JP2014067689A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】シール部材と電解質膜との接着性を向上させる技術の燃料電池を提供する。
【解決手段】第１の触媒層と、一方の面の周縁部の少なくとも一部が、第１の触媒層の周縁部よりも外側に露出するように配置された電解質膜１１と、電解質膜の他方の面に配置された第２の触媒層と、第１の触媒層に接合された第１のガス拡散層と、第２の触媒層に接合された第２のガス拡散層と、第１のガス拡散層側に配置された第１のセパレータと、第２のガス拡散層側に配置された第２のセパレータと、第１のセパレータと第２のセパレータとに狭持されるシール部材４０と、シール部材と電解質膜の露出した部分の少なくとも一部とが接着された接着部５０と、を備える燃料電池。接着部における電解質膜とシール部材の接着力は、シール部材を介して接着部の略反対側における第１のセパレータとシール部材の接着力以上である。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に関する。

燃料電池は、一般的に、電解質膜の両面に、燃料電池反応を促進するための触媒を担持させた電極（触媒電極）が配置された発電体である膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ、以下、ＭＥＡ）を備える。ＭＥＡの両面には、反応ガスを拡散させて触媒電極全体に行き渡らせるためのガス拡散層が配置される。ガス拡散層が配置されたＭＥＡには、その外周に、反応ガスの漏洩（いわゆるクロスリーク）や、触媒電極同士の電気的短絡を抑制するためのシール部が一体的に形成される。ガス拡散層が配置されたＭＥＡ（膜電極ガス拡散層接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ｇａｓ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ Ａｓｓｅｍｂｌｙ、以下、ＭＥＧＡ））とシール部とは、セパレータにより狭持される。

特許文献１には、シール部材として、酸により変性されているオレフィン系熱可塑性樹脂を主成分として含むシール部材が記載されている。このシール部材によれば、セパレータの表面との濡れ性が向上するので、セパレータとの接着性、シール性を確保することができる。

特開２００７−１８８７１８号公報

しかし、特許文献１に記載されたシール部材は、セパレータとの接着性は確保できるが、電解質膜と水素結合により接着されるため、電解質膜との接着性が不十分となる場合があり、リークの原因となるおそれがあった。シール部材と電解質膜との接着性は、ＭＥＧＡの厚さに公差が存在する場合に、より不十分となるおそれがあった。このような問題は、酸により変性されているオレフィン系熱可塑性樹脂を主成分として含むシール部材のみならず、電解質膜との接着性が確保し難いシール部材を用いた燃料電池に共通する課題であった。そのほか、従来のシール部材を用いた燃料電池においては、低コスト化やシール部での強度の向上等が望まれていた。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池が提供される。この燃料電池は、第１の触媒層と；一方の面の周縁部の少なくとも一部が、前記第１の触媒層の周縁部よりも外側に露出するように配置された電解質膜と；前記電解質膜の他方の面に配置された第２の触媒層と；前記第１の触媒層に接合された第１のガス拡散層と、前記第２の触媒層に接合された第２のガス拡散層と；前記第１のガス拡散層側に配置された第１のセパレータと、前記第２のガス拡散層側に配置された第２のセパレータと；前記第１のセパレータと前記第２のセパレータとに狭持されるシール部材と；前記シール部材と前記電解質膜の露出した部分の少なくとも一部とが接着された接着部と、を備え；前記接着部における前記電解質膜と前記シール部材の接着力は、前記シール部材を介して前記接着部の略反対側における前記第１のセパレータと前記シール部材の接着力以上である。この形態の燃料電池によれば、シール部材を介して接着部の略反対側における第１のセパレータとシール部材との接着力が、接着部における電解質膜とシール部材との接着力よりも大きくなることはない。よって、電解質膜とシール部材とは良好に接着されたままとなるので、燃料電池のクロスリークの発生が抑制される。

（２）上記形態の燃料電池では、前記シール部材を介して前記接着部の略反対側において、前記第１のセパレータと前記シール部材とが接着されていなくともよい。この形態の燃料電池によれば、第１のセパレータとシール部材とが当接している場合であっても、第１のセパレータとシール部材とは接着されていないので、シール部材を介して接着部の略反対側における第１のセパレータとシール部材との接着力が、接着部における電解質膜とシール部材との接着力よりも大きくなることはない。よって、電解質膜とシール部材とは良好に接着されたままとなる。

（３）上記形態の燃料電池では、前記シール部材を介して前記接着部の略反対側において、前記第１のセパレータと前記シール部材とは離れていてもよい。この形態の燃料電池によれば、第１のセパレータの形状等を変更してシール部材から離間させることによって、接着部における電解質膜とシール部材の接着力を、シール部材を介して接着部の略反対側における第１のセパレータとシール部材の接着力以上とすることができる。

（４）上記形態の燃料電池において、シール部材は；酸変性熱可塑性樹脂を表面に有していてもよい。この形態の燃料電池によれば、シール部材は表面に酸変性熱可塑性樹脂を備えるためセパレータとの接着性が良く、シール性を保つことができる。

（５）上記形態の燃料電池では、前記シール部材を介して前記接着部の略反対側において、前記シール部材は前記酸変性熱可塑性樹脂を備えていなくともよい。この形態の燃料電池によれば、シール部材の構成を変更することによって、接着部における電解質膜とシール部材の接着力を、シール部材を介して接着部の略反対側における第１のセパレータとシール部材の接着力以上とすることができる。

（６）上記形態の燃料電池において、前記シール部材を介して前記接着部の略反対側において、前記酸変性熱可塑性樹脂にはシランカップリング剤が塗布されていてもよい。この形態の燃料電池によれば、シランカップリング剤が塗布された酸変性熱可塑性樹脂は、セパレータとの接着性が低下するので、接着部における電解質膜とシール部材との接着力を、シール部材を介して接着部の略反対側における第１のセパレータとシール部材との接着力以上とすることができる。

（７）上記形態の燃料電池において、前記接着部では、前記電解質膜と前記シール部材とが接着剤により接着されており；前記シール部材を介して前記接着部の略反対側では、前記第１のセパレータと前記シール部材とが粘着剤により接着されていてもよい。この形態の燃料電池によれば、シール部材は、接着部において接着剤によって電解質膜と接着し、シール部材を介して接着部の略反対側において、粘着剤によって第１のセパレータと接着する。よって、接着部における電解質膜とシール部材の接着力を、シール部材を介して接着部の略反対側における第１のセパレータとシール部材の接着力以上とすることができる。また、粘着剤は、第１のセパレータから剥がされた場合であっても、再度、第１のセパレータに押圧されることで第１のセパレータと接着する。よって、燃料電池に加えられる荷重が変化する場合であっても、クロスリークを防止することができる。

本発明は、燃料電池以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池の製造方法や燃料電池を備える車両等の形態で実現することができる。

本発明の一実施形態としての燃料電池の構成を示す概略図である。 燃料電池の製造方法について説明するための図である。 非接着部を有する燃料電池の効果を説明するための図である。 非接着部を有する燃料電池の効果を説明するための図である。 本発明の別の実施形態としての燃料電池の構成を示す概略図である。 カソード側ガス拡散層略端部からの距離とカソード側セパレータとシール部材との剥離強度との関係を示す図である。 本発明の別の実施形態としての燃料電池の構成を示す概略図である。 本発明の別の実施形態としての燃料電池の構成を示す概略図である。 燃料電池に加えられている荷重が解除された状態を示す図である。 同一の面に接着剤と粘着剤とを備えるシール部材を有する燃料電池を示す図である。

Ａ．第１実施形態：
Ａ１．燃料電池の構成：
図１は本発明の一実施形態としての燃料電池１００の構成を示す概略図である。この燃料電池１００は反応ガスとして燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば酸素）の供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池１００は、複数の単セル６０が積層されたスタック構造を有する。

単セル６０は、ＭＥＡ１０の一方の面にカソード側ガス拡散層２２ｃが配置され、他方の面にアノード側ガス拡散層２２ａが配置されたＭＥＧＡ２０と、ＭＥＧＡ２０を狭持するアノード側セパレータ３３ａおよびカソード側セパレータ３３ｃと、シール部材４０と、を備える。

ＭＥＡ１０は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜である電解質膜１１の両面に、燃料電池反応を促進するための触媒を担持させたアノード側触媒層１２ａおよびカソード側触媒層１２ｃが設けられた発電体である。図１に示すように、カソード側触媒層１２ｃは、カソード側触媒層１２ｃの端部の位置が電解質膜１１の端部の位置よりも内側になるように、電解質膜１１の一方の面に設けられている。アノード側触媒層１２ａは、アノード側触媒層１２ａと電解質膜１１の端部の位置が、ほぼ揃うように電解質膜１１の他方の面に設けられている。そのため、電解質膜１１の周縁部は、カソード側触媒層１２ｃが設けられている面側において、カソード側触媒層１２ｃの周縁部よりも外側に露出している。電解質膜１１は、例えば、ナフィオン（登録商標）などのフッ素系のイオン交換膜によって構成することができる。アノード側触媒層１２ａおよびカソード側触媒層１２ｃは、例えば白金（Ｐｔ）などを担持したカーボン担体と、プロトン伝導性を有するアイオノマーとを電解質膜１１に塗布することにより形成することができる。カソード側触媒層１２ｃは本願の「第１の触媒層」に相当し、アノード側触媒層１２ａは本願の「第２の触媒層」に相当する。

ＭＥＧＡ２０は、ＭＥＡ１０のアノード側触媒層１２ａが設けられている面側にアノード側ガス拡散層２２ａを備えており、カソード側触媒層１２ｃが設けられている面側にカソード側ガス拡散層２２ｃを備えている。アノード側ガス拡散層２２ａおよびカソード側ガス拡散層２２ｃ（以下、これらをまとめて「ガス拡散層２２」ともいう）は、ガス透過性を有するとともに導電性を有する材料で形成されている。図１に示すように、アノード側ガス拡散層２２ａの端部の位置は、アノード側触媒層１２ａの端部の位置とほぼ揃っている。カソード側ガス拡散層２２ｃの端部の位置は、カソード側触媒層１２ｃの端部の位置とほぼ同じである。すなわち、ＭＥＧＡ２０は、電解質膜１１の周縁部がカソード側触媒層１２ｃの設けられている面側において、カソード側触媒層１２ｃおよびカソード側ガス拡散層２２ｃよりも外側に露出し、カソード側触媒層１２ｃおよびカソード側ガス拡散層２２ｃの周縁部が、アノード側触媒層１２ａおよびアノード側ガス拡散層２２ａの周縁部よりも内側に位置する段付き構造を有している。ガス拡散層２２は、炭素繊維や黒鉛繊維など、導電性およびガス透過性・ガス拡散性を有する多孔質の繊維基材により構成することができる。カソード側ガス拡散層２２ｃは本願の「第１のガス拡散層」に相当し、アノード側ガス拡散層２２ａは本願の「第２のガス拡散層」に相当する。

シール部材４０は、クロスリークや、触媒電極同士の電気的短絡を防ぐための部材である。シール部材４０は、熱可塑性樹脂４１の両面に酸変性熱可塑性樹脂４２を備えた構造を有している。酸変性熱可塑性樹脂４２は、一般的に熱可塑性樹脂に比べて粘度・融点が低く、他の物質との接着性が高いという性質を有しており、接着剤として機能する。本実施形態では、熱可塑性樹脂４１としてポリプロピレンを用いている。また、酸変性熱可塑性樹脂４２として、変性ポリオレフィンであるアドマー（登録商標）を用いている。シール部材４０は、図１に示すように、電解質膜１１の周縁部と接着している。電解質膜１１とシール部材４０とが接着している箇所を、以降、接着部５０ともいう。

アノード側セパレータ３３ａおよびカソード側セパレータ３３ｃは、ガス遮断性および電子伝導性を有する部材によって形成されている。アノード側セパレータ３３ａとカソード側セパレータ３３ｃ（以下、これらをまとめて「セパレータ３３」ともいう）は、ＭＥＧＡ２０およびシール部材４０を狭持している。カソード側セパレータ３３ｃのリブ部３３ｃ１〜３３ｃ３のうち、シール部材４０を介して接着部５０と対向するカソード側セパレータ３３ｃ近傍のリブ部３３ｃ２の突出量は、シール部材４０と接着しているリブ部３３ｃ３の突出量より少ない。そのため、カソード側セパレータ３３ｃは、リブ部３３ｃ２において、シール部材４０と接着していない。この接着していない箇所を、以降、非接着部５５ともいう。本実施形態では、セパレータ３３は、プレス成形されたステンレス鋼によって形成されている。なお、セパレータ３３は、チタンやチタン合金といった金属によって形成される薄板状部材や、緻密質カーボン等のカーボン製部材によって形成することができる。カソード側セパレータ３３ｃは本願の「第１のセパレータ」に相当し、アノード側セパレータ３３ａは本願の「第２のセパレータ」に相当する。

燃料ガス流路３４ａはアノード側ガス拡散層２２ａとアノード側セパレータ３３ａの間に形成されており、酸化剤ガス流路３４ｃはカソード側ガス拡散層２２ｃとカソード側セパレータ３３ｃとの間に形成されている。燃料ガス流路３４ａは水素ガスの流路であり、酸化剤ガス流路３４ｃは酸素ガスの流路である。

Ａ２．燃料電池の製造方法：
図２は燃料電池１００の製造方法について説明するための図である。まず、電解質膜１１の一方の面にカソード側触媒層１２ｃを形成し、他方の面にアノード側触媒層１２ａを形成することによって、ＭＥＡ１０を作製する（ステップＳ１０）。具体的には、白金を担持したカーボン担体とアイオノマーとを溶媒に混合して生成した触媒インクを、電解質膜１１の一方の面に、その周縁部を残して塗布することにより、カソード側触媒層１２ｃを形成する。また、電解質膜１１の他方の面全面に触媒インクを塗布して、アノード側触媒層１２ａを形成する。このようにして、電解質膜１１の周縁部が露出したＭＥＡ１０を得る。

次に、電解質膜１１の周縁部が露出するように、ＭＥＡ１０の一方の面にカソード側ガス拡散層２２ｃを接合し、他方の面にアノード側ガス拡散層２２ａを接合して、ＭＥＧＡ２０を作製する（ステップＳ２０）。具体的には、電解質膜１１およびアノード側触媒層１２ａとほぼ同じ面積のガス拡散層をアノード側触媒層１２ａ側に配置し、カソード側触媒層１２ｃとほぼ同じ面積のガス拡散層をカソード側触媒層１２ｃ側に配置して、例えば１００℃から１６０℃の温度で加熱する。このようにして、カソード側触媒層１２ｃおよびカソード側ガス拡散層２２ｃの周縁部が、アノード側触媒層１２ａおよびアノード側ガス拡散層２２ａの周縁部よりも内側に位置する段付き構造を有するＭＥＧＡ２０を得る。

次に、電解質膜１１の周縁部と接するようにシール部材４０を配置して、ＭＥＧＡ２０とシール部材４０を熱圧着する（ステップＳ３０）。シール部材４０は、シール部材４０表面の酸変性熱可塑性樹脂４２のカルボキシル基と、電解質膜１１のスルホン酸基とが水素結合することにより、電解質膜１１の周縁部と接着する。

次に、電解質膜１１の周縁部とシール部材４０とが接着したＭＥＧＡ２０を、アノード側セパレータ３３ａおよびカソード側セパレータ３３ｃで狭持する（ステップＳ４０）。カソード側セパレータ３３ｃのリブ部３３ｃ２は、図１で説明したように、シール部材４０に接しない形状であるため、カソード側セパレータ３３ｃとシール部材４０との間に、非接着部５５が形成される。以上のようにして、シール部材４０を介して接着部５０の略反対側において、カソード側セパレータ３３ｃとシール部材４０とが接着されていない非接着部５５を備え、ＭＥＧＡ２０の外周がシール部材４０によりシールされた単セル６０を得ることができる。この単セル６０を積層した積層方向の両側に、外側に向かって、集電板と、絶縁板と、エンドプレートとを順に配置する。エンドプレートを、積層方向の両側から例えばナットなどによって所定の荷重を加えて締結することによって、燃料電池１００を製造することができる。

以上で説明したように、本実施形態の燃料電池１００は、電解質膜１１の周縁部が露出した段付き構造を有するＭＥＧＡ２０を備える。燃料電池１００においては、電解質膜１１の周縁部とシール部材４０が接着したＭＥＧＡ２０が、セパレータ３３で狭持される。そのため、段付き構造を有さないＭＥＧＡと比較して、シール部材４０とＭＥＧＡ２０の外周とが接着する部分が多くなる。よって、本実施形態の燃料電池１００は、段付き構造を有さないＭＥＧＡを備える燃料電池と比較して、シール性に優れる。また、シール部材４０は、表面に酸変性熱可塑性樹脂４２を備えた構造を有している。そのため、酸変性熱可塑性樹脂４２のカルボキシル基と例えばセパレータの表面の金属酸化物とが共有結合することにより、シール部材４０とセパレータ３３とは強固に結合し、シール性を保つことができる。

また、シール部材４０は、中間層として熱可塑性樹脂４１を有する。熱可塑性樹脂４１は、酸変性熱可塑性樹脂４２よりも一般的に融点が高く、強度に優れる。そのため、酸変性熱可塑性樹脂４２のみをシール部材として用いるよりも、強度に優れた燃料電池１００を製造するができる。また、酸変性熱可塑性樹脂４２に要するコストを抑えることができるので、燃料電池１００の製造コストの増加を抑制することが可能となる。さらに、本実施形態の燃料電池１００は、非接着部５５を備えることで、以下の効果を有する。

図３および図４は、非接着部５５を有する燃料電池１００の効果を説明するための図である。図３（ａ）および図４（ａ）は、単セル６０ｆ、６０ｍを積層した燃料電池１００ｆ、１００ｍを簡略化して示している。燃料電池は、図２を用いて説明したように、ＭＥＧＡ２０をセパレータ３３ｆ、３３ｍで狭持した単セル６０を積層して作製される。一般的にＭＥＧＡ２０には、厚みに対する公差が存在するが、ＭＥＧＡ２０にその公差がない場合には、図３（ａ）に示すように同じ厚さのＭＥＧＡ２０を備える単セル６０ｆが積層される。この場合には、図３（ｂ）に示すようにシール部材４０と電解質膜１１とに剥離を生じさせる力が加わらないため、シール部材４０と電解質膜１１との接着性は保たれる。

一方、ＭＥＧＡに厚みに対する公差が存在すると、図４（ａ）に示すように、厚さの異なるＭＥＧＡ２０ｍが存在することによって、ＭＥＧＡ２０ｍの外周近傍のセパレータ３３ｍに歪み等が生じる場合がある。電解質膜１１と、酸変性熱可塑性樹脂４２とは、上述したように、水素結合により結合（接着）している。一方、カソード側セパレータ３３ｃと酸変性熱可塑性樹脂４２とは、共有結合により結合（接着）している。水素結合の結合力は、共有結合の結合力よりも小さいため、電解質膜１１と酸変性熱可塑性樹脂４２との接着力は、カソード側セパレータ３３ｃと酸変性熱可塑性樹脂４２の接着力よりも小さい。また、ＭＥＧＡ近傍には、燃料電池の電気化学反応によって生成された水が存在する。そのため、図４（ａ）に示すようにＭＥＧＡ２０ｍに公差が存在すると、シール部材４０は、図４（ｂ）に示すように、電解質膜１１から剥離しやすくなる。このような剥離が生じると、クロスリークの原因となる。また、比較的厚みのあるセパレータ３３を用いている場合には、セパレータ３３に歪み等が生じなくとも、電解質膜１１からシール部材４０がセパレータ３３によりそのまま持ち上げられ、電解質膜１１からシール部材４０が剥離する可能性もある。

本実施形態の燃料電池１００は、図１に示すように、シール部材４０を介して接着部５０と対向する面側のシール部材４０と、カソード側セパレータ３３ｃとの間に、シール部材４０とカソード側セパレータ３３ｃとが接着されていない部分（非接着部５５）が存在する。そのため、ＭＥＧＡ２０の公差によってセパレータ３３に歪み等が生じても、シール部材４０を介して接着部５０と対向する面側のカソード側セパレータ３３ｃと酸変性熱可塑性樹脂４２との接着力が、電解質膜１１とシール部材４０との接着力より大きくなることはない。したがって、電解質膜１１からシール部材４０が剥離することを防止することができるため、クロスリークを効果的に抑制することが可能となる。

また、燃料電池１００においては、電気化学反応の進行に伴って単セル６０が比較的高温度に達すると、ガス拡散層２２等においてクリープ現象が生じる場合がある。積層された単セル６０間で、クリープ現象の発生度合いが異なると、ＭＥＧＡ２０に公差が存在する場合と同様に、ＭＥＧＡ２０の外周近傍のセパレータ３３に歪み等が生じる場合がある。このような場合においても、本実施形態の燃料電池１００は、図１に示すように非接着部５５を備えるので、電解質膜１１からシール部材４０が剥離することを防止することができるため、クロスリークを効果的に抑制することができる。

Ｂ．第２実施形態：
Ｂ１．燃料電池の構成：
図５は、本発明の別の実施形態としての燃料電池１００ｐの構成を示す概略図である。この燃料電池１００ｐは、シール部材４０を介して接着部５０の略反対側に、非接着部５５ｐを備える。非接着部５５ｐは、シール部材４０を介して接着部５０と対向するカソード側セパレータ３３ｃｐのリブ部３３ｃｐ２を、シール部材４０の端部（カソード側ガス拡散層２２ｃの略端部）から距離Ｌ１だけ接しないようにすることで形成されている。燃料電池１００ｐのその他の構成については、第１実施形態（図１）で示した燃料電池１００と同様であるため説明を省略する。

本実施形態の燃料電池１００ｐは、第１実施形態の燃料電池１００と同様に、電解質膜１１の周縁部が露出した段付き構造を有するＭＥＧＡ２０を備える。また、電解質膜１１の周縁部とシール部材４０とが接着したＭＥＧＡ２０が、セパレータ３３によって狭持される。さらに、シール部材４０は、表面に酸変性熱可塑性樹脂４２を備え、中間層として熱可塑性樹脂４１を有する。そのため、第１実施形態の燃料電池１００と同様の効果を奏する。また、非接着部５５ｐは、以下のような基準に基づいて形成されているため、第１実施形態の燃料電池１００と同様に、ＭＥＧＡ２０に公差が存在しても、クロスリークを効果的に抑制することが可能となる。

図６は、カソード側ガス拡散層２２ｃ略端部からの距離と、カソード側セパレータ３３ｃｐとシール部材４０との剥離強度（単位幅あたりの剥離に必要な平均荷重）との関係を示す図である。横軸をカソード側ガス拡散層２２ｃ略端部（シール部材４０端部）からアノード側ガス拡散層端部方向へ向かう電解質膜１１上の距離、縦軸を剥離強度とし、実線でカソード側セパレータ３３ｃｐとシール部材４０との剥離強度を示している。図６において、破線は、Ｔ字剥離試験法で求めた酸変性熱可塑性樹脂４２と電解質膜１１との剥離強度を示している。カソード側セパレータ３３ｃｐとシール部材４０との剥離強度は、シール部材４０の厚みや、ヤング率等に基づいて、計算により求める事ができる。また、図５に示すような燃料電池１００ｐを作製して、実際の剥離強度を測定することにより求めることもできる。

図６に示すように、距離Ｌ１までは、カソード側セパレータ３３ｃｐとシール部材４０の剥離強度が、電解質膜１１とシール部材４０の剥離強度より大きい。そのため、非接着部を設けない燃料電池においては、ＭＥＧＡ２０の厚みに対する公差が存在すると、距離Ｌ１までは、図４に示したように電解質膜１１からシール部材４０が剥離する可能性がある。一方、カソード側ガス拡散層２２ｃ略端部からの距離がＬ１より大きくなると、カソード側セパレータ３３ｃｐとシール部材４０の剥離強度が、電解質膜１１とシール部材４０の剥離強度よりも小さくなる。そのため、ＭＥＧＡ２０の厚みに対する公差が存在しても、電解質膜１１からシール部材４０が剥離し難くなる。

本実施形態の燃料電池１００ｐは、カソード側ガス拡散層２２ｃの略端部から距離Ｌ１だけ、シール部材４０をカソード側セパレータ３３ｃｐのリブ部３３ｃｐ２に接着させない構成としている。そのため、ＭＥＧＡ２０の厚みに公差が存在しても、カソード側セパレータ３３ｃｐとシール部材４０との接着力が、電解質膜１１とシール部材４０との接着力より大きくなることはない。したがって、第１実施形態の燃料電池１００と同様に電解質膜１１からシール部材４０が剥離することを防止することができるため、クロスリークを効果的に抑制することが可能となる。

Ｃ．第３実施形態：
Ｃ１．燃料電池の構成：
図７は、本発明の別の実施形態としての燃料電池１００ｔの構成を示す概略図である。この燃料電池１００ｔは、シール部材４０ｔを介して接着部５０ｔの略反対側に、非接着部５５ｔを備える。また、本実施形態では、第１実施形態および第２実施形態の燃料電池１００、１００ｐと異なり、カソード側セパレータ３３ｃｔのリブ部３３ｃｔ１〜３３ｃｔ３の突出量は、ほぼ同じである。燃料電池１００ｔのその他の構成は第１実施形態（図１）および第２実施形態（図５）で示した燃料電池１００、１００ｐと同様であるため説明を省略する。

本実施形態では、非接着部５５ｔは、シール部材４０ｔの表面に備えられた酸変性熱可塑性樹脂４２ｔの一部に、シランカップリング剤を塗布することによって、形成されている。酸変性熱可塑性樹脂４２ｔにシランカップリング剤を塗布することとしたのは、本発明者らが、シランカップリング剤を塗布した酸変性熱可塑性樹脂と、セパレータ３３との界面の接着性を評価したところ、シランカップリング剤を塗布した酸変性熱可塑性樹脂は、セパレータ３３との接着性が保たれなくなることを見出したためである。これは、酸変性熱可塑性樹脂にシランカップリング剤を塗布すると、酸変性熱可塑性樹脂とセパレータとの良好な接着性が、発揮されがたくなるためであると考えられる。

本実施形態の燃料電池１００ｔは、電解質膜１１の周縁部が露出した段付き構造を有するＭＥＧＡ２０を備える。また、電解質膜１１の周縁部とシール部材４０ｔとが接着したＭＥＧＡ２０が、セパレータ３３ｔによって狭持される。さらに、シール部材４０ｔは、表面に酸変性熱可塑性樹脂４２を備え、中間層として熱可塑性樹脂４１を有する。そのため、本実施形態の燃料電池１００ｔは、第１実施形態および第２実施形態の燃料電池１００、１００ｐと同様の効果を奏する。

また、本実施形態の燃料電池１００ｔは、第１実施形態および第２実施形態の燃料電池１００、１００ｐと同様に、非接着部５５ｔを備える。そのため、シール部材４０ｔを介して接着部５０ｔの略反対側におけるカソード側セパレータ３３ｃｔと酸変性熱可塑性樹脂４２ｔの接着力が、電解質膜１１とシール部材４０との接着力より大きくなることはない。したがって、電解質膜１１からシール部材４０ｔが剥離することを防止することができるため、クロスリークを効果的に抑制することができる。さらに、非接着部５５ｔは、カソード側セパレータ３３ｃｔのリブの形状を変更することなく、酸変性熱可塑性樹脂４２ｔにシランカップリング剤を塗布するだけで形成することができる。シランカップリング剤の塗布は、マスキング等によって容易に行うことができる。そのため、クロスリークを効果的に抑制することができる燃料電池１００ｔを、容易に製造することができる。

Ｄ．第４実施形態：
Ｄ１．燃料電池の構成：
図８は、本発明の別の実施形態としての燃料電池１００ｓの構成を示す概略図である。燃料電池１００ｓは、熱可塑性樹脂４１の一方の面に酸変性熱可塑性樹脂４２を備え、他方の面に粘着剤４３を備えたシール部材４０ｓを有している。シール部材４０ｓは、接着剤としての酸変性熱可塑性樹脂４２を備える面側の接着部５０ｓにおいて、電解質膜１１の周縁部と接着している。粘着剤４３は、シール部材４０ｓを介して接着部５０ｓの反対側の面において、カソード側セパレータ３３ｃｓと一時的に接着している。粘着剤４３は、他の物質との一時的な接着に用いられる接着剤の一種であり、剥離時に凝集破壊をおこさない。そのため、粘着剤４３は、被接着体との界面の接着力が、接着剤としての酸変性熱可塑性樹脂４２よりも弱いという性質を有する。また、粘着剤４３は、被接着体としてのカソード側セパレータ３３ｃｓから剥がされた後、再度、カソード側セパレータ３３ｃｓに押圧されることによって、カソード側セパレータ３３ｃｓと接着するという性質を有する。本実施形態では、粘着剤４３として、アクリル樹脂系粘着剤を用いている。この燃料電池１００ｓは、第１〜第３実施形態の燃料電池１００、１００ｐ、１００ｔと異なり、非接着部５５を備えていない。燃料電池１００ｓのその他の構成については、第３実施形態（図７）で示した燃料電池１００ｔと同様であるため説明を省略する。

本実施形態の燃料電池１００ｓは、電解質膜１１の周縁部が露出した段付き構造を有するＭＥＧＡ２０を備える。また、電解質膜１１の周縁部とシール部材４０ｓとが接着したＭＥＧＡ２０が、セパレータ３３ｓによって狭持される。さらに、シール部材４０ｓは、電解質膜１１と接着する接着部５０ｓの存在する側に酸変性熱可塑性樹脂４２を備え、中間層として熱可塑性樹脂４１を備える。そのため、第１〜第３実施形態の燃料電池１００、１００ｐ、１００ｔと同様の効果を奏する。

電解質膜１１と酸変性熱可塑性樹脂４２とは、上述したように水素結合により結合（接着）し、セパレータ３３ｓと酸変性熱可塑性樹脂４２とは、共有結合により結合（接着）する。水素結合の結合力は、共有結合の結合力よりも小さい。電解質膜１１と酸変性熱可塑性樹脂４２との接着力は、セパレータ３３ｓと酸変性熱可塑性樹脂４２の接着力よりも小さい。よって、例えば、図４（ｂ）に示したように、両面に酸変性熱可塑性樹脂４２を備えるシール部材４０を有し、非接着部を備えていない燃料電池では、セパレータ３３ｍに歪みが生じた場合や、シール部材４０に電解質膜１１から持ち上げられる力が働いた場合には、電解質膜１１からシール部材４０が剥離する可能性がある。シール部材４０に電解質膜１１から持ち上げられる力が働く場合とは、例えば、燃料電池１００ｓに加えられている荷重が解除されることによって、ガス拡散層２２の厚みが増加する場合が考えられる。ガス拡散層２２の厚みが増加すると、両面に酸変性熱可塑性樹脂４２を備えるシール部材が、セパレータによってそのまま持ち上げられ、電解質膜１１から剥離する可能性があるためである。

図９は、図８に示す燃料電池１００ｓに加えられている荷重が解除された燃料電池１００ｒを示す図である。本実施形態におけるシール部材４０ｓは、シール部材４０ｓを介して接着部５０ｓの反対側の面において、粘着剤４３を備える。そのため、接着部５０ｓにおける電解質膜１１とシール部材４０ｓの接着力は、シール部材４０ｓを介して接着部５０ｓの略反対側におけるカソード側セパレータ３３ｃｓとシール部材４０ｓの接着力より大きい。よって、燃料電池１００ｓに加えられていた荷重が解除されると、シール部材４０ｓの粘着剤４３を備える面からカソード側セパレータ３３ｃｓが剥離する。そのため、カソード側セパレータ３３ｃｓがシール部材４０ｓから剥離してガス拡散層２２ｒの変形に追従することによって、シール部材４０ｓを電解質膜１１から持ち上げようとする力を逃がすことができるので、シール部材４０ｓと電解質膜１１との接着を保つことができる。また、再度、燃料電池１００ｒに荷重が加えられた場合には、シール部材４０ｓの表面の粘着剤４３と、カソード側セパレータ３３ｃｓとが接着する。そのため、本実施形態の燃料電池１００ｓによれば、例えば燃料電池１００ｓの備える単セル６０ｓの修理の際などに、燃料電池１００ｓに加える荷重を解除する場合であっても、クロスリークを抑制することができる。

Ｅ．変形例：
Ｅ１．変形例１：
上記種々の実施形態では、シール部材４０の熱可塑性樹脂４１としてポリエチレンを用いている。これに対して、熱可塑性樹脂４１は、ポリエチレンテレフタラート、ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、ポリ酢酸ビニル、ＡＳ樹脂、ＡＢＳ樹脂、アクリル樹脂等を用いてもよい。また、上記実施形態では、接着剤としての酸変性熱可塑性樹脂４２として、アドマーを用いている。これに対して、酸変性熱可塑性樹脂４２は、モディック（登録商標）、ニュクレル（登録商標）、ハイミラン（登録商標）等を用いてもよい。

Ｅ２．変形例２：
上記第１〜第３実施形態では、シール部材４０、４０ｔは、中間層として熱可塑性樹脂４１を備える。これに対し、第１実施形態および第２実施形態では、シール部材４０は、酸変性熱可塑性樹脂４２のみから構成されてもよい。また、上記第３実施形態では、シール部材４０ｔは、接着部５０ｔの略反対側においてシランカップリング剤が塗布された酸変性熱可塑性樹脂のみから構成されてもよい。

Ｅ３．変形例３：
上記第１実施形態と第２実施形態では、リブ部３３ｃ２、３３ｃｐ２とシール部材４０とが接しないようにして非接着部５５、５５ｐを形成している。これに対し、非接着部は、リブ部３３ｃ２、３３ｃｐ２とシール部材４０とが接した状態で形成することもできる。例えば、非接着部５５、５５ｐは、接着部５０の存在する箇所と、シール部材４０を介して反対の箇所や、その近傍のシール部材４０に、酸変性熱可塑性樹脂４２を設けないようにして形成してもよい。また、接着部５０の存在する箇所と、シール部材４０を介して反対の箇所や、その近傍において、シール部材４０もしくはカソード側セパレータのリブ部に、例えばアミン系溶剤を塗布することにより、シール部材４０とセパレータ３３との接着を阻害したり、接着力を弱めるようにしたりしてもよい。また、接着部５０の存在する箇所やその近傍のシール部材４０の厚さ（酸変性熱可塑性樹脂４２の厚さや、熱可塑性樹脂４１の厚さ）を薄くすることにより非接着部を形成してもよい。

Ｅ４．変形例４：
上記種々の実施形態では、電解質膜１１とアノード側触媒層１２ａとアノード側ガス拡散層２２ａの端部の位置をほぼ揃えている。これに対し、電解質膜１１とアノード側触媒層１２ａとアノード側ガス拡散層２２ａの端部の位置は、揃っていなくともよい。また、上記種々の実施形態では、カソード側触媒層１２ｃとカソード側ガス拡散層２２ｃの端部の位置は、ほぼ揃っている。これに対し、電解質膜１１の周縁部が露出するＭＥＧＡ２０であれば、カソード側触媒層１２ｃとカソード側ガス拡散層２２ｃの位置は揃っていなくともよい。また、カソード側触媒層１２ｃとアノード側触媒層１２ａ、カソード側ガス拡散層２２ｃとアノード側ガス拡散層２２ａとが入れ換えられるものとしてもよい。

Ｅ５．変形例５：
上記種々の実施形態では、接着部５０において、シール部材表面の酸変性熱可塑性樹脂４２と電解質膜１１は、水素結合により結合（接着）している。これに対し、酸変性熱可塑性樹脂４２の接着部に相当する部分に、アミノ基を付与することとしてもよい。こうすることで、酸変性熱可塑性樹脂４２のカルボキシル基と電解質膜１１由来のスルホン酸基とが強固に結合して、接着部における接着性をより高めることができる。そのため、燃料電池のクロスリークをさらに抑制することが可能となる。なお、酸変性熱可塑性樹脂４２へのアミノ基の付与は、窒素および水素雰囲気、アンモニア雰囲気、ヒドラジン雰囲気等において、プラズマ処理により行うことができる。

Ｅ６．変形例６：
上記種々の実施形態では、燃料電池は、固体高分子形燃料電池である。これに対し燃料電池は、固体高分子形燃料電池に限らず、他の種々のタイプの燃料電池であってもよい。

Ｅ７．変形例７：
上記第１〜第３実施形態では、ＭＥＧＡ２０に厚みの公差が存在する場合であって、酸変性熱可塑性樹脂４２とセパレータ３３との接着力が、接着剤としての酸変性熱可塑性樹脂４２と電解質膜１１との接着力よりも大きい場合であっても、非接着部を設けることで、酸変性熱可塑性樹脂４２と電解質膜１１との接着力を確保している。また、上記第４実施形態では、シール部材４０ｓを介して接着部５０ｓの略反対側に粘着剤４３を設けることで、接着剤としての酸変性熱可塑性樹脂４２と電解質膜１１との接着力を確保している。これに対し、本発明は、セパレータとの接着力が、電解質膜との接着力より大きい接着剤を備えるシール部材を用いる燃料電池に対して適用可能である。

Ｅ８．変形例８：
上記第３実施形態では、シール部材４０ｔを介して接着部５０ｔの略反対側において、酸変性熱可塑性樹脂にシランカップリング剤を塗布することで、非接着部５５ｔを形成している。これに対し、シランカップリング剤は、電解質膜１１とシール部材４０ｔとの接着力を確保して、燃料電池のクロスリークを防止することができるのであれば、シール部材４０ｔを介して接着部５０ｔの略反対側以外の箇所に塗布してもよい。

Ｅ９．変形例９：
上記第４実施形態では、シール部材４０ｓは、粘着剤４３として、アクリル樹脂系粘着剤を備えている。これに対し、シール部材４０ｓは、粘着剤４３として、例えばウレタン樹脂系粘着剤や、シリコーン樹脂系粘着剤や、合成ゴム系粘着剤などの他の天然樹脂系や合成樹脂系の粘着剤を備えていてもよい。

Ｅ１０．変形例１０：
上記第４実施形態では、シール部材４０ｓは、熱可塑性樹脂４１の一方の面の全面に接着剤としての酸変性熱可塑性樹脂４２を備え、他方の面の全面に粘着剤４３を備えている。これに対し、シール部材４０ｓは、電解質膜１１と接着する接着部５０ｓにおいて接着剤を備え、シール部材４０ｓを介して接着部５０ｓの略反対側において粘着剤４３を備えていれば、同一の面に接着剤と粘着剤とを備えていてもよい。

図１０は、同一の面に接着剤と粘着剤とを備えるシール部材４０ｑを有する燃料電池１００ｑを示す図である。図１０に示す燃料電池１００ｑの備えるシール部材４０ｑは、電解質膜１１と接着する接着部５０ｑに、接着剤としての酸変性熱可塑性樹脂４２ｑを備えている。また、シール部材４０ｑを介して接着部５０ｑの略反対側に、粘着剤４３ｑを備えている。さらに、シール部材４０ｑは、図１０に示すように、同一の面内に、接着剤としての酸変性熱可塑性樹脂４２ｑと粘着剤４３ｑとを交互に備えることによって、セパレータ３３ｑと接着している。なお、熱可塑性樹脂４１の同一の面内に交互に酸変性熱可塑性樹脂４２ｑと粘着剤４３ｑとを備えるシール部材４０ｑは、例えば、熱可塑性樹脂４１をマスキングすることによって作製してもよく、セパレータ３３ｑ（３３ａｑ、３３ｃｑ）をマスキングすることによって作製してもよい。

このような構成であっても、接着部５０ｑにおける電解質膜１１とシール部材４０ｑの接着力は、シール部材４０ｑを介して接着部の略反対側におけるカソード側セパレータ３３ｃｑとシール部材４０ｑの接着力より大きい。よって、燃料電池１００ｑに加えられていた荷重が解除されると、シール部材４０ｑの粘着剤４３を備える面からカソード側セパレータ３３ｃｑが剥離する。そのため、カソード側セパレータ３３ｃｑがシール部材４０ｑから剥離してガス拡散層２２の変形に追従することによって、シール部材４０ｑを電解質膜１１から持ち上げようとする力を逃がすことができるので、シール部材４０ｑと電解質膜１１との接着を保つことができる。また、再度、燃料電池１００ｑに荷重が加えられた場合には、シール部材４０ｑのカソード側セパレータ３３ｃｑと対向する側の面の粘着剤４３ｑと、カソード側セパレータ３３ｃｑとが接着する。そのため、燃料電池１００ｑのクロスリークを防止することができる。さらに、粘着剤がカソード側セパレータ３３ｃｑと接着する力が低下した場合であっても、カソード側セパレータ３３ｃｑは酸変性熱可塑性樹脂４２ｑとも接着しているので、カソード側セパレータ３３ｃｑとシール部材４０ｑとの接着性は保たれる。そのため、燃料電池１００ｑのクロスリークを効果的に防止することができる。

本発明は、上述の実施形態や変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…ＭＥＡ
１１…電解質膜
１２ａ…アノード側触媒層
１２ｃ…カソード側触媒層
２０、２０ｍ、２０ｒ…ＭＥＧＡ
２２、２２ｒ…ガス拡散層
２２ａ、２２ａｒ…アノード側ガス拡散層
２２ｃ、２２ｃｒ…カソード側ガス拡散層
３３ｃ１、３３ｃ２、３３ｃ３、３３ｃｐ１、３３ｃｐ２、３３ｃｐ３、３３ｃｔ１、３３ｃｔ２、３３ｃｔ３…リブ部
３３、３３ｆ、３３ｍ…セパレータ
３３ａ、３３ａｑ、３３ａｔ、３３ａｓ、３３ａｑ…アノード側セパレータ
３３ｃ、３３ｃｆ、３３ｃｍ、３３ｃｐ、３３ｃｔ、３３ｃｓ、３３ｃｑ…カソード側セパレータ
３４ａ…燃料ガス流路
３４ｃ…酸化剤ガス流路
４０、４０ｔ、４０ｓ、４０ｑ…シール部材
４１…熱可塑性樹脂
４２、４２ｔ、４２ｑ…酸変性熱可塑性樹脂
４３、４３ｑ…粘着剤
５０、５０ｔ、５０ｓ、５０ｑ…接着部
５５，５５ｐ、５５ｔ…非接着部
６０，６０ｆ、６０ｍ、６０ｔ、６０ｓ、６０ｒ…単セル
１００，１００ｆ，１００ｐ、１００ｔ、１００ｓ、１００ｒ、１００ｑ…燃料電池
Ｌ１…距離

Claims (7)

1. 燃料電池であって、
   第１の触媒層と、
   一方の面の周縁部の少なくとも一部が、前記第１の触媒層の周縁部よりも外側に露出するように配置された電解質膜と、
   前記電解質膜の他方の面に配置された第２の触媒層と、
   前記第１の触媒層に接合された第１のガス拡散層と、前記第２の触媒層に接合された第２のガス拡散層と、
   前記第１のガス拡散層側に配置された第１のセパレータと、前記第２のガス拡散層側に配置された第２のセパレータと、
   前記第１のセパレータと前記第２のセパレータとに狭持されるシール部材と、
   前記シール部材と前記電解質膜の露出した部分の少なくとも一部とが接着された接着部と、を備え、
   前記接着部における前記電解質膜と前記シール部材の接着力は、前記シール部材を介して前記接着部の略反対側における前記第１のセパレータと前記シール部材の接着力以上である、
   燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池であって、
   前記シール部材を介して前記接着部の略反対側において、前記第１のセパレータと前記シール部材とが接着されていない、燃料電池。
3. 請求項１または請求項２記載の燃料電池であって、
   前記シール部材を介して前記接着部の略反対側において、前記第１のセパレータと前記シール部材とは離れている、燃料電池。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項記載の燃料電池であって、
   前記シール部材は、酸変性熱可塑性樹脂を表面に有する、燃料電池。
5. 請求項４記載の燃料電池であって、
   前記シール部材を介して前記接着部の略反対側において、前記シール部材は前記酸変性熱可塑性樹脂を備えていない、燃料電池。
6. 請求項４記載の燃料電池であって、
   前記シール部材を介して前記接着部の略反対側において、前記酸変性熱可塑性樹脂にはシランカップリング剤が塗布されている、燃料電池。
7. 請求項１記載の燃料電池であって、
   前記接着部では、前記電解質膜と前記シール部材とが接着剤により接着されており、
   前記シール部材を介して前記接着部の略反対側では、前記第１のセパレータと前記シール部材とが粘着剤により接着されている、燃料電池。

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