JP2005340158A - 燃料電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】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いような燃料電池モジュールを提供すること。
【解決手段】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、表面と裏面とを有する回路基板１４と、表面に実装される２つの燃料電池セルＳ１，Ｓ２と、裏面に実装される電子回路と、裏面側に配置され、燃料電池セルＳ１、Ｓ２に対して水素ガスを供給する水素発生セル１９とを備えた。好ましくは、燃料電池セルＳ１，Ｓ２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部材を間に介在させた状態でカシメにより封止されている。
【選択図】図３

Description

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及び携帯機器に関するものである。

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１３に示す、
図１３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。

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。

上記の図１３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２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。

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。
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 特開２００４−５５３０７号公報

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いような燃料電池モジュールを提供することである。

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、
表面と裏面とを有する回路基板と、
前記表面に実装される少なくとも1つの燃料電池セルと、
前記裏面に実装される電子回路と、
前記裏面側に配置され、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たことを特徴とするものである。

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。また、モジュールは回路基板を有し、表面に少なくとも１つの燃料電池セルを実装し、裏面に電子回路を実装する。電子回路としては、例えば、燃料電池セルの出力電圧を昇圧させるための昇圧回路があげられる。また、燃料電池セルに対して燃料を供給するための燃料供給装置も、回路基板の裏面側に配置されている。このように、回路基板を利用して、必要な部品を効率的に配置することができる。かかる構成による燃料電池モジュールは、回路基板を利用して整然と部品を配置することができ、１つのまとまったコンパクトな形状に仕上げることができる。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いような燃料電池モジュールを提供することができる。

なお、本発明において、回路基板の表面・裏面の別は、便宜上そのように呼ぶものであって、携帯機器に装着される方向により、いずれが表面・裏面であるかを限定するものではない。

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。

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（曲げプレス）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１３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。

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。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。

本発明に係る燃料供給装置は、燃料電池セルに水素を供給するための、水素発生セルと、貯水セルとを備え、水素発生セルには、平板状直方体の容器に純鉄の粉末が封入され、貯水セルから送り込まれる水と反応させることで水素が発生するように構成されていることが好ましい。

水素発生セルとして、純鉄の粉末を容器に封入して水と反応させることで、酸化鉄と水素が生成され、発生した水素を燃料電池セルの燃料として使用することができる。また、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。

本発明において、燃料電池セルを前記回路基板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。

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。

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。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。

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。

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。

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１５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１５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１５，１６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。

各燃料電池セルＳ１，Ｓ２は、回路基板１４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１４ａ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。

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。

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、電子回路として、安定化回路を設けることが好ましい。燃料電池セルＳ１，Ｓ２からの出力電圧には変動成分があるので、安定化回路を設けることで所定の出力電圧を携帯機器に対して供給することができる。安定化回路は、トランジスタやツェナーダイオードで構成される公知の回路構成を用いることができる。

回路基板１４の裏面側であって、回路部品２３の下側に水素発生セル１９と貯水セル２０（これらは燃料供給装置に相当）が配置されている。図４に示すように、水素発生セル１９は、直方体のアルミニウム製の容器１９ａと蓋１９ｂを有し、その内部に純鉄の粉末（２０〜３０ｎｍφ程度のナノ粒子）が収容されている。容器１９ａは平板状の直方体に形成しており、これにより、厚みを薄くすることができる。貯水セル２０も同じように平板状の直方体形状とすることができる。そして、その内部には水が収容されており、パイプ２１によって水素発生セル１９に接続されている。貯水セル２０内部の水は、好ましくは、水蒸気の状態で水素発生セル１９に供給される。水素発生セル１９には、上記のパイプ２１の他、もう１つのパイプ１５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１９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。

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、 純鉄の粒子に水（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。

水素発生セル１９における化学反応は、２００℃〜４００℃程度で行われる。また、貯水セル２０は、水蒸気を送り出すために１００℃程度に設定される。水素発生セル１９を上記温度範囲となるようにするためには、回路基板１４に加熱回路を設けることで行うことができる。例えば、発熱用の抵抗体を設けて加熱させることができる。あるいは、水素発生セル１９の内部を二重構造とし、内側だけでなく外側にも純鉄の粉末を入れておき、これに空気を吹き込むことで酸化反応を生じさせ、自己発熱させるような加熱手段も考えられる。

貯水セル２０については、水素発生セル１９の余熱を利用して水蒸気を発生させる温度に設定することができる。水蒸気化すれば、蒸気圧力により、水素発生セル１９へと水蒸気を供給することができる。パイプ２１が金属製であれば、水素発生セル１９で発生した熱を貯水セル２０へと伝導しやすくなる。その他の手法として、マイクロポンプを利用して、貯水セル２０から水素発生セル１９へと水を供給する方法も考えられる。

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。

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１９と貯水セル２０を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１９と貯水セル２０とを着脱自在に構成する。水素発生セル１９内の酸化鉄を薬品を用いて鉄に還元してもよいし、新たな純鉄に詰め替えをしてもよい。また、貯水セル２０については、新たに水を注入するようにする。これにより、モジュールを何度でも再利用することができる。

＜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５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６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。

本発明の燃料電池は、図５〜図６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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

図６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。

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。このカシメ加工は、金属板５の周縁（全周）を内側にほぼ１８０゜曲げプレス加工するものである。

本発明では、カシメを行う際、図６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）。

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。

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６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。

本発明では、図６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。

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６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。

＜携帯電話への装着例＞
図１〜図４では、ＰＤＡへの燃料電池モジュールの装着例を示したが、携帯電話（携帯機器の１例）へ装着することもできる。図９は、携帯電話３０の収容部３１にモジュール３２を装着した状態を示している。蓋部材３３には、開口孔３３ａが形成されており、燃料電池セルＳに対して空気を供給し易いようになっている。なお、蓋部材３３は、モジュール３２と一体化することも可能である。

図１０は、モジュール３２の拡大図を示す。回路基板３４の表面側に４つの燃料電池セルＳが配置される。回路基板３４は、携帯電話３０のサイズに合うように作製されるため、燃料電池セルＳの大きさもそれに対応した大きさとなる。従って、図１に示すＰＤＡ１１よりもサイズは小さくなるが、基本的な構造は既に説明したのと同じでよい。４つの燃料電池セルＳは、電極が直列接続され、その出力電圧としては３．５Ｖ〜４．０Ｖを得ることができる。

各燃料電池セルＳの回路基板３４への固定は、押さえ部材３５により行われ、これは図２に示すのと同じ機能を有する。

図１１は、図１０に示すモジュール３２の短辺方向に沿って切断した断面図である。回路基板３４の裏面には、電子回路３６が実装され、特に安定化回路が実装される。携帯電話３０に要求される電圧は、それほど高くないので、必ずしも昇圧回路は必要ない。

回路基板３４の裏面側には水素発生セル４０が配置される。図１２は、水素発生セル４０の内部構造を示す模式図である。図１１に示すように、外側筐体４１と内側筐体４２とが設けられており、両筐体の間に真空断熱層Ｖが形成されている。内側筐体４２の外表面には、フィルムヒーター４３が設けられており、内側筐体４２の内部の化学反応を促進させるための加熱雰囲気を形成する。この時の熱が外部に逃げていくと効率が悪くなるので、前述のように真空断熱層Ｖが形成される。内側筐体４２は、ピポット状部材４１ａにより外側筐体４１の内壁面に支持されている。ピポット状部材４１ａを設けることで、外部に熱が逃げ難い構造としている。

図１２に示すように、内側筐体４２は、その内部が仕切り部材４４により水収容部Ｒ１と鉄収容部Ｒ２とに区分けされている。仕切り部材４４は、ネット状に形成されており、水収容部Ｒ１から発生される水蒸気が通過しやすいように構成されている。水収容部Ｒ１には、脱脂綿４５（水保持部材）に水を染み込ませることで、水が収容される。この水はフィルムヒーター４３で加熱されることで水蒸気となり、隣接する鉄収容部Ｒ２へと供給される。水収容部Ｒ１の水を消費した場合は、適宜補充することができる。フィルムヒーター４３の加熱回路は、回路基板３４の裏面に実装することができる。

鉄収容部Ｒ２には、純鉄のタブレット４６が複数個収容される。このタブレット４６は、純鉄の粉末を金型で圧縮成形することで得ることができる。タブレット４６の大きさや形状は、特に限定されるものではなく、適宜決めることができる。水収容部Ｒ１から供給される水蒸気とタブレット４６とが反応することで水素ガスを発生する。既に説明したように、この化学反応は２００℃〜4００℃で行われるためフィルムヒーター４３による加熱が行われる。

鉄収容部Ｒ２にて発生した水素ガスは、供給パイプ４７により４つの燃料電池セルＳのうちの１つに対して供給される。各燃料電池セルＳ間におけるガス供給路は直列接続される。すなわち、図１２における左上の燃料電池セルＳの注入口に供給パイプ４７が接続され水素ガスが供給される。また、左上の燃料電池セルＳの排出口と右上の燃料電池セルＳの注入口とがパイプ４８で接続される。以下同様に、パイプ４９，５０が設けられており、順番に水素ガスが供給されるようになっている。

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。

＜別実施形態＞
（１）図１〜３に示す実施形態では、単位セルを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。図９，１０に示す実施形態では単位セルを４つ設けているが、それ以外の個数でも良い。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。
（２）前述の実施形態では、図６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７（ａ）〜（ｂ）に示すようなカシメ構造を採用してもよい。

図７（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。

更に、図７（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。

図６〜８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。
（３）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。

図８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。

ＰＤＡに燃料電池モジュールを搭載した状態を示す図 燃料電池モジュールの主要部を示す平面図 モジュールの構成を模式的に示す断面図 水素発生セルの構成を示す図 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 本発明の燃料電池の単位セルの一例を示す縦断面図 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 本発明の燃料電池の単位セルの他の例を示す縦断面図 携帯電話に燃料電池モジュールを搭載した状態を示す図 図９のモジュールの主要部を示す平面図 図９のモジュールの構成を模式的に示す断面図 図９のモジュールの水素発生セルの構成を示す模式図 従来の燃料電池の構成を示す斜視図

符号の説明

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
１２，３１ 収容部
１３，３２ 燃料電池モジュール
１４，３４ 回路基板
１５，１６ パイプ
１７ 周縁部
１８，３５ 押さえ部材
１９ 水素発生セル
２０ 貯水セル
２１ パイプ
２２ モールド
３０ 携帯電話
３６ 電子回路
４０ 水素発生セル
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ 燃料電池セル(単位セル)

Claims (8)

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、
   表面と裏面とを有する回路基板と、
   前記表面に実装される少なくとも1つの燃料電池セルと、
   前記裏面に実装される電子回路と、
   前記裏面側に配置され、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たことを特徴とする燃料電池モジュール。
2. 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に記載の燃料電池モジュール。
3. 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２に記載の燃料電池モジュール。
4. 前記燃料供給装置は、燃料電池セルに水素を供給するための、水素発生セルと、貯水セルとを備え、水素発生セルには、平板状直方体の容器に純鉄の粉末が封入され、貯水セルから送り込まれる水と反応させることで水素が発生するように構成され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。
5. 燃料電池セルを前記回路基板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１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池モジュール。
6. 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１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池モジュール。
7. 前記電子回路は、燃料電池セルによる出力電圧を安定化させるための回路を含む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。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールが装着される携帯機器。
   

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