(57)【要約】【課題】多孔質炭素電極基材の燃料電池内部での水分管理機能の発現を容易にし、かつその水分管理機能の平面内での均一性を高くすることができる多孔質炭素電極基材およびそれを用いた燃料電池を提供する。【解決手段】少なくとも２枚のガス透過係数が異なる炭素材からなる導電性多孔質基材を積層した多孔質炭素電極基材によって解決される。好ましくは、前記少なくとも２枚のガス透過係数が異なる炭素材からなる導電性多孔質基材は、少なくとも２種の組成の異なる炭素材からなり、前記少なくとも２枚の多孔質炭素基材のガス透過係数の差が３０ｍｌ・ｍｍ／ｃｍ2・ｈｒ・Ｐａ以上であり、さらに好ましくは、前記多孔質炭素電極基材は２枚の炭素材からなる導電性多孔質基材を積層したものであって、この２枚の導電性多孔質基材のガス透過係数がそれぞれ１０〜１００ｍｌ・ｍｍ／ｃｍ2・ｈｒ・Ｐａ、１３０〜４００ｍｌ・ｍｍ／ｃｍ2・ｈｒ・Ｐａである。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２枚のガス透過係数が異なる炭素材からなる導電性多孔質基材を積層した多孔質炭素電極基材。
【請求項２】
前記少なくとも２枚の炭素材からなる導電性多孔質基材は、少なくとも２種の組成の異なる多孔質基材である請求項１記載の多孔質炭素電極基材
【請求項３】
前記少なくとも２枚の炭素材からなる導電性多孔質基材のガス透過係数の差が３０ｍｌ・ｍｍ／ｃｍ2・ｈｒ・Ｐａ以上である請求項１または２記載の多孔質炭素電極基材。
【請求項４】
前記多孔質炭素電極基材は、ガス透過係数が異なる２種の炭素材からなる導電性多孔質基材を積層したものであって、前記２種の炭素材からなる導電性多孔質基材のガス透過係数がそれぞれ１０〜１００ｍｌ・ｍｍ／ｃｍ2・ｈｒ・Ｐａ、１３０〜４００ｍｌ・ｍｍ／ｃｍ2・ｈｒ・Ｐａである、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の多孔質炭素電極基材。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項記載の多孔質炭素電極基材を、触媒を担持した炭素粉末を主体とする触媒層を介して高分子電解質膜の両面に接合してなる膜−電極接合体であって、前記多孔質炭素電極基材のガス透過係数が小さい方の導電性多孔質基材側が、前記触媒層を介して高分子電解質膜に接合されてなる膜−電極接合体。
【請求項６】
請求項１ないし４のいずれか１項記載の多孔質炭素電極基材を、触媒を担持した炭素粉末を主体とする触媒層を介して高分子電解質膜の両面に接合してなる膜−電極接合体であって、前記多孔質炭素電極基材のガス透過係数が大きい方の導電性多孔質基材側が、前記触媒層を介して高分子電解質膜に接合されてなる膜−電極接合体。
【請求項７】
請求項１ないし４のいずれか１項記載の多孔質炭素電極基材を用いた固体高分子型燃料電池。
【請求項８】
請求項５または６記載の膜−電極接合体を用いた固体高分子型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子型燃料電池に用いられる多孔質炭素電極基材とそれを用いた燃料電池等に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、プロトン伝導性の高分子電解質膜を用いることを特徴としており、水素等の燃料ガスと酸素等の酸化ガスを電気化学的に反応させることにより起電力を得る装置である。固体高分子型燃料電池は、自家発電装置や、自動車等の移動体用の発電装置として利用可能である。
【０００３】
このような固体高分子型燃料電池は、水素イオン（プロトン）を選択的に伝導する高分子電解質膜を有する。また、貴金属系触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層と多孔質炭素電極基材とを有するガス拡散電極が、触媒層側を内側にして、高分子電解質膜の両面に接合された構造となっている。
【０００４】
このような高分子電解質膜と２枚のガス拡散電極からなる接合体は、膜電極接合体（ＭＥＡ: Membrane Electrode Assembly）と呼ばれている。またＭＥＡの両外側には燃料ガスまたは酸化ガスを供給し、かつ生成ガスおよび過剰ガスを排出することを目的としたガス流路を形成したセパレーターが設置されている。
【０００５】
多孔質炭素電極基材は主に次の３つの機能を持つ。第１に多孔質炭素電極基材の外側に配置されたセパレーターに形成されたガス流路より触媒層中の貴金属系触媒に均一に燃料ガスまたは酸化ガスを供給する機能である。第２に触媒層で反応により生成した水を排出する機能である。第３に触媒層での反応に必要な電子または生成される電子をセパレーターへ導電する機能である。
【０００６】
したがって、多孔質炭素電極基材には、高い反応ガスおよび酸化ガス透過能と、水の排出性、電子導電性が必要である。加えて、一般的な固体高分子型燃料電池で用いられる高分子電解質膜は、含水状態でプロトン伝導性を示すことより、多孔質炭素電極基材には生成水の排水のみでなく、高分子電解質膜の保水という相反する機能が求められている。多孔質炭素電極基材のガス透気度を高くし生成水の排水能を高くしたものでは、高分子電解質膜が乾燥することによりプロトン伝導抵抗が増大し、発電性能が低下する。逆に多孔質炭素電極基材のガス透気度を低くし高分子電解質膜の保水能を高めたものでは、生成水の排水不良によって反応ガスおよび酸化ガスの拡散が阻害されるフラッディングにより発電性能が低下する。
【０００７】
フラッディングおよびそれに起因するガス拡散性の低下を抑制しようとする技術として、例えば特許文献１（特開２００３−１０９６０４号公報）には、触媒を担持した炭素粉末および高分子電解質からなる触媒層と、炭素材料からなり前記触媒層を支持する多孔質基材と、前記多孔質基材に付与された撥水材とからなるガス拡散電極であって、前記多孔質基材内における前記撥水材の量が、前記触媒層と接する側から他方の側に向かって連続的に変化していることを特徴とする燃料電池用ガス拡散電極が開示される。
【特許文献１】特開２００３−１０９６０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
固体高分子型燃料電池に用いられる多孔質炭素電極基材には、生成水の排水と高分子電解質膜の保水という固体高分子型燃料電池内部での水分管理機能が必要となる。この水分管理機能の発現のために、多孔質炭素電極基材のガス透過係数を変化させることや、フッ素樹脂などの撥水剤や、シリカ等の酸化物を多孔質炭素電極基材に分散させる手法が用いられてきた。しかし、これらのフッ素樹脂などの撥水剤やシリカ等の酸化物は絶縁体であることが多いため、多孔質炭素電極基材中にフッ素樹脂やシリカ等の酸化物を分散させることにより導電率が低下するという問題があり、それらの分散量に制限が生じている。
【０００９】
また、この水分管理機能の発現のためには、高分子電解質膜と接する側においては生成水が液体状態で存在することになるが、多孔質炭素電極基材中では燃料ガスまたは酸化ガスの拡散経路を確保しなければならないため、液体状態ではなく気体状態である水蒸気として余剰な生成水を多孔質炭素電極基材を通じて外部に移動させる必要がある。したがって、多孔質炭素電極基材の触媒層と接する面側とセパレーターと接する面側とでは異なる水分管理機能の発現が必要となる。
【００１０】
加えて、この水分管理機能を発現するために、撥水剤等の付着量を多孔質炭素電極基材中で、厚み方向に連続的に変化させたものでは、それらの付着量を精度よく制御することが困難であり、固体高分子型燃料電池の性能を電極面積内で均一にすることができない。
【００１１】
本発明はこれら上記従来の技術の課題を解決するもので、多孔質炭素電極基材の燃料電池内部での水分管理機能の発現を容易にし、かつその水分管理機能の平面内での均一性を高くすることができる多孔質炭素電極基材およびそれを用いた燃料電池を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題は、本発明の主要な構成要素のひとつである少なくとも２枚のガス透過係数が異なる炭素材からなる導電性多孔質基材を積層した多孔質炭素電極基材によって解決される。好ましくは、前記少なくとも２枚のガス透過係数が異なる炭素材からなる導電性多孔質基材は、少なくとも２種の組成の異なる基材であり、前記少なくとも２枚の多孔質炭素基材のガス透過係数の差が３０ｍｌ・ｍｍ／ｃｍ2・ｈｒ・Ｐａ以上であり、さらに好ましくは、前記多孔質炭素電極基材は２枚の炭素材からなる導電性多孔質基材を積層したものであって、この２枚の導電性多孔質基材のガス透過係数がそれぞれ１０〜１００ｍｌ・ｍｍ／ｃｍ2・ｈｒ・Ｐａ、１３０〜４００ｍｌ・ｍｍ／ｃｍ2・ｈｒ・Ｐａである多孔質炭素電極基材によって解決される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ガス透過係数の異なる炭素材からなる導電性多孔質基材を少なくとも２枚積層することにより、多孔質炭素電極基材としてガス透過係数が段階的に変化しており、各積層する導電性多孔質基材のガス透過係数を容易に制御でき、又、任意の積層が可能であることから、これらを組み合わせることにより、水分管理機能の平面内での均一性を高くすることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら、さらに詳細に説明する。図１は本発明で提案する多孔質炭素電極基材を用いた燃料電池の概略的構成図である。
【００１５】
図１に示されるように、本実施形態にかかる固体高分子型燃料電池は、プロトン伝導性を有する高分子電解質膜１の片面に酸化ガス用触媒からなるカソード側触媒層２を、もう片面には燃料ガス用触媒からなるアノード側触媒層３を備えており、それぞれの触媒層の外側には炭素短繊維からなるカソード側多孔質炭素電極基材４，アノード側多孔質炭素電極基材５が備えられている。さらに、これらの高分子電解質膜１、触媒層２，３、多孔質炭素電極基材４，５からなる膜−電極接合体６を挟持するように、カソード側ガス流路１３が形成されたカソード側セパレーター７、アノード側ガス流路１４が形成されたアノード側セパレーター８を備えている。
【００１６】
また、それぞれのセパレーターには酸化ガス導入部９と排出部１０、燃料ガス導入部１１と排出部１２が備えられている。燃料ガスは導入部１１から導入され、アノード側セパレーター８に形成されたガス流路１４から多孔質炭素電極基材５を介して触媒層３に供給され、プロトンと電子に解離される。電子は触媒層３から多孔質炭素電極基材５を介してセパレーター８に伝導され、外部の負荷に供給される。またプロトンは高分子電解質膜１中を伝導し、カソード側へ移動する。一方、酸化ガスは導入部９から導入され、カソード側セパレーター７に形成されたガス流路１３から多孔質炭素電極基材４を介して触媒層２に供給され、高分子電解質膜１中を伝導してきたプロトンと結合して水を生成する。このようにして所望の起電力が取り出せる。
【００１７】
図２は本発明で提案する多孔質炭素電極基材の一例を示す略断面図である。本発明にかかる多孔質炭素電極基材は、ガス透過係数が異なる炭素材からなる導電性多孔質基材を少なくとも２種類重ねることにより、触媒層と接触する側とセパレーターと接触する側とでは異なる水分管理機能を示す。図２（ａ）に示すように、ガス透過係数の異なる２枚の導電性多孔質基材を積層したもの、図２（ｂ）に示すように、ガス透過係数の異なる３枚の導電性多孔質基材を積層したもの、図２（ｃ）に示すように、ガス透過係数の同じ２枚の導電性多孔質基材とこれらと異なるガス透過係数の導電性多孔質基材(図２（ｃ）ではガス透過係数の小さい導電性多孔質基材を１枚とガス透過係数の大きい導電性多孔質基材を２枚としているが、逆にしてもよい)とを積層したものなどが挙げられる。ガス透過係数の異なる導電性多孔質基材を３枚以上使用する場合、一方の面から他方の面に向けて順にガス透過係数が増加するか減少するように組み合わせる。
【００１８】
本発明にかかる炭素材からなる導電性多孔質基材としては、固体高分子型燃料電池では、内部が酸性雰囲気となっているため、耐酸性を有する炭素多孔質材料がより好ましい。炭素多孔質材料としては、炭素多孔質フィルムや、複数の炭素繊維が集合してなる織物や、複数本の炭素短繊維が集合してなる抄紙体が好ましく、表面平滑性が高く、電気的接触が良好で、かつ高分子電解質膜への突き刺さりによる短絡が低減される複数本の炭素短繊維が集合してなる抄紙体がより好ましい。
【００１９】
抄紙体を構成する炭素短繊維としては、どのようなものでも用いることができるが、ポリアクリロニトリル（以後ＰＡＮと略す。）系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維、フェノール系炭素繊維から選ばれる１つ以上の炭素繊維を含むことが好ましく、ＰＡＮ系炭素繊維を含むことがより好ましい。
【００２０】
炭素短繊維の平均径は、表面平滑性、導電性の付与のためには３〜３０μｍ程度が好ましく、４〜２０μｍがより好ましく、４〜８μｍがさらに好ましい。また、異なる平均径の炭素短繊維を２種類以上用いることも、表面平滑性、導電性の両立のために好ましい
【００２１】
炭素短繊維の長さは、抄紙時の分散性、および機械的強度を高めるために、３ｍｍ以上１２ｍｍ以下が好ましく、４ｍｍ以上９ｍｍ以下がさらに好ましい。炭素短繊維を互いに結着させるための炭素材としては、樹脂を加熱によって炭素化して得られる炭素材を用いることができる。このために用いる樹脂としては、炭素化した段階で炭素材からなる多孔質基材の炭素繊維を結着することのできる公知の樹脂から適宜選んで用いることができる。炭素化後に導電性物質として残存しやすいという観点から、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、フラン樹脂、ピッチ等が好ましく、加熱による炭素化の際の炭化率の高いフェノール樹脂が特に好ましい。
【００２２】
ガス透過係数の異なる炭素材からなる導電性多孔質基材を得るには、炭素材を形成する際の炭素短繊維の種類や平均径を変えたり、炭素短繊維の含有量を変えたり、結着樹脂の種類を変えるなどして、組成の異なる炭素材を形成するのが好ましい。
【００２３】
次に本発明で提案する膜−電極接合体について図１を参照しながら説明する。
高分子電解質膜１としては、プロトン解離性の基、例えば−ＯＨ基、−ＯＳＯ3Ｈ基、―ＣＯＯＨ基、−ＳＯ3Ｈ基等が導入された高分子を用いることが好ましく、パーフルオロスルホン酸系の膜を用いることが、化学的安定性、プロトン伝導性の点よりさらに好ましい。
【００２４】
触媒としては、白金、白金合金、パラジウム、マグネシウム、バナジウム等があるが、白金、白金合金を用いることが好ましい。
【００２５】
固体高分子型燃料電池はカソード側において電極反応生成物としての水や高分子電解質膜１を浸透した水が発生する。またアノード側では高分子電解質膜の乾燥を抑制するために加湿された燃料が供給される。このような点より本発明にかかる多孔質炭素電極基材は、ガス透過性を確保するために撥水性の高分子を含むことが好ましい。撥水性の高分子としては、化学的に安定でかつ高い撥水性を有するポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、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）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）などのフッ素樹脂を用いることが好ましい。
【００２６】
撥水性の高分子の多孔質炭素電極基材への導入法としては、撥水性の高分子の微粒子が分散した分散水溶液中に多孔質基材を浸漬させるディップ法、分散水溶液を噴霧するスプレー法などを用いることができるが、面内方向、厚み方向への導入量の均一性の高いディップ法が好ましい。
【００２７】
撥水性の高分子の導入量は以下のように定義される。
撥水性の高分子の導入量＝導入された撥水性の高分子の単位面積当たりの質量／多孔質基材の単位面積当たりの質量
【００２８】
上記撥水性高分子の導入量は多孔質基材の水分管理機能の発現のためには０〜５０wt％が好ましく、ガス透過性、電気抵抗の観点より０〜４０ｗｔ％がさらに好ましい。
【００２９】
また、重ね合わせた少なくとも２枚の導電性多孔質基材のガス透過係数の差は３０ｍｌ・ｍｍ／ｃｍ2・ｈｒ・Ｐａ以上であることが好ましい。さらに水分管理機能の差を明確にするという点で重ね合わせた少なくとも２枚の導電性多孔質基材のガス透過係数の差は１００ｍｌ・ｍｍ／ｃｍ2・ｈｒ・Ｐａ以上となることがより好ましい。３０ｍｌ・ｍｍ／ｃｍ2・ｈｒ・Ｐａ未満となると水分管理機能の差が明確にならず、実質的に厚み方向に均一な水分管理機能となってしまう場合がある。
【００３０】
本発明では、２種の異なるガス透過係数を有する導電性多孔質基材を重ね合わせた構成が好ましく、その場合のガス透過係数はそれぞれ、１０〜１００ｍｌ・ｍｍ／ｃｍ2・ｈｒ・Ｐａ、１３０〜４００ｍｌ・ｍｍ／ｃｍ2・ｈｒ・Ｐａであることが好ましい。
【００３１】
ガス透過係数の異なる導電性多孔質基材を積層して多孔質炭素電極基材を製造する際、各導電性多孔質基材の厚みは所望の水分管理機能が得られるのであればどのように組み合わせてもよいが、同じ厚みとするか、ガス透過係数の大きいものほど厚くするのが好ましい。
【００３２】
本発明の多孔質炭素電極基材は、高分子電解質膜の両面に形成された触媒を担持した炭素粉末からなる触媒層側へ向かって、ガス透過係数が減少するように、炭素材からなる導電性多孔質基材を２枚以上重ねて配置することが好ましい。また、触媒を担持した炭素粉末からなる触媒層側へ向かって、ガス透過係数が増加するように、炭素材からなる導電性多孔質基材を２枚以上重ねて配置することも好ましい。これにより、高分子電解質膜の保水性が向上するとともに生成水によるフラッディングが抑制される。
【実施例】
【００３３】
〔実施例１〕
長さ３ｍｍにカットした平均直径４μｍのＰＡＮ系炭素短繊維を３０質量％と、長さ３ｍｍにカットした平均直径７μｍのＰＡＮ系炭素短繊維を７０質量％とからなる炭素短繊維を水中で分散させ、連続的に金網上に抄造し、バインダーとしてポリビニルアルコール（ＰＶＡ）（商品名：ＶＢＰ１０５−１、クラレ株式会社製）を２８質量％付着させた後、乾燥させて炭素繊維紙を得た。
【００３４】
この炭素繊維紙に、フェノール樹脂（商品名：フェノライトＪ−３２５、大日本インキ化学株式会社製）のメタノール溶液を含浸させ、室温でメタノールを十分に乾燥させ、フェノール樹脂の不揮発分を、３０質量％付着させたフェノール樹脂含浸炭素繊維紙を得た。
【００３５】
このフェノール樹脂含浸炭素繊維紙を２枚重ねて２５０℃の温度で、１．０ＭＰａの圧力を加えてロールプレスを行い、フェノール樹脂を硬化させ、不活性ガス（窒素）雰囲気中で、１９００℃で連続的に炭素化して、炭素短繊維の抄紙体からなる導電性多孔質基材Ａを得た。
【００３６】
また、長さ３ｍｍにカットした平均直径７μｍのＰＡＮ系炭素短繊維を１００質量％とからなる炭素短繊維を水中で分散させ、連続的に金網上に抄造し、バインダーとしてポリビニルアルコール（ＰＶＡ）（商品名：ＶＢＰ１０５−１、クラレ株式会社製）を２８質量％付着させた後、乾燥させて炭素繊維紙を得た。
【００３７】
この炭素繊維紙に、フェノール樹脂（商品名：フェノライトＪ−３２５、大日本インキ化学株式会社製）のメタノール溶液を含浸させ、室温でメタノールを十分に乾燥させ、フェノール樹脂の不揮発分を、３０質量％付着させたフェノール樹脂含浸炭素繊維紙を得た。
【００３８】
このフェノール樹脂含浸炭素繊維紙を２枚重ねて２５０℃の温度で、１．０ＭＰａの圧力を加えてロールプレスを行い、フェノール樹脂を硬化させ、不活性ガス（窒素）雰囲気中で、１９００℃で連続的に炭素化して、炭素短繊維の抄紙体からなる導電性多孔質基材Ｂを得た。
【００３９】
それぞれの導電性多孔質基材を１８質量％のＰＴＦＥディスパージョン（商品名：ＰＴＦＥディスパージョン、三井−デュポンフロロケミカル株式会社製）に含浸し、２枚の濾紙で挟んで乾燥させた後、３６０℃で１時間熱処理した。これによって導電性多孔質基材に対し２０質量％の撥水性高分子化合物が含有された。この撥水性高分子化合物が導入された導電性多孔質基材ＡとＢを重ねることによって、厚み方向にガス透過係数が変化した燃料電池用多孔質炭素電極基材１を得た。
【００４０】
このそれぞれの多孔質基材について、厚み、ガス透過係数を測定した結果を表１に示す。
【００４１】
〔実施例２〕
長さ３ｍｍにカットした平均直径４μｍのＰＡＮ系炭素短繊維を１００質量％とからなる炭素短繊維を水中で分散させ、連続的に金網上に抄造し、バインダーとしてポリビニルアルコール（ＰＶＡ）（商品名：ＶＢＰ１０５−１、クラレ株式会社製）を２８重量％付着させた後、乾燥させて炭素繊維紙を得た。
【００４２】
この炭素繊維紙に、フェノール樹脂（商品名：フェノライトＪ−３２５、大日本インキ化学株式会社製）のメタノール溶液を含浸させ、室温でメタノールを十分に乾燥させ、フェノール樹脂の不揮発分を、３０質量％付着させたフェノール樹脂含浸炭素繊維紙を得た。
【００４３】
このフェノール樹脂含浸炭素繊維紙を２枚重ねて２５０℃の温度で、１．０ＭＰａの圧力を加えてロールプレスを行い、フェノール樹脂を硬化させ、不活性ガス（窒素）雰囲気中で、１９００℃で連続的に炭素化して、炭素短繊維の抄紙体からなる導電性多孔質基材Ａ’を得た。得られた導電性多孔質基材Ａ’の物性値を測定した。測定結果を表１に示す。このようにして得られた導電性多孔質基材Ａ’に実施例１と同様にして撥水性高分子化合物を導入し、実施例１で得られた撥水性高分子化合物が導入された導電性多孔質基材Ｂと重ねることで、厚み方向にガス透過係数が変化した燃料電池用多孔質炭素電極基材２を得た。
【００４４】
〔比較例１〕
実施例１の撥水性高分子化合物が導入された炭素短繊維の抄紙体からなる導電性多孔質基材Ａを１枚のみ使用して、厚み方向にガス透過係数が変化しない燃料電池用多孔質炭素電極基材３を得た。
【００４５】
〔比較例２〕
実施例１の撥水性高分子化合物が導入された炭素短繊維の抄紙体からなる導電性多孔質基材Ａを２枚重ねて、厚み方向にガス透過係数が変化しない燃料電池用多孔質炭素電極基材４を得た。
【００４６】
〔比較例３〕
実施例２の撥水性高分子化合物が導入された炭素短繊維の抄紙体からなる導電性多孔質基材Ａ’を１枚のみ使用して、厚み方向にガス透過係数が変化しない燃料電池用多孔質炭素電極基材５を得た。
【００４７】
【表１】
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【００４８】
上記導電性多孔質基材の特性評価は、次のようにして行った。
【００４９】
〔厚み〕
厚み測定装置ダイヤルシックネスゲージ７３２１（商品名。ミツトヨ社製）を使用し、測定した。なお、このときの測定子の大きさは、直径１０ｍｍで測定圧力は１．５ｋＰａで行った。
【００５０】
〔厚さ方向ガス透過係数〕
ＪＩＳ−Ｐ８１１７に準拠し、ガーレー式デンソメーターを使用し、２００ｍｍ3の気体が通過する時間を測定し、算出した。
【００５１】
〔実施例３〕
（１）ＭＥＡの作製
実施例１の多孔質炭素電極基材１をカソード用、アノード用に２組用意した。両面に触媒担持カーボン（触媒：Ｐｔ、触媒担持量５０質量％）からなる触媒層（触媒層面積２５ｃｍ2、Ｐｔ付量０．３ｍｇ／ｃｍ2）を形成したパーフルオロスルホン酸系の高分子電解質膜（膜厚３０μｍ）を、この２組の多孔質炭素電極基材が触媒層および高分子電解質膜側へ向かって、ガス透過係数が減少するように挟持し、これらを接合し、ＭＥＡを得た。
【００５２】
（２）ＭＥＡの燃料電池特性評価
前記（１）において作製したＭＥＡを、蛇腹状のガス流路を有する２枚のカーボンセパレーターによって挟み、固体高分子型燃料電池（単セル）を形成した。
【００５３】
この単セルについて、電流密度−電圧特性を測定することによって燃料電池特性評価を行った。燃料ガスとして水素ガスを用い、酸化ガスとしては空気を用いた。セル温度８０℃、燃料ガス利用率６０％、酸化ガス利用率４０％とした。また、ガス加湿は８０℃のバブラーにそれぞれ燃料ガスと酸化ガスを通すことによって行った。電流密度が０．６Ａ／ｃｍ2のときの燃料電池セルのセル電圧が０．６５７Ｖ、セルの内部抵抗が２．６ｍΩであり、良好な特性を示した。
【００５４】
〔実施例４〕
ＭＥＡを作製する際、触媒層および高分子電解質膜側へ向かって、ガス透過係数が増加するように挟持した以外は実施例３と同様にして単セルを組み立て、評価した。
【００５５】
電流密度が０．６Ａ／ｃｍ2のときの燃料電池セルのセル電圧が０．６６４Ｖ、セルの内部抵抗が２．５ｍΩであり、良好な特性を示した。
【００５６】
〔比較例４〕
実施例１の多孔質炭素電極基材１に替えて比較例１の多孔質炭素電極基材３を用いたこと以外は、実施例３と同様にして単セルを組み立て、評価した。
【００５７】
電流密度が０．６Ａ／ｃｍ2のときの燃料電池セルのセル電圧が０．６４９Ｖ、セルの内部抵抗が１．７ｍΩであり、実施例３、４より低い特性を示した。
【００５８】
〔比較例５〕
実施例１の多孔質炭素電極基材１に替えて比較例２の多孔質炭素電極基材４を用いたこと以外は、実施例３と同様にして単セルを組み立て、評価した。
【００５９】
電流密度が０．６Ａ／ｃｍ2のときの燃料電池セルのセル電圧が０．４９０Ｖ、セルの内部抵抗が２．０ｍΩであり、実施例３、４より低い特性を示した。
【００６０】
〔実施例５〕
実施例１の多孔質炭素電極基材１に替えて実施例２の多孔質炭素電極基材２を用いたこと以外は、実施例３と同様にして単セルを組み立て、評価した。
【００６１】
電流密度が０．５Ａ／ｃｍ2のときの燃料電池セルのセル電圧が０．５３４Ｖ、セルの内部抵抗が２．２ｍΩであり、良好な特性を示した。
【００６２】
〔実施例６〕
実施例１の多孔質炭素電極基材１に替えて実施例２の多孔質炭素電極基材２を用いたこと以外は、実施例４と同様にして単セルを組み立て、評価した。
【００６３】
電流密度が０．５Ａ／ｃｍ2のときの燃料電池セルのセル電圧が０．５５９Ｖ、セルの内部抵抗が２．２ｍΩであり、良好な特性を示した。
【００６４】
〔比較例６〕
実施例１の多孔質炭素電極基材１に替えて比較例３の多孔質炭素電極基材５を用いたこと以外は、実施例３と同様にして単セルを組み立て、評価した。
【００６５】
電流密度が０．５Ａ／ｃｍ2ではフラッディングが起こり、発電ができなかった。
【００６６】
【表２】
2007227008.tif 000004
【００６７】
【表３】
2007227008.tif 000005
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の固体高分子型燃料電池の一形態を示す模式的断面図である。
【図２】本発明の多孔質炭素電極基材の一形態を示す略断面図である。
【符号の説明】
【００６９】
１：高分子電解質膜
２：カソード側触媒層
３：アノード側触媒層
４：カソード側多孔質炭素電極基材
５：アノード側多孔質炭素電極基材
６：膜−電極接合体（ＭＥＡ）
７：カソード側セパレーター
８：アノード側セパレーター
９：酸化ガス導入部
１０：酸化ガス排出部
１１：燃料ガス導入部
１２：燃料ガス排出部
１３：カソード側ガス流路
１４：アノード側ガス流路
【図１】
2007227008.tif 000006
【図２】
2007227008.tif 000007