JP2013045697A - アルカリ形燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】熱媒体を用いて、高い熱交換効率でかつ高精度にアルカリ形燃料電池の温度調節ができるシステムを提供する。
【解決手段】アノード極、アニオン伝導性電解質膜およびカソード極からなる膜電極複合体、アノード極上に積層される第１セパレータ、カソード極上に積層される第２セパレータ、ならびに、膜電極複合体のうちアニオン伝導性電解質膜のみに第１熱媒体を接触させるための電池内熱媒体流路１２０を備えるアルカリ形燃料電池１００と、電池内熱媒体流路１２０に接続される電池外熱媒体流路２０１を備え、電池内熱媒体流路１２０および電池外熱媒体流路２０１からなる第１熱媒体流路内に第１熱媒体を循環させるための第１熱媒体循環部２００と、電池外熱媒体流路２０１内の第１熱媒体との間で熱交換を行なうための第１熱交換部３００とを含むアルカリ形燃料電池システムである。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱媒体を用いてアルカリ形燃料電池の温度調節を行なうアルカリ形燃料電池システムに関する。

燃料電池は、小型軽量化や高出力密度を実現できる可能性を有していることから、携帯用電子機器用の新規電源や家庭用コジェネレーションシステムなどへの用途展開が精力的に進められている。燃料電池は、発電主要部として、電解質膜をアノード極およびカソード極で挟持した構成の膜電極複合体（ＭＥＡ）を備えており、電解質膜の種類によって、固体高分子形燃料電池（直接形燃料電池を含む）、リン酸形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池、固体酸化物形燃料電池、アルカリ形燃料電池などに分類される。

アルカリ形燃料電池は、電解質膜としてアニオン伝導性電解質膜（アニオン交換膜）を用いた、電荷キャリアが水酸化物イオン（ＯＨ^-）である燃料電池である。アルカリ形燃料電池においては、アノード極とカソード極とを電気的に接続すると、次のような電気化学反応によりアノード極とカソード極との間に電流が流れ、電気エネルギーを得ることができる。すなわち、カソード極に酸化剤（たとえば酸素または空気など）および水を供給すると、下記式（１）：
カソード極：１／２Ｏ₂＋Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^‐ → ２ＯＨ^- （１）
で表される触媒反応によりＯＨ^-が生成される。このＯＨ^-は、水分子との水和状態で電解質膜を介してアノード極側に伝達される。一方、アノード極では、供給された燃料（還元剤）、たとえばＨ₂ガスとカソード極から伝達されたＯＨ^-とが、下記式（２）：
アノード極：Ｈ₂＋２ＯＨ^- → ２Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^‐ （２）
で表される触媒反応を起こし、水および電子を生成する。

アルカリ形燃料電池を含む燃料電池は通常、上記触媒反応（電気化学反応）の効率向上と電解質膜などの燃料電池構成部材の熱劣化防止を考慮して、発電時、適切な温度範囲に調節される。温度調節法の従来例の１つは、燃料電池にヒーターを敷設することである。しかしながら、ヒーターによる温度調節では冷却ができないために、燃料電池から大電流を取り出す場合など、特に燃料電池の発熱量が大きくなる場合、燃料電池の高温化が避けられないという問題がある。

一方、非特許文献１には、燃料電池を冷却する方法として、セパレータの内部に設けられた流路に冷却水を流通させることが記載されている（第４６頁の図３．２２）。なお、ここでいう「セパレータの内部に設けられる」とは、流路が膜電極複合体に対して開いておらず、膜電極複合体から分離した状態でセパレータ内に流路が設けられることを意味する。

西川尚男著，「燃料電池の技術 固体高分子形の課題と対策」，東京電機大学出版局，２０１０，ｐ４５−４６

上記非特許文献１に記載されるような、燃料電池が有するセパレータの内部に熱媒体流路を設け、そこに熱媒体を流して温度調節を行なう方法では、常にセパレータを介して熱伝導が起こるため、熱交換効率が低く（したがって、燃料電池が所望の温度に達するのに要する時間が長く）、また温度調節の精度に劣るという問題がある。また、セパレータの内部に熱媒体流路を形成する場合、構造が複雑となり、製造コストの増大および製造工程の煩雑化を招くという問題もある。

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、その目的は、熱媒体を用いてアルカリ形燃料電池の温度調節を行なうアルカリ形燃料電池システムであって、良好な発電特性を維持しながらも、高い熱交換効率で、かつ高精度に温度調節ができるアルカリ形燃料電池システムを提供することにある。

本発明者らの見解によれば、熱媒体を用いた従来の温度調節において、熱媒体流路をセパレータ内部に設けることによって、流通する熱媒体が膜電極複合体に接触しないようにすることの理由は次のとおりである。

（ａ）膜電極複合体の電極に熱媒体が直接的に供給されると、フラッディングに代表されるような電極細孔の閉塞が生じ、燃料電池の発電効率や出力安定性が低下する、
（ｂ）膜電極複合体に熱媒体が直接接触すると、熱媒体中の微量不純物（金属カチオンなど）により膜電極複合体が劣化する。

本発明者らは、上記（ａ）および（ｂ）を考慮しつつ、アルカリ形燃料電池において上述の課題を解決するためには、熱媒体を電極に接触させることなく、アニオン伝導性電解質膜（アニオン交換膜）のみに接触させればよいとの着想に至った。これによれば、上記（ａ）および（ｂ）のような問題を招来することなく、発電を担う中心部材であるアニオン伝導性電解質膜を直接、熱媒体により温度調節できるため、熱交換効率および温度調節の精度の向上が期待されるためである。なお、上記（ｂ）に関し、アニオン伝導性電解質膜（アニオン交換膜）を用いたアルカリ形燃料電池においては、アニオン伝導性電解質膜に熱媒体を接触させても、その電解質膜の性質上、不純物としての金属カチオンは電解質膜中に侵入しないため、金属カチオンによる劣化は生じない。本発明は上記着想に基づき、効果の検証も含め、さらに検討を重ねて完成されたものである。

すなわち本発明は、アニオン伝導性電解質膜、該アニオン伝導性電解質膜の第１表面に積層されるアノード極、および、該アニオン伝導性電解質膜の第１表面に対向する第２表面に積層されるカソード極からなる膜電極複合体、燃料を受け入れるための燃料受容部を少なくとも備える、アノード極上に積層される第１セパレータ、酸化剤を受け入れるための酸化剤受容部を少なくとも備える、カソード極上に積層される第２セパレータ、ならびに、膜電極複合体のうちアニオン伝導性電解質膜のみに第１熱媒体を接触させるための電池内熱媒体流路を備えるアルカリ形燃料電池と、電池内熱媒体流路に接続される電池外熱媒体流路を備え、電池内熱媒体流路および電池外熱媒体流路からなる第１熱媒体流路内に第１熱媒体を循環させるための第１熱媒体循環部と、電池外熱媒体流路内の第１熱媒体との間で熱交換を行なうための第１熱交換部とを含むアルカリ形燃料電池システムを提供する。

電池内熱媒体流路は、膜電極複合体のうちアニオン伝導性電解質膜の第１表面のみに第１熱媒体を接触させるための第１電池内熱媒体流路、および、膜電極複合体のうちアニオン伝導性電解質膜の第２表面のみに第１熱媒体を接触させるための第２電池内熱媒体流路の少なくともいずれか１つを含むことが好ましい。

第１電池内熱媒体流路は、第１セパレータにおけるアニオン伝導性電解質膜側表面に設けられる第１凹部、および、該第１凹部とアニオン伝導性電解質膜との間に介在する空間であって、該空間の周縁に設けられ、第１セパレータにおけるアニオン伝導性電解質膜側表面からアニオン伝導性電解質膜の第１表面に至る第１壁によって挟まれた第１空間から構成することができる。また、第２電池内熱媒体流路は、第２セパレータにおけるアニオン伝導性電解質膜側表面に設けられる第２凹部、および、該第２凹部とアニオン伝導性電解質膜との間に介在する空間であって、該空間の周縁に設けられ、第２セパレータにおけるアニオン伝導性電解質膜側表面からアニオン伝導性電解質膜の第２表面に至る第２壁によって挟まれた第２空間から構成することができる。

燃料受容部は、第１セパレータにおけるアニオン伝導性電解質膜側表面に設けられる第３凹部からなり、かつ第１凹部は、該第３凹部の周囲の少なくとも一部に設けられる、該第３凹部とは独立した凹部であることが好ましい。また、酸化剤受容部は、第２セパレータにおけるアニオン伝導性電解質膜側表面に設けられる第４凹部からなり、かつ第２凹部は、該第４凹部の周囲の少なくとも一部に設けられる、該第４凹部とは独立した凹部であることが好ましい。

第１セパレータおよび第２セパレータは集電機能を有するものであることができる。
本発明のアルカリ形燃料電池システムは、アルカリ形燃料電池内および第１熱交換部内の少なくともいずれか１つの温度を検出するための温度検出部をさらに含むことが好ましい。アルカリ形燃料電池システムは、好ましくは、温度検出部の検出結果に基づいて第１熱交換部による熱交換量を制御するための、および／または、第１熱媒体流路内で循環される第１熱媒体の循環流量を制御するための制御部をさらに含む。

１つの好ましい実施形態において第１熱交換部は、電池外熱媒体流路に対して切替可能に接続される、第１熱媒体を加熱するための加熱用熱交換部および第１熱媒体を冷却するための冷却用熱交換部を含む。

他の好ましい実施形態において本発明のアルカリ形燃料電池システムは、上記第１熱交換部に第２熱媒体を循環させるための第２熱媒体流路を備える第２熱媒体循環部と、第２熱媒体流路内の第２熱媒体との間で熱交換を行なうための第２熱交換部とをさらに含む。

第１熱媒体は液体であることが好ましく、より好ましくは水または水溶液である。

本発明のアルカリ形燃料電池システムによれば、良好な発電特性を維持しながらも、熱媒体を用いて、高い熱交換効率で、かつ高精度にアルカリ形燃料電池の温度調節を行なうことができる。

本発明のアルカリ形燃料電池システムの一例を示す模式図である。 本発明に用いるアルカリ形燃料電池の好ましい一例を示す概略断面図である。 図２に示されるアルカリ形燃料電池を構成する第１セパレータを示す概略上面図である。 図３に示される第１セパレータの表面に第１壁を配置した状態を示す概略上面図である。 第１セパレータの他の一例を示す概略上面図である。 本発明のアルカリ形燃料電池システムの他の一例を示す模式図である。 本発明のアルカリ形燃料電池システムのさらに他の一例を示す模式図である。 本発明のアルカリ形燃料電池システムのさらに他の一例を示す模式図である。

以下、実施の形態を示して本発明を詳細に説明する。
＜第１の実施形態＞
図１は、本実施形態に係るアルカリ形燃料電池システム１０の構成を示す模式図である。アルカリ形燃料電池システム１０は、アルカリ形燃料電池１００内の温度を第１熱媒体により調節することができるシステムであり、第１熱媒体を流通させる電池内熱媒体流路１２０を備えるアルカリ形燃料電池１００；電池内熱媒体流路１２０に接続される電池外熱媒体流路２０１および第１熱媒体循環装置２０２を備えており、電池内熱媒体流路１２０および電池外熱媒体流路２０１からなる第１熱媒体流路内に第１熱媒体を循環させるための第１熱媒体循環部２００；ならびに、電池外熱媒体流路２０１内の第１熱媒体との間で熱交換を行なうための第１熱交換部３００から構成される。

アルカリ形燃料電池１００が採り得る具体的構成については後で詳述するが、アルカリ形燃料電池１００は、第１熱媒体が、膜電極複合体のうちアニオン伝導性電解質膜のみに接触、供給されるように構成された電池内熱媒体流路１２０を備えている点に１つの特徴を有している。このようなアルカリ形燃料電池１００を備えるアルカリ形燃料電池システム１０によれば、発電を担う中心部材であって、発電時における発熱源（電極）の直近に位置するアニオン伝導性電解質膜が直接、第１熱媒体により温度調節されるため、熱交換効率の向上を図ることができる（したがって、燃料電池が所望の温度に達するのに要する時間を短くすることができる）とともに、温度調節の精度を向上させることができる。

また、膜電極複合体の電極に熱媒体が直接的に供給されることがないので、フラッディングに代表されるような電極細孔の閉塞が生じて燃料電池の発電効率や出力安定性が低下することを防止でき、また、電極が熱媒体中の微量不純物によって劣化するおそれもない。

〔アルカリ形燃料電池〕
図２は、本発明のアルカリ形燃料電池システムに好ましく用いることができるアルカリ形燃料電池の一例であり、本実施形態のアルカリ形燃料電池システム１０が有するアルカリ形燃料電池１００を示す概略断面図である。図３は、図２に示されるアルカリ形燃料電池１００を構成する第１セパレータ１０５を示す概略上面図であり、第１セパレータ１０５のアニオン伝導性電解質膜１０１側表面を示したものである。また図４には、第１セパレータ１０５の表面に第１壁１１３を配置した状態を概略上面図で示している。

アルカリ形燃料電池１００は、アニオン伝導性電解質膜１０１、アニオン伝導性電解質膜１０１の第１表面１０１ａに積層されるアノード極１０３、および、アニオン伝導性電解質膜１０１の第１表面１０１ａに対向する第２表面１０１ｂに積層されるカソード極１０２からなる膜電極複合体；燃料を受け入れるための燃料受容部１０７を少なくとも備える、アノード極１０３上に積層される第１セパレータ１０５；酸化剤を受け入れるための酸化剤受容部１０６を少なくとも備える、カソード極１０２上に積層される第２セパレータ１０４；ならびに、膜電極複合体のうちアニオン伝導性電解質膜１０１のみに第１熱媒体を接触させるための電池内熱媒体流路１２０から主に構成される。第１温度検出部１３０については後述する。

電池内熱媒体流路１２０は、アニオン伝導性電解質膜１０１のアノード極側表面（第１表面１０１ａ）のみに第１熱媒体を接触させるための第１電池内熱媒体流路１２１、および、アニオン伝導性電解質膜１０１のカソード極側表面（第２表面１０１ｂ）のみに第１熱媒体を接触させるための第２電池内熱媒体流路１２２を含む。第１電池内熱媒体流路１２１および第２電池内熱媒体流路１２２はともに、電池外熱媒体流路２０１に接続されており、循環流路である第１熱媒体流路を構成している〔図１参照〕。

アルカリ燃料電池１００においてアノード極１０３およびカソード極１０２は、アニオン伝導性電解質膜１０１、第１セパレータ１０５および第２セパレータ１０４よりも小さい面積を有しており、したがって、各電極の側方であってアニオン伝導性電解質膜１０１と各セパレータとの間に、電極が存在しない隙間（空間）を有している。アノード極１０３およびカソード極１０２は、アニオン伝導性電解質膜１０１面内における位置が一致するように、アニオン伝導性電解質膜１０１表面の略中心部に積層されている。

第１電池内熱媒体流路１２１は、第１セパレータ１０５とアニオン伝導性電解質膜１０１の間に介在する上述の電極が存在しない隙間（空間）の一部であって、離間して配置された２つの第１壁１１３によって挟まれた第１空間１１１を含んで構成されており、より具体的には、第１空間１１１と、第１空間１１１の直下に位置するとともに第１空間１１１に連続する第１凹部１０９とで構成されている。第１壁１１３は、第１凹部１０９の幅方向両端部に沿うように形成され〔図４参照〕、また厚み方向に関して、第１セパレータ１０５におけるアニオン伝導性電解質膜１０１側表面からアニオン伝導性電解質膜１０１の第１表面１０１ａまで延びる。すなわち、第１空間１１１は、第１セパレータ１０５、アニオン伝導性電解質膜１０１および２つの第１壁１１３によって形成された内部空間である。これにより、第１空間１１１外への第１熱媒体の漏洩が防止されている。

第１空間１１１は、その周縁に設けられた第１壁１１３によって、電極が存在しない隙間（空間）の他の部分、ならびに、アノード極１０３および燃料受容部１０７から隔離（空間的に分離）されており、膜電極複合体のうちアニオン伝導性電解質膜１０１の第１表面１０１ａのみに接している。

第１凹部１０９は、アノード極１０３が存在しない領域における第１セパレータ１０５のアニオン伝導性電解質膜１０１側表面に設けられた凹部であり、燃料受容部１０７とは独立して、かつ燃料受容部１０７を取り囲むように形成されている〔図３参照〕。

同様に、第２電池内熱媒体流路１２２は、第２セパレータ１０４とアニオン伝導性電解質膜１０１の間に介在する上述の電極が存在しない隙間（空間）の一部であって、離間して配置された２つの第２壁１１２によって挟まれた第２空間１１０を含んで構成されており、より具体的には、第２空間１１０と、第２空間１１０の直上に位置するとともに第２空間１１０に連続する第２凹部１０８とで構成されている。第２壁１１２は、第２凹部１０８の幅方向両端部に沿うように形成され、また厚み方向に関して、第２セパレータ１０４におけるアニオン伝導性電解質膜１０１側表面からアニオン伝導性電解質膜１０１の第２表面１０１ｂまで延びる。すなわち、第２空間１１０は、第２セパレータ１０４、アニオン伝導性電解質膜１０１および２つの第２壁１１２によって形成された内部空間である。これにより、第２空間１１０外への第１熱媒体の漏洩が防止されている。

第２空間１１０は、その周縁に設けられた第２壁１１２によって、電極が存在しない隙間（空間）の他の部分、ならびに、カソード極１０２および酸化剤受容部１０６から隔離（空間的に分離）されており、膜電極複合体のうちアニオン伝導性電解質膜１０１の第２表面１０１ｂのみに接している。

第２凹部１０８は、カソード極１０２が存在しない領域における第２セパレータ１０４のアニオン伝導性電解質膜１０１側表面に設けられた凹部であり、酸化剤受容部１０６とは独立して、かつ酸化剤受容部１０６を取り囲むように形成されている。

以上のような構成の第１、第２電池内熱媒体流路１２１，１２２によれば、流通する第１熱媒体がアニオン伝導性電解質膜１０１のみに接触するように構成されているので、電極、さらには燃料受容部１０７／酸化剤受容部１０６への第１熱媒体の漏洩を確実に防止しながら、アニオン伝導性電解質膜１０１のみに第１熱媒体を供給することが可能となる。

なお、本実施形態のアルカリ燃料電池１００は、アノード側の第１電池内熱媒体流路１２１およびカソード側の第２電池内熱媒体流路１２２の双方を有しているが、いずれか一方のみを有する構成であってもよい。

次に、アルカリ形燃料電池１００を構成する部材等についてより詳細に説明する。
（１）アニオン伝導性電解質膜
アニオン伝導性電解質膜１０１としては、ＯＨ^-イオンを伝導でき、かつ、アノード極１０３とカソード極１０２との間の短絡を防止するために電気的絶縁性を有する限り特に制限されないが、アニオン伝導性固体高分子電解質膜を好適に用いることができる。アニオン伝導性固体高分子電解質膜の好ましい例は、たとえば、パーフルオロスルホン酸系、パーフルオロカルボン酸系、スチレンビニルベンゼン系、第４級アンモニウム系の固体高分子電解質膜（アニオン交換膜）が挙げられる。また、アニオン伝導性固体酸化物電解質膜をアニオン伝導性電解質膜１０１として用いることもできる。

アニオン伝導性電解質膜１０１は、アニオン伝導率が１０^-5Ｓ／ｃｍ以上であることが好ましく、パーフルオロスルホン酸系高分子電解質膜などのアニオン伝導率が１０^-3Ｓ／ｃｍ以上の電解質膜を用いることがより好ましい。アニオン伝導性電解質膜１０１の厚みは、通常５〜３００μｍであり、好ましくは１０〜２００μｍである。

（２）アノード極およびカソード極
アニオン伝導性電解質膜１０１の第１表面１０１ａに積層されるアノード極１０３および第１表面１０１ａに対向する第２表面１０１ｂに積層されるカソード極１０２は、触媒と電解質とを含有する多孔質層からなる触媒層を少なくとも含む。これらの触媒層は、アニオン伝導性電解質膜１０１の表面に接して積層される。アノード極１０３の触媒（アノード触媒）は、アノード極１０３に供給された燃料とＯＨ^-アニオンとから、水および電子を生成する反応を触媒する。アノード極１０３の触媒層（アノード触媒層）に含有される電解質は、アニオン伝導性電解質膜１０１から伝導してきたＯＨ^-アニオンを触媒反応サイトへ伝導する機能を有する。一方、カソード極１０２の触媒（カソード触媒）は、カソード極１０２に供給された酸化剤および水と、アノード極１０３から伝達された電子とから、ＯＨ^-アニオンを生成する反応を触媒する。カソード極１０２の触媒層（カソード触媒層）に含有される電解質は、生成したＯＨ^-アニオンをアニオン伝導性電解質膜１０１へ伝導する機能を有する。

アノード触媒およびカソード触媒としては、従来公知のものを使用することができ、たとえば、白金、鉄、コバルト、ニッケル、パラジウム、銀、ルテニウム、イリジウム、モリブデン、マンガン、これらの金属化合物、およびこれらの金属の２種以上を含む合金からなる微粒子が挙げられる。合金は、白金、鉄、コバルト、ニッケルのうち少なくとも２種以上を含有する合金が好ましく、たとえば、白金−鉄合金、白金−コバルト合金、鉄−コバルト合金、コバルト−ニッケル合金、鉄−ニッケル合金等、鉄−コバルト−ニッケル合金が挙げられる。アノード触媒とカソード触媒とは同種であってもよいし、異種であってもよい。

アノード触媒およびカソード触媒は、担体、好ましくは導電性の担体に担持されたものを用いることが好ましい。導電性担体としては、たとえば、アセチレンブラック、ファーネスブラック、チャンネルブラック、ケッチェンブラック等のカーボンブラック、黒鉛、活性炭等の導電性カーボン粒子が挙げられる。また、気相法炭素繊維（ＶＧＣＦ）、カーボンナノチューブ、カーボンナノワイヤー等の炭素繊維を用いることもできる。

アノード極１０３およびカソード極１０２の触媒層に含有される電解質としては、アニオン伝導性固体高分子電解質膜を構成する電解質と同様のものを用いることができる。各触媒層における触媒と電解質との含有比は、重量基準で、通常５／１〜１／４程度であり、好ましくは３／１〜１／３程度である。

アノード極１０３およびカソード極１０２はそれぞれ、触媒層上に積層されるガス拡散層を備えていてもよい。ガス拡散層は、供給される燃料または酸化剤を面内において拡散させる機能を有するとともに、触媒層との間で電子の授受を行なう機能を有する。

ガス拡散層は、導電性を有する多孔質層であることができ、具体的には、たとえば、カーボンペーパー；カーボンクロス；カーボン粒子を含有するエポキシ樹脂膜；金属または合金の発泡体、焼結体または繊維不織布などであることができる。ガス拡散層の厚みは、厚み方向に対して垂直な方向（面内方向）への燃料または酸化剤の拡散抵抗を低減させるために、１０μｍ以上であることが好ましく、厚み方向への拡散抵抗を低減させるために、１ｍｍ以下であることが好ましい。ガス拡散層の厚みは、より好ましくは１００〜５００μｍである。

アノード極１０３とカソード極１０２とは、図１に示されるように、通常、アニオン伝導性電解質膜１０１を介して対向するように設けられる。本発明においては通常、アノード極１０３およびカソード極１０２は、アニオン伝導性電解質膜１０１、第１セパレータ１０５および第２セパレータ１０４よりも小さい面積を有するように形成される。これにより、各セパレータとアニオン伝導性電解質膜１０１との間に介在する電極が存在しない隙間に第１壁１１３、第２壁１１２を配置することによる、電池内熱媒体流路の一部となる第１空間１１１、第２空間１１０の構築が可能となっている。アノード極１０３とカソード極１０２が形成される位置は、たとえばアニオン伝導性電解質膜１０１の中央部である。

（３）第１セパレータおよび第２セパレータ
第１セパレータ１０５は、燃料受容部１０７を構成する第３凹部と、第１電池内熱媒体流路１２１の一部である第１凹部１０９とをアニオン伝導性電解質膜１０１側表面に少なくとも有する部材であることができる。第２セパレータ１０４は、酸化剤受容部１０６を構成する第４凹部と、第２電池内熱媒体流路１２２の一部である第２凹部１０８とをアニオン伝導性電解質膜１０１側表面に少なくとも有する部材であることができる。

燃料受容部１０７を構成する第３凹部、酸化剤受容部１０６を構成する第４凹部はそれぞれ、アノード極１０３、カソード極１０２が積層される領域における第１セパレータ１０５、第２セパレータ１０４のアニオン伝導性電解質膜１０１側表面に設けられる、第１電池内熱媒体流路１２１を構成する第１凹部１０９、第２電池内熱媒体流路１２２を構成する第２凹部１０８とは独立した凹部からなる。

第３凹部および第４凹部は、たとえば図３に示されるようなサーペンタイン状またはその他の形状の流路溝であることができる他、槽型の比較的大面積に広がって形成された凹部などであることができる。燃料受容部１０７に導入された燃料は、その直上に配置されたアノード極１０３に供給され、酸化剤受容部１０６に導入された酸化剤は、その直下に配置されたカソード極１０２に供給される。燃料受容部１０７を構成する第３凹部には、その入口側端部、出口側端部にそれぞれ、燃料供給用配管１０７ａ、燃料排出用配管１０７ｂを接続してもよい。同様に、酸化剤受容部１０６を構成する第４凹部には、その入口側端部、出口側端部にそれぞれ、酸化剤供給用配管、酸化剤排出用配管を接続してもよい。

第１凹部１０９は、図３に示される例において燃料受容部１０７（第３凹部）を取り囲むように形成された一本の流路溝であるが、燃料受容部１０７を構成する第３凹部と独立している限りこれに限定されるものではなく、熱交換効率などを考慮して種々の形状を採り得る。たとえば、第１凹部１０９は、電解質膜表面のより広い面積にわたって第１熱媒体を接触させることができるよう、複数の流路溝や枝分かれ状の流路溝、槽型の比較的大面積に広がって形成された凹部（溝）などであることができる。第１凹部１０９を、第１セパレータ１０５表面の、燃料受容部１０７を除く全領域またはほぼ全領域に形成してもよい。以上の点は、第２セパレータ１０４の第２凹部１０８についても同様である。

また、良好な熱交換効率や燃料電池内の温度の均一性を得るために、たとえば図５のように、アノード極１０３を複数に分割するとともに、これに応じて燃料受容部１０７も複数に分割し、分割された燃料受容部１０７の間に第１凹部１０９を配置するなどの構成を採用することにより、第１凹部１０９が第１セパレータ１０５表面のできるだけ広い面積にわたって、また面内にできるだけ均一に配置されるようにしてもよい。このような構成とすることで、燃料電池運転時に発熱源となるアノード極１０３に近接する第１凹部１０９の流路長を長くすることができるため、熱交換量が多くなり熱交換効率を高めることができることに加え、第１セパレータ面内の温度均一性、ひいては、燃料電池内の温度の均一性を高めることができる。第２凹部１０８についても同様である。

第１セパレータ１０５および第２セパレータ１０４として、燃料受容部と酸化剤受容部とを兼ね備えた、いわゆるバイポーラプレートを用いることもできる。この場合、バイポーラプレートは、一方の主面（第１表面）に第３凹部と第１凹部とを有し、第１表面に対向する他方の主面（第２表面）に第４凹部と第２凹部とを有する。このバイポーラプレートを第１セパレータ１０５として用いる場合には、その第１表面がアニオン伝導性電解質膜１０１側となるようにアノード極１０３上に積層される。バイポーラプレートを第２セパレータ１０４として用いる場合には、その第２表面がアニオン伝導性電解質膜１０１側となるようにカソード極１０２上に積層される。

バイポーラプレートの使用は、たとえば単セルを複数積層してスタック構造を構築する際におけるスタック構造の薄型化に有利である。

第１セパレータ１０５および第２セパレータ１０４の材質は特に制限されないが、好ましくはカーボン材料、導電性高分子、各種金属、ステンレスに代表される合金などの導電性材料である。導電性材料を用いることにより、これらのセパレータに集電機能、すなわち、接する電極との間で電子の授受を行なうとともに電気的配線を行なう取り出し電極としての機能を付与することができる。ただし、第１セパレータ１０５および第２セパレータ１０４をプラスチック材料等の非導電性材料で構成し、別途、アノード集電層およびカソード集電層を設けてもよい。この場合、これらの集電層は、たとえば電極とセパレータとの間に配置される。

上述のように、アルカリ形燃料電池１００において、第１電池内熱媒体流路１２１は、第１セパレータ１０５の表面に形成される第１凹部１０９と、第１壁１１３によって挟まれた、第１凹部１０９に連続する第１空間１１１とからなり、第２電池内熱媒体流路１２２は、第２セパレータ１０４の表面に形成される第２凹部１０８と、第２壁１１２によって挟まれた、第２凹部１０８に連続する第２空間１１０とからなる。

第１壁１１３および第２壁１１２はそれぞれ、電池内熱媒体流路の一部である第１空間１１１、第２空間１１０を、上述の電極が存在しない隙間（空間）の他の部分、ならびに、電極および燃料／酸化剤受容部から隔離する壁であり、厚み方向に関して、セパレータのアニオン伝導性電解質膜１０１側表面からアニオン伝導性電解質膜１０１表面まで延びている。

第１壁１１３および第２壁１１２はそれぞれ、第１凹部１０９、第２凹部１０８と略平行に、該凹部の幅方向両端部に沿うように形成される〔図４参照〕。第１壁１１３および第２壁１１２は、電池内熱媒体流路の一部である第１空間１１１、第２空間１１０以外の、電極が存在しない隙間（空間）のすべてを覆うように形成してもよく、その場合、アルカリ形燃料電池の第１セパレータと、第２セパレータとを締結部材等で締結した際に、応力が均等化され、安定性が向上する。第１セパレータ−第２セパレータ間の締結は、ネジやボルト・ナットなどの締結部材を用いて行なうことができる。

また、第１壁１１３および第２壁１１２はそれぞれ、第１凹部１０９、第２凹部１０８と略平行に、該凹部の幅方向両端部に沿うように形成された溝に、その一部を嵌め込むように配置してもよい。このような構成によれば、アルカリ形燃料電池組立時の第１壁、第２壁の位置決めが容易になり、生産性が向上する。また、第１壁、第２壁の位置ズレを防止することができるため、信頼性の高いアルカリ形燃料電池を提供できることができる。

第１壁１１３および第２壁１１２の材質は、第１熱媒体に対して耐性を有し、かつ第１熱媒体不透過性である限り特に制限されず、たとえば、ブチルゴム、エチレンプロピレンゴム、クロロプレンゴム、ニトリルゴム、シリコンゴム、四フッ化エチレンプロピレンゴム、四フッ化エチレンパーフルオロメチルビニリデン系ゴム等の弾性体；テトラフルオロエチレン、ポリプロピレン、ポリメチルペンテンに代表される熱可塑性樹脂、ステンレスに代表される金属または合金等の非弾性体などを挙げることができる。

なかでも、第１壁１１３および第２壁１１２は弾性体からなることが好ましい。各セパレータとアニオン伝導性電解質膜１０１との間に介在され、電池内熱媒体流路空間の一部を形成する隔離壁として弾性壁を用いることにより、燃料電池の厚み方向に圧力を加えることによる弾性壁の変形を利用して、弾性壁と各セパレータおよびアニオン伝導性電解質膜１０１とを良好に面接触させることができる。これにより、これら界面のシール性を向上させることができ、電極、さらには燃料受容部１０７／酸化剤受容部１０６への第１熱媒体の漏洩をより確実に防止することができる。

また、弾性壁を用いることにより、弾性壁とセパレータおよびアニオン伝導性電解質膜１０１との界面の良好なシール性、ならびに、電極とセパレータとの間の接触抵抗の十分な低減効果を得るために、第１セパレータ−第２セパレータ間を締結することにより燃料電池の厚み方向に十分な圧力を加えた場合においても、該圧力により弾性壁が適度に潰れ反発力を生じるので、電極の過度の潰れおよびこれに伴う細孔閉塞による物質拡散抵抗の増大を有効に防止することができる。

燃料電池の厚み方向に大きな圧力を加える場合、応力による破壊を防ぐため、セパレータの厚みを大きくしたり、太い締結部材（ボルト・ナット）を使用したりする必要があり、アルカリ形燃料電池の大型化を招く。したがって、比較的容易に上記シール性が得られること、およびアルカリ形燃料電池の小型化の観点から、第１壁１１３および第２壁１１２が弾性体からなる場合、比較的小さい圧力で変形するものであることが好ましく、具体的には、第１壁１１３および第２壁１１２は、ヤング率が１００ＭＰａ未満であることが好ましい。

燃料受容部１０７や酸化剤受容部１０６への液水の漏洩を確実に防止するため、シール面積を大きくするという観点から、第１壁１１３および第２壁１１２の幅は１ｍｍ以上であることが好ましい。一方、燃料電池運転時に発熱源となるアノード極１０３、カソード極１０２への熱フラックスを大きくするため、電池内熱媒体流路１２０からアノード極１０３、カソード極１０２までの熱拡散パスを短くする観点から、第１壁１１３および第２壁１１２の幅は、５ｍｍ未満であることが好ましい。

電池内熱媒体流路１２１，１２２は、流通される第１熱媒体が膜電極複合体のうちアニオン伝導性電解質膜１０１のみに接触するように構成される限り、セパレータ表面に形成される凹部とこれに連続する空間とからなる構成に限定されない。たとえば、第１電池内熱媒体流路１２１に関していえば、図２を参照して、第１セパレータ１０５における第１凹部１０９が形成されている部分が、燃料受容部１０７が形成されている部分よりもアニオン伝導性電解質膜１０１の第１表面１０１ａに接触する程度まで突き出ている第１セパレータを用い、第１壁１１３を省略する形態であってもよい。この場合、第１電池内熱媒体流路１２１は、第１凹部１０９のみからなる。第２電池内熱媒体流路１２２についても同様である。

以上に示した第１セパレータ１０５および第２セパレータ１０４は、第１凹部１０９および第２凹部１０８をセパレータ表面に形成したものであるため、セパレータ内部に熱媒体流路を形成する場合と比較して構造が簡略であり、燃料電池の製造コストの低減および製造工程の簡略化に有利である。

（４）第１熱媒体
第１熱媒体としては、空気、水蒸気、クロロフルオロカーボン、ハイドロクロロフルオロカーボン、ハイドロフルオロカーボン等の気体；水、水溶液、油、エチレングリコール等の液体など公知の熱媒体を用いることができるが、熱容量が高く効率的な熱交換が可能であること、および、取扱い性の観点から液体を用いることが好ましく、水または水溶液を用いることがより好ましい。アルカリ形燃料電池の温度調節においては、極度に高いまたは低い熱媒体の使用は必ずしも必要ではなく、水を主成分とする熱媒体で十分である。また、水または水溶液を第１熱媒体として用いると、次の点でも有利である。

（ａ）第１熱媒体によりアニオン伝導性電解質膜１０１を直接加湿することができるとともに、アニオン伝導性電解質膜１０１を介してカソード極１０２に水分を供給することができるため、従来必要であった燃料および／または酸化剤を加湿するための加湿器を省略することが可能となり、燃料電池システムの小型化に有利である。また、アニオン伝導性電解質膜１０１の加湿により、発電効率および起動性（発電開始から所望の出力を得るために要する時間）を向上させることができる。

（ｂ）第１熱媒体としてアルカリ性を呈する水溶液を用いると、アニオン伝導性電解質膜１０１、ひいてはこれに隣接するアノード極１０３およびカソード極１０２内に存在するＣＯ₃ ^2-、ＨＣＯ₃ ^-のようなＣＯ₂由来アニオンを中和することができ、該アニオンのアノード極１０３への蓄積を効果的に防止することができる。ＣＯ₂由来アニオンは、アルカリ形燃料電池において、発電により次第にアノード極１０３に蓄積し、アノード極１０３における反応過電圧を上昇させて発電効率を低下させる要因となるアニオンである。

アルカリ性を呈する水溶液に添加されるアルカリとしては特に制限されず、たとえば、水酸化ナトリウム〔ＮａＯＨ〕、水酸化カリウム〔ＫＯＨ〕等のアルカリ金属の水酸化物；水酸化カルシウム〔Ｃａ（ＯＨ）₂〕、水酸化バリウム〔Ｂａ（ＯＨ）₂〕等のアルカリ土類金属の水酸化物；２−エタノールアミン等のアミン化合物に代表される塩基性を呈する有機化合物などを挙げることができる。

電池内熱媒体流路を通して第１熱媒体としてのアルカリ性を呈する水溶液を供給する場合であっても、この第１熱媒体は、電極に接触することなくアニオン伝導性電解質膜１０１のみに供給されるので、中和塩の析出による電極の細孔閉塞およびこれに伴う発電効率の低下は生じない。また、アルカリの対カチオンはアニオン伝導性電解質膜１０１中に侵入しないため、アニオン伝導性電解質膜１０１内で塩析出が生じることもない。

アニオン伝導性電解質膜１０１の中和をより効率的に進める観点から、第１熱媒体としてのアルカリ性を呈する水溶液の供給は、ＣＯ₂由来アニオンの蓄積が生じ得るアノード極１０３の側のアニオン伝導性電解質膜１０１表面に第１熱媒体を接触させることができる第１電池内熱媒体流路１２１を用いて行なうことが好ましい。

好ましい実施形態の１つは、第１および第２電池内熱媒体流路１２１，１２２の双方を設け、これらに異なる種類の熱媒体を流通させることであり、より具体的な例を挙げれば、アノード側の第１電池内熱媒体流路１２１を、アルカリ性を呈する水溶液の供給路とし、カソード側の第２電池内熱媒体流路１２２を液水の供給路とすることである。本実施形態によれば、ＣＯ₂由来アニオンの蓄積が生じ得るアノード極１０３側に、アルカリ性を呈する水を供給することでＣＯ₂由来アニオンの中和を促進しつつ、同時に、電気化学反応に水を要するカソード極１０２側に、液状の水のみからなる液水を供給することでカソード極１０２への水分供給を促進することができる。本実施形態では、異なる液水を流通させるものの、第１セパレータおよび第２セパレータに同じ形状のセパレータを使用することができるため、同じ種類の液水を流通させる場合と同様の製造工程でアルカリ形燃料電池を製造できる。異なる種類の熱媒体を流通させる場合、これに応じて熱媒体の循環流路（熱媒体流路）を２つ設ける。

（５）燃料および酸化剤
アルカリ形燃料電池１００のアノード極１０３に供給される燃料としては、たとえばＨ₂ガス、炭化水素ガス、メタノール等のアルコール、アンモニアガスなどを用いることができ、なかでもＨ₂ガスを用いることが好ましい。カソード極１０２に供給される酸化剤としては、たとえばＯ₂ガスや、空気等のＯ₂を含むガスなどを用いることができ、なかでも空気が好ましく用いられる。カソード極１０２では、酸化剤と水とが反応するため、カソード極１０２に水を供給するために、加湿したＯ₂ガスや空気を供給してもよい。

なお、燃料として炭化水素ガス、アルコール（メタノール等）などの炭化水素化合物を使用する場合、アノード極の反応生成物として二酸化炭素が生成するため、従来のアルカリ形燃料電池では、アニオン伝導性電解質膜およびアノード極の炭酸化（ＣＯ₂由来アニオンの蓄積）が著しく進むが、本発明で用いるアルカリ形燃料電池１００によれば、電池内熱媒体流路を通してアルカリ性を呈する水溶液を供給することができるため、このような燃料を用いる場合であっても、アノード極へのＣＯ₂由来アニオンの蓄積を効果的に抑制することができる。

〔第１熱媒体循環部および第１熱交換部〕
第１熱媒体循環部２００は、電池内熱媒体流路１２０に接続される電池外熱媒体流路２０１および第１熱媒体循環装置２０２を備えており、電池内熱媒体流路１２０および電池外熱媒体流路２０１からなる第１熱媒体流路内に第１熱媒体を循環させるためのものである。上述のように、第１、第２電池内熱媒体流路１２１，１２２に異なる種類の熱媒体を供給する場合には、２つの第１熱媒体流路を設けることができる。第１熱媒体循環装置２０２は、第１熱媒体流路中に介在させた循環ポンプなどであることができる。

第１熱交換部３００は、電池外熱媒体流路２０１内の第１熱媒体との間での熱交換により、第１熱媒体の温度調節を行なう。第１熱交換部３００は、第１熱媒体との間で熱交換を行なう第３熱媒体を含み、通常、電池外熱媒体流路２０１の少なくとも一部に第３熱媒体が接触するように配置される。第１熱交換部３００は、具体的には、第３熱媒体を収容する槽や、電池外熱媒体流路２０１の周囲に設けられ、第３熱媒体を流通させるジャケットなどであることができる。

第３熱媒体としては、第１熱媒体の例として上述したものを同様に用いることができる。第１熱交換部３００は、第３熱媒体の温度調整を行なうための温度調整手段を有していてもよい。

以上のような構成のアルカリ形燃料電池システム１０によれば、所定の温度を有する第１熱媒体を用いて、アルカリ形燃料電池１００内の温度調節（加熱／冷却）を、高い熱交換効率でかつ高精度で行なうことができる。本実施形態のアルカリ形燃料電池システム１０（後述する他の実施形態も同様）の１つの利点は、従来困難であったアルカリ形燃料電池１００の急速冷却が可能になることである。アルカリ形燃料電池１００の電解質膜および触媒層の電解質が吸収する環境中の二酸化炭素（ＣＯ₂）のセルフパージ操作は、上述のＣＯ₂由来アニオンの濃度低減に有効であり、高温下で実施することで速やかにＣＯ₂由来アニオンの濃度低減が進むが、高温のまま通常の燃料電池運転（発電）を継続すると、アニオン伝導性電解質膜１０１の劣化が進行する。そこで、セルフパージ操作終了後、通常の燃料電池運転に移行する時に急速冷却を行なうことで、このような電解質膜の劣化を抑制することができる。

なお、セルフパージ操作とは、燃料電池のアノード極とカソード極の間に、通常の燃料電池運転時よりも大きな電流を流通させることにより、電解質膜および触媒層に含まれるＣＯ₂由来アニオンがアノード極に移動し、燃料によって還元され、ＣＯ₂ガスとしてアノード極から排出させる操作をいい、具体的には下記式（３）および（４）：
Ｈ₂＋ＣＯ₃ ^2- → ＣＯ₂＋Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^- （３）
Ｈ₂＋２ＨＣＯ₃ ^- → ２ＣＯ₂＋２Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^- （４）
で表すことができる。

＜第２の実施形態＞
図６は、本実施形態に係るアルカリ形燃料電池システム２０の構成を示す模式図である。アルカリ形燃料電池システム２０は、アルカリ形燃料電池１００内の温度を検出するための第１温度検出部１３０、第１熱交換部３００内（第１熱交換部３００内の第３熱媒体）の温度を検出するための第２温度検出部３３０、および、これらの温度検出部の一方または双方の検出結果に基づいて第１熱交換部３００による熱交換量を制御するための制御部４００をさらに備えること以外は、上記第１の実施形態と同様である。本実施形態において第１熱交換部３００は、第３熱媒体の温度調整を行なうための温度調整手段を有している。

熱交換量を制御するとは、具体的には、第１熱媒体と第１熱交換部３００内の第３熱媒体との温度差を所望の値に調整あるいは維持することである。本実施形態のアルカリ形燃料電池システム２０によれば、より迅速に、あるいはより精度良くアルカリ形燃料電池１００の温度調節を行なうことができる。たとえば、アルカリ形燃料電池１００の温度が所望の温度より高い場合、第１熱媒体と第３熱媒体との温度差がより小さくなるように第３熱媒体の温度を十分に低くすることによりアルカリ形燃料電池１００を迅速に冷却することができる。

第１温度検出部１３０は、特に制限されないが、たとえば図２に示されるように第１セパレータ１０５または第２セパレータ１０４内に挿入して設置することができる。第２温度検出部３３０は第３熱媒体に浸漬するように設置することができる。温度検出部としては、通常の温度検出器、たとえば熱電対、測温抵抗体、サーミスタなどを用いることができる。

制御部４００としては、特に制限されず、たとえばパーソナルコンピュータなどを用いることができる。制御部４００は、第１温度検出部１３０または第２温度検出部３３０のいずれか一方の検出結果に基づいて第３熱媒体の温度調節を行なってもよいし、これら双方の検出結果に基づいて第３熱媒体の温度調節を行なってもよい。後者の場合、アルカリ形燃料電池１００内および第１熱交換部３００内の第３熱媒体の温度、さらにはこれらの温度差を参照してアルカリ形燃料電池１００の温度調節を行なえるので、温度調節の迅速性および精度をより向上させることができる。一方、前者の場合、第２温度検出部３３０のみを設置する構成とすれば、アルカリ形燃料電池１００の製造工程の簡略化および製造コストの低減の面で有利である。なお、前者の場合、使用しない温度検出部は設置を省略することができる。

制御部４００は、第１熱交換部３００の制御に加えて、あるいは第１熱交換部３００の制御の代わりに、第１熱媒体流路内で循環される第１熱媒体の循環流量を制御できるものであってもよい。第１熱媒体の循環流量の制御は、制御部４００と第１熱媒体循環装置２０２とを接続し、第１熱媒体循環装置２０２の駆動量を制御することによって行なうことができる。第１熱媒体循環装置２０２の駆動量の調整によっても、アルカリ形燃料電池１００と第１熱媒体との間の熱交換量や、第３熱媒体と第１熱媒体との間の熱交換量の制御を通じてアルカリ形燃料電池１００の温度調節を行なうことができる。第１熱交換部３００の制御と第１熱媒体の循環流量の制御との組み合わせは、アルカリ形燃料電池１００の温度調節の迅速性および精度をより向上させるうえでより有利である。

なお、第１熱媒体の循環流量の制御のみによってアルカリ形燃料電池１００の温度調節を行なう場合においても、このような制御は、アルカリ形燃料電池１００内の温度を検出するための第１温度検出部１３０、第１熱交換部３００内（第１熱交換部３００内の第３熱媒体）の温度を検出するための第２温度検出部３３０の一方または双方の検出結果に基づいて行なうことが好ましい。

＜第３の実施形態＞
図７は、本実施形態に係るアルカリ形燃料電池システム３０の構成を示す模式図である。アルカリ形燃料電池システム３０は、第１熱交換部３００が第１熱媒体を加熱するための加熱用熱交換部３０１と第１熱媒体を冷却するための冷却用熱交換部３０２を有しており、電池外熱媒体流路２０１と加熱用熱交換部３０１または冷却用熱交換部３０２との接続が切替バルブ２０３により切替可能になっていること以外は、上記第２の実施形態と同様である。本実施形態において制御部４００は、切替バルブ２０３の切替操作を制御するために切替バルブ２０３にも接続される。

本実施形態のアルカリ形燃料電池システム３０によれば、加熱された熱媒体を含む加熱用熱交換部３０１と冷却された熱媒体を含む冷却用熱交換部３０２とがあらかじめ準備されているため、アルカリ形燃料電池１００を加熱または冷却する必要がある場合に、そのような温度調節を迅速に行なうことができる。たとえば、加熱用熱交換部３０１を用いて第１熱媒体を適度な温度に維持しながらセルフパージ操作を行なった後、通常の燃料電池運転を行なうために、切替バルブ２０３を電池外熱媒体流路２０１と冷却用熱交換部３０２が接続されるように切り替え、アルカリ形燃料電池１００を急速冷却することなどが挙げられる。

加熱用熱交換部３０１および冷却用熱交換部３０２はそれぞれ、第３熱媒体の温度調整を行なうための温度調整手段を有していてもよいし、有していなくてもよい。上記第２の実施形態と同様、制御部４００は、アルカリ形燃料電池１００内の温度を検出するための第１温度検出部１３０、加熱用熱交換部３０１内の温度を検出するための第２温度検出部３３０または冷却用熱交換部３０２内の温度を検出するための第３温度検出部３３１のいずれか１つ以上の検出結果に基づいて第１熱媒体と第１熱交換部３００内の第３熱媒体との間の熱交換量を制御（すなわち、切替バルブ２０３の切替）することができる。使用しない温度検出部は設置を省略することができる。

＜第４の実施形態＞
図８は、本実施形態に係るアルカリ形燃料電池システム４０の構成を示す模式図である。アルカリ形燃料電池システム４０は、第１熱交換部３００に第２熱媒体を循環させるための第２熱媒体流路５０１および第２熱媒体循環装置５０２を備える第２熱媒体循環部５００と、第２熱媒体流路５０１内の第２熱媒体との間で熱交換を行なうための、第４熱媒体を含む第２熱交換部６００とをさらに備えること以外は、上記第１の実施形態と同様である。

第２熱媒体循環部５００（第２熱媒体流路５０１、第２熱媒体循環装置５０２および第２熱媒体）は、上述の第１熱媒体循環部２００（第１熱媒体流路、第１熱媒体循環装置２０２および第２熱媒体）と同様の構成であってよい。第２熱交換部６００は、それに含まれる第４熱媒体と第２熱媒体流路５０１内の第２熱媒体との間で熱交換を行なうものであり、通常、第２熱媒体流路５０１の少なくとも一部に第４熱媒体が接触するように配置される。第２熱交換部６００は、貯熱槽として用いることができるものであり、具体的には、第４熱媒体を収容する槽などであることができる。第４熱媒体としては、第１熱媒体の例として上述したものを同様に用いることができるが、典型的には水である。

本実施形態のアルカリ形燃料電池システム４０によれば、アルカリ形燃料電池１００の発電による熱を、第４熱媒体がたとえば水である場合には、お湯として回収することができる。得られたお湯は、たとえば給湯や暖房になどに有効利用することができる。

以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

＜実施例１＞
以下の手順で、図２と同様の構成を有するアルカリ形燃料電池を備える図１と同様の構成を有するアルカリ形燃料電池システムを作製した。

（１）膜電極複合体の作製
芳香族ポリエーテルスルホン酸と芳香族ポリチオエーテルスルホン酸との共重合体をクロロメチル化した後、アミノ化することにより、触媒層用のアニオン伝導性固体高分子電解質を得た。これをテトラヒドロフランに添加することにより、５重量％アニオン伝導性固体高分子電解質溶液を得た。

Ｐｔ担持量が５０重量％のＰｔ／Ｃである触媒担持カーボン粒子（田中貴金属社製「ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ」）と、上記で得られた電解質溶液とを、重量比で２／０．２となるように混合し、さらにイオン交換水およびエタノールを添加することにより、アノード触媒層用の触媒ペーストを調製した。

同様に、Ｐｔ担持量が５０重量％のＰｔ／Ｃである触媒担持カーボン粒子（田中貴金属社製「ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ」）と、上記で得られた電解質溶液とを、重量比で２／０．２となるように混合し、さらにイオン交換水およびエタノールを添加することにより、カソード触媒層用の触媒ペーストを調製した。

次に、アノードガス拡散層としてカーボンペーパー（東レ社製「ＴＧＰ−Ｈ−０６０」、厚み約１９０μｍ）を縦２２．３ｍｍ×横２２．３ｍｍのサイズに切り出し、そのアノードガス拡散層の一方の面に、上記のアノード触媒層用の触媒ペーストを触媒量が０．５ｍｇ／ｃｍ²となるように、縦２２．３ｍｍ×横２２．３ｍｍのウィンドウを有したスクリーン印刷版を用いて塗布し、室温にて乾燥させることにより、アノードガス拡散層であるカーボンペーパーの片面の全面にアノード触媒層が形成されたアノード極１０３を作製した。得られたアノード極１０３の厚みは約２００μｍであった。

同様に、カソードガス拡散層としてカーボンペーパー（東レ社製「ＴＧＰ−Ｈ−０６０」、厚み約１９０μｍ）を縦２２．３ｍｍ×横２２．３ｍｍのサイズに切り出し、そのカソードガス拡散層の一方の面に、上記のカソード触媒層用の触媒ペーストを触媒量が０．５ｍｇ／ｃｍ²となるように、縦２２．３ｍｍ×横２２．３ｍｍのウィンドウを有したスクリーン印刷版を用いて塗布し、室温にて乾燥させることにより、カソードガス拡散層であるカーボンペーパーの片面の全面にカソード触媒層が形成されたカソード極１０２を作製した。得られたカソード極１０２の厚みは約２００μｍであった。

次に、９０ｍｍ×９０ｍｍのサイズに切り出したフッ素樹脂系高分子電解質（旭化成社製「アシプレックス」）をアニオン伝導性電解質膜１０１として用い、上記アノード極１０３と電解質膜１０１と上記カソード極１０２をこの順で、それぞれの触媒層が電解質膜１０１に対向するように重ね合わせた後、１３０℃、１０ｋＮで２分間の熱圧着を行なうことにより、アノード極１０３およびカソード極１０２を電解質膜１０１に接合し、膜電極複合体を得た。上記重ね合わせは、アノード極１０３とカソード極１０２の電解質膜１０１の面内における位置が一致するように、かつアノード極１０３と電解質膜１０１とカソード極１０２の中心が一致するように行なった。

（２）アルカリ形燃料電池の作製
外形が縦９０ｍｍ×横９０ｍｍ×厚み２０ｍｍであり、一方の表面に図３に示されるような流路溝（燃料受容部１０７および第１凹部１０９、または、酸化剤受容部１０６および第２凹部１０８）が形成されたカーボン材料からなる部材を２つ用意し、これらをそれぞれ、集電機能を有する第１セパレータ１０５、第２セパレータ１０４とした。第１セパレータ１０５が有する燃料受容部１０７は、図３に示されるようなサーペンタイン状の流路溝である（流路の幅８００μｍ、深さ８００μｍ）。燃料受容部１０７が形成されている領域は、第１セパレータ１０５の中心であり、そのサイズは縦２２．３ｍｍ×横２２．３ｍｍである。また、第１電池内熱媒体流路１２１の一部を構成する第１凹部１０９は幅８００μｍ、深さ８００μｍであり、燃料受容部１０７の周囲を取り囲むように形成されている。第２セパレータ１０４も同様である。第２セパレータ１０４には、図２に示すような位置に熱電対を挿入するための穴が形成されている。

図４に示されるような２つの四フッ化エチレンプロピレンゴムシート（厚み１８０μｍ）を第１壁１１３として用い、これらを第１セパレータ１０５の図４に示されるような位置に配置した。第２壁１１２に関しても、同様である。

ついで、上記（１）で得られた膜電極複合体のアノードガス拡散層上に、溝形成面がアノードガス拡散層に対向するように、かつ第１壁１１３，１１３間の第１空間１１１が第１凹部１０９の直上に配置されるように（アノード極１０３が燃料受容部１０７の直上に配置されるように）第１セパレータ１０５を積層するとともに、カソードガス拡散層上に、溝形成面がカソードガス拡散層に対向するように、かつ第２壁１１２，１１２間の第２空間１１０が第２凹部１０８の直下に配置されるように（カソード極１０２が酸化剤受容部１０６の直下に配置されるように）第２セパレータ１０４を積層し、これらをボルトおよびナットを用いて締結することにより、アルカリ形燃料電池を得た。第２セパレータ１０４の熱電対取り付け用穴に熱電対を挿入した。

（３）アルカリ形燃料電池システムの作製
第１熱媒体循環装置２０２として準備したダブルプランジャーポンプ（ＡＬ１２−３３）と、第１電池内熱媒体流路１２１および第２電池内熱媒体流路１２２との間を電池外熱媒体流路２０１（ＳＵＳ製配管）を用いて図１のように接続した。また、電池外熱媒体流路２０１の一部を、第１熱交換部３００として準備したオイルバスに浸漬させることで、第１熱媒体である水が循環される第１熱媒体流路を構築し、アルカリ形燃料電池システムを得た。第１熱媒体の温度が所望の温度となるように温度制御するため、オイルバスには温度計およびヒーターを設置した。

（４）燃料電池システムの熱交換効率および発電特性評価
アルカリ形燃料電池システムを室温環境下に置き、第１熱交換部３００によって４０℃に調整した第１熱媒体流路内の水（第１熱媒体）を、第１熱媒体循環装置２０２を用いて循環させ、第１電池内熱媒体流路１２１および第２電池内熱媒体流路１２２に当該水を循環流通させたところ、第１熱媒体循環装置２０２の稼動開始から５分後に、アルカリ形燃料電池１００内の温度が４０℃となった。

その後、加湿したＨ₂ガス（相対湿度９５％）を、アルカリ形燃料電池の燃料受容部１０７に２００ｍＬ／分の流量で供給するとともに、無加湿の空気（相対湿度５０％）を、酸化剤受容部１０６に５００ｍＬ／分の流量で供給し、第１セパレータ１０５と第２セパレータ１０４とを電気的に接続して、取り出し電流値６００ｍＡ／ｃｍ²で発電を行なった。発電開始から２０分後のセル電圧およびセル抵抗をポテンシオスタット／ガルバノスタット（ＥＣＯ ＣＨＥＭＩ社製 ＡＵＴＯＬＡＢ ＰＧＳＴＡＴ３０／ＦＲＡ２およびＡＵＴＯＬＡＢ ＢＳＴＲ１０Ａ）を用いて測定したところ、それぞれ０．５５Ｖ、１５０ｍΩｃｍ²であった。

また、第１熱媒体としてアルカリ水溶液を用いて上記と同様の試験を行なった。アルカリ形燃料電池システムを室温環境下に置き、第１熱交換部３００によって４０℃に調整した第１熱媒体流路内の１ｍｏｌ／Ｌ ＫＯＨ水溶液（第１熱媒体）を、第１熱媒体循環装置２０２を用いて循環させ、第１電池内熱媒体流路１２１および第２電池内熱媒体流路１２２に当該アルカリ水溶液を循環流通させたところ、第１熱媒体循環装置２０２の稼動開始から５分後に、アルカリ形燃料電池１００内の温度が４０℃となった。

その後、加湿したＨ₂ガス（相対湿度９５％）を、アルカリ形燃料電池の燃料受容部１０７に２００ｍＬ／分の流量で供給するとともに、無加湿の空気（相対湿度５０％）を、酸化剤受容部１０６に５００ｍＬ／分の流量で供給し、第１セパレータ１０５と第２セパレータ１０４とを電気的に接続して、取り出し電流値６００ｍＡ／ｃｍ²で発電を行なったところ、発電開始から１０分後に０．５７Ｖのセル電圧を示した。このときのセル抵抗は１５０ｍΩｃｍ²であった。

＜比較例１＞
（１）アルカリ形燃料電池システムの作製
第１凹部１０９の代わりに、第１電池内熱媒体流路１２１として、第１セパレータの内部に形成された流路を備える第１セパレータ、および、第２凹部１０８の代わりに、第２電池内熱媒体流路１２２として、第２セパレータの内部に形成された流路を備える第２セパレータを用いたこと以外は実施例１と同様にしてアルカリ形燃料電池を作製した。ただし、第１壁１１３および第２壁１１２の設置は省略した。ついで、このアルカリ形燃料電池を用いて、実施例１と同様にしてアルカリ形燃料電池システムを作製した。

第１セパレータの第１電池内熱媒体流路および第２セパレータの第２電池内熱媒体流路はともに、表面に熱媒体流路を形成した部材と平板の部材とを拡散接合で貼り合わせることでセパレータの厚み方向に関して略中央部に形成されており、流路の幅および深さは、実施例１で用いたセパレータが有する第１凹部１０９、第２凹部１０８と同じである。また、流路形状も第１凹部１０９、第２凹部１０８と同様であり、セパレータを上から見たときに、図３に示されるような形状を有している。

（２）燃料電池システムの熱交換効率および発電特性評価
アルカリ形燃料電池システムを室温環境下に置き、第１熱交換部３００によって４０℃に調整した第１熱媒体流路内の水（第１熱媒体）を、第１熱媒体循環装置２０２を用いて循環させ、第１電池内熱媒体流路１２１および第２電池内熱媒体流路１２２に当該水を循環流通させたところ、第１熱媒体循環装置２０２の稼動開始から７分後に、アルカリ形燃料電池１００内の温度が４０℃となった。

その後、加湿したＨ₂ガス（相対湿度９５％）を、アルカリ形燃料電池の燃料受容部１０７に２００ｍＬ／分の流量で供給するとともに、無加湿の空気（相対湿度５０％）を、酸化剤受容部１０６に５００ｍＬ／分の流量で供給し、第１セパレータ１０５と第２セパレータ１０４とを電気的に接続して、取り出し電流値６００ｍＡ／ｃｍ²で発電を行なった。発電開始から２０分後のセル電圧およびセル抵抗を測定したところ、それぞれ０．５２Ｖ、１７０ｍΩｃｍ²であった。

１０，２０，３０，４０ アルカリ形燃料電池システム、１００ アルカリ形燃料電池、１０１ アニオン伝導性電解質膜、１０１ａ 第１表面、１０１ｂ 第２表面、１０２ カソード極、１０３ アノード極、１０４ 第２セパレータ、１０５ 第１セパレータ、１０６ 酸化剤受容部（第４凹部）、１０７ 燃料受容部（第３凹部）、１０７ａ 燃料供給用配管、１０７ｂ 燃料排出用配管、１０８ 第２凹部、１０９ 第１凹部、１１０ 第２空間、１１１ 第１空間、１１２ 第２壁、１１３ 第１壁、１２０ 電池内熱媒体流路、１２１ 第１電池内熱媒体流路、１２２ 第２電池内熱媒体流路、１３０ 第１温度検出部、２００ 第１熱媒体循環部、２０１ 電池外熱媒体流路、２０２ 第１熱媒体循環装置、２０３ 切替バルブ、３００ 第１熱交換部、３０１ 加熱用熱交換部、３０２ 冷却用熱交換部、３３０ 第２温度検出部、３３１ 第３温度検出部、４００ 制御部、５００ 第２熱媒体循環部、５０１ 第２熱媒体流路、５０２ 第２熱媒体循環装置、６００ 第２熱交換部。

Claims (10)

1. アニオン伝導性電解質膜、前記アニオン伝導性電解質膜の第１表面に積層されるアノード極、および、前記アニオン伝導性電解質膜の前記第１表面に対向する第２表面に積層されるカソード極からなる膜電極複合体、
   燃料を受け入れるための燃料受容部を少なくとも備える、前記アノード極上に積層される第１セパレータ、
   酸化剤を受け入れるための酸化剤受容部を少なくとも備える、前記カソード極上に積層される第２セパレータ、ならびに
   前記膜電極複合体のうち前記アニオン伝導性電解質膜のみに第１熱媒体を接触させるための電池内熱媒体流路を備えるアルカリ形燃料電池と、
   前記電池内熱媒体流路に接続される電池外熱媒体流路を備え、前記電池内熱媒体流路および前記電池外熱媒体流路からなる第１熱媒体流路内に前記第１熱媒体を循環させるための第１熱媒体循環部と、
   前記電池外熱媒体流路内の第１熱媒体との間で熱交換を行なうための第１熱交換部と、
   を含むアルカリ形燃料電池システム。
2. 前記電池内熱媒体流路は、前記膜電極複合体のうち前記アニオン伝導性電解質膜の前記第１表面のみに前記第１熱媒体を接触させるための第１電池内熱媒体流路、および、前記膜電極複合体のうち前記アニオン伝導性電解質膜の前記第２表面のみに前記第１熱媒体を接触させるための第２電池内熱媒体流路の少なくともいずれか１つを含む請求項１に記載のアルカリ形燃料電池システム。
3. 前記第１電池内熱媒体流路は、
   前記第１セパレータにおける前記アニオン伝導性電解質膜側表面に設けられる第１凹部と、
   前記第１凹部と前記アニオン伝導性電解質膜との間に介在する空間であって、該空間の周縁に設けられ、前記第１セパレータにおける前記アニオン伝導性電解質膜側表面から前記アニオン伝導性電解質膜の前記第１表面に至る第１壁によって挟まれた第１空間と、から構成され、
   前記第２電池内熱媒体流路は、
   前記第２セパレータにおける前記アニオン伝導性電解質膜側表面に設けられる第２凹部と、
   前記第２凹部と前記アニオン伝導性電解質膜との間に介在する空間であって、該空間の周縁に設けられ、前記第２セパレータにおける前記アニオン伝導性電解質膜側表面から前記アニオン伝導性電解質膜の前記第２表面に至る第２壁によって挟まれた第２空間と、から構成される請求項２に記載のアルカリ形燃料電池システム。
4. 前記燃料受容部は、前記第１セパレータにおける前記アニオン伝導性電解質膜側表面に設けられる第３凹部からなり、かつ、前記第１凹部は、前記第３凹部の周囲の少なくとも一部に設けられる、前記第３凹部とは独立した凹部であり、
   前記酸化剤受容部は、前記第２セパレータにおける前記アニオン伝導性電解質膜側表面に設けられる第４凹部からなり、かつ、前記第２凹部は、前記第４凹部の周囲の少なくとも一部に設けられる、前記第４凹部とは独立した凹部である請求項３に記載のアルカリ形燃料電池システム。
5. 前記アルカリ形燃料電池内および前記第１熱交換部内の少なくともいずれか１つの温度を検出するための温度検出部をさらに含む請求項１〜４のいずれかに記載のアルカリ形燃料電池システム。
6. 前記温度検出部の検出結果に基づいて前記第１熱交換部による熱交換量を制御するための、および／または、前記第１熱媒体流路内で循環される前記第１熱媒体の循環流量を制御するための制御部をさらに含む請求項５に記載のアルカリ形燃料電池システム。
7. 前記第１熱交換部は、前記電池外熱媒体流路に対して切替可能に接続される、前記第１熱媒体を加熱するための加熱用熱交換部および前記第１熱媒体を冷却するための冷却用熱交換部を含む請求項１〜６のいずれかに記載のアルカリ形燃料電池システム。
8. 前記第１熱交換部に第２熱媒体を循環させるための第２熱媒体流路を備える第２熱媒体循環部と、
   前記第２熱媒体流路内の第２熱媒体との間で熱交換を行なうための第２熱交換部と、
   をさらに含む請求項１〜７のいずれかに記載のアルカリ形燃料電池システム。
9. 前記第１熱媒体は、液体である請求項１〜８のいずれかに記載のアルカリ形燃料電池システム。
10. 前記第１熱媒体は、水または水溶液である請求項９に記載のアルカリ形燃料電池システム。

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