(57)【要約】【課題】非発電時における燃料の外気への漏出を抑制し、かつ発電再開時に電池出力を速やかに上昇させることができる燃料電池を提供することを目的とする。【解決手段】燃料極、空気極、および燃料極と空気極とに挟持された電解質膜１５から構成される膜電極接合体１６と、膜電極接合体１６の空気極に積層して配設され、空気極に供給される酸化剤ガスを遮断可能な酸化剤ガス遮断機構２５とを具備する。【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から構成される膜電極接合体と、
前記空気極側に積層して配設され、前記空気極に供給される酸化剤ガスを遮断可能な酸化剤ガス遮断機構と
を具備することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
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から構成される膜電極接合体と、
前記燃料極および前記空気極の表面にそれぞれ配設された導電層と、
液体燃料を収容する燃料タンクと、
前記燃料タンクと前記燃料極側の導電層との間に配設され、前記液体燃料の気化成分を前記燃料極側に通過させる気液分離層と、
前記空気極側の導電層に積層して配設され、前記空気極に供給される酸化剤ガスを遮断可能な酸化剤ガス遮断機構と
を具備することを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
前記酸化剤ガス遮断機構の前記膜電極接合体の空気極側とは異なる側に配設され、前記空気極で生成した水の蒸発を抑制する保湿層をさらに具備することを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記酸化剤ガス遮断機構の少なくとも前記空気極側の導電層に面する部分が電気絶縁材料で形成されていることを特徴とする請求項２または３記載の燃料電池。
【請求項５】
前記電気絶縁材料がフッ素を含有する合成樹脂からなることを特徴とする請求項４記載の燃料電池。
【請求項６】
前記酸化剤ガス遮断機構が、
１または複数の開孔を有する２つの固定板と、
前記固定板間に摺動可能に挟まれた１または複数の開孔を有する可動板と、
前記可動板を前記固定板間で摺動させる可動板駆動装置と
を備え、
前記可動板を摺動させて、前記固定板の開孔と連通する前記可動板の開孔の面積を調整し、前記空気極への前記酸化剤ガスの供給を遮断または調整することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の燃料電池。
【請求項７】
前記酸化剤ガス遮断機構が、
回転軸に沿って遮断板が設けられた１または複数の回転遮断部と、      
前記回転遮断部の回転軸を回転可能に支持する枠体と、
前記回転遮断部を回転させる回転遮断部駆動装置と
を備え、
前記回転遮断部を回転させて、前記空気極への前記酸化剤ガスの供給を遮断または調整することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の燃料電池。
【請求項８】
前記酸化剤ガス遮断機構が、
１または複数の開孔を有する２つの固定板と、
前記固定板間に伸縮可能に挟まれた１または複数の開孔を有する弾性体からなる伸縮板と、
前記伸縮板を前記固定板間で伸縮させる伸縮板駆動装置と
を備え、
前記伸縮板を伸縮させ、前記伸縮板の開孔の面積を変化させて、前記固定板の開孔と連通する前記伸縮板の開孔の面積を調整し、前記空気極への前記酸化剤ガスの供給を遮断または調整することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池、特に小型のパッシブ型の燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池では、発電を行っていない時、すなわち、燃料極のアノード触媒層において、燃料の酸化反応が生じていない時には、気化した液体燃料は、アノード触媒層およびプロトン伝導性膜である電解質膜を透過し、空気極のカソード触媒層へ達する。燃料の酸化反応は、カソード触媒層でも生じるため、カソード触媒層へ達した気化燃料の一部は、酸化反応で消費され、同時に酸化剤ガスの還元反応を生じることによって水を生成する。また、上記した燃料の酸化反応で消費しきれずにカソード触媒層を透過した気化燃料は、カソードガス拡散層および保湿層を透過して、最終的に外気へ放出される。このように、従来の燃料電池では、発電を行っていないときにも液体燃料は気化し、液体燃料タンク内の液体燃料は、徐々に減少する。
【０００３】
また、液体燃料タンク内の液体燃料が全て気化し、膜電極接合体に気化燃料が全く供給されなくなると、上記した酸化反応および還元反応は生じないので水は生成せず、膜電極接合体に含まれていた水は、保湿層などを透過して、最終的に外気へ放出される。膜電極接合体に含まれる水の量が減少すると、発電反応を再開する際に、アノード触媒層における酸化反応が生じ難くなる。さらに、水の量が減少すると、電解質膜、アノード触媒層およびカソード触媒層中でのプロトンの伝導性が低下する。これらはともに、燃料電池の出力が低下する原因となる。
【０００４】
このような、非発電時における液体燃料の減少や水の減少による出力低下を抑制するために、例えば吸気口および排気口を有し、空気極に酸化剤を供給する酸化剤流路と、この吸気口または排気口の開口の程度を調整する開口調整部とを備えた燃料電池が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００５−１１６１８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記した従来の酸化剤流路や開口調整部を備えた燃料電池では、開口調整部によって区切られた酸化剤流路の部分に、少なからず所定の体積を有する空間が存在する。このような構成を備えた従来の燃料電池では、燃料電池の発電を停止しても、この空間の中に気化燃料や、膜電極接合体に含まれていた水が気化した水蒸気が充満するまで、液体燃料や水の気化が継続することになる。このため、液体燃料の減少や膜電極接合体における水の減少による出力低下を抑制する効果は充分ではなかった。
【０００６】
さらに、この空間の中に存在していた酸化剤（例えば、空気中の酸素）は、カソード触媒層において、透過してきた気化燃料と反応を生じることで消費される。そのため、この空間中の酸化剤濃度は、徐々に低下していき、発電を再開するときに、カソード触媒層には酸化剤濃度の低いガスが供給されることになる。これによって、発電を再開した直後には、燃料電池には充分な量の酸化剤が供給されないために、所定の燃料電池の出力が得られないという問題があった。
【０００７】
また、酸化剤流路内に、送気ファン、ブロワなどによって強制的に酸化剤を流通させる機構を有する、いわゆるアクティブ型の燃料電池であれば、上記した酸化剤濃度の低い状態から濃度が上昇するのは比較的早いため、燃料電池の出力の回復も早くなる。しかしながら、このような酸化剤を流通させる機構を有すると、装置全体の体積や重量が大きくなり、しかも酸化剤を流通させる機構を駆動するために燃料電池の出力の一部を消費することになり、構成上好ましくない。
【０００８】
このため、小型携帯機器等の電源としては、酸化剤を強制的に流通させる機構は有せずに、外気からの自然拡散によって酸化剤である酸素を供給する、いわゆるパッシブ（自発呼吸）型の燃料電池が主に用いられている。しかしながら、このパッシブ型の燃料電池では、上記した空間内に存在していた酸化剤濃度の低いガスが、燃料電池の発電に充分な酸化剤濃度となるまでには、長い時間を要する。
【０００９】
上記したように、カソード触媒層と開口調整部との間に、体積の大きな空間を有する従来の燃料電池の構成は、特にパッシブ型の燃料電池において、非発電時における燃料の消費を抑制し、かつ発電を再開したときに出力が速やかに上昇するようにするためには好ましくない。
【００１０】
そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、非発電時における燃料の外気への漏出を抑制し、かつ発電再開時に電池出力を速やかに上昇させることができる燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池は、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から構成される膜電極接合体と、前記空気極側に積層して配設され、前記空気極に供給される酸化剤ガスを遮断可能な酸化剤ガス遮断機構とを具備することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の燃料電池は、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から構成される膜電極接合体と、前記燃料極および前記空気極の表面にそれぞれ配設された導電層と、液体燃料を収容する燃料タンクと、前記燃料タンクと前記燃料極側の導電層との間に配設され、前記液体燃料の気化成分を前記燃料極側に通過させる気液分離層と、前記空気極側の導電層に積層して配設され、前記空気極に供給される酸化剤ガスを遮断可能な酸化剤ガス遮断機構とを具備することを特徴とする。
【００１３】
これらの燃料電池によれば、酸化剤ガス遮断機構を設け、発電を行うときには、酸化剤ガス遮断機構を開いた状態に、一方、発電を行わないときには、酸化剤ガス遮断機構を閉じた状態にすることによって、気化した液体燃料が外気へ放出されることを防ぐことができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の燃料電池によれば、非発電時における燃料の外気への漏出を抑制し、かつ発電再開時に電池出力を速やかに上昇させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の一実施の形態について図を参照して説明する。
【００１６】
図１には、本発明に係る一実施の形態の直接メタノール型の燃料電池１０の断面図が模式的に示されている。
【００１７】
図１に示すように、燃料電池１０は、アノード触媒層１１およびアノードガス拡散層１２からなる燃料極と、カソード触媒層１３およびカソードガス拡散層１４からなる空気極と、アノード触媒層１１とカソード触媒層１３との間に挟持されたプロトン（水素イオン）伝導性の電解質膜１５とから構成される膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly ）１６を起電部として構成している。
【００１８】
アノード触媒層１１およびカソード触媒層１３に含有される触媒としては、例えば、白金族元素である、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｐｄなどの単体金属、白金族元素を含有する合金などを挙げることができる。具体的には、アノード触媒層１１として、メタノールや一酸化炭素に対して強い耐性を有するＰｔ−ＲｕやＰｔ−Ｍｏなど、カソード触媒層１３として、白金、Ｐｔ−ＮｉまたはＰｔ−Ｃｏなどを用いることが好ましいが、これらに限られるものではない。また、炭素材料のような導電性担持体を使用する担持触媒、あるいは無担持触媒を使用してもよい。
【００１９】
電解質膜１５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、例えば、パーフルオロスルホン酸重合体などのフッ素系樹脂（ナフィオン（商品名、デュポン社製）、フレミオン（商品名、旭硝子社製）など）、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂、タングステン酸やリンタングステン酸などの無機物等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００２０】
アノード触媒層１１に積層されたアノードガス拡散層１２は、アノード触媒層１１に燃料を均一に供給する役割を果たすと同時に、アノード触媒層１１の集電体としての機能も兼ね備えている。一方、カソード触媒層１３に積層されたカソードガス拡散層１４は、カソード触媒層１３に空気等の酸化剤を均一に供給する役割を果たすと同時に、カソード触媒層１３の集電体としての機能も兼ね備えている。そして、アノードガス拡散層１２の表面には、アノード導電層１７が配設され、カソードガス拡散層１４の表面には、カソード導電層１８が配設されている。アノード導電層１７およびカソード導電層１８は、例えば、金などの導電金属材料からなるメッシュなどの多孔質層や、開孔を有する板あるいは箔などで構成される。なお、アノード導電層１７およびカソード導電層１８は、それらの周縁から燃料や酸化剤が漏れないように構成される。
【００２１】
アノードシール材１９は、矩形枠状を有し、アノード導電層１７と電解質膜１５との間に位置するとともに、アノード触媒層１１およびアノードガス拡散層１２の周囲を囲んでいる。一方、カソードシール材２０は、矩形枠状を有し、カソード導電層１８と電解質膜１５との間に位置するとともに、カソード触媒層１３およびカソードガス拡散層１４の周囲を囲んでいる。アノードシール材１９およびカソードシール材２０は、例えば、ゴム製のＯリングなどで構成され、膜電極接合体１６からの燃料漏れおよび酸化剤漏れを防止している。なお、アノードシール材１９およびカソードシール材２０の形状は、矩形枠状に限られず、燃料電池１０の外縁形に対応するように適宜に構成される。
【００２２】
また、膜電極接合体１６の燃料極側に設けられた液体燃料Ｆを収容する液体燃料タンク２１の開口部には、その開口部を覆うように気液分離膜２２が配設されている。また、この気液分離膜２２上には、燃料電池１０の外縁形に対応した形状で構成されたフレーム２３（ここでは矩形のフレーム）が配置されている。そして、このフレーム２３の一方の面に、アノード導電層１７が接するように、上記したアノード導電層１７およびカソード導電層１８を備えた膜電極接合体１６が積層配置されている。また、フレーム２３、気液分離膜２２およびアノード導電層１７で囲まれた気化燃料収容室２４（いわゆる蒸気溜まり）は、気液分離膜２２を透過してきた液体燃料Ｆの気化成分を一時的に収容し、さらに気化成分における燃料の濃度分布を均一にする空間として機能する。この気化燃料収容室２４および気液分離膜２２の透過メタノール量抑制効果により、一度に多量の気化燃料がアノード触媒層１１に供給されるのを回避することができ、メタノールクロスオーバの発生を抑制することが可能となる。ここで、フレーム２３は、電気絶縁材料で構成され、具体的には、例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）のような熱可塑性ポリエステル樹脂などで形成される。
【００２３】
気液分離膜２２は、液体燃料Ｆの気化成分と液体燃料Ｆとを分離し、その気化成分をアノード触媒層１１側に通過させるものである。気液分離膜２２は、液体燃料Ｆの気化成分を通過させ、熱伝導率の高い材料で構成されることが好ましく、具体的には、シリコーンゴム、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）薄膜、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）薄膜、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）薄膜、フッ素樹脂（たとえばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）など）微多孔膜などの材料で構成される。なお、気液分離膜２２は、その周縁から燃料が漏れないように構成される。
【００２４】
ここで、液体燃料タンク２１に収容される液体燃料Ｆは、濃度が５０モル％を超えるメタノール水溶液、または純メタノールである。また、純メタノールの純度は、９５重量％以上１００重量％以下にすることが好ましい。ここで、上記した液体燃料Ｆの気化成分とは、液体燃料Ｆとして液体のメタノールを使用した場合には、気化したメタノールを意味し、液体燃料Ｆとしてメタノール水溶液を使用した場合には、メタノールの気化成分と水の気化成分からなる混合気を意味する。
【００２５】
一方、カソード導電層１８上には、後に詳細に説明する酸化剤ガス遮断機構２５が積層され、さらに、酸化剤ガス遮断機構２５上には、保湿層２６が積層されている。また、保湿層２６上には、酸化剤である空気を取り入れるための空気導入口２８が複数個形成された表面カバー２７が積層されている。この表面カバー２７は、膜電極接合体１６を含む積層体を加圧して、その密着性を高める役割も果たしているため、例えば、ＳＵＳ３０４のような金属で形成される。また、保湿層２６は、カソード触媒層１３において生成した水の蒸散を抑制する役割をなすとともに、カソードガス拡散層１４に酸化剤を均一に導入することにより、カソード触媒層１３への酸化剤の均一拡散を促す補助拡散層としての機能も有している。この保湿層２６は、例えば、ポリエチレン多孔質膜などの材料で構成される。
【００２６】
また、図１に示すように、上記した燃料電池１０を構成するための積層構造体は、電池ケース２９によって固定されている。電池ケース２９は、上記した積層構造体を構成する各構造物の相互の位置関係を固定するとともに、適切な加圧力を与え、膜電極接合体１６とアノード導電層１７、カソード導電層１８のそれぞれの間の電気的接触を良好にし、かつアノードシール材１９、カソードシール材２０による燃料漏れおよび酸化剤漏れを防止する効果を高めている。この電池ケース２９は、強度を有する金属、合成樹脂、セラミックスなどの焼成体などによって構成され、ネジ止め、プレス、カシメ、ハンダ付け、銀ロウ付け、接着、融着などの固定手段によって固定される。また、電池ケース２９には、酸化剤ガス遮断機構２５の一構成をなす駆動装置からの動力を伝える動力伝達部が貫通可能な穴が設けられている。
【００２７】
次に、酸化剤ガス遮断機構２５の構成について、図２〜４を参照して説明する。
【００２８】
図２は、酸化剤ガス遮断機構２５の構成を示す分解斜視図である。また、図３は、酸化剤ガス遮断機構２５の他の構成を示す分解斜視図であり、図４は、酸化剤ガス遮断機構２５のさらに他の構成を示す分解斜視図である。
【００２９】
まず、図２に示した酸化剤ガス遮断機構２５の一例について説明する。
【００３０】
図２に示すように、酸化剤ガス遮断機構２５は、可動板１００と、固定板１０１、１０２と、フレーム１０３と、駆動装置１０４と、動力伝達部材１０５とから主に構成されている。これらの構成部材によって構成される酸化剤ガス遮断機構２５は、固定板１０１、１０２によって、可動板１００を内部に配置したフレーム１０３を挟持して構成される。また、可動板１００の一端縁は、駆動装置１０４からの動力を伝える動力伝達部材１０５と接続され、可動板１００は、フレーム１０３内を長手方向（図２の矢印の方向）に摺動可能に配置されている。また、フレーム１０３の一端縁の一部には、動力伝達部材１０５を貫通させるための開口部１０３ａが形成されている。
【００３１】
ここで、少なくとも可動板１００の開孔１００ａの直径に相当する距離をフレーム１０３内の長手方向（図２の矢印の方向）に移動可能となるように構成されている。さらに、可動板１００を移動することで、固定板１０１および／または固定板１０２の開孔１０１ａ、１０２ａを有さない部分で可動板１００の開孔１００ａを塞いで、カソード触媒層１３への酸化剤ガスの供給を遮断できるように、可動板１００の開孔１００ａ、固定板１０１の開孔１０１ａ、固定板１０２の開孔１０２ａがそれぞれ配置されている。また、可動板１００を移動することで、可動板１００および固定板１０１、１０２を連通する開孔の面積を調整することができ、カソード触媒層１３への酸化剤ガスの供給量を調整することができる。なお、カソード触媒層１３への酸化剤ガスの供給を遮断した状態では、可動板１００の開孔１００ａは完全に塞がれ、可動板１００の開孔１００ａの開孔率が０となるように製作されることが好ましい。
【００３２】
可動板１００および固定板１０１、１０２は、複数の開孔を有する板状部材で構成されている。また、可動板１００および固定板１０１、１０２は、水蒸気を吸収したり、透過したりしない材料で、かつ所定の機械的強度を有する材料で構成される。具体的には、可動板１００および固定板１０１、１０２は、金属、合成樹脂、セラミックスなどの焼成体などによって構成されることが好ましい。
【００３３】
なお、可動板１００および固定板１０１、１０２に金属を用いる場合は、水蒸気やメタノール蒸気によって腐食し難いＳＵＳ３０４などのステンレス鋼や、チタンまたはその合金を用いるのが好ましい。さらに、その金属の表面に合成樹脂を貼り付けたり、塗布したりすることによって、金属の腐食を抑制するとともに、可動板１００が摺動する際の摩擦抵抗を低減することが可能となる。また、電気絶縁材料である合成樹脂を用いることで、固定板１０２とカソード導電層１８との電気絶縁を図ることができる。また、可動板１００および固定板１０１、１０２に合成樹脂を用いる場合は、気化燃料によって溶解することのない、ポリエチレン、ポリプロピレン、硬質塩化ビニル、塩素化ポリエーテル、ポリエチレンテレフタレートのような熱可塑性合成樹脂、フラン樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）などの熱硬化性合成樹脂、フッ素含有合成樹脂などを用いることが好ましい。特に、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などのようなフッ素含有合成樹脂を用いることによって、水蒸気やメタノール蒸気による劣化を最小限に抑制できるとともに、摩擦抵抗を大幅に低減することができる。
【００３４】
フレーム１０３は、フレーム１０３内に配置される可動板１００の厚さとほぼ同じに形成され、フレーム１０３を構成する材料は、上記した可動板１００および固定板１０１、１０２と同様の材料が用いられる。
【００３５】
駆動装置１０４には、ステッピングモータ、サーボモータ、アクチュエータ、ソレノイド、形状記憶合金、バイメタルなどが用いられる。また、この駆動装置１０４からの動力を可動板１００に伝える動力伝達部材１０５には、ロッド、クランク、テコ、またはワイヤなどが用いられる。なお、駆動装置１０４を設けずに、可動板１００に接続された動力伝達部材１０５であるロッド、クランク、テコ、またはワイヤなどを人力によって駆動してもよい。また、ロッド、クランク、テコ、またはワイヤなどを用いずに、可動板１００に磁石または磁性体を取り付け、固定板１０１、１０２の内部あるいは外部に設けた電磁石との間の磁力により、可動板１００を移動する構成を採用してもよい。
【００３６】
次に、図３に示した酸化剤ガス遮断機構２５の他の一例について説明する。
【００３７】
図３に示すように、酸化剤ガス遮断機構２５は、回転遮断部２００と、枠体２０１と、駆動装置２０２と、動力伝達部材２０３とから主に構成されている。これらの構成部材によって構成される酸化剤ガス遮断機構２５は、回転軸２０４に沿って遮断板２０５が設けられた回転遮断部２００を有し、その回転軸２０４の両端部を枠体２０１に設けられた支持部２０６によって支持して構成される。この際、回転軸２０４の一端側には、駆動装置２０２からの動力を伝える動力伝達部材２０３に設けられた固定部材２０７が接続され、回転遮断部２００は、回転軸２０４を中心に回転可能（図３の矢印の方向）に配置されている。なお、図３に示すように、動力伝達部材２０３や固定部材２０７は、コンパクトに酸化剤ガス遮断機構２５を構成するために、枠体２０１の内部に位置するように構成されることが好ましい。また、枠体２０１の支持部２０６が設けられた側壁とは異なる１つの側壁には、動力伝達部材２０３を貫通させるための開口部２０１ａが形成されている。
【００３８】
上記した回転遮断部２００を回転させて遮断板２０５で枠体２０１の断面を塞ぐことで、カソード触媒層１３への酸化剤ガスの供給を遮断することができる。この際、隣り合う回転遮断部２００の遮断板２０５の一部が重なって枠体２０１の断面を塞ぐように構成してもよいし、隣り合う回転遮断部２００の遮断板２０５の端縁部の切断面どうしが接触して枠体２０１の断面を塞ぐように構成してもよい。また、回転遮断部２００を回転させて、枠体２０１の断面の開口面積を調整することで、カソード触媒層１３への酸化剤ガスの供給量を調整することができる。
【００３９】
なお、カソード触媒層１３への酸化剤ガスの供給を遮断した状態では、回転遮断部２００において枠体２０１の断面が完全に塞がれ、回転遮断部２００間の開孔率が０となるように製作されることが好ましい。
【００４０】
また、回転遮断部２００、枠体２０１、固定部材２０７を構成する材料は、前述した可動板１００および固定板１０１、１０２を構成する材料と同じである。また、駆動装置２０２、動力伝達部材２０３の構成は、前述した駆動装置１０４、動力伝達部材１０５の構成と同じである。
【００４１】
ここで、回転遮断部２００を回転させて枠体２０１の断面を塞いだときに、回転遮断部２００とカソード導電層１８との間に形成される空間が小さいことが好ましいので、回転遮断部２００の遮断板２０５の幅（回転軸２０４に垂直な方向の長さ）を小さくし、設置する回転遮断部２００の数を増加させることが好ましい。
【００４２】
次に、図４に示した酸化剤ガス遮断機構２５のさらに他の一例について説明する。
【００４３】
図４に示すように、酸化剤ガス遮断機構２５は、伸縮板３００と、固定板３０１、３０２と、フレーム３０３と、駆動装置３０４と、動力伝達部材３０５とから主に構成されている。これらの構成部材によって構成される酸化剤ガス遮断機構２５は、固定板３０１、３０２によって、伸縮板３００を内部に配置したフレーム３０３を挟持して構成される。また、伸縮板３００の一端縁（図４の右端縁）は、駆動装置３０４からの動力を伝える動力伝達部材３０５と接続され、伸縮板３００の他端縁（図４の左端縁）は、固定板３０１に接続され、伸縮板３００は、フレーム３０３内を長手方向（図４の矢印の方向）に伸縮可能に配置されている。また、フレーム３０３の一端縁の一部には、動力伝達部材３０５を貫通させるための開口部３０３ａが形成されている。
【００４４】
ここで、動力伝達部材３０５によって伸縮板３００をフレーム３０３内に押圧し、伸縮板３００を収縮させることで、伸縮板３００に形成された開孔３００ａが変形して閉鎖し、カソード触媒層１３への酸化剤ガスの供給を遮断することができる。一方、動力伝達部材３０５によって伸縮板３００を伸張させることで、伸縮板３００に形成された開孔３００ａの開孔面積を調整し、伸縮板３００、固定板３０１、３０２を連通する開孔の面積を調整することができ、カソード触媒層１３への酸化剤ガスの供給量を調整することができる。なお、カソード触媒層１３への酸化剤ガスの供給を遮断した状態では、伸縮板３００の開孔３００ａは完全に塞がれ、伸縮板３００の開孔３００ａの開孔率が０となるように製作されることが好ましい。
【００４５】
伸縮板３００は、弾性を有し、メタノール蒸気によって劣化や変質を生じ難い材料で構成され、具体的には、ゴム材、バネ材などが用いられる。伸縮板３００にゴム材を用いる場合には、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、スチレンゴム（ＳＢＲ）、イソプレンゴム、ブチルゴム、ブタジエンゴム、クロロプレンゴム、ハイパロン、塩素化ポリエチレン、チオコール、天然ゴムなどを用いるのが好ましい。特に、メタノール蒸気による変質が生じ難く、適度な硬度を保つことのできるＥＰＤＭを用いるのが好ましい。また、伸縮板３００にバネ材を用いる場合には、燐青銅、ステンレス等の金属材料、ナイロン、デルリン（デュポン社製アセタール樹脂の商標）等の軟質合成樹脂材料などを用いるのが好ましい。ここで、伸縮板３００の材料にゴム材を用いた場合、伸縮板３００を伸長したときは必然的に伸縮板３００の厚さも減少するため、固定板３０１、３０２との間の摩擦力も低減される。
【００４６】
また、固定板３０１、３０２、フレーム３０３を構成する材料は、前述した固定板１０１、１０２およびフレーム１０３を構成する材料と同じである。また、駆動装置３０４、動力伝達部材３０５の構成は、前述した駆動装置１０４、動力伝達部材１０５の構成とそれぞれ同じである。
【００４７】
次に、上記した燃料電池１０における作用について、図１を参照して説明する。
【００４８】
液体燃料タンク２１内の液体燃料Ｆ（例えば、メタノール水溶液）が気化し、気化したメタノールと水蒸気の混合気は、気液分離膜２２を透過し、気化燃料収容室２４に一旦収容され、濃度分布が均一にされる。
【００４９】
気化燃料収容室２４に一旦収容された混合気は、アノード導電層１７を通過し、さらにアノードガス拡散層１２で拡散され、アノード触媒層１１に供給される。アノード触媒層１１に供給された混合気は、次の式（１）に示す酸化反応であるメタノールの内部改質反応を生じる。
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−  …式（１）
【００５０】
なお、液体燃料Ｆとして、純メタノールを使用した場合には、液体燃料タンク２１からの水蒸気の供給がないため、カソード触媒層１３で生成した水や電解質膜１５中の水などがメタノールと上記した式（１）の内部改質反応を生じるか、または上記した式（１）の内部改質反応によらず、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る。
【００５１】
内部改質反応で生成されたプロトン（Ｈ＋）は、電解質膜１５を伝導し、カソード触媒層１３に到達する。また同時に、アノード触媒層１１で生成した電子（ｅ−）は、燃料電池１０に接続された外部回路を流れ、外部回路の負荷（抵抗等）に対して仕事をし、カソード触媒層１３に流入する。
【００５２】
一方、表面カバー２７の空気導入口２８から取り入れられた空気は、保湿層２６、酸化剤ガス遮断機構２５、カソード導電層１８、カソードガス拡散層１４を拡散して、カソード触媒層１３に供給される。カソード触媒層１３に供給された空気は、電解質膜１５を通じて拡散してきたプロトンと、外部回路を流れてきた電子とともに、還元反応である次の式（２）に示す反応を生じる。
（３／２）Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−  →  ３Ｈ２Ｏ  …式（２）
【００５３】
上記した式（１）と式（２）の反応とが同時に生じることにより、燃料電池１０としての発電反応が完結する。発電反応が進行すると、上述した式（２）の反応などによって、カソード触媒層１３中に生成した水（Ｈ２Ｏ）が、カソードガス拡散層１４内を拡散し、酸化剤ガス遮断機構２５を通過して保湿層２６に到達する。そして、保湿層２６によって蒸散を阻害され、カソード触媒層１３中の水の量が増加する。その結果、浸透圧現象によって、カソード触媒層１３に生成した水が、電解質膜１５を通過してアノード触媒層１１に移動し、前述した式（１）に示すメタノールの酸化反応に用いられる。このようにして、外部から水を供給しなくても、メタノールの酸化反応を継続することができる。
【００５４】
上記したように、一実施の形態の燃料電池１０によれば、酸化剤ガス遮断機構２５を設け、発電を行うときには、酸化剤ガス遮断機構２５が開いた（開孔面積が最大の）状態にすることによって、従来の燃料電池と同様に、上記した式（１）の酸化反応および式（２）の還元反応を進行させることができる。一方、発電を行わないときには、酸化剤ガス遮断機構２５を閉じた状態にすることによって、気化した液体燃料Ｆが外気へ放出されることを防ぐことができる。また同時に、カソード触媒層１３への酸化剤ガスの供給も遮断することができるため、気化燃料がカソード触媒層まで透過してきても、上記した式（２）の還元反応が生じず、プロトンが消費されることはない。これによって、式（１）の酸化反応も促進されず、液体燃料の消費も停止することができる。
【００５５】
さらに、酸化剤ガス遮断機構２５を閉じた状態にすることによって、膜電極接合体１６に含まれていた水が外気へ放出されるのを防ぐことができ、発電を再開したときに燃料電池１０の出力を高く維持することができる。
【００５６】
また、保湿層２６は、前述したようにカソード触媒層１３に供給するための酸化剤ガスを透過するという機能が要求される。この要求を満たさず、保湿層２６が過剰の水分を含むと酸化剤ガスの透過性が悪くなって、上記した式（２）式の還元反応が進行し難くなり、燃料電池１０の出力が低下する。しかしながら、上記したように、一実施の形態の燃料電池１０によれば、酸化剤ガス遮断機構２５を閉じた状態においても、保湿層２６は、外気に触れているため、保湿層２６が吸収している水は、徐々に外気に拡散し、保湿層２６の乾燥を進行させることができる。これによって、酸化剤ガス遮断機構２５を閉じた状態、つまり発電を停止している状態から、発電を再開したときでも、燃料電池１０の出力を高く維持することができる。
【００５７】
なお、上記した一実施の形態では、液体燃料に、メタノール水溶液、または純メタノールを使用した直接メタノール型の燃料電池について説明したが、液体燃料は、これらに限られるものではない。例えば、エチルアルコール、イソプロピルアルコール、ジメチルエーテル、ギ酸など、またはこれらの水溶液を用いた液体燃料直接供給型の燃料電池にも応用することができる。いずれにしても、燃料電池に応じた液体燃料が収容される。
【００５８】
また、上記した一実施の形態では、１つの燃料電池１０の構成について説明したが、所定の電池出力を得るために、主として、図１に示した燃料電池１０を複数並設し、各燃料電池１０を電気的に直列に接続して、燃料電池を構成する。この際、例えば、１つの液体燃料タンク２１を共用するように構成される。
【００５９】
次に、燃料電池１０の適切な領域に酸化剤ガス遮断機構２５を設けることで、優れた出力特性や液体燃料Ｆの外気への漏出抑制効果が得られることを以下の実施例で説明する。
【００６０】
（実施例１）
実施例１では、図２に示す酸化剤ガス遮断機構２５を備えた図１に示す燃料電池１０を用いた。この燃料電池１０を次のように製作した。
【００６１】
まず、膜電極接合体１６の製作について、図１を参照して説明する。
【００６２】
アノード用触媒粒子（Ｐｔ：Ｒｕ＝１：１）を担持したカーボンブラックに、プロトン伝導性樹脂としてパーフルオロカーボンスルホン酸溶液と、分散媒として水およびメトキシプロパノールを添加し、アノード用触媒粒子を担持したカーボンブラックを分散させてペーストを調製した。得られたペーストをアノードガス拡散層１２としての多孔質カーボンペーパに塗布することにより、厚さが１００μｍのアノード触媒層１１を得た。
【００６３】
カソード用触媒粒子（Ｐｔ）を担持したカーボンブラックに、プロトン伝導性樹脂としてパーフルオロカーボンスルホン酸溶液と、分散媒として水およびメトキシプロパノールを添加し、カソード用触媒粒子を担持したカーボンブラックを分散させてペーストを調製した。得られたペーストをカソードガス拡散層１４としての多孔質カーボンペーパに塗布することにより、厚さが１００μｍのカソード触媒層１３を得た。なお、アノードガス拡散層１２と、カソードガス拡散層１４とは、同形同大であり、これらガス拡散層に塗布されたアノード触媒層１１およびカソード触媒層１３も同形同大である。
【００６４】
上記したように作製したアノード触媒層１１とカソード触媒層１３の間に、電解質膜１５として厚さが３０μｍで、含水率が１０〜２０重量％のパーフルオロカーボンスルホン酸膜（商品名nafion膜、デュポン社製）を配置し、アノード触媒層１１とカソード触媒層１３とが対向するよう位置を合わせた状態で、これらにホットプレスを施すことにより、膜電極接合体１６（ＭＥＡ）を得た。
【００６５】
続いて、この膜電極接合体１６を、空気および気化したメタノールを取り入れるための複数の開孔を有する金箔で挟み、アノード導電層１７およびカソード導電層１８を形成した。なお、電解質膜１５とアノード導電層１７との間、電解質膜１５とカソード導電層１８との間には、それぞれアノードシール材１９およびカソードシール材２０としてゴム製のＯリングを挟持してシールを施した。
【００６６】
また、気液分離膜として、厚さが２００μｍのシリコーンゴムシートを用いた。液体燃料タンクは、透明の硬質塩化ビニル樹脂で作製し、液体燃料タンクに入っている液体燃料の量が目視で計測できるようにした。フレームには、厚さが２５μｍのポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）製フィルムを使用した。
【００６７】
次に、酸化剤ガス遮断機構２５の構成について、図２を参照して説明する。
【００６８】
可動板１００および固定板１０１、１０２を、厚さが０．５ｍｍのＳＵＳ３０４製の板に、直径が３ｍｍの円形の３５個（長手方向５個×短手方向７個）の開孔１００ａ、１０１ａ、１０２ａを均等に設け、表面にポリエチレンテレフタレート（ＰＴＦＥ）を含む塗料を塗布して作製した。また、２枚の固定板１０１、１０２の間には、厚さが０．６ｍｍのＳＵＳ３０４製のフレーム１０３を挟み、燃料電池１０を電池ケース２９内に固定した後でも可動板１００が容易に摺動できるようにした。
【００６９】
また、可動板１００および固定板１０１、１０２の各開孔が最大限の面積で連通するようにしたときの全開孔の面積は、カソード触媒層１３の面積に対して３０％（全開孔の面積比）である。可動板１００をフレーム１０３内の長手方向（図２の矢印の方向）に３ｍｍの範囲で動かすことにより、上記した全開孔の面積比を最大３０％から最小０％まで変えることができる。
【００７０】
この全開孔の面積比は、１００％に近いほどカソード触媒層１３に酸化剤ガスが供給されやすくなり、燃料電池１０の出力を向上させられるので好ましい。ただし、可動板１００および固定板１０１、１０２の機械的強度を確保するためには、全開孔の面積比の値は小さい方がよく、機械的強度を満足する範囲で、適宜に全開孔の面積比を設定することが好ましい。なお、実施例１では、全開孔の面積比を３０％に設定した。
【００７１】
動力伝達部材１０５には、丸棒状のロッドを用い、その一端を可動板１００に結合した。また、駆動装置１０４には、サーボモータを用い、外部から電源を供給することで作動させた。
【００７２】
また、酸化剤ガス遮断機構２５に積層される保湿層２６として、厚さが５００μｍで、透気度が２秒／１００ｃｍ３（ＪＩＳ  Ｐ−８１１７に規定の測定方法による）で、透湿度が４０００ｇ／（ｍ２・２４ｈ）（ＪＩＳ  Ｌ−１０９９  Ａ−１に規定の測定方法による）のポリエチレン製多孔質フィルムを用いた。
【００７３】
この保湿層２６上には、空気取り入れのための空気導入口２８（口径３．６ｍｍ、口数３５個）が形成された厚さが２ｍｍのステンレス板（ＳＵＳ３０４）を配置して表面カバー２７とした。
【００７４】
上記のようにして得られた燃料電池１０を構成するための各構造体は、表面カバー２７、保湿層２６、酸化剤ガス遮断機構２５、カソード導電層１８、膜電極接合体１６、アノード導電層１７、フレーム２３、気液分離膜２２、液体燃料タンク２１を積層し、電池ケース２９に固定して、前述した図１に示す燃料電池１０を製作した。
【００７５】
上記したように製作された燃料電池１０の液体燃料タンク２１に、純度９９.９重量％の純メタノールを１０ｍｌ注入し、温度２５℃、相対湿度５０％の環境の下、燃料電池１０の出力密度の測定および液体燃料Ｆの外気への漏出抑制効果を調べた。
【００７６】
ここで、燃料電池１０の出力密度の測定では、燃料電池１０に定電圧電源を接続して、燃料電池１０の出力電圧が常に０．３Ｖで一定になるよう、燃料電池１０に流れる電流を制御した。このときに燃料電池１０に流れる電流密度（発電部の面積１ｃｍ２あたりの電流値（ｍＡ／ｃｍ２））と燃料電池１０の出力電圧との積が、燃料電池の出力密度（ｍＷ／ｃｍ２）である。ここで、発電部の面積とは、アノード触媒層１１とカソード触媒層１３とが対向している部分の面積である。本実施例では、アノード触媒層１１とカソード触媒層１３の面積が等しく、かつ完全に対向しているので、発電部の面積は、これら触媒層の面積に等しい。上記した条件で、電圧が０．３Ｖの状態で１２時間発電を行なった後に、電流を遮断して発電を停止し、１２時間後に再び電流を流して発電を再開した。ここで、発電を停止すると同時に酸化剤ガス遮断機構２５を閉じた状態とし、発電を再開すると同時に酸化剤ガス遮断機構２５を開いた状態とした。
【００７７】
図６には、燃料電池１０の出力密度の測定における、出力密度の経時変化の結果が示されている。ここで、図６の横軸は経過時間であり、縦軸は出力密度である。また、出力密度については、発電を停止する直前の出力密度を１００としたときの相対値で示している。
【００７８】
また、液体燃料Ｆの外気への漏出抑制効果は、燃料電池１０の出力密度の測定の際に、発電を停止する直前に液体燃料タンク２１に入っていたメタノールの量、および１２時間後に発電を再開したときに液体燃料タンク２１に入っているメタノールの量を、それぞれ液体燃料タンク２１の外から目視で計測した結果に基づいて評価した。
【００７９】
液体燃料Ｆの外気への漏出抑制効果の評価の結果、発電停止直前に液体燃料タンク２１に入っていたメタノールの量の９７％の量が発電再開時に液体燃料タンク２１内に残存していた。
【００８０】
（実施例２）
実施例２では、図３に示す酸化剤ガス遮断機構２５を備えた図１に示す燃料電池１０を用いた。この燃料電池１０では、酸化剤ガス遮断機構２５以外は、前述した実施例１の構成および製作方法と同じであるので、ここでは、酸化剤ガス遮断機構２５の構成について、図３を参照して説明する。
【００８１】
厚さが０．１ｍｍ、幅が５ｍｍ、長さが２８ｍｍの長方形の遮断板２０５を２枚形成し、直径が１ｍｍ、長さが３０ｍｍの丸棒からなる回転軸２０４に沿って、２枚の遮断板２０５の長さ方向の端面が対向するように溶接して回転遮断部２００を製作した。また、回転軸２０４には、動力伝達部材２０３からの動力によって回転力を生じるための、固定部材２０７として機能するクランクを溶接した。
【００８２】
枠体２０１は、幅が５ｍｍの板を枠状に折り曲げたもので、回転軸２０４を支持するための支持部２０６として機能する開孔と、固定部材２０７と駆動装置２０２とを結ぶ動力伝達部材２０３として機能するロッドが通る開口部２０１ａが設けられている。
【００８３】
上記した遮断板２０５、回転軸２０４、固定部材２０７、動力伝達部材２０３は、全てＳＵＳ３０４で形成され、加工後に表面にポリエチレンテレフタレート（ＰＴＦＥ）を含む塗料を塗布した。
【００８４】
ここで、回転遮断部２００の遮断板２０５が枠体２０１の断面に対して垂直になったとき（枠体２０１の断面が最大に開口されるとき）の枠体２０１の断面の開口面積は、カソード触媒層１３の面積に対して８０％（開口面積比）であった。一方、回転遮断部２００の遮断板２０５が枠体２０１の断面に対して水平になったとき（枠体２０１の断面が閉鎖されるとき）の枠体２０１の断面の開口面積は、カソード触媒層１３の面積に対して０％（開口面積比）であった。なお、実施例２では、開口面積比を８０％に設定した。
【００８５】
また、燃料電池１０の出力密度の測定の際の測定方法および測定条件は、実施例１における測定方法および測定条件と同じである。また、液体燃料Ｆの外気への漏出抑制効果の評価方法も実施例１における評価方法と同じである。図６に、燃料電池１０の出力密度の測定における、出力密度の経時変化の結果を示す。
【００８６】
液体燃料Ｆの外気への漏出抑制効果の評価の結果、発電停止直前に液体燃料タンク２１に入っていたメタノールの量の９４％の量が発電再開時に液体燃料タンク２１内に残存していた。
【００８７】
（実施例３）
実施例３では、図４に示す酸化剤ガス遮断機構２５を備えた図１に示す燃料電池１０を用いた。この燃料電池１０では、酸化剤ガス遮断機構２５以外は、前述した実施例１の構成および製作方法と同じであるので、ここでは、酸化剤ガス遮断機構２５の構成について、図４を参照して説明する。
【００８８】
伸縮板３００を、厚さが０．８ｍｍのＥＰＤＭ製の板に５ｍｍ間隔に４０個（長手方向８個×短手方向５個）の切り込みを形成して製作した。また、固定板３０１、３０２を、厚さが０．５ｍｍのＳＵＳ３０４製の板に、直径が３ｍｍの円形の４０個（長手方向８個×短手方向５個）の開孔３０１ａ、３０２ａを均等に設け、表面にポリエチレンテレフタレート（ＰＴＦＥ）を含む塗料を塗布して作製した。また、２枚の固定板３０１、３０２の間には、厚さが１ｍｍのＳＵＳ３０４製のフレーム３０３を挟み、燃料電池１０を電池ケース２９内に固定した後でも伸縮板３００が容易に伸縮できるようにした。また、伸縮板３００の他端縁（図４の左端縁）は、固定板３０１に接続されており、動力伝達部材３０５によって開口部３０３ａ側（図４の右側）に伸長される。伸縮板３００が伸長されると、伸縮板３００に形成された切り込みが開いて開孔３００ａが形成される。また、伸縮板３００の一端縁（図４の右端縁）は、動力伝達部材３０５に接続されている。
【００８９】
伸縮板３００を最大限に伸長したとき、すなわち、伸縮板３００および固定板３０１、３０２の各開孔が最大限の面積で連通するようにしたときの全開孔の面積は、カソード触媒層１３の面積に対して３０％（全開孔の面積比）であった。一方、伸縮板３００を伸張しないときの全開孔の面積比は、切り込みが閉じているため０％であった。この全開孔の面積比は、１００％に近いほどカソード触媒層１３に酸化剤ガスが供給されやすくなり、燃料電池１０の出力を向上させられるので好ましい。ただし、伸縮板３００および固定板３０１、３０２の機械的強度を確保するためには、全開孔の面積比の値は小さい方がよく、機械的強度を満足する範囲で、適宜に全開孔の面積比を設定することが好ましい。なお、実施例３では、全開孔の面積比を３０％に設定した。
【００９０】
また、駆動装置３０４および動力伝達部材３０５の構成は、前述した実施例１の駆動装置１０４および動力伝達部材１０５と同じである。
【００９１】
また、燃料電池１０の出力密度の測定の際の測定方法および測定条件は、実施例１における測定方法および測定条件と同じである。また、液体燃料Ｆの外気への漏出抑制効果の評価方法も実施例１における評価方法と同じである。図６に、燃料電池１０の出力密度の測定における、出力密度の経時変化の結果を示す。
【００９２】
液体燃料Ｆの外気への漏出抑制効果の評価の結果、発電停止直前に液体燃料タンク２１に入っていたメタノールの量の９７％の量が発電再開時に液体燃料タンク２１内に残存していた。
【００９３】
（比較例１）
比較例１で用いた燃料電池１０は、酸化剤ガス遮断機構２５を備えない以外は、前述した実施例１の構成および製作方法と同じである。
【００９４】
また、燃料電池１０の出力密度の測定の際の測定方法および測定条件は、実施例１における測定方法および測定条件と同じである。なお、比較例１で用いた燃料電池１０は、酸化剤ガス遮断機構２５を備えていないので、カソード触媒層１３を大気と遮断することはできない。また、液体燃料Ｆの外気への漏出抑制効果の評価方法も実施例１における評価方法と同じである。図６に、燃料電池１０の出力密度の測定における、出力密度の経時変化の結果を示す。
【００９５】
液体燃料Ｆの外気への漏出抑制効果の評価の結果、発電停止直前に液体燃料タンク２１に入っていたメタノールの量の６０％の量が発電再開時に液体燃料タンク２１内に残存していた。
【００９６】
（比較例２）
比較例２で用いた燃料電池１０は、図２に示す酸化剤ガス遮断機構２５を備えた図１に示す燃料電池１０において、酸化剤ガス遮断機構２５と保湿層２６との配設位置を入れ替え、保湿層２６上に酸化剤ガス遮断機構２５が配設された以外は、前述した実施例１の構成および製作方法と同じである。
【００９７】
また、燃料電池１０の出力密度の測定の際の測定方法および測定条件は、実施例１における測定方法および測定条件と同じである。また、液体燃料Ｆの外気への漏出抑制効果の評価方法も実施例１における評価方法と同じである。図６に、燃料電池１０の出力密度の測定における、出力密度の経時変化の結果を示す。
【００９８】
液体燃料Ｆの外気への漏出抑制効果の評価の結果、発電停止直前に液体燃料タンク２１に入っていたメタノールの量の９０％の量が発電再開時に液体燃料タンク２１内に残存していた。
【００９９】
（比較例３）
図５には、比較例３で用いた直接メタノール型の燃料電池の断面図が模式的に示されている。
【０１００】
比較例３では、図２に示す酸化剤ガス遮断機構２５を備えた図５に示す燃料電池１０を用いた。この燃料電池１０で用いられている各構造体の構成および製作方法は、前述した実施例１の構成および製作方法と同じである。ここでは、カソード導電層１８と酸化剤ガス遮断機構２５との間に空間４０１が設けられ、酸化剤ガス遮断機構２５、保湿層２６および表面カバー２７が積層した状態で縦向き（例えば、カソード導電層１８の配設の向きに垂直な方向）に配設され、その構成に対応させて電池ケース４００が形成されている。
【０１０１】
この場合には、カソード導電層１８、膜電極接合体１６、アノード導電層１７、フレーム２３、気液分離膜２２、液体燃料タンク２１からなる積層構造体は、図示しない固定部材によって電池ケース４００に固定される。
【０１０２】
また、燃料電池１０の出力密度の測定の際の測定方法および測定条件は、実施例１における測定方法および測定条件と同じである。また、液体燃料Ｆの外気への漏出抑制効果の評価方法も実施例１における評価方法と同じである。図６に、燃料電池１０の出力密度の測定における、出力密度の経時変化の結果を示す。
【０１０３】
液体燃料Ｆの外気への漏出抑制効果の評価の結果、発電停止直前に液体燃料タンク２１に入っていたメタノールの量の８５％の量が発電再開時に液体燃料タンク２１内に残存していた。
【０１０４】
（測定結果の検討）
まず、燃料電池１０の出力密度の測定結果を検討する。
【０１０５】
図６に示されているように、実施例１〜実施例３における燃料電池１０では、比較例１〜比較例３における燃料電池１０に比べて、発電を再開した後の出力密度の上昇が早いことがわかる。また、実施例１〜実施例３における燃料電池１０の間では、出力密度の上昇の早さはほとんど同じであり、次いで比較例１における燃料電池１０、比較例３における燃料電池１０の順で遅くなり、比較例２における燃料電池１０が最も遅いことがわかる。
【０１０６】
これは、実施例１〜実施例３における燃料電池１０は共に、酸化剤ガス遮断機構２５が保湿層２６の下（カソード導電層１８側）に設けられているため、発電を停止している間に保湿層２６の乾燥が進んで保湿層２６の空気透過性が向上するため、発電を再開すると短時間で発電停止前と同じ出力密度を得ることができるためと考えられる。
【０１０７】
一方、比較例１における燃料電池１０は、酸化剤ガス遮断機構２５を備えていないので、発電を停止している間にもカソード触媒層１３に空気が供給されており、また同時に、アノード触媒層１１および電解質膜１５を透過したメタノール蒸気もカソード触媒層１３に拡散してくる。そのため、前述した式（１）の酸化反応および式（２）の還元反応が進行し、カソード触媒層１３では水が生成する。この生成した水は、保湿層２６を透過して外気へ放出されるので、保湿層２６は、発電を停止している間も常に水蒸気に触れており、保湿層２６の乾燥は余り進まない。このため、発電停止前と同じ出力密度を得るまでに時間を費やし、発電を再開した後の出力密度の上昇が、実施例１〜実施例３における燃料電池１０の場合よりも遅くなったものと考えられる。
【０１０８】
また、比較例２における燃料電池１０の場合は、酸化剤ガス遮断機構２５が保湿層２６上（表面カバー２７側）に設けられているため、発電を停止するとカソード触媒層１３への空気の供給は遮断される。しかし、酸化剤ガス遮断機構２５とカソード触媒層１３の間の空間に残留した空気があるため、その残留した空気中の酸素が消費され尽くすまでは、前述した式（１）の酸化反応および式（２）の還元反応が進行し、カソード触媒層１３で水が生成する。保湿層２６は、この生成した水を吸収するので、保湿層２６の空気透過性が低下する。また、膜電極接合体１６を透過したメタノール蒸気も保湿層２６に吸収され、保湿層２６の空気透過性を低下させる原因となる。これらの理由によって、比較例２における燃料電池１０は、発電を再開してから発電停止前と同じ出力密度を得るまでの時間が最も長くなったと考えられる。
【０１０９】
また、比較例３における燃料電池１０の場合は、酸化剤ガス遮断機構２５とカソード触媒層１３との間に大きな体積の空間４０１が存在するため、発電を停止している間においても、その空間４０１にメタノール蒸気が充満するまでメタノールの気化が継続する。一方で、空間４０１内に残存していた酸素は、発電を停止していてもカソード触媒層１３にメタノール蒸気が透過してくるために生じる式（１）の酸化反応および式（２）の還元反応によって消費され、酸素濃度は徐々に低下していく。そのため、発電を再開するために酸化剤ガス遮断機構２５を開いた直後には、上記した空間４０１中の酸素濃度は、極めて低い状態にあり、発電に必要な量の酸素をカソード触媒層１３に供給することができない。時間の経過に伴って、メタノール蒸気は、保湿層２６を透過して外気へ拡散し、同時に酸素は、保湿層２６を透過して空間４０１中に拡散してくるため、酸素濃度は徐々に上昇して、燃料電池１０の出力も上昇し、最終的には発電停止前と同じ出力の値に回復する。
【０１１０】
上記したことから、比較例３における燃料電池１０では、上記した空間４０１を有するために、発電を再開してから発電停止前と同じ出力密度を得るまでに、実施例１〜実施例３における燃料電池１０などに比べての時間が長くなったと考えられる。なお、実施例１〜実施例３における燃料電池１０では、この空間４０１の体積が極めて小さいため、酸素濃度は、急速に外気と同じ値まで上昇し、燃料電池１０の出力の上昇も早くなると考えられる。
【０１１１】
次に、液体燃料Ｆの外気への漏出抑制効果の評価の結果を検討する。
【０１１２】
実施例１〜実施例３における燃料電池１０では、発電停止時には、酸化剤ガス遮断機構２５を閉じた状態としているため、メタノールが大気中に放出されず、液体燃料タンク２１に残存した液体燃料Ｆが多かったものと考えられる。
【０１１３】
一方、比較例１における燃料電池１０では、酸化剤ガス遮断機構２５を備えないため、発電停止時においても液体燃料タンク２１から気化したメタノールの蒸気が膜電極接合体１６を透過して大気へ放出されるので、液体燃料タンク２１における液体燃料Ｆの残存量が大きく減少したものと考えられる。
【０１１４】
また、比較例２における燃料電池１０の場合は、酸化剤ガス遮断機構２５を備えることで、発電停止時には、気化したメタノールの大気中への放出は防止しているが、上述したカソード触媒層における式（１）の酸化反応および式（２）の還元反応が生じることと、気化したメタノールの蒸気の一部が保湿層２６に吸収されることによって、実施例１〜実施例３における燃料電池１０の場合に比べて、液体燃料タンク２１における液体燃料Ｆの残存量が少なくなったものと考えられる。
【０１１５】
また、比較例３における燃料電池１０の場合は、カソード触媒層１３と酸化剤ガス遮断機構２５との間に大きな体積の空間４０１が存在するため、その空間４０１に気化したメタノールが充満するまでメタノールの気化は継続する。そのため、実施例１〜実施例３における燃料電池１０の場合に比べて、液体燃料タンク２１における液体燃料Ｆの残存量が少なくなったものと考えられる。
【０１１６】
上記したように、カソード触媒層１３と酸化剤ガス遮断機構２５との間の空間を極力小さくして酸化剤ガス遮断機構２５を設けることで、優れた出力特性や液体燃料Ｆの外気への漏出抑制効果が得られることが明らかとなった。
【０１１７】
ここで、実施例１〜実施例３における燃料電池１０は、いずれの構成においても同等の効果を有するが、実施例相互間で比較するとそれぞれ以下のような長所を持つので、適用する用途に応じて、それぞれの燃料電池から好適な燃料電池１０を選択することが好ましい。
【０１１８】
実施例１における燃料電池１０は、部品点数が少なく容易に作製することができ、かつ酸化剤ガス遮断機構２５の占める領域が小さくて済むため、小型の携帯機器などに用いる燃料電池に対して適用することが好ましい。
【０１１９】
実施例２における燃料電池１０は、摩擦力を生じる部分は主に、回転遮断部２００の回転軸２０４と、枠体２０１に設けられた支持部２０６との間に限られるため、小さい力で酸化剤ガス遮断機構２５を駆動することができる。また、酸化剤ガス遮断機構２５が開いた状態における開口面積比を、他の実施例に対して大きくすることができるため、カソード触媒層１３に大量の酸化剤を供給することが可能となる。また、実施例２における燃料電池１０では、酸化剤ガス遮断機構２５が占める領域も大きくなるため、例えば、室内、床上または地上などに設置して用いるような、比較的大型の燃料電池に対して適用することが好ましい。
【０１２０】
実施例３における燃料電池１０は、実施例１における燃料電池１０と同様に、酸化剤ガス遮断機構２５は小型で、かつ容易、安価に製作することができ、小型の携帯機器などに用いる燃料電池に対して適用することが好ましい。また、伸縮板３００にゴム等を用いた場合、伸縮板３００を伸長したときでも、酸化剤ガス遮断機構２５において、全開孔の面積比は、余り大きくできないため、酸化剤の供給量も小さい極めて小型の燃料電池に対しての適用が好適である。
【０１２１】
なお、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、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、本発明の実施の形態は、本発明の技術的思想の範囲内で拡張もしくは変更することができ、この拡張、変更した実施の形態も本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【０１２２】
【図１】一実施の形態の燃料電池の断面を模式的に示した図。
【図２】酸化剤ガス遮断機構の構成を示す分解斜視図。
【図３】酸化剤ガス遮断機構の他の構成を示す分解斜視図。
【図４】酸化剤ガス遮断機構のさらに他の構成を示す分解斜視図。
【図５】比較例３の燃料電池の断面を模式的に示した図。
【図６】燃料電池の出力密度の経時変化の結果を示す図。
【符号の説明】
【０１２３】
１０…燃料電池、１１…アノード触媒層、１２…アノードガス拡散層、１３…カソード触媒層、１４…カソードガス拡散層、１５…電解質膜、１６…膜電極接合体、１７…アノード導電層、１８…カソード導電層、１９…アノードシール材、２０…カソードシール材、２１…液体燃料タンク、２２…気液分離膜、２３…フレーム、２４…気化燃料収容室、２５…酸化剤ガス遮断機構、２６…保湿層、２７…表面カバー、２８…空気導入口、２９…電池ケース、Ｆ…液体燃料。
【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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【図６】
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