JP2005196987A

JP2005196987A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2005196987A
Application number: JP2003435385A
Authority: JP
Inventors: Shuho Ri; 洲鵬李; Kunihito Arai; 邦仁荒井; Hinko Ryu; 賓虹劉; Seijiro Suda; 精二郎須田
Original assignee: Tama TLO Co Ltd
Current assignee: Tama TLO Co Ltd
Priority date: 2003-12-26
Filing date: 2003-12-26
Publication date: 2005-07-21

Abstract

【課題】金属水素錯化合物例えば水素化ホウ素ナトリウムのアルカリ水溶液を燃料とする燃料電池において、電気的特性を向上させること。
【解決手段】電解質膜と燃料極との間にニッケルネット（網状構造体）からなる流路部を設け、この流路部から燃料を燃料極に供給することで、例えばナトリウムイオンが燃料極を通らずに電解質膜を介して酸化剤極側に移動するので、ナトリウムイオンの移動抵抗が小さくなり、このため電流を増加させたときに電圧の落ち込みが少ない。また燃料極の厚さ方向に多数の透孔を形成し、例えば前記ニッケルネットに接する燃料極の一面側に滞留したＨ2ガスの気泡を、当該透孔を介して排出することで燃料極の活性領域を広くする。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばテトラヒドロホウ酸塩などの金属水素錯化合物のアルカリ水溶液からなる燃料液が供給される燃料電池に関する。

燃料電池は、負極及び正極に夫々燃料及び酸化剤を連続的に供給し、そのときに起こる化学反応により得られるエネルギーを電気的エネルギーに変換する装置であり、環境にやさしいクリーンな動力源として注目を集めている。例えばメタノールを改質して水素リッチなガスを取り出し、この水素リッチなガスを燃料として用いる燃料電池は従来から良く知られているが、最近において水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ4）などの水素化ホウ素錯化合物の液体燃料を用いた燃料電池（ボロハイドライド燃料電池）が検討されている。例えば水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ4）はアルカリ水溶液中において安定しており、ＢＨ4⁻をＢＯ2⁻に変換するときの電気化学的電位がより卑になることから理論電圧が高く、また水素を発生させる改質器が不要であるなどの利点がある。この種の燃料電池は特許文献１及び特許文献２に記載されている。

例えば特許文献１には、図１３に示すボロハイドライド燃料電池が知られている。この燃料電池は、樹脂などの絶縁性のケース体１１内を高分子電解質膜からなる透過膜１２により２つの領域に区画し、一方の領域には酸化剤極１３が透過膜１２の一面側に接触して設けられ、また他方の領域には燃料極１４が透過膜１２の他面側に接触して設けられている。酸化剤極１３及び燃料極１４は、例えばニッケルネットなどの粒状焼結体或いは発泡体などの多孔質体を基材とし、その表面に白金、パラジウムなどの貴金属をメッキしたものなどが用いられる。更に酸化剤極１３とケース体１１の一方の側面との間には酸化剤例えば空気を通流させる第１の流路部１５が形成され、また燃料極１４とケース体１１の他方の側面との間には燃料を通流させる第２の流路部１６が形成されている。

このような燃料電池においては、第１の流路部１５に例えば加湿された空気を通流させると共に第２の流路部１６に水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ4）のアルカリ水溶液である燃料を通流させると、燃料極１４では８電子反応である（１）式の反応が主として起こる。

ＮａＢＨ4＋８ＮａＯＨ→ＮａＢＯ2＋６Ｈ2Ｏ＋８Ｎａ^＋＋８ｅ⁻……（１）
燃料極１４で生成したナトリウムイオン（Ｎａ^＋）は、透過膜１２を透過して酸化剤極１３に移動し、電子は外部に接続された図示しない回路を通して酸化剤極１３に受け渡される。そして、酸化剤極１３では、下記の（２）式に示すように外部に接続された回路を通して電子が受け渡され、外部から酸化剤として供給された酸素（Ｏ2）及び水（Ｈ2Ｏ）と、透過膜１２から移動してきたナトリウムイオンとが触媒作用により反応して水酸化ナトリウムを生成する。また透過膜１２から移動してきた水素イオンが酸素と反応して水を生成する反応も起こっている。

２Ｏ2＋４Ｈ2Ｏ＋８Ｎａ^＋＋８ｅ⁻→８ＮａＯＨ……（２）
また最近の知見では、燃料極１４における透過膜１２側において下記に示す（３）式及び（４）式の反応が活発に起こっていることが分かった。

ＢＨ4⁻＋８ＯＨ⁻→ＢＯ2⁻＋６Ｈ2Ｏ＋８ｅ⁻……（３）
ＢＨ4⁻＋４ＯＨ⁻→ＢＯ2⁻＋２Ｈ2Ｏ＋２Ｈ2＋４ｅ⁻……（４）
特表２０００−５０２８３２（図１）特開２００２−５０３７５（図２）

ボロハイドライド燃料電池は実務レベルとして技術が確立されているとは言い難く、電気的特性及び使用寿命などにおいて改善すべきところが多い。例えば出力電流を増加させたときに出力電圧は安定していることが理想であるが、この燃料電池において燃料電池から外部に電流を流すためには、第２の流路部１６に供給された水素化ホウ素ナトリウムのナトリウムイオンが燃料極１４を通って透過膜１２に達し、更にこの透過膜１２を通って酸化剤極１３に到達することが必要であるが、多孔質体である燃料極１４がナトリウムイオンの透過に対して抵抗になっているため、燃料電池から取り出される電流を大きくしていくと出力電圧が低下するという問題がある。

またそこで本発明者は、燃料極１４と透過膜１２との間に燃料が流れる流路部例えばニッケルネットなどの液流拡散体を設けた構成を検討しているが、燃料極１４での電極反応が進むにつれて燃料極１４の透過膜１２側ので生成された上記（４）式に示した４電子反応のＨ2ガスの生成により気泡が発生し燃料極１４の電極表面を覆ってしまうとういう問題がある。即ち、燃料電池を燃料スタックとして構成した場合、各単位セルに燃料を供給する必要があることから、それに見合う流量で燃料を供給する必要があり、このため燃料極１４において通流抵抗の大きいニッケルネットとは反対側に燃料を通流させることが得策であるが、そうすると燃料極１４と透過膜１２との間のニッケルネット中を流れる燃料の流速が小さいことから、燃料極１４におけるニッケルネット側の面にて発生したＨ2ガスの気泡が、当該面に張り付いてしまう。この結果燃料極１４の活性領域が小さくなり、前記流路部から供給された燃料との接触が阻害され、そのため出力電圧が低下するという問題がある。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、金属水素錯化合物のアルカリ水溶液を用いる燃料電池において、電気的特性を向上することができる燃料電池を提供することである。

本発明は、透過膜を燃料極と酸化剤極との間に介在させ、燃料として金属水素錯化合物のアルカリ水溶液を用い、酸化剤として酸素含有ガスを用いる燃料電池において、前記燃料極と透過膜との間に燃料を通流させるための流路部と、前記燃料極における透過膜の反対側に設けられ、燃料を通流するための通流部と、前記燃料極の厚さ方向に多数形成された透孔と、を備えたことを特徴とする。なお燃料は、流路部と通流部とに分流されることになる。前記流路部は例えば網状構造体などからなる液流拡散体により構成することが好ましい。また金属水素錯化合物としては水素化ホウ素錯化合物を挙げることができる。

また本発明の燃料電池は、透過膜を燃料極と酸化剤極との間に介在させてなる単位セルをセパレータを介して複数積層させて構成した燃料電池（燃料電池スタック）に適用することができる。その場合には、前記セパレータに設けられた燃料の供給口と、前記セパレータと燃料極との間に形成された通流部と、前記燃料極と透過膜との間に設けられた燃料の流路部と、前記燃料極の厚さ方向に多数形成された透孔と、を備え、燃料の供給口から供給された燃料が前記流路部及び流路に分流するように構成することができ、例えば燃料の流路部は、燃料の供給口に燃料極を介さずに連通している構成とすることができる。なおセパレータと燃料極との間に形成された通流部とは、例えば前記セパレータに形成された溝からなるものである。具体的には、燃料極の一面側及び他面側は夫々セパレータ及び燃料の流路部をなす液流拡散体に接触し、液流拡散体の一縁は燃料極の一縁よりも外側にはみ出し、燃料の供給口から供給された燃料が、燃料極よりも外側にはみ出している液流拡散体の部分とセパレータとの間の隙間を通って液流拡散体内に流れ込むように構成することができる。

本発明の燃料電池によれば、透過膜と燃料極との間に燃料の流路部を設けているので、燃料中のアルカリ金属イオンが燃料極を通らずに流路部から電解質膜に到達し、ここを通って酸化剤極側に移動するようになり、このためアルカリ金属イオンの移動抵抗が小さい。また燃料極の電極反応は、透過膜側の面で活発に起こっていると考えられることから、透過膜と燃料極との間に燃料を通流させることにより、電極反応が促進される。そして燃料極に多数の透孔が形成されているので、透過膜側の燃料極で生成されたＨ2ガスによって生じる気泡が、この透孔を通って通流部から燃料と共に排出されるので、燃料と接触する燃料極の活性領域の阻害の程度が小さくなる。このようなことから本発明は、電流を増加させても出力電圧の落ち込みの程度が小さく、良好な電気的特性が得られる。

本発明に係る燃料電池の一実施の形態について図１及び図２を参照しながら説明する。図１において、２は角型のケース体であり、このケース体２内には透過膜３により酸化剤極（正極）室４と燃料極（負極）室５とに区画されている。酸化剤極室４には、板状の酸化剤極４１がその一面側を透過膜３に接するように設けられると共に、酸化剤極４１の他面側とケース体２との間には、酸化剤の通流部４２をなす空間が形成されている。この通流部４２には、酸化剤供給路４３及び排出路４４が接続されており、酸化剤供給路４３には、上流側から酸化剤供給源４５、供給ポンプ４６、加湿手段４７及び加熱手段４８がこの順に設けられている。

燃料極室５には、燃料の流路部をなす液流拡散体、例えば板状に形成された網状構造体であるニッケルネット５１が透過膜３と対向するように配置され、ニッケルネット５１の一面側と透過膜３との間には、前記ニッケルネット５１が透過膜３を傷付けないようにするために多孔質マット例えばカーボンペーパからなる保護層５２が介在している。またニッケルネット５１の他面側には、その一面側が接触するように板状の燃料極５３が設けられている。この燃料極５３には、電極反応により生成するＨ2ガスの気泡を排出するための多数の透孔５４が燃料極５３におけるニッケルネット５１側の面から、その反対側の面に貫通して形成されている。この透孔５４において互いに隣接する孔と孔との中心間距離は、例えば５ｍｍである。

更に燃料極５３の他面側とケース体２との間には、燃料の通流部５５をなす空間が形成されている。ケース体２におけるニッケルネット５１の上端側に対応する部位及び通流部５５の一端側の部位には、燃料供給口が夫々形成されており、ここに供給ポンプ５６が介設された燃料供給路５７が接続されている。またケース体２におけるニッケルネット５１の下端側に対応する部位及び通流部５５の他端側の部位には、燃料排出口が形成されており、ここには排出路５８が接続されている。そしてこの例では燃料供給路５７の上流側と排出路５８の下流側との間には燃料供給源である燃料貯層５９が介在しており、燃料供給路５７及び排出路５８により燃料の循環路が構成されている。

以上の燃料電池において、ケース体２を構成する材料としては、絶縁材が有利であり、例えば絶縁性セラミック、樹脂及び金属酸化物などが用いられる。透過膜３としては例えば陽イオン透過性膜などからなる高分子電解質膜を用いることができ、陽イオン透過性膜としては商品名「ナフィオン」（デュポン株式会社製）を用いることができるが、陰イオン透過性膜或いは陽イオン、陰イオンの両方を透過する双極性透過膜などを用いることができる。この実施の形態では、沸騰している水酸化ナトリウム水溶液に前記「ナフィオン」を浸漬して煮沸処理したものを使用している。「ナフィオン」はフッ素樹脂を骨格としてこのフッ素樹脂中の炭素ＳＯ3⁻イオンが結合しており、このイオンに水素イオン（Ｈ^＋）が吸着している状態である。そこで水酸化ナトリウムにより煮沸処理すると水素イオン（Ｈ^＋）がナトリウムイオン（Ｎａ^＋）により置き換わる。即ち市販の上記の透過膜は交換基がスルホン酸型（ＳＯ3Ｈ）であるが、水酸化ナトリウム水溶液により処理することでナトリウム型（ＳＯ3Ｎａ）に変わったことになる。

酸化剤極４１と燃料極５１としては、白金を分散した炭素又は鉄、ニッケル、クロム、銅、白金、パラジウムなどの金属或いはそれら金属の合金が用いられ、発電効率や耐久性がよく、低コストという点でニッケル又はニッケル・クロム合金の多孔体、例えば粒状焼結体や発泡体を基材とし、その表面に白金、パラジウムなどの貴金属からなる触媒をメッキして触媒層を形成したものなどが用いられる。この実施の形態では例えば両面に触媒層が形成された燃料極を用いる。

燃料極５３としては、上記の電極材料を用いてもよいが、特に好ましいのは水素吸蔵合金又はその水素化物である。この水素吸蔵合金又はその水素化物は、水素を可逆的に吸収、放出し得るものであれば特に制限はなく、例えばＭｇ2Ｎｉ合金、Ｍｇ2ＮｉとＭｇとの共晶合金のようなＭｇ2Ｎｉ系合金のＡ2Ｂ型合金、ＺｒＮｉ2系合金、ＴｉＮｉ２系合金などのラベス相系ＡＢ2型合金、ＴｉＦｅ系合金のようなＡＢ型合金、ＬａＮｉ5系合金のようなＡＢ5型合金、ＴｉＶ2系合金のようなＢＣＣ型合金の中から任意に選ぶことができる。

この中で好ましいのは、ＬａＮｉ4.7Ａｌ0.3合金、ＭｍＮｉ0.35Ｍｎ0.4Ａｌ0.3Ｃｏ0.75合金（但しＭｍはミッシュメタル）、ＭｍＮｉ3.75Ｃｏ0.75Ｍｎ0.20Ａｌ0.30合金（但しＭｍはミッシュメタル）、Ｔｉ0.5Ｚｒ0.5Ｍｎ0.8Ｃｒ0.8Ｎｉ0.4、Ｔｉ0.5Ｚｒ0.5Ｍｎ0.5Ｃｒ0.5Ｎｉ、Ｔｉ0.5Ｚｒ0.5Ｖ0.75Ｎｉ1.25、Ｔｉ0.5Ｚｒ0.5Ｖ0.5Ｎｉ1.5、Ｔｉ0.1Ｚｒ0.9Ｖ0.2Ｍｎ0.6Ｃｏ0.1Ｎｉ1.1、ＭｍＮｉ3.87Ｃｏ0.78Ｍｎ0.10Ａｌ0.38（但しＭｍはミッシュメタル）などである。

これらの水素吸蔵合金又はその水素化物は、表面をフッ素化処理することにより、その性能を著しく高めることができる。即ち、このようなフッ化処理を行うことにより、接触する負極液に対する耐腐食性が付与され、且つ長時間に亘って高い発電容量を維持しうる。このフッ化処理は、例えば水素吸蔵合金又はその水素化物をフッ化剤含有水溶液中に浸漬し、その表面をフッ素化することによって行われる。

酸化剤極４１に供給される酸化剤としては、酸素ガス又は空気であってもよいが、既述の（２）式の反応が進行するためには図１に示すように、これら酸化剤ガス中に例えば加湿器４７により水分を含ませることが好ましい。また酸化剤はガスに限られず、活性酸素発生剤水溶液、例えば過酸化水素などの過酸化物の水溶液であってもよい。

燃料極室５側の流路部はニッケルネット５１などの網状構造体に限られないが、燃料が流路部を通流するときに燃料極５３に接触する燃料ができるだけ拡散して入れ替わることができるように燃料を攪拌するものが好ましく、このため単なる空間とするよりも燃料が衝突しながら流れる構造のものという点で拡散層ともいうべき網状構造体が好ましい。この流路部としては他に多孔質シート、発泡シートなどを挙げることができる。

燃料としては、金属水素錯化合物のアルカリ水溶液が用いられ、金属水素錯化合物としては例えば水素化ホウ素ナトリウム、水素化ホウ素カリウム（ＫＢＨ4）、又は水素化ホウ素リチウム（ＬｉＢＨ4）などの水素化ホウ素錯化合物を挙げることができるが、その他に水素化アルミニウムリチウム（ＬｉＡｌＨ4）、水素化ホウ素亜鉛（Ｚｎ（ＢＨ4）2）などを挙げることができる。アルカリ水溶液としては、例えば水酸化ナトリウムや水酸化カリウムなどのアルカリ金属水酸化物を用いることができる。アルカリ水溶液の濃度は、あまり高濃度にすると金属水素錯化合物が溶解しにくくなるので、例えば３０重量％の範囲で選択することが好ましく、例えば２０重量％に調整される。金属水素錯化合物は、目的とする発電容量及びアルカリ水溶液に対する溶解性を考慮して例えば０．１〜５０重量％の濃度で用いるのが好ましい。

次にこの実施の形態の作用について図１及び図２を参照しながら説明する。酸化剤供給源４５からの酸化剤例えば空気を供給ポンプ４６により酸化剤極室４の通流部４２に供給する。ここで酸化剤を通流部４２に供給する前に加湿器４７により例えば絶対温度で３０〜７０％程度に加湿し、更に加熱器４８で必要な温度、例えば４０〜９０℃に加熱する。通流部４２を通流した空気は排出路４４から排出される。

一方燃料貯槽５９から例えば水素化ホウ素ナトリウムを水酸化ナトリウムに溶解させてなる燃料を供給ポンプ５４により燃料極室５のニッケルネット５１及び通流部５５に供給する。この例では、ニッケルネット５１及び通流部５５から排出された燃料は燃料貯層５９に戻され、循環される。ニッケルネット５１に供給された燃料はニッケルネット５１より拡散されながら通流し、多孔質体である燃料極５３内に浸透していき、このとき従来技術の項目でも述べたように（５）式（既述の（１）に相当する）で示される８電子反応が主として起こり、また（６）式で示される４電子反応も起こっていると考えられる。

ＮａＢＨ4＋８ＮａＯＨ→ＮａＢＯ2＋６Ｈ2Ｏ＋８Ｎａ^＋＋８ｅ⁻……（５）
ＮａＢＨ4＋４ＮａＯＨ→ＮａＢＯ2＋２Ｈ2Ｏ＋２Ｈ2＋４Ｎａ^＋＋４ｅ⁻……（６）
また通流部５５に供給された燃料は、通流部５５側に面した燃料極５５と接触し、同様に上記（５）式及び（６）式の反応が起こる。

このようにして燃料極５３から電子が、外部に接続された回路に取り出されると共に、燃料中のナトリウムイオンが透過膜３を通って酸化剤極室４側に移動し、既述の（２）式に示したようにナトリウムイオンと酸素及び水分とから水酸化ナトリウムが生成される。またニッケルネット５１に接する燃料極５３の一面側において電極反応が活発に起こることから、既述の（４）に示したようにＨ2ガスが発生する。発生したＨ2ガスの気泡は、主として燃料極５３の当該一面側に付着する。ここで燃料極５３には厚さ方向に貫通する透孔５４が多数形成されていることから、この透孔５４を流れる液流が形成され、例えば通流部５５を流れる燃料の流速がニッケルネット５１内を流れる燃料の流速よりも早い場合には、負圧によりニッケルネット５１内の燃料は燃料極５３に形成された透孔５４に吸い込まれて通流部５５へと流れ、前記気泡はこの液流により燃料と共に排出される。

このように上述の実施の形態によれば、透過膜３と燃料極５３との間に燃料極の流路部であるニッケルネット５１を介在させているので次のような効果がある。燃料極室５側に供給された燃料は、ニッケルネット５１により拡散されるのでそのときに攪拌作用が働いて燃料極５３に接触、浸透しながら下流側に移動する。このときニッケルネット５１を流れている燃料であるＮａＢＨ4が燃料極５３の表面の触媒層に接触して電極反応が起こり、その結果電荷担体であるナトリウムイオンがフリーな状態になり、透過膜３を通って酸化剤極４１側に移動しようとする。更に燃料中にはＮａＯＨが含まれているので、多量の解離したナトリウムイオンが含まれており、このナトリウムイオンも電荷担体として酸化剤極４１に移動しようとする。

ここで図１３に示した従来構造のように透過膜と流路部との間に燃料極が介在する場合には、ナトリウムイオンが燃料極内を通過することになるが、この実施の形態では流路部（ニッケルネット５１）と透過膜３との間に燃料極が介在しないので、ナトリウムイオンがスムーズに透過膜３に到達し、これを通って酸化剤極４１に移動する。従ってナトリウムイオンが燃料極室５から酸化剤極室４側に移動するときの抵抗が小さいので、電流の増加に伴って起こる出力電圧の低下を抑えることができる。

また下記に示す（７）式及び（８）式の反応は、燃料極５３における透過膜３側にて活発に起こっている（先の（３）式及び（４）式と同じである）。

ＢＨ4⁻＋８ＯＨ⁻→ＢＯ2⁻＋６Ｈ2Ｏ＋８ｅ⁻……（７）
ＢＨ4⁻＋４ＯＨ⁻→ＢＯ2⁻＋２Ｈ2Ｏ＋２Ｈ2＋４ｅ⁻……（８）
このため燃料極５３と透過膜３の間にニッケルネット５１を介して燃料を供給することにより、（７）式及び（８）式の反応が促進される。このような構成にすることで燃料電池の出力（電力）が大きくなる。

また上記（８）式により燃料極５３にて、Ｈ2ガスが生成され、気泡が発生するが、この気泡は燃料極５３に形成された透孔５４を通って通流部５５から燃料と共に排出されるので、燃料極５３におけるニッケルネット５１側の面にて、当該面にＨ2ガスの気泡が張り付かないので、燃料極５３に透孔５４を形成しない場合よりも、燃料と接触する燃料極の活性領域が広くなる。

次に上述の実施の形態をより具現化した例について図３〜図９を参照しながら説明する。この例は図１に示す単位セルを積層して燃料電池スタックとして構成したものである。但し、この明細書では燃料電池スタックを燃料電池と呼ぶことにする。以下の説明において、図１に相当する部分について便宜上同じ符号を付しておく。図３中の６Ａ、６Ｂは、例えば導電性材料からなるセパレータ（バイポーラプレート）であり、これらセパレータ６Ａ、６Ｂの間には透過膜３が配置される。透過膜３と一方のセパレータ６Ａとの間には既述の保護層５２（図示せず）、ニッケルネット５１及び燃料極５３が配置されると共に透過膜３と他方のセパレータ６Ｂとの間には酸化剤極４１が配置され、図４に示すように燃料極５３、ニッケルネット５１、保護層５２、透過膜３、酸化剤極４１及び後述のガスケット７Ａ、７Ｂを含む単位セル６０がセパレータ６Ａ及び６Ｂに介して複数個積層され、この積層体がエンドプレート１００及び１０１の間に固定される。前記燃料極５３には、電極反応により生成するＨ2ガスの気泡を排出するための多数の透孔５４が燃料極５３におけるニッケルネット５１側の面から、その反対側の面に貫通して形成されている。燃料極５３、ニッケルネット５１、保護層５２及び酸化剤極４１は例えば接着剤などで互いに固定され、膜・電極接合体（ＭＥＡ：Membrance Electrode Assembly）を構成している。

各セパレータ６Ａ、６Ｂの表面（図３中の手前側の面）及び裏面（奥側の面）には、各々屈曲路をなす溝が形成されている。各セパレータ６Ａ、６Ｂの表面側の溝は酸化剤の流路６１であり、裏面側の溝は燃料の流路６２である。前記流路６１は先の実施の形態の通流部４２に相当し、前記流路６２は先の実施の形態の通流部５５に相当する。なお図３において左端には、セパレータ６Ａの裏面側を見せている。７Ａ、７Ｂはガスケットであり、これらガスケット７Ａ、７Ｂには各々窓７１が形成されている。一方のガスケット７Ａの窓７１には、酸化剤極４１が密に嵌合される。

セパレータ６Ａにおける酸化剤の流路６１の左上端には排出口６３が形成されており、透過膜３及びガスケット７Ａ、７Ｂには、この排出口６３に対応する部位に夫々孔３１、７２、７２が穿設されている。従って前記流路６１の右下端の供給端６１ａに供給された酸化剤は当該流路６１を流れて排出口６３から排出され、孔７２、３１、７２を通ってセパレータ６Ｂの流路６１の供給端６１ａに到達する。

図５は、セパレータ６Ａにおける燃料極５３及びニッケルネット５１の取り付け状態を示す図であり、図６はセパレータ６Ａの裏面側を示す図である。セパレータ６Ａの流路６２は、この例では図６における流路６２の左上端部には、燃料の供給口６４が穿設されており、ここから供給された燃料が流路６２及びニッケルネット５１を通って流路６２の右下端部の排出端６５に向かうことになる。流路６２が形成される領域はほぼ四角形であるが、入口側及び出口側はその四角形領域から符号６２ｂ、６２ｃで示すように左右に少しはみ出しており、ニッケルネットの一面は、このはみ出した部分を除く四角形と同じ大きさに作られている。

セパレータ６Ａとニッケルネット５１との間には、その両面が夫々セパレータ６Ａ及びニッケルネット５１に接触した状態で燃料極５３が介在している。この燃料極５３の幅（図５中左右方向の長さ）はニッケルネット５１と同じ寸法であるが、上下方向の長さはニッケルネット５１よりも短く、燃料極５３の上端及び下端は、ニッケルネット５１の上端及び下端よりも夫々流路６２の幅のおよそ半分の長さ（２個の溝６２ａの幅分）だけ内側に寄っている。従って図８からも分かるように、燃料極５３の上下からはみ出したニッケルネット５１の部分及びガスケット７Ａで囲まれる空間（連通路）６６、６７が形成され、上側の燃料の供給口６４は空間６６を通じてニッケルネット５１に連通し、またニッケルネット５１の下部側（排出側）は空間６７を通じて燃料の排出端６５に連通している。

透過膜３及びガスケット７Ａ、７Ｂには、前記排出端６５に対応する位置に夫々孔（図５ではガスケット７Ａの孔７３が示されている）が穿設されており、この排出端６５から排出された燃料は、各孔を通ってセパレータ６Ｂの流路６２における図３では隠れて見えない燃料供給口に到達する。従ってこの例では、ガスケット７Ａの孔７３が燃料の排出口に相当する。

続いてこの実施の形態の作用について述べると、セパレータの供給口６４に送られた燃料は、セパレータ６Ａに形成された溝からなる屈曲した流路６２に流れると共に、連通路６６を介して、ニッケルネット５１の図中上端部における燃料極５３からはみ出した部位から流入して、図７の矢印１０２に示すように当該ニッケルネット５１を流れ、下端側の連通路６７を介して排出端６５に到達する。この燃料は共に排出端６５から図３に示すように透過膜３の孔３２及びガスケット７Ｂの排出口７３を介してセパレータ６Ｂの一面側に形成された燃料の流路６２の供給端に到達する。また既述のようにセパレータ６Ｂの流路６１の入口側に供給された酸化剤、例えば加湿された空気はセパレータ６Ｂの流路６１を流れる。またセパレータ６Ａ側の流路６２を流れる燃料の流速の方がニッケルネット５１を流れる流速よりも大きいことからニッケルネット５１側の燃料が負圧により燃料極５３の透孔５４に吸い込まれ、当該流路６２へと流れ、このためニッケルネット５１に接する燃料極５３の一面側に生成されたＨ2ガスの気泡は、流路６２に供給された燃料と共に前記排出端６５に排出される。

このような実施の形態によれば、先の実施の形態の効果の記載にて詳述したように、安定した出力電圧を得ることができる。

また図１及び図８では、便宜上透孔５４を大きく記載してあるが、実際には透孔５４は、例えば図９に示すように、燃料極５３の表面に縦横に並べて設けられており、後述の実施例に示すように燃料極５３に形成される透孔５４の数を増やすことによって当該燃料電池の出力（電力）が大きくなる。

またこの例ではセパレータ６Ａに形成された流路６２とニッケルネット５１とに燃料が流れることになるが、ニッケルネット５１及び流路６２に流れる燃料の割合の設定は、通流抵抗と出力特性とを考慮して設定することになる。

なお当該燃料電池において、透過膜３側の燃料極５３で生成される生成物は、燃料極５３に供給する燃料の種類によって決まるものであり、燃料に含まれる金属の水酸化物である。

次に本発明の効果を確認するために行った実験について述べる。
（実験例１）
Ａ．実施例１
フッ化処理したＺｒ0.9Ｔｉ0.1Ｍｎ0.6Ｖ0.2Ｃｏ0.1Ｎｉ1.1の合金粉末（平均粒径２〜５μｍ）１３．６ｇをフッ素樹脂であるＰＴＦＥ粉末（０．１ｍｍ）１．３６ｇとすり混ぜ、基材であるＮｉ発泡体６８ｃｍ^２（８０×８５ｍｍ）の両面に塗布して触媒層を形成し、１００メッシュのＮｉ網で包んだ後、ロールプレスの圧着により厚さ０．５ｍｍの板状の燃料極を作成した。この燃料極と、パラジウムメッキした発泡ニッケル板からなる酸化剤極と、陽イオン交換膜（デュポン社製、商品名「ナフィオン」）からなる透過膜と、厚さ０．２ｍｍの板状のニッケルネットからなる燃料通流用の流路部と、を用いて図１に示す構造の燃料電池を作成した。この燃料電池の燃料極にパンチングなどの物理的な方法により透孔を９７個開設させて、この燃料電池の出力電力を調べた。測定条件は次の通りである。燃料極に供給する燃料は、２０重量％の水酸化ナトリウム水溶液に１０重量％の水素化ホウ素ナトリウムを溶解させて、温度を６０に調節し、０．５リットル／分の流量で燃料極に供給した。酸化剤極に供給する酸化剤は、空気を加湿器で６０℃にまで加湿し、５リットル／分の流量で酸化剤極に供給した。このとき当該単位セル内の温度は６０℃に保たれている。
Ｂ．実施例２
本発明の燃料電池において燃料極に透孔を２５個開設させた他は、実施例１と同様の条件でこの燃料電池の出力電力を調べた。
Ｃ．比較例１
本発明の燃料電池において燃料極に透孔を開設させない他は、実施例１と同様の条件でこの燃料電池の出力電力を調べた。
（実験例２）
燃料極に透孔を開設せず、また燃料極と透過膜との間にニッケルネットを介設させない従来の燃料電池を比較例２とし、実施例１及び比較例２の燃料電池において、夫々の燃料電池の出力電圧の経時変化を調べた。電圧の測定方法は、図１０に示すように燃料電池２００に定電流回路２０１を介して負荷抵抗２０２を接続し、負荷抵抗２０２に流れる電流を一定にして燃料電池２００の出力電圧を測定し、燃料電池２００の出力電圧の経時変化を求めた。測定条件は次の通りである。負荷抵抗２０２に流れる電流は６Ａであり、放電時間は４時間である。燃料極に供給する燃料は、２０重量％の水酸化ナトリウム水溶液に１０重量％の水素化ホウ素ナトリウムを溶解させて、温度を６０℃に調節し、０．５リットル／分の流量で２００ｇ、燃料極に供給した。酸化剤極に供給する酸化剤は、空気を加湿器で６０℃にまで加湿し、５リットル／分の流量で酸化剤極に供給した。このとき燃料電池の単位セル内の温度は６０℃に保たれている。
（結果及び考察）
図１１は、実施例１及び比較例２の結果を示し、縦軸に電圧（Ｖ）をとり、横軸に測定時間（分）をとった特性図である。図１１から分かるように燃料極に透孔を開設し、且つ燃料極と透過膜との間にニッケルネットを介設させた燃料電池の方が燃料極に透孔を開設せず、また燃料極と透過膜との間にニッケルネットを介設させない従来の燃料電池よりも安定した出力電圧を得ることができるということが理解できる。

図１２は、実施例１（×）、実施例２（○）及び比較例１（▲）の結果を示し、縦軸に電力（Ｗ）をとり、横軸に電流（Ａ）をとった特性図である。図１２から分かるように、燃料極と透過膜との間に燃料が流れる流路を設ける燃料電池を作成する場合、燃料極に透孔を多数開設することによって、出力電力がより一層大きくなることが理解できる。

本発明に係る燃料電池の一実施の形態の概略を示す断面図である。上記の実施の形態の作用を示す説明図である。本発明に係る燃料電池の他の実施の形態を示す分解斜視図である。本発明に係る燃料電池の他の実施の形態を示す斜視図である。図３に示す燃料電池の一部を示す斜視図である。図３に示すセパレータを示す平面図である。図３に示す燃料電池の一部を切り欠いて示すＡ−Ａ斜視図である。本発明に係る燃料電池の他の実施の形態を示す概略断面図である。図３に示す当該燃料電池の燃料極の表面を説明した概観図である。燃料電池の出力電圧及び出力電力を測定するための回路図である。本発明の燃料電池及び従来の燃料電池の電圧測定を示した特性図である。本発明の燃料電池及び従来の燃料電池の電力測定を示した特性図である。従来の燃料電池の概略を示す断面図である。

符号の説明

２ケース体
３透過膜
４酸化剤極室
４１酸化剤極
４２通流部
５燃料極室
５１ニッケルネット
５３燃料極
５４透孔
５５通流部
６１流路
６２流路
６Ａ、６Ｂセパレータ
７Ａ，７Ｂガスケット

Claims

透過膜を燃料極と酸化剤極との間に介在させ、燃料として金属水素錯化合物のアルカリ水溶液を用いる燃料電池において、
前記燃料極と透過膜との間に燃料を通流させるための流路部と、
前記燃料極における透過膜側の反対側に設けられ、燃料を通流するための通流部と、
前記燃料極の厚さ方向に多数形成された透孔と、を備えたことを特徴とする燃料電池。
透過膜を燃料極と酸化剤極との間に介在させてなる単位セルをセパレータを介して複数積層させて構成し、燃料として金属水素錯化合物のアルカリ水溶液を用い、酸化剤として酸素含有ガスを用いる燃料電池において、
前記セパレータに設けられた燃料の供給口と
前記セパレータと燃料極との間に形成された通流部と、
前記燃料極と透過膜との間に設けられた燃料の流路部と、
前記燃料極の厚さ方向に多数形成された透孔と、を備え、
燃料の供給口から供給された燃料が前記流路部及び通流部に分流されるように構成されたことを特徴とする燃料電池。
燃料の供給口と前記燃料の流路部とを連通する連通路が形成されていることを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
流路部は、液流拡散体により構成されたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池。
燃料極の一面側及び他面側は夫々セパレータ及び燃料の流路部をなす液流拡散体に接触し、液流拡散体の一縁は燃料極の一縁よりも外側にはみ出し、燃料の供給口から供給された燃料が、燃料極よりも外側にはみ出している液流拡散体の部分とセパレータとの間の隙間を通って液流拡散体内に流れ込むように構成したことを特徴とする請求項４記載の燃料電池。
液流拡散体は網状構造体であることを特徴とする請求項４又は５記載の燃料電池。
金属水素錯化合物が水素化ホウ素錯化合物であることを特徴とする請求項１ないしは６のいずれかに記載の燃料電池。