(57)【要約】【課題】  小型で簡易な構造であり、高精度で、かつ高応答性の燃料遮断動作を行う燃料電池を提供する。【解決手段】  カソードと、アノードと、前記カソードとアノードとの間に挟持されて電解質膜とを有する膜電極接合体を備える発電部と、前記膜電極接合体の前記アノード側に配置され前記アノードに燃料を供給する燃料供給機構と、燃料を収容すると共に前記燃料供給機構と燃料供給流路42,43,51を介して接続された燃料収容部50を備えた燃料電池であって、前記発電部との間で熱交換可能に設けられ、かつ前記燃料供給流路に連通し、前記燃料収容部内の燃料よりも高い蒸気圧をもつ揮発性圧力媒体を収容する圧力媒体貯蔵タンク45と、前記発電部で発生する反応熱により前記揮発性圧力媒体が気化して前記圧力媒体貯蔵タンク内の圧力が上昇したときに、その圧力を受けて前記燃料供給流路を遮断する燃料流路遮断機構40とを有する。【選択図】    図１
2009181861.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソードと、アノードと、前記カソードとアノードとの間に挟持されて電解質膜とを有する膜電極接合体を備える発電部と、前記膜電極接合体の前記アノード側に配置され前記アノードに燃料を供給する燃料供給機構と、燃料を収容すると共に前記燃料供給機構と燃料供給流路を介して接続された燃料収容部を備えた燃料電池であって、
前記発電部との間で熱交換可能に設けられ、かつ前記燃料供給流路に連通し、前記燃料収容部内の燃料よりも高い蒸気圧をもつ揮発性圧力媒体を収容する圧力媒体貯蔵タンクと、
前記発電部で発生する反応熱により前記揮発性圧力媒体が気化して前記圧力媒体貯蔵タンク内の圧力が上昇したときに、その圧力を受けて前記燃料供給流路を遮断する燃料流路遮断機構と、
を具備することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記燃料流路遮断機構は、前記圧力媒体貯蔵タンクから前記燃料供給流路までの間に設けられた圧力伝達路と、前記圧力伝達路が前記燃料供給流路と出合う位置に設けられたシール部材と、前記圧力伝達路内に移動可能に設けられ、前記圧力媒体の圧力を受けて前記圧力伝達路に沿って移動し、前記シール部材に押圧されて前記燃料供給流路を気密に遮断するアクチュエータと、を有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記圧力伝達路の内壁に形成され、前記アクチュエータを前記圧力伝達路に沿って案内するガイド溝をさらに有することを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記圧力媒体貯蔵タンクと前記圧力伝達路との間を仕切るシール膜をさらに有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の燃料電池。
【請求項５】
前記圧力媒体貯蔵タンクと前記発電部との間に設けられ、前記発電部からの反応熱を前記圧力媒体貯蔵タンクに伝える熱伝導部材をさらに有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の燃料電池。
【請求項６】
前記燃料流路遮断機構よりも上流側の前記燃料供給流路に設けられ、燃料を前記燃料収容部から前記燃料供給機構に向けて前記燃料供給流路内で通流させる駆動ポンプをさらに有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】
前記燃料流路遮断機構および前記駆動ポンプよりも下流側の前記燃料供給流路に設けられ、前記燃料供給流路を遮断する電動式遮断弁をさらに有することを特徴とする請求項１乃至６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、携帯電子機器の内蔵電源として有効な燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近時、パーソナルコンピュータ、携帯電話等の各種電子機器は、半導体技術の発達と共に小型化され、燃料電池をこれらの小型機器用の電源に用いることが試みられている。燃料電池は、燃料と酸化剤を供給するだけで発電することができ、燃料のみを補充・交換すれば連続して発電できるという利点を有している。このため、小型化ができれば携帯電子機器の作動に極めて有利なシステムといえる。特に直接メタノール燃料電池（DMFC；Direct Methanol Fuel Cell）は、エネルギー密度の高いメタノールを燃料に用い、メタノールから電極触媒上で直接電流を取り出せるため、小型化が可能であり、また燃料の取り扱いも水素ガス燃料に比べて容易なことから小型機器用電源として有望であることから、携帯電話、携帯オーディオ、携帯ゲーム機、ノートパソコンなどのコードレス携帯電子機器に最適な電源としてその実用化が期待されている。
【０００３】
DMFCの燃料の供給方法としては、液体燃料を気化してからブロア等で燃料電池内に送り込む気体供給型DMFC、液体燃料をそのままポンプ等で燃料電池内に送り込む液体供給型DMFC、および液体燃料をセル内で気化させる内部気化型DMFCが知られている。このうち内部気化型DMFCは、アノード、カソード、プロトン伝導性の電解質膜からなる膜電極接合体（MEA；Membrane Electrode Assembly）と、液体燃料を収容する燃料収容室と、アノードと燃料収容室との間に配置された気化室と、燃料収容室と気化室との間を仕切る気液分離膜とを備えている。
【０００４】
内部気化型DMFCでは、燃料室に注入された液体燃料が気化した燃料ガス（メタノール蒸気）は、気液分離膜を透過し、気化室中を拡散してアノードに供給される。アノードでは、燃料ガスと水とが電気化学反応を生じて二酸化炭素（CO2）とプロトン（H+；水素イオンともいう）と電子（ｅ−）を生じ、アノードで生じたプロトンはプロトン伝導性の電解質膜を透過してカソードに拡散する。カソードでは、大気中の酸素（O2）と、プロトン伝導性膜を透過してきたプロトンと、アノードから外部回路を通ってカソードに流れてきた電子とが電気化学反応を生じて水（H2O）を生成する。カソードで生成した水は、一部がプロトン伝導性膜を通してアノードに拡散し、アノード反応に使われる。
【０００５】
ところでDMFCのカソード反応は水と二酸化炭素を生成する燃焼反応（発熱反応）であるため、その反応熱が内部に蓄積されやすく、カソード側の温度が急激に上昇することがある。また、ユーザーが誤って濃度が異なるメタノール燃料をタンクに充填した場合などにおいても通常の反応とは異なる反応を生じてしまい、異常発熱することがある。
【０００６】
燃料電池が異常発熱した場合は、反応を停止させるためにMEAへの燃料の供給を緊急に遮断する必要がある。燃料の緊急遮断手段についてはこれまでにも種々の提案がなされている。例えば燃料の緊急遮断手段に電磁バルブを採用する場合は、バルブサイズとシール圧力との関係が反比例する傾向にあり、バルブを小型化すればするほどシール圧力が上昇し、シール圧力の上昇に伴って消費電力が増加するという問題点がある。
【０００７】
そこで、例えば特許文献１には、簡易な構造で、小型で、かつ消費電力の無い非電動式の緊急遮断機構として、水素吸蔵合金を利用した緊急遮断弁が提案されている。
【特許文献１】特開平９−２５７１５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１の緊急遮断弁においては、弾性包皮で覆われた水素吸蔵合金の状態変化が流体の温度と圧力に強く依存するため、適切な平衡特性を有する水素吸蔵合金を選択することがかなり難しく、遮断動作の精度と確実性（応答性）が低いという問題点がある。
【０００９】
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、小型で簡易な構造であり、高精度で、かつ高応答性の燃料遮断動作を行う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】
【００１０】
本発明に係る燃料電池は、カソードと、アノードと、前記カソードとアノードとの間に挟持されて電解質膜とを有する膜電極接合体を備える発電部と、前記膜電極接合体の前記アノード側に配置され前記アノードに燃料を供給する燃料供給機構と、燃料を収容すると共に前記燃料供給機構と燃料供給流路を介して接続された燃料収容部を備えた燃料電池であって、前記発電部との間で熱交換可能に設けられ、かつ前記燃料供給流路に連通し、前記燃料収容部内の燃料よりも高い蒸気圧をもつ圧力媒体を収容する圧力媒体貯蔵タンクと、前記発電部で発生する反応熱により前記圧力媒体が気化して前記圧力媒体貯蔵タンク内の圧力が上昇したときに、その圧力を受けて前記燃料供給流路を遮断する燃料流路遮断機構と、を具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、燃料流路遮断機構で気液間の相変化による圧力変化を動力として利用することから、複雑な機構を必要とせず、貯蔵する揮発性圧力媒体の量も少量ですむため、小型で簡易な構造の燃料電池が提供される。また、燃料流路遮断機構は電気的に駆動する要素を含まないので消費電力を考慮する必要がなく、省エネルギーの燃料電池が提供される。また、貯蔵する圧力媒体の種類と量を調整することにより、従来の小型バルブでは実現することが難しいとされていた数百ｋＰａ程度のシール圧を確保することが可能になり、高い応答性と高い動作精度を有する燃料電池が提供される。これらの効果を有する本発明の燃料電池は、携帯電話、携帯オーディオ、携帯ゲーム機、ノートパソコンなどのコードレス携帯電子機器に内蔵して用いられる小型の電源として安全に使用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明に係る燃料電池は、発電部との間で熱交換可能に設けられ、かつ燃料供給流路に連通し、燃料収容部内の燃料よりも高い蒸気圧をもつ圧力媒体を収容する圧力媒体貯蔵タンクと、前記発電部で発生する反応熱により前記圧力媒体が気化して前記圧力媒体貯蔵タンク内の圧力が上昇したときに、その圧力を受けて前記燃料供給流路を遮断する燃料流路遮断機構とを有する。
【００１３】
本発明の燃料電池においては、圧力媒体貯蔵タンクが発電部との熱交換により反応熱を受けて揮発性圧力媒体が気化すると、貯蔵タンクの内圧が上昇し、その圧力を受けて燃料流路遮断機構が作動し、燃料供給流路が遮断される。これにより発電部への燃料の供給がなくなり、発熱反応が停止し、過熱した発電部の温度が降下する。
【００１４】
上記の燃料流路遮断機構は、圧力媒体貯蔵タンクから燃料供給流路までの間に設けられた圧力伝達路と、圧力伝達路が燃料供給流路と出合う位置に設けられたシール部材と、圧力伝達路内に移動可能に設けられ、圧力媒体の圧力を受けて圧力伝達路に沿って移動し、シール部材に押圧されて燃料供給流路を気密に遮断するアクチュエータと、をさらに有することが好ましい。温度上昇により気化した圧力媒体が圧力伝達路に流入すると、圧力媒体からの圧力を受けてアクチュエータが圧力伝達路に沿って移動し、シール部材に押圧される。このアクチュエータとシール部材とにより燃料供給流路が遮断され、燃料の供給が停止する。
【００１５】
さらに、燃料流路遮断機構は、圧力伝達路の内壁に形成され、アクチュエータを圧力伝達路に沿って案内するガイド溝を有することが好ましい。このようなガイド溝に沿ってアクチュエータが燃料供給流路内で円滑にスライド移動することができる。
【００１６】
さらに、圧力媒体貯蔵タンクと圧力伝達路との間を仕切るシール膜を有することが好ましい。通常運転時にはシール膜で仕切られているため、貯蔵タンク内の圧力媒体が圧力伝達路を通って燃料供給流路の燃料に混入することはないが、異常過熱発生時には圧力媒体が気化して貯蔵タンク内の圧力が上昇し、この圧力を受けてシール膜が破れ、気化した圧力媒体が貯蔵タンクから圧力伝達路に流入してアクチュエータを押し下げ、アクチュエータがシール部材に押圧され、燃料供給流路が遮断される。このようなシール膜は、メタノール燃料および揮発性圧力媒体のいずれからも侵され難い性質（膨潤し難い、腐食され難い）を有する樹脂、例えばポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ：ヴィクトレックス ピーエルシー社の商標）、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好ましい。
【００１７】
なお、揮発性圧力媒体としてペンタン等を用いることが好ましい。これらの有機溶剤の蒸気圧曲線はいずれもメタノールの蒸気圧曲線を上回っており、同じ温度であればメタノールより高い蒸気圧を得ることができるからである（図５）。
【００１８】
さらに、圧力媒体貯蔵タンクと発電部との間に設けられ、発電部からの反応熱を圧力媒体貯蔵タンクに伝える伝熱板を有することが好ましい。伝熱板により反応熱が発電部から貯蔵タンクに円滑に伝わり、圧力媒体が速やかに気化し、貯蔵タンク内の圧力が上昇し、その圧力がアクチュエータに伝達され、アクチュエータがシール部材に押圧されて燃料供給流路が遮断される。伝熱板を設けることにより燃料遮断機構が熱応答性に優れたものとなり、発電部が過熱状態になったときに燃料供給流路が迅速に遮断される。このような伝熱板には、熱伝導性に優れた金属の薄板を用いることが好ましく、例えばアルミニウム、銅、銀、錫、鉄などのプレートを用いることが望ましい。
【００１９】
さらに、燃料流路遮断機構よりも上流側の燃料供給流路に設けられ、燃料を燃料収容部から燃料供給機構に向けて燃料供給流路内で通流させる駆動ポンプを有することが好ましい。繊維シートの毛管力（自然力）と駆動ポンプの機械的駆動力（機械力）との組み合わせ力を利用して液体燃料を供給する後述の所謂セミパッシブ方式の燃料電池において、とくに本発明の燃料流路遮断機構の効果を奏することができる。セミパッシブ方式の燃料電池では、燃料流路遮断機構が作動して流路を遮断すると同時に、コントローラによりポンプの駆動を停止させるシステムとすることが望ましい。駆動ポンプの過負荷を防止し、ポンプ寿命の延長を図ることができるからである。
【００２０】
さらに、燃料流路遮断機構および駆動ポンプよりも下流側の燃料供給流路に設けられ、燃料供給流路を遮断する電動式遮断弁を有することが好ましい。通常運転時においては電動式遮断弁により燃料の遮断と供給（再開）を繰り返すことができ、予期しない不測の緊急事態が発生したときだけ燃料流路遮断機構により流路を遮断するという使い分けをすることができるからである。
【００２１】
本発明では、燃料流路遮断機構は不可逆的に作動して流路を遮断するため、通常は元の状態に戻す原状回復処理を行なうことなく１回のみの使いきりとなる。しかし、作動後のアクチュエータを流路から退避させるか、または流路から取り除くための手動の復帰手段を設けて、遮断した流路を再び開通させるようにすることも可能である。このような復帰手段として、アクチュエータを遮断位置から元のホーム位置に戻す付勢力を印加するための弾性部材、例えば既知のばね係数を持つスプリングまたはゴム部材を利用することができる。また、燃料電池に対して着脱可能にした独立の燃料流路遮断機構とすることも可能である。
【００２２】
以下、添付の図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【００２３】
先ず、燃料電池の全体構成について図１を参照して説明する。
【００２４】
燃料電池システムは、直接メタノール燃料電池（DMFC）として発電反応により出力する燃料電池部と、この燃料電池部の補助電源として機能する二次電池部とを備えている。燃料電池部は、燃料電池１、燃料収容部５０およびポンプ３１等を備えている。二次電池部は、制御器３２およびリチウム二次電池（図示せず）を備えている。ポンプ３１は燃料収容部５０から燃料供給機構１１までの間の燃料供給流路５１に設けられ、二次電池部のリチウム二次電池を電源として制御器３２により動作を制御されるようになっている。
【００２５】
燃料電池１において、燃料供給機構１１から発電部１０の膜電極接合体(MEA)に供給されたメタノール燃料は発電反応に使用され、その後に循環して燃料供給機構１１あるいは燃料収容部５０に戻されることはない。このタイプの燃料電池１は燃料を循環させないことから、従来のアクティブ方式とは異なる方式であり、装置の小型化等を損なうものではない。また、液体燃料の供給にポンプ３１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ため、この方式の燃料電池１はいわばセミパッシブ型と呼ぶことができる。
【００２６】
燃料電池１は、外側がカバープレート２１およびフレーム７０で覆われ、内部に膜電飾接合体を含む発電部１０が収納されている。カバープレート２１とフレーム７０とをボルト８６とナット８８で締め付けることにより、これらが一体化されている。また、カバープレート２１の端部（図示せず）は燃料供給機構１１の主要部を構成するフレーム７０の外面にかしめ加工されている。発電部１０の内部の適所にはＯリング８ａ，８ｂが設けられ、カバープレート２１と発電部１０との間がシールされ、内部の燃料が外部に漏れ出さないようにされている。
【００２７】
発電部１０は、短冊状の複数の単電極（単位セル）を有する多極構造の発電要素である。複数の単電極は、ほぼ同一平面上に並んで配置され、直列に電気接続されている。単電極の各々は、膜電極接合体、集電体としてのカソード導電層７ａおよびアノード導電層７ｂを備えている。カソード導電層７ａの側には任意で図示しない保湿板が設けられている。保湿板（図示せず）は、カソード触媒層２において生成した水の蒸散を防止する役割を果たすと共に、カソード拡散層４に酸化剤を均一に導入することによりカソード触媒層２への酸化剤の均一拡散を促す補助拡散層としての役割も果たしている。なお、空気導入のために、カバープレート２１の主面に複数の通気孔２２が開口している。空気は、これらの通気孔２２を通って内部に入り、保湿板を透過して、膜電極接合体のカソード触媒層２に供給される。
【００２８】
発電部１０のアノード（燃料極）側には、燃料供給機構１１が配置されている。燃料供給機構１１は流路５１により燃料収容部５０に接続されている。燃料供給機構１１には燃料供給源５０から流路５１を介して液体燃料５９が導入される。流路５１は燃料供給機構１１や燃料収容部５０と独立した配管に限られるものではない。例えば、燃料供給機構１１と燃料収容部５０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であってもよい。燃料供給機構１１は流路５１を介して燃料収容部５０と接続されていればよい。
【００２９】
燃料供給機構１１は、液体燃料が流入する少なくとも１つの燃料注入口１２と、液体燃料またはその気化成分を発電部１０に供給する複数の燃料供給口１４とを有する燃料分配板（流路板）１３を備えている。燃料分配板１３の内部には、液体燃料の通路として機能する細管（液溜め）４１が形成されている。細管（液溜め）４１は途中で複数に分岐しており、これら分岐した細管４１の各終端部に燃料供給口１４がそれぞれ設けられている。複数の燃料供給口１４は燃料通路として機能する細管４１にそれぞれ直接接続されている。細管４１は例えば内径が０．０５〜５ｍｍの貫通孔であることが好ましい。
【００３０】
燃料注入口１２から燃料供給機構１１に導入された液体燃料は細管４１に入り、この細管４１を介して複数の燃料供給口１４にそれぞれ導かれる。複数の燃料供給口１４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液分離膜２６が設けられ、これにより発電部１０のアノード（燃料極）には液体燃料の気化成分が供給されるようになっている。
【００３１】
燃料供給口１４は、発電部１０の全体に燃料を供給することが可能なように、燃料分配板１３のアノードと接する面に複数箇所で開口している。燃料供給口１４の個数は２個以上であればよいが、発電部１０の面内における燃料供給量を均一化する上で、０．１〜１０個／ｃｍ2の燃料供給口１４が存在するように形成することが好ましい。燃料供給口１４の個数が０．１個／ｃｍ2未満であると、発電部１０に対する燃料供給量を十分に均一化することができない。燃料供給口１４の個数を１０個／ｃｍ2を超えて形成しても、それ以上の効果が得られない。
【００３２】
燃料供給機構１１の内部に積層された液体燃料含浸層を設けるようにしてもよい。液体燃料含浸層として、例えば多孔質ポリエステル繊維、多孔質オレフィン系樹脂等多硬質繊維や、連続気泡多孔質体樹脂が好ましい。液体燃料含浸層は、燃料供給源の液体燃料が減少した場合や燃料電池本体が傾斜して載置され燃料供給が偏った場合においても、気液分離膜２６に均等に液体燃料が供給され、その結果、アノード触媒層３に均等に気化された液体燃料を供給することが可能となる。ポリエステル繊維以外にも、アクリル酸系の樹脂などの各種吸水性ポリマーにより構成してもよく、スポンジまたは繊維の集合体など液体の浸透性を利用して液体を保持することができる材料により構成する。本液体燃料含浸部は，本体の姿勢に関わらず適量の燃料を供給するのに有効である。
【００３３】
燃料供給機構１１から放出された燃料は、上述したように発電部１０のアノード（燃料極）に供給される。発電部１０内において、燃料はアノードガス拡散層５にて拡散してアノード触媒層３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３で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２で生成した水や電解質膜６中の水をメタノールと反応させて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。
【００３４】
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（空気極）に導かれる。また、内部改質反応で生成したプロトン（Ｈ+）は電解質膜６を経てカソードに導かれる。カソードには酸化剤として空気が供給される。カソードに到達した電子（ｅ-）とプロトン（Ｈ+）は、カソード触媒層２で空気中の酸素と反応し、この反応に伴って水が生成する。
【００３５】
膜電極接合体(MEA)は、カソード触媒層２及びカソードガス拡散層４からなる空気極（カソード極）と、アノード触媒層３及びアノードガス拡散層５からなる燃料極（アノード極）と、カソード触媒層２とアノード触媒層３の間に配置されるプロトン伝導性の電解質膜６とを備えている。カソード触媒層２及びアノード触媒層３に含有される触媒としては、例えば、白金族元素の単体金属（Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｐｄ等）、白金族元素を含有する合金などを挙げることができる。アノード触媒には、メタノールや一酸化炭素に対する耐性の強いＰｔ−Ｒｕ、カソード触媒には、白金を用いることが望ましいが、これに限定されるものでは無い。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を使用しても、あるいは無担持触媒を使用してもよい。
【００３６】
電解質膜６は、アノード触媒層３において発生したプロトンをカソード触媒層２に輸送するためのものであり、電子伝導性を持たず、プロトンを輸送することが可能な材料により構成されている。例えば、スルホン酸基を有するフッ素系樹脂（例えば、パーフルオロスルホン酸重合体）、スルホン酸基を有するハイドロカーボン系樹脂、タングステン酸やリンタングステン酸などがあげられるが、具体的には、デュポン社製のナフィオン膜（登録商標）、旭硝子社製のフレミオン膜（登録商標）、あるいは旭化成工業社製のアシプレックス膜（登録商標）などにより構成されている。なお、ポリパーフルオロスルホン酸系の樹脂膜以外にも、トリフルオロスチレン誘導体の共重合膜、リン酸を含浸させたポリベンズイミダゾール膜、芳香族ポリエーテルケトンスルホン酸膜、あるいは脂肪族炭化水素系樹脂獏などプロトンを輸送可能な電解質膜６を構成するようにしてもよい。
【００３７】
カソード触媒層２はカソードガス拡散層４上に積層され、かつアノード触媒層３はアノードガス拡散層５上に積層されている。カソードガス拡散層４はカソード触媒層２に酸化剤を均一に供給する役割を担うものであるが、カソード触媒層２の集電体も兼ねている。一方、アノードガス拡散層５はアノード触媒層３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３の集電体も兼ねている。カソード導電層７ａの内側の面はカソードガス拡散層４に接し、アノード導電層７ｂの内側の面はアノードガス拡散層５に接している。これらのカソード導電層７ａ及びアノード導電層７ｂには、例えば、金、ニッケルなどの電気特性と化学安定性に優れた金属材料からなる多孔質層（例えばメッシュ）または箔体、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などをそれぞれ使用することができる。
【００３８】
矩形枠状のカソードシール材８ａは、カソード導電層７ａと電解質膜６との間に位置すると共に、カソード触媒層２及びカソードガス拡散層４の周囲を囲んでいる。一方、矩形枠状のアノードシール材８ｂは、アノード導電層７ｂと電解質膜６との間に位置すると共に、アノード触媒層３及びアノードガス拡散層５の周囲を囲んでいる。カソードシール材８ａ及びアノードシール材８ｂは、膜電極接合体からの燃料漏れ及び酸化剤漏れを防止するためのＯリングである。
【００３９】
膜電極接合体のアノード側にはカバープレート２１が設けられている。カバープレート２１は、膜電極接合体を燃料電池１内の所定の位置に位置決め支持するための支持部材である。カバープレート２１には複数の通気孔２２が開口している。
【００４０】
気液分離膜２６は、液体燃料（例えばメタノール溶液）の気化成分のみを透過させて、液体燃料そのものは透過させない性質を有するものである。この気液分離膜２６により燃料供給機構１１と発電部１０とが仕切られている。気液分離膜２６にはシリコンシートやＰＴＦＥ膜などの多孔膜、例えば厚さ０．０１ｍｍのポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）シートを用いる。ここで、液体燃料の気化成分とは、液体燃料として液体のメタノールを使用した場合は気化したメタノールを意味し、液体燃料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ガスを意味する。
【００４１】
液体燃料５９としては、液体のメタノール等のメタノール燃料、またはメタノール水溶液を用いることができる。ここで、液体燃料の気化成分とは、液体燃料として液体のメタノールを使用した場合、気化したメタノールを意味し、液体燃料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ガスを意味するものとする。なお、液体燃料としては、必ずしもメタノール燃料に限られるものではなく、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、もしくはその他の液体燃料であってもよい。いずれにしても、燃料電池に応じた液体燃料が使用される。特に燃料濃度が８０モル％を超えるメタノール水溶液または純メタノール液であることが好適である。
【００４２】
ポンプ３１の種類は特に限定されるものではないが、少量の液体燃料を制御性よく送液することができ、さらに小型軽量化が可能という観点から、電気浸透流ポンプ（ＥＯポンプ）、ロータリーポンプ（ロータリーベーンポンプ）、ダイアフラムポンプ、しごきポンプ等を使用することが好ましい。電気浸透流ポンプは電気浸透流現象を起こすシリカ等の焼結多孔体を用いたものである。ロータリーポンプはモータで羽を回転させて送液するものである。ダイアフラムポンプは電磁石や圧電セラミックスによりダイアフラムを駆動して送液するものである。しごきポンプは柔軟性を有する燃料流路の一部を圧迫し、燃料をしごき送るものである。これらのうち、駆動電力や大きさ等の観点から、電気浸透流ポンプや圧電セラミックスを有するダイアフラムポンプを使用することがより好ましい。
【００４３】
燃料電池としての安定性や信頼性を高めるために、ポンプ３１よりも下流側の流路５１に電動式遮断弁３３が取付けられている。この電動式遮断弁３３は、弁体の開閉動作が制御部３２によりオンオフ制御されるようになっている。
【００４４】
さらに、燃料電池としての安定性や信頼性を高めるために、ポンプ３１よりも上流側の流路５１に燃料流路遮断機構４０が取付けられている。この燃料流路遮断機構４０は、発電部１０が異常過熱状態となる緊急時において、制御器３２に制御されることなく制御器３２とはまったく独立に動作して燃料供給流路５１を遮断するものである。
【００４５】
次に、燃料流路遮断機構４０について図２〜図４を参照して詳しく説明する。
【００４６】
燃料流路遮断機構４０は、本体ブロック４１と、揮発性圧力媒体６０を貯蔵する貯蔵タンク４５と、貯蔵タンク４５から内部流路４２，４３までの間の本体ブロック４１に形成された圧力伝達路４４と、圧力伝達路４４と貯蔵タンク４５との間を遮る樹脂シール材４６と、圧力伝達路４４に沿って移動可能に設けられたアクチュエータ４７と、アクチュエータ４７が押し当てられるシール部材としてのＯリング４８と、アクチュエータ４７をホーム位置で支持する樹脂製のストッパ４９と、貯蔵タンク４５と発電部１０との間で熱交換させる伝熱板１９と、を備えている。
【００４７】
圧力伝達路４４は、圧力媒体貯蔵タンク４５から内部流路４２，４３までの間の本体ブロック４１に形成され、気化した圧力媒体６０の圧力をアクチュエータ４７に伝達するための通路である。アクチュエータ４７は、軟質樹脂製のストッパ４９により本体ブロック４１（圧力伝達路４４の内壁）に弱く支持された状態で、図４に示すガイド溝４１ａに嵌入された１対のガイドキー４７ｂを有し、圧力伝達路４４に沿ってスライド移動可能に設けられている。
【００４８】
ポンプ５０からの流路５１に連通する上流側の内部流路４２と圧力伝達路４４とが出合うところにシール部材としてのＯリング４８が嵌め込まれている。気化した圧力媒体６０の圧力が圧力伝達路４４に導かれてアクチュエータ４７に伝達されると、アクチュエータ４７がストッパ４９の拘束から解き放たれて圧力伝達路４４に沿って移動し、Ｏリング４８にアクチュエータ４７が押し当てられるようになっている。このときアクチュエータ４７の周縁部がＯリング４８に当接するとともに、アクチュエータ４７の中央の凸部４７ａがＯリング４８の開口に嵌まり込み、両者４７，４８は気密にシールされた状態で密着されるようになっている。
【００４９】
貯蔵タンク４５は、小容量のプラスチックまたは金属製の圧力容器である。貯蔵タンク４５のなかには揮発性圧力媒体としての液状のペンタンが貯蔵されている。圧力媒体にペンタンを選ぶ理由は、ペンタンの沸点（３６．０７４℃）が室温を少し上回り、かつそれがメタノールの沸点（６４．１℃）を超えないこと、および４０〜１００℃の温度範囲で高い蒸気圧が得られることによる。
【００５０】
貯蔵タンク４５の出口にはシール膜４６が貼り付けられ、貯蔵タンク４５と圧力伝達路４４との間がシール膜４６により遮られている。シール膜４６は、メタノール燃料５９および揮発性圧力媒体６０のいずれからも侵され難い性質（膨潤し難い、腐食され難い）を有する樹脂、例えばポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ：ヴィクトレックス ピーエルシー社の商標）からなる薄膜である。シール膜４６は、貯蔵タンク４５の内圧が所定の圧力を超えると破れるように設計されている。
【００５１】
通常運転時にはシール膜４６で遮られているため、図２に示すように貯蔵タンク４５内の圧力媒体６０が圧力伝達路４４を通って内部流路４２，４３を通過する燃料５９に混入することはないが、異常過熱発生時には圧力媒体６０が気化して貯蔵タンク４５内の圧力が上昇し、この圧力を受けて図３に示すようにシール膜４６が破れ、気化した圧力媒体６０が貯蔵タンク４５から圧力伝達路４４に流入してアクチュエータ４７を押し下げ、アクチュエータ４７がシール部材４８に押圧されるようになっている。
【００５２】
伝熱板１９が圧力媒体貯蔵タンク４５と発電部１０との間に挿入され、発電部１０からの反応熱が貯蔵タンク４５に伝えられるようになっている。このような伝熱板１９には、熱伝導性に優れた金属の薄板を用いることが好ましく、例えばアルミニウム、銅、銀、錫、鉄などのプレートを用いることができる。
【００５３】
次に、発電時における燃料電池の動作の概要を説明する。
【００５４】
図２に示すように、ポンプ３１の駆動により燃料５９を燃料タンク５０から外部流路５１および内部流路４２，４３、燃料供給機構１１を経由して発電部１０に供給する。燃料は、燃料供給機構１１によって発電部１０のアノード側に均一に分配される。発電部１０内において、燃料はアノードガス拡散層５にて拡散してアノード触媒層３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３で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２で生成した水や電解質膜６中の水をメタノールと反応させて内部改質反応を生起させる。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、カソードに導かれる。また、内部改質反応で生成したプロトン（Ｈ+）は電解質膜６を経てカソード側に導かれる。カソードには酸化剤として空気が供給される。カソードに到達した電子（ｅ-）とプロトン（Ｈ+）は、カソード触媒層２で空気中の酸素と反応し、この反応に伴って水が生成する。
【００５５】
このように発電動作している燃料電池に何らかの異常が発生すると、カソード側の反応熱により発電部１０の温度が上昇して過熱状態になる。この熱は伝熱板１９を介して発電部１０から貯蔵タンク４５に伝えられるため、内部の圧力媒体６０が速やかに気化し、貯蔵タンク４５内の圧力が上昇する。この圧力が所定の圧力レベルを超えると、図３に示すように、シール膜４６が破れて貯蔵タンク４５の内部が圧力伝達路４４に連通し、気化した圧力媒体６０の圧力がアクチュエータ４７に伝達され、アクチュエータ４７がストッパ４９の拘束から解き放たれて圧力伝達路４４に沿って押し下げられ、Ｏリング４８に押圧される。アクチュエータ４７がＯリング４８に押圧されることにより、上流側の内部流路４２から下流側の内部流路４３が遮断される。アクチュエータ４７により上流側の流路４２から下流側の流路４３が遮断されると、燃料タンク５０から発電部１０への液体燃料５９の供給が停止する。このとき、図示しないセンサから制御器３２に検出信号（圧力検出信号または温度検出信号）が送られる。制御器３２は、センサから信号を受けるとポンプ３１と電動式遮断弁３３に指令信号をそれぞれ送り、ポンプ３１の駆動を停止させるとともに電動式遮断弁３３を閉じさせる。これによりポンプ３１の過負荷が回避されるとともに、燃料漏洩リスクが低下して安全性が高まる。なお、本実施形態では、燃料流路遮断機構４０は不可逆的に作動して流路を遮断するため、原状回復処理を行なうことなく１回のみの使いきりとなる。
【００５６】
図５は横軸に温度Ｔ（℃）をとり、縦軸に圧力Ｐ（ｋＰａ）をとって、各種揮発材料の蒸気圧曲線を示す特性線図である。図中の特性線Ａはメタノールの蒸気圧曲線を、特性線Ｂはヘキサンの蒸気圧曲線を、特性線Ｃはペンタンの蒸気圧曲線をそれぞれ示す。
【００５７】
図から明らかなように、ペンタン（直鎖状のＣＨ3（ＣＨ2）3ＣＨ3；沸点３６．０７４℃）が室温より少し高い温度領域（４０〜１００℃）で蒸気圧が最も大きく（１００〜６００ｋＰａ）、メタノールの蒸気圧を大きく上回っていることから、特に本発明の揮発性圧力媒体に適した材料であることが分かる。これに対してヘキサン（ＣＨ3（ＣＨ2）4ＣＨ3；沸点６８．７４２℃）は、メタノールよりも蒸気圧が低いため、本発明の揮発性圧力媒体には適していないことがわかる。
【００５８】
以上、種々の実施の形態を挙げて説明したが、本発明は上記各実施の形態のみ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。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池を示すブロック断面図。
【図２】燃料流路遮断機構（遮断前）を示す内部透視断面図。
【図３】燃料流路遮断機構（遮断後）を示す内部透視断面図。
【図４】燃料流路遮断機構のアクチュエータとガイド溝を示す横断面図。
【図５】各種揮発性流体の蒸気圧曲線を示す特性線図。
【符号の説明】
【００６０】
１…燃料電池、２…カソード触媒層、３…アノード触媒層、
４…カソードガス拡散層、５…アノードガス拡散層、６…電解質膜（プロトン伝導膜）、
７ａ…カソード導電層、７ｂ…アノード導電層、８ａ，８ｂ…Ｏリング（シール部材）、
１０…発電部、１１…燃料供給機構、１２…燃料注入口、１３…流路板、１４…燃料導入口、１９…伝熱板、
２１…カバープレート、２２…通気孔、２６…気液分離膜、
３１…駆動ポンプ、３２…制御器、３３…電動式遮断弁、
４０…燃料流路遮断機構、４０…本体ブロック、４１ａ…ガイド溝、
４２，４３…燃料供給流路（内部流路）、
４４…圧力伝達路、４５…圧力媒体貯蔵タンク、４６…シール膜、
４７…アクチュエータ、４７ａ…凸部、４７ｂ…ガイドキー、４８…Ｏリング（シール部材）、４９…ストッパ、５０…燃料収容部、５１…燃料供給流路（外部流路）、５９…液体燃料、６０…揮発性圧力媒体、７０…フレーム。
【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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