JP6241594B2 - フレーム付き膜電極接合体、燃料電池単セル及び燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、フレーム付き膜電極接合体、燃料電池単セル及び燃料電池スタックに関するものである。特に、固体高分子形燃料電池に関するものである。

従来、簡単な工程で、段差電解質膜・電極構造体を構成する固体高分子電解質膜の外周を周回して樹脂製枠部材を強固且つ容易に接合することが可能な燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法が提案されている（特許文献１参照。）。

この燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法は、固体高分子電解質膜の一方の面に、第１触媒層及び第１ガス拡散層を有する第１電極が配設され、且つ固体高分子電解質膜の他方の面に、第２触媒層及び第２ガス拡散層を有する第２電極が配設されるとともに、第１ガス拡散層の平面寸法は、第２ガス拡散層の平面寸法よりも大きな寸法に設定される電解質膜・電極構造体と、固体高分子電解質膜の外周を周回し、第２ガス拡散層側に突出する薄肉状の内周突部と、内周突部の基端部を構成し、第１ガス拡散層の外周端部に対向する内側壁部とが設けられる樹脂製枠部材と、を備える燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法である。そして、この燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法は、第２ガス拡散層の外周を周回して固体高分子電解質膜と樹脂製枠部材の内周突部とを、接着層により接合する第１の工程と、を有し、第１の工程は、樹脂製枠部材の内周突部に、内側壁部の近傍に位置して第１接着剤を塗布する工程と、第１接着剤が半硬化した後、内周突部に、第１接着剤の塗布範囲以外の範囲に第２接着剤を塗布し、第１接着剤及び第２接着剤により、固体高分子電解質膜の外周縁部と樹脂製枠部材の内周突部とを接合する工程とを有する。また、この燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法の好適形態として、第１ガス拡散層の外周端部と樹脂製枠部材の内側壁部とを、樹脂含浸部により接合する第２の工程を有する製造方法が記載されている。

特開２０１３−１３１４１７号公報

しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法にあっては、第１ガス拡散層の外周端部と樹脂製枠部材の内側壁部とを、樹脂含浸部により接合する第２の工程を有するため、工程の処理時間が長く、量産性に問題点があった。

また、特許文献１に記載の製造方法によって作製された燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体にあっては、樹脂含浸部により接合しない場合、膜電極接合体とフレームとは片側の面で接合されているのみであり、例えば、燃料電池の運転中における運転圧力変化や温湿度変化などの環境変化に対する高い要求によっては、接合された膜電極接合体とフレームとが剥離するおそれがあった。

本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものである。そして、本発明は、量産性に優れ、膜電極接合体とフレームとの接合強度を十分に確保でき、アノードガス及びカソードガスのガス分配性を向上させ得るフレーム付き膜電極接合体、燃料電池単セル及び燃料電池スタックを提供することを目的とする。

本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意検討を重ねた。そして、その結果、所定の膜電極接合体の外周縁部の少なくとも一部を接着剤又は粘着剤から成る接合層を介して所定の第１の樹脂フレームとこれに相対向する所定の第２の樹脂フレームとにより挟持した構造を有する構成とすることなどにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明のフレーム付き膜電極接合体は、電解質膜を一対の電極層で挟持した構造を有する膜電極接合体と、膜電極接合体の周囲に、かつ、一方の電極層側に配設され、膜電極接合体を配置する開口部を有する第１の樹脂フレームと、膜電極接合体の周囲に、かつ、他方の電極層側に配設され、膜電極接合体を配置する開口部を有する第２の樹脂フレームと、を備えるものである。そして、このフレーム付き膜電極接合体においては、膜電極接合体の外周縁部の少なくとも一部を接着剤又は粘着剤から成る接合層を介して第１の樹脂フレームとこれに相対向する第２の樹脂フレームとにより挟持した構造を有する。また、このフレーム付き膜電極接合体においては、第１の樹脂フレームの及び第２の樹脂フレームの膜電極接合体の挟持部に複数のガス流路を形成するリブが配設されている。さらに、このフレーム付き膜電極接合体においては、第１の樹脂フレームが、当該樹脂フレームの基部と内周縁部との間に開口部の周縁に沿って形成され、かつ、当該樹脂フレームの厚さ分に相当する段差部を有し、内周縁部が、段差部により樹脂フレームの片面側に偏倚した形状を有し、リブが、段差部の少なくとも一部を覆うように延設されている。

また、本発明の燃料電池単セルは、電解質膜を一対の電極層で挟持した構造を有する膜電極接合体と、膜電極接合体の周囲に、かつ、一方の電極層側に配設され、膜電極接合体を配置する開口部を有する第１の樹脂フレームと、膜電極接合体の周囲に、かつ、他方の電極層側に配設され、膜電極接合体を配置する開口部を有する第２の樹脂フレームと、を備え、膜電極接合体の外周縁部の少なくとも一部を接着剤又は粘着剤から成る接合層を介して第１の樹脂フレームとこれに相対向する第２の樹脂フレームとにより挟持した構造を有し、第１の樹脂フレームの及び第２の樹脂フレームの膜電極接合体の挟持部に複数のガス流路を形成するリブが配設されているフレーム付き膜電極接合体と、フレーム付き膜電極接合体を挟持する一対のセパレータと、を備え、所定の流路断面積が所定の構造を有するか又は所定のリブが所定の構造を有するものである。

更に、本発明の燃料電池スタックは、上記本発明の燃料電池単セルが複数積層された構造を有するものである。

本発明によれば、電解質膜を一対の電極層で挟持した構造を有する膜電極接合体と、膜電極接合体の周囲に、かつ、一方の電極層側に配設され、膜電極接合体を配置する開口部を有する第１の樹脂フレームと、膜電極接合体の周囲に、かつ、他方の電極層側に配設され、膜電極接合体を配置する開口部を有する第２の樹脂フレームと、を備え、膜電極接合体の外周縁部の少なくとも一部を接着剤又は粘着剤から成る接合層を介して第１の樹脂フレームとこれに相対向する第２の樹脂フレームとにより挟持した構造を有し、第１の樹脂フレームの及び第２の樹脂フレームの膜電極接合体の挟持部に複数のガス流路を形成するリブが配設された構成などとしたため、量産性に優れ、膜電極接合体とフレームとの接合強度を十分に確保でき、アノードガス及びカソードガスのガス分配性とを向上させ得るフレーム付き膜電極接合体、燃料電池単セル及び燃料電池スタックを提供することができる。

図１は、第１の形態に係る燃料電池スタックを説明する斜視図（Ａ）及び分解状態の斜視図（Ｂ）である。 図２は、図１に示す燃料電池スタックを構成する燃料電池単セルを説明する分解状態の斜視図である。 図３は、図１に示す燃料電池単セルを構成するフレーム付き膜電極接合体を説明する斜視図である。 図４は、図３中の包囲線Ｚで囲んだフレーム付き膜電極接合体の要部を説明する斜視図である。 図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの燃料電池単セルを構成するフレーム付き膜電極接合体の図３中の包囲線Ｚと同様の位置の線で囲んだフレーム付き膜電極接合体の要部を説明する斜視図である。 図６は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する燃料電池単セルを説明する上面図である。 図７は、図６中の包囲線Ｙで囲んだ燃料電池単セルの要部を説明する上面図である。 図８は、図７中のＡ−Ａ線に沿った上面側のセパレータと第１の樹脂フレームとを示す断面図（Ａ）及び図８中のＢ−Ｂ線に沿った上面側のセパレータと電極層とを示す断面図（Ｂ）である。 図９は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する燃料電池単セルの図６中の包囲線Ｘと同様の位置の包囲線で囲んだ燃料電池単セルの要部を説明する上面図である。 図１０は、図９中のＣ−Ｃ線に沿った上面側のセパレータと電極層とを示す断面図（Ａ）及び図９中のＤ−Ｄ線に沿った上面側のセパレータと第１の樹脂フレームとを示す断面図（Ｂ）である。 図１１は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する燃料電池単セルの要部の図７中のＡ−Ａ線と同様の位置の線に沿った断面図である。 図１２は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池スタックの燃料電池単セルを構成するフレーム付き膜電極接合体の要部を説明する上面図（Ａ）、その拡大図（Ｂ）、下面図（Ｃ）及びその拡大図（Ｄ）である。 図１３は、本発明の第７の実施形態に係る燃料電池スタックの燃料電池単セルを構成するフレーム付き膜電極接合体の要部を説明する上面図（Ａ）及び下面図（Ｂ）である。

以下、本発明の一実施形態に係るフレーム付き膜電極接合体、燃料電池単セル及び燃料電池スタックについて図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の形態で引用する図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。

（第１の形態）
図１は、第１の形態に係る燃料電池スタックを説明する斜視図（Ａ）及び分解状態の斜視図（Ｂ）である。そして、図２は、図１に示す燃料電池スタックを構成する燃料電池単セルを説明する分解状態の斜視図である。また、図３は、図１に示す燃料電池単セルを構成するフレーム付き膜電極接合体を説明する斜視図である。更に、図４は、図３中の包囲線Ｚで囲んだフレーム付き膜電極接合体の要部を説明する斜視図である。

図１（Ｂ）に示すように、第１の形態に係る燃料電池スタックＦＳは、燃料電池単セルＣを複数枚積層して一体化した複数の燃料電池モジュールＭと、燃料電池モジュールＭ同士の間に介装するシールプレートＰとを備えている。図示例の燃料電池単セルＣ及びシールプレートＰは、いずれもほぼ同じ縦横寸法を有する矩形板状である。なお、図１（Ｂ）には、２つの燃料電池モジュールＭと、１つのシールプレートＰを示しているが、実際には、それ以上の数の燃料電池モジュールＭ及びシールプレートＰを積層する。

また、燃料電池スタックＦＳは、燃料電池モジュールＭの積層方向の両端部に、エンドプレート５６Ａ，５６Ｂをそれぞれ配置し、燃料電池単セルＣの長辺側の積層端面（図１中で上下面）に、締結板５７Ａ，５７Ｂが設けてあると共に、短辺側の積層端面に、補強板５８Ａ，５８Ｂが設けてある。各締結板５７Ａ，５７Ｂ及び補強板５８Ａ，５８Ｂは、燃料電池モジュールＭ及びシールプレートＰからなる積層体Ａの積層方向全長にわたる大きさを有し、図示しないボルトにより、両エンドプレート５６Ａ，５６Ｂに連結する。

このようにして、燃料電池スタックＦＳは、図１（Ａ）に示すようなケース一体型構造となり、各燃料電池モジュールＭ及びシールプレートＰを積層方向に拘束・加圧して個々の燃料電池単セルＣに所定の接触面圧を加え、ガスシール性や導電性等を良好に維持する。

また、図２に示すように、燃料電池単セルＣは、フレーム付き膜電極接合体１と、セパレータ６Ａ，６Ｂとを備えており、セパレータ６Ａ，６Ｂが、フレーム付き膜電極接合体１を挟持した構造を有している。なお、後述する第１の樹脂フレーム３とセパレータ６Ａ，６Ｂは、いずれもほぼ同じ縦横寸法を有する矩形板状である。

更に、図２に示すように、フレーム付き膜電極接合体１は、膜電極接合体２と、第１の樹脂フレーム３と、第２の樹脂フレーム４とを備えている。この膜電極接合体２は、一般に、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly)と呼ばれるものであって、固体高分子からなる電解質膜２１を一対の電極層（アノード、カソード）２２で挟持した構造を有している。また、この膜電極接合体２は、アノードにアノードガス（水素含有ガス）が供給されると共に、カソードにカソードガス（酸素含有ガス・空気）が供給されて、電気化学反応により発電をする。なお、図示しないが、膜電極接合体としては、アノードとカソードの表面に、カーボンペーパや多孔質体等から成るガス拡散層を備えたものも含まれる。

各セパレータ６Ａ，６Ｂは、表裏反転形状を有する金属製の板部材であって、例えば、ステンレス製であり、プレス加工により適宜の形状に成形することができる。各セパレータ６Ａ，６Ｂは、膜電極接合体２に対応する中央部分が、短辺方向の断面において波形状に形成してある。この波形状は図示の如く長辺方向に連続している。

フレーム付き膜電極接合体１とセパレータ６Ａ，６Ｂは、短辺側の両端部に、各三個ずつのマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ３，Ｈ４〜Ｈ６を有している。図１〜図３の左側に示す各マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ３は、カソードガス排出用（Ｈ１）、冷却用流体排出用（Ｈ２）及びアノードガス供給用（Ｈ３）であり、積層方向に互いに連通してそれぞれの流路を形成する。また、図１〜図３の右側に示す各マニホールド穴Ｈ４〜Ｈ６は、アノードガス排出用（Ｈ４）、冷却流体供給用（Ｈ５）及びカソードガス供給用（Ｈ６）であり、積層方向に互いに連通してそれぞれの流路を形成する。なお、供給用と排出用は一部又は全部が逆の位置関係でもよい。

上記の燃料電池単セルＣは、所定枚数を積層して燃料電池モジュールＭを形成する。このとき、隣接する燃料電池単セルＣ同士の間には、冷却用流体（例えば水）の流路を形成し、隣接する燃料電池モジュールＭ同士の間にも冷却用流体の流路を形成する。したがって、シールプレートＰは、燃料電池モジュールＭ同士の間、すなわち冷却用流体の流路内に配置されている。

シールプレートＰは、導電性の一枚の金属板を成形したものであり、平面視において上記した燃料電池単セルＣとほぼ同じ矩形板状で且つ同じ大きさに形成され、両短辺側には、燃料電池単セルＣと同様のマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６が形成されている。このシールプレートＰは、マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６の各周囲に、図示しないシール部材を備えると共に、その周縁部分に、外周シール部材５１及び内周シール部材５２が、全周にわたって平行に設けてあり、外周シール部材５１により外部からの雨水等の浸入を防止すると共に、内周シール部材５２により燃料電池モジュールＭ間の流路を流通する冷却用流体の漏出を防止する。

更に、図２に示すように、第１の樹脂フレーム３及び第２の樹脂フレーム４は、開口部３ａ，４ａを有しており、そして、第１の樹脂フレーム３及び第２の樹脂フレーム４は、膜電極接合体２の周囲に、かつ、一対の電極層の一方の側及び他方の側に配設される。このようにして、膜電極接合体２は第１の樹脂フレーム３及び第２の樹脂フレーム４の開口部３ａ，４ａに配置される。なお、図中の３ｃは詳しくは後述するリブを示す。

また、図２に示すように、第２の樹脂フレーム４は、第１の樹脂フレーム３の内周縁部３ｂと同程度の寸法・形状を有していることが好ましい。しかしながら、これに限定されるものではない。また、第２の樹脂フレーム４は、図示例のように一体であるものが好ましい。しかしながら、これに限定されるものではなく、図示しないが、別体であっても良い。そして、膜電極接合体２の外周縁部２ａは、第１の樹脂フレーム３の内周縁部３ｂと第２の樹脂フレーム４により接合層５Ａ，５Ｂを介して挟持されている。ここで、接合層５Ａ，５Ｂは、接着剤や粘着剤から成るものである。接合層５Ａ，５Ｂは、図示例のように一体に形成されたものであっても良いが、別体に形成されたものであっても良い（図示せず。）。

なお、図２に示すように、第１の樹脂フレーム３及び各セパレータ６Ａ，６Ｂの周縁部や、マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６の周囲には、シール部材Ｓが連続的に配置してある。これらのシール部材Ｓは、接着剤としても機能するもので、フレーム付き膜電極接合体１とセパレータ６Ａ、６Ｂとを気密的に接合する。また、マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６の周囲に配置したシール部材Ｓは、各マニホールドの気密性を維持する一方で、各層間に応じた流体を供給するために該当箇所に開口を有している。

更に、図３及び図４に示すように、第１の樹脂フレーム３の内周縁部３ｂ及び第２の樹脂フレーム４は、好ましくはアノードガス入口側、より好ましくはカソードガス出口側及びアノードガス入口側にリブ３ｃ，４ｃを有していることが好適である。そして、リブ３ｃ，４ｃは、複数のガス流路を形成するように配設されている。しかしながら、これに限定されるものではなく、複数のガス流路を形成し得れば他の部位に形成してもよい。なお、図示しないが、好ましくはカソードガス入口側、より好ましくはアノードガス出口側及びカソードガス入口側にも、同様にリブが配設されていることが好適である。また、図中の２１は電解質膜、２２は電極層（図示例では、上側がアノード、下側がカソードである。）を示す。

なお、本形態の構成は、アノードとカソードと入れ替えた場合にも適用することができるが、燃料電池の運転中における運転圧力変化や温湿度変化などの環境変化において、カソード側と比較してアノード側を高圧とすることが多いため、第１の樹脂フレームへの応力集中を考慮した場合、図示した如く、第２樹脂フレームをカソード側に配置することが好ましい。

このように膜電極接合体の外周縁部の少なくとも一部を接着剤又は粘着剤から成る接合層を介して第１の樹脂フレームとこれに相対向する第２の樹脂フレームとで挟み込んで接合すると共に、第１の樹脂フレームの及び第２の樹脂フレームの膜電極接合体の挟持部に複数のガス流路を形成するリブを設けることによって、量産性に優れ、膜電極接合体とフレームとの接合強度を十分に確保でき、アノードガス及びカソードガスのガス分配性とを向上させ得るフレーム付き膜電極接合体、燃料電池単セル及び燃料電池スタックを提供することができる。また、本発明によれば、特許文献１に記載された発明において、膜電極接合体とフレームとを片側の面のみで接合することによって接合強度を確保しようとする場合に生じる接着幅が広くなり、フレーム付き膜電極接合体の平面寸法が大きくなるという問題点が生じないという副次的な効果も得られる。

（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの燃料電池単セルを構成するフレーム付き膜電極接合体の図３中の包囲線Ｚと同様の位置の線で囲んだフレーム付き膜電極接合体の要部を説明する斜視図である。なお、本実施形態においては、第１の形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。また、図示しない他の構成は、第１の形態と同一であるため詳細な説明を省略する。図５に示すように、本実施形態においては、第１の樹脂フレーム３が、当該樹脂フレーム３の基部３ｄと内周縁部３ｂとの間に開口部３ａの周縁に沿って形成され、かつ、当該樹脂フレーム３の厚さ分に相当する段差部３ｅを有し、内周縁部３ｂが、段差部３ｅにより樹脂フレーム３の片面側に偏倚した形状を有し、リブ３ｃが段差部３ｅの一部を覆うように延設されているという構成が、第１の形態と相違している。

このような構成とすることによって、第１の樹脂フレームの段差部と内周縁部をリブにより補強することが可能となる。その結果、フレーム強度や発電部へのガス分配性が向上（換言すれば、ガス供給バラツキが低減）し、優れた発電性能を有するものとなる。

（第３の実施形態）
図６は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する燃料電池単セルを説明する上面図である。そして、図７は、図６中の包囲線Ｙで囲んだ燃料電池単セルの要部を説明する上面図である。なお、点線によって第１の樹脂フレーム３やリブ３ｃなどを示している。また、垂直な二点差線Ｗは主要なガス流路を示している。また、図８は、図７中のＡ−Ａ線に沿った上面側のセパレータと第１の樹脂フレームとを示す断面図（Ａ）及び図８中のＢ−Ｂ線に沿った上面側のセパレータと電極層（アノード）とを示す断面図（Ｂ）である。なお、本実施形態においては、第１の形態又は第２の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。また、図示しない他の構成は、第１の形態又は第２の実施形態と同一であるため詳細な説明を省略する。図６、図７及び図８に示すように、本実施形態においては、リブ３ｃによりセパレータ６Ａとの間に形成されるアノードガスのガス入口側の流路断面積（Ｓ_ＩＮ）が、セパレータ６Ａにより電極層（アノード）２２との間に形成されるガス流路断面積（Ｓ_Ｓ）より小さい、つまり、Ｓ_ＩＮ＜Ｓ_Ｓという不等式で表される関係を満足するという構成が、第１又は第２の形態と相違している。なお、図示しない、カソード側においても、本実施形態の構成を採用することができる。

このような構成とすることにより、発電部へのガス供給前にガス供給圧力を上げることが可能になる。その結果、発電部へのガス分配性が向上（換言すれば、ガス供給バラツキが低減）し、優れた発電性能を有するものとなる。

（第４の実施形態）
図９は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する燃料電池単セルの図６中の包囲線Ｘと同様の位置の包囲線で囲んだ燃料電池単セルの要部を説明する上面図である。なお、点線によって第１の樹脂フレーム３やリブ３ｃを示している。また、垂直な二点差線Ｗは主要なガス流路を示している。また、図１０は、図９中のＣ−Ｃ線に沿った上面側のセパレータと電極層（アノード）とを示す断面図（Ａ）及び図９中のＤ−Ｄ線に沿った上面側のセパレータと第１の樹脂フレームとを示す断面図（Ｂ）である。なお、本実施形態においては、第１の形態、第２〜第３のいずれかの実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。また、図示しない他の構成は、第１の形態、第２〜第３のいずれかの実施形態と同一であるため詳細な説明を省略する。図９及び図１０に示すように、本実施形態においては、リブ３ｃによりセパレータ６Ａとの間に形成されるアノードガスのガス出口側の流路断面積（Ｓ_ＯＵＴ）が、セパレータ６Ａにより電極層（アノード）２２との間に形成されるガス流路断面積（Ｓ_Ｓ）と同じか又はより大きい、つまり、Ｓ_ＯＵＴ≧Ｓ_Ｓという不等式で表される関係を満足するという構成が、第１〜第３の形態と相違している。なお、図示しない、カソード側においても、本実施形態の構成を採用することができる。

このような構成とすることにより、発電部からのガス排出圧力を下げることが可能になる。その結果、発電部へのガス分配性が向上（換言すれば、ガス供給バラツキが低減）し、優れた発電性能を有するものとなる。

（第５の実施形態）
図１１は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する燃料電池単セルの要部の図７中のＡ−Ａ線と同様の位置の線に沿った断面図である。但し、燃料電池単セルの要部は、図６中の包囲線Ｙと同様の位置の包囲線で囲んだ部分である。なお、本実施形態においては、第１の形態又は第２の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。また、図示しない他の構成は、第１の形態又は第２の実施形態と同一であるため詳細な説明を省略する。図１１に示すように、本実施形態においては、第１の樹脂フレーム３のリブ３ｃの中心位置と第２の樹脂フレーム４のリブ４ｃの中心位置とが積層方向で揃っており、第１の樹脂フレーム３のリブ３ｃの幅と第２の樹脂フレーム４のリブ４ｃの幅とにおいて、アノード側に配設されるリブの幅Ｈａがカソード側に配設されるリブの幅Ｈｃより広いという構成が、第１〜第４の形態と相違している。換言すれば、リブ３ｃとリブ４ｃの中心位置が積層方向で揃っているため、その中心位置間隔ＰａとＰｃは同じであり、Ｐａ＝Ｐｃという等式で表される関係とＨａ＞Ｈｃという不等式で表される関係を満足するという構成が第１〜第４の形態と相違している。

このような構成とすることにより、アノードガス及びカソードガスのガス供給量に適したガス分配量を確保することが可能になる。その結果、発電部へのガス分配性が向上（換言すれば、ガス供給バラツキが低減）し、優れた発電性能を有するものとなる。

（第６の実施形態）
図１２は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池スタックの燃料電池単セルを構成するフレーム付き膜電極接合体の要部を説明する上面図（Ａ）、その拡大図（Ｂ）、下面図（Ｃ）及びその拡大図（Ｄ）である。なお、本実施形態においては、第１の形態、第２〜第５のいずれかの実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。また、図示しない他の構成は、第１の形態、第２〜第５のいずれかの実施形態と同一であるため詳細な説明を省略する。図１２に示すように、本実施形態においては、第１の樹脂フレーム３のリブ３ｃの長さと第２の樹脂フレーム４のリブ４ｃの長さとにおいて、アノード側に配設されるリブの長さ（Ｌａ）がカソード側に配設されるリブの長さ（Ｌｃ）より長い、つまり、Ｌａ＞Ｌｃという不等式で表される関係を満足するという構成が、第１〜第５の形態と相違している。

このような構成とすることにより、アノードガス及びカソードガスのガス供給量に適したガス分配量を確保することが可能になる。その結果、発電部へのガス分配性が向上（換言すれば、ガス供給バラツキが低減）し、優れた発電性能を有するものとなる。

（第７の実施形態）
図１３は、本発明の第７の実施形態に係る燃料電池スタックの燃料電池単セルを構成するフレーム付き膜電極接合体の要部を説明する上面図（Ａ）及び下面図（Ｂ）である。なお、本実施形態においては、第１の形態又は第２の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。また、図示しない他の構成は、第１の形態又は第２の実施形態と同一であるため詳細な説明を省略する。図１３に示すように、本実施形態においては、リブ３ｃ，４ｃにより図示しない紙面上に配設されるセパレータとの間に形成されるガス入口側の複数のガス流路Ｗａ、Ｗｃの流路断面積（Ｓ_ＩＮ）が、それぞれアノードガス及びカソードガスのガス供給用のマニホールド穴Ｈ３，Ｈ６からの距離が大きくなるにしたがって大きくなる傾斜構造を有する構成が、第１〜第６の形態と相違している。

このような構成とすることにより、アノードガス及びカソードガスのガス分配性に対応したガス流量を確保することが可能になり、換言すれば、ガスが流れにくい部分も流れやすくすることが可能になる。その結果、アノード及びカソードへのガス分配性が向上（換言すれば、ガス供給バラツキが低減）し、優れた発電性能を有するものとなる。

以上、本発明を若干の実施形態によって説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。

例えば、上述した各形態におけるフレーム付き膜電極接合体、燃料電池単セル及び燃料電池スタックに記載した構成は、各形態毎に限定されるものではなく、例えば、各形態の構成を上述した各形態以外の組み合わせにしたり、構成の細部を変更したりすることができる。

ＦＳ 燃料電池スタック
Ｍ 燃料電池モジュール
Ｃ 燃料電池単セル
Ｐ シールプレート
Ａ 積層体
Ｈ１〜Ｈ６ マニホールド穴
Ｓ シール部材
１ フレーム付き膜電極接合体
２ 膜電極接合体
２ａ 外周縁部
３ 第１の樹脂フレーム
３ａ，４ａ 開口部
３ｂ 内周縁部
３ｃ，４ｃ リブ
４ 第２の樹脂フレーム
５Ａ，５Ｂ 接合層
６Ａ，６Ｂ セパレータ
２１ 電解質層
２２ 電極層
５１ 外周シール部材
５２ 内周シール部材
５６Ａ，５６Ｂ エンドプレート
５７Ａ，５７Ｂ 締結板
５８Ａ，５８Ｂ 補強板

Claims (7)

1. 電解質膜を一対の電極層で挟持した構造を有する膜電極接合体と、
   上記膜電極接合体の周囲に、かつ、一方の電極層側に配設され、該膜電極接合体を配置する開口部を有する第１の樹脂フレームと、
   上記膜電極接合体の周囲に、かつ、他方の電極層側に配設され、該膜電極接合体を配置する開口部を有する第２の樹脂フレームと、を備え、
   上記膜電極接合体の外周縁部の少なくとも一部を接着剤又は粘着剤から成る接合層を介して上記第１の樹脂フレームとこれに相対向する上記第２の樹脂フレームとにより挟持した構造を有し、
   上記第１の樹脂フレームの及び上記第２の樹脂フレームの膜電極接合体の挟持部に複数のガス流路を形成するリブが配設されており、
   上記第１の樹脂フレームが、当該樹脂フレームの基部と内周縁部との間に上記開口部の周縁に沿って形成され、かつ、当該樹脂フレームの厚さ分に相当する段差部を有し、
   上記内周縁部が、上記段差部により樹脂フレームの片面側に偏倚した形状を有し、
   上記リブが上記段差部の少なくとも一部を覆うように延設されている
   ことを特徴とするフレーム付き膜電極接合体。
2. 電解質膜を一対の電極層で挟持した構造を有する膜電極接合体と、該膜電極接合体の周囲に、かつ、一方の電極層側に配設され、該膜電極接合体を配置する開口部を有する第１の樹脂フレームと、該膜電極接合体の周囲に、かつ、他方の電極層側に配設され、該膜電極接合体を配置する開口部を有する第２の樹脂フレームと、を備え、該膜電極接合体の外周縁部の少なくとも一部を接着剤又は粘着剤から成る接合層を介して該第１の樹脂フレームとこれに相対向する該第２の樹脂フレームとにより挟持した構造を有し、該第１の樹脂フレームの及び該第２の樹脂フレームの膜電極接合体の挟持部に複数のガス流路を形成するリブが配設されているフレーム付き膜電極接合体と、
   上記フレーム付き膜電極接合体を挟持する一対のセパレータと、を備え、
   上記リブにより上記一方のセパレータとの間に形成されるガス入口側の流路断面積が、上記一方のセパレータにより上記一方の電極層との間に形成される該ガス入口側のガス流路断面積より小さい
   ことを特徴とする燃料電池単セル。
3. 電解質膜を一対の電極層で挟持した構造を有する膜電極接合体と、該膜電極接合体の周囲に、かつ、一方の電極層側に配設され、該膜電極接合体を配置する開口部を有する第１の樹脂フレームと、該膜電極接合体の周囲に、かつ、他方の電極層側に配設され、該膜電極接合体を配置する開口部を有する第２の樹脂フレームと、を備え、該膜電極接合体の外周縁部の少なくとも一部を接着剤又は粘着剤から成る接合層を介して該第１の樹脂フレームとこれに相対向する該第２の樹脂フレームとにより挟持した構造を有し、該第１の樹脂フレームの及び該第２の樹脂フレームの膜電極接合体の挟持部に複数のガス流路を形成するリブが配設されているフレーム付き膜電極接合体と、
   上記フレーム付き膜電極接合体を挟持する一対のセパレータと、を備え、
   上記リブにより上記一方のセパレータとの間に形成されるガス出口側の流路断面積が、上記一方のセパレータにより上記一方の電極層との間に形成される該ガス出口側のガス流路断面積と同じか又はより大きい
   ことを特徴とする燃料電池単セル。
4. 電解質膜を一対の電極層で挟持した構造を有する膜電極接合体と、該膜電極接合体の周囲に、かつ、一方の電極層側に配設され、該膜電極接合体を配置する開口部を有する第１の樹脂フレームと、該膜電極接合体の周囲に、かつ、他方の電極層側に配設され、該膜電極接合体を配置する開口部を有する第２の樹脂フレームと、を備え、該膜電極接合体の外周縁部の少なくとも一部を接着剤又は粘着剤から成る接合層を介して該第１の樹脂フレームとこれに相対向する該第２の樹脂フレームとにより挟持した構造を有し、該第１の樹脂フレームの及び該第２の樹脂フレームの膜電極接合体の挟持部に複数のガス流路を形成するリブが配設されているフレーム付き膜電極接合体と、
   上記フレーム付き膜電極接合体を挟持する一対のセパレータと、を備え、
   上記第１の樹脂フレームのリブの中心位置と上記第２の樹脂フレームのリブの中心位置とが積層方向で揃っており、
   上記第１の樹脂フレームのリブの幅と上記第２の樹脂フレームのリブの幅とにおいて、アノード側に配設される上記リブの幅がカソード側に配設される上記リブの幅より広い
   ことを特徴とする燃料電池単セル。
5. 電解質膜を一対の電極層で挟持した構造を有する膜電極接合体と、該膜電極接合体の周囲に、かつ、一方の電極層側に配設され、該膜電極接合体を配置する開口部を有する第１の樹脂フレームと、該膜電極接合体の周囲に、かつ、他方の電極層側に配設され、該膜電極接合体を配置する開口部を有する第２の樹脂フレームと、を備え、該膜電極接合体の外周縁部の少なくとも一部を接着剤又は粘着剤から成る接合層を介して該第１の樹脂フレームとこれに相対向する該第２の樹脂フレームとにより挟持した構造を有し、該第１の樹脂フレームの及び該第２の樹脂フレームの膜電極接合体の挟持部に複数のガス流路を形成するリブが配設されているフレーム付き膜電極接合体と、
   上記フレーム付き膜電極接合体を挟持する一対のセパレータと、を備え、
   上記第１の樹脂フレームのリブの長さと上記第２の樹脂フレームのリブの長さとにおいて、アノード側に配設される上記リブの長さがカソード側に配設される上記リブの長さより長い
   ことを特徴とする燃料電池単セル。
6. 電解質膜を一対の電極層で挟持した構造を有する膜電極接合体と、該膜電極接合体の周囲に、かつ、一方の電極層側に配設され、該膜電極接合体を配置する開口部を有する第１の樹脂フレームと、該膜電極接合体の周囲に、かつ、他方の電極層側に配設され、該膜電極接合体を配置する開口部を有する第２の樹脂フレームと、を備え、該膜電極接合体の外周縁部の少なくとも一部を接着剤又は粘着剤から成る接合層を介して該第１の樹脂フレームとこれに相対向する該第２の樹脂フレームとにより挟持した構造を有し、該第１の樹脂フレームの及び該第２の樹脂フレームの膜電極接合体の挟持部に複数のガス流路を形成するリブが配設されているフレーム付き膜電極接合体と、
   上記フレーム付き膜電極接合体を挟持する一対のセパレータと、を備え、
   上記リブにより上記一方のセパレータとの間に形成されるガス入口側の複数のガス流路の流路断面積が、ガス供給口からの距離が大きくなるにしたがって大きくなる傾斜構造を有する
   ことを特徴とする燃料電池単セル。
7. 請求項２〜６のいずれか１つの項に記載の燃料電池単セルが複数積層された構造を有することを特徴とする燃料電池スタック。

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