(57)【要約】【課題】ドライアップ及びフラッディングが抑制され、安定したプロトン伝導性を与える燃料電池を提供する。【解決手段】本発明の燃料電池１は、電解質層１１と、電解質層１１を挟む一対の触媒層１３と、電解質層１１及び触媒層１３からなる接合体を挟む一対の拡散層１５と、電解質層１１、触媒層１３及び拡散層１５からなる膜電極接合体を挟み且つ拡散層１５との間に気体の流路を形成する一対のセパレータ部１７と、を備え、拡散層１５は、導電性を有する繊維１５１と、吸排水性を有する繊維１５３とを含み、繊維１５１が、拡散層における内部より表層部の方に多く含まれており、繊維１５３が、拡散層における表層部より内部の方に多く含まれていることを特徴とする。【選択図】図２
2013191321.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層と、
前記電解質層を挟む一対の触媒層と、
前記電解質層及び前記触媒層からなる接合体を挟む一対の拡散層と、
前記電解質層、前記触媒層及び前記拡散層からなる膜電極接合体を挟む一対のセパレータ部と、を備える燃料電池において、
前記拡散層は、導電性を有する繊維と、吸排水性を有する繊維とを含み、前記導電性繊維が、前記拡散層における内部より表層部の方に多く含まれており、
前記吸排水性繊維が、前記拡散層における表層部より内部の方に多く含まれていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記吸排水性繊維が、管状繊維である請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記管状繊維が、繊維内部の中空空間から繊維表面へと通じる細孔を備える請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記導電性繊維が、前記拡散層の一面側から他面側へ横断するように配されて、前記一面側の表層部と、前記他面側の表層部とを電気的に導通している請求項１乃至３のいずれか一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、燃料ガス及び酸化剤ガスを利用して発電する燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
環境問題や資源問題への対策の一つとして、酸素ガスや空気等の酸化剤ガスと、水素ガスやメタンガス等の燃料ガスとを、原料として用い、電気化学反応により化学エネルギーを電気エネルギーに変換して発電する燃料電池が注目されている。この燃料電池は、電解質層の一方の面に、触媒を含む燃料極（以下、「アノード」という）と、もう一方の面に、触媒を含む酸化剤極（以下、「カソード」という）とを、電解質層を挟んで対向するように設け、電解質層を挟持した各触媒層（アノード及びカソード）の外側に拡散層を更に設け、これらを、原料供給用の流路空間を設けたセパレータで挟んで電池が構成される。そして、各流路空間に、それぞれ、燃料ガス及び酸化剤ガスを導入し、各拡散層から、隣接する触媒層に供給して電気化学反応させ、発電させるものである。
【０００３】
アノードに供給する原料（燃料ガス）を水素ガスとし、カソードに供給する原料（酸化剤ガス）を空気として燃料電池を駆動させた場合、アノードでは、水素ガスから水素イオン（以下、「プロトン」という）及び電子が発生し、プロトンは、電解質層中を移動してカソードに到達し、電子は、外部端子から外部回路を通じてカソードに到達する。一方、カソードでは、供給される空気中の酸素ガスと、電解質層を通過してきたプロトンと、外部回路を通じてカソードに到達した電子とから、水が生成する。
【０００４】
このような燃料電池が駆動すると、電気化学反応の進行に伴って、特に、アノード側の電解質層における含水率が低下する（この現象を、「ドライアップ」又は「ドライアウト」という）ことがある。電解質層における含水率が低下すると、プロトンが移動するための水が不足し、イオン伝導率が低下するので、プロトンが電解質層を通過する際の抵抗が大きくなる。その結果、燃料電池の発電効率の低下を招く。
また、カソードでは、例えば、高負荷の条件における駆動により、水が大量に生成し、カソード側の触媒層周辺に、水が滞留する（この現象を、「フラッディング」という）ことがある。拡散層や流路空間に、過剰の水が滞留すると、カソード側の触媒層への空気の供給が阻害され、カソードでの反応性が低下する。その結果、燃料電池の発電効率の低下を招く。
【０００５】
上記のような不具合を抑制すべく、燃料電池の構成改良等の検討が行われている。例えば、特許文献１には、固体高分子電解質膜と、この固体高分子電解質膜の両面に配置した触媒層と、この触媒層の、固体高分子電解質膜と接する面の反対の面にそれぞれ配置した多孔質ガス拡散層とを備え、触媒層が、触媒担持導電性粒子及び電解質を含有し、触媒層の空隙率が、固体高分子電解質膜から多孔質ガス拡散層の方向に大きくなっている燃料電池が開示されている。特許文献２には、固体電解質膜、反応層及び拡散層を備える燃料電池であって、反応層が、固体電解質膜側から、第１の層、中間層及び第２の層の順に備えられ、第１の層及び第２の層は、導電性の担体に担持された触媒を有し、第１の層は第２の層より保湿性が高く、中間層には触媒が存在しない、ことを特徴とする燃料電池が開示されている。特許文献３には、側壁に孔を有し、上流端の開孔がガスマニホールドからのガスを導入可能な位置とした中空糸を含むガス拡散層を備える燃料電池が開示されている。また、特許文献４には、電解質膜と、触媒層と、拡散層と、これら触媒層及び拡散層の間に配されて触媒層及び拡散層を連通する貫通孔が層面に対して垂直配向状態で形成された導電性の中空体層とを備える燃料電池が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１９２９５０号公報
【特許文献２】特開２０１１−２９１５０号公報
【特許文献３】特開２００７−２５０２１２号公報
【特許文献４】特開２００４−３１９３７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、電解質層と、電解質層を挟む一対の触媒層と、電解質層及び触媒層からなる接合体を挟む一対の拡散層と、電解質層、触媒層及び拡散層からなる膜電極接合体を挟む一対のセパレータ部と、を備え、ドライアップ及びフラッディングが抑制され、安定したプロトン伝導性を与える燃料電池を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の燃料電池は、電解質層と、電解質層を挟む一対の触媒層と、電解質層及び触媒層からなる接合体を挟む一対の拡散層と、電解質層、触媒層及び拡散層からなる膜電極接合体を挟む一対のセパレータ部と、を備え、拡散層は、導電性を有する繊維（以下、「導電性繊維」という。）と、吸排水性を有する繊維（以下、「吸排水性繊維」という。）とを含み、導電性繊維が、拡散層における内部より表層部の方に多く含まれており、吸排水性繊維が、拡散層における表層部より内部の方に多く含まれていることを特徴とする。
吸排水性繊維は、管状繊維であることが好ましい。
管状繊維は、繊維内部の中空空間から繊維表面へと通じる細孔を備えることが好ましい。
導電性繊維は、拡散層の一面側から他面側へ横断するように配されて、一面側の表層部と、他面側の表層部とを電気的に導通していることが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の燃料電池によれば、その駆動により生成した水が、拡散層内の吸排水性繊維に吸着又は保持されて蓄えられ、カソード側の触媒層周辺において滞留するフラッディングを抑制することができる。また、発電量が少ない場合には、吸排水性繊維に吸着している水を蒸散等により脱着させて電解質層に給水することができるので、ドライアップを抑制することができる。そして、安定したプロトン伝導性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の燃料電池における要部を示す概略断面図である。
【図２】図１で示した燃料電池における電解質層１１、触媒層１３、拡散層１５及びセパレータ部１７の配設形態を示す拡大図である。
【図３】拡散層１５の一例を示す概略断面図である。
【図４】拡散層１５の他の例を示す概略断面図である。
【図５】吸排水性繊維１５３の一例であって、管状繊維を示す概略断面図である。
【図６】吸排水性繊維１５３の他の例であって、芯鞘繊維を示す概略断面図である。
【図７】吸排水性繊維１５３の他の例であって、束繊維を示す概略断面図である。
【図８】表面から中空空間に通じる細孔が形成された管状繊維を示す概略斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明を、図１〜図８を参照しながら説明する。
ここで示される事項は例示的なもの及び本発明の実施形態を例示的に説明するためのものであり、本発明の原理と概念的な特徴とを最も有効に且つ難なく理解できる説明であると思われるものを提供する目的で述べたものである。この点で、本発明の根本的な理解のために必要である程度以上に本発明の構造的な詳細を示すことを意図してはおらず、図面と合わせた説明によって本発明の幾つかの形態が実際にどのように具現化されるかを当業者に明らかにするものである。
【００１２】
本発明の燃料電池は、図１に示すように、電解質層１１と、触媒層１３と、電解質層１１及び触媒層１３からなる接合体を挟む一対の拡散層１５と、電解質層１１、触媒層１３及び拡散層１５からなる膜電極接合体を挟む一対のセパレータ部１７とを備える。
【００１３】
上記電解質層１１は、プロトン伝導性を有する材料からなるものであれば、有機材料及び無機材料のいずれでもよい。この電解質層１１の構成材料は、好ましくは、有機材料であり、その骨格に含まれる水素原子の全部又は一部がフッ素原子で置換されたフッ素系高分子であって、イオン交換基を有する電解質、又は、その骨格にフッ素原子を含まない高分子（非フッ素系高分子）であって、イオン交換基を有する電解質である。これらの電解質は、単独で用いてよいし、組み合わせて用いてもよい。尚、上記電解質において、イオン交換基としては、スルホン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸基、リン酸基等が挙げられる。
【００１４】
フッ素系高分子であって、イオン交換基を有する電解質としては、パーフルオロカーボンスルホン酸系高分子、ポリトリフルオロスチレンスルホン酸系高分子、パーフルオロカーボンホスホン酸系高分子、パーフルオロカーボンカルボン酸系高分子、トリフルオロスチレンスルホン酸系高分子、エチレンテトラフルオロエチレン−ｇ−スチレンスルホン酸系高分子等が挙げられる。
また、非フッ素系高分子であって、イオン交換基を有する電解質としては、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリアリールエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレン、スルホン化ポリイミド、スルホン化ポリ（４−フェノキシベンゾイル−１，４−フェニレン）や、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルケトン、スルホアルキル化ポリエーテルスルホン、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホアルキル化ポリスルホン、スルホアルキル化ポリスルフィド、スルホアルキル化ポリフェニレン、スルホアルキル化ポリベンズイミダゾール、ポリベンズイミダゾールアルキルホスホン酸等が挙げられる。
【００１５】
本発明の燃料電池において、上記電解質層１１によって、一対の触媒層１３が隔てられ、上記電解質層１１を通してプロトンや水分子が移動する（図１参照）。
【００１６】
上記触媒層１３は、触媒物質を含有する層であり、アノード側の触媒層では、触媒物質により水素のプロトン化が促進され、カソード側の触媒層では、触媒物質によりプロトンと酸素との反応が促進される。
上記触媒層１３は、好ましくは、白金、白金合金、パラジウム、ロジウム、金、銀、オスミウム、イリジウム等からなる触媒物質を、アセチレンブラック、黒鉛等のカーボンや、アルミナ、シリカ等からなる担体に担持させてなる、例えば、粒状物が、結着剤によって結着形成された層である。白金合金としては、白金原子と、アルミニウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、ガリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、バナジウム、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、チタン及び鉛のうちの少なくとも１種の原子とからなる合金を用いることができる。
【００１７】
上記結着剤としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等が挙げられる。
【００１８】
上記触媒層１３は、電解質を含有してもよく、この場合、電解質は、上記触媒物質と同様に、担体に担持させて含有させることができる。また、触媒物質を担持させた担体の表面が、電解質によりコーティングされてなるものを含んでもよい。上記電解質は、上記電解質層１１の構成材料と同じであってよいし、異なる材料であってもよい。
【００１９】
本発明の燃料電池において、アノード側の触媒層、及び、カソード側の触媒層は、互いに同じ構成であってよいし、異なってもよい。
アノード側の触媒層の厚さ、及び、カソード側の触媒層の厚さは、同一であってよいし、異なってもよい。
【００２０】
上記拡散層１５は、原料である燃料ガス及び酸化剤ガスを、各流路空間２から、アノード側の触媒層、及び、カソード側の触媒層に、効率よく供給させるとともに、電気化学反応によって生成した水や、未反応の原料を、外部に効率よく排出させるために、一面側から他面側に、気体及び液体の透過性を有する層であり、且つ、一面側から他面側に導電性を有する層である。そして、この拡散層１５は、図２、図３及び図４に示すように、導電性を有する導電性繊維１５１と、吸排水性を有する吸排水性繊維１５３とを含み、導電性繊維１５１が、拡散層における内部より表層部（一面側及び他面側）の方に多く含まれており、吸排水性繊維１５３が、拡散層における表層部より内部の方に多く含まれている層である。尚、「多く含まれる」とは、絶対量で比較したものである。
【００２１】
図３は、導電性繊維１５１及び吸排水性繊維１５３が絡み合ってなるシート状の拡散層１５の断面図である。一面側から他面側への導電性は、例えば、一面側から他面側へ斜めに配向する導電性繊維１５１Ａによるもの、一面側から他面側へ、厚さ方向に平行に配向する導電性繊維１５１Ｂによるもの、短い導電性繊維１５１Ｃの複数が連続的に接触することによるもの、等とすることができる。
図４は、導電性繊維１５１及び吸排水性繊維１５３が絡み合ってなる集積体の一面側から他面側へニードリングを行って得られたシート状の拡散層１５の断面図である。一面側から他面側の導電性は、導電性繊維１５１の１本又は複数本が、ニードリングにより、厚さ方向に平行又は略平行に配向することによるものとすることができる。
【００２２】
上記導電性繊維１５１は、好ましくは、フェノール系カーボン繊維、ピッチ系カーボン繊維、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系カーボン繊維、レーヨン系カーボン繊維等のカーボン繊維；カーボンナノチューブ；ステンレス、モリブデン、チタン等の金属又は合金からなる繊維等である。
【００２３】
上記導電性繊維１５１の構造は、通常、中実断面を有する線状であるが、管状であってもよい。
また、上記導電性繊維の外形の断面形状は、円形、楕円形、多角形、不定形等とすることができる。
【００２４】
拡散層１５に含まれる導電性繊維１５１の全てにおいて、繊維径が、それぞれ、一定であってよいし、異なってもよい。また、繊維長も、それぞれ、一定であってよいし、異なってもよい。
【００２５】
上記のように、拡散層１５における導電性繊維１５１の分布は、内部より表層部の方が多量となっている。
【００２６】
一方、上記吸排水性繊維１５３は、吸排水性、即ち、吸水性、及び、水の脱着性（排水性）の両方の性質を備える繊維である。この吸排水性繊維としては、中空空間５１を含む断面構造を有する管状繊維（図５参照）、芯部５４及び鞘部５５を備える線状繊維（図６参照）、中実断面を有する線状繊維を束ねた束繊維（図７参照）等が挙げられる。これらのうち、各触媒層への燃料ガス又は酸化剤ガスの供給効率の観点から、管状繊維が好ましい。
上記吸排水性繊維１５３が、管状繊維である場合、図８に示すように、繊維内部の中空空間５１から繊維表面へと通じる細孔５９を備えることができる。また、図示していないが、繊維の外側表面及び内壁面に、凹部、溝等を備えてもよい。
上記吸排水性繊維１５３が、線状繊維である場合、図示していないが、鞘部５５の表面に、凹部、溝等を備えてよいし、この鞘部５５の外表面から芯部５４の外表面へと通じる細孔を、鞘部５５に備えてもよい。尚、図６は、中実断面を有する繊維の一例であって、芯部５４及び鞘部５５からなる二層構造に限定されず、単一材料からなる繊維であってよいし、三層以上の多層構造を有する繊維であってもよい。
【００２７】
図５は、管状繊維を示す断面図であり、管部５２と、中空空間５１とを備える態様である。尚、図５において、管部５２を、一層構造として示したが、多層構造とすることもできる。上記管部５２の厚さは、特に限定されない。
上記吸排水性繊維１５３が、管状繊維である場合には、その構成材料によることなく、燃料電池の駆動により生成した水を、中空空間５１に保持することができるが、後述する親水性材料を用いることにより、水の保持率（吸着率）を向上させることができる。上記管部５２が多層構造である場合には、最内層が親水性材料を含むことが好ましい。
上記のように、図５の吸排水性繊維が、図８に示すような、繊維内部の中空空間５１から繊維表面へと通じる細孔５９を備える場合には、その構成材料が親水性材料であっても、それ以外の材料であっても、拡散層１５における吸排水性繊維の外側に存在する水を、容易に、中空空間５１に移動させ、保持することができる。
【００２８】
上記細孔５９の断面形状は、特に限定されず、円形、楕円形、多角形、不定形等とすることができる。また、細孔５９の内径は、好ましくは１〜１０μｍである
【００２９】
上記吸排水性繊維が、管状繊維である場合、その外形の断面形状は、図５に示すような円形に限定されず、楕円形、多角形、不定形等とすることができる。
【００３０】
図６は、中実体の芯鞘繊維を示す断面図である。芯部５４の構成材料、及び、鞘部５５の構成材料は、いずれも、親水性材料（後述）であることが好ましい。このとき、芯部５４の親水性材料、及び、鞘部５５の親水性材料は、互いに同一であってよいし、異なってもよい。芯部５４の親水性材料、及び、鞘部５５の親水性材料が異なる場合、どちらが吸排水性に優れていてもよい。
また、上記吸排水性繊維１５３が、図示していない三層構造の線状繊維である場合もまた、各層の構成材料は、いずれも、親水性材料であることが好ましい。
【００３１】
上記吸排水性繊維が、線状繊維である場合、その外形の断面形状は、図６に示すような円形に限定されず、楕円形、多角形、不定形等とすることができる。
【００３２】
図７は、２種類の線状繊維を含む束繊維、即ち、中心に位置する第１繊維部５６と、その周りに配された複数の第２繊維部５７とを備える束繊維を示す断面図である。第１繊維部５６の構成材料、及び、第２繊維部５７の構成材料は、いずれも、親水性材料（後述）であることが好ましい。このとき、第１繊維部５６の親水性材料、及び、第２繊維部５７の親水性材料は、互いに同一であってよいし、異なってもよい。第１繊維部５６の親水性材料、及び、第２繊維部５７の親水性材料が異なる場合、どちらが吸排水性に優れていてもよい。
【００３３】
上記第１繊維部５６を構成する繊維の繊維径（外径）、及び、上記第２繊維部５７を構成する繊維の繊維径（外径）は、互いに同一であってよいし、異なってもよい。
また、上記第１繊維部５６の数、及び、上記第２繊維部５７の数は、いずれも、特に限定されず、第１繊維部５６の数が２又は３以上であってよいし、第２繊維部５７の数が２、３、４又は６以上であってもよい。
【００３４】
上記吸排水性繊維が、束繊維である場合、その外径の断面形状は、図７に示すような略正五角形に限定されず、略楕円形等であってもよい。
【００３５】
上記吸排水性繊維１５３を構成する好ましい親水性材料について、説明する。
上記吸排水性繊維１５３が管状繊維（図５）である場合、管部５２を構成する親水性材料は、好ましくは、アクリル酸及び／又はアクリル酸塩を含む重合用成分を架橋剤の存在下で重合させてなる重合体（以下、「アクリル系親水性重合体」という。）であり、エチレン・酢酸ビニル共重合体における酢酸ビニル単位をケン化して得られた、エチレン・ビニルアルコール系共重合体を用いることもできる。
【００３６】
上記アクリル系親水性重合体の形成に用いられる単量体のうち、アクリル酸塩としては、アクリル酸ナトリウム、アクリル酸カリウム等のアクリル酸アルカリ金属塩；アクリル酸カルシウム、アクリル酸マグシウム等のアクリル酸アルカリ土類金属塩；アクリル酸アンモニウム塩等が挙げられる。
また、上記重合用成分が、他の単量体を含む場合、他の単量体としては、Ｎ−置換（メタ）アクリルアミド、Ｎ，Ｎ−置換（メタ）アクリルアミド、Ｎ−アクリロイルピペリジン、Ｎ−アクリロイルピロリジン、メタクリル酸、酢酸ビニル、ヒドロキシル基を有する（メタ）アクリレート、ダイアセトンアクリルアミド等が挙げられる。
【００３７】
上記Ｎ−置換（メタ）アクリルアミドとしては、Ｎ−エチル（メタ）アクリルアミド、Ｎ−イソプロピル（メタ）アクリルアミド、Ｎ−イソブチル（メタ）アクリルアミド、Ｎ−シクロヘキシル（メタ）アクリルアミド、Ｎ−フェニル（メタ）アクリルアミド、Ｎ−ベンジル（メタ）アクリルアミド、Ｎ−イソプロポキシ（メタ）アクリルアミド等が挙げられる。
【００３８】
上記Ｎ，Ｎ−置換（メタ）アクリルアミドとしては、Ｎ，Ｎ−ジメチル（メタ）アクリルアミド、Ｎ，Ｎ−ジエチル（メタ）アクリルアミド、Ｎ−エチル−Ｎ−メチル（メタ）アクリルアミド、Ｎ，Ｎ−ジイソプロピル（メタ）アクリルアミド等が挙げられる。
【００３９】
上記重合用成分と併用される架橋剤は、好ましくは、分子内に二重結合を２つ以上有し、上記重合用成分との共重合性を有し、架橋構造を形成する化合物である。
上記架橋剤としては、Ｎ，Ｎ’−メチレンビス（メタ）アクリルアミド、エチレングリコールジ（メタ）アクリレート、ジエチレングリコールジ（メタ）アクリレート、ポリエチレングリコールジ（メタ）アクリレート、プロピレングリコールジ（メタ）アクリレート、ポリプロピレングリコールジ（メタ）アクリレート、グリセリントリ（メタ）アクリレート等が挙げられる。
【００４０】
上記アクリル系親水性重合体は、図６に示す吸排水性繊維を構成する芯部５４及び鞘部５５のいずれか一方の構成材料とすることができ、また、図７に示す吸排水性繊維を構成する第１繊維部５６及び第２繊維部５７のいずれか一方の構成材料とすることもできる。
【００４１】
上記吸排水性繊維が、図６に示す線状繊維である場合、芯部５４を構成する親水性材料（親水性繊維）及び鞘部５５を構成する親水性材料（親水性繊維）としては、上記アクリル系親水性重合体や、エチレン・ビニルアルコール系共重合体を用いて得られた繊維以外に、天然繊維、合成繊維、半合成繊維等を用いることができる。また、これらを構成する成分等を用いた再生繊維を用いることもできる。上記吸排水性繊維が、図７に示す束繊維である場合の、第１繊維部５６を構成する親水性材料（親水性繊維）、及び、第２繊維部５７を構成する親水性材料（親水性繊維）についても同様である。
上記天然繊維としては、木綿、麻、木質パルプ、竹パルプ等を含むセルロース系繊維、羊毛、絹等を含む蛋白質系繊維等が挙げられる。
上記合成繊維としては、ポリオレフィン系繊維、ポリビニルアルコール系繊維、ポリアミド系繊維、ポリアクリル系繊維、ポリエステル系繊維、ポリウレタン系繊維等が挙げられる。
上記半合成繊維としては、アセテートレーヨン等のセルロース系繊維が挙げられる。
上記再生繊維としては、ビスコースレーヨン等のセルロース系繊維が挙げられる。
【００４２】
上記のように、拡散層１５における吸排水性繊維１５３の分布は、表層部より内部の方が多量となっている。
【００４３】
本発明の燃料電池において、アノード側の拡散層、及び、カソード側の拡散層は、互いに同じ構成であってよいし、異なってもよい。
アノード側の拡散層の厚さ、及び、カソード側の拡散層の厚さは、同一であってよいし、異なってもよい。
【００４４】
上記セパレータ部１７は、気体非透過性の導電材料からなり、一対のセパレータ部１７によって、電解質層１１、触媒層１３及び拡散層１５からなる膜電極接合体を挟んでいる。
上記セパレータ部１７の内壁（電解質層１１側の壁）には、原料供給用の流路空間２として用いられる、断面形状が矩形又は半円形である溝が形成されており、セパレータ部１７に、拡散層１５の表面の一部が接触していても、流路空間２が閉塞しないようになっている。尚、上記のように、拡散層１５は、気体及び液体の透過性を有するので、アノード側、及び、カソード側の両方において、流路空間２は、触媒層１３と連通している。
【００４５】
上記セパレータ部１７の構成材料は、好ましくは、金属、合金、カーボン等である。金属は、好ましくはチタンであり、合金は、好ましくはステンレス及びチタン合金である。
【００４６】
上記ステンレスとしては、鉄原子と、クロム、ニッケル及びモリブデンのうちの少なくとも１種の原子とからなる合金（オーステナイト系、オーステナイト・フェライト系、析出硬化系等）を用いることができる。これらのうち、オーステナイト系ステンレスが好ましく、例えば、ＪＩＳ規格に規定されたＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１０Ｓ、ＳＵＳ３１６Ｌ、ＳＵＳ３１７Ｊ１、ＳＵＳ３１７Ｊ２、ＳＵＳ３２１、ＳＵＳ３２９Ｊ１、ＳＵＳ８３６等が挙げられる。
【００４７】
また、上記チタン合金としては、チタン原子と、アルミニウム、銅、鉄、マンガン、モリブデン、タンタル及びパラジウムのうちの少なくとも１種の原子とからなる合金を用いることができる。
【００４８】
本発明の燃料電池は、更に、図示していない補助的な装置（原料供給装置、冷却装置、排水装置）等を備えることができる。そして、所望の発電量に応じて、複数の燃料電池を組み合わせて燃料電池スタックを形成することができる。
【００４９】
本発明の燃料電池に適用される原料のうち、アノードに供給する燃料ガスとしては、水素ガス、炭化水素ガス、水素ガスと炭化水素ガスとの混合ガス等が挙げられる。また、この燃料ガスは、窒素ガス、アルゴンガス等の不活性ガスを含有していてもよい。
炭化水素ガスとしては、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン等の飽和炭化水素；エチレン、プロピレン等の不飽和炭化水素；天然ガス；ナフサ；石炭ガス化ガス等が挙げられる。
【００５０】
一方、カソードに供給する酸化剤ガスは、好ましくは、空気等の、酸素ガスを含む混合ガスである。
【００５１】
図１に例示される本発明の燃料電池では、水素ガス等の燃料ガスは、図示していない燃料ガス導入口から導入されて一方の流路空間２を流通し、この流路空間２に接するアノード側の拡散層１５により拡散され、隣接する触媒層１３及び電解質層１１に接触して、プロトン及び電子が発生する。一方、空気等の酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入口から導入されて他方の流路空間２を流通し、この流路空間２に接するカソード側の拡散層１５により拡散され、隣接する触媒層１３及び電解質層１１に接触して、空気中に含まれる酸素が、プロトン及び電子と反応して起電力を生じるとともに、水が生成する。燃料ガスの残部は、図示していない燃料ガス排出口より排出される。また、酸化剤ガスの残部は、図示していない酸化剤ガス排出口より排出される。
【００５２】
本発明の燃料電池は、導電性を有する導電性繊維１５１と、吸排水性を有する吸排水性繊維１５３とを含む拡散層１５において、導電性繊維１５１が、拡散層１５における内部より表層部の方に多く含まれており、吸排水性繊維１５３が、拡散層１５における表層部より内部の方に多く含まれていることから、電池の駆動時に、カソード側の触媒層１３で生成した水の一部又は全てを、拡散層１５における吸排水性繊維１５３に吸着させ、保持することができる。従って、例えば、発電量が大きい条件で燃料電池を駆動して、水が大量に生成した場合には、カソード側の触媒層１３の周辺（カソード側の拡散層及び流路空間）における水の滞留を抑制し、原料（酸化剤ガス）の円滑な流通を維持し、電気化学反応を効率よく進めることができる。また、上記構成の拡散層１５を備えることにより、電解質層１１の含水率が低下した場合には、含水率を復元させるべく、拡散層１５の水が脱着（蒸散）し、触媒層１３を通過させ、アノード側の電解質層における含水率の維持を図ることができ、安定したプロトン伝導性を得ることができる。
尚、発電量が大きい条件で燃料電池を駆動して大量の水が生成した場合には、上記のように、拡散層１５の作用に依存するばかりでなく、必要に応じて配設した排水装置により、一部の水を、流路空間２に供給される酸化剤ガスの流れにのせて排水させることもできる。
【００５３】
以下、本発明の燃料電池の製造方法について、説明する。
【００５４】
本発明の燃料電池において、電解質層１１及び一対の触媒層１３からなる接合体は、電解質層１１を形成する電解質膜体の一面側及び他面側に、アノード側の触媒層、及び、カソード側の触媒層を、それぞれ、形成することにより作製することができる。
【００５５】
上記電解質膜体としては、上記の電解質層１１の構成材料を含むフィルム又はシートを用いることができる。例えば、デュポン社製「Ｎａｆｉｏｎ」（登録商標）、旭硝子社製「フレミオン」（登録商標）、旭化成社製「アシプレックス」（登録商標）等を用いることができる。その他、プロトン伝導性基を有するポリイミド等の炭化水素系樹脂等を含むフィルム又はシートを用いることができる。
【００５６】
上記電解質膜体の一面側及び他面側に、アノード側の触媒層、及び、カソード側の触媒層を形成し、接合体を製造する場合には、触媒物質を担持させた担体、電解質、結着剤、造孔剤、分散剤、分散媒等を含有する、各触媒層形成用組成物を、塗布、噴霧、印刷、転写等に供した後、必要に応じて、熱圧着等を行えばよい。アノード側の触媒層形成用組成物、及び、カソード側の触媒層形成用組成物は、互いに同一であってよいし、目的、用途等に応じて、異なる組成であってもよい。
【００５７】
本発明の燃料電池において、電解質層１１、一対の触媒層１３及び一対の拡散層１５からなる膜電極接合体は、上記接合体における、アノード側の触媒層の表面、及び、カソード側の触媒層の表面に、それぞれ、アノード側の拡散層、及び、カソード側の拡散層を形成することにより作製することができる。
【００５８】
上記接合体における、アノード側の触媒層の表面、及び、カソード側の触媒層の表面に、アノード側の拡散層、及び、カソード側の拡散層を形成し、膜電極接合体を製造する場合には、一面側から他面側に、気体及び液体の透過性を有する繊維シートであって、（１）導電性繊維及び吸排水性繊維を、これらが絡み合うように、且つ、その内部よりも、一面側の表層部、及び、他面側の表層部に、導電性繊維が多く含まれ、且つ、一面側の表層部、及び、他面側の表層部よりも、内部に、吸排水性繊維が多く含まれるように混紡した後、混紡物を加圧成形して得られた繊維シート、（２）導電性繊維及び吸排水性繊維を、これらが絡み合うように混紡して得られた混紡物（ｃ１）２体の間に、導電性繊維及び吸排水性繊維を、これらが絡み合うように混紡して得られた混紡物（ｃ２）であって、混紡物（ｃ２）における導電性繊維の含有量が、混紡物（ｃ１）における導電性繊維の含有量より少ない混紡物（ｃ２）を挟んだ状態で、必要に応じて加圧した後、この集積体の一面側から他面側へニードリングを行い、針に追随して、少なくとも導電性繊維が引き込まれて交絡された繊維シート等を、拡散層形成用シートとして用いることができる。そして、この拡散層形成用シートを２体用いて、上記接合体を挟んだ状態で、熱圧着等を行えばよい。アノード側の拡散層形成用シート、及び、カソード側の拡散層形成用シートは、互いに同一構成であってよいし、目的、用途等に応じて、異なってもよい。
尚、上記（１）〜（３）で示した繊維シートにおいては、導電性繊維が、拡散層形成用シートにおける内部より表層部の方に多く含まれており、吸排水性繊維が、拡散層形成用シートにおける表層部より内部の方に多く含まれている。
【００５９】
上記膜電極接合体は、触媒層１３及び拡散層１５からなる積層体を２つ作製した後、これらの積層体と、電解質膜体とを熱圧着等に供して製造することもできる。
【００６０】
その後、金属、合金、カーボン等からなるセパレータであって、原料供給用の流路空間となる溝を有するセパレータを２体用いて、上記膜電極接合体を挟持することにより、図１に示す構造の燃料電池が得られる。
【実施例】
【００６１】
実施例１
本発明の燃料電池における拡散層１５を中心とした拡大図を図２に示す。拡散層１５の形成に用いた拡散層形成用シートは、予め、ニードリングにより、カーボン繊維が、厚さ方向に配向するように製造されたシートであることから、図２における電解質層１１と、セパレータ部１７との間に、電気的導通が得られている。
【００６２】
図１に示す燃料電池を、燃料ガスとして水素ガスを、酸化剤ガスとして空気を、それぞれ、アノード及びカソードの流路空間２を通気させつつ、駆動させると、カソードにおける酸素ガスが、アノードから移動してきたプロトン及び電子と反応して起電力を発生させると同時に、水素と酸素とから水が生成する。本態様の燃料電池によると、生成した水は、触媒層１３からカソード側拡散層１５を構成する管状繊維又はその中空空間に保持される。これにより、水が拡散層１５及び流路空間２に滞留することなく、電気化学反応を円滑に進めて、安定した発電を得ることができる。
【００６３】
尚、前述の記載は単に説明を目的とするものでしかなく、本発明を限定するものと解釈されるものではない。本発明を典型的な実施態様を挙げて説明したが、本発明の記述及び図示において使用された文言は、限定的な文言ではなく、説明的および例示的なものであると理解される。ここで詳述したように、その態様において本発明の範囲又は精神から逸脱することなく、添付の特許請求の範囲内で変更が可能である。ここでは、本発明の詳述に特定の構造、材料及び実施態様を参照したが、本発明をここにおける開示事項に限定することを意図するものではなく、寧ろ、本発明は添付の特許請求の範囲内における、機能的に同等の構造、方法、使用の全てに及ぶものとする。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明の燃料電池は、水素ガス等の燃料ガスを収容するタンク、空気等の酸化剤ガスを収容するタンク、これらのガスを燃料電池に提供するためのブロア、燃料電池を冷却するためのラジエータ、燃料電池で生成された電力を蓄電するバッテリー、この電力で駆動する駆動モータ等を備える燃料電池システムを用いる分野、例えば、携帯型電源、携帯型電子機器用電源、電気自動車用電源、家庭内コージェネシステム等において、好適である。
【符号の説明】
【００６５】
１：燃料電池
１１：電解質膜
１３：触媒層
１５：拡散層
１５１，１５１Ａ，１５１Ｂ，１５１Ｃ：導電性繊維
１５３：吸排水性繊維
１７：セパレータ部
２：原料（燃料ガス、酸化剤ガス）の流路空間
５１：中空空間
５２：管部
５４：芯部
５５：鞘部
５６：第１繊維部
５７：第２繊維部
５９：細孔
【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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