(57)【要約】【課題】電力に依存せずに燃料の供給を制御でき、制御装置等の消費電力を低減できる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を有する膜電極接合体と、前記燃料極１１３と流路を介して接続された燃料供給部２と、一部が前記膜電極接合体の発熱部に固定され、熱を受けて変形することで、前記膜電極接合体への燃料供給量を調整する形状記憶合金５とを備えた燃料電池。【選択図】図１
2010027467.tif 000002
【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、
一部が前記膜電極接合体の発熱部に固定され、熱を受けて変形することで、前記膜電極接合体への前記燃料供給部からの燃料供給量を調整する形状記憶合金と
を備えたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
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、
をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記形状記憶合金がワイヤー状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】
前記形状記憶合金の一部が前記燃料遮断部に固定されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記形状記憶合金の一部が流路に固定されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記形状記憶合金が、前記流路に巻きつけられて固定されていることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池。
【請求項７】
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】
ＤＭＦＣでは、燃料であるメタノールが発電部に過剰に供給された場合、発電部、特にカソードが、異常に発熱する危険性がある。このような燃料の過剰供給による発熱を防ぐため、発電部の温度を検出して燃料供給量を制御する装置を備えた燃料電池が作製されている。しかしながら、このような制御装置が故障することも考えられるため、このような装置を備えたとしても、安全性が確保されたとは言いがたい。
【０００５】
また、上記制御装置は、通常発電時においても、温度に応じて常に供給量を制御する。そのため、発電部による電力または独立した外部電源の電力を消費する。燃料電池の出力の増大および小型化のために、このような制御装置等の消費電力を低下させる必要性も存在する。
【０００６】
特許文献１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、特許文献１は燃料と酸化剤との反応による加熱により動作するバルブ等を用い、燃料漏れによる問題を解決するものであり、燃料が過剰に供給された場合の異常発熱を防ぐものではない。
【特許文献１】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】
本発明の目的は、電力に依存せずに燃料の供給を制御でき、制御装置等の消費電力を低減できる燃料電池を提供することにある。
【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、一部が前記膜電極接合体の発熱部に固定され、熱を受けて変形することで、前記膜電極接合体への前記燃料供給部からの燃料供給量を調整する形状記憶合金とを備えた燃料電池が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によると、電力に依存せずに燃料の供給を制御でき、制御装置等の消費電力を低減できる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。
【００１１】
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池を示す構成である。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および形状記憶合金５を有する。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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、および燃料遮断部４が流路１３に配置されている必要がある。
【００２０】
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。
【００２１】
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、多孔質状態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。
【００２２】
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）。
【００２３】
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。
【００２４】
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）。
【００２５】
燃料電池セル１１はカバープレート１１８を有しており、カバープレート１１８の一辺上の一点にワイヤー状の形状記憶合金５の一端が固定され、形状記憶合金５はカバープレート１１８に接触して対向する辺の方向に延びるように配置されている。カバープレート１１８の熱を効率よく伝達させるために、適宜接触部分を工夫することができる。例えば、形状記憶合金５をカバープレート１１８表面に蛇行するように固定でき、接触面積を大きくすることができる。カバープレート１１８の素材は、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの樹脂を用いることができるが、熱電導性を考慮して、例えばステンレスのような金属材料で形成することが好ましい。
【００２６】
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（ポリフェニレンサルファイド）を用いることが好ましい。
【００２７】
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。
【００２８】
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。しかしながら、これらに限定されず、当該分野で使用されるあらゆるポンプが使用できる。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。
【００２９】
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、流路を遮断または開放することによって、燃料供給部２からの液体燃料の流れを調節する。特に、発電部１が異常発熱した場合に、流路を遮断して液体燃料の送液を止める又は低下させることによって、それ以上の発熱を抑えることができる。
【００３０】
燃料遮断部４の構造について説明する。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）によって制御されるものと出来る。さらに、燃料遮断部２には形状記憶合金５が接続され、形状記憶合金５によっても流路の遮断の調節が行われる。
【００３１】
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。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、燃料供給部２から燃料が注入されるバルブ室４１１、バルブ室４１１の壁面よりも突出した凸部４１３、および凸部４１３に囲まれた狭小部４１２を有している。バルブ室４１１壁面は、燃料供給部２から燃料が流入する燃料注入口ＭＩＮを有し、狭小部４１２には、遮断バルブ内に流入した燃料の出口となる排出口ＭＯＵＴが設けられている。
【００３２】
更に、遮断バルブ４１は、バルブ室４１１および狭小部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。バルブ室４１１は、その凸部４１３と反対に位置する面が可動膜ＦＬＭによって封入されている。可動膜ＦＬＭは、ホルダーＨＬとバルブ室４１１の壁面との間に固定されている。このため、燃料の流出入は、燃料注入口ＭＩＮおよび排出口ＭＯＵＴを通るもののみに限定される。ロッドＬＯＤ１は、柱状部Ａの一端が可動膜ＦＬＭに接する。ロッドＬＯＤ１は、可動膜ＦＬＭと、バルブロッドＢが接するバルブ室４１１の壁面と、柱状部Ａの可動膜ＦＬＭと反対側部分が接する狭小部４１２の壁面とによって支えられている。しかしながら、バルブヘッドＢとバルブ室４１１の壁面との間、および柱状部Ａと狭小部４１２の壁面との間は、完全に接触するわけではなく、液体燃料が流入可能な程度に隙間を有している。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。さらに、ロッドＬＯＤ１には、可動膜ＦＬＭと接する面と反対の端に凹部が形成されており、この凹部と、狭小部４１２の壁面に設けられた凹部との間にスプリングＳＰＲが設けられている。
【００３３】
ホルダーＨＬには開口が設けられており、その開口からスライダーＳＬＤのスライダー柱状部ＳＬＤ２が挿入され、可動膜ＦＬＭに接している。スライダー柱状部ＳＬＤ２は、可動膜ＦＬＭを介してロッドＬＯＤ１に接している。また、図１図示の発電部１のカバープレート１１８の端部から延びるワイヤー状の形状記憶合金５が、スライダーＳＬＤのスライダーヘッドＳＬＤ１の外面に接して配置され、形状記憶合金５の他端はホルダーＨＬの外面上の一点に固定されている。さらに、スライダーヘッドＳＬＤ１には、アクチュエーター４２の可動ロッドＬＯＤ２が接している。
【００３４】
次に、燃料遮断部４の機構について説明する。遮断バルブ開放時において、燃料注入口ＭＩＮから流入した液体燃料は、バルブ室４１１および狭小部４１２を通過し、排出口ＭＯＵＴから排出される（図２（ａ））。一方、遮断バルブ遮断時において、燃料注入口ＭＩＮから流入した液体燃料は、バルブ室４１１に留まり、排出口ＭＯＵＴから排出されることはない（図２（ｂ））。それぞれの状態を具体的に説明すると、開放時（ａ）においては、スプリングＳＰＲが伸長する力によって、ロッドＬＯＤ１が可動膜ＦＬＭ方向に押され、ＯリングＲＮＧと凸部４１３との間が開通する。そのため液体燃料はバルブ室４１１に留まることなく、狭小部４１２を通り、排出口ＭＯＵＴより排出される。それに対して、遮断時（ｂ）においては、アクチュエーター４２の作動および／または形状記憶合金５の作動によって、スライダーＳＬＤは、遮断バルブ４１内部へとスライドし、さらに可動膜ＦＬＭを介してロッドＬＯＤ１を狭小部４１２方向へとスライドさせる。このスライドによって、ＯリングＲＮＧが凸部４１３に接近または接触し、バルブ室４１１と狭小部４１２との間の連通が遮断され、液体燃料はバルブ室４１１に留まる。ここにおいて、アクチュエーター４２の作動とは、スライダーＳＬＤを遮断バルブ方向に押し込むよう可動ロッド２を動作させる動きである。また、ここにおいて、形状記憶合金５の作動とは、カバープレート１１８の熱を受けて変形し、スライダーＳＬＤを遮断バルブ方向に押し込むよう可動ロッド２を動作させる動きである。アクチュエーター４２および形状記憶合金５のスライダーＳＬＤを押す力は、それぞれ、スプリングＳＰＲの伸長する力と可動膜ＦＬＭのスライダーを押し返す力との和を越える力である。また、スプリングＳＰＲの伸長する力は、液体燃料がバルブヘッドＢを押す圧力を超える力であり、かつ、アクチュエーター４２および／または形状記憶合金５が作動しない状態において、ロッドＬＯＤ１を押戻す力である。
【００３５】
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はホルダーＨＬ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。
【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。
【００３８】
形状記憶合金５は、ワイヤー状のものを使用することが好ましいが、その他の形態のものを使用することも出来る。例えば、カバープレート１１８から発生する熱を効率よく吸収するため、カバープレート１１８との接触面を平板状にし、接触面積を大きくすることもできる。また、形状記憶合金５を接触させる部材はカバープレート１１８に限らず、膜電極接合体の発熱部であればいずれの部材であってもよい。形状記憶合金５の素材としては、チタン−ニッケル合金、鉄−マンガン−ケイ素合金、銅−亜鉛−アルミニウム合金、チタン−ニッケル−鉄合金およびチタン−ニッケル−銅合金等が使用できる。形状記憶合金５が変形する温度は、燃料電池の設計と形状記憶合金を配置する位置に合わせて適宜設定することが好ましい。そのような好ましい温度は、４５℃から７０℃の間の温度であり、特に６０℃から６５℃の間の温度で変形する形状記憶合金５の使用が好ましい。また、形状記憶合金５がスライダーＳＬＤを押し込む機構は、図２に示される機構に限られない。カバープレート１１８からの熱を受けて形状記憶合金５が変形し、その変形する力によってスライダーＳＬＤが押し込まれる機構であればよい。従って、スライダーＳＬＤに樹脂等のワイヤーが固定され、形状記憶合金５が変形する力でその樹脂等のワイヤーが引っ張られスライダーＳＬＤが押し込まれる機構であってもよい。
【００３９】
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がバルブ室４１１側に凹んだ曲面を有したものを使用できる。この場合、スライダーＳＬＤが可動膜ＦＬＭを押圧していない状態であっても、可動膜ＦＬＭはバルブ室４１１側に凹んでいる。スライダーＳＬＤが突出した際には、ロッドＬＯＤ１が可動膜ＦＬＭを介して狭小部４１２側に押圧されるが、このとき、可動膜ＦＬＭがあらかじめバルブ室４１１側に凹んでいるため、スライダーＳＬＤが可動膜ＦＬＭをバルブ室４１１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、スライダーＳＬＤ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がスライダーＳＬＤ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、スライダーＳＬＤに対する負荷を減少させることが可能である。
【００４０】
図５は、本発明の一実施形態である燃料電池を示す断面図である。図１による実施形態と同様に、発電部１、燃料供給部２、ポンプ３および燃料遮断部４を有するが、発電部１のカバープレート１１８からのびる形状記憶合金５が、発電部１とポンプ３との間の流路１３に直接固定されている。
【００４１】
図５による実施形態における、発電部１、燃料供給部２、ポンプ３および任意に設けられる制御装置ＣＴＲは、図１による実施形態において説明される各部と同様である。燃料遮断部４には、形状記憶合金５が接続されていない。すなわち、図２、３および４に示される燃料遮断部４から形状記憶合金５が外された状態の燃料遮断部を使用できる。さらに、これらからスライダーＳＬＤを除き、アクチュエーター４２の可動ロッドＬＯＤ２が直接、可動膜ＦＬＭに接する燃料遮断部を使用することができる。しかしながら、図２、３および４に示されるような燃料遮断部に限らず、当該分野で既知のバルブなどを使用することができる。
【００４２】
図５に示されるように、ワイヤー状の形状記憶合金５の一端が流路に巻きつけられており、熱を感知して流路を狭窄するように変形することで遮断するものとできる。流路は、形状記憶合金５の変形する力によって燃料の流れが遮断されるように、軟質の素材とすることができる。例えば、ゴムまたはシリコンによって作製することができる。特に、素材としては、ＥＰＤＭ（エチレン−プロピレン−ジエンゴム）を用いることが好ましい。流路の内径は直径１ｍｍ、外径は直径１．５〜２．０ｍｍとすることができる。なお、本願で使用する「遮断」という用語は、開通を完全に封鎖することに加えて、開通を狭めて通過する液体燃料の量を低下させることを含むものとする。
【００４３】
また、カバープレート１１８からのびる形状記憶合金５を流路遮断部６および流路１３の両方に接続し、形状記憶合金５による燃料供給量の調節を、燃料遮断部４および流路１３の両方にて行う構成にすることも可能である。
【００４４】
本発明による燃料電池によると、発電部１で発生する熱を受けて、形状記憶合金５が液体燃料の流量を調節する。具体的には、一定温度以上となると、形状記憶合金５が変形し、燃料遮断部４のバルブを遮断して、または流路１３を狭窄して、燃料供給を停止または低下させる。形状記憶合金５は、このような機能によって、発電部１が異常発熱した場合に燃料供給を停止させる緊急停止用の安全装置として機能し、または、通常発電時において、制御装置ＣＴＲ６およびアクチュエーター４２の作動を補助しそれらの消費電力を抑える機能を果たす。前者の機能は、制御装置ＣＴＲ６が故障した場合にも働き、発電部１の異常発熱を有効に防止できる。後者の機能のためには、何℃に上昇すると遮断動作の指令を送るかという制御装置ＣＴＲの設定温度と、形状記憶合金５の変化温度とを、互いに考慮して設定することが有効である。例えば、制御装置ＣＴＲ６が当該指令を送る温度よりも、形状記憶合金５の変化温度を低く設定することで、制御装置ＣＴＲ６に優先して形状記憶合金５が作動し、それによって制御装置ＣＴＲ６およびアクチュエーター４２の動作が低減され、消費電力の低減につなげることが可能である。また、形状記憶合金５の変化時の温度を高く設定することで、通常発電時の温度範囲では作動せず、その温度範囲を大きく超え緊急停止が必要になった場合のみに遮断するよう作動させることもできる。本発明によって、電力に依存しない燃料制御安全装置を具備し、更に制御装置ＣＴＲ等による電力消費を抑えることが可能な燃料電池の提供が可能となる。
【実施例】
【００４５】
以下に、実施例に基づいて本発明の効果を説明する。
【００４６】
本発明による燃料電池によって、制御装置ＣＴＲ６およびアクチュエーター４２による電力消費量を低下させることができることを確認した。
【００４７】
[実施例]
図１による実施形態の燃料電池および図５による実施形態の燃料電池を用意した。特に、燃料遮断部４は、図２による遮断バルブを用い、アクチュエーター４２としてステッピングモーターを用いた。当該ステッピングモーターを制御する制御装置ＣＴＲ６は、サーミスタによって発電部１のカソード１１６の表面付近温度をモニターして、定常運転時は７０℃を超えると遮断バルブ４１を遮断し、６５℃を下回ると遮断バルブ４１を開放するように設定した。形状記憶合金５は、６０℃以上で変形するものを用いた。
【００４８】
[比較例]
また、比較例として、形状記憶合金５を具備しない以外は実施例の燃料電池と同様のものを用意した。
【００４９】
[実験]
上記の実施例および比較例の燃料電池を、２４時間運転させ、その際の制御装置ＣＴＲ６およびステッピングモーターの消費電力を測定した。
【００５０】
[結果]
比較例における当該消費電力は約５０ｍＷであったのに対し、実施例における当該消費電力は約５ｍＷとなった。
【００５１】
実施例による燃料電池では、カソード１１６の温度が７０℃に到達する前に、形状記憶合金５が作動する様子が確認された。それによって燃料供給量が調節され、ステッピングモーターの作動回数も、比較例に比べると少なかった。その結果として、実施例による燃料電池の消費電力が、比較例の１／１０程度に低減されたと考えられる。
【００５２】
本発明による燃料電池は、確かに制御装置ＣＴＲ６およびアクチュエーター４２の消費電力を低減させることが確認された。
【００５３】
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。
【００５４】
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】
【００５５】
【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】本発明の一実施形態に係る、燃料電池の構成を示す図。
【符号の説明】
【００５６】
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…狭小部、４１３…凸部、４２…アクチュエーター、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、ＲＮＧ…Ｏリング、ＳＰＲ…スプリング、ＬＯＤ２…可動ロッド、ＨＬ…ホルダー、ＨＬ２…第２ホルダー、５…形状記憶合金、６…制御装置（ＣＴＲ）。
【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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