(57)【要約】【課題】発電停止時の圧力変化による気体回収流路中の液滴の逆流又は燃料の多孔体中への漏れを抑制し、気液分離効率の向上が可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】電解質膜３を挟んで互いに対向するアノード電極４及びカソード電極５を有する膜電極複合体８と、アノード電極４に接する多孔体１０と、多孔体１０に接する表面に、アノード電極４で生成される気体を多孔体１０を介して回収する気体回収流路３２ａ〜３２ｅ及びアノード電極４に燃料を送給する燃料流路３１を備えるアノード流路板３０と、カソード電極５の周縁部をシールする第１のシール部９ｂと、アノード電極４及び多孔体１０の周縁部をシールする第２のシール部９ａと、気体回収流路３２ａの出口端をシールする第３のシール部３７とを備え、第２及び第３のシール部９ａ、３７に、第１のシール部９ｂよりもＣＯ2ガス透過性が低い材料を用いる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜を挟んで互いに対向するアノード電極及びカソード電極を有する膜電極複合体と、
前記アノード電極に接する多孔体と、
前記多孔体に接する表面に、前記アノード電極で生成される気体を前記多孔体を介して回収する気体回収流路及び前記アノード電極に燃料を送給する燃料流路を備えるアノード流路板と、
前記カソード電極の周縁部をシールする第１のシール部と、
前記アノード電極及び前記多孔体の周縁部をシールする第２のシール部と、
前記気体回収流路をシールする第３のシール部と
を備え、
前記第２及び第３のシール部に、前記第１のシール部よりもＣＯ2ガス透過性が低い材料を用いることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記第２及び前記第３のシール部が、エチレンプロピレンゴム、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記第２及び前記第３のシール部は、大気に暴露される表面が、第１のシール部よりもＣＯ2ガス透過性の小さい材料でコーティングされていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記多孔体が、貫通孔を有する疎液性多孔体であり、前記貫通孔が前記燃料流路に接続されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記多孔体が、貫通孔を有する親液性多孔体であり、前記貫通孔が前記気体回収流路に接続されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記貫通孔中に、前記疎水性多孔体と接する親液性多孔体が埋設されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記貫通孔中に、前記親液性多孔体と接する疎液性多孔体が埋設されていることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記多孔体の両面を貫通するコンタクトが、前記多孔体に埋設されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料流路が、
前記多孔体と接する第１流路と、
前記第１流路に接続され前記第１流路より流体の拡散抵抗が大きい第２流路と
を備えることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記第１流路に接続された分岐流路と、
前記第１流路内の燃料を収容するタンクと
前記分岐流路を介して前記第１流路内の燃料を前記タンクに送給もしくは前記タンク内の燃料を前記第１流路へ送給するポンプと
を更に備えることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体燃料を直接電極に供給して発電する燃料電池及びそれを用いた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
アルコール等の液体燃料を直接発電部に供給する直接型燃料電池は、気化器や改質器等の補器が不要なため、携帯機器の小型電源等への利用が期待されている。
【０００３】
例えば直接メタノール供給型燃料電池（ＤＭＦＣ）は、アノード及びカソードを有する単セルを複数個積層したセルスタック（起電部）を備える。アノードとカソードの周囲はそれぞれ気体透過性が高いシリコンゴム等のシール部材で覆われている。
【０００４】
セルスタック内では、アノード側に希釈したメタノールを供給し、カソード側に空気を供給することにより化学反応を生じさせて発電を行っている。アノード側からは未反応のメタノール及びＣＯ2を、カソード側からは水をそれぞれ排出させる必要がある。
【０００５】
アノード側から未反応のメタノール及びＣＯ2を排出する方法として、アノード流路板においてメタノール及びＣＯ2を混合し、気液二相流としてアノード出口から排出させる方法が知られている。未反応のメタノールを再利用するために、アノードの出口側の流路に気液分離器等を設け、排出された気液二相流を気体と液体に分離し、分離後の気体を大気に放出させている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
しかしながら、アノード流路内とアノード出口側の流路に気液二相流を流通させることにより、アノード流路の圧力損失が大きくなる場合がある。気液分離器を配置することによってアノード循環部が大きくなるため、小型化が困難になる場合がある。
【０００７】
そこで、アノード流路内とアノード出口側の流路に気液二相流を流通させずに直接型燃料電池を小型化する手法として、アノード流路板に、燃料供給流路に加えて気体回収流路を併設し、アノード電極の拡散層に隣接するように疎液性多孔体を配置する手法が検討されてきている。これにより、疎液性多孔体の疎液性を利用して燃料がガス回収流路に混入するのを防止する一方で、疎液性多孔体を介してガス回収流路にＣＯ2を選択的に回収させることができる。よって、起電部内部において燃料とガスとの分離が容易に実現でき、小型化が実現できるとともに、アノード側の圧力損失を小さくできる。
【０００８】
しかしながら、上述した疎液性多孔体を起電部内に配置して気液分離を行う例では、発電を停止した場合には、ＣＯ2の排出停止により気体回収流路とアノードの内圧が下がるため、気体回収部中のＣＯ2が疎水性多孔体中へ逆流する場合がある。発電停止時に気体回収流路内や出口端に液滴が付着していた場合には、液滴が気体回収流路を塞ぎながら疎水性多孔体方向に逆流することにより、疎水性多孔体を濡らす場合がある。疎水性多孔体を濡らすほど液滴が気体回収流路中を逆流しない場合でも、気体回収流路側が負圧になることにより、燃料が疎液性多孔体を介して気体回収流路に吸われてしまう。その結果、気体回収流路と燃料流路との間が液体で満たされてしまい、気液分離が行えない、或いは、気液分離効率が下がる場合がある。
【特許文献１】米国特許第６９２４０５５号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、その目的は、発電停止時の圧力変化による気体回収流路中の液滴の逆流又は燃料の多孔体中への漏れを抑制し、気液分離効率の向上が可能な燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本願発明の態様によれば、電解質膜を挟んで互いに対向するアノード電極及びカソード電極を有する膜電極複合体と、アノード電極に接する多孔体と、アノード電極で生成される気体を多孔体を介して回収する気体回収流路及びアノード電極に燃料を送給する燃料流路を多孔体に接する表面に備えるアノード流路板と、カソード電極の周縁部をシールする第１のシール部と、アノード電極及び多孔体の周縁部をシールする第２のシール部と、気体回収流路をシールする第３のシール部とを備え、第２及び第３のシール部に、第１のシール部よりもＣＯ2ガス透過性が低い材料を用いた燃料電池システムが提供される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、発電停止時の圧力変化による気体回収流路中の液滴の逆流又は燃料の多孔体中への漏れを抑制し、気液分離効率の向上が可能な燃料電池システムが提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
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は、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の構造、配置等を下記のものに特定するものではない。
【００１３】
（第１の実施の形態）
図１に、図２（ａ）〜図２（ｅ）のＡ−Ａ方向からみた断面を示す。図１に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池１００ａ（燃料電池システム）は、電解質膜３を挟んで互いに対向するアノード電極８１及びカソード電極８２を有する膜電極複合体（ＭＥＡ）８と、ＭＥＡ８に接する疎液性多孔体１０と、疎液性多孔体１０に接するアノード流路板３０と、ＭＥＡ８を介してアノード流路板３０に対向するカソード流路板４０とを備える。
【００１４】
ＭＥＡ８は、プロトン導電性の固体高分子膜等を用いた電解質膜３、電解質膜３の表面に触媒を塗布して形成されたアノード触媒層１及びカソード触媒層２、アノード触媒層１及びカソード触媒層２の外側にそれぞれ形成されたアノードガス拡散層４及びカソードガス拡散層５を備える。
【００１５】
電解質膜３としては、プロトン導電性の固体高分子膜等から構成されている。アノード触媒層１としては白金ルテニウムを、カソード触媒層２としては白金等を利用することができる。アノードガス拡散層４、カソードガス拡散層５としては、多孔質のカーボンペーパー等が用いられる。
【００１６】
アノード触媒層１とアノードガス拡散層４との間には、撥水処理した、サブミクロンの孔径の細孔を有する数十ミクロン厚みのカーボン製のアノードマイクロポーラス層６が配置されていてもよい。なお、「撥水処理」とは、多孔体と水との接触角が９０°より大きくなるように処理することをいう。カソード触媒層２とカソードガス拡散層５との間には、サブミクロンの孔径の細孔を有する数十ミクロン厚みのカーボン製のカソードマイクロポーラス層７が配置されていてもよい。
【００１７】
疎液性多孔体１０としては、厚み約２００μｍの疎水処理されたカーボン繊維よりなる孔径数μｍの細孔を有するカーボンペーパー、燒結金属を疎水化処理した材料や、電気伝導性を有する孔径数μｍ以下の多孔体で疎液性を有する材料を用いることができる。なお、「疎液性」とは、水との接触角が９０°よりも大きい性質を意味する。疎液性多孔体１０を配置することにより、ＭＥＡ８を任意の方向に傾けたとしてもＣＯ2と燃料とを容易に気液分離できる。
【００１８】
疎液性多孔体１０は、アノードガス拡散層４に接する面とアノード流路板３０に接する面との間を貫通する複数の貫通孔１０ａを有しているのが好ましい。貫通孔１０ａは、例えば図２（ｅ）に示すように、孔径数μｍの細孔を有するシート状の疎水性カーボン多孔体の全面に碁盤の目状に開けられている。貫通孔１０ａの孔径は、疎液性多孔体１０を構成する孔径数μｍのミクロな細孔に比べて充分大きく、例えば直径約１ｍｍとすることができる。貫通孔１０ａの孔径は、アノード流路板３０の流路の幅等に応じて適宜変更可能である。
【００１９】
貫通孔１０ａは、燃料流路３１と直接接続するように、燃料流路３１が配置される領域に対向して配置されている。貫通孔１０ａの形状は特に限定されない。例えば、図２（ｃ）に示す燃料流路３１のサーペンタイン形状と同様の形状の貫通孔１０ａを形成しても構わない。貫通孔１０ａはなくてもよい。
【００２０】
カソード触媒層２、カソードマイクロポーラス層７及びカソードガス拡散層５の周縁部は、カソード触媒層２、カソードマイクロポーラス層７及びカソードガス拡散層５の外周に沿って額縁状に切り抜いた第１のシール部９ｂによりシールされている。アノード触媒層１、アノードマイクロポーラス層６及びアノードガス拡散層４の周縁部は、図２（ｄ）に示すように、アノード触媒層１、アノードマイクロポーラス層６及びアノードガス拡散層４の外周に沿って額縁状に形成された第２のシール部９ａによりシールされている。
【００２１】
第１のシール部９ｂの材料としては、気体透過性が比較的高いシリコンゴム（シリコーン樹脂製のゴム）等が好適である。第２のシール部９ａの材料としては、第１のシール部９ｂよりもＣＯ2ガス透過性が低い材料が好適である。図５に２５℃の天然ゴムの気体透過性を１００とした場合の各種ゴム材料の気体透過性の例を示す。ゴム材料としては、スチレンブタジエンゴム、ブタジエンゴム、クロロプレンゴム、ブチルゴム、エチレンプロピレンゴム、ウレタンゴム等がある。図５の材料は、いずれもシリコンゴムに比べてＣＯ2透過性が著しく低い。
【００２２】
第２のシール部９ａとしては、エチレンプロピレンゴム（ＥＤＰＭ）を用いるのが好ましい。ＥＤＰＭゴムは、酸素や窒素を透過する一方で水素を透過しにくい性質を有しており、高温・高圧条件にも耐性を有する材料であるため好適である。ＥＤＰＭの他にも、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン樹脂（ＰＥＥＫ）等も、高温・高圧耐性を有し、水素を透過しにくく、ＣＯ2を透過しにくい性質を持つことから、第２のシール部９ａの材料として、好適に用いることができる。
【００２３】
アノード流路板３０は、図１に示すように、第１アノード流路板３０ａ及び第２アノード流路板３０ｂを備えているが、両者を一体化させた構造であっても構わない。図２（ｃ）に示すように、第１アノード流路板３０ａには、疎液性多孔体１０と接する表面上に、溝状に形成された燃料流路３１及び気体回収流路３２ｃ、３２ｅを有する。気体回収流路３２ｃ、３２ｅには、第１アノード流路板３０ａの両面を貫通する気体回収流路３２ｂ、３２ｄが形成されている。
【００２４】
燃料流路３１は、例えば燃料を上流側から下流側（図中の矢印の向き）に向かって蛇行させたサーペンタイン流路等が採用できるが、複数の流路を繋げた並行流路としても構わない。図２（ｃ）に示すように、燃料流路３１の上流側は、燃料供給口３０１に接続され、下流側は燃料排出口３０２に接続されている。燃料供給口３０１の上流側は、マニホールド等を介して図１の燃料供給ライン５１ａに接続されている。燃料供給ライン５１ａには燃料ポンプ４７が設けられており、燃料ポンプ４７によって所定量の燃料が燃料流路３１中に供給される。燃料排出口３０２の下流側は、マニホールド等を介して図１の燃料排出ライン５１ｂに接続されている。
【００２５】
図２（ａ）に示すように、第２アノード流路板３０ｂの表面には、気体回収流路３２ｂ、３２ｄに接続される溝状の気体回収流路３２ａが配置されている。気体回収流路３２ａの形状は図２（ａ）に限定されない。気体回収流路３２ａの出口端３０４は、シール部３７（第３のシール部）によって周囲をシールされている。シール部３７としては、第１のシール部９ｂよりもＣＯ2ガス透過性が低い材料、例えばＥＤＰＭゴム等が好適である。
【００２６】
図２（ｂ）に示すように、第１アノード流路板３０ａと第２アノード流路板３０ｂとの間には、気体回収流路３２ｂ、３２ｄを介して回収したガスの流出を防ぐためのシール部３６が配置されている。シール部３６としては、第１のシール部９ｂよりもＣＯ2ガス透過性が低い材料、例えばＥＤＰＭゴム等が好適である。
【００２７】
カソード流路板４０は、図１に示すように、カソードガス拡散層５と接し、カソード触媒層２に空気を送給するための空気導入路４２を有している。空気導入路４２の入口側は空気供給ライン５３ａに接続されており、エアポンプ４６を介して空気が導入される。空気導入路４２の出口側はマニホールド等を介して空気排出ライン５３ｂに接続されている。空気導入路４２に導入される空気は、エアポンプ４６を介して燃料電池１００ａの外部から取り込んでも構わないし、気体回収流路３２ａ〜３２ｅで回収された気体を再利用しても構わない。エアポンプ４６を用いずに自然吸気（ブリージング）にしても構わない。カソード流路板４０は省略してもよい。
【００２８】
図３に、第１の実施の形態に係る燃料電池１００ａの発電時の燃料の流れ及び排出ガス（ＣＯ2）の流れのイメージ図を示す。
【００２９】
発電時は、燃料ポンプ４７を駆動させることにより、燃料供給ライン５１ａから燃料流路３１へ燃料が供給される。エアポンプ４６を駆動させることにより、空気供給ライン５３ａから空気導入路４２へ空気が供給される。疎液性多孔体１０が疎液性であるため、燃料流路３１に送給された燃料は、疎液性多孔体１０中には浸透せずにそのまま貫通孔１０ａ中を通り、点線矢印の方向に示すように、アノード電極８１側へと送られる。
【００３０】
アノード電極８１側では、アノード反応によりＣＯ2が生成される。ここでアノードガス拡散層４と疎液性多孔体１０との界面では、ＣＯ2が貫通孔１０ａ中に満たされた液体（燃料）中に進入して気泡を形成するよりも、ＣＯ2が微細な細孔を有する疎液性多孔体１０の内部を通過する方が容易なため、ＣＯ2が疎液性多孔体１０中を優先的に通過する。
【００３１】
疎液性多孔体１０中を通過するＣＯ2は、図３の実線矢印で示すように、疎液性多孔体１０に接続された気体回収流路３２ａ〜３２ｅを通じて回収される。その結果、燃料流路３１側にＣＯ2が流れ込むのを抑制できるため、燃料流路３１内には、気体が流れ込むことが殆どない。そのため、燃料流路３１内部に気液二相流が形成されることによる体積膨張による流速の高速化や、メニスカス形成による流体の圧力損失が抑制され、アノード（燃料流路３１）の圧力損失を大幅に小さくできる。
【００３２】
ここで、例えば第１及び第２のシール部９ａ、９ｂとしてシリコンゴム等を使用した場合を想定する。シリコンゴムのＣＯ2ガス透過性は、エア中に含まれるＮ2ガスやＯ2ガスの４倍以上を示す（例えば図７参照）。
【００３３】
発電時は、カソード触媒層２、電解質膜３、アノード触媒層１、アノードガス拡散層４、アノードマイクロポーラス層６、及び気体回収流路３２ａ〜３２ｅにおいてＣＯ2ガスが特に高濃度となり、Ｏ2ガスやＮ2ガスはほぼゼロとなる。一方で、大気中のＣＯ2ガス濃度は、約０．０４％と低濃度だが、Ｏ2ガスは約３２％、Ｎ2ガスは約７８％存在する。
【００３４】
このように、燃料電池１００ａ内外には、それぞれの気体に関し、濃度差があるため、第２のシール部９ａを介して燃料電池１００ａの内部から外部へＣＯ2ガスの濃度拡散が生じる。同様に、第２のシール部９ａを介して、燃料電池１００ａの外部から内部へＯ2ガスやＮ2ガスの濃度拡散が生じる。
【００３５】
ところが、シリコンゴムのＣＯ2ガス透過性は、Ｎ2ガスやＯ2ガスの４倍以上である。また、燃料電池１００ａ内外のＣＯ2ガス濃度差は、おおむねＮ2ガスと同等の濃度差であることから、ＣＯ2ガス濃度拡散量は、Ｏ2ガスやＮ2ガスの濃度拡散量より多くなる。結果として、第２のシール部９ａとしてシリコンゴムを用いた場合は、第２のシール部９ａを介してＣＯ2ガスが燃料電池１００ｂの外へ継続的に排出され続けることになる。例えば、燃料電池発電時にアノード触媒層１からＣＯ2が２．５〜２．８ｃｃｍ発生する場合は、第２のシール部９ａを通して約０．３ｃｃｍのガスが燃料電池１００ａの外に透過する。なお、「ｃｃｍ」は、２５℃１気圧に換算した時のｍＬ／分を表す。
【００３６】
発電を停止させると、アノード触媒層１からのＣＯ2発生が止まる。するとアノード電極８１（１、６、４）と気体回収流路３２ａ〜３２ｅの内圧が下がり、発電時には疎液性多孔体１０からガス回収流路の出口へ向かっていたガスの流れ方向が、発電停止時にはその逆になる。
【００３７】
その結果、図４に示すように、気体回収流路３２ａ〜３２ｅやその出口端３０４に付着している液滴３８がＣＯ2の流れに伴い、疎液性多孔体１０の方向に流れる。なお、液滴３８は水蒸気の凝縮水や、時として気液分離不良で漏れた燃料などを指す。液滴３８がＣＯ2の流れを妨げないほど動きやすい場合は、そのまま疎液性多孔体１０まで達するため、疎液性多孔体１０を濡らす場合がある。一方、液滴３８が動かなかったとしても、燃料流路３１の燃料が疎液性多孔体１０の疎水性に打ち勝って吸い込まれる程度まで気体回収流路３２ａ〜３２ｅやアノード電極８１（１、４、６）側の圧力が下がることから、疎液性多孔体１０が液体で濡れる原因となる。
【００３８】
燃料流路３１と気体回収流路３２ａ〜３２ｅとの間の疎液性多孔体１０が液体で占められると、燃料が燃料流路３１から気体回収流路３２ａ〜３２ｅまで疎液性多孔体１０中を介して容易に流れる状態となるため、燃料電池１００ａ内部で、燃料とガスの気液分離が維持できなくなる。この状態は、再び燃料電池１００ａを発電状態にしてＣＯ2ガスを発生させるか、疎液性多孔体を加熱して疎液性多孔体内の液体を蒸発させることで、疎液性多孔体１０の大部分をガスで満たさないと解消されない。
【００３９】
第１の実施の形態においては、第２のシール部９ａ及び第３のシール部３６、３７の材料として、シリコンゴムよりもＣＯ2透過性の低いＥＰＤＭゴム等の材料を用いる。これにより、第２のシール部９ａ及び第３のシール部３６、３７からのＣＯ2の外部へ流出を抑制することができるので、上記の「発電を止めたときのガスの流れの逆流」が抑制できる。これは、ＥＰＤＭゴムのＣＯ2透過性がシリコンゴムよりも小さい材質である上、ＥＰＤＭゴムのＣＯ2ガス透過性がＮ2ガスやＯ2ガスの透過性とほぼ同程度なためである。ＥＰＤＭゴムは、シリコンゴムより若干耐熱性・耐寒性は劣ることさえ留意すれば、耐溶剤性が優れていることから、燃料電池１００ａのシール材としては好適である。
【００４０】
なお、ここでは、第１の実施の形態に係る燃料電池１００ａに対する有効材質としてＥＰＤＭゴムを取り上げたが、耐熱性・耐寒性・耐溶剤性など、燃料電池のシールに適した材質でシールの機能を果たす構造であれば、他の材料であってもよい。例えば、ＣＯ2ガス透過性がシリコンゴムよりも小さいゴム以外の材質、例えばＰＥＥＫやＰＰＳ等を用いることができる。また、シリコンゴムシールの燃料電池外の大気に暴露される表面にこれらの材料をコーティングすれば、ＥＰＤＭゴムをシールとして用いるのと同様の効果が得られる。
【００４１】
図６は、第１の実施の形態に係る燃料電池１００ａを用いて、疎液性多孔体１０のＣＯ2吸い込み量を測定した結果を示している。「本発明（１）」は、第２及び第３のシール部９ａ、３６、３７として、ＥＤＰＭゴムを用いた燃料電池１００ａを３分間運転した後に運転を停止させた場合の、停止後の経過時間に対する疎液性多孔体１０のＣＯ2吸い込み量を示す結果である。「本発明（２）」は、燃料電池１００ａを１時間転した後に運転を停止させた場合の、停止後の経過時間に対する疎液性多孔体１０のＣＯ2吸い込み量を示す結果である。「比較例（１）」は、第２及び第３のシール部９ａ、３６、３７としてシリコンゴムを用いた燃料電池１００ａを３分間運転した後に運転を停止させた場合の、停止後の経過時間に対する疎液性多孔体１０のＣＯ2吸い込み量を示す結果である。「比較例（２）」は、燃料電池１００ａを１時間転した後に運転を停止させた場合の、停止後の経過時間に対する疎液性多孔体１０のＣＯ2吸い込み量を示す結果である。
【００４２】
本発明によれば、比較例に比べてＣＯ2吸い込み量を１／３に抑制できていることから、運転停止時のアノード側の急激な圧力変化を抑制し、気液回収流路３２ａ〜３２ｅからのＣＯ2ガスの逆流が有効に抑制できていることが分かる。
【００４３】
なお、図１、図２（ａ）〜図２（ｅ）に示した燃料流路３１及び気体回収流路３２ａ〜３２ｅの構成及び配置の説明は一例であり、他にも様々な構成が採用できることは勿論である。第１の実施の形態においては、メタノール水溶液等の液体を利用した燃料電池１００ａの例を説明しているが、メタノール以外のアルコールや、炭化水素、エーテル等でも構わない。
【００４４】
（第１変形例）
図８に示すように、第１変形例に係る燃料電池１００ｂ（燃料電池システム）は、疎液性多孔体１０の貫通孔１０ａの中に、親液性多孔体１２が埋設されている。なお、「親液性」とは、水との接触角が９０°よりも小さい性質を意味する。
【００４５】
親液性多孔体１２としては、親液処理されたカーボン繊維よりなる孔径数μｍの細孔を有するカーボンペーパー又はカーボンクロス、孔径数μｍの細孔を有する親水性の燒結金属や、電気伝導性を有する孔径数μｍ以下の多孔体で親水性を有する材料等を、貫通孔１０ａ中に埋め込むための所定の形状に成形したものが使用可能である。また、疎液性を示す多孔体の一部にスルフォン酸基を含むポリマーをスプレーし、親液処理したものを用いてもよい。親液性多孔体１２は、貫通孔１０ａの疎液性多孔体１０と接する部分のみに埋設してもよい。他は、図１に示す燃料電池１００ａと実質的に同様であるので、記載を省略する。
【００４６】
図８に示す燃料電池１００ｂによれば、親液性多孔体１２が貫通孔１０ａに配置されるため、親液性多孔体１２中に燃料が保持され易くなり、より安定的にＣＯ2を分離することが可能になり、燃料電池１００ｂをより安定的に運転させることができる。
【００４７】
（第２変形例）
図９に示すように、第２変形例に係る燃料電池１００ｃ（燃料電池システム）は、疎液性多孔体１０の貫通孔１１ａの中に親液性多孔体１２が埋設されている。更に、疎液性多孔体１０の燃料流路３１又は気体回収流路３２ｂ、３２ｄと接していない領域に、疎液性多孔体１０の両面を貫通するコンタクト１４が埋設されている。コンタクト１４は、疎液性多孔体１０のアノードガス拡散層４とアノード流路板３０との電気的導通を図る。
【００４８】
コンタクト１４が配置された場合、疎液性多孔体１０としては、延伸ポリテトラフルオロエチレン（延伸ＰＴＦＥ）などの孔径数μｍ以下の非導電性材料を使うことも可能である。その場合には、コンタクト１４としてカーボン、若しくは金属を用いるのが好ましい。また、疎液性多孔体１０として、延伸ＰＴＦＥの一部を親水化処理する、延伸ＰＴＦＥに貫通孔を開け、貫通孔を多孔体セルロース等の親液性多孔体で充填するようなことを行い、空間若しくは親液性多孔体より燃料を供給することが可能である。他は、図１に示す燃料電池１００ａと実質的に同様であるので、記載を省略する。
【００４９】
図９に示す燃料電池１００ｃによれば、疎液性多孔体１０が不導体、若しくは抵抗が高く電気を通しにくい材質であっても、コンタクト１４により電気的導通を図ることができるため、良好に発電可能である。
【００５０】
（第３変形例）
図１０に示すように、第３変形例に係る燃料電池１００ｄ（燃料電池システム）は、アノード流路板３０の出口側から排出される未反応の燃料を回収し、燃料流路３１へ循環させる循環ラインＬ１が、燃料排出ライン５１ｂと燃料供給ライン５１ａとの間に接続されている。カソード流路板４０には、空気中の不純物を吸着するためのケミカルフィルタ４４が配置されている。ケミカルフィルタ４４は多孔体２０に接している。多孔体２０は、カソードガス拡散層５と接する領域２０ｂと空気導入路４２に接続された貫通孔２０ａとを有する。空気導入路４２にはポンプやコンプレッサーなどが接続されておらず、自然吸気方式によって燃料電池１００ｄの外部から空気が供給されるようになっている。メタノール等の高濃度燃料が収容された燃料容器５０の下流側には、送液ポンプ６０が配置されている。
【００５１】
図１０においては図示を省略しているが、送液ポンプ６０と燃料ポンプ４７との間には、燃料容器５０から供給された高濃度燃料と循環ラインＬ１から供給された液体とを混合させ、一定濃度のメタノール水溶液を調製するための混合タンク（図示省略）を配置することもできる。気体回収流路３２ａの出口側は、揮発性有機化合物（ＶＯＣ）除去器２１が接続されている。他は、図１に示す燃料電池１００ａと実質的に同様であるので記載を省略する。
【００５２】
図１０に示す燃料電池１００ｄによれば、燃料電池内１００ｄ内において気液分離を行うことができるため、アノード流路板３０の出口側から排出される未反応の燃料を再利用する場合に、アノード流路板３０の出口側に気液分離器を配置する必要がなくなり、装置の小型化が図れる。また、循環ラインＬ１を流れる流体には気体が殆ど含まれないため、循環ラインＬ１内の流路の圧力損失も小さくすることができる。
【００５３】
（第４変形例）
図１１に示すように、第４変形例に係る燃料電池１００ｅ（燃料電池システム）は、燃料流路３１として、燃料供給ライン５１ａに接続された流通部３１ａと流通部３１ａに接続された送給部３１ｂとを有する。送給部３１ｂは、疎液性多孔体１０に接する第１流路３１０ｂと、第１流路３１０ｂに接続され第１流路３１０ｂより流体の拡散抵抗が大きい第２流路３１１ｂとを含む。
【００５４】
第２流路３１１ｂとしては、例えば、第１流路３１０ｂより管の直径が細い配管や、流路内に微細な孔を有する板などを配置する等して、流体が流通するときの拡散抵抗を第１流路３１０ｂの拡散抵抗より大きくしたものを使用することができる。
【００５５】
燃料容器５０に貯蔵された燃料は、燃料供給ライン５１ａ、燃料ポンプ４７を通って流通部３１ａ、第２流路３１１ｂ及び第１流路３１０ｂを通過し、その後、疎液性多孔体１０の貫通孔１０ａを通ってアノードガス拡散層４に流れる。一方、アノード反応で生成されたＣＯ2は、アノードガス拡散層４から疎液性多孔体１０の貫通孔１０ａの空いていない領域を通り、気体回収流路３２ａ〜３２ｅを介してＶＯＣ除去器２１に導入される。ＣＯ2に含まれる微量の有機物は、ＶＯＣ除去器２１において除去される。他は、図１に示す燃料電池１００ａと実質的に同様であるので記載を省略する。
【００５６】
図１１に示す燃料電池１００ｅによれば、第２流路３１１ｂを介して第１流路３１０ｂに燃料が供給されるため、第２流路３１１ｂの流速が、ＭＥＡ８側から第1流路３１０ｂへの水の逆拡散を防止する程度に加速される。その結果、第２流路３１１ｂの上流側の燃料が希釈されないので、安定に発電することが可能になる。燃料供給は、循環させる必要はなく、燃料循環部の小型化、補器電力の削減を行うことが可能になる。
【００５７】
（第５変形例）
図１２は、図２のＢ−Ｂ方向からみた断面図である。第５変形例に係る燃料電池１００ｆ（燃料電池システム）は、図１２に示すように、分岐流路３３を有する。分岐流路３３は、第２流路３１１ｂを介して、複数の貫通孔１０ａにそれぞれ接続された第１流路３１０ｂのそれぞれに接続されている。分岐流路３３はポンプ８４に接続されている。ポンプ８４は、燃料容器５０内の燃料を、流通部３１ａ及び第２流路３１１ｂを介して第１流路３１０ｂへ送給する、或いは第１流路３１０ｂ内の燃料を、燃料電池１００ｆの外へ汲み出す。ポンプ８４の上流側は、切り替えバルブ８５を介して燃料容器５０及びタンク３９に接続されている。タンク３９は、分岐流路３３を介して回収された第１流路３１０ｂ内の燃料を貯蔵する。他は、図１１に示す燃料電池１００ｅと実質的に同様である。
【００５８】
図１２に示す燃料電池１００ｆの構成を採用すると、第１流路３１０ｂより流体の拡散抵抗が大きい第２流路３１１ｂが配置されることにより、発電を停止させた場合に第１流路３１０ｂ内に燃料が残存する場合がある。
【００５９】
例えば、燃料としてメタノール燃料を使用した場合、発電停止後に燃料電池１００ｆ内に残存する燃料を除去しないでおくと、濃度拡散（いわゆるメタノールクロスオーバーの一種）等によりメタノールがカソード触媒層２側に移動し、カソード触媒層２でメタノールが酸素と反応されて消費される。このようにして、次々と第1流路３１０ｂ中のメタノールが選択的に濃度拡散で消費されることにより、第１流路３１０ｂ内中のメタノール濃度が低下する。
【００６０】
メタノールの濃度が低下した燃料を第１流路３１０ｂ中に残した状態で発電を再開しても、液体中のメタノール濃度拡散速度が遅くなるため、当初から十分な発電を行えない場合がある。メタノール濃度を高くするためには、高濃度燃料を第１流路３１０ｂに送給することが考えられるが、高濃度燃料がＭＥＡ８と接するため、ＭＥＡ８の性能劣化を招く可能性がある。
【００６１】
これに対し、図１２に示す燃料電池１００ｆによれば、発電を停止した場合に、ポンプ８４により分岐流路３３を通じて第１流路３１０ｂ内の燃料を汲み出して、タンク３５に収容しておく。これにより、第１流路３１０ｂ内、及び貫通孔１０ａには、液体が無くなる。発電を再開する場合は、タンク３５に収容した低濃度の燃料を第１流路３１０ｂ内、及び貫通孔１０ａにポンプ８４により供給することにより、速やかに発電が再開できる。また、高濃度燃料がＭＥＡ８に接する可能性をも低減でき、ＭＥＡ８の性能低下を抑制することができる。
【００６２】
図１２においては、小型化するために、燃料容器５０からの燃料送給とタンク３９への燃料回収を併用させたポンプ８５を採用している。しかしながら、燃料送給用のポンプと燃料回収用のポンプは別々に設けてもよいことは勿論である。また、第１流路３１０内の燃料を、第２流路３１１ｂから直接回収するような流路を設けてもよい。
【００６３】
（第６変形例）
図１３は、図１４のＣ−Ｃ方向からみた断面図である。第６変形例に係る燃料電池１００ｇ（燃料電池システム）は、図１３に示すように、アノード流路板３０とアノードガス拡散層４との間に、親液性多孔体１１が配置されている。
【００６４】
親液性多孔体１１は、アノードガス拡散層４に接する面とアノード流路板３０に接する面との間を貫通する複数の貫通孔１１ａを有する。図１４（ｅ）に示すように、貫通孔１１ａは、厚み約２００μｍ、孔径数μｍの細孔を有するシート状の親液性カーボン多孔体の一面に碁盤目状に開けられている。貫通孔１１ａの孔径は、親液性多孔体１１が有する孔径数μｍのミクロな細孔に比べて充分大きくなっており、例えば、直径約１ｍｍとすることができる。貫通孔１１ａの孔径は、アノード流路板３０の流路の幅等に応じて適宜変更可能である。
【００６５】
親液性多孔体１１としては、親水処理されたカーボン繊維よりなる孔径数μｍの細孔を有するカーボンペーパー又はカーボンクロス等が用いられる。若しくは、孔径数μｍの細孔を有する親水性の燒結金属したものや、電気伝導性を有する孔径数μｍ以下の多孔体で親水性を有する材料を用いることができる。
【００６６】
図１３に示すアノード流路板３０の気体回収流路３２ｂ、３２ｄの端部は、疎液性多孔体１１の貫通孔１１ａに接続されている。燃料流路３１は、貫通孔１１ａが形成されていない部分の親液性多孔体１１（図１４（ｅ）の領域１１ｂ）に接続されている。他は、図１に示す燃料電池１００ａと実質的に同様であるので、重複した記載を省略する。
【００６７】
図１３に示す燃料電池１００ｇによれば、親液性多孔体１１が親液性であるため、送液ポンプ６０等により燃料流路３１に送給される燃料が、親液性多孔体１１中に保持される。一方、アノード反応により生成され、アノードガス拡散層４に運ばれたＣＯ2は、アノードガス拡散層４と親液性多孔体１１との界面に達したときに、液体（燃料）を保持した親液性多孔体１１内を通過するよりも、貫通孔１１ａを通過する方が容易であるため、貫通孔１１ａに優先的に収容される。
【００６８】
そして、その親液性多孔体１１の貫通孔１１ａを通過するＣＯ2を、気体回収流路３２ａ〜３２ｅを用いて回収させることにより、燃料流路３１側にＣＯ2が混入するのを抑制できる。親液性多孔体１１を配置することにより、ＭＥＡ８を任意の方向に傾けても、ＣＯ2は、気液分離された状態で排出できる。第１〜第５変形例に示した燃料電池１００ａ〜１００ｆの構成を、第６変形例に示した燃料電池１００ｇに応用することができるが、ここでは図示を省略する。
【００６９】
（第２の実施の形態）
図１５は、図１６のＤ−Ｄ方向からみた断面図である。第２の実施の形態に係る燃料電池１００ｈ（燃料電池システム）は、図１５に示すように、ＭＥＡ８と、ＭＥＡ８に接する疎液性多孔体１０と、疎液性多孔体１０に接する表面に、アノード電極で生成される気体を疎液性多孔体１０を介して回収する気体回収流路３２及びＭＥＡ８に燃料を送給する燃料流路３１を備えるアノード流路板３０と、気体回収流路３２ａにガスを供給する気体供給手段９０とを備える。
【００７０】
図１６（ａ）及び図１６（ｃ）に示すように、気体回収流路３２は、疎液性多孔体１０と接し、第１アノード流路板３０ａの表面に溝状に形成された気体回収流路３２ｃ、３２ｅと、気体回収流路３２ｃ、３２ｅの溝の中に形成され、第１アノード流路板３０ａを貫通する気体回収流路３２ｂ、３２ｄと、第２アノード流路板３０ｂの表面に溝状に形成され、気体回収流路３２ｂ、３２ｄに接続された気体回収流路３２ａとを有する。
【００７１】
図１６（ａ）に示すように、気体回収流路３２ａは、入口端３０５と出口端３０４を有している。気体供給手段９０は、入口端３０５に接続されており、入口端３０５から出口端３０４へ外部気体を供給する。気体供給手段９０としては、例えばポンプなどが好適に用いられる。
【００７２】
気体供給手段９０が供給する外部気体は、空気、酸素等が好適であるが、窒素等の他のガスを用いてもよい。気体回収流路３２ａの出口端３０４は、マニホールド等を介して空気導入路４２に接続された空気供給ライン（空気供給配管）Ｌ２に接続されている。ラインＬ２を介して空気導入路４２に空気を導入することにより、空気導入路４２に空気を供給するためのポンプを別途設ける必要がないので、小型化が図れる。他は、図１に記載した燃料電池１００ａと実質的に同様であるので、記載を省略する。
【００７３】
発電時は、アノード反応により発生したＣＯ2が気体回収流路３２ａを通って燃料電池１００ｈの外部へ排出される。しかしながら、発電を停止させると、ＣＯ2の生成が停止するため、気体回収流路３２ａの内圧が急激に下がる結果、発電時は疎液性多孔体１０からガス回収流路の出口へ向かっていたガスの流れ方向が停止時には逆になる。
【００７４】
その結果、気体回収流路３２ａ〜３２ｅやその出口端３０４に付着している液滴３８が、ガスの流れに伴い疎液性多孔体１０の方向に流れ、疎液性多孔体１０まで達することにより、疎液性多孔体１０を濡らす場合がある。一方、液滴３８が動かなかったとしても、燃料流路３１の燃料が疎液性多孔体１０の疎水性に打ち勝って吸い込まれる程度まで気体回収流路３２ａ〜３２ｅやアノード電極（１、４、６）側の圧力が下がることから、疎液性多孔体１０が液体で濡れる原因となる。
【００７５】
第２の実施の形態においては、気体供給手段９０によって気体回収流路３２ａ内に外部気体を流通させておくことにより、気体供給手段９０内を乾燥させ、液滴３８の発生を抑制できる。また、発電時に気体供給手段９０によって気体回収流路３２ａ内に常時ガスを供給しておくことにより、気体回収流路３２ａ中のＣＯ2濃度を低くすることができる。その結果、発電を停止させたときに気体回収流路３２ａ中のＣＯ2の逆流をより効果的に抑制することができる。また、液滴３８が生じた場合でも、液滴３８を下流側に流せるので、液滴３８の逆流により疎液性多孔体１０が濡れる恐れが減少する。
【００７６】
なお、外部気体は、ＭＥＡ８の電極面に対して実質的に平行な向きに配置に流路方向を有する気体回収流路３２ａに選択的に流すようにするのが好ましい。例えば、疎液性多孔体１０と接する気体回収流路３２ｄとして、気体回収流路３２ａよりも流体の拡散抵抗が大きい（圧力損失の大きい）流路を採用することにより、気体回収流路３２ｄへの外部気体の混入を抑制でき、外部気体の流通によるＭＥＡの過度な乾燥を抑制できる。気体回収流路３２ｄの流体の拡散抵抗を気体回収流路３２ａよりも大きくするためには、例えば、気体回収流路３２ｄとして、気体回収流路３２ａより管の直径が細い配管や、流路内に微細な孔を有する板などを配置する等すればよい。
【００７７】
図１７は、気体供給手段９０を介して外部気体を気体回収流路３２ａに供給して発電を停止した場合と、気体回収流路３２ａ中に外部気体を供給しない場合の疎液性多孔体１０のＣＯ2吸い込み量（体積）の比較を示すグラフである。気体回収流路３２ａに外部気体を供給することにより、ＣＯ2吸い込み量を大幅に減少できていることがわかる。
【００７８】
第２の実施の形態においては、疎液性多孔体１０を用いた気液分離方式を例に説明したが、これに限られない。即ち、第２の実施の形態においても、図１〜図１４において説明した燃料電池１００ａ〜１００ｇに用いられた構成と図１５、図１６（ａ）〜図１６（ｅ）の構成を適宜組み合わせて、図１〜図１４に示した燃料電池と同様の形態を採用できることは勿論である。
【００７９】
例えば、第２の実施の形態においては、第１の実施の形態と異なり、第２のシール部９ａに第１のシール部９ｂよりもＣＯ2透過性の低い材料を用いなくても疎液性多孔体１０或いは親液性多孔体１１への液滴３８の浸み出しや排出ガスの逆流が抑制できる。しかしながら、気液分離能力をより向上させるためには、燃料電池１００ｈの第２のシール部９ａとして第１のシール部９ｂよりもＣＯ2透過性が低い材料を用いてもよいことは勿論である。
【００８０】
気体供給手段９０が気体回収流路３２ａに気体を送給するタイミングは、アノード電極側の急激な圧力変化によるＣＯ2及び液滴３８の逆流を防ぐ点では、少なくとも発電停止前後に気体を送給することが考えられるが、常時送給してもよい。気体の送給制御は、操作者が手動で操作してもよいし、燃料電池１００ｈの発電状況に応じて、燃料電池１００ｈに接続された図示しない制御装置により自動制御させてもよい。
【００８１】
このように、本発明は上記の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が可能である。本発明は、この開示から妥当な特許請求の範囲の発明特定事項によって表されるものであり、実施段階においては、その要旨を逸脱しない範囲で変形して具体化できる。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】第１の実施の形態に係る燃料電池システムの一例を示し、図２のＡ−Ａ断面からみた概略図である。
【図２】図２（ａ）は第２アノード流路板の平面図、図２（ｂ）は、第１及び第２アノード流路板間に配置されるシール部材の平面図、図２（ｃ）は、第１アノード流路板の平面図、図２（ｄ）は、第２のシール部材の平面図、図２（ｅ）は疎液性多孔体の平面図である。
【図３】第１の実施の形態に係る燃料電池システムの発電時の燃料と排気ガスの流れを示す説明図である。
【図４】第１の実施の形態に係る燃料電池システムの発電停止時における排気ガスの流れを示す説明図である。
【図５】天然ゴムの２５℃における各種ガス透過性を１００とした場合の、各種ゴム材料のガス透過性を示す表である。
【図６】第１の実施の形態に係る燃料電池システムと比較例とのＣＯ2吸い込み体積量の比較を示すグラフである。
【図７】第１の実施の形態に係る燃料電池に用いられる各種ゴム材料のガス透過性をＪＩＳＫ７１２６に基づいて評価した結果を示す表である。
【図８】第１の実施の形態の第１変形例に係る燃料電池システムを示す概略図である。
【図９】第１の実施の形態の第２変形例に係る燃料電池システムを示す概略図である。
【図１０】第１の実施の形態の第３変形例に係る燃料電池システムを示す概略図である。
【図１１】第１の実施の形態の第４変形例に係る燃料電池システムを示す概略図である。
【図１２】第１の実施の形態の第５変形例に係る燃料電池システムを示し、図２のＢ−Ｂ断面からみた場合の概略図である。
【図１３】第１の実施の形態の第６変形例に係る燃料電池システムを示し、図１４のＣ−Ｃ断面からみた場合の概略図である。
【図１４】図１４（ａ）は図１３の第２アノード流路板の平面図、図１４（ｂ）は、第１及び第２アノード流路板間に配置されるシール部材の平面図、図１４（ｃ）は、第１アノード流路板の平面図、図１４（ｄ）は、第２のシール部材の平面図、図１４（ｅ）は疎液性多孔体の平面図である。
【図１５】第２の実施の形態に係る燃料電池システムを示し、図１６のＤ−Ｄ断面からみた場合のす概略図である。
【図１６】図１６（ａ）は図１５の第２アノード流路板の平面図、図１６（ｂ）は、第１及び第２アノード流路板間に配置されるシール部材の平面図、図１６（ｃ）は、第１アノード流路板の平面図、図１６（ｄ）は、第２のシール部材の平面図、図１６（ｅ）は疎液性多孔体の平面図である。
【図１７】第２の実施の形態に係る燃料電池システムと比較例とのＣＯ2吸い込み体積量の比較を表すグラフである。
【符号の説明】
【００８３】
１…アノード触媒層
２…カソード触媒層
３…電解質膜
４…アノードガス拡散層
５…カソードガス拡散層
６…アノードマイクロポーラス層
７…カソードマイクロポーラス層
８…ＭＥＡ
９ａ…第２のシール部
９ｂ…第１のシール部
１０…疎液性多孔体
１０ａ…貫通孔
１１…親液性多孔体
１１ａ…貫通孔
１２…親液性多孔体
１４…コンタクト
３０…アノード流路板
３１…燃料流路
３１ａ…流通部
３１ｂ…送給部
３２ａ〜３２ｅ…気体回収流路
３３…分岐流路
３５…タンク
３６、３７…第３のシール部
３８…液滴
４０…カソード流路板
６０…送液ポンプ
９０…気体供給手段
１００ａ〜１００ｈ…燃料電池システム
３１０ｂ…第１流路
３１１ｂ…第２流路
【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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【図１６】
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【図１７】
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