JP2010040174A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】酸化剤および還元剤の供給性に優れるとともに、生成したガス（特には二酸化炭素ガス）および水を良好に排出することでき、もって高出力を安定して得ることができる燃料電池スタックを提供する。
【解決手段】複数の単位電池を積層してなる単位電池積層体と、該単位電池積層体を支持固定する支持体と、を備え、単位電池積層体は、支持体に、単位電池積層体が鉛直方向に対して傾斜するように接合されている燃料電池スタックである。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池スタックに関する。

近年、携帯機器の機能の向上に伴い、携帯機器動作時に必要とされる消費電力は増加している。たとえば、最も汎用化の進んでいる携帯機器の一つである携帯電話では、ディスプレイの高画質化、カメラ機能の高度化、およびテレビ機能の搭載等といった多機能化および高性能化が進んでおり、これに伴って動作時の消費電力が増加している。

そのため、連続使用可能時間の長さを維持するために、またはこれを向上させるために、エネルギー密度の高い様々な電池が模索されている。そして、これらの電池の中でも燃料電池は、そのエネルギー密度の高さと、燃料を供給し続ければ連続使用が可能であるという点とから、携帯機器用エネルギーとして近年、大いに期待されている。燃料電池は、アノード極において還元剤（たとえば水素、メタノール、エタノール、ヒドラジン、ホルマリン、ギ酸など）を、カソード極において酸化剤（たとえば、空気中の酸素）を、それぞれ電気化学的に酸化・還元し、この反応を通じて発電するものである。

燃料電池の中でも特に、固体高分子型燃料電池は携帯機器に向いていると考えられている。これは、固体高分子型燃料電池の反応温度が１００℃以下であり、他の固体酸化型燃料電池およびリン酸型燃料電池等と比べて動作温度が低いためである。

このような特徴を持つ固体高分子型燃料電池の中でも、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）は、リチウム電池に代わりうる電池として特に期待されている。ＤＭＦＣの燃料であるメタノールのエネルギー密度の高さは、リチウム電池の数倍である上に、メタノールの比重は０．７９なので、燃料電池の軽量化、ひいては携帯機器の軽量化を実現しやすいからである。また、ＤＭＦＣの燃料は、液体のメタノールであるので、機器ごとに形を変えた電池を生産する必要がない。すなわち、燃料を保持するための外殻である燃料容器が機器ごとに異なった形で作製されれば、その内部にメタノールを注入するのみで発電を行なうことができる。

ＤＭＦＣは、（１）改質器を必要としない、（２）ガス燃料に比べ、体積エネルギー密度の高い液体メタノールを使用することから、水素に代表される高圧ガスボンベに比べ、燃料容器を小さくすることが可能である等の利点を有する。したがって、小型機器用電源、特に、携帯機器用の二次電池代替用途として好適に適用することが可能である。また、ＤＭＦＣは、燃料が液体であるため、従来の燃料電池システムではデッドスペースとなっていた狭い婉曲空間部を燃料スペースとして使用することが可能であり、デザインの制約を受けにくいという利点も有している。かかる点からも、ＤＭＦＣは、携帯用小型電子機器等に好ましく適用され得る。

一般的に、溶融炭酸塩電池のような高温燃料電池を除き、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）などの固体高分子型燃料電池、固体酸化物型燃料電池、アルカリ型燃料電池等の従来の燃料電池は、還元剤を供給するための燃料流路が形成されたアノードセパレータ、アノード触媒層から電子の収集を行なうアノード集電体、アノードガス拡散層、アノード触媒層、電解質膜、カソード触媒層、カソードガス拡散層、カソード触媒層へ電子を供与するカソード集電体、および、酸化剤を供給するためのカソード流路が形成されたカソードセパレータをこの順で積層した平面構造からなる単位電池で構成されている。各単位電池は、低電圧で高電流を生み出す。一般に、アノードセパレータおよびカソードセパレータは、還元剤および酸化剤を別々に、それぞれアノード触媒層、カソード触媒層に供給する役割とともに、電気的に導電性を有する材料を用い、それぞれアノード集電体、カソード集電体の役割を担う。通常、燃料電池は、個々の単位電池の電圧が低いことから、個々の単位電池のアノード極とカソード極とを交互に接触させて積層し、単位電池が積層された、高電圧を出力可能な燃料電池スタックとして構成される。

ここで、ＤＭＦＣでは、一般に、アノード極およびカソード極において以下のような反応が起きる。アノード極側でメタノールと水が反応し、プロトンと電子が発生するとともに、二酸化炭素ガスが生成する。カソード極側では大気中の酸素とプロトンと電子が反応し、水が生成する。
アノード極：ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂＋６Ｈ⁺＋６ｅ^-
カソード極：Ｏ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^- → ２Ｈ₂Ｏ
このように、固体高分子型燃料電池のカソード極では、酸素とプロトンと電子との反応により水が生成するが、この場合、カソードガス拡散層の空孔が、生成した水で塞がれてガスの拡散が阻害され、電池性能が低下するフラッディング現象が問題となる。

特許文献１および２には、燃料として水素を用いた固体高分子型燃料電池スタックにおける上記フラッディング現象を解決すべく、該スタックを傾斜させることが開示されている。
特開２０００−３０７２５号公報 特開２００４−２０７１０６号公報

燃料電池では、カソード極における生成した水の良好な排出のみでは、安定した出力を得るのは不十分であり、酸化剤の十分な供給が必要である。特に、高出力の燃料電池スタックでは、安定な出力を得るために、酸化剤（空気中の酸素）の良好な吹き抜けが必要となる。また、特に直接メタノール型燃料電池では、これらに加えて、アノード極における二酸化炭素の良好な排出と還元剤（メタノール）の十分な供給が必要である。

上記特許文献１および２に記載の燃料電池スタックでは、酸化剤の良好な供給に関しては、十分に考慮されておらず、改善の余地があった。また、燃料電池が直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）である場合における、二酸化炭素の排出および還元剤（メタノール）の供給に関しては全く考慮されていない。

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、酸化剤および還元剤の供給性に優れるとともに、生成したガス（特には二酸化炭素ガス）および水を良好に排出することができ、もって高出力を安定して得ることができる燃料電池スタック、特には直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）スタックを提供することである。

本発明は、複数の単位電池を積層してなる単位電池積層体と、該単位電池積層体を支持固定する支持体と、を備え、単位電池積層体は、支持体に、単位電池積層体が鉛直方向に対して傾斜するように接合されている燃料電池スタックを提供する。

本発明の燃料電池スタックにおいては、支持体は柱状形状を有しており、支持体の側面に１または２以上の単位電池積層体が接合されることが好ましい。

支持体は、燃料を収容するための空間を内部に有する燃料貯蔵庫であってもよく、燃料を単位電池に供給するための中空管であってもよい。後者の場合、燃料電池スタックは、中空管に接続された燃料貯蔵庫を有することが好ましい。また、単位電池は、その内部に、燃料を流通させるための流路を有し、該流路は、支持体内の空間と連通していることが好ましい。

単位電池は、厚み方向に貫通する１または複数の空洞部を有することが好ましい。また、単位電池積層体を構成する複数の単位電池は、導電性を有するスペーサを挟んで積層されることが好ましい。

本発明の燃料電池スタックは、直接メタノール型燃料電池として好ましく用いることができる。

本発明によれば、酸化剤および還元剤の供給性能、および、生成したガスおよび水の排出性能の向上を図ることが可能である。したがって、本発明によれば、高出力を安定して得ることができる信頼性の高い燃料電池スタック、特には直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）スタックを提供することができる。

以下、本発明の燃料電池スタックを実施の形態を示して詳細に説明する。以下に示す実施形態はいずれも、メタノールから直接プロトンを取り出すことにより発電を行なう直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）であり、燃料としてメタノール水溶液、酸化剤として空気（具体的には空気中の酸素）を用いるものである。

（第１の実施形態）
図１および図２はそれぞれ、本発明における第１の実施形態の燃料電池スタックを模式的に示す側面図および上面図である。図１および図２に示される燃料電池スタック１００は、複数の平板状の単位電池１０１を積層してなる２つの単位電池積層体１０２ａおよび１０２ｂと、これらの単位電池積層体１０２ａおよび１０２ｂに接続され、該積層体を支持固定する、柱状の支持体１０３とを備えている。各単位電池積層体１０２ａおよび１０２ｂを構成する複数の単位電池１０１は、導電性スペーサ１０５を挟んで積層されており、したがって、積層された単位電池は、電気的に直列接続されている。また、支持体１０３の下部には、これに接するように、吸水部１０４が設けられている。本実施形態の燃料電池スタック１００において、支持体１０３は、燃料貯蔵庫（燃料を収容するための空間を内部に有する容器）となっており、支持体１０３内に燃料（メタノール水溶液）を収容しておき、該燃料は、毛細管現象などにより、各単位電池１０１に供給される。

また、支持体１０３の側面における各単位電池１０１と接続される部分には、略鉛直方向に延び、吸水部１０４まで貫通する曲付き排水用スリット穴１０６が形成されており、各単位電池１０１のカソード極側で発生した水は、この排水用スリット穴１０６を通って、鉛直方向に流れ、吸水部１０４によって吸収、除去される。

燃料電池スタック１００において、単位電池積層体１０２ａおよび１０２ｂはともに、該積層体が鉛直方向に対して傾斜するように、支持体１０３に接続され、支持されている。具体的には、単位電池積層体１０２ａおよび１０２ｂの各単位電池１０１は、支持体１０３の側面に向かうに従い鉛直方向（下向き）に傾斜するように、鉛直方向と平行または略平行な面を有する支持体１０３側面に接続されている。単位電池１０１表面と水平方向（鉛直方向と垂直な方向）とがなす角度θ１は、０°＜θ１＜９０°を満たす（図１参照）。

図３は、図２に示されるＡ−Ａ’線における概略断面図であり、単位電池積層体１０２ａおよび１０２ｂを構成する最上層の単位電池１０１の内部構造を示す図である。図２および図３に示されるように、単位電池１０１は、その内部に、長手方向に延び、単位電池１０１の厚み方向に貫通するスリット状の空洞部１０７（図２および図３に示される例においては４つ）を有している。これにより、空洞部１０７が形成されている領域においては、単位電池１０１は、複数（図２および図３に示される例においては５つ）の区画に分断されている。このような空洞部の形成により、酸化剤としての空気の供給を、単位電池全面にわたって良好に行なうことができるようになる。単位電池１０１の構造をより具体的に説明すると、図３を参照して、単位電池１０１は、カソードガス拡散層３０１、触媒付き電解質膜（ＣＣＭ：Ｃａｔａｌｙｓｔ Ｃｏｕｒｔｅｄ Ｍｅｍｂｒａｎｅ、カソード触媒層と電解質膜とアノード触媒層との積層体）３０２およびアノードガス拡散層３０３をこの順で積層してなる膜電極複合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｍｂｌｙ）と、燃料を流通させるための燃料流路３０５を有する流路板３０４とを積層一体化した構成を有している。単位電池１０１は、その空洞部１０７が形成された領域において、分断された区画のそれぞれに、該区画の長手方向に延びる燃料流路３０５を有しており、各燃料流路３０５は、燃料貯蔵庫である支持体１０３内の燃料収容用の空間と連通している。

なお、ＭＥＡは、構成部材を積層し、ホットプレスにより熱圧着等を行なうことにより作製することができる。また、ＭＥＡと流路板３０４との一体化は、たとえばエポキシ系接着剤などの接着剤からなるシール層３０６をＭＥＡの両側面に形成することにより行なうことができる。

単位電池を構成する構成部材の材料（材質）は特に限定されず、従来公知のものを用いることができるが、具体例を挙げれば、たとえば次のとおりである。

電解質膜：Ｎａｆｉｏｎ（ＤｕＰｏｎｔ社製）、
カソード触媒層：白金触媒担持カーボンブラック、
アノード触媒層：白金・ルテニウム触媒担持カーボンブラック、
カソードガス拡散層およびアノードガス拡散層：カーボンペーパー、
流路板：ＳＵＳ製。

上記単位電池積層体１０２ａおよび１０２ｂは、上記のような構造を有する単位電池１０１の複数を、１または複数の導電性スペーサ１０５を介して、各単位電池１０１を支持体１０３に接合したときに各単位電池１０１が水平方向（支持体１０３の側面と垂直な方向）に対して傾斜するように、ずらして積層していくことにより得ることができる。単位電池１０１と導電性スペーサ１０５との接着には導電性接着剤などが用いられる。導電性スペーサ１０５としては、導電性を有するものであれば特に制限されないが、たとえばＴｉＧＤＬ（発泡Ｔｉ、焼結Ｔｉの小片）などを用いることができる。

このような単位電池積層体１０２ａおよび１０２ｂを、曲付き排水用スリット穴１０６をその側面に備える柱状の支持体１０３に接合し、熱圧着させ、支持体１０３の下部に、吸水部１０４を、接着剤等を用いて取り付けることにより、燃料電池スタック１００を得ることができる。吸収部１０４としては、水を吸収できるものであれば特に制限されず、たとえば綿素材などからなるものを用いることができる。

燃料貯蔵庫である支持体１０３は、メタノールに対して高い耐食性を有する材料からなることが好ましく、たとえばフッ素系樹脂からなる中空の柱状（たとえば円柱状、多角柱状）容器とすることができる。支持体１０３における単位電池積層体１０２ａおよび１０２ｂが接合される側面は、たとえばコの字状の切れ込みを有しており、該切れ込みに単位電池積層体１０２ａおよび１０２ｂを嵌め込むことにより、単位電池積層体と支持体とを接合することができる。このような接合により、各単位電池１０１が有する燃料流路３０５は、支持体１０３の中空部と接続されるため、支持体１０３内の燃料が該接合部から各燃料流路３０５へ流出可能となる。なお、支持体１０３に、専用のマニホールドを設け、このマニホールドに単位電池積層体を接合するようにしてもよい。

単位電池表面が水平方向となるように単位電池を積層した場合、導電性スペーサが横からの空気流入を妨げるのに対し、上記のような構成を有する本実施形態の燃料電池スタックによれば、各単位電池１０１は、水平方向に対してθ１（０°＜θ１＜９０°）の傾斜を有している（鉛直方向に対して、９０−θ１°の傾斜を有している。）ため、導電性スペーサ１０５に空気の気流の殆どが当たることなく、単位電池１０１が有する空洞部１０７を通して中心部（支持体１０３側）まで気流を行き渡らせることが可能となる。これにより、横方向の空気流入が良好となり、燃料電池スタックの出力安定性の向上が可能となる。また、カソード極側で生成した水は、単位電池１０１が傾斜していることにより、支持体１０３側へと移動し、排水用スリット穴１０６を通って、吸水部１０４に集約、吸収され、効率的に除去される。吸水部１０４に吸収された水は、気化し、大気放出されるが、これにより、ＭＥＡの湿度を高めることが可能となり、電解質膜の保水性を高めることができるため、出力の向上と安定性の向上を図ることができる。

一方、単位電池積層体を構成する各単位電池１０１が傾斜していることにより、アノード側で発生した二酸化炭素ガスは、アノードガス拡散層３０３の表面凹凸にとらわれることなく、単位電池積層体１０２ａおよび１０２ｂの燃料流路３０５内を上方（支持体１０３から離れる方向）に移動し、燃料流路３０５内の燃料の液面へ浮かんでいくこととなるため、二酸化炭素ガスは効率的に排出される。また、二酸化炭素ガスの排出が良好であるため、燃料であるメタノール水溶液の供給は、発生した二酸化炭素ガスによって阻害されることがないため、良好である。

良好な空気流入および排水ならびに良好な燃料供給および二酸化炭素の排出のため、単位電池１０１表面と水平方向（鉛直方向と垂直な方向）とがなす角度θ１（単位電池１０１表面と鉛直方向とがなす角度は、９０−θ１°である。）は、２０°以上８０°以下であることが好ましく、３０°以上７０°以下であることがより好ましい。典型的には、θ１は３０°程度とすることができる。

燃料の供給は、毛細管力もしくはポンプにて供給することが可能である。毛細管力を利用して燃料をくみ上げる場合は、燃料流路３０５の内壁を親水化すると、よりいっそう燃料供給が良好となり効果的である。アノード極で発生した二酸化炭素ガスの排出は、各単位電池１０１の外側の端部（燃料流路３０５の支持体１０３側とは反対側の末端である単位電池端面）に気液分離膜を形成しておき、これにより二酸化炭素と燃料を分離して、二酸化炭素ガスのみを単位電池１０１外部に放出させることにより行なうことができる。ポンプを使用した循環系の場合、気液の分離を支持体１０３にて行なうことも可能である。燃料の循環は、たとえば、燃料流路３０５の支持体１０３側とは反対側の末端にチューブを取り付け、これにポンプを接続し、該ポンプにより、燃料を支持体１０３内に戻すことにより行なうことができる。

また、チューブを介して単位電池積層体と支持体とを接続する等により、単位電池積層体１０２ａおよび１０２ｂと、支持体１０３とを離して燃料電池スタックを構築することも可能であり、この場合、支持体１０３に排水用スリット穴１０６を設けないことも可能である。

なお、図１〜３に示される燃料電池スタックにおける単位電池積層体、これを構成する単位電池、導電性スペーサ、排水用スリット穴、空洞部等の数および配置位置等はあくまでも例示であり、図示されるものに限定されるものではない。以下に示す他の実施形態においても同様である。

（第２の実施形態）
図４および図５はそれぞれ、本発明における第２の実施形態の燃料電池スタックを模式的に示す側面図および上面図である。図４および図５に示される燃料電池スタック４００は、上記燃料電池スタック１００と類似の構造を有しているが、単位電池積層体（したがって、これを構成する各単位電池）の傾斜方向が異なる。

燃料電池スタック４００は、複数の平板状の単位電池４０１を積層してなる２つの単位電池積層体４０２ａおよび４０２ｂと、これらの単位電池積層体４０２ａおよび４０２ｂに接続され、該積層体を支持する、燃料貯蔵庫としても機能する柱状の支持体４０３とを備えている。各単位電池積層体４０２ａおよび４０２ｂを構成する複数の単位電池４０１は、導電性スペーサ４０５を挟んで積層されている。また、支持体４０３の側面における各単位電池４０１と接続される部分には、鉛直方向に延び、支持体４０３の上面および／または下面にまで達する空気供給用スリット穴４０６が形成されている。単位電池４０１の構造は、上記第１の実施形態で示した単位電池１０１と同様である。

ここで、燃料電池スタック４００においては、単位電池積層体４０２ａおよび４０２ｂ（したがって、これを構成する各単位電池４０１）は、支持体４０３の側面から離れるに従い鉛直方向（下向き）に傾斜するように、鉛直方向と平行または略平行な面を有する支持体４０３側面に接続され、支持されている。単位電池４０１表面と水平方向（鉛直方向と垂直な方向）とがなす角度θ２は、０°＜θ２＜９０°を満たす（図４参照）。

単位電池積層体４０２ａおよび４０２ｂと支持体４０３との接続により、各単位電池４０１の側面は、支持体４０３の側面に形成された空気供給用スリット穴４０６に接することとなる。これにより、空気は、単位電池４０１の露出表面から供給されるだけでなく、空気供給用スリット穴４０６を通って、燃料電池スタック中央から、各単位電池４０１に効率的に供給されるため、発電の安定性を向上させることができる。また、カソード極側で生成した水は、単位電池４０１が傾斜していることにより、支持体４０３側とは反対側の端部へと集約され、除去される。

また、単位電池積層体を構成する各単位電池４０１が下向きに傾斜していることにより、重力を利用して効率的に燃料を各単位電池に供給することができる。また、各単位電池４０１が下向きに傾斜していることにより、アノード側で発生した二酸化炭素ガスは、単位電池積層体４０２ａおよび４０２ｂの燃料流路内を上方（支持体４０３へ近づく方向）に移動し、燃料流路内の燃料の液面へ浮かんでいくこととなるため、二酸化炭素ガスの排出も良好である。

良好な空気流入および排水ならびに良好な燃料供給および二酸化炭素の排出のため、単位電池４０１表面と水平方向（鉛直方向と垂直な方向）とがなす角度θ２（単位電池４０１表面と鉛直方向とがなす角度は、９０−θ２°である。）は、２０°以上８０°以下であることが好ましく、３０°以上７０°以下であることがより好ましい。典型的には、θ２は３０°程度とすることができる。

また、チューブを介して単位電池積層体と支持体とを接続する等により、単位電池積層体４０２ａおよび４０２ｂと、支持体４０３とを離して燃料電池スタックを構築することも可能であり、この場合、支持体４０３に空気供給用スリット穴４０６を設けないことも可能である。

さらに、図６のように、下側（たとえば、単位電池積層体４０２ａおよび４０２ｂと、支持体４０３とによって形成される空間内）にファン４０８を設けることも可能である。ファン４０８を付けることにより、対流の生じ難い場所であっても、効率的に空気供給および二酸化炭素排出を行なうことが可能となる。なお、ファンを付設する場合には、空気供給用スリット穴４０６を設けないことも可能である。

（第３の実施形態）
図７は、本発明における第３の実施形態の燃料電池スタックを模式的に示す側面図である。図７に示される燃料電池スタック７００は、上記燃料電池スタック１００と類似の構造を有しているが、単位電池積層体の数において相違し、かつ、それら単位電池積層体の配置位置に特徴を有している。

具体的には、燃料電池スタック７００は、４つの単位電池積層体７０２ａ、７０２ｂ、７０２ａ’および７０２ｂ’とを備えており、単位電池積層体７０２ａと単位電池積層体７０２ｂとは、支持体７０３の上下方向（高さ方向）に関して、およそ同じ位置で支持体７０３に接合されており、単位電池積層体７０２ａ’と単位電池積層体７０２ｂ’とは、支持体７０３の上下方向（高さ方向）に関して、およそ同じ位置で支持体７０３に接合されている。そして、単位電池積層体７０２ａと単位電池積層体７０２ａ’との間、および、単位電池積層体７０２ｂと単位電池積層体７０２ｂ’との間には、空間領域７０９が設けられている。

このような空間領域７０９を設けることにより、より良好な空気供給を行なうことができる。なお、図示されるように、空気供給をより良好に行なうためには、空間領域７０９の幅（単位電池積層体間の距離）は、単位電池積層体を構成する単位電池７０１間の距離（導電性スペーサ７０５の厚みと同等）より大きいことが好ましい。

（第４の実施形態）
図８は、本発明における第４の実施形態の燃料電池スタックを模式的に示す側面図である。図８に示される燃料電池スタック８００においては、単位電池積層体８０２ａと単位電池積層体８０２ｂとが、支持体８０３の上下方向（高さ方向）に関して異なる位置で、支持体８０３に接合されている。このように、２つ以上の単位電池積層体を、異なる高さ位置で支持体８０３に接合させることにより、空気の乱気流が生じやすくなるため、空気の供給効率がより良好となる。

（第５の実施形態）
図９は、本発明における第５の実施形態の燃料電池スタックを模式的に示す側面図である。また、図１０は、図９に示される燃料電池スタック９００に用いられている燃料貯蔵庫９１０を模式的に示す上面図である。本実施形態の燃料電池スタック９００は、複数の単位電池９０１を積層してなる２つの単位電池積層体９０２ａおよび９０２ｂと、これらの単位電池積層体９０２ａおよび９０２ｂに接続され、該積層体を支持する、中空状の支持体９０３とを備えている。各単位電池積層体９０２ａおよび９０２ｂを構成する複数の単位電池９０１は、上記第１の実施形態と同様に、導電性スペーサ９０５を挟んで積層されている。

本実施形態の燃料電池スタック９００においては、支持体９０３は、中空管からなっており、燃料供給流路としての役割を果たす。各単位電池９０１は、たとえば図示されるように、支持体９０３に枝状に接続された中空管（枝管）を介して支持体９０３に接続される。該枝管は、各単位電池内に形成された燃料流路に接続されており、したがって、支持体９０３内の燃料供給用の空間と単位電池内の燃料流路とは連通している。単位電池積層体９０２ａおよび９０２ｂの上部には、支持体９０３の上端に接続された燃料貯蔵庫９１０が設置されており、燃料貯蔵庫９１０内に収容された燃料（メタノール水溶液）は、支持体９０３および枝管を通して各単位電池９０１に供給される。

このように、燃料を供給するための燃料供給流路を単位電池積層体の支持体とすることにより、燃料電池スタックの中心領域にも空気の通り道ができるため、空気の供給をより一層向上させることが可能となる。また、単位電池積層体上部のＶ字状の空きスペースに燃料貯蔵庫を設置することにより、燃料電池スタックの集積度向上および占有面積の低減を図ることができる。さらに、燃料貯蔵庫を単位電池積層体の上部に設けることにより、重力を利用した燃料の自然供給が可能となる。

また、図１０に示されるように、燃料貯蔵庫９１０に貫通孔９１１を設けると、該貫通孔が空気の通り道となるため、空気の供給効率をより向上させることができる。貫通孔９１１は、単位電池９０１が有する空洞部の直上に設けるのがより効果的である。

（第６の実施形態）
図１１は、本発明における第６の実施形態の燃料電池スタックを模式的に示す側面図である。図１１に示される燃料電池スタック１１００において、単位電池積層体１１０２ａおよび１１０２ｂは、上記第２の実施形態と同様に、支持体１１０３から離れるに従い鉛直方向（下向き）に傾斜するように、支持体１１０３に接続され、支持されている。支持体１１０３は、上記第５の実施形態の場合と同様に、中空管からなっており、燃料流路としての役割を果たす。そして、単位電池積層体１１０２ａおよび１１０２ｂの上部には、支持体１１０３の下端に接続された燃料貯蔵庫１１１０が設置される。このような構造によっても、上記第５の実施形態と同様に、空気供給性能の向上、燃料電池スタックの集積度向上および占有面積の低減などを図ることができる。

（第７の実施形態）
図１２は、本発明における第７の実施形態の燃料電池スタックを模式的に示す側面図である。図１２（ａ）および図１２（ｂ）に示される燃料電池スタック１２００ａおよび１２００ｂは、上記第３の実施形態と類似の構造を有しているが、支持体１２０３の形状において相違する。具体的には、支持体１２０３における単位電池積層体１２０２ａ、１２０２ｂ、１２０２ａ’および１２０２ｂ’が接合される側面は、鉛直方向から傾斜した傾斜面を有している。支持体がこのような傾斜面を備えることにより、単位電池積層体を当該傾斜面に対して垂直に接合させた場合であっても、傾斜面の傾斜角度に応じて鉛直方向に対して傾斜した単位電池積層体を有する燃料電池スタックを形成することができる。支持体側面に対して垂直方向に単位電池積層体を接合することができるため、燃料電池スタックの作製がより容易となる。支持体が備える上記傾斜面の傾斜角度は、所望する単位電池積層体の傾斜角度に応じて決定される。

（第８の実施形態）
図１３、図１４および図１５はそれぞれ、本発明における第８の実施形態の燃料電池スタックを模式的に示す断面図、内部構造を模式的に示す上面図、および、外観を模式的に示す斜視図である。図１３〜図１５に示される燃料電池スタック１３００は、本発明の燃料電池スタックの応用例であり、乾電池型の構造を有している。

具体的には、燃料電池スタック１３００は、正極１３０８を備え、空気の吸入および二酸化炭素の排出を行なうための吸入排出穴１３１０を有する筐体１３０７と、筐体１３０７内の中心部に設けられた柱状の支持体１３０３ａ（この支持体１３０３ａは、燃料貯蔵庫としての役割も担っている。）と、支持体１３０３ａを取り囲むように配置された、傾斜した複数の単位電池積層体１３０２と、支持体１３０３ａに接続され、筐体１３０７内の底部に設けられた燃料貯蔵庫１３０３ｂとから主に構成されている。単位電池積層体１３０２は、上記実施形態と同様、複数の単位電池１３０１を、導電性スペーサ１３０５を介して積層してなり、各単位電池１３０１と支持体１３０３ａとは、中空状の枝管１３０６によって連結されている。

また、支持体１３０３ａ下部、および、筐体１３０７内壁と単位電池積層体との間には、生成した水を吸収するための吸水部１３０４が設けられている。筐体１３０７内壁と単位電池積層体との間に吸水部１３０４を設けることにより、筐体内で均一に保水させ、湿度を高めることが可能となる。燃料貯蔵庫１３０３ｂには、燃料の補充を行なうことができるよう、燃料注入口１３０９が備えられている。正極および負極と燃料電池スタックが有する単位電池とは、たとえば銅線および半田を用いて接続することができる。

このような乾電池型燃料電池スタックによっても、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明における第１の実施形態の燃料電池スタックを模式的に示す側面図である。 本発明における第１の実施形態の燃料電池スタックを模式的に示す上面図である。 図２に示されるＡ−Ａ’線における概略断面図であり、単位電池積層体を構成する最上層の単位電池の内部構造を示す図である。 本発明における第２の実施形態の燃料電池スタックを模式的に示す側面図である。 本発明における第２の実施形態の燃料電池スタックを模式的に示す上面図である。 図４に示される燃料電池スタックにファンを付設した状態を模式的に示す側面図である。 本発明における第３の実施形態の燃料電池スタックを模式的に示す側面図である。 本発明における第４の実施形態の燃料電池スタックを模式的に示す側面図である。 本発明における第５の実施形態の燃料電池スタックを模式的に示す側面図である。 図９に示される燃料電池スタックに用いられている燃料貯蔵庫を模式的に示す上面図である。 本発明における第６の実施形態の燃料電池スタックを模式的に示す側面図である。 本発明における第７の実施形態の燃料電池スタックを模式的に示す側面図である。 本発明における第８の実施形態の燃料電池スタックを模式的に示す断面図である。 本発明における第８の実施形態の燃料電池スタックの内部構造を模式的に示す上面図である。 本発明における第８の実施形態の燃料電池スタックの外観を模式的に示す斜視図である。

符号の説明

１００，４００，７００，８００，９００，１１００，１２００ａ，１２００ｂ，１３００ 燃料電池スタック、１０１，４０１，７０１，９０１，１３０１ 単位電池、１０２ａ，１０２ｂ，４０２ａ，４０２ｂ，７０２ａ，７０２ｂ，７０２ａ’，７０２ｂ’，８０２ａ，８０２ｂ，９０２ａ，９０２ｂ，１１０２ａ，１１０２ｂ，１２０２ａ，１２０２ｂ，１２０２ａ’，１２０２ｂ’，１３０２ 単位電池積層体、１０３，４０３，７０３，８０３，９０３，１１０３，１２０３，１３０３ａ 支持体、１０４，７０４，８０４，１３０４ 吸水部、１０５，４０５，７０５，９０５，１３０５ 導電性スペーサ、１０６ 排水用スリット穴、１０７，４０７ 空洞部、３０１ カソードガス拡散層、３０２ 触媒付き電解質膜、３０３ アノードガス拡散層、３０４ 流路板、３０５ 燃料流路、３０６ シール層、４０６ 空気供給用スリット穴、４０８ ファン、７０９ 空間領域、９１０，１１１０，１３０３ｂ 燃料貯蔵庫、９１１ 貫通孔、１３０６ 枝管、１３０７ 筐体、１３０８ 正極、１３０９ 燃料注入口、１３１０ 吸入排出穴。

Claims (8)

1. 複数の単位電池を積層してなる単位電池積層体と、前記単位電池積層体を支持固定する支持体と、を備え、
   前記単位電池積層体は、前記支持体に、前記単位電池積層体が鉛直方向に対して傾斜するように接合されている燃料電池スタック。
2. 前記支持体は、柱状形状を有しており、
   前記支持体の側面に１または２以上の前記単位電池積層体が接合される請求項１に記載の燃料電池スタック。
3. 前記支持体は、燃料を収容するための空間を内部に有する請求項１または２に記載の燃料電池スタック。
4. 前記支持体は、燃料を前記単位電池に供給するための中空管からなる請求項１または２に記載の燃料電池スタック。
5. 前記単位電池は、その内部に、燃料を流通させるための流路を有しており、
   前記流路は、前記支持体内の空間と連通している請求項３または４に記載の燃料電池スタック。
6. 前記単位電池は、厚み方向に貫通する空洞部を有する請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池スタック。
7. 前記複数の単位電池は、導電性を有するスペーサを挟んで積層される請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池スタック。
8. 直接メタノール型燃料電池である請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池スタック。

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