(57)【要約】【課題】  燃料電池内部で生成された生成水の排出を良好にし、高電流密度域での発電性能の低下を抑止し得ると共に電池反応を高効率に行ない、高電圧及び高電流での安定的な発電を可能とする。【解決手段】  フッ素系イオン交換樹脂膜１１中に、内壁にＰｔを担持した導電性の多孔性カーボンチューブ１２Ａ，１２Ｃが埋設されている。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜と、少なくとも一部が前記高分子電解質膜中に設けられ、内部に触媒金属を担持した導電性の筒状体とを含む燃料電池。
【請求項２】
複数の前記筒状体が設けられ、筒状体の各々が互いに非接触に配設された請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
複数の前記筒状体が設けられ、筒状体の各々が略平行に配設された請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記高分子電解質膜の一方及び他方の表面が略平行に構成され、前記筒状体は筒の長さ方向が前記表面と略垂直をなすように設けられた請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項５】
燃料及び酸化剤を供給して発電する燃料電池であって、
複数の前記筒状体が設けられ、前記複数の筒状体は前記燃料を挿通する筒状体と前記酸化剤を挿通する筒状体とが互いに隣り合うように配設された請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記筒状体は筒端部が開口されており、開口する開口部に導電性筒体を有する筒状体と隣り合う筒状体は開口部に絶縁性筒体を有する請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に係り、特に固体高分子形燃料電池（PEFC）や直接メタノール型燃料電池（DMFC）など、高分子電解質膜を備えた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、水素と酸素の電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギー供給源として注目されている。
【０００３】
イオン交換樹脂膜を含む燃料電池（例えば固体高分子形燃料電池）などでは一般に、図４（単セル１００）に示すように、高分子電解質であるイオン交換樹脂膜１０１がアノード極１０２とカソード極１０３の両電極間に狭持され、さらに各電極との間に燃料（例えば水素ガス）を挿通する燃料流路（アノード側）１０５と酸化剤（例えば酸素ガス）を挿通する酸化剤流路（カソード側）１０７とが形成されるように溝が凹設された一対の導電性プレート１０４及び１０６、並びに各導電性プレートの溝非凹設側に更にセパレータ１０８を設けて構成されている。なお、アノード１０２及びカソード１０３は、イオン交換樹脂膜側から順に触媒層と拡散層とを積層して構成することができる。また、一般に単セルによる起電力は比較的小さいため、通常は複数の単セルを積層し直列に接続されたスタック構造で使用される。
【０００４】
このように構成された単セル１００の概略の断面構造を図５に示す。燃料電池を発電運転させると、燃料流路１０５に例えば水素（Ｈ2）密度の高い水素ガスが、酸化剤流路１０７に例えば酸素（Ｏ2）を含む空気（Ａｉｒ）が供給され、下記式(1)〜(3)で表される電気化学反応（電池反応）によって起電力が発生する。すなわち、図５に示すように、アノード側では水素（Ｈ2）は水素イオンＨ+となってイオン交換樹脂膜１０１の内部をカソード側に向かって移動し、放出された電子ｅ-はアノード極及びカソード極を繋ぐ外部回路１１０を通じてカソード側に流れる。また、カソード側では、Ａｉｒ中の酸素Ｏ2がアノード側からのＨ+及び電子ｅ-と反応して、水（Ｈ2Ｏ）が生成される。この水はカソード側の酸化剤流路を通って外部に排出される。なお、式(1) 、式(2)は各々アノード側、カソード側での反応を示し、式(3)は燃料電池での全反応である。
【０００５】
Ｈ2  →  ２Ｈ+＋２ｅ-  …(1)
(1/2)Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-  →  Ｈ2Ｏ  …(2)
Ｈ2＋(1/2)Ｏ2  →  Ｈ2Ｏ  …(3)
【０００６】
上記のように燃料電池を発電運転させた場合、カソード側の酸化剤流路には発電に伴なって水が生成されるが、特に高電流密度域で発電運転を行なったときには生成される水（生成水）の量は多く、この生成水がスムーズに排出されないと燃料電池の発電効率やエネルギー効率を損なう。そのため、多量に生成された生成水をいかにスムーズに排出できるかが技術的な課題となっている。
【０００７】
上記のような構成の燃料電池では、燃料及び酸化剤は一般に、図４〜図５に示されるように高分子電解質膜の膜面に略平行に供給され、略平行に供給された燃料及び酸化剤はその供給方向と略垂直な方向、つまりイオン交換樹脂膜１０１側（実際上はベクトル方向が合わさった供給方向と斜めの方向）に向かって拡散、移動して各極の触媒層に到達する。このとき、拡散層及び触媒層の内部や、拡散層及びセパレータ間の接触抵抗を受けるために拡散、移動が遅くなる傾向があることに加え、カソード側では生成水が酸化剤の拡散方向と反対方向に向かって排出されてくることになり、生成水の排出が困難になる。特に高電流密度域での発電運転時など、水の生成量が多い場合には水が滞留し上記の電極反応が損なわれ、燃料電池の発電効率やエネルギー効率は低下する（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
【特許文献１】特開２００１−１５１２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
以上のように、これまでの燃料電池の構成では、特にカソード側においてセパレータから触媒層に向かう酸化剤ガスの流れと触媒層からセパレータに向かう生成水の流れとが逆方向であることで生ずる水の排出不良、及びこれに伴なって起きる発電効率やエネルギー効率の損失を抜本的に解消する技術は提案されていないのが実情である。また、電池反応を担う触媒金属に直接燃料や酸化剤を供給できればより効率よく反応を進行させることができる。
【００１０】
本発明は、上記に鑑みなされたものであり、燃料電池内部で生成された生成水の排出が良好で、高電流密度域での発電性能の低下を抑止できると共に、電池反応の高効率化が図られ、安定的に高電圧及び高電流を取出すことができる燃料電池を提供することを目的とし、該目的を達成することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池は、高分子電解質膜と、少なくとも一部が前記高分子電解質膜中に設けられ、内部に触媒金属を担持した導電性の筒状体とで構成したものである。
【００１２】
高分子電解質膜の膜中に、内壁等の筒内部に触媒金属が担持された導電性の筒状体の少なくとも一部が配置された構造とすることで、筒状体の各々の筒内部に燃料及び酸化剤のいずれかを供給して、燃料が供給される筒内部ではアノード側の反応を、酸化剤が供給される筒内部ではカソード側の反応を起こさせるようにし、従来高分子電解質膜の表面に設けられた触媒層に相当する構造部分を高分子電解質膜中に埋設した構成としたので、燃料及び酸化剤は直接触媒上に供給可能であると共に、燃料等を長距離拡散させて反応を起こさせる従来の構成に比べて反応効率を飛躍的に向上させることができる。
【００１３】
すなわち、燃料が供給される筒状体（以下、「アノード筒状体」ともいう）の筒内部は、上記式(1)により水素イオンＨ+を放出するアノード極として機能し、酸化剤が供給される筒状体（以下、「カソード筒状体」ともいう）の筒内部は、上記式(2)によりＨ+及び電子ｅ-を受けて水を生成するカソード極として機能し、これらの反応はプロトンが筒状体の筒壁を通過し高分子電解質膜を移動することで進行する。
【００１４】
また上記のように、アノード及びカソードでの反応場が筒状体の内部となる構成としたことにより、カソード側での水の生成も筒内部で行なわれ、生成された生成水は酸化剤が挿通する方向にしたがって同方向に排出されるので、酸化剤の流れと生成水の流れが反対方向になることがなく、生成水をスムーズに排出することが可能となる。そのため、高電流密度域での発電運転を継続した場合など、多量に水が生成された場合でも内部に滞留するのを効果的に解消することができ、安定的に高電圧、高電流を取り出すことができる。
【００１５】
さらに、従来構成要素とされていたセパレータ等の構成部品が不要となり、小型化、軽量化しながらエネルギー密度の高い燃料電池に構成することができる。
【００１６】
また、燃料が供給される一つのアノード筒状体と酸化剤が供給される一つのカソード筒状体とで１セルをなし、これを直列に接続することによって高電圧を外部供給できるスタックに構成することが可能であり、並列に接続することによって高電流を外部供給できるスタックに構成することが可能である。
【００１７】
本発明に係る筒状体は、内部構造が中空の筒形状を有する導電性の多孔質体で好適に構成することができ、中空内部の断面形状は円形、楕円形、矩形、台形など場合により適宜選択することができる。また、筒状体の材質としては、導電性を有し、燃料電池の内部環境条件下において腐食を起こさないものであれば特に制限はなく、好適な材質の例として貴金属、カーボン、ステンレス等の耐腐食性金属などが挙げられる。カーボンを用いた多孔性チューブに構成する場合、例えば市販のポリイミド多孔質フィルムを筒状（チューブ形状）に成形し、これを炭化して残った炭素骨格よりなるカーボンチューブを使用することができる。
【００１８】
上記の筒状体に触媒金属を担持するには、筒状（チューブ形状）を成形した後、あるいは成形前のいずれの過程で担持してもよいが、上記のように炭化する場合には予め成形、炭化しその後に触媒金属を担持するのが望ましい。担持する触媒金属としては、白金又は白金と他の金属とからなる合金が好適である。
【００１９】
筒状体の内部（例えば内壁）には上記のように触媒金属が担持されるが、この内部には更に、プロトン伝導性物質を設けられていることが望ましい。また、筒状体の「内径」は、特に制限はなく適宜選択できるが、高分子電解質膜中に密に配設する観点からはできるだけ小径（例えば２０μｍ以下）であるのが望ましい。
【００２０】
本発明の燃料電池においては、筒状体の各々、特にアノードとカソードとの間でショートを起こさないよう、互いに非接触に配設されるようにして上記の筒状体を高分子電解質膜中に複数設けて構成することができる。燃料が供給されるアノード筒状体の一つと酸化剤が供給されるカソード筒状体の一つとで１セルを構成することが可能であるが、アノード筒状体及びカソード筒状体をそれぞれ複数配設することによって、より発電性能の高い燃料電池スタックに構成することができる。
【００２１】
複数の筒状体を設ける場合は、筒状体の各々が略平行に配設された構造に構成するのが効果的である。略平行に配設することにより、筒状体と筒状体との間の間隙を小さくしてより密な構造に構成することが可能であり、アノード側からカソード側へのプロトンの移動距離を短くできるので、電池反応の反応効率をより向上させることができる。しかも、筒状体間の接触、すなわち内部ショートを起こすこともない。
【００２２】
例えば高分子電解質膜を狭持して電極対を配設した従来の膜電極接合体に置ける場合のように、高分子電解質膜の一方の表面及び該表面の反対側となる他方の表面が略平行に構成されているときは、筒状体は該筒の長さ方向が前記一方及び他方の表面と略垂直をなすように設けられることが望ましい。例えば図２に示すように、高分子電解質膜の燃料（Ｈ2ガス）を供給する側の表面Ｐ、及び表面Ｐと反対側となる、酸化剤（Ｏ2ガス）を供給する側の表面Ｑと略垂直に交わるように設けることができる。
【００２３】
電池反応の反応効率をより向上させる観点からは特に、複数の筒状体を高分子電解質中に設けると共に、複数の筒状体のうち燃料を挿通するアノード筒状体と酸化剤を挿通するカソード筒状体とが互いに隣り合うように配設することが効果的である。プロトンを放出するアノード筒状体とプロトンを受容するカソード筒状体とが隣り合って互いに近設し、放出されたプロトンのカソード筒状体までの移動距離を短くできるので、反応抵抗が抑えられ電池反応が高効率に進行すると共に、アノード側及びカソード側の筒状体間距離が不均一でランダム構造に構成された場合などのように、プロトンが近いカソード筒状体に集中し結果的に反応面積が実質的に小さくなってしまうのを回避し、実質的に反応に寄与する表面積を広く確保することができる。
【００２４】
例えば、図１−(ａ)に示すように、断面円形の円心が一直線上に並んで列をなすように所定の間隔を有して複数の筒状体を配列し、更にこれを所定の間隔で複数列設けることで規則的に配列された構造や、図１−(ｂ)に示すように、図１−(ａ)の構造の一部を円心間の半分の距離をシフトしてより密に規則的に配列された構造などとすることができる。
【００２５】
また、筒状体は両方の筒端部を開口して構成することができ、複数の筒状体を設ける場合は特に、開口する開口部に導電性筒体を有する筒状体と隣り合う筒状体の開口部には絶縁性筒体を設けて構成することが望ましい。正負極間での電気的接触を回避できるので、隣り合う筒状体が高分子電解質膜の外部で互いに接触してショートするのを防止することができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、燃料電池内部で生成された生成水の排出が良好で、高電流密度域での発電性能の低下を抑止できると共に、電池反応の高効率化が図られ、安定的に高電圧及び高電流を取出すことができる燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、図２〜図３を参照して、本発明の燃料電池の実施形態を説明する。本実施形態は、高分子電解質膜の燃料（Ｈ2ガス）を供給する側の表面、及び該表面と逆側の酸化剤（Ｏ2ガス）を供給する側の表面を略平行にし、両方の表面と略垂直に筒状体を配設して構成したものである。
【００２８】
また、本実施形態では、燃料として水素ガスを、酸化剤として空気（酸素）を供給するようにした場合を中心に説明する。なお、本発明においては下記の実施形態に制限されるものではない。
【００２９】
図２に示すように、本実施形態は、フッ素系イオン交換樹脂膜（電解質材）１１と、フッ素系イオン交換樹脂膜１１中に埋設され、内壁にＰｔ（触媒金属）を担持した複数の多孔性カーボンチューブ１２Ａ，１２Ｃ（以下、両者を総称して単に「多孔性カーボンチューブ１２」ともいう）と、を備えている。
【００３０】
フッ素系イオン交換樹脂膜１１は、相隣る面の交差角が略垂直な直方体に構成され、その断面形状は図２に示すように略矩形となっている。フッ素系イオン交換樹脂膜１１の水素ガス供給側（エア［Air］排出側）の表面Ｐ、及びエア供給側（水素ガス排出側）の表面Ｑは互いに略平行関係にあり、これら表面Ｐ及びＱと略垂直となるように、フッ素系イオン交換樹脂膜１１中に複数の多孔性カーボンチューブ１２が埋設されている。
【００３１】
フッ素系イオン交換樹脂膜１１は、イオン導電性を有する電解質で構成することができ、一般にパーフルオロスルホン酸膜などが用いられる。本実施形態では、ナフィオン膜（デュポン社製）で構成してある。この膜は、通常イオン導電性を高める点から湿潤状態とされ、水素ガスが供給されて得たアノード側の水素イオンは該膜を良好にイオン伝導してカソード側に移動することができる。この湿潤状態は、燃料である水素ガス及び／又はエアに加水（加湿）することにより形成できる。また、フッ素系イオン交換樹脂膜として上記以外に、例えばセラミックスに陽イオン交換体を含浸させたもの等も使用することができる。
【００３２】
多孔性カーボンチューブ１２の各々は、内部構造が中空で長さ１００μｍ、内径２０μｍの筒形状に形成されており、筒構造をなす壁面はプロトン（Ｈ+）が自由に移動可能なように多孔質に構成されている。多孔質に構成されたカーボンチューブは、例えば、市販のポリイミド多孔質フィルムをあらかじめチューブ形状に成形し、成形後これを焼成し炭化することで、多孔質のカーボンチューブとしたものである。
【００３３】
カーボンチューブの長さは、フッ素系イオン交換樹脂膜（高分子電解質膜）の厚み等に依存するため場合に応じ適宜選択すればよいが、上記長さ以外には特に５〜５０μｍの範囲とするのが望ましい。この範囲では、所望の高電流、高電圧が得られ、良好な発電性能を発揮させることができる。
【００３４】
多孔性カーボンチューブの中空内部の内壁には、Ｐｔ（電極触媒金属）が担持されて電池反応を担う触媒１３が形成されており、水素ガスを給排する多孔性カーボンチューブ１２Ａはアノード極１４Ａとして、エアを給排する多孔性カーボンチューブ１２Ｃはカソード極１４Ｃとして作用するようになっている。Ｐｔ担持量は０．３ｍｇ／ｃｍ2である。そして、アノード極をなす多孔性カーボンチューブの一つとカソード極をなす多孔性カーボンチューブの一つとで１セルに構成されている。
【００３５】
触媒金属には、Ｐｔ以外にＰｔと他の金属とからなる合金などを用いることができる。触媒金属の粒子径は１〜３ｎｍ程度の範囲が有効であり、触媒金属の担持量は０．０５〜０．５ｍｇ／ｃｍ2であるのが好適である。
【００３６】
また、内壁にＰｔが担持された多孔性カーボンチューブ１２の内部には更に、図示しないＮａｆｉｏｎ溶液（プロトン伝導性物質）が付与されてなる構造となっている。プロトン伝導性物質には、Ｎａｆｉｏｎ溶液以外のパーフルオロスルホン酸系化合物（パーフルオロスルホン酸ポリマー等）を使用することが可能である。
【００３７】
複数の多孔性カーボンチューブ１２は、互いに略平行をなしてフッ素系イオン交換樹脂膜中に固定されており、各々は図３に示すように、断面円形の円心が一直線上に並ぶように多孔性カーボンチューブを所定の間隔（例えば２０μｍ）をおいて配置した列をさらに所定の間隔（例えば２０μｍ）で複数列設けて規則的に配列された構造に構成されている。図３は、図２のＡ−Ａ’線断面を示す図である。この配列構造は、アノード極をなす多孔性カーボンチューブ１２Ａとカソード極をなす多孔性カーボンチューブ１２Ｃとを交互に配置して構成されており、多孔性カーボンチューブ１２Ａからのプロトンが多孔性カーボンチューブ１２Ｃに容易に移動可能し、効率よく電池反応が進むようになっている。
【００３８】
上記の配列構造における所定の間隔は、プロトン移動距離を短くし反応効率（発電効率）を高める点でできるだけ狭いことが望ましく、特に好ましくは１０〜５０μｍ程度である。
【００３９】
多孔性カーボンチューブは、予め配設されたカーボンチューブの間にイオン交換樹脂のポリマーを入れてから重合させることによりフッ素系イオン交換樹脂膜中に埋設させて配設することができる。
【００４０】
また、多孔性カーボンチューブ１２の各々は、チューブ端の一方が水素ガス供給側の表面Ｐにおいて、他方がエア（Ａｉｒ）供給側の表面Ｑにおいてそれぞれ開口されており、多孔性カーボンチューブ１２Ａ（アノード）の水素供給側に開口する開口部、及び多孔性カーボンチューブ１２Ｃ（カソード）のエア供給側に開口する開口部には、導電性のステンレスチューブ（導電性筒体）１５の一端が接続され、多孔性カーボンチューブ１２Ａの水素排出側に開口する開口部、及び多孔性カーボンチューブ１２Ｃのエア排出側に開口する開口部には、絶縁性カーボンチューブ（絶縁性筒体）１６の一端が接続されている。さらに、ステンレスチューブ１５の他端は水素供給管２０又はエア供給管２３と各々接続され、ステンレスチューブ１５を介して水素ガス又はエアの供給が行なえるようになっており、絶縁性カーボンチューブ１６の他端は水素排出管２１又はエア排出管２４と各々接続され、絶縁性カーボンチューブ１６を介して電池反応後のガス及び水分の排出が可能なようになっている。なお、絶縁性カーボンチューブ２１は、多孔性カーボンチューブ１２と同様に形成された多孔性カーボンチューブのチューブ外壁をＰＴＦＥでコートすることで絶縁処理したものである。
【００４１】
本実施形態においては、燃料電池を発電運転させた場合、水素ガスを高圧充填した図示しない水素貯蔵タンクと連通する水素供給管２０を挿通して水素ガスが多孔性カーボンチューブ１２Ａに直接供給されると共に、外気からの空気（エア）を挿通するエア供給管２３から多孔性カーボンチューブ１２Ｃに直接エアが供給されると、アノード側の多孔性カーボンチューブ１２Ａのチューブ内部では、供給された水素が触媒１３の作用でイオン乖離してプロトン（Ｈ+）と電子（ｅ-）とを放出〔H2 → 2H++2e-〕し、放出されたＨ+は多孔性カーボンチューブ１２Ａの多孔質壁を通ってフッ素系イオン交換樹脂膜１１中を移動する。このＨ+は、カソード側の多孔性カーボンチューブ１２Ｃに達すると、その多孔質壁を通じてチューブ内に侵入する。このとき、放出されたＨ+は、近設の４つの多孔性カーボンチューブ１２Ｃに侵入し、電池反応に供される。個々の多孔性カーボンチューブ１２Ｃのチューブ内部では、侵入したＨ+が触媒１３の作用で多孔性カーボンチューブ１２Ｃに供給されたエア中の酸素（Ｏ2）と反応し、水（生成水）が生成される〔(1/2)O2+2H++2e- → H2O〕。このとき、アノード側で放出されたｅ-は、図示しない外部回路を通って多孔性カーボンチューブ１２Ｃに移動している。
【００４２】
一方、アノード側では上記のようにイオン乖離が行なわれるが、イオン乖離に供されなかった残余の水素ガスや他の成分はそのまま、絶縁性カーボンチューブ１６を介して水素排出管２１の他端から外部に排出される。また、カソード側では上記のように生成された生成水は、酸素濃度の低くなったエアと共に同じ方向に向かって多孔性カーボンチューブ１２Ｃ内を挿通し、絶縁性カーボンチューブ１６を介してエア排出管２４の他端から外部に排出される。
【００４３】
また、上記の水素貯蔵タンクに、あるいは該水素貯蔵タンクに代えて、水素を生成する水素生成装置を接続して構成するようにしてもよい。この場合には例えば、メタノール及び水を供給することで改質反応（CH3OH+H2O→CO2+3H2）を行なわせ、生成された水素リッチガスを供給することができる。
【００４４】
以上のように、電極を内装した多孔性カーボンチューブ１２Ａ及び多孔性カーボンチューブ１２Ｃに燃料等を供給、挿通するようにし、チューブに内装された電極（即ちアノード極、カソード極）に直接水素ガス（燃料）又はエア（酸化剤）を導入して電極反応を行なうので、アノード及びカソードでの各反応が効率よく進行し、またカソード側では生成水をスムーズに排出することが可能となり、高電流密度域での発電を含めた広い発電運転領域において安定的に、発電性能を向上させることができる。
【００４５】
上記では、水素ガス及び空気を使用した例を説明したが、水素ガス以外の水素含有ガスやメタノール等の燃料、及び空気以外の高酸素濃度の酸素ガス等の酸化剤を適宜選択して使用した場合も同様である。
【００４６】
本発明の燃料電池は、電気自動車等の車両や船舶、航空機等に搭載可能な燃料電池システムにおいて好適に用いることができる。
【実施例】
【００４７】
以下、実施例により本発明をより具体的に説明する。但し、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００４８】
（実施例１）
−多孔性カーボンチューブの作製−
まず、ポリイミド多孔質フィルムを準備し、これを予め長さ１００μｍ、内径２０μｍのチューブ形状になるように成形した。その後、これを６００℃の炉内に入れて焼成、炭化し、チューブ壁面が多孔質で上記長さ及び径の多孔性カーボンチューブを得た。
【００４９】
−電極部の形成（触媒担持）−
次に、得られた多孔性カーボンチューブに対して蒸着処理を行なって、チューブ内壁及び外壁、並びにチューブ端部に白金（Ｐｔ）を担持した後、さらにチューブ端部は残してチューブ外壁に担持されたＰｔを酸処理により除去した。ここで、多孔性カーボンチューブの内壁におけるＰｔ担持量は、０．３ｍｇ／ｃｍ2となるようにした。このようにして、内壁にＰｔを担持してなるＰｔ担持カーボンチューブを得た。
【００５０】
−燃料電池の作製−
【００５１】
次に、得られたＰｔ担持カーボンチューブを、ナフィオン溶液（ＥＷ１１００（０．１％エタノール溶液）、Aldrich Chemical社；プロトン伝導性物質）中に浸漬し、取出した後１４０℃下で真空乾燥させて、Ｐｔ担持カーボンチューブの内壁及び外壁にナフィオン層（不図示）を設けた。
【００５２】
続いて、高分子電解質膜であるナフィオン膜（デュポン社製；パーフルオロスルホン酸膜）を準備し、このナフィオン膜に予め穴を２０μｍの間隔で開けておき、そこに作製したカーボンチューブを差し込むことによって、図２〜図３に示すように、複数のＰｔ担持カーボンチューブを２０μｍの間隔（円形断面の円心間距離）で一直線上に並ぶように規則的に配列した。このとき、Ｐｔ担持カーボンチューブは、ナフィオン膜の一方の表面Ｐ及びこれと反対側の他方の表面Ｑと略垂直に配置されており、各Ｐｔ担持カーボンチューブの両側のチューブ端はいずれも開口してある。
【００５３】
引き続いて、図３のように、アノード極をなすＰｔ担持カーボンチューブ１２Ａとカソード極をなすＰｔ担持カーボンチューブ１２Ｃとが交互に配置された構造となるように、水素ガスを給排するＰｔ担持カーボンチューブ（１２Ａ）の水素供給側（例えば表面Ｐ側）に開口する開口部、及びエアを給排するＰｔ担持カーボンチューブ（１２Ｃ）のエア供給側（例えば表面Ｑ側）に開口する開口部には、既担持のＰｔを介して抵抗溶接によりステンレス製チューブ１５の一端を接続した。
【００５４】
さらに、既述と同様の方法で作製した多孔性カーボンチューブの表面をＰＴＦＥのコートにより絶縁処理して絶縁性カーボンチューブを得、アノードとカソードとの間でショートが起こらないように、Ｐｔ担持カーボンチューブ１２Ａの水素排出側（例えば表面Ｐ側）に開口する開口部、及びＰｔ担持カーボンチューブ１２Ｃのエア排出側（例えば表面Ｑ側）に開口する開口部には、この絶縁性カーボンチューブ１６の一端を接続した。
【００５５】
以上のようにして、本発明の燃料電池を作製した。その後、Ｐｔ担持カーボンチューブ１２Ａに接続されたステンレス製チューブ１５の他端に水素貯蔵タンクと繋がる水素供給管２０を、Ｐｔ担持カーボンチューブ１２Ｃに接続されたステンレス製チューブ１５の他端にエア供給管２３を接続し、水素ガス又はエアを供給できるように構成した。また、Ｐｔ担持カーボンチューブ１２Ａに接続された絶縁性カーボンチューブ１６の他端には水素排出管２１を、Ｐｔ担持カーボンチューブ１２Ｃに接続された絶縁性カーボンチューブ１６の他端にはエア排出管２４を接続した。
【００５６】
（比較例１）
以下のようにして、図５に示すような従来構造の燃料電池を作製した。
まず、Ｐｔを担持したカーボン粉を作製し、このカーボン粉０．５ｇと水３．０ｍｌとプロピレングリコール５．０ｍｌと２−プロパノール３．０ｍｌとナフィオン溶液（Aldrich Chemical社）０．１５ｍｌとを混合した後、超音波ホモジナイザー及び遠心攪拌機により分散させたペーストを得た。このペーストを実施例１と同様のナフィオン膜（デュポン社製）の両側の表面にスクリーン印刷して触媒層を形成した。各触媒層のＰｔ量は０．３ｍｇ／ｃｍ2とした。このようにして触媒層／ナフィオン膜／触媒層の接合体を得た後、この接合体の両触媒層の上に更にカーボンペーパー（拡散層）とセパレータを順次設け、比較の燃料電池を得た。
【００５７】
（発電性能の評価）
実施例１及び比較例１で作製した燃料電池について、フル加湿条件下で両極に水素ガス及び空気を供給し発電運転させ、セル電圧を変化させたときの電流密度を測定し、これを発電性能を評価する指標とした。測定した結果を図６に示す。
【００５８】
図６に示すように、実施例１の燃料電池では、比較例１の従来型燃料電池に比し、低電流密度域から高い電圧を得ることができた。これは、以下の理由によるものと推測される。すなわち、従来の燃料電池では、水素ガス及びエアはナフィオン膜の膜面に略平行に供給され、その供給方向と略垂直な方向、つまりナフィオン膜側（実際上はベクトル方向が合わさった供給方向と斜めの方向）に向かって拡散、移動していき、この過程で拡散層及び触媒層の内部や、拡散層及びセパレータ間の接触抵抗を受けるため発電効率が悪いのに対し、本発明の燃料電池ではこのような抵抗をうけないため高電圧が得られるものと推測される。
【００５９】
また更に、高電流密度域における発電時にも高い電圧を得ることができた。これは、以下の理由によるものと推測される。すなわち、従来の燃料電池では、ガスが拡散する流れはセパレータ側から触媒層に向かう方向であるが、カソード側では触媒層で生成された水はエアの拡散方向と反対方向に向かって移動しなければならず、生成水の排出が困難になる。これに対し、本発明の燃料電池では、生成水は供給されたエアにより速やかに押出されるように排出され、高電流密度域においても水の滞留（水詰まり）による電圧降下が起こりにくく、電圧を高く維持できるものと推測される。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の燃料電池における筒状体の配置構成を説明するための概略図である。
【図２】本発明の実施形態の燃料電池を示す概略断面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ’線断面図である。
【図４】従来の燃料電池の構造を示す斜視図である。
【図５】従来の燃料電池の構造並びに、ガス及び水の流れを説明するための断面図である。
【図６】燃料電池の電流−電圧特性を示すＩ−Ｖ曲線である。
【符号の説明】
【００６１】
１０.…燃料電池
１１…フッ素系イオン交換樹脂膜
１２，１２Ａ，１２Ｃ…多孔性カーボンチューブ（筒状体）
１３…触媒（触媒金属）
１５…ステンレスチューブ（導電性筒体）
１６…絶縁性カーボンチューブ（絶縁性筒体）
【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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