JP2013145640A - 燃料電池用拡散層の製造方法および燃料電池用拡散層 - Google Patents

Abstract

【課題】毛羽の除去を行って電解質膜を損傷せず、燃料電池の性能の低下を防ぎ、また、拡散層の基材を破損しないで毛羽の除去を行う技術を提供する。
【解決手段】燃料電池用拡散層の製造方法は、拡散層内の結合剤の単位体積あたりの含浸量が、燃料電池用の部材が積層される積層面に略垂直な面直方向に沿って勾配ができるように、拡散層の基材に結合剤を含浸させる第１の工程と、第１の工程の後、基材を焼成する第２の工程と、第２の工程の後、基材における結合剤の含浸量が多い方の第１の面に気体を吹きつけながら第１の面を吸引する第３の工程と、第２の工程の後、基材を面直方向に圧縮する第４の工程と、を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池用拡散層の製造方法および燃料電池用拡散層に関する。

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。

燃料電池のガス拡散層は、例えば、カーボンクロスやカーボンペーパーで構成されており、ガス拡散層の繊維の毛羽が電解質膜を損傷すると、損傷された部分を起点とした電解質膜の劣化の促進や短絡により、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の低下を抑制するために、繊維の毛羽の一部または全部に切断処理または破断処理を行うガス拡散層の製造方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−１４９６１３号公報 特開２００８−３４２９５号公報 特開２００９−１９０９５１号公報

上記ガス拡散層の製造方法では、毛羽の除去が十分ではなく、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。また、毛羽の切断処理または破断処理に伴う物理的な力により拡散層の基材を破損するおそれがあった。

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、毛羽の除去を十分に行って電解質膜を損傷せず、燃料電池の性能の低下を防ぎ、また、拡散層の基材を破損しないで毛羽の除去を行う技術を提供することを目的とする。

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。

［適用例１］燃料電池用拡散層の製造方法であって、
前記拡散層内の結合剤の単位体積あたりの含浸量が、前記燃料電池用の部材が積層される積層面に略垂直な面直方向に沿って勾配ができるように、前記拡散層の基材に前記結合剤を含浸させる第１の工程と、
前記第１の工程の後、前記基材を焼成する第２の工程と、
前記第２の工程の後、前記基材における前記結合剤の含浸量が多い方の第１の面に気体を吹きつけながら前記第１の面を吸引する第３の工程と、
前記第２の工程の後、前記基材を前記面直方向に圧縮する第４の工程と、を備える燃料電池用拡散層の製造方法。

この拡散層の製造方法では、第１の工程で、拡散層の基材に結合剤を含浸させて、燃料電池用の部材が積層される積層面に略垂直な面直方向に沿って基材内における結合剤の単位体積あたりの含浸量が単調に少なくなるような勾配を形成する。その後の第２の工程では、基材を焼成する。その後の第３の工程では、基材における結合剤の含浸量が多い方の第１の面に気体を吹きつけながら、第１の面を吸引する。また、第２の工程の後の第４の工程では、基材を面直方向に圧縮する。そのため、拡散層の基材における第１の面から突出した繊維を減らしつつ、第１の面から突出した繊維が電解質膜に侵入せずに電解質膜を損傷せず、燃料電池の性能の低下を防止した拡散層を製造することができる。また、この拡散層の製造方法では、拡散層の基材における第１の反対側の面で単位体積あたりの結合剤の含浸量が少ないので、良好なガス拡散性を確保した拡散層を製造することができる。

［適用例２］適用例１に記載の燃料電池用拡散層の製造方法であって、
前記第１の工程は、前記基材の前記第１の面から前記結合剤を含浸させる工程である、燃料電池用拡散層の製造方法。

この拡散層の製造方法では、第１の工程で、基材の第１の面から結合剤を含浸させるので、容易に第１の面から面直方向に沿って基材における結合剤の単位体積あたりの含浸量が単調に少なくなるような勾配を形成した拡散層を製造することができる。

［適用例３］適用例１または適用例２に記載の燃料電池用拡散層の製造方法であって、
前記基材は、複数の繊維からなる材料で形成されており、
前記第３および第４の工程は、前記基材の前記第１の面からの繊維の最大突出量が、電解質膜と前記拡散層との間に配置されるべき中間層の前記面直方向に沿った厚さＤ以下となるように行われる工程である、燃料電池用拡散層の製造方法。

この拡散層の製造方法では、複数の繊維からなる材料で基材が形成されており、第３および第４の工程後では、基材の第１の面から最も突出した繊維の第１の面からの長さは、面直方向に沿った電解質膜と前記拡散層との間に配置されるべき中間層の厚さＤ以下の値である。そのため、第３および第４工程の後に、繊維の第１の面から突出した面直方向に沿った長さが長くなっても、第１の面から突出したすべての繊維は電解質膜に侵入しないので電解質膜を損傷せず、燃料電池の性能の低下を防止する拡散層を製造することができる。

［適用例４］適用例３に記載の燃料電池用拡散層の製造方法であって、
前記第３および第４の工程は、各繊維について、前記基材の前記第１の面から突出している部分の長さＬと、前記第１の面と前記突出している繊維とのなす角度θと、前記厚さＤと、の関係がＬ×ｓｉｎθ≦Ｄで表される条件を満たすように行われる工程である、燃料電池用拡散層の製造方法。

この拡散層の製造方法では、基材の各繊維について、第１の面から突出した長さＬと、第１の面とその繊維とがなす角の角度θと、電解質膜と拡散層との間に配置される積層方向に沿った中間層の厚さＤと、の関係がＬ×ｓｉｎθ≦Ｄとなっている。すなわち、基材における各繊維の第１の面から突出した面直方向に沿った長さが中間層の厚さＤよりも小さな値である。そのため、この拡散層１２０の製造方法では、第１の面から突出した繊維は電解質膜に侵入しないので電解質膜を損傷せず、燃料電池の性能の低下を防止する拡散層を製造することができる。

［適用例５］適用例４に記載の燃料電池用拡散層の製造方法であって、
前記厚さＤは、前記中間層の前記面直方向に沿ったクリープ変形後の厚さである、燃料電池用拡散層の製造方法。

この拡散層の製造方法では、燃料電池がクリープ変形した後の中間層の厚さＤは、クリープ変形前の初期厚さから面直方向に沿った中間層のクリープ変形量を差し引いた値であるので、燃料電池のクリープ変形後においても、電解質膜を損傷せず、燃料電池の性能の低下を防止する拡散層を製造することができる。

［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拡散層の製造方法であって、
前記第４の工程における前記圧縮の圧力値は、１ＭＰａ以上５ＭＰａ以下である、燃料電池用拡散層の製造方法。

この拡散層の製造方法では、第４の工程で、基材を圧縮する圧力値が１ＭＰａ以上５ＭＰａ以下であるので、基材を破損せずに第１の面における毛羽の処理を行い、電解質膜を破損せず、燃料電池の性能低下を防止する拡散層を製造することができる。また、圧力値が１ＭＰａ以上３ＭＰａ以下であることがより好ましい。

［適用例７］燃料電池用拡散層であって、
前記拡散層は、複数の繊維からなる材料で形成されており、
前記拡散層内の結合剤の単位体積あたりの含浸量は、前記燃料電池用の部材が積層される積層面に略垂直な面直方向に沿って勾配を形成しており、
各繊維について、前記拡散層の前記結合剤の含浸量が多い方の第１の面から突出している部分の長さＬと、前記第１の面と前記突出している繊維とのなす角度θと、電解質膜と前記拡散層との間に配置されるべき中間層の前記面直方向に沿った厚さＤと、の関係がＬ×ｓｉｎθ≦Ｄである、燃料電池用拡散層。

この燃料電池の拡散層は、複数の繊維からなる材料で形成されており、複数の繊維が結合剤によって結合しており、拡散層における第１の面から積層方向に沿って、拡散層における結合剤の単位体積あたりの含浸量は単調に少なくなるような勾配を形成している。また、拡散層の結合剤の含浸量が多い第１の面から各繊維の突出した長さＬと、第１の面とその繊維とがなす角の角度θと、電解質膜と拡散層との間に配置される積層方向に沿った中間層の厚さＤと、の関係がＬ×ｓｉｎθ≦Ｄとなっている。そのため、この燃料電池の拡散層では、拡散層の第１の面側で第１の面から突出した繊維を減らしつつ、第１の面から突出した繊維が電解質膜に侵入しないので電解質膜を損傷せず、燃料電池の性能の低下を防ぐことができる。また、この燃料電池の拡散層では、拡散層における単位体積あたりの結合剤の含浸量が少ない部分で、良好なガス拡散性を確保できる。

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。

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。 本発明の実施例における燃料電池１００の断面構成をより拡大して模式的に示す説明図である。 本発明の実施例におけるカソード側拡散層１２２の結合剤の単位体積あたりの含浸量を示す説明図である。 本発明の実施例における拡散層１２０の製造方法の流れを示すフローチャートである。 本発明の実施例における基材１２６に結合剤を含浸する工程を概略的に示す説明図である。 本発明の実施例における焼成工程後の基材１２６の状態の一例を示す説明図である。 本発明の実施例におけるダスト吸引工程の基材１２６の状態を概略的に示す説明図である。 本発明の実施例における第２のプレス工程後の基材１２６の状態の一例を示す説明図である。 本発明の実施例のダスト吸引工程後における基材１２６の炭素繊維Ｃｆｎの状態の一例を示す説明図である。 本発明の実施例における燃料電池１００のクリープ変形を概略的に示す説明図である。 本発明の実施例における拡散層１２０の第１の面１２７から突出した炭素繊維Ｃｆｎと中間層の厚さＤとの関係を示す説明図である。 比較例におけるカソード側拡散層１２２の結合剤の単位体積あたりの含浸量を示す説明図である。 変形例における第２のプレス工程後の基材１２６の状態を示す説明図である。

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．実施例：
Ａ−１．燃料電池の構成：
Ａ−２．拡散層の製造方法：
Ａ−３．性能評価：
Ａ−４．中間層の厚さについて：
Ｂ．変形例：

Ａ．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とアノード側拡散層１２４とアノード側ガス流路層１３４と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。

図１に示すように、ＭＥＡ１１０は、電解質膜１１２と、電解質膜１１２の一方の側に配置されたアノード１１６と、電解質膜１１２の他方の側に配置されたカソード１１４と、から構成されている。アノード１１６は電解質膜１１２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１１６の反対側でアノード側拡散層１２４と接している。アノード側拡散層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１１４は電解質膜１１２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１１４と反対側でカソード側拡散層１２２と接している。カソード側拡散層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。なお、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。

電解質膜１１２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。アノード１１６およびカソード１１４は、電極反応を促進する触媒を提供する層であり、例えば白金を担持したカーボンと電解質とを含む材料により形成されている。アノード側拡散層１２４およびカソード側拡散層１２２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により形成されている。アノード側撥水層１５４およびカソード側撥水層１５２は、例えばＰＴＦＥ樹脂による撥水機能を有する層として形成されている。

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。

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。

図２は、本発明の実施例における燃料電池１００の断面構成をより拡大して模式的に示す説明図である。本実施例の燃料電池１００では、カソード側拡散層１２２は、複数の炭素繊維Ｃｆｎで形成される多孔質材のカーボンクロスで形成されており、複数の炭素繊維Ｃｆｎが結合剤によって結合している。なお、本明細書では、特定の炭素繊維を、例えば、炭素繊維Ｃｆ１、炭素繊維Ｃｆ２といったように、炭素繊維Ｃｆｎの「ｎ」に任意の整数を入れたもので表す。

図２に示すように、カソード側拡散層１２２は、カソード側撥水層１５２と第１の面１２７を介して隣接しており、カソード側ガス流路層１３２と第２の面１２８を介して隣接している。カソード側拡散層１２２が複数の炭素繊維Ｃｆｎによって形成しているため、いくつかの炭素繊維Ｃｆｎは第１の面１２７から突出していて、カソード１１４やカソード側撥水層１５２に侵入している（例えば、炭素繊維Ｃｆ１）。そのため、本実施例では、カソード側拡散層１２２の第１の面１２７は、平均値として算出した面をフラットな第１の面１２７としている。なお、本実施例では、カソード側拡散層１２２とアノード側拡散層１２４とは同じ材質であり、以下、カソード側拡散層１２２およびアノード側拡散層１２４を合わせて拡散層１２０とも呼ぶ。

図２に示すように、炭素繊維Ｃｆ１はカソード側拡散層１２２の第１の面１２７の面から突出した長さが長さＬ１であり、第１の面１２７と炭素繊維Ｃｆ１とがなす角の角度は角度θ１である。そのため、炭素繊維Ｃｆ１の第１の面１２７から突出した積層方向に沿った長さは、Ｌ１×ｓｉｎ（θ１）で表され、カソード１１４およびカソード側撥水層１５２の積層方向に沿った合計厚さＤよりも小さい。よって、炭素繊維Ｃｆ１は、電解質膜１１２に侵入しないため、電解質膜１１２を損傷しない。なお、カソード１１４およびカソード側撥水層１５２と、アノード１１６およびアノード側撥水層１５４と、は本発明の中間層に相当し、図２に示すカソード１１４とカソード側撥水層１５２との積層方向に沿った厚さは中間層の厚さＤに相当する。

カソード側拡散層１２２の第１の面１２７から突出した複数の炭素繊維Ｃｆｎにおける第１の面１２７から突出した長さをそれぞれＬｎとし、第１の面１２７と複数の炭素繊維Ｃｆｎとがなす角の角度をそれぞれ角度θｎとすると、本実施例における燃料電池１００では、Ｌｎ×ｓｉｎ（θｎ）≦Ｄの関係を満たしている。すなわち、カソード側拡散層１２２の第１の面１２７から突出した炭素繊維Ｃｆｎは、いずれも電解質膜１１２に侵入しないため、電解質膜１１２を損傷しない。

図３は、本発明の実施例におけるカソード側拡散層１２２の結合剤の単位体積あたりの含浸量を示す説明図である。図３に示すように、カソード側拡散層１２２におけるカソード側撥水層１５２に近い部分には結合剤の単位体積あたりの含浸量が多く（濃いハッチングで示す）、カソード側ガス流路層１３２に近い部分には結合剤の単位体積あたりの含浸量が少ない（薄いハッチングで示す）。すなわち、カソード側撥水層１５２側からカソード側ガス流路層１３２側へと積層方向に沿って、カソード側拡散層１２２における結合剤の単位体積あたりの含浸量は単調に少なくなるような勾配を形成している。なお、本発明における単調に少なくなるような勾配とは、カソード側拡散層１２２におけるカソード側撥水層１５２からの距離と単位体積あたりの含浸量とが比例するものに限られない。例えば、距離と単位体積あたりの含浸量との関係が階段状に変化する勾配であってもよいし、傾きの異なる勾配を組み合わせたものでもよいし、階段状に変化する勾配と傾きの異なる勾配とを組み合わせた勾配であってもよい。

以上説明したように、本実施例における燃料電池１００の拡散層１２０は、炭素繊維Ｃｆｎで形成される多孔質材のカーボンクロスで形成されており、複数の炭素繊維Ｃｆｎが結合剤によって結合している。また、拡散層１２０における第１の面１２７から第２の面１２８へと積層方向に沿って、拡散層１２０における結合剤の単位体積あたりの含浸量は単調に少なくなるような勾配を形成している。また、拡散層１２０の結合剤の含浸量が多い第１の面１２７から炭素繊維Ｃｆｎそれぞれの突出した長さＬｎと、第１の面１２７と炭素繊維Ｃｆｎとがなす角それぞれの角度θｎと、電解質膜１１２と拡散層１２０との間に配置される積層方向に沿った中間層の厚さＤと、の関係がＬｎ×ｓｉｎ（θｎ）≦Ｄ（ｎは任意の整数）となっている。そのため、本実施例における燃料電池１００の拡散層１２０では、拡散層１２０の第１の面１２７側で第１の面１２７から突出した炭素繊維Ｃｆｎを減らしつつ、第１の面１２７から突出した炭素繊維Ｃｆｎが電解質膜１１２に侵入しないので電解質膜１１２を損傷せず、燃料電池１００の性能の低下を防ぐことができる。また、本実施例における燃料電池１００の拡散層１２０では、拡散層１２０における第２の面１２８側で単位体積あたりの結合剤の含浸量が少ないので、良好なガス拡散性を確保できる。

Ａ−２．拡散層の製造方法：
図４は、本発明の実施例における拡散層１２０の製造方法の流れを示すフローチャートである。最初に、抄紙工程では、拡散層１２０の基材１２６を作製する（図４のステップＳ２１０）。炭素短繊維を抄造媒体によって連続的に抄造し、ポリビニルアルコールなどのバインダーを付与して炭素繊維紙の基材１２６を作製する。なお、バインダーは本実施例のものに限られない。

次に、含浸工程では、基材１２６にバインダー樹脂１６０を含浸させた後、基材１２６を乾燥させる（ステップＳ２２０）。図５は、本発明の実施例における基材１２６に結合剤を含浸する工程を概略的に示す説明図である。図５に示すように、基材１２６が拡散層１２０として成型されたときにカソード側撥水層１５２と隣接する第１の面１２７から、第１のローラー３０４で汲み出されたバインダー樹脂１６０を第１のローラー３０４と第２のローラー３０６とで基材１２６に含浸させる。その後、ローラーによって運ばれてくるバインダー樹脂１６０が含浸された基材１２６を所定の時間乾燥炉を通過させて、基材１２６を乾燥させる。バインダー樹脂１６０を基材１２６に含浸させて乾燥させることにより、基材１２６の厚みが低減する。また、バインダー樹脂１６０を基材１２６の第１の面１２７から含浸させることにより、基材１２６の第１の面１２７付近の部分におけるバインダー樹脂１６０の単位体積あたりの含浸量が多く、第１の面１２７の反対側の第２の面１２８付近の部分におけるバインダー樹脂１６０の単位体積あたりの含浸量が少なくなる。すなわち、第１の面１２７から第２の面１２８の方向に沿って基材１２６におけるバインダー樹脂１６０の単位体積あたりの含浸量は単調に少なくなるような勾配が形成される。なお、本実施例では、バインダー樹脂１６０として、フェノール樹脂とメタノールとの混合液を使用しているが、結合剤は本実施例のものに限られない。

次に、第１のプレス工程では、基材１２６をプレスする（ステップＳ２３０）。基材１２６をプレスすることにより、基材１２６の厚みを大きく低減させると共に、基材１２６の第１の面１２７から突出していた炭素繊維Ｃｆｎを曲げて基材１２６に拘束して固定する。なお、一部の突出していた炭素繊維Ｃｆｎはプレスにより変形または破断する。

次に、焼成工程では、基材１２６を焼成する（ステップＳ２４０）。焼成することで、基材１２６が炭化して、わずかに厚みが減少する。図６は、本発明の実施例における焼成工程後の基材１２６の状態の一例を示す説明図である。図６に示すように、基材１２６に拘束されていた一部の炭素繊維Ｃｆｎ（例えば、炭素繊維Ｃｆ２、Ｃｆ３、Ｃｆ４、Ｃｆ５）は、基材１２６から開放されて新たに第１の面１２７から突出した炭素繊維Ｃｆｎとなる。例えば、図６に示す炭素繊維Ｃｆ２は第１の面１２７から突出していて、第１の面１２７から突出している長さが長さＬ２であり、第１の面１２７と炭素繊維Ｃｆ２とがなす角の角度は角度θ２である。図６では、炭素繊維Ｃｆ２の第１の面１２７から突出した面直方向に沿った長さは、Ｌ２×ｓｉｎ（θ２）で表され、他の炭素繊維Ｃｆｎの第１の面１２７から突出した面直方向に沿った長さよりも長い。図６に示すように、炭素繊維Ｃｆ２の第１の面１２７から突出した面直方向に沿った長さは、燃料電池１００として積層されたときの中間層（カソード１１４およびカソード側撥水層１５２、または、アノード１１６およびカソード側撥水層１５２）の厚さＤよりも大きな値であり、Ｌ２×ｓｉｎ（θ２）＞Ｄとなる場合がある。この場合に、基材１２６が拡散層１２０として積層されて燃料電池１００を形成すると、炭素繊維Ｃｆ２は電解質膜１１２に侵入して、電解質膜１１２を損傷する場合がある。なお、本発明での「焼成」とは、基材１２６を結合剤により焼結することであり、基材１２６の材質は炭素系の材料に限られない。

次に、ダスト吸引工程では、基材１２６の第１の面１２７に空気を吹きつけながら、第１の面１２７を吸引する（ステップＳ２５０）。図７は、本発明の実施例におけるダスト吸引工程の基材１２６の状態を概略的に示す説明図である。図７に示すように、クリーナー１７０は、吹出口１７２と、吸引タンク１７４と、吸込口１７６と、を備えている。吹出口１７２から基材１２６の第１の面１２７に空気を吹きつける。操作部（図示は省略）を操作することにより、第１の面１２７に吹きつける空気や吸引の強度等を調整することができる。吸引タンク１７４は、吸込口１７６を介して基材１２６から乖離した炭素繊維Ｃｆｎを吸引する。

次に、第２のプレス工程では、基材１２６を常温でプレスする（ステップＳ２６０）。図８は、本発明の実施例における第２のプレス工程後の基材１２６の状態の一例を示す説明図である。図８に示す基材１２６は、図６に示した基材１２６と同じ部分である。図８に示すように、基材１２６を常温でプレスすることにより、第１の面１２７から突出した炭素繊維Ｃｆｎ（例えば、炭素繊維Ｃｆ２’、Ｃｆ３’、Ｃｆ４’、Ｃｆ５’）は、変形したり、破断する。ダスト吸引工程および第２のプレス工程を経ることで、炭素繊維Ｃｆ２’および炭素繊維Ｃｆ３’は破断しており、炭素繊維Ｃｆ４’は曲げ変形しており、炭素繊維Ｃｆ５’は第１の面１２７から第２の面１２８に沿った方向に移動している。なお、炭素繊維Ｃｆｎの第１の面１２７から突出した面直方向に沿った長さは、ダスト吸引工程および第２のプレス工程を行うことによって、ほとんどの場合で短くなる。第２のプレス工程には、平板プレス機やロールプレス機を用いることができる。ロールプレス機による線圧は、富士フィルム（株）”プレスケール”（登録商標）およびプレスケール圧力画像解析システム（ＦＰＤ−９２７０）を用いて、面圧に換算することができる。

図８に示す炭素繊維Ｃｆ２’は、図６に示す炭素繊維Ｃｆ２と同じように、第１の面１２７から突出している長さが長さＬ２’であり、第１の面１２７と炭素繊維Ｃｆ２’とがなす角の角度は角度θ２’である。図８では、炭素繊維Ｃｆ２’の第１の面１２７から突出した面直方向に沿った長さは、Ｌ２’×ｓｉｎ（θ２’）で表され、他の炭素繊維Ｃｆｎの第１の面１２７から突出した面直方向に沿った長さよりも長い。図８に示すように、炭素繊維Ｃｆ２’の第１の面１２７から突出した面直方向に沿った長さは、中間層の厚さＤよりも小さな値であり、Ｌ２’×ｓｉｎ（θ２’）＜Ｄとなる場合がある。この場合に、基材１２６が拡散層１２０として積層されて燃料電池１００を形成すると、炭素繊維Ｃｆ２’は電解質膜１１２に侵入しないため、電解質膜１１２を損傷することがない。なお、第２のプレス工程では、基材１２６を破損しないで、第１の面１２７から突出した炭素繊維Ｃｆｎの処理を行うために、プレスの圧力値は実測値から得られた最適の１ＭＰａ以上５ＭＰａ以下の値である。また、プレスの圧力値は実測値から１ＭＰａ以上３ＭＰａ以下の値であることがより好ましい。

次に、カット工程では、基材１２６を燃料電池１００で使用する所定のサイズにカットする（ステップＳ２７０）。

Ａ−３．性能評価：
図９は、本発明の実施例のダスト吸引工程後における基材１２６の炭素繊維Ｃｆｎの状態の一例を示す説明図である。図９（ａ）には、ダスト吸引工程（図４のステップＳ２５０）において、基材１２６のサンプルに施す処理と第１の面１２７から突出した炭素繊維Ｃｆｎの除去の度合いとの関係を示している。図９（ｂ）には、第１の面１２７から突出した炭素繊維Ｃｆｎの除去の度合いを表す指標の一つである濁度と毛羽重量との関係を示している。

図９（ａ）では、ダスト吸引工程において、サンプルＡおよびサンプルＢに行う処理として、何も処理をしなかった場合と、クリーナー１７０でダスト吸引を行った場合と、クリーナー１７０の吹きつける空気と吸引力とを強化した場合と、の第１の面１２７から突出した炭素繊維Ｃｆｎの除去の度合いについて示している。濁度は、基材１２６にいずれかの処理を行った後に所定の量の水の中に、Ａ４サイズにカットした基材１２６のサンプル５枚をゆすいだ場合において、その水に光を当てて透過光と散乱光の比の測定値から算出したものである。濁度の数値が高いほど、散乱光が多くて水の中に炭素繊維Ｃｆｎが多く含まれている、すなわち、ゆすぐ前の基材１２６に第１の面１２７から突出した炭素繊維Ｃｆｎが多く残っていることを示している。また、図９に示す毛羽重量とは、濁度とは別の指標であり、基材１２６をゆすいだ水１ミリリットル（ｍＬ）中に含まれる炭素繊維Ｃｆｎの重量（ミリグラム（ｍｇ））を示すものである。毛羽重量の値が大きいほど、ゆすぐ前の基材１２６に、第１の面１２７から突出した炭素繊維Ｃｆｎが多く残っていることを表している。

図９（ａ）に示すように、サンプルＡおよびサンプルＢでは、ダスト吸引工程において、基材１２６に何も処理を施さないよりも、クリーナー１７０で空気を吹きつけながら吸引した方が第１の面１２７から突出した炭素繊維Ｃｆｎをより除去できる。また、クリーナー１７０は、基材１２６に吹きつける空気と吸引力とを強化した方が第１の面１２７から突出した炭素繊維Ｃｆｎをより除去することができる。よって、ダスト吸引工程で基材１２６の第１の面１２７に空気を吹きつけながら第１の面１２７を吸引することで、より第１の面１２７から突出した炭素繊維Ｃｆｎを除去することができる。なお、図９（ｂ）では、サンプルＡおよびサンプルＢにおける濁度と毛羽重量との関係を示しており、基材１２６をゆすいだ水の濁度が高ければ、ゆすいだ水の中の毛羽重量の値も大きくなり、濁度と毛羽重量とは相関関係があることを示している。

Ａ−４．中間層の厚さについて：
燃料電池１００は、使用すると継続的に応力が作用してクリープによって変形する場合がある。図１０は、本発明の実施例における燃料電池１００のクリープ変形を概略的に示す説明図である。図１０には、クリープ変形前後の燃料電池１００のＸ１部（図１）の拡大図を示している。図１０（ａ）に示すように、拡散層１２０等の各層を積層して燃料電池１００を作製したときの最初の中間層の厚さは初期厚さＤ０である。このとき、例えば、図１０（ａ）に示す拡散層１２０の第１の面１２７から突出した炭素繊維Ｃｆ６は第１の面１２７から突出している長さが長さＬ６であり、第１の面１２７と炭素繊維Ｃｆ６とがなす角の角度は角度θ６である。図１０では、炭素繊維Ｃ６の第１の面１２７から突出した面直方向に沿った長さは、Ｌ６×ｓｉｎ（θ６）で表され、他の炭素繊維Ｃｆｎの第１の面１２７から突出した面直方向に沿った長さよりも長い。図１０に示すように、炭素繊維Ｃ６の第１の面１２７から突出した面直方向に沿った長さは、初期厚さＤ０よりも小さな値であり、Ｌ６×ｓｉｎ（θ６）＜Ｄとなる。この場合に、拡散層１２０の第１の面１２７から突出した炭素繊維Ｃｆ６は電解質膜１１２に侵入しないため、電解質膜１１２を損傷することがない。

図１０（ｂ）に示すように、燃料電池１００がクリープ変形した後の中間層の厚さＤは、初期厚さＤ０から積層方向に沿った中間層のクリープ変形量ΔＤを差し引いた値である。燃料電池１００がクリープ変形した後では、Ｌ６×ｓｉｎ（θ６）＞Ｄとなり、炭素繊維Ｃｆ６は電解質膜１１２に侵入して、電解質膜１１２を損傷する場合がある。

図１１は、本発明の実施例における拡散層１２０の第１の面１２７から突出した炭素繊維Ｃｆｎと中間層の厚さＤとの関係を示す説明図である。横軸は拡散層１２０の炭素繊維Ｃｆｎが第１の面１２７から突出した長さＬであり、縦軸は第１の面１２７と第１の面１２７から突出している炭素繊維Ｃｆｎとがなす角の角度θである。本実施例の拡散層１２０では、燃料電池１００のクリープ変形後においても、拡散層１２０から突出した炭素繊維Ｃｆｎが電解質膜１１２に侵入しないようにするために、拡散層１２０の炭素繊維Ｃｆｎが第１の面１２７から突出した長さＬと、第１の面１２７と第１の面１２７から突出した炭素繊維Ｃｆｎとがなす角度θと、中間層の厚さＤ（初期厚さＤ０−クリープ変形量ΔＤ）と、の関係は、Ｌ×ｓｉｎθ≦Ｄで表される条件を満たしている。

以上説明したように、本実施例の拡散層１２０の製造方法では、含浸工程で、拡散層１２０の基材１２６にバインダー樹脂１６０（図５）を含浸させて、第１の面１２７から第２の面１２８の方向に沿って基材１２６におけるバインダー樹脂１６０の単位体積あたりの含浸量が単調に少なくなるような勾配を形成する。その後の焼成工程では、基材１２６を焼成する。その後のダスト吸引工程では、基材１２６の第１の面１２７に空気を吹きつけながら、第１の面１２７を吸引する。また、焼成工程の後の第２のプレス工程では、基材１２６をプレスする。そのため、以下に説明するように、本実施例の拡散層１２０の製造方法では、電解質膜１１２を損傷せず、かつ、良好なガス拡散性を確保した拡散層１２０を製造することができる。

図１２は、比較例におけるカソード側拡散層１２２の結合剤の単位体積あたりの含浸量を示す説明図である。図１２では、比較例におけるカソード側拡散層１２２の一部の拡大図を示しており、図３に示すカソード側拡散層１２２（拡散層１２０）とカソード側拡散層１２２ａ（拡散層１２０ａ）とは、結合剤の単位体積あたりの含浸量が異なる。図１２に示すように、カソード側拡散層１２２ａにおける結合剤の単位体積あたりの含浸量は均一に形成されていて（ハッチングで示す）、本実施例のカソード側拡散層１２２における結合剤のように単位体積あたりの含浸量は勾配を形成していない。

比較例における拡散層１２０ａと本実施例の拡散層１２０との製造方法で異なるのは、比較例では、含浸工程の内容と、ダスト吸引工程がないことと、基材１２６に対する第２のプレス工程がないことである。比較例における拡散層１２０ａの製造方法では、含浸工程において、拡散層１２０ａの基材１２６の全面をバインダー樹脂１６０の中に浸した後に乾燥させる。そのため、図１２に示すように、比較例の拡散層１２０ａでは、基材１２６におけるバインダー樹脂１６０の単位体積あたりの含浸量は均一に形成されている。また、比較例における拡散層１２０ａの製造方法では、ダスト吸引工程と基材１２６に対する第２のプレス工程とを行わないため、焼成工程後に基材１２６から開放されて新たに第１の面１２７から突出した炭素繊維Ｃｆｎを十分に除去できていない。

これに対し、本実施例における拡散層１２０の製造方法では、拡散層１２０の第１の面１２７側で第１の面１２７から突出した炭素繊維Ｃｆｎを減らしつつ、第１の面１２７から突出した炭素繊維Ｃｆｎが電解質膜１１２に侵入せずに電解質膜１１２を損傷せず、燃料電池１００の性能の低下を防止した拡散層１２０を製造することができる。また、本実施例における燃料電池１００の拡散層１２０の製造方法では、拡散層１２０における第２の面１２８側で単位体積あたりの結合剤の含浸量が少ないので、良好なガス拡散性を確保した拡散層１２０を製造することができる。

また、本実施例における拡散層１２０の製造方法では、含浸工程において、基材１２６の第１の面１２７からバインダー樹脂１６０を含浸させるので、容易に第１の面１２７から第２の面１２８の方向に沿って基材１２６におけるバインダー樹脂１６０の単位体積あたりの含浸量が単調に少なくなるような勾配を形成した拡散層１２０を製造することができる。そのため、本実施例における拡散層１２０の製造方法では、拡散層１２０における第１の面１２７側で第１の面１２７から突出した炭素繊維Ｃｆｎを減らして燃料電池１００の性能の低下を防止し、拡散層１２０における第２の面１２８側で良好なガス拡散性を確保した拡散層１２０を製造することができる。

また、本実施例における拡散層１２０の製造方法では、基材１２６における炭素繊維Ｃｆｎそれぞれの第１の面１２７から突出した長さＬｎと、第１の面１２７と炭素繊維Ｃｆｎとがなす角それぞれの角度θｎと、電解質膜１１２と拡散層１２０との間に配置される積層方向に沿った中間層の厚さＤと、の関係がＬｎ×ｓｉｎ（θｎ）≦Ｄ（ｎは任意の整数）となっている。すなわち、基材１２６における炭素繊維Ｃｆｎの第１の面１２７から突出した面直方向に沿ったそれぞれの長さが中間層の厚さＤよりも小さな値である。そのため、本実施例における拡散層１２０の製造方法では、第１の面１２７から突出した炭素繊維Ｃｆｎは電解質膜１１２に侵入しないので電解質膜１１２を損傷せず、燃料電池１００の性能の低下を防止する拡散層１２０を製造することができる。

また、本実施例における拡散層１２０の製造方法では、燃料電池１００がクリープ変形した後の中間層の厚さＤは、初期厚さＤ０から積層方向に沿った中間層のクリープ変形量ΔＤを差し引いた値である。また、本実施例では、拡散層１２０の炭素繊維Ｃｆｎが第１の面１２７から突出した長さＬと、第１の面１２７と第１の面１２７から突出した炭素繊維Ｃｆｎとがなす角度θと、中間層の厚さＤ（初期厚さＤ０−クリープ変形量ΔＤ）と、の関係は、Ｌ×ｓｉｎθ≦Ｄで表される条件を満たす。よって、本実施例における拡散層１２０の製造方法では、燃料電池１００のクリープ変形後においても、拡散層１２０から突出した炭素繊維Ｃｆｎが電解質膜１１２に侵入しないので電解質膜１１２を損傷せず、燃料電池１００の性能の低下を防止する拡散層１２０を製造することができる。

また、本実施例における拡散層１２０の製造方法では、第２のプレス工程において、基材１２６をプレスする圧力値が１ＭＰａ以上５ＭＰａ以下であるので、基材１２６を破損せずに第１の面１２７から突出した炭素繊維Ｃｆｎの処理を行うことができ、電解質膜１１２を損傷せず、燃料電池１００の性能の低下を防止する拡散層１２０を製造することができる。

Ｂ．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。

Ｂ１．変形例１：
図１３は、変形例における第２のプレス工程後の基材１２６の状態を示す説明図である。図１３は、図８に示す基材１２６と同じ部分を示している。図１３に示す基材１２６が図８に示す基材１２６と異なる点は、炭素繊維Ｃｆ４’の第１の面１２７から突出した長さの長さＬ４’と、面直方向に沿った配置されるべき中間層の厚さＤと、が同じ値である点である。なお、炭素繊維Ｃｆ４’が曲げ変形しているため、長さＬ４は炭素繊維Ｃｆ４’を直線にしたときの長さである。図１３では、変形例における基材１２６の炭素繊維Ｃｆ４’が第１の面１２７から突出した長さＬ４’は、他の炭素繊維Ｃｆｎが第１の面１２７から突出した長さＬｎよりも大きい。そのため、基材１２６の第１の面１２７から最も突出した炭素繊維Ｃｆ４の第１の面１２７から突出した長さＬ４’は、面直方向に沿った中間層の厚さＤ以下の値である。よって、変形例における拡散層１２０の製造方法では、ダスト吸引工程および第２のプレス工程の後に、炭素繊維Ｃｆｎの第１の面１２７から突出した面直方向に沿った長さが長くなっても、第１の面１２７から突出したすべての炭素繊維Ｃｆｎは電解質膜１１２に侵入しないので電解質膜１１２を損傷せず、燃料電池１００の性能の低下を防止する拡散層１２０を製造することができる。

Ｂ２．変形例２：
上記実施例の拡散層１２０の製造方法では、含浸工程において、図５に示す第１のローラー３０４等によって基材１２６の第１の面１２７からバインダー樹脂１６０を含浸したが、含浸の方法はこれに限られない。例えば、第１のローラー３０４等を用いないで、基材１２６の第１の面１２７のみをバインダー樹脂１６０に所定の時間浸すことで、基材１２６におけるバインダー樹脂１６０の単位体積あたりの含浸量に勾配を形成することができる。

また、上記実施例の拡散層１２０の製造方法では、第２のプレス工程において、プレスの圧力値は１ＭＰａ以上５ＭＰａ以下であるとしたが、この値に限られない。圧力値が１ＭＰａよりも小さくても基材１２６の毛羽の処理を行うことができるし、圧力値が５ＭＰａよりも大きくても基材１２６を破損することなく毛羽の処理を行うことができる。

また、上記実施例の拡散層１２０の製造方法では、図４に示すように、焼成工程の後に、ダスト吸引工程を行ってから基材１２６に第２のプレス工程を行っているが、第２のプレス工程を行ってからダスト吸引工程を行ってもよい。例えば、焼成工程の後に、第２のプレス工程とカット工程を行ってから、最後にダスト吸引工程を行ってもよい。この場合の拡散層１２０の製造方法でも、基材１２６の第１の面１２７から突出した炭素繊維Ｃｆｎを十分に除去して、電解質膜１１２を損傷しないで燃料電池の性能の低下を防止する拡散層１２０を製造することができる。

上記実施例の拡散層１２０の製造方法では、カット工程において、基材１２６をカットしたが、工程の順序はこれに限られない。例えば、基材１２６にカソード側撥水層１５２またはアノード側撥水層１５４を塗工してから、燃料電池１００で使用する所定のサイズにカットしてもよい。

Ｂ３．変形例３：
上記実施例の拡散層１２０の製造方法では、カソード側拡散層１２２（拡散層１２０）の第１の面１２７の面は、平均値として算出した面をフラットな第１の面１２７としているが、そうでなくてもよい。例えば、図２に示すようなＸ線のＣＴ画像において、得られたカソード側拡散層１２２の拡大画像の両端の点を直線で結んだものをフラットな第１の面１２７としてもよいし、ランダムで取得した任意の５点の平均値、または、中央値と右端の点とを結んだ直線をフラットな第１の面１２７としてもよい。また、拡散層１２０の材質によって、第１の面１２７の算出方法を適時変更してもよい。

また、上記実施例の拡散層１２０の製造方法では、拡散層１２０は、カーボンクロスやカーボンペーパーにより形成されているとしたが、そうでなくてもよい。例えば、導電性を有する繊維状の金属から構成される拡散層１２０であってもよい。

Ｂ４．変形例４：
上記実施例の製造方法における燃料電池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を備えているが、これらの撥水層がなくてもよいし、カソード側またはアノード側のみにカソード側撥水層１５２またはアノード側撥水層１５４を備える構成としてもよい。

また、上記実施例の製造方法における燃料電池１００では、図１に示すように、電解質膜１１２とアノード１１６とカソード１１４とカソード側撥水層１５２とアノード側撥水層１５４とは面方向における面積を同じとしたが、異なっていてもよい。例えば、アノード１１６の面積が電解質膜１１２の面積より大きくてもよいし、小さくてもよい。

また、上記実施例の製造方法における燃料電池１００では、固体高分子型燃料電池の拡散層１２０の製造方法について説明しているが、本発明は他の種類の燃料電池（例えば、ダイレクトメタノール形燃料電池やリン酸形燃料電池）の拡散層１２０の製造方法にも適用することができる。

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。

１００…燃料電池
１１０…ＭＥＡ
１１２…電解質膜
１１４…カソード
１１６…アノード
１２０…拡散層
１２０ａ…拡散層
１２２…カソード側拡散層
１２２ａ…カソード側拡散層
１２４…アノード側拡散層
１２６…基材
１２７…第１の面
１２８…第２の面
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
１６０…バインダー樹脂
１７０…クリーナー
１７２…吹出口
１７４…吸引タンク
１７６…吸込口
３０４…第１のローラー
３０６…第２のローラー
Ｌ…長さ
Ｄ…中間層の厚さ
Ｃｆｎ…炭素繊維

Claims (7)

1. 燃料電池用拡散層の製造方法であって、
   前記拡散層内の結合剤の単位体積あたりの含浸量が、前記燃料電池用の部材が積層される積層面に略垂直な面直方向に沿って勾配ができるように、前記拡散層の基材に前記結合剤を含浸させる第１の工程と、
   前記第１の工程の後、前記基材を焼成する第２の工程と、
   前記第２の工程の後、前記基材における前記結合剤の含浸量が多い方の第１の面に気体を吹きつけながら前記第１の面を吸引する第３の工程と、
   前記第２の工程の後、前記基材を前記面直方向に圧縮する第４の工程と、を備える燃料電池用拡散層の製造方法。
2. 請求項１に記載の燃料電池用拡散層の製造方法であって、
   前記第１の工程は、前記基材の前記第１の面から前記結合剤を含浸させる工程である、燃料電池用拡散層の製造方法。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池用拡散層の製造方法であって、
   前記基材は、複数の繊維からなる材料で形成されており、
   前記第３および第４の工程は、前記基材の前記第１の面からの繊維の最大突出量が、電解質膜と前記拡散層との間に配置されるべき中間層の前記面直方向に沿った厚さＤ以下となるように行われる工程である、燃料電池用拡散層の製造方法。
4. 請求項３に記載の燃料電池用拡散層の製造方法であって、
   前記第３および第４の工程は、各繊維について、前記基材の前記第１の面から突出している部分の長さＬと、前記第１の面と前記突出している繊維とのなす角度θと、前記厚さＤと、の関係がＬ×ｓｉｎθ≦Ｄで表される条件を満たすように行われる工程である、燃料電池用拡散層の製造方法。
5. 請求項４に記載の燃料電池用拡散層の製造方法であって、
   前記厚さＤは、前記中間層の前記面直方向に沿ったクリープ変形後の厚さである、燃料電池用拡散層の製造方法。
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拡散層の製造方法であって、
   前記第４の工程における前記圧縮の圧力値は、１ＭＰａ以上５ＭＰａ以下である、燃料電池用拡散層の製造方法。
7. 燃料電池用拡散層であって、
   前記拡散層は、複数の繊維からなる材料で形成されており、
   前記拡散層内の結合剤の単位体積あたりの含浸量は、前記燃料電池用の部材が積層される積層面に略垂直な面直方向に沿って勾配を形成しており、
   各繊維について、前記拡散層の前記結合剤の含浸量が多い方の第１の面から突出している部分の長さＬと、前記第１の面と前記突出している繊維とのなす角度θと、電解質膜と前記拡散層との間に配置されるべき中間層の前記面直方向に沿った厚さＤと、の関係がＬ×ｓｉｎθ≦Ｄである、燃料電池用拡散層。

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