(57)【要約】【課題】ガス透過性および水排出性の向上に好適な燃料電池および燃料電池用ガス拡散層並びにその製造方法を提供する。【解決手段】電解質膜２の両面に夫々の極の触媒層３を配置し、さらに夫々ガス拡散層４を介在させて両面からセパレータ５で挟持して備える燃料電池の前記ガス拡散層４の少なくとも一つに用いる燃料電池用ガス拡散層４を、ガス拡散層４の基材よりも親水性の高い繊維状部材１０を前記基材の厚さ方向に貫通させて複数内蔵して備えるように構成した。【選択図】図１
2007234524.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両面に夫々の極の触媒層を配置し、さらに夫々ガス拡散層を介在させて両面からセパレータで挟持して備える燃料電池の前記ガス拡散層の少なくとも一つに用いる燃料電池用ガス拡散層であって、
前記ガス拡散層の基材よりも親水性の高い繊維状部材を前記基材の厚さ方向に貫通させて複数内蔵して備えることを特徴とする燃料電池用ガス拡散層。
【請求項２】
前記繊維状部材は、親水性樹脂若しくは親水性樹脂を主成分とする表面処理が基材表面に施されている樹脂部材により形成されていることを特徴する請求項１に記載の燃料電池用ガス拡散層。
【請求項３】
前記繊維状部材は、表層が酸化されているか若しくは親水性樹脂を主成分とする表面処理が施されている金属により形成されていることを特徴する請求項１に記載の燃料電池用ガス拡散層。
【請求項４】
前記繊維状部材は、表層を親水化改質してあるか若しくは親水性を示すコーティングがなされているカーボンにより形成されていることを特徴する請求項１に記載の燃料電池用ガス拡散層。
【請求項５】
前記繊維状部材は、その表層に繊維の長手方向に連ねて微小溝を備えることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一つに記載の燃料電池用ガス拡散層。
【請求項６】
前記繊維状部材は、燃料電池のアノード側に配置されるガス拡散層に内蔵させる配置密度よりもカソード側に配置されるガス拡散層に内蔵させる配置密度を高くしたことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一つに記載の燃料電池用ガス拡散層。
【請求項７】
前記繊維状部材は、セパレータに形成したガス流路間に配列されたリブに重なる領域の触媒層に接触する一方の表面側からガス流路に重なる領域のセパレータに接する他方の表面に向けて傾斜して配置されていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一つに記載の燃料電池用ガス拡散層。
【請求項８】
前記繊維状部材のセパレータ側の端部は、ガス拡散層のセパレータ側の他方の表面から突出してガス流路に露出していることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池用ガス拡散層。
【請求項９】
前記繊維状部材は、セパレータ側の端部がセパレータのガス流路の下流側に向かうよう傾斜させて配置されていることを特徴とする請求項７または請求項８に記載の燃料電池用ガス拡散層。
【請求項１０】
前記繊維状部材は、ガス拡散層の面内においてセパレータのガス流路を流れるガス流れ方向に対して下流側であるほどその配置密度が高くなるよう配置されていることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか一つに記載の燃料電池用ガス拡散層。
【請求項１１】
電解質膜の両面に夫々の極の触媒層を配置し、さらに夫々ガス拡散層を介在させて両面からセパレータで挟持して備える燃料電池において、
前記ガス拡散層をその基材よりも親水性の高い繊維状部材を前記基材の厚さ方向への貫通状態で内蔵させて構成したことを特徴とする燃料電池。
【請求項１２】
前記ガス拡散層と向かい合うセパレータは、金属製で構成したことを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池。
【請求項１３】
電解質膜の両面に夫々の極の触媒層を配置し、さらに夫々ガス拡散層を介在させて両面からセパレータで挟持して備える燃料電池の前記ガス拡散層の少なくとも一つに用いる燃料電池用ガス拡散層の製造方法であって、
前記ガス拡散層の基材よりも親水性の高い繊維状部材を、前記基材の前記触媒層に対面する一方の面から裏面へ繊維状部材を貫通させ、
一方の面から露出している繊維状部材を切断して、
前記基材の厚さ方向への貫通状態で内蔵させることを特徴とする燃料電池用ガス拡散層の製造方法。
【請求項１４】
前記繊維状部材は、前記一方の面から露出している繊維状部材が切断された後に、裏面側から引くことで前記切断した繊維状部材の端部をガス拡散層内部に移動させ、裏面側に露出している繊維状部材を切断することを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池ガス拡散層の製造方法。
【請求項１５】
前記繊維状部材は、前記一方の面から露出している繊維状部材が切断された後に、裏面側から引くことで前記切断した繊維状部材の端部をガス拡散層内部に移動させ、予め設定した荷重により厚さ方向にガス拡散層基材を圧縮し、その圧縮状態において裏面側に露出している繊維状部材を切断することを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法。
【請求項１６】
前記ガス拡散層への付与荷重は、燃料電池スタックの組立時に付与する締付け荷重以上であることを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法。
【請求項１７】
最初に繊維状部材を切断したガス拡散層の一方の面側を触媒層および電解質膜と向かい合う面とする請求項１３から請求項１６のいずれか一つに記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池および燃料電池用ガス拡散層並びにその製造方法に関し、特に、ガス透過性および水排出性の向上に好適な燃料電池および燃料電池用ガス拡散層並びにその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来からガス透過性および水排出性を向上させるためにガス拡散層を構成する材料に親水性材料および／または撥水性素材を含ませたガス拡散層が提案されている（特許文献１、２参照）。
【０００３】
特許文献１では、燃料電池用電極のガス拡散層を、親水性炭素繊維からなる第１の繊維束を経糸とし、撥水性炭素繊維からなる第２の繊維束を緯糸として互いに交差するように織り込まれた織布から構成して、電極触媒層で生成した水蒸気や水を燃料電池の容器外へと速やかに移動可能とし、かつ燃料ガスや酸素含有ガスに対して充分な拡散能をえることを意図している。
【０００４】
特許文献２では、耐熱性および耐酸性を有する網状シートと、この網状シートの空隙部を充填する導電性粉末と撥水性充填剤との混合物からガス拡散層を形成することで、ガス透過性、撥水性などに優れ且つ機械的強度にも優れることを意図している。
【特許文献１】特開２００２−１５７４７号公報
【特許文献２】特開２００２−１７０５７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記各従来例では、親水性素材および／または撥水性素材が織込まれたり混合されたりするものであるため、これらが必ずしもガス拡散層の厚さ方向に配列されたものとならず、表面側と裏面側との間のガスおよび水の移動が充分とはならない課題があった。
【０００６】
そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、ガス透過性および水排出性の向上に好適な燃料電池および燃料電池用ガス拡散層並びにその製造方法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】
【０００７】
本発明は、電解質膜の両面に夫々の極の触媒層を配置し、さらに夫々ガス拡散層を介在させて両面からセパレータで挟持して備える燃料電池の前記ガス拡散層の少なくとも一つに用いる燃料電池用ガス拡散層を、ガス拡散層の基材よりも親水性の高い繊維状部材を前記基材の厚さ方向に貫通させて複数内蔵して備えるように構成した。
【発明の効果】
【０００８】
したがって、本発明では、燃料電池用ガス拡散層を、ガス拡散層の基材よりも親水性の高い繊維状部材を前記基材の厚さ方向に貫通させて複数内蔵して備えるように構成したため、拡散層内の液滴を集めてガス拡散層からの水の排出を促進することができる一方、ガス拡散層内の液滴が集められることにより、結果としてガスの拡散経路を確保することができ、ガス透過性および水排出性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の燃料電池および燃料電池用ガス拡散層並びにその製造方法の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明を適用した燃料電池用ガス拡散層の第１実施例を適用した燃料電池セルの概略図、図２は燃料電池用ガス拡散層の第２実施例を示す断面図、図３は燃料電池用ガス拡散層の第３実施例を示す平面図である。
【００１０】
図１に示すように、燃料電池セル１は、電解質膜２の反応領域の両面に夫々の極の触媒層３を配置して電解質膜電極積層体を構成し、この電解質膜電極積層体を挟持するように夫々の極のガス拡散層４を配置する一方、電解質膜２の反応領域を囲む周辺領域に図示しないガスケットを配置し、これらをセパレータ５で挟持することにより構成される。
【００１１】
前記燃料電池セル１は、直列に積層され、積層方向の両端に図示しないエンドプレートを配置して、図示しないタイロッドにより積層方向に荷重を加えて固定することにより、積層されている燃料電池セル１に所定の締め付け荷重を付与して燃料電池スタックに構成される。燃料電池搭載自動車へ搭載する燃料電池スタックは、単位ユニットとする燃料電池セル１を、例えば、３００〜４００個、直列に積層して構成される。
【００１２】
前記セパレータ５は、夫々ガス拡散層４と接する面側には、アノードガスとしての例えば、水素（若しくは、カソードガスとしての例えば、空気）を入口マニホールドから導入してガス拡散層４に供給し且つ反応に利用されなかったガスを出口マニホールドに排出するガス流路６が形成されている。
【００１３】
また、前記セパレータ５の背面側は、スタック温調用の流体が入口マニホールドから出口マニホールドに向かって流れる流路７が形成されている図中の左側に示す形式のものと、図示しないが隣接する燃料電池セルのセパレータと兼用されて隣接する燃料電池セルのアノードガス若しくはカソードガス供給・排出のためのガス流路が形成されている形式のものと、図中の右側に記載しているように、平面に形成される形式のものとのいずれかが必要に応じて選択され積層される。
【００１４】
前記ガス拡散層４は、一般的に５０〜５００［μｍ］の微細な孔を無数に備える多孔質材料、例えば、カーボンファイバーにより構成されたカーボンペーパや同じくカーボン繊維で構成されたカーボンクロス並びにカーボン不織布等、更には、金属により構成されたペーパ状の多孔質シート等により構成される。このガス拡散層４は、セパレータ５よりの供給ガスを触媒層３へ拡散供給する機能と、化学反応で発生する水の排出を行う機能を備えることが要求される役割の一つである。従って、発電条件によっては前記機能が低下すると、排水性能が低下するに連れてガス拡散性が低下して、発電性能の低下に繋がる。
【００１５】
本実施形態におけるガス拡散層４の第１実施例においては、親水性を有する複数の繊維部材１０をガス拡散層４内の厚さ方向に貫通させて配置する構成としている。前記繊維部材１０は、その素材自身がガス拡散層４の基材よりも親水性を有する繊維状部材、例えば、繊維部材１０が親水性樹脂もしくは基材表面に親水性樹脂を主成分とする表面処理（親水化処理）が施されているもの、表層が酸化されている金属、若しくは、親水性樹脂を主成分とする表面処理が施されている金属、表層を親水化改質してあるカーボン若しくは親水性を示すコーティングがなされているカーボンやカーボンファイバー等を挙げることができる。
【００１６】
このように、親水性を備えた複数の繊維部材１０をガス拡散層４内の厚さ方向に貫通させて配置することにより、拡散層４内の液滴を集めてガス拡散層４からの水の排出を促進することができる一方、ガス拡散層４内の液滴が集められることにより、結果としてガスの拡散経路を確保することができる。即ち、繊維部材１０をガス拡散層４内部の厚さ方向に、ガス拡散層４の基材よりも親水性を有する繊維状部材１０が配置されていることにより、ガスならびに液滴のガス拡散層４内の厚さ方向における移動を改善および制御できる。
【００１７】
前記繊維部材１０を親水性樹脂もしくは基材表面に親水性樹脂を主成分とする表面処理が施されていることにより、親水部材は必ずしも電気的な導通性を持つ必要は無く、親水性部材若しくは基材表面を親水化処理した繊維状部材で実施できる。少なくとも、ガス拡散層４より親水性を保持するものであれば、拡散層４内の液滴を集めることができ、結果としてガスの拡散経路を確保することができる。
【００１８】
前記繊維部材１０を金属で形成してもよい。この場合には、表層が酸化されているか、若しくは、親水性樹脂を主成分とする表面処理が施されているようにする。燃料電池作動環境下ともで耐食性を有しており、且つ表面が酸化もしくは親水性樹脂によるコートがされていることで、拡散層４内の液滴を集めることができ、結果としてガスの拡散経路を確保することができる。更に、繊維部材１０が電気的な導通性を持っていることで、拡散層４の厚さ方向の電気抵抗も下げることができる。
【００１９】
前記繊維部材１０をカーボンで形成してもよい。この場合には、表層を親水化改質してあるか若しくは親水性を示すコーティングがなされているようにする。特に、カーボンファイバーな等を使用すると、電気的な導通性も図ることができる。この場合、ガス拡散層４を構成する基材もカーボンであるため、表層の酸化や親水性官能基による修飾によって親水化を図るか、親水性樹脂の全体コート若しくは部分コートで効果を上げることができる。
【００２０】
また、燃料電池の作動条件によってセル内の腐食環境が異なると考えられるが、セル内の水量が少なめで、相対的に酸性度が高い条件下で発電を行うことが多い場合には、前記繊維部材１０をガラスやセラミックスで形成してもよい。
【００２１】
以上に示した各繊維状部材１０の表層に、微小溝を繊維の長手方向に連ねて形成することにより、毛細管現象によっても水の移動性をより一層向上させることができる。
【００２２】
前記繊維部材１０は、ガス拡散層４の触媒層３と接する一方の表面より露出されることなく、ガス拡散層４内部に留まった位置にその一端部を位置させて配置し、燃料電池セル１として触媒層３および電解質膜２と積層した際に、繊維部材１０の端部によって電解質膜２を傷付けないようにする。
【００２３】
前記一端部のガス拡散層４の表面からの引込み寸法は、燃料電池スタックとして燃料電池セル１を積層してスタックとしての圧縮荷重が加えられた際に、ガス拡散層４が積層方向に圧縮変形されることを見越して、前記圧縮荷重を若干超える荷重が加えられた際のガス拡散層４の変形によっても、繊維部材１０の前記一端部がガス拡散層４の一方の表面から突き出ない寸法に設定される。これらの考慮は、柔軟性のある変形しやすい繊維部材１０については、さほど考慮する必要はないが、特に、繊維部材１０の材質が硬い材質の繊維である場合ほど必要となる。
【００２４】
前記繊維部材１０の他端部は、ガス拡散層４の他方の表面に露出させ、特に望ましくは、セパレータ５のガス流路６に面する表面に露出させ且つ積極的に突出させて配置する。これは、親水性を示す繊維部材１０に沿って液滴がセパレータ５のガス流路６へ移動するのを促進できる効果のためである。特に、繊維部材１０をガス流路６のガス流れ方向に対して、垂直若しくは下流側に向かって傾斜をつけるように突出させて配置することにより、親水性の繊維部材１０に沿って集まった液滴を、ガス流れに従って容易に蒸発・飛散させることができる。
【００２５】
前記繊維部材１０のガス拡散層４への配列密度は、ガス拡散層４内において繊維部材１０が液滴を集められる範囲を目安に均等な密度で配列してもよいが、燃料電池セル１の運転状態において発生する液滴量の分布に応じた密度分布で配列することが望ましい。例えば、アノード側に配置されるガス拡散層４への繊維部材１０の配列密度よりも、カソード側に配置されるガス拡散層４への繊維部材１０の配列密度を高くして、カソード側面で発生する電気化学生成水の排水性能を増加させて、ガス拡散層４内の水詰まりによる発電性能低下を抑制するようにする。
【００２６】
また、同じガス拡散層４内においても、その液滴分布を考慮して、ガス流れ方向に対して下流側であるほど（特に、カソード側）、加湿水ならびに反応生成水のため液滴量が多くなるため、それに合せて繊維部材１０の配列密度を増すことで、排水性を向上させることができる。
【００２７】
また、前記ガス拡散層４と向かい合うセパレータ５においても、その材質を金属製としてもその腐食を抑制することができる。これは、金属セパレータ５の腐食の原因となる可能性がある電解質膜２とセパレータ５とが繋がった微小な高酸性の液滴のパスが拡散層４内で形成されることを抑制する、即ち、前記液滴のパスが生じ難くなる。
【００２８】
本実施形態におけるガス拡散層の第２実施例においては、図２に示すように、親水性を有する複数の繊維部材１０をガス拡散層４内の厚さ方向に貫通させて斜めに配置する構成としている。この実施例における繊維部材１０は、セパレータ５の隣接する流路６間に配列されたリブ８と重なる領域から流路６に開放された領域に向かって傾斜させて配置している。
【００２９】
これは、ガス拡散層４中の液滴が排出させ難い前記リブ８と重なる領域に発生する液滴を傾斜配置した繊維部材１０により、流路６に開放された比較的液滴の排出し易い領域へ積極的に移動させて流路６に排出させるものであり、これにより親水性を示す繊維部材１０に沿って液滴がセパレータ流路６へ移動するのを促進でき、ガス拡散層４中の液滴排出性を向上させることができる。
【００３０】
前記繊維部材１０は、その端部をセパレータ５のガス流路６に積極的に突出した配置とすることで、親水性を示す繊維部材１０に沿って液滴がセパレータ５のガス流路６へ移動するのを促進できる。そして、セパレータ５のリブ８上からセパレータ５の流路６上への水移動によりフラディングを防止することができる。
【００３１】
本実施形態におけるガス拡散層の第３実施例においては、図３に示すように、第２実施例に示すガス拡散層４内の厚さ方向に貫通させて斜めに配置する親水性を有する複数の繊維部材１０を、更に、ガス流れ方向に対して、垂直若しくは下流側に向かって傾斜をつけるように配置する構成としている。これによって、親水性の繊維部材１０に沿って集まった液滴は、ガス流路６のガス流れ（図中の矢印参照）に従って容易に蒸発・飛散することができる。即ち、ガス流れ方向に対して傾斜をつけることで、ガス流れを利用して繊維部材１０上の水移動を効果的に行うことができる。
【００３２】
また、本実施例においては、ガス拡散層４面内における繊維部材１０の配置密度は、セル１中の液滴分布を考慮して、ガス流れ方向に対して下流側であるほど高くなるよう配置数配分を変化させている。ガス流れの下流ほどガス拡散層４内への液滴の滞留が発生しやすいため、その水分布に合せて下流側への配置数を増やすことで排水性を向上させることができる。特に、カソード側下流域では加湿水ならびに反応生成水のため液滴量が多くなるため、それに合せて繊維部材１０の配置数を増すことで、排水性を向上させるようにする。
【００３３】
本実施形態の燃料電池用ガス拡散層においては、以下に記載する効果を奏することができる。
【００３４】
（ア）電解質膜２の両面に夫々の極の触媒層３を配置し、さらに夫々ガス拡散層４を介在させて両面からセパレータ５で挟持して備える燃料電池の前記ガス拡散層４の少なくとも一つに用いる燃料電池用ガス拡散層４を、ガス拡散層４の基材よりも親水性の高い繊維状部材１０を前記基材の厚さ方向に貫通させて複数内蔵して備えるように構成したため、拡散層４内の液滴を集めてガス拡散層４からの水の排出を促進することができる一方、ガス拡散層４内の液滴が集められることにより、結果としてガスの拡散経路を確保することができ、ガス透過性および水排出性を向上させることができる。
【００３５】
（イ）繊維状部材１０を、親水性樹脂若しくは親水性樹脂を主成分とする表面処理が基材表面に施されている樹脂部材１０により形成することにより、親水性部材はガス拡散層４の一つの要件である電気的な導通性を必ずしも持つ必要は無く、親水性樹脂若しくは表面を親水化処理した樹脂部材で実施できる。少なくとも、ガス拡散層４より親水性を保持すると、拡散層４内の液滴を集めることができ、結果としてガスの拡散経路を確保できる。
【００３６】
（ウ）繊維状部材１０を、表層が酸化されているか若しくは親水性樹脂を主成分とする表面処理が施されている金属により形成することにより、燃料電池作動環境下ともで耐食性を有しており且つ表面が酸化もしくは親水性樹脂によるコートがされていることで、上記（イ）の効果を発揮できる。更に、繊維状部材１０が電気的導通性を持っていることで、ガス拡散層４の厚さ方向の電気抵抗も下げることができる。
【００３７】
（エ）繊維状部材１０は、表層を親水化改質してあるか若しくは親水性を示すコーティングがなされているカーボン、例えば、カーボンファイバー等により形成することにより、ガス拡散層４の電気的導通性を向上できる。なお、ガス拡散層４を構成する基材もカーボンであるため、表層の酸化や親水性官能基による修飾によって親水化を図るか、親水性樹脂の全体もしくは部分コートで効果を上げることができる。
【００３８】
（オ）繊維状部材１０の表層に繊維の長手方向に連ねて微小溝を備えるようにすると、毛細管現象によっても水の移動性をより一層向上させることができる。
【００３９】
（カ）繊維状部材１０を、燃料電池セル１のアノード側に配置されるガス拡散層４に内蔵させる配置密度よりもカソード側に配置されるガス拡散層４に内蔵させる配置密度を高くすることにより、ガス流れの上下流によらずカソード側面では電気化学生成水が発生するため、アノード側よりカソード側への配置密度を増やすことで、ガス拡散層４内の水詰まりによる発電性能低下の発生を抑制できる。
【００４０】
（キ）ガス拡散層４と向かい合うセパレータ５は金属製で構成しても、金属セパレータ５の腐食の原因となる可能性がある電解質膜２とセパレータ５とが繋がった微小な高酸性の液滴のパスが拡散層４内で形成されることを抑制する、即ち、前記液滴のパスが生じ難くなり、金属セパレータ５の腐食を抑制することができる。
【００４１】
（ク）繊維状部材１０を、セパレータ５に形成したガス流路６間に配列されたリブ８に重なる領域の触媒層３に接触する一方の表面側からガス流路６に重なる領域のセパレータ５に接する他方の表面に向けて傾斜して配置することにより、セパレータ５のリブ８上からセパレータ５の流路６上への水移動によりフラディングを防止できる。
【００４２】
（ケ）繊維状部材１０のセパレータ５側の端部は、ガス拡散層４のセパレータ５側の他方の表面から突出してガス流路に露出していることにより、親水性の繊維部材１０に沿って集まった液滴は、ガス流路６のガスにより容易に蒸発・飛散させることができる。
【００４３】
（コ）繊維状部材１０は、セパレータ５側の端部がセパレータ５のガス流路６の下流側に向かうよう傾斜させて配置すると、ガス流れによる動圧を利用して繊維部材１０上の水移動を効果的に行うことができる。
【００４４】
（サ）繊維状部材１０は、ガス拡散層４の面内においてセパレータ５のガス流路６を流れるガス流れ方向に対して下流側であるほどその配置密度が高くなるよう配置されていることにより、ガス流れの下流ほどガス拡散層４内への液滴の滞留が発生しやすいため、下流側への配置数を増やすことで排水性を向上させることができる。
【００４５】
以上の構成になる燃料電池用セパレータの製造方法について、図４〜図１３に基づいてその以下に説明する。ここでは、図４〜図８に基づき製造方法の概略を説明し、図９〜図１３に基づいて具体的な製造方法について説明する。
【００４６】
先ず製造方法の概略は、図４に示すように、繊維部材１０の先端をガス拡散層４の触媒層３に接する一方の面１２Ａ（図中の上方の面）側よりガス拡散層４内に差込み、その先端をガス拡散層４を貫通させてセパレータ５に接触される他方の面１２Ｂ（図中の下方の面）から突出させる。ガス拡散層４を貫通させる際には、貫通部位の周囲の拡散層４にできるだけ影響を及ぼさないように、繊維部材１０の先端はガス拡散層４への貫通性の良い針等に固定されて、針によって貫通させることが望ましい。
【００４７】
次に、図５に示すように、貫通させた繊維部材１０の一方の面側から露出した部分を切り離して切断端部１３を形成する。そして、図６に示すように、繊維部材１０の先端を前方（図中下方）へ引くことで前記切断端部１３をガス拡散層４の内部に引入れる。更に、図７に示すように、貫通した繊維部材１０の先端側をガス拡散層４の他方の面（図中下方の面）から所定の長さだけ突出した切断部位１４で切断する。以上の過程により、多数の繊維部材１０を所定の分布比率に基づいて拡散層４に配置することで製作することができる。
【００４８】
前記後者の切断端部１４は、拡散層４表層もしくは拡散層４から突き出ているため、燃料電池セル１として組立の際は、図７に示すように、最初に切断した切断端部１３が拡散層４内に引き込められた一方の面１２Ａ側に触媒層３および電解質膜２が配置されるようにする。即ち、繊維端部１３が拡散層から出ていると、燃料電池セル１としての組立時に電解質膜２に繊維部材１０の切断端部１３が突き刺さり、電解質膜２の破損に繋がる可能性があるためである。これは、繊維の材質にもよるが、硬い材質の繊維である場合ほど、図７に示す配置とする必要性が高い。
【００４９】
燃料電池スタックでは、構成部材である単位ユニットセル（燃料電池セル１）を複数枚積層し、これらを圧縮して使用する場合が殆どである。この圧縮の際に、多孔質のガス拡散層４は前記荷重によって圧縮される。繊維部材１０が配置された状態で圧縮されたガス拡散層４の一方の表面から繊維部材１０の切断端部１３が電解質膜２側に出る可能性がある。
【００５０】
そこで、繊維部材１０の両端を切断した後の組立前に、図８に示すように、事前圧縮を行い、繊維部材１０の切断端部１３が、一方の面１２Ａの表面より上に出ないようにすることができる。即ち、図８では、ガス拡散層４の両面にプレート３０を配置し、プレート３０によりガス拡散層４を、前記スタックとして形成する荷重以上の荷重を加えて圧縮することで、繊維部材１０の切断端部１３を一方の面１２Ａ内に留めるようにする。
【００５１】
この場合に、繊維部材１０が突出している図中の下方の端部１４がプレート３０によりガス拡散層４内に押込められないように、下方のプレート３０には、図示したように、穴が設けられていることが望ましい。この穴は、ガス拡散層４に内蔵させる繊維部材１０の数量分をその該当箇所に夫々設ける必要があり、下方のプレート３０はメッシュ構造に形成することが望ましい。
【００５２】
前記ガス拡散層４の事前圧縮は、繊維部材１０を拡散層４に配置する毎に配置した部位に対して行うか、全ての繊維部材１０の拡散層４への配置が完了した段階で拡散層４全体に対して行うこともできる。また、ガス拡散層４の一面１２Ａから裏面１２Ｂへ繊維状部材１０を貫通させた後、ガス拡散層４の一方の表面部１２Ａにおいて繊維部材１０を切断し、ガス拡散層４のもう一方の面側の繊維を引くことで、切断した繊維部材１０の端部１３をガス拡散層４内部に移動させた後に、一定の荷重をかけてガス拡散層４を圧縮し、その後に他方の面１２Ｂ側から突出している繊維部材１０を切断するようにしてもよい。即ち、他方を切断する前に、燃料電池スタックに掛ける面圧以上で加圧することで、実際の電池スタックの組立時に切断端部１３が拡散層４の一方の面から出ることを抑制できる。この事前圧縮は、スタックの組立に必要な全てのガス拡散層４若しくはある一定数量毎のバッチ処理で実施しても構わない。
【００５３】
図９は燃料電池用セパレータの具体的な組立工程図であり、図１０はワークテーブルを含む組立装置の概略図、図１１はガス拡散層のＸ−Ｙ座標を示す概略図、図１２はワークテーブルを含むガス拡散層への繊維部材配置方法ならびに圧縮方法の概略図、図１３はガス拡散層の荷重-厚さ関係特性を示す特性図である。
【００５４】
図１０に示すように、ワークテーブル３１には、繊維部材１０を通過させる無数の貫通穴３２が配列されている（図示例では、一個の貫通穴３２のみが示されている）。この無数の貫通穴３２は、ワークテーブル３１をメッシュ状部材で形成することによって形成してもよい。また、ワークテーブル３１の上方には、配置されるガス拡散層４の上側表面１２Ａより若干上方において、繊維部材１０を切断する、例えば、レーザビーム発射装置３３が配置され、また、図示しないが、繊維部材１０を繰出してガス拡散層４に突き入れる繊維部材繰出し手段３４が配置されている。
【００５５】
また、ワークテーブル３１の上方には、図１２に示すように、ガス拡散層４を圧縮するプレス手段３５を配置している。ワークテーブル３１の下方には、ガス拡散層４を貫通し、貫通穴３２を通過した繊維部材１０の先端を保持する保持手段３６が配置され、ワークテーブル３１と同一平面には、同じく繊維部材１０を切断する、例えば、レーザビーム発射装置３７が配置されている。
【００５６】
図９に示す工程図において、先ず、ステップ１では、ワークテーブル３１上へガス拡散層４を位置決めして配置する。
【００５７】
ステップ２では、図１１に示すように、ガス拡散層４のＸ−Ｙ座標上において、繊維部材１０を配列する座標位置を夫々の繊維部材１０毎に設定する。このステップ２は予め設定しておくことができる。
【００５８】
ステップ３では、ガス拡散層４の予め設定した座標位置に繊維部材繰出し手段３４により繊維部材１０をガス拡散層４の上面１２Ａから先端を突き入れ、ガス拡散層４を貫通させ、ワークテーブル３１の貫通穴３２を通過させてワークテーブル３１下方に突出させる。この場合に、図では繊維部材１０をワークテーブル３１に対して垂直に配置しているが、図２または図３に示すように、繊維部材１０をワークテーブル３１に対して斜めに貫通させることもできる。
【００５９】
ステップ４では、貫通してワークテーブル３１の下方に突出した繊維部材１０の先端部を保持手段３６により保持させる。前記保持の際に、保持手段３６により繊維部材１０を下方に引っ張るように保持すると、後工程であるステップ５での繊維部材１０の切断の際に繊維部材１０がワークテーブル３１の下方向に移動してしまうため、繊維部材１０にはテンションを張らないか、若しくは、保持手段３６とは反対側（ワークテーブル３１上方）からの引張りにより繊維に弛みを持たせないことが重要である。
【００６０】
ステップ５では、繊維部材１０のガス拡散層４の上面側に連なる部分を切断する。切断方法は、拡散層４表層に沿うようにカッターを移動させて切断させることもでき、また、上記レーザビーム発射装置３３よりレーザを照射することでも切断することができる。繊維部材１０の切断の際は、ガス拡散層４への繊維部材１０の挿入角度によらず、拡散層４の表面１２Ａと平行になるような切断面にすることが好ましい。なお、切断面が拡散層４の表面と平行でない場合には、繊維部材１０の切断縁１３により電解質膜２を傷付ける虞れがある。
【００６１】
ステップ６では、保持手段３６により貫通した繊維部材１０を下方に引張り、前記レーザにより切断された切断部位１３をガス拡散層４の表面１２Ａ直下に引込むようにする。この引込み量は、図１３に示すように、予め拡散層４を圧縮した際に潰れる拡散層４の潰れ代値を参考に、引く長さＬを設定するのが好ましい。
【００６２】
上記のステップ３〜ステップ６を、繊維部材１０の投入位置を変更しつつ連続して実行することにより、拡散層４の面上に複数の繊維部材１０を配置することができる。この投入位置は、ステップ２で設定したＸ−Ｙ座標位置に応じてその都度、繊維部材繰出し手段３４を位置決めして実行される。また、ワークテーブル３１に一本の繊維部材１０を配置するよう説明したが、実際には複数の繊維部材１０の配置を同時並行して実行するようにしてもよい。このため、レーザビーム発射装置３３による切断は、複数の繊維部材１０を同時に実施すると、より効率を上げることができる。全ての繊維部材１０の拡散層４への配置が完了した段階で、ステップ７へ進む。
【００６３】
ステップ７では、ワークテーブル３１の上方に位置するプレス手段３５を下降させて、予め設定した所定の荷重でガス拡散層４全体を圧縮する。圧縮することにより、ガス拡散層４を貫通している繊維部材１０が圧縮代だけガス拡散層４の下方へ押出される。この状態でガス拡散層４の下方に配置したレーザビーム発射装置３７によりワークテーブル３１下方に前記ステップ７での押出し量も含めて突出している多数の繊維部材１０をレーザで切断する。
【００６４】
前記切断は、拡散層４の表層から離れた場所で繊維部材１０を切断すると、繊維部材１０がぶら下がった状態でセパレータ５と接することとなるため、できるだけ拡散層４の表層に近いところでの切断が望ましい。このためには、ワークテーブル３１の上方若しくはワークテーブル３１の厚さ方向中央部にレーザビームの通過を許容するスリット空間を形成して、このスリット空間内にレーザビームを発射させることで、下方への繊維部材１０の突き出し量を小さくすることができる。
【００６５】
前記下方へ突出している繊維部材１０の切断が完了した段階で、ブレス手段３５を上昇させると、ガス拡散層４の厚さ寸法が無圧縮状態に復帰し、ガス拡散層４から下方に突出していた繊維部材１０がガス拡散層４の前記潰れ代だけガス拡散層４内に引入れられ、ガス拡散層４の製作が完了する。
【００６６】
本実施形態の燃料電池用ガス拡散層の製造方法においては、以下に記載する効果を奏することができる。
【００６７】
（シ）電解質膜２の両面に夫々の極の触媒層３を配置し、さらに夫々ガス拡散層４を介在させて両面からセパレータ５で挟持して備える燃料電池の前記ガス拡散層４の製造方法であり、前記ガス拡散層４の基材よりも親水性の高い繊維状部材１０を、前記基材の前記触媒層３に対面する一方の面から裏面へ繊維状部材１０を貫通させ、一方の面から露出している繊維状部材１０を切断して、前記基材の厚さ方向への貫通状態で内蔵させるようにしているため、ガス拡散層４の基材製作時に繊維状部材１０を混入させて製作するよりも、ガス拡散層４の必要な場所に且つ確実に厚さ方向に繊維部材１０を配置することができる。
【００６８】
（ス）繊維状部材１０は、前記一方の面１２Ａから露出している繊維状部材１０が切断された後に、裏面側から引くことで前記切断した繊維状部材１０の端部１３をガス拡散層４内部に移動させ、裏面側に露出している繊維状部材１０を切断するため、触媒層３に接触される一方の面１２Ａ側の端部１３をガス拡散層４内部に移動させることができ、繊維状部材１０の端部１３が拡散層４表層から出ていることによる触媒層３および電解質膜２への傷付きや破損を未然に防止できる。
【００６９】
（セ）繊維状部材１０は、前記一方の面１２Ａから露出している繊維状部材１０が切断された後に、裏面側から引くことで前記切断した繊維状部材１０の端部１３をガス拡散層４内部に移動させ、予め設定した荷重により厚さ方向にガス拡散層４基材を圧縮し、その圧縮状態において裏面側に露出している繊維状部材１０を切断することにより、裏面側の繊維状部材１０を切断する前に圧縮・加圧することで、実際の燃料電池スタックの組立時においても、繊維状部材１０の端部１３がガス拡散層４の一方の表面１２Ａから突出すことを抑制できる。
【００７０】
（ソ）ガス拡散層４への付与荷重は、燃料電池スタックの組立時に付与する締付け荷重以上とすることにより、実際の燃料電池スタックの組立時における電解質膜２の破損を防止できる。
【００７１】
（タ）最初に繊維状部材１０を切断したガス拡散層４の一方の面１２Ａ側を触媒層３および電解質膜２と向かい合う面とすることにより、前記最初に切断した繊維状部材１０の端部１３はガス拡散層４の内部に移動しており、繊維状部材１０の端部１３が電解質膜２を破損することを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の一実施形態を示す燃料電池用ガス拡散層の第１実施例を適用した燃料電池セルの概略図。
【図２】同じく燃料電池用ガス拡散層の第２実施例を示す断面図。
【図３】燃料電池用ガス拡散層の第３実施例を示す平面図。
【図４】ガス拡散層への繊維状部材の配置方法を示す概略図。
【図５】図４に続くガス拡散層への繊維状部材の配置方法を示す概略図。
【図６】図５に続くガス拡散層への繊維状部材の配置方法を示す概略図。
【図７】図６に続くガス拡散層への繊維状部材の配置方法を示す概略図。
【図８】図７に続くガス拡散層への繊維状部材の配置方法を示す概略図。
【図９】燃料電池用セパレータの具体的な組立工程図。
【図１０】ワークテーブルを含む組立装置の概略図。
【図１１】ガス拡散層のＸ−Ｙ座標を示す概略図。
【図１２】ワークテーブルを含むガス拡散層への繊維部材配置方法ならびに圧縮方法の概略図。
【図１３】ガス拡散層の荷重-厚さ関係特性を示す特性図。
【符号の説明】
【００７３】
１  燃料電池セル
２  電解質膜
３  触媒層
４  ガス拡散層、拡散層
５  セパレータ
６  ガス流路
８  リブ
１０  繊維部材、繊維状部材
１２Ａ  一方の面
１３、１４  端部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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