(57)【要約】【課題】カソード供給ガス低加湿または無加湿で低電流密度でも高電流密度でも高い特性を発揮できる、高効率でシステムの簡素化が可能な固体高分子型燃料電池を提供する。【解決手段】多孔質炭素板をカソード電極基材として用い、多孔質炭素板とカソード触媒層との間にカーボン層を設けた固体高分子型燃料電池であって、カソード供給ガスが低加湿または無加湿であり、多孔質炭素板の厚さが０．１〜０．５ｍｍ、密度が０．２〜０．５５ｇ／ｃｍ３、水銀圧入法による細孔径分布のピーク径が１０〜１００μｍの範囲内であることを特徴とする固体高分子型燃料電池である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多孔質炭素板をカソード電極基材として用い、多孔質炭素板とカソード触媒層との間にカーボン層を設けた固体高分子型燃料電池であって、外部加湿によるカソード供給ガスの加湿温度が４０℃以下であり、多孔質炭素板の厚さが０．１〜００．５ｍｍ、密度が０．２〜０．５５ｇ／ｃｍ３、水銀圧入法による細孔径分布のピーク径が１０〜１００μｍの範囲内であることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項２】
多孔質炭素板をカソード電極基材として用い、多孔質炭素板とカソード触媒層との間にカーボン層を設けた固体高分子型燃料電池であって、カソード供給ガスは外部加湿も内部加湿も行わず、多孔質炭素板の厚さが０．１〜０．５ｍｍ、密度が０．２５〜０．５５ｇ／ｃｍ３、水銀圧入法による細孔径分布のピーク径が１０〜１００μｍの範囲内であることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池を搭載した移動体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子型燃料電池、特にカソード供給ガス低加湿または無加湿の固体高分子型燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、固体高分子型燃料電池は電解質にプロトン交換膜を用い、アノードに水素または水素を含む改質ガス、カソードに空気または酸素を供給して発電を行うことが知られている。プロトン交換膜は乾燥するとプロトン伝導性が低くなるため、通常アノード、カソードとも供給ガスを加湿する。加湿方法としては電池外部で加湿したガスを供給する外部加湿方式と電池スタック内部で加湿する内部加湿方式がある。外部加湿方式には電池供給ガスを加温した水中に通すバブラー方式や水蒸気添加方式があり、内部加湿方式には加湿膜や加湿スタックを使う方法がある。しかし、いずれの場合にも、加湿のために装置が複雑になったり、エネルギー消費が増え、燃料電池システムの効率が低下するなどの問題があった。これを改善するため、ガス拡散層である導電性多孔質材料のフッ素樹脂量を制御して排水性を下げ、アノード、カソードとも無加湿にする方法が提案されている（例えば特許文献１）。導電性多孔質材料の撥水性を高めると、液体の水の排出性は低下するものの、気体の水、すなわち水蒸気の排出性は低下しないので、低電流密度でのプロトン交換膜の乾燥は避けられない。
【０００３】
固体高分子型燃料電池の電極基材としては織物（例えば特許文献２）や、乾式の不織布化方法で作られた不織布（例えば特許文献３）がある。しかし、織物や不織布は気体透過性が高いため、表面にカーボン層を設けないとプロトン交換膜が乾燥してしまい、カーボン層を設けてもカソード低加湿や無加湿での燃料電池運転は難しい。さらに別の電極基材として抄紙法によって作られ炭素繊維を炭素で結着したカーボンペーパー（例えば特許文献４）があるが、他の基材に比べ気体透過性が低く、高電流密度でのフラッディングと呼ばれる水詰まりも起こりやすいため電流密度が高くできないという問題があった（例えば非特許文献１）。これを改善するため気体透過性の高いカーボンペーパーも提案されている（例えば特許文献５）が、気体透過性が高いため低電流密度の発電時にはプロトン交換膜が乾燥しやすいという問題があった。このような問題に対してカーボンペーパーの表面にカーボン層を設ける検討も行われている（例えば特許文献６）。しかし、低加湿、無加湿のための検討、最適化は行われていないのが現状である。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−１４４７４０号公報（第２頁、請求項１）
【０００５】
【特許文献２】
特開平１０−２６１４２１号公報（第２頁、請求項１）
【０００６】
【特許文献３】
特開平２００３−４５４４３号公報（第２頁、請求項１）
【０００７】
【特許文献４】
特開昭６３−２５４６６９号公報（第１頁、請求項１）
【０００８】
【特許文献５】
特開平９−１５７０５２号公報（第２頁、段落番号０００９）
【０００９】
【非特許文献１】
Ｔ．  Ｒ．  Ｒａｌｐｈｉ  ｅｔ  ａｌ．，  Ｊ．  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．  Ｓｏｃ．  １４４，  ｐ３８４５−３８５７（１９９７）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来技術の欠点を克服し、カソード供給ガスが低加湿または無加湿で、高電流密度でも低電流密度でも高い電圧の得られる、効率が高く、システムの簡素化が可能な固体高分子型燃料電池を提供することをその目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の固体高分子型燃料電池は、上記目的を達成するため、多孔質炭素板をカソード電極基材として用い、多孔質炭素板とカソード触媒層との間にカーボン層を設けた固体高分子型燃料電池であって、カソード供給ガスは低加湿または無加湿であり、多孔質炭素板の厚さが０．１〜０．５ｍｍ、密度が０．２〜０．５５ｇ／ｃｍ３、水銀圧入法による細孔径分布のピーク径が１０〜１００μｍの範囲内であることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の他の態様の固体高分子型燃料電池は、多孔質炭素板をカソード電極基材として用い、多孔質炭素板とカソード触媒層との間にカーボン層を設けた固体高分子型燃料電池であって、カソード供給ガスは外部加湿も内部加湿も行わず、多孔質炭素板の厚さが０．１〜０．５ｍｍ、密度が０．２５〜０．５５ｇ／ｃｍ３、水銀圧入法による細孔径分布のピーク径が１０〜１００μｍの範囲内であることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の好ましい実施の形態を図面を参照しながら説明する。
【００１４】
図１は、本発明の固体高分子型燃料電池の一例を示す部分断面図である。図１において、固体高分子電解質膜１の両側に触媒層２ａ、２ｂ、さらにカーボン層３ａ、３ｂ、電極基材４ａ、４ｂを対にして配し、これらを加熱加圧し、一体化してＭＥＡ（膜−電極接合体）を構成する。次にＭＥＡを両側からセパレータ５ａ、５ｂで挟んで単電池を構成する。それぞれのセパレータには、溝６ａ、６ｂが切ってあり、それぞれに水素または改質ガスと空気または酸素を流し、水素または改質ガスを流した側はアノード、空気または酸素を流した側はカソードとなる。
【００１５】
本発明に係る図１の固体高分子型燃料電池は多孔質炭素板をカソード電極基材として用い、多孔質炭素板とカソード触媒層との間にカーボン層３ａ、３ｂを設けた固体高分子型燃料電池である。前述したように固体高分子型燃料電池は電解質としてプロトン交換膜等の高分子電解質膜を用いた燃料電池である。特に本発明が有効に特徴を発揮するのは、デュポン社のナフィオン等の、乾燥すると導電性が低下する固体高分子膜を使用した燃料電池である。
【００１６】
多孔質炭素板は炭素繊維や炭素粒子を炭素で結着してなる多孔質板である。その製造方法は炭素繊維や炭素粒子をフェノール樹脂やピッチなどの炭化可能な有機物で結着した多孔質板を不活性雰囲気中１０００〜３０００℃で熱処理し炭化する。炭素繊維の代わりに炭素繊維前駆体繊維、炭素粒子の代わりに炭素粒子前駆体粒子を用いてもよい。炭化可能な有機物は炭素繊維や炭素粒子とともに混合する方法や炭素繊維や炭素粒子からなる板に含浸する方法等があるが、薄い材料が製造可能で炭素繊維や炭素粒子との接着が強くできる後者の方法が好ましい。多孔質炭素板の曲げ強さや圧縮強さの点から炭素繊維を含むことが好ましい。炭素繊維は不織布構造や織物構造を取ることができるが、細孔径分布が均一になりやすい不織布構造が好ましく、不織布構造では、厚さを薄く、曲げ強さを高くしやすい湿式不織布構造が特に好ましい。炭素繊維や炭素粒子を結着する炭素が存在することで、セパレータの溝を流れるガス流がカソードのカーボン層に直接あたりにくくなるため、低加湿、または無加湿のカソード供給ガスを用いても、カソードでの反応生成水の少ない低電流密度やガス流量が多い高電流密度において電解質膜の乾燥を防止することができる。炭素繊維や炭素粒子を結着する炭素を有さない織物や不織布を用いた場合、低加湿または無加湿のカソード供給ガスを用いると電解質膜の乾燥による電圧低下が起こりやすい。炭素繊維や炭素粒子を結着する炭素は１０〜５０重量％が好ましく、１５〜３５重量％がさらに好ましい。１０重量％未満では上述の乾燥防止効果が少なく圧縮強さも低くなる。５０重量％を超えると気体透過性の低下により、ガス供給性不足になる。多孔質炭素板中の結着炭素の比率は炭化前の多孔質板中に含まれる材料の熱処理による減量率を別々に測定し、熱処理前の多孔質板中の各材料の組成と減量率から計算によって求める。
【００１７】
カーボン層としてはカーボンブラック、フラーレン、カーボンナノチューブ、黒鉛粉末などの炭素粉末をフッ素樹脂やイオン交換樹脂で結着したものが用いられる。カーボン層と前述の結着炭素の相乗効果により低加湿または無加湿のカソード供給ガスでも、反応生成水の少ない低電流密度およびガス流量の多い高電流密度での電解質膜乾燥を抑制でき、さらに低加湿または無加湿のカソード供給ガスを用いることで、高電流密度での、フラッディングと呼ばれる水詰まりによる電圧低下を抑制できる。
【００１８】
炭素粉末の粒径は乾燥防止効果を高めるため粒径１μｍ以下が好ましく、０．１μｍ以下がさらに好ましい。炭素粉末としては粒径、コストの点からカーボンブラックが好ましい。
【００１９】
結着樹脂としては生成水が少ない場合に触媒層からの水の排出を抑制するため、水が多くなった場合にカーボン層を通って供給される酸素の通路となる細孔を確保するためにフッ素樹脂、特に撥水性の高いテトラフルオロエチレン樹脂（ＰＴＦＥ）、パーフルオロアルコキシ樹脂（ＰＦＡ）、フッ化エチレンプロピレン樹脂（ＦＥＰ）を用いたものが好まい。カーボン層中のフッ素樹脂の比率は１０〜５０重量％が好ましく、２０〜４０重量％が好ましい。フッ素樹脂が１０重量％未満ではカーボン層が水詰まりしたり、炭素粉末が脱落したりする。フッ素樹脂が５０重量％を超えると電気抵抗が増加する。カーボン層は０．４〜４ｍｇ／ｃｍ２が好ましく、１〜２．５ｍｇ／ｃｍ２がさらに好ましい。カーボン層が０．４ｇ／ｃｍ２未満では電解質膜の乾燥防止効果が十分でなく、４ｍｇ／ｃｍ２を超える場合、電気抵抗が高くなる。カーボン層の厚さは、５〜１００μｍが好ましく、１０〜５０μｍがより好ましく、２０〜４０μｍが更に好ましい。カーボン層の厚さが５μｍ未満では電解質膜の乾燥防止効果が十分でなく、カーボン層の厚さが１００μｍを超えると電気抵抗増大や排水性低下を招く。カーボン層の厚さ及び目付はカーボン層作成前後の厚み及び目付の差とする。カーボン層を除去して前後の厚み及び目付の差を求めてもよい。厚さは平滑な台上に多孔質炭素板を置き、直径５ｍｍのマイクロメーター圧子を上から下ろして圧力０．１５ＭＰａでの厚さを測定する。カーボン層を設けた多孔質炭素板の場合、カーボン層を上側に向けて測定する。
【００２０】
外部加湿方式によってカソード供給ガスを加湿する場合、加湿温度が４０℃以下であり、好ましくは３０℃以下、さらに好ましくは無加湿である。加湿温度が４０℃を越えると加温のためのエネルギーが多く必要になり、燃料電池システムの効率が低下する。システム構造を簡単にするため内部加湿も行わないことが好ましい。
【００２１】
多孔質炭素板の厚さは０．１〜０．５ｍｍの範囲内であることが必要である。好ましくは０．１２〜０．３５ｍｍ、さらに好ましくは０．１５〜０．２５ｍｍである。厚さが０．１ｍｍを下回ると機械的強度が低く、電極作成時や燃料電池スタック締め付けによる曲げや剪断力により壊れやすく、電解質膜の乾燥も起こりやすい。厚さが０．５ｍｍを超えると燃料電池スタックの高さが大きくなり過ぎ好ましくない。
【００２２】
多孔質炭素板の密度は０．２〜０．５５ｇ／ｃｍ３の範囲内であることが必要である。好ましくは０．２５〜０．４ｇ／ｃｍ３、さらに好ましくは０．２８〜０．３６ｇ／ｃｍ３である。密度が０．２ｇ／ｃｍ３を下回ると電解質膜の乾燥が起こりやすく、同時に多孔質炭素板の圧縮強さも低くなり、燃料電池スタックの加圧や電極作成時の加圧により壊れてしまう。逆に密度が０．５５ｇ／ｃｍ３を超えると気体透過性が低いため、電池特性が低下する。密度は目付（ｇ／ｍ２）と厚さから算出する。多孔質炭素板の密度は炭化可能な有機物の含有量や炭化前に加圧を行うことで制御できる。
【００２３】
多孔質炭素板の水銀圧入法による細孔径分布のピーク径は１０〜１００μｍの範囲内であることが必要である。好ましくは２５〜７０μｍ、さらに好ましくは４０〜５０μｍである。複数のピークを有する場合、高い方のピーク径とする。ピーク径が１０μｍを下回ると気体透過性や、水排出性が低いため特に高電流密度で高い特性が得られない。逆にピーク径が１００μｍを超えると電解質膜の乾燥が起こりやすく、カソード低加湿または無加湿の運転において、電解質膜抵抗増大による電圧増大が起こる。多孔質炭素板の細孔径は炭素繊維径、炭素粒子径、炭化可能な有機物の含有量、炭化前の加圧によって制御できる。炭素繊維径は４〜１５μｍが好ましく、５〜１２μｍがより好ましい。
【００２４】
多孔質炭素板の厚さ方向に１４ｃｍ／秒の空気を透過したときの差圧（ｍｍＡｑ）を多孔質板の厚さ（ｍｍ）で割った値は５〜５０ｍｍＡｑ／ｍｍが好ましく、８〜３０ｍｍＡｑ／ｍｍがより好ましく、１０〜２０ｍｍＡｑ／ｍｍがさらに好ましい。５ｍｍＡｑ／ｍｍを下回ると電解質膜の乾燥が起こりやすくなる。５０ｍｍＡｑ／ｍｍを超えるとカソードの触媒層への酸素供給不足により、電池特性が低下する。特にカソードでの反応生成水の多い高電流密度において、差圧を厚さで割った値（ｍｍＡｑ／ｍｍ）の低下によって電圧が大きく向上する。上記差圧は炭素繊維径、炭素粒子径、炭化可能な有機物の含有量、炭化前の加圧によって制御できる。炭素繊維径は４〜１５μｍが好ましく、５〜１２μｍがより好ましい。上記の差圧（ｍｍＡｑ）と厚さ（ｍｍ）は下記式によって、透過性に換算できる。
【００２５】
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アノードについても膜の乾燥防止のため、多孔質炭素板を電極基材として用いることや多孔質炭素板とアノード触媒層の間にカーボン層を設けることが好ましく、燃料電池の効率改善のため、外部加湿における加湿温度を電池温度以下にすることが好ましい。
【００２６】
本発明に係る固体高分子型燃料電池は、カソード供給ガスが低加湿または無加湿であるため、装置がシンプル、かつコンパクトになること、さらに低電流密度での電解質膜乾燥防止、高電流密度でのフラッディング防止効果により、広い出力範囲で高い特性が発揮できることから、移動体に搭載する燃料電池として好ましく用いられる。
【００２７】
【実施例】
（燃料電池の電圧測定方法）
燃料電池の電圧測定は以下の方法で行った。
【００２８】
ポリフロンＰＴＦＥディスパージョンＤ−１（ダイキン工業株式会社製）に精製水を加えてＰＴＦＥ濃度を１６ｗｔ％に調整した。調整したＰＴＦＥディスパージョンに多孔質炭素板を浸漬後、余分なディスパージョンを除去し、１００℃に設定したオーブンで１０分間乾燥させることにより、乾燥後の全体重量に対するＰＴＦＥの割合が２０重量％となった。
【００２９】
上記多孔質炭素板を電極基材とし、その上に、厚さ２００μｍのポリエステルフィルムを用いて作成したスペーサーと、厚みが１ｍｍのステンレス製のプレートを用いてカーボン塗液を塗布した。塗布したカーボン塗液は、固形分がアセチレンブラック（電気化学工業株式会社製  デンカブラック）、ＰＴＦＥ（ダイキン工業株式会社製  ポリフロンＰＴＦＥディスパージョンＤ−１）、界面活性剤（ナカライテスク株式会社製  ＴＲＩＴＯＮ  Ｘ−１１４）からなり、その割合が４：１：８となるようにし、更に精製水を加え、固形分が全体の２０ｗｔ％となるように調整した。カーボン塗液を塗布した電極基材を乾燥後、３８０℃のオーブンで１０分間熱処理した後、２００℃、３ＭＰａで５分間ホットプレスすることによりカーボン層付電極基材を得た。なお、カーボン層の目付は２．０ｍｇ／ｃｍ２、厚さは３０μｍであった。
【００３０】
白金担持炭素（田中貴金属株式会社製  白金担持量５０ｗｔ％）１．０ｇ、精製水  １．０ｇ、Ｎａｆｉｏｎ溶液（Ａｌｄｒｉｃｈ社製  Ｎａｆｉｏｎ  ５．０ｗｔ％）８．０ｇ、イソプロピルアルコール（ナカライテスク株式会社製）１８．０ｇを順に加えることにより、触媒液を作成した。
【００３１】
ＰＴＦＥシート（ニチアス株式会社製  ナフロンテープ  ＴＯＭＢＯ９００１）上に、上記触媒液を５ｃｍ２  の正方形にスプレーし、乾燥させることにより、白金量が０．５ｍｇ／ｃｍ２  である触媒層付きＰＴＦＥシートを得た。５ｃｍ×５ｃｍに切り出した固体高分子電解質膜（ＤｕＰｏｎｔ株式会社製  Ｎａｆｉｏｎ１１２）を、上記触媒層付きＰＴＦＥシートで挟み、１３０℃、５ＭＰａで５分間プレスすることにより固体高分子電解質膜に触媒層を転写した。プレス後、ＰＴＦＥシートを剥がし、触媒層付き固体高分子電解質膜を得た。
【００３２】
次にカーボン層付電極基材から、５ｃｍ２  の正方形のサイズのものを２枚切り出した。切り出したカーボン層付電極基材２枚をカーボン層側を上記触媒層付き固体高分子電解質膜側に向けて挟み、１３０℃、２ＭＰａで５分間プレスすることにより、膜−電極接合体を得た。
【００３３】
得られた膜−電極接合体４を燃料電池評価用単セルに組み込み、常圧の水素および空気を供給し、運転温度は７０℃とした。水素は８０℃設定した加湿ポットにより加湿を行った。
【００３４】
以上の条件において、空気（カソード供給ガス）の加湿条件を無加湿、４０℃または６０℃として、上記膜−電極接合体を用いて燃料電池の電圧値を測定した。
【００３５】
なお、水素および空気の利用率はそれぞれ７０％および４０％とした。
【００３６】
（実施例１）
東レ株式会社製ポリアクリロニトリル系炭素繊維  トレカ  Ｔ−３００（平均繊維径７μｍ）を１２ｍｍの長さに切断、水中に分散させ攪拌した後抄造し、さらにそれをポリビニルアルコールの１０重量％水溶液を付着させ、乾燥させることにより、炭素繊維の目付が約５０ｇ／ｍ２の炭素短繊維シートを得た。ポリビニルアルコールの付着量は、約２０重量％であった。
【００３７】
次に、上記炭素短繊維シートにフェノール樹脂の１０重量％メタノール溶液を含浸し、炭素短繊維シート１００重量部に対してフェノール樹脂を７０重量部付着させ、９０℃で乾燥させた後、０．７ＭＰａの加圧下に１５０℃で３０分加熱し、フェノール樹脂を硬化させた。さらに、硬化したフェノール樹脂を含む上記炭素短繊維シートを、バッチ式の加熱炉を用い、不活性雰囲気下２５００℃で焼成することにより多孔質炭素板を得た。得らた多孔質炭素板の密度は０．３２ｇ／ｃｍ３、厚さは０．２４ｍｍ、細孔径分布のピーク径は４３μｍ、１４ｃｍ／秒の空気を透過したときの差圧を厚さで割った値は１２ｍｍＡｑ／ｍｍであった。
【００３８】
得られた多孔質炭素板を用いて燃料電池を作成し、空気（カソード供給ガス）４０℃加湿で電池の性能を測定したところ、０．３、１．０Ａ／ｃｍ２での電圧値はそれぞれ０．７１、０．４７Ｖであった。１．３Ａ／ｃｍ２でフラッディングが起こったので、さらに空気（カソード供給ガス）無加湿で電池の性能を測定したところ、０．３、１．０Ａ／ｃｍ２での電圧値はそれぞれ０．７２、０．５２Ｖであった。
【００３９】
（実施例２）
東レ株式会社製カーボンペーパー  ＴＧＰ−Ｈ−０６０を多孔質炭素板として用いた。多孔質炭素板の密度は０．４５ｇ／ｃｍ３、厚さは０．１９ｍｍ、細孔径分布のピーク径は３７μｍ、１４ｃｍ／秒の空気を透過したときの差圧を厚さで割った値は２７ｍｍＡｑ／ｃｍであった。
【００４０】
得られた多孔質炭素板を用いて燃料電池を作成し、空気（カソード供給ガス）４０℃加湿で電池の性能を測定したところ、０．３、１．０Ａ／ｃｍ２での電圧値はそれぞれ０．７１、０．４５Ｖであった。１．１Ａ／ｃｍ２でフラッディングが起こったので、さらに空気（カソード供給ガス）無加湿で電池の性能を測定したところ、０．３、１．０Ａ／ｃｍ２での電圧値はそれぞれ０．７１、０．４９Ｖであった。
【００４１】
（比較例１）
実施例１の多孔質炭素板を多孔質炭素板として用い、多孔質炭素板の表面にカーボン層を設けない点以外は実施例１と同様にして、空気（カソード供給ガス）４０℃加湿で電池の性能を測定したところ、０．３、１．０Ａ／ｃｍ２での電圧値はそれぞれ０．７２、０．５０Ｖであった。１．０Ａ／ｃｍ２以上の高電流密度、高ガス流量において電池内部抵抗増加、すなわち電解質膜乾燥傾向が見られたため、さらに空気（カソード供給ガス）６０℃加湿で電池の性能を測定したところ、０．３、１．０Ａ／ｃｍ２での電圧値はそれぞれ０．７２、０．０Ｖであった。
【００４２】
（比較例２）
実施例１の多孔質炭素板を多孔質炭素板として用い、多孔質炭素板の表面にカーボン層を設けない点以外は実施例１と同様にして、空気（カソード供給ガス）４０℃加湿で電池の性能を測定したところ、０．３、１．０Ａ／ｃｍ２での電圧値はそれぞれ０．７１、０．４５Ｖであった。１．０Ａ／ｃｍ２以上の高電流密度、高ガス流量において電池内部抵抗増加、すなわち電解質膜乾燥傾向が見られたため、さらに空気（カソード供給ガス）６０℃加湿で電池の性能を測定したところ、０．３、１．０Ａ／ｃｍ２での電圧値はそれぞれ０．７１、０．０Ｖであった。
【００４３】
（比較例３）
Ｅ−ＴＥＫ社の炭素繊維織物”Ａ”タイプ（１１６ｇ／ｍ２）を多孔質炭素板として用い、ＰＴＦＥディスパージョンによる撥水処理を行わない点以外は実施例１と同様にして、空気（カソード供給ガス）４０℃加湿で電池の性能を測定したところ、０．３、１．０Ａ／ｃｍ２での電圧値はそれぞれ０．７０、０．３９Ｖであった。１．０Ａ／ｃｍ２以上の高電流密度、高ガス流量において電池内部抵抗増加、すなわち電解質膜乾燥傾向が見られたため、さらに空気（カソード供給ガス）６０℃加湿で電池の性能を測定したところ、０．３、１．０Ａ／ｃｍ２での電圧値はそれぞれ０．７２、０．４５Ｖであった。
【００４４】
（比較例４）
ポリアクリロニトリル系酸化繊維を捲縮処理後５１ｍｍにカットし、カード加工後、水流交絡により不織布を得た。不織布の目付は１３０ｇ／ｍ２であった。この不織布を温度２００℃、線圧５０ｋｇｆ／ｃｍ、速度２ｍ／分でロールプレスに通し、その後不活性雰囲気下、最高温度１９５０℃で炭化し、炭素繊維不織布を得た。炭素繊維不織布の厚さは０．１６ｍｍ、目付は７７ｇ／ｍ２であった。
【００４５】
この炭素繊維不織布を多孔質炭素板として用い、実施例１と同様にして、空気（カソード供給ガス）４０℃加湿で電池の性能を測定したところ、０．３、１．０Ａ／ｃｍ２での電圧値はそれぞれ０．６８、０．４１Ｖであった。１．０Ａ／ｃｍ２以上の高電流密度、高ガス流量において電池内部抵抗増加、すなわち電解質膜乾燥傾向が見られたため、さらに空気（カソード供給ガス）６０℃加湿で電池の性能を測定したところ、０．３、１．０Ａ／ｃｍ２での電圧値はそれぞれ０．６９、０．４４Ｖであった。
【００４６】
実施例１、２、比較例１、２から、多孔質炭素板をカソード電極基材として用い、多孔質炭素板とカソード触媒層との間にカーボン層を設けた固体高分子型燃料電池はカソード供給ガス無加湿の条件において、低電流密度、高電流密度の双方で高い特性を示すことが分かる。
【００４７】
比較例３の炭素繊維織物、比較例４の炭素繊維不織布は炭素繊維を炭素で結着していないため、電解質膜が乾燥しやすく、カーボン層を設けても、カソード供給ガス加湿温度４０℃よりも６０℃で高い特性が得られており、カソード供給ガス低加湿や無加湿での運転には適さない。
【００４８】
【発明の効果】
本発明の固体高分子型燃料電池は、多孔質炭素板をカソード電極基材として用い、多孔質炭素板とカソード触媒層との間にカーボン層を設けた固体高分子型燃料電池であって、カソード供給ガスは低加湿または無加湿であり、多孔質炭素板の厚さが０．１〜０．５ｍｍ、密度が０．２〜０．５５ｇ／ｃｍ３、水銀圧入法による細孔径分布のピーク径が１０〜１００μｍであるので、多孔質炭素板とカーボン層の組み合わせにより、カソード供給ガス低加湿または無加湿で、低電流密度でも高電流密度でも高い電圧を得ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池の部分断面図である。
【符号の説明】
１：固体高分子電解質膜
２ａ、２ｂ：触媒層炭素繊維不織布
３ａ、３ｂ：カーボン層
４ａ、４ｂ：電極基材
５ａ、５ｂ：セパレータ
６ａ、６ｂ：セパレータのガス流路
【図１】
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