JP5120527B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に、複数の燃料電池セルが同一平面上に配置された平面スタック型燃料電池システムに関する。

電解質膜をアノードとカソードとで挟持した電極−電解質膜接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ。以下、ＭＥＡという。）を有する燃料電池システムが知られている。液体燃料を直接アノードに供給するタイプの燃料電池は、直接型燃料電池と呼ばれる。

その発電メカニズムを以下に示す。まず、供給された液体燃料がアノードに担持された触媒上で分解してプロトン、電子および中間生成物を生成する。生成したプロトンは電解質膜を透過してカソード側に移動する。一方、生成した電子は外部負荷を経てカソード側に移動する。そしてプロトンと電子がカソードで空気中の酸素と反応反応生成物を生成する。このような反応により発電するというものである。

例えば、液体燃料としてメタノール水溶液をそのまま使用するダイレクトメタノール型燃料電池（以下、ＤＭＦＣという。）では、アノードにおいて下式１で表されるように、メタノールと水が反応し、カソードにおいて下式２で表されるように、プロトンと酸素が反応して水が生成する。
（反応式１）；ＣＨ_３ＯＨ ＋ Ｈ_２Ｏ →ＣＯ_２ ＋ ６Ｈ^＋ + ６ｅ、
（反応式２）；６Ｈ^＋ ＋ ６ｅ⁻ + ３/２Ｏ_２ → ３Ｈ_２Ｏ

反応式２が示すように、発電に関わる反応において、カソードでは酸素が酸化剤として消費される。燃料電池の起電力を十分に確保するためには、カソードに対して十分に酸化剤が供給される必要がある。

一方、液体燃料を使用した燃料電池システムは、携帯機器をはじめとした種々の電子機器用電源としての研究開発が活発に進められている。このような燃料電池システムに要求される特性としては、（１）電源として用いるのに必要な電力が確保できること、（２）携帯用機器のフットプリントに収まるような小型化、軽量化されていること、等が挙げられる。

例えば、ＰＣのような電子機器電源として用いるためには、単一のＭＥＡでは出力が小さいため、複数の燃料電池セルが連結して用いられる。複数の燃料電池セルを連結することで、高い電圧および出力を得ることができる。複数の燃料電池セルを連結した場合には、各複数の燃料電池セルの発電は均等に行われることが好ましい。よって、複数の燃料電池セルに均等に酸化剤が供給されることが望まれる。

複数の燃料電池セルを有する燃料電池スタックに酸化剤を供給する方法として、特許文献１は、遠心式のファンで吸引した空気を、下流に向かって拡径するマニホールドを介して燃料電池に供給する燃料電池の空気供給装置において、そのマニホールドに複数枚の整流板を設け、その整流板をそれらの離間距離がそのマニホールドの下流に向かって大きくなるように配置するとともに、その整流板より下流にパンチングプレートおよびスポンジの少なくともいずれかからなる整流器を設けるように構成した燃料電池の空気供給装置、を開示している。

また、特許文献２では、単一のファンを用いて複数の燃料電池セルに空気を供給する方法を提案している。即ち、特許文献２は、電解質板を燃料極および酸化剤極で挟んで形成される起電部と、酸化剤極表面に設けられ両端を有する酸化剤ガス流通路と、この酸化剤ガス流通路の一方の単部で連通したマニホールドと、このマニホールド内部を減圧する減圧手段とを有する燃料電池、を開示している。また、マニホールド内に整流板が形成されることを開示している。更に、酸化剤ガス流通路の他方の端部にはプレフィルターが形成されることをを開示している。

また、特許文献３は、燃料電池スタックへ空気を供給する遠心送風機と、燃料電池単位ユニットの空気極に接する空気流路の導入口側に設けられ、遠心送風機から送られてくる空気を各導入口へ分配する空気分配手段と、横断面形状が矩形の管状体であって、一端の空気流入口が遠心送風機の空気排出口に、他端の空気流出口が空気分配手段の空気取入口に接続された導風路とを備えた燃料電池の空気供給装置、を開示している。

ところで、燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池セルの配置方法としては、複数の燃料電池セルが厚み方向に積層されたバイポーラ型と、複数の燃料電池セルが同一平面上に並んだ平面スタック型とが知られている。

バイポーラ型の燃料電池スタックにおいては、各燃料電池セルのカソードに均等に酸化剤を供給するために、隣接する燃料電池セルを区切るセパレータに流路を設ける方法が知られている。

上記と関連して、特許文献４は、直接メタノール形の燃料電池を燃料タンク内に設置し、セパレータ表面を上下に貫通する流路を介して、対流で燃料極に液体燃料を供給し、空気はブロワからセパレータに設けた空気流路へ供給する燃料電池システム、を開示している。

また、特許文献５は、複数層の単電池を積層してなり、燃料の流入口から流入した燃料を複数の単電池の各々に分配する分配流路を備えた燃料電池であって、分配流路内に、流入口との間に隙間を設けて配置され、燃料を透過する多孔質体により所定の厚みに形成された燃料整流部材を備えた燃料電池、を開示している。

また、特許文献６は、一方の面の燃料ガス流路を有するとともに、他方の面に酸化剤ガス流路を有し、酸化剤ガス流路は、酸化剤ガスの入口において流路断面積が拡大され流路抵抗が低減されていることを特徴とする燃料電池用セパレータ、を開示している。

これらの技術では、高出力の燃料電池の発電に十分なだけの酸化剤ガスを、セパレータに設けられた小さな溝に供給するために、高出力の送風機器によって圧縮して送っていた。

上記文献のようなバイポーラ型に対して、ノート型ＰＣなどのように携帯することを念頭に置いた機器においては、平面スタック型の方が向いている。携帯することを念頭に置いた機器では厚さに対する制約があるためである。平面スタック型においては、複数の燃料電池セルが平面上に複数列で配置され、集電体などによって、各々の燃料電池セルが直列に接続される。また、携帯用機器に用いる場合、通常、燃料電池システムは筺体に包まれる。

平面スタック型においても、複数列の燃料電池セルのカソード面に安定して、かつ、均一に酸化剤ガスを供給することが必要となる。

しかしながら、送風機の気流発生部分の大きさが、複数列の燃料電池セルのカソード面に対して小さい場合には、カソード面上において気流の偏りが生じることになる。即ち、送風機の送風又は吸引方向上に位置する燃料電池セルでは酸化剤ガスが十分に流れるものの、送風方向又は吸引方向から外れた位置の燃料電池セルでは気流が滞留して、十分に酸化剤ガスが供給されないことがあった。

このような滞留を防ぐために、複数の送風機や、大型の送風機を配置される。また、吐出力の高い送風機を用いて、複雑な空気流路を設けた上で、複雑な空気流路を形成し、各燃料電池セルに酸化剤ガスを供給する方法も知られている。

携帯用機器では、消費電力を抑えるために、カソードへ酸化剤ガスを送風するための送風機の消費電力が極力小さいことが望まれる。また、携帯機器に燃料電池システムを納めようとする場合、燃料電池システム自体が携帯機器のフットプリント以下の大きさである必要がある。即ち、省スペース化が求められる。平面スタック型においてカソード面に安定させて酸化剤ガスを供給する上記の方法は、このような携帯用機器に求められる要求と両立させることができなかった。

上記と関連して、特許文献７は、電解質層を挟んで空気極と燃料極を対峙させた複数個の単セルを、同じ極が同じ面に並ぶように平面に並べ、互いに隣接する一方の単セルの燃料極の背面と他方の単セルの空気極の背面とを導電性のＺ字状接続板で電気的に接続することにより前記各単セルを直列接続するとともに、Ｚ字状接続板の燃料極および空気極に対峙する部分にそれぞれ貫通孔を設け、各極の背面からＺ字状接続板の貫通穴を介してそれぞれ燃料および空気を供給する平面型燃料電池、を開示している。

また、特許文献８は、カソード面を大気開放する自然吸気型の燃料電池を開示している。即ち、特許文献８は、開口部が一部に設けられた略平板状の筐体と、該筐体内に配置され燃料側電極と酸素側電極の間に電解質膜を介在させた略平板状の発電体と、その開口部のその筐体内側に配設され空気流動手段の周囲の空気を流動させる空気流動手段と、を有することを特徴とする燃料電池、を開示している。

また、特許文献９は、カソード側に空気室を設け、ブロアで空気を供給する燃料電池システムが提案している。
特開２００５−４２６３９号 公報 特開２００１−９３５６２号 公報 特開２００３−３６８７８号 公報 特開２００５−４４５８５号 公報 特開平８−２１３０４４号 公報 特開２００４−１９２９８５号 公報 特開２００２−５６８５５号 公報 特開２００３−８６２０７号 公報 特開２００５−１２９２６１号 公報

しかし、上述の何れの技術によっても、平面スタック型において、携帯用機器に求められる要求を満足した上で、各燃料電池セルに均等、且つ、十分な酸化剤ガスを供給するには、未だ不十分であった。

本発明の目的は、複数の燃料電池セルの各々に均等に酸化剤ガスを供給することのできる燃料電池システムを提供することにある。

本発明の他の目的は、全ての燃料電池セルに十分な量の酸化剤ガスを供給することのできる燃料電池システムを提供することにある。

本発明の更に他の目的は、携帯用機器において省スペース化、省電力化が達成された上で、各燃料電池セルに均等、且つ、十分な量の酸化剤ガスを供給することのできる燃料電池システムを提供することにある。

以下に、発明を実施するための最良の形態で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、特許請求の範囲の記載と発明を実施するための最良の形態との対応関係を明らかにするために括弧付きで付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、特許請求の範囲に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

本発明に係る燃料電池システム（１）は、アノード（３２）とカソード（３１）によって電解質膜（３３）を挟持した構造を有する燃料電池セル（１１）が、複数個、同一平面上に配置された燃料電池スタック部（１８）と、燃料電池スタック部（１８）の少なくとも片面を、カソード（３１）との間に空気流空間（２９）を設けて被覆する筐体（１４）と、燃料電池スタック部（１８）に対して、燃料電池スタック（１５）の平面方向に配置された単一のファン（５１）と、ファン（５１）の全方位を覆うファンカバー（５２）とを備える。筐体（１４）は、空気流空間（２９）が、気体を導入するために開放された吸気開放部（２４）と、気体を排出するために開放された排気開放部（２５）と、を有するように配置される。ファン（５１）は、燃料電池スタック部（１８）の平面方向に平行となるように配置される。ファンカバー（５２）は、燃料電池スタック部（１８）側に設けられた吸気口（５３）と、燃料電池スタック部（１８）側の反対側に設けられた排気口（５４）と、を有する。

上述の構成に依れば、ファン（５０）によって発生された気流によって空気流空間（２９）に酸化剤ガスが流れ込み、カソード（３１）に十分な量の酸化剤ガスが供給される。ファン（５０）をファンカバー（５２）で囲い、ファンカバーには特定方向に吸気口（５３）と排気口（５４）のみを開放させているので、ファン（５０）を通じた吸気および排気の方向が限定される。こうすることにより、燃料電池スタックに供給するための空気流を均質にすることができる。燃料電池スタック（１５）からの排気を効率よくファン（５２）へ導くことができる。

また、ファン（５１）が燃料電池スタック（１５）の平面と同一平面上に配置されているので、厚み方向のスペースが抑制される。よって、携帯用機器に適した省スペース化となる。

本発明に係る燃料電池システム（１）は、更に、空気流空間（２９）を、燃料電池スタック部平面上において複数の領域に分割する仕切り（２６）、を備える。ファン（５０）は、吸気開放部（２４）から空気流空間（２９）を介して排気開放部（２５）へ流れる気流を発生させる。仕切り（２６）は、一端で吸気開放部（２４）の開放面を分割するように吸気開放部（２４）に接続され、他端で排気開放部（２５）の開放面を分割するように排気開放部（２５）に接続されている。

上述のように仕切り（２６）を設けることにより、空気流空間（２９）が複数の領域に分割される。吸気開放部（２４）から空気流空間（２９）に流れ込む酸化剤ガスは、複数の領域の夫々に分配される。複数の領域の夫々に酸化剤ガスが分配されるので、酸化剤ガスは一部の燃料電池セル（１１）上で滞ることなく、空気流空間（２９）に面する全てのカソード（３１）に供給される。

本発明に係る燃料電池システム（１）は、更に、排気開放部（２５）と吸気口（５３）との空間を囲んで整流空間（２８）を形成するように配置された一対の整流板（３０）と、整流空間（２８）内に配置された少なくとも一のガイド板（２７）と、を備える。ガイド板（２７）は、整流空間（２８）を複数の空間に分割するように設けられている。ガイド板（２７）は、一端で吸気口（５３）の開口面を分割するように吸気口（５３）に接続され、他端で排気開放部（２５）の開放面を分割するように排気開放部（２５）に接続されている。

上述の構成に依れば、整流板（３０）によって、排気開放部（２５）から排気された酸化剤ガスがファン（５０）へと導かれる。ファン（５０）の吸引力に加え、整流板（３０）が酸化剤ガスをファン（５０）へと導くので、空気流空間（２９）内に効率よく気流を発生させることができる。また、整流空間（２８）内が複数の空間に分割されているので、排気開放部（２５）から排気された空気は複数の空間のうちのいずれかに分配される。いずれの空間に分配された酸化剤ガスも、ファン（５０）へと速やかに吸引されるので、整流空間（２８）内の一部で酸化剤ガスが滞ることがない。整流空間（２８）内での酸化剤ガスの滞留が抑制されるので、空気流空間（２９）内の気流の滞留も抑制される。よって、全ての燃料電池セルに対して均等、十分な量の酸化剤ガスが供給される。

本発明に係る燃料電池システム（１）において、ガイド板（２７）は、一端で、仕切り（２６）の端部に接続されている。

上述の構成に依れば、整流空間（２８）が分割された各空間と、空気流空間（２９）が分割された各領域とが対応付けられる。一の空間を一の領域と対応させるようにガイド板（２７）を設けることで、一の領域内の気体を一の空間を介してファン（５０）へ導くことができる。一の領域内の酸化剤ガスは、排気開放部（２５）から排気された段階で乱流、滞留することなく、スムーズにファン（５０）へ導かれる。

本発明に係る燃料電池システム（１）において、燃料電池スタック（１５）は、複数の燃料電池セル（１１）が格子状に配置されている。燃料電池スタック（１５）は、複数の燃料電池セル（１１）が全体として矩形状となるように配置されている。

本発明に係る燃料電池システム（１）において、吸気口（５３）の幅は、排気開放部（２５）の幅よりも小さい。

本発明に依れば、仕切り（２６）により各燃料電池セル（１１）へ均等に酸化剤ガスが分配されるので、ファン（５０）の幅を排気開放部（２５）の幅よりも小さくすることができる。ファン（５０）の大きさを小さくできるので、省スペース化される。

本発明に係る燃料電池システム（１）において、ファンカバー（５２）は燃料電池スタック部（１８）に面する吸気面を有する。また、ファンカバー（５２）は、吸気面に直交し且つ燃料電池スタック部平面とも直交する直交面を有する。吸気口（５３）は、その吸気面の少なくとも一部と、その直交面の少なくとも一部と、に設けられている。

本発明に係る燃料電池システム（１）において、ファンカバー（５１）は、スタック排気開放部（２５）に接触するように配置されている。

上述の構成に依れば、ファン（５０）は、吸気面（５８）のみならず吸気面（５８）に直交する面（５９）側からも酸化剤ガスを吸引することができる。直交する面（５９）側から燃料電池スタック（１５）より排気された酸化剤ガスを吸引させることができるので、燃料電池スタック（１５）にファン（５０）を接触させるように配置することができる。各空気流経路に安定した空気流供給ができ、さらにはスタックとファンとを近接することができ、燃料電池システム自体をより小型化することが可能となる。整流空間（２８）のスペースを最小限とすることができるので、省スペース化される。その結果、ファン口径よりも大きな開放部をもつような平面スタック型燃料電池に関しても、発電に十分な空気を、よりコンパクトな構造で供給することができる燃料電池システムが実現できる。

本発明に係る燃料電池システム（１）において、燃料電池スタック部（１８）に含まれる複数の燃料電池セル（１１）は、平面方向に凹部（６２）を形成するように配置されている。ファン（５０）は、凹部（６２）内に配置されている。

上述のように、凹部（６２）内にファン（５０）を配置することで、省スペース化される。

本発明に係る燃料電池システム（１）は、アノード（３２）とカソード（３１）によって電解質膜（３３）を挟持した構造を有する燃料電池セル（１１）が、複数個、同一平面上に配置された燃料電池スタック部（１８）と、燃料電池スタック部（１８）の少なくとも片面を、カソード（３１）との間に空気流空間（２９）を設けて被覆する筐体（１４）と、燃料電池スタック部（１８）に対して、燃料電池スタック（１５）の平面方向に配置された単一のファン（５１）と、ファン（５１）の全方位を覆うファンカバー（５２）とを備える。筐体（１４）は、空気流空間（２９）が、気体を導入するために開放された吸気開放部（２４）と、気体を排出するために開放された排気開放部（２５）と、を有するように配置される。ファン（５１）は、燃料電池スタック部（１８）の平面方向に平行となるように配置される。ファンカバー（５２）は、燃料電池スタック部（１８）側に設けられた排気口（５４）と、燃料電池スタック部（１８）側の反対側に設けられた吸気口（５３）と、を有する。

上述の構成に依れば、ファン（５０）によって発生された気流によって空気流空間（２９）に酸化剤ガスが流れ込み、カソード（３１）に十分な量の酸化剤ガスが供給される。ファン（５１）を燃料電池スタック（１５）の平面と同一平面上に配置されているので、厚み方向のスペースが抑制される。よって、携帯用機器に適した省スペース化となる。また、ファンカバー（５２）に吸気口（５３）および排気口（５４）を設けることによって、吸気および排気の方向が限定される。排気口（５３）を、燃料電池スタック（１５）側に設けることによって、ファン（５２）から燃料電池スタック（１５）への酸化剤ガスの供給を効率良く行うことができる。

本発明に係る燃料電池システム（１）において、仕切り（２６）は、吸水性を有する吸水性素材より形成されていることが好ましい。

仕切り（２６）として吸水性素材を用いた場合には、燃料電池スタック（１５）内で結露した水分を一時的に吸水することができるため、フラッディングによる発電停止を防止することができる。

本発明に係る燃料電池システム（１）において、ガイド板（２７）は、吸水性を有する吸水性素材より形成されていることが好ましい。

ガイド板（２７）が吸水性素材であることにより、整流空間（２８）で結露した水分を一時的に吸水することもでき、燃料電池システム（１）からの水漏れが防止される。

本発明に依れば、複数の燃料電池セルの各々に均等に酸化剤ガスが供給される燃料電池システムが提供される。

更に、本発明に依れば、全ての燃料電池セルに十分な量の酸化剤ガス供給することのできる燃料電池システムが提供される。

更に、本発明に依れば、携帯用機器において省スペース化、省電力化が達成された上で、各燃料電池セルに均等、且つ、十分な量の酸化剤ガスを供給することのできる燃料電池システムが提供される。

更に、本発明に依れば、複数の列から構成される平面スタック型燃料電池システムにおいて、カソードに供給する気流を、安定した発電が得られるように供給することができる。また、送風手段として、消費電力が小さな薄型径流ファンなどの携帯機器に向いている装置を用いることも可能となるため、燃料電池システムを携帯機器に内蔵することが可能となる。さらに、ファンなどの補器類を燃料電池スタックに内蔵することも可能となるため、燃料電池システムそのものを小型化でき、燃料電池の携帯機器への応用が広がることにつながる。

（第１の実施形態）
図５は本実施の形態に係る燃料電池システム１の上面図及びＣＣ’の断面図である。燃料電池システム１は、燃料電池スタック部１８と、一対の整流板１７と、ファンユニット１６と、筐体１４と、燃料を貯めておくための燃料容器（図示せず）と、燃料を流すためのポンプ（図示せず）と、電気エネルギーを取り出すための配線（図示せず）と、を有している。尚、図５において、燃料電池スタック１５の構造は、実際には筐体１４に覆われていて見えないが、説明の便宜上、透視させて示している。以下の説明において、燃料電池スタック部１８に平行な平面をＸＹ平面、これに垂直な方向をＺ方向とする。

燃料電池システム１を携帯機器に搭載する場合、燃料電池スタック部１８は筐体１４に入れられる。燃料電池スタック部１８、整流板１７、及びファンユニット１６は、筐体１４の内部の一面上に配置されている。燃料電池スタック部１８、整流板１７、及びファンユニットの±Ｚ方向側には、筐体の一面が存在している。尚、図５中では、燃料電池スタック部の＋Ｚ方向側に存在する筐体１４のみ図示している。

燃料電池スタック部１８は、複数の燃料電池スタック１５を有している。尚、一の燃料電池スタック１５は、後述するフレーム１０単位で、複数の燃料電池セル１０がまとめられたものである。本実施の形態においては、燃料電池スタック部１８は２つの燃料電池スタック１５を有している。２つの燃料電池スタック１５は、同一平面上に並べられている。一の燃料電池スタック１５は、矩形状である。２つの燃料電池スタック１５は、一の辺で隣接し、燃料電池スタック部１８としても矩形状となるように並んでいる。各燃料電池スタック１５は複数の燃料電池セル１１を有している。本実施の形態では、３行×３列で燃料電池セル１１が配置され、一の燃料電池スタック１５を形成している。また、本実施の形態において、全ての燃料電池セル１１は、カソード３１側を上向き（＋Ｚ側）にして配置されているものとして説明する。但し、本発明は全ての燃料電池セル１１のカソード３１が上向きに限定されているものではなく、少なくとも一のカソード３１が上向きになっていればよい。この場合、上向きのカソード３１に対して、後述する本発明の作用・効果が与えられる。

ファンユニット１６は、燃料電池スタック部１８に対して平面方向側となるＹ方向側に配置されている。一対の整流板１７は、燃料電池スタック部１８の一の辺（Ｙ方向側の辺）と、ファンユニット１６とで、平面方向に閉じた空間が形成されるように配置されている。一対の整流板１７の上下（±Ｚ方向側）には筐体１４が配置されている。このような配置により、ファンユニット１６と燃料電池スタック部１８との間には、一対の整流板１７、燃料電池スタック部１８、ファンユニット１６、及び筐体１４で囲まれた空間（整流空間２８）が設けられている。

筐体１４は、燃料電池スタック部１８と、整流空間２８の上下（±Ｚ方向側）に設けられている。燃料電池スタック部１８の上面（カソード３１側の面）と筐体１４との間には空隙が存在し、空気流空間２９を形成している。筐体１４は、燃料電池スタック部１８の±Ｘ方向側の端部において燃料電池スタック部１８と密接している。一方、燃料電池スタック部１８の±Ｙ方向側の端部と筐体１４との間は空隙を有してしており、Ｙ方向側でスタック排気開放部２５、−Ｙ方向側でスタック吸気開放部２４が形成されている。このように、空気流空間２９は、燃料電池スタック部１８上で±Ｘ方向側が閉じ、±Ｙ方向側が開放された空間となっている。即ち、空気流空間２９は、スタック排気開放部２５で整流空間２８に連通し、スタック吸気開放部２４で外部に連通している。

整流空間２８はファンユニット１６の気体吸込み口に連通している。ファンユニット１６によって整流空間２８内の気体が吸気可能になっている。

ファンユニット１６の構成について以下に詳述する。ファンユニット１６は、ファンカバー５２と、ファン５１とを有している。ファンユニット１６のＸ方向側の幅は、スタック排気開放部２５の幅よりも狭くなっている。

ファン５１としては、薄型径流ファンが用いられる。ファン５１は、燃料電池スタック部１８平面（図中、ＸＹ平面）に平行に配置され、上側（図中Ｚ方向側）から気流を吸込むように配置されている。尚、ファン５１としては、送風することができればよく、シロッコファン、軸流ファン、クロスフローファンおよびターボファンなどを用いることもできる。ただし、携帯機器に搭載することを考慮した場合、薄型径流ファンなどの消費電力の小さなものを用いることが好ましい。

ファンユニット１６によって整流空間２８内の気体が吸引される。整流空間２８は、空気流空間２９と連通しているので、空気流空間２９内の気体も吸引される。ファンユニット１６により、空気流空間２９内では、スタック吸気開放部２４からスタック排気開放部２５へ流れる気流が発生する。

図４は、ファン５１の形状を示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は排気方向側から見た斜視図、（ｄ）は吸気方向側から見た斜視図である。図中、矢印の方向は気流の方向を示している。

ファン５１は、直方体状のファン筐体５１１と、ファン筐体５１１の内部に設けられた羽部（図示せず）とを有している。

羽部は、図示しない支持部材を介してファン筐体５１１に固定されている。羽部が回転することで気流が発生する。羽部は、気流の吸込み側を上側（＋Ｚ方向側）にして配置されている。

ファン筐体５１１には、ファン吸気口５５と、ファン排気口５６と、が設けられている。
ファン吸気口５５は、ファン筐体５１１の上面（Ｚ方向側の面）に設けられたドーナツ状の開口である。ファン排気口５６は、Ｙ方向側の側面に設けられた開口である。

このような構造のファン５１は、ファン吸気口５５は比較的多くの方向から吸気し、ファン排気口５６は、特定の方向性はあるが広がった排気流を形成させる。また、気流の吸込み面と排出面とが非平行な構造であり、ファン５１を燃料電池スタック部平面（ＸＹ平面）に平行に配置することで、ファン５１の厚み方向（Ｚ方向）に占めるスペースを抑制することができる。平面スタック型構造の燃料電池スタック１５の厚みよりも低くすることも可能である。厚み方向に対する省スペース化により、特に携帯機器に搭載するこをと考慮した場合に、吸込み面と排出面とが平行であるファンを用いるよりも有利である。

本発明で用いることができるファン５１としては、図４の形状・構造が好ましいが、これに限定されるものではない。ファン５１としては、例えば、上方（図中、Ｚ方向側）に設けられた一面から空気を吸い込んで反対面から排出する構造や、一面から吸い込み、囲いなどで形成された排気経路を介して吸い込み面と非平行方向に排出する構造などが挙げられる。

本発明で用いるファン５１、特に薄型径流ファンとしては、カソード３１を通過した湿った空気に耐えられるように、防湿もしくは防水処理をほどこしてあることが望ましい。

ファンカバー５２は、ファン筐体５１１を覆うように配置されている。図６は、ファン筐体５１１をファンカバー５２で覆った状態を示す図である。（a）は上面図、（b）は側面図、（c）は排気方向側から見た斜視図、（d）は吸気方向側から見た斜視図である。図中、矢印の方向は気流の流れる方向を示している。また、ファン筐体５１１は実際には見えないが、透視させて示している。

ファンカバー５２の形状は、下面が開いた直方体状である。ファンカバー５２には、吸気口５３と、排気口５４と、が設けられている。吸気口５３は、−Ｙ方向側側面に設けられた開口である。一方、排気口５４は、Ｙ方向側側面に設けられた開口である。

ファン５１のみでは吸気する気流が一方向に限定されないが、吸気口５３及び排気口５４が設けられたファンカバー５２を有することによって、気流を一定方向に限定することができる。この場合、−Ｙ方向側から吸気し、＋Ｙ方向側へ排気することになる。従って、カソード３１上面を流れる気流にも、＋Ｙ方向側へ向かう方向性を持たせることが可能となる。

ファンカバー５２の素材としては、ステンレスなどの金属や、アクリルなどのプラスチックが適当である。特に、金属を用いる場合は、ファン５１に送り込まれる湿った空気が結露することも予測されるため、表面を塗装やプラスチックシートなどの保護皮膜で被覆させることが望ましい。ただし、ファンカバー５２の素材に関しては、このようなものに限定されるわけではない。

上述のような構成により、ファン５１が上面側から吸気すると、外部から空気流空間２９、整流空間２８、および吸気口５３を介してファン５１へ流れる気流が発生する。空気流空間２９に供給された気流の一部は、酸化剤ガスとしてカソード３１に供給される。一方、ファン５１が吸込んだ気流は、Ｙ方向側に設けられたファン排気口５６から外部へ排出される。ここで、ファンカバー５２に設けられた吸気口５３が−Ｙ方向側に設けられているので、気流の方向が＋Ｙ方向側へ限定されている。気流の方向が限定されているので、燃料電池スタック部１８からの排気が効率良くファンユニット１６へ導かれる。

続いて、燃料電池スタック部１８の構成について詳述する。燃料電池スタック部１８は２つの燃料電池スタック１５を有している。２つの燃料電池スタック１５は、電気的に並列又は直列に接続される。燃料電池スタック１５を、単一ではなくて複数用いることで、必要となる電圧および出力を発生させることができる。ＰＣなどの比較的大きい電力を必要とする携帯機器に用いることを念頭に置いた場合に、このように複数の燃料電池スタック１５が必要となる。

図１は、燃料電池スタック１５の構成を示す上面図である。燃料電池スタック１５は、フレーム１０上に９個の燃料電池セル１１が３行×３列に配置されて形成されている。全ての燃料電池セル１１は、カソード３１側を上向き（図中、＋Ｚ方向側）にして配置されている。

フレーム１０には、複数の燃料タンク部１２、燃料経路２３、スタック燃料インレット２１、およびスタック燃料アウトレット２２が設けられている。尚、図１において、燃料経路２３などのフレーム１０に設けられた構造は実際には見えないが、説明の便宜上、透視させて示している。

複数の燃料タンク部１２の各々は、複数の燃料電池セル１１の各々の位置に対応して設けられている。燃料タンク部１２には、対応する燃料電池セル１１に供給される燃料が蓄えられる。燃料経路２３は、各燃料タンク部１２同士を接続するように設けられている。一の燃料タンク部１２にはスタック燃料インレット２１が設けられている。他の２つの燃料タンク部１２には、スタック燃料アウトレット２１が設けられている。

燃料タンク部１２には、燃料を取り込むためのインレットと、排出するためのアウトレットが設けられている。これらのインレットおよびアウトレットは、隣接したセルのアウトレットもしくはインレットと接続するように、燃料経路２３でつながれている。このように、燃料経路２３で隣接する燃料タンク部１２を連結させることで、燃料タンク部１２を含めて、燃料電池スタック１５の燃料流路が形成されている。

図１中、矢印は燃料が流れる方向を示している。燃料は、スタック燃料インレット２１を介して、一の燃料タンク部１２に供給される。燃料は、一の燃料タンク部１２から、燃料経路２３を介して、隣接する別の燃料タンク部１２へと、順次供給されていく。燃料は、最も下流に相当する燃料タンク部１２から、スタック燃料アウトレット２２を介して燃料容器へと戻る。このようにして、燃料循環系統が形成される。図１では、３列ある燃料電池セル１１の中央列の燃料タンク部１２に燃料を供給し、その後左右の列に分配されていく様子が示されている。

図２は、図１のＡＡ’断面を示す図である。燃料タンク部１２内部には、ウィッキング材６０と呼ばれる燃料保持材が挿入されている。ウィッキング材６０は、主に毛細管現象によりメタノール水溶液（液体燃料）を吸収し、かつ保持することを目的としている。ウィッキング材６０としては、例えば、織布、不織布、繊維マット、繊維ウェブ、発泡プラスチック等を用いることができ、特に、親水性ウレタン発泡材や親水性ガラス繊維等の親水性材料を用いることが好ましい。燃料タンク部１２に供給された液体燃料は、ウィッキング材６０に一次的に吸収される分もあるが、その多くはＭＥＡ１３のアノード３２に供給され、電池反応によって発電が起こる。燃料タンク部１２に供給されながら、発電に使われなかった燃料は、再び燃料容器に戻ったり、一時的にウィッキング材６０に吸収されたりする。ただし、燃料経路の下流部に相当する位置にある燃料電池セル１１でも十分に発電が可能となる燃料濃度で燃料供給が可能な場合、ウィッキング材６０は、必ずしも必須の構成ではなく、省略される場合もある。

尚、燃料としては、流体の燃料を用いることができる。その燃料としては、メタノールが一般的である。但し、メタノールに限らず、エタノールやイソプロパノール等のアルコール系、エーテル系、ポリエーテル系等の液体燃料や、水素などの気体燃料を用いることもできる。また、燃料の供給の仕方としては、このような燃料供給方式は一例であり、本発明の方法は、この燃料供給方式に限定されるではない。

燃料電池セル１１は、燃料タンク部１２の上に配置されている。燃料電池セル１１は、電解質膜３３と、電解質膜３３の一方の面上にその面に接して配されたカソード３１と、他方の面上にその面に接して配されたアノード３２と、カソード３１およびアノード３２にそれぞれ接して配されたカソード集電体４１およびアノード集電体４２と、電解質膜３３の周縁に配されてその電解質膜３３とアノード集電体４２とで挟持されたシール部材４３と、を有している。即ち、電解質膜３３、カソード３１およびアノード３２は、ＭＥＡ１３を構成している。ＭＥＡ１３の上下面には、カソード集電体４１とアノード集電体４２がシール部材４３をそれぞれ挟んで構成されている。

電解質膜３３とアノード集電体４２とで挟持されたシール部材４３は、枠状に集電体周縁部に配置されている。本発明の燃料電池セル１１は、こうした構成からなるセル構造を有し、そのセル構造の周縁部を貫通するように複数のネジでフレーム１０に固定されている。燃料電池セル１１をフレーム１０に止める手段としては、ネジ止めに限らず、接着などの方法も用いることができ、燃料電池セル１１から液体燃料が漏れないような構造であればよい。また、ＭＥＡ１３やシール部材４３の構成に関しても、本実施の形態に記載されるものに限定されるものではなく、燃料が漏れないような構造であればよい。

本発明の燃料電池セル１１としては、液体燃料としてメタノール水溶液をそのまま使用するダイレクトメタノール型燃料電池が挙げられる。図２のような構造の場合には、燃料タンク部１２に蓄えられた液体燃料がアノード３２に供給されることによって発電が起こる。ただし、燃料タンク部１２とアノード３２との間に、ＰＴＦＥなどの気液分離膜が配置される場合もある。この場合、燃料の気体成分のみが気液分離膜を透過して、アノード３２に供給される。

ＭＥＡ１３は、電解質膜３３をカソード３１とアノード３２とで挟持した構造からなるものである。電解質膜３３としては、プロトンの伝導性が高く、かつ、電子伝導性をもたない高分子膜が好適に使用される。固体高分子電解質膜３３の構成材料としては、スルホン酸基、リン酸基、ホスホン基、ホスフィン基等の強酸基や、カルボキシル基等の弱酸基等の極性基を有するイオン交換樹脂が好ましく、その具体例としては、パーフルオロスルホン酸系樹脂、スルホン化ポリエーテルスルホン酸系樹脂、スルホン化ポリイミド系樹脂等が挙げられる。より具体的には、例えば、スルホン化ポリ（４−フェノキシベンゾイル−１，４−フェニレン）、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリイミド、アルキルスルホン化ポリベンゾイミダゾール等の芳香族系高分子からなる固体高分子電解質膜を挙げることができる。膜厚は、その材質や燃料電池の用途等に応じて、１０〜３００μｍ程度の範囲内で適宜選定可能である。

カソード３１は、上記式２に示すように、酸素を還元して水にする電極であり、例えば、触媒をカーボン等の担体に担持させた粒子（粉末を含む）又は担体を有さない触媒単体と、プロトン伝導体との触媒層をカーボンペーパー等の基材上に塗布等で形成することにより得ることができる。触媒としては、白金、ロジウム、パラジウム、イリジウム、オスミウム、ルテニウム、レニウム、金、銀、ニッケル、コバルト、モリブデン、ランタン、ストロンチウム、イットリウム等が挙げられる。触媒は、１種のみでも、２種類以上を組み合わせて用いてもよい。触媒を担持する粒子としては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン等の炭素系材料が例示される。粒子の大きさは、例えば炭素系材料が粒状物であるときには、０．０１〜０．１μｍ程度の範囲内、好ましくは０．０２〜０．０６μｍ程度の範囲内で適宜選定される。粒子に触媒を担持させるには、例えば含浸法を適用することができる。

触媒層が形成される基材としては、固体高分子電解質膜を用いることもできるし、カーボンペーパー、カーボンの成形体、カーボンの焼結体、焼結金属、発泡金属等、導電性を有する多孔性物質を用いることもできる。カーボンペーパー等の基材を用いた場合には、基材上に触媒層を形成してカソード３１を得た後に、ホットプレス等の方法によって、触媒層が固体高分子電解質膜３３と接する向きでカソード３１を固体高分子電解質膜３３に接合することが好ましい。カソード３１の単位面積当たりの触媒量は、触媒の種類や大きさ等に応じて、０．１ｍｇ／ｃｍ^２ 〜２０ｍｇ／ｃｍ^２ 程度の範囲内で適宜選定可能である。

アノード３２は、上記式１に示すように、メタノール水溶液と水から水素イオンとCO_２と電子を生成する電極であり、上記のカソード３１と同様にして構成される。アノード３２を構成する触媒層や基材は、カソード３１を構成する触媒層や基材と同じであってもよいし異なっていてもよい。アノード３２の単位面積当たりの触媒量も、カソードの場合と同様、触媒の種類や大きさ等に応じて、０．１ｍｇ／ｃｍ^２ 〜２０ｍｇ／ｃｍ^２ 程度の範囲内で適宜選定可能である。

カソード集電体４１およびアノード集電体４２は、カソード３１およびアノード３２上にそれぞれ接して配され、電子の取出効率及び電子の供給効率を高めるように作用する。これらの集電体４１，４２は、図２に示すように、ＭＥＡの周縁部に接する枠形状のものであってもよいし、ＭＥＡの全面に接する平板状又はメッシュ状等のものであってもよい。平板状の場合、燃料および空気が入り込めるような貫通孔を規則的もしくは不規則的に設け、貫通孔をあけていない部分で電極と接触させ、集電を行う。これらの集電体４１，４２の材料としては、例えば、ステンレス鋼、焼結金属、発泡金属等、又はこれらの金属に高導電性金属材料をメッキ処理したものやカーボン材料などの導電体等を用いることができる。尚、図２において、カソード集電体４１は、カソード３１の上側を覆うように描かれているが、実際には枠状である。よって、カソード４１の上面は中央部で開放されている。

シール部材４３は、一の燃料電池セル１１に複数設けられている。シール部材４３は、シール機能を有している。例えば、図２に示すように、（１）電解質膜３３とカソード集電体４１との間には、カソード３１の厚さとほぼ同じ厚さからなるシール部材４３がセル構造の周縁に枠状に設けられている。また、(２)電解質膜３３とアノード集電体４２との間には、アノード３２の厚さとほぼ同じ厚さからなるシール部材４３がセル構造の周縁に枠状に設けられている。また、(３)アノード集電体４２とフレーム１０との間には、任意の厚みをもつシール部材４３が設けられている。なお、これらの各シール部材は、シール性、絶縁性および弾性を有するものが好ましく、通常はシール機能を有するゴムやプラスチックで形成されている。具体的には、ＰＴＦＥ、ＰＥＴ、ＰＥＥＫ、塩化ビニル等のプラスチック素材や、フッ素樹脂、シリコンゴム、ブチルゴム等のゴム素材を用いることが好ましい。但し、シール部材４３の形状、構成及び位置などは、ここに記述した通りでなく、少なくともシール機能を有していればよい。

続いて、カソード３１に供給される気体の流れを説明する。図３は、ファンカバー５２を用いない場合の気流の流れを説明する図である。図中、矢印は気流の方向を示している。尚、ファンカバー５２によってファン５１が被覆されていない点以外は、本実施形態に係る燃料電池システム１と同様の構成である。ファンカバー５２を用いず、ファン５１のファン吸気口５５の上部を開放させた場合、ファン５１に対してＸＹ平面方向の略全方向から気体が吸込まれる。

これに対し、図５に示される本実施の形態によれば、吸気口５３および排気口５３を有するファンカバー５２を用いることによって、気流の流れを限定することができる。吸気口５３を−Ｙ方向側に設けることによって、燃料電池スタック部１８側（整流空間２８）から選択的に吸気を行うことができる。これにより、カソード３１面上の空気流空間２９での気流も＋Ｙ方向側に限定される。カソード３１面上において、気流を一方向とすることができるので、部分的な滞留等が生じることがない。よって、複数の送風機や、大型の送風機を用いる必要がない。燃料電池スタック部１８の大きさに対して、小さな大きさのファンを用いたとしても、燃料電池スタック部１８の隅々まで均等に酸化剤ガスを供給することができる。

また、気流の方向を限定することで、ファン５１の吸気を効率良く行うことができるので、ファンユニット１６として小型であり消費電力の少ないものを選択することができる。

燃料電池セルは、低温状態では十分な発電が得られない傾向にある。ファンを小型化させて、燃料電池スタック部１８に均一に気流を発生させることで、燃料電池セルの過冷却を防ぐことができる。また、ファンによる過度の送風により、カソードの乾燥が起こることがあるが、これも同様に防ぐことができる。

更に、ファンを燃料電池スタック部１８の平面方向に、その平面方向と平行となるように配置することで、厚み方向に占めるスペースが抑制される。よって、燃料電池システムを薄型化することができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態について説明する。図７は、本実施の形態に係る燃料電池システム１の上面図およびそのＤＤ’面における断面図である。本実施の形態に係る燃料電池システム１は、第１の実施の形態に対して、仕切り２６が追加されている。仕切り２６以外の構成に関しては、第１の実施形態と同じであるので、説明は省略される。

仕切り２６は、空気流空間２９を複数の領域に区切るように設けられている。本実施の形態においては、６列の燃料電池セル１１が配置されているが、仕切り２６は隣り合う列の間に設けられている。仕切２６は、厚み方向で、筐体１４と燃料電池スタック１５に密着して設けられている。仕切り２６によって、外部からスタック吸気開放部２４を介して空気流空間２９へ導入される気流は、燃料電池セル１１の各列に分別される。

ここで、仕切り２６は、必ずしも隣接する燃料電池セル１１の列間に設ける必要はない。単一の燃料電池セル１１のカソード面３１上を区切るように設けることも可能である。この場合、ある空気流空間２９で十分な量の酸化剤ガスが供給されない状況が発現したとしても、隣接した別の空気流空間２９から供給されるため、局部的に発電停止になるような状況を防止することができる。

仕切２６の素材としては、導電性のないプラスチック素材がよい。特に、気密性を保つために、ウレタンやゴムなどの弾性素材を用いることが好ましい。また、吸水性素材を用いた場合には、筐体１４内部に結露した水分を一時的に吸水することもできるため、フラッディングによる発電停止を防止することにもつながる。尚、仕切２６の材質は、２つ以上の異なる素材を組み合わせることも可能である。

仕切２６は、燃料電池セル１１が形成する各列の間に、１本ないしは２本程度用いることもできる。２本以上の仕切を用いる際には、仕切２６の間に空間が形成され、仕切２６を通じる部分を設けることによって、空気流空間２９の余分な水分を排出させることも可能となる。その場合は、仕切２６の素材として、ＰＴＦＥやＰＶＡなどの多孔質体や、その他の繊維質素材を用いることで機能化できる。

燃料電池スタック部１８において、スタック排気開放部２５側（＋Ｙ方向側）で、且つ、ファン５１と離れた部位（±Ｘ方向側）の両隅部分には、酸化剤ガスは供給されにくい。本実施の形態に依れば、仕切２６を設けることによって、両隅のカソード３１に対しても、十分な酸化剤ガスを供給することが可能となる。第１の実施形態と比較して、燃料電池スタック部１８のカソード３１面に対して、更に均等に酸化剤ガスが供給される。

（第３の実施形態）
第３の実施形態について説明する。図８は、本実施の形態に係る燃料電池システム１の上面図およびそのＥＥ’における断面図である。本実施の形態に係る燃料電池システム１は、第２の実施の形態に対して、ガイド板２７が追加されている。ガイド板２７以外の構成は、第２の実施形態と同じであるので、説明は省略される。

第２の実施形態のように、仕切２６のみで十分な気流を形成させようとするには、整流空間におけるファン５１とスタック１５の距離を十分にあけ、両脇に位置する燃料電池セル１１にも、十分な気流を形成させる必要がある。そこで、本実施の形態ではガイド板２７が追加されている。

ガイド板２７は、整流空間２８内に４枚、設けられている。各ガイド板２７は、一端で吸気口５３に連結され、他端でスタック排気開放部２５に連結されている。ガイド板２７と吸気口５３との連結部分では、ガイド板２７の端部が吸気口５３の開口面内に配置されるようになっている。このようにして、吸気口５３の開口面は、４枚のガイド板２７の端部によって５つに分割されている。２枚のガイド板は、スタック排気開放部２５との連結部分において、±Ｘ方向側の最も外側の列と外側から２番目の列との間に設けられた仕切り２６の端部と連結している。また、他の２枚のガイド板２７は、スタック排気開放部２５との連結部分において、±Ｘ方向側の外側から２番目の列と外側から３番目の列との間に設けられた仕切り２６の端部に連結している。

整流空間２８は、ガイド板２７によって区切られた複数の空間を有している。複数の空間のうちで外側の空間２８Ａは、空気流空間２９が分割された複数の領域のうちの外側の領域２９Ａに対応して連通している。同様に、外側から２番目の空間２８Ｂは、外側から２番目の領域２９Ｂに、中央の空間２８Ｃは、中央部に位置する２つの領域２９Ｃに、夫々対応して連通している。

ガイド板２７の上下（±Ｚ方向側）は筐体１４と密着している。ただし、整流効果を出すためには必ずしも密閉する必要はなく、概密閉していればよい。

このように、整流空間２８をガイド板２７で複数の空間に区切ることによって、スタック排気開放部２５から排気された気体は、複数の空間のいずれかに導入される。各空間では、スタック排気開放部２５からファン吸気口５３への一方向の気流が発生しており、整流空間２８内での滞留が抑制される。

また、ガイド板２７としては、熱伝導性の高いものが好ましい。熱伝導性の高いものを用いることで、燃料電池スタック部１８から排気された気体の熱を分散させることができる。よって、燃料電池スタック部１８への畜熱が防止される。

整流空間には、燃料電池スタック部１８のカソード面を通過した高温、高湿度の排気が流れ込む。その排気をそのままファン５１が吸込むと、ファン内部で結露したり、ファンから排気された水分が機器の内部で結露することがある。

また、ガイド板２７としては、吸水性素材を用いる事がこのましい。整流空間２８で結露した水分を一時的に吸水することもできる。また、燃料電池システム１からの水漏れ防止にもつながる。

ガイド板２７の素材としては、金属そのものやその表面をビニルシートなどで被覆したものを用いることができ、導電性のないプラスチック素材なども用いることができる。このようなものとしては、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ等の熱伝導性の高い金属、Ｍｇ、Ｔｉなどの軽金属、ＳＵＳなどの耐腐食性の高い金属素材が挙げられる。但し、金属をそのまま露出させていると腐食しやすくなるため、金属の表面はＰＰ（ポリプロピレン）やビニル等のプラスチック素材で被覆させることが望ましい。

また、ガイド板２７に吸水性を付与する場合には、発泡ウレタン素材、ＰＶＡ系素材、布や紙などの繊維素材が挙げられる。

ガイド板２７の材質は、２つ以上の異なる素材を組み合わせることも可能であり、ガイド板自体を２枚以上の部材で形成することもよい。上述のように、金属素材と吸水性素材を組み合わせる場合には、両面テープや熱伝導性のある糊（高熱伝導性シリコングリース等）で接着する方法や、吸水性素材に切れ目を入れて金属素材を挟み込む方法などが挙げられる。

本実施の形態によれば、ファン５１の吸気力は、整流空間２８が分割された各空間に分配される。よって、空気流空間のうち、外側に位置する領域においても均等に気体が吸気される。すなわち、より均等に燃料電池セル１１に対して酸化剤ガスが供給される。

第２の実施形態では、空気流空間２９内でＹ方向側への気流を発生させるためには、ファン５１と燃料電池スタック１５の距離をある程度あけて気流の流れを整える必要がある。一方、本実施の形態に依れば、吸気口５３と燃料電池セル１１の各列とを気流的につなぐことで、燃料電池スタック部１８とファン５１との距離に関係なく、空気流空間２９内の気流を＋Ｙ方向へ限定することができる。よって、ファンユニット１６と燃料電池スタック１５との距離を近づけることができる。即ち整流空間２８の占有する面積を低減することが可能となる。

さらに、燃料電池セルの各列から吸気する量は、吸気口５３とガイド板２７の端部との連結位置を調整することで最適化することができる。このようにすることで、仕切り２６を設けない場合には気流が発生しにくい両端の列の燃料電池セルに対しても、中央部の列の燃料電池セルと同等の量の酸化剤ガスを供給することができる。

（第４の実施形態）
第４の実施形態について説明する。図９は、本実施の形態に係る燃料電池システム１の上面図およびそのＤＤ’面における断面図である。図中、矢印は気流の方向を示している。
本実施の形態に係る燃料電池システム１は、第３の実施の形態に対して、吸気口５３の位置が変更されている。また、ファンユニット１６のレイアウトが変更されている。また、ガイド板２７と吸気口５３との連結位置が変更されている。その他は第３の実施形態と同じ構成であり、説明は省略される。

図１０は、ファン筐体５１１をファンカバー５２で覆った状態を示す図である。（Ａ）は上面図、（Ｂ）は側面図、（Ｃ）は排気方向側から見た斜視図、（Ｄ）は吸気方向側から見た斜視図である。図中、矢印の方向は気流の流れる方向を示している。また、ファン筐体５１１は実際には見えないが、透視させて示している。

吸気口５３は、ファンカバー５２の−Ｙ方向側側面の端部と、±Ｘ方向側側面の−Ｙ方向側に設けられた開口である。即ち、−Ｙ方向側の±Ｘ方向側にあたる角部が切り欠いた形状となっている。−Ｙ方向側の面の中央部は遮蔽板５７によって閉じられている。

図９を参照する。ファンユニット１６は、燃料電池スタック部１８の排気開放部２５に接触するように配置されている。ガイド板２７は、一端で、ファンカバー５２の±Ｘ方向側の側面の吸気口５３に連結している。また、ガイド板２７は、多端で、仕切り２６に連結している。

排気口５４に対して平行なファン吸気口５３の中央部は遮蔽板５７によって、閉じられているので、複数の燃料電池セル１１のうちで中央部の列２９Ｃから排気される気流の量が制限される。遮蔽板５７を設けていない場合は、中央部の列２９Ｃからは両端部の列２９Ａと比較して気流の量が多くなる傾向にあるが、遮蔽板５７により中央部の列２９Ｃからの気流を制限させることで、各列の気流の量を均等にすることができる。

本実施の形態に依れば、第３の実施形態における作用に加え、吸気口５３と排気口５４とを非平行な部分にも設けることにより、ファン５１と燃料電池スタック１５との距離を実質上なくすことができる。よって、より省スペース化となる。

（第５の実施形態）
第５の実施形態について説明する。図１１は、本実施の形態に係る燃料電池システム１の上面図およびそのＦＦ’面における断面図である。図中、矢印は気流の方向を示している。第１の実施形態と同じ構成については、説明が省略される。

燃料電池スタック部１８は、−Ｙ方向側に凹となる凹部を有するように配置されている。即ち、複数の燃料電池セル１１がＬ字状に並んだ一の燃料電池スタック１５と、逆Ｌ字状に並んだ別の燃料電池スタック１５が向かい合うことで、凹部が形成されている。

筐体１４は、第１の実施形態と同様に、燃料電池スタック部１８の上に空気流空間２９を設けて配置されている。

空気流空間２９は、燃料電池スタック部１８の±Ｘ方向側の外側端部および−Ｙ方向側端部で開放され、スタック吸気口２４を形成している。また、凹部に面する端部でも開放され、スタック排気口２５を形成している。一方、凹部の外側のＹ方向側端部では閉じられている。

仕切り２６は複数枚設けられている。２枚の仕切り２６は、それぞれが一端で凹部の内側角部に連結し、他端で燃料電池スタック部１８の−Ｙ方向側端部に連結するように設けられている。また、他の２枚の仕切り２６は、燃料電池スタック１５同士が面している部分を分割するように設けられている。

ファンユニット１６は、その凹部に内蔵されるように配置されている。図１２は、ファンユニットの形状を示す図である。（Ａ）は上面図、（Ｂ）は側面図、（Ｃ）は排気方向側から見た斜視図、（Ｄ）は吸気方向側から見た斜視図である。図中、矢印の方向は気流の流れる方向を示している。また、ファン筐体５１１は実際には見えないが、透視させて示している。

ファンユニット１６において、ファンカバー５２に設けられた吸気口５３の位置が工夫されている。ファンカバー５２の±Ｘ方向側側面は開放されており、吸気口５３１となっている。また、ファンカバー５２の−Ｙ方向側側面の両端も開放されており、吸気口５３１となっている。

再び図１１を参照する。一対の整流板１７は、夫々、一端で燃料電池スタック部１８の凹部のＹ方向側角部に接続し、他端でファンカバー５２のＹ方向側角部に接続している。

ガイド板２７は４枚設けられている。２枚のガイド板２７は、夫々、一端でファンカバー５２の−Ｙ方向側角部に接続され、他端で燃料電池スタック部１８の凹部−Ｙ方向側角部に接続されている。また、他の２枚のガイド板２７は、各々が、一端でファンカバー５２の−Ｙ方向側の側面中央部に接続され、他端で２つの燃料電池スタック１５が面する部分に設けられた２枚の仕切り２６の端部に夫々接続されている。このようにして、いずれのガイド板２７も一端で仕切り２６に接続されている。

本実施の形態に依れば、第１の実施形態における効果に加え、次の効果を奏する。このようなファン内蔵型とする場合、同一面積となる燃料電池スタック１５の外形を保つ限り、搭載できる燃料電池セル１１の数を少なくする必要が生じるものの、ファンユニット１６が外部に飛び出した構造ではなくなり、かつ整流空間２８をも燃料電池スタック部１８内部に閉じ込めることができるので、全体的に構造を簡略化することができる。

また、整流空間２８を通過することによるファン５１の風量ロスや空気流空間２９自体を短縮することもできる。消費電力がより小さくても、発電に十分な気流を形成することができる。その場合、燃料電池セル１１と同程度の大きさのファン５１を設置すれば、燃料電池セル１１密度を向上させることも可能である。

以上説明したように、本発明の燃料電池システム１のように、上面および側面を筐体１４によって閉ざされ、スタック吸気開放部２４からスタック排気開放部２５へ向かう気流を、低消費電力の薄型径流ファンなどのファン５１などを用いてカソード３１に供給する構造において、ファン５１をファンカバー５２で囲い、ファンカバー５２に平行もしくは非平行に吸気口５３と排気口５４を設け、吸気口５３を、仕切２６によって仕切った空気流空間２８と整流板２７を介して連結することで、燃料電池スタック１５を構成する全ての燃料電池セル１１に、発電に十分な空気を供給することが可能となる。

また、ファンカバー５２の開口部分の位置を工夫することによって、ファン５１と燃料電池スタック１５の間に設ける必要がある整流空間２８を最小化することができる。さらには、仕切２６やガイド板２７を組み合わせることによって、燃料電池スタック部１８にファンを内蔵することも可能となる。

本発明によって、ＰＣなどの携帯機器に搭載可能な高出力の薄型燃料電池システムを実現することができ、燃料電池スタック１５の形状も従来のものとは異なる様式に変容することも可能となる。

尚、既述の第１〜５の実施形態においては、ファン５１が燃料電池スタック部１８から吸気を行うように配置されているが、ファン５１を、吸気方向および排気方向の位置を反対にして配置することで、ファン５１が燃料電池スタック部１８側に対して気体を送り出すようにしてもよい。このように、ファン５１から燃料電池スタック部１８側へ気流を吐出させるように配置したとしても、第１〜５の実施形態と同様の作用・効果が得られることは自明的であろう。

以下、実施例を示すことにより、本発明の燃料電池システムを具体的に説明する。

（実施例１）
実施例１で用いた燃料電池セルの構造について以下に説明する。先ず、炭素粒子（ライオン社製のケッチェンブラックＥＣ６００ＪＤ）に粒子径が３〜５ｎｍの範囲内にある白金微粒子を重量比で５０％担持させた触媒担持炭素微粒子を用意し、この触媒担持炭素微粒子１ｇにデュポン社製の５重量％ナフィオン溶液（商品名；ＤＥ５２１、「ナフィオン」はデュポン社の登録商標）を加え、攪拌して、カソード形成用の触媒ペーストを得た。この触媒ペーストを基材としてのカーボンペーパー（東レ社製のＴＧＰ−Ｈ−１２０）上に１〜８ｍｇ／ｃｍ^２の塗工量で塗布し、乾燥させて、４ｃｍ×４ｃｍのカソード３１を作製した。一方、白金微粒子に代えて粒子径が３〜５ｎｍの範囲内にある白金（Ｐｔ）−ルテニウム（Ｒｕ）合金微粒子（Ｒｕの割合は５０ａｔ％）を用いた以外は上記カソード形成用の触媒ペーストを得る条件と同じにしてアノード形成用の触媒ペーストを得た。この触媒ペーストを用いた以外は上記カソードの作製条件と同じ条件で、アノード３２を作製した。

次に、デュポン社製のナフィオン１１７（数平均分子量は２５００００）からなる８ｃｍ×８ｃｍ×厚さ１８０μｍの膜を固体高分子電解質膜３３として用い、この膜の厚さ方向の片面に上記カソード３１をカーボンペーパーが外側となる向きで配置し、他の面に上記アノード３２をカーボンペーパーが外側となる向きで配置して、各カーボンペーパーの外側からホットプレスした。これによりカソード３１およびアノード３２が固体高分子電解質膜３３に接合して、ＭＥＡ（電極−電解質膜接合体）１３が得られた。

次に、カソード３１とアノード３２の上に、ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６）からなる外寸法６×６ｃｍ^２、厚さ１ｍｍ、幅１１ｍｍの矩形枠状の枠板からなる集電体４１，４２を配置した。なお、固体高分子電解質膜３３とアノード集電体４２との間に、シリコンゴム製の外寸法６×６ｃｍ^２、厚さ０．３ｍｍ、幅１０ｍｍの矩形枠状の枠板からなるシール部材４３を配置した。また、固体高分子電解質３３とカソード集電体４１との間、その他のシール部材としても、シリコンゴム製の外寸法６×６ｃｍ^２、厚さ０．３ｍｍ、幅１０ｍｍの矩形枠状の枠板からなるシール部材４３を配置した。集電体の外にはみ出した固体高分子電解質膜３３は切断した。

燃料電池システム１を構成するフレーム１０としては、外寸１９ｃｍ×１９ｃｍ×厚さ１ｃｍのＰＰ（ポリプロピレン）製のものを用い、そのフレーム１０内部には、燃料電池セル１１を３列×３行でならべられるように、９個の燃料タンク部１２を形成させた（図１）。燃料は、スタック燃料インレット２１から供給し、燃料経路２３で連結させた燃料電池セル１１間を図１に示したように流し、スタック燃料アウトレット２２から排出させるような流路構造とした。燃料タンク部１２は、内寸法４×４ｃｍ、深さ５ｍｍの容器であり、その内部には、燃料保持材として、ウレタン素材からなるウィッキング材６０が入っている。

ＭＥＡ１３、カソード集電体４１、アノード集電体４２、シール部材４３を所定数のネジによりネジ止めして一体化し、実施例１に係る燃料電池セル１１を得た。

こうして作製した燃料電池セル１１を９個準備し、図１に示す燃料流路構造をもつフレーム１０に並べて固定し、燃料電池スタック１５を作製した。電気的には、隣接する燃料電池セル１１の集電体を介して直列接続した。図１において、左下に位置する燃料電池セルからマイナスの端子、右下に位置する燃料電池セルからプラスの端子を取り出した。さらに、この燃料電池スタック１５を２つ用意し、図５のように並べて置き、一方のプラス端子を他方のマイナス端子と接続させ、１８個の燃料電池セル１１を直列接続させた。

上記のように形成させた２つの燃料電池スタック１５を、厚さ２ｃｍ×奥行き３０ｃｍ×幅４０ｃｍのアクリル板に載せ、燃料電池スタック１５の上面には、両端に３ｍｍの凸部をもち、厚さ１ｃｍ×奥行き１９ｃｍ×幅３８ｃｍのアクリル製部材に載せ、図５の断面に示したような空気流空間２９を形成させた。スタック吸気開放部２４およびスタック排気開放部２５には、配線などの障害物が空気流空間２９を妨げることがないように開放させた。スタック排気開放部２５の背面には、図５に示したような奥行きが最大５ｃｍとなるような整流空間２８ができるように、アクリル素材を加工した高さ１．５ｃｍの一対の整流板１７を設置し、燃料電池スタック１５の底に敷いた部材と接合させた。整流空間２８の背面を形成する整流壁１７の一部を切断し、高さ１．３ｃｍ×奥行き５．５ｃｍ×幅５．２ｃｍの内寸法であり、吸気口５３および排気口５４を平行に設けたファンカバー５２で囲ったファン５１を、図５のように設置させた。ファンカバー５１はアクリル樹脂で作製した。ファン５１としては、消費電力１Ｗの小型モーターファンを用いた。ファン５１と、燃料電池スタック１５との距離は、最短で５ｃｍになるように設置した。

（実施例２）
実施例２で用いた燃料電池セルの構造について以下に説明する。ＭＥＡの作製方法および構造は実施例１と同様である。また、燃料流路構造に関しても、実施例１と同一の構造である（図１）。さらに、ファン５１およびファンカバー５２に関しても実施例１と同様である。その他の条件も、後述で触れない限り同様である。

実施例２に関しては、幅３ｍｍ×長さ１９ｃｍに切断した厚さ３ｍｍの吸水性のないウレタン素材を、８本作製し、その両面に防水性両面テープを貼り、図７に示したように筐体１４と燃料電池スタック１５との間に貼り付け、仕切２６とした。

（実施例３）
実施例３で用いた燃料電池セルの構造について以下に説明する。ＭＥＡの作製方法および構造は実施例１と同様である。また、燃料流路構造に関しても、実施例１と同一の構造である（図１）。さらに、ファン５１およびファンカバー５２に関しても実施例１と同様である。仕切２６の構成は実施例２と同じである。その他の条件も、後述で触れない限り同様である。

実施例３に関しては、ファン５１と燃料電池スタック１５の距離を２ｃｍに縮め、厚さ０．５ｍｍ、高さ１．３ｃｍの吸水性のないウレタン素材をガイド板２７として用いた。ガイド板の末端の一方は、図８に示したように、仕切２６と連結させ、他方は吸気口５３につなげた。吸気口５３に関しては、ガイド板２７の末端部によって５つに割り当てられるが、その５つの割り当ては、左から順に、０．７５ｃｍ、０．５ｃｍ、１．０ｃｍ、０．５ｃｍ、０．７５ｃｍとした。

（実施例４）
実施例４で用いた燃料電池セルの構造について以下に説明する。ＭＥＡの作製方法および構造は実施例１と同様である。また、燃料流路構造に関しても、実施例１と同一の構造である（図１）。仕切２６の構成は実施例２と同じである。その他の条件も、後述で触れない限り同様である。

実施例４に関しては、ファンカバー５２の開放部分をファンカバー５２の側面部にも設け、吸気口５３の一部は塞いだ。具体的には、図１０に示したように、奥行き２ｃｍのファン側面開放部５３１を設け、吸気口５３の中央２ｃｍの部分を塞いだ。ガイド板２７は、図９に示したように、ファン側面開放部５３１に連結させた。ファン側面開放部５３１に関しては、ガイド板２７の末端部によって、両端の列には１ｃｍ、端から２列目には０．７５ｃｍ、中央列には０．２５ｃｍの開放部分が、各列に分割されて割り当てられる。ただし、中央列に関しては、吸気口５３の開放部分１．５ｃｍずつ割り当てた。

（比較例１）
比較例１で用いた燃料電池セルの構造について以下に説明する。ＭＥＡの作製方法および構造は実施例１と同様である。また、燃料流路構造に関しても、実施例１と同一の構造である（図１）。その他の条件も、後述で触れない限り同様である。比較例１では、ファン５１にファンカバー５２を設けなかった。その他の構造は実施例１と同様である。

（実験結果）
実施例１〜４および比較例１について、以下のような発電試験を行った。１０ｖｏｌ％メタノール水溶液１０００ｍＬを１０ｍＬ／ｍｉｎの流速で各燃料電池スタック１５に循環供給させ、環境温度２５℃、湿度５０％の大気環境にて、１００ｍＡ／ｃｍ^２の電流密度に相当する電流値で３時間発電試験を行った。３時間経過しなくても、全体の電圧が５Ｖ以下になったら発電を停止させた。

図１３は発電結果を示している。比較例１では、１時間後の電圧は５．１Ｖであった。比較例１では、均一性のよい空気供給ができないため、燃料電池セル間の特性に不均一が発生し、初期から電圧が低く、１時間を越えてしばらくしてから５Ｖ以下となったため、発電を停止させた。空気流自体には、カソード３１およびＭＥＡ１３を冷却する効果もあるが、比較例１では、空気流が十分に届かないＭＥＡ１３で温度が上昇したため、初期の電圧は見かけ上高くなったが、長時間発電させることによって電圧は低下した。

実施例１では、空気流空間２９を流れる空気流に方向性が持たされるため、２時間後の電圧が５．３Ｖと、比較例１よりかは安定した発電ができたが、２時間を越えたところで５Ｖ以下となったため、発電を停止させた。やはり、空気が十分に供給されない部分で、ＭＥＡ１３温度が高くなったために、電圧は高めであったが、カソード３１で生成した水が空気流に乗って放出される効果が小さいため、フラッディングによって電圧が低下していった。

実施例２では、２時間後の電圧が５．１Ｖであった。即ち、比較例１と比較して長時間電圧を維持することができた。但し、両端の列で空気供給が相対的に少なくなり、温度上昇にいたったため、０．５時間では電圧が高かったものの、やがてその両端の列でフラッディングが起こり、むしろ実施例１よりも早い段階で電圧低下にいたった。

実施例３では、３時間後の電圧が６．３Ｖであった。即ち、比較例１、実施例１、２と比較して安定した発電が継続できた。ガイド板２７があるため、両端の列でも空気供給が十分であり、フラッディングも起こらなかった。

実施例４では、３時間後の電圧が６．２Ｖであった。即ち、実施例３とほぼ同様の結果であり、比較例１、実施例１、２と比較して安定した発電が継続できた。即ち、ファン５１と燃料電池スタック１５との距離を最小化できたにもかかわらず、安定した発電が継続できた。

このように、実施例１〜４、特に実施例３および４に示した本発明の方法を用いると、複数列からなる平面スタック型燃料電池の、各燃料電池セル１１に対し、発電に十分な空気供給が行われ、長時間安定した発電が可能となる。とりわけ、実施例４のように整流空間２８を最小化することもできるため、ＰＣなどの比較的高出力を必要とする携帯機器への燃料電池搭載で有利となる。

燃料電池スタックの概略図である。 図１のＡ−Ａ’における燃料電池スタックの断面図である。 ファンで送風するタイプの燃料電池システムの概略図であり、図中下はＢ−Ｂ’における断面図である。 ファン５１の、（Ａ）上面図および（Ｂ）側面図、および（Ｃ）斜め後方、Ｄ）斜め前方からみた斜視図である。 第１の実施形態に係る燃料電池システムの概略図である。 第１の実施形態におけるファンユニットの（Ａ）上面図および（Ｂ）側面図、および（Ｃ）斜め後方、（Ｄ）斜め前方からみた斜視図である。 第２の実施形態に係る燃料電池システムの概略図である。 第３の実施形態に係る燃料電池システムの概略図である。 第４の実施形態に係る燃料電池システムの概略図である。 第４の実施形態におけるファンユニットの（Ａ）上面図および（Ｂ）側面図、および（Ｃ）斜め後方、（Ｄ）斜め前方からみた斜視図である。 第５の実施形態に係る燃料電池システムの概略図である。 第５の実施形態におけるファンユニットの（Ａ）上面図および（Ｂ）側面図、および（Ｃ）斜め後方、（Ｄ）斜め前方からみた斜視図である。 実施例１〜４および比較例１の実験結果である。

符号の説明

１ 燃料電池システム
１０ フレーム
１１ 燃料電池セル
１２ 燃料タンク部
１３ ＭＥＡ
１４ 筐体
１５ 燃料電池スタック
１６ ファンユニット
１７ 整流板
１８ 燃料電池スタック部
２１ スタック燃料インレット
２２ スタック燃料アウトレット
２３ 燃料経路
２４ スタック吸気開放部
２５ スタック排気開放部
２６ 仕切り
２７ ガイド板
２８ 整流空間
２９ 空気流空間
３１ カソード
３２ アノード
３３ 電解質膜
４１ カソード集電体
４２ アノード集電体
４３ シール部材
４５ ネジ穴
５１ ファン
５１１ ファン筐体
５２ ファンカバー
５３ 吸気口
５３１ ファンカバー側面開放部
５４ 排気口
５５ ファン吸気口
５６ ファン排気口
５７ 遮蔽板
６０ ウィッキング材

Claims (11)

1. アノードとカソードによって電解質膜を挟持した構造を有する複数の燃料電池セルが、同一平面上に複数の列を成して配置された燃料電池スタック部と、
   前記燃料電池スタック部の前記カソード上面を、空気流空間を介して被覆する筐体と、
   前記燃料電池スタック部の側方に配置されたファンユニットと、
   を具備し、
   前記複数の燃料電池セルのそれぞれは、前記カソードが前記燃料電池スタック部の上面となるように、配置されており、
   前記筐体は、前記空気流空間の一端が気体を導入するために開放された吸気開放部を形成し、前記空気流空間の他端が気体を排出するために開放された排気開放部を形成するように、配置され、
   前記ファンユニットは、
   ファンと、
   前記ファンを覆うファンカバーとを有し、
   前記ファンカバーには、気流を吸い込む吸気口と、気流を排出する排気口とが設けられており、
   前記空気流空間には、前記複数の列を区切るように配置された仕切りが設けられ、
   前記吸気口は、前記空気流空間を前記吸気開放部から前記排気開放部に向かって流れる気流が前記複数の列の全てにおいて形成されるように、前記排気開放部に接続されている
   燃料電池システム。
2. 請求項１に記載された燃料電池システムであって、
   前記仕切りは、一端で前記吸気開放部の開放面を分割するように前記吸気開放部に接続され、他端で前記排気開放部の開放面を分割するように前記排気開放部に接続されている
   燃料電池システム。
3. 請求項２に記載された燃料電池システムであって、
   更に、
   前記排気開放部と前記吸気口との間の空間を囲んで整流空間を形成するように配置された一対の整流板と、
   前記一対の整流板によって囲まれた整流空間内に配置された少なくとも一のガイド板と、
   を具備し、
   前記ガイド板は、前記整流空間を複数の空間に分割するように設けられ、
   前記ガイド板は、一端で前記吸気口の開口面を分割するように前記吸気口に接続され、他端で前記排気開放部の開放面を分割するように前記排気開放部に接続されている
   燃料電池システム。
4. 請求項３に記載された燃料電池システムであって、
   前記ガイド板は、一端で、前記仕切りの端部に接続されている
   燃料電池システム。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載された燃料電池システムであって、
   前記燃料電池スタック部は、複数の燃料電池セルが格子状に配置され、
   前記燃料電池スタック部は、前記複数の燃料電池セルが全体として矩形状となるように配置されている
   燃料電池システム。
6. 請求項５に記載された燃料電池システムであって、
   前記吸気口の平面方向の幅は、前記排気開放部の幅よりも小さい
   燃料電池システム。
7. 請求項６に記載された燃料電池システムであって、
   前記ファンカバーは、前記燃料電池スタック部に面する吸気面と、前記吸気面に直交し且つ前記燃料電池スタック部平面とも直交する直交面と、を有し、
   前記吸気口は、前記吸気面の少なくとも一部と、前記直交面の少なくとも一部と、に設けられている
   燃料電池システム。
8. 請求項７に記載された燃料電池システムであって、
   前記ファンカバーは、前記排気開放部に接触するように配置されている燃料電池システム。
9. 請求項１乃至５のいずれかに記載された燃料電池システムであって、
   前記燃料電池スタック部において、前記複数の燃料電池セルは上方から見た場合に凹部を形成するように配置され、
   前記ファンユニットは、前記凹部内に配置されている
   燃料電池システム。
10. 請求項２に記載された燃料電池システムであって、
    前記仕切りは、吸水性を有する吸水性素材より形成されている
    燃料電池システム。
11. 請求項３に記載された燃料電池システムであって、
    前記ガイド板は、吸水性を有する吸水性素材より形成されている
    燃料電池システム。

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