(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極および酸化剤極と、
前記燃料極に液体燃料を供給する燃料供給路と、
酸化剤を前記酸化剤極に供給する酸化剤供給路と、
形状変化することにより前記酸化剤供給路を開閉可能とする開閉部材と、
を具備し、
前記開閉部材は、形状変化することにより、前記酸化剤極を覆い、前記酸化剤供給
路を閉止する燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記開閉部材と酸化剤極とにより形成される閉空間に気体を導く気体導入部を備え、
前記閉空間に気体を導くことにより、前記酸化剤極から前記開閉部材を離脱させ前
記酸化剤供給路を開放する燃料電池。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記開閉部材が膨張収縮可能な袋状体である燃料電池。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池において、
前記袋状体に気体を導入する気体導入手段を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池において、
前記気体導入部は、前記酸化剤を前記袋状体に導入する燃料電池。
【請求項６】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記開閉部材が熱膨張率の相違する２枚以上の板状部材が組み合わされたプレート
である燃料電池。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池において、
前記プレートが金属製の板状部材と樹脂製の板状部材とが組み合わされたプレート
である燃料電池。
【請求項８】
請求項６に記載の燃料電池において、
前記プレートが金属製の板状部材が組み合わされたプレートである燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池および燃料電池の運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料極および酸化剤極と、これらの間に設けられた電解質膜とを備え、燃料極には燃料が、酸化剤極には酸化剤が供給されて電気化学反応により発電する。燃料としては、一般的には水素が用いられるが、近年、安価で取り扱いの容易なメタノール等のアルコールを燃料として直接利用する直接型の燃料電池の開発も盛んに行われている。【０００３】
燃料として水素を用いた場合、燃料極での反応は以下の式（１）のようになる。
３Ｈ２  →  ６Ｈ＋  ＋  ６ｅ−    （１）【０００４】
燃料としてメタノールを用いた場合、燃料極での反応は以下の式（２）のようになる。
ＣＨ３ＯＨ  ＋  Ｈ２Ｏ  →  ６Ｈ＋  ＋  ＣＯ２  ＋  ６ｅ−  （２）【０００５】
また、いずれの場合も、酸化剤極での反応は以下の式（３）のようになる。
３／２Ｏ２  ＋  ６Ｈ＋  ＋  ６ｅ−  →  ３Ｈ２Ｏ    （３）【０００６】
特に、直接型の燃料電池では、アルコール水溶液から水素イオンを得ることができるので、改質器等が不要になり、小型化および軽量化を図ることができる。また、液体のアルコール水溶液を燃料とするため、エネルギー密度が非常に高いという利点がある。【０００７】
特開２００２−２１６８２３号公報には、燃料電池の空気極へ空気を供給する空気供給ラインおよび空気極から空気を排出する空気排出ラインに、燃料電池停止時に空気の流通を閉止する手段を備えた燃料電池が開示されている。これの従来例によれば、燃料電池の運転停止中における電解質の乾燥を防ぐことができる。【０００８】
しかし、燃料としてメタノール等の液体燃料を用いた直接型の燃料電池では、酸化剤極が開放された構成となっていると、燃料電池停止中に燃料が電解質膜を通過して酸化剤極側から蒸発してしまうという問題を有していた。
【発明の開示】
【０００９】
本発明の目的は、簡易な構造で燃料の無駄な蒸発が抑制されることができる燃料電池を提供することにある。
【００１０】
本発明では、燃料電池は、燃料極および酸化剤極と、燃料極に液体燃料を供給する燃料供給路と、酸化剤を酸化剤極に供給する酸化剤供給路と、形状変化することにより酸化剤供給路を開閉とする開閉部材とを有する。開閉部材の形状変化により、酸化剤供給路の開閉が調節される。この結果、簡易な構造で、燃料極側から酸化剤極側への燃料などの物質の移動を抑制することができ、燃料電池の運転中止中における燃料の無駄な蒸発を抑制することができる。ここで、形状変化とは、開閉部材の体積の膨張収縮、湾曲などをいう。液体燃料には、霧状の燃料、蒸気状の燃料も含まれるが、液体燃料であるときに最も有効である。酸化剤供給路とは、酸化剤を供給する管だけでなく、酸化剤供給路と酸化剤極が接する部分も含まれている。
【００１１】
また、開閉部材は、形状変化することにより、酸化剤極を覆い、酸化剤供給路を閉止するように構成されていてもよい。あるいは、開閉部材と酸化剤極とにより構成される閉空間に気体を導く気体導入部を備え、上記閉空間に気体を導くことにより、酸化剤極から開閉部材を離脱させ酸化剤供給路を開放するように構成されていてもよい。また、開閉部材は膨張収縮可能な袋状体であってもよく、袋状体に酸化剤などの気体を導入する気体導入手段が備えられていてもよい。これにより、袋状体への酸化剤などの気体の注入および注出によって、開閉部材が膨張および収縮されることとなる。この結果、簡易な構造で、燃料極側から酸化剤極側への燃料などの物質の移動を抑制することができ、燃料電池の運転停止中における燃料の無駄な蒸発を抑制することができる。
【００１２】
また、開閉部材は熱膨張率の相違する２枚以上の板状部材が組み合わされたプレートであってもよく、プレートは金属製の板状部材と樹脂製の板状部材の組み合わせであっても、金属製の板状部材の組み合わせであってもよい。ここで、プレートは熱膨張率の相違する板状部材の組み合わせであることにより、燃料電池の稼動中には温度が高いため、プレートは湾曲した形状を有して酸化剤極が開放され、燃料電池の運転停止中には温度が低いため、上記プレートは直線状の形状を有して酸化剤極が覆われる。この結果、簡易な構造で、燃料極側から酸化剤極側への燃料などの物質の移動を抑制することができ、燃料電池の運転停止中における燃料の無駄な蒸発を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明における燃料電池の構成を模式的に示す断面図である。
【図２Ａ】本発明の第１実施例による燃料電池において、運転時にバルーンが収縮している様子を示す図である。
【図２Ｂ】本発明の第１実施例による燃料電池において、停止時にバルーンが膨張した様子を示す図である。
【図２Ｃ】本発明の第１実施例の変形例による燃料電池の酸化剤流路の排気口近傍に設けられたバルーンが収縮している様子を示す図である。
【図２Ｄ】本発明の第１実施例の変形例による燃料電池の酸化剤流路の排気口近傍に設けられたバルーンが膨張している様子を示す図である。
【図３】本発明の第1実施例における開閉部材の制御システムを示すブロック図である。
【図４Ａ】本発明の第２実施例による燃料電池において、運転時に接合板が湾曲する様子を示す図である。
【図４Ｂ】本発明の第２実施例による燃料電池において、停止時に接合板が伸張した様子を示す図である。
【図４Ｃ】本発明の第２実施例の変形例による燃料電池において、酸化剤流路の外部にヒータが設けられた燃料電池を示す図である。
【図４Ｄ】本発明の第２実施例の変形例による燃料電池において、酸化剤流路の外部にヒータが設けられた燃料電池を示す図である。
【図５Ａ】本発明の第３実施例による燃料電池において、運転時に弾性体シートが収縮している様子を示す図である。
【図５Ｂ】本発明の第３実施例による燃料電池において、停止時に弾性体シートが膨張した様子を示す図である。
【図６】本発明の第３実施例における開閉部材の制御システムを示すブロック図である。
【図７】本発明の第１実施例の変形例における開閉部材の構成を模式的に示した断面図である。
【図８】本発明の第１実施例の他の変形例における開閉部材の構成を模式的に示した断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施例について、図面を用いて説明する。なお、すべての図面において、同様の構成要素には同一符号を付し、以下の説明において詳細な説明を適宜省略する。【００１５】
本発明の実施例における燃料電池は、携帯電話、ノート型等の携帯型パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）、各種カメラ、ナビゲーションシステム、ポータブル音楽再生プレーヤ等の小型電気機器に適用可能である。とくに、ノート型等の携帯型パーソナルコンピュータ等のような小型電気機器では、比較的多くの燃料電池単位セルが使用される。このため、平面実装される燃料電池が特に有用である。【００１６】
図１は、本発明の燃料電池の構成を模式的に示す断面図である。図１を参照して、燃料電池は、平行に設けられた２つの発電ブロック１０１０Ａと１０１０Ｂとを含んでいる。発電ブロックは、フレーム３１１の中に配置されている。各発電ブロックには、複数のセルブロックが設けられている。図１に示されるように、各セルブロックには、複数の単位セル１０１が直列に接続されている。他のセルブロックは、紙面と直交する方向に配置されている。発電ブロックの数、セルブロックの数、直列に接続される単位セルの数は、使用対象物によって適切に選択される。フレーム３１１と発電ブロック１０１０Ａと１０１０Ｂの各々との間には酸化剤流路３１２が形成され、酸化剤１２６は吸気口３３９から排気口３４０へ酸化剤流路３１２を介して供給される。また、発電ブロック１０１０Ａと１０１０Ｂの間には燃料流路３１０が形成され、燃料１２４は燃料流路３１０を介して酸化剤と同じ方向に供給される。【００１７】
各単位セル１０１は、燃料極１０２および酸化剤極１０８と、これらの間に設けられた固体電解質膜１１４を含んでいる。燃料極１０２には燃料１２４が、酸化剤極１０８には酸化剤１２６がそれぞれ供給され、燃料と酸化剤との間の電気化学反応により発電する。２組の発電ブロックは、燃料極１０２が互いに対向するように配置され、その間に燃料流路３１０が配置されている。図１に示される例では、下流側の酸化剤極は並列に接続されて、電流計１６７４を介して負荷に接続されている。また、上流側の燃料極は互いに並列に接続され、接地あるいは低電位側配線に接続されている。こうして、燃料電池から負荷に電力が供給される。但し、電流計１６７４の位置は上記の位置に限られず、他の場所であってもよい。また、電流計でなくとも、燃料電池が運転中か否かを判別できるものであれば十分である。【００１８】
酸化剤１２６としては、通常、空気が用いられるが、酸素ガスが供給されてもよい。本発明では、酸化剤１２６として空気が用いられている。単位セル１０１は、燃料極１０２に液体燃料が供給される直接型の燃料電池である。燃料１２４としては、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、または他のアルコール類、あるいはシクロパラフィン等の液体炭化水素等の有機液体燃料を用いることができ、有機液体燃料は、水溶液であることが好ましい。フレーム３１１は、耐薬品性を、あるいは耐アルコール性を有する材料で形成されている。例えば、ポリ汗タールやテフロン（登録商標）樹脂のようなエンジニアリングプラスチックが使用される。場合によっては、金属や樹脂が用いられてもよい。【００１９】
［第１実施例］
図２Ａと２Ｂは、本発明の第１実施例による燃料電池において、運転状況に応じて形状変化するバルーン１６５２の様子を示している。バルーン１６５２は、開閉部材として機能する。図２Ａに示されるように、燃料電池は、単位セル１０１と、酸化剤流路３１２の内側に設置されたバルーン１６５２、バルーン１６５２に接続された切替弁構造１６５０、バルーン排気路とを備えている。切替弁構造１６５０には、４つの流路が接続されている。１つの流路は開口され、開口１６５３から酸化剤が供給されている。バルーン１６５２に接続された流路にはバルーン注入電磁弁１６５４が設けられ、他の流路には大気放出電磁弁１６５６が接続されている。この大気放出電磁弁１６５６の代わりに減圧弁が使用されてもよい。また残りの流路には酸化剤流路電磁弁１６５８が設けられており、この流路は、酸化剤流路３１２に接続されている。バルーン排気路にはバルーン排気電磁弁１６５９とポンプ１６７８が設けられており、ポンプ１６７８の出力口はバルーン排気口１６７６として開口されている。ここで、切替弁構造１６５０は、バルーン１６５２の膨張と収縮は上記４つの電磁弁の開閉により制御される。ここで、酸化剤導入口１６５３および切替弁構造１６５０は気体導入部としての機能を有する。単位セル１０１の酸化剤極１０８は酸化剤流路３１２内に設けられ、燃料流路３１０には燃料極１０２が設けられている。電解質膜１１４は酸化剤流路３１２に沿って設けられている。【００２０】
形状変化により酸化剤流路３１２への酸化剤１２６の供給を制御する開閉部材である袋状体のバルーン１６５２の材料としては、通気性を有さず、液体燃料に対する耐性と弾力性を有するプラスチックスなどの樹脂が用いられる。具体的には、シリコン樹脂、ゴム、ポリウレタンなどが好ましく用いられ、シリコン樹脂が特に好ましく用いられる。【００２１】
図２Ａに示されるように、燃料電池の運転開始時には、バルーン排気電磁弁１６５９が開放され、吸引ポンプ１６７８によってバルーン１６５２内の酸化剤１２６がバルーン排気口１６７６から排気される。この結果、バルーン１６５２は収縮する。このため、バルーン１６５２の表面は酸化剤極１０８から離れ、酸化剤流路３１２は開放される。また、バルーン注入電磁弁１６５４は閉じられ、酸化剤流路電磁弁１６５８は開放されている。これにより、酸化剤は酸化剤流路３１２を介して単位セル１０１に供給されている。大気放出電磁弁１６５６は最初は閉じられており、酸化剤極１０８への酸化剤の供給量が十分になったときに開放される。こうして、酸化剤極１０８に酸化剤１２６が供給される。これにより、燃料電池の運転を開始する。【００２２】
燃料電池の運転中は、バルーン注入電磁弁１６５４は閉じられたままであり、酸化剤流路電磁弁１６５８と大気放出電磁弁１６５６は開放されたままである。これにより、酸化剤は酸化剤流路３１２を介して単位セル１０１に供給されている。また、バルーン排気電磁弁１６５９は開放されたままである。この結果、バルーン１６５２には酸化剤１２６は注入されず、収縮形状を維持している。【００２３】
一方、図２Ｂに示されるように、燃料電池の運転を停止するときには、切替弁構造１６５０の酸化剤流路電磁弁１６５８が閉じられる。大気放出電磁弁１６５６とバルーン注入電磁弁１６５４は開放される。一方、バルーン排気電磁弁１６５９は閉じられる。これにより、酸化剤導入口１６５３からバルーン１６５２内へ酸化剤１２６が供給され、バルーン１６５２が膨張する。膨張したバルーン１６５２が酸化剤流路３１２を遮断し、酸化剤極１０８への酸化剤１２６の供給が停止される。すなわち、酸化剤１２６が供給されたバルーン１６５２は膨張し、酸化剤極１０８と固体電解質膜１１４はバルーン１６５２に覆われ、酸化剤流路３１２が封止される。以上のように、燃料電池の運転が停止されているときには、燃料極１０２側の燃料１２４や水分などが固体電解質膜１１４を通過して酸化剤極１０８側に流出することを抑制することができ、燃料１２４の無駄な蒸発を抑制することができる。また、大気放出電磁弁１６５６は開放されているので、バルーン１６５２内への酸化剤１２８の過剰供給によるバルーン１６５２の破裂を防止することができる。  【００２４】
また、本実施例においては、切替弁構造１６５０と、バルーン排気電磁弁１６５９という簡易な装置を用いて、燃料電池の運転中には酸化剤流路３１２に導かれる酸化剤１２６が、運転停止中にはバルーン１６５２に導かれている。このため、バルーン１６５２内に酸化剤を注入するために、別途気体を導入する経路を設けるなど燃料電池の構造を複雑にすることなく、燃料１２４や水分の無駄な蒸発を抑制することができる。【００２５】
図３は、第１実施例のバルーン１６５２の制御システムを示すブロック図である。ここで、制御システムは、気体導入部としての機能を有する。【００２６】
運転状態検知部１６７０は、燃料電池が運転している状態なのか、運転を停止している状態なのかを、電流計１６７４により検知し、バルーン注入電磁弁１６５４、大気放出電磁弁１６５６、酸化剤流路電磁弁１６５８、バルーン排気電磁弁１６５９を開放もしくは閉鎖するための指令を出す。その指令に応答して、各電磁弁は開放もしくは閉鎖され、バルーン１６５２の形状の変化、酸化剤極１０８への酸化剤１２６の供給、酸化剤１２６の大気放出が制御される。この結果、燃料電池が停止しているときに、燃料極１０２側の燃料１２４や水分などの酸化剤極１０８側への流出の抑制が自動的になされ、燃料電池の構造を複雑にすることなく、燃料１２４の無駄な蒸発を抑制することができる。【００２７】
本実施例においては、運転開始時に、バルーン１６５２を吸引ポンプ１６７８を用いて収縮させる例について説明したが、吸引ポンプを用いずにバルーン排気口１６７６から自然に酸化剤を排気させることによりバルーン１６５２を収縮させてもよいし、バルーン排気口１６７６およびバルーン排気電磁弁１６５９を設けずに、酸化剤導入口１６５３から自然に酸化剤を排気させることによりバルーン１６５２を収縮させてもよい。【００２８】
また、第１実施例においては、酸化剤極１０８がバルーン１６５２に覆われることにより燃料１２４や水分の無駄な蒸発が抑制される例について説明した。しかしながら、図２Ｃ、２Ｄに示されるように、酸化剤流路３１２の排気口３４０近傍に取り付けたバルーンカテーテル１６８０を膨張させることにより酸化剤流路３１２を閉鎖するようにしてもよい。この場合、バルーンカテーテル１６８０を膨張させるために、図２Ａ，２Ｂに示されるように切替弁構造１６５０がバルーンカテーテル１６８０に接続される。また、電磁弁１６５９とポンプ１６７８とを有する排気路を設けてもよい。【００２９】
また、本実施例においては、燃料電池の運転停止時において、大気放出電磁弁１６５６が開放されていたが、燃料電池の運転停止からバルーン１６５２の膨張完了までは大気放出電磁弁１６５６が閉じられ、バルーン１６５２の膨張完了以降に大気放出電磁弁１６５６が開放されてもよい。これにより、バルーン１６５２をより速やかに膨張させ、運転停止時に、速やかに酸化剤供給路を閉止することができる。これにより、燃料１２４や水分の無駄な蒸発をより効果的に抑制することが可能となる。【００３０】
また、本実施例においては、燃料電池の運転時には酸化剤極１０８に供給される酸化剤１２６は、燃料電池の運転停止時にはバルーン１６５２内へ導入されていた。しかしながら、それと合わせて、もしくは別途バルーン内への気体導入機構を設けてもよい。こうすることにより、バルーン１６５２をより速やかに膨張させ、運転停止時に、速やかに酸化剤供給路を閉止することができる。これにより、燃料１２４の無駄な蒸発をより効果的に抑制することが可能となる。【００３１】
［第２実施例］
本発明の第２実施例による燃料電池について説明する。第２実施例による燃料電池では、熱膨張率の相違する２枚以上の板状部材が組み合わされたプレートの形状が変化する開閉部材について説明する。具体的には、図４Ａと図４Ｂは、燃料電池の運転状況に応じてメタル板１６６４と樹脂板１６６６を組み合わせた接合板１６６２の形状が変化する様子を示している。【００３２】
単位セル１０１の酸化剤極１０８の表面は酸化剤流路３１２の壁に沿って設けられ、燃料流路３１０には燃料極１０２が設けられている。電解質膜１１４は酸化剤流路３１２に沿って設けられている。酸化剤流路３１２の壁と電解質膜１１４と酸化剤極１０８とにより空間３５１が形成されている。
燃料電池は、酸化剤流路３１２の内側に設置されたメタル板１６６４と樹脂板１６６６を組み合わせた接合板１６６２を備えている。接合板１６６２は酸化剤極１０８に近い側から樹脂板１６６６、メタル板１６６４の順に結合されている。メタル板１６６４と樹脂板１６６６の熱膨張率の相違により、高温時には酸化剤極１０８側から離れるように湾曲形状となり、低温時には直線形状をとる。また、接合板１６６２は、酸化剤極１０８側の酸化剤流路３１２に四隅をビスなどで固定されている。これにより、高温時には酸化剤極１０８の表面に沿って酸化剤が流れることが可能となる。
ここで、メタル板１６６４としては、熱膨張率の高い金属材料が好ましく用いられ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｕ−Ｚｎ合金、７０％Ｎｉ−Ｃｕ合金、２０％Ｎｉ−Ｍｎ−Ｆｅ合金、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ合金、２０％Ｎｉ−Ｍｏ−Ｆｅ合金、７０％Ｍｎ−Ｎｉ−Ｃｕ合金、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｐ合金などが特に好ましく用いられる。また、樹脂板１６６６としては、熱膨張率の低い樹脂が好ましく用いられ、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ガラス繊維強化ポリエステル等の繊維強化樹脂（ＦＲＰ）などが特に好ましく用いられる。ここで、接着剤として、メタル板１６６４と樹脂板１６６６の界面にシランカップリング剤などが用いられてもよい。【００３３】
燃料電池の運転開始時には、空間３５１と酸化剤極１０８に残留している酸化剤を用いて発電動作が行われる。この発電動作を通して電解質膜１１４から熱が発生され、接合板１６６２は湾曲することになる。この結果、酸化剤が酸化剤極１０８に沿って流れることが可能となる。
燃料電池の運転中には、図４Ａに示されるように、燃料極１０２および酸化剤極１０８の両極における電気化学反応によって熱が発生しているため、接合板１６６２はさらに湾曲した形状となっている。これにより、酸化剤極１０８側において、酸化剤極１０８への酸化剤１２６の供給や酸化剤極１０８から発生する水の排出が円滑に行われる。【００３４】
一方、燃料電池の運転を停止すると、燃料極１０２および酸化剤極１０８両極における電気化学反応が停止する。このため、接合板１６６２の温度が低下し、時間が経つと室温に近づいていく。この結果、図４Ｂに示されるように、接合板１６６２は直線形状となり、酸化剤極１０８が接合板１６６２により覆われる。このため、燃料電池の運転が停止されているときには、燃料極１０２側の燃料１２４や水分などが固体電解質膜１１４を通過して、酸化剤極１０８側に流出することを抑制することができ、燃料１２４や水分の無駄な蒸発を抑制することができる。【００３５】
以上のように第２実施例では、燃料電池運転中および停止中の温度の相違により接合板１６６２の形状を変化させ、これにより、酸化剤極１０８の被覆・解放を行っている。このような機構により酸化剤供給路の閉止・開放を行うため、簡易な構造により燃料１２４や水分の無駄な蒸発を抑制することが可能となる。【００３６】
第２実施例においては、メタル板１６６４と樹脂板１６６６を組み合わせた接合板１６６２を用いた形態について説明したが、たとえば、メタル板２枚と樹脂板１枚の合計３枚からなる接合板のように、３枚以上の板を組み合わせた接合板であってもよい。【００３７】
第２実施例においては、メタル板１６６４と樹脂板１６６６を組み合わせた接合板１６６２を用いた形態について説明したが、金属製の板状部材が組み合わされたプレートであるバイメタルプレートを用いてもよい。上記バイメタルプレートとしては、たとえば、熱膨張率の低い材料としてＮｉ−Ｆｅ合金などを用いることができ、熱膨張率の高い材料としてＣｕ、Ｎｉ、７０％Ｃｕ−Ｚｎ合金、７０％Ｎｉ−Ｃｕ合金、２０％Ｎｉ−Ｍｎ−Ｆｅ合金、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ合金、２０％Ｎｉ−Ｍｏ−Ｆｅ合金、７０％Ｍｎ−Ｎｉ−Ｃｕ合金、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｐ合金などを用いることができる。また、熱膨張率の低い材料としては、Ｎｉ含有率が３６重量％から４６重量％のＮｉ−Ｆｅ合金が好ましく用いられ、３６重量％から３８重量％のＮｉ−Ｆｅ合金が特に好ましく用いられる。また、熱膨張率の高い材料としては、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｕ−Ｚｎ合金、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｐ合金が好ましく用いられる。また、形状記憶合金であるＴｉ−Ｎｉ合金を用いることもできる。【００３８】
また、第２実施例においては、熱膨張率の相違する接合板１６６２が用いられる形態について説明したが、膨潤率の相違する材料を２枚以上組み合わせた接合板を用いてもよい。【００３９】
また、第２実施例においては、燃料極１０２および酸化剤極１０８両極における電気化学反応による熱の発生の有無によって接合板１６６２の形状を変化させる例について説明した。しかしながら、それと合わせて、もしくは別途熱源を設けてもよい。例えば、図４Ｃに示されるように、酸化剤流路３１２の外側の接合板１６６２に対応する位置にヒーター１４１を設けてもよい。起動時には、ヒーター１４１に通電して加熱し、その熱により接合板１６６２を湾曲させ、その後通常運転が行われてもよい。また、図４Ｄに示されるように、酸化剤流路３１２の内側の接合板１６６２に対応する位置にヒーター１４２と、ヒーター１４２と接合板１６６２に接続された電熱板１４３を設けてもよい。起動時には、ヒーター１４２に通電して加熱し、その熱を電熱板１４３により接合板１６６２に伝えて接合板１６６２を湾曲させ、その後通常運転が行われてもよい。これらの例により、接合板１６６２が速やかに湾曲し、運転開始時に接合板１６６２が酸化剤極１０８および固体電解質膜１１４から速やかに離れる。この結果、燃料１２４や水分の無駄な蒸発を抑制しつつ、燃料電池を速やかに運転再開することができる。【００４０】
「第３実施例］
図５Ａと５Ｂは、第３実施例における燃料電池の運転状況に応じて、酸化剤供給路を開閉とする開閉部材としての弾性体シート１６８０の形状が変化する例を示す。【００４１】
単位セル１０１の酸化剤極１０８は酸化剤流路３１２の壁に沿って設けられ、燃料流路３１０には燃料極１０２が設けられている。電解質膜１１４は酸化剤流路３１２の壁に沿って設けられている。電解質膜１１４に接続された燃料流路３１０の壁には酸化剤流路３１２の一部としての流路１５０が形成されている。
単位セル１０５には、酸化剤流路３１２の内側に弾性体シート１６８０が設けられている。弾性体シート１６８０は酸化剤極１０８側に四隅をピンなどで固定されている（不図示）。また、第１実施例で使用された切替弁構造１６５０と同様の構造の切替弁構造１６５１が設けられている。切替弁構造１６５０と切替弁構造１６５１の相違点は、切替弁構造１６５０の電磁弁１６６５４に代えて、切替弁構造１６５１では電磁弁１６６０が使用されていることである。従って、切替弁構造１６６１の構造及び動作は、第１実施例の説明から明らかであろう。電磁弁１６６０の出力は、流路１５０に接続され、供給口１６７２から弾性体シート１６８０の内部に酸化剤を供給している。切替弁構造１６５１の酸化剤導入口１６５３、電磁弁１６５８、大気放出電磁弁１６５６は第１実施例と同様に動作する。ここで、酸化剤導入口１６５３、切替弁構造１６５１、酸化剤供給電磁弁１６６０および供給口１６７２は、弾性体シート１６８０と酸化剤極１０８とにより構成される閉空間に気体を導く気体導入部として機能する。
ここで、弾性体シート１６８０としては、通気性を有さず、液体燃料に対する耐性と弾力性を有するプラスチックスなどの樹脂が用いられる。具体的には、シリコン樹脂、ゴム、ポリウレタンなどが好ましく用いられ、シリコン樹脂が特に好ましく用いられる。【００４２】
図５Ｂに示されるように、燃料電池の運転中では、酸化剤極１０８における電気化学反応により水蒸気が発生している。このため、燃料１２４が流れることによりベルヌーイの定理に基づいて生じる燃料流路３１０内の負の内圧があるにもかかわらず、弾性体シート１６８０の形状は湾曲している。このため、弾性体シート１６８０は酸化剤極１０８から離れており、酸化剤極１０８への酸化剤１２６の供給や酸化剤極１０８から発生する水の排出が可能になる。【００４３】
一方、図５Ａに示されるように、燃料電池の運転を停止したときには、酸化剤極１０８における電気化学反応が停止しているため水蒸気が発生しない。そこで、燃料電池の運転停止後一定の時間、燃料流路３１０内の燃料１２４の循環を継続させることにより、ベルヌーイの定理に基づいて生じる負の圧力を発生させる。このため、弾性体シート１６８０が酸化剤極１０８側に吸い寄せられる。これにより、弾性体シート１６８０が酸化剤極１０８の形状に沿うように吸着し、酸化剤極１０８および固体電解質膜１１４が弾性体シート１６８０に覆われる。この結果、燃料電池の運転が停止されているときには、燃料極１０２側の燃料１２４や水分などが固体電解質膜１１４を通過して、酸化剤極１０８側に流出することを抑制することができ、燃料１２４や水分の無駄な蒸発を抑制することができる。【００４４】
また、燃料電池の運転を再開する際には、酸化剤流路電磁弁１６５８を開放して酸化剤流路３１２に酸化剤１２６を供給すると同時に、電磁弁１６６０を開放して流路１５０を介して供給口１６７２から酸化剤１２６が、弾性体シート１６８０と酸化剤極１０８と固体電解質膜１１４とに囲まれる面に導かれる。これにより、弾性体シート１６８０と、酸化剤極１０８および固体電解質膜１１４との吸着が解かれる。したがって、燃料電池の運転再開に伴い、酸化剤極１０８から水蒸気が発生するために、弾性体シート１６８０の形状は湾曲形状に戻る。この結果、酸化剤極１０８への酸化剤１２６の供給や酸化剤極１０８から発生する水の排出をすることができ、燃料電池の運転を継続することができる。【００４５】
したがって、切替弁構造１６５１という簡易な装置を用いて、燃料電池の運転再開時には弾性体シート１６８０と酸化剤極１０８および固体電解質膜１１４とに囲まれる空間に、酸化剤１２６が導かれることにより、燃料電池の構造を複雑にすることなく、燃料１２４や水分の無駄な蒸発を抑制することができる。【００４６】
また、第３実施例においては、燃料電池の運転開始時には酸化剤１２６を、酸化剤流路３１２および吸着破壊用酸化剤供給口１６７２に導く例について説明した。しかしながら、それと合わせて、もしくは別途供給口１６７２への気体導入機構を設けてもよい。こうすることにより、弾性体シート１６８０の吸着破壊速度が上昇し、燃料電池運転再開時に弾性体シート１６８０が、酸化剤極１０８および固体電解質膜１１４から離れる速度が早まり、燃料１２４や水分の無駄な蒸発を抑制しつつ、燃料電池を速やかに運転再開することが可能となる。【００４７】
［第４実施例］
図６は、本実施例の弾性体シート１６８０の制御システムを説明した図である。ここで、上記システムは、気体導入部としての機能を有する。【００４８】
運転状態検知部１６７６は、燃料電池が運転中なのか、運転停止中なのか、運転開始時なのかを電流計１６７４の出力によって検知し、電磁弁１６６０、電磁弁１６５６、電磁弁１６５８を開放もしくは閉塞するように指令を出す。その指令により、各電磁弁は開放もしくは閉塞され、供給口１６７２への酸化剤１２６の供給、酸化剤極１０８への酸化剤１２６の供給、酸化剤１２６の大気放出が制御される。【００４９】
具体的には、燃料電池が運転中の時には、電磁弁１６６０は閉塞され、電磁弁１６５８は開放され、電磁弁１６５６は酸化剤極１０８への酸化剤１２６の供給量が不十分なときには閉塞され、十分なときには開放される。燃料電池が運転停止中の時には、電磁弁１６６０と電磁弁１６５８は閉塞され、電磁弁１６５６は開放される。燃料電池の運転開始時には、電磁弁１６６０と電磁弁１６５８は開放され、電磁弁１６５６は閉塞される。これらの動作は、第１実施例と同様である。また、運転状態見地部１６７６は、燃料電池の運転の停止が指示されたときには、一定時間燃料が燃料供給路３１０に供給されるように、電磁弁（図示せず）を制御する。【００５０】
この結果、燃料電池が運転停止している時には、燃料極１０２側の燃料１２４や水分などの酸化剤極１０８側への流出の抑制が自動的になされ、かつ、燃料電池の運転開始時には弾性体シート１６８０の吸着破壊が自動的になされるので、燃料電池の構造を複雑にすることなく燃料１２４や水分の無駄な蒸発を抑制することができる。【００５１】
また、第４実施例においては、燃料電池の運転開始時には酸化剤１２６を、酸化剤流路３１２および吸着破壊用酸化剤供給口１６７２に導く制御システムの例について説明した。しかし、それと合わせて、もしくは別途供給口１６７２への気体導入制御システムを設けてもよい。こうすることにより、弾性体シート１６８０の吸着破壊速度が上昇し、燃料電池運転再開時に弾性体シート１６８０が酸化剤極１０８および固体電解質膜１１４から離れる速度が早まる。この結果、燃料１２４や水分の無駄な蒸発を抑制しつつ、燃料電池を速やかに運転再開することができる。【００５２】
以上、発明の好適な実施例を説明した。しかし、本発明は上述の実施例に限定されず、当業者が本発明の範囲内で上述の実施例を変形可能なことはもちろんである。【００５３】
たとえば、第１実施例においては、バルーン１６５２が酸化剤極１０８および固体電解質膜１１４を覆うように導くガイドが設けられていない形態について説明したが、図７に示されるようなガイド１６８４が設けられていてもよい。こうすることにより、バルーン１６５２が酸化剤極１０８および固体電解質膜１１４の表面から外れることなく正確に導かれる。この結果、燃料極１０２側の燃料１２４や水分などが固体電解質膜１１４を通過して酸化剤極１０８側に流出することをより抑制することができ、燃料１２４や水分の無駄な蒸発を抑制することができる。ここで、図７では、切替弁構造１６５０等が省略されていることに注意すべきである。【００５４】
ガイド１６８４の材質としては、酸化剤流路３１２に取り付けられるものであり、酸化剤１２６や燃料１２４に対する耐性を有するものであればよく、たとえばポリプロピレン、ポリエチレン、ＰＴＦＥ、ポリアセタールなどが好ましく用いられる。【００５５】
また、上記の実施例においては単独のセルの酸化剤極を覆う例について説明したが、図８に示されるように、同一平面内に複数のセルが併設された平面スタック構造を採用した場合には、バルーン１６８２が複数の酸化剤極を覆うようにしてもよく、特に、スタック構造全体を覆うようにすれば、燃料の蒸発をより効率的に抑制することができる。ここで、図８では、切替弁構造１６５０等が省略されていることに注意すべきである。【００５６】
この場合にも、上記の実施例同様、バルーン１６８２には切替弁構造やバルーン排気電磁弁といった簡易な装置を用いることによって、燃料の蒸発を抑制することができる。また、上述の平面スタック構造を採用した場合に、接合板により複数の酸化剤極を覆うようにしてもよいし、弾性体シートにより複数の酸化剤極を覆うようにしてもよい。【００５７】
また、上記の実施例においては、弾性体シートとして、シリコン樹脂などが用いられる形態について説明したが、通気性を有さず、耐薬品性と弾力性を有する材料であれば、どのような材料を用いてもよく、具体的にはポリエチレン、ポリプロピレン、ＰＴＦＥ、ポリアセタールなどが挙げられる。【００５８】
また、上記の実施例においては、燃料として有機液体燃料を用いる例を示したが、本発明は燃料として水素を用いる燃料電池に適用することもできる。【００５９】
また、第１実施例において、バルーン注入電磁弁１６５４、大気放出電磁弁１６５６、酸化剤流路電磁弁１６５８、バルーン排気電磁弁１６５９が独立した形態で制御システムに組み込まれた形態について説明した。しかしながら、たとえば、４ポートバルブや５ポートバルブなどのマルチポートバルブを用いてもよいし、バルーン注入電磁弁１６５４などとマルチポートバルブとを併用してもよい。また、マルチポートバルブを用いた様々なバルブのコンビネーションなどを用いてもよい。マルチポートバルブを用いた場合には、第１実施例において説明したのと同様の流体配管の経路を構築することができ、かつ、酸化剤などの流体の経路を簡素化することができる。したがって、制御システムの小型化を図ることができる。なお、第３実施例および第４実施例において、上述のマルチポートバルブなどを用いてもよい。【００６０】
また、第１実施例において、大気放出電磁弁１６５６の開閉により、過剰な酸化剤１２８が供給されることによるバルーン１６５２の破裂を防止した形態について説明したが、たとえばリーク弁など様々な種類のバルブを用いてバルーン１６５２内の圧力が所望の圧力以下に保たれるようにすることでバルーン１６５２の破裂を防止してもよい。なお、第三の実施例および第四の実施例において、上述のリーク弁など様々な種類のバルブを用いてもよい。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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