JP6544279B2

JP6544279B2 - 単セル

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Publication number: JP6544279B2
Application number: JP2016067106A
Authority: JP
Inventors: 晃一郎池田; 俊明草刈
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-03-30
Filing date: 2016-03-30
Publication date: 2019-07-17
Anticipated expiration: 2036-03-30
Also published as: JP2017183031A

Description

本発明は、燃料電池の単セルに関する。

電解質として高分子電解質膜（以下、単に「電解質膜」と称する）を用いる燃料電池において、膜電極ガス拡散層接合体ＭＥＧＡ（Membrane Electrode and Gas Diffusion Layer Assembly）の周縁を取り囲む樹脂フレーム（シール部材）をＭＥＧＡの周縁に接着剤にて接着して一体化されたフレーム付きの膜電極ガス拡散層接合体（以下、「ＭＥＧＡフレーム」とも称する）が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−１１５１３１号公報

上記のようなＭＥＧＡフレームを用いた燃料電池の単セルにおいて、発電中のＭＥＧＡの発電領域内の湿度分布をみると、好適な湿度域の発電領域が小さいという課題があった。

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、燃料電池の単セルであって、前記単セルの面内でカソードガスとアノードガスとを逆向きに流す対向流型の単セルが提供される。この単セルは、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に配置される第１の触媒層と、前記電解質膜の他方の面に配置される第２の触媒層と、を備える膜触媒層接合体と、前記膜触媒層接合体の前記第１の触媒層側の面に配置され、前記膜触媒層接合体の外形より外形が小さい第１のガス拡散層と、前記膜触媒層接合体の前記第２の触媒層側の面に配置され、前記第１のガス拡散層の外形より外形が大きい第２のガス拡散層と、第１の貫通孔が形成され、前記第１の貫通孔内に前記第１のガス拡散層が配置されるように前記膜触媒層接合体の前記第１の触媒層側の面に配置されて前記第１のガス拡散層の周りを取囲む枠状のシール部材と、を備え、前記カソードガスを供給するための第２の貫通孔と、前記アノードガスを供給するための第３の貫通孔と、前記第１の貫通孔と前記第２の貫通孔との間および前記第１の貫通孔と前記第３の貫通孔との間の少なくともいずれか一方に配置される第４の貫通孔と、を備える。

この形態の単セルでは、シール部材が第４の貫通孔を備える。例えば、第４の貫通孔が第１の貫通孔と第２の貫通孔との間に形成される場合、乾燥したカソードガスが供給されても、発電領域（第１のガス拡散層の領域）に到達する前に、第４の貫通孔を介して水分過多状態のアノードガスとの湿度交換により、カソードガスの湿度が上昇する。そのため、発電領域におけるカソードガスの湿度が上昇し、好適な湿度域の発電領域が拡大する。一方、第４の貫通孔が第１の貫通孔と第３の貫通孔との間に形成される場合、乾燥したアノードガスが供給されても、発電領域（第１のガス拡散層の領域）に到達する前に、第４の貫通孔を介して水分過多状態のカソードガスとの湿度交換により、アノードガスの湿度が上昇する。そのため、発電領域におけるアノードガスの湿度が上昇し、好適な湿度域の発電領域が拡大する。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、燃料電池スタック、燃料電池システム、車両などの種々の形態で実現することができる。

第１実施形態の燃料電池の単セルを分解して各構成を示す平面図である。単セルの断面図である。単セルのガス流れ方向の湿度分布を示す説明図である。第２実施形態の単セルの構成を示す断面図である。

Ａ．第１実施形態：
図１は、本発明の一実施形態である燃料電池の単セル７００を分解して各構成を示す平面図である。図２は、単セル７００の断面図である。図２では、図１（Ｂ）に示すＡ−Ａ切断面を図示している。単セル７００は、膜電極ガス拡散層接合体２００（以下、「ＭＥＧＡ２００」と呼ぶ）と、シール部材３００と、カソード流路を構成するカソード側セパレータ６００と、アノード流路を構成するアノード側セパレータ５００と、を備える。図１では、図２に示す各構成の積層順の上から順に図示している。単セル７００は、いわゆる固体高分子型燃料電池であり、アノードガスとして供給される水素ガスと、カソードガスとして供給される空気とを用いて発電を行う。単セル７００は、単セル７００の面内でカソードガスとアノードガスとを逆向きに流す対向流型（カウンターフロー型）を採用している。

図１（Ａ）は、カソード側セパレータ６００のＭＥＧＡ２００と対向する面（図２の下側の面）を図示している。カソード側セパレータ６００は、平面形状が略長方形状を成し、その略中央にカソード流路６０２が形成されたカソード流路部６０２Ｒを備える。カソード流路部６０２Ｒは、ＭＥＧＡ２００のカソードガス拡散層２０６に対応している。カソード側セパレータ６００の長手方向の一方の端（図１における左端）には、カソードガス供給用貫通孔６０４ＩＮ，冷却水排出用貫通孔６０５ＯＴ，アノードガス排出用貫通孔６０６ＯＴが短手方向に並んで配置されている。カソード側セパレータ６００の長手方向の他方の端（図１における右端）には、カソードガス排出用貫通孔６０４ＯＴ，冷却水供給用貫通孔６０５ＩＮ，アノードガス供給用貫通孔６０６ＩＮが短手方向に並んで配置されている。カソード流路部６０２Ｒと、カソードガス供給用貫通孔６０４ＩＮ，冷却水排出用貫通孔６０５ＯＴ，アノードガス排出用貫通孔６０６ＯＴとの間には、複数の突起６０８ＩＮを備えるカソードガス第１接続部６０８ＩＮＲが形成されている。同様に、カソード流路部６０２Ｒと、カソードガス排出用貫通孔６０４ＯＴ，冷却水供給用貫通孔６０５ＩＮ，アノードガス供給用貫通孔６０６ＩＮとの間には、複数の突起６０８ＯＴを備えるカソードガス第２接続部６０８ＯＴＲが形成されている。また、カソード側セパレータ６００は、カソードガス供給用貫通孔６０４ＩＮ、カソードガス第１接続部６０８ＩＮＲ、カソード流路部６０２Ｒ、カソードガス第２接続部６０８ＯＴＲ、カソードガス排出用貫通孔６０４ＯＴの周りを取囲むシール線部６０９を備える。シール線部６０９は、例えば、シリコーンゴムにより形成される。カソードガス供給用貫通孔６０４ＩＮを介して供給されたカソードガスは、カソードガス第１接続部６０８ＩＮＲ、カソード流路部６０２Ｒ、カソードガス第２接続部６０８ＯＴＲの順に通った後、カソードガス排出用貫通孔６０４ＯＴに流入する。カソードガスは、カソード流路部６０２Ｒを流通しつつ、ＭＥＧＡ２００に供給されて発電に用いられる。

図１（Ｂ）は、シール部材３００のＭＥＧＡ２００と対向する面（図２の下側の面）を図示している。シール部材３００の平面視の外形は、カソード側セパレータ６００と同様に、平面形状が略長方形状を成し、その略中央であって、ＭＥＧＡ２００のカソードガス拡散層２０６に対応する位置に、第１の貫通孔３０２が形成されており、シール部材３００の平面形状は、全体として枠状を成す。シール部材３００の長手方向の両端には、カソードガス供給用貫通孔３０４ＩＮ（「第２の貫通孔」とも呼ぶ），冷却水排出用貫通孔３０５ＯＴ，アノードガス排出用貫通孔３０６ＯＴ、およびカソードガス排出用貫通孔３０４ＯＴ，冷却水供給用貫通孔３０５ＩＮ，アノードガス供給用貫通孔３０６ＩＮ（「第３の貫通孔」とも呼ぶ）が、それぞれカソード側セパレータ６００における各貫通孔と対応する位置に形成されている。第１の貫通孔３０２と、カソードガス供給用貫通孔３０４ＩＮ，冷却水排出用貫通孔３０５ＯＴ，アノードガス排出用貫通孔３０６ＯＴとの間には、複数の第４の貫通孔３０８が形成されている。シール部材３００が、膜触媒層接合体２０２（以下、ＣＣＭ２０２とも呼ぶ）のカソード触媒層２６側の面に配置されると、カソードガス拡散層２０６は、第１の貫通孔３０２内に配置される。第４の貫通孔３０８を介して、アノードガスとカソードガスとの湿度交換が行われる。後に詳述する。シール部材３００は、電気絶縁性とガスバリア性とを有する樹脂部材で形成されていることが好ましい。例えば、シール部材３００の材質としては、ＰＥＮ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＰ（polypropylene）、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ＰＥ（polyethylene）、ＰＥＴ（Polyethylene terephthalate）等を用いることができる。

図１（Ｃ）は、ＭＥＧＡ２００のカソードガス拡散層２０６側の面（図２の上側の面）を図示している。図２に示すように、ＭＥＧＡ２００は、電解質膜２２と、電解質膜２２の一方の面（図２における上側の面）に配置されるカソード触媒層２６（「第１の触媒層」とも呼ぶ）と、電解質膜２２の他方の面（図２における下側の面）に配置されるアノード触媒層２４（「第２の触媒層」とも呼ぶ）と、を備えるＣＣＭ２０２と、ＣＣＭ２０２のカソード触媒層２６側の面に配置されるカソードガス拡散層２０６（「第１のガス拡散層」とも呼ぶ）と、ＣＣＭ２０２のアノード触媒層２４側の面に配置されるアノードガス拡散層２０４（「第２のガス拡散層」とも呼ぶ）と、を備える。図２に示すように、アノード触媒層２４の外形は電解質膜２２と略同一であり、カソード触媒層２６の外形は、電解質膜２２より小さい。また、アノードガス拡散層２０４の外形は電解質膜２２と略同一であり、カソードガス拡散層２０６の外形はカソード触媒層２６の外形より小さい。換言すると、カソード触媒層２６の外形は、アノード触媒層２４より小さく、カソードガス拡散層２０６の外形はアノードガス拡散層２０４より小さい。アノードガス拡散層２０４は、電解質膜２２と比較して変形し難いため、電解質膜２２の外形と略同一の外形のアノードガス拡散層２０４をＣＣＭ２０２に接合することにより、薄くて柔らかい電解質膜２２の機械的ダメージを減少させることができる。また、カソードガス拡散層２０６の外形を電解質膜２２より小さくすることにより、アノードガス拡散層２０４とカソードガス拡散層２０６との電気的短絡を防止することができる。なお、膜触媒層接合体２０２（ＣＣＭ２０２）は、一般に、「ＭＥＡ（膜電極接合体）」とも呼ばれる。

図１（Ｄ）は、アノード側セパレータ５００のＭＥＧＡ２００と対向する面（図２の上側の面）を図示している。アノード側セパレータ５００は、平面形状がカソード側セパレータ６００と同様の略長方形状を成し、その略中央にアノード流路５０２が形成されたアノード流路部５０２Ｒを備える。アノード流路部５０２Ｒは、カソード側セパレータ６００のカソード流路部６０２Ｒに対応している。アノード側セパレータ５００の長手方向の両端には、カソードガス供給用貫通孔５０４ＩＮ，冷却水排出用貫通孔５０５ＯＴ，アノードガス排出用貫通孔５０６ＯＴ、およびカソードガス排出用貫通孔５０４ＯＴ，冷却水供給用貫通孔５０５ＩＮ，アノードガス供給用貫通孔５０６ＩＮが、それぞれカソード側セパレータ６００における各貫通孔と対応する位置に形成されている。アノード流路部５０２Ｒと、アノードガス供給用貫通孔５０６ＩＮ，冷却水供給用貫通孔５０５ＩＮ，カソードガス排出用貫通孔５０４ＯＴとの間には、複数の突起５０８ＩＮを備えるアノードガス第１接続部５０８ＩＮＲが形成されている。同様に、アノード流路部５０２Ｒと、アノードガス排出用貫通孔５０６ＯＴ，冷却水排出用貫通孔５０５ＯＴ，カソードガス供給用貫通孔５０４ＩＮとの間には、複数の突起５０８ＯＴを備えるアノードガス第２接続部５０８ＯＴＲが形成されている。アノード側セパレータ５００は、アノードガス供給用貫通孔５０６ＩＮ、アノードガス第１接続部５０８ＩＮＲ、アノード流路部５０２Ｒ、アノードガス第２接続部５０８ＯＴＲ、アノードガス排出用貫通孔５０６ＯＴの周りを取囲むシール線部５０９を備える。シール線部５０９は、例えば、シリコーンゴムにより形成される。アノードガス供給用貫通孔５０６ＩＮを介して供給されたアノードガスは、アノードガス第１接続部５０８ＩＮＲ、アノード流路部５０２Ｒ、アノードガス第２接続部５０８ＯＴＲの順に通った後、アノードガス排出用貫通孔５０６ＯＴに流入する。アノードガスは、アノード流路部５０２Ｒを流通しつつ、ＭＥＧＡ２００に供給されて発電に用いられる。

アノード側セパレータ５００およびカソード側セパレータ６００は、気密性（ガス不透過性）、耐食性、および導電性を備える。本実施形態では、金属プレートで形成されているが、緻密カーボン板等を用いてもよい。

シール部材３００は、ＣＣＭ２０２のカソード触媒層２６側の面に配置され（図２）、接着剤にてＭＥＧＡ２００に接着されて、シール部材付きＭＥＧＡ１００を構成している。また、アノード側セパレータ５００は、シール部材付きＭＥＧＡ１００のアノードガス拡散層２０４側の面に配置され、カソード側セパレータ６００はシール部材付きＭＥＧＡ１００のカソードガス拡散層２０６側の面に配置され（図２）、それぞれ、接着剤にてシール部材３００に接続されている。

図３は、単セル７００のガス流れ方向の湿度分布を示す説明図である。図３では、横軸をセル面内位置（ガス流れ方向、すなわち、図１，２におけるＸ軸方向）、縦軸を湿度として、その関係を示している。また、グラフの下にシール部材３００の平面図と単セル７００の断面図とを記載している。グラフは、Ｘ軸方向の位置を単セル７００と合わせて記載されている。図３のグラフにおいて、第１実施形態の単セル７００を実線で示し、比較例の単セルを破線で示している。比較例として、第４の貫通孔３０８を備えないシール部材を用い、他の構成が単セル７００と同じ単セルを用いた。

図３のグラフは、下記の試験条件で試験した結果を示している。
試験条件：
アノードガス：無加湿
カソードガス：無加湿
電流密度１．６Ａ／ｃｍ^２で５分間発電を継続し、５分の時点のガス流路内の湿度を露点計にて計測。計測点数は、カソードガス、アノードガス、それぞれについて、ガス供給用貫通孔内、第１の接続部内、発電領域内（３点）、第２の接続部内、ガス排出用貫通孔内の各６点である。

燃料電池では、発電に伴い、カソード側で水が生成される（生成された水を「生成水」と呼ぶ）。カソード側の湿度がアノード側より高い場合には、湿度勾配により、生成水は、カソード側からアノード側に拡散する（拡散された水を「逆拡散水」とも呼ぶ）。また、アノード側の湿度がカソード側より高い場合には、湿度勾配により、アノード側からカソード側に水が移動する。また、アノード側からカソード側へのプロトンの移動に伴い、アノード側からカソード側へ水が移動する（このように移動する水を「随伴水」とも呼ぶ）。本実施形態の単セル７００は、主に、湿度勾配による水の移動を促進するものである。

本実施形態の単セル７００と比較例の単セルは、単セルの面内でカソードガスとアノードガスとを逆向きに流す対向流型（カウンターフロー型）を採用しているため、カソード側とアノード側との湿度勾配により、生成水を利用して互いの反応ガスを加湿することができる。

図３に破線で示すように、比較例の単セルにおいて、カソードガスは、発電領域においてカソードガスの供給孔側から排出孔側に向かって（ガスの流れ方向に沿って）湿度が上昇している。アノードガスも同様に、発電領域においてアノードガスの供給孔側から排出孔側に向かって（ガスの流れ方向に沿って）湿度が上昇している。それは、以下の理由による。

反応ガスは無加湿で供給されるので、反応ガスの供給孔（カソードガス供給用貫通孔６０４ＩＮ，アノードガス供給用貫通孔５０６ＩＮ）から供給される反応ガスは湿度が低く水不足の状態である。カソード側では水が生成されるため、発電領域を流れるカソードガスは生成水により加湿され、発電領域内において、カソードガスの流れに沿って湿度が高くなる。発電領域を過ぎると、発電されず水が生成されないためカソードガスの湿度は変化しない。一方、アノード側では水が生成されないものの、発電領域に入ると、生成水により加湿されたカソードガスとの湿度勾配により、生成水がカソード側からアノード側に拡散する。発電領域内において、アノードガスは、逆拡散水によって加湿され、アノードガスの流れに沿って湿度が高くなる。

これに対し、本実施形態の単セル７００は、シール部材３００が、第１の貫通孔３０２とカソードガス供給用貫通孔（第２の貫通孔）３０４ＩＮとの間に第４の貫通孔３０８を備えるため、カソードガス供給用貫通孔６０４ＩＮと発電領域との間において、カソード側とアノード側とで湿度交換可能となる。上述の通り、単セル７００は、カウンターフロー型を採用しており、セル面内において、第４の貫通孔３０８に対応する位置を、発電領域に入る前の湿度が低いカソードガスと、発電領域を通過した湿度が高いアノードガスが流れる。そのため、湿度勾配により第４の貫通孔３０８を介して、アノード側からカソード側へ水が移動して、カソードガスが加湿される。その結果、発電領域におけるカソードガスの湿度が全体的に上昇する。

燃料電池において、単セル内の湿度が低すぎると、電解質膜の乾燥によりプロトンの移動が抑制され発電性能が低下する。逆に単セル内の湿度が高すぎると、反応ガスの供給が抑制され発電性能が低下する。すなわち、単セル内の湿度が好適な範囲内において、良好に発電が行われる。

本実施形態の単セル７００によれば、発電領域におけるカソードガスの湿度が上昇するため、好適な湿度域の発電領域が拡大され、発電性能が向上する。

Ｂ．第２実施形態：
図４は、第２実施形態の単セル７００Ａの構成を示す断面図である。本実施形態の単セル７００Ａが、第１実施形態の単セル７００と異なる点は、ＣＣＭ２０２Ａにおいて、アノード触媒層２４Ａが、カソード触媒層２６とが同一の外形である点と、カソードガス拡散層２０６Ａの外形がカソード触媒層２６の外形と同一である点である。その他は、第１実施形態の単セル７００と同一であるため、同一の構成には同一の符号を用い、その説明を省略する。なお、シール部材３００は、カソードガス拡散層２０６Ａの外形に合わせて、断面形状が若干変更されているものの第１実施形態のシール部材３００と略同一であるため、同一の符号を用いる。

アノード触媒層２４Ａは多孔体であるため、アノード触媒層２４Ａの中を水が拡散する場合に、拡散速度が低下する。本実施形態の単セル７００Ａでは、アノード触媒層２４Ａの外形がカソード触媒層２６と同じであり、ＣＣＭ２０２Ａの第４の貫通孔３０８に対応する部分に、アノード触媒層２４Ａが形成されていない。すなわち、第１実施形態の単セル７００では、第４の貫通孔３０８に対応する位置において、アノード流路５０２から、アノードガス拡散層２０４、アノード触媒層２４、電解質膜２２を通って、カソード流路６０２へ水が移動するのに対して、本実施形態の７００では、第４の貫通孔３０８に対応する位置において、アノード流路５０２から、アノードガス拡散層２０４、電解質膜２２を通って、カソード流路６０２へ水が移動するため、第４の貫通孔３０８を介したアノード側からカソード側への水の移動速度の低下を抑制することができる。したがって、第１実施形態の単セル７００と比較して、第４の貫通孔３０８を介した湿度交換がより良好に行われる。その結果、発電領域におけるカソードガスの湿度をさらに上昇させ、好適な湿度域の発電領域をさらに拡大することができる。

Ｃ．変形例：
この発明は上記の実施形態や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

（１）上記実施形態では、シール部材３００として、カソードガス供給用貫通孔３０４ＩＮと第１の貫通孔３０２との間に第４の貫通孔３０８を備える例を示したが、アノードガス供給用貫通孔３０６ＩＮと第１の貫通孔３０２との間に第４の貫通孔３０８を備えてもよい。このようにすると、アノードガスが発電領域に入る前に、カソードガスとの湿度勾配により加湿されるため、発電領域におけるアノードガスの湿度が上昇し、好適な湿度域の発電領域が拡大する。また、カソードガス供給用貫通孔３０４ＩＮと第１の貫通孔３０２との間と、アノードガス供給用貫通孔３０６ＩＮと第１の貫通孔３０２との間の両方に第４の貫通孔３０８を備えてもよい。このようにしても、好適な湿度域の発電領域が拡大する。

（２）上記実施形態では、カソードガス拡散層２０６の外形がアノードガス拡散層２０４の外形より小さい例を示したが、アノードガス拡散層２０４の外形をカソードガス拡散層２０６の外形より小さくてもよい。アノードガス拡散層２０４の外形がカソードガス拡散層２０６の外形より小さい場合には、シール部材３００を、ＣＣＭ２０２のアノード触媒層２４側の面に配置する。このようにしても、第４の貫通孔３０８を介して、アノード側とカソード側とで湿度交換が可能となり、好適な湿度域の発電領域が拡大する。

以上、実施例、変形例に基づき本発明について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれる。たとえば、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。

２４…アノード触媒層
２４Ａ…アノード触媒層
２６…カソード触媒層
１００…シール部材付きＭＥＧＡ
２００…ＭＥＧＡ（膜電極ガス拡散層接合体）
２０２…ＣＣＭ（膜触媒層接合体）
２０２Ａ…ＣＣＭ
２０４…アノードガス拡散層
２０６…カソードガス拡散層
２０６Ａ…カソードガス拡散層
３００…シール部材
３０２…第１の貫通孔
３０４ＩＮ…カソードガス供給用貫通孔
３０４ＯＴ…カソードガス排出用貫通孔
３０５ＩＮ…冷却水供給用貫通孔
３０５ＯＴ…冷却水排出用貫通孔
３０６ＩＮ…アノードガス供給用貫通孔
３０６ＯＴ…アノードガス排出用貫通孔
３０８…第４の貫通孔
５００…アノード側セパレータ
５０２…アノード流路
５０２Ｒ…アノード流路部
５０４ＩＮ…カソードガス供給用貫通孔
５０４ＯＴ…カソードガス排出用貫通孔
５０５ＩＮ…冷却水供給用貫通孔
５０５ＯＴ…冷却水排出用貫通孔
５０６ＩＮ…アノードガス供給用貫通孔
５０６ＯＴ…アノードガス排出用貫通孔
５０８ＩＮ…突起
５０８ＩＮＲ…アノードガス第１接続部
５０８ＯＴ…突起
５０８ＯＴＲ…アノードガス第２接続部
５０９…シール線部
６００…カソード側セパレータ
６０２…カソード流路
６０２Ｒ…カソード流路部
６０４ＩＮ…カソードガス供給用貫通孔
６０４ＯＴ…カソードガス排出用貫通孔
６０５ＩＮ…冷却水供給用貫通孔
６０５ＯＴ…冷却水排出用貫通孔
６０６ＩＮ…アノードガス供給用貫通孔
６０６ＯＴ…アノードガス排出用貫通孔
６０８ＩＮ…突起
６０８ＩＮＲ…カソードガス第１接続部
６０８ＯＴ…突起
６０８ＯＴＲ…カソードガス第２接続部
６０９…シール線部
７００…単セル
７００Ａ…単セル

Claims

燃料電池の単セルであって、前記単セルの面内でカソードガスとアノードガスとを逆向きに流す対向流型の単セルにおいて、
電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に配置される第１の触媒層と、前記電解質膜の他方の面に配置される第２の触媒層と、を備える膜触媒層接合体と、
前記膜触媒層接合体の前記第１の触媒層側の面に配置され、前記膜触媒層接合体の外形より外形が小さい第１のガス拡散層と、
前記膜触媒層接合体の前記第２の触媒層側の面に配置され、前記第１のガス拡散層の外形より外形が大きい第２のガス拡散層と、
第１の貫通孔が形成され、前記第１の貫通孔内に前記第１のガス拡散層が配置されるように前記膜触媒層接合体の前記第１の触媒層側の面に配置されて前記第１のガス拡散層の周りを取囲む枠状のシール部材と、
を備え、
前記シール部材は、
前記カソードガスを供給するための第２の貫通孔と、前記アノードガスを供給するための第３の貫通孔と、前記第１の貫通孔と前記第２の貫通孔との間および前記第１の貫通孔と前記第３の貫通孔との間の少なくともいずれか一方に配置される第４の貫通孔と、を備える、単セル。