(57)【要約】【課題】シール部の枠体または接着層の変形制御により安全性を向上できる、高分子電解質型燃料電池を提供する。【解決手段】高分子電解質型燃料電池は、アノードと、カソードと、これらの間に介在する中央領域および中央領域を囲む周縁領域を有する高分子電解質膜と、を具備する膜電極接合体と、膜電極接合体を挟持する一対のセパレータと、周縁領域とアノード側のセパレータとの間に介在するアノード側シール部と、周縁領域とカソード側のセパレータとの間に介在するカソード側シール部と、を具備する。アノード側シール部および／またはカソード側シール部は、枠体と、枠体の周縁領域側に配された第１接着層と、枠体のセパレータ側に配された第２接着層と、を具備し、第１接着層は、融点Ｔ１を有する第１熱可塑性樹脂を含み、第２接着層は、融点Ｔ２を有する第２熱可塑性樹脂を含み、Ｔ１＞Ｔ２を満たす。【選択図】図１
2017117759.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードと、カソードと、前記アノードと前記カソードとの間に介在する中央領域および前記中央領域を囲む周縁領域を有する高分子電解質膜と、を具備する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟持する一対のセパレータと、
前記アノードを囲むとともに、前記周縁領域と前記アノード側の前記セパレータとの間に介在するアノード側シール部と、
前記カソードを囲むとともに、前記周縁領域と前記カソード側の前記セパレータとの間に介在するカソード側シール部と、を具備し、
前記アノード側シール部および前記カソード側シール部の少なくとも一方は、枠体と、前記枠体の前記周縁領域側に配された第１接着層と、前記枠体の前記セパレータ側に配された第２接着層と、を具備し、
前記第１接着層は、融点Ｔ１を有する第１熱可塑性樹脂を含み、
前記第２接着層は、融点Ｔ２を有する第２熱可塑性樹脂を含み、
Ｔ１＞Ｔ２を満たす、高分子電解質型燃料電池。
【請求項２】
Ｔ１が、Ｔ２より１０℃以上高い、請求項１に記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項３】
Ｔ２が１００℃以上であり、Ｔ１が１７０℃以下である、請求項１または２に記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項４】
前記第１熱可塑性樹脂および前記第２熱可塑性樹脂が、変性ポリオレフィンである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項５】
前記アノードおよび前記カソードの少なくとも一方と、前記枠体と、の間に形成される隙間の少なくとも一部において、前記第１接着層と前記第２接着層とが接触している、請求項１〜４のいずれか１項に記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項６】
前記枠体が、融点Ｔ３を有する第３熱可塑性樹脂を含み、
Ｔ３＞Ｔ２を満たす、請求項１〜５のいずれか１項に記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項７】
前記枠体は、繊維シートと、前記繊維シートに含浸された第１熱硬化性樹脂の硬化物と、を含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項８】
前記枠体が前記アノードおよび前記カソードのうちの少なくとも一方の外周部の少なくとも一部と接している、請求項７に記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項９】
アノードと、カソードと、前記アノードと前記カソードとの間に介在する中央領域および前記中央領域を囲む周縁領域を有する高分子電解質膜と、を具備する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟持する一対のセパレータと、
前記アノードを囲むとともに、前記周縁領域と前記アノード側の前記セパレータとの間に介在するアノード側シール部と、
前記カソードを囲むとともに、前記周縁領域と前記カソード側の前記セパレータとの間に介在するカソード側シール部と、を具備し、
前記アノード側シール部および前記カソード側シール部の少なくとも一方は、枠体と、前記枠体の前記セパレータ側に配された第２接着層と、を具備し、
前記枠体は、融点Ｔ３を有する第３熱可塑性樹脂を含み、
前記第２接着層は、融点Ｔ２を有する第２熱可塑性樹脂を含み、
Ｔ３＞Ｔ２を満たす、高分子電解質型燃料電池。
【請求項１０】
Ｔ３が、Ｔ２より１０℃以上高い、請求項９に記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項１１】
Ｔ２が１００℃以上であり、Ｔ３が１７０℃以下である、請求項９または１０に記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項１２】
アノードと、カソードと、前記アノードと前記カソードとの間に介在する中央領域および前記中央領域を囲む周縁領域を有する高分子電解質膜と、を具備する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟持する一対のセパレータと、
前記アノードを囲むとともに、前記周縁領域と前記アノード側の前記セパレータとの間に介在するアノード側シール部と、
前記カソードを囲むとともに、前記周縁領域と前記カソード側の前記セパレータとの間に介在するカソード側シール部と、を具備し、
前記アノード側シール部および前記カソード側シール部の少なくとも一方は、枠体と、前記枠体の前記周縁領域側に配された第１接着層と、前記枠体の前記セパレータ側に配された第２接着層と、を具備し、
前記第１接着層のショア硬度Ｄ１は、６３以上７８以下であり、
前記第２接着層のショア硬度Ｄ２は、６３以上７８以下であり、
Ｄ１＞Ｄ２を満たす、高分子電解質型燃料電池。
【請求項１３】
アノードと、カソードと、前記アノードと前記カソードとの間に介在する中央領域および前記中央領域を囲む周縁領域を有する高分子電解質膜と、を具備する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟持する一対のセパレータと、
前記アノードを囲むとともに、前記周縁領域と前記アノード側の前記セパレータとの間に介在するアノード側シール部と、
前記カソードを囲むとともに、前記周縁領域と前記カソード側の前記セパレータとの間に介在するカソード側シール部と、を具備し、
前記アノード側シール部および前記カソード側シール部の少なくとも一方は、枠体と、前記枠体の前記セパレータ側に配された第２接着層と、を具備し、
前記枠体のショア硬度Ｄ３は、６３以上７８以下であり、
前記第２接着層のショア硬度Ｄ２は、６３以上７８以下であり、
Ｄ３＞Ｄ２を満たす、高分子電解質型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高分子電解質膜と枠体との間や枠体とセパレータとの間に、接着層を有する高分子電解質型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
高分子電解質型燃料電池は、アノードと、カソードと、アノードおよびカソードの間に介在する高分子電解質膜とを有する膜電極接合体（ＭＥＡ）を含む。高分子電解質膜は、薄く、非常に柔らかいため、ハンドリング性に劣る。そのため、燃料電池を組み立てる際には、一般に、予め高分子電解質膜の周縁にシール部材を接着して補強している。
【０００３】
例えば、特許文献１では、高分子電解質膜の電極の触媒層から周囲にはみ出している部分にシール部材（第１シール部材）を貼り付け、このシール部材を介してフレームで支持している。そして、ＭＥＡをフレームごと、アノード側セパレータおよびカソード側セパレータで挟持して一体化する際に、フレームとセパレータとの間にもシール部材（第２シール部材）を介在させ、熱圧着している。
【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】
特許文献１では、ＭＥＡをフレーム（枠体）で補強した後に、第２シール部材を介してセパレータが配される。第２シール部材を用いた接着は熱圧着による。セパレータとフレームとを第２シール部材を介して熱圧着すると、このときの熱と圧力で、フレームや、フレームと高分子電解質膜との間に存在する第１シール部材が変形し、燃料電池の性能が低下する。
【０００６】
本発明の目的は、枠体やシール部の接着層の変形制御により安全性を向上できる、高分子電解質型燃料電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一局面は、アノードと、カソードと、前記アノードと前記カソードとの間に介在する中央領域および前記中央領域を囲む周縁領域を有する高分子電解質膜と、を具備する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟持する一対のセパレータと、
前記アノードを囲むとともに、前記周縁領域と前記アノード側の前記セパレータとの間に介在するアノード側シール部と、
前記カソードを囲むとともに、前記周縁領域と前記カソード側の前記セパレータとの間に介在するカソード側シール部と、を具備し、
前記アノード側シール部および前記カソード側シール部の少なくとも一方は、枠体と、前記枠体の前記周縁領域側に配された第１接着層と、前記枠体の前記セパレータ側に配された第２接着層と、を具備し、
前記第１接着層は、融点Ｔ１を有する第１熱可塑性樹脂を含み、
前記第２接着層は、融点Ｔ２を有する第２熱可塑性樹脂を含み、
Ｔ１＞Ｔ２を満たす、高分子電解質型燃料電池に関する。
【０００８】
本発明の他の局面は、アノードと、カソードと、前記アノードと前記カソードとの間に介在する中央領域および前記中央領域を囲む周縁領域を有する高分子電解質膜と、を具備する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟持する一対のセパレータと、
前記アノードを囲むとともに、前記周縁領域と前記アノード側の前記セパレータとの間に介在するアノード側シール部と、
前記カソードを囲むとともに、前記周縁領域と前記カソード側の前記セパレータとの間に介在するカソード側シール部と、を具備し、
前記アノード側シール部および前記カソード側シール部の少なくとも一方は、枠体と、前記枠体の前記セパレータ側に配された第２接着層と、を具備し、
前記枠体は、融点Ｔ３を有する第３熱可塑性樹脂を含み、
前記第２接着層は、融点Ｔ２を有する第２熱可塑性樹脂を含み、
Ｔ３＞Ｔ２を満たす、高分子電解質型燃料電池に関する。
【０００９】
本発明のさらに他の局面は、アノードと、カソードと、前記アノードと前記カソードとの間に介在する中央領域および前記中央領域を囲む周縁領域を有する高分子電解質膜と、を具備する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟持する一対のセパレータと、
前記アノードを囲むとともに、前記周縁領域と前記アノード側の前記セパレータとの間に介在するアノード側シール部と、
前記カソードを囲むとともに、前記周縁領域と前記カソード側の前記セパレータとの間に介在するカソード側シール部と、を具備し、
前記アノード側シール部および前記カソード側シール部の少なくとも一方は、枠体と、前記枠体の前記周縁領域側に配された第１接着層と、前記枠体の前記セパレータ側に配された第２接着層と、を具備し、
前記第１接着層のショア硬度Ｄ１は、６３以上７８以下であり、
前記第２接着層のショア硬度Ｄ２は、６３以上７８以下であり、
Ｄ１＞Ｄ２を満たす、高分子電解質型燃料電池に関する。
【００１０】
本発明の別の局面は、アノードと、カソードと、前記アノードと前記カソードとの間に介在する中央領域および前記中央領域を囲む周縁領域を有する高分子電解質膜と、を具備する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟持する一対のセパレータと、
前記アノードを囲むとともに、前記周縁領域と前記アノード側の前記セパレータとの間に介在するアノード側シール部と、
前記カソードを囲むとともに、前記周縁領域と前記カソード側の前記セパレータとの間に介在するカソード側シール部と、を具備し、
前記アノード側シール部および前記カソード側シール部の少なくとも一方は、枠体と、前記枠体の前記セパレータ側に配された第２接着層と、を具備し、
前記枠体のショア硬度Ｄ３は、６３以上７８以下であり、
前記第２接着層のショア硬度Ｄ２は、６３以上７８以下であり、
Ｄ３＞Ｄ２を満たす、高分子電解質型燃料電池に関する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る高分子電解質型燃料電池によれば、高分子電解質膜の周縁領域側に配されたシール部の枠体または接着層の変形を制御することにより安全性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１実施形態に係る高分子電解質型燃料電池を概略的に示す縦断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態の変形例に係る高分子電解質型燃料電池を概略的に示す縦断面図である。
【図３】本発明の第３実施形態に係る高分子電解質型燃料電池を概略的に示す縦断面図である。
【図４】高分子電解質型燃料電池に使用されるセパレータとガス拡散層とを重ねた状態を示す概略平面図である。
【図５】図４のセパレータに重ねて配置する第２接着層の概略平面図である。
【図６】図４のセパレータに図５の第２接着層を重ねた状態を示す概略平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の実施形態に係る高分子電解質型燃料電池は、
アノードと、カソードと、アノードとカソードとの間に介在する中央領域および中央領域を囲む周縁領域を有する高分子電解質膜と、を具備する膜電極接合体（ＭＥＡ）と、
ＭＥＡを挟持する一対のセパレータと、
アノードを囲むとともに、周縁領域とアノード側のセパレータとの間に介在するアノード側シール部と、
カソードを囲むとともに、周縁領域とカソード側のセパレータとの間に介在するカソード側シール部と、を具備する。
【００１４】
第１実施形態では、アノード側シール部およびカソード側シール部の少なくとも一方は、枠体と、枠体の周縁領域側に配された第１接着層と、枠体のセパレータ側に配された第２接着層と、を具備する。そして、第１接着層は、融点Ｔ１を有する第１熱可塑性樹脂を含み、第２接着層は、融点Ｔ２を有する第２熱可塑性樹脂を含み、Ｔ１＞Ｔ２を満たす。
【００１５】
第２実施形態では、アノード側シール部およびカソード側シール部の少なくとも一方は、枠体と、枠体の周縁領域側に配された第１接着層と、枠体のセパレータ側に配された第２接着層と、を具備する。そして、第１接着層のショア硬度Ｄ１は、６３以上７８以下であり、第２接着層のショア硬度Ｄ２は、６３以上７８以下であり、Ｄ１＞Ｄ２を満たす。
【００１６】
第３実施形態では、アノード側シール部およびカソード側シール部の少なくとも一方は、枠体と、枠体のセパレータ側に配された第２接着層と、を具備する。そして、枠体は、融点Ｔ３を有する第３熱可塑性樹脂を含み、第２接着層は、融点Ｔ２を有する第２熱可塑性樹脂を含み、Ｔ３＞Ｔ２を満たす。
【００１７】
第４実施形態では、アノード側シール部およびカソード側シール部の少なくとも一方は、枠体と、枠体のセパレータ側に配された第２接着層と、を具備する。そして、枠体のショア硬度Ｄ３は、６３以上７８以下であり、第２接着層のショア硬度Ｄ２は、６３以上７８以下であり、Ｄ３＞Ｄ２を満たす。
【００１８】
高分子電解質型燃料電池は、例えば、
（i）アノードと、カソードと、アノードとカソードとの間に介在する中央領域および中央領域を囲む周縁領域を有する高分子電解質膜と、を具備するＭＥＡを準備する工程と、
（ii）周縁領域の両側に、それぞれ、枠体を配置し、枠体と周縁領域とを接合する工程と、
（iii）ＭＥＡをアノード側セパレータおよびカソード側セパレータで挟持する工程と、を具備する製造方法により製造される。
【００１９】
第１実施形態および第２実施形態に係る高分子電解質型燃料電池を製造する場合には、工程（ii）において、第１接着層を介して枠体を配置し、枠体と周縁領域とを第１接着層により接合する。このとき、第１接着層を加熱することが好ましい。また、工程（iii）では、枠体とアノード側セパレータおよびカソード側セパレータとの間に、第２接着層を介在させ、枠体とアノード側セパレータおよびカソード側セパレータとを第２接着層により接合する。このとき、第２接着層を加熱することが好ましい。
【００２０】
第３実施形態および第４実施形態に係る高分子電解質型燃料電池を製造する場合には、工程（ii）において、枠体を加熱して、枠体と周縁領域とを接合することが好ましい。また、工程（iii）では、枠体とアノード側セパレータおよびカソード側セパレータとの間に、第２接着層を介在させ、枠体とアノード側セパレータおよびカソード側セパレータとを第２接着層により接合する。このとき、第２接着層を加熱することが好ましい。
【００２１】
燃料電池を組み立てる際には、高分子電解質膜の、アノード側触媒層２ａ、カソード側触媒層３ａの周縁からはみ出している部分を枠体で補強する。第１実施形態および第２実施形態では、このとき、第１接着層を介して枠体で補強する。次いで、枠体とセパレータとを第２接着層を介して接合させる。この接合を熱圧着により行うと、熱と圧力で枠体や第１接着層が変形したり、流れ出たりすることがある。第１実施形態では、Ｔ１＞Ｔ２とすることにより、枠体とセパレータとを第２接着層を介して接合させる際に、第１接着層が変形したり、流れ出たりすることを抑制できる。第３実施形態では、Ｔ３＞Ｔ２とすることにより、枠体とセパレータとを第２接着層を介して接合する際に、枠体が変形したり、流れ出たりすることが抑制される。
【００２２】
燃料電池の動作時に異常が発生し、熱暴走した場合、第１接着層や枠体の変形や流出が起こると、高分子電解質膜が露出する場合がある。一般に、高分子電解質膜が露出すると、水素のクロスリークが起こることで、熱暴走が加速し易くなり、高分子電解質膜に穴が開いて危険度が増す。しかし、本発明では、図４に示すようなマニホールド２１とアノードあるいはカソードをつなぐガス流路２２を形成しているセパレータ９ａに重ねるように、図５に示す第２接着層６ａが配置される（図６）。このとき、熱圧着時に第２接着層６ａがガス流路２２を塞がないように、ガス流路２２と第２接着層６ａの間に板状体を挟むこともある。燃料電池に異常が発生し過度に高温になると、第１接着層が溶融する前に第２接着層が溶融し、マニホールド２１とアノードあるいはカソードをつなぐガス流路２２を塞ぐため、燃料電池を安全に停止させることができる。また、上記板状体がある場合も、マニホールド２１とガス流路２２との接続部、ガス流路２２とアノード側ガス拡散層２ｂまたはカソード側ガス拡散層３ｂとの接続部を塞ぎ、燃料電池を安全に停止させることができる。そのため、第１接着層や枠体の変形や溶融による高分子電解質膜の露出を防止することができる。
【００２３】
また、融点が高い第１接着層や融点が高い枠体は弾性変形し難いため、高分子電解質膜の変形を抑制し易い。一方、セパレータは、硬度が比較的高い材質で形成されるため、セパレータと第２接着層との硬度差や線膨張係数差は大きくなる傾向がある。本発明では、第１接着層や枠体に比べて弾性変形し易い材料で第２接着層を構成することで、セパレータと第２接着層との間に生じる応力分布を緩和し易くなる。
【００２４】
第１実施形態において、枠体が、融点Ｔ３を有する第３熱可塑性樹脂を含む場合、Ｔ３＞Ｔ２を満たすことが望ましい。Ｔ３がＴ２よりも高いことで、枠体をセパレータと熱圧着させる際に、枠体の変形を抑制し易い。
【００２５】
第１熱可塑性樹脂および第２熱可塑性樹脂としては、それぞれ、変性ポリオレフィンが好ましい。この場合、高分子電解質膜および枠体間、ならびに枠体およびセパレータ間の接合がさらに容易になる。また、第１接着層と第２接着層とが接触する場合には、両者の相溶性が高いことで、接合し易くなる。
【００２６】
Ｔ１（またはＴ３）は、Ｔ２より１０℃以上高いことが好ましい。Ｔ１（またはＴ３）とＴ２との差（融点差）は、好ましくは１０℃以上であり、１５℃以上または２０℃以上であることがさらに好ましい。融点差がこのような範囲である場合、第１接着層や枠体の変形や流出をさらに抑制し易くなる。また、第２接着層による応力緩和効果がさらに高くなるとともに、熱暴走を抑制する効果をさらに高めることもできる。
【００２７】
Ｔ２は１００℃以上であることが好ましく、Ｔ１（またはＴ３）は１７０℃以下であることが好ましい。燃料電池の通常動作温度は７０〜９０℃程度であるので、Ｔ２が１００℃以上であれば、燃料電池の通常動作時に第２接着層が損傷を受けにくくなる。また、Ｔ１（またはＴ３）が１７０℃以下であることで、ＣＣＭの劣化が起こり難い温度で熱圧着を容易に行うことができる。
【００２８】
アノード側ガス拡散層およびカソード側ガス拡散層の少なくとも一方と、枠体と、の間には隙間が形成される場合がある。このような隙間が形成されると、ガスが電極を通らずに電極の外側に回り込んでマニホールド入口部から出口部に達してしまい、発電効率が低下する。具体的なガスの回り込み流路２３を図６に示す。上記の隙間の少なくとも一部において、第１接着層と第２接着層とを接触させてもよい。また、上記の隙間の少なくとも一部に、上記の硬化物を充填させてもよい。これらの場合、ガスが電極の外側に回りこむことを抑制することができる。
【００２９】
燃料電池では、通常、複数の単セルが積層されており、各単セルのセパレータの高分子電解質膜とは反対側の表面には冷却水を流すための冷却水流路が形成されている。そして、隣接する２つの単セルにおける各セパレータの周縁領域の間には、冷却水をシールするための冷却水シール層が配設されている。このような燃料電池では、（ａ）燃料電池の薄型化が追求されており、設計によっては、セパレータの最薄部が０．１ｍｍ程度となることがある。また、（ｂ）冷却水シール層の材料として、ゴム系材料（エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、ポリイソブチレン（ＰＩＢ）等）を用いる場合、例えば、冷却水シール層に、所定の線圧（例えば、１０Ｎ／ｍｍの線圧）がかかるように冷却水シール層を圧縮変形させて、冷却水シール層の反力により２つのセパレータ間のシール性を得ることができる。
【００３０】
上記の（ａ）および（ｂ）を両立させるためには、セパレータの冷却水シール層とは反対側に設けられたガスシール層（第１接着層、第２接着層）を硬くする必要がある。なぜなら、上記の線圧により、セパレータやガスシール層（第１接着層、第２接着層）が変形して、冷却水シール層を十分に圧縮できないことがあるためである。冷却水シール層の圧縮が不十分であると、例えば、冷却水シール層のマニホールド用シール部等から冷却水のリークが発生する。また、ガスシール層（第１接着層、第２接着層）の硬度が大きすぎる（すなわち、硬すぎる）場合、ガスシール層がセパレータの熱膨張に追従できず、ガスシール層（第２接着層）とセパレータとの界面で剥離が発生することがある。
【００３１】
第２実施形態では、第１接着層および第２接着層のショア硬度Ｄ（ショア硬度Ｄ１およびショア硬度Ｄ２）を、第４実施形態では、枠体および第２接着層のショア硬度Ｄ（Ｄ３およびＤ２）を、それぞれ、６３以上にするため、冷却水シール層を十分に圧縮することができる。また、ショア硬度Ｄ１（またはＤ３）およびＤ２を７８以下とするため、第２接着層とセパレータとの界面における剥離を抑制できる。さらに、Ｄ１＞Ｄ２またはＤ３＞Ｄ２とすることにより、複数の単セルを締結する時の応力のばらつきを、第１接着層や枠体よりも第２接着層で多く吸収させることができるため、第１接着層の変形を抑制できる。よって、高分子電解質膜の変形を抑制することができ、安全性を確保することができる。
なお、ショア硬度Ｄは、ＪＩＳ  Ｋ６２５３またはＡＳＴＭＤ２２４０のタイプＤデュロメータを用いて測定される硬度である。
【００３２】
一般に、単セルを形成した時点で、僅かながら、高分子電解質膜の周縁領域における単セルの厚さのばらつきが発生する。このような面内における膜厚のばらつきが生じた単セルを多層積層し、加圧締結すると、面内応力が不均一になる。本発明では、第１接着層（または枠体）に比べて第２接着層が変形し易いため、第２接着層により応力のばらつきを吸収緩和させることができ、これにより高分子電解質膜の変形を抑制することができる。
以下に、本発明に係る高分子電解質型燃料電池およびその製造方法について、適宜図面を参照しながら、より詳細に説明する。
【００３３】
［高分子電解質型燃料電池］
高分子電解質型燃料電池（以下、単に燃料電池とも言う）は、ＭＥＡと、ＭＥＡを挟持する一対のセパレータと、アノード側シール部と、カソード側シール部と、を含む。ＭＥＡは、アノードおよびカソードと、これらの間に介在する高分子電解質膜とを備えている。アノードは、少なくともアノード側触媒層を含んでいればよく、アノード側触媒層とアノード側拡散層とを合わせてアノードと称する場合もある。カソードは、少なくともカソード側触媒層を含んでいればよく、カソード側触媒層とカソード側拡散層とを合わせてカソードと称する場合もある。高分子電解質膜は、アノード側触媒層とカソード側触媒層とで挟持されており、アノード側触媒層とカソード側触媒層とこれらの間に介在する高分子電解質膜とを膜触媒層接合体（ＣＣＭ）と呼ぶことがある。
【００３４】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る高分子電解質型燃料電池を概略的に示す縦断面図である。
高分子電解質型燃料電池は、アノード２と、カソード３と、これらの間に介在する高分子電解質膜１と、を備える膜電極接合体（ＭＥＡ）４Ａを含む。アノード２は、アノード側触媒層２ａと、アノード側触媒層２ａを覆うアノード側ガス拡散層２ｂとを備える。カソード３は、カソード側触媒層３ａと、カソード側触媒層３ａを覆うカソード側ガス拡散層３ｂとを備える。アノード側触媒層２ａと、カソード側触媒層３ａと、これらの間に介在する高分子電解質膜１とは、膜触媒層接合体（ＣＣＭ）４Ｂを構成している。高分子電解質膜１は、高分子電解質膜１の面方向における中央に位置する中央領域１ａと、中央領域１ａを囲む周縁領域１ｂとを有する。周縁領域１ｂは、中央領域１ａの周縁をループ状に囲んでいる。
【００３５】
アノード側ガス拡散層２ｂは、アノード２に供給される燃料を拡散させるものであり、アノード側触媒層２ａに接するように配される。カソード型ガス拡散層３ｂは、カソード３に供給される酸化剤を拡散させるものであり、カソード側触媒層３ａに接するように配される。
【００３６】
燃料電池は、一対のセパレータ９ａおよび９ｂを備えており、これらのセパレータ９ａおよび９ｂにより、ＭＥＡ４Ａが挟持されている。つまり、セパレータ９ａおよび９ｂにより、アノード側ガス拡散層２ｂおよびカソード側ガス拡散層３ｂを介してＣＣＭ４Ｂが挟持されている。アノード側セパレータ９ａは、アノード側ガス拡散層２ｂに接するように配され、カソード側セパレータ９ｂは、カソード側ガス拡散層３ｂに接するように配されている。
【００３７】
燃料電池は、さらに、アノード側触媒層２ａおよびカソード側触媒層３ａの周縁からはみ出た高分子電解質膜１の周縁領域１ｂを挟む一対のシール部８ａ、８ｂを備えている。アノード側シール部８ａは、アノード側ガス拡散層２ｂ（およびアノード側触媒層２ａ）を囲むように、高分子電解質膜１の周縁領域１ｂとアノード側セパレータ９ａとの間に介在している。カソード側シール部８ｂは、カソード側ガス拡散層３ｂ（およびカソード側触媒層３ａ）を囲むように、周縁領域１ｂとカソード側セパレータ９ｂとの間に介在している。
【００３８】
アノード側シール部８ａは、枠体７ａと、枠体７ａの周縁領域１ｂ側（つまり、高分子電解質膜１側）に配された第１接着層５ａと、枠体７のセパレータ９ａ側に配された第２接着層６ａとを含む。カソード側シール部８ｂは、枠体７ｂと、枠体７ｂの周縁領域１ｂ側（つまり、高分子電解質膜１側）に配された第１接着層５ｂと、枠体７ｂのセパレータ９ｂ側に配された第２接着層６ｂとを含む。
【００３９】
本発明の第１実施形態では、第１接着層は、融点Ｔ１を有する第１熱可塑性樹脂を含む。第２接着層が、融点Ｔ２を有する第２熱可塑性樹脂を含み、Ｔ１＞Ｔ２を満たす。アノード側シール部８ａおよびカソード側シール部８ｂの少なくとも一方が、第１実施形態の構成を有していればよく、双方がこのような構成を有していてもよい。第１実施形態では、上述のように、セパレータと枠体とを第２接着層を介して接合させる際に、第１接着層の変形や流出を抑制することができる。
【００４０】
図１では、枠体７ａと、アノード２（具体的には、アノード側触媒層２ａおよびアノード側ガス拡散層２ｂ）との間には、隙間が形成されている。そして、この隙間では、第１接着層５ａと第２接着層６ａとが接触している。第１接着層５ａと第２接着層６ａとは、隙間の少なくとも一部において接触していればよい。カソード側もアノード側と同様である。つまり、枠体７ｂと、カソード３（具体的には、カソード側触媒層３ａおよびカソード側ガス拡散層３ｂ）との間には、隙間が形成されており、この隙間の少なくとも一部では、第１接着層５ｂと第２接着層６ｂとが接触している。
【００４１】
図２は、第１実施形態の変形例に係る高分子電解質型燃料電池を概略的に示す縦断面図である。図２は、枠体が、繊維シートと、繊維シートに含浸された熱硬化性樹脂（第１熱硬化性樹脂）の硬化物と、を含む場合に適した構成である。ガス拡散層２ｂおよび３ｂ、ならびにアノード側触媒層２ａおよびカソード側触媒層３ａのそれぞれの厚みの関係が図１とは少し異なるが、図２において、図１と同じ機能を有する要素には、同じ符号を付している。
【００４２】
図２において、アノード側シール部１８ａは、枠体１７ａと、枠体１７ａの周縁領域１ｂ側（つまり、高分子電解質膜１側）に配された第１接着層１５ａと、枠体１７ａのセパレータ９ａ側に配された第２接着層１６ａとを含む。カソード側シール部１８ｂは、枠体１７ｂと、枠体１７ｂの周縁領域１ｂ側（つまり、高分子電解質膜１側）に配された第１接着層１５ｂと、枠体１７ｂのセパレータ９ｂ側に配された第２接着層１６ｂとを含む。アノード側触媒層２ａを囲むように、第１接着層１５ａが配され、アノード側ガス拡散層２ｂを囲むように、枠体１７ａおよび第２接着層１６ａが配されている。カソード側も同様に、カソード側触媒層３ａを囲むように、第１接着層１５ｂが配され、カソード側ガス拡散層３ｂを囲むように、枠体１７ｂおよび第２接着層１６ｂが配されている。
【００４３】
図２では、枠体１７ａおよび１７ｂは、それぞれ、ループ形状の繊維シートと、繊維シートに含浸された第１熱硬化性樹脂の硬化物とを含んでいる。このような構成の場合、図２に示されるように、枠体１７ａとアノード側ガス拡散層２ｂとの間には、図１のような隙間が形成され難い。そのため、第１接着層１５ａと第２接着層１６ａとは、枠体１７ａにより分離された状態である。カソード側もアノード側と同様であり、第１接着層１５ｂと第２接着層１６ｂとは、枠体１７ｂにより分離された状態である。なお、枠体１７ａがアノード２の外周部の少なくとも一部と接しているか、および／または枠体１７ｂがカソード３の外周部の少なくとも一部と接している構造であれば良い。このような構造である場合、電極の外側へのガスの回り込みを抑制し易くなる。
【００４４】
以下、各構成要素について具体的に説明する。
（ＭＥＡ）
燃料電池において、ＭＥＡは、アノードと、カソードと、これらの間に介在する高分子電解質膜とを含む。ＭＥＡに含まれるＣＣＭは、アノード側触媒層と、カソード側触媒層と、これらの間に介在する高分子電解質膜とを含む。ＭＥＡにおいて、アノード側触媒層は、アノード側ガス拡散層で覆われており、カソード側触媒層は、カソード側ガス拡散層で覆われている。
本発明の特徴は、アノード側シール部およびカソード側シール部にあり、それ以外の構成（例えば、ＣＣＭやＭＥＡ）としては公知のものが特に制限なく使用できる。
【００４５】
アノード触媒層およびカソード触媒層は、それぞれイオン交換樹脂および触媒粒子、場合によって触媒粒子を担持する炭素粒子を含む。アノード触媒層およびカソード触媒層に含まれるイオン交換樹脂は、触媒粒子と高分子電解質膜とを接続し、両者間においてプロトンを伝達する役割を果たす。このイオン交換樹脂としては、例えば、高分子電解質膜を構成する高分子材料が使用できる。このような高分子材料としては、パーフルオロスルホン酸系高分子、炭化水素系高分子などが例示される。
【００４６】
触媒粒子としては、Ｓｃ、Ｙ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｏｓ、Ｉｒ、ランタノイド系列元素やアクチノイド系列の元素の中から選ばれる合金や単体といった触媒金属が挙げられる。
炭素粒子としては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ等を用いることができる。
アノード触媒層およびカソード触媒層の厚さは、それぞれ、例えば、１０μｍ以上４０μｍ以下である。
【００４７】
アノード側ガス拡散層およびカソード側ガス拡散層に含まれる導電性撥水層は、導電剤と撥水剤を含む。導電性撥水層に含まれる導電剤としては、カーボンブラックなど、燃料電池の分野で使用される公知の材料を特に制限なく用いることができる。導電性撥水層に含まれる撥水剤は、ポリテトラフルオロエチレンなど、燃料電池の分野で使用される公知の材料を特に制限なく用いることができる。
【００４８】
基材層としては、導電性の多孔質材料が用いられる。導電性の多孔質材料としては、カーボンペーパーなど、燃料電池の分野で使用される公知の材料を特に制限なく用いることができる。多孔質材料は、撥水剤を含んでいてもよい。撥水剤は、導電性撥水層について記載したものから適宜選択できる。
【００４９】
高分子電解質膜としては、例えば、燃料電池で従来から使用されているプロトン伝導性高分子膜を特に制限なく使用できる。具体的には、パーフルオロスルホン酸系高分子膜、炭化水素系高分子膜などを好ましく使用できる。パーフルオロスルホン酸系高分子膜としては、例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）などが挙げられる。
【００５０】
高分子電解質膜は、中央領域と、中央領域を囲む周縁領域とを有している。中央領域は、アノードやカソードと対向する領域であり、周縁領域は、アノード側シール部やカソード側シール部と対向する領域であると言える。
【００５１】
（セパレータ）
アノード側セパレータおよびカソード側セパレータとしては、公知のものが特に制限なく使用できる。セパレータの材質は、特に限定されず、例えば、炭素材料、金属材料などを用いることができる。金属材料には、カーボンを被覆してもよい。
アノード側セパレータには、燃料流路が形成され、カソード側セパレータには、酸化剤流路が形成されている。各流路の形状についても特に制限されない。
【００５２】
（シール部）
アノード側シール部およびカソード側シール部の少なくとも一方は、枠体と、高分子電解質側に配された第１接着層と、セパレータ側に配された第２接着層とを含む。アノード側シール部およびカソード側シール部の双方がこのような構成を有していてもよい。
【００５３】
（第１接着層）
第１接着層は、高分子電解質の周縁領域と、枠体とを接合する。第１接着層は、融点Ｔ１を有する第１熱可塑性樹脂を含んでいる。
Ｔ１は、例えば、１７０℃以下であり、１６０℃以下であることが好ましく、１５５℃以下または１５０℃以下であってもよい。Ｔ１は、例えば、１１０℃以上であり、１２０℃以上または１３０℃以上であることが好ましい。これらの上限値と下限値とは任意に組み合わせることができる。Ｔ１は、例えば、１１０〜１７０℃、１２０〜１７０℃、１１０〜１６０℃、１２０〜１６０℃、または１３０〜１６０℃であってもよい。Ｔ１がこのような温度である場合、第１接着層の変形や流出を抑制する効果を高め易い。
【００５４】
第１熱可塑性樹脂としては、例えば、ホットメルト接着性樹脂が利用できる。第１熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリオレフィン（変性ポリオレフィンも含む）、熱可塑性ポリイソブチレン、ポリアミド、エチレン−酢酸ビニル共重合体などが挙げられる。ポリオレフィンとしては、例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン、エチレンユニットやプロピレンユニットを含む共重合体などが好ましい。第１熱可塑性樹脂は、一種を単独でまたは二種以上を組み合わせて使用できる。
【００５５】
高分子電解質膜と枠体とを接合し易い観点から、第１熱可塑性樹脂のうち、ポリオレフィン（特に変性ポリプロピレンなどの変性ポリオレフィン）、熱可塑性ポリイソブチレンなどが好ましい。変性ポリオレフィンとしては、酸変性ポリオレフィンが好ましい。ポリオレフィンを変性する酸成分としては、重合性の酸、例えば、マレイン酸、アクリル酸、および／またはメタクリル酸などが挙げられる。
【００５６】
第１熱可塑性樹脂において、変性成分の種類、共重合性モノマーの種類、変性量、共重合比、および／または分子量などを、融点Ｔ１が所望の値となるように適宜調整する。
なお、第１接着層は、必要に応じて、公知の添加剤を含むことができる。
【００５７】
（第２接着層）
第２接着層は、融点Ｔ２を有する第２熱可塑性樹脂を含む。
Ｔ２は、例えば、１００℃以上であり、好ましくは１２０℃以上または１３０℃以上である。Ｔ２は、１５０℃以下であることが好ましい。Ｔ２と上記のＴ１とは、任意に組み合わせることができる。Ｔ１およびＴ２は、融点差が上記の範囲となるように組み合わせることが好ましい。
【００５８】
第２熱可塑性樹脂としては、第１熱可塑性樹脂について例示したものから適宜選択できる。ただし、上述の理由により、第１熱可塑性樹脂と第２熱可塑性樹脂との融点の関係が、Ｔ１＞Ｔ２を満たすように、第１熱可塑性樹脂と第２熱可塑性樹脂とを適宜選択する。変性成分の種類、共重合性モノマーの種類、変性量、共重合比、および／または分子量などを調整することで、第２熱可塑性樹脂の融点Ｔ２を調整することができる。
【００５９】
第１熱可塑性樹脂および第２熱可塑性樹脂に同種や同系統の樹脂を用いると、接着を制御し易くなる。また、枠体とガス拡散層との間に隙間において、第１熱可塑性樹脂と第２熱可塑性樹脂とが接触する場合には、互いの相溶性を高めることができ。電極の外側へのガスの回り込みを抑制し易くなる。中でも、第１熱可塑性樹脂および第２熱可塑性樹脂として、それぞれ変性ポリプロピレンを用いたり、それぞれ変性ポリエチレンを用いたりすると、融点を制御し易く好ましい。
【００６０】
なお、第２接着層は、必要に応じて、公知の添加剤を含むことができる。
枠体を繊維シートと熱硬化性樹脂の硬化物とで構成する場合、第２接着層が存在せず、セパレータが枠体と直接接着していると、繊維シートが凹凸形状を有しているため、繊維シートとセパレータの界面に熱硬化性樹脂が充填されずに空隙が形成される可能性がある。その場合、燃料ガスや酸化剤ガスが外部リークしてしまう。このような場合には、第２接着層を介在させることで繊維シートの表面形状に追随するように第２接着層が変形するため、上記のような空隙は形成されず、外部リークを防止することができる。
【００６１】
（枠体）
枠体は、高分子電解質とセパレータとの間に、電極を囲むように配され、電極に供給される燃料や酸化剤などのガスが漏れるのを抑制する機能を有しており、一般には、サブガスケット層とも呼ばれる。枠体は、熱可塑性樹脂（第３熱可塑性樹脂）で構成してもよく、繊維シートとこれに含浸された熱硬化性樹脂（第１熱硬化性樹脂）の硬化物で構成してもよい。枠体は、シート状の電極を囲むように配されるため、繊維シートも、シート状の電極を囲むように、ループ形状であることが望ましい。
【００６２】
第３熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）樹脂、ポリエステル樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂などが挙げられる。ポリエステル樹脂としては、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリブチレンナフタレートなどが例示される。中でも、ＰＰＳ樹脂およびポリエステル樹脂（ポリエチレンナフタレートなど）などが好ましい。第３熱可塑性樹脂は、一種を単独でまたは二種以上を組み合わせて使用できる。第３熱可塑性樹脂として、第１熱可塑性樹脂について例示したもの（例えば、変性ポリプロピレン）を用いてもよい。
【００６３】
第３熱可塑性樹脂の融点Ｔ３は、Ｔ３＞Ｔ２を満たすことが好ましい。Ｔ３は、例えば、２００℃以上であり、２５０℃以上であることが好ましい。Ｔ３とＴ２との差（融点差）は、例えば、５０℃以上または１００℃以上であってもよい。Ｔ２とＴ３とは、任意に組み合わせることができる。Ｔ３およびＴ２は、融点差が上記の範囲となるように組み合わせることが好ましい。
【００６４】
また、高分子電解質膜を枠体で補強する際に、枠体の変形を抑制し易い観点から、Ｔ３＞Ｔ１としてもよい。Ｔ３とＴ１との差（融点差）は、例えば、４０℃以上であり、８０℃以上または１００℃以上であることが好ましい。
【００６５】
枠体を、繊維シートと第１熱硬化性樹脂の硬化物とで構成する場合、ガス拡散層の周縁に密着させて枠体を形成し易く、ガス拡散層と枠体との間に隙間が形成され難い。よって、第１接着層の変形や流出に伴う高分子電解質膜の露出を防止する効果が大きく、熱暴走を抑制し易くなる。
【００６６】
繊維シートを構成する繊維としては、例えば、ガラス繊維、炭素繊維（非晶質炭素繊維、黒鉛繊維など）、アルミナ繊維、ウォラストナイト、チタン酸カリウム繊維などの無機繊維が好ましい。繊維シートは、これらの繊維を一種含んでいてもよく、二種以上含んでいてもよい。化学的安定性の観点からは、ガラス繊維および／または炭素繊維が好ましい繊維シートは、不織布であってもよく、織布であってもよい。
【００６７】
第１熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂などが挙げられる。第１熱硬化性樹脂は、一種を用いてもよく、二種以上を組み合わせて用いてもよい。不純物の溶出が少なく、コストを下げ易い観点からは、エポキシ樹脂、フェノール樹脂が好ましい。
【００６８】
第１熱硬化性樹脂の硬化温度Ｔｃ１は、Ｔ１よりも低いことが好ましい。Ｔｃ１は、例えば、９０℃以上であり、１２０℃以上または１３０℃以上であってもよい。セパレータと枠体とを接合させる際に、第１接着層の流出や変形をさらに抑制しやすくなる。Ｔ１は、Ｔｃ１より１０℃以上高いことが好ましい。Ｔ１とＴｃ１との差（融点差）は、好ましくは１０℃以上であり、１５℃以上または２０℃以上であることがさらに好ましい。融点差がこのような範囲である場合、第１接着層の変形や流出を抑制する効果をさらに高めることができる。
【００６９】
枠体と電極との間には、隙間が形成されていてもよい。この場合、第２接着層（具体的には、第２接着層を構成する樹脂）が隙間に充填された状態とすると、電極の外側へのガスの回り込みをさらに抑制することができる。隙間において、第１接着層と第２接着層とが接触した状態とすると、電極の外側へのガスの回り込みを抑制する効果をさらに高めることができる。燃料電池は、隙間の少なくとも一部において、第２接着層が充填されたり、第１接着層と第２接着層とが接触したりした状態とすればよい。しかし、ガスの回り込みを抑制する効果が高まる観点からは、電極の周囲に形成される隙間全体がこのような状態であることが好ましい。また、アノード側ガス拡散層およびカソード側ガス拡散層の少なくとも一方と、枠体との間に形成される隙間において、第２接着層が充填されたり、第１接着層と第２接着層とが接触したりした状態であればよい。ガスの回り込みをさらに抑制する観点からは、アノードと枠体との間に形成される隙間、およびカソードと枠体との間に形成される隙間のそれぞれにおいて、第２接着層が充填されたり、第１接着層と第２接着層とが接触したりした状態であることが好ましい。
【００７０】
（第２実施形態）
第２実施形態に係る燃料電池では、第１接着層および第２接着層の組成が特に限定されず、第１接着層のショア硬度Ｄ１および第２接着層のショア硬度Ｄ２が上記のような関係を有する点で、第１実施形態に係る燃料電池とは異なるものの、その他は、第１実施形態と同じである。第２実施形態は、図１や図２に示す構造を有する燃料電池に適用することができる。
【００７１】
アノード側シール部およびカソード側シール部の少なくとも一方が、第２実施形態の構成を有していればよく、双方がこのような構成を有していてもよい。第２実施形態では、上述のように、複数の単セルを締結する時の応力のばらつきを、第１接着層においてよりも第２接着層で多く吸収させることができるため、高分子電解質膜の変形を抑制することができる。
【００７２】
第２実施形態においては、第１接着層の組成は特に制限されないが、第１実施形態について記載したような第１熱可塑性樹脂を含むことが好ましい。第２接着層の組成も特に制限されないが、第１実施形態について記載したような第２熱可塑性樹脂を含むことが好ましい。
【００７３】
第１接着層のショア硬度Ｄ（ショア硬度Ｄ１）は、６３以上であり、好ましくは６５以上である。ショア硬度Ｄ１は、７８以下であり、７６以下であることが好ましい。これらの下限値と上限値とは任意に組み合わせることができる。ショア硬度Ｄ１は、６５〜７８、６３〜７６、または６５〜７６であってもよい。
【００７４】
第２接着層のショア硬度Ｄ（ショア硬度Ｄ２）は、第１接着層のショア硬度Ｄ１について記載した範囲から適宜選択できる。
Ｄ１＞Ｄ２であることで、第１接着層の変形を抑制することができ、高分子電解質膜の変形を抑制できる。Ｄ１／Ｄ２は、１．０１〜１．２４であることが好ましく、１．０６〜１．１２であってもよい。Ｄ１／Ｄ２がこのような範囲である場合、第１接着層の変形を抑制する効果をさらに高めることができる。
なお、ショア硬度Ｄは、変性成分の種類、共重合性モノマーの種類、変性量、共重合比、および／または分子量、さらにはシリカ等のフィラーを添加すること等により適宜調整される。
【００７５】
（第３実施形態）
第３実施形態に係る燃料電池では、第１接着層を有さず、枠体に含まれる第３熱可塑性樹脂の融点Ｔ３および第２接着層に含まれる第２熱可塑性樹脂の融点Ｔ２が上記のような関係を有する点で、第１実施形態に係る燃料電池とは異なるものの、その他は、第１実施形態と同じである。
【００７６】
図３は、本発明の第３実施形態に係る高分子電解質型燃料電池を概略的に示す縦断面図である。図３は、アノード側シール部２８ａおよびカソード側シール部２８ｂの構成が図１とは少し異なるが、それ以外は図１と同じであり、図１と同じ機能を有する要素には同じ符号を付している。
【００７７】
図３において、アノード側シール部２８ａは、枠体２７ａと、枠体２７ａのセパレータ９ａ側に配された第２接着層６ａとを含む。カソード側シール部２８ｂは、枠体２７ｂと、枠体２７ｂのセパレータ９ｂ側に配された第２接着層６ｂとを含む。アノード側触媒層２ａを囲むように、枠体２７ａが配され、アノード側ガス拡散層２ｂを囲むように、枠体２７ａおよび第２接着層６ａが配されている。カソード側も同様に、カソード側触媒層３ａを囲むように、枠体２７ｂが配され、カソード側ガス拡散層３ｂを囲むように、枠体２７ｂおよび第２接着層６ｂが配されている。
【００７８】
第３実施形態では、枠体２７ａおよび２７ｂは、それぞれ、融点Ｔ３を有する第３熱可塑性樹脂を含んでいる。そして、高分子電解質膜１の周縁領域１ｂと枠体２７ａおよび２７ｂとのそれぞれの間には、図１のような第１接着層は配されていない。第３実施形態では、第２接着層を構成する第２熱可塑性樹脂の融点Ｔ２よりもＴ３を高くすることで、枠体をセパレータと熱圧着させる際に、枠体の変形や溶融を抑制することができる。なお、図３では、枠体２７ａとアノード側触媒層２ａおよびアノード側ガス拡散層２ｂとの間には、図１のような隙間は形成されていない。カソード側も同様に、枠体２７ｂとカソード側触媒層３ａおよびカソード側ガス拡散層３ｂとの間には、図１のような隙間は形成されていない。よって、ガスの回り込みを抑制することができる。
【００７９】
アノード側シール部およびカソード側シール部の少なくとも一方が、第３実施形態の構成を有していればよく、双方がこのような構成を有していてもよい。第３実施形態では、上述のように、セパレータと枠体とを第２接着層を介して接合させる際に、枠体の変形や流出を抑制することができる。
【００８０】
第３実施形態では、枠体が接着性を有するため、第１実施形態のように第１接着層を設ける必要がなく、枠体と第１接着層とをそれぞれ配置する場合に比べて、枠体付きのＣＣＭの強度は劣るが、コスト面で優位である。
【００８１】
枠体に含まれる第３熱可塑性樹脂としては、第１熱可塑性樹脂について例示したもの（例えば、変性ポリプロピレン）を用いることが好ましい。
第３熱可塑性樹脂の融点Ｔ３は、第１実施形態のＴ１について例示した範囲から適宜選択することが好ましい。Ｔ３がこのような温度である場合、枠体の変形や流出を抑制する効果を高め易い。
【００８２】
（第４実施形態）
第４実施形態に係る燃料電池では、枠体および第２接着層の組成が特に限定されず、枠体のショア硬度Ｄ３および第２接着層のショア硬度Ｄ２が上記のような関係を有する点で、第３実施形態に係る燃料電池とは異なるものの、その他は、第３実施形態と同じである。第４実施形態は、図３に示す構造を有する燃料電池に適用できる。
【００８３】
アノード側シール部およびカソード側シール部の少なくとも一方が、第４実施形態の構成を有していればよく、双方がこのような構成を有していてもよい。第４実施形態では、上述のように、複数の単セルを締結する時の応力のばらつきを、枠体においてよりも第２接着層で多く吸収させることができるため、高分子電解質膜の変形を抑制することができる。
【００８４】
枠体の組成は特に制限されないが、第３実施形態について記載したような第３熱可塑性樹脂を含むことが好ましい。第２接着層の組成も特に制限されないが、第１実施形態について記載したような第２熱可塑性樹脂を含むことが好ましい。
【００８５】
枠体のショア硬度Ｄ（ショア硬度Ｄ３）は、６３以上であり、好ましくは６５以上である。ショア硬度Ｄ３は、７８以下であり、７６以下であることが好ましい。これらの下限値と上限値とは任意に組み合わせることができる。ショア硬度Ｄ３は、６５〜７８、６３〜７６、または６５〜７６であってもよい。ショア硬度Ｄは、変性成分の種類、共重合性モノマーの種類、変性量、共重合比、および／または分子量、さらにはシリカ等のフィラーを添加すること等により適宜調整される。
【００８６】
第２接着層のショア硬度Ｄ（ショア硬度Ｄ２）は、第１接着層のショア硬度Ｄ１について記載した範囲から適宜選択できる。
Ｄ３＞Ｄ２であることで、枠体の変形を抑制することができ、高分子電解質膜の変形を抑制できる。Ｄ３／Ｄ２は、１．０１〜１．２４であることが好ましく、１．０６〜１．１２であってもよい。Ｄ３／Ｄ２がこのような範囲である場合、枠体の変形を抑制する効果をさらに高めることができる。
【００８７】
［高分子電解質型燃料電池の製造方法］
本発明に係る燃料電池は、ＭＥＡを準備する工程（第１工程）と、枠体と高分子電解質膜の周縁領域とを接合する工程（第２工程）と、ＭＥＡを、アノード側セパレータおよびカソード側セパレータで挟持する工程（第３工程）と、を具備する製造方法により製造することができる。以下に、各工程についてより詳しく説明する。
【００８８】
（第１工程）
第１工程では、アノードと、カソードと、これらの間に介在する高分子電解質膜とを備えるＭＥＡを準備する。第１工程で準備されるＭＥＡでは、アノードは、少なくともアノード側触媒層を有していればよく、アノード側触媒層とアノード側ガス拡散層とを有していてもよい。同様に、カソードは、少なくともカソード側触媒層を有していればよく、カソード側触媒層とカソード側ガス拡散層とを有していてもよい。アノードおよびカソードは、それぞれ、高分子電解質膜の中央領域に対向するように配される。
【００８９】
つまり、第１工程では、アノード側触媒層と、カソード側触媒層と、これらの触媒層の間に介在する高分子電解質膜とを有するＭＥＡ（この状態のＭＥＡをＣＣＭとも言う）を準備してもよい。また、アノード（アノード側触媒層およびアノード側ガス拡散層）と、カソード（カソード側触媒層およびカソード側ガス拡散層）と、これらの間に介在する高分子電解質膜とを備えるＭＥＡを準備してもよい。
【００９０】
各触媒層は、触媒層の成分を含む触媒インクを高分子電解質膜の一方の主面（具体的には、中央領域）に噴霧し、乾燥することにより形成できる。触媒インクの塗布は、公知の方法により行うことができ、例えば、スプレー塗布により行ってもよい。
【００９１】
第１工程でガス拡散層を形成する場合、各ガス拡散層は、例えば、導電性多孔質基材（例えば、多孔質でシート状の炭素材料）を積層し、多孔質撥水層の構成成分を含むインクを、多孔質基材の表面に塗布し、乾燥することにより形成できる。インクの塗布は、公知の方法により行うことができる。形成されたガス拡散層は、アノード側触媒層およびカソード側触媒層に多孔質撥水層が接するように配され、熱圧着される。熱圧着は、公知の方法により行うことができる。枠体やセパレータを圧着する際に、ガス拡散層の圧着を行ってもよい。
【００９２】
（第２工程）
第２工程では、第１工程で得られたＭＥＡにおいて、高分子電解質膜の周縁領域に、枠体を接合する。より具体的には、まず、高分子電解質膜の周縁領域に、枠体を配置する。
第１実施形態および第２実施形態では、第１接着層を介して枠体を周縁領域に配置する。そして、第１接着層（具体的には、第１接着層の第１熱可塑性樹脂）を加熱し、第１接着層により、枠体と高分子電解質膜の周縁領域とを接合する。なお、必要に応じて、第２工程では、先に第１接着層を周縁領域に配しておき、後で枠体を配置し、第１接着層を溶融させて、枠体と高分子電解質膜とを接合してもよい。
【００９３】
第２工程では、例えば、第１接着層の構成成分を含むシート状の材料（接着シート）を用い、ＭＥＡにおける高分子電解質膜の周縁領域に配し、接着シートを介して枠体を周縁領域に配するようにしてもよい。もしくは、第２工程では、例えば、第１接着層の構成成分を含む塗料（溶液または分散液）を、ＭＥＡにおける高分子電解質膜の周縁領域に塗布し、塗膜を介して枠体を周縁領域に配してもよい。塗膜を形成した後または枠体を周縁領域に配した後には、必要に応じて、乾燥処理を行ってもよい。
【００９４】
第３実施形態および第４実施形態では、第２工程において、周縁領域に直接枠体を配置し、枠体（具体的には、第３熱可塑性樹脂）を加熱することにより、枠体と高分子電解質膜の周縁領域とを接合する。
【００９５】
第１実施形態では、枠体を配した後、第１接着層（に含まれる第１熱可塑性樹脂）を、第１熱可塑性樹脂の融点Ｔ１またはそれよりも高い温度まで加熱することで第１熱可塑性樹脂を溶融させる。そして、第１接着層の第１熱可塑性樹脂が溶融した状態で、枠体と高分子電解質膜の周縁領域とを圧着させる。第３実施形態では、枠体を配した後、枠体を第３熱可塑性樹脂の融点Ｔ３またはそれよりも高い温度まで加熱することで第３熱可塑性樹脂を溶融させ、この状態で、枠体と高分子電解質膜の周縁領域とを圧着させる。
【００９６】
圧着の際の温度（加熱温度）は、Ｔ１（またはＴ３）よりも５℃以上または１０℃以上高い温度であることが好ましい。加熱温度は、ＣＣＭが劣化しない範囲で、かつ第１熱可塑性樹脂（または第３熱可塑性樹脂）が分解したり劣化したりしない範囲で決定できる。
第２工程において、枠体を高分子電解質膜に圧着させた後は、必要に応じて、冷却してもよい。
なお、第２実施形態および第４実施形態では、第１接着層や枠体の種類に応じて、第１実施形態や第３実施形態と同様に第２工程を行うことができる。
【００９７】
（第３工程）
第３工程では、第２工程で得られた枠体が接合されたＭＥＡを、アノード側セパレータおよびカソード側セパレータで挟持する。第１工程でＣＣＭを準備した場合には、第３工程において、ＣＣＭを、アノード側ガス拡散層およびカソード側ガス拡散層で挟持すればよい。アノード側セパレータは、アノード側ガス拡散層と接するように配し、カソード側セパレータは、カソード側ガス拡散層と接するように配する。第３工程では、セパレータを配する際に、枠体とセパレータとの間に、第２接着層を介在させる。そして、第２接着層により、枠体とセパレータとを接合させる。なお、ガス拡散層は、第１工程について説明したように形成することができる。
【００９８】
第２接着層が第２熱可塑性樹脂を含む場合、第２接着層（より具体的には、第２接着層の第２熱可塑性樹脂）を加熱して、第２接着層により、枠体とセパレータとを接合する。第３工程では、例えば、第２接着層の構成成分を含む塗料（溶液または分散液）を枠体のセパレータ側の表面やセパレータの枠体側の表面に塗布し、塗膜を介して枠体および電極上にセパレータを配する。塗膜を形成した後または枠体を周縁領域に配した後に、必要に応じて、乾燥処理を行ってもよい。また、第３工程では、例えば、第２接着層の構成成分を含むシート状の材料（接着シート）を用い、接着シートを介して枠体および電極上にセパレータを配してもよい。
【００９９】
第１実施形態および第３実施形態では、セパレータを配した後、第２接着層（に含まれる第２熱可塑性樹脂）を、第２熱可塑性樹脂の融点Ｔ２またはそれよりも高い温度まで加熱することで第２熱可塑性樹脂を溶融させる。そして、第２接着層の第２熱可塑性樹脂が溶融した状態で、枠体と高分子電解質膜の周縁領域とを圧着させる。圧着の際の温度（加熱温度）は、Ｔ２よりも５℃以上または１０℃以上高い温度であることが好ましい。加熱温度は、第２熱可塑性樹脂が分解したり劣化したりしない範囲で決定できる。第２実施形態および第４実施形態では、第２接着層の種類に応じて、第１実施形態や第３実施形態と同様に第３工程を行うことができる。
【０１００】
第１接着層に含まれる第１熱可塑性樹脂の融点Ｔ１は、第２熱可塑性樹脂の融点Ｔ２よりも高いことが好ましい。これにより第２接着層を加熱して、セパレータと枠体とを圧着させる際に、第１接着層の変形や流出が抑制される。
【０１０１】
枠体は、ループの形状を有する繊維シートと、繊維シートに含浸された第１熱硬化性樹脂とを含むことができる。この場合、第３工程では、枠体に含まれる第１熱硬化性樹脂を加熱して硬化させる。また、第３工程では、枠体とアノード側セパレータおよびカソード側セパレータとの間には第２接着層を介在させ、この第２接着層により枠体と上記セパレータとを接合する。枠体とセパレータとを接合する際には、圧着により行うことが好ましい。
【０１０２】
第３工程では、例えば、第２接着層の構成成分を含む塗料（溶液または分散液）を、枠体のセパレータ側の表面やセパレータの枠体側の表面に塗布し、塗膜を介して枠体および電極上にセパレータを配してもよい。塗膜を形成した後または枠体を周縁領域に配した後に、必要に応じて、乾燥処理を行ってもよい。
【０１０３】
第２工程において第１接着層を加熱する際に、枠体にも熱が加わる。枠体に加わる熱は、第１接着層に含まれる第１熱可塑性樹脂の融点Ｔ１またはそれより高い温度であるが、一般に、枠体に含まれる第１熱硬化性樹脂が硬化するにはある程度の長い時間を要する。そのため、第２工程を経た後の枠体における第１熱硬化性樹脂は未硬化状態であるか、もしくは半硬化状態である。第３工程では、このような未硬化状態または半硬化状態の第１熱硬化性樹脂を加熱することにより第１熱硬化性樹脂が硬化するとともに、第２接着層により枠体とセパレータとが接合される。このとき厚み方向に圧力を付与しながら圧着することが好ましい。第３工程における加熱温度は、Ｔｃ１以上であり、Ｔ１よりも低いことが望ましい。Ｔ１＞Ｔｃ１であるため、第３工程では、第１熱硬化性樹脂を硬化しながらも、第１接着層の変形等を抑制することができる。
【０１０４】
第２接着層が融点Ｔ２を有する第２熱可塑性樹脂を含む場合、第３工程の加熱は、Ｔ２と同じかまたはそれよりも高い温度で行うことが好ましい。この場合、第２接着層の第２熱可塑性樹脂を溶融させることができるため、枠体とセパレータとを接合し易くなる。さらに、Ｔ１＞Ｔ２であることが望ましいため、第３工程の加熱温度は、Ｔ１（またはＴ３）よりも低く、Ｔ２以上とすればよい。Ｔ２とＴｃ１との関係は特に制限されないが、第３工程における加熱温度は、Ｔ２およびＴｃ１のうち高い方の温度以上とすることが好ましい。
【０１０５】
なお、いずれの実施形態についても、第３工程において、セパレータを枠体に圧着させた後は、必要に応じて、冷却してもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１０６】
本発明に係る高分子電解質型燃料電池は、自動車、携帯電子機器、アウトドアレジャー用電源、非常用バックアップ電源等に適している。
【符号の説明】
【０１０７】
１：高分子電解質膜、１ａ：中央領域、１ｂ：周縁領域、２：アノード、２ａ：アノード側触媒層、２ｂ：アノード側ガス拡散層、３：カソード、３ａ：カソード側触媒層、３ｂ：カソード側ガス拡散層、４Ａ：膜電極接合体（ＭＥＡ）、４Ｂ：膜触媒層接合体（ＣＣＭ）、５ａ，５ｂ，１５ａ，１５ｂ：第１接着層、６ａ，６ｂ，１６ａ，１６ｂ：第２接着層、７ａ，７ｂ，１７ａ，１７ｂ，２７ａ，２７ｂ：枠体、８ａ，１８ａ，２８ａ：アノード側シール部、８ｂ，１８ｂ，２８ｂ：カソード側シール部、９ａ：アノード側セパレータ、９ｂ：カソード側セパレータ、２１：マニホールド、２２：ガス流路、２３：ガスの回り込み流路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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