(57)【要約】【課題】  モジュール性と融通性とを最大限に高め、構造を簡易化し、部品点数を少なくし、性能的に実用上問題がない、経済的で低価格の公知の材料を用い、好ましくない燃料漏れに対するシステムの密閉性を保証する構成を有する、小型燃料電池を提供する。【解決手段】  小型燃料電池は、中央にアノード側隔室を持つ中央体の両側に設けた、２組の電極／電解膜／電極（ＭＥＡ（膜電極一体構造））を有し、これらＭＥＡ（膜電極一体構造）は、これらの対応する電気コレクタとともに、２個のリングにより適所に固定され、これらリングは、ねじ止めにより、これら膜電極一体構造を、気密状態にする。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中央にアノード側隔室を持つ中央体の両側に設けた、２組の電極／電解膜／電極（ＭＥＡ（膜電極一体構造））を有し、これらＭＥＡ（膜電極一体構造）は、これらの対応する電気コレクタとともに、２個のリングにより適所に固定され、これらリングは、ねじ止めにより、これら膜電極一体構造を、気密状態にすることを特徴とする、ねじ型止め機構を備えた、小型燃料電池。
【請求項２】
複数個のＭＥＡ（膜電極一体構造）を得るために、（純粋な又は改質された）水素と水とが供給される、燃料電池である、請求項１に記載のねじ型止め機構を備えた、小型燃料電池。
【請求項３】
複数個のＭＥＡ（膜電極一体構造）を得るために、メタノールが、水溶液に溶けている、メタノール／空気燃料電池である、請求項１に記載のねじ型止め機構を備えた、小型燃料電池。
【請求項４】
複数個のＭＥＡ（膜電極一体構造）を得るために、例えば、アルコール類（エタノール、１−及び２−プロパノール、エチレングリコール、グリセリン）等の酸素含有量の高い液体燃料と、エーテル類（ジメチルエーテル、ジメトキシメタン又はトリメトキシメタン）、アルデヒド類（ホルムアルデヒド、グリオキサール）、又は酸（ギ酸、酢酸）等の高濃度の酸化剤を含む化合物とで運転することを特徴とする、請求項１に記載のねじ型止め機構を備えた、小型燃料電池。
【請求項５】
複数個のＭＥＡ（膜電極一体構造）を得るために、アルカリ溶液に溶けた、テトラヒドロホウ酸ナトリウム型（ＮａＢＨ４）の化学的水素化物等の、酸素を含まない燃料で、運転することを特徴とする、請求項１に記載のねじ型止め機構を備えた、小型燃料電池。
【請求項６】
４個と２０個の間の、偶数個でかつ２個以上のセルとで構成されるようにされ、請求項１に記載した２個セルモジュールを、所定数、平たく横置きし、個々のモジュールを相互に接続するか、又は共通中央体で一体化し、上述したような燃料で運転することを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか１に記載のねじ型止め機構を備えた、小型燃料電池。
【請求項７】
２個乃至１００個の所定数個で、請求項６に記載した多重セルモジュールが、平行に重ね合わされた構成にされ、個々のセルのカソードへの空気の供給が自然拡散又は取り付けた換気手段によりできるように、相互間を十分に分離して、高出力レベルの発電機を構成することを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか１に記載のねじ型止め機構を備えた、小型燃料電池。
【請求項８】
アノード側隔室の一方にのみ、複数個の基本セルを設けるように構成したことを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか１に記載のねじ型止め機構を備えた、小型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、小型燃料電池の十分な密閉を行うことができ、接着剤、ナット、ねじ等の従来技術において一般的な他のねじ止め機構を用いなくて済む、ねじ止め機構付き小型燃料電池に関する。
【０００２】
本発明の対象となる構成に固有な特徴により、公知で、軽量で、経済的でかつ機械化し易い、構造材を、部品点数を減らして使用でき、このため、本発明の構成によれば、従来提案されている多くの構成とは異なり、工業化が容易なる。
【０００３】
さらに、この小型燃料電池は、最終用途に必要な電圧及び電力に容易に適応できる構成を有し、水素、メタノール等の燃料で運転するように容易に構成できる。
【背景技術】
【０００４】
燃料電池は、広範な用途に渡って、従来技術の種々の制約と問題とを克服できる、発電手段としてみなされている。輸送及び配電の分野等の、戦略的及び経済的に関連が大きい用途に、注目が従来集中していた。第１に、従来技術と比べて、燃料電池は、化石燃料に潜在的に依存しないという，大きな利点がある。第２に、特に、電気と余熱のコージェネレーションシステムを採用すると、高レベルのエネルギ効率が得られるだけでなく、種々の大きさ及び種々の電力レベルに適合できる点で、モジュール性と融通性とがある。こうした利点に対して、現在のところ、市場への燃料電池の進出が、必須部品の高価格、耐用年数の短さ、並びに燃料の選択及び供給の問題等の理由で遅れているものがある。
【０００５】
一般に、低出力でポータブルな用途は、関連する用途としては第３の分野である。従来、この分野は、最初の二つ、すなわち、輸送と配電に比べて、経済的及び戦略的な問題が少ないので、あまり関心が払われていなかった。しかしながら、この傾向は、徐々に変わり始めつつある。これには、二つの理由がある。こうした理由の第１は、必須部品の高価格又は現行システムの耐用年数の短さ等の、この用途分野での制約の問題の重要性が相対的に無くなっていることである。たとえば、１ｋＷ当たり５，０００ユーロの価格、及び１，０００時間の耐用年数は、輸送には受け入れられないが、低出力及び高付加価値のニッチマーケットでの応用は、受け入れられる。第２に、低出力用途の燃料電池の市場への漸進的な進出は、顧客に技術を知ってもらう点で極めて有効であるとともに、燃料が、メタノール、水素等であれ、将来の大規模な販売の基礎を決定する観点で、燃料用の供給販路を開くのに極めて有効である。
【０００６】
多くの注目を浴びている、低出力用途として幾つかの特定の分野がある。最も出力が低い範囲では、これらの用途の幾つかは、１乃至５Ｗの出力を持つ、一般消費者向け電子機器（携帯電話、ノートパソコン等）用の直接給電又は充電器、携帯用コンピュータ（２０Ｗ以上）への直接給電、通信機器への給電（約１０Ｗ以上）、産業用送受信システム（ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  ｓｉｇｎａｌｉｎｇ  ｓｙｓｔｅｍ）（数Ｗ以上）、ゲーム機器分野等である。これら全ての用途において、従来の電池に比べた燃料電池システムの主な利点は、燃料を直ちに充填できることに加えて、単位重量及び／又は単位容積当たりのエネルギ貯蔵容量が大きいことである。
【０００７】
固体高分子形燃料電池は、比較的低温で運転できる能力（約０℃から８０℃まで）があり、他の形式の燃料電池では必要とされ、システムが複雑化し高価になる、多数の補助システムを省くことができる場合がある点で簡易性があるので、この範囲の全ての用途にとって基本技術である。
【０００８】
技術的観点から、燃料電池の活性部品、すなわち、価格が低くて良導体であるとともに、不純物又は副産物による汚染に対して耐性を持つ電気触媒により影響されない、耐用期間が長い電解膜の最適化に、大部分の注意が払われているが、貴金属、最適に処理され電気触媒の分量が低い電極等は、ほとんど使用されていないか又は全く使用されていない。さらに、従来の高分子膜を備えた燃料電池（出力レベルが、一般に５０Ｗより高いもの）と異なり、小型又は超小型燃料電池の場合、構造の標準化という概念はない。このため、できるだけコンパクト化し、出力密度を高め、発生する副産物（熱と水蒸気）の密閉と放出の問題を解決しようとして、おびただしい構造上の提案がなされている。こうした提案の幾つかは、円筒状、管状又は多角形状をした燃料電池（ＵＳ２００３／０１８６１００  Ａ１、ＵＳ２００３／００２１８９０  Ａ１、ＵＳ２００３／０１８０６００  Ａ１）に加えて、シリコンウェハについてのリソグラフィ技術（ＣＥＡ  グルノーブル）、水の回収と再循環用の補助システムを備えたセラミック材料の微細加工（モトローラ）、又は、プリント配線回路基板に基づく設計（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｏｕｒｃｅｓ  １１８（２００３）  １６２乃至１７１頁）を利用して、極めて複雑化し、本質的に製造コストが高いものが、提案されている。
【０００９】
こうした状態を考慮して、出力密度の損失をある程度犠牲にして、技術的な複雑化よりも、構成の簡易化及び材料の経済化に着目した、設計概念を開発する余地がある。これは、全く、製造工程の複雑さをなくし、低価格で、高性能の構成部品を用いることによって、小型燃料電池の構成部品の価格を下げることを目指している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の対象は、モジュール性と融通性とを最大限に高め、構造を簡易化し、部品点数を少なくし、性能的に実用上問題がない、経済的で低価格の公知の材料を用い、好ましくない燃料漏れに対するシステムの密閉性を保証する構成を有することを特徴の一部とする、パッシブ型小型燃料電池である。
【００１１】
本発明の小型燃料電池の構造は、すなわち、電極／電解膜／電極構造、すなわち、ＭＥＡ（「膜電極一体構造」と一般に言われる）を、必要に応じて、使用する燃料により適した他のものに置き換えることによって、水素（改質、加水分解又は水素化物の化学的分解により得られるもの）、メタノール水溶液等の燃料で運転できる。本発明の対象である、小型燃料電池は、場合に応じて、静止（ｓｔａｔｉｃ）モード若しくはデッドエンド（ｄｅａｄ−ｅｎｄ）モード、又は連続流状態にした燃料で運転できる。
【００１２】
本発明は、燃料電池自体に関するもので、燃料を貯蔵し計量するシステム、電流を調整する電子部品、所望によりシステム全体の一部に組み込まれる他の部品等の補助又は関連システムに関するものではない。また、燃料電池の電気化学反応部、すなわちＭＥＡ（膜電極一体構造）の具体的特性に関するものでもない。
【００１３】
「パッシブ型燃料電池」は、燃料又は酸化剤を強制的に供給する手段を用いることなく、内部の温度又は湿度を制御する補助部品を必要とすることなく、極めて簡単な構造で運転できる、燃料電池を意味する。
【００１４】
本発明の対象となる、小型燃料電池のモジュール性と融通性とは、基本セルの数と電極面積（一般に、約１ｃｍ２以上）について広範な選択性を得ることができる、構造上の多様性に関係する。こうして、必要とされる用途に応じて、電圧及び電流の公称特性を備えるように、システムを構成できる。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の対象となる小型燃料電池は、基本セルを連続してフラットな配置にするのを基本とする。このため、本発明に係る小型燃料電池の形状については、２個の基本的な選択肢がある。具体的には、好ましい態様では、本発明に係る小型燃料電池は、後述する段落で詳しく説明するが、共通のアノード側隔室の両側に対称に配置した、２個の基本セルからなり、このアノード側隔室を通じて、液体燃料又は気体燃料が、供給され、カソード側酸化剤として作用する空気に曝されている、両セルの外表面から出て行くようになっている、基本モジュールからなる。
【００１６】
もう一つの選択肢は、空気中の酸素が、小型燃料電池の表面の一方に接近するのが難しい虞がある装置、例えば、燃料電池をその表面の一方で保持して静置しておく必要がある用途にとって重要なもので、アノード側隔室の一方の側に基本セルを配置し、他方の側を塞いでおくこともできる。この選択肢では、両表面にセルを設ける好ましい態様に比べて、一般に出力レベルが低下するが、特定の用途により容易に適合できるといる利点がある。
【００１７】
本発明において、第２の選択肢は、セルをシステムの両側に配置する、一般的な態様から明白な、特殊なケースとみなすことができる。一般的な態様を、後述する。
【００１８】
各基本セルは、２個の電子コレクタ間に設けられた、ＭＥＡ（膜電極一体構造）を有する。電子コレクタの基本構造は、電子のＭＥＡ（膜電極一体構造）のアノード側電極への流れ、及びそのカソード側電極からの流れを許容する、薄い金属プレート（厚さ１ｍｍ未満で、理想的には、厚さが、０．１乃至０．５ｍｍ）からそれぞれなる。電子コレクタは、複数個の孔を備えて、反応物と電気化学反応生成物が、アノード側電極及びカソード側電極に対して、離接できるようにする必要もある。これら反応物及び生成物は、気相（例えば、水素）、液相（例えば、メタノール水溶液）、又は蒸気相（水蒸気）を取り得る。電子コレクタは、機械的に十分に頑丈であり、高いレベルの導電性と電気接触性とを備え、腐食に対して十分な化学的不活性を有する必要がある。電子コレクタに適した材料の例は、ステンレス鋼で、たとえば、窒化チタン等の不動態化を防止する皮膜を施してもよい。電子コレクタは、円形状である必要があり、こうすると、空間の有効利用のために、電極面は、同様に円形状であるので、極めて有効である。
【００１９】
２組のコレクタ−ＭＥＡ−コレクタ構造を、上述したアノード側隔室を構成する中空な中央体の両側に配置する。この中央体は、燃料をアノード側隔室に供給し、燃料を循環させるため、燃料が、液状であると気体状であるとに拘わらず、１個の供給孔と、一般的にもう１個の放出孔とを備える必要がある。本発明の主な特徴の一つは、ねじ止めにより、複数組のコレクタ−ＭＥＡ−コレクタ構造を中央体に取り付けるのに用いる方法にある。こうして、各組のコレクタ−ＭＥＡ−コレクタ構造は、その周囲の箇所で、外周部にねじを形成したリングにより、アノード側隔室の周囲部を構成するブラケットに当たるまで、押し付けられる。リングは、中央体（このため、雌ねじの山が形成されている）にねじ止めされる。カソード側コレクタ、ＭＥＡ（膜電極一体構造）、アノード側コレクタ及びブラケットにリングにより連続して加わる圧力により、電極面の周囲部とその近傍で、適切なシールをもたらすことができる。特に、大気に対してある程度過大な圧力で気体状燃料を供給することにするような限界的なケースで、シール特性を最適化するには、好ましくない漏れの虞を避けるため、より以上のシール特性を保証する、別個の手段を、所望により設けてもよい。たとえば、ブラケットとアノード側コレクタとの間に、フラットなシール、又はブラケットに形成した溝内に収容したＯ−リングを設けることができる。本発明に係る構造によれば、カソード側コレクタと雌ねじリング間に、追加のシール部材を設ける必要がない。同様な考えを持つ概念の基づくものであるが、ねじ止めの代わりに、小型の電子機器内にボタン電池用の隔室を塞ぐのに用いるような、傾斜面を備えたフランジを使用してもよい。
【００２０】
本発明の重要な特徴の一つである、構成の簡易性により、中央体及び封止リングのような、受動構成部品用に経済的な構造材料を利用できる。こうして、構成部品は、公知のプラスチックス、熱可塑性プラスチックス又は耐熱性材料を用いて、化学的及び寸法的安定性にとって必要な基本的条件を満たすだけで、機械化又は成形化できる。このため、ポリオレフィン（ポリエチレン若しくはポリプロピレン）、ポリ塩化ビニル若しくはポリテトラフルオロエチレン等のハロゲン化樹脂、ポリアミド、脂肪族ポリエステル、ポリカーボネート若しくはポリアセタール等の特殊樹脂、ポリエーテルケトン、ポリアミドイミド、ポリスルホン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、芳香族ポリエステル、芳香族ポリオキシド等の高性能若しくはエンジニアリング高分子材料、ポリベンソイミダゾール若しくはポリキノキサリン等の耐熱性高分子、硬質結晶性高分子、その他これらに類似する材料、又はこれらの混合体若しくは合金を用いることができる。架橋された耐熱性材料としては、フェノール樹脂、ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂等が挙げられ、これらは、好ましくは、ガラス繊維又は他の同様な化合物等で補強する。こうする代わりに、これらの構成材料を、特殊化したセラミック材料で形成してもよい。
【００２１】
既に述べたように、電流コレクタは、中央部に孔が穿かれていて気体と蒸気とに対して透過性を有する必要がある。本発明による燃料電池システムを最適な構造にするには、この透過部が、電極全体に及んでいてはならず、取付電極と物理的に接触する領域においてのみに位置する必要がある。こうすると、本質的に必須なことではないが、特に、アノード側コレクタの場合において、システムの密閉性を確保するには、ねじ止めリングが、孔を設けることなく支持される、周囲部が有効である。
【００２２】
孔を穿かれた金属プレートの代わりに、電気コレクタとして他の部材を使用することもできる。但し、孔を穿かれた金属プレートの代わりに用いる部材は、機械的剛性（電気コレクタとＭＥＡ（膜電極一体構造）との間での電気接触損失による座屈を防止するため）、適正な透過性、適正な化学安定性といった基本的な条件を、高レベルでの導電性を維持するためには満たす必要がある。こうして、例えば、メタルメッシュ、硬質連続気泡メタルフォーム（ｍｅｔａｌ  ｆｏａｍ）、シート状硬質高分子材料（複合又はエンジニアリング高分子）、（表面金属化により）表面を導電性にしたセラミックス、又はカーボンブラック、金属粒子、又は導電性を持つ高分子を充填した物を用いることができる。
【００２３】
実際の用途に直接的に使用するには、一般に低すぎる、利用可能なセル電圧しか得られないという、燃料電池固有の特性（水素燃料電池の場合、一般に１Ｖ未満であり、ダイレクトメタンノール形燃料電池の場合、一般に０．７Ｖ未満）から、所望数の基本セルを直列接続するのが好ましい。このため、電流コレクタは、（状況に応じて、直列又は並列接続のいずれかで）基本セル同士を電気的に相互接続できる手段を備える必要がある。好ましい態様では、この相互接続は、側部に設けたフラットなフランジ又はタブ（電流コレクタを、ラケット形の形状にしたもの）を用いて行い、燃料電池本体の外部での電気接続により、適切な接続がなされる。こうしたフランジは、中央体の雌ねじ部内に設けた凹部に収容できる。こうする代わりに、スポット、アーク又は電気溶接等の技術により、円形コレクタの中央に電気ケーブルを直接接続してもよい。このやり方は、各アノード側コレクタの接続ケーブルが、アノード側隔室の一部を占め、適切な接続を行うために、小型燃料電池自体の外部まで引き出すには、中央体を貫通される必要がある点で困難性がある。
【００２４】
０．６Ｖの代表的な運転電圧を得るのに、燃料として水素を用いて運転する場合、上述した基本モジュールを、２個の基本モジュールを直列接続することにより、１．２Ｖの運転電圧が得られる。この数値は、大抵の実用的用途では、かなり低いが、より高い電圧を得るには、３個以上の基本セルを直列に接続するのが、一般に好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明の開示を補足し、本発明の特徴をよりよく理解してもらうため、本発明の好ましい実施の形態を、明細書と一体をなす、添付図面に、例示的かつ非限定的に示す。
【００２６】
図1に概略的に示す、基本モジュールは、2個の個別電池からなり、そのうちの1個は、正面部にあるが、他方は、前者と対称に背面部にあり、図面からは見えない。「基本セル」は、ＭＥＡ（膜電極一体構造）と、そのアノード側コレクタと、そのカソード側コレクタとから構成されるユニットを意味する。この基本モジュールは、両方の個別セルが、固定された中央体１を備える。この場合、中央体が、八角形をしていることは、図面を分かり易くするための、単なる例示に過ぎず、中央体は、場合に応じて、その他の幾何学的形状を取ってもよい。以下の説明は、図示の個別セルについて行うが、図示していない、背面部にあるものも、同様な個別セルであることを理解されたい。
【００２７】
各個別セルは、中空体１にねじ止めされる封止リング２により中空体１に固定される。この封止リングは、対応するカソード側コレクタ３を空気に曝しておくもので、広範囲に設けた微細孔、隙間、ミシン目又は穴を有する（図1では、概略的に格子として示してある）ことにより、酸素が，対応する個別セルのカソードに大気から到達できるようにしてある。フランジ１３ａ、１３ｂ、１３ｃ及び１３ｄは、電気コレクタのタブであり、これらタブにより、タブ１３ａが、正面部にある個別電池のカソード側コレクタに対応し、タブ１３ｂが、この個別電池のアノード側コレクタに対応するように、小型燃料電池の電気接続が行うことができる。背面部にある個別セルについては、タブ１３ｃが、背面部にある個別セルのカソード側コレクタに対応し、タブ１３ｄが、背面部にある個別セルのアノード側コレクタに対する。こうして、図示の２個の電池からなるモジュールの両方の個別セルを直列接続したい場合には、例えば、タブ１３ａとタブ１３ｄをそれぞれ正極及び陰極として、タブ１３ｂをタブ１３ｃに接続できる。
【００２８】
電気コネクタ間の電気接続に関しては、上述したようにタブを利用する以外にも方法があり、ここに述べたタブは、電気接続の目的のためにある、手段の一つに過ぎない。同図は、燃料用の2個の接続ポートを、2個の突起８として示してあり、接続ポートの一方は、供給ポートとして機能し、他方は、排出ポートとして機能する。後者は、他の小型燃料電池モジュールとの外部接続を可能にする等の目的のため、自動排気バルブが付いている。同様に、排出ポートなしで、供給ポートだけでよい場合には、接続ポート８の一方を省いてもよい。
【００２９】
図２は、図１に示す中央体１の４５度回転させた方向における概略側面図である。この図には、２個の凹部９及び１０とともに、燃料用接続ポート８が示されている。これら凹部は、一方がタブ１３ａ及び１３ｂを、他方がタブ１３ｃ及び１３ｄを、それぞれ収容するものである。図３は、電気コレクタ（３又は４）の概略図で、透過性中央部１１が示されている。透過性中央部は、燃料電池の電極面、非透過性の、すなわち、燃料電池組立体の密閉性を損なうことがないように隙間又は穴を有しない、高密度な周囲部１２、及び電気接続タブ１３と同心円状になっている。
【００３０】
図４は、図１に示したような、２個のセルからなる基本モジュールの分解断面図を概略的に示すものである。この図には、基本セルの各々が、一方が図面中の上方を、他方が図面中の下方に位置するように、対称配置で示されている。封止リング２の一方が、基本セルをねじ止めにより適所に固定している。基本セルの各々は、カソード側コレクタ３と、アノード側コレクタ４と、２個のシール５と、ＭＥＡ（膜電極一体構造）６とから構成される。さらに、アノード側コレクタ４と中央体１には、追加のシール部材７を設けてもよい。コレクタ／シール／ＭＥＡ（膜電極一体構造）とからなる組立体は、封止リング２を用いて、中央体１にねじ止めすることによって適所に固定される。このねじは、ねじ山１４により表わしてある。この組立体は、アノード側隔室１５を残して、環状突起１６に支持される。このアノード側隔室は、空にしておいてもよいが、例えば、乱流促進体（特に、液体燃料が溶液の場合）、湿気吸収要素（特に、水素等の気体燃料の場合、過度濃縮状態を維持し、非運転時には湿気を放出することにより、電解膜の早期乾燥を防ぐためのもの）等の機能要素又はその他のものを収容してもよい。穿孔８は、供給通路の典型例であり、場合に応じて、燃料用の排出通路は設けなくてもよい。
【００３１】
上述した図に示すものは、全て、本発明の対象である、たった２個の個別セルを備えた、小型燃料電池の極めて簡便な構造技術に対応する。実際には、電圧を高くするために、２個以上の基本モジュールを直列に接続した、小型燃料電池にするのが一般には好ましい。図５ａ、５ｂ、５ｃ及び５ｄは、こうした構成として考えられる例を、例示的にかつ非限定的に、概略的に示すもので、上述したような２個セルモジュールをいくつか組み合わせてある。具体的には、図５ａは、４個のセルからなる小型燃料電池（合計４個の個別セルを、両側に２個づつ備えたもの）を概略的に示し、図５ｂ及び５ｃは、６個のセルからなる小型燃料電池についての二つの異なる構成を示し、図５ｄは、１０個のセルからなる構成を概略的に示す。
【００３２】
組み合わされる２個セルモジュールは、必ずしも、個々のモジュールが図１に示すモジュールのようなものを用いる必要はないが、図５及びその他の図は、図４に示すように、中央体の両側に１個づつ設けた、２個の基本セルにより囲まれる、アノード側隔室を備える、共用の中央体を有する点では、共通している。図５ａ、５ｂ、５ｃ及び５ｄは、１個以上の燃料供給及び／又は排出箇所を備えてもよく、図４に示す隙間８のように、中央体に設ける内部通路又は孔を通じての燃料の内部分配には、種々の方法がある。添付図面の図５ａ、５ｂ、５ｃ及び５ｄは、公称電圧をさらに高め、より高出力な装置を得るために、２個以上の複数個セルモジュールを、互いに平行に配置することを排除するものではない。
【実施例】
【００３３】
実施例1
本発明の概念を実証するため、2個のセルからなる小型燃料電池を、すなわち、２個の基本セルで、活性電極面積が、５ｃｍ２のものを作製した。この小型燃料電池は、パッシブ型で、すなわち、反応物の加熱、冷却、加湿又は強制供給用の補助要素なしで、燃料として水素を、酸化剤として空気を用いて運転するのに適する、ＭＥＡ（膜電極一体構造）から構成した。水素は、バルブにより若干過圧状態にしてアノード側隔室に供給したが、このバルブは、作製した小型燃料電池の外部にある貯蔵装置内に、この目的のために設けたものである。空気は、自然対流で供給した。図6は、このシステムの分極特性曲線を示すもので、図から、出力は、電流１Ａで、１．１Ｖに対して１．１Ｗであり、実用的な最大電力は、１．４Ｗである。
【００３４】
実施例２
上述した２個セルモジュールの構造は、個別の２個セルモジュールを横並びさせることによって、多量のセル、一般に複数個のセルを備えたモジュールに容易に変更できるという利点がある。こうした変更は、個々の基本となる２個セルモジュールを用い、各モジュールにおいて使用しない燃料用放出ポートを次段の供給ポートに接続し、適切な電気接続を行うことによって、達成できる。しかしながら、本発明によるシステムの小型化には、これら全ての２個セルモジュールを一体化した共通の中央体内に設け、２個セルモジュールと同数のアノード側隔室を、燃料を適正に分配できるように、接続通路により、互いに接続すると、より好都合である。こうして、２個（既述の通り）、４個、６個、８個又はそれ以上の基本セルを備えたモジュールを、比較的簡単に設計し構成できる。全てのセルを直列接続することにより、典型的な合計公称電圧は、それぞれ、１．２Ｖ、２．４Ｖ，３．６Ｖ及び４．８Ｖとなる。
【００３５】
発生する電流は、種々のパラメータ（電極の電気触媒の性質と量、電解膜の性質と状態、運転電圧等）により、特に、電極の活性面積による。説明のため、乾燥した水素が供給され、活性電極面積が７ｃｍ２（直径３ｃｍの円形）である、パッシブ型燃料電池については、典型的な運転レベルが、０．６Ｖで１５０ｍＡ／ｃｍ２であることを考慮すると、２個乃至８個の基本セルを備えたモジュールについて、下記の公称運転レベルが、得られる。
【００３６】
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【００３７】
こうしたモジュールの幾つかを共通のシステムとして電気的に直列接続し、直列接続されたアノード側隔室内での水の過度な滞留を避けるため、好ましくは平行に燃料供給を行うと、上述のように接続したモジュールの数の倍数である、合計電力レベルと電圧が得られる。こうして、例えば、４個のモジュールからなる共通システムに、上述した８個の基本セルを組み合わせると、公称２０Ｗで１９．２Ｖの発電機が得られる。ここに示したガイドラインデータの目的は、本発明の多様性と融通性とを示すことにあり、上述の実施例において、約１乃至約３０Ｗの間の範囲で、主力レベルを得ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】基本となる２個セルからなる小型燃料電池モジュールを一方の面から見た概略図である。
【図２】基本となる２個セルからなる小型燃料電池モジュールを横から見た概略図である。
【図３】電流コレクタの概略図である。
【図４】前記基本となる２個セルから成る小型燃料電池モジュールの概略分解図である。
【図５】２個セルからなるモジュールを、４個の個別セル（図５ａ）、６個の個別セル（図５ｂ及び図５ｃ）、並びに１０個の個別セル（図５ｄ）として構成する、例の概略図である。
【図６】図１に示したのと同様な２個セルからなるモジュールを用いて、実験的に得られた分極曲線を示すもので、燃料として水素を、酸素として酸化剤としての空気とを用いてある。
【符号の説明】
【００３９】
１      中空体
２      封止リング
３      カソード側電気コレクタ
４      アノード側電気コレクタ
５      シール
６      ＭＥＡ（膜電極一体構造）
７      追加のシール部材
８      燃料用接続ポート
９      凹部
１０    凹部
１１    透過性中央部
１２    非透過性周囲部
１３    電気接続タブ
１３ａ  セル１のカソード側コレクタ用電気接続タブ
１３ｂ  セル１のアノード側コレクタ用電気接続タブ
１３ｃ  セル２のカソード側コレクタ用電気接続タブ
１３ｄ  セル２のアノード側コレクタ用電気接続タブ
【図１】
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【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】
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