CN102956904A - 碱性燃料电池和碱性燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供碱性燃料电池和碱性燃料电池系统。本发明提供一种碱性燃料电池，其具备：膜电极复合体，包含阴离子传导性电解质膜、层叠在阴离子传导性电解质膜的第一表面上的阳极和层叠在与阴离子传导性电解质膜的第一表面相对的第二表面上的阴极；第一隔板，至少具备用于接受燃料的燃料接受部且层叠在阳极上；第二隔板，至少具备用于接受氧化剂的氧化剂接受部且层叠在阴极上；碱性水溶液供给部，用于使碱性水溶液仅与膜电极复合体中阴离子传导性电解质膜接触。

Description

碱性燃料电池和碱性燃料电池系统
技术领域
本发明涉及使用阴离子传导性电解质膜(阴离子交换膜)作为电解质膜的碱性燃料电池和使用热介质进行碱性燃料电池的温度调节的碱性燃料电池系统。
背景技术
燃料电池具有能够实现小型轻量化、高输出密度的可能性，因此，正在大力推进在便携用电子设备用的新型电源、家庭用废热发电系统等中的用途开发。燃料电池具备由阳极和阴极夹持电解质膜而成的构成的膜电极复合体(MEA)作为发电主要部，根据电解质膜的种类分为：固体聚合物型燃料电池(包括直接型燃料电池)、磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐型燃料电池、固体氧化物型燃料电池、碱性燃料电池等。
碱性燃料电池是使用阴离子传导性电解质膜(阴离子交换膜)作为电解质膜且电荷载体为氢氧化物离子(OH-)的燃料电池。对于碱性燃料电池而言，将阳极与阴极进行电连接时，通过如下的电化学反应，在阳极与阴极之间产生电流，从而可以得到电能。即，向阴极供给氧化剂(例如，氧气或空气等)和水时，通过下式(1)表示的催化反应生成OH-。
阴极：1/2O2＋H2O＋2e-→2OH-(1)该OH-在与水分子水合的状态下通过电解质膜传递至阳极侧。另一方面，阳极中，供给的燃料(还原剂)例如H2气体与从阴极传递来的OH-发生下式(2)表示的催化反应而生成水和电子。
阳极：H2＋2OH-→2H2O＋2e-(2)
对于碱性燃料电池而言，使用阴离子传导性电解质作为电解质膜和催化剂层的电解质，因此，工作停止时，电解质膜和催化剂层吸收环境中的二氧化碳(CO2)，电解质膜和催化剂层中的OH-通过下式(3)和(4)所示的反应置换成CO3 2-和/或HCO3 -(以下，有时称为“CO2来源的阴离子”)。
CO2＋2OH-→CO3 2-＋H2O    (3)
CO2＋OH-→HCO3 -(4)
这样的CO2来源的阴离子的浓度上升(OH-离子浓度的下降)会使电解质的阴离子传导率下降，从而使电池电阻显著增大。
已知上述电池电阻增大的问题可以通过由燃料电池的工作产生的称为自净化的现象改善。自净化是指通过燃料电池的工作使作为阴离子传导率下降的主要原因的、电解质膜和催化剂层中含有的CO2来源的阴离子移动到阳极并被燃料还原而以CO2气体的形式从阳极排出的现象，具体而言，可以由下式(5)和(6)表示。
H2＋CO3 2-→CO2＋H2O＋2e-(5)
H2＋2HCO3 -→2CO2＋2H2O＋2e-(6)
但是，如Yu Matsui,Morihiro Saito,Akimasa Tasaka,and MinoruInaba,ECS Transactoins,25(13),105-110(2010)[非专利文献1]所示，通过自净化，大量的CO2来源的阴离子再置换成OH-，因此，能够抑制电池电阻的增大，但是，以某一定量残留的CO2来源的阴离子通过自净化而局部存在于阳极并累积，结果，存在阳极的反应过电压增高、发电效率降低的问题。
日本特开平3-295175号公报[专利文献1]中记载了通过使供给到阳极的燃料与碱性水溶液接触来除去燃料中的二氧化碳的方法。另外，山崎阳太郎，“阴离子交换膜型燃料电池的开发”，文部科学省科学研究经费补助金“DMFC による環境低負荷型高効率エネルギ一変換の新展開”(特定区域研究B)研究成果报告书，第71-74页，2006年6月[非专利文献2]中记载了：通过预先向供给到阳极的燃料中添加碱，能够改善输出特性。
如上述式(1)所示，对于碱性燃料电池而言，为了进行催化反应而需要向阴极供给水。另外，为了防止电解质膜的干燥和伴随电解质膜干燥而来的阴离子传导电阻的增大，还需要向电解质膜供给水。以往，这样的水供给一般通过使用加湿后的燃料和/或氧化剂作为供给到阳极的燃料和/或供给到阴极的氧化剂来进行。但是，该方法需要加湿器等辅助设备，从而导致燃料电池的大型化。
国际公开第2009/149195号[专利文献2]中，作为水供给的其他方法，记载了直接向电解质膜的阴极侧表面供给液态水(液态的水)的方法(例如，第28页第18行~第31页第18行、图11和图12)。更具体而言，该方法中，在密封圈的阴极侧电极部的外缘部上设置与电解质膜的阴极侧的表面直接连接的狭槽，从该狭槽直接向电解质膜的阴极侧表面供给液态水(第31页第4行~第31页第18行、图11)。
另一方面，对于包括碱性燃料电池在内的燃料电池而言，通常会考虑到提高上述催化反应(电化学反应)的效率并防止电解质膜等燃料电池构成构件的热劣化而在发电时调节至适当的温度范围。温度调节方法的现有例之一是在燃料电池中设置加热器。但是，利用加热器进行温度调节时，无法进行冷却，因此，在从燃料电池中提取大电流等情况、特别是燃料电池的发热量变大的情况下，存在无法避免燃料电池的高温化的问题。
西川尚男著，“燃料电池的技术固体聚合物型的课题和对策”，东京电机大学出版社，2010，第45-46页[非专利文献3]中，作为对燃料电池进行冷却的方法，记载了使冷却水在设置于隔板内部的流路中流通的方法(第46页的图3.22)。需要说明的是，在此所称的“设置于隔板内部”是指流路不对膜电极复合体开放、而是在与膜电极复合体分离的状态下在隔板内设置有流路的情况。如上述专利文献1、非专利文献2中所记载的那样，通过向阳极供给碱性水溶液来用碱中和CO2来源的阴离子的方法，具有能够抑制CO2来源的阴离子在阳极上累积的可能性。但是，该方法中，通过中和生成的盐(碳酸盐等)在阳极的细孔内沉积而堵塞该细孔，结果，导致如下的新问题：阻碍燃料向阳极的供给和在阳极的扩散，从而使发电效率降低。另外，在使用氢气等气体燃料的情况下，碱性水溶液本身会导致细孔堵塞，从而阻碍气体燃料的供给。
另一方面，上述专利文献2中记载的水供给方法中，供给到电解质膜的阴极侧表面的液态水渗透到包覆电解质膜的周围部的密封圈的下部，沿电解质膜与阴极催化剂层的界面横向移动，从该界面渗透到阴极催化剂层内。结果，产生膜状液态水堵塞阴极催化剂层的细孔的溢流，从而存在发电效率降低或者输出稳定性降低的问题。
另外，在上述非专利文献3所记载的、通过在燃料电池所具有的隔板的内部设置热介质流路并使热介质在上述流路中流动来进行温度调节的方法中，常常通过隔板引起热传导，因此存在热交换效率低(因此，燃料电池达到期望的温度所需要的时间长)、而且温度调节的精度差的问题。另外，在隔板的内部形成热介质流路时，还存在结构变得复杂、从而导致制造成本增大和制造工序变繁琐的问题。
发明内容
本发明鉴于上述课题而完成，其第一目的在于提供能够在不产生电极的细孔堵塞的情况下有效地抑制CO2来源的阴离子在阳极上累积、从而显示出良好的发电效率的碱性燃料电池。
本发明的第二目的在于提供能够防止直接向电极(阴极和阳极)液态水并且能够向电解质膜供给液态水、从而显示出良好的发电特性的碱性燃料电池。
本发明的第三目的在于提供作为使用热介质进行碱性燃料电池的温度调节的碱性燃料电池系统的、能够在维持良好的发电特性的同时以高热交换效率和高精度进行温度调节的碱性燃料电池系统。
为了达到上述第一目的，本发明提供一种碱性燃料电池(X)，其具备：膜电极复合体，包含阴离子传导性电解质膜、层叠在该阴离子传导性电解质膜的第一表面上的阳极和层叠在与该阴离子传导性电解质膜的第一表面相对的第二表面上的阴极；第一隔板，至少具备用于接受燃料的燃料接受部且层叠在阳极上；第二隔板，至少具备用于接受氧化剂的氧化剂接受部且层叠在阴极上；以及碱性水溶液供给部，用于使碱性水溶液仅与上述膜电极复合体中阴离子传导性电解质膜接触。
碱性水溶液供给部优选包含用于使碱性水溶液仅与膜电极复合体中阴离子传导性电解质膜的第一表面接触的第一碱性水溶液供给部、和用于使碱性水溶液仅与膜电极复合体中阴离子传导性电解质膜的第二表面接触的第二碱性水溶液供给部中的至少任意一者。
第一碱性水溶液供给部可以由下述结构构成：第一凹部，设置在第一隔板的阴离子传导性电解质膜侧表面；以及第一空间，是介于该第一凹部与阴离子传导性电解质膜之间的空间，其由设置在该空间周围且从第一隔板的阴离子传导性电解质膜侧表面延伸至阴离子传导性电解质膜的第一表面的第一壁夹持。
另外，第二碱性水溶液供给部可以由下述结构构成：第二凹部，设置在第二隔板的阴离子传导性电解质膜侧表面；以及第二空间，是介于该第二凹部与阴离子传导性电解质膜之间的空间，其由设置在该空间周围且从第二隔板的阴离子传导性电解质膜侧表面延伸至阴离子传导性电解质膜的第二表面的第二壁夹持。
优选燃料接受部包含设置在第一隔板的阴离子传导性电解质膜侧表面的第三凹部，上述第一凹部为在该第三凹部周围的至少一部分设置并且独立于该第三凹部的凹部。另外，优选氧化剂接受部包含设置在第二隔板的阴离子传导性电解质膜侧表面的第四凹部，上述第二凹部为在该第四凹部周围的至少一部分设置并且独立于该第四凹部的凹部。
第一隔板和第二隔板可以具有集流功能。
根据本发明的碱性燃料电池(X)，具备以使碱性水溶液仅与膜电极复合体中阴离子传导性电解质膜接触的方式构成的碱性水溶液供给部，因此，能够通过碱性水溶液的中和有效地抑制CO2来源的阴离子在阳极上累积，而且，不会因通过该中和生成的盐而使电极的细孔堵塞。因此，本发明的碱性燃料电池(X)能够显示出优良的发电效率。
另外，为了达到上述第二目的，本发明提供一种碱性燃料电池(Y)，其具备：膜电极复合体，包含阴离子传导性电解质膜、层叠在该阴离子传导性电解质膜的第一表面上的阳极和层叠在与该阴离子传导性电解质膜的第一表面相对的第二表面上的阴极；第一隔板，至少具备用于接受燃料的燃料接受部且层叠在阳极上；第二隔板，至少具备用于接受氧化剂的氧化剂接受部且层叠在阴极上；以及液态水供给流路，用于向阴离子传导性电解质膜供给液态水。
在此，液态水供给流路包含仅与膜电极复合体中阴离子传导性电解质膜接触的空间，所述空间是介于第一隔板或第二隔板与阴离子传导性电解质膜之间的空间，其由设置在该空间周围且从第一隔板或第二隔板的阴离子传导性电解质膜侧表面延伸至阴离子传导性电解质膜的表面的弹性壁夹持。
液态水供给流路优选包含下述液态水供给流路中的至少任意一者：第一液态水供给流路，包含仅与膜电极复合体中阴离子传导性电解质膜的第一表面接触的第一空间，所述第一空间是介于第一隔板与阴离子传导性电解质膜之间的空间，其由设置在该空间周围且从第一隔板的阴离子传导性电解质膜侧表面延伸至阴离子传导性电解质膜的第一表面的第一弹性壁夹持；以及第二液态水供给流路，包含仅与膜电极复合体中阴离子传导性电解质膜的第二表面接触的第二空间，所述第二空间是介于第二隔板与阴离子传导性电解质膜之间的空间，其由设置在该空间周围且从第二隔板的阴离子传导性电解质膜侧表面延伸至阴离子传导性电解质膜的第二表面的第二弹性壁夹持。
第一液态水供给流路可以由设置在第一隔板的阴离子传导性电解质膜侧表面的第一凹部和介于该第一凹部与阴离子传导性电解质膜之间的上述第一空间构成。另外，第二液态水供给流路可以由设置在第二隔板的阴离子传导性电解质膜侧表面的第二凹部和介于该第二凹部与阴离子传导性电解质膜之间的上述第二空间构成。
优选燃料接受部包含设置在第一隔板的阴离子传导性电解质膜侧表面的第三凹部，上述第一凹部为在该第三凹部周围的至少一部分设置并且独立于该第三凹部的凹部。另外，优选氧化剂接受部包含设置在第二隔板的阴离子传导性电解质膜侧表面的第四凹部，上述第二凹部为在该第四凹部周围的至少一部分设置并且独立于该第四凹部的凹部。
第一隔板和第二隔板可以具有集流功能。
根据本发明的碱性燃料电池(Y)，具备在防止直接向电极供给液态水同时向电解质膜供给液态水、从而通过电解质膜向阴极供给水分的液态水供给流路，因此，能够在不产生溢流的情况下进行液态水供给，从而能够显示出良好的发电特性。
关于上述本发明的第三目的，在使用热介质的以往的温度调节中，通过将热介质流路设置在隔板内部，使流通的热介质不与膜电极复合体接触，根据本发明人的见解，其原因如下。
(a)向膜电极复合体的电极直接供给热介质时，产生以溢流为代表的电极细孔的堵塞，从而使燃料电池的发电效率、输出稳定性降低；
(b)热介质与膜电极复合体直接接触时，由于热介质中的微量杂质(金属阳离子等)而使膜电极复合体劣化。
为了在考虑上述(a)和(b)的同时使碱性燃料电池达到上述第三目的，本发明人立意于使热介质不与电极接触而仅与阴离子传导性电解质膜(阴离子交换膜)接触即可。这是因为，由此，能够在不引起上述(a)和(b)的问题的情况下直接通过热介质对负责发电的中心构件即阴离子传导性电解质膜进行温度调节，因此，可以期待热交换效率和温度调节精度的提高。需要说明的是，关于上述(b)，对于使用阴离子传导性电解质膜(阴离子交换膜)的碱性燃料电池而言，即使使热介质与阴离子传导性电解质膜接触，作为杂质的金属阳离子也不会侵入到电解质膜中，因此，就该电解质膜的性质而言，不会因金属阳离子而导致劣化。本发明基于上述立意，还包括效果的验证，并且经过反复研究而完成。
即，为了达到上述第三目的，本发明提供一种碱性燃料电池系统，其包含：
碱性燃料电池，具备：包含阴离子传导性电解质膜、层叠在该阴离子传导性电解质膜的第一表面上的阳极和层叠在与该阴离子传导性电解质膜的第一表面相对的第二表面上的阴极的膜电极复合体、至少具备用于接受燃料的燃料接受部且层叠在阳极上的第一隔板、至少具备用于接受氧化剂的氧化剂接受部且层叠在阴极上的第二隔板、以及用于使第一热介质仅与膜电极复合体中阴离子传导性电解质膜接触的电池内热介质流路；第一热介质循环部，具备与电池内热介质流路连接的电池外热介质流路，所述第一热介质循环部用于使第一热介质在由电池内热介质流路和电池外热介质流路构成的第一热介质流路内循环；以及第一热交换部，用于与电池外热介质流路内的第一热介质之间进行热交换。
电池内热介质流路优选包含下述电池内热介质流路中的至少任意一者：第一电池内热介质流路，用于使第一热介质仅与膜电极复合体中阴离子传导性电解质膜的第一表面接触；以及第二电池内热介质流路，用于使第一热介质仅与膜电极复合体中阴离子传导性电解质膜的第二表面接触。
第一电池内热介质流路可以由下述结构构成：第一凹部，设置在第一隔板的阴离子传导性电解质膜侧表面；以及第一空间，是介于该第一凹部与阴离子传导性电解质膜之间的空间，其由设置在该空间周围且从第一隔板的阴离子传导性电解质膜侧表面延伸至阴离子传导性电解质膜的第一表面的第一壁夹持。另外，第二电池内热介质流路可以由下述结构构成：第二凹部，设置在第二隔板的阴离子传导性电解质膜侧表面；以及第二空间，是介于该第二凹部与阴离子传导性电解质膜之间的空间，其由设置在该空间周围且从第二隔板的阴离子传导性电解质膜侧表面延伸至阴离子传导性电解质膜的第二表面的第二壁夹持。
优选燃料接受部包含设置在第一隔板的阴离子传导性电解质膜侧表面的第三凹部，并且第一凹部为在该第三凹部周围的至少一部分设置且独立于该第三凹部的凹部。另外，优选氧化剂接受部包含设置在第二隔板的阴离子传导性电解质膜侧表面的第四凹部，并且第二凹部为在该第四凹部周围的至少一部分设置且独立于该第四凹部的凹部。
第一隔板和第二隔板可以具有集流功能。
本发明的碱性燃料电池系统优选还包含用于检测碱性燃料电池内和第一热交换部内中至少任意一者的温度的温度检测部。碱性燃料电池系统优选还包含用于基于温度检测部的检测结果控制第一热交换部的热交换量的控制部和/或用于基于温度检测部的检测结果控制在第一热介质流路内循环的第一热介质的循环流量的控制部。
在一个优选实施方式中，第一热交换部包含以能够切换的方式与电池外热介质流路连接的、用于加热第一热介质的加热用热交换部和用于冷却第一热介质的冷却用热交换部。
在另一个优选实施方式中，本发明的碱性燃料电池系统还包含：第二热介质循环部，具备用于使第二热介质在上述第一热交换部中循环的第二热介质流路；以及第二热交换部，用于与第二热介质流路内的第二热介质之间进行热交换。
第一热介质优选为液体，更优选为水或水溶液。
根据本发明的碱性燃料电池系统，能够在维持良好的发电特性的同时，使用热介质以高热交换效率和高精度进行碱性燃料电池的温度调节。
下面结合附图对本发明进行详细说明，以使本发明的上述说明和其他目的、特性、方面、优点更容易理解。
附图说明
图1是表示本发明的碱性燃料电池(X)的一个优选示例的示意剖面图。
图2是表示构成图1所示的碱性燃料电池(X)的第一隔板的示意俯视图。
图3是表示在图2所示的第一隔板的表面上配置有第一壁的状态的示意俯视图。
图4是表示本发明的碱性燃料电池(X)所具有的第一隔板的另一示例的示意俯视图。
图5是表示本发明的碱性燃料电池(Y)的一个优选示例的示意剖面图。
图6是表示构成图5所示的碱性燃料电池(Y)的第一隔板的示意俯视图。
图7是表示在图6所示的第一隔板的表面上配置有第一弹性壁的状态的示意俯视图。
图8是表示本发明的碱性燃料电池(Y)所具有的第一隔板的另一示例的示意俯视图。
图9是表示本发明的碱性燃料电池系统的一个示例的示意图。
图10是表示本发明的碱性燃料电池系统中使用的碱性燃料电池的一个优选示例的示意剖面图。
图11是表示构成图10所示的碱性燃料电池的第一隔板的示意俯视图。
图12是表示在图11所示的第一隔板的表面上配置有第一壁的状态的示意俯视图。
图13是表示本发明的碱性燃料电池系统中使用的碱性燃料电池所具有的第一隔板的另一示例的示意俯视图。
图14是表示本发明的碱性燃料电池系统的另一示例的示意图。
图15是表示本发明的碱性燃料电池系统的又一示例的示意图。
图16是表示本发明的碱性燃料电池系统的又一示例的示意图。
具体实施方式
＜碱性燃料电池(X)＞
本发明的碱性燃料电池(X)包括包含阳极、阴离子传导性电解质膜和阴极的膜电极复合体、至少具备用于接受燃料的燃料接受部且层叠在阳极上的第一隔板、至少具备用于接受氧化剂的氧化剂接受部且层叠在阴极上的第二隔板，而且还具备用于将碱性水溶液供给到阴离子传导性电解质膜的碱性水溶液供给部。碱性水溶液供给部以使碱性水溶液不与阳极和阴极接触而仅与膜电极复合体中阴离子传导性电解质膜接触并进行供给的方式构成。
根据本发明的碱性燃料电池(X)，能够使碱性水溶液仅与阴离子传导性电解质膜(阴离子交换膜)接触而不与电极(阳极和阴极)接触，因此，在不因盐析出而导致产生电极的细孔堵塞的情况下降低阴离子传导性电解质膜的CO2来源的阴离子浓度，进而降低电极的CO2来源的阴离子浓度，由此能够抑制CO2来源的阴离子在阳极上累积，从而能够提高发电效率。另外，可以从未累积CO2来源的阴离子的状态开始使燃料电池工作，因此能够提高启动性，从而从发电开始初期就能够得到充分高的功率。
使碱性水溶液与阴离子传导性电解质膜接触时，就阴离子传导性电解质膜的性质而言，碱的抗衡阳离子不侵入到阴离子传导性电解质膜中，仅OH-阴离子侵入到阴离子传导性电解质膜中。该OH-阴离子有效地中和阴离子传导性电解质膜的CO2来源的阴离子(碳酸根离子等)、以及与其邻接的阳极和阴极内的CO2来源的阴离子。在此所称的中和是指CO2来源的阴离子被OH-阴离子置换，通过中和生成的盐(抗衡阳离子与CO2来源的阴离子形成的盐)溶解于碱性水溶液中，从而使CO2来源的阴离子在实质上与膜电极复合体分离。如后述的实施方式所述，使碱性水溶液流通时即将碱性水溶液从碱性水溶液供给部的一端导入并使其从另一端排出时，能够将通过中和生成的盐与碱性水溶液一起排出到燃料电池外部。由于碱的抗衡阳离子不侵入到阴离子传导性电解质膜中，因此，在阴离子传导性电解质膜内不会产生盐析出。
另外，本发明的碱性燃料电池(X)在以下方面也有利。即，通过使碱性水溶液与阴离子传导性电解质膜接触，能够向阴离子传导性电解质膜供给水。该水可以用于阴极的催化反应[上述式(1)]，因此可以省略供给到阴极的氧化剂(空气等)的加湿(因此省略加湿器的设置)。另外，由于此时氧化剂的供给路径(氧化剂接受部)与向阴极供给水的路径(碱性水溶液供给部)是分离的，因此，能够抑制因溢流引起的氧化剂供给不足。
以下，示出实施方式来详细说明本发明的碱性燃料电池(X)。
图1是表示本发明的碱性燃料电池(X)的一个优选示例的示意剖面图。图2是表示构成图1所示的碱性燃料电池(X)的第一隔板的示意俯视图，其示出了第一隔板的阴离子传导性电解质膜侧表面。另外，图3中用示意俯视图表示在第一隔板的表面上配置有第一壁的状态。
上述附图所示的碱性燃料电池100主要由下述结构构成：包含阴离子传导性电解质膜101、层叠在阴离子传导性电解质膜101的第一表面101a上的阳极103和层叠在与阴离子传导性电解质膜101的第一表面101a相对的第二表面101b上的阴极102的膜电极复合体；至少具备用于接受燃料的燃料接受部107且层叠在阳极103上的第一隔板105；至少具备用于接受氧化剂的氧化剂接受部106且层叠在阴极102上的第二隔板104；以及用于使碱性水溶液仅与膜电极复合体中阴离子传导性电解质膜101接触的第一和第二碱性水溶液供给部120、121。本实施方式中，第一和第二碱性水溶液供给部120、121以从一端(例如，第一碱性水溶液供给部120的碱性水溶液导入用配管109a侧)导入碱性水溶液并从另一端(例如，第一碱性水溶液供给部120的碱性水溶液排出用配管109b侧)排出碱性水溶液的方式形成。
碱性燃料电池100中，阳极103和阴极102具有比阴离子传导性电解质膜101、第一隔板105和第二隔板104小的面积，因此，在各电极侧边的阴离子传导性电解质膜101与各隔板之间具有不存在电极的空隙(空间)。阳极103和阴极102以在阴离子传导性电解质膜101面内的位置对齐的方式层叠在阴离子传导性电解质膜101表面的大致中心部。
第一碱性水溶液供给部120由设置在上述不存在阳极103的区域中的第一隔板105的阴离子传导性电解质膜101侧表面上的第一凹部109和位于第一凹部109的正上方并且与第一凹部109连续的第一空间111构成。第一凹部109以独立于燃料接受部107并且包围燃料接受部107的方式形成[参考图2]。第一空间111是介于第一凹部109与阴离子传导性电解质膜101之间的空间，并且是上述的不存在电极的空隙(空间)的一部分，通过设置在第一空间111周围的第一壁113与不存在电极的空隙(空间)的其他部分隔离。第一空间111为由间隔地配置的两个第一壁113夹持而成的空间。第一壁113从第一隔板105的阴离子传导性电解质膜101侧表面延伸至阴离子传导性电解质膜101的第一表面101a，由此，在防止碱性水溶液泄漏到第一空间111之外的同时，在空间上使第一碱性水溶液供给部120与阳极103分离。这样，第一空间111是由第一隔板105、阴离子传导性电解质膜101和两个第一壁113形成的内部空间。
通过如上构成的第一碱性水溶液供给部120，使在第一碱性水溶液供给部120内流通的碱性水溶液仅与阴离子传导性电解质膜101的第一表面101a接触。可以在构成第一碱性水溶液供给部120的第一凹部109的入口侧端部、出口侧端部分别连接碱性水溶液导入用配管109a、碱性水溶液排出用配管109b(对于后述的构成第二碱性水溶液供给部121的第二凹部108也同样)。
同样地，第二碱性水溶液供给部121由设置在上述不存在阴极102的区域中的第二隔板104的阴离子传导性电解质膜101侧表面上的第二凹部108和位于第二凹部108的正下方并且与第二凹部108连续的第二空间110构成。第二凹部108以独立于氧化剂接受部106并且包围氧化剂接受部106的方式形成。第二空间110是介于第二凹部108与阴离子传导性电解质膜101之间的空间，并且是上述的不存在电极的空隙(空间)的一部分，通过设置在第二空间110周围的第二壁112与不存在电极的空隙(空间)的其他部分隔离。第二空间110为由间隔地配置的两个第二壁112夹持而成的空间。第二壁112从第二隔板104的阴离子传导性电解质膜101侧表面延伸至阴离子传导性电解质膜101的第二表面101b，由此，在防止碱性水溶液泄漏到第二空间110之外的同时，在空间上使第二碱性水溶液供给部121与阴极102分离。这样，第二空间110是由第二隔板104、阴离子传导性电解质膜101和两个第二壁112形成的内部空间。
通过如上构成的第二碱性水溶液供给部121，使在第二碱性水溶液供给部121内流通的碱性水溶液仅与阴离子传导性电解质膜101的第二表面101b接触。
第一壁113和第二壁112分别以沿第一凹部109、第二凹部108的宽度方向两端部延伸的方式形成[参考图3]。
燃料接受部107可以包含设置在层叠有阳极103的区域中的第一隔板105的阴离子传导性电解质膜101侧表面且独立于构成第一碱性水溶液供给部120的第一凹部109的第三凹部。第三凹部除了可以为例如图2所示的蛇形或者其他形状的流路沟以外，还可以为槽型这样的扩展为较大面积而形成的凹部等。导入到燃料接受部107中的燃料供给到配置在其正上方的阳极103。可以在构成燃料接受部107的第三凹部的入口侧端部、出口侧端部分别连接燃料供给用配管107a、燃料排出用配管107b。
氧化剂接受部106可以包含设置在层叠有阴极102的区域中的第二隔板104的阴离子传导性电解质膜101侧表面且独立于构成第二碱性水溶液供给部121的第二凹部108的第四凹部。第四凹部与第三凹部同样地除了可以为例如蛇形或者其他形状的流路沟以外，还可以为槽型这样的扩展为较大面积而形成的凹部等。导入到氧化剂接受部106中的氧化剂供给到配置在其正下方的阴极102。可以在构成氧化剂接受部106的第四凹部的入口侧端部、出口侧端部分别连接氧化剂供给用配管、氧化剂排出用配管。
在此，本实施方式的碱性燃料电池100具有用于使碱性水溶液与阴离子传导性电解质膜101的阳极103侧表面(第一表面101a)接触的第一碱性水溶液供给部120和用于使碱性水溶液与阴离子传导性电解质膜101的阴极102侧表面(第二表面101b)接触的第二碱性水溶液供给部121这两者，但也可以为仅具有任意一者的构成。这种情况下，具备使碱性水溶液与可产生CO2来源的阴离子的累积的阳极103侧的阴离子传导性电解质膜101的表面接触的第一碱性水溶液供给部120的构成能够更高效地进行阴离子传导性电解质膜101的中和，因此优选。
接下来，对构成本发明的碱性燃料电池(X)的构件等进行更详细的说明。
(阴离子传导性电解质膜)
作为阴离子传导性电解质膜101，只要可以传导OH-离子并且具有用于防止阳极103与阴极102之间的短路的电绝缘性，则没有特别限制，可以优选使用阴离子传导性固体聚合物电解质膜。作为阴离子传导性固体聚合物电解质膜的优选例，可以列举例如：全氟磺酸系、全氟羧酸系、苯乙烯-乙烯基苯系、季铵系的固体聚合物电解质膜(阴离子交换膜)。另外，也可以使用阴离子传导性固体氧化物电解质膜作为阴离子传导性电解质膜101。
优选阴离子传导性电解质膜101的阴离子传导率为10-5S/cm以上，更优选使用全氟磺酸系聚合物电解质膜等阴离子传导率为10-3S/cm以上的电解质膜。阴离子传导性电解质膜101的厚度通常为5~300μm，优选为10~200μm。
(阳极和阴极)
层叠在阴离子传导性电解质膜101的第一表面101a上的阳极103和层叠在与第一表面101a相对的第二表面101b上的阴极102至少包含由含有催化剂和电解质的多孔质层构成的催化剂层。上述催化剂层以与阴离子传导性电解质膜101的表面接触的方式层叠。阳极103的催化剂(阳极催化剂)催化由供给到阳极103的燃料与OH-阴离子生成水和电子的反应。阳极103的催化剂层(阳极催化剂层)中含有的电解质具有将从阴离子传导性电解质膜101传导来的OH-阴离子传导到催化反应位点的功能。另一方面，阴极102的催化剂(阴极催化剂)催化由供给到阴极102的氧化剂和水与从阳极103传递来的电子生成OH-阴离子的反应。阴极102的催化剂层(阴极催化剂层)中含有的电解质具有将生成的OH-阴离子传导到阴离子传导性电解质膜101的功能。
作为阳极催化剂和阴极催化剂，可以使用以往公知的催化剂，可以列举例如包含铂、铁、钴、镍、钯、银、钌、铱、钼、锰、它们的金属化合物以及含有这些金属中的两种以上的合金的微粒。合金优选为含有铂、铁、钴、镍中的至少两种以上的合金，可以列举例如：铂-铁合金、铂-钴合金、铁-钴合金、钴-镍合金、铁-镍合金等、铁-钴-镍合金。阳极催化剂与阴极催化剂可以为相同种类，也可以为不同种类。
阳极催化剂和阴极催化剂优选使用负载在载体、优选为导电性载体上的催化剂。作为导电性载体，可以列举例如：乙炔黑、炉黑、槽法炭黑、科琴黑等炭黑、石墨、活性炭等导电性碳粒子。另外，也可以使用气相法碳纤维(VGCF)、碳纳米管、碳纳米线等碳纤维。
作为阳极103和阴极102的催化剂层中含有的电解质，可以使用与构成阴离子传导性固体聚合物电解质膜的电解质相同的电解质。各催化剂层中催化剂与电解质的含有比例以重量基准计通常为约5/1~约1/4，优选为约3/1~约1/3。
阳极103和阴极102分别可以具有层叠在催化剂层上的气体扩散层。气体扩散层具有使供给的燃料或氧化剂在面内进行扩散的功能，并且具有与催化剂层之间进行电子授受的功能。
气体扩散层可以为具有导电性的多孔质层，具体而言，可以为例如：碳纸；碳布；含有碳粒子的环氧树脂膜；金属或合金的发泡体、烧结体或纤维无纺布等。为了降低燃料或氧化剂在与厚度方向垂直的方向(面内方向)上的扩散电阻，气体扩散层的厚度优选为10μm以上，为了降低厚度方向上的扩散电阻，气体扩散层的厚度优选为1mm以下。气体扩散层的厚度更优选为100~500μm。
如图1所示，阳极103和阴极102通常以隔着阴离子传导性电解质膜101相对的方式设置。本发明的碱性燃料电池(X)中，阳极103和阴极102通常以具有比阴离子传导性电解质膜101、第一隔板105和第二隔板104小的面积的方式形成。由此，可以通过在介于各隔板与阴离子传导性电解质膜101之间的不存在电极的空隙中配置第一壁113、第二壁112，构建作为碱性水溶液供给部的一部分的第一空间111、第二空间110。形成阳极103和阴极102的位置例如为阴离子传导性电解质膜101的中央部。
(第一隔板和第二隔板)
第一隔板105可以为在阴离子传导性电解质膜101侧表面上至少具有构成燃料接受部107的第三凹部和作为第一碱性水溶液供给部120的一部分的第一凹部109的构件。第二隔板104可以为在阴离子传导性电解质膜101侧表面上至少具有构成氧化剂接受部106的第四凹部和作为第二碱性水溶液供给部121的一部分的第二凹部108的构件。
如上所述，构成燃料接受部107的第三凹部、构成氧化剂接受部106的第四凹部分别形成在层叠有阳极103、阴极102的区域。另一方面，在图2所示的示例中，第一凹部109为以包围燃料接受部107(第三凹部)的方式形成的、具有入口和出口的一条流路沟，但只要独立于构成燃料接受部107的第三凹部，则不限定于此，在燃料接受部107周围的至少一部分形成即可。例如，第一凹部109不一定需要以沿燃料接受部107的全部四条边延伸的方式形成，可以以沿任意一条边以上延伸的方式形成。但是，为了更高效地进行阴离子传导性电解质膜101的中和，优选第一凹部109以包围燃料接受部107(第三凹部)的方式形成。
另外，为了更高效地进行阴离子传导性电解质膜101的中和，第一凹部109除了可以为例如槽型这样的扩展为较大面积而形成的凹部(可以具有入口和出口，或者也可以不具有出口)以外，还可以包含多条流路沟、分支状的流路沟，以便能够将碱性水溶液供给到阴离子传导性电解质膜101的表面的更广的范围。对于第二隔板104的第二凹部108也同样。
另外，为了能够高效地进行阴离子传导性电解质膜101中层叠有阳极103的区域(与第一隔板105的形成有燃料接受部107的区域相当的区域)的中和，优选第一凹部109(对于第二凹部108也同样)尽可能地靠近该区域的中心部来配置。例如，在阳极103具有长方形形状且燃料接受部107也随之具有长方形形状的情况下，优选以沿长边延伸而非沿短边延伸的方式形成第一凹部109，或者优选尽可能地以沿长边延伸而非沿短边延伸的方式形成第一凹部109。另外，阳极103的面积大的情况等仅通过以包围燃料接受部107周围的方式形成第一凹部109不能靠近阴离子传导性电解质膜101的层叠有阳极103的区域的中心部来配置第一凹部109的情况下，优选采用将阳极103分割为多个并且相应地将燃料接受部107也分割为多个、从而在分割的燃料接受部107之间配置第一凹部109等的构成，由此在靠近上述中心部的位置配置第一凹部109[参考图4]。另外，如上所述，图4的示例中，以优先沿长边延伸的方式形成第一凹部109。
作为第一隔板105和第二隔板104，也可以使用兼具燃料接受部107和氧化剂接受部106的、所谓的双极板。这种情况下，双极板在一个主面(第一表面)上具有第三凹部和第一凹部，在与第一表面相对的另一主面(第二表面)上具有第四凹部和第二凹部。在使用该双极板作为第一隔板105的情况下，以使该双极板的第一表面成为阴离子传导性电解质膜101侧的方式层叠在阳极103上。在使用双极板作为第二隔板104的情况下，以使该双极板的第二表面成为阴离子传导性电解质膜101侧的方式层叠在阴极102上。
双极板的使用在例如通过层叠多个单电池来构建电堆结构时对电堆结构的薄型化有利。
第一隔板105和第二隔板104的材质没有特别限制，优选碳材料、导电性聚合物、各种金属、以不锈钢为代表的合金等导电性材料。通过使用导电性材料，可以对上述隔板赋予集流功能，即对上述隔板赋予作为在与接触的电极之间进行电子授受并且进行电布线的提取电极的功能。但是，也可以用塑料材料等非导电性材料构成第一隔板105和第二隔板104，并另行设置阳极集流层和阴极集流层。这种情况下，上述集流层例如配置在电极与隔板之间。
如上所述，本实施方式的碱性燃料电池100中，第一碱性水溶液供给部120包含形成在第一隔板105的表面的第一凹部109和由第一壁113夹持且与第一凹部109连续的第一空间111，第二碱性水溶液供给部121包含形成在第二隔板104的表面的第二凹部108和由第二壁112夹持且与第二凹部108连续的第二空间110。
第一壁113和第二壁112分别是将作为碱性水溶液供给部的一部分的第一空间111、第二空间110与上述不存在电极的空隙(空间)的其他部分隔离的壁，在厚度方向上，从隔板的阴离子传导性电解质膜101侧表面延伸至阴离子传导性电解质膜101的表面。利用第一壁113和第二壁112，第一碱性水溶液供给部120、第二碱性水溶液供给部121分别在空间上与阳极103、阴极102分离。
第一壁113和第二壁112分别以与第一凹部109、第二凹部108大致平行地、沿该凹部的宽度方向两端部延伸的方式形成[参考图3]。第一壁113和第二壁112可以以覆盖除作为碱性水溶液供给部的一部分的第一空间111、第二空间110以外的全部的不存在电极的空隙(空间)的方式形成。这种情况下，用紧固构件等将碱性燃料电池100的第一隔板105与第二隔板104紧固连接时，使应力均匀，从而提高稳定性。
第一隔板105与第二隔板104之间的紧固连接可以使用螺钉、螺栓/螺母等紧固构件进行。
另外，第一壁113和第二壁112分别可以以其一部分嵌入与第一凹部109、第二凹部108大致平行地、沿该凹部的宽度方向两端部延伸而形成的沟中的方式配置。根据这样的构成，在组装碱性燃料电池时，容易确定第一壁113、第二壁112的位置，从而使生产率提高。另外，能够防止第一壁113、第二壁112的位置偏移，因此，能够提供可靠性高的碱性燃料电池。
第一壁113和第二壁112的材质只要是对碱性水溶液具有耐性并且为碱性水溶液不透过性，则没有特别限制，可以列举例如：丁基橡胶、乙丙橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶、有机硅橡胶、四丙氟橡胶、四氟乙烯全氟甲基偏氟乙烯类橡胶等弹性体；以四氟乙烯、聚丙烯、聚甲基戊烯为代表的热塑性树脂、以不锈钢为代表的金属或合金等非弹性体等。
碱性水溶液供给部120、121只要以使流通的碱性水溶液仅与膜电极复合体中阴离子传导性电解质膜101接触的方式构成，则不限定于包含形成在隔板表面的凹部和与该凹部连续的空间的构成。例如，对于第一碱性水溶液供给部120而言，参考图1，也可以为使用第一隔板105的形成有第一凹部109的部分比形成有燃料接受部107的部分更突出而达到与阴离子传导性电解质膜101的第一表面101a接触的程度的第一隔板、从而省略第一壁113的形式。这种情况下，第一碱性水溶液供给部120仅包含第一凹部109。对于第二碱性水溶液供给部121也同样。
在碱性水溶液供给部120、121中流通的碱性水溶液没有特别限制，可以列举例如含有氢氧化钠[NaOH]、氢氧化钾[KOH]等碱金属的氢氧化物；氢氧化钙[Ca(OH)2]、氢氧化钡[Ba(OH)2]等碱土金属的氢氧化物；以2-乙醇胺等胺化合物为代表的呈碱性的有机化合物等的水溶液。
(燃料和氧化剂)
作为供给到本发明的碱性燃料电池(X)的阳极103的燃料，可以使用例如：H2气体、烃气体、甲醇等醇、氨气等，其中优选使用H2气体。作为供给到阴极102的氧化剂，可以使用例如：O2气体、空气等含O2的气体等，其中优选使用空气。
阴极102中，氧化剂与水发生反应，因此，为了向阴极102供给水，可以供给加湿后的O2气体、空气。
需要说明的是，使用烃气体、醇(甲醇等)等烃化合物作为燃料的情况下，由于生成作为阳极的反应产物的二氧化碳，因此，在以往的碱性燃料电池中，阴离子传导性电解质膜和阳极的碳酸化(CO2来源的阴离子的累积)显著进行，但是，根据本发明的碱性燃料电池(X)，即使在使用这样的燃料的情况下，也能够有效地抑制CO2来源的阴离子在阳极上累积。
本发明的碱性燃料电池(X)(对于后述的碱性燃料电池(Y)也同样)可以适合作为例如汽车、家庭用废热发电、便携式电子设备等的电源应用。
＜碱性燃料电池(Y)＞
本发明的碱性燃料电池(Y)包括包含阳极、阴离子传导性电解质膜和阴极的膜电极复合体、至少具备用于接受燃料的燃料接受部且层叠在阳极上的第一隔板、至少具备用于接受氧化剂的氧化剂接受部且层叠在阴极上的第二隔板，而且在阳极侧和/或阴极侧具备用于向阴离子传导性电解质膜供给液态水(液态的水)的液态水供给流路。
液态水供给流路在防止向电极(阳极和阴极)直接供给液态水(例如，如专利文献2所记载的那样，从阴离子传导性电解质膜与电极的界面向电极供给液态水)的同时直接向阴离子传导性电解质膜供给液态水。液态水供给流路包含由配置在第一隔板或第二隔板与阴离子传导性电解质膜之间的弹性壁夹持、通过该弹性壁与电极隔离并且仅与膜电极复合体中阴离子传导性电解质膜接触的空间而构成。
以下，示出实施方式来详细说明本发明的碱性燃料电池(Y)。
图5是表示本发明的碱性燃料电池(Y)的一个优选示例的示意剖面图。图6是表示构成图5所示的碱性燃料电池(Y)的第一隔板的示意俯视图，其示出了第一隔板的阴离子传导性电解质膜侧表面。另外，图7中用示意俯视图表示在第一隔板的表面上配置有第一弹性壁的状态。
上述附图所示的碱性燃料电池200主要由下述结构构成：包含阴离子传导性电解质膜201、层叠在阴离子传导性电解质膜201的第一表面201a上的阳极203和层叠在与阴离子传导性电解质膜201的第一表面201a相对的第二表面201b上的阴极202的膜电极复合体；至少具备用于接受燃料的燃料接受部207且层叠在阳极203上的第一隔板205；至少具备用于接受氧化剂的氧化剂接受部206且层叠在阴极202上的第二隔板204；以及用于向阴离子传导性电解质膜201供给液态水的第一和第二液态水供给流路220、221。第一和第二液态水供给流路220、221以从一端(例如，第一液态水供给流路220的液态水导入用配管209a侧)导入液态水并从另一端(例如，第一液态水供给流路220的液态水排出用配管209b侧)排出液态水的方式形成。
碱性燃料电池200中，阳极203和阴极202具有比阴离子传导性电解质膜201、第一隔板205和第二隔板204小的面积，因此，在各电极侧边的阴离子传导性电解质膜201与各隔板之间具有不存在电极的空隙(空间)。阳极203和阴极202以在阴离子传导性电解质膜201面内的位置对齐的方式层叠在阴离子传导性电解质膜201表面的大致中心部。
第一液态水供给流路220包含介于第一隔板205与阴离子传导性电解质膜201之间的上述不存在电极的空隙(空间)的一部分即由间隔地配置的两个第一弹性壁213夹持而成的第一空间211而构成，更具体而言，由第一空间211和位于第一空间211的正下方并且与第一空间211连续的第一凹部209构成。第一弹性壁213以沿第一凹部209的宽度方向两端部延伸的方式形成[参考图7]，另外，在厚度方向上从第一隔板205的阴离子传导性电解质膜201侧表面延伸至阴离子传导性电解质膜201的第一表面201a。即，第一空间211是由第一隔板205、阴离子传导性电解质膜201和两个第一弹性壁213形成的内部空间。
第一空间211通过设置在其周围的第一弹性壁213与不存在电极的空隙(空间)的其他部分以及阳极203和燃料接受部207隔离(在空间上分离)，并仅与膜电极复合体中阴离子传导性电解质膜201的第一表面201a接触。第一凹部209以独立于燃料接受部207并且包围燃料接受部207的方式形成[参考图6]。
同样地，第二液态水供给流路221包含介于第二隔板204与阴离子传导性电解质膜201之间的上述不存在电极的空隙(空间)的一部分即由间隔地配置的两个第二弹性壁212夹持而成的第二空间210而构成，更具体而言，由第二空间210和位于第二空间210的正上方并且与第二空间210连续的第二凹部208构成。第二弹性壁212以沿第二凹部208的宽度方向两端部延伸的方式形成，另外，在厚度方向上从第二隔板204的阴离子传导性电解质膜201侧表面延伸至阴离子传导性电解质膜201的第二表面201b。即，第二空间210是由第二隔板204、阴离子传导性电解质膜201和两个第二弹性壁212形成的内部空间。
第二空间210通过设置在其周围的第二弹性壁212与不存在电极的空隙(空间)的其他部分以及阴极202和氧化剂接受部206隔离(在空间上分离)，并仅与膜电极复合体中阴离子传导性电解质膜201的第二表面201b接触。第二凹部208以独立于氧化剂接受部206并且包围氧化剂接受部206的方式形成。
根据如上构成的第一、第二液态水供给流路220、221，使用弹性壁作为介于各隔板与阴离子传导性电解质膜201之间且形成液态水流路空间的一部分的隔离壁，因此，利用在碱性燃料电池的厚度方向上施加压力而产生的弹性壁变形，能够使弹性壁与各隔板和阴离子传导性电解质膜201良好地进行表面接触，从而能够提高上述界面的密封性。而且，由于以使在该流路中流通的液态水仅与阴离子传导性电解质膜201接触的方式构成，因此，能够可靠地防止液态水泄漏到电极、电极与阴离子传导性电解质膜201的界面、以及燃料接受部207/氧化剂接受部206，同时能够将液态水仅供给到阴离子传导性电解质膜201。
因此，根据本实施方式的碱性燃料电池200，能够防止伴随直接向电极供给液态水而来的溢流和由此产生的发电效率的降低和输出稳定性的降低。另一方面，通过向阴离子传导性电解质膜201供给液态水，能够实现该电解质膜的加湿，因此，能够提高发电效率和启动性(从发电开始到得到期望的输出功率所需要的时间)。
另外，通过第一、第二液态水供给流路220、221供给到阴离子传导性电解质膜201的水分溶解到该膜中而在该膜中扩散，进而扩散至作为OH-阴离子的传导路径而与该膜连通的阴极202的电解质中，由此，能够在不形成水膜状的情况下供给到阴极202，从而能够供于该电极中的催化反应。
另外，根据本实施方式，能够防止直接向电极供给液态水，因此，在与电极相对的区域中，能够抑制阴离子传导性电解质膜201由于液态水而产生膨润。另外，电极的周围部的阴离子传导性电解质膜201由弹性壁挤压固定，因此，能够抑制阴离子传导性电解质膜201的尺寸变化，能够防止电极从阴离子传导性电解质膜201上剥离，从而能够提供可靠性高的碱性燃料电池。
另外，根据本实施方式，利用在第一、第二液态水供给流路220、221中流通的液态水，能够对阴离子传导性电解质膜201直接加湿，并且能够通过阴离子传导性电解质膜201将水分供给到阴极202，因此，可以省略以往所需要的用于对燃料和/或氧化剂进行加湿的加湿器，从而对燃料电池系统的小型化有利。
需要说明的是，对于以阳离子交换膜为电解质膜的燃料电池而言，使含有金属阳离子等微量杂质的液态水与电解质膜直接接触时，电解质膜有时劣化，但是，对于本发明的使用阴离子传导性电解质膜(阴离子交换膜)的碱性燃料电池而言，即使使这样的液态水与阴离子传导性电解质膜接触，就该阴离子传导性电解质膜的性质而言，作为杂质的金属阳离子也不会侵入到电解质膜中，因此，不会因金属阳离子而导致劣化。因此，本发明的碱性燃料电池(Y)具有如下优点：可以不需要用于从液态水中除去微量金属阳离子的机构，可以使用金属配管等廉价的构件作为用于向碱性燃料电池供给液态水的配管，等。
本实施方式的碱性燃料电池200具有阳极侧的第一液态水供给流路220和阴极侧的第二液态水供给流路221这两者，也可以为仅具有其中任意一者的构成。这种情况下，从向阴极202供给水分的观点出发，优选具有阴极侧的第二液态水供给流路221。但是，即使在仅具有阳极侧的第一液态水供给流路220的情况下，也可以通过提高阳极203的水分浓度来提高阳极203-阴极202之间的水分浓度梯度，从而促进水分从阳极203扩散到阴极202，因此能够向阴极202供给水分。
接下来，对构成本发明的碱性燃料电池(Y)的构件等进行更详细的说明。
阴离子传导性电解质膜201、阳极203、阴极202以及根据需要层叠在各电极的催化剂层上的气体扩散层可以分别具有与上述的构成碱性燃料电池(X)的阴离子传导性电解质膜101、阳极103、阴极102以及气体扩散层相同的构成，上述关于碱性燃料电池(X)的内容也可以引用到碱性燃料电池(Y)中。
如图5所示，阳极203和阴极202通常以隔着阴离子传导性电解质膜201相对的方式设置。本发明的碱性燃料电池(Y)中，阳极203和阴极202通常以具有比阴离子传导性电解质膜201、第一隔板205和第二隔板204小的面积的方式形成。由此，可以通过在介于各隔板与阴离子传导性电解质膜201之间的不存在电极的空隙中配置第一弹性壁213、第二弹性壁212，构建作为液态水供给流路的一部分的第一空间211、第二空间210。形成阳极203和阴极202的位置例如为阴离子传导性电解质膜201的中央部。
(第一隔板和第二隔板)
第一隔板205可以为在阴离子传导性电解质膜201侧表面上至少具有构成燃料接受部207的第三凹部和作为第一液态水供给流路220的一部分的第一凹部209的构件。第二隔板204可以为在阴离子传导性电解质膜201侧表面上至少具有构成氧化剂接受部206的第四凹部和作为第二液态水供给流路221的一部分的第二凹部208的构件。
构成燃料接受部207的第三凹部、构成氧化剂接受部206的第四凹部分别包含：设置在层叠有阳极203、阴极202的区域的第一隔板205、第二隔板204的阴离子传导性电解质膜201侧表面上且独立于构成第一液态水供给流路220的第一凹部209、构成第二液态水供给流路221的第二凹部208的凹部。
第三凹部和第四凹部除了可以为例如图6所示的蛇形或者其他形状的流路沟以外，还可以为槽型这样的扩展为较大面积而形成的凹部等。导入到燃料接受部207的燃料供给到配置在其正上方的阳极203，导入到氧化剂接受部206的氧化剂供给到配置在其正下方的阴极202。可以在构成燃料接受部207的第三凹部的入口侧端部、出口侧端部分别连接燃料供给用配管207a、燃料排出用配管207b。同样地，可以在构成氧化剂接受部206的第四凹部的入口侧端部、出口侧端部分别连接氧化剂供给用配管、氧化剂排出用配管。
在图6所示的示例中，第一凹部209为以包围燃料接受部207(第三凹部)的方式形成的、具有入口和出口的一条流路沟，但只要独立于构成燃料接受部207的第三凹部，则不限定于此，在燃料接受部207周围的至少一部分形成即可。例如，第一凹部209不一定需要以沿燃料接受部207的全部四条边延伸的方式形成，可以以沿任意一条边以上延伸的方式形成。但是，为了更高效地向阴离子传导性电解质膜201供给液态水，优选第一凹部209以包围燃料接受部207(第三凹部)的方式形成。另外，第一凹部209可以包含例如多条流路沟、分支状的流路沟，以便能够向阴离子传导性电解质膜201的表面的更广的范围供给液态水。以上方面，对于第二隔板204的第二凹部208也同样。
另外，为了能够高效地向阴离子传导性电解质膜201中层叠有阳极203的区域(与第一隔板205的形成有燃料接受部207的区域相当的区域)供给液态水，优选第一凹部209(对于第二凹部208也同样)尽可能靠近该区域的中心部来配置。例如，在阳极203具有长方形形状且燃料接受部207也随之具有长方形形状的情况下，优选以沿长边延伸而非沿短边延伸的方式形成第一凹部209，或者优选尽可能以沿长边延伸而非沿短边延伸的方式形成第一凹部209。另外，阳极203的面积大的情况等仅通过以包围燃料接受部207周围的方式形成第一凹部209而不能靠近阴离子传导性电解质膜201的层叠有阳极203的区域的中心部来配置第一凹部209的情况下，优选采用将阳极203分割为多个并且相应地将燃料接受部207也分割为多个、从而在分割的燃料接受部207之间配置第一凹部209等的构成，由此在靠近上述中心部的位置配置第一凹部209[参考图8]。另外，如上所述，图8的示例中，以优先沿长边延伸的方式形成第一凹部209。
可以在构成第一液态水供给流路220的第一凹部209的入口侧端部、出口侧端部分别连接液态水导入用配管209a、液态水排出用配管209b(对于构成第二液态水供给流路221的第二凹部208也同样)。
作为第一隔板205和第二隔板204，也可以使用兼具燃料接受部207和氧化剂接受部206的、所谓的双极板。这种情况下，双极板在一个主面(第一表面)上具有第三凹部和第一凹部，在与第一表面相对的另一主面(第二表面)上具有第四凹部和第二凹部。在使用该双极板作为第一隔板205的情况下，以使该双极板的第一表面成为阴离子传导性电解质膜201侧的方式层叠在阳极203上。在使用双极板作为第二隔板204的情况下，以使该双极板的第二表面成为阴离子传导性电解质膜201侧的方式层叠在阴极202上。
双极板的使用在例如通过层叠多个单电池来构建电堆结构时对电堆结构的薄型化有利。
第一隔板205和第二隔板204的材质没有特别限制，可以与上述的构成碱性燃料电池(X)的第一隔板105和第二隔板104相同。也可以用塑料材料等非导电性材料构成第一隔板205和第二隔板204，并另行设置阳极集流层和阴极集流层。这种情况下，上述集流层例如配置在电极与隔板之间。
如上所述，本实施方式的碱性燃料电池200中，第一液态水供给流路220包含形成在第一隔板205的表面的第一凹部209和由第一弹性壁213夹持且与第一凹部209连续的第一空间211，第二液态水供给流路221包含形成在第二隔板204的表面的第二凹部208和由第二弹性壁212夹持且与第二凹部208连续的第二空间210。
第一弹性壁213和第二弹性壁212分别为将作为液态水供给流路的一部分的第一空间211、第二空间210与上述不存在电极的空隙(空间)的其他部分以及电极和燃料接受部207/氧化剂接受部206隔离的壁，在厚度方向上，从隔板的阴离子传导性电解质膜201侧表面延伸至阴离子传导性电解质膜201表面。
另外，第一弹性壁213和第二弹性壁212分别以与第一凹部209、第二凹部208大致平行地、沿该凹部的宽度方向两端部延伸的方式形成[参考图7]。第一弹性壁213和第二弹性壁212也可以以覆盖作为液态水供给流路的一部分的第一空间211、第二空间210以外的全部的不存在电极的空隙(空间)的方式形成。这种情况下，用紧固构件等将碱性燃料电池200的第一隔板205与第二隔板204紧固连接时，使应力均匀，从而提高稳定性。
另外，第一弹性壁213和第二弹性壁212分别可以以其一部分嵌入与第一凹部209、第二凹部208大致平行地、沿该凹部的宽度方向两端部延伸而形成的沟中的方式配置。根据这样的构成，在组装碱性燃料电池时，容易确定弹性壁的位置，从而使生产率提高。另外，能够防止弹性壁的位置偏移，因此，能够提供可靠性高的碱性燃料电池。
第一隔板205与第二隔板204之间的紧固连接可以使用螺钉、螺栓/螺母等紧固构件进行。对于本实施方式的碱性燃料电池200而言，即使在为了得到弹性壁与隔板和阴离子传导性电解质膜201的界面的良好密封性、以及充分降低电极与隔板之间的接触电阻的效果而通过将第一隔板205与第二隔板204之间紧固连接、从而在碱性燃料电池的厚度方向上施加足够的压力的情况下，由于使用通过该压力而适度产生压坏斥力的弹性壁作为介于各隔板与阴离子传导性电解质膜201之间且形成液态水流路空间的一部分的隔离壁，因此，能够防止电极的过度压坏和伴随而来的细孔堵塞所引起的物质扩散电阻的增大。
第一弹性壁213和第二弹性壁212的材质只要为不透水性则没有特别限制，可以列举例如：丁基橡胶、乙丙橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶、有机硅橡胶、四丙氟橡胶、四氟乙烯全氟甲基偏氟乙烯类橡胶等。
第一弹性壁213和第二弹性壁212需要包含弹性体，通过在碱性燃料电池的厚度方向上施加的压力而发生变形，由此提高界面的密封性。在碱性燃料电池的厚度方向上施加较大压力时，为了防止应力造成的破坏，需要增大隔板的厚度，或者使用粗的紧固构件(螺栓/螺母)，从而导致碱性燃料电池的大型化。因此，从比较容易地得到上述密封性、以及碱性燃料电池的小型化的观点出发，第一弹性壁213和第二弹性壁212优选为在较低压力下发生变形的弹性壁，具体而言，优选这些弹性壁的弹性模量低于100MPa。
为了可靠地防止液态水泄漏到燃料接受部207、氧化剂接受部206，从增大密封面积的观点出发，优选第一弹性壁213和第二弹性壁212的宽度为1mm以上。另一方面，为了增加向阴极202的水分供给流量，从缩短自液态水供给流路220、221起到阴极202为止的扩散路径的观点出发，优选第一弹性壁213和第二弹性壁212的宽度低于5mm。
在液态水供给流路220、221中流通的液态水并不限定于仅包含液态的水，可以为例如呈碱性的水。通过使呈碱性的水流入第一和/或第二液态水供给流路220、221，并将其供给到阴离子传导性电解质膜201，由此可以中和阴离子传导性电解质膜201内存在的CO3 2-、HCO3 -等CO2来源的阴离子、以及与其邻接的阳极203和阴极202内存在的CO2来源的阴离子，从而能够有效地防止该阴离子在阳极203上累积。CO2来源的阴离子是在碱性燃料电池中随着发电逐渐累积到阳极203上而使阳极203中的反应过电压上升、从而成为使发电效率降低的主要原因的阴离子。
通过液态水供给流路220、221供给呈碱性的水的情况下，该呈碱性的水不与电极接触而仅供给到阴离子传导性电解质膜201，因此，能够防止由中和盐的析出引起的电极的细孔堵塞和随之而来的发电效率的降低。需要说明的是，碱的抗衡阳离子不侵入到阴离子传导性电解质膜201中，因此，在阴离子传导性电解质膜201内不会产生盐析出。
从更高效地进行阴离子传导性电解质膜201的中和的观点出发，优选使用第一液态水供给流路220来进行呈碱性的水的供给，所述第一液态水供给流路220可以使呈碱性的水与可以产生CO2来源的阴离子的累积的阳极203侧的阴离子传导性电解质膜201表面接触。
本发明的碱性燃料电池(Y)的优选实施方式之一是设置第一和第二液态水供给流路220、221这两者并使不同种类的液态水在它们中流通的方式，若要列举更具体的示例，则为：将阳极侧的第一液态水供给流路220作为呈碱性的水的供给路径，将阴极侧的第二液态水供给流路221作为液态水(仅包含液态的水)的供给路径。根据这样的实施方式，可以通过向可产生CO2来源的阴离子的累积的阳极203侧供给呈碱性的水来促进CO2来源的阴离子的中和，同时通过向电化学反应中需要水的阴极202侧供给仅包含液态的水的液态水来促进向阴极202的水分供给。该实施方式中，虽然使不同的液态水流通，但第一隔板205和第二隔板204可以使用相同形状的隔板，因此，能够通过与使相同种类的液态水流通的情况相同的制造工序来制造碱性燃料电池。
作为添加到呈碱性的水中的碱，没有特别限制，可以列举例如：氢氧化钠[NaOH]、氢氧化钾[KOH]等碱金属的氢氧化物；氢氧化钙[Ca(OH)2]、氢氧化钡[Ba(OH)2]等碱土金属的氢氧化物；以2-乙醇胺等胺化合物为代表的呈碱性的有机化合物等。
(燃料和氧化剂)
本发明的碱性燃料电池(Y)中使用的燃料、氧化剂可以与上述的碱性燃料电池(X)中说明的燃料、氧化剂相同。阴极202中，氧化剂与水发生反应，因此，为了向阴极202供给水，可以供给加湿后的O2气体、空气。
需要说明的是，使用烃气体、醇(甲醇等)等烃化合物作为燃料的情况下，由于生成作为阳极的反应产物的二氧化碳，因此，在以往的碱性燃料电池中，阴离子传导性电解质膜和阳极的碳酸化(CO2来源的阴离子的累积)显著进行，但是，根据本发明的碱性燃料电池(Y)，可以通过液态水供给流路220、221来供给呈碱性的水，因此，即使在使用这样的燃料的情况下，也能够有效地抑制CO2来源的阴离子在阳极上累积。
＜碱性燃料电池系统＞
以下，示出实施方式来详细地说明本发明的碱性燃料电池系统。
(1)第一实施方式
图9是表示本实施方式的碱性燃料电池系统10的构成的示意图。碱性燃料电池系统10为可以利用第一热介质调节碱性燃料电池300内的温度的系统，其由下述结构构成：具备使第一热介质流通的电池内热介质流路320的碱性燃料电池300；具备与电池内热介质流路320连接的电池外热介质流路401和第一热介质循环装置402并且用于使第一热介质在包含电池内热介质流路320和电池外热介质流路401的第一热介质流路内进行循环的第一热介质循环部400；以及用于与电池外热介质流路401内的第一热介质之间进行热交换的第一热交换部500。
碱性燃料电池300可以采用的具体构成在后面进行详述，碱性燃料电池300所具有的一个特征在于，具备以第一热介质仅与膜电极复合体中阴离子传导性电解质膜接触并进行供给的方式构成的电池内热介质流路320。根据具有这样的碱性燃料电池300的碱性燃料电池系统10，作为负责发电的中心构件的紧邻发电时的发热源(电极)的阴离子传导性电解质膜直接由第一热介质进行温度调节，因此，能够提高热交换效率(因此，能够缩短碱性燃料电池300到达期望温度所需要的时间)，并且能够提高温度调节的精度。
另外，由于热介质不直接供给到膜电极复合体的电极，因此，能够防止产生以溢流为代表的电极细孔的堵塞，从而防止燃料电池的发电效率、输出稳定性降低，另外，也不用担心电极因热介质中的微量杂质而发生劣化。
[碱性燃料电池]
图10为本发明的碱性燃料电池系统中可以优选使用的碱性燃料电池的一个示例，其为表示本实施方式的碱性燃料电池系统10所具有的碱性燃料电池300的示意剖面图。图11为表示构成图10所示的碱性燃料电池300的第一隔板305的示意俯视图，其示出了第一隔板305的阴离子传导性电解质膜301侧表面。另外，图12中用示意俯视图示出在第一隔板305的表面上配置有第一壁313的状态。
碱性燃料电池300主要由下述结构构成：包含阴离子传导性电解质膜301、层叠在阴离子传导性电解质膜301的第一表面301a上的阳极303和层叠在与阴离子传导性电解质膜301的第一表面301a相对的第二表面301b上的阴极302的膜电极复合体；至少具备用于接受燃料的燃料接受部307且层叠在阳极303上的第一隔板305；至少具备用于接受氧化剂的氧化剂接受部306且层叠在阴极302上的第二隔板304；以及用于使第一热介质仅与膜电极复合体中阴离子传导性电解质膜301接触的电池内热介质流路320。第一温度检测部330如后所述。
电池内热介质流路320包含：用于使第一热介质仅与阴离子传导性电解质膜301的阳极303侧表面(第一表面301a)接触的第一电池内热介质流路321和用于使第一热介质仅与阴离子传导性电解质膜301的阴极302侧表面(第二表面301b)接触的第二电池内热介质流路322。第一电池内热介质流路321和第二电池内热介质流路322均与电池外热介质流路401连接，构成作为循环流路的第一热介质流路[参考图9]。
碱性燃料电池300中，阳极303和阴极302具有比阴离子传导性电解质膜301、第一隔板305和第二隔板304小的面积，因此，在各电极侧边的阴离子传导性电解质膜301与各隔板之间具有不存在电极的空隙(空间)。阳极303和阴极302以在阴离子传导性电解质膜301面内的位置对齐的方式层叠在阴离子传导性电解质膜301表面的大致中心部。
 第一电池内热介质流路321包含介于第一隔板305与阴离子传导性电解质膜301之间的上述不存在电极的空隙(空间)的一部分即由间隔地配置的两个第一壁313夹持而成的第一空间311而构成，更具体而言，由第一空间311和位于第一空间311的正下方并且与第一空间311连续的第一凹部309构成。第一壁313以沿第一凹部309的宽度方向两端部延伸的方式形成[参考图12]，另外，在厚度方向上从第一隔板305的阴离子传导性电解质膜301侧表面延伸至阴离子传导性电解质膜301的第一表面301a。即，第一空间311是由第一隔板305、阴离子传导性电解质膜301和两个第一壁313形成的内部空间。由此，能够防止第一热介质泄漏到第一空间311之外。
第一空间311通过设置在其周围的第一壁313与不存在电极的空隙(空间)的其他部分以及阳极303和燃料接受部307隔离(在空间上分离)，并仅与膜电极复合体中阴离子传导性电解质膜301的第一表面301a接触。
第一凹部309为设置在不存在阳极303的区域中的第一隔板305的阴离子传导性电解质膜301侧表面的凹部，以独立于燃料接受部307并且包围燃料接受部307的方式形成[参考图11]。
同样地，第二电池内热介质流路322包含介于第二隔板304与阴离子传导性电解质膜301之间的上述不存在电极的空隙(空间)的一部分即由间隔地配置的两个第二壁312夹持而成的第二空间310而构成，更具体而言，由第二空间310和位于第二空间310的正上方并且与第二空间310连续的第二凹部308构成。第二壁312以沿第二凹部308的宽度方向两端部延伸的方式形成，另外，在厚度方向上从第二隔板304的阴离子传导性电解质膜301侧表面延伸至阴离子传导性电解质膜301的第二表面301b。即，第二空间310是由第二隔板304、阴离子传导性电解质膜301和两个第二壁312形成的内部空间。由此，能够防止第一热介质泄漏到第二空间310之外。
第二空间310通过设置在其周围的第二壁312与不存在电极的空隙(空间)的其他部分以及阴极302和氧化剂接受部306隔离(在空间上分离)，并仅与膜电极复合体中阴离子传导性电解质膜301的第二表面301b接触。
第二凹部308为设置在不存在阴极302的区域中的第二隔板304的阴离子传导性电解质膜301侧表面的凹部，以独立于氧化剂接受部306并且包围氧化剂接受部306的方式形成。
根据如上构成的第一、第二电池内热介质流路321、322，由于以使流通的第一热介质仅与阴离子传导性电解质膜301接触的方式构成，因此，能够可靠地防止第一热介质泄漏到电极、以及燃料接受部307/氧化剂接受部306，同时能够将第一热介质仅供给到阴离子传导性电解质膜301。
需要说明的是，本实施方式的碱燃料电池300具有阳极侧的第一电池内热介质流路321和阴极侧的第二电池内热介质流路322这两者，也可以为仅具有其中任意一者的构成。
接下来，对构成碱性燃料电池300的构件等进行更详细的说明。
阴离子传导性电解质膜301、阳极303、阴极302以及根据需要层叠在各电极的催化剂层上的气体扩散层可以分别具有与上述的构成碱性燃料电池(X)的阴离子传导性电解质膜101、阳极103、阴极102以及气体扩散层相同的构成，上述关于碱性燃料电池(X)的内容也可以引用到碱性燃料电池300中。
如图10所示，阳极303和阴极302通常以隔着阴离子传导性电解质膜301相对的方式设置。本发明的碱性燃料电池系统中，阳极303和阴极302通常以具有比阴离子传导性电解质膜301、第一隔板305和第二隔板304小的面积的方式形成。由此，可以通过在介于各隔板与阴离子传导性电解质膜301之间的不存在电极的空隙中配置第一壁313、第二弹312，构建作为电池内热介质流路的一部分的第一空间311、第二空间310。形成阳极303和阴极302的位置例如为阴离子传导性电解质膜301的中央部。
(第一隔板和第二隔板)
第一隔板305可以为在阴离子传导性电解质膜301侧表面上至少具有构成燃料接受部307的第三凹部和作为第一电池内热介质流路321的一部分的第一凹部309的构件。第二隔板304可以为在阴离子传导性电解质膜301侧表面上至少具有构成氧化剂接受部306的第四凹部和作为第二电池内热介质流路322的一部分的第二凹部308的构件。
构成燃料接受部307的第三凹部、构成氧化剂接受部306的第四凹部分别包含：设置在层叠有阳极303、阴极302的区域的第一隔板305、第二隔板304的阴离子传导性电解质膜301侧表面上且独立于构成第一电池内热介质流路321的第一凹部309、构成第二电池内热介质流路322的第二凹部308的凹部。
第三凹部和第四凹部除了可以为例如图11所示的蛇形或者其他形状的流路沟以外，还可以为槽型这样的扩展为较大面积而形成的凹部等。导入到燃料接受部307的燃料供给到配置在其正上方的阳极303，导入到氧化剂接受部306的氧化剂供给到配置在其正下方的阴极302。可以在构成燃料接受部307的第三凹部的入口侧端部、出口侧端部分别连接燃料供给用配管307a、燃料排出用配管307b。同样地，可以在构成氧化剂接受部306的第四凹部的入口侧端部、出口侧端部分别连接氧化剂供给用配管、氧化剂排出用配管。
在图11所示的例中，第一凹部309为以包围燃料接受部307(第三凹部)的方式形成的一条流路沟，但只要独立于构成燃料接受部307的第三凹部，则不限定于此，可以考虑热交换效率等而采用各种形状。例如，第一凹部309可以为例如多条流路沟、分支状的流路沟、槽型这样的扩展为较大面积而形成的凹部(沟)等，以使第一热介质能够与阴离子传导性电解质膜301的表面的更广的面积接触。第一凹部309可以形成在第一隔板305表面的除燃料接受部307以外的全部区域或几乎全部区域。以上方面，对于第二隔板304的第二凹部308也同样。
另外，为了得到良好的热交换效率、碱性燃料电池300内的温度均匀性，例如如图13所示，采用将阳极303分割为多个并且相应地将燃料接受部307也分割为多个、从而在分割的燃料接受部307之间配置第一凹部309等的构成，由此，可以使第一凹部309在第一隔板305表面的尽可能广的面积内并且在面内尽可能均匀地配置。通过采用这样的构成，能够延长与燃料电池运转时作为发热源的阳极303靠近的第一凹部309的流路长度，因此，能够增加热交换量而提高热交换效率，并且还能够提高第一隔板305的面内的温度均匀性以及碱性燃料电池300内的温度均匀性。对于第二凹部308也同样。
作为第一隔板305和第二隔板304，也可以使用兼具燃料接受部307和氧化剂接受部306的、所谓的双极板。这种情况下，双极板在一个主面(第一表面)上具有第三凹部和第一凹部，在与第一表面相对的另一主面(第二表面)上具有第四凹部和第二凹部。在使用该双极板作为第一隔板305的情况下，以使该双极板的第一表面成为阴离子传导性电解质膜301侧的方式层叠在阳极303上。在使用双极板作为第二隔板304的情况下，以使该双极板的第二表面成为阴离子传导性电解质膜301侧的方式层叠在阴极302上。
双极板的使用在例如通过层叠多个单电池来构建电堆结构时对电堆结构的薄型化有利。
第一隔板305和第二隔板304的材质没有特别限制，可以与上述的构成碱性燃料电池(X)的第一隔板105和第二隔板104相同。也可以用塑料材料等非导电性材料构成第一隔板305和第二隔板304，并另行设置阳极集流层和阴极集流层。这种情况下，上述集流层例如配置在电极与隔板之间。
如上所述，碱性燃料电池300中，第一电池内热介质流路321包含形成在第一隔板305的表面的第一凹部309和由第一壁313夹持且与第一凹部309连续的第一空间311，第二电池内热介质流路322包含形成在第二隔板304的表面的第二凹部308和由第二壁312夹持且与第二凹部308连续的第二空间310。
第一壁313和第二壁312分别为将作为电池内热介质流路的一部分的第一空间311、第二空间310与上述不存在电极的空隙(空间)的其他部分以及电极和燃料接受部307/氧化剂接受部306隔离的壁，在厚度方向上，从隔板的阴离子传导性电解质膜301侧表面延伸至阴离子传导性电解质膜301表面。
第一壁313和第二壁312分别以与第一凹部209、第二凹部308大致平行地、沿该凹部的宽度方向两端部的方式形成[参考图12]。第一壁313和第二壁312也可以以覆盖作为电池内热介质流路的一部分的第一空间311、第二空间310以外的全部的不存在电极的空隙(空间)的方式形成。这种情况下，用紧固构件等将碱性燃料电池300的第一隔板305与第二隔板304紧固连接时，使应力均匀，从而提高稳定性。第一隔板305与第二隔板304之间的紧固连接可以使用螺钉、螺栓/螺母等紧固构件进行。
另外，第一壁313和第二壁312分别可以以其一部分嵌入与第一凹部309、第二凹部308大致平行地沿该凹部的宽度方向两端部延伸而形成的沟中的方式配置。根据这样的构成，在组装碱性燃料电池时，容易确定第一壁、第二壁的位置，从而使生产率提高。另外，能够防止第一壁313、第二壁312的位置偏移，因此，能够提供可靠性高的碱性燃料电池。
第一壁313和第二壁312的材质只要对第一热介质具有耐性并且为第一热介质不透过性，则没有特别限制，可以列举例如：丁基橡胶、乙丙橡胶、氯丁橡胶、丁橡胶、有机硅橡胶、四丙氟橡胶、四氟乙烯全氟甲基偏氟乙烯类橡胶等弹性体；以四氟乙烯、聚丙烯、聚甲基戊烯为代表的热塑性树脂、以不锈钢为代表的金属或合金等非弹性体等。
其中，优选第一壁313和第二壁312包含弹性体。通过使用弹性壁作为介于各隔板与阴离子传导性电解质膜301之间且形成电池内热介质流路空间的一部分的隔离壁，能够利用由在碱性燃料电池的厚度方向上施加压力而产生的弹性壁变形，从而使弹性壁与各隔板和阴离子传导性电解质膜301良好地进行表面接触。由此，能够提高这些界面的密封性，从而能够更可靠地防止第一热介质泄漏到电极、以及燃料接受部307/氧化剂接受部306。
另外，通过使用弹性壁，即使在为了得到弹性壁与隔板和阴离子传导性电解质膜301的界面的良好密封性、以及充分降低电极与隔板之间的接触电阻的效果而通过将第一隔板305与第二隔板304之间紧固连接、从而在碱性燃料电池的厚度方向上施加足够的压力的情况下，由于弹性壁通过该压力而适度产生压坏斥力，因此，也能够防止电极的过度压坏和伴随而来的细孔堵塞所引起的物质扩散电阻的增大。
在碱性燃料电池的厚度方向上施加较大压力时，为了防止应力造成的破坏，需要增大隔板的厚度或者使用粗的紧固构件(螺栓/螺母)，从而导致碱性燃料电池的大型化。因此，从比较容易地得到上述密封性、以及碱性燃料电池的小型化的观点出发，在第一壁313和第二壁312由弹性体构成时，优选在较低压力下发生变形的弹性壁，具体而言，优选第一壁313和第二壁312的弹性模量低于100MPa。
为了可靠地防止第一热介质泄漏到燃料接受部307、氧化剂接受部306，从增大密封面积的观点出发，优选第一壁313和第二壁312的宽度为1mm以上。另一方面，从为了增加向燃料电池运转时作为发热源的阳极303、阴极302的热流量而缩短自电池内热介质流路320起到阳极303、阴极302为止的热扩散路径的观点出发，优选第一壁313和第二壁312的宽度低于5mm。
电池内热介质流路321、322只要以使流通的第一热介质仅与膜电极复合体中阴离子传导性电解质膜301接触的方式构成，则不限定于包含形成在隔板表面的凹部和与该凹部连续的空间的构成。例如，对于第一电池内热介质流路321而言，参考图10，也可以为使用第一隔板305的形成有第一凹部309的部分比形成有燃料接受部307的部分更突出而达到与阴离子传导性电解质膜301的第一表面301a接触的程度的第一隔板、从而省略第一壁313的形式。这种情况下，第一电池内热介质流路321仅包含第一凹部309。对于第二电池内热介质流路322也同样。
以上例示的第一隔板305和第二隔板304为在隔板表面上形成有第一凹部309和第二凹部308的隔板，因此，与在隔板内部形成热介质流路的情况相比，构造更简单，从而对碱性燃料电池的制造成本的降低和制造工序的简化有利。
(第一热介质)
作为第一热介质，可以使用空气、水蒸气、氯氟烃、氢氯氟烃、氢氟烃等气体；水、水溶液、油、乙二醇等液体等公知的热介质，从热容量高而能够实现有效的热交换、以及操作性的观点出发，优选使用液体，更优选使用水或水溶液。碱性燃料电池300的温度调节中，不一定需要使用极高或极低的热介质，以水为主要成分的热介质即足够。另外，使用水或水溶液作为第一热介质时，还具有以下的优点。
(a)能够利用第一热介质将阴离子传导性电解质膜301直接加湿，并且能够通过阴离子传导性电解质膜301向阴极302供给水分，因此，可以省略以往所需要的用于对燃料和/或氧化剂进行加湿的加湿器，从而对燃料电池系统的小型化有利。另外，通过阴离子传导性电解质膜301的加湿，能够提高发电效率和启动性(从发电开始到得到期望的输出功率所需要的时间)。
(b)使用呈碱性的水溶液作为第一热介质时，能够对阴离子传导性电解质膜301内存在的CO3 2-、HCO3 -等CO2来源的阴离子、以及与其邻接的阳极303和阴极302内存在的CO2来源的阴离子进行中和，从而能够有效地防止该阴离子在阳极303上累积。添加到呈碱性的水溶液中的碱的示例可以与前述的碱性燃料电池(Y)中描述的碱相同。
即使在通过电池内热介质流路320供给作为第一热介质的呈碱性的水溶液的情况下，该第一热介质也不与电极接触而仅供给到阴离子传导性电解质膜301，因此，不会产生由中和盐的析出引起的电极的细孔堵塞和随之而来的发电效率的降低。需要说明的是，碱的抗衡阳离子不侵入到阴离子传导性电解质膜301中，因此，在阴离子传导性电解质膜301内也不会产生盐析出。
从更高效地进行阴离子传导性电解质膜301的中和的观点出发，优选使用第一电池内热介质流路321来进行作为第一热介质的呈碱性的水溶液的供给，所述第一电池内热介质流路321可以使第一热介质与可产生CO2来源的阴离子的累积的阳极303侧的阴离子传导性电解质膜301表面接触。
优选实施方式之一是设置第一和第二电池内热介质流路321、322这两者并使不同种类的热介质在它们中流通的方式，若要列举更具体的示例，则为：将阳极侧的第一电池内热介质流路321作为呈碱性的水溶液的供给路径，将阴极侧的第二电池内热介质流路322作为液态水的供给路径。根据这样的实施方式，可以通过向可产生CO2来源的阴离子的累积的阳极303侧供给呈碱性的水来促进CO2来源的阴离子的中和，同时通过向电化学反应中需要水的阴极302侧供给仅包含液态的水的液态水来促进向阴极302的水分供给。该实施方式中，虽然使不同的热介质流通，但第一隔板305和第二隔板304可以使用相同形状的隔板，因此，能够通过与使相同种类的热介质流通的情况相同的制造工序来制造碱性燃料电池。
(燃料和氧化剂)
碱性燃料电池300中使用的燃料、氧化剂可以与上述的碱性燃料电池(X)中说明的燃料、氧化剂相同。阴极302中，氧化剂与水发生反应，因此，为了向阴极302供给水，可以供给加湿后的O2气体、空气。
需要说明的是，使用烃气体、醇(甲醇等)等烃化合物作为燃料的情况下，由于生成作为阳极的反应产物的二氧化碳，因此，在以往的碱性燃料电池中，阴离子传导性电解质膜和阳极的碳酸化(CO2来源的阴离子的累积)显著进行，但是，根据本发明的碱性燃料电池300，可以通过电池内热介质流路320来供给呈碱性的水溶液，因此，即使在使用这样的燃料的情况下，也能够有效地抑制CO2来源的阴离子在阳极上累积。
[第一热介质循环部和第一热交换部]
第一热介质循环部400具备与电池内热介质流路320连接的电池外热介质流路401和第一热介质循环装置402，并且用于使第一热介质在包含电池内热介质流路320和电池外热介质流路401的第一热介质流路内进行循环。如上所述，在向第一、第二电池内热介质流路321、322中供给不同种类的热介质的情况下，可以设置两个第一热介质流路。第一热介质循环装置402可以为嵌在第一热介质流路中的循环泵等。
第一热交换部500通过与电池外热介质流路401内的第一热介质之间的热交换来进行第一热介质的温度调节。第一热交换部500包含与第一热介质之间进行热交换的第三热介质，通常以使第三热介质与电池外热介质流路401的至少一部分接触的方式配置。具体而言，第一热交换部500可以为用于收容第三热介质的槽、设置在电池外热介质流路401的周围且使第三热介质流通的夹套等。
作为第三热介质，可以同样地使用作为第一热介质的示例进行了说明的热介质。第一热交换部500可以具有用于进行第三热介质的温度调节的温度调节单元。
根据如上构成的碱性燃料电池系统10，能够使用具有预定温度的第一热介质以高热交换效率和高精度进行碱性燃料电池300内的温度调节(加热/冷却)。本实施方式的碱性燃料电池系统10(后述的其他实施方式也同样)的一个优点在于，能够实现以往难以实现的碱性燃料电池300的快速冷却。碱性燃料电池300的电解质膜和催化剂层的电解质所吸收的环境中二氧化碳(CO2)的自净化操作对降低上述CO2来源的阴离子的浓度有效，并且通过在高温下实施自净化，能够快速降低CO2来源的阴离子的浓度，但在高温的状态下继续通常的燃料电池运转(发电)时，阴离子传导性电解质膜301发生劣化。因此，自净化操作结束后，在过渡到通常的燃料电池运转时进行快速冷却，由此，能够抑制上述阴离子传导性电解质膜301的劣化。
需要说明的是，自净化操作是指如下操作：在碱性燃料电池的阳极与阴极之间通入比通常的燃料电池运转时大的电流，由此，使阴离子传导性电解质膜和催化剂层中含有的CO2来源的阴离子移动到阳极，并被燃料还原而以CO2气体的形式从阳极排出，具体而言，可以由上述式(5)和(6)表示。
(2)第二实施方式
图14是表示本实施方式的碱性燃料电池系统20的构成的示意图。碱性燃料电池系统20还具备：用于检测碱性燃料电池300内的温度的第一温度检测部330、用于检测第一热交换部500内(第一热交换部500内的第三热介质)的温度的第二温度检测部530以及用于基于上述温度检测部的一者或两者的检测结果对第一热交换部500的热交换量进行控制的控制部600，除此以外，与上述第一实施方式相同。本实施方式中，第一热交换部500具有用于进行第三热介质的温度调节的温度调节单元。
具体而言，控制热交换量是指，将第一热介质与第一热交换部500内的第三热介质的温度差调节至期望值或者维持在期望值。根据本实施方式的碱性燃料电池系统20，能够更迅速或精度更良好地进行碱性燃料电池300的温度调节。例如，在碱性燃料电池300的温度高于期望的温度时，为了减小第一热介质与第三热介质的温度差，可以通过使第三热介质的温度充分降低来迅速冷却碱性燃料电池300。
第一温度检测部330没有特别限制，例如，如图10所示，可以插入到第一隔板305或第二隔板304内来进行设置。第二温度检测部530可以以浸渍到第三热介质中的方式进行设置。作为温度检测部，可以使用通常的温度检测器例如热电偶、测温电阻体、热敏电阻等。
作为控制部600，没有特别限制，可以使用例如个人电脑等。控制部600可以基于第一温度检测部330或第二温度检测部530中任意一者的检测结果进行第三热介质的温度调节，也可以基于这两者的检测结果进行第三热介质的温度调节。在后者的情况下，可以参考碱性燃料电池300内和第一热交换部500内的第三热介质的温度、以及它们的温度差来进行碱性燃料电池300的温度调节，因此，能够进一步提高温度调节的迅速性和精度。另一方面，在前者的情况下，采用仅设置第二温度检测部530的构成时，在碱性燃料电池300的制造工序的简化和制造成本的降低的方面是有利的。需要说明的是，在前者的情况下，不使用的温度检测部可以省略设置。
控制部600可以在第一热交换部500的控制的基础上控制在第一热介质流路内循环的第一热介质的循环流量，或者也可以代替第一热交换部500的控制来控制在第一热介质流路内循环的第一热介质的循环流量。第一热介质的循环流量的控制可以通过将控制部600与第一热介质循环装置402连接并控制第一热介质循环装置402的驱动量来进行。通过调节第一热介质循环装置402的驱动量，可以通过控制碱性燃料电池300与第一热介质之间的热交换量、第三热介质与第一热介质之间的热交换量来进行碱性燃料电池300的温度调节。第一热交换部500的控制与第一热介质的循环流量的控制的组合在进一步提高碱性燃料电池300的温度调节的迅速性和精度方面是有利的。
需要说明的是，即使在仅通过控制第一热介质的循环流量来进行碱性燃料电池300的温度调节的情况下，这样的控制也优选基于用于检测碱性燃料电池300内的温度的第一温度检测部330、用于检测第一热交换部500内(第一热交换部500内的第三热介质)的温度的第二温度检测部530中的一者或两者的检测结果来进行。
(3)第三实施方式
图15是表示本实施方式的碱性燃料电池系统30的构成的示意图。碱性燃料电池系统30中，第一热交换部500具有用于加热第一热介质的加热用热交换部501和用于冷却第一热介质的冷却用热交换部502，并且电池外热介质流路401与加热用热交换部501或冷却用热交换部502的连接可以通过切换阀403进行切换，除此以外，与上述第二实施方式相同。本实施方式中，为了控制切换阀403的切换操作，控制部600也与切换阀403连接。
根据本实施方式的碱性燃料电池系统30，预先准备有包含加热后的热介质的加热用热交换部501和包含冷却后的热介质的冷却用热交换部502，因此，在需要将碱性燃料电池300加热或冷却的情况下，可以迅速地进行上述温度调节。可以列举例如：在使用加热用热交换部501将第一热介质维持在适当温度的同时进行自净化操作之后，为了进行通常的燃料电池运转，将切换阀403切换至使电池外热介质流路401与冷却用热交换部502连接的方式，从而对碱性燃料电池300进行快速冷却。
加热用热交换部501和冷却用热交换部502分别可以具有用于进行第三热介质的温度调节的温度调节单元，也可以不具有。与上述第二实施方式同样，控制部600可以基于用于检测碱性燃料电池300内的温度的第一温度检测部330、用于检测加热用热交换部501内的温度的第二温度检测部530或用于检测冷却用热交换部502内的温度的第三温度检测部531中任意一个以上的检测结果来控制(即切换阀403的切换)第一热介质与第一热交换部500内的第三热介质之间的热交换量。不使用的温度检测部可以省略设置。
(4)第四实施方式
图16是表示本实施方式的碱性燃料电池系统40的构成的示意图。碱性燃料电池系统40还具备：具备用于使第二热介质在第一热交换部500中循环的第二热介质流路701和第二热介质循环装置702的第二热介质循环部700以及用于与第二热介质流路701内的第二热介质之间进行热交换并且包含第四热介质的第二热交换部800，除此以外，与上述第一实施方式同样。
第二热介质循环部700(第二热介质流路701、第二热介质循环装置702和第二热介质)可以为与上述第一热介质循环部400(第一热介质流路、第一热介质循环装置402和第一热介质)相同的构成。第二热交换部800用于在该热交换部所包含的第四热介质与第二热介质流路701内的第二热介质之间进行热交换，通常以使第四热介质与第二热介质流路701的至少一部分接触的方式配置。第二热交换部800可以作为贮热槽使用，具体而言，其可以为用于收容第四热介质的槽等。作为第四热介质，可以使用与作为第一热介质的示例进行了说明的热介质相同的热介质，典型地是水。
根据本实施方式的碱性燃料电池系统40，在第四热介质为例如水的情况下，可以将通过碱性燃料电池300发电产生的热以热水的形式回收。所得到的热水可以有效地用于例如供给热水、暖气等。
实施例
以下，列举实施例对本发明更详细地进行说明，但本发明并不限定于这些实施例。
＜实施例1＞
按照以下顺序制作具有与图1和图2所示的碱性燃料电池相同的构成的碱性燃料电池。
(1)膜电极复合体的制作
将芳香族聚醚磺酸与芳香族聚硫醚磺酸的共聚物氯甲基化，然后进行氨基化，由此，得到催化剂层用的阴离子传导性固体聚合物电解质。将其添加到四氢呋喃中，由此得到5重量%的阴离子传导性固体聚合物电解质溶液。
将Pt负载量为50重量%的Pt/Ｃ即负载有催化剂的碳粒子(田中贵金属公司制造的“TEC10E50E”)与上述中得到的电解质溶液以重量比为2/0.2的方式混合，再添加离子交换水和乙醇，由此制备阳极催化剂层用的催化剂糊。
同样地，将Pt负载量为50重量%的Pt/Ｃ即负载有催化剂的碳粒子(田中贵金属公司制造的“TEC10E50E”)与上述中得到的电解质溶液以重量比为2/0.2的方式混合，再添加离子交换水和乙醇，由此制备阴极催化剂层用的催化剂糊。
然后，将作为阳极气体扩散层的碳纸(東レ公司制造的“TGP-H-060”，厚度约为190μm)切割为纵22.3mm×横22.3mm的尺寸，使用具有纵22.3mm×横22.3mm的窗口的丝网印刷版，将上述阳极催化剂层用的催化剂糊涂布到该阳极气体扩散层的一面上，使催化剂量达到0.5mg/cm2，在室温下干燥，由此，制作在作为阳极气体扩散层的碳纸的整个单面上形成有阳极催化剂层的阳极103。所得到的阳极103的厚度约为200μm。
同样地，将作为阴极气体扩散层的碳纸(東レ公司制造的“TGP-H-060”，厚度约为190μm)切割为纵22.3mm×横22.3mm的尺寸，使用具有纵22.3mm×横22.3mm的窗口的丝网印刷版，将上述阴极催化剂层用的催化剂糊涂布到该阴极气体扩散层的一面上，使催化剂量达到0.5mg/cm2，在室温下干燥，由此，制作在作为阴极气体扩散层的碳纸的整个单面上形成有阴极催化剂层的阴极102。所得到的阴极102的厚度约为200μm。
然后，使用切割为90mm×90mm尺寸的含氟树脂类聚合物电解质(旭化成公司制造的“アシプレツクス”)作为阴离子传导性电解质膜101，将上述阳极103、阴离子传导性电解质膜101和上述阴极102按顺序以使各自的催化剂层与阴离子传导性电解质膜101相对的方式叠合，然后，在130℃、10kN的条件下进行2分钟的热压接，由此，将阳极103和阴极102与阴离子传导性电解质膜101接合，得到膜电极复合体。上述叠合以使阳极103与阴极102在阴离子传导性电解质膜101的面内的位置对齐并且使阳极103、阴离子传导性电解质膜101和阴极102的中心对齐的方式进行。
(2)碱性燃料电池的制作
准备两个外形为纵90mm×横90mm×厚度20mm且一个表面上形成有图2所示的流路沟(燃料接受部107和构成第一碱性水溶液供给部120的一部分的第一凹部109、或者氧化剂接受部106和构成第二碱性水溶液供给部121的一部分的第二凹部108)的、由碳材料构成的构件，将它们分别作为具有集流功能的第一隔板105、第二隔板104。第一隔板105所具有的燃料接受部107为如图2所示的蛇形流路沟(流路的宽度为800μm，深度为800μm)。形成有燃料接受部107的区域为第一隔板105的中心，其尺寸为纵22.3mm×横22.3mm。另外，构成第一碱性水溶液供给部120的一部分的第一凹部109的宽度为800μm、深度为800μm，以包围燃料接受部107的周围的方式形成。第二隔板104也同样。
使用两片图3所示的四丙氟橡胶片(厚度180μm)作为第一壁113，将它们配置在第一隔板105的图3所示的位置。第二壁112也同样。
然后，在上述(1)中得到的膜电极复合体的阳极气体扩散层上，以使形成有沟的面与阳极气体扩散层相对并且使第一壁113、113之间的第一空间111配置在第一凹部109的正上方的方式(以使阳极103配置在燃料接受部107的正上方的方式)层叠第一隔板105。同样地，在阴极气体扩散层上，以使形成有沟的面与阴极气体扩散层相对并且使第二壁112、112之间的第二空间110配置在第二凹部108的正下方的方式(以使阴极102配置在氧化剂受部106的正下方的方式)层叠第二隔板104。将第一隔板105与第二隔板104用螺栓和螺母紧固连接，由此得到碱性燃料电池100。
＜实施例2＞
使用除不具有第二凹部108以外与实施例1中使用的第二隔板相同的第二隔板，与实施例1同样地操作，制作碱性燃料电池。其中，省略第二壁112的设置。
＜比较例1＞
使用除不具有第一凹部109以外与实施例1中使用的第一隔板相同的第一隔板、以及除不具有第二凹部108以外与实施例1中使用的第二隔板相同的第二隔板，与实施例1同样地操作，制作碱性燃料电池。其中，省略第一壁113和第二壁112的设置。
[碱性燃料电池的发电特性评价]
按照以下顺序使实施例1~2和比较例1的碱性燃料电池工作，进行发电，并评价发电特性。将碱性燃料电池放入50℃的恒温槽中，将加湿后的H2气体(相对湿度95%)以200mL/分钟的流量供给到碱性燃料电池的燃料接受部107，并且将加湿后的空气(相对湿度95%)以500mL/分钟的流量供给到碱性燃料电池的氧化剂接受部106，将第一隔板105与第二隔板104进行电连接，以0.2A/cm2的电流发电30分钟，使用恒电位仪/恒电流仪(ECO CHEMI公司制造的AUTOLABPGSTAT30/FRA2和AUTOLAB BSTR10A)测定发电30分钟时的电池电阻和电池电压。
对于实施例1的碱性燃料电池，从发电开始时起分别向碱性燃料电池的第一碱性水溶液供给部120和第二碱性水溶液供给部121以5mL/分钟的流量供给5重量%的KOH水溶液。对于实施例2的碱性燃料电池，从发电开始时起向碱性燃料电池的第一碱性水溶液供给部120以5mL/分钟的流量供给5重量%的KOH水溶液。电池电阻和电池电压的测定结果示于表1中。
表1
  电池电阻(mΩcm2)   电池电压(V)
  实施例1   150   0.850
  实施例2   155   0.845
  比较例1   200   0.800
＜实施例3＞
按照以下顺序制作具有与图5和图6所示的碱性燃料电池相同的构成的碱性燃料电池。
与实施例1同样地操作，制作膜电极复合体。然后，准备两个外形为纵90mm×横90mm×厚度20mm且一个表面上形成有图6所示的流路沟(燃料接受部207和构成第一液态水供给流路220的一部分的第一凹部209、或者氧化剂接受部206和构成第二液态水供给流路221的一部分的第二凹部208)的、由碳材料构成的构件，将它们分别作为具有集流功能的第一隔板205、第二隔板204。第一隔板205所具有的燃料接受部207为如图6所示的蛇形流路沟(流路的宽度为800μm，深度为800μm)。形成有燃料接受部207的区域为第一隔板205的中心，其尺寸为纵22.3mm×横22.3mm。另外，构成第一液态水供给流路220的一部分的第一凹部209的宽度为800μm、深度为800μm，以包围燃料接受部207的周围的方式形成。第二隔板204也同样。
使用两片图7所示的四丙氟橡胶片(厚度180μm)作为第一弹性壁213，将它们配置在第一隔板205的图7所示的位置。第二弹性壁212也同样。
然后，在上述中得到的膜电极复合体的阳极气体扩散层上，以使形成有沟的面与阳极气体扩散层相对并且使第一弹性壁213、213之间的第一空间211配置在第一凹部209的正上方的方式(以使阳极203配置在燃料接受部207的正上方的方式)层叠第一隔板205。同样地，在阴极气体扩散层上，以使形成有沟的面与阴极气体扩散层相对并且使第二弹性壁212、212之间的第二空间210配置在第二凹部208的正下方的方式(以使阴极202配置在氧化剂受部206的正下方的方式)层叠第二隔板204。将第一隔板205和第二隔板204用螺栓和螺母紧固连接，由此得到碱性燃料电池200。
＜实施例4＞
使用除不具有第一凹部209以外与实施例3中使用的第一隔板相同的第一隔板，与实施例3同样地操作，制作碱性燃料电池。其中，省略第一弹性壁213的设置。
＜比较例2＞
使用厚度为180μm的聚四氟乙烯片来代替第一弹性壁213和第二弹性壁212，除此以外，与实施例3同样地操作，制作碱性燃料电池。
＜比较例3＞
省略构成第一弹性壁213和第二弹性壁212的各两个构件中靠近燃料接受部207或氧化剂接受部206的构件(配置在燃料接受部207或氧化剂接受部206与第一凹部209或第二凹部208之间的构件)，除此以外，与实施例3同样地操作，制作碱性燃料电池。
＜比较例4＞
使用除不具有第一凹部209以外与实施例3中使用的第一隔板相同的第一隔板、以及除不具有第二凹部208以外与实施例3中使用的第二隔板相同的第二隔板，与实施例3同样地操作，制作碱性燃料电池。其中，省略第一弹性壁213和第二弹性壁212的设置。
[碱性燃料电池的发电特性评价]
按照以下顺序使实施例3~4和比较例2~4的碱性燃料电池工作，进行发电，并评价发电特性。将碱性燃料电池放入50℃的恒温槽中，将加湿后的H2气体(相对湿度95%)以200mL/分钟的流量供给到碱性燃料电池的燃料接受部207，并且将未加湿的空气(相对湿度50%)以500mL/分钟的流量供给到碱性燃料电池的氧化剂接受部206，将第一隔板205与第二隔板204进行电连接，以0.2A/cm2的电流发电60分钟，使用恒电位仪/恒电流仪(ECO CHEMI公司制造的AUTOLABPGSTAT30/FRA2和AUTOLAB BSTR10A)测定发电30分钟和发电60分钟时的电池电阻和电池电压。
对于实施例3和比较例2、3的碱性燃料电池，从发电开始时起分别向碱性燃料电池的第一液态水供给流路220和第二液态水供给流路221以5mL/分钟的流量供给液态水(100%的水)。对于实施例4的碱性燃料电池，从发电开始时起向碱性燃料电池的第一液态水供给流路220以5mL/分钟的流量供给液态水(100%的水)。电池电阻和电池电压的测定结果示于表2中。
表2
Figure BDA00002061748600551
实施例3和4中，显示出良好的电池电压、低电池电阻，因而可知，对阴离子传导性电解质膜201和阴极202充分进行了水分供给。
与此相对，比较例2和3中，得到电池电阻较低、但尤其是发电60分钟后的电池电压显著低的结果。在比较例2中，推测是因为使用了聚四氟乙烯片代替第一弹性壁和第二弹性壁，因此，在聚四氟乙烯片与各隔板之间或者聚四氟乙烯片与阴离子传导性电解质膜201之间产生空隙，液态水渗透到阳极203或者阴极202，从而产生溢流。在比较例3中，也同样推测是因为省略了一部分弹性构件，结果，液态水从各隔板与阴离子传导性电解质膜201之间的空隙通过而渗透到阳极203或者阴极202，从而产生溢流。在比较例4中，得到电池电阻高且电池电压也显著低的结果。推测是因为不具备液态水供给流路，结果，对阴离子传导性电解质膜201和阴极202的水分供给不足，因此得到这样的低电池特性。
＜实施例5＞
按照以下顺序，制作具备具有与图10相同的构成的碱性燃料电池的、具有与图9相同的构成的碱性燃料电池系统。
(1)碱性燃料电池的制作
与实施例1同样地操作，制作膜电极复合体。然后，准备两个外形为纵90mm×横90mm×厚度20mm且一个表面上形成有图11所示的流路沟(燃料接受部307和第一凹部309、或者氧化剂接受部306和第二凹部308)的、由碳材料构成的构件，将它们分别作为具有集流功能的第一隔板305、第二隔板304。第一隔板305所具有的燃料接受部307为如图11所示的蛇形流路沟(流路的宽度为800μm，深度为800μm)。形成有燃料接受部307的区域为第一隔板305的中心，其尺寸为纵22.3mm×横22.3mm。另外，构成第一电池内热介质流路321的一部分的第一凹部309的宽度为800μm、深度为800μm，以包围燃料接受部307的周围的方式形成。第二隔板304也同样。第二隔板304在图10所示的位置上形成有用于插入热电偶的孔。
使用两片图12所示的四丙氟橡胶片(厚度180μm)作为第一壁313，将它们配置在第一隔板305的图12所示的位置。第二壁312也同样。
然后，在上述中得到的膜电极复合体的阳极气体扩散层上，以使形成有沟的面与阳极气体扩散层相对并且使第一壁313、313之间的第一空间311配置在第一凹部309的正上方的方式(以使阳极303配置在燃料接受部307的正上方的方式)层叠第一隔板305。同样地，在阴极气体扩散层上，以使形成有沟的面与阴极气体扩散层相对并且使第二壁312、312之间的第二空间310配置在第二凹部308的正下方的方式(以使阴极302配置在氧化剂接受部306的正下方的方式)层叠第二隔板304。将第一隔板305与第二隔板304用螺栓和螺母紧固连接，由此得到碱性燃料电池300。向第二隔板304的热电偶安装用孔中插入热电偶。
(2)碱性燃料电池系统的制作
使用电池外热介质流路401(SUS制配管)如图9所示将作为第一热介质循环装置402准备的双柱塞泵(AL12-33)与第一电池内热介质流路321和第二电池内热介质流路322之间连接。另外，将电池外热介质流路401的一部分浸渍到作为第一热交换部500准备的油浴中，由此，构建使第一热介质即水进行循环的第一热介质流路，得到碱性燃料电池系统。为了进行温度控制以使第一热介质的温度达到期望的温度，油浴中设置了温度计和加热器。
(3)碱性燃料电池系统的热交换效率和发电特性评价
将碱性燃料电池系统在室温环境下放置，使用第一热介质循环装置402使利用第一热交换部500调节为40℃的第一热介质流路内的水(第一热介质)进行循环，使该水在第一电池内热介质流路321和第二电池内热介质流路322中循环流通，结果，第一热介质循环装置402开始工作5分钟后，碱性燃料电池300内的温度达到40℃。
然后，将加湿后的H2气体(相对湿度95%)以200mL/分钟的流量供给到碱性燃料电池300的燃料接受部307，并且将未加湿的空气(相对湿度50%)以500mL/分钟的流量供给到氧化剂接受部306，将第一隔板305与第二隔板304进行电连接，以600mA/cm2的提取电流值进行发电。使用恒电位仪/恒电流仪(ECO CHEMI公司制造的AUTOLABPGSTAT30/FRA2和AUTOLAB BSTR10A)测定发电开始20分钟后的电池电压和电池电阻，结果分别为0.55Ｖ、150mΩcm2。
另外，使用碱性水溶液作为第一热介质，进行与上述同样的试验。将碱性燃料电池系统在室温环境下放置，使用第一热介质循环装置402使利用第一热交换部500调节为40℃的第一热介质流路内的1摩尔/升KOH水溶液(第一热介质)进行循环，使该碱性水溶液在第一电池内热介质流路321和第二电池内热介质流路322中循环流通，结果，第一热介质循环装置402开始工作5分钟后，碱性燃料电池300内的温度达到40℃。
然后，将加湿的H2气体(相对湿度95%)以200mL/分钟的流量供给到碱性燃料电池300的燃料接受部307，并且将未加湿的空气(相对湿度50%)以500mL/分钟的流量供给到氧化剂接受部306，将第一隔板305与第二隔板304进行电连接，以600mA/cm2的提取电流值进行发电，结果，发电开始10分钟后显示出0.57V的电池电压。此时的电池电阻为150mΩcm2。
＜比较例5＞
(1)碱性燃料电池系统的制作
使用具备形成在第一隔板内部的流路作为第一电池内热介质流路321来代替第一凹部309的第一隔板、以及具备形成在第二隔板内部的流路作为第二电池内热介质流路322来代替第二凹部308的第二隔板，除此以外，与实施例5同样地操作，制作碱性燃料电池。其中，省略第一壁313和第二壁312的设置。然后，使用该碱性燃料电池，与实施例5同样地操作，制作碱性燃料电池系统。
第一隔板的第一电池内热介质流路和第二隔板的第二电池内热介质流路均通过将表面上形成有热介质流路的构件与平板的构件以扩散接合的方式贴合而形成在隔板的厚度方向上的大致中央部，流路的宽度和深度与实施例5中使用的隔板所具有的第一凹部309、第二凹部308相同。另外，流路形状也与第一凹部309、第二凹部308相同，俯视观察隔板时，具有图11所示的形状。
(2)碱性燃料电池系统的热交换效率和发电特性评价
将碱性燃料电池系统在室温环境下放置，使用第一热介质循环装置402使利用第一热交换部500调节为40℃的第一热介质流路内的水(第一热介质)进行循环，使该水在第一电池内热介质流路321和第二电池内热介质流路322中循环流通，结果，第一热介质循环装置402开始工作7分钟后，碱性燃料电池内的温度达到40℃。
然后，将加湿后的H2气体(相对湿度95%)以200mL/分钟的流量供给到碱性燃料电池的燃料接受部307，并且将未加湿的空气(相对湿度50%)以500mL/分钟的流量供给到氧化剂接受部306，将第一隔板与第二隔板进行电连接，以600mA/cm2的提取电流值进行发电。测定发电开始20分钟后的电池电压和电池电阻，结果分别为0.52V、170mΩcm2。

Claims (23)

1.一种碱性燃料电池，其具备：
膜电极复合体，包含阴离子传导性电解质膜、层叠在所述阴离子传导性电解质膜的第一表面上的阳极和层叠在与所述阴离子传导性电解质膜的所述第一表面相对的第二表面上的阴极；
第一隔板，至少具备用于接受燃料的燃料接受部且层叠在所述阳极上；
第二隔板，至少具备用于接受氧化剂的氧化剂接受部且层叠在所述阴极上；以及
碱性水溶液供给部，用于使碱性水溶液仅与所述膜电极复合体中所述阴离子传导性电解质膜接触。
2.如权利要求1所述的碱性燃料电池，其中，所述碱性水溶液供给部包含用于使碱性水溶液仅与所述膜电极复合体中所述阴离子传导性电解质膜的所述第一表面接触的第一碱性水溶液供给部、和用于使碱性水溶液仅与所述膜电极复合体中所述阴离子传导性电解质膜的所述第二表面接触的第二碱性水溶液供给部中的至少任意一者。
3.如权利要求2所述的碱性燃料电池，其中，所述第一碱性水溶液供给部由下述结构构成：
第一凹部，设置在所述第一隔板的所述阴离子传导性电解质膜侧表面；以及
第一空间，是介于所述第一凹部与所述阴离子传导性电解质膜之间的空间，其由设置在该空间周围且从所述第一隔板的所述阴离子传导性电解质膜侧表面延伸至所述阴离子传导性电解质膜的所述第一表面的第一壁夹持。
4.如权利要求2所述的碱性燃料电池，其中，所述第二碱性水溶液供给部由下述结构构成：
第二凹部，设置在所述第二隔板的所述阴离子传导性电解质膜侧表面；以及
第二空间，是介于所述第二凹部与所述阴离子传导性电解质膜之间的空间，其由设置在该空间周围且从所述第二隔板的所述阴离子传导性电解质膜侧表面延伸至所述阴离子传导性电解质膜的所述第二表面的第二壁夹持。
5.如权利要求3所述的碱性燃料电池，其中，
所述燃料接受部包含设置在所述第一隔板的所述阴离子传导性电解质膜侧表面的第三凹部，
所述第一凹部为在所述第三凹部周围的至少一部分设置并且独立于所述第三凹部的凹部。
6.如权利要求4所述的碱性燃料电池，其中，
所述氧化剂接受部包含设置在所述第二隔板的所述阴离子传导性电解质膜侧表面的第四凹部，
所述第二凹部为在所述第四凹部周围的至少一部分设置并且独立于所述第四凹部的凹部。
7.如权利要求1所述的碱性燃料电池，其中，所述第一隔板和所述第二隔板具有集流功能。
8.一种碱性燃料电池，其具备：
膜电极复合体，包含阴离子传导性电解质膜、层叠在所述阴离子传导性电解质膜的第一表面上的阳极和层叠在与所述阴离子传导性电解质膜的所述第一表面相对的第二表面上的阴极；
第一隔板，至少具备用于接受燃料的燃料接受部且层叠在所述阳极上；
第二隔板，至少具备用于接受氧化剂的氧化剂接受部且层叠在所述阴极上；以及
液态水供给流路，用于向所述阴离子传导性电解质膜供给液态水，
其中，所述液态水供给流路包含仅与所述膜电极复合体中所述阴离子传导性电解质膜接触的空间，所述空间是介于所述第一隔板或所述第二隔板与所述阴离子传导性电解质膜之间的空间，其由设置在该空间周围且从所述第一隔板或所述第二隔板的所述阴离子传导性电解质膜侧表面延伸至所述阴离子传导性电解质膜的表面的弹性壁夹持。
9.如权利要求8所述的碱性燃料电池，其中，所述液态水供给流路包含下述液态水供给流路中的至少任意一者：
第一液态水供给流路，包含仅与所述膜电极复合体中所述阴离子传导性电解质膜的所述第一表面接触的第一空间，所述第一空间是介于所述第一隔板与所述阴离子传导性电解质膜之间的空间，其由设置在该空间周围且从所述第一隔板的所述阴离子传导性电解质膜侧表面延伸至所述阴离子传导性电解质膜的所述第一表面的第一弹性壁夹持；以及
第二液态水供给流路，包含仅与所述膜电极复合体中所述阴离子传导性电解质膜的所述第二表面接触的第二空间，所述第二空间是介于所述第二隔板与所述阴离子传导性电解质膜之间的空间，其由设置在该空间周围且从所述第二隔板的所述阴离子传导性电解质膜侧表面延伸至所述阴离子传导性电解质膜的所述第二表面的第二弹性壁夹持。
10.如权利要求9所述的碱性燃料电池，其中，
所述第一液态水供给流路由设置在所述第一隔板的所述阴离子传导性电解质膜侧表面的第一凹部和介于所述第一凹部与所述阴离子传导性电解质膜之间的所述第一空间构成，
所述第二液态水供给流路由设置在所述第二隔板的所述阴离子传导性电解质膜侧表面的第二凹部和介于所述第二凹部与所述阴离子传导性电解质膜之间的所述第二空间构成。
11.如权利要求10所述的碱性燃料电池，其中，
所述燃料接受部包含设置在所述第一隔板的所述阴离子传导性电解质膜侧表面的第三凹部，
所述第一凹部为在所述第三凹部周围的至少一部分设置并且独立于所述第三凹部的凹部。
12.如权利要求10所述的碱性燃料电池，其中，
所述氧化剂接受部包含设置在所述第二隔板的所述阴离子传导性电解质膜侧表面的第四凹部，
所述第二凹部为在所述第四凹部周围的至少一部分设置并且独立于所述第四凹部的凹部。
13.如权利要求8所述的碱性燃料电池，其中，所述第一隔板和所述第二隔板具有集流功能。
14.一种碱性燃料电池系统，其包含：
碱性燃料电池，具备包含阴离子传导性电解质膜、层叠在所述阴离子传导性电解质膜的第一表面上的阳极和层叠在与所述阴离子传导性电解质膜的所述第一表面相对的第二表面上的阴极的膜电极复合体、至少具备用于接受燃料的燃料接受部且层叠在所述阳极上的第一隔板、至少具备用于接受氧化剂的氧化剂接受部且层叠在所述阴极上的第二隔板、以及用于使第一热介质仅与所述膜电极复合体中所述阴离子传导性电解质膜接触的电池内热介质流路；
第一热介质循环部，具备与所述电池内热介质流路连接的电池外热介质流路，所述第一热介质循环部用于使所述第一热介质在由所述电池内热介质流路和所述电池外热介质流路构成的第一热介质流路内循环；以及
第一热交换部，用于与所述电池外热介质流路内的第一热介质之间进行热交换。
15.如权利要求14所述的碱性燃料电池系统，其中，所述电池内热介质流路包含下述电池内热介质流路中的至少任意一者：
第一电池内热介质流路，用于使所述第一热介质仅与所述膜电极复合体中所述阴离子传导性电解质膜的所述第一表面接触；以及
第二电池内热介质流路，用于使所述第一热介质仅与所述膜电极复合体中所述阴离子传导性电解质膜的所述第二表面接触。
16.如权利要求15所述的碱性燃料电池系统，其中，
所述第一电池内热介质流路由下述结构构成：
第一凹部，设置在所述第一隔板的所述阴离子传导性电解质膜侧表面；以及
第一空间，是介于所述第一凹部与所述阴离子传导性电解质膜之间的空间，其由设置在该空间周围且从所述第一隔板的所述阴离子传导性电解质膜侧表面延伸至所述阴离子传导性电解质膜的所述第一表面的第一壁夹持，
所述第二电池内热介质流路由下述结构构成：
第二凹部，设置在所述第二隔板的所述阴离子传导性电解质膜侧表面；以及
第二空间，是介于所述第二凹部与所述阴离子传导性电解质膜之间的空间，其由设置在该空间周围且从所述第二隔板的所述阴离子传导性电解质膜侧表面延伸至所述阴离子传导性电解质膜的所述第二表面的第二壁夹持。
17.如权利要求16所述的碱性燃料电池系统，其中，
所述燃料接受部包含设置在所述第一隔板的所述阴离子传导性电解质膜侧表面的第三凹部，并且所述第一凹部为在所述第三凹部周围的至少一部分设置且独立于所述第三凹部的凹部；
所述氧化剂接受部包含设置在所述第二隔板的所述阴离子传导性电解质膜侧表面的第四凹部，并且所述第二凹部为在所述第四凹部周围的至少一部分设置且独立于所述第四凹部的凹部。
18.如权利要求14所述的碱性燃料电池系统，其还包含：用于检测所述碱性燃料电池内和所述第一热交换部内中至少任意一者的温度的温度检测部。
19.如权利要求18所述的碱性燃料电池系统，其还包含：用于基于所述温度检测部的检测结果控制所述第一热交换部的热交换量的控制部和/或用于基于所述温度检测部的检测结果控制在所述第一热介质流路内循环的所述第一热介质的循环流量的控制部。
20.如权利要求14所述的碱性燃料电池系统，其中，所述第一热交换部包含以能够切换的方式与所述电池外热介质流路连接的、用于加热所述第一热介质的加热用热交换部和用于冷却所述第一热介质的冷却用热交换部。
21.如权利要求14所述的碱性燃料电池系统，其还包含：
第二热介质循环部，具备用于使第二热介质在所述第一热交换部中循环的第二热介质流路；以及
第二热交换部，用于与所述第二热介质流路内的第二热介质之间进行热交换。
22.如权利要求14所述的碱性燃料电池系统，其中，所述第一热介质为液体。
23.如权利要求22所述的碱性燃料电池系统，其中，所述第一热介质为水或水溶液。
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