JP2008293845A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料として水素原子を含む純水素以外の燃料が供給される燃料電池において、燃料の有効利用率を向上させて、燃料電池の発電性能の向上を図る。
【解決手段】水素原子を含む純水素以外の燃料が供給される燃料電池であって、電解質と、電解質を挟んで配置された一対の電極であるアノード極とカソード極とを備える燃料電池において、アノード極に光を照射する光照射手段を設ける。また、アノード極は、この光照射手段から照射される光を受けて、燃料を分解して水素を抽出する触媒作用を発揮する光触媒粒子を含むものとする。
【選択図】図２

Description

この発明は燃料電池に関する。更に、具体的には、燃料として水素原子を含む純水素以外の燃料が供給される燃料電池に関するものである。

例えば、特開２００２−２７０２０９号公報には、固体高分子型の燃料電池であって、燃料として水素以外の燃料が供給される場合に有効なアノード極側の構成が開示されている。具体的に、この燃料電池のアノード極の表面には、生化学的触媒を含む層が形成されている。生化学的触媒層は、燃料を分解して水素を生成する触媒作用を有している。

例えば、この燃料電池に燃料としてメタノールが供給された場合、生化学的触媒層を通過することでメタノールが分解され、水素が発生する。この水素がその内側（電解質膜側）のアノード極に供給されて、プロトンと電子とが生成される。上記従来技術によれば、燃料としてメタノール等のアルコールを用いる場合にも、アノード極には純水素が供給されるため、アノード極が燃料中のＣＯによる被毒を抑えることができるとしている。

特開２００２−２７０２０９号公報 特開２００２−８７０６号公報 特表２００６−２３６７７６号公報

上記従来技術のように、純水素に替えて、アルコールのように水素原子を含む純水素以外の燃料が供給される燃料電池がある。このように純水素以外の燃料が用いられる場合、その燃料中から、燃料電池の電気化学反応に用いられる水素原子を取り出す必要がある。従って、このような燃料電池の発電性能向上のためには、燃料を効率的に分解して水素を抽出することが重要であり、そのためには、燃料を効果的に分解して燃料の有効利用率を向上させることが有効であると考えられる。この点、上記従来の技術は、生化学触媒層において純水素を生成し、この純水素がその内側のアノード極に供給される構造とすることで、アノード極の被毒を抑えるものである。しかし、この従来技術の燃料電池は、燃料の有効利用率向上を考慮したものではない。以上より、燃料の有効利用率を向上させて燃料電池の発電性能を向上させるべく、純水素以外の燃料から効率的に水素を生成することができる電極の開発が期待される。

この発明は、上記の課題を解決することを目的として、水素原子を含む純水素以外の燃料が供給される燃料電池において、燃料の有効利用率を向上させて発電性能を向上できるように改良した燃料電池を提供するものである。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料として水素原子を含む純水素以外の燃料が供給される燃料電池であって、
電解質と、
前記電解質を挟んで配置された一対の電極であるアノード極とカソード極と、
前記アノード極に光を照射する光照射手段と、を備え、
前記アノード極は、前記光照射手段から照射される光を受けて、前記燃料を分解して水素を抽出する触媒作用を発揮する光触媒粒子を含むことを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、
前記アノード極に相対する部分が、前記光照射手段からの光を透過する透明部材で形成され、前記アノード極に燃料を供給する燃料経路を、更に備え、
前記光照射手段は、前記燃料経路の外側の、前記透明部材で形成された部分に、前記アノード極に相対して配置されていること特徴とする。

第３の発明は、第１の発明において、前記燃料電池は、
前記電解質と前記一対の電極とからなる複数の膜−電極接合体と、
前記複数の膜−電極接合体のそれぞれの両側に配置された複数のセパレータと、を備え、
前記光照射手段は、前記複数のセパレータのそれぞれの、前記アノード極に相対する面に配置されていることを特徴とする。

第４の発明は、第３の発明において、前記セパレータは、前記アノード極に相対する面に、前記アノード極に供給される燃料を流通させる流路を有し、
前記光照射手段は、前記流路内に配置されていることを特徴とする。

第５の発明は、第３の発明において、前記セパレータと、前記アノード極との間に配置され、前記アノード極に供給されるガスを通過させる多孔体を更に備え、
前記光照射手段は、前記多孔体と前記セパレータとの間に配置されていることを特徴とする。

第６の発明は、第３から第５のいずれかの発明において、前記光照射手段は、光半導体であることを特徴とする。

第７の発明は、第１から６のいずれかの発明において、前記光触媒粒子は、ＴｉＯ_２又はＴａ_３Ｎ_５であることを特徴とする。

第８の発明は、第１から７のいずれかの発明において、前記電解質は、陰イオンを選択的に透過させることを特徴とする。

第９の発明は、第８の発明において、前記アノード極は、前記燃料から抽出された水素と、前記電解質を移動した水酸化物イオンとを反応させる触媒作用を有する触媒粒子を、更に含むことを特徴とする。

第１０の発明は、第９の発明において、前記アノード極は、前記触媒粒子と、前記光触媒粒子とを、共に担持する担持体を含むことを特徴とする。

第１の発明によれば、燃料電池のアノード極は、光照射手段から照射される光を受けて、前記燃料から水素を生成する触媒作用を発する光触媒粒子を含んでいる。これにより燃料電池の運転中にアノード極に光を照射することで、燃料を効率的に分解して水素を抽出することができる。従って、燃料の有効利用率を向上させると共に、燃料電池の発電性能を向上させることができる。

第２の発明によれば、アノード極に燃料を供給する燃料流路の、アノード極に相対する部分が光照射手段からの光を透過する透明部材で形成されている。また、光照射手段は、この透明部材で形成された部分に、アノード極に相対して配置されている。この構造により、確実にアノード極の光触媒粒子に光を照射することができ、光触媒の燃料を分解して水素を抽出する触媒作用を活性化させることができる。

第３〜第５の発明によれば、燃料電池は、複数の膜−電極接合体それぞれの両側に配置された複数のセパレータを備えている。また、セパレータのアノード極に相対する面には、光照射手段がそれぞれ配置されている。従って、膜−電極接合体が複数積層されたスタック構造を有する燃料電池においても、各アノード極に含まれる光触媒粒子に確実に光を照射することができ、各アノード極で光触媒粒子の触媒作用を効果的に活性化させることができる。従って、スタック構造を有する燃料電池においても、燃料の有効利用率及び発電性能を向上させることができる。

第６の発明によれば、光照射手段として光半導体が用いられる。これにより、各セパレータに確実に光照射手段を配置することができ、光触媒粒子の触媒作用を活性化することができる。

第７の発明によれば、光触媒粒子としてＴｉＯ_２又はＴａ_３Ｎ_５が用いられる。これらの光触媒粒子は光が照射されることで強い酸化作用を発する。従って、確実に燃料を分解して水素を取り出すことができ、燃料の有効利用率及び発電性能を向上させることができる。

第８の発明によれば、電解質膜は陰イオンを選択的に透過させるものである。即ち、アルカリ型の燃料電池において、アノード極に光触媒粒子を用いることで、アルカリ型燃料電池の燃料の有効利用率及び発電性能を向上させることができる。

第９の発明によれば、アノード極は、電解質を移動した水酸化物イオンと水素を反応させる触媒作用を有する触媒粒子を含む。従って、光触媒粒子において燃料が分解されることで抽出された水素を、更に、触媒粒子において水酸化物イオンと反応させることができる。従って、燃料の有効利用率をより向上させ、燃料電池の発電性能をより高めることができる。

第１０の発明によれば、アノード極は、触媒粒子と光触媒粒子とを、共に担持する担持体を含む。このように同一担体内に触媒粒子と光触媒粒子とが担持されることで、両粒子をより近接した状態とすることができる。従って、光触媒粒子によって抽出された水素を近接する触媒粒子に直ちに移動させて水の生成反応に導くことができる。これにより燃料電池の発電性能を更に向上させることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態の燃料電池の構成について説明するための模式図である。図１に示す燃料電池はアルカリ型燃料電池である。燃料電池はアニオン交換膜１０（電解質）を有している。アニオン交換膜１０の両側にはカソード極２０及びアノード極３０が配置されている。カソード極２０及びアノード極３０の両外側には集電板４０が配置されている。

カソード極２０側の集電板４０には酸素経路５０が接続されている。酸素経路５０及び集電板４０を介してカソード極２０に大気が供給され、カソード極２０から酸素経路５０側に、未反応の酸素を含む大気オフガスが排出される。一方、アノード極３０側の集電板４０には燃料経路５２が接続され、燃料経路５２には燃料供給源（図示せず）が接続されている。燃料供給源から、燃料経路５２及び集電板４０を介してアノード極３０に燃料が供給され、アノード極３０から燃料経路５２側に未反応の燃料等が排出される。

アノード極３０に相対する部分において、燃料経路５２の外壁部は透明窓６２で形成されている。透明窓６２の燃料経路５２と反対側であって、かつ、アノード極３０に相対する位置に、発光灯６４（光照射手段）が配置されている。発光灯６４は、紫外線又は可視光線を発する。透明窓６２は、この発光灯６４が発する光を透過する窓である。透明窓６２は、例えば、ガラス、ポリメチルペンテン、ポリカーボネイド等の透明樹脂（透明部材）により形成される。

燃料電池の発電の際にはアノード極３０には燃料として、例えばエタノール等のＣ−Ｃ結合（炭素結合）を有し、かつ水素を含む燃料が供給される。アノード極３０に燃料が供給されると、アノード極３０の触媒作用により燃料中の水素原子と、アニオン交換膜１０を通過した水酸化物イオンとが反応して水が生成されると共に、電子が放出される。アノード極３０での反応は、純水素を燃料とする場合には、次式（１）のようになり、エタノールを燃料とする場合には次式（２）のようになる。
Ｈ_２＋２ＯＨ⁻ → ２Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ ・・・（１）
ＣＨ_３ＣＨ_２ＯＨ＋１２ＯＨ⁻ → ２ＣＯ_２＋９Ｈ_２Ｏ＋１２ｅ⁻ ・・・（２）

一方、カソード極２０には大気（又は酸素）が供給される。カソード極２０に大気が供給されると、大気中の酸素分子はカソード極２０の触媒作用により、いくつかの段階を経て、電極から電子を受け取って水酸化物イオンが生成される。水酸化物イオンはアニオン交換膜１０を通過してアノード極３０側に移動する。カソード極２０での反応は、次式（３）のようになる。
１/２Ｏ_２＋Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ → ２ＯＨ⁻ ・・・・（３）

以上のようなアノード極３０側とカソード極２０側における反応をまとめると、燃料電池全体では次式（４）のように水の生成反応が起き、このときの電子が両極側の集電板４０を介して移動し、これにより電流が流れて発電することになる。
Ｈ_２＋１/２Ｏ_２ → Ｈ_２Ｏ ・・・・（４）

上記のようなアルカリ型の燃料電池において、アニオン交換膜１０は、カソード極２０の電極触媒で生成される水酸化物イオン（ＯＨ⁻）をアノード極３０に移動させることができる媒体であれば特に限定されない。具体的にアニオン交換膜１０としては、例えば、１〜３級アミノ基、４級アンモニウム基、ピリジル基、イミダゾール基、４級ビリジウム基、４級イミダゾリウム基などのアニオン交換基を有する固体高分子膜（アニオン交換樹脂）があげられる。また、固体高分子の膜としては、例えば、炭化水素系及びフッ素系樹脂などがあげられる。これらの膜は、燃料として炭素を有する燃料が供給される場合にも、ＣＯによる被毒が少ないため特に有効である。

カソード極２０の構成は、上記（３）式のように供給された大気から水酸化物イオンを生成する反応を触媒するものであれば、特に限定されるものではない。カソード極２０の触媒の構成材料としては、例えば、鉄（Ｆｅ）、白金（Ｐｔ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）を含んで形成されたもの、あるいは、これらの金属のいずれか１以上をカーボン等の担体に担持させたもの、あるいは、これらの金属原子を中心金属とする有機金属錯体、あるいは、このような有機金属錯体と担体に担持させたもの等があげられる。また、触媒の表面には多孔質等で構成された拡散層を配置することもできる。

一方、アノード極３０は、供給されたエタノール等の燃料中の水素と、水酸化物イオンと反応させて水を生成する反応に対して触媒作用を有する必要がある。従って、アノード極３０は、（１）又は（２）式の反応に対して高い触媒活性を有する触媒を含むものとする。

ところで、実施の形態１では、燃料としてエタノールが供給される。従って、燃料の有効利用率を向上させるためには、エタノールのＣ−Ｃ結合を切断して、エタノールから多くの水素を抽出することが有効であると考えられる。このため、実施の形態１の燃料電池において、アノード極３０は、上記の（１）又は（２）式の反応に対する高い触媒活性を有する触媒と共に、エタノールのＣ−Ｃ結合を切断する触媒作用を有する触媒をも含むものとする。以下、具体的にアノード極３０の構成について説明する。

図２は、図１の点線（Ａ）で囲む部分を拡大して表した模式図である。図２に示すように、アノード極３０はカーボン等からなる担体３２に上記の触媒作用を有する粒子を担持させた触媒電極用の担持体（以下「触媒担持体」とする）からなる。アノード極３０は、この触媒担持体をアニオン交換膜１０と同じ電解質膜を溶かした電解質溶液に混合し、これをアニオン交換膜１０の表面に塗布することで形成されている。

担体３２には、触媒粒子３４と光触媒粒子３６とが担持されている。光触媒粒子３６としては、酸化チタン（ＴｉＯ_２）を用いる。光触媒粒子３６は、発光灯６４から発せられる紫外光あるいは赤外光を受けて、エタノールのＣ−Ｃ結合を切断する触媒作用を発揮する。より具体的には、光触媒は光のエネルギーを受けて、ホールと電子とを形成して、その酸化力によって燃料を酸化することで燃料のＣ−Ｃ結合切断する。燃料のＣ−Ｃ結合が切断させることで、燃料から多くの水素が抽出されることとなる。

このように燃料が分解されて抽出された水素の一部は、光触媒粒子３６上で、アニオン交換膜１０を透過して光触媒粒子３６上に移動した水酸化物イオンと反応し、水が生成される。またこの水の生成反応に用いられていない残りの水素の一部は、触媒粒子３４上に移動する。

触媒粒子３４は、水素と水酸化物イオンとを反応させて水を生成する反応に対して強い触媒活性を有する粒子である。触媒粒子３４はこのような触媒活性を有するものであれば、特に限定されるものではないが、ここでは、白金（Pt）を用いる。触媒粒子３４では、光触媒粒子３６において抽出され、触媒粒子３４上に移動した水素と、アニオン交換膜１０を透過して触媒粒子３４上に移動した水酸化物イオンとにより水の生成反応が起きる。また、同時に、触媒粒子３４上においてもエタノールから水素が抽出され、この水素と触媒粒子３４上に移動した水酸化物イオンとにより水を生成する反応が起こる。

ここで、触媒粒子３４と光触媒粒子３６とは同一の担体３２に担持されている。このように同一の担体３２に担持させることで、触媒粒子３４及び光触媒粒子３６が、同一触媒担持体あるいは隣接する触媒担持体の間で近接して存在することとなる。このため上記のように、主に光触媒粒子３６の触媒作用により抽出された水素が、隣接する触媒粒子３４に直ちに移動することができ、触媒粒子３４上で水の生成反応を起こすことができる。

以上のように、燃料電池のアノード極３０に通常の触媒粒子３４と光触媒粒子３６とを含ませることで、エタノール中のＣ−Ｃ結合を切断して燃料中の水素を多く抽出することができる。従って、燃料の有効利用率を向上させると共に、燃料電池の発電性能を向上させることができる。特に、実施の形態１では、触媒粒子３４と光触媒粒子３６とが同一の担体３２に担持されているため、アノード極３０における反応をより促進することができ、燃料電池の発電性能を更に向上させることができる。また、触媒粒子３４として白金等の高価な材料を用いる場合には、光触媒粒子３６を添加することで、発電性能を低下させることなく白金等の使用量を低減することができる。従って燃料電池のコストダウンを図ることができる。

図３は、実施の形態１における光触媒粒子３６の添加量[%]の変化させた場合の、電圧0.8V、0.6Vにおける電流密度[mA/cm²]の変化を示す図である。図３では、アノード極３０には燃料として10[%]のエタノール水溶液を供給し、カソード極２０には大気を供給している。また、図３の光触媒粒子３６の添加量[%]は、全粒子（触媒粒子３４及び光触媒粒子３６）に対する光触媒粒子３６の比率を表している。

図３から、光触媒粒子３６の添加量が50[%]である場合、いずれの電圧の場合にも電流密度[mA/cm²]が最も高くなっていることがわかる。また、光触媒粒子３６の添加量を問わず、光触媒粒子３６が添加されていれば、光触媒粒子３６を含まない場合に比較して、燃料電池の電流密度が高くなり、発電性能が向上していることがわかる。

従って、実施の形態１において光触媒粒子３６の添加量は、必ずしも限定されず、通常の触媒粒子３４と共に、光触媒粒子３６が添加されているものであればよい。但し、光触媒粒子３６の添加量を10〜80[%]の範囲とすることが好ましく、更には、20〜50[%]の範囲とすることが望ましい。

なお、実施の形態１では、光触媒粒子３６として、酸化チタン（ＴｉＯ_２）を用いる場合について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではなく、光を受けて酸化作用を発する他の光触媒を用いることもできる。具体的には、例えば酸化チタンに替えて、窒化タンタル（Ｔａ_３Ｎ_５）等を用いることが考えられる。これは、実施の形態２においても同様である。

また、実施の形態１では、１の担体３２に触媒粒子３４と光触媒粒子３６とが担持されている場合について説明した。しかしこの発明はこれに限るものではない。具体的に触媒粒子３４と光触媒粒子３６は別々の担体に担持された別個の担持体として含まれるものであってもよい。この場合にも、例えば、この２種の担持体を電解質溶液に混合させてアニオン交換膜１０に塗布することでアノード極３０を形成することができる。これは、実施の形態２においても同様である。

また、実施の形態１では、触媒粒子３４として、Ptを用いる場合について説明した。しかし、この発明において触媒粒子３４は、これに限るものではなく、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｔ−Ｒｕ等を用いることができる。これは、実施の形態２においても同様である。

また、実施の形態１では、アノード極３０のみ光触媒粒子３６を含む構造とし、アノード極３０とカソード極２０とが異なる場合について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではなく、カソード極２０をアノード極３０と同じ構成のものとしてもよい。また、カソード極２０、アノード極３０の表面にはそれぞれ多孔体等で構成された拡散層を配置することもできる。但し、照射された光が光触媒粒子３６に照射される構成とする必要があり、多孔体を配置する場合は光触媒粒子３６への光の透過が可能な構成とする必要がある。これは、実施の形態２においても同様である。

また、実施の形態１では、燃料としてエタノールを用いる場合について説明した。しかし、この発明において燃料はエタノールに限るものではない。光触媒粒子３６は、光の照射により強い酸化活性を示し、燃料のＣ−Ｃ結合を切断することができるため、エタノールを含むアルコール等のＣ−Ｃ結合を有する燃料に対しては特に有効である。また、Ｃ−Ｃ結合を有する燃料に限るものでもない。光触媒粒子３６は、その触媒作用によって燃料を効率的に分解することができるため、燃料として純水素以外の燃料が供給される他の燃料電池のアノード極として用いる場合も有効である。これは実施の形態２においても同様である。

また、実施の形態１では、燃料電池としてアニオン交換膜１０を用いたアルカリ型燃料電池を用いる場合について説明した。しかし、この発明はこのような燃料電池に限るものではなく、例えばアニオン交換膜１０に替えて、KOH等の陰イオンを通過させる電解質を用いたアルカリ電池等であってもよい。また、実施の形態１のアノード極は、アルカリ型燃料電池に適用するのが効果的であるが、この発明はアルカリ型燃料電池に限るものでもなく、プロトン交換膜を電解質膜とする固体高分子型燃料電池等に用いることもできる。固体高分子型燃料電池に適用する場合にも、アノード極に純水素以外の燃料の有効利用率を向上させることができる。これは、実施の形態２においても同様である。

実施の形態２．
実施の形態２の燃料電池は、アニオン交換膜１０の両側に一対の電極（アノード極３０とカソード極２０）が配置された膜−電極接合体（ＭＥＡ）を、集電板を含むセパレータを介して直列に複数接続したスタック構造を有する点において実施の形態１の燃料電池と異なる構造を有している。

図４は、この発明の実施の形態２の燃料電池に積層されたセルについて説明するための図である。図４のセルは、図１の燃料電池と同様に、アニオン交換膜１０の両側にそれぞれカソード極２０とアノード極３０とが配置されている。アニオン交換膜１０と一対の電極の構成は図１の燃料電池と同じものであり、従って、図４のセルにおいても、アノード極３０は、触媒粒子３４と光触媒粒子３６とを担持した担体３２が電解質溶液１２に混合されてアニオン交換膜１０に塗布されることで構成されている。

このように構成されたＭＥＡのカソード極２０側にはセパレータ７０が配置され、アノード極３０側にはセパレータ７２が配置されている。セパレータ７０には大気を流通させるための酸素流路７４が形成されている。セパレータ７２には、燃料としてのエタノールを流通させるための燃料流路７６（流路）が形成されている。各セパレータ７２の燃料流路７６には、光半導体８０が埋め込まれている。

この発明の実施の形態２の燃料電池は、図４のように構成されたセルが複数積層されることで構成されている。このようにセルが積層されることで、各セパレータの所定の位置に形成された孔部（図示せず）が連結することで、各セルの酸素流路７４又は燃料流路７６に大気やエタノールを供給し、大気のオフガスや、水、二酸化炭素を含む排燃料を排出するためのマニホールドが所定の位置に構成される。このマニホールドが、燃料電池に接続された酸素経路や燃料経路にそれぞれ接続されることで、燃料電池の各セル内にエタノールや大気が供給されることとなる。

図５は、この発明の実施の形態２の燃料電池のアノード極３０側のセパレータ７２の構成について説明するための図である。図５において（ａ）はセパレータ７２のアノード極３０の相対する面を表し、（ｂ）はセパレータ７２の燃料流路が形成された部分の断面を表している。図５に示すように、セパレータ７２には、蛇行した溝状にエタノールが流通するための燃料流路７６が形成されている。燃料流路７６はそれぞれ、上記のようにマニホールドを構成する入口孔、出口孔に接続される。この入口孔からエタノールが供給され、燃料流路７６を流通して、出口孔から水や二酸化炭素、未反応のエタノール等を含む排燃料が排出される。

燃料流路７６の底部には、燃料流路７６の上流から下流側まで全体に渡って光半導体８０が埋め込まれている。つまり、光半導体８０はセパレータ７２の燃料流路７６に沿った形状で蛇行して細長く形成され、燃料流路７６底部に埋め込まれた状態となっている。

図６は、この発明の実施の形態２のセパレータに埋め込まれた光半導体について説明するための断面模式図である。燃料流路７６に埋め込まれた光半導体８０は、発光薄膜透明保護層８１、発光薄膜陽極８２、発光薄膜電子輸送層８３、アントラセン等の発光薄膜発光層８４、発光薄膜ホール輸送層８５、発光薄膜陰極８６が積層されて構成され、その周囲が絶縁支持層８７に囲まれて構成されている。また発光薄膜陽極８２と発光薄膜陰極８６とにはそれぞれ電極端子が接続し、この電極端子は、燃料電池の外部から導線８８を介して直流又は交流電源８９に接続している。電源８９から電流が供給されることで、光半導体８０の発光薄膜発光層８４からアノード極３０側に向けて所定の波長の光が発せられる。

上記のようにアノード極３０に向けて光が照射されると、アノード極３０の光触媒粒子３６がこの光を受けて、高い触媒活性を発揮する。これにより、上記のように燃料中のエタノールのＣ−Ｃ結合が切断されて水素が抽出され、水酸化物イオンとの水の生成反応が促進される。ここで、光半導体８０は、各セルのセパレータ７２の流路に沿って配置されている。従って、光触媒粒子３６の触媒作用を各セルで高めることができる。従って、燃料電池全体に燃料の有効利用を図りつつ、高い発電性能を得ることができる。

なお、実施の形態２では、各セルのセパレータ７２に溝状に蛇行した燃料流路７６が形成されているものについて説明し、光半導体８０をこの燃料流路７６に埋め込んだ場合について説明した。しかし、この発明において、各セパレータ７２の燃料流路７６はこのような形状に限るものではない。

図７及び図８は、この発明の実施の形態２における他のセパレータの流路形状について示すための図である。図７及び図８において（ａ）はセパレータのアノード極３０の相対する面を表し、（ｂ）はセパレータの燃料が流通する部分の断面を表している。例えば、図７のセパレータ１７２の燃料流路１７６は、ブロックパターン状に形成されている。このパターンでは、セパレータ１７２に複数の凸部が形成され、この凸部がアノード極３０に接する。一方、凸部以外の部分（即ち凹部）の一箇所には燃料供給用のマニホールドを構成する入口孔（図示せず）が形成され、他の一箇所は燃料排出用のマニホールドを構成する出口孔（図示せず）が形成されている。これによりセパレータ１７２の凹部全体が燃料流路１７６となり、アノード極３０に燃料が供給される仕組みとなっている。また、図７の場合には、燃料流路１７６となる凹部全体に光半導体１８０が埋め込まれている。これにより、エタノールがアノード極３０の光触媒粒子３６に接する部分全体に渡って光を照射することができる。従って、光触媒粒子３６の光触媒作用を活性化させて効果的にＣ−Ｃ結合を切断できる状態とすることができる。

また、図８のセパレータ２７２は、溝状又は凹部としての流路が形成されず、多孔体２７６が配置されている。図示を省略しているが、セパレータ２７２にはマニホールドを構成する入口孔と出口孔が形成されている。この入口孔から多孔体２７６全体に燃料が供給され、出口孔から排燃料が供給される。この場合には、多孔体２７６全体に接するようにして光半導体２８２が全面に配置される。これにより、燃料が供給され、光触媒粒子３６と接する部分に確実に光を照射して、光触媒粒子３６の触媒活性を向上させることができる。なお、この構成の場合、光半導体２８０から照射される光が、多孔体２７６を透過する必要がある。透明な多孔体としてはＰＬＺＴ等の透明セラミックスで多孔体を形成したものが利用できる。また、光半導体２８０内に直接燃料を流通させる多数の細孔を形成したものとすることもできる。

また、燃料流路の形状は、図７及び図８に限るものでもなく、本発明は他の様々な形状の流路に適用することができる。また、光半導体の配置の構造は、燃料が供給される流路部分に配置するものに限るものでもなく、光触媒粒子３６に所定の光を照射できるものではあれば、他の配置構造とすることもできる。

また、実施の形態２では、燃料流路７６に埋め込む光照射手段として、光半導体８０を用いる場合について説明した。しかし、この発明において光照射手段は、光触媒粒子の光触媒作用を引き出すことができる波長の光を発するものであり、燃料流路７６に配置することができるものであれば、他の構成を有するものであってもよい。また、光半導体８０を用いる場合であっても、光半導体８０の構成は、実施の形態２に説明した構成に限るものではなく、他の構成を有する光半導体や光半導体ダイオード等を用いるものであってもよい。

また、実施の形態２では、アノード極３０のみに光触媒粒子３６を含ませ、アノード極３０に相対するセパレータにのみ、光半導体８０を設置する場合について説明した。しかしこの発明においては、カソード極２０も光触媒粒子を含む構造として、カソード極２０に相対して光半導体８０を設置することもできる。この場合にも光半導体８０はカソード極２０の大気流路に沿った形状とすることが効果的であるが、必ずしもこの構成に限るものではない。

また、実施の形態２では、カソード極２０とアノード極３０とのそれぞれに、別のセパレータを配置して、ＭＥＡをこのセパレータで挟んだセルが複数積層されている場合について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではなく、例えばセパレータの片面側に光半導体が埋め込まれた燃料流路を形成し、他方の面側に大気流路を形成し、ＭＥＡの間に挟まれるセパレータを一体型の構造としたものであってもよい。

なお、上記以外の点についても、以上の実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に限定されるものではない。また、実施の形態において説明する構造は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。

この発明の実施の形態１における燃料電池について説明するための模式図である。 この発明の実施の形態１における燃料電池の電極触媒について説明するための図である。 この発明の実施の形態１の燃料電池の電極触媒粒子の添加量を変化させた場合の電流密度の変化を示す図である。 この発明の実施の形態２における燃料電池について説明するための図である。 この発明の実施の形態２における燃料電池のセパレータについて説明するための図である。 この発明の実施の形態２のセパレータに埋め込まれた光半導体の構成について説明するための図である。 この発明の実施の形態２の他の燃料電池のセパレータについて説明するための図である。 この発明の実施の形態２の他の燃料電池のセパレータについて説明するための図である。

符号の説明

１０ アニオン交換膜
２０ カソード極
３０ アノード極
３２ 担体
３４ 触媒粒子
３６ 光触媒粒子
４０ 集電板
５０ 酸素経路
５２ 燃料経路
６２ 透明窓
６４ 発光灯
７０ セパレータ
７２ セパレータ
７４ 大気流路
７６ 燃料流路
８０ 光半導体
８１ 発光薄膜透明保護層
８２ 発光薄膜陽極
８３ 発光薄膜電子輸送層
８４ 発光薄膜発光層
８５ 発光薄膜ホール輸送層
８６ 発光薄膜陰極
８７ 絶縁支持層
８８ 導線
８９ 直流電源
１７２ セパレータ
１７６ 流路
１８０ 光半導体
２７２ セパレータ
２７６ 多孔体
２８０ 光半導体

Claims (10)

1. 水素原子を含む純水素以外の燃料が供給される燃料電池であって、
   電解質と、
   前記電解質を挟んで配置された一対の電極であるアノード極とカソード極と、
   前記アノード極に光を照射する光照射手段と、を備え、
   前記アノード極は、前記光照射手段から照射される光を受けて、前記燃料を分解して水素を抽出する触媒作用を発揮する光触媒粒子を含むことを特徴とする燃料電池。
2. 前記アノード極に相対する部分が、前記光照射手段からの光を透過する透明部材で形成され、前記アノード極に燃料を供給する燃料経路を、更に備え、
   前記光照射手段は、前記燃料経路の外側の、前記透明部材で形成された部分に、前記アノード極に相対して配置されていること特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記燃料電池は、
   前記電解質と前記一対の電極とからなる複数の膜−電極接合体と、
   前記複数の膜−電極接合体のそれぞれの両側に配置された複数のセパレータと、
   を備え、
   前記光照射手段は、前記複数のセパレータのそれぞれの、前記アノード極に相対する面に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
4. 前記セパレータは、前記アノード極に相対する面に、前記アノード極に供給される燃料を流通させる流路を有し、
   前記光照射手段は、前記流路内に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
5. 前記セパレータと、前記アノード極との間に配置され、前記アノード極に供給されるガスを通過させる多孔体を更に備え、
   前記光照射手段は、前記多孔体と前記セパレータとの間に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
6. 前記光照射手段は、光半導体であることを特徴とする請求項３から５のいずれかに記載の燃料電池。
7. 前記光触媒粒子は、ＴｉＯ_２又はＴａ_３Ｎ_５であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の燃料電池。
8. 前記電解質は、陰イオンを選択的に透過させることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の燃料電池。
9. 前記アノード極は、前記燃料から抽出された水素と、前記電解質を移動した水酸化物イオンとを反応させる触媒作用を有する触媒粒子を、更に含むことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池。
10. 前記アノード極は、前記触媒粒子と、前記光触媒粒子とを、共に担持する担持体を含むことを特徴とする請求項９に記載の燃料電池。

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