技术领域 本发明涉及利用聚合物电解质层在气体燃料与大气中的氧气间执 行电化学反应的燃料电池。 背景技术 通过堆叠燃料电池单元获得的燃料电池已投入实际使用，利用由 带磺基的氟化碳聚合物形成的聚合物电解质膜在该燃料电池单元内执 行氢气与大气中氧气间的电化学反应。 日本专利申请特开No.2000-285934和No.2004-171967都公开了 一种通过堆叠多个燃料电池单元来形成这种燃料电池的技术。 日本专利申请特开No.2004-536438公开了一种分配和供给作为 燃料的氢气的技术。 在日本专利申请特开No.2000-285934内公开的燃料电池中，围绕 专用于供给氢气的通孔和横穿氧化剂供给空间延伸的通孔的密封构件 减小了发电区域的面积与燃料电池单元的面积的比。专用于紧固且设 在氢气供给空间外部的区域和专用于供给氢气且设在该氢气供给空间 内部的区域减小了发电区域的面积，在该发电区域内，氢气供给空间 和氧化剂供给空间经由聚合物电解质膜相互面对。 因此，与整个燃料电池单元的面积相比，仅获得小的发电区域， 以致通过堆叠燃料电池单元获得的燃料电池的单位体积输出、单位重 量输出和单位制造成本输出小。 日本专利申请特开No.2004-171967中公开的燃料电池需要在远 离设于燃料供给空间外部的密封构件的位置提供用于氢气供给路径的 密封构件。因此，用于隔离氢气供给空间与大气的密封件和垫片的数 量增多，且密封长度也增加，从而降低了密封可靠性。此外，因为采 用位于中央的单个紧固件(贯穿螺钉)来执行燃料电池单元的平面对 齐和确保给燃料供给空间供给燃料的供给路径，所以需要具有复杂结 构的厚紧固件，即昂贵的紧固件。厚紧固件增大了通孔面积，以致减 小了发电区域的面积与燃料电池单元的面积的比。 在日本专利申请特开No.2004-536438内公开的燃料电池中，因为 燃料电池单元的紧固构件设在燃料电池单元的外部，所以与日本专利 申请特开No.2000-285934和No.2004-171967相比，组件数量增多。 发电区域的面积与含有紧固构件的燃料电池单元的面积的比进一步减 小。 考虑到这些情况，需要一种能够增大发电区域的面积与燃料电池 单元的面积的比以增大燃料电池的单位体积输出和单位重量输出的燃 料电池。此外，还需要一种能够增大单位制造成本输出并能够由较少 数量的组件制成而不需要高精度装配的燃料电池。 发明内容 本发明提供这样一种燃料电池，其包括：多个燃料电池单元，每 个燃料电池单元沿堆叠方向设置有位于聚合物电解质层的一侧上且与 大气隔离的燃料供给空间以及位于该聚合物电解质层的另一侧上且与 大气连通的氧化剂供给空间；间隔保持件，用于在位于聚合物电解质 层的发电区域外部的位置维持氧化剂供给空间的厚度，且其内部具有 沿堆叠方向的通孔；以及紧固件，设在通孔内，用于沿堆叠方向推压 燃料供给空间和氧化剂供给空间，其中，至少一对同大气隔离且与燃 料供给空间连通的通孔设在把发电区域夹在其间的平面位置处。 根据本发明的燃料电池，因为用于紧固燃料电池单元且装配燃料 电池组的通孔用作每个燃料供给空间的燃料供给路径，所以不需要在 该燃料供给空间的内部或外部提供单独的燃料供给路径。 此外，因为通孔被设置成使发电区域(即，燃料供给空间和氧化 剂供给空间经由聚合物电解质层相互面对的平面区域)位于其间，所 以与间隔保持件的通孔连通的燃料供给空间侧通孔可形成在使发电区 域与大气隔离的外壁内。通过使外壁受压，可牢固地紧固燃料电池单 元而不需要给燃料供给空间的中空部分施加不必要的压力。因为燃料 电池单元利用一对使发电区域位于其间的紧固件经由双支承系统紧 固，所以即便紧固力小、燃料供给空间的外壁薄以及燃料电池单元的 弯曲强度小，也能给该燃料供给空间提供良好的耐压性和密封性能。 通过在燃料供给空间的外壁中形成燃料供给空间侧通孔，该燃料 供给空间的外壁的密封构件与燃料供给空间侧通孔的密封构件可容易 地相互连接成一体。 因而，可使发电区域的面积与含有燃料供给路径和燃料电池单元 紧固构件的燃料电池单元的面积的比大于在日本专利申请特开No. 2000-285934和No.2004-171967中公开构件的比。 由此，可用少的材料量、简易的组件加工、少的组件数目、低装 配精度以及小面积实现一种具有可靠的大发电区域、高强度、高电力 和高电力稳定性的燃料电池。从而，提供一种型小、质轻、廉价且高 质量的燃料电池。 自以下参照附图对示范实施例的说明，本发明的其它特征将变得 明显。 附图说明 图1是表示根据本发明实施例1的燃料电池的结构的示意性剖视 图。 图2是表示根据本发明实施例1的燃料电池的外观的示意性透视 图。 图3是根据本发明实施例1的燃料电池的燃料极的示意性水平剖 视图。 图4是根据本发明实施例1的燃料电池的氧化剂极的示意性水平 剖视图。 图5是根据本发明实施例2的燃料电池的燃料极的示意性水平剖 视图。 图6是根据本发明实施例2的燃料电池的氧化剂极的示意性水平 剖视图。 图7是根据本发明实施例3的燃料电池的燃料极的示意性水平剖 视图。 具体实施方式 以下，参照附图详细说明根据本发明一种实施例的采用燃料电池 单元的燃料电池。本发明的燃料电池不限于具有下述限定构造，而是 也可实现为其它实施例，在其它实施例中，用一些其它构件部分地或 者全部地更换此实施例的构件，只要经由紧固件设于其内的通孔供给 气体燃料。 在本发明实施例中，利用储存在燃料箱中的氢气进行发电。然而， 也可把液体燃料(例如含有氢原子的甲醇)储存在燃料箱内，并不断 地对所需数量的液体燃料进行重整反应以转化为供给燃料电池单元的 燃料供给空间的氢气。燃料电池可具体化为一种经由管件接收从外部 气瓶或其类似物供给的氢气的发电单元。 根据本发明实施例的燃料电池装置用作可拆卸地安装在便携式电 子设备(例如数字摄像机、投影仪、打印机和笔记本式个人电脑)内 的独立单元。此外，燃料电池的发电部本身可一体并入采用可拆卸的 燃料箱的燃料电池安装设备中。燃料电池装置可不仅用于把该燃料电 池装置并入电子设备内的用途，也可用于私人发电机、家用发电机等。 (实施例1) 图1是表示根据本发明实施例1的燃料电池的结构的示意性剖视 图。图2是表示根据本发明实施例1的燃料电池的外观的示意性透视 图。图3是燃料极的示意性水平剖视图，以及图4是氧化剂极的示意 性水平剖视图。图3是沿图1中虚线3的剖视图，以及图4是沿图1 中虚线4的剖视图。 如图1所示，通过堆叠多个燃料电池单元3形成燃料电池组1。 每个燃料电池单元3都具有这样一种构造，其中，燃料极侧催化剂层 11、燃料扩散层12、氧化剂极侧催化剂层13以及氧化剂扩散层14被 堆叠以把聚合物电解质膜8夹在中间。燃料极侧催化剂层11和作为燃 料供给空间形成件的燃料扩散层12共同形成燃料极室32，且它们的 周边被用于进行密封的燃料极密封件7包围以防止燃料泄漏。在氧化 剂极侧催化剂层13和氧化剂供给空间成形件14的周边部处，设置氧 化剂极包围件9。氧化剂极包围件9与聚合物电解质膜8在非发电区 域接触，且作为克服施加给燃料电极组的紧固力而限定氧化剂极侧催 化剂层13和氧化剂扩散层14的厚度的间隔保持件。在本实施例中， 由于大气中的氧气被吸入且用作氧化剂，所以氧化剂吸入口10(图2) 设在氧化剂极包围件9上以暴露于大气。每个板状分隔件6设在燃料 电池单元3之间以及燃料电池组的两端上。端板4与燃料电池单元3 的组的每个端部接触，且燃料电池单元的通孔31a和31b分别相互连 通。组紧固件5插入这样一种通孔，该通孔贯穿每端上的端板4和燃 料电池单元3。组紧固件5在电池组的两端挤压端板4，以使构成燃料 电池组1的各个部件相互紧密接触。 作为组紧固件5，可采用任何部件，只要其能够施加所需的紧固 力。在本实施例中，采用由SUS304形成且具有3mm直径的贯穿螺钉。 在组紧固件5由导电材料形成的情况下，其被拧入由绝缘材料形 成的端板4的阴螺纹孔内，或者允许其贯穿由导电材料形成的端板4 且然后被拧入由绝缘材料形成的螺母82内。在组紧固件5由绝缘材料 或者涂覆以绝缘材料的导电材料形成的情况下，端板4或螺母82可采 用导电材料。 这样，在两侧上的端板4之间可施加挤压力，而不会导致燃料电 池组1的两端之间短路。对于插入通孔31a和31b内的部件，不需要 组紧固件5的螺纹槽，只有对于要被拧入的部件才需要形成螺纹槽。 每个O形环81都设在组紧固件5与端板4之间和螺母82与端板4之 间，从而尽可能减少燃料的泄漏。 燃料供给用流通孔83设在螺母82内同通孔31a对应的位置。尽 管利用螺纹脊和螺纹槽来执行螺母82与组紧固件5之间的啮合，但该 螺母82和组紧固件5在通常设计中不完全密封，两者间留有不使燃料 流通出现任何故障的间隙。此外，槽口可形成在如以下实施例3中所 述的螺纹脊上，从而扩大用于燃料流通的空间，同时确保电池组的紧 固力。 从有效使用空间的观点来看，螺母82还可具有与燃料供给源连接 的连接器功能或者用于控制燃料流量的阀功能。 燃料供给用流通孔83可设在除螺母82以外的部件内。例如，燃 料供给用流通孔83可形成在端板4的表面内，并经由设在该端板4 内的连通孔使通孔31a和流通孔83相互连通。 此外，被设置成把发电区域夹在其间的通孔对的其中一个31a用 作流入路径，位于相对侧上的另一通孔31a用作排出路径。 在燃料电池组1用作通常仅补充所消耗的燃料气体而不排出的所 谓一端不通(dead-ended)的燃料电池时，给设在排出侧上与通孔31 对应位置处的螺母82提供阀，并控制该阀以使其仅在排出杂质时被开 启。 此外不言而喻的是，燃料电池组1可用作允许燃料气体不断地流 动并再利用流出气体中的燃料成分的流动型燃料电池。 作为燃料电池单元3使用的燃料扩散层12和氧化剂扩散层14的 材料，有利的是采用具有多孔性、具有使反应产物透过的特性、以及 具有导电性的片材。这种材料的例子包括：单体，例如炭布、炭纸或 泡沫金属；以及以上的组合物。 在本实施例中，具有多孔性的燃料扩散层12和氧化剂扩散层14 的多孔部分别基本构成整个燃料供给空间和整个氧化剂供给空间。然 而，本发明不限于此。例如，可提供与由多孔材料形成的扩散层连通 的气室，以进一步提高燃料或氧化剂的供给均匀性。在此情况下，包 括燃料扩散层12或氧化剂扩散层14的多孔部与此气室组合的空间构 成燃料供给空间或氧化剂供给空间。 作为用于分隔件6的材料，可采用具有高强度和导电性的任何材 料。此材料的优选例是不锈钢，例如SUS304。此外，其表面粗糙度 Ra优选为10μm或更小，但不限于此。分隔件6的厚度被确定为能确 保所需的强度。在本实施例中，材料为SUS304，厚度为3mm。 作为用于燃料极密封件7的材料，可采用具有密封性能且能够经 受燃料电池工作过程中的最高温度(约120℃)的任何材料。其优选 例包括涂覆以聚四氟乙烯的玻璃纤维布、氟橡胶和聚丁橡胶。燃料极 密封件7的厚度被确定为基本等于在施加紧固力的状态下燃料扩散层 12和燃料极侧催化剂层的厚度。在本实施例中，材料为聚丁橡胶，厚 度为3mm。 用于聚合物电解质膜8的材料的优选例是全氟代磺酸基聚合物。 在本实施例中，采用具有25μm厚度的Nafion膜(DuPont的注册商 标)。 作为用于燃料极侧催化剂层11和氧化剂极侧催化剂层13的催化 剂，优选采用这样一种物质，其具有由承载在碳黑微颗粒的表面上的 铂形成的催化剂微颗粒。此物质分散在聚合物电解质的溶液中，并将 此分散体涂覆到聚合物电解质膜8上，从而形成燃料极侧催化剂层11 和氧化剂极侧催化剂层13。选择性的，可利用溅射一类的方法把铂微 颗粒或具有铂微结构的膜沉积在聚合物电解质膜8的表面上，从而形 成燃料极侧催化剂层11和氧化剂极侧催化剂层13。 作为用于氧化剂极包围件9的材料，可采用具有密封性能且能够 经受燃料电池工作过程中的最高温度(约120℃)的任何材料。其优 选例包括涂覆以聚四氟乙烯的玻璃纤维布、氟橡胶和聚丁橡胶。氧化 剂极包围件9的厚度被确定为基本等于在施加紧固力的状态下氧化剂 扩散层14和氧化剂极侧催化剂层13的厚度。在本实施例中，材料为 聚丁橡胶，厚度为6mm。 如图2所示，实施例1的燃料电池2由燃料电池组1和作为燃料 供给源的外部燃料箱2构成。 外部燃料箱2是一种用于储存作为气体燃料的氢气并把该氢气供 应给燃料电池组1的箱体。外部燃料箱2的内部填充氢储存合金(例 如钛铁合金或镧镍合金)，或者氢储存材料(例如碳纳米管、石墨纳米 纤维或碳纳米角)。这些材料在0.4MPa的压力下储存约几个重量百分 数的氢。 考虑到燃料电池组1的体积，使氢箱3的外部尺寸为25mm× 30mm×10mm。铝合金用作外壁，且外部燃料箱2的壁厚为1mm。 外部燃料箱2的重量约15g，且该外部燃料箱2的体积为5.2cm3。 在当前第一实施例中，镧镍合金用作填充于外部燃料箱2内的氢 储存材料。储存在外部燃料箱2中的能量约7.0[W·hr]，是体积与 外部燃料箱2和燃料电池组1的组合体积相同的传统锂离子电池的能 量的约2.5倍。 在本实施例中，从外部燃料箱2取出的氢气经由设有燃料流路83 的螺母82传送给燃料电池组1。 接着，说明燃料电池组1内的燃料流路的结构。图3是沿图1中 虚线3截得的燃料极的剖视图。图4是沿图1中虚线4截得的氧化剂 极的剖视图。 如图3所示，形成在燃料极密封件7内的通孔31a和31b是用于 紧固燃料电池单元3的组紧固件5的插孔。 位于燃料电池单元3的一条对角线上的通孔31a作为燃料流路， 且同通过燃料极密封件7与大气隔离的燃料极室32连通。位于燃料电 池单元3的另一条对角线上的组紧固件插入部31b通过燃料极密封件 7与燃料极室32隔离。 在燃料极密封件7内的燃料极室32中，燃料极侧催化剂层11和 燃料扩散层12被设置且堆叠在如上所述的聚合物电解质膜8上。从通 孔31a流入燃料极室32的氢气经由燃料扩散层12供应给燃料极侧催 化剂层11的整个表面。 氢气通过燃料极侧催化剂层11的催化作用而分离为氢离子和电 子。氢离子经由聚合物电解质膜8移动至氧化剂极侧催化剂层13。电 子经由相邻的燃料电池单元从燃料电池组1的负极(图1的上分隔件 6)取出，流经外部负载、并经由燃料电池组1的正极(图1的下分隔 件6)和氧化剂扩散层14移动至氧化剂极侧催化剂层13。 在氧化剂极侧催化剂层13中，从氧化剂吸入口10经由氧化剂扩 散层14供给的氧气、氢离子和电子相互反应以生成水分子。 在上述过程中，氢分子和氧分子的化学能的一部分被取出作为电 能并用于外部负载。 如图4所示，形成在氧化剂极包围件9中的通孔31a和31b是用 于紧固燃料电池单元3的组紧固件5的插孔，且经由该氧化剂极包围 件9与大气隔离。 用于组紧固件5的插孔也形成在分隔件6的四个角处。 作为流经外部燃料箱2侧上的端板4的气体燃料的氢气利用组紧 固件5与紧固件插入部31a之间作为流路的间隙移至氧化剂极包围件 9的内部、到达每个燃料电池单元3的燃料极密封件7、并进入燃料极 室32。这样，氢被供应给燃料电池组1的所有燃料极室32。 在实施例1的燃料电池92中，燃料电池组紧固件5被插入设在燃 料电池组1周边的通孔31a和31b内，并紧固该燃料电池组。组紧固 件5与通孔31a的外壁面之间的间隙作为用于引导气体燃料从外部燃 料箱2至燃料电池单元3的燃料流路。结果，不需要在分隔器6的平 面内提供单独的燃料供给路径，以致可缩小燃料电池92的尺寸。此外， 不需要任何用于形成燃料供给路径的分隔件，以致可低成本地提供燃 料电池92。 (实施例2) 图5是根据本发明实施例2的燃料电池的燃料极的示意性剖视图， 以及图6是根据本发明实施例2的燃料电池的氧化剂极的示意性剖视 图。根据当前第二实施例的燃料电池是通过仅改变根据第一实施例的 燃料电池的内部构造获得的，且具有更高的性能。在根据当前第二实 施例的燃料电池中，通过采用表面上均形成有绝缘层的组紧固螺钉51 来紧固燃料电池组1。根据当前第二实施例的燃料电池的其它构造与 根据第一实施例的燃料电池的构造相同。 在燃料极密封件71(对应于图2的燃料极密封件7)内，与燃料 极室32连通的通孔31a形成在四个角的每个处。所采用的组紧固螺钉 51是这样一种螺钉，该螺钉在其全长上都受到螺纹切削、具有4mm 的直径、且其表面上形成有绝缘层以防止燃料电池单元3的燃料极和 氧化剂极之间短路。组紧固螺钉51被紧密地插入通孔31a内，该通孔 31a被加工为具有4.1mm的内径。 因为作为气体燃料的氢气以螺旋方式流经由组紧固螺钉51的螺 纹脊之间的空间形成的流路，所以即便该组紧固螺钉51与通孔31a 之间的间隙非常小，也将确实地形成该流路。此外，因为组紧固螺钉 51与通孔31a之间的间隙小，所以还将行使对齐所堆叠组件的功能， 以便高精度地装配燃料电池组1。结果，可以减小由于堆叠组件位移 导致氢气泄漏的风险，并能够获得具有高可靠性的高精度燃料电池组 1。 在根据当前第二实施例的燃料电池中，组紧固件51具有利用螺钉 的紧固机构。与每个燃料极室32对应的燃料供给路径是形成在组紧固 件51的螺纹脊与通孔31a的内周壁表面之间的间隙。这样，形成燃料 供给路径。因此，即便通孔31a的内周壁表面与组紧固件51之间的间 隙被设计得相当小，螺纹脊之间的螺旋状空间也可用作燃料供给路径。 因此，可采用通用螺钉部件以低成本实现用于确保燃料供给路径的组 紧固件51。此外，利用通孔31a与组紧固件51的啮合，可容易地相 互对齐所要堆叠的组件。由此，以低成本提供用高装配精度形成的燃 料电池。 在根据当前实施例的燃料电池中，组紧固件51和燃料电池单元3 的通孔31a电绝缘。这样，构成燃料电池组1的电极与组紧固件51 相互接触以致短路的可能性极大地减小，从而能够实现具有高可靠性 的燃料电池。 (实施例3) 图7是根据本发明实施例3的燃料电池的燃料极的示意性水平剖 视图。根据当前第三实施例的燃料电池是通过仅改变根据实施例2的 燃料电池的内部构造获得的，且具有更高的性能。在根据当前第三实 施例的燃料电池中，采用具有形成在其表面上的绝缘层且具有沿其轴 向连续形成的槽构件的组紧固螺钉51。其它构造与实施例2的燃料电 池的构造相同。因此，与图2至4相同的构造用相同参考符号标识， 并省略对其的详细说明。 如图7所示，在当前第三实施例中，槽口93设在组紧固螺钉51 的外周的一部分内。槽口93被提供为在螺钉的整个长度上延伸。槽口 的形状未特别限定，只要其能够以低成本被容易地加工出。当前实施 例中，在螺钉的整个长度上加工出V形槽，该V形槽的截面形状为宽 0.5mm且深0.8mm的等腰三角形。 结果，与实施例2相比，在根据当前第三实施例的燃料电池中， 经过通孔31a的燃料供给路径的截面积增大。于是，流路阻力减小， 即便在燃料电池组1内生成大电流时，也能够实现氢气的充分供给。 槽口的形状不一定需要在螺钉的整个长度上一致，该槽口的尺寸 可根据对应燃料电池单元3而变化，从而调节燃料相对于每个燃料电 池单元3的流路阻力。这能够抑制以下现象，即在燃料供给流路阻力 一致的情况下，上游与下游之间的燃料供给变得不均匀，从而导致多 个燃料电池单元3的发电量存在差异。由此，可实现一种提供稳定电 力的燃料电池92。 (实施例4) 在实施例1中，燃料流入一对通孔31a中。然而在当前第四实施 例中，允许一对通孔中的其中一个通孔31a作为流入路径，且允许另 一通孔31a作为排出路径。 一阀设在螺母82处与排出侧上的通孔31a对应的位置，并控制该 阀以使其仅在排出杂质时开启。结果，开始发电时储存在燃料电池单 元3内的气体和发电过程中储存的掺杂气体能利用所引入的燃料气体 推出，以实现有效的发电。 尽管已参照示范实施例对本发明进行了说明，但应理解的是，本 发明不限于所公开的示范实施例。以下权利要求书的范围应与最宽解 释一致，以涵盖所有变形和等效的结构和功能。