(57)【要約】      （修正有）【課題】ガス拡散層に含まれる炭素繊維による電解質膜の損傷の発生を抑制する技術を提供する。【解決手段】燃料電池に使用されるガス拡散層２４０は、複数の炭素繊維ＣＦと、複数の炭素繊維を互いに結着するバインダと、を備え、炭素繊維は、表面に移動規制部が形成され、移動規制部が他の炭素繊維やバインダに引っかかることによって延伸方向への移動が規制されている。【選択図】図２
2013164947.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に使用されるガス拡散層であって、
複数の炭素繊維と、
前記複数の炭素繊維を互いに結着するバインダと、を備え、
前記炭素繊維は、表面に移動規制部が形成され、前記移動規制部が他の前記炭素繊維や前記バインダに引っかかることによって延伸方向への移動が規制されている、ガス拡散層。
【請求項２】
請求項１に記載のガス拡散層において、
前記移動規制部は、前記炭素繊維の表面において毛羽状に形成された複数の返し部である、ガス拡散層。
【請求項３】
請求項１に記載のガス拡散層において、
前記移動規制部は、前記炭素繊維の一部分において、断面径が他の部分よりも大きくなるように形成された拡径部である、ガス拡散層。
【請求項４】
燃料電池であって、
膜電極接合体と、
前記膜電極接合体と接触して配置され、炭素繊維とバインダとを含んで構成されるガス拡散層と、を備え、
前記炭素繊維は、表面に移動規制部が形成され、前記移動規制部が他の前記炭素繊維や前記バインダに引っかかることによって延伸方向への移動が規制されている、燃料電池。
【請求項５】
燃料電池に使用されるガス拡散層の製造方法であって、
炭素繊維の前駆体である炭化前繊維に対してプラズマを照射し、前記炭化前繊維の表面に傷を設ける工程と、
表面に傷が設けられた前記炭化前繊維を磁場の中に入れ、前記表面を毛羽立たせて返し部を形成する工程と、
前記返し部が形成された炭化前繊維を焼成する工程と、
前記返し部が形成された炭素繊維をバインダによって結合する工程と、を備える製造方法。
【請求項６】
燃料電池に使用されるガス拡散層の製造方法であって、
炭素繊維の前駆体である炭化前繊維の表面に切り込みを入れる工程と、
前記切り込みが形成された炭化前繊維を焼成し、前記切り込み部分を反り返らせて返し部を形成する工程と、
前記返し部が形成された炭素繊維をバインダによって結合する工程と、を備える製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池、および、燃料電池の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、燃料ガスや酸化剤ガスなどの反応ガスを燃料電池の内部で拡散させるためのガス拡散層を備えた燃料電池が知られている。このガス拡散層には、炭素繊維を含むカーボンクロスやカーボンペーパなどが使用される。燃料電池の内部において、この炭素繊維を含むカーボンクロス等に膜電極接合体が積層されると、カーボンクロス等に含まれる炭素繊維の毛羽が触媒電極層を貫通して電解質膜に到達し、電解質膜に穴を生じさせることがあった。電解質膜に穴が生じると、短絡や反応ガスの漏洩（クロスリーク）が発生し、燃料電池の性能が低下する問題があった。この問題を解決するために、従来から、ガス拡散層の毛羽を取り除く技術が知られている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【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】
【０００４】
しかし、従来技術によっても、なお、ガス拡散層に含まれる炭素繊維によって電解質膜が損傷することがあった。
【０００５】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、ガス拡散層に含まれる炭素繊維による電解質膜の損傷の発生を抑制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】
【０００６】
上記課題の少なくとも一部を解決するために、本願発明は、以下の態様または適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］
燃料電池に使用されるガス拡散層であって、
複数の炭素繊維と、
前記複数の炭素繊維を互いに結着するバインダと、を備え、
前記炭素繊維は、表面に移動規制部が形成され、前記移動規制部が他の前記炭素繊維や前記バインダに引っかかることによって延伸方向への移動が規制されている、ガス拡散層。
【０００８】
この構成によれば、ガス拡散層に含まれる炭素繊維は、表面に形成された移動規制部が他の炭素繊維やバインダに引っかかることによって、延伸方向への移動が規制されているため、炭素繊維による電解質膜の損傷の発生を抑制することができる。
【０００９】
［適用例２］
適用例１に記載のガス拡散層において、
前記移動規制部は、前記炭素繊維の表面において毛羽状に形成された複数の返し部である、ガス拡散層。
【００１０】
この構成によれば、炭素繊維は、複数の返し部が他の炭素繊維やバインダに引っかかることによって延伸方向への移動が規制されているため、炭素繊維による電解質膜の損傷の発生を抑制することができる。
【００１１】
［適用例３］
適用例１に記載のガス拡散層において、
前記移動規制部は、前記炭素繊維の一部分において、断面径が他の部分よりも大きくなるように形成された拡径部である、ガス拡散層。
【００１２】
この構成によれば、炭素繊維は、拡径部が他の炭素繊維やバインダに引っかかることによって延伸方向への移動が規制されているため、炭素繊維による電解質膜の損傷の発生を抑制することができる。
【００１３】
［適用例４］
燃料電池であって、
膜電極接合体と、
前記膜電極接合体と接触して配置され、炭素繊維とバインダとを含んで構成されるガス拡散層と、を備え、
前記炭素繊維は、表面に移動規制部が形成され、前記移動規制部が他の前記炭素繊維や前記バインダに引っかかることによって延伸方向への移動が規制されている、燃料電池。
【００１４】
この構成によれば、炭素繊維を含んだガス拡散層を備える燃料電池において、炭素繊維による電解質膜の損傷の発生を抑制することができる。
【００１５】
［適用例５］
燃料電池に使用されるガス拡散層の製造方法であって、
炭素繊維の前駆体である炭化前繊維に対してプラズマを照射し、前記炭化前繊維の表面に傷を設ける工程と、
表面に傷が設けられた前記炭化前繊維を磁場の中に入れ、前記表面を毛羽立たせて返し部を形成する工程と、
前記返し部が形成された炭化前繊維を焼成する工程と、
前記返し部が形成された炭素繊維をバインダによって結合する工程と、を備える製造方法。
【００１６】
この構成によれば、製造されたガス拡散層に含まれる炭素繊維は、表面に移動規制部が形成されているため、炭素繊維による電解質膜の損傷の発生を抑制することができる。
【００１７】
［適用例６］
燃料電池に使用されるガス拡散層の製造方法であって、
炭素繊維の前駆体である炭化前繊維の表面に切り込みを入れる工程と、
前記切り込みが形成された炭化前繊維を焼成し、前記切り込み部分を反り返らせて返し部を形成する工程と、
前記返し部が形成された炭素繊維をバインダによって結合する工程と、を備える製造方法。
【００１８】
この構成によれば、製造されたガス拡散層に含まれる炭素繊維は、表面に移動規制部が形成されているため、炭素繊維による電解質膜の損傷の発生を抑制することができる。
【００１９】
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、移動規制部を備える炭素繊維、この炭素繊維を含むカーボンペーパやカーボンクロス、および、これらの製造方法のほか、上記のガス拡散層を備える燃料電池の製造方法などの形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】第１実施例の燃料電池の概略構成を説明するための説明図である。
【図２】本実施例のガス拡散層の構成を説明するための説明図である。
【図３】本実施例のガス拡散層の製造方法の流れを示すフローチャートである。
【図４】炭化前繊維のペレットの作製工程を説明するための説明図である。
【図５】表面処理の第１の方法を説明するための説明図である。
【図６】表面処理の第２の方法を説明するための説明図である。
【図７】比較例のガス拡散層の構成を説明するための説明図である。
【図８】本実施例の燃料電池と比較例の燃料電池のリーク電流の時間的変化を示した説明図である。
【図９】第２実施例のガス拡散層に含まれる炭素繊維の形状を説明するための説明図である。
【図１０】第２実施例の炭化前繊維のペレットの作製工程を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
Ａ．第１実施例：
図１は、第１実施例の燃料電池の概略構成を説明するための説明図である。燃料電池１０は、固体高分子型燃料電池であり、複数の単セル１４が積層されたスタック構造を有している。単セル１４は、燃料電池１０における発電を行う単位モジュールであり、水素ガスと空気に含まれる酸素との電気化学反応により発電を行う。各単セル１４は、発電体２００と、発電体２００を挟持する一対のセパレータ３００（アノード側セパレータ３００ａｎおよびカソード側セパレータ３００ｃａ）とを備えている。発電体２００は、膜電極接合体（ＭＥＡとも呼ばれる）２３０と、ＭＥＡ２３０の両側に配置された一対のガス拡散層２４０（アノード側拡散層２４０ａｎおよびカソード側拡散層２４０ｃａ）とを備えている。ＭＥＡ２３０は、電解質膜２１０と、電解質膜２１０の各面に形成された触媒電極層２２０（アノード２２０ａｎおよびカソード２２０ｃａ）とを備えている。
【００２２】
電解質膜２１０は、固体高分子材料としてのフッ素系スルホン酸ポリマーにより形成された高分子電解質膜（例えばナフィオン(登録商標)膜：ＮＲＥ２１２）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。なお、電解質膜２１０としては、ナフィオン(登録商標)に限定されず、例えば、アシプレックス（登録商標）やフレミオン（登録商標）等の他のフッ素系スルホン酸膜が用いられるとしてもよい。また、電解質膜２１０として、フッ素系ホスホン酸膜、フッ素系カルボン酸膜、フッ素炭化水素系グラフト膜、炭化水素系グラフト膜、芳香族膜等が用いられてもよいし、ＰＴＦＥ、ポリイミド等の補強材を含む機械的特性を強化した複合高分子膜が用いられてもよい。
【００２３】
触媒電極層２２０（アノード２２０ａｎおよびカソード２２０ｃａ）は、電解質膜２１０の両側にそれぞれ配置され、燃料電池に使用されたときに一方がアノード電極として機能し、他方がカソード電極として機能する。触媒電極層２２０は、例えば、電気化学反応を進行する触媒金属（例えば、白金）を担持したカーボン粒子（触媒担持担体）と、プロトン伝導性を有する高分子電解質（例えばフッ素系樹脂）を含んで構成されている。導電性担体としては、カーボン粒子の他に、例えば、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などの炭素材料のほか、炭化ケイ素などに代表される炭素化合物等を用いることができる。また、触媒金属としては、白金の他に、例えば、白金合金、パラジウム、ロジウム、金、銀、オスミウム、イリジウム等を使用することができる。
【００２４】
ガス拡散層２４０（アノード側拡散層２４０ａｎおよびカソード側拡散層２４０ｃａ）は、電極反応に用いられる反応ガス（アノードガスおよびカソードガス）を電解質膜２１０の面方向に沿って拡散させる層であり、多孔質のガス拡散層基材により構成されている。ガス拡散層基材としては、例えば、カーボンペーパやカーボンクロス等のカーボン多孔質体を用いることができる。また、ガス拡散層２４０は、撥水性を得るために、ガス拡散層基材２４１が、撥水ペーストによりコーティング（撥水処理）され、撥水層２４２が形成されていることが好ましい。なお、撥水ペーストとしては、例えば、カーボン粉末と撥水性樹脂（ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリエチレン、ポリプロピレン等）との混合溶液を用いることができる。撥水層２４２は、ガス拡散層基材２４１よりも微細な気孔を有するいわゆるＭＰＬ層（Micro Porous Layer）である。撥水層２４２は、微細な気孔における毛細管現象を利用して、電気化学反応で生じた生成水をガス拡散層基材２４１へと排出する役割を果たす。撥水層２４２は、ガス拡散層基材２４１と共にガス拡散層２４０を形成する。ガス拡散層２４０の製造方法については後に詳述する。
【００２５】
セパレータ３００（アノード側セパレータ３００ａｎおよびカソード側セパレータ３００ｃａ）は、ガス遮断性および電子伝導性を有する部材によって構成されており、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン等のカーボン製部材や、プレス成形したステンレス鋼などの金属部材によって形成されている。セパレータ３００は、表面にガスや液体が流通する流路を形成するための凹凸形状を有している。アノード側セパレータ３００ａｎは、アノード側拡散層２４０ａｎとの間に、ガスや液体が流通可能なアノードガス流路ＡＧＣを形成している。カソード側セパレータ３００ｃａは、カソード側拡散層２４０ｃａとの間に、ガスや液体が流通可能なカソードガス流路ＣＧＣを形成している。
【００２６】
図２は、本実施例のガス拡散層の構成を説明するための説明図である。図２には、燃料電池１０の一部分が例示されている。本実施例のガス拡散層２４０は、炭素繊維ＣＦを含んだカーボンペーパによって構成されている。なお、図２では、説明の都合上、複数の炭素繊維束ＣＦＢを拡張して大きく模式的に描いている。ガス拡散層２４０は、互いに３次元的に交差するように分散した炭素繊維ＣＦをバインダによって結合した構造を備えている。バインダとは焼成によって炭化したバインダ樹脂である。各炭素繊維ＣＦの表面には、毛羽状に形成された複数の返し部ＢＡが形成されている。返し部ＢＡは、炭素繊維ＣＦの表面を後述の方法によって毛羽立たせることにより形成することができる。炭素繊維ＣＦは、この返し部ＢＡが他の炭素繊維ＣＦやバインダなどに引っかかることによって、ガス拡散層２４０の内部における移動が規制されている。特に、炭素繊維ＣＦは、炭素繊維ＣＦの延伸方向のうち、一方の延伸方向への移動が強く規制される。これは、炭素繊維ＣＦの移動時に返し部ＢＡの返しが作用するためである。以後、この移動が特に規制される延伸方向を「移動規制方向」とも呼ぶ。図２の炭素繊維ＣＦの移動規制方向は、図中の右上方向である。
【００２７】
ガス拡散層２４０は、炭素繊維ＣＦの移動規制方向ができるたけ電解質膜２１０を向くように構成されることが好ましい。こうすることで、ガス拡散層２４０に含まれる炭素繊維ＣＦが電解質膜２１０に移動することをより規制することができるためである。例えば、燃料電池１０の内部において、ガス拡散層２４０の厚みがクリープによって減少しても、ガス拡散層２４０（特に、撥水層２４２）に含まれる炭素繊維ＣＦが電解質膜２１０に到達することを抑制することができる。炭素繊維ＣＦの移動規制方向を電解質膜２１０に向ける方法については後述する。なお、ガス拡散層２４０に含まれる炭素繊維ＣＦは、移動規制方向が電解質膜２１０を向いていなくても、電解質膜２１０への移動は十分に規制される。炭素繊維ＣＦが移動規制方向以外の方向に移動する場合であっても、返し部ＢＡが他の炭素繊維ＣＦやバインダなどに引っかかるためである。
【００２８】
図３は、本実施例のガス拡散層の製造方法の流れを示すフローチャートである。まず、炭素繊維ＣＦの前駆体となる炭化前繊維ＰＣＦのペレットを作製する（ステップＳ１１０）。
【００２９】
図４は、炭化前繊維のペレットの作製工程を説明するための説明図である。まず、混練押出装置５１０の原料投入口５１１に紡糸原料と溶剤とを投入し、スクリュウ５１２を回転させてこれらの溶融混練をおこなう。その後、混錬物をスクリュウ５１２の回転によって紡糸口金５１３から押し出して炭化前繊維ＰＣＦを作製する。この炭化前繊維ＰＣＦを冷却部５２０において冷却した後、裁断部５３０で裁断することによって炭化前繊維ＰＣＦのペレットを作製する。紡糸原料は、アクリロニトリルなどのＰＡＮ系原料であってもよいし、石油、石炭の副生物であるピッチなどのピッチ系原料であってもよい。作製される炭化前繊維ＰＣＦは、ポリアクリロニトリル繊維やピッチ繊維とも呼ばれる。
【００３０】
炭化前繊維ＰＣＦのペレットを作製した後、このペレット状の炭化前繊維ＰＣＦの表面処理と焼成をおこなう（ステップＳ１２０）。この表面処理と焼成によって、表面に返し部ＢＡが形成された炭素繊維ＣＦを作成することができる。表面処理の方法として、以下の２つの方法を例示することができる。
【００３１】
図５は、表面処理の第１の方法を説明するための説明図である。図５（ａ）に示すように、まず、炭化前繊維ＰＣＦの表面にプラズマを照射して表面を荒らし、複数の傷ＢＬを形成する。その後、図５（ｂ）に示すように、炭化前繊維ＰＣＦを磁場の中に入れて表面を毛羽立たせ、返し部ＢＡを形成する。返し部ＢＡは、磁力線の向きに従って形成される。このとき、磁性体粒子を炭化前繊維ＰＣＦの表面に付着させておいてもよい。その後、炭化前繊維ＰＣＦを焼成することによって、返し部ＢＡを備えた炭素繊維ＣＦを得ることができる。
【００３２】
図６は、表面処理の第２の方法を説明するための説明図である。図６（ａ）に示すように、まず、切り込み装置５４０によって炭化前繊維ＰＣＦの表面に切り込みＩＮを入れる。その後、図６（ｂ）に示すように、炭化前繊維ＰＣＦを焼成することによって、切り込みＩＮ部分を反り上がらせて返し部ＢＡを形成する。これにより、返し部ＢＡを備えた炭素繊維ＣＦを得ることができる。なお、炭化前繊維ＰＣＦの焼成は、後述するステップＳ１５０においておこなわれてもよい。
【００３３】
返し部ＢＡを備えた炭素繊維ＣＦを作製した後、カーボンペーパの基材を抄造し、バインダ樹脂を含浸させる（ステップＳ１３０）。具体的には、まず、分散液と炭素繊維ＣＦを含むスラリーを用意し、抄造によってシート状のカーボンペーパの基材を作製する。なお、炭素繊維ＣＦは、スラリー中で同じ向きに沈むため、これを利用して、炭素繊維ＣＦの配向方向を揃えることができる。また、スラリーに対して、磁場をかけることによっても炭素繊維ＣＦの配向方向を揃えることができる。これにより、成形後のカーボンペーパにおいて、炭素繊維ＣＦの移動規制方向を一方の面側に揃えることができる。次に、作製したカーボンペーパの基材にバインダ樹脂を含浸させる。その後、必要に応じてカーボンペーパの基材を乾燥させる。バインダ樹脂としては、フェノール樹脂を例示することができる。
【００３４】
次に、カーボンペーパの基材の成形と焼成をおこなう（ステップＳ１４０）。具体的には、バインダ樹脂を含むカーボンペーパの基材に対してプレス等をおこない厚みを低減させる。その後、カーボンペーパの基材を焼成する。カーボンペーパの基材を焼成することによって、基材中のバインダ樹脂が硬化して炭素繊維ＣＦ同士が互いに結着される。その後、必要に応じて毛羽の除去や、プレス、カットなどをおこない、ガス拡散層としてのカーボンペーパが完成する。なお、カーボンペーパは、撥水ペーストを塗工する前に、結着の弱い毛羽状の炭素繊維ＣＦを除去することが好ましい。こうすることによって、炭素繊維ＣＦによる電解質膜２１０の破損をより抑制することができる。
【００３５】
以上説明した、第１実施例のガス拡散層２４０によれば、炭素繊維ＣＦの表面に返し部ＢＡが形成されているため、この返し部ＢＡが他の炭素繊維ＣＦやバインダ樹脂に引っかかることによって、炭素繊維ＣＦの移動を規制することができる。よって、このガス拡散層２４０を用いた燃料電池１０は、ガス拡散層２４０のクリープなどが生じてもガス拡散層２４０の炭素繊維ＣＦが電解質膜２１０に到達しにくく、炭素繊維ＣＦによる電解質膜２１０の損傷が発生しにくい。さらに、本実施例のガス拡散層２４０は、燃料電池１０に使用されたときに、炭素繊維ＣＦの移動規制方向が電解質膜２１０を向くように構成されている。そのため、ガス拡散層２４０のクリープなどによって、炭素繊維ＣＦがガス拡散層２４０の内部において相対的に移動する場合でも、移動規制方向と反対の方向に移動するため、電解質膜２１０の破損を抑制することができる。
【００３６】
図７は、比較例のガス拡散層の構成を説明するための説明図である。図７は、本実施例の図２と対応している。比較例のガス拡散層２４０ｘは、表面に返し部ＢＡを備えていない炭素繊維ＣＦｘを含んだカーボンペーパ等によって構成されている。炭素繊維ＣＦｘは、返し部ＢＡを備えていないため、他の炭素繊維ＣＦｘやバインダ樹脂などに引っかかることがなく、ガス拡散層２４０の内部において、特に、延伸方向に移動しやすい状態となっている。そのため、このガス拡散層２４０ｘを用いた燃料電池１０ｘは、ガス拡散層２４０ｘの厚みがクリープによって減少すると、ガス拡散層２４０ｘ（特に、撥水層２４２ｘ）に含まれる炭素繊維ＣＦｘが電解質膜２１０に到達することが多くあった。炭素繊維ＣＦｘが電解質膜２１０に到達すると、電解質膜２１０に穴が生じ、短絡や反応ガスの漏洩（クロスリーク）が発生し、燃料電池の性能が低下する。一方、本実施例のガス拡散層２４０を用いた燃料電池１０は、クリープが生じてもガス拡散層２４０の炭素繊維ＣＦが電解質膜２１０に到達しにくいため、短絡や反応ガスのクロスリークが発生しにくい。
【００３７】
図８は、本実施例の燃料電池と比較例の燃料電池のリーク電流の時間的変化を示した説明図である。図８の横軸は、時間を示し、縦軸はリーク電流を示している。図８に示すように、比較例の燃料電池１０ｘは、時間の経過とともにリーク電流が増大する。リーク電流は、電解質膜２１０に穴を開けた炭素繊維ＣＦｘを介して流れる。すなわち、比較例の燃料電池１０ｘは、ガス拡散層２４０ｘのクリープによって、炭素繊維ＣＦｘが電解質膜２１０に穴を開ける箇所が増加していることがわかる。一方、本実施例の燃料電池１０は、時間が経過しても、リーク電流がほとんど増加していない。このことから、本実施例の燃料電池１０は、ガス拡散層２４０のクリープが発生しても、炭素繊維ＣＦが電解質膜２１０にほとんど穴を開けないことがわかる。
【００３８】
Ｂ．第２実施例：
図９は、第２実施例のガス拡散層に含まれる炭素繊維の形状を説明するための説明図である。第１実施例のガス拡散層２４０に含まれる炭素繊維ＣＦは、表面に返し部ＢＡを備えているものとして説明したが、炭素繊維は、他の炭素繊維やバインダ樹脂などに引っかかることが可能であれば、返し部ＢＡを備えた形状以外の形状であってもよい。第２実施例の炭素繊維ＣＦ２は、棒状部ＳＴと、拡径部ＤＥとを備えている。
【００３９】
棒状部ＳＴは、第１実施例の炭素繊維ＣＦと同様に棒状の外形を有する部分であり、断面径がほぼ一定となるように形成されている。拡径部ＤＥは、漏斗状の外形を有する部分であり、棒状部ＳＴよりも断面径が大きくなるように形成されている。拡径部ＤＥは、傾斜面Ｆｄと、係合面Ｆｅとを備えている。傾斜面Ｆｄは、炭素繊維ＣＦの断面径が次第に大きくなるように棒状部ＳＴに対して所定の勾配を有した面である。係合面Ｆｅは、炭素繊維ＣＦ２の延伸方向とほぼ直交するように形成された面である。
【００４０】
炭素繊維ＣＦ２は、拡径部ＤＥと棒状部ＳＴとが交互になるように構成され、拡径部ＤＥを１つ以上有している。炭素繊維ＣＦ２は、この拡径部ＤＥが他の炭素繊維ＣＦ２やバインダ樹脂などに引っかかることによって、ガス拡散層２４０の内部における移動が規制されている。第１実施例の炭素繊維ＣＦと同様に、炭素繊維ＣＦ２は、炭素繊維ＣＦ２の延伸方向のうち、一方の延伸方向への移動が強く規制される。これは、炭素繊維ＣＦ２の移動時に係合面Ｆｅが他の炭素繊維ＣＦ２やバインダ樹脂などに引っかかるためである。
【００４１】
炭素繊維ＣＦ２を含むガス拡散層の製造方法の流れは、第１実施例のガス拡散層の製造方法の流れと同様である。ここでは、第１実施例と異なる部分のみ説明する。
【００４２】
図１０は、第２実施例の炭化前繊維のペレットの作製工程を説明するための説明図である。図１０では、冷却部５２０と裁断部５３０の図示を省略している。ステップＳ１１０では、混練押出装置６１０の紡糸口金６１３の形状と、混錬物をスクリュウ６１２の回転によって紡糸口金６１３から押し出すときの方法が、第１実施例と異なる。具体的には、紡糸口金６１３は、小径部６１３ｎと、大径部６１３ｗと、接続部６１３ｉとを備えている。小径部６１３ｎは、管形状の外形を備え、第１実施例の紡糸口金５１３と同程度の内径を有している。大径部６１３ｗは、小径部６１３ｎよりも内径が大きい管形状の外形を備えている。接続部６１３ｉは、漏斗状の外形を備え、小径部６１３ｎと大径部６１３ｗとを接続している。紡糸口金６１３は、接続部６１３ｉを介して小径部６１３ｎと大径部６１３ｗとが連通した構成を備えている。
【００４３】
混練押出装置６１０は、２つの押し出し圧によって混錬物を紡糸口金６１３から押し出す。具体的には、混練押出装置６１０は、第１の押し出し圧Ｐ１と、第１の押し出し圧Ｐ１より高い第２の押し出し圧Ｐ２（Ｐ１＜Ｐ２）とを交互に繰り返しながら、混錬物を紡糸口金６１３から押し出す。これにより、押し出し圧がＰ１のときに、紡糸口金６１３から棒状部ＳＴが押し出され、押し出し圧がＰ２のときに、紡糸口金６１３から拡径部ＤＥが押し出される。押し出し圧Ｐの変化は、スクリュウ６１２の回転数の変化によって制御することができる。
【００４４】
ステップＳ１２０において、第２実施例の炭素繊維ＣＦ２は、表面処理工程を省略することができる。ステップＳ１３０において、第２実施例の炭化前繊維ＰＣＦは、棒状部ＳＴと拡径部ＤＥとで重量が異なるため、拡径部ＤＥがスラリー中で下向きになること利用して炭素繊維ＣＦ２の配向方向を制御することができる。
【００４５】
以上説明した、第２実施例のガス拡散層２４０によれば、炭素繊維ＣＦ２は、返し部ＢＡを備えていなくても、他の炭素繊維ＣＦ２やバインダ樹脂に引っかかるため、炭素繊維ＣＦ２の移動を規制することができる。よって、このガス拡散層２４０を用いた燃料電池１０は、拡散層２４０のクリープなどが生じてもガス拡散層２４０の炭素繊維ＣＦ２が電解質膜２１０に到達しにくく、炭素繊維ＣＦ２による電解質膜２１０の損傷が発生しにくい。
【００４６】
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。
【００４７】
Ｃ−１．変形例１：
燃料電池１０は、本実施例の炭素繊維ＣＦを含むガス拡散層２４０を、アノード側とカソード側の両方に使用してもよいし、いずれか一方のみに使用してもよい。これらの場合であっても、炭素繊維ＣＦによる電解質膜２１０の損傷の発生を抑制することができる。なお、アノード側とカソード側の両方に使用することがより好ましい。
【００４８】
Ｃ−２．変形例２：
本実施例で示した返し部ＢＡや拡径部ＤＥは、炭素繊維ＣＦにおいて全て同じ方向を向くように構成されているが、返し部ＢＡや拡径部ＤＥは、互いに異なる向きとなるように形成されていてもよい。こうすることによって、炭素繊維ＣＦの移動規制方向を延伸方向の両方とすることができる。
【００４９】
Ｃ−３．変形例３：
本実施例で示したガス拡散層２４０の製造方法は例示であり、これ以外の方法によっても、ガス拡散層２４０を製造することができる。例えば、本実施例のカーボンペーパの基材は、炭素繊維ＣＦとバインダ樹脂によって構成されているが、カーボンペーパの基材は、炭化前繊維ＰＣＦとバインダ樹脂によって構成してもよい。また、本実施例では、炭化前繊維ＰＣＦに対して表面処理をおこなっているが、焼成した後の炭素繊維ＣＦに対して表面処理をおこなってもよい。
【００５０】
Ｃ−４．変形例４：
第２実施例では、炭素繊維ＣＦ２に対して表面処理をおこなわないものとして説明したが、炭素繊維ＣＦ２の表面に表面処理をおこなって返し部ＢＡを形成してもよい。また、ガス拡散層２４０は、第１実施例の炭素繊維ＣＦと第２実施例のＣＦ２とを共に含んで構成してもよい。
【符号の説明】
【００５１】
１０…燃料電池
１４…単セル
２００…発電体
２１０…電解質膜
２２０…触媒電極層
２３０…ＭＥＡ
２４０…ガス拡散層
２４１…ガス拡散層基材
２４２…撥水層
３００…セパレータ
５１０…混練押出装置
５１１…原料投入口
５１２…スクリュウ
５１３…紡糸口金
５２０…冷却部
５３０…裁断部
５４０…切り込み装置
６１０…混練押出装置
６１２…スクリュウ
６１３…紡糸口金
ＢＡ…返し部
ＤＥ…拡径部
ＣＦ…炭素繊維
ＳＴ…棒状部
Ｆｄ…傾斜面
Ｆｅ…係合面
ＰＣＦ…炭化前繊維
【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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