(57)【要約】【課題】高湿度であっても低湿度であっても優れた発電性能が得られる固体高分子型燃料電池用膜電極構造体を提供する。【解決手段】プロトン伝導性の固体高分子電解質膜２と、カソード電極触媒層３、アノード電極触媒層４と、ガス拡散層５，６とを備える。ガス拡散層５，６は、１５〜４５μｍの範囲の平均径と０．２５〜０．５ｍ２／ｇの範囲の比表面積とを有する貫通孔を備えると共に、０．３５〜０．５５ｇ／ｃｍ３の範囲の嵩密度を備える。カソード電極触媒層３とガス拡散層５との間に中間層７を備え、中間層７は０．０１〜１０μｍの径を有する貫通孔を備えると共に、該貫通孔の容積が４．０〜７．０μｌ／ｃｍ２の範囲にある。中間層７は、導電性粒子を含む撥水性樹脂からなる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロトン伝導性を備える固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜の一方の面上に設けられたカソード電極触媒層と、該固体高分子電解質膜の他方の面上に設けられたアノード電極触媒層と、各電極触媒層の該固体高分子電解質膜と反対側の面上に設けられたガス拡散層とを備える固体高分子型燃料電池用膜電極構造体において、
該ガス拡散層は、１５〜４５μｍの範囲の平均径と０．２５〜０．５ｍ２／ｇの範囲の比表面積とを有し厚さ方向に貫通する細孔を備えると共に、０．３５〜０．５５ｇ／ｃｍ３の範囲の嵩密度を備えることを特徴とする固体高分子型燃料電池用膜電極構造体。
【請求項２】
前記カソード電極触媒層と該カソード電極触媒層上に設けられたガス拡散層との間に、少なくとも一部が該ガス拡散層に侵入した中間層を備え、該中間層は０．０１〜１０μｍの範囲の径を有し厚さ方向に貫通する細孔を備えると共に、該細孔の容積が４．０〜７．０μｌ／ｃｍ２の範囲にあることを特徴とする請求項１記載の固体高分子型燃料電池用膜電極構造体。
【請求項３】
前記中間層は、導電性粒子を含む撥水性樹脂からなることを特徴とする請求項２記載の固体高分子型燃料電池用膜電極構造体。
【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用膜電極構造体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
石油資源が枯渇化する一方、化石燃料の消費による地球温暖化等の環境問題が深刻化しており、二酸化炭素の発生を伴わないクリーンな電動機用電力源として燃料電池が注目されて広範に開発されると共に、一部では実用化され始めている。前記燃料電池を自動車等に搭載する場合には、高電圧と大電流とが得やすいことから、固体高分子電解質膜を用いる固体高分子型燃料電池が好適に用いられる。
【０００３】
前記固体高分子型燃料電池に用いる膜電極構造体として、プロトン伝導性を備える固体高分子電解質膜の両面に、１対の電極触媒層を備え、各電極触媒層の上に、ガス拡散層を積層したものが知られている。前記１対の電極触媒層は、白金等の触媒がカーボンブラック等の触媒担体に担持されイオン伝導性高分子バインダーにより一体化されることにより形成され、一方がカソード電極触媒層として作用し、他方がアノード電極触媒層として作用する。また、前記ガス拡散層は、例えばカーボンペーパーにより形成されている。前記膜電極構造体は、さらに各ガス拡散層の上に、ガス通路を兼ねたセパレータを積層することにより、固体高分子型燃料電池を構成する。
【０００４】
前記固体高分子型燃料電池では、前記アノード電極触媒層を燃料極として前記ガス拡散層を介して水素、メタノール等の還元性ガスを導入すると共に、前記カソード電極触媒層を酸素極として前記ガス拡散層を介して空気、酸素等の酸化性ガスを導入する。このようにすると、前記アノード電極触媒層では、該電極触媒層に含まれる触媒の作用により、前記還元性ガスからプロトン及び電子が生成し、前記プロトンは前記固体高分子電解質膜を介して、前記酸素極側の電極触媒層に移動する。そして、前記プロトンは、前記カソード電極触媒層で、該電極触媒層に含まれる触媒の作用により、該酸素極に導入される前記酸化性ガス及び電子と反応して水を生成する。従って、前記アノード電極触媒層とカソード電極触媒層とを導線により接続することにより、該アノード電極触媒層で生成した電子を該カソード電極触媒層に送る回路が形成され、電流を取り出すことができる。
【０００５】
前記膜電極構造体では、前記プロトンは前記固体高分子電解質膜内を移動する際に水を伴う。従って、前記固体高分子電解質膜は適度の水分を含んでいる必要があり、該水分は例えば前記還元性ガスまたは酸化性ガスにより供給されるが、前記還元性ガスまたは酸化性ガスの湿度が低いと十分な発電性能が得られないとの問題がある。
【０００６】
一方、前記膜電極構造体では、前述のように、発電に伴ってカソード電極触媒層で水が生成する。このため、長時間運転を続けると、前記膜電極構造体中の水分が過剰になって、前記還元性ガスまたは酸化性ガスの拡散が妨げられることとなり、この場合にも十分な発電性能が得られないとの問題がある。
【０００７】
前記問題を解決するために種々の提案がなされており、例えば、カソード電極触媒層側のガス拡散層を、固体高分子電解質膜側から厚さ方向に沿って第一層と、該第一層よりも厚い第二層とに分け、第二層の気孔の平均孔径を第一層の気孔の平均孔径よりも大きくした膜電極構造体が知られている。この膜電極構造体では、前記第一層中に含まれるカーボン粒子の平均比表面積を１００〜１０００ｍ２／ｇとし、前記第二層中に含まれるカーボン粒子の平均比表面積を１００ｍ２／ｇ未満としている（特許文献１参照）。
【０００８】
また、カソード電極触媒層側のガス拡散層の細孔分布における細孔容積の高頻度ピークを細孔径１０〜３０μｍの範囲に設定すると共に、細孔径が３０μｍを超える細孔の細孔容積の合計を細孔容積全体の２０容積％以下に設定した膜電極構造体が知られている（特許文献２参照）。
【０００９】
しかしながら、前記従来技術では、高湿度と低湿度との両方の状態で十分な発電性能を得ることは難しいという不都合がある。
【特許文献１】特開２００１−３３８６５５号公報（段落番号０００９、００１４、００２４）
【特許文献２】特開２００５−２６７９０２号公報（段落番号００１１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、かかる不都合を解消して、高湿度と低湿度とのいずれの状態であっても優れた発電性能を得ることができる固体高分子型燃料電池用膜電極構造体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】
【００１１】
かかる目的を達成するために、本発明は、プロトン伝導性を備える固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜の一方の面上に設けられたカソード電極触媒層と、該固体高分子電解質膜の他方の面上に設けられたアノード電極触媒層と、各電極触媒層の該固体高分子電解質膜と反対側の面上に設けられたガス拡散層とを備える固体高分子型燃料電池用膜電極構造体において、該ガス拡散層は、１５〜４５μｍの範囲の平均径と０．２５〜０．５ｍ２／ｇの範囲の比表面積とを有し厚さ方向に貫通する細孔を備えると共に、０．３５〜０．５５ｇ／ｃｍ３の範囲の嵩密度を備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明の固体高分子型燃料電池用膜電極構造体は、前記ガス拡散層が厚さ方向に貫通する細孔を備え、該細孔の平均径、比表面積が前記範囲にあると共に、該ガス拡散層全体の嵩密度が前記範囲となっているので、前記還元性ガスまたは酸化性ガスの湿度が低い場合には、前記ガス拡散層中において該還元性ガスまたは酸化性ガスを面方向へ拡散させることにより、前記固体高分子電解質膜に十分な水分が供給される。一方、長時間運転を続けた場合には、前記固体高分子電解質膜周辺から排水することにより、前記膜電極構造体中の水分が過剰になることを抑制し、前記還元性ガスまたは酸化性ガスが十分に拡散される。
【００１３】
従って、本発明の固体高分子型燃料電池用膜電極構造体によれば、高湿度と低湿度とのいずれの状態であっても優れた発電性能を得ることができる。
【００１４】
前記細孔の平均径が１５μｍ未満か、比表面積が０．２５ｍ２／ｇ未満か、前記ガス拡散層全体の嵩密度が０．３５ｇ／ｃｍ３未満かのいずれかの場合には、前記ガス拡散層中において前記還元性ガスまたは酸化性ガスを面方向へ拡散させることができず、前記固体高分子電解質膜周辺から排水することができない。一方、前記細孔の平均径が４５μｍを超えるか、比表面積が０．５ｍ２／ｇを超えるか、前記ガス拡散層全体の嵩密度が０．５５ｇ／ｃｍ３を超えるかのいずれかの場合には、前記固体高分子電解質膜周辺からの排水が過剰となり、前記膜電極構造体中に十分な水分を確保することができない。
【００１５】
また、本発明の固体高分子型燃料電池用膜電極構造体は、前記カソード電極触媒層と該カソード電極触媒層上に設けられたガス拡散層との間に、少なくとも一部が該ガス拡散層に侵入した中間層を備え、該中間層は０．０１〜１０μｍの範囲の径を有し厚さ方向に貫通する細孔を備えると共に、該細孔の容積が４．０〜７．０μｌ／ｃｍ２の範囲にあることが好ましい。
【００１６】
前記中間層を厚さ方向に貫通する細孔は、径が０．０１〜１０μｍの範囲にあることにより、水や前記酸化性ガスが透過しやすい。従って、前記中間層は、前記細孔の容積が４．０〜７．０μｌ／ｃｍ２の範囲にあることにより、前記ガス拡散層の前記酸化性ガスを前記カソード電極触媒層に供給し、該カソード電極触媒層中の水分を該ガス拡散層に排出する媒体となることができる。
【００１７】
この結果、前記中間層を備える本発明の固体高分子型燃料電池用膜電極構造体によれば、高湿度と低湿度とのいずれの状態であっても、さらに優れた発電性能を得ることができる。
【００１８】
前記中間層において、前記細孔の容積が４．０μｌ／ｃｍ２未満の場合には、水や前記酸化性ガスが透過しにくくなり、前記媒体としての作用効果が十分に得られないことがある。一方、前記細孔の容積が７．０μｌ／ｃｍ２を超える場合には前記カソード電極触媒層中の水分を前記ガス拡散層に排出する作用が過剰となり、前記膜電極構造体中に十分な水分を確保することができなくなることがある。
【００１９】
前記中間層は、例えば、導電性粒子を含む撥水性樹脂からなるものを用いることができる。
【００２０】
尚、前記中間層は、前記カソード電極触媒層と該カソード電極触媒層上に設けられたガス拡散層との間に設けられていればよいが、前記アノード電極触媒層と該アノード電極触媒層上に設けられたガス拡散層との間に設けられていてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。図１は本実施形態の膜電極構造体の構成を示す説明的断面図であり、図２は図１に示す膜電極構造体を用いた燃料電池の構成を示す説明的断面図であり、図３は本実施形態の膜電極構造体のカソード側中間層における細孔の容積と端子電圧との関係を示すグラフである。
【００２２】
図１に示すように、本実施形態の膜電極構造体１は、プロトン伝導性を備える固体高分子電解質膜２の一方の面上にカソード電極触媒層３、他方の面上にアノード電極触媒層４を備え、電極触媒層３，４の固体高分子電解質膜２と反対側の面にはガス拡散層５，６が設けられている。また、電極触媒層３，４と、ガス拡散層５，６との間には、それぞれ中間層７，８が設けられている。
【００２３】
固体高分子電解質膜２は、陽イオン交換樹脂に属しプロトン伝導性を備えるポリマーをフィルム状に形成したものを用いることができる。前記陽イオン交換樹脂として、例えばポリスチレンスルホン酸等のビニル系ポリマーのスルホン化物；パーフルオロアルキルスルホン酸ポリマー、パーフルオロアルキルカルボン酸ポリマー、ポリベンズイミダゾール、ポリエーテルエーテルケトン等の耐熱性高分子にスルホン酸基またはリン酸基を導入したポリマー；フェニレン連鎖からなる芳香族化合物を重合して得られる剛直ポリフェニレンを主成分とし、これにスルホン酸基を導入したポリマー等を挙げることができる。
【００２４】
電極触媒層３，４は、カーボンブラック等の触媒担体に担持された白金等の触媒がイオン伝導性高分子バインダーにより一体化されることにより形成されている。このような電極触媒層３，４は、例えば、カーボンブラック等の触媒担体に担持された白金等の触媒を、固体高分子電解質膜２と同種の樹脂の溶液と混合して得られたペーストをポリテトラフルオロエチレン等のフィルムに、所定の触媒量となるように塗布したのち、これを固体高分子電解質膜２の両面に転写することにより形成することができる。
【００２５】
ガス拡散層５，６は、厚さ方向に貫通する細孔（図示せず）を備えると共に、ガス拡散層５，６全体で０．３５〜０．５５ｇ／ｃｍ３の範囲の嵩密度を備えている。また、前記厚さ方向に貫通する細孔は、１５〜４５μｍの範囲の平均径と０．２５〜０．５ｍ２／ｇの範囲の比表面積とを有している。
【００２６】
このようなガス拡散層５，６は、例えば、前記範囲の平均径と比表面積とを有し厚さ方向に貫通する細孔と、前記範囲の嵩密度とを備えるカーボン・ペーパーを撥水処理したものを用いることができる。前記撥水処理は、例えば、前記カーボン・ペーパーにテトラフルオロエチレン−テトラフルオロプロピレン共重合体の溶液を含浸させた後、熱処理することにより行うことができる。
【００２７】
中間層７，８は、その一部がガス拡散層５，６に侵入しており、さらに０．０１〜１０μｍの範囲の径を有し厚さ方向に貫通する細孔を備えると共に、該細孔の容積が４．０〜７．０μｌ／ｃｍ２の範囲にある。このような中間層７，８は、電子伝導性と造孔性とを兼ね備える炭素粉末を、テトラフルオロエチレン等の撥水性樹脂、エチレングリコール等の有機溶媒と混合して得られたペーストを、ガス拡散層５，６上に塗布したのち、熱処理することにより形成することができる。
【００２８】
膜電極構造体１は、前述のようにして固体高分子電解質膜２の両面に電極触媒層３，４を転写した後、電極触媒層３，４に、中間層７，８が形成されたガス拡散層５，６を、中間層７，８の側で積層し、熱圧着して一体的に接合することにより形成することができる。
【００２９】
膜電極構造体１は、図２に示すように、ガス拡散層５，６上にさらにセパレータ９，１０を積層することにより、燃料電池１１を構成することができる。セパレータ９，１０としては、例えば、直線溝９ａ，１０ａを有するカーボンペーパーを用いることができ、直線溝９ａ，１０ａの側でガス拡散層５，６上に積層される。
【００３０】
図２に示す燃料電池１１では、アノード側のセパレータ１０の直線溝１０ａを流路として水素、メタノール等の還元性ガスを導入すると共に、カソード側のセパレータ９の直線溝９ａを流路として空気、酸素等の酸化性ガスを導入する。このようにすると、まず、アノード側では、流路１０ａから導入された前記還元性ガスが、ガス拡散層６、中間層８を介してアノード電極触媒層４に供給される。アノード電極触媒層４では、前記触媒の作用により、前記還元性ガスからプロトン及び電子が生成し、プロトンは固体高分子電解質膜２を介して、カソード電極触媒層３に移動する。
【００３１】
次に、カソード側では、流路９ａから導入された前記酸化性ガスが、ガス拡散層５、中間層７を介してカソード電極触媒層３に供給されており、前記プロトンは、カソード電極触媒層３中で前記触媒の作用により、酸化性ガス及び電子と反応して水を生成する。従って、セパレータ９，１０を導線により接続することにより、アノード側で生成した電子をカソード側に送る回路１２が形成され、電流を取り出すことができる。
【００３２】
前記プロトンは、固体高分子電解質膜２を介して移動する際に水を伴うので、膜電極構造体１は適度の水分を保持している必要がある。前記水分は、例えば、前記還元性ガス及び酸化性ガスを加湿することにより、膜電極構造体１に供給することができる。
【００３３】
このとき、燃料電池１１では、運転開始直後等には前記還元性ガス及び酸化性ガスにより膜電極構造体１に供給される水分が不足して低湿度状態となり、また燃料電池１１を長時間運転しているとカソード電極触媒層３で生成する水のために水分が過剰となって高湿度状態となり、いずれの場合にも十分な発電性能が得られなくなることが懸念される。
【００３４】
しかし、膜電極構造体１では、ガス拡散層５，６が厚さ方向に貫通する細孔を備えると共に、ガス拡散層５，６全体で０．３５〜０．５５ｇ／ｃｍ３の範囲の嵩密度を備えている。そして、前記細孔は、１５〜４５μｍの範囲の平均径と０．２５〜０．５ｍ２／ｇの範囲の比表面積とを有している。
【００３５】
また、膜電極構造体１では、電極触媒層３，４とガス拡散層５，６との間に配設された中間層７，８が厚さ方向に貫通する細孔を備えており、該細孔は０．０１〜１０μｍの範囲の径を備えると共に、容積が４．０〜７．０μｌ／ｃｍ２の範囲にある。
【００３６】
この結果、運転開始直後等の低湿度状態では、ガス拡散層５，６中において前記還元性ガスまたは酸化性ガスが面方向へ拡散されると共に、中間層７，８を介して固体高分子電解質膜２に案内され、固体高分子電解質膜２に十分な水分が供給される。一方、長時間運転を続けた場合等の高湿度状態では、固体高分子電解質膜２周辺の水分が、中間層７，８を介してガス拡散層５，６に案内され、ガス拡散層５，６から排水される。そこで、膜電極構造体１中の水分が過剰になることが抑制され、ガス拡散層５，６では前記還元性ガスまたは酸化性ガスが十分に拡散されるようになる。
【００３７】
従って、膜電極構造体１によれば、高湿度と低湿度とのいずれの状態であっても優れた発電性能を得ることができる。
【００３８】
次に、本発明の実施例及び比較例を示す。
【実施例１】
【００３９】
本実施例では、まず、カーボン・ペーパーに、テトラフルオロエチレン−テトラフルオロプロピレン共重合体の１０重量％溶液を含浸させた後、３８０℃で３０分間加熱する熱処理を行うことによりガス拡散層５，６を形成した。前記カーボン・ペーパーは、目付け（単位面積当たりの重量）８０ｇ／ｍ２、厚さ１９０μｍ、嵩密度０．４２ｇ／ｃｍ３であり、厚さ方向に貫通する細孔（以下、貫通孔と略記する）を備えている。水銀ポロシメーター（ＰＭＩ社製、商品名パームポロメーター）を用い、ＪＩＳ  Ｋ  ３８３２に規定されたバブルポイント法により求めた前記貫通孔の平均径、比表面積を測定したところ、平均径は２１μｍ、比表面積は０．４１ｍ２／ｇであった。
【００４０】
次に、電子伝導性と造孔性とを兼ね備える炭素粉末として気相成長カーボン（昭和電工株式会社製、ＶＧＣＦ（登録商標））１０ｇと、テトラフルオロエチレン粉末（旭硝子株式会社製、商品名：フルオンＬ１７０Ｊ）１０ｇと、エチレングリコール１８０ｇとをボールミルにより撹拌、混合し、混合ペーストを作製した。次に、前記混合ペーストを、カソード側のガス拡散層５上に、乾燥重量で１．８ｍｇ／ｃｍ２となるようにスクリーン印刷により塗布したのち、３８０℃で３０分間加熱する熱処理を行うことによりカソード側の中間層７を形成した。中間層７は、その一部がガス拡散層５に侵入して形成されており、さらに０．０１〜１０μｍの範囲の径を有し厚さ方向に貫通する細孔（以下、貫通孔と略記する）を備えている。前記水銀ポロシメーターを用い、ＪＩＳ  Ｋ  ３８３２に規定されたバブルポイント法により求めた前記貫通孔の容積は４．９μｌ／ｃｍ２であった。
【００４１】
次に、前記気相成長カーボンに代えて、造孔性を兼ね備える導電材としての炭素粉末（キャボット社製、商品名：ＶｕｌｃａｎＸＣ７２）を用いた以外は、中間層７の場合と全く同一にして混合ペーストを作製した。次に、前記混合ペーストを、乾燥重量で２．０ｍｇ／ｃｍ２となるようにスクリーン印刷により塗布した以外は、中間層７の場合と全く同一にして、アノード側のガス拡散層６上に中間層８を形成した。アノード側の中間層８は、その一部がガス拡散層６に侵入して形成されており、さらに０．０１〜１０μｍの範囲の径を有する貫通孔を備えている。前記水銀ポロシメーターを用い、ＪＩＳ  Ｋ  ３８３２に規定されたバブルポイント法により求めた前記貫通孔の容積は２．４μｌ／ｃｍ２であった。
【００４２】
次に、白金担持カーボン粒子（田中貴金属工業株式会社製）１２０ｇと、イオン伝導性ポリマー（デュポン社製、商品名：Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）ＤＥ２０２１）の２０％溶液４２０ｇとをボールミルにより撹拌、混合し、触媒混合ペーストを作製した。次に、前記触媒混合ペーストを、ポリテトラフルオロエチレン製シート上に、白金含有量が０．５ｍｇ／ｃｍ２となるようにスクリーン印刷により塗布したのち、１２０℃で６０分間加熱する熱処理を行うことにより電極触媒層を備えるシート（以下、電極触媒シートと略記する）を２枚形成した。
【００４３】
次に、前記電極触媒シートを電極触媒層側で固体高分子電解質膜（デュポン社製、商品名：Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）１１２）２の両面に各１枚ずつ、１２０℃、面圧４．０ＭＰａで１０分間の条件で熱圧着した後、前記ポリテトラフルオロエチレン製シートを剥離して、該電極触媒層を固体高分子電解質膜２に転写するデカール法により、固体高分子電解質膜２の一方の面にカソード電極触媒層３、他方の面にアノード電極触媒層４を形成した。
【００４４】
次に、電極触媒層３，４が形成された固体高分子電解質膜２に対し、中間層７，８が形成されたガス拡散層５，６を、中間層７が電極触媒層３に接合され、中間層８が電極触媒層４に接合されるようにして積層し、１４０℃、面圧３．０ＭＰａで５分間の熱圧着を行って、図１に示す膜電極構造体１を作製した。
【００４５】
次に、膜電極構造体１のガス拡散層５，６上にセパレータ９，１０を積層して、図２に示す燃料電池１１を形成し、アノード側の流路１０ａに水素、カソード側の流路９ａに空気を流通した。このとき、膜電極構造体１の電極部の面積を３６ｃｍ２、ガス導入部におけるセル温度を７２℃、ガス導入部における相対湿度をアノード側１００％ＲＨ、カソード側１００％ＲＨとし、１Ａ／ｃｍ２の条件で端子電圧を測定して、高湿時の発電性能を評価した。また、膜電極構造体１の電極部の面積を３６ｃｍ２、ガス導入部におけるセル温度を７２℃、ガス導入部における相対湿度をアノード側２９％ＲＨ、カソード側２９％ＲＨとし、１Ａ／ｃｍ２の条件で端子電圧を測定して、低湿時の発電性能を評価した。結果を表１に示す。
【実施例２】
【００４６】
本実施例では、実施例１で用いたカーボンペーパーに代えて、目付け８５ｇ／ｍ２、厚さ１８５μｍ、嵩密度０．４６ｇ／ｃｍ３のカーボンペーパーを用いた以外は、実施例１と全く同一にして、図１に示す膜電極構造体１を作製した。
【００４７】
前記カーボンペーパーの貫通孔の平均径及び比表面積、中間層７，８の貫通孔の容積を実施例１と全く同一にして測定すると共に、膜電極構造体１の高湿時及び低湿時の発電性能を実施例１と全く同一にして評価した。結果を表１に示す。
【実施例３】
【００４８】
本実施例では、実施例１で用いたカーボンペーパーに代えて、目付け８５ｇ／ｍ２、厚さ１８５μｍ、嵩密度０．４１ｇ／ｃｍ３のカーボンペーパーを用い、中間層７を形成する際に前記混合ペーストの塗布量乾燥重量で２．５ｍｇ／ｃｍ２とした以外は、実施例１と全く同一にして、図１に示す膜電極構造体１を作製した。
【００４９】
前記カーボンペーパーの貫通孔の平均径及び比表面積、中間層７，８の貫通孔の容積を実施例１と全く同一にして測定すると共に、膜電極構造体１の高湿時及び低湿時の発電性能を実施例１と全く同一にして評価した。結果を表１に示す。
【実施例４】
【００５０】
本実施例では、実施例１で用いたカーボンペーパーに代えて、目付け７１ｇ／ｍ２、厚さ１９０μｍ、嵩密度０．４６ｇ／ｃｍ３のカーボンペーパーを用いた以外は、実施例１と全く同一にして、図１に示す膜電極構造体１を作製した。
【００５１】
前記カーボンペーパーの貫通孔の平均径及び比表面積、中間層７，８の貫通孔の容積を実施例１と全く同一にして測定すると共に、膜電極構造体１の高湿時及び低湿時の発電性能を実施例１と全く同一にして評価した。結果を表１及び図３に示す。
【実施例５】
【００５２】
本実施例では、実施例１で用いたカーボンペーパーに代えて、目付け７１ｇ／ｍ２、厚さ１９０μｍ、嵩密度０．４６ｇ／ｃｍ３のカーボンペーパーを用い、中間層７を形成する際に前記混合ペーストの塗布量乾燥重量で２．５ｍｇ／ｃｍ２とした以外は、実施例１と全く同一にして、図１に示す膜電極構造体１を作製した。
【００５３】
前記カーボンペーパーの貫通孔の平均径及び比表面積、中間層７，８の貫通孔の容積を実施例１と全く同一にして測定すると共に、膜電極構造体１の高湿時及び低湿時の発電性能を実施例１と全く同一にして評価した。結果を表１及び図３に示す。
【実施例６】
【００５４】
実施例１で用いたカーボンペーパーに代えて、目付け７１ｇ／ｍ２、厚さ１９０μｍ、嵩密度０．４６ｇ／ｃｍ３のカーボンペーパーを用い、中間層７を形成する際に、実施例１で用いた気相成長カーボン１０ｇに代えて、該気相成長カーボン５ｇと、繊維径７μｍのミルドファイバー５ｇとの混合物を用いた以外は、実施例１と全く同一にして、図１に示す膜電極構造体１を作製した。
【００５５】
前記カーボンペーパーの貫通孔の平均径及び比表面積、中間層７，８の貫通孔の容積を実施例１と全く同一にして測定すると共に、膜電極構造体１の高湿時及び低湿時の発電性能を実施例１と全く同一にして評価した。結果を表１及び図３に示す。
〔比較例１〕
本比較例では、実施例１で用いたカーボンペーパーに代えて、目付け５８ｇ／ｍ２、厚さ１９０μｍ、嵩密度０．３１ｇ／ｃｍ３のカーボンペーパーを用いた以外は、実施例１と全く同一にして、図１に示す膜電極構造体１を作製した。
【００５６】
前記カーボンペーパーの貫通孔の平均径及び比表面積、中間層７，８の貫通孔の容積を実施例１と全く同一にして測定すると共に、膜電極構造体１の高湿時及び低湿時の発電性能を実施例１と全く同一にして評価した。結果を表１に示す。
〔比較例２〕
本比較例では、実施例１で用いたカーボンペーパーに代えて、目付け６２ｇ／ｍ２、厚さ１９０μｍ、嵩密度０．３１ｇ／ｃｍ３のカーボンペーパーを用いた以外は、実施例１と全く同一にして、図１に示す膜電極構造体１を作製した。
【００５７】
前記カーボンペーパーの貫通孔の平均径及び比表面積、中間層７，８の貫通孔の容積を実施例１と全く同一にして測定すると共に、膜電極構造体１の高湿時及び低湿時の発電性能を実施例１と全く同一にして評価した。結果を表１に示す。
〔比較例３〕
本比較例では、実施例１で用いたカーボンペーパーに代えて、目付け７５ｇ／ｍ２、厚さ１９０μｍ、嵩密度０．４２ｇ／ｃｍ３のカーボンペーパーを用いた以外は、実施例１と全く同一にして、図１に示す膜電極構造体１を作製した。
【００５８】
前記カーボンペーパーの貫通孔の平均径及び比表面積、中間層７，８の貫通孔の容積を実施例１と全く同一にして測定すると共に、膜電極構造体１の高湿時及び低湿時の発電性能を実施例１と全く同一にして評価した。結果を表１に示す。
〔比較例４〕
本比較例では、実施例１で用いたカーボンペーパーに代えて、目付け７８ｇ／ｍ２、厚さ１９０μｍ、嵩密度０．４１ｇ／ｃｍ３のカーボンペーパーを用いた以外は、実施例１と全く同一にして、図１に示す膜電極構造体１を作製した。
【００５９】
前記カーボンペーパーの貫通孔の平均径及び比表面積、中間層７，８の貫通孔の容積を実施例１と全く同一にして測定すると共に、膜電極構造体１の高湿時及び低湿時の発電性能を実施例１と全く同一にして評価した。結果を表１に示す。
【００６０】
【表１】
2007234359.tif 000003
【００６１】
表１から、ガス拡散層５，６の貫通孔の平均径が１５．８〜２１μｍの範囲にあり、該貫通孔の比表面積が０．３３〜０．４６ｍ２／ｇの範囲にあり、ガス拡散層５，６の嵩密度が０．３７〜０．４６ｇ／ｃｍ３の範囲にある実施例１〜６の膜電極構造体１によれば、高湿時と低湿時とのいずれにおいても、比較例１〜４の膜電極構造体１よりも優れた発電性能を得ることができることが明らかである。
【００６２】
次に、ガス拡散層５，６の貫通孔の平均径、比表面積、ガス拡散層５，６の嵩密度がいずれも同一である実施例４〜６について見ると、表１及び図３から、カソード側中間層７の貫通孔の容積が４．０μｌ／ｃｍ２より大である実施例４，５の膜電極構造体１によれば、該貫通孔の容積が４．０μｌ／ｃｍ２より小である実施例６の膜電極構造体１よりも優れた発電性能を得ることができることが明らかである。従って、カソード側中間層７の貫通孔の容積は、４．０μｌ／ｃｍ２より大とすることが好ましいことが明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の膜電極構造体の構成を示す説明的断面図。
【図２】図１に示す膜電極構造体を用いた燃料電池の構成を示す説明的断面図。
【図３】本発明の膜電極構造体のカソード側中間層における細孔の容積と端子電圧との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
【００６４】
１…膜電極構造体、  ２…固体高分子電解質膜、  ３…カソード電極触媒層、  ４…アノード電極触媒層、  ５，６…ガス拡散層、  ７…中間層。
【図１】
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【図２】
2007234359.tif 000005
【図３】
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