JP5159138B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、カソードの表面に生成された水を除去する機構を備えた燃料電池に関する。

自然対流式可搬型燃料電池は、燃料極であるアノードと、酸化剤極であるカソードと、これらの間に設けられた固体高分子膜を備え、アノードには燃料としての水素が、カソードには酸化剤としての酸素が供給され、固体高分子膜を介して水素と酸素が電気化学反応をして、発電する構成となっている。

このような燃料電池のカソードでは水素と酸素が反応し、カソードの表面には水が生成される。

生成された水がカソードの表面に滞留すると、カソードが酸素を取り込みにくくなり、燃料電池の発電効率が低下する。

そこで、燃料電池に吸水シートを設け、この吸水シートの一端をカソードの端部に配置し、カソードで生成された水を吸水シートの一端から毛細管現象を利用して吸水させ、吸水シートの他端から外部へ排出させる燃料電池が提案されている。（特許文献１）
特開２００４−１６５００２号公報

しかしながら、この燃料電池によると、カソードの端部から水を吸収するだけで、カソードの表面全体に生成された水を十分に除去することができなく、燃料電池の出力が低下するおそれがある。

本発明は、上記事実を考慮して、カソードの表面に生成された水を除去することが課題である。

本発明の請求項１に係る燃料電池は、燃料極であるアノードと、酸化剤極であるカソードと、前記アノードおよび前記カソードの間に配置された固体高分子膜と、を備える燃料電池セルと、前記カソードの表面に生成された水を集める集水部と、水を吸水する吸水部材と、前記吸水部材を前記集水部に沿って移動させる移動手段と、前記移動手段による前記吸水部材の移動範囲で、かつ、前記カソードの表面に対して外側の位置に配置され、前記吸水部材が吸水した水をスクイズするスクイズ手段と、を備えることを特徴とする。

上記構成によれば、アノードには燃料としての水素が供給され、カソードには酸化剤としての酸素が供給され、固体高分子膜を介して電気化学反応を起こさせることで燃料電池セルが発電する。

ここで、燃料と酸素の電気化学反応によってカソードの表面には水が生成される。

しかし、集水部がカソードの表面に生成された水を集め、さらに、移動手段が吸水部材を集水部に沿って移動させるため、カソードの表面に生成された水を吸水して除去することができる。

本発明の請求項２に係る燃料電池は、請求項１記載において、前記カソードの表面には、撥水性を有する撥水部と、前記集水部として親水性を有する親水部と、が設けられることを特徴とする。

上記構成によれば、カソードの表面に設けられた撥水部が、カソードの表面に生成された水をはじき、撥水部によってはじかれた水は、集水部としての親水性を有する親水部に集まる。

そして、移動手段が吸水部材を親水部に沿って移動させるため、カソードの表面に生成されて親水部に集められた水を吸水して除去することができる。

本発明の請求項３に係る燃料電池は、請求項１記載において、前記カソードには前記集水部へ向って傾斜する斜面が形成されることを特徴とする。

上記構成によれば、カソードには集水部へ向って傾斜する斜面が形成されているため、カソードの表面に生成された水は重力により集水部に集められる。

本発明の請求項４に係る燃料電池は、請求項１記載において、前記集水部は、前記カソードに当接して前記カソードで生成された水を吸い取る吸取部材で構成されることを特徴とする。

上記構成によれば、集水部を構成する吸取部材は、カソードと当接してカソードで生成された水を毛細管現象を利用して吸い取る。

そして、移動手段が吸水部材を吸取部材に沿って移動させるため、カソードの表面に生成されて吸取部材に吸い取られた水を除去することができる。

本発明の請求項５に係る燃料電池は、請求項４記載において、前記カソードには前記吸取部材へ向って傾斜する斜面が形成されていることを特徴とする。

上記構成によれば、カソードには吸取部材へ向って傾斜する斜面が形成されているため、カソードの表面に生成された水は重力と毛細管現象を利用して吸取部材によって吸い取られる。

本発明の請求項６に係る燃料電池は、請求項１から５何れか１項記載において、前記移動手段は、前記吸水部材を前記集水部に沿ってガイドするガイド手段と、前記ガイド手段に沿って前記吸水部材を手動で移動させる手動操作部材と、を備えること特徴とする。

上記構成によれば、ガイド手段によってガイドされる吸水部材を手動操作部材によって集水部に沿って手動で移動させる。このため、適宜、カソードの表面に生成されて集水部に集められた水を除去することができる。

本発明の請求項７に係る燃料電池は、請求項１から５何れか１項記載において、前記アノードへ燃料を供給する燃料カートリッジと、前記燃料カートリッジを収納する収納部と、を備え、前記移動手段は、前記収納部に移動可能に配置され、前記吸水部材と連結されたスライド部材と、前記収納部への前記燃料カートリッジの脱着動作を前記スライド部材の移動動作に変える動作変換手段と、を備えることを特徴とする。

上記構成によれば、アノードへ水素を供給する燃料カートリッジが設けられており、この燃料カートリッジは、収納部に収納される。

また、吸水部材と連結されるスライド部材が、収納部に移動可能に配置されており、さらに、動作変換手段が、収納部への燃料カートリッジの脱着動作をスライド部材の移動動作に変える。

つまり、収納部へ燃料カートリッジを脱着させると、動作変換手段が、脱着動作をスライド部材の移動動作に変え、スライド部材が移動することで、スライド部材に連結される吸収部材は、集水部に沿って移動する。

このように、燃料カートリッジを脱着させることで、カソードの表面に生成されて集水部に集められた水を除去することができる。

本発明の請求項８に係る燃料電池は、請求項１から５何れか１項記載において、前記吸水部材は、吸水ブロックであって、前記移動手段は、前記吸水ブロックを前記集水部に沿ってスライドさせることを特徴とする。

上記構成によれば、移動手段が、吸水ブロックを集水部に沿ってスライドさせることで、カソードの表面に生成された水を吸水して除去することができる。

本発明の請求項９に係る燃料電池は、請求項８記載において、所定発電時間毎に前記移動手段を可動させるタイミング制御部を備えることを特徴とする。

上記構成によれば、タイミング制御部が、所定発電時間毎に移動手段を可動させ、定期的に集水部の水を除去することができる。

本発明の請求項１０に係る燃料電池は、請求項８記載において、所定発電量毎に前記移動手段を可動させるタイミング制御部を備えることを特徴とする。

上記構成によれば、タイミング制御部が、所定発電量毎に移動手段を可動させ、発電量に応じてカソードの表面に生成された水を効率よく除去することができる。

本発明の請求項１１に係る燃料電池は、請求項８記載において、前記燃料電池セルの電圧が所定電圧以下になったとき、前記移動手段を可動させるタイミング制御部を備えることを特徴とする。

上記構成によれば、タイミング制御部が、燃料電池セルの電圧が所定電圧以下になったとき、移動手段を可動させるため、可動頻度を少なくすることができる。

本発明の請求項１２に係る燃料電池は、請求項８記載において、前記燃料電池セルの電圧変動が所定割合を超えたとき、前記移動手段を可動させるタイミング制御部を備えることを特徴とする。

上記構成によれば、タイミング制御部が、燃料電池セルの電圧変動が所定割合を超えたとき、移動手段を可動させるため、可動頻度を少なくすることができる。

本発明の請求項１３に係る燃料電池は、請求項８記載において、所定の電流−電圧特性を満たさなくなったとき、前記移動手段を可動させるタイミング制御部を備えることを特徴とする。

上記構成によれば、タイミング制御部が、所定の電流−電圧特性を満たさなくなったとき、移動手段を可動させるため、可動頻度を少なくすることができる。

本発明の請求項１４に係る燃料電池は、請求項１から１３何れか１項記載において、前記スクイズ手段でスクイズされた水を回収する回収手段が設けられていることを特徴とする。

上記構成によれば、回収手段がスクイズ手段によってスクイズされた水を回収する。

このため、吸水部材は常に集水部の水を十分に除去することができる。

本発明によれば、カソードの表面に生成された水を除去することができる。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池が採用された携帯電話にについて、図１〜図４に従って説明する。

図４に示されるように、携帯電話３０は、電源スイッチなどの各種操作キー及びマイク３１を備えた板状の操作部材３２と、操作部材３２からの情報に基づきその情報等を表示する表示画面３４Ａ及びスピーカー３３を備えた表示部材３４と、表示部材３４を操作部材３２に開閉可能に保持するヒンジ部材３６とを備えている。

また、操作部材３２のヒンジ部材３６と対向する側には、携帯電話３０へ電力を供給する燃料電池１０が取り付けられている。さらに、この燃料電池１０を保護するため、燃料電池１０を外から覆うように、薄板状の保護部材２４が設けられ、さらに、保護部材２４には、燃料電池１０へ酸化剤としての空気（酸素）を供給する矩形状の開口部２６が設けられている。

次に、燃料電池１０に備えられる燃料電池セル１２の構成について説明する。

図３に示されるように、燃料電池セル１２は、単数または複数の膜−電極接合体（ＭＥＡ：ｍｅｍｂｒａｎｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ）１４を有する。

膜−電極接合体１４は、燃料極としてのアノード１６と、酸化剤極としてのカソード１８と、アノード１６とカソード１８の間に配置された固体高分子膜２０を備えている。

この固体高分子膜２０は、アノード１６とカソード１８を隔てるとともに、両者の間で水素イオンを移動させる役割を有している。このため、固体高分子膜２０は、水素イオンの伝導性が高い膜であることが好ましい。さらに、固体高分子膜２０は、化学的に安定であって機械的強度が高いことが好ましい。固体高分子膜２０を構成する材料としては、スルフォン基、リン酸基等の強酸基や、カルボキシル基等の弱酸基等の極性基を有する有機高分子が好ましく用いられる。こうした有機高分子として、スルフォン化ポリ（４−フェノキシベンゾイル−１，４−フェニレン）、アルキルスルフォン化ポリベンゾイミダゾール等の芳香族縮合系高分子；スルフォン基含有パーフルオロカーボン（ナフィオン（デュポン社製）（登録商標）、アシプレックス（旭化成社製））；カルボキシル基含有パーフルオロカーボン（フレミオンＳ膜（旭硝子社製）（登録商標））；等が例示される。

さらに、アノード１６およびカソード１８は、それぞれ、触媒を担持した炭素粒子と固体電解質の微粒子とを含むアノード側触媒層１６Ａ及びカソード側触媒層１８Ａをそれぞれアノード基体１６Ｂおよびカソード基体１８Ｂ上に形成した構成とすることができる。

アノード側触媒層１６Ａの触媒としては、白金、金、銀、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、コバルト、ニッケル、レニウム、リチウム、ランタン、ストロンチウム、イットリウム、またはこれらの合金等が例示される。

また、カソード１８に用いるカソード側触媒層１８Ａの触媒としては、アノード側触媒層１６Ａと同様のものを用いることができ、上記例示物質を使用することができる。なお、アノード側触媒層１６Ａおよびカソード側触媒層１８Ａの触媒は同じものを用いても異なるものを用いてもどちらでもよい。

さらに、触媒を担持する炭素粒子としては、アセチレンブラック（デンカブラック（電気化学社製）（登録商標）、ｖｕｌｃａｎＸＣ７２（キャボット社製）等）、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が例示される。

また、アノード側触媒層１６Ａおよびカソード側触媒層１８Ａにおける固体電解質の微粒子は、同一のものであっても異なるものであってもよい。ここで、固体電解質の微粒子は、固体高分子膜２０と同じ材料を用いることができるが、固体高分子膜２０とは異なる材料や、複数の材料を用いることもできる。

さらに、アノード基体１６Ｂおよびカソード基体１８Ｂとしては、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、発泡金属等の多孔性基体を用いることができる。

また、燃料としてメタノールやエタノールを使用する場合、アノード１６でこのメタノールやエタノールから水素イオンができるときに二酸化炭素の気泡が副生成物として発生する。アノード基体１６Ｂにおけるこの二酸化炭素の気泡の滞留は発電効率の低下の原因となる。この気泡滞留の原因は、気泡を覆う水分がアノード基体１６Ｂに付着して留まっているためである。

そこで、アノード基体１６Ｂの表面に、親水性コート材あるいは疎水性コート材による表面処理を行うことが好ましい。親水性コート材により表面処理することで、アノード基体１６Ｂの表面における燃料の流動性が高められる。これにより二酸化炭素の気泡は燃料とともに移動しやすくなる。

また、疎水性コート材により処理することにより、アノード基体１６Ｂの表面に、気泡の形成の原因となる水分の付着を軽減できる。したがって、アノード基体１６Ｂの表面上における気泡の形成を軽減できる。親水性コート材としては、例えば酸化チタン、酸化ケイ素などが挙げられる。一方、疎水性コート材としては、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、シランなどが例示される。

このように構成された燃料電池セル１２において、アノード１６には燃料電池セル１２に隣接して配置された燃料カートリッジ２２（図１参照）から燃料が、カソード１８には開口部２６を通って空気が供給されて電気化学反応により、燃料電池セル１２が発電する。

また、燃料としては、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、または他のアルコール類、シクロパラフィン等の液体炭化水素等、ホルマリン、ギ酸、あるいはヒドラジン等の液体燃料を用いることができる。液体燃料は、水溶液とすることができる。また、燃料にはアルカリを加えることもできる。これにより、水素イオンのイオン伝導性を高めることができる。

酸化剤としては、通常、空気を用いることができるが、酸素ガスを供給してもよい。

燃料として水素を用いた場合、アノード１６での反応は以下の式（１）のようになる。
３Ｈ２ → ６Ｈ＋ ＋ ６ｅ− （１）
一方、燃料としてメタノールを用いた場合、アノード１６での反応は以下の式（２）のようになる。
ＣＨ３ＯＨ ＋ Ｈ２Ｏ → ６Ｈ＋ ＋ ＣＯ２ ＋ ６ｅ− （２）
いずれの場合も、固体高分子膜２０を介して、水素イオンが移動してカソード１８での反応は以下の式（３）のようになる。

３／２Ｏ２ ＋ ６Ｈ＋ ＋ ６ｅ− → ３Ｈ２Ｏ （３）
このように、燃料電池セル１２において、上記式（３）に示すように、カソード１８では水が生成される。さらに、アノード１６で発生した水素イオンと共に水も固体高分子膜２０を通ってカソード１８に達するため、カソード１８の表面に水が滞留することとなる。

カソードの表面に水が滞留すると、酸素を取り込みにくくなり、燃料電池１０の発電効率が低下し、さらに、出力が低下する。

次に、カソード１８の表面に滞留した水を除去する吸水部材等について説明する。

図１（Ａ）に示されるように、吸水部材としての吸水ブロック４０は、燃料が収納される燃料カートリッジ２２の上側に、燃料カートリッジ２２の幅方向（図１（Ａ）で示す矢印Ａ方向）に沿って２個設けられている。

吸水ブロック４０の一辺（燃料電池セル１２と対向する辺）には、ワイヤー４２の一端が取り付けられており、このワイヤー４２の他端は、カソード１８の表面に沿って伸び、燃料電池セル１２を挟んで吸水ブロック４０と対向する位置に設けられたプーリー４４に固定されている。

このプーリー４４は、図示せぬブラケットに回転可能に支持された回転軸４６に取り付けられている。また、回転軸４６の一端には、手動で回転させることができる略円形状のダイヤル４８が固定され、このダイヤル４８は、携帯電話３０の外部へ突出して設けられている。

さらに、吸水ブロック４０の他辺には、ワイヤー５０の一端が取り付けられており、ワイヤー５０の他端は、燃料カートリッジ２２を挟んで燃料電池セル１２と対向する側に設けられたプーリー５２に固定されている。プーリー５２は、図示せぬフレーム部材に回転可能に支持された回転軸５３に取り付けられている。

また、回転軸５３には、吸水ブロック４０を燃料カートリッジ２２の上側に配置されるように付勢する図示せぬコイルスプリングが設けられている。これにより、外力が負荷されない状態では、吸水ブロック４０は燃料カートリッジ２２の上側に付勢されている。

ワイヤー４２がプーリー４４に巻き取られて、吸水ブロック４０がカソード１８の表面に沿ってスライドする際に、吸水ブロック４０が通るカソード１８の表面には、親水性を有する親水コーティングが施された２個の親水部５４が吸水ブロック４０の移動方向に伸びて設けられている。

さらに、カソード１８の表面には、２個の親水部５４を挟むように、撥水性を有する撥水コーティングが施された３個の撥水部５６が設けられている。つまり、カソード１８の表面に生成される水は、撥水部５６で撥水され、親水部５４に集まるようになっている。

なお、本実施形態では、固体高分子膜２０は７ｃｍ×７ｃｍ、カソード１８は６ｃｍ×６ｃｍ、親水部５４の幅は２ｍｍとされており、図１では、分かりやすくするため、親水部５４の幅を広くして記載している。

一方、図１（Ａ）に示されるように、吸水ブロック４０と燃料電池セル１２に挟まれる燃料カートリッジ２２の上面には、断面三角形のスクイズ凸部５８が吸水ブロック４０に隣接して設けられている。これにより、吸水ブロック４０がワイヤー４２、５０に押し引きされ、スクイズ凸部５８を通過する際には、吸水ブロック４０が、スクイズ凸部５８に押圧されて、吸水ブロック４０に吸水された水が搾り取られるようになっている。

また、スクイズ凸部５８の表面には、吸水孔５９が設けられており、さらに、吸水孔５９から燃料カートリッジ２２の内部に入った水を吸収する多孔質部材６０が燃料カートリッジ２２の内部の内部に設けられている。

次に、吸水ブロック４０がカソード１８の表面で生成され、親水部５４に集められた水を除去する動作について説明する。

図１（Ａ）、図２（Ａ）に示されるように、ダイヤル４８に回転力を負荷しない状態では、吸水ブロック４０は、燃料カートリッジ２２の上側にコイルスプリングの付勢力で配置されている。

図１（Ｂ）、図２（Ｂ）に示されるように、ダイヤル４８を回転軸４６中心に矢印Ｃ方向へ回転させると、プーリー４４も一緒に回転し、プーリー４４はワイヤー４２を巻き取る。

プーリー４４がワイヤー４２を巻き取ることで、ワイヤー４２の一端に取り付けられた吸水ブロック４０は、カソード１８の表面の親水部５４に沿ってスライドする。

図１（Ｃ）、図２（Ｃ）に示されるように、吸水ブロック４０が親水部５４を通過すると、ダイヤル４８の矢印Ｃ方向への回転動作が図示せぬストッパーによって阻止される。

そして、ダイヤル４８への負荷を解除すると、回転軸５３に設けられたコイルスプリングの付勢力で吸水ブロック４０は、図１（Ａ）に示されるように、燃料カートリッジ２２の上側に付勢され初期位置に復帰する。

ここで、吸水ブロック４０が初期位置へ復帰するときに、吸水ブロック４０の表面はスクイズ凸部５８に押圧され、吸水した水が吸水ブロック４０の表面に溢れ出る。この溢れ出た水は、スクイズ凸部５８に設けられた吸水孔５９を通って燃料カートリッジ２２の内部に設けられた多孔質部材６０によって回収される。

このように、吸水ブロック４０をカソード１８の親水部５４に沿ってスライドさせることで、カソード１８の表面に生成されて親水部５４に集められた水を除去することができる。

また、スライド中の吸水ブロック４０は、カソード１８全面を覆うことがないため、空気をカソード１８へ供給するのを妨げることはない。

また、多孔質部材６０は、吸水ブロック４０が吸水した水を回収するため、次回吸水ブロック４０を使用するときでも、吸水ブロック４０は、親水部５４に集められた水を十分除去することができる。なお、吸水ブロック４０としては親水性のある多孔質材料が用いられる。例えば、フェルト、スポンジ、樹脂粒子焼結体、樹脂繊維焼結体、天然繊維、樹脂繊維束体などからなる多孔体が用いられる。さらに、吸水ブロック４０の材質はポリエステル、レーヨン等が好ましい。また、吸水ブロック４０をカソード１８の表面に接触させずに表面に付着した水滴の液面に触れさせて水を吸水する構成でもよい。

なお、本発明を特定の実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内にて他の種々の実施形態が可能であることは当業者にとって明らかである。例えば、上記実施形態では、吸水ブロック４０をダイヤル４８を回転させることで、親水部５４に沿ってスライドさせたが、これに替えて、吸水ブロック４０をモータ等の駆動力を利用してスライドさせてもよい。

次に、本発明の第２実施形態に係る燃料電池１１が採用された携帯電話３０を図５〜図７に従って説明する。

なお、第１実施形態と同一部材については、同一符号を付してその説明を省略する。

図６（Ａ）（Ｂ）に示されるように、この実施形態では、第１実施形態のように、燃料電池セル１２は、板状に形成されておらず、それに替えて、吸水部材の搬送方向から見て波型形状になるように形成されている。また、カソード１８の表面には、親水部５４及び撥水部５６は設けられていない。つまり、カソード１８の表面に生成される水は、波型形状の傾斜面６４を重力で下方へ流れ、底部６６（集水部）に集められるようになっている。

なお、本実施形態では、波型形状の山〜山の周期は１．４ｃｍ、振幅は０．７ｃｍとされている。

さらに、吸水ブロック６８の形状は、底部６６に沿って湾曲状に形成されており、底部６６に集められた水を効率よく吸い取るようになっている。なお、吸水ブロック６８の燃料電池セル１２と対向する面には、面取り（図示省略）が施されており、吸水ブロック６８は、燃料電池セル１２の端面に引っ掛ることなく底部６６をスライドするようになっている。また、図６（Ｂ）では、アノード１６を省略して記載している。

さらに、回転軸４６の一端には、モータ７０が設けられている。また、燃料電池１１には、モータ７０の回転を制御するタイミング制御部７２が設けられている。

次に、吸水ブロック６８がカソード１８の底部６６に集められた水を除去する動作について説明する。

図５（Ａ）に示されるように、モータ７０に回転力を負荷しない状態では、吸水ブロック６８は、コイルスプリングの付勢力で燃料カートリッジ２２の上側に配置されている。

図５（Ｂ）に示されるように、タイミング制御部７２が、モータ７０を矢印Ｄ方向へ回転させ、プーリー４４がワイヤー４２を巻き取ると、吸水ブロック６８は、カソード１８の底部６６に沿ってスライドして、底部６６に集められた水を吸水して除去する。

図５（Ｃ）に示されるように、吸水ブロック６８が底部６６に沿ってスライドし、カソード１８を通過すると、タイミング制御部７２が、モータ７０の負荷を解除して停止させる。

モータ７０の負荷を解除すると、回転軸５３に設けられたコイルスプリングの付勢力でプーリー５２が、ワイヤー５０を巻取り、吸水ブロック６８は図５（Ａ）に示す初期位置へ復帰する。なお、吸水ブロック６８がスライドして、カソード１８の底部６６の水を除去する動作時間は、空気をカソード１８へ供給することを考慮すると１秒以下にすることが好ましい。

ここで、タイミング制御部７２が、モータ７０を回転させ、吸水ブロック６８をカソード１８の底部６６に沿ってスライドさせるタイミングについて図７に基づいて説明する。

先ず、ユーザーが携帯電話３０の電源を入れると、ステップ１０００で、燃料電池１１が発電を開始して、ステップ１１００へ移行する。

ステップ１１００では、タイミング制御部７２が、モータ７０を回転させ、吸水ブロック６８をカソード１８の底部６６に沿ってスライドさせ、さらに、モータ７０の負荷を解除し、吸水ブロック６８を初期位置へ復帰させて吸水動作を行う。吸水動作が完了すると、ステップ１２００へ移行する。

ステップ１２００では、タイミング制御部７２の内部に設けられた発電時間を管理するタイマがリセットされ、さらにステップ１３００でタイマがスタートして、ステップ１４００へ移行する。

ステップ１４００では、発電時間が所定時間に達すると、ステップ１１００へ移行して吸水動作を行い、発電時間が所定時間に満たない場合は、ステップ１５００へ移行する。

ここで、燃料電池セル１２を０．７５Ｖで発電するときの電流密度が０．３Ａ／ｃｍ^２であった場合、１ｃｍ^２あたりの生成水量は約１．６８μｌ／分となる。これがすべてカソード１８の表面に滞留すると仮定すると３０分後に０．５ｍｍ厚の水膜となり、空気の拡散を阻害する原因となる。実際にはアノード１６ヘの拡散や蒸発によりすべての生成水がカソード１８の表面に滞留するわけではないが、３０分程度で空気の拡散阻害による電圧低下が起こり始める。したがって、発電開始後１０分〜６０分、好ましくは２０分〜４０分毎に吸水ブロック６８を作動させると良い。

ステップ１５００では、タイミング制御部７２が燃料電池セル１２の電圧を検知し、検知した電圧が所定電圧以下の場合には、ステップ１１００へ移行して吸水動作を行い、電圧が所定電圧より高い場合には、ステップ１６００へ移行する。

ここで、通常は燃料電池セル１２の電圧は０．３Ｖ以上までは電流値と比例して変化するが、０．３Ｖ以下になると空気の拡散律速により電流値変化に比例せず急激に電圧低下が生じる。したがって、燃料電池セル１２の電圧が０．２〜０．５Ｖ以下、好ましくは０．２５〜０．４Ｖ以下に低下した場合に吸水ブロック６８を作動させると良い。

ステップ１６００では、タイミング制御部７２が燃料電池セル１２の電圧変動を検知し、検知した電圧変動が所定割合を超えた場合は、ステップ１１００へ移行して吸水動作を行い、電圧変動が所定割合を超えない場合は、ステップ１７００へ移行する。

ここで、通常、単位時間当たりの電圧変動が０．１Ｖ／分より大きくなるのは、急激な負荷変動が生じたときと空気の拡散律速により燃料電池セル１２の電圧の維持が困難になったときである。したがって、電圧変動が０．０５〜２．０Ｖ／分以上、好ましくは０．０８〜１．２Ｖ／分以上なった場合に吸水ブロック６８を作動させると良い。

ステップ１７００では、タイミング制御部７２が、燃料電池セル１２の発電量を検知し、所定発電量に達すると、ステップ１１００へ移行して吸水動作を行い、発電量が所定量に満たない場合は、ステップ１８００へ移行する。

ここで、例えば燃料電池セルの電圧を０．７５Ｖで発電するときの電流密度が０．３Ａ／ｃｍ^２であった場合、３０分で発電する電力量は０．１１２Ｗｈ／ｃｍ^２である。電流密度が前述したのと異なる場合も、この電力量を基準として、発電電力量が０．０４〜０．２３Ｗｈ／ｃｍ^２、好ましくは０．０８〜０．１５Ｗｈ／ｃｍ^２毎に吸水ブロック６８を作動させると良い。

ステップ１８００では、タイミング制御部７２が、電流−電圧特性を検知して所定の電流−電圧特性を満たさない場合は、ステップ１１００へ移行して吸水動作を行い、所定の電流−電圧特性を満たす場合は、ステップ１９００へ移行する。

ここで、燃料電池セル１２を機器に組み込む際には燃料電池セル１２の基本特性（電流−電圧特性）を測定しておくのが普通である。発電中の燃料電池セル１２の性能がこの基本特性より下回ったときには、空気の拡散阻害が生じている可能性がある。したがって、セル性能（ある電流値のときの電圧値）があらかじめ測定した基本特性より０〜３０％下回ったとき、好ましくは０〜１５％下回った場合に吸水ブロック６８を作動させると良い。

ステップ１９００では、携帯電話３０の電源が入っている場合は、再度ステップ１４００へ移行し、タイミング制御部７２が各特性をモニタリングして吸水動作を行い、携帯電話３０の電源が入っていない場合は、ステップ２０００へ移行して発電を停止してステップ２１００で終了する。

このように、カソード１８の表面に生成された水を重力で底部６６に集め、吸水ブロック６８を底部６６に沿ってスライドさせることで底部６６の水を吸水する。このため、カソード１８の表面に生成された水を除去することができる。

また、タイミング制御部７２が、所定発電時間毎にモータ７０を可動させるため、定期的にカソード１８の表面の水を拭き取ることができる。

また、タイミング制御部７２が、燃料電池セル１２の電圧が所定電圧以下になったとき、モータ７０を可動させるため、燃料電池セル１２の電圧が所定電圧以下になるのを防止することができ、さらに、吸水動作の頻度を少なくすることができる。

また、タイミング制御部７２が、燃料電池セル１２の電圧変動が所定割合を超えたとき、モータ７０を可動させるため、燃料電池セル１２の電圧変動を抑制し安定した電気を供給することができ、さらに、さらに、吸水動作の頻度を少なくすることができる。

また、タイミング制御部７２が、所定発電量毎にモータ７０を可動させるため、発電量に応じて生成された水を効率よく拭き取ることができる。

また、タイミング制御部７２は、燃料電池セル１２が所定の電流−電圧特性を満たさなくなったとき、モータ７０を可動させるため、所定の電流−電圧特性を満たした電気を供給することができ、さらに、吸水動作の頻度を少なくすることができる。

次に、本発明の第３実施形態に係る燃料電池１３が採用された携帯電話３０を図８に従って説明する。

なお、第２実施形態と同一部材については、同一符号を付してその説明を省略する。

図８（Ａ）に示されるように、この実施形態では、第２実施形態のように、燃料電池セル１２は、波型形状に形成されておらず、それに替えて、燃料電池セル１２は平板状に形成され、また、カソード１８は、吸水ブロック４０の搬送方向と直交する方向へ３分割されている。

さらに、３分割されたカソード１８の縁部に当接してカソード１８を囲むように、カソード１８の表面に生成された水を毛細管現象を利用して吸い取る吸取部材８０が、カソード１８の表面を覆わないように設けられている。

また、吸水ブロック４０は、カソード１８に挟まれた吸取部材８０に沿ってスライドするようになっており、スライド時には、カソード１８を覆わないように吸水ブロック４０の大きさが決められている。

つまり、カソード１８の表面に生成される水は、カソード１８の縁部から毛細管現象を利用して吸取部材８０よって吸い取られて集められ、吸取部材８０によって吸い取られた水は、スライドする吸水ブロック４０に吸水されるようになっている。

次に、吸水ブロック４０が吸取部材８０によって集められた水を除去する動作について説明する。

図８（Ａ）に示されるように、モータ７０に回転力を負荷しない状態では、吸水ブロック４０は、コイルスプリングの付勢力で燃料カートリッジ２２の上側に配置されている。

また、３分割されたカソード１８の縁部に当接してカソード１８を囲むように設けられた吸取部材８０は、カソード１８の表面に生成された水を毛細管現象を利用して吸取って集める。

図８（Ｂ）に示されるように、タイミング制御部７２が、モータ７０を矢印Ｄ方向へ回転させ、プーリー４４がワイヤー４２を巻き取ると、吸水ブロック４０は、カソード１８に挟まれた吸取部材８０に沿ってスライドして、吸取部材８０によって集められた水を吸水して除去する。

図８（Ｃ）に示されるように、吸水ブロック４０がカソード１８に挟まれた吸取部材８０を通過すると、タイミング制御部７２が、モータ７０の負荷を解除して停止させる。

モータ７０の負荷を解除すると、回転軸５３に設けられたコイルスプリングの付勢力でプーリー５２が、ワイヤー５０を巻取り、吸水ブロック４０は図８（Ａ）に示す初期位置へ復帰する。

このように、カソード１８の表面に生成された水を吸取部材８０が毛細管現象を利用して吸い取って集め、吸取部材８０に集められた水を吸水ブロック４０が吸取部材８０に沿ってスライドすることで吸水する。これにより、カソード１８の表面に生成された水を除去することができる。

また、スライド中の吸水ブロック４０は、カソード１８の表面を覆うことがないため、空気をカソード１８へ供給するのを妨げることはまったくない。

次に、本発明の第４実施形態に係る燃料電池１５が採用された携帯電話３０を図９、図１０に従って説明する。

なお、第３実施形態と同一部材については、同一符号を付してその説明を省略する。

図１０（Ａ）に示されるように、この実施形態では、第３実施形態のように、燃料電池セル１２は、板状に形成されておらず、それに替えて、吸水部材の搬送方向から見て波型形状になるように形成されている。さらに、カソード１８に挟まれた吸取部材８０は、波型形状の底部９０に配置されるようになっている。

つまり、カソード１８の表面に生成される水は、波型形状の傾斜面８８を重力で下方へ流れ、吸取部材８０によって吸取られて集められるようになっている。

なお、本実施形態では、波型形状の山〜山の周期は１．４ｃｍ、振幅は０．７ｃｍとされている。

さらに、吸水ブロック６８の形状は、底部９０に沿って湾曲状に形成されており、吸取部材８０に集められた水を効率よく吸い取るようになっている。また、スライド時には、吸水ブロック６８がカソード１８を覆わないように、吸水ブロック６８の大きさは決められている。なお、吸水ブロック６８の燃料電池セル１２と対向する面には、面取り（図示省略）が施されており、吸水ブロック６８は、燃料電池セル１２の端面に引っ掛ることなく底部６６をスライドするようになっている。また、図１０（Ｂ）には、アノード１６を省略して記載している。

次に、吸水ブロック６８が吸取部材８０によって集められた水を除去する動作について説明する。

図９（Ａ）に示されるように、モータ７０に回転力を負荷しない状態では、吸水ブロック６８は、コイルスプリングの付勢力で燃料カートリッジ２２の上側に配置されている。

図９（Ｂ）に示されるように、タイミング制御部７２が、モータ７０を矢印Ｄ方向へ回転させ、プーリー４４がワイヤー４２を巻き取ると、吸水ブロック６８は、底部９０に沿ってスライドして、吸取部材８０によって集められた水を吸水して除去する。

図９（Ｃ）に示されるように、吸水ブロック６８が底部９０に沿ってスライドし、カソード１８の間に設けられた吸取部材８０を通過すると、タイミング制御部７２が、モータ７０の負荷を解除して吸水ブロック６８を停止させる。

モータ７０の負荷を解除すると、回転軸５３に設けられたコイルスプリングの付勢力でプーリー５２が、ワイヤー５０を巻取り、吸水ブロック６８は図９（Ａ）に示す初期位置へ復帰する。

このように、カソード１８の表面に生成された水を吸取部材８０が重力と毛細管現象を利用して集め、さらに、吸取部材８０に集められた水を吸水ブロック６８が吸取部材８０に沿ってスライドすることで吸水する。これにより、カソード１８の表面に生成された水を除去することができる。

次に、本発明の第５実施形態に係る燃料電池１７が採用された携帯電話３０を図１１、図１２に従って説明する。

なお、第１実施形態と同一部材については、同一符号を付してその説明を省略する。

図１２（Ａ）に示されるように、この実施形態では第１実施形態のように、吸水部材としての吸水ブロック４０は、燃料カートリッジ２２の上側に配置されておらず、燃料電池セル１２を挟んで燃料カートリッジ２２と対向する位置に配置されたプーリー４４の上側に配置されている。

さらに、プーリー４４を回転可能に支持する回転軸４６には、吸水ブロック４０をプーリー４４の上側に付勢する図示せぬコイルスプリングが設けられている。これにより、外力が負荷されない状態では、吸水ブロック４０はプーリー４４の上側に付勢されている。

また、吸水ブロック４０の端部に取り付けられたワイヤー５０は、カソード１８の表面に沿って延びて、燃料電池セル１２と燃料カートリッジ２２の間に配置された定滑車９２に巻き掛けられて下方へ延びている。さらに、下方へ延びたワイヤー５０の端部は、定滑車９２の下方に配置された定滑車９４に巻き掛けられ、燃料カートリッジ２２を格納する燃料カートリッジケース９６の背板９６Ａを貫通して燃料カートリッジケース９６の内部へ挿入されている。

図１１（Ａ）に示されるように、背板９６Ａの燃料カートリッジケース９６の内側には、押引板９８が設けられており、前述したワイヤー５０の端部が固定されている。この押引板９８の燃料カートリッジ２２側には、凹状の係合凹部９８Ａが設けられており、燃料カートリッジ２２に設けられた係合凸部２２Ｂと係合するようになっている。つまり、燃料カートリッジ２２を図１１（Ａ）に示す矢印Ｅ方向へ引抜くと、係合凸部２２Ｂと係合凹部９８Ａが係合しているため、燃料カートリッジ２２と一緒に押引板９８が矢印Ｅ方向へスライドするようになっている。

また、燃料カートリッジ２２の交換用に開放された燃料カートリッジケース９６の縁部には、内側に突設した引掛部１００が設けられている。図１１（Ｃ）に示すように、燃料カートリッジ２２を交換する際には、燃料カートリッジ２２と一緒にスライドしてきた押引板９８が、引掛部１００と当り、係合凸部２２Ｂと係合凹部９８Ａの係合が解除され、押引板９８は、燃料カートリッジケース９６の内部に取り残されるようになっている。

次に、吸水ブロック４０がカソード１８の表面で生成され、親水部５４に集められた水を除去する動作について説明する。

図１１（Ａ）、図１２（Ａ）に示されるように、燃料カートリッジ２２が燃料カートリッジケース９６に収納された状態では、吸水ブロック４０は、コイルスプリングの付勢力でプーリー４４の上側に配置されている。そして、燃料カートリッジ２２を交換する際には、ユーザーが燃料カートリッジ２２を矢印Ｅ方向へ引き抜く。

図１１（Ｂ）、図１２（Ｂ）に示されるように、燃料カートリッジ２２を矢印Ｅ方向へ引き抜くと、燃料カートリッジ２２の係合凸部２２Ｂと押引板９８の係合凹部９８Ａが係合しているため、燃料カートリッジ２２と一緒に押引板９８も矢印Ｅ方向へ向けてスライドする。

押引板９８がスライドすることで、ワイヤー５０が引っ張られ、ワイヤー５０に取り付けられた吸水ブロック４０は、親水部５４に沿ってスライドする。

図１１（Ｃ）、図１２（Ｃ）に示されるように、吸水ブロック４０が親水部５４を通りすぎると、押引板９８が、引掛部１００と当り、係合凸部２２Ｂと係合凹部９８Ａの係合が解除され、押引板９８は、燃料カートリッジケース９６の内部に取り残されるようになっている。押引板９８が取り残されると、回転軸４６に設けられたコイルスプリングの付勢力で、押引板９８は、背板９６Ａに向けてスライドし、吸水ブロック４０は、図１２（Ａ）に示されるように、プーリー４４の上側の初期位置に復帰する。

このように、燃料カートリッジ２２を交換するだけで、吸水ブロック４０を親水部５４に沿ってスライドさせることができ、これにより、カソード１８の表面に生成されて親水部５４に集められた水を除去することができる。

なお、新しい燃料カートリッジ２２を燃料カートリッジケース９６に押し込むことで、係合凸部２２Ｂと係合凹部９８Ａは係合するようになっている。

なお、本発明を特定の実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内にて他の種々の実施形態が可能であることは当業者にとって明らかである。例えば、上記実施形態では、携帯電話３０を例にとって、本願発明の燃料電池を説明したが、携帯電話３０に限られるものではなく、携帯パソコン、携帯ゲーム、デジタルカメラ、ムービー等の全ての電子機器に本願発明の燃料電池を使用することができる。

（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）本発明の第１実施形態に係る燃料電池を示し、吸水ブロックの動きを表した斜視図である。 （Ａ）（Ｂ）（Ｃ）本発明の第１実施形態に係る燃料電池を示し、吸水ブロックの動きを表した側面図である。 本発明の第１実施形態に係る燃料電池の燃料電池セルを示した断面図である。 本発明の第１実施形態に係る燃料電池が採用された携帯電話の斜視図である。 （Ａ）（Ｂ）（Ｃ）本発明の第２実施形態に係る燃料電池を示し、吸水ブロックの動きを表した斜視図である。 （Ａ）第２実施形態に係る燃料電池セルを示した斜視図である。（Ｂ）第２実施形態に係る燃料電池セルを示した断面図である。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池の吸水シートの作動モードを示したフロー図である。 （Ａ）（Ｂ）（Ｃ）本発明の第３実施形態に係る燃料電池を示し、吸水シートの動きを表した斜視図である。 （Ａ）（Ｂ）（Ｃ）本発明の第４実施形態に係る燃料電池を示し、吸水シートの動きを表した斜視図である。 （Ａ）第４実施形態に係る燃料電池セルを示した斜視図である。（Ｂ）第２実施形態に係る燃料電池セルを示した断面図である。 （Ａ）（Ｂ）（Ｃ）本発明の第５実施形態に係る燃料電池を示し、吸水ブロックの動きを表した側面図である。 （Ａ）（Ｂ）（Ｃ）本発明の第５実施形態に係る燃料電池を示し、吸水ブロックの動きを表した斜視図である。

符号の説明

１０ 燃料電池
１１ 燃料電池
１２ 燃料電池セル
１３ 燃料電池
１５ 燃料電池
１６ アノード
１７ 燃料電池
１８ カソード
２０ 固体高分子膜
２２ 燃料カートリッジ
２２Ｂ 係合凸部（動作変換手段）
４０ 吸水ブロック（吸水部材）
４２ ワイヤー（ガイド手段）
４８ ダイヤル（手動操作部材）
５０ ワイヤー（ガイド手段）
５４ 親水部
５６ 撥水部
５８ スクイズ凸部（スクイズ手段）
６０ 多孔質部材（回収手段）
６４ 傾斜面
６６ 底部（集水部）
６８ 吸水ブロック
７０ モータ（移動手段）
７２ タイミング制御部
８０ 吸取部材
８８ 傾斜面
９０ 底部（集水部）
９６ 燃料カートリッジケース（収納部）
９８ 押引板（スライド部材）
９８Ａ 係合凹部（動作変換手段）

Claims (14)

1. 燃料極であるアノードと、酸化剤極であるカソードと、前記アノードおよび前記カソードの間に配置された固体高分子膜と、を備える燃料電池セルと、
   前記カソードの表面に生成された水を集める集水部と、
   水を吸水する吸水部材と、
   前記吸水部材を前記集水部に沿って移動させる移動手段と、
   前記移動手段による前記吸水部材の移動範囲で、かつ、前記カソードの表面に対して外側の位置に配置され、前記吸水部材が吸水した水をスクイズするスクイズ手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池。
2. 前記カソードの表面には、撥水性を有する撥水部と、前記集水部として親水性を有する親水部と、が設けられることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
3. 前記カソードには前記集水部へ向って傾斜する斜面が形成されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
4. 前記集水部は、前記カソードに当接して前記カソードで生成された水を吸い取る吸取部材で構成されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
5. 前記カソードには前記吸取部材へ向って傾斜する斜面が形成されていることを特徴とする請求項４記載の燃料電池。
6. 前記移動手段は、前記吸水部材を前記集水部に沿ってガイドするガイド手段と、前記ガイド手段に沿って前記吸水部材を手動で移動させる手動操作部材と、を備えること特徴とする請求項１から５何れか１項に記載の燃料電池。
7. 前記アノードへ燃料を供給する燃料カートリッジと、前記燃料カートリッジを収納する収納部と、を備え、
   前記移動手段は、前記収納部に移動可能に配置され、前記吸水部材と連結されたスライド部材と、前記収納部への前記燃料カートリッジの脱着動作を前記スライド部材の移動動作に変える動作変換手段と、を備えることを特徴とする請求項１から５何れか１項に記載の燃料電池。
8. 前記吸水部材は、吸水ブロックであって、前記移動手段は、前記吸水ブロックを前記集水部に沿ってスライドさせることを特徴とする請求項１から５何れか１項に記載の燃料電池。
9. 所定発電時間毎に前記移動手段を可動させるタイミング制御部を備えることを特徴とする請求項８項に記載された燃料電池。
10. 所定発電量毎に前記移動手段を可動させるタイミング制御部を備えることを特徴とする請求項８項に記載された燃料電池。
11. 前記燃料電池セルの電圧が所定電圧以下になったとき、前記移動手段を可動させるタイミング制御部を備えることを特徴とする請求項８項に記載された燃料電池。
12. 前記燃料電池セルの電圧変動が所定割合を超えたとき、前記移動手段を可動させるタイミング制御部を備えることを特徴とする請求項８項に記載された燃料電池。
13. 所定の電流−電圧特性を満たさなくなったとき、前記移動手段を可動させるタイミング制御部を備えることを特徴とする請求項８項に記載された燃料電池。
14. 前記スクイズ手段でスクイズされた水を回収する回収手段が設けられていることを特徴とする請求項１から１３何れか１項に記載された燃料電池。

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