JP5731324B2 - アルカリ形燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、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）を用いたアルカリ形燃料電池に関する。

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においては、電解質膜および触媒層の電解質にアニオン伝導性電解質を用いるために、稼動停止中に、電解質膜および触媒層が環境中の二酸化炭素（ＣＯ₂）を吸収し、電解質膜および触媒層中のＯＨ^-は、下記式（３）および（４）：
ＣＯ₂＋２ＯＨ^- → ＣＯ₃ ^2-＋Ｈ₂Ｏ （３）
ＣＯ₂＋ＯＨ^- → ＨＣＯ₃ ^- （４）
のような反応によってＣＯ₃ ^2-および／またはＨＣＯ₃ ^-（以下、「ＣＯ₂由来アニオン」ということがある。）に置換される。このようなＣＯ₂由来アニオンの濃度上昇（ＯＨ^-イオン濃度の低下）は、電解質のアニオン伝導度を低下させ、セル抵抗を大きく増大させる。

上記セル抵抗増大の問題は、燃料電池の稼動により生じるセルフパージと呼ばれる現象により改善できることが知られている。セルフパージとは、燃料電池の稼動により、アニオン伝導度の低下の要因である、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れる現象をいい、具体的には下記式（５）および（６）：
Ｈ₂＋ＣＯ₃ ^2- → ＣＯ₂＋Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^- （５）
Ｈ₂＋２ＨＣＯ₃ ^- → ２ＣＯ₂＋２Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^- （６）
で表すことができる。

しかしながら、非特許文献１に示されるように、セルフパージによれば、多くのＣＯ₂由来アニオンがＯＨ^-に再置換されるため、セル抵抗の増大を抑制することは可能であるものの、ある一定量残存したＣＯ₂由来アニオンがセルフパージによってアノード極に局在化し、蓄積される結果、アノード極における反応過電圧が高くなり、発電効率が低下してしまうという問題がある。

特許文献１には、アノード極に供給した燃料をアルカリ水溶液に接触させることで燃料中の二酸化炭素を除去することが記載されている。また、非特許文献２には、アノード極に供給される燃料にあらかじめアルカリを添加することで出力特性を改善させることが記載されている。

特開平３−２９５１７５号公報

Ｙｕ Ｍａｔｓｕｉ，Ｍｏｒｉｈｉｒｏ Ｓａｉｔｏ，Ａｋｉｍａｓａ Ｔａｓａｋａ，ａｎｄ Ｍｉｎｏｒｕ Ｉｎａｂａ，ＥＣＳ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ，２５（１３），１０５−１１０（２０１０） 山崎陽太郎，「アニオン交換膜形燃料電池の開発」，文部科学省科学研究費補助金「ＤＭＦＣによる環境低負荷型高効率エネルギー変換の新展開」（特定領域研究Ｂ） 研究成果報告書，平成１８年６月

上記特許文献１や非特許文献２に記載されるように、アノード極にアルカリ水溶液を供給し、ＣＯ₂由来アニオンをアルカリで中和する方法によれば、アノード極へのＣＯ₂由来アニオンの蓄積を抑制できる可能性がある。しかしこの方法は、中和により生じた塩（炭酸塩など）がアノード極の細孔内で析出し該細孔を閉塞させる結果、アノード極への燃料の供給および拡散が阻害され、発電効率が低下するという新たな問題を招来する。また、水素などの気体燃料を用いる場合には、アルカリ水溶液自体による細孔閉塞によって気体燃料の供給が阻害される。

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、電極の細孔閉塞を生じさせることなくアノード極へのＣＯ₂由来アニオンの蓄積を効果的に抑制することができ、もって良好な発電効率を示すアルカリ形燃料電池を提供することにある。

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と、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セパレータと、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セパレータと、上記膜電極複合体のうちアニオン伝導性電解質膜のみにアルカリ水溶液を接触させるためのアルカリ水溶液供給部とを備えるアルカリ形燃料電池を提供する。

アルカリ水溶液供給部は、膜電極複合体のうちアニオン伝導性電解質膜の第１表面のみにアルカリ水溶液を接触させるための第１アルカリ水溶液供給部、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表面のみにアルカリ水溶液を接触させるための第２アルカリ水溶液供給部の少なくともいずれか１つを含むことが好ましい。

第１アルカリ水溶液供給部は、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アルカリ水溶液供給部は、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、上記第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、上記第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によれば、膜電極複合体のうちアニオン伝導性電解質膜のみにアルカリ水溶液が接触するように構成されたアルカリ水溶液供給部を備えるものであるので、アルカリ水溶液による中和によってアノード極へのＣＯ₂由来アニオンの蓄積を効果的に抑制することができ、しかもこの中和によって生成する塩により電極の細孔が閉塞することもない。したがって、本発明のアルカリ形燃料電池は、優れた発電効率を示すことができる。

本発明の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１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２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は、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と、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セパレータと、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セパレータとを含み、さらにアルカリ水溶液をアニオン伝導性電解質膜に供給するためのアルカリ水溶液供給部を備えたものである。アルカリ水溶液供給部は、アルカリ水溶液がアノード極およびカソード極に接触することなく、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る。

本発明のアルカリ形燃料電池によれば、アルカリ水溶液を、電極（アノード極およびカソード極）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）のみに接触させることができるので、塩析出による電極の細孔閉塞を生じさせることなく、アニオン伝導性電解質膜、ひいては電極のＣＯ₂由来アニオン濃度を低下させることによってアノード極へのＣＯ₂由来アニオンの蓄積を抑制することができ、これにより発電効率を向上させることができる。また、ＣＯ₂由来アニオンの蓄積のない状態から燃料電池を稼動させることが可能になるため、起動性を高めることができ、発電開始初期から十分に高い電力を得ることができる。

アニオン伝導性電解質膜にアルカリ水溶液を接触させた場合、アニオン伝導性電解質膜の性質上、アルカリの対カチオンはアニオン伝導性電解質膜中に侵入せず、ＯＨ^-アニオンのみが侵入する。このＯＨ^-アニオンがアニオン伝導性電解質膜、ひいてはこれに隣接するアノード極およびカソード極内のＣＯ₂由来アニオン（炭酸イオンなど）を効果的に中和する。ここでいう中和とは、ＣＯ₂由来アニオンがＯＨ^-アニオンによって置換されることを意味し、中和により生じた塩（対カチオンとＣＯ₂由来アニオンとの塩）はアルカリ水溶液に溶解して、ＣＯ₂由来アニオンは実質的に膜電極複合体から分離される。後述する実施形態のように、アルカリ水溶液を流通させる、すなわちアルカリ水溶液供給部の一方端からアルカリ水溶液を導入し、他方端から排出させるようにすると、中和により生じた塩をアルカリ水溶液とともに燃料電池外部に排出させることもできる。アルカリの対カチオンはアニオン伝導性電解質膜中に侵入しないため、アニオン伝導性電解質膜内で塩析出が生じることはない。

また、本発明のアルカリ形燃料電池は次の点においても有利である。すなわち、アニオン伝導性電解質膜にアルカリ水溶液を接触させることによりアニオン伝導性電解質膜に水を供給することができる。この水は、カソード極での触媒反応〔上記式（１）〕に利用することができるので、カソード極に供給する酸化剤（空気など）の加湿（したがって加湿器の設置）を省略することが可能になる。また、この際、酸化剤の供給経路（酸化剤受容部）とカソード極への水の供給経路（アルカリ水溶液供給部）とが分離されているため、フラッディングによる酸化剤供給不足を抑制することができる。

以下、本発明の燃料電池を実施の形態を示して詳細に説明する。
図１は、本発明の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は、図１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り、第１セパレータのアニオン伝導性電解質膜側表面を示したものである。また図３には、第１セパレータ表面に第１壁を配置した状態を概略上面図で示している。

これらの図面に示される燃料電池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のみにアルカリ水溶液を接触させるための第１および第２アルカリ水溶液供給部１２０，１２１から主に構成される。本実施形態において第１および第２アルカリ水溶液供給部１２０，１２１は、一方端（たとえば第１アルカリ水溶液供給部１２０におけるアルカリ水溶液導入用配管１０９ａ側）からアルカリ水溶液を導入し、他方端（たとえば第１アルカリ水溶液供給部１２０におけるアルカリ水溶液排出用配管１０９ｂ側）から排出させるようになっている。

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アルカリ水溶液供給部１２０は、上記アノード極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第１凹部１０９と、第１凹部１０９の直上に位置するとともに第１凹部１０９に連続する第１空間１１１とで構成されている。第１凹部１０９は、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２参照〕。第１空間１１１は、第１凹部１０９とアニオン伝導性電解質膜１０１との間に介在する空間であり、上述の電極が存在しない隙間（空間）の一部であるが、第１空間１１１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）の他の部分から隔離されている。第１空間１１１は、離間して配置された２つの第１壁１１３によって挟まれた空間である。第１壁１１３は、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まで延びており、これにより第１空間１１１外へのアルカリ水溶液の漏洩が防止されるとともに、第１アルカリ水溶液供給部１２０は、アノード極１０３から空間的に分離される。このように、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。

以上のような構成の第１アルカリ水溶液供給部１２０により、第１アルカリ水溶液供給部１２０内を流通するアルカリ水溶液は、アニオン伝導性電解質膜１０１の第１表面１０１ａのみに接触する。第１アルカリ水溶液供給部１２０を構成する第１凹部１０９には、その入口側端部、出口側端部にそれぞれ、アルカリ水溶液導入用配管１０９ａ、アルカリ水溶液排出用配管１０９ｂを接続してもよい（後述する第２アルカリ水溶液供給部１２１を構成する第２凹部１０８についても同様である）。

同様に第２アルカリ水溶液供給部１２１は、上記カソード極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第２凹部１０８と、第２凹部１０８の直下に位置するとともに第２凹部１０８に連続する第２空間１１０とで構成されている。第２凹部１０８は、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。第２空間１１０は、第２凹部１０８とアニオン伝導性電解質膜１０１との間に介在する空間であり、上述の電極が存在しない隙間（空間）の一部であるが、第２空間１１０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）の他の部分から隔離されている。第２空間１１０は、離間して配置された２つの第２壁１１２によって挟まれた空間である。第２壁１１２は、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まで延びており、これにより第２空間１１０外へのアルカリ水溶液の漏洩が防止されるとともに、第２アルカリ水溶液供給部１２１は、カソード極１０２から空間的に分離される。このように、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。

以上のような構成の第２アルカリ水溶液供給部１２１により、第２アルカリ水溶液供給部１２１内を流通するアルカリ水溶液は、アニオン伝導性電解質膜１０１の第２表面１０１ｂのみに接触する。

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の幅方向両端部に沿うように形成されている〔図３参照〕。

燃料受容部１０７は、アノード極１０３が積層される領域における第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、第１アルカリ水溶液供給部１２０を構成する第１凹部１０９とは独立した第３凹部からなることができる。第３凹部は、たとえば図２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。

酸化剤受容部１０６は、カソード極１０２が積層される領域における第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、第２アルカリ水溶液供給部１２１を構成する第２凹部１０８とは独立した第４凹部からなることができる。第４凹部は、第３凹部と同様に、たとえば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。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。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。

ここで、本実施形態のアルカリ燃料電池１００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）にアルカリ水溶液を接触させるための第１アルカリ水溶液供給部１２０、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）にアルカリ水溶液を接触させるための第２アルカリ水溶液供給部１２１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。この場合、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表面にアルカリ水溶液を接触させる第１アルカリ水溶液供給部１２０を具備する構成が、アニオン伝導性電解質膜の中和をより効率的に進めることができるため好ましい。

次に、本発明のアルカリ形燃料電池を構成する部材等についてより詳細に説明する。
（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。

（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、アルカリ水溶液供給部の一部となる第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。

（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アルカリ水溶液供給部１２０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アルカリ水溶液供給部１２１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、上述のように、アノード極１０３、カソード極１０２が積層される領域に形成される。一方、第１凹部１０９は、図２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入口と出口を有する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、燃料受容部１０７の周囲の少なくとも一部に形成されればよい。たとえば、第１凹部１０９は、燃料受容部１０７のすべての４辺に沿うように形成される必要は必ずしもなく、いずれか１辺以上に沿うように形成されてもよい。ただし、電解質膜の中和をより効率的に行なうためには、第１凹部１０９は、燃料受容部１０７（第３凹部）を取り囲むように形成されることが好ましい。

また、第１凹部１０９は、電解質膜の中和をより効率的に行なうために、電解質膜表面のより広い範囲にわたってアルカリ水溶液を供給できるよう、たとえば、槽型の比較的大面積に広がって形成された凹部（入口と出口を有することができ、あるいは出口を有していなくてもよい。）であることができる他、複数の流路溝や枝分かれ状の流路溝からなることができる。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、第１凹部１０９（第２凹部１０８についても同様）は、電解質膜におけるアノード極１０３が積層された領域（第１セパレータ１０５の燃料受容部１０７が形成された領域に相当する領域）の中和を効率的に行なうことができるよう、該領域の中心部にできるだけ近づけて配置することが好ましい。たとえばアノード極１０３が長方形形状を有し、これに伴い燃料受容部１０７も長方形形状を有する場合、短辺よりも長辺に沿って、あるいは、できるだけ短辺よりも長辺に沿うように第１凹部１０９を形成することが好ましい。また、アノード極１０３の面積が大きい場合など、燃料受容部１０７の周囲を取り囲むように第１凹部１０９を形成しただけでは電解質膜におけるアノード極１０３が積層された領域の中心部に近づけて第１凹部１０９を配置できない場合には、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、上記中心部に近い位置に第１凹部１０９を配置することが好ましい〔図４参照〕。図４の例においてはまた、上述のように、優先的に長辺に沿うように第１凹部１０９を形成している。

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、本実施形態のアルカリ形燃料電池１００において、第１アルカリ水溶液供給部１２０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アルカリ水溶液供給部１２１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、アルカリ水溶液供給部の一部である第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により、第１アルカリ水溶液供給部１２０、第２アルカリ水溶液供給部１２１はそれぞれ、アノード極１０３、カソード極１０２から空間的に分離される。

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３参照〕。第１壁１１３および第２壁１１２は、アルカリ水溶液供給部の一部である第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、アルカリ水溶液に対して耐性を有し、かつアルカリ水溶液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。

アルカリ水溶液供給部１２０，１２１は、流通されるアルカリ水溶液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アルカリ水溶液供給部１２０に関していえば、図１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アルカリ水溶液供給部１２０は、第１凹部１０９のみからなる。第２アルカリ水溶液供給部１２１についても同様である。

アルカリ水溶液供給部１２０，１２１に流通させるアルカリ水溶液は特に制限されず、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含有する水溶液を挙げることができる。

（燃料および酸化剤）
本発明のアルカリ形燃料電池のアノード極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。

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、本発明のアルカリ形燃料電池によれば、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。

本発明のアルカリ形燃料電池は、たとえば自動車、家庭用コジェネレーション、携帯型電子機器などの電源として好適に適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１および図２に示される燃料電池と同様の構成を有するアルカリ形燃料電池を作製した。

（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２に示されるような流路溝（燃料受容部１０７および第１アルカリ水溶液供給部１２０、または、酸化剤受容部１０６および第２アルカリ水溶液供給部１２１）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２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アルカリ水溶液供給部１２０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。

図３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３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。

＜実施例２＞
第２凹部１０８を有しないこと以外は実施例１で用いたのと同じ第２セパレータを用いて、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２壁１１２の設置は省略した。

＜比較例１＞
第１凹部１０９を有しないこと以外は実施例１で用いたのと同じ第１セパレータおよび第２凹部１０８を有しないこと以外は実施例１で用いたのと同じ第２セパレータを用いて、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。

［燃料電池の発電特性評価］
以下の手順で実施例１〜２および比較例１の燃料電池を動作させ、発電を行ない、発電特性を評価した。燃料電池を、５０℃の恒温層に入れ、加湿したＨ₂ガス（相対湿度９５％）を、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、加湿した空気（相対湿度９５％）を、燃料電池の酸化剤受容部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、０．２Ａ／ｃｍ²の電流で３０分間発電を行ない、発電３０分の時点でのセル抵抗およびセル電圧を、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。実施例１の燃料電池においては、発電開始時から５重量％ＫＯＨ水溶液を燃料電池の第１アルカリ水溶液供給部１２０および第２アルカリ水溶液供給部１２１のそれぞれに、５ｍＬ／分の流量で供給した。実施例２の燃料電池においては、発電開始時から５重量％ＫＯＨ水溶液を燃料電池の第１アルカリ水溶液供給部１２０に、５ｍＬ／分の流量で供給した。セル抵抗およびセル電圧の測定結果を表１に示す。

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、１０９ａ アルカリ水溶液導入用配管、１０９ｂ アルカリ水溶液排出用配管、１１０ 第２空間、１１１ 第１空間、１１２ 第２壁、１１３ 第１壁、１２０ 第１アルカリ水溶液供給部、１２１ 第２アルカリ水溶液供給部。

Claims (6)

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と、
   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セパレータと、
   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セパレータと、
   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アルカリ水溶液を接触させるためのアルカリ水溶液供給部と、
   を備え、
   前記アルカリ水溶液供給部は、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表面のみにアルカリ水溶液を接触させるための第１アルカリ水溶液供給部、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表面のみにアルカリ水溶液を接触させるための第２アルカリ水溶液供給部の少なくともいずれか１つを含むアルカリ形燃料電池。
2. 前記第１アルカリ水溶液供給部は、
   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、
   から構成される請求項１に記載のアルカリ形燃料電池。
3. 前記第２アルカリ水溶液供給部は、
   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１または２に記載のアルカリ形燃料電池。
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、
   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る請求項２に記載のアルカリ形燃料電池。
5. 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、
   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。
6. 前記第１セパレータおよび前記第２セパレータは集電機能を有する請求項１〜５のいずれかに記載のアルカリ形燃料電池。

Images