JP2008243793A

JP2008243793A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2008243793A
Application number: JP2007256363A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Takahashi; 賢一高橋; Koichi Kawamura; 公一川村
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Electronic Engineering Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Development and Engineering Corp
Priority date: 2007-02-27
Filing date: 2007-09-28
Publication date: 2008-10-09

Abstract

【課題】出力制御性が高い燃料電池の提供。
【解決手段】燃料遮断部３３のバルブ３５は、注入口ＭＩＮを有するバルブ室３５１と、バルブ室３５１と接続されているとともにその開口が可動膜ＦＬＭによって封止された流路分離可動室３５２と、バルブ室３５１と流路分離可動室３５２との間に配置されているとともに排出口ＭＯＵＴを有する凸部３５３と、バルブ室３５１および流路分離可動室３５２に渡って配置されているロッドＬＯＤ１と、を備え、ロッドＬＯＤ１は、その一端が可動膜ＦＬＭに当接しているとともに、凸部３５３に保持された柱状部Ａと、バルブ室３５１内において柱状部Ａから突出したバルブヘッドＢとを有し、バルブヘッドＢと凸部３５３との間に配置された第１弾性体ＲＮＧと、バルブヘッドＢとバルブ室３５１の端部との間に配置された第２弾性体ＳＰＲと、を備え、ロッドＬＯＤ１は可動膜ＦＬＭを介して可動ロッドＬＯＤ２に押圧され可動する燃料電池。
【選択図】図２

Description

本発明は、液体燃料を用いた燃料電池に関する。

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。

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。

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及び特許文献２参照）。

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。

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。
特許第３４１３１１１号公報国際公開第２００５／１１２１７２号パンフレット特表２００５−５１８６４６号公報特開２００６−８５９５２号公報米国特許公開第２００６／００２９８５１号公報

しかし、燃料供給部から気化した燃料を直接燃料電池セルに供給する場合、燃料電池の出力の制御性を高めることが重要となるが、現状のパッシブ型ＤＭＦＣでは必ずしも十分な出力制御性は得ること容易ではない。

本発明は上記の問題点に鑑みて成されたものであって、出力の制御性が高い燃料電池を提供することを目的とする。

本発明の態様による燃料電池は、燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記空気極とに挟持された電解質膜とを有する膜電極接合体、前記燃料極と流路を介して接続された燃料供給部、および、前記流路に介在され、前記燃料極への前記液体燃料の供給を遮断する燃料遮断部、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燃料が注入される注入口と、前記燃料極へ燃料を排出する排出口とを有するバルブと、可動ロッドを有するアクチュエータと、を備え、前記バルブは、前記注入口を有するバルブ室と、前記バルブ室と接続されているとともにその開口が可動膜によって封止された流路分離可動室と、前記バルブ室と、前記流路分離可動室との間に配置されているとともに前記排出口を有する凸部と、前記バルブ室および前記流路分離可動室に渡って配置されたロッドと、を備え、前記ロッドはその一端が前記可動膜に当接しているとともに、前記凸部に保持された柱状部と、前記バルブ室内において前記柱状部から突出したバルブヘッドと、を有し、前記バルブヘッドと前記凸部との間には第１弾性体が配置され、前記バルブヘッドと前記バルブ室の端部との間には第２弾性体が配置され、前記注入口と前記排出口との間を遮断する際に、前記第２弾性体の伸張する力により前記バルブヘッドが前記第１弾性体を前記凸部側に押圧して前記ロッドとの間に生じる隙間が封止され、前記流路が遮断されるように設定された。

本発明によれば、出力の制御性が高い燃料電池を提供することができる。

以下に、本発明の第１実施形態に係る燃料電池について図面を参照して説明する。図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池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供給部４と、これら燃料分配機構３と燃料供給部４とを接続する流路５とを有している。

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。

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等の白金族元素の単体、白金族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等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。

ただし、触媒はこれら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。

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。ただし、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。

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。

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（ＭＥＡ）２からの燃料漏れや酸化剤漏れを防止している。

カバープレート１８は酸化剤である空気を取入れるための開口（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。

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。表面層は空気の取入れ量を調整するものであり、空気の取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。

燃料供給部４には、燃料電池セル２に対応し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、燃料供給部４には燃料電池セル２に応じた液体燃料が収容される。

燃料電池セル２のアノード（燃料極）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は液体燃料の流路５を介して燃料供給部４と接続されている。燃料分配機構３に
は燃料供給部４から流路５を介して液体燃料が導入される。

ここで、流路５は燃料分配機構３や燃料供給部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と燃料供給部４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。燃料分配機構３は流路５を介して燃料供給部４と接続されていればよい。

燃料分配機構３は示すように、液体燃料が流路５を介して流入する少なくとも１個の燃料注入口２１と、液体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燃料排出口２２とを有する燃料分配板２３を備えている。

燃料分配板２３の内部には図１に示すように、燃料注入口２１から導かれた液体燃料の通路となる細管２５が設けられている。細管２５は例えば内径が０．０５〜５ｍｍの貫通孔であることが好ましい。複数の燃料排出口２２は燃料通路として機能する細管２５にそれぞれ直接接続されている。

燃料注入口２１から燃料分配機構３に導入された液体燃料は細管２５に入り、この燃料通路として機能する細管２５を介して複数の燃料排出口２２にそれぞれ導かれる。複数の燃料排出口２２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体（図示せず）を配置してもよい。これによって、燃料電池セル２のアノード（燃料極）１３には液体燃料の気化成分が供給される。なお、気液分離体は燃料分配機構３とアノード１３との間に気液分離膜等として設置してもよい。液体燃料の気化成分は複数の燃料排出口２２からアノード１３の複数個所に向けて排出される。

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（燃料極）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。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１１で下記の(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。

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（空気極）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の(2)式にしたがって反応し、この反応に伴って水が生成する。

６ｅ^-＋６Ｈ⁺＋（３／２）Ｏ₂ → ３Ｈ₂Ｏ …(2)
さらに、燃料分配機構３とアノード（燃料極）１３との間には、多孔体２６を挿入することが有効である。多孔体２６の構成材料としては各種樹脂が使用され、多孔質状態の樹脂フィルム等が多孔体２６として用いられる。

このような多孔体２６を配置することによって、燃料極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の燃料排出口２２から噴出した液体燃料は一旦多孔体２６に吸収され、多孔体２６の内部で面内方向に拡散する。この後、多孔体２６から燃料極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可能となる。

本実施形態に係る燃料電池１では、燃料電池としての安定性や信頼性を高めるために、流路５に介在するとともに、燃料分配機構３への液体燃料の供給を遮断する燃料遮断部３３を有している。燃料遮断部３３は、燃料供給部４と燃料分配機構３との間の流路５に設けられている。燃料遮断部３３は、アクチュエータ３４と遮断バルブ３５とを有している。

図２および図３に示すように、遮断バルブ３５は、燃料供給部４から燃料が注入されるバルブ室３５１と、流路分離可動室３５２とを有する遮断バルブユニット３５Ｕを有している。

バルブ室３５１には燃料供給部４から延びる流路５が接続された燃料注入口ＭＩＮが設けられている。バルブ室３５１は、接続室ＣＮによって流路分離可動室３５２に接続されている。

遮断バルブ３５は、接続室ＣＮの壁面において、バルブ室３５１および流路分離可動室３５２の壁面よりも突出した凸部３５３を有している。凸部３５３には排出口ＭＯＵＴが設けられている。バルブ室３５１の接続室ＣＮに対向する側の開口は、第1ホルダーＨＬ１によって封止されている。

流路分離可動室３５２の接続室ＣＮに対向する側の開口は可動膜ＦＬＭによって封止されている。本実施形態に係る燃料電池では、可動膜ＦＬＭは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とともに、その端部にリップ形状を有している。可動膜の材質についてはＥＰＤＭに限らず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（二トリルゴム）、ＨＮＢＲ（水素化ニトリルゴム）が好適に用いられる。

また、リップ部について上記列挙した材質を好適に用い、膜部に関しては耐メタノール性を有した樹脂、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）等のフィルムを使用し、フィルム上にリップ形状を形成した構成としてもよい。

すなわち、図２および図３に示すように可動膜ＦＬＭは、円盤状の中央部ＦＬＭ１とその周囲を囲むリング状の端部ＦＬＭ２とを有している。本実施形態係る燃料電池１の可動膜ＦＬＭでは、その端部ＦＬＭ２の断面が円形であって、その径は中央部分ＦＬＭ１の厚さよりも厚くなっている。尚、断面形状に関しては円形に限らず、シール面圧を高めるために略ひし形のリップ形状としてもよい。

可動膜ＦＬＭの外側には第２ホルダーＨＬ２が取り付けられている。第２ホルダーＨＬ２と流路分離可動室３５２の壁面との間に可動膜ＦＬＭの端部ＦＬＭ２が配置されている。第２ホルダーＨＬ２が可動膜ＦＬＭの端部ＦＬＭ２を流路分離可動室３５２の壁面に押圧することによって、可動膜ＦＬＭが流路分離可動室３５２の開口を封止する。

第２ホルダーＨＬ２はその中央にアクチュエータ３４の可動ロッドＬＯＤ２を支持するためのホールＨを有している。アクチュエータ３４としては、開閉動作を電気信号で制御することが可能な電気駆動バルブが使用される。本実施形態に係る燃料電池では、アクチュエータ３４としてコントローラＣＮＴによって制御されるラッチバルブを用いている。

バルブ室３５１、および流路分離可動室３５２に渡って、柱状のロッドＬＯＤ１が配置されている。ロッドＬＯＤ１は柱状部Ａと柱状部Ａから突出したバルブヘッドＢとを有している。

柱状部Ａは、バルブ室３５１に配置された端部を第１ホルダーＨＬ１に設けられた凹部ＲＣＳによって保持されている。また、柱状部Ａの中央部分は凸部３５３によって保持されている。

バルブヘッドＢは、バルブ室３５１において柱状部Ａからリング状に突出している。接続室ＣＮの径Ｒ２は、ロッドＬＯＤ１の柱状部Ａとの間に隙間が生じる大きさであって、バルブヘッドＢが設けられた部分のロッドＬＯＤ１の径Ｒ１よりも小さくなっている。

また、柱状部Ａは、流路分離可動室３５２に配置された端部において、可動膜ＦＬＭに当接している。さらに、柱状部Ａの排出口ＭＯＵＴに対向する部分には、その軸方向に延びる溝（図示せず）が設けられている。

図２および図３に示すように、ロッドＬＯＤ１の軸方向において、バルブ室３５１の幅Ｗ１は、ロッドＬＯＤ１のバルブヘッドＢから柱状部Ａの凹部ＲＣＳに保持された端部までの長さＷ２よりも長くなっている。

したがって、ロッドＬＯＤ１は、可動膜ＦＬＭを介して可動ロッドＬＯＤ２に押圧されることにより、凸部３５３とホルダーＨＬ１の凹部ＲＣＳに導かれて、その軸方向に移動することが可能となっている。

柱状部Ａには、バルブ室３５１において、凸部３５３とバルブヘッドＢとの間に配置されるようにリング状の第１弾性体が取り付けられている。本実施形態に係る燃料電池では、弾性体として例えばゴム等で形成されたオーリングＲＮＧを用いている。

また、柱状部Ａには、バルブヘッドＢと第１ホルダーＨＬ１との間に配置されるように第２弾性体が取り付けられている。本実施形態では、第２弾性体としてスプリングＳＰＲを用いている。すなわち、バルブヘッドＢが移動することによって、スプリングＳＰＲは柱状部Ａに支持されてバルブヘッドＢと第１ホルダーとの間で伸縮する。

図２に示すように、ロッドＬＯＤ１が可動ロッドＬＯＤ２によって押圧されていない状態で、スプリングＳＰＲはバルブヘッドＢと第１ホルダーＨＬ１との間で圧縮されている。したがって、この状態ではスプリングＳＰＲが伸張する力によって、バルブヘッドＢが凸部３５３側（図中の左側）に押圧されている。

すなわち、バルブヘッドＢと凸部３５３との間でオーリングＲＮＧが圧縮されている。そうすると、オーリングＲＮＧが凸部３５３とロッドＬＯＤ１との間に生じる隙間を封止し、バルブ室３５１と接続室ＣＮとの間の燃料流路が遮断される。

また図３に示すように、ロッドＬＯＤ１が可動ロッドＬＯＤ２によって押圧されている状態では、バルブヘッドＢがスプリングＳＰＲを第１ホルダーＨＬ１側（図中の右側）に押圧している。

したがって、この状態では、オーリングＲＮＧの圧縮が解除され、凸部３５３の壁面とロッドＬＯＤ１との間に生じる隙間が生じている。すなわち、この状態では、バルブ室３５１と接続室ＣＮに燃料流路が開通し注入口ＭＩＮと排出口ＭＯＵＴとの間に燃料の送液が可能となった状態となる。

尚、スプリングＳＰＲは燃料流路内に配置され、燃料に接液するため表面処理が施されている。具体的には、ステンレス系のスプリングに対し不動態化処理を行い、耐食性を高めている。表面処理に関しては不動態化処理に限らず、金などの貴金属めっきやフッ素系樹脂などの樹脂コーティングが好適に用いられる。

次に、上記の燃料遮断部３３の動作について以下に説明する。すなわち、図３に示すように、ラッチバルブの可動ロッドＬＯＤ２を突出させる場合には、コイル（図示せず）にバルブ遮断状態保持用磁石（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、可動ロッドＬＯＤ２がスプリングＳＰＲの反発力に抗して突出し（図中右方向に移動し）バルブ開放状態保持磁石にラッチし、バルブ開放状態が維持される。

このとき、遮断バルブ３５のロッドＬＯＤ１は、可動ロッドＬＯＤ２の移動によって、可動膜ＦＬＭを介して第１ホルダーＨＬ１側に押圧される。このとき、ロッドＬＯＤ１のバルブ室３５１に配置された端部は第１ホルダーＨＬ１の凹部ＲＣＳの底部に当接する。

オーリングＲＮＧによって遮断されていた凸部３５３の壁面とロッドＬＯＤ１との間に隙間が生じ燃料流路が開通する。

その結果、バルブ室３５１の注入口ＭＩＮから注入された液体燃料は、バルブ室３５１から、ロッドＬＯＤ１の柱状部Ａに設けられた溝を経由し燃料排出口ＭＯＵＴへと導かれる。

なお、ロッドＬＯＤ１の柱状部Ａの断面は略十字形状を有し流路を確保するとともに流路周辺部に対してのガイド機能も有する。

また、液体燃料が接続室ＣＮから流路分離可動室３５２に流れ込んだ場合であっても、流路分離可動室３５２の開口は、可動膜ＦＬＭによって封止されているため、遮断バルブ３５の外部に液体燃料が漏れ出ることは無い。

ラッチバルブ３４の可動ロッドＬＯＤ２を図２に示す位置に戻す場合には、コイルに閉止動作の際と逆方向に電流を流す。これにより、可動ロッドＬＯＤ２のバルブ開放状態保持用磁石とのラッチ状態が解除され、スプリングＳＰＲの反発力によりバルブ遮断状態位置に戻る（図中左方向に移動する）。コイルの電気を遮断した後においても、可動ロッドＬＯＤ２はスプリングＳＰＲの反発力によりそのままの状態が維持される。

スプリングＳＰＲに押圧されたバルブヘッドＢによって、オーリングＲＮＧが凸部３５３の側壁に押圧され、凸部３５３の壁面とロッドＬＯＤ１との間に生じる隙間が封止され、燃料流路が遮断される。

その結果、バルブ室３５１の注入口ＭＩＮからバルブ室に注入された液体燃料は、排出口ＭＯＵＴに導かれず、液体燃料の排出が遮断される。

上記のように、燃料供給部４と燃料電池セル２との間に燃料遮断部３３を配置することによって、燃料電池１の未使用時にも不可避的に発生する微量な燃料の消費を回避することができる。すなわち、上記のような燃料遮断部３３を設けることによって、本実施形態に係る燃料電池によれば、出力の制御性が高い燃料電池を提供することができる。

上述した各実施形態に係る燃料電池では、燃料として各種の液体燃料を使用した場合に効果を発揮し、液体燃料の種類や濃度は限定されるものではない。しかし、燃料濃度が濃い場合には、その未使用時における燃料消費が微量であったとしても、相対的な発電量が多くなるため、出力制御性を向上させる必要性が特に高い。

このため、本実施形態に係る燃料電池１では、濃度が８０％以上のメタノールを液体燃料として用いた場合に、その性能や効果を特に発揮することができる。従って、各実施形態は濃度が８０％以上のメタノールを液体燃料として用いた燃料電池に適用することが好ましい。

次に、本発明の第２実施形態に係る燃料電池について図面を参照して以下に説明する。なお、以下の説明において、上述の第１実施形態に係る燃料電池と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態に係る燃料電池は、燃料遮断部３３の構成以外は上述の第１実施形態に係る燃料電池と同様の構成である。すなわち、図４に示すように本実施形態に係る燃料電池の燃料遮断部３３は、第１実施形態に係る燃料電池と同様に、アクチュエータ３４と遮断バルブ３５とを有している。

遮断バルブ３５は、遮断バルブユニット３５Ｕを有している。遮断バルブユニット３５Ｕは、注入口ＭＩＮを有するバルブ室３５１、流路分離可動室３５２、および、燃料排出口ＭＯＵＴを有する接続室ＣＮを備えている。バルブ室３５１と流路分離可動室３５２とは接続室ＣＮによって接続されている。遮断バルブ３５は、接続室ＣＮの壁面において突出した凸部３５３を有している。

バルブ室３５１の接続室ＣＮと対向する側の開口は第１ホルダーＨＬ１によって封止されている。流路分離可動室３５２の接続室ＣＮと対向する側の開口は可動膜ＦＩＭによって封止されている。可動膜ＦＬＭの外側には第２ホルダーＨＬ２が取り付けられている。第２ホルダーＨＬ２は、アクチュエータ３４の可動ロッドＬＯＤ２を保持するホールＨを有している。

バルブ室３５１、流路分離可動室３５２、および接続室ＣＮに渡って、ロッドＬＯＤ１が配置されている。バルブ室３５１に配置されたロッドＬＯＤ１の端部は、第１ホルダーＨＬ１の凹部ＲＣＳによって保持されている。ロッドＬＯＤ１の中央部分は接続室ＣＮにおいて凸部３５３によって保持されている。ロッドＬＯＤ１の流路分離可動室に配置された端部は、可動膜ＦＬＭに当接している。

本実施形態に係る燃料電池１の可動膜ＦＬＭは、図４および図５に示すように、その中央部分ＦＬＭ１が流路分離可動室３５２側に凹んだ曲面を有している。したがって、図４に示すように、アクチュエータ３４の可動ロッドＬＯＤ２が可動膜ＦＬＭを押圧していない状態であっても、可動膜ＦＬＭは流路分離可動室３５２側に凹んでいる。

図５に示すように、アクチュエータ３４の可動ロッドＬＯＤ２が突出した際には、上述の第１実施形態に係る燃料電池の場合と同様に、ロッドＬＯＤ１が可動膜ＦＬＭを介して第１ホルダーＨＬ１側に押圧される。

このとき、可動膜ＦＬＭがあらかじめ流路分離可動室３５２側に凹んでいるため、可動ロッドＬＯＤ２が可動膜ＦＬＭを流路分離可動室３５２側に押し付ける負荷が小さくなる。

その結果、本実施形態に係る燃料電池１によれば、上述の第１実施形態に係る燃料電池と同様の効果が得られるとともに、バルブの開放を速やかに行うことができる。

次に、本発明の第３実施形態に係る燃料電池について図面を参照して以下に説明する。本実施形態に係る燃料電池１は、燃料遮断部３３の構成以外は上述の第１実施形態に係る燃料電池と同様の構成である。

本実施形態に係る燃料電池は、燃料遮断部３３の構成以外は上述の第１実施形態に係る燃料電池と同様の構成である。すなわち、図６および図７に示すように本実施形態に係る燃料電池の燃料遮断部３３は、第１実施形態に係る燃料電池と同様に、アクチュエータ３４と遮断バルブ３５とを有している。

本実施形態に係る燃料電池１では、図６および図７に示すように、可動膜ＦＬＭの中央部ＦＬＭ１がベローズ形状を有している。すなわち、可動膜ＦＬＭの中央部ＦＬＭ１は、可動ロッドＬＯＤ２に当接した第１部分Ｆ１と、第１部分Ｆ１と端部ＦＬＭ２とを接続する第２部分Ｆ２とを有している。さらに、第２部分Ｆ２はロッドＬＯＤ１の軸方向における中央部分において外側に折れ曲がっている。

本実施形態に係る燃料電池１の場合、可動膜ＦＬＭが上記のようなベローズ形状を有することによって、可動膜ＦＬＭが可動ロッドＬＯＤ２の移動により押圧されることによって容易に変形するようになっている。

したがって、本実施形態に係る燃料電池１によれば、上述の第２実施形態に係る燃料電池と同様に、アクチュエータ３４の可動ロッドＬＯＤ２に対する負荷を減少させることが可能である。

その結果、本実施形態に係る燃料電池１によれば、上述の第１実施形態に係る燃料電池と同様の効果が得られるとともに、燃料を遮断したり排出したりする際の切り替え動作をより円滑に行うことができる。

次に、本発明の第４実施形態に係る燃料電池について図面を参照して以下に説明する。図８に示すように、本実施形態に係る燃料電池は、燃料遮断部３３の構成以外は上述の第１実施形態に係る燃料電池と同様の構成である。すなわち、図８および図９に示すように本実施形態に係る燃料電池の燃料遮断部３３は、第１実施形態に係る燃料電池と同様に、アクチュエータ３４と遮断バルブ３５とを有している。

図８および図９に示すように、遮断バルブ３５は、遮断バルブユニット３５Ｕを有している。遮断バルブユニット３５Ｕは、注入口ＭＩＮを有するバルブ室３５１、流路分離可動室３５２、および、燃料排出口ＭＯＵＴを有する接続室ＣＮを備えている。バルブ室３５１と流路分離可動室３５２とは接続室ＣＮによって接続されている。遮断バルブ３５は、接続室ＣＮの壁面に対向するように突出した凸部３５３を有している。

本実施形態に係る燃料電池では、燃料注入口ＭＩＮは、第１ホルダーＨＬ１に設けられ、ロッドＬＯＤ１の軸方向と略同一の方向に開通している。燃料注入口ＭＩＮは、ロッドＬＯＤ１が可動膜ＦＬＭ押圧された際に、ロッドＬＯＤ１がその軸方向に動くように誘導している。

本実施形態に係る燃料電池では、アクチュエータ３４の可動ロットＬＯＤ２が可動膜ＦＬＭを押圧する力は、可動膜ＦＬＭの可動ロッドＬＯＤ２を押し返そうとする反力と、スプリングＳＰＲが伸張する力と、所定の温度Ｔでの液体燃料の蒸気によるバルブ室３５１内の圧力Ｐとの和よりも小さくなるように設計されている。

すなわち、液体燃料が所定の温度Ｔよりも低い温度の場合には、アクチュエータ３４の可動ロッドＬＯＤ２が可動膜ＦＬＭを押圧する力は、可動膜ＦＬＭの可動ロッドＬＯＤ２を押し返そうとする反力と、スプリングＳＰＲが伸張する力と、液体燃料の蒸気によりバルブ室３５１内の圧力Ｐとの和よりも大きくなる。したがって、図８に示すように、ロッドＬＯＤ１は、可動膜ＦＬＭを介してロッドＬＯＤ２に第１ホルダーＨＬ１側に押圧され、凸部３５３とロッドＬＯＤ１との間に隙間が生じ、燃料流路が確保される。

液体燃料が所定の温度Ｔ以上となった場合には、アクチュエータ３４の可動ロッドＬＯＤ２が、可動膜ＦＬＭの反力と、スプリングＳＰＲの伸張力と、液体燃料の蒸気によるバルブ室３５１内の圧力Ｐとによって、押し返される。その結果、図９に示すように、ロッドＬＯＤ１のバルブヘッドＢによって、オーリングＲＮＧが凸部３５３の側壁に押圧され、凸部３５３の壁面とロッドＬＯＤ１との間に生じる隙間が封止され、燃料流路が遮断される。

このように、可動ロットＬＯＤ２がロッドＬＯＤ１を押圧する力が、可動膜ＦＬＭの可動ロッドＬＯＤ２を押し返そうとする反力と、スプリングＳＰＲが伸張する力と、所定の温度Ｔでの液体燃料の蒸気によるバルブ室３５１内の圧力Ｐとの和よりも小さくなるように設計することによって、例えば、図１０に示す所定の温度Ｔを発電継続が危険となる温度とすることで、液体燃料が所定温度Ｔとなると、コントローラＣＴＲの制御に関わらず自動的に燃料電池セル２への燃料供給を遮断し、発電を中止することができる。

その結果、本実施形態に係る燃料電池１によれば、上述の第１実施形態に係る燃料電池と同様の効果が得られるとともに、液体燃料が高温になった際の安全性を確保することができる。

なお、図８および図９に示す燃料電池は、可動膜ＦＬＭの構成が第１実施形態に係る燃料電池と同様であったが、図１１乃至図１４に示すように、第２実施形態に係る燃料電池、および第３実施形態に係る燃料電池の可動膜と同様のものを適用することができる。その場合にも、第２実施形態および第３実施形態に係る燃料電池と同様の効果が得られるとともに、上述のように可動ロットＬＯＤ２が可動膜ＦＬＭを押圧する力を、可動膜ＦＬＭの可動ロッドＬＯＤ２を押し返そうとする反力と、スプリングＳＰＲが伸張する力と、所定の温度Ｔでの液体燃料の蒸気によるバルブ室３５１内の圧力Ｐとの和よりも小さくなるように設計することによって、液体燃料が高温になった際の安全性を確保することができる。

なお、この発明は、上記実施形態そのまま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。

例えば、本発明は液体燃料を使用した各種の燃料電池に適用することができる。また、燃料電池の具体的な構成や燃料の供給状態等も特に限定されるものではなく、ＭＥＡに供給される燃料の全てが液体燃料の蒸気、全てが液体燃料、または一部が液体状態で供給される液体燃料の蒸気等、種々形態に本発明を適用することができる。

また、上記の実施形態では、流路５には燃料遮断部３３のみを配置したが、燃料遮断部３３とポンプと組み合わせても良い。その場合にも上述の実施形態と同様の効果を得ることができる。ポンプを用いる場合には、燃料電池セル２における出力からポンプの出力量や燃料遮断部３３の動作を制御することにより効果的に燃料電池の出力を制御することが可能となる。

また、上記の実施形態では、可動膜ＦＬＭの端部の断面は円形であったが、これに限らず、第２ホルダーＨＬ２および流路分離可動室３５２の壁面接触する部分に力が集中して流路分離可動室３５２の開口を封止することができる形状であれば良い。

さらに、上記の実施形態では、液体燃料を収容する燃料供給部４を有していたが、燃料供給部４は、外部に設けられた燃料タンクに接続される供給口であっても良い。この場合であっても、上述の実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、上記の第４実施形態に係る燃料電池１では、燃料注入口ＭＩＮは、第１ホルダーＨＬ１に設けられ、ロッドＬＯＤ１の軸方向と略同一の方向に開通していたが、第１実施形態乃至第３実施形態に係る燃料電池１の場合と同様に、遮断バルブ３５にロッドＬＯＤ１の軸方向と略直交するように開通させても良い。その場合にも、上記の第４実施形態に係る燃料電池１と同様の効果を得ることが出来る。

さらに、燃料注入口ＭＩＮを遮断バルブ３５にロッドＬＯＤ１の軸方向と略直交するように開通させる場合には、バルブヘッドＢがロッドＬＯＤ１の軸方向において、燃料注入口ＭＩＮと燃料排出口ＭＯＵＴとの間に配置されるようにするとより効果的である。すなわち、バルブヘッドＢが燃料注入口ＭＩＮと燃料排出口ＭＯＵＴとの間に配置されることによって、液体燃料が所定の温度Ｔ以上となった場合に、燃料注入口ＭＩＮからバルブ室３５１に注入される液体燃料の蒸気によって燃料流路を遮断することがより容易となる。

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。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池の一構成例を概略的に示す図。燃料の排出が遮断された状態における、図１に示す燃料電池の燃料遮断部の第１の構成例を説明するための図。燃料が排出されている状態における、図１に示す燃料電池の燃料遮断部の第１の構成例を説明するための図。燃料の排出が遮断された状態における、図１に示す燃料電池の燃料遮断部の第２の構成例を説明するための図燃料が排出されている状態における、図１に示す燃料電池の燃料遮断部の第２の構成例を説明するための図。燃料の排出が遮断された状態における、図１に示す燃料電池の燃料遮断部の第３の構成例を説明するための図。燃料が排出されている状態における、図１に示す燃料電池の燃料遮断部の第３の構成例を説明するための図。燃料の排出が遮断された状態における、図１に示す燃料電池の燃料遮断部の第４の構成例を説明するための図。燃料が排出されている状態における、図１に示す燃料電池の燃料遮断部の第４の構成例を説明するための図。液体燃料の温度と蒸気圧との関係の一例を示す図。燃料の排出が遮断された状態における、図１に示す燃料電池の燃料遮断部の他の構成例を説明するための図。燃料が排出されている状態における、図１に示す燃料電池の燃料遮断部の他の構成例を説明するための図。燃料の排出が遮断された状態における、図１に示す燃料電池の燃料遮断部の他の構成例を説明するための図。燃料が排出されている状態における、図１に示す燃料電池の燃料遮断部の他の構成例を説明するための図。

符号の説明

ＭＩＮ…注入口、ＭＯＵＴ…排出口、ＦＬＭ…可動膜、Ａ…柱状部、Ｂ…バルブヘッド、ＲＣＳ…凹部、ＲＮＧ…オーリング（第１弾性体）、ＳＰＲ…スプリング（第２弾性体）、ＬＯＤ１…ロッド、ＬＯＤ２…可動ロッド、２…燃料電池セル、４…燃料供給部、５…流路、１３…燃料極、１６…カソード（空気極）、３３…燃料遮断部、３４…アクチュエータ、３５…遮断バルブ、３５１…バルブ室、３５２…流路分離可動室、３５３…凸部

Claims

燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記空気極とに挟持された電解質膜とを有する膜電極接合体、前記燃料極と流路を介して接続された燃料供給部、および、前記流路に介在され、前記燃料極への前記液体燃料の供給を遮断する燃料遮断部、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燃料が注入される注入口と、前記燃料極へ燃料を排出する排出口とを有するバルブと、可動ロッドを有するアクチュエータと、を備え、
前記バルブは、前記注入口を有するバルブ室と、前記バルブ室と接続されているとともにその開口が可動膜によって封止された流路分離可動室と、前記バルブ室と、前記流路分離可動室との間に配置されているとともに前記排出口を有する凸部と、前記バルブ室および前記流路分離可動室に渡って配置されたロッドと、を備え、
前記ロッドはその一端が前記可動膜に当接しているとともに、前記凸部に保持された柱状部と、前記バルブ室内において前記柱状部から突出したバルブヘッドと、を有し、
前記バルブヘッドと前記凸部との間には第１弾性体が配置され、前記バルブヘッドと前記バルブ室の端部との間には第２弾性体が配置され、
前記注入口と前記排出口との間を遮断する際に、前記第２弾性体の伸張する力により前記バルブヘッドが前記第１弾性体を前記凸部側に押圧して前記ロッドとの間に生じる隙間が封止され、前記流路が遮断されるように設定された燃料電池。
前記注入口と前記排出口との間を開通させる際に、前記ロッドが前記可動膜を介して前記可動ロッドに押圧されることにより、前記バルブヘッドが前記第２弾性体を圧縮し、前記第１弾性体への押圧が開放され、前記流路が形成されるよう設定された請求項１記載の燃料電池。
前記可動膜はその端部にリップ形状を有し、前記流路は
前記流路分離可動室の開口に、前記可動膜の端部を前記流路分離可動室の壁面に押圧することによって分離されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
前記可動膜は、前記アクチュエータの可動ロッドが当接する位置において、前記流路分離可動室側もしくは前記バルブ室側に凹んだ曲面を有している請求項１記載の燃料電池。
前記可動膜は、ベローズ形状を有している請求項１記載の燃料電池。
前記可動膜は、前記アクチュエータの可動ロッドが当接する中央部と、前記中央部の周囲を囲む端部とを有し、
前記中央部は前記可動ロッドが当接する第１部分と、前記第１部分と前記端部とを接続する筒状の第２部分とを有し、
前記第２部分は、前記可動ロッドの軸方向における略中央部において外側に折れ曲がっている請求項１記載の燃料電池。
前記バルブロッドの柱状部は、前記バルブ室の開口部から前記燃料排出口に燃料を導く流路溝を有している請求項１記載の燃料電池。
前記弾性体の表面には表面処理がなされている請求項１記載の燃料電池。
前記アクチュエータの可動ロットが前記ロッドを押圧する力は、前記可動膜の反力と、前記第２弾性体が伸張する力と、所定の温度での前記燃料の蒸気による前記バルブ室内の圧力との和よりも小さい請求項１記載の燃料電池。
前記ロッドの凸部は、前記ロッドの軸方向において、前記燃料注入口と前記燃料排出口との間に配置される請求項１記載の燃料電池。
前記燃料注入口は、前記ロッドの軸方向と同軸方向に開通している請求項１記載の燃料電池。