CN103270632A - 燃料电池及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种具备膜电极接合体（50）、阳极侧气体扩散层（52）和阴极侧气体扩散层（54）的燃料电池及其制造方法。改变对阳极侧气体扩散层（52）中的碳纤维的突出进行抑制的处理、和对阴极侧气体扩散层（54）的碳纤维的突出进行抑制的处理的程度。对于阳极侧气体扩散层（52）抑制突出，防止膜电极接合体（50）的损伤。对于阴极侧气体扩散层（54）降低抑制处理的程度，确保生成水的排水性。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池及其制造方法，特别地涉及气体扩散层的构成。
背景技术
固体高分子型燃料电池，将用燃料极和空气极的两枚电极夹持由固体高分子膜构成的电解质膜而成的膜电极接合体（MEA:MembraneElectrode Assembly），进一步用两枚隔板夹持，以夹持形成的单元电池为最小单位，将该单元电池重叠多个作为燃料电池堆得到高输出功率。
固体高分子型燃料电池的发电的构造众所周知，简单地说明，向燃料极（阳极侧电极）作为燃料气体供给例如含氢气体，向空气极（阴极侧电极）作为氧化剂气体供给例如主要含有氧的气体或者空气。含氢气体通过燃料气体流路向阳极侧电极供给，通过电极的催化剂的作用分解成电子和氢离子。电子通过外部电路向阴极侧电极移动。另一方面，氢离子通过电解质膜到达阴极电极，与氧和通过外部电路而来的电子结合，成为反应水。通过氢与氧和电子的结合反应产生的热，由冷却水回收。另外，在阴极电极侧生成了的水（以下称成「生成水」），从阴极侧被排出。
上述的燃料电池的阳极电极和阴极电极分别由催化剂层构成，该催化剂层上分别层叠有用于扩散含氢气体、氧化剂气体的气体扩散层。然而，通过上述的反应生成了的生成水的排出在阴极侧滞留的情况下，有时在阴极电极发生闭塞现象（「溢流」现象）。因此，由碳纤维构成的层和防水层构成气体扩散层，通过防水层促进生成水的排水。
但是，在气体扩散层中的碳纤维的至少一部分从表面突出的情况下，在将气体扩散层层叠在膜电极接合体上的情况下，由于碳纤维的突出，有损伤膜电极接合体之虞。因此，需要防止由这样的碳纤维的突出造成的膜电极接合体的损伤。
下述的专利文献1中，公开了将包含纤维而形成的气体扩散层基材装载在辊上弄弯，在使纤维突起立起的状态下除去纤维突起后与膜电极接合体一体化的方法。
在先技术文献
专利文献1：日本特开2008-198526号公报
发明内容
图11模式地表示由碳纤维的突出造成的膜电极接合体的损伤的状况。在图11中，燃料电池的单元电池，在利用作为电极分别发挥作用的一对催化剂层夹持电解质膜而形成的膜电极接合体（MEA）50的两面上，分别设置气体扩散层52、54，该气体扩散层52、54是由碳纤维24构成的层和防水层22层叠而成的，还以夹持膜电极接合体50和气体扩散层52、54的方式配置形成隔板62、64。由碳纤维24构成的层，由碳纤维24的聚集体构成，该碳纤维24的聚集体与防水层22接合，形成气体扩散层52、54。如果向气体扩散层52供给含氢气体，则气体扩散层52作为阳极侧气体扩散层52发挥作用，如果向气体扩散层54供给空气等的氧化剂气体，则气体扩散层54作为阴极侧气体扩散层54发挥作用。
通常，燃料电池的单元电池的状态下，即使碳纤维24从由碳纤维24构成的层向防水层22突出，碳纤维24的突出部分也留在防水层22内。但是，在将燃料电池的多个单元电池层叠成堆状的情况下，向气体扩散层52、54的厚度方向施加压力，碳纤维24的突出部分60从防水层22突出，有对膜电极接合体50造成损伤的可能性。
在此，如果膜电极接合体50一定程度地厚，则即使碳纤维24突出也不会贯通膜电极接合体50，损伤轻微，对其电池特性带来的影响也少，但如果为了谋求燃料电池的高输出化而将膜电极接合体50的厚度、更特定的是电解质膜的厚度减薄，则相应地膜电极接合体50损伤的可能性变高，引起由电解质膜的贯通造成的气体的交叉泄露、短路电流的增加。
本发明的目的是提供一种燃料电池及其制造方法，该燃料电池在谋求高输出化的同时，能够防止由碳纤维从面表面的突出造成的膜电极接合体的损伤。
本发明是一种燃料电池，其特征在于，具备：在电解质膜的两面具有催化剂层的膜电极接合体；在上述膜电极接合体的阳极侧设置的阳极侧气体扩散层；和在上述膜电极接合体的阴极侧设置的阴极侧气体扩散层，上述阳极侧气体扩散层和上述阴极侧气体扩散层含有碳纤维，上述阳极侧气体扩散层的上述碳纤维从面表面的突出的程度和上述阴极侧气体扩散层的上述碳纤维从面表面的突出的程度相互不同，上述阳极侧气体扩散层与上述阴极侧气体扩散层相比，上述碳纤维从面表面的突出相对地被抑制。
本发明的一个实施方式中，上述阳极侧气体扩散层，上述碳纤维的突出被抑制，上述阴极侧气体扩散层，上述碳纤维的突出没有被抑制。
本发明的另一实施方式中，上述阳极侧气体扩散层，采用第1方法抑制上述碳纤维的突出，上述阴极侧气体扩散层，采用与上述第1方法不同的第2方法抑制上述碳纤维的突出。
本发明的又一实施方式中，上述阳极侧气体扩散层的短路电流值，被设定得比上述阴极侧气体扩散层的短路电流值小。
本发明的又一实施方式中，至少上述阳极侧气体扩散层的短路电流值为规定的阀值以下。
本发明的又一实施方式中，上述阳极侧气体扩散层的粘合剂树脂的含量，被设定得比上述阴极侧气体扩散层的粘合剂树脂的含量大。
另外，本发明是一种燃料电池的制造方法，其特征在于，具备：抑制阳极侧气体扩散层的碳纤维从面表面的突出的工序；与上述阳极侧气体扩散层相比，相对较低地抑制阴极侧气体扩散层的碳纤维从面表面的突出的工序；和利用热压制工序将上述阳极侧气体扩散层以及上述阴极侧气体扩散层和膜电极接合体一体化的工序。
本发明的一个实施方式中，其特征在于，对于上述阴极侧气体扩散层，不实行抑制上述碳纤维的突出的处理。
本发明的另一实施方式中，上述阳极侧气体扩散层，采用第1方法抑制上述碳纤维的突出，上述阴极侧气体扩散层，采用与上述第1方法不同的第2方法抑制上述碳纤维的突出。
本发明的又一实施方式中，上述阳极侧气体扩散层的粘合剂树脂的含量，被设定得比上述阴极侧气体扩散层的粘合剂树脂的含量大。
本发明的又一实施方式中，抑制上述阳极侧气体扩散层的碳纤维的突出的工序为冷压制。
本发明的又一实施方式中，还具备下述工序：将由上述阴极侧气体扩散层的上述碳纤维的突出而产生的上述膜电极接合体的孔，用构成上述膜电极接合体的电解质膜的成分填埋。
根据本发明，可以在谋求燃料电池的高输出化的同时，防止由气体扩散层的碳纤维的突出造成的膜电极接合体的损伤。
附图说明
图1是第1实施方式的燃料电池的说明图。
图2是第1实施方式的燃料电池的构成图。
图3是表示粘合剂树脂比率和短路电流的关系的图。
图4是表示粘合剂树脂比率和透水性的关系的图。
图5是表示冷压制和短路电流的关系的图。
图6是表示冷压制和毛刺（fluff）的角度以及毛刺根数的关系的图。
图7是表示第2实施方式的燃料电池的制造方法的说明图。
图8是第3实施方式的燃料电池的说明图。
图9是第3实施方式的燃料电池的构成图。
图10是第4实施方式的燃料电池的说明图。
图11是背景技术的燃料电池的构成图。
具体实施方式
以下，基于附图对于本发明的实施方式进行说明。但是，以下所示的实施方式仅是单纯的示例，本发明不被以下的实施方式所限定。
1．基本构成和基本原理
本实施方式中的燃料电池的单元电池的基本构造如下。即，在利用作为电极分别发挥作用的一对催化剂层夹持电解质膜而形成的膜电极接合体（MEA）的两面上，分别设置气体扩散层，该气体扩散层是由碳纤维构成的层和防水层层叠而成的，还以夹持膜电极接合体和各个气体扩散层的方式分别配置形成隔板。由碳纤维构成的层由碳纤维的聚集体构成，该碳纤维的聚集体与防水层接合，形成气体扩散层。供给含氢气体的气体扩散层作为阳极侧气体扩散层发挥作用，供给空气等的氧化剂气体的气体扩散层作为阴极侧气体扩散层发挥作用。
含氢气体通过燃料气体流路向阳极侧电极供给，通过电极的催化剂的作用分解成电子和氢离子。电子通过外部电路向阴极侧电极移动。另一方面，氢离子通过电解质膜到达阴极电极，与氧和通过外部电路而来的电子结合，成为反应水。阴极电极侧的生成水从阴极侧排出。
在这样的构造中，在气体扩散层中的碳纤维的至少一部分从表面突出的情况下，在将气体扩散层层叠在膜电极接合体上的情况下，由于碳纤维从面表面的突出（毛刺）损伤膜电极接合体。特别地，如果为了谋求燃料电池的单元电池的高输出化而将膜电极接合体的厚度、更特定的是电解质膜的厚度减薄，降低氢离子（质子）阻力，则相应地膜电极接合体损伤的可能性变高，引起由电解质膜的贯通造成的气体的交叉泄露、短路电流的增加。因此，本实施方式中，对气体扩散层施加规定的处理抑制碳纤维的突出，防止将气体扩散层层叠在膜电极接合体上时的膜电极接合体的损伤。
另一方面，用于抑制碳纤维的突出的处理，一般地，使气体扩散层本来具有的防水性（或者排水性或透水性）降低。例如，在由碳纤维构成的层和防水层通过粘合剂树脂接合或者粘接的情况下，通过增大粘合剂树脂的比率可以将碳纤维更加牢固地接合，因此可以抑制碳纤维的突出。然而，如果增大粘合剂树脂的比率，则相应地粘合剂树脂也渗入碳纤维或者防水层的孔中从而填埋该孔，因此防水性或排水性降低。特别地，阴极侧气体扩散层如上述那样，为了排放生成水而具有防水性的功能，但这样通过抑制碳纤维的突出的处理从而防水性降低时，不仅在阴极侧发生溢流现象从而输出功率降低，使阴极侧的生成水向阳极侧逆扩散，将阳极侧维持为湿润状态从而提高输出功率也变得困难。
因此，本实施方式中，对于阳极侧气体扩散层，为了防止由碳纤维的突出造成的膜电极接合体的损伤，实施抑制碳纤维的突出的处理，另一方面对于阴极侧气体扩散层，考虑防水性或者排水性，不实施抑制碳纤维的突出或即使实施也限制其处理程度。对于阴极侧气体扩散层不实施抑制碳纤维的突出的情况下，虽然在将阴极侧气体扩散层层叠在膜电极接合体上时有碳纤维的突出刺入膜电极接合体的可能性，但因为对于阳极侧气体扩散层实施了抑制碳纤维的突出的处理，所以不至于贯通膜电极接合体。本申请申请人，确认了将膜电极接合体从两面夹持的阳极侧气体扩散层的碳纤维和阴极侧气体扩散层的碳纤维同时突出，从两面刺入膜电极接合体那样的情况下，在膜电极接合体上产生贯通孔，发生交叉泄露、短路电流的增大的危险性高。即，确认了通过对阳极侧气体扩散层和阴极侧气体扩散层的至少一个实施碳纤维的突出抑制处理，可以抑制膜电极接合体的损伤。
本实施方式中，基于这样的原理，通过对于阳极侧气体扩散层实施碳纤维的突出抑制处理，对于阴极侧气体扩散层不实施碳纤维的突出抑制处理，或即使实施也限制其程度，来在防止膜电极接合体的损伤的同时，确保在阴极侧的生成水的排水性从而谋求高输出化。
再者，所谓对于阴极侧气体扩散层即使实施抑制碳纤维的突出的处理也限制其程度，换言之，是与对于阳极侧气体扩散层抑制碳纤维的突出的处理相比，使对于阴极侧气体扩散层抑制碳纤维的突出的处理的程度相对地较低。具体地说，是对阳极侧和阴极侧的气体扩散层实施某种处理的情况下，使该处理的程度在阴极侧相对地较低，或者使该处理的时间在阴极侧较短等。或者，在对阳极侧气体扩散层实施某种处理的同时，对阴极侧气体扩散层实施其他的处理的情况下，在阴极侧气体扩散层实施的处理的碳纤维的突出抑制效果低等。
在以往的燃料电池的单元电池中，阳极侧气体扩散层和阴极侧气体扩散层，虽然用相同或者大致相同材质构成，但在本实施方式中，也可以在阳极侧和阴极侧气体扩散层的碳纤维的突出的程度不同，或者为非对称。
以下，对于本实施方式，更详细地说明。
2．第1实施方式
图1表示本实施方式中的燃料电池单元电池的截面说明图。在利用作为电极分别发挥作用的一对催化剂层夹持电解质膜而形成的膜电极接合体（MEA）50的两面，分别设置气体扩散层52、54，该气体扩散层52、54是由碳纤维24构成的层和防水层22层叠而成的，还以夹持膜电接合体50和气体扩散层52、54的方式配置形成隔板62、64。如果向气体扩散层52中供给含氢气体，则气体扩散层52作为阳极侧气体扩散层52发挥作用，如果向气体扩散层54供给空气等的氧化剂气体，则气体扩散层54作为阴极侧气体扩散层54发挥作用。
阳极侧气体扩散层52，实施抑制碳纤维的突出的处理。另一方面，阴极侧气体扩散层54，没有实行抑制碳纤维的突出的处理。在图中，「突出抑制层」意指实施了抑制碳纤维的突出的处理，「突出未抑制层」意指没有实行抑制碳纤维的突出的处理。
尽管在阴极侧气体扩散层54中没有实行碳纤维的突出抑制处理，因此在阴极侧气体扩散层54产生了碳纤维的突出，但可确保生成水的排水性。另一方面，在阳极侧气体扩散层52碳纤维的突出被抑制，可防止由碳纤维的突出引起的膜电极接合体50的贯通。
图2表示本实施方式中的燃料电池单元电池的截面构成图。阳极侧气体扩散层52和阴极侧气体扩散层54都是将由碳纤维24构成的层和防水层22通过粘合剂树脂接合而构成的。由碳纤维24构成的层作为碳纤维的聚集体，使用复写纸、碳布等的碳质多孔质体，作为碳纤维，使用丙烯酸树脂、将加热熔融纺丝后的沥青在高温下使其碳化的PAN（Polyacrylonitrile，聚丙烯腈）系碳纤维等。另外，防水层22由聚四氟乙烯（PTFE）、四氟乙烯/六氟丙烯共聚体（FEP）等的氟系聚合物和炭黑形成。
阴极侧气体扩散层54没有实行抑制碳纤维的突出的处理，所以存在产生碳纤维的突出的可能性。图中，模式地示出一些碳纤维的突出。另一方面，阳极侧气体扩散层52实行了抑制碳纤维的突出的处理，所以可充分抑制碳纤维的突出。图中，示出了基本上没有阳极侧气体扩散层52的碳纤维的突出。希望留意图2的阳极侧气体扩散层52的碳纤维24和图11的阳极侧气体扩散层52的碳纤维24的不同。
这样，选择性地对于阳极侧气体扩散层52实施了抑制碳纤维的突出的处理，因此即使产生了阴极侧气体扩散层54的碳纤维的突出，也不会导致贯通膜电极接合体50那样的损伤，可谋求燃料电池单元电池的高输出化。
接着，对于碳纤维的突出抑制处理进行说明。
阳极侧气体扩散层52是将碳纤维24和防水层22利用粘合剂树脂接合构成的，因此通过增大粘合剂树脂的含量，更牢固地接合碳纤维24而可以抑制突出。即，如上所述，在将燃料电池的多个单元电池层叠成堆状的情况下，对阳极侧气体扩散层52和阴极侧气体扩散层54在厚度方向上施加压力，与其相伴发生碳纤维24的突出部分从防水层22突出的情况，但通过增大粘合剂树脂的含量将碳纤维24和防水层22更牢固地接合，可以有效地抑制碳纤维24从防水层22背离并从气体扩散层的表面突出。
图3表示气体扩散层52、54的粘合剂树脂的含量和短路电流的关系。在图中，横轴表示树脂含量（%），纵轴表示在对气体扩散层52、54施加一定载荷且施加了规定的电压的状态下的短路电流（mA/cm2）。如果由于气体扩散层52、54的碳纤维的突出而在膜电极接合体50中产生贯通孔，则阳极电极和阴极电极变为短路状态，因此会流通短路电流，贯通孔越增大短路电流值也与其相应地增大。因此，意指短路电流值越增大贯通孔也越增大，碳纤维的突出越多。相反地，短路电流值越小，碳纤维的突出越少，表示其被抑制。短路电流值根据施加电压、膜电极接合体50、气体扩散层52、54的材料而变化，将使它们维持为一定时的短路电流值与规定的阈值相比较，如果超过阈值则突出没有被抑制，判断为膜电极接合体50中产生贯通孔，如果为阈值以下则突出被抑制，判断为膜电极接合体50中基本没有产生贯通孔。根据图3进行说明的话，判断为短路电流值在0.1mA/cm2以下时没有产生贯通孔，超过0.1mA/cm2时产生了贯通孔。
在图中，随着将树脂比率按照20%、30%、40%、50%依次增大，短路电流值减少。因此，可知增大粘合剂树脂的含量，具有抑制碳纤维的突出的效果。
另一方面，尽管增大粘合剂树脂时可以抑制碳纤维的突出，但气体扩散层52、54的排水性反而降低。
图4表示气体扩散层52、54的粘合剂树脂的含量与透水性的关系。在图中，横轴表示树脂含量（%），纵轴表示将树脂含量为20%的情况的气体扩散层的透水性的值作为基准值1时的相对的透水性（标准化的值）。表示气体扩散层52、54的透水性越高，将生成水向外部排出的能力越高。
在图中，随着将树脂比率按照20%、30%、40%、50%依次增大，透水性降低。因此，可知通过增大粘合剂树脂的含量，排水性降低乃至劣化。
由以上来看，为防止由碳纤维的突出造成的膜电极接合体50的损伤，通过对于阳极侧气体扩散层52增大粘合剂树脂的含量，例如从20%增大到50%，来抑制碳纤维的突出，并且考虑生成水的排水，对于阴极侧气体扩散层54，将粘合剂树脂的含量维持在20%的状态，可以得到图1或图2所示的燃料电池单元电池。
另外，通过不增大粘合剂树脂的含量，而在常温下对气体扩散层52、54上在其厚度方向上施加一定的压力，可以抑制碳纤维的突出。即，产生气体扩散层52、54的碳纤维的突出后，对其在厚度方向上施加一定的压力，将碳纤维的突出沿其面弯曲使其「躺下」。将在常温下施加一定的压力的本方法，与在加热下施加压力的方法相对，称为冷压制（CP）法。
图5表示采用冷压制法对气体扩散层52、54施加一定的压力的前后的短路电流的变化。在冷压制前，短路电流为0.25mA/cm2，在冷压制后，短路电流减少成为0.1mA/cm2以下、减少1/2以上。因此，可知采用冷压制法可以有效地抑制碳纤维的突出。
图6表示冷压制前后的碳纤维的突出的角度和根数的关系的一例。在图中，横轴用10°间隔表示碳纤维的突出与面方向的角度（仰角）。另外，纵轴表示存在于相应的角度范围的突出的根数（每1cm2）。另外，在图中，各角度范围的左侧的图表示冷压制前的根数，右侧表示冷压制后的根数。冷压制前，突出广泛存在于30°～80°，特别多地存在60°～90°的突出。与此相对，冷压制后，30°～70°的突出显著减少，不存在70°～90°的突出。
碳纤维的突出的角度越增大而接近90°，刺入膜电极接合体50的可能性越高。本申请申请人进行各种实验的结果，发现如果突出角度成为60°以上，则刺入膜电极接合体50，对膜电极接合体50带来损伤的可能性变高。冷压制法，因为可以显著降低角度为60°以上的突出的根数，由此采用冷压制法可以有效抑制碳纤维的突出，特别是对膜电极接合体50带来损伤的可能性高的突出角度为60°以上的突出。
再者，虽然根据冷压制法可以抑制碳纤维的突出，但是与增大粘合剂树脂的含量的情况同样，气体扩散层的排水性反而降低。因此，即使在使用冷压制法的情况下，也如图1所示，对阳极侧气体扩散层52实施冷压制法，另一方面没有对阴极侧气体扩散层54实施冷压制法。
此外，在增大粘合剂树脂含量，或者采用冷压制法弯曲碳纤维的方法以外，也可以抑制碳纤维的突出。例如，对气体扩散层52、54施加一定载荷，弯曲表面的突出，在除去一定载荷后利用清洁器等除去弯曲了的突出的方法；用网眼（mesh）状的构件对气体扩散层52、54施加一定载荷，利用刀具切断除去从网眼跳出的突出的方法；利用一对电极和加压装置夹持气体扩散层52、54，一边按压一边施加电压，由此烧尽突出的方法；利用网眼状的构件对气体扩散层52、54施加一定载荷，在气体扩散层中与网眼相反侧产生氧等离子体，通过化学反应将从网眼跳出的突出形成CO2进行除去的方法等。作为图1的阳极侧气体扩散层52，可以采用这些方法中的任一种方法。
3．第2实施方式
在第1实施方式中，对于阳极侧气体扩散层52实施抑制碳纤维的突出的处理，对于阴极侧气体扩散层没有实行抑制碳纤维的突出的处理，制造出燃料电池单元电池，但并不由于对于阴极侧气体扩散层54没有实行抑制碳纤维的突出的处理，就完全没有阴极侧气体扩散层54的碳纤维的突出贯通膜电极接合层50的顾虑。
因此，本实施方式中，补充地追加进一步降低由阴极侧气体扩散层54的碳纤维的突出造成的对膜电极接合体50的影响的处理。
图7模式地表示在本实施方式中的燃料电池单元电池的制造方法。按图7（a）～图7（d）的顺序制造燃料电池单元电池。首先，如图7（a）所示，分别制造膜电极接合体50和阴极侧气体扩散层54，将膜电极接合体50和阴极侧气体扩散层54采用热压制接合。此时，通过压制压力阴极侧气体扩散层54发生蠕变，产生碳纤维的突出24a，有在膜电极接合体50产生贯通孔50a的情况。
这样的情况下，如图7（b）所示，使用刀片等将与膜电极接合体50的电解质膜相同的成分51选择性地注入贯通孔50a中，填埋贯通孔50a。再者，该工序中，电解质膜成分51为熔点以上，成为凝胶状。
接着，如图7（c）所示，填充了贯通孔50a的电解质成分51通过冷却凝固，成为堵塞贯通孔50a的状态。
最后，对阳极侧扩散层52实施抑制碳纤维的突出的处理，将处理过的阳极侧扩散层52和膜电极接合体50采用热压制接合。虽然阴极侧气体扩散层54的碳纤维的突出24a存在于膜电极接合体50内，但因为用电解质膜成分51堵塞了贯通孔，所以气体交叉泄露、短路被抑制。
再者，第1实施方式中，没有经历图7（b）、（c）的工序，从图7（a）的工序转到图7（d）的工序。重复说明下，由电解质膜成分51进行的贯通孔的补填处理并非是必须工序，是根据需要实行的选择性的工序。
4．第3实施方式
在第1实施方式中，对于阳极侧气体扩散层52实施抑制碳纤维的突出的处理，另一方面对于阴极侧扩散层54没有实行抑制碳纤维的突出的处理，但即使对于阴极侧气体扩散层54也实施碳纤维的抑制处理，考虑排水性，也与阳极侧相比将其处理的程度抑制为相对较低。
图8表示本实施方式中的燃料电池单元电池的截面说明图。在利用作为电极分别发挥功能的一对催化剂层夹持电解质膜而形成的膜电极接合体（MEA）50的两面上，设置气体扩散层52、54，该气体扩散层52、54是由碳纤维24构成的层和防水层22层叠而成的，还以夹持膜电极接合体50和气体扩散层52、54的方式配置形成隔板62、64。
阳极侧气体扩散层52实施相对较高地抑制碳纤维的突出的处理。另一方面，阴极侧气体扩散层54，实施与阳极侧相比，相对较低地抑制碳纤维的突出的处理。
由于在阴极侧气体扩散层54，相对较低地实行了碳纤维的突出抑制处理，所以可以一定程度地抑制碳纤维的突出，并且也可以确保生成水的排水性。另一方面，在阳极侧气体扩散层52中，碳纤维的突出被充分抑制，防止由碳纤维的突出造成的膜电极接合体50的贯通。
要改变碳纤维的突出抑制的程度，改变碳纤维的突出抑制处理时的条件即可。例如，在通过增大粘合剂树脂的含量来抑制突出的情况下，虽然增大阴极侧气体扩散层54的粘合剂树脂的含量，但将其增大量设定得比阳极侧气体扩散层52的增大量低。具体地说，将阳极侧气体扩散层52的粘合剂树脂的含量设定为40%，另一方面将阴极侧气体扩散层54的粘合剂树脂的含量设定为30%等。或者在采用冷压制方法抑制突出的情况下，虽然对阴极侧气体扩散层54也适用冷压制法，但与阳极侧气体扩散层52相比降低施加压力，或者使压制时间比阳极侧气体扩散层52短。
图9表示本实施方式中的燃料电池单元电池的截面构造图。阳极侧气体扩散层52和阴极侧气体扩散层54都是将由碳纤维24构成的层和防水层22通过粘合剂树脂接合而构成的。
阴极侧气体扩散层54，虽然实行了抑制碳纤维突出的处理，但其程度相对较低，因此碳纤维的突出一定程度被抑制。图中，模式地示出一点点的碳纤维的突出。另一方面，阳极侧气体扩散层52，以相对较高的程度实施了抑制碳纤维的突出的处理，因此碳纤维的突出被充分抑制。图中，示出几乎没有阳极侧气体扩散层52的碳纤维的突出。希望留意图9的阳极侧气体扩散层52和阴极侧气体扩散层54的碳纤维24，与图11的阳极侧气体扩散层52和阴极侧气体扩散层54的碳纤维24的不同。
这样，阳极侧气体扩散层52、阴极侧气体扩散层54全都实施了碳纤维的突出抑制处理，所以膜电极接合体50的损伤被有效地抑制。并且，因为对于阴极侧气体扩散层54也考虑排水性，碳纤维的抑制处理相对地被限制，所以也可确保生成水的排水性。
再者，碳纤维的突出的程度，可以用图3所示的短路电流值来评价。因此，如本实施方式那样，在阳极侧气体扩散层52的处理的程度和阴极侧气体扩散层的处理的程度不同的情况下，可以根据施加了相同电压的情况的短路电流的大小来评价其程度的高低。本实施方式中，因为处理的程度为阳极侧气体扩散层52＞阴极侧气体扩散层54，所以短路电流值为阳极侧气体扩散层52的短路电流值＜阴极侧气体扩散层54的短路电流值。在此，所谓「阳极侧气体扩散层52的短路电流值」，意指将膜电极接合体50的两侧用阳极侧气体扩散层52夹持的构造中的短路电流。对于「阴极侧气体扩散层54的短路电流值」也同样，意指将膜电极接合体50的两侧用阴极侧气体扩散层54夹持的构造中的短路电流。
另外，对于阳极侧气体扩散层52，需要充分抑制碳纤维的突出，这意指阳极侧气体扩散层52的短路电流值为规定的阀值以下。当然，只要维持上述的大小关系，阴极侧气体扩散层54的短路电流值也可以同样为规定的阀值以下。
5．第4实施方式
在第3实施方式中，虽然对于阳极侧气体扩散层52和阴极侧气体扩散层54全都实施相同的碳纤维的突出抑制处理，但改变了其程度，在本实施方式中，改变阳极侧气体扩散层52的碳纤维的突出抑制处理的方法和阴极侧气体扩散层54的碳纤维的突出抑制处理的方法。
图10表示本实施方式中的燃料电池单元电池的截面说明图。在利用作为电极分别发挥功能的一对催化剂层夹持电解质膜而形成的膜电极接合体（MEA）50的两面上，设置气体扩散层52、54，该气体扩散层52、54是由碳纤维24构成的层和防水层22层叠而成的，还以夹持膜电极接合体50和气体扩散层52、54的方式配置形成隔板62、64。
阳极侧气体扩散层52，采用α方法实施碳纤维的突出抑制处理。另一方面，阴极侧气体扩散层54，采用与α方法不同的β方法实施碳纤维的突出抑制处理。在此，α方法是与β方法相比，碳纤维的突出抑制效果相对较高的方法。换言之，β方法是与α方向相比，排水性的降低（或者劣化）相对较少的方法。α方法可以是上述的碳纤维的突出抑制处理中的任一种方法，β方法可以是上述的碳纤维的突出抑制处理中的其他任一种方法。假如在将使粘合剂树脂的含量从20%增大到30%的方法和冷压制法进行比较的情况下，如果假定为将粘合剂树脂的含量设定为30%的方法抑制效果高，且使排水性降低的效果也与此相对应地高，则作为α方法适用增大粘合剂树脂的含量的方法，作为β方法适用冷压制。当然，这是一例，只要是本领域技术人员，根据实验决定由抑制碳纤维的突出的各种方法所带来的抑制效果和排水性降低效果，与此相对应地选择α方法和β方法即可。
再者，抑制碳纤维的突出的各种方法中，存在虽然抑制突出的效果特别高但排水性显著降低的方法、和有一定程度的抑制突出的效果但排水性几乎不降低的方法的情况下，将前者适用于α方法，后者适用于β方法即可。总之，α方法的优先事项为碳纤维的突出抑制效果，β方法的优先事项为排水性的维持效果。
对于阳极侧气体扩散层52，采用α方法抑制碳纤维的突出，对于阴极侧气体扩散层54，采用β方法抑制碳纤维的突出并且确保生成水的排水性，因此可防止膜电极接合体50的损伤，谋求燃料电池单元电池的高输出化。
6．变形例
以上，对于本发明的实施方式进行了说明，但上述以外也可有各种变形例。
例如，作为抑制碳纤维的突出的方法，例示出如下方法，也可以将这些方法任意组合：
（1）增大粘合剂树脂的含量；
（2）冷压制法；
（3）对气体扩散层施加载荷，使突出弯曲，利用清洁器等除去弯曲了的突出；
（4）利用刀具切断从网眼跳出的突出；
（5）一边按压气体扩散层，一边施加电压烧尽突出；
（6）氧等离子体处理。例如，将（1）和（2）组合，在增大粘合剂树脂的含量的同时实施冷压制等。或者将（2）和（5）组合，实施冷压制后施加电压烧尽突出等。
另外，也可以将图8的构造和图10的构造组合。即，将阳极侧气体扩散层52和阴极侧气体扩散层54的碳纤维的突出抑制方法设定为相互不同的方法，并且对于阴极侧气体扩散层54，将其规定的程度设置得相对较低等。
另外，本实施方式中，对阴极侧气体扩散层54对于特别是生成水的排水性进行考虑，选择了抑制碳纤维的突出的处理，但也可以不只是考虑生成水的排水性，还考虑气体的扩散性来选择处理。即，在向阴极侧气体扩散层54中作为氧化剂气体供给空气的情况下，为了使与来自阳极侧的氢离子反应的氧有效地扩散，阴极侧气体扩散层54的气体扩散性能要求比阳极侧高的性能。因此，作为阴极侧气体扩散层54的处理，选择不只是排水性、气体扩散性能也与阳极侧相比相对高的处理是合适的。
此外，本实施方式的燃料电池单元电池，可以合适地搭载在车辆上，可作为对车辆的驱动电动机供给电力的电力源发挥作用，并不特别地限定于车辆用。
附图标记说明
22防水层、24碳纤维、50膜电极接合体、52阳极侧气体扩散层、54阴极侧气体扩散层、62、64隔板。
Claims (12)
1.一种燃料电池，其特征在于，具备：
在电解质膜的两面具有催化剂层的膜电极接合体；
在所述膜电极接合体的阳极侧设置的阳极侧气体扩散层；和
在所述膜电极接合体的阴极侧设置的阴极侧气体扩散层，
所述阳极侧气体扩散层和所述阴极侧气体扩散层含有碳纤维，
所述阳极侧气体扩散层的所述碳纤维从面表面的突出的程度、和所述阴极侧气体扩散层的所述碳纤维从面表面的突出的程度相互不同，所述阳极侧气体扩散层与所述阴极侧气体扩散层相比，所述碳纤维从面表面的突出相对地被抑制。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，
所述阳极侧气体扩散层，所述碳纤维的突出被抑制，
所述阴极侧气体扩散层，所述碳纤维的突出没有被抑制。
3.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，
所述阳极侧气体扩散层，采用第1方法抑制所述碳纤维的突出，
所述阴极侧气体扩散层，采用与所述第1方法不同的第2方法抑制所述碳纤维的突出。
4.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，
所述阳极侧气体扩散层的短路电流值，被设定得比所述阴极侧气体扩散层的短路电流值小。
5.根据权利要求4所述的燃料电池，其特征在于，
至少所述阳极侧气体扩散层的短路电流值为规定的阀值以下。
6.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，
所述阳极侧气体扩散层的粘合剂树脂的含量，被设定得比所述阴极侧气体扩散层的粘合剂树脂的含量大。
7.一种燃料电池的制造方法，其特征在于，具备：
抑制阳极侧气体扩散层的碳纤维从面表面的突出的工序；
与所述阳极侧气体扩散层相比，相对较低地抑制阴极侧气体扩散层的碳纤维从面表面的突出的工序；和
利用热压制工序将所述阳极侧气体扩散层以及所述阴极侧气体扩散层和膜电极接合体一体化的工序。
8.根据权利要求7所述的燃料电池的制造方法，其特征在于，
对于所述阴极侧气体扩散层，不实行抑制所述碳纤维的突出的处理。
9.根据权利要求7所述的燃料电池的制造方法，其特征在于，
所述阳极侧气体扩散层，采用第1方法抑制所述碳纤维的突出，
所述阴极侧气体扩散层，采用与所述第1方法不同的第2方法抑制所述碳纤维的突出。
10.根据权利要求7所述的燃料电池的制造方法，其特征在于，
所述阳极侧气体扩散层的粘合剂树脂的含量，设定得比所述阴极侧气体扩散层的粘合剂树脂的含量大。
11.根据权利要求7所述的燃料电池的制造方法，其特征在于，
抑制所述阳极侧气体扩散层的碳纤维的突出的工序为冷压制。
12.根据权利要求7所述的燃料电池的制造方法，其特征在于，还具备下述工序：
将由所述阴极侧气体扩散层的所述碳纤维的突出而产生的所述膜电极接合体的孔，用构成所述膜电极接合体的电解质膜的成分填埋。
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