(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロトン伝導体膜と、当該プロトン伝導体膜を挟むそれぞれ面状の水素側電極及び酸素側電極と、上記水素側電極の主面に当接して設けられるとともに上記水素側電極に当接する側の主面上に突部を備える面状の水素側集電体と、上記水素側電極への燃料供給手段と、上記酸素側電極への酸素供給手段とを備え、
上記水素側集電体は、上記水素側電極に燃料供給をする透過部を有するとともに上記突部が上記水素側電極に当接する側の主面の当該透過部の周辺部に設けられ、上記突部が上記水素側電極の主面に刺さった状態で上記水素側電極の主面に当接している
燃料電池。
【請求項２】
上記酸素電極は、当該酸素側電極の主面に当接して設けられるとともに上記酸素側電極に当接する側の主面上に突部を備える面状の酸素側集電体を備え、上記酸素側集電体は、上記酸素側電極を大気開放する透過部を有するとともに上記酸素側電極に当接する側の主面の当該透過部の周辺に上記突部を備え、当該突部が上記酸素側電極の主面に刺さった状態で上記酸素側電極の主面に当接している、請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
プロトン伝導体膜と、当該プロトン伝導体膜を挟むそれぞれ面状の水素側電極及び酸素側電極と、上記酸素側電極の主面に当接して設けられるとともに上記酸素側電極に当接する側の主面上に突部を備える面状の酸素側集電体と、上記水素側電極への燃料供給手段と、上記酸素側電極への酸素供給手段とを備え、
上記酸素側集電体は、上記酸素側電極を大気開放する透過部を有するとともに上記突部が上記酸素側電極に当接する側の主面の当該透過部の周辺に設けられ、上記突部が上記酸素側電極の主面に刺さった状態で上記酸素側電極の主面に当接している
燃料電池。
【請求項４】
上記集電体の透過部は当該集電体を切り欠いた開口部である、請求項１または３記載の燃料電池。
【請求項５】
上記開口部は複数個形成される、請求項４記載の燃料電池。
【請求項６】
上記集電体は、上記水素側電極の主面または上記酸素側電極の主面に当接する側の主面に水素または酸素の流路が凹部と凸部とにより形成され、当該凸部上に当該凸部よりも小さい上記突部を備え、当該突部が上記水素側電極の主面または上記酸素側電極の主面に刺さった状態で上記水素側電極の主面または上記酸素側電極の主面に当接している、請求項１または３記載の燃料電池。
【請求項７】
上記燃料供給手段は、水素若しくは水素を主体とする気体または液体である、請求項１または３記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【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燃料電池がある。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４２を参照しながら説明する。プロトン伝導体膜３０１は水素側電極３０２と酸素側電極３０３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３０２から酸素側電極３０３に向かってプロトン伝導体膜３０１の膜中を移動する。水素側電極３０２とプロトン伝導体膜３０１の間には、触媒層３０２ａが形成され、酸素側電極３０３とプロトン伝導体膜３０１の間には、触媒層３０３ａが形成される。使用時には、水素側電極３０２では導入口３１２から水素ガス（Ｈ２）が燃料気体として供給され、排出口３１３から水素が排出される。そして、燃料気体である水素ガス（Ｈ２）が気体流路３１５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３０３に移動する。この移動するプロトンが、導入口３１６から気体流路３１７に供給されて排気口３１８に向かう酸素（空気）と反応すること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、Ｈ２→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１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−＝Ｈ２Ｏの如き反応が起こり、水が生成される。プロトン伝導体膜３０１でプロトンが解離しつつ、触媒層３０２ａから供給されるプロトンが酸素側電極３０３に移動するので、プロトンの伝導率が高くなるという特徴がある。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３０１とこれを挟む水素側電極３０２と酸素側電極３０３とが発電体となり、その各電極側には起電力を取り出すための集電体がそれぞれ形成される。
【０００６】
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４３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３３１を挟んで、水素側電極３３２と酸素側電極３３３が形成され、これら水素側電極３３２と酸素側電極３３３の外側すなわちプロトン伝導体膜３３１とは反対面に、それぞれ集電体３３４、３３５が密着される。また、集電体３３４、３３５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３３１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】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したような集電体は、良好な集電性、すなわち水素側電極または酸素側電極と良好な電気的導通を得るために水素側電極または酸素側電極との接触面積を極力多く確保することが好ましく、当該集電体の全面で水素側電極または酸素側電極と接触するようになされている。このような観点から、水素側電極または酸素側電極と、集電体との間に空隙が発生しないように均一、且つきわめて大きな加圧力で集電体を押さえつける必要がある。そして、集電体は、このような大きな加圧力に耐えられる強度を有することが求められ、その結果、集電体の厚みが厚くなるとともに集電体の重量が重くなり、燃料電池本体が大型化、重量化してしまう。
【０００８】
したがって、良好な集電性、すなわち電気特性を備え、小型軽量化が可能な燃料電池は、未だ確立されていないのが現状である。
【０００９】
そこで、本発明は、上述した従来の実情に鑑みて創案されたものであり、良好な電気特性と小型軽量化とを両立する燃料電池を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
以上のような目的を達成するために、本発明にかかる第１の燃料電池は、プロトン伝導体膜と、当該プロトン伝導体膜を挟むそれぞれ面状の水素側電極及び酸素側電極と、水素側電極の主面に当接して設けられるとともに水素側電極に当接する側の主面上に突部を備える面状の水素側集電体と、水素側電極への燃料供給手段と、酸素側電極への酸素供給手段とを備え、水素側集電体は、水素側電極に燃料供給をする透過部を有するとともに突部が水素側電極に当接する側の主面の当該透過部の周辺部に設けられ、突部が上記水素側電極の主面に刺さった状態で水素側電極の主面に当接しているものである。
また、本発明にかかる第２の燃料電池は、プロトン伝導体膜と、当該プロトン伝導体膜を挟むそれぞれ面状の水素側電極及び酸素側電極と、酸素側電極の主面に当接して設けられるとともに酸素側電極に当接する側の主面上に突部を備える面状の酸素側集電体と、水素側電極への燃料供給手段と、酸素側電極への酸素供給手段とを備え、酸素側集電体は、酸素側電極を大気開放する透過部を有するとともに突部が酸素側電極に当接する側の主面の当該透過部の周辺に設けられ、突部が酸素側電極の主面に刺さった状態で酸素側電極の主面に当接しているものである。
【００１１】
以上のように構成された本発明にかかる第１および第２の燃料電池は、集電体が、水素側電極または酸素側電極に当接する側の主面上に突部を有する。そして、集電体は、当該突部が水素側電極または酸素側電極の主面に刺さった状態で水素側電極または酸素側電極と当接している。
【００１２】
これにより、集電体は、水素側集電体または酸素側集電体と密着した状態で固定され、集電体と水素側電極または酸素側電極との間に空隙が発生することなく均一に面接触した状態とされる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかる燃料電池の実施の形態を、図面を参照して詳説する。なお、本発明は、以下の記述に限定されることはなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
【００１４】
図１は、本発明を適用した燃料電池のセル構造の概略断面図である。この燃料電池は、水素側集電体２０２と、水素側電極２０３と、プロトン伝導体２０４と、酸素側電極２０５と、酸素側集電体２０６とがこの順で積層された積層体が筐体２０１の中に収納されて構成されている。また、この積層体のうち、水素側集電体２０２の側部には、水素供給路２０７を介して水素供給源２０８が接続されており、酸素側集電体２０６の側部には、酸素供給路２０９を介して酸素供給源２１０が接続されている。
【００１５】
図２は、上述した積層体の分解斜視図である。この燃料電池では、図２に示すように水素側集電体２０２と水素側電極２０３との間に燃料である水素を矢印Ａの方向に供給し、酸素側集電体２０６と酸素側電極２０５との間に酸素を矢印Ｂの方向に供給する。
【００１６】
ここで、水素側集電体２０２は、図２に示すように水素側電極２０３との当接面側の主面に凹部と凸部とを組み合わせることにより水素の流路となる溝２１１が形成されており、この溝２１１を通して水素側集電体２０２と水素側電極２０３との間に矢印Ａの方向に水素が供給される。このような水素側集電体２０２は、伝導材料により構成されており、燃料電池の構成により耐酸性等の諸条件を考慮して適宜選択することができ、例えば金メッキされた金属板やカーボン材料等を用いられる。
【００１７】
また、酸素側集電体２０６も、図２に示すように酸素側電極２０５との当接面の主面に凹部と凸部とを組み合わせることにより酸素の流路となる溝２１２が形成されており、この溝２１２を通して酸素側集電体２０６と酸素側電極２０５との間に矢印Ｂの方向に酸素が供給される。このような酸素側集電体２０６は、伝導材料により構成されており、燃料電池の構成により耐酸性等の諸条件を考慮して適宜選択することができ、例えば金メッキされた金属板やカーボン材料等を用いられる。
【００１８】
また、水素側電極２０３及び酸素側電極２０５は、燃料ガスである水素ガス、酸素ガス、空気、メタノール溶液等の通気性、透過性等を考慮して適宜選択することができ、例えば多孔質カーボンシート等が用いられる。
【００１９】
上述した水素側集電体２０２と水素側電極２０３、及び酸素側集電体２０６と酸素側電極２０５とは一平面で面接触しており、この面接触により集電体と電極との電気的導通、すなわち、集電性の確保がなされている。このような水素側集電体２０２または酸素側集電体２０６は、水素側電極２０３または酸素側電極２０５と良好な電気的導通を得るために水素側電極２０３または酸素側電極２０５との接触面積を極力多く確保することが好ましく、当該集電体の全面で水素側電極２０３または酸素側電極２０５と接触するようになされている。このような観点から、水素側集電体２０２と水素側電極２０３との間、及び酸素側集電体２０６と酸素側電極２０５との間に空隙が発生しないように均一な加圧力で水素側集電体２０２及び酸素側集電体２０６を押さえつけることが必要となる。
【００２０】
このため、従来の燃料電池においては、水素側集電体２０２及び酸素側集電体２０６に、水素側電極２０３及び酸素側電極２０５がある程度押しつぶされる程度の極めて大きな加圧力をかけた状態で保持することにより接触を保っていた。しかしながら、このような手法では、極めて大きな加圧力を必要とし、また、集電体にこの大きな加圧力に耐え得る強度が要求される。このため、集電体を構成する材料が限定されたり、また、強度を確保するために集電体の厚さを厚くする必要が生じ、集電体の重量が増え、また、集電体のサイズが大型化してしまう。これは、燃料電池自体の重量の増加、大型化につながり、また、コストも増加してしまうという問題を招く。
【００２１】
そこで、本発明を適用した燃料電池では、水素側集電体２０２における水素側電極２０３に当接する側の主面、及び酸素側集電体２０６における酸素側電極２０５に当接する側の主面に突起部を設けた構造とされている。具体的には、図２に示すように水素側集電体２０２に形成された溝２１１の凸部上に、所定の間隔をおいて複数の突起部２１３が設けられ、また、酸素側集電体２０６に形成された溝２１２の凸部上に、所定の間隔をおいて複数の突起部２１４が設けられている。
【００２２】
このような突起２１３、２１４を設けることにより、水素側集電体２０２及び酸素側集電体２０６を、それぞれ水素側電極２０３及び酸素側電極２０５に積層した場合には、図３及び図４に示すように突起部２１３及び突起部２１４がそれぞれ水素側電極２０３及び酸素側電極２０５に刺さった状態となる。これにより、水素側集電体２０２及び酸素側集電体２０６は、それぞれ水素側電極２０３及び酸素側電極２０５に密着した状態で固定されるため、水素側電極２０３及び酸素側電極２０５との間で空隙が発生することなく均一に面接触した状態とされ、良好な電気的導通、すなわち良好な集電性を確保することができる。したがって、水素側集電体２０２及び酸素側集電体２０６を従来のような大きな加圧力で保持する必要がない。すなわち、水素側集電体２０２と水素側電極２０３、または酸素側集電体２０６と酸素側電極２０５とを、適当な大きさの加圧力を加えて保持するだけで、水素側集電体２０２と水素側電極２０３との間、及び酸素側集電体２０６と酸素側電極２０５との間で良好な電気的導通を得ることが可能となり、良好な集電性を確保することができる。その結果、集電体の厚みを増すことなく良好な電気特性を得ることができるため、良好な電気特性と小型軽量化とを両立することが可能となる。
【００２３】
また、突起部２１３及び突起部２１４を設けることにより、水素側集電体２０２と水素側電極２０３、及び酸素側集電体２０６と酸素側電極２０５とは、面内方向の一平面のみで接触するのではなく、突起部２１３及び突起部２１４の表面、すなわち面内方向と垂直方向においても接触するため、実質的に水素側集電体２０２と水素側電極２０３との接触面積、酸素側集電体２０６と酸素側電極２０５との接触面積が増加するため、良好な集電性を得ることが可能となる。したがって、水素側集電体２０２に突起部２１３を設けて水素側集電体２０２と水素側電極２０３とを積層し、当該突起部２１３が水素側電極２０３に刺さった状態とすることにより、また、酸素側集電体２０６に突起部２１４を設けて酸素側集電体２０６と酸素側電極２０５とを積層し、当該突起部２１４が酸素側電極２０５に刺さった状態とすることにより、電気特性に優れた燃料電池を実現することができる。
【００２４】
また、水素側集電体２０２と水素側電極２０３とは、突起部２１３が水素側電極２０３に刺さり、食い込んでいることにより確実に固定され、酸素側集電体２０６と酸素側電極２０５とは、突起部２１４が酸素側電極２０５に刺さり食い込んでいることにより確実に固定されるため、外力が加わった場合においても剥離が生じたり、位置ずれが生じることを防止することができる。したがって、水素側集電体２０２に突起部２１３を設けて水素側集電体２０２と水素側電極２０３とを積層し、当該突起部２１３が水素側電極２０３に刺さった状態とすることにより、また、酸素側集電体２０６に突起部２１４を設けて酸素側集電体２０６と酸素側電極２０５とを積層し、当該突起部２１４が酸素側電極２０５に刺さった状態とすることにより、優れた品質の燃料電池を実現することができる。
【００２５】
また、水素側集電体２０２及び酸素側集電体２０６に突起部２１３及び突起部２１４を設けることにより、水素側電極２０３及び酸素側電極２０５は、突起部２１３及び突起部２１４が刺さった部位の周辺部において、その空隙度に変化が生じる。すなわち、突起部２１３及び突起部２１４が刺さった部分の周辺部は、水素側電極２０３及び酸素側電極２０５は突起部２１３及び突起部２１４が押し込まれている体積分だけ圧縮され、他の部分と比較して空隙度が小さくなる。例えば、水素側電極２０３の厚みが３ｍｍであり、突起部２１３の高さが１．５ｍｍである場合には、水素側電極２０３の厚みは、１．５ｍｍに圧縮されるため、これに伴い、周辺部の空隙度が減少する。これにより、突起部２１３及び突起部２１４が刺さった部位の周辺部と、他の部分とでは相対的に空隙度に差が生じ、この空隙度の差により、図５及び図６に示すように溝２１１及び溝２１２に水素供給路または酸素供給路としての機能と、燃料電池が機能することにより生成した生成水を排出する生成水排出用流路２１５，２１６としての機能を各溝ごとに個別に持たせることが可能となる。
【００２６】
具体的に説明すると、図３及び図４に示す状態の場合には、図７及び図８に示すように全ての溝２１１及び溝２１２が、水素供給路または酸素供給路としての機能と、生成水の排水流路としての機能を果たす。一方、図５及び図６に示すように、溝２１１及び溝２１２に水素供給路または酸素供給路としての機能と、生成水を排出する生成水の排出流路としての機能を溝ごとに個別に持たせた場合の生成水の排出流路は図９及び図１０に示すようになり、特定の溝２１１及び特定の溝２１２のみが水素供給路または酸素供給路としての機能を果たし、また、特定の溝２１１及び特定の溝２１２のみが生成水の排水流路としての機能を果たす。
【００２７】
そして、突起部２１３及び突起部２１４を設ける位置や、突起部２１３及び突起部２１４の大きさ、高さ、突起間ピッチ等を制御することにより、水素側電極２０３及び酸素側電極２０５の平面内において所望の位置に所望の機能を持たせることが可能となる。
【００２８】
すなわち、突起部２１３及び突起部２１４を設けることにより、突起部２１３及び突起部２１４が刺さった部位の周辺部と、他の部分との空隙度を自在に制御することができる。そして、この空隙度を制御することにより、溝２１１及び溝２１２というミクロな部位に関してもその機能を設計し、割り当てることが可能となるため、制御自由度の大きな燃料電池を実現することができる。
【００２９】
ここで、突起部２１３及び突起部２１４の形状は、特に限定されるものではなく、水素側電極２０３または酸素側集電極２０５に確実に刺さり、上述した効果を得ることができるものであれば、種々の形状を選択することができる。例えば、突起部２１３及び突起部２１４の形状は、図１１に示すような直方体の形状としても良く、図１２に示すように角柱状としても良く、また、図１３に示すようにリブ状としても良い。そして、突起部２１３及び突起部２１４の形状は、図１４及び図１５に示すように、正弦波状としても良い。
【００３０】
また、図１１乃至図１３においては、水素側集電体２０２及び酸素側集電体２０６における溝２１１及び溝２１２は互いに略直角方向に配されているが、本発明においては、溝２１１と溝２１２とは互いに略直角方向に配される必要はなく、溝２１１と溝２１２とが略平行方向に配されていても良い。すなわち、例えば図１２に示すような角柱状の突起部を形成する場合、図１６に示すように溝２１１と溝２１２との方向が図１２の矢印Ａの方向と略平行方向となるように水素側集電体２０２及び酸素側集電体２０６を配しても良い。このようにしてセルを構成した場合についても上述した本発明の効果を得ることができる。なお、図１６は、このように構成したセルを溝２１１及び溝２１２の方向と平行方向、すなわち図１２の矢印Ａの方向から見た図である。
【００３１】
また、図１６においては、溝２１１と溝２１２、及び突起部２１３と突起部２１４とを向かい合わせた状態、すなわち同位相の状態で設けられているが、突起部２１３と突起部２１４との配置状態は、これに限定されることはない。すなわち、例えば図１７に示すように溝２１１と突起部２１３、及び溝２１２と突起部２１４とを向かい合わせた状態、換言すると突起部２１３と突起部２１４とが互い違いとされた状態、すなわち位相が反転した状態とされても良い。このようにしてセルを構成した場合についても上述した本発明の効果を得ることができる。
【００３２】
また、上記と同様に、例えば図１４及び図１５に示すような正弦波状の突起部を形成する場合、図１８に示すように溝２１１と溝２１２との方向が図１２の矢印Ａの方向と略平行方向となるように水素側集電体２０２及び酸素側集電体２０６を配しても良い。このようにしてセルを構成した場合についても上述した本発明の効果を得ることができる。なお、図１８は、このように構成したセルを溝２１１及び溝２１２の方向と平行方向、すなわち図１２の矢印Ａの方向から見た図である。
【００３３】
また、図１８においては、溝２１１と溝２１２、及び突起部２１３と突起部２１４とを向かい合わせた状態、すなわち同位相の状態で設けられているが、突起部２１３と突起部２１４との配置状態は、これに限定されることはない。すなわち、例えば図１９に示すように溝２１１と突起部２１３、及び溝２１２と突起部２１４とを向かい合わせた状態、換言すると突起部２１３と突起部２１４とが互い違いとされた状態、すなわち位相が反転した状態とされても良い。このようにしてセルを構成した場合についても上述した本発明の効果を得ることができる。
【００３４】
また、突起部２１３及び突起部２１４を設ける間隔や、突起部２１３及び突起部２１４の大きさ、すなわち突起幅、突起高さ等も特に限定されるものではなく、水素側電極２０３または酸素側電極２０５の硬度、材質等を考慮して、上述した効果を得ることができる範囲で適宜選択することが可能である。そして、突起部２１３及び突起部２１４は、水素側集電体２０２または酸素側集電体２０６の全面に設けても良く、所定の範囲のみに選択的に設けても良い。また、突起部２１３及び突起部２１４は、水素側集電体２０２または酸素側集電体２０６の全面において同一形状としても良いが、所定の範囲において異なる形状としても良く、また、突起部２１３及び突起部２１４の大きさも、水素側集電体２０２または酸素側集電体２０６の全面において同じ大きさとしても良いが、所定の範囲において異なる大きさとしても良い。
【００３５】
また、突起部２１３及び突起部２１４の形成方法は、特に限定されるものではなく従来公知の方法を用いることができ、要求される精度、コスト、量産性等により適宜選択することができる。
【００３６】
上記においては、水素及び酸素を図２における矢印Ａの方向及び矢印Ｂの方向から供給する場合について説明したが、本発明においては、水素及び酸素を供給する方向は、これに限定されることはなく、集電体の面方向とは垂直な方向から水素及び酸素を供給するようにしても良い。すなわち、図２０に示すように水素側集電体２０２及び酸素側集電体２０６にそれぞれ開口部２１７、２１８を設け、当該開口部２１７、２１８を通して図２０中の矢印Ｃ及び矢印Ｄの方向から水素及び酸素を供給する開放型構造を適用することもできる。
【００３７】
また、酸素側電極２０５への酸素供給方法としては、図１に示したように、酸素供給源２１０から酸素供給路２０９を通して酸素側電極２０５へ直接酸素を供給する方法の他に、図２１に示すように酸素供給源２１０から酸素供給路２０９を通して筐体１内に酸素を導入し、筐体１内に導入された酸素を上述した開口部２１８から酸素側電極２０５に供給する方法や、さらには、図２２に示すように筐体１の側面に設けた空気供給用孔から筐体１内に空気を導入し、筐体１内に導入された空気中の酸素を上述した開口部２１８から酸素側電極２０５に供給する方法を用いることができる。
【００３８】
次に、本発明を燃料電池カードに適用した場合について説明する。図２３は、本発明の燃料電池の一実施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（Ｈ２）が供給される。
【００３９】
この燃料電池カード１０は、図２４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。
【００４０】
なお、本実施形態では、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２４において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。
【００４１】
図２５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２６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２５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。
【００４２】
開口部３１の形状は、本実施形態では、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。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２６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。
【００４３】
前述の水素を供給できる水素吸蔵スティック１８は、図３６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。
【００４４】
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２７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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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、９４−１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。
【００４９】
そして、この下側酸素側集電体１７には、発電体１２における酸素側電極７１に当接する側の主面に突起部２３０を設けた構造とされている。具体的には、図２７に示すように下側酸素側集電体１７の主面上に所定の間隔をおいて複数の突起部２３０が設けられている。下側酸素側集電体１７にこのような突起部２３０を設けることにより、下側酸素側集電体１７を発電体１２における酸素側電極７１と積層した際に突起部２３０が酸素側電極７１に刺さった状態となる。これにより、下側酸素側集電体１７は、酸素側電極７１に密着した状態で固定されるため、下側酸素側集電体１７と酸素側電極７１との間で空隙が発生することなく均一に面接触した状態とされる。したがって、下側酸素側集電体１７と酸素側電極７１との間で良好な集電性を確保することができ、良好な電気的導通を得ることが可能となる。
【００５０】
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。
【００５１】
次に、図２８、図３４、図３５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が筐体の外側と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。
【００５２】
固体高分子膜であるプロトン伝導体膜７２が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３４に示すように、本実施形態では、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。
【００５３】
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の集電体を下側の発電体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。
【００５４】
次に、図２９、図３１、図３２、図３３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。
【００５５】
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２９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。
【００５６】
そして、この水素側集電体８１には、発電体１２における水素側電極７３に当接する側の主面に突起部２３１を設けた構造とされている。具体的には、図２９に示すように水素側集電体８１の主面上に所定の間隔をおいて複数の突起部２３１が設けられている。水素側集電体８１にこのような突起部２３１を設けることにより、水素側集電体８１を発電体１２における水素側電極７３と積層した際に突起部２３１が水素側電極７３に刺さった状態となる。これにより、水素側集電体８１は、水素側電極７３に密着した状態で固定されるため、水素側集電体８１と水素側電極７３との間で空隙が発生することなく均一に面接触した状態とされる。したがって、水素側集電体８１と水素側電極７３との間で良好な集電性を確保することができ、良好な電気的導通を得ることが可能となる。
【００５７】
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８２も水素側集電体８２と同様に例えば金メッキされた金属板から構成され、図２９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。
【００５８】
そして、この水素側集電体８２には、発電体１１における水素側電極７３に当接する側の主面に突起部２３１を設けた構造とされている。具体的には、図２９に示すように水素側集電体８２の主面上に所定の間隔をおいて複数の突起部２３１が設けられている。水素側集電体８２にこのような突起部２３１を設けることにより、水素側集電体８２を発電体１１における水素側電極７３と積層した際に突起部２３１が水素側電極７３に刺さった状態となる。これにより、水素側集電体８２は、水素側電極７３に密着した状態で固定されるため、水素側集電体８２と水素側電極７３との間で空隙が発生することなく均一に面接触した状態とされる。したがって、水素側集電体８２と水素側電極７３との間で良好な集電性を確保することができ、良好な電気的導通を得ることが可能となる。
【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、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。
【００６１】
図３０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、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。
【００６４】
そして、この上側酸素側集電体１６には、発電体１１における酸素側電極７１に当接する側の主面に突起部２３０を設けた構造とされている。具体的には、図２３に示すように上側酸素側集電体１６の主面上に所定の間隔をおいて複数の突起部２３０が設けられている。上側酸素側集電体１６にこのような突起部２３０を設けることにより、上側酸素側集電体１６を発電体１１における酸素側電極７１と積層した際に突起部２３０が酸素側電極７１に刺さった状態となる。これにより、上側酸素側集電体１６は、酸素側電極７１に密着した状態で固定されるため、上側酸素側集電体１６と酸素側電極７１との間で空隙が発生することなく均一に面接触した状態とされる。したがって、上側酸素側集電体１６と酸素側電極７１との間で良好な集電性を確保することができ、良好な電気的導通を得ることが可能となる。
【００６５】
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。
【００６６】
このような構造の本実施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。
【００６７】
また、本実施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。
【００６８】
更に、本実施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。
【００６９】
また、本実施形態の燃料電池カード１０は、図２４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。
【００７０】
図３７乃至図３９は本実施形態の燃料電池カードの変形例であり、図３７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。
【００７１】
図３８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は前述の実施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。
【００７２】
図３９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。
【００７３】
図４０は絶縁膜の形状を例示した図面である。図４０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４０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４０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。
【００７４】
図４０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４０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。
【００７５】
図４１は絶縁膜の構成の例を示す図である。図４１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４１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４１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。
【００７６】
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、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、その他の用途に使用できるものである。
【００７７】
また、上記においては、燃料として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（液体）を燃料とする構成としても良い。
【００７８】
【発明の効果】
本発明にかかる燃料電池は、プロトン伝導体膜と、当該プロトン伝導体膜を挟むそれぞれ面状の水素側電極及び酸素側電極と、上記水素側電極または上記酸素側電極の主面に当接して設けられるとともに上記水素側電極または上記酸素側電極に当接する側の主面上に設けられた突部を備える面状の集電体と、上記水素側電極への燃料供給手段と、上記酸素側電極への酸素供給手段とを備え、上記集電体は、上記突部が上記水素側電極の主面または上記酸素側電極の主面に刺さった状態で上記水素側電極の主面または上記酸素側電極の主面に当接してなるものである。
【００７９】
以上のような本発明にかかる燃料電池では、集電体に設けられた突部が、水素側電極または酸素側電極の主面に刺さった状態で水素側電極または酸素側電極と当接しているため、集電体を水素側集電体または酸素側集電体と密着した状態で固定することができ、集電体と水素側電極または酸素側電極との間に空隙を発生させることなく均一に面接触させることが可能である。これにより、集電体を大きな加圧力で保持する必要がないため、集電体の厚みを増すことなく良好な電気特性を得ることができる。
更に、本発明にかかる第１の燃料電池では、水素側電極に当接する水素側集電体が、水素側電極に燃料供給をする透過部を有するとともに水素側電極に当接する側の主面の当該透過部の周辺部に突部を備え、当該突部が水素側電極の主面に刺さった状態で水素側電極の主面に当接するようにしたので、水素ガスを面状の発電体の広い範囲にわたって送ることができる。また、本発明にかかる第２の燃料電池では、酸素側電極に当接する酸素側集電体が、酸素側電極を大気開放する透過部を有するとともに酸素側電極に当接する側の主面の当該透過部の周辺に突部を備え、当該突部が酸素側電極の主面に刺さった状態で酸素側電極の主面に当接するようにしたので、発電体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に酸素を供給できる。また、同時に発電体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。
【００８０】
したがって、本発明によれば、良好な電気特性と小型軽量化とを両立する燃料電池を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の燃料電池のセル構造の一例を示す概略断面図である。
【図２】前記一実施形態の燃料電池のセル構造の一例を示す分解斜視図である。
【図３】前記一実施形態の燃料電池の水素側集電体と水素側電極との接触面近傍を示す断面図である。
【図４】前記一実施形態の燃料電池の酸素側集電体と酸素側電極との接触面近傍を示す断面図である。
【図５】前記一実施形態の燃料電池の水素側集電体と水素側電極との接触面近傍を示す断面図である。
【図６】前記一実施形態の燃料電池の酸素側集電体と酸素側電極との接触面近傍を示す断面図である。
【図７】図３における生成水の流路を説明する図である。
【図８】図４における生成水の流路を説明する図である。
【図９】図５における生成水の流路を説明する図である。
【図１０】図６における生成水の流路を説明する図である。
【図１１】本発明の他の実施形態の燃料電池のセル構造の一例を示す分解斜視図である。
【図１２】本発明の他の実施形態の燃料電池のセル構造の一例を示す分解斜視図である。
【図１３】本発明の他の実施形態の燃料電池のセル構造の一例を示す分解斜視図である。
【図１４】突起部２１３の形状の一例を示す断面図である。
【図１５】突起部２１４の形状の一例を示す断面図である。
【図１６】本発明の他の実施形態の燃料電池のセル構造の一例を示す側面図である。
【図１７】本発明の他の実施形態の燃料電池のセル構造の一例を示す側面図である。
【図１８】本発明の他の実施形態の燃料電池のセル構造の一例を示す側面図である。
【図１９】本発明の他の実施形態の燃料電池のセル構造の一例を示す側面図である。
【図２０】本発明の他の実施形態の燃料電池のセル構造の一例を示す分解斜視図である。
【図２１】本発明の他の実施形態の燃料電池のセル構造の一例を示す断面図である。
【図２２】本発明の他の実施形態の燃料電池のセル構造の一例を示す断面図である。
【図２３】本発明の一実施形態の燃料電池カードの分解斜視図である。
【図２４】前記一実施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２５】前記一実施形態の燃料電池カードの外観斜視図である。
【図２６】前記一実施形態の燃料電池カードの断面図である。
【図２７】前記一実施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。
【図２８】前記一実施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。
【図２９】前記一実施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。
【図３０】前記一実施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。
【図３１】前記一実施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３２】前記一実施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３３】前記一実施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３４】前記一実施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３５】前記一実施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３６】前記一実施形態の水素吸蔵スティックを示す図であって、（ａ）は左側面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は底面図である。
【図３７】本発明の燃料電池の他の一例を示す概略斜視図である。
【図３８】本発明の燃料電池のまた他の一例を示す概略斜視図である。
【図３９】本発明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４０】本発明の燃料電池の絶縁膜の形状例を示す平面図である。
【図４１】本発明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４２】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４３】従来の燃料電池の一例を示す分解斜視図である。
【符号の説明】
１０  燃料電池カード
１１、１２  発電体
１３  水素供給部
１４  上側筐体
１５  下側筐体
１６  上側集電体
１７  下側集電体
１８  水素吸蔵スティック
４７  連絡溝
７１  酸素側電極
７２  プロトン伝導体膜
７３  水素側電極
７４  シール材
７５  孔
８１、８２  水素側集電体
８３、８４  絶縁膜
９１  水素配管部
５０、１００  絶縁フィルム
２０１  筐体
２０２  水素側集電体
２０３  水素側電極
２０４  プロトン伝導体
２０５  酸素側電極
２０６  酸素側集電体
２１１、２１２  溝
２１３、２１４  突起部
【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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