(57)【要約】  固体高分子膜を損傷することがないばかりでなく、電気抵抗の低いガス拡散電極用基材を提供すること、及びこれを用いたガス拡散電極、膜−電極接合体及び固体高分子形燃料電池を提供する。  本発明のガス拡散電極用基材は、導電性粒子を含有する有機樹脂製の後天性導電性連続繊維と、素材自体が導電性の先天性導電性繊維とが混在する混在領域を有する不織布を備えている。また、ガス拡散電極、膜−電極接合体及び固体高分子形燃料電池は前記ガス拡散電極用基材を備えている。
2015068745.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性粒子を含有する有機樹脂製の後天性導電性連続繊維と、素材自体が導電性の先天性導電性繊維とが混在する混在領域を有する不織布を備えている、ガス拡散電極用基材。
【請求項２】
先天性導電性繊維が炭素繊維又は金属繊維である、請求項１に記載のガス拡散電極用基材。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載のガス拡散電極用基材に触媒が担持されているガス拡散電極。
【請求項４】
請求項１又は請求項２に記載のガス拡散電極用基材を備えている膜−電極接合体。
【請求項５】
請求項１又は請求項２に記載のガス拡散電極用基材を備えている固体高分子形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ガス拡散電極用基材、ガス拡散電極、膜−電極接合体及び固体高分子形燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
様々な形で利用されているエネルギーについては、石油資源の枯渇に対する懸念から、代替燃料の模索や省資源が重要な課題となっている。その中にあって、種々の燃料を化学エネルギーに変換し、電力として取り出す燃料電池について、活発な開発が続けられている。【０００３】
燃料電池は、例えば『燃料電池に関する技術動向調査』（以下、非特許文献１）の第５頁に開示されるように、使用される電解質の種類によって、りん酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）、固体酸化形燃料電池（ＳＯＦＣ）、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）の４つに分類される。これら各種の燃料電池は、その電解質に応じて作動温度範囲に制約が有り、ＰＥＦＣでは１００℃以下の低温領域、ＰＡＦＣでは１８０〜２１０℃の中温領域、ＭＣＦＣでは６００℃以上、ＳＯＦＣは１０００℃近くの高温領域で動作することが知られている。このうち、低温領域での出力が可能である一般的なＰＥＦＣは、燃料となる水素ガスと酸素ガス（若しくは空気）との化合反応に伴って生じる電力を取り出すが、比較的小型の装置構成で効率的な電力を取り出すことができる点で、実用化が急がれている。【０００４】
図１は、従来知られているＰＥＦＣの基本構成を示す、燃料電池の要部断面の模式図である。図中、材質として実質的に同一の構成若しくは機能を有する構成成分には、同一のハッチングを付して示してある。ＰＥＦＣは、図１に示すような、燃料極（ガス拡散電極）１７ａ、固体高分子膜１９及び空気極（ガス拡散電極）１７ｃからなる膜−電極接合体（ＭＥＡ）を、１対のバイポーラプレート１１ａ、１１ｃで挟んだセル単位を複数積層した構造からなる。前記燃料極１７ａはプロトンと電子とに分解する触媒層１５ａと、触媒層１５ａに燃料ガスを供給するガス拡散層１３ａとを含み、前記触媒層１５ａとガス拡散層１３ａとの間には水分管理層１４ａが形成されている。他方、空気極１７ｃはプロトン、電子及び酸素含有ガスとを反応させる触媒層１５ｃと、触媒層１５ｃに酸素含有ガスを供給するガス拡散層１３ｃとを含み、前記触媒層１５ｃとガス拡散層１３ｃとの間には水分管理層１４ｃが形成されている。【０００５】
前記バイポーラプレート１１ａは燃料ガスを供給できる溝を有するため、このバイポーラプレート１１ａの溝を通して燃料ガスを供給すると、燃料ガスはガス拡散層１３ａを拡散し、水分管理層１４ａを透過して触媒層１５ａに供給される。供給された燃料ガスはプロトンと電子とに分解され、プロトンは固体高分子膜１９を移動し、触媒層１５ｃに到達する。他方、電子は図示しない外部回路を通り、空気極１７ｃへと移動する。一方、バイポーラプレート１１ｃは酸素含有ガスを供給できる溝を有するため、このバイポーラプレート１１ｃの溝を通して酸素含有ガスを供給すると、酸素含有ガスはガス拡散層１３ｃを拡散し、水分管理層１４ｃを透過して触媒層１５ｃに供給される。供給された酸素含有ガスは固体高分子膜１９を移動したプロトン及び外部回路を通って移動した電子と反応し、水を生成する。この生成した水は水分管理層１４ｃを通って、燃料電池外へ排出される。また、燃料極においては、空気極から逆拡散してきた水が水分管理層１４ａを通って、燃料電池外へ排出される。【０００６】
このようなガス拡散層１３ａ及び水分管理層１４ａ、又はガス拡散層１３ｃ及び水分管理層１４ｃに必要な機能としては、低加湿条件下では固体高分子膜１９を湿潤に保つための保湿性、高加湿条件下では燃料電池内に水が溜まり、フラッディングが起こるのを防ぐための排水性などがある。このようなガス拡散層１３ａ及び水分管理層１４ａ、又はガス拡散層１３ｃ及び水分管理層１４ｃは、従来、カーボンペーパー等の導電性多孔質基材に、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素系樹脂を含浸、又はカーボン粉末とフッ素系樹脂とを混合したペーストを塗布することによって、フッ素系樹脂が存在、又はカーボン粉末及びフッ素系樹脂が存在する水分管理層１４ａ、１４ｃを形成するとともに、これらが存在しない領域をガス拡散層１３ａ、１３ｃとしていた。しかしながら、このようにして形成した水分管理層１４ａ、１４ｃは、フッ素系樹脂、又はカーボン粉末及びフッ素系樹脂を導電性多孔質基材に塗布しているとはいえ、導電性多孔質基材としてカーボンペーパー等を使用しており、このカーボンペーパーを構成するカーボン繊維は剛性が高いため、水分管理層１４ａ、１４ｃ及び触媒層１５ａ、１５ｃを突き抜けてしまい、固体高分子膜を損傷し、短絡してしまう場合があった。【０００７】
本願出願人も、「ガラス繊維にアクリル樹脂及び／又は酢酸ビニル樹脂を含むバインダを付着せしめたガラス不織布からなるガス拡散電極用基材に、カーボンブラックと、ポリテトラフルオロエチレン樹脂又はポリフッ化ビニリデン樹脂とを含む導電性ペーストを被着焼成したガス拡散電極」（特許文献１）を提案したが、従来のカーボンペーパーと同様に、ガラス繊維は剛性が高いため、水分管理層１４ａ、１４ｃ及び触媒層１５ａ、１５ｃを突き抜けてしまい、固体高分子膜を損傷し、短絡してしまう場合があった。【０００８】
そのため、本願出願人は、「有機樹脂の少なくとも内部に導電性粒子を含有する導電性繊維を含有する不織布を備えているガス拡散電極用基材」（特許文献２）を提案した。このガス拡散電極用基材は有機樹脂を含む導電性繊維を含んでいるため柔軟で、導電性繊維が固体高分子膜を損傷し、短絡するということはなかった。しかしながら、このガス拡散電極用基材は、電気抵抗が高く、十分な発電性能を発揮しにくいため、電気抵抗の低いガス拡散電極用基材が待望されていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００８−２０４９４５号公報
【特許文献２】国際公開第２０１４／０１０７１５号（優先権データ：特願２０１２−１５８１２２）
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】『燃料電池に関する技術動向調査』（特許庁技術調査課編，平成１３年５月３１日，＜ＵＲＬ＞ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｊｐｏ．ｇｏ．ｊｐ／ｓｈｉｒｙｏｕ／ｉｎｄｅｘ．ｈｔｍ）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明はこのような状況下でなされたものであり、固体高分子膜を損傷することがないばかりでなく、電気抵抗の低いガス拡散電極用基材を提供すること、及びこれを用いたガス拡散電極、膜−電極接合体及び固体高分子形燃料電池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】
【００１２】
本発明は、
［１］導電性粒子を含有する有機樹脂製の後天性導電性連続繊維と、素材自体が導電性の先天性導電性繊維とが混在する混在領域を有する不織布を備えている、ガス拡散電極用基材、
［２］先天性導電性繊維が炭素繊維又は金属繊維である、［１］に記載のガス拡散電極用基材、
［３］［１］又は［２］に記載のガス拡散電極用基材に触媒が担持されているガス拡散電極、
［４］［１］又は［２］に記載のガス拡散電極用基材を備えている膜−電極接合体、
［５］［１］又は［２］に記載のガス拡散電極用基材を備えている固体高分子形燃料電池、に関する。
【発明の効果】
【００１３】
前記［１］の本発明のガス拡散電極用基材は、導電性粒子を含有する有機樹脂製の後天性導電性連続繊維を含有しており、この後天性導電性連続繊維は有機樹脂製であることによって柔軟であり、しかも連続繊維であり、固体高分子膜を突き抜けやすい繊維端部が実質的に存在しないため、固体高分子膜を損傷し、短絡しにくい。【００１４】
また、素材自体が導電性の先天性導電性繊維も含有しており、この先天性導電性繊維は導電性に優れているため、ガス拡散電極用基材全体として、電気抵抗の低いものである。【００１５】
前記［２］の本発明のガス拡散電極用基材は、先天性導電性繊維が炭素繊維又は金属繊維であるため、導電性に優れ、ガス拡散電極用基材全体として、電気抵抗が低い。【００１６】
前記［３］の本発明のガス拡散電極は、前記ガス拡散電極用基材に触媒が担持されており、固体高分子膜を損傷し、短絡しにくく、また、電気抵抗も低いため、発電性能の優れる燃料電池を作製することのできるガス拡散電極である。【００１７】
前記［４］の本発明の膜−電極接合体は、前記ガス拡散電極用基材を備えているため、短絡しにくく、しかも電気抵抗も低いため、発電性能の優れる燃料電池を作製することのできる膜−電極接合体である。【００１８】
前記［５］の本発明の固体高分子形燃料電池は、前記ガス拡散電極用基材を備えているため、短絡しにくく、しかも電気抵抗も低いため、発電性能の優れる燃料電池である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】固体高分子形燃料電池の概略構成を示す模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明のガス拡散電極用基材（以下、単に「電極基材」と表記することがある）は、導電性粒子を含有する有機樹脂製の後天性導電性連続繊維と、素材自体が導電性の先天性導電性繊維とが混在する混在領域を有する不織布を備えている。
【００２１】
なお、本発明においては、素材自体が導電性を有する導電性繊維と区別するために、素材自体が導電性のない有機樹脂中に導電性粒子を含有していることによって、導電性が付与された導電性繊維を「後天性導電性繊維」と表現し、素材自体が導電性の導電性繊維を「先天性導電性繊維」と表現している。
【００２２】
本発明の不織布を構成する後天性導電性連続繊維は、有機樹脂製であることによって柔軟であり、しかも連続繊維であり、固体高分子膜を突き抜けやすい繊維端部が実質的に存在しないため、後天性導電性連続繊維が固体高分子膜を損傷し、短絡しにくい。なお、本発明の後天性導電性連続繊維を構成する有機樹脂に、ダイヤモンド、グラファイト、無定形炭素は含まれない。
【００２３】
この後天性導電性連続繊維を構成する有機樹脂は、疎水性有機樹脂であっても、親水性有機樹脂であっても良く、特に限定するものではない。前者の疎水性有機樹脂であると、フッ素系樹脂等の疎水性樹脂を含浸しなくても優れた水の透過性を示し、優れた排水性とガス拡散性を示すため、好適である。他方で、親水性有機樹脂であると、水分を保持することができるため、低湿度下においても固体高分子膜を湿潤に保つことができ、十分な発電性能を発揮できる固体高分子形燃料電池を作製することができる。
【００２４】
なお、後天性導電性連続繊維は疎水性有機樹脂のみから構成されていても良いし、親水性有機樹脂のみから構成されていても良いし、疎水性有機樹脂と親水性有機樹脂が混合又は複合されていても良いが、特に、後天性導電性連続繊維が疎水性有機樹脂のみから構成されていると、優れた排水性とガス拡散性を示すため、好適である。
【００２５】
この「疎水性有機樹脂」とは、水との接触角が９０°以上の有機樹脂であり、その例として、フッ素系樹脂、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）、ペルフルオロアルコキシフッ素樹脂（ＰＦＡ）、四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体（ＦＥＰ）、エチレン・四フッ化エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、エチレン・クロロトリフルオロエチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）、フッ化ビニリデン・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（ＴＨＶ）、及び前記樹脂を構成する各種モノマーの共重合体；ポリオレフィン系樹脂、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）；ポリエステル系樹脂、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、などを挙げることができる。また、これらの樹脂は単独で用いることもできるし、２種類以上混合又は複合して使用することもできる。これらの中でも特に、フッ素系樹脂は耐熱性、耐薬品性、疎水性が強いため、好適である。
【００２６】
他方、「親水性有機樹脂」とは、水との接触角が９０°未満の有機樹脂であり、その例として、セルロース、例えば、レーヨン；ポリアミド系樹脂、例えば、ナイロン６、ナイロン６６；アクリル系樹脂、例えば、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸；親水性基（アミド基、カルボキシル基、水酸基、アミノ基、スルホン酸基等）を有する樹脂、例えば、親水性ポリウレタン、ポリビニルピロリドン；ポリアクリロニトリル、酸化アクリル、ポリビニルアルコール系樹脂、などを挙げることができる。また、これらの樹脂は単独で用いることもできるし、２種類以上混合又は複合して使用することもできる。これらの中でもポリアクリロニトリルは耐熱性に優れ、また、固体高分子膜の膨潤によっても厚さが潰れにくいため空隙を維持でき、結果としてガス拡散性を維持できるため、好適である。
【００２７】
なお、後天性導電性連続繊維の剛性が高く、結果として電極基材の剛性が高いことによって、固体高分子膜の膨潤及び収縮を抑制して、固体高分子膜の亀裂を防止でき、また、固体高分子膜の膨潤によっても電極基材の厚さが潰れにくく、空隙を維持でき、結果としてガス拡散性を維持できるように、後天性導電性連続繊維を構成する上記疎水性有機樹脂及び／又は親水性有機樹脂が熱硬化性樹脂であっても良い。なお、熱硬化性樹脂に加えて硬化促進剤を含んでいても良い。
【００２８】
この「熱硬化性樹脂」としては、例えば、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、熱硬化ポリイミド樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ジアリルフタレート樹脂などを挙げることができる。これらの中でも、フェノール樹脂およびエポキシ樹脂は耐熱性、耐酸性に優れ、熱処理によって電極基材の剛性を高めることができるため好適である。なお、後天性導電性連続繊維が熱硬化性樹脂を含んでいる場合、熱硬化性樹脂が１種類から構成されていても良いし、熱硬化性樹脂が２種類以上混合又は複合されていても良いし、熱硬化性樹脂１種類以上と熱可塑性の疎水性有機樹脂又は親水性有機樹脂１種類以上とが混合又は複合されていても良い。
【００２９】
本発明の後天性導電性連続繊維はガス拡散電極として使用した場合に、電子移動性に優れているように、導電性粒子を含有している。なお、後天性導電性連続繊維の外側表面にのみ導電性粒子が存在する状態にあると、後天性導電性連続繊維内部における有機樹脂成分が抵抗成分となり、導電性に劣る傾向があるため、後天性導電性連続繊維内部に導電性粒子を含有しているのが好ましい。また、導電性粒子は有機樹脂内に完全に埋没していても良いが、導電性に優れているように、導電性粒子の一部は後天性導電性連続繊維を構成する有機樹脂から露出しているのが好ましい。このような導電性粒子を含有する後天性導電性連続繊維は、例えば、有機樹脂と導電性粒子とを含む紡糸液を紡糸することによって製造することができる。
【００３０】
なお、後天性導電性連続繊維は、素材又は平均一次粒径の点で異なる２種類以上の導電性粒子を含有していても良い。
【００３１】
この導電性粒子は特に限定するものではないが、例えば、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、金属粒子、金属酸化物粒子などを挙げることができる。これらの中でもカーボンブラックは耐薬品性、導電性及び分散性の点から好適である。この好適であるカーボンブラックの粒径は特に限定するものではないが、平均一次粒径が好ましくは５ｎｍ〜２００ｎｍ、より好ましくは１０ｎｍ〜１００ｎｍである。なお、導電性粒子の平均一次粒径は、脱落しにくく、また、繊維形態を形成しやすいように、後述の後天性導電性連続繊維の繊維径よりも小さいのが好ましい。
【００３２】
このような後天性導電性連続繊維における導電性粒子と有機樹脂との質量比は特に限定するものではないが、１０〜９０：９０〜１０であるのが好ましく、２０〜８０：８０〜２０であるのがより好ましく、３０〜７０：７０〜３０であるのが更に好ましく、４０〜７０：６０〜３０であるのが更に好ましい。導電性粒子が１０ｍａｓｓ％を下回ると導電性が不足しやすく、他方、導電性粒子が９０ｍａｓｓ％を上回ると繊維形成性が低下する傾向があるためである。
【００３３】
なお、導電性に優れているように、導電性粒子は電極基材の１０〜９０ｍａｓｓ％を占めているのが好ましく、２０〜８０ｍａｓｓ％を占めているのがより好ましく、３０〜７０ｍａｓｓ％を占めているのが更に好ましく、４０〜７０ｍａｓｓ％を占めているのが更に好ましい。
【００３４】
本発明の後天性導電性連続繊維の平均繊維径は特に限定するものではないが、１０ｎｍ〜１０μｍであるのが好ましい。平均繊維径が１０μｍを上回ると、電極基材における導電性繊維同士の接触点が少なく、導電性が不足しやすい傾向があり、他方、１０ｎｍを下回ると、繊維内部に導電性粒子を含有しにくい傾向があるためである。なお、後天性導電性連続繊維の平均繊維径は導電性粒子が脱落しにくいように、導電性粒子の一次粒子径の５倍以上であるのが好ましい。
【００３５】
本発明における「平均繊維径」とは、４０点における繊維径の算術平均値を意味し、また、「繊維径」とは、顕微鏡写真をもとに計測した値をいう。なお、後天性導電性連続繊維が、導電性粒子が露出した後天性導電性連続繊維のみから構成されている場合には、露出した導電性粒子を含めた直径を繊維径とし、導電性粒子が露出した後天性導電性連続繊維を含有していないか、導電性粒子が露出した後天性導電性連続繊維を含有していても、導電性粒子が露出していない部分を有する後天性導電性連続繊維の場合には、導電性粒子が露出していない部分における直径を繊維径とする。
【００３６】
本発明の後天性導電性連続繊維は電子の移動性に優れているように、また、繊維端部が実質的になく、固体高分子膜を損傷しにくいように、連続した繊維である。このような後天性導電性連続繊維は、例えば、静電紡糸法又はスパンボンド法により製造することができる。
【００３７】
本発明の電極基材を構成する不織布は、前述のような後天性導電性連続繊維と、素材自体が導電性の先天性導電性繊維とが混在する混在領域を有しているため、後天性導電性連続繊維のみからなる場合に不足しやすい導電性が高い、つまり電気抵抗の低いものである。また、先天性導電性繊維は剛性が高いため、電極基材の剛性を高めることができる。そのため、燃料電池を作製した際に、バイポーラプレートの溝を電極基材によって閉塞してしまうことがないため、燃料ガスや酸素含有ガスの供給に支障が生じず、また、生成水の排出性に支障が生じない、という効果も奏する。更には、電極基材の剛性が高くなるため、製造時、燃料電池作成時における、電極基材の取り扱い性が向上するという効果も奏する。
【００３８】
この先天性導電性繊維としては、例えば、炭素繊維、金属繊維を挙げることができる。前者の炭素繊維は、水分存在下において、錆びるということもないため、長期間に亘って、安定した発電性能を発揮できる固体高分子形燃料電池を作製することができるため、好適であり、後者の金属繊維は電気抵抗が低く、導電性に優れ、優れた発電性能を発揮できる固体高分子形燃料電池を作製することができるため、好適である。なお、１種類の先天性導電性繊維を含有していても良いし、２種類以上の先天性導電性繊維を含有していても良い。例えば、炭素繊維と金属繊維の両方を含有していても良い。
【００３９】
この「炭素繊維」はＰＡＮ系炭素繊維であっても、ピッチ系炭素繊維であっても良い。また、「金属繊維」の材質は特に限定するものではないが、例えば、金、銀、銅、アルミニウム、マグネシウム、タングステン、コバルト、亜鉛、ニッケル、鉄、白金、スズ、クロム、鉛、ステンレスなどを挙げることができる。
【００４０】
本発明の先天性導電性繊維の平均繊維径は特に限定するものではないが、０．１μｍ〜１００μｍであるのが好ましく、０．１μｍ〜５０μｍであるのがより好ましく、０．５μｍ〜３０μｍであるのが更に好ましく、１μｍ〜１０μｍであるのが更に好ましい。平均繊維径が１００μｍを上回ると、先天性導電性繊維が固体高分子膜を突き抜けてしまい、短絡しやすくなる傾向があり、他方、０．１μｍを下回ると、繊維間の凝集力が強く、分散性に劣る傾向があるためである。
【００４１】
なお、先天性導電性繊維は連続繊維であっても、短繊維であっても良いが、前述の通り、後天性導電性連続繊維は連続繊維であり、先天性導電性繊維も連続繊維であると、混在しにくくなる傾向があるため、先天性導電性繊維は１μｍ〜１００ｍｍ長程度の短繊維であるのが好ましい。より好ましくは２０μｍ〜５０ｍｍ長程度の短繊維であり、更に好ましくは５０μｍ〜３５ｍｍ長程度の短繊維であり、更に好ましくは１００μｍ〜２５ｍｍ長程度の短繊維である。
【００４２】
本発明の電極基材を構成する不織布は、前述のような後天性導電性連続繊維と先天性導電性繊維とが混在する混在領域を有するため、後天性導電性連続繊維を含有していることによる柔軟性、固体高分子膜を損傷し、短絡しにくいという作用と、先天性導電性繊維を含有していることによる、電気抵抗が低いという作用を奏する。
【００４３】
この混在領域における後天性導電性連続繊維と先天性導電性繊維との質量比率は特に限定するものではないが、１〜９９：９９〜１であるのが好ましく、１０〜９０：９０〜１０であるのがより好ましく、３０〜８５：７０〜１５であるのが更に好ましく、５０〜８０：５０〜２０であるのが更に好ましい。後天性導電性連続繊維の質量比率が１ｍａｓｓ％を下回ると、固体高分子膜を損傷し、短絡しやすくなる傾向があり、後天性導電性連続繊維の質量比率が９９ｍａｓｓ％を上回ると、電気抵抗が高くなる傾向があるためである。
【００４４】
また、混在領域は不織布の厚さ方向全体にわたって存在していても良いし、不織布の厚さ方向における一部にのみ存在していても良いが、電気抵抗が低く、導電性に優れるように、不織布の厚さの１％以上が混在領域からなるのが好ましい。
【００４５】
なお、混在領域が不織布の厚さ方向における一部にのみ存在している場合には、不織布の片表面を含む領域が混在領域であっても良いし、両表面の間の領域に混在領域が存在していても良い。なお、混在領域が片表面を含んでいる場合には、この混在領域とは反対表面を触媒層と当接させることによって、先天性導電性繊維が固体高分子膜を突き抜けるのを防ぐことができる。
【００４６】
このように、混在領域が不織布の厚さ方向における一部にのみ存在している場合、その残余領域は後天性導電性連続繊維のみからなる領域、先天性導電性繊維のみからなる領域、後天性導電性連続繊維と先天性導電性繊維以外の繊維からなる領域、或いは、先天性導電性繊維と後天性導電性連続繊維以外の繊維からなる領域、であることができる。
【００４７】
なお、本発明の電極基材を構成する不織布は、不織布の厚さ方向において、混在領域を１箇所有していても、２箇所以上有していても良い。２箇所以上の混在領域を有する場合、後天性導電性連続繊維と先天性導電性繊維との質量比率、混在状態等は同じであっても、異なっていても良い。
【００４８】
更には、混在領域が不織布の一部にのみ存在している場合、混在領域は不織布の厚さ方向における一部にのみ存在している必要はなく、不織布の面方向における一部にのみ存在していても良い。このように、不織布の面方向における一部にのみ存在している場合、電気抵抗が低く、導電性に優れているように、不織布の主面全体の１％以上が混在領域からなるのが好ましい。
【００４９】
なお、混在領域が不織布の面方向における一部にのみ存在している場合には、混在領域は千鳥状、格子の交点状に規則正しく存在していても良いし、ランダムに存在していても良い。しかしながら、規則正しく混在領域が存在している方が、電気抵抗が低く、導電性に優れているため、好適な態様である。また、混在領域が不織布の面方向における一部にのみ存在している場合には、バイポーラプレートの流路と一致又は重複していても良いし、一致又は重複していなくても良い。バイポーラプレートの流路と一致又は重複する位置に位置するように混在領域が存在する場合、先天性導電性繊維が含まれているため、流路への撓み込みを抑制できるという効果を奏し、バイポーラプレートの流路と一致又は重複しないような位置に位置するように混在領域が存在する場合、バイポーラプレートとの接触性に優れているため、導電性に優れるという効果を奏する。
【００５０】
このように、混在領域が不織布の面方向における一部にのみ存在している場合、その残余領域は後天性導電性連続繊維のみからなる領域、先天性導電性繊維のみからなる領域、後天性導電性連続繊維と先天性導電性繊維以外の繊維からなる領域、或いは、先天性導電性繊維と後天性導電性連続繊維以外の繊維からなる領域、であることができる。
【００５１】
本発明の電極基材は、前述のような後天性導電性連続繊維と先天性導電性繊維とが混在する混在領域を有する不織布を備えているが、不織布中における後天性導電性連続繊維と先天性導電性繊維の総量は、導電性に優れているように、不織布全体の１０ｍａｓｓ％以上であるのが好ましく、５０ｍａｓｓ％以上であるのがより好ましく、７０ｍａｓｓ％以上であるのが更に好ましく、９０ｍａｓｓ％以上であるのが更に好ましく、後天性導電性連続繊維と先天性導電性繊維のみから構成されているのが最も好ましい。
【００５２】
なお、電極基材を構成する不織布は、後天性導電性連続繊維又は先天性導電性繊維以外の繊維として、疎水性有機繊維、例えば、フッ素繊維、ポリオレフィン繊維；親水性有機繊維、例えば、アクリル繊維、ナイロン繊維（例えば、ナイロン６、ナイロン６６など）を含んでいることができる。
【００５３】
本発明の電極基材は前述の通り、後天性導電性連続繊維と先天性導電性繊維以外の非導電性繊維を含んでいる場合もあるが、この場合であっても、電極基材は導電性に優れているように、電極基材の電気抵抗は１５０ｍΩ・ｃｍ２以下であるのが好ましく、１００ｍΩ・ｃｍ２以下であるのがより好ましく、７０ｍΩ・ｃｍ２以下であるのが更に好ましく、４０ｍΩ・ｃｍ２以下であるのが更に好ましく、２５ｍΩ・ｃｍ２以下であるのが更に好ましい。
【００５４】
本発明の「電気抵抗」は、５ｃｍ角に切断した電極基材（２５ｃｍ２）を両面側からカーボンプレートで挟み、カーボンプレートの積層方向に、２ＭＰａで加圧下、１Ａの電流（Ｉ）を印加した状態で、電圧（Ｖ）を計測する。続いて、抵抗（Ｒ＝Ｖ／Ｉ）を算出し、更に、電極基材の面積（２５ｃｍ２）を乗じることによって得られる値である。
【００５５】
なお、本発明の電極基材を構成する不織布は接着剤によって接着していても良いが、導電性に優れるように、接着剤によって接着していないのが好ましい。例えば、後天性導電性連続繊維と先天性導電性繊維との絡合、溶媒による有機樹脂の可塑化による結合、又は熱による有機樹脂の融着による結合、により結合しているのが好ましい。なお、これらの併用によって結合していても良い。
【００５６】
本発明の電極基材を構成する不織布は多孔性であることから、厚さ方向及び面方向において、排水性およびガス拡散性に優れ、発電性能の高い燃料電池を作製することができる。この多孔性は空隙率にして２０％以上の多孔性を有するのが好ましく、３０％以上の多孔性を有するのがより好ましく、５０％以上の多孔性を有するのが更に好ましい。なお、空隙率の上限は特に限定するものではないが、形態安定性の点から９９％以下であるのが好ましい。この空隙率Ｐ（単位：％）は次の式から得られる値をいう。
Ｐ＝１００−（Ｆｒ１＋Ｆｒ２＋・・＋Ｆｒｎ）
ここで、Ｆｒｎは不織布を構成する成分ｎの充填率（単位：％）を示し、次の式から得られる値をいう。
Ｆｒｎ＝［Ｍ×Ｐｒｎ／（Ｔ×ＳＧｎ）］×１００
ここで、Ｍは不織布の目付（単位：ｇ／ｃｍ２）、Ｔは不織布の厚さ（ｃｍ）、Ｐｒｎは不織布における成分ｎ（例えば、有機樹脂、導電性粒子）の存在質量比率、ＳＧｎは成分ｎの比重（単位：ｇ／ｃｍ３）をそれぞれ意味する。
【００５７】
本発明の電極基材を構成する不織布は、前述のような後天性導電性連続繊維と先天性導電性繊維とが混在する混在領域を有しているが、多孔性であるため、電極基材の空隙に何も充填されていない場合には、電極基材の厚さ方向及び面方向への排水性に優れているとともに、供給したガスの拡散性に優れている。
【００５８】
なお、電極基材を構成する不織布の空隙に、フッ素系樹脂及び／又はカーボンを含んでいても良い。前者のフッ素系樹脂を含有していることによって、液水が押し出されやすいため、排水性及びガス拡散性を高めることができる。また、後者のカーボンを含有していることによって、導電性を高めることができる。
【００５９】
このフッ素系樹脂としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）、ペルフルオロアルコキシフッ素樹脂（ＰＦＡ）、四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体（ＦＥＰ）、エチレン・四フッ化エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、エチレン・クロロトリフルオロエチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）、フッ化ビニリデン・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、及び前記樹脂を構成する各種モノマーの共重合体、などを挙げることができる。
【００６０】
また、カーボンとしては、例えば、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバーなどを挙げることができる。
【００６１】
本発明の電極基材の目付は特に限定するものではないが、導電性、排水性、ガス拡散性、取り扱い性及び生産性の点から０．５〜２００ｇ／ｍ２であるのが好ましく、０．５〜１００ｇ／ｍ２であるのがより好ましく、０．５〜５０ｇ／ｍ２であるのが更に好ましい。また、厚さも特に限定するものではないが、１〜１０００μｍであるのが好ましく、５〜５００μｍであるのがより好ましく、１０〜４００μｍであるのが更に好ましく、１０〜３００μｍであるのが更に好ましい。
【００６２】
本発明における「目付」は、１０ｃｍ角に切断した試料の質量を測定し、１ｍ２の大きさの質量に換算した値をいい、「厚さ」はシックネスゲージ（（株）ミツトヨ製：コードＮｏ．５４７−４０１:測定力３．５Ｎ以下）を用いて測定した値をいう。
【００６３】
本発明の後天性導電性連続繊維と先天性導電性繊維とが混在する混在領域を有する不織布からなる電極基材は、例えば、次のようにして製造することができる。
【００６４】
まず、有機樹脂と導電性粒子とを混合した紡糸液を用意する。次いで、この紡糸液を紡糸して後天性導電性連続繊維を形成するとともに、コンベア等の捕集体で捕集される前の後天性導電性連続繊維に対して、又は、捕集体で捕集された直後の後天性導電性連続繊維に対して、先天性導電性繊維を供給し、後天性導電性連続繊維と先天性導電性繊維とを混合して、混在繊維ウエブを形成する。この混在繊維ウエブに強度があれば、そのまま混在繊維ウエブを不織布とすることができるし、強度を付与又は向上させるために、溶媒による有機樹脂の可塑化、有機樹脂による融着、接着剤による接着等により結合して、不織布とすることもできる。なお、混在繊維ウエブを構成する先天性導電性繊維は短繊維であるのが好ましい。短繊維であることによって、混在繊維ウエブ中に均一に混在することができ、不織布の導電性を高め、電気抵抗を低くすることができるためである。
【００６５】
なお、混在繊維ウエブを形成する前に、紡糸液を紡糸して後天性導電性連続繊維のみからなる領域を形成した後に、混在領域を形成することができるし、混在領域を形成した後に、後天性導電性連続繊維のみからなる領域を形成することもできる。逆に、先天性導電性繊維のみからなる領域を形成した後に、混在領域を形成することができるし、混在領域を形成した後に、先天性導電性繊維のみからなる領域を形成することもできる。
【００６６】
なお、後天性導電性連続繊維の紡糸方法としては、例えば、静電紡糸法、スパンボンド法を挙げることができる。これらの中でも静電紡糸法によれば、繊維径の小さい後天性導電性連続繊維を紡糸できることから、薄い電極基材を製造することができ、結果として燃料電池の電気抵抗を下げることができ、また、燃料電池の体積を小さくすることができるため好適である。
【００６７】
なお、静電紡糸法における紡糸液として、溶媒に有機樹脂を溶解させた溶液に導電性粒子を混合した紡糸液を使用する場合、溶媒として、紡糸時に揮散しにくいものを使用して混在繊維ウエブを形成した後に、溶媒置換により紡糸液の溶媒を除去すると、後天性導電性連続繊維が可塑化結合した状態になりやすく、結果として導電性が高く、電気抵抗が低い不織布を製造することができ、また、不織布が緻密になり、燃料電池内での接触抵抗が低くなりやすいため好適である。
【００６８】
なお、後天性導電性連続繊維を構成する有機樹脂が酸化アクリルである場合、ポリアクリルニトリル（ＰＡＮ）及び／又はポリアクリルニトリル（ＰＡＮ）共重合体と導電性粒子とを混合した紡糸液を用いて紡糸して、後天性導電性連続繊維と先天性導電性繊維とが混在する混在繊維ウエブを形成した後、空気中で温度２００〜３００℃で加熱することによって、ポリアクリルニトリル（ＰＡＮ）及び／又はポリアクリルニトリル（ＰＡＮ）共重合体を酸化アクリルとして、不織布の導電性を更に高めることもできる。或いは、ポリアクリルニトリル（ＰＡＮ）及び／又はポリアクリルニトリル（ＰＡＮ）共重合体と導電性粒子とを混合した紡糸液を用いて紡糸した繊維を、空気中、温度２００〜３００℃で加熱することによって、ポリアクリルニトリル（ＰＡＮ）及び／又はポリアクリルニトリル（ＰＡＮ）共重合体を酸化アクリルとした後天性導電性連続繊維を形成した後に、先天性導電性繊維を混合して混在繊維ウエブを形成し、不織布を製造することもできる。
【００６９】
また、後天性導電性連続繊維を構成する有機樹脂が３５０℃を超えるような融点を有する耐熱性有機樹脂である場合、ポリテトラフルオロエチレンディスパージョンなどのフッ素系ディスパージョンに不織布を浸漬して付与した後、温度３００〜３５０℃で焼結することで、撥水性を高め、排水性及びガス拡散性の優れる不織布とすることができる。
【００７０】
本発明のガス拡散電極は、上述のような不織布を備えている電極基材に触媒が担持されているため、短絡しにくく、しかも電気抵抗が低く、導電性に優れ、発電性能の優れる燃料電池を作製することができる。また、本発明のガス拡散電極は、後天性導電性連続繊維及び／又は先天性導電性繊維の表面に触媒が担持され、触媒同士の接触による電子伝導だけではなく、後天性導電性連続繊維及び先天性導電性繊維による電子伝導パスも形成されているため、電子伝導パスから孤立した触媒が少ない。そのため、効率的に触媒を利用でき、触媒量を少なくできるという効果を奏する。
【００７１】
本発明のガス拡散電極は上述のような電極基材を備えていること以外は、従来のガス拡散電極と全く同様の構造を有する。例えば、触媒としては、白金、白金合金、パラジウム、パラジウム合金、チタン、マンガン、マグネシウム、ランタン、バナジウム、ジルコニウム、イリジウム、ロジウム、ルテニウム、金、ニッケル−ランタン合金、チタン−鉄合金などを挙げることができ、これらから選ばれる１種類以上の触媒を担持していることができる。
【００７２】
なお、触媒以外にも、電子伝導体及びプロトン伝導体を含んでいるのが好ましく、電子伝導体として、カーボンブラック等の後天性導電性連続繊維に含まれている導電性粒子と同様の導電性粒子が好適であり、触媒はこの導電性粒子に担持されていても良い。また、プロトン伝導体としては、イオン交換樹脂が好適である。
【００７３】
本発明のガス拡散電極は、例えば、次の方法で作製できる。まず、エチルアルコール、プロピルアルコール、ブチルアルコール、エチレングリコールジメチルエーテルなどからなる単一あるいは混合溶媒中に、触媒（例えば、白金などの触媒を担持したカーボン粉末）を加えて混合し、これにイオン交換樹脂溶液を加え、超音波分散等で均一に混合して触媒分散懸濁液とする。そして、前述のような電極基材に、前記触媒分散懸濁液をコーティング、或いは散布し、これを乾燥して、ガス拡散電極を製造することができる。
【００７４】
なお、電極基材を構成する不織布が片表面を含む領域に混在領域を有する場合には、混在領域側表面とは反対表面に、前記触媒分散懸濁液をコーティング、或いは散布し、これを乾燥して、ガス拡散電極を製造するのが好ましい。この反対表面を触媒層と当接させることによって、先天性導電性繊維が固体高分子膜を突き抜けるのを防ぐことができるためである。
【００７５】
本発明の膜−電極接合体は前述のようなガス拡散電極用基材を備えているため、短絡しにくく、しかも導電性に優れ、電気抵抗が低いものであるため、発電性能の優れる燃料電池を作製することのできる膜−電極接合体である。
【００７６】
本発明の膜−電極接合体は前述のようなガス拡散電極用基材を備えていること以外は、従来の膜−電極接合体と全く同様であることができる。
【００７７】
このような膜−電極接合体は、例えば、一対のガス拡散電極のそれぞれの触媒担持面の間に固体高分子膜を挟み、熱プレスすることによって接合して製造できる。また、前述のような触媒分散懸濁液を支持体に塗布して触媒層を形成した後、この触媒層を固体高分子膜に転写し、その後、触媒層に前述のようなガス拡散電極用基材が当接するように積層し、熱プレスする方法によっても製造できる。なお、電極基材の混在領域が不織布の片表面を含んでいる場合には、混在領域側表面とは反対表面が触媒層と当接するように積層し、熱プレスするのが好ましい。
【００７８】
なお、固体高分子膜としては、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸系樹脂膜、スルホン化芳香族炭化水素系樹脂膜、アルキルスルホン化芳香族炭化水素系樹脂膜などを用いることができる。
【００７９】
本発明の固体高分子形燃料電池は前述のようなガス拡散電極用基材を備えているため、短絡しにくく、しかも導電性に優れ、電気抵抗が低いものであるため、発電性能の優れる燃料電池である。
【００８０】
本発明の燃料電池は前述のようなガス拡散電極用基材を備えていること以外は、従来の燃料電池と全く同様であることができる。例えば、前述のような膜−電極接合体を１対のバイポーラプレートで挟んだセル単位を複数積層した構造からなり、例えば、セル単位を複数積層し、固定して製造できる。
【００８１】
なお、バイポーラプレートとしては、導電性が高く、ガスを透過せず、ガス拡散電極にガスを供給できる流路を有するものであれば良く、特に限定するものではないが、例えば、カーボン成形材料、カーボン−樹脂複合材料、金属材料などを用いることができる。
【実施例】
【００８２】
以下に、本発明の実施例を記載するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。【００８３】
＜紡糸溶液の調製＞
フッ化ビニリデン・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物（ＴＨＶ）をＮ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）に加え、ロッキングミルを用いて溶解させ、濃度１０ｍａｓｓ％の溶液を得た。【００８４】
次いで、導電性粒子として、カーボンブラック（デンカブラック粒状品、電気化学工業（株）製、平均一次粒子径：３５ｎｍ）を前記溶液に混合し、撹拌した後、更にＤＭＦを加えて希釈してカーボンブラックを分散させ、カーボンブラックとＴＨＶの固形質量比が４０：６０で、固形分濃度が１０ｍａｓｓ％の紡糸溶液を調製した。【００８５】
＜炭素繊維分散液の調製＞
ＰＡＮ系炭素繊維（繊維径：７μｍ、繊維長：１ｍｍ）を水に固形分濃度０．５ｍａｓｓ％となるように分散させ、炭素繊維分散液を調製した。【００８６】
（実施例１）
前記紡糸溶液を静電紡糸法により紡糸して得た導電性連続ＴＨＶ繊維（後天性導電性連続繊維）を、対向電極であるステンレスドラム上に、直接、集積すると同時に、スプレーを用いて、ステンレスドラム上部から導電性連続ＴＨＶ繊維の集積位置に向かって、前記炭素繊維分散液を噴霧し、導電性連続ＴＨＶ繊維（平均繊維径：８００ｎｍ）と炭素繊維（先天性導電性繊維）とが混在した混在領域（厚さの５０％、残余領域は導電性連続ＴＨＶ繊維のみ）を、片表面を含む領域に有する、導電性連続ＴＨＶ繊維と炭素繊維のみからなる不織布、つまりガス拡散電極用基材（目付：２８ｇ／ｍ２、厚さ：１１０μｍ、空隙率：８９％）を作製した。なお、ガス拡散電極中における炭素繊維量は２．８ｇ／ｍ２で、混在領域における導電性連続ＴＨＶ繊維と炭素繊維との質量比率は８０：２０であった。また、導電性連続ＴＨＶ繊維を構成するカーボンブラックは一部が繊維表面から露出した状態にあり、導電性連続ＴＨＶ繊維と炭素繊維とは、集積時に、導電性連続ＴＨＶ繊維によって炭素繊維が絡合した。なお、静電紡糸条件は次の通りとした。【００８７】
電極：金属性ノズル（内径：０．３３ｍｍ）とステンレスドラム
吐出量：２ｇ／時間
ノズル先端とステンレスドラムとの距離：１０ｃｍ
印加電圧：１５ｋＶ
温度／湿度：２５℃／３０％ＲＨ【００８８】
（実施例２）
炭素繊維分散液の噴霧量を多くし、ガス拡散電極中における炭素繊維量を５．６ｇ／ｍ２としたこと以外は実施例１と同様にして、導電性連続ＴＨＶ繊維（平均繊維径：８００ｎｍ）と炭素繊維（先天性導電性繊維）とが混在した混在領域のみからなる（厚さの１００％）、導電性連続ＴＨＶ繊維と炭素繊維のみからなる不織布、つまりガス拡散電極用基材（目付：２８ｇ／ｍ２、厚さ：１２０μｍ、空隙率：９０％）を作製した。なお、混在領域における導電性連続ＴＨＶ繊維と炭素繊維との質量比率は８０：２０であった。また、導電性連続ＴＨＶ繊維を構成するカーボンブラックは一部が繊維表面から露出した状態にあり、導電性連続ＴＨＶ繊維と炭素繊維とは、集積時に、導電性連続ＴＨＶ繊維によって炭素繊維が絡合した。【００８９】
（比較例１）
炭素繊維分散液を噴霧しなかったこと以外は実施例１と同様にして、導電性連続ＴＨＶ繊維（平均繊維径：８００ｎｍ）のみからなる不織布、つまりガス拡散電極用基材（目付：２８ｇ／ｍ２、厚さ：１２０μｍ、空隙率：８８％）を作製した。【００９０】
（比較例２）
ガス拡散電極用基材として、カーボンペーパー［ＴＧＰ−Ｈ−０３０、東レ社製、厚さ：１１０μｍ）を用意した。【００９１】
＜電気抵抗の測定＞
５ｃｍ角に切断したガス拡散電極用基材（面積：２５ｃｍ２）をカーボンプレートで両面側から挟み、カーボンプレートの積層方向に、２ＭＰａで加圧下、１Ａの電流（Ｉ）を印加した状態で、電圧（Ｖ）を計測した。続いて、抵抗（Ｒ＝Ｖ／Ｉ）を算出し、更に、電極基材の面積（２５ｃｍ２）を乗じることによって、電気抵抗を算出した。この結果は表１に示す通りであった。【００９２】
＜固体高分子膜への突き刺し性評価＞
エチレングリコールジメチルエーテル１０．４ｇに対して、市販の白金担持炭素粒子（石福金属（株）製、炭素に対する白金担持量：４０ｍａｓｓ％）を０．８ｇ加え、超音波処理によって分散させた後、電解質樹脂溶液として、市販の５ｍａｓｓ％ナフィオン溶液（米国シグマ・アルドリッチ社製、商品名）４．０ｇを加え、更に超音波処理により分散させ、更に攪拌機で攪拌して、触媒ペーストを調製した。【００９３】
次いで、この触媒ペーストを支持体［ナフロン（登録商標）ＰＴＦＥテープ、ニチアス（株）製、厚さ０．１ｍｍ、片表面における面積：２５ｃｍ２］に塗布し、熱風乾燥機によって温度６０℃で乾燥し、当該支持体に対する白金担持量が０．４ｍｇ／ｃｍ２の触媒層を作製した。【００９４】
他方、固体高分子膜として、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）ＮＲＥ−２１２ＣＳ（米国デュポン社製）を用意し、この固体高分子膜の両面に、前記触媒層を夫々転写して積層した後、温度１３５℃、圧力２．６ＭＰａ、時間１０分間の条件でホットプレスにより接合し、電極面積が２５ｃｍ２の固体高分子膜−触媒層接合体を作製した。【００９５】
次いで、作製した高分子膜−触媒層接合体を、実施例１〜２又は比較例１〜２のガス拡散電極用基材（面積：２５ｃｍ２）で挟持し、更にカーボンプレート（バイポーラプレート）で挟み、積層方向に２ＭＰの圧力で締結し、セル単位を作製した。なお、実施例１のガス拡散電極用基材を使用した場合には、導電性連続ＴＨＶ繊維のみからなる表面が触媒層と当接するように挟持してセル単位を作製した。【００９６】
そして、このセル単位に対して、０．２Ｖの電圧を印加し、リーク電流を測定した。これらの結果は表１に示す通りであった。【００９７】
【表１】
2015068745.tif 000003
【００９８】
この表１の実施例１〜２と比較例１との比較から、先天性導電性繊維を含んでいることによって、電気抵抗が大幅に低下したことが分かった。【００９９】
また、比較例２のガス拡散電極用基材を使用したセル単位は、炭素繊維が固体高分子膜を突き抜けるなど、固体高分子膜が損傷し、リーク電流が高くなっているのに対して、実施例１〜２のセル単位は、ガス拡散電極用基材が後天性導電性連続繊維を含んでいることによって、固体高分子膜の損傷が生じていないと考えられた。【０１００】
＜炭素繊維分散液２の調製＞
気相法炭素繊維ＶＧＣＦ（登録商標、昭和電工（株）製、繊維径：０．１５μｍ、繊維長：２０μｍ）を水に固形分濃度０．５ｍａｓｓ％となるように分散させ、炭素繊維分散液２を調製した。【０１０１】
（実施例３）
実施例２と同様にして、導電性連続ＴＨＶ繊維と炭素繊維（先天性導電性繊維）からなる混在領域を形成した後、導電性連続ＴＨＶ繊維の紡糸を止め、炭素繊維分散液のみをスプレーして、厚さに対する混在領域の割合が９５％で、先天性導電性繊維のみからなる残余領域の割合が５％の、導電性連続ＴＨＶ繊維（平均繊維径：８００ｎｍ）と炭素繊維とが混在した混在領域を、片表面を含む領域に有する、導電性連続ＴＨＶ繊維と炭素繊維のみからなる不織布、つまりガス拡散電極用基材（目付：２８ｇ／ｍ２、厚さ：１１０μｍ、空隙率：８８％）を作製した。なお、ガス拡散電極中における炭素繊維量は５．６ｇ／ｍ２で、混在領域における導電性連続ＴＨＶ繊維と炭素繊維との質量比率は８１：１９であった。また、導電性連続ＴＨＶ繊維を構成するカーボンブラックは一部が繊維表面から露出した状態にあり、導電性連続ＴＨＶ繊維と炭素繊維とは、集積時に、導電性連続ＴＨＶ繊維によって炭素繊維が絡合した。【０１０２】
（実施例４）
炭素繊維分散液の噴霧量を多くし、ガス拡散電極中における炭素繊維量を６ｇ／ｍ２としたこと以外は実施例１と同様にして、導電性連続ＴＨＶ繊維（平均繊維径：８００ｎｍ）と炭素繊維（先天性導電性繊維）とが混在した混在領域（厚さの３０％、残余領域は導電性連続ＴＨＶ繊維のみ）を、片表面を含む領域に有する、導電性連続ＴＨＶ繊維と炭素繊維のみからなる不織布、つまりガス拡散電極用基材（目付：３０ｇ／ｍ２、厚さ：１２０μｍ、空隙率：８８％）を作製した。なお、混在領域における導電性連続ＴＨＶ繊維と炭素繊維との質量比率は５５：４５であった。また、導電性連続ＴＨＶ繊維を構成するカーボンブラックは一部が繊維表面から露出した状態にあり、導電性連続ＴＨＶ繊維と炭素繊維とは、集積時に、導電性連続ＴＨＶ繊維によって炭素繊維が絡合した。【０１０３】
（実施例５）
炭素繊維分散液２を用い、その噴霧量を多くして、ガス拡散電極中における炭素繊維量は９ｇ／ｍ２としたこと以外は実施例１と同様にして、導電性連続ＴＨＶ繊維（平均繊維径：８００ｎｍ）と炭素繊維（先天性導電性繊維）とが混在した混在領域のみからなる（厚さの１００％）、導電性連続ＴＨＶ繊維と炭素繊維のみからなる不織布、つまりガス拡散電極用基材（目付：４５ｇ／ｍ２、厚さ：２００μｍ、空隙率：８８％）を作製した。なお、混在領域における導電性連続ＴＨＶ繊維と炭素繊維との質量比率は８０：２０であった。また、導電性連続ＴＨＶ繊維を構成するカーボンブラックは一部が繊維表面から露出した状態にあり、導電性連続ＴＨＶ繊維と炭素繊維とは、集積時に、導電性連続ＴＨＶ繊維によって炭素繊維が絡合した。【０１０４】
（比較例３）
ＰＡＮ系炭素繊維（先天性導電性繊維、繊維径：７μｍ、繊維長：１ｍｍ）とオレフィン系複合繊維［ポリプロピレン（芯）／ポリエチレン（鞘）複合繊維、短繊維、繊維径：８μｍ、繊維長：５ｍｍ］を水に固形分濃度０．３ｍａｓｓ％となるように分散させ、炭素繊維分散液を調製した。なお、分散液における炭素繊維：オレフィン系複合繊維の重量比は５０：５０とした。
次いで、この炭素繊維分散液を、吸引瓶上部に接続したブフナー漏斗上に設置した濾紙上に流し込み、アスピレーターで吸引することで繊維ウエブを形成し、濾紙から剥離した繊維ウエブを温度８０℃のリライアント処理（圧力：０．１ｋｇ／ｃｍ２）して、炭素繊維シート（目付：４０ｇ／ｍ２、厚さ：１６０μｍ）とした。なお、この炭素繊維シートは、ＰＡＮ系炭素繊維とオレフィン系複合繊維とが混在した混在領域のみ（厚さの１００％）からなる、ＰＡＮ系炭素繊維とオレフィン系複合繊維のみからなる不織布であった。【０１０５】
＜電気抵抗の測定＞
実施例３〜５で調製したガス拡散電極用基材、比較例３で調製した炭素繊維シートに関して、先述した測定方法に従って、電気抵抗を測定した。結果を表２に示す。【０１０６】
＜固体高分子膜への突き刺し性評価＞
実施例３〜５で調製したガス拡散電極用基材、比較例３で調製した炭素繊維シートに関して、先述した測定方法に従って、リーク電流を測定した。なお、実施例３、４のガス拡散電極用基材を使用した場合には、実施例３の場合には、混合領域からなる表面が触媒層と当接し、実施例４の場合には、導電性連続ＴＨＶ繊維のみからなる表面が触媒層と当接するように挟持してセル単位を作製した。結果を表２に示す。【０１０７】
【表２】
2015068745.tif 000004
【０１０８】
実施例１〜３と比較例３との比較から、後天性導電性連続繊維と先天性導電性繊維とが混在する混在領域を含んでいることによって、電気抵抗が大幅に低下し、また、固体高分子膜の損傷が生じていないことが分かった。
【産業上の利用可能性】
【０１０９】
本発明の電極基材は固体高分子膜を損傷しないばかりでなく、導電性が高く、電気抵抗の低いものであるため、発電性能の優れる固体高分子形燃料電池を作製できるものである。
以上、本発明を特定の態様に沿って説明したが、当業者に自明の変形や改良は本発明の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０１１０】
１１ａ  （燃料極側）バイポーラプレート
１１ｃ  （空気極側）バイポーラプレート
１３ａ  （燃料極側）ガス拡散層
１３ｃ  （空気極側）ガス拡散層
１４ａ  （燃料極側）水分管理層
１４ｃ  （空気極側）水分管理層
１５ａ  （燃料極側）触媒層
１５ｃ  （空気極側）触媒層
１７ａ  燃料極（ガス拡散電極）
１７ｃ  空気極（ガス拡散電極）
１９  固体高分子膜
【図１】
2015068745.tif 000005
【国際調査報告】
2015068745.tif 000006
2015068745.tif 000007
2015068745.tif 000008
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