燃料電池および燃料電池の運転方法
【課題】使用環境および運転状況に影響されずに、安定した電力を供給可能な燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料電池は、複数の単位セルを有するセル群１０００において、吸気口３３９および排気口３４０を有し、酸化剤極に酸化剤１２６を供給する酸化剤流路３１２と、酸化剤流路３１２の吸気口３３９および排気口３４０を開閉するシャッター１００１およびシャッター１００２と、シャッター１００１およびシャッター１００２の開口の程度を調整する開口調整部１００５と、を備える。
【解決手段】燃料電池は、複数の単位セルを有するセル群１０００において、吸気口３３９および排気口３４０を有し、酸化剤極に酸化剤１２６を供給する酸化剤流路３１２と、酸化剤流路３１２の吸気口３３９および排気口３４０を開閉するシャッター１００１およびシャッター１００２と、シャッター１００１およびシャッター１００２の開口の程度を調整する開口調整部１００５と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池および燃料電池の運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の情報化社会の到来とともに、パーソナルコンピュータ等の電子機器で扱う情報量が飛躍的に増大し、それに伴い、電子機器の消費電力も著しく増加してきた。とくに、携帯型の電子機器では、処理能力の増加に伴って消費電力の増加が問題となっている。現在、このような携帯型の電子機器では、一般的にリチウムイオン二次電池が電源として用いられているが、リチウムイオン二次電池のエネルギー密度は理論的な限界に近づいている。そのため、携帯型の電子機器の連続使用期間を延ばすために、ＣＰＵの駆動周波数を抑えて消費電力を低減しなければならないという制限があった。
【０００３】
このような状況の中で、リチウムイオン二次電池に変えて、エネルギー密度が大きい燃料電池を電子機器の電源として用いることにより、携帯型の電子機器の連続使用期間が大幅に向上することが期待されている。
【０００４】
燃料電池は、燃料極および酸化剤極と、これらの間に設けられた電解質から構成され、燃料極には燃料が、酸化剤極には酸化剤が供給されて電気化学反応により発電する。燃料としては、一般的には水素が用いられるが、近年、安価で取り扱いの容易なメタノールを原料として、メタノールを改質して水素を生成させるメタノール改質型や、メタノールを燃料として直接利用する直接型の燃料電池の開発も盛んに行われている。
【０００５】
燃料として水素を用いた場合、燃料極での反応は以下の式（１）のようになる。
【０００６】
３Ｈ２ → ６Ｈ＋ ＋ ６ｅ− （１）
【０００７】
燃料としてメタノールを用いた場合、燃料極での反応は以下の式（２）のようになる。
【０００８】
ＣＨ３ＯＨ ＋ Ｈ２Ｏ → ６Ｈ＋ ＋ ＣＯ２ ＋ ６ｅ− （２）
【０００９】
また、いずれの場合も、酸化剤極での反応は以下の式（３）のようになる。
【００１０】
３／２Ｏ２ ＋ ６Ｈ＋ ＋ ６ｅ− → ３Ｈ２Ｏ （３）
【００１１】
燃料電池は、電解質の違いによって多くの種類に分類されるが、一般的には、アルカリ型、固体高分子型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体電解質型に大別される。
【００１２】
特許文献１には、燃料電池の空気極へ空気を供給する空気供給ラインおよび空気極から空気を排出する空気排出ラインに、燃料電池停止時に空気の流通を閉止する手段を備えた燃料電池が開示されている。これによれば、燃料電池の運転停止中における電解質の乾燥を防止することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００２−２１６８２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかし、単に燃料電池停止中に空気の流通を閉止するだけでは、燃料電池内外の温度によってはかえって流路内の湿度が高くなり、温度変化によって結露が発生したり、さらにはその水分が凍結してしまうといった問題点があった。
【００１５】
また、燃料としてメタノール等の液体燃料を用いた直接型の燃料電池では、酸化剤極が開放された構成となっていると、燃料電池停止中に燃料が電解質膜を通過して酸化剤極側から蒸発してしまうという問題点もあった。また、燃料電池運転中であっても、たとえば低温環境下おいては、酸化剤極側へ酸化剤が多量に流入すると、酸化剤極が空冷されて燃料電池の温度が下がり、発電効率が低下するといった問題点があった。
【００１６】
本発明は上記事情を踏まえてなされたものであり、本発明の目的は、使用環境および運転状況に影響されずに、安定した電力を供給可能な燃料電池を提供することにある。本発明の別の目的は、高信頼性で、長寿命な燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明によれば、燃料極および酸化剤極を含む単位セルを有する燃料電池であって、吸気口および排気口を有し、酸化剤極に酸化剤を供給する酸化剤流路と、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、を含むことを特徴とする燃料電池が提供される。
【００１８】
単位セルは、さらに固体電解質膜を含むことができ、燃料極および酸化剤極は固体電解質膜を狭持する。また、本発明の燃料電池は、燃料極に液体燃料が供給される直接型の燃料電池とすることができる。このように、燃料極に液体燃料が供給される場合に、燃料電池の運転停止中に酸化剤極が外部に開放された構成としていると、燃料が固体電解質膜を通過して酸化剤極から蒸発するという問題が生じる。本発明の燃料電池において、酸化剤流路の吸気口または排気口の開口の程度を調整することができるので、たとえば燃料電池の運転停止時には、吸気口や排気口を閉じたり、開口の程度を低くすることにより、燃料が固体電解質膜を通過して酸化剤極から蒸発するという現象を防ぐことができる。
【００１９】
また、この構成により、上記直接型の燃料電池に限られず、酸化剤流路の吸気口または排気口の開口の程度を調整することができるので、固体電解質膜が乾燥するのを防ぐこともできる。このように、酸化剤流路の吸気口または排気口の開口の程度を調整することにより、酸化剤流路を流れる酸化剤の流量を制御することもできる。酸化剤流路内の酸化剤の流量を適宜調整することにより、前述のように燃料の蒸発や固体電解質膜の乾燥を防ぐとともに、結露の発生やそれに伴う凍結を防止することもできる。
【００２０】
また、燃料電池の運転時においても、たとえば、低温環境下では、酸化剤極側への酸化剤の流入量を低くすることにより、酸化剤によって酸化剤極か空冷等されて発電効率が低下するのを防ぐことができる。以上のように、本発明の燃料電池によれば、使用環境や運転状況に影響されずに、燃料電池を安定的に動作させることができる。
【００２１】
本発明の燃料電池は、開口調整部は、酸化剤流路の吸気口または排気口の開口の程度を変更可能な開閉弁を含むことができる。この構成により、開閉弁の開口の程度を変更するだけで、吸気口または排気口の開口の程度を調整することができる。
【００２２】
本発明の燃料電池において、開口調整部は、開閉弁を閉じたときに、当該開口弁と協動して吸気口または排気口を密閉する密閉部材を含むことができる。この構成により、燃料電池運転停止中に、開閉弁を閉じたときに、酸化剤流路を密閉することができる。これにより、燃料が固体電解質膜を通過して酸化剤極側から蒸発したり、固体電解質膜が乾燥してしまうのを防止することができる。
【００２３】
本発明の燃料電池は、酸化剤流路への酸化剤の導入を促す導入促進部をさらに含むことができる。この構成により、酸化剤流路内の酸化剤の流量をより良好に制御することができる。
【００２４】
本発明の燃料電池は、温度を測定する温度測定部をさらに含むことができ、開口調整部は、温度測定部により測定された温度に応じて開口の程度を調整することができる。この構成により、酸化剤流路内の温度や燃料電池外部の温度に応じて吸気口または排気口の開口の程度を調整することができるので、環境に応じた制御が可能となる。
【００２５】
本発明の燃料電池は、酸化剤流路内の湿度を測定する湿度測定部を含むことができ、開口調整部は、湿度測定部により測定された湿度に応じて開口の程度を調整することができる。この構成により、酸化剤流路内の湿度に応じて吸気口または排気口の開口の程度を調整することができるので、環境に応じた制御が可能となる。
【００２６】
本発明の燃料電池において、開口調整部は、当該燃料電池の運転状況に応じて、開口の程度を調整することができる。運転状況とは、燃料電池の運転中か燃料電池の運転停止中か等である。また、開口調整部は、運転停止中の場合、停止されてからの経過時間等にも応じて、開口の程度を調整することができる。
【００２７】
本発明の燃料電池は、複数の単位セルを含み、当該複数の単位セルが平面実装された構成とすることができる。このように、酸化剤極が酸化剤流路に広範囲にわたって面しているために、燃料極側に供給される液体燃料が、電解質膜を通過して酸化剤極側から蒸発しやすい場合にも、本発明の構成によれば、燃料の蒸発を防止することができる。
【００２８】
本発明の燃料電池は、酸化剤流路内に吸湿剤を有することができる。この構成により、酸化剤流路内に発生した水分を除去することができるので、水分の凍結等を防止することができる。
【００２９】
本発明によれば、燃料極および酸化剤極を含む単位セルを有する燃料電池の運転方法であって、燃料電池は、吸気口および排気口を有する酸化剤流路を含み、酸化剤極に酸化剤を供給する工程と、吸気口または排気口の開口の程度を調整する工程と、を含むことを特徴とする燃料電池の運転方法が提供される。
【００３０】
本発明の燃料電池の運転方法において、燃料電池は、吸気口または排気口を開閉する開閉弁をさらに含むことができ、開口の程度を調整する工程において、開閉弁を開閉することにより、開口の程度を調整することができる。
【００３１】
本発明の燃料電池の運転方法は、燃料電池の温度を測定する工程をさらに含むことができ、開口の程度を調整する工程において、温度を測定する工程で測定された温度に応じて開口の程度を調整することができる。
【００３２】
本発明の燃料電池の運転方法は、酸化剤流路内の湿度を測定する工程をさらに含むことができ、開口の程度を調整する工程において、湿度を測定する工程で測定された湿度に応じて開口の程度を調整することができる。
【００３３】
本発明の燃料電池の運転方法は、燃料電池の運転状況を検知する工程をさらに含むことができ、開口の程度を調整する工程において、運転状況に応じて開口の程度を調整することができる。
【発明の効果】
【００３４】
以上述べたように、本発明によれば、使用環境および運転状況に影響されずに、安定した電力を供給可能な燃料電池が提供される。また、本発明によれば、高信頼性で、長寿命な燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施の形態における燃料電池の構成を模式的に示した断面ブロック図である。
【図２】図１の燃料電池における開閉調整機構の概略ブロック図である。
【図３】開閉調整機構の別態様の構成を模式的に示した概略ブロック図である。
【図４】開閉調整機構の別態様の構成を模式的に示した概略ブロック図である。
【図５】開閉調整機構の別態様の構成を模式的に示した概略ブロック図である。
【図６】本発明の実施の形態における開閉調整機構の一例であるスライド式シャッターの構成を模式的に示した断面図である。
【図７】図６のスライド式シャッターの正面図である。
【図８】本発明の実施の形態における開閉調整機構の他の例であるブラインド形シャッターの構成を模式的に示した断面図である。
【図９】図１に示した開閉調整機構のシャッターの開閉機構の一例を示す図である。
【図１０】図６および図７に示した開閉調整機構のシャッターの開閉機構の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、すべての図面において、同様の構成要素には同様の符号を付し、以下の説明において詳細な説明を適宜省略する。
【００３７】
本発明の実施の形態における燃料電池は、携帯電話、ノート型等の携帯型パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）、各種カメラ、ナビゲーションシステム、ポータブル音楽再生プレーヤ等の小型電気機器に適用可能である。とくに、ノート型等の携帯型パーソナルコンピュータ等のような、比較的多くの燃料電池単位セルが使用され、平面実装される燃料電池において有用である。
【００３８】
（第一の実施の形態）
図１は、本実施の形態における燃料電池の構成を模式的に示した断面ブロック図である。
図１に示すように、燃料電池は、複数の単位セル１０１を含む。各単位セル１０１は、燃料極１０２および酸化剤極１０８と、これらの間に設けられた固体電解質膜１１４を含み、燃料極１０２には燃料１２４が、酸化剤極１０８には酸化剤１２６がそれぞれ供給されて電気化学反応により発電する。単位セル１０１は、燃料極１０２に液体燃料が供給される直接型の燃料電池である。燃料１２４としては、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、または他のアルコール類、あるいはシクロパラフィン等の液体炭化水素等の有機液体燃料を用いることができる。有機液体燃料は、水溶液とすることができる。酸化剤としては、通常、空気を用いることができるが、酸素ガスを供給してもよい。
【００３９】
燃料電池は、燃料極１０２に燃料１２４を供給する燃料流路３１０と、酸化剤極１０８に酸化剤１２６を供給する酸化剤流路３１２と、を含む。酸化剤流路３１２には吸気口３３９および排気口３４０が設けられる。
【００４０】
図１に示すように、本実施の形態において、複数の単位セル１０１は、互いに直列に電気的に接続され、平面配列された２組のセル群を構成する。この平面配列された２組のセル群は、燃料極１０２が互いに対面するように配置され、その間に燃料流路３１０が配置され、さらに平面配列されたセル群の外側に位置する酸化剤極１０８側に酸化剤流路３１２が配置される。
【００４１】
燃料電池は、さらに酸化剤流路３１２の吸気口３３９を開閉するシャッター１００１と、酸化剤流路３１２の排気口３４０を開閉するシャッター１００２と、を含む。シャッター１００１およびシャッター１００２と、酸化剤流路３１２の間には、ガスケット１００３がそれぞれ設けられており、これによりシャッター１００１およびシャッター１００２を閉じた場合、酸化剤流路３１２を密閉することができる。図中、黒抜きで示される弁の状態がシャッター１００１およびシャッター１００２が閉じた状態を示し、網掛けで示される弁の状態がシャッター１００１およびシャッター１００２が開いた状態を示している。
【００４２】
図２は、図１の燃料電池における酸化剤流路３１２のシャッター１００１およびシャッター１００２の開閉の程度を調整する開閉調整機構の概略ブロック図を示す。
燃料電池は、セル群１０００の酸化剤極１０８に配して設けられた酸化剤流路３１２の吸気口３３９および排気口３４０にそれぞれ設けられたシャッター１００１およびシャッター１００２の開口の程度を調整する開口調整部１００５を含む。
【００４３】
開口調整部１００５は、シャッター１００１およびシャッター１００２の開口の程度を手動で制御するための操作スイッチ（不図示）および後述するシャッター駆動機構であってもよいし、あるいは、シャッター１００１およびシャッター１００２の開口の程度を自動で制御するためのコントローラ（不図示）および後述するシャッター駆動機構であってもよい。コントローラは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＩＣ（Integrated Circuit）であり、予めプログラムされ、記憶装置（不図示）に記憶された手順に従って動作する。開口調整部１００５は、燃料電池の運転状況を検知し、燃料電池の運転状況に応じてシャッター１００１およびシャッター１００２の開口の程度を調整することができる。開口調整部１００５は、たとえば燃料電池の運転中には、シャッター１００１およびシャッター１００２の開口の程度が大きくなるように調整し、燃料電池の停止中にはシャッター１００１およびシャッター１００２の開口の程度が小さくなるように調整する。また、以下に説明するように、燃料電池内外の温度や湿度に応じて、シャッター１００１およびシャッター１００２の開口の程度を調整することもできる。
【００４４】
また、図３に示すように、排気口３４０を介して酸化剤流路３１２内から酸化剤１２６を排出する排気用ファン１００７を、酸化剤流路３１２のシャッター１００２より外側に設けることもできる。また、吸気口３３９を介して酸化剤流路３１２内に酸化剤１２６を供給させる給気用ファン（不図示）を、酸化剤流路３１２のシャッター１００１より手前に設けることもできる。開口調整部１００５は、排気用ファン１００７または給気用ファンを制御することもできる。この構成によれば、排気用ファン１００７および給気用ファンのいずれか一方または両方の回転を制御することにより、酸化剤流路３１２内の酸化剤の流量を良好に制御することが可能となる。
【００４５】
図４に示すように、燃料電池は、酸化剤流路３１２内の温度を測定する温度計１００８をさらに含むこともできる。ここでは、温度計１００８が酸化剤流路３１２内の温度を測定する例を示しているが、温度計１００８は、燃料電池内外の温度を測定するよう配置することができる。温度計１００８は、燃料電池の構造、および測定対象の場所に応じて種々の配置を取り得る。たとえば、酸化剤流路３１２内、燃料電池表面、廃気の循環経路（不図示）、または燃料電池の外部等に配置することができる。また、燃料電池は、複数の温度計１００８を含むことができ、種々の場所に配置することもできる。温度計１００８で測定された温度は、開口調整部１００５に入力される。開口調整部１００５は、入力された温度に応じて、シャッター１００１およびシャッター１００２の開口の程度を調整する。温度計１００８としては、熱電対、測温抵抗体、サーミスタ、ＩＣ温度センサ、磁気温度センサ、サーモパイル、または焦電型温度センサ等の温度センサを用いることができる。温度計１００８および開口調整部１００５は、これらの温度センサと、コントローラとを組み合わせて実現することができる。
【００４６】
図５に示すように、燃料電池は、酸化剤流路３１２内の湿度を測定する湿度計１００９をさらに含むこともできる。湿度計１００９で測定された湿度は、開口調整部１００５に入力される。開口調整部１００５は、入力された湿度に応じて、シャッター１００１およびシャッター１００２の開口の程度を調整する。開口調整部１００５は、温度計１００８および湿度計１００９によりそれぞれ測定された温度および湿度のいずれか一方のみを用いてシャッター１００１およびシャッター１００２の開口の程度を調整することもでき、両方を用いてシャッター１００１およびシャッター１００２の開口の程度を調整することもできる。
【００４７】
また、本実施の形態において、燃料電池は、酸化剤流路３１２内に吸湿剤（不図示）を設けた構成とすることもできる。このような構成とすることにより、酸化剤流路３１２内に結露等によって水分が発生した場合にも、水分を除去することができる。これにより、水分の凍結等を防止することができる。
【００４８】
このように構成された燃料電池の動作について運転状況別に以下に説明する。
【００４９】
（１）燃料電池の運転中
開口調整部１００５は、酸化剤流路３１２内の温度または湿度に応じて、シャッター１００１およびシャッター１００２の開口の程度を調整する。これにより酸化剤１２６の流量が制御される。
【００５０】
たとえば、開口調整部１００５は、温度が低い場合、シャッター１００１およびシャッター１００２の開口の程度を小さくし、酸化剤１２６の流量が少なくなるように制御することができる。これにより、低温環境下において、運転開始時に、酸化剤極１０８への酸化剤１２６の流入によって酸化剤極１０８が空冷等されるのを防ぐことができる。そのため、低温化による発電効率の低下を防ぐことができる。また、開口調整部１００５は、発電効率を高める必要がある際には、シャッター１００１およびシャッター１００２の開口の程度を大きくし、酸化剤の流量が多くなるように制御することができる。
【００５１】
（２）燃料電池の運転停止中
この場合も、開口調整部１００５は、酸化剤流路３１２内の温度または湿度に応じて、シャッター１００１およびシャッター１００２の開口の程度を調整する。これにより酸化剤１２６の流量が制御される。たとえば、開口調整部１００５は、燃料電池の運転が停止されたすぐ後には、シャッター１００１およびシャッター１００２を完全に密閉せず、燃料電池運転時よりも開口の程度が小さくなるように調整することができる。これにより、燃料電池の運転時に酸化剤極１０８の温度が高まっており、その後冷却される際に結露等が発生するのを防ぐことができるとともに、燃料１２４が固体電解質膜１１４を介して酸化剤極１０８から蒸発するのを防ぐことができる。
【００５２】
また、たとえば、開口調整部１００５は、燃料電池の長期運転停止時には、シャッター１００１およびシャッター１００２の開口の程度を０％に調整し、酸化剤１２６の流量がゼロとなるように制御することができる。このとき、酸化剤流路３１２の吸気口３３９および排気口３４０に設けられたシャッター１００１およびシャッター１００２が閉じられてガスケット１００３とともに酸化剤流路３１２が密閉され、酸化剤流路３１２からの酸化剤１２６の流出が停止される。これにより、長時間、燃料電池の運転を停止しても、燃料１２４が固体電解質膜１１４を通過して蒸発するのを防止することができる。また、開口調整部１００５は、長時間運転停止時にも、酸化剤流路３１２内の湿度が高くなった場合には、シャッター１００１およびシャッター１００２の開口の程度が大きくなるように調整することができる。これにより、酸化剤流路３１２内で結露が発生するのを防ぐことができる。開口調整部１００５は、このような処理を定期的に行うこともできる。
【００５３】
上記の燃料電池の運転および停止時の処理において、開口調整部１００５は、シャッター１００１およびシャッター１００２の開口の程度を変化させるとともに、排気用ファンまたは給気用ファンの回転を制御することもできる。開口調整部１００５は、この場合も、温度または湿度に応じて、排気用ファンまたは給気用ファンの回転を制御することができる。
【００５４】
上記の燃料電池の運転および停止時の調整については、手動で利用者が調整してもよいし、コントローラ等により自動制御してもよい。また、これらの制御の手順は、コントローラを動作させるプログラムによって、如何様にも変更が可能であることはいうまでもない。
【００５５】
吸気口３３９および排気口３４０のシャッター１００１およびシャッター１００２の開口の程度の調整は、同時に行ってもよいし、別々に行ってもよい。たとえば、酸化剤流路３１２内の湿度が高くなり結露が発生するような場合は、吸気口３３９の開口の程度を下げ、排気口３４０の開口の程度を上げるようにすることができる。なお、シャッターの開口の程度を制御するためのシャッター開閉機構の詳細については後述する。
【００５６】
以上のように、本実施の形態の燃料電池によれば、吸気口３３９または排気口３４０の開口の程度を調整することにより、酸化剤流路３１２を流れる酸化剤１２６の流量を制御できるので、使用環境および運転状況に影響されずに発電効率の低下を防止できる燃料電池を提供することができる。
【００５７】
（シャッター開閉機構について）
図９は、図１に示した燃料電池のシャッターの開閉機構の一例を示す図である。図９（ａ）は、シャッターが閉じた状態を示し、図９（ｂ）は、シャッターが開いた状態を示している。
【００５８】
図９において、シャッターの開閉機構は、シャッター１００１の一端に設けられ、シャッター１００１を軸周りに回転させるバネ内蔵回転軸１０１５と、シャッター１００１の他端に設けられたバネ内蔵回転軸１０１５の軸と平行に設けられ、シャッター１００１の外側に延びるロッド１０１７と、ロッド１０１７に当接し、ロッド１０１７を所定の位置に移動させるよう押す偏心カム１０１９と、ロッド１０１７の軸と平行に設けられた偏心カム１０１９の回転軸１０２１と、を含む。回転軸１０２１には、図示されないモータが設けられ、回転軸１０２１はモータにより軸周りに回転する。
【００５９】
このように構成されたシャッターの開閉機構を有する燃料電池における動作について以下に説明する。
【００６０】
図９（ａ）に示すような位置に偏心カム１０１９がある場合、ロッド１０１７は偏心カム１０１９から力を受けないので、バネ内蔵回転軸１０１５のバネの弾性力により、シャッター１００１が、酸化剤流路３１２を閉じるようにガスケット１００３に押しつけられ、吸気口３３９および排気口３４０を密閉することができる。
【００６１】
一方、図９（ｂ）に示すような位置に偏心カム１０１９が回転軸１０２１周りに回転した場合、バネ内蔵回転軸１０１５のバネの弾性力に打ち勝つ力でもって、偏心カム１０１９によってロッド１０１７が図の位置に移動させられ、これによりシャッター１００１が図のように回転軸１０１５周りに回転して吸気口３３９および排気口３４０の開放位置へと移動させられる。
【００６２】
本例において、モータの回転を制御することによって、偏心カム１０１９の回転位置を制御でき、これによりシャッター１００１の移動位置を制御し、吸気口３３９および排気口３４０の開口の程度を調整でき、酸化剤１２６の流量を制御することが可能となる。
【００６３】
また、本実施の形態において、偏心カム１０１９の回転はモータによって行ったがこれに限定されるものではなく、手動で偏心カムを回転せることができる機構を設けてもよい。また、偏心カムの形状は、様々な形状が考えられ、形状によってシャッターの移動位置を調節することができる。
【００６４】
（第二の実施の形態）
本実施の形態においても、燃料電池は第一の実施の形態と同様の構成を有する。本実施の形態において、開閉調整機構の形態が第一の実施の形態と異なる。
図６は、本実施の形態における開閉調整機構の一例であるスライド式シャッターの構成を模式的に示した断面図であり、図７は、図６のスライド式シャッターの正面図である。図６（ａ）および図７（ａ）は、シャッターが閉じた状態を示し、図６（ｂ）および図７（ｂ）は、シャッターが開いた状態を示している。
【００６５】
本実施の形態において、スライド式シャッターは、酸化剤流路３１２の吸気口３３９および排気口３４０に設けられ、通気プレート１０１２と、この通気プレート１０１２のスリットを開閉可能な位置および大きさで複数のスリットが形成されたシャッター１０１１と、を含む。通気プレート１０１２は、吸気口３３９および排気口３４０とほぼ同じ形状および大きさを有する表面と、その表面に形成された複数のスリットと、を有する。
【００６６】
本実施の形態において、開口調整部１００５は、スライド式シャッターの開口率を調整する。シャッター１０１１の開口率とは、通気プレート１０１２に形成されたスリットの総面積に対するシャッター１０１１によって閉じられた後の通気プレート１０１２のスリットの開口面積の比である。開口面積を変えることによって開口率を調整することができる。すなわち、図７（ａ）が開口率０％で、図７（ｂ）が開口率１００％の状態を示している。
【００６７】
シャッター１０１１および通気プレート１０１２の形状および構造以外は、上記第一の実施の形態と同様であるので、ここでは燃料電池の動作に関する詳細な説明は省略する。
【００６８】
通気プレート１０１２のスリットの長軸と、シャッター１０１１のスリットの長軸は、常に平行を保ちつつ、シャッター１０１１は、通気プレート１０１２のスリットの長軸に対して、実質的に垂直な方向に移動可能である。シャッター１０１１を移動させることによって、通気プレート１０１２のスリットを開閉することができる。
【００６９】
このように構成されたスライド式シャッターの動作について以下に図を用いて説明する。
図６（ｂ）および図７（ｂ）に示すように、燃料電池の運転中は、シャッター１０１１および通気プレート１０１２の複数のスリットが同じ位置になるようにシャッター１０１１および通気プレート１０１２は配置される。これにより、酸化剤流路３１２に、酸化剤１２６が吸気口３３９を介して供給され、排気口３４０を介して排気される。
【００７０】
一方、図６（ａ）および図７（ａ）に示すように、燃料電池の運転停止中は、シャッター１０１１および通気プレート１０１２は、シャッター１０１１および通気プレート１０１２の複数のスリットの孔を封鎖するような位置に配置される。これにより、酸化剤流路３１２から酸化剤１２６が排気されず、また、酸化剤流路３１２内に酸化剤１２６が供給されない。
【００７１】
このように、シャッター１０１１および通気プレート１０１２の相対位置を制御することによって、シャッター１０１１および通気プレート１０１２に形成された各スリットの開口率を制御することが可能であり、これにより酸化剤１２６の流量を制御することができる。
【００７２】
本実施の形態において、シャッターに形成された酸化剤１２６の通気口は、スリット形状のものを平行に配置した構造としたがこれに限定されるものではなく、様々な形状および配置が考えられ、１組のシャッターが相対位置を移動することによって、シャッターに形成された通気口の開口率を変化させることができる形状であればよい。
【００７３】
（シャッター開閉機構について）
図１０は、図６および図７に示した開閉調整機構のシャッターの開閉機構の一例を示す図である。図１０（ａ）は、シャッターが開いた状態を示し、図１０（ｂ）は、シャッターが閉じる途中の状態を示し、図１０（ｃ）は、シャッターが閉じた状態を示している。
【００７４】
図１０において、シャッターの開閉機構は、リニアモータ１０２３と、リニアモータ１０２３によって直進移動するロッド１０２５と、ロッド１０２５を支持し、直進移動させる直進ガイド１０２７と、ロッド１０２５の先端に第１の回転支持軸１０３１を介して回転可能に一端が取り付けられたアーム１０２９と、アーム１０２９の他端に第２の回転支持軸１０３５を介して回転可能に一端が取り付けられ、他端にシャッター１０１１を水平に支持するシャッター支え１０３３と、シャッター１０１１を予め決められた位置に移動させるために、第２の回転支持軸１０３５を噛合するレールを有するシャッターガイド１０３７と、含む。
【００７５】
このように構成されたシャッターの開閉機構を有する開閉調整機構における動作について以下に説明する。
シャッター１０１１は、図１０（ａ）の位置からリニアモータ１０２３によってロッド１０２５が推進されて、第２の回転支持軸１０３５がシャッターガイド１０３７に沿って移動し、図１０（ｂ）のシャッター１０１１が通気プレート１０１２に当接する位置まで移動する。その後、さらにリニアモータ１０２３によってロッド１０２５が推進されると、第２の回転支持軸１０３５がシャッターガイド１０３７に沿って移動し、図１０（ｃ）のシャッター１０１１が通気プレート１０１２のスリットを閉じる位置まで移動し、吸気口３３９および排気口３４０が閉じられる。
【００７６】
以上のように、本実施の形態によれば、リニアモータ１０２３によって、ロッド１０２５を介してシャッター１０１１の通気プレート１０１２に対する相対位置を制御できるので、通気プレート１０１２に形成されたスリットの開口率を制御できる。このようにして、酸化剤１２６の流量を制御することが可能となる。
【００７７】
（第三の実施の形態）
本実施の形態においても、燃料電池は第一の実施の形態と同様の構成を有する。本実施の形態において、開閉調整機構の形態が第一の実施の形態と異なる。
図８は、本実施の形態における開閉調整機構の他の例であるブラインド形シャッターの構成を模式的に示した断面図である。図８（ａ）は、シャッターが閉じた状態を示し、図８（ｂ）は、シャッターが開いた状態を示している。
【００７８】
本実施の形態において、ブラインド形シャッターは、酸化剤流路３１２の吸気口３３９および排気口３４０に設けられた複数の矩形のシャッター１０１４を有する。各シャッター１０１４の一端にはシールド部材１０１３が設けられ、シャッター１０１４の他端が隣接するシールド部材１０１３に密着した時、シャッター１０１４が閉じて、吸気口３３９および排気口３４０を密閉することができる。
【００７９】
シャッター１０１４の形状および構造以外は、上記第一の実施の形態と同じであるので、ここでは燃料電池の動作に関する詳細な説明は省略する。
【００８０】
このように構成されたブラインド式シャッターの動作について以下に図を用いて説明する。
図８（ｂ）に示すように、燃料電池の運転中は、シャッター１０１４の他端がシールド部材１０１３と離れた位置にあり、これにより、酸化剤流路３１２に、酸化剤１２６が吸気口３３９を介して供給され、排気口３４０を介して排気される。一方、図８（ａ）に示すように、燃料電池の運転停止中は、シャッター１０１４の他端が隣接するシールド部材１０１３と密着した位置になり、これにより、酸化剤流路３１２から酸化剤１２６が排気されず、また、酸化剤流路３１２内に酸化剤１２６が供給されない。
【００８１】
このようにシャッター１０１４の他端を隣接するシールド部材１０１３と密着させたり離したり、あるいは、シャッター１０１４の吸気口３３９および排気口３４０に対する相対位置角度を調節することによって、吸気口３３９および排気口３４０の開口の程度を調整することが可能であり、これにより酸化剤１２６の流量を制御することができる。
【００８２】
本実施の形態においても、第一の実施の形態において図９を参照して説明したのと同様、偏心カムをモータで駆動することによりシャッター１０１４を開閉することができる。
【符号の説明】
【００８３】
１０１ 単位セル
１０２ 酸化剤極
１０２ 燃料極
１０８ 酸化剤極
１１４ 固体電解質膜
１２４ 燃料
１２６ 酸化剤
３１０ 燃料流路
３１２ 酸化剤流路
３３９ 吸気口
３４０ 排気口
１０００ セル群
１００１ シャッター
１００２ シャッター
１００３ ガスケット
１００５ 開口調整部
１００７ 排気用ファン
１００８ 温度計
１００９ 湿度計
１０１１ シャッター
１０１２ 通気プレート
１０１３ シールド部材
１０１４ シャッター
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池および燃料電池の運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の情報化社会の到来とともに、パーソナルコンピュータ等の電子機器で扱う情報量が飛躍的に増大し、それに伴い、電子機器の消費電力も著しく増加してきた。とくに、携帯型の電子機器では、処理能力の増加に伴って消費電力の増加が問題となっている。現在、このような携帯型の電子機器では、一般的にリチウムイオン二次電池が電源として用いられているが、リチウムイオン二次電池のエネルギー密度は理論的な限界に近づいている。そのため、携帯型の電子機器の連続使用期間を延ばすために、ＣＰＵの駆動周波数を抑えて消費電力を低減しなければならないという制限があった。
【０００３】
このような状況の中で、リチウムイオン二次電池に変えて、エネルギー密度が大きい燃料電池を電子機器の電源として用いることにより、携帯型の電子機器の連続使用期間が大幅に向上することが期待されている。
【０００４】
燃料電池は、燃料極および酸化剤極と、これらの間に設けられた電解質から構成され、燃料極には燃料が、酸化剤極には酸化剤が供給されて電気化学反応により発電する。燃料としては、一般的には水素が用いられるが、近年、安価で取り扱いの容易なメタノールを原料として、メタノールを改質して水素を生成させるメタノール改質型や、メタノールを燃料として直接利用する直接型の燃料電池の開発も盛んに行われている。
【０００５】
燃料として水素を用いた場合、燃料極での反応は以下の式（１）のようになる。
【０００６】
３Ｈ２ → ６Ｈ＋ ＋ ６ｅ− （１）
【０００７】
燃料としてメタノールを用いた場合、燃料極での反応は以下の式（２）のようになる。
【０００８】
ＣＨ３ＯＨ ＋ Ｈ２Ｏ → ６Ｈ＋ ＋ ＣＯ２ ＋ ６ｅ− （２）
【０００９】
また、いずれの場合も、酸化剤極での反応は以下の式（３）のようになる。
【００１０】
３／２Ｏ２ ＋ ６Ｈ＋ ＋ ６ｅ− → ３Ｈ２Ｏ （３）
【００１１】
燃料電池は、電解質の違いによって多くの種類に分類されるが、一般的には、アルカリ型、固体高分子型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体電解質型に大別される。
【００１２】
特許文献１には、燃料電池の空気極へ空気を供給する空気供給ラインおよび空気極から空気を排出する空気排出ラインに、燃料電池停止時に空気の流通を閉止する手段を備えた燃料電池が開示されている。これによれば、燃料電池の運転停止中における電解質の乾燥を防止することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００２−２１６８２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかし、単に燃料電池停止中に空気の流通を閉止するだけでは、燃料電池内外の温度によってはかえって流路内の湿度が高くなり、温度変化によって結露が発生したり、さらにはその水分が凍結してしまうといった問題点があった。
【００１５】
また、燃料としてメタノール等の液体燃料を用いた直接型の燃料電池では、酸化剤極が開放された構成となっていると、燃料電池停止中に燃料が電解質膜を通過して酸化剤極側から蒸発してしまうという問題点もあった。また、燃料電池運転中であっても、たとえば低温環境下おいては、酸化剤極側へ酸化剤が多量に流入すると、酸化剤極が空冷されて燃料電池の温度が下がり、発電効率が低下するといった問題点があった。
【００１６】
本発明は上記事情を踏まえてなされたものであり、本発明の目的は、使用環境および運転状況に影響されずに、安定した電力を供給可能な燃料電池を提供することにある。本発明の別の目的は、高信頼性で、長寿命な燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明によれば、燃料極および酸化剤極を含む単位セルを有する燃料電池であって、吸気口および排気口を有し、酸化剤極に酸化剤を供給する酸化剤流路と、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、を含むことを特徴とする燃料電池が提供される。
【００１８】
単位セルは、さらに固体電解質膜を含むことができ、燃料極および酸化剤極は固体電解質膜を狭持する。また、本発明の燃料電池は、燃料極に液体燃料が供給される直接型の燃料電池とすることができる。このように、燃料極に液体燃料が供給される場合に、燃料電池の運転停止中に酸化剤極が外部に開放された構成としていると、燃料が固体電解質膜を通過して酸化剤極から蒸発するという問題が生じる。本発明の燃料電池において、酸化剤流路の吸気口または排気口の開口の程度を調整することができるので、たとえば燃料電池の運転停止時には、吸気口や排気口を閉じたり、開口の程度を低くすることにより、燃料が固体電解質膜を通過して酸化剤極から蒸発するという現象を防ぐことができる。
【００１９】
また、この構成により、上記直接型の燃料電池に限られず、酸化剤流路の吸気口または排気口の開口の程度を調整することができるので、固体電解質膜が乾燥するのを防ぐこともできる。このように、酸化剤流路の吸気口または排気口の開口の程度を調整することにより、酸化剤流路を流れる酸化剤の流量を制御することもできる。酸化剤流路内の酸化剤の流量を適宜調整することにより、前述のように燃料の蒸発や固体電解質膜の乾燥を防ぐとともに、結露の発生やそれに伴う凍結を防止することもできる。
【００２０】
また、燃料電池の運転時においても、たとえば、低温環境下では、酸化剤極側への酸化剤の流入量を低くすることにより、酸化剤によって酸化剤極か空冷等されて発電効率が低下するのを防ぐことができる。以上のように、本発明の燃料電池によれば、使用環境や運転状況に影響されずに、燃料電池を安定的に動作させることができる。
【００２１】
本発明の燃料電池は、開口調整部は、酸化剤流路の吸気口または排気口の開口の程度を変更可能な開閉弁を含むことができる。この構成により、開閉弁の開口の程度を変更するだけで、吸気口または排気口の開口の程度を調整することができる。
【００２２】
本発明の燃料電池において、開口調整部は、開閉弁を閉じたときに、当該開口弁と協動して吸気口または排気口を密閉する密閉部材を含むことができる。この構成により、燃料電池運転停止中に、開閉弁を閉じたときに、酸化剤流路を密閉することができる。これにより、燃料が固体電解質膜を通過して酸化剤極側から蒸発したり、固体電解質膜が乾燥してしまうのを防止することができる。
【００２３】
本発明の燃料電池は、酸化剤流路への酸化剤の導入を促す導入促進部をさらに含むことができる。この構成により、酸化剤流路内の酸化剤の流量をより良好に制御することができる。
【００２４】
本発明の燃料電池は、温度を測定する温度測定部をさらに含むことができ、開口調整部は、温度測定部により測定された温度に応じて開口の程度を調整することができる。この構成により、酸化剤流路内の温度や燃料電池外部の温度に応じて吸気口または排気口の開口の程度を調整することができるので、環境に応じた制御が可能となる。
【００２５】
本発明の燃料電池は、酸化剤流路内の湿度を測定する湿度測定部を含むことができ、開口調整部は、湿度測定部により測定された湿度に応じて開口の程度を調整することができる。この構成により、酸化剤流路内の湿度に応じて吸気口または排気口の開口の程度を調整することができるので、環境に応じた制御が可能となる。
【００２６】
本発明の燃料電池において、開口調整部は、当該燃料電池の運転状況に応じて、開口の程度を調整することができる。運転状況とは、燃料電池の運転中か燃料電池の運転停止中か等である。また、開口調整部は、運転停止中の場合、停止されてからの経過時間等にも応じて、開口の程度を調整することができる。
【００２７】
本発明の燃料電池は、複数の単位セルを含み、当該複数の単位セルが平面実装された構成とすることができる。このように、酸化剤極が酸化剤流路に広範囲にわたって面しているために、燃料極側に供給される液体燃料が、電解質膜を通過して酸化剤極側から蒸発しやすい場合にも、本発明の構成によれば、燃料の蒸発を防止することができる。
【００２８】
本発明の燃料電池は、酸化剤流路内に吸湿剤を有することができる。この構成により、酸化剤流路内に発生した水分を除去することができるので、水分の凍結等を防止することができる。
【００２９】
本発明によれば、燃料極および酸化剤極を含む単位セルを有する燃料電池の運転方法であって、燃料電池は、吸気口および排気口を有する酸化剤流路を含み、酸化剤極に酸化剤を供給する工程と、吸気口または排気口の開口の程度を調整する工程と、を含むことを特徴とする燃料電池の運転方法が提供される。
【００３０】
本発明の燃料電池の運転方法において、燃料電池は、吸気口または排気口を開閉する開閉弁をさらに含むことができ、開口の程度を調整する工程において、開閉弁を開閉することにより、開口の程度を調整することができる。
【００３１】
本発明の燃料電池の運転方法は、燃料電池の温度を測定する工程をさらに含むことができ、開口の程度を調整する工程において、温度を測定する工程で測定された温度に応じて開口の程度を調整することができる。
【００３２】
本発明の燃料電池の運転方法は、酸化剤流路内の湿度を測定する工程をさらに含むことができ、開口の程度を調整する工程において、湿度を測定する工程で測定された湿度に応じて開口の程度を調整することができる。
【００３３】
本発明の燃料電池の運転方法は、燃料電池の運転状況を検知する工程をさらに含むことができ、開口の程度を調整する工程において、運転状況に応じて開口の程度を調整することができる。
【発明の効果】
【００３４】
以上述べたように、本発明によれば、使用環境および運転状況に影響されずに、安定した電力を供給可能な燃料電池が提供される。また、本発明によれば、高信頼性で、長寿命な燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施の形態における燃料電池の構成を模式的に示した断面ブロック図である。
【図２】図１の燃料電池における開閉調整機構の概略ブロック図である。
【図３】開閉調整機構の別態様の構成を模式的に示した概略ブロック図である。
【図４】開閉調整機構の別態様の構成を模式的に示した概略ブロック図である。
【図５】開閉調整機構の別態様の構成を模式的に示した概略ブロック図である。
【図６】本発明の実施の形態における開閉調整機構の一例であるスライド式シャッターの構成を模式的に示した断面図である。
【図７】図６のスライド式シャッターの正面図である。
【図８】本発明の実施の形態における開閉調整機構の他の例であるブラインド形シャッターの構成を模式的に示した断面図である。
【図９】図１に示した開閉調整機構のシャッターの開閉機構の一例を示す図である。
【図１０】図６および図７に示した開閉調整機構のシャッターの開閉機構の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、すべての図面において、同様の構成要素には同様の符号を付し、以下の説明において詳細な説明を適宜省略する。
【００３７】
本発明の実施の形態における燃料電池は、携帯電話、ノート型等の携帯型パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）、各種カメラ、ナビゲーションシステム、ポータブル音楽再生プレーヤ等の小型電気機器に適用可能である。とくに、ノート型等の携帯型パーソナルコンピュータ等のような、比較的多くの燃料電池単位セルが使用され、平面実装される燃料電池において有用である。
【００３８】
（第一の実施の形態）
図１は、本実施の形態における燃料電池の構成を模式的に示した断面ブロック図である。
図１に示すように、燃料電池は、複数の単位セル１０１を含む。各単位セル１０１は、燃料極１０２および酸化剤極１０８と、これらの間に設けられた固体電解質膜１１４を含み、燃料極１０２には燃料１２４が、酸化剤極１０８には酸化剤１２６がそれぞれ供給されて電気化学反応により発電する。単位セル１０１は、燃料極１０２に液体燃料が供給される直接型の燃料電池である。燃料１２４としては、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、または他のアルコール類、あるいはシクロパラフィン等の液体炭化水素等の有機液体燃料を用いることができる。有機液体燃料は、水溶液とすることができる。酸化剤としては、通常、空気を用いることができるが、酸素ガスを供給してもよい。
【００３９】
燃料電池は、燃料極１０２に燃料１２４を供給する燃料流路３１０と、酸化剤極１０８に酸化剤１２６を供給する酸化剤流路３１２と、を含む。酸化剤流路３１２には吸気口３３９および排気口３４０が設けられる。
【００４０】
図１に示すように、本実施の形態において、複数の単位セル１０１は、互いに直列に電気的に接続され、平面配列された２組のセル群を構成する。この平面配列された２組のセル群は、燃料極１０２が互いに対面するように配置され、その間に燃料流路３１０が配置され、さらに平面配列されたセル群の外側に位置する酸化剤極１０８側に酸化剤流路３１２が配置される。
【００４１】
燃料電池は、さらに酸化剤流路３１２の吸気口３３９を開閉するシャッター１００１と、酸化剤流路３１２の排気口３４０を開閉するシャッター１００２と、を含む。シャッター１００１およびシャッター１００２と、酸化剤流路３１２の間には、ガスケット１００３がそれぞれ設けられており、これによりシャッター１００１およびシャッター１００２を閉じた場合、酸化剤流路３１２を密閉することができる。図中、黒抜きで示される弁の状態がシャッター１００１およびシャッター１００２が閉じた状態を示し、網掛けで示される弁の状態がシャッター１００１およびシャッター１００２が開いた状態を示している。
【００４２】
図２は、図１の燃料電池における酸化剤流路３１２のシャッター１００１およびシャッター１００２の開閉の程度を調整する開閉調整機構の概略ブロック図を示す。
燃料電池は、セル群１０００の酸化剤極１０８に配して設けられた酸化剤流路３１２の吸気口３３９および排気口３４０にそれぞれ設けられたシャッター１００１およびシャッター１００２の開口の程度を調整する開口調整部１００５を含む。
【００４３】
開口調整部１００５は、シャッター１００１およびシャッター１００２の開口の程度を手動で制御するための操作スイッチ（不図示）および後述するシャッター駆動機構であってもよいし、あるいは、シャッター１００１およびシャッター１００２の開口の程度を自動で制御するためのコントローラ（不図示）および後述するシャッター駆動機構であってもよい。コントローラは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＩＣ（Integrated Circuit）であり、予めプログラムされ、記憶装置（不図示）に記憶された手順に従って動作する。開口調整部１００５は、燃料電池の運転状況を検知し、燃料電池の運転状況に応じてシャッター１００１およびシャッター１００２の開口の程度を調整することができる。開口調整部１００５は、たとえば燃料電池の運転中には、シャッター１００１およびシャッター１００２の開口の程度が大きくなるように調整し、燃料電池の停止中にはシャッター１００１およびシャッター１００２の開口の程度が小さくなるように調整する。また、以下に説明するように、燃料電池内外の温度や湿度に応じて、シャッター１００１およびシャッター１００２の開口の程度を調整することもできる。
【００４４】
また、図３に示すように、排気口３４０を介して酸化剤流路３１２内から酸化剤１２６を排出する排気用ファン１００７を、酸化剤流路３１２のシャッター１００２より外側に設けることもできる。また、吸気口３３９を介して酸化剤流路３１２内に酸化剤１２６を供給させる給気用ファン（不図示）を、酸化剤流路３１２のシャッター１００１より手前に設けることもできる。開口調整部１００５は、排気用ファン１００７または給気用ファンを制御することもできる。この構成によれば、排気用ファン１００７および給気用ファンのいずれか一方または両方の回転を制御することにより、酸化剤流路３１２内の酸化剤の流量を良好に制御することが可能となる。
【００４５】
図４に示すように、燃料電池は、酸化剤流路３１２内の温度を測定する温度計１００８をさらに含むこともできる。ここでは、温度計１００８が酸化剤流路３１２内の温度を測定する例を示しているが、温度計１００８は、燃料電池内外の温度を測定するよう配置することができる。温度計１００８は、燃料電池の構造、および測定対象の場所に応じて種々の配置を取り得る。たとえば、酸化剤流路３１２内、燃料電池表面、廃気の循環経路（不図示）、または燃料電池の外部等に配置することができる。また、燃料電池は、複数の温度計１００８を含むことができ、種々の場所に配置することもできる。温度計１００８で測定された温度は、開口調整部１００５に入力される。開口調整部１００５は、入力された温度に応じて、シャッター１００１およびシャッター１００２の開口の程度を調整する。温度計１００８としては、熱電対、測温抵抗体、サーミスタ、ＩＣ温度センサ、磁気温度センサ、サーモパイル、または焦電型温度センサ等の温度センサを用いることができる。温度計１００８および開口調整部１００５は、これらの温度センサと、コントローラとを組み合わせて実現することができる。
【００４６】
図５に示すように、燃料電池は、酸化剤流路３１２内の湿度を測定する湿度計１００９をさらに含むこともできる。湿度計１００９で測定された湿度は、開口調整部１００５に入力される。開口調整部１００５は、入力された湿度に応じて、シャッター１００１およびシャッター１００２の開口の程度を調整する。開口調整部１００５は、温度計１００８および湿度計１００９によりそれぞれ測定された温度および湿度のいずれか一方のみを用いてシャッター１００１およびシャッター１００２の開口の程度を調整することもでき、両方を用いてシャッター１００１およびシャッター１００２の開口の程度を調整することもできる。
【００４７】
また、本実施の形態において、燃料電池は、酸化剤流路３１２内に吸湿剤（不図示）を設けた構成とすることもできる。このような構成とすることにより、酸化剤流路３１２内に結露等によって水分が発生した場合にも、水分を除去することができる。これにより、水分の凍結等を防止することができる。
【００４８】
このように構成された燃料電池の動作について運転状況別に以下に説明する。
【００４９】
（１）燃料電池の運転中
開口調整部１００５は、酸化剤流路３１２内の温度または湿度に応じて、シャッター１００１およびシャッター１００２の開口の程度を調整する。これにより酸化剤１２６の流量が制御される。
【００５０】
たとえば、開口調整部１００５は、温度が低い場合、シャッター１００１およびシャッター１００２の開口の程度を小さくし、酸化剤１２６の流量が少なくなるように制御することができる。これにより、低温環境下において、運転開始時に、酸化剤極１０８への酸化剤１２６の流入によって酸化剤極１０８が空冷等されるのを防ぐことができる。そのため、低温化による発電効率の低下を防ぐことができる。また、開口調整部１００５は、発電効率を高める必要がある際には、シャッター１００１およびシャッター１００２の開口の程度を大きくし、酸化剤の流量が多くなるように制御することができる。
【００５１】
（２）燃料電池の運転停止中
この場合も、開口調整部１００５は、酸化剤流路３１２内の温度または湿度に応じて、シャッター１００１およびシャッター１００２の開口の程度を調整する。これにより酸化剤１２６の流量が制御される。たとえば、開口調整部１００５は、燃料電池の運転が停止されたすぐ後には、シャッター１００１およびシャッター１００２を完全に密閉せず、燃料電池運転時よりも開口の程度が小さくなるように調整することができる。これにより、燃料電池の運転時に酸化剤極１０８の温度が高まっており、その後冷却される際に結露等が発生するのを防ぐことができるとともに、燃料１２４が固体電解質膜１１４を介して酸化剤極１０８から蒸発するのを防ぐことができる。
【００５２】
また、たとえば、開口調整部１００５は、燃料電池の長期運転停止時には、シャッター１００１およびシャッター１００２の開口の程度を０％に調整し、酸化剤１２６の流量がゼロとなるように制御することができる。このとき、酸化剤流路３１２の吸気口３３９および排気口３４０に設けられたシャッター１００１およびシャッター１００２が閉じられてガスケット１００３とともに酸化剤流路３１２が密閉され、酸化剤流路３１２からの酸化剤１２６の流出が停止される。これにより、長時間、燃料電池の運転を停止しても、燃料１２４が固体電解質膜１１４を通過して蒸発するのを防止することができる。また、開口調整部１００５は、長時間運転停止時にも、酸化剤流路３１２内の湿度が高くなった場合には、シャッター１００１およびシャッター１００２の開口の程度が大きくなるように調整することができる。これにより、酸化剤流路３１２内で結露が発生するのを防ぐことができる。開口調整部１００５は、このような処理を定期的に行うこともできる。
【００５３】
上記の燃料電池の運転および停止時の処理において、開口調整部１００５は、シャッター１００１およびシャッター１００２の開口の程度を変化させるとともに、排気用ファンまたは給気用ファンの回転を制御することもできる。開口調整部１００５は、この場合も、温度または湿度に応じて、排気用ファンまたは給気用ファンの回転を制御することができる。
【００５４】
上記の燃料電池の運転および停止時の調整については、手動で利用者が調整してもよいし、コントローラ等により自動制御してもよい。また、これらの制御の手順は、コントローラを動作させるプログラムによって、如何様にも変更が可能であることはいうまでもない。
【００５５】
吸気口３３９および排気口３４０のシャッター１００１およびシャッター１００２の開口の程度の調整は、同時に行ってもよいし、別々に行ってもよい。たとえば、酸化剤流路３１２内の湿度が高くなり結露が発生するような場合は、吸気口３３９の開口の程度を下げ、排気口３４０の開口の程度を上げるようにすることができる。なお、シャッターの開口の程度を制御するためのシャッター開閉機構の詳細については後述する。
【００５６】
以上のように、本実施の形態の燃料電池によれば、吸気口３３９または排気口３４０の開口の程度を調整することにより、酸化剤流路３１２を流れる酸化剤１２６の流量を制御できるので、使用環境および運転状況に影響されずに発電効率の低下を防止できる燃料電池を提供することができる。
【００５７】
（シャッター開閉機構について）
図９は、図１に示した燃料電池のシャッターの開閉機構の一例を示す図である。図９（ａ）は、シャッターが閉じた状態を示し、図９（ｂ）は、シャッターが開いた状態を示している。
【００５８】
図９において、シャッターの開閉機構は、シャッター１００１の一端に設けられ、シャッター１００１を軸周りに回転させるバネ内蔵回転軸１０１５と、シャッター１００１の他端に設けられたバネ内蔵回転軸１０１５の軸と平行に設けられ、シャッター１００１の外側に延びるロッド１０１７と、ロッド１０１７に当接し、ロッド１０１７を所定の位置に移動させるよう押す偏心カム１０１９と、ロッド１０１７の軸と平行に設けられた偏心カム１０１９の回転軸１０２１と、を含む。回転軸１０２１には、図示されないモータが設けられ、回転軸１０２１はモータにより軸周りに回転する。
【００５９】
このように構成されたシャッターの開閉機構を有する燃料電池における動作について以下に説明する。
【００６０】
図９（ａ）に示すような位置に偏心カム１０１９がある場合、ロッド１０１７は偏心カム１０１９から力を受けないので、バネ内蔵回転軸１０１５のバネの弾性力により、シャッター１００１が、酸化剤流路３１２を閉じるようにガスケット１００３に押しつけられ、吸気口３３９および排気口３４０を密閉することができる。
【００６１】
一方、図９（ｂ）に示すような位置に偏心カム１０１９が回転軸１０２１周りに回転した場合、バネ内蔵回転軸１０１５のバネの弾性力に打ち勝つ力でもって、偏心カム１０１９によってロッド１０１７が図の位置に移動させられ、これによりシャッター１００１が図のように回転軸１０１５周りに回転して吸気口３３９および排気口３４０の開放位置へと移動させられる。
【００６２】
本例において、モータの回転を制御することによって、偏心カム１０１９の回転位置を制御でき、これによりシャッター１００１の移動位置を制御し、吸気口３３９および排気口３４０の開口の程度を調整でき、酸化剤１２６の流量を制御することが可能となる。
【００６３】
また、本実施の形態において、偏心カム１０１９の回転はモータによって行ったがこれに限定されるものではなく、手動で偏心カムを回転せることができる機構を設けてもよい。また、偏心カムの形状は、様々な形状が考えられ、形状によってシャッターの移動位置を調節することができる。
【００６４】
（第二の実施の形態）
本実施の形態においても、燃料電池は第一の実施の形態と同様の構成を有する。本実施の形態において、開閉調整機構の形態が第一の実施の形態と異なる。
図６は、本実施の形態における開閉調整機構の一例であるスライド式シャッターの構成を模式的に示した断面図であり、図７は、図６のスライド式シャッターの正面図である。図６（ａ）および図７（ａ）は、シャッターが閉じた状態を示し、図６（ｂ）および図７（ｂ）は、シャッターが開いた状態を示している。
【００６５】
本実施の形態において、スライド式シャッターは、酸化剤流路３１２の吸気口３３９および排気口３４０に設けられ、通気プレート１０１２と、この通気プレート１０１２のスリットを開閉可能な位置および大きさで複数のスリットが形成されたシャッター１０１１と、を含む。通気プレート１０１２は、吸気口３３９および排気口３４０とほぼ同じ形状および大きさを有する表面と、その表面に形成された複数のスリットと、を有する。
【００６６】
本実施の形態において、開口調整部１００５は、スライド式シャッターの開口率を調整する。シャッター１０１１の開口率とは、通気プレート１０１２に形成されたスリットの総面積に対するシャッター１０１１によって閉じられた後の通気プレート１０１２のスリットの開口面積の比である。開口面積を変えることによって開口率を調整することができる。すなわち、図７（ａ）が開口率０％で、図７（ｂ）が開口率１００％の状態を示している。
【００６７】
シャッター１０１１および通気プレート１０１２の形状および構造以外は、上記第一の実施の形態と同様であるので、ここでは燃料電池の動作に関する詳細な説明は省略する。
【００６８】
通気プレート１０１２のスリットの長軸と、シャッター１０１１のスリットの長軸は、常に平行を保ちつつ、シャッター１０１１は、通気プレート１０１２のスリットの長軸に対して、実質的に垂直な方向に移動可能である。シャッター１０１１を移動させることによって、通気プレート１０１２のスリットを開閉することができる。
【００６９】
このように構成されたスライド式シャッターの動作について以下に図を用いて説明する。
図６（ｂ）および図７（ｂ）に示すように、燃料電池の運転中は、シャッター１０１１および通気プレート１０１２の複数のスリットが同じ位置になるようにシャッター１０１１および通気プレート１０１２は配置される。これにより、酸化剤流路３１２に、酸化剤１２６が吸気口３３９を介して供給され、排気口３４０を介して排気される。
【００７０】
一方、図６（ａ）および図７（ａ）に示すように、燃料電池の運転停止中は、シャッター１０１１および通気プレート１０１２は、シャッター１０１１および通気プレート１０１２の複数のスリットの孔を封鎖するような位置に配置される。これにより、酸化剤流路３１２から酸化剤１２６が排気されず、また、酸化剤流路３１２内に酸化剤１２６が供給されない。
【００７１】
このように、シャッター１０１１および通気プレート１０１２の相対位置を制御することによって、シャッター１０１１および通気プレート１０１２に形成された各スリットの開口率を制御することが可能であり、これにより酸化剤１２６の流量を制御することができる。
【００７２】
本実施の形態において、シャッターに形成された酸化剤１２６の通気口は、スリット形状のものを平行に配置した構造としたがこれに限定されるものではなく、様々な形状および配置が考えられ、１組のシャッターが相対位置を移動することによって、シャッターに形成された通気口の開口率を変化させることができる形状であればよい。
【００７３】
（シャッター開閉機構について）
図１０は、図６および図７に示した開閉調整機構のシャッターの開閉機構の一例を示す図である。図１０（ａ）は、シャッターが開いた状態を示し、図１０（ｂ）は、シャッターが閉じる途中の状態を示し、図１０（ｃ）は、シャッターが閉じた状態を示している。
【００７４】
図１０において、シャッターの開閉機構は、リニアモータ１０２３と、リニアモータ１０２３によって直進移動するロッド１０２５と、ロッド１０２５を支持し、直進移動させる直進ガイド１０２７と、ロッド１０２５の先端に第１の回転支持軸１０３１を介して回転可能に一端が取り付けられたアーム１０２９と、アーム１０２９の他端に第２の回転支持軸１０３５を介して回転可能に一端が取り付けられ、他端にシャッター１０１１を水平に支持するシャッター支え１０３３と、シャッター１０１１を予め決められた位置に移動させるために、第２の回転支持軸１０３５を噛合するレールを有するシャッターガイド１０３７と、含む。
【００７５】
このように構成されたシャッターの開閉機構を有する開閉調整機構における動作について以下に説明する。
シャッター１０１１は、図１０（ａ）の位置からリニアモータ１０２３によってロッド１０２５が推進されて、第２の回転支持軸１０３５がシャッターガイド１０３７に沿って移動し、図１０（ｂ）のシャッター１０１１が通気プレート１０１２に当接する位置まで移動する。その後、さらにリニアモータ１０２３によってロッド１０２５が推進されると、第２の回転支持軸１０３５がシャッターガイド１０３７に沿って移動し、図１０（ｃ）のシャッター１０１１が通気プレート１０１２のスリットを閉じる位置まで移動し、吸気口３３９および排気口３４０が閉じられる。
【００７６】
以上のように、本実施の形態によれば、リニアモータ１０２３によって、ロッド１０２５を介してシャッター１０１１の通気プレート１０１２に対する相対位置を制御できるので、通気プレート１０１２に形成されたスリットの開口率を制御できる。このようにして、酸化剤１２６の流量を制御することが可能となる。
【００７７】
（第三の実施の形態）
本実施の形態においても、燃料電池は第一の実施の形態と同様の構成を有する。本実施の形態において、開閉調整機構の形態が第一の実施の形態と異なる。
図８は、本実施の形態における開閉調整機構の他の例であるブラインド形シャッターの構成を模式的に示した断面図である。図８（ａ）は、シャッターが閉じた状態を示し、図８（ｂ）は、シャッターが開いた状態を示している。
【００７８】
本実施の形態において、ブラインド形シャッターは、酸化剤流路３１２の吸気口３３９および排気口３４０に設けられた複数の矩形のシャッター１０１４を有する。各シャッター１０１４の一端にはシールド部材１０１３が設けられ、シャッター１０１４の他端が隣接するシールド部材１０１３に密着した時、シャッター１０１４が閉じて、吸気口３３９および排気口３４０を密閉することができる。
【００７９】
シャッター１０１４の形状および構造以外は、上記第一の実施の形態と同じであるので、ここでは燃料電池の動作に関する詳細な説明は省略する。
【００８０】
このように構成されたブラインド式シャッターの動作について以下に図を用いて説明する。
図８（ｂ）に示すように、燃料電池の運転中は、シャッター１０１４の他端がシールド部材１０１３と離れた位置にあり、これにより、酸化剤流路３１２に、酸化剤１２６が吸気口３３９を介して供給され、排気口３４０を介して排気される。一方、図８（ａ）に示すように、燃料電池の運転停止中は、シャッター１０１４の他端が隣接するシールド部材１０１３と密着した位置になり、これにより、酸化剤流路３１２から酸化剤１２６が排気されず、また、酸化剤流路３１２内に酸化剤１２６が供給されない。
【００８１】
このようにシャッター１０１４の他端を隣接するシールド部材１０１３と密着させたり離したり、あるいは、シャッター１０１４の吸気口３３９および排気口３４０に対する相対位置角度を調節することによって、吸気口３３９および排気口３４０の開口の程度を調整することが可能であり、これにより酸化剤１２６の流量を制御することができる。
【００８２】
本実施の形態においても、第一の実施の形態において図９を参照して説明したのと同様、偏心カムをモータで駆動することによりシャッター１０１４を開閉することができる。
【符号の説明】
【００８３】
１０１ 単位セル
１０２ 酸化剤極
１０２ 燃料極
１０８ 酸化剤極
１１４ 固体電解質膜
１２４ 燃料
１２６ 酸化剤
３１０ 燃料流路
３１２ 酸化剤流路
３３９ 吸気口
３４０ 排気口
１０００ セル群
１００１ シャッター
１００２ シャッター
１００３ ガスケット
１００５ 開口調整部
１００７ 排気用ファン
１００８ 温度計
１００９ 湿度計
１０１１ シャッター
１０１２ 通気プレート
１０１３ シールド部材
１０１４ シャッター
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極および酸化剤極を含む単位セルを有する燃料電池であって、
吸気口および排気口を有し、前記酸化剤極に酸化剤を供給する酸化剤流路と、
前記吸気口または前記排気口の開口の程度を調整する開口調整部と、
を含むことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記開口調整部は、前記酸化剤流路の前記吸気口または前記排気口の開口の程度を変更可能な開閉弁を含むことを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池において、
前記開口調整部は、前記開閉弁を閉じたときに、当該開口弁と協動して前記吸気口または前記排気口を密閉する密閉部材を含むことを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１乃至３いずれかに記載の燃料電池において、
前記酸化剤流路への前記酸化剤の導入を促す導入促進部をさらに含むことを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項１乃至４いずれかに記載の燃料電池において、
温度を測定する温度測定部をさらに含み、
前記開口調整部は、前記温度測定部により測定された温度に応じて前記開口の程度を調整することを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項１乃至５いずれかに記載の燃料電池において、
前記酸化剤流路内の湿度を測定する湿度測定部を含み、
前記開口調整部は、前記湿度測定部により測定された湿度に応じて前記開口の程度を調整することを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
請求項１乃至６いずれかに記載の燃料電池において、
前記開口調整部は、当該燃料電池の運転状況に応じて、前記開口の程度を調整することを特徴とする燃料電池。
【請求項８】
請求項１乃至７いずれかに記載の燃料電池において、
前記燃料電池は、前記燃料極に液体燃料が供給される直接型の燃料電池であることを特徴とする燃料電池。
【請求項９】
請求項１乃至８いずれかに記載の燃料電池において、
複数の前記単位セルを含み、当該複数の単位セルが平面実装されたことを特徴とする燃料電池。
【請求項１０】
請求項１乃至９いずれかに記載の燃料電池において、
前記酸化剤流路内に設けられた吸湿剤をさらに含むことを特徴とする燃料電池。
【請求項１１】
燃料極および酸化剤極を含む単位セルを有する燃料電池の運転方法であって、
前記燃料電池は、吸気口および排気口を有する酸化剤流路を含み、
前記酸化剤極に酸化剤を供給する工程と、
前記吸気口または前記排気口の開口の程度を調整する工程と、
を含むことを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の燃料電池の運転方法において、
前記燃料電池は、前記吸気口または前記排気口の開口の程度を変更可能な開閉弁をさらに含み、
前記開口の程度を調整する工程において、前記開閉弁を開閉することにより、前記開口の程度を調整することを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項１３】
請求項１１または１２に記載の燃料電池の運転方法において、
前記燃料電池の温度を測定する工程をさらに含み、
前記開口の程度を調整する工程において、前記温度を測定する工程で測定された温度に応じて前記開口の程度を調整することを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項１４】
請求項１１乃至１３いずれかに記載の燃料電池の運転方法において、
前記酸化剤流路内の湿度を測定する工程をさらに含み、
前記開口の程度を調整する工程において、前記湿度を測定する工程で測定された湿度に応じて前記開口の程度を調整することを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項１５】
請求項１１乃至１４いずれかに記載の燃料電池の運転方法において、
前記燃料電池の運転状況を検知する工程をさらに含み、
前記開口の程度を調整する工程において、前記運転状況に応じて前記開口の程度を調整することを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項１】
燃料極および酸化剤極を含む単位セルを有する燃料電池であって、
吸気口および排気口を有し、前記酸化剤極に酸化剤を供給する酸化剤流路と、
前記吸気口または前記排気口の開口の程度を調整する開口調整部と、
を含むことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記開口調整部は、前記酸化剤流路の前記吸気口または前記排気口の開口の程度を変更可能な開閉弁を含むことを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池において、
前記開口調整部は、前記開閉弁を閉じたときに、当該開口弁と協動して前記吸気口または前記排気口を密閉する密閉部材を含むことを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１乃至３いずれかに記載の燃料電池において、
前記酸化剤流路への前記酸化剤の導入を促す導入促進部をさらに含むことを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項１乃至４いずれかに記載の燃料電池において、
温度を測定する温度測定部をさらに含み、
前記開口調整部は、前記温度測定部により測定された温度に応じて前記開口の程度を調整することを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項１乃至５いずれかに記載の燃料電池において、
前記酸化剤流路内の湿度を測定する湿度測定部を含み、
前記開口調整部は、前記湿度測定部により測定された湿度に応じて前記開口の程度を調整することを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
請求項１乃至６いずれかに記載の燃料電池において、
前記開口調整部は、当該燃料電池の運転状況に応じて、前記開口の程度を調整することを特徴とする燃料電池。
【請求項８】
請求項１乃至７いずれかに記載の燃料電池において、
前記燃料電池は、前記燃料極に液体燃料が供給される直接型の燃料電池であることを特徴とする燃料電池。
【請求項９】
請求項１乃至８いずれかに記載の燃料電池において、
複数の前記単位セルを含み、当該複数の単位セルが平面実装されたことを特徴とする燃料電池。
【請求項１０】
請求項１乃至９いずれかに記載の燃料電池において、
前記酸化剤流路内に設けられた吸湿剤をさらに含むことを特徴とする燃料電池。
【請求項１１】
燃料極および酸化剤極を含む単位セルを有する燃料電池の運転方法であって、
前記燃料電池は、吸気口および排気口を有する酸化剤流路を含み、
前記酸化剤極に酸化剤を供給する工程と、
前記吸気口または前記排気口の開口の程度を調整する工程と、
を含むことを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の燃料電池の運転方法において、
前記燃料電池は、前記吸気口または前記排気口の開口の程度を変更可能な開閉弁をさらに含み、
前記開口の程度を調整する工程において、前記開閉弁を開閉することにより、前記開口の程度を調整することを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項１３】
請求項１１または１２に記載の燃料電池の運転方法において、
前記燃料電池の温度を測定する工程をさらに含み、
前記開口の程度を調整する工程において、前記温度を測定する工程で測定された温度に応じて前記開口の程度を調整することを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項１４】
請求項１１乃至１３いずれかに記載の燃料電池の運転方法において、
前記酸化剤流路内の湿度を測定する工程をさらに含み、
前記開口の程度を調整する工程において、前記湿度を測定する工程で測定された湿度に応じて前記開口の程度を調整することを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項１５】
請求項１１乃至１４いずれかに記載の燃料電池の運転方法において、
前記燃料電池の運転状況を検知する工程をさらに含み、
前記開口の程度を調整する工程において、前記運転状況に応じて前記開口の程度を調整することを特徴とする燃料電池の運転方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１１−６６０１１（Ｐ２０１１−６６０１１Ａ）
【公開日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２６２０５１（Ｐ２０１０−２６２０５１）
【出願日】平成２２年１１月２５日（２０１０．１１．２５）
【分割の表示】特願２００３−３４４６００（Ｐ２００３−３４４６００）の分割
【原出願日】平成１５年１０月２日（２００３．１０．２）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月２５日（２０１０．１１．２５）
【分割の表示】特願２００３−３４４６００（Ｐ２００３−３４４６００）の分割
【原出願日】平成１５年１０月２日（２００３．１０．２）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
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