JP2014120213A - 燃料電池および燃料電池の製造方法 - 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を提供する。
【解決手段】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、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、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、酸変性熱可塑性樹脂を表面に有するシール部材と、を備える。シール部材は、電解質膜の露出した部分の少なくとも一部と接着し酸変性熱可塑性樹脂にエポキシ樹脂が添加された接着部を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池および燃料電池の製造方法に関する。

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ともいう）を備える。ＭＥＡの両面には、反応ガスを拡散させて触媒電極の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および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、電解質膜と水素結合により接着されるため、セパレータとの接着性は確保できるが、電解質膜との接着性が不十分となる場合があった。そのため、接着性が不十分な部分において、リークが発生するおそれがあった。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、電解質膜とシール部材とが接着される箇所における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、酸変性熱可塑性樹脂を表面に有するシール部材と、を備え；前記シール部材は、前記電解質膜の露出した部分の少なくとも一部と接着し前記酸変性熱可塑性樹脂にエポキシ樹脂が添加された接着部を有する。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い。また、酸変性熱可塑性樹脂に添加されたエポキシ樹脂に含有されるエポキシ基と電解質膜のスルホン酸基とが化学反応して結合するため、シール部材は電解質膜とも良好に接着する。そのため、シール部材とセパレータとの接着性と、シール部材と電解質膜との接着性と、を良好に保つことができるので、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において、前記接着部における前記エポキシ樹脂の質量の割合は、前記酸変性熱可塑性樹脂と前記エポキシ樹脂とを合わせた質量に対して０．１％以上１０％以下であってもよい。この形態の燃料電池によれば、酸変性熱可塑性樹脂に添加されるエポキシ樹脂の質量の割合が０．１％以上であるため、エポキシ樹脂に含有されるエポキシ基と電解質膜のスルホン酸基との結合の量が十分であり、シール部材と電解質膜との接着性が保たれる。また、エポキシ樹脂の質量の割合が１０％以下であるため、エポキシ樹脂が酸変性熱可塑性樹脂の凝集力を損なうことが抑制されるので、酸変性熱可塑性樹脂の強度が保たれる。そのため、シール部材と電解質膜との接着性を保つことと、エポキシ樹脂が添加された酸変性熱可塑樹脂の強度を保つことを、両立することができる。

（３）上記形態の燃料電池において、前記シール部材は、前記エポキシ樹脂に含有されるエポキシ基と、前記電解質膜に含有されるスルホン酸基とが化学反応を開始する温度以上の温度で、前記接着部において前記電解質膜と接着されてもよい。この形態の燃料電池によれば、シール部材は、エポキシ樹脂に含有されるエポキシ基と電解質膜に含有されるスルホン酸基とが化学反応して結合し始める温度以上の温度で電解質膜に接着されるので、シール部材と電解質膜とが十分に接着する。

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、燃料電池に用いられるシール部材や、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のフローチャートである。 エポキシ樹脂を硬化させるために用いられる硬化剤が、電解質膜の性質に及ぼす影響について説明するための図である。 酸変性熱可塑性樹脂に添加したエポキシ樹脂の質量の割合と、使用したエポキシ樹脂の種類とについて示す図である。 作製したシール部材ａ〜ｉと電解質膜との界面の接着性の評価結果を示した図である。 作製したシール部材ａ〜ｉにおける樹脂層の強度の評価結果を示した図である。 酸変性熱可塑性樹脂に添加されるエポキシ樹脂の質量の割合と、シール部材と電解質膜との接着性の評価結果と、樹脂層の強度の評価結果と、をまとめて示した図である。

Ａ．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が配置された膜電極−ガス拡散層接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ｇａｓ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ Ａｓｓｅｍｂｌｙ、以下、ＭＥＧＡ２０）と、ＭＥＧＡ２０を狭持するカソード側セパレータ３３ｃおよびアノード側セパレータ３３ａ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、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。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、図１に示すように、電解質膜１１の周縁部と接着している。シール部材４０における電解質膜１１と接着する接着箇所は、本願の接着部５０に相当する。

シール部材４０は、熱可塑性樹脂４１と、熱可塑性樹脂４１の表面に備えられた酸変性熱可塑性樹脂４２とによって構成されている。熱可塑性樹脂４１は、一般的に、酸変性熱可塑性樹脂４２に比べて強度が高いという性質を有する。酸変性熱可塑性樹脂４２は、一般的に、熱可塑性樹脂４１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する。本実施形態では、具体的には、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、酸変性ポリプロピレンを用いている。酸変性熱可塑性樹脂４２は、０．１％以上１０％以下の質量の割合でエポキシ樹脂が添加されることによって、エポキシ基を含有している。酸変性熱可塑性樹脂にエポキシ基を含有させることとしたのは、本発明者らが、エポキシ樹脂と電解質膜に用いられる電解質樹脂との混合物を、示差走査熱量測定（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｃａｌｏｒｉｍｅｔｒｙ、ＤＳＣ）法により分析した結果、エポキシ樹脂に含まれるエポキシ基と、電解質膜に用いられる電解質樹脂に含まれるスルホン酸基とが、１２０℃以上の温度で化学反応することによって、強固に結合することを見出したからである。なお、酸変性熱可塑性樹脂にエポキシ基を含有させるための添加剤としてエポキシ樹脂が選択されている理由と、エポキシ樹脂の添加の割合が０．１％以上１０％以下である理由とについては、後述する。

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。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もできる。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との間に形成されている。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。

Ｂ．燃料電池の製造方法：
図２は燃料電池１００の製造方法のフローチャートである。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の他方の面の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、シール部材を製造するために、酸変性熱可塑性樹脂とエポキシ樹脂とを合わせた質量に対して、エポキシ樹脂の質量の割合が０．１％以上１０％以下になるように、酸変性熱可塑性樹脂とエポキシ樹脂とを、計量する（ステップＳ３０）。本実施形態では、酸変性熱可塑性樹脂として、酸変性ポリプロピレンを用いる。また、エポキシ樹脂として、ビスフェノールＡ型のエポキシ樹脂を用いる。

次に、ステップＳ３０において計量した酸変性熱可塑性樹脂とエポキシ樹脂とを混練する（ステップＳ４０）。具体的には、計量した酸変性熱可塑性樹脂を例えば、１５０℃で溶融する。溶融した酸変性熱可塑性樹脂に、計量したエポキシ樹脂を添加して、ボールミルによって１５分間混練することで、酸変性熱可塑性樹脂とエポキシ樹脂との混合物を生成する。

次に、酸変性熱可塑性樹脂とエポキシ樹脂とを混練して生成された混合物を、公知のペレタイズ加工によって、ペレット化する（ステップＳ５０）。

次に、ペレット化した混合物を、シート化する（ステップＳ６０）。本実施形態では、ペレット化した混合物を溶融して熱可塑性樹脂の両面に塗布し、溶融押出法によってシートを作製する。その後、作製したシートを、カッターによって、所定の形状にカットする（ステップＳ７０）。以上のステップＳ３０〜ステップＳ７０の工程を行うことにより、シール部材４０が作製される。

次に、作製したシール部材４０と電解質膜１１の周縁部とが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Ｓ８０）。本実施形態では、ＭＥＧＡ２０とシール部材４０とは、１５０℃において、１．０ＭＰａで２分間の熱圧着を行うことにより、接着される。ビスフェノールＡ型のエポキシ樹脂に含有されるエポキシ基と、電解質膜に含有されるスルホン酸基とが化学反応を開始する温度は、１４５℃以上である。そのため、酸変性熱可塑性樹脂に添加されたエポキシ樹脂に含有されるエポキシ基と、電解質膜１１に含有されるスルホン酸基とが強固に結合するので、シール部材４０は、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によって狭持する（ステップＳ９０）。こうすることで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を積層することで、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には、０．１％以上１０％以下の質量の割合でエポキシ樹脂が添加された、酸変性熱可塑性樹脂４２を表面に備えるシール部材４０が用いられる。また、シール部材４０は、エポキシ樹脂に含有されるエポキシ基と電解質膜に含有されるスルホン酸基とが化学反応して結合を開始する温度以上の温度で、電解質膜１１に接着されている。そのため、シール部材４０と電解質膜１１とは十分に接着する。

図３は、エポキシ樹脂を硬化させるために用いられる硬化剤が、電解質膜の性質に及ぼす影響について説明するための図である。一般的に、エポキシ樹脂を化学反応により硬化させるためには、架橋型の硬化剤が必要となる。しかし、図３に示すように、硬化剤が電解質膜に用いられる電解質樹脂と反応すると、電解質樹脂の有する柔軟部が失われる。そのため、硬化剤を含有するエポキシ樹脂をシール部材として用いると、電解質膜が脆化する原因となる。しかし、本実施形態で用いられるエポキシ樹脂においては、エポキシ樹脂の含有するエポキシ基が、電解質膜の含有する電解質樹脂に含まれるスルホン酸基と化学反応する。よって、本実施形態の燃料電池１００においては、硬化剤を用いなくともエポキシ樹脂を硬化させることができるので、硬化剤を用いることによる電解質膜の脆化を、防止することができる。

なお、エポキシ樹脂は、エポキシ樹脂と同じようにエポキシ基を含有するエポキシ系シランカップリング剤とは異なり、１００℃以上の温度で脱水縮合反応が起こることはない。そのため、エポキシ樹脂が添加された酸変性熱可塑性樹脂４２においては、例えば１００℃以上の温度に曝された場合であっても、脱水縮合反応によってアルコールや水蒸気に由来する気泡が発生しない。本実施形態では、酸変性熱可塑性樹脂にエポキシ基を含有させるための添加剤として、エポキシ樹脂を用いているので、気泡の発生による燃料電池の発電性能や耐久性の低下を抑制することができる。

また、酸変性熱可塑性樹脂４２の含有するカルボキシル基と、例えばセパレータ３３の表面の金属酸化物とは、共有結合することによって、シール部材４０とセパレータ３３とは、良好な接着性を示す。したがって、本実施形態の燃料電池１００においては、シール部材４０と電解質膜１１との接着性と、シール部材４０とセパレータ３３との接着性とを両立させることができるので、ＭＥＧＡ２０の外周におけるクロスリークが抑制される。そのため、燃料電池１００の発電性能を向上させることができる。

また、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とが接着したＭＥＧＡ２０が、セパレータ３３によって狭持される。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。

さらに、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を得ることができる。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。

Ｃ．実験結果：
以下、酸変性熱可塑性樹脂に添加されるエポキシ樹脂の質量の割合を０．１％以上１０％以下とした根拠について、実験結果に基づいて説明する。

図４は、酸変性熱可塑性樹脂に添加されるエポキシ樹脂の質量の割合と、エポキシ樹脂の種類とについて示す図である。エポキシ樹脂の質量の割合が、電解質膜とシール部材との接着性と、エポキシ樹脂が添加された酸変性熱可塑性樹脂（以下、樹脂層ともいう）の強度と、に及ぼす影響について調査するために、図４に示すようにエポキシ樹脂を添加していない酸変性熱可塑性樹脂を表面に有するシール部材ａと、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂を０．０５％、０．１％、０．５％、１．０％、３．０％、１０％、２０％のそれぞれの割合で添加した酸変性熱可塑性樹脂を表面に有するシール部材ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｈ、ｉと、を図２を用いて説明した燃料電池の製造方法のステップＳ３０からステップＳ７０を実行することにより作製した。また、酸変性熱可塑性樹脂に添加するエポキシ樹脂の種類が、電解質膜とシール部材との接着性と、樹脂層の強度と、に及ぼす影響について調査するために、脂環式エポキシ樹脂（ダイセル化学工業株式会社製、セロキサイド２８０１）を０．５％添加した酸変性熱可塑性樹脂を表面に有するシール部材ｉを、図２を用いて説明した燃料電池用電極の製造方法のステップＳ３０からステップＳ７０を実行することにより作製した。さらに、上述したステップＳ１０、ステップＳ２０、ステップＳ８０、ステップＳ９０を実行することにより、これらのシール部材ａ〜ｉを有する単セルＡ〜Ｉを作製した。なお、酸変性熱可塑性樹脂としては、酸変性ポリプロピレンを用いた。

図５は、作製したシール部材ａ〜ｉと電解質膜との界面の接着性の評価結果を示した図である。作製したシール部材ａ〜ｉと電解質膜との界面の接着性は、単セルＡ〜Ｉを９０℃の温水に２４時間浸漬させた後に、各単セルのシール部材と電解質膜との界面を観察することにより評価した。図５には、９０℃の温水に２４時間以上浸漬させた後において、シール部材と電解質膜との界面の接着性が保たれている単セルに「○」を記し、一部に欠陥が生じているものの界面の接着性が保たれている単セルに「△」を記し、界面の接着性が保たれていない単セルに「×」を記して示している。単セルＡ〜Ｈの実験結果より、酸変性熱可塑性樹脂に添加されるエポキシ樹脂の質量の割合が０．１％以上である単セルＣ〜Ｈは、シール部材と電解質膜との界面の接着性が保たれていた。この結果は、酸変性熱可塑性樹脂に添加されるエポキシ樹脂の質量の割合が０．１％以上であれば、エポキシ樹脂に含有されるエポキシ基と、電解質膜１１に含有されるスルホン酸基とが強固に結合することにより、シール部材４０と電解質膜１１との接着性が保たれることを示している。なお、エポキシ樹脂の質量の割合が０．０５％である単セルＢにおいて、シール部材４０と電解質膜１１との界面の接着性が保たれていないのは、エポキシ樹脂の添加の割合が０．０５％では、スルホン酸基と結合するエポキシ基の量が十分ではないためであると推察される。

また、エポキシ樹脂の種類による効果の違いについてみると、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂を０．５％添加した酸変性熱可塑性樹脂を表面に有するシール部材ｄを備える単セルＤと、脂環式エポキシ樹脂を０．５％添加した酸変性熱可塑性樹脂を表面に有するシール部材ｉを備える単セルＩとは、ともに、シール部材と電解質膜１１との界面の接着性が保たれていた。この結果は、酸変性熱可塑性樹脂４２に添加されるエポキシ樹脂の種類によらず、エポキシ樹脂に含有されるエポキシ基と、電解質膜１１に含有されるスルホン酸基とが強固に結合することにより、シール部材４０と電解質膜１１との接着性が保たれることを示している。

図６は、作製したシール部材ａ〜ｉにおける樹脂層の強度の評価結果を示した図である。作製したシール部材ａ〜ｉの樹脂層の強度を評価するために、まず、シール部材ａ〜ｉを電解質膜と接着させて、９０℃の温水に２４時間浸漬させた後、乾燥させることにより、テストピースｔＡ〜ｔＩを作製した。このテストピースを用いて、常温、常湿度下において、接着面１ｃｍ²、引張強度５ｍｍ／ｍｉｎの条件において、島津製作所製のオートグラフによってせん断試験を行うことにより、樹脂層の強度を評価した。樹脂層の強度の評価は、以下のようにして行った。まず、セル内の厚みを十分に担保することができる弾性率をあらかじめ実験によって求めた。次に、テストピースを用いてせん断試験を行った。その結果が、あらかじめ求めた弾性率（所望の弾性率）以上のテストピースについては樹脂層の強度が十分であると判断し、所望の弾性率未満であるテストピースについては樹脂層の強度が不十分であると判断した。

図６には、せん断試験によって、樹脂層の強度が十分であると判断されたテストピースに「○」を記し、樹脂層の強度が不十分であると判断されたテストピースに「×」を記して示している。テストピースｔＡ〜ｔＨの実験結果より、酸変性熱可塑性樹脂に添加するエポキシ樹脂の質量の割合が１０％以下のテストピースｔＡ〜ｔＧにおいては、弾性率が所望の弾性率以上であった。一方、酸変性熱可塑性樹脂に添加するエポキシ樹脂の質量の割合が２０％のテストピースｔＨにおいては、弾性率が所望の弾性率未満であった。なお、いずれのテストピースにおいても、せん断試験によって、電解質膜１１の破断は生じていなかった。

エポキシ樹脂は、酸変性熱可塑性樹脂と反応しない。そのため、酸変性熱可塑性樹脂に添加するエポキシ樹脂の質量の割合が多くなると、酸変性熱可塑性樹脂の備える凝集力が低下する。凝集力が低下した樹脂層には、外部から力が加わることによって、凝集破壊が生じ得る。図６の結果は、酸変性熱可塑性樹脂に添加されるエポキシ樹脂の質量の割合が少なくとも１０％以下であれば、酸変性熱可塑性樹脂の備える凝集力が発現されるため、樹脂層の強度が十分に保たれること示していると推察される。

また、エポキシ樹脂の種類による効果の違いについてみると、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂を０．５％添加した酸変性熱可塑性樹脂を表面に有するシール部材ｄを備えるテストピースｔＤと、脂環式エポキシ樹脂を０．５％添加した酸変性熱可塑性樹脂を表面に有するシール部材ｉを備えるテストピースｔＩとは、ともに、電解質膜１１の破断が生じていた。この結果は、酸変性熱可塑性樹脂４２に添加されるエポキシ樹脂の種類によらず、酸変性熱可塑性樹脂に添加されるエポキシ樹脂の質量の割合が少なくとも１０％以下であれば、酸変性熱可塑性樹脂の備える凝集力が発現されるため、樹脂層の強度が十分に保たれることを示唆している。

図７は、酸変性熱可塑性樹脂に添加されるエポキシ樹脂の質量の割合と、シール部材と電解質膜との接着性の評価結果と、樹脂層の強度の評価結果と、をまとめて示した図である。図７より、酸変性熱可塑性樹脂に添加されるエポキシ樹脂の質量の割合として、シール部材と電解質膜との接着力を考慮した場合には、エポキシ樹脂の質量の割合が０．１％以上であることが好ましいといえる。また、樹脂層の強度を考慮した場合には、エポキシ樹脂の質量の割合が１０％以下であることが好ましいといえる。そして、シール部材と電解質膜との接着性と、樹脂層の強度との両方を満たすためには、酸変性熱可塑性樹脂に添加されるエポキシ樹脂の質量の割合が０．１％以上かつ１０％以下であることが好ましいことが示された。

なお、エポキシ樹脂の質量の割合は、０．５％以上３％以下であることがさらに好ましい。エポキシ樹脂の質量の割合が０．５％以上であることがさらに好ましいのは、図５および図７に示すように、エポキシ樹脂の質量の割合が０．５％以上であれば、欠陥を一部に有することなく、シール部材と電解質膜との接着性が、良好に保たれるからである。また、エポキシ樹脂の質量の割合が３％以下であることがさらに好ましいのは、次の理由による。エポキシ基は酸素を含有しているため、水に対する親和性が高い。そのため、酸変性熱可塑性樹脂に添加されるエポキシ樹脂の質量の割合を増加させると、酸変性熱可塑性樹脂を表面に備えるシール部材の吸水性が増加して、燃料電池の耐久性を妨げる可能性がある。よって、酸変性熱可塑性樹脂に添加されるエポキシ樹脂の質量の割合が０．５％以上３％以下であれば、シール部材と電解質膜との接着性を保ち、かつ樹脂層の強度を十分に発現でき、さらに、耐久性に優れる単セルを有する燃料電池を得ることができると考えられる。

Ｄ．変形例：
Ｄ１．変形例１：
上述の実施形態では、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。ただし、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、酸変性熱可塑性樹脂４２として、酸変性ポリプロピレンを用いている。ただし、酸変性熱可塑性樹脂４２は、酸変性ポリエチレン、酸変性ポリエチレンテレフタラート、酸変性エラストマー等を用いてもよい。

Ｄ２．変形例２：
上述の実施形態では、シール部材４０は、表面に酸変性熱可塑性樹脂４２を備える熱可塑性樹脂４１から構成されている。ただし、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。

Ｄ３．変形例３：
上述の実施形態では、シール部材４０は、０．１％以上１０％以下のエポキシ樹脂を有する酸変性熱可塑性樹脂を両面に備えている。ただし、エポキシ樹脂は、電解質膜とシール部材とが接着する箇所（接着部）を有する面に備えられた酸変性熱可塑性樹脂に対してのみ添加されていてもよい。また、エポキシ樹脂は、電解質膜とシール部材とが接着する箇所（接着部）における酸変性熱可塑性樹脂に対してのみ添加されていてもよい。

Ｄ４．変形例４：
上述の実施形態では、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。ただし、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の端部の位置とカソード側ガス拡散層２２ｃの端部の位置とは、ほぼ揃っている。ただし、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の端部の位置とカソード側ガス拡散層２２ｃの端部の位置と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とが入れ換えられ、カソード側ガス拡散層２２ｃとアノード側ガス拡散層２２ａとが入れ換えられてもよい。

Ｄ５．変形例５：
上述の実施形態では、燃料電池１００の製造において、溶融押出法によってシート化を行っている（図２、ステップＳ６０）。ただし、シート化は、例えば、共押出法など、他の方法によって行ってもよい。

Ｄ６．変形例６：
上記種々の実施形態で作製した燃料電池１００に用いられるシール部材４０の接着部５０に、０．１％以上１０％以下の質量の割合でエポキシ樹脂が添加された酸変性熱可塑性樹脂を備えていることは、例えばＸＰＳ（Ｘ−ｒａｙ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ、Ｘ線光電子分光法）により調査することができる。

Ｄ７．変形例７：
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。ただし、本発明は、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に適用することが可能である。

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…ＭＥＧＡ
２２…ガス拡散層
２２ａ…アノード側ガス拡散層
２２ｃ…カソード側ガス拡散層
３３ａ…アノード側セパレータ
３３ｃ…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…シール部材
４１…熱可塑性樹脂
４２…酸変性熱可塑性樹脂
５０…接着部
６０…単セル
１００…燃料電池

Claims (6)

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、酸変性熱可塑性樹脂を表面に有するシール部材と、を備え、
   前記シール部材は、前記電解質膜の露出した部分の少なくとも一部と接着し前記酸変性熱可塑性樹脂にエポキシ樹脂が添加された接着部を有する、
   燃料電池。
2. 請求項１に記載の燃料電池であって、
   前記接着部における前記エポキシ樹脂の質量の割合は、前記酸変性熱可塑性樹脂と前記エポキシ樹脂とを合わせた質量に対して０．１％以上１０％以下である、燃料電池。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池であって、
   前記シール部材は、前記エポキシ樹脂に含有されるエポキシ基と、前記電解質膜に含有されるスルホン酸基とが化学反応を開始する温度以上の温度で、前記接着部において前記電解質膜と接着する、燃料電池。
4. 燃料電池の製造方法であって、
   電解質膜の一方の面に該電解質膜の周縁部の少なくとも一部が露出するように第１の触媒層を形成し、前記電解質膜の他方の面に第２の触媒層を形成する工程と、
   前記第１の触媒層に第１のガス拡散層を接合し、前記第２の触媒層に第２のガス拡散層を接合する工程と、
   前記第１のガス拡散層側に第１のセパレータを配置し、前記第２のガス拡散層側に第２のセパレータを配置して、前記第１のセパレータと前記第２のセパレータにより、酸変性熱可塑性樹脂を表面に有するシール部材を狭持する工程と、を有し、
   前記狭持する工程は、前記酸変性熱可塑性樹脂にエポキシ樹脂を添加することで構成された接着部において、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を接着させる工程を備える、燃料電池の製造方法。
5. 請求項４に記載の燃料電池の製造方法であって、
   前記狭持する工程は、前記酸変性熱可塑性樹脂と前記エポキシ樹脂とを合わせた質量に対して０．１％以上１０％以下の質量の割合で前記酸変性熱可塑性樹脂に前記エポキシ樹脂を添加することで構成された接着部において、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を接着させる工程を備える、燃料電池の製造方法。
6. 請求項４または請求項５に記載の燃料電池の製造方法であって、
   前記狭持する工程は、前記エポキシ樹脂に含有されるエポキシ基と、前記電解質膜に含有されるスルホン酸基とが化学反応を開始する温度以上の温度で前記電解質膜に押圧する工程を備える、燃料電池の製造方法。

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