(57)【要約】【課題】積層方向での単位電池間の温度のばらつきが小さく、安定して高い出力が可能な燃料電池を提供すること。【解決手段】複数のセパレータを、間に電解質部材を介して積層するとともに、セパレータを積層方向に縦通する棒状部材を有し、積層方向に縦通する棒状部材を介して積層方向に締め付けて成る燃料電池において、前記棒状部材は、セパレータの積層方向と直交する方向における棒状部材の横断面積が、前記棒状部材の長さ方向の中央部より両端部で小さい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のセパレータを、間に電解質部材を介して積層するとともに、前記セパレータを積層方向に縦通する棒状部材を有する燃料電池において、前記セパレータの積層方向と直交する方向における前記棒状部材の横断面積が、前記棒状部材の長さ方向の中央部より両端部で小さいことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記セパレータの積層方向と直交する方向における前記棒状部材の横断面積が、中央部から両端部にかけて、漸次小さくなることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記棒状部材の少なくとも１つが、前記電極部材の中央部を縦通していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記棒状部材と、前記棒状部材が縦通する、前記セパレータおよび前記電解質部材の少なくとも一方の間に、熱伝導性部材を有することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項５】
前記熱伝導性部材が、前記セパレータよりも熱伝導率が高いことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記セパレータの積層方向に対し中央部に位置する、前記棒状部材が縦通する、前記セパレータおよび前記電解質部材の少なくとも一方の間に、前記熱伝導性部材を有することを特徴とする請求項４または請求項５のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項７】
請求項１〜請求項６のいずれかに記載の燃料電池を備えた電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のセパレータを、電解質膜と該電解質膜を挟み込む一対の電極部とからなる電解質部材を間に介して積層して形成された燃料電池に関するものであり、特に、積層方向での温度のばらつきが小さく、安定して高い出力が可能な燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電気を駆動力とする各種機器の電源として、燃料電池が実用化されてきている。
【０００３】
燃料電池は、一般に、電解質膜を挟んでアノードとカソードとが配置された構造の電池であり、アノードとカソードとの間（電解質の外側）に負荷（電気を駆動源とする各種機構）が配置される。この、燃料極（アノード）側に水素の供給源となる燃料ガス、空気極（カソード）側に酸素を含む酸化剤ガスをそれぞれ供給し、電解質膜を介して、水素と酸素とを電気化学的に反応させて発電を行なわせる。
【０００４】
電解質膜は、上記電気化学反応にともなう水素イオン（プロトン）の移動が、電解質膜中の水分を経由し行われるため、その流れをスムーズにして発電を効率よく行うために、十分な水分の保持が必要になる。
【０００５】
燃料電池は、一対のアノードとカソードとを単位として生じる電圧が上記電気化学反応により原理的に制約されるため、負荷に必要な電圧を供給するためには、燃料電池の最小単位である単位電池が積層されて互いに直列に接続された構造とする必要がある。
【０００６】
図10に、従来の燃料電池の構成を断面図で示す。同図において、111は燃料電池、113は電解質膜、114および115はガス拡散層および触媒層としての機能を有する一対の電極部、すなわち燃料極および空気極であり、116は燃料流路118および空気流路119を備えるセパレータである。そして、電解質膜113と電極部114、115とからなる電解質部材121と、電解質部材121を挟み込むセパレータ116からなる単位電池112が、電気的に直列に接続されるように多数積層して燃料電池111となる。
【０００７】
発電する化学反応が発熱反応であること、電気が流れる経路で抵抗発熱等が生じることなどから、単位電池112の温度は上昇する。複数の各単位電池112が同時に発電を行い、積層された単位電池112の放熱される割合が燃料電池111の各部で異なるため、３次元的に温度分布が生じる。具体的には、単位電池112からの放熱量が、積層方向の両端で大きく、また、中央部で小さい。更には、発電により発生した熱がセパレータ116を通じて熱拡散し、単位電池112の積層方向の温度分布は、積層方向両端部から積層方向中央部に向かって傾斜的に高くなる。単位電池112間で温度がばらつくと、以下のような理由により、燃料電池111としての出力電圧の低下や、寿命の低下等の不具合を生じやすくなる。
【０００８】
すなわち、単位電池112は、温度が高くなり過ぎる（例えば100℃超）と、電解質膜113に含まれる水分が蒸発し、電解質中の水分量が減少しやすくなる。電解質膜113中の水分量が減少すると、電解質膜113の導電率が低下（抵抗増大）し、電圧損失により出力電圧が低下する。この場合、高温になりやすい単位電池（積層方向の中央部分に位置するもの）の温度を低く抑えるために出力電圧を低く抑えようとすると、結果的に、燃料電池111の出力電圧が低下してしまう。
【０００９】
また、積層方向中央部の温度が100℃を超えると、電気化学反応を促進する触媒の劣化や電解質膜113の劣化による分解により、電池性能が急激に低下し、燃料電池111の寿命の低下にも繋がる。
【００１０】
したがって、単位電池112の積層方向の温度分布を均一化することが重要であり、従来の燃料電池111においては、その方策として、例えば、複数個の単位電池112と冷却板（図示せず）とが交互に多数積層され、積層体の冷却板に冷媒マニホールド（図示せず）を介し、水などの冷媒が外部から供給・排出されるような冷却機構（図示せず）などが備えられている。
【特許文献１】特開平１−２６５４６０号公報
【特許文献２】特開平５−６２７０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
燃料電池について、近年、携帯電話やパーソナルコンピュータ（いわゆるノートブックＰＣ）等の携帯電子機器の電源としての用途が注目されている。しかしながら、上記従来の燃料電池を小型化が要求される携帯電子機器において電源として搭載する場合、次のような問題点が生じる。
【００１２】
すなわち、燃料電池を搭載するスペースが小さいため、冷却板や冷媒を供給するための補器を用いた場合、燃料電池全体の大型化を招くため、携帯電子機器に搭載することが非常に困難となる。
【００１３】
また、冷媒を供給するための補器を使用するにあたっては、結果的に補器を作動させるための電力が必要となることから、補器の電力使用を含めた燃料電池全体の効率が制限されるという問題点があった。
【００１４】
一方で、冷媒を用いて冷却を行わない場合、上記のように出力電圧の低下や寿命の低下等の可能性が高くなってしまう。
【００１５】
本発明は、以上のような従来技術の課題を解決するために提案されたものであり、その目的は、積層された単位電池間の温度ばらつきが抑制され、長期に渡って安定した出力電圧を維持可能な、小型の燃料電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の燃料電池は、複数のセパレータを、間に電解質部材を介して積層するとともに、セパレータを積層方向に縦通する棒状部材を有する燃料電池において、セパレータの積層方向と直交する方向における棒状部材の横断面積が、棒状部材の長さ方向の中央部より両端部で小さいことを特徴とするものである。
【００１７】
また、本発明の燃料電池は好ましくは、セパレータの積層方向と直交する方向における棒状部材の横断面積が、中央部から両端部にかけて、漸次小さくなることを特徴とするものである。
【００１８】
また、本発明の燃料電池は好ましくは、棒状部材の少なくとも１つが、前記電極部材の中央部を縦通していることを特徴とするものである。
【００１９】
また、本発明の燃料電池は好ましくは、棒状部材と、棒状部材が縦通する、セパレータおよび電解質部材の少なくとも一方の間に、熱伝導性部材を有することを特徴とするものである。
【００２０】
また、本発明の燃料電池は好ましくは、熱伝導性部材が、前記セパレータよりも熱伝導率が高いことを特徴とするものである。
【００２１】
また、本発明の燃料電池は好ましくは、セパレータの積層方向に対し中央部に位置する、棒状部材が縦通する、セパレータおよび電解質部材の少なくとも一方の間に、熱伝導性部材を有することを特徴とするものである。
【００２２】
また、本発明の電子機器は好ましくは、上記いずれかに記載の燃料電池を備えていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の燃料電池は、単位電池を、積層方向に縦通する棒状部材を介して積層方向に締め付けて成る燃料電池において、セパレータ（単位電池）の積層方向と直交する方向における棒状部材の横断面積が、中央部より両端部で小さい。従って、高温になりやすい、積層方向の中央部に位置する単位電池においては、棒状部材の熱流が大きいため、積層方向に沿って熱を流れやすくさせることが可能となる。その結果、積層方向中央部の熱は棒状部材を経由して棒状部材両端部へ伝導されやすくなり、燃料電池全体として温度のばらつきを抑制する、すなわち均一化を図ることができる。一方、積層方向両端部においては、棒状部材の横断面積が小さいため、熱の流れが中央部と比べて相対的に小さくなる。その結果、積層方向両端部の熱は棒状部材を経由して棒状部材中央部へ伝導されにくくなる。従って、積層方向の中央部の熱は両端部へと流れることにより、両端部の温度が上がることから、積層された単位電池間の温度ばらつきが抑制、すなわち均一化が図られ、長期に渡って安定した出力電圧を維持可能な、小型の燃料電池を提供することができる。
【００２４】
また、本発明の燃料電池は上記構成において、好ましくは、セパレータ（単位電池）の積層方向に対する棒状部材の横断面積が、中央部から両端部にかけて、漸次小さくなることから、棒状部材の熱流は積層方向の中央部から両端部にかけて漸次小さいため、積層方向中央部から両端部への熱の流れは促進され、一方、積層方向両端部から中央部への熱の流れは抑制される。つまり、積層方向の中央部から両端部に向かって、漸次小さくなるような熱の流れを形成することができる。そのため、高温になりやすい、積層方向の中央部に位置する単位電池からより多くの熱が隣り合う単位電池に向かって順次流れ出し、また、その流れ出た熱が積層方向の両端部に位置する単位電池に供給されて昇温の効果を得ることから、燃料電池全体として温度分布の均一化を図ることができる。
【００２５】
その結果、各単位電池の放熱される割合を制御することが可能なため、燃料電池積層体の温度ばらつきを低減することが可能であり、各単位電池において含まれる水分量に大きなばらつきが生じることは効果的に防止される。
【００２６】
従って、各単位電池の出力電圧が同じ程度になり、冷却板や冷媒を供給するための補器や、冷媒を供給するための補器を駆動させる電力等が不要になるので、携帯機器等に搭載可能な、小型で、効率のよい燃料電池を提供することができる。
【００２７】
また、棒状部材を介して、積層体の温度分布を均一化することにより、電解質膜に含まれる水分量が最適になるような運転条件を設定することが容易になるため、燃料電池の出力電圧を向上することができる。
【００２８】
また、単位電池間の温度ばらつきが抑制されるので、一部の単位電池で温度が高くなり過ぎて触媒の劣化や電解質膜の劣化による分解等の不具合が生じる、というようなことは効果的に防止される。そのため長期に渡って連続運転することが可能な寿命の長い燃料電池を提供することができる。
【００２９】
また、本発明の燃料電池は上記構成において、好ましくは棒状部材の少なくとも１つが、電極部材の中央部を縦通していることを特徴とするものである。
【００３０】
ここで棒状部材は、複数が単位電池の積層体を縦通しており、好ましくは少なくとも１つが、断面視で、電極部材の中央部を縦通しているため、より効果的に単位電池間の温度ばらつきを抑制することができる。これは、各単位電池において、その主な発熱は電極部の中央部で大きいためである。この発熱量の大きい部分に、熱を流す媒体としての棒状部材が配置されることにより、積層体の温度分布をより一層均一化することができる。その結果、局部的な高温部を一層なくすことができるため、燃料電池を長期に渡って連続運転した場合には、従来の燃料電池に比べて格段に高い電池性能を維持できる。
【００３１】
また、本発明の燃料電池は上記構成において、棒状部材と棒状部材が縦通するセパレータおよび電解質部材の少なくとも一方との間に、熱伝導性部材を有する。そのため、単位電池の主構成要素であるセパレータや電解質部材から棒状部材への熱伝導が確実となり、より効果的に熱交換を行うことが可能となる。さらには、セパレータと棒状部材間の熱抵抗を下げるのと同時に隣接するセパレータ間同士においても低抵抗な熱伝導経路が確保される。また、電解質部材で生じた発熱を、熱伝導性部材を介することで、より効率的に棒状部材に伝えることができ、積層体の温度分布を均一化することが可能となる。上記の結果、積層体全体の温度分布を均一化することが可能となるため、燃料電池を長期に渡って連続運転した場合には、従来の燃料電池に比べて格段に高い電池性能を維持できる。
【００３２】
また、本発明の燃料電池は上記構成において、熱伝導性部材が、セパレータよりも熱伝導率が高いことを特徴とするものである。そのため、単位電池からの熱の流れが棒状部材に伝わりやすく、結果的に棒状部材を介して、積層体の温度分布をより均一化することが可能となる。
【００３３】
また、本発明の燃料電池は上記構成において、積層方向に対し中央部に位置する、棒状部材が縦通する、セパレータおよび電解質部材の少なくとも一方の間に、熱伝導性部材を有することを特徴とするものである。ここで、放熱量が積層体の中央部で少ないため、積層体の中央部は高温になりやすい。そこで、少なくとも積層方向に対し中央部に位置する、棒状部材が貫通したセパレータ部と棒状部材との間、または棒状部材と電解質部材の間の少なくとも一方に熱伝導性部材を有することで、積層方向の中央部に位置する単位電池からより多くの熱が熱伝導性部材を通じて、棒状部材の中央部に伝道されやすくなり、さらには、棒状部材の両端部へ伝導されやすくなり、積層体の温度分布を均一化することが可能となる。
【００３４】
また、積層方向の両端部においては、熱伝導経路が制約されるため、熱伝導性部材の領域を設定する事により、積層体の温度分布を調整する事が可能である。その結果、積層体全体の温度分布をより一層均一化することが可能となる。そのため、電解質膜に含まれる水分量を安定して保持することが可能になるため、燃料電池を長期に渡って連続運転した場合には、従来の燃料電池に比べて格段に高く安定した電池性能を維持できる。
【００３５】
以上のことから、積層された単位電池間の温度ばらつきが抑制され、長期に渡って安定した出力電圧を維持可能な、小型の燃料電池を提供することできる。
【００３６】
さらには、上記の燃料電池を備えた、長期に渡って安定した出力電圧を維持可能な、小型の電子機器を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
次に、本発明を添付図面に基づき詳細に説明する。
【００３８】
（実施形態１）
図１、２は、本発明の燃料電池について実施の形態の一例を示す断面図である。
【００３９】
図１、２において、１、11は燃料電池、２は単位電池、３は電解質膜、４、５は電極部材、６はセパレータ、７は締付板、８、９は流体流路、10、20は棒状部材、12は電解質部材である。なお、図１、２は燃料電池１、11を概念的に示すものであり、後述する流体流路８、９を同一方向に示すなどしている。
【００４０】
燃料電池１、11は、単位電池２、締付板７、集電端子（図示せず）、棒状部材10、20を備える。燃料電池１、11は、略直方体状に形成された単位電池２を複数個積層した構造となり、各単位電池２は、積層方向に縦通する棒状部材10、20と燃料電池１、11の積層方向両端部に配置された締付板７を用いて機械的に固定される。
【００４１】
集電端子は、燃料電池１、11から携帯電子機器へ電力を供給するためのプラスとマイナス端子を持ち、金属の集電板やリード線等の手段を用いて行われる。
【００４２】
単位電池２は、電解質膜３を挟み込む一対の電極部からなる電極部材４、５を含む電解質部材12と、電極部を覆うように取着された一対のセパレータ６で構成されている。
【００４３】
電解質膜３は、イオン導電膜（交換膜）であり、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂、例えば、ナフィオン（商品名、デュポン社製）等のプロトン伝導性のイオン交換樹脂により構成されている。
【００４４】
電極部材４、５は、多孔質状態のガス拡散電極であり、多孔質触媒層とガス拡散層の両方の機能を兼ね備えるものである。ここで、電極部材４、５は、電解質膜３との界面において、白金や白金−ルテニウム等の触媒微粒子を担持した炭素電極によって構成されている。なお、図１においては、電解質膜３および電極部材４、５を同一面に１つ、積層方向に５層としたのは例示であり、電解質膜３および電極部材４、５の数や面積は、携帯電子機器の用途や電圧、電流の仕様に応じて、適宜に設定してよい。また、電解質膜３あるいは電極部材４、５は、互いに同一の広さでなくてよく、さらには同一面に複数配置してもよい。
【００４５】
セパレータ６は、流体流路８、９を有し、電解質膜３の周囲にガスケット（図示せず）を配置して、流体流路８、９を流れる燃料ガスと酸化剤ガスが外部に漏れないように気密に封止し、電解質膜３で電気化学的に発電された電流を外部へ取り出すことができるものとなっている。セパレータ６の材料として、主構成材料はセラミックや樹脂などの絶縁材料で、電気的導通をとるためにセパレータ内部や表面に電気配線や電極が配置されたものや、さらには、導電性材料であるカーボン系、ステンレスやアルミニウムなどの金属系、などがある。なお、本発明の実施例において、セパレータ６は、流体流路８、９を一体として成している。
【００４６】
セパレータ６は、それぞれ厚みを薄くし、燃料電池１の低背化を可能とするためには、機械的強度である曲げ強度が200ＭＰａ以上であることが好ましい。曲げ強度が200ＭＰａ未満であると、燃料電池１、11の組立時に加わるセパレータ６への締付圧力や電解質膜３が発電時に湿潤することによる電解質膜３の膨張により発生する圧縮圧力、更には携帯電子機器の使用環境による、振動や衝撃により、セパレータ６にクラックや割れが生じる可能性が高い。曲げ強度はＪＩＳ Ｋ６９１１に準拠し３点曲げ法により測定を行う。
【００４７】
また、セパレータ６は、その厚みを0.2ｍｍ〜５ｍｍの範囲とすることが好ましい。厚みが0.2ｍｍ未満では、強度が被覆しがちなため、積層し、固定された時に発生する応力により、セパレータ６に割れ等が発生しやすくなる傾向がある。他方、厚みが５ｍｍを超えると、低背化が困難となるため、小型携帯機器に搭載する燃料電池１としては不適切となり、また、熱容量が大きくなるため、電解質膜３の電気化学反応条件に相当する適切な温度にすばやく設定することが困難となる傾向がある。
【００４８】
締付板７は、各単位電池２に均一な荷重を与えるために、材料や厚みが適宜選定される。例えばステンレスなどの金属等で製作されるのが好ましく、剛性を上げるために厚みは１ｍｍ以上とするのが好ましい。締付板７と集電端子の間には、電気的に短絡しないために、絶縁部材（図示せず）が挿入される。
【００４９】
流体流路８、９の幅、深さ、形成パターンは、適宜に設定してよい。例えば、図１に示すように、流体流路８、９は、一方は燃料とされる水素を、もう一方は酸素を含む空気を電極部材４、５に供給するために、セパレータ６の面内あるいは内部に形成される。さらに、流体流路８、９は発電反応の効率を高めるためにセパレータ６の表面内を蛇行するように形成されており、水素や空気が電極部材４、５全体に供給されるような形状とする。また、流体流路８、９には、燃料電池１の外部に設けられた水素吸蔵カートリッジや水素タンク、メタノール改質器などの水素生成器や空気を供給するためのブロアなどから水素や空気を供給する際の供給口や排出口（図示せず）、および供給口と排出口と流体流路８、９とを接続する接続部（図示せず）が設けられる。空気を供給する流体流路は、水素を供給する流体流路より断面積が大きいのが好ましく、特には、流体抵抗の低減や燃料や空気の供給均一性により、設定される事が好ましい。
【００５０】
棒状部材10、20は、単位電池２の積層方向に縦通しており、その両端部は、締付板７の上下面において固定される。棒状部材10、20の固定手段として、片側がボルト状であり、ナットにて締付固定されるのに限定されず、ソケット状や接着材等を用いて締付板と直接固定してもよい。その場合、各単位電池２は両端の締付板７にて荷重が加えられた状態にて行うのが好ましい。
【００５１】
本発明においては、図１に示すように、棒状部材10は、セパレータ６（単位電池２）の積層方向に対する横断面積が中央部より両端部で小さい。すなわち、棒状部材10は、各単位電池２の固定の役割を持つと同時に、単位電池２で生じた熱を放散するための熱伝導の経路とすることが出来る。具体的には、高温になりやすい、積層方向の中央部に位置する単位電池２においては、棒状部材10の横断面積が大きいため、棒状部材10の熱の流れが大きくなり、積層方向に沿って熱を流れやすくさせることが可能となる。その結果、積層方向中央部の熱は棒状部材10を経由して、棒状部材10の両端部へ伝導されやすくなり、積層体の温度分布の均一化を図ることができる。この場合、積層方向中央部の棒状部材10の横断面積は、少なくともセパレータ６に形成された棒状部材10を通す穴と同等であることが好ましく、さらには熱伝導部材を挿入できる広さを有する横断面積であることが好ましい。一方、積層方向両端部においては、棒状部材10の横断面積が小さいため、熱の流れが中央部と比べて相対的に小さくなる。その結果、積層方向両端部の熱は棒状部材10を経由して棒状部材10中央部へ伝導されにくくなる。
【００５２】
また、本発明においては、図２に示すように、棒状部材20のセパレータ６（単位電池２）の積層方向に対する横断面積が、中央部から両端部にかけて、漸次小さくなる。燃料電池11の積層方向の温度分布は、燃料電池11の電流密度、出力電圧、温度、ガス流量などの発電条件や周囲環境（燃料電池の冷却に与える条件等）、単位電池２の積層数、セパレータ６の熱伝導率、面積、厚みなどによって決まる。従って、棒状部材20の積層方向中央部から両端部にかけての横断面積の変化は、燃料電池11の３次元的な温度分布の勾配に応じて調整することが好ましい。これより、積層方向中央部から両端部への熱の流れは促進され、一方、積層方向両端部から中央部への熱の流れは抑制される。つまり、積層方向の中央部から両端部に向かって、漸次小さくなるような熱の流れを形成することができる。そのため、積層方向の中央部に位置する単位電池からより多くの熱が隣り合う単位電池に向かって順次流れ出し、積層体の温度分布の均一化を図ることができる。また、その流れ出た熱が積層方向の両端部に位置する単位電池に供給されて積層体の温度分布の均一化を図ることができる。その結果、各単位電池２の放熱される割合を制御することが可能であり、燃料電池積層体の温度ばらつきを低減することが可能となる。それに伴い、各単位電池２において含まれる水分量に大きなばらつきが生じることは効果的に防止される。
【００５３】
例として、電解質膜３の数20個、積層方向中央部と両端部の温度差が20℃、単位電池の積層方向の温度分布が１次関数的な温度勾配である場合、セパレータ６を含む棒状部材20の熱抵抗を積層方向中央部から両端部にかけて直線的に小さく変化させる事により燃料電池11の温度分布を均一化する事が可能となる。従って、積層方向両端部の横断面積は中央部に対して半分程度となるのが好ましい。棒状部材20の横断面積部の形状については、例えば円状、矩形状、L字状、T字状、U字状、十字状、円弧状、☆状、△状、扇状等、棒状部材20の配置や電解質膜３の形状等に応じて適宜設定するのが好ましい。さらに、上記棒状部材20に、その径や長さに沿って、溝状の形状等の切り欠け部を有してもよい。また、棒状部材20の設置本数を増やし、棒状部材20の熱伝導率を上げる事により、放熱効果を更に高める事が可能になるため、燃料電池全体の温度を下げる事が可能になる。棒状部材20の材質に関しては、銅やアルミニウムなどの高熱伝導率の材料が好ましいが、その他にスレンレスやその他金属の合金等でもよい。燃料電池20の温度分布を考慮して、棒状部材20が様々な熱伝導率の材料が傾斜して構成されたものや、棒状部材20の設置箇所に応じて、異なる熱伝導率の金属を組合せて用いてもよい。
【００５４】
（実施形態２）
次に図３は、本発明の燃料電池21について実施の形態の他の例を示す断面図、図４は、図３の平面図であり、締付板７の正面から見たときの電解質３の配置を点線で示す。これらの図において30は棒状部材であり、符号の２から９については図１と同一部位を示すものとなる。
【００５５】
図３において、棒状部材30は、少なくとも一部が、断面視で、電極部４、５の中央部に配置されている。これにより、棒状部材30を介して、積層体の温度分布を均一化することにより、電解質膜３に含まれる水分量が最適になるような運転条件を設定することが容易になるため、燃料電池11の出力電圧の低下を防止することができる。更には、積層方向中央部の単位電池２内に局部的な高温部が発生し、触媒の劣化や電解質膜３の劣化による分解により、長期に渡って連続運転した場合に電池性能が大きく低下することを抑制することができる。
【００５６】
（実施形態３）
次に図５は、本発明の燃料電池31について実施の形態の他の例を示す断面図である。これらの図において40は棒状部材、41は熱伝導性部材であり、符号の２から９については図１と同一部位を示すものとなる。
【００５７】
図５において、棒状部材40と棒状部材40が縦通する単位電池２との間に、より詳しくは、棒状部材が貫通したセパレータ６と棒状部材40との間や、棒状部材40と電解質部材12の間等に、熱伝導性部材41が介在している。
【００５８】
熱伝導性部材41の形状としては、セパレータ６と棒状部材40の間の熱抵抗を低減するために、均一に分散される液状にて導入し、温度上昇等により硬化するのがより好ましい。あるいは、棒状部材40が貫通するセパレータ6の穴のサイズに合わせて作成されたドーナツ形状のもの、あるいは棒状部材40と電解質部材12の隙間を埋める平板、スペーサー等などでもよく、荷重時に柔軟に厚みが調整できるようなメッシュ状のものであってもよい。また、好適には、棒状部材40とセパレータ6との界面の接触熱抵抗を低減するために、金属の板と柔軟に隙間を埋められる液状の熱伝導性部材41の両者を兼用するのが好ましい。熱伝導性部材41の材料としては、セパレータ６よりも熱伝導率の高いものであればよく、例えば、アルミ、銅、アルミ合金、銅合金などの金属系や窒化珪素、窒化アルミ、炭化珪素などのセラミック系、カーボンと樹脂あるいは金属が含有された非金属系などが挙げられる。
【００５９】
これにより、単位電池２の主構成要素であるセパレータ６から棒状部材40への熱伝導が確実となり、より効果的に熱交換を行うことが可能となる。その結果、局部的な高温部を一層なくすことができる。
【００６０】
（実施形態４）
次に図６は、本発明の燃料電池41について実施の形態の他の例を示す断面図である。これらの図において60は棒状部材、61は熱伝導性部材であり、符号の２から９については図１と同一部位を示すものとなる。
【００６１】
図６において、熱伝導性部材61は、少なくとも棒状部材60と電解質部材12との間に有する。
【００６２】
熱伝導性部材61は、実施形態３と同じ材料、構成になる。燃料電池51の温度分布に合わせて、棒状部材60や熱伝導部材61の材料、形状、分布等を設定する。これにより、電解質部材12と棒状部材60間の熱抵抗を下げるのと同時に隣接するセパレータ６間同士においても低抵抗な熱伝導経路が確保される。従って、単位電池２の高温部と低温部の熱交換が更に効率よく行われるため、積層体全体の温度分布をより一層均一化することが可能となる。
【００６３】
（実施形態５）
次に図７は、本発明の燃料電池71について実施の形態の他の例を示す断面図である。これらの図において80は棒状部材、81は熱伝導性部材であり、符号の２から９については図１と同一部位を示すものとなる。
【００６４】
図７において、熱伝導性部材81は、少なくとも棒状部材80の積層方向の中央に位置する、電解質部材12とセパレータ６との間に有し、熱伝導性部材81は、セパレータ６よりも熱伝導率の大きな材料からなる。
【００６５】
熱伝導性部材81は、実施形態３と同じ材料、構成になる。燃料電池71の温度分布に合わせて、棒状部材80や熱伝導部材81の材料、形状、分布等を設定する。そのため、高温になりやすい、積層方向の中央部に位置する単位電池からより多くの熱が棒状部材の両端部へ伝導されやすくなり、より一層の積層体の温度分布の均一化を図ることができる。また、積層方向の両端部においては、熱伝導経路が制約されるため、熱伝導性部材の領域を設定する事により、積層体全体の温度分布を調整する事が可能である。
【００６６】
（実施形態６）
次に図８は、本発明の燃料電池91について実施の形態の他の例を示す断面図であり、図９は、図８の平面図であり、締付板７の正面から見たときの電解質３の配置を点線で示す。これらの図において96は基体が絶縁性のセパレータ、100は棒状部材、101は熱伝導性部材であり、符号の２から９については図１と同一部位を示すものとなる。また、図８において、燃料電池91は、棒状部材100が導電性の金属材料の場合、セパレータ96と棒状部材100の電気的な短絡あるいは熱伝導性部材101を経由した電気的な短絡を避けるために、セパレータ96は、樹脂やセラミックスなどの絶縁材料で形成されるのが好ましい。
【００６７】
この場合、セパレータ96は、基体がセラミック系の材料であり、電解質膜３と電極部材４、５間の電気的な導通は、セパレータ基体および表面に形成された電気配線102、電極103にて行われる。基体が絶縁性であるため、同一平面状に、複数の電解質膜３と電極部材４、５を容易に配置する事が可能である。このため、単位電池２の積層数を減らす事が可能となり、燃料電池91の低背化が可能となり、また、電気的安全性に優れる燃料電池を提供する事が出来る。
【００６８】
また、同一平面上に電解質膜３と電極部材４、５を配置した結果、燃料電池91のピーク温度を下げる事が可能となる。さらには、同一平面内に棒状部材100を分散して配置する事が可能であるため、更に燃料電池91の積層方向の温度分布を低減する事も可能である。
【００６９】
以上のことから、積層された単位電池間の温度ばらつきが抑制され、均一化が図れることから、長期に渡って安定した出力電圧を維持可能な、小型の燃料電池を提供することできる。
【００７０】
（実施形態７）
次に、上記の燃料電池91を備える本発明の電子機器について説明する。
【００７１】
本発明の電子機器は上記のような燃料電池91を有していることから、以上のような本発明の燃料電池91による特長を備えた、長期に渡って安定した出力電圧を維持可能な、小型の電子機器を得ることができる。
【００７２】
また、燃料電池91の、セパレータ96の少なくとも一方に、外部接続用端子を具備すると、電子機器の回路基板に容易に電気的接続が可能となり、燃料電池91の着脱が自在となる。そのため、容易に燃料電池91を新しいものと取り替えることができ、電子機器の利便性を高いものとすることができる。
【００７３】
さらに、セパレータ96の表面および内部の少なくとも一方にメタライズ法等により電気配線を形成することができるので、抵抗やキャパシタンスやインダクタンスなどの受動素子やダイオードやトランジスタ等をまとめた集積回路を組合せ実装する事により、昇圧回路を形成することができるため、電子機器に必要な電圧を確保することが可能である。さらには温度、流量を感知するセンサーを実装し、バルブやポンプを制御する回路を実装する事により、安全に機能する燃料電池91を搭載した電子機器を提供する事が出来る。
【００７４】
そして、本発明の電子機器としては、具体的には携帯電話、ＰＤＡ（Personal Digital Assistants）、デジタルカメラやビデオカメラ、ゲーム機などの玩具等の携帯型電子機器、また、ノート型ＰＣ（パーソナルコンピュータ）をはじめとするポータブルなプリンター、テレビ、通信機器、オーディオビデオ機器、扇風機等の各種家電製品、電動工具等の電子機器がある。
【００７５】
これらの電子機器は、近年、液晶表示装置等を用いた動画表示の機能を付加したものが使用されるようになってきている。このような動画表示は電源の消費が非常に大きいことから、従来の蓄電池を用いた電子機器では短時間で動作不能となるのに対し、本発明の電子機器は長期に渡って安定した出力電圧を維持可能な電源を供給できる燃料電池91を搭載しているため、動画表示を行なっても長時間の動作が可能となる。
【００７６】
例えば携帯電話の場合、中央処理装置（ＣＰＵ）と、制御部と、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）と、リードオンメモリ（ＲＯＭ）と、使用者により操作されたデータをＣＰＵに入力する入力部と、アンテナと、アンテナで受信された信号を復調して制御部に供給すると共に、制御部から供給された信号を変調してアンテナより送信させる無線部と、制御部からの鳴動信号に基づき鳴音するスピーカと、制御部からの制御により点灯、消灯あるいは点滅する発光ダイオード（ＬＥＤ）と、制御部から信号により情報の表示を行なう表示部と、制御部からの駆動信号により振動するバイブレータと、使用者の音声を音声信号に変換して制御部へ伝達し、制御部からの音声信号は音声に変換して出力する送受話部と、各部に電源を供給する電源部とから構成されており、その電源部に本発明の燃料電池91が組み込まれることによって、燃料電池91が、長期に渡って安定した出力電圧を維持可能であり、また、本発明の燃料電池では、冷却に必要な補器を簡略化または省略する事が出来るため、コンパクト性、簡便性および安全性に優れるとともに、本発明の燃料電池は、長時間の電源供給が可能となることから、携帯電話の小型、低背化および軽量化が可能となる。
【００７７】
また、近時の携帯電話が小型化、低背化の面では十分であることを考慮すると、このように燃料電池91を小型、低背化することよって生じたスペースに、例えば、カメラやビデオ等の電話機能以外の機能を有する電子部品を組み込むことが可能となり、更なる多機能化を行なうことができる。
【００７８】
また、新たに電子部品を組み込む替わりに、衝撃吸収材や衝撃防止部材等を主要な電子回路を保護するようにして設けることもできる。この場合、落下等により携帯電話本体に衝撃が加わった際の耐衝撃性や、雨中での使用等の際の防水性などを従来よりも強固にし得る構造とすることもできる。
【００７９】
また、携帯電話本体内部の電気回路部を小さくすることが可能となることによって、携帯電話本体の外形への制約が少なくなり、例えば、携帯電話を老人や子供にとって握りやすい形状とすること等の意匠性に優れた外形状とすることが可能となる。
【００８０】
また、交換された（使用済みの）燃料電池91は、燃料を補給することによりすぐに再利用できるので、充電に比べて使い勝手がよく、また資源を有効利用することも可能なものとなる。また、自然災害等による長期にわたる停電等の緊急時や屋外においても使用が可能となるという利点がある。
【００８１】
また、ノート型ＰＣの場合、ＰＣ本体と、ＰＣ本体に所定のデータを入力するためのキーボードとを納めた第１の筐体と、キーボードにより入力されたデータあるいはＰＣ本体により処理されたデータを表示するためのディスプレイを納めた第２の筐体とを備え、第２の筐体が第１の筐体に開閉可能に取り付けられており、さらに各部に電源を供給する電源部を第１の筐体に設けるという基本構成から成り、その電源部に燃料電池91が組み込まれる。この場合、前述の携帯電話と同様に、本発明の電子機器に組み込まれる燃料電池91が、長期に渡って安定した出力電圧を維持可能であり、また、本発明の燃料電池では、冷却に必要な補器を簡略化または省略する事が可能となることから、ノート型ＰＣ本体の小型、低背化、軽量化および多機能化が可能となるとともに、ディスプレイの大型化や高解像度化に対応して、大きな電流を安定して、長期にわたって供給することも可能で、ディスプレイが見やすく、かつ携帯の際の重量や容積上の負担も少ない等の利便性の高いノート型ＰＣとすることができる。
【００８２】
以上のことから、積層された単位電池間の温度ばらつきが抑制され、均一化が図れることから、長期に渡って安定した出力電圧を維持可能な、小型の燃料電池を提供することできる。
【００８３】
なお本発明は上述の実施例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であれば種々の変更は可能であり、例えば、上述の実施例において燃料電池として水素を燃料に用いた燃料電池であったが、メタノールやジメチルエーテルを初めとする各種液体を燃料とする燃料電池を用いることもできる。更には、締付板７に、フィン等の放熱部材の設置や熱交換のための冷却水路の設置を行ってもよい。さらには、流体流路８、９については、燃料電池91全体を薄型化するため、セパレータ96の側面からの流入口を設けるようにしてもよい。これによれば、特に携帯電子機器用として小型化を成す上でさらに有効となる。さらに、電気配線102や外部接続端子については、セパレータ96の外面に導出される他端を、それぞれ同じ側の側面に引き出すように配設してもよい。これによれば、燃料電池の一方側面に配線や流路等をまとめることができ、小型化と外部への接合部の保護とが容易となり、信頼性の高い設計が可能となるとともに、長期間安定した作動が可能な燃料電池となる。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】本発明の燃料電池の実施の形態の一例を示す断面図である。
【図２】本発明の燃料電池の実施の形態の一例を示す断面図である。
【図３】本発明の燃料電池の実施の形態の他の例を示す断面図である。
【図４】本発明の燃料電池の実施の形態の他の例を示す平面図である。
【図５】本発明の燃料電池の実施の形態の他の例を示す断面図である。
【図６】本発明の燃料電池の実施の形態の他の例を示す断面図である。
【図７】本発明の燃料電池の実施の形態の他の例を示す断面図である。
【図８】本発明の燃料電池の実施の形態の他の例を示す断面図である。
【図９】本発明の燃料電池の実施の形態の他の例を示す平面図である。
【図１０】従来の燃料電池の例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００８５】
１、11、21、31、51、71、91、111：燃料電池
２、112：単位電池
３、113：電解質膜
４、５、114、115：電極部材
６、66、116：セパレータ
７、117：締付板
８、９、118、119：流体流路
10、20、30、40、60、80、100、120：棒状部材
12、121：電解質部材
41、61、81、101：熱伝導性部材
102：電気配線
103：電極
【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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【図７】
2007227225.tif 000009
【図８】
2007227225.tif 000010
【図９】
2007227225.tif 000011
【図１０】
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