燃料電池
【課題】空気供給ダクトの構成を工夫して姿勢の如何に関わらず空気供給装置の破損を防止できる燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料の供給を受けるアノード極と、酸素の供給を受けるカソード極と、前記アノード極とカソード極の間に介在された高分子電解質膜から成る電解質膜電極接合体２を有する燃料電池スタック１を備えた燃料電池１０において、前記カソード極に空気を供給する空気供給ダクト１３を、少なくとも中間部の一部で折れ曲がった形状にし、空気供給ダクト１３の少なくとも内壁面に吸水部材１４を設けた。
【解決手段】燃料の供給を受けるアノード極と、酸素の供給を受けるカソード極と、前記アノード極とカソード極の間に介在された高分子電解質膜から成る電解質膜電極接合体２を有する燃料電池スタック１を備えた燃料電池１０において、前記カソード極に空気を供給する空気供給ダクト１３を、少なくとも中間部の一部で折れ曲がった形状にし、空気供給ダクト１３の少なくとも内壁面に吸水部材１４を設けた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池に関し、特にそのシステム中に配設される空気供給ダクトの好適な構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料電池は、コジェネレーション装置用の燃料電池システムに代表される定置型のものだけでなく、携帯電子機器用燃料電池などの小型携帯機器用途の電池として好適な構造を持つ燃料電池も盛んに提案されている。例えば、ＡＣアダプターからの充電を必要としない、ユビキタスモバイル電源として、燃料を直接アノード極へ供給する直接型燃料電池が着目され、活発な研究開発が行われている。
【０００３】
燃料を直接アノード極へ供給するダイレクト酸化型燃料電池では、アノード極において燃料の酸化反応、カソード極で酸素の還元反応が起こる。燃料としてメタノールを使用するダイレクトメタノール型燃料電池の場合の反応式は、
アノード：ＣＨ3 ＯＨ＋Ｈ2 Ｏ→ＣＯ2 ＋６Ｈ+ ＋６ｅ- （１）
カソード：３／２Ｏ2 ＋６Ｈ+ ＋６ｅ- →３Ｈ2 Ｏ （２）
である。
【０００４】
式（１）のように、アノード反応にはメタノールと水が必要であるが、メタノールと水を共に外部から供給すると、燃料を貯蔵するタンク又はカートリッジに、水を貯蔵するためのスペースを設ける必要があり、その分体積当たりのエネルギー密度が低下することになる。そのため、ダイレクトメタノール型燃料電池では、式（２）にしたがってカソード極で生成する水の一部をシステム内で回収し、再利用することが一般的である。
【０００５】
さらに、水のみを回収するのではなく、燃料電池のアノード及びカソードから排出された燃料及び水を一旦回収し、燃料タンク内の高濃度燃料と混合して所定の濃度に調整された燃料を再度発電に利用する循環型燃料システムも提案されている。
【０００６】
一方、燃料電池のカソード極に発電に必要な酸素を供給する方式としては、燃料電池スタックと空気供給装置との間を空気供給ダクトにて接続している。図３を参照して説明すると、燃料電池スタック２１が電解質膜電極接合体２２とセパレータ２３を交互に積層して構成されている。セパレータ２３には両面または片面にアノード流路２４とカソード流路２５が形成されており、各電解質膜電極接合体（ＭＥＡ）２２の両面に、燃料が供給されるアノード流路２４と空気が供給されるカソード流路２５が対向するように構成されてる。そして、空気供給装置としてのファン２６から空気供給ダクト２７によりカソード流路２５に酸素を含む空気を供給するように構成されている。
【０００７】
また、カソード極内で反応によって生じた発生水が、カソード流路２５の出口から排出されたものについては、カソード排出経路内に吸水材及び熱交換器を設け、吸水材に吸収した水を回収するようにした構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−３２７１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、図３及び特許文献１に示された構成では、カソード排出経路側に排出された水は吸収・回収されるが、小型携帯機器用途の燃料電池においては姿勢が大きく変化するため、姿勢によってはカソード極内で生じた発生水が空気供給ダクト２７側に逆流し、空気供給装置のファン２６に浸入し、ファン２６を破損させる恐れがあるという問題があった。
【０００９】
本発明は、上記従来の問題点に鑑み、空気供給ダクトの構成を工夫して姿勢の如何に関わらず空気供給装置の破損を防止できる燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の燃料電池は、燃料の供給を受けるアノード極と、酸素の供給を受けるカソード極と、前記アノード極とカソード極の間に介在された電解質膜とを備えた燃料電池において、前記カソード極に空気を供給する空気供給ダクトを、少なくとも中間部の一部で折れ曲がった形状にし、前記空気供給ダクトの少なくとも内壁面に吸水部材を設けたものである。
【００１１】
この構成によると、カソード極内で生じた生成水が燃料電池の姿勢によって空気供給装置側に向けて逆方向に流れても、空気供給ダクトが中間部で折り曲げられているので、燃料電池がどのような姿勢になっても、生成水は必ず空気供給ダクトの内壁面に接触し、その内壁面に設けられた吸水部材により吸水されるので、空気供給装置に生成水が入って破損するのを防止することができる。また、吸水部材に吸水された水は、空気供給装置から供給される空気により蒸発して水蒸気に姿を変え、その水蒸気を含んだ空気をカソード極に供給することで回収される。
【００１２】
また、前記空気供給ダクトを樹脂材料で構成すると、内壁面に吸水部材を設けても錆びることがなく、錆成分の混入した空気を燃料電池内に供給する恐れがない。
【００１３】
また、前記空気供給ダクトを吸水部材で構成し、その外表面を撥水性材料で外装すると、簡単・軽量な構成にて水分を外部に逃がさないダクトを製作することができる。
【００１４】
また、前記空気供給ダクトに、吸水部材で吸水した水分を外部に排出する排水部を設けると、排水した水を回収することで、確実に水回収しながら、水蒸気量の少ない空気を供給することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の燃料電池によれば、空気供給ダクトが中間部で折り曲げられているので、燃料電池がどのような姿勢になっても、生成水は必ず空気供給ダクトの内壁面に接触し、その内壁面に設けられた吸水部材により吸水されるので、空気供給装置に生成水が入って破損するのを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の燃料電池の実施形態について、図１、図２を参照して説明する。
【００１７】
（第１の実施形態）
まず、第１の実施形態の燃料電池１０を図１を参照して説明する。図１において、燃料電池１０は、高分子電解質膜の両面にカソード極とアノード極を接合した電解質膜電極接合体（ＭＥＡ）２とセパレータ３を交互に積層して構成された燃料電池スタック１から成り、補機として空気供給装置１１や燃料供給装置（図示せず）などが設けられている。
【００１８】
燃料電池スタック１においては、各電解質膜電極接合体２の両面に、燃料が供給されるアノード流路４と空気が供給されるカソード流路５が対向するように構成されている。そのため、積層方向両端のセパレータ３には片面にアノード流路４またはカソード流路５が形成され、中間部のセパレータ３には両面にアノード流路４とカソード流路５が形成されている。また、燃料電池スタック１の積層方向両端には端板６が配置され、端板６、６間が挟圧状態で拘束されている。
【００１９】
空気供給装置１１は大気から空気を取り入れるファン１２にて構成され、酸素を含む空気をファン１２から空気供給ダクト１３を通してカソード流路５に供給するように構成されている。空気供給ダクト１３は、その中間部において１８０°折れ曲がった形状に構成されており、かつその内壁面に吸水部材１４が設けられている。空気供給ダクト１３は、吸水部材１４が接触または近接するため、錆びないように樹脂材料で製作されている。
【００２０】
本実施形態によると、燃料電池１０の姿勢によって、燃料電池スタック１のカソード極内で生じた生成水が空気供給装置１１であるファン１２側に向けて逆方向に流れても、空気供給ダクト１３が中間部で１８０°折り曲げられているので、生成水は必ず空気供給ダクト１３の内壁面に接触し、その内壁面に設けられた吸水部材１４により吸水されるので、ファン１２に生成水が入って破損するのを防止することができる。また、空気供給ダクト１３が樹脂材料で構成されているので、その内壁面に吸水部材１４を設けても錆びることがなく、錆成分の混入した空気を燃料電池内に供給する恐れがない。
【００２１】
また、吸水部材１４に吸水された水は、ファン１２から供給されて空気供給ダクト１３内を流通する空気により蒸発して水蒸気に姿を変え、その水蒸気を含んだ空気がカソード通路５に供給されることで回収される。
【００２２】
なお、空気供給ダクト１３自体を吸水性を有する吸収部材で製作しても良い。その場合、吸水した生成水がダクト外に漏出しないように、その外表面を撥水性を有する材料で外装する必要がある。この構成によれば、簡単・軽量な構成にて水分を外部に逃がさないダクトを製作することができる。
【００２３】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態の燃料電池１０を図２を参照して説明する。尚、上記第１の実施形態と同一の構成要素については同一の参照符号を付して説明を省略し、主として相違点についてのみ説明する。
【００２４】
本実施形態では、空気供給ダクト１３に、その壁面を貫通する排水孔１３ａを適当間隔置きに複数形成するとともに、その外側に排水通路１５を設け、この排水通路１５を排出管１６を介して回収水タンク１７に接続している。
【００２５】
この構成によれば、吸水部材１４に吸水した生成水を空気供給ダクト１３の外部に排出して回収水タンク１７に回収できるので、確実に水回収しながら、水蒸気量の少ない空気を供給することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明の燃料電池は、メタルールやジメチルエーテル等を水素に改質せずに燃料として直接用いることができるとともに、燃料電池がどのような姿勢になっても生成水が必ず空気供給ダクトの内壁面に設けられた吸水部材により吸水されるので、空気供給装置に生成水が入って破損するのを防止することができるので、携帯電話や携帯情報端末（ＰＤＡ）、ノートパソコン、ビデオカメラ等の携帯電子機器用の電源として、また電動スクータや自動車用の電源等にも有用である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第１の実施形態の燃料電池の概略構成を示す断面図。
【図２】本発明の第２の実施形態の燃料電池の概略構成を示す断面図。
【図３】従来例の燃料電池の概略構成を示す断面図。
【符号の説明】
【００２８】
１ 燃料電池スタック
２ 電解質膜電極接合体
１０ 燃料電池
１１ 空気供給装置
１２ ファン
１３ 空気供給ダクト
１３ａ 排水孔
１４ 吸水部材
１５ 排水通路
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池に関し、特にそのシステム中に配設される空気供給ダクトの好適な構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料電池は、コジェネレーション装置用の燃料電池システムに代表される定置型のものだけでなく、携帯電子機器用燃料電池などの小型携帯機器用途の電池として好適な構造を持つ燃料電池も盛んに提案されている。例えば、ＡＣアダプターからの充電を必要としない、ユビキタスモバイル電源として、燃料を直接アノード極へ供給する直接型燃料電池が着目され、活発な研究開発が行われている。
【０００３】
燃料を直接アノード極へ供給するダイレクト酸化型燃料電池では、アノード極において燃料の酸化反応、カソード極で酸素の還元反応が起こる。燃料としてメタノールを使用するダイレクトメタノール型燃料電池の場合の反応式は、
アノード：ＣＨ3 ＯＨ＋Ｈ2 Ｏ→ＣＯ2 ＋６Ｈ+ ＋６ｅ- （１）
カソード：３／２Ｏ2 ＋６Ｈ+ ＋６ｅ- →３Ｈ2 Ｏ （２）
である。
【０００４】
式（１）のように、アノード反応にはメタノールと水が必要であるが、メタノールと水を共に外部から供給すると、燃料を貯蔵するタンク又はカートリッジに、水を貯蔵するためのスペースを設ける必要があり、その分体積当たりのエネルギー密度が低下することになる。そのため、ダイレクトメタノール型燃料電池では、式（２）にしたがってカソード極で生成する水の一部をシステム内で回収し、再利用することが一般的である。
【０００５】
さらに、水のみを回収するのではなく、燃料電池のアノード及びカソードから排出された燃料及び水を一旦回収し、燃料タンク内の高濃度燃料と混合して所定の濃度に調整された燃料を再度発電に利用する循環型燃料システムも提案されている。
【０００６】
一方、燃料電池のカソード極に発電に必要な酸素を供給する方式としては、燃料電池スタックと空気供給装置との間を空気供給ダクトにて接続している。図３を参照して説明すると、燃料電池スタック２１が電解質膜電極接合体２２とセパレータ２３を交互に積層して構成されている。セパレータ２３には両面または片面にアノード流路２４とカソード流路２５が形成されており、各電解質膜電極接合体（ＭＥＡ）２２の両面に、燃料が供給されるアノード流路２４と空気が供給されるカソード流路２５が対向するように構成されてる。そして、空気供給装置としてのファン２６から空気供給ダクト２７によりカソード流路２５に酸素を含む空気を供給するように構成されている。
【０００７】
また、カソード極内で反応によって生じた発生水が、カソード流路２５の出口から排出されたものについては、カソード排出経路内に吸水材及び熱交換器を設け、吸水材に吸収した水を回収するようにした構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−３２７１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、図３及び特許文献１に示された構成では、カソード排出経路側に排出された水は吸収・回収されるが、小型携帯機器用途の燃料電池においては姿勢が大きく変化するため、姿勢によってはカソード極内で生じた発生水が空気供給ダクト２７側に逆流し、空気供給装置のファン２６に浸入し、ファン２６を破損させる恐れがあるという問題があった。
【０００９】
本発明は、上記従来の問題点に鑑み、空気供給ダクトの構成を工夫して姿勢の如何に関わらず空気供給装置の破損を防止できる燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の燃料電池は、燃料の供給を受けるアノード極と、酸素の供給を受けるカソード極と、前記アノード極とカソード極の間に介在された電解質膜とを備えた燃料電池において、前記カソード極に空気を供給する空気供給ダクトを、少なくとも中間部の一部で折れ曲がった形状にし、前記空気供給ダクトの少なくとも内壁面に吸水部材を設けたものである。
【００１１】
この構成によると、カソード極内で生じた生成水が燃料電池の姿勢によって空気供給装置側に向けて逆方向に流れても、空気供給ダクトが中間部で折り曲げられているので、燃料電池がどのような姿勢になっても、生成水は必ず空気供給ダクトの内壁面に接触し、その内壁面に設けられた吸水部材により吸水されるので、空気供給装置に生成水が入って破損するのを防止することができる。また、吸水部材に吸水された水は、空気供給装置から供給される空気により蒸発して水蒸気に姿を変え、その水蒸気を含んだ空気をカソード極に供給することで回収される。
【００１２】
また、前記空気供給ダクトを樹脂材料で構成すると、内壁面に吸水部材を設けても錆びることがなく、錆成分の混入した空気を燃料電池内に供給する恐れがない。
【００１３】
また、前記空気供給ダクトを吸水部材で構成し、その外表面を撥水性材料で外装すると、簡単・軽量な構成にて水分を外部に逃がさないダクトを製作することができる。
【００１４】
また、前記空気供給ダクトに、吸水部材で吸水した水分を外部に排出する排水部を設けると、排水した水を回収することで、確実に水回収しながら、水蒸気量の少ない空気を供給することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の燃料電池によれば、空気供給ダクトが中間部で折り曲げられているので、燃料電池がどのような姿勢になっても、生成水は必ず空気供給ダクトの内壁面に接触し、その内壁面に設けられた吸水部材により吸水されるので、空気供給装置に生成水が入って破損するのを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の燃料電池の実施形態について、図１、図２を参照して説明する。
【００１７】
（第１の実施形態）
まず、第１の実施形態の燃料電池１０を図１を参照して説明する。図１において、燃料電池１０は、高分子電解質膜の両面にカソード極とアノード極を接合した電解質膜電極接合体（ＭＥＡ）２とセパレータ３を交互に積層して構成された燃料電池スタック１から成り、補機として空気供給装置１１や燃料供給装置（図示せず）などが設けられている。
【００１８】
燃料電池スタック１においては、各電解質膜電極接合体２の両面に、燃料が供給されるアノード流路４と空気が供給されるカソード流路５が対向するように構成されている。そのため、積層方向両端のセパレータ３には片面にアノード流路４またはカソード流路５が形成され、中間部のセパレータ３には両面にアノード流路４とカソード流路５が形成されている。また、燃料電池スタック１の積層方向両端には端板６が配置され、端板６、６間が挟圧状態で拘束されている。
【００１９】
空気供給装置１１は大気から空気を取り入れるファン１２にて構成され、酸素を含む空気をファン１２から空気供給ダクト１３を通してカソード流路５に供給するように構成されている。空気供給ダクト１３は、その中間部において１８０°折れ曲がった形状に構成されており、かつその内壁面に吸水部材１４が設けられている。空気供給ダクト１３は、吸水部材１４が接触または近接するため、錆びないように樹脂材料で製作されている。
【００２０】
本実施形態によると、燃料電池１０の姿勢によって、燃料電池スタック１のカソード極内で生じた生成水が空気供給装置１１であるファン１２側に向けて逆方向に流れても、空気供給ダクト１３が中間部で１８０°折り曲げられているので、生成水は必ず空気供給ダクト１３の内壁面に接触し、その内壁面に設けられた吸水部材１４により吸水されるので、ファン１２に生成水が入って破損するのを防止することができる。また、空気供給ダクト１３が樹脂材料で構成されているので、その内壁面に吸水部材１４を設けても錆びることがなく、錆成分の混入した空気を燃料電池内に供給する恐れがない。
【００２１】
また、吸水部材１４に吸水された水は、ファン１２から供給されて空気供給ダクト１３内を流通する空気により蒸発して水蒸気に姿を変え、その水蒸気を含んだ空気がカソード通路５に供給されることで回収される。
【００２２】
なお、空気供給ダクト１３自体を吸水性を有する吸収部材で製作しても良い。その場合、吸水した生成水がダクト外に漏出しないように、その外表面を撥水性を有する材料で外装する必要がある。この構成によれば、簡単・軽量な構成にて水分を外部に逃がさないダクトを製作することができる。
【００２３】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態の燃料電池１０を図２を参照して説明する。尚、上記第１の実施形態と同一の構成要素については同一の参照符号を付して説明を省略し、主として相違点についてのみ説明する。
【００２４】
本実施形態では、空気供給ダクト１３に、その壁面を貫通する排水孔１３ａを適当間隔置きに複数形成するとともに、その外側に排水通路１５を設け、この排水通路１５を排出管１６を介して回収水タンク１７に接続している。
【００２５】
この構成によれば、吸水部材１４に吸水した生成水を空気供給ダクト１３の外部に排出して回収水タンク１７に回収できるので、確実に水回収しながら、水蒸気量の少ない空気を供給することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明の燃料電池は、メタルールやジメチルエーテル等を水素に改質せずに燃料として直接用いることができるとともに、燃料電池がどのような姿勢になっても生成水が必ず空気供給ダクトの内壁面に設けられた吸水部材により吸水されるので、空気供給装置に生成水が入って破損するのを防止することができるので、携帯電話や携帯情報端末（ＰＤＡ）、ノートパソコン、ビデオカメラ等の携帯電子機器用の電源として、また電動スクータや自動車用の電源等にも有用である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第１の実施形態の燃料電池の概略構成を示す断面図。
【図２】本発明の第２の実施形態の燃料電池の概略構成を示す断面図。
【図３】従来例の燃料電池の概略構成を示す断面図。
【符号の説明】
【００２８】
１ 燃料電池スタック
２ 電解質膜電極接合体
１０ 燃料電池
１１ 空気供給装置
１２ ファン
１３ 空気供給ダクト
１３ａ 排水孔
１４ 吸水部材
１５ 排水通路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料の供給を受けるアノード極と、酸素の供給を受けるカソード極と、前記アノード極とカソード極の間に介在された電解質膜とを備えた燃料電池において、前記カソード極に空気を供給する空気供給ダクトを、少なくとも中間部の一部で折れ曲がった形状にし、前記空気供給ダクトの少なくとも内壁面に吸水部材を設けたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記空気供給ダクトを樹脂材料で構成したことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記空気供給ダクトを吸水部材で構成し、その外表面を撥水性材料で外装したことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項４】
前記空気供給ダクトに、吸水部材で吸水した水分を外部に排出する排水部を設けたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項１】
燃料の供給を受けるアノード極と、酸素の供給を受けるカソード極と、前記アノード極とカソード極の間に介在された電解質膜とを備えた燃料電池において、前記カソード極に空気を供給する空気供給ダクトを、少なくとも中間部の一部で折れ曲がった形状にし、前記空気供給ダクトの少なくとも内壁面に吸水部材を設けたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記空気供給ダクトを樹脂材料で構成したことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記空気供給ダクトを吸水部材で構成し、その外表面を撥水性材料で外装したことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項４】
前記空気供給ダクトに、吸水部材で吸水した水分を外部に排出する排水部を設けたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００８−１０２５７（Ｐ２００８−１０２５７Ａ）
【公開日】平成２０年１月１７日（２００８．１．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１７８０３５（Ｐ２００６−１７８０３５）
【出願日】平成１８年６月２８日（２００６．６．２８）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１月１７日（２００８．１．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年６月２８日（２００６．６．２８）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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