WO2007105458A1 - 燃料電池システム - Google Patents

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WO2007105458A1
WO2007105458A1 PCT/JP2007/053387 JP2007053387W WO2007105458A1 WO 2007105458 A1 WO2007105458 A1 WO 2007105458A1 JP 2007053387 W JP2007053387 W JP 2007053387W WO 2007105458 A1 WO2007105458 A1 WO 2007105458A1
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fuel cell
fuel
cell system
mesh
stack
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PCT/JP2007/053387
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French (fr)
Inventor
Shoji Sekino
Takashi Manako
Takanori Nishi
Original Assignee
Nec Corporation
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Publication date
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a planar stack type fuel cell system in which a plurality of fuel cells are arranged in a planar shape.
  • a solid polymer fuel cell system includes an electrode electrolyte membrane assembly (hereinafter referred to as MEA) having a structure in which a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between an anode and a force sword. Yes.
  • MEA electrode electrolyte membrane assembly
  • the type of fuel cell that supplies liquid fuel directly to the anode is called a direct fuel cell.
  • fuel is first supplied to the anode.
  • the supplied fuel is decomposed on the catalyst supported on the anode to generate protons, electrons and intermediate products.
  • the generated cations permeate the solid polymer electrolyte membrane and move to the force sword side, and the generated electrons move to the force sword side through an external load. Then, when protons and electrons react with oxygen in the air with a force sword to produce a reaction product, power is generated.
  • a fuel cell system using liquid fuel is easy to make small and light. Therefore, research and development as a power source for various electronic devices such as portable devices are being actively promoted today. Yes.
  • a single MEA may not be able to obtain the required voltage with a small output.
  • a plurality of fuel cells are electrically connected and used (hereinafter, the minimum unit in power generation of the fuel cell system is referred to as a fuel cell, and the assembly of the fuel cell is referred to as a fuel cell). Described as battery stack).
  • the fuel cell stack may be used while being housed in a casing.
  • moisture generated by the force sword may be condensed in the narrow space between the housing and the fuel cell system as shown in Chemical Formula 2. If the condensed water covers the power sword surface, flooding may occur to reduce the output. In a fuel cell where flooding has occurred, current is forced to flow with insufficient oxidant gas (air), leading to damage to the MEA. On the other hand, if the MEA is too dry, the ionic conductivity may be lost and power generation efficiency may be reduced. Therefore, it is desirable to provide technology to control the water that condenses in the fuel cell system and keep it at an appropriate humidity.
  • a bipolar type in which a plurality of fuel cells are stacked in a thickness direction and a planar stack in which a plurality of fuel cells are arranged in a plane are provided.
  • the type is known.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-185935 discloses a size capable of covering the entire gas flow path in a supply holder that distributes oxidant gas to fuel cells.
  • the partition plate is provided, and a drain receiver for receiving water condensed on the partition plate is provided below the partition plate.
  • JP-A-5-283094 is characterized in that an anode and a force sword are connected by a moisture passage, and at least a portion of the passage that is in contact with a moisture generating electrode is made of a substance having moisture permeability.
  • the fuel cell is listed.
  • Japanese Patent Laid-Open No. 2005-322595 discloses a supply gas flow when a supply gas flow path and a discharge gas flow path provided in a separator stacked on an electrode are not in communication. It is described that the separator member that forms the space between the passage and the discharge gas passage is porous.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-164229 describes a technique for preventing drying of a force sword.
  • a solid polymer fuel cell stack using a solid polymer membrane as an electrolyte, a pre-reacted gas that has passed through the cell reaction part, and an unreacted gas that has passed through the cell reaction part are retained in water.
  • a temperature / humidity exchange means for exchanging temperature and humidity by contacting through the porous material, and at least one of the oxidizing gas is There is described a solid polymer fuel cell system configured to circulate in at least one mesh-shaped gas supply path provided in contact with a porous body.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-241367 is a fuel cell having a MEA and a separator, and a reaction gas flow path formed on the MEA-facing surface of the separator, and at least a part of the separator.
  • a fuel cell is disclosed in which a porous portion is formed and a cooling gas passage is formed on the back surface of the reaction gas passage of the porous portion.
  • JP 2004-14149 A includes a positive electrode for reducing oxygen, a negative electrode provided with a hydrogen storage material, an electrolyte layer provided between the positive electrode and the negative electrode, and a metal hydride.
  • a liquid fuel cell comprising a liquid fuel in which a liquid is dissolved, and a liquid fuel storage section for storing the liquid fuel, the positive electrode, the negative electrode, and the electrolyte layer constituting an electrode / electrolyte integrated body.
  • a plurality of electrode / electrolyte integrated products are arranged on the same plane, each electrode 'electrolyte integrated product is electrically connected in series, and the liquid fuel storage part is separated by a partition for each electrode' electrolyte integrated product.
  • a liquid fuel cell is disclosed.
  • the planar stack type a plurality of fuel cells are arranged on the same plane, and the adjacent fuel cells are electrically connected by a current collector or the like to obtain a high voltage and output. it can.
  • a fuel cell stack is mounted inside the housing to supply oxygen to the cathode, and air is forcibly supplied to the space between the fuel cell stack and the housing using a small fan. It is necessary to keep supplying oxygen to the power sword at all times.
  • the naturally aspirated structure that opens the force sword surface to the atmosphere covers the force sword surface. Because it cannot generate electricity, it is difficult to make the structure so that the fuel cell system can be housed inside the portable device. Further, even if a separate housing is provided only for the purpose of containing the fuel cell, it is necessary not to block the vent hole provided in the housing.
  • the planar stack type is more suitable than the bipolar type as described above.
  • a flat stack type fuel cell stack is housed in a casing and the oxidant gas is forcibly sent to the power sword with a fan or the like, the power sword electrode of the fuel cell and the It is preferable that the distance from the inside of the facing housing is as short as possible.
  • the distance between the fuel cell stack and the housing is as close as possible, and the air flow space provided on the space on the force sword, that is, on one side of the fuel cell stack (the surface including the force sword surface) is A structure that is not divided in the plane direction is preferable.
  • Fuel cell system with such a configuration In the system, air is supplied to the force sword by forming a one-way air flow in the air flow space.
  • the present invention has been proposed to solve the above-described problems. That is, the object of the present invention is a fuel cell in which flooding, in which condensed water interferes with power generation, is suppressed in a fuel cell system having a plurality of fuel cells such as a flat stack type fuel cell. To provide a system.
  • Another object of the present invention is to solve the shortage of humidity in the fuel cell, and to provide a plurality of fuel cells. Another object is to provide a fuel cell system in which the temperature and humidity environment is homogenized.
  • Still another object of the present invention is to provide a fuel cell system in which flooding is suppressed and deficiency of humidity is eliminated while achieving space saving required for portable devices.
  • a fuel cell system includes a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells are arranged on the same plane, and a casing that covers at least one side of the fuel cell stack via an air flow space. And a condensed water retaining material that is provided in at least a portion between the fuel cell stack and the casing and has a function of retaining moisture and is in the form of a mesh.
  • the moisture generated in the fuel battery cell is held between the housing and the housing by the condensed water holding material even if condensation occurs. Since it is trapped by the condensed water retaining material on the fuel cell, flooding is eliminated. In addition, since it is in the form of condensed water retaining material S mesh, the trapped water travels through the condensed water retaining material and spreads from the high part to the low part. As a result, the portion where the humidity is likely to be low can be humidified, and the humidity in the airflow space on the fuel cell can be made uniform.
  • the dew condensation water retaining material is more preferably 40 to 200 mesh! /. If it is smaller than 40 mesh, condensed water may fall to the fuel cell side. On the other hand, if it is larger than 200 mesh, moisture may hardly condense on the housing side.
  • the dew condensation water retaining material is in a mesh shape knitted in a grid pattern, and the weft and warp threads of the grid of the dew condensation water retaining material are perpendicular to the direction parallel to the direction in which the oxidant gas flows. It is preferable to be knitted so that it becomes.
  • the condensed water retaining material is preferably made of metal.
  • the temperature between the condensed water retaining material and the housing tends to be low with respect to the fuel cell that generates heat.
  • Moisture generated in the fuel cell tends to condense on the casing side, which is cooler than the fuel cell side, and the occurrence of flooding is more reliably reduced.
  • heat is easily transmitted to the portion that tends to be low temperature, and the temperature distribution in the fuel cell stack is made uniform.
  • the condensed water retaining material is preferably a polymer material.
  • the fuel cell system described above corresponds to the position of the condensed water retaining material in the housing. It is preferable that the portion to be made of metal.
  • the temperature on the case side tends to be lower than that on the fuel cell side that generates heat. Moisture generated in the fuel cell tends to condense on the housing side.
  • the dew condensation water holding material is provided at a position corresponding to the metal portion, so that water condensed on the housing side is more reliably held by the dew condensation water holding material. Therefore, the occurrence of flooding is more reliably reduced.
  • heat is easily transferred to a portion that tends to be low in the fuel cell stack, and the temperature distribution in the fuel cell stack is made uniform.
  • the dew condensation water retaining material is attached to the entire inner surface of the casing facing one side of the fuel cell stack.
  • the condensed water retaining material By attaching the condensed water retaining material to the entire inner surface of the housing, the moisture trapped in the condensed water retaining material can be directed in all directions in the plane direction. Since spreading of water is not hindered, flooding is more reliably suppressed.
  • the oxidant gas flows in one direction in the air flow space.
  • the condensed water retaining material is common on adjacent fuel cells in the direction in which the oxidant gas flows, and is divided between fuel cells adjacent in the direction perpendicular to the direction in which the oxidant gas flows. I prefer that.
  • the condensed water retaining material is not divided in the direction parallel to the flow of the oxidant gas, but is divided in the orthogonal direction, so that the trapped moisture is selectively in the flow direction of the oxidant gas. It becomes easy to spread. Therefore, the moisture trapped on the downstream side where moisture is likely to condense tends to spread to the upstream side where it is easy to dry. Therefore, the upstream fuel cell is moisturized. Therefore, the humidity environment of the fuel cell stack is made more uniform.
  • a fuel cell system having a plurality of fuel cells such as a flat stack type fuel cell, flooding in which condensed water hinders power generation is suppressed.
  • a fuel cell system is provided.
  • a fuel cell system in which the lack of humidity of the fuel cells is resolved and the temperature and humidity environment is homogenized among the plurality of fuel cells.
  • the space saving required for the portable device is further achieved, and the Provided is a fuel cell system in which the suppression of deadening and the lack of humidity are eliminated.
  • FIG. 1 is a top view of a fuel cell stack and a cross-sectional view along AA ′.
  • FIG. 2 is a top view and a cross-sectional view along BB ′ showing a state in which the fuel cell stack is put in a casing.
  • FIG. 3 is a top view showing a state in which the fuel cell stack of the present invention is put in a casing, and a cross-sectional view along CC ′.
  • FIG. 4 is a top view showing a state in which the fuel cell stack of the present invention is placed in a casing.
  • FIG. 5 is a top view of the fuel cell stack.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the fuel cell stack along EE ′ in FIG.
  • FIG. 7 is a top view showing a state in which the fuel cell stack of the present invention is placed in a casing.
  • FIG. 8 is a table summarizing experimental results relating to the present invention.
  • the fuel cell system 1 includes a fuel cell stack 15, a casing 14 for storing the fuel cell stack 15, a blower for supplying air (oxidant gas), and a fuel mother tank for storing fuel. And a pump for flowing fuel and a wiring for extracting electric energy.
  • a mesh 71 force is attached to the inside of the case 14 as a dew condensation holding material for temporarily holding dew condensation water.
  • the blower, fuel mother tank, pump, and wiring are not shown in the attached drawings.
  • the fuel cell stack 15 When the fuel cell stack 15 is used for a portable device such as a PC having a relatively large power consumption, it is not only used as a single unit, but also two or more fuel cell stacks 15 are arranged side by side and electrically connected to each other. And you may get output. When the fuel cell system 11 is mounted on a portable device, the fuel cell stack 15 is housed in the casing 14.
  • FIG. 1 The illustration of the condensation retention material (mesh 71), which is a contrivance in, is omitted.
  • FIG. 1 is a top view and a cross-sectional view showing a configuration of the fuel cell stack 15 in a state of being housed in the housing 14.
  • the configuration of the fuel cell 11 and the like is covered with the casing 14 and is not actually visible!
  • the housing 14 includes a housing body 140 and a lid 70.
  • the housing main body 140 has a rectangular bottom surface, and two opposing forces on the bottom surface are also raised upward and the side surface. That is, the casing body 140 has a rectangular parallelepiped shape, and has an open top surface and two opposing surfaces among the four side surfaces (two surfaces positioned in a direction perpendicular to the paper surface in the cross-sectional view of FIG. 1). It has become.
  • the lid 70 has a shape (rectangular shape) corresponding to the open portion on the upper surface, and covers the upper surface in a state where the fuel cell stack 15 is housed in the housing body 140.
  • a slight space (reference numeral 27) is formed between the fuel cell stack 15 and the lid 70.
  • This space is a space for supplying an oxidant gas (air) to the force sword, and will be referred to as an air flow space 27 hereinafter.
  • the airflow space 27 is provided in the entire fuel cell stack 15. That is, the air flow space 27 is not divided by a partition or the like, and is continuous on the plurality of fuel cells 11.
  • the two opened side surfaces are a stack intake opening 24 for supplying air to the airflow space 27, and a stack exhaust opening 25 for discharging air from the airflow space 27, respectively. Become! / Speak.
  • the fuel cell stack 15 has a plurality (six in this embodiment) of fuel cells 11.
  • the plurality of fuel cells 11 are arranged on the same plane. The force of the fuel cell 11 will be described later. All the fuel cells 11 are arranged with the force sword 31 facing upward.
  • a frame-shaped force sword current collector 41 is provided on the force sword 31 of each fuel cell 11. The central portion of the upper surface of the force sword 31 is in contact with the air flow space 27, whereby air flowing through the air flow space 27 is supplied to the force sword 31 as an oxidant gas.
  • air is supplied from the stack intake opening portion 24 into the air flow space 27 by a blower (not shown). Air flow space The air supplied to 27 passes through the power sword 31 of each fuel cell 11 and is discharged from the stack exhaust opening 25 to the outside. When flowing through the air flow space 27, air is also supplied to the power sword 31 of each fuel battery cell 11 as an oxidant gas.
  • the blowing means is not particularly limited, and examples thereof include a sirocco fan, an axial fan, a cross flow fan, and a turbo fan.
  • a low-power fan such as a thin radial fan is preferable.
  • the fan is arranged on the stack intake opening portion 24 side and blows with a positive pressure to the fuel cell stack 15, or is arranged on the stack exhaust opening portion 25 side, and the fuel cell stack
  • 15 is used with negative pressure. If the size of the fuel cell system 11 is not limited, the fan can be placed away from the fuel cell stack, so there is no significant difference in either arrangement. However, in order to blow air to the fuel cell stack 15 at a positive pressure, the fuel cell stack 15 can be separated from the fan serving as a blowing means, or the air can be evenly blown to the open portion of the stack intake opening 24. A fan of such a size is required. In such a case, the size of the fuel cell system 11 can be limited, so it is preferable to blow with negative pressure when used in portable devices that have size restrictions.
  • the fan is not necessarily installed on the same plane as the fuel cell stack 15.
  • a fan is installed at the top or bottom of the fuel cell stack 15, and the stack intake opening is opened through an arcuate wind guide plate.
  • 24 or the stack exhaust opening 25 can be connected to the exhaust port or the intake port of the fan to send air to the airflow space 27 for power generation.
  • it is possible to improve the rectification effect inside the air guide plate by attaching a mesh inside the air guide plate.
  • the method described about the ventilation method here is an example, and does not limit the blowing method.
  • a mesh 71 (condensation water holding material) which is a devised part in the present embodiment will be described.
  • the condensed water retaining material has a function of retaining moisture.
  • the mesh 71 is attached to the entire inner surface of the lid 70. As shown in the cross-sectional view of FIG. 2, the lid 70 is placed on the housing body 140 via the mesh 71. Therefore, the casing 14 is not disposed on the side portion of the mesh 71 and is exposed to the outside. By providing the mesh 71 in this way, the following effects can be achieved.
  • the distance between the lid 70 and the fuel cell stack 15 be as short as possible because of the demand for miniaturization.
  • the distance between the lid 70 and the fuel cell stack 15 is reduced, the flow of air flowing through the airflow space 27 is hindered by slight condensation.
  • the air flow is obstructed, a sufficient amount of air is not supplied to the power sword 31 and the power generation efficiency is reduced.
  • the mesh 71 since the mesh 71 is provided, even if the force sword generated water becomes water droplets on the surface of the force sword 31, the water droplets are sucked up and retained by the mesh 71. Is done. Therefore, flooding that affects power generation is prevented. Further, the water condensed inside the casing 14 spreads between the mesh 71 and the lid 70 in the plane direction by capillary action. Thereby, it is possible to prevent the condensed water from obstructing the air flow in the air flow space 27. Therefore, the space on the upper surface of the force sword (the thickness of the airflow space 27) can be made narrower, and the fuel cell system 1 can be further downsized.
  • the mesh 71 by attaching the mesh 71 to the inside of the lid 70, the water retained on the downstream side spreads to the upstream side while being retained by the mesh 71. Therefore, on the upstream side, the water is humidified by the moisture supplied by the downstream side force, and loss of ionic conductivity is prevented.
  • mesh 71 may be as shown in FIG. 3 or FIG.
  • mesh 71 is disposed so as to be embedded in the upper surface opening portion of casing body 140. That is, the side portion of the mesh 71 is in contact with the inner side surface of the casing body 140 and is not exposed to the outside as shown in FIG. As a result, the moisture captured by the mesh 71 continues to be held without being discharged to the outside. As a result, the condensed water is more easily spread, and the upstream humidification effect can be further enhanced.
  • the mesh 71 is divided into two along the flow direction of the air flow (from the stack intake opening 24 to the stack exhaust opening 25).
  • the mesh 71 is discontinuous between adjacent fuel cells 11 in a direction perpendicular to the air flow direction.
  • FIGS. 2 to 4 by considering the shape of the mesh 71, it can be functionalized in accordance with the application. Further, the structures shown in FIGS. 2 and 3 may be combined. For example, if the upstream side is exposed to the outside of the mesh 71 as shown in FIG. 2 and the mesh 71 is covered with a casing as shown in FIG. 3 on the downstream side, it is easy to dry! ! A humidifying effect is obtained without escaping the condensed water, flooding is likely to occur, and excess water can be released from the side of the mesh 71 on the downstream side.
  • the material of the mesh 71 will be described.
  • the mesh material include corrosion resistant metals such as stainless steel, polyethylene (polypropylene) PTFE (polytetrafluoroethylene) and other insulating materials such as paper.
  • a material is preferred. Since the fuel cell stack 15 generates heat during power generation, the temperature rises. The fuel cell 11 on the upstream side is cooled by being exposed to fresh air having a relatively low temperature from the outside, but since the air heated on the upstream side is supplied on the downstream side, the upstream side is closer to the upstream side. Not cooled. Therefore, a temperature difference occurs between the fuel cells 11 on the upstream side and the downstream side. By making the mesh 71 made of metal, heat on the downstream side is transmitted to the upstream side, and the temperature between the downstream side and the upstream side is made uniform.
  • the thermal conductivity of the mesh 71 increases. As a result, heat is released on the mesh 71 side, and therefore the temperature on the mesh 71 side is likely to be lower than that on the fuel cell 11 (power sword 31 side). Accordingly, water is more likely to condense on the lid 70 side (mesh 71 side) than on the fuel battery cell 11 side, and the mesh 71 more easily captures moisture. In other words, by making the mesh 71 made of metal, moisture in the air flow space 27 can be condensed on the mesh 71 side and can be easily captured by the mesh 71.
  • the mesh 71 made of plastic. Since the mesh 71 covers the adjacent fuel battery cells 11 above the force sword 31, there is a concern that moisture and the like that are transmitted when the mesh 71 is conductive may be short-circuited.
  • an insulating material for example, paper can be used. If the shape is easily changed by moisture, the mesh may hang down on the surface of the force sword 31. Therefore, plastics are superior to paper in that they are less deformed even when water is absorbed.
  • the force 71 described with the mesh 71 as the dew condensation holding material can be used as the dew condensation holding material, such as a foam metal or a urethane material. If the material itself has high water absorption, such as paper or cloth, it tends to accumulate locally rather than spreading water. Therefore, it is not very suitable for applications considering long-term stability. However, if it can be changed frequently, it can be used as a condensation retention material.
  • the mesh shape when the mesh 71 is used includes, for example, a lattice-shaped mesh in which straight fine lines are woven. Moreover, the thing which intertwined the fiber which is not linear can also be used. However, in order to temporarily hold dew condensation water between the lid 70 and the mesh 71, it is preferable to use a mesh knitted in a grid pattern. Furthermore, the grid It is preferred that the warp and weft are parallel and perpendicular to the air flow, respectively.
  • the mesh eyes are preferably in the range of 40-200 mesh.
  • the shape and material of the lid 70 will be described. It is desirable that the inner surface of the lid 70 (the surface facing the airflow space 27) be smooth so as not to disturb the airflow.
  • the lid 70 is formed using a high thermal conductivity material such as a metal material as a base material.
  • a high thermal conductivity material such as a metal material as a base material.
  • a metal material such as stainless steel and aluminum.
  • the temperature distribution among the plurality of fuel cells 11 can be made uniform.
  • heat on the downstream side is transmitted to the upstream side, and the temperature distribution of the fuel cell stack 15 is made uniform. Since the power generation temperature is made uniform, the power generation of the fuel cell stack 15 can be made more stable.
  • the lid 70 is made of a material having high thermal conductivity, the heat of the lid 70 is also radiated to the outside. Since the lid 70 is cooled by heat radiation, the lid 70 is likely to have a lower temperature than the force sword 31. As a result, a temperature difference is generated between the heat-generating sword 31 and the heat-dissipating lid 70. When moisture condenses, it tends to condense on the lid 70 side, which is the low temperature side, and hardly condenses on the force sword 31 side. Therefore, the condensed water is easily held by the mesh 71, and flooding is more reliably prevented.
  • the mesh 71 is preferably attached to the lid 70 through a slight gap.
  • a mesh 71 is applied using adhesive tape such as adhesive or double-sided tape instead of the entire surface, a gap corresponding to the thickness of the adhesive tape is formed between the mesh 71 and the lid 70. It is. If it does in this way, the water which condensed in the clearance gap part will be hold
  • FIGS. 5 and 6 are schematic views showing an example of the fuel cell stack 15.
  • Figure 5 seen from the top FIG. 6 is a cross-sectional view taken along the line EE ′ of FIG.
  • the cross-sectional view of FIG. 6 shows details of each member.
  • the arrows in Fig. 5 indicate the direction of fuel flow.
  • the fuel cell stack 15 has a plurality (six in the drawing) of fuel cells 11.
  • the plurality of fuel cells 11 are arranged on the frame 10 in 2 columns ⁇ 3 rows. Here, all the fuel cells 11 are arranged with the force sword 31 side facing upward. Further, the plurality of fuel cells 11 are electrically connected via a wiring (not shown). The electric power generated in each fuel cell 11 is taken out to the outside of the fuel cell stack 15 via the power extraction terminals 411 and 421.
  • the frame 10 is provided with one stack fuel inlet 21, two stack fuel outlets 22 and a fuel path 23.
  • the stack fuel inlet 21 and each fuel cell 11 are connected by a fuel path 23.
  • Each fuel cell 11 is connected to one of two stack fuel outlets 22 via a fuel path 23 for discharge.
  • the fuel supplied to each fuel battery cell 11 is introduced into the frame 10 from a fuel mother tank (not shown) via the stack fuel inlet 21.
  • the fuel introduced from the stack fuel inlet 21 is supplied to each fuel cell 11 while being branched through the central fuel path 23 and consumed.
  • the fuel that is not consumed in the fuel cell 11 is discharged to the fuel path 23 provided on both sides, and returned to the fuel mother tank via the stack fuel outlet 22 while sequentially joining.
  • the liquid fuel supply method is not limited to this method.
  • the structure in which each fuel cell 11 is connected to a direct current by a fuel path is limited to the structure illustrated in the description. I don't mean.
  • FIG. 6 shows an example of a direct methanol fuel cell of the type that supplies liquid fuel directly to the fuel cell 11.
  • a direct liquid system in which liquid fuel is supplied directly to the anode will be described as an example.
  • fuel is passed through a gas-liquid separation membrane such as PTFE. Vaporize and feed.
  • each fuel cell 11 includes a solid polymer electrolyte membrane 33, a force sword 31, an anode 32, a force sword current collector 41, an anode current collector 42, A fuel tank portion 12 and a seal member 43 are provided.
  • the MEA 13 is formed by the solid polymer electrolyte membrane 33, the force sword 31, and the anode 32.
  • the fuel tank portion 12 is a recess provided in the frame 10.
  • the fuel tank section 12 is provided with an inlet for taking in fuel and an outlet for discharging. This inlet and outlet are connected to the fuel path 23, respectively. Accordingly, the fuel supplied from the stack fuel inlet 21 is held in the fuel tank portion 12 via the fuel path 23. Further, surplus fuel in the fuel tank section 12 is sent to the stack fuel outlet 22 via the fuel path 23.
  • a fuel holding material called a so-called wicking material 60 is inserted inside the fuel tank portion 12.
  • the wiking material 60 is disposed for the purpose of absorbing and holding fuel (methanol aqueous solution) mainly by capillary action and supplying it to the MEA stably.
  • the liquid fuel supplied to the fuel tank unit 12 is partly absorbed by the wicking material 60.
  • Most of the liquid fuel is supplied to the anode 32 of the MEA 13 and consumed in the power generation reaction.
  • the fuel that is supplied to the fuel tank 12 but is not used for power generation returns to the fuel container or is temporarily absorbed by the wicking material 60.
  • the twinking material 60 is not necessarily It may be omitted in the required configuration.
  • the MEA 13 is arranged so as to cover the upper part of the fuel tank section 12.
  • a force sword 31 is disposed in contact with one surface of the solid polymer electrolyte membrane 33, and an anode 32 is disposed in contact with the other surface. That is, the MEA 13 is configured by sandwiching the solid polymer electrolyte membrane 33 between the anode 32 and the force sword 31.
  • the MEA 13 is arranged with the anode 32 as the fuel tank section 12 side, and the fuel introduced into the fuel tank section 12 is supplied to the anode 32.
  • the upper side of the force sword 31 is a space (air flow space 27).
  • air oxidant gas
  • the liquid fuel is supplied from the fuel tank 12 to the anode 31 and the air is supplied to the air flow space 27 sword 31, whereby the MEA 13 generates power.
  • the anode current collector 42 and the force sword current collector 41 are for collecting and taking out the electric power generated in each MEA 13.
  • the anode current collector 42 and the force sword current collector 41 are arranged above and below the MEA 13.
  • the anode current collector 42 and the force sword current collector 41 have a frame shape, and are arranged so that the peripheral portions of the anode 32 and the force sword 31 also sandwich the vertical force.
  • the seal member 43 is disposed to fill a gap formed between the MEA 13, the anode current collector 42, and the force sword current collector 41 to prevent fuel leakage to the outside.
  • the seal member 43 has a frame shape and is disposed on the peripheral edge of the current collector.
  • the fuel battery cell 11 having the above-described configuration is fixed to the frame 10 with a plurality of screws (not shown) so as to penetrate the peripheral edge portion.
  • the means for fixing the fuel cell 11 to the frame 10 is not limited to screwing, and any structure that does not leak liquid fuel from the fuel cell 11 1 may also be used, such as a technique using an adhesive. Oh ,.
  • the solid polymer electrolyte membrane 33 a polymer membrane having high proton conductivity and no electron conductivity is preferably used.
  • the constituent material of the solid polymer electrolyte membrane 33 is preferably an ion exchange resin having a polar group such as a strong acid group such as a sulfonic acid group, a phosphoric acid group, a phosphone group or a phosphine group, or a weak acid group such as a carboxyl group.
  • a polar group such as a strong acid group such as a sulfonic acid group, a phosphoric acid group, a phosphone group or a phosphine group, or a weak acid group such as a carboxyl group.
  • Specific examples thereof include perfluorosulfonic acid-based resins, sulfonated polyether sulfonic acid-based resins, and sulfonated polyimide-based resins.
  • sulfone-poly (4-phenoxybenzoyl 1,4 phenol), sulfonated polyetheretherketone, sulfonated polyethersulfone, sulfonated polysulfone, sulfonated polyimide examples thereof include solid polymer electrolyte membranes having aromatic polymer strength such as alkylsulfone and polybenzoimidazole.
  • the thickness of the solid polymer electrolyte membrane can be appropriately selected within a range of about 10 to 300 m depending on the material and the use of the fuel cell.
  • the force sword 31 is an electrode that reduces oxygen to water as shown in the following formula 3.
  • the force sword 31 has, for example, a particle (including powder) in which a catalyst is supported on a carrier such as carbon or a carrier, and a catalyst layer of a catalyst simple substance and a proton conductor on a substrate such as carbon paper. It can be obtained by forming by coating or the like.
  • the catalyst include platinum, rhodium, palladium, iridium, osmium, ruthenium, rhenium, gold, silver, nickel, cobalt, molybdenum, lanthanum, strontium, yttrium, and the like.
  • the catalyst may be used alone or in combination of two or more.
  • the particles supporting the catalyst include carbon-based materials such as acetylene black, ketjen black, carbon nanotubes, and carbon nanohorns.
  • carbon-based materials such as acetylene black, ketjen black, carbon nanotubes, and carbon nanohorns.
  • the size of the particles is appropriately selected within a range of about 0.01 to 0.0, preferably within a range of about 0.02 to 0.06 m.
  • an impregnation method can be applied.
  • a solid polymer electrolyte membrane can be used, as well as strong paper, carbon molded body, carbon sintered body, sintered metal, foam metal, etc.
  • a porous material having conductivity can also be used.
  • a catalyst layer is formed on the base material to obtain a force sword 31, and then the direction in which the catalyst layer is in contact with the solid polymer electrolyte membrane 33 by a method such as hot pressing.
  • the force sword 31 is preferably bonded to the solid polymer electrolyte membrane 33.
  • the anode 32 is an electrode that generates an aqueous methanol solution, hydraulic hydrogen ions, CO 2, and electrons, as shown in the following formula 4, and is formed in the same manner as the force sword 31.
  • the catalyst layer or base material constituting the anode 32 may be the same as or different from the catalyst layer or base material constituting the force sword 31.
  • the amount of catalyst per unit area of the anode 32 can also be appropriately selected within the range of about 0.1 mgZcm 2 to 20 mgZcm 2 according to the type and size of the catalyst as in the case of the force sword.
  • the force sword current collector 41 and the anode current collector 42 are arranged in contact with the force sword 31 and the anode 32, respectively, and act to enhance the electron extraction efficiency and the electron supply efficiency.
  • These current collectors 41 and 42 may have a frame shape in contact with the peripheral edge of the MEA, or may have a flat plate shape or mesh shape in contact with the entire surface of the MEA. In the case of a flat plate, a through hole through which fuel and air can enter is provided regularly or irregularly, and contact is made with the electrode at a portion where the through hole is not formed to collect current.
  • a frame-shaped current collector is shown as the force sword current collector 41 and the anode current collector 42, but these are only examples and do not limit the present invention.
  • Examples of the material of the current collectors 41 and 42 include stainless steel, sintered metal, foamed metal, etc., or a conductive material such as a carbon material obtained by plating these metals with a highly conductive metal material, or the like. Can be used.
  • the fuel battery cell 11 of the present invention is provided with a plurality of sealing members having a sealing function.
  • a solid polymer electrolyte membrane 33 and a force sword current collector 41 are provided. Between them, a sealing member 43 having a thickness substantially the same as the thickness of the force sword 31 is provided in a frame shape on the periphery of the cell structure.
  • a seal member 43 having a thickness force substantially the same as the thickness of the anode 32 is provided in a frame shape on the periphery of the cell structure.
  • a seal member 43 having an arbitrary thickness is provided between the anode current collector 42 and the frame 10.
  • Each of these sealing members is preferably made of rubber or plastic having a sealing function, preferably having sealing properties, insulating properties, and elasticity.
  • a plastic material such as PTFE, PET, PEEK, and vinyl chloride, or a rubber material such as fluorine resin rubber, silicon rubber, and butyl rubber.
  • wicking material 60 for example, woven fabric, non-woven fabric, fiber mat, fiber web, foamed plastic, or the like can be used.
  • hydrophilic materials such as hydrophilic urethane foam and hydrophilic glass fibers.
  • the dew condensation water retaining material (mesh 71) is provided, the water dew condensation on the downstream side of the air flow is prevented. Holds on the lid 70 side to prevent flooding. Further, the moisture retained on the downstream side can be easily dried via the mesh 71 and spreads to the upstream side, thereby increasing the humidity on the upstream side. Thereby, the fall of the ionic conductivity by the water shortage in the upstream is suppressed.
  • the fuel cell system 1 It is necessary to increase the voltage according to the device, such as a notebook PC with high power consumption.
  • the fuel cell system 1 When the fuel cell system 1 is used as a power source, it is necessary to increase the number of fuel cell cells 11 in order to obtain desired power. As the number of fuel cells 11 increases, the humidity at the most downstream side of the air flow also increases. Even in such a situation, the fuel cell system 1 according to the present embodiment prevents flooding of the fuel cell 11 located at the most downstream side of the air flow, so that the fuel cell system 1 is used for a device with high power consumption. Is particularly suitable.
  • a plurality of fuel cells 11 are electrically connected in series. At this time, in order to save space, the plurality of fuel cells 11 are usually arranged in a grid pattern. In the case where the fuel cell system 11 is arranged in this way, although there are some fuel cell cells 11 interposed between them, the adjacent fuel cell cells 11 are spatially formed. Thus, a large potential difference occurs between the force swords 31 between the adjacent fuel cells 11. Flooding may cause a short circuit between two spatially adjacent cathodes 31. In contrast, in this embodiment, since the mesh 71 is pasted on the back of the lid 70, the condensed water is sucked before the adjacent fuel cells 11 are connected to reduce the possibility of a short circuit. Can be made.
  • the force swords 31 are arranged so as to face the upper surface, and therefore the forces described above are not necessarily all the force swords 31. Need not be upwards.
  • the force sword 31 is upward, and the fuel cell 11 may be present in which the anode 32 is upward!
  • Fuel supply to the anode 32 facing upward can be performed by devising the flow path structure.
  • the dew condensation water is retained by providing the mesh 71, and the occurrence of flooding in the fuel cell can be suppressed.
  • Example 1 The structure of the fuel cell used in Example 1 will be described below. In this example, a fuel cell system 1 having the structure shown in FIG. 2 was created.
  • catalyst-supported carbon particles in which 50% by weight of platinum particles having a particle diameter in the range of 3 to 5 nm are supported on carbon particles (Ketjen Black EC600JD manufactured by Lion).
  • a 5 wt% naphthion solution (trade name; DE521, “Nafion” is a registered trademark of DuPont) manufactured by DuPont was added to the catalyst-supported carbon fine particles lg and stirred to obtain a catalyst paste for forming a force sword.
  • This catalyst paste was applied on carbon paper as a base material (TGP-H-120 made from Torayen earth) at a coating amount of 1-8mgZcm 2 and dried to produce 4cm x 4cm force sword 31 .
  • a catalyst paste for forming the above-mentioned force sword except that platinum (Pt) -ruthenium (Ru) alloy fine particles (Ru ratio is 50 at%) having a particle diameter in the range of 3 to 5 nm are used instead of platinum fine particles.
  • a catalyst paste for forming an anode was obtained under the same conditions as for obtaining the above.
  • Anode 32 was produced under the same conditions as those for the above-mentioned force sword except that this catalyst paste was used.
  • an 8 cm x 8 cm x 180 m thick membrane made of DuPont's Naphion 117 (number average molecular weight is 250000) was used as the solid polymer electrolyte membrane 33.
  • the force sword 31 was placed on the other side with the carbon paper facing outward, and the anode 32 was placed on the other side with the carbon paper facing outward, and the outer force of each carbon paper was also hot pressed. .
  • the force sword 31 and the anode 32 were joined to the solid polymer electrolyte membrane 33 to obtain MEA (electrode-electrolyte membrane assembly) 13.
  • Current collectors 41 and 42 made of a rectangular frame-shaped plate having X 6 cm 2 , a thickness of 1 mm, and a width of 11 mm were arranged.
  • a seal member between the solid polymer electrolyte 33 and the force sword current collector 41 a rectangular frame with an outer dimension of 6 X 6 cm 2 , a thickness of 0.3 mm, and a width of 10 mm is also used.
  • a sealing member 43 having a plate strength is arranged. The solid polymer electrolyte membrane 33 protruding outside the current collectors 41 and 42 was cut.
  • each fuel cell tank portion 12 is a container having an inner dimension of 4 ⁇ 4 cm and a depth of 5 mm, and a wicking material 60 made of a urethane material is inserted into the fuel tank portion 12 as a fuel holding material.
  • the MEA 13, the force sword current collector 41, the anode current collector 42, and the seal member 43 are arranged on the fuel tank portion 12, and are screwed together with a predetermined number of screws, and then integrated.
  • a fuel cell stack 15 as an assembly of the fuel cell 11 and the fuel cell 12 according to Example 1 was obtained.
  • the housing 14 for housing the fuel cell stack 15 formed as described above will be described.
  • the case body 140 has an acrylic plate with a thickness of Imm x depth of 20cm x width of 15cm as the bottom surface, and an acrylic plate with a thickness of Imm x depth of 20cm x height of lcm only on both sides of the long side of the acrylic plate Arranged. That is, in the cross-sectional view of FIG. 2, the upper and lower sides in the direction perpendicular to the paper surface are open portions (stack intake open portion 24, stack exhaust open portion 25).
  • the fuel cell stack 15 was introduced into the casing body 140, and the upper surface of the fuel cell stack was covered with an acrylic lid 70 with a 100 mesh plastic mesh 71 as shown in FIG.
  • the dimensions of the lid 70 were thickness Imm X long side 20 cm X short side 15 cm, and the size of the mesh 71 was 20 cm long side 15 cm short side like the lid 70.
  • the mesh 71 is sandwiched between the partition and the lid 70.
  • Example 2 The structure of the fuel cell used in Example 2 will be described below.
  • the manufacturing method and structure of MEA are the same as in Example 1, and the structure of fuel cell stack 15 is also the same as in Example 1. Other conditions are the same unless otherwise mentioned later.
  • a fuel cell system 1 shown in FIG. 3 was prepared. That is, only the arrangement of the mesh 71 in the first embodiment is changed.
  • the mesh 71 has a long side of 20 cm x a short side of 14.5 cm, and the mesh 71 is not sandwiched between the partition provided on both sides of the case body 140 and the lid 70! did.
  • Example 3 The structure of the fuel cell used in Example 3 will be described below.
  • the manufacturing method and structure of MEA are the same as in Example 1, and the structure of fuel cell stack 15 is also the same as in Example 1.
  • Other conditions are the same unless otherwise mentioned later.
  • Example 3 the fuel cell system shown in Fig. 4 was prepared. That is, the mesh shape in Example 1 was changed. The size of the mesh was 20 cm long and 14.5 cm short, so that the mesh 71 was not sandwiched between the screens provided on both sides of the case body 140 and the lid 70. Furthermore, between the rows of fuel cells 11 arranged in two rows, the mesh 71 was divided with a gap of 0.5 cm.
  • Example 4 The structure of the fuel cell used in Example 4 will be described below.
  • the manufacturing method and structure of MEA are the same as in Example 1, and the structure of fuel cell stack 15 is also the same as in Example 1.
  • Other conditions are the same unless otherwise mentioned later.
  • Example 4 the shape of the mesh in Example 1 was changed.
  • the size of the mesh 71 is 6 cm X 7 cm.
  • the mesh 71 is affixed to a position corresponding to each fuel cell 11 and divided between adjacent fuel cells 11. That is, six meshes 71 are arranged corresponding to the six fuel cells 11.
  • Comparative Example 1 The structure of the fuel cell used in Comparative Example 1 will be described below.
  • the fuel cell system 1 as shown in FIG. 1 was used without providing the mesh 71.
  • the manufacturing method and structure of the MEA are the same as in Example 1, and the structure of the fuel cell stack 15 is also the same as in Example 1. Other conditions are the same unless otherwise mentioned later.
  • Comparative Example 1 is the same as Example 1 except that the mesh 71 is not pasted on the back of the lid 70.
  • Comparative Example 1 Although power generation was stable until 1 hour, there was a sign of a voltage drop in about 2 hours, and the voltage dropped considerably in 3 hours.
  • the lid 70 was opened after power generation, the power sword 31 was wet by flooding. In particular, flooding was prominent in the force sword 31 located downstream of the air flow.
  • Example 1 the voltage was the same as that in Comparative Example 1 until 0.5 hours. In addition, power generation was stable even after 2 hours, and there was no sign of flooding after 3 hours. When the lid 70 was opened after the experiment, a slight condensation was observed between the mesh 71 located downstream of the air flow and the lid 70, but no flooding of the force sword 31 occurred.
  • Example 2 As in Example 1, stable power generation could be continued.
  • the voltage of Example 2 was higher. This is because, in Example 2, the mesh 71 has only the stack intake opening 24 and the stack exhaust opening 25 open, whereas in Example 1, it is between the lid 70 and the screen of the housing 13. This is probably because the temperature and humidity were higher in Example 1 because the mesh 70 was sandwiched.
  • the lid 70 was opened after the measurement in Example 2, no condensing water was seen on the mesh 71 and the lid 70, and no flooding was seen on the power sword 31.
  • the spread of the dew condensation water between the mesh 71 and the lid 70 was larger toward the downstream side of the air flow, and a part of it spread over the force sword 31 located upstream of the air flow.
  • Example 3 the voltage transition was almost the same as in Example 2.
  • the lid 70 was opened after the measurement in Example 3 was completed, no flooding was observed in the force sword 31, and dew condensation was observed between the mesh 71 and the lid 70.
  • the spread of the dew condensation water in Example 3 was observed further to the upstream side of the air flow than in Example 2.
  • Condensed water spreads through the mesh 71 to the surface of the force sword 31 on the upstream side of the air flow, so that the surrounding humidity becomes high and the humidity is likely to be relatively low, improving the humidity environment on the upstream side of the air flow It is certain that the effect will be easy to obtain. I was able to confirm.
  • Example 4 the electromotive force was maintained higher than that of Comparative Example 1. However, although the flooding was prevented by the mesh 71, the condensed water could not spread through the mesh above the adjacent fuel cell 11, so when the lid 71 was opened after the measurement, A slight flooding tendency was observed in the force sword 31 located at the most downstream of the flow.

Abstract

　本発明は、燃料電池セルの湿度不足を解消し、複数の燃料電池セル間で温湿度環境の均質化された燃料電池システムを提供するものである。本発明の燃料電池システムは、複数の燃料電池セルが同一平面上に配置された燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの少なくとも片面側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と前記筐体との間に設けられ、水分を保持する機能を有し、メッシュ状である結露水保持材と、を具備する。

Description

明 細 書
燃料電池システム
技術分野
[0001] 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平面状に配置 された平面スタック型燃料電池システムに関する。
背景技術
[0002] 固体高分子型の燃料電池システムは、固体高分子電解質膜をアノードと力ソードと で挟持した構造の電極 電解質膜接合体（Membrane and Electrode Assem bly。以下、 MEAという。）を備えている。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。その発電時には、まず燃料がアノード に供給される。供給された燃料は、アノードに担持された触媒上で分解してプロトン、 電子及び中間生成物を生成する。生成した陽イオンは固体高分子電解質膜を透過 して力ソード側に移動し、生成した電子は外部負荷を経て力ソード側に移動する。そ してプロトンと電子が力ソードで空気中の酸素と反応して反応生成物を生じることによ つて発電すると 、うものである。
[0003] 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、下式 (ィヒ学式 1)で表される反応がアノードで 起こり、下式 (化学式 2)で表される反応が力ソードで起こる。
(化学式 l) ; CH OH + H O →CO + 6H+ + 6e"
3 2 2
(化学式 2) ; 6H+ + 6e" + 3/20 → 3H O
2 2
[0004] 液体燃料を使用した燃料電池システムは、小型、軽量ィ匕が容易であるために、今 日で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。ここで、パーソナルコンピュータ（PC)のような電子機器の電源として 用いる場合、単一の MEAでは出力が小さぐ必要とする電圧を得られないことがある 。このため、複数の燃料電池セルを電気的に接続して使用することになる（以下、燃 料電池システムの発電における最小ユニットを燃料電池セルと記載し、その燃料電 池セルの集合体を燃料電池スタックと記載する)。 [0005] 燃料電池スタックは、筐体に納められて使用されることがある。燃料電池システムを 筐体に納めた場合、化学式 2で示されるように力ソードで発生した水分が、筐体と燃 料電池システムとの間の狭い空間で結露することがある。結露した水が、力ソード面 を覆い尽くすと、出力を低下させるほどのフラッデイングが起こる場合もある。フラッデ イングが起きた燃料電池セルでは、酸化剤ガス (空気）が不十分な状態で強制的に 電流が流されるので、 MEAの破損に繋がる。一方で、 MEAが乾燥しすぎた場合に は、イオン伝導性が失われて発電効率が落ちる場合がある。よって、燃料電池システ ムにおいて、結露する水を管理し、適切な湿度に保つ技術の提供が望まれる。
[0006] ところで、このような複数の燃料電池セルで構成された燃料電池システムとしては、 複数の燃料電池セルが厚み方向に積層したバイポーラ型と、複数の燃料電池セル が平面的に並ぶ平面スタック型とが知られている。
[0007] ノ ィポーラ型の場合における結露する水の管理に関しては、いくつかの報告がある 。フラッデイングを防止するための技術として、例えば、特開 2004— 185935号公報 には、酸化剤ガスを燃料電池セルに分配する供給マ-ホールド内に、ガス流路全体 を覆うことのできる大きさの仕切り板を設け、その仕切り板の下方に、仕切り板で結露 した水を受けるドレイン受けを設けることが記載されている。
[0008] また、特開平 5— 283094号公報には、アノードと力ソードとが水分通路で連結され 、少なくとも通路の水分発生極に接する部分が水分浸透性を有する物質よりなること を特徴とする燃料電池が記載されて ヽる。
[0009] また、特開 2005— 322595号公報には、電極に積層されるセパレータに設けられ た供給用ガス流路と排出用ガス流路とが非連通である場合に、その供給用ガス流路 とその排出用ガス流路との間を形成するそのセパレータの部材が多孔質であることが 記載されている。
[0010] また、特開 2000— 164229号公報には、力ソードの乾燥を防ぐための技術が記載 されている。この特開 2000— 164229号公報には、固体高分子膜を電解質とする固 体高分子型燃料電池スタックと、電池反応部を通過した既反応ガスと電池反応部を 通過する未反応ガスを、保水性の多孔質体を介して接触させることにより、温度及び 湿度交換を行う温湿度交換手段とを備え、その酸化剤ガスの少なくとも一方は、その 多孔質体と接するように設けられた少なくとも一層のメッシュ状のガス供給経路内を 流通するように構成したことを特徴とする固体高分子型燃料電池システム、が記載さ れている。
[0011] また、特開 2004— 241367号公報は、 MEAとセパレータとを有し、セパレータの MEA対向面に反応ガス流路が形成されている燃料電池であって、そのセパレータ の少なくとも一部に多孔質部を形成し、その多孔質部の反応ガス流路背面に冷却用 ガス流路を形成した燃料電池、を開示している。
[0012] 上記の各文献に記載された技術はバイポーラ型に関するものである。ノ ィポーラ型 に対して、ノート型 PCのように携帯することを念頭に置いた機器においた場合は、厚 さに対する制約から平面スタック型の方が向 ヽて 、る。
[0013] 平面スタック型の燃料電池システムとしては、例えば特開 2004— 14149号公報に 記載のものが挙げられる。即ち、特開 2004— 14149号公報は、酸素を還元する正 極と、水素吸蔵材料を備えた負極と、その正極とその負極との間に設けられた電解 質層を備えるとともに、金属水素化物を溶解させた液体燃料と、その液体燃料を貯蔵 する液体燃料貯蔵部とを備えた液体燃料電池であって、その正極とその負極と、そ の電解質層とが電極 ·電解質一体化物を構成し、その電極 ·電解質一体化物が同一 平面上に複数個配置され、各電極 '電解質一体化物が電気的に直列に接続され、 その液体燃料貯蔵部がその電極'電解質一体化物毎に隔壁により分離されているこ とを特徴とする液体燃料電池、を開示している。
[0014] 平面スタック型においては、複数の燃料電池セルが同一平面上に配置され、隣接 した燃料電池セルを集電体などで電気的に接続することによって、高 ヽ電圧および 出力を得ることができる。平面スタック型を用いる場合、燃料電池システム全体が携 帯機器のフットプリントに納まる程度に小型であることが望ましい。そのためには、カソ ードに酸素を供給するために燃料電池スタックを筐体内部に搭載させ、燃料電池ス タックと筐体との間の空間に、小型ファンを用いて空気を強制的に供給する力、カソ 一ド面を大気開放して自然吸気させるなど、常に力ソードに酸素を供給し続ける必要 がある。
[0015] ただし、力ソード面を大気開放する自然吸気型の構造は、力ソード面を被覆させる と発電できないため、燃料電池システム自身を携帯機器内部に収納するような構造 にすることが難しい。また、燃料電池を収めることだけを目的とした筐体を別個に設け たとしても、その筐体に設けられた通気孔を塞がないようにする必要がある。
[0016] それに対し、燃料電池システム自体を筐体などに収め、小型ファンなどで空気を強 制送風させる方式では、吸気部分および排気部分を塞がない限りは安定して発電す ることができるため、携帯機器の電源として有利である。
[0017] このような、ファンを用いて送風する平面スタック型の燃料電池システムにおいて、 副生成物を処理するための技術が特開 2005— 129261号公報に記載されている。 即ち、特開 2005— 129261号公報〖こは、平面スタック型の燃料電池システムにおい て、空気極 (力ソード）室の出口部分に電池力 の副生成物を吸着するための吸着フ ィルター若しくは副生成物を分解するための分解処理フィルターを設けることが記載 されている。
[0018] しかしながら、上記の何れの文献においても、平面スタック型の燃料電池システム にお!/、て、結露する水を管理する方法につ!、ての記載はな 、。
発明の開示
[0019] 携帯機器に用いることを念頭とした場合、既述のようにバイポーラ型よりも平面スタ ック型の方が向いている。平面スタック型の燃料電池スタックを筐体に納めて、ファン などで強制的に力ソードに酸化剤ガスを送る構成とした場合、薄型化の要求からは、 燃料電池セルの力ソード電極と、それに対面する筐体の内側との距離は可能な限り 近いことが好ましい。
[0020] 一方で、空気供給の観点からは、燃料電池スタックと筐体との間の空間、即ちカソ ード上の空間はある程度広くした方が安定した空気供給に適している。また、消費電 力が大きくなる場合、発熱量も大きくなる。よって、力ソード上にセパレータを配置して 、一部の力ソード上の空間を区切るような構造にすると、空気供給及び放熱の点で不 利である。
[0021] 従って、燃料電池スタックと筐体との距離は可能な限り近ぐ且つ、力ソード上の空 間、即ち燃料電池スタックの片面 (力ソード面を含む面)上に設けられた空気流空間 は、平面方向には区切られていない構造が好ましい。このような構成の燃料電池シス テムでは、空気流空間に一方向の空気流を形成させて、力ソードに空気が供給され る。
[0022] しかし、消費電力の大きな燃料電池システムにおいて、空気流空間を流れる空気 は、吸気部分から排気部分に至るまでの間に、いくつもの燃料電池セル上を通過す ることになる。そのため、吸気部分に近い側（上流側）では、常に新鮮な空気に晒され て比較的低湿度、且つ、低温になるのに対し、排気部分に近い側（下流側）では、い くつもの力ソードから発せられた熱や水分が送られてくるため、温度及び湿度が高く なる傾向がある。このような状況下では、同じ燃料電池スタックにありながら、その発 電環境が低温'低湿度の部位と、高温 '高湿度の部位とが共存することになり、安定 した発電が行われ難くなる。
[0023] 高温、高湿度となる下流側では水分が結露し易ぐフラッデイングが懸念される。こ れに対して、低温、低湿度となる上流側では、乾燥によるイオン伝導性の低下が懸念 される。これは、 MEAの発電において、電解質膜及び触媒層におけるプロトン伝導 が重要な役割を果たし、そのプロトン伝導においては水が必要となるのである力 M EAの含水量が少ない状況では、 MEAの出力が低下する力 である。この状況にお いて発電を継続させると、無理に電流が掃引されてしまい、 MEAの劣化が進行する
[0024] よって、何らかの形で、空気流の上流部分にあたる燃料電池セルでは力ソード面の 湿度を高め、できる限り複数の燃料電池セルの湿度環境を均質ィ匕することが望まれ る。し力しながら、携帯機器に用いられることを念頭においた平面スタック型燃料電池 において、力ソードのフラッデイングと乾燥の 2つの課題を一度に解決することは難し い。携帯機器内部に加湿機構などの湿度調整機構を導入することは、スペース上の 制約があるために、結露水対策としての根本的な解決策とはなり得な 、。
[0025] 本発明は、上述したような課題を解決するために提案されたものである。即ち、本発 明の目的は、平面スタック型燃料電池のように複数の燃料電池セルを持つ燃料電池 システムにお 、て、結露した水が発電に支障を及ぼすフラッデイングが抑制された燃 料電池システムを提供することにある。
[0026] 本発明の他の目的は、燃料電池セルの湿度不足を解消し、複数の燃料電池セル 間で温湿度環境の均質化された燃料電池システムを提供することにある。
[0027] 本発明の更に他の目的は、携帯機器に求められる省スペース化を達成した上で、 フラッデイングの抑制、湿度不足の解消がなされた燃料電池システムを提供すること にある。
[0028] 本発明に力かる燃料電池システムは、複数の燃料電池セルが同一平面上に配置さ れた燃料電池スタックと、燃料電池スタックの少なくとも片面側を、空気流空間を介し て被覆する筐体と、燃料電池スタックと前記筐体との間の少なくとも一部に設けられ、 水分を保持する機能を有し、メッシュ状である結露水保持材と、を具備する。
[0029] 上述の構成によれば、燃料電池セルで発生した水分は、結露したとしても結露水 保持材により筐体との間で保持される。燃料電池セル上ではなぐ結露水保持材によ り捕捉されるので、フラッデイングが解消される。また、結露水保持材カ Sメッシュ状であ るので、捕捉された水は、結露水保持材をを伝い、湿度の高い部位カゝら低い部位へ と広がっていく。これにより、湿度の低くなり易い部分を加湿し、燃料電池セル上の空 気流空間における湿度を均一にすることができる。
[0030] また、このとき、結露水保持材は、 40〜200メッシュであることがより好まし!/、。 40メ ッシュより小さいと、結露した水が燃料電池セル側へ落ちてしまうことがある。一方、 2 00メッシュより大きいと、水分が筐体側で結露しにくくなることがある。
[0031] さらに、結露水保持材は、碁盤目状に編み上げたメッシュ状であり、結露水保持材 の碁盤目の横糸と縦糸とは、酸化剤ガスが流れる方向に対して平行方向と直交方向 とになるように、編み上げられて 、ることが好まし 、。
[0032] また、結露水保持材は、金属製であることが好ま 、。結露水保持材が金属製であ ると、発熱する燃料電池セルに対して結露水保持材と筐体との間が低温となり易い。 燃料電池セルで発生した水分は、燃料電池セル側よりも低温である筐体側で結露し 易くなり、フラッデイングの発生がより確実に低減される。また、燃料電池スタック内に おいて、低温となり易い部分に熱が伝わり易くなり、燃料電池スタック内での温度分 布が均一化される。
[0033] また、他の観点にぉ 、て、結露水保持材は、高分子素材であることが好ま 、。
[0034] また、上記の燃料電池システムは、筐体における、結露水保持材の位置に対応す る部分が、金属製であることが好ましい。筐体を金属製とすることで、発熱する燃料電 池セル側に対して、筐体側の方が低温となり易い。燃料電池セルで発生した水分は 、筐体側で結露し易くなる。ここで、結露水保持材が、金属製の部分に対応する位置 に設けられて 、ることで、筐体側で結露した水が結露水保持材によってより確実に保 持される。よって、フラッデイングの発生がより確実に低減される。また、燃料電池スタ ック内において、低温となり易い部分に熱が伝わり易くなり、燃料電池スタック内での 温度分布が均一化される。
[0035] また、結露水保持材は、燃料電池スタックの片面と対向する筐体の内側全面に貼り 付けられていることが好ましい。結露水保持材を、筐体の内側全面に貼り付けること で、結露水保持材に捕捉された水分は、平面方向の全方向へ向カゝうことができる。水 分の広がりが妨げられないので、フラッデイングがより確実に抑制される。
[0036] 本発明に係る燃料電池システムにお ヽて、空気流空間内では、酸化剤ガスが一方 向に向カゝつて流れる。結露水保持材は、その酸化剤ガスが流れる方向で隣接する燃 料電池セル上では共通であり、その酸化剤ガスが流れる方向に直交する方向で隣 接する燃料電池セル間では分割されて 、ることが好ま 、。
[0037] このように、結露水保持材を、酸化剤ガスの流れに対して平行方向では分割せず、 直交方向で分割することによって、捕捉した水分は酸化剤ガスの流れ方向へ選択的 に広がり易くなる。従って、水分の結露し易い下流側において捕捉された水分は、乾 燥し易い上流側へと広がっていきやすい。よって、上流側の燃料電池セルが保湿さ れる。よって、燃料電池スタックの湿度環境がより均一化される。
[0038] 上記の燃料電池システムにお 、て、結露水保持材の少なくとも一部は、外部に剥き 出しとなって!/、ることが好まし!/、。
[0039] 本発明に依れば、平面スタック型燃料電池のように複数の燃料電池セルを持つ燃 料電池システムにお 、て、結露した水が発電に支障を及ぼすフラッデイングが抑制さ れた燃料電池システムが提供される。
[0040] 本発明に依れば、更に、燃料電池セルの湿度不足を解消し、複数の燃料電池セル 間で温湿度環境が均質化された燃料電池システムが提供される。
[0041] 本発明に依れば、更に、携帯機器に求められる省スペース化を達成した上で、フラ ッデイングの抑制、湿度不足の解消がなされた燃料電池システムが提供される。 図面の簡単な説明
[0042] [図 1]図 1は、燃料電池スタックの上面図、及び AA'に沿った断面図である。
[図 2]図 2は、燃料電池スタックを筐体に入れた状態での様子を示す上面図および B B'沿った断面図である。
[図 3]図 3は、本発明の燃料電池スタックを筐体に入れた状態での様子を示す上面図 、および CC'に沿った断面図である。
[図 4]図 4は、本発明の燃料電池スタックを筐体に入れた状態での様子を示す上面図
、および DD'に沿った断面図である。
[図 5]図 5は、燃料電池スタックの上面図である。
[図 6]図 6は、図 5の EE'に沿った燃料電池スタックの断面図である。
[図 7]図 7は、本発明の燃料電池スタックを筐体に入れた状態での様子を示す上面図
、および F— F'並びに G— G'に沿った断面図である。
[図 8]図 8は、本発明に関する実験結果をまとめた表である。
発明を実施するための最良の形態
[0043] 本発明に係る燃料電池システム 1につ ヽて説明する。燃料電池システム 1は、燃料 電池スタック 15と、燃料電池スタック 15を収納する筐体 14と、空気 (酸化剤ガス）を供 給するための送風機と、燃料をためておくための燃料マザ一タンクと、燃料を流すた めのポンプと、電気エネルギーを取り出すための配線と、を備えている。筐体 14の内 側には、結露した水を一時的に保持するための結露保持材として、メッシュ 71力貼り 付けられている。尚、送風機、燃料マザ一タンク、ポンプ、配線は、貼付の図面では 図示が省略されている。燃料電池スタック 15は、 PCなどの比較的消費電力が大きな 携帯機器に用いる場合、単一で用いるのみならず、 2つ以上の燃料電池スタック 15 を並べ、電気的に接続して必要となる電圧および出力を得る場合がある。燃料電池 システム 11を携帯機器に搭載する場合、燃料電池スタック 15は筐体 14に収納され る。
[0044] 以下に、図 1を参照して、筐体 14に燃料電池スタック 15が収納された状態での構 造について説明する。尚、説明を分力り易くする為に、図 1において、本実施の形態 での工夫である結露保持材 (メッシュ 71)の図示は省略されて 、る。
[0045] 図 1は、筐体 14に収納された状態の燃料電池スタック 15の構成を示す上面図及び 断面図である。尚、図 1の上面図において、燃料電池セル 11などの構成は筐体 14 に覆われて 、て実際には見えな!/、が、説明の便宜上透視させて示して!/、る。
[0046] 図 1の断面図に示されるように、筐体 14は、筐体本体 140と蓋 70とを有している。
筐体本体 140は、長方形状の底面と、その底面の対向する 2辺力も上方向へ立ちあ 力 ¾側面と、を有している。即ち、筐体本体 140は直方体状であり、上面と、 4つの側 面のうちで対向する 2面（図 1の断面図において、紙面の垂直方向に位置する 2面） が開放された形状となっている。
[0047] 蓋 70は、上面の開放部に対応した形状 (長方形状)であり、燃料電池スタック 15が 筐体本体 140に収納された状態で、上面に被せられる。ここで、燃料電池スタック 15 と蓋 70との間には、僅かに空間（符号 27)が形成されている。この空間は、力ソードに 対して酸化剤ガス (空気)を供給する為の空間であり、以下、空気流空間 27と記載す る。空気流空間 27は、燃料電池スタック 15全体に渉り設けられている。即ち、空気流 空間 27は、仕切りなどで分割されてはおらず、複数の燃料電池セル 11上で連続して いる。
[0048] 開放された 2つの側面は、それぞれ、空気流空間 27に空気を供給するためのスタ ック吸気開放部 24と、空気流空間 27から空気を排出するためのスタック排気開放部 25となって!/ヽる。
[0049] 燃料電池スタック 15は、複数 (本実施の形態では 6個）の燃料電池セル 11を有して いる。複数の燃料電池セル 11は、同一平面上に配置されている。燃料電池セル 11 の構造については後述する力 全ての燃料電池セル 11は、力ソード 31を上向きとし て配置されている。各燃料電池セル 11の力ソード 31上には、枠状の力ソード集電体 41が設けられている。力ソード 31の上面中央部は空気流空間 27に接しており、これ により、空気流空間 27を流れる空気が酸化剤ガスとして力ソード 31へ供給されるよう になっている。
[0050] 上述のような構成を有する燃料電池システム 1において、図示しない送風手段によ つて、スタック吸気開放部 24から空気流空間 27内へ空気が供給される。空気流空間 27へ供給された空気は、各燃料電池セル 11の力ソード 31上を通ってスタック排気開 放部 25から外部へ排出される。空気流空間 27を流れる際に、酸化剤ガスとして各燃 料電池セル 11の力ソード 31にも空気が供給される。
[0051] その送風手段としては、特に限定されないが、例えば、シロッコファン、軸流ファン、 クロスフローファン、及びターボファンが挙げられる。携帯機器に搭載することを考慮 した場合は、薄型径流ファンなどの消費電力の小さなものが好ましい。
[0052] ファンによる送風手段に関しては、ファンを、スタック吸気開放部 24側に配置し、燃 料電池スタック 15に正圧で送風する、もしくは、スタック排気開放部 25側に配置し、 燃料電池スタック 15を負圧として送風する、という 2通りの方法が主に考えられる。燃 料電池システム 11の大きさに制約がない場合には、ファンを燃料電池スタックと離し て配置させることができるため、どちらの配置でも大きな違いは無い。しかし、燃料電 池スタック 15に正圧で送風するためには、燃料電池スタック 15と送風手段となるファ ンとの距離を離すか、もしくは、スタック吸気開放部 24の開放部分に均等に送風でき るような大きさのファンが必要となる。そのような場合、燃料電池システム 11の小型化 に制限ができてしまうため、大きさ制限があるような携帯機器などに用いる場合には、 負圧で送風させる方が好ま U、。
[0053] また、ファンは、必ずしも燃料電池スタック 15と同一平面上に設置する必要は無い 。例えば、フットプリントに制約があるものの、垂直方向には制約が無いような場合に は、ファンを燃料電池スタック 15の上部もしくは下部に設置し、円弧状の導風板など を通じて、スタック吸気開放部 24もしくはスタック排気開放部 25を、ファンの排気口も しくは吸気口と連結させることで空気流空間 27に送風し、発電させることも可能であ る。この場合、導風板内部にメッシュを貼ることによって、導風板内部の整流効果を向 上することが可能である。ただし、ここで送風方法について述べた方法は一例であり 、送風方法を限定するものではない。
[0054] 続いて、図 2を参照して、本実施の形態における工夫の成された部分であるメッシュ 71 (結露水保持材)について説明する。結露水保持材は、水分を保持する機能を有 している。メッシュ 71は、蓋 70の内側の全面に貼り付けられている。図 2の断面図に 示されるように、蓋 70は、メッシュ 71を介して筐体本体 140の上に載置されている。 従って、メッシュ 71の側部には筐体 14は配置されておらず、外部に剥き出しとなって いる。このようにメッシュ 71を設けることにより、以下に述べるような作用を奏することが できる。
[0055] 発電時にぉ 、て、空気流空間 27における下流側 (スタック排気開放部 25側）では 空気中に含まれる水分の量が多くなる。これは、上流側の燃料電池セル 11で発電反 応により生成した力ソード生成水力 空気流によって下流部側へ運ばれるためである 。このため、下流部、即ちスタック排気開放部 25に近い部位に位置する燃料電池セ ル 11上では、水が結露し易い。結露が起こると、蓋 70と力ソード 31との間に水柱が 生じ、更に結露が進むとフラッデイングが起こることが有る。フラッデイングしたままで 発電を継続させると、その燃料電池セル 11の電圧低下のみならず、隣接する燃料電 池セル 11との間で水を介したショートが起こる危険性もある。
[0056] また、携帯機器用に用いる場合には、小型化の要求から、蓋 70と燃料電池スタック 15との間の距離はできるだけ近い方が望ましい。しかし、蓋 70と燃料電池スタック 15 との距離を近づけると、僅かな結露で空気流空間 27を流れる空気の流れが妨げられ てしまう。空気の流れが妨げられると、十分な量の空気が力ソード 31に供給されず、 発電効率が低下する。
[0057] これに対して、本実施の形態では、メッシュ 71を設けているので、力ソード 31面上 で力ソード生成水が水滴となったとしても、その水滴はメッシュ 71に吸い上げられ保 持される。従って、発電に影響が及ぶようなフラッデイングが防止される。また、筐体 1 4の内側に結露した水は、毛細管現象によって、メッシュ 71と蓋 70との間を平面方向 へ広がっていくことになる。これにより、結露した水が空気流空間 27の空気の流れを 妨げることも防止できる。そのため、力ソード上面の空間（空気流空間 27の厚み）をよ り狭くすることができ、燃料電池システム 1をより小型化させることができる。
[0058] また、メッシュ 71の側部が外部に剥き出しとなっていることで、メッシュ 71により保持 された結露水は、メッシュ 71の側部力も外部へ放出される。従って、空気流空間 27 の湿度が必要以上に高くなることも防止される。
[0059] 空気流空間 27の下流側では水分が結露し易い一方で、上流側は常に乾燥した空 気が送り込まれてくるために、乾燥し易い。燃料電池セル 11が乾燥すると、イオン伝 導性が失われ、十分な起電力を得ることができなくなる。
[0060] 本実施の形態では、メッシュ 71を蓋 70の内側に貼付することで、下流側で保持さ れた水が、メッシュ 71に保持された状態で上流側へ広がっていく。よって、上流側で は、下流側力 送りこまれてきた水分により加湿された状態となり、イオン伝導性が失 われることが防止される。
[0061] 尚、メッシュ 71の配置は、図 3や図 4のようにしてもよい。図 3に示される例では、メッ シュ 71が、筐体本体 140の上面開放部に埋めこまれるように配置されている。即ち、 メッシュ 71の側部は、筐体本体 140の側面内側に接触しており、図 2のように外部に 剥き出しとなってはいない。これにより、メッシュ 71が捕捉した水分は、外部へ排出さ れずに保持され続ける。これにより、結露した水がより広がり易くなり、上流側の加湿 効果をより高めることができる。
[0062] また、図 4に示される例では、メッシュ 71が、空気流の流れ方向（スタック吸気開放 部 24からスタック排気開放部 25方向）に沿って 2つに分割されている。メッシュ 71は 、空気流の流れ方向に直交する方向で隣接する燃料電池セル 11間で、不連続にな つている。このようにメッシュ 71を、空気流方向に沿って分割することによって、下流 側で結露して保持された水分は、空気流方向に沿った方向に選択的に広がって 、く 。即ち、下流側で結露して保持された水が、上流側へ選択的に広がり、上流側の加 湿効果を高めることができる。
[0063] このように、図 2〜4のように、メッシュ 71の形状を考慮することで、用途に併せて機 能化することができる。また、図 2及び図 3の構造を組み合わせてもよい。例えば、上 流側では、図 2のようにメッシュ 71の側部を外部に剥き出しとし、下流側では図 3のよ うにメッシュ 71を筐体により被覆すれば、乾燥し易!、上流側にお!、て結露した水を逃 さずに加湿効果を得て、フラッデイングの起こり易 、下流側ではメッシュ 71の側部か ら余分な水分を外部へ放出させる事ができる。
[0064] 続いて、メッシュ 71の材質について説明する。メッシュの材質としては、ステンレスな どの耐食性のある金属、ポリエチレン 'ポリプロピレン 'PTFE (ポリテトラフルォロェチ レン)などのプラスチック（高分子素材）、紙などの絶縁性素材を挙げることができる。
[0065] このような材質の中で、温度の均一化させる観点からは、熱伝導性の高!、金属製の 素材が好ましい。燃料電池スタック 15は、発電時に発熱するために、温度が上昇す る。上流側の燃料電池セル 11では、外部からの比較的温度の低い新鮮な空気に曝 されて冷却されるが、下流側では上流側で暖められた空気が供給されるので、上流 側ほどには冷却されない。よって、上流側と下流側との燃料電池セル 11間では温度 差が生じてしまう。メッシュ 71を金属製とすることで、下流側の熱が上流側へと伝わり 、下流側と上流側との間での温度が均一化される。
[0066] また、メッシュ 71を金属製にすると、メッシュ 71の熱伝導性が高くなる。これにより、 メッシュ 71側において熱が放出されるので、メッシュ 71側のほうが燃料電池セル 11 ( 力ソード 31側）よりも低温になり易い。従って、水は、燃料電池セル 11側よりも蓋 70 側 (メッシュ 71側）で結露し易くなり、メッシュ 71が水分をより捕捉し易くなる。すなわ ち、メッシュ 71を金属製とすることにより、空気流空間 27内の水分をメッシュ 71側で 結露させ、メッシュ 71に捕捉させやすくする事ができる。
[0067] 一方、絶縁性の観点からは、メッシュ 71としてプラスチック製のものを用いる事が好 ましい。メッシュ 71は、力ソード 31上方で、隣接した燃料電池セル 11をまたがって被 覆させるので、メッシュ 71が導電性であると結露した水分などを伝 、ショートする懸念 が有る。絶縁性のものとしては、例えば紙を用いることもできる力 水分によって形状 変化しやすいと、力ソード 31面にメッシュごと垂れ下がる可能性が生じる。よって、吸 水しても変形が少な 、点では、紙よりもプラスチックの方が優れて 、る。
[0068] また、上記の例では、結露保持材としてメッシュ 71を挙げて説明した力 結露保持 材として発泡性の金属やウレタン素材などの吸水性の材料を使うこともできる。尚、紙 や布などのように、素材自体が高い吸水性をもつ場合には、水が広がるよりも、局所 的にたまりやすい傾向がある。よって、長時間の安定性を考慮した用途においては、 あまり適当ではない。但し、頻繁に交換できるような状況であるならば、結露保持材と して用いることも可能である。
[0069] 尚、メッシュ 71を用いた場合のメッシュ形状としては、例えば、直線状の細線を織つ た格子状のメッシュが挙げられる。また、直線状ではない繊維を絡み合わせたものを 用いることもできる。ただし、蓋 70とメッシュ 71の間に結露水を一時的に保持するた めには、碁盤目状に編み上げたメッシュを用いることが好ましい。さらには碁盤目の 縦糸および横糸が、空気流に対して、それぞれ、平行および垂直になることが好まし い。メッシュの目は、 40〜200メッシュの範囲内にあることが望ましい。
[0070] 続いて、蓋 70の形状 ·素材について説明する。蓋 70の内側面 (空気流空間 27に 面する面）は、空気流を妨げないように滑らかであることが望ましい。
[0071] また、蓋 70は、金属製材料等の高熱伝導性の素材を母体として形成されて!ヽること が好ましい。このような材料としては、ステンレスやアルミなどの金属が挙げられる。ま た、隣接する燃料電池セル 11間でのショートを防止するために、金属製材料を母体 として、その金属性材料がビュルシート等の絶縁性シートで被覆されたものを用いて ちょい。
[0072] 蓋 70として高熱伝導性の素材を用いることによって、複数の燃料電池セル 11間で の温度分布を均一化することができる。蓋 70として高熱伝導性の素材を用いることで 、下流側の熱が上流側へ伝わり、燃料電池スタック 15の温度分布が均一化される。 発電温度が均一化されるので、より燃料電池スタック 15の発電をより安定ィ匕させるこ とがでさる。
[0073] また、蓋 70が高熱伝導性の素材であることによって、蓋 70の熱が外部へも放熱さ れる。蓋 70は放熱により冷却されるので、力ソード 31と比較して低温となり易い。これ により、発熱する力ソード 31と放熱する蓋 70との間に温度差が生じることになる。水 分が結露する際には、低温側である蓋 70側で結露し易くなり、力ソード 31側では結 露しにくい。よって、結露した水がメッシュ 71に保持され易くなり、フラッデイングがより 確実に防止される。
[0074] メッシュ 71は、僅かな隙間を介して蓋 70に貼り付けられていることが好ましい。例え ば、接着剤や両面テープなどの粘着テープを全面ではなくて一部に用いてメッシュ 7 1を貼りつければ、メッシュ 71と蓋 70との間に、粘着テープの厚み分の隙間が形成さ れる。このようにすると、隙間部分に結露した水が保持され、平面方向へ広がっていく 。またこのときに、空気流の流れる方向に対して平行に接着部位が形成される様にす れば、空気の流れを接着部分が妨げる事が防止され、好ましい。
[0075] 続いて、燃料電池セル 11と、燃料の供給経路に関して、図 5、 6を参照して説明す る。図 5、 6は燃料電池スタック 15の一例を示す概略図である。図 5は、上面から見た 図（上面図）であり、図 6は、図 5の EE'に沿った断面図である。図 6の断面図には、 各部材の詳細が描かれている。図 5における矢印は、燃料の流れる方向を示してい る。
[0076] 図 5に示されるように、燃料電池スタック 15は、複数（図示は 6個）の燃料電池セル 1 1を有している。複数の燃料電池セル 11は、フレーム 10上に 2列 X 3行で配置されて いる。ここで、全ての燃料電池セル 11は、力ソード 31側を上向きとして配置されてい る。また、複数の燃料電池セル 11は、図示されない配線を介して電気的に接続され ている。各燃料電池セル 11で発生した電力は、電力取り出し用端子 411、 421を介 して燃料電池スタック 15の外部へ取り出されるようになって!/ヽる。
[0077] フレーム 10には、 1つのスタック燃料インレット 21と、 2つのスタック燃料アウトレット 2 2、及び燃料経路 23が設けられている。スタック燃料インレット 21と各燃料電池セル 1 1とは、燃料経路 23によって連結されている。また、各燃料電池セル 11は、 2つのス タック燃料アウトレット 22のいずれかと、排出用の燃料経路 23を介して連結されてい る。
[0078] 各燃料電池セル 11に供給される燃料は、燃料マザ一タンク（図示されて 、な 、）か らスタック燃料インレット 21を介してフレーム 10内に導入される。スタック燃料インレツ ト 21から導入された燃料は、中央の燃料経路 23を介して分岐しながら各燃料電池セ ル 11に供給され、消費される。燃料電池セル 11で消費されなカゝつた燃料は、両脇に 設けられた燃料経路 23に排出され、順次合流しながらスタック燃料アウトレット 22を 介して燃料マザ一タンクへと戻される。
[0079] 尚、液体燃料の供給方法は、この方法に限られず、例えば各燃料電池セル 11を燃 料経路で直流につなぐような構造でもよぐその形態は説明文中に例示した構造に 限定されるわけではない。
[0080] 図 6を参照して、燃料電池セル 11の構造にっ 、て説明する。図 6では、液体燃料を 直接に燃料電池セル 11に供給するタイプのダイレクトメタノール型燃料電池セルの 一例を示している。尚、以下に述べる本実施形態では、液体燃料を直接アノード〖こ 供給する直液方式を例として説明するが、あくまで一例であり、以下に述べる手法、 構造に限定されるものではない。例えば、 PTFEなどの気液分離膜を介して燃料を 気化させて供給させてもょ ヽ。
[0081] 図 6に示されるように、各燃料電池セル 11は、固体高分子電解質膜 33と、力ソード 31と、アノード 32と、力ソード集電体 41と、アノード集電体 42と、燃料タンク部 12と、 シール部材 43とを有している。固体高分子電解質膜 33、力ソード 31、及びアノード 3 2で MEA13を形成して!/、る。
[0082] 燃料タンク部 12は、フレーム 10に設けられた凹部である。燃料タンク部 12には、燃 料を取り込む為のインレットと、排出する為のアウトレットとが設けられている。このイン レット及びアウトレットは、夫々燃料経路 23に接続されている。従って、スタック燃料ィ ンレット 21から供給された燃料は、燃料経路 23を介して燃料タンク部 12に保持され る。また、燃料タンク部 12で余った燃料は、燃料経路 23を介してスタック燃料アウトレ ット 22へ送出される。
[0083] 燃料タンク部 12内部には、いわゆるゥイツキング材 60と呼ばれる燃料保持材が揷 入されている。ゥイツキング材 60は、主に毛細管現象により燃料 (メタノール水溶液） を吸収、保持し、安定的に MEAに供給することを目的として配置されている。燃料タ ンク部 12に供給された液体燃料は、ゥイツキング材 60に一次的に吸収される分もあ る力 その多くは MEA13のアノード 32に供給され、発電反応に消費される。燃料タ ンク部 12に供給されながら、発電に使われなカゝつた燃料は、再び燃料容器に戻った り、一時的にゥイツキング材 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あり、燃 料供給が不安定となる事がない場合、ゥイツキング材 60は、必ずしも必須の構成では なぐ省略してもよい。
[0084] MEA13は、燃料タンク部 12の上部を覆うようにして配置されている。固体高分子 電解質膜 33の一方の面上には力ソード 31が接して配置され、他方の面上にはァノ ード 32が接して配置されている。即ち、 MEA13は、アノード 32と力ソード 31によって 、固体高分子電解質膜 33が挟持されて構成されている。 MEA13は、アノード 32を 燃料タンク部 12側として配置されており、燃料タンク部 12に導入された燃料がァノー ド 32に供給されるようになって 、る。
[0085] 一方、力ソード 31の上側は、空間（空気流空間 27)となっている。既述のように、こ の空気流空間 27から、力ソード 31に酸化剤ガス (空気）が供給される。
[0086] このように、燃料タンク部 12からアノード 31に液体燃料が供給され、空気流空間 27 力 力ソード 31に空気が供給されることで、 MEA13が発電する。
[0087] アノード集電体 42及び力ソード集電体 41は、各 MEA 13で発生した電力を集電し て取り出す為のものである。アノード集電体 42及び力ソード集電体 41は、 MEA13の 上下に配置されている。アノード集電体 42及び力ソード集電体 41は、枠状であり、ァ ノード 32及び力ソード 31の周縁部を上下方向力も挟むようにして配置されている。
[0088] シール部材 43は、 MEA13、アノード集電体 42、及び力ソード集電体 41の間で生 じた隙間を埋めて外部への燃料漏れを防止するために配置される。本実施の形態に おいて、シール部材 43は枠状であり、集電体の周縁部に配置されている。
[0089] 上述した構成の燃料電池セル 11は、その周縁部を貫通するように複数のネジ（図 示せず）でフレーム 10に固定される。尚、燃料電池セル 11をフレーム 10に固定する 手段としては、ネジ止めに限らず、接着剤を使った手法などでもよぐ燃料電池セル 1 1から液体燃料が漏れな 、ような構造であればょ 、。
[0090] 続、て、燃料電池セル 11を構成する各部材の素材にっ 、て説明する。
[0091] 固体高分子電解質膜 33としては、プロトンの伝導性が高ぐかつ、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ぐその具体例としては、パ 一フルォロスルホン酸系榭脂、スルホン化ポリエーテルスルホン酸系榭脂、スルホン 化ポリイミド系榭脂等が挙げられる。より具体的には、例えば、スルホンィ匕ポリ（4ーフ エノキシベンゾィル 1, 4 フエ-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 キルスルホンィ匕ポリべンゾイミダゾール等の芳香族系高分子力 なる固体高分子電 解質膜を挙げることができる。固体高分子電解質膜の膜厚は、その材質や燃料電池 の用途等に応じて、 10〜300 m程度の範囲内で適宜選定可能である。
[0092] 力ソード 31は、下記式 3に示すように、酸素を還元して水にする電極である。
(化学式 3) ; 6H+ + 6e" + 3/20 → 3H O 力ソード 31は、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 、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 ゥム、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. 程度の範囲内、好ましくは 0. 02〜0. 06 m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 とがでさる。
[0093] 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、力 一ボンペーパー、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力ソード 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と接する向きで力ソード 31を固体 高分子電解質膜 33に接合させることが好ましい。力ソード 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. lmgZcm2〜20mgZcm2程度の範囲 内で適宜選定可能である。
[0094] アノード 32は、下記式 4に示すように、メタノール水溶液と水力 水素イオンと CO2と 電子を生成する電極であり、力ソード 31と同様にして形成される。
(化学式 4) ;CH OH + H O →C02 + 6H+ + 6e"
3 2
アノード 32を構成する触媒層ゃ基材は、力ソード 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、力 ソードの場合と同様、触媒の種類や大きさ等に応じて、 0. lmgZcm2〜20mgZcm 2程度の範囲内で適宜選定可能である。
[0095] 力ソード集電体 41及びアノード集電体 42は、力ソード 31及びアノード 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、 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 、。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。本発明の説明においては、力 ソード集電体 41及びアノード集電体 42として枠形状の集電体を示したが、これらは 一例にすぎず、本発明を限定するものではない。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 料をメツ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。
[0096] 本発明の燃料電池セル 11には、シール機能を有するシール部材が複数設けられ ている例えば、図 6に示すように、（a)固体高分子電解質膜 33と力ソード集電体 41と の間には、力ソード 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。 (b)固体高分子電解質膜 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力 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。（c)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、 絶縁性及び弾性を有するものが好ましぐ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ことが好ましい。具体的には、 PTFE、 PET、 PEEK,塩化ビ- ル等のプラスチック素材や、フッ素製榭脂ゴム、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。
[0097] ゥイツキング材 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る。特に、親水性ウレタン発泡材ゃ親水性ガラス繊維 等の親水性材料を用いることが好ま Uヽ。
[0098] 以上説明したように、本実施の形態に係る燃料電池システム 1に依れば、結露水保 持材 (メッシュ 71)が設けられているので、空気流の下流側で結露した水が蓋 70側で 保持され、フラッデイングの発生が防止される。また、下流側で保持された水分は、メ ッシュ 71を介して乾燥し易 、上流側へと広がり、上流側の湿度を上げることができる 。これにより、上流側における水分不足によるイオン伝導性の低下が抑制される。
[0099] 電圧を機器に合わせて高くする必要があり、消費電力が大きいノート型 PCなどの 電源として燃料電池システム 1を用いる場合、所望の電力を得るために燃料電池セ ル 11の数を増やす必要がある。燃料電池セル 11が増えると、空気流の最下流での 湿度も高くなる。本実施の形態に係る燃料電池システム 1は、このような状況下でも、 空気流の最下流に位置する燃料電池セル 11のフラッデイングが防止されるので、消 費電力が大きい機器に使用する場合に特に好適である。
[0100] また、平面スタック型燃料電池の場合、複数の燃料電池セル 11が電気的に直列に 接続される。この時、省スペース化のために複数の燃料電池セル 11は通常、碁盤目 状に並べられる。このように燃料電池システム 11を配置させた場合、電気的にはいく つかの燃料電池セル 11を間に介しているのに、空間的には隣接する燃料電池セル 11同士ができてしまう。このように隣接した燃料電池セル 11間では、力ソード 31間で 大きな電位差が生じる。フラッデイングによって、その空間的に隣接する 2つのカソー ド 31間がショートすることがある。これに対して本実施の形態では、メッシュ 71を蓋 70 の裏に貼り付けているので、結露した水を、隣接する燃料電池セル 11間が接続され る前に吸い上げ、ショートの可能性を低減させることができる。
[0101] 尚、本実施の形態では、複数の燃料電池セル 11の全てにおいて、力ソード 31が上 面を向 、て配置されて 、る場合にっ 、て説明した力 必ずしも全ての力ソード 31が 上向きである必要はない。少なくとも一の燃料電池セル 11において、力ソード 31が 上向きとなって 、ればよく、アノード 32が上向きになって!/、る燃料電池セル 11が存在 していてもよい。上向きにしたアノード 32への燃料供給は、流路構造を工夫すること で行うことができる。少なくとも一の燃料電池セルで力ソード 31が上向きとなっている 燃料電池スタック 15であれば、メッシュ 71を設けることにより結露水が保持され、その 燃料電池セルにおけるフラッデイング発生を抑制できる。
[0102] 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。
[0103] (実施例 1)
実施例 1で用いた燃料電池セルの構造にっ ヽて以下に説明する。本実施例では、 図 2に示される構造の燃料電池システム 1を作成した。
[0104] 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 3〜5n m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 用意した。この触媒担持炭素微粒子 lgにデュポン社製の 5重量％ナフイオン溶液 ( 商品名； DE521、「ナフイオン」はデュポン社の登録商標）を加え、攪拌して、力ソード 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（ 東レネ土製の TGP— H— 120)上に l〜8mgZcm2の塗工量で塗布し、乾燥させて、 4 cm X 4cmの力ソード 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 いた以外は上記力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力ソードの作製条 件と同じ条件で、アノード 32を作製した。
[0105] 次に、デュポン社製のナフイオン 117 (数平均分子量は 250000)力 なる 8cm X 8 cm X厚さ 180 m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 一方の面に上記力ソード 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、各カーボンぺ 一パーの外側力もホットプレスした。これにより力ソード 31及びアノード 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。
[0106] 次に、力ソード 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
X 6cm2,厚さ lmm、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 X 6cm2、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と力ソード集電体 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 X 6cm2、厚さ 0. 3mm、幅 10mmの矩形枠 状の枠板力 なるシール部材 43を配置した。集電体 41, 42の外にはみ出した固体 高分子電解質膜 33は切断した。
[0107] 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 19. 5cm X 14. 5cm X 厚さ lcmのフッ素榭脂製のものを用いた。フレーム 10内部には、燃料電池セル 11を 2列 X 3行で並べられるように、 6個の燃料電池タンク部 12を形成させた。燃料は、ス タック燃料インレット 21から供給し、図 2の断面図に示したように、燃料電池セル 12間 に設けた燃料経路 23を通じて各燃料電池セルに供給させ、燃料電池スタック 15の 両脇に設けた燃料経路 23に排出された燃料が、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。各燃料タンク部 12は、内寸法 4 X 4cm、深さ 5mmの容 器であり、燃料タンク部 12の内部には、燃料保持材として、ウレタン素材からなるウイ ッキング材 60を挿入した。
[0108] MEA13、力ソード集電体 41、アノード集電体 42、シール部材 43を、上記の燃料タ ンク部 12上に配置し、所定数のネジによりネジ止めして一体ィ匕し、実施例 1に係る燃 料電池セル 11および燃料電池セル 12の集合体である燃料電池スタック 15を得た。
[0109] 電気的には、隣接する燃料電池セル 11の集電体同士を介して直列接続した。図 2 において、左下に位置する燃料電池セル 11からマイナスの端子 421、右下に位置 する燃料電池セル 11からプラスの端子 411を取り出した。
[0110] 上記のようにして形成した燃料電池スタック 15を収納する筐体 14について説明す る。筐体本体 140は、厚さ Imm X奥行き 20cm X幅 15cmのアクリル板を底面とし、 アクリル板の長辺側の両脇にのみ、厚さ Imm X奥行き 20cm X高さ lcmのアクリル 板を衝立として配置した。即ち、図 2の断面図において、紙面に対して垂直方向の上 下側は、開放部 (スタック吸気開放部 24、スタック排気開放部 25)となっている。燃料 電池スタック 15を筐体本体 140に導入し、燃料電池スタックの上面には、図 2のよう に、 100メッシュのプラスチック製のメッシュ 71を貼ったアクリル製の蓋 70を被せた。 蓋 70の寸法は、厚さ Imm X長辺 20cm X短辺 15cmとし、メッシュ 71の大きさは蓋 7 0と同様に、長辺 20cm X短辺 15cmとした。実施例 1においては、衝立と蓋 70の間 にメッシュ 71が挟まれた構造になっている。
[0111] 発電にあたっては、スタック吸気開放部 24から空気を導入し、スタック排気開放部 2 5から排出することによって、燃料電池セル 11の力ソード 31面上に空気流を形成さ せた。空気の送風に関しては、小型のファンを用いて行い、発電に十分な空気を供 τί¾しプ
[0112] (実施例 2)
実施例 2で用いた燃料電池セルの構造にっ ヽて以下に説明する。 MEAの作製方 法および構造は実施例 1と同様であり、燃料電池スタック 15の構造も実施例 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。 [0113] 実施例 2に関しては、図 3に示される燃料電池システム 1を作成した。即ち、実施例 1におけるメッシュ 71の配置のみが変更されている。メッシュ 71の大きさは、長辺 20c m X短辺 14. 5cmとし、筐体本体 140の両脇に設けた衝立と蓋 70の間には、メッシ ュ 71が挟まれな!/、ようにした。
[0114] (実施例 3)
実施例 3で用いた燃料電池セルの構造にっ ヽて以下に説明する。 MEAの作製方 法および構造は実施例 1と同様であり、燃料電池スタック 15の構造も実施例 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。
[0115] 実施例 3に関しては、図 4に示される燃料電池システムを作成した。すなわち、実施 例 1におけるメッシュの形状を変更した。メッシュの大きさは、長辺 20cmX短辺 14. 5 cmとし筐体本体 140の両脇に設けた衝立と蓋 70の間には、メッシュ 71が挟まれない ようにした。さらに、 2列に並んだ燃料電池セル 11の列間では、メッシュ 71を 0. 5cm の隙間をあけて分割させた。
[0116] (実施例 4)
実施例 4で用いた燃料電池セルの構造にっ ヽて以下に説明する。 MEAの作製方 法および構造は実施例 1と同様であり、燃料電池スタック 15の構造も実施例 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。
[0117] 実施例 4に関しては、実施例 1におけるメッシュの形状を変えた。メッシュ 71の大き さは、 6cm X 7cmである。図 7に示されるように、メッシュ 71は、各燃料電池セル 11に 対応する位置に貼り付けられ、隣接した燃料電池セル 11間で分割されている。即ち 、 6個の燃料電池セル 11に対応させて、 6個のメッシュ 71を配置した。
[0118] (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。比較例 1では、 メッシュ 71を設けずに、図 1に示されるような燃料電池システム 1を用いた。 MEAの 作製方法および構造は実施例 1と同様であり、燃料電池スタック 15の構造も実施例 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。比較例 1に関して は、蓋 70の裏にメッシュ 71を貼り付けていないこと以外は実施例 1と同様である。
[0119] (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 1 OOOmLを 1 OmLZminの流速で各燃料電池スタック 15に循環供 給させ、 25°C、 50%の大気環境にて、 lOOmAZcm2の電流密度に相当する電流 値で 3時間発電試験を行い、そのときの電圧の変化を 0. 5、 1、 2、 3時間ごとにモ- ターした。図 8は、各条件における結果を示している。
[0120] 比較例 1において、 1時間までは安定して発電していたものの、 2時間くらいで電圧 低下の兆候がみられ、 3時間では電圧がかなり低下した。発電後に蓋 70を開けたとこ ろ、力ソード 31はフラッデイングにより濡れていた。特に、空気流の下流に位置する力 ソード 31にお 、て、フラッデイングが顕著に見られた。
[0121] 実施例 1では、 0. 5時間までは比較例 1と変わらぬ電圧であった。また、 2時間以上 でも発電は安定しており、 3時間後でもフラッデイングの兆候はみられなかった。実験 後に蓋 70をあけてみると、空気流の下流部に位置するメッシュ 71と蓋 70の間にやや 結露が見られたものの、力ソード 31のフラッデイングは起こっていなかった。
[0122] 実施例 2では、実施例 1と同様に安定した発電を継続できた。実施例 1と実施例 2を 比較すると、実施例 2の方が電圧は高力つた。これは、実施例 2では、メッシュ 71がス タック吸気開放部 24およびスタック排気開放部 25のみが開放しているのに対し、実 施例 1では、蓋 70と筐体 13の衝立の間にメッシュ 70が挟まれているため、実施例 1 の方が温度および湿度が高くなつた為と考えられる。実施例 2の測定のあとに蓋 70を 開けると、メッシュ 71と蓋 70には結露水がみられた力 力ソード 31にはフラッデイング はみられなかった。また、メッシュ 71と蓋 70の間の結露水の広がりは、空気流の下流 側ほど大きぐその一部はより空気流の上流に位置する力ソード 31の上にまで広がつ ていた。
[0123] 実施例 3では、ほぼ実施例 2と同じ電圧の推移であった。実施例 3の測定終了後に 、蓋 70を開けたところ、力ソード 31にフラッデイングはみられず、メッシュ 71と蓋 70の 間には結露水がみられた。実施例 3の結露水の広がりは、実施例 2の場合よりも、より 空気流の上流側までみられた。メッシュ 71を通じて空気流のより上流側の力ソード 31 面上まで結露水が広がることによって、その周辺の湿度は高くなり、比較的低湿度に なりやす 、空気流の上流側の湿度環境をよくする効果が得やすくなつて 、ることが確 認できた。
[0124] 実施例 4では、比較例 1と比較すると高 、起電力を維持した。但し、メッシュ 71によ つてフラッデイングは防止できたものの、隣接した燃料電池セル 11の上までメッシュを 介して結露水が広がることができな力 たため、測定終了後に蓋 71を開けたところ、 空気流の最下流に位置する力ソード 31において、ややフラッデイングの傾向が見ら れた。
[0125] このように、実施例 1〜4に示した本発明の方法を用いると、力ソード 31におけるフ ラッデイングが解消され、さらにはより均質な発電環境を実現することができ、より安定 した発電を «続することが可能となる個とが確認できた。この手法は、平面スタック型 燃料電池のように、高い消費電力を必要とする燃料電池スタックにおいて有効であり 、 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も可能とする。

Claims

請求の範囲
[1] 複数の燃料電池セルが同一平面上に配置された燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの少なくとも片面側を、前記複数の燃料電池セルの各々に 酸化剤ガスを供給するための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と前記筐体との間の少なくとも一部に設けられ、水分を保持 する機能を有し、メッシュ状である結露水保持材と、
を具備する
燃料電池システム。
[2] 請求の範囲 1に記載された燃料電池システムであって、
前記結露水保持材は、 40〜200メッシュである
燃料電池システム。
[3] 請求の範囲 1又は 2に記載された燃料電池システムであって、
前記結露水保持材は、碁盤目状に編み上げたメッシュ状であり、
前記結露水保持材の碁盤目の横糸と縦糸とは、それぞれ、前記酸化剤ガスが流れ る方向に対して平行方向と直交方向とになるように配置されて 、る
燃料電池システム。
[4] 請求の範囲 1乃至 3の 、ずれかに記載された燃料電池システムであって、
前記結露水保持材は、金属製である
燃料電池システム。
[5] 請求の範囲 1乃至 3のいずれかに記載された燃料電池システムであって、
前記結露水保持材は、高分子素材により形成されている
燃料電池システム。
[6] 請求の範囲 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、
前記筐体において、前記結露水保持材が設けられた位置に対応する部分は、金 属製である
燃料電池システム。
[7] 請求の範囲 1乃至 6のいずれかに記載された燃料電池システムであって、
前記結露水保持材は、前記燃料電池スタックの片面と対向する前記筐体の内側全 面に貼り付けられている
燃料電池システム。
[8] 請求の範囲 1乃至 6のいずれかに記載された燃料電池システムであって、
発電時において、前記空気流空間内では、酸化剤ガスが一方向に向力つて流れ、 前記結露水保持材は、前記酸化剤ガスが流れる方向で隣接する前記燃料電池セ ル上では共通であり、前記酸化剤ガスが流れる方向に直交する方向で隣接する前記 燃料電池セル間では分割されて!、る
燃料電池システム。
[9] 請求の範囲 1乃至 8のいずれかに記載された燃料電池システムであって、
前記結露水保持材の少なくとも一部は、外部に剥き出しとなっている
燃料電池システム。
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