(57)【要約】      （修正有）【課題】携帯性を損ねることがなく、環境に対する影響も考慮した燃料電池モジュールを提供すること。【解決手段】携帯機器に設けられた収容部に対して装着可能に構成された燃料電池モジュールであって、少なくとも１つの燃料電池セルＳ１，Ｓ２と、この燃料電池セルＳ１，Ｓ２を支持するための回路基板１４と、この回路基板１４に支持され、燃料電池セルＳ１，Ｓ２に対して燃料を供給する水素発生セル３０とを備え、この水素発生セル３０は、鉄の錠剤が収容され、この鉄が空気と反応することで発熱を行うように構成された第１収容室と、水が収容され、発熱により水蒸気を発生するように構成された第２収容室と、鉄の錠剤が収容されるとともに、第２収容室からの水蒸気が導入され、これが鉄と反応することで水素を発生するように構成された第３収容室とを備え、この水素を燃料電池セルＳ１，Ｓ２へ供給するためのパイプ３１を備えた。【選択図】    図３
2006049086.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
携帯機器用の電源として、携帯機器に設けられた収容部に対して装着可能に構成された燃料電池モジュールであって、
少なくとも１つの燃料電池セルと、
この燃料電池セルを支持するための支持体と、
この支持体に支持され、燃料電池セルに対して燃料を供給する燃料供給装置とを備え、
この燃料供給装置は、
鉄が収容され、この鉄が空気と反応することで発熱を行うように構成された第１収容室と、
水が収容され、前記発熱により水蒸気を発生するように構成された第２収容室と、
鉄が収容されるとともに、前記第２収容室からの水蒸気が導入され、これが鉄と反応することで水素を発生するように構成された第３収容室とを備え、
この水素を前記燃料電池セルへ供給するための導入管を備えたことを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項２】
前記第１収容室へ導入される空気の量を制限する第１制限機構を設けたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項３】
前記第３収容室へ導入される水蒸気の量を制限する第２制限機構を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池モジュール。
【請求項４】
第２収容室は、水を水保持体に染み込ませた状態で収容し、かつ、第２収容室と第３収容室の境界位置に、水蒸気を通過させると共に鉄を通過させない仕切り手段を設けていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池モジュール。
【請求項５】
前記第１収容室，第２収容室，第３収容室は、それぞれ円柱状の部屋に形成されると共に、これらが直列配置されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池モジュール。
【請求項６】
前記鉄は、錠剤の形で第１収容室及び第３収容室に収容されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池モジュール。
【請求項７】
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１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池モジュール。
【請求項８】
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７に記載の燃料電池モジュール。
【請求項９】
燃料電池セルを前記支持体に固定す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体に搭載された電子回路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１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１０】
前記電子回路は、燃料電池セルによる出力電圧を携帯機器に適した電圧に昇圧させるための昇圧回路を含むことを特徴とする請求項９に記載の燃料電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、携帯機器用の電源として携帯機器に対して装着可能に構成された燃料電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
上記の図１２に示すような積層構造では、携帯機器の電源として求められる薄型軽量化の点で改善の余地がある。また、携帯電話の電源に燃料電池を用いた構造として、下記特許文献１に開示される燃料電池搭載機器がある。この機器は、携帯電話の下端部にヒンジ部を介して取り付けられ、機器の開口部が開放した状態と遮蔽した状態とをヒンジ部を回転させることで切り替え可能に構成している。
【０００６】
しかしながら、ヒンジ部のような可動部を有する構成は機構が複雑化するという問題がある。また、携帯電話を使用する時には、ヒンジ部を回転させて、機器の開口部を開放する必要があり、使用時に大きさが大きくなるという問題も生じる。また、燃料電池を電源として使用する場合は、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、携帯機器用の電源として、燃料電池を使用する場合には、それらの点を考慮して携帯性を損ねないような構成を採用する必要がある。
【０００７】
また、携帯機器に燃料電池を搭載する場合には、水素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構成するかが問題となる。すなわち、 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、携帯機器に搭載する燃料電池モジュールが大型化せざるを得ない。
【０００８】
一方、炭化水素と水蒸気から水素リッチガスを生成する燃料改質装置（燃料供給装置に相当）が下記特許文献２に開示されている。この装置は、上流側反応器と下流側反応器の２つの反応器が設けられ、燃料供給装置から、空気を含有する原燃料ガスの供給を上流側反応器で受け、内部で水蒸気改質反応および酸化反応を進行させ、生じた水素リッチな燃料ガスを下流側反応器から燃料供給路へ排出する。しかしながら、この燃料改質装置は、炭化水素と空気を送りこむ機構が必要であるので、携帯機器に組み込む程度のサイズにすることは難しい。
【０００９】
また、炭化水素を原料としており、水素リッチガスを生成することはできるものの、純水素ではなく、炭酸ガス等のガスも生成される可能性がある。従って、環境に対する影響という点で改善の余地がある。
【非特許文献１】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
【特許文献１】特開２００４−５５３０７号公報
【特許文献２】特開平１１−９２１０２号公報（段落００８６、図３等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
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、携帯機器に燃料電池を電源として使用する場合に、携帯機器の携帯性を損ねることがなく、環境に対する影響も考慮した燃料電池モジュールを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため本発明に係る燃料電池モジュールは、
携帯機器用の電源として、携帯機器に設けられた収容部に対して装着可能に構成された燃料電池モジュールであって、
少なくとも１つの燃料電池セルと、
この燃料電池セルを支持するための支持体と、
この支持体に支持され、燃料電池セルに対して燃料を供給する燃料供給装置とを備え、
この燃料供給装置は、
鉄が収容され、この鉄が空気と反応することで発熱を行うように構成された第１収容室と、
水が収容され、前記発熱により水蒸気を発生するように構成された第２収容室と、
鉄が収容されるとともに、前記第２収容室からの水蒸気が導入され、これが鉄と反応することで水素を発生するように構成された第３収容室とを備え、
この水素を前記燃料電池セルへ供給するための導入管を備えたことを特徴とするものである。
【００１２】
この構成による燃料電池モジュールの作用・効果を説明する。この構成による燃料電池モジュールは、携帯機器に設けられた収容部に対して装着可能であり、例えば、携帯電話に用いられているポリマー電池や、ＰＤＡに用いられている単３電池や単４電池等を装着するときと同じような操作で、モジュールを装着することができる。燃料電池セルは支持体に支持され、この支持体には、燃料供給装置も支持される。
【００１３】
燃料供給装置は、第１収容室・第２収容室・第３収容室を備えており、第１収容室には鉄が収容され、これが空気と反応して発熱する。空気は、第１収容室に開口部あるいは蓋を設ける等して容易に取りこむことができる。そして、第２収容室には水が収容され、第１収容室における反応熱を利用して、水を水蒸気化することができる。さらに、第３収容室にも鉄が収容されており、ここに水蒸気を送り込むことで、鉄と水蒸気とを反応させる。この反応により純粋な水素ガスが生成され、導入管を介して燃料電池セルに送りこむことができる。
【００１４】
このように、水素ガスを発生させるための燃料ガスを送りこむ機構は不要であり、鉄と酸素を反応させるための、空気を送りこむパイプなども不要である。また、水は第２収容室に収容されており、水を送りこむためのパイプやポンプなどの機構が不要である。さらに、生成されるのは純水素であり、それ以外に二酸化炭素や一酸化炭素等を発生しないため、環境に対して悪影響を及ぼすことがない。その結果、携帯機器に燃料電池を電源として使用する場合に、携帯機器の携帯性を損ねることがなく、環境に対する影響も考慮した燃料電池モジュールを提供することができる。
【００１５】
本発明において、前記第１収容室へ導入される空気の量を制限する第１制限機構を設けたことが好ましい。
【００１６】
水素を発生させるための雰囲気温度は、ある程度の高い温度範囲が必要であるが、あまり上がりすぎると問題である。そこで、第１収容室へ導入される空気の量を制限する機構を設けておくことが好ましい。例えば、第１収容室に開口部を設け、この開口部を開閉するシャッターを設ける構成が考えられる。
【００１７】
本発明において、前記第３収容室へ導入される水蒸気の量を制限する第２制限機構を設けることが好ましい。
【００１８】
また、生成される水蒸気の量が多すぎると水素ガスの発生量が増えすぎてしまうためガス圧が高くなりすぎると共に、水の消費量が必要以上に多くなり、水の交換時期が早くなるという問題がある。そこで、第３収容室へ導入される水蒸気の量を制限する機構を設けておくことが好ましい。例えば、第１収容室に開口部を設け、この開口部を開閉するシャッターを設ける構成が考えられる。
【００１９】
本発明に係る第２収容室は、水を水保持体に染み込ませた状態で収容し、かつ、第２収容室と第３収容室の境界位置に、水蒸気を通過させると共に鉄を通過させないフィルター手段を設けていることが好ましい。
【００２０】
第２収容室に水をそのまま収容するのではなく、水保持体（例えば、綿のようなもの）に水を染み込ませておくことが好ましい。これにより、水の取り扱いを容易に行うことができる。また、第２収容室と第３収容室の間の境界位置に、上記フィルターを設けることで、確実に水蒸気のみが通過するようにすることができる。
【００２１】
本発明において、前記第１収容室，第２収容室，第３収容室は、それぞれ円柱状の部屋に形成されると共に、これらが直列配置されることが好ましい。
【００２２】
かかる構成とすることで、燃料供給装置を全体的にコンパクトにまとめることができ、携帯機器に収容するのに適した構成とすることができる。
【００２３】
本発明において、鉄は、錠剤の形で第１収容室及び第３収容室に収容されることが好ましい。錠剤とすることで、取り扱いを容易にすることができる。
【００２４】
本発明に係る燃料電池セルは、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。
【００２５】
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、モジュール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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
本発明において、燃料電池セルを前記支持体に固定す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体に搭載された電子回路に接続させる機能も備えていることが好ましい。
【００２９】
この構成によると、押さえ部材により、燃料電池セルを回路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電子回路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、モジュールの構成を簡素化し、小型化を図ることができる。
【００３０】
本発明に係る電子回路は、燃料電池セルによる出力電圧を携帯機器に適した電圧に昇圧させるための昇圧回路を含むことが好ましい。
【００３１】
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、携帯機器内部の電子回路に要求される電圧値は、例えば、５Ｖ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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
本発明に係る燃料電池モジュールの好適な実施形態を図面を用いて説明する。図１は、ＰＤＡ（個人向け携帯型情報機器：携帯機器に相当）に、本発明に係る燃料電池モジュール（以下、単に「モジュール」という）を搭載した状態を示す。図２は、モジュールの主要な構成を示す平面図である。図３は、モジュールの構成を模式的に示す断面図である。
【００３３】
図１は、ＰＤＡ１１の背面側を示し、電池収容部１２の蓋を取り外し、モジュール１３を装着した状態を示している。モジュール１３は、収容部１２に対して挿脱自在であり、通常の電池（単３電池等）の挿脱と同じような感覚で挿脱操作を行うことができる。
【００３４】
図２に示すように、２つの燃料電池セルＳ１，Ｓ２が、回路基板１４の表面に搭載されている。燃料電池セルＳ１，Ｓ２の詳細構成は後述するが、表面側に多数の開口穴が形成されており、空気を取り込むことができるようになっている。図２には示されていないが、第１燃料電池セルＳ１の裏面側には、燃料である水素ガスを取り込むためのガス注入口とガス排出口が設けられ、ガス注入口には、水素ガスを取り込むためのパイプ３１（図４も参照）が接続される。第２燃料電池セルＳ２にも、ガス注入口が設けられ、第１燃料電池セルＳ１のガス排出口とパイプ１６（図３参照）により連結される。これにより、パイプ３１から供給された水素ガスは、パイプ１６を経由して第２燃料電池セルＳ２のほうにも供給される。なお、供給された水素ガスは、すべて燃料として消費するため、第２燃料電池セルＳ２には、ガス排出口は設けられない。パイプ３１，１６は、好ましくは金属製（アルミニウムや真鍮等）であるが、これに限定されるものではない。可撓性を有する材料で形成してもよい。
【００３５】
各燃料電池セルＳ１，Ｓ２は、回路基板１４（支持体に相当する）に対して固定するために、押さえ部材１８が設けられる。押さえ部材１８は、枠形状を有する押え部１８ａと、回路基板１４に固定するための爪部１８ｂとを有している。燃料電池セルＳ１，Ｓ２の周縁部１７（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１４に形成された孔１４ｂ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Ｓ１，Ｓ２を回路基板１４に対して固定することができる。
【００３６】
図３に示すように、燃料電池セルＳ１，Ｓ２は、平面的に並べて配置されており、押さえ部材１８により回路基板１４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Ｓ１，Ｓ２の表面（図３で上側）は、後述するように金属板により形成され、電極（正極あるいは負極）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Ｓ１，Ｓ２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Ｓ１，Ｓ２の裏面（図３で下側）は、もう一方の電極（負極あるいは正極）であり、回路基板１４の表面に形成された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。電極パターンへの押さえ付けは、押さえ部材１８により行うことができる。また、水素ガスの流路を連結するためのパイプ１６が設けられている。
【００３７】
回路基板１４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、５Ｖ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、ＰＤＡ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。ＰＤＡ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。また、昇圧回路以外の電子回路を搭載することもできる。この点は、後述する。
【００３８】
回路基板１４の裏面側には、水素発生セル３０（燃料供給装置に相当）が配置されている。この水素発生セル３０は、図４に示すように、円筒形状の容器で形成されており、その内部に純鉄の錠剤及び水分が収容されている。内部の水を加熱して水蒸気を発生し、これと純鉄とを反応させることで、純水素を発生する。水素発生セル３０には、パイプ３１により第１燃料電池セルＳ１のガス注入口と接続される。これにより、水素発生セル３０により発生された燃料である水素ガスを燃料電池セルＳ１，Ｓ２に供給することができる。
【００３９】
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Ｓ１，Ｓ２に対して供給されることになる。
【００４０】
水素発生セル３０における化学反応は、１００℃〜４００℃程度で行われる。水素発生セル３０を上記温度範囲となるようにするための加熱システムが、水素発生セル３０自身に設けられている。
【００４１】
回路基板１４の裏面側は、樹脂によるモールド２２（パッケージ）が被せられる。これにより、回路基板１４の裏面側を封止することができる。回路基板１４の表面側は、燃料電池セルＳ１，Ｓ２が空気を自由に取り込むことができるように、パッケージを被せることなく、開放させた状態にしておく。パッケージは、回路基板１４に対して取り外し可能に取り付けてもよい。
【００４２】
本発明に係る燃料電池モジュールは、リサイクル可能に構成することが好ましい。そのため水素発生セル３０を自由に取り外し可能なように、パッケージを構成することが好ましい。例えば、パッケージの適切な個所に開口部を形成しておき、水素発生セル３０を着脱自在に構成する。
【００４３】
＜水素発生セルの構成＞
次に、第１実施形態に係る水素発生セルの構成を図４，５により説明する。水素発生セル３０は、円筒形状を有する本体部３２を備えている。本体部３２は、好ましくは、適宜の金属により形成されるが、金属以外の材料を用いてもよい。本体部３２の内部には、第１収容室Ｒ１、第２収容室Ｒ２，第３収容室Ｒ３がこの順番で直列配置されている。
【００４４】
第１収容室Ｒ１には、純鉄でできた錠剤３５が収容される。第１収容室Ｒ１は、本体部３２の開口に連通しており、蓋３４により封止される。蓋３４に開口部（不図示）を形成すれば、空気を取り込むことができる。この空気と錠剤３５とを反応させることで、酸化反応が起こり発熱する。加熱温度は１００℃程度を目標としており、後述する水素発生反応を行いやすくする。本体部３２を金属製とすれば、発生した熱を伝えやすくすることができる。
【００４５】
第２収容室Ｒ２は、水を収容する空間であり、脱脂綿３７（水保持体に相当）に水を染み込ませた状態で収容する。第２収容室Ｒ２と第１収容室Ｒ１とは、隔壁により完全に遮断されている。水は、第１収容室Ｒ１における発熱反応により加熱され、水蒸気となる。この水蒸気が、第３収容室Ｒ３へと導入される仕組みとなっている。なお、水保持体としては、脱脂綿以外のものを使用してもよい。
【００４６】
第３収容室Ｒ３には、第１収容室Ｒ１と同様に純鉄の錠剤３６が収容される。この鉄の錠剤３６と、水蒸気とが反応することで、純水素が生成される。第２収容室Ｒ２と第３収容室Ｒ３の境界位置には、金属ネット３８（仕切り手段に相当）が設けられており、錠剤３６を支えると共に、ネットの目から水蒸気を通過させる。発生した純水素は、パイプ３１（導入管に相当）により送り出され、第１燃料電池セルＳ１へと供給される。水蒸気と反応するのは、純鉄であるから水素以外のガスが生成されることはなく、燃料電池セルＳ１には純粋に水素のみが供給される。なお、水蒸気のみを通過させる仕切り手段としては、金属ネット以外の適宜のフィルター部材などを用いることができる。第３収容室Ｒ３は本体部３２の開口と連通しており、蓋３３により封止される。蓋３３にパイプ３１が装着される。
【００４７】
水素を燃料電池セルＳ１に供給する際には、ポンプ等の機械要素を用いる必要はなく、発生した水素ガスの圧力により、自然に燃料電池セルＳ１へと供給される。ポンプが必要ないので、モジュール全体を小型化・薄型化することができる。
【００４８】
水素発生セル３０の具体的な寸法については、例えば、本体部３２の外径をφ４５ｍｍ、高さを４０ｍｍ程度とすることができる。また、第１収容室Ｒ１に収容する錠剤の重さは１０ｇ、第３収容室Ｒ３に収容する錠剤の重さは１５ｇ程度、第２収容室Ｒ２に収容する水の量は５ｃｃ程度とすることができる。これにより、１分間あたり２０ｃｃの水素を発生させ、ＰＤＡを約６時間駆動させることができる。
【００４９】
＜水素発生セルの別実施形態＞
次に、水素発生セルの別実施形態を図６により説明する。図５では、円筒形の本体部を有していたが、図６（ａ）のように断面正方形の本体部で水素発生セル３０を構成してもよく、（ｂ）に示すように、断面直方体の薄型平板状に形成してもよい。もちろん、平板状でない直方体としてもよい。薄型平板状にすれば、ＰＤＡに収容するモジュールも薄型化できるので好ましいと考えられる。
【００５０】
＜モジュールの他の構成例＞
次に、モジュールのほかの構成例を図７のブロック図により説明する。この構成例では、水素発生セル３０に対する制御を行う。図７に示すように、燃料電池セルＳ１，Ｓ２により発生する電圧は、電圧取出部４０により取り出され、これが昇圧回路４１により、機器に適した電圧になるように昇圧される。そして、電源供給端子４２を介して、ＰＤＡに適正な電圧が供給される。
【００５１】
一方、燃料電池セルＳ１，Ｓ２に対して燃料である水素ガスを供給する水素発生セル３０に対して制御を行うため、温度センサー４３と、第１開閉機構４７（第１制限機構に相当）、第２開閉機構４６（第２制限機構に相当）が設けられている。温度センサー４３は、水素ガスを発生するための反応温度が高くなりすぎていないかどうかを検出するために設けられる。例えば、温度が上がりすぎていると、これを抑制する方向に制御を行う。
【００５２】
温度センサー４３は、センサー駆動回路４４により駆動される。第１・第２開閉機構４６，４７は、開閉機構制御部４５により制御される。第１開閉機構４７は、第１収容室Ｓ１の蓋３４に開口部を設け、さらにこの開口部を開閉する機構である。すなわち、 開口部から取り入れる空気の量をこの第１開閉機構４７により調整することができる。従って、加熱温度が高くなりすぎた場合は、空気の取り込み量を抑え、純鉄と空気との反応を抑制することができる。これにより、加熱温度が上がらないように制御できる。
【００５３】
また、第２開閉機構４６は、第２収容室Ｓ２から第３収容室Ｓ３への水蒸気の送り込み量を抑制するため、第２収容室Ｒ２と第３収容室Ｒ３の境界を遮断する機構である。加熱温度が高くなり過ぎた場合は、水蒸気の送り込みを遮断させ、水素の発生量を抑制するようにする。
【００５４】
上記開閉機構４６，４７は、例えば、開口部あるいは境界位置に出入りするシャッタ機構で構成することができる。シャッターの駆動は、ソレノイド等のアクチュエータを用いることができる。温度センサー４３により、温度が上がり過ぎたことが検出されると、これら開閉機構４６，４７を駆動させて、反応を抑制するように制御する。なお、これら温度センサー４３や開閉機構４６，４７を駆動するためのエネルギーは、燃料電池セルＳ１，Ｓ２自身が発生するエネルギーを利用することができる。
【００５５】
＜燃料電池セルの構成＞
次に、本発明に係る燃料電池モジュールに使用される燃料電池セル（単位セル）の好適な実施形態を図面を参照しながら説明する。図８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９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。
【００５６】
本発明の燃料電池は、図８〜図９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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
図９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。
【００７８】
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。
【００７９】
本発明では、カシメを行う際、図９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）。
【００８０】
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。
【００８１】
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９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５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。
【００８２】
本発明では、図９に示すような単位セルを１個又は複数個使用することができるが、固体高分子電解質１、一対の電極板２，３、及び一対の金属板４，５で単位セルを構成し、この単位セルを複数積層したり、同一面に配列して使用することも可能である。（図１〜３に示したように同一面に配列することがモジュールをコンパクトにすることができ好ましい。）このようにすると、ボルト及びナットの締結部品で相互結合して、セル部品に一定の圧力を加えなくても、高出力の燃料電池を提供することができる。
【００８３】
使用の際、金属板５の燃料の注入口５ｃ及び排出口５ｄには、直接、燃料供給用のパイプを接合することも可能であるが、燃料電池の薄型化を行う上で、厚みが小さく、金属板５の表面に平行なパイプを有するジョイント機構を設けるのが好ましい。図９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、パイプ１５を圧入して取り付けることができる。
【００８４】
本発明の燃料電池は、薄型化が可能で小型軽量かつ自由な形状設計が可能なため、特に、ＰＤＡ、携帯電話、ノートＰＣ等のモバイル機器（携帯機器）に好適に使用することができる。
【００８５】
＜別実施形態＞
図１〜３に示す実施形態では、単位セル（燃料電池セル）を２つ設けているが、単位セルは１つでもよいし、３つ以上でもよい。携帯機器に設けられる収容部の大きさや必要とされる電池容量等を考慮して、適宜決めることができる。単位セルの大きさも適宜決めることができる。
【００８６】
前述の実施形態では、図９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１０（ａ）〜（ｂ）に示すようなカシメ構造を採用してもよい。
【００８７】
図１０（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。
【００８８】
更に、図１０（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。
【００８９】
図８〜１０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。
【００９０】
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。
【００９１】
図１１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。
【００９２】
燃料電池セルＳ１，Ｓ２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、鉄を錠剤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。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】ＰＤＡに燃料電池モジュールを搭載した状態を示す図
【図２】燃料電池モジュールの主要部を示す平面図
【図３】モジュールの構成を模式的に示す断面図
【図４】水素発生セルの外観を示す図
【図５】水素発生セルの構造を示す断面図
【図６】水素発生セルの別実施形態を示す外観図
【図７】モジュールの他の実施形態を示すブロック図
【図８】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
【図９】本発明の燃料電池の単位セルの一例を示す縦断面図
【図１０】本発明の燃料電池のカシメ構造の他の例を示す要部断面図
【図１１】本発明の燃料電池の単位セルの他の例を示す縦断面図
【図１２】従来の燃料電池の構成を示す斜視図
【符号の説明】
【００９４】
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
４ｃ          開口部
５            アノード側金属板
５ｃ          注入口
５ｄ          排出口
６            絶縁材料
９            流路溝
１１          ＰＤＡ
１２          収容部
１３          燃料電池モジュール
１４          回路基板
１７          周縁部
１８          押さえ部材
２１          パイプ
２２          モールド
Ｓ１，Ｓ２    燃料電池セル(単位セル)
【図１】
2006049086.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2006049086.tif 000008
【図７】
2006049086.tif 000009
【図８】
2006049086.tif 000010
【図９】
2006049086.tif 000011
【図１０】
2006049086.tif 000012
【図１１】
2006049086.tif 000013
【図１２】
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