燃料电池的制作方法

专利名称：燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种使用液体燃料的燃料电池。
背景技术：
近年来，为了使笔记本电脑和移动电话等各种移动用电子设备不经过长时间充电 就可使用，进行了在这些移动电子设备的电源中使用燃料电池的尝试。燃料电池具有以下 特征只要供给燃料和空气就能发电，若补充燃料就可连续长时间发电。因此，若能使燃料 电池小型化，则对于作为移动用电子设备的电源可以说是极其有利的系统。
由于直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell ;DMFC)的小型化是可能的， 此外，燃料的操作也容易，因此，作为移动用电子设备的电源是有前景的。作为匿FC的液体 燃料的供给方式，已知有气体供给型和液体供给型等主动方式、及使燃料供给部内的液体 燃料在电池内部气化并供给到燃料极的内部气化型等被动方式。 这其中，内部气化型等被动方式对于DMFC的小型化特别有利。被动型DMFC中，提 出了以下结构例如将具有燃料极、电解质膜及空气极的膜电极接合体(燃料电池单元)配 置于由树脂制的箱状容器形成的燃料供给部上(例如，参照专利文献1、2)。
内部气化型DMFC中，使保持于燃料浸透层中的液体燃料中的气化成分在燃料气 化层(阳极气体扩散层)扩散，已扩散的气化燃料被供给到阳极催化剂层，与来自阳极催化 剂层侧的空气在电解质膜进行发电反应。 此夕卜，液体供给型DMFC中，已知一种将电池与燃料收容部通过流路连接的技术 (例如，参照专利文献3至5)。通过将液体燃料经过流路供给到电池，能根据流路的形状和 直径等调整液体燃料的供给量。 专利文献1 :日本专利特许登录第3413111号说明书
专利文献2 :国际公开第2005/112172号册子
专利文献3 :日本专利特表2005-518646公报
专利文献4 :日本专利特开2006-085952公报
专利文献5 :美国专利公开第2006/0029851号公报
发明的公开 本发明的目的在于提供一种在燃料电池异常升温时，能通过阻断从燃料收容部向 燃料电池单元的流路来抑制该异常升温的燃料电池。 S卩，在将装载有燃料电池的移动用电子设备放置于夏季的汽车内等情形下，当由 于某种原因造成燃料收容部的温度过度上升时，由于随着燃料的蒸汽压力的上升引起的内 压的上升，过量的燃料被供给到燃料电池单元，由于该过剩的燃料促进了发电反应，温度不 断上升，引起异常升温。此外，随着这种异常升温，燃料并不在阳极侧被分解成质子，而是到 达阴极侧被催化剂氧化，这种交叉现象的产生增多，更加容易异常升温。本发明的目的在于 提供一种在这种燃料电池异常升温时，能通过阻断从燃料收容部向燃料电池单元的流路来 抑制该异常升温的燃料电池。
本发明的燃料电池包括膜电极接合体，其具有燃料极、空气极、和被上述燃料极 与上述空气极夹住的电解质膜；燃料供给部，其与上述燃料极通过流路连接；以及燃料阻 断部，其处在上述流路中，在异常升温时燃料阻断向上述燃料极的供给，其特征是，上述燃 料阻断部包括阀外壳，其具有注入来自上述燃料供给部的燃料的注入口 、和向上述燃料极 排出燃料的排出口 ；阀杆，其配置于上述阀外壳内；以及阀杆移动装置，其由形状记忆合金 形成的弹簧或双金属片构成，在上述异常升温时使上述阀杆移动，以堵塞连接上述注入口 与上述排出口的流路。


图1是表示本发明的燃料电池的一例的剖视图。 图2是表示燃料阻断部的一例(打开状态)的剖视图。 图3是表示图2所示的燃料阻断部的阻断状态的剖视图。 图4是表示图2所示的燃料阻断部的变形例(打开状态)的剖视图。 图5是表示图4所示的燃料阻断部的阻断状态的剖视图。 图6是表示燃料阻断部的其他例子(打开状态)的剖视图。 图7是表示图6所示的燃料阻断部的阻断状态的剖视图。(符号说明) 1燃料电池、2燃料电池单元、3燃料分配机构、4燃料收容部、5流路、6燃料阻断 部、11阳极催化剂层、12阳极气体扩散层、13阳极(燃料极)、14阴极催化剂层、15阴极气 体扩散层、16阴极(空气极/氧化剂极)、17电解质膜、20多孔体、31注入口、32排出口、33 燃料分配板、34细管、61阀外壳、61a流路分离可动室、61b阀头室、61c轴孔、61d前端侧托 架、61e后端侧托架、61f注入口、61g排出口、611a轴孔、611b注入口、611c排出口、612a阀 头室、62致动器、621本体部、622可动杆、622a大直径部、622b细径部、63形状记忆合金弹 簧(阀杆移动装置)、64偏置弹簧、65可动膜、65a袋状部、65b环状端部、65c唇部、65d折皱 部、65m中央部、66阀杆、66a阀头、67环状弹性体、CTR控制器
具体实施例方式
以下，说明本发明的燃料电池。本发明的燃料电池包括膜电极接合体，其具有燃 料极、空气极、和被这些燃料极与空气极夹住的电解质膜；燃料供给部，其与燃料极通过流 路连接；以及燃料阻断部，其处在上述流路中，在异常升温时阻断液体燃料向燃料极的供给。 此外，其特征是，本发明的燃料阻断部包括阀外壳，其具有注入来自燃料供给部 的燃料的注入口、和向燃料极排出该燃料的排出口 ；阀杆，其配置于上述阀外壳内；以及阀 杆移动装置，其由形状记忆合金形成的弹簧或双金属片构成，在异常升温时使阀杆移动，以 堵塞连接注入口与排出口的流路。 本发明中，通过使用由形状记忆合金形成的弹簧或双金属片作为使燃料阻断部的 阀杆移动到阻断状态的阀杆移动装置，在燃料电池异常升温时，利用该热量能使阀杆自动 地移动以阻断流路，藉此阻断燃料供给，能抑制进一步的异常升温。
图1是表示本发明的燃料电池1的整体结构的一例的图。燃料电池1包括构成
4起电部的燃料电池单元2 ;对该燃料电池单元2供给燃料的燃料分配机构3 ;作为燃料供给 部的收容液体燃料的燃料收容部4 ;连接这些燃料分配机构3与燃料收容部4的流路5 ;以
及设于该流路5中的燃料阻断部6。 燃料电池单元2具有膜电极接合体(Membrane Electrode Assembly :MEA)，该膜 电极接合体包括具有阳极催化剂层11和阳极气体扩散层12的阳极(燃料极)13 ;具有阴 极催化剂层14和阴极气体扩散层15的阴极(空气极/氧化剂极)16 ;以及被阳极催化剂 层11与阴极催化剂层14夹住的质子(氢离子)传导性的电解质膜17。
作为阳极催化剂层11和阴极催化剂层14中含有的催化剂，例如能举出Pt、Ru、Rh、 Ir、Os、Pd等铂金属元素的单体，含有铂金属元素的合金等。作为优选，阳极催化剂层11中 使用对甲醇和一氧化碳具有较强的耐腐蚀性的Pt-Ru和Pt-Mo等。作为优选，阴极催化剂 层14中使用Pt和Pt-Ni等。 但是，催化剂并不局限于此，能使用具有催化剂活性的各种物质。催化剂可以是使 用碳素材料这样的导电性载体的载体催化剂、或无载体催化剂。 作为构成电解质膜17的质子传导性材料，例如能举出具有磺酸基的全氟磺酸聚 合物这样的氟类树脂(Nafion(商品名，杜邦公司制)和Flemion(商品名，旭硝子公司制) 等)，具有磺酸基的烃类树脂等有机类材料，或钨酸和磷钨酸等无机类材料。但是，质子传导 性的电解质膜17并不局限与此。 层积于阳极催化剂层11的阳极气体扩散层12在起到向阳极催化剂层11均匀地 供给燃料的作用的同时，兼作阳极催化剂层11的集电体。层积于阴极催化剂层14的阴极 气体扩散层15在起到向阴极催化剂层14均匀地供给氧化剂的作用的同时，兼作阴极催化 剂层14的集电体。阳极气体扩散层12及阴极气体扩散层15由多孔质基材构成。
阳极气体扩散层12和阴极气体扩散层15上，根据需要层积有导电层。作为这些 导电层，使用例如由Au这样的导电性金属材料形成的网状物、多孔质膜、薄膜等，电解质膜 17与燃料分配机构3及盖板18之间分别设有橡胶制的0形环19，通过这些0形环来抑制 来自燃料电池单元2的燃料泄漏和氧化剂泄漏。 盖板18具有用于吸入作为氧化剂的空气的开口 (未图示)。盖板18与阴极16之 间，根据需要配置有保湿层(未图示)和表面层(未图示)。 保湿层浸渍有产生于阴极催化剂层14的水的一部分，在抑制水的蒸散的同时促 进空气向阴极催化剂层14均匀扩散。表面层是调整空气的吸入量的结构，具有个数和大小 等根据空气的吸入量而被调整的多个空气导入口。 燃料收容部4内收容有对应燃料电池单元2的液体燃料。作为液体燃料，能举出 各种浓度的甲醇水溶液和纯甲醇等甲醇燃料。液体燃料并不一定局限于甲醇燃料。液体燃 料也可以是例如乙醇水溶液和纯乙醇等乙醇燃料、丙醇水溶液和纯丙醇等丙醇燃料、乙二 醇水溶液和纯乙二醇等乙二醇燃料、二甲醚、甲酸、其他液体燃料。不论是哪一种情况，燃料 收容部4内收容有对应燃料电池单元2的液体燃料。 燃料电池单元2的阳极13侧配置有燃料分配机构3。燃料分配机构3通过流路5 与燃料收容部4连接。燃料分配机构3中，从燃料收容部4通过流路5导入有燃料。
在此，流路5并不局限于独立于燃料分配机构3和燃料收容部4的配管。例如，在 将燃料分配机构3与燃料收容部4层积为一体时，也可以是连接这些部件的燃料流路。燃
5料分配机构3只要通过流路5与燃料收容部4连接即可。该燃料电池l中，从燃料收容部4 供给到燃料电池单元2的燃料被用于发电反应，随后不会循环回到燃料收容部。由于像这 样不循环燃料，因此与现有的主动方式不同，被称为半被动型，并不碍于装置的小型化等。 此外，这种半被动型的燃料电池中，若采用进行从燃料收容部4向燃料电池单元2的燃料供 给的结构，也可在流路5中配置泵。 燃料分配机构3包括燃料分配板33，该燃料分配板33具有燃料通过流路5流入 的至少1个注入口 31 ;以及将燃料及其气化成分排出到燃料电池单元2的多个排出口 32。
燃料分配板33的内部设有作为从注入口 31被导入的液体燃料的通路的细管34。 作为优选，细管34例如是内径为0. 05mm以上、5mm以下的通孔。多个排出口 32分别与作为 燃料通路起作用的细管34直接连接。 从注入口 31被导入燃料分配机构3的液体燃料进入细管34，通过该作为燃料通 路起作用的细管34被分别导向多个排出口 32。多个排出口 32中也可配置例如只有燃料 的气化成分可以透过而液体成分不透过的气液分离体(未图示)。藉此，向燃料电池单元2 的阳极13供给燃料的气化成分。此外，气液分离膜也可在燃料分配机构3与阳极13之间 作为气液分离膜等设置。液体燃料的气化成分从多个排出口 32朝阳极13的多处排出。
从燃料分配机构3放出的燃料如上所述被供给到燃料电池单元2的阳极13。燃料 电池单元2内，燃料在阳极气体扩散层12扩散，并被供给到阳极催化剂层11。作为燃料使 用甲醇燃料时，在阳极催化剂层ll产生下述(1)式所示的甲醇内部重整反应。此外，作为 甲醇燃料使用纯甲醇时，使产生于阴极催化剂层14的水和电解质膜17中的水与甲醇反应， 发生(1)式的内部重整反应。或者，利用不需要水的其他反应机构发生内部重整反应。
CH3OH+H20 — C02+6H++6e— (1) 该反应中产生的电子(e—)经由集电体被导向外部，作为所谓的电力使移动用电子 设备等动作后，被导向阴极16。此外，在(1)式的内部重整反应中产生的质子or)经过电 解质膜17被导向阴极16。对阴极16供给作为氧化剂的空气。到达阴极16的电子(e—)和 质子(H+)在阴极催化剂层14与空气中的氧气进行下述(2)式的反应，伴随该反应产生水。
6e—+6H++ (3/2) 02 — 3H20 (2) 此外，在燃料分配机构3与阳极13之间插入多孔体20是有效的。作为多孔体20
的构成材料，使用各种树脂，多孔质状体的树脂膜等作为多孔体20被使用。 通过配置这种多孔体20，能进一步均化对阳极13的燃料供给量。即，从燃料分配
机构3的排出口32喷出的燃料暂时被多孔体20吸收，在多孔体20的内部向面内方向扩散。
随后，由于从多孔体20向阳极13供给燃料，因此，能进一步均化燃料供给量。 本发明的燃料电池1中，从在异常升温时阻断从燃料收容部4向燃料分配机构3
等的燃料供给、抑制进一步的异常升温的观点出发，设有燃料阻断部6。燃料阻断部6设于
燃料收容部4与燃料分配机构3之间的流路5中。 图2、3表示燃料阻断部6的一例。在此，图2是表示燃料阻断部6打开状态时的 情况的图，表示了通常发电状态时的情况。此外，图3是表示燃料阻断部6变成阻断状态时 的情况的图，表示了由于异常升温而变成发电停止状态时的情况。此外，该燃料阻断部6如 后所述将致动器的可动杆作为阀杆使用。 该燃料阻断部6具有筒状的阀外壳61、和设成嵌入该阀外壳61的一侧的端部的致动器62。致动器62具有本体部621、和可从该本体部621突出的可动杆622，可动杆622 在阀外壳61内可滑动地配置。在此，可动杆622在异常升温时向图中左侧移动，以下也将 该异常升温时的可动杆622的移动方向(相当于权利要求中的"移动方向")称为阻断方 向。此外，以下将该阻断方向侧(图中左侧)称为前端侧，将其相反侧(图中右侧)称为后
a山加[l顺侧。 可动杆622是成为阀杆的构件，具有柱状的轴部、和设于其轴向的大致中间位置 的相当于阀头的大直径部622a，可动杆622的前端侧例如呈半球状。由于可动杆622如后 所述被例如袋状可动膜65覆盖，因此不与燃料直接接触，但是，为了防备由于可动膜65受 到损伤而与燃料接触，作为优选，可动杆622采用进行表面处理的耐腐蚀性佳的构件。作为 表面处理，例如能举出钝化处理，但并不具限于此，作为优选，例如能举出金等贵金属镀覆 和利用氟类树脂等进行树脂涂敷的处理。 致动器62的可动杆622是可突出的。此外，图2表示可动杆622被引入本体部 621的状态(非突出状态)。致动器62是例如在其内部具有非突出状态保持用磁体(未图 示)及突出状态保持用磁体(未图示)的构件，可将可动杆622保持于非突出状态或突出 状态。 阀外壳61例如由供可动杆622的前端侧轴部插入的第一壳体部611、和配置可动 杆622的后端侧的第二壳体部612构成。第一壳体部611具有供可动杆622的前端侧轴部 插入的轴孔611a，轴孔611a的侧面侧设有注入来自燃料收容部4的燃料的注入口 611b，轴 孔611a的轴向前端侧设有为将燃料排出而轴向延伸的排出口 611c。 S卩，注入口 611b与排 出口 611c通过轴孔61 la连接，这些部分形成连续的流路。 此外，轴孔611a的内径被设成比被袋状可动膜65覆盖的可动杆622的轴径(包 括袋状可动膜65的厚度)还要大，以使流过轴孔611a的内壁与袋状可动膜65的外壁之间 的燃料能通过。此外，轴孔611a的前端侧内壁部分形成为朝向前端侧、直径逐渐变小，能通 过该部分与可动杆622前端侧的半球状部分的嵌合来堵塞排出口 611c。
此外，第二壳体部612具有配置可动杆622的大直径部(阀头)622a的阀头室 612a。阀头室612a内的大直径部622a的后端侧(图中右侧)设有作为阀杆移动装置的、 由形状记忆合金形成的弹簧63。该形状记忆合金弹簧63随着温度的上升，反作用力增加， 在异常升温时，将可动杆622朝向前端侧压出作用。 此外，阀头室612a内的大直径部622a的前端侧设有偏置弹簧64。该偏置弹簧64 没有必要是由形状记忆合金形成的弹簧，通常的弹簧即可。该偏置弹簧64为在通常发电时 (异常升温时以外)有助于抑制可动杆622向前端侧的不必要的移动，此外，为随着异常升 温状态被解除、温度降低，有助于可动杆622从阻断状态向打开状态的移动(复原)而被利 用。 可动杆622的前端侧被袋状可动膜65覆盖。具体来说，可动膜65由覆盖可动杆 622的前端侧的袋状部65a、和其后端侧的环状端部65b构成。可动膜65通过后端侧的环 状端部65b在第一壳体部611与第二壳体部612之间被夹住而被固定。可动膜65是为了 抑制燃料与可动杆622接触而导致其腐蚀，并密封第一壳体部611，以抑制燃料泄漏到其他 部分而设的。从抑制燃料泄漏的观点出发，特别地作为优选，环状端部65b的外周侧具有唇 状(山状)的唇部65c。
7
可动膜65例如由具有耐甲醇性的EP匿(三元乙丙橡胶)形成。可动膜65的材质 并不局限于一定是EP匿，可优选使用VMQ (有机硅橡胶)、FVMQ (氟硅橡胶)、FKM (氟橡胶)、 NBR ( 丁腈橡胶)、HNBR (氢化丁腈橡胶)。 此外，作为可动膜65也可采用以下结构对袋状部65a及环状端部65b使用具有 耐甲醇性的树脂，例如PEI (聚醚酰亚胺)、PI (聚酰亚胺)、PEEK (聚醚醚酮)、PPS (聚苯硫 醚)等，在环状端部65b上，优选使用上述列举的材质形成唇部65c。 这种燃料阻断部6采用以下结构在通常发电状态下，相对于作为使可动杆622朝 阻断方向移动的力的形状记忆合金63的反作用力，作为抑制该可动杆622的移动的力的抑 制力大，在异常升温时，与之相反，形状记忆合金63的反作用力大于抑制其移动的抑制力。 在此，抑制可动杆622的移动的抑制力可列举出将致动器62的可动杆622保持于非突出状 态的保持力、偏置弹簧64的反作用力及袋状可动膜65的弹力，是这些力的总和。
由于通常将达到IO(TC左右作为异常升温，因此采用在达到IO(TC左右时，形状记 忆合金弹簧63的反作用力大于上述抑制力的结构。此外，判断为异常升温的温度并不一定 局限于这种温度，能作适当变更。具体的异常升温温度(使可动杆622朝阻断方向移动的 温度)的调整例如能通过考虑致动器62的可动杆622的保持力和偏置弹簧64的反作用力 等，选择使用具有合适的反作用力变化(随温度上升的反作用力变化)的形状记忆合金弹 簧63来进行。 这种燃料阻断部6中，由于在通常发电时，抑制可动杆622的移动的抑制力大于使 可动杆622朝阻断方向移动的形状记忆合金弹簧63的反作用力，因此，排出口 611c不会被 可动杆622堵塞，从注入口 611b流入的燃料通过轴孔611a从排出口 611c被排出。
另一方面，当燃料电池l异常升温时，由于该热量，作为阀杆移动装置的形状记忆 合金弹簧63沿轴向伸长，反作用力增加，如图3所示，使可动杆622朝阻断方向移动(突 出)。 由于轴孔611a的前端部设有排出口 611c，因此，通过可动杆622朝阻断方向的移 动，排出口 611c被堵塞。由于暂时变形的形状记忆合金弹簧63通常若不加任何力就不会 縮回原状，此外，致动器62的内部设有将可动杆622保持于突出状态的突出状态保持用磁 体(未图示)，因此，排出口611c被可动杆622 —直堵塞。藉此，阀外壳61内的流路处于一 直被堵塞的状态，其结果是，由于从燃料收容部4向燃料电池单元2的燃料供给也被阻断， 因此，能抑制进一步的异常升温。 燃料阻断部6从阻断状态到打开状态的复原能通过下述方法进行在温度足够低 的状态下，利用与燃料阻断部6连接的控制器CTR，使电流朝在设于致动器62内部的线圈 (未图示)中产生与突出状态保持用磁体(未图示)相反磁极的方向流动，从而如图2所示 地将可动杆622引入本体部621。此外，由于采用在通常发电时，相对于作为如上所述使可 动杆622朝阻断方向移动的力的形状记忆合金弹簧63的反作用力，作为抑制该可动杆622 的移动的力的抑制力大的结构，因此，暂时被引入本体部621的可动杆622通常不突出，保 持于非突出状态。 图4、图5是表示图2、图3所示燃料阻断部6的变形例的图。在此，图4是表示燃 料阻断部6打开状态时的情况的图，表示了通常发电状态时的情况。此外，图5是表示燃料 阻断部6变成阻断状态时的情况的图，表示了由于异常升温变成发电停止状态时的情况。
该燃料阻断部6的特征是，例如，如图4所示，可动杆(阀杆)622的前端侧轴部设 有比其他部分直径都小的细径部622b，袋状可动膜65上、与该细径部622b对应部分设有折 皱部65d。折皱部65d在可动杆622处于非突出状态时收縮，并被收容于细径部622b。此 外，如图5所示，当可动杆622朝阻断方向移动而变成突出状态时，能与该可动杆622 —起 伸长。 此种结构中，由于折皱部65d伸长，因此减少了对可动杆622的朝阻断方向移动的 阻碍，能适当地进行从打开状态到阻断状态的转移，并能适当地抑制异常升温。此外，由于 在可动杆622处于非突出状态时，在细径部622b收容弯曲的折皱部65b，因此，也减少了对 燃料从注入口 611b到排出口 611c的移动的阻碍。 接着，作为燃料阻断部6的其他例子，对将致动器62配置于阀杆的阻断方向，可动 杆622配置成与阀杆相对的结构进行说明。 图6、图7是表示这种燃料阻断部6的一例的图。在此，图6是表示燃料阻断部6
打开状态时的情况的图，表示了通常发电状态时的情况。此外，图7是表示燃料阻断部6变
成阻断状态时的情况的图，表示了由于异常升温而变成发电停止状态时的情况。 例如，如图6所示，该燃料阻断部6中，筒状的阀外壳61内配置有阀杆66，在阀杆
66的异常升温时的移动方向(阻断方向，图中左侧方向)上配置有致动器62。致动器62
包括本体部621、和可从该本体部621突出的可动杆622，该可动杆622隔着后述的可动膜
65与阀杆66的前端侧相对。 致动器62是例如在其内部具有非突出状态保持用磁体(未图示)及突出状态保 持用磁体(未图示)的构件，可进行非突出状态及突出状态的保持。此外，图6表示可动杆 622从本体部621突出的状态(突出状态)。 阀杆66包括柱状的轴部，和设于其轴向的大致中间位置、与其他部分相比直径大 的阀头66a。由于阀杆66与燃料直接接触，因此，优选采用进行表面处理的、耐腐蚀性佳的 构件。作为表面处理，例如能举出钝化处理，但并不具限于此，作为优选，例如能举出金等贵 金属镀覆和利用氟类树脂等进行树脂涂敷的处理。 阀外壳61的前端侧设有流路分离可动室61a。流路分离可动室61a的前端侧开口 部隔着可动膜65嵌入有前端侧托架61d，流路分离可动室61a被该可动膜65密封。具体来 说，可动膜65由中央部65m、及其外周侧的环状端部65b构成，通过环状端部65b被流路分 离可动室61a的内壁与前端侧托架61d夹住而被固定。 可动膜65是为了防止燃料从流路分离可动室61a泄漏，腐蚀致动器62的可动杆 622而设的。从抑制燃料泄漏的观点出发，特别地作为优选，环状端部65b的外周侧具有唇 状的唇部65c。可动膜65能采用与上述袋状可动膜65相同的材质。 另一方面，阀外壳61的后端侧设有阀头室61b，阀头室61b内配置有阀头66a，阀 外壳61的后端侧开口部由于嵌入有后端侧托架61e而被密封。此外，这些流路分离可动室 61a与阀头室61b通过比阀杆66的轴部直径略大的轴孔61c连接。 阀头室61b的侧面侧设有注入来自燃料收容部4的燃料的注入口 61f，轴孔61c的 侧面侧设有将该燃料排出的排出口61g。即，注入口61f与排出口 61g通过阀头室61b及轴 孔61c连接，这些部分形成连续的流路。 阀杆66从流路分离可动室61a设置到阀头室61b。阀杆66的前端侧轴部通过插
9入轴孔61c而被支承成可滑动，此外，后端侧轴部通过插入设于后端侧托架61e的轴孔而被 支承成可滑动。此外，阀头室61b内的阀头66a的前端侧设有环状弹性体67，阀头66a的后 端侧设有作为阀杆移动装置的、由形状记忆合金形成的弹簧63。此外，阀杆66被保持于在 轴孔61c的后端侧开口部与环状弹性体67之间形成间隙的位置。 这种燃料阻断部6也采用以下结构在通常发电状态下，相对于作为使阀杆66朝 阻断方向移动的力的形状记忆合金63的反作用力，作为抑制该阀杆66的移动的力的抑制 力大，在异常升温时，与之相反，形状记忆合金63的反作用力大于抑制其移动的抑制力。在 此，抑制阀杆66的移动的抑制力实质上是将致动器62的可动杆622保持于突出状态的保 持力，但严密来说，由于设有可动膜65，从致动器62的可动杆622的保持力中减去可动膜 65的弹力(朝阻断方向的拉伸力)后得到的力才是抑制阀杆66的移动的抑制力。
对于这种燃料阻断部6，由于通常将达到IO(TC左右作为异常升温，因此也采用在 达到10(TC左右时，形状记忆合金弹簧63的反作用力大于上述抑制力的结构。此外，对于这 种燃料阻断部6，判断为异常升温的温度并不一定局限于这种温度，也能作适当变更。具体 的异常升温温度(使阀杆66朝阻断方向移动的温度)的调整例如能通过考虑致动器62的 可动杆622的保持力和可动膜65的弹力，选择使用具有合适的反作用力变化(随温度上升 的反作用力变化)的形状记忆合金弹簧63来进行。 这种燃料阻断部6中，由于在通常发电时，抑制阀杆66的移动的抑制力大于使阀 杆66朝阻断方向移动的形状记忆合金弹簧63的反作用力，因此，轴孔61c的后端侧开口部 不会被环状弹性体67和阀杆66堵塞，从注入口 61f流入的燃料通过阀头室61b及轴孔61c 从排出口 61g被排出。 另一方面，当燃料电池l异常升温时，由于该热量，作为阀杆移动装置的形状记忆 合金弹簧63沿轴向伸长，反作用力增加，如图7所示，对抗抑制其移动的抑制力、即致动器 62的可动杆622的保持力而使阀杆66朝阻断方向移动。 随着阀杆66的移动，轴孔61c的后端侧开口部被环状弹性体67和阀头66a堵塞， 从注入口 61f连接到排出口 61g的流路被堵塞。此外，藉此，处于突出状态的可动杆622变 成非突出状态。由于暂时变形的形状记忆合金弹簧63通常若不加任何力就不会縮回原状， 此外，致动器62的内部设有将可动杆622保持于非突出状态的非突出状态保持用磁体(未 图示)，因此，阀杆66在该位置被保持，轴孔61c的后端侧开口部一直被堵塞。藉此，燃料向 燃料电池单元2的供给被阻断，能抑制进一步的异常升温。 燃料阻断部6从阻断状态到打开状态的复原能通过下述方法进行在温度足够低 的状态下，利用与燃料阻断部6连接的控制器CTR，使电流朝在设于致动器62内部的线圈 (未图示)中产生与非突出状态保持用磁体(未图示)相反磁极的方向流动，从而如图6所 示地使可动杆622突出。S卩，能通过如图6所示地将可动杆622变成突出状态使阀杆66朝 后端侧移动，并使轴孔61c的后端侧开口部打开来进行。此外，由于采用在通常发电时，相 对于作为如上所述使阀杆66朝阻断方向移动的力的形状记忆合金63的反作用力，作为抑 制该阀杆66的移动的力的抑制力大的结构，因此，处于暂时打开状态的阀杆66被保持于打 开状态。 上述图2 图7所示的燃料阻断部6中，作为阀杆移动装置使用了形状记忆合金 弹簧63，但作为阀杆移动装置只要是在异常升温时具有如上所述的反作用力或变形力的构
10件即可，作为这种构件也能使用双金属片。作为阀杆移动装置的双金属片只要是利用异常 升温时的热量变形，并能利用该变形力使阀杆66或作为阀杆的致动器62的可动杆622朝 阻断方向适当移动的构件即可，没有特别的限制。作为使用这种双金属片的燃料阻断部6， 例如能举出以下结构在如图6所示的燃料阻断部6中配置双金属片以取代形状记忆合金 弹簧63，此外，当该双金属片的变形方向例如变形成凸状时，该凸部与阀头66a的后端侧接 触。 以上，对本发明的燃料电池做了说明，但本发明的燃料电池并不局限于上述实施 方式本身，在实施阶段能在不脱离本发明的技术思想的范围内变形并具体化构成要素。此 外，通过上述实施方式中公开的多个构成要素的适当组合，能形成各种发明。例如，也可从 实施方式中所示的全部构成要素中删除若干构成要素。此外，也可将不同实施方式中的构 成要素适当地组合。 例如，如图2、图3所示的燃料阻断部6中，在即便不设偏置弹簧64也能抑制通常 发电时可动杆622的不必要的突出，且可动杆622从阻断状态向打开状态的复原也可容易 地进行的情况下，也可省略这种偏置弹簧64。
工业上的可利用性 本发明的实施方式所涉及的燃料电池在连接膜电极接合体与燃料供给部的流路 中设有阻断异常升温时的燃料供给的燃料阻断部。由于具有阻断异常升温时的燃料供给的 燃料阻断部，因此燃料电池的可靠性、安全性佳。这样，由于本发明的实施方式所涉及的燃 料电池的可靠性、安全性佳，因此，能作为各种装置和设备的电源而有效利用。
1权利要求
一种燃料电池，包括膜电极接合体，该膜电极接合体具有燃料极、空气极、和被所述燃料极与所述空气极夹住的电解质膜；燃料供给部，该燃料供给部与所述燃料极通过流路连接；以及燃料阻断部，该燃料阻断部处在所述流路中，在异常升温时阻断燃料向所述燃料极的供给，其特征在于，所述燃料阻断部包括阀外壳，该阀外壳具有注入来自所述燃料供给部的燃料的注入口、和向所述燃料极排出燃料的排出口；阀杆，该阀杆配置于所述阀外壳内；以及阀杆移动装置，该阀杆移动装置由形状记忆合金形成的弹簧或双金属片构成，在所述异常升温时，所述阀杆移动装置使所述阀杆移动，以堵塞连接所述注入口与所述排出口的流路。
2. 如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述燃料阻断部包括具有可动杆的致 动器，所述可动杆兼作所述阀杆。
3. 如权利要求2所述的燃料电池，其特征在于，所述阀外壳包括轴孔，该轴孔连接所 述注入口与所述排出口，并插入有所述阀杆的所述移动方向侧的轴部；以及阀头室，该阀头 室内配置有所述阀杆的阀头，所述阀杆移动装置设于所述阀头室内的相对于所述阀头与所 述移动方向相反的一侧。
4. 如权利要求3所述的燃料电池，其特征在于，所述阀外壳主要由具有所述轴孔的第 一壳体部和具有所述阀头室的第二壳体部构成，所述第一壳体部与所述第二壳体部之间设 有袋状可动膜，该袋状可动膜覆盖所述阀头的所述移动方向侧的轴部，且端部被所述第一 壳体部与所述第二壳体部夹住。
5. 如权利要求4所述的燃料电池，其特征在于，所述阀杆在所述移动方向侧的轴部具 有小直径部，所述袋状可动膜的覆盖所述小直径部的部分呈折皱状。
6. 如权利要求4所述的燃料电池，其特征在于，所述袋状可动膜的端部的截面相对于 按压方向呈大致山状。
7. 如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述燃料阻断部包括具有可动杆的致 动器，所述致动器被配置在所述阀杆的所述移动方向上，且被配置成所述可动杆与所述阀 杆相对。
8. 如权利要求7所述的燃料电池，其特征在于，所述阀外壳包括 流路分离可动室，该流路分离可动室设于所述移动方向侧，并被可动膜密封开口部； 阀头室，该阀头室设于与所述移动方向相反的一侧，并设有所述注入口 ；以及 轴孔，该轴孔连接所述流路分离可动室与所述阀头室，并设有所述排出口 ， 所述阀杆跨所述流路分离可动室与所述阀头室配置，且所述阀头室内配置有所述阀杆的阀头，所述阀杆移动装置设于所述阀头室内的相对于所述阀头与所述移动方向相反的一 侧，所述可动杆被配置成隔着所述可动膜与所述阀杆相对。
9. 如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，对所述阀杆进行表面处理，以抑制所述 阀杆与所述液体燃料接触而造成腐蚀。
全文摘要
一种燃料电池，能在燃料电池异常升温时，通过阻断从燃料收容部到燃料电池单元的流路来抑制该异常升温。本发明的燃料电池(1)包括燃料供给部(4)，其与燃料极(13)通过流路(5)连接；以及燃料阻断部(6)，其处在所述流路(5)中，在异常升温时阻断燃料向燃料极(13)的供给，所述燃料阻断部(6)包括阀外壳(61)，其具有注入来自所述燃料供给部(4)的燃料的注入口(611b)、和向所述燃料极(13)排出燃料的排出口(611c)；阀杆(622)，其配置于所述阀外壳(61)内；以及阀杆移动装置(63)，其由形状记忆合金形成的弹簧或双金属片构成，在所述异常升温时，使所述阀杆(622)移动，以堵塞连接所述注入口(611b)与所述排出口(611c)的流路。
文档编号H01M8/10GK101755360SQ20088002499
公开日2010年6月23日 申请日期2008年7月10日 优先权日2007年7月23日
发明者川村公一, 高桥贤一 申请人:株式会社东芝