動手段によって前記筐体の内側に導入された空気を前記発電体の酸素側電極面に沿って案内する空気路と、
   前記発電体の前記燃料側電極に燃料を案内する燃料路と
   を有し、
   前記２枚の発電体は、それぞれの燃料側電極が前記燃料路を内側に挟持するように配設され、
   前記空気路は前記酸素側電極の各表面にそれぞれ沿った前記筐体の内部の溝からなる
   ことを特徴とする燃料電池。
4. 前記溝は複数個配設され、それぞれ互いに並行に延長される
   ことを特徴とする請求項３記載の燃料電池。
5. 開口部が一部に設けられた略平板状の筐体と、
   該筐体内に配置され燃料側電極と酸素側電極の間に電解質膜を介在させた略平板状の２枚の発電体と、
   前記筐体内側に配設され当該空気流動手段の周囲の空気を流動させる空気流動手段と、
   前記空気流動手段によって前記筐体の内側に導入された空気を前記発電体の酸素側電極面に沿って案内する空気路と、
   前記発電体の前記燃料側電極に燃料を案内する燃料路と
   を有し、
   前記２枚の発電体は、それぞれの燃料側電極が前記燃料路を内側に挟持するように配設され、
   前記発電体は略矩形状の主面を有し、
   前記空気流動手段は該矩形状の前記発電体の対向する端部に沿ってそれぞれ配設され、
   前記空気流動手段の一方が前記酸素側電極の一方に空気を案内し、
   前記空気流動手段の他方が前記酸素側電極の他方の空気を案内し、
   前記空気路は前記筐体の内側で前記発電体の前記一対の酸素側電極の各表面に沿った溝からなり、該各溝は対応する前記空気流動手段の一方と接続される
   ことを特徴とする燃料電池。
6. 前記空気流動手段は回転体からなる
   ことを特徴とする請求項５記載の燃料電池。
7. 前記回転体の回転軸は前記略矩形状の発電体の長辺方向に延長されている
   ことを特徴とする請求項６記載の燃料電池。
8. 前記回転体は周囲に羽根部を設けてなる
   ことを特徴とする請求項６記載の燃料電池。
9. 前記羽根部は回転軸側から略放射状に延びて設けられている
   ことを特徴とする請求項８記載の燃料電池。
10. 前記羽根部は回転軸の周囲に略螺旋状に配設されている
    ことを特徴とする請求項８記載の燃料電池。
11. 前記回転体はモーターにより駆動される
    ことを特徴とする請求項６記載の燃料電池。
12. 前記空気流動手段は空気に圧力差を生じさせて流動させるポンプからなる
    ことを特徴とする請求項５記載の燃料電池。
13. 前記筐体は略矩形状であり、略矩形状の前記筐体内の側面に沿って前記空気流動手段が形成される
    ことを特徴とする請求項５記載の燃料電池。
14. 前記筐体の長辺方向に沿って前記空気流動手段が延在される
    ことを特徴とする請求項１３記載の燃料電池。
15. 開口部が一部に設けられた略平板状の筐体と、
    該筐体内に配置され燃料側電極と酸素側電極の間に電解質膜を介在し前記酸素側電極の一部は空気取入部とされる略平板状の発電体と、
    前記開口部の前記筐体内側に配設され当該空気流動手段の周囲の空気を流動させる空気流動手段と、
    前記空気流動手段によって前記筐体の内側に導入された空気を前記略平板状の発電体の酸素側電極面に沿って案内する空気路と
    を有し、
    前記空気路の一部は前記酸素側電極の前記空気取入部に連絡すると共に前記空気路の他の一部は前記酸素側電極の前記空気取入部以外の領域上で延長されている
    ことを特徴とする燃料電池。
16. 前記酸素側電極の前記空気取入部に連絡する前記空気路の一部は当該酸素側電極で発生する水分の除去用の溝からなり、
    前記酸素側電極の前記空気取入部以外の領域上で延長される前記空気路の他の一部は前記発電体の温度調節用の溝である
    ことを特徴とする請求項１５記載の燃料電池。
17. 前記除去用の溝と前記温度調節用の溝は、順に略並行して前記酸素側電極の表面に沿って配設される
    ことを特徴とする請求項１６記載の燃料電池。
18. 前記除去用の溝と前記温度調節用の溝は、前記筐体の内側に凹凸を形成することで設けられる
    ことを特徴とする請求項１７記載の燃料電池。
19. 前記空気路に隣接して当該空気流動手段による空気の流動量を制御する制御手段が配設される
    ことを特徴とする請求項１５記載の燃料電池。
20. 略平板状の筐体内に配置され燃料側電極と酸素側電極の間に電解質膜を介在させた略平板状の発電体に燃料流体を供給すると共に前記筐体の一部に形成された開口部から空気流動手段によって前記筐体の内側に空気を導入し、空気路を用いて前記筐体の内側に導入された空気を前記略平板状の発電体の酸素側電極面に沿って案内し、
    前記空気路は前記筐体の内側に酸素側電極面に沿って延長された溝からなる
    ことを特徴とする燃料電池を用いた電力供給方法。
21. 前記溝は複数個配設され、それぞれ互いに並行に延長される
    ことを特徴とする請求項２０記載の燃料電池を用いた電力供給方法。

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