(57)【要約】【課題】積層された発電セルの酸化剤極への酸化剤の供給を効率化するとともに体積当たりの出力密度の向上が図れる小型の燃料電池を提供する。【解決手段】複数の換気口を有するハウジングと、複数の単セルとを備え、単セルは、燃料極と、燃料極に対向するように配置された電解質膜と、電解質膜に対向するように配置された酸化剤とを反応させる酸化剤極とを有し、ハウジング内に単セルを３次元的に配列することで、単セルの酸化剤極に対向し、かつ、単セルの酸化剤極に酸化剤を供給するための３次元的に連結された酸化剤室が形成され、換気口は、酸化剤室と接続しており、燃料極に対向するように配置され、燃料極に燃料を供給するための燃料供給部と、酸化剤室を形成し、かつ燃料供給部へ燃料を分配供給するための燃料分配路とを備える燃料電池に関する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の換気口を有するハウジングと、複数の単セルと、を備え、
前記単セルは、
供給される燃料から陽イオンと電子とを生成する燃料極と、前記燃料極に対向するように配置され、前記燃料極からの陽イオンが透過する電解質膜と、前記電解質膜に対向するように配置され、前記電解質膜を透過した前記陽イオンと供給される酸化剤とを反応させる酸化剤極とを有し、
前記ハウジング内に前記単セルを３次元的に配列することで、前記単セルの酸化剤極に対向し、かつ、前記単セルの酸化剤極に前記酸化剤を供給するための３次元的に連結された酸化剤室が形成され、
前記換気口は、前記酸化剤室と接続しており、
前記燃料極に対向するように配置され、前記燃料極に前記燃料を供給するための燃料供給部と、
前記酸化剤室を形成し、かつ前記燃料供給部へ前記燃料を分配供給するための燃料分配路とを備える燃料電池。
【請求項２】
前記酸化剤室は、前記単セルの厚み方向に通風する複数の酸化剤室連通路を形成する請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記換気口は、前記酸化剤室連通路に沿った通風の出入り口に配置されている請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記換気口は、酸化剤に対するコンダクタンスの異なるものが含まれる請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記酸化剤室連通路は、通風に沿った通路断面の大きさが異なるものが含まれる請求項２に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記酸化剤室連通路は、前記通風の方向に垂直に接続する酸化剤室との接続位置において、前記酸化剤室連通路の通風に沿った断面が狭められている請求項２に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記単セルが有する燃料極、電解質膜および酸化剤極は、八角形の形状であり、
前記３次元的に配列された複数の前記単セルのうち、長手方向および短手方向に配置された複数の前記単セルの前記燃料極、前記電解質膜および前記酸化剤極は、それぞれ、隣接する前記単セルの間で連続して平面状セルを形成する、請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項８】
前記平面状セルは、厚み方向に複数配置されてなる請求項７に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記複数の換気口を備えたハウジングの外面は、両端が開口しており、
前記ハウジングは、さらに第２ハウジングで覆われており、一方の前記開口から流入した気体の流れが他方の前記開口へ吹き抜けるような通風路を備え、
前記換気口は、前記通風路に通じている請求項１に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記換気口の前記通風路側には、フィルタが備えられている請求項９に記載の燃料電池。
【請求項１１】
請求項９または１０に記載の燃料電池を内蔵する電子機器であって、
前記燃料電池は、前記ハウジングの外面に備えられた前記通風路のうち少なくともひとつは、前記電子機器の外気が一方の開口から他方の開口へ吹きぬけるように配置された電子機器。
【請求項１２】
請求項９または１０に記載の燃料電池を内蔵する電子機器であって、
前記燃料電池は、前記ハウジングの外面に備えられた前記通風路のうち少なくともひとつは、前記電子機器の内気側に面し、前記電子機器の外部に開口した一方の開口から他方の開口へ外気が吹きぬけるように配置された電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、出力密度が高い燃料電池およびそれを内蔵した電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料と酸化剤とを供給すれば発電する発電装置である。燃料電池は、通常、該酸化剤として空気を使用できるため、該燃料を交換し供給しつづけることで連続して発電することができる。このため、燃料電池は、定置用電源のみでなく携帯用電源として利用できることから非常に注目されている。
【０００３】
燃料電池は、通常、定置用電源などとして利用される場合には、該燃料として水素あるいは水素を含有するガスを使用する。一方、燃料電池は、携帯用電源として利用される場合には、携帯可能である一定の体積でかつ長時間発電させる必要が生じるため、該燃料としては、体積当たりのエネルギ密度の高い液体燃料の方が上述のガスよりも有利となる。
【０００４】
なお、燃料電池に液体燃料を水素に改質する改質器を備え付け、液体燃料から水素を生成して燃料として供給するシステムを構築することも可能である。しかし、燃料電池のシステム全体が複雑になるため、燃料電池のシステムの小型化には液体燃料を該燃料電池に直接供給する方が容易と考えられている。
【０００５】
従来、液体燃料が直接供給される燃料電池としては、たとえば、メタノールと水との混合物を燃料に用いる直接型メタノール燃料電池が開示されている（たとえば、特許文献１（特表平１１−５１０３１１号公報）および特許文献２（特開平６−１８８００８号公報）参照）。
【０００６】
ここで、図８は、ハウジング内に燃料極と酸化剤極と電解質膜とを備えた発電セルが積層されてなる直接型メタノール燃料電池を模式的に示す図である。以下、図８を参照しながら説明する。
【０００７】
直接型メタノール燃料電池は、ハウジング１１６内に燃料極１０３と酸化剤極１０２と電解質膜１０１とを備えた発電セル１００が積層されてなる。該直接型メタノール燃料電池の動作について説明する。まず、燃料タンク（図示せず）から供給ポンプなどの供給手段によって、メタノールと水とが混合されてなる燃料が、燃料導入路１０８に供給される。この燃料導入路１０８に供給された燃料は矢印１１０で示す方向に向かって、セパレータ１０５に形成された燃料極室１０６に供給される。燃料極室１０６内に供給された燃料は、燃料極１０３内に浸透して反応し、プロトン（水素イオン）と電子と二酸化炭素とを生成する。通常、燃料極１０３の材料としては多孔質材が用いられており、燃料極１０３と電解質膜１０１との界面近位の触媒が担持された層で燃料極１０３の反応が起こっている。
【０００８】
燃料極１０３で生成されたプロトンは、燃料極１０３から電解質膜１０１を透過して酸化剤極１０２に移動し、電子は燃料極１０３から外部回路（図示せず）を経由して酸化剤極１０２に流れる。この電子が電池の出力として使用される。一方、二酸化炭素は、燃料極１０３から燃料極室１０６を通して未反応の燃料とともに排出される。
【０００９】
また、セパレータ１０５に形成された酸化剤極室１０４へは、矢印１１１で示す方向に酸素が供給され、酸化剤極室１０４から酸化剤極１０２内に酸素が拡散する。そして、該酸素は、燃料極１０３から拡散してきたプロトンと反応して水を生成する。生成した水は
通常水蒸気となって酸化剤室１０４から未反応の酸素とともに、矢印１１２で示す方向に出口側から排出される。この例では酸化剤として酸素が使用されているが、酸素を含む空気で供給することもできる。
【００１０】
上記従来の直接型メタノール燃料電池では、図８に示すように発電セル１００を積層する場合、セパレータ１０５に形成された非常に狭い酸化剤室１０４に酸化剤を供給しなければならない。発電セル１００をより小型のハウジング内に積層するには、酸化剤室１０４がさらに狭くなることから、燃料を発電セル１００に供給するためには、より供給能力をもったポンプ等の供給手段が必要となる。したがって、ポンプ等の供給手段の駆動に必要な電力を消費するために実質的に燃料電池から利用できる出力が低下し、燃料電池の小型化の障害となってしまう。また、ポンプなどの強制的な供給手段をなくすと、酸化剤の供給効率が低下し、燃料電池の出力の低下の要因となる。
【特許文献１】特表平１１−５１０３１１号公報
【特許文献２】特開平６−１８８００８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述のとおり、小型でかつ高い出力を有する直接型メタノール燃料電池は、実現されていない。そこで、本発明の目的は、積層された単セルの酸化剤極への酸化剤の供給を効率化するとともに体積当たりの出力密度の向上が図れる小型の燃料電池と、それを内蔵した電子機器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、複数の換気口を有するハウジングと、複数の単セルとを備え、単セルは、供給される燃料から陽イオンと電子とを生成する燃料極と、燃料極に対向するように配置され、燃料極からの陽イオンが透過する電解質膜と、電解質膜に対向するように配置され、電解質膜を透過した陽イオンと供給される酸化剤とを反応させる酸化剤極とを有し、ハウジング内に単セルを３次元的に配列することで、単セルの酸化剤極に対向し、かつ、単セルの酸化剤極に酸化剤を供給するための３次元的に連結された酸化剤室が形成され、換気口は、酸化剤室と接続しており、燃料極に対向するように配置され、燃料極に燃料を供給するための燃料供給部と、酸化剤室を形成し、かつ燃料供給部へ燃料を分配供給するための燃料分配路とを備える燃料電池に関する。
【００１３】
また、本発明の燃料電池において、酸化剤室は、単セルの厚み方向に通風する複数の酸化剤室連通路を形成することが好ましい。
【００１４】
また、本発明の燃料電池において、換気口は、酸化剤室連通路に沿った通風の出入り口に配置されていることが好ましい。
【００１５】
また、本発明の燃料電池において、換気口は、酸化剤に対するコンダクタンスの異なるものが含まれることが好ましい。
【００１６】
また、本発明の燃料電池において、酸化剤室連通路は、通風に沿った通路断面の大きさが異なるものが含まれることが好ましい。
【００１７】
また、本発明の燃料電池において、酸化剤室連通路は、通風の方向に垂直に接続する酸化剤室との接続位置において、酸化剤室連通路の通風に沿った断面が狭められていることが好ましい。
【００１８】
また、本発明の燃料電池において、単セルが有する燃料極、電解質膜および酸化剤極は
、八角形の形状であり、３次元的に配列された複数の単セルのうち、長手方向および短手方向に配置された複数の単セルの燃料極、電解質膜および酸化剤極は、それぞれ、隣接する単セルの間で連続して平面状セルを形成することが好ましい。
【００１９】
また、本発明の燃料電池において、平面状セルは、厚み方向に複数配置されてなることが好ましい。
【００２０】
また、本発明の燃料電池において、複数の換気口を備えたハウジングの外面は、両端が開口しており、ハウジングは、さらに第２ハウジングで覆われており、一方の開口から流入した気体の流れが他方の開口へ吹き抜けるような通風路を備え、換気口は、通風路に通じていることが好ましい。
【００２１】
また、本発明の燃料電池において、換気口の通風路側には、フィルタが備えられていることが好ましい。
【００２２】
また、本発明は、上述の燃料電池を内蔵する電子機器であって、燃料電池は、ハウジングの外面に備えられた通風路のうち少なくともひとつは、電子機器の外気が一方の開口から他方の開口へ吹きぬけるように配置された電子機器に関する。
【００２３】
また、本発明は、上述の燃料電池を内蔵する電子機器であって、燃料電池は、ハウジングの外面に備えられた通風路のうち少なくともひとつは、電子機器の内気側に面し、電子機器の外部に開口した一方の開口から他方の開口へ外気が吹きぬけるように配置された電子機器に関する。
【発明の効果】
【００２４】
この発明によれば、燃料極側から排出されるガスを酸化剤極から排出されるガスと同じ排気系で排出でき、さらに、酸化剤極から排出されるガスの流れを利用して、燃料極側から排出されるガスを効率的に排気することができる。したがって、この発明によれば、燃料電池の小型化と体積当たりの出力密度の向上とを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には、同一の参照符号を付し、その説明は繰り返さない。また、図面における長さ、大きさ、幅などの寸法関係は、図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法を表してはいない。
【００２６】
（第１実施の形態）
図１は、本発明の一実施形態を示す模式的な斜視図である。図２は、本発明の一実施形態を示す模式的な断面図である。以下、図１および図２に基づいて説明する。
【００２７】
≪構成≫
本形態にかかる燃料電池は、複数の換気口１１を有するハウジング１０と、複数の単セル１２とを備える。そして、単セル１２は、供給される燃料から陽イオンと電子とを生成する燃料極２１と、燃料極に対向するように配置され、燃料極からの陽イオンが透過する電解質膜２０と、電解質膜に対向するように配置され、電解質膜を透過した陽イオンと供給される酸化剤とを反応させる酸化剤極２２とを有する。ハウジング１０内に単セル１２を３次元的に配列することで、酸化剤室１５が形成されている。酸化剤室１５は、単セル１２の酸化剤極２２に対向し、かつ、単セル１２の酸化剤極２２に酸化剤を供給するための３次元的に連結された空間であり、換気口１１と接続している。なお、単セル１２どうしの積層方向（厚み方向）の酸化剤室１５は、単セル１２の間にスペーサ等を設けること
で形成される。そして、該燃料電池には、燃料極に対向するように配置され、燃料極に燃料を供給するための燃料供給部としての燃料極流路板１３が備えられている。また、該燃料電池には、燃料極流路板１３へ燃料を分配供給するための燃料分配路１４が備えられている。なお、図１においては、燃料分配路１４は、燃料極流路板１３と同一部材になっている。
【００２８】
本形態にかかる燃料電池は、各単セル１２の酸化剤室１５は複数の換気口１１といくつかの経路で接続されるため、いずれの方向の換気口１１から酸化剤が導入されても、最寄りの換気口１１からの最適な経路で酸化剤が供給される。そして、生成物である水蒸気等とともに該酸化剤は他方の最寄りの換気口へ最適な経路で排出する経路を確保することができ、新しい酸化剤を次々と単セル１２に供給することができ、換気口１１から各単セル１０への酸化剤の供給を効率化することができる。また、ポンプなどの供給手段を用いて酸化剤を各単セル１０に供給する場合においても、換気口１１から各単セル１２への供給経路を短いため、供給手段への負荷を低減して電力消費を抑えることができる。したがって、複数の単セル１２を積層化した際の小型燃料電池における体積あたりの出力密度の向上を実現できる。
【００２９】
また、単セル１２の側面は、側板２７で他の単セル１２と区画されている。なお、側板２７の材料には、微細加工を施したシリコン基板のほか、金属、シリコン基板、ガラス基板、樹脂基板など燃料および酸化剤の透過性のない基板等を使用可能である。
【００３０】
≪動作≫
つぎに、本形態における燃料電池の動作について説明する。燃料は燃料分配路１４を通して各単セルの燃料極流路板１３に分配され、燃料極流路板１３の流路から単セル１２の燃料極２１に達して反応し、陽イオン（Ｈ+）と電子および排出ガスとしての二酸化炭素が生成する。陽イオン（Ｈ+）は、電解質膜２０を経由して、酸化剤極２２に至る。
【００３１】
生成された電子は、燃料極２１から外部回路（図示せず）を経由して、酸化剤極２２に導かれる。また、燃料極２１で生成した二酸化炭素は、燃料極流路板１３の流路を通して、排出される。
【００３２】
一方、換気口１１から導入された酸化剤の一例としての空気は、各単セルの酸化剤極２２へと流れ、酸化剤極２２において、空気中の酸素が燃料極２１からの陽イオン（Ｈ+）および電子と反応して水蒸気が生成する。生成した水蒸気は酸化剤室１５を通って換気口１１から排出される。
【００３３】
ここで、燃料の供給形態や二酸化炭素の排出法、水蒸気の処理などは、これに限るものではない。燃料供給手段には、燃料浸透性のある多孔質材を用いて供給する構造を採用してもよい。また、二酸化炭素は、多孔質材の気液分離膜を通して外部へ排出してもよい。該水蒸気は別途設けた回収機構（図示せず）を通じて再利用されてもよい。また、単セル１２は、燃料極２１が積層方向に隣り合う単セル１２の酸化剤極２２側に対向するような配置に限るものではなく、たとえば燃料極２１が他の単セル１２の燃料極２１側に対向し、酸化剤極２２が反対側に他の単セルの酸化剤極２２側に対向するように配置されてもよい、この場合は、隣接する単セル１２と燃料供給部、あるいは酸化剤室１５を共通化することもできる。
【００３４】
本形態により、各単セル１２の酸化剤室１５は複数の換気口１１といくつかの経路で接続されるため、いずれの方向の換気口１１から酸化剤が導入されても、他の最寄りの換気口１１からの最適な経路で酸化剤が供給され、他方の最寄りの換気口１１へ最適な経路で排出する経路を確保することができる。これにより、換気口１１から各単セル１２への酸
化剤の供給を効率化することができる。また、酸化剤室１５は、単セル１２の厚み方向に通風する複数の酸化剤室連通路２５を形成していることが好ましい。そして、換気口１１は、酸化剤室連通路２５に沿った通風の出入り口に配置されていることが好ましい。
【００３５】
また、ポンプなどの酸化剤供給部（図示せず）を用いて酸化剤を供給する場合においても、換気口１１から各単セル１２への供給経路を短いため、供給手段への負荷を低減して電力消費を抑えることができるため、小型積層化した際の燃料電池の体積あたりの出力密度を向上させることができる。
【００３６】
さらに、単セル１２の酸化剤室を一方向に酸化剤がスムーズに流れるようにする方法として、酸化剤室連通路２５は、酸化剤室連通路２５における通風の方向に垂直に接続する酸化剤室１５との接続位置において、酸化剤室連通路２５の通風に沿った断面を狭めてもよい。たとえば、図２に示す例のように、酸化剤室連通路２５に対して鉛直に単セルの酸化剤室１５が接続する部分の酸化剤室連通路２５の断面を絞ってもよい。これにより、酸化剤室連通路２５を流れる酸化剤は、断面を絞った位置において圧力が低下するため、単セル１２の酸化剤室１５内の酸化剤が酸化剤室連通路２５側に流入しやすくなるとともに、酸化剤室連通路２５側の酸化剤が単セル１２の酸化剤室１５側に逆流するのを防ぐことができる。
【００３７】
≪その他の構成と動作≫
本形態においては、図２に示すように、３次元的に連結された酸化剤室１５は、３次元的に配列された単セル１２の積層方向に通風が得られるように酸化剤室連通路２５が形成されていることが好ましい。
【００３８】
これにより、積層された単セル１２間の通風２８を最短でスムーズに行なうことができ、したがって、配列された単セル１２への酸化剤供給量が、各単セル１２ごとに急激に減少することを防止し、各単セル１２に供給される酸化剤の量をより均一にすることができる。また、後述する図５に示すように、同様に、長手方向および短手方向で形成される平面状にも酸化剤室を連通し、通風を最短で確保することにより酸化剤供給をより均一化することができる。
【００３９】
そして、本形態においては、図２に示すように、ハウジング１０の換気口１１は、酸化剤室連通路２５に沿った通風２８の出入り口に配置されることがさらに好ましい。
【００４０】
これにより、たとえばハウジング１０の換気口１１ａから酸化剤が導入されるとすると、その流れが、酸化剤室連絡路２５の通風の方向２８に沿って最短でハウジング１０の反対側に流れ、換気口１１ｂからハウジング１０の外へスムーズに出ることができる。したがって、酸化剤をハウジング１０内に導入するために必要な送風負荷あるいは圧力が小さくなり容易に効率よくハウジング１０内に酸化剤を導入することができる。そして、この通風に沿った流れにより、矢印２９で示すように、各単セルへの酸化剤の供給をより均一に行なうことができる。
【００４１】
≪材料≫
ここで、単セル１２の燃料極２１および酸化剤極２２の基体には、カーボンペーパー、カーボンの焼結体、ニッケルなどの焼結金属、発泡金属、多孔質シリコンなどの多孔質材を用いることができる。また、燃料極２１の触媒には、白金−ルテニウム合金など、白金と金、白金とオスミウム、白金とロジウムなどの合金を用いることができる。また、酸化剤極２２にも、燃料極２１と同様の触媒を用いることができ、酸化剤極２２の材質と燃料極２１の材質とが同じであってもよい。電解質膜２０は、プロトン伝導性の耐熱耐酸性の材料であれば有機材料、無機材料を問わないが、たとえば、有機系の含フッ素高分子を骨
格とするスルホン酸基含有パーフルオロカーボン（ナフィオン１１７（デュポン社製）（登録商標））を用いることができる。また、電解質膜２０は、プロトン伝導性の機能を有すればよく、他の基材に電解質膜を埋め込んだものであってもよい。
【００４２】
また、燃料極２１に供給される液体燃料としては、メタノールと水とを混合したものを用いることができる。なお、燃料はこれに限るものではなく、メタノールの代わりにエタノールやジメチルエーテルのような炭化水素系の有機燃料を使用することもできる。また、酸化剤として酸素をもともと含んでいる空気をそのまま使用することができるが、酸素そのものを使用することもできる。
【００４３】
燃料極に燃料を供給する燃料極流路板１３は、微細加工を施したシリコン基板や金属、シリコン基板、ガラス基板または樹脂基板など燃料の透過性のない基板が使用可能である。なお、材料については、以下に示すいずれの実施の形態においても適宜選択して用いることが可能である。
【００４４】
（第２実施の形態）
図３は、本発明の別の一実施形態における断面図である。以下、図３に基づいて説明する。本形態においては、基本的な構成、動作は、第１実施の形態と同様であるが、図３に示すように開口径が大きな換気口３１ａおよび換気口３１ｂと開口径が小さな換気口３１ｃおよび換気口３１ｄを長手方向に交互に配置することができる。たとえば、開口径が大きな換気口３１ａは、酸化剤におけるコンダクタンスの大きく、酸化剤が導入されやすい。本形態においては、換気口の開口径を調整することで、換気口は、酸化剤に対するコンダクタンスの異なるものが含まれている構成となっている。ここで、本発明における「コンダクタンス」とは、気体の流れやすさのことをいうものとする。したがって、換気口３１ａからハウジング３０内に酸化剤が導入されやすいために、換気口３１ａから酸化剤が導入され、換気口３１ｂから酸化剤が排出されるといった酸化剤室連通路３２において、酸化剤の主たる流れ３４が形成される。そして、各層の単セル１２の酸化剤室３８では、開口径の大きな換気口３１ａ側から開口径の小さな換気口３１ｃ側へ、矢印３５および矢印３６で示すような一方向の流れが生じやすくなり、酸化剤室３８の全体により均一に酸化剤を供給し、より均一に発電することができる。特に、酸化剤に空気を用いる場合には、酸素以外の空気成分の換気効率を高めることができるので効果的である。
【００４５】
なお、一般的に気体の流れやすさを示すコンダクタンスＣは、たとえば円形の配管で気体の平均自由工程が管内径よりも十分小さい場合は、数式（１）であらわされる。
【００４６】
Ｃ＝（πｒ4ｐ／８η）（ｐ1−ｐ2）／Ｌ    数式（１）
ここで、ｒは管内径、ｐは気体の平均圧力、ηは気体の粘性係数、Ｌは管の長さ、ｐ1は管の上流側の圧力、ｐ2は管の下流側の圧力である。なお、圧力は、公知の方法で測定できる。
【００４７】
本形態においては、酸化剤のコンダクタンスを異ならせるために換気口の開口径を変化させたが、該コンダクタンスを異ならせる方法は、これに限るものではない。たとえば、換気口における流れの方向の長さや換気口の形状によってもコンダクタンスを変化させることができる。また、換気口にコンダクタンスの異ならせるためにメッシュやフィルタをつけることによっても可能であることは明らかである。メッシュやフィルタの場合、網目や繊維の目の細かさ、あるいは厚さによって該コンダクタンスを容易に変えることができる。
【００４８】
また、単セル１２の酸化剤室を一方向に酸化剤がスムーズに流れるようにするために、酸化剤室連通路３２は、通風に沿った通路断面の大きさを変えてもよい。たとえば開口径
の小さい換気口３１ｃおよび換気口３１ｄを用いる代わりに、矢印３５の通風に沿った通路断面を小さくすることもできる。これによって、矢印３５方向の酸化剤の流れを酸化剤室連通路３２よりも弱くし、単セル１２の積層方向に形成された酸化剤室３８の流れを一方向にスムーズにすることができる。
【００４９】
また、換気口３１ｃおよび３１ｄのように開口径の小さい換気口を用いる代わりに、換気口３１ａおよび３１ｂのように開口径の大きなもののみを用いることもできる。この場合は、酸化剤室連通路３２における単セル１２の酸化剤室３８が接続するところで酸化剤室連通路３２の断面を絞ることで、単セル１２の酸化剤室の流れを一方向にスムーズにすることができる。この場合には、ハウジング３０内へ酸化剤をたくさん取り込むことができ、これにより、各単セル１２への酸化剤の供給効率が向上し、単セル１２の出力向上が可能となる。なお、換気口の開口径は適宜選択することができる。
【００５０】
（第３実施の形態）
図４は、本発明の別の一実施形態における断面図である。以下、図４に基づいて説明する。本形態においては、基本的な構成、動作は、第１実施の形態と同様であるが、単セル４２が有する燃料極および酸化剤極は、八角形の形状である点で第１実施の形態と異なる。また、３次元的に配列された複数の単セル４２のうち、長手方向および短手方向に配置された複数の単セル４２の燃料極、電解質膜および酸化剤極は、それぞれ、隣接する単セル４２の間で連続して平面状セルを形成している。つまり、単セル４２は、四角形の四隅にあたる箇所４２ａをカットした形状である。そして、該八角形の単セル４２どうしが、一辺で他の単セル４２と連続しており、そのとなりの一辺は、酸化剤室連通路４３を形成している。該四角形の四隅にあたる箇所４２ａに囲まれた酸化剤室連通路４３は、より正方形あるいは円に近い断面形状であり、酸化剤室連通路４３をとおる気体は、流路損失の低減を図ることができる。また、複数の単セル４２の連続部分４２ｂで隣接する単セル４２と連続して一体となっているために、単セル４２の電極面積を最大限に確保しつつ実装密度を高めることができる。また、長手方向および短手方向に配置する燃料分配路ならびに単セル４２の電極間を接続する貫通配線（図示せず）を省略することもできる。
【００５１】
さらに好ましくは、上述した複数の単セル４２から形成される平面状セル自体を、積層方向（厚み方向）に複数配置されてなることが好ましい。このとき、該平面状セルは、１つの連続した状態となり、単セル４２それぞれを３次元的に配列するよりも一体化した平面状セルを厚み方向に配置することで製造工程を簡略化できる。
【００５２】
（第４実施の形態）
図５は、本発明の別の一実施形態における断面図である。以下、図５に基づいて説明する。本形態は、基本的な構成、動作は、第１実施の形態と同様である。本形態にかかる燃料電池は、複数の換気口を有するハウジング５０と、複数の単セル１２とを備える。そして、単セル１２は、供給される燃料から陽イオンと電子とを生成する燃料極と、燃料極に対向するように配置され、燃料極からの陽イオンが透過する電解質膜と、電解質膜に対向するように配置され、電解質膜を透過した陽イオンと供給される酸化剤とを反応させる酸化剤極とを有する。ハウジング５０内に単セル１２を３次元的に配列することで、酸化剤室が形成されている。
【００５３】
複数の換気口６１ａ、６１ｂ、６１ｃおよび６１ｄを備えたハウジング５０の外面は、両端が開口しており、ハウジング５０は、さらに第２ハウジング５６で覆われており、一方の該開口から流入した気体の流れが他方の開口へ吹き抜けるような通風路５１ａ、５１ｂ、５２、５３、５４および５５を備え、換気口６１ａ、６１ｂ、６１ｃおよび６１ｄは、通風路５１ａ、５１ｂ、５２、５３、５４および５５に通じている。
【００５４】
これにより、酸化剤が、たとえば通風路５１ａの開口部から導入された場合、通風路５１ａから通風路５１ｂまでの流れで圧力損失による圧力の勾配ができる。さらに同様に、通風路５２をとおり通風路５４から通風路５５に抜ける流れで圧力勾配ができる。このため、通風路６２ａから酸化剤室連通路６４ａに流れ込む酸化剤の流れは、上流側から下流側にかけて少しずつ流速が遅くなる。また、通風路５２側に換気口を通して接続して通風路５３側に抜ける酸化剤室連通路も同様で、通風路５２に接続した酸化剤室連通路上流側から下流側にかけて少しずつ流速が遅くなる。これによってハウジング５０内の各単セルの酸化剤室に上流の酸化剤室連通路側から下流の酸化剤室連通路側へ一方向の流れを形成しやすくなるだけでなく、すべての単セル１２における酸化剤室の流路を同じ方向にそろえることができる。これにより酸化剤の供給、あるいは換気の効率が向上し、各単セル１２の出力を向上させることにより、燃料電池全体の出力向上が可能となる。
【００５５】
各酸化剤室内の流れについては、直接計測することが困難なため、汎用の有限要素法プログラムを用いて、ハウジング５０内の各単セル１２の酸化剤室の流れを２次元で計算して確認することができる。たとえば、各単セル１２のサイズ、酸化剤室の高さ、通風路６２ａおよび６２ｂの経口、酸化剤室連通路６４ａおよび６４ｄの幅、ならびに接続する換気口６１ｃおよび６１ｄの開口等の寸法は、適宜形態に応じて選択することができる。
【００５６】
本実施の形態によると、酸化剤室連通路に規則的な順で流れを導入することができ、すべての単セルにおける酸化剤室の流れを同一にすることができる。
【００５７】
通風路の配置は、図５に示す例に限るものではない。通風路５４において第２ハウジング５６の上流側に開口部を４箇所にすることによっても、各単セル１２の酸化剤室の流れをすべて同じ方向にすることができる。しかし、この場合には、通風路から外部へ逃げる酸化剤の流れが増大し、ハウジング５０内に導入される酸化剤の量が減るために、単セル１２の酸化剤室を流れる酸化剤の流速に低下が見られるおそれがある。また、第２ハウジング５６において通風路５５を封鎖し、該通風路５５の逆を上流とした場合、上流側から下流側へ各単セル１２の酸化剤室の流れをほとんど全て一方向にすることができるが、下流側の単セル１２における酸化剤室の一部に逆方向の流れが生じることがある。
【００５８】
さらに、通風路５２、５３および５４に酸化剤を導入せずに通風路５１ａから通風路５１ｂへの流れのみに酸化剤を導入した場合には、通風路５１ａ（上流）から通風路５１ｂ（下流）への通風に沿って圧力損失による圧力の勾配ができる。このため、酸化剤室連通路に流れ込む酸化剤の流れは、該上流側から該下流側にかけて少しずつ流速が遅くなる。これによってハウジング５０内の各単セル１２の酸化剤室に上流の酸化剤室連通路側から下流の酸化剤室連通路側へ一方向の流れを形成しやすくなるだけでなく、ほぼすべての単セル１２の酸化剤室の流れを同じ方向にそろえることができる。しかし、この場合には、通風路５２、５３および５４に酸化剤を導入した場合に比べてハウジング５０内に酸化剤が導入される割合が低下し、さらに各単セル１２の酸化剤室の流れも各層間の差が大きくなり、下流側の減少が顕著になる場合がある。
【００５９】
酸化剤室連通路の通風に沿った通路断面の大きさを変えることは、酸化剤室連通路のコンダクタンスが異なることに起因しているので、同様の効果は、各酸化剤室連通路に接続する換気口のコンダクタンスを変えることによっても得られる。したがって、換気口の開口径を変える、あるいは換気口に、コンダクタンスの異なるメッシュやフィルタを取り付けることによっても同様の効果が得られる。なお、該メッシュまたはフィルタを備えることで、微粒子が換気口からハウジング内へ侵入することを防止することができ、微粒子等の進入によって、ハウジング内の通風が妨げられるのを防止することができる。
【００６０】
また、図２に示す実施形態のように、酸化剤室連通路の通風の方向に垂直に接続する酸
化剤室との接続位置において、酸化剤室連通路の通風に沿った断面を狭めてもよい。これにより、酸化剤室連通路のコンダクタンスを変えることができるので、同様の効果が得られることは明らかである。
【００６１】
（第５実施の形態）
図６は、本発明の別の一実施形態における断面図である。以下、図６に基づいて説明する。
【００６２】
本実施の形態は、上述のような燃料電池を内蔵した携帯電話やモバイル用パソコンのような電子機器８４であって、燃料電池のハウジング８０の外面に備えられた通風路７０、７２、７３および７４を備えている。このうち通風路７０は、電子機器８４の外気と接し、外気が一方の開口から他方の開口へ吹きぬけるように配置される。これにより、たとえば外気の流れや電子機器８４の移動により、電子機器８４の外部に空気（酸化剤）の流れ７６が生じたとすると、通風路７０の開口部７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄおよび７０ｅから外気（空気）が導入され、通風路７０、７２、７３および７４に空気が流れる。これにより、ハウジング８０内の各単セルの酸化剤室に効率よく空気を流すことができる。図６に示す例では通風路７０に開口部を多数設けることで通風路７０のコンダクタンスを下げ空気が通風路７０に導入されやすくなっている。ただし、開口部の数や形態などは特に限定されない。
【００６３】
さらに、ハウジング８０の外面に備えられた通風路７４は、電子機器８４の内気と接し、一方は通風路７２を通って通風路７０の開口部から、他方は開口部７５を通して電子機器８４の外部に開口しており、一方の開口から他方の開口へ外気が吹きぬけるように配置されている。これにより、たとえば、外部に空気の流れ７６がなくても、燃料電池が動作する際、発電部で発生する熱が、機器の外気側にある通風路７０側にくらべ、機器の内気側にある通風路７４は、放熱効果が低いために、通風路７０と通風路７４側に温度差が生じ、ハウジング内の酸化剤室連通路を通した通風が得られやすくなる。また、電子機器の内側には回路部など発熱部８３があるため、この発熱を利用して通風路７０と通風路７４側に温度差を強めることができ、ハウジング内の通風を維持し、各単セルの酸化剤室の空気の流れを確保することができる。
【００６４】
また、図６においては、燃料電池のハウジング８０の換気口にフィルタ８１を取り付けた形態を示す。換気口にメッシュやフィルタを取り付けた場合、微粒子が換気口からハウジング内へ侵入することを防止することができ、微粒子等の進入によって、ハウジング内の通風が妨げられるのを防止することができる。メッシュやフィルタに捕獲された微粒子等は、通風路のカバー５１ｃを取り外せるようにすることで除去可能である。
【００６５】
ここで、図７は、本発明における別の実施の形態を示す模式的な斜視図である。以下、図７に基づいて説明する。上述においては、平面状の単セルを積層した例に説明しているが、図７に示すように、同心円状に積層した単セルにおいても本発明が実施可能であることは容易に理解できる。図７においては、ハウジング９０に、換気口９１を設け、単セル９２が整然と設置されている。該単セル９２は、燃料供給部９６、燃料極９３、電解質膜９４および酸化剤極９５を備える。単セル９２は、円柱状の形態であり、該燃料供給部９６を中心に同心円状に燃料極９３、電解質膜９４および酸化剤極９５が備えられている。動作、効果は、上述したものと同様である。図７に示すような同心円状の単セルについては、たとえば、特開２００４−６３２００号公報に記載されているものを用いることができる。
【００６６】
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【実施例】
【００６７】
以下、図５に基づいて説明する。本実施例においては、酸化剤室における酸化剤の流速（ｍｍ／秒）について計測した。各酸化剤室内の流速については、直接計測することが困難なため、汎用の有限要素法プログラム（ＡＭＰＳ社製）を用いて、ハウジング５０内の各単セル１２の酸化剤室の流れを２次元で計算して確認した。各単セル１２のサイズは、長手方向３ｍｍ、短手方向３ｍｍ、厚さ５００μｍとした。そして、酸化剤室の高さ、通風路６２ａおよび６２ｂの開口径、酸化剤室連通路６４ａおよび６４ｄの幅、ならびに接続する換気口６１ｃおよび６１ｄの開口は１００μｍとした。そして、換気口６１ａおよび６１ｂの幅、その他通風路の直径は４００μｍとした。このとき、通風路５１ａから通風路５１ｂの方向に酸化剤を導入した場合について、各通風路、並びにハウジング５０内の酸化剤室連通路、各単セル１２における酸化剤室の酸化剤の流れを計算し、いずれの側から導入してもすべての単セル１２の酸化剤室に上流側から下流側へ同じ方向に酸化剤が流せることを確認している。
【００６８】
結果を表１に示す。単位はｍｍ／秒である。条件Ａは、本実施例における結果であって開口径が１００μｍと４００μｍとの酸化剤室連通路を有する燃料電池における流速を示す。表中の１〜４列目の表記は、ハウジング５０内の上から３層目の単セルの左から１列目、２列目、３列目、４列目の酸化剤室の左端の位置での酸化剤の速度を示している。
条件Ｂは、比較例として、換気口の開口径の大きさを全て１００μｍとした場合の結果である。条件Ｂにおいても上流側から下流側へ各単セルの酸化剤室の酸化剤の流れは全て同一方向の流れが得られることを確認しており、表１に示すように、１列目から４列目単調に速度が減少することを確認した。
【００６９】
しかし、換気口の開口径が全て同じ条件Ｂの結果に比べて、条件Ａの方が、１列目の速度では条件Ｂよりも小さいが、４列目では、条件Ａの方が速度は大きく、下流側のセルになっても速度の減少幅が小さく、各単セルの酸化剤室により均一に酸化剤が供給されていることがわかった。
【００７０】
【表１】
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【００７１】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の一実施形態を示す模式的な斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態を示す模式的な断面図である。
【図３】本発明の別の一実施形態における模式的な断面図である。
【図４】本発明の別の一実施形態における模式的な断面図である。
【図５】本発明の別の一実施形態における模式的な断面図である。
【図６】本発明の別の一実施形態における模式的な断面図である。
【図７】本発明における別の実施の形態を示す模式的な斜視図である。
【図８】従来のハウジング内に燃料極と酸化剤極と電解質膜とを備えた発電セルが積層されてなる直接型メタノール燃料電池を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００７３】
１０，３０，５０，８０，９０，１１６  ハウジング、１１，１１ａ，１１ｂ，３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ，９１  換気口、１２，４２，９２  単セル、１３  燃料極流路板、１４  燃料分配路、１５，３８，９５  酸化剤室、２０，９４，１０１  電解質膜、２１，９３，１０３  燃料極、２２，１０２  酸化剤極、２５，３２，４３，６４ａ，６４ｄ  酸化剤室連通路、２７  側板、２８  通風、２９，３５，３６，１１０，１１１，１１２  矢印、３４，７６  流れ、４２ａ  四隅にあたる箇所、４２ｂ  連続部分、５１ａ，５１ｂ，５２，５３，５４，５５，６２ａ，６２ｂ，７０，７２，７３，７４，７５  通風路、５６  第２ハウジング、６１ａ，６１ｂ，６１ｃ，６１ｄ  換気口、７０ａ，７０ｂ，７０ｃ，７０ｄ，７０ｅ  開口部、８１  フィルタ、８３  発熱部、８４  電子機器、９６  燃料供給部、１００  発電セル、１０４  酸化剤極室、１０５  セパレータ、１０６  燃料極室、１０８  燃料導入路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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