(57)【要約】【課題】主に燃料供給部に由来する圧力を原因とした、ポンプといった燃料電池構成部品の破壊、および燃料電池からの燃料の漏出を回避した、耐圧性の向上した燃料電池を提供する。【解決手段】燃料極１１３、空気極１１６、および前記燃料極１１３と前記空気極１１６とに挟持された電解質膜１１７とを有する膜電極接合体と、前記燃料極１１３と流路１３を介して接続された燃料供給部２と、前記流路に位置し、前記燃料供給部２から前記燃料極１１３へと燃料を送液するポンプ３と、前記燃料供給部２と前記ポンプ３との間の流路に位置する燃料遮断部４と、前記ポンプ３と前記燃料遮断部２との間の流路に充填された多孔体５と、を備えた燃料電池。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極、空気極、および前記燃料極と前記空気極とに挟持された電解質膜を有する膜電極接合体と、
前記燃料極と流路を介して接続された燃料供給部と、
前記流路に位置し、前記燃料供給部から前記燃料極へと燃料を送液するポンプと、
前記燃料供給部と前記ポンプとの間の流路に位置する燃料遮断部と、
前記ポンプと前記燃料遮断部との間の流路に充填された多孔体と、
を備えたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記燃料遮断部の耐圧性が、前記ポンプの耐圧性よりも高いことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記多孔体の気孔率が５０％以下であることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記ポンプは、燃料出口側が完全密閉にならないポンプであることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記燃料は、メタノールまたはメタノール水溶液であることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体燃料を用いた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
ノートパソコンや携帯電話などのモバイル機器の電源として、小型の燃料電池の使用が注目されている。従来の二次電池では、充電のために一定時間コンセントにつなぐ必要があるが、燃料電池であれば供給用の燃料を補充するだけで使用可能となるため、モバイル機器の電源として非常に適している。
【０００３】
このようなモバイル機器向けの燃料電池としては、特に直接メタノール型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｔｈａｎｏｌ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ：ＤＭＦＣ）が有望視されている。ＤＭＦＣの液体燃料の供給方式としては、内部気化型等のパッシブ方式のほか、ポンプやバルブにより燃料供給を制御するアクティブ方式が存在する。モバイル機器の電源として燃料電池を実用化する場合、小型化および安全性の向上が重要である。
【０００４】
燃料として用いるメタノールは、その沸点が約６５℃であるため、使用環境によって気化し、燃料電池システム内の圧力を上昇させる可能性がある。また、燃料カートリッジのように、圧力をかけて燃料を押し出す方式のものを燃料供給部として用いる場合も、同様に燃料電池システム内の圧力が上昇すると考えられる。ポンプを用いるアクティブ方式の場合、そのような圧力によってポンプ自身が破壊されることがあり、また燃料流路などからの漏出が生じることがある。このような問題は、信頼性および安全性の面から解決する必要がある。
【０００５】
特許文献１および２には、燃料の供給を遮断するためのバルブ等が記載されている。しかしながら、これらは耐圧性の観点から作製されておらず、上述のような問題を解決するものとしては期待できない。
【０００６】
従って、内圧上昇を原因とするポンプ等の燃料電池構成部品の破壊および燃料の漏出の発生が抑えられた、耐圧性の向上した燃料電池の開発が必要である。
【特許文献１】特開平９−２５７１５４号公報
【特許文献２】特開２００６−１９１０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、主に燃料供給部に由来する圧力を原因とした、ポンプといった燃料電池構成部品の破壊、および燃料電池からの燃料の漏出を回避した、耐圧性の向上した燃料電池の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様によると、燃料極、空気極、および前記燃料極と前記空気極とに挟持された電解質膜を有する膜電極接合体と、前記燃料極と流路を介して接続された燃料供給部と、前記流路に位置し、前記燃料供給部から前記燃料極へと燃料を送液するポンプと、前記燃料供給部と前記ポンプとの間の流路に位置する燃料遮断部と、前記ポンプと前記燃料遮断部との間の流路に充填された多孔体と、を備えたことを特徴とする燃料電池が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によると、耐圧性の向上した燃料電池が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下に、本発明による一実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池の構成を示す図である。当該燃料電池は、発電部１、燃料供給部２、ポンプ３、燃料遮断部４および多孔体５を有する。
【００１１】
図１における燃料電池は、燃料供給など一部にポンプ等を用いたセミパッシブと称される型の燃料電池である。セミパッシブ型の燃料電池は、燃料供給部２から発電部１に供給された燃料は発電反応に使用され、その後に循環して燃料供給部２に戻されることはない。セミパッシブ型の燃料電池は、燃料を循環しないことから、従来のアクティブ方式とは異なるものであり、装置の小型化等を損なうものではない。また、燃料電池は、燃料の供給にポンプを使用しており、従来の内部気化型のような純パッシブ方式とも異なる。このため、燃料電池は、上述したようにセミパッシブ方式と呼称される。
【００１２】
発電部１は、燃料電池セル１１および燃料分配機構１２を有する。
【００１３】
燃料電池セル１１は、アノード触媒層１１１とアノードガス拡散層１１２とを有するアノード（燃料極）１１３と、カソード触媒層１１４とカソードガス拡散層１１５とを有するカソード（空気極または酸化剤極）１１６と、アノード触媒層１１４とカソード触媒層１１５とで挟持されたプロトン（水素イオン）伝導性の電解質膜１１７とから構成される膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）を有する。また、燃料電池セル１１は、好ましくは、カバープレート１１８、Ｏリング１１９および発電部多孔体１２０を有する。
【００１４】
アノード触媒層１１１およびカソード触媒層１１４に含有される触媒としては、例えばＰｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｐｄ等白金族元素の単体、およびこれら白金族元素を含有する合金等が挙げられる。アノード触媒層１１１には、メタノールおよび一酸化炭素等に対して強い耐性を有するＰｔ−Ｒｕ合金またはＰｔ−Ｍｏ合金等を用いることが好ましい。カソード触媒層１１４には、ＰｔまたはＰｔ−Ｎｉ合金等を用いることが好ましい。しかしながら、アノード触媒層１１１およびカソード触媒層１１４としては、これらの触媒に限定されず、触媒活性を有する各種の物質を使用することができる。触媒は、炭素材料のような導電性担持体を使用した担持触媒、または無担持触媒を用いてもよい。
【００１５】
電解質膜１１７を構成するプロトン伝導性材料としては、例えばスルホン酸基を有するパーフルオロスルホン酸重合体といったフッ素系樹脂（商品名ナフィオン（デュポン社製）または商品名フレミオン（旭硝子社製）等）またはスルホン酸基を有する炭化水素系樹脂等の有機系材料、あるいはタングステン酸またはリンタングステン酸等の無機系材料が使用される。しかしながら、電解質膜１１７の材料は、これらに限定されるわけではない。
【００１６】
アノードガス拡散層１１２は、アノード触媒層１１１に燃料を均一に供給するとともに、アノード触媒層１１１の集電体としての役割を果たす。また、カソードガス拡散層１１５は、カソード触媒層１１４に酸化剤を均一に供給するとともに、カソード触媒層１１４の集電体としての役割を果たす。アノードガス拡散層１１２およびカソードガス拡散層１１５は多孔質基材で構成される。
【００１７】
導電層は、必要に応じてアノードガス拡散層１１２およびカソードガス拡散層１１５に積層される（図１には図示せず）。この導電層としては、例えばＡｕ、Ｎｉのような導電性金属材料から成る多孔質体（例えばメッシュ）、箔体、または薄膜、あるいはステンレス鋼（ＳＵＳ）などの導電性金属材料に金などの良導電性金属を被覆した複合材等が用いられる。また、電解質膜１１７と燃料分配機構１２との間、およびカバープレート１１８と電解質膜１１７との間には、それぞれゴム製のＯリング１１９が挟持されており、これらが発電部１からの燃料漏れおよび酸化剤漏れを防止している。カバープレート１１８には、酸化剤である空気を取り入れるための開口（図示せず）を設けることが出来る。カバープレート１１８とカソード１１６との間には、必要に応じて保湿層（図示せず）および／または表面層（図示せず）を設けることができる。保湿層とは、カソード触媒層１１４で生成された水の一部が含浸されて、水の蒸散を抑制すると共に、カソード触媒層１１４への空気の均一拡散を促進するものである。表面層とは、空気の取入れ量を調節するものであり、空気の取入れ量に応じて個数や大きさ等が調節された複数の空気導入口を有している。
【００１８】
燃料分配機構１２は、燃料電池セル１１のアノード（燃料極）１１３側に設けられる。燃料分配機構１２は、液体燃料の流路１３を介して燃料供給部２と接続されている。この流路１３を介して、燃料供給部２から液体燃料が燃料分配機構１２に供給される。この流路１３は、燃料分配機構１２と燃料供給部２とを積層して一体化する場合、これらを繋ぐ液体燃料の流路１３であってよく、また、燃料分配機構１２が流路１３を介して燃料供給部２と接続されていれば、その他の構造をとることができる。ただし、何れの構造をとる場合でも、後述するポンプ３、燃料遮断部４および多孔体５が流路１３に配置されている必要がある。
【００１９】
燃料分配機構１２は、図１に示すように、液体燃料が流入する少なくとも１個の燃料注入口１２１と、液体燃料やその気化成分を燃料電池セル１１に排出する複数個の燃料排出口１２２とを有する燃料分配板１２３を備えている。燃料分配板１２３の内部には、図１に示すように、燃料注入口１２１から導かれた液体燃料の通路となる細管１２４が設けられている。細管１２４は、例えば内径が０．０５〜５ｍｍの貫通孔であることが好ましい。複数の燃料排出口１２２は、燃料通路として機能する細管１２４にそれぞれ直接接続されている。燃料注入口１２１から燃料分配機構１２に導入された液体燃料は細管１２４に入り、燃料通路として機能する細管１２４を介して複数の燃料排出口１２２にそれぞれ導かれる。複数の燃料排出口１２２には、例えば液体燃料の気化成分のみを透過し、液体成分は透過させない気体分離体（図示せず）を配置してもよい。これによって、燃料電池セル１１のアノード（燃料極）１１３には液体燃料の気化成分のみが供給される。なお、気液分離体は燃料分配機構１２とアノード１１３との間に気液分離膜等として設置してもよい。液体燃料の気化成分は複数の燃料排出口１２２からアノード１１３の複数個所に向けて排出される。
【００２０】
さらに、燃料分配機構１２とアノード（燃料極）１１３との間には、発電部多孔体１２０を挿入することが有効である。発電部多孔体１２０の構成材料としては各種樹脂が使用され、多孔質の樹脂フィルム等が発電部多孔体１２０として用いられる。このような発電部多孔体１２０を配置することにより、燃料極１１３に対する燃料供給をより平均化することができる。すなわち、燃料分配機構１２の燃料排出口１２２から噴出した液体燃料は一旦発電部多孔体１２０に吸収され、発電部多孔体１２０の内部で面内方向に拡散する。この後、発電部多孔体１２０から燃料極１１３に燃料が供給されるため、燃料供給をより平均化することができる。
【００２１】
燃料分配機構１２から放出された燃料は、上述したように燃料電池セル１１のアノード（燃料極）１１３に供給される。燃料電池セル１１内において、燃料はアノードガス拡散層１１２にて拡散されアノード触媒層１１１に供給される。液体燃料としてメタノール燃料を用いた場合、アノード触媒層１１１で下記の式（１）に示されるメタノールの内部改質反応が生じる。  
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−  …（１）。
【００２２】
なお、純メタノールを使用した場合には、カソード触媒層１１４で生成される水および／または電解質膜１１７中の水をメタノールと反応させて式（１）の内部改質反応を生起させる。あるいは、水を必要としない他の反応機構により内部改質反応を生じさせる。
【００２３】
この反応で生成される電子（ｅ−）は集電体を経由して外部に導かれ、いわゆる電気として携帯用電子機器等を動作させた後、カソード（空気極）１１６に導かれる。また、式（１）の内部改質反応で生成したプロトン（Ｈ＋）は電解質膜１１７を経てカソード１１６に導かれる。カソード１１６には酸化剤として空気が供給される。カソード１１６に到達した電子（ｅ−）とプロトン（Ｈ＋）は、カソード触媒層１１４で空気中の酸素と下記の式（２）に従って反応し、この反応に伴って水が生成する。  
６ｅ−＋６Ｈ＋＋（３／２）Ｏ２  →  ３Ｈ２Ｏ  …（２）。
【００２４】
燃料供給部２は、燃料電池セル１１に対応した液体燃料が収容されている。燃料供給部２は、タンクの形態であって、外部から液体燃料を補給できるものであってよく、または、カートリッジの形態であって、燃料供給部２自体を、燃料が既に充填されたものへと交換できるものであってよい。燃料供給部２は、公知のものを使用することができる。燃料供給部２の素材としては、耐メタノール性を有する素材を使用することが好ましい。例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＣＯＣ（シクロオレフィンコポリマー）または燃料への金属イオンの溶出を防止するために表面処理などで対策しておけば金属材料を素材として使用することができる。特に、ＰＰＳを用いることが好ましい。
【００２５】
液体燃料としては、上記のように各種濃度のメタノール水溶液または純メタノール等のメタノール燃料を使用できる。しかしながら、その他の燃料を使用することも可能であり、例えば、エタノール水溶液または純エタノール等のエタノール燃料、プロパノール水溶液または純プロパノール等のプロパノール燃料、グリコール水溶液または純グリコール等のグリコール燃料、ジメチルエーテル、ギ酸、その他の燃料を使用することができる。いずれにしても、燃料供給部２には、燃料電池セル１１に対応した液体燃料が収容される。
【００２６】
ポンプ３は、燃料供給部２の液体燃料を発電部１へと送るために、燃料供給部２と発電部１とをつなぐ流路１３に設けられる。ポンプ３としては、ダイアフラムポンプ、ロータリーベーンポンプ、電気浸透流ポンプ又はしごきポンプ等を使用することができる。特に、圧電セラミックスを使用したダイアフラムポンプを使用することが好ましい。また、本発明の実施形態によれば、ポンプへの加圧が抑えられるため、従来使用されるポンプに比べて、より耐圧性の低いポンプを使用することが可能となる。例えば、従来使用されるポンプに比べて、より小型のもの、またはより精密なものを使用することができる。好ましくは、ポンプ３は、制御装置（ＣＴＲ）６によって送り出す流量を適宜調節される。この制御装置（ＣＴＲ）６は、アノード１１３およびカソード１１６に接続し、燃料電池セル１１から供給される電力により動作するものとすることができる。ポンプ３は、特に、燃料供給部で発生する圧力を逃がすために、燃料出口側が完全密閉にならないことが好ましい。すなわち、作動時および停止時において、発電部側に位置する出口が開放しているポンプ、または圧力（例えば、１ｋＰａ以下の圧力）を受けると開放するポンプを使用することが好ましい。
【００２７】
燃料遮断部４は、燃料供給部２とポンプ３とをつなぐ流路に設けられる。燃料遮断部４は、ポンプ停止時および異常発生時において、燃料供給部２からの液体燃料の流れを遮断し、さらに燃料供給部２からの圧力を受け止めることが可能である。特に、燃料遮断部４は、遮断バルブ４１とアクチュエーター４２とを含む構成とすることができる。この場合、アクチュエーター４２が作動して、遮断バルブ４１の開放と遮断が調節される。アクチュエーター４２は前述のような制御装置（ＣＴＲ）６によって制御される。
【００２８】
遮断バルブ４１は、既知のバルブを用いることが可能であるが、使用するポンプ３の耐圧性よりも高い耐圧性を有する。ここにいうポンプの耐圧性とは、ポンプの破損および外部への燃料の漏出が発生しない圧力を言う。
【００２９】
多孔体５は、ポンプ３と燃料遮断部４との間をつなぐ流路内部に充填される。多孔体５は、各種樹脂を素材とするものを使用することができる。特に、ＰＥ（ポリエチレン）、ＰＰ（ポリプロピレン）またはカーボンといった素材で出来た多孔体を用いることが好ましく、ポリエチレンの焼結体を多孔体として用いることが特に好ましい。多孔体５は、燃料の流れを完全に妨げない程度の気孔率を有している。特に、気孔率が５０％以下であることが好ましい。燃料供給部２に由来する圧力が生じた場合でも、多孔体５がその圧力を受け止め、ポンプ３および発電部１にそのまま圧力がかかることを防ぐ。
【００３０】
本発明による燃料電池は、停止時に燃料遮断部４を遮断状態となるように設計することで、外部温度の上昇による燃料供給部２の内圧の上昇が発生した場合でも、燃料供給部２から発電部１への燃料供給停止状態を保持することができる。それは、その圧力のポンプ３および発電部１等への影響を抑えることができる。また、本発明による燃料電池は、発電時において、発電部１より発生する熱により液体燃料が加熱され内圧が上昇した場合でも、一定の温度になると燃料遮断部４が流路を遮断するように設定することで、その圧力のポンプ３および発電部１等への影響を抑えることができる。このように、本発明による燃料電池では、主に燃料供給部２に由来する圧力のポンプ３および発電部１への影響を抑え、それによってポンプ３および発電部１の故障を抑制することができる。また、システム全体における燃料の漏出、特に流路とポンプ３との接続部および流路と発電部１との接続部からの燃料の漏出が抑制される。これらによって、燃料電池の信頼性が向上する。また、当該圧力の影響を抑えることが可能となるため、耐圧性の問題から従来の燃料電池では用いることが出来なかったような、更に小型で精密なポンプや発電部を使用できるようになり、燃料電池全体の小型化も可能となる。
【００３１】
図２（ａ）および（ｂ）を参照して、遮断バルブ４１の一例を示す。図２（ａ）および（ｂ）に示されるように、遮断バルブ４１は、遮断バルブユニット４１Ｕを有している。遮断バルブユニット４１Ｕは、主に３つの空間、すなわち、燃料供給部２から燃料が注入されるバルブ室４１１、流路分離可動室４１２、およびバルブ室４１１と流路分離可動室４１２とをつなぐ接続室ＣＮを有している。さらに、接続室ＣＮの壁面において、バルブ室４１１および流路分離可動室４１２の壁面よりも突出した凸部４１３を有している。
【００３２】
更に、遮断バルブ４１は、バルブ室４１１および流路分離可動室４１２に渡って配置される柱状のロッドＬＯＤ１を有している。ロッドＬＯＤ１は、柱状部Ａ、および柱状部Ａから突出してバルブ室４１１に存在するバルブヘッドＢを有している。柱状部Ａは、一方の端部を凸部４１３により保持され、反対側をバルブ室４１１に取り付けられた第１ホルダーＨＬ１により保持されている。第１ホルダーＨＬ１は、ロッドＬＯＤ１の軸方向と略同一の方向に開通しており、この開口が燃料注入口ＭＩＮとなる。また、第１ホルダーＨＬ１とバルブヘッドＢとの間には、弾性体が配置される。図２においては、この弾性体としてスプリングＳＰＲが、第１ホルダーＨＬ１とバルブヘッドＢとの間に挟持されている。また、凸部４１３とバルブヘッドＢとの間には、柱状部Ａを囲む状態でＯリングＲＮＧが配置される。一方、柱状部Ａの流路分離可動室４１２側の端部は、第２ホルダーＨＬ２に固定された可動膜ＦＬＭに接している。可動膜ＦＬＭは、第２ホルダーＨＬ２と流路分離可動室４１２の壁面との間に押圧されて固定されているため、流路分離可動室４１２の開口を封止している。第２ホルダーＨＬ２は、ロッドＬＯＤ１の軸方向と略同一の方向に開通してホールＨを形成しており、ホールＨを通して、アクチュエーター４２の可動ロッドＬＯＤ２が挿入されている。可動ロッドＬＯＤ２の先端は可動膜ＦＬＭに接している。
【００３３】
凸部４１３には、排出口ＭＯＵＴが設けられている。後述するように遮断バルブ４１が開放状態となったとき、燃料は、燃料注入口ＭＩＮから遮断バルブ４１内部に流入し、排出口ＭＯＵＴから排出される。一方、アクチュエーター４２が作動しておらず、遮断状態の場合は、スプリングＳＰＲが伸長する力によりバルブヘッドＢを介してＯリングＲＮＧが凸部４１３に押さえつけられている。これにより流路が遮断され、燃料注入口ＭＩＮから流入した燃料はバルブ室４１１に止められる。このように遮断状態となっていれば、燃料供給部２に由来する圧力が発生しても、その圧力はスプリングＳＰＲが伸長する力を補助する方向に働くため、より確実に燃料の流れが遮断される。
【００３４】
可動膜ＦＬＭは、中央部ＦＬＭ１とその周囲を囲むリング状の端部ＦＬＭ２とを有している。この端部ＦＬＭ２によって、可動膜ＦＬＭは第２ホルダーＨＬ２に固定されている。可動膜ＦＬＭは、例えば、耐メタノール性を有するＥＰＤＭ（エチレン−プロピレン−ジエンゴム）によって形成される。しかしながら、可動膜の材質についてはＥＰＤＭに限らずＶＭＱ（シリコーンゴム）、ＦＶＭＱ（フロロシリコーンゴム）、ＦＫＭ（フッ素ゴム）、ＮＢＲ（ニトリルゴム）、ＨＮＢＲ（水素化ニトリルゴム）が好適に用いられる。また、端部ＦＬＭ２について上記列挙した材質を好適に用い、中央部ＦＬＭ１に関しては耐メタノール性を有した樹脂、例えばＰＥＩ（ポリエーテルイミド）、ＰＩ（ポリイミド）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）等のフィルムを使用し、フィルム上にリップ形状の端部ＦＬＭ２を形成した構成としてもよい。図２（ａ）および（ｂ）に示されるように、端部ＦＬＭ２の断面を円形として、その径を中央部ＦＬＭ１の厚さよりも大きくすることができる。また、端部ＦＬＭ２の断面は、円形に限らず、シール面圧を高めるために略ひし形としてもよい。
【００３５】
図２（ｂ）に開放状態を示す。アクチュエーター４２が作動して可動ロッド２が突出すると、可動膜ＦＬＭを介してロッドＬＯＤ１が押圧され、スプリングＳＰＲを圧縮しつつスライドする。このスライドによって、ＯリングＲＮＧは凸部４１３から離れ、バルブ室４１１と接続室ＣＮとが開通し、燃料注入口ＭＩＮから流入した燃料が排出口ＭＯＵＴに向けて流れることが可能となる。すなわち、アクチュエーター４２の作動により、遮断バルブ４１内部の燃料流路が遮断した状態と開放した状態とに切り替えることが可能となる。
【００３６】
スプリングＳＰＲは、燃料流路内に配置され燃料に接液するため、表面処理が施されたものを使用することが好ましい。具体的には、ステンレス系のスプリングに対し不動態化処理を行い、耐食性を高めたものが好ましい。表面処理に関しては不動態化処理に限らず、金などの貴金属めっきやフッ素系樹脂などの樹脂コーティングが好適に用いられる。また、素材としてカーボンを用いたバネを使用することもできる。
【００３７】
アクチュエーター４２としては、その動作を電気信号で制御することが可能な電気駆動のものを使用することができる。例えば、ステッピングモーターが使用できる。しかしながら、電気駆動のものに限られず、手動により可動ロッドＬＯＤ２を作動させる構成とすることもでき、また、電気駆動および手動の両方によって作動できる構成とすることができる。なお、アクチュエーター４２の可動ロッドＬＯＤ２が可動膜ＦＬＭを押圧する力は、可動膜ＦＬＭの可動ロッドＬＯＤ２を押し返そうとする反力と、スプリングＳＰＲが伸張する力と、所定の温度での液体燃料の蒸気によるバルブ室４１１内の圧力との和を越える力となる必要がある。
【００３８】
また、可動膜ＦＬＭは、図２（ａ）および（ｂ）に示されるような平面的な円盤の形状のものに限られない。例えば、図３（ａ）および（ｂ）に示されるように、その中央部ＦＬＭ１が流路分離可動室４１２側に凹んだ曲面を有したものを使用できる。この場合、アクチュエーター４２の可動ロッドＬＯＤ２が可動膜ＦＬＭを押圧していない状態であっても、可動膜ＦＬＭは流路分離可動室４１２側に凹んでいる。アクチュエーター４２の可動ロッドＬＯＤ２が突出した際には、ロッドＬＯＤ１が可動膜ＦＬＭを介して第１ホルダーＨＬ１側に押圧されるが、このとき、可動膜ＦＬＭがあらかじめ流路分離可動室４１２側に凹んでいるため、可動ロッドＬＯＤ２が可動膜ＦＬＭを流路分離可動室４１２側に押し付ける負荷が小さくなる。また、図４（ａ）および（ｂ）に示されるように、その中央部ＦＬＭ１がベローズ形状のものを使用することができる。この場合、可動膜ＦＬＭの中央部ＦＬＭ１は、可動ロッドＬＯＤ２に当接した第１部分Ｆ１と、第１部分Ｆ１と端部ＦＬＭ２とを接続する第２部分Ｆ２とを有している。さらに、第２部分Ｆ２はロッドＬＯＤ１の軸方向における中央部分において外側に折れ曲がっている。可動膜ＦＬＭがこのようなベローズ形状を有することによって、可動膜ＦＬＭが可動ロッドＬＯＤ２の移動により押圧されることによって容易に変形するようになっており、アクチュエーター４２の可動ロッドＬＯＤ２に対する負荷を減少させることが可能である。
【００３９】
また、燃料遮断部４を構成する遮断バルブ４１として、上述した遮断バルブ４１だけでなく、別の形態のものを使用することができる。例えば、図５から図７に示されるような遮断バルブ４１を使用することができる。これらの遮断バルブ４１では、上述の遮断バルブ４１と比較して、遮断バルブユニット４１Ｕのバルブ室４１１の壁面に燃料注入口ＭＩＮが設けられている。一方、第１ホルダーＨＬ１は燃料注入口ＭＩＮとなる開口を有しておらず、代わりに凹部ＲＣＳを形成している。アクチュエーター４２が作動し、可動ロッドＬＯＤ２が可動膜ＦＬＭを介してロッドＬＯＤ１が移動したとき、ロッドＬＯＤ１の端部は第１ホルダーＨＬ１の凹部ＲＣＳの底部に接するようにすることができる。このような遮断バルブ４１を用いた場合でも、遮断状態において、燃料供給部２に由来して発生する圧力がスプリングＳＰＲの伸長する力を補助する方向に働くため、燃料の流れの遮断がより確実なものとなる。そして、このような遮断バルブ４１を用いた場合でも、アクチュエーター４２の作動により、遮断バルブ４１内部の燃料流路が遮断した状態と開放した状態とに切り替えることが可能となる。
【実施例】
【００４０】
以下に、実施例に基づいて本発明の効果を説明する。
【００４１】
本発明による燃料電池、および構成を変化させた各種燃料電池について、発生する圧力のポンプへの影響を比較した。
【００４２】
[実施例]
本発明による燃料電池として、図１に示される燃料電池に図２に示される燃料遮断部を組み合わせたものを使用した。特に、ポンプは、圧電セラミックスを使用したダイアフラムポンプを使用した。このポンプは１００ｋＰａ以上の圧力が受けると、圧電セラミックスが割れる可能性が高いことがわかっている。このダイアフラムポンプの入口および出口には、燃料の送液方向に開放する逆止弁が設けられており、燃料が燃料遮断部へと流れる方向に圧力を受けても燃料は流れないが、燃料が発電部へと流れる方向に圧力を受けた場合に、１ｋＰａ以下の圧力で弁が開くようになっている。また、燃料遮断部におけるアクチュエーターは、ステッピングモーターを使用した。多孔体５としてはポリエチレンの焼結体から成るものを用いた。
【００４３】
実施例による燃料電池の各構成部分の配置は、図１に示される通り、発電部１と燃料供給部２とをつなぐ流路の間にポンプ３を配置し、ポンプ３と燃料供給部２との間に燃料遮断部４を配置し、更にポンプ３と燃料遮断部４との間の流路内部に多孔体５を充填させた配置とした。すなわち、発電部１、ポンプ３、充填された多孔体５、燃料遮断部４および燃料供給部２の順番で、各構成部分が流路を介して繋がっている。
【００４４】
このような燃料電池を１００個作製し、実験に用いた。
【００４５】
[比較例１]
比較例１として、ポンプと燃料遮断部との配置を逆にした以外は、実施例と同一の燃料電池を使用した。ポンプおよび燃料遮断部の流路に対する接続方向は、それぞれ実施例と同一である。発電部１、燃料遮断部４、充填された多孔体５、ポンプ３および燃料供給部２の順番で、各構成部分が流路を介して繋がったものとなっている。このような燃料電池を１００個作製し、実験に用いた。
【００４６】
[比較例２]
比較例２として、多孔体５を流路に充填しない以外は、実施例と同一の燃料電池を使用した。すなわち、ポンプ３と燃料遮断部４との間の流路は、その他の流路と同様に何も充填されていない。発電部１、ポンプ３、燃料遮断部４および燃料供給部２の順番で、各構成部分が流路を介して繋がったものとなっている。このような燃料電池を１００個作製し、実験に用いた。
【００４７】
[実験]
上記の実施例、比較例１および比較例２による燃料電池の各々１００個について、燃料供給部にメタノールを注入し、燃料遮断部を遮断状態としたまま７０℃雰囲気に５時間保管した。その後、７０℃雰囲気を維持して燃料遮断部を開放状態とした。この結果、ポンプの圧電セラミックスが破損し、ポンプが作動しなくなった燃料電池の個数を計測した。
【００４８】
[結果]
上記の実験の計測結果は、以下の表１に要約される。
【表１】
2010003516.tif 000003
【００４９】
実施例では、１００個の燃料電池のうち全ての燃料電池において圧電セラミックスの破損が起こらず、ポンプは正常に動作した。それに対して、比較例１および２では、それぞれ９２個および８６個の燃料電池において、圧電セラミックスの破損が生じ、ポンプが作動しなくなった。
【００５０】
比較例１との比較から、本発明の燃料電池では、燃料遮断部４および多孔体５が、燃料供給部２とポンプ３との間に介在することで、発生する圧力からポンプ３を保護していることがわかる。また、比較例２との比較から、本発明の燃料電池では、燃料遮断部４とポンプ３とを繋ぐ流路に多孔体５が充填されることで、圧力が上昇した状態で燃料遮断部４が開放状態となった場合でも、その圧力を穏やかに伝えることでポンプ３の破損が防止されることがわかる。以上より、本発明によって、より安全で信頼性の高い燃料電池を実現できることが示された。
【００５１】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【００５２】
また、発電部へ供給される液体燃料は、全て液体燃料の蒸気を供給してもよいが、一部が液体状態で供給される場合であっても本発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の一実施形態に係る、燃料電池の構成を示す図。
【図２】本発明の燃料電池における、燃料遮断部の１例を示す断面図。
【図３】本発明の燃料電池における、燃料遮断部の１例を示す断面図。
【図４】本発明の燃料電池における、燃料遮断部の１例を示す断面図。
【図５】本発明の燃料電池における、燃料遮断部の１例を示す断面図。
【図６】本発明の燃料電池における、燃料遮断部の１例を示す断面図。
【図７】本発明の燃料電池における、燃料遮断部の１例を示す断面図。
【符号の説明】
【００５４】
１…発電部、１１…燃料電池セル、１１１…アノード触媒層、１１２…アノードガス拡散層、１１３…アノード（燃料極）、１１４…カソード触媒層、１１５…カソードガス拡散層、１１６…カソード（空気極または酸化剤極）、１１７…電解質膜、１１８…カバープレート、１１９…Ｏリング、１２０…発電部多孔体、１３…流路、２…燃料供給部、３…ポンプ、４…燃料遮断部、４１…遮断バルブ、４１Ｕ…遮断バルブユニット、４１１…バルブ室、４１２…流路分離可動室、４１３…凸部、４２…アクチュエーター、ＣＮ…接続室、ＭＩＮ…注入口、ＭＯＵＴ…排出口、ＦＬＭ…可動膜、ＦＬＭ１…中央部、ＦＬＭ２…端部、ＬＯＤ１…ロッド、Ａ…柱状部、Ｂ…バルブヘッド、ＲＣＳ…凹部、ＲＮＧ…オーリング、ＳＰＲ…スプリング、ＬＯＤ２…可動ロッド、ＨＬ１…第１ホルダー、ＨＬ２…第２ホルダー、Ｈ…ホール、５…多孔体、６…制御装置（ＣＴＲ）
【図１】
2010003516.tif 000004
【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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