(57)【要約】【課題】  単純な構造で、電子電気装置のスイッチングが可能な固体高分子型燃料電池を提供する。【解決手段】  本発明の固体高分子型燃料電池１０は、固体高分子電解質膜１６、アノード１４、カソード１５を備える燃料電池セル１１と、気液分離膜１３と、気液分離膜１３を介して燃料電池セル１１のアノード１４側に配置される燃料供給部１２とを備え、アノード１４およびカソード１５が、それぞれ、固体高分子電解質膜１６の一方の側および他方の側に配置され、燃料供給部１２から気液分離膜１３を介して、アノード１４に気体状の燃料が供給され、さらに、スイッチング手段を有し、スイッチング手段は、アノード１４およびカソード１５の少なくとも一方が、固体高分子電解質膜１６に対して、接触状態および非接触状態をとることで、閉回路状態および開回路状態を切り替え可能な手段であることを特徴とする。【選択図】  図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池セルと、燃料供給部と、気液分離膜とを備え、
前記燃料電池セルは、固体高分子電解質膜と、アノードと、カソードとを備え、
前記アノードが、前記固体高分子電解質膜の一方の側に配置され、
前記カソードが、前記固体高分子電解質膜の他方の側に配置され、
前記燃料供給部が、前記気液分離膜を介して前記燃料電池セルの前記アノード側に配置され、
前記燃料供給部から前記気液分離膜を介して、前記アノードに気体状の燃料が供給され、
さらに、スイッチング手段を有し、
前記スイッチング手段は、前記アノードおよび前記カソードの少なくとも一方が、前記固体高分子電解質膜に対して、接触および非接触の２つの状態をとることで、閉回路状態および開回路状態を切り替え可能な手段であることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項２】
前記スイッチング手段は、前記アノードが、前記固体高分子電解質膜に対して、接触および非接触の２つの状態をとることで、閉回路状態および開回路状態を切り替え可能な手段であることを特徴とする請求項１記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項３】
前記スイッチング手段が、移動手段を含み、
前記移動手段により、前記アノードおよび前記カソードの少なくとも一方と前記固体高分子電解質膜とが、相対的に離れる方向および近づく方向に移動可能であることを特徴とする請求項１または２記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項４】
前記スイッチング手段が、付勢手段を含み、
前記付勢手段により、前記アノードおよび前記カソードの少なくとも一方と前記固体高分子電解質膜との間に配置され、
前記付勢手段が、前記アノードおよび前記カソードの少なくとも一方と前記固体高分子電解質膜とが、相対的に離れる方向および相対的に近づく方向の少なくとも一方に付勢されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項５】
前記付勢手段が、高分子弾性体であることを特徴とする請求項４記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項６】
前記燃料電池セルが、さらに、前記アノードと前記固体高分子電解質膜との間に形成される空間の一部または全部をシールするシール部材を備え、
前記高分子弾性体が、前記シール部材を兼ねることを特徴とする請求項５記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項７】
前記燃料電池セルが、さらに、抵抗低減層を備え、
前記アノードの前記固体高分子電解質膜側の面、前記固体高分子電解質膜の一方の面および他方の面、ならびに前記カソードの前記固体高分子電解質膜側の面の少なくとも一つの面に、前記抵抗低減層が形成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項８】
さらに、酸化剤ガス遮断手段を備えることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項９】
前記スイッチング手段が、連動手段を含み、
前記酸化剤ガス遮断手段が、前記燃料電池セルのカソード側に配置され、
前記酸化剤ガス遮断手段が、前記連動手段により、前記アノードおよび前記カソードの少なくとも一方の前記移動に連動して移動可能であることを特徴とする請求項８記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項１０】
前記燃料電池セルを、２つ以上備え、
２つ以上の前記燃料電池セルが、直列および並列の少なくとも一方の接続形態で接続されていることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項１１】
前記スイッチング手段により、前記アノードおよび前記カソードの少なくとも一方を、前記固体高分子電解質膜に対して非接触状態とすることで、開回路状態にし、
前記スイッチング手段により、前記アノードおよび前記カソードの少なくとも一方を、前記固体高分子電解質膜に対して接触状態とすることで、閉回路状態にすることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の固体高分子型燃料電池の使用方法。
【請求項１２】
前記スイッチング手段により、前記アノードを、前記固体高分子電解質膜に対して非接触状態とすることで、開回路状態にし、
前記スイッチング手段により、前記アノードを、前記固体高分子電解質膜に対して接触状態とすることで、閉回路状態にすることを特徴とする請求項２記載の固体高分子型燃料電池の使用方法。
【請求項１３】
前記移動手段により、前記アノードおよび前記カソードの少なくとも一方と前記固体高分子電解質膜とを、相対的に離れる方向に移動させることで開回路状態にし、
前記移動手段により、前記アノードおよび前記カソードの少なくとも一方と前記固体高分子電解質膜とを、相対的に近づける方向に移動させることで閉回路状態にすることを特徴とする請求項３記載の固体高分子型燃料電池の使用方法。
【請求項１４】
前記付勢手段により、前記アノードおよび前記カソードの少なくとも一方と前記固体高分子電解質膜とを、相対的に離れる方向に移動させることで開回路状態にし、
前記付勢手段により、前記アノードおよび前記カソードの少なくとも一方と前記固体高分子電解質膜とを、相対的に近づける方向に移動させることで閉回路状態にすることを特徴とする請求項４から６のいずれか一項に記載の固体高分子型燃料電池の使用方法。
【請求項１５】
前記アノードおよび前記カソードの少なくとも一方の前記移動量を調整することを特徴とする請求項１３または１４記載の固体高分子型燃料電池の使用方法。
【請求項１６】
前記連動手段により、前記非接触状態となる移動に連動して、前記酸化剤ガス遮断手段を移動させることで、前記カソードへの酸化剤ガスの供給を遮断し、
前記連動手段により、前記接触状態となる移動に連動して、前記酸化剤ガス遮断手段を移動させることで、前記カソードへの酸化剤ガスの供給を可能にすることを特徴とする請求項９記載の固体高分子型燃料電池の使用方法。
【請求項１７】
固体高分子型燃料電池と、スイッチング手段と、電子電気機器とを備え、
前記固体高分子型燃料電池が、請求項１から１０のいずれか一項に記載の固体高分子型燃料電池を含み、かつ前記スイッチング手段を兼ねることを特徴とする電子電気装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子型燃料電池、固体高分子型燃料電池の使用方法および電子電気装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体燃料を使用する固体高分子型燃料電池は、小型、軽量化が容易であるため、今日では携帯機器をはじめとする、種々の電子機器用電源としての研究開発が活発に進められている。
【０００３】
固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで挟持した燃料電池セルを備える。前記燃料電池セルは、発電ユニット（発電部）として機能する。固体高分子型燃料電池のうち、液体燃料を直接アノードに供給するタイプのものは、直接型燃料電池と呼ばれる。その発電メカニズムは、以下の通りである。すなわち、アノードに供給された液体燃料は、前記アノードに担持された触媒上で酸化され、プロトン（陽イオン）、電子および中間生成物が生成される。生成された前記プロトン（陽イオン）は、前記固体高分子電解質膜を透過してカソード側に移動する。生成された前記電子は、外部負荷を経てカソード側に移動する。前記電子が、カソードで空気中の酸素を還元して反応生成物を生じることにより、直接型燃料電池は、発電する。前記直接型燃料電池としては、例えば、液体燃料としてメタノール水溶液をそのまま使用するダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）があげられる。前記ＤＭＦＣでは、下記式（Ｉ）の反応がアノードで起こり、下記式（ＩＩ）の反応がカソードで起こる。
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−        （Ｉ）
６Ｈ＋＋６ｅ−＋３/２Ｏ２→３Ｈ２Ｏ              （ＩＩ）
【０００４】
前記燃料電池セルでは、その接触抵抗を低減するために、前記アノードおよび前記カソードの両電極が、例えば、熱プレス等により、前記固体高分子電解質膜に物理的に強固に接合されているのが一般的である。このような燃料電池セルを、例えば、集電電極、セパレータ、燃料タンク等と強固に一体化して、前述の固体高分子型燃料電池が構成される。
【０００５】
このような固体高分子型燃料電池を、電子電気装置の電源として用いる場合には、負荷となる電子電気機器と前記固体高分子型燃料電池とが、スイッチを介して接続される。前記スイッチとしては、例えば、リレー等の機械的なスイッチング素子、またはＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）に代表される半導体スイッチング素子等があげられる。このような電子電気装置では、前記スイッチにより開回路と閉回路との切り替えが行われる。
【０００６】
しかしながら、前記電子電気装置が前記スイッチにより開回路に切り替わった状態（固体高分子型燃料電池と電子電気機器が電気的に接続されていない状態）であっても、固体高分子型燃料電池では、燃料供給が継続されると、電池内部での反応が継続される。このため、燃料の浪費、発熱等の問題がある。特に、電極内部に部分電池が形成されるような場合には、燃料電池セルの性能が劣化する可能性がある。
【０００７】
前記部分電池の形成防止の方法としては、例えば、固体高分子型燃料電池の電圧をモニターする方法、アノードへの燃料の供給を遮断して電池内部の反応を停止させる方法（特許文献１参照）、またはカソードへの酸化剤ガス（例えば、酸素）の供給を遮断して電池内部の反応を停止させる方法があげられる（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−８４６０９号公報
【特許文献２】特開２００５−３２５１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、前記固体高分子型燃料電池の電圧をモニターする方法には、電圧をモニターする回路が必要である。このため、燃料電池を用いた電子電気装置の構造が複雑になる問題がある。
また、特許文献１および２に記載の方法には、部分電池の形成を完全に抑制するために、外部のスイッチと連動させるための制御回路が必要であり、同様に、燃料電池を用いた電子電気装置の構造が複雑になるという問題がある。
【００１０】
本発明の目的は、単純な構造で、電子電気装置のスイッチングが可能な固体高分子型燃料電池およびそれを用いた電子電気装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記目的を達成するために、本発明の固体高分子型燃料電池は、
燃料電池セルと、燃料供給部と、気液分離膜とを備え、
前記燃料電池セルは、固体高分子電解質膜と、アノードと、カソードとを備え、
前記アノードが、前記固体高分子電解質膜の一方の側に配置され、
前記カソードが、前記固体高分子電解質膜の他方の側に配置され、
前記燃料供給部が、前記気液分離膜を介して前記燃料電池セルの前記アノード側に配置され、
前記燃料供給部から前記気液分離膜を介して、前記アノードに気体状の燃料が供給され、
さらに、スイッチング手段を有し、
前記スイッチング手段は、前記アノードおよび前記カソードの少なくとも一方が、前記固体高分子電解質膜に対して、接触および非接触の２つの状態をとることで、閉回路状態および開回路状態を切り替え可能な手段であることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の電子電気装置は、
固体高分子型燃料電池と、スイッチング手段と、電子電気機器とを備え、
前記固体高分子型燃料電池が、前記本発明の固体高分子型燃料電池を含み、かつ前記スイッチング手段を兼ねることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の固体高分子型燃料電池は、単純な構造で、電子電気装置のスイッチングが可能であり、その結果、本発明の電子電気装置は、構造が単純になる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１Ａ】本発明の固体高分子型燃料電池の実施形態１における一例の構成（閉回路状態）を示す断面図である。
【図１Ｂ】前記一例の使用方法（開回路状態）を説明する断面図である。
【図２Ａ】本発明の固体高分子型燃料電池の実施形態１におけるその他の例の構成（閉回路状態）を示す断面図である。
【図２Ｂ】前記その他の例の使用方法（開回路状態）を説明する断面図である。
【図３Ａ】本発明の固体高分子型燃料電池の実施形態１におけるさらにその他の例の構成（閉回路状態）を示す断面図である。
【図３Ｂ】前記さらにその他の例の使用方法（開回路状態）を説明する断面図である。
【図４】本発明の固体高分子型燃料電池の実施形態１におけるさらにその他の例の構成（閉回路状態）を示す断面図である。
【図５Ａ】本発明の固体高分子型燃料電池の実施形態１におけるさらにその他の例の構成（閉回路状態）を示す断面図である。
【図５Ｂ】前記さらにその他の例の使用方法（開回路状態）を説明する断面図である。
【図６Ａ】本発明の固体高分子型燃料電池の実施形態１におけるアノードの構成の一例を示す断面図である。
【図６Ｂ】本発明の固体高分子型燃料電池の実施形態１におけるカソードの構成の一例を示す断面図である。
【図６Ｃ】本発明の固体高分子型燃料電池の実施形態１における気液分離膜と細孔板との配置の一例を示す断面図である。
【図６Ｄ】本発明の固体高分子型燃料電池の実施形態１における保湿層の構成の一例を示す断面図である。
【図７Ａ】本発明の固体高分子型燃料電池の実施形態２における一例の構成（開回路状態）を示す断面図である。
【図７Ｂ】前記一例の使用方法（閉回路状態）を説明する断面図である。
【図８】本発明の固体高分子型燃料電池の実施形態２におけるその他の例の構成（開回路状態）を示す断面図である。
【図９Ａ】本発明の固体高分子型燃料電池の実施形態３における一例の構成（開回路状態）を示す上面図である。
【図９Ｂ】前記一例の構成（開回路状態）を示す底面図である。
【図９Ｃ】図９Ａに示す固体高分子型燃料電池のＩ−Ｉ方向に見た断面図である。
【図９Ｄ】前記一例の使用方法（閉回路状態）を説明する断面図である。
【図１０Ａ】本発明の電子電気装置の実施形態４における一例の構成（閉回路状態）を示す模式図である。
【図１０Ｂ】前記一例の使用方法（開回路状態）を示す模式図である。
【図１１】本発明の実施例１における応力と出力との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の固体高分子型燃料電池、固体高分子型燃料電池の使用方法および電子電気装置について、さらに詳細に説明する。ただし、本発明は、以下の実施形態に限定されない。
【００１６】
（実施形態１）
図１Ａに、本実施形態の固体高分子型燃料電池の一例の構成を示す。図示のとおり、この固体高分子型燃料電池１０は、燃料電池セル１１と、燃料容器１２と、気液分離膜１３とを主要な構成要素として備える。前記燃料電池セル１１は、アノード１４と、カソード１５と、固体高分子電解質膜１６とを備える。さらに、本実施形態の固体高分子型燃料電池１０は、スイッチング手段（図示せず）を有する。前記アノード１４は、前記固体高分子電解質膜１６の一方の面（同図において、上側の面）に対して接触状態である。前記カソード１５は、前記固体高分子電解質膜１６の他方の面（同図において、下側の面）に接して設けられている。前記燃料電池セル１１は、前記気液分離膜１３を介して、前記燃料電池セル１１の前記アノード１４側の面（同図において、上側の面）を、前記燃料容器１２側にして、前記燃料容器１２に搭載されている。前記燃料容器１２は、燃料保持部１７を有する。前記燃料保持部１７には、使用時に、燃料としてメタノール水溶液１９が充填される。本実施形態の固体高分子型燃料電池では、前記燃料供給部を、燃料保持部を有する燃料容器としている。なお、本実施形態の固体高分子型燃料電池では、後述するように、前記アノードが、前記高分子電解質膜に対して非接触状態をとることが可能である。本実施形態の固体高分子型燃料電池では、前記燃料電池セルが１つであるが、本発明は、この例に限定されず、例えば、２つ以上の前記燃料電池セルが接続されていてもよい。その接続形態は、例えば、直列であっても、並列であっても、直列および並列の両方であってもよい。
【００１７】
前記スイッチング手段は、例えば、各構成要素の少なくとも一つに配置される。前記スイッチング手段としては、例えば、前記アノードと前記固体高分子電解質膜とを、相対的に離す方向または近づける方向に移動させる移動手段、付勢手段等があげられる。前記移動手段は、例えば、手動等の外部応力を伝達して、前記アノードを移動させる部材または機器等である。前記部材としては、例えば、前記アノードに取り付けられる取手等があげられる。前記機器としては、例えば、前記アノードを上下に移動させる機器等があげられる。前記移動手段により、前記アノードの前記固体高分子電解質膜に対する移動量を調整することで、例えば、接触抵抗を変動させて発電量を制御することも可能である。前記付勢手段については、後述する。また、前記スイッチング手段としては、例えば、前記アノードを接触または非接触の状態で保持する保持手段等があげられる。前記保持手段としては、例えば、アノードに取り付けられるフック等があげられる。本実施形態の固体高分子型燃料電池では、前記スイッチング手段は、例えば、一つを単独で用いてもよいし、２つ以上を併用してもよい。
【００１８】
前記アノードおよび前記カソードを構成する部材は、従来公知のものを使用可能であり、例えば、面方向に導電性の高い多孔質基材を用いることができる。前記多孔質基材としては、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、金属製網等があげられる。なお、前記多孔質基材は、前述の例に限られず、例えば、燃料が拡散可能な空隙を有していれば、その材料および形態を適宜選択すればよい。前記多孔質基材には、例えば、触媒層が形成されている。前記触媒層は、例えば、まず、触媒を担持させた炭素粒子とプロトン伝導性を有する接合剤とを含む触媒ペーストを作製する。ついで、この触媒ペーストを、多孔質基材に塗布等することにより形成可能である。前記触媒としては、例えば、白金、ロジウム、パラジウム、ルテニウム、レニウム、金、銀、ニッケル、コバルト等があげられる。前記触媒材料は、一種類のみを用いてもよいし、二種類以上を組合せて用いてもよい。前記炭素粒子としては、例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン等があげられる。
【００１９】
前記アノードは、例えば、図６Ａに示すように、多孔質基材６４ａの一方の面（同図において、下側の面）に触媒層６４ｂが形成され、前記多孔質基材６４ａの他方の面（同図において、上側の面）に集電電極６４ｃが設けられたアノード６４であってもよい。前記集電電極は、例えば、燃料を透過し、触媒層との接触抵抗が低ければよい。前記集電電極の材料は、例えば、電気伝導性と剛性に優れた材料を用いることができる。前記材料としては、例えば、メタノール耐性を有する金属製網、カーボン系材料等があげられる。なお、前記集電電極は、前述の例に限られず、例えば、燃料が拡散可能な空隙を有していれば、その材料および形態を適宜選択すればよい。前記集電電極の厚みは、１ｍｍ以下であることが好ましい。前記カソードは、例えば、図６Ｂに示すように、多孔質基材６５ａの一方の面（同図において、上側の面）に触媒層６５ｂが形成され、前記多孔質基材６５ａの他方の面（同図において、下側の面）に集電電極６５ｃが設けられたカソード６５であってもよい。前記カソードの集電電極は、例えば、前記アノードの集電電極と同様である。
【００２０】
前記固体高分子電解質膜は、特に限定されないが、例えば、イオン交換基を有するフッ素系及び炭化水素系ポリマーから成るイオン交換膜を用いることができる。
【００２１】
前記燃料容器の材料は、例えば、メタノール耐性を有するポリプロピレン、ＰＥＥＫ等の熱可塑性樹脂を用いることができる。前記燃料容器には、例えば、燃料を注入するための燃料注入口が設けられてもよい。前記メタノール水溶液の濃度は、例えば、１０体積％以上である。前記濃度を１０体積％以上とすることで、例えば、気化量を充分とすることができ、アノードへの燃料供給量を充分とすることができる。本実施形態の固体高分子型燃料電池では、燃料として液体燃料（メタノール水溶液）を用いている。ただし、前記燃料は、液体燃料に限定されず、気化可能であれば、固体燃料であっても、ゲル化燃料であってもよい。また、前記液体燃料は、前記メタノール水溶液に限定されず、例えば、アルコール系液体燃料、エーテル系液体燃料、カルボン酸系燃料等の液体燃料を用いることができる。
【００２２】
前記気液分離膜としては、例えば、気液分離性を有する多孔質体があげられる。前記気液分離膜には、例えば、ＰＴＦＥ多孔質膜、イオン交換基を有するフッ素系イオン交換膜、イオン交換基を有する炭化水素系イオン交換膜等を使用可能である。前記気液分離膜は、図６Ｃに示すように、例えば、気液分離膜６３が、２枚の細孔板６１および６２に挟持されていてもよい。このようにすることで、例えば、アノードへの燃料供給量を安定化できる。これらの細孔板６１および６２の開口率は、例えば、１〜３０％の範囲である。また、前記気液分離膜６３の燃料容器側の面（同図において、上側の面）に配置される前記細孔板６１の開口率（ａ）と、前記気液分離膜６３のアノード側の面（同図において、下側の面）に配置される前記細孔板６２の開口率（ｂ）との比（ａ／ｂ）は、２〜２０の範囲であることが好ましい。前記細孔板の開口部の形状は、特に限定されず、例えば、円形であってもよい。前記細孔板の開口部の形状が円形である場合は、例えば、前記気液分離膜の前記燃料容器側の面に配置される細孔板の開口径を、０．２ｍｍ以上とし、前記気液分離膜の前記アノード側の面に配置される細孔板の開口径を、１ｍｍ以下とすることが好ましい。前記細孔板の厚みは、０．２ｍｍ以上であることが好ましい。前記細孔板の材料は、メタノール耐性を有するステンレス（ＳＵＳ）、チタン（Ｔｉ）、カーボン、プラスチック等があげられる。前記気液分離膜のアノード側の面に配置される細孔板は、例えば、前記アノードの集電部材を兼ねてもよい。
【００２３】
本実施形態の固体高分子型燃料電池は、例えば、保湿層を備えてもよい。前記保湿層としては、例えば、図６Ｄに示すものがあげられる。この保湿層６７では、支持体６７ａ上に、撥水性または撥油性の多孔質体６７ｂと、親水性の多孔質体６７ｃとが、前記順序で積層されている。前記親水性の多孔質体には、例えば、セルロース繊維シート等の種々の親水性材料を用いることができる。前記撥水性または撥油性の多孔質体には、例えば、ＰＴＦＥ多孔質膜等の種々の撥水性または撥油性の材料を用いることができる。前記支持体は、特に限定されないが、例えば、その開口率が３０％以下である。前記保湿層は、例えば、カソードの集電電極上に配置される。前記保湿層は、例えば、カソードで生成される水の蒸発を防止し、この生成される水を、固体高分子電解質膜を介してアノードへ逆拡散させることを目的に用いられる。固体高分子電解質膜と保湿層との間には、例えば、絶縁兼シールを目的とした部材が、カソードの触媒層の周辺に枠状で配置されている。
【００２４】
つぎに、図１Ａおよび図１Ｂに基づき、本実施形態の固体高分子型燃料電池１０の使用方法を説明する。図１Ａに、本実施形態の固体高分子型燃料電池１０の閉回路状態を示し、図１Ｂに、本実施形態の固体高分子型燃料電池１０の開回路状態を示す。前記両図において、同一部分には同一符号を付している。
【００２５】
図１Ａに示すように、この固体高分子型燃料電池１０では、前記メタノール水溶液１９が、飽和蒸気圧により前記気液分離膜１３を介して、メタノール蒸気及び水蒸気の状態で、前記アノード１４に供給される。これにより、前記アノード１４において、前記式（Ｉ）に示す反応が起こる。前記反応で発生したプロトン（Ｈ＋）は、前記固体高分子電解質膜１６に対して接触状態である前記アノード１４から、前記固体高分子電解質膜１６を介して、前記カソード１５に移動する。前記カソード１５では、前記式（ＩＩ）に示す反応が起こる。このため、本実施形態の固体高分子型燃料電池１０は、閉回路状態となり、発電する。この状態（開回路状態）で、前記スイッチング手段により、前記アノード１４を、前記固体高分子電解質膜１６から離れる方向（図１Ａにおいて、矢印１８ａの方向）に移動させ、図１Ｂに示すように、前記固体高分子電解質膜１６に対して非接触状態とする。この移動により、本実施形態の固体高分子型燃料電池１０は、開回路状態となり、発電を停止する。この状態（開回路状態）で、前記スイッチング手段により、前記アノード１４を、前記固体高分子電解質膜１６に近づける方向（図１Ｂにおいて、矢印１８ｂの方向）に移動させ、図１Ａに示すように、前記固体高分子電解質膜１６に対して接触状態とする。この移動により、本実施形態の固体高分子型燃料電池１０は、再び閉回路状態となり、発電する。このように、本実施形態の固体高分子型燃料電池では、前記スイッチング手段により、前記アノードを前記固体高分子電解質膜に対して、接触および非接触の２つの状態とすることで、閉回路および開回路の切り替えが可能である。このため、本実施形態の固体高分子型燃料電池では、例えば、外部のスイッチと連動させるための制御回路等が不要であり、単純な構造で、電子電気装置のスイッチングが可能である。また、本実施形態の固体高分子型燃料電池では、燃料電池そのものがスイッチング機能を備えるため、例えば、外部のスイッチを用いる場合に起こりうる、電極内部における部分電池の形成を防止可能である。
【００２６】
なお、本実施形態の固体高分子型燃料電池では、前記アノードを、前記固体高分子電解質膜から離れる方向に移動させることで、開回路状態とするが、本発明は、これに限定されない。例えば、スイッチング手段により、前記固体高分子電解質膜１６を、前記アノード１４から離れる方向（図１Ａにおいて、矢印１８ｃの方向）に移動させ、図１Ｂに示すように、前記アノード１４を、前記固体高分子電解質膜１６に対して非接触状態（開回路状態）としてもよい。また、この状態（開回路状態）で、スイッチング手段により、前記固体高分子電解質膜１６を、前記アノード１４に近づける方向（図１Ｂにおいて、矢印１８ｄの方向）に移動させ、図１Ａに示すように、前記アノード１４を、前記固体高分子電解質膜１６に対して接触状態（閉回路状態）としてもよい。
【００２７】
前述のとおり、本実施形態の固体高分子型燃料電池は、前記アノードが前記固体高分子電解質膜に対して非接触状態をとることにより、発電を停止可能である。この発電の停止は、前記アノードが前記固体高分子電解質膜に対して、非接触状態をとることにより、前述のプロトン（Ｈ＋）の移動が妨げられ、前記反応の継続ができなくなることによると推察される。ただし、本発明は、この推察によってなんら制限ないし限定されない。
【００２８】
本実施形態の固体高分子型燃料電池は、例えば、つぎのようにして製造可能である。すなわち、まず、本実施形態の固体高分子型燃料電池に用いる各構成部材を、従来公知の方法で作製または準備する。つぎに、前記カソードを、前記固体高分子電解質膜に、例えば、熱圧着により接合して、接合体を形成する。この接合体と、前記アノードと、前記気液分離膜と、前記燃料容器とを、前記順序で積層して、一体化する。このとき、前記アノードを、例えば、前述の熱圧着せずに積層し、前記スイッチング手段により、前記固体高分子電解質膜に対して、接触および非接触の２つの状態をとることを可能となるようにしておく。このようにして、本実施形態の固体高分子型燃料電池を製造可能である。ただし、本実施形態の固体高分子型燃料電池の製造方法は、この例に限定されない。
【００２９】
本実施形態の固体高分子型燃料電池では、前述のとおり、前記スイッチング手段により前記アノードが、前記固体高分子電解質膜に対して、接触および非接触の２つの状態をとることが可能である。ただし、本発明は、この例に限定されず、例えば、カソードが、固体高分子電解質膜に対して、接触および非接触の２つの状態をとることが可能であってもよい。図２Ａに、この固体高分子型燃料電池の一例の構成を示す。同図において、図１と同一部分には同一符号を付している。図２Ａに示すとおり、この固体高分子型燃料電池２０は、固体高分子電解質膜２６と、アノード２４と、カソード２５とを備える燃料電池セル２１を備える。前記アノード２４は、前記固体高分子電解質膜２６の一方の面（同図において、上側の面）に接して設けられている。前記カソード２５は、前記固体高分子電解質膜２６の他方の面（同図において、下側の面）に対して接触状態である。これら以外は、前述の固体高分子型燃料電池１０と同様である。
【００３０】
この固体高分子型燃料電池２０は、例えば、以下のように使用可能である。すなわち、この固体高分子型燃料電池２０では、図２Ａに示す状態（閉回路状態）で、スイッチング手段により、例えば、前記固体高分子電解質膜２６を、前記カソード２５から離れる方向（図２Ａにおいて、矢印２８ａの方向）に移動させ、図２Ｂに示すように、前記カソード２５を、前記固体高分子電解質膜２６に対して非接触状態とする。この移動により、この固体高分子型燃料電池２０は、開回路状態となり、発電を停止する。この状態（開回路状態）で、スイッチング手段により、例えば、前記固体高分子電解質膜２６を、前記カソード２５に近づける方向（図２Ｂにおいて、矢印２８ｂの方向）に移動させ、図２Ａに示すように、前記カソード２５を、前記固体高分子電解質膜２６に対して接触状態とする。この移動により、この固体高分子型燃料電池２０は、再び閉回路状態となり、発電する。このように、この固体高分子型燃料電池では、前記スイッチング手段により、前記カソードを前記固体高分子電解質膜に対して、接触および非接触の２つの状態とすることで、閉回路および開回路の切り替えが可能である。このため、この固体高分子型燃料電池は、前述の固体高分子型燃料電池１０と同様の効果を奏することが可能である。なお、この固体高分子型燃料電池２０では、スイッチング手段により、前記カソード２５を、前記固体高分子電解質膜２６から離れる方向（図２Ａにおいて、矢印２８ｃの方向）に移動させ、図２Ｂに示すように、前記カソード２５を、前記固体高分子電解質膜２６に対して非接触状態（開回路状態）としてもよい。また、この状態（開回路状態）で、スイッチング手段により、前記カソード２５を、前記固体高分子電解質膜２６に近づける方向（図２Ｂにおいて、矢印２８ｄの方向）に移動させ、図２Ａに示すように、前記カソード２５を、前記固体高分子電解質膜２６に対して接触状態（閉回路状態）としてもよい。図２Ａおよび図２Ｂにおいて、同一部分には同一符号を付している。
【００３１】
また、本実施形態の固体高分子型燃料電池では、例えば、アノードおよびカソードの両電極が、固体高分子電解質膜に対して、接触および非接触の２つの状態をとることが可能であってもよい。図３Ａに、この固体高分子型燃料電池の一例の構成を示す。同図において、図１と同一部分には同一符号を付している。図３Ａに示すとおり、この固体高分子型燃料電池３０は、固体高分子電解質膜３６と、アノード３４と、カソード３５とを備える燃料電池セル３１を備える。前記アノード３４は、前記固体高分子電解質膜３６の一方の面（同図において、上側の面）に対して接触状態である。前記カソード３５は、前記固体高分子電解質膜３６の他方の面（同図において、下側の面）に対して接触状態である。これら以外は、前述の固体高分子型燃料電池１０と同様である。
【００３２】
この固体高分子型燃料電池３０は、例えば、以下のように使用可能である。すなわち、この固体高分子型燃料電池３０では、図３Ａに示す状態（閉回路状態）で、スイッチング手段により、例えば、前記アノード３４を、前記固体高分子電解質３６から離れる方向（図３Ａにおいて、矢印３８ａの方向）に移動させる。一方、前記カソード３５を、前記固体高分子電解質３６から離れる方向（図３Ａにおいて、矢印３８ｃの方向）に移動させる。これらにより、図３Ｂに示すように、前記アノード３４および前記カソード３５を、前記固体高分子電解質膜３６に対して非接触状態とする。この移動により、この固体高分子型燃料電池３０は、開回路状態となり、発電を停止する。この状態（開回路状態）で、スイッチング手段により、例えば、前記アノード３４を、前記固体高分子電解質膜３６に近づける方向（図３Ｂにおいて、矢印３８ｂの方向）に移動させる。一方、前記カソード３５を、前記固体高分子電解質膜３６に近づける方向（図３Ｂにおいて、矢印３８ｄの方向）に移動させる。これらにより、図３Ａに示すように、前記アノード３４および前記カソード３５を、前記固体高分子電解質膜３６に対して接触状態とする。この移動により、この固体高分子型燃料電池３０は、再び閉回路状態となり、発電する。このように、この固体高分子型燃料電池では、前記スイッチング手段により、前記アノードおよび前記カソードの両電極を前記固体高分子電解質膜に対して、接触および非接触の２つの状態とすることで、閉回路および開回路の切り替えが可能である。このため、この固体高分子型燃料電池は、前述の固体高分子型燃料電池１０と同様の効果を奏することが可能である。図３Ａおよび図３Ｂにおいて、同一部分には同一符号を付している。
【００３３】
本実施形態の固体高分子型燃料電池では、例えば、前記燃料電池セルが、さらに、抵抗低減層を備えてもよい。図４に、この固体高分子型燃料電池の一例の構成を示す。同図において、図１と同一部分には同一符号を付している。図４に示すとおり、この固体高分子型燃料電池４０は、アノード４４と、カソード４５と、固体高分子電解質膜４６と、抵抗低減層４２とを備える燃料電池セル４１を備える。前記抵抗低減層４２は、前記アノード４４の前記固体高分子電解質膜４６側の面（同図において、下側の面）に形成されている。前記アノード４４は、前記抵抗低減層４２を介して、前記固体高分子電解質膜４６に対して接触状態である。これにより、この固体高分子型燃料電池では、前記アノードと前記固体高分子電解質膜との間の接触抵抗を低減可能である。このため、この固体高分子型燃料電池では、例えば、充分な発電量を得ることが可能である。これら以外は、前述の固体高分子型燃料電池１０と同様である。この固体高分子型燃料電池では、前記アノードが、前記固体高分子電解質膜に対して非接触状態をとることが可能である。
【００３４】
この固体高分子型燃料電池では、前述のとおり、前記アノードの前記固体高分子電解質膜側の面に、前記抵抗低減層が形成されているが、本発明は、この例に限定されない。前記抵抗低減層は、例えば、前記固体高分子電解質膜の前記アノード側の面に形成されていてもよいし、前記アノードの前記固体高分子電解質膜側の面、および前記固体高分子電解質膜の前記アノード側の面の両方に形成されていてもよい。また、前記抵抗低減層は、例えば、前記アノードの前記固体高分子電解質膜側の面、前記カソードの前記固体高分子電解質膜側の面、前記固体電解質膜の前記アノード側の面、および前記固体電解質膜の前記カソード側の面の少なくとも一つの面に形成されていてもよい。
【００３５】
前記抵抗低減層の材料は、例えば、前記アノードと前記固体高分子電解質膜との接触抵抗を低減でき、プロトン伝導性を有すればよく、例えば、スルホン化された高分子材料等があげられる。前記抵抗低減層は、例えば、ゲル状であり、その厚みは、例えば、０．１〜１００μｍの範囲である。前記抵抗低減層は、例えば、前記抵抗低減層の材料を、バインダー樹脂等に添加して混合液とし、この混合液を、例えば、前記アノードに塗布することにより、前記アノード上に形成可能である。また、前記抵抗低減層を、前記固体高分子電解質膜上に形成する場合には、前記混合液を塗布した後に、例えば、熱圧着等により、前記固体高分子電解質膜に密着させて形成してもよい。
【００３６】
本実施形態の固体高分子型燃料電池は、例えば、さらに、酸化剤ガス遮断手段を備えてもよい。図５Ａに、この固体高分子型燃料電池の一例の構成を示す。同図において、図１と同一部分には同一符号を付している。図５Ａに示すとおり、この固体高分子型燃料電池５０では、酸素遮断板５２が、前記燃料電池セル１１の前記カソード１５側に、前記カソード１５と接触していない状態で配置されている。前記アノード１４は、前記固体高分子電解質膜１６に対して接触状態である。この固体高分子型燃料電池では、前記酸化剤ガス遮断手段を、酸素遮断板としている。これら以外の構成は、前述の固体高分子型燃料電池１０と同様である。
【００３７】
この固体高分子型燃料電池５０は、例えば、以下のように使用可能である。すなわち、この固体高分子型燃料電池５０では、図５Ａに示す状態（閉回路状態）で、スイッチング手段により、例えば、前記固体高分子電解質膜１６を、前記アノード１４から離れる方向（図５Ａにおいて、矢印５８ａの方向）に移動させ、図５Ｂに示すように、前記アノード１４を、前記固体高分子電解質膜１６に対して非接触状態とするとともに、前記カソード１５を、前記酸素遮断板５２に密着させる。前記密着により、前記カソード１５への酸素供給が遮断される。これらにより、この固体高分子型燃料電池５０は、開回路状態となり、例えば、ほぼ完全に発電を停止した状態となる。この状態（開回路状態）で、スイッチング手段により、例えば、前記固体高分子電解質膜１６を、前記アノード１４に近づける方向（図５Ｂにおいて、矢印５８ｂの方向）に移動させる。これにより、前記アノード１４を、前記固体高分子電解質膜１６に対して接触状態とするとともに、前記カソード１５が、前記酸素遮断板５２から離れた状態となる。この移動により、酸素が前記カソード１５に供給される。これらにより、この固体高分子型燃料電池５０は、再び閉回路状態となり、発電する。この固体高分子型燃料電池では、前述の固体高分子型燃料電池１０と同様の効果を奏することが可能であることに加えて、開回路状態において、例えば、ほぼ完全に発電を停止可能である。図５Ａおよび図５Ｂにおいて、同一部分には同一符号を付している。
【００３８】
前記酸素遮断板は、例えば、前記燃料電池セルの前記カソード側の面のほぼ全面を覆うことができればよい。また、前記保湿層を備える場合には、例えば、前記支持体の開口部のほぼ全部を覆うことができるものであればよい。前記酸素遮断板の材料としては、例えば、アルミニウム、ステンレス等の金属板；ポリエチレン、ポリプロピレン、塩化ビニル等のプラスチック板等があげられる。前記酸素遮断板の厚みは、１ｍｍ以下であることが好ましい。
【００３９】
（実施形態２）
図７Ａに、本実施形態の固体高分子型燃料電池の一例の構成を示す。図７Ａにおいて、図１および図６と同一部分には同一符号を付している。図７Ａに示すとおり、この固体高分子型燃料電池７０は、燃料電池セル７１と、前記細孔板６１および６２に挟持された前記気液分離膜６３と、前記燃料容器１２とを備える。前記燃料電池セル７１では、前記アノード６４の触媒層側の面における触媒層が形成されていない部分と、固体高分子電解質膜７６との間に、高分子弾性体７２が配置されている。この高分子弾性体７２により、前記アノード６４は、前記固体高分子電解質膜７６に対して非接触状態である。本実施形態の固体高分子型燃料電池では、前記高分子弾性体からなる付勢手段が、前記スイッチング手段である。これら以外の構成は、実施形態１の固体高分子型燃料電池と同様である。なお、本実施形態の固体高分子型燃料電池では、後述するように、前記アノードが、前記高分子電解質膜に対して接触状態をとることが可能である。なお、図７Ａでは、図示の簡略化のため、前記アノード６４および前記カソード６５を構成する部材を、符号を付して図示するのを省略している。
【００４０】
本実施形態の固体高分子型燃料電池では、前述のとおり、前記アノードの触媒層側の面における触媒層が形成されていない部分と、前記固体高分子電解質膜との間に、前記高分子弾性体が配置されている。ただし、本発明は、この例に限定されず、例えば、カソードの触媒層側の面における触媒層が形成されていない部分と、固体高分子電解質膜との間に、高分子弾性体が配置されていてもよいし、前記両方の箇所に、前記高分子弾性体が配置されてもよい。
【００４１】
前記高分子弾性体は、例えば、機械的な応力を加えることで変形するものであり、伸縮度の大きいものが好ましい。前記高分子弾性体の材料としては、例えば、シリコンゴム、プロピレンゴム、ウレタンゴム等のゴム；スチレン系エラストマー、オレフィン系エラストマー、ポリエステル系エラストマー、ウレタン系エラストマー等の熱可塑性エラストマー等があげられる。前記高分子弾性体の収縮による変位量は、例えば、前記アノードと前記固体高分子電解質膜との間隔の最大値が５ｍｍ以下である場合、前記最大値より、例えば、数ｍｍ程度大きければよい。
【００４２】
前記高分子弾性体の伸縮は、例えば、機械的な外部応力による。前記外部応力としては、例えば、手動があげられる。前記外部応力の強弱により、例えば、前記高分子弾性体の収縮量を変化させる。この変化の量により、前記アノードの前記固体高分子電解質膜に対する変位量（移動量）に変化させることで、例えば、前記アノードと前記高分子電解質膜との接触抵抗を変化させることが可能である。これにより、本実施形態の固体高分子型燃料電池では、例えば、その発電量を制御可能である。
【００４３】
前記高分子弾性体の伸縮は、前述の外部応力による伸縮のみに限られず、例えば、温度、波長、電位等の外部作動環境に対する自己伸縮であってもよい。このような場合には、前記高分子弾性体は、例えば、外部作動環境に対して自立的に作動するスイッチング手段となり得る。
【００４４】
本実施形態の固体高分子型燃料電池では、付勢手段を、高分子弾性体としているが、本発明は、この例に限定されない。前記付勢手段としては、前記高分子弾性体のほかに、例えば、バネ等があげられる。また、前記付勢手段としては、例えば、前記外部作動環境に対して不可逆的なものがあげられる。前記外部作動環境に対して不可逆的なものは、例えば、メモリ機能または安全装置としての機能を備えるスイッチング手段となり得る。また、前記付勢手段としては、例えば、外部環境により伸縮以外の変化をするものがあげられる。前記外部環境により伸縮以外に変化するものとしては、例えば、形状記憶合金、熱可塑性樹脂、熱硬化樹脂、光硬化性樹脂等があげられる。前記外部環境としては、例えば、温度、照射する光の波長または強度等があげられる。
【００４５】
つぎに、図７Ａおよび図７Ｂに基づき、本実施形態の固体高分子型燃料電池７０の使用方法を説明する。図７Ａに、本実施形態の固体高分子型燃料電池７０の開回路状態を示し、図７Ｂに、本実施形態の固体高分子型燃料電池７０の閉回路状態を示す。前記両図において、同一部分には同一符号を付している。
【００４６】
図７Ａに示すように、この固体高分子型燃料電池７０では、前記高分子弾性体７２の伸長により、前記アノード６４と前記固体高分子電解質膜７６とを、離れる方向（矢印７８ａ）に付勢している。このため、前記アノード６４は、前記固体高分子電解質膜７６に対して非接触状態であり、開回路状態である。この状態（開回路状態）で、図７Ｂに示すように、外部応力（矢印７８ｂ）を、前記燃料容器１２の上部から加えることにより、前記高分子弾性体７２を収縮させる。この収縮により、前記アノード６４を、前記固体高分子電解質膜７６に近づける方向（同図において、下方向）に移動させて、接触状態とする。この移動により、本実施形態の固体高分子型燃料電池７０は、閉回路状態となり、発電する。この状態（閉回路状態）で、前記外部応力（矢印７８ｂ）を開放すると、図７Ａに示すように、前記高分子弾性体７２は伸長する。この伸長により、前記アノード６４を、前記固体高分子電解質膜７６から離れる方向（同図において、上方向）に移動させて、非接触状態とする。この移動により、本実施形態の固体高分子型燃料電池７０は、再び開回路状態となり、発電を停止する。このように、本実施形態の固体高分子型燃料電池では、前記アノードを前記固体高分子電解質膜に対して、接触または非接触の２つの状態とすることで、開回路状態および閉回路状態を切り替えることが可能である。このため、本実施形態の固体高分子型燃料電池は、実施形態１と同様の効果を奏することが可能である。なお、図７Ｂでは、図示の簡略化のため、前記アノード６４および前記カソード６５を構成する部材を、符号を付して図示するのを省略している。
【００４７】
本実施形態の固体高分子型燃料電池は、例えば、つぎのようにして製造可能である。すなわち、まず、本実施形態の固体高分子型燃料電池に用いる各構成部材を、従来公知の方法で作製または準備する。つぎに、前記アノード、２枚の前記細孔板に挟持された前記気液分離膜および前記燃料容器を一体化する。一方、前記カソードを、前記固体高分子電解質膜に、例えば、熱圧着により接合して、接合体を形成する。この接合体の固体高分子電解質膜側の面と、前記アノードの触媒層側の面の触媒層が形成されていない部分との間に、前記高分子弾性体を配置して、一体化する。このようにして、本実施形態の固体高分子型燃料電池を製造可能である。ただし、本実施形態の固体高分子型燃料電池の製造方法は、この例に限定されない。
【００４８】
本実施形態の固体高分子型燃料電池は、例えば、さらに、シール部材を備えてもよい。図８に、この固体高分子型燃料電池の一例の構成を示す。同図において、図７と同一部分には同一符号を付している。図示のとおり、この固体高分子型燃料電池８０は、燃料電池セル８１と、２つの前記細孔板６１および６２に挟持された前記気液分離膜６３と、シール部材８４と、前記燃料容器１２とを備える。前記燃料電池セル８１は、前記アノード６４と、前記カソード６５と、固体高分子電解質膜８６と、シール部材８２および８３とを備える。前記固体高分子電解質膜８６の一方の面および他方の面には、それぞれ、抵抗低減層８７ａおよび８７ｂが形成されている。前記アノード６４の触媒層側の面の触媒層が形成されていない部分と、前記固体高分子電解質膜８６との間には、前記シール部材８２が配置されている。前記カソード６５の触媒層側の面の触媒層が形成されていない部分と、前記高分子電解質膜８６との間には、前記シール部材８３が配置されている。前記燃料容器１２の縁部と、前記細孔板６１の前記燃料容器１２の縁部に対応する部分との間には、前記シール部材８４が配置されている。前記カソード６５の集電電極側の面（同図において、下側の面）には、保湿層６７が配置されている。この固体高分子型燃料電池８０では、前記シール部材８２が、高分子弾性体からなる付勢手段であり、前記スイッチング手段を兼ねている。この高分子弾性体８２の伸長により、前記アノード６４と前記固体高分子電解質膜８６とが、離れる方向（矢印８８ａ）に付勢されることで、前記アノード６４は、前記固体高分子電解質膜８６に対して非接触状態である。なお、この固体高分子型燃料電池では、前記アノードが、前記高分子電解質膜に対して接触状態をとることが可能である。図８では、図示の簡略化のため、前記アノード６４、前記カソード６５および前記保湿層６７を構成する部材を、符号を付して図示するのを省略している。
【００４９】
この固体高分子型燃料電池８０では、前記シール部材８２は、例えば、前記メタノール水溶液が前記カソード側に拡散するのを防止する目的で配置される。前記シール部材８３は、例えば、カソードの絶縁を目的に配置される。前記シール部材８４は、例えば、前記燃料の漏洩を防止する目的で配置される。前記シール部材８３および８４の材料は、例えば、前記高分子弾性体と同様である。前記シール部材８３および８４は、例えば、これらに相対する構成部材に接着またはネジ止め等により設けられる。これら以外は、前述の固体高分子型燃料電池７０と同様である。
【００５０】
（実施形態３）
図９Ａから図９Ｃに、本実施形態の固体高分子型燃料電池の一例の構成を示す。図９Ａに、本実施形態の固体高分子型燃料電池の上面図を示し、図９Ｂに、本実施形態の固体高分子型燃料電池の底面図を示し、図９Ｃに、図９Ａに示す固体高分子型燃料電池のＩ−Ｉ方向に見た断面図を示す。図９Ａから図９Ｃおよび図８において、同一部分には同一符号を付している。図９Ａから図９Ｃに示すとおり、この固体高分子型燃料電池９０は、酸素遮断板９１および２つの連結部材９２を備える。前記酸素遮断板９１は、前記保湿層６７の前記カソード６５側とは反対側の面に、密着して配置されている。２つの前記連結部材９２は、前記燃料容器１２と前記酸素遮断板９１との両側面同士（図９Ａおよび図９Ｂにおいて、左右の辺）を連結している。前記保湿層６７の前記支持体６７ａ側の四隅には、スペーサ部９３が設けられている。本実施形態の固体高分子型燃料電池９０では、前記高分子弾性体８２により、前記アノード６４が、前記固体高分子電解質膜８６に対して非接触状態である。本実施形態の固体高分子型燃料電池では、連動手段を、連結部材としている。これら以外の構成は、前述の固体高分子型燃料電池８０と同様である。なお、図９Ｃでは、図示の簡略化のために、２つの前記連結部材９２の一方（同図において、右側の連結部材）を省略し、前記アノード６４、前記カソード６５および前記保湿層６７を構成する部材を、符号を付して図示するのを省略している。
【００５１】
前記連結部材は、例えば、前記アノードの移動に前記酸素遮断板を連動させられればよく、例えば、連結板、連結棒等である。前記連結部材は、例えば、前記燃料容器および前記酸素遮断板の側面に設けられた、取り付け箇所に取り付けることができる。
【００５２】
つぎに、図９Ｃおよび図９Ｄに基づき、本実施形態の固体高分子型燃料電池９０の使用方法を説明する。図９Ｃに、本実施形態の固体高分子型燃料電池９０の開回路状態を示し、図９Ｄに、本実施形態の固体高分子型燃料電池９０の閉回路状態を示す。前記両図において、同一部分には同一符号を付している。なお、図９Ｄでは、図示の簡略化のために、２つの前記連結部材９２の一方（同図において、右側の連結部材）を省略し、前記アノード６４、前記カソード６５および前記保湿層６７を構成する部材を、符号を付して図示するのを省略している。
【００５３】
図９Ｃに示すように、この固体高分子型燃料電池９０では、前記高分子弾性体８２の伸長により、前記アノード６４と前記固体高分子電解質膜８６とを、離れる方向（矢印９８ａ）に付勢することで、前記アノード６４は、前記固体高分子電解質膜８６に対して非接触状態である。前記酸素遮断板９１は、前記保湿層６７に密着している。本実施形態の固体高分子型燃料電池９０は、開回路状態である。この状態（開回路状態）で、図９Ｄに示すように、外部応力（矢印９８ｂ）を、前記燃料容器１２の上部から加えることにより、前記高分子弾性体８２を収縮させる。この収縮により、前記アノード６４を、前記固体高分子電解質膜８６に近づける方向（同図において、下方向）に移動させて、接触状態とする。この移動に連動して、前記酸素遮断板９１は、前記保湿層６７から離れる方向（同図において、下方向）に移動する。この移動により、前記カソード６５に酸素が供給される。これらにより、本実施形態の固体高分子型燃料電池９０は、閉回路状態となり、発電する。この状態（閉回路状態）で、前記外部応力（矢印９８ｂ）を開放すると、図９Ｃに示すように、前記高分子弾性体８２は伸長する。この伸長により、前記アノード６４を、前記固体高分子電解質膜８６から離れる方向（同図において、上方向）に移動させて、非接触状態とする。この移動に連動して、前記酸素遮断板９１は、前記保湿層６７に近づく方向（同図において、上方向）に移動し、前記保湿層６７に密着する。前記密着により、前記カソード６５への酸素の供給が遮断される。これらにより、この固体高分子型燃料電池９０は、再び開回路状態となり、例えば、ほぼ完全に発電を停止した状態となる。このように、本実施形態の固体高分子型燃料電池では、実施形態１と同様の効果を奏することが可能であることに加えて、開回路状態において、前述のように、例えば、ほぼ完全に発電を停止可能である。
【００５４】
本実施形態の固体高分子型燃料電池は、例えば、つぎのようにして製造可能である。すなわち、まず、本実施形態の固体高分子型燃料電池に用いる各構成部材を、従来公知の方法で作製または準備する。つぎに、前記アノード、２枚の前記細孔板に挟持された前記気液分離膜および前記燃料容器を一体化する。一方、前記カソードを、前記固体高分子電解質膜に、例えば、熱圧着により接合して、接合体を形成する。この接合体の固体高分子電解質膜側の面と、前記アノードの触媒層側の面の触媒層が形成されていない部分との間に、前記高分子弾性体を配置して、一体化する。つぎに、前記燃料容器と前記酸素遮断板とを、２つの前記連結部材で連結する。このようにして、本実施形態の固体高分子型燃料電池を製造可能である。ただし、本実施形態の固体高分子型燃料電池の製造方法は、この例に限定されない。
【００５５】
（実施形態４）
図１０Ａに、本実施形態の電子電気装置の一例の構成を示す。図示のとおり、この電子電気装置１００は、固体高分子型燃料電池１０１と、スイッチング手段１０２と、電子電気機器１０３とを備える。前記固体高分子型燃料電池１０１と、前記電子電気機器１０３とは、前記スイッチング手段１０２を介して接続されている。前記固体高分子型燃料電池１０１が、本発明の固体高分子型燃料電池である。さらに、前記スイッチング手段１０２が、前記本発明の固体高分子型燃料電池が有するスイッチング手段である。すなわち、前記本発明の固体高分子型燃料電池１０１が、前記スイッチング手段１０２を兼ねている。本実施形態の電子電気装置１００は、前記スイッチング手段１０２により、閉回路状態となっている。前記電気電子機器は、例えば、従来公知の種々の電子機器および電気機器等を用いることができる。
【００５６】
本実施形態の電子電気装置は、例えば、以下のようにして使用可能である。すなわち、本実施形態の電子電気装置１００では、前記スイッチング手段１０２により、図１０Ａに示すように、閉回路状態とすることで、前記本発明の固体高分子型燃料電池１０１の発電による電力を前記電子電気機器１０３に供給して、前記電子電気機器１０３を作動させる。一方、本実施形態の電子電気装置１００を作動させない場合には、前記スイッチング手段１０２により、図１０Ｂに示すように、開回路状態とすることで、前記本発明の固体高分子型燃料電池１０１の発電を停止する。本実施形態の電子電気装置では、前述のとおり、前記本発明の固体高分子型燃料電池が、前記スイッチング手段を兼ねる。このため、本実施形態の電子電気装置は、例えば、別途スイッチを設ける必要がなく、その構造が単純である。さらに、本実施形態の電子電気装置は、その構造が単純であるため、例えば、小型化が可能である。また、本実施形態の電子電気装置では、燃料電池そのものがスイッチング機能を備えるため、例えば、燃料電池外部のスイッチを用いる場合に起こりうる、電極内部における部分電池の形成を防止可能である。図１０Ａおよび図１０Ｂにおいて、同一部分には同一符号を付している。
【００５７】
前述のとおり、本発明の固体高分子型燃料電池は、構造が単純な電子電気装置を形成可能である。従って、本発明の固体高分子型燃料電池を備える本発明の電子電気装置の用途としては、例えば、携帯電話、ノート型ＰＣ、情報マルチ端末、携帯音楽プレーヤ、非常用発電機等の小型機器等があげられる。ただし、その用途は限定されず、広い分野に適用可能である。
【００５８】
なお、本発明の電子電気装置の製造方法は、特に制限されない。本発明の電子電気装置は、例えば、前記本発明の固体高分子型燃料電池を、前述の製造方法により製造し、前記本発明の固体高分子型燃料電池を、前記電子電気機器と接続することで製造可能である。
【実施例】
【００５９】
つぎに、本発明の実施例について説明する。なお、本発明は、下記の実施例によってなんら限定ないし制限されない。
【００６０】
［実施例１］
図９Ａから図９Ｃに示す固体高分子型燃料電池９０を作製した。以下に、実施例１で用いた固体高分子型燃料電池の構成について説明する。
【００６１】
〔固体高分子型燃料電池に用いる各構成部材〕
（１）カソード
まず、炭素粒子（ライオン（株）製、商品名「ケッチェンブラックＥＣ６００ＪＤ」）に、３〜５ｎｍの範囲の粒子径を有する白金微粒子を、重量比で５５％担持させた触媒担持炭素微粒子を用意した。この触媒担持炭素微粒子１ｇに、５重量％のナフィオン（登録商標）分散溶液（デュポン社製、製品番号「ＤＥ５２１」）を適量加え、攪拌して、カソード形成用の触媒ペーストを得た。一方、カーボンペーパー（東レ（株）製、商品名「ＴＧＰ−Ｈ−９０」、サイズ：１．０ｃｍ×１．０ｃｍ）を、多孔質基材６５ａとした。前記触媒ペーストを、８ｍｇ／ｃｍ２の塗工量で前記多孔質基材６５ａに塗布して、触媒層６５ｂを形成した。このようにして、集電電極６５ｃが設けられる前のカソード６５を作製した。
【００６２】
（２）アノード
前記白金微粒子に代えて、３〜５ｎｍの範囲の粒子径を有する白金（Ｐｔ）−ルテニウム（Ｒｕ）合金微粒子（Ｒｕの割合が６０原子％）を用いたこと以外は、前記カソードと同様にして、アノード形成用の触媒ペーストを得た。一方、有孔板（ＳＵＳ３１６、サイズ：３ｃｍ×３ｃｍ、厚み：０．２ｍｍ、気孔率：２２．５％）を、多孔質基材６４ａとした。前記触媒ペーストを、８ｍｇ／ｃｍ２の塗工量で前記多孔質基材６４ａの中心部分１ｃｍ×１ｃｍに塗布して、触媒層６４ｂを形成した。ついで、この多孔質基材６４ａの前記触媒層６４ｂとは反対側の面に、電力を取り出すためのタブを取り付けた。このタブは、集電電極６４ｃとして機能する。このようにして、アノード６４を作製した。
【００６３】
（３）固体高分子電解質膜
ポリビニルアルコール基材をスルホン化した膜（サイズ：２．８ｃｍ×２．８ｃｍ、厚み：５０μｍ）を準備した。一方、前記炭素粒子に前記ナフィオン（登録商標）分散溶液を適量加え、攪拌して、抵抗低減層用の混合溶液を調製した。一方、１２０℃に設定したホットプレート上に、前記膜を置いて、加熱した。この状態で、前記膜の両面に、前記混合溶液を２０μｍの厚みでスプレー塗布した。このようにして、両面に抵抗低減層８７ａおよび８７ｂが形成された固体高分子電解質膜８６を作製した。
【００６４】
（４）燃料容器
ＰＰ製の容器（外寸法：３ｃｍ×３ｃｍ、高さ１ｃｍ；内寸法：２５ｍｍ×２５ｍｍ、深さ：５ｍｍ）に、燃料を注入するための貫通ネジ穴（孔径：３ｍｍ）を２箇所設けた。さらに、この容器の側面に、連結部材を固定するためのネジ穴（孔径：３ｍｍ）を４箇所設けた。このようにして、燃料容器１２を作製した。前記燃料容器１２内部（燃料保持部１７）には、ウレタン素材からなるウィッキング材を挿入した。
【００６５】
（５）気液分離膜
撥油性を有する非晶質ＰＴＦＥコポリマーで表面処理されているＰＴＦＥ多孔質膜（厚み：１００μｍ、気孔率２０％）を、気液分離膜６３とした。
【００６６】
（６）細孔板
有孔板（ＳＵＳ３１６、サイズ：３ｃｍ×３ｃｍ、厚み：０．３ｍｍ、穴径：０．３ｍｍ、気孔率：２２．５％）を、細孔板６１とした。この細孔板６１において穴が開いているのは、中心部分２ｃｍ×２ｃｍである。有孔板（ＳＵＳ３１６、サイズ：３ｃｍ×３ｃｍ、厚み：０．３ｍｍ、穴径：０．３ｍｍ、気孔率：５％）を、細孔板６２とした。この細孔板６２において穴が開いているのは、中心部分２ｃｍ×２ｃｍである。
【００６７】
（７）保湿層
セルロース繊維シート（綿繊維ワイパー材、旭化成（株）製、商品名「ベンコット」、サイズ：２ｃｍ×２ｃｍ）を、親水性の多孔質体６７ｃとした。ＰＴＦＥ多孔質膜（気孔率：３０％）を、撥水性または撥油性の多孔質体６７ｂとした。有孔板（ＳＵＳ３１６、サイズ：２．５ｃｍ×２．５ｃｍ、厚み：０．３ｍｍ、穴径：０．３ｍｍ、気孔率：１０％）を、支持体６７ａとした。なお、この支持体６７ａにおいて穴が開いているのは、中心部分２ｃｍ×２ｃｍである。この支持体６７ａ上に、前記多孔質膜６７ｂと前記多孔質体６７ｃとを、前記順序で積層した。このようにして、保湿層６７を作製した。
【００６８】
（８）酸素遮断板
アルミ板（サイズ：３ｃｍ×３ｃｍ、厚み：１ｍｍ）を、酸素遮断板９１とした。この酸素遮断板９１の四隅には、スペーサ部を通すための切り欠きを設けた。
【００６９】
〔固体高分子型燃料電池の作製〕
メタノールを純水で５０体積％に希釈した水溶液を用意した。このメタノール水溶液１００ｍＬを注いだプラスチック容器（ＰＰ製）を、２つ準備した。この２つの容器に、それぞれ、前記カソード６５および前記固体高分子電解質膜８６を投入し、２時間、前記メタノール水溶液に浸漬した。ここで、前記カソード６５を、前記触媒層６５ｂが形成されている面を上側にして、前記メタノール水溶液中にできるだけ速やかに浸漬した。一方、前記固体高分子電解質膜８６を、両面を交互に反転させながら、膜全体にメタノール水溶液が浸るように浸漬した。ついで、浸漬後の前記カソード６５と浸漬後の前記固体高分子電解質膜８６とを、前記カソード６５の触媒層６５ｂが形成されている面が、前記固体高分子電解質膜８６側になるように接して積層した。この状態で、この積層したものを、２枚のテフロン(登録商標)シート（日東電工（株）製、商品名「ニトフロンシート」、サイズ：５ｃｍ×５ｃｍ、厚み：０．２ｍｍ）で挟んだ。この状態で、この積層したものを、１３０℃に加熱したプレス機に挿入し、前記カソード６５における触媒層６５ｂが形成されている部分を、０．０５ｔの圧力で、１０分間熱プレスした。熱プレス後の前記積層体を、純水中に２４時間浸漬した。このようにして、前記固体高分子電解質膜８６と前記カソード６５との接合体を得た。この接合体における前記固体高分子電解質膜８６と前記カソード６５の触媒層６５ｂが形成されていない部分との間を、シール部材８３として、エポキシ系樹脂接着剤を用いてシールした。
【００７０】
つぎに、有孔板（ＳＵＳ３１６、サイズ：３ｃｍ×３ｃｍ、厚み：１ｍｍ、穴径：１ｍｍ、気孔率：３３％）を、前記接合体のカソード６５側の面に配置し、前記カソード６５とこの有孔板との間を、シール部材として、この有孔板の周縁部に枠形状に配置した、前記エポキシ系樹脂接着剤を用いてシールした。この有孔板は、集電電極６５ｃとして機能する。なお、この有孔板において穴が開いているのは、中心部分２ｃｍ×２ｃｍである。また、この集電電極６５ｃに、電力を取り出すためのタブを取り付けた。前記保湿層６７の前記多孔質体６７ｃ側が、前記集電電極６５ｃ側となるように、前記保湿層６７を、前記カソード６５の前記集電電極６５ｃ側の面に積層した。この状態で、この積層したものの周辺部をカプトン（登録商標）テープで隙間なく固定した。この保湿層６７の前記支持体６７ａの四隅に、スペーサ部９３として、円柱状に成型されたシリコンゴム（直径：２ｍｍ、高さ：３ｍｍ）をエポキシ系接着剤で取り付けた。
【００７１】
前記アノード６４、前記細孔板６２、前記気液分離膜６３、前記細孔板６１、および前記燃料容器１２を、前記順序で積層して、前記燃料容器１２側にネジ止めして一体化した。前記アノード６４の前記集電電極６４ｃ側の面を、前記細孔板６２側とした。前記燃料容器１２の開口している側を、前記細孔板６１側とした。前記燃料容器１２と前記細孔板６１との間に、シール部材８４として、前記燃料容器１２の外周部の形状と同形状（枠状）のシリコンゴム（厚み：０．１ｍｍ）を挿入した。
【００７２】
発泡ウレタンゴム（外寸法：３ｃｍ×３ｃｍ、内寸法：２．５ｃｍ×２．５ｃｍ、厚み：２ｍｍ）を、高分子弾性体８２とした。この高分子弾性体８２を、前記アノード６４と、前記固体高分子電解質膜８６との間に配置し、エポキシ系樹脂接着剤を用いて一体化した。
【００７３】
前記燃料容器１２と前記酸素遮断板９１とに、２本の連結棒９２をネジで固定した。このようにして、前記燃料容器１２と前記酸素遮断板９１とを連結した。この際、前記酸素遮断板９１は、前記保湿層６７に密着するようにした。このようにして、本実施例の固体高分子型燃料電池９０を作製した。
【００７４】
〔固体高分子型燃料電池の使用〕
前記燃料容器１２の前記燃料保持部１７に、燃料として、７０体積％メタノール水溶液１９を１２ｍＬ注入した。外部負荷として、ソースメータを、固体高分子型燃料電池に接続した。この状態で、前記燃料容器１２の一方の面（図９Ｃにおいて、上側の面）を手で押し付ける動作および離す動作により、前記高分子弾性体８２を伸縮させ、このときの開放電圧を測定した。その結果、前記燃料容器１２の一方の面を手で押した時には、開放電圧が、０．６５〜０．７Ｖを示した。すなわち、本実施例の固体高分子型燃料電池は、閉回路状態となった。一方、押す手を離した場合には、開放電圧は、急激に低下し、測定不能となった。すなわち、本実施例の固体高分子型燃料電池は、開回路状態となった。これらの結果から、アノードの動作に対応して、回路が開閉されることが確認できた。
【００７５】
また、前記燃料容器１２の一方の面に加える圧力を変動させた場合の２０ｍＡの定電流負荷での出力を測定した。この測定結果を、図１１に示す。図示のとおり、圧力を変動させることにより出力を制御できることが確認できた。これは、接触抵抗による内部抵抗変化によると考えられる。
【００７６】
前述の使用後、圧力を加えていない状態（開回路状態）で、本実施例の固体高分子型燃料電池を、３日間大気中にて保管した。前記保管後、前述と同様にして使用した。その結果、前述の使用時の９８％の開放電圧が測定された。また、電池の損傷も見られなかった。これらの結果から、本実施例の固体高分子型燃料電池では、開回路状態において、性能が劣化していないことが確認できた。
【００７７】
［実施例２］
〔固体高分子型燃料電池の作製〕
前記高分子弾性体８２に代えて、熱硬化性樹脂を用いて、アノード６４と固体高分子電解質膜８６とが接触した状態になるようにネジ止めし、前記気液分離膜６３の気孔率を８０％とし、酸素遮断板９１を前記保湿層６７から離した状態で前記燃料容器１２と連結したこと以外は、実施例１と同様にして、本実施例の固体高分子型燃料電池を作製した。
【００７８】
〔固体高分子型燃料電池の使用〕
前記燃料容器１２の前記燃料保持部１７に、燃料として、７０体積％メタノール水溶液１９を１２ｍＬ注入した。外部負荷として、ソースメータを、固体高分子型燃料電池に接続し、２０ｍＡの定電流負荷での出力を測定した。その結果、発電初期において、５ｍＷ程度の出力が得られた。ところが、燃料供給過剰により、固体高分子型燃料電池の温度が急激に上昇し、数分間で、７０℃まで上昇した。７０℃まで上昇したところで、出力が０Ｗとなり、開放電圧も測定されなくなった。これは、前記熱硬化性樹脂が熱硬化を起こし、前記アノードと前記固体高分子電解質膜との接触抵抗が増大したためであると考えられる。また、前記酸素遮蔽板と前記保湿層との隙間が無くなっており、カソードへの酸素の流入が低下したためであると考えられる。このように、本実施例の固体高分子型燃料電池は、温度上昇という外部作動環境の変化に対応して、回路を遮断し（開回路状態）、発電を停止した。この結果から、本実施例の固体高分子型燃料電池が、自立的な安全回路として機能した事が確認できた。
【００７９】
上記実施例で示したように、本発明の固体高分子型燃料電池では、単純な構造で燃料電池そのものにスイッチング機能を持たせることが可能であることが実証できた。
【符号の説明】
【００８０】
１０、２０、３０、４０、５０、７０、８０、９０    固体高分子型燃料電池
１１、２１、３１、４１、７１、８１    燃料電池セル
１２    燃料容器（燃料供給部）
１３、６３    気液分離膜
１４、２４、３４、４４、６４    アノード
１５、２５、３５、４５、６５    カソード
１６、２６、３６、４６、７６、８６    固体高分子電解質膜
１７    燃料保持部
１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ、２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄ、３８ａ、３８ｂ、３８ｃ、３８ｄ、５８ａ、５８ｂ    移動方向
１９    メタノール水溶液（燃料）
４２、８７ａ、８７ｂ    抵抗低減層
５２、９１    酸素遮断板（酸化剤ガス遮断手段）
６１、６２    細孔板
６４ａ、６５ａ    多孔質基材
６４ｂ、６５ｂ    触媒層
６４ｃ、６５ｃ    集電電極
６７    保湿層
６７ａ  支持体
６７ｂ  撥水性または撥油性の多孔質体
６７ｃ  親水性の多孔質体
７２    高分子弾性体（付勢手段）
７８ａ、８８ａ、９８ａ    付勢方向（高分子弾性体の伸長方向）
７８ｂ、９８ｂ    外部応力
８２    高分子弾性体（アノードと固体高分子電解質膜との間のシール部材）
８３    カソードと固体高分子電解質膜との間のシール部材
８４    細孔板と燃料容器との間のシール部材
９２    連結部材（連動手段）
９３    スペーサ部
１００  電子電気装置
１０１  固体高分子型燃料電池（本発明の固体高分子型燃料電池）
１０２  スイッチング手段（本発明の固体高分子型燃料電池が有するスイッチング手段）
１０３  電子電気機器
【図１Ａ】
2010267497.tif 000003
【図１Ｂ】
2010267497.tif 000004
【図２Ａ】
2010267497.tif 000005
【図２Ｂ】
2010267497.tif 000006
【図３Ａ】
2010267497.tif 000007
【図３Ｂ】
2010267497.tif 000008
【図４】
2010267497.tif 000009
【図５Ａ】
2010267497.tif 000010
【図５Ｂ】
2010267497.tif 000011
【図６Ａ】
2010267497.tif 000012
【図６Ｂ】
2010267497.tif 000013
【図６Ｃ】
2010267497.tif 000014
【図６Ｄ】
2010267497.tif 000015
【図７Ａ】
2010267497.tif 000016
【図７Ｂ】
2010267497.tif 000017
【図８】
2010267497.tif 000018
【図９Ａ】
2010267497.tif 000019
【図９Ｂ】
2010267497.tif 000020
【図９Ｃ】
2010267497.tif 000021
【図９Ｄ】
2010267497.tif 000022
【図１０Ａ】
2010267497.tif 000023
【図１０Ｂ】
2010267497.tif 000024
【図１１】
2010267497.tif 000025