(57)【要約】【課題】燃料電池のガス拡散層内部の炭素繊維の状態を推定することで、ガス拡散層内部から突出してくる炭素繊維が電解質膜を損傷することを防止し、燃料電池の性能の低下を抑制する燃料電池用ガス拡散層の評価方法を提供する。【解決手段】繊維状材料で形成された燃料電池用ガス拡散層の評価方法は、ガス拡散層におけるガス拡散層が積層される積層面に略平行な複数の平面の画像を取得する第１の工程と、複数の画像におけるガス拡散層の繊維状材料の画像から繊維状材料の長さＬｆと平面に対する繊維状材料の傾きθとを推定する第２の工程と、を備える。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
繊維状材料で形成された燃料電池用ガス拡散層の評価方法であって、
前記ガス拡散層における、前記ガス拡散層が積層される積層面に略平行な複数の平面の画像を取得する第１の工程と、
前記複数の画像における前記ガス拡散層の繊維状材料の画像から、前記繊維状材料の長さＬｆと前記平面に対する前記繊維状材料の傾きθとを推定する第２の工程と、を備える、燃料電池用ガス拡散層の評価方法。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池用ガス拡散層の評価方法であって、
前記第２の工程は、前記複数の画像から、前記ガス拡散層の前記積層面に略垂直な面直方向における前記繊維状材料の位置を推定する工程を含む、燃料電池用ガス拡散層の評価方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池用ガス拡散層の評価方法であって、
前記第２の工程は、前記複数の画像の少なくとも１つにおける前記繊維状材料の画像の略楕円形状の短径Ｌａと長径Ｌｂとの測定値を用いて、Ｌａ／Ｌｂ＝ｓｉｎθの式から前記傾きθを推定する工程である、燃料電池用ガス拡散層の評価方法。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池用ガス拡散層の評価方法であって、
一の前記平面と前記一の平面に最も近い他の前記平面との前記面直方向に沿った距離は一定である、燃料電池用ガス拡散層の評価方法。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の燃料電池用ガス拡散層の評価方法であって、
前記第１の工程は、一の前記平面の画像を取得した後、前記ガス拡散層における前記一の平面と次に画像取得の対象となる他の前記平面との間の部分を取り除く工程を含む、燃料電池用ガス拡散層の評価方法。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の燃料電池用ガス拡散層の評価方法であって、さらに、
燃料電池のクリープ変形前後における前記面直方向に沿った厚さの変形量に基づいて、前記ガス拡散層の繊維状材料がクリープ変形後の燃料電池の電解質膜に侵入するか否かを判定する第３の工程を備える、燃料電池用ガス拡散層の評価方法。
【請求項７】
繊維状材料で形成された燃料電池用ガス拡散層の評価装置であって、
前記ガス拡散層における、前記ガス拡散層が積層される積層面に略平行な複数の平面の画像を取得する取得部と、
前記複数の画像における前記ガス拡散層の繊維状材料の画像から、前記繊維状材料の長さＬｆと前記平面に対する前記繊維状材料の傾きθとを推定する推定部と、を備える、燃料電池用ガス拡散層の評価装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用ガス拡散層の評価方法および評価装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池、例えば、固体高分子型燃料電池は、電解質膜を一対の電極（アノードおよびカソード）で挟んで作製した膜電極接合体にガス拡散層を介してそれぞれ反応ガス（燃料ガスおよび酸化ガス）を供給して電気化学反応を引き起こすことにより、物質の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。
【０００３】
燃料電池のガス拡散層は、例えば、炭素繊維で形成されたカーボンクロスやカーボンペーパーで構成されている。燃料電池では、ガス拡散層から突出した炭素繊維が電解質膜に侵入して損傷し、損傷された部分を起点とした電解質膜の劣化や短絡の促進により、燃料電池の性能が低下するおそれがある。このような燃料電池の性能低下を抑制するため、ガス拡散層の基となるガス拡散層基材をローラーに載せて反らせ、拡散層基材の表面から突出した炭素繊維を立たせて除去するガス拡散層の製造方法が知られている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１９８５２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記ガス拡散層の製造方法では、ガス拡散層内部の炭素繊維の状態を知ることができないため、燃料電池の使用時にガス拡散層内部から突出してくる繊維状材料が電解質膜を損傷して、燃料電池の性能が低下するおそれがあった。
【０００６】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池のガス拡散層内部の繊維状材料の状態を推定する技術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】
上記課題の少なくとも一部を解決するために、本発明は、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］繊維状材料で形成された燃料電池用ガス拡散層の評価方法であって、
前記ガス拡散層における、前記ガス拡散層が積層される積層面に略平行な複数の平面の画像を取得する第１の工程と、
前記複数の画像における前記ガス拡散層の繊維状材料の画像から、前記繊維状材料の長さＬｆと前記平面に対する前記繊維状材料の傾きθとを推定する第２の工程と、を備える、燃料電池用ガス拡散層の評価方法。
【０００９】
この燃料電池用ガス拡散層の評価方法では、ガス拡散層における、ガス拡散層が積層される積層面に略平行な複数の平面の画像を取得して、取得した複数の画像から繊維状材料の長さＬｆと平面に対する繊維状材料の傾きθを推定する。そのため、このガス拡散層の評価方法では、繊維状材料が燃料電池に及ぼす影響を評価することができ、また、燃料電池の使用経過に伴うガス拡散層における繊維状材料の評価を、燃料電池を破壊することなく行うことができる。
【００１０】
［適用例２］適用例１に記載の燃料電池用ガス拡散層の評価方法であって、
前記第２の工程は、前記複数の画像から、前記ガス拡散層の前記積層面に略垂直な面直方向における前記繊維状材料の位置を推定する工程を含む、燃料電池用ガス拡散層の評価方法。
【００１１】
この燃料電池用ガス拡散層の評価方法では、取得したガス拡散層の複数の画像から、ガス拡散層の面直方向における繊維状材料の位置を推定するため、ガス拡散層から繊維状材料が突出する量を推定できるので、燃料電池における繊維状材料の電解質膜への侵入の可能性有無について評価を行うことができる。
【００１２】
［適用例３］適用例１または適用例２に記載の燃料電池用ガス拡散層の評価方法であって、
前記第２の工程は、前記複数の画像の少なくとも１つにおける前記繊維状材料の画像の略楕円形状の短径Ｌａと長径Ｌｂとの測定値を用いて、Ｌａ／Ｌｂ＝ｓｉｎθの式から前記傾きθを推定する工程である、燃料電池用ガス拡散層の評価方法。
【００１３】
この燃料電池用ガス拡散層の評価方法では、取得したガス拡散層の複数の画像の少なくとも１つの画像における繊維状材料の楕円形状の短径Ｌａと長径Ｌｂとを用いて、Ｌａ／Ｌｂ＝ｓｉｎθの式から傾きθを推定するため、１つの平面の画像から簡便に平面に対する繊維状材料の傾きθを推定することができる。
【００１４】
［適用例４］適用例１ないし適用例３のいずれかに記載の燃料電池用ガス拡散層の評価方法であって、
一の前記平面と前記一の平面に最も近い他の前記平面との前記面直方向に沿った距離は一定である、燃料電池用ガス拡散層の評価方法。
【００１５】
この燃料電池用ガス拡散層の評価方法では、画像を取得した平面と隣接する平面との面直方向に沿った距離が一定であるため、繊維状材料の長さＬｆを一元的に推定することができる。
【００１６】
［適用例５］適用例１ないし適用例４のいずれかに記載の燃料電池用ガス拡散層の評価方法であって、
前記第１の工程は、一の前記平面の画像を取得した後、前記ガス拡散層における前記一の平面と次に画像取得の対象となる他の前記平面との間の部分を取り除く工程を含む、燃料電池用ガス拡散層の評価方法。
【００１７】
この燃料電池用ガス拡散層の評価方法では、平面の画像を取得した後、次に画像を取得する平面との間の部分を取り除くので、画像を取得して、かつ、取得する画像の間の部分を取り除く装置や設備を用いることで、自動または半自動で評価を行うことができる。
【００１８】
［適用例６］適用例１ないし適用例５のいずれかに記載の燃料電池用ガス拡散層の評価方法であって、さらに、
燃料電池のクリープ変形前後における前記面直方向に沿った厚さの変形量に基づいて、前記ガス拡散層の繊維状材料がクリープ変形後の燃料電池の電解質膜に侵入するか否かを判定する第３の工程を備える、燃料電池用ガス拡散層の評価方法。
【００１９】
この燃料電池用ガス拡散層の評価方法では、燃料電池のクリープ変形前後における面直方向に沿った厚さの変形量に基づいて、ガス拡散層に含まれる繊維状材料がクリープ変形後に電解質膜に侵入するか否かの判定をするので、取得したガス拡散層における複数の平面における繊維状材料の画像によって、燃料電池の性能の低下を抑制することができる。
【００２０】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、燃料電池、燃料電池の検査方法および製造方法、燃料電池スタック、燃料電池スタックの検査方法および製造方法、燃料電池を備えた移動体、燃料電池を備えた移動体の検査方法および製造方法等の態様で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施例における燃料電池１００の構成を概略的に示す説明図である。
【図２】本発明の実施例におけるガス拡散層１２２、１２４の評価方法の流れを示すフローチャートである。
【図３】本発明の実施例における燃料電池１００の評価サンプルＳａの一例を示す説明図である。
【図４】本発明の実施例におけるアノード側ガス拡散層１２４の断面Ｐｈ２の撮影画像ＩＭ２を示す説明図である。
【図５】本発明の実施例におけるアノード側ガス拡散層１２４の断面Ｐｈ２の断面を示す説明図である。
【図６】第２実施例におけるガス拡散層１２２、１２４の評価方法の流れを示すフローチャートである。
【図７】第２実施例におけるガス拡散層１２２、１２４の評価サンプルＳａ’の一例を示す説明図である。
【図８】第２実施例におけるクリープ変形前後の燃料電池１００の断面の拡大図の一例を示している。
【図９】第２実施例におけるガス拡散層１２２、１２４を形成する炭素繊維Ｃｆの電解質膜１１５への侵入の可能性有無の関係の一例を示す説明図である。
【図１０】変形例におけるアノード側ガス拡散層１２４ａの炭素繊維Ｃｆ５の概略を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ−１．燃料電池の構成：
Ａ−２．ガス拡散層の評価方法：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．変形例：
【００２３】
Ａ．第１実施例：
Ａ−１．燃料電池の構成：
図１は、本発明の実施例における燃料電池１００の構成を概略的に示す説明図である。本実施例の燃料電池１００は、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型燃料電池である。燃料電池１００は、セパレータ１４０とカソード側ガス流路層１３２とカソード側ガス拡散層１２２とカソード側撥水層１５２と膜電極接合体（以下「ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）」とも呼ぶ）１１０とアノード側撥水層１５４とアノード側ガス拡散層１２４とアノード側ガス流路層１３４とから構成されたセルが複数積層されて締結されたスタック構造を有している。
【００２４】
図１に示すように、ＭＥＡ１１０は、電解質膜１１５と、電解質膜１１５の一方の側に配置されたアノード触媒層１１４と、電解質膜１１５の他方の側に配置されたカソード触媒層１１２と、から構成されている。アノード触媒層１１４は電解質膜１１５と反対側でアノード側撥水層１５４と接していて、アノード側撥水層１５４はアノード触媒層１１４の反対側でアノード側ガス拡散層１２４と接している。アノード側ガス拡散層１２４とセパレータ１４０との間には、アノード側ガス流路層１３４が配置される。また、カソード触媒層１１２は電解質膜１１５と反対側でカソード側撥水層１５２と接していて、カソード側撥水層１５２はカソード触媒層１１２と反対側でカソード側ガス拡散層１２２と接している。カソード側ガス拡散層１２２とセパレータ１４０との間にはカソード側ガス流路層１３２が配置される。
【００２５】
なお、本明細書では、カソード側撥水層１５２およびアノード側撥水層１５４をまとめて撥水層とも呼ぶ。また、アノード側ガス拡散層１２４およびカソード側ガス拡散層１２２をまとめてガス拡散層とも呼び、アノード触媒層１１４およびカソード触媒層１１２をまとめて触媒層とも呼ぶ。図１には、燃料電池１００の構成をわかりやすく示すために、１つのＭＥＡ１１０に対応する１つのセルのみを示し、他のセルの図示を省略している。
【００２６】
電解質膜１１５は、フッ素系樹脂材料あるいは炭化水素系樹脂材料により形成されたイオン交換膜であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を有する。触媒層１１２、１１４は、電極反応を促進する触媒を提供する層であり、触媒金属担持担体と電解質としてのアイオノマーとを含む材料により形成されている。触媒金属担持担体としては、担体（カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー等）に、触媒金属（白金、パラジウム等）が担持されたものを用いることができる。アイオノマーとしては、パーフルオロスルホン酸樹脂材料（ナフィオン（登録商標））等を用いることができる。
【００２７】
ガス拡散層１２２、１２４は、電極反応に用いられる反応ガス（酸化ガスおよび燃料ガス）を面方向（燃料電池１００の積層方向（図１参照）に略直交する方向）に拡散させる層であり、例えばカーボンクロスやカーボンペーパーのような複数の炭素繊維を樹脂で固めた拡散層基材により形成されている。撥水層１５２、１５４は、撥水性を得るために、拡散層用基材を撥水ペーストでコーティング（撥水処理）されたもので形成されている。
【００２８】
セパレータ１４０は、ガスを透過しない緻密質であると共に導電性を有する材料、例えば圧縮成型された緻密質カーボン、金属、導電性樹脂により形成されている。アノード側ガス流路層１３４およびカソード側ガス流路層１３２は、反応ガスを燃料電池１００の面方向に沿って流通させる反応ガス流路として機能する層であり、例えば、金属多孔体やカーボン多孔体などの導電性を有する多孔質材料により形成されている。
【００２９】
図１では図示を省略しているが、燃料電池１００は、いずれも燃料電池１００を積層方向に貫通する燃料ガス供給マニホールドと、燃料ガス排出マニホールドと、酸化ガス供給マニホールドと、酸化ガス排出マニホールドと、を有している。燃料電池１００に対して供給された燃料ガスは、燃料ガス供給マニホールドを介して各セルのアノード側ガス流路層１３４に分配され、アノード側ガス拡散層１２４で拡散され、さらにＭＥＡ１１０のアノード側に供給されてＭＥＡ１１０における電気化学反応に利用される。反応に利用されなかった燃料ガスは、燃料ガス排出マニホールドを介して外部に排出される。また、燃料電池１００に対して供給された酸化ガスは、酸化ガス供給マニホールドを介して各セルのカソード側ガス流路層１３２に分配され、カソード側ガス拡散層１２２で拡散され、さらにＭＥＡ１１０のカソード側に供給されてＭＥＡ１１０おける電気化学反応に利用される。反応に利用されなかった酸化ガスは、酸化ガス排出マニホールドを介して外部に排出される。燃料ガスとしては、例えば水素ガスが用いられ、酸化ガスとしては、例えば空気が用いられる。
【００３０】
Ａ−２．ガス拡散層の評価方法：
図２は、本発明の実施例におけるガス拡散層１２２、１２４の評価方法の流れを示すフローチャートである。最初に、炭素繊維Ｃｆを含むガス拡散層１２２、１２４付近の部分を評価サンプルＳａとして、燃料電池１００からカットする（ステップＳ２００）。カットした評価サンプルＳａを樹脂で固めて、評価サンプルＳａの研磨および撮影による画像の取得を容易に行えるようにする。
【００３１】
次に、評価サンプルＳａを積層方向に研磨する（ステップＳ２１０）。図３は、本発明の実施例における燃料電池１００の評価サンプルＳａの一例を示す説明図である。図３に示す評価サンプルＳａは、例えば、図１におけるＸ１部である。アノード側ガス拡散層１２４とアノード側ガス流路層１３４との境界の断面Ｐｈ１を撮影するために、評価サンプルＳａのアノード側ガス流路層１３４を積層方向に研磨する。以下では、説明を簡単にするために、評価サンプルＳａに２つの炭素繊維Ｃｆ（炭素繊維Ｃｆ１、炭素繊維Ｃｆ２）のみが含まれているものとする。なお、炭素繊維Ｃｆ１および炭素繊維Ｃｆ２は、評価サンプルＳａの内部に存在しているので図３に図示しているが、実際の評価サンプルＳａでは外側から視認されることがない。なお、本実施例における積層方向は、本発明の面直方向に相当する。
【００３２】
次に、評価サンプルＳａの研磨した断面を撮影する（ステップＳ２２０）。図３の例では、評価サンプルＳａの断面Ｐｈ１を撮影すると、炭素繊維Ｃｆ１および炭素繊維Ｃｆ２は、断面Ｐｈ１には存在しないため、断面Ｐｈ１の撮影画像には含まれない。そのため、断面Ｐｈ１の撮影画像のみから炭素繊維Ｃｆ１および炭素繊維Ｃｆ２の長さと断面Ｐｈ１に対する傾きとを推定することはできない。なお、評価サンプルＳａの研磨した断面を撮影すること（ステップＳ２２０）は、本発明の第１の工程に相当する。
【００３３】
次に、取得した撮影画像から炭素繊維Ｃｆの長さＬｆおよび断面に対する傾きθを推定することができない場合（ステップＳ２３０：ＮＯ）、さらに評価サンプルＳａの断面を積層方向に研磨する（ステップＳ２１０）。本実施例では、断面Ｐｈ１を撮影した後に、図３に示すように、評価サンプルＳａを積層方向に厚さｔｇだけ研磨する。その後、アノード側ガス拡散層１２４の断面Ｐｈ２を撮影する（ステップＳ２２０）。
【００３４】
図４は、本発明の実施例におけるアノード側ガス拡散層１２４の断面Ｐｈ２の撮影画像ＩＭ２を示す説明図である。図４に示すように、断面Ｐｈ２には炭素繊維Ｃｆ１および炭素繊維Ｃｆ２が存在しているため、撮影画像ＩＭ２には、炭素繊維Ｃｆ１の断面画像Ｓ１および炭素繊維Ｃｆ２の断面画像Ｓ２が含まれる。炭素繊維Ｃｆは略円柱状形状であり、長手方向に垂直に切断すると、切断面は所定の直径の略正円となる。しかし、図４に示すように、炭素繊維Ｃｆ１および炭素繊維Ｃｆ２は断面Ｐｈ２に対して垂直ではない場合があり、その場合には、断面画像Ｓ１および断面画像Ｓ２は楕円形状となる。炭素繊維Ｃｆ１の断面画像Ｓ１は、短径がＬａ１、長径がＬｂ１の楕円である。また、同じように、炭素繊維Ｃｆ２の断面画像Ｓ２は、短径がＬａ２、長径がＬｂ２の楕円である。
【００３５】
炭素繊維Ｃｆの長さＬｆの推定は、燃料電池１００の複数の断面の撮影画像において、炭素繊維Ｃｆの断面画像が確認されてから、再度、炭素繊維Ｃｆの断面画像が確認されなくなるまでの撮影画像を取得することで行うことができる。そのため、評価サンプルＳａの断面Ｐｈ１の撮影画像と断面Ｐｈ２の撮影画像ＩＭ２とでは、炭素繊維Ｃｆ１の長さＬ１および炭素繊維Ｃｆ２の長さＬ２を推定することができないので（ステップＳ２３０：ＮＯ）、さらに評価サンプルＳａの断面Ｐｈ２を積層方向に厚さｔｇだけ研磨する（ステップＳ２１０）。その後、アノード側撥水層１５４とアノード側ガス拡散層１２４との境界の断面Ｐｈ３を撮影する（ステップＳ２２０）。同じように、断面Ｐｈ３を撮影した後、本実施例では、炭素繊維Ｃｆ１および炭素繊維Ｃｆ２が電解質膜１１５に浸入しているか否かを知るため、評価サンプルＳａを積層方向にアノード側撥水層１５４の厚さｔｗとアノード触媒層１１４の厚さｔｃとの分だけ研磨して、電解質膜１１５とアノード触媒層１１４との境界の断面Ｐｈ４を撮影する。その後、さらに評価サンプルＳａを電解質膜１１５の厚さｔｅとカソード触媒層１１２の厚さｔｃとカソード側撥水層１５２の厚さｔｗとの分だけ積層方向に研磨して、カソード側撥水層１５２とカソード側ガス拡散層１２２との境界の断面Ｐｈ５を撮影する。
【００３６】
炭素繊維Ｃｆ１は、断面Ｐｈ４には存在するが、断面Ｐｈ５には存在していない。また、炭素繊維Ｃｆ２は、断面Ｐｈ３には存在するが、断面Ｐｈ４には存在していない。そのため、評価サンプルＳａの断面Ｐｈ１ないし断面Ｐｈ５の撮影画像から、炭素繊維Ｃｆ１の長さＬ１および炭素繊維Ｃｆ２の長さＬ２を推定することができる（ステップＳ２３０：ＹＥＳ）。
【００３７】
次に、取得した断面の撮影画像から炭素繊維Ｃｆの傾きθを推定する（ステップＳ２４０）。図５は、本発明の実施例におけるアノード側ガス拡散層１２４の断面Ｐｈ２の断面を示す説明図である。図５（ａ）には、図４の炭素繊維Ｃｆ１の断面Ｓｖ１を示し、図５（ｂ）には、図４の炭素繊維Ｃｆ２の断面Ｓｖ２を示している。図５（ａ）に示すように、断面Ｐｈ２に対する炭素繊維Ｃｆ１の傾きをθ１とすると、傾きθ１は、炭素繊維Ｃｆ１の直径Ｄ１と断面画像Ｓ１の長径Ｌｂ１とを用いて、Ｄ１／Ｌｂ１＝ｓｉｎ（θ１）の式で求めることができる。図３および図５（ａ）より、炭素繊維Ｃｆ１の断面画像Ｓ１の短径Ｌａ１と直径Ｄ１とは同じであるため、傾きθ１は、Ｌａ１／Ｌｂ１＝ｓｉｎ（θ１）の式で求めることができる。同じように、図５（ｂ）に示すように、断面Ｐｈ２に対する炭素繊維Ｃｆ２の傾きをθ２とすると、傾きθ２は、Ｄ２／Ｌｂ２＝ｓｉｎ（θ２）、すなわち、Ｌａ２／Ｌｂ２＝ｓｉｎ（θ２）の式で求めることができる。
【００３８】
次に、取得した断面の撮影画像から炭素繊維Ｃｆの長さＬｆを推定する（ステップＳ２５０）。図３に示すように、炭素繊維Ｃｆ１は、断面Ｐｈ１には存在せず、断面Ｐｈ２、断面Ｐｈ３、断面Ｐｈ４には存在して、断面Ｐｈ５には存在していない。また、炭素繊維Ｃｆ２は、断面Ｐｈ１には存在せず、断面Ｐｈ２および断面Ｐｈ３には存在して、断面Ｐｈ４および断面Ｐｈ５には存在していない。そのため、炭素繊維Ｃｆ１の長さＬ１および炭素繊維Ｃｆ２の長さＬ２を推定することができる。
【００３９】
炭素繊維Ｃｆ１の断面Ｐｈ２に対する傾きがθ１であるので、図３および図５に示すように、炭素繊維Ｃｆ１の積層方向に沿った長さＬ１・ｓｉｎ（θ１）は、（ｔｇ＋ｔｗ＋ｔｃ）よりも大きく、（２ｔｇ＋２ｔｗ＋２ｔｃ＋ｔｅ）よりも小さい。すなわち、炭素繊維Ｃｆ１の実際の長さＬ１は、（ｔｇ＋ｔｗ＋ｔｃ）／ｓｉｎ（θ１）よりも大きく、（２ｔｇ＋２ｔｗ＋２ｔｃ＋ｔｅ）／ｓｉｎ（θ１）よりも小さいと推定できる。また、どの断面の撮影画像に炭素繊維Ｃｆが含まれているかによって、炭素繊維Ｃｆの長さＬｆおよび断面に対する傾きθ以外に、ガス拡散層１２２、１２４および燃料電池での積層方向における炭素繊維Ｃｆの存在する位置を推定することができる。同じように、炭素繊維Ｃｆ２の長さＬ２は、取得された撮影画像からｔｇ／ｓｉｎ（θ２）よりも大きく、（２ｔｇ＋ｔｗ＋ｔｃ）／ｓｉｎ（θ２）よりも小さいと推定できる。なお、取得した断面の撮影画像から炭素繊維Ｃｆの傾きθを推定すること（ステップＳ２４０）および取得した断面の撮影画像から炭素繊維Ｃｆの長さＬｆと積層方向における位置とを推定すること（ステップＳ２５０）は、本発明の第２の工程に相当する。
【００４０】
以上説明したように、本実施例の燃料電池１００のガス拡散層１２２、１２４では、アノード側ガス拡散層１２４を含む評価サンプルＳａにおける積層方向に研磨した断面Ｐｈ１ないし断面Ｐｈ５の撮影画像を取得する。撮影画像ＩＭ２の炭素繊維Ｃｆ１の楕円形状の断面画像Ｓ１から、断面Ｐｈ２に対する炭素繊維Ｃｆ１の傾きθ１を推定することができる。また、炭素繊維Ｃｆ１は、断面Ｐｈ１には存在せず、断面Ｐｈ２、断面Ｐｈ３、断面Ｐｈ４には存在して、断面Ｐｈ５には存在していない。そのため、炭素繊維Ｃｆ１の長さＬ１は、（ｔｇ＋ｔｗ＋ｔｃ）／ｓｉｎ（θ１）よりも大きく、（２ｔｇ＋２ｔｗ＋２ｔｃ＋ｔｅ）／ｓｉｎ（θ１）よりも小さいことが推定できる。よって、本実施例の燃料電池１００のガス拡散層１２２、１２４では、積層方向に沿った複数の断面の画像を取得することで、ガス拡散層１２２、１２４の内部の炭素繊維Ｃｆの長さＬｆと断面に対する傾きθとを推定することができ、炭素繊維Ｃｆが燃料電池１００に及ぼす影響を評価することができる。
【００４１】
また、本実施例の燃料電池１００のガス拡散層１２２、１２４では、燃料電池１００の評価サンプルＳａにおける断面Ｐｈ１ないし断面Ｐｈ５の撮影画像から、どの断面の撮影画像に炭素繊維Ｃｆ１が含まれているかによって、アノード側ガス拡散層１２４の積層方向における炭素繊維Ｃｆ１の存在する位置を推定することができる。そのため、本実施例の燃料電池１００のガス拡散層１２２、１２４では、炭素繊維Ｃｆの長さＬｆと断面に対する傾きθが推定できれば、ガス拡散層１２２、１２４から炭素繊維Ｃｆが突出する量を推定することができる。
【００４２】
また、本実施例の燃料電池１００のガス拡散層１２２、１２４では、アノード側ガス拡散層１２４の断面Ｐｈ２の撮影画像ＩＭ２において、炭素繊維Ｃｆ１の楕円形状の断面画像Ｓ１における短径Ｌａ１と長径Ｌａ２とから、断面Ｐｈ２に対する炭素繊維Ｃｆ１の傾きθ１は、Ｌａ１／Ｌｂ１＝ｓｉｎ（θ１）の式で求めることができる。そのため、本実施例の燃料電池１００のガス拡散層１２２、１２４では、１つの断面の撮影画像から簡便に断面に対する炭素繊維Ｃｆの傾きθを推定することができる。
【００４３】
また、本実施例の燃料電池１００のガス拡散層１２２、１２４では、評価サンプルＳａにおけるアノード側ガス拡散層１２４の断面Ｐｈ１を撮影した後に、評価サンプルＳａを積層方向に厚さｔｇだけ研磨して、断面Ｐｈ２を撮影する。その後、さらに断面Ｐｈ２を積層方向に厚さｔｇだけ研磨して、断面Ｐｈ３を撮影する。本実施例のアノード側ガス拡散層１２４では、取得する撮影画像の断面は等間隔であるため、ガス拡散層１２２、１２４の複数の炭素繊維Ｃｆの長さＬｆを一元的に推定することができ、また、ガス拡散層１２２、１２４の研磨および断面の撮影を装置や設備を用いて自動または半自動で行うことができる。
【００４４】
Ｂ．第２実施例：
図６は、第２実施例におけるガス拡散層１２２、１２４の評価方法の流れを示すフローチャートである。第２実施例におけるガス拡散層１２２、１２４の評価方法では、評価サンプルＳａ’がガス拡散層１２２、１２４の基となるガス拡散層基材１２６であることと、燃料電池１００のクリープ変形後におけるガス拡散層１２２、１２４の炭素繊維Ｃｆの電解質膜１１５への侵入の可能性有無の判定をすることと、が第１実施例と異なる。
【００４５】
最初に、炭素繊維Ｃｆを含むガス拡散層１２２、１２４の基となるガス拡散層基材１２６の一部を評価サンプルＳａ’としてカットする（ステップＳ３００）。カットした評価サンプルＳａ’を樹脂で固めて、評価サンプルＳａ’の研磨および撮影による画像の取得を容易に行えるようにする。
【００４６】
図７は、第２実施例におけるガス拡散層１２２、１２４の評価サンプルＳａ’の一例を示す説明図である。評価サンプルＳａ’には炭素繊維Ｃｆ３が含まれている。上記第１実施例と同じように、図７から、炭素繊維Ｃｆ３の断面Ｐｈ７に対する傾きはθ３と推定できる（ステップＳ３４０）。また、取得された断面Ｐｈ６ないし断面Ｐｈ１０の撮影画像から、炭素繊維Ｃｆ３の長さＬ３は、２ｔｇａ／ｓｉｎ（θ３）よりも大きく、４ｔｇａ／ｓｉｎ（θ３）よりも小さいと推定できる（ステップＳ３５０）。
【００４７】
次に、燃料電池１００のクリープ変形後におけるガス拡散層１２２、１２４の炭素繊維Ｃｆの電解質膜１１５への侵入の可能性有無を判定する（ステップＳ３６０）。燃料電池１００は継続的に使用すると、クリープ変形を生じてガス拡散層１２２、１２４および撥水層１５２、１５４の積層方向に沿った厚さが小さくなる。そのため、ガス拡散層１２２、１２４の炭素繊維Ｃｆは、燃料電池１００の積層時には電解質膜１１５に侵入していなくても、クリープ変形後に電解質膜１１５に侵入する場合がある。
【００４８】
図８は、第２実施例におけるクリープ変形前後の燃料電池１００の断面の拡大図の一例を示している。図８（ａ）には、クリープ変形前のアノード側ガス拡散層１２４ａから突出した炭素繊維Ｃｆ４の周りの状態を示しており、図８（ｂ）には、クリープ変形後の炭素繊維Ｃｆ４の周りの状態を示している。図８（ａ）に示すように、クリープ変形前におけるアノード側ガス拡散層１２４ａとアノード側撥水層１５４との積層方向に沿った厚さの合計はＴｄである。また、図８（ｂ）に示すように、第２実施例では、クリープ変形後におけるアノード側ガス拡散層１２４ａ’とアノード側撥水層１５４’との積層方向に沿った厚さの合計は、Ｔｄ’となり、クリープ変形前後において変形量Δｔだけ小さくなっている。
【００４９】
図８（ａ）に示すように、炭素繊維Ｃｆ４は、クリープ変形前に電解質膜１１５には侵入していないが、図８（ｂ）に示すように、クリープ変形後に電解質膜１１５に侵入している。そのため、燃料電池１００の積層方向に沿った変形量Δｔを推定し、クリープ変形後のガス拡散層１２２、１２４から突出する炭素繊維Ｃｆの突出量を推定して、炭素繊維Ｃｆの電解質膜１１５への侵入の可能性有無の判定をすることが好ましい。
【００５０】
図９は、第２実施例におけるガス拡散層１２２、１２４を形成する炭素繊維Ｃｆの電解質膜１１５への侵入の可能性有無の関係の一例を示す説明図である。図９には、ガス拡散層１２２、１２４を形成する炭素繊維Ｃｆの長さＬｆとガス拡散層１２２、１２４の撮影した断面に対する傾きθとによって、電解質膜１１５への炭素繊維Ｃｆの侵入の有無を表す実験データをプロットしている。プロットした実験データのうち、「○」はプロットした炭素繊維Ｃｆが電解質膜１１５へ侵入していないことを表し、「×」はプロットした炭素繊維Ｃｆが電解質膜１１５へ侵入していることを表している。
【００５１】
図９に示すプロットした実験データは、炭素繊維Ｃｆの長さＬｆと撮影した断面に対する傾きθとの関係を示している。例えば、図９に示すデータｄａ１の炭素繊維Ｃｆｄａ１は、長さがＬｄａ１で、傾きが２５度で、電解質膜１１５へ侵入していない。また、データｄａ２の炭素繊維Ｃｆｄａ２は、長さがＬｄａ２で、傾きが２５度で、電解質膜１１５へ侵入している。炭素繊維Ｃｆｄａ１と炭素繊維Ｃｆｄａ２とを比較すると、傾きが共に２５度であるので、データｄａ１の炭素繊維Ｃｆｄａ１の方が長い。しかし、データｄａ１の炭素繊維Ｃｆｄａ１は電解質膜１１５には侵入せずに、データｄａ１よりも短い炭素繊維Ｃｆｄａ２が電解質膜１１５に侵入している。つまり、本実施例における実験データでは、ガス拡散層１２２、１２４の積層方向における炭素繊維Ｃｆの位置を考慮していないため、炭素繊維Ｃｆの長さＬｆおよび傾きθと電解質膜１１５への侵入有無とに特定の関係はない。
【００５２】
図９に示す曲線Ｃｒは、クリープ変形後における触媒層１１２、１１４と撥水層１５２、１５４との積層方向に沿った厚さの合計Ｔｄ’（図８）をｓｉｎθで割った値である。そのため、炭素繊維Ｃｆの長さＬｆをｓｉｎθで割った値が曲線Ｃｒよりも小さければ、その炭素繊維Ｃｆは、ガス拡散層１２２、１２４の積層方向における存在する位置に関係なく、電解質膜１１５に侵入することはないと判定できる。逆に、炭素繊維Ｃｆの長さＬｆをｓｉｎθで割ったものが曲線Ｃｒよりも大きければ、その炭素繊維Ｃｆは、ガス拡散層１２２、１２４の積層方向における位置によっては、電解質膜１１５に侵入する可能性があると判定できる。なお、燃料電池１００のクリープ変形後におけるガス拡散層１２２、１２４の炭素繊維Ｃｆの電解質膜１１５への侵入の可能性有無を判定すること（ステップＳ３６０）は、本発明の第３の工程に相当する。
【００５３】
以上説明したように、第２実施例の燃料電池１００では、継続的に使用すると、クリープ変形を生じてガス拡散層１２２、１２４および撥水層１５２、１５４の積層方向に沿った厚さは変形量Δｔだけ小さくなる。そのため、炭素繊維Ｃｆの長さＬｆをｓｉｎθで割った値が曲線Ｃｒ（図９）よりも小さければ、その炭素繊維Ｃｆは、ガス拡散層１２２、１２４の積層方向における存在する位置に関係なく、電解質膜１１５に侵入することはないと判定できる。よって、本実施例の燃料電池１００のガス拡散層１２２、１２４では、クリープ変形前のガス拡散層１２２、１２４の複数の断面における炭素繊維Ｃｆの画像から、クリープ変形後の燃料電池１００の電解質膜１１５に炭素繊維Ｃｆが侵入するか否かを判定できるので、燃料電池１００の性能の低下を抑制することができる。
【００５４】
また、第２実施例の燃料電池１００のガス拡散層１２２、１２４では、アノード側ガス拡散層１２４の積層方向における炭素繊維Ｃｆ１の存在する位置を推定することができれば、ガス拡散層１２２、１２４から炭素繊維Ｃｆが突出する量を推定することができるので、燃料電池１００における炭素繊維Ｃｆの電解質膜１１５への侵入の可能性有無について評価することができる。
【００５５】
Ｃ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００５６】
Ｃ１．変形例１：
上記実施例のガス拡散層１２２、１２４の評価方法では、燃料電池１００の評価サンプルＳａを積層方向に研磨することで、複数の断面を撮影しているが、断面の撮影方法については種々の態様が可能である。例えば、Ｘ線ＣＴスキャンにより、ガス拡散層１２２、１２４を含め、燃料電池１００の内部における炭素繊維Ｃｆの長さＬｆ、撮影断面に対する傾きθ、積層方向における位置について、評価サンプルＳａを研磨しないで非破壊的に推定することができる。そのため、ガス拡散層１２２、１２４を破壊しないで炭素繊維Ｃｆの長さＬｆや撮影断面に対する傾きθを推定することができる。よって、この変形例のガス拡散層１２２、１２４評価方法では、燃料電池１００の使用途中でもガス拡散層１２２、１２４の評価を行うことができ、燃料電池１００の使用経過に伴うガス拡散層１２２、１２４における炭素繊維Ｃｆの評価を、燃料電池１００を破壊することなく行うことができる。
【００５７】
Ｃ２．変形例２：
上記実施例の燃料電池１００のガス拡散層１２２、１２４では、内部の炭素繊維Ｃｆは直線形状であり、炭素繊維Ｃｆの長さＬｆや断面に対する傾きθを推定できるとしたが、炭素繊維Ｃｆが直線以外の形状であっても長さＬｆや傾きθを推定することができる。
【００５８】
図１０は、変形例におけるアノード側ガス拡散層１２４ａの炭素繊維Ｃｆ５の概略を示す説明図である。例えば、図１０では、アノード側ガス拡散層１２４ａには炭素繊維Ｃｆ５が存在している。炭素繊維Ｃｆ５は、曲線形状であり、図１０に示すように断面Ｐｈ１１および断面Ｐｈ１４の撮影画像には含まれない。断面Ｐｈ１１から積層方向に厚さｔｇｂだけ研磨した断面Ｐｈ１２と、さらに断面Ｐｈ１２から積層方向に厚さｔｇｂだけ研磨した断面Ｐｈ１３と、の撮影画像には、炭素繊維Ｃｆ５が含まれる。断面Ｐｈ１２における炭素繊維Ｃｆ５の断面形状から、断面Ｐｈ１２に対する炭素繊維Ｃｆ５の傾きθ５ａを推定することができる。同じように、断面Ｐｈ１３における炭素繊維Ｃｆ５の断面形状から、断面Ｐｈ１３に対する炭素繊維Ｃｆ５の傾きθ５ｂを推定することができる。図８に示すように、傾きθ５ｂは傾きθ５ａよりも大きいため、ｓｉｎ（θ５ｂ）は、ｓｉｎ（θ５ａ）よりも大きい。よって、炭素繊維Ｃｆ５の積層方向に沿った長さにおいて、ｔｇａ＜Ｌ５・ｓｉｎ（θ５ａ）＜Ｌ５・ｓｉｎ（θ５ｂ）＜３ｔｇａの関係が成立する。すなわち、炭素繊維Ｃｆ５の長さＬ５は、ｔｇａ／ｓｉｎ（θ５ｂ）＜Ｌ５＜３ｔｇａ／ｓｉｎ（θ５ａ）の関係を満たすと推定することができる。そのため、ガス拡散層１２２、１２４の炭素繊維Ｃｆが直線以外の形状であっても、炭素繊維Ｃｆの長さＬｆや傾きθを推定することができる。
【００５９】
Ｃ３．変形例３：
上記第２実施例のガス拡散層１２２、１２４では、ガス拡散層基材１２６の一部を評価サンプルＳａ’として評価して、燃料電池１００のクリープ変形後におけるガス拡散層１２２、１２４から突出した炭素繊維Ｃｆを推定したが、他の方法でも推定することができる。例えば、ガス拡散層基材１２６において、複数の炭素繊維Ｃｆをポリビニルアルコール等のバインダーで接着して作製する場合、接着前の炭素繊維Ｃｆの長さを制御することによって、炭素繊維Ｃｆの最大長さが限られるため、炭素繊維Ｃｆの電解質膜１１５への浸入の可能性をより高い精度で判定することができる。
【００６０】
また、上記第２実施例のガス拡散層１２２、１２４では、図９に示す曲線Ｃｒは、クリープ変形後における触媒層１１２、１１４と撥水層１５２、１５４との積層方向に沿った厚さＴｄ’の合計から算出しているが、他の方法でも炭素繊維Ｃｆの電解質膜１１５への進入の可能性有無を推定することができる。例えば、上記第２実施例におけるガス拡散層基材１２６から複数の評価サンプルＳａ’をカットして、評価サンプルＳａ’に含まれる複数の炭素繊維Ｃｆの長さＬｆおよび傾きθを推定することで、統計によってガス拡散層基材１２６全体に含まれる炭素繊維Ｃｆの長さＬｆおよび傾きθを推定することができる。これにより、燃料電池１００のクリープ変形後において、ガス拡散層１２２、１２４の炭素繊維Ｃｆの電解質膜１１５への浸入の可能性有無を判定することができる。
【００６１】
Ｃ４．変形例４：
上記実施例の燃料電池１００のガス拡散層１２２、１２４では、アノード側ガス拡散層１２４の積層方向に沿った厚さが１００μｍ程度であるため、研磨によって断面画像を取得したが、研磨以外の方法で断面画像を取得してもよい。例えば、先に述べたＸ線ＣＴスキャンであってもよいし、ガス拡散層１２２、１２４に積層方向に沿った十分な厚さがあれば、ダイヤモンドカッターによって、アノード側ガス拡散層１２４を積層方向に切断して断面画像を取得してもよい。また、上記実施例では、アノード側ガス拡散層１２４またはガス拡散層基材１２６の断面画像を撮影しているが、本発明の平面に相当するのは断面に限られない。例えば、ガス拡散層１２２、１２４を燃料電池１００として積層する前に、ガス拡散層１２２、１２４における表面の画像を撮影して、その後に積層方向に研磨等を行って、断面画像を撮影するとしてもよい。
【００６２】
上記実施例の燃料電池１００のガス拡散層１２２、１２４では、例えば、上記第１実施例の図３に示すようにアノード側ガス拡散層１２４の評価サンプルＳａを積層方向に厚さｔｇで研磨して断面Ｐｈ２および断面Ｐｈ３を撮影したが、厚さｔｇはこれよりも小さい値または厚さｔｇ以上の値であってもよい。例えば、ガス拡散層１２２、１２４において、厚さｔｇの１０分の１の厚さで研磨して断面を撮影することで、ガス拡散層１２２、１２４に含まれる炭素繊維Ｃｆの長さＬｆと積層方向における位置とを高い精度で推定することができる。
【００６３】
上記実施例の燃料電池１００のガス拡散層１２２、１２４では、ガス拡散層１２２、１２４の材質を炭素繊維Ｃｆとしたが、あくまで一例であり、ガス拡散層１２２、１２４を構成する材料は種々変形可能である。例えば、炭素系ではなく、導電性を有する金属製の繊維状材料から構成されるガス拡散層１２２、１２４であってもよい。
【００６４】
Ｃ５．変形例５：
上記実施例の燃料電池１００の構成は、あくまで一例であり、種々変形可能である。例えば、上記実施例の燃料電池１００では、カソード側撥水層１５２およびアノード側撥水層１５４を有しているが、なくてもよいし、一方だけあってもよい。
【００６５】
上述した実施形態、実施例および変形例における構成要素のうち、独立請求項に記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略、または、組み合わせが可能である。
【符号の説明】
【００６６】
１００…燃料電池
１１０…ＭＥＡ
１１２…カソード触媒層
１１４…アノード触媒層
１１５…電解質膜
１２２…カソード側ガス拡散層
１２４…アノード側ガス拡散層
１２６…ガス拡散層基材
１３２…カソード側ガス流路層
１３４…アノード側ガス流路層
１４０…セパレータ
１５２…カソード側撥水層
１５４…アノード側撥水層
Δｔ…変形量
Ｓａ…評価サンプル
Ｃｆ…炭素繊維
Ｃｒ…曲線
【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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