(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素繊維から成る層と撥水層とが積層してなるガス拡散層に対しガス拡散層の厚み方向に、燃料電池の複数のセルをスタック状に積層した際に加わる面圧相当の圧力を加える工程と、
前記圧力で押圧された際に撥水層から突出した炭素繊維を除去する工程と、
を有し、
突出した炭素繊維を除去する工程は、突出した炭素繊維に通電することにより燃焼させて除去する工程であることを特徴とする燃料電池のガス拡散層の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池のガス拡散層の製造方法において、
突出した炭素繊維を除去する工程は、炭素繊維からなる層と接する面に対して反対側の撥水層の面に絶縁部材を配置し、さらにガス拡散層と絶縁部材とを挟むように一対の電極を配置して、前記撥水層から突出しさらに絶縁部材を貫通して一方の電極に接触した炭素繊維に通電することにより突出した炭素繊維を燃焼させて除去する工程であることを特徴とする燃料電池のガス拡散層の製造方法。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池のガス拡散層の製造方法において、
さらに、突出した炭素繊維に通電する前に、押圧下で、前記絶縁部材に対して相対的にガス拡散層の平面方向にガス拡散層をスライドさせるスライド工程を有することを特徴とする燃料電池のガス拡散層の製造方法。
【請求項４】
請求項１に記載の燃料電池のガス拡散層の製造方法において、
前記圧力を加える工程は、ガス拡散層の炭素繊維からなる層側からのみ、瞬間的にガス拡散層に前記圧力以上を加える工程であり、
突出した炭素繊維を除去する工程は、炭素繊維からなる層と接する面に対して反対側の撥水層の面に絶縁部材を配置し、さらにガス拡散層と絶縁部材とを挟むように一対の電極を配置して、前記撥水層から突出しさらに絶縁部材を貫通して一方の電極に接触した炭素繊維に通電することにより突出した炭素繊維を燃焼させて除去する工程であることを特徴とする燃料電池のガス拡散層の製造方法。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池のガス拡散層の製造方法において、
撥水層から突出した炭素繊維を燃焼除去した際に撥水層に形成される凹部に、撥水層を構成する材料と同種の材料を埋めることを特徴とする燃料電池のガス拡散層の製造方法。
【請求項６】
請求項１に記載の燃料電池のガス拡散層の製造方法により製造されたガス拡散層を、電解質膜の一方面に燃料極を他方の面に空気極をそれぞれ配した膜電極接合体に積層して成る発電体と、セパレータとが交互に積層して形成されたことを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
炭素繊維から成る層と撥水層とが積層して成るガス拡散層に対しガス拡散層の厚み方向に圧力を加える加圧手段と、
ガス拡散層に、燃料電池の複数のセルをスタック状に積層した際に加わる面圧相当の圧力が加えられている状態で撥水層から突出した炭素繊維を除去する除去手段と、
を備え、
前記除去手段が、炭素繊維から成る層と接する面に対して反対側の撥水層の面に配置される絶縁部材と、
ガス拡散層と絶縁部材とを挟むように設けられた一対の電極と、
一対の電極に電圧を印加する電圧印加手段と、
を有することを特徴とする燃料電池のガス拡散層の製造装置。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池のガス拡散層の製造装置において、
前記絶縁部材は、連通孔を有することを特徴とする燃料電池のガス拡散層の製造装置。
【請求項９】
請求項７に記載の燃料電池のガス拡散層の製造装置において、
さらに、押圧下で、前記絶縁部材に対して相対的に拡散層の平面方向にガス拡散層をスライドさせるガス拡散層スライド手段を有することを特徴とする燃料電池のガス拡散層の製造装置。
【請求項１０】
請求項７に記載の燃料電池のガス拡散層の製造装置において、
前記加圧手段は、ガス拡散層の炭素繊維からなる層側からのみ、瞬間的にガス拡散層に前記圧力以上の圧力を加える加圧手段であり、
前記除去手段が、炭素繊維から成る層と接する面に対して反対側の撥水層の面に配置される絶縁部材と、
ガス拡散層と絶縁部材とを挟むように設けられた一対の電極と、
一対の電極に電圧を印加する電圧印加手段と、
を有することを特徴とする燃料電池のガス拡散層の製造装置。
【請求項１１】
請求項７から請求項１０のいずれか１項に記載の燃料電池のガス拡散層の製造装置において、
さらに、撥水層から突出した炭素繊維を燃焼除去した際に撥水層に形成される凹部に、撥水層を構成する材料と同種の材料を塗布する塗布手段を有することを特徴とする燃料電池のガス拡散層の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池のガス拡散層の製造方法、製造装置および燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、図８に示すように、固体高分子膜からなる電解質膜７２を燃料極７０と空気極７４との２枚の電極で挟んだ膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を、さらに２枚のセパレータ８０に挟持してなるセルを最小単位とし、通常、このセルを複数積み重ねて燃料電池スタック（ＦＣスタック）とし、高圧電圧を得るようにしている。
【０００３】
固体高分子型燃料電池の発電の仕組みは、一般に、燃料極（アノード側電極）７０に燃料ガス、例えば水素含有ガスが、一方、空気極（カソード側電極）７４には酸化剤ガス、例えば主に酸素（Ｏ2）を含有するガスあるいは空気が供給される。水素含有ガスは、燃料ガス流路を通って燃料極７０に供給され、電極の触媒の作用により電子と水素イオン（Ｈ+）に分解される。電子は外部回路を通って、燃料極７０から空気極７４に移動し、電流を作り出す。一方、水素イオン（Ｈ+）は電解質膜７２を通過して空気極７４に達し、酸素および外部回路を通ってきた電子と結合し、反応水（Ｈ2Ｏ）になる。水素（Ｈ2）と酸素（Ｏ2）および電子の結合反応と同時に発生する熱は、冷却水によって回収される。また、空気極７４のあるカソード側に生成した水（以下「生成水」という）は、カソード側から排出される。
【０００４】
上述した燃料電池の燃料極及び空気極は、それぞれ触媒層からなり、この触媒層にはそれぞれ水素含有ガス、酸化剤ガスを拡散するためのガス拡散層が積層されている。ところで、上述の反応により生成した生成水の排出がカソード側で滞った場合、空気極に閉塞現象（「フラッディング現象」ともいう）が生じる場合がある。そこで、ガス拡散層は、通常、炭素繊維からなる層と撥水層とからなり、撥水層により、生成水の排水が促進されて、フラッディング現象が防止される。
【０００５】
しかしながら、ガス拡散層における炭素繊維の少なくとも一部が突出している場合、ガス拡散層を膜電極接合体に積層した場合に、炭素繊維の突出部により、膜電極接合体が損傷するおそれがある。
【０００６】
そこで、特許文献１には、炭素繊維用耐炎化糸を主成分とする織布または不織布を熱圧ロールに通過させて、表面を平滑かつ厚みを薄くした後、８００〜３０００℃の最終熱処理を行い、表面が平滑で厚みも薄い燃料電池用ガス拡散層材料が提案されている。また、特許文献２には、炭素繊維からなる経糸と緯糸による織布からなる燃料電池用のガス拡散層を高分子電解質膜の上に配置する前に、予め、ガス拡散層の表面を加熱することにより、炭素繊維の非平滑表面を平滑化させることが提案されている。
【０００７】
一方、特許文献３には、繊維を含んでなるガス拡散層基材をローラに載せて反らせ、ガス拡散層基材から突出している繊維突起を起き上がらせ、この繊維突起を除去する方法が提案されている。特許文献４には、導電性材料と撥水剤を有する２種類の撥水ペーストを用いて、二層構造の撥水性ガス拡散層を製造する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−１１１３４１号公報
【特許文献２】国際公開第２００３／０８１７００号パンフレット
【特許文献３】特開２００８−１９８５２６号公報
【特許文献４】特開２００９−１８１８９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、予め熱処理によりガス拡散層を平滑化する場合には工程数が増え、作業が煩雑になる。また、ガス拡散層基材を反らせて繊維突起を除去したとしても、また、導電性材料と撥水剤とを含む二層構造のガス拡散層を形成したとしても、膜電極接合体の両面をそれぞれガス拡散層で挟み、さらに一対のセパレータで挟んで形成された燃料電池のセルをスタック状に積層した場合、ガス拡散層の厚みが元の厚みよりも薄くなるため、ガス拡散層の内部に隠れていた繊維の一部が突出してしまう可能性がある。
【００１０】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、ガス拡散層に含まれる炭素繊維の突出による膜電極接合体又は電解質膜の損傷が防止される燃料電池のガス拡散層の製造方法、製造装置および燃料電池を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池のガス拡散層の製造方法、製造装置および燃料電池は以下の特徴を有する。
【００１２】
（１）炭素繊維から成る層と撥水層とが積層して成るガス拡散層に対しガス拡散層の厚み方向に予め定められた圧力を加える工程と、予め定められた圧力で押圧された際に撥水層から突出した炭素繊維を除去する工程と、を有し、突出した炭素繊維を除去する工程は、突出した炭素繊維に通電することにより燃焼させて除去する工程である燃料電池のガス拡散層の製造方法である。
【００１３】
予め定められた圧力として、例えば、燃料電池のセルの積層時相当の圧力を、ガス拡散層の厚み方向に加え、この押圧状態で、撥水層から突出した炭素繊維を除去することにより、ガス拡散層を用いた燃料電池のセルを積層した際に、ガス拡散層由来の炭素繊維の突出による膜電極接合体、電解質膜の損傷が防止される。
【００１５】
炭素繊維が電気伝導性を有することを利用し、突出した炭素繊維に電流を流してジュール熱により燃焼させ除去することができる。
【００１６】
（２）上記（１）に記載の燃料電池のガス拡散層の製造方法において、突出した炭素繊維を除去する工程は、炭素繊維からなる層と接する面に対して反対側の撥水層の面に絶縁部材を配置し、さらにガス拡散層と絶縁部材とを挟むように一対の電極を配置して、前記撥水層から突出しさらに絶縁部材を貫通して一方の電極に接触した炭素繊維に通電することにより突出した炭素繊維を燃焼させて除去する工程である燃料電池のガス拡散層の製造方法である。
【００１７】
ガス拡散層と電極との間に絶縁部材を配置することで、突出した炭素繊維のみを電極に接触させて燃焼させ除去することができる。
【００１８】
（３）上記（２）に記載の燃料電池のガス拡散層の製造方法において、さらに、突出した炭素繊維に通電する前に、押圧下で、前記絶縁部材に対して相対的にガス拡散層の平面方向にガス拡散層をスライドさせるスライド工程を有する燃料電池のガス拡散層の製造方法である。
【００１９】
絶縁部材に対し相対的にガス拡散層をスライドさせることにより、撥水層から突出するものの寝ていた炭素繊維が起き上がり、その炭素繊維の先端が電極に接触する。その結果、スライドさせない場合に比べ、撥水層から突出した炭素繊維の除去率が高くなる。また、突出した炭素繊維を撥水層からより突出させるべく過剰な加圧を要しないため、ガス拡散層の構造、特に炭素繊維からなる層の構造が維持される。
【００２０】
（４）上記（１）に記載の燃料電池のガス拡散層の製造方法において、前記予め定められた圧力を加える工程は、ガス拡散層の炭素繊維からなる層側からのみ、瞬間的にガス拡散層に予め定められた圧力以上の圧力を加える工程であり、突出した炭素繊維を除去する工程は、炭素繊維からなる層と接する面に対して反対側の撥水層の面に絶縁部材を配置し、さらにガス拡散層と絶縁部材とを挟むように一対の電極を配置して、前記撥水層から突出しさらに絶縁部材を貫通して一方の電極に接触した炭素繊維に通電することにより突出した炭素繊維を燃焼させて除去する工程である燃料電池のガス拡散層の製造方法である。
【００２１】
瞬間的にガス拡散層に予め定められた圧力以上の圧力を加えることにより、例えば、マイクロポーラス層（以下「ＭＰＬ層」ともいう）からなる撥水層の場合、ＭＰＬ層に瞬間的に荷重が付加され、突出した炭素繊維が燃焼除去されるので、ＭＰＬ層の細孔が維持される。
【００２２】
（５）上記（１）または（４）記載の燃料電池のガス拡散層の製造方法において、前記予め定められた圧力は、燃料電池の複数のセルをスタック状に積層した際に加わる面圧相当の圧力である燃料電池のガス拡散層の製造方法である。
【００２３】
燃料電池の複数のセルをスタック状に積層し、複数のセルの積層方向に面圧がかかっても、ガス拡散層由来の炭素繊維による膜電極接合体の損傷が防止される。
【００２４】
（６）上記（１）から（５）のいずれか１つに記載の燃料電池のガス拡散層の製造方法において、撥水層から突出した炭素繊維を燃焼除去した際に撥水層に形成される凹部に、撥水層を構成する材料と同種の材料を埋める燃料電池のガス拡散層の製造方法である。
【００２５】
撥水層から突出した炭素繊維を除去した後の撥水層の凹部を、撥水層を構成する材料と同種の材料を埋めることにより、ガス拡散層の電気伝導性、ガス拡散性、撥水性が回復する。
【００２６】
（７）上記（１）に記載の燃料電池のガス拡散層の製造方法により製造されたガス拡散層を、電解質膜の一方面に燃料極を他方の面に空気極をそれぞれ配した膜電極接合体に積層してなる発電体と、セパレータとが交互に積層して形成された燃料電池である。
【００２７】
上述した製造方法により炭素繊維の突出部が処理されていないガス拡散層に比べ、炭素繊維の突出部による膜電極接合体の損傷の可能性が低減される。
【００２８】
（８）炭素繊維から成る層と撥水層とが積層して成るガス拡散層に対しガス拡散層の厚み方向に圧力を加える加圧手段と、ガス拡散層に予め定められた圧力が加えられている状態で撥水層から突出した炭素繊維を除去する除去手段と、を備え、前記除去手段が、炭素繊維から成る層と接する面に対して反対側の撥水層の面に配置される絶縁部材と、ガス拡散層と絶縁部材とを挟むように設けられた一対の電極と、一対の電極に電圧を印加する電圧印加手段と、を有する燃料電池のガス拡散層の製造装置である。
【００２９】
予め定められた圧力として、例えば、燃料電池のセルの積層時相当の圧力を、ガス拡散層の厚み方向に加え、この押圧状態で、撥水層から突出した炭素繊維を除去することにより、ガス拡散層を用いた燃料電池のセルを積層した際に、ガス拡散層由来の炭素繊維の突出による膜電極接合体、電解質膜の損傷が防止される。
【００３１】
撥水層を貫通して撥水層から突出した炭素繊維が、絶縁部材を貫通し一方の電極に接触し、一対の電極に電圧を印加することで、電気伝導性を有する突出した炭素繊維に電流を流し、ジュール熱により燃焼させて除去することができる。
【００３２】
（９）上記（８）に記載の燃料電池のガス拡散層の製造装置において、前記絶縁部材は、連通孔を有する燃料電池のガス拡散層の製造装置である。
【００３３】
撥水層を貫通して撥水層から突出した炭素繊維が、絶縁部材の連通孔を介して一方の電極に接触し、一対の電極に電圧を印加することで、電気伝導性を有する突出した炭素繊維に電流を流し、ジュール熱により燃焼させて除去することができる。例えば、絶縁部材に連通孔が設けられていない場合に比べ、撥水層を貫通して突出した炭素繊維が、絶縁部材から連通孔を介して突出し易くなり、その結果、ジュール熱により燃焼され除去され易くなる。
【００３４】
（１０）上記（８）に記載の燃料電池のガス拡散層の製造装置において、さらに、押圧下で、前記絶縁部材に対して相対的にガス拡散層の平面方向にガス拡散層をスライドさせるガス拡散層スライド手段を有する燃料電池のガス拡散層の製造装置である。
【００３５】
絶縁部材に対し相対的にガス拡散層をスライドさせることにより、撥水層から突出するものの寝ていた炭素繊維が起き上がり、その炭素繊維の先端が電極に接触する。その結果、スライドさせない場合に比べ、撥水層から突出した炭素繊維の除去率が高くなる。また、突出した炭素繊維を撥水層からより突出させるべく過剰な加圧を要しないため、ガス拡散層の構造、特に炭素繊維からなる層の構造が維持される。
【００３６】
（１１）上記（８）に記載の燃料電池のガス拡散層の製造装置において、前記加圧手段は、ガス拡散層の炭素繊維からなる層側からのみ、瞬間的にガス拡散層に予め定められた圧力以上の圧力を加える加圧手段であり、前記除去手段が、炭素繊維から成る層と接する面に対して反対側の撥水層の面に配置される絶縁部材と、ガス拡散層と絶縁部材とを挟むように設けられた一対の電極と、一対の電極に電圧を印加する電圧印加手段と、を有する燃料電池のガス拡散層の製造装置である。
【００３７】
瞬間的にガス拡散層に予め定められた圧力以上の圧力を加えることにより、例えば、マイクロポーラス層（以下「ＭＰＬ層」ともいう）からなる撥水層の場合、ＭＰＬ層に瞬間的に荷重が付加され、突出した炭素繊維が燃焼除去されるので、ＭＰＬ層の細孔が維持される。
【００３８】
（１２）上記（８）または（１１）記載の燃料電池のガス拡散層の製造装置において、前記予め定められた圧力は、燃料電池の複数のセルをスタック状に積層した際に加わる面圧相当の圧力である燃料電池のガス拡散層の製造装置である。
【００３９】
燃料電池の複数のセルをスタック状に積層し、複数のセルの積層方向に面圧がかかっても、ガス拡散層由来の炭素繊維による膜電極接合体の損傷が防止される。
【００４０】
（１３）上記（８）から（１２）のいずれか１つに記載の燃料電池のガス拡散層の製造装置において、さらに、撥水層から突出した炭素繊維を燃焼除去した際に撥水層に形成される凹部に、撥水層を構成する材料と同種の材料を塗布する塗布手段を有する燃料電池のガス拡散層の製造装置である。
【００４１】
撥水層から突出した炭素繊維を除去した後の撥水層の凹部を、撥水層を構成する材料と同種の材料を塗布して埋めることにより、ガス拡散層の電気伝導性、ガス拡散性、撥水性が回復する。
【発明の効果】
【００４２】
本発明によれば、ガス拡散層を用いた燃料電池のセルを積層した際に、ガス拡散層由来の炭素繊維の突出による膜電極接合体、電解質膜の損傷が防止される。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施の形態における燃料電池のガス拡散層の製造装置の一例を示す概略構成図である。
【図２】本発明の実施の形態における燃料電池のガス拡散層の製造方法の一例を示すフロー図である。
【図３】本発明の実施の形態における他の燃料電池のガス拡散層の製造装置の一例を示す概略構成図である。
【図４】撥水層から突出した炭素繊維の突出部をスライドさせることにより起き上がらせるメカニズムを説明する図である。
【図５】本発明の実施の形態における他の燃料電池のガス拡散層の製造装置の一例を示す概略構成図である。
【図６】突出した炭素繊維を燃焼除去後に形成される撥水層の凹部を埋める方法の一例を説明する図である。
【図７】炭素繊維の突き出しによる損傷の状況の一例を説明する図である。
【図８】燃料電池のセルの構成および発電時のメカニズムを説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。
【００４５】
本実施の形態における燃料電池のガス拡散層の製造方法および製造装置について説明する前に、燃料電池の複数のセルをスタック状に積層した際に生じる、炭素繊維の突き出しによる膜電極接合体の損傷の状況について、図７を用いて説明する。
【００４６】
図７に示すように、一般に、燃料電池のセルは、電極としてそれぞれ機能する一対の触媒層で電解質膜を挟んで形成された膜電極接合体（ＭＥＡ）５０の両面に、それぞれ炭素繊維２４から成る層と撥水層２２とが積層して成るガス拡散層５２，５４が設けられ、さらに膜電極接合体５０とガス拡散層５２，５４を挟むようにセパレータ６２，６４が配置されて形成される。ここで、炭素繊維２４から成る層は、炭素繊維２４の集合体からなり、この炭素繊維２４の集合体が撥水層２２に接合されて、ガス拡散層５２，５４が形成されている。
【００４７】
通常、燃料電池のセルの状態では、炭素繊維２４から成る層から炭素繊維２４が撥水層２２に向かって突き出したとしても、炭素繊維２４の突き出し部分は撥水層２２内に留まる。しかし、燃料電池の複数のセルをスタック状に積層した場合には、ガス拡散層５２，５４の厚み方向に圧力が加わり、ガス拡散層５２，５４の厚みは薄くなるため、炭素繊維の突き出し部分６０は撥水層２２から突出し、膜電極接合体５０に損傷を与える可能性がある。ここで、膜電極接合体５０が損傷すると、燃料電池の燃費が悪化するおそれがある。
【００４８】
そこで、本発明における燃料電池のガス拡散層の製造方法および製造装置は、燃料電池の複数のセルをスタック状に積層した場合、この積層時の面圧がかかっても、ガス拡散層由来の炭素繊維による膜電極接合体の損傷を防止するものである。
【００４９】
図１には、本実施の形態における燃料電池のガス拡散層の製造装置の一例が示されている。図１に示すように、本実施の形態における燃料電池のガス拡散層の製造装置は、炭素繊維２４から成る層と撥水層２２とが積層して成るガス拡散層２０に対しガス拡散層２０の厚み方向に圧力を加える加圧手段と、ガス拡散層２０に予め定められた圧力が加えられている状態で撥水層２２から突出した炭素繊維２４を除去する除去手段と、を備える。
【００５０】
ここで、「予め定められた圧力」は、本実施の形態では、「燃料電池の複数のセルをスタック状に積層した際に加わる面圧相当の圧力」をいい、「面圧」とは、膜電極接合体やガス拡散層などの厚み方向にかかる圧力をいう。また、本実施の形態における「燃料電池の複数のセルをスタック状に積層した際に加わる面圧相当の圧力」は、各燃料電池のセルのスタック圧に応じて適宜設定されるが、例えば、約０．１ＭＰａ〜２ＭＰａである。
【００５１】
本実施の形態における除去手段は、ジュール熱または酸素プラズマからなる燃焼除去手段、刃物を用いた切断除去手段、及び撥水層から突出した炭素繊維の先端部の折り曲げ除去手段からなる群から選択される１種の除去手段が用いられるが、ここでは、ジュール熱を用いた燃焼除去手段を例に取り、以下に説明する。
【００５２】
除去手段は、図１に示すように、炭素繊維２４から成る層と接する面と反対側の撥水層２２の面に配置される複数の連通孔１９を有する絶縁部材１８と、ガス拡散層２０と絶縁部材１８とを挟むように設けられた一対の電極１６ａ，１６ｂと、一対の電極１６ａ，１６ｂに電圧を印加する電圧印加手段である電源３０とを備える。
【００５３】
加圧手段は、図１に示すように、ガス拡散層２０の厚み方向に圧力をかける、すなわちガス拡散層２０に面圧をかけるように、一対の電極１６ａ，１６ｂのそれぞれの背面に設けられた面圧板１４ａ，１４ｂと、面圧板１４ａ，１４ｂに対して図１に示す白抜き矢印方向に面圧を印加可能な加圧装置１２とを有する。
【００５４】
さらに、本実施の形態における燃料電池のガス拡散層の製造装置は、図１に示すように、枠１０の中に、上記加圧装置１２、面圧板１４ａ，１４ｂ、電極１６ａ，１６ｂ、絶縁部材１８、ガス拡散層２０が層状に順次設置され、電源３０が電極１６ａ，１６ｂに電気的に接続され、制御装置４０が加圧装置１２に電気的に接続され、電源３０と制御装置４０とが電気的に接続されて形成されている。
【００５５】
また、本実施の形態における炭素繊維２４から成る層は、炭素繊維の集合体として、例えば、カーボンペーパ、カーボンクロスなどの炭素質多孔質体が用いられ、炭素繊維として、例えば、アクリル繊維や、加熱溶融して紡糸したピッチを高温で炭化させたＰＡＮ（Ｐｏｌｙａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ）系炭素繊維が用いられる。また、撥水層２２は、例えば、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）などのフッ素系ポリマーとカーボンブラックにより形成され、炭素繊維２４の集合体に撥水層２２が接合されて、ガス拡散層２０が形成されている。
【００５６】
次に、図１，２を用いて、本実施の形態における燃料電池のガス拡散層の製造方法の一例について説明する。
【００５７】
まず、ガス拡散層２０の撥水層２２側に絶縁部材１８を配置し、さらにガス拡散層２０と絶縁部材１８を一対の電極１６ａ，１６ｂで挟み、さらに一対の電極１６ａ，１６ｂのそれぞれの背面に面圧板１４ａ，１４ｂを配置して挟み込み、制御装置４０からの出力に基づき、加圧装置１２によって、面圧板１４ａ，１４ｂをそれぞれ図１に示す白抜き矢印方向に加圧する（Ｓ１００）。加圧により、撥水層２２に隠れていた炭素繊維２４の突き出し部分が撥水層２２から突出し、突出した炭素繊維２４の突き出し部分が絶縁部材１８の連通孔１９を介して電極１６ｂに接触することになる（図１の破線で囲んだ部分Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３に相当）。
【００５８】
次いで、加圧装置１２により印加された「面圧」が「閾値」になったことを制御装置４０が検知すると（Ｓ１０２）、制御装置４０は、加圧装置１２にこの面圧状態を維持させたまま、電源３０から一対の電極１６ａ，１６ｂに電圧を印加させる。ここで、「閾値」として、「燃料電池の複数のセルをスタック状に積層した際に加わる面圧相当の圧力」を設定しておく。
【００５９】
次に、一対の電極１６ａ，１６ｂに電圧が印加されると（Ｓ１０４）、炭素繊維は電気伝導性を有することから、絶縁部材１８の連通孔１９を介して電極１６ｂに接触している炭素繊維の突き出し部分に電流が流れ、ジュール熱により突出した炭素繊維は燃焼し除去される。電極１６ｂに接触していた炭素繊維の突き出し部分が燃焼し、電極１６ａ，１６ｂの間に電流が流れなくなったことを制御装置４０が検知すると（Ｓ１０６）、制御装置４０は、電源３０から一対の電極１６ａ，１６ｂへの電圧印加を停止させ（Ｓ１０８）、さらに加圧装置１２による加圧状態から減圧して常圧に戻し（Ｓ１１０）、処理済みのガス拡散層を取り出す。
【００６０】
ここで、絶縁部材１８は、スタック状に積層された際の膜電極接合体の厚みと同等またはそれ以下の厚みを有する。これにより、燃料電池のセルをスタック状に積層した際に、ガス拡散層２０から突出した炭素繊維２４による膜電極接合体の貫通などの損傷が防止される。
【００６１】
絶縁部材１８に設けられる連通孔１９の直径は、ガス拡散層２０の炭素繊維から成る層の炭素繊維の径や長さに応じて適宜選択されるが、好ましくは、炭素繊維の直径の数倍程度である。これにより、より確実にスタック積層時に突出する炭素繊維の突き出しを除去することができる。
【００６２】
以上、図１に示すように、連通孔１９を有する絶縁部材１８を例にとって説明したが、これに限るものではなく、絶縁部材１８は、絶縁性の部材であって、多孔質、繊維状部材など、容易に炭素繊維が貫通する部材であれば、図１に示す連通孔１９は必須ではない。また、炭素繊維の突き出しをジュール熱により燃焼させることから、絶縁性で容易に炭素繊維が貫通しかつ耐熱性の部材が好ましく、例えば、シリコーン樹脂と石綿、ガラス繊維から成る絶縁部材が好ましい。
【００６３】
また、電源３０より印加される電圧は、電極１６ｂに接触している炭素繊維２４の突き出しを燃焼可能な電流が流れる程度の電圧であればよく、絶縁部材１８の耐熱温度を考慮して、適宜電圧が選択される。
【００６４】
また、図１では、ガス拡散層２０の両面から面圧を加えるために、面圧板１４ａ，１４ｂそれぞれ白抜き矢印方向に移動させているが、これに限るものではなく、少なくとも一方の面圧板を用いて面圧を加えてもよい。
【００６５】
図３には、本実施の形態における他の燃料電池のガス拡散層の製造装置の一例が示されている。なお、上述した実施の形態のガス拡散層の製造装置と同じ構成には同じ符号を付し、その説明を省略する。図３に示すように、実施の形態における他の燃料電池のガス拡散層の製造装置は、荷重を付加可能なロール状の電極１６ｃ，１６ｄを有し、ロール状の電極１６ｃ，１６ｄは電源３０と電気的に接続され、電源３０により電圧が印加される。また、帯状のガス拡散層２０は、ローラ３２，３４を回動させることにより間欠的に一対のロール状の電極１６ｃ，１６ｄ間に搬送される。また、絶縁部材１８は、ガス拡散層２０の撥水層側に重なるように、ローラ３６，３８を回動させることにより間欠的に、一対のロール状の電極１６ｃ，１６ｄ間に搬送される。
【００６６】
次に、本実施の形態における他の燃料電池のガス拡散層の製造装置の動作について以下に説明する。ローラ３２，３４を回動させることにより、矢印４８の方向にガス拡散層２０を搬送し、また、ローラ３６，３８を回動させることにより、矢印４２の方向に絶縁部材１８を搬送し、ガス拡散層２０の撥水層側に絶縁部材１８が積層するようにして、一対のロール状の電極１６ｃ，１６ｄの間に搬送する。ついで、ローラ３２，３４，３６，３８による搬送を止め、一対のロール状の電極１６ｃ，１６ｄ間の距離を縮める方向に、ロール状の電極１６ｃ，１６ｄの両方または少なくとも一方を移動させ、予め定められた圧力で、積層されたガス拡散層２０と絶縁部材１８とを押圧する。そして、押圧下で、ローラ３６，３８を逆回動させて矢印４４方向に絶縁部材１８を逆送させる。これにより、図４に示すように、絶縁部材１８に対して相対的にガス拡散層２０がスライドし、撥水層２２から僅かに突出しているものの、絶縁部材１８を突き抜けない炭素繊維２４の突出部や撥水層２２から突出するものの寝ていた炭素繊維２４を起き上がらせることができる。その結果、起き上がった炭素繊維２４の突出部がロール状の電極１６ｃに接触し、一対のロール状の電極１６ｃ，１６ｄ間に電源３０によって電圧が印加され、電気伝導性を有する炭素繊維２４に電気が流れ、ジュール熱により突出した炭素繊維２４が燃焼し除去される。その後、一対のロール状の電極１６ｃ，１６ｄ間の距離を開けるように、ロール状の電極１６ｃ，１６ｄの両方または一方を移動させ、ローラ３２，３４，３６，３８を用いて、ガス拡散層２０と絶縁部材１８とをそれぞれ矢印４８，４２方向に搬送する。ついで、上記同様に一対のロール状の電極１６ｃ，１６ｄ間の距離を縮める方向に、ロール状の電極１６ｃ，１６ｄの両方または一方を移動させ、ガス拡散層２０の新たな面と絶縁部材１８とを押圧し、上記同様に、撥水層から突出した炭素繊維２４の除去を行う。
【００６７】
ここで、一対のロール状の電極１６ｃ，１６ｄ間の距離の制御は、例えば、図３に示すように、電極１６ｄのみ（すなわち、ガス拡散層の炭素繊維からなる層の側からのみ）白抜き矢印４６のように移動させてもよい。また、絶縁部材１８は、ローラ３６，３８に渡しかけたベルト状の絶縁部材であっても、または、ローラ３６，３８に端部がそれぞれ固定された絶縁部材であっても良い。なお、ローラ３６，３８に端部がそれぞれ固定された絶縁部材の場合、絶縁部材は、炭素繊維２４の突出部を起き上がらせるために、矢印４４の方向に移動し、一方、突出した炭素繊維除去後には矢印４２の方向に移動する。また、絶縁部材１８を矢印４４に移動させるとともに、ガス拡散層２０を矢印４８方向に移動させてもよい。すなわち、本実施の形態におけるガス拡散層スライド手段は、少なくとも絶縁部材１８を逆送させるローラ３６，３８からなり、場合によっては、ローラ３６，３８に加え、ガス拡散層２０を搬送させるローラ３２，３４を含む。
【００６８】
また、ロール状の電極１６ｃ，１６ｄにより、ガス拡散層２０と絶縁部材１８とを押圧すると同時に、絶縁部材１８に対し相対的にガス拡散層２０をスライドさせることがより好ましい。また、押圧と同時に、電源３０を用いてロール状の電極１６ｃ，１６ｄに電圧を印加することがより好ましい。
【００６９】
上述のように、絶縁部材１８に対し相対的にガス拡散層２０をスライドさせることにより、撥水層から突出するものの寝ていた炭素繊維が起き上がり、その炭素繊維の先端が電極に接触する。その結果、スライドさせない場合に比べ、撥水層から突出した炭素繊維の除去率が高くなる。これにより、燃料電池をスタック状に組む上げた際に、炭素繊維の突出部に起因する電解質膜の損傷がより低減される。また、突出した炭素繊維を撥水層からより突出させるべく過剰な加圧を要しないため、ガス拡散層の構造、特に炭素繊維からなる層の構造が維持される。
【００７０】
上記実施の形態において、相対的にスライドさせるガス拡散層２０の滑らせる距離は、炭素繊維長より長いことが好ましく、例えば、数ｍｍ／秒である。また、突出した炭素繊維の突出方向を考慮し、２方向以上に相対的にガス拡散層２０をスライドさせることがより好ましい。さらに、ロール状の電極１６ｃ，１６ｄの少なくとも一方をガス拡散層２０の平面方向に沿って押圧下で平行にスライドさせることにより、さらに僅かに突出した炭素繊維や突出するものの寝ていた炭素繊維が起き上がり、炭素繊維の先端が電極と接触して燃焼除去される。また、絶縁部材１８の弾性率を、炭素繊維２４の弾性率より低くすることにより、炭素繊維２４が絶縁部材１８から突出し易くなり、突出した炭素繊維の燃焼除去効率が向上する。
【００７１】
図５には、本実施の形態における他の燃料電池のガス拡散層の製造装置の一例が示されている。なお、上述した実施の形態のガス拡散層の製造装置と同じ構成には同じ符号を付し、その説明を省略する。図５に示すように、実施の形態における他の燃料電池のガス拡散層の製造装置は、炭素繊維２４から成る層と接する面と反対側の撥水層２２の面に配置される複数の連通孔１９を有する絶縁部材１８と、ガス拡散層２０に接する電極１６ａと、絶縁部材１８に接する金属フィルム１７と、電極１６ａと金属フィルム１７との間に電圧を印加する電圧印加手段である電源３０とを備える。
【００７２】
本実施の形態における加圧手段は、ガス拡散層２０の炭素繊維２４からなる層の側からのみ、瞬間的に、予め定められた圧力以上の圧力を面圧板１４ａを介してガス拡散層２０に加える加圧装置１１であり、加圧装置１１として、例えばサーボパルサが用いられる。ここで、「予め定められた圧力」は、「燃料電池の複数のセルをスタック状に積層した際に加わる面圧相当の圧力」をいう。また、「瞬間的にガス拡散層に予め定められた圧力以上の圧力を加える」とは、ガス拡散層に予め定められた圧力以上の圧力を加えた直後に、その圧力を解除することをいい、さらに、具体的には、ガス拡散層に、燃料電池の複数のセルをスタック状に積層した際に加わる面圧相当の圧力以上の過多面圧を加えた直後に面圧を解除することをいう。これにより、マイクロポーラス層（以下「ＭＰＬ層」ともいう）からなる撥水層２２の場合、ＭＰＬ層に瞬間的に荷重が付加され、突出した炭素繊維が燃焼除去されるので、ＭＰＬ層の細孔が維持される。
【００７３】
金属フィルム１７は、導電性の層であれば如何なるものであってもよいが、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）などの金属箔であっても良く、例えば、絶縁部材１８のＭＰＬ層と接する面と反対面に接合してもよい。
【００７４】
ガス拡散層２０に予め定められた速度以上で瞬間的に面圧を加えるために、加圧手段には、以下に示す式に基づいて求められる「加速度」が付与される。
［数１］
ガス拡散層質量（単位面積当たりの質量）×加速度＞必要面圧（単位面積当たりの荷重）、すなわち、
加速度＞必要面圧（単位面積当たりの荷重）／ガス拡散層質量（単位面積当たりの質量）
【００７５】
図６には、上述した実施の形態の装置及び方法により、突出した炭素繊維を燃焼除去後に形成される撥水層の凹部を埋める方法が例示されている。
【００７６】
図６に示すように、撥水層２２から突出した炭素繊維２４が燃焼除去されると、撥水層２２に凹部が形成され、凹部には、炭素繊維２４の燃焼後にスス状カーボンが残る。ここで、撥水層２２に形成された凹部では、電気伝導性が低く、燃料電池の稼働時の生成水の排水性が他の部分に比べ低く、また、ガス拡散性も低下する。また、凹部に生成水が溜まる場合もある。そこで、本実施の形態では、凹部に、撥水層２２を構成する材料と同種の材料を埋めて埋立部２８を形成する。凹部に、撥水層２２を構成する樹脂（例えば、ＰＴＦＥ樹脂）を塗布し、その後、超音波を印加して、凹部の樹脂と凹部に残留したスス状カーボン２６を混合して、得られた混合物２７を焼成し、撥水層２２を構成する材料と同種の材料で凹部を埋める。この場合、凹部に残留したスス状カーボン２６を取り除く工程が不要となり、樹脂のみを塗布するだけで、撥水層２２とほぼ同じ組成物で凹部が埋められる。なお、超音波の条件は、例えば、２０ｋＨｚで約３０分程度混合される。さらに、焼成後の埋立部２８が凸状になる場合には、燃料電池の膜触媒に部分的に圧力がかかるため、埋立部２８にプレスを繰り返し、撥水層の表面を平坦にする。なお、プレスの条件は、ガス拡散層２０を破壊しない条件で設定され、例えば、１００℃で１分間に１ＭＰａのプレスを１０回繰り返すことにより平坦にすることができる。
【００７７】
図６に示す方法によって、ガス拡散層の電気伝導性、ガス拡散性、排水性が回復する。
【００７８】
また、本実施の形態における燃料電池のガス拡散層の製造装置は、凹部を埋める装置構成として、撥水層から突出した炭素繊維を燃焼除去した際に撥水層に形成される凹部に、撥水層を構成する材料と同種の材料を塗布する塗布手段と、必要に応じて、塗布された材料を焼成する焼成手段とを有する。
【００７９】
本実施の形態における燃料電池は、上述したガス拡散層の製造方法により製造されたガス拡散層を、電解質膜の一方面に燃料極を他方の面に空気極をそれぞれ配した膜電極接合体に積層して成る発電体と、セパレータとが交互に積層して形成されている。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明の燃料電池の製造方法および燃料電池は、燃料電池を用いる用途であれば、如何なる用途にも有効であるが、特に車両用の燃料電池に供することができる。
【符号の説明】
【００８１】
１０  枠、１２  加圧装置、１４ａ，１４ｂ  面圧板、１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ  電極、１７  金属フィルム、１８  絶縁部材、１９  連通孔、２０，５２，５４  ガス拡散層、２２  撥水層、２４  炭素繊維、２６  スス状カーボン、２７  混合物、２８  埋立部、３０  電源、３２，３４，３６，３８  ローラ、４０  制御装置、５０  膜電極接合体、６０  突き出し部分、６２，６４  セパレータ。
【図２】
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【図３】
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【図８】
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【図１】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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