(57)【要約】【課題】電極の細孔閉塞を生じさせることなくアノード極へのＣＯ2由来アニオンの蓄積を効果的に抑制することができ、良好な発電効率を示すアルカリ形燃料電池を提供する。【解決手段】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表面に積層される第１電極１０３、アニオン伝導性電解質膜１０１の第１表面に対向する第２表面に積層される第２電極１０２、及び、第１電極１０３と離間して第１表面に積層される第３電極１１０を含む膜電極複合体１０と、アニオン伝導性電解質膜１０１を介して第３電極１１０に対向する位置に設けられる、膜電極複合体１０のうちアニオン伝導性電解質膜１０１のみにアルカリ水溶液を接触させるための第１アルカリ水溶液供給部２００とを備えるアルカリ形燃料電池である。【選択図】図１
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【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表面に積層される第１電極、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表面に積層される第２電極、及び、前記第１電極と離間して前記第１表面に積層される第３電極を含む膜電極複合体と、
前記アニオン伝導性電解質膜を介して前記第３電極に対向する位置に設けられる、前記膜電極複合体のうち前記アニオン伝導性電解質膜のみにアルカリ水溶液を接触させるための第１アルカリ水溶液供給部と、
を備えるアルカリ形燃料電池。
【請求項２】
前記第１電極上に積層される第１集電層と、前記第２電極上に積層される第２集電層と、前記第３電極上に積層され、前記第１集電層と電気的に絶縁されている第３集電層とをさらに備える請求項１に記載のアルカリ形燃料電池。
【請求項３】
前記第１集電層は、そのアニオン伝導性電解質膜側の表面に還元剤を受け入れるための第１凹部を有し、
前記第２集電層は、そのアニオン伝導性電解質膜側の表面に、酸化剤を受け入れるための第２凹部と、アルカリ水溶液を受け入れるための凹部であって、前記第１アルカリ水溶液供給部を構成するアルカリ水溶液供給用凹部とを有し、
前記第３集電層は、そのアニオン伝導性電解質膜側の表面に還元剤を受け入れるための第３凹部を有する請求項２に記載のアルカリ形燃料電池。
【請求項４】
前記膜電極複合体は、前記第２電極と離間して前記第２表面に積層される第４電極をさらに含み、
前記アニオン伝導性電解質膜を介して前記第４電極に対向する位置に設けられる、前記膜電極複合体のうち前記アニオン伝導性電解質膜のみにアルカリ水溶液を接触させるための第２アルカリ水溶液供給部をさらに備える請求項１に記載のアルカリ形燃料電池。
【請求項５】
前記アニオン伝導性電解質膜を介して、前記第１電極と前記第２電極とが対向して設けられ、
前記第３電極は、前記第１電極の外側側方に配置されるとともに、前記第４電極は、前記第２電極における前記第３電極に対向する側とは反対側の外側側方に配置される請求項４に記載のアルカリ形燃料電池。
【請求項６】
前記第１電極上に積層される第１集電層と、前記第２電極上に積層される第２集電層と、前記第３電極上に積層され、前記第１集電層と電気的に絶縁されている第３集電層と、前記第４電極上に積層され、前記第２集電層と電気的に絶縁されている第４集電層とをさらに備える請求項４又は５に記載のアルカリ形燃料電池。
【請求項７】
前記第１集電層は、そのアニオン伝導性電解質膜側の表面に、還元剤又は酸化剤を受け入れるための第１凹部と、アルカリ水溶液を受け入れるための凹部であって、前記第２アルカリ水溶液供給部を構成する第１アルカリ水溶液供給用凹部とを有し、
前記第２集電層は、そのアニオン伝導性電解質膜側の表面に、還元剤又は酸化剤を受け入れるための第２凹部と、アルカリ水溶液を受け入れるための凹部であって、前記第１アルカリ水溶液供給部を構成する第２アルカリ水溶液供給用凹部とを有し、
前記第３集電層は、そのアニオン伝導性電解質膜側の表面に還元剤又は酸化剤を受け入れるための第３凹部を有し、
前記第４集電層は、そのアニオン伝導性電解質膜側の表面に還元剤又は酸化剤を受け入れるための第４凹部を有する請求項６に記載のアルカリ形燃料電池。
【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及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（例えば酸素又は空気など）及び水を供給すると、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、供給された還元剤（燃料）、例えば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、水及び電子を生成する。
【０００４】
アルカリ形燃料電池においては、電解質膜及び触媒層の電解質にアニオン伝導性電解質を用いるために、稼動停止中に、電解質膜及び触媒層が環境中の二酸化炭素（ＣＯ2）を吸収し、電解質膜及び触媒層中のＯＨ-は、下記式（３）及び（４）：
ＣＯ2＋２ＯＨ-  →  ＣＯ32-＋Ｈ2Ｏ                        （３）
ＣＯ2＋ＯＨ-  →  ＨＣＯ3-                              （４）
のような反応によってＣＯ32-及び／又はＨＣＯ3-（以下、「ＣＯ2由来アニオン」ということがある。）に置換される。このようなＣＯ2由来アニオンの濃度上昇（ＯＨ-イオン濃度の低下）は、電解質のアニオン伝導度を低下させ、セル抵抗を大きく増大させる。
【０００５】
上記セル抵抗増大の問題は、燃料電池の稼動により生じるセルフパージと呼ばれる現象により改善できることが知られている。セルフパージとは、燃料電池の稼動により、アニオン伝導度の低下の要因である、電解質膜及び触媒層に含まれるＣＯ2由来アニオンがアノード極に移動し、還元剤によって還元され、ＣＯ2ガスとしてアノード極から排出される現象をいい、具体的には下記式（５）及び（６）：
Ｈ2＋ＣＯ32-  →  ＣＯ2＋Ｈ2Ｏ＋２ｅ-                    （５）
Ｈ2＋２ＨＣＯ3-  →  ２ＣＯ2＋２Ｈ2Ｏ＋２ｅ-              （６）
で表すことができる。
【０００６】
しかしながら、非特許文献１に示されるように、セルフパージによれば、多くのＣＯ2由来アニオンがＯＨ-に再置換されるため、セル抵抗の増大を抑制することは可能であるものの、ある一定量残存したＣＯ2由来アニオンがセルフパージによってアノード極に局在化し、蓄積される結果、アノード極における反応過電圧が高くなり、発電効率が低下してしまうという問題がある。
【０００７】
特許文献１には、アノード極に供給した燃料をアルカリ水溶液に接触させることで燃料中の二酸化炭素を除去することが記載されている。また、非特許文献２には、アノード極に供給される燃料にあらかじめアルカリを添加することで出力特性を改善させることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平３−２９５１７５号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Ｙｕ  Ｍａｔｓｕｉ，Ｍｏｒｉｈｉｒｏ  Ｓａｉｔｏ，Ａｋｉｍａｓａ  Ｔａｓａｋａ，ａｎｄ  Ｍｉｎｏｒｕ  Ｉｎａｂａ，ＥＣＳ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ，２５（１３），１０５−１１０（２０１０）
【非特許文献２】山崎陽太郎，「アニオン交換膜形燃料電池の開発」，文部科学省科学研究費補助金「ＤＭＦＣによる環境低負荷型高効率エネルギー変換の新展開」（特定領域研究Ｂ）  研究成果報告書，平成１８年６月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記特許文献１や非特許文献２に記載されるように、アノード極にアルカリ水溶液を供給し、ＣＯ2由来アニオンをアルカリで中和する方法によれば、アノード極へのＣＯ2由来アニオンの蓄積を抑制できる可能性がある。しかしこの方法は、中和により生じた塩（炭酸塩など）がアノード極の細孔内で析出し該細孔を閉塞させる結果、アノード極への燃料の供給および拡散が阻害され、発電効率が低下するという新たな問題を招来する。また、水素などの気体燃料を用いる場合には、アルカリ水溶液自体による細孔閉塞によって気体燃料の供給が阻害される。
【００１１】
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、その目的は、電極の細孔閉塞を生じさせることなくアノード極へのＣＯ2由来アニオンの蓄積を効果的に抑制することができ、もって良好な発電効率を示すアルカリ形燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は以下のものを含む。
［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表面に積層される第１電極、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表面に積層される第２電極、及び、前記第１電極と離間して前記第１表面に積層される第３電極を含む膜電極複合体と、
前記アニオン伝導性電解質膜を介して前記第３電極に対向する位置に設けられる、前記膜電極複合体のうち前記アニオン伝導性電解質膜のみにアルカリ水溶液を接触させるための第１アルカリ水溶液供給部と、
を備えるアルカリ形燃料電池。
【００１３】
［２］  前記第１電極上に積層される第１集電層と、前記第２電極上に積層される第２集電層と、前記第３電極上に積層され、前記第１集電層と電気的に絶縁されている第３集電層とをさらに備える［１］に記載のアルカリ形燃料電池。
【００１４】
［３］  前記第１集電層は、そのアニオン伝導性電解質膜側の表面に還元剤を受け入れるための第１凹部を有し、
前記第２集電層は、そのアニオン伝導性電解質膜側の表面に、酸化剤を受け入れるための第２凹部と、アルカリ水溶液を受け入れるための凹部であって、前記第１アルカリ水溶液供給部を構成するアルカリ水溶液供給用凹部とを有し、
前記第３集電層は、そのアニオン伝導性電解質膜側の表面に還元剤を受け入れるための第３凹部を有する［２］に記載のアルカリ形燃料電池。
【００１５】
［４］  前記膜電極複合体は、前記第２電極と離間して前記第２表面に積層される第４電極をさらに含み、
前記アニオン伝導性電解質膜を介して前記第４電極に対向する位置に設けられる、前記膜電極複合体のうち前記アニオン伝導性電解質膜のみにアルカリ水溶液を接触させるための第２アルカリ水溶液供給部をさらに備える［１］に記載のアルカリ形燃料電池。
【００１６】
［５］  前記アニオン伝導性電解質膜を介して、前記第１電極と前記第２電極とが対向して設けられ、
前記第３電極は、前記第１電極の外側側方に配置されるとともに、前記第４電極は、前記第２電極における前記第３電極に対向する側とは反対側の外側側方に配置される［４］に記載のアルカリ形燃料電池。
【００１７】
［６］  前記第１電極上に積層される第１集電層と、前記第２電極上に積層される第２集電層と、前記第３電極上に積層され、前記第１集電層と電気的に絶縁されている第３集電層と、前記第４電極上に積層され、前記第２集電層と電気的に絶縁されている第４集電層とをさらに備える［４］又は［５］に記載のアルカリ形燃料電池。
【００１８】
［７］  前記第１集電層は、そのアニオン伝導性電解質膜側の表面に、還元剤又は酸化剤を受け入れるための第１凹部と、アルカリ水溶液を受け入れるための凹部であって、前記第２アルカリ水溶液供給部を構成する第１アルカリ水溶液供給用凹部とを有し、
前記第２集電層は、そのアニオン伝導性電解質膜側の表面に、還元剤又は酸化剤を受け入れるための第２凹部と、アルカリ水溶液を受け入れるための凹部であって、前記第１アルカリ水溶液供給部を構成する第２アルカリ水溶液供給用凹部とを有し、
前記第３集電層は、そのアニオン伝導性電解質膜側の表面に還元剤又は酸化剤を受け入れるための第３凹部を有し、
前記第４集電層は、そのアニオン伝導性電解質膜側の表面に還元剤又は酸化剤を受け入れるための第４凹部を有する［６］に記載のアルカリ形燃料電池。
【発明の効果】
【００１９】
本発明のアルカリ形燃料電池は、膜電極複合体のうちアニオン伝導性電解質膜のみにアルカリ水溶液が接触するように構成されたアルカリ水溶液供給部を備えるとともに、実質的な発電を担う電極（第１電極及び第２電極）とは独立して、セルフパージ用として使用される第３電極及び任意で設けられる第４電極を備えるものである。本発明のアルカリ形燃料電池によれば、アニオン伝導性電解質膜のみにアルカリ水溶液を接触させるので、アルカリ水溶液による中和によって生成する塩により電極の細孔を閉塞させることなく、セル抵抗の増大を抑制することができるとともに、発電時にアノード極として機能する第１電極へのＣＯ2由来アニオンの蓄積、ひいては該第１電極における反応過電圧の上昇を効果的に抑制することができる。
【００２０】
しかも、アルカリ水溶液による中和時に、第３電極及び／又は第４電極を利用してセルフパージを行えば、ＣＯ2由来アニオンが第３電極及び／又は第４電極、すなわちこれらに対向するアルカリ水溶液供給部近傍に引き寄せられ、集められるため、アルカリ水溶液供給部から離れた位置に存在しているＣＯ2由来アニオンをも効果的に中和することができ、より効率的なＣＯ2由来アニオンの中和が可能となる。従って、セル抵抗の増大をより一層効果的に抑制することができるとともに、発電時にアノード極として機能する第１電極へのＣＯ2由来アニオンの蓄積、ひいては該第１電極における反応過電圧の上昇をより一層効果的に抑制することができる。
【００２１】
また、実質的な発電を担う電極とは独立して設けられる第３電極及び／又は第４電極を利用してセルフパージを行うため、実質的な発電を担う電極へのＣＯ2由来アニオンの蓄積が生じにくく、この点においても、本発明のアルカリ形燃料電池は、反応過電圧の上昇抑制効果に優れている。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係る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ＩＩ−ＩＩ線における概略断面図である。
【図３】図１に示されるＩＩＩ−ＩＩＩ線における概略断面図である。
【図４】図１に示されるＩＶ−ＩＶ線における概略断面図である。
【図５】図１に示されるＶ−Ｖ線における概略断面図である。
【図６】本発明に係るアルカリ形燃料電池の他の好ましい一例を示す概略断面図である。
【図７】図６に示されるＶＩＩ−ＶＩＩ線における概略断面図である。
【図８】図６に示されるＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線における概略断面図である。
【図９】図６に示されるＩＸ−ＩＸ線における概略断面図である。
【図１０】図６に示されるＸ−Ｘ線における概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、実施の形態を示して、本発明のアルカリ形燃料電池について詳細に説明する。
＜第１の実施形態＞
（１）アルカリ形燃料電池の構成
図１は、本実施形態に係るアルカリ形燃料電池を示す概略断面図であり、図２〜図５はそれぞれ、図１に示されるＩＩ−ＩＩ線、ＩＩＩ−ＩＩＩ線、ＩＶ−ＩＶ線、Ｖ−Ｖ線における概略断面図である。
【００２４】
本実施形態のアルカリ形燃料電池１００は、膜電極複合体１０と、これを挟持する集電層とで基本的に構成されており、アルカリ水溶液を膜電極複合体１０のアニオン伝導性電解質膜１０１に供給するための第１アルカリ水溶液供給部２００を備えたものである。膜電極複合体１０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表面に積層される第１電極１０３；アニオン伝導性電解質膜１０１の第１表面に対向する第２表面に積層される第２電極１０２；及び、第１電極１０３と離間して（接触しないように）第１表面に積層される、セルフパージ用の第３電極１１０を含む。第１電極１０３と第２電極１０２とは、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ている。第１電極１０３は、発電時においてアノード極として機能し、第２電極１０２は、発電時においてカソード極として機能する。電極の周縁には、電極端面からの空気等の浸入や還元剤（燃料）及びアルカリ水溶液の漏洩を防止するために、ガスケット１０６が設けられている。
【００２５】
アルカリ形燃料電池１００は、第１電極１０３上に積層される第１集電層１０５；第２電極１０２上に積層される第２集電層１０４；及び、第３電極１１０上に積層される第３集電層１２０を備えている。これらの集電層は、これに接する電極との間で電子の授受を行うとともに、電気的配線を行うための部材である。第１集電層１０５と第３集電層１２０とは、これらの集電層の間に絶縁層１３０を介在させることにより互いに電気的に絶縁されている。
【００２６】
第１集電層１０５及び第３集電層１２０にはそれぞれ、それらのアニオン伝導性電解質膜１０１側の表面に、還元剤を受け入れ、第１電極１０３、第３電極１１０に還元剤を供給するための流路である第１凹部１０５ａ、第３凹部１２０ａが設けられている。同様に、第２集電層１０４には、そのアニオン伝導性電解質膜１０１側の表面に、酸化剤を受け入れ、第２電極１０２に酸化剤を供給するための流路である第２凹部１０４ａが設けられている。このように、本実施形態において各集電層は、還元剤や酸化剤を供給するための部材でもある。
【００２７】
また、第２集電層１０４には、そのアニオン伝導性電解質膜１０１側の表面に、第１アルカリ水溶液供給部２００の一部であるアルカリ水溶液を受け入れるためのアルカリ水溶液供給用凹部２０１が、第３電極１１０に対向する位置に設けられている。第１アルカリ水溶液供給部２００は、このアルカリ水溶液供給用凹部２０１、及び、これとアニオン伝導性電解質膜１０１との間に介在する空間であって、両側面がガスケット１０６により閉口されたアルカリ水溶液供給用空間２０２からなる。第１アルカリ水溶液供給部２００に導入されたアルカリ水溶液は、アニオン伝導性電解質膜１０１の第２表面のみに接触し、ガスケット１０６により両側面が封止されているので、膜電極複合体１０の他のいずれの部分にも接触することはない。
【００２８】
アルカリ形燃料電池１００は、外部配線１４５と、外部配線１４５に介在する切り替え手段（スイッチ）１４０とを備える。切り替え手段１４０は、集電層間の接続関係を切り替えるためのものである。膜電極複合体１０と集電層とを、図１に示されるようなボルト１５０・ナット１５５や、ネジ等の締結部材で締結することによりアルカリ形燃料電池１００とすることができる。
【００２９】
本発明のアルカリ形燃料電池によれば、アニオン伝導性電解質膜１０１のみにアルカリ水溶液を接触させることができるので、塩析出による電極の細孔閉塞を生じさせることなく、セル抵抗の増大を抑制することができるとともに第１電極１０３へのＣＯ2由来アニオンの蓄積、ひいては第１電極１０３における反応過電圧の上昇を効果的に抑制することができ、これにより発電効率を向上させることができる。
【００３０】
アニオン伝導性電解質膜１０１にアルカリ水溶液を接触させた場合、アニオン伝導性電解質膜１０１の性質上、アルカリの対カチオンはアニオン伝導性電解質膜１０１中に侵入せず、ＯＨ-アニオンのみが侵入する。このＯＨ-アニオンがアニオン伝導性電解質膜１０１、ひいては電極内のＣＯ2由来アニオンを効果的に中和する。ここでいう中和とは、ＣＯ2由来アニオンがＯＨ-アニオンによって置換されることを意味し、中和により生じた塩（対カチオンとＣＯ2由来アニオンとの塩）はアルカリ水溶液に溶解して、ＣＯ2由来アニオンは膜電極複合体１０から分離される。アルカリ水溶液を流通させる、すなわち第１アルカリ水溶液供給部２００の一方端からアルカリ水溶液を導入し、他方端から排出させるようにすると、中和により生じた塩をアルカリ水溶液とともに燃料電池外部に排出させることができる。アルカリの対カチオンはアニオン伝導性電解質膜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。
【００３１】
本実施形態のアルカリ形燃料電池１００では、上記のようなアルカリ水溶液によるＣＯ2由来アニオンの中和効率高めるために、実質的な発電を担う電極（第１電極１０３及び第２電極１０２）とは独立して、セルフパージ用の第３電極１１０を別途に備えている。すなわち、第１アルカリ水溶液供給部２００にアルカリ水溶液を供給し、これをアニオン伝導性電解質膜１０１の表面に接触させてＣＯ2由来アニオンの中和を行う際、第３電極１１０をアノード極としてセルフパージを行えば、膜電極複合体１０内に存在するＣＯ2由来アニオンを第３電極１１０、すなわちこれに対向する第１アルカリ水溶液供給部２００近傍に引き寄せることができるため、第１アルカリ水溶液供給部２００から離れた位置に存在しているＣＯ2由来アニオンをも、第１アルカリ水溶液供給部２００からのアルカリ水溶液によって効果的に中和することができ、より効率的なＣＯ2由来アニオンの中和が可能となる。従って、セル抵抗の増大をより一層効果的に抑制することができるとともに第１電極１０３へのＣＯ2由来アニオンの蓄積、ひいては第１電極１０３における反応過電圧の上昇をより一層効果的に抑制することができる。
【００３２】
例えば、第３電極１１０を有しないこと以外は本実施形態のアルカリ形燃料電池１００と同様の構成であるアルカリ形燃料電池においては、第１アルカリ水溶液供給部２００近傍のＣＯ2由来アニオンについては効果的に中和することができるが、第１アルカリ水溶液供給部２００から離れた位置（例えば、アニオン伝導性電解質膜１０１、第１電極１０３及び第２電極１０２の中央領域）に存在するＣＯ2由来アニオンについては、容易には中和し難い。
【００３３】
本実施形態のアルカリ形燃料電池１００では、ＣＯ2由来アニオンの蓄積が生じる場合であっても、それは第３電極１１０において主に生じ、発電時においてアノード極として機能する第１電極１０３へのＣＯ2由来アニオンの蓄積は生じにくい。この点においても、本実施形態のアルカリ形燃料電池１００は、反応過電圧の上昇抑制効果に優れている。
【００３４】
さらに本実施形態のアルカリ形燃料電池１００は次のような効果を奏し得る。
〔ａ〕ＣＯ2由来アニオンの中和速度が、アルカリ水溶液のみによるＣＯ2由来アニオン除去操作や第３電極１１０を利用したセルフパージのみによるＣＯ2由来アニオン除去操作と比べて大きいため、起動時間（アルカリ水溶液を供給してセルフパージを行うＣＯ2由来アニオン除去操作を開始してから、ＣＯ2由来アニオン除去操作を終え、発電を開始し、所望の十分な電力が得られるまでの時間）をより短縮することができる。
【００３５】
〔ｂ〕ＣＯ2由来アニオンの中和速度が、アルカリ水溶液のみによるＣＯ2由来アニオン除去操作や第３電極１１０を利用したセルフパージのみによるＣＯ2由来アニオン除去操作と比べて大きいため、アルカリ水溶液供給のためのエネルギーや、第３電極１１０を利用したセルフパージに必要な電力を削減することができる。
【００３６】
〔ｃ〕第３電極１１０を利用したセルフパージによってもＣＯ2由来アニオンが除去されるため、アルカリ水溶液のみによるＣＯ2由来アニオン除去操作と比べて、中和に必要となるアルカリ水溶液の量を削減することができる。
【００３７】
〔ｄ〕第３電極１１０を利用したセルフパージによって所望の位置にＣＯ2由来アニオンを誘引できるため、第３電極１１０に対向する位置である限り、比較的自由に第１アルカリ水溶液供給部２００の位置を設定することができる。これにより、集電層の凹部構造として、より製造容易性の高いものを採用することができる。
【００３８】
次に、アルカリ形燃料電池１００を構成する各部材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、第１電極１０３及び第３電極１１０と第２電極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、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）等を含む。また、ポリアクリル酸に濃厚水酸化カリウム溶液を含浸させた膜や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。
【００３９】
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。
【００４０】
（第１電極及び第２電極）
アニオン伝導性電解質膜１０１の第１表面に積層され、発電時にアノード極として機能する第１電極１０３、及び、第１表面に対向する第２表面に積層され、発電時にカソード極として機能する第２電極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。第１電極１０３の触媒（アノード触媒）は、第１電極１０３に供給された還元剤とＯＨ-とから、水及び電子を生成する反応を触媒する。第１電極１０３の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-を触媒反応サイトへ伝導する機能を有する。一方、第２電極１０２の触媒（カソード触媒）は、第２電極１０２に供給された酸化剤及び水と、第１電極１０３から伝達された電子とから、ＯＨ-を生成する反応を触媒する。第２電極１０２の触媒層に含有される電解質は、生成したＯＨ-をアニオン伝導性電解質膜１０１へ伝導する機能を有する。
【００４１】
アノード触媒及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、例えば、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、及びこれらの金属の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、例えば、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。
【００４２】
アノード触媒及びカソード触媒は、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、例えば、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。
【００４３】
第１電極１０３及び第２電極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であり、好ましくは３／１〜１／３である。
【００４４】
第１電極１０３及び第２電極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、供給される還元剤又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う機能を有する。
【００４５】
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、例えば、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；金属又は合金の発泡体、焼結体又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）への還元剤又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。
【００４６】
第１電極１０３と第２電極１０２とは、図１に示されるように、好ましくは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。このような対向配置は、第１電極１０３と第２電極１０２との間の距離を最も短くさせ、これにより、これらの電極間に電流が流れる際の抵抗が低減されるため、発電効率の向上に有利である。第１電極１０３と第２電極１０２が形成される位置は特に制限されないが、例えばアニオン伝導性電解質膜１０１の中央部である。
【００４７】
第１電極１０３及び第２電極１０２は、燃料電池単位面積あたりの出力を向上させる観点から、アニオン伝導性電解質膜１０１上にできるだけ大きい面積を有して形成されることが好ましく、例えば図２に示されるように、アニオン伝導性電解質膜１０１と同じ長さ又は同程度の長さを有して形成されることが好ましい。
【００４８】
（第３電極）
第３電極１１０はセルフパージ用の電極であり、そこへの還元剤の供給を伴うセルフパージによりＣＯ2由来アニオンを誘引するとともに、その一部をＣＯ2ガスとして排出する電極である。第３電極１１０の構成及び組成に関しては、第１電極１０３について既述した内容が引用される。
【００４９】
第３電極１１０は、セルフパージ用として独立に機能させるために、第１電極１０３と離間してアニオン伝導性電解質膜１０１の第１表面上に配置される。第１電極１０３の第１表面上における位置は特に制限されず、図１に示されるように、中央に配置された第１電極１０３の外側側方に配置するようにしてもよいし、あるいは、第１電極１０３を複数に分割して配置し、これらの分割された第１電極１０３の間に配置するようにしてもよい。
【００５０】
第１電極１０３の面積（幅×長さ）と、第３電極１１０の面積との比は、燃料電池の発電能力とＣＯ2由来アニオンの誘引能力の双方を勘案して決定される。当該比（第１電極１０３の面積／第３電極１１０の面積）があまりに大きいと、第３電極１１０が小さすぎてＣＯ2由来アニオンの誘引能力が低下する。一方、当該比があまり小さいと、発電に寄与するアノード極としての第１電極１０３が小さすぎて十分な出力を得ることができない。ＣＯ2由来アニオンの誘引能力を考慮すると、第３電極１１０の長さは、アニオン伝導性電解質膜１０１のできるだけ広い範囲からＣＯ2由来アニオンを取り込むことができるよう長いことが好ましく、例えば、アニオン伝導性電解質膜１０１と同じか、又は略同じ長さとすることができる（図４参照）。第１電極１０３の厚みと第３電極１１０の厚みは同じであることが好ましい。
【００５１】
（集電層）
第１集電層１０５、第２集電層１０４、第３集電層１２０はそれぞれ、第１電極１０３、第２電極１０２、第３電極１１０上に接して設けられる、接する電極との間で電子の授受を行うとともに、電気的配線を行うための部材である。また、本実施形態のアルカリ形燃料電池１００において、これらの集電層は、還元剤や酸化剤を供給する機能も兼ね備えており、第１集電層１０５及び第３集電層１２０には、還元剤を受け入れ、第１電極１０３、第３電極１１０に還元剤を供給するための流路である第１凹部１０５ａ、第３凹部１２０ａが、第２集電層１０４には、酸化剤を受け入れ、第２電極１０２に酸化剤を供給するための流路である第２凹部１０４ａが設けられている。
【００５２】
また、第２集電層１０４には、第１アルカリ水溶液供給部２００の一部であるアルカリ水溶液を受け入れるためのアルカリ水溶液供給用凹部２０１が、第３電極１１０に対向する位置に設けられている。アルカリ水溶液供給用凹部２０１の一方端からアルカリ水溶液を供給することにより、アニオン伝導性電解質膜１０１にアルカリ水溶液を接触させることができる。
【００５３】
第１集電層１０５と第３集電層１２０とは、これらの集電層の間に絶縁層１３０を介在させることにより互いに電気的に絶縁されている。絶縁層１３０は、電気的絶縁性を示すものであれば特に制限されず、例えば、各種非導電性高分子（絶縁性接着剤などを含む）からなることができる。集電層の材質は特に制限されず、例えば、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を用いることができる。各集電層の材質は同じであってもよいし、異なっていてもよい。
【００５４】
第１凹部１０５ａ、第２凹部１０４ａ、第３凹部１２０ａ及びアルカリ水溶液供給用凹部２０１の形状は特に制限されず、１又は２以上のライン状や、サーペンタイン状等であることができる。なお、第１凹部１０５ａと第３凹部１２０ａとは連結されていてもよいし、連結されていなくてもよい。アルカリ水溶液供給用凹部２０１は、第２凹部１０４ａと連結されることなく独立して設ける必要がある。
【００５５】
集電層に還元剤や酸化剤を供給する機能を付与するのではなく、還元剤や酸化剤の供給を担う別途の部材を集電層上に積層するようにしてもよい。この部材は、例えば、各種プラスチック材料などの非導電性材料からなる板状体の表面に上記のような凹部を設けたものであることができる。
【００５６】
（第１アルカリ水溶液供給部２００）
第１アルカリ水溶液供給部２００は、膜電極複合体１０のうちアニオン伝導性電解質膜１０１のみにアルカリ水溶液が接触、供給されるように構成される。このような構成としては特に制限されないが、本実施形態では、上述のアルカリ水溶液供給用凹部２０１と、アルカリ水溶液供給用空間２０２とで構築している。アルカリ水溶液供給用空間２０２は、アルカリ水溶液供給用凹部２０１とアニオン伝導性電解質膜１０１との間に介在する空間であり、その両側面は、第２集電層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表面まで延びる厚みを有するガスケット１０６により閉口されている。従って、第１アルカリ水溶液供給部２００内の空間は、膜電極複合体１０のうちアニオン伝導性電解質膜１０１のみに接しており、他の部分からは隔離されている。
【００５７】
ガスケット１０６の材質は、アルカリ水溶液に対して耐性を有し、かつアルカリ水溶液不透過性である限り特に制限されず、例えば、ブチルゴム、エチレンプロピレンゴム、クロロプレンゴム、ニトリルゴム、シリコンゴム、四フッ化エチレンプロピレンゴム、四フッ化エチレンパーフルオロメチルビニリデン系ゴム等の弾性体；テトラフルオロエチレン、ポリプロピレン、ポリメチルペンテンに代表される熱可塑性樹脂；ステンレスに代表される金属または合金等の非弾性体などを挙げることができる。また、エポキシ系樹脂等の硬化性樹脂の硬化物であってもよい。
【００５８】
アルカリ水溶液としては特に制限されず、例えば、水酸化ナトリウム〔ＮａＯＨ〕、水酸化カリウム〔ＫＯＨ〕等のアルカリ金属の水酸化物；水酸化カルシウム〔Ｃａ（ＯＨ）2〕、水酸化バリウム〔Ｂａ（ＯＨ）2〕等のアルカリ土類金属の水酸化物；２−エタノールアミン等のアミン化合物に代表される塩基性を呈する有機化合物などを含有する水溶液を用いることができる。
【００５９】
以上のような構成のアルカリ形燃料電池によれば、例えば下記方法に従って稼動させることにより、上記した所望の効果を得ることができる。
【００６０】
（２）アルカリ形燃料電池の使用方法
まず、第１アルカリ水溶液供給部２００にアルカリ水溶液を流通させながら、第２集電層１０４の第２凹部１０４ａを通して第２電極１０２に酸化剤を供給するとともに、第３集電層１２０の第３凹部１２０ａを通して第３電極１１０に還元剤を供給し、さらに切り替え手段１４０により（図１に示される端子Ａ１とＡ２とを接続する）、第２集電層１０４と第３集電層１２０（従って、第２電極１０２と第３電極１１０）とを電気的に接続して、第２電極１０２と第３電極１１０との間に一定時間電流を流す〔セルフパージ工程〕。
【００６１】
この工程により、第２電極１０２では上記式（１）のような触媒反応が生じ、一方、第３電極１１０では、上記式（５）及び（６）のようなセルフパージ反応が生じる（一部、上記式（２）のような触媒反応も生じ得る）。このセルフパージ反応は、ＣＯ2由来アニオンを第３電極１１０に誘引させるため、第３電極１１０に対向する位置で流通しているアルカリ水溶液によって効果的に中和される。また、このセルフパージ反応自体によっても、ＣＯ2由来アニオンは、還元剤によって還元されてＣＯ2ガスとして第３電極１１０から排出され、除去される。
【００６２】
上記の「一定時間」とは、ＣＯ2由来アニオンの除去が十分に完了するまでの時間であればよく、具体的には、２〜６０分間、好ましくは、５〜２０分間程度である。
【００６３】
還元剤としては、例えば、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る。なかでも、Ｈ2ガスを用いることが好ましい。酸化剤としては、例えば、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る。なかでも、空気が好ましく用いられる。発電時においても同様である。
【００６４】
還元剤として炭化水素ガス、アルコールなどの炭化水素化合物を使用する場合、第３電極１１０（セルフパージ時）及び第１電極１０３（発電時）の反応生成物としてＣＯ2が生成するため、従来のアルカリ形燃料電池では、膜電極複合体へのＣＯ2由来アニオンの蓄積が著しく進むが、本実施形態のアルカリ形燃料電池１００によれば、このような還元剤を用いる場合であっても、このような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。
【００６５】
なお、第３電極１１０に還元剤を供給することなく、セルフパージ工程を実施することも可能である（後述する他の実施形態についても同様）。すなわち、外部配線１４５中に外部電源（発電装置）を介在させておき、外部電源を稼動させて、強制的に第２電極１０２と第３電極１１０との間に電流を流すことにより、ＣＯ2由来アニオンを第３電極１１０に移動させることができる。第３電極１１０に移動したＣＯ2由来アニオンは、アルカリ水溶液によって中和される他、その一部は、外部電源の電気エネルギーにより還元され、ＣＯ2ガスとして第３電極１１０から排出される。
【００６６】
外部電源の電気エネルギーによるＣＯ2由来アニオンの還元は、下記式（７）及び（８）：
ＣＯ32-  →  ＣＯ2＋１／２Ｏ2＋２ｅ-                    （７）
２ＨＣＯ3-  →  ２ＣＯ2＋１／２Ｏ2＋Ｈ2Ｏ＋２ｅ-        （８）
で表されるような反応に従う。
【００６７】
上記外部電源は、第３電極１１０に還元剤を供給しながらセルフパージを行う場合にも用いることができ、これによりセルフパージ工程にかかる時間をより短縮させることができる。
【００６８】
セルフパージ工程後、第２電極１０２と第３電極１１０との間の電気的接続を切断し、ついで、第１集電層１０５の第１凹部１０５ａを通して第１電極１０３に還元剤を供給するとともに、第２集電層１０４の第２凹部１０４ａを通して第２電極１０２に酸化剤を供給し、さらに切り替え手段１４０により（図１に示される端子Ａ１とＡ３とを接続する）、第１集電層１０５と第２集電層１０４（従って、第１電極１０３と第２電極１０２）とを電気的に接続することにより、電力を得る〔発電工程〕。
【００６９】
＜第２の実施形態＞
図６は、本実施形態に係るアルカリ形燃料電池を示す概略断面図であり、図７〜図１０はそれぞれ、図６に示されるＶＩＩ−ＶＩＩ線、ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線、ＩＸ−ＩＸ線、Ｘ−Ｘ線における概略断面図である。
【００７０】
（１）アルカリ形燃料電池の構成
本実施形態のアルカリ形燃料電池６００は、セルフパージ用の第３電極１１０に加えて、同じくセルフパージ用の第４電極１１５を有する膜電極複合体６０を備えており、第１アルカリ水溶液供給部２００に加えて、第２アルカリ水溶液供給部２１０をさらに有することを特徴としており、これ以外の構成については、上記第１の実施形態と同様とすることができる（可能な変形についても第１の実施形態と同様である）。
【００７１】
膜電極複合体６０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表面に積層される第１電極１０３；アニオン伝導性電解質膜１０１の第２表面に積層される第２電極１０２；第１電極１０３と離間して第１表面に積層される第３電極１１０；及び、第２電極１０２と離間して第２表面に積層される第４電極１１５を含む。第１電極１０３と第２電極１０２とは、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ている。第３電極１１０と第４電極１１５とは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のではなく、第１電極１０３の一方の外側側方に配置される第３電極１１０に対して、第４電極１１５は、第２電極１０２における第３電極１１０に対向する側とは反対側の外側側方に配置される。第１の実施形態と同様、電極の周縁には、ガスケット１０６が設けられている。
【００７２】
アルカリ形燃料電池６００は、第１電極１０３上に積層される第１集電層１０５；第２電極１０２上に積層される第２集電層１０４；第３電極１１０上に積層される第３集電層１２０；及び、第４電極１１５上に積層される第４集電層１２５を備えている。第１集電層１０５と第３集電層１２０とは、これらの集電層の間に絶縁層１３０を介在させることにより互いに電気的に絶縁されている。同様に、第２集電層１０４と第４集電層１２５とは、絶縁層１３０を介在させることにより互いに電気的に絶縁されている。
【００７３】
第１集電層１０５、第２電極１０２、第３集電層１２０及び第４集電層１２５にはそれぞれ、それらのアニオン伝導性電解質膜１０１側の表面に、還元剤又は酸化剤を受け入れ、接する電極に還元剤又は酸化剤を供給するための流路である第１凹部１０５ａ、第２凹部１０４ａ、第３凹部１２０ａ、第４凹部１２５ａが設けられている。
【００７４】
また、第１集電層１０５には、そのアニオン伝導性電解質膜１０１側の表面に、第２アルカリ水溶液供給部２１０の一部であるアルカリ水溶液を受け入れるための第１アルカリ水溶液供給用凹部２１１が、第４電極１１５に対向する位置に設けられている。同様に、第２集電層１０４には、そのアニオン伝導性電解質膜１０１側の表面に、第１アルカリ水溶液供給部２００の一部であるアルカリ水溶液を受け入れるための第２アルカリ水溶液供給用凹部２０１が、第３電極１１０に対向する位置に設けられている。
【００７５】
第１及び第２アルカリ水溶液供給部２００，２１０の構成は第１の実施形態のものと同様であり、第２アルカリ水溶液供給部２１０は、第１アルカリ水溶液供給用凹部２１１、及び、これとアニオン伝導性電解質膜１０１との間に介在する空間であって、両側面がガスケット１０６により閉口されたアルカリ水溶液供給用空間２１２からなる。
【００７６】
第４電極１１５の構成及び組成に関しては、第１電極１０３について既述した内容が引用される。
【００７７】
上記の配置関係で第３電極１１０と第４電極１１５を配置し、第４電極１１５に対向する位置に第２アルカリ水溶液供給部２１０をさらに設けた本実施形態のアルカリ形燃料電池６００によれば、第１の実施形態のアルカリ形燃料電池１００と比べて、膜電極複合体のより広い領域からＣＯ2由来アニオンをセルフパージ用の電極に誘引することができる。すなわち、第１の実施形態のアルカリ形燃料電池１００においては、第２電極１０２より遠い部分の膜電極複合体１０に存在するＣＯ2由来アニオンを第３電極１１０まで誘引することは容易ではないが、本実施形態ではそのような領域を含むより広い領域からＣＯ2由来アニオンを第３電極１１０又は第４電極１１５に誘引することができる。第３電極１１０及び第４電極１１５を膜電極複合体６０のほぼ端部に配置した場合には、膜電極複合体６０のほとんどの領域からＣＯ2由来アニオンを第３電極１１０又は第４電極１１５に誘引することができる。本実施形態のアルカリ形燃料電池６００の使用方法としては、下記の２通りがある。
【００７８】
（２）アルカリ形燃料電池の使用方法１
まず、第２アルカリ水溶液供給部２１０にアルカリ水溶液を流通させながら、第１集電層１０５の第１凹部１０５ａを通して第１電極１０３に酸化剤を供給するとともに、第４集電層１２５の第４凹部１２５ａを通して第４電極１１５に還元剤を供給し、さらに切り替え手段１４０により（図６に示される端子Ｂ１とＢ４とを接続する）、第１集電層１０５と第４集電層１２５（従って、第１電極１０３と第４電極１１５）とを電気的に接続して、第１電極１０３と第４電極１１５との間に一定時間電流を流す〔第１セルフパージ工程〕。
【００７９】
この工程により、膜電極複合体６０の、特に第３電極１１０及びその近傍領域以外の部分におけるＣＯ2由来アニオンが第４電極１１５に誘引され、第２アルカリ水溶液供給部２１０からのアルカリ水溶液によって効果的に中和される。また、このセルフパージ反応自体によっても、ＣＯ2由来アニオンは、還元剤によって還元されてＣＯ2ガスとして第４電極１１５から排出され、除去される。第１セルフパージ工程では、第１電極１０３はカソード極として機能する。
【００８０】
次に、第１電極１０３と第４電極１１５との間の電気的接続を切断した後、第１アルカリ水溶液供給部２００にアルカリ水溶液を流通させながら、第２集電層１０４の第２凹部１０４ａを通して第２電極１０２に酸化剤を供給するとともに、第３集電層１２０の第３凹部１２０ａを通して第３電極１１０に還元剤を供給し、さらに切り替え手段１４０により（図６に示される端子Ｂ２とＢ３とを接続する）、第２集電層１０４と第３集電層１２０（従って、第２電極１０２と第３電極１１０）とを電気的に接続して、第２電極１０２と第３電極１１０との間に一定時間電流を流す〔第２セルフパージ工程〕。
【００８１】
この工程により、膜電極複合体６０の、特に第４電極１１５及びその近傍領域以外の部分におけるＣＯ2由来アニオンが第３電極１１０に誘引され、第１アルカリ水溶液供給部２００からのアルカリ水溶液によって効果的に中和される。また、このセルフパージ反応自体によっても、ＣＯ2由来アニオンは、還元剤によって還元されてＣＯ2ガスとして第３電極１１０から排出され、除去される。第２セルフパージ工程では、第２電極１０２がカソード極として機能する。第１及び第２セルフパージ工程を実施することにより、膜電極複合体６０のおよそ全体にわたってＣＯ2由来アニオンを除去することができる。
【００８２】
第２セルフパージ工程後、第２電極１０２と第３電極１１０との間の電気的接続を切断し、ついで、第１集電層１０５の第１凹部１０５ａを通して第１電極１０３に還元剤を供給するとともに、第２集電層１０４の第２凹部１０４ａを通して第２電極１０２に酸化剤を供給し、さらに切り替え手段１４０により（図６に示される端子Ｂ３とＢ４とを接続する）、第１集電層１０５と第２集電層１０４（従って、第１電極１０３と第２電極１０２）とを電気的に接続することにより、電力を得る〔発電工程〕。なお、第１セルフパージ工程と第２セルフパージ工程の順序を逆にしても同様の効果が得られることはいうまでもない。
【００８３】
（３）アルカリ形燃料電池の使用方法２
まず、第１アルカリ水溶液供給部２００にアルカリ水溶液を流通させながら、第３集電層１２０の第３凹部１２０ａを通して第３電極１１０に還元剤を供給するとともに、第４集電層１２５の第４凹部１２５ａを通して第４電極１１５に酸化剤を供給し、さらに切り替え手段１４０により（図６に示される端子Ｂ１とＢ２とを接続する）、第３集電層１２０と第４集電層１２５（従って、第３電極１１０と第４電極１１５）とを電気的に接続して、第３電極１１０と第４電極１１５との間に一定時間電流を流す〔セルフパージ工程〕。
【００８４】
この１回のセルフパージ工程により、膜電極複合体６０のおよそ全体からＣＯ2由来アニオンが第３電極１１０に誘引され、第１アルカリ水溶液供給部２００からのアルカリ水溶液によって効果的に中和される。また、このセルフパージ反応自体によっても、ＣＯ2由来アニオンは、還元剤によって還元されてＣＯ2ガスとして第３電極１１０から排出され、除去される。このセルフパージ工程において、第４電極１１５はカソード極として機能している。発電工程については、上記使用方法１と同様である。
【００８５】
セルフパージ工程においては、第２アルカリ水溶液供給部２１０にアルカリ水溶液を流通させ、第３電極１１０に酸化剤を供給し、第４電極１１５に還元剤を供給するようにしてもよい。この場合、第３電極１１０がカソード極として機能する。
【００８６】
本発明のアルカリ形燃料電池は、例えば自動車、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】
【００８７】
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。
【００８８】
＜実施例１＞
以下の手順で、図１に示されるアルカリ形燃料電池１００を作製した。
【００８９】
（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、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。
【００９０】
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及びエタノールを添加することにより、第１電極１０３、第２電極１０２及び第３電極１１０用の触媒ペーストを調製した。
【００９１】
次に、縦８×横８ｃｍ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、アニオン伝導性電解質膜の一方の面（第２表面）の中央に、上記触媒ペーストを縦３．５ｃｍ×横５ｃｍ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、乾燥させることにより、第２電極１０２（カソード極）の触媒層を形成した。第２電極１０２の触媒層のサイズは、縦３．５ｃｍ×横５ｃｍ×厚み約１０μｍであった。
【００９２】
また、アニオン伝導性電解質膜１０１の他方の面（第１表面）の左寄りに、上記触媒ペーストを、縦１ｃｍ×横５ｃｍ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、乾燥させることにより、第３電極１１０の触媒層を形成した。第３電極１１０の触媒層のサイズは、縦１ｃｍ×横５ｃｍ×厚み約１０μｍである。さらに、第１表面の中央に上記触媒ペーストを、縦３．５ｃｍ×横５ｃｍ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、乾燥させることにより、第３電極１１０の触媒層の右側に、第１電極１０３（アノード極）の触媒層を形成して、膜電極複合体１０を得た。第１電極１０３の触媒層のサイズは、縦３．５ｃｍ×横５ｃｍ×厚み約１０μｍであり、第１電極１０３の触媒層と第３電極１１０の触媒層との間隔は０．５ｃｍである。第２電極１０２の触媒層が形成された領域と、第１電極１０３の触媒層が形成された領域とは、アニオン伝導性電解質膜１０１の面内において一致している。
【００９３】
（２）アルカリ形燃料電池の作製
縦８ｃｍ×横８ｃｍ×厚み１．５ｃｍのＳＵＳ板の片面にサーペンタイン状の溝（第２凹部１０４ａ、深さ０．３ｃｍ）とその左側にライン状の溝（アルカリ水溶液供給用凹部２０１、深さ０．３ｃｍ）を切削加工により形成し、カソード側の集電層とした。また、縦５ｃｍ×横８ｃｍ×厚み１．５ｃｍのＳＵＳ板／縦２．５ｃｍ×横８ｃｍ×厚み１．５ｃｍのＳＵＳ板をこの順で絶縁性接着剤を用いて接合した後、その片面にサーペンタイン状の溝（第１凹部１０５ａ及び第３凹部１２０ａ、深さ０．３ｃｍ）を切削加工により形成し、アノード側の集電層とした。
【００９４】
上記で得られた膜電極複合体１０の第２電極１０２の触媒層上に縦３．５ｃｍ×横５ｃｍサイズに切り出したガス拡散層（ＳＧＬ社製  ＧＤＬ  ３５ＢＣ）を積層し、ガスケット１０６として、外形が縦８ｃｍ×横８ｃｍ×厚み２００μｍであり、図２に示されるように所定の位置に開口を有するシリコーンゴムシートを配置した後、図１に示されるようにカソード側の集電層（第２集電層１０４）を積層した。また、第１電極１０３の触媒層上に、縦３．５ｃｍ×横５ｃｍサイズに切り出したガス拡散層（ＳＧＬ社製  ＧＤＬ  ３５ＢＣ）を、第３電極１１０の触媒層上に、縦１ｃｍ×横５ｃｍサイズに切り出したガス拡散層（ＳＧＬ社製  ＧＤＬ３５ＢＣ）を積層し、図４に示されるように所定の位置に開口を有するシリコーンゴムシートを配置した後、図１に示されるようにアノード側の集電層を積層した。
【００９５】
アノード側の集電層とカソード側の集電層との間を、絶縁被覆したボルト１５０とナット１５５により締結し、外部配線１４５及び切り替え手段１４０を用いて、集電層間を図１のように配線接続してアルカリ形燃料電池を得た。
【００９６】
＜比較例１＞
第３電極１１０を形成せず、アニオン伝導性電解質膜１０１の第１表面の中央に、第２電極１０２と同一のサイズ（縦３．５ｃｍ×横５ｃｍ×厚み約１０μｍ）の第１電極１０３のみを形成したこと以外は、実施例１と同様にして膜電極複合体を作製し、アルカリ形燃料電池を得た。
【００９７】
＜比較例２＞
アルカリ水溶液供給用凹部２０１を有しないカソード側の集電層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。
【００９８】
［ＣＯ2由来アニオン除去性能の評価］
以下の手順で実施例１及び比較例２のアルカリ形燃料電池についてセルフパージ操作を行い、ポテンシオスタット／ガルバノスタット（ＥＣＯ  ＣＨＥＭＩ社製  ＡＵＴＯＬＡＢ  ＰＧＳＴＡＴ３０／ＦＲＡ２及びＡＵＴＯＬＡＢ  ＢＳＴＲ１０Ａ）を用いてセル抵抗の変化と、セル電圧を測定してＣＯ2由来アニオンの除去性能を評価した。
【００９９】
アルカリ形燃料電池を５０℃の恒温層に入れ、加湿したＨ2ガス（相対湿度９５％）を、第３凹部１２０ａに２００ｍＬ／分の流量で供給するとともに、加湿した空気（相対湿度９５％）を、第２凹部１０４ａに５００ｍＬ／分の流量で供給し、第３集電層１２０と第２集電層１０４とを電気的に接続し、０．２Ａ／ｃｍ2の電流を流してセルフパージを行った。この際、実施例１については、セルフパージ開始とともに、第１アルカリ水溶液供給部２００に５重量％ＫＯＨ水溶液を５ｍＬ／分の流量で流通させた。
【０１００】
その結果、実施例１においては、セルフパージ開始時、セル抵抗は２５０ｍΩｃｍ2であったが、１５分後にセル抵抗は１５０ｍΩｃｍ2となった。その後、切り替え手段１４０を切り替え、第１集電層１０５と第２集電層１０４とを電気的に接続し、０．２Ａ／ｃｍ2の電流を流し、更に５分経過した後の電池電圧を計測したところ、０．８５９Ｖであった。一方、比較例２においては、セルフパージ開始時、セル抵抗は２５０ｍΩｃｍ2であったが、５０分後にセル抵抗が１５０ｍΩｃｍ2となった。その後、切り替え手段１４０を切り替え、第１集電層１０５と第２集電層１０４とを電気的に接続し、０．２Ａ／ｃｍ2の電流を流し、更に５分経過した後の電池電圧を計測したところ、０．８５０Ｖであった。
【０１０１】
また、比較例１のアルカリ形燃料電池についても、これを５０℃の恒温層に入れ、第１アルカリ水溶液供給部２００に５重量％ＫＯＨ水溶液を５ｍＬ／分の流量で流通させることによりＣＯ2由来アニオンの除去性能を評価した。ＫＯＨ水溶液の流通開始時、セル抵抗は２５０ｍΩｃｍ2であったが、３０分後にセル抵抗が１５０ｍΩｃｍ2となった。その後、第１集電層１０５と第２集電層１０４との間に０．２Ａ／ｃｍ2の電流を流し、更に５分経過した後の電池電圧を計測したところ、０．８５２Ｖであった。
【符号の説明】
【０１０２】
１０，６０  膜電極複合体、１００，６００  アルカリ形燃料電池、１０１  アニオン伝導性電解質膜、１０２  第２電極、１０３  第１電極、１０４  第２集電層、１０４ａ  第２凹部、１０５  第１集電層、１０５ａ  第１凹部、１０６  ガスケット、１１０  第３電極、１１５  第４電極、１２０  第３集電層、１２０ａ  第３凹部、１２５  第４集電層、１２５ａ  第４凹部、１３０  絶縁層、１４０  切り替え手段、１４５  外部配線、１５０  ボルト、１５５  ナット、２００  第１アルカリ水溶液供給部、２０１  （第２）アルカリ水溶液供給用凹部、２０２，２１２  アルカリ水溶液供給用空間、２１０  第２アルカリ水溶液供給部、２１１  第１アルカリ水溶液供給用凹部。
【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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