(57)【要約】【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】電解質膜と、電解質膜の一方の面に形成された第１の触媒層と、電解質膜の他方の面に形成された第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燃料電池。電解質膜の周縁部の少なくとも一部は、第１の触媒層の周縁部よりも外側に露出しており、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する接着部を有し、接着部は、酸変性熱可塑性樹脂にアミノ基が付与されることで構成されている。【選択図】図１
2014053117.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
電解質膜と、
前記電解質膜の一方の面に形成された第１の触媒層と、前記電解質膜の他方の面に形成された第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、
前記電解質膜の周縁部の少なくとも一部は、前記第１の触媒層の周縁部よりも外側に露出しており、
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する接着部を有し、
前記接着部は、前記酸変性熱可塑性樹脂にアミノ基が付与されることで構成されている、
燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記アミノ基は、前記接着部をプラズマ処理することにより付与されている、燃料電池。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池であって、
前記プラズマ処理は、窒素および水素ガス雰囲気、アンモニアガス雰囲気、またはヒドラジン雰囲気のいずれかの雰囲気下において行われる、燃料電池。
【請求項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、
更に前記シール部材と前記第１のセパレータとの間に、前記シール部材と前記第１のセパレータとが接着されていない非接着部を備え、
前記非接着部は、前記シール部材を介して前記接着部の略反対側に存在する、燃料電池。
【請求項５】
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アミノ基を付与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。
【請求項６】
請求項５記載の燃料電池の製造方法であって、
前記アミノ基は、前記接着部をプラズマ処理することにより付与されている、燃料電池の製造方法。
【請求項７】
請求項６記載の燃料電池の製造方法であって、
前記プラズマ処理は、窒素および水素ガス雰囲気、アンモニアガス雰囲気、またはヒドラジン雰囲気のいずれかの雰囲気下において行われる、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。
【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１８８７１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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り、リークの原因となるおそれがあった。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、低コスト化やシール部での強度の向上等が望まれていた。
【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、電解質膜と；前記電解質膜の一方の面に形成された第１の触媒層と、前記電解質膜の他方の面に形成された第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；前記電解質膜の周縁部の少なくとも一部は、前記第１の触媒層の周縁部よりも外側に露出しており；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する接着部を有し；前記接着部は、前記酸変性熱可塑性樹脂にアミノ基が付与されることで構成されている。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、アミノ基が付与された酸変性熱可塑性樹脂と電解質膜のスルホン酸基とが結合するため、電解質膜とシール部材とが良好に接着する。そのため、燃料電池においてクロスリークの発生が抑制される。
【０００８】
（２）上記形態の燃料電池において、前記アミノ基は、前記接着部をプラズマ処理することにより付与されていてもよい。この形態の燃料電池によれば、シール部材表面の酸変性熱可塑性樹脂にプラズマ処理によりアミノ基を付与することができる。
【０００９】
（３）上記形態の燃料電池において、前記プラズマ処理は、窒素および水素ガス雰囲気、アンモニアガス雰囲気、またはヒドラジン雰囲気のいずれかの雰囲気下において行われてもよい。この形態の燃料電池によれば、窒素および水素ガス雰囲気、アンモニアガス雰囲気、またはヒドラジン雰囲気においてシール部材表面の酸変性熱可塑性樹脂にプラズマ処理することにより、アミノ基を付与することができる。
【００１０】
（４）上記形態の燃料電池において、更に前記シール部材と前記第１のセパレータとの間に、前記シール部材と前記第１のセパレータとが接着されていない非接着部を備え；前記非接着部は、前記シール部材を介して前記接着部の略反対側に存在していてもよい。この形態の燃料電池によれば、非接着部を備えるので、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ので、燃料電池のクロスリークの発生が抑制される。
【００１１】
また、上記形態の燃料電池において、前記非接着部において、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、非接着部を形成することができる。
【００１２】
また、上記形態の燃料電池において、前記非接着部において、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てもよい。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、非接着部を形成することができる。
【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】燃料電池の製造方法について説明するための図である。
【図３】シール部材の一方の面にプラズマ処理を行う様子について示す図である。
【図４】電解質膜とシール部材との接着のイメージ図である。
【図５】界面の接着性の評価結果を示す図である。
【図６】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。
【図７】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。
【図８】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。
【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。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。
【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４０ｐ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。
【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４０ｐ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４０ｐ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する。シール部材４０ｐの一方の面の酸変性熱可塑性樹脂４２ｐには、プラズマ処理が施され、アミノ基が付与されている。プラズマ処理については後述する。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４０ｐ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４０ｐとが接着している箇所を以降、接着部５０ともいう。
【００２０】
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４０ｐ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、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。
【００２１】
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。
【００２２】
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、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。
【００２３】
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、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、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。
【００２４】
次に、窒素および水素雰囲気下において、シール部材４０の一方の面に対しプラズマ処理を行う（ステップＳ３０）。本実施形態では、シール部材４０の一方の表面の酸変性熱可塑性樹脂４２に対し、アルゴンガスおよびヘリウムガス中に、約２〜３％の窒素ガスおよび水素ガスを混合した雰囲気下において、プラズマ処理を行う。
【００２５】
図３は、シール部材４０の一方の面にプラズマ処理を行う様子について示す図である。シール部材４０の表面に備えられた酸変性熱可塑性樹脂４２に対し、窒素および水素雰囲気下においてプラズマ処理行うと、酸変性熱可塑性樹脂４２の表面が改質される。その結果、酸変性熱可塑性樹脂４２の表面には、酸変性熱可塑性樹脂４２が有していたカルボキシル基に加え、さらに、プラズマ処理により付与されたアミノ基（−ＮＨ2）が存在するようになる。
【００２６】
次に、プラズマ処理を行った酸変性熱可塑性樹脂４２ｐと電解質膜１１の周縁部とが接するようにシール部材４０ｐを配置して、ＭＥＧＡ２０とシール部材４０ｐを熱圧着する（ステップＳ４０）。
【００２７】
図４は、電解質膜１１とシール部材４０ｐとの接着のイメージ図である。シール部材４０ｐと電解質膜１１の周縁部との接着は、例えば１５０℃、１．０ＭＰａで２分間の熱圧着により行うことができる。シール部材４０ｐは、プラズマ処理によって酸変性熱可塑性樹脂４２ｐの表面に付与されたアミノ基と、電解質膜１１由来のスルホン酸基とが強固に結合することにより、電解質膜１１の周縁部と接着する。
【００２８】
次に、電解質膜１１の周縁部とシール部材４０ｐ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Ｓ５０）。こうすることでＭＥＧＡ２０の外周がシール部材４０ｐ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。
【００２９】
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４０ｐ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４０ｐ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４０ｐ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４０ｐ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。
【００３０】
また、本実施形態の燃料電池１００は、酸変性熱可塑性樹脂４２を表面に備えるシール部材４０の片面を、窒素および水素雰囲気下においてプラズマ処理し、プラズマ処理をした面と、電解質膜１１の周縁部とを接着させる。窒素および水素雰囲気下でのプラズマ処理により、酸変性熱可塑性樹脂４２の表面にはアミノ基が付与される。酸変性熱可塑性樹脂４２ｐの表面のアミノ基と、電解質膜１１由来のスルホン酸基とは強固に結合するため、電解質膜１１とシール部材４０ｐとが良好に接着することとなる。また、プラズマ処理は、酸変性熱可塑性樹脂４２の表面を改質するのみであるので、酸変性熱可塑性樹脂４２の有する良好なシール性は、プラズマ処理後も引き続き維持される。そのため、シール部材４０ｐは、セパレータ３３とも良好に接着する。したがって、ＭＥＧＡ２０の外周におけるクロスリークが抑制され、燃料電池１００の発電性能を向上させることができる。
【００３１】
さらに、シール部材４０ｐ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。
【００３２】
Ａ３．接合強度試験：
上述したプラズマ処理の効果を調べるために、図２を用いて説明した製造方法によって製造した単セルＡと、シール部材４０の表面にプラズマ処理を行わなかった単セルＢと、プラズマ処理に代えてシランカップリング剤の塗布を行った単セルＣと、酸素雰囲気下においてプラズマ処理を行った単セルＤとを用意した。以降、各単セルのシール部材４０の表面に処理を行った面（単セルＣにおいては、処理を行っていない面）を、処理面ともいう。次に、単セルＡ〜Ｄを９０℃の温水に３時間浸漬させた後、各単セルの処理面と電解質膜１１との界面の接着性を評価した。また、あわせて、各単セルの処理面とアノード側セパレータ３３ａとの界面の接着性を評価した。界面の接着性は、島津製作所製のオートグラフを用いて、常温常圧下、接着面を１ｃｍ2、引張強度５ｍｍ／ｍｉｎの条件においてせん断試験を行うことにより評価した。
【００３３】
図５は、界面の接着性の評価結果を示す図である。図５には、９０℃の温水に３時間浸漬させた後において、接着性が保たれている界面に○、接着性が保たれていない界面に×を記して示している。単セルＡは、プラズマ処理を行った酸変性熱可塑性樹脂４２ｐ（処理面Ａ）と電解質膜１１、処理面Ａとセパレータ３３のいずれも接着性が保たれている。これは、上述したように、窒素および水素雰囲気下でのプラズマ処理によって、酸変性熱可塑性樹脂４２の処理面に付与されたアミノ基と、電解質膜１１に由来するスルホン酸基とが強固に結合することにより、処理面Ａと電解質膜１１との接着性が保たれるからであると考えられる。また、プラズマ処理によって、酸変性熱可塑性樹脂４２はその表面が改質されるのみであるため、酸変性熱可塑性樹脂４２の良好な接着性は維持される。そのため、処理面Ａとセパレータ３３との接着性も保たれると考えられる。
【００３４】
プラズマ処理を行っていない単セルＢでは、酸変性熱可塑性樹脂４２（処理面Ｂ）と電解質膜１１との接着性は保たれていない。これは、酸変性熱可塑性樹脂４２と電解質膜１１とは、カルボキシル基とスルホン酸基との水素結合により接着しているため接着力が弱く、水の存在下において剥離し易いためであると考えられる。なお、処理面Ｂとセパレータ３３との接着性は、酸変性熱可塑性樹脂４２本来の良好な接着性のために保たれている。
【００３５】
図２のステップＳ３０において、シランカップリング剤を表面に塗布した単セルＣでは、その処理面Ｃと電解質膜１１との接着性は保たれている。これは、処理面Ｃと電解質膜１１とが化学結合するためであると考えられる。一方、処理面Ｃとセパレータ３３との接着性は、保たれていない。これは、酸変性熱可塑性樹脂４２の良好な接着性が、シランカップリング剤を塗布することで発揮され難くなり、シール部材４０とセパレータ３３とが水の存在下において剥離するためであると考えられる。
【００３６】
ステップＳ３０において、窒素および水素雰囲気に換えて酸素雰囲気下でプラズマ処理を行った単セルＤでは、処理面Ｄと電解質膜１１との接着性が保たれていない。酸変性熱可塑性樹脂４２の表面に酸素雰囲気下でプラズマ処理を行うと、その表面にはアミノ基ではなく、水酸基やカルボキシル基が付与されるため、処理面Ｄと電解質膜１１とは水素結合によって接着する。そのため、処理面Ｄと電解質膜１１との接着力は弱く、また、水の存在下で容易に剥離すると考えられる。なお、単セルＤにおいても単セルＡと同様、プラズマ処理により酸変性熱可塑性樹脂４２はその表面が改質されるのみであるので、酸変性熱可塑性樹脂４２の良好な接着性は維持される。そのため、処理面Ｄとセパレータ３３との接着性は保たれている。
【００３７】
以上の実験結果より、窒素および水素雰囲気下におけるプラズマ処理によって酸変性熱可塑性樹脂４２の表面にアミノ基を付与したシール部材４０ｐは、電解質膜１１およびセパレータ３３と良好な接着性を有することが示された。
【００３８】
Ｂ．実施形態２：
Ｂ１．燃料電池の構成：
図６は本発明の別の実施形態としての燃料電池１００ｆの構成を示す概略図である。この燃料電池１００ｆは、シール部材４０ｐと電解質膜１１とが接着する箇所である接着部５０とシール部材４０ｐを介して略反対側に、非接着部５５を備える。非接着部５５は、接着部５０とシール部材４０ｐを介して対向するカソード側セパレータ３３ｃｆ近傍のリブ部３３ｃｆ２の突出量を、他のリブ部３３ｃｆ１、３３ｃｆ３の突出量より少なくすることで形成されている。燃料電池１００ｆのその他の構成については、実施形態１（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。
【００３９】
本実施形態の燃料電池１００ｆは、第１実施形態の燃料電池１００と同様に、窒素および水素雰囲気下においてプラズマ処理された酸変性熱可塑性樹脂４２ｐと電解質膜１１の周縁部とが接着されている。また、シール部材４０ｐは、アノード側セパレータ３３ａとカソード側セパレータ３３ｃとに狭持され、接着されているので、第１実施形態の燃料電池１００と同様に、ＭＥＧＡ２０の外周におけるクロスリークを抑制し、発電性能を向上できるという効果を奏する。さらに、本実施形態の燃料電池１００ｆは、以下に説明する効果を奏する。
【００４０】
図７および図８は、非接着部５５を有する燃料電池１００ｆの効果を説明するための図である。図７（ａ）および図８（ａ）は、単セル６０を積層した燃料電池１００、１００ｆ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３３で狭持した単セル６０を積層することにより作製される。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７（ａ）に示すように同じ厚さのＭＥＧＡ２０を備える単セル６０が積層される。この場合には、図７（ｂ）に示すようにシール部材４０ｐ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４０ｐと電解質膜１１との接着性は保たれる。
【００４１】
一方、ＭＥＧＡに公差が存在すると、図８（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３３に歪みが生じる場合がある。このとき、カソード側セパレータ３３ｃと酸変性熱可塑性樹脂４２の接着力の方が、プラズマ処理された酸変性熱可塑性樹脂４２ｐと電解質膜１１との接着力よりも強い場合、図８（ｂ）に示すように、電解質膜１１からシール部材４０ｐが剥離する可能性がある。図８（ｂ）に示すような剥離が生じると、クロスリークの原因となる。
【００４２】
本実施形態の燃料電池１００ｆは、図６に示すように、接着部５０とシール部材４０ｐを介して対向する面側のシール部材４０ｐと、カソード側セパレータ３３ｃｆとの間に、シール部材４０ｐとカソード側セパレータ３３ｃｆ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に歪みが生じても、接着部５０とシール部材４０ｐを介して対向する面側のカソード側セパレータ３３ｃｆと酸変性熱可塑性樹脂４２の接着力の方が、電解質膜１１とシール部材４０ｐ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４０ｐ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。
【００４３】
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、ＭＥＧＡ２０ｍに公差が存在する場合と同様に、ＭＥＧＡ２０ｍの外周近傍のセパレータ３３に歪み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１００ｆは、図６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４０ｐ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。
【００４４】
Ｃ．変形例：
Ｃ１．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、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。
【００４５】
Ｃ２．変形例２：
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。
【００４６】
Ｃ３．変形例３：
上記第１実施形態では、プラズマ処理は、シール部材４０ｐの一方の面の酸変性熱可塑性樹脂４２に対して行っている。これに対して、プラズマ処理は、電解質膜１１と酸変性熱可塑性樹脂４２が接着する箇所（接着部５０）にのみ行ってもよく、接着部５０とその近傍にのみ行ってもよい。また、プラズマ処理は、シール部材４０ｐの両面に対しても行ってもよい。
【００４７】
Ｃ４．変形例４：
上記第１実施形態では、プラズマ処理は、窒素および水素雰囲気下において行っている。これに対し、プラズマ処理は、アンモニア雰囲気、ヒドラジン雰囲気下等、その他アミノ基を酸変性熱可塑性樹脂４２の表面に付与できる雰囲気下で行うこととしてもよい。
【００４８】
Ｃ５．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。
【００４９】
Ｃ６．変形例６：
上記第２実施形態では、カソード側セパレータ３３ｃｆのリブ部３３ｃｆ２の形状を変更して、リブ部３３ｃｆ２とシール部材４０ｐとが接しないようにして非接着部５５を形成している。これに対し、非接着部５５は、リブ部３３ｃｆ２とシール部材４０ｐ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は、シール部材４０ｐの接着部５０の存在する箇所と、シール部材４０ｐを介して反対の箇所や、その近傍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。
【００５０】
Ｃ７．変形例７：
上記種々の実施形態で作製した燃料電池１００、１００ｆに用いられるシール部材の一方の面にアミノ基が付与されていることは、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。
【００５１】
Ｃ８．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った。しかし、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。
【００５２】
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】
【００５３】
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…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
３３ｃｆ１、３３ｃｆ２、３３ｃｆ３…リブ部
３３ａ…アノード側セパレータ
３３ｃ、３３ｃｆ…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、４０ｐ…シール部材
４１…熱可塑性樹脂
４２、４２ｐ…酸変性熱可塑性樹脂
５０…接着部
５５…非接着部
６０、６０ｍ…単セル
１００、１００ｆ…燃料電池
【図１】
2014053117.tif 000003
【図２】
2014053117.tif 000004
【図３】
2014053117.tif 000005
【図４】
2014053117.tif 000006
【図５】
2014053117.tif 000007
【図６】
2014053117.tif 000008
【図７】
2014053117.tif 000009
【図８】
2014053117.tif 000010