(57)【要約】【課題】シール部材が電解質膜から剥離することを抑制できる技術を提供する。【解決手段】触媒を担持した第１の担体と第１の電解質樹脂とを備える第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、触媒を担持した第２の担体と第２の電解質樹脂とを備える第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、電解質膜の露出した部分に設けられ、第３の担体と第３の電解質樹脂とを備える接合層と、熱処理によって接合層に含浸することにより電解質膜の露出した部分に接合層と一体的に接合される、第１のセパレータおよび第２のセパレータに狭持されたシール部材と、を備える。接合層の強度は、第１の触媒層の強度よりも高い。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒を担持した第１の担体と第１の電解質樹脂とを備える第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、前記触媒を担持した第２の担体と第２の電解質樹脂とを備える第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、
前記電解質膜の露出した部分に設けられ、第３の担体と第３の電解質樹脂とを備える接合層と、
前記第１のセパレータおよび前記第２のセパレータに狭持されたシール部材と、を備え、
前記シール部材は、熱処理によって前記接合層に含浸することにより前記電解質膜の露出した部分に前記接合層と一体的に接合され、
前記接合層の強度は、前記第１の触媒層の強度よりも高い、
燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池であって、
前記第３の電解質樹脂の酸素透過性は、前記第１の電解質樹脂の酸素透過性よりも低い、燃料電池。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池であって、
前記接合層の空隙率は、前記第１の触媒層の空隙率よりも小さい、燃料電池。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池であって、
前記接合層における前記第３の担体に対する前記第３の電解質樹脂の質量比は、前記第１の触媒層における前記第１の担体に対する前記第１の電解質樹脂の質量比よりも大きい、燃料電池。
【請求項５】
請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の燃料電池であって、
前記第１の担体の二次粒子構造は、前記第３の担体の二次粒子構造よりも大きい、燃料電池。
【請求項６】
請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の燃料電池であって、
前記接合層は、前記第１の触媒層が電解質膜に押圧されるよりも高い圧力で前記電解質膜の露出した部分に押圧されて形成されている、燃料電池。
【請求項７】
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触媒を担持した第１の担体と第１の電解質樹脂を備える第１の触媒層を形成し、前記電解質膜の他方の面に第２の担体と第２の電解質樹脂とを備える第２の触媒層を形成する工程と、
第３の担体と第３の電解質樹脂とを備え、前記第１の触媒層よりも高い強度を有する接合層を前記電解質膜の露出した部分に形成する工程と、
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、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、前記シール部材を熱処理により前記接合層に含浸させて前記電解質膜の露出した部分と一体的に接合する工程を備える、
燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池および燃料電池の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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（膜電極ガス拡散層接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ｇａｓ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  Ｌａｙｅｒ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ、以下、ＭＥＧＡ））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。ＭＥＧＡとシール部とは、セパレータにより狭持される。
【０００３】
特許文献１には、ＭＥＧＡの周縁において、フィルム状に形成された樹脂製のガスケットの一部を触媒層に含浸して接合することで、シール部を形成する技術が記載されている。この技術によれば、触媒層にガスケットを含浸させてシール部を形成するため、電解質膜の縁部に溶融樹脂を射出してシール部を形成する場合に生じ得る、射出圧力による電解質膜の変形を抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−９２７３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載された技術では、シール部材は、触媒層に含浸する部分（接合部）を介して電解質膜と接合する。しかし、触媒層に用いられる電解質樹脂の種類等によっては、触媒層の酸素透過性能を確保できるものの、シール部材と触媒層の含浸した部分との接合強度が不十分となる場合があった。そのため、接合部に応力がかかると、シール部材が触媒層から剥離すること等により、燃料電池のクロスリークが生じるおそれがあった。よって、クロスリークを抑制しつつ、触媒層における酸素透過性能を確保して、燃料電池の発電性能の維持・向上を図ることが可能な技術が望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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。
【０００７】
（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、触媒を担持した第１の担体と第１の電解質樹脂とを備える第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、前記触媒を担持した第２の担体と第２の電解質樹脂とを備える第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；前記電解質膜の露出した部分に設けられ、第３の担体と第３の電解質樹脂とを備える接合層と；前記第１のセパレータおよび前記第２のセパレータに狭持されたシール部材と、を備え；前記シール部材は、熱処理によって前記接合層に含浸することにより前記電解質膜の露出した部分に前記接合層と一体的に接合され；前記接合層の強度は、前記第１の触媒層の強度よりも高い。この形態の燃料電池によれば、シール部材は、触媒層ではなく、電解質膜の露出した部分に設けられた接合層に含浸しており、接合層は、触媒層よりも高い強度を有する。そのため、シール部材と電解質膜とは十分に接合し、接合層に応力がかかる場合であっても、シール部材が電解質膜端部から剥離することを抑制することができるので、燃料電池のクロスリークの発生が抑制される。また、シール部材と電解質膜との接合を十分にするために、触媒層の備える電解質樹脂や構造を変更しなくともよいため、触媒層の有する酸素透過性能を維持することが可能となる。
【０００８】
（２）上記形態の燃料電池において、前記第３の電解質樹脂の酸素透過性は、前記第１の電解質樹脂の酸素透過性よりも低くてもよい。この形態の燃料電池によれば、接合層における第３の電解質樹脂の酸素透過性を、第１の触媒層における第１の電解質樹脂の酸素透過性よりも低くすることで、接合層の強度を、第１の触媒層の強度よりも高くすることができる。よって、第１の触媒層に比較的強度の低い高酸素透過性電解質樹脂を用いた場合であっても、触媒層における酸素透過性を確保しつつ、接合層における強度を確保することができる。よって、接合層の強度の確保と、燃料電池における発電性能の確保を同時に達成することが可能となる。
【０００９】
（３）上記形態の燃料電池において、前記接合層の空隙率は、前記第１の触媒層の空隙率よりも小さくてもよい。この形態の燃料電池によれば、接合層の空隙率を第１の触媒層の空隙率よりも小さくすることで、接合層の強度を確保することができる。また、第１の触媒層の空隙率を保ったままにすることができるため、触媒層において、触媒へ酸素が十分に到達し、燃料電池における発電性能を確保することも可能となる。
【００１０】
（４）上記形態の燃料電池において、前記接合層における前記第３の担体に対する前記第３の電解質樹脂の質量比は、前記第１の触媒層における前記第１の担体に対する前記第１の電解質樹脂の質量比よりも大きくてもよい。この形態の燃料電池によれば、接合層における第３の担体に対する第３の電解質樹脂の質量比を、第１の触媒層における第１の担体に対する第１の電解質樹脂の質量比よりも大きくすることで、接合層の空隙率を第１の触媒層の空隙率よりも小さくし、かつ、接合層の強度を第１の触媒層の強度よりも高くすることができる。よって、接合層の強度の確保と、燃料電池における発電性能の確保を、同時に達成することが可能となる。
【００１１】
（５）上記形態の燃料電池において、前記第１の担体の二次粒子構造は、前記第３の担体の二次粒子構造よりも大きくてもよい。この形態の燃料電池によれば、第１の担体の二次粒子構造を、第３の担体の二次粒子構造よりも大きくすることで、接合層の空隙率を第１の触媒層の空隙率よりも小さくし、かつ、接合層の強度を第１の触媒層の強度よりも高くすることができる。
【００１２】
（６）上記形態の燃料電池の製造方法において、前記接合層は、前記第１の触媒層が電解質膜に押圧されるよりも高い圧力で前記電解質膜の露出した部分に押圧されて形成されていてもよい。この形態の燃料電池によれば、接合層を第１の触媒層よりも高い圧力で押圧して形成することにより、接合層と第１の触媒層を同じ電解質樹脂、同じ担体で構成した場合であっても、接合層の空隙率を第１の触媒層の空隙率よりも小さくし、かつ、接合層の強度を第１の触媒層の強度よりも高くすることができる。
【００１３】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】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。
【図２】燃料電池の構成の一部について、電解質膜のカソード側触媒層が形成された面の端部における接合層周辺を拡大して示す図である。
【図３】第一実施形態の燃料電池の製造方法について説明するための図である。
【図４】第２実施形態におけ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。
【図５】第３実施形態におけ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。
【図６】第４実施形態におけ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。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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。また、図２は燃料電池１００の構成の一部について、電解質膜１１のカソード側触媒層１２ｃが形成された面の端部における接合層５０（図１の点線Ａ部分）周辺を拡大して示す図である。以下、図１および図２を用いて、燃料電池１００の構成について説明する。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。
【００１６】
単セル６０は、ＭＥＡ１０の一方の面にアノード側ガス拡散層２２ａ、他方の面にカソード側ガス拡散層２２ｃ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、接合層５０と、ガスケット７０と、を備える。
【００１７】
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および図２に示すように、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の一方の面に設けられている。一方、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電解質樹脂とを電解質膜１１に塗布することにより形成することができる。本実施形態では、カソード側触媒層１２ｃおよびアノード側触媒層１２ａ（以下、これらをまとめて「触媒層１２」ともいう）に用いられる電解質樹脂として高酸素透過性電解質樹脂を用いている。カソード側触媒層１２ｃは本願の「第１の触媒層」に、カソード側触媒層に用いられる電解質樹脂およびカーボン担体は、本願の「第１の電解質樹脂」および「第１の担体」に相当する。また、アノード側触媒層１２ａは本願の「第２の触媒層」に、アノード側触媒層に用いられる電解質樹脂およびカーボン担体は、本願の「第２の電解質樹脂」に、相当する。
【００１８】
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、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をそれぞれ備えている。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および図２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。また、カソード側ガス拡散層２２ｃの端部の位置も、カソード側触媒層１２ｃの端部の位置とほぼ揃っている。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の拡散層」に、アノード側ガス拡散層２２ａは本願の「第２の拡散層」に相当する。
【００１９】
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、電解質膜１１の周縁部に形成された接合層５０（後述）に含浸することにより、接合層５０を介して電解質膜１１と接合している。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を備えた三層構造を有している。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。
【００２０】
接合層５０は、シール部材４０と電解質膜１１とを接合させるための部材である。接合層５０は、電解質樹脂とカーボン粒子とを備える。接合層５０は、表面に電解質樹脂とカーボン粒子とで形成される凹凸（図示せず）を有しており、その凹凸にはシール部材４０の備える酸変性熱可塑性樹脂４２が含浸している。接合層５０は、触媒層１２と同様に電解質樹脂を有し、触媒層１２が電解質膜１１に接合するのと同様に、電解質膜１１と接合する。すなわち、接合層５０は、シール部材４０と電解質膜１１とを接合（接着）させる機能を有する。本実施形態では、接合層５０の備える電解質樹脂として、ＤＥ２０２０（Ｄｕｐｏｎ社製）を用いている。接合層５０に用いられる電解質樹脂は本願の「第３の電解質樹脂」に、接合層５０に用いられるカーボン粒子は本願の「第３の担体」に相当する。
【００２１】
燃料電池１００を構成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。セパレータ３３は、プレス成形されたステンレス鋼や、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、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。
【００２２】
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、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との間にそれぞれ形成されている。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。
【００２３】
Ａ２．燃料電池の製造方法：
図３は本実施形態の燃料電池１００の製造方法について説明するための図である。まず、触媒層１２を形成するためのスラリー（以下、触媒層用スラリー）および接合層５０を形成するためのスラリー（以下、接合層用スラリー）を作製する（ステップＳ１１）。具体的には、白金と、カーボン担体であるケッチェンブラック（ケッチェン・ブラック・インターナショナル社製）と、高酸素透過性電解質樹脂とを溶媒に混合し、触媒層用スラリーを作製する。また、カーボン担体であるケッチェンブラックと、酸素透過性電解質樹脂であるＤＥ２０２０（以下、一般型電解質樹脂ともいう）とを溶媒に混合して、接合層用スラリーを作製する。接合層用スラリーに用いられる一般型電解質樹脂は、触媒層用スラリーに用いられる高酸素透過性電解質樹脂よりも、強度が高いという性質を有する。本実施形態では、触媒層用スラリーと、接合層用スラリーのカーボン担体に対する電解質樹脂の質量比（Ｉ／Ｃ）は、同じである。
【００２４】
次に、電解質膜１１の一方の面にカソード側触媒層１２ｃを、他方の面にアノード側触媒層１２ａを形成してＭＥＡ１０を作製する（ステップＳ２１）。具体的には、ステップＳ１０において作製した触媒層用スラリーを、電解質膜１１の一方の面に、その周縁部を残して塗布して乾燥させ、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層用スラリーを塗布して乾燥させ、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。
【００２５】
触媒層１２を形成すると、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、他方の面にアノード側ガス拡散層２２ａを配置する（ステップＳ３１）。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、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。
【００２６】
次に、電解質膜１１の周縁部に接合層５０を形成する（ステップＳ４１）。具体的には、ステップＳ１１において作製した接合層用スラリーを電解質膜１１の露出した周縁部に塗布して乾燥させ、接合層５０を形成する。なお、ステップＳ２１における触媒層１２の形成とステップＳ４１における接合層５０の形成は、同時に行うこともできる。すなわち、触媒層用スラリーを電解質膜１１の周縁部を残して塗布するとともに、接合層用スラリーを電解質膜の周縁部に塗布する。その後、それらを乾燥させることにより、触媒層１２および接合層５０を形成することも可能である。
【００２７】
電解質膜１１の周縁部に接合層５０を形成すると、接合層５０にシール部材４０を含浸させる（ステップＳ５１）。シール部材４０は熱可塑性樹脂４１および酸変性熱可塑性樹脂４２から形成されているため、熱処理により、接合層５０のカーボン担体と一般型電解質樹脂とで形成される凹凸に含浸する。こうすることで、シール部材４０はアンカー効果により接合層５０と強固に接合する。すなわち、シール部材４０は、接合層５０を介して電解質膜１１と接合（接着）する。
【００２８】
次に、電解質膜１１の周縁部とシール部材４０とが接合した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Ｓ６１）。以上のようにして、電解質膜１１の露出した部分に接合層５０と一体的に接合されたシール部材４０によってＭＥＧＡ２０の外周がシールされた、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。
【００２９】
以上で説明したように、本実施形態の燃料電池１００においては、シール部材４０を接合層５０に含浸させ、ＭＥＧＡ２０の電解質膜１１と接合（接着）させている。シール部材４０は、触媒層１２に含浸させることによって、ＭＥＧＡ２０の電解質膜１１と接合させることも可能である。しかし、ガス拡散層２２におけるクリープ現象が単セルごとに異なる場合等、接合層５０において、シール部材４０がカソード側セパレータ３３ｃに持ち上げられる方向へ応力が働くことがある。このような場合において、シール部材４０と触媒層１２とを接合している部分の強度が低いと、その部分が破損・変形等することにより、シール部材４０が電解質膜１１から剥離するおそれがある。このような剥離は、燃料電池におけるクロスリークの要因となる。また、触媒層１２においては、本実施形態のように、触媒への酸素の透過性能を向上させて電気化学反応を促進させるため、高酸素透過性電解質樹脂等を用いることがある。一般的に、高酸素透過性電解質樹脂は、その構造上、高分子鎖が動き難いため、高分子鎖同士が絡み合いにくく、破断強度が低いという性質を有する。そのため、このような場合には、上述したようなシール部材４０と触媒層１２との接合している部分の変形等が起こりやすくなる。
【００３０】
本実施形態の燃料電池１００においては、シール部材４０は、電解質膜１１の端部に、触媒層１２とは別に設けられた接合層５０に含浸している。また、触媒層１２は、高酸素透過性電解質樹脂を備えているのに対し、接合層５０は、一般型電解質樹脂を備えている。一般型電解質樹脂は高酸素透過性電解質樹脂と比較して、その構造上、破断強度が高いという性質を有する。よって、高酸素透過性電解質樹脂を用いた触媒層１２にシール部材４０を含浸させた場合と比べて、シール部材４０がＭＥＧＡ２０から剥離することを抑制することができる。さらに、酸素透過性能の向上が望まれる触媒層１２には、高酸素透過性電解質樹脂をそのまま用いることができるため、触媒へ酸素が到達しやすい。そのため、本実施形態の燃料電池１００は、ＭＥＧＡ２０の端部におけるクロスリークの抑制と、触媒層での発電性能の向上とを同時に達成することが可能となる。
【００３１】
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、接合層５０を介して電解質膜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。
【００３２】
Ｂ．第２実施形態：
Ｂ１．燃料電池の製造方法：
第１実施形態における燃料電池は、触媒層１２に高酸素透過性電解質樹脂を用いた場合であっても、接合層５０に一般型電解質樹脂を用いることで、接合層５０における強度を確保しつつ発電性能を向上させることが可能であった。これに対し、第２実施形態では、接合層５０の空隙率を触媒層１２の空隙率よりも大きくすることで、接合層５０における強度を確保しつつ発電性能を維持することが可能な燃料電池について説明する。なお、触媒層１２と接合層５０の構成以外は、第１実施形態の燃料電池と同様の構成であるため、第２実施形態における燃料電池の構成については、説明を省略する。
【００３３】
図４は、第２実施形態におけ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。まず、触媒層および接合層用スラリーを作製する（ステップＳ１２）。具体的には、白金と、カーボン担体であるケッチェンブラックと、一般型電解質樹脂とを溶媒に混合し、カーボン担体に対する電解質樹脂の質量比（Ｉ／Ｃ）が０．７５になるように触媒層用スラリーを作製する。また、カーボン担体であるケッチェンブラックと、一般型電解質樹脂とを溶媒に混合し、Ｉ／Ｃが１．５になるように接合層用スラリーを作製する。その後の燃料電池の作製方法（ステップＳ２２からステップＳ６２）は、第１実施形態における燃料電池の作成方法（図３：ステップＳ２１からステップＳ６１）と同様であるため、説明を省略する。
【００３４】
第２実施形態の燃料電池は、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４０が接合したＭＥＧＡ２０が、セパレータ３３で狭持される。接合層５０におけるＩ／Ｃは、触媒層におけるＩ／Ｃよりも高いため、接合層５０の空隙率は、触媒層１２の空隙率よりも小さい。よって、接合層５０には、その構造体となる担体が触媒層１２よりも密に存在することとなるため、接合層５０は触媒層１２よりも高い強度を有する。そのため、第１実施形態と同様に、触媒層１２にシール部材４０を含浸させた場合と比べて、シール部材４０がＭＥＧＡ２０から剥離することを抑制できる。さらに、酸素透過性能の向上が望まれる触媒層１２においては、空隙率を小さくしなくともよいため、触媒へ酸素が到達しやすい。そのため、電解質樹脂のカーボン担体に対する質量比を変更するだけで、第１実施形態の燃料電池と同様に、ＭＥＧＡ２０の端部におけるクロスリークの抑制と、触媒層１２における発電性能の向上とを同時に達成することが可能となる。
【００３５】
Ｃ．第３実施形態：
Ｃ１．燃料電池の製造方法：
図５は、第３実施形態におけ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。第１実施形態および第２実施形態と同様に、まず、触媒層スラリーおよび接合層用スラリーを作製する（ステップＳ１３）。具体的には、白金と、カーボン担体であるケッチェンブラックと、一般型電解質樹脂とを溶媒に混合し、触媒層用スラリーを作製する。また、カーボン担体であるバルカン（日本キャボット社製）と、一般型電解質樹脂とを溶媒に混合し、接合層用スラリーを作製する。触媒層用スラリーと、接合層用スラリーのカーボン担体に対する電解質樹脂の質量比（Ｉ／Ｃ）は、同じである。その後の燃料電池の作製方法（ステップＳ２３からステップＳ６３）は、第１実施形態および第２実施形態における燃料電池の作成方法（図３：ステップＳ２１からステップＳ６１、図４：ステップＳ２２からステップＳ６２）と同様であるため、説明を省略する。
【００３６】
第３実施形態の燃料電池もまた、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、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、第１実施形態および第２実施形態の燃料電池１００と同様の効果を奏する。また、接合層５０のカーボン担体として用いられるバルカンは、触媒層１２のカーボン担体として用いられるケッチェンブラックよりも一次粒子が凝集した二次粒子構造が小さいという性質を有する。カーボン担体は、一次粒子が凝集した二次粒子として存在し、この二次粒子間により接合層５０および触媒層１２における空隙が主に形成される。そのため、接合層５０は、空隙率が触媒層１２よりも小さい構造を有する。よって、接合層５０の強度は、触媒層１２の強度よりも高い。さらに、酸素透過性能の向上が望まれる触媒層１２においては、カーボン担体のニ次粒子の構造が大きいため、空隙が大きく、触媒へ酸素が到達しやすい。そのため、本実施形態の燃料電池１００においても、第１および第２実施形態の燃料電池と同様に、ＭＥＧＡ２０の端部におけるクロスリークの抑制と、触媒層での発電性能の向上とを同時に達成することが可能となる。
【００３７】
Ｄ．第４実施形態：
Ｄ１．燃料電池の製造作製方法：
図６は、第４実施形態におけ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。第４実施形態においては、第１実施形態から第３実施形態と同様に、まず、触媒層スラリーおよび接合層用スラリーを作製する（ステップＳ１４）。具体的には、白金と、カーボン担体であるケッチェンブラックと、一般型電解質樹脂とを溶媒に混合し、触媒層用スラリーを作製する。また、第４実施形態においては、ステップＳ３４またはステップＳ６４においてカソード側触媒層１２ｃを３ＭＰａで、ステップＳ５０またはステップＳ６４において接合層５０を１０ＭＰａで電解質膜１１に押圧する。その他の燃料電池の作製方法については、第１実施形態から第３実施形態と同様であるため、説明を省略する。
【００３８】
第４実施形態の燃料電池もまた、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、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、第１実施形態から第３実施形態における燃料電池と同様の効果を奏する。さらに、電解質膜１１に接合層５０を押圧する力は、電解質膜１１に触媒層１２を押圧する力よりも大きい。そのため、触媒層１２と接合層５０を構成する電解質樹脂、カーボン担体の種類、およびカーボン担体に対する電解質樹脂の質量比（Ｉ／Ｃ）が同じであっても、接合層５０の空隙率は、触媒層１２の空隙率よりも小さくなる。よって、第２実施形態および第３実施形態と同様に、接合層５０の強度が向上し、触媒層１２の空隙率を確保することができるため、ＭＥＧＡ２０の端部におけるクロスリークの抑制と、触媒層１２での発電性能の向上とを同時に達成することが可能となる。
【００３９】
Ｅ．変形例：
Ｅ１．変形例１：
図１には、カソード側触媒層１２ｃおよびカソード側ガス拡散層２２ｃの端部と、接合層５０およびシール部材４０の端部との間が離れた単セル６０を示している。これに対し、カソード側触媒層１２ｃおよびカソード側ガス拡散層２２ｃの端部と、接合層５０およびシール部材４０の端部とは接していてもよい。また、図２には、接合層５０が、カソード側触媒層１２ｃよりも厚い単セル６０を示している。これに対し、接合層５０の厚さとカソード側触媒層１２ｃの厚さは同じであってもよく、カソード側触媒層１２ｃの厚さが接合層５０の厚さよりも大きくてもよい。
【００４０】
Ｅ２．変形例２：
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、シール部材４０の熱可塑性樹脂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。
【００４１】
Ｅ３．変形例３：
上記種々の実施形態では、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。これに対して、シール部材４０は、酸変性熱可塑性樹脂４２のみから構成されるものとしてもよい。また、熱可塑性樹脂４１の接合層５０やセパレータ３３と接する部分に、接着材を塗布して構成されるものとしてもよい。
【００４２】
Ｅ４．変形例４：
上記種々の実施形態では、接合層５０の備える担体として、カーボン担体を用いている。これに対し、接合層５０の備える担体は、シリカやアルミナ等、シール部材４０が含浸するための凹凸構造を担保することのできる担体を用いることができる。
【００４３】
Ｅ５．変形例５：
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。
【００４４】
Ｅ６．変形例６：
上記種々の実施形態では、触媒層１２に用いられる電解質樹脂および触媒担体は、アノード側触媒層１２ａおよびカソード側触媒層１２ｃともに同じである。これに対し、触媒層１２に用いられる電解質樹脂および触媒担体は、アノード側触媒層１２ａとカソード側触媒層１２ｃとで異なっていてもよい。また、上記種々の実施形態では、接合層５０に用いられる担体は、触媒を担持していない。これに対し、接合層５０に用いられる担体は、触媒層１２と同じように、触媒を担持していてもよい。
【００４５】
Ｅ７．変形例７：
上記第１実施形態で作製された燃料電池において、触媒層１２に使用されている電解質樹脂が、接合層５０に使用されている電解質樹脂の酸素透過性能よりも高いことは、例えば、それぞれの層の成分を溶媒により抽出して、ＧＣ−ＭＳ（Ｇａｓ  Ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）などを用いて定性すること等により、測定することができる。上記第２〜第４実施形態で作製された燃料電池において、触媒層１２よりも接合層５０の空隙率が小さいことは、例えば、それぞれの層をＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）等で観察することにより測定することができる。
【００４６】
Ｅ８．変形例８：
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。
【００４７】
Ｅ９．変形例９：
上記第１実施形態、第３実施形態および第４実施形態において、接合層５０と触媒層１２のカーボン担体に対する電解質樹脂の質量比（Ｉ／Ｃ）は同じである。これに対し、上記第１実施形態、第３実施形態および第４実施形態においても、第２実施形態と同様に、接合層５０のＩ／Ｃを、触媒層１２のＩ／Ｃより高くするものとしてもよい。また、上記第１実施形態から第４実施形態を組み合わせて燃料電池１００を作製することとしてもよい。例えば、触媒層１２に高酸素透過性電解質樹脂、接合層５０に一般型電解質樹脂を用い（実施形態１）、接合層５０のＩ／Ｃを触媒層１２のＩ／Ｃよりも高くし（実施形態２）、接合層５０のカーボン担体をバルカンに、触媒層１２のカーボン担体をケッチェンブラックにして（実施形態３）触媒層スラリーおよび接合層用スラリーを作製する。その後、接合層５０のプレス圧力を、触媒層１２のプレス圧力よりも高くして（実施形態４）電解質膜１１と接合させて、燃料電池１００を作製することとしてもよい。
【００４８】
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。
【符号の説明】
【００４９】
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
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…接合層
６０…単セル
７０…ガスケット
１００…燃料電池
【図１】
2014053118.tif 000003
【図２】
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【図３】
2014053118.tif 000005
【図４】
2014053118.tif 000006
【図５】
2014053118.tif 000007
【図６】
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