CN1307736C - 燃料电池和电气设备 - Google Patents

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Abstract

提供一种燃料电池和电气设备，该燃料电池具有直接加湿作为离子传导体的高分子电解质膜(12)的加湿单元(2)。作为加湿单元(2)，使用在与高分子电解质膜接触的位置上具有由具有吸水性的材料构成的保水部(21)，利用毛细管现象直接加湿高分子电解质膜(12)的直接加湿单元；为了更快且均匀地加湿高分子电解质膜(12)，还使用在高分子电解质膜中具有与保水部(21)连接、由具有亲水性的材料构成的加湿水流路(28)的单元。利用这样的结构能够提供直接加湿离子传导体的燃料电池。

Description

燃料电池和电气设备
技术领域
本发明涉及燃料电池和电气设备。
背景技术
迄今，为了在移动中使用小型电气设备，使用了各种一次电池、二次电池。但是，伴随着最近小型电气设备的高性能化，能耗增大，用一次电池得到小型轻量、同时能够供给充分能量的装置变得困难了。另一方面，二次电池虽然具有能够反复地充电使用的优点，但是，通过一次充电能够使用的能量比一次电池还小。而且，为了给二次电池充电不但需要别的电源，而且为了充电通常还要花几十分钟到几个小时，难以做到不论何时何地都能够马上使用。今后，通过进行电气设备的更加小型、轻量化，并利用无线的网络环境，在移动中使用设备的倾向在增强，用现有的一次电池、二次电池把充分的能量供给到设备的驱动是困难的。
作为这样问题的解决方法，小型燃料电池受到重视。迄今，燃料电池作为大型发电机、汽车用的驱动源正进行开发。其主要理由是，与现有的发电系统相比，燃料电池的发电效率高，而且其废弃物是清洁的。另一方面，用燃料电池作为小型电气设备的驱动源的理由，可以举出与现有的电池相比，每单体积、每单位重量可以供给的能量提高了几倍到接近十倍。由于只要补充、更换燃料就能够连续地使用，故也不像二次电池那样在充电中要花时间。
作为这样的燃料电池开发了各种方式的燃料电池，但是，对于小型电气设备、特别是在移动中使用的设备，例如固体高分子型燃料电池是适合的。这是因为，该电池能够在接近于常温的温度下使用，而且由于电解质不是液体而是固体，故具有安全地移动的优点。
燃料电池基于通过把燃料和氧化剂供给到电池单元而进行发电的简单原理，但是，为了进行最佳的发电，进行了各种控制。
固体高分子型燃料电池的燃料电池单元，具有由具有催化剂层的燃料极和氧化剂极夹持作为离子传导体的高分子电解质膜的结构。高分子电解质膜在内部包含水，在传导氢离子的同时，预防燃料气体与氧化剂气体互相交叉漏泄。但是，确定固体高分子型燃料电池性能的离子传导性通过高分子电解质膜的润湿性而起重大作用，特别是，导电性因高分子电解质膜的干燥而显著降低，燃料电池的特性因内部电阻的增大而大大降低。
因此，固体高分子型燃料电池为了发电，用于传导离子的高分子电解质膜必须适当润湿。如日本专利申请特开2001-102059和特开平08-306375中所公开的那样，在现有方式中通过预先使燃料润湿对高分子膜进行加湿。此外，如特开2001-102059和特开平11-045733中所公开的那样，为了使燃料润湿，有时也利用伴随着发电而生成的水。
但是，在上述那样的燃料电池的结构中，在用发电时生成的水加湿燃料气体的方式中，在大型燃料电池的情况下，由于电池单元与燃料供给部分离，故需要用于输送生成的水的泵。如果使用泵，则在燃料电池内需要电力的供给，存在着系统的整体结构复杂化、大型化的缺点。
此外，即使在小型燃料电池中，在把氧化剂极上生成的水供给到燃料极侧的燃料流路时，要做到氧化剂与燃料不掺混也是困难的。
此外，在固体高分子型燃料电池中，通过了作为离子传导体的高分子电解质膜的氢离子与氧化剂(氧)在氧化剂极上进行反应，在氧化剂极的表面生成水。由于氧化剂极的氧化剂流路窄，故如果不去除所生成的水流路就被水滴堵住，不能把氧化剂高效率地引导到氧化剂极。为了预防这种情况，在特开2001-102059和特开2001-160406中，通过作为氧化剂极使用导电性且防水性的多孔隙材料来预防氧化剂电极过湿。此外，在特开2001-93539中，通过对形成气体流路的分离器表面施加亲水涂层来预防流路被所生成的水堵住。
但是，在这些方式中，迅速地去除在氧化剂极上生成的水是困难的。此外，如果按规定的方向引导生成的水则需要泵或压缩机等使用电的装置，存在着使系统大型化的问题。因此，把使用了的水储存在规定的地方，也是困难的。
发明内容
本发明的目的在于，逐个地或汇总地解决这些问题。
即，本发明的目的在于，提供为了加湿离子传导体，不使用在上述方式中为了使燃料润湿而使用了的泵等装置，能够简化系统，直接加湿高分子电解质膜的新的燃料电池；或者，提供不使用泵等装置就能够排除在氧化剂极上生成的水的燃料电池；并提供使用了这些燃料电池的电气设备。
实现这样目的的第1发明是一种燃料电池，其特征在于，具有对燃料电池高分子电解质膜直接进行加湿的加湿单元，该燃料电池高分子电解质膜的特征在于，包括：具有氧化剂极、燃料极、和设置在这两极之间的高分子电解质的燃料电池单元部；与上述氧化剂极和上述高分子电解质膜接触设置的、由具有吸水性的材料构成的保水部；以及在上述高分子电解质膜中，与上述保水部连接而设置的加湿水流路，储存在上述保水部中的水，通过上述保水部和上述加湿水流路供给到上述高分子电解质膜。
本发明中，优选地，上述加湿水流路的形状为平板状，并且与上述氧化剂极平行地设置。
此外，优选地，上述加湿水流路的形状为线状，并且与上述氧化剂极平行地设置。
更优选地，上述加湿水流路的形状为网状。
此外，优选地，上述加湿水流路的形状为叶脉状。
进而，优选地，上述加湿水流路具有亲水性。
此外，优选地，上述加湿水流路具有离子导电性。
此外，优选地，上述保水部中含有的水通过毛细管现象直接加湿上述高分子电解质膜。
更优选地，上述加湿水流路中含有的水通过毛细管现象直接加湿上述高分子电解质膜。
此外，优选地，上述保水部储存在上述氧化剂极上生成的水。
实现上述目的的第2发明是一种燃料电池，其特征在于包括：具有氧化剂极、燃料极、和设置在这两极之间的离子传导体的燃料电池单元部；以及设置在上述氧化剂极的表面侧的、使在上述氧化剂极上生成的水移动的单元，且该单元设置成向着水移动的方向亲水性区的面积增大且/或疏水性区的面积减小。
本发明中，优选地，上述使水移动的单元在上述氧化剂极的表面、具有由疏水性区和亲水性区构成的水移动用图形，利用该水移动用图形移动和排除在上述氧化剂极上生成的水。
此外，优选地，上述疏水性区和亲水性区中的一方由锥形区构成，另一方由反锥形区构成，该锥形区与反锥形区交互排列而设置。
更优选地，在上述氧化剂极表面的一侧上述疏水性区以较大的面积设置，在另一方上述亲水性区以较大的面积设置，从该一侧到该另一侧移动和排除在氧化剂极上生成的水。
此外，优选地，上述使水移动的单元为亲水性的多孔隙层，其表面积沿着使在上述氧化剂极上生成的水移动的方向逐渐变大。
更优选地，沿着使在上述氧化剂极上生成的水移动的方向上述多孔隙层的多孔隙材料的孔隙直径逐渐变小，并且孔隙的密度逐渐变大。
此外，优选地，上述多孔隙层的多孔隙材料的孔隙直径是均匀的，并且沿着使在上述氧化剂极上生成的水移动的方向孔隙的密度逐渐变大。
更优选地，沿着使在上述氧化剂极上生成的水移动的方向上述多孔隙层的多孔隙材料的孔隙直径逐渐变大，并且孔隙的密度是均匀的。
此外，优选地，上述多孔隙层的厚度沿着使在上述氧化剂极上生成的水移动的方向逐渐变大。
更优选地，上述使水移动的单元为疏水性的多孔隙层，其表面积沿着使在上述氧化剂极上生成的水移动的方向逐渐变小。
此外，优选地，沿着使在上述氧化剂极上生成的水移动的方向上述多孔隙层的多孔隙材料的孔隙直径逐渐变大，并且孔隙的密度逐渐变小。
更优选地，上述多孔隙层的多孔隙材料的孔隙直径是均匀的，并且沿着使在上述氧化剂极上生成的水移动的方向孔隙的密度逐渐变小。
此外，优选地，上述多孔隙层的多孔隙材料的孔隙直径沿着使在上述氧化剂极上生成的水移动的方向逐渐变小，并且孔隙的密度是均匀的。
更优选地，上述多孔隙层的厚度沿着使在上述氧化剂极上生成的水移动的方向逐渐变小。
此外，优选地，用于储存由上述使水移动的单元使之移动了的水的保水部，与上述氧化剂极相邻而设置。
更优选地，上述保水部设置在上述燃料电池单元部的侧面。
此外，优选地，上述离子传导体为高分子电解质膜。
更优选地，上述燃料电池为固体高分子型燃料电池。
此外，优选地，上述燃料电池为固体高分子型小型燃料电池。
此外，第3发明是一种电气设备，该设备使用所述的燃料电池而构成。
以后还要通过参照附图详细地描述本发明的其它特征和效果。
附图说明
图1为表示本发明的燃料电池的一个例子的斜视图。
图2A为图1的燃料电池的平面图。
图2B为图1的燃料电池的局部剖面平面图。
图3A为图1的燃料电池的正视图。
图3B为图1的燃料电池的局部剖面正视图。
图4为图1的燃料电池的左侧视图。
图5为示出本发明的燃料电池系统的概要图。
图6为示出加湿单元的一个例子的概略剖面图。
图7为示出设置在氧化剂极表面上的水移动用图形的概略图。
图8为示出安装有本发明的燃料电池的数码相机的概要斜视图。
图9为示出储存在氧化剂极表面上生成的水的保水部的一个例子的概略剖面图。
图10为在氧化剂极表面上具有孔隙直径的大小沿着方向逐渐变小的多孔隙层的单元部的平面图。
图11A为图10的11A-11A处的剖面图。
图11B为图10、图11A的多孔隙层的概略剖面图。
图12为在氧化剂极表面上具有其厚度沿着A方向逐渐变大的多孔隙层的单元部的平面图。
图13为图12的13-13处的剖面图。
图14为图12、图13的多孔隙层的概略剖面图。
具体实施方式
下面，参照附图，说明本发明的优选的实施方式。
(第1实施方式)
本发明的第1实施方式燃料电池的特征是，具有不加湿燃料、直接加湿高分子电解质膜的加湿单元。
图6为具有加湿单元的单元部的概略剖面图。如图6所示，本发明的特征在于，作为加湿单元2，在与作为离子传导体的高分子电解质膜接触的位置上设置由具有吸水性的材料构成的保水部21，使用储存在该保水部中的水利用毛细管现象直接加湿作为离子传导体的高分子电解质膜12；更优选地，为了更快且均匀地加湿高分子电解质膜，在高分子电解质膜中具有与保水部连接、由具有亲水性的材料构成的加湿水流路28。再有，11为构成燃料电池单元的氧化剂极，13为燃料极，23为在氧化剂极上生成的水。在第1实施方式中，加湿水流路的形状为线状，实质上与氧化剂极平行地设置在高分子电解质膜中。再有，加湿水流路的形状也可以是平板状、网状或叶脉状。
本实施方式的特征还在于，由于在燃料电池的发电中利用在氧化剂极上生成的水直接加湿高分子电解质膜，故在与燃料电池的氧化剂极和高分子电解质膜接触的位置上设置由具有吸水性的材料构成的保水部。
通过与高分子电解质膜相邻配置本发明中的用于储存为了加湿高分子电解质膜所需要的水的保水部，并利用毛细管力，能够不使用泵等而输送水，对高分子电解质进行最佳量的加湿。
此外，通过不只与燃料电池的高分子电解质膜相邻来配置保水部，同时，还与氧化剂极相邻来配置保水部，能够在加湿中使用伴随着发电在氧化剂极上生成的水。通过在加湿中直接加湿高分子电解质膜，还能够提供氧化剂极侧的氧化剂与燃料极侧的燃料不混合的燃料电池系统的加湿单元。
(第2实施方式)
本发明的第2实施方式燃料电池的特征在于，在氧化剂极的表面具有由疏水性区和亲水性区构成的水移动用图形，利用该水移动用图形移动和排除在氧化剂极上生成的水。
图6为示出具有加湿单元的单元部的概略剖面图，图7为示出设置在氧化剂极表面上的水移动用图形的概略图，图9为示出储存在氧化剂极表面上生成的水的保水部的一个例子的概略剖面图。即，如图6、7和9所示，在本发明中，在氧化剂极11的表面上形成由疏水性区24和亲水性区25构成的水移动用图形22(水移动单元)，以使水沿一个方向移动，由此，不使用泵或压缩机等就能够沿规定的方向迅速地排出在氧化剂极表面上生成的水23。再有，26为沿着A方向宽度变小的锥形区，27为沿着A方向宽度变大的反锥形区，102为水处理部。
通过与燃料电池单元相邻配置用于储存排出的水的保水部，能够预防生成的水润湿燃料电池或安装着燃料电池的电气设备。
(第3实施方式)
下面说明本发明的燃料电池的第3实施方式。第3实施方式的特征在于，在单元部的氧化剂极的表面上取代第2实施方式的水移动用图形，作为水移动单元是多孔隙层，设置沿着排水方向多孔隙材料的孔隙直径逐渐变小，并且多孔隙材料每单位体积的孔隙个数(即，密度)逐渐变大的多孔隙层。利用这样的多孔隙层，能够排除在氧化剂极上生成的水。
图10为在氧化剂极11的表面上具有多孔隙材料的孔隙直径的大小沿着A方向逐渐变小的多孔隙层71的单元部的平面图。图11A为图10的11A-11A处的剖面图。图11B为图10、图11A的多孔隙层的概略剖面图。再有，73为多孔隙层中包含的孔隙，12为作为离子传导体的高分子电解质膜，13为燃料极，21为保水部，23为在氧化剂极侧生成的水，28为加湿水流路。
在本实施方式中，如图11B所示，通过沿着A方向逐渐减小多孔隙材料71的孔隙73的孔隙直径，同时，通过增大孔隙73的密度使沿着A方向多孔隙材料每单位体积的表面积逐渐增大。由于多孔隙材料一段为亲水性的，故对多孔隙层的水的吸引性沿着A方向变大，其结果，多孔隙层71能够沿着A方向把水23引导到保水部21。
再有，在使用的多孔隙材料为比较疏水性的情况下，如果通过沿着A方向逐渐增大多孔隙材料的孔隙直径，同时，通过减小孔隙的密度使沿着A方向多孔隙材料每单位体积的表面积逐渐减小，则多孔隙层能够把水23引导到A方向上。这是因为，多孔隙层对水的吸引性沿着A方向逐渐变大。
(第4实施方式)
下面说明本发明的燃料电池的第4实施方式。第4实施方式的特征在于，在单元部氧化剂极的表面上取代第3实施方式的多孔隙层，作为水移动单元设置沿着排水方向多孔隙层的厚度逐渐变大的多孔隙层。利用这样的多孔隙层，能够排除在氧化剂极上生成的水。
图12为在氧化剂极11的表面上具有其厚度沿着A方向逐渐变大的多孔隙层72的单元部的平面图。图13为图12的13-13处的剖面图。图14为图12、图13的多孔隙层的概略剖面图。
在本实施方式中，多孔隙层72的厚度沿着A方向逐渐变大，多孔隙层表面具有朝向A方向上升的倾斜。在本实施方式中，如图14所示，多孔隙层72的孔隙73的孔隙直径大致是均匀的、并且孔隙73的密度也是均匀的。因此，氧化剂极表面上多孔隙层72的氧化剂极表面每单位面积的表面积沿着A方向逐渐增大。由于多孔隙材料一般为亲水性的，故对多孔隙层的水的吸引性沿着A方向变大，其结果，多孔隙层72能够沿着A方向把水23引导到保水部21。
再有，在使用的多孔隙材料为比较疏水性的情况下，如果使沿着A方向多孔隙层的厚度逐渐变小，则多孔隙层能够把水23引导到A方向上。这是因为，由于多孔隙层每单位面积的表面积沿着A方向逐渐变小，故多孔隙层对水的吸引性沿着A方向变大。
再有，基于与实施方式3和4一样的想法，可以考虑其它各种变形例，这些变形例也还包含在本发明的范围内。例如，在作为多孔隙材料使用了孔隙直径均匀的材料的情况下，作为多孔隙层可以使用使孔隙的疏密(密度)沿着A方向不同的层。此时，如果多孔隙材料为亲水性的，如果使孔隙每单位体积的个数(密度)沿着A方向变多，则由于沿着A方向多孔隙材料每单位体积的表面积增大，故能够把水引导到A方向上。相反地，如果多孔隙材料为疏水性的，如果使孔隙每单位体积的个数沿着A方向变小，则由于沿着A方向多孔隙材料每单位体积的表面积减小，故能够把水引导到A方向上。
此外，作为其它变形例，例如，作为多孔隙层可以使用沿着A方向多孔隙材料的孔隙直径不同，同时，孔隙直径的密度为恒定的多孔隙材料。此时，如果多孔隙材料为亲水性的，如果使孔隙直径沿着A方向变大，则由于沿着A方向多孔隙材料每单位体积的表面积增大，故能够把水引导到A方向上。相反地，如果多孔隙材料为疏水性的、如果使孔隙直径沿着A方向变小，则由于沿着A方向多孔隙材料每单位体积的表面积减小，故能够把水引导到A方向上。
下面，通过小型燃料电池的具体例更详细地说明本发明，但是，本发明不限定于小型燃料电池，即使涉及大型燃料电池，也可以应用。
(实施例1)
下面，参照附图，具体地说明第1发明。图1为表示本发明实施例1的燃料电池的一个例子的斜视图。图2A为图1的燃料电池的平面图。图2B为图1的燃料电池的局部剖面平面图。图3A为图1的燃料电池的正视图。图3B为图1的燃料电池的局部剖面正视图。图4为图1的燃料电池的左侧视图。图5为示出本发明的燃料电池系统的概要图。图1、图2A、图3A、图4可以说是以透过透明筐体20大致看一下的方式展示出燃料电池的内部。
展示图1所示的本发明的燃料电池的外尺寸的一个例子时，为纵(a)30mm×横(b)50mm×高(c)10mm，与用于通常的小型数码相机中的锂离子电池的大小大致相同。
图8为示出安装着本发明的燃料电池的数码相机的一个例子的概要图。如图8所示，由于作为前述小型携带式电气设备之一的数码相机91是小型且一体化的，故成为小型燃料电池92容易装入的形状。此外，与具有厚度的长方体或圆筒形的形状相比，图示那样的燃料电池的薄型长方体形状容易装入小型电气设备中。
再有，本发明的燃料电池在其尺寸方面无任何限制，能够提供除了数码相机之外，可安装和使用于数字电视摄像机、小型投影仪、小型打印机、笔记本型个人计算机等可移动的小型电气设备中，发电量从几毫瓦到几百瓦的燃料电池。
图1中，本发明的燃料电池，在薄型的且实质上是长方体形状的筐体20内，包括：由4个燃料电池单元14构成的单元部1；储藏供给到该单元部1的燃料的燃料箱部3；用于把该燃料箱部3的燃料供给到单元部1的燃料供给部4；用于把氧化剂气体供给到该单元部1的通气孔7；以及汇总由单元部1发生的电力、将其暂时储存起来，总是把稳定的电力供给到外部的布线部5，与上述燃料电池单元14的氧化剂极相邻地设置取入在氧化剂极上生成的水并将其储存起来的保水部21。
本发明的燃料电池，由于把从外部空气取入反应中使用的氧作为氧化剂气体，故在筐体20的上表面82、下表面81和长侧面84a、84b上具有用于取入外部空气的通气孔7。此外，该通气孔7还起到使生成的水作为水蒸汽漏掉的作用。但是，在对水分侵入抵抗力差的电气设备中内装并使用燃料电池的情况下，利用把切断水蒸气、只透过空气的膜贴在通气孔7上等方法切断水分向外部的排出。
在筐体20的一个短侧面83b上设置布线部5，在该布线部5上设有用于取出电的电极53。在筐体20的另一个短侧面83a上还设有燃料流入口32。
另一方面，筐体20的内部包括：由1个以上燃料电池单元14(参照图5)构成的单元部1，该燃料电池单元14由燃料电极13、作为离子传导体的高分子电解质膜12、氧化剂极11、和催化剂构成；储存在氧化剂极上生成的多余的水，将其供给到高分子电解质膜12的、作为加湿单元2的保水部21；储藏燃料的燃料箱部3；对来自燃料箱的燃料进行减压，将其引导到各单元的燃料极的燃料供给部4；以及汇总由各燃料电池单元14发生的电的布线部5。
图5为示出图1所示的本发明的燃料电池系统的概要图。该图中，燃料箱部3中收容的燃料从燃料箱部3通过燃料供给部4，供给到单元部1的燃料电池单元14的燃料极13。作为氧化剂气体使用空气(外部空气)，使外部空气通过通气孔7供给到燃料电池单元14的氧化剂极11。单元部1由1个以上的燃料电池单元14构成，燃料电池单元14由燃料极13、高分子电解质膜12、氧化剂极11、和催化剂构成。由于来自燃料箱部3的燃料和来自外部空气的氧化剂气体的供给而在各燃料电池单元14上发生的电力暂时储存在布线部5中，总是把稳定的发电电力从电极53供给到外部。在该燃料电池单元的发电中，在燃料极13上生成的氢离子通过高分子电解质膜12在氧化剂极上与氧化剂(氧)进行反应，使得在氧化剂极11的表面生成水。该生成水的一部分从通气孔7蒸发到外部，但是，剩余的多余的生成水从氧化剂极的表面移动而被储存在加湿单元2的保水部21中。储存在加湿单元2中的水还供给到高分子电解质膜12，进行加湿。
接着，说明本发明中的加湿单元。
图6为示出加湿单元的一个例子的概略图，图7为示出设置在氧化剂极表面上的水移动用图形的概略图。
如图6所示，在本发明的燃料电池单元中，在燃料极13上生成的氢离子通过高分子电解质膜12，在氧化剂极11上与氧化剂(氧)进行反应，在氧化剂极11的表面上生成水23。如果不迅速地去除该水23并进行处理，则不但不能把氧化剂(氧)气体供给到氧化剂极11，而且存在着润湿内装着燃料电池的小型电气设备的担心。
另一方面，本发明中的高分子电解质膜12在反应时必须适当润湿。本发明通过利用加湿单元2有效地利用反应生成的水来加湿高分子电解质膜，解决了该问题。特别是，利用以与氧化剂极11和高分子电解质膜12的侧面接触的方式，配置吸收在氧化剂极11的表面上生成的水23以用于进行加湿的保水部21的结构，来进行加湿。
该机构中，首先，在保水部21中储存通过反应生成的水23。该保水部21由于与高分子电解质膜12接触，水通过毛细管现象在箭头B方向上移动，故能够直接、适当地润湿高分子电解质膜。在小型燃料电池中，由于从保水部到高分子电解质膜中央部分的距离非常短(一般在10cm以下)，故从保水部利用毛细管理现象供给的水分只通过自然扩散就能够充分均匀地加湿高分子电解质膜。
此外，即使在单元面积大、只通过自然扩散难于实现均匀且迅速的加湿的情况下，由于通过在高分子电解质膜12中设置一个以上与保水部连接的、由亲水性材料构成的加湿水流路28使水在箭头C方向上移动，故即使不使用泵等装置，利用在箭头B和C方向上移动的水也能够对高分子电解质膜12进行充分的加湿。按照本方式，由于不但氧化剂极的氧化剂与燃料极的燃料不掺混就能够加湿高分子电解质膜，而且也不需要水输送用的泵等装置，故能够使燃料电池小型、轻量化。
在本发明中，还在氧化剂极11的表面上，如图7所示，作为水移动单元设置由疏水性区24和亲水性区25构成的水移动用图形22，利用该水移动用图形22能够移动在氧化剂极上生成的水23并将其收容在保水部21中。疏水性区24由沿着A方向宽度变窄的锥形区26构成，亲水性区25由沿着A方向宽度变宽的反锥形区27构成，该锥形区26与反锥形区27交互排列而设置。由于水滴要向能量状态低的方向移动，故在图7中从疏水性区24宽的右侧向亲水性区25宽的左侧在A方向上移动。即，通过该亲水性区与疏水性区的构图能够使生成的水在规定的方向上移动。
再有，上述锥形区26和反锥形区27的锥形(宽度减小、增大的方法)不限定于图示那样的直线。只要能够发挥上述移动效果，就包含曲线、阶梯(台阶)等的一切形状。
作为疏水性和亲水性的各图形材料，例如，作为疏水性材料可举出在侧链中包含氟的化合物，作为亲水性材料可举出在侧链中具有羟基、羧基、或醚基的化合物。作为图形的作成方法，例如，可举出在氧化剂极上把掩模作成锥形，用喷涂器涂布亲水性或疏水性材料的方法。
如上所述，通过把由吸水性物质构成的保水部21配置在水的移动目的地上，可以取入被排除的水将其储存起来。
作为本发明中使用的保水部的材料，可举出吸水性的物质。作为吸水性物质可举出有机物质和无机物质。作为有机物质有包括丙烯基、酰胺基、醚基、羧基等亲水基的高分子，例如可举出聚丙烯酰胺凝胶等。此外，作为无机物质可举出硅胶或沸石等。此外，作为把保水部配置在燃料电池单元侧面的方法，可举出例如，把保水材料支撑用的容器设置在燃料电池侧面，把保水材料放进容器中的方法。
作为本发明中使用的加湿水流路的材料，使用具有亲水性的材料。例如，作为有机物质可举出在侧链中具有磺酸基的苯乙烯类化合物，作为无机物质可举出在硅溶胶凝胶中加入了磷酸基的化合物。在侧链中具有磺酸基的苯乙烯类化合物或在硅溶胶凝胶中加入了磷酸基的化合物，由于具有离子导电性，故在能够使有助于发电的离子传导这一点上，是优选的。此外，作为把加湿水流配置在高分子电解质膜中的方法，例如可以通过用高分子电解质膜夹持加湿水流路材料来进行。
此外，作为作为离子传导体的高分子电解质膜，使用在其内部水通过毛细管现象进行浸透的材料，例如作为全氟磺酸类高分子可举出杜邦公司的ナフィョン。
本实施例的燃料电池单元的电动势为0.8V，电流密度为300mA/cm2，单位单元的大小为1.2cm×2cm。通过把8个该燃料电池单元串联连接，整个电池的输出在6.4V、720mA下为4.6W。
(实施例2)
下面，参照附图，具体地说明第2发明。实施例2是包括在氧化剂极表面上具有水移动用图形(水移动单元)的单元部的燃料电池，是没有加湿水流路的方式。实施例2在没有加湿水流路这一点上与实施例1不同，在除此以外的点上与实施例1一样。图1为表示本发明的实施例2燃料电池的一个例子的斜视图。图2为图1的燃料电池的平面图。图3为图1的燃料电池的正视图。图4为图1的燃料电池的左侧视图。图5为示出本发明的燃料电池系统的概要图。
展示图1所示的本实施例的燃料电池的外尺寸的一个例子时，为纵(a)30mm×横(b)50mm×高(c)10mm，与用于通常的小型数码相机中的锂离子电池的大小大致相同。
图8为示出安装着本发明的燃料电池的数码相机的一个例子的概要图。如图8所示，由于作为本发明的用途的小型携带式电气设备之一的数码相机91是小型的且一体化的，故是小型燃料电池92容易装入的形状。此外，与具有厚度的长方体或园筒形的形状相比，图示那样的燃料电池的薄型长方体形状容易装入小型电气设备中。
再有，本发明的燃料电池在其尺寸方面不受任何限制，除了数码相机之外，可安装于数字电视摄像机、小型投影仪、小型打印机、笔记本型个人计算机等可移动的小型电气设备中，能够应用于发电量从几毫瓦到几百瓦的燃料电池中，也能够应用于这些小型电气设备上。
图1中，本发明的燃料电池，在薄型且实质上是长方体形状的筐体20内，包括：由4个燃料电池单元14构成的单元部1；储藏供给到该单元部1的燃料的燃料箱部3；用于把该燃料箱部3的燃料供给到单元部1的燃料供给部4；用于把氧化剂气体供给到该单元部1的通气孔7；以及汇总由单元部1发生的电力，将其暂时储存起来，总是把稳定的电力供给到外部的布线部5，与上述燃料电池单元14的氧化剂极相邻来设置排除在氧化剂极上生成的水并将其储存起来的保水部21而构成。
本发明的燃料电池由于把从外部空气取入反应中使用的氧作为氧化剂气体，故在筐体20的上表面82、下表面81和长侧面84a、84b上具有用于取入外部空气的通气孔7。此外，该通气孔7还起到使生成的水作为水蒸汽漏掉的作用。但是，在对水分的侵入抵抗力弱的电气设备中内装并使用燃料电池的情况下，利用把切断水蒸气、只透过空气的膜贴在通气孔7上等方法切断水分向外部的排出。
在筐体20的一个短侧面83b上设置布线部5，在该布线部5上设有用于取出电的电极53。
筐体20的内部包括：由1个以上的由燃料电极13、作为离子传导体的高分子电解质膜12、氧化剂极11、和催化剂构成的燃料电池单元14(参照图5)构成的单元部1；取入兼入并储存在氧化剂极上生成的水的保水部21；储藏燃料的燃料箱部3；对来自燃料箱的燃料进行减压，将其引导到各单元的燃料极的燃料供给部4；以及汇总由各燃料电池单元14发生的电的布线部5。
图5为示出图1所示的本发明的燃料电池系统的概要图。该图中，燃料箱部3中收容的燃料从燃料箱部3通过燃料供给部4，供给到单元部1的燃料电池单元14的燃料极13。作为氧化剂气体使用空气(外部空气)，使外部空气通过通气孔7供给到燃料电池单元14的氧化剂极11。单元部1由1个以上的燃料电池单元14构成，燃料电池单元14由燃料极13、高分子电解质膜12、氧化剂极11、和催化剂构成。由于来自燃料箱部3的燃料和来自外部空气的氧化剂气体的供给而在各燃料电池单元14上发生的电力暂时储存在布线部5中，总是把稳定的发电电力从电极53供给到外部。在该燃料电池单元的发电中，在燃料极13上生成的氢离子通过高分子电解质膜12在氧化剂极上与氧化剂(氧)进行反应，使得在氧化剂极11的表面上生成水。该生成水的一部分从通气孔7蒸发到外部，但是，剩余的多余的生成水利用设置在氧化剂极的表面上，由疏水性区和亲水性区构成的水移动用图形移动而被储存在水处理部102的保水部21中。储存在水处理部102中的水还能够供给到高分子电解质膜12，进行加湿。
接着，说明实施例2中的取入并储存在氧化剂极表面生成的水的保水部。
图9为示出储存在氧化剂极表面上生成的水的保水部的一个例子的概略图，图7为示出设置在氧化剂极表面上的水移动用图形的概略图。
如图9所示，在实施例2的燃料电池单元中，在燃料极13上生成的氢离子通过高分子电解质膜12，在氧化剂极11上与氧化剂(氧)进行反应，在氧化剂极11的表面上生成水23。如果不迅速地去除该水23并进行处理，则不但不能把氧化剂(氧)气体供给到氧化剂极11，而且存在着润湿内装着燃料电池的小型电气设备的担心。
因此，在实施例2中，在氧化剂极11的表面上，如图7所示，作为水移动单元设置由疏水性区24和亲水性区25构成的水移动用图形22，利用该水移动用图形22移动并排除在氧化剂极上生成的水23。如上所述，疏水性区24由锥形区26构成，亲水性区25由反锥形区27构成，该锥形区26与反锥形区27交互排列而设置。由于水滴要向能量状态低的方向移动，故在图7中从疏水性区24宽的右侧向亲水性区25宽的左侧在A方向上移动。即，通过该亲水性区与疏水性区的构图能够使生成的水在规定的方向上移动。再有，在本实施例中，也如前所述，锥形的形状不限定于图示的形状，这一点本领域技术人员是很清楚的。
作为疏水性和亲水性的各图形材料，例如，作为疏水性材料可举出在侧链中包含氟的化合物，作为亲水性材料可举出在侧链中具有羟基、羧基、或醚基的化合物。作为图形的作成方法，例如可举出在氧化剂极上把掩模作成锥形，用喷涂器涂布亲水性或疏水性材料的方法。
如上所述，通过把由吸水性物质构成的保水部21配置在水的移动目的地上，可以储存排除的水。特别是，把保水部21与氧化剂极11接触配置在燃料电池单元的侧面上，由此，不妨碍把氧化剂(外部空气)供给到氧化剂极的流路。利用这些结构，能够迅速地从氧化剂极表面去除反应后的水，并能把排除的水引导到保水部，还能把多余的水储存在保水部中。
作为本发明中使用的保水部的材料，可举出吸水性的物质。作为吸水性物质可举出有机物质和无机物质。作为有机物质可举出具有丙烯基、酰胺基、醚基、羧基等亲水基的高分子，例如可举出聚丙烯酰胺凝胶等。此外，作为无机物质可举出硅胶或沸石等。此外，作为把保水部配置在燃料电池单元侧面的方法，可举出例如把保水材料支撑用的容器设置在燃料电池侧面，把保水材料放进容器中的方法。
本实施例燃料电池单元的电动势为0.8V，电流密度为300mA/cm2，单位单元的大小为1.2cm×2cm。通过把8个该燃料电池单元串联连接，整个电池的输出在6.4V、720mA下为4.6W。
本发明的燃料电池安装在电气设备上使用，电气设备可以是小型的，也可以是大型的。此外，本发明的燃料电池，优选地是固体高分子型燃料电池，特别优选地是固体高分子型小型燃料电池，能够安装在数码相机、数字电视摄像机、或打印机等可移动的小型电气设备上，优选地使用。
再有，使用把氢供给到燃料极的形式的燃料电池说明了本发明，但是，本发明并不限定于使用这样的气体燃料的形式，当然也能够应用于把甲醇或化学氢化物等液体燃料供给到燃料极的形式的燃料电池。
产业上利用的可能性
如上面说明了的那样，按照第1发明，通过为了加湿离子传导体不使用在现有方式中为了使燃料润湿使用了的泵等装置，把系统简化，可提供能够直接加湿离子传导体的新的燃料电池。
此外，本发明可提供通过直接加湿离子传导体，能适合安装在可在移动中使用的小型电气设备上的固体高分子型燃料电池。
还可提供使用了上述燃料电池的小型电气设备或大型电气设备。
此外，按照第2发明，能够容易地排除在燃料电池氧化剂极上产生的水，还能够把排除了的水引导到保水部、将其储存起来。
此外，在本发明的燃料电池中，由于为了排除水不使用泵或压缩机等装置，故在电池内也不使用额外的电力，还能够把系统简化，可提供能适合安装在可在移动中使用的小型电气设备上的燃料电池。
此外，在安装到小型电气设备上时，能够有效地预防由燃料电池生成的水润湿小型电气设备内部。
还能够提供使用了上述燃料电池的小型电气设备或大型电气设备。

Claims (20)

1.一种燃料电池，其特征在于包括：
具有氧化剂极、燃料极、和设置在这两极之间的离子传导体的燃料电池单元部；以及
设置在上述氧化剂极的表面侧的、使在上述氧化剂极上生成的水移动的单元，且该单元设置成向着水移动的方向亲水性区的面积增大且/或疏水性区的面积减小。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，上述使水移动的单元在上述氧化剂极的表面侧具有由疏水性区和亲水性区构成的水移动用图形，利用该水移动用图形移动和排除在上述氧化剂极上生成的水。
3.根据权利要求2所述的燃料电池，其特征在于，上述疏水性区和亲水性区中的一方由锥形区构成，另一方由反锥形区构成，该锥形区与反锥形区交互排列而设置。
4.根据权利要求2或3所述的燃料电池，其特征在于，上述氧化剂极表面的一端部的上述疏水性区设置成比另一端部的上述疏水性区的面积大，该另一端部的上述亲水性区设置成比该一端部的上述亲水性区的面积大，在氧化剂极上生成的水向着该另一端部移动并被排除。
5.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，上述使水移动的单元为亲水性的多孔隙层，其表面积沿着使在上述氧化剂极上生成的水移动的方向逐渐变大。
6.根据权利要求5所述的燃料电池，其特征在于，沿着使在上述氧化剂极上生成的水移动的方向，上述多孔隙层的多孔隙材料的孔隙直径逐渐变小，且孔隙的密度逐渐变大。
7.根据权利要求5所述的燃料电池，其特征在于，上述多孔隙层的多孔隙材料的孔隙直径是均匀的，且沿着使在上述氧化剂极上生成的水移动的方向孔隙的密度逐渐变大。
8.根据权利要求5所述的燃料电池，其特征在于，沿着使在上述氧化剂极上生成的水移动的方向，上述多孔隙层的多孔隙材料的孔隙直径逐渐变大，且孔隙的密度是均匀的。
9.根据权利要求5所述的燃料电池，其特征在于，上述多孔隙层的厚度沿着使在上述氧化剂极上生成的水移动的方向逐渐变大。
10.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，上述使水移动的单元为疏水性的多孔隙层，其表面积沿着使在上述氧化剂极上生成的水移动的方向逐渐变小。
11.根据权利要求10所述的燃料电池，其特征在于，沿着使在上述氧化剂极上生成的水移动的方向，上述多孔隙层的多孔隙材料的孔隙直径逐渐变大，且孔隙的密度逐渐变小。
12.根据权利要求10所述的燃料电池，其特征在于，上述多孔隙层的多孔隙材料的孔隙直径是均匀的，并且沿着使在上述氧化剂极上生成的水移动的方向孔隙的密度逐渐变小。
13.根据权利要求10所述的燃料电池，其特征在于，沿着使在上述氧化剂极上生成的水移动的方向，上述多孔隙层的多孔隙材料的孔隙直径逐渐变小，且孔隙的密度是均匀的。
14.根据权利要求10所述的燃料电池，其特征在于，上述多孔隙层的厚度沿着使在上述氧化剂极上生成的水移动的方向逐渐变小。
15.根据权利要求1～14中的任一项所述的燃料电池，其特征在于，用于储存被上述使水移动的单元移动了的水的保水部与上述氧化剂极相邻地设置。
16.根据权利要求15所述的燃料电池，其特征在于，上述保水部设置在上述燃料电池单元部的侧面。
17.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，上述离子传导体为高分子电解质膜。
18.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，上述燃料电池为固体高分子型燃料电池。
19.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，上述燃料电池为固体高分子型的携带式电子设备用燃料电池。
20.一种电气设备，其特征在于，使用根据权利要求1所述的燃料电池。
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