(57)【要約】【課題】空気極に空気を安定して効率的に供給できる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システムは、空気極１１２及び燃料極１０８を有する燃料電池構造体１０６，１０８，１１０，１１２，１１４と、空気極１１２の下面と平行となるように空気極１１２と所定の距離を隔てて配置された主表面を有する回転板９０を含み、当該回転板９０の主表面は多孔質材料で形成されている。燃料電池システムはさらに、回転板９０を、燃料極１０８の下面と直角に交わる軸９４を中心として回転させるためのモータを含む。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の液体燃料を燃料とする燃料電池システムであって、第１の面及び第２の面を有する燃料電池構造体を含み、
前記燃料電池構造体の前記第１の面には、燃料電池による発電に伴って水が生成され、前記第２の面には前記所定の液体燃料が供給され、
前記燃料電池システムはさらに、前記第１の面と平行となるように前記第１の面と所定の距離を隔てて配置された主表面を有する板状部材を含み、当該板状部材の前記主表面は多孔質材料で形成されており、
前記燃料電池システムはさらに、前記板状部材を、前記第１の面と直角に交わる軸を中心として所定方向に回転させるための回転駆動手段を含む、燃料電池システム。
【請求項２】
前記板状部材は円板状の部材である、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記板状部材は、
水分を透過しない材料で形成された、主表面を有する基板と、
前記基板の前記主表面上に形成された多孔質層とを含み、
前記多孔質層の表面が、前記板状部材の前記主表面を形成する、請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記板状部材は、前記主表面と平行な裏面を有し、
前記板状部材には、前記裏面から前記主表面に貫通する第１の開口部が形成されており、
前記第１の開口部の形状は、前記回転駆動手段によって前記板状部材が前記軸を中心として回転するときに、前記裏面側の空気を前記主表面側に強制的に移動させるような形状に選ばれている、請求項１〜請求項３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記板状部材にはさらに、前記主表面から前記裏面に貫通する第２の開口部が形成されている、請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記第２の開口部の形状は、前記回転駆動手段によって前記板状部材が前記軸を中心として回転するときに、前記主表面側の空気を前記裏面側に強制的に移動させるような形状に選ばれている、請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記第２の開口部の形状は、前記第２の開口部の前記裏面側の中央部と前記中心との距離が、前記主表面側の中央部と前記中心との距離よりも大きくなるような形状に選ばれている、請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記第１の開口部は、当該第１の開口部の、前記回転駆動手段による前記板状部材の回転の中心に最も近い位置が、前記回転の中心から所定の距離となるように形成されており、
前記第２の開口部は、当該第２の開口部の、前記回転の中心から最も遠い位置が、前記所定の距離よりも小さくなるように形成されている、請求項５〜請求項７のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記裏面の、前記所定の距離の位置に、前記回転の中心を囲うように取付けられた壁部材をさらに含み、当該壁部材により、前記裏面に面する空間が二分されている、請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記板状部材は、前記主表面と平行な裏面を有し、
前記板状部材には、前記主表面から前記裏面に貫通する第１の開口部が形成されており、
前記第１の開口部の形状は、前記回転駆動手段によって前記板状部材が前記軸を中心として回転するときに、前記主表面側の空気を前記裏面側に強制的に移動させるような形状に選ばれている、請求項１〜請求項３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記板状部材にはさらに、前記裏面から前記主表面に貫通する第２の開口部が形成されている、請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記第２の開口部の形状は、前記第２の開口部の前記主表面側の中央部と前記中心との距離が、前記裏面側の中央部と前記中心との距離よりも大きくなるような形状に選ばれている、請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記第２の開口部は、当該第１の開口部の、前記回転駆動手段による前記板状部材の回転の中心に最も近い位置が、前記回転の中心から所定の距離となるように形成されており、
前記第１の開口部は、当該第１の開口部の、前記回転の中心から最も遠い位置が、前記所定の距離よりも小さくなるように形成されている、請求項１１又は請求項１２に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記裏面の、前記所定の距離の位置に、前記回転の中心を囲うように取付けられた壁部材をさらに含み、当該壁部材により、前記裏面に面する空間が二分されている、請求項１３に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記板状部材の周囲には、所定の大きさの切欠が形成されている、請求項１０〜請求項１４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記第１の開口部は、前記主表面側の開口と、前記裏面側の開口とが、前記主表面と垂直な方向から見たときに重ならないような形状に形成されている、請求項４〜請求項１３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
前記第２の開口部は、前記主表面側の開口と、前記裏面側の開口とが、前記主表面と垂直な方向から見たときに重ならないような形状に形成されている、請求項４〜請求項１３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１８】
前記板状部材は、
水分を透過しない材料で形成された、主表面を有する基板と、
前記基板の前記主表面上に形成された親水層とを含み、
前記親水層の表面が、前記板状部材の前記主表面を形成する、請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項１９】
前記基板の、前記主表面上の、周縁部から所定の距離の範囲に形成された撥水層をさらに含む、請求項１８に記載の燃料電池システム。
【請求項２０】
前記板状部材は円板状の部材であり、
前記燃料電池システムはさらに、前記板状部材の周囲に、前記板状部材の周縁から所定の距離だけ離して配置された円筒形状の第１の多孔質体を含む、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項２１】
円筒形状の前記第１の多孔質体は、前記第１の面の側の第１の端部と、前記第２の面の側の第２の端部とを有し、
前記第１の多孔質体の前記第２の端部の内周からは、前記板状部材の周縁よりも前記回転の中心に近い位置まで張出した張出部分が形成されている、請求項２０に記載の燃料電池システム。
【請求項２２】
前記燃料電池システムはさらに、前記第１の多孔質体の、前記第１の端部と連続するように形成され、前記燃料電池構造体の前記第２の面を覆い、かつ前記第２の面に接触するように配置された第２の多孔質体を含む、請求項２０又は請求項２１に記載の燃料電池システム。
【請求項２３】
前記第２の多孔質体に前記所定の液体燃料を供給するための手段をさらに含む、請求項２２に記載の燃料電池システム。
【請求項２４】
前記燃料電池構造体の前記第１の面は撥水加工されている、請求項１〜請求項２３のいずれかに記載の燃料電池システム。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は燃料電池システムに関し、特に、燃料電池を効率的に稼動させるための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の中で、特に小型の装置のための電源として有力視されているものに、ダイレクトメタノール方式の燃料電池がある。ダイレクトメタノール方式の燃料電池は、燃料としてメタノール水溶液を用い、酸化剤として空気中の酸素を用いる。他の多くの種類の燃料電池が水素を用いており改質器を必要とするのと比較して、ダイレクトメタノール方式の燃料電池は改質器が必要でないという利点を有する。またメタノールは常温では液体であるため、カートリッジ等につめて燃料電池に取り付けることが容易にでき、しかもエネルギー密度が高い。したがって、ダイレクトメタノール方式の燃料電池は、モバイル装置のための電源として有望と考えられている。
【０００３】
ダイレクトメタノール方式の燃料電池は以下のような反応により電気を発生する。ダイレクトメタノール方式の燃料電池は、燃料であるメタノール水溶液が供給される燃料極と、メタノールの酸化剤である酸素を含む空気が供給される空気極と、燃料極と空気極との間に配置された高分子電解質膜とを含む。
【０００４】
メタノール水溶液が供給された燃料極では、下記の化学式（１）に示すメタノールと水との反応によって、二酸化炭素（CO2）、プロトン（H+）、および電子（e-）が生ずる。燃料極で生じたプロトンは高分子電解質膜を通って空気極に向かう。一方、電子は、燃料極に接続された外部回路に流れる。外部回路にて仕事を終えた電子は空気極に向かう。また、二酸化炭素は系外に排出される。
【０００５】
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−      (１)
空気極では、下記の化学式（２）に示すように、空気から得られる酸素（O2）と、燃料極から到来したプロトン（H+）と、燃料極から外部回路を経て到来した電子（e-）とが反応して水（H2O）が生成する。
【０００６】
（３／２）Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−→３Ｈ２Ｏ        （２）
したがって、ダイレクトメタノール方式の燃料電池においては、空気極に空気を十分に供給することが必要である。これまでの空気極における空気の供給制御技術としては、空気の自然対流を利用する技術、及び小型のファンやポンプを燃料電池の空気供給口側または排気口側に取付けて利用する方法が存在している（特許文献１を参照）。
【０００７】
また、空気極には化学式（２）からも分かるように反応により水分が生成する。生成水が空気極に付着すると、反応に供される空気の量が減少し、その結果燃料電池の出力効率が低下するという問題がある。生成水が空気極に付着する減少はフラッディングと呼ばれる。一方、化学式（１）からも分かるとおり、燃料極では水が消費される。したがって、空気極での生成水を効率的に回収して燃料極に供給することで生成水を再利用することが考えられている。
【０００８】
これまで、空気極における生成水の回収と再利用の技術として、生成水を回収し、ポンプにより燃料極に供給する方法（特許文献２を参照）、及び布又は多孔質体による毛細管現象を利用する方法（特許文献３を参照）があった。
【特許文献１】特開２００４−３４２５１１号公報（図６、段落００２０）
【特許文献２】特開２００３−３６８６６号公報（図１、段落００５０）
【特許文献３】特開２００４−２４１３６３号公報（図１、段落００６８〜００７０）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１に開示の技術は、空気極への空気の供給を行なう技術に関するものであり、特許文献２及び特許文献３に開示の技術は、空気極での生成水の回収を効率的に行なうものである。これらの技術はそれぞれ、公知の課題を解決するための一つの手段を示すものではあるが、装置全体での効率化という点でまだ改善の余地があると思われる。
【００１０】
空気極への空気の供給に、空気の自然対流を利用する技術では、空気供給量に発電量が律速されるという問題がある。空気の供給と生成水の回収とにファンとポンプとを使用すれば電力の一部が消費され、発電効率が低下してしまう。また、毛細管現象を利用して生成水を回収する技術では、燃料の空気極側への浸透が問題となり、これも発電効率の低下を招く。
【００１１】
それ故に本発明の目的は、空気極に、発電に必要な酸素を含む空気を安定して供給することができる燃料電池システムを提供することである。
【００１２】
本発明の他の目的は、発電に必要な酸素を含む空気を安定して十分に供給することと、空気極における生成水の回収とを効率的に行なうことができる燃料電池システムを提供することである。
【００１３】
本発明の他の目的は、空気極に十分な量の空気を供給することと、空気極における生成水の回収とを効率的に行なうことができ、かつ燃料極から空気極への燃料の浸透を防止することができる燃料電池システムを提供することである。
【００１４】
本発明のさらに他の目的は、空気極に空気を強制的に供給する機能と、空気極における生成水の回収機能とを効率的に実現し、かつ燃料極から空気極への燃料の浸透を防止することができる燃料電池システムを提供することである。
【００１５】
本発明の他の目的は、空気極に空気を強制的に供給する機能と、空気極における生成水の回収機能とを一つの動力源を用いて実現し、かつ燃料極から空気極への燃料の浸透を防止することができる燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明に係る、所定の液体燃料を燃料とする燃料電池システムは、第１の面及び第２の面を有する燃料電池構造体を含む。燃料電池構造体の第１の面には、燃料電池による発電に伴って水が生成され、第２の面には所定の液体燃料が供給される。燃料電池システムはさらに、第１の面と平行となるように第１の面と所定の距離を隔てて配置された主表面を有する板状部材を含み、当該板状部材の主表面は多孔質材料で形成されている。燃料電池システムはさらに、板状部材を、第１の面と直角に交わる軸を中心として所定方向に回転させるための回転駆動手段を含む。
【００１７】
燃料電池の発電に伴い、第１の面には水が生成される。この水により形成される水滴がある程度以上の大きさとなると、第１の面と所定の距離を隔てて配置された、板状部材の主表面に触れる。板状部材の主表面は多孔質材料で形成されているため、この水は板状部材に吸収される。板状部材は回転駆動手段により回転駆動され、板状部材に吸収された水は遠心力により板状部材の内部を外側に向かって移動し、板状部材の周縁から排出される。板状部材の内部の水が速やかに排出されるため、板状部材内部に水が滞留することがない。そのため、第１の面に形成された水は速やかに板状部材に吸収され、第１の面に生成された水が第１の面に滞留することがない。その結果、燃料電池構造体の発電に必要な酸素を含む空気を、第１の面に滞留した水によって阻害されることなく第１の面に供給できる。すなわち、第１の面を燃料電池構造体の空気極側の面とすることにより、空気極に空気を安定して供給できる燃料電池システムを提供できる。
【００１８】
好ましくは、板状部材は円板状の部材である。
【００１９】
板状部材を円板状の部材とすることにより、板状部材の周囲の空間を無駄なく使用することができる。
【００２０】
より好ましくは、板状部材は、水分を透過しない材料で形成された、主表面を有する基板と、基板の主表面上に形成された多孔質層とを含む。多孔質層の表面が、板状部材の主表面を形成する。
【００２１】
板状部材の主表面は多孔質層であるため、第１の面に生成された水を吸収できる。この多孔質層のもう一方の面には、水分を透過しない基板が配置されている。そのため、板状部材に吸収された水が、板状部材の他方の面から外部に漏れ出したりするおそれがない。
【００２２】
さらに好ましくは、板状部材は、主表面と平行な裏面を有し、板状部材には、裏面から主表面に貫通する第１の開口部が形成されており、第１の開口部の形状は、回転駆動手段によって板状部材が軸を中心として回転するときに、裏面側の空気を主表面側に強制的に移動させるような形状に選ばれている。
【００２３】
回転駆動手段によって板状部材が軸を中心に回転すると、第１の開口部を介して板状部材の裏面側の空気が主表面側に移動する。すなわち、発電に必要な酸素を含む空気が強制的に第１の面に供給され、空気極に十分な量の空気を供給することが可能になる。
【００２４】
板状部材にはさらに、主表面から裏面に貫通する第２の開口部が形成されていてもよい。
【００２５】
第１の開口部を介して強制的に第１の面に供給された空気は、第２の開口部を介して自然に第１の面付近の空間から排出される。
【００２６】
第２の開口部の形状は、回転駆動手段によって板状部材が軸を中心として回転するときに、主表面側の空気を裏面側に強制的に移動させるような形状に選ばれていてもよい。
【００２７】
回転駆動手段によって板状部材が軸を中心に回転すると、第２の開口部を介して板状部材の主表面側の空気が裏面側に移動する。すなわち、第１の面付近の空気が強制的に排出され、第１の開口部を介して第１の面に空気を円滑に供給でき、空気極に十分な量の空気を供給することが可能になる。
【００２８】
第２の開口部の形状は、第２の開口部の裏面側の中央部と中心との距離が、主表面側の中央部と中心との距離よりも大きくなるような形状に選ばれていてもよい。
【００２９】
第２の開口部をこのような形状に形成することにより、主表面側から裏面側に排出される空気は、裏面側の回転中心付近に集まる。この空気を外部に案内することにより、燃料電池システムの運転に使用された空気を速やかに外部に排出できる。
【００３０】
好ましくは、第１の開口部は、当該第１の開口部の、回転駆動手段による板状部材の回転の中心に最も近い位置が、回転の中心から所定の距離となるように形成されており、第２の開口部は、当該第２の開口部の、回転の中心から最も遠い位置が、所定の距離よりも小さくなるように形成されている。
【００３１】
第１の開口部の形成された位置と、第２の開口部の形成された位置とが、回転の中心から異なる距離にある。第１の開口部から第１の面に向かって供給された空気が直ちに第２の開口部から排出されてしまうことを抑制でき、第１の面に対して、発電に必要な酸素を含む、十分な量の空気を安定して供給できる。
【００３２】
燃料電池システムは、板状部材の裏面の、中心から所定の距離の位置に、板状部材の回転の中心を囲うように取付けられた壁部材をさらに含み、当該壁部材により、裏面に面する空間が二分されていてもよい。
【００３３】
燃料電池に第１の開口を介して供給される空気と、第２の開口部を介して排出される空気とが裏面付近で混合されることがなくなり、効率よく空気を燃料電池に供給し、かつ使用済みの空気を速やかに排出できる。
【００３４】
より好ましくは、板状部材は、主表面と平行な裏面を有し、板状部材には、主表面から裏面に貫通する第１の開口部が形成されている。この第１の開口部の形状は、回転駆動手段によって板状部材が軸を中心として回転するときに、主表面側の空気を裏面側に強制的に移動させるような形状に選ばれている。
【００３５】
板状部材にはさらに、裏面から主表面に貫通する第２の開口部が形成されていてもよい。
【００３６】
第２の開口部の形状は、第２の開口部の主表面側の中央部と中心との距離が、裏面側の中央部と中心との距離よりも大きくなるような形状に選ばれていてもよい。
【００３７】
第２の開口部は、当該第１の開口部の、回転駆動手段による板状部材の回転の中心に最も近い位置が、回転の中心から所定の距離となるように形成されており、第１の開口部は、当該第１の開口部の、回転の中心から最も遠い位置が、所定の距離よりも小さくなるように形成されている。
【００３８】
燃料電池システムはさらに、裏面の、所定の距離の位置に、板状部材の回転の中心を囲うように取付けられた壁部材をさらに含み、当該壁部材により裏面に面する空間が二分されていてもよい。
【００３９】
燃料電池に第１の開口を介して供給される空気と、第２の開口部を介して排出される空気とが裏面付近で混合されることがなくなり、効率よく空気を燃料電池に供給し、かつ使用済みの空気を速やかに排出できる。
【００４０】
板状部材の周囲には、所定の大きさの切欠が形成されていてもよい。
【００４１】
この切欠を通して、空気が効率よく燃料電池の空気極に供給される。
【００４２】
より好ましくは、第１の開口部は、主表面側の開口と、裏面側の開口とが、主表面に対し垂直な方向から見たときに重ならないような形状に形成されている。
【００４３】
第１の面から板状部材に水滴が滴下するような位置に燃料電池システムが配置されたとき、滴下する水滴が第１の開口部を通過して板状部材の裏面側に漏れ出してしまうことが防止できる。
【００４４】
さらに好ましくは、第２の開口部も、主表面側の開口と、裏面側の開口とが、主表面に垂直な方向から見たときに重ならないような形状に形成されている。
【００４５】
第１の面から板状部材に水滴が滴下するような位置に燃料電池システムが配置されたとき、滴下する水滴が第２の開口部を通過して板状部材の裏面側に漏れ出してしまうことが防止できる。
【００４６】
板状部材は、水分を透過しない材料で形成された、主表面を有する基板と、基板の主表面上に形成された親水層とを含み、親水層の表面が、板状部材の主表面を形成するようになっていてもよい。
【００４７】
また、燃料電池システムはさらに、基板の、主表面上の、周縁部から所定の距離の範囲に形成された撥水層を含んでもよい。
【００４８】
好ましくは、板状部材は円板状の部材である。燃料電池システムはさらに、板状部材の周囲に、板状部材の周縁から所定の距離だけ離して配置された円筒形状の第１の多孔質体を含む。
【００４９】
板状部材の周縁から遠心力により排出された水は、第１の多孔質体により吸収される。したがってこの水が外部に漏れ出すおそれを小さくできる。
【００５０】
より好ましくは、円筒形状の第１の多孔質体は、第１の面の側の第１の端部と、第２の面の側の第２の端部とを有し、第１の多孔質体の第２の端部の内周からは、板状部材の周縁よりも回転の中心に近い位置まで張出した張出部分が形成されている。
【００５１】
板状部材の周縁から遠心力により排出される水は、通常は周縁から外側に向かって飛散するため、第１の多孔質体の、板状部材の周囲に配置された部分により吸収される。しかし、燃料電池システムの姿勢によっては水がそうした部分に届かないこともあり得る。そうした場合でも、第１の多孔質体の第２の端部の内周に形成された張出にそうした水が吸収される可能性が高く、水が外部に漏れ出すおそれをさらに小さくできる。
【００５２】
好ましくは、燃料電池システムはさらに、第１の多孔質体の、第１の端部と連続するように形成され、燃料電池構造体の第２の面を覆い、かつ第２の面に接触するように配置された第２の多孔質体を含む。
【００５３】
第１の面から板状部材に吸収された水分は、遠心力によって効率よく板状部材の周縁に運搬され、第１の多孔質体に吸収される。第１の多孔質体によって吸収された水は、第１の多孔質体から、第１の多孔質体と連続するように形成された第２の多孔質体に、さらに第２の多孔質体内部を毛細管現象により運搬され、燃料電池構造体の第２の面に供給される。すなわち、第１の面に生成する水を回収し、燃料極での発電に再利用できる。また、第１の面と第１の多孔質体又は第２の多孔質体とは離れている。したがって、第２の面から第１及び第２の多孔質体を伝わって燃料が第１の面に浸透してしまうおそれがない。また、このために必要な動力は、板状部材を回転させるための回転駆動手段のみである。すなわち、空気極に十分な量の空気を供給することと、空気極における生成水の回収とを効率的に行なうことができ、かつ燃料極から空気極への燃料の浸透を防止することができる燃料電池システムであって、それらを一つの動力源を用いて実現できる燃料電池システムを提供できる。
【００５４】
燃料電池システムはさらに、第２の多孔質体に所定の液体燃料を供給するための手段をさらに含む。
【００５５】
好ましくは、燃料電池構造体の第１の面は撥水加工されている。
【００５６】
第１の面に撥水加工を施してあるため、第１の面における生成水は水滴を形成し、速やかに第１の面から板状部材に吸収される。生成水が第１の面上に広がっていわゆるフラッディングを生ずるおそれが小さく、発電効率を高く維持できる。
【発明の効果】
【００５７】
本発明によれば、燃料電池の発電に伴い、第１の面に生成された水は、板状部材に吸収される。板状部材は回転駆動手段により回転駆動されるため、板状部材に吸収された水は遠心力により板状部材の内部を外側に向かって移動し、板状部材の周縁から速やかに排出される。第１の面に生成された水が第１の面に滞留することがない。
【００５８】
回転駆動手段によって板状部材が軸を中心に回転すると、第１の開口部を介して板状部材の裏面側の空気が主表面側に移動する。すなわち、発電に必要な酸素を含む空気が強制的に第１の面に供給され、空気極に十分な量の空気を供給することが可能になる。また、第２の開口部を介して板状部材の主表面側の空気が裏面側に移動する。すなわち、第１の面付近の空気が強制的に排出され、第１の開口部を介して第１の面に空気を円滑に供給でき、空気極に十分な量の空気を供給することが可能になる。
【００５９】
板状部材の周縁から遠心力により排出された水は、第１の多孔質体により吸収される。第１の多孔質体によって吸収された水は毛細管現象により運搬され、燃料電池構造体の第２の面に供給される。すなわち、第１の面に生成する水を回収し、燃料極での発電に再利用できる。また、第１の面と第１の多孔質体又は第２の多孔質体とは離れている。したがって、第２の面から第１及び第２の多孔質体を伝わって燃料が第１の面に浸透してしまうおそれがない。また、このために必要な動力は、板状部材を回転させるための回転駆動手段のみである。すなわち、空気極に十分な量の空気を供給することと、空気極における生成水の回収とを効率的に行なうことができ、かつ燃料極から空気極への燃料の浸透を防止することができる燃料電池システムであって、それらを一つの動力源を用いて実現できる燃料電池システムを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６０】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図において、同じ部品には同じ参照符号を付してある。それらの名称及び機能も同一である。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。
【００６１】
［第１の実施の形態］
＜構成＞
第１の実施の形態に係る燃料電池システムを含むシステムの構成について、図１〜図８を用いて以下詳細に説明する。図１に、このシステム２０の全体構成をブロック図形式で示す。図１を参照して、このシステム２０は、本実施の形態に係るダイレクトメタノール方式の燃料電池システム３０と、燃料電池システム３０により発電される電力により動作する負荷３４と、燃料電池システム３０により発電される電力を蓄電し、負荷３４に供給するための蓄電デバイス３２とを含む。蓄電デバイス３２に蓄積された電力の一部は、燃料電池システム３０に供給され、燃料電池システム３０への空気の強制供給に使用される。
【００６２】
燃料電池システム３０は、燃料となるメタノールを貯留する燃料タンクユニット４０と、燃料タンクユニット４０から供給される燃料５４と空気中の酸素との反応を用いて電力を発生する燃料電池４２とを含む。後述するように燃料電池４２は、燃料タンクユニット４０から燃料５４の供給を受ける燃料極と、酸化剤としての酸素を含む空気５８の供給を受ける空気極とを含む。
【００６３】
燃料電池システム３０はさらに、燃料電池４２中の空気極の生成水を回収し、毛細管現象を用いて燃料極に水５６として供給するための多孔質体５２と、蓄電デバイス３２から電力供給を受けて動作し、燃料電池４２の空気極へ空気５８を供給する機能と、燃料電池４２の空気極から空気６０を排気する機能と、燃料電池４２の空気極の生成水を効率的に多孔質体５２に集める機能とを実現するための、多孔質回転体からなるファン５０と、燃料電池４２の出力電圧を監視し、燃料電池システム３０が高い効率で動作するようにファン５０の回転を制御するための制御部３６とを含む。
【００６４】
図２に燃料電池システム３０の外観を示す。図２を参照して、燃料電池システム３０は全体としてほぼ円筒形状を有しており、その下部を構成する下部筐体７２と、上部を構成する上部筐体７０と、上部筐体７０と下部筐体７２との接続部を封止し、燃料電池システム３０の内部から燃料又は水分が外部に漏れるのを防ぐためのシール部材７４とを含む。
【００６５】
下部筐体７２の周囲には、燃料電池４２への吸気及び排気のための空気口７６が形成されている。空気口７６は、分割部材８２により吸気口８０及び排気口７８に上下に区分されている。上部筐体７０の上部には、燃料タンクユニット４０が装着される燃料タンクユニット装着部が形成されている。ここに燃料タンクユニット４０を装着することにより、燃料タンクユニット４０から燃料電池４２の燃料極に燃料が供給される。
【００６６】
図３は燃料電池システム３０の平面図であり、図４は図３の一点鎖線４−４における燃料電池システム３０の断面図である。
【００６７】
図４を参照して、燃料電池システム３０の詳細な構造について説明する。前述したとおり、燃料電池システム３０は、上部筐体７０及び下部筐体７２と、これらの間に配置されるシール部材７４とを含む。上部筐体７０の上部には、燃料タンクユニット４０が装着される空間が形成されている。燃料タンクユニット４０は、内部に燃料８６を保持する筐体８８を含む。
【００６８】
上部筐体７０の下面の中央、下部筐体７２の上面の中央、及びシール部材７４の中央には開口が形成されており、ここに燃料電池４２が形成されている。燃料電池４２の構成の詳細については後述する。
【００６９】
燃料電池４２のすぐ下には、多孔質回転体からなるファン５０が配置されている。ファン５０は、多孔質材料からなる円板状の回転板９０と、回転板９０を回転させるよう、回転板９０の下面中央に固定された軸９４と、軸９４の下端に配置され、下部筐体７２の底面上に固定されたモータ９２と、軸９４の途中に配置された変速機９８とを含む。回転板９０には、その回転に伴って燃料電池４２の下面に空気を強制的に供給し、かつ燃料電池４２の下面付近から空気を強制的に排気するための開口部が形成されている。これら開口部の構成については後述する。なお軸９４は、回転板９０の表面に対し直角を成して交わるように回転板９０の裏面に固定される。
【００７０】
分割部材８２は、下部筐体７２の外周から下部筐体７２の中心部までのほぼ半分の位置まで伸びており、その先端から上部に、燃料電池４２の下面付近の空間を内側部及び外側部に区切る仕切板８４が取付けられている。また下部筐体７２の下部は内部隔壁６６により区切られており、その中央には軸９４を通すための開口が形成されている。この開口の周囲には軸受９６が設けられている。
【００７１】
図５に、燃料電池４２の構成の詳細を示す。図５を参照して、燃料電池４２は、撥水処理された下面を持ち、その下面が回転板９０の上面と所定の距離を持って対向するように、かつ付近の空間に開放されるように配置された空気極１１２と、空気極１１２の下面上の一部に配置された空気極集電体１１４と、空気極１１２上に配置された高分子の電解質層１１０と、電解質層１１０上に配置され、その上面に燃料タンクユニット４０からの燃料８６が供給される燃料極１０８と、燃料極１０８の一部の上に配置された燃料極集電体１０６とを含む。空気極集電体１１４と、空気極１１２と、電解質層１１０と、燃料極１０８と、燃料極集電体１０６とからなる構造物を、以下「燃料電池構造体」と呼ぶ。空気極集電体１１４と燃料極集電体１０６との一部はそれぞれ外側に向かって引出され、図示しない接続部で図１に示す蓄電デバイス３２への配線に接続されている。電解質層１１０の周囲はシール部材７４により封止されている。回転板９０は、その表面が空気極１１２の下面と平行となるように、かつ空気極１１２の下面と所定の距離を隔てて位置するように、配置されている。
【００７２】
下部筐体７２の、吸気口８０の天井にあたる部分には張出部材１０４が設けられている。張出部材１０４の上には、回転板９０の外周部から燃料電池構造体の周囲を囲む周壁部１０２と、燃料電池構造体の上面近傍に配置され燃料電池構造体の上面を覆い、かつ燃料電池構造体の上面（燃料極１０８）に接触し、さらにその周囲にまで張出した上部部分とを有する多孔質体１００が配置されている。図５の断面は燃料極集電体１０６及び空気極集電体１１４が外周部付近まで形成されている断面の図であるため多孔質体１００の周壁部１０２はこの部分では途切れているが、これ以外の部分では周壁部１０２は燃料電池構造体の周囲を全て囲んだ円筒形状をなしている。そして、周壁部１０２の円筒形状の、燃料タンクユニット４０の側の端部で、多孔質体１００の上部部分が周壁部１０２に連続している。また、多孔質体１００のうち、上部筐体７０、下部筐体７２、及びシール部材７４と接する部分と外側周囲とは撥水加工され、多孔質体１００の内部の水が不要な箇所に漏れ出ないようになっている。多孔質体１００の周壁部１０２の円筒形状の下端の内周部は内側に少し張出しており、この張出は本実施の形態では回転板９０の外周縁よりも中心側にまで入り込んでいる。このように張出を設けることで、燃料電池システム３０の姿勢が多少変化したときにも、回転板９０から飛散する水が確実に周壁部１０２に吸収されるという効果がある。
【００７３】
なお、本実施の形態では、回転板９０の上面から空気極１１２の下面までの距離は約４ｍｍである。空気極１１２の表面の生成水は、３ｍｍ程度までは空気極１１２に留まるが、それ以上に大きくなると滴下することが実験により確かめられた。したがって、天地に関係なく使用される可能性のあるモバイル向けの場合には、回転板９０の上面と空気極１１２の下面との距離を４ｍｍ程度、又はそれ以下とすることが望ましい。ただし、モバイル向けでない用途では、この距離が４ｍｍを超えても、空気の供給と水の回収とを行なうことが可能と考えられる。
【００７４】
図６に、回転板９０の平面図を示す。図７には図６の一点鎖線７−７における断面図を、図８には図６の一点鎖線８−８における断面図を、それぞれ示す。
【００７５】
図６及び図７を参照して、この回転板９０の外側半分に相当する環状部分には、互いに９０度ずれた４箇所に、回転板９０の回転に伴って回転板９０の下面の空気を回転板９０の上面に強制的に移動させるような形状に選ばれている上向開口部１３０が形成されている。上向開口部１３０の、回転板９０の上面側の開口の、空気の流れ１３４の上流にあたる部分には、空気の流れを滑らかにするための整流板１４０が設けられている。
【００７６】
同様に、図６及び図８を参照して、回転板９０の内側半分に相当する環状部分には、互いに９０度ずれた４箇所に、回転板９０の回転に伴って回転板９０の上面の空気を回転板９０の下面に強制的に移動させるような形状に選ばれている下向開口部１３２が形成されている。下向開口部１３２の、回転板９０の下面側の開口の、空気の流れ１３６の上流にあたる部分には、空気の流れを滑らかにするための整流板１４２が設けられている。
【００７７】
このように、本実施の形態では、上向開口部１３０は、回転板９０の回転の中心に最も近い位置までの距離が、回転板９０の半径よりも大きな所定の距離となるように形成されており、下向開口部１３２は、回転板９０の回転の中心から最も遠い位置までの距離が、回転板９０の半径よりも小さくなるように形成されている。こうすることで、上向開口部１３０を通して空気極１１２に供給された空気が直ちに下向開口部１３２から排出されるおそれが小さくなり、空気極１１２に対する十分な量の空気の供給を安定して行なうことができる。
【００７８】
なお、空気極１１２における生成水の一部が水蒸気の形で発生し、空気極１１２ではなく、空気極１１２の周辺に存在する部品上で結露する場合があり得る。本実施の形態では、空気極１１２に最も近接している部品が回転板９０であり、かつ空気極１１２の下面のほぼ全域にわたって空気極１１２に近接しているため、そのような水分の結露が生ずる場合には、回転板９０上で生ずる可能性が最も高い。事実上、そうした結露の大部分が回転板９０で生ずると考えられる。水蒸気が回転板９０上又は回転板９０の内部で結露する限り、空気極１１２上の生成水と同様、結露後の水は、遠心力によって回転板９０内を周縁部に送られ、さらに周壁部１０２から多孔質体１００上に移動し、燃料極側に回収される。したがって、空気極１１２上に生成する水だけでなく、水蒸気の形で空気極１１２付近に発生する水分も、効率的に回収することができる。
【００７９】
＜動作＞
図１〜図９を参照して、本実施の形態に係る燃料電池システム３０は以下のように動作する。図９を参照して、燃料タンクユニット４０が上部筐体７０に装着されると、燃料タンクユニット４０内の燃料８６が矢印１６０で示されるように多孔質体１００を通してさらに燃料極集電体１０６に到達する。空気極１１２の下面が大気に開放されているため、燃料極１０８における反応と、空気極１１２における反応とによって発電が行なわれ、燃料極集電体１０６及び空気極集電体１１４によって集電された電力が蓄電デバイス３２に出力される。この電力はさらに負荷３４に与えられる。
【００８０】
一方、蓄電デバイス３２からファン５０に電力が与えられると、回転板９０が図６の矢印１３８で示される方向に回転する。この回転により、図９の矢印１６２で示されるように外気が空気極１１２下面に強制的に導入される。また、図９の矢印１６４で示されるように、空気極１１２の下面付近の空気が強制的に排出される。
【００８１】
燃料極１０８と空気極１１２との間で、前記した反応により電力が発生され、図１に示す蓄電デバイス３２に対し出力される。この反応に伴い、空気極１１２には生成水が生ずる。生成水は、以下のようにして燃料極１０８側に回収される。
【００８２】
空気極１１２における生成水は、空気極１１２の下部に水滴を形成する。この水滴は、ある程度（直径約３ミリ）までは空気極１１２に付着しているが、それより大きくなると、回転板９０の上面に滴下する。回転板９０は多孔質で形成されているため、水滴を形成していた水分は、図９の矢印１７２により示されるように回転板９０に吸収される。さらに、回転板９０が回転しているため、この水分は回転板９０の周縁に遠心力によって移動する。
【００８３】
回転板９０の周縁まで水分が達すると、水分は回転板９０を離れ、その周囲又は外側下方に水滴となって飛散しようとする。それら水滴は、多孔質体１００の周壁部１０２の部分にあたり、多孔質体１００に吸収される。吸収された水分は、毛細管現象によって多孔質体１００の内部を矢印１７６及び１７８で示されるように移動し、燃料タンクユニット４０からの燃料８６と混合されて燃料極１０８に供給される。すなわち、空気極１１２における生成水が、回転板９０の回転による遠心力と、多孔質体１００による毛細管現象とによって効率よく収集され、燃料極１０８側に回収される。
【００８４】
本実施の形態での基本的考え方は、空気を空気極１１２の下面に強制的に供給することと、空気極１１２の下面付近の空気を強制的に排気することと、空気極１１２の下面に生じる生成水を多孔質体１００に効率的に集めることとを、多孔質の回転板９０の回転によって同時に行なう、ということである。化学式から、水の生成量と空気の消費量と発電量とは比例関係にある。回転板９０の回転によって安定して空気が空気極１１２に供給されるため、発電のための空気（酸素）が不足するおそれは小さく、発電量が自然対流による空気の供給に律速されることはない。同時に空気極１１２付近の空気が外部に排出されるので、空気の流れは滑らかとなる。
【００８５】
なお、本実施の形態に係る構成では、図９の矢印１６２によって示すように空気が筐体内に流入し、回転板９０の外周付近を通って上向開口部１３０（図６及び図７を参照）を通過し、回転板９０と空気極１１２につながっている空気極集電体１１４との間の空間を通過した後、回転板９０の内周付近を通って下向開口部１３２（図６及び図８参照）を通過し、矢印１６４で示されるように排出される。したがって、回転板９０の多孔質内に水分が存在しており、流入する空気が乾燥している場合、回転板９０に含まれる水分によって加湿された空気が空気極１１２付近の空間に供給されることになる。すなわち、若干ではあるが、本実施の形態に係る燃料電池システム３０によって、空気極１１２付近の空間の空気に対する加湿作用が得られる可能性がある。
【００８６】
また、空気極１１２における生成水は、ある程度の大きさになると回転板９０に滴下し吸収される。また回転板９０内に吸収された水分は遠心力により速やかに外側に運ばれる。したがって、生成水が空気極１１２に滞留することがなく、フラッディングによる発電効率の低下を防止できる。
【００８７】
回転板９０により吸収され、遠心力により周縁に運ばれた水分は、多孔質体１００の周壁部１０２に移動し、多孔質体１００による毛細管現象で燃料極１０８側に回収される。
【００８８】
このように本実施の形態では、空気極１１２への空気の供給と、空気極１１２付近の空気の排気と、空気極１１２における生成水の速やかな除去及び燃料極１０８側への回収とを、多孔質の回転板９０と、多孔質体１００との協働により達成する。必要な動力は回転板９０を回転させるモータによるものだけで済み、電力消費を抑えることができる。また生成水の回収も効率よく行なえ、燃料電池システム３０全体の発電効率を高く維持することができる。
【００８９】
燃料タンクユニット４０については本発明に直接関係ないので、ここでは詳細な説明は省略する。燃料タンクユニット４０は、既存の技術を用い、燃料極側の多孔質体１００に弁、インジェクタ等を用いて液体燃料を適切に供給するように構成できる。
【００９０】
［第２の実施の形態］
図１０に本発明の第２の実施の形態に係るファンの回転板２００の平面図を示し、図１１及び図１２にはそれぞれ、図１０の一点鎖線１１−１１及び１２−１２における回転板２００の断面図を示す。
【００９１】
図１０及び図１１を参照して、本実施の形態に係るファンの回転板２００の外側の環状部分には、第１の実施の形態の回転板９０と同様、互いに９０度ずれた４箇所に、回転板２００の回転に伴って回転板２００の下面の空気を回転板２００の上面に移動させるための上向開口部２１０が形成されている。上向開口部２１０は、回転板２００の上面側の開口２３０と、下面側の開口２３２とを有する。回転板２００が矢印２２０で示される方向に回転することにより、回転板２００の下面側の空気が下面側の開口２３２及び上面側の開口２３０を経て、流路２１４で示される経路に沿って上面側に移動する。
【００９２】
本実施の形態では、上向開口部２１０の角度及び径は、下面側の開口２３２の、回転板２００の回転方向（矢印２２０）に沿って後方の縁２３６が、上面側の開口２３０の、前方の縁２３４よりも前方に位置するように選ばれている。
【００９３】
同様に、図１０及び図１２を参照して、回転板２００の内側半分の、互いに９０度ずれた４箇所に、回転板２００の回転に伴って回転板２００の上面の空気を回転板２００の下面に移動させるための下向開口部２１２が形成されている。下向開口部２１２は、回転板２００の上面側の開口２４０と、下面側の開口２４２とを有する。回転板２００が矢印２２０で示される方向に回転することにより、回転板２００の上面側の空気が上面側の開口２４０及び下面側の開口２４２を経て、流路２１６で示される経路に沿って下面側に移動する。
【００９４】
本実施の形態では、下向開口部２１２の角度及び径は、上面側の開口２４０の、回転板２００の回転方向（矢印２２０）に沿って後方の縁２４４が、下面側の開口２４２の、前方の縁２４６よりも前方に位置するように選ばれている。
【００９５】
上向開口部２１０及び下向開口部２１２をこのように形成することにより、図１０に示されるように、回転板２００の上面から下面に向かって軸に平行な方向から見通しできる部分がなくなる。したがって、図５に示す空気極１１２から滴下する水滴は確実に回転板２００により吸収されるという効果がある。その結果、空気極１１２の表面の生成水が燃料電池筐体の外へ向かう空間側に漏れ出たり、蒸散したりすることを抑制できる。
【００９６】
なお、本実施の形態では、第１の実施の形態におけるような整流板を用いていない。しかし本発明はこの実施の形態に限定されるわけではなく、整流板を用いてもよい。この場合、整流板も含めて、上記したように回転板２００を垂直方向から見て見通しできるような部分がないように整流板と開口とを形成すればよい。
【００９７】
［第３の実施の形態］
第１の実施の形態及び第２の実施の形態では、それぞれファンの回転板９０及び回転板２００の全体を多孔質体で形成している。しかし本発明はそのような実施の形態には限定されない。本発明では、空気極１１２の表面に形成された水滴を確実に吸収できるように回転板を形成すればよい。
【００９８】
図１３を参照して、第３の実施の形態に係るファン２６０の回転板２７０は、多孔質体でなく、水分を透過しない材料、たとえばプラスチックからなる基板２８０と、基板２８０の表面上に形成された多孔質層２８２とを含む。多孔質層２８２の表面が、回転板２７０の主表面を形成する。回転板２７０には、第１の実施の形態における回転板９０と同様、互いに９０度ずれた４箇所に、それぞれ上向開口部及び下向開口部が形成されている。
【００９９】
この回転板２７０を採用したファン２６０を空気極１１２の下面に設けて回転させると、第１の実施の形態と同様、空気極１１２への空気の供給と、空気極１１２付近の空気の排気と、空気極１１２の生成水の多孔質層２８２への吸収と、遠心力によるファンの回転板２７０の周囲の多孔質体１００（周壁部１０２）への回収とを同時に行なうことができる。さらに、基板２８０として水を通さない材料を用いるため、空気極１１２から多孔質層２８２に吸収された生成水が、燃料電池筐体の外へ向かう空間側へ漏れ出たり、蒸散したりすることを抑制できる。
【０１００】
[第４の実施の形態]
上記した第１及び第２の実施の形態では、多孔質により形成された回転板９０及び２００をそれぞれ用いている。第３の実施の形態では、水分を透過しない材料、たとえばプラスチックからなる基板２８０と、基板２８０の表面上に形成された多孔質層２８２とからなる回転板２７０を用いている。しかし、本発明の実施の形態に係る燃料電池システムシステムで使用されるファンの回転板としては、そのような材料だけが使用可能なわけではなく、他の材料も使用可能である。
【０１０１】
この第４の実施の形態では、図示はしないが、例えば、図５に示す回転板９０に代えて、表面が起毛状で吸湿性又は吸水性のある材料を用いた回転板を使用する。回転板の素材を除けば、この第４の実施の形態に係る燃料電池システムは第１の実施の形態に係るシステム２０と同様の構成を有する。
【０１０２】
起毛状の吸水性又は吸湿性のある素材からなる回転板を使用する場合、燃料電池で生成する水は以下のように回収される。以下の説明では、第１の実施の形態と同様、図５を参照する。ただし、図５における回転板９０に代えて、吸水性のある素材からなる回転板を使用する。
【０１０３】
図５を参照して、燃料電池の空気極側は、空気極１１２と、空気極１１２の下面上の一部に配置された空気極集電体１１４とを含む。空気極集電体１１４の下面の一部または全部は撥水処理されている。そして、空気極集電体１１４の下面が回転板（図５における回転板９０）の上面と所定の距離を持って対向するように、かつ付近の空間に対して開放されるように、燃料電池構造体と回転板とが配置される。
【０１０４】
回転板の材質として、フェルト状、織物状、又は不織布状で吸湿性又は吸水性のある吸水性材料を用いてもよい。また、図示は省略するが、第１の実施の形態で使用した多孔質の回転板９０の表面の一部または全部に、このようなフェルト状、織物状、又は不織布状の材料（以下「吸水部材」と呼ぶ。）を配置してもよい。
【０１０５】
ただし、多孔質体の回転板が状態の変化に伴って変形する可能性がある。したがって、回転板が変形した場合でも、吸水部材が周囲の多孔質体の周壁部、空気極、又は集電体（第１の実施の形態における多孔質１００の周壁部１０２、空気極１１２、又は集電体１１４）に接触することで水分の逆流が発生しないように、回転板の形状、並びに吸水部材の形状及び配置部位について配慮する必要がある。
【０１０６】
また、図１３に示す第３の実施の形態に係る回転板２７０における、基板２８０上に形成された多孔質層２８２に代えて、材質が起毛状、フェルト状、織物状、又は不織布状で吸湿性又は吸水性のある素材を吸水部材として用いてもよい。基板２８０にこれらの吸水部材を固定するためには、ネジ、ビス、面ファスナー構造、又はフック構造を用いたり、耐薬品性、又は耐酸性の糸状部材で吸水部材を基板２８０に縫付けたり、又は網状の部材で吸水部材を基板２８０の表面に固定したりすることが考えられる。
【０１０７】
さらに、図１３に示す多孔質層２８２の表面の全部または一部に、上記した吸水部材からなる吸水層を配置してもよい。
【０１０８】
[第５の実施の形態]
上記実施の形態では、いずれの回転板も、吸水性を有している。しかし、本発明はそのような実施の形態には限定されない。回転板が吸水性を持たないプラスチック等からなる基板のみで、基板の表面上に付着した水滴が、基板の回転による遠心力によって、基板の周囲の吸水性のある部材からなる円筒に飛んで行くようにすることもできる。以下、そのような構成を有する回転板を用いた、本発明の第５の実施の形態に係る燃料電池システムの、回転板の構成について説明する。
【０１０９】
図１４を参照して、回転板２７２は、は水分の透過のない、または水分の透過の少ないプラスチック等からなる基板２８４を含む。基板２８４の、空気極に面する表面の全体には親水処理が施され、親水層２８６が形成されている。他の部分の構成は、図１３に示す回転板２７０と同様である。
【０１１０】
本実施の形態に係る燃料電池システムでは、運転とともに空気極で生成する水分は、回転板２７２の表面に付着する。回転板２７２の表面には親水層２８６が形成されており、この水分は親水層２８６に付着しながら、回転板２７２の回転に伴って発生する遠心力で回転板２７２の周縁部へ移動する。そして、図１４では図示していないが、親水層２８６の外周縁から所定の距離だけ離して配置された円筒形状の多孔質体に向けて飛び、そこに付着する。以下の水分の移動は、第１の実施の形態と同様である。
【０１１１】
なお、親水層２８６を基板２８４の表面の一部のみに形成するようにしてもよい。
【０１１２】
［第６の実施の形態］
第５の実施の形態、特に図１４に示した例では、回転板２７２を構成する基板２８４上の全面に親水層２８６が形成されている。しかし、本発明はそのような実施の形態には限定されない。親水層２８６のうち、水分が周囲に向けて飛散する部分、すなわち回転板の周辺部分付近に撥水層を形成するようにしてもよい。第６の実施の形態に係る回転板はそのような構成を有している。
【０１１３】
図１５（Ａ）（Ｂ）を参照して、本実施の形態に係る回転板２９２は、水分を通さないプラスチック等からなる円形基板２８４と、円形基板２８４の、空気極と対面する側の表面の、周縁部を除く全域に形成された親水層２９６とを含む。基板２８４の表面周縁部の、親水層２９６が形成されていないリング状の領域は撥水処理され、撥水層２９８が形成されている。
【０１１４】
このように、基板２８４の表面の外周部付近に撥水層２９８を形成することにより、遠心力により基板２８４表面を周縁部に向けて移動して来た水分が基板２８４の表面から離脱しやすくなるという効果がある。
【０１１５】
なお、撥水層は、基板２８４の表面の周縁部だけではなく、基板２８４の外周側面に形成してもよい。
【０１１６】
［第７の実施の形態］
第１〜第６の実施の形態に係る燃料電池システムでは、例えば図６〜図８に示すように、外周部には、空気を回転板の下面から上面側に流すことにより吸気するための上向開口部１３０を、回転板９０の中心部付近には空気を回転板の上面から下面側に流すことにより排気するための下向開口部１３２を、それぞれ形成している。そして回転板９０の回転に伴って、上記したように吸気及び排気を行ない、空気極への空気の供給と、空気極付近からの排気とが行なわれる。
【０１１７】
しかし、本発明における吸気及び排気のための回転板の構成はこのようなものには限定されない。例えば、上向開口部１３０があって外部から強制的に空気が空気極に供給される場合、排気をこの空気の供給に伴って自然な形で行なうことができる。第７の実施の形態に係る燃料電池システムは、そのような回転板を使用する。
【０１１８】
図１６に本実施の形態に係る燃料電池システム３５０の断面図を示す。図１６において、図４と異なるのは、図６〜図８に示すような構造を有する回転板９０に代えて、図１７に平面図を示す回転板３６０を有する点である。
【０１１９】
図１６及び図１７を参照して、回転板３６０は、図４に示す回転板９０と同様の材質から形成されており、回転板９０と同様に下面に固定された回転軸９４によって回転される。ただし、回転板３６０は、図６〜図８に示す下向開口部１３２に代えて、回転板３６０の中心部の回転軸付近に形成され、回転板３６０の上面から下面に向けて行くにしたがい回転軸からの距離が小さくなるような形状に形成された複数個の開口３７０及び３７２を有する。つまり、下面（回転板３６０の裏面）における開口３７０の中心位置と回転中心との間の距離は、上面（回転板３６０の主表面）における開口３７０の中心位置と回転中心との間の距離よりも大きくなっている。開口３７２についても同様である。開口３７０及び３７２の向きをこのようにすることにより、回転板３６０の上面から下面に向けて移動する空気は、回転板３６０の下面の中心部付近に集まることになり、図１６の矢印１６４によって示されるように、速やかに排気口７８から外部に排気される。
【０１２０】
開口３７０は回転軸を中心とした同心円上に形成されている。開口３７２も同様に、回転軸を中心として同心上に形成されている。ただし、開口３７２の形成位置は、開口３７０が形成されている位置よりも回転板３６０の外周に近い。なお、回転板３６０は、図１７に矢印１３８で示されるように、図１７において時計方向に回転させられるものとする。
【０１２１】
回転板３６０がこのような開口３７０及び３７２を有することにより、本実施の形態では、以下のようにして吸気が強制的に行われ、それに伴って排気が自然に行なわれる。
【０１２２】
回転板３６０が矢印１３８により示される方向に回転すると、図１７の矢印１３４等により示されるように、回転板３６０の外周部下面の空気が回転板３６０の上面に強制的に移動させられる。これに伴って、回転板３６０の外周部下面の気圧が低下し、図１６の矢印１６２により示されるように、吸気口８０を介して外部から空気が燃料電池システム３５０中に取込まれる。このようにして、空気極と回転板３６０の上面との間の空間に空気が強制的に供給される。
【０１２３】
一方、上記したように回転板３６０の中央部付近には、開口３７０及び３７２が形成されている。回転板３６０の上面と空気極との間の空間に空気が強制的に供給されることに伴い、この部分の気圧が上昇すると、開口３７０及び３７２を通って空気が回転板３６０の上面から下面に移動する。このとき、開口３７０及び３７２の下面側開口部の位置は、上面側開口部の位置よりも回転板３６０の回転の中心軸に近い位置にある。その結果、開口３７０及び３７２を通過する空気は回転板３６０の下面の中心部付近に集められる。すると、この部分の気圧が上昇し、図１６の矢印１６４により示されるように、この部分の空気が排気口７８から燃料電池システム３５０の筐体の外部に自然に排出される。
【０１２４】
なお、開口３７０及び３７２はいずれも、回転板３６０の表面に対し垂直な方向から見たときに、一つの開口の上面側の開口領域と下面側の開口領域とが互いに重ならないような位置に形成されている。このような形で開口３７０及び３７２を形成することにより、空気極から滴下する水滴が回転板３６０に付着せずに開口３７０又は３７２を通って直接下面側に落ちてしまうことをできるだけ防止する。これは、以後に述べる第８及び第９の実施の形態における開口についても同様である。
【０１２５】
［第８の実施の形態］
第７の実施の形態では、開口３７０及び３７２を介して回転板３６０の上面側の空間の空気を回転板３６０の下面中央部付近に集め、それによって空気を自然に排気している。しかし、図１６に示されるように、吸気口と排気口とは、回転板３６０の下面付近で互いに連絡している。その結果、矢印１６２により示される、吸気口を通って供給される空気の一部が、回転板３６０の上面に供給されず、回転板３６０の下部で直接に、矢印１６４により示される、排気口に向かう空気に混入する可能性がある。そのため、空気の供給効率が若干低下する可能性がある。
【０１２６】
そこで、本実施の形態では、図１８及び図１９に示す回転板３９０を用い、上記したような吸気と排気との混入を防止する。
【０１２７】
図１８は、本発明の第８の実施の形態に係る燃料電池システムの下部構造の側断面図である。図１９は、このシステムで使用されるファンの平面図である。
【０１２８】
図１８及び図１９を参照して、本実施の形態に係る燃料電池システム３８０のファンで使用される回転板３９０は、他の点では図１６及び図１７に示す第７の実施の形態に係る回転板３６０と同様の構成を有するが、図１６に示す回転板３６０の回転軸９４に代えて、開口３７０及び３７２の、回転板３９０の下面側開口を囲うように回転板３９０の下面中央部に上端が接着された、中空円筒形の回転軸３９２と、回転軸３９２の下面中央部に固定された回転軸３９４とを含む。
【０１２９】
回転軸３９２は、その側面下部の、排気口７８に望む領域に形成された複数個の開口部を有する。
【０１３０】
回転板３９０が回転すると、第７の実施の形態と同様、周囲の空気が吸気口を介して矢印１６２により示されるように筐体内部に取り込まれ、回転板３９０の上面に上向開口部１３０を介して供給される。
【０１３１】
また、図１８及び図１９を使って本発明における吸気を強制的に行い、排気を自然に行う構造で、回転軸内部に空間を設けた場合について説明する。同じ構造部分の説明は省略する。異なるところは、回転板を回転させるための軸の構造であり、回転軸内に排気を行うための空間を設けていることである。回転板３９０の回転により吸気口側のファン構造部分で発生する気流により吸気口８０側から流れこむ空気は空気極１１２側へ送り込まれ、回転体の軸３９２の構造内の空間を通過し、開口３７０及び３７２を介して回転軸３９２内部の空間に排気され、さらに排気口から筐体外部へ排気される。このとき、回転軸３９２により回転板３９０の下面の空間が内側と外側とに二分されているため、吸気口から供給される空気が、回転板３９０の上面を経由しないで直接に回転板３９０の下面で排気口側への空気の流れに混入してしまう、ということがない。
【０１３２】
したがって、効率よく空気を取り込みながら、自然な形で空気を排出することができ、高い効率で動作できる燃料電池システムを提供できる。
【０１３３】
［第９の実施の形態］
上記した第８の実施の形態では、回転板の表面を、中心部に近い領域と遠い領域とに二分し、中心部に近い領域に開口３７０および３７２を形成している。こうすることで、吸気を強制的に行なうとともに、排気を自然に行なわせることができる。
【０１３４】
しかし本発明はそのような実施の形態には限定されない。第８の実施の形態とは逆に、排気を強制的に行ない、それに伴って吸気を自然に行なうような形に回転板上の開口部を形成することができる。以下、そのような第９の実施の形態に係る燃料電池システムについて説明する。
【０１３５】
図２０は、本発明の第９の実施の形態に係る燃料電池システムの下部構造の側断面図である。図２１は、このシステムで使用されるファンの平面図である。
【０１３６】
図２０及び図２１を参照して、本発明の第９の実施の形態に係る燃料電池システム４００は、図１８に示す第８の実施の形態に係る燃料電池システム３８０と同様の構成を有している。ただし、この燃料電池システム４００は、図１８に示す燃料電池システム３８０で使用される回転板３９０に代えて、空気極との間の空間から空気を強制的に排気する機構と、この強制的な排気に伴い、空気極との間の空間に外部から自然に空気を供給するような機構とを有する回転板４１０を含む点で、図１８に示す燃料電池システム３８０と異なっている。
【０１３７】
図２０及び図２１を参照して、この実施の形態に係る回転板４１０には、図１８及び図１９に示す回転軸３９２と同様、その下面を外側と内側とに二分する回転軸４１２が取付けられている。さらに回転板４１０では、図２１に示す平面図によく現れているように、回転板３９０の上面の内側半分の領域に、図６に示す回転板９０と同様、下向開口部１３２が形成されている。回転板３９０の上面の外側半分の領域には、複数個の開口４２０及び４２２が形成されている。開口４２０は回転板４１０の中心を中心とする円周上に等間隔で形成されている。開口４２２も、同じ位置を中心とする円周上に等間隔で形成されている。ただし、円の中心から開口４２２までの距離は、円の中心から開口４２０までの距離よりも大きい。
【０１３８】
これら開口４２０及び４２２の開口は、回転板４１０の上面よりも下面において、回転板４１０の中心に近くなっている。
【０１３９】
さらに、回転板４１０の外周には、これも等間隔で切欠４３０が形成されている。
【０１４０】
図２１により明らかなように、下向開口部１３２の開口部の下側は回転軸４１２の内部の空間に向かって開いている。また開口４２０及び４２２の下面側開口部は、回転軸４１２よりも外側に位置している。
【０１４１】
この実施の形態に係る燃料電池システム４００において、回転板４１０が矢印１３８で示されるように時計方向に回転したものとする。下向開口部１３２によって、回転板４１０の上面と空気極との間の空間の空気は、回転板４１０の下部の、回転軸４１２により規定される空間内に排出される。この部分の空気はさらに、回転軸４１２の側面に形成された開口を介して矢印１６４により示されるように燃料電池システム４００の筐体外部に排出される。
【０１４２】
一方、上記したように回転板４１０の上面と空気極との間の空気が排出されると、この部分の気圧が低下する。その結果、燃料電池システム４００の筐体外部との気圧差により、矢印１６２により示されるように外部の空気が燃料電池システム４００の筐体内部に流れ込む。この空気は回転板４１０の下面の、回転軸４１２の外側領域に到達し、開口４２０及び４２２、並びに切欠４３０を通って回転板４１０の上面に流れる。このとき、開口４２０及び４２２の上面側の位置が下面側の位置よりも外周に近いため、開口４２０及び４２２を通過した空気は回転板４１０の外側に向かって流れ出し、途中で上側に曲がって空気極表面に接触しながら下向開口部１３２側に流れる。そして、この空気は、前述したように下向開口部１３２及び回転軸４１２の内部を経て外部に強制的に排気される。
【０１４３】
したがって、下向開口部１３２による強制的な排気と、開口４２０及び４２２、並びに切欠４３０による自然な空気の供給とを実現することができる。
【０１４４】
なお、本実施の形態では、回転板４１０の外周部に切欠４３０を設けている。しかし本発明はそのような実施の形態には限定されない。燃料電池システム４００の外部から回転板４１０の下面の外周部に供給された空気が、回転板４１０の上面に効率よく流れるような構成であれば、どのようなものでも採用できる。例えば、図２１における切欠４３０を回転板４１０の外周に設けるのに代えて、またはそれに加えて、回転板４１０の外周部に設けられ、回転板４１０から周囲に飛散する水を受取るための円筒状多孔質体１０２の内部壁面に、図２０における上下方向に沿って溝を形成し、この溝を通って回転板４１０の下面の空気が回転板４１０の上面側に供給されるようにしてもよい。
【０１４５】
又は、図２０に示す円筒状多孔質体１０２の一部に、外部方向に貫通した排気口を設けるようにしてもよい。
【０１４６】
いずれの構成でも、回転板４１０の上面に燃料電池システムの運転に必要な空気を効率よく空気極に供給できる。
【０１４７】
［運転方法に関する変形例（全実施の形態に適用可）］
上記第１〜第９の実施の形態のいずれにおいても、燃料電池システムによって発電を行なうと、発電のための反応による水と、発電過程の燃料極側から空気極側へのプロトンの電解質内の移動に伴う同伴水とが生成される。こうした水は、空気極側から水または水蒸気の状態で出現してくる。この水分の量は、低出力で発電する場合と高出力で発電する場合とでは異なるが、燃料電池システムを運転するかぎり生成されるため、こうした水分を回収して再利用する必要がある。
【０１４８】
一方、発電に必要な空気の量は低出力では比例的に少なく、高出力では多くなる。すなわち、低出力で発電する場合では、ファンを停止した状態でも空気供給が十分な場合がある。そこで、ファンを停止させて燃料電池システムを運転させることが望ましい場合もある。
【０１４９】
ところが、上記した構成の燃料電池システムでは、回転体を停止した状態のままでは、水回収ができない。そこで、何らかの形で、低出力での発電時に水分を回収するような工夫が必要になる。
【０１５０】
一つの解決策として、燃料電池システムを低出力で運転するときには、断続的にファンを動作させることにより、回転板に溜まった水分を円筒型多孔質体１０２を介して回収することが考えられる。通常はファンを止めることにより、燃料電池システムの出力を低く抑えることができる。その間に生成された水分はファンの回転板上に蓄積しておき、断続的にファンを運転することで回収する。
【０１５１】
また、水回収のためには、ファンの回転板をある回転速度以上の速度で回転させ、十分な遠心力を発生させる必要がある。しかし、低出力での運転では、ファンの回転速度が遅くなり、十分な遠心力の発生が得られないことがある。このような場合は、回転板に溜まった水分を回収するために、発電に必要な空気の供給量を確保するゆっくりした回転速度とあわせて、水回収を考慮した、十分に早い回転速度との間で切り替え制御を行なうようにするとよい。
【０１５２】
すなわち、低出力で上記した燃料電池システムを運転する際には、水回収を行なうために、要求される出力以上の出力で運転する期間を間歇的に設ける必要がある。一方、高出力で上記した燃料電池システムで発電する場合では、水回収を優先し、常に水分が回収されうる回転速度でファンを動作させる。したがって、空気は適切な風量だけ、又はそれを上回って過剰に供給されることもあり得る。
【０１５３】
［その他の変形例］
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、ファンの形状等は上記した実施の形態で採用されたものには限定されない。設計により、適宜好ましい形状を選択することができる。
【０１５４】
上記した実施の形態では、ファンが燃料電池構造体の下方に設けられている。しかし本発明はそのような実施の形態には限定されない。ファンは、その回転板が、燃料電池構造体の空気極に面し、かつ空気極との距離が水滴の吸収に適した距離であるような位置に配置されるという条件さえ満たせば、どのような位置に設けられてもよい。
【０１５５】
上記した実施の形態では、外側筐体の形状を円筒形状とした。これは、内部にファンが設けられたために、円筒形状とすることが合理的で、ファン周囲の空間を効率的に利用できるためである。しかし本発明はそのような実施の形態には限定されない。外側筐体の形状は、燃料電池構造体、燃料カートリッジ、及びファンを内部に収容できるのであれば、どのような形状でもよい。
【０１５６】
また、上記実施の形態では、回転板の表面のうち、空気極に面する面の逆側の面は何も処理していない。しかし本発明はそのような実施の形態には限定されない。たとえばこの面に、回転板の表面に生成水を結露させやすくするための放熱構造を配置するようにしてもよい。
【０１５７】
今回開示された実施の形態は単に例示であって、本発明が上記した実施の形態のみに制限されるわけではない。本発明の範囲は、発明の詳細な説明の記載を参酌した上で、特許請求の範囲の各請求項によって示され、そこに記載された文言と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含む。
【図面の簡単な説明】
【０１５８】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システム３０を含むシステム２０のブロック図である。
【図２】燃料電池システム３０の外観斜視図である。
【図３】燃料電池システム３０の平面図である。
【図４】図３の線４−４における断面図である。
【図５】図４に示す燃料電池４２の拡大断面図である。
【図６】燃料電池システム３０に用いられるファン５０の回転板９０の平面図である。
【図７】図６の線７−７における断面図である。
【図８】図６の線８−８における断面図である。
【図９】燃料電池システム３０における水の回収経路を説明するための、燃料電池システム３０の断面図である。
【図１０】本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システムで使用される回転板２００の平面図である。
【図１１】図１０の線１１−１１における断面図である。
【図１２】図１０の線１２−１２における断面図である。
【図１３】本発明の第３の実施の形態に係る燃料電池システムにおいて用いられるファンの側面図である。
【図１４】本発明の第５の実施の形態に係る燃料電池システムにおいて用いられるファンの側面図である。
【図１５】本発明の第６の実施の形態に係る燃料電池システムにおいて用いられるファンの側面図及び平面図である。
【図１６】本発明の第７の実施の形態に係る燃料電池システムの側断面図である。
【図１７】図１６に示す燃料電池システムで使用されるファンの平面図である。
【図１８】本発明の第８の実施の形態に係る燃料電池システムの下部構造の側断面図である。
【図１９】図１８に示す燃料電池システムで使用されるファンの平面図である。
【図２０】本発明の第９の実施の形態に係る燃料電池システムの下部構造の側断面図である。
【図２１】図２０に示す燃料電池システムで使用されるファンの平面図である。
【符号の説明】
【０１５９】
３０，３５０，３８０，４００  燃料電池システム、３２  蓄電デバイス、３４  負荷、３６  制御部、４０，８６  燃料タンクユニット、４２  燃料電池、５０，２６０  ファン、５２  多孔質体、５４  燃料、７０  上部筐体、７２  下部筐体、７４  シール部材、７６  空気口、７８  排気口、８０  吸気口、８８  筐体、９０，２００，２７０，２７２，２９２，３６０，３９０，４１０  回転板、９２  モータ、９４  軸、１００  多孔質体、１０２  周壁部、１０４  張出部材、１０６  燃料極集電体、１０８  燃料極、１１０  電解質層、１１２  空気極、１１４  空気極集電体、１３０，２１０  上向開口部、１３２，２１２  下向開口部、２８０，２８４  基板、２８２  多孔質層、２８６，２９６  親水層、３７０，３７２，４２０，４２２  開口、３９２  回転軸、４３０  切欠
【図１】
2007317645.tif 000003
【図２】
2007317645.tif 000004
【図３】
2007317645.tif 000005
【図４】
2007317645.tif 000006
【図５】
2007317645.tif 000007
【図６】
2007317645.tif 000008
【図７】
2007317645.tif 000009
【図８】
2007317645.tif 000010
【図９】
2007317645.tif 000011
【図１０】
2007317645.tif 000012
【図１１】
2007317645.tif 000013
【図１２】
2007317645.tif 000014
【図１３】
2007317645.tif 000015
【図１４】
2007317645.tif 000016
【図１５】
2007317645.tif 000017
【図１６】
2007317645.tif 000018
【図１７】
2007317645.tif 000019
【図１８】
2007317645.tif 000020
【図１９】
2007317645.tif 000021
【図２０】
2007317645.tif 000022
【図２１】
2007317645.tif 000023