(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１９と、を備え、セパレータ部１９の内壁に、この内壁の表面形状に沿うように、親水性カーボン繊維を含み且つ導電性を有する保湿層１７が形成されていることを特徴とする。【選択図】図１
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【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、
前記セパレータ部の内壁に、前記内壁の表面形状に沿うように、親水性カーボン繊維を含み且つ導電性を有する保湿層が形成されていることを特徴とする燃料電池。
【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、水素ガスやメタンガス等の燃料ガスと、酸素ガスや空気等の酸化剤ガスとを、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。また、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。
【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
【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、セパレータ部の内壁に、この内壁の表面形状に沿うように、親水性カーボン繊維を含み且つ導電性を有する保湿層が形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の燃料電池によれば、電解質層のドライアップを抑制することができ、カソードで生成した水が、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。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保湿層１７の配設形態を示す拡大図である。
【図３】図１で示した燃料電池における拡散層１５が一定の方向に配向する管状体の一体化物からなることを示す拡大図である。
【図４】図３におけるＡ−Ａ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明を、図１〜図４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１９と、セパレータ部１９の内壁に、この内壁の表面形状に沿うように配された、親水性カーボン繊維を含み且つ導電性を有する保湿層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、気体及び液体の透過性を有する導電層である。
【００２１】
上記拡散層１５の構成材料は、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等である。この拡散層１５は、発泡体、多孔体、繊維集積体、カーボンナノチューブ等の管状体の複数が一定方向に配向している一体化物（図３及び図４参照）等からなるものとすることができる。管状体を用いる場合、その内径は、好ましくは５０μｍ以下である。また、管状体は、一端側が電解質層１１及び触媒層１３の側に開口し、他端側が保湿層１７及びセパレータ部１９の側に開口して整列していることが好ましい。尚、管状体の配向方向は、電解質層１１に対して垂直であってよいし、斜めであってもよい。
尚、燃料電池の駆動時に生成した水による、拡散層１５における気体拡散効率の低下を抑制するために、一面側から他面側へ、例えば、触媒層１３側からセパレータ部１９側への流路（通気路）に接する拡散層１５の内表面は、撥水処理されていてもよい。
【００２２】
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。
【００２３】
上記セパレータ部１９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１９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１９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、後述する保湿層１７が、セパレータ部１９の内壁の表面形状に沿うように形成されていても、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。
【００２４】
上記セパレータ部１９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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
上記保湿層１７は、上記セパレータ部１９の内壁に、その表面形状に沿うように形成された、少なくとも親水性カーボン繊維を含む導電層である。そして、必要により、原料の流路空間を確保するために形成された、セパレータ部１９の内壁側の溝に沿う凸部に由来する、保湿層１７における凸部（電解質層１１側への凸部）は、好ましくは、上記拡散層１５と面接触している（図１〜図３参照）。この保湿層１７を備えることにより、電解質層１１のドライアップを抑制することができ、カソードで生成した水が、カソード側の触媒層１３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。
【００２８】
上記親水性カーボン繊維は、中実体、中空体及び多孔体のいずれでもよい。また、本発明において、好ましいカーボン繊維は、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、又は、レーヨン系カーボン繊維であって、例えば、放射線グラフト重合；酸素ガスを含む雰囲気において加熱する方法；親水化処理剤に浸漬する方法等によって、その表面に親水性基が形成されたカーボン繊維である。
親水性基としては、−ＳＯ３Ｈ、−ＳＯ３Ｍ、−ＯＳＯ３Ｈ、−ＯＳＯ３Ｍ、−ＣＯＯＨ、−ＣＯＯＭ、−ＮＲ３Ｘ、−ＮＨ２、−ＣＮ、−ＯＨ等が挙げられる。但し、Ｒは、アルキル基、Ｘはハロゲンイオン、Ｍはアルカリ金属イオン又は−ＮＨ４である。
尚、本発明においては、親水性基を有さなくてもよいカーボン繊維の表面に、親水性を有する金属酸化物等を含む皮膜が形成された親水性カーボン繊維を用いることもできる。
上記保湿層１７に含まれる親水性カーボン繊維は、１種のみであってよいし、２種以上であってもよい。
【００２９】
上記保湿層１７に含まれる親水性カーボン繊維の長さは、層の全体に渡って、同一であってよいし、異なる長さの繊維が含まれていてもよい。
上記保湿層１７に含まれる親水性カーボン繊維の繊維径は、層の全体に渡って、同一であってよいし、異なる繊維径の繊維が含まれていてもよい。
【００３０】
上記保湿層１７は、親水性カーボン繊維を含む織布又は不織布からなるものとすることができる。
【００３１】
本発明の燃料電池において、アノード側の保湿層、及び、カソード側の保湿層は、互いに同じ構成であってよいし、異なってもよい。
アノード側の保湿層の厚さ、及び、カソード側の保湿層の厚さは、同一であってよいし、異なってもよい。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
本発明の燃料電池は、セパレータ部１９に沿う保湿層１７を備えるため、カソード側の触媒層１３で生成した水を、拡散層１５を通過させ、保湿層１７において吸着させ、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、保湿層１７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、保湿層１７の水が脱着（蒸散）し、カソード側の拡散層１５及び触媒層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。これらの効果は、保湿層１７の全体が拡散層１５に密着することなく、保湿層１７の一部と拡散層１５との間に流路空間２を備える構造に起因するものと推測している。
尚、上記のように、原料供給用の流路空間２は、通常、セパレータ部１９の内壁における溝部に依存するものであり、保湿層１７が、セパレータ部１９の内壁の表面形状に沿うように形成されているので、生成した水が保湿層１７全体に浸透し、流路空間の全体に渡って、湿度が一定に保持される。
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、保湿層１７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。
【００３７】
本発明の燃料電池における原料の流路空間２は、内壁に流路空間を形成するための溝を有するセパレータを用い、図１に示す構成とした態様に限定されるものではなく、例えば、原料の流路空間として作用させる溝を形成した拡散層形成用シートと、内壁表面に溝のない平板状セパレータと、親水性カーボン繊維を含む平板状シートとを用いた構成とすることができる。
【００３８】
以下、本発明の燃料電池の製造方法について、説明する。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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導電シートを、拡散層形成用シートとして用いることができる。この拡散層形成用シートの具体例としては、導電繊維を用いた織布又は不織布である、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルト等の繊維集積体や、カーボンナノチューブ等の管状体の複数からなる一体化物等を、そのまま、用いてよいし、これらを、必要に応じて、撥水処理等に供したものを用いてもよい。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、互いに同一であってよいし、目的、用途等に応じて、異なってもよい。
尚、拡散層形成用シートとして、カーボンナノチューブ等の管状体の複数が一定方向に配向している一体化物を用いる場合には、この一体化物における管状体は、その貫通孔の延長方向が、一面側から他面側に一定であることが好ましい。
【００４４】
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。
【００４５】
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、における溝を有する側の表面全体に保湿層１７を形成した複合体を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。尚、ここで用いる複合体は、セパレータの溝を有する側の表面全体に、親水性カーボン繊維を含む保湿シート（保湿層形成用シート）を、その位置及び形に合わせて個別に配したものであってよいし、セパレータの溝（表面の凹凸）に合った形状に加工した保湿シートをセパレータの表面全体に配したものであってもよい。上記保湿シートは、親水性カーボン繊維を含み、他の繊維を含んでもよい織布又は不織布からなる導電シートである。
【実施例】
【００４６】
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３に示す。拡散層１５は、カーボンナノチューブの複数を含む一体化物（集合体）からなり、カーボンナノチューブは、いずれも、一定の方向（図３では電解質層１１に対して垂直である水平方向）に配向している。図３におけるＡ−Ａ断面図である図４に示すように、拡散層１５を介して、電解質層１１及び触媒層１３と、原料の流路空間２とを連絡している。
【００４７】
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、流路空間２を流れる酸化剤ガスを利用したベルヌーイ効果により、触媒層１３から拡散層１５を構成するカーボンナノチューブの細孔を通して、流路空間２に飛び出し、セパレータ部１９の内壁の全面に形成された保湿層１７に吸着される。保湿層１７は、親水性カーボン繊維を含むことから、水は、保湿層１７の一部ではなく、全体に浸透し保持される。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。
【００４８】
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】
【００４９】
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】
【００５０】
１：燃料電池
１１：電解質膜
１３：触媒層
１５：拡散層
１７：保湿層
１９：セパレータ部
２：原料（燃料ガス、酸化剤ガス）の流路空間
【図１】
2013191322.tif 000003
【図２】
2013191322.tif 000004
【図３】
2013191322.tif 000005
【図４】
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