(57)【要約】【課題】  透過膜を燃料極と酸化剤極との間に介在させ、燃料として金属水素錯化合物例えば水素化ホウ素ナトリウムのアルカリ水溶液を用い、酸化剤として例えば水分を含んだ空気を用いる燃料電池において、酸化剤極の表面における金属水酸化物例えば水酸化ナトリウムの付着量を抑え、出力の安定化を図ること。【解決手段】  酸化剤極の厚さ方向に多数の透孔を形成し、空気の負圧により酸化剤極内に生成した水酸化ナトリウムを、前記透孔を介して排出する。或いは酸化剤極と透過膜との間にプレートを介在させ、このプレートに上下に連通する切り欠きを多数形成して、この中に水酸化ナトリウムを含浸させた吸収部材を設け、ここに水酸化ナトリウムをトラップして落液排出させる。また切り欠きに例えば水酸化ナトリウムを通流させて、これにより排出するようにしてもよい。【選択図】  図１
2005174759.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透過膜を燃料極と酸化剤極との間に介在させ、燃料として金属水素錯化合物のアルカリ水溶液を用い、酸化剤として酸素含有ガスを用いる燃料電池において、
前記酸化剤極における透過膜の反対側に設けられ、酸素含有ガスを通流するための通流部と、
前記酸化剤極における透過膜側の面から、その反対側の面に貫通して多数形成され、酸化剤極で生成された生成物が排出されるための第１の透孔と、を備えたことを特徴する燃料電池。
【請求項２】
前記通流部は、前記酸化剤極における透過膜の反対側の面に積層して設けられたガス拡散層と、このガス拡散層における酸化剤極の反対側に形成された通流空間と、から構成され、
前記ガス拡散層には、前記多数の第１の透孔に夫々対向し、前記通流空間に開口する多数の第２の透孔が形成されたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
透過膜を燃料極と酸化剤極との間に介在させてなる単位セルをセパレータを介して複数積層させて構成し、燃料として金属水素錯化合物のアルカリ水溶液を用い、酸化剤として酸素含有ガスを用いる燃料電池において、
前記セパレータに形成され、酸化剤の通流空間をなす凹部と、
前記酸化剤極における透過膜側の面から、その反対側の面に貫通して多数形成され、酸化剤極で生成された生成物が排出されるための第１の透孔と、
前記酸化剤極とセパレータとの間に設けられたガス拡散層と、
前記多数の第１の透孔に夫々対向すると共に前記凹部に開口するように前記ガス拡散層に形成された多数の第２の透孔と、備えたことを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
透過膜を燃料極と酸化剤極との間に介在させ、燃料として金属水素錯化合物のアルカリ水溶液を用い、酸化剤として酸素含有ガスを用いる燃料電池において、
酸化剤極と透過膜との間に設けられ、燃料極側から透過膜を透過した金属イオンが酸化剤極側へ移動すると共に酸化剤極で生成された生成物を吸収させる吸収部材と、
この吸収部材に吸収され、重力により降下した前記生成物を排出するために当該吸収部材の下端側に設けられた排出路と、を備えたことを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
酸化剤極と透過膜との間にプレートを設け、このプレートにその両面を貫通すると共に上部側から下部側まで連続する空間を形成し、この空間に吸収部材を設けたことを特徴とする請求項４記載の燃料電池。
【請求項６】
透過膜を燃料極と酸化剤極との間に介在させ、燃料として金属水素錯化合物のアルカリ水溶液を用い、酸化剤として酸素含有ガスを用いる燃料電池でおいて、
酸化剤極と透過膜との間に設けられ、酸化剤極の面に沿って電解質液を通流させる電解質液通流部と、
この電解質液通流部に電解質液を供給する供給口と、
前記電解質液通流部から電解質液を排出する排出口と、
燃料極側から透過膜を透過した金属イオンが前記電解質液を介して酸化剤極側へ移動すると共に、酸化剤極側で生成された生成物が電解質液と共に排出されることを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
金属水素錯化合物が水素化ホウ素錯化合物であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばテトラヒドロホウ酸塩などの金属水素錯化合物のアルカリ水溶液からなる燃料液が供給される燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、負極及び正極に夫々燃料及び酸化剤を連続的に供給し、そのときに起こる化学反応により得られるエネルギーを電気的エネルギーに変換する装置であり、環境にやさしいクリーンな動力源として注目を集めている。例えばメタノールを改質して水素リッチなガスを取り出し、この水素リッチなガスを燃料として用いる燃料電池は従来から良く知られているが、最近において水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ4）などの水素化ホウ素錯化合物の液体燃料を用いた燃料電池（ボロハイドライド燃料電池）が検討されている。例えば水素化ホウ素ナトリウムはアルカリ水溶液中において安定しており、ＢＨ4−をＢＯ2−に変換するときの電気化学的電位がより卑になることから理論電圧が高く、また水素を発生させる改質器が不要であるなどの利点がある。この種の燃料電池は特許文献１及び２に記載されている。
【０００３】
例えば特許文献１には、図１５に示すボロハイドライド燃料電池が記載されている。この燃料電池は、樹脂などの絶縁性のケース体１１内を高分子電解質膜からなる透過膜１２により２つの領域に区画し、一方の領域には酸化剤極１３が透過膜１２の一面側に接触して設けられ、また他方の領域には燃料極１４が透過膜１２の他面側に接触して設けられている。酸化剤極１３及び燃料極１４は、例えばニッケルなどの粒状焼結体或いは発泡体などの多孔質体を基材とし、その表面に電極触媒である白金、パラジウムなどの貴金属をメッキしたものなどが用いられる。更に酸化剤極１３とケース体１１の一方の側面との間には、酸化剤例えば空気を通流させる第１の通流部１５が形成され、また燃料極１４とケース体１１の他方の側面との間には燃料を通流させる第２の通流部１６が形成されている。
【０００４】
このような燃料電池においては、第１の通流部１５に例えば加湿された空気を通流させると共に第２の通流部１６に水素化ホウ素ナトリウムのアルカリ水溶液である燃料を通流させると、燃料極１４では８電子反応である（１）式の反応が主として起こる。
【０００５】
ＮａＢＨ4＋８ＮａＯＨ→ＮａＢＯ2＋６Ｈ2Ｏ＋８Ｎａ＋＋８ｅ−……（１）
燃料極１４で生成したナトリウムイオン（Ｎａ＋）は、透過膜１２を通過して酸化剤極１３に移動し、電子は外部に接続された図示しない回路を通して酸化剤極１３に受け渡される。そして、酸化剤極１３では、下記の（２）式に示すように、外部に接続された回路を通して電子が受け渡され、外部から酸化剤として供給された酸素（Ｏ2）及び水（Ｈ2Ｏ）と、透過膜１２から移動してきたナトリウムイオンとが触媒作用により反応して水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）を生成する。また透過膜１２から移動してきた水素イオンが酸素と反応して水を生成する反応も起こっている。
【０００６】
２Ｏ2＋４Ｈ2Ｏ＋８Ｎａ＋＋８ｅ−→８ＮａＯＨ……（２）
【特許文献１】特表２０００−５０２８３２（図１）
【特許文献２】特開２００２−５０３７５（図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながらボロハイドライド燃料電池は、実施レベルとして技術が確立されているとは言い難く、電気的特性及び使用寿命などにおいて改善すべきところが多い。例えばある負荷を接続したときに負荷の大きさが変わらなければ一定電流が流れ、出力電圧が安定していることが理想であるが、この燃料電池では、酸化剤極１３での電極反応が進むにつれて酸化剤極１３で生成された水酸化ナトリウムが当該電極１３の白金、パラジウムなどの貴金属の表面を被覆し、その被覆量が時間と共に増加することによって、（２）式の反応が阻害され、時間の経過と共に燃料電池の出力電圧が低下するという課題がある。
【０００８】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、金属水素錯化合物のアルカリ水溶液を用いる燃料電池において、酸化剤極の表面における生成物の付着量を抑え、出力電圧の安定化を図ることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、透過膜を燃料極と酸化剤極との間に介在させ、燃料として金属水素錯化合物のアルカリ水溶液を用い、酸化剤として酸素含有ガスを用いる燃料電池において、
前記酸化剤極における透過膜の反対側に設けられ、酸素含有ガスを通流するための通流部と、
前記酸化剤極における透過膜側の面から、その反対側の面に貫通して多数形成され、酸化剤極で生成された生成物が排出されるための第１の透孔と、を備えたことを特徴とする。
【００１０】
またこの発明において、前記通流部は、前記酸化剤極における透過膜の反対側の面に積層して設けられたガス拡散層と、このガス拡散層における酸化剤極の反対側に形成された通流空間と、から構成され、
前記ガス拡散層には、前記多数の第１の透孔に夫々対向し、前記通流空間に開口する多数の第２の透孔が形成された構成とすることができる。
【００１１】
他の本発明は、透過膜を燃料極と酸化剤極との間に介在させてなる単位セルをセパレータを介して複数積層させて構成し、燃料として金属水素錯化合物のアルカリ水溶液を用い、酸化剤として酸素含有ガスを用いる燃料電池において、
前記セパレータに形成され、酸化剤の通流空間をなす凹部と、
前記酸化剤極におけ透過膜側の面から、その反対側の面に貫通して多数形成され、酸化剤極で生成された生成物が排出されるための第１の透孔と、
前記酸化剤極とセパレータとの間に設けられたガス拡散層と、
前記多数の第１の透孔に夫々対向すると共に前記凹部に開口するように前記ガス拡散層に形成された多数の第２の透孔と、を備えたことを特徴とする。
【００１２】
更に他の本発明は、透過膜を燃料極と酸化剤極との間に介在させ、燃料として金属水素錯化合物のアルカリ水溶液を用い、酸化剤として酸素含有ガスを用いる燃料電池において、
酸化剤極と透過膜との間に設けられ、燃料極側から透過膜を透過した金属イオンが酸化剤極側へ移動すると共に酸化剤極で生成された生成物を吸収させる吸収部材と、
この吸収部材に吸収され、重力により降下した前記生成物を排出するために当該吸収部材の下端側に設けられた排出路と、を備えたことを特徴とする。またこの燃料電池は、酸化剤極と透過膜との間にプレートを設け、このプレートにその両面を貫通すると共に上部側から下部側まで連続する空間を形成し、この空間に吸収部材を設けてもよい。
【００１３】
更にまた他の発明は、透過膜を燃料極と酸化剤極との間に介在させ、燃料として金属水素錯化合物のアルカリ水溶液を用い、酸化剤として酸素含有ガスを用いる燃料電池において、
酸化剤極と透過膜との間に設けられ、酸化剤極の面に沿って電解質液を通流させる電解質液通流部と、
この電解質液通流部に電解質を供給する供給口と、
前記電解質液通流部から電解質液を排出する排出口と、
燃料極側から透過膜を透過した金属イオンが電解質液を介して酸化剤極側へ移動すると共に、酸化剤極側で生成された生成物が電解質液と共に排出されることを特徴とする。上記で述べた燃料電池の燃料として使用される金属水素錯化合物は例えば水素化ホウ素ナトリウムである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、酸化剤極に多数の透孔を形成しているため、酸化剤極で生成された生成物がこれら透孔に拡散して、酸化剤極に供給された酸化剤と共に排出される。また他の発明によれば、酸化剤極で生成された生成物が吸収部材によって吸収され、重力により下降して排出される。更にまた他の発明によれば、酸化剤極で生成された生成物が外部から供給される電解質液により排出される。このため酸化剤極の表面に付着した付着物が低減し、燃料電池の出力特性の安定化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
〔第１の実施の形態〕
本発明に係る燃料電池の第１の実施の形態について説明するが、初めに図１及び図２を参照しながらこの第１の実施の形態の基本的な構成について述べておく。図１において、２はケース体であり、このケース体２内には透過膜３により燃料極（負極）室４と酸化剤極（正極）室５とに区画されている。燃料極室４には、板状の燃料極４１がその一面側を透過膜３に接触するように設けられると共に、燃料極４１の他面側とケース体２との間には、燃料の通流部４２をなす通流空間が形成されている。この通流部４２の一端側に対応する部位には、燃料供給口が形成されており、ここに供給ポンプ６が介設された燃料供給路６１が接続されている。また通流部４２の他端側に対応する部位には、燃料排出口が形成されており、ここには排出路６２が接続されている。そしてこの例では、燃料供給路６１の上流側と排出路６２の下流側との間には燃料供給源である燃料貯槽６３が介在しており、燃料供給路６１及び排出路６２により燃料の循環路が構成されている。
【００１６】
前記酸化剤極室５には、板状の酸化剤極５１がその一面側を透過膜３に接触するように設けられており、酸化剤極５１の他面側には酸化剤である酸素含有ガスを拡散し易くするための多孔質マット例えばカーボン繊維からなるガス拡散層５２が積層して設けられている。このガス拡散層５２とケース体２との間には、通流空間５３が形成されおり、この例ではガス拡散層５２と通流空間５３とにより酸化剤の通流部が構成される。このように酸化剤極室５側にガス拡散層５２を設けることで、通流空間５３に供給された酸化剤はガス拡散層５２によって拡散され、酸化剤極５１に酸化剤を効率よく供給することができる。
【００１７】
また前記酸化剤極５１には、酸化剤極５１で生成された生成物この例では水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）を除去するための第１の透孔５４が酸化剤極５１における透過膜３側の面から、その反対側の面に貫通して多数形成されている。更に前記ガス拡散層５２には、第１の透孔内の生成物が排出されるための第２の透孔５５が多数の第１の透孔５４に夫々対向するように、つまり連通するように形成されている。従って酸化剤極５１で生成された生成物は、第１の透孔５４及び第２の透孔５５を通って、通流空間５３を介して排出されることになる。この第１の透孔５４及び第２の透孔５５の孔径は、例えば１ｍｍであり、第１の透孔５４及び第２の透孔５５において互に隣接する孔と孔との中心間距離は、例えば５ｍｍである。前記通流空間５３の一端側に対応する部位には酸化剤供給口が形成されており、この酸化剤供給口には酸化剤供給路７が接続されている。そしてこの酸化剤供給路７には上流側から酸化剤供給源７１、供給ポンプ７２、加湿手段７３及び加熱手段７４がこの順に設けられている。また前記通流空間５３の他端側に対応する部位には酸化剤排出口が形成されており、この酸化剤排出口には排出路７５が接続されている。
【００１８】
以上の燃料電池において、ケース体２を構成する材料としては、絶縁材が有利であり、例えば絶縁性セラミックス、樹脂及び金属酸化物などが用いられる。透過膜３としては例えば陽イオン透過性膜などからなる高分子電解質膜を用いることができ、陽イオン透過性膜としては例えば商品名「ナフィオン」（デュポン株式会社製）を用いることができるが、陰イオン透過性膜或いは陽イオン、陰イオンの両方を透過する双極性透過膜などを用いることができる。この実施の形態では、沸騰している水酸化ナトリウム水溶液に前記「ナフィオン」を浸漬して煮沸処理したものを使用している。「ナフィオン」はフッ素樹脂を骨格としてこのフッ素樹脂中の炭素にＳＯ3−イオンが結合しており、このイオンに水素イオン（Ｈ＋）が吸着している状態である。そこで水酸化ナトリウムにより煮沸処理すると水素イオン（Ｈ＋）がナトリウムイオン（Ｎａ＋）により置き換わる。即ち市販の上記の透過膜は交換基がスルホン酸型（ＳＯ3Ｈ）であるが、水酸化ナトリウム水溶液により処理することでナトリウム型（ＳＯ3Ｎａ）に変わったことになる。
【００１９】
燃料極４１及び酸化剤極５１としては、白金を分散した炭素又は鉄、ニッケル、クロム、銅、白金、パラジウムなどの金属或いはそれらの金属の合金が用いられ、発電効率や耐久性がよく、低コストという点でニッケル又はニッケル・クロム合金の多孔体、例えば粒状焼結体や発泡材を基材とし、その表面に白金、パラジウムなどの貴金属からなる触媒をメッキして触媒層を形成したものなどが用いられる。この実施の形態では例えば両面に触媒層が形成された燃料極４１及び酸化剤極５１を用いる。
【００２０】
また燃料極４１としては、上記の電極材料を用いてもよいが、特に好ましいのは水素吸蔵合金又はその水素化物である。この水素吸蔵合金又はその水素化物は、水素を可逆的に吸収、放出し得るものであれば特に制限はなく、例えばＭｇ2Ｎｉ合金、Ｍｇ2ＮｉとＭｇとの共晶合金のようなＭｇ2Ｎｉ系合金のＡ2Ｂ型合金、ＺｒＮｉ2系合金、ＴｉＮｉ2系合金などのラベス相系ＡＢ2型合金、ＴｉＦｅ系合金のようなＡＢ型合金、ＬａＮｉ5系合金のようなＡＢ5型合金、ＴｉＶ2系合金のようなＢＣＣ型合金の中から任意に選ぶことができる。
【００２１】
この中で好ましいのは、ＬａＮｉ4.7Ａｌ0.3合金、ＭｍＮｉ0.35Ｍｎ0.4Ａｌ0.3Ｃｏ0.75合金（但し、Ｍｍはミッシュメタル）、ＭｍＮｉ3.75Ｃｏ0.75Ｍｎ0.20Ａｌ0.30合金（但し、Ｍｍはミッシュメタル）、Ｔｉ0.5Ｚｒ0.5Ｍｎ0.8Ｃｒ0.8Ｎｉ0.4、Ｔｉ0.5Ｚｒ0.5Ｍｎ0.5Ｃｒ0.5Ｎｉ、Ｔｉ0.5Ｚｒ0.5Ｖ0.75Ｎｉ1.25、Ｔｉ0.5Ｚｒ0.5Ｖ0.5Ｎｉ1.5、Ｔｉ0.1Ｚｒ0.9Ｖ0.2Ｍｎ0.6Ｃｏ0.1Ｎｉ1.1、ＭｎＮｉ3.87Ｃｏ0.78Ｍｎ0.10Ａｌ0.38（但し、Ｍｍはミッシュメタル）などである。
【００２２】
これらの水素吸蔵合金又はその水素化物は、表面をフッ素処理することにより、その性能を著しく高めることができる。即ち、このようなフッ素化処理を行うことにより、接触する負極液（燃料液）に対する耐腐食性が付与され、且つ長時間に亘って高い発電容量を維持しうる。このフッ素処理は、例えば水素吸蔵合金又はその水素化物をフッ素化剤含有水溶液中に浸漬し、その表面をフッ素化することによって行われる。
【００２３】
酸化剤極５１に供給される酸化剤としては、酸素ガス又は空気であってもよいが、既述の（３）の反応が進行するためには図１に示すように、これら酸化剤ガス中に例えば加湿器７３により水分を含ませることが好ましい。
【００２４】
酸化剤極室５側のガス拡散層５２は、多孔質マット例えばカーボン繊維に限られず、酸化剤極５１に接触する酸化剤ができるだけ全体に拡散できる構造のものが好ましく、例えば網状構造体が好ましい。この他に多孔質シート、発泡シートなどを挙げることができる。
【００２５】
また燃料としては、金属水素錯化合物のアルカリ水溶液が用いられ、金属水素錯化合物としては例えば水素化ホウ素ナトリウム、水素化ホウ素カリウム（ＫＢＨ4）、又は水素化ホウ素リチウム（ＬｉＢＨ4）などの水素化ホウ素錯化合物を挙げることができるが、その他に水素化アルミニウムリチウム（ＬｉＡｌＨ4）、水素化ホウ素亜鉛（Ｚｎ（ＢＨ4）2）などを挙げることができる。アルカリ水溶液としては、例えば水酸化ナトリウムや水酸化カリウムなどのアルカリ金属水酸化物を用いることができる。アルカリ水溶液の濃度は、あまり高濃度にすると金属水素錯化合物が溶解しにくくなるので、例えば３０重量％の範囲で選択することがこの好ましく、例えば２０重量％に調製される。金属水素錯化合物は、目的とする発電容量及びアルカリ水溶液に対する溶解性を考慮して例えば０．１〜５０重量％の濃度で用いることが好ましい。
【００２６】
次にこの実施の形態の作用について図１及び図２を参照しながら説明する。酸化剤供給源７１からの酸化剤例えば空気を供給ポンプ７２により酸化剤極室５の通流空間５３に供給する。ここで酸化剤を通流空間５３に供給する前に加湿器７３により例えば絶対温度で３０〜７０％程度に加湿し、更に加熱器７４で必要な温度、例えば４０〜９０℃に加熱する。通流空間５３を通流した空気は、ガス拡散層５２により拡散されながら酸化剤極５１にまで達する。
【００２７】
一方燃料貯槽６３から例えば水素化ホウ素ナトリウムを水酸化ナトリウムに溶解させてなる燃料を供給ポンプ６により燃料極室４の通流部４２に供給する。この例では、通流部４２から排出された燃料は燃料貯槽６３に戻され、循環される。燃料極室４内に供給された燃料は燃料極４１内に浸透していき、このとき従来技術の項目でも述べたように（３）式（既述の（１）式に相当する。）で示される８電子反応が主として起こり、また（４）式で示される４電子反応も起こっていると考えられる。
【００２８】
ＮａＢＨ4＋８ＮａＯＨ→ＮａＢＯ2＋６Ｈ2Ｏ＋８Ｎａ＋＋８ｅ−……（３）
ＮａＢＨ4＋４ＮａＯＨ→ＮａＢＯ2＋２Ｈ2Ｏ＋２Ｈ2＋４Ｎａ＋＋４ｅ−……（４）
このようにして燃料極４１から電子が、外部に接続された回路に取り出されると共に、燃料中のナトリウムイオン（Ｎａ＋）が透過膜３を通って酸化剤極室５側に移動して既述の（２）式に示したようにナトリウムイオンと酸素及び水分とから水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）が酸化剤極５１の表面に生成される。そして酸化剤極５１に生成された水酸化ナトリウムが各第１の透孔５４内の周面部に染み出て、前記ケース体２内に生じた気流（負圧）によって周面部に染み出た水酸化ナトリウムが飛ばされる。そのことによって周面部の水酸化ナトリウム濃度が減少するので、酸化剤極５１内部の水酸化ナトリウムが周面部へと移動し、同様にして気流（負圧）によって水酸化ナトリウムが飛ばされることになる。このように気流（負圧）によって飛ばされた水酸化ナトリウムは、ガス拡散層５２に形成された多数の第２の透孔５５を通って通流空間５３側へと流れ、そして通流空間５３に供給された酸素含有ガスと共に排出される。
【００２９】
このように上述の実施の形態によれば、酸化剤極５１の表面に生成された水酸化ナトリウムが気流（負圧）によって排除されるので、触媒表面への水酸化ナトリウムの被覆（付着量）が抑えられて、広い活性領域を確保でき、水酸化ナトリウムによる反応の阻害が緩和されるため安定した出力特性を得ることができる。
【００３０】
次に上述の実施の形態をより具体化した例について図３〜図７を参照しながら説明する。この例は図１に示す単位セルを積層して燃料電池スタックとして構成したものである。但し、この明細書では燃料電池スタックを燃料電池と呼ぶことにする。以下の説明において、図１に相当する部分については便宜上同じ符号を付しておく。図３中の６Ａ、６Ｂは、例えば導電性材料からなるセパレータ（バイポーラプレート）であり、これらセパレータ６Ａ、６Ｂの間には透過膜３が配置される。透過膜３と一方のセパレータ６Ａとの間には燃料極４１が配置されると共に透過膜３と他方のセパレータ６Ｂとの間には酸化剤極５１及びガス拡散層５２が配置され、燃料極４１、透過膜３、酸化剤極５１、ガス拡散層５２及び後述のガスケット７Ａ、７Ｂを含む単位セル８Ａが図４に示すようにセパレータ６Ａ及び６Ｂを介して複数個積層され、この積層体がエンドプレート９Ａ及び９Ｂの間に固定される。燃料極４１、透過膜３、酸化剤極５１及びガス拡散層５２は例えば接着剤などで互いに固定され、膜・電極接合体（ＭＥＡ：Membrane  Electrode  Assembly）を構成している。
【００３１】
各セパレータ６Ａ、６Ｂの表面（図３中の手前側の面）及び裏面（奥側の面）には、各々屈曲した燃料及び酸化剤の通流空間をなす凹部である溝流路が形成されている。各セパレータ６Ａ、６Ｂの表面側の溝流路は酸化剤供給流路８０であり、裏面側の溝流路は燃料供給流路８１である。前記酸化剤供給流路８０及び前記燃料供給流路８１は先の実施の形態の通流空間５３及び通流部４２に夫々相当する。なお図３において左端には、セパレータ６Ａの裏面側を見せている。７Ａ、７Ｂはガスケットであり、これらガスケット７Ａ、７Ｂには各々窓８２が形成されている。一方のガスケット７Ａの窓８２には、燃料極４１が密に嵌合され、他方のガスケット７Ｂの窓８２には酸化剤極５１及びガス拡散層５２が密に嵌合される。
【００３２】
図３の手前側のセパレート６Ａの酸化剤供給流路８０の左上端から供給された酸化剤は、当該酸化剤供給流路８０内を流れて右下の孔部８０ａに到達し、ガスケット７Ａの孔８０ｂ、透過膜３の孔８０ｃ及びガスケット７Ｂの孔８０ｄを通ってセパレータ６Ｂの酸化剤供給流路８０の右下端に到達し、当該酸化剤供給流路８０を通って孔部８０ｅに流れる。また燃料は、セパレータ６Ａの左下の孔部８１ａから燃料供給流路８１内を流れて上端に到達し、ここからガスケット７Ａの孔８１ｂ、透過膜３の孔８１ｃ、ガスケット７Ｂの孔８１ｄ及びセパレータ６Ｂの孔８１ｅを通って当該セパレータ６Ｂの裏面側の図では見えない燃料液供給流路８１を流れることとなる。
【００３３】
ここで酸化剤極５１の表面に生成された水酸化ナトリウムの排出経路を図５に示すと、ガス拡散層５２に形成された第２の透孔５５は、酸化剤供給流路８０に開口しているので、生成された水酸化ナトリウムは、酸化剤供給流路８０に流れる空気の負圧によって酸化剤極５１の第１の透孔５４及び前記第２の透孔５５を通って酸化剤供給路８０へと流れ、空気と共に孔部８０ｅから排出される。
【００３４】
また図１及び図５では、便宜上透孔５４、５５を大きく記載してあるが、実際には第１の透孔５４は、例えば図６（ａ）に示すように、酸化剤極５１の表面に縦横に並べて設けられている。また第１の透孔５４は、図６（ｂ）に示すように酸化剤極５１の一辺に対して傾斜し、互に並行に伸びる多数のスリットとして形成してもよい。なおガス拡散層５２に形成された第２の透孔５５は、図６（ａ）及び図６（ｂ）と同じ配列パターンで形成されている。図６（ａ）の構成では、酸化剤極５１の電気伝導性を減らさずに、水酸化ナトリウムの通路を形成することができる。また図６（ｂ）の構成では、酸化剤極５１の有効電極面積を減らさずに水酸化ナトリウムの通路を形成することができる。後述の実施例に示すように、このような構成であれば、酸化剤極５１の表面に生成した水酸化ナトリウムの排出が促進され、安定した出力特性を得ることができる。
〔第２の実施の形態〕
本発明に係る燃料電池の第２の実施の形態について図７〜図１０を参照しながら説明する。この実施の形態は、図３に示した例のように単位セルを複数積層した燃料電池（燃料電池スタック）として構成されたものであるが、酸化剤極側における水酸化ナトリウムを除去するための構成が異なる。
【００３５】
図７において透過膜３と一方のセパレータ６Ａとの間には燃料極４１が配置されると共に透過膜３と他方のセパレータ６Ｂとの間にはプレート９、酸化剤極５１及びガス拡散層５２が配置される。そして燃料極４１、透過膜３、プレート９、酸化剤極５１、ガス拡散層５２及びガスケット７Ａ、７Ｂを含む単位セル８Ａがセパレータ６Ａ及び６Ｂを介して複数個積層され、この積層体がエンドプレート９Ａ及び９Ｂの間に固定される。燃料極４１、透過膜３、プレート９、酸化剤極５１及びガス拡散層５２は例えば接着剤などで互いに固定され、膜・電極接合体を構成している。またこのプレート９は、酸化剤極５１及びガス拡散層５２と共に他方のガスケット７Ｂの窓８２に密に嵌合されている。
【００３６】
前記プレート９には、その両面を貫通すると共に上部側から下部側まで連続する空間（切り欠き空間）Ｓを形成し、この空間Ｓに吸収部材９０が嵌入されている。この吸収部材９０は、燃料極４１側から透過膜３を透過した金属イオン例えばナトリウムイオンが酸化剤極５１側に移動すると共に酸化剤極５１で生成された生成物例えば水酸化ナトリウムを吸収する構造となっている。またこの吸収部材９０を構成する材料としては、例えばカーボン紙、カーボン繊維などが用いられる。なお前記吸収部材９０には、例えば予め水酸化ナトリウムが含浸されているが、他の電解質液例えば水を浸漬させてもよい。このように吸収部材９０に予め水酸化ナトリウムを浸漬させておくと、この燃料電池において運転初期時の出力の立ち上がり時間が早くなるという効果がある。
【００３７】
図８に示すように前記プレート９内の切り欠き空間Ｓは、吸収部材９０によって吸収された水酸化ナトリウムが重力により降下し易いように、例えば櫛形状に形成されると共に横に伸びる部位が基端側に近づく程低くなる傾斜空間として形成されている。この櫛形状の空間Ｓの下端側は、ガスケット７Ｂの下端側に縦に形成された排出口９１と連通しており、この排出口９１は、図７に示すように透過膜３、セパレータ６Ａ、６Ｂ及びガスケット７Ａ、７Ｂを夫々貫通して設けられた排出路９２（図７中では、穴で表示）に接続され、この排出路９２を介して外部へ水酸化ナトリウムが排出される構成となっている。なお図７及び図８では、切り欠き空間Ｓのパターンは便宜上の記載としてあるが、実際には例えば２ｍｍ程度の横長の傾斜空間が例えば２ｍｍ間隔で形成される。また図９は、図７に示した単位セルの概略断面図である。
【００３８】
この例においては、次のような作用効果がある。即ち、既述の（２）式に示す正極反応は酸化剤極５１における透過膜３側の面で主として起こり、ここで水酸化ナトリウムが生成される。一方吸収部材９０に吸収されている水酸化ナトリウムは図１０に示すように重力により降下し、排出口９１を介して排出路９２に排出されるので、酸化剤極５１の面に付着している水酸化ナトリウムが吸収部材９０内に濃度拡散していく。このため酸化剤極５１における水酸化ナトリウムの被覆が抑えられ、燃料電池の出力が安定する。
【００３９】
また本発明では、プレート９を用いる代わりに、プレート９と同等の大きさの吸収部材を設けてもよい。即ち、この例では酸化剤極５１と透過膜との間全体に吸収層を介在させた構成となる。
〔第３の実施の形態〕
本発明に係る燃料電池の第３の実施の形態について図１１を参照しながら説明する。図１１では、単位セルを複数積層した燃料電池（燃料電池スタック）において、その一つの単位セルについて説明を行っている。この実施の形態も同様に、酸化剤極側における水酸化ナトリウムを除去するための構成に工夫がされている。図１１（ａ）において、透過膜３と酸化剤極５１との間には、酸化剤極５１の面に沿って電解質液例えば水酸化ナトリウムを通流させる電解質液通流部９４が設けられている。この前記電解質液通流部９４の上端側には電解質液を供給する供給口９５が形成され、下端側には電解質液を排出する排出口９６が形成されている。電解質液通流部９４としては、図１１（ｂ）に示すようにプレート９４ａに屈曲路９４ｂをなす切り欠き空間を形成して構成される。前記供給口９５及び排出口９６は、夫々接続路９７を介して燃料電池スタック外部の電解質液貯槽９８に接続されており、電解質液貯槽９８に貯まった電解質液を前記接続路９７に介設されたポンプ９９によって電解質液通流部９４に通流させ、電解質液を循環させる構成になっている。
【００４０】
このような構成であれば、酸化剤極５１で生成された生成物例えば水酸化ナトリウムが電解質液通流部９４に通流された電解質と共に排出されることで、上述と同様の効果を得ることができる。
【００４１】
なお、本発明の第１〜第３の実施の形態で説明した燃料電池において、酸化剤極５１に生成される生成物は、燃料極４１に供給する燃料の種類によって決まるものであり、燃料に含まれる金属の水酸化物である。
【実施例】
【００４２】
次に本発明の効果を確認するために行った実験について述べる。
Ａ．実施例１
図１に示す単位セル構造の燃料電池に上述の図６（ａ）で示した酸化剤極を用いて、この燃料電池の出力電力の経時変化を調べた。電力の測定方法は、図１２に示すように燃料電池２００に定電流回路２０１を介して負荷抵抗２０２を接続し、負荷抵抗２０２に流れる電流を一定にして燃料電池２００の出力電圧を測定し、定電流の大きさと出力電圧とに基づいて燃料電池２００の出力電力の経時変化を求めた。測定条件は次の通りである。酸化剤極に供給する酸化剤は、空気を加湿器で６０℃にまで加湿し、５リットル／分の流量で酸化剤極に供給した。燃料極に供給する燃料は、２０重量％の水酸化ナトリウム水溶液に１０重量％の水素化ホウ素ナトリウムを溶解させて、温度を６０℃に調節し、１．０リットル／分の流量で燃料極に供給した。
Ｂ．実施例２
上述の図６（ｂ）で示した酸化剤極を用いた他は、実施例１と全く同様にして燃料電池２００の出力電力の経時変化を求めた。
Ｃ．比較例１
図１に示す単位セルの燃料電池において酸化剤極及びガス拡散層に夫々透孔を形成しない従来構造の燃料電池を用いて、実施例１と全く同様にして出力電力の経時変化を求めた。
〔結果及び考察〕
図１３は、実施例１（○）、実施例２（△）及び比較例１（□）の結果を示し、縦軸に電力（Ｗ）をとり、横軸に測定時間（分）をとった特性図である。測定時間１７０分までの出力低下を夫々比較すると、酸化剤極に夫々水酸化ナトリウム液の排出用の透孔を形成している実施例１及び実施例２は、何れも約３Ｗであるが、排出用の透孔を形成しない比較例１は、約６．５Ｗと大きい値を示すことが分かる。よって酸化剤極に生成された水酸化ナトリウム液を除去する構成にある実施例１及び実施例２は、従来構造の燃料電池である比較例１よりも出力の経時変化が小さいことが理解できる。
Ｄ．実施例３
図１０に示す酸化剤極側の構造を用いて単位セルの燃料電池を構成し、酸化剤極の酸化剤は、室温で空気をそのままの状態で（流動・供給することなく）使用し、燃料極の燃料は、実施例１と同じ条件であるが、室温で燃料をそのままの状態で（流動・供給することなく）使用した。この燃料電池の出力電圧を測定したところ図１４に示す結果が得られた。なお酸化剤極における吸収部材とは反対側の面に、図１と同様のガス拡散層が設けられている。前記吸収部材は、予め水酸化ナトリウムを含浸させたカーボン繊維を用いた。
Ｅ．比較例２
吸収部材を設けない他は、実施例３と全く同様にして出力電圧を測定した。
〔結果及び考察〕
図１４は、実施例３（■）及び比較例２（▲）の結果を示し、縦軸に出力電圧（Ｖ）をとり、横軸に測定時間（分）をとった特性図である。実施例３は、酸化剤極５１と接触するように吸収部材９０が設けられているため経過時間に対して燃料電池の電圧の低下が小さいことが分かる。比較例２では、酸化剤（空気）が流動していないため経過時間と共に燃料電池の電圧が大幅に低下していることが分かる。よって酸化剤極に生成された水酸化ナトリウム液を吸収部材９０で吸収することで燃料電池における出力の経時変化を小さくすることが理解できる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明に係る燃料電池の第１の実施の形態の概略を示す断面図である。
【図２】上記実施の形態の作用を示す説明図である。
【図３】上記第１の実施の形態を具体的に示す分解斜視図である。
【図４】上記第１の実施の形態の概観を具体的に示す斜視図である。
【図５】上記第１の実施の形態の断面を具体的に示す断面図である。
【図６】図３に示す燃料電池の酸化剤極の表面を説明した概観図である。
【図７】本発明に係る燃料電池の第２の実施の形態の概略を示す分解斜視図である。
【図８】本発明に係る燃料電池の第２の実施の形態の概観を示す分解斜視図である。
【図９】本発明に係る燃料電池の第２の実施の形態の概略を示す断面図である。
【図１０】上記第２の実施の形態の作用を示す説明図である。
【図１１】本発明に係る燃料電池の第３の実施の形態の概観を示す説明図である。
【図１２】燃料電池の出力電力及び出力電圧を測定するための回路図である。
【図１３】本発明の燃料電池及び従来の燃料電池の電力測定を示した特性図である。
【図１４】本発明の燃料電池及び従来の燃料電池の電圧測定を示した特性図である。
【図１５】従来の燃料電池の概略を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４４】
２    ケース体
３    透過膜
４    燃料極室
４１  燃料極
４２  通流部
５    酸化剤極室
５１  酸化剤極
５２  ガス拡散層
５３  通流空間
５４  第１の透孔
５５  第２の透孔
６    供給ポンプ
６１  燃料供給路
６２  排出路
６３  燃料貯槽
７    酸化剤供給路
７１  酸化剤供給源
７２  供給ポンプ
７３  加湿器
７４  加熱手段
８０  酸化剤供給流路
８１  燃料供給流路
９    プレート
９０  吸収部材
９１  排出口
９２  排出路
９４  電解質液通流部
９５  供給口
９６  排出口
９７  接続路
９８  電解質液貯槽
９９  ポンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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