WO2011004435A1 - 燃料電池システム - Google Patents

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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system that generates power by directly supplying liquid fuel to an electrode.
  • Direct methanol supply type fuel cell supplies diluted methanol to the anode side and generates air by generating a chemical reaction by supplying air to the cathode side.
  • DMFC Direct methanol supply type fuel cell
  • a gas flow path is provided on the anode flow path plate separately from the fuel supply flow path.
  • Patent Document 1 a technique in which a lyophobic porous body is disposed so as to be adjacent to the diffusion layer of the anode electrode.
  • the present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of suppressing the backflow of CO2 and droplets in the gas flow path when power generation is stopped.
  • the membrane electrode assembly having the anode electrode and the cathode electrode facing each other with the electrolyte membrane interposed therebetween, the porous body in contact with the anode electrode, and the first, second, and third communicating with each other
  • a fuel cell system comprising: a gas flow path having an opening of: and an anode flow path plate having a fuel flow path for supplying fuel to the anode electrode, wherein the first opening is formed in the porous body.
  • a fuel cell system is provided that contacts and collects the gas generated at the anode electrode through the first opening.
  • FIG. 1 is an example of a fuel cell system according to a first embodiment.
  • 2A is a plan view of the second anode flow path plate
  • FIG. 2B is a plan view of the first anode flow path plate. It is explanatory drawing which shows the flow of the fuel and gas at the time of the electric power generation of the fuel cell system which concerns on 1st Embodiment. It is explanatory drawing which shows the gas flow at the time of the electric power generation stop of the fuel cell system which concerns on 1st Embodiment.
  • FIG. 1 shows a cross section viewed from the direction AA in FIGS. 2 (a) to 2 (b).
  • a fuel cell 100a fuel cell system
  • a fuel cell 100a fuel cell system
  • a membrane electrode complex having an anode electrode 81 and a cathode electrode 82 facing each other with an electrolyte membrane 3 interposed therebetween.
  • MEA membrane electrode complex
  • lyophobic porous body 10 in contact with MEA 8
  • first anode flow path plate 30a in contact with lyophobic porous body 10
  • second anode flow in contact with first anode flow path plate 30a A road plate 30b and a cathode flow channel plate 40 facing the anode flow channel plate 30 via the MEA 8 are provided.
  • the MEA 8 includes an electrolyte membrane 3 using a proton conductive solid polymer membrane or the like, an anode catalyst layer 1 formed by applying a catalyst to the surface of the electrolyte membrane 3, and a cathode catalyst formed in the same manner as the anode catalyst layer 1.
  • An anode gas diffusion layer 4 and a cathode gas diffusion layer 5 are formed on the outside of the layer 2, the anode catalyst layer 1 and the cathode catalyst layer 2, respectively.
  • the electrolyte membrane 3 is composed of a proton conductive solid polymer membrane or the like.
  • the catalyst of the anode catalyst layer platinum ruthenium or the like can be used, and as the catalyst of the cathode catalyst layer 2, platinum or the like can be used.
  • the anode gas diffusion layer 4 and the cathode gas diffusion layer 5 porous carbon paper or the like can be used.
  • a carbon anode microporous layer 6 having a submicron pore diameter and a thickness of several tens of microns is disposed. Also good.
  • the “water-repellent treatment” means that the contact angle between the porous body and water is greater than 90 °.
  • a carbon cathode microporous layer 7 having pores with a submicron pore diameter and a thickness of several tens of microns may be disposed.
  • the lyophobic porous body 10 carbon paper having pores with a pore diameter of several ⁇ m made of hydrophobically treated carbon fibers having a thickness of about 200 ⁇ m, a material obtained by hydrophobizing a sintered metal, and a pore diameter of several ⁇ m with electrical conductivity.
  • the following porous materials having lyophobic properties can be used. “Lipophobic” means that the contact angle with water is greater than 90 °.
  • the peripheral portions of the anode catalyst layer 1, the anode microporous layer 6 and the anode gas diffusion layer 4 are formed in a frame shape along the outer periphery of the anode catalyst layer 1, the anode microporous layer 6 and the anode gas diffusion layer 4.
  • the seal part 9a is sealed.
  • peripheral portions of the cathode catalyst layer 2, the cathode microporous layer 7 and the cathode gas diffusion layer 5 are cut out in a frame shape along the outer periphery of the cathode catalyst layer 2, the cathode microporous layer 7 and the cathode gas diffusion layer 5. It is sealed by the seal portion 9b.
  • EPDM ethylene propylene diene rubber
  • PPS polyphenylene sulfide resin
  • PEEK polyetheretherketone resin
  • the anode flow path plate 30 includes the first anode flow path plate 30a and the second anode flow path plate 30b.
  • the anode flow path plate 30 may have a structure in which both are integrated.
  • the first anode channel plate 30a has a fuel channel 31 and gas channels 32c, 32e formed in a groove shape on the surface in contact with the lyophobic porous body 10. Have.
  • gas flow paths 32c and 32e gas flow paths 32b and 32d penetrating both surfaces of the first anode flow path plate 30a are formed.
  • the fuel flow path 31 may be a serpentine flow path in which the fuel is meandered from the upstream side to the downstream side (in the direction of the arrow in the figure), but may be a parallel flow path connecting a plurality of flow paths. .
  • the upstream side of the fuel flow path 31 is connected to the fuel supply port 301, and the downstream side is connected to the fuel discharge port 302.
  • the upstream side of the fuel supply port 301 is connected to the fuel supply line 51a of FIG. 1 via a manifold or the like.
  • the fuel supply line 51 a is provided with a fuel pump 47, and a predetermined amount of fuel is supplied into the fuel flow path 31 by the fuel pump 47.
  • the downstream side of the fuel discharge port 302 is connected to the fuel discharge line 51b of FIG. 1 via a manifold or the like.
  • a groove-like gas flow path 32a connected to the gas flow paths 32b and 32d is disposed on the surface of the second anode flow path plate 30b.
  • the shape of the gas flow path 32a is not limited to FIG.
  • the gas channel 32 has first to third openings communicated with each other.
  • the gas flow path 32 faces the lyophobic porous body 10 through the first opening 33a.
  • the gas flow path 32 is connected to the check valve 20 through the second opening 33b and further communicates with the outside.
  • the gas flow path 32 is connected to the liquid tank connecting portion 36 through the third opening 33 c and further communicates with the liquid tank 35.
  • the cathode flow path plate 40 is in contact with the cathode gas diffusion layer 5 and has an air introduction path 42 for supplying air to the cathode catalyst layer 2.
  • the inlet side of the air introduction path 42 is connected to an air supply line 53 a, and air is introduced via the air pump 46.
  • the outlet side of the air introduction path 42 is connected to the air discharge line 53b via a manifold or the like.
  • the air introduced into the air introduction path 42 may be taken in from the outside of the fuel cell 100a via the air pump 46, or the gas recovered in the gas flow paths 32a to 32e may be reused.
  • the air introduced into the air introduction path 42 may be naturally aspirated (breathing) without using the air pump 46. In this case, the cathode flow path plate 40 may be omitted.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram of the flow of fuel and the flow of exhaust gas (CO2) during power generation of the fuel cell 100a according to the first embodiment.
  • fuel is supplied from the fuel supply line 51a to the fuel flow path 31 by driving the fuel pump 47.
  • air is supplied from the air supply line 53 a to the air introduction path 42. Since the lyophobic porous body 10 is lyophobic, liquid fuel out of the fuel fed to the fuel flow path 31 does not permeate the hydrophobic porous body 10 and is discharged from the first opening 33a. It will never be done. However, part of the fuel is contained in the hydrophobic porous body 10 to the extent that it does not permeate.
  • the liquid fuel gradually becomes a gaseous fuel as it goes deeper, passing through the pores of the hydrophobic porous body 10 and the anode gas diffusion layer 4 as shown in the direction of the dotted arrow in FIG. It reaches the electrode 81. This is because the gaseous fuel can pass through the pores in the hydrophobic porous body 10.
  • CO2 is generated by the anode reaction.
  • the anode microporous layer 6, the anode gas diffusion layer 4, and the lyophobic porous body 10 are lyophobic, the CO 2 gas can freely move in a continuous phase without being hindered by the fuel.
  • CO2 bubbles are formed in the fuel in the fuel supply channel 31 by applying the pressure of the fuel in the fuel supply channel 31. Can be prevented.
  • the CO2 passing through the lyophobic porous body 10 is discharged through the first opening 33a into the gas flow path 32 connected to the lyophobic porous body 10, as indicated by the solid arrow in FIG. Since the check valve 20 is provided, CO2 is not discharged from the second opening 33b but is discharged from the third opening 33c.
  • the CO2 gas has a high concentration in the anode electrode 81 and the gas flow path 32 (32a to 32e), and the concentrations of O2 gas and N2 gas are almost zero.
  • the cathode electrode 82 and the air supply flow path 42 since air is always supplied from the outside, the N2 gas concentration is high and the O2 gas concentration is high enough to cause an electrochemical reaction.
  • the CO2 gas concentration is relatively lower than the anode electrode 81 side.
  • concentration diffusion of CO 2 gas occurs from the anode electrode 81 to the cathode electrode 82 via the electrolyte membrane 3.
  • concentration diffusion of O 2 gas or N 2 gas occurs from the cathode electrode 82 to the anode electrode 81.
  • the CO2 gas permeability of the electrolyte membrane 3 is significantly higher than that of N2 gas or O2 gas, the CO2 gas concentration diffusion amount is larger than the concentration diffusion amount of O2 gas or N2 gas.
  • the CO 2 gas is continuously discharged from the anode electrode 81 to the cathode electrode 82 through the electrolyte membrane 3.
  • the CO 2 gas is continuously discharged from the anode electrode 81 to the cathode electrode 82 through the electrolyte membrane 3.
  • about 0.1 ccm of gas permeates through the electrolyte membrane 3 to the cathode electrode 82.
  • “Ccm” represents mL / min when converted to 1 atm at 25 ° C.
  • CO2 generation from the anode catalyst layer 1 stops. Then, the internal pressures of the anode electrode 81 (1, 6, 4) and the gas flow paths 32a to 32e are lowered, and the gas that has flowed from the lyophobic porous body 10 toward the first opening and the third opening during power generation. The flow direction is reversed when power generation is stopped.
  • the discharged liquid 38 discharged from the gas flow path 32 is sufficiently accumulated in the liquid tank 35, the discharged liquid 38 flows from the third opening along with the flow of CO2. It tends to flow in the direction of the first opening and the lyophobic porous body 10. If the opening 33a of the gas flow path 32 and the check valve 20 are not provided, the discharged liquid 38 directly enters the gas flow path 32 and reaches the lyophobic porous body 10, so that the lyophobic porous body 10 is wetted. There is.
  • the fuel cell 100a When the lyophobic porous body 10 between the fuel flow path 31 and the gas flow path 32 is occupied by the liquid, the fuel is easily passed from the fuel flow path 31 to the gas flow path 32 through the lyophobic porous body 10. Since the fuel cell 100a is in a flowing state, gas-liquid separation of fuel and gas cannot be maintained inside the fuel cell 100a. That is, the fuel flow path 31 and the gas flow path 32 communicate with each other by the liquid such as the discharged liquid 38 that has entered the pores, and the lyophobic property of the lyophobic porous body 10 is destroyed. In this state, the fuel cell 100a is again in the power generation state to generate CO2 gas, or the lyophobic porous body is heated to evaporate the liquid in the lyophobic porous body. It will not be resolved unless the part is filled with gas.
  • the first embodiment includes the second opening 33b and the check valve 20 provided in such a form that air flows only from the outside of the fuel cell system connected to the opening 33b into the gas flow path 32. Yes. At this time, the pressure of the gas flow path 32 becomes smaller than the atmospheric pressure by the amount of the head of the discharged liquid 38. Accordingly, the check valve 20 is opened. As a result, the exhaust liquid 38 does not enter the gas flow path 32 but air outside the fuel cell enters from the check valve 20, so that the “exhaust liquid 38 to the gas flow path 32 when power generation is stopped” described above. Intrusion "can be suppressed.
  • the present invention can be used for a fuel cell system.
  • Liquid tank connection 38 Exhaust liquid 40 ... Cathode flow path plate 42 . Air supply flow Path 46 ... Air pump 46 ... Liquid feed pump 51a ... Fuel supply line 51b ; Fuel discharge line 53a ... Air supply line 53b ... Air discharge line 81 ... Anode electrode 82 ... Cathode electrode

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Abstract

　電解質膜を挟んで互いに対向するアノード電極及びカソード電極を有する膜電極複合体と、前記アノード電極に接する多孔体と、互いに連通する第１、第２、及び第３の開口部を有する気体流路と、前記アノード電極に燃料を送給する燃料流路を備えるアノード流路板と、を備える燃料電池システムであって、前記第１の開口部は前記多孔体に接し、前記アノード電極で生成される気体を前記第１の開口部を介して回収することを特徴とする燃料電池システム。　

Description

燃料電池システム
　本発明は、液体燃料を直接電極に供給して発電する燃料電池システムに関する。
　直接メタノール供給型燃料電池（ＤＭＦＣ）はアノード側に希釈したメタノールを供給し、カソード側に空気を供給することにより化学反応を生じさせて発電を行う。
　アノード流路内とアノード出口側の流路に気液二相流を流通させずに直接型燃料電池を小型化する手法として、アノード流路板に、燃料供給流路とは別に気体流路を併設し、これらをアノード電極の拡散層に隣接するように疎液性多孔体を配置する手法が知られている（特許文献１）。
特開２００６－４９１１５号公報
　しかしながら、上述した例では、発電を停止した場合に、ＣＯ２の排出停止により気体流路とアノードの内圧が下がるため、気体回収部中のＣＯ２が疎液性多孔体中へ逆流する場合がある。発電停止時に気体流路内や出口端に液滴が付着していた場合には、液滴が気体流路を塞ぎながら疎液性多孔体方向に逆流することにより、疎液性多孔体が濡れる場合がある。
　本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、その目的は、発電停止時の気体流路中のＣＯ２や液滴の逆流を抑制可能な燃料電池システムを提供することにある。
　本願発明の態様によれば、電解質膜を挟んで互いに対向するアノード電極及びカソード電極を有する膜電極複合体と、前記アノード電極に接する多孔体と、互いに連通する第１、第２、及び第３の開口部を有する気体流路と、前記アノード電極に燃料を送給する燃料流路を備えるアノード流路板と、を備える燃料電池システムであって、前記第１の開口部は前記多孔体に接し、前記アノード電極で生成される気体を前記第１の開口部を介して回収することを特徴とする燃料電池システムが提供される。
　本発明によれば、発電停止時の気体流路中のＣＯ２や液滴の逆流を抑制可能な燃料電池システムが提供できる。
第１の実施の形態に係る燃料電池システムの一例である。 図２（ａ）は第２アノード流路板の平面図、図２（ｂ）は、第１アノード流路板の平面図である。 第１の実施の形態に係る燃料電池システムの発電時の燃料と気体の流れを示す説明図である。 第１の実施の形態に係る燃料電池システムの発電停止時における気体の流れを示す説明図である。
　図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面においては、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の構造、配置等を下記のものに限定するものではない。
（第１の実施の形態）
　図１に、図２（ａ）～図２（ｂ）のＡ－Ａ方向からみた断面を示す。図１に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池１００ａ（燃料電池システム）は、電解質膜３を挟んで互いに対向するアノード電極８１及びカソード電極８２を有する膜電極複合体（ＭＥＡ）８と、ＭＥＡ８に接する疎液性多孔体１０と、疎液性多孔体１０に接する第１のアノード流路板３０ａと、第１のアノード流路板３０ａに接する第２のアノード流路板３０ｂと、ＭＥＡ８を介してアノード流路板３０に対向するカソード流路板４０と、を備える。
　ＭＥＡ８は、プロトン導電性の固体高分子膜等を用いた電解質膜３、電解質膜３の表面に触媒を塗布して形成されたアノード触媒層１及びアノード触媒層１と同様に形成されたカソード触媒層２、アノード触媒層１及びカソード触媒層２の外側にそれぞれ形成されたアノードガス拡散層４及びカソードガス拡散層５を備える。
　電解質膜３は、プロトン導電性の固体高分子膜等から構成されている。アノード触媒層１の触媒としては白金ルテニウム等を、カソード触媒層２の触媒としては白金等を利用することができる。アノードガス拡散層４、カソードガス拡散層５としては、多孔質のカーボンペーパー等を用いることができる。
　アノード触媒層１とアノードガス拡散層４との間には、撥水処理した、サブミクロンの孔径の細孔を有し、数十ミクロン厚みを有するカーボン製のアノードマイクロポーラス層６が配置されてもよい。なお、「撥水処理」とは、多孔体と水との接触角が９０°より大きくなるように処理することをいう。カソード触媒層２とカソードガス拡散層５との間には、サブミクロンの孔径の細孔を有し、数十ミクロン厚みを有するカーボン製のカソードマイクロポーラス層７が配置されていてもよい。
　疎液性多孔体１０としては、厚み約２００μｍの疎水処理されたカーボン繊維よりなる孔径数μｍの細孔を有するカーボンペーパー、燒結金属を疎水化処理した材料や、電気伝導性を有する孔径数μｍ以下の多孔体で疎液性を有する材料を用いることができる。なお、「疎液性」とは、水との接触角が９０°よりも大きい性質を意味する。疎液性多孔体１０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と燃料とを容易に気液分離できる。
　アノード触媒層１、アノードマイクロポーラス層６及びアノードガス拡散層４の周縁部は、アノード触媒層１、アノードマイクロポーラス層６及びアノードガス拡散層４の外周に沿って額縁状に形成された第１のシール部９ａによりシールされている。
　カソード触媒層２、カソードマイクロポーラス層７及びカソードガス拡散層５の周縁部は、カソード触媒層２、カソードマイクロポーラス層７及びカソードガス拡散層５の外周に沿って額縁状に切り抜いた第２のシール部９ｂによりシールされている。
　シール部９ａ、９ｂとしては、エチレンプロピレンジエンゴム（ＥＰＤＭ）を用いるのが好ましい。ＥＰＤＭゴムは、酸素や窒素を透過する一方でＣＯ２を透過しにくい性質を有しており、高温・高圧条件にも耐性を有する材料であるためである。ＥＰＤＭの他にも、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン樹脂（ＰＥＥＫ）等も、高温・高圧耐性を有し、水素を透過しにくく、ＣＯ２を透過しにくい性質を持つことから、シール部９ａ、９ｂの材料として、好適に用いることができる。
　アノード流路板３０は、図１に示すように、第１アノード流路板３０ａ及び第２アノード流路板３０ｂを備えているが、両者を一体化させた構造であっても構わない。図２（ｂ）に示すように、第１アノード流路板３０ａには、疎液性多孔体１０と接する表面上に、溝状に形成された燃料流路３１及び気体流路３２ｃ、３２ｅを有する。気体流路３２ｃ、３２ｅには、第１アノード流路板３０ａの両面を貫通する気体流路３２ｂ、３２ｄが形成されている。
　燃料流路３１は、例えば燃料を上流側から下流側（図中の矢印の向き）に向かって蛇行させたサーペンタイン流路が採用できるが、複数の流路を繋げた並行流路としても構わない。図２（ｂ）に示すように、燃料流路３１の上流側は、燃料供給口３０１に接続され、下流側は燃料排出口３０２に接続されている。燃料供給口３０１の上流側は、マニホールド等を介して図１の燃料供給ライン５１ａに接続されている。燃料供給ライン５１ａには燃料ポンプ４７が設けられており、燃料ポンプ４７によって所定量の燃料が燃料流路３１中に供給される。燃料排出口３０２の下流側は、マニホールド等を介して図１の燃料排出ライン５１ｂに接続されている。
　図２（ａ）に示すように、第２アノード流路板３０ｂの表面には、気体流路３２ｂ、３２ｄに接続される溝状の気体流路３２ａが配置されている。気体流路３２ａの形状は図２（ａ）に限定されない。
　気体流路３２は互いに連通した第１乃至第３の開口部を有する。気体流路３２は第１の開口部３３ａを介して疎液性多孔体１０に対向する。気体流路３２は第２の開口部３３ｂを介して逆止弁２０に連結し、さらに外部に通じている。気体流路３２は第３の開口部３３ｃを介して液タンク接続部３６に連結し、さらに液タンク３５に通じている。
　カソード流路板４０は、図１に示すように、カソードガス拡散層５と接し、カソード触媒層２に空気を送給するための空気導入路４２を有している。空気導入路４２の入口側は空気供給ライン５３ａに接続されており、空気ポンプ４６を介して空気が導入される。空気導入路４２の出口側はマニホールド等を介して空気排出ライン５３ｂに接続されている。空気導入路４２に導入される空気は、空気ポンプ４６を介して燃料電池１００ａの外部から取り込んでも構わないし、気体流路３２ａ～３２ｅで回収された気体を再利用しても構わない。空気導入路４２に導入される空気は、空気ポンプ４６を用いずに自然吸気（ブリージング）にしても構わない。この場合、カソード流路板４０は省略してもよい。
　図３は、第１の実施の形態に係る燃料電池１００ａの発電時の燃料の流れ及び排出ガス（ＣＯ２）の流れの概念図である。
　発電時は、燃料ポンプ４７を駆動させることにより、燃料供給ライン５１ａから燃料流路３１へ燃料が供給される。空気ポンプ４６を駆動させることにより、空気供給ライン５３ａから空気導入路４２へ空気が供給される。疎液性多孔体１０が疎液性であるため、燃料流路３１に送給された燃料のうち、液体状の燃料は疎水性多孔体１０を透過しないため、第１の開口部３３ａから排出されることはない。ただし、透過しない程度に燃料の一部は疎水性多孔体１０に含まれている。一方、液体状の燃料は少しずつ深奥部に行くに従い気体状の燃料となりつつ疎水性多孔体１０やアノードガス拡散層４の細孔を通り、図３の点線矢印の方向に示すように、アノード電極８１へ到達する。気体状の燃料は疎水性多孔体１０の中の細孔を通ることができるからである。
　アノード触媒層１では、アノード反応によりＣＯ２が生成する。ここでアノードマイクロポーラス層６、 アノードガス拡散層４, 疎液性多孔体１０は疎液性であることからＣＯ２ガスは燃料に妨げられることなく連続相を成して自由に移動できる。また疎液性多孔体１０と燃料供給流路３１との界面では、燃料供給流路３１中の燃料の圧力を掛けることで燃料供給流路３１中の燃料中にＣＯ２の気泡が形成されるのを妨げることが出来る。
　疎液性多孔体１０中を通過するＣＯ２は、図３の実線矢印で示すように、疎液性多孔体１０に接続された気体流路３２に、第１の開口部３３ａを通じて排出されるが、上記の逆止弁２０があるため、ＣＯ２は第２の開口部３３ｂからは排出されず、第３の開口部３３ｃから排出される。
　また、水蒸気や、時として気化した燃料の一部は気体流路３２に流れ、その一部は凝縮し、第３の開口部３３ｃに連結した液タンク３５に排出液３８として蓄積される。
　このようにして燃料供給流路３１内には、気体が流れ込むことが殆どないことから、燃料供給流路３１内部に気液二相流が形成されることによる体積膨張による流速の高速化や、メニスカス形成による流体の圧力損失が抑制され、アノード（燃料流路３１）の圧力損失を大幅に小さくできる。
　発電時は、アノード電極８１と気体流路３２（３２ａ～３２ｅ）においてＣＯ２ガスが高濃度となり、Ｏ２ガスやＮ２ガスの濃度はほぼゼロとなる。一方で、カソード電極８２と空気供給流路４２においては、空気が外部から常に供給されることからＮ２ガス濃度は高く、また電気化学反応が生じるのに十分なほどＯ２ガス濃度は高く、それぞれ維持されており、相対的にアノード電極８１側よりＣＯ２ガス濃度は低い状態にある。このように、アノード電極８１側とカソード電極８２側とでは、それぞれの気体に関し濃度差があるため、電解質膜３を介してアノード電極８１からカソード電極８２へＣＯ２ガスの濃度拡散が生じる。一方、カソード電極８２からアノード電極８１へＯ２ガスやＮ２ガスの濃度拡散が生じる。
　ところが、電解質膜３のＣＯ２ガス透過性は、Ｎ２ガスやＯ２ガスより著しく高いことから、ＣＯ２ガス濃度拡散量は、Ｏ２ガスやＮ２ガスの濃度拡散量より多くなる。結果として、電解質膜３を介してＣＯ２ガスがアノード電極８１からカソード電極８２へ継続的に排出され続けることになる。例えば、燃料電池発電時にアノード触媒層１からＣＯ２が２．５～２．８ｃｃｍ発生する場合は、電解質膜３を通して約０．１ｃｃｍのガスがカソード電極８２に透過する。なお、「ｃｃｍ」は、２５℃１気圧に換算した時のｍＬ／分を表す。
　発電を停止させると、アノード触媒層１からのＣＯ２発生が止まる。するとアノード電極８１（１、６、４）と気体流路３２ａ～３２ｅの内圧が下がり、発電時には疎液性多孔体１０から第１の開口部、そして第３の開口部へと向かっていたガスの流れ方向が、発電停止時には逆になる。
　　その結果、図４に示すように、もし気体流路３２から排出された排出液３８が十分に液タンク３５にたまっていると、排出液３８がＣＯ２の流れに伴い、第３の開口部から第１の開口部、そして疎液性多孔体１０の方向に流れようとする。もし気体流路３２の開口３３ａと逆止弁２０がない場合は、排出液３８はそのまま気体流路３２に侵入し、疎液性多孔体１０まで達するため、疎液性多孔体１０を濡らす場合がある。
　燃料流路３１と気体流路３２との間の疎液性多孔体１０が液体で占められると、燃料が燃料流路３１から気体流路３２まで疎液性多孔体１０中を介して容易に流れる状態となるため、燃料電池１００ａ内部で、燃料とガスの気液分離が維持できなくなる。すなわち、細孔内部に侵入した排出液３８などの液体によって燃料流路３１と気体流路３２が連通し、疎液性多孔体１０の疎液性が破壊された状態となる。この状態は、再び燃料電池１００ａを発電状態にしてＣＯ２ガスを発生させるか、疎液性多孔体を加熱して疎液性多孔体内の液体を蒸発させることで、疎液性多孔体１０の大部分をガスで満たさないと解消されない。
　しかし、第１の実施の形態においては、第２の開口部３３ｂと、これに連結した燃料電池システムの外部から気体流路３２内へのみ空気が流れる形態に備えた逆止弁２０を備えている。このとき排出液３８の水頭の分、気体流路３２の圧力は大気圧より小さくなる。従って逆止弁２０が開く。すると排出液３８が気体流路３２に侵入するのではなく、逆止弁２０から燃料電池の外部の空気が侵入するので、上記の「発電を止めたときの気体流路３２への排出液３８の侵入」が抑制できる。液タンク３５に排出液３８が十分たまっておらず、気体流路３２の途中に液体が凝縮して気体流路３２を閉塞した場合においても同様のことが言える。すなわち、液体が閉塞することによる気体流路３２の圧力損失増加の分、気体流路３２の圧力は大気圧より小さくなり、逆止弁２０が開くためである。この場合も上記の「発電を止めたときの気体流路３２への排出液３８の侵入」が抑制できる。
　なお、図１、図２（ａ）～（ｂ）に示した燃料供給流路３１及び気体流路３２の構成及び配置の説明は一例であり、他にも様々な構成が採用できることは勿論である。第１の実施の形態においては、メタノール水溶液等の液体を利用した燃料電池の例を説明しているが、メタノール以外のアルコールや、炭化水素、エーテル等でも構わない。
　このように、本発明は上記の実施の形態によって記載したが、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様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が可能である。本発明は、この開示から妥当な特許請求の範囲の発明特定事項によって表されるものであり、実施段階においては、その要旨を逸脱しない範囲で変形して具体化できる。
　本発明は燃料電池システムに利用することができる。
　１…アノード触媒層
　２…カソード触媒層
　３…電解質膜
　４…アノードガス拡散層
　５…カソードガス拡散層
　６…アノードマイクロポーラス層
　７…カソードマイクロポーラス層
　８…膜電極複合体（ＭＥＡ）
　９ａ、９ｂ…シール部
　１０…疎液性多孔体
　２０…逆止弁
　３０、３０ａ、３０ｂ…アノード流路板
　３０３…気体流路入口端
　３０４…気体流路出口端
　３１…燃料流路
　３２ａ～３２ｅ…気体流路
　３３ａ…第１の開口部
　３３ｂ…第２の開口部
　３３ｃ…第３の開口部
　３５…液タンク
　３６…液タンク接続部
　３８…排出液
　４０…カソード流路板
　４２…空気供給流路
　４６…空気ポンプ
　４６…送液ポンプ
　５１ａ…燃料供給ライン
　５１ｂ…燃料排出ライン
　５３ａ…空気供給ライン
　５３ｂ…空気排出ライン
　８１…アノード電極
　８２…カソード電極

Claims (5)

  1. 　電解質膜を挟んで互いに対向するアノード電極及びカソード電極を有する膜電極複合体と、
    前記アノード電極に接する多孔体と、
    互いに連通する第１、第２、及び第３の開口部を有する気体流路と、
    前記アノード電極に燃料を送給する燃料流路を備えるアノード流路板と、
    を備える燃料電池システムであって、
    前記第１の開口部は前記多孔体に接し、前記アノード電極で生成される気体を前記第１の開口部を介して回収することを特徴とする燃料電池システム。
  2. 　前記燃料電池システムの外部から前記第２の開口部を介して空気を吸い込む構造を備えることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
  3. 　前記吸い込む構造として逆止弁を有することを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池システム。
  4. 　前記逆止弁は外部から内部へのみ空気が流れることを可能とすることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
  5. 　前記燃料電池システムの内部から前記第３の開口部を介して前記気体を外部に排出する構造を備えることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
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