(57)【要約】【課題】性能が改善された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、分流器、合流器、および、分流器と合流器との間に固定されている複数の燃料電池セルを備えている燃料電池スタック構造と、上記分流器に連結している燃料出口、および、上記合流器に連結している燃料入口を備えている、アノード燃料を収容するための燃料槽と、燃料電池スタック構造および燃料槽を収容して保護する筐体と、カソード燃料を複数の燃料電池セルに供給するため、且つ、熱を放散するための、筐体に設けられているファンとを具備している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
分流器、合流器、および、分流器と合流器との間に固定されている複数の燃料電池セルを備えている燃料電池スタック構造と、
上記分流器に連結している燃料出口、および、上記合流器に連結している燃料入口を備えている、アノード燃料を収容するための燃料槽と、
燃料電池スタック構造、および、燃料槽を収容して保護する筐体と、
カソード燃料を複数の燃料電池セルに供給するため、且つ、熱を放散するための、筐体に設けられているファンとを、具備していることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記分流器は、アノード燃料が複数の燃料電池セルに流れ込む流量を、実質的に均等に割り当てることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記分流器と合流器とは、
カソード燃料が迅速にカソードの表面に到達することができ、燃料電池スタック構造により発生した熱を効果的に分散させることができ、且つ、水滴の蓄積を避けることができるように、
複数の燃料電池セルを固定しており、燃料電池スタック構造の前記複数の燃料電池の間隔を、実質的に均等に保持していることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記分流器は、燃料槽に連結し、水平方向に伸びている燃料分流入口と、複数の分流流路と、垂直方向に伸びている複数の分流出口とを備えていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記各分流出口と合流入口とには軟性パッキング部材が設けられていることを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記軟性パッキング部材は、Ｏリングを備えていることを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記分流器または合流器に、温度測定装置が設けられていることを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記合流器は複数の合流入口と、複数の合流流路と、燃料槽に連結している合流出口とを備えていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記アノード燃料は、メタノール溶液または水素を含んでいることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記カソード燃料は、空気を含んでいることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記アノード燃料は、重力送り装置により複数の燃料電池セルに流れ込むことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記燃料電池システムは更に、分流器と燃料槽との間に設けられたポンプを備えていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記燃料電池システムは更に、電源管理装置を備えていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記燃料槽は逆Ｌ字型燃料槽、あるいは、２槽式または複槽式が組み合わせられている燃料槽であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記燃料槽は更に、気液分離装置を備えていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記燃料槽は更に、燃料注入口を備えていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
前記筐体の側面に、複数の放熱口が設けられていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項１８】
前記ファンと燃料電池スタック構造に、整流板が設けられていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項１９】
燃料電池システムであって、
分流器、合流器、および、分流器と合流器との間に固定されている複数の燃料電池セルを備えている燃料電池スタック構造と、
上記分流器に連結している燃料出口、および、上記合流器に連結している燃料入口を備えている、アノード燃料を収容するための燃料槽と、を具備していることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２０】
前記分流器は、アノード燃料が複数の燃料電池セルに流れ込む流量を、実質的に均等に割り当てることを特徴とする請求項１９記載の燃料電池システム。
【請求項２１】
前記分流器と合流器とは、複数の燃料電池セルを固定しており、燃料電池スタック構造の前記複数の燃料電池の間隔を、実質的に均等に保持していることを特徴とする請求項１９記載の燃料電池システム。
【請求項２２】
前記分流器は、燃料槽に連結し水平方向に伸びている燃料分流入口と、複数の分流流路と、垂直方向に伸びている複数の分流出口とを備えていることを特徴とする請求項１９記載の燃料電池システム。
【請求項２３】
前記合流器は、複数の合流入口と、複数の合流流路と、燃料槽に連結している合流出口とを備えていることを特徴とする請求項１９記載の燃料電池システム。
【請求項２４】
前記燃料槽は、逆Ｌ字型燃料槽であることを特徴とする請求項１９記載の燃料電池システム。
【請求項２５】
前記燃料電池セルは、導線、はんだ付け、または分流器と合流器に内蔵された回路によって、並列または直列に連結されていることを特徴とする請求項１９記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池に関し、特に新規な分流器、合流器を用いている燃料電池システムに関する。本発明の燃料電池システムは、携帯電話やパソコンなどの様々な電気製品（３Ｃ製品）の充電電池に適している。
【背景技術】
【０００２】
当業者に周知のとおり、燃料電池は、カソードとアノードとに燃料を注入して電気化学還元反応を起こし、電力を発生・出力する電気化学装置である。燃料としてメタノールが利用されている燃料電池は、一般的に、ダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）と命名されている。このＤＭＦＣでは、気体状または液体状のメタノールと空気とを組み合わせることによって電気が発生する。
【０００３】
普通の電池と同様に、燃料電池は、２つの電気化学反応から電気を生じる。これらの反応は、反応物質が連続して供給される電極（極）において起こる。陰極（アノード）において、メタノールなどの燃料の供給が維持され、一方、陽極（カソード）において、空気の供給が維持される。
【０００４】
電流がもたらされたとき、メタノールはアノード電極触媒において、電気化学的に酸化され、電子を産生する。当該電子は、外部開路を通ってカソード電極触媒に至り、還元反応により酸素と一緒に消費される。
【０００５】
１分子のメタノール（ＣＨ３ＯＨ）および１分子の水（Ｈ２Ｏ）は、一緒に６つの水素原子を保存する。混合物としてＤＭＦＣに供給されたとき、それらは反応して１分子のＣＯ２、６つのプロトン（Ｈ＋）および６つの電子を発生し、電流が生じる。メタノールと水とによって発生した、プロトンおよび電子は、酸素と反応して、水が生じる。
【０００６】
一般的に、燃料電池は、多くの基礎的な電池部材からできている。これらの基礎的な電池部材は、典型的に直列に連結され、所要の作業電圧を出力する。
【０００７】
燃料電池モジュールは一般に、集電装置（集電板とも言われる）および流路板を備えている。これらの両方は重要な役割を担っている。集電装置は、電気化学反応により発生した電子を集める。また、流路版は、燃料の割り当てを管理し、制御する。以前は、流路板については、燃料が燃料流路を通って膜電極接合体（ＭＥＡ）に支障なく流入できることに関心が集まっていた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、性能が改善された燃料電池システムを提供することを課題とする。本発明の燃料電池システムは、携帯電話やパソコンなどの様々な３Ｃ製品の充電電池に適している。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は燃料電池システムを提供する。該システムは、分流器、合流器、分流器と合流器との間に固定されている複数の燃料電池セルを備えている燃料電池スタック構造と、上記分流器に連結している燃料出口、および、上記合流器に連結している燃料入口を備えている、アノード燃料を収容するための燃料槽と、燃料電池スタック構造、および、燃料槽を収容して保護する筐体と、カソード燃料を複数の燃料電池セルに供給するため、且つ、熱を放散するための、筐体に設けられているファンとを、具備している。
【００１０】
本発明は更に以下のような燃料電池システムを提供する。該システムは、分流器、合流器、分流器と合流器との間に固定されている複数の燃料電池セルを備えた燃料電池スタック構造と、上記分流器に連結している燃料出口、および、上記合流器に連結している燃料入口を備えている、アノード燃料を収容するための燃料槽とを、具備している。
【発明の効果】
【００１１】
本発明による分流器と合流器は、燃料電池スタック構造の複数の燃料電池セルにアノード燃料の流量を均等に割り当て、複数の燃料電池セルを固定してセル同士の間隔を保持し、カソード燃料（例えば空気）の流動空間を保ち、放熱・排水を容易にする効果がある。
【００１２】
また、整流板を設けた実施の形態では、燃料電池スタック構造の複数の燃料電池セルに近い放熱効率を持たせ、ファンから離れたものが放熱しにくいという欠点を解決できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
かかる装置の特徴を詳述するために、好ましい実施の形態を挙げ、図を参照にして以下に説明する。
【００１４】
〔実施の形態１〕
図１と図２とを参照する。図１は本発明の実施の形態１による燃料電池を表す説明図であり、図２は本発明の実施の形態１による燃料電池スタック構造の分解図である。
【００１５】
図１と図２に示すように、本発明による燃料電池システム１ａは少なくとも１つの、燃料電池スタック構造１０と、燃料電池スタック構造１０に連結している燃料槽１１とを具備している。燃料電池スタック構造１０は、複数の燃料電池セル１０１と、分流器１０２と、合流器１０３とを備えている。１つの態様によれば、複数の燃料電池セル１０１は、燃料電池スタック構造１０は、底部として機能する分流器１０２に取り付けられ、合流器１０３により覆われている。複数の燃料電池セル１０１は、分流器１０２と合流器１０３との間に固定されている。分流器１０２は燃料輸送管１２２を介して燃料槽１１に連結しており、合流器１０３は燃料輸送管１２４を介して燃料槽１１に連結している。
【００１６】
燃料槽１１はプラスチック、セラミック、金属、合金または高分子組成物などの耐腐食性材料でつくられており、メタノール溶液や水素などのアノード燃料を貯蔵するために用いられる。
【００１７】
実施の形態１では、燃料槽１１は燃料出口１１１と、燃料入口１１２と、気液分離装置１１３と、燃料注入口またはノズル１１４を備えている。燃料出口１１１は燃料輸送管１２２に連結しており、燃料入口１１２は燃料輸送管１２４に連結しており、気液分離装置１１３は燃料槽１１内から電池反応後に生成した気体（例えば二酸化炭素）を放出するために用いられる。
【００１８】
燃料槽１１内に貯蔵された燃料は、重力送り様式にて燃料輸送管１２２と分流器１０２を通して各燃料電池セル１０１に均等に割り当てられる。燃料電池セル１０１のそれぞれから発生した反応生成物（例えば水および二酸化炭素）と未反応の燃料とは、合流器１０３と燃料輸送管１２４とを通して燃料槽１１に回流する。
【００１９】
本発明によれば、分流器１０２および合流器１０３は、燃料電池スタック構造１０の複数の燃料電池セル１０１に、アノード燃料を均等に割り当てる。また、分流器１０２および合流器１０３からなる新規の燃料割り当て装置対によって提供される、本発明のもう１つ別の機能は、燃料電池セル１０１を固定すること、ならびに、燃料電池スタック構造の複数の燃料電池セル１０１の間の間隔を実質的に均等に保持することである。燃料電池セル１０１同士を十分な間隔で保持することは重要である。というのも、空気などのカソード燃料が、カソード表面に迅速に到達することができ、燃料電池スタック構造１０により発生した熱を効果的に放散することができるからである。さらに、燃料電池セル１０１同士の間隔が適切になっていることにより、燃料電池スタック１０における水滴の蓄積を避けることができる。
【００２０】
図２に示されるように、分流器１０２は一体成形で製作され、水平方向に伸びている燃料分流入口２０１と、分流流路２０２と、垂直方向に伸びている分流出口２０３とを備えている。各分流出口２０３には軟性パッキング部材２０４（例えばＯリング）が設けられている。燃料電池セル１０１の燃料入口ノズル２２２は、分流器１０２の対応する分流出口２０３にぴったりと接合しており、軟性パッキング部材２０４により密着している。本発明によれば、分流器１０２はプラスチック、ガラス、セラミック、金属、合金または高分子材料などの材料でつくられていてもよい。
【００２１】
上述したように、本発明の実施の形態１によれば、アノード燃料は重力送りされ、燃料電池内の流路の毛細管作用、または熱対流で循環する。このため、本発明の燃料電池システム１ａは、別途にポンプを必要としない。もっとも、ポンプによりアノード燃料を分流器１０２に加圧注入することも可能である。
【００２２】
実験結果および実際の測定では、本発明による分流器１０２は、分流出口２０３の燃料流量を、各分流出口２０３における流量を、等しくすることができるように、アノード燃料を効果的に割り当てることができる。燃料電池セル１０１の燃料入口２２２、および、分流器１０２の分流出口２０３は、一緒に接合され、軟性パッキング部材２０４により連結している。この軟性パッキング部材２０４は燃料漏れを防止する効果がある。なお、分流器１０２に温度測定装置２０５や、燃料電池システム１ａの性能をモニターするその他の電子装置を統合することが可能である。
【００２３】
同様に、合流器１０３は一体成形で製作され、複数の水平方向に伸びている燃料合流入口３０１と、合流流路３０２と、合流出口３０３とを備えている。各合流入口３０１には軟性パッキング部材３０４が設けられている。各燃料電池セル１０１の燃料出口ノズル２２４は、合流器１０３の対応する燃料合流入口３０１にぴったりと接合しており、軟性パッキング部材３０４により密着している。合流器１０３はプラスチック、ガラス、セラミック、金属、合金または高分子材料などの材料でつくられている。
【００２４】
前記と同様に、合流器１０３に温度測定装置や、燃料電池システム１ａの性能をモニターするその他の電子装置を統合することが可能である。また、分流器１０２の燃料分流入口２０１や合流器１０３の合流出口３０３に燃料の出入りを制御する切替弁（図示せず）を設けることも可能である。
【００２５】
図３を参照する。図３は燃料電池セルの組立図（２Ｗの燃料電池を例にする）である。図３に示す燃料電池セル１０１は例示に過ぎず、その他の形態や構造も可能である。燃料電池セル１０１は、統合型アノード流路板３１０と、カソード３１２（空気と接触している）と、予備固定接着材と、ＭＥＡ（膜電極接合体）とが重なって形成したものである。統合型アノード流路板３１０の両端には燃料入口ノズル２２２と燃料出口ノズル２２４とが設けられ、そのアノード集電板（図示せず）は、可撓性導電板３１０ａを介してカソード３１２のカソード集電領域４２０に電気的に連結されている。
【００２６】
〔実施の形態２〕
図４を参照する。図４は本発明の実施の形態２による燃料電池システム１ｂの側面図である。実施の形態１と同じ部分、領域、および構成要素には同じ番号がつけられている。図４に示すように、燃料電池システム１ｂは燃料電池スタック構造１０と、燃料槽１１と、筐体５１０と、ファン５２０と、ポンプ５３０と、電源管理装置５４０とを具備している。
【００２７】
筐体５１０は燃料電池スタック構造１０と燃料槽１１とを収容するものであり、その側面には、燃料電池スタック構造１０の動作時の発熱を放散する複数の平行な放熱口５１２が設けられている。
【００２８】
実施の形態１と同じように、燃料電池スタック構造１０は複数の燃料電池セル１０１と、分流器１０２と、合流器１０３とを備えている。複数の燃料電池セル１０１は、分流器１０２と合流器１０３との間に固定されている。
【００２９】
分流器１０２は、燃料輸送管１２２を介してポンプ５３０に連結しており、合流器１０３は、燃料輸送管１２４を介して燃料槽１１に連結している。分流器１０２と燃料槽１１との間には、燃料を複数の燃料電池セル１０１に加圧注入するポンプ５３０が設けられている。
【００３０】
分流器１０２は、水平方向に伸びている燃料分流入口２０１と、分流流路２０２と、種直方向に伸びている分流出口２０３とを備えている。各分流出口２０３には軟性パッキング部材２０４（例えばＯリング）が設けられている。合流器１０３は複数の燃料合流入口３０１と、合流流路３０２と、合流出口３０３とを備えている。各合流入口３０１には軟性パッキング部材３０４（例えばＯリング）が設けられている。
【００３１】
燃料電池セル１０１の燃料入口は、分流器１０２の対応する分流出口２０３にぴったりと接合しており、軟性パッキング部材２０４により密着している。燃料電池セル１０１の燃料出口ノズルは、合流器１０３の対応する合流入口３０１にぴったりと接合しており、軟性パッキング部材３０４により密着している。
【００３２】
分流器１０２または合流器１０３に、温度測定装置２０５や、燃料電池システム１ｂの性能をモニターするその他の電子装置を統合することが可能である。また、分流器１０２の燃料分流入口２０１や合流器１０３の合流出口３０３に燃料の出入りを制御する切替弁（図示せず）を設けることも可能である。
【００３３】
燃料槽１１は、メタノール溶液か水素などのアノード燃料を貯蔵するものであり、ポンプ５３０に連結している燃料出口（図示せず）と、燃料入口１１２、気液分離装置１１３と、燃料注入口１１４とを備えている。
【００３４】
燃料槽１１内の燃料はポンプ５３０で加圧し、燃料輸送管１２２と分流器１０２とで各燃料電池セル１０１に均等に割り当てる。各燃料電池セル１０１の反応生成物（例えば水および二酸化炭素）と未反応の燃料とは、合流器１０３および燃料輸送管１２４を通して燃料槽１１に回流する。
【００３５】
実験結果および実際の測定では、本発明による分流器１０２は、分流出口２０３の燃料流量を、各分流出口２０３における流量を、等しくすることができるように、アノード燃料を効果的に割り当てることができる。燃料電池セル１０１の燃料入口ノズル２２２、および、分流器１０２の分流出口２０３は、一緒に接合され、軟性パッキング部材２０４により連結している。この軟性パッキング部材２０４は燃料漏れを防止する効果がある。
【００３６】
分流器１０２および合流器１０３により、燃料電池セル１０１が固定され、燃料電池スタック構造１０の複数の燃料電池セル１０１の間の間隔が実質的に均等に保持される。燃料電池セル１０１同士を十分な間隔で保持することは重要である。というのも、空気などのカソード燃料が、カソード表面に迅速に到達することができ、燃料電池スタック構造１０により発生した熱を効果的に放散することができるからである。さらに、燃料電池セル１０１同士の間隔が適切になっていることにより、燃料電池スタック１０における水滴の蓄積を避けることができる。
【００３７】
実施の形態２では、筐体５１０には電源管理装置５４０が設けられ、電源管理装置５４０はユーザーインターフェイスと、表示パネルと、内部回路（印刷回路基板、メモリ、チップなど）とを備えている。電源管理装置５４０はファン５２０、ポンプ５３０、及び温度測定装置２０５に連結している。温度測定装置２０５により感知された温度が所定値を超えると、電源管理装置５４０はファン５２０を起動して発熱を放散する。また、電源管理装置５４０もポンプ５３０の開閉を制御することができる。
【００３８】
実施の形態２では、燃料電池スタック構造１０の燃料電池セル１０１は、導線、はんだ付け、または分流器１０２と合流器１０３に内蔵された回路によって、並列または直列に連結されている。また、電源管理装置５４０を燃料電池スタック構造１０と連結し、その電力出力状態をモニターすることも可能である。
【００３９】
〔実施の形態３〕
図５は本発明の実施の形態３による燃料電池システム１ｃの側面図である。図５に示すように、燃料電池システム１ｃは、燃料電池スタック構造１０と、逆Ｌ字型燃料槽１１ｃと、筐体５１０と、ファン５２０と、電源管理装置５４０とを具備している。筐体５１０は燃料電池スタック構造１０と逆Ｌ字型燃料槽１１ｃとを収容するものであり、その側面には、燃料電池スタック構造１０の動作時の発熱を放散する複数の放熱口５１２が設けられている。
【００４０】
燃料電池システム１ｃは重力送り装置を採用し、すなわちポンプを設置しない。逆Ｌ字型燃料槽１１ｃは燃料注入の周期と燃料電池の使用時間を延長する効果がある。もっとも、燃料槽１１ｃの形はＬ字型に限らず、２槽式または複槽式の組み合わせなどがある。これらの槽には、メタノール槽および純水槽が含まれていてもよい。
【００４１】
〔実施の形態４〕
図６は本発明の実施の形態４による燃料電池システム１ｄの側面図である。図６に示すように、燃料電池システム１ｄは、燃料電池スタック構造１０と、逆Ｌ字型燃料槽１１ｃと、筐体５１０と、ファン５２０とを具備している。筐体５１０は燃料電池スタック構造１０と逆Ｌ字型燃料槽１１ｃとを収容するものである。
【００４２】
本発明の実施の形態４によれば、燃料電池スタック構造１０は、１６個の燃料電池セル１０１と、分流器１０２と、合流器１０３とを備えている。燃料電池セル１０１は、分流器１０２と合流器１０３との間に固定され、分流器１０２は燃料輸送管（図示せず）を介して燃料槽１１ｃに連結しており、合流器１０３は燃料輸送管（図示せず）を介して燃料槽１１ｃに連結している。
【００４３】
実施の形態４では、筐体５１０に一側にはファン５２０が設けられ、ファン５２０と燃料電池スタック構造１０の間には、整流板７１０が設けられている。当該整流版７１０により、ファン５２０から吸い込まれた冷たい空気が、矢印で示す流動経路７２０に沿って、燃料電池スタック構造１０の燃料電池ユニット１０１の間に導入される。これにより、燃料電池スタック構造１０の１６個の燃料電池セル１０１は相互に近い放熱効率を有し、ファン５２０から離れた燃料電池ユニットの過熱を避けることができる。
【００４４】
以上は本発明に好ましい実施の形態であって、本発明の実施の範囲を限定するものではない。よって、当業者のなし得る修正、もしくは変更であって、本発明の精神の下においてなされ、本発明に対して均等の効果を有するものは、いずれも本発明の特許請求の範囲に属するものとする。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明は燃料電池の構造を変更したものであり、実施可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施の形態１による燃料電池を表す説明図である。
【図２】本発明の実施の形態１による燃料電池スタック構造の分解図である。
【図３】燃料電池セルの組立図である。
【図４】本発明の実施の形態２による燃料電池システムの側面図である。
【図５】本発明の実施の形態３による燃料電池システムの側面図である。
【図６】本発明の実施の形態４による燃料電池システムの側面図である。
【符号の説明】
【００４７】
１ａ〜１ｄ      燃料電池システム
１０            燃料電池スタック構造
１１            燃料槽
１１ｃ          逆Ｌ字型燃料槽
１０１          燃料電池セル
１０２          分流器
１０３          合流器
１１１          燃料出口
１１２          燃料入口
１１３          気液分離装置
１１４          燃料注入口
１２２、１２４  燃料輸送管
２０１          燃料分流入口
２０２          分流流路
２０３          分流出口
２０４、３０４  軟性パッキング部材
２０５          温度測定装置
２２２          燃料入口
２２４          燃料出口
３０１          燃料合流入口
３０２          合流流路
３０３          合流出口
３１０          統合型アノード流路板
３１０ａ        導電板
３１２          カソード
４２０          カソード集電領域
５１０          筐体
５１２          放熱口
５２０          ファン
５３０          ポンプ
５４０          電源管理装置
７１０          整流板
７２０          流動経路
【図１】
2009099515.tif 000003
【図２】
2009099515.tif 000004
【図３】
2009099515.tif 000005
【図４】
2009099515.tif 000006
【図５】
2009099515.tif 000007
【図６】
2009099515.tif 000008