JP2010192393A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】出力の低下を防止し、寿命の減少を抑制することが可能な燃料電池を提供する。
【解決手段】電解質膜２０を挟んで互いに対向するアノード電極２８及びカソード電極３８を有する膜電極複合体８と、アノード電極２８の上面に下面を接して配置された疎液性の多孔質膜３０と、多孔質膜３０の上面に接して配置され、アノード電極２８に液体燃料を供給するアノード流路４を有するアノード板４４と、アノード板４４及びカソード板４６との間で多孔質膜３０、アノード電極２８、及びカソード電極３８を内側に囲むように配置されたガスケット４２とを備える。アノード電極２８での液体燃料の反応により生成される生成ガスを回収する空隙２が、少なくとも多孔質膜３０の一部又はアノード電極２８の一部とガスケット４２との間に形成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、直接型燃料電池に関する。

近年、パーソナルコンピューターや携帯電話などの電子機器の小型化は目覚しいものがある。これら電子機器の小型化とともに、電源として燃料電池を使用することが試みられている。燃料電池は、燃料と酸化剤を供給するのみで発電することができるので、燃料のみを交換すれば連続して発電できるという利点を有する。そのため、小型電子機器の電源として極めて有効である。

このような燃料電池として、直接型燃料電池や、燃料改質型燃料電池などが提案されている。直接型燃料電池は、アルコール等の炭化水素燃料をアノードに直接供給することで発電する。一方、燃料改質型燃料電池は、有機燃料を改質器により水素ガスに改質し、その水素ガスを固体高分子型燃料電池のアノードに供給することにより発電する。

アルコール等の液体燃料を直接発電部に供給する直接型燃料電池は、気化器や改質器等の補器が不要である。そのため、携帯機器の小型電源等への利用が期待されている。直接型燃料電池では、アルコール水溶液を発電部に直接供給してプロトン（水素イオン）が取り出され、発電部から水などの排出物が排出される。排出物を発電部の上流側に配置された混合タンク等に循環させて再利用する循環システムが用いられる。

このような直接型燃料電池においては、液体燃料のメタノール（ＣＨ₃ＯＨ）と水（Ｈ₂Ｏ）が液体燃料タンクから液体燃料供給路により膜電極複合体（ＭＥＡ）の電解膜のアノード電極側のアノード板に設けられたアノード流路に供給される。供給されたメタノールと水は、電解膜のアノード電極側に設けられている触媒により反応して二酸化炭素（ＣＯ₂）、水素イオン（Ｈ⁺）及び電子（ｅ^-）を放出する。

電子は、アノード電極とカソード電極とを結ぶ外部回路によりアノード電極からカソード電極に向かい移動する。水素イオンは、電解膜をアノード電極側からカソード電極側へと透過する。透過した水素イオンは、カソード電極側に設けられている触媒により、空気供給通路を介してカソード電極側に供給される空気中の酸素（Ｏ₂）と反応して水となる。

電解膜のカソード電極側に生じた水は、液体排出路によりＭＥＡの外部に排出され、その後に液体燃料タンクに戻される。液体燃料タンクには、液体燃料タンク中の液体燃料よりもメタノール濃度の高い液体燃料を貯蔵した補充用燃料タンクが接続されている。液体燃料タンク中の液体燃料のメタノール濃度が所定の値以下になると、補充用燃料タンクから所定量の高濃度のメタノールを含む液体燃料が液体燃料タンクに補充される。このようにして、液体燃料タンク中の液体燃料のメタノール濃度を所定の値にまで戻す。

このような従来の燃料電池においては、ＭＥＡにおいて電解膜のアノード電極側に生じたＣＯ₂は電解膜のアノード電極側で未反応な液体燃料とともに気液二相流となって液体燃料戻し通路によりＭＥＡの外部に排出される。未反応な液体燃料と、反応生成ガスであるＣＯ₂や未反応な液体燃料から蒸発した有機物（ＶＯＣ）等のガス成分とは、液体燃料戻し通路の外端に接続された気液分離器により相互に分離される。そして、未反応な液体燃料は新たな液体燃料と混ぜ合わされた後に、液体燃料供給路により電解膜のアノード電極側に再度供給される。またＣＯ₂及びＶＯＣ等の気体は有機物除去装置を介して外部空間に放出されている（例えば、特許文献１参照。）。

しかしながら、アノードの出口側の流路に気液分離器を設ける方法では、アノード流路内とアノード出口側の流路に気液二相流が流通するため、アノード流路の圧力損失が大きくなる。また、気液分離器を配置することにより、アノード循環部が大きくなるため、小型化が困難である。

気液分離器を用いずにアノード板で気液分離を行うことが可能な直接型燃料電池が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。提案された直接型燃料電池のアノード板には、液体燃料が供給されるアノード流路から独立した気体排出流路が設けられる。反応生成ガスであるＣＯ₂は、気体排出流路を通してＭＥＡの外部に排出される。

また、アノード板のアノード流路が無い部分に貫通孔を設けて気体排出流路としてもよい。この場合、ＣＯ₂はアノード板の表面から排出される。

しかしながら、アノード板に気体排出流路を設けた燃料電池では、液体燃料を供給するアノード流路の流路面積が減少し、ＭＥＡの出力が低下することが分かっている。アノード流路の流路面積減少によるＭＥＡ出力低下は、特に高負荷での燃料電池の運転時に顕著である。更に、アノード流路面積が減少することによって、燃料電池の寿命が減少することも知られている。このように、アノード板に設けるアノード流路の流路面積の減少により、ＭＥＡの出力が低下し、寿命が減少するといった問題がある。

米国特許第６９２４０５５号明細書 特開２００２−１７５８１７号公報

本発明の目的は、出力の低下を防止し、寿命の減少を抑制することが可能な燃料電池を提供することにある。

本発明の態様によれば、（イ）電解質膜、電解質膜の上に設けられたアノード電極、電解質膜の下に設けられたカソード電極を有する膜電極複合体と、（ロ）アノード電極の上面に下面を接した疎液性の多孔質膜と、（ハ）多孔質膜の上面に接し、アノード電極に液体燃料を供給するアノード流路を有するアノード板と、（ニ）多孔質膜及び膜電極複合体を囲むように、アノード板及びカソード板との間に設けられたガスケットとを備え、（ホ）アノード電極での液体燃料の反応により生成される生成ガスを回収する空隙が、少なくとも多孔質膜の一部又はアノード電極の一部とガスケットとの間、又は、少なくとも多孔質膜の一部又はアノード電極の一部に接した空間としてガスケットの内部に形成される燃料電池が提供される。

本発明によれば、出力の低下を防止し、寿命の減少を抑制することが可能な燃料電池を提供することが可能となる。

本発明の実施の形態に係る燃料電池の一例を示す概略図である。 図１に示した燃料電池のＡ−Ａ断面を示す概略図である。 図１に示した燃料電池のＢ−Ｂ断面を示す概略図である。 図１に示した燃料電池のＣ−Ｃ断面を示す概略図である。 本発明の実施の形態に係る燃料電池の他の例を示す概略図である。 本発明の実施の形態に係る燃料電池のガスケットの他の例を示す概略図である。 本発明の実施の形態に係る燃料電池の他の例を示す断面概略図である。 本発明の実施の形態の第１の変形例に係る燃料電池の一例を示す断面概略図である。 本発明の実施の形態の第２の変形例に係る燃料電池のガスケットの一例を示す概略図である。 本発明の実施の形態の第３の変形例に係る燃料電池の一例を示す概略図である。 図１０に示した燃料電池のＤ−Ｄ断面を示す概略図である。 本発明の実施の形態の第３の変形例に係る燃料電池の他の例を示す断面概略図である。 本発明の実施の形態の第４の変形例に係る燃料電池の一例を示す断面概略図である。

以下図面を参照して、本発明の形態について説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号が付してある。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

また、本明細書において「上」、「下」、「上面」、「下面」等は単なる説明の便宜上の定義であり、定義を変えれば「上」と「下」とが逆でもよく、「上」と「下」とが同一水平面上に並んでもよく、斜め方向の関係でも構わない。

本発明の実施の形態に係る燃料電池は、図１〜図４に示すように、それぞれの外形が矩形のＭＥＡ８、多孔質膜３０、アノード板４４、多孔質膜４０、カソード板４６、及びガスケット４２等を備える。ＭＥＡ８は、電解質膜２０を挟んで互いに対向するアノード電極２８及びカソード電極３８を有する。多孔質膜３０は疎液性を有し、アノード電極２８の上面に下面を接して配置される。アノード板４４は、多孔質膜３０の上面に接して配置される。多孔質膜４０は、カソード電極３８の下面に上面を接して配置される。カソード板４６は、多孔質膜４０の上面に配置される。ガスケット４２は、アノード板４４及びカソード板４６との間で多孔質膜３０、４０、アノード電極２８、及びカソード電極３８を内側に囲むように配置される。なお、アノード板４４とカソード板４６は、ガスケット４２により絶縁される。ここで、「疎液性」とは、液体と親和性が無く反撥する性質である。

多孔質膜３０及びアノード電極２８のアノード流路４下流側に位置する一側面、並びにこの一側面に直交する両側面と、ガスケット４２との間に空隙２が形成される。多孔質膜４０及びカソード電極３８のアノード流路４下流側に位置する一側面、並びにこの一側面に直交する両側面とガスケット４２との間に空隙３が形成される。また、ガスケット４２には、貫通孔１２、１３、１４、１６が設けられる。貫通孔１２は、ガスケット４２に設けられた接続溝６２を介して空隙２に接続される。なお、空隙３のない構造としてもよい。

ＭＥＡ８のアノード電極２８は、電解質膜２０に接して設けられたアノード触媒層２２、アノード触媒層２２上の疎液性の導電層（２４、２６）を備える。導電層（２４、２６）は、アノード触媒層２２上の多孔質層２４、及び多孔質層２４上の多孔質のガス拡散層２６を備える。カソード電極３８は、電解質膜２０に接して設けられたカソード触媒層３２、カソード触媒層３２上の多孔質層３４、及び多孔質層３４上のガス拡散層３６を備える。

アノード板４４には、サーペンタイン形状のアノード流路４、アノード流路４の一端に接続された供給孔６３、及びアノード流路４の他端に接続された排出孔６４が設けられる。供給孔６３は、ガスケット４２の貫通孔１３に接続される。排出孔６４は、ガスケット４２の貫通孔１４に接続される。カソード板４６には、サーペンタイン形状のカソード流路６、カソード流路６の一端に接続された供給孔５６、排出孔５２、及び接続孔５３、５４が設けられる。供給孔５６は、ガスケット４２の貫通孔１６に接続される。排出孔５２は、ガスケット４２の貫通孔１２に接続される。接続孔５３、５４は、それぞれガスケット４２の貫通孔１３、１４に接続される。

サーペンタイン形状のアノード流路４において、アノード板４４を流れる流体の重心を求めて、重心位置から下流を「下流側」と定義する。また、アノード流路４及びカソード流路６として、サーペンタイン形状を用いているが、これには限定されない。例えば、互いに平行な複数の流路を有するパラレル流路であってもよい。パラレル流路の場合は、アノード板を流れる流体の重心を求めて流体の供給口から重心位置までの流体の流れる時間を求める。複数の流路のそれぞれにおいて、求めた時間で供給口から同じ時間で流体が到達する位置を結んだ線から下流を「下流側」と定義する。なお、この考え方はアノード流路の中心がほぼアノード電極の中心と軸を同一にして対称な位置関係にある場合において採用することを許容する。仮にアノード流路とアノード電極がこのような位置関係にない場合、アノード電極とアノード流路が実質的に重なっている範囲、すなわち発電に有効に寄与する範囲において上記の考え方を援用することにより重心を求め、下流側を定義することを許容する。ＣＯ₂は発電により発生するものであるためである。

ＭＥＡ８の電解質膜２０として、テトラフルオロエチレン（ＴＦＥ）とペルフルオロビニルエーテルスルフォン酸とのコポリマー、例えば、ナフィオン（登録商標）等のプロトン導伝性の固体高分子膜が用いられる。アノード触媒層２２は、白金ルテニウム（ＰｔＲｕ）等の触媒粒子を有する触媒層である。カソード触媒層３２は、白金（Ｐｔ）等の触媒粒子を有する触媒層である。多孔質層２４として、平均厚さが約１００μｍ〜約５００μｍで、平均孔径がサブミクロンの細孔を有する疎液処理したカーボン膜等が用いられる。多孔質層３４として、平均厚さが約１００μｍ〜約５００μｍで、平均孔径がサブミクロンの細孔を有するカーボン膜等が用いられる。ガス拡散層２６として、平均厚さが約１００μｍ〜約５００μｍで、平均孔径が約１μｍ〜約１００μｍの細孔を有する疎液性の多孔質のカーボン紙等が用いられる。ガス拡散層３６として、平均厚さが約１００μｍ〜約５００μｍで、平均孔径が約０．１μｍ〜約１０μｍの細孔を有する多孔質のカーボン紙等が用いられる。

多孔質膜３０として、平均孔径が０．１μｍ〜数μｍの細孔を有する疎液処理されたカーボン繊維からなるカーボン紙、疎液処理された焼結金属材料、及び平均孔径が数μｍ以下の疎液処理された導電性多孔体等の疎液性材料が用いられる。多孔質膜３０の平均厚さは、例えば約１００μｍ〜約５００μｍである。アノード板４４及びカソード板４６として、カーボン、及び金属板等の導電材料が用いられる。ガスケット４２として、ポリフェニールサルファイド（ＰＰＳ）及びポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等の絶縁体材料が用いられる。

アノード流路４には、燃料タンク（図示省略）から送液ポンプ（図示省略）等により、接続孔５３、貫通孔１３、及び供給孔６３を介して液体燃料が供給される。液体燃料として、アルコール、炭化水素、エーテル等の水溶液が用いられる。以下においては、液体燃料としてメタノール水溶液を用いて説明する。

多孔質膜３０は疎液性であるため、液体燃料のメタノール水溶液は多孔質膜３０には浸透しない。多孔質膜３０の表面近傍で気化したメタノールガス及び水蒸気が、多孔質膜３０を透過してアノード電極２８に供給される。メタノール水溶液は、アノード流路４から排出孔６４、貫通孔１４、及び接続孔５４を介して循環システム（図示省略）に還流して、燃料タンクに戻される。

多孔質膜３０を透過したメタノールガス及び水蒸気は、ガス拡散層２６及び多孔質層２４を透過し、アノード触媒層２２により、次式のように反応する。

ＣＨ₃ＯＨ ＋ Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂ ＋ ６Ｈ⁺ ＋ ６ｅ^- （１）

発生した水素イオンは、カソード電極３８側へ電解質膜２０を透過する。電子は、アノード板４４とカソード板４６を結ぶ外部回路（図示省略）を通ってカソード電極３８に移動する。供給孔５６を介してカソード流路６に供給された空気中の酸素が、多孔質膜４０を透過してカソード電極３８に供給される。カソード触媒層３２により、水素イオンが酸素と以下のように反応する。

（３／２）Ｏ₂ ＋ ６Ｈ⁺ ＋ ６ｅ^- → ３Ｈ₂Ｏ （２）

反応式（１）に示したアノード反応の生成ガスであるＣＯ₂は、多孔質層２４、ガス拡散層２６、及び多孔質膜３０中に拡散していく。通常、燃料はポンプ（図示省略）等で加圧されているため、アノード流路４は空隙２よりも圧力が高い。そのため、生成したＣＯ₂はアノード流路４の方よりも多孔質膜３０内を空隙２の方へ拡散する。したがって、多孔質膜３０中に拡散したＣＯ₂は、アノード流路４と多孔質膜３０との界面に達した場合でも、多孔質膜３０内を拡散するほうが容易である。このように、大部分のＣＯ₂は、多孔質層２４、ガス拡散層２６、及び多孔質膜３０の側面から空隙２に回収される。回収されたＣＯ₂は、接続溝６２及び貫通孔１２を介して排出孔５２から、例えば排ガス処理フィルタ等を介して、大気中に排出される。

一方、一部のＣＯ₂がアノード流路４内のメタノール水溶液中に混入して気泡を形成する場合もある。形成された気泡は、メタノール水溶液と共に気液二相流となってアノード流路４の下流側へと流れるが、途中で圧力が低い多孔質膜３０内へと押し出される。したがって、メタノール水溶液に混入したＣＯ₂は、多孔質膜３０により気液分離される。分離されたＣＯ₂は、再び多孔質膜３０を通って空隙２に回収される。なお、メタノール水溶液にＣＯ₂が混入した場合においても、アノード流路４は空隙２よりも圧力が高いため、混入したＣＯ₂は多孔質膜３０内を空隙２の方へ拡散する。すなわち、ＣＯ₂はアノード流路４の下流側に達した場合においても多孔質膜３０に戻る。したがって、多孔質膜３０内でのＣＯ₂の拡散による圧力損を低減して回収効率を高めるために、空隙２はアノード流路４の下流側に対応する位置に設けることが望ましい。

反応式（２）で示したカソード反応により生成された水は、多孔質膜４０に吸収される。多孔質膜４０の保湿機能により、カソード触媒層３２が乾燥することを防止することができる。そのため、カソード触媒層３２での反応が均一に生じ効率をあげることができる。多孔質膜４０で余剰となった水は、例えば、供給孔５６から排出される。あるいは、別途排水口を設けて、余剰の水を水タンク等に排出してもよい。また、排水口から、余剰の水をアノード側に戻してもよい。

本発明の実施の形態に係る燃料電池では、アノード電極２８で生成されたＣＯ₂は、多孔質膜３０及びアノード電極２８の側面を介して空隙２に回収される。これにより液体燃料が供給されるアノード流路４から独立した気体排出流路が設けられ、反応生成ガスであるＣＯ2は、気体排出流路を通してＭＥＡ８の外部に排出される、従来の方式と比較して、アノード電極２８に対応するアノード板４４の領域に設けられるアノード流路４の面積を増大させることができる。その結果、ＭＥＡ８の出力の低下を防止し、燃料電池の寿命の減少を抑制することが可能となる。

また、本発明の実施の形態では、多孔質膜３０が気液分離を行うことができるので、アノード流路４を通って排出されるメタノール水溶液の気液分離は不要となる。その結果、燃料電池の小型化が可能となる。更に、アノード流路４にＣＯ₂が混入することによる気泡の発生が抑制されるので、アノード流路４の圧力損失を低減することができる。その結果、小型で低消費電力の送液ポンプを使用することができ、効率化を図ることが可能となる。

なお、本発明の実施の形態では、疎水性の多孔質層２４、ガス拡散層２６、及び多孔質膜３０が、アノード反応による発生ガスの回収のために用いられる。しかし、多孔質層２４を省略してもよい。また、多孔質層２４とガス拡散層２６を除いた１層構造でも良い。

また、多孔質層２４やガス拡散層２６が多孔質膜３０より単位体積あたりに占める細孔体積の割合が小さい場合には、単位面積当たりのＣＯ₂の保持量は、多孔質膜３０より少ない。単位体積あたりのＣＯ₂が存在できる空間が小さいためである。そのため、ＣＯ₂は多孔質層２４やガス拡散層２６より多孔質膜３０を選択的に通過し、多孔質膜３０を通過する場合の圧力損失は、多孔質層２４やガス拡散層２６より小さくてすむ。即ち、単位体積あたりのガスが存在できる空間が小さいため、ガスの移動に伴う抵抗が大きいためである。また、実施の形態に係る燃料電池では、多孔質膜３０を配置することにより、ＭＥＡ８を任意の方向に傾けたとしても、ＣＯ₂と未反応の液体燃料を容易に気液分離することができる。

また、空隙２は、多孔質膜３０及びアノード電極２８の側面とガスケット４２の間に空隙２を設けられている。しかし、図５に示すように、空隙２を多孔質膜３０の側面にだけ設けてもよい。この場合、カソード側には空隙を形成する必要は特にない。

また、空隙２は、多孔質膜３０のアノード流路４上流側の一側面をのぞいた三側面とガスケット４２との間に設けられている。しかし、図６に示すように、空隙２として、アノード流路４の上流側及び下流側の二側面の一部に形成した溝を用いてもよい。上流側及び下流側の空隙２には、それぞれガスケット４２に設けられた貫通孔１２ａ、１２が接続される。この場合、空隙２の占める面積が減少するので、燃料電池を小型にすることができる。なお、上流側の空隙２及び貫通孔１２ａが形成されない構造でもよい。

また、空隙２は、ガスケット４２に設けた接続溝６２を介して貫通孔１２に接続されている。しかし、図７に示すように、アノード板４４に設けた接続溝６２ａにより、空隙２と貫通孔１２を接続してもよい。

また、空隙２には、生成ガスのＣＯ₂だけでなく、多孔質膜３０、ガス拡散層２６、多孔質層２４から漏れた未反応燃料のメタノールガスや水蒸気も混入している。例えば、排出孔５２からカソード流路６の上流に外部配管を用いて接続する。もしくは、燃料電池内のガスケット４２等にもうけた流路によってカソード流路６に接続しても良い。さらには、燃料電池を積層してスタック構造にした場合においては、隣接する燃料電池のカソード流路６に接続しても良い。この構成によって、ＣＯ₂に混入したメタノールガスは、カソード触媒層３２により処理することができる。したがって、排ガス処理フィルタ等が不要となり、燃料電池を小型にすることが可能となる。

（第１の変形例）
本発明の実施の形態の第１の変形例に係る燃料電池は、図８に示すように、ＭＥＡ８、多孔質膜３０、アノード板４４、多孔質膜４０、カソード板４６、及びガスケット４２等を備える。ガスケット４２には、貫通孔１３、１４、１６が設けられる。多孔質膜３０及びアノード電極２８の側面とガスケット４２との間に形成された空隙２は、ＭＥＡ８の電解質膜２０に設けられた接続孔７２を介して、多孔質膜４０及びカソード電極３８の側面とガスケット４２との間に形成された空隙３に接続される。空隙３は、カソード流路６に接続される。

実施の形態の第１の変形例では、空隙２が接続孔７２を介して空隙３に接続され、空隙３がカソード流路６に接続されている点が実施の形態と異なる。他の構成は、実施の形態と同様であるので、重複する記載は省略する。

アノード反応による生成ガスは、多孔質膜３０、ガス拡散層２６、及び多孔質層２４の側面から空隙２に回収される。また、空隙２には、未反応燃料ガスも漏れでてくる。回収された生成ガス及び未反応燃料ガスは、接続孔７２及び空隙３を通ってカソード流路６に導入される。したがって、未反応燃料ガスをカソード反応により処理することができる。その結果、排ガス処理フィルタ等が不要となり、燃料電池を小型にすることが可能となる。

（第２の変形例）
本発明の実施の形態の第２の変形に係る燃料電池は、図９に示すように、上面に空隙２に接続された複数の排出溝７２ａが形成されたガスケット４２を備える。複数の排出溝７２ａのそれぞれは、大気に開放されている。

実施の形態の第２の変形例では、空隙２が接続溝７２ａを介して直接大気に開放されている点が実施の形態と異なる。他の構成は、実施の形態と同様であるので、重複する記載は省略する。

実施の形態の第２の変形例では、アノード反応による生成ガスは、ガスケット４２に設けられた排出溝７２ａから直接大気に放出される。したがって、ガスケット４２に生成ガス排出用の貫通孔を形成する必要が無い。そのため、ガスケット４２の寸法を小さくすることができ、燃料電池を小型にすることが可能となる。

なお、排出溝７２ａは、アノード流路の上流側及び下流側に設けているが、設置位置は限定されない。多孔質膜３０内での生成ガスの拡散による圧力損を低減して回収効率を高めるために、排出溝７２ａはアノード流路の下流側に設けると、多孔質膜３０内での生成ガスの濃度が次第に濃くなる下流側において生成ガスが多孔質膜３０内から空隙２の方へ拡散するために効率が良いため望ましい。排出溝７２ａに排ガス処理機構を設けることにより、未反応燃料ガスを処理することができる。

（第３の変形例）
本発明の実施の形態の第３の変形に係る燃料電池は、図１０及び図１１に示すように、多孔質膜３０の側面に接した空間として溝状の複数の空隙２ａが内部に形成されたガスケット４２を備える。複数の空隙２ａのそれぞれは、大気に開放されている。

実施の形態の第３の変形例では、大気に開放された空隙２ａが多孔質膜３０の側面に接続されている点が実施の形態と異なる。他の構成は、実施の形態と同様であるので、重複する記載は省略する。

実施の形態の第３の変形例では、空隙２ａ以外の位置では、多孔質膜３０、アノード電極２８、カソード電極３８、及び多孔質膜４０と、ガスケット４２の間には空隙は形成されない。したがって、ガスケット４２の寸法を小さくすることができ、燃料電池を小型にすることが可能となる。

なお、空隙２ａは、アノード流路４の上流側及び下流側に対応する位置において多孔質膜３０に接続するように設けているが、空隙の設置は限定されない。図１２に示すように、アノード流路４の下流側において多孔質層２４に接した空間として空隙２ｂをガスケット４２の内部に形成してもよい。多孔質層２４は、アノード反応が生じるアノード触媒層２２に隣接している。したがって、燃料ガスの濃度は低く、生成ガスの濃度は高い。その結果、気液分離の性能を向上させることが可能となる。

（第４の変形例）
本発明の実施の形態の第４の変形に係る燃料電池は、図１３に示すように、下面に溝状の空隙２ｃが形成されたアノード板４４を備える。空隙２ｃは、アノード流路４の下流側に対応する位置で多孔質膜３０の端部に接続される。空隙２ｃは、ガスケット４２に設けられた貫通孔１２に接続される。

実施の形態の第４の変形例では、空隙２ｃがアノード板４４に形成されている点が実施の形態と異なる。他の構成は、実施の形態と同様であるので、重複する記載は省略する。

実施の形態の第４の変形例では、空隙２ｃがアノード板４４に形成され、多孔質膜３０、アノード電極２８、カソード電極３８、及び多孔質膜４０と、ガスケット４２の間には空隙は形成されない。したがって、ガスケット４２の寸法を小さくすることができ、燃料電池を小型にすることが可能となる。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明の実施の形態を記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者にはさまざまな代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

本発明の実施の形態においては、単体の燃料電池を用いて説明したが、複数の燃料電池を直列あるいは並列に接続して燃料電池スタックとしてもよい。例えば、図１に示した燃料電池を直列接続する場合、アノード板４４の供給孔６３、排出孔６４、及び貫通孔１２、１６に対応する位置に貫通孔を設けて、アノード板４４上にスタックされる燃料電池のカソード板４６の接続孔５３、５４、排出孔５２、及び供給孔５６にそれぞれ接続させる。

このように、本発明はここでは記載していないさまざまな実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係わる発明特定事項によってのみ定められるものである。

２…空隙
４…アノード流路
６…カソード流路
８…膜電極複合体
２０…電解質膜
２２…アノード触媒層
２４…多孔質層
２６…ガス拡散層
２８…アノード電極
３０…多孔質膜
３２…カソード触媒層
３４…多孔質層
３６…ガス拡散層
３８…カソード電極
４２…ガスケット
４４…アノード板
４６…カソード板

Claims (7)

1. 電解質膜、前記電解質膜の上に設けられたアノード電極、前記電解質膜の下に設けられたカソード電極を有する膜電極複合体と、
   前記アノード電極の上面に下面を接した疎液性の多孔質膜と、
   前記多孔質膜の上面に接し、前記アノード電極に液体燃料を供給するアノード流路を有するアノード板と、
   前記多孔質膜及び前記膜電極複合体を囲むように、前記アノード板及び前記カソード板との間に設けられたガスケットとを備え、
   前記アノード電極での前記液体燃料の反応により生成される生成ガスを回収する空隙が、少なくとも前記多孔質膜の一部又は前記アノード電極の一部と前記ガスケットとの間、又は、少なくとも前記多孔質膜の一部又は前記アノード電極の一部に接した空間として前記ガスケットの内部に形成されることを特徴とする燃料電池。
2. 前記空隙が、前記液体燃料を排出する前記アノード流路の少なくとも下流側に形成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記空隙が、前記多孔質膜の外周部の側面の一部に形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池。
4. 前記アノード電極が、前記電解質膜上の触媒層、該触媒層上の疎液性多孔質の導電層を含み、前記空隙が、少なくとも前記導電層の側面の一部に形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池。
5. 前記空隙が、前記ガスケットの外側に連通していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池。
6. 前記膜電極複合体の下に設けられたカソード板を更に備え、
   前記カソード板が、前記カソード電極に酸化剤ガスを供給するカソード流路を有し、前記空隙が前記カソード流路に連通することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池。
7. 前記膜電極複合体の下に設けられたカソード板を更に備え、
   前記空隙が、前記アノード板側から前記カソード板側に連通するように前記ガスケットに設けられた貫通孔に接続されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池。

Images