(57)【要約】      （修正有）【課題】重金属イオン捕捉能を有するガス拡散層を提供する。【解決手段】本発明は、ガス拡散基材層と、カーボン層とを含む燃料電池用ガス拡散層であって、前記ガス拡散基材層および／または前記カーボン層が、重金属イオン捕捉剤（Ｋ，Ｎａ、Ｃａ、Ｍｇ，Ｂｅ、Ｌｉの各イオン）を含む燃料電池用ガス拡散層により上記課題を解決する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス拡散基材層と、カーボン層とを含む燃料電池用ガス拡散層であって、
前記ガス拡散基材層および／または前記カーボン層が、重金属イオン捕捉剤を含む燃料電池用ガス拡散層。
【請求項２】
前記重金属イオン捕捉剤は、捕捉する重金属イオンよりもイオン化傾向が高い陽イオンを含有する請求項１記載の燃料電池用ガス拡散層。
【請求項３】
前記重金属イオン捕捉剤が、前記陽イオンを有する固体高分子電解質である請求項２記載の燃料電池用ガス拡散層。
【請求項４】
前記固体高分子電解質が、フッ素原子を含有する請求項３記載の燃料電池用ガス拡散層。
【請求項５】
前記重金属イオン捕捉剤が、前記陽イオンを有する陰イオン性界面活性剤である請求項２記載の燃料電池用ガス拡散層。
【請求項６】
前記陰イオン性界面活性剤が、アルキル硫酸エステル塩、ポリオキシエチレンアルキルエーテル硫酸エステル塩、アルキルベンゼンスルフォン酸塩、スルフォン酸塩、および脂肪酸塩からなる群から選択される少なくとも一種である請求項５記載の燃料電池用ガス拡散層。
【請求項７】
カソード側電極触媒層およびアノード側電極触媒層が、固体高分子電解質膜の両面に対向して配置され、さらにこれを二枚のガス拡散層が挟持した燃料電池用ＭＥＡにおいて、
前記ガス拡散層の少なくとも一方が、請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池用ガス拡散層である燃料電池用ＭＥＡ。
【請求項８】
請求項７記載の燃料電池用ＭＥＡを用いた燃料電池。
【請求項９】
ガス拡散基材層に固体高分子電解質を含浸させた後、前記ガス拡散基材層をカリウムイオン、ナトリウムイオン、カルシウムイオン、マグネシウムイオン、ベリリウムイオン、およびリチウムイオンからなる群から選択される少なくとも一種の陽イオンを含有する溶液に浸漬させる工程を有する燃料電池用ガス拡散層の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用ガス拡散層に関し、より詳細には、重金属イオン交換能を有する燃料電池用ガス拡散層に関する。
【背景技術】
【０００２】
経済発展の推進力である天然ガス、石炭および石油等による「エネルギー問題」、ならびに、二酸化炭素等による温暖化現象および硫黄化合物等による大気汚染などの「環境問題」は、国境の壁を越えて複雑に関連しており、近年では、これらをうまく調和させることが世界的に求められている。この調和の役目を担う手段の一つとして、燃料電池が注目されている。
【０００３】
燃料電池は、電極反応による生成物が原理的に水であり、地球環境への悪影響がほとんどないクリーンな発電システムである。燃料電池には、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、アルカリ型燃料電池（ＡＦＣ）、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）などがある。
【０００４】
各燃料電池において使用する電解質は、リン酸型燃料電池や溶融炭酸塩型燃料電池では液体であるのに対し、固体高分子型燃料電池は固体の高分子電解質膜である。電解質が液体であると、電解質の保持が困難であったり、液漏れやこれに伴う構成材料の腐食など、様々な問題が生じる恐れがある。しかしながら、ＰＥＦＣは固体高分子電解質膜を使用するため、このような問題が改善され、電池内の構造を簡便にすることができる。
【０００５】
固体高分子型燃料電池の構成は、一般的には、膜−電極接合体（ＭＥＡ）をセパレータで挟持した構造となっている。ＭＥＡは、固体高分子電解質膜が一対の電極触媒層およびガス拡散層により挟持されてなるものである。電極触媒層は、固体高分子電解質と導電性担体に触媒粒子が担持されてなる電極触媒との混合物により形成された多孔性のものであり、単に電極とも呼ばれている。
【０００６】
固体高分子型燃料電池では、以下のような電気化学的反応が進行する。まず、アノード側電極触媒層に供給された燃料ガスに含まれる水素は、下記式（１）に示すように電極触媒により酸化されてプロトンおよび電子となる。次に、生成したプロトンは、アノード側電極触媒層に含まれる固体高分子電解質、さらにアノード側電極触媒層と接触している固体高分子電解質膜を通り、カソード側電極触媒層に達する。また、アノード側電極触媒層で生成した電子は、アノード側電極触媒層を構成している導電性担体、さらにアノード側電極触媒層の固体高分子電解質膜と異なる側に接触しているガス拡散層、セパレータおよび外部回路を通してカソード側電極触媒層に達する。そして、カソード側電極触媒層に達したプロトンおよび電子は、下記式（２）に示すように電極触媒によりカソード側に供給されている酸化剤ガスに含まれる酸素と反応し水を生成する。燃料電池では、上述した電気化学的反応を通して、電気を外部に取り出すことが可能となる。
【０００７】
【化１】
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【０００８】
固体高分子型燃料電池における上記電気化学的反応は、主に、電極触媒層における、触媒粒子と、固体高分子電解質と、燃料ガスまたは酸化剤ガスなどの反応ガスと、が接触する三相界面において進行する。従って、高い発電性能を有する燃料電池を得るためには、電極触媒層中の三相界面の形成量を大きくさせるのが望ましい。
【０００９】
そこで、従来では、外部から供給された反応ガスを電極触媒層へと均一に供給するとともに、電池反応などにより生じた過剰な水分を電極触媒層から排出させるために、電極触媒層と隣接させてガス拡散層が配置されていた。
【００１０】
従来のガス拡散層は、カーボンクロスなどを用いたガス拡散基材層を有する。また、特許文献１には、ガス拡散基材層表面にカーボンブラックおよびフッ素樹脂を含むカーボン層を有するガス拡散層が開示されている。前記カーボン層は、フッ素樹脂にコーティングされたカーボンブラックの集合体からなる多孔質構造を有する。従って、前記カーボン層によれば、反応ガスを拡散させて電極触媒層により均一に供給するだけでなく、毛細管力により過剰な水を速やかに排水することが可能となる。
【特許文献１】国際公開第０１／２２５１０号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、従来の固体高分子型燃料電池では、固体高分子電解質膜や電極触媒層などに用いられる固体高分子電解質が必要とされる耐久性を有していない問題があった。固体高分子電解質の劣化は、時間経過と共に電圧損失を増大させ、結果として電池性能の低下を招く。
【００１２】
かような固体高分子電解質の劣化は、重金属イオンが主原因であることが考えられる。具体的には、前記重金属イオンは供給ガスなどにより燃料電池内で拡散し、上記電気化学的反応の副反応により生成した過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）と反応して、過酸化水素ラジカルを形成する。この過酸化水素ラジカルが固体高分子電解質を攻撃し、固体高分子電解質の有機物から水素を引き抜いたり、他の結合を切断するなどして、固体高分子電解質の化学劣化を促進させる。
【００１３】
固体高分子電解質の劣化因子である重金属イオンは、燃料電池システムなどに用いられる配管、スタック基材などに主に含まれ、外部から供給される反応ガスにより端部に配置されるガス拡散層を介して燃料電池内に侵入することが考えられる。
【００１４】
従って、固体高分子型燃料電池における固体高分子電解質の劣化を抑制するには、電池内への重金属イオンの侵入を抑制することが有効である。
【００１５】
そこで、本発明が目的とするところは、重金属イオン捕捉能を有するガス拡散層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】
【００１６】
本発明は、ガス拡散基材層と、カーボン層とを含む燃料電池用ガス拡散層であって、前記ガス拡散基材層および／または前記カーボン層が、重金属イオン捕捉剤を含む燃料電池用ガス拡散層により上記課題を解決する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のガス拡散層は、重金属イオン捕捉剤を含有することにより、重金属イオン捕捉能を有する。好ましくは捕捉する重金属イオンよりもイオン化傾向が高い陽イオンを含有する重金属イオン捕捉剤を用いる。これにより、ガス拡散層を透過するガスに含まれる重金属イオンをトラップして、固体高分子電解質の劣化因子にはなり難い前記陽イオンを放出することができる。
【００１８】
前記ガス拡散層を燃料電池に用いれば、電極触媒層および固体高分子電解質膜などに含まれる固体高分子電解質の劣化を抑制することが可能となり、耐久性に優れる燃料電池が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の第一は、ガス拡散基材層と、カーボン層とを含む燃料電池用ガス拡散層であって、前記ガス拡散基材層および／または前記カーボン層が、重金属イオン捕捉剤を含む燃料電池用ガス拡散層（以下、単に「ガス拡散層」とも記載する）である。
【００２０】
本発明のガス拡散層において、重金属イオン捕捉剤とは、外部から供給される反応ガスなどに含まれる重金属イオンを捕捉することができるものである。
【００２１】
固体高分子電解質の劣化因子である重金属イオンとは、比重が４または５以上の金属のイオンのことであり、具体的には、鉄イオン、銅イオン、ニッケルイオン、コバルトイオン、マンガンイオン、クロムイオン、バナジウムイオン、およびチタンイオンからなる群から選択される少なくとも一種が挙げられる。
【００２２】
前記重金属イオン捕捉剤は、ガス拡散層を構成するガス拡散基材層またはカーボン層の少なくとも一方に含まれていればよく、前記ガス拡散基材層および前記カーボン層の双方に含まれてもよい。これにより、ガス拡散層に重金属イオン捕捉能を付与することが可能となる。
【００２３】
前記重金属イオン捕捉剤によりガス拡散層に付与される重金属イオン捕捉能は、次の方法により測定することができる。
【００２４】
前記ガス拡散層を室温（２５℃）に調整した２０ｍｏｌ／ｌの塩化鉄水溶液８０ｍｌに浸漬させ、スターラーにより６時間攪拌し、この攪拌前後における塩化鉄水溶液中の鉄イオン濃度をプラズマ発光分光分析法装置を用いて測定し、攪拌前後の濃度差からガス拡散層に含まれる重金属イオン交換剤が捕捉した鉄イオン量を塩化鉄換算μｇ数で求めて、この数値をガス拡散層が有する重金属イオン捕捉能とする。この時、ガス拡散層は、厚さを５０〜５００μｍ、面積を１〜２５ｃｍ２とする。
【００２５】
本発明のガス拡散層が有する重金属イオン捕捉能は、上記測定方法において、捕捉せず通過する鉄イオンの量を塩化鉄換算のμｇ数で表した数値であり、１μｇ／ｍｌの鉄イオン濃度を超えると、十分な重金属イオン補足能を有するガス拡散層とすることができない恐れがある。
【００２６】
本発明のガス拡散層において、前記重金属イオン捕捉剤として、具体的には、捕捉する重金属イオンよりもイオン化傾向が高い陽イオンを含有するものが好ましく用いられる。これにより、ガス拡散層内に侵入してきた重金属イオンを、前記重金属イオン捕捉剤が捕捉し、重金属イオンよりもイオン化傾向が高い陽イオンを優先的に放出することが可能となる。なお、イオン化傾向とは、水中で金属単体がイオン化しやすい順に並べたものである。
【００２７】
前記陽イオンとしては、捕捉する重金属イオンよりもイオン化傾向が高いものであればよく、カリウムイオン、カルシウムイオン、ナトリウムイオン、マグネシウムイオン、ベリリウムイオン、およびリチウムイオンなどが好ましく挙げられる。捕捉された重金属イオンに代わってこれらの陽イオンが放出されても、電極反応を阻害したり、固体高分子電解質を劣化させたりする恐れがないため好ましい。また、これらの陽イオンは、重金属イオン捕捉剤に一種のみが含有されていてもよく、二種以上を混合して含有してもよい。
【００２８】
前記重金属イオン捕捉剤として、より具体的には、前記陽イオンを有する固体高分子電解質が好ましく挙げられる。
【００２９】
前記固体高分子電解質は、燃料電池を構成する固体高分子電解質膜や電極触媒層などに用いられるものと同様のものが挙げられる。これらはイオン交換基として、第４級アンモニウム基、フェノール基、カルボキシル基、スルホン酸基、リン酸基、ホスホン酸基、およびボロン酸基などの極性基を有する。これらの極性基に含まれるプロトンなどは、容易に前記陽イオンで置換することができる。従って、固体高分子電解質を用いることにより、前記陽イオンを含有する重金属イオン捕捉剤が容易に得られる。
【００３０】
ここで、固体高分子電解質としてパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーであるナフィオン（登録商標）からなる膜を用い、下記の各手順に従って、前記ナフィオンが有するイオン交換基であるスルホン酸基にＮａイオンを導入させることによりスルホン酸ナトリウム基（−ＳＯ３Ｎａ）としたＮａ型ナフィオン膜と、前記ナフィオンが有するイオン交換基を完全にスルホン酸基（−ＳＯ３Ｈ）としたＨ型ナフィオン膜と、を用いてこれらの鉄イオン捕捉試験を行った結果を図１に示す。
【００３１】
（Ｎａ型ナフィオン膜の作製）
ナフィオン膜（ＤｕＰｏｎｔ社製Ｎａｆｉｏｎ  ＮＲ−１１２）を、１Ｍ塩化ナトリウム水溶液に室温（２５℃）でスターラーにより攪拌しながら２４時間浸漬させた後、ナフィオン膜を引き上げ精製水で十分に洗浄することにより、Ｎａ型ナフィオン膜を作製した。
【００３２】
（Ｈ型ナフィオン膜の作製）
ナフィオン膜（ＤｕＰｏｎｔ社製Ｎａｆｉｏｎ  ＮＲ−１１２）を、１Ｍ塩酸溶液に室温（２５℃）でスターラーにより攪拌しながら２４時間浸漬させた後、ナフィオン膜を引き上げ精製水で十分に洗浄することにより、Ｈ型ナフィオン膜を作製した。
【００３３】
（鉄イオン捕捉試験）
各ナフィオン膜をＨ型セルに挟み込み、セルの片側に室温（２５℃）に調整した２０ｍｏｌ／ｌの塩化鉄水溶液８０ｍｌを注入し、他方のセルに精製水８０ｍｌを注入し、室温（２５℃）で両側のセルを攪拌し、精製水中の鉄イオン量の経時変化を誘導結合プラズマ発光分析（ＩＣＰ）により測定することにより行った。この時、Ｈ型セルに挟まれる各ナフィオン膜は、厚さを２５μｍ、面積を２ｃｍ２とした。
【００３４】
図１から、Ｎａ型ナフィオン膜の方が、Ｈ型ナフィオン膜に比べ、精製水中鉄イオン量が少ない。これにより、鉄イオンよりもイオン化傾向の大きいＮａイオンを含む固体高分子電解質によれば、鉄イオンを捕捉できることが分かる。
【００３５】
前記重金属イオン捕捉剤に好ましく用いられる前記固体高分子電解質は、ポリマー骨格の全部又は一部にフッ素原子を含むフッ素系電解質と、ポリマー骨格にフッ素原子を含まない炭化水素系電解質とに大別される。
【００３６】
前記フッ素系電解質として、具体的には、ナフィオン（登録商標、デュポン社製）、アシプレックス（登録商標、旭化成株式会社製）、フレミオン（登録商標、旭硝子株式会社製）等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー、ポリトリフルオロスチレンスルフォン酸系ポリマー、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマー、トリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマー、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ポリマー、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリビニリデンフルオリド−パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーなどが好適な一例として挙げられる。
【００３７】
前記炭化水素系電解質として、具体的には、ポリスルホンスルホン酸、ポリアリールエーテルケトンスルホン酸、ポリベンズイミダゾールアルキルスルホン酸、ポリベンズイミダゾールアルキルホスホン酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリエーテルエーテルケトンスルホン酸、ポリフェニルスルホン酸等が好適な一例として挙げられる。
【００３８】
固体高分子電解質は、耐久性、機械強度などに優れることから、フッ素原子を含むのが好ましく、なかでも、ナフィオン（登録商標、デュポン社製）、アシプレックス（登録商標、旭化成株式会社製）、フレミオン（登録商標、旭硝子株式会社製）などのフッ素系電解質が好ましく挙げられる。
【００３９】
上記した固体高分子電解質に前記陽イオンを含有させるには、上記で列挙した陽イオンを少なくとも一種含有する溶液に固体高分子電解質を浸漬する方法などが用いられる。なお、前記固体高分子電解質における前記陽イオンの含有量は、電解質の逆滴定をすることにより測定できる。
【００４０】
前記重金属イオン捕捉剤としては、上述した前記陽イオンを有する固体高分子電解質の他に、前記陽イオンを有する陰イオン性界面活性剤も好ましく用いられる。
【００４１】
界面活性剤は、一般的に疎水基と親水基とを有している。前記陰イオン性界面活性剤は水溶液中でイオンに解離して親水基がマイナスに解離するため、親水基の一部を上記で列挙した陽イオンで容易に置換することができ、前記陰イオン性界面活性剤に前記陽イオンを含有させることができる。上記陽イオンで置換された親水基としては、−ＯＳＯ３Ｍ、−ＣＯＯＭ（ここで、Ｍは、カリウムイオン、カルシウムイオン、ナトリウムイオン、マグネシウムイオン、ベリリウムイオン、およびリチウムイオンからなる群から選択される少なくとも一種の陽イオンである。）などが挙げられる。また、親水基に予め前記陽イオンを有しているものを用いれば、前記陽イオンをさらに導入する工程を経ないでも、ガス拡散層に前記陰イオン性界面活性剤を直接含有させることができる。
【００４２】
前記陰イオン性界面活性剤として、具体的には、アルキル硫酸エステル塩、ポリオキシエチレンアルキルエーテル硫酸エステル塩、アルキルベンゼンスルフォン酸塩、スルフォン酸塩、および脂肪酸塩からなる群から選択される少なくとも一種が挙げられる。これらであれば、重金属イオン補足能に優れた効果が得られる。
【００４３】
また、前記陰イオン性界面活性剤を上記陽イオンを少なくとも一種含有する溶液に浸漬させることにより、前記陰イオン性界面活性剤に前記陽イオンを含有させたり、前記陰イオン性界面活性剤に含まれる陽イオンの種類を変えたり、前記陽イオンの含有量を増加させたりすることが容易にできる。なお、前記陰イオン性界面活性剤における前記陽イオンの含有量は、電解質の逆滴定をすることにより測定できる。
【００４４】
本発明のガス拡散層に用いられるガス拡散基材層としては、従来公知のものであれば特に制限なく用いることができる。具体的には、炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルト、不織布といった導電性及び多孔質性を有するシート状材料などからなるものが挙げられる。より具体機には、カーボンペーパ、カーボンクロス、カーボン不織布などが好ましく挙げられる。前記ガス拡散基材層は、市販品を用いることもでき、例えば、東レ株式会社製カーボンペーパＴＧＰシリーズ、Ｅ−ＴＥＫ社製カーボンクロスなどが挙げられる。
【００４５】
前記ガス拡散基材層の厚さは、得られるガス拡散層の特性を考慮して適宜決定すればよいが、３０〜５００μｍ程度とすればよい。厚さが、３０μｍ未満であると十分な機械的強度などが得られない恐れがあり、５００μｍを超えるとガスや水などが透過する距離が長くなり望ましくない。
【００４６】
ガス拡散基材層に重金属イオン捕捉剤を含有させる場合、重金属イオン捕捉剤の含有量は、ガス拡散基材層を構成するカーボン質量に対して、５〜２０質量％とするのがよい。前記含有量が、５％質量％未満であるとガス拡散層に十分な重金属イオン捕捉能を付与することができない恐れがあり、２０質量％を超えるとガス拡散層の電気抵抗が上がる恐れがある。なお、ガス拡散基材層における重金属イオン補足剤の含有量は、ガス拡散層の質量増加量を秤量することにより測定できる。
【００４７】
ガス拡散基材層において、重金属イオン補足剤の含有量が上記範囲内であれば、重金属イオン補足剤として好ましく用いられる陽イオンを有する固体高分子電解質および陰イオン性界面活性剤は、一種単独で用いてもよく、二種以上を混合して用いてもよい。
【００４８】
前記ガス拡散基材層には、排水性をより向上させるために、重金属イオン交換剤の他に、撥水剤が含まれていてもよい。また、ガス拡散層において、カーボン層のみに重金属イオン捕捉剤を含有させる場合には、ガス拡散基材層には撥水剤が含まれているのが好ましい。
【００４９】
前記撥水剤としては、特に限定されないが、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）、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）などのフッ素系の高分子材料、ポリプロピレン、ポリエチレンなどが挙げられる。
【００５０】
前記ガス拡散基材層上に形成されるカーボン層は、撥水剤を含むカーボン粒子の集合体からなるものが好ましい。これにより、燃料電池において隣接して配置される電極触媒層内の水分を毛細管力により吸い取り外部へ排水することができ、排水性に優れるガス拡散層が得られる。
【００５１】
前記カーボン粒子としては、特に限定されず、カーボンブラック、黒鉛、膨張黒鉛などの従来一般的なものであればよい。なかでも、電子伝導性に優れ、比表面積が大きいことから、オイルファーネスブラック、チャネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラックが好ましく挙げられる。
【００５２】
前記カーボン粒子は、市販品を用いることができ、キャボット社製バルカンＸＣ−７２、バルカンＰ、ブラックパールズ８８０、ブラックパールズ１１００、ブラックパールズ１３００、ブラックパールズ２０００、リーガル４００、ライオン社製ケッチェンブラックＥＣ、三菱化学社製＃３１５０、＃３２５０などのオイルファーネスブラック；電気化学工業社製デンカブラックなどのアセチレンブラック等が挙げられる。またカーボンブラックのほか、天然の黒鉛、ピッチ、コークス、ポリアクリロニトリル、フェノール樹脂、フラン樹脂などの有機化合物から得られる人工黒鉛や炭素などがある。
【００５３】
前記カーボン粒子の粒径は、１０〜１００ｎｍ程度とするのがよい。これにより、毛細管力による高い排水性が得られるとともに、電極触媒層との接触性も向上させることが可能となる。
【００５４】
前記カーボン層に用いられる撥水剤としては、前記ガス拡散基材層に用いられる上述した撥水剤と同様のものが挙げられる。なかでも、撥水性、電極反応時の耐腐食性などに優れることから、フッ素系の高分子材料が好ましく用いられる。
【００５５】
前記カーボン層における、カーボン粒子と撥水剤との混合比は、カーボン粒子が多過ぎると期待するほど撥水性が得られない恐れがあり、撥水剤が多過ぎると十分な電子伝導性が得られない恐れがある。これらを考慮して、カーボン層におけるカーボン粒子と撥水剤との混合比は、質量比で、９０：１０〜４０：６０程度とするのがよい。
【００５６】
上述した撥水剤を含むカーボン粒子の集合体からなるカーボン層に重金属イオン捕捉剤を含有させる場合、カーボン層を構成するカーボン質量に対して、５〜２０質量％とするのがよい。前記含有量が、５質量％未満であるとガス拡散層に十分な重金属イオン捕捉能を付与することができない恐れがあり、２０質量％を超えるとガス拡散層の電気抵抗が上がる恐れがある。なお、カーボン層における重金属イオン補足剤の含有量は、ガス拡散層の質量増加量を秤量することにより測定できる。
【００５７】
カーボン層において、重金属イオン補足剤の含有量が上記範囲内であれば、重金属イオン補足剤として好ましく用いられる陽イオンを有する固体高分子電解質および陰イオン性界面活性剤は、一種単独で用いてもよく、二種以上を混合して用いてもよい。しかしながら、カーボン層において用いる重金属イオン捕捉剤は、製造工程が容易なことから前記陰イオン性界面活性剤を用いるのが好ましい。
【００５８】
また、カーボン層に陽イオンを有する固体高分子電解質からなる重金属イオン捕捉剤を含有させる場合には、上述した撥水剤が含まれていなくともよい。すなわち、陽イオンを有する固体高分子電解質からなる重金属イオン捕捉剤を含むカーボン粒子の集合体からなるカーボン層であってもよい。かような構成を有するカーボン層は、高い重金属イオン捕捉能を有する。
【００５９】
この時、前記カーボン層における、カーボン粒子と陽イオンを有する固体高分子電解質との混合比は、カーボン粒子が多過ぎると所望するほどの重金属イオン補足能が得られない恐れがあり、陽イオンを有する固体高分子電解質が多過ぎると十分な電子伝導性が得られない恐れがある。これらを考慮して、前記カーボン層におけるカーボン粒子と陽イオンを有する固体高分子電解質との混合比は、質量比で、１：１〜１００：１程度とするのがよい。
【００６０】
前記カーボン層の厚さは、得られるガス拡散層の電子伝導性、重金属イオン交換能などを考慮して適宜決定すればよいが、５０〜５００μｍとするのがよい。
【００６１】
本発明の第二は、上述したガス拡散層を有する燃料電池用ＭＥＡである。すなわち、カソード側電極触媒層およびアノード側電極触媒層が、固体高分子電解質膜の両面に対向して配置され、さらにこれを二枚のガス拡散層が挟持した燃料電池用ＭＥＡにおいて、前記ガス拡散層の少なくとも一方が、本発明の第一の燃料電池用ガス拡散層である燃料電池用ＭＥＡ（以下、単に「ＭＥＡ」とも記載する。）である。
【００６２】
本発明の第一のガス拡散層は、上述した通り、固体高分子電解質の劣化因子である重金属イオン捕捉能を有する。これにより、前記ガス拡散層をＭＥＡに用いれば、外部から供給される反応ガスを介して電極触媒層内や固体高分子電解質膜内へ重金属イオンが侵入するのを防止することが可能となる。従って、本発明によれば、ＭＥＡに含まれる固体高分子電解質の劣化を抑制し、長期に亘って高い発電性能を維持することができるＭＥＡを提供することが可能となる。
【００６３】
本発明のＭＥＡの好適な一実施形態を図２に示す断面模式図を用いて説明する。図２において、ＭＥＡ２００は、固体高分子電解質膜２１０の両側に、アノード側電極触媒層２３１およびアノード側ガス拡散層２３２と、カソード側電極触媒層２４１およびカソード側ガス拡散層２４２と、それぞれ配置された構成を有する。
【００６４】
本発明の第一のガス拡散層は、カーボン層と電極触媒層とが接触するように配置する必要がある。これにより、電極触媒層に含まれる過剰な水をカーボン層が吸い取り、ガス拡散基材層を介して外部へ排出させることができ、電極触媒層内のフラッディング現象を防止することが可能となる。
【００６５】
ＭＥＡの構成は、本発明の第一のガス拡散層を用いる以外は、特に限定されることはなく従来公知の各種技術を適宜参照すればよい。従って、アノード側電極触媒層、カソード側電極触媒層、および、固体高分子電解質膜に関する詳細な説明はここでは省略する。
【００６６】
ＭＥＡにおいて、本発明の第一のガス拡散層は、アノード側ガス拡散層またはカソード側ガス拡散層のいずれか一方に用いられればよいが、固体高分子電解質の劣化を抑制することができることからアノード側ガス拡散層およびカソード側ガス拡散層の双方に用いるのが好ましい。
【００６７】
ＭＥＡの製造方法としては、従来公知の方法に従って行えばよい。例えば、上述したガス拡散層上に電極触媒層を形成し、これを二枚用いて固体高分子電解質膜を挟持した後、ホットプレスする方法などが挙げられる。
【００６８】
本発明の第三は、上述したＭＥＡを用いた燃料電池である。上述した本発明のガス拡散層またはＭＥＡによれば、固体高分子電解質の劣化を抑制することができ、耐久性に優れる燃料電池を提供することが可能となる。
【００６９】
燃料電池の種類としては、所望する電池特性が得られるのであれば特に限定されないが、固体高分子電解質の劣化を抑制できることから固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）として用いるのが好ましい。
【００７０】
燃料電池の構造は、特に限定されず、ＭＥＡをセパレータなどで挟持した構造などが挙げられる。
【００７１】
セパレータは、空気と燃料ガスとを分離する機能を有するものであり、従来一般的なものであれば特に制限なく用いることができる。前記セパレータとしては、緻密カーボングラファイト、炭素板等のカーボン製や、ステンレス等の金属製のものなど、従来公知のものを特に制限なく用いることができる。また、空気と燃料ガスの流路を確保するためにガス流通溝が形成されてもよく、従来公知の技術を適宜利用することができる。セパレータの形状は、特に限定されず、得られる燃料電池の出力特性などを考慮して適宜決定すればよい。
【００７２】
さらに、燃料電池が所望する電圧等を得られるように、セパレータを介してＭＥＡを複数積層して直列に繋いだスタックを形成してもよい。燃料電池の形状などは、特に限定されず、所望する電圧などの電池特性が得られるように適宜決定すればよい。
【００７３】
本発明の第四は、本発明の第一のガス拡散層の製造方法である。本発明の第一のガス拡散層は、ガス拡散基材層およびカーボン層の少なくとも一方に重金属イオン捕捉剤を含有する。前記重金属イオン捕捉剤は、本発明の第一において記載した通りであるが、捕捉しようとする重金属イオンよりもイオン化傾向が高い陽イオンを有する固体高分子電解質、陰イオン性界面活性剤などが好ましく挙げられる。
【００７４】
まず、重金属イオン捕捉剤として陽イオンを有する固体高分子電解質を含有するガス拡散基材層を有するガス拡散層の製造方法を説明する。すなわち、ガス拡散基材層に固体高分子電解質を含浸させた後、前記ガス拡散基材層をカリウムイオン、ナトリウムイオン、カルシウムイオン、マグネシウムイオン、ベリリウムイオン、およびリチウムイオンからなる群から選択される少なくとも一種を含有する溶液に浸漬させる工程を有するガス拡散層の製造方法である。
【００７５】
ガス拡散基材層に固体高分子電解質を含浸させるには、特に制限されないが、ガス拡散基材層を固体高分子電解質を含む溶液に浸漬させる方法などが用いられる。
【００７６】
前記固体高分子電解質を含む溶液は、固体高分子電解質を、水、および／または、メタノール、エタノールなどのアルコール系溶媒などの溶媒中に分散させることにより得られる。
【００７７】
前記溶液における固体高分子電解質の濃度が、高すぎると前記溶液の粘度が向上してガス拡散基材層内に前記溶液を侵入させることができない恐れがあり、低すぎるとガス拡散基材層において所望する固体高分子電解質の含有量を得るのが困難となる恐れがある。従って、前記溶液における固体高分子電解質の濃度は、好ましくは０．１〜２０質量％、より好ましくは１〜１０質量％程度とするのがよい。
【００７８】
前記固体高分子電解質を含む溶液にガス拡散基材層を浸漬させ、１分〜２４時間程度放置した後に、前記ガス拡散基材層を引き上げて乾燥させることにより、固体高分子電解質が含浸されたガス拡散基材層が得られる。また、前記ガス拡散基材層が浸漬された前記溶液に、ホモジナイザー、超音波攪拌等の従来公知の攪拌手段を施してもよく、これらの攪拌手段は適宜組み合わせてもよい。必要に応じて超音波照射や減圧脱泡により前記溶液がガス拡散基材層の細部にまで均一に浸透させる手段をさらに加えても良い。
【００７９】
また、前記固体高分子電解質を含む溶液をガス拡散基材層に塗布および含浸させる方法によっても、前記溶液をガス拡散基材層に含浸させることができる。
【００８０】
前記溶液を含むガス拡散基材層を乾燥させるには、真空乾燥、自然乾燥、ロータリーエバポレーター、沿送風乾燥機による乾燥など、公知の方法を用いればよく特に限定されない。乾燥条件としては、使用する方法に応じて適宜決定すればよいが、３０〜１００℃で、１〜２４時間程度行えばよい。
【００８１】
上述の通りにして得られた固体高分子電解質を含有するガス拡散基材層を、カリウムイオン、ナトリウムイオン、カルシウムイオン、マグネシウムイオン、ベリリウムイオン、およびリチウムイオンからなる群から選択される少なくとも一種の陽イオンを含有する溶液に浸漬させる。
【００８２】
これにより、前記固体高分子電解質がイオン交換基として有する第４級アンモニウム基、フェノール基、カルボキシル基、スルホン酸基、リン酸基、ホスホン酸基、およびボロン酸基などの極性基に含まれるプロトンなどを、前記陽イオンに置換することができ、陽イオンを有する固体高分子電解質からなる重金属イオン捕捉剤を含有するガス拡散基材層が得られる。
【００８３】
上記で列挙した陽イオンを含有する溶液の調整方法としては、前記陽イオンの元素を含む塩を、水の他、アルコール、アセトンなどの低沸点溶媒に溶解させることにより得られる。
【００８４】
前記陽イオンの元素を含む塩とは、前記陽イオンとしてカリウムイオンを用いる場合には、水酸化カリウム、塩化カリウム、炭酸カリウムなどのカリウムを含む塩；カルシウムイオンを用いる場合には水酸化カルシウム、炭酸カルシウムなどのカルシウムを含む塩；ナトリウムイオンを用いる場合には、水酸化ナトリウム、塩化ナトリウム、炭酸ナトリウムなどのナトリウムを含む塩などが挙げられる。これらの塩であれば、容易に溶解して陽イオンを含む溶液を調整することができる。
【００８５】
前記陽イオンを含有する溶液において所望の陽イオン濃度が得られるように、前記溶液における陽イオンの元素を含む塩の濃度は、０．１〜２０質量％、より好ましくは１〜１０質量％程度とするのがよい。
【００８６】
固体高分子電解質を含有するガス拡散基材層を、前記陽イオンを含有する溶液に浸漬させ、１分〜２４時間程度放置した後に、前記ガス拡散基材層を引き上げて乾燥させることにより、重金属イオン捕捉剤を含有するガス拡散基材層が得られる。
【００８７】
前記ガス拡散基材層が浸漬された前記溶液に、ホモジナイザー、超音波攪拌等の従来公知の攪拌手段を施してもよく、これらの攪拌手段は適宜組み合わせてもよい。また、必要に応じて超音波照射や減圧脱泡により前記溶液がガス拡散基材層の細部にまで均一に浸透させる手段をさらに加えても良い。
【００８８】
前記陽イオンを含有する溶液から引き上げた前記ガス拡散基材層の乾燥方法としては、真空乾燥、自然乾燥、ロータリーエバポレーター、沿送風乾燥機による乾燥など、公知の方法を用いればよく特に限定されない。また、乾燥条件としては、使用する方法に応じて適宜決定すればよいが、３０〜１００℃で、１〜２４時間程度行えばよい。
【００８９】
次に、上記の通りにして陽イオンを有する固体高分子電解質からなる重金属補足剤を含有するガス拡散基材層を作製した後、前記ガス拡散基材層上にカーボン層を作製する。
【００９０】
まず、重金属イオン捕捉剤を含有しないカーボン層の作製方法としては、従来公知の方法を用いればよい。カーボン粒子および撥水剤を含むスラリーを、ガス拡散基材層上に塗布および乾燥させる工程を有する方法である。
【００９１】
前記スラリーは、カーボン粒子、撥水剤を、水、パーフルオロベンゼン、ジクロロペンタフルオロプロパン、メタノール、エタノール等のアルコール系溶媒などの溶媒中に分散または溶解させることにより調製することができる。
【００９２】
前記スラリーを、上述の通りにして作製したガス拡散基材層上に塗布および乾燥させる方法としては、特に制限されず公知の方法を用いればよい。また、前記スラリーを一度乾燥させ粉砕することで粉体にし、これを前記ガス拡散基材層上に塗布する方法などを用いることもできる。
【００９３】
前記ガス拡散基材層上に作製したカーボン層は、マッフル炉や焼成炉を用いて２５０〜４００℃程度でさらに熱処理を施すのが好ましい。これにより、カーボン層の強度を高めることができる。
【００９４】
次に、陰イオン性界面活性剤からなる重金属イオン捕捉剤を含有するカーボン層の作製方法を説明する。
【００９５】
具体的には、上記した重金属イオン捕捉剤を含有しないカーボン層の作製方法において用いるスラリーに、さらに所定量の陰イオン界面活性剤を混合させる以外は、上記したカーボン層の作製方法と同様にして行えばよい。すなわち、カーボン粒子、撥水剤、および陰イオン性界面活性剤を含むスラリーをガス拡散基材層に塗布および乾燥させる工程を有する方法などが用いられる。
【００９６】
この時、所望する重金属イオン捕捉能を有するカーボン層とするためには、前記スラリーへの陰イオン性界面活性剤の添加量を、カーボン質量に対して、好ましくは１〜２０質量％程度とするのがよい。
【００９７】
また、カーボン層において陽イオンの種類、含有量などが所望の値となるように、上記の通りにして所定量の陰イオン性界面活性剤を含有するカーボン層を作製した後、前記カーボン層を、カリウムイオン、ナトリウムイオン、カルシウムイオン、マグネシウムイオン、ベリリウムイオン、およびリチウムイオンからなる群から選択される少なくとも一種の陽イオンを含有する溶液に浸漬させる工程をさらに有していてもよい。
【００９８】
前記陽イオンを含有する溶液の調整方法、陽イオン濃度などはガス拡散基材層の作製において上述したのと同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。
【００９９】
前記陰イオン性界面活性剤を含有するカーボン層を、前記陽イオンを含有する溶液に浸漬させた後は、１分〜２４時間程度放置し、その後、前記カーボン層を引き上げて乾燥させるなどすればよい。前記カーボン層が浸漬された前記溶液に、ホモジナイザー、超音波攪拌等の従来公知の攪拌手段を施してもよく、これらの攪拌手段は適宜組み合わせてもよい。
【０１００】
前記陽イオンを含有する溶液から前記カーボン層を引き上げた後、公知の方法を用いて乾燥させればよい。乾燥条件としては、使用する方法に応じて適宜決定すればよいが、３０〜１００℃で、１〜２４時間程度行えばよい。
【０１０１】
次に、陽イオンを有する固体高分子電解質からなる重金属イオン捕捉剤を含有するカーボン層の作製方法について説明する。
【０１０２】
具体的には、カーボン粒子、固体高分子電解質を含むスラリーを、上記した方法により作製したガス拡散基材層上に塗布および乾燥させることにより得られたカーボン層前駆体を、カリウムイオン、ナトリウムイオン、カルシウムイオン、マグネシウムイオン、ベリリウムイオン、およびリチウムイオンからなる群から選択される少なくとも一種の陽イオンを含有する溶液に浸漬させる工程を有する方法などが用いられる。
【０１０３】
前記スラリーは、カーボン粒子および固体高分子電解質を、水、および／または、メタノール、エタノールなどのアルコール系溶媒などの溶媒中に分散させることにより得られる。
【０１０４】
ガス拡散基材層上に塗布された前記スラリーを乾燥させるには、真空乾燥、自然乾燥、ロータリーエバポレーター、沿送風乾燥機による乾燥など、公知の方法を用いればよく特に限定されない。乾燥条件としては、使用する方法に応じて適宜決定すればよいが、３０〜１００℃で、１〜２４時間程度行えばよい。
【０１０５】
次に、得られたカーボン層前駆体を、前記陽イオンを含有する溶液に浸漬させることにより、カーボン層前駆体に含まれる固体高分子電解質に前記陽イオンを含有させることができ、陽イオンを有する固体高分子電解質からなる重金属イオン捕捉剤を含有するカーボン層が得られる。
【０１０６】
前記陽イオンを含有する溶液の調整方法、陽イオン濃度などはガス拡散基材層の作製において上述したのと同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。
【０１０７】
前記カーボン層前駆体を、前記陽イオンを含有する溶液に浸漬させた後は、１分〜２４時間程度放置し、その後、前記ガス拡散基材層を引き上げて乾燥させるなどすればよい。前記ガス拡散基材層が浸漬された前記溶液に、ホモジナイザー、超音波攪拌等の従来公知の攪拌手段を施してもよく、これらの攪拌手段は適宜組み合わせてもよい。
【０１０８】
前記陽イオンを含有する溶液から前記カーボン層を引き上げた後、公知の方法を用いて乾燥させればよい。乾燥条件としては、使用する方法に応じて適宜決定すればよいが、３０〜１００℃で、１〜２４時間程度行えばよい。
【０１０９】
上記した本発明のガス拡散層の製造方法は、陽イオンを有する固体高分子電解質からなる重金属イオン補足剤を含有するガス拡散基材層上に、各カーボン層を形成する方法であった。本発明のガス拡散層は、カーボン層のみに重金属イオン補足剤が含まれていてもよい。かような場合、ガス拡散基材層には撥水剤が含まれているのが好ましい。
【０１１０】
従って、以下に、撥水剤を含有するガス拡散基材層上に、重金属イオン補足剤を含有するカーボン層を有するガス拡散層の製造方法を記載する。
【０１１１】
撥水剤を含有するガス拡散基材層の作製方法としては、従来公知の方法を用いて行えばよい。撥水剤の水性ディスパージョン溶液またはアルコールディスパージョン溶液に、ガス拡散基材層を浸漬した後、オーブン等で加熱乾燥させる方法などが挙げられる。乾燥時の排ガス処理の容易さからは、撥水剤の水性ディスパージョン溶液を用いるのが好ましい。
【０１１２】
上記の通りにして、ガス拡散基材層に撥水剤を含有させた後、前記ガス拡散基材層上に陰イオン性界面活性剤または陽イオン性界面活性剤からなる重金属イオン補足剤を含有するカーボン層を作製すればよい。なお、これらのカーボン層の作製方法は、上記したのと同様の方法が用いられるため、ここでは詳細な説明を省略する。
【０１１３】
また、上記した撥水剤を含有するガス拡散基材層の作製方法において、撥水剤の水性ディスパージョン溶液またはアルコールディスパージョン溶液に陰イオン性界面活性剤を添加し、前記各溶液における陰イオン性界面活性剤の含有量を所定量に調整することにより、得られるガス拡散基材層に陰イオン性界面活性剤からなる重金属イオン捕捉能を付与することもできる。
【０１１４】
具体的には、撥水剤の水性ディスパージョン溶液またはアルコールディスパージョン溶液における溶液質量に対して、陰イオン性界面活性剤が好ましくは０．１〜２０質量％、より好ましくは１〜１０質量％程度とするのがよい。
【０１１５】
上記所定量の陰イオン性界面活性剤を含有する撥水剤の水性ディスパージョン溶液またはアルコールディスパージョン溶液に、ガス拡散基材層を浸漬した後、オーブン等で加熱乾燥させることにより、陰イオン性界面活性剤からなる重金属イオン捕捉剤を含有するガス拡散基材層が得られる。
【０１１６】
さらに、ガス拡散基材層に含有させた陰イオン性界面活性剤における陽イオンの種類、含有量などが所望の値となるように、上記の通りにして陰イオン性界面活性剤を含有させたガス拡散基材層を、カリウムイオン、ナトリウムイオン、カルシウムイオン、マグネシウムイオン、ベリリウムイオン、およびリチウムイオンからなる群から選択される少なくとも一種の陽イオンを含有する溶液に浸漬させる工程をさらに有していてもよい。
【０１１７】
前記陽イオンを含有する溶液の調整方法、陽イオン濃度などはガス拡散基材層において上述したのと同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。
【０１１８】
前記陰イオン性界面活性剤を含有するガス拡散基材層を、前記陽イオンを含有する溶液に浸漬させた後は、１分〜２４時間程度放置し、その後、前記ガス拡散基材層を引き上げて乾燥させるなどすればよい。前記ガス拡散基材層が浸漬された前記溶液に、ホモジナイザー、超音波攪拌等の従来公知の攪拌手段を施してもよく、これらの攪拌手段は適宜組み合わせてもよい。
【０１１９】
前記陽イオンを含有する溶液から前記ガス拡散基材層を引き上げた後、公知の方法を用いて乾燥させればよい。乾燥条件としては、使用する方法に応じて適宜決定すればよいが、３０〜１００℃で、１〜２４時間程度行えばよい。
【０１２０】
上記の通りにして作製した陰イオン性界面活性剤を含有する前記ガス拡散基材層上に、重金属イオン補足剤を含有しないカーボン層、または、陰イオン性界面活性剤もしくは陽イオン性界面活性剤からなる重金属イオン補足剤を含有するカーボン層を作製することによりガス拡散層が得られる。前記カーボン層の作製方法としては、上述したのと同様の方法が用いられるためここでは詳細な説明を省略する。
【実施例】
【０１２１】
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。なお、下記実施例は、本発明の好ましい一実施形態を示したに過ぎず、本発明が下記実施例に限定されない。
【０１２２】
（実施例１）
カーボンペーパ（東レ社製ＴＧＰ−Ｈ−０９０、厚さ２７０μｍ）を５ｃｍ×５ｃｍに打ち抜いたものをガス拡散基材層として用い、これをＮａｆｉｏｎ溶液（登録商標  ＤｕＰｏｎｔ社製  ＤＥ５２０、Ｎａｆｉｏｎ含量５ｗｔ％）に１時間浸漬させた後、オーブン内にて８０℃、２４時間乾燥させた。このようにしてＮａｆｉｏｎを含浸させたガス拡散基材層を、１ｍｏｌ／ｌ塩化ナトリウム水溶液に２４時間浸漬させた後、オーブン内にて８０℃、２４時間乾燥させることにより、前記Ｎａｆｉｏｎが有するスルホン酸基をスルホン酸ナトリウム基（−ＳＯ３Ｎａ）とした。ガス拡散基材層における−ＳＯ３Ｎａ型Ｎａｆｉｏｎの含有量は１０質量％であった。
【０１２３】
（評価）
上記実施例１で作製した各ガス拡散層を用いて、下記の手順に従ってＭＥＡを作製し、各ＭＥＡの発電性能および耐久性を測定することにより、各ガス拡散層の評価を行った。
【０１２４】
（１）触媒インク調製
白金担持カーボン（田中貴金属工業株式会社製  ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ、白金含量４６．５ｗｔ％）１０ｇ、Ｎａｆｉｏｎ溶液（ＤｕＰｏｎｔ社製  ＤＥ５２０、Ｎａｆｉｏｎ含量５ｗｔ％）９０ｇ、純水２５ｇ、２−プロパノール（和光純薬工業社製  特級試薬）１０ｇを、２０℃で保持するよう設定したウォーターバス中のガラス容器にて、ホモジナイザーを用いて３時間混合分散することで、触媒インクとした。
【０１２５】
（２）電極触媒層の作製
厚さ２００μｍのＰＴＦＥ製シート（ニチアス社製ナフロン（登録商標）シート）の片面上に、スクリーンプリンターを用いて先に調製した触媒インクを塗布し、オーブン中で１００℃、３０分間乾燥させた後、一辺５ｃｍの正方形に切り出した。
【０１２６】
（３）ＭＥＡおよび単セルの組立て
一辺７ｃｍの正方形で厚さ２５μｍの固体高分子電解質膜（ＤｕＰｏｎｔ社製  Ｎａｆｉｏｎ  ＮＲ−１１２）を挟んで、先に作製した２枚の電極触媒層形成ＰＴＦＥ製シートの電極触媒層形成側が対向するように重ねて、片側ＰＴＦＥ製シートあたり３ＭＰａの圧力で、１３０℃、１０分間ホットプレスし、冷却後ＰＴＦＥ製シートのみを剥がすことで、固体高分子電解質膜に電極触媒層を転写させ接合体を得た。このとき、ＰＴＦＥ製シートから固体高分子電解質膜への電極触媒層の転写率が１００％で、固体高分子電解質膜上の片面電極触媒層面積１ｃｍ２あたりの白金重量が０．４０ｍｇとなるようにした。また、電極触媒層の厚さは、それぞれ１０μｍであった。
【０１２７】
得られた接合体を、先に作製したガス拡散層を２枚用いてカーボン層が内側となるようにして挟んで重ねた状態とし、これをグラファイト製セパレータで挟持し、さらに金メッキしたステンレス製集電板で挟持して、評価用単セルとした。
【０１２８】
（４）単セルの発電性能
アノードに水素、カソードに空気を用いて、セル温度７０℃、相対湿度アノード６０％／カソード５０％、ガス利用率アノード６７％／カソード４０％で発電を行った。この時の単セルの電流密度に対する出力電圧および電気抵抗を測定した。結果を図３に示す。
【０１２９】
（５）評価結果
図３から、実施例１のガス拡散層を用いたＭＥＡは、０．５７Ｖ＠１Ａ／ｃｍ２と高い発電特性を示し、Ｎａ型Ｎａｆｉｏｎをガス拡散層に含有させてもＭＥＡへの影響が少ないことが示唆された。
【産業上の利用可能性】
【０１３０】
本発明の重金属イオン捕捉能を有するガス拡散層によれば、固体高分子電解質の劣化を抑制することができ、耐久性に優れる燃料電池を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０１３１】
【図１】Ｎａ型ナフィオン膜およびＨ型ナフィオン膜を用いて鉄イオン捕捉試験を行った結果を示す。
【図２】本発明の好適な一実施形態である燃料電池用ＭＥＡの断面模式図である。
【図３】実施例１および比較例１のガス拡散層を用いて作製したＭＥＡの発電試験の結果を示す図である。
【符号の説明】
【０１３２】
２００…ＭＥＡ、２１０…固体高分子電解質膜、２３１…アノード側電極触媒層、２３２…アノード側ガス拡散層、２４１…カソード側電極触媒層、２４２…カソード側ガス拡散層。
【図１】
2006185845.tif 000004
【図２】
2006185845.tif 000005
【図３】
2006185845.tif 000006