(57)【要約】【課題】  簡素な構成で水分を移動させることのできる燃料電池、燃料電池用薄膜及び燃料電池用薄膜の製造方法を提供する。【解決手段】  アノードに水素を含むアノードガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含むカソードガスの供給を受けて、電力を発生する燃料電池１０であって、電解質膜１２と、電解質膜１２上に設けられた触媒層１４と、触媒層１４上に設けられた拡散層１６と、拡散層１６上に設けられ、カソードガスの流路２２が設けられたセパレータ１９と、を備え、カソードガスの流路２２の近傍に所定の繊維からなる水分移動促進膜３４を設けた。【選択図】      図２
2005235727.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードに水素を含むアノードガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含むカソードガスの供給を受けて、電力を発生する燃料電池であって、
前記カソードガスの流路の近傍に所定の繊維からなる水分移動手段を設けたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記所定の繊維は、その断面形状に少なくとも１つの凹部を有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記所定の繊維の延在する方向が一定の方向に揃えられたことを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記所定の繊維は、カーボン繊維であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項５】
前記水分移動手段は、前記カソードガスの流路の内壁の少なくとも一部に設けられたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項６】
前記アノードガス中の水素と前記カソードガス中の酸素とを反応させる電解質膜と、
前記電解質膜上に設けられた触媒層と、
前記触媒層上に設けられた拡散層と、
前記拡散層上に設けられ、前記カソードガスの流路が設けられたセパレータと、を備え、
前記水分移動手段は、前記電解質膜、前記触媒層、前記拡散層、又は前記セパレータの少なくとも１つに配設されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項７】
前記アノードガス中の水素と前記カソードガス中の酸素とを反応させる電解質膜と、
前記電解質膜上に設けられた触媒層と、
前記触媒層上に設けられた拡散層と、
前記拡散層上に設けられ、前記カソードガスの流路が設けられたセパレータと、を備え、
前記水分移動手段は、前記電解質膜、前記触媒層、前記拡散層、又は前記セパレータの界面に配設されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項８】
アノードに水素を含むアノードガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含むカソードガスの供給を受けて、電力を発生する燃料電池であって、
前記アノードガス中の水素と前記カソードガス中の酸素とを反応させる電解質膜と、
前記電解質膜上に設けられた触媒層と、
前記触媒層上に設けられた拡散層と、
前記拡散層上に設けられ、前記カソードガスの流路が設けられたセパレータと、を備え、
前記電解質膜、前記触媒層、前記拡散層、又は前記セパレータが、水分の移動を促進する所定の繊維を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項９】
前記所定の繊維は、その断面形状に少なくとも１つの凹部を有することを特徴とする請求項８記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記所定の繊維の延在する方向が一定の方向に揃えられたことを特徴とする請求項８又は９記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記所定の繊維は、カーボン繊維であることを特徴とする請求項８〜１０のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１２】
燃料電池用薄膜であって、
所定の繊維を織成して形成され、
所定の方向に延在する繊維のみ、その断面形状に少なくとも１つの凹部を有することを特徴とする燃料電池用薄膜。
【請求項１３】
前記所定の繊維は、カーボン繊維であることを特徴とする請求項１２記載の燃料電池用薄膜。
【請求項１４】
燃料電池用薄膜であって、
所定の繊維を膠着させて形成され、
前記繊維の延在する方向を所定の方向に揃えたことを特徴とする燃料電池用薄膜。
【請求項１５】
前記所定の繊維は、その断面形状に少なくとも１つの凹部を有することを特徴とする請求項１４記載の燃料電池用薄膜。
【請求項１６】
前記所定の繊維は、カーボン繊維であることを特徴とする請求項１４又は１５記載の燃料電池用薄膜。
【請求項１７】
燃料電池用薄膜の製造方法であって、
石炭系、又は石油系のピッチを、少なくとも１つの凹部を有する型から押し出し、断面形状に少なくとも１つの凹部を有するカーボン繊維を形成する工程と、
前記カーボン繊維を用いて燃料電池用薄膜を形成する工程と、
を有することを特徴とする燃料電池用薄膜の製造方法。
【請求項１８】
燃料電池用薄膜の製造方法であって、
高分子材料からなる繊維材料を、少なくとも１つの凸部を有する型から押し出し、断面形状に少なくとも１つの凹部を有する繊維を形成する工程と、
前記繊維に炭素化処理を施して、カーボン繊維を形成する工程と、
前記カーボン繊維を用いて燃料電池用薄膜を形成する工程と、
を有することを特徴とする燃料電池用薄膜の製造方法。
【請求項１９】
燃料電池用薄膜の製造方法であって、
断面形状に少なくとも１つの凹部を有する縦糸と、断面形状に凹部を有していない横糸とを織成して燃料電池用薄膜を形成することを特徴とする燃料電池用薄膜の製造方法。
【請求項２０】
燃料電池用薄膜の製造方法であって、
燃料電池用薄膜を構成する繊維の延在方向を揃える工程と、
前記繊維の延在方向を揃えた状態で前記繊維を膠着させる工程と、
を有することを特徴とする燃料電池用薄膜の製造方法。
【請求項２１】
前記繊維の延在方向を揃える工程において、表面に溝を有する板材を用い、前記溝内に前記繊維を挿入することで前記繊維の延在方向を揃えることを特徴とする請求項２０記載の燃料電池用薄膜の製造方法。
【請求項２２】
前記繊維の延在方向を揃える工程において、超音波振動又は機械的振動を与えて前記繊維の延在方向を揃えることを特徴とする請求項２０記載の燃料電池用薄膜の製造方法。
【請求項２３】
前記カソードに隣接して配設され、前記カソードガスの流路が設けられたセパレータと、
前記カソードガスの流路に対して前記セパレータの背面側に配設され、前記カソードガスの流路に前記カソードガスを供給するガス流路と、
前記セパレータの少なくとも一部に配設され、前記カソードガスの流路から前記ガス流路へ水分を送る多孔質部と、を更に備えたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項２４】
前記カソードガスの流路に対して前記セパレータの背面側に配設され、前記カソードガスの流路に前記カソードガスを供給するガス流路と、
前記セパレータの少なくとも一部に配設され、前記カソードガスの流路から前記ガス流路へ水分を送る多孔質部と、を更に備えたことを特徴とする請求項６〜１１のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項２５】
前記カソードガスの流路における上流と下流が近接するように前記カソードガスの流路を構成したことを特徴とする請求項１〜１１、２３及び２４のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項２６】
前記所定の繊維は親水基を有することを特徴とする請求項１〜１１及び２３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項２７】
前記水分移動手段の表面に凹凸を設けたことを特徴とする請求項１〜７及び２３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項２８】
前記所定の繊維は、前記多孔質部よりも毛管吸引力の高い物質からなることを特徴とする請求項２３又は２４記載の燃料電池。
【請求項２９】
前記水分移動手段は、前記カソードガスの流路の内壁の少なくとも一部に設けられたことを特徴とする請求項２４記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、アノードに供給した水素とカソードに供給した酸素とを反応させて電力を発生する燃料電池、燃料電池用薄膜及び燃料電池用薄膜の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、アノードに供給した水素とカソードに供給した酸素とを反応させて電力を発生する。このような燃料電池において、特開２００３−１０９６２０号公報には、セパレータのカソード流路がＳ字状に蛇行して、流路の上流側と下流側が隣接した構成が開示され、流路を構成するリブ部の端面に形成された毛細管を経由してカソード流路の下流側から上流側へ水分を移動可能とした構成が開示されている。
【０００３】
また、特開平９−２８３１５７号公報には、セパレータに配設された透水性の樹脂を介して、カソードで生成された生成水が冷却用ガス流路に供給可能とされ、冷却用ガス流路にはカソードに供給するガスを流す技術が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１０９６２０号公報
【特許文献２】特開平９−２８３１５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特開２００３−１０９６２０号公報に開示された方法では、毛細管を経由して水分を移動させているため、カソードの流路の構成が複雑となり、燃料電池の設計自由度が低下するという問題が生じる。また、毛細管を形成するためには複雑な工程が必要となるため、燃料電池の製造コストが上昇するという問題も生じる。
【０００６】
また、特開平９−２８３１５７号公報に開示された技術では、カソードのエアの流れによって水分が燃料電池の外に排出されてしまい、生成水が冷却用ガス流路に充分供給されず、この結果、電解質膜が乾燥して燃料電池の発電性能が低下する虞がある。
【０００７】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、簡素な構成で水分を移動させることのできる燃料電池、燃料電池用薄膜及び燃料電池用薄膜の製造方法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】
【０００８】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、アノードに水素を含むアノードガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含むカソードガスの供給を受けて、電力を発生する燃料電池であって、前記カソードガスの流路の近傍に所定の繊維からなる水分移動手段を設けたことを特徴とする。
【０００９】
第２の発明は、第１の発明において、前記所定の繊維は、その断面形状に少なくとも１つの凹部を有することを特徴とする。
【００１０】
第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記所定の繊維の延在する方向が一定の方向に揃えられたことを特徴とする。
【００１１】
第４の発明は、第１〜第３のいずれかにおいて、前記所定の繊維は、カーボン繊維であることを特徴とする。
【００１２】
第５の発明は、第１〜第４の発明のいずれかにおいて、前記水分移動手段は、前記カソードガスの流路の内壁の少なくとも一部に設けられたことを特徴とする。
【００１３】
第６の発明は、第１〜第４の発明のいずれかにおいて、前記アノードガス中の水素と前記カソードガス中の酸素とを反応させる電解質膜と、前記電解質膜上に設けられた触媒層と、前記触媒層上に設けられた拡散層と、前記拡散層上に設けられ、前記カソードガスの流路が設けられたセパレータと、を備え、前記水分移動手段は、前記電解質膜、前記触媒層、前記拡散層、又は前記セパレータの少なくとも１つに配設されたことを特徴とする。
【００１４】
第７の発明は、第１〜第４の発明のいずれかにおいて、前記アノードガス中の水素と前記カソードガス中の酸素とを反応させる電解質膜と、前記電解質膜上に設けられた触媒層と、前記触媒層上に設けられた拡散層と、前記拡散層上に設けられ、前記カソードガスの流路が設けられたセパレータと、を備え、前記水分移動手段は、前記電解質膜、前記触媒層、前記拡散層、又は前記セパレータの界面に配設されたことを特徴とする。
【００１５】
第８の発明は、上記の目的を達成するため、アノードに水素を含むアノードガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含むカソードガスの供給を受けて、電力を発生する燃料電池であって、前記アノードガス中の水素と前記カソードガス中の酸素とを反応させる電解質膜と、前記電解質膜上に設けられた触媒層と、前記触媒層上に設けられた拡散層と、前記拡散層上に設けられ、前記カソードガスの流路が設けられたセパレータと、を備え、前記電解質膜、前記触媒層、前記拡散層、又は前記セパレータが、水分の移動を促進する所定の繊維を含むことを特徴とする。
【００１６】
第９の発明は、第８の発明において、前記所定の繊維は、その断面形状に少なくとも１つの凹部を有することを特徴とする。
【００１７】
第１０の発明は、第８又は第９の発明において、前記所定の繊維の延在する方向が一定の方向に揃えられたことを特徴とする。
【００１８】
第１１の発明は、第８〜第１０の発明のいずれかにおいて、前記所定の繊維は、カーボン繊維であることを特徴とする。
【００１９】
第１２の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池用薄膜であって、所定の繊維を織成して形成され、所定の方向に延在する繊維のみ、その断面形状に少なくとも１つの凹部を有することを特徴とする。
【００２０】
第１３の発明は、第１２の発明において、前記所定の繊維は、カーボン繊維であることを特徴とする。
【００２１】
第１４の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池用薄膜であって、所定の繊維を膠着させて形成され、前記繊維の延在する方向を所定の方向に揃えたことを特徴とする。
【００２２】
第１５の発明は、第１４の発明において、前記所定の繊維は、その断面形状に少なくとも１つの凹部を有することを特徴とする。
【００２３】
第１６の発明は、第１４又は第１５の発明において、前記所定の繊維は、カーボン繊維であることを特徴とする。
【００２４】
第１７の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池用薄膜の製造方法であって、石炭系、又は石油系のピッチを、少なくとも１つの凹部を有する型から押し出し、断面形状に少なくとも１つの凹部を有するカーボン繊維を形成する工程と、前記カーボン繊維を用いて燃料電池用薄膜を形成する工程と、を有することを特徴とする。
【００２５】
第１８の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池用薄膜の製造方法であって、高分子材料からなる繊維材料を、少なくとも１つの凸部を有する型から押し出し、断面形状に少なくとも１つの凹部を有する繊維を形成する工程と、前記繊維に炭素化処理を施して、カーボン繊維を形成する工程と、前記カーボン繊維を用いて燃料電池用薄膜を形成する工程と、を有することを特徴とする。
【００２６】
第１９の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池用薄膜の製造方法であって、断面形状に少なくとも１つの凹部を有する縦糸と、断面形状に凹部を有していない横糸とを織成して燃料電池用薄膜を形成することを特徴とする。
【００２７】
第２０の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池用薄膜の製造方法であって、燃料電池用薄膜を構成する繊維の延在方向を揃える工程と、前記繊維の延在方向を揃えた状態で前記繊維を膠着させる工程と、を有することを特徴とする。
【００２８】
第２１の発明は、第２０の発明において、前記繊維の延在方向を揃える工程において、表面に溝を有する板材を用い、前記溝内に前記繊維を挿入することで前記繊維の延在方向を揃えることを特徴とする。
【００２９】
第２２の発明は、第２０の発明において、前記繊維の延在方向を揃える工程において、超音波振動又は機械的振動を与えて前記繊維の延在方向を揃えることを特徴とする。
【００３０】
第２３の発明は、第１〜第５の発明のいずれかにおいて、前記カソードに隣接して配設され、前記カソードガスの流路が設けられたセパレータと、前記カソードガスの流路に対して前記セパレータの背面側に配設され、前記カソードガスの流路に前記カソードガスを供給するガス流路と、前記セパレータの少なくとも一部に配設され、前記カソードガスの流路から前記ガス流路へ水分を送る多孔質部と、を更に備えたことを特徴とする。
【００３１】
第２４の発明は、第６〜第１１の発明のいずれかにおいて、前記カソードガスの流路に対して前記セパレータの背面側に配設され、前記カソードガスの流路に前記カソードガスを供給するガス流路と、前記セパレータの少なくとも一部に配設され、前記カソードガスの流路から前記ガス流路へ水分を送る多孔質部と、を更に備えたことを特徴とする。
【００３２】
第２５の発明は、第１〜第１１、第２３及び第２４の発明のいずれかにおいて、前記カソードガスの流路における上流と下流が近接するように前記カソードガスの流路を構成したことを特徴とする。
【００３３】
第２６の発明は、第１〜第１１及び第２３の発明のいずれかにおいて、前記所定の繊維は親水基を有することを特徴とする。
【００３４】
第２７の発明は、第１〜第７及び第２３の発明のいずれかにおいて、前記水分移動手段の表面に凹凸を設けたことを特徴とする。
【００３５】
第２８の発明は、第２３又は第２４の発明において、前記所定の繊維は、前記多孔質部よりも毛管吸引力の高い物質からなることを特徴とする。
【００３６】
第２９の発明は、第２４の発明において、前記水分移動手段は、前記カソードガスの流路の内壁の少なくとも一部に設けられたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００３７】
第１の発明によれば、カソードガスの流路の近傍に所定の繊維からなる水分移動手段を設けたため、繊維の毛管吸引力により、反応により生成された水分をカソードガスの流路の下流側から上流側へ移動させることが可能となる。これにより、流路に溜まった水分によってカソードガス中の酸素の移動が阻害されてしまうことを抑止でき、燃料電池の効率を高めることが可能となる。また、カソードガスの流路の上流側に移動させた水分をカソードガス中に供給することができため、カソードガスを確実に加湿することが可能となり、流路の上流側においてカソードガス中の酸素のイオン化を促進することができる。
【００３８】
第２の発明によれば、断面形状に少なくとも１つの凹部を有する繊維を用いることで、水分移動手段における空隙率を高めることができ、確実に導水経路を確保することができる。従って、反応により生成された水分をカソードガスの流路の下流側から上流側へ確実に移動することができる。また、少なくとも１つの凹部を有する繊維を用いることで、繊維の表面積が拡大され、繊維の速乾性を高めることができる。従って、繊維に沿って移動した水分を乾燥させてカソードガス中に供給することができ、カソードガスを確実に加湿することが可能となる。
【００３９】
第３の発明によれば、繊維の延在する方向を一定の方向に揃えたことにより、水分の移動方向を規定することができる。従って、カソードガスの流路と繊維の延在する方向を一致させることで、カソードガスの流路の下流側から上流側へ水分を確実に移動することができる。
【００４０】
第４の発明によれば、水分移動手段をカーボン繊維から構成することで、水分移動手段に導電性をもたせることができる。従って、導電性が必要となる燃料電池の部位に水分移動手段を設けることが可能となる。
【００４１】
第５の発明によれば、水分移動手段をカソードガスの流路の内壁の少なくとも一部に設けたことにより、カソードガスの流路に沿って水分を移動させることが可能となる。
【００４２】
第６の発明によれば、電解質膜、触媒層、拡散層、又はセパレータの少なくとも１つに水分移動手段を配設したことにより、電解質膜、触媒層、拡散層、セパレータ内に沿って水分を移動させることができる。
【００４３】
第７の発明によれば、電解質膜、触媒層、拡散層、又はセパレータの界面に水分移動手段を配設したことにより、界面に沿って水分を移動させることができる。
【００４４】
第８の発明によれば、電解質膜、触媒層、拡散層、又はセパレータが、水分の移動を促進する所定の繊維を含むため、繊維の毛管吸引力により、反応により生成された水分を移動することが可能となる。従って、カソードガスの流路の下流側から上流側へ移動させることが可能となり、流路に溜まった水分によってカソードガス中の酸素の移動が阻害されてしまうことを抑止することができる。また、カソードガスの流路の上流側に移動させた水分をカソードガス中に供給することができため、カソードガスを確実に加湿することが可能となり、流路の上流側においてカソードガス中の酸素のイオン化を促進することができる。
【００４５】
第９の発明によれば、断面形状に少なくとも１つの凹部を有する繊維を用いることで、繊維の周りの空隙率を高めることができ、確実に導水経路を確保することができる。従って、反応により生成された水分をカソードガスの流路の下流側から上流側へ確実に移動することができる。また、少なくとも１つの凹部を有する繊維を用いることで、繊維の表面積が拡大され、繊維の速乾性を高めることができる。従って、繊維に沿って移動した水分を乾燥させてカソードガス中に供給することができ、カソードガスを確実に加湿することが可能となる。
【００４６】
第１０の発明によれば、繊維の延在する方向を一定の方向に揃えたことにより、水分の移動方向を規定することができる。従って、カソードガスの流路と繊維の延在する方向を一致させることで、カソードガスの流路の下流側から上流側へ水分を確実に移動することができる。
【００４７】
第１１の発明によれば、所定の繊維をカーボン繊維としたことで、繊維に導電性をもたせることができる。従って、繊維を配設した箇所の導電性を確保することができる。
【００４８】
第１２の発明によれば、燃料電池用薄膜において、断面形状に少なくとも１つの凹部を有する繊維を所定の方向に延在させることで、その繊維の延在する方向に水分の移動方向が規制することができる。従って、この燃料電池用薄膜を燃料電池の所定部位に用いることで、燃料電池内の水分の移動方向を規制することが可能となる。
【００４９】
第１３の発明によれば、所定の繊維をカーボン繊維とすることで、燃料電池用薄膜に導電性をもたせることができる。従って、導電性が必要となる燃料電池の所定箇所に燃料電池用薄膜を配置することができる。
【００５０】
第１４の発明よれば、所定の繊維を膠着させて形成された燃料電池用薄膜において、繊維の延在する方向を所定の方向に揃えることで、その繊維の延在する方向に水分の移動方向が規制することができる。従って、この燃料電池用薄膜を燃料電池の所定部位に用いることで、燃料電池内の水分の移動方向を規制することが可能となる。
【００５１】
第１５の発明によれば、繊維の断面形状に少なくとも１つの凹部を設けることで、繊維の周りの空隙率を高めることができ、確実に導水経路を確保することができる。
【００５２】
第１６の発明によれば、所定の繊維をカーボン繊維とすることで、燃料電池用薄膜に導電性をもたせることができる。従って、導電性が必要となる燃料電池の所定箇所に燃料電池用薄膜を配置することができる。
【００５３】
第１７の発明によれば、石炭系、又は石油系のピッチを、少なくとも１つの凹部を有する型から押し出すことで、断面形状に少なくとも１つの凹部を有するカーボン繊維を形成することができ、このカーボン繊維を用いて燃料電池用薄膜を形成することで、カーボン繊維の延在する方向に水分の移動方向を規制した燃料電池用薄膜を製造することが可能となる。
【００５４】
第１８の発明によれば、高分子材料からなる繊維材料を、少なくとも１つの凹部を有する型から押し出すことで、断面形状に少なくとも１つの凹部を有する繊維を形成することができ、この繊維を炭素化することで断面形状に少なくとも１つの凹部を有するカーボン繊維を形成することができる。そして、このカーボン繊維を用いて燃料電池用薄膜を形成することで、カーボン繊維の延在する方向に水分の移動方向を規制した燃料電池用薄膜を製造することが可能となる。
【００５５】
第１９の発明によれば、断面形状に少なくとも１つの凹部を有する縦糸と、断面形状に凹部を有していない横糸とを織成して燃料電池用薄膜を形成することで、縦糸の延在する方向に水分の移動方向を規制した燃料電池用薄膜を製造することが可能となる。
【００５６】
第２０の発明によれば、繊維の延在方向を揃えた状態で繊維を膠着させて燃料電池用薄膜を製造することで、繊維の延在する方向に水分の移動方向を規制した燃料電池用薄膜を製造することが可能となる。
【００５７】
第２１の発明によれば、表面に溝を有する板材を用い、溝内に繊維を挿入することで繊維の延在方向を揃えることが可能となる。
【００５８】
第２２の発明によれば、超音波振動又は機械的振動を与えることで繊維の延在方向を揃えることが可能となる。
【００５９】
第２３の発明によれば、カソードガスの流路からセパレータの背面側のガス流路へ水分を送る多孔質部を設けたため、カソードガスの流路で吸収した水分をガス流路に送ることができる。これにより、カソードガスを確実に加湿することができ、電解質膜の乾燥による燃料電池の発電性能の低下を確実に抑制することができる。
【００６０】
第２４の発明によれば、カソードガスの流路からセパレータの背面側のガス流路へ水分を送る多孔質部を設けたため、カソードガスの流路で吸収した水分をガス流路に送ることができる。これにより、カソードガスを確実に加湿することができ、電解質膜の乾燥による燃料電池の発電性能の低下を確実に抑制することができる。
【００６１】
第２５の発明によれば、カソードガスの流路における上流と下流が隣接するようにカソードガスの流路を構成したため、カソードガスの流路に溜まった水分を上流に送ることが可能となる。これにより、カソードガスの流路の上流から下流にかけての全域に水分を均一に分布させることができ、セパレータの背面側のガス流路の全域に水分を供給することが可能となる。従って、セパレータの背面側のガス流路を流れるカソードガスの加湿を確実に行うことが可能となる。
【００６２】
第２６の発明によれば、所定の繊維は親水基を有して構成されるため、カソードガスの流路を常に水分で湿らせておくことが可能となる。これにより、カソードガスの加湿を連続的かつ確実に行うことが可能となる。
【００６３】
第２７の発明によれば、水分移動手段の表面に凹凸を設けたため、より広い範囲から水分を吸収することができ、カソードガスを確実に加湿することができる。
【００６４】
第２８の発明によれば、所定の繊維を多孔質部よりも毛管吸引力の高い物質から構成したため、所定の繊維に水分を取り込むことが容易となり、より多くの水分をセパレータの背面側のガス流路に供給することが可能となる。
【００６５】
第２９の発明によれば、水分移動手段をカソードガスの流路の内壁の少なくとも一部に設けたため、カソードガスの流路に沿って水分を移動させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６６】
以下、図面に基づいてこの発明のいくつかの実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００６７】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池１０の構成を示す分解斜視図である。燃料電池１０は、発電を行う際に水（水蒸気）を生成する種類のものであればよく、ここでは固体高分子型（ＰＥＭ）の燃料電池を例示する。図１は、燃料電池１０を構成する複数の単位セルの１つを示しており、燃料電池１０は図１の矢印方向に単位セルを積層して構成される。
【００６８】
図２は、積層方向に沿った単位セルの断面を示す模式図である。単位セルは、電解質膜１２、電解質膜１２の両側にそれぞれ配置される触媒層１４、拡散層１６、およびセパレータ１８，１９から構成される。図１及び図２において、セパレータ１８はアノード側に配置され、セパレータ１９はカソード側に配置されている。
【００６９】
電解質膜１２は、フッ素系樹脂などの固体高分子材料で形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。触媒層１４は、白金（Ｐｔ）を担持したカーボンペーストを電解質膜１２の表面に塗布することで形成されている。拡散層１６は、カーボン繊維を織成したカーボンクロス、またはカーボン繊維、カーボンペーストを素材とするペーパーにより形成されている。セパレータ１８，１９は、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンなどガス不透過の導電性部材により形成されている。
【００７０】
セパレータ１８には、拡散層１６と対向する面にアノードガス（水素ガス）の流路２０が設けられている。図１に示すように、流路２０の一端にはアノードガスの入口２６が、他端には出口２８が設けられている。
【００７１】
セパレータ１９には、拡散層１６と対向する面にカソードガス（酸素ガス）の流路２２が設けられている。図１に示すように、流路２２の一端にはカソードガスの入口３０が、他端には出口３２が設けられている。また、図２に示すように、セパレータ１９には冷却液の流路２４が設けられている。
【００７２】
図１に示すように、アノードガスの流路２０、カソードガスの流路２２は、ともに単位セルの積層方向と直交する面内に延在し、面内で蛇行した形状に設けられている。アノードガスが流路２０へ供給されると、アノードガス中の水素が拡散層１６および触媒層１４を通過する過程でイオン化され、水素イオンとなる。同様に、カソードガスが流路２２へ供給されると、カソードガス中の酸素が拡散層１６および触媒層１４を通過する過程でイオン化され、酸素イオンとなる。
【００７３】
そして、これらの水素イオン、酸素イオンが電解質膜１２に供給されると、電解質膜１２における反応で電力が発生する。また、これと同時にカソード側において、上記の水素イオンと酸素イオンとから水が生成される（（１／２）Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ）。この水のほとんどは、燃料電池１０内で発生する熱を吸収して水蒸気として生成される。
【００７４】
カソード側で生成された水分は流路２２内のカソードガス中に含まれ、カソードガスの流れによって下流側へ流れるため、流路２２の下流に水分が溜まる場合がある。図３（ａ）は、流路２２の下流に水分が溜まった状態を説明するための模式図である。水分が流路２２の下流に溜まると、拡散層１６の表面が水で覆われてしまい、電解質膜１２へ十分な量の酸素が供給されなくなる。このため、電解質膜１２における反応が低下し、燃料電池１０の効率が低下する場合がある。
【００７５】
また、カソード側で生成された水分が流路２２の下流に溜まると、流路２２の上流側においてカソードガスに水分が供給されなくなるため、流路２２の上流を流れるカソードガスが乾燥してしまう。このため、カソードガス中の酸素が十分にイオン化されなくなり、電解質膜１２での反応が低下する場合がある。
【００７６】
このため、本実施形態では、図２に示すように、流路２２の内壁面を覆うように水分移動促進膜３４を設けている。水分移動促進膜３４は繊維素材から構成されるクロス（布）またはペーパー（紙）であって、流路２２の内壁の全面に貼り付けられている。繊維素材は毛管吸引力を発生させ、吸水性が高いため、図３（ｂ）に示すように毛管吸引力によって水分移動促進膜３４内で水分を移動させることができ、流路２２の下流側に溜まった水分を上流側に送ることができる。従って、流路２２の下流側において拡散層１６の表面が水で覆われてしまうことを抑止でき、燃料電池１０の効率低下を抑止することができる。また、繊維素材から構成された水分移動促進膜３４は乾き易く、速乾性を有しているため、水分移動促進膜３４に吸収された水分は短時間で乾燥し、乾燥した水分はカソードガス中に水蒸気として供給される。従って、流路２２の上流側に移動した水分が乾燥することで、上流側においてカソードガス中への水分供給が促進される。この結果、流路２２の上流側においてカソードガスを十分に加湿することができ、上流側での酸素のイオン化が促進されるため、燃料電池１０の効率を高めることができる。
【００７７】
毛管吸引力を高めるため、水分移動促進膜３４は不定形断面形状を有する繊維３６から構成することが好ましい。図４は、不定形断面形状を有する繊維３６を示す模式図であって、繊維３６の長手方向と直交する方向に沿った断面形状を示している。図４に示すように、繊維３６は、その断面形状において少なくとも１つの凹部３８を有している。以下の説明において、断面形状に凹部３８が形成された繊維３６を、不定形断面形状を有する繊維３６と称することとする。なお、繊維３６の断面形状は、長手方向で可変するものであっても良い。
【００７８】
図５は、複数の繊維３６を束ねた状態を示す模式図である。繊維３６は不定形断面形状を有しているため、図５に示すように、複数の繊維３６を束ねた場合に多くの空隙の領域が発生する。従って、このような繊維３６によれば、束ねた際の空隙率が高いため、多くの導水経路が形成されることとなる。このため、繊維３６から構成された水分移動促進膜３４の毛管吸引力は非常に大きくなり、水分を繊維３６の長手方向に確実に移動させることができる。従って、このような繊維３６で水分移動促進膜３４を構成することで、流路２２の下流に溜まった水分を短時間で確実に上流側へ送ることができる。なお、本実施形態では、流路２２を蛇行させているため、流路２２の上流と下流の距離を短縮することができ、下流から上流への水分移動をより短時間で行うことが可能である。
【００７９】
また、不定形断面形状を有する繊維３６は、通常の断面形状（円形、角形など）の繊維に比べて凹部３８により表面積が拡大されているため、速乾性がより高くなる。従って、流路２２の上流側において、カソードガス中への水分供給をより促進することができる。この結果、流路２２の上流側においてカソードガスを十分に加湿することができ、上流側において酸素のイオン化が促進されるため、燃料電池１０の効率を高めることができる。
【００８０】
なお、上述した例では、流路２２の内壁の全面に水分移動促進膜３４を設けたが、一部の面のみに水分移動促進膜３４を設けても構わない。
【００８１】
以上説明したように実施の形態１によれば、燃料電池１０の単位セルのカソード側において、カソードガスの流路２２内に水分移動促進膜３４を設けたため、電解質膜１２での反応により生成された水分を流路２２の下流側から上流側へ移動させることが可能となる。これにより、流路２２の下流において拡散層１６の表面が水分で覆われてしまうことがなく、電解質膜１２への酸素供給が阻害されてしまうことを抑止することができる。従って、流路２２の下流側において酸素を確実に電解質膜１２へ供給することが可能となり、燃料電池１０の効率を高めることが可能となる。
【００８２】
また、水分移動促進膜３４は速乾性が高いため、流路２２の上流側に移動させた水分を短時間で乾燥させて、カソードガス中に供給することができる。従って、流路２２の上流側においてカソードガスを確実に加湿することが可能となり、上流側においてカソードガス中の酸素のイオン化を促進することができる。これにより、燃料電池１０の効率を高めることが可能となる。また、上流側での加湿を促進することでカソードガスを加湿するための加湿器を縮小化できるため、燃料電池システムの小型化を図ることも可能である。
【００８３】
実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について説明する。実施の形態１では水分移動促進膜３４を流路２２の内壁に設けたが、実施の形態２は単位セル内の他の部分に水分移動促進膜３４を設けたものである。
【００８４】
図６は、拡散層１６と触媒層１４の間に水分移動促進膜３４を設けた例を示す模式図であって、図２と同様に単位セルの積層方向に沿った断面を示す模式図である。実施の形態１で説明したように、水分移動促進膜３４は毛管吸引力により水分を吸水し、移動させるとともに、速乾性にも優れたものである。単位セル内において、カソードで生成された水分は電界質膜１２とセパレータ１９間で単位セルの積層方向に移動することができるため、流路２２の下流の水分は、拡散層１６と触媒層１４の間に配置された水分移動促進膜３４の毛管吸引力により流路２２の上流側へ送られる。従って、拡散層１６と触媒層１４の間に水分移動促進膜３４を設けた場合であっても、流路２２の下流側の水分を上流側へ移動することが可能である。
【００８５】
拡散層１６と触媒層１４の間に水分移動促進膜３４を挿入した場合、これらの領域には電子が通過するため、好適には、水分移動促進膜３４を構成する繊維をカーボン繊維などの導電性材料から構成することが望ましい。また、導電性を確保するため、極細の金属線、もしくは金属または炭素によってコーティングされた繊維を用いて水分移動促進膜３４を構成してもよい。更に、水分移動促進膜３４の毛管吸引力（吸水性）、速乾性を高めるためには、実施の形態１で説明した不定形断面形状を有する繊維３６を用いて水分移動促進膜３４を構成することが好適である。なお、カーボン繊維から不定形断面形状を有する繊維３６を製造する方法については、実施の形態４で説明する。
【００８６】
一方、水分移動促進膜３４を導電性の低い繊維素材で構成した場合は、図７に示すように、隣接する繊維素材間の距離を大きくして水分移動促進膜３４をメッシュ状に構成することが望ましい。これにより、水分移動促進膜３４を挿入したことによる導電率の低下、酸素、水素の移動の阻害要因を最小限に抑えることができる。
【００８７】
水分移動促進膜３４を拡散層１６と触媒層１４の間の領域以外に挿入した場合も同様の効果を得ることができる。例えば、触媒層１４と電解質膜１２の間に水分移動促進膜３４を挿入した場合も、流路２２の下流側の水分を上流側へ移動することが可能である。更に、セパレータ１９、拡散層１６、触媒層１４、電解質膜１２の内部に水分移動促進膜３４を挿入しても同様の効果を得ることができる。
【００８８】
実施の形態３．
次に、本発明の実施の形態３について説明する。実施の形態１，２では、水分移動促進膜３４を単位セルの所定部位に挿入したが、実施の形態３では、単位セルを構成する各層を実施の形態１で説明した不定形断面形状の繊維３６から構成したものである。
【００８９】
実施の形態１で説明したように、拡散層１６は、通常クロスまたはペーパーとして形成される。これらの通常の拡散層１６は、カーボン繊維、カーボンペーストを含んでいる。実施の形態３では、拡散層１６に用いられるカーボン繊維を不定形断面形状の繊維３６とし、カーボンペーストと混ぜることで拡散層１６を形成している。
【００９０】
実施の形態１で説明したように、不定形断面形状の繊維３６は吸水性、速乾性に非常に優れている。従って、拡散層１６を不定形断面形状の繊維３６で構成することで、拡散層１６の毛管吸引力により隣接する流路２２の下流側から上流側へ水分を移動することができ、上流側においてカソードガスを加湿することができる。
【００９１】
拡散層１６には、繊維３６の他に導電性のあるカーボンペーストが含まれるため、不定形断面形状を有する繊維３６は導電性を有していなくても良いが、好適には導電性のあるカーボン繊維等を用いることが望ましい。カーボン繊維から不定形断面形状を有する繊維３６を製造する方法については、実施の形態４で説明する。
【００９２】
また、繊維３６を導電性の低い材料で構成した場合は、拡散層１６内の流路２２の近傍のみを繊維３６で構成し、他の領域を通常のカーボン繊維で構成しても良い。これにより、拡散層１６の導電率の低下を最小限に抑えることができる。
【００９３】
触媒層１４または電解質膜１２には、通常、繊維素材は含まれていないが、触媒層１４または電解質膜１２に繊維素材を含ませることで、繊維素材の吸水性、速乾性により、触媒層１４または電解質膜１２の内部で水分を移動させることができ、流路２２の下流の水分を上流側に移動するとともに、流路２２の上流においてカソードガスを加湿することが可能となる。触媒層１４に繊維素材を含ませる場合は、触媒層１４を構成するカーボンペーストと繊維素材を混合することで繊維素材を含ませることができる。この場合も、繊維素材として不定形断面形状の繊維３６を用いることが好適であり、更に好適には、不定形断面形状を有するカーボン繊維３６を用いることが好適である。
【００９４】
図８は、セパレータ１９の一部を繊維素材から構成した例を示す模式図である。図８に示すセパレータ１９は、繊維素材から形成した板１９ｂを２枚のカーボン板１９ａ、１９ｃで挟むことで形成されている。セパレータ１９は金属から構成することもできるため、２枚の金属板の間に繊維素材から形成した板１９ｂを挿入してセパレータ１９を構成しても良い。
【００９５】
図８に示すように、繊維素材から形成された板１９ｂは、流路２２の内壁の一部を構成している。従って、繊維素材の毛管吸引力によって流路２２の下流側から上流側へ水分を移動させることができ、流路２２の上流においてカソードガスを加湿することが可能である。
【００９６】
そして、板１９ｂを構成する繊維素材として、不定形断面形状の繊維３６を用いることで、吸水性、速乾性をより高めることができる。従って、繊維素材として不定形断面形状の繊維３６を用いることが好適である。
【００９７】
なお、図８において、板１９ｂは流路２２の近傍のみに配置しているため、電子はセパレータ１９ａ、１９ｃ内を自由に移動できる。従って、板１９ｂを構成する繊維素材は導電性を有していなくても良いが、好適には導電性のあるカーボン繊維等を用いることが望ましい。カーボン繊維から不定形断面形状を有する繊維３６を製造する方法については、実施の形態４で説明する。
【００９８】
実施の形態４．
次に、本発明の実施の形態４について説明する。実施の形態４は、実施の形態１で説明した不定形断面形状を有する繊維３６をカーボンから製造する方法に関する。不定形断面形状の繊維３６をカーボンから形成する方法としては、ピッチ系から製造する方法と繊維系から製造する方法がある。
【００９９】
図９は、不定形断面形状を有するカーボン繊維３６を製造するための装置４０を示す模式図である。図９に示すように、装置４０は、シリンダ４２、加圧ピストン４４、押し出し孔４６を有して構成されている。押し出し孔４６の形状は、例えば図４に示した断面形状と同一とされている。シリンダ４２の内部には加圧ピストン４４が挿入されている。
【０１００】
ピッチ系による製造方法を用いて不定形断面形状を有するカーボン繊維３６を製造する場合、シリンダ４２内部に溶融した石炭ピッチまたは石油ピッチが充填される。図９に示す状態において、加圧ピストン４４を押し下げると、石炭ピッチまたは石油ピッチが押し出し孔４６の形状に倣って外に押し出される。そして、押し出した石炭ピッチまたは石油ピッチを酸化雰囲気下で加熱し、不融化処理を行い、更に不活性気相雰囲気下で加熱することにより、不定形断面形状を有するカーボン繊維３６を製造することができる。
【０１０１】
繊維系による製造方法を用いて不定形断面形状を有するカーボン繊維３６を製造する場合は、シリンダ４２内にレーヨン、ポリアクリルニトリル等の高分子材料からなる繊維材料を充填する。そして、加圧ピストン４４を押し下げることにより、不定形断面形状を有するレーヨン、ポリアクリルニトリル等の繊維３６を製造する。その後、レーヨン、ポリアクリルニトリル等の繊維３６を酸化雰囲気下で加熱し、不融化処理を行う。更に不活性気相雰囲気下で加熱し、炭素化処理を行うことで、繊維３６中の酸素、水素を離脱させる。これにより、不定形断面形状のカーボン繊維３６を製造することができる。
【０１０２】
以上説明したように実施の形態４によれば、不定形断面形状を有する繊維３６をカーボンから製造することができる。従って、実施の形態１，２において水分移動促進膜３４をカーボン繊維３６から製造することが可能となる。また、実施の形態３において、不定形断面形状を有するカーボン繊維３６を用いて電解質膜１２、触媒層１４、拡散層１６またはセパレータ１９を製造することが可能となる。
【０１０３】
実施の形態５．
次に、本発明の実施の形態５について説明する。実施の形態５は、不定形断面形状の繊維３６を用いてクロス（燃料電池用薄膜）を形成する場合に、水分の移動方向が一定方向となるようしたものである。
【０１０４】
図１０は、実施の形態１で説明した不定形断面形状の繊維３６を用いてクロスを形成する場合に、縦糸を不定形断面形状の繊維３６とし、横糸を通常の断面形状の繊維とした状態を示している。
【０１０５】
このように、クロスを構成する縦糸と横糸のうち、一方のみを不定形断面形状の繊維３６とすることで、繊維３６の方向に水分を移動させることができる。従って、本実施形態によれば、水分の移動方向を特定の方向に規定することができる。
【０１０６】
そして、このようなクロスを用いて実施の形態１，２における水分移動促進膜３４を構成し、また、セパレータ１９、拡散層１６、触媒層１４、電解質膜１２の内部にこのようなクロスを挿入することで、不定形断面形状の繊維３６（縦糸）の方向に水分を移動させることが可能となる。従って、流路２２の方向と繊維３６の方向を一致させることで、流路２２の下流から上流に向けて水分を確実に移動させることが可能である。なお、導電性を良好にするため、縦糸の繊維３６、横糸はカーボン繊維とすることが好適である。また、繊維素材をカーボン繊維としてクロスを製造する場合、繊維素材の方向を整えてクロスを製造した後、炭素化処理を施すことで、繊維素材をカーボン繊維としても良い。
【０１０７】
実施の形態６．
次に、本発明の実施の形態６について説明する。実施の形態６は、繊維素材でペーパー（燃料電池用薄膜）を形成する場合に、繊維素材の長手方向を一定の方向に揃えたものである。
【０１０８】
通常の方法で繊維素材を用いてペーパーを製造すると、図１１（ａ）に示すように繊維素材の方向はランダムに配置される。本実施形態では、図１１（ｂ）に示すように、繊維素材の方向を揃えてペーパーを形成する。これにより、繊維素材の長手方向に確実に水分を移動することが可能となる。
【０１０９】
繊維素材の方向が揃ったペーパーでは、繊維素材の長手方向に導水経路が形成されるため、繊維素材の断面形状が通常の形状であっても繊維素材の方向に沿って水分を移動させることができる。水分をより確実に移動させるためには、繊維素材として毛管吸引力の高い不定形断面形状の繊維３６を用いることが望ましい。
【０１１０】
そして、このようなペーパーを用いて、実施の形態１，２における水分移動促進膜３４を構成し、また、セパレータ１９、拡散層１６、触媒層１４、電解質膜１２の内部にこのようなペーパーを挿入することで、ペーパー内の繊維素材の方向に沿って水分を移動させることが可能となる。従って、流路２２の方向と繊維素材の方向を一致させることで、流路２２の下流から上流に向けて水分を確実に移動させることが可能である。なお、導電性を良好にするため、繊維素材はカーボン繊維とすることが好適である。
【０１１１】
図１２は、図１１（ｂ）に示すペーパーを製造する方法を示す模式図である。図１２に示すように、ペーパーを製造するためのすき板５０には溝５０ａが形成されている。そして、溝５０ａの方向に繊維素材を並べ、繊維素材を膠着させることで、繊維素材が一定方向に並べられたペーパーを製造することができる。また、すき板５０上に繊維方向の整った布を設けることで、繊維素材を一定方向に並べるようにしても良い。
【０１１２】
図１３は、図１１（ｂ）に示すペーパーを製造する他の方法を示す模式図である。図１３では、すき板５０に超音波または機械的な振動子５２を接続している。図１３の構成によれば、すき板５０上に繊維素材を載せ、振動子５２ですき板５０を振動させることで、繊維素材の方向を揃えることが可能である。繊維素材の方向を揃えた後、繊維素材を膠着させてペーパーを製造する。
【０１１３】
また、繊維素材をカーボン繊維としてペーパーを製造する場合、繊維素材の方向を整えてペーパーを製造した後、炭素化処理を施すことで、繊維素材をカーボン繊維としても良い。
【０１１４】
実施の形態７．
次に、本発明の実施の形態７について説明する。図１４は、実施の形態７に係る燃料電池１０の構成を示す分解斜視図である。図１４は、燃料電池１０を構成する複数の単位セルの１つを示しており、燃料電池１０は図１４の矢印方向に単位セルを積層して構成される。
【０１１５】
図１５は、積層方向に沿った単位セルの断面を示す模式図である。単位セルは、電解質膜１２、電解質膜１２の両側にそれぞれ配置される触媒層１４、拡散層１６、およびセパレータ１８，１９から構成される。図１４及び図１５において、セパレータ１８はアノード側に配置され、セパレータ１９はカソード側に配置されている。電解質膜１２、触媒層１４、拡散層１６の構成は、実施の形態１と同様である。
【０１１６】
図１５に示すように、実施の形態７の燃料電池１０では、流路２２の背面側、すなわち、流路２２に対して電界質膜１２と反対側にカソードガスの流路６０を設けている。図１４に示すように、流路６０は、燃料電池１０の一端に構成されたチャンバー部６６において流路２２と接続されている。流路６０を流れるカソードガスは、チャンバー部６６に集められ、チャンバー部６６から流路２２のそれぞれに送られる。
【０１１７】
単位セルの積層方向において、流路２２と流路６０の間には多孔体６２が設けられている。多孔体６２はセパレータ１９の一部を構成しており、流路２２は多孔体６２の一部である。多孔体６２はポーラス状の素材から構成され、水分が透過可能な多数の微細孔を備えている。
【０１１８】
実施の形態１で説明したように、燃料電池１０での反応に伴ってカソードで水分が生成され、水分は流路２２内に滞留する。実施の形態７の燃料電池１０は、加圧したカソードガスを流路６０に流すことで、毛管吸引力により、流路２２内の水分を多孔体６２の微細孔に透過させて流路６０に送る。多孔体６２を透過してきた水分は、流路６０を流れるカソードガスの熱によって気化される。この際、カソードガスから気化熱が奪われ、セパレータ１９が冷却されるとともに、カソードガスが加熱される。これにより、反応流路である流路２２にカソードガスが送られる前に、カソードガスを確実に加湿することができ、同時にセパレータ１９の冷却効率を高めることができる。従って、電解質膜１２へのイオンの供給効率を高めることができ、反応効率を高めることが可能となる。
【０１１９】
図１５に示すように、流路２２内には、その内壁面を覆うように水分拡散膜６４が配置されている。水分拡散膜６４は毛管吸引力を向上させた繊維（速乾繊維）から構成されるものであり、例えば実施の形態１で説明した繊維３６から構成されている。
【０１２０】
反応によって生成された水分は、電解質膜１２から触媒層１４、拡散層１６へ移動し、流路２２内の水分拡散膜６４上に拡がり、流路２２の内壁面に分散する。そして、流路２２の内壁面に分散した水分は、多孔体６２の微細孔を透過し、流路６０へ送られる。従って、流路２２の内壁面に水分拡散膜６４を配置することで、多孔体６２と水分の接触面積を拡大することができ、より広い範囲から吸収した水分を流路６０に送ることができる。これにより、流路６０を流れるカソードガスを確実に加湿することができる。
【０１２１】
水分拡散膜６４の表面積をより拡大するためには、水分拡散膜６４の表面に凹凸を形成することが好適である。これにより、更に広い範囲から吸収した水分を流路６０に送ることができ、流路６０を流れるカソードガスを確実に加湿することができる。
【０１２２】
また、水分拡散膜６４は流路２２の上流から下流の全域に配置されているため、流路２２の上流から下流の全域にかけての全域において、水分の移動を速やかに行うことができ、水分が特定の箇所に集中してしまうことを抑止できる。
【０１２３】
特に、水分拡散膜６４を構成する繊維の延在する方向を流路２２の方向と一致させることで、流路２２の方向に沿って水分を移動させることができる。この場合、水分拡散膜６４を構成する繊維の断面形状がいかなる形状であっても、繊維の延在する方向に沿って水分を流すことができるため、水分拡散膜６４を構成する繊維として不定形断面形状の繊維を用いずに、通常の断面形状の繊維を用いてもよい。これにより、流路２２の上流から下流にかけての全域に水分を均一に分布させることができる。
【０１２４】
実施の形態１で説明したように、燃料電池１０の反応で生成された水分は、流路２２の下流側に溜まり易い。流路６０は燃料電池１０の端部のチャンバー部６６で折り返されて流路２２に接続されているため、流路２２の下流に溜まった水分が多孔体６２を透過して流路６０に到達すると、その水分は流路６０の上流に到達することになる。流路６０を流れるカソードガスは、流路６０の下流側への移動に伴って、燃料電池１０の熱によって次第に加熱されていくため、流路６０の上流に水分が供給されると、下流側に比べて低温状態のカソードガスに水分が供給されることになる。この場合、流路６０の上流に供給された水分は十分に蒸発しないため、カソードガスへの加湿が不十分になる場合がある。
【０１２５】
実施の形態７では、流路２２の上流から下流の全域に水分拡散膜６４を配置しているため、反応によって生成された水分を流路２２内に均一に分布させることができる。従って、カソードガスの温度が高い流路６０の上流側にも十分な量の水分を供給することができ、カソードガスの加湿を確実に行うことが可能である。
【０１２６】
なお、上述の態様では、流路２２の内壁面に水分拡散膜６４を配置しているが、膜を構成しない繊維自体、例えば実施の形態１で説明した繊維３６そのものを流路２２の内壁面に配置しても良い。
【０１２７】
また、実施の形態２と同様の方法で、水分拡散膜６４（又はこれを構成する繊維）を触媒層１４と拡散層１６の間、又は電解質膜１２と触媒層１４の間に挿入しても良いし、セパレータ１９、拡散層１６、触媒層１４、電解質膜１２の内部に水分拡散膜６４（又はこれを構成する繊維）を挿入しても良い。更に、実施の形態３と同様の方法で、電解質膜１２、触媒層１４、拡散層１６、セパレータ１９を、水分拡散膜６４（又はこれを構成する繊維）によって構成しても良い。これらの構成によっても、流路２２内の上流から下流にかけての全域に水分を分散させることができ、上記と同様の効果を得ることができる。
【０１２８】
以上説明したように実施の形態７によれば、カソードガスの流路２２と対向するように流路６０を設け、流路２２と流路６０の間に多孔体６２を設けた燃料電池１０において、流路２２の内壁面に毛管吸引力を向上させた繊維からなる水分拡散膜６４を配置したため、流路２２の全域に均等に水分を分散させることができる。従って、多孔体６２を透過した水分を流路６０の上流から下流の全域に均等に供給することが可能となる。これにより、カソードガスを確実に加湿することができ、電解質膜１２における反応効率を向上させることが可能となる。
【０１２９】
実施の形態８．
次に、本発明の実施の形態８について説明する。実施の形態８の基本的な構成は実施の形態７と同様である。実施の形態８は、実施の形態７の水分拡散膜６４の代わりに、親水性を向上させた繊維から構成される高吸水性膜を配置したものである。
【０１３０】
流路２２から多孔体６２を透過させて流路６０に水分を供給する場合、流路２２の内壁面を常に水分で湿らせておくことが好適である。流路２２の内壁面が一旦乾いてしまうと、再び多孔体６２に水分を透過させるためには一定の時間が必要となるためである。
【０１３１】
高吸水性膜を流路２２の内壁面に配置することで、流路２２の内壁面を常に水分で湿らせておくことが可能となる。これにより、多孔体６２を介した流路６０への水分供給を常時行うことが可能となり、カソードガスの加湿を連続的かつ確実に行うことが可能となる。また、高吸水性膜を流路２２の内壁面の全面に配置することで、多孔体６２と水分の接触面積を拡大することができ、より広い範囲から吸収した水分を流路６０に送ることができる。
【０１３２】
実施の形態７と同様に、高吸水性膜の表面積をより拡大するためには、高吸水性膜の表面に凹凸を形成することが好適である。これにより、更に広い範囲から吸収した水分を流路６０に送ることができ、流路６０を流れるカソードガスを確実に加湿することができる。
【０１３３】
親水性を向上させた繊維としては、例えば水酸基、またはスルホン基などの親水基を有する繊維が好適である。また、繊維の延在する方向を流路２２の延在する方向と一致させることで、流路２２の上流から下流の全域に均一に水分を分布させることが可能となる。これにより、実施の形態７と同様に、流路６０の上流側にも十分な量の水分を供給することができ、カソードガスの加湿を確実に行うことが可能である。
【０１３４】
以上説明したように実施の形態８によれば、親水性を向上させた繊維から構成される高吸水性膜を流路２２の内壁面に配置したため、流路２２の内壁面を常に水分で湿らせておくことが可能となる。これにより、多孔体６２を介した流路６０への水分供給を常時行うことが可能となり、カソードガスの加湿を連続的かつ確実に行うことが可能となる。
【０１３５】
なお、実施の形態７と同様に、親水性を向上させた繊維そのものを流路２２の内壁面に配置しても良い。また、実施の形態２と同様の方法で、高吸水性膜（又はこれを構成する繊維）を触媒層１４と拡散層１６の間、又は電解質膜１２と触媒層１４の間に挿入しても良いし、セパレータ１９、拡散層１６、触媒層１４、電解質膜１２の内部に高吸水性膜（又はこれを構成する繊維）を挿入しても良い。更に、実施の形態３と同様の方法で、電解質膜１２、触媒層１４、拡散層１６、セパレータ１９を、高吸水性膜（又はこれを構成する繊維）によって構成しても良い。
【０１３６】
実施の形態９．
次に、本発明の実施の形態９について説明する。実施の形態９の基本的な構成は実施の形態７と同様である。実施の形態９は、実施の形態７の燃料電池１０において、流路２２の上流と下流を近接させて、下流側に溜まった水分を上流側に移動させるようにしたものである。
【０１３７】
図１６は、カソード側に配置されるセパレータ１９の多孔体６２と、流路２２の構成を示す平面図である。図１６に示すように、実施の形態９では、流路２２の上流と下流を近接させている。これにより、多孔体６２の微細孔を通して流路２２の下流に溜まった水分を上流に送ることが可能である。
【０１３８】
以上説明したように実施の形態９によれば、カソードガスの流路２２と対向するように流路６０を設け、流路２２と流路６０の間に多孔体６２を設けた燃料電池１０において、流路２２の上流側と下流側が近接するように構成したため、流路２２の下流に溜まった水分を上流に送ることが可能となる。これにより、これにより、流路２２の上流から下流にかけての全域に水分を均一に分布させることができ、流路６０の全域に水分を供給することが可能となる。従って、流路６０を流れるカソードガスの加湿を確実に行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１３９】
【図１】本発明の実施の形態１に係る燃料電池の構成を示す分解斜視図である。
【図２】積層方向に沿った単位セルの断面を示す模式図である。
【図３】カソードガスの流路の下流に水分が溜まった状態と、下流の水分を上流に移動させた状態を示す模式図である。
【図４】不定形断面形状を有する繊維を示す模式図である。
【図５】図４に示す繊維を束ねた状態を示す模式図である。
【図６】拡散層と触媒層間に水分移動促進膜を設けた例を示す模式図である。
【図７】水分移動促進膜をメッシュ状に構成した例を示す模式図である。
【図８】セパレータの一部を繊維素材から構成した例を示す模式図である。
【図９】不定形断面形状を有するカーボン繊維を製造するための装置を示す模式図である。
【図１０】縦糸を不定形断面形状の繊維とし、横糸を通常の断面形状の繊維とした燃料電池用薄膜を示す模式図である。
【図１１】繊維の方向を揃えたペーパーを示す模式図である。
【図１２】図１１（ｂ）に示すペーパーを製造する方法を示す模式図である。
【図１３】図１１（ｂ）に示すペーパーを製造する他の方法を示す模式図である。
【図１４】実施の形態７に係る燃料電池の構成を示す分解斜視図である。
【図１５】図１４の燃料電池において、積層方向に沿った単位セルの断面を示す模式図である。
【図１６】実施の形態９におけるセパレータの多孔体と流路の構成を示す平面図である。
【符号の説明】
【０１４０】
１０  燃料電池
１２  電解質膜
１４  触媒層
１６  拡散層
１８，１９  セパレータ
２２  カソードガスの流路
３４  水分移動促進膜
３６  不定形断面形状の繊維
３８  凹部
４０  カーボン繊維の製造装置
４６  押し出し孔
５０  すき板
５２  振動子
６０  流路
６２  多孔体
６４  水分拡散膜
【図１】
2005235727.tif 000003
【図２】
2005235727.tif 000004
【図３】
2005235727.tif 000005
【図４】
2005235727.tif 000006
【図５】
2005235727.tif 000007
【図６】
2005235727.tif 000008
【図７】
2005235727.tif 000009
【図８】
2005235727.tif 000010
【図９】
2005235727.tif 000011
【図１０】
2005235727.tif 000012
【図１１】
2005235727.tif 000013
【図１２】
2005235727.tif 000014
【図１３】
2005235727.tif 000015
【図１４】
2005235727.tif 000016
【図１５】
2005235727.tif 000017
【図１６】
2005235727.tif 000018