(57)【要約】【課題】本発明は、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。【解決手段】燃料電池に使用されるガス拡散層は、複数の炭素繊維の一方の端部が固定部によって互いに固定された炭素繊維束と、炭素繊維束を互いに結着するバインダと、を備える。【選択図】図２
2013171718.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、
複数の炭素繊維の一方の端部が固定部によって互いに固定された炭素繊維束と、
前記炭素繊維束を互いに結着するバインダと、を備えるガス拡散層。
【請求項２】
請求項１に記載のガス拡散層において、
前記固定部は、バインダ樹脂の焼成物によって形成されている、ガス拡散層。
【請求項３】
燃料電池に使用されるガス拡散層であって、
複数の炭化前繊維を互いに圧着した後に炭化することによって構成された炭素繊維束と、
複数の前記炭素繊維束を互いに結着するバインダと、を備えるガス拡散層。
【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、複数の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、
前記複数の炭素繊維は、一方の端部が固定部によって互いに固定された炭素繊維束として構成され、
前記バインダは、前記炭素繊維束を互いに結着する、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、
複数の炭素繊維を準備する工程と、
各前記炭素繊維の一方の端部を固定部によって固定して炭素繊維束を作製する工程と、
前記炭素繊維束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を複数準備する工程と、
複数の前記炭化前繊維を互いに圧着する工程と、
互いに圧着された前記複数の炭化前繊維を炭化して炭素繊維束を作製する工程と、
前記炭素繊維束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、ガス拡散層、燃料電池、および、ガス拡散層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、
複数の炭素繊維の一方の端部が固定部によって互いに固定された炭素繊維束と、
前記炭素繊維束を互いに結着するバインダと、を備えるガス拡散層。
【０００８】
この構成によれば、ガス拡散層に含まれる複数の炭素繊維は、炭素繊維束として構成されているため、他の炭素繊維束と絡み合うことによって、ガス拡散層内部における移動が規制されている。そのため、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、
前記固定部は、バインダ樹脂の焼成物によって形成されている、ガス拡散層。
【００１０】
この構成によれば、ガス拡散層に含まれる複数の炭素繊維は、各炭素繊維の一方の端部がバインダ樹脂の焼成物によって互いに固定されているため、ガス拡散層内部における移動が規制されている。そのため、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］
燃料電池に使用されるガス拡散層であって、
複数の炭化前繊維を互いに圧着した後に炭化することによって構成された炭素繊維束と、
複数の前記炭素繊維束を互いに結着するバインダと、を備えるガス拡散層。
【００１２】
この構成によれば、ガス拡散層に含まれる複数の炭素繊維は、炭素繊維束として構成されているため、他の炭素繊維束と絡み合うことによって、ガス拡散層内部における移動が規制されている。そのため、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、複数の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、
前記複数の炭素繊維は、一方の端部が固定部によって互いに固定された炭素繊維束として構成され、
前記バインダは、前記炭素繊維束を互いに結着する、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、
複数の炭素繊維を準備する工程と、
各前記炭素繊維の一方の端部を固定部によって固定して炭素繊維束を作製する工程と、
前記炭素繊維束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、炭素繊維束として構成されているため、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を複数準備する工程と、
複数の前記炭化前繊維を互いに圧着する工程と、
互いに圧着された前記複数の炭化前繊維を炭化して炭素繊維束を作製する工程と、
前記炭素繊維束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、炭素繊維束として構成されているため、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、ガス拡散層に使用される炭素繊維、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】炭素繊維の製造方法を説明するための説明図である。
【図５】炭素繊維束を作製するための装置を例示した説明図である。
【図６】炭素繊維束の作製方法の流れ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束の形状を説明するための説明図である。
【図１０】第２実施例の炭素繊維束の作製方法の流れを説明するための説明図である。
【図１１】炭化前繊維のプレスと裁断をおこなう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。図２（ａ）に示すように、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。炭素繊維ＣＦは、所定の長さに成形された短繊維であり、バインダＢＣによって一方の端部が他の炭素繊維ＣＦの端部に固定されている。すなわち、本実施例のガス拡散層２４０は、複数の炭素繊維ＣＦの一方の端部がバインダＢＣによって互いに固定された束状の炭素繊維（以後、「炭素繊維束ＣＦＢ」とも呼ぶ）を複数備えている。バインダＢＣは、焼成によって炭化したバインダ樹脂である。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、炭素繊維束ＣＦＢ同士がさらにバインダによって互いに結合され、炭素繊維ＣＦが３次元的に交差するように分散した構造を備えている。炭素繊維束ＣＦＢは、他の炭素繊維束ＣＦＢと絡み合うことによって、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、炭素繊維束ＣＦＢは、炭素繊維ＣＦを束ねるバインダＢＣが形成されている側と反対側に向かう方向（図２、矢印ＲＤ）、すなわち、バインダＢＣを起点として放射状に配置された炭素繊維ＣＦの放射状に広がる方向への移動が強く規制される。これは、炭素繊維束ＣＦＢの移動時に炭素繊維ＣＦが他の炭素繊維束ＣＦＢの炭素繊維やバインダに引っかかりやすいためである。以後、この移動が特に規制される方向ＲＤを「移動規制方向ＲＤ」とも呼ぶ。
【００２７】
ガス拡散層２４０は、炭素繊維束ＣＦＢの移動規制方向ＲＤ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、炭素繊維束ＣＦＢ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、図２（ｂ）に示すように、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、炭素繊維束ＣＦＢ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。炭素繊維束ＣＦＢの移動規制方向ＲＤ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束ＣＦＢは、移動規制方向ＲＤが電解質膜２１０を向いていなくても、炭素繊維ＣＦの電解質膜２１０への移動は十分に規制される。炭素繊維束ＣＦＢは、移動規制方向ＲＤ以外の方向に移動する場合であっても、炭素繊維ＣＦが他の炭素繊維束ＣＦＢの炭素繊維やバインダ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を準備する（ステップＳ１１０）。準備する炭素繊維ＣＦは、ＰＡＮ系炭素繊維であってもよいし、ピッチ系炭素繊維であってもよい。以下に炭素繊維ＣＦの製造方法を簡単に説明する。
【００２９】
図４は、炭素繊維の製造方法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。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を焼成することによって炭素繊維ＣＦを製造することができる。炭素繊維ＣＦを準備した後、複数の炭素繊維ＣＦの端部をバインダＢＣによって互いに固定して炭素繊維束ＣＦＢを作製する（ステップＳ１２０）。
【００３０】
図５は、炭素繊維束を作製するための装置を例示した説明図である。製造装置６００は、炭素繊維ＣＦを複数把持可能な把持部６１０と、バインダ樹脂ＢＲを収容した容器６２０とを備えている。製造装置６００は、炭素繊維ＣＦの一方の端部Ｅ１を把持した把持部６１０を容器６２０に近づけることによって、炭素繊維ＣＦの他方の端部Ｅ２をバインダ樹脂ＢＲに浸漬させることができる。バインダ樹脂ＢＲとしては、例えば、フェノール樹脂を例示することができる。
【００３１】
図６は、炭素繊維束の作製方法の流れ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、複数の炭素繊維ＣＦの端部Ｅ２をバインダ樹脂ＢＲに浸漬させる。すると、バインダ樹脂ＢＲに浸漬している炭素繊維ＣＦの端部Ｅ２は、図６（ｂ）のように、毛管現象によって互いに近づく。炭素繊維ＣＦの端部Ｅ２が互いに近づいた状態で、炭素繊維ＣＦの端部Ｅ２をバインダ樹脂ＢＲから引き上げる。このとき、図６（ｃ）に示すように、炭素繊維ＣＦの端部Ｅ２には、バインダ樹脂ＢＲが付着している。その後、端部Ｅ２にバインダ樹脂が付着した炭素繊維ＣＦを焼成してバインダ樹脂ＢＲを炭化させる。この焼成によって、図６（ｄ）に示す炭素繊維束ＣＦＢを得ることができる。
【００３２】
炭素繊維束ＣＦＢ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（図３、ステップＳ１３０）。具体的には、まず、分散液と炭素繊維束ＣＦＢ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、炭素繊維束ＣＦＢは、スラリー中で同じ向きに沈むため、これを利用して、炭素繊維束ＣＦＢ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束ＣＦＢ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、炭素繊維束ＣＦＢの移動規制方向ＲＤを一方の面側に揃えることができる。なお、炭化前繊維ＰＣＦの表面には予め磁性体粒子を付着させておいてもよい。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、その後必要に応じて基材を乾燥させる。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。このバインダ樹脂は、炭素繊維束ＣＦＢの作製時に使用されるバインダ樹脂ＢＲと同じ樹脂であってもよいし、異なる樹脂であってもよい。
【００３３】
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。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束ＣＦＢ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。
【００３４】
以上説明した、第１実施例のガス拡散層２４０によれば、ガス拡散層２４０に含まれる複数の炭素繊維ＣＦは、それぞれの一方の端部がバインダＢＣによって互いに固定された炭素繊維束ＣＦＢとして構成されているため、他の炭素繊維束ＣＦＢと絡み合うことによって、ガス拡散層２４０の内部における移動が規制されている。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、炭素繊維束ＣＦＢの移動規制方向ＲＤ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のクリープによって、炭素繊維束ＣＦＢ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ＲＤとは異なる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。
【００３５】
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。図７（ａ）に示すように、比較例のガス拡散層２４０ｘは、端部が互いに固定されていない炭素繊維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、端部が互いに固定された炭素繊維束として構成されていないため、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、図７（ｂ）に示すように、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。
【００３６】
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、一定の時間が経過すると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。
【００３７】
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束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束ＣＦＢは、複数の炭素繊維ＣＦの端部がバインダＢＣによって互いに固定されているものとして説明したが、炭素繊維束ＣＦＢは、他の炭素繊維束ＣＦＢに引っかかることが可能であれば、第１実施例以外の形状であってもよい。図９（ａ）に示す炭素繊維束ＣＦＢ２は、２つの炭素繊維ＣＦ１、ＣＦ２が交点Ｐｃで接合された十字状の外形を備えている。また、図９（ｂ）に示す炭素繊維束ＣＦＢ３は、それぞれＶ字状に折れ曲がった炭素繊維ＣＦ１、ＣＦ２が交点Ｐｃで接合された構成を備えている。このような形状であっても、炭素繊維束ＣＦＢ２、ＣＦＢ３は、移動時に他の炭素繊維束と絡み合うことによって、ガス拡散層２４０の内部における移動が規制される。
【００３８】
図１０は、第２実施例の炭素繊維束の作製方法の流れを説明するための説明図である。図１０（ａ）に示すように、まず、炭化前繊維ＰＣＦ１、ＰＣＦ２を用意し、これらを井桁状に配置する。その後、図１０（ｂ）に示された、炭化前繊維ＰＣＦ１と炭化前繊維ＰＣＦ２の交点Ｐｃを所定の圧力でプレスし、また、炭化前繊維ＰＣＦ１と炭化前繊維ＰＣＦ２を裁断位置Ｐｕで裁断する。ここでは、交点Ｐｃのプレスと裁断位置Ｐｕでの裁断とを同時におこなう。
【００３９】
図１１は、炭化前繊維のプレスと裁断をおこなう工程を説明するための説明図である。まず、図１１（ａ）に示すように、平坦な面が形成された押圧部７１０と、切り刃が形成されたカッター部７２０と、を備えるプレス板７００を用意する。このプレス板７００の下に炭化前繊維ＰＣＦ１、ＰＣＦ２を配置する。炭化前繊維ＰＣＦ１、ＰＣＦ２は、押圧部７１０の直下に交点Ｐｃが位置し、カッター部７２０の直下に裁断位置Ｐｕが位置するように配置される。この状態で、図１１（ｂ）に示すように、プレス板７００によって炭化前繊維ＰＣＦ１、ＰＣＦ２を押圧する。このとき、あわせて加熱をおこなってもよい。これにより、交点Ｐｃにおいて、炭化前繊維ＰＣＦ１と炭化前繊維ＰＣＦ２とが結着し、炭化前繊維ＰＣＦ１と炭化前繊維ＰＣＦ２は、それぞれの長さが所定となるように裁断される（図１０（ｃ））。プレス板７００によってプレス、裁断した後の炭化前繊維ＰＣＦ１、ＰＣＦ２を焼成（炭化）することにより、図９（ａ）に示す炭素繊維束ＣＦＢ２を得ることができる。その後、第１実施例と同様に、カーボンペーパの基材の抄造し、バインダ樹脂を含浸（ステップＳ１３０）させ、さらに、成形と焼成（ステップＳ１４０）をおこなうことにより、ガス拡散層としてのカーボンペーパを得ることができる。なお、図９（ｂ）に示す炭素繊維束ＣＦＢ３は、図１０（ｂ）において、裁断位置Ｐｕでの裁断後に交点Ｐｃをプレスすることによって、炭化前繊維ＰＣＦ１、ＰＣＦ２をＶ字状に折り曲げることができる。
【００４０】
以上説明した、第２実施例のガス拡散層２４０によれば、炭素繊維束ＣＦＢは、複数の炭素繊維ＣＦの端部がバインダＢＣによって互いに固定された構成以外の構成であっても、他の炭素繊維束ＣＦＢに引っかかる形状とすることができるため、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、拡散層２４０の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に到達しにくく、炭素繊維ＣＦによる電解質膜２１０の損傷が発生しにくい。
【００４１】
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。
【００４２】
Ｃ−１．変形例１：
燃料電池１０は、本実施例の炭素繊維束ＣＦＢ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。
【００４３】
Ｃ−２．変形例２：
本実施例で示した炭素繊維束ＣＦＢは、バインダＢＣの一部分に複数の炭素繊維ＣＦの端部が固定されているが、炭素繊維束ＣＦＢは、バインダＢＣの表面全体に複数の炭素繊維ＣＦの端部が固定されていてもよい。
【００４４】
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、第１実施例では、炭素繊維束ＣＦＢを作製するときに、複数の炭素繊維ＣＦをバインダ樹脂ＢＲに浸漬させているが（図６）、焼成前の炭化前繊維ＰＣＦをバインダ樹脂ＢＲに浸漬させ、その後焼成することによって炭素繊維束ＣＦＢを作製してもよい。
【００４５】
Ｃ−４．変形例４：
ガス拡散層２４０は、第１実施例の炭素繊維束ＣＦＢと第２実施例の炭素繊維束ＣＦＢ２、ＣＦＢ３とを共に含んで構成してもよい。
【符号の説明】
【００４６】
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
６００…製造装置
６１０…把持部
６２０…容器
７００…プレス板
７１０…押圧部
７２０…カッター部
ＣＦＢ…炭素繊維束
ＰＣＦ…炭化前繊維
ＢＣ…バインダ
ＣＦ…炭素繊維
ＢＲ…バインダ樹脂
【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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