燃料電池
【課題】安定した発電が可能であり高い発電効率を維持しながら発電部のドライアップを抑制することが可能な燃料電池を提供する。
【解決手段】自然吸気型の燃料電池の発電部１において、空間を挟んで酸化剤極３１と対向した隔壁３３を備え、第１の端部３６１と第１の端部３６１より低い第２の端部３６２のそれぞれの近傍に配置された第１連通口３７１と第２連通口３７２を備えることにより、酸化剤極３１と垂直方向への水蒸気の拡散を防ぎながら、燃料である空気が発電時の発熱での熱対流によって第２連通口３７２から供給され、発電後の空気は第１連通口３７１から排気することによって、安定した発電が可能であり高い発電効率を維持しながら発電部１のドライアップを抑制する。
【解決手段】自然吸気型の燃料電池の発電部１において、空間を挟んで酸化剤極３１と対向した隔壁３３を備え、第１の端部３６１と第１の端部３６１より低い第２の端部３６２のそれぞれの近傍に配置された第１連通口３７１と第２連通口３７２を備えることにより、酸化剤極３１と垂直方向への水蒸気の拡散を防ぎながら、燃料である空気が発電時の発熱での熱対流によって第２連通口３７２から供給され、発電後の空気は第１連通口３７１から排気することによって、安定した発電が可能であり高い発電効率を維持しながら発電部１のドライアップを抑制する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は外部負荷の内部電源として用いられる燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、ノートパソコンや携帯電話等の電子機器の電源として、主にリチウムイオン電池に代表される二次電池が使用されている。しかし、これらの電子機器の更なる使用時間の長期化の要望、近年の電子機器の高機能化に伴い、高出力で充電の必要がない燃料電池の利用が期待されている。また燃料電池には多数の方式が存在するが、上記の電子機器に用いられる燃料電池には、そのシステムの小型化・簡素化が容易である事から固体高分子形燃料電池の適用が有望である。
【０００３】
固体高分子形燃料電池では燃料極に燃料を、酸化剤極に空気中の酸素を与える事によって発電をする。この時燃料極から固体高分子膜中を移動してきたプロトンが、酸化剤極で酸素と結合して水を生成する。酸化剤極で生成された水は固体高分子膜中に保持されるが、その多くは酸化剤極に供給される空気中に蒸発していく。また固体高分子膜中をプロトンが移動する為には水が必要であるが、燃料電池が発電時に発生する熱により発電部が高温になり、例えば酸化剤ガスの湿度が低下してしまうドライアップ（ドライアウト）が生じて発電性能が低下する。その為、発電部は一定の湿度を保つ必要がある。
【０００４】
そこで、酸化剤極に対してファンを用いて強制的に空気を供給し、放熱性能を向上させ、発電部が高温になるのを防ぐことでドライアップを生じさせない技術が提案されている（例えば、特許文献１）。
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の構成では、ファンを動作させる為に電力が必要であり、該電力を燃料電池や二次電池から供給する必要がある為、燃料電池システムの発電効率が低下してしまう。
【０００６】
また、電力を用いずに発電部のドライアップを防ぐ技術として、酸化剤極から突出して触媒層上に備えられ水蒸気を結露させるコの字状の結露手段を備え、被覆領域の水蒸気圧を高くする技術が提案されている（例えば、特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−９５５８１
【特許文献２】特開２００８−１９８３８５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献２の構成では、水蒸気を結露させる結露手段が燃料の触媒層上の一部を覆う構成となっており、燃料極に対する空気の供給が阻害されてしまい、特に多くの燃料を必要とする高電流密度条件では発電効率が低下してしまう。
【０００９】
そこで、本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、安定した発電が可能であり高い発電効率を維持しながら発電部のドライアップを抑制することが可能な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】
上記課題を解決するために本発明の燃料電池の第１の特徴は、燃料極と酸化剤極と燃料極及び酸化剤極に挟持された電解質膜から構成される発電部と、大気と連通する連通口とを有し、連通口を介して大気中の空気が酸化剤として酸化剤極に自然吸気によって供給される燃料電池であって、酸化剤極と、酸化剤極の電解質膜が配置された面に対向するように設けられた隔壁と、酸化剤極と隔壁とによって構成された空間と、を有する酸化剤極部を備え、酸化剤極側部は、第１の端部と、第１の端部とは逆側の第２の端部とを備え、第１の端部は、第２の端部よりも高い位置に備えられ、第１の端部と第２の端部との中心から第１の端部寄りの少なくとも１つの第１連通口と、第１の端部と第２の端部との中心から第２の端部寄りの少なくとも１つの第２連通口と、を備えることを要旨とする。
【００１１】
かかる特徴によれば、自然吸気型の燃料電池の酸化剤極において、熱対流によって上昇する空気の流れの入り口と出口に連通口が備えられているため空気の供給と排気を十分確保しながら、隔壁によって電解質膜と垂直方向の大気への水蒸気の拡散が防止する事ができる。従って、高い発電性能を保持しながら、発電時のドライアップを抑制することができる。
【００１２】
本発明の燃料電池の第２の特徴は、第１の特徴の燃料電池において、前記第２の端部の側方には、前記酸化剤極に対して水を供給する加水手段を備えることを要旨とする。
【００１３】
かかる特徴によれば、空気供給側の連通口から酸化剤極に対して水を供給する事により酸化剤極の湿度を高く保つことができる。
【００１４】
本発明の燃料電池の第３の特徴は、第２の特徴の燃料電池において、前記加水手段は水貯留部から供給された水を蒸発する蒸発部を備える事を要旨とする。
【００１５】
かかる特徴によれば、水貯留部に備えられた水を水蒸気として蒸発させるために、ドライアップを長時間抑制する事ができる。
【００１６】
本発明の燃料電池の第４の特徴は、第３の特徴の燃料電池において、前記加水手段は加熱手段を備え、前記蒸発部は前記加熱手段によって加熱される事を要旨とする。
【００１７】
かかる特徴によれば、蒸発手段が加熱手段によって高温に保たれ、より多くの水の蒸発が可能であるため、ドライアップの抑制をより効果的におこなう事ができる。
【００１８】
本発明の燃料電池の第５の特徴は、第４の特徴の燃料電池において、前記加熱手段は発電時に前記発電部で発生する熱を前記蒸発部へと伝熱する伝熱体であることを要旨とする。
【００１９】
かかる特徴によれば、加熱手段は発電部の発電時に発生する熱を利用するため、蒸発部を高温にするために特別にエネルギーを利用することがないので、低エネルギーでドライアップを抑制することができる。
【００２０】
本発明の燃料電池の第６の特徴は、第３の特徴から第５の特徴のいずれかの燃料電池において、前記加水手段は、前記蒸発部以外で大気と接する面に断熱手段を有することを要旨とする。
【００２１】
かかる特徴によれば、加水手段に与えられた熱エネルギーが水の蒸発にのみ利用されるため、ドライアップの抑制をより低エネルギーで行う事ができる。
【００２２】
本発明の燃料電池の第７の特徴は、第３の特徴から第６の特徴のいずれかの燃料電池において、前記蒸発部は表面に１つ以上の隆起形状を有する面であることを要旨とする。
【００２３】
かかる特徴によれば、蒸発部の表面積が大きく、蒸発部の単位面積当たりの水が蒸発することができる面積を大きく確保することができるため、小型の加水手段によりドライアップ抑制の効果が得られる。
【００２４】
本発明の燃料電池の第８の特徴は、第３の特徴から第７の特徴のいずれかの燃料電池において、前記発電部の温度を検出する検出部を備え、前記検出部で得た検出値が所定値以上の場合に前記蒸発部にて前記水を蒸発させるよう加水手段を制御する制御部を備えることを要旨とする。
【００２５】
かかる特徴によれば、制御部は検出部で得た温度情報をもとに、発電部が高温となってドライアップ状態になった時に蒸発部で水を蒸発するよう制御する。従ってドライアップでない状態では水は蒸発しないため、無駄なエネルギーを必要としない効率的なドライアップ抑制効果が得られる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、安定した発電が可能であり高い発電効率を維持しながら発電部のドライアップを抑制することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池の概略図である。
【図２】図１の点線で示した領域の断面外略図である。
【図３】図１の破線で示した領域の断面外略図である。
【図４】本発明の第１実施形態の連通口のその他の設置例である。
【図５】本発明の第１実施形態の連通口のその他の設置例である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る燃料電池の概略図である。
【図７】本発明の第３実施形態に係る燃料電池の概略図である。
【図８】本発明の第４実施形態に係る燃料電池の概略図である。
【図９】蒸発部の一具体例の概略図である。
【図１０】本発明の第５実施形態に係る燃料電池の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
［第１実施形態］
図１から図５に基づいて本発明の第１実施形態に係る燃料電池を説明する。
【００２９】
図１には本発明の第１実施形態に係る燃料電池の概略、図２及び図３には図１の断面図、図４及び図５には図１に示す本実施形態の別の形態の概略を示してある。
【００３０】
図１に示すように、発電部１は鉛直方向に備えられた電解質膜１１が燃料極２１を含む燃料極部２と酸化剤極３１を含む酸化剤極部３に挟持されることによって構成される構造体である。電解質膜１１は鉛直方向に配置されていることが望ましいが、この姿勢での使用に限定されるものではない。即ち燃料電池が備えられた機器の使用者が一時的に燃料電池を傾けたり、電解質膜１１が水平になるように使用される事も可能である。燃料極２１、酸化剤極３１に対して固体高分子形燃料電池に用いられる燃料が供給される。ここで燃料極２１に供給される燃料とは例えばメタノール、エタノール、水素化ホウ素ナトリウム水溶液等の液体燃料、水素、等がある。一方、酸化剤極３１には燃料として空気中の酸素が供給される。また燃料極部２はこれら燃料を外部と遮断する為に燃料極外壁２３が備えられていることが好ましい。酸化剤極部３は発電に用いる燃料として空気中の酸素が供給される。
【００３１】
図２には図１の点線で示した箇所の断面図を示してある。電解質膜１１を境に燃料が供給される側（図中右側）が燃料極部２であり、空気が供給される側（図中左側）が酸化剤極部３である。電解質膜１１の両側表面には触媒が担持された炭素で構成された触媒層が形成されている。ここで触媒の例としては白金粒子を担持させた触媒、ルテニウムとセレンの合金触媒などが挙げられるが、燃料に対して触媒活性を有するものであれば特にこれに限らない。触媒層表面には触媒層に対する燃料の拡散性を確保しながら導電性を得るガス拡散層（GDL）が形成される。ガス拡散層は多孔質の導電材料であり、最も多く用いられる例として炭素繊維が挙げられる。またガス拡散層は多孔質である事からバルクの金属程の高い導電性は得られず、それ自体を電極として使用するには抵抗損失が大きい。その為ガス拡散層表面には金、SUS、アルミ、ニッケル等の金属部材やカーボンで構成される集電部材が配置され、小さい抵抗損失で集電を行う。ここでは触媒層とGDLと集電部材を含めたものをまとめて燃料電池の電極として扱い、燃料が供給される側の電極を燃料極２１、空気が供給される側の電極を酸化剤極３１とよぶ。
【００３２】
燃料極２１には燃料を供給するための燃料供給口２２が備えられており、図示していない燃料源から燃料が供給される。燃料源には液体燃料や圧縮水素等の燃料そのものを貯蔵した燃料タンクや、水素化ホウ素ナトリウムや水素化アルミ等の水素貯蔵金属類を加水分解する事によって水素を得る水素発生器、メタノールを改質して水素を得る改質器が挙げられる。
【００３３】
大気中の酸素を供給する必要がある為、酸化剤極３１表面は空間３２が確保され、空間３２を中心に酸化剤極３１と対面するように隔壁３３が備えられている。酸化剤極３１に対する空気の拡散性を確保するために空間３２には基本的に遮蔽物がない構造が望ましいが、発電部１の形状保持や導電性を得る為の積層方向の締結力を負荷するために、酸化剤極３１と隔壁３３を接続する接続部３４が備えられていても良い。
【００３４】
また酸化剤極３１に対して垂直な外面である端部は、発電部１外部からの物質の混入による機械的な破壊や、電気的なショートを防ぐ為に酸化剤極外壁３５が備えられていることが望ましい。しかし発電時は空間３２に空気中の酸素を供給する必要がある為、全ての酸化剤極外壁３５が覆われているのではなく、一部は発電部１外部の空気と空間３２を繋ぐ連通口が設けられている。
【００３５】
ここで本発明の作用について説明する。燃料電池の発電時には燃料極２１の触媒層・燃料・電解質膜１１の三相界面でプロトンと電子が生成される反応が起こる。燃料極２１側で生成したプロトンは電解質膜１１中を通して酸化剤極３１へと移動し、電子は集電体を介して外部回路を流れて酸化剤極３１へと移動する。酸化剤極３１へと移動したプロトンは酸化剤極３１中の三相界面において空気中の酸素と外部回路を移動してきた電子と結合し水を生成する。上記プロセスにより発電部１は発熱を伴い発電を行う。酸化剤極３１で生成された水は発電時の熱により蒸発し水蒸気となって空間３２中に拡散する。また空間３２に存在する空気は発電時の発熱による熱対流によって上方へと流動する。
【００３６】
また図１，２に示すように発電部１の上側に存在する第１の端部３６１寄り、発電部１の下側に存在する第２の端部３６２寄りにそれぞれ一つ以上の連通口が配置されている。ここで第１の端部３６１寄りの連通口を第１連通口３７１、第２の端部３６２寄りの連通口を第２連通口３７２と呼ぶ。空間３２中の空気は熱対流によって下方から上方へと流動する。本例は無駄な電力消費を省き発電システムのエネルギー効率を高くするために、ポンプやブロアー等を用いた強制的な空気供給は行わない。そのため空気供給は主に先述した熱対流によって行われる。即ち第２連通口３７２から空気が供給され、第１連通口３７１から発電で用いられたカソードオフガスが排気されるため、効果的な拡散性を得ることが出来る。ここで第１連通口３７１と第２連通口３７２の位置であるが、第１の端部３６１と第２の端部３６２の中央を中心線３８として、中心線３８から第１の端部３６１と第２の端部３６２までのそれぞれの中央よりも端部よりであることが望ましい。即ち発電部１を縦方向に４分割した時の最も上方の領域に第１連通口３７１が、最も下方の領域に第２連通口３７２がある事が好ましい。図３に図１の破線で示す面の断面図を示してある。図中のドットで示す領域は発電領域３１１であり、この領域に触媒層が形成されている。また第１連通口３７１と第２連通口３７２は上記の領域に集中して配置されている。これにより下方の第２連通口３７２から空間３２内に発電部１外部から空気が供給され、上方の第１連通口３７１から空間３２内の空気が排出されるという効果が顕著に得られる。
【００３７】
ここで仮に隔壁３３が備えられていない場合には空間３２中の水蒸気は拡散により上方だけでなく電解質膜３１の垂直方向にも移動して水蒸気が非常に拡散しやすい状態となる。その為、発電部１が高温の場合、水蒸気が過剰に拡散されてしまいドライアップ状態に陥りやすい。一方隔壁３３が存在する場合には電解質膜３１の垂直方向への水蒸気の拡散が防がれる為、隔壁３３が存在する場合よりも空間３２内の水蒸気圧が高く保たれる。また空気は空間３２内を上方に向かって移動する過程で、酸化剤極３１上で発生した水蒸気を含む事になるため、空間３２の上方の方が高い水蒸気圧に保たれる。酸化剤極３１からの放熱により温められた空気が下方から上方に移動しているために、上方に存在する空気のほうが高温になる。そのため酸化剤極３１の熱は上方では放熱されにくい為に高温となり、水蒸気の蒸発が著しくドライアップが起こりやすい。つまり隔壁３３を配置することにより、ドライアップしやすい上方の酸化剤極３１に対して水蒸気を供給できるため、ドライアップの効率的な抑制をすることができる。
【００３８】
また図４、図５に連通口の別の配置例の概略を示す。図４は隔壁３３に幅広の第１連通口３７１(a)と第２連通口３７２(a)が備えられた例である。また、第１連通口３７１(a)と第２連通口３７２(a)は酸化剤極３１に対して垂直な壁面だけでなく、隔壁３３に設けられていても同様の効果を得る事ができる。また本例では第１連通口３７１(a)と第２連通口３７２(a)は酸化剤極３１の発電領域３１１と同等の幅を有している。そのため、空気の供給と排気が行われやすく、隔壁３３を備えた事による空気の拡散性の阻害が生じにくくなっている。さらに図５に示すように壁面と隔壁３３の両方に第１連通口３７１(a)、(b)と第２連通口３７２(a)、 (b)が複数備えられている場合も同様の効果が得られる。
【００３９】
また本発明は単層セルのみならず積層セルに適用した場合においても有効である。積層セルに適用した場合には燃料極外壁２３を隔壁３３として利用することも可能である。単層セルの場合でも燃料電池に用いる制御ユニットや燃料源等の、発電部１以外のユニットや、燃料電池の電力を用いて使用される使用機器の一部を隔壁３３として利用しても良い。
【００４０】
即ち本実施形態によれば発電時に十分な空気拡散性を確保したまま、ドライアップの効率的な抑制をすることが出来る。
［第２実施形態］
図６に基づいて本発明の第２実施形態に係る燃料電池を説明する。
【００４１】
図６には本発明の第２実施形態に係る燃料電池の概略を説明する概略図を示してある。尚、第１実施形態の燃料電池と同一部材には同一符号を付してある。
【００４２】
図６に示すように発電部１の第２連通口３７２付近に加水手段４が備えられている。加水手段４は酸化剤極３１に対して水を送る構造体である。ここで加水手段４の例としては噴霧によって酸化剤極３１を加湿することで加水する噴出装置や、毛細管力を利用して酸化剤極３１まで配置された液水路等が挙げられる。発電部１の使用環境が分かっている場合では、酸化剤極３１による発熱とそれに伴う水蒸気の蒸発量が得られるため、発電に必要な水量を予め設定し水を噴霧し続ける事でドライアップを抑制することが出来る。また液水路に関しても同様に発電時の水必要量に合わせて毛細管力を設定することでドライアップを効果的に抑制することが出来る。
【００４３】
即ち本実施形態によれば第１実施形態に示す効果に加え、ドライアップの更なる抑制をすることができる。
［第３実施形態］
図７に基づいて本発明の第３実施形態に係る燃料電池を説明する。
【００４４】
図７には本発明の第３実施形態に係る燃料電池の概略を説明する概略図を示してある。尚、第１実施形態及び第２実施形態の燃料電池と同一部材には同一符号を付してある。
【００４５】
図７に示すように加水手段４には導水路４１を介して貯留手段４２が接続されている。貯留手段４２には水が蓄えられており、導水路４１を通る事によって加水手段４へと水が供給される。そのため加水手段４において貯留手段４２の水を供給する事で連続的な水の蒸発が可能である。ここで加水手段４は水を水蒸気へと蒸発させ、第２連通口３７２に対して水蒸気を与える蒸発部４３を備えている。第２連通口３７２では付近の空気を取り込むので、蒸発部４３で蒸発した水蒸気も空気と一緒に取り込む。ここで加水手段４は水が蒸発するための機能を備えていれば良いため、水が存在する板材や、貯留手段そのものでも構わない。しかしより多くの水蒸気を蒸発させる為に蒸発部４３に近接して加熱手段４４が備えられていても良い。加熱手段４４の例としてはヒーターによる発熱、水素発生器の水素発生反応の反応熱、改質器の改質反応に用いる熱、燃料電池を使用する電子機器の発熱等が挙げられる。むろん水を蒸発させるための熱エネルギーが与えられる物質であれば上記に限らない。加熱手段４４によって温められた蒸発部４３は高温となり、蒸発部４３に接触するより多くの水を蒸発することができる。
【００４６】
即ち本実施形態によればドライアップの抑制を長時間持続することができる。
［第４実施形態］
図８に基づいて本発明に係る第４実施形態について説明する。
【００４７】
図８には本発明の第４実施形態に係る燃料電池の概略を説明する概略図を示してある。尚、第１実施形態乃至第３実施形態の燃料電池と同一部材には同一符号を付してある。
【００４８】
図８に示すように加熱手段４４として伝熱体４４１を備えられており、加水手段４には断熱手段４５が備えられている。伝熱体４４１は酸化剤極３１と蒸発部４３と接続されており、酸化剤極３１で発生する発電反応における発熱を吸熱し、蒸発部４３へと熱を伝える。伝熱体４４１は酸化剤極３１での発熱をより効率的に吸熱するために図３に示した発電領域３１１の全体を覆う構造が好ましい。また酸化剤極３１に対する空気供給の阻害をしないために多孔質体であることが良い。多孔質体の例としては発泡金属、パンチングメタル等の金属部材が高い熱伝導性を有するため好ましい。また発電部１の構成部材数を減少させるために伝熱体４４１と酸化剤極３１の集電体部材は同一のものであっても良い。こうして伝熱体４４１は酸化剤極３１で発電時の発熱を吸熱する事によって高温となり、伝熱体４４１の熱を蒸発部４３に伝えることで蒸発部４３での水蒸気の蒸発の促進をすることができる。また断熱手段４５は加水手段４の蒸発部４３以外で大気と接する箇所に設けられる。その為、加水手段４に伝えられた熱エネルギーは蒸発部４３での水の蒸発にのみ有効に利用される。ここで断熱手段４５の例としては内部に真空層を有する板材で形成された真空断熱層や、多孔質の樹脂で形成された断熱シート等が挙げられる。
【００４９】
また蒸発部４３は表面が隆起形状を有する事が好ましい。隆起形状は蒸発部４３の見かけの面積に対して、水を蒸発させるための有効面積が広く確保できる形状であれば良い。上記の隆起形状を有する事により、蒸発部４３はより多くの水を蒸発させることができる。
【００５０】
図９に蒸発部４３のその他の具体例を示す。図９は酸化剤極外壁３５に備えられた第２連通口３７２の壁面が蒸発部４３となっている構造である。また図３に示した発電領域３１１での発熱を効率良く吸熱できるように図８に示した伝熱体４４１を集電部材として利用するべく、図８に示した伝熱体４４１は酸化剤極３１と接しており、熱的に接続状態となっている。こうして発電部１で発生した熱は図８に示した伝熱体４４１を通じて蒸発部４３に与えることにより、蒸発部４３を高温にすることが出来る。
【００５１】
蒸発部４３となっている第２連通口３７２の壁面には隆起形状として複数のフィン４３１が備えられている。また全ての面で有効に水を蒸発することが出来るよう、蒸発部４３はその表面に水を拡散させることが望ましい。水の拡散手段としては、蒸発部４３表面を親水処理にする、蒸発部４３表面に吸水繊維を貼り付ける、蒸発部４３表面に細かい溝を設け毛細管力を利用した水の移送を行う等の手段が挙げられる。上記拡散手段に限らず、蒸発部４３全面に水を拡散させることができる手段であればよい。
【００５２】
即ち本実施形態によれば第３実施形態に示す効果に加え、水の蒸発に用いるエネルギーは発電時の発熱を利用するため、加水手段４を動作させるために余分なエネルギーを利用する必要がなく、ドライアップの抑制を少ない低消費電力で行う事ができる。
［第５実施形態］
図１０に基づいて本発明に係る第５実施形態について説明する。
【００５３】
図１０には本発明の第５実施形態に係る燃料電池の概略を説明する概略図を示してある。尚、第１実施形態乃至第４実施形態の燃料電池と同一部材には同一符号に付してある。
【００５４】
図１０に示すように発電部１には検出部５を備え、検出部５で得た値は破線で示す信号線を介して制御部６に入力され、制御部６は加水手段４と破線で示す信号線によって接続される。
【００５５】
検出部５は発電部１の温度を検出する機能を持っており、発電部１の温度が測定することが出来れば配置される位置はどこでも良い。発電部分に最も近い酸化剤極３１は温度状況によりドライアップ現象を生じるために、酸化剤極３１の温度を測定する事が最も望ましい。
【００５６】
こうして検出部５で得た発電部１の温度は信号線により制御部６へと入力される。温度を読み取った制御部６は、温度がある一定値以上の時に加水手段４にて水蒸気を蒸発させるように制御を行う。なお発電部１は外気温が２５℃の場合７０℃以上の高温になってくるとドライアップ現象により発電特性が大きく低下するため、検出部５で得た温度が７０℃以上である場合には水蒸気を蒸発させると良い。
【００５７】
水蒸気の蒸発を制御する手段には以下のような例が挙げられる。制御部６は加熱手段４４に接続され、水蒸気を蒸発させる必要がある場合には加熱手段４４を作動させて蒸発を促し、水蒸気を蒸発させる必要がない場合には加熱手段４４を停止する。このように加熱手段４４の作動時と停止時を使い分ける事により水蒸気の蒸発量を制御する方法がある。また他の方法として導水路４１にはバルブが備えられており、制御部６はバルブと接続され、水蒸気が蒸発させる必要がある場合にはバルブを開状態にすることで水を蒸発部４３に送液する。水蒸気を蒸発させる必要がない場合にはバルブを閉状態にし、蒸発部４３への送液を停止することで蒸発部４３における水蒸気の蒸発を停止する。このように蒸発部４３への水の送液を制御することで、水蒸気の蒸発量を制御する方法もある。また発電部１が第４実施形態のような伝熱体４４１である場合には、伝熱体４４１の蒸発部４３までの過程に断熱構造と伝熱構造を切り替える切替手段を有する例が挙げられる。切替手段の例としては水蒸気が必要な場合には伝熱体４４１は熱的に接続されるが、水蒸気が必要でない場合には伝熱体４４１の一部が離間することで熱的な該断熱状態にする手段がある。
【００５８】
即ち本実施形態によれば、第２実施形態乃至第４実施形態のドライアップの抑制を、少ない水量と熱エネルギーにより効果的に行うことができる。
【符号の説明】
【００５９】
１ 発電部
２ 燃料極部
３ 酸化剤極部
４ 加水手段
５ 検出部
６ 制御部
１１ 電解質膜
２１ 燃料極
２２ 燃料供給口
２３ 燃料極外壁
３１ 酸化剤極
３２ 空間
３３ 隔壁
３４ 接続部
３５ 酸化剤極外壁
３６１ 第１の端部
３６２ 第２の端部
３８ 中心線
４１ 導水路
４２ 貯留手段
４３ 蒸発部
４４ 加熱手段
４５ 断熱手段
３７１ 第１連通口
３７２ 第２連通口
４３１ フィン
【技術分野】
【０００１】
本発明は外部負荷の内部電源として用いられる燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、ノートパソコンや携帯電話等の電子機器の電源として、主にリチウムイオン電池に代表される二次電池が使用されている。しかし、これらの電子機器の更なる使用時間の長期化の要望、近年の電子機器の高機能化に伴い、高出力で充電の必要がない燃料電池の利用が期待されている。また燃料電池には多数の方式が存在するが、上記の電子機器に用いられる燃料電池には、そのシステムの小型化・簡素化が容易である事から固体高分子形燃料電池の適用が有望である。
【０００３】
固体高分子形燃料電池では燃料極に燃料を、酸化剤極に空気中の酸素を与える事によって発電をする。この時燃料極から固体高分子膜中を移動してきたプロトンが、酸化剤極で酸素と結合して水を生成する。酸化剤極で生成された水は固体高分子膜中に保持されるが、その多くは酸化剤極に供給される空気中に蒸発していく。また固体高分子膜中をプロトンが移動する為には水が必要であるが、燃料電池が発電時に発生する熱により発電部が高温になり、例えば酸化剤ガスの湿度が低下してしまうドライアップ（ドライアウト）が生じて発電性能が低下する。その為、発電部は一定の湿度を保つ必要がある。
【０００４】
そこで、酸化剤極に対してファンを用いて強制的に空気を供給し、放熱性能を向上させ、発電部が高温になるのを防ぐことでドライアップを生じさせない技術が提案されている（例えば、特許文献１）。
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の構成では、ファンを動作させる為に電力が必要であり、該電力を燃料電池や二次電池から供給する必要がある為、燃料電池システムの発電効率が低下してしまう。
【０００６】
また、電力を用いずに発電部のドライアップを防ぐ技術として、酸化剤極から突出して触媒層上に備えられ水蒸気を結露させるコの字状の結露手段を備え、被覆領域の水蒸気圧を高くする技術が提案されている（例えば、特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−９５５８１
【特許文献２】特開２００８−１９８３８５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献２の構成では、水蒸気を結露させる結露手段が燃料の触媒層上の一部を覆う構成となっており、燃料極に対する空気の供給が阻害されてしまい、特に多くの燃料を必要とする高電流密度条件では発電効率が低下してしまう。
【０００９】
そこで、本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、安定した発電が可能であり高い発電効率を維持しながら発電部のドライアップを抑制することが可能な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】
上記課題を解決するために本発明の燃料電池の第１の特徴は、燃料極と酸化剤極と燃料極及び酸化剤極に挟持された電解質膜から構成される発電部と、大気と連通する連通口とを有し、連通口を介して大気中の空気が酸化剤として酸化剤極に自然吸気によって供給される燃料電池であって、酸化剤極と、酸化剤極の電解質膜が配置された面に対向するように設けられた隔壁と、酸化剤極と隔壁とによって構成された空間と、を有する酸化剤極部を備え、酸化剤極側部は、第１の端部と、第１の端部とは逆側の第２の端部とを備え、第１の端部は、第２の端部よりも高い位置に備えられ、第１の端部と第２の端部との中心から第１の端部寄りの少なくとも１つの第１連通口と、第１の端部と第２の端部との中心から第２の端部寄りの少なくとも１つの第２連通口と、を備えることを要旨とする。
【００１１】
かかる特徴によれば、自然吸気型の燃料電池の酸化剤極において、熱対流によって上昇する空気の流れの入り口と出口に連通口が備えられているため空気の供給と排気を十分確保しながら、隔壁によって電解質膜と垂直方向の大気への水蒸気の拡散が防止する事ができる。従って、高い発電性能を保持しながら、発電時のドライアップを抑制することができる。
【００１２】
本発明の燃料電池の第２の特徴は、第１の特徴の燃料電池において、前記第２の端部の側方には、前記酸化剤極に対して水を供給する加水手段を備えることを要旨とする。
【００１３】
かかる特徴によれば、空気供給側の連通口から酸化剤極に対して水を供給する事により酸化剤極の湿度を高く保つことができる。
【００１４】
本発明の燃料電池の第３の特徴は、第２の特徴の燃料電池において、前記加水手段は水貯留部から供給された水を蒸発する蒸発部を備える事を要旨とする。
【００１５】
かかる特徴によれば、水貯留部に備えられた水を水蒸気として蒸発させるために、ドライアップを長時間抑制する事ができる。
【００１６】
本発明の燃料電池の第４の特徴は、第３の特徴の燃料電池において、前記加水手段は加熱手段を備え、前記蒸発部は前記加熱手段によって加熱される事を要旨とする。
【００１７】
かかる特徴によれば、蒸発手段が加熱手段によって高温に保たれ、より多くの水の蒸発が可能であるため、ドライアップの抑制をより効果的におこなう事ができる。
【００１８】
本発明の燃料電池の第５の特徴は、第４の特徴の燃料電池において、前記加熱手段は発電時に前記発電部で発生する熱を前記蒸発部へと伝熱する伝熱体であることを要旨とする。
【００１９】
かかる特徴によれば、加熱手段は発電部の発電時に発生する熱を利用するため、蒸発部を高温にするために特別にエネルギーを利用することがないので、低エネルギーでドライアップを抑制することができる。
【００２０】
本発明の燃料電池の第６の特徴は、第３の特徴から第５の特徴のいずれかの燃料電池において、前記加水手段は、前記蒸発部以外で大気と接する面に断熱手段を有することを要旨とする。
【００２１】
かかる特徴によれば、加水手段に与えられた熱エネルギーが水の蒸発にのみ利用されるため、ドライアップの抑制をより低エネルギーで行う事ができる。
【００２２】
本発明の燃料電池の第７の特徴は、第３の特徴から第６の特徴のいずれかの燃料電池において、前記蒸発部は表面に１つ以上の隆起形状を有する面であることを要旨とする。
【００２３】
かかる特徴によれば、蒸発部の表面積が大きく、蒸発部の単位面積当たりの水が蒸発することができる面積を大きく確保することができるため、小型の加水手段によりドライアップ抑制の効果が得られる。
【００２４】
本発明の燃料電池の第８の特徴は、第３の特徴から第７の特徴のいずれかの燃料電池において、前記発電部の温度を検出する検出部を備え、前記検出部で得た検出値が所定値以上の場合に前記蒸発部にて前記水を蒸発させるよう加水手段を制御する制御部を備えることを要旨とする。
【００２５】
かかる特徴によれば、制御部は検出部で得た温度情報をもとに、発電部が高温となってドライアップ状態になった時に蒸発部で水を蒸発するよう制御する。従ってドライアップでない状態では水は蒸発しないため、無駄なエネルギーを必要としない効率的なドライアップ抑制効果が得られる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、安定した発電が可能であり高い発電効率を維持しながら発電部のドライアップを抑制することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池の概略図である。
【図２】図１の点線で示した領域の断面外略図である。
【図３】図１の破線で示した領域の断面外略図である。
【図４】本発明の第１実施形態の連通口のその他の設置例である。
【図５】本発明の第１実施形態の連通口のその他の設置例である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る燃料電池の概略図である。
【図７】本発明の第３実施形態に係る燃料電池の概略図である。
【図８】本発明の第４実施形態に係る燃料電池の概略図である。
【図９】蒸発部の一具体例の概略図である。
【図１０】本発明の第５実施形態に係る燃料電池の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
［第１実施形態］
図１から図５に基づいて本発明の第１実施形態に係る燃料電池を説明する。
【００２９】
図１には本発明の第１実施形態に係る燃料電池の概略、図２及び図３には図１の断面図、図４及び図５には図１に示す本実施形態の別の形態の概略を示してある。
【００３０】
図１に示すように、発電部１は鉛直方向に備えられた電解質膜１１が燃料極２１を含む燃料極部２と酸化剤極３１を含む酸化剤極部３に挟持されることによって構成される構造体である。電解質膜１１は鉛直方向に配置されていることが望ましいが、この姿勢での使用に限定されるものではない。即ち燃料電池が備えられた機器の使用者が一時的に燃料電池を傾けたり、電解質膜１１が水平になるように使用される事も可能である。燃料極２１、酸化剤極３１に対して固体高分子形燃料電池に用いられる燃料が供給される。ここで燃料極２１に供給される燃料とは例えばメタノール、エタノール、水素化ホウ素ナトリウム水溶液等の液体燃料、水素、等がある。一方、酸化剤極３１には燃料として空気中の酸素が供給される。また燃料極部２はこれら燃料を外部と遮断する為に燃料極外壁２３が備えられていることが好ましい。酸化剤極部３は発電に用いる燃料として空気中の酸素が供給される。
【００３１】
図２には図１の点線で示した箇所の断面図を示してある。電解質膜１１を境に燃料が供給される側（図中右側）が燃料極部２であり、空気が供給される側（図中左側）が酸化剤極部３である。電解質膜１１の両側表面には触媒が担持された炭素で構成された触媒層が形成されている。ここで触媒の例としては白金粒子を担持させた触媒、ルテニウムとセレンの合金触媒などが挙げられるが、燃料に対して触媒活性を有するものであれば特にこれに限らない。触媒層表面には触媒層に対する燃料の拡散性を確保しながら導電性を得るガス拡散層（GDL）が形成される。ガス拡散層は多孔質の導電材料であり、最も多く用いられる例として炭素繊維が挙げられる。またガス拡散層は多孔質である事からバルクの金属程の高い導電性は得られず、それ自体を電極として使用するには抵抗損失が大きい。その為ガス拡散層表面には金、SUS、アルミ、ニッケル等の金属部材やカーボンで構成される集電部材が配置され、小さい抵抗損失で集電を行う。ここでは触媒層とGDLと集電部材を含めたものをまとめて燃料電池の電極として扱い、燃料が供給される側の電極を燃料極２１、空気が供給される側の電極を酸化剤極３１とよぶ。
【００３２】
燃料極２１には燃料を供給するための燃料供給口２２が備えられており、図示していない燃料源から燃料が供給される。燃料源には液体燃料や圧縮水素等の燃料そのものを貯蔵した燃料タンクや、水素化ホウ素ナトリウムや水素化アルミ等の水素貯蔵金属類を加水分解する事によって水素を得る水素発生器、メタノールを改質して水素を得る改質器が挙げられる。
【００３３】
大気中の酸素を供給する必要がある為、酸化剤極３１表面は空間３２が確保され、空間３２を中心に酸化剤極３１と対面するように隔壁３３が備えられている。酸化剤極３１に対する空気の拡散性を確保するために空間３２には基本的に遮蔽物がない構造が望ましいが、発電部１の形状保持や導電性を得る為の積層方向の締結力を負荷するために、酸化剤極３１と隔壁３３を接続する接続部３４が備えられていても良い。
【００３４】
また酸化剤極３１に対して垂直な外面である端部は、発電部１外部からの物質の混入による機械的な破壊や、電気的なショートを防ぐ為に酸化剤極外壁３５が備えられていることが望ましい。しかし発電時は空間３２に空気中の酸素を供給する必要がある為、全ての酸化剤極外壁３５が覆われているのではなく、一部は発電部１外部の空気と空間３２を繋ぐ連通口が設けられている。
【００３５】
ここで本発明の作用について説明する。燃料電池の発電時には燃料極２１の触媒層・燃料・電解質膜１１の三相界面でプロトンと電子が生成される反応が起こる。燃料極２１側で生成したプロトンは電解質膜１１中を通して酸化剤極３１へと移動し、電子は集電体を介して外部回路を流れて酸化剤極３１へと移動する。酸化剤極３１へと移動したプロトンは酸化剤極３１中の三相界面において空気中の酸素と外部回路を移動してきた電子と結合し水を生成する。上記プロセスにより発電部１は発熱を伴い発電を行う。酸化剤極３１で生成された水は発電時の熱により蒸発し水蒸気となって空間３２中に拡散する。また空間３２に存在する空気は発電時の発熱による熱対流によって上方へと流動する。
【００３６】
また図１，２に示すように発電部１の上側に存在する第１の端部３６１寄り、発電部１の下側に存在する第２の端部３６２寄りにそれぞれ一つ以上の連通口が配置されている。ここで第１の端部３６１寄りの連通口を第１連通口３７１、第２の端部３６２寄りの連通口を第２連通口３７２と呼ぶ。空間３２中の空気は熱対流によって下方から上方へと流動する。本例は無駄な電力消費を省き発電システムのエネルギー効率を高くするために、ポンプやブロアー等を用いた強制的な空気供給は行わない。そのため空気供給は主に先述した熱対流によって行われる。即ち第２連通口３７２から空気が供給され、第１連通口３７１から発電で用いられたカソードオフガスが排気されるため、効果的な拡散性を得ることが出来る。ここで第１連通口３７１と第２連通口３７２の位置であるが、第１の端部３６１と第２の端部３６２の中央を中心線３８として、中心線３８から第１の端部３６１と第２の端部３６２までのそれぞれの中央よりも端部よりであることが望ましい。即ち発電部１を縦方向に４分割した時の最も上方の領域に第１連通口３７１が、最も下方の領域に第２連通口３７２がある事が好ましい。図３に図１の破線で示す面の断面図を示してある。図中のドットで示す領域は発電領域３１１であり、この領域に触媒層が形成されている。また第１連通口３７１と第２連通口３７２は上記の領域に集中して配置されている。これにより下方の第２連通口３７２から空間３２内に発電部１外部から空気が供給され、上方の第１連通口３７１から空間３２内の空気が排出されるという効果が顕著に得られる。
【００３７】
ここで仮に隔壁３３が備えられていない場合には空間３２中の水蒸気は拡散により上方だけでなく電解質膜３１の垂直方向にも移動して水蒸気が非常に拡散しやすい状態となる。その為、発電部１が高温の場合、水蒸気が過剰に拡散されてしまいドライアップ状態に陥りやすい。一方隔壁３３が存在する場合には電解質膜３１の垂直方向への水蒸気の拡散が防がれる為、隔壁３３が存在する場合よりも空間３２内の水蒸気圧が高く保たれる。また空気は空間３２内を上方に向かって移動する過程で、酸化剤極３１上で発生した水蒸気を含む事になるため、空間３２の上方の方が高い水蒸気圧に保たれる。酸化剤極３１からの放熱により温められた空気が下方から上方に移動しているために、上方に存在する空気のほうが高温になる。そのため酸化剤極３１の熱は上方では放熱されにくい為に高温となり、水蒸気の蒸発が著しくドライアップが起こりやすい。つまり隔壁３３を配置することにより、ドライアップしやすい上方の酸化剤極３１に対して水蒸気を供給できるため、ドライアップの効率的な抑制をすることができる。
【００３８】
また図４、図５に連通口の別の配置例の概略を示す。図４は隔壁３３に幅広の第１連通口３７１(a)と第２連通口３７２(a)が備えられた例である。また、第１連通口３７１(a)と第２連通口３７２(a)は酸化剤極３１に対して垂直な壁面だけでなく、隔壁３３に設けられていても同様の効果を得る事ができる。また本例では第１連通口３７１(a)と第２連通口３７２(a)は酸化剤極３１の発電領域３１１と同等の幅を有している。そのため、空気の供給と排気が行われやすく、隔壁３３を備えた事による空気の拡散性の阻害が生じにくくなっている。さらに図５に示すように壁面と隔壁３３の両方に第１連通口３７１(a)、(b)と第２連通口３７２(a)、 (b)が複数備えられている場合も同様の効果が得られる。
【００３９】
また本発明は単層セルのみならず積層セルに適用した場合においても有効である。積層セルに適用した場合には燃料極外壁２３を隔壁３３として利用することも可能である。単層セルの場合でも燃料電池に用いる制御ユニットや燃料源等の、発電部１以外のユニットや、燃料電池の電力を用いて使用される使用機器の一部を隔壁３３として利用しても良い。
【００４０】
即ち本実施形態によれば発電時に十分な空気拡散性を確保したまま、ドライアップの効率的な抑制をすることが出来る。
［第２実施形態］
図６に基づいて本発明の第２実施形態に係る燃料電池を説明する。
【００４１】
図６には本発明の第２実施形態に係る燃料電池の概略を説明する概略図を示してある。尚、第１実施形態の燃料電池と同一部材には同一符号を付してある。
【００４２】
図６に示すように発電部１の第２連通口３７２付近に加水手段４が備えられている。加水手段４は酸化剤極３１に対して水を送る構造体である。ここで加水手段４の例としては噴霧によって酸化剤極３１を加湿することで加水する噴出装置や、毛細管力を利用して酸化剤極３１まで配置された液水路等が挙げられる。発電部１の使用環境が分かっている場合では、酸化剤極３１による発熱とそれに伴う水蒸気の蒸発量が得られるため、発電に必要な水量を予め設定し水を噴霧し続ける事でドライアップを抑制することが出来る。また液水路に関しても同様に発電時の水必要量に合わせて毛細管力を設定することでドライアップを効果的に抑制することが出来る。
【００４３】
即ち本実施形態によれば第１実施形態に示す効果に加え、ドライアップの更なる抑制をすることができる。
［第３実施形態］
図７に基づいて本発明の第３実施形態に係る燃料電池を説明する。
【００４４】
図７には本発明の第３実施形態に係る燃料電池の概略を説明する概略図を示してある。尚、第１実施形態及び第２実施形態の燃料電池と同一部材には同一符号を付してある。
【００４５】
図７に示すように加水手段４には導水路４１を介して貯留手段４２が接続されている。貯留手段４２には水が蓄えられており、導水路４１を通る事によって加水手段４へと水が供給される。そのため加水手段４において貯留手段４２の水を供給する事で連続的な水の蒸発が可能である。ここで加水手段４は水を水蒸気へと蒸発させ、第２連通口３７２に対して水蒸気を与える蒸発部４３を備えている。第２連通口３７２では付近の空気を取り込むので、蒸発部４３で蒸発した水蒸気も空気と一緒に取り込む。ここで加水手段４は水が蒸発するための機能を備えていれば良いため、水が存在する板材や、貯留手段そのものでも構わない。しかしより多くの水蒸気を蒸発させる為に蒸発部４３に近接して加熱手段４４が備えられていても良い。加熱手段４４の例としてはヒーターによる発熱、水素発生器の水素発生反応の反応熱、改質器の改質反応に用いる熱、燃料電池を使用する電子機器の発熱等が挙げられる。むろん水を蒸発させるための熱エネルギーが与えられる物質であれば上記に限らない。加熱手段４４によって温められた蒸発部４３は高温となり、蒸発部４３に接触するより多くの水を蒸発することができる。
【００４６】
即ち本実施形態によればドライアップの抑制を長時間持続することができる。
［第４実施形態］
図８に基づいて本発明に係る第４実施形態について説明する。
【００４７】
図８には本発明の第４実施形態に係る燃料電池の概略を説明する概略図を示してある。尚、第１実施形態乃至第３実施形態の燃料電池と同一部材には同一符号を付してある。
【００４８】
図８に示すように加熱手段４４として伝熱体４４１を備えられており、加水手段４には断熱手段４５が備えられている。伝熱体４４１は酸化剤極３１と蒸発部４３と接続されており、酸化剤極３１で発生する発電反応における発熱を吸熱し、蒸発部４３へと熱を伝える。伝熱体４４１は酸化剤極３１での発熱をより効率的に吸熱するために図３に示した発電領域３１１の全体を覆う構造が好ましい。また酸化剤極３１に対する空気供給の阻害をしないために多孔質体であることが良い。多孔質体の例としては発泡金属、パンチングメタル等の金属部材が高い熱伝導性を有するため好ましい。また発電部１の構成部材数を減少させるために伝熱体４４１と酸化剤極３１の集電体部材は同一のものであっても良い。こうして伝熱体４４１は酸化剤極３１で発電時の発熱を吸熱する事によって高温となり、伝熱体４４１の熱を蒸発部４３に伝えることで蒸発部４３での水蒸気の蒸発の促進をすることができる。また断熱手段４５は加水手段４の蒸発部４３以外で大気と接する箇所に設けられる。その為、加水手段４に伝えられた熱エネルギーは蒸発部４３での水の蒸発にのみ有効に利用される。ここで断熱手段４５の例としては内部に真空層を有する板材で形成された真空断熱層や、多孔質の樹脂で形成された断熱シート等が挙げられる。
【００４９】
また蒸発部４３は表面が隆起形状を有する事が好ましい。隆起形状は蒸発部４３の見かけの面積に対して、水を蒸発させるための有効面積が広く確保できる形状であれば良い。上記の隆起形状を有する事により、蒸発部４３はより多くの水を蒸発させることができる。
【００５０】
図９に蒸発部４３のその他の具体例を示す。図９は酸化剤極外壁３５に備えられた第２連通口３７２の壁面が蒸発部４３となっている構造である。また図３に示した発電領域３１１での発熱を効率良く吸熱できるように図８に示した伝熱体４４１を集電部材として利用するべく、図８に示した伝熱体４４１は酸化剤極３１と接しており、熱的に接続状態となっている。こうして発電部１で発生した熱は図８に示した伝熱体４４１を通じて蒸発部４３に与えることにより、蒸発部４３を高温にすることが出来る。
【００５１】
蒸発部４３となっている第２連通口３７２の壁面には隆起形状として複数のフィン４３１が備えられている。また全ての面で有効に水を蒸発することが出来るよう、蒸発部４３はその表面に水を拡散させることが望ましい。水の拡散手段としては、蒸発部４３表面を親水処理にする、蒸発部４３表面に吸水繊維を貼り付ける、蒸発部４３表面に細かい溝を設け毛細管力を利用した水の移送を行う等の手段が挙げられる。上記拡散手段に限らず、蒸発部４３全面に水を拡散させることができる手段であればよい。
【００５２】
即ち本実施形態によれば第３実施形態に示す効果に加え、水の蒸発に用いるエネルギーは発電時の発熱を利用するため、加水手段４を動作させるために余分なエネルギーを利用する必要がなく、ドライアップの抑制を少ない低消費電力で行う事ができる。
［第５実施形態］
図１０に基づいて本発明に係る第５実施形態について説明する。
【００５３】
図１０には本発明の第５実施形態に係る燃料電池の概略を説明する概略図を示してある。尚、第１実施形態乃至第４実施形態の燃料電池と同一部材には同一符号に付してある。
【００５４】
図１０に示すように発電部１には検出部５を備え、検出部５で得た値は破線で示す信号線を介して制御部６に入力され、制御部６は加水手段４と破線で示す信号線によって接続される。
【００５５】
検出部５は発電部１の温度を検出する機能を持っており、発電部１の温度が測定することが出来れば配置される位置はどこでも良い。発電部分に最も近い酸化剤極３１は温度状況によりドライアップ現象を生じるために、酸化剤極３１の温度を測定する事が最も望ましい。
【００５６】
こうして検出部５で得た発電部１の温度は信号線により制御部６へと入力される。温度を読み取った制御部６は、温度がある一定値以上の時に加水手段４にて水蒸気を蒸発させるように制御を行う。なお発電部１は外気温が２５℃の場合７０℃以上の高温になってくるとドライアップ現象により発電特性が大きく低下するため、検出部５で得た温度が７０℃以上である場合には水蒸気を蒸発させると良い。
【００５７】
水蒸気の蒸発を制御する手段には以下のような例が挙げられる。制御部６は加熱手段４４に接続され、水蒸気を蒸発させる必要がある場合には加熱手段４４を作動させて蒸発を促し、水蒸気を蒸発させる必要がない場合には加熱手段４４を停止する。このように加熱手段４４の作動時と停止時を使い分ける事により水蒸気の蒸発量を制御する方法がある。また他の方法として導水路４１にはバルブが備えられており、制御部６はバルブと接続され、水蒸気が蒸発させる必要がある場合にはバルブを開状態にすることで水を蒸発部４３に送液する。水蒸気を蒸発させる必要がない場合にはバルブを閉状態にし、蒸発部４３への送液を停止することで蒸発部４３における水蒸気の蒸発を停止する。このように蒸発部４３への水の送液を制御することで、水蒸気の蒸発量を制御する方法もある。また発電部１が第４実施形態のような伝熱体４４１である場合には、伝熱体４４１の蒸発部４３までの過程に断熱構造と伝熱構造を切り替える切替手段を有する例が挙げられる。切替手段の例としては水蒸気が必要な場合には伝熱体４４１は熱的に接続されるが、水蒸気が必要でない場合には伝熱体４４１の一部が離間することで熱的な該断熱状態にする手段がある。
【００５８】
即ち本実施形態によれば、第２実施形態乃至第４実施形態のドライアップの抑制を、少ない水量と熱エネルギーにより効果的に行うことができる。
【符号の説明】
【００５９】
１ 発電部
２ 燃料極部
３ 酸化剤極部
４ 加水手段
５ 検出部
６ 制御部
１１ 電解質膜
２１ 燃料極
２２ 燃料供給口
２３ 燃料極外壁
３１ 酸化剤極
３２ 空間
３３ 隔壁
３４ 接続部
３５ 酸化剤極外壁
３６１ 第１の端部
３６２ 第２の端部
３８ 中心線
４１ 導水路
４２ 貯留手段
４３ 蒸発部
４４ 加熱手段
４５ 断熱手段
３７１ 第１連通口
３７２ 第２連通口
４３１ フィン
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極と酸化剤極と前記燃料極及び前記酸化剤極に挟持された電解質膜から構成される発電部と、大気と連通する連通口とを有し、前記連通口を介して大気中の空気が酸化剤として前記酸化剤極に自然吸気によって供給される燃料電池であって、
前記酸化剤極と、前記酸化剤極の前記電解質膜が配置された面に対向するように設けられた隔壁と、前記酸化剤極と前記隔壁とによって構成された空間と、を有する酸化剤極部を備え、
前記酸化剤極側部は、第１の端部と、前記第１の端部とは逆側の第２の端部とを備え、
前記第１の端部は、前記第２の端部よりも高い位置に備えられ、
前記第１の端部と前記第２の端部との中心から前記第１の端部寄りの少なくとも１つの第１連通口と、
前記第１の端部と前記第２の端部との中心から前記第２の端部寄りの少なくとも１つの第２連通口と、
を備えることを特徴とした燃料電池。
【請求項２】
前記第２の端部の側方には、前記酸化剤極に対して水を供給する加水手段を備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記加水手段は水貯留部から供給された水を蒸発する蒸発部を備える事を特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記加水手段は加熱手段を備え、前記蒸発部は前記加熱手段によって加熱される事を特徴とする請求項３記載の燃料電池。
【請求項５】
前記加熱手段は発電時に前記発電部で発生する熱を前記蒸発部へと伝熱する伝熱体であることを特徴とする請求項４記載の燃料電池。
【請求項６】
前記加水手段は、前記蒸発部以外で大気と接する面に断熱手段を有することを特徴とする請求項３から請求項５のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項７】
前記蒸発部は表面に１つ以上の隆起形状を有する面であることを特徴とする請求項３から請求項６のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項８】
前記発電部の温度を検出する検出部を備え、前記検出部で得た検出値が所定値以上の場合に前記蒸発部にて前記水を蒸発させるよう加水手段を制御する制御部を備えることを特徴とする請求項３から請求項７のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１】
燃料極と酸化剤極と前記燃料極及び前記酸化剤極に挟持された電解質膜から構成される発電部と、大気と連通する連通口とを有し、前記連通口を介して大気中の空気が酸化剤として前記酸化剤極に自然吸気によって供給される燃料電池であって、
前記酸化剤極と、前記酸化剤極の前記電解質膜が配置された面に対向するように設けられた隔壁と、前記酸化剤極と前記隔壁とによって構成された空間と、を有する酸化剤極部を備え、
前記酸化剤極側部は、第１の端部と、前記第１の端部とは逆側の第２の端部とを備え、
前記第１の端部は、前記第２の端部よりも高い位置に備えられ、
前記第１の端部と前記第２の端部との中心から前記第１の端部寄りの少なくとも１つの第１連通口と、
前記第１の端部と前記第２の端部との中心から前記第２の端部寄りの少なくとも１つの第２連通口と、
を備えることを特徴とした燃料電池。
【請求項２】
前記第２の端部の側方には、前記酸化剤極に対して水を供給する加水手段を備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記加水手段は水貯留部から供給された水を蒸発する蒸発部を備える事を特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記加水手段は加熱手段を備え、前記蒸発部は前記加熱手段によって加熱される事を特徴とする請求項３記載の燃料電池。
【請求項５】
前記加熱手段は発電時に前記発電部で発生する熱を前記蒸発部へと伝熱する伝熱体であることを特徴とする請求項４記載の燃料電池。
【請求項６】
前記加水手段は、前記蒸発部以外で大気と接する面に断熱手段を有することを特徴とする請求項３から請求項５のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項７】
前記蒸発部は表面に１つ以上の隆起形状を有する面であることを特徴とする請求項３から請求項６のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項８】
前記発電部の温度を検出する検出部を備え、前記検出部で得た検出値が所定値以上の場合に前記蒸発部にて前記水を蒸発させるよう加水手段を制御する制御部を備えることを特徴とする請求項３から請求項７のいずれかに記載の燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１１−５４４４７（Ｐ２０１１−５４４４７Ａ）
【公開日】平成２３年３月１７日（２０１１．３．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２０３１３４（Ｐ２００９−２０３１３４）
【出願日】平成２１年９月２日（２００９．９．２）
【出願人】（０００００２３２５）セイコーインスツル株式会社 (3,629)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月１７日（２０１１．３．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月２日（２００９．９．２）
【出願人】（０００００２３２５）セイコーインスツル株式会社 (3,629)
【Ｆターム（参考）】
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