(57)【要約】【課題】発電を停止した状態における燃料の劣化を防止するとともに、ＯＮ−ＯＦＦ制御の応答性を向上す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】燃料液１７を貯留する容器１０と、容器１０内に配置されたアノード１２およびカソード１１と、少なくともアノード１２に対して燃料液１７中への浸潤および燃料液１７中からの取り出しを行うことにより発電を制御するアノード可動機構３０とを備える燃料電池１を採用する。【選択図】図２
2013114804.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料液を貯留する容器と、
前記容器内に配置されたアノードおよびカソードと、
前記アノードに対して前記燃料液中への浸潤および前記燃料液中からの取り出しを行うことにより発電を制御する運転制御手段とを備える燃料電池。
【請求項２】
前記容器内に配置され、前記容器内を前記カソードが配置されたカソード領域と前記アノードが配置されたアノード領域とに区画する電解質膜を備える請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記運転制御手段が、前記アノードを前記容器に対して相対移動させるアノード可動機構を備える請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記アノード可動機構が、
前記アノードを保持するアノード保持部材と、
前記アノード保持部材を前記容器に対して相対移動させる移動機構と、
前記容器と前記アノード保持部材との摺動部に配置され、前記容器内の燃料液の漏れを防止するシール部材とを備える請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記アノード可動機構が、前記アノードを燃料液に浸潤させた状態および／または前記アノードを燃料液から取り出した状態で保持する保持手段を備える請求項３または４に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記運転制御手段が、
前記容器と連通され、燃料液を貯留する貯留槽と、
前記貯留槽内の液量を調節する液量調節機構と備える請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記液量調節機構が、前記容器内の液量を調整することにより、前記アノードに対して前記燃料液中への浸潤および前記燃料液中からの取り出しを行う請求項６に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記液量調節機構が、前記容器内の液量を調整することにより、前記アノードおよび前記カソードに対して前記燃料液中への浸潤および前記燃料液中からの取り出しを行う請求項６に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記液量調節機構が、前記貯留槽の容積を可変とするシリンジ機構を有する請求項６から８のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１０】
燃料液を貯留する容器と、前記容器内に配置されたアノードおよびカソードとを備えた燃料電池の運転制御方法であって、
少なくとも前記アノードに対して前記燃料液中への浸潤および前記燃料液中からの取り出しを行うことにより発電を制御する燃料電池の運転制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池およびその運転制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、メタノール等を燃料とする直接型燃料電池において、アノード・電解質膜・カソードからなる燃料電池本体と、燃料から毛管現象を利用して燃料を保持する液体燃料保持部材との間を離間することにより燃料の供給を遮断可能な構造を有する燃料電池が知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
また、メタノールに代えて、安全で高性能な糖やエタノールを燃料とした直接型燃料電池が知られている（例えば特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４２７７２５７号公報
【特許文献２】特開２００９−９３９４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に開示されている燃料電池は、燃料の劣化防止を目的としているものの、これを実現するための液体燃料保持部材の発明に重点を置いており、具体的な離間手段が提示されていない。また、離間手段以外に液体燃料保持部材が必要であることで、構成部品が増えてしまい、構造が複雑となっている。さらに、液体燃料保持部材に残留した燃料により発電が継続されるため、ＯＮ−ＯＦＦ制御の応答性が悪いという不都合がある。
【０００６】
特許文献２に開示されている燃料電池は、アノードに燃料を供給するという記載となっており、燃料供給後、燃料がなくなるまで発電してしまい、負荷に応じてＯＮ−ＯＦＦすることができない。また、たとえ燃料電池外部の回路にスイッチを設けても、アノードと燃料が接触していることで、その界面で酸化が進んで燃料を消費してしまうという不都合がある。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、発電を停止した状態における燃料の劣化を防止するとともに、ＯＮ−ＯＦＦ制御の応答性を向上することができる燃料電池およびその運転制御方法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】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明の第１の態様は、燃料液を貯留する容器と、前記容器内に配置されたアノードおよびカソードと、少なくとも前記アノードに対して前記燃料液中への浸潤および前記燃料液中からの取り出しを行うことにより発電を制御する運転制御手段とを備える燃料電池である。
【０００９】
本発明に係る燃料電池によれば、運転制御手段によりアノードを容器内の燃料液中に浸潤させることで発電が行われる。具体的には、アノードが燃料液中に浸潤された状態において、容器内に貯留された燃料液は、アノードにおいて電子を放出するとともに、水素イオンを生成する（酸化）。アノードに放出された電子は、アノードとカソードとを電気的に接続する導線を通ってカソードに送られる。
【００１０】
一方、カソード表面に供給された酸素と、アノードから導線を通って送られてきた電子と、容器内の水とが反応して、水酸化物イオンが生成される（還元）。
【００１１】
このように生成された水酸化物イオンは、容器内の燃料液中を対流してアノード近傍に到達する。そして、アノード近傍では、アノードにおいて生成された水素イオンと、カソードから移動してきた水酸化物イオンとが反応して水が生成される。上記のように、アノードにおいて酸化が行われるともに、カソードにおいて還元が行われることで発電が行われる。
【００１２】
一方、運転制御手段によりアノードを容器内の燃料液中から取り出すことで発電が停止される。すなわち、運転制御手段によりアノードに対して燃料液中への浸潤および燃料液中からの取り出しを行うことで、燃料電池のＯＮ−ＯＦＦ制御が行われる。このように燃料電池のＯＮ−ＯＦＦ制御を行うことで、その応答性を向上することができる。また、発電停止時（燃料電池をＯＦＦした状態）には、アノードを燃料液中から取り出しているため、発電停止時における酸化反応を停止させることができ、燃料の劣化を防止することができる。
【００１３】
上記態様において、前記容器内に配置され、前記容器内を前記カソードが配置されたカソード領域と前記アノードが配置されたアノード領域とに区画する電解質膜を備えることとしてもよい。
このように構成することで、カソードにおいて生成された水酸化物イオンは、カソード領域とアノード領域とを区画する電解質膜（例えばアニオン交換膜）を透過して、アノード領域に到達する。そして、アノード領域では、アノードにおいて生成された水素イオンと、カソード領域から移動してきた水酸化物イオンとが反応して水が生成される。上記のように、アノードにおいて酸化が行われるともに、カソードにおいて還元が行われることで、発電が行われる。
【００１４】
この場合において、電解質膜により容器内をカソード領域とアノード領域とに区画することで、アノード領域に収容されている燃料液を酸性または中性とすることができる。アノード領域に収容されている燃料液を酸性または中性とすることで、カソード領域において生成された水酸化物イオンのアノード領域への移動抵抗を小さくすることができる。これにより、水酸化物イオンのカソード領域からアノード領域への移動を円滑に行うことができ、燃料電池の出力を向上することができる。
【００１５】
また、燃料として単糖類のグルコースを利用した場合は、アルカリ性の中ではフルクトースへの異性化が進みやすくなる。このフルクトースは還元性を有さないため、グルコースが異性化してフルクトースに変化すると、糖酸化による発電が行えなくなる。そこで、アノード領域を酸性または中性とすることで、グルコースのフルクトースへの異性化を防止することができ、燃料の劣化を防止することができる。
【００１６】
また、電解質膜により容器内をカソード領域とアノード領域とに区画することで、カソード領域にアルカリ性の電解質溶液を収容することができる。このようにすることで、カソード領域における還元反応を促進するとともに、発電開始時における、カソード領域から電解質膜を透過してアノード領域に移動する水酸化物イオンの量を増加させることができ、燃料電池の起動速度を速めることができる。
【００１７】
上記態様において、前記運転制御手段が、前記アノードを前記容器に対して相対移動させるアノード可動機構を備えることとしてもよい。
このように構成することで、アノード可動機構によりアノードを容器に対して相対移動させることによって、容易にアノードを燃料液中への浸潤および取り出しを行うことができ、燃料電池のＯＮ−ＯＦＦ制御を行うことができる。また、その際の応答性を向上することができる。
【００１８】
上記態様において、前記アノード可動機構が、前記アノードを保持するアノード保持部材と、前記アノード保持部材を前記容器に対して相対移動させる移動機構と、前記容器と前記アノード保持部材との摺動部に配置され、前記容器内の燃料液の漏れを防止するシール部材とを備えることとしてもよい。
このように構成することで、容易にアノードを可動させてアノードを燃料液中への浸潤および取り出しを行うことができるとともに、その際の容器からの燃料液の漏れをシール部材により防止することができる。
【００１９】
上記態様において、前記アノード可動機構が、前記アノードを燃料液に浸潤させた状態および／または前記アノードを燃料液から取り出した状態で保持する保持手段を備えることとしてもよい。
このように構成することで、保持手段によりアノードを燃料液に浸潤させた状態および／または取り出した状態で保持することができ、燃料電池のＯＮ−ＯＦＦ状態を確実に維持することができる。
【００２０】
上記態様において、前記運転制御手段が、前記容器と連通され、燃料液を貯留する貯留槽と、前記貯留槽内の液量を調節する液量調節機構と備えることとしてもよい。
このように構成することで、液量調節機構により貯留槽内の液量を減少させることによって、該貯留槽に連通した容器内の液量を増加させ、該容器内のアノードを燃料液中に浸潤させて発電を行うことができる。一方、液量調節機構により貯留槽内の液量を増加させることによって、容器内の液量を減少させ、該容器内のアノードを燃料液中から取り出して発電を停止させることができる。すなわち、液量調節機構を動作させることで、燃料電池のＯＮ−ＯＦＦ制御を行うことができる。また、その際の応答性を向上することができる。
【００２１】
上記態様において、前記液量調節機構が、前記容器内の液量を調整することにより、前記アノードに対して前記燃料液中への浸潤および前記燃料液中からの取り出しを行うこととしてもよい。
このように構成することで、容易に燃料電池のＯＮ−ＯＦＦ制御を行うことができ、また、その際の応答性を向上することができる。
【００２２】
上記態様において、前記液量調節機構が、前記容器内の液量を調整することにより、前記アノードおよび前記カソードに対して前記燃料液中への浸潤および前記燃料液中からの取り出しを行うこととしてもよい。
このように構成することで、容易かつ確実に燃料電池のＯＮ−ＯＦＦ制御を行うことができ、また、その際の応答性を向上することができる。
【００２３】
上記態様において、前記液量調節機構が、前記貯留槽の容積を可変とするシリンジ機構を有することとしてもよい。
このように構成することで、容易に容器内および貯留槽内の液量を調整して、アノードに対して燃料液中への浸潤および燃料液中からの取り出しを行うことができ、燃料電池のＯＮ−ＯＦＦ制御を行うことができる。
【００２４】
本発明の第２の態様は、燃料液を貯留する容器と、前記容器内に配置されたアノードおよびカソードとを備えた燃料電池の運転制御方法であって、少なくとも前記アノードに対して前記燃料液中への浸潤および前記燃料液中からの取り出しを行うことにより発電を制御する燃料電池の運転制御方法である。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、発電を停止した状態における燃料の劣化を防止するとともに、ＯＮ−ＯＦＦ制御の応答性を向上することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】発電停止時における燃料の劣化を説明するグラフである。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の概略構成図である（発電時）。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の概略構成図である（発電停止時）。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の概略構成図である（発電時）。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の概略構成図である（発電停止時）。
【図６】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の概略構成図である（発電時）。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の概略構成図である（発電停止時）。
【図８】本発明の第１の変形例に係る燃料電池の概略構成図である（発電時）。
【図９】本発明の第１の変形例に係る燃料電池の概略構成図である（発電停止時）。
【図１０】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池の概略構成図である（発電時）。
【図１１】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池の概略構成図である（発電停止時）。
【図１２】本発明の第２の変形例に係る燃料電池の概略構成図である（発電時）。
【図１３】本発明の第２の変形例に係る燃料電池の概略構成図である（発電停止時）。
【図１４】本発明の第５の実施形態に係る燃料電池の概略構成図である（発電時）。
【図１５】本発明の第５の実施形態に係る燃料電池の概略構成図である（発電停止時）。
【図１６】本発明の第３の変形例に係る燃料電池の概略構成図である（発電時）。
【図１７】本発明の第３の変形例に係る燃料電池の概略構成図である（発電停止時）。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
〔第１の実施形態〕
以下、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１について図面を参照して説明する。
ここでは、まず、発電停止時における燃料の劣化について図１を用いて説明する。
図１は、燃料電池の燃料液であるサンプルＡ，Ｂ，Ｃに含有される各物質（グルコン酸、グリコール酸、乳酸、ギ酸、酢酸）の量を測定した結果である。図１における各サンプルの条件は以下の通りである。
サンプルＡ：グルコース０．４Ｍ、ＫＯＨ２．０Ｍを混合した燃料液
サンプルＢ：サンプルＡを入れた容器にアノードを浸潤させた燃料液（発電未実施）
サンプルＣ：サンプルＡを燃料電池に供給して発電させた燃料液（発電実施済み）
【００２８】
図１におけるサンプルＡ，Ｂ，Ｃを比較すると、発電を実施していないサンプルＢ、発電を実施したサンプルＣ共に、グルコースの酸化物であるグルコン酸が、燃料電池に供給する前のサンプルＡに比べて増加していることがわかる。
以上の測定結果より、電極と燃料が接触していれば、発電の有無を問わず、燃料の酸化（劣化）が進むことが示された。
【００２９】
次に、本実施形態に係る燃料電池１の構成について図２を用いて説明する。
本実施形態に係る燃料電池１は、図２に示すように、燃料液１７を貯留する容器１０と、容器１０内に配置されたアノード１２と、容器１０内に配置されて一部が容器１０の外部に連通されたカソード１１と、アノード１２を容器１０に対して相対移動させるアノード可動機構３０とを備えている。
【００３０】
容器１０は、例えば樹脂等の電気絶縁性を有する材料で構成された密閉容器であり、その内部には燃料液１７が収容されている。
燃料液１７は、例えばエタノールやグルコース水溶液であり、電解質として硫酸や過塩素酸などの酸性電解質または水酸化ナトリウムや水酸化カリウム等の塩基性電解質が加えられている。
【００３１】
アノード１２は、糖の酸化反応を司る金属触媒粒子と、この金属触媒粒子を担持する担持体とから構成されている。金属触媒粒子は、触媒として機能し、燃料液１７中のグルコース等の燃料を酸化するようになっている。金属触媒粒子としては、例えば、金、白金、パラジウム、イリジウム、ロジウム、ルテニウムなどの貴金属である。
【００３２】
担持体としては、分極性が高く、導電性を兼ね備えた素材が好ましい。具体的には、カーボン、グラファイト、チタンといった素材が適している。また、担持体を多孔質材料とすることで、アノード１２の表面積を増加させ、反応効率を高めることができる。また、触媒粒子として活用する金属を、基材用の金属として利用することも可能である。
アノード１２には、容器１０の外部まで延びる導線１９が電気的に接続されており、導線１９の他端は外部機器２０に接続されている。
【００３３】
カソード１１は、一部が容器１０の壁面から露出して設けられており、容器１０の外部の酸素を還元して、水酸化物イオンを生成するようになっている。また、カソード１１には、導線１８が電気的に接続されており、導線１８の他端は外部機器２０に接続されている。なお、カソード１１は、容器１０の外部に露出させずに、容器１０の壁面の一部として設けられた通気防水材料（図示略）を介して容器１０の外部と連通していてもよい。
【００３４】
カソード１１は、アノード１２と同様に、金属触媒粒子と、該金属触媒粒子を担持する担持体とから構成されている。金属触媒粒子としては、例えば、金、白金、パラジウム、イリジウム、ロジウム、ルテニウムなどの貴金属が好適である。担持体もカーボン、グラファイト、チタンといった素材や多孔質材料が適しており、触媒粒子として活用する金属を、基材用の金属として利用することも可能である。また、カソード１１として、既存の空気亜鉛電池の空気極（二酸化マンガンを触媒とする電極）を用いることとしてもよい。
【００３５】
アノード可動機構３０は、アノード１２を容器１０に対して相対移動させ、アノード１２を容器１０内の燃料液１７中へ浸潤させるとともに、アノード１２を容器１０内の燃料液１７中から取り出すようになっている。これにより、アノード可動機構３０は、アノード１２に対して燃料液１７への浸潤および燃料液１７からの取り出しを行うことにより、発電の制御（すなわち、燃料電池のＯＮ−ＯＦＦ制御）を行う運転制御手段としての機能を有している。
【００３６】
具体的な構成として、アノード可動機構３０は、アノード１２を保持するアノード保持部材３１と、アノード保持部材３１を容器１０に対して相対移動させる移動機構（図示略）と、容器１０とアノード保持部材３１との摺動部に配置されたシール部材３３と、アノード保持部材３１に設けられ、容器１０の内部と外部とを連通する連通部に設けられた通気防水材（例えばゴアテックス）３２とを備えている。
【００３７】
アノード保持部材３１は、上面が開口した容器１０の上蓋であり、容器１０の内面に嵌合するようになっている。
シール部材３３は、例えば、アノード保持部材３１の外面または容器１０の内面に配置されたＯリングであり、アノード保持部材３１を容器１０に対して相対移動させた際に、容器１０内の燃料液１７の漏れを防止するようになっている。
【００３８】
上記構成を有することで、アノード可動機構３０は、図２に示すように、アノード保持部材３１を容器１０に押し付けることで、アノード１２が容器１０内の燃料液１７に浸潤されて発電を開始する。また、図３に示すように、アノード保持部材３１を容器１０に対して引き上げることで、アノード１２が容器１０内の燃料液１７から取り出されて発電が停止される。また、容器１０とアノード保持部材３１との摺動部にシール部材３３を設けることで、アノード保持部材３１を容器１０に対して引き上げた際の、容器１０からの燃料液１７の漏れをシール部材３３により防止することができる。
【００３９】
なお、アノード保持部材３１を容器１０に対して引き上げた際に、アノード保持部材３１が容器１０から完全に抜けてしまうことを防止するために、アノード１２を燃料液１７から取り出した状態で保持する保持手段（例えばラッチ機構等）を備えることとしてもよい。同様に、アノード１２を燃料液１７に浸潤させた状態で保持する保持手段（例えばラッチ機構等）を備えることとしてもよい。
【００４０】
このように構成することで、保持手段によりアノード１２を、燃料液１７に浸潤させた状態および／または取り出した状態で保持することができ、燃料電池のＯＮ−ＯＦＦ状態を確実に維持することができる。
【００４１】
ここで、通気防水材３２は、アノード保持部材３１を容器１０に対して動作させた際に、容器１０内に外部からの空気を供給または容器１０内の空気を排出するためのものである。つまり、アノード保持部材３１を容器１０に押し付けた際には、容器１０内の空気は、通気防水材３２を介して容器１０の外部に排出される。一方、アノード保持部材３１を容器１０に対して引き上げた際には、通気防水材３２を介して容器１０の内部に外部からの空気が供給される。
なお、本実施形態においては通気防水材３２を設けた例を説明するが、カソード１１を通して通気可能である場合は、このような通気防水材３２を備える必要はない。
【００４２】
上記構成を有する燃料電池１の作用について以下に説明する。
本実施形態に係る燃料電池１によれば、図２に示すように、アノード可動機構３０によりアノード１２を容器１０内の燃料液１７中に浸潤させることで発電が行われる。具体的には、アノード１２が燃料液１７中に浸潤された状態において、容器１０内に貯留された燃料液１７が、アノード１２に電子を放出するともに、水素イオンを生成する（酸化）。アノード１２に放出された電子は、アノード１２とカソード１１とを電気的に接続する導線１８，１９および外部機器２０を通ってカソード１１に送られる。
【００４３】
一方、カソード１１では、カソード１１の一部が容器１０の外部に連通されているため、容器１０の外部から酸素が供給される。そして、カソード１１表面において、容器１０の外部から供給された酸素と、アノード１２から導線１８，１９および外部機器２０を通って送られてきた電子と、容器１０内の水とが反応して、水酸化物イオンが生成される（還元）。
【００４４】
このように生成された水酸化物イオンは、容器１０内の燃料液１７中を対流してアノード１２近傍に到達する。そして、アノード１２近傍では、アノード１２において生成された水素イオンと、カソード１１から移動してきた水酸化物イオンとが反応して水が生成される。上記のように、アノード１２において酸化が行われるともに、カソード１１において還元が行われることで発電が行われる。
【００４５】
一方、図３に示すように、アノード可動機構３０によりアノード１２を容器１０内の燃料液１７中から取り出すことで発電が停止される。
以上のように、本実施形態に係る燃料電池１によれば、アノード可動機構３０によりアノード１２に対して燃料液１７中への浸潤および燃料液１７からの取り出しを行うことで、燃料電池のＯＮ−ＯＦＦ制御が行われる。このように燃料電池のＯＮ−ＯＦＦ制御を行うことで、その応答性を向上することができる。また、発電停止時（燃料電池をＯＦＦした状態）には、アノード１２を燃料液１７から取り出しているため、発電停止時における酸化反応を停止させることができ、燃料の劣化を防止することができる。
【００４６】
なお、本実施形態において、特にアノード１２に供給される燃料液１７は、エタノールやメタノールなどのアルコールに、グルコースやガラクトースなどの糖またはホルムアルデヒドやアセトアルデヒドなどのアルデヒド基をもつ物質やアルデヒドの特性を持つギ酸を含むこととしてもよい。
【００４７】
〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池２について、図４および図５を参照して説明する。なお、以降では、各実施形態に係る燃料電池について、前述の実施形態に係る燃料電池と共通する点については同一の符号を付して説明を省略し、異なる点について主に説明する。
【００４８】
本実施形態に係る燃料電池２は、図４に示すように、前述の第１の実施形態に係る燃料電池１の構成（図２参照）に加えて、容器１０内を２つの領域に区画するアニオン交換膜（電解質膜）１３を備えている。
【００４９】
アニオン交換膜１３は、容器１０内を、カソード１１が配置されたカソード領域（図４において符号１７ｂに示す領域）と、アノード１２が配置されたアノード領域（図４において符号１７ａに示す領域）とに区画するように配置されている。
【００５０】
ここで、アニオン交換膜とは、膜内に陰イオン交換基を有し、陰イオンを移動・伝達させることができる高分子の膜である。陰イオン交換基としては、アンモニウム基、ピリジニウム基、イミダゾリウム基、ホスホニウム基、スルホニウム基があり、これらのいずれかの官能基を有する単量体を基材として構成する高分子化合物で構成されている。このような構成を有することで、アニオン交換膜１３は、カソード領域内で生成された水酸化物イオン、あるいはカソード領域に蓄えたアルカリ性溶液内の水酸化物イオンを、アノード領域へ透過させるようになっている。
【００５１】
本実施形態では、アノード領域の燃料液１７ａを中性または酸性のエタノール水溶液、カソード領域の燃料液１７ｂをアルカリ性の水酸化ナトリウム水溶液とする。なお、アニオン交換膜１３は、アノード１２と近接させるとアノード領域の燃料液１７ａの容量を確保できないため、カソード１１と近接させることが好ましい。
【００５２】
上記構成を有する燃料電池２の作用について以下に説明する。
本実施形態に係る燃料電池２によれば、図４に示すように、アノード可動機構３０によりアノード１２を容器１０内の燃料液１７に浸潤させることで発電が行われる。具体的には、アノード領域において、アノード１２が燃料液１７中に浸潤する。この時、容器１０内のアノード領域に貯留された燃料液１７ａが、アノード１２に電子を放出するともに、水素イオンを生成する（酸化）。アノード１２に放出された電子は、アノード１２とカソード１１とを電気的に接続する導線１８，１９および外部機器２０を通ってカソード１１に送られる。
【００５３】
一方、カソード領域では、カソード１１の一部が容器１０の外部に連通されているため、容器１０の外部から酸素が供給される。そして、カソード１１表面において、容器１０の外部から供給された酸素と、アノード１２から導線１８，１９および外部機器２０を通って送られてきた電子と、容器１０内の水とが反応して、水酸化物イオンが生成される（還元）。
【００５４】
このように生成された水酸化物イオンは、カソード領域とアノード領域とを区画するアニオン交換膜１３を透過して、アノード領域に到達する。そして、アノード領域では、アノード１２において生成された水素イオンと、カソード領域からアニオン交換膜１３を透過して移動してきた水酸化物イオンと、が反応して水が生成される。上記のように、アノード１２において酸化が行われるともに、カソード１１において還元が行われることで発電が行われる。
【００５５】
この場合において、アノード領域に収容されている燃料液１７ａは、酸性または中性であるため、カソード領域において生成された水酸化物イオンのアノード領域への移動抵抗を小さくすることができる。これにより、水酸化物イオンのカソード領域からアノード領域への移動を円滑に行うことができ、燃料電池２の出力を向上することができる。
【００５６】
一方、図５に示すように、アノード可動機構３０によりアノード１２を容器１０内の燃料液１７ａから取り出すことで発電が停止される。すなわち、アノード可動機構３０によりアノード１２に対して燃料液１７への浸潤および燃料液１７ａからの取り出しを行うことで、燃料電池のＯＮ−ＯＦＦ制御が行われる。このように燃料電池のＯＮ−ＯＦＦ制御を行うことで、その応答性を向上することができる。また、発電停止時（燃料電池をＯＦＦした状態）には、アノード１２を燃料液１７ａから取り出しているため、発電停止時における酸化反応を停止させることができ、燃料の劣化を防止することができる。
【００５７】
また、燃料液１７ａとして利用される単糖類のグルコースは、アルカリ性の中ではフルクトースへの異性化が進みやすくなる。このフルクトースは還元性を有さないため、グルコースが異性化してフルクトースに変化すると、糖酸化による発電が行えなくなる。そこで、アノード領域の燃料液１７ａを酸性または中性とすることで、グルコースのフルクトースへの異性化を防止することができ、燃料液１７ａの劣化を防止することができる。
【００５８】
また、カソード領域に、例えば水酸化ナトリウムや水酸化カリウム水溶液等のアルカリ性の燃料液１７ｂを収容することで、カソード領域における還元反応を促進するとともに、発電開始時における、カソード領域からアニオン交換膜１３を透過してアノード領域に移動する水酸化物イオンの量を増加させることができ、燃料電池２の起動速度を速めることができる。
【００５９】
〔第３の実施形態〕
次に、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池３について、図６および図７を参照して説明する。
本実施形態に係る燃料電池３は、図６に示すように、前述の第１の実施形態に係る燃料電池１の構成（図２参照）において、アノード可動機構３０のアノード保持部材３１が、容器１０の上面に設けられた開口部に嵌合する形状とされている。
【００６０】
本実施形態において、アノード可動機構３０は、アノード１２に接続されたアノード保持部材３１と、アノード保持部材３１を容器１０に対して相対移動させる移動機構（図示略）と、容器１０の上面に設けられた開口部に配置されたシール部材３３とを備えている。
【００６１】
アノード保持部材３１は、アノード１２に接続された棒状の部材であり、容器１０の上面に設けられた開口部に挿入されている。
シール部材３３は、例えば、容器１０の上面の開口部に配置されたＯリングであり、アノード保持部材３１と容器１０の開口部との隙間をシールして、アノード保持部材３１を容器１０に対して相対移動させた際に、容器１０内の燃料液１７の漏れを防止するようになっている。
【００６２】
上記構成を有することで、アノード可動機構３０は、図６に示すように、アノード保持部材３１を容器１０内に挿入することで、アノード１２が容器１０内の燃料液１７に浸潤されて発電を開始する。また、図７に示すように、アノード保持部材３１を容器１０に対して引き上げることで、アノード１２が容器１０内の燃料液１７から取り出されて発電が停止される。また、アノード保持部材３１と容器１０の開口部との隙間にシール部材３３を設けることで、アノード保持部材３１を容器１０に対して引き上げた際の、容器１０からの燃料液１７の漏れをシール部材３３により防止することができる。
【００６３】
以上のように、本実施形態に係る燃料電池３によれば、アノード可動機構３０によりアノード１２に対して燃料液１７中への浸潤および燃料液１７中からの取り出しを行うことで、燃料電池のＯＮ−ＯＦＦ制御が行われる。このように燃料電池のＯＮ−ＯＦＦ制御を行うことで、その応答性を向上することができる。また、発電停止時（燃料電池をＯＦＦした状態）には、アノード１２を燃料液１７中から取り出しているため、発電停止時における酸化反応を停止させることができ、燃料の劣化を防止することができる。
【００６４】
さらに、本実施形態に係る燃料電池３によれば、アノード可動機構３０によりアノード１２に対して燃料液１７中への浸潤および燃料液１７中からの取り出しを行う際に、容器１０内の体積変化をなくすことができるため、第１の実施形態の燃料電池１における通気防水材３２を不要とすることができる。
【００６５】
［第１の変形例］
次に、本実施形態に係る燃料電池３の変形例について以下に説明する。
本変形例に係る燃料電池４は、図８および図９に示すように、前述の第２の実施形態に係る燃料電池２の構成（図４参照）において、アノード可動機構３０のアノード保持部材３１が、容器１０の上面に設けられた開口部に嵌合する形状とされている。
本変形例において、アノード可動機構３０の構成は前述の第３の実施形態に係る燃料電池３と同様であり、その他の構成は前述の第２の実施形態に係る燃料電池２と同様である。
【００６６】
上記構成を有する本変形例に係る燃料電池４によれば、第２の実施形態の燃料電池２と同様の効果に加えて、アノード可動機構３０によりアノード１２に対して燃料液１７への浸潤および燃料液１７からの取り出しを行う際に、容器１０内の体積変化をなくすことができるため、第２の実施形態の燃料電池２における通気防水材３２を不要とすることができる。
【００６７】
〔第４の実施形態〕
次に、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池５について、図１０および図１１を参照して説明する。
本実施形態に係る燃料電池５は、図１０に示すように、前述の第１の実施形態に係る燃料電池１の構成（図２参照）において、アノード可動機構３０に代えて、容器１０内の燃料液１７の液量を調節する液量調節機構４０を備えている。
【００６８】
液量調節機構４０は、容器１０内の燃料液１７の液量を調節することで、容器１０内に配置されたアノード１２を燃料液１７へ浸潤させるとともに、アノード１２を容器１０内の燃料液１７から取り出すようになっている。このように、液量調節機構４０は、アノード１２に対して燃料液１７への浸潤および燃料液１７からの取り出しを行うことにより、発電の制御（すなわち、燃料電池のＯＮ−ＯＦＦ制御）を行う運転制御手段としての機能を有している。
【００６９】
具体的な構成として、液量調節機構４０は、容器１０と連通され、燃料液１７を貯留する貯留槽４１と、該貯留槽４１の内面に嵌合し、貯留槽４１に対して移動可能に設けられた内筒部４２とを備えている。すなわち、液量調節機構４０は、貯留槽４１を外筒（シリンジ）、内筒部４２を押子（プランジャ）とするシリンジ構造を有している。
【００７０】
上記構成を有することで、液量調節機構４０は、図１０に示すように、貯留槽４１に対して内筒部４２を押し込むことで、容器１０内の燃料液１７の液量を増加させる。これにより、アノード１２が、容器１０内の燃料液１７に浸潤されて発電が開始される。また、図１１に示すように、貯留槽４１に対して内筒部４２を引き抜くことで、容器１０内の燃料液１７を貯留槽４１に流入させて、容器１０内の燃料液１７の液量を減少させる。これにより、アノード１２が、容器１０内の燃料液１７から取り出されて発電が停止される。
【００７１】
なお、貯留槽４１の内周面または内筒部４２の外周面にＯリング等のシール部材（図示略）を設けることで、貯留槽４１に対して内筒部４２を動作させた際の、貯留槽４１からの燃料液１７の漏れを防止することができる。
【００７２】
また、図示しないが、容器１０の上面には、容器１０内に外部からの空気を供給または容器１０内の空気を排出するために、通気防水材を設けることが望ましい。これにより、貯留槽４１に対して内筒部４２を押し込んだ際には、容器１０および貯留槽４１内の空気は、通気防水材を介して容器１０の外部に排出される。一方、貯留槽４１に対して内筒部４２を引き抜く際には、通気防水材を介して容器１０の内部に外部からの空気が供給される。
【００７３】
上記構成を有する本実施形態に係る燃料電池５によれば、液量調節機構４０により貯留槽４１内の液量を減少させることによって、貯留槽４１に連通した容器１０内の液量を増加させ、容器１０内のアノード１２を燃料液１７に浸潤させて発電を行うことができる。一方、液量調節機構４０により貯留槽４１内の液量を増加させることによって、容器１０内の液量を減少させ、容器１０内のアノード１２を燃料液１７から取り出して発電を停止させることができる。すなわち、液量調節機構４０を動作させることで、燃料電池のＯＮ−ＯＦＦ制御を行うことができる。また、その際の応答性を向上することができる。
【００７４】
また、前述の各実施形態と同様に、発電停止時（燃料電池をＯＦＦした状態）には、アノード１２を燃料液１７から取り出しているため、発電停止時における酸化反応を停止させることができ、燃料の劣化を防止することができる。
【００７５】
［第２の変形例］
次に、第４の実施形態に係る燃料電池５の変形例について以下に説明する。
本変形例に係る燃料電池６は、図１２および図１３に示すように、第４の実施形態に係る燃料電池５において、前述の第２の実施形態において説明した容器１０内を２つの領域に区画するアニオン交換膜（電解質膜）１３を備えている。
本変形例において、アニオン交換膜１３の構成は第２の実施形態の燃料電池２と同様であり、液量調節機構４０を含めたその他の構成は前述の第４の実施形態に係る燃料電池５と同様である。
【００７６】
上記構成を有する本変形例に係る燃料電池６によれば、第２の実施形態の燃料電池２と同様の効果に加えて、液量調節機構４０を動作させることで、燃料電池のＯＮ−ＯＦＦ制御を行うことができ、その際の応答性を向上することができる。
【００７７】
〔第５の実施形態〕
次に、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池７について、図１４および図１５を参照して説明する。
本実施形態に係る燃料電池７は、図１４および図１５に示すように、前述の第４の実施形態に係る燃料電池５の構成（図１０参照）において、カソード１１とアノード１２とが同一水平面に配置されている。その他の構成は、前述の第４の実施形態に係る燃料電池５と同様である。
【００７８】
上記構成を有することで、液量調節機構４０は、図１４に示すように、貯留槽４１に対して内筒部４２を押し込むことで、容器１０内の燃料液１７の液量を増加させる。これにより、カソード１１およびアノード１２が、容器１０内の燃料液１７に浸潤されて発電が開始される。また、図１５に示すように、貯留槽４１に対して内筒部４２を引き抜くことで、容器１０内の燃料液１７を貯留槽４１に流入させて、容器１０内の燃料液１７の液量を減少させる。これにより、カソード１１およびアノード１２が、容器１０内の燃料液１７から取り出されて発電が停止される。
【００７９】
上記構成を有する本実施形態に係る燃料電池７によれば、前述の第４の実施形態に係る燃料電池５と同様の効果に加えて、発電停止時にカソード１１およびアノード１２を燃料液１７から取り出すことで、容易かつ確実に燃料電池のＯＮ−ＯＦＦ制御を行うことができ、また、その際の応答性を向上することができる。
【００８０】
［第３の変形例］
次に、第５の実施形態に係る燃料電池７の変形例について以下に説明する。
本変形例に係る燃料電池８は、図１６および図１７に示すように、第５の実施形態に係る燃料電池７において、前述の第２の実施形態において説明した容器１０内を２つの領域に区画するアニオン交換膜（電解質膜）１３を備えている。
本変形例において、アニオン交換膜１３の構成は第２の実施形態の燃料電池２と同様であり、液量調節機構４０を含めたその他の構成は前述の第５の実施形態に係る燃料電池７と同様である。
【００８１】
上記構成を有する本変形例に係る燃料電池８によれば、第２の実施形態の燃料電池２と同様の効果に加えて、液量調節機構４０を動作させることで、発電停止時にカソード１１およびアノード１２を燃料液１７から取り出すことができ、容易かつ確実に燃料電池のＯＮ−ＯＦＦ制御を行うことができる。また、その際の応答性を向上することができる。
【００８２】
以上、本発明の実施形態および変形例について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。例えば、本発明を上記の各実施形態および各変形例を適宜組み合わせた実施形態に適用してもよく、特に限定されるものではない。
【００８３】
また、各実施形態において、容器１０内の燃料液１７の液量を検知するセンサを設けることとしてもよい。これにより、アノード１２が燃料液１７に浸潤している状態と、アノード１２が燃料液１７から取り出された状態とを検知することができる。すなわち、センサにより、燃料電池のＯＮ−ＯＦＦを確実に検知することができる。
また、導線１８，１９の途中位置に電流計を設けることとしてもよい。これにより、燃料電池のＯＮ−ＯＦＦを電流計により確実に検知することができる。
【００８４】
また、各実施形態においては、アニオン移動型の燃料電池を記載してきたが、本発明はこれに限るものではなく、プロトン移動型の燃料電池においても用いることができる。この場合、電解質膜としてアニオン交換膜ではなくプロトン交換膜を用いる。具体的にはスルホン酸基などの正の電荷をもつ高分子膜（例えばNafion（Dupont製））を用いることとし、アノード側燃料にはメタノールやギ酸、電解質として硫酸や過塩素酸を用いることとする。また、カソード側は、電解質として硫酸や過塩素酸を用いてもよいし、電解質膜とカソード電極を密着させるだけでもよい。
【符号の説明】
【００８５】
１，２，３，４，５，６，７，８  燃料電池
１０  容器
１１  カソード
１２  アノード
１３  アニオン交換膜（電解質膜）
１７，１７ａ，１７ｂ  燃料液
１８，１９  導線
２０  外部機器
３０  アノード可動機構（運転制御手段）
３１  アノード保持部材
３２  通気防水材
３３  シール部材
４０  液量調節機構（運転制御手段）
４１  貯留槽
４２  内筒部
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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