(57)【要約】【課題】燃料電池の異常昇温時に燃料収容部から燃料電池セルへの流路を遮断することによって、それ以上の異常昇温を抑制することができる燃料電池を提供すること。【解決手段】燃料極と空気極と前記燃料極と前記空気極とによって狭持された電解質膜と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、前記流路に介在され、異常昇温時に前記燃料極への燃料の供給を遮断する燃料遮断部とを有する燃料電池であって、前記燃料遮断部は、前記燃料供給部からの燃料が注入される注入口と前記燃料極へと燃料を排出する排出口とを有するバルブケースと、前記バルブケース内に配置されたバルブロットと、前記異常昇温時に前記注入口と前記排出口とを繋ぐ流路を塞ぐように前記バルブロットを移動させる形状記憶合金からなるスプリングまたはバイメタルからなるバルブロット移動手段とを有しているもの。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極と空気極と前記燃料極と前記空気極とによって狭持された電解質膜と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、前記流路に介在され、異常昇温時に前記燃料極への燃料の供給を遮断する燃料遮断部とを有する燃料電池であって、
前記燃料遮断部は、前記燃料供給部からの燃料が注入される注入口と前記燃料極へと燃料を排出する排出口とを有するバルブケースと、前記バルブケース内に配置されたバルブロットと、前記異常昇温時に前記注入口と前記排出口とを繋ぐ流路を塞ぐように前記バルブロットを移動させる形状記憶合金からなるスプリングまたはバイメタルからなるバルブロット移動手段とを有することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記燃料遮断部は可動ロッドを有するアクチュエータを有し、前記可動ロッドが前記バルブロットを兼ねていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記バルブケースは、前記注入口と前記排出口とを接続すると共に前記バルブロットの前記移動方向側の軸部が挿入される軸孔と、前記バルブロットのバルブヘッドが配置されるバルブヘッド室とを有し、前記バルブロット移動手段は前記バルブヘッド室内であって前記バルブヘッドに対して前記移動方向と反対側に設けられていることを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記バルブケースは前記軸孔を有する第１ケース部と前記バルブヘッド室を有する第２ケース部とから主としてなり、前記第１ケース部と前記第２ケース部との間に、前記バルブロットの前記移動方向側の軸部を覆うと共に端部が前記第１ケース部と前記第２ケース部とによって狭持された袋状の可動膜が設けられていることを特徴とする請求項３記載の燃料電池。
【請求項５】
前記バルブロットは前記移動方向側の軸部に径小部を有し、前記袋状の可動膜は前記径小部を覆う部分が蛇腹状となっていることを特徴とする請求項４記載の燃料電池。
【請求項６】
前記袋状の可動膜の端部は断面が押圧方向に対して略山型状となっていることを特徴とする請求項４または５記載の燃料電池。
【請求項７】
前記燃料遮断部は可動ロッドを有するアクチュエータを有し、前記アクチュエータは前記バルブロッドの前記移動方向に配置されると共に前記可動ロッドが前記バルブロッドと対向するように配置されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項８】
前記バルブケースは、前記移動方向側に設けられると共に可動膜によって開口部が封止された流路分離可動室と、前記移動方向とは反対側に設けられると共に前記注入口が設けられたバルブヘッド室と、前記流路分離可動室と前記バルブヘッド室とを接続すると共に前記排出口が設けられた軸孔とを有し、前記バルブロットは前記流路分離可動室と前記バルブヘッド室とに渡って配置されると共に前記バルブヘッド室内にそのバルブヘッドが配置され、前記バルブロット移動手段は前記バルブヘッド室内であって前記バルブヘッドに対して前記移動方向と反対側に設けられ、前記可動ロッドは前記可動膜を介して前記バルブロットと対向配置されていることを特徴とする請求項７記載の燃料電池。
【請求項９】
前記バルブロッドには、前記液体燃料との接触による腐食を抑制するための表面処理が行われていることを特徴とする請求項１乃至８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、液体燃料を用いた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ノートパソコンや携帯電話等の各種携帯用電子機器を長時間充電なしで使用可能とするために、これら携帯用電子機器の電源に燃料電池を用いる試みがなされている。燃料電池は燃料と空気とを供給するだけで発電することができ、燃料を補給すれば連続して長時間発電することが可能であるという特徴を有している。このため、燃料電池を小型化できれば、携帯用電子機器の電源として極めて有利なシステムといえる。
【０００３】
直接メタノール型燃料電池（Direct Methanol Fuel Cell；ＤＭＦＣ）は小型化が可能であり、さらに燃料の取り扱いも容易であるため、携帯用電子機器の電源として有望視されている。ＤＭＦＣにおける液体燃料の供給方式としては、気体供給型や液体供給型等のアクティブ方式、また燃料供給部内の液体燃料を電池内部で気化させて燃料極に供給する内部気化型等のパッシブ方式が知られている。
【０００４】
これらのうち、内部気化型等のパッシブ方式はＤＭＦＣの小型化に対して特に有利である。パッシブ型ＤＭＦＣにおいては、例えば燃料極、電解質膜および空気極を有する膜電極接合体（燃料電池セル）を樹脂製の箱状容器からなる燃料供給部上に配置した構造が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００５】
内部気化型ＤＭＦＣでは、燃料浸透層中に保持された液体燃料のうち気化成分を燃料気化層（アノードガス拡散層）において拡散させ、拡散された気化燃料がアノード触媒層に供給され、カソード触媒層側からの空気と電解質膜において発電反応する。
【０００６】
なお、液体供給型ＤＭＦＣでは、セルと燃料収容部とを流路を介して接続する技術が知られている（例えば、特許文献３乃至５参照）。液体燃料を、流路を介してセルに供給することによって、流路の形状や径等に基づいて液体燃料の供給量を調整することができる。
【特許文献１】特許第３４１３１１１号公報
【特許文献２】国際公開第２００５／１１２１７２号パンフレット
【特許文献３】特表２００５−５１８６４６号公報
【特許文献４】特開２００６−０８５９５２号公報
【特許文献５】米国特許公開第２００６／００２９８５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、燃料電池を搭載する携帯用電子機器を夏場の自動車内に放置した場合等、何らかの理由により燃料収容部の温度が過度に上昇した場合、燃料の蒸気圧の上昇に伴う内圧の上昇により燃料電池セルに過剰な燃料が供給され、この過剰な燃料によって発電反応が促進されてますます温度が上昇する異常昇温が起こりえる。また、このような異常昇温に伴って、燃料がアノード側でプロトンに分解されずにカソード側へと到達して触媒酸化されるクロスオーバー現象の発生も多くなり、ますます異常昇温しやすくなる。
【０００８】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、燃料電池の異常昇温時に燃料収容部から燃料電池セルへの流路を遮断することによって、該異常昇温を抑制することができる燃料電池を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の燃料電池は、燃料極と空気極と前記燃料極と前記空気極とによって狭持された電解質膜と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、前記流路に介在され、異常昇温時に前記燃料極への燃料の供給を遮断する燃料遮断部とを有する燃料電池であって、前記燃料遮断部が、前記燃料供給部からの燃料が注入される注入口と前記燃料極へと燃料を排出する排出口とを有するバルブケースと、前記バルブケース内に配置されたバルブロットと、前記異常昇温時に前記注入口と前記排出口とを繋ぐ流路を塞ぐように前記バルブロットを移動させる形状記憶合金からなるスプリングまたはバイメタルからなるバルブロット移動手段とを有することを特徴としている。
【００１０】
前記燃料遮断部は、例えば可動ロッドを有するアクチュエータを有するものであって、前記可動ロッドが前記バルブロットを兼ねているものである。また、前記燃料遮断部は、例えば可動ロッドを有するアクチュエータを有するものであって、前記アクチュエータが前記バルブロッドの前記移動方向に配置されると共に前記可動ロッドが前記バルブロッドと対向するように配置されているものである。
【００１１】
前者の燃料遮断部におけるバルブケースは、前記注入口と前記排出口とを接続すると共に前記バルブロットの前記移動方向側の軸部が挿入される軸孔と、前記バルブロットのバルブヘッドが配置されるバルブヘッド室とを有することが好ましく、前記バルブロット移動手段は前記バルブヘッド室内であって前記バルブヘッドに対して前記移動方向と反対側に設けられていることが好ましい。
【００１２】
また、前記バルブケースは前記軸孔を有する第１ケース部と前記バルブヘッド室を有する第２ケース部とから主としてなることが好ましく、前記第１ケース部と前記第２ケース部との間に、前記バルブロットの前記移動方向側の軸部を覆うと共に端部が前記第１ケース部と前記第２ケース部とによって狭持された袋状の可動膜が設けられていることが好ましい。
【００１３】
さらに、前記バルブロットは前記移動方向側の軸部に径小部を有し、前記袋状の可動膜は前記径小部を覆う部分が蛇腹状となっていることが好ましい。また、前記袋状の可動膜の端部は断面が押圧方向に対して略山型状となっていることが好ましい。
【００１４】
一方、後者の燃料遮断部におけるバルブケースは、前記移動方向側に設けられると共に可動膜によって開口部が封止された流路分離可動室と、前記移動方向とは反対側に設けられると共に前記注入口が設けられたバルブヘッド室と、前記流路分離可動室と前記バルブヘッド室とを接続すると共に前記排出口が設けられた軸孔とを有することが好ましく、前記バルブロットは前記流路分離可動室と前記バルブヘッド室とに渡って配置されると共に前記バルブヘッド室内にそのバルブヘッドが配置され、前記バルブロット移動手段は前記バルブヘッド室内であって前記バルブヘッドに対して前記移動方向と反対側に設けられ、前記可動ロッドは前記可動膜を介して前記バルブロットと対向配置されていることが好ましい。
【００１５】
本発明の燃料電池においては、前記バルブロットが前記アクチュエータの可動ロッドであると否とにかかわらず、前記液体燃料との接触による腐食を抑制するための表面処理が行われていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、バルブケース内に配置されたバルブロットを移動させることによってその内部の流路を遮断し、燃料供給部から燃料極への燃料供給を遮断する燃料遮断部において、バルブロットを遮断状態へと移動させるバルブロット移動手段として形状記憶合金からなるスプリングまたはバイメタルを用いることで、燃料電池が異常昇温した際に、その熱を利用してバルブロットを自動的に移動させて流路を遮断させることができ、それにより燃料供給部から燃料極への燃料供給を遮断してそれ以上の異常昇温の進行を抑制することができる。
【００１７】
また、本発明によれば、燃料遮断部に可動ロッドを有するアクチュエータを設けると共に、バルブロットとしてこのアクチュエータの可動ロッドを利用することで、またはバルブロッドの移動方向にアクチュエータを配置すると共に可動ロッドをバルブロッドと対向するように配置することで、燃料遮断部が異常昇温により遮断状態となった後においてもこのアクチュエータを作動させることでバルブロットを上述した移動方向とは反対方向へと容易に移動させることができ、これにより開放状態への復帰を容易なものとすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の燃料電池について説明する。
本発明の燃料電池は、燃料極と空気極とこれら燃料極と空気極とによって狭持された電解質膜とを有する膜電極接合体と、燃料極と流路を介して接続された燃料供給部と、流路に介在され、異常昇温時に燃料極への液体燃料の供給を遮断する燃料遮断部とを有するものである。
【００１９】
そして、本発明における燃料遮断部は、燃料供給部からの燃料が注入される注入口とこの燃料を燃料極へと排出する排出口とを有するバルブケースと、このバルブケース内に配置されたバルブロットと、異常昇温時に注入口と排出口とを繋ぐ流路を塞ぐようにバルブロットを移動させる形状記憶合金からなるスプリングまたはバイメタルからなるバルブロット移動手段とを有することを特徴としている。
【００２０】
本発明によれば、燃料遮断部においてバルブロットを遮断状態へと移動させるバルブロット移動手段として形状記憶合金からなるスプリングまたはバイメタルを用いることで、燃料電池が異常昇温した際に、その熱を利用して流路を遮断するようにバルブロットを自動的に移動させることができ、これにより燃料供給を遮断してそれ以上の異常昇温の進行を抑制することができる。
【００２１】
図１は、本発明の燃料電池１の全体構成の一例を示したものである。燃料電池１は、起電部を構成する燃料電池セル２と、この燃料電池セル２に燃料を供給する燃料分配機構３と、液体燃料を収容する燃料収容部４と、これら燃料分配機構３と燃料収容部４とを接続する流路５と、この流路５中に設けられた燃料遮断部６とを有している。
【００２２】
燃料電池セル２は、アノード触媒層１１とアノードガス拡散層１２とを有するアノード（燃料極）１３と、カソード触媒層１４とカソードガス拡散層１５とを有するカソード（空気極／酸化剤極）１６と、アノード触媒層１１とカソード触媒層１４とで挟持されたプロトン（水素イオン）伝導性の電解質膜１７とから構成される膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly：ＭＥＡ）を有している。
【００２３】
アノード触媒層１１やカソード触媒層１４に含有される触媒としては、例えばＰｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｐｄ等の白金属元素の単体、白金属元素を含有する合金等が挙げられる。アノード触媒層１１には、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等を用いることが好ましい。カソード触媒層１４には、ＰｔやＰｔ−Ｎｉ等を用いることが好ましい。
【００２４】
但し、触媒はこれらのものに限定されるものではなく、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、あるいは無担持触媒のいずれであってもよい。
【００２５】
電解質膜１７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のようなフッ素系樹脂（ナフィオン（商品名、デュポン社製）やフレミオン（商品名、旭硝子社製）等）、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やリンタングステン酸等の無機系材料が挙げられる。但し、プロトン伝導性の電解質膜１７はこれらに限られるものではない。
【００２６】
アノード触媒層１１に積層される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の集電体も兼ねている。カソード触媒層１４に積層されるカソードガス拡散層１５は、カソード触媒層１４に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１４の集電体も兼ねている。アノードガス拡散層１２およびカソードガス拡散層１５は多孔質基材で構成されている。
【００２７】
アノードガス拡散層１２やカソードガス拡散層１５には、必要に応じて導電層が積層される。これら導電層としては、例えばＡｕのような導電性金属材料からなるメッシュ、多孔質膜、薄膜等が用いられる、電解質膜１７と燃料分配機構３およびカバープレート１８との間には、それぞれゴム製のＯリング１９が介在されており、これらによって燃料電池セル２からの燃料漏れや酸化剤漏れが抑制されている。
【００２８】
カバープレート１８は酸化剤である空気を取り入れるための開口（図示せず）を有している。カバープレート１８とカソード１６との間には、必要に応じて保湿層（図示せず）や表面層（図示せず）が配置される。
【００２９】
保湿層はカソード触媒層１４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１４への空気の均一拡散を促進するものである。表面層は空気の取り入れ量を調整するものであり、空気の取り入れ量に応じて個数や大きさ等が調整された複数の空気導入口を有している。
【００３０】
燃料収容部４には、燃料電池セル２に応じた液体燃料が収容されている。液体燃料としては、各種濃度のメタノール水溶液や純メタノール等のメタノール燃料が挙げられる。液体燃料は、必ずしもメタノール燃料に限られるものではない。液体燃料は、例えばエタノール水溶液や純エタノール等のエタノール燃料、プロパノール水溶液や純プロパノール等のプロパノール燃料、グリコール水溶液や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、その他の液体燃料であってもよい。いずれにしても、燃料収容部４には燃料電池セル２に応じた液体燃料が収容される。
【００３１】
燃料電池セル２のアノード１３側には、燃料分配機構３が配置されている。燃料分配機構３は流路５を介して燃料収容部４と接続されている。燃料分配機構３には、燃料収容部４から流路５を介して燃料が導入される。
【００３２】
ここで、流路５は燃料分配機構３や燃料収容部４と独立した配管に限られるものではない。例えば、燃料分配機構３と燃料収容部４とを積層して一体化する場合、これらを繋ぐ燃料の流路であってもよい。燃料分配機構３は流路５を介して燃料収容部４と接続されていればよい。この燃料電池１では、燃料収容部４から燃料電池セル２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収容部に戻されることはない。このように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り、セミパッシブ型と呼称され、装置の小型化等を損なうものではない。なお、このセミパッシブ型の燃料電池では、燃料収容部４から燃料電池セル２への燃料供給が行われる構成であれば流路５にポンプを配置しても良い。
【００３３】
燃料分配機構３は、燃料が流路５を介して流入する少なくとも１個の注入口３１と、燃料やその気化成分を燃料電池セル２に排出する複数個の排出口３２とを有する燃料分配板３３を備えている。
【００３４】
燃料分配板３３の内部には、注入口３１から導かれた液体燃料の通路となる細管３４が設けられている。細管３４は例えば内径が０．０５ｍｍ以上５ｍｍ以下の貫通孔であることが好ましい。複数の排出口３２は燃料通路として機能する細管３４にそれぞれ直接接続されている。
【００３５】
注入口３１から燃料分配機構３に導入された液体燃料は細管３４に入り、この燃料通路として機能する細管３４を介して複数の排出口３２にそれぞれ導かれる。複数の排出口３２には、例えば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液分離体（図示せず）が配置されていてもよい。これによって、燃料電池セル２のアノード１３には燃料の気化成分が供給される。なお、気液分離膜は燃料分配機構３とアノード１３との間に気液分離膜等として設置されていてもよい。液体燃料の気化成分は複数の排出口３２からアノード１３の複数箇所に向けて排出される。
【００３６】
燃料分配機構３から放出された燃料は、上述したように燃料電池セル２のアノード１３に供給される。燃料電池セル２内において、燃料はアノードガス拡散層１２を拡散してアノード触媒層１１に供給される。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１１で下記（１）式に示すメタノールの内部改質反応が生じる。なお、メタノール燃料として純メタノールを使用した場合には、カソード触媒層１４で生成した水や電解質膜１７中の水をメタノールと反応させて（１）式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。
【００３７】
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−  …（１）
この反応で生成した電子（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１６に導かれる。また、（１）式の内部改質反応で生成したプロトン（Ｈ＋）は電解質膜１７を経てカソード１６に導かれる。カソード１６には酸化剤として空気が供給される。カソード１６に到達した電子（ｅ−）とプロトン（Ｈ＋）はカソード触媒層１４で空気中の酸素と下記（２）式に従って反応し、この反応に伴って水が生成する。
【００３８】
６ｅ−＋６Ｈ＋＋（３／２）Ｏ２  →  ３Ｈ２Ｏ  …（２）
さらに、燃料分配機構３とアノード１３との間には多孔体２０を挿入することが有効である。多孔体２０の構成材料としては各種樹脂が使用され、多孔質状体の樹脂フィルム等が多孔体２０として用いられる。
【００３９】
このような多孔体２０を配置することによって、アノード１３に対する燃料供給量をより一層平均化することができる。すなわち、燃料分配機構３の排出口３２から噴出した燃料は一旦多孔体２０に吸収され、多孔体２０の内部で面内方向に拡散する。この後、多孔体２０からアノード１３に燃料が供給されるため、燃料供給量をより一層平均化することができる。
【００４０】
本発明の燃料電池１では、異常昇温時に燃料収容部４から燃料分配機構３等への燃料の供給を遮断し、それ以上の異常昇温を抑制する観点から燃料遮断部６を設けている。燃料遮断部６は、燃料収容部４と燃料分配機構３との間の流路５に設けられている。
【００４１】
図２、３に、燃料遮断部６の一例を示す。ここで、図２は、燃料遮断部６が開放状態のときの様子を示したものであり、通常の発電状態のときの様子を示したものである。また、図３は、燃料遮断部６が遮断状態となったときの様子を示したものであり、異常昇温により発電停止状態となったときの様子を示したものである。なお、この燃料遮断部６は後述するようにアクチュエータの可動ロッドをバルブロットとして利用したものである。
【００４２】
この燃料遮断部６は、筒状のバルブケース６１と、このバルブケース６１の一方の端部に嵌め込まれるようにして設けられたアクチュエータ６２とを有している。アクチュエータ６２は、本体部６２１と、この本体部６２１から突出可能な可動ロッド６２２とを有しており、可動ロッド６２２はバルブケース６１内に摺動可能に配置されている。ここで、可動ロッド６２２は異常昇温時に図中左側へと移動するものであり、以下ではこの異常昇温時の可動ロッド６２２の移動方向（特許請求の範囲における「移動方向」に相当。）を遮断方向とも呼ぶ。また、以下ではこの遮断方向側（図中、左側）を先端側と呼び、その反対側（図中、右側）を後端側と呼ぶ。
【００４３】
可動ロッド６２２は、バルブロッドとなるものであって、柱状の軸部と、その軸方向の略中間位置に設けられたバルブヘッドに相当する径大部６２２ａとを有しており、可動ロッド６２２の先端側は例えば半球状とされている。可動ロッド６２２は、後述するように例えば袋状の可動膜６５によって覆われるため燃料との直接の接触はないが、可動膜６５の損傷による燃料との接触に備えて、表面処理が行われた耐食性に優れるものが好ましい。表面処理としては、例えば不動態化処理が挙げられるが、このようなものに限られるものではなく、例えば金等の貴金属メッキやフッ素系樹脂等による樹脂コーティングしたものが好適なものとして挙げられる。
【００４４】
アクチュエータ６２は、可動ロッド６２２の突出が可能なものである。なお、図２は、可動ロッド６２２が本体部６２１に引き込まれた状態（非突出状態）を示している。アクチュエータ６２は、例えばその内部に非突出状態保持用磁石（図示せず）および突出状態保持用磁石（図示せず）を有するものであり、可動ロッド６２２を非突出状態または突出状態に保持することが可能なものである。
【００４５】
バルブケース６１は、例えば可動ロッド６２２の先端側軸部が挿入される第１ケース部６１１と、可動ロッド６２２の後端側が配置される第２ケース部６１２とから構成されている。第１ケース部６１１は、可動ロッド６２２の先端側軸部が挿入される軸孔６１１ａを有しており、軸孔６１１ａの側面側には燃料収容部４からの燃料が注入される注入口６１１ｂが設けられており、軸孔６１１ａの軸方向先端側には燃料を排出するための軸方向に延びる排出口６１１ｃが設けられている。すなわち、注入口６１１ｂと排出口６１１ｃとは軸孔６１１ａを介して繋がっており、これらは連続する流路を形成している。
【００４６】
なお、軸孔６１１ａの内径は、袋状の可動膜６５によって覆われた可動ロッド６２２の軸径（袋状の可動膜６５の厚さを含む）よりも径大とされており、軸孔６１１ａの内壁と袋状の可動膜６５の外壁との間を通って燃料が通過できるようになっている。また、軸孔６１１ａの先端側内壁部分は先端側に向かって徐々に径小となるように形成されており、この部分に可動ロッド６２２の先端側の半球状部分を嵌め合わせることで排出口６１１ｃを塞ぐことができるようになっている。
【００４７】
また、第２ケース部６１２は、可動ロッド６２２の径大部（バルブヘッド）６２２ａが配置されるバルブヘッド室６１２ａを有している。バルブヘッド室６１２ａ内であって径大部６２２ａの後端側（図中、右側）には、バルブロッド移動手段としての形状記憶合金からなるスプリング６３が設けられている。この形状記憶合金スプリング６３は、温度の上昇に伴って反発力が増加するものであり、異常昇温時に可動ロッド６２２を先端側に向かって押し出すように働くものである。
【００４８】
またバルブヘッド室６１２ａ内であって径大部６２２ａの先端側にはバイアススプリング６４が設けられている。このバイアススプリング６４は、形状記憶合金からなるものである必要はなく、通常のスプリングであればよい。このバイアススプリング６４は、通常の発電時（異常昇温時以外）において可動ロッド６２２の先端側への不必要な移動の抑制を助けると共に、異常昇温状態が解除され温度が低下するに伴い遮断状態から開放状態への可動ロッド６２２の移動（復帰）を助けるために利用される。
【００４９】
可動ロッド６２２の先端側は袋状の可動膜６５で覆われている。可動膜６５は、具体的には可動ロッド６２２の先端側を覆う袋状部６５ａと、その後端側のリング状端部６５ｂとから構成されている。可動膜６５は、後端側のリング状端部６５ｂが第１ケース部６１１と第２ケース部６１２との間に狭持されることで固定されている。可動膜６５は、燃料が可動ロッド６２２に接触して腐食させることを抑制すると共に、第１ケース部６１１を封止し、それ以外の部分に燃料が漏洩することを抑制するために設けられている。燃料の漏洩を抑制する観点からは、特にリング状端部６５ｂの外周側にリップ形状（山型形状）のリップ部６５ｃを有することが好ましい。
【００５０】
可動膜６５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）によって形成されている。可動膜６５の材質については必ずしもＥＰＤＭに限られるものではなく、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。
【００５１】
また、可動膜６５としては、袋状部６５ａおよびリング状端部６５ｂについて耐メタノール性を有する樹脂、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）等を使用し、リング状端部６５ｂ上に上記列挙した材質を好適に用いてリップ部６５ｃを形成した構成であってもよい。
【００５２】
このような燃料遮断部６は、通常の発電状態においては、可動ロッド６２２を遮断方向へと移動させる力である形状記憶合金スプリング６３の反発力に対してこの可動ロッド６２２の移動を抑制する力である抑制力が上回るように構成されており、異常昇温時においてはその反対に、形状記憶合金スプリング６３の反発力がその移動を抑制する抑制力を上回るように構成されている。ここで、可動ロッド６２２の移動を抑制する抑制力とは、アクチュエータ６２において可動ロッド６２２を非突出状態に保持する保持力、バイアススプリング６４の反発力および袋状の可動膜６５の弾性力が挙げられ、これらを合計したものである。
【００５３】
通常、１００℃程度となったときを異常昇温としているため、１００℃程度となったときに形状記憶合金スプリング６３の反発力が上記抑制力を上回るように構成される。なお、異常昇温と判断する温度は必ずしもこのような温度に限られるものではなく、適宜変更することができる。具体的な異常昇温温度（可動ロッド６２２を遮断方向へと移動させる温度）の調整は、例えばアクチュエータ６２における可動ロッド６２２の保持力やバイアススプリング６４の反発力等を考慮しつつ、形状記憶合金スプリング６３として適切な反発力変化（温度上昇に伴う反発力変化）を有するものを選択して用いることで行うことができる。
【００５４】
このような燃料遮断部６によれば、通常の発電時においては、可動ロッド６２２を遮断方向へと移動させる形状記憶合金スプリング６３の反発力よりも該可動ロッド６２２の移動を抑制する抑制力が上回っているため、排出口６１１ｃは可動ロッド６２２によって塞がれることはなく、注入口６１１ｂから入った燃料は軸孔６１１ａを通って排出口６１１ｃから排出される。
【００５５】
一方、燃料電池１が異常昇温した場合、その熱によりバルブロッド移動手段としての形状記憶合金スプリング６３が軸方向に伸びようとして反発力が増加し、図３に示すように可動ロッド６２２を遮断方向へと移動（突出）させる。
【００５６】
軸孔６１１ａの先端部には排出口６１１ｃが設けられているため、可動ロッド６２２の遮断方向への移動により排出口６１１ｃは塞がれる。そして、一旦変形した形状記憶合金スプリング６３は通常は何も力を加えなければ縮んで元に戻ることはなく、またアクチュエータ６２の内部には可動ロッド６２２を突出状態のまま保持する突出状態保持用磁石（図示せず）が設けられているため、排出口６１１ｃは可動ロッド６２２によって塞がれたままとなる。これにより、バルブケース６１内の流路は塞がれたままの状態となり、結果として燃料収容部４から燃料電池セル２への燃料供給も遮断されるため、それ以上の異常昇温が抑制される。
【００５７】
燃料遮断部６の遮断状態から開放状態への復帰は、十分に温度が低下した状態から、燃料遮断部６に接続されたコントローラＣＴＲを通じ、アクチュエータ６２の内部に設けられたコイル（図示せず）に突出状態保持用磁石（図示せず）と反発する磁極が発生する向きに電流を流すことによって、図２に示すように可動ロッド６２２を本体部６２１へと引き込むことによって行うことができる。なお、通常の発電時については、上述したように可動ロッド６２２を遮断方向へと移動させる力である形状記憶合金スプリング６３の反発力に対してこの可動ロッド６２２の移動を抑制する力である抑制力が上回るように構成されているため、一旦本体部６２１へと引き込まれた可動ロッド６２２は通常は突出することはなく、非突出状態のまま保持される。
【００５８】
図４、５は、図２、３に示される燃料遮断部６の変形例を示したものである。ここで、図４は、燃料遮断部６が開放状態のときの様子を示したものであり、通常の発電状態のときの様子を示したものである。また、図５は、燃料遮断部６が遮断状態となったときの様子を示したものであり、異常昇温により発電停止状態となったときの様子を示したものである。
【００５９】
この燃料遮断部６は、例えば図４に示されるように、可動ロッド（バルブロット）６２２の先端側軸部に他の部分よりも細径とされた細径部６２２ｂが設けられており、袋状の可動膜６５のうちこの細径部６２２ｂに対応する部分に蛇腹部６５ｄが設けられていることを特徴としている。蛇腹部６５ｄは、可動ロッド６２２が非突出状態の場合には縮んでおり、細径部６２２ｂに収容されるようになっている。そして、図５に示されるように可動ロッド６２２が遮断方向へと移動して突出状態となったときには、この可動ロッド６２２に併せて伸びることができるようになっている。
【００６０】
このようなものによれば、蛇腹部６５ｄが延びるため、可動ロッド６２２の遮断方向への移動が妨げられることが少なく、開放状態から遮断状態への移行を適正に行うことができ、異常昇温を適切に抑制することができる。また、可動ロッド６２２が非突出状態のときには、細径部６２２ｂに撓んだ蛇腹部６５ｄが収容されるため、注入口６１１ｂから排出口６１１ｃへの燃料の移動を妨げることも少ない。
【００６１】
次に、燃料遮断部６の他の例として、バルブロッドの遮断方向にアクチュエータ６２を配置すると共に、可動ロッド６２２がバルブロッドと対向するように配置したものについて説明する。
【００６２】
図６、７は、このような燃料遮断部６の一例を示したものである。ここで、図６は、燃料遮断部６が開放状態のときの様子を示したものであり、通常の発電状態のときの様子を示したものである。また、図７は、燃料遮断部６が遮断状態となったときの様子を示したものであり、異常昇温により発電停止状態となったときの様子を示したものである。
【００６３】
例えば図６に示されるように、この燃料遮断部６は、筒状のバルブケース６１内にバルブロッド６６が配置され、バルブロッド６６の異常昇温時における移動方向（遮断方向、図中、左側方向。）にアクチュエータ６２が配置されている。アクチュエータ６２は、本体部６２１と、この本体部６２１から突出可能な可動ロッド６２２とを有しており、後述する可動膜６５を介してその可動ロッド６２２がバルブロッド６６の先端側と対向するように配置されている。
【００６４】
アクチュエータ６２は、例えばその内部に非突出状態保持用磁石（図示せず）および突出状態保持用磁石（図示せず）を有するものであり、非突出状態および突出状態の保持が可能なものである。なお、図６は、可動ロッド６２２が本体部６２１から突出した状態（突出状態）を示している。
【００６５】
バルブロッド６６は、柱状の軸部と、その軸方向の略中間位置に設けられた他の部分に比べて径大なバルブヘッド６６ａとを有している。バルブロッド６６は、燃料と直接接触するため、表面処理が行われた耐食性に優れるものが好ましい。表面処理としては、例えば不動態化処理が挙げられるが、このようなものに限られるものではなく、例えば金等の貴金属メッキやフッ素系樹脂等による樹脂コーティングしたものが好適なものとして挙げられる。
【００６６】
バルブケース６１の先端側には流路分離可動室６１ａが設けられている。流路分離可動室６１ａの先端側開口部には可動膜６５を介して先端側ホルダ６１ｄが嵌め込まれており、流路分離可動室６１ａはこの可動膜６５によって封止されている。可動膜６５は、具体的には中央部６５ｍと、その外周側のリング状端部６５ｂとから構成されており、リング状端部６５ｂが流路分離可動室６１ａの内壁と先端側ホルダ６１ｄとによって狭持されることで固定されている。
【００６７】
可動膜６５は、流路分離可動室６１ａから燃料が漏洩し、アクチュエータ６２の可動ロッド６２２を腐食させることを抑制するために設けられている。燃料の漏洩を抑制する観点からは、特にリング状端部６５ｂの外周側にリップ形状のリップ部６５ｃを有することが好ましい。可動膜６５は、上述した袋状の可動膜６５と同様な材質とすることができる。
【００６８】
一方、バルブケース６１の後端側にはバルブヘッド６６ａが配置されるバルブヘッド室６１ｂが設けられており、その後端側開口部は後端側ホルダ６１ｅが嵌め込まれることによって封止されている。そして、これら流路分離可動室６１ａとバルブヘッド室６１ｂとは、バルブロッド６６の軸部よりもわずかに径大とされた軸孔６１ｃによって接続されている。
【００６９】
バルブヘッド室６１ｂの側面側には燃料収容部４からの燃料が注入される注入口６１ｆが設けられており、軸孔６１ｃの側面側にはこの燃料を排出する排出口６１ｇが設けられている。すなわち、注入口６１ｆと排出口６１ｇとは、バルブヘッド室６１ｂおよび軸孔６１ｃを介して繋がっており、これらは連続する流路を形成している。
【００７０】
バルブロッド６６は、流路分離可動室６１ａからバルブヘッド室６１ｂに渡って設けられている。バルブロッド６６の先端側軸部は軸孔６１ｃに挿入されることで摺動可能に支持されると共に、後端側軸部は後端側ホルダ６１ｅに設けられた軸孔に挿入されることで摺動可能に支持されている。また、バルブヘッド室６１ｂ内におけるバルブヘッド６６ａの先端側にはリング状弾性体６７が設けられており、バルブヘッド６６ａの後端側にはバルブロッド移動手段としての形状記憶合金からなるスプリング６３が設けられている。そして、バルブロッド６６は、軸孔６１ｃの後端側開口部とリング状弾性体６７との間に隙間が形成されるような位置で保持されている。
【００７１】
このような燃料遮断部６についても、通常の発電状態においては、バルブロッド６６を遮断方向へと移動させる力である形状記憶合金スプリング６３の反発力に対してこのバルブロッド６６の移動を抑制する力である抑制力が上回るように構成されており、異常昇温時においてはその反対に、形状記憶合金スプリング６３の反発力がその移動を抑制する抑制力を上回るように構成されている。ここで、バルブロッド６６の移動を抑制する抑制力とは、実質的にはアクチュエータ６２において可動ロッド６２２を突出状態に保持する保持力であるが、厳密には可動膜６５が設けられているため、アクチュエータ６２における可動ロッド６２２の保持力から可動膜６５の弾性力（遮断方向への引っ張り力）を差し引いたものがバルブロッド６６の移動を抑制する抑制力となる。
【００７２】
このような燃料遮断部６についても、通常、１００℃程度となったときを異常昇温としているため、１００℃程度となったときに形状記憶合金スプリング６３の反発力が上記抑制力を上回るように構成される。なお、このような燃料遮断部６についても、異常昇温と判断する温度は必ずしもこのような温度に限られるものではなく、適宜変更することができる。具体的な異常昇温温度（バルブロッド６６を遮断方向へと移動させる温度）の調整は、例えばアクチュエータ６２における可動ロッド６２２の保持力や可動膜６５の弾性力を考慮しつつ、形状記憶合金スプリング６３として適切な反発力変化（温度上昇に伴う反発力変化）を有するものを選択して用いることで行うことができる。
【００７３】
このような燃料遮断部６によれば、通常の発電時においては、バルブロッド６６を遮断方向へと移動させる形状記憶合金スプリング６３の反発力よりも該バルブロッド６６の移動を抑制する抑制力が上回っているため、軸孔６１ｃの後端側開口部はリング状弾性体６７やバルブロッド６６によって塞がれることはなく、注入口６１ｆから入った燃料はバルブヘッド室６１ｂおよび軸孔６１ｃを通って排出口６１ｇから排出される。
【００７４】
一方、燃料電池１が異常昇温した場合、その熱によりバルブロッド移動手段としての形状記憶合金スプリング６３が軸方向に伸びようとして反発力が増加し、図７に示されるようにその移動を抑制する抑制力、すなわちアクチュエータ６２における可動ロッド６２２の保持力に逆らってバルブロッド６６を遮断方向へと移動させる。
【００７５】
バルブロッド６６の移動に伴い軸孔６１ｃの後端側開口部がリング状弾性体６７とバルブヘッド６６ａとによって塞がれ、注入口６１ｆから排出口６１ｇへと繋がる流路が塞がれる。また、これにより突出状態となっていた可動ロッド６２２は非突出状態となる。そして、一旦変形した形状記憶合金スプリング６３は通常は何も力を加えなければ縮んで元に戻ることはなく、またアクチュエータ６２の内部には可動ロッド６２２を非突出状態のまま保持する非突出状態保持用磁石（図示せず）が設けられているため、バルブロッド６６はその位置で保持され、軸孔６１ｃの後端側開口部は塞がれたままとなる。これにより、燃料電池セル２への燃料の供給が遮断され、それ以上の異常昇温が抑制される。
【００７６】
燃料遮断部６の遮断状態から開放状態への復帰は、十分に温度が低下した状態から、燃料遮断部６に接続されたコントローラＣＴＲを通じ、アクチュエータ６２の内部に設けられたコイル（図示せず）に非突出状態保持用磁石（図示せず）と反発する磁極が発生する向きに電流を流すことによって、図６に示されるように可動ロッド６２２を突出させることによって行うことができる。すなわち、図６に示されるように可動ロッド６２２を突出状態とすることによってバルブロッド６６を後端側へと移動させ、軸孔６１ｃの後端側開口部を開放させることによって行うことができる。なお、通常の発電時については、上述したようにバルブロッド６６を遮断方向へと移動させる力である形状記憶合金スプリング６３の反発力に対してこのバルブロッド６６の移動を抑制する力である抑制力が上回るように構成されているため、一旦開放状態とされたバルブロッド６６は開放状態のまま保持される。
【００７７】
上述した図２〜７に示す燃料遮断部６では、バルブロッド移動手段として形状記憶合金スプリング６３を用いたものを示したが、バルブロッド移動手段としては異常昇温時に上述したような反発力あるいは変形力を有するものであればよく、このようなものとしてバイメタルを使用することもできる。バルブロッド移動手段としてのバイメタルは、異常昇温時の熱によって変形し、その変形力によってバルブロッド６６あるいはバルブロッドとしてのアクチュエータ６２の可動ロッド６２２を遮断方向へと適切に移動させることができるものであれば特に制限されるものではない。このようなバイメタルを使用した燃料遮断部６としては、例えば図６に示されるような燃料遮断部６において形状記憶合金スプリング６３の代わりにバイメタルを配置すると共に、このバイメタルの変形方向、例えば凸状に変形する場合にはこの凸部がバルブヘッド６６ａの後端側に接触するようにしたものが挙げられる。
【００７８】
以上、本発明の燃料電池について説明したが、本発明の燃料電池は上記実施形態そのもの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。また、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。
【００７９】
例えば、図２、３に示されるような燃料遮断部６において、バイアススプリング６４を設けなくても通常の発電時における可動ロッド６２２の不必要な突出を抑制することができ、また遮断状態から開放状態への可動ロッド６２２の復帰も容易に行うことができる場合には、このようなバイアススプリング６４を省略することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明の燃料電池の一例を示す断面図。
【図２】燃料遮断部の一例（開放状態）を示す断面図。
【図３】図２に示す燃料遮断部の遮断状態を示す断面図。
【図４】図２に示す燃料遮断部の変形例（開放状態）を示す断面図。
【図５】図４に示す燃料遮断部の遮断状態を示す断面図。
【図６】燃料遮断部の他の例（開放状態）を示す断面図。
【図７】図６に示す燃料遮断部の遮断状態を示す断面図。
【符号の説明】
【００８１】
１…燃料電池、２…燃料電池セル、３…燃料分配機構、４…燃料収容部、５…流路、６…燃料遮断部、１１…アノード触媒層、１２…アノードガス拡散層、１３…アノード（燃料極）、１４…カソード触媒層、１５…カソードガス拡散層、１６…カソード（空気極／酸化剤極）、１７…電解質膜、２０…多孔体、３１…注入口、３２…排出口、３３…燃料分配板、３４…細管、６１…バルブケース、６１ａ…流路分離可動室、６１ｂ…バルブヘッド室、６１ｃ…軸孔、６１ｄ…先端側ホルダ、６１ｅ…後端側ホルダ、６１ｆ…注入口、６１ｇ…排出口、６１１ａ…軸孔、６１１ｂ…注入口、６１１ｃ…排出口、６１２ａ…バルブヘッド室、６２…アクチュエータ、６２１…本体部、６２２…可動ロッド、６２２ａ…径大部、６２２ｂ…細径部、６３…形状記憶合金スプリング（バルブロッド移動手段）、６４…バイアススプリング、６５…可動膜、６５ａ…袋状部、６５ｂ…リング状端部、６５ｃ…リップ部、６５ｄ…蛇腹部、６５ｍ…中央部、６６…バルブロッド、６６ａ…バルブヘッド、６７…リング状弾性体、ＣＴＲ…コントローラ
【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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