CN101395753A - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种消除燃料电池单元的湿度不足、在多个燃料电池单元之间使温湿度环境平均化的燃料电池系统。本发明的燃料电池系统具有：燃料电池堆，将多个燃料电池单元配置在同一平面上；筐体，经由空气流空间覆盖上述燃料电池堆的至少单面侧；和网状的凝结水保持材料，设置在上述燃料电池堆和上述筐体之间，具有保持水分的功能。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及到一种燃料电池系统，尤其涉及到一种多个燃料电池单元(cell)平面状配置的平面堆叠型燃料电池系统。
背景技术
固体高分子型的燃料电池系统具有由阳极和阴极夹持固体高分子电解质膜的构造的电极-电解质膜结合体(Membrane and ElectrodeAssembly。以下称为MEA)。将液体燃料直接供给阳极的类型的燃料电池称为直接型燃料电池。在其发电时，首先燃料供给到阳极。供给的燃料在阳极所承载的催化剂上分解，生成质子、电子及中间生成物。生成的阳离子透过固体高分子电解质膜向阴极侧移动，生成的电子经过外部负载向阴极侧移动。并且，质子和电子在阴极与空气中的氧反应，产生反应生成物，从而发电。
例如，在作为液体燃料直接使用甲醇水溶液的直接甲醇型燃料电池(以下称为DMFC)中，下述通式(化学式1)所示的反应在阳极产生，下述通式(化学式2)所示的反应在阴极产生。
(化学式1)：CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-
(化学式2)：6H++6e-+3/2O2→3H2O
使用液体燃料的燃料电池系统易实现小型化、轻量化，因此目前作为以携带设备为首的各种电子设备用电源的研究开发获得较大进展。其中，作为个人计算机(PC)这样的电子设备的电源使用时，存在单一的MEA输出较小，无法获得所需电压的情况。因此，将多个燃料电池单元电连接并使用(以下将燃料电池系统的发电中的最小单元称为燃料电池单元，将该燃料电池单元的集合体称为燃料电池堆)。
燃料电池堆可收容在筐体中使用。将燃料电池系统收容在筐体中时，如化学式2所示，阴极产生的水分会在筐体和燃料电池系统之间的狭小空间凝结。当凝结的水完全覆盖阴极面时，会产生降低输出的溢流(flooding)。在产生溢流的燃料电池单元中，在氧化剂气体(空气)不充分的状态下电流强制性地流动，因此会导致MEA破损。另一方面，在MEA过于干燥的情况下，失去离子传导性，发电效率会降低。因此，在燃料电池系统中，要求提供一种管理凝结的水、保持适当的湿度的技术。
作为由多个燃料电池单元构成的燃料电池系统，公知的是多个燃料电池单元在厚度方向上层积的双极型(Bipolar)，及多个燃料电池单元在平面上并列的平面堆叠型。
关于双极型情况下的凝结水的管理，有几个报告。作为防止溢流的技术，例如日本特开2004-185935号公报中记载了：在将氧化剂气体分配到燃料电池单元的供给歧管内，设置可覆盖整个气体路径的大小的隔板，在该隔板的下方设置接收在隔板上凝结的水的排水盘。
并且，日本特开平5-283094号公报中记载了一种燃料电池，其特征在于：阳极和阴极通过水分路径连接，至少与路径的水分发生极连接的部分由具有透水性的物质构成。
并且，日本特开2005-322595号公报记载了：在层积于电极上的分离器上设置的供给用气体路径和排出用气体路径非连通的情况下，形成该供给用气体路径和该排出用气体路径之间的该分离器的部件为多孔质。
并且，日本特开2000-164229号公报记载了防止阴极干燥的技术。该日本特开2000-164229号公报公开了一种固体高分子型燃料电池系统，其特征在于，具有：以固体高分子膜为电解质的固体高分子型燃料电池堆；温湿度交换单元，使已通过电池反应部的已反应气体和要通过电池反应部的未反应气体经保水性的多孔质体接触，从而进行温度及湿及交换，其中，该氧化剂气体的至少一方在与多孔质体连接设置的至少一层网状的气体供给路径内流通。
并且，日本特开2004-241367号公报公开了一种燃料电池，其具有MEA和分离器，在分离器的MEA相对面上形成反应气体路径，其中，在该分离器的至少一部分上形成多孔质部，在该多孔质部的反应气体路径背面形成冷却用气体路径。
上述各文献所述的技术涉及到双极型。与双极型相对，对于笔记本型PC这样希望能携带的设备，由于对厚度的限制，平面堆叠型较适当。
作为平面堆叠型的燃料电池系统，例如包括日本特开2004-14149号公报所述的系统。即，日本特开2004-14149号公报公开了一种液体燃料电池，其具有还原氧的正极、具有储氢材料的负极要、设置在正极及负极之间的电解质层，并且具有溶解金属氢化物的液体燃料、及存储该液体燃料的液体燃料存储部，该液体燃料电池的特征在于，其正极和负极、及其电解质层构成电极/电解质一体化物，该电极/电解质一体化物多个配置在同一平面上，各电极/电解质一体化物电串联连接，该液体燃料存储部按照各电极/电解质一体化物通过间壁分离。
在平面堆叠型中，多个燃料电池配置在同一平面上，通过集电体等使相邻的燃料电池单元电连接，从而可获得高的电压及输出。使用平面堆叠型时，优选燃料电池系统是可收容在携带设备的台面面积(footprint)内的小型装置。因此，为了向阴极供给氧而使燃料电池堆搭载在筐体内部，向燃料电池堆和筐体之间的空间采用小型风扇强制性供给空气；或者使阴极面向大气开放进行自然吸气等，需要总是连续向阴极供给氧。
但使阴极面向大气开放的自然吸气型的构造在覆盖阴极面时无法发电，因此难于形成将燃料电池系统自身收容在携带设备内部的构造。并且，即使单纯为了收容燃料电池而另行设置筐体，也需要不堵塞该筐体上设置的通气孔。
与之相对，在将燃料电池系统自身收容在筐体等中、通过小型风扇等强制吹送空气的方式中，只要不堵塞吸气部分及排气部分，则可稳定地发电，因此作为携带设备的电源较有优势。
在这种使用风扇鼓风的平面堆叠型燃料电池系统中，用于处理副生成物的技术在日本特开2005-129261号公报中有记载。即，日本特开2005-129261号公报中记载了：在平面堆叠型的燃料电池系统中，在空气极(阴极)室的出口部分设置用于吸附来自电池的副生成物的吸附过滤器、或用于分解副生成物的分解处理过滤器。
但是，在上述任意一个文献中，均未记载在平面堆叠型的燃料电池系统中管理凝结的水的方法。
发明内容
当想要用于携带设备时，如上所述，和双极型相比，平面堆叠型较为匹配。将平面堆叠型的燃料电池堆收容在筐体中、并通过风扇等强制性地向阴极传送氧化剂气体的构造下，从薄型化的要求出发，优选燃料电池单元的阴极电极、和与之相对的筐体的内侧之间的距离尽可能近。
另一方面，从空气供给的角度出发，燃料电池堆和筐体之间的空间、即阴极上的空间大至一定程度适于稳定的空气供给。并且，当耗电变大时，散热量也变大。因此，如果在阴极上配置分离器而划分一部分阴极上的空间的构造下，在空气供给及散热方面不利。
因此优选如下构造：燃料电池堆和筐体的距离尽可能近，且阴极上的空间、即燃料电池堆的单面(包括阴极面的面)上设置的空气流空间在平面方向上不被划分。在这种构造的燃料电池系统中，在空气流空间内形成一个方向的空气流，空气供给到阴极。
但是在耗电大的燃料电池系统中，在空气流空间内流动的空气在从吸气部分到排气部分为止的期间，会通过若干个燃料电池单元之上。因此，在靠近吸气部分侧(上游侧)，总是暴露在新鲜的空气中，湿度较低且为低温，与之相对，在靠近排气部分的侧(下游侧)，传送来发自若干个阴极的热、水分，因此温度及湿度有变高的倾向。在这种情况下，虽然处于同一燃料电池堆中，但其发电环境为低温、低湿的部分和高温、高湿的部位共存，难于进行稳定的发电。
在高温、高湿的下游侧，水分易凝结，担心溢流。与之相对，在低温、低湿的上游侧，因干燥可能造成离子传导性下降。这是因为，在MEA的发电中，电解质膜及催化剂层中的质子传导起到重要的作用，在该质子传导中水是必需的，而在MEA含水量小的情况下，MEA的输出降低。在该情况下继续发电时，电流会被强行驱动流动，MEA逐渐劣化。
因此，要求通过某种形式，在靠近空气流上游部分的燃料电池单元中提高阴极面的湿度，尽量使多个燃料电池单元的湿度环境平均化。但是在希望用于携带设备的平面堆叠型燃料电池中，难于同时解决阴极的溢流和干燥这二个课题。在携带设备内部导入加湿机构等湿度调整机构在空间上存在限制，因此不是作为凝结水对策的根本的解决方法。
为了解决上述课题而提出本发明。即，本发明的目的在于提供一种如平面堆叠型燃料电池这样具有多个燃料电池单元的燃料电池系统，其中，可抑制凝结的水对发电造成障碍的溢流。
本发明的其他目的在于提供一种消除燃料电池单元的湿度不足、在多个燃料电池单元之间使温湿度环境平均化的燃料电池系统。
本发明的其他目的还在于提供一种在实现携带设备要求的节约空间外，可抑制溢流、消除湿度不足的燃料电池系统。
本发明涉及的燃料电池系统具有：燃料电池堆，将多个燃料电池单元配置在同一平面上；筐体，经由空气流空间覆盖燃料电池堆的至少单面侧；网状的凝结水保持材料，设置在燃料电池堆和上述筐体之间的至少一部分上，具有保持水分的功能。
根据上述构成，燃料电池单元中产生的水分即使凝结也会通过凝结水保持材料保持在筐体之间。不是在燃料电池单元上而是被凝结水保持材料捕捉，因此消除了溢流。并且，由于凝结水保持材料是网状的，因此捕捉的水在凝结水保持材料上传送，从湿度高的部位向低的部位扩散。这样一来，可对湿度易变低的部分进行加湿，使燃料电池单元上的空气流空间中的湿度平均。
并且此时优选：凝结水保持材料为40～200目(mesh)。当小于40目时，凝结的水可能向燃料电池单元侧落下。而当大于200目时，水分可能在筐体侧难于凝结。
进一步优选：凝结水保持材料是编织成围棋盘格状的网状，凝结水保持材料的围棋盘格的横线和纵线编织成相对氧化剂气体流动的方向成平行方向和正交方向。
并且优选，凝结水保持材料为金属制。当凝结水保持材料为金属制时，相对于发热的燃料电池单元，凝结水保持部件和筐体之间易变为低温。在燃料电池单元中产生的水分易在比燃料电池单元侧低温的筐体侧凝结，可切实地减少溢流的产生。并且，在燃料电池堆内，热易于传送到易变为低温的部分，使燃料电池堆内的温度分布平均化。
并且，在其他的观点中，凝结水保持材料为高分子材料。
并且，上述燃料电池系统中优选的是，筐体中与设有凝结水保持材料的位置对应的部分为金属制。通过使筐体为金属制，相对于发热的燃料电池单元侧，筐体侧易变为低温。在燃料电池单元中产生的水分易在筐体侧凝结。其中，凝结水保持材料设置在和金属制的部分对应的位置上，从而可使在筐体侧凝结的水通过凝结水保持材料被切实保持。因此，可切实减少溢流的发生。并且，燃料电池堆内，热易于传送到易变为低温的部分，燃料电池堆内的温度分布平均化。
并且优选，凝结水保持材料粘贴在与燃料电池堆的单面相对的筐体的整个内侧面上。通过将凝结水保持材料粘合到筐体的整个内侧面，由凝结水保持材料捕捉的水分可朝向平面方向的所有方向。不会妨碍水的扩散，因此可切实抑制溢流。
在本发明涉及的燃料电池系统中，在空气流空间内，氧化剂气体向一个方向流动。优选的是：凝结水保持材料在该氧化剂气体流动的方向上相邻的燃料电池单元上通用，在与该氧化剂气体流动的方向正交的方向上相邻的燃料电池单元之间分割。
这样一来，使凝结水保持材料相对于氧化剂气体的流动在平行方向上不分割，在正交的方向上分割，从而使捕捉的水分易于选择性地向氧化剂气体的流动方向扩散。因此，在水分易凝结的下游侧捕捉的水分易于向易干燥的上游侧扩散。因此，上游侧的燃料电池单元被保湿。从而使燃料电池堆的湿度环境更为平均化。
在上述燃料电池系统中优选凝结水保持材料的至少一部分露出到外部。
根据本发明，提供了一种如平面堆叠型燃料电池那样具有多个燃料电池单元的燃料电池系统，其中，可抑制凝结的水对发电造成障碍的溢流。
根据本发明，进一步提供了一种消除燃料电池单元的湿度不足、在多个燃料电池单元之间使温湿度环境平均化的燃料电池系统。
根据本发明，还提供了一种在实现携带设备要求的节约空间外，可抑制溢流、消除湿度不足的燃料电池系统。
附图说明
图1是燃料电池堆的俯视图、及沿AA’的截面图。
图2是表示将燃料电池堆放入筐体的状态下的情况的俯视图、及沿BB’的截面图。
图3是表示将本发明的燃料电池堆放入筐体的状态下的情况的俯视图、及沿CC’的截面图。
图4是表示将本发明的燃料电池堆放入筐体的状态下的情况的俯视图、及沿DD’的截面图。
图5是燃料电池堆的俯视图。
图6是沿着图5的EE’的燃料电池堆的截面图。
图7是表示将本发明的燃料电池堆放入筐体的状态下的情况的俯视图、及沿F-F’及G-G’的的截面图。
图8是汇总与本发明相关的实验结果的表。
具体实施方式
说明本发明涉及的燃料电池系统1。燃料电池系统1具有：燃料电池堆15、收容燃料电池堆15的筐体14、用于供给空气(氧化剂气体)的鼓风机、用于存储燃料的燃料母罐、用于驱动燃料流动的泵、用于输出电能的布线。筐体14的内侧，作为暂时保持凝结的水的凝结水保持部件粘贴有网71。此外，在附图中省略了鼓风机、燃料母罐、泵、布线的图示。燃料电池堆15用于PC等耗电较大的携带设备时，不仅可单独使用，也可将二个以上的燃料电池堆15并列并进行电连接以获得所需的电压及输出。将燃料电池系统11搭载到携带设备时，燃料电池堆15收容在筐体14中。
以下参照图1说明燃料电池堆15收容在筐体14的状态下的构造。此外，为易于理解说明，在图1中，省略了本实施方式中的凝结水保持部件(网71)的图示。
图1是表示收容在筐体14中的状态的燃料电池堆15的构造的俯视图及截面图。此外在图1的俯视图中，燃料电池单元11等的构成被筐体14覆盖，实际上看不到，为了便于说明透视显示。
如图1的截面图所示，筐体14具有筐体主体140、盖子70。筐体主体140具有：长方形的底面、从该底面相对的二条边向上方立起的侧面。即，筐体主体140是长方体状，是上表面及在四个侧面中相对的二个面(在图1的截面图中，位于纸的垂直方向的二个面)开放的形状。
盖子70是与上面的开放部对应的形状(长方形)，在燃料电池堆15收容在筐体主体140的状态下，覆盖在上面。其中，在燃料电池堆15和盖子70之间，稍微形成空间(标记27)。该空间是用于向阴极供给氧化剂气体(空气)的空间，以下称为空气流空间27。空气流空间27设置在燃料电池堆15整体上。即，空气流空间27不被隔板等分割，在多个燃料电池单元11上是连续的。
开放的二个侧面分别是用于向空气流空间27供给空气的堆吸气开放部24、用于从空气流空间27排出空气的堆排气开放部25。
燃料电池堆15具有多个(在本实施方式中为6个)燃料电池单元11。多个燃料电池单元11配置在同一平面上。对燃料电池单元11的构造稍后论述，所有燃料电池单元11使阴极31向上地配置。在各燃料电池单元11的阴极31上，设有框状的阴极集电体41。阴极31的上表面中央部与空气流空间27相接，这样一来，在空气流空间27流动的空气作为氧化剂气体供给到阴极31。
在具有上述构成的燃料电池系统1中，通过未图示的鼓风单元从堆吸气开放部24向空气流空间27内供给空气。供给到空气流空间27的空气经过各燃料电池单元11的阴极31之上，从排气开放部25排出到外部。在空气流空间27中流动时，作为氧化剂气体，空气也供给到各燃料电池单元11的阴极31。
作为该鼓风单元，没有特别限定，例如包括西罗克风扇、轴流式风扇、横流式风扇、及涡轮风扇。考虑到搭载到携带设备的情况，优选薄型径流式风扇等耗电小的风扇。
关于风扇等鼓风单元，主要包括以下二种方法：将风扇配置在堆吸气开放部24侧，通过正压向燃料电池堆15鼓风，或者配置在堆排气开放部25侧，使燃料电池堆15成为负压而鼓风。当燃料电池系统11没有大小限制时，可使风扇离开燃料电池堆配置，因此任意的配置下均没有较大差异。但是对于以正压向燃料电池15鼓风，需要使燃料电池堆15和作为鼓风单元的风扇的距离拉开，或者需要可向堆吸气开放部24的开放部分均匀地鼓风的大小的风扇。这种情况下，限制了燃料电池系统11的小型化，因此当用于大小有限制的携带设备等时，优选以负压鼓风的方法。
并且，风扇不一定设置在和燃料电池堆15同一的平面上。例如，虽然台面面积(footprint)存在限制、但垂直方向上无限制的情况下，可以将风扇设置在燃料电池堆15的上部或下部，通过圆弧状的导风板等，使堆吸气开放部24或堆排气开放部25与风扇的排气口或吸气口连接，从而向空气流空间27鼓风，使之发电。这种情况下，通过将网粘贴到导风板内部，可提高导风板内部的整流效果。但以上对鼓风所述的方法仅是一例，不限定鼓风方法。
接着参照图2说明本实施方式中的作为特征部分的网71(凝结水保持材料)。凝结水保持材料具有保持水分的功能。网71粘贴在盖子70的整个内侧。如图2的截面图所示，盖子70通过网71放置在筐体主体140之上。因此在网71的侧部未配置筐体14，而露出到外部。通过这样设置网71，可起到以下作用。
在发电时，在空气流空间27的下游侧(堆排气开放部25侧)，空气中含有的水分的量变多。这是因为，在上游侧的燃料电池单元11中通过发电反应生成的阴极生成水由空气流运送到下游部侧。因此，在下游部、即位于靠近堆排气开放部25的部位的燃料电池单元11上，水易于凝结。当产生凝结时，盖子70和阴极31之间产生水柱，当凝结进一步发展时，可能产生溢流。在溢流的状态下继续发电的话，不燃料电池单元11的电压下降，而且在与相邻的燃料电池单元11之间，易还可能产生由水引起的短路。
并且，当用于携带设备时，从小型化的要求出发，优选盖子70和燃料电池堆15之间的距离尽量近。但当盖子70和燃料电池堆15距离接近时，微小的凝结即会妨碍在空气流空间27流动的空气流。当空气流被妨碍时，无法供给充足量的空气到阴极31，发电效率降低。
与之相对，在本实施方式中，由于设置网71，因此在阴极31面上，即使阴极生成水变为水滴，该水滴也被网71吸起来并保持。因此，可防止对发电造成影响的溢流。并且，在筐体14内侧凝结的水因毛细管现象在网71和盖子70之间沿平面方向扩散。这样一来，也可防止凝结水防碍空气流空间27的空气的流动。因此，可进一步减小阴极上表面的空间(空气流空间27的厚度)，使燃料电池系统1进一步小型化。
并且，由于网71的侧部向外部暴露，从而使由网71保持的凝结水从网71的侧部向外部排出。因此可防止空气流空间27的湿度高至必要限度以上。
在空气流空间27的下游侧水分易凝结，而上游侧总有干燥的空气送入，因此易变得干燥。当燃料电池单元11干燥时，失去离子传导性，无法获得充分的起电力。
在本实施方式中，通过将网71粘贴到盖子70的内侧，下游侧保持的水在被网71保持的状态下向上游侧扩散。因此，在上游侧，成为被从下游侧送入的水分加湿的状态，防止离子传导性的丧失。
此外，网71的配置也可是图3、图4的配置。在图3所示的例子中，网71配置为埋入筐体主体140的上面开放部。即，网71的侧部与筐体主体140的侧面内侧接触，如图2所示，露出到外部。这样一来，网71捕捉的水分不排出到外部而被继续保持。由此凝结的水易于扩散，可更为提高上游侧的加湿效果。
并且，在图4所示的例子中，网71沿空气流的流动方向(堆吸气开放部24到堆排气开放部25的方向)被分割为二。网71在与空气的流动方向正交的方向上相邻的燃料电池单元11之间变得不连续。通过这样将网71沿空气流方向分割，在下游侧凝结保持的水分在沿着空气流的方向选择性地扩散。即，在下游侧凝结保持的水选择性地向上游侧扩散，可提高上游侧的加湿效果。
这样，如图2～4所示，由于考虑到网71的形状，可兼顾用途来实现功能化。并且，也可组合图2及图3的构造。例如，在上游侧，如图2所示，使网71的侧部露出到外部，在下游侧如图3所示用筐体覆盖网71，则在易干燥的上游侧中，可使凝结的水不散失，而获得加湿效果，在易产生溢流的下游侧，多余的水分能够从网71的侧部排出到外部。
接着说明网71的材质。作为网的材质例如包括不锈钢等耐蚀性金属、聚乙烯/聚丙烯/PTFE(聚四氟乙烯)等塑料(高分子材料)、纸等绝缘性材料。
这些材质中，考虑到湿度的平均化，优选导热性高的金属制材料。燃料电池堆15在发电时发热，因此温度上升。在上游侧的燃料电池单元11中，暴露于来自外部的较低温的新鲜空气中而冷却，但在下游侧提供了在上游侧被加热后的空气，因此越靠近上游侧越不会冷却。因此，在上游侧和下游侧的燃料电池单元11之间，产生温度差。通过使网71为金属制，下游侧的热传送到上游侧，在下游侧和上游侧之间使温度平均化。
并且，网71为金属制时，网71的导热性变高。这样一来，在网71侧放出热，因而网71侧与燃料电池单元11(阴极31侧)相比易变为低温。因此，水在盖子70侧(网71侧)比在燃料电池单元11侧更易凝结，网71更容易捕捉水分。即，通过使网71为金属制，使空气流空间27内的水分在网71侧凝结，易于捕捉到网71上。
另一方面，从绝缘性的角度出发，作为网71优选使用塑料。网71在阴极31上方跨越相邻的燃料电池单元11而覆盖，因此当网71具有导电性时，存在沿着凝结的水分等而短路的担心。作为绝缘性材料，例如也可使用纸，但因水分形状易变化的话，可能连通网一起下垂到阴极31表面。因此从即使吸水也很少变形的角度出发，和纸相比塑料更为有利。
并且，在上述例子中，作为凝结保持材料以网71为例进行了说明，但作为凝结保持材料也可使用发泡性金属、聚氨酯材料等吸水性材料。此外，对于纸、布等材料自身具有高吸水性的情况，和水扩散相比，存在水容易局部滞留的倾向。因此，对于考虑长期稳定性的用途并不适用。但如果是可频繁更换的情况，则可作为凝结保持材料使用。
此外，作为使用网71情况下的网形状，例如包括编织直线状细线而成的格子状网。并且，也可使用非直线的纤维交织而成的网。但为了在盖子70和网71之间暂时保持凝结水，优选使用编织为围棋盘格状的网。进一步，围棋盘格的纵线及横线优选相对于空气流分别平行及垂直。网优选为40～200目的范围内。
接着说明盖子70的形状、材料。盖子70的内侧面(面对空气流空间27的面)优选是平滑的，以不妨碍空气流。
并且，盖子70优选以金属制材料等高导热性材料为母体而形成。作为这种材料，包括不锈钢、铝等金属。并且，为了防止相邻的燃料电池单元11之间的短路，可使用以金属制材料为母体并使该金属性材料被乙烯片等绝缘片覆盖的材料。
作为盖子70使用高导热性的材料，从而可使多个燃料电池单元11间的温度分布平均化。作为盖子70使用高导热性材料，使下游侧的热向上游侧传送，燃料电池堆15的温度分布平均化。由于发电温度平均化，因此可使燃料电池堆15的发电更稳定化。
并且，由于盖子70是高导热性的材料，因此盖子70的热散到外部。盖子70通过散热被冷却，因此和阴极31相比易变为低温。这样一来，在发热的阴极31和散热的盖子70之间产生温度差。当水分凝结时，在作为低温侧的盖子70侧易凝结，在阴极31侧不易凝结。因此，凝结的水易被网71保持，切实防止溢流。
网71优选通过微小的间隙粘贴在盖子70上。例如，将粘合剂、双面胶带等的粘合胶带不用于整个面而只用于一部分地粘贴到网71，则在网71和盖子70之间，形成粘合胶带的厚度大小的间隙。这样一来，在间隙部分凝结的水被保持，向平面方向扩散。并且此时，如果形成相对于空气流的流动方向平行的粘合部位，则可防止粘合部分妨碍空气流动，优选使用。
接着参照图5、图6说明燃料电池单元11、及燃料的供给路径。图5、6是表示燃料电池堆15的一例的概要图。图5是从上面观察的图(俯视图)，图6是沿着图5的EE’的截面图。图6的截面图中详细描绘了各部件。图5中的箭头表示燃料的流动方向。
如图5所示，燃料电池堆15具有多个(图示6个)燃料电池单元11。多个燃料电池单元11在框架10上以2列×3行配置。其中，所有燃料电池单元11使阴极31侧向上配置。并且，多个燃料电池单元11通过未图示的布线电连接。由各燃料电池单元11产生的电力通过电力输出用端子411、421输出到燃料电池堆15的外部。
框架10上设有一个堆燃料进口21、二个堆燃料出口22、及燃料路径23。堆燃料入口21和各燃料电池单元11通过燃料路径23连接。并且，各燃料电池单元11通过排出用燃料路径23与二个堆燃料出口22的任意一个连接。
供给到各燃料电池单元11的燃料从燃料母罐(未图示)经由堆燃料入口21导入到框架10内。从堆燃料入口21导入的燃料经由中央的燃料路径23分支供给到各燃料电池单元11，并被消耗。未被燃料电池单元11消耗的燃料排出到设置在两侧的燃料路径23，依次合流的同时，经由堆燃料出口22返回到燃料母罐。
此外，液体燃料的供给方法不限于该方法，例如也可是使各燃料电池单元11通过燃料路径与直流连接的构造，其形态不限于说明书中示例的构造。
参照图6说明燃料电池单元11的构造。在图6中，表示将液体燃料直接供给到燃料电池单元11的类型的直接甲醇型燃料电池单元的一例。此外，在下述实施方式中，以将液体燃料直接供给到阳极的直液方式为例进行说明，但仅是示例，不限于下述方法、构造。例如，也可通过PTFE等气液分离膜使燃料气化并供给。
如图6所示，各燃料电池单元11具有：固体高分子电解质膜33、阴极31、阳极32、阴极集电体41、阳极集电体42、燃料罐部12、密封部件43。由固体高分子电解质膜33、阴极31及阳极32形成MEA13。
燃料罐部12是设置在框架10上的凹部。燃料罐部12上设有：用于取入燃料的入口、及为了排出的出口。该入口及出口分别与燃料路径23连接。因此，由堆燃料入口21供给的燃料通过燃料路径23保持到燃料罐部12。并且，燃料罐部12中剩余的燃料通过燃料路径23送出到堆燃料出口22。
燃料罐部12内部插入称为芯吸材料60的燃料保持材料。配置芯吸材料60的目的主要在于，利用毛细管现象吸收、保持燃料(甲醇水溶液)以稳定地供给到MEA。供给到燃料罐部12的液体燃料包括由芯吸材料60一次性吸收的部分，但大多供给到MEA13的阳极32，并被发电反应消耗。供给到燃料罐部12但未用于发电的燃料再次返回到燃料容器，暂时由芯吸材料60吸收。但燃料浓度为在位于相当于燃料路径下游部的位置的燃料电池单元11中也可充分发电的浓度，不存在燃料供给不稳定的情况的情况下，芯吸材料60不是必需的构成，也可省略。
MEA13配置得覆盖燃料罐部12的上部。阴极31相接配置在固体高分子电解质膜33的一个面上，阳极32相接配置在另一个面上。即，MEA13通过阳极32和阳极31夹持固体高分子电解质膜33而构成。MEA13将阳极32作为燃料罐部12配置，导入到燃料罐部12的燃料供给到阳极32。
另一方面，阴极31的上侧成为空间(空气流空间27)。如上所述，从该空气流空间27向阴极31供给氧化剂气体(空气)。
这样，从燃料罐部12向阳极32供给液体燃料，从空气流空间27向阴极31供给空气，从而使MEA13发电。
阳极集电体42及阴极集电体41用于使各MEA13所产生的电力集中并输出。阳极集电体42及阴极集电体41在MEA13的上下。阳极集电体42及阴极集电体41是框状的，从上下方向夹持阳极32及阴极31的周边部而配置。
密封部件43填埋MEA13、阳极集电体42、及阴极集电体41之间产生的间隙，配置成防止燃料泄漏到外部。在本实施方式中，密封部件43是框形的，配置在集电体的周边部。
上述构造的燃料电池单元11以贯通其周边部的方式由多个螺钉(未图示)固定在框架10。此外，作为将燃料电池单元11固定到框架10的手段，不限于螺钉固定，也可是使用粘合剂的方法等，只要是使液体燃料不从燃料电池单元11泄漏的构造即可。
接着说明构成燃料电池单元11的各部件的材料。
作为固体高分子电解质膜33，优选使用质子传导性强、且不具有电子传导性的高分子膜。作为固体高分子电解质膜33的构成材料，优选具有磺酸基、磷酸基、亚磷酸基、次亚磷酸基等强酸基、或羧基等弱酸基等的极性基的离子交换树脂，其具体例包括：全氟磺酸系树脂、磺化聚酰亚胺系树脂等。具体而言，例如包括：磺化聚芳醚酮(4-苯氧苯甲酰基-1，4-亚苯基)、磺化聚醚酮、磺化聚醚砜、磺化聚砜、磺化聚酰亚胺、烷基磺化聚苯并咪唑等芳香族系高分子构成的固体高分子电解质膜。固体高分子电解质膜的膜厚根据其材质、燃料电池的用途等，可以在10～300μm左右的范围内适当选择。
阴极31如下述公式3所示，是还原氧而形成水的电极。
(化学式3)：6H++6e-+3/2O2→3H2O
阴极31例如可通过以下方法获得：使由炭等载体承载催化剂的粒子(含粉末)或不具有载体的催化剂单体与质子传导体的催化剂层通过涂敷等形成在炭纸等基材上。作为催化剂，包括白金、铑、钯、铱、锇、钌、铼、金、银、镍、钴、钼、镧、锶、钇等。催化剂可仅使用一种，也可组合二种以上使用。作为承载催化剂的粒子，例如有乙炔黑、科琴黑、碳纳米管、碳纳米角等碳素系材料。粒子的大小例如当碳素系材料为粒状物时，在0.01～0.1μm左右的范围内，优选在0.02～0.06μm左右的范围内适当选择。在粒子上承载催化剂例如可适用含浸法。
作为形成催化剂层的基材，既也可使用固体高分子电解质膜，也可使用碳纸、碳的成形体、碳的烧结体、烧结金属、发泡金属等具有导电性的多孔性物质。在使用碳纸等基材的情况下优选的是，在基材上形成催化剂层获得阴极31后，通过热压等方法，在催化剂层与固体高分子电解质膜33相接的方向上使阴极31与固体高分子电解质膜33接合。阴极31的单位面积上的催化剂量根据催化剂的种类、大小等可在0.1mg/cm2～20mg/cm2左右的范围内适当选择。
阳极32如下述通式4所示，是由甲醇水溶液和水生成氢离子和CO2及电子的电极，与阴极31一样形成。
(化学式4)：CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-
构成阳极32的催化剂层、基材可以与构成阴极31的催化剂层、基材相同，也可不同。阳极32的单位面积上的催化剂量也和阴极一样，可根据催化剂的种类、大小等，在0.1mg/cm2～20mg/cm2左右的范围内适当选择。
阴极集电体41及阳极集电体42分别相接配置在阴极31及阳极32上，进行作用以提高电子的输出效率及电子的供给效率。这些集电体41、42可以是与MEA的周边部相接的框形，也可是与MEA的整个面相接的平板状或网状等。平板状时，规则或非规则地设置供燃料及空气进入的贯通孔，在不开贯通孔的部分与电极接触，进行集电。在本发明的说明中，作为阴极集电体41及阳极集电体42表示了框形的集电体，但它们仅是一例，不限定不发明。作为集电体41、42的材料，例如或使用不锈钢、烧结金属、发泡金属等，或对这些金属进行镀高导电性金属材料的处理所得的材料、碳材料等导电体等。
本发明的燃料电池单元11中设有多个具有密封功能的密封部件，例如如图6所示，(a)固体高分子电解质膜33和阴极集电体41之间，由与阴极31的厚度大致相同的厚度构成的密封部件43框状地设置在单元构造的周边。(b)固体高分子电解质膜33和阳极集电体42之间，由与阳极32的厚度大致相同的厚度构成的密封部件43框状地设置在单元构造的周边。(3)阳极集电体42和框架10之间，设有具有任意厚度的密封部件43。此外，这些各密封部件优选具有密封性、绝缘性及弹性的材料，通常优选由具有密封功能的橡胶、塑料形成。具体而言，优选使用PTFE、PET、PEEK、氯乙烯等塑料材料、氟制树脂橡胶、硅橡胶、丁基橡胶等橡胶材料。
芯吸材料60例如可使用纺布、无纺布、纤维垫、纤维网、发泡塑料等。尤其优选使用亲水性聚氨酯发泡材料、亲水性玻璃纤维等亲水性材料。
如上所述，根据本实施方式的燃料电池系统1，由于设有凝结水保持材料(网71)，因此在空气流下游侧凝结的水在盖子70侧被保持，防止溢流的发生。并且，在下游侧被保持的水分通过网71向易干燥的上游侧扩散，可提高上游侧的湿度。这样一来，抑制上游侧的水分不足导致的离子传导性下降。
作为需要根据设备使电压提高、耗电大的笔记本型PC等的电源使用燃料电池系统1时，为了获得所需的电力需要增加燃料电池单元11的个数。当燃料电池单元11增加时，空气流的最下游的湿度也增大。本实施方式的燃料电池1在这种情况下也可防止位于空气流的最下游的燃料电池单元11的溢流，因此尤其适用于耗电大的设备。
并且，在平面堆型燃料电池中，多个燃料电池单元11串联电连接。此时，为了节省空间，多个燃料电池单元11通常围棋盘格状地排列。这样配置燃料电池系统11时，使若干个燃料电池单元11介于其间，但出现了空间上相邻的燃料电池单元11。在这样相邻的燃料电池单元11之间在阴极31间产生大的电位差。通过溢流，该空间上相邻的二个阴极31之间会短路。与之相对，在本实施方式中，将网71粘贴在盖子70的背面，因此可在相邻的燃料电池单元11彼此连接前吸起凝结的水，可降低短路的可能性。
此外，在本实施方式中，在所有的多个燃料电池单元11中，说明了阴极31面朝上配置的情况，但不一定所有阴极31都需要朝上。至少在一个燃料电池单元11中，阴极31朝上即可，也可存在阳极32朝上的燃料电池单元11。对朝上的阳极32的燃料供给可通过改造路径构造来进行。如果是至少一个燃料电池单元中阴极31朝上的燃料电池堆15，则可通过设置网71保持凝结水，抑制该燃料电池单元中的溢流发生。
以下通过实施例说明本发明的燃料电池系统。
(实施例1)
对实施例1中使用的燃料电池单元的构造进行如下说明。在本实施例中，制成图2所示构造的燃料电池系统1。
首先，准备好在碳素粒子(ライオン公司制造的ケツチエンブラツクE C 600 J D)上以重量比50％承载粒径为3～5nm范围内的白金微粒而成的催化剂承载碳素微粒。向1g该催化剂承载碳素微粒加入デユポン公司制造的5重量％的ナフイオン溶液(商品名；DE521，ナフイオン是デユポン公司的注册商标)，并搅拌，获得阴极形成用的催化剂膏。向以该催化剂膏为基材的碳纸(東レ公司制造的TGP-H-120)上以1～8mg/cm2的涂量涂敷并使之干燥，制造出4cm×4cm的阴极31。另一方面，除了替代白金微粒而使用粒径为3～5nm范围内的白金(Pt)-钌(Ru)合金微粒(Ru的比例为50at％)以外，以和获得上述阴极形成用的催化剂膏相同的条件获得阳极形成用的催化剂膏。除了使用该催化剂膏以外，以和上述阴极制造相同的条件制造出阳极32。
接着将デユポン公司制造的ナフイオン117(个数平均分子量250000)构成的8cm×8cm×厚180μm的膜作为固体高分子电解质膜33使用，在该膜的厚度方向的一个面上，使上述碳纸为外侧地配置上述阴极31，在另一个面上使上述碳纸为外侧地配置上述阳极32，从各碳纸的外侧热压。这样一来，阴极31及阳极32与固体高分子电解质膜33结合，获得MEA(电极-电解质膜结合体)13。
接着，在阴极31和阳极32上配置由不锈钢(SUS316)构成的外形尺寸为6×6cm2、厚1mm、宽11mm的矩形框状的框板构成的集电体41、42。此外，在固体高分子电解质膜33和阳极集电体42之间配置硅橡胶制的外形尺寸为6×6cm2、厚0.3mm、宽10mm的矩形框状的框板构成的密封部件43。并且，在固体高分子电解质33和阴极集电体41之间，作为其他密封部件还配置硅橡胶制的外形尺寸为6×6cm2、厚0.3mm、宽10mm的矩形框状的框板构成的密封部件43。露出到集电体41、42外的固体高分子电介质膜33被切断。
作为构成燃料电池系统1的框架10，使用外形尺寸为19.5×14.5cm×厚1cm的氟树脂制框架。框架10内部形成6个燃料电池罐部12，以使燃料电池单元11以2列×3行排列。燃料从堆燃料入口21供给，如图2截面图所示，形成如下流路构造：通过设置在燃料电池单元12之间的燃料路径23供给到各燃料电池单元，排出到燃料电池堆15的两侧设置的燃料路径23的燃料从堆燃料出口22排出。各燃料罐部12是内部尺寸为4×4cm、深5mm的容器，在燃料罐部12的内部，作为燃料保持材料插入由聚氨酯材料构成的芯吸材料60。
将MEA13、阴极集电体41、阳极集电体42、密封部件43配置在上述燃料罐部12上，通过规定个数的螺钉固定并一体化，获得作为实施例1的燃料电池单元11及燃料电池单元12的集合体的燃料电池堆15。
通过相邻的燃料电池单元11的集电体串联电连接。在图2中，从位于左下的燃料电池单元11引出负的端子421，从位于右下的燃料电池单元11引出正的端子411。
对收容如上形成的燃料电池堆15的筐体14进行说明。筐体主体140以厚1mm×纵深20cm×宽15cm的丙烯板为底面，仅在丙烯板的长边侧的两边，配置厚1mm×纵深20cm×高1cm的丙烯板作为屏障。即，在图2的截面图中，相对纸面垂直的方向的上下侧成为开放部(堆吸气开放部24、堆排气开放部25)。将燃料电池堆15导入到筐体主体140，在燃料电池堆的上表面如图2所示，覆盖粘贴有100目的塑料制网71的丙烯制盖子70。盖子70的大小为厚1mm×长边20cm×短边15cm，网71的大小和盖子70一样，为长边20cm×短边15cm。在实施例1中，是在屏障和盖子70之间夹持网71的构造。
发电时，从堆吸气开放部24导入空气，并从堆排气开放部25排出，从而在燃料电池单元11的阴极31表面上形成空气流。对于空气的鼓风，使用小型风扇来进行，供给足够发电的空气。
(实施例2)
以下说明实施例2中使用的燃料电池单元的构造。MEA的制造方法及构造和实施例1相同，燃料电池堆15的构造也和实施例1相同。其他条件只要未提及就是相同的。
实施例2中，制成图3所示的燃料电池系统1。即，仅变更实施例1中的网71的配置。网71的大小为长边20cm×短边14.5cm，在筐体主体140的两侧边上设置的屏障和盖子70之间不夹持网71。
(实施例3)
以下说明实施例3中使用的燃料电池单元的构造。MEA的制造方法及构造和实施例1相同，燃料电池堆15的构造也和实施例1相同。其他条件只要未提及就是相同的。
实施例3中，制成图4所示的燃料电池系统。即，变更了实施例1中的网的形状。网的大小为长边20cm×短边14.5cm，在筐体主体140的两侧边上设置的屏障和盖子70之间不夹持网71。进一步，在两列排列的燃料电池单元11的列之间隔0.5cm的间隙分割网71。
(实施例4)
以下说明实施例4中使用的燃料电池单元的构造。MEA的制造方法及构造和实施例1相同，燃料电池堆15的构造也和实施例1相同。其他条件只要未提及就是相同的。
实施例4中，改变实施例1中的网的形状。网71的大小为6cm×7cm。如图7所示，网71粘贴在与各燃料电池单元11对应的位置上，在相邻的燃料电池单元11之间被分割。即，与6个燃料电池单元11对应配置6个网71。
(比较例1)
以下说明比较例1中使用的燃料电池单元的构造。在比较例1中，不设置网71，而使用图1所示的燃料电池系统1。MEA的制造方法及构造和实施例1相同，燃料电池堆15的构造也和实施例1相同。其他条件只要未提及就是相同的。比较例1中，除了在盖子70背面不粘贴网71外和实施例1一样。
(实验结果)
对实施例1～4及比较例1进行以下发电试验。使10vol％甲醇水溶液1000mL在10mL/min的流速下循环供给到各燃料电池堆15，在25℃、50％的大气环境下，以相当于100mA/cm2的电流密度的值进行三小时发电试验，对此时的电压变化按照0.5、1、2、3小时进行监视。图8表示各条件下的结果。
在比较例1中，到1小时为止时可稳定发电，但在2小时左右时电压有下降趋势，在3小时时电压下降很大。发电后打开盖子70时，阴极31因溢流而湿润。尤其是位于空气流下游的阴极31中，明显看到溢流。
在实施例1中，到0.5小时为止是和比较例1一样的电压。并且2小时以上时发电也稳定，3小时后也看不到溢流的征兆。实验后打开盖子70观察，位于空气流下游部的网71和盖子70之间略见凝结，但未发生阴极31的溢流。
在实施例2中，可继续和实施例1一样稳定的发电。比较实施例1和实施例2，实施例的电压较高。这是因为，在实施例2中，网71仅开放堆吸气开放部24及堆排气开放部25，与此相对，在实施例1中，盖子70和筐体13的屏障之间夹持网70，因此实施例1的温度及湿度变高。实施例2的测定后打开盖子70时，在网71和盖子70中看到凝结水，但阴极31中未看到溢流。并且，网71和盖子70之间的凝结水的扩散越靠近空气流下游侧越大，其一部分扩散到位于空气流上游的阴极31上。
在实施例3中，是与实施例2基本相同的电压变化。在实施例3的测定结束后打开盖子70时，阴极31中未发现溢流，网71和盖子70之间发现凝结水。实施例3的凝结水的扩散和实施例2相比，在更靠空气流的上游侧出现。可以确认，凝结水经过网71扩散到空气流的更上游侧的阴极31表面上，使其周边的湿度上升，易于获得改善易变为低湿度的空气流的上游侧的湿度环境的效果。
在实施例4中，和比较例1相比维持了较高的起电力。虽然通过网71可防止溢流，但凝结水通过网无法扩散到相邻的燃料电池单元11之上，因此测定结束后打开盖子71时，在位于空气流的最下游的阴极31处稍微出现溢流的倾向。
因此，使用实施例1～4所示的本发明的方法确认能够消除了阴极31中的溢流，并且可实现较为平均的发电环境，可继续较稳定的发电。该方法在平面堆叠型燃料电池这样需要高耗电的燃料电池堆中较有效，也可将燃料电池搭载到PC等需要较高输出的携带设备上。

Claims (9)

1.一种燃料电池系统，具有：
燃料电池堆，将多个燃料电池单元配置在同一平面上；
筐体，经由用于向上述多个燃料电池单元的每一个供给氧化剂气体的空气流空间覆盖上述燃料电池堆的至少单面侧；和
网状的凝结水保持材料，设置在上述燃料电池堆和上述筐体之间的至少一部分上，具有保持水分的功能。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，上述凝结水保持材料为40～200目。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，
上述凝结水保持材料是编织成围棋盘格状的网状，
上述凝结水保持材料的围棋盘格的横线和纵线相对上述氧化剂气体流动的方向分别配置为平行方向和正交方向。
4.根据权利要求1至3的任意一项所述的燃料电池系统，上述凝结水保持材料为金属制。
5.根据权利要求1至3的任意一项所述的燃料电池系统，上述凝结水保持材料由高分子材料形成。
6.根据权利要求1至5的任意一项所述的燃料电池系统，在上述筐体中，与设有上述凝结水保持材料的位置对应的部分为金属制。
7.根据权利要求1至6的任意一项所述的燃料电池系统，上述凝结水保持材料粘贴在与上述燃料电池堆的单面相对的上述筐体的整个内侧面上。
8.根据权利要求1至6的任意一项所述的燃料电池系统，
发电时，在上述空气流空间内氧化剂气体朝向一个方向流动，
上述凝结水保持材料在上述氧化剂气体流动的方向上相邻的上述燃料电池单元上通用，在与上述氧化剂气体流动的方向正交的方向上相邻的上述燃料电池单元之间被分割。
9.根据权利要求1至8的任意一项所述的燃料电池系统，上述凝结水保持材料的至少一部分露出到外部。
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