WO2011024238A1 - 燃料電池 - Google Patents

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WO2011024238A1
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小野昭彦
本郷卓也
佐藤裕輔
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株式会社 東芝
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell.
  • Fuel cells generate carbon dioxide at the anode during power generation.
  • a mixed fluid containing carbon dioxide generated at the anode electrode, water, and unreacted methanol is discharged from the anode electrode as a gas-liquid two-phase flow.
  • This gas-liquid two-phase flow is separated into a gas and a liquid by a gas-liquid separator provided on the outlet side of the anode electrode.
  • the separated liquid is circulated to a mixing tank or the like via a recovery channel, and the separated gas is released to the atmosphere (see Patent Document 1).
  • Patent Document 2 discloses a fuel cell having a gas-liquid separation part on a contact surface between an anode electrode side separator and a fuel electrode, and an exhaust port for discharging gas separated by the gas-liquid separation part.
  • gas separation since the gas diffusion layer is not provided on the anode electrode side, gas separation depends only on the gas-liquid separation part. Therefore, if the liquid fuel is present in the vicinity of the gas-liquid separation part, the gas-liquid separation member There are problems such as poor separation performance due to wetting. Moreover, when manufacturing such a fuel cell, there exists a problem that the process becomes complicated. In addition, there are problems that the thickness of the cell is increased, and that a leak is likely to occur between the member and the fuel electrode side separator when a multilayer structure is adopted.
  • the present invention has been made in view of the circumstances in the first half, and an object thereof is to provide a fuel cell having excellent gas-liquid separation characteristics while being easy to manufacture.
  • a fuel cell according to the present invention includes an anode electrode, a cathode electrode, and a membrane electrode assembly having an electrolyte membrane interposed between the anode electrode and the cathode electrode, and a membrane electrode assembly closer to the anode electrode
  • a fuel cell in which a gas diffusion layer having hydrophobic properties, an anode flow channel plate having a through hole in the through layer direction, and a gas flow channel communicating with the through hole are disposed in order.
  • a gas-liquid separation member disposed in any one of the group consisting of the inside of the through hole, the inside of the gas channel, and between the through hole and the gas channel.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a fuel cell according to a first embodiment.
  • FIG. 1 A first embodiment is shown in FIG.
  • the fuel cell according to the first embodiment shows an example in which fuel cells 100 are stacked.
  • This fuel cell 100 includes an anode electrode 18 (anode gas catalyst layer 1, anode gas diffusion layer (AGDL) 4) and a cathode electrode 19 (cathode gas catalyst layer 2, cathode) facing each other across the electrolyte membrane 3. It has a membrane electrode assembly (MEA) 8 having a gas diffusion layer (CGDL) 5).
  • MEA membrane electrode assembly
  • the electrolyte membrane 3 has proton conductivity.
  • the electrolyte membrane 3 is a copolymer of tetrafluoroethylene and perfluorovinyl ether sulfonic acid, and for example, Nafion (US DuPont) can be used.
  • anode gas catalyst layer 1 platinum ruthenium can be used, and as the cathode gas catalyst layer 2, platinum or the like can be used as a catalyst.
  • porous carbon paper having a lyophobic surface can be used as the AGDL4 and CGDL5.
  • An anode dense layer (anode microporous layer (AMPL)) 6 may be disposed between the anode electrode 18 and the anode flow path plate 30.
  • a cathode dense layer (cathode micro porous layer; CMPL) 7 may be disposed between the cathode electrode 19 and the cathode channel plate 40.
  • Each MPL has pores with a submicron pore size.
  • the film is made of carbon with a thickness of several tens of microns, and the surface thereof is lyophobic.
  • the stacking order of AGDL and AMPL is exchangeable.
  • the order of stacking of CGDL and CMPL is exchangeable.
  • AGDL4 and AMPL6 do not have to be two layers, and may have a single layer configuration.
  • An anode flow path plate 30 is disposed on the anode gas diffusion layer 4 so as to face the anode gas diffusion layer 4.
  • the anode channel plate 30 can be made of conductive carbon or a metal member such as SUS. In the case of conductivity, the anode channel plate 30 can also be used as an anode current collector.
  • a fuel flow path 31 is formed in the anode flow path plate 30.
  • the fuel flow path 31 may be a serpentine flow path that causes the fuel to meander from one upstream to the other in a plurality of flow paths.
  • FIG. 3 shows an example of a serpentine channel.
  • press working In particular, it is preferable to use a plastic member such as a metal as the anode flow path plate 30. This is because press working can be used when manufacturing the anode flow path plate, and the flow path plate can be easily manufactured.
  • the cross-sectional shape of the anode flow path plate 30 may have convex portions 12 and concave portions 13 that are alternately continuous.
  • the anode flow path plate 30 has a contact portion 14 in which the convex portion 12 contacts the AMPL 6.
  • a through hole 11 is formed in a part of the contact portion 14.
  • the recess 13 can serve as the fuel flow path 31.
  • the convex portion 12 can provide a space for arranging the gas-liquid separation member 10 on the back surface of the anode flow path plate 30 in addition to a role as a separator for separating adjacent fuel flow paths.
  • the cell can be thinned, and as a result, the fuel cell can be miniaturized. Further, the seal can be simplified, and the manufacturing process can be simplified. Furthermore, the range of selection of materials and shapes as the gas-liquid separation member is wider than in the past. As a result, the degree of freedom in design increases, and stable operation of the fuel cell can be achieved.
  • a through hole 11 is formed in the anode flow path plate 30 from the side (front surface) facing the anode gas diffusion layer 4 toward the back surface thereof.
  • a gas flow path 33 is disposed on the back surface of the anode flow path plate 30 so as to communicate with the through hole 11.
  • the gas flow path 33 communicates with the gas manifold 34.
  • the gas manifold 34 communicates with the gas discharge line L3.
  • Gas-liquid separation member A group composed of the inside of the through hole 11 (first space), the inside of the gas flow path 33 (second space), and the space between the through hole 11 and the gas flow path 33 (third space).
  • the gas-liquid separation member 10 is arrange
  • the gas-liquid separation member 10 can be made of a resin material having pores whose surface is lyophobic. This material is allowed to have electrical conductivity. Specifically, a porous body made of polytetrafluoroethylene (PTFE) or a porous body made of polypropylene whose surface is fluorinated can be used.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • a cathode flow path plate 40 is disposed on the cathode gas diffusion layer 5 so as to face the cathode gas diffusion layer 5. Between the CGDL 5 and the cathode flow path plate 40, a porous body 20 for absorbing moisture generated in the cathode gas catalyst layer 2 may be provided.
  • the cathode channel plate 40 can be made of conductive carbon or a metal member such as SUS. In the case of conductivity, the cathode channel plate 40 can also be used as a cathode current collector.
  • a cathode channel 41 is formed in the cathode channel plate 40.
  • cathode channel 41 for example, a parallel channel, a serpentine channel, or the like can be used.
  • FIG. 3 shows an example of a fishbone-shaped channel.
  • the anode flow path plate 30 and the cathode flow path plate 40 are insulated by the gasket 9.
  • polyphenylene sulfide resin PPS
  • PET polyethylene terephthalate resin
  • PEN polyethylene naphthalate resin
  • the CO2 passing through the gas-liquid separation member 10 is discharged out of the fuel cell 100 through the gas-liquid separation member 10, the gas flow path 33, the gas manifold 34, and the gas discharge line L3, thereby allowing the fuel flow.
  • the flow of CO2 through the path 31 can be suppressed.
  • the pressure loss of the flow path connected to the outlet side of the anode 18 (fuel flow path 31) can be reduced. If the pressure loss is reduced, the size can be reduced.
  • a fuel pump with low power consumption can be used as a fuel supply unit, and energy utilization efficiency can be improved.
  • the gas-liquid separation member 10 is disposed in the fuel cell 100 shown in FIG. 1, even if the MEA 8 is tilted in an arbitrary direction, CO 2 and unreacted fuel can be easily gas-liquid separated.
  • the efficiency of distributing the fuel from the fuel flow path 31 to the anode catalyst layer 1 is increased as compared with the case where there is no AGDL4.
  • the efficiency of collecting CO2 discharged from the anode catalyst layer 1 into the gas-liquid separation member 10 is increased. This is because the surface of the AGDL 4 has lyophobic properties, so that the liquid is less likely to infiltrate and only the gas is easily diffused, and thus the gas-liquid separation member 10 is particularly easily effective. It is.
  • the gas-liquid separation member 10 can be provided with a CO2 separation function, it is possible to select a material excellent in output characteristics as the AGDL4 although the CO2 separation performance is somewhat inferior. As a result, it is possible to increase the degree of freedom in design and achieve both the output improvement and CO2 separation.
  • FIG. 2 shows a manufacturing method for a part of the fuel cell 100 according to the first embodiment.
  • a serpentine fuel channel 31 is formed in the anode channel plate 30.
  • a cathode channel 41 is formed in the cathode channel plate 40 by a fishbone-like rib.
  • Through holes 11 are formed in a row at regular intervals in parallel with the extending direction of the fuel flow path 31.
  • the strip-shaped gas-liquid separation member 10 is arranged along the row of the through holes 11 and is sandwiched between the anode flow path plate 30 and the cathode flow path plate 40 to be manufactured.
  • a known method can be used for laminating other members such as MEA8.
  • FIG. 3 shows a fuel cell system 101 including the fuel cell 100 according to the first embodiment.
  • Fuel 52 for example, methanol aqueous solution, is supplied from the fuel tank 51 to the fuel supply flow path L1 and the fuel circulation flow path L2 via the valve 53 and the fuel supply unit 54.
  • a fuel circulation section 35 is inserted in the fuel supply passage L1, and a pressure adjusting mechanism 36 and a methanol concentration sensor 37 are inserted in the fuel circulation passage L2.
  • the fuel supplied to the fuel supply flow path L1 is supplied to the anode flow path plate 30 by the fuel circulation unit 35.
  • AMPL6 and AGDL4 are lyophobic porous bodies. For this reason, it is difficult for liquid fuel to permeate the insides of AMPL6 and AGDL4 which are porous bodies.
  • gaseous fuel that is, methanol vapor and water vapor, penetrates into the pores of the porous body and easily passes through AMPL6 and AGDL4 to reach the anode 18. The fuel that has reached the anode 18 is subjected to an anode reaction by the catalyst of the catalyst layer 1.
  • Electrons (e ⁇ ) generated by the anode reaction move to the cathode electrode 19 via the anode flow path plate 30 also serving as a current collector, an external circuit (not shown), and the cathode flow path plate 40.
  • the fuel discharged from the fuel flow path 31 reaches the fuel circulation section 55 again through the pressure adjusting mechanism 56 and the methanol concentration sensor 57 inserted in the circulation flow path L2.
  • the methanol concentration sensor 57 monitors the concentration of methanol in the fuel in the fuel circulation passage L2, and feeds back the result to the control unit 80.
  • the controller 80 supplies new high-concentration fuel from the fuel tank 51 to the fuel supply flow path L1 when the concentration is lower than a predetermined concentration, for example, 1M or lower, so that the fuel reaches the predetermined concentration.
  • a command is issued to the supply unit 54 via the signal line E54.
  • the gas flow path 33 discharges gas (including CO 2 gas) generated by the anode reaction to the outside via the anode flow path plate 30 and the gas manifold 34.
  • a cathode channel 41 is formed in the cathode channel plate 40.
  • a duct portion 42 formed in the extending direction of the cathode flow path plate is formed at the edge of the cathode flow path plate 40.
  • An air supply unit 56 that cools the fuel cell 100 and supplies air to the cathode electrode 19 is attached to the fuel cell system 101.
  • the air supply unit 56 supplies necessary air to the duct unit 42.
  • the air supplied to the duct part is distributed to the cathode channel 41.
  • the air distributed to the cathode channel 41 is used for the cathode reaction.
  • an air fan that is quiet, has low power consumption, and low discharge pressure can be used.
  • a fuel circulation unit 55 such as a circulation pump and a pressure adjustment mechanism 56 such as a back pressure valve bring the pressure inside the fuel flow path 31 to a pressure higher than the pressure inside the gas flow path 33.
  • a pressure adjustment mechanism 56 such as a back pressure valve bring the pressure inside the fuel flow path 31 to a pressure higher than the pressure inside the gas flow path 33.
  • the gas (CO 2 gas) generated by the anode reaction is easily discharged to the gas flow path 33 through the gas-liquid separation member 10 subjected to the lyophobic treatment.
  • a pressure for generating bubbles is required.
  • the gas-liquid separation member 10 which is a lyophobic porous body, is formed with a path through which gas flows, and the pressure required for the gas to pass through the porous body is used to generate bubbles in the fuel flow path 31. Less than pressure. For this reason, the gas-liquid separation member 10 can efficiently separate and discharge the CO 2 gas into the gas flow path 33.
  • the pressure adjustment mechanism 56 adjusts the gas flow path 33 to a predetermined pressure range, the gas-liquid separation of the fuel cell 100 is less affected by ambient pressure fluctuations. For example, gas-liquid separation of the fuel cell 100 functions effectively even at high places such as the summit.
  • FIG. 1 A second embodiment is shown in FIG.
  • the fuel cell according to the second embodiment differs from the first embodiment in the following points. That is, the second embodiment is characterized in that the gas-liquid separation member 10 is disposed in a region downstream of the fuel flow path plate 30 in parallel with the fuel flow path 31.
  • the region on the downstream side of the fuel flow path plate is determined as follows.
  • the center of gravity of the fluid flowing through the anode channel plate is obtained.
  • the downstream side from this barycentric position is defined as the “downstream area”.
  • the center of gravity of the fluid flowing through the anode plate is obtained, and the time during which the fluid flows from the fluid supply port to the center of gravity is obtained.
  • the downstream side from the line connecting the positions where the fluid arrives from the supply port at the same time in the determined time is defined as a “downstream region”. This concept is allowed to be adopted when the center of the fuel flow path has a symmetrical positional relationship with the center of the anode electrode substantially the same axis.
  • the center of gravity can be obtained by using the above concept in a range where the anode electrode and the fuel flow path substantially overlap, that is, a range that effectively contributes to power generation. And allowing the downstream region to be defined. This is because CO2 is generated by power generation.
  • Fuel is supplied from Fin to the anode channel 31 and discharged from Fout.
  • the area inside the dashed line P is a range where the anode electrode and the fuel flow path substantially overlap.
  • Point G is the center of gravity of the fuel flow path.
  • a dotted line t is a line connecting positions where the fluid reaches in the same time as the required time from the supply port to the center of gravity G in each of the plurality of flow paths.
  • a hatched area A indicates a downstream area.
  • the fuel flow path is changed from the fin by 180 degrees to become Fout, but the area adjacent to Fin is excluded from the downstream area, and the area outside it is the outer area. It is a downstream area. This is because the CO2 amount is smaller in the region adjacent to Fin than in the region A shaded.
  • a part of CO2 produced by the anode reaction may be mixed in the methanol aqueous solution in the fuel flow path to form bubbles.
  • the formed bubbles form a gas-liquid two-phase flow together with the methanol aqueous solution and flow downstream of the fuel flow path plate, but may return to AMPL in the middle.
  • CO2 which returned to AMPL moves in the gas-liquid separation member with a low pressure. From this, it is recognized that the CO2 concentration tends to increase especially as it goes downstream of the fuel flow path plate. Therefore, in order to increase the CO2 recovery efficiency, it is preferable to provide it at a position corresponding to the region on the downstream side of the fuel flow path plate.
  • FIG. 6 shows an example of a characteristic part of the manufacturing method of the fuel cell 100 according to the second embodiment.
  • the configuration of the cathode flow path plate 40 is the same as that shown in FIG.
  • a serpentine-like fuel flow path 31 is formed in the anode flow path plate 30.
  • Through-holes 11 are formed in a row in parallel on the downstream side of the fuel flow path 31 between the outermost fuel flow path 31 and the edge of the anode flow path plate 30 in the longitudinal direction. Yes.
  • the gas-liquid separation member 10 is arranged along the row of the through holes 11 and is sandwiched between the anode flow path plate 30 and the cathode flow path plate 40 to be manufactured.
  • the gas-liquid separation member 10 has a frame shape. A part of the frame is thicker toward the inside. The portion having this thickness is in contact with the through hole 11. By positioning the gas-liquid separation member 10 in such a shape, positioning during manufacturing becomes easy.
  • the anode flow path plate 30 and the cathode flow path plate 40 and the outer peripheral shape thereof are matched to facilitate positioning.
  • the fuel cell 100 according to the third embodiment has a configuration in which the gas manifold 34 is not provided around the gas-liquid separation member 10 and CO2 is released to the outside. In this case, since the manifold 34 is omitted, it is suitable for downsizing.
  • the fuel cell 100 according to the fourth embodiment has a cathode channel 41 provided with a through hole 15.
  • the gas that has permeated through the gas-liquid separation member 10 to the cathode electrode 19 a small amount of organic matter in the unreacted fuel entrained by this gas is brought into contact with the cathode catalyst layer 2, whereby the decomposition treatment is performed. It becomes possible to do.
  • the supply of air to the cathode electrode 19 is a breathing system.
  • the organic gas evaporated from the unreacted liquid fuel accompanying the directly separated CO 2 is processed.
  • Porous body (hygroscopic layer) 30 ... Anode channel plate (anode current collector) DESCRIPTION OF SYMBOLS 31 ... Fuel flow path 32 ... Fuel manifold 33 ... Gas flow path 34 ... Gas manifold 40 ... Cathode flow path plate 41 ... Cathode flow path 51 ... Fuel tank 52 ... Fuel 53 ... Valve 54 ... Fuel supply part (pump) 55 ... Fuel circulation part (pump) 56 ... Pressure adjustment mechanism (back pressure valve) 57 ... Fuel concentration sensor (Methanol concentration sensor) 61 ... Air supply part (pump) 80 ... Control unit 100 ... Fuel cell (cell stack) E54, E55, E56, E57 ... signal line L1 ... fuel supply line L2 ... fuel circulation line L3 ... gas discharge line A ... downstream area

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Abstract

　アノード極、カソード極、および前記アノード極と前記カソード極の間に介挿された電解質膜を有する膜電極複合体と、前記膜電極複合体のアノード極に近い方から順に、疎液性を有するガス拡散層と、貫層方向に貫通孔を有するアノード流路板と、前記貫通孔に連通する気体流路と、を配置している燃料電池であって、前記貫通孔の内部、前記気体流路の内部、及び前記貫通孔と前記気体流路との間、から構成される群のいずれか１つに配置された気液分離部材と、を有する燃料電池。

Description

燃料電池
　本発明は、燃料電池に関する。
　燃料電池では、発電時にアノード極で二酸化炭素が発生する。
　従来の燃料電池では、アノード極で発生した二酸化炭素と水及び未反応のメタノールとを含む混合流体は、気液二相流となってアノード極から排出される。この気液二相流は、アノード極の出口側に設けられた気液分離器により気体と液体に分離される。分離後の液体は、回収流路を介して混合タンク等へ循環され、分離後の気体は、大気に放出される（特許文献１参照）。
　しかし、この方法では、アノード流路及び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。
　特許文献２にはアノード極側セパレータと燃料極との接触面に気液分離部を有し、この気液分離部で分離したガスを排出する排出口を有する燃料電池が開示されている。この燃料電池においてはガス拡散層がアノード極側に設けられていないため、気液分離部にのみガス分離が依存しているため、液体燃料が気液分離部近傍に存在すると気液分離部材が濡れることから分離性能が悪くなる等の問題を有する。また、このような燃料電池を製造する際、その工程が複雑化する等の問題を有する。加えて、セルの厚みが増す、多層構造とした時に部材と燃料極側セパレータの間からリークが生じやすい、という問題を有する。
米国特許第６９２４０５５号明細書 特開２００７－２９４３４８号公報
　本発明は上期事情に鑑みてなされたもので、製造が簡単でありながら、優れた気液分離特性を有する燃料電池を提供することを目的とする。
　本発明に係る燃料電池は、アノード極、カソード極、および前記アノード極と前記カソード極の間に介挿された電解質膜を有する膜電極複合体と、前記膜電極複合体のアノード極に近い方から順に、疎液性（hydrophobic）を有するガス拡散層と、貫層方向に貫通孔を有するアノード流路板と、前記貫通孔に連通する気体流路と、を配置している燃料電池であって、前記貫通孔の内部、前記気体流路の内部、及び前記貫通孔と前記気体流路との間、から構成される群のいずれか１つに配置された気液分離部材と、を有する。
　上記態様によれば、製造が簡単であり、優れた気液分離特性を有する燃料電池を提供することができる。
第１の実施の形態に係る燃料電池の断面図。 第１の実施の形態に係る燃料電池の組立図。 第１の実施の形態に係る燃料電池を含むシステム構成図。 第２の実施の形態に係る燃料電池の断面図。 第２の実施の形態に係る下流側の領域を示す概念図。 第２の実施の形態に係る燃料電池の組立図。 第３の実施の形態に係る燃料電池の断面図。 第４の実施の形態に係る燃料電池の断面図。 第５の実施の形態に係る燃料電池の断面図。
　次に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、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。ただし、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、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに限定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
〔第１の実施の形態〕
　第１の実施の形態を図１に示す。第１の実施の形態に係る燃料電池は、燃料電池１００が積層された例を示している。この燃料電池１００は電解質膜３を挟んで互いに対向するアノード極１８（アノードガス触媒層１、アノードガス拡散層（anode gas diffusion layer;AGDL）４）及びカソード極１９（カソードガス触媒層２、カソードガス拡散層（cathode gas diffusion layer;CGDL）５）を有する膜電極複合体（ＭＥＡ）８を有する。
　電解質膜３はプロトン伝導性を有する。電解質膜３としては、テトラフルオロエチレン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であって、例えば、商品名ナフィオン（米国デュポン社）が利用可能である。
　アノードガス触媒層１としては白金ルテニウムを、カソードガス触媒層２としては白金等を触媒として利用することができる。
　ＡＧＤＬ４、ＣＧＤＬ５としては、表面を疎液性にした、多孔質のカーボンペーパー等を用いることができる。
　なお、アノード極１８とアノード流路板３０の間にはアノード緻密層（アノードマイクロポーラス層（anode micro porous layer;AMPL））６を配置してもよい。カソード極１９とカソード流路板４０との間にはカソード緻密層（カソードマイクロポーラス層（cathode micro porous layer;CMPL）７を配置してもよい。各ＭＰＬはサブミクロンの孔径の細孔を有する、厚み数十ミクロンのカーボン製の膜であり、その表面は疎液性処理されている。ＡＧＤＬとＡＭＰＬの積層順は交換可能である。ＣＧＤＬとＣＭＰＬの積層順は交換可能である。各ＭＰＬは省略可能である。また小型化のために、ＡＧＤＬ４、ＡＭＰＬ６は２層である必要はなく、１層の構成としてもよい。
（アノード流路板）
　アノードガス拡散層４の上には、このアノードガス拡散層４に対向してアノード流路板３０が配置されている。
　アノード流路板３０は導電性を有するカーボンや、ＳＵＳなどの金属製部材を用いることができる。導電性を有する場合、アノード流路板３０はアノード集電体として兼用することできる。
（燃料流路）
　アノード流路板３０には燃料流路３１が形成されている。
　燃料流路３１は、例えば、燃料を１本若しくは複数の流路で上流側から下流側に向かって蛇行させるサーペンタイン流路を用いることができる。図３にサーペンタイン流路の例を示す。
（プレス加工）
　特に、アノード流路板３０として金属等の塑性部材を用いることが好ましい。これはアノード流路板の製作時にプレス加工を用いることができ、流路板の製造を簡便に行うことが出来るからである。
（凹部、凸部、接触部）
　図１に示すように、アノード流路板３０の断面形状は交互に連続する凸部１２及び凹部１３を有してもよい。この場合、アノード流路板３０はこの凸部１２がＡＭＰＬ６と接する接触部１４を有する。この接触部１４の一部には貫通孔１１が形成される。凹部１３は燃料流路３１として供することが可能である。凸部１２は互いに隣接する燃料流路を区分するセパレータとしての役割に加え、アノード流路板３０の裏面に気液分離部材１０を配する空間を供することができる。このような構成を用いることにより、セルの薄型化が可能となり、その結果、燃料電池の小型化が可能となる。また、シールの簡略化が可能となり、製造工程が簡素化できる。さらに、気液分離部材として材質や形状の選定の幅が従来に比べて広がる。その結果、設計の自由度が増し、燃料電池の安定稼動を達成することができる。
（気体流路）
　アノード流路板３０には、アノードガス拡散層４に対向する側（表面）からその裏面に向けて貫通孔１１が形成されている。この貫通孔１１に連通して、アノード流路板３０の裏面に気体流路３３が配置されている。気体流路３３は気体マニホールド３４に連通している。気体マニホールド３４は気体排出ラインＬ３に連通している。
（気液分離部材）
　貫通孔１１の内部（第１の空間）、気体流路３３の内部（第２の空間）、及び貫通孔１１と前記気体流路３３との間（第３の空間）、から構成される群のいずれか１つに、気液分離部材１０が配置される。
　気液分離部材１０には、表面を疎液性とした細孔を有する樹脂製の材料を用いることができる。この材料は導電性を有することを許容する。具体的にはポリテトラフルオロエチレン（Polytetrafluoroethylene、ＰＴＦＥ）製の多孔体、表面をフッ素化処理したポリプロピレン製の多孔体を用いることができる。
（カソード流路板）
　カソードガス拡散層５の上には、このカソードガス拡散層５に対向してカソード流路板４０が配置されている。ＣＧＤＬ５とカソード流路板４０との間には、カソードガス触媒層２で生成される水分を吸収させるための多孔体２０を備えていてもよい。
　カソード流路板４０は導電性を有するカーボンや、ＳＵＳなどの金属製部材を用いることができる。導電性を有する場合、カソード流路板４０はカソード集電体として兼用することできる。
（カソード流路）
　カソード流路板４０にはカソード流路４１が形成されている。
　カソード流路４１は、例えば、平行流路、サーペンタイン流路等を用いることができる。図３には魚の背骨（fishbone）形状の流路の例を示す。
（ガスケット）
　アノード流路板３０とカソード流路板４０は、ガスケット９により絶縁されている。ガスケット９にはポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）、ポリエチレンテレフタレート樹脂(ＰＥＴ)、ポリエチレンナフタレート樹脂（ＰＥＮ）を用いることができる。
〔機能の説明１〕
　ＡＧＤＬ４、ＡＭＰＬ６または気液分離部材１０のようなアノード極に設置されている部材にその表面が疎液性を有する多孔体を用いた場合、燃料や水は多孔体の内部では気体状となって存在している。このときアノード触媒層１で生成した生成ガス（ＣＯ２を含む）は、燃料流路３１ではなく、気液分離部材１０を経て気体流路３３に集めることができる。
　このように、気液分離部材１０中を通過するＣＯ2を、気液分離部材１０、気体流路３３、気体マニホールド３４、気体排出ラインＬ３を通じて燃料電池１００の系外に排出させることにより、燃料流路３１にＣＯ2が流れるのを抑制できる。この結果、アノード極１８（燃料流路３１）の出口側に接続される流路の圧力損失を小さくできる。圧力損失を小さくすれば、小型化が可能となる。また、低消費電力の燃料ポンプが燃料供給部として使用可能となり、エネルギー利用効率の向上を図ることができる。また、図１に示す燃料電池１００は、気液分離部材１０が配置されているため、ＭＥＡ８を任意の方向に傾けたとしても、ＣＯ2と未反応の燃料を容易に気液分離できる。
　さらにＡＧＤＬ４を配することにより、ＡＧＤＬ４がない場合に比較し、燃料流路３１からの燃料をアノード触媒層１への分配する効率が高まる。同様に、アノード触媒層１から排出されるＣＯ２を気液分離部材１０へ集める効率が高まる。これはＡＧＤＬ４の表面が疎液性を有するため、液体が浸潤しにくく、ガスのみが拡散しやすい構成となっているため、特に気液分離部材１０の効果を発揮しやすい構成となっているためである。
　また、気液分離部材１０にＣＯ２分離機能を担わせることが可能となるため、ＡＧＤＬ４として、ＣＯ２分離性能は多少劣るものの、出力特性に優れた材料を選定することも可能となる。これにより、設計の自由度の増大、出力向上とＣＯ２分離の両立が可能となる。
　なお、上述した燃料流路３１及び気体流路３３の構成及び配置の説明は、一例であり、他にも様々な構成の燃料流路３１や気体流路３３が採用できることは勿論である。
（製造方法）
　図２に第１の実施の形態に係る燃料電池１００の一部についての製造方法を示す。アノード流路板３０にはサーペンタイン状の燃料流路３１が形成されている。カソード流路板４０にはフィッシュボーン（fishbone）状のリブによりカソード流路４１が形成されている。
燃料流路３１の延伸方向に、これに平行に貫通孔１１が一定間隔で一列に形成されている。
貫通孔１１の列に沿って帯状の気液分離部材１０を配し、アノード流路板３０とカソード流路板４０で挟み込むことにより、製造することができる。なお、これ以外の部材、例えばＭＥＡ８をこれに積層方法等は公知の手法を用いることができる。
（システム構成と反応）
　図３に第１の実施の形態に係る燃料電池１００を含む燃料電池システム１０１を示す。
　燃料５２、例えばメタノール水溶液、は燃料タンク５１からバルブ５３、燃料供給部５４を介して燃料供給流路Ｌ１、燃料循環流路Ｌ２に供給される。燃料供給流路Ｌ１には燃料循環部３５が、燃料循環流路Ｌ２には圧力調整機構３６及びメタノール濃度センサ３７が介挿されている。燃料供給流路Ｌ１に供給された燃料は燃料循環部３５によりアノード流路板３０に供給される。
　ＡＭＰＬ６、ＡＧＤＬ４は疎液性を有する多孔体である。このため、液体状の燃料は多孔体であるＡＭＰＬ６、ＡＧＤＬ４の内部に浸透しにくい。これに対し、気体状の燃料、すなわちメタノールの蒸気および水の蒸気、は多孔体の細孔中に浸透し、ＡＭＰＬ６、ＡＧＤＬ４を透過してアノード極１８に到達しやすい。アノード極１８へ到達した燃料は、触媒層１の触媒によりアノード反応に供される。
　アノード反応で生成したプロトン（Ｈ＋）はプロトン導電性を有する電解質膜３を透過してカソード極１９へ移動する。アノード反応で生成した電子（ｅ-）は、集電体を兼ねるアノード流路板３０、外部回路（図示省略）、カソード流路板４０を経由してカソード極１９へ移動する。
　アノード極１８での未反応のメタノール、および水の大部分は燃料流路３１から排出される。また、未反応のメタノールの一部、及び少量の水は電解質膜３を透過してカソード側へ移動する。カソード反応で生成した水の一部は、電解質膜３を通してアノード触媒層１へ逆拡散し、残りはカソード流路４１を介して外部へ排出される。
　燃料流路３１から排出された燃料は循環流路Ｌ２に介挿された圧力調整機構５６、メタノール濃度センサ５７を経て再び燃料循環部５５に到達する。メタノール濃度センサ５７は燃料循環流路Ｌ２の燃料中のメタノールの濃度をモニタリングし、その結果を制御部８０にフィードバックする。制御部８０はこの濃度が所定の濃度以下、例えば１Ｍ以下になった場合には、燃料タンク５１から燃料供給流路Ｌ１に新たな高濃度の燃料を供給し、所定の濃度に達するように燃料供給部５４に信号線Ｅ５４を介して指令を出す。
　気体流路３３は、アノード流路板３０、気体マニホールド３４を介して、アノード反応により生成した気体（ＣＯ2ガスを含む）を外部に排出する。
　カソード流路板４０にはカソード流路４１が形成されている。カソード流路板４０の縁部にはカソード流路板の延伸方向に向けて形成されたダクト部４２が形成されている。燃料電池システム１０１には燃料電池１００の冷却およびカソード極１９へ空気を供給する空気供給部５６が取り付けられている。空気供給部５６はダクト部４２に必要な空気を供給する。ダクト部に供給された空気はカソード流路４１に分配される。カソード流路４１に分配された空気はカソード反応に用いられる。空気供給部５６としては、静かで、消費電力が小さく、排出圧力の小さい空気ファンを用いることができる。
〔機能の説明２〕
　循環ポンプ等の燃料循環部５５、及び背圧弁等の圧力調整機構５６が燃料流路３１の内部の圧力を気体流路３３の内部の圧力よりも高い圧力状態する。これによりアノード反応により生成した気体（ＣＯ２ガス）は疎液性処理を施した気液分離部材１０を介して気体流路３３に排出されやすい。アノード反応により生成した気体（ＣＯ２ガス）を燃料流路３１に気泡として排出するためには、気泡を生成するための圧力が必要である。疎液性の多孔体である気液分離部材１０には、気体が流通する経路が形成され、多孔体を気体が透過するために必要な圧力は、燃料流路３１に気泡を生成するための圧力より小さい。このため、気液分離部材１０はＣＯ２ガスを効率的に気体流路３３に分離し、排出することが出来る。なお、圧力調整機構５６が気体流路３３を所定の圧力範囲に調整するため、燃料電池１００の気液分離は周囲の圧力変動の影響を受けることが少ない。例えば山頂などの高所においても燃料電池１００の気液分離は有効に機能する。
〔第２の実施の形態〕（下流側）
　第２の実施の形態を図４に示す。第２の実施の形態に係る燃料電池は、第１の実施の形態と以下の点で異なる。すなわち、第２の実施の形態においては、気液分離部材１０が燃料流路板３０の下流側の領域に、燃料流路３１に平行にて配設されている点に特徴がある。
（下流側の領域の定義）
　ここで、燃料流路板下流側の領域とは以下のように定める。
　まず、サーペンタイン流路においては、アノード流路板を流れる流体の重心を求める。この重心位置から下流側を「下流側の領域」と定義する。また、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側を「下流側の領域」と定義する。なお、この考え方は燃料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。仮に燃料流路とアノード電極がこのような位置関係にない場合、アノード極と燃料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、下流側の領域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だからである。
　以下、具体的に下流の領域の例を図５（Ａ）乃至（Ｄ）に示す。燃料はＦｉｎからアノード流路３１に供給され、Ｆｏｕｔから排出される。一点破線Ｐの内部の領域はアノード極と燃料流路が実質的に重なっている範囲である。点Ｇは燃料流路の重心である。点線ｔは複数の流路のそれぞれにおいて、供給口から重心Ｇまでの所要時間と同じ時間で流体が到達する位置を結んだ線である。斜線を付した領域Ａが下流側の領域を示している。特に図５（Ｄ）では、Ｆｉｎから燃料流路が１８０度向きを変えてＦｏｕｔとなっているが、Ｆｉｎに隣接している範囲は下流側の領域から除外され、それよりも外側の領域が下流側の領域とされる。これは、Ｆｉｎに隣接している領域ではＣＯ２量が斜線を付した領域Ａに比べ少ないからである。
　このような構成を採用することにより、以下の効果が認められる。すなわち、アノード反応で生成した一部のＣＯ2は燃料流路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燃料流路板の下流側へと流れるが、その途中でＡＭＰＬへ再度戻ることがある。そして、ＡＭＰＬに戻ったＣＯ２は、圧力が低い気液分離部材内へ移動する。このことから、特に燃料流路板の下流側に行くに従ってＣＯ２の濃度は上昇する傾向が認められる。よって、ＣＯ2の回収効率を高めるためには、燃料流路板の下流側の領域に対応する位置に設けることが好ましい。
（製造方法）
　図６に第２の実施の形態に係る燃料電池１００の製造方法の特徴的な部分の一例を示す。カソード流路板４０の構成は図３に示した内容と同様であるので省略する。
　アノード流路板３０にはサーペンタイン状の燃料流路３１が形成されている。この燃料流路３１の下流側の領域であって、最も外側の燃料流路３１と、アノード流路板３０の長手方向の縁部との間に、平行に貫通孔１１が一列に形成されている。この貫通孔１１の列に沿って気液分離部材１０を配し、アノード流路板３０とカソード流路板４０で挟み込むことにより、製造することができる。
　なお、この第２の実施の形態においては、気液分離部材１０は額縁状である。この額縁がその内側に向けて一部幅が厚くなっている。この幅厚になっている部分が貫通孔１１と接する。気液分離部材１０をこのような形状とすることで、製造時の位置決めが容易になる。特にアノード流路板３０及びカソード流路板４０と、その外周の形状を一致させることで、更に位置決めが容易となる。
〔第３の実施の形態〕
　図７に示すように、第３の実施の形態に係る燃料電池１００は、気液分離部材１０の周囲に気体マニホールド３４を設けず、ＣＯ２を外部へ放出させる形態である。この場合、マニホールド３４が省略されているため、小型化に適している。
〔第４の実施の形態〕
　図８に示すように、第４の実施の形態に係る燃料電池１００は、カソード流路４１に貫通孔１５を設けたものである。このように、気液分離部材１０を透過した気体をカソード極１９に導入させることにより、この気体に同伴された未反応の燃料中の微量有機物をカソード触媒層２に接触させることにより、分解処理することが可能となる。
〔第５の実施の形態〕
　図９に示すように、第５の実施の形態に係る燃料電池１００は、カソード極１９への空気の供給がブリージング方式である。燃料電池１００内でカソード流路板４０に貫通孔を設け、カソード極１９に空気を導入させることにより、直接分離したＣＯ２に伴う未反応な液体燃料から蒸発した有機物ガスを処理する形状である。
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（ＡＧＤＬ）
５…カソードガス拡散層（ＣＧＤＬ）
６…アノードマイクロポーラス層（ＡＭＰＬ）
７…カソードマイクロポーラス層（ＣＭＰＬ）
８…膜電極複合体（ＭＥＡ）
９…ガスケット
１０…気液分離部材（疎液性多孔体）
１１…貫通孔
１２…凸部
１３…凹部
１４…接触部
１５…貫通孔
１８…アノード極
１９…カソード極
２０…多孔体（吸湿層）
３０…アノード流路板（アノード集電体）
３１…燃料流路
３２…燃料マニホールド
３３… 気体流路
３４…気体マニホールド
４０…カソード流路板
４１…カソード流路
５１…燃料タンク
５２…燃料
５３…バルブ
５４…燃料供給部（ポンプ）
５５…燃料循環部（ポンプ）
５６…圧力調整機構（背圧弁）
５７…燃料濃度センサ（メタノール濃度センサ）
６１…空気供給部（ポンプ）
８０…制御部
１００…燃料電池（セルスタック）
Ｅ５４、Ｅ５５、Ｅ５６、Ｅ５７…信号線
Ｌ１…燃料供給ライン
Ｌ２…燃料循環ライン
Ｌ３…気体排出ライン
Ａ…下流側の領域

Claims (5)

  1. 　アノード極、カソード極、および前記アノード極と前記カソード極の間に介挿された電解質膜を有する膜電極複合体と、
    前記膜電極複合体のアノード極に近い方から順に、
    疎液性を有するガス拡散層と、
    貫層方向に貫通孔を有するアノード流路板と、
    前記貫通孔に連通する気体流路と、
    を配置している燃料電池であって、
    前記貫通孔の内部、前記気体流路の内部、及び前記貫通孔と前記気体流路との間、から構成される群のいずれか１つに配置された気液分離部材と、
    を有する燃料電池。
  2. 　前記アノード流路板は断面形状が交互に連続した凸部及び凹部を有し、かつ前記凸部と前記アノード極が接する接触部を有し、
    前記接触部の一部に前記貫通孔を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
  3. 　前記アノード流路板は、プレス加工で作製されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
  4. 　前記燃料電池はさらにカソード流路を有し、
    前記膜電極複合体と対向した前記アノード流路板に設けられた空間は、前記カソード流路に連通していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
  5. 　前記気液分離部材は、前記アノード流路板の下流側の領域に配設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。
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