アルカリ形燃料電池
【課題】電極への直接的な液水の供給を防止しつつ、電解質膜へ液水を供給することができ、もって良好な発電特性を示すアルカリ形燃料電池を提供する。
【解決手段】アノード極１０３、アニオン伝導性電解質膜１０１およびカソード極１０２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１０７を少なくとも備えるアノード極１０３上の第１セパレータ１０５と、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上の第２セパレータ１０４と、電解質膜１０１に液水を供給するための液水供給流路１２０，１２１とを備えるアルカリ形燃料電池である。液水供給流路１２０，１２１は、セパレータと電解質膜１０１との間に介在される弾性壁１１３，１１２によって挟まれた、膜電極複合体のうち電解質膜１０１のみに接する空間１１１，１１０を含んで構成される。
【解決手段】アノード極１０３、アニオン伝導性電解質膜１０１およびカソード極１０２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１０７を少なくとも備えるアノード極１０３上の第１セパレータ１０５と、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上の第２セパレータ１０４と、電解質膜１０１に液水を供給するための液水供給流路１２０，１２１とを備えるアルカリ形燃料電池である。液水供給流路１２０，１２１は、セパレータと電解質膜１０１との間に介在される弾性壁１１３，１１２によって挟まれた、膜電極複合体のうち電解質膜１０１のみに接する空間１１１，１１０を含んで構成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
上記のように、アルカリ形燃料電池においては触媒反応のためにカソード極に水を供給する必要がある。また、電解質膜の乾燥およびこれに伴うアニオン伝導抵抗の増大を防ぐためには、電解質膜にも水を供給する必要がある。従来、このような水供給は、一般的にアノード極に供給される燃料および／またはカソード極に供給される酸化剤として加湿したものを用いることにより行なわれている。しかしながらこの方法は、加湿器のような補機を要し、燃料電池の大型化を招く。
【０００５】
特許文献１には、水供給の他の方法として、電解質膜のカソード極側表面に直接、液水（液体状の水）を供給することが記載されている（たとえば、第２８頁第１８行〜第３１頁第１８行、図１１および図１２）。この方法は、より具体的には、ガスケットにおけるカソード側電極部の外縁部に、電解質膜のカソード極側表面に直結するスロットを設け、このスロットから電解質膜のカソード極側表面に直接、液水を供給するものである（第３１頁第４行〜第３１頁第１８行、図１１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２００９／１４９１９５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献１に記載の水供給方法の場合、電解質膜のカソード極側表面に供給された液水は、電解質膜の周縁部を覆うガスケットの下を浸透して電解質膜とカソード触媒層との界面に沿って横方向に移動し、該界面からカソード触媒層内に浸透する。その結果、膜状の液水がカソード触媒層の細孔を閉塞させるフラッディングが生じ、発電効率が低下したり、出力安定性が低下したりする問題があった。
【０００８】
そこで本発明は、電極（カソード極およびアノード極）への直接的な液水の供給を防止しつつ、電解質膜へ液水を供給することができ、もって良好な発電特性を示すアルカリ形燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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、アニオン伝導性電解質膜に液水を供給するための液水供給流路とを備えるアルカリ形燃料電池を提供する。ここで、液水供給流路は、第１セパレータまたは第２セパレータ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セパレータまたは第２セパレータにおけるアニオン伝導性電解質膜側表面からアニオン伝導性電解質膜の表面に至る弾性壁によって挟まれた、膜電極複合体のうちアニオン伝導性電解質膜のみに接する空間を含む。
【００１０】
液水供給流路は、第１セパレータ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弾性壁によって挟まれた、膜電極複合体のうちアニオン伝導性電解質膜の第１表面のみに接する第１空間を含む第１液水供給流路、および、第２セパレータ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弾性壁によって挟まれた、膜電極複合体のうちアニオン伝導性電解質膜の第２表面のみに接する第２空間を含む第２液水供給流路の少なくともいずれか１つを含むことが好ましい。
【００１１】
第１液水供給流路は、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上記第１空間から構成することができる。また、第２液水供給流路は、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上記第２空間から構成することができる。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、電極への直接的な液水の供給を防止しながら電解質膜に液水を、そして電解質膜を介してカソード極へ水分を供給する液水供給流路を備えるものであるので、フラッディングを生じさせることなく液水供給が可能となり、もって良好な発電特性を示すアルカリ形燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】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】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３】図２に示される第１セパレータの表面に第１弾性壁を配置した状態を示す概略上面図である。
【図４】第１セパレータの他の一例を示す概略上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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、さらに液水（液体状の水）をアニオン伝導性電解質膜に供給する液水供給流路をアノード極側および／またはカソード極側に備えたものである。液水供給流路は、電極（アノード極およびカソード極）への直接的な液水の供給（たとえば特許文献１に記載されるような、アニオン伝導性電解質膜と電極との界面からの電極への液水供給）を防止しながらアニオン伝導性電解質膜に直接、液水を供給するものである。液水供給流路は、第１セパレータまたは第２セパレータとアニオン伝導性電解質膜との間に配置する弾性壁によって挟まれた空間であって、該弾性壁によって電極から隔離されているとともに、膜電極複合体のうちアニオン伝導性電解質膜のみに接する空間を含んで構成される。
【００１７】
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弾性壁を配置した状態を概略上面図で示している。
【００１８】
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、アニオン伝導性電解質膜１０１に液水を供給するための第１および第２液水供給流路１２０，１２１から主に構成される。第１および第２液水供給流路１２０，１２１は、一方端（たとえば第１液水供給流路１２０における液水導入用配管１０９ａ側）から液水を導入し、他方端（たとえば第１液水供給流路１２０における液水排出用配管１０９ｂ側）から排出させるようになっている。
【００１９】
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。
【００２０】
第１液水供給流路１２０は、第１セパレータ１０５とアニオン伝導性電解質膜１０１と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弾性壁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弾性壁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３参照〕、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弾性壁１１３によって形成された内部空間である。
【００２１】
第１空間１１１は、その周縁に設けられた第１弾性壁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、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〕。
【００２２】
同様に、第２液水供給流路１２１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弾性壁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弾性壁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弾性壁１１２によって形成された内部空間である。
【００２３】
第２空間１１０は、その周縁に設けられた第２弾性壁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、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。
【００２４】
以上のような構成の第１、第２液水供給流路１２０，１２１によれば、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、液水燃料流路空間の一部を形成する隔離壁として弾性壁を用いているため、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、もってこれらの界面のシール性を向上させることができる。そして、該流路を流通する液水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、電極や、電極とアニオン伝導性電解質膜１０１との界面、さらには燃料受容部１０７／酸化剤受容部１０６への液水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のみに液水を供給することが可能となる。
【００２５】
したがって、本実施形態のアルカリ形燃料電池１００によれば、電極への直接的な液水供給に伴うフラッディングおよびこれによって生じる発電効率の低下および出力安定性の低下を防止することができる。一方で、アニオン伝導性電解質膜１０１への液水供給により、該電解質膜の加湿が可能になるため、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。
【００２６】
また、第１、第２液水供給流路１２０，１２１を通してアニオン伝導性電解質膜１０１へ供給された水分は、該膜中へ溶解して該膜中を拡散し、さらにＯＨ-イオンの伝導経路として該膜と連通しているカソード極１０２の電解質中まで拡散することで、水膜状とはならずにカソード極１０２に供給され、該電極での触媒反応に供することができる。
【００２７】
さらに本実施形態によれば、電極への直接的な液水の供給を防止できるため、電極と対抗する領域で、液水によりアニオン伝導性電解質膜１０１が膨潤することが抑制される。さらに、電極の周縁部の電解質膜が弾性壁により押圧固定されるため、電解質膜の寸法変化が抑制され、電解質膜からの電極剥離を防止することが可能となり、もって信頼性の高いアルカリ形燃料電池を提供することができる。
【００２８】
さらに本実施形態によれば、第１、第２液水供給流路１２０，１２１を流通する液水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。
【００２９】
なお、カチオン交換膜を電解質膜とする燃料電池においては、金属カチオンのような微量不純物を含む液水を電解質膜に直接接触させると、電解質膜が劣化する場合があるが、本発明のような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、電解質膜にこのような液水を接触させても、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。したがって、本発明のアルカリ形燃料電池は、液水から微量の金属カチオンを除去するための機構を不要とすることができる、燃料電池へ液水を供給するための配管として、金属配管のような安価な部材を使用できるなどの利点も有している。
【００３０】
本実施形態のアルカリ燃料電池１００は、アノード側の第１液水供給流路１２０およびカソード側の第２液水供給流路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、カソード極１０２への水分供給という観点からは、好ましくはカソード側の第２液水供給流路１２１を有することが好ましい。ただし、アノード側の第１液水供給流路１２０のみを有する場合であっても、アノード極１０３の水分濃度が高まることによってアノード極１０３−カソード極１０２間の水分濃度勾配が高まり、アノード極１０３からカソード極１０２への水分拡散が促進されるため、カソード極１０２への水分供給は可能である。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
（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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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弾性壁１１３、第２弾性壁１１２を配置することによる、液水供給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。
【００４０】
（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液水供給流路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液水供給流路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。
【００４１】
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液水供給流路１２０を構成する第１凹部１０９、第２液水供給流路１２１を構成する第２凹部１０８とは独立した凹部からなる。
【００４２】
第３凹部および第４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、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。
【００４３】
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、電解質膜への液水供給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、電解質膜表面のより広い範囲にわたって液水供給できるよう、たとえば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。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。
【００４４】
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）への液水供給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。
【００４５】
第１液水供給流路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、液水導入用配管１０９ａ、液水排出用配管１０９ｂを接続してもよい（第２液水供給流路１２１を構成する第２凹部１０８についても同様である）。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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液水供給流路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弾性壁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液水供給流路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弾性壁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。
【００５０】
第１弾性壁１１３および第２弾性壁１１２はそれぞれ、液水供給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。
【００５１】
第１弾性壁１１３および第２弾性壁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弾性壁１１３および第２弾性壁１１２は、液水供給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。
【００５２】
また、第１弾性壁１１３および第２弾性壁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弾性壁の位置決めが容易になり、生産性が向上する。また、弾性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。
【００５３】
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。本実施形態のアルカリ形燃料電池においては、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、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、液水燃料流路空間の一部を形成する隔離壁として、該圧力により適度に潰れ反発力を生じる弾性壁を用いているため、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防止することができる。
【００５４】
第１弾性壁１１３および第２弾性壁１１２の材質は、水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、シリコーンゴム、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などを挙げることができる。
【００５５】
第１弾性壁１１３および第２弾性壁１１２は、燃料電池の厚み方向に加わる圧力により変形することで界面のシール性を向上させることができるよう、弾性体からなる必要がある。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弾性壁１１３および第２弾性壁１１２は、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、これらの弾性壁は、ヤング率が１００ＭＰａ未満であることが好ましい。
【００５６】
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弾性壁１１３および第２弾性壁１１２の幅は１ｍｍ以上であることが好ましい。一方、カソード極１０２への水分供給フラックスを大きくするため、液水供給流路１２０，１２１からカソード極１０２までの拡散パスを短くするという観点から、第１弾性壁１１３および第２弾性壁１１２の幅は、５ｍｍ未満であることが好ましい。
【００５７】
液水供給流路１２０，１２１に流通させる液水は、液状の水のみからなるものに限定されず、たとえばアルカリ性を呈する水であってもよい。アルカリ性を呈する水を第１および／または第２液水供給流路１２０，１２１に流し、これをアニオン伝導性電解質膜１０１に供給することにより、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ＣＯ32-、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。
【００５８】
液水供給流路１２０，１２１を通してアルカリ性を呈する水を供給する場合、このアルカリ性を呈する水は、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を防止することができる。なお、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はない。
【００５９】
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、アルカリ性を呈する水の供給は、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表面にアルカリ性を呈する水を接触させることができる第１液水供給流路１２０を用いて行なうことが好ましい。
【００６０】
本発明の好ましい実施形態の１つは、第１および第２液水供給流路１２０，１２１の双方を設け、これらに異なる種類の液水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液水供給流路１２０を、アルカリ性を呈する水の供給路とし、カソード側の第２液水供給流路１２１を液水（液状の水のみからなる）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。
【００６１】
アルカリ性を呈する水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。
【００６２】
（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。
【００６３】
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、液水供給流路１２０，１２１を通してアルカリ性を呈する水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。
【００６４】
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。
【実施例】
【００６５】
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。
【００６６】
＜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。
【００６７】
（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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
（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液水供給流路１２０、または、酸化剤受容部１０６および第２液水供給流路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液水供給流路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。
【００７４】
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弾性壁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弾性壁１１２に関しても、同様である。
【００７５】
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弾性壁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弾性壁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。
【００７６】
＜実施例２＞
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弾性壁１１３の設置は省略した。
【００７７】
＜比較例１＞
第１弾性壁１１３および第２弾性壁１１２の代わりに、厚み１８０μｍのポリテトラフルオロエチレンシート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。
【００７８】
＜比較例２＞
第１弾性壁１１３および第２弾性壁１１２を構成するそれぞれ２つの部材のうち、燃料受容部１０７または酸化剤受容部１０６寄りの部材（燃料受容部１０７または酸化剤受容部１０６と第１凹部１０９または第２凹部１０８との間に配置する部材）を省略し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。
【００７９】
＜比較例３＞
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弾性壁１１３および第２弾性壁１１２の設置は省略した。
【００８０】
［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１〜３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、無加湿の空気（相対湿度５０％）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６０分間発電を行ない、発電３０分および発電６０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および比較例１、２の燃料電池においては、発電開始時から液水（１００％の水）を燃料電池の第１液水供給流路１２０および第２液水供給流路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、発電開始時から液水（１００％の水）を燃料電池の第２液水供給流路１２１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。
【００８１】
【表１】
【００８２】
実施例１および２では良好なセル電圧、低いセル抵抗を示しており、アニオン伝導性電解質膜１０１およびカソード極１０２に対して十分に水分供給が行なわれていることがわかる。
【００８３】
これに対し、比較例１および２では、セル抵抗は比較的低いものの、とりわけ発電６０分後におけるセル電圧が著しく低い結果となった。比較例１では、第１弾性壁および第２弾性壁の代わりにポリテトラフルオロエチレンシートを用いたため、テトラフロオロエチレンシートと各セパレータの間、あるいは、テトラフルオロエチレンシートとアニオン伝導性電解質膜１０１との間に隙間が生じ、液水がアノード極１０３あるいはカソード極１０２へ浸透し、フラッディングが生じたものと推察される。比較例２も同様に、一部の弾性部材を省略した結果、各セパレータとアニオン伝導性電解質膜１０１との間の隙間を通り、液水がアノード極１０３あるいはカソード極１０２へ浸透し、フラッディングが生じたものと推察される。比較例３では、セル抵抗が高くかつセル電圧も著しく低い結果となった。液水供給流路を備えない結果、アニオン伝導性電解質膜１０１およびカソード極１０２に対する水分供給が不足したため、このような低い電池特性になったものと考察される。
【符号の説明】
【００８４】
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 液水導入用配管、１０９ｂ 液水排出用配管、１１０ 第２空間、１１１ 第１空間、１１２ 第２弾性壁、１１３ 第１弾性壁、１２０ 第１液水供給流路、１２１ 第２液水供給流路。
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
上記のように、アルカリ形燃料電池においては触媒反応のためにカソード極に水を供給する必要がある。また、電解質膜の乾燥およびこれに伴うアニオン伝導抵抗の増大を防ぐためには、電解質膜にも水を供給する必要がある。従来、このような水供給は、一般的にアノード極に供給される燃料および／またはカソード極に供給される酸化剤として加湿したものを用いることにより行なわれている。しかしながらこの方法は、加湿器のような補機を要し、燃料電池の大型化を招く。
【０００５】
特許文献１には、水供給の他の方法として、電解質膜のカソード極側表面に直接、液水（液体状の水）を供給することが記載されている（たとえば、第２８頁第１８行〜第３１頁第１８行、図１１および図１２）。この方法は、より具体的には、ガスケットにおけるカソード側電極部の外縁部に、電解質膜のカソード極側表面に直結するスロットを設け、このスロットから電解質膜のカソード極側表面に直接、液水を供給するものである（第３１頁第４行〜第３１頁第１８行、図１１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２００９／１４９１９５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献１に記載の水供給方法の場合、電解質膜のカソード極側表面に供給された液水は、電解質膜の周縁部を覆うガスケットの下を浸透して電解質膜とカソード触媒層との界面に沿って横方向に移動し、該界面からカソード触媒層内に浸透する。その結果、膜状の液水がカソード触媒層の細孔を閉塞させるフラッディングが生じ、発電効率が低下したり、出力安定性が低下したりする問題があった。
【０００８】
そこで本発明は、電極（カソード極およびアノード極）への直接的な液水の供給を防止しつつ、電解質膜へ液水を供給することができ、もって良好な発電特性を示すアルカリ形燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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、アニオン伝導性電解質膜に液水を供給するための液水供給流路とを備えるアルカリ形燃料電池を提供する。ここで、液水供給流路は、第１セパレータまたは第２セパレータ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セパレータまたは第２セパレータにおけるアニオン伝導性電解質膜側表面からアニオン伝導性電解質膜の表面に至る弾性壁によって挟まれた、膜電極複合体のうちアニオン伝導性電解質膜のみに接する空間を含む。
【００１０】
液水供給流路は、第１セパレータ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弾性壁によって挟まれた、膜電極複合体のうちアニオン伝導性電解質膜の第１表面のみに接する第１空間を含む第１液水供給流路、および、第２セパレータ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弾性壁によって挟まれた、膜電極複合体のうちアニオン伝導性電解質膜の第２表面のみに接する第２空間を含む第２液水供給流路の少なくともいずれか１つを含むことが好ましい。
【００１１】
第１液水供給流路は、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上記第１空間から構成することができる。また、第２液水供給流路は、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上記第２空間から構成することができる。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、電極への直接的な液水の供給を防止しながら電解質膜に液水を、そして電解質膜を介してカソード極へ水分を供給する液水供給流路を備えるものであるので、フラッディングを生じさせることなく液水供給が可能となり、もって良好な発電特性を示すアルカリ形燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】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】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３】図２に示される第１セパレータの表面に第１弾性壁を配置した状態を示す概略上面図である。
【図４】第１セパレータの他の一例を示す概略上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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、さらに液水（液体状の水）をアニオン伝導性電解質膜に供給する液水供給流路をアノード極側および／またはカソード極側に備えたものである。液水供給流路は、電極（アノード極およびカソード極）への直接的な液水の供給（たとえば特許文献１に記載されるような、アニオン伝導性電解質膜と電極との界面からの電極への液水供給）を防止しながらアニオン伝導性電解質膜に直接、液水を供給するものである。液水供給流路は、第１セパレータまたは第２セパレータとアニオン伝導性電解質膜との間に配置する弾性壁によって挟まれた空間であって、該弾性壁によって電極から隔離されているとともに、膜電極複合体のうちアニオン伝導性電解質膜のみに接する空間を含んで構成される。
【００１７】
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弾性壁を配置した状態を概略上面図で示している。
【００１８】
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、アニオン伝導性電解質膜１０１に液水を供給するための第１および第２液水供給流路１２０，１２１から主に構成される。第１および第２液水供給流路１２０，１２１は、一方端（たとえば第１液水供給流路１２０における液水導入用配管１０９ａ側）から液水を導入し、他方端（たとえば第１液水供給流路１２０における液水排出用配管１０９ｂ側）から排出させるようになっている。
【００１９】
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。
【００２０】
第１液水供給流路１２０は、第１セパレータ１０５とアニオン伝導性電解質膜１０１と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弾性壁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弾性壁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３参照〕、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弾性壁１１３によって形成された内部空間である。
【００２１】
第１空間１１１は、その周縁に設けられた第１弾性壁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、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〕。
【００２２】
同様に、第２液水供給流路１２１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弾性壁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弾性壁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弾性壁１１２によって形成された内部空間である。
【００２３】
第２空間１１０は、その周縁に設けられた第２弾性壁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、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。
【００２４】
以上のような構成の第１、第２液水供給流路１２０，１２１によれば、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、液水燃料流路空間の一部を形成する隔離壁として弾性壁を用いているため、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、もってこれらの界面のシール性を向上させることができる。そして、該流路を流通する液水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、電極や、電極とアニオン伝導性電解質膜１０１との界面、さらには燃料受容部１０７／酸化剤受容部１０６への液水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のみに液水を供給することが可能となる。
【００２５】
したがって、本実施形態のアルカリ形燃料電池１００によれば、電極への直接的な液水供給に伴うフラッディングおよびこれによって生じる発電効率の低下および出力安定性の低下を防止することができる。一方で、アニオン伝導性電解質膜１０１への液水供給により、該電解質膜の加湿が可能になるため、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。
【００２６】
また、第１、第２液水供給流路１２０，１２１を通してアニオン伝導性電解質膜１０１へ供給された水分は、該膜中へ溶解して該膜中を拡散し、さらにＯＨ-イオンの伝導経路として該膜と連通しているカソード極１０２の電解質中まで拡散することで、水膜状とはならずにカソード極１０２に供給され、該電極での触媒反応に供することができる。
【００２７】
さらに本実施形態によれば、電極への直接的な液水の供給を防止できるため、電極と対抗する領域で、液水によりアニオン伝導性電解質膜１０１が膨潤することが抑制される。さらに、電極の周縁部の電解質膜が弾性壁により押圧固定されるため、電解質膜の寸法変化が抑制され、電解質膜からの電極剥離を防止することが可能となり、もって信頼性の高いアルカリ形燃料電池を提供することができる。
【００２８】
さらに本実施形態によれば、第１、第２液水供給流路１２０，１２１を流通する液水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。
【００２９】
なお、カチオン交換膜を電解質膜とする燃料電池においては、金属カチオンのような微量不純物を含む液水を電解質膜に直接接触させると、電解質膜が劣化する場合があるが、本発明のような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、電解質膜にこのような液水を接触させても、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。したがって、本発明のアルカリ形燃料電池は、液水から微量の金属カチオンを除去するための機構を不要とすることができる、燃料電池へ液水を供給するための配管として、金属配管のような安価な部材を使用できるなどの利点も有している。
【００３０】
本実施形態のアルカリ燃料電池１００は、アノード側の第１液水供給流路１２０およびカソード側の第２液水供給流路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、カソード極１０２への水分供給という観点からは、好ましくはカソード側の第２液水供給流路１２１を有することが好ましい。ただし、アノード側の第１液水供給流路１２０のみを有する場合であっても、アノード極１０３の水分濃度が高まることによってアノード極１０３−カソード極１０２間の水分濃度勾配が高まり、アノード極１０３からカソード極１０２への水分拡散が促進されるため、カソード極１０２への水分供給は可能である。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
（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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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弾性壁１１３、第２弾性壁１１２を配置することによる、液水供給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。
【００４０】
（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液水供給流路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液水供給流路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。
【００４１】
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液水供給流路１２０を構成する第１凹部１０９、第２液水供給流路１２１を構成する第２凹部１０８とは独立した凹部からなる。
【００４２】
第３凹部および第４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、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。
【００４３】
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、電解質膜への液水供給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、電解質膜表面のより広い範囲にわたって液水供給できるよう、たとえば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。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。
【００４４】
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）への液水供給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。
【００４５】
第１液水供給流路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、液水導入用配管１０９ａ、液水排出用配管１０９ｂを接続してもよい（第２液水供給流路１２１を構成する第２凹部１０８についても同様である）。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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液水供給流路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弾性壁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液水供給流路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弾性壁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。
【００５０】
第１弾性壁１１３および第２弾性壁１１２はそれぞれ、液水供給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。
【００５１】
第１弾性壁１１３および第２弾性壁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弾性壁１１３および第２弾性壁１１２は、液水供給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。
【００５２】
また、第１弾性壁１１３および第２弾性壁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弾性壁の位置決めが容易になり、生産性が向上する。また、弾性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。
【００５３】
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。本実施形態のアルカリ形燃料電池においては、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、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、液水燃料流路空間の一部を形成する隔離壁として、該圧力により適度に潰れ反発力を生じる弾性壁を用いているため、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防止することができる。
【００５４】
第１弾性壁１１３および第２弾性壁１１２の材質は、水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、シリコーンゴム、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などを挙げることができる。
【００５５】
第１弾性壁１１３および第２弾性壁１１２は、燃料電池の厚み方向に加わる圧力により変形することで界面のシール性を向上させることができるよう、弾性体からなる必要がある。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弾性壁１１３および第２弾性壁１１２は、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、これらの弾性壁は、ヤング率が１００ＭＰａ未満であることが好ましい。
【００５６】
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弾性壁１１３および第２弾性壁１１２の幅は１ｍｍ以上であることが好ましい。一方、カソード極１０２への水分供給フラックスを大きくするため、液水供給流路１２０，１２１からカソード極１０２までの拡散パスを短くするという観点から、第１弾性壁１１３および第２弾性壁１１２の幅は、５ｍｍ未満であることが好ましい。
【００５７】
液水供給流路１２０，１２１に流通させる液水は、液状の水のみからなるものに限定されず、たとえばアルカリ性を呈する水であってもよい。アルカリ性を呈する水を第１および／または第２液水供給流路１２０，１２１に流し、これをアニオン伝導性電解質膜１０１に供給することにより、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ＣＯ32-、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。
【００５８】
液水供給流路１２０，１２１を通してアルカリ性を呈する水を供給する場合、このアルカリ性を呈する水は、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を防止することができる。なお、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はない。
【００５９】
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、アルカリ性を呈する水の供給は、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表面にアルカリ性を呈する水を接触させることができる第１液水供給流路１２０を用いて行なうことが好ましい。
【００６０】
本発明の好ましい実施形態の１つは、第１および第２液水供給流路１２０，１２１の双方を設け、これらに異なる種類の液水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液水供給流路１２０を、アルカリ性を呈する水の供給路とし、カソード側の第２液水供給流路１２１を液水（液状の水のみからなる）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。
【００６１】
アルカリ性を呈する水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。
【００６２】
（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。
【００６３】
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、液水供給流路１２０，１２１を通してアルカリ性を呈する水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。
【００６４】
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。
【実施例】
【００６５】
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。
【００６６】
＜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。
【００６７】
（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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
（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液水供給流路１２０、または、酸化剤受容部１０６および第２液水供給流路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液水供給流路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。
【００７４】
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弾性壁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弾性壁１１２に関しても、同様である。
【００７５】
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弾性壁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弾性壁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。
【００７６】
＜実施例２＞
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弾性壁１１３の設置は省略した。
【００７７】
＜比較例１＞
第１弾性壁１１３および第２弾性壁１１２の代わりに、厚み１８０μｍのポリテトラフルオロエチレンシート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。
【００７８】
＜比較例２＞
第１弾性壁１１３および第２弾性壁１１２を構成するそれぞれ２つの部材のうち、燃料受容部１０７または酸化剤受容部１０６寄りの部材（燃料受容部１０７または酸化剤受容部１０６と第１凹部１０９または第２凹部１０８との間に配置する部材）を省略し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。
【００７９】
＜比較例３＞
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弾性壁１１３および第２弾性壁１１２の設置は省略した。
【００８０】
［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１〜３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、無加湿の空気（相対湿度５０％）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６０分間発電を行ない、発電３０分および発電６０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および比較例１、２の燃料電池においては、発電開始時から液水（１００％の水）を燃料電池の第１液水供給流路１２０および第２液水供給流路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、発電開始時から液水（１００％の水）を燃料電池の第２液水供給流路１２１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。
【００８１】
【表１】
【００８２】
実施例１および２では良好なセル電圧、低いセル抵抗を示しており、アニオン伝導性電解質膜１０１およびカソード極１０２に対して十分に水分供給が行なわれていることがわかる。
【００８３】
これに対し、比較例１および２では、セル抵抗は比較的低いものの、とりわけ発電６０分後におけるセル電圧が著しく低い結果となった。比較例１では、第１弾性壁および第２弾性壁の代わりにポリテトラフルオロエチレンシートを用いたため、テトラフロオロエチレンシートと各セパレータの間、あるいは、テトラフルオロエチレンシートとアニオン伝導性電解質膜１０１との間に隙間が生じ、液水がアノード極１０３あるいはカソード極１０２へ浸透し、フラッディングが生じたものと推察される。比較例２も同様に、一部の弾性部材を省略した結果、各セパレータとアニオン伝導性電解質膜１０１との間の隙間を通り、液水がアノード極１０３あるいはカソード極１０２へ浸透し、フラッディングが生じたものと推察される。比較例３では、セル抵抗が高くかつセル電圧も著しく低い結果となった。液水供給流路を備えない結果、アニオン伝導性電解質膜１０１およびカソード極１０２に対する水分供給が不足したため、このような低い電池特性になったものと考察される。
【符号の説明】
【００８４】
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 液水導入用配管、１０９ｂ 液水排出用配管、１１０ 第２空間、１１１ 第１空間、１１２ 第２弾性壁、１１３ 第１弾性壁、１２０ 第１液水供給流路、１２１ 第２液水供給流路。
【特許請求の範囲】
【請求項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、
前記アニオン伝導性電解質膜に液水を供給するための液水供給流路と、
を備え、
前記液水供給流路は、前記第１セパレータまたは前記第２セパレータ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セパレータまたは前記第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から前記アニオン伝導性電解質膜の表面に至る弾性壁によって挟まれた、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接する空間を含むアルカリ形燃料電池。
【請求項２】
前記液水供給流路は、前記第１セパレータ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弾性壁によって挟まれた、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表面のみに接する第１空間を含む第１液水供給流路、および、前記第２セパレータ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弾性壁によって挟まれた、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表面のみに接する第２空間を含む第２液水供給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。
【請求項３】
前記第１液水供給流路は、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、および、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前記第１空間から構成され、
前記第２液水供給流路は、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、および、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前記第２空間から構成される請求項２に記載のアルカリ形燃料電池。
【請求項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３に記載のアルカリ形燃料電池。
【請求項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または４に記載のアルカリ形燃料電池。
【請求項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。
【請求項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、
前記アニオン伝導性電解質膜に液水を供給するための液水供給流路と、
を備え、
前記液水供給流路は、前記第１セパレータまたは前記第２セパレータ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セパレータまたは前記第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から前記アニオン伝導性電解質膜の表面に至る弾性壁によって挟まれた、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接する空間を含むアルカリ形燃料電池。
【請求項２】
前記液水供給流路は、前記第１セパレータ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弾性壁によって挟まれた、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表面のみに接する第１空間を含む第１液水供給流路、および、前記第２セパレータ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弾性壁によって挟まれた、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表面のみに接する第２空間を含む第２液水供給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。
【請求項３】
前記第１液水供給流路は、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、および、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前記第１空間から構成され、
前記第２液水供給流路は、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、および、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前記第２空間から構成される請求項２に記載のアルカリ形燃料電池。
【請求項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３に記載のアルカリ形燃料電池。
【請求項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または４に記載のアルカリ形燃料電池。
【請求項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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１３−４５６９９（Ｐ２０１３−４５６９９Ａ）
【公開日】平成２５年３月４日（２０１３．３．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１８３７７８（Ｐ２０１１−１８３７７８）
【出願日】平成２３年８月２５日（２０１１．８．２５）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月４日（２０１３．３．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月２５日（２０１１．８．２５）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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