(57)【要約】【課題】アノードに供給される反応ガスとカソードに供給される反応ガスの差圧による枠部材の変形を抑止し、枠部材の耐久性を向上させることができる枠付き電解質膜・電極構造体及び燃料電池を提供する。【解決手段】枠付き電解質膜・電極構造体１０は、電解質膜・電極構造体１０ａと枠部材２４とを備える。枠部材２４は、第１枠状シート２４ａと、第２枠状シート２４ｂとを有する。第１枠状シート２４ａの内周部２４ａｎは、アノード電極２０の外周部２０ｃとカソード電極２２の外周部２２ｃとの間に配置される。第２枠状シート２４ｂの内周端２４ｂｅは、全周に亘ってアノード電極２０の外周端２０ｅよりも外方に位置する。カソード電極２２の外周端２２ｅは、全周に亘って第２枠状シート２４ｂの内周端２４ｂｅよりも外方に位置する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜（１８）の一方の面に第１電極（２０、１２０、２２０）が設けられるとともに前記電解質膜（１８）の他方の面に第２電極（２２、１２２、２２２）が設けられてなる電解質膜・電極構造体（１０ａ、１１０ａ、２１０ａ）と、
前記電解質膜・電極構造体（１０ａ、１１０ａ、２１０ａ）の外周部に全周に亘って設けられた枠部材（２４、２２４）と、
を備えた枠付き電解質膜・電極構造体（１０、１１０、２１０）であって、
前記第２電極（２２、１２２、２２２）の平面寸法は、前記第１電極（２０、１２０、２２０）の平面寸法よりも大きく設定され、
前記枠部材（２４、２２４）は、内周部が電解質膜・電極構造体（１０ａ、１１０ａ、２１０ａ）の外周部に接合された第１枠状シート（２４ａ）と、第２枠状シート（２４ｂ）とを有し、前記第１枠状シート（２４ａ）と前記第２枠状シート（２４ｂ）とが厚さ方向に互いに接合されており、
前記第１枠状シート（２４ａ）の内周部は、前記第１電極（２０、１２０、２２０）の外周部と前記第２電極（２２、１２２、２２２）の外周部との間に配置され、
前記第２枠状シート（２４ｂ）の内周端は、全周に亘って前記第１電極（２０、１２０、２２０）の外周端よりも外方に位置しており、
前記第２電極（２２、１２２、２２２）の外周端は、全周に亘って前記第２枠状シート（２４ｂ）の内周端よりも外方に位置している、
ことを特徴とする枠付き電解質膜・電極構造体（１０、１１０、２１０）。
【請求項２】
請求項１記載の枠付き電解質膜・電極構造体（１０）において、
前記第１枠状シート（２４ａ）の内周部は、前記電解質膜（１８）の外周部の前記第１電極（２０）側の面に接合されている、
ことを特徴とする枠付き電解質膜・電極構造体（１０）。
【請求項３】
請求項２記載の枠付き電解質膜・電極構造体（１０）において、
前記電解質膜（１８）の外周端は、前記第１電極（２０）の外周端よりも外方に位置する、
ことを特徴とする枠付き電解質膜・電極構造体（１０）。
【請求項４】
請求項２記載の枠付き電解質膜・電極構造体（１０）において、
前記第１枠状シート（２４ａ）の一方面の全面に接着層（２４ｃ）が設けられ、
前記第１枠状シート（２４ａ）の外周部は、前記接着層（２４ｃ）により、前記第２枠状シート（２４ｂ）の一方面の全面に接合され、
前記第１枠状シート（２４ａ）の内周部は、前記接着層（２４ｃ）により、前記電解質膜（１８）の外周部に接合されている、
ことを特徴とする枠付き電解質膜・電極構造体（１０）。
【請求項５】
請求項２記載の枠付き電解質膜・電極構造体（１０）において、
前記第２電極（２２）の外周部は、前記第１枠状シート（２４ａ）の一方面と前記第２枠状シート（２４ｂ）の内周端とにより形成される段差部を覆って、前記第２枠状シート（２４ｂ）の内周端よりも外方に延びる、
ことを特徴とする枠付き電解質膜・電極構造体（１０）。
【請求項６】
請求項２記載の枠付き電解質膜・電極構造体（１０）において、
前記第１電極（２０）は、前記第１枠状シート（２４ａ）の内周端に対応する部位に段差部を有し、
前記第２電極（２２）は、前記第２枠状シート（２４ｂ）の内周端に対応する部位に段差部を有する、
ことを特徴とする枠付き電解質膜・電極構造体（１０）。
【請求項７】
請求項２記載の枠付き電解質膜・電極構造体（１０）において、
前記第１電極（２０）は、アノード電極であり、
前記第２電極（２２）は、カソード電極である、
ことを特徴とする枠付き電解質膜・電極構造体（１０）。
【請求項８】
請求項１記載の枠付き電解質膜・電極構造体（１１０）において、
前記第１枠状シート（２４ａ）の内周部は、前記電解質膜（１８）の外周部の前記第２電極（１２２）側の面に接合されている、
ことを特徴とする枠付き電解質膜・電極構造体（１１０）。
【請求項９】
請求項８記載の枠付き電解質膜・電極構造体（１１０）において、
前記電解質膜（１８）の外周端は、前記電解質膜・電極構造体（１１０ａ）の厚さ方向から見て、前記第１電極（１２０）の外周端と同じ位置にある、
ことを特徴とする枠付き電解質膜・電極構造体（１１０）。
【請求項１０】
請求項８記載の枠付き電解質膜・電極構造体（１１０）において、
前記第１枠状シート（２４ａ）の一方面の全面に接着層（２４ｃ）が設けられ、
前記第１枠状シート（２４ａ）の外周部は、前記接着層（２４ｃ）により、前記第２枠状シート（２４ｂ）の一方面の全面に接合され、
前記第１枠状シート（２４ａ）の内周部は、前記接着層（２４ｃ）により、前記電解質膜（１８）の外周部に接合されている、
ことを特徴とする枠付き電解質膜・電極構造体（１１０）。
【請求項１１】
請求項８記載の枠付き電解質膜・電極構造体（１１０）において、
前記第１電極（１２０）との外周端と前記第２枠状シート（２４ｂ）の内周端との間には、全周に亘って隙間（Ｇ）が形成されている、
ことを特徴とする枠付き電解質膜・電極構造体（１１０）。
【請求項１２】
請求項８記載の枠付き電解質膜・電極構造体（１１０）において、
前記第１電極（１２０）は、アノード電極であり、
前記第２電極（１２２）は、カソード電極である、
ことを特徴とする枠付き電解質膜・電極構造体（１１０）。
【請求項１３】
請求項１記載の枠付き電解質膜・電極構造体（２１０）において、
前記第１枠状シート（２４ａ）の内周部は、前記第２枠状シート（２４ｂ）とは反対側の面において、前記電解質膜（１８）の外周部の前記第１電極（２２０）側の面に接合されている、
ことを特徴とする枠付き電解質膜・電極構造体（２１０）。
【請求項１４】
請求項１３記載の枠付き電解質膜・電極構造体（２１０）において、
前記電解質膜（１８）の外周端は、前記電解質膜・電極構造体（２１０ａ）の厚さ方向から見て、前記第２電極（２２２）の外周端と同じ位置にある、
ことを特徴とする枠付き電解質膜・電極構造体（２１０）。
【請求項１５】
請求項１３記載の枠付き電解質膜・電極構造体（２１０）において、
前記第１枠状シート（２４ａ）の外周部は、前記第１枠状シート（２４ａ）の一方面に設けられた第１の接着層（２４ｅ）により、前記第２枠状シート（２４ｂ）の一方面の全面に接合され、
前記第１枠状シート（２４ａ）の内周部は、前記第１枠状シート（２４ａ）の他方面に設けられた第２の接着層（２４ｆ）により、前記電解質膜（１８）の外周部に接合されている、
ことを特徴とする枠付き電解質膜・電極構造体（２１０）。
【請求項１６】
請求項１３記載の枠付き電解質膜・電極構造体（２１０）において、
前記第１電極（２２０）との外周端と前記第２枠状シート（２４ｂ）の内周端との間には、全周に亘って隙間が形成されている、
ことを特徴とする枠付き電解質膜・電極構造体（２１０）。
【請求項１７】
請求項１３記載の枠付き電解質膜・電極構造体（２１０）において、
前記第１電極（２２０）は、アノード電極であり、
前記第２電極（２２２）は、カソード電極である、
ことを特徴とする枠付き電解質膜・電極構造体（２１０）。
【請求項１８】
請求項１３記載の枠付き電解質膜・電極構造体（２１０）において、
前記第１電極（２２０）は、カソード電極であり、
前記第２電極（２２２）は、アノード電極である、
ことを特徴とする枠付き電解質膜・電極構造体（２１０）。
【請求項１９】
請求項１記載の枠付き電解質膜・電極構造体（１０）において、
前記第２枠状シートの厚さは、前記第１枠状シートの厚さと同じである、
ことを特徴とする枠付き電解質膜・電極構造体（１０）。
【請求項２０】
請求項１記載の枠付き電解質膜・電極構造体（１０）において、
前記第２枠状シートは、前記第１枠状シートよりも厚い、
ことを特徴とする枠付き電解質膜・電極構造体（１０）。
【請求項２１】
電解質膜（１８）の一方の面に第１電極（２０、１２０、２２０）が設けられるとともに前記電解質膜（１８）の他方の面に第２電極（２２、１２２、２２２）が設けられてなる電解質膜・電極構造体（１０ａ、１１０ａ、２１０ａ）と、前記電解質膜・電極構造体（１０ａ、１１０ａ、２１０ａ）の外周部に全周に亘って設けられた枠部材（２４、２２４）と、を有する枠付き電解質膜・電極構造体（１０、１１０、２１０）と、
前記枠付き電解質膜・電極構造体（１０、１１０、２１０）の両側にそれぞれ積層されたセパレータ（１４、１６）と、
を備えた燃料電池（１２、１１２、２１２）であって、
前記第２電極（２２、１２２、２２２）の平面寸法は、前記第１電極（２０、１２０、２２０）の平面寸法よりも大きく設定され、
前記枠部材（２４、２２４）は、内周部が電解質膜・電極構造体（１０ａ、１１０ａ、２１０ａ）の外周部に接合された第１枠状シート（２４ａ）と、第２枠状シート（２４ｂ）とを有し、前記第１枠状シート（２４ａ）と前記第２枠状シート（２４ｂ）とが厚さ方向に互いに接合されており、
前記第１枠状シート（２４ａ）の内周部は、前記第１電極（２０、１２０、２２０）の外周部と前記第２電極（２２、１２２、２２２）の外周部との間に配置され、
前記第２枠状シート（２４ｂ）の内周端は、全周に亘って前記第１電極（２０、１２０、２２０）の外周端及び前記第１枠状シート（２４ａ）の内周端よりも外方に位置しており、
前記第２電極（２２、１２２、２２２）の外周端は、全周に亘って前記第２枠状シート（２４ｂ）の内周端よりも外方に位置している、
ことを特徴とする燃料電池（１２、１１２、２１２）。
【請求項２２】
請求項２１記載の燃料電池（１２、１１２、２１２）において、
各前記セパレータ（１４、１６）は、反応ガスの漏れを防止するために前記枠部材（２４、２２４）に向かって突出するビードシール（４２、４４）を一体に有し、
一方の前記セパレータ（１４）の前記ビードシール（４２）と、他方の前記セパレータ（１６）の前記ビードシール（４４）とが、前記枠部材（２４、２２４）の前記第１枠状シート（２４ａ）と前記第２枠状シート（２４ｂ）とが重なる領域を厚さ方向の両側から挟持する、
ことを特徴とする燃料電池（１２、１１２、２１２）。
【請求項２３】
請求項２１記載の燃料電池（１２、１１２、２１２）において、
前記第１電極の外周部と前記第１枠状シートの内周部と前記第２電極の外周部とが重なる重なり部は、一方の前記セパレータに設けられ前記第１電極に向かって突出した凸部と、他方の前記セパレータに設けられ前記第２電極に向かって突出した凸部とにより挟持されている、
ことを特徴とする燃料電池（１２、１１２、２１２）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、枠付き電解質膜・電極構造体及び燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。燃料電池は、固体高分子電解質膜の一方の面にアノード電極が、前記固体高分子電解質膜の他方の面にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備える。
【０００３】
電解質膜・電極構造体は、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持されることにより、発電セル（単位燃料電池）が構成されている。発電セルは、所定の数だけ積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。
【０００４】
近年、比較的高価な固体高分子電解質膜の使用量を削減するとともに、薄膜状で強度が低い固体高分子電解質膜を保護するために、外周にフィルム状の樹脂枠部材を組み込んだ枠付きＭＥＡが採用されている（例えば、下記特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第８３９９１５０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
アノードに供給される反応ガスとカソードに供給される反応ガスとの差圧が大きい場合、当該差圧が樹脂枠部材に印加されることにより薄肉の樹脂枠部材が過剰に変形し、樹脂枠部材が損傷を受ける可能性がある。
【０００７】
本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、アノードに供給される反応ガスとカソードに供給される反応ガスの差圧による枠部材の変形を抑止し、枠部材の耐久性を向上させることができる枠付き電解質膜・電極構造体及び燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するため、本発明は、電解質膜の一方の面に第１電極が設けられるとともに前記電解質膜の他方の面に第２電極が設けられてなる電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の外周部に全周に亘って設けられた枠部材と、を備えた枠付き電解質膜・電極構造体であって、前記第２電極の平面寸法は、前記第１電極の平面寸法よりも大きく設定され、前記枠部材は、内周部が電解質膜・電極構造体の外周部に接合された第１枠状シートと、第２枠状シートとを有し、前記第１枠状シートと前記第２枠状シートとが厚さ方向に互いに接合されており、前記第１枠状シートの内周部は、前記第１電極の外周部と前記第２電極の外周部との間に配置され、前記第２枠状シートの内周端は、全周に亘って前記第１電極の外周端よりも外方に位置しており、前記第２電極の外周端は、全周に亘って前記第２枠状シートの内周端よりも外方に位置している。
【０００９】
前記第１枠状シートの内周部は、前記電解質膜の外周部の前記第１電極側の面に接合されていることが好ましい。
【００１０】
前記電解質膜の外周端は、前記第１電極の外周端よりも外方に位置することが好ましい。
【００１１】
前記第１枠状シートの一方面の全面に接着層が設けられ、前記第１枠状シートの外周部は、前記接着層により、前記第２枠状シートの一方面の全面に接合され、前記第１枠状シートの内周部は、前記接着層により、前記電解質膜の外周部に接合されていることが好ましい。
【００１２】
前記第２電極の外周部は、前記第１枠状シートの一方面と前記第２枠状シートの内周端とにより形成される段差部を覆って、前記第２枠状シートの内周端よりも外方に延びることが好ましい。
【００１３】
前記第１電極は、前記第１枠状シートの内周端に対応する部位に段差部を有し、前記第２電極は、前記第２枠状シートの内周端に対応する部位に段差部を有することが好ましい。
【００１４】
前記第１電極は、アノード電極であり、前記第２電極は、カソード電極であることが好ましい。
【００１５】
前記第１枠状シートの内周部は、前記電解質膜の外周部の前記第２電極側の面に接合されていることが好ましい。
【００１６】
前記電解質膜の外周端は、前記電解質膜・電極構造体の厚さ方向から見て、前記第１電極の外周端と同じ位置にあることが好ましい。
【００１７】
前記第１枠状シートの一方面の全面に接着層が設けられ、前記第１枠状シートの外周部は、前記接着層により、前記第２枠状シートの一方面の全面に接合され、前記第１枠状シートの内周部は、前記接着層により、前記電解質膜の外周部に接合されていることが好ましい。
【００１８】
前記第１電極との外周端と前記第２枠状シートの内周端との間には、全周に亘って隙間が形成されていることが好ましい。
【００１９】
前記第１電極は、アノード電極であり、前記第２電極は、カソード電極であることが好ましい。
【００２０】
前記第１枠状シートの内周部は、前記第２枠状シートとは反対側の面において、前記電解質膜の外周部の前記第１電極側の面に接合されていることが好ましい。
【００２１】
前記電解質膜の外周端は、前記電解質膜・電極構造体の厚さ方向から見て、前記第２電極の外周端と同じ位置にあることが好ましい。
【００２２】
前記第１枠状シートの外周部は、前記第１枠状シートの一方面に設けられた第１の接着層により、前記第２枠状シートの一方面の全面に接合され、前記第１枠状シートの内周部は、前記第１枠状シートの他方面に設けられた第２の接着層により、前記電解質膜の外周部に接合されていることが好ましい。
【００２３】
前記第１電極との外周端と前記第２枠状シートの内周端との間には、全周に亘って隙間が形成されていることが好ましい。
【００２４】
前記第１電極は、アノード電極であり、前記第２電極は、カソード電極であることが好ましい。
【００２５】
また、本発明は、電解質膜の一方の面に第１電極が設けられるとともに前記電解質膜の他方の面に第２電極が設けられてなる電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の外周部に全周に亘って設けられた枠部材と、を有する枠付き電解質膜・電極構造体と、前記枠付き電解質膜・電極構造体の両側にそれぞれ積層されたセパレータと、を備えた燃料電池であって、前記第２電極の平面寸法は、前記第１電極の平面寸法よりも大きく設定され、前記枠部材は、内周部が電解質膜・電極構造体の外周部に接合された第１枠状シートと、第２枠状シートとを有し、前記第１枠状シートと前記第２枠状シートとが厚さ方向に互いに接合されており、前記第１枠状シートの内周部は、前記第１電極の外周部と前記第２電極の外周部との間に配置され、前記第２枠状シートの内周端は、全周に亘って前記第１電極の外周端及び前記第１枠状シートの内周端よりも外方に位置しており、前記第２電極の外周端は、全周に亘って前記第２枠状シートの内周端よりも外方に位置している。
【００２６】
各前記セパレータは、反応ガスの漏れを防止するために前記枠部材に向かって突出するビードシールを一体に有し、一方の前記セパレータの前記ビードシールと、他方の前記セパレータの前記ビードシールとが、前記枠部材の前記第１枠状シートと前記第２枠状シートとが重なる領域を厚さ方向の両側から挟持することが好ましい。
【発明の効果】
【００２７】
本発明に係る枠付き電解質膜・電極構造体及び燃料電池によれば、大きい方の電極である第２電極の外周端は、全周に亘って、薄い方の枠状シートである第２枠状シートの内周端よりも外方に位置している。このため、第２電極の外周部により、第１電極の外周端と第２枠状シートの内周端との間に対応する第１枠状シートの部位が支持される。これにより、第１電極側から付与される反応ガスの圧力が第２電極側から付与される反応ガスの圧力よりも高い場合に、第１電極側から付加される差圧に対して枠部材の変形を抑制し、枠部材の耐久性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１実施形態に係る発電セルの要部分解斜視図である。
【図２】図１におけるＩＩ−ＩＩ線に沿った発電セルの断面図である。
【図３】燃料電池システムの全体概略図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る発電セルの断面図である。
【図５】本発明の第３実施形態に係る発電セルの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
（第１実施形態）
図１及び図２に示すように、第１実施形態に係る発電セル（燃料電池）１２は、枠付き電解質膜・電極構造体１０（以下、「枠付きＭＥＡ１０」という）と、枠付きＭＥＡ１０の両側に配置された第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６とを備える。発電セル１２は、例えば、横長（又は縦長）の長方形状の固体高分子型燃料電池である。複数の発電セル１２は、例えば、矢印Ａ方向（水平方向）又は矢印Ｃ方向（重力方向）に積層されて燃料電池スタック１１ａが構成される。燃料電池スタック１１ａは、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池電気自動車（図示せず）に搭載される。
【００３０】
発電セル１２では、枠付きＭＥＡ１０が第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６により挟持される。第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６は、横長（又は縦長）の長方形状を有する。第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板や、カーボン部材等で構成される。
【００３１】
長方形状の枠付きＭＥＡ１０は、電解質膜・電極構造体１０ａ（以下、「ＭＥＡ１０ａ」という）を備える。ＭＥＡ１０ａは、電解質膜１８と、電解質膜１８の一方の面１８ａに設けられたアノード電極２０と、電解質膜１８の他方の面１８ｂに設けられたカソード電極２２とを有する。第１実施形態では、アノード電極２０が本発明の「第１電極」を構成し、カソード電極２２が本発明の「第２電極」を構成する。
【００３２】
電解質膜１８は、例えば、固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜）である。固体高分子電解質膜は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜である。電解質膜１８は、アノード電極２０及びカソード電極２２に挟持される。電解質膜１８は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質を使用することができる。電解質膜１８の外周端１８ｅは、アノード電極２０の外周端２０ｅよりも外方に位置する。
【００３３】
アノード電極２０は、電解質膜１８及びカソード電極２２よりも小さい平面寸法（外形寸法）を有する。従って、アノード電極２０の外周端２０ｅは、全周に亘って、電解質膜１８の外周端１８ｅ及びカソード電極２２の外周端２２ｅよりも内方に位置する。
【００３４】
図２に示すように、アノード電極２０は、電解質膜１８の一方の面１８ａに接合される第１電極触媒層２０ａと、第１電極触媒層２０ａに積層される第１ガス拡散層２０ｂとを有する。第１電極触媒層２０ａ及び第１ガス拡散層２０ｂは、互いに同一の平面寸法を有するとともに、電解質膜１８及びカソード電極２２よりも小さい平面寸法に設定される。
【００３５】
カソード電極２２は、アノード電極２０よりも大きい平面寸法に設定される。カソード電極２２の外周端２２ｅは、全周に亘ってアノード電極２０の外周端２０ｅよりも外方に位置する。
【００３６】
カソード電極２２は、電解質膜１８の面１８ｂに接合される第２電極触媒層２２ａと、第２電極触媒層２２ａに積層される第２ガス拡散層２２ｂとを有する。第２電極触媒層２２ａ及び第２ガス拡散層２２ｂは、互いに同一の平面寸法を有するとともに、電解質膜１８と同じ平面寸法に設定される。なお、第２電極触媒層２２ａ及び第２ガス拡散層２２ｂは、電解質膜１８よりも大きい平面寸法に設定されてもよい。
【００３７】
第１電極触媒層２０ａは、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が、イオン導電性高分子バインダとともに第１ガス拡散層２０ｂの表面に一様に塗布されて形成される。第２電極触媒層２２ａは、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が、イオン導電性高分子バインダとともに第２ガス拡散層２２ｂの表面に一様に塗布されて形成される。
【００３８】
第１ガス拡散層２０ｂ及び第２ガス拡散層２２ｂは、カーボンペーパ又はカーボンクロス等から形成される。第２ガス拡散層２２ｂの平面寸法は、第１ガス拡散層２０ｂの平面寸法よりも大きく設定される。第１電極触媒層２０ａ及び第２電極触媒層２２ａは、各々電解質膜１８の両面に形成される。
【００３９】
枠付きＭＥＡ１０は、電解質膜１８の外周を全周に亘って周回するとともに、アノード電極２０及びカソード電極２２に接合される矩形状の枠部材２４をさらに備える。枠部材２４は、２枚の枠状シートを有する。具体的には、枠部材２４は、内周部２４ａｎがＭＥＡ１０ａの外周部に接合された第１枠状シート２４ａと、第１枠状シート２４ａに接合された第２枠状シート２４ｂとを有する。
【００４０】
第１枠状シート２４ａと第２枠状シート２４ｂとは、接着剤２４ｄからなる接着層２４ｃにより、全周（第２枠状シート２４ｂの第１枠状シート２４ａ側の面の全面）に亘って直接接合される。第２枠状シート２４ｂは、第１枠状シート２４ａの外周部に接合される。これにより、枠部材２４の外周部２４ｇは、枠部材２４の内周部（第１枠状シート２４ａの内周部２４ａｎ）よりも厚く構成される。
【００４１】
第１枠状シート２４ａ及び第２枠状シート２４ｂは樹脂材料により構成される。第１枠状シート２４ａ及び第２枠状シート２４ｂの構成材料としては、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＰＡ（ポリフタルアミド）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＰＥＳ（ポリエーテルサルフォン）、ＬＣＰ（リキッドクリスタルポリマー）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、ｍ−ＰＰＥ（変性ポリフェニレンエーテル樹脂）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）又は変性ポリオレフィン等が挙げられる。
【００４２】
第１枠状シート２４ａの内周部２４ａｎは、アノード電極２０の外周部２０ｃとカソード電極２２の外周部２２ｃとの間に配置される。具体的に、第１枠状シート２４ａの内周部２４ａｎは、電解質膜１８の外周部１８ｃとアノード電極２０の外周部２０ｃとの間に挟持される。第１枠状シート２４ａの内周部２４ａｎは、電解質膜１８のアノード電極２０側の面１８ａに接合される。第１枠状シート２４ａの内周部２４ａｎと電解質膜１８の外周部１８ｃとは、接着層２４ｃを介して接合される。第１枠状シート２４ａの内周部２４ａｎは、ＭＥＡ１０ａの厚さ方向から見て、アノード電極２０の外周部２０ｃと全周に亘って重なる重なり部２４ａｋを有する。なお、第１枠状シート２４ａの内周部２４ａｎは、接着層２４ｃを電解質膜１８の面１８ｂに接合した状態で電解質膜１８とカソード電極２２との間に挟持されてもよい。
【００４３】
アノード電極２０には、第１枠状シート２４ａの内周端２４ａｅに対応する位置に段差部が設けられる。具体的に、アノード電極２０は、第１枠状シート２４ａの内周部２４ａｎに重なる領域２１ａと電解質膜１８に重なる領域２１ｂとの間に、電解質膜１８に対して傾斜した傾斜領域２１ｃを有する。従って、傾斜領域２１ｃでは、第１電極触媒層２０ａ及び第１ガス拡散層２０ｂは、電解質膜１８に対して傾斜する。
【００４４】
アノード電極２０において、第１枠状シート２４ａの内周部２４ａｎに重なる領域２１ａの第１セパレータ１４側の面は、電解質膜１８に重なる領域２１ｂの第１セパレータ１４側の面よりも、電解質膜１８から離間した位置にある。
【００４５】
カソード電極２２には、第２枠状シート２４ｂの内周端２４ｂｅに対応する位置に段差部が設けられる。具体的に、カソード電極２２は、第２枠状シート２４ｂの内周部に重なる領域２３ａと電解質膜１８の外周部１８ｃに重なる領域２３ｂとの間に、第１枠状シート２４ａに対して傾斜した傾斜領域２３ｃを有する。従って、傾斜領域２３ｃでは、第２電極触媒層２２ａ及び第２ガス拡散層２２ｂは、電解質膜１８に対して傾斜する。カソード電極２２の外周部２２ｃは、第１枠状シート２４ａの一方面（面２４ａｓ）と第２枠状シート２４ｂの内周端２４ｂｅとにより形成される段差部を覆って、第２枠状シート２４ｂの内周端２４ｂｅよりも外方に延びる。カソード電極２２において、第２枠状シート２４ｂの内周部に重なる領域２３ａの第２セパレータ１６側の面は、電解質膜１８に重なる領域２３ｂの第２セパレータ１６側の面よりも、第１枠状シート２４ａから離間した位置にある。
【００４６】
アノード電極２０の傾斜領域２１ｃに対応する位置に、カソード電極２２にも傾斜領域が設けられてもよい。すなわち、カソード電極２２は、第１枠状シート２４ａの内周部２４ａｎに重なる領域と電解質膜１８に重なる領域との間に、電解質膜１８に対して傾斜した傾斜領域（傾斜領域２１ｃとは逆方向に傾斜する領域）を有してもよい。
【００４７】
なお、上記構成と異なり、アノード電極２０が、電解質膜１８に重なる領域２１ｂから第１枠状シート２４ａの内周部２４ａｎに重なる領域２１ａに亘って平坦状に形成され、カソード電極２２が、電解質膜１８に重なる領域２３ｂと第１枠状シート２４ａの内周部２４ａｎに重なる領域２３ａとの間に、電解質膜１８に対して傾斜する傾斜領域を有してもよい。
【００４８】
第２枠状シート２４ｂは、第１枠状シート２４ａの外周部に接合される。第２枠状シート２４ｂの厚さＴ２は、第１枠状シート２４ａの厚さＴ１よりも厚い。なお、第２枠状シート２４ｂの厚さは、第１枠状シート２４ａの厚さと同じでもよい。第２枠状シート２４ｂの内周端２４ｂｅは、全周に亘って第１枠状シート２４ａの内周端２４ａｅよりも外方（ＭＥＡ１０ａから離れる方向）に位置する。
【００４９】
第２枠状シート２４ｂの内周端２４ｂｅは、全周に亘って、アノード電極２０の外周端２０ｅよりも外方に位置するとともに、第１枠状シート２４ａの内周端２４ａｅよりも外方に位置する。第２枠状シート２４ｂの内周端２４ｂｅは、電解質膜１８の外周端１８ｅよりも内方に位置する。第２枠状シート２４ｂの内周端２４ｂｅは、電解質膜１８の外周端１８ｅよりも外方に位置してもよい。カソード電極２２の外周端２２ｅは、全周に亘って第２枠状シート２４ｂの内周端２４ｂｅよりも外方に位置する。従って、カソード電極２２の外周部２２ｃは、ＭＥＡ１０ａの厚さ方向からみて、全周に亘って第２枠状シート２４ｂの内周部と重なる重なり部２２ｋを有する。
【００５０】
接着層２４ｃは、第１枠状シート２４ａの第２枠状シート２４ｂ側（カソード側）の面２４ａｓに、全面に亘って設けられる。第１枠状シート２４ａの外周部は、接着層２４ｃにより、第２枠状シート２４ｂの一方面の全面に接合される。第１枠状シート２４ａの内周部２４ａｎは、接着層２４ｃにより、電解質膜１８の外周部１８ｃに接合される。接着層２４ｃを構成する接着剤２４ｄとしては、例えば、液状接着剤やホットメルトシートが設けられる。なお、接着剤２４ｄは、液体や固体、熱可塑性や熱硬化性等に制限されない。
【００５１】
アノード電極２０と第１枠状シート２４ａとカソード電極２２とが重なる重なり部Ｋは、第１セパレータ１４に設けられアノード電極２０に向かって突出した凸部３９と、第２セパレータ１６に設けられカソード電極２２に向かって突出した凸部３７とにより挟持されている。重なり部Ｋは、第１セパレータ１４に設けられたビードシールと、第２セパレータ１６に設けられたビードシールとにより挟持されてもよい。
【００５２】
図１に示すように、発電セル１２の矢印Ｂ方向（水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体入口連通孔３２ａ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔３０ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する一方、冷却媒体入口連通孔３２ａは、冷却媒体を供給する。燃料ガス出口連通孔３４ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体入口連通孔３２ａ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂは、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００５３】
発電セル１２の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給する燃料ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体を排出する冷却媒体出口連通孔３２ｂ、及び酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口連通孔３０ｂが設けられる。燃料ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体出口連通孔３２ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂは、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００５４】
第１セパレータ１４の枠付きＭＥＡ１０に向かう面１４ａには、燃料ガス入口連通孔３４ａと燃料ガス出口連通孔３４ｂとに連通する燃料ガス流路３８が設けられる。具体的に、燃料ガス流路３８は、第１セパレータ１４と枠付きＭＥＡ１０との間に形成される。燃料ガス流路３８は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の直線状流路溝（又は波状流路溝）を有する。
【００５５】
第２セパレータ１６の枠付きＭＥＡ１０に向かう面１６ａには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとに連通する酸化剤ガス流路３６が設けられる。具体的に、酸化剤ガス流路３６は、第２セパレータ１６と枠付きＭＥＡ１０との間に形成される。酸化剤ガス流路３６は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の直線状流路溝（又は波状流路溝）を有する。
【００５６】
互いに隣接する第１セパレータ１４の面１４ｂと第２セパレータ１６の面１６ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔３２ａと冷却媒体出口連通孔３２ｂとに連通する冷却媒体流路４０が、矢印Ｂ方向に延在して形成される。
【００５７】
図２に示すように、第１セパレータ１４の面１４ａ（枠付きＭＥＡ１０と対向する面）には、燃料ガス流路３８を形成する凸部３９が複数設けられる。凸部３９は、アノード電極２０側に向かって膨出するとともにアノード電極２０に当接する。第２セパレータ１６の面１６ａ（枠付きＭＥＡ１０と対向する面）には、酸化剤ガス流路３６を形成する凸部３７が複数設けられる。凸部３７は、カソード電極２２側に向かって膨出するとともにカソード電極２２に当接する。凸部３７、３９間に、ＭＥＡ１０ａが挟持される。
【００５８】
第１セパレータ１４の面１４ａには、燃料ガスの外部への漏れを防止するため、第１セパレータ１４の外周部を周回する複数本のビードシール４２が設けられる。ビードシール４２は、プレス成形により、枠部材２４に向かって膨出成形される。内側のビードシール４２は、燃料ガス流路３８、燃料ガス入口連通孔３４ａ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂを周回し且つこれらを連通させる。ビードシール４２は本実施形態では２本設けられているが、１本のみ設けられてもよい。
【００５９】
ビードシール４２の凸部先端面には、樹脂材４３（又はゴム材）が印刷又は塗布等により固着される。ビードシール４２は、樹脂材４３を介して、第１枠状シート２４ａ（第２枠状シート２４ｂと重なる領域）に気密及び液密に当接する。樹脂材４３は、第１枠状シート２４ａに固着されてもよい。
【００６０】
第１セパレータ１４には、ビードシール４２に代えて、枠部材２４に向かって突出する弾性体からなる凸状シール部が設けられてもよい。
【００６１】
ビードシール４２よりも内方（ＭＥＡ１０ａ側）で、第１セパレータ１４と枠部材２４との間に形成された流路３８ａは、燃料ガス流路３８と連通する。従って、当該流路３８ａには、燃料ガスが供給される。
【００６２】
第２セパレータ１６の面１６ａには、酸化剤ガスの外部への漏れを防止するため、第２セパレータ１６の外周部を周回するビードシール４４が設けられる。ビードシール４４は、プレス成形により、枠部材２４に向かって膨出成形される。内側のビードシール４４は、酸化剤ガス流路３６、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂを周回し且つこれらを連通させる。ビードシール４４は、本実施形態では２本設けられているが、１本のみ設けられてもよい。
【００６３】
ビードシール４４の凸部先端面には、樹脂材４５（又はゴム材）が印刷又は塗布等により固着される。ビードシール４４は、樹脂材４５を介して、第２枠状シート２４ｂ（第１枠状シート２４ａと重なる領域）に気密及び液密に当接する。樹脂材４５は、第２枠状シート２４ｂに固着されてもよい。
【００６４】
第２セパレータ１６には、ビードシール４４に代えて、枠部材２４に向かって突出する弾性体からなる凸状シール部が設けられてもよい。
【００６５】
樹脂材４３、４５は、例えば、ポリエステル繊維、シリコーン、ＥＰＤＭ、ＦＫＭ等が使用される。樹脂材４３、４５は、不可欠ではなく、なくてもよい（この場合、ビードシール４２は第１枠状シート２４ａに直接当接し、ビードシール４４は第２枠状シート２４ｂに直接当接する）。
【００６６】
ビードシール４２とビードシール４４は枠部材２４を介して対向する。枠部材２４の外周部（第１枠状シート２４ａと第２枠状シート２４ｂとが重なった領域）は、第１セパレータ１４のビードシール４２と、第２セパレータ１６のビードシール４４との間に挟持される。なお、第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６に上記凸状シール部が設けられる場合、枠部材２４の外周部（第１枠状シート２４ａと第２枠状シート２４ｂとが重なった領域）は、第１セパレータ１４の凸状シール部と、第２セパレータ１６の凸状シール部との間に挟持される。
【００６７】
ビードシール４４よりも内方（ＭＥＡ１０ａ側）で、第２セパレータ１６と枠部材２４との間に形成された流路３６ａは、酸化剤ガス流路３６と連通する。従って、当該流路３６ａには、酸化剤ガスが供給される。
【００６８】
図３において、燃料電池システム１１は、上述した燃料電池スタック１１ａと、燃料電池スタック１１ａに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置５０と、燃料電池スタック１１ａに燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置５２と、燃料電池スタック１１ａに冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置５４とを備える。
【００６９】
酸化剤ガス供給装置５０は、燃料電池スタック１１ａに設けられた酸化剤ガス供給マニホールド５８ａを介して酸化剤ガス入口連通孔３０ａ（図１参照）に連通する酸化剤ガス供給配管６４ａと、燃料電池スタック１１ａに設けられた酸化剤ガス排出マニホールド５８ｂを介して酸化剤ガス出口連通孔３０ｂ（図１参照）に連通する酸化剤ガス排出配管６４ｂとを有する。酸化剤ガス供給配管６４ａには、エアポンプ６６が配設される。酸化剤ガス排出配管６４ｂには、圧力調整背圧弁６８が配設される。
【００７０】
酸化剤ガス供給配管６４ａ及び酸化剤ガス排出配管６４ｂには、加湿器６７が配設される。加湿器６７としては、供給する空気を加湿できればよく、構造は特に限定されない。酸化剤ガス供給配管６４ａにおいて、エアポンプ６６は加湿器６７よりも上流側に配設される。酸化剤ガス排出配管６４ｂにおいて、加湿器６７よりも下流側には、圧力調整背圧弁６８が配設される。燃料電池システム１１の制御部７０は、例えば、エアポンプ６６の動作速度と圧力調整背圧弁６８の弁開度の少なくとも一方を制御することにより、酸化剤ガス流路３６を流通する酸化剤ガスの圧力と流量を制御する。
【００７１】
燃料ガス供給装置５２は、燃料電池スタック１１ａに設けられた燃料ガス供給マニホールド６０ａを介して燃料ガス入口連通孔３４ａ（図１参照）に連通する燃料ガス供給配管７２ａと、燃料電池スタック１１ａに設けられた燃料ガス排出マニホールド６０ｂを介して燃料ガス出口連通孔３４ｂ（図１参照）に連通する燃料ガス排出配管７２ｂとを有する。
【００７２】
燃料ガス供給配管７２ａの上流には、高圧水素を貯留する水素タンク７４が配置される。燃料ガス供給配管７２ａにおいて、燃料ガス供給マニホールド６０ａと水素タンク７４との間には、封止弁７６、圧力調整弁７７及びエゼクタ７８が配設される。エゼクタ７８と燃料ガス排出配管７２ｂには、水素循環路８０が接続される。水素循環路８０には、水素循環用の水素ポンプ８２が配設される。制御部７０は、水素ポンプ８２の駆動速度を制御することにより、燃料ガス流路３８を流通する燃料ガスの流量を制御する。
【００７３】
冷却媒体供給装置５４は、燃料電池スタック１１ａに冷却媒体を循環供給する冷却媒体循環路８４を備える。冷却媒体循環路８４は、燃料電池スタック１１ａに設けられた冷却媒体供給マニホールド６２ａを介して冷却媒体入口連通孔３２ａ（図１参照）に連通するとともに、冷却媒体排出マニホールド６２ｂを介して冷却媒体出口連通孔３２ｂ（図１参照）に連通する。冷却媒体循環路８４には、ラジエータ８６及び冷却ポンプ８８が配置される。
【００７４】
このように構成される発電セル１２（燃料電池スタック１１ａ）を含む燃料電池システム１１の動作を説明する。
【００７５】
図３に示すように、酸化剤ガス供給装置５０では、エアポンプ６６の駆動作用下に、酸化剤ガス供給配管６４ａに空気が送られる。この空気は、加湿器６７を通って加湿された後、酸化剤ガス供給マニホールド５８ａを介して酸化剤ガス入口連通孔３０ａ（図１参照）に供給される。加湿器６７は、酸化剤ガス排出マニホールド５８ｂから排出された水分と熱を、供給される空気に添加する。一方、燃料ガス供給装置５２では、封止弁７６の開放作用下に、水素タンク７４から燃料ガス供給配管７２ａに燃料ガスが供給される。この際、圧力調整弁７７で圧力調整（減圧）された燃料ガスと、水素ポンプ８２からの燃料ガスとが、エゼクタ７８で合流し、燃料ガス供給マニホールド６０ａへと導かれる。この燃料ガスは、燃料ガス供給マニホールド６０ａを介して燃料ガス入口連通孔３４ａ（図１参照）に供給される。また、冷却媒体供給装置５４では、冷却ポンプ８８の作用下に、冷却媒体循環路８４から冷却媒体入口連通孔３２ａ（図１参照）に冷却媒体が供給される。その際、冷却媒体は、冷却媒体供給マニホールド６２ａから燃料電池スタック１１ａ内に設けられた冷却媒体流路４０に供給される。冷却媒体流路４０を通った冷却媒体は、冷却媒体排出マニホールド６２ｂから燃料電池スタック１１ａ外の冷却媒体循環路８４へと排出され、ラジエータ８６にて冷却された後、冷却ポンプ８８にて再び冷却媒体供給マニホールド６２ａへと送給される。
【００７６】
従って、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３０ａには、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔３４ａには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔３２ａには、純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
【００７７】
このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａから第２セパレータ１６の酸化剤ガス流路３６に導入され、矢印Ｂ方向に移動してＭＥＡ１０ａのカソード電極２２に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３４ａから第１セパレータ１４の燃料ガス流路３８に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路３８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、ＭＥＡ１０ａのアノード電極２０に供給される。
【００７８】
従って、ＭＥＡ１０ａでは、カソード電極２２に供給される酸化剤ガスと、アノード電極２０に供給される燃料ガスとが、第２電極触媒層２２ａ及び第１電極触媒層２０ａ内で電気化学反応により消費されて、発電が行われる。
【００７９】
この場合、燃料ガス流路３８に供給される第１反応ガス（燃料ガス）の圧力は、酸化剤ガス流路３６に供給される第２反応ガス（酸化剤ガス）の圧力よりも高く設定される。従って、図２において、第１セパレータ１４と枠部材２４の間に形成された流路３８ａは、第２反応ガスよりも高い圧力に設定された第１反応ガスを流通させる。このため、流路３６ａと流路３８ａとの間に配置された枠部材２４には、第１枠状シート２４ａ側から第２枠状シート２４ｂ側（すなわち、第１セパレータ１４側から第２セパレータ１６側）に向かって、差圧Ｐが作用する。差圧Ｐは、例えば、５〜３００ｋＰａであり、好ましくは１０〜２００ｋｐａである。
【００８０】
次いで、図１において、カソード電極２２に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード電極２０に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔３４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。燃料ガス出口連通孔３４ｂを通った燃料ガスは、燃料ガス排出マニホールド６０ｂから排出される。
【００８１】
また、冷却媒体入口連通孔３２ａに供給された冷却媒体は、第１セパレータ１４と第２セパレータ１６との間の冷却媒体流路４０に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、ＭＥＡ１０ａを冷却した後、冷却媒体出口連通孔３２ｂから排出される。
【００８２】
第１実施形態に係る枠付きＭＥＡ１０及び発電セル１２は、以下の効果を奏する。
【００８３】
枠付きＭＥＡ１０では、大きい方の電極（カソード電極２２）の外周端２２ｅは、全周に亘って、内周が大きい方の枠状シート（第２枠状シート２４ｂ）の内周端よりも外方に位置している。このため、カソード電極２２の外周部２２ｃにより、アノード電極２０の外周端２０ｅと第２枠状シート２４ｂの内周端２４ｂｅとの間に対応する第１枠状シート２４ａの部位（第１枠状シート２４ａのうち、第２枠状シート２４ｂに重ならない部位）が支持される。これにより、アノード側から付加される差圧Ｐに対して枠部材２４の変形を抑制し、枠部材２４の耐久性を向上させることができる。
【００８４】
発電セル１２において、第１及び第２セパレータ１４、１６は、反応ガスの漏れを防止するために枠部材２４に向かって突出するビードシール４２、４４をそれぞれ一体に有し、第１セパレータ１４のビードシール４２と、第２セパレータ１６のビードシール４４とが、枠部材２４の第１枠状シート２４ａと第２枠状シート２４ｂとが重なる領域を厚さ方向の両側から挟持する。この構成により、相対的に厚い枠部材２４の外周部をビードシール４２、４４間で挟持するため適切なシール面圧を得ることができるとともに、相対的に薄い枠部材２４の内周部をアノード電極２０及びカソード電極２２間に配置するため枠部材２４とＭＥＡ１０ａとの接合部の厚みを抑制することができる。
【００８５】
（第２実施形態）
図４に示すように、第２実施形態に係る発電セル（燃料電池）１１２は、枠付き電解質膜・電極構造体１１０（以下、「枠付きＭＥＡ１１０」という）と、枠付きＭＥＡ１１０の両側に配置された第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６とを備える。なお、以下の説明において、第２実施形態の構成要素のうち特に言及しないものについては、第１実施形態の同一名称を付した構成要素と同様に構成されているものとする。
【００８６】
長方形状の枠付きＭＥＡ１１０は、電解質膜・電極構造体１１０ａ（以下、「ＭＥＡ１１０ａ」という）と、ＭＥＡ１１０ａの外周部に接合された枠部材２４とを備える。ＭＥＡ１１０ａは、電解質膜１８と、電解質膜１８の一方の面１８ａに設けられたアノード電極１２０と、電解質膜１８の他方の面１８ｂに設けられたカソード電極１２２とを有する。第２実施形態では、アノード電極１２０が本発明の「第１電極」を構成し、カソード電極１２２が本発明の「第２電極」を構成する。電解質膜１８の外周端１８ｅは、ＭＥＡ１１０ａの厚さ方向から見て、アノード電極１２０の外周端１２０ｅと同じ位置にある。
【００８７】
アノード電極１２０は、電解質膜１８の一方の面１８ａに接合される第１電極触媒層１２０ａと、第１電極触媒層１２０ａに積層される第１ガス拡散層１２０ｂとを有する。アノード電極１２０は、全面に亘って電解質膜１８と平行である。
【００８８】
カソード電極１２２は、電解質膜１８の面１８ｂに接合される第２電極触媒層１２２ａと、第２電極触媒層１２２ａに積層される第２ガス拡散層１２２ｂとを有する。カソード電極１２２は、電解質膜１８及びアノード電極１２０よりも大きい平面寸法に設定される。従って、カソード電極１２２の外周端１２２ｅは、全周に亘ってアノード電極１２０の外周端１２０ｅよりも外方に位置する。
【００８９】
カソード電極１２２には、第１枠状シート２４ａの内周端２４ａｅに対応する位置に段差部が設けられる。具体的に、カソード電極１２２は、第１枠状シート２４ａの内周部２４ａｎに重なる領域１２３ａと電解質膜１８の外周部１８ｃに重なる領域１２３ｂとの間に、電解質膜１８に対して傾斜した傾斜領域１２３ｃを有する。カソード電極１２２において、第１枠状シート２４ａの内周部２４ａｎに重なる領域１２３ａの第２セパレータ１６側の面は、電解質膜１８に重なる領域１２３ｂの第２セパレータ１６側の面よりも、電解質膜１８から離間した位置にある。
【００９０】
カソード電極１２２の外周端１２２ｅは、全周に亘って第２枠状シート２４ｂの内周端２４ｂｅよりも外方に位置する。従って、カソード電極１２２の外周部１２２ｃは、ＭＥＡ１１０ａの厚さ方向からみて、全周に亘って第２枠状シート２４ｂの内周部と重なる重なり部１２２ｋを有する。
【００９１】
第２実施形態において、厚さが同じ又は薄い方（内周が小さい方）の枠状シートである第１枠状シート２４ａは、カソード側（第２セパレータ１６側）に配置され、厚い方の枠状シートである第２枠状シート２４ｂは、アノード側（第１セパレータ１４側）に配置される。第１枠状シート２４ａの内周部２４ａｎは、アノード電極１２０の外周部１２０ｃとカソード電極１２２の外周部１２２ｃとの間に配置される。
【００９２】
第１枠状シート２４ａと第２枠状シート２４ｂとは、全周（第２枠状シート２４ｂの第１枠状シート２４ａ側の面の全面）に亘って接着層２４ｃにより直接接合される。第１枠状シート２４ａの内周部２４ａｎは、接着層２４ｃにより電解質膜１８の外周部１８ｃのカソード電極１２２側の面に接合される。第１枠状シート２４ａの内周部２４ａｎは、接着層２４ｃにより電解質膜１８の外周部１８ｃに接合される。
【００９３】
第２枠状シート２４ｂの内周端２４ｂｅは、全周に亘ってアノード電極１２０の外周端１２０ｅよりも外方に位置する。従って、アノード電極１２０との外周端１２０ｅと第２枠状シート２４ｂの内周端２４ｂｅとの間には、全周に亘って隙間Ｇが形成される。
【００９４】
上記のように、第２実施形態に係る枠付きＭＥＡ１１０及び発電セル１１２では、大きい方の電極（カソード電極１２２）の外周端１２２ｅは、全周に亘って、薄い方の枠状シート（第１枠状シート２４ａ）の内周端よりも外方に位置している。このため、カソード電極１２２の外周部１２２ｃにより、アノード電極１２０の外周端１２０ｅと第２枠状シート２４ｂの内周端２４ｂｅとの間に対応する第１枠状シート２４ａの部位（第１枠状シート２４ａのうち、第２枠状シート２４ｂに重ならない部位）が支持される。これにより、第２実施形態によっても、第１実施形態と同様に、アノード側から付加される差圧Ｐに対して枠部材２４の変形を抑制し、枠部材２４の耐久性を向上させることができる。その他、第２実施形態において、第１実施形態と同様の構成部分については、第１実施形態と同様の効果が得られる。
【００９５】
（第３実施形態）
図５に示すように、第３実施形態に係る発電セル（燃料電池）２１２は、枠付き電解質膜・電極構造体２１０（以下、「枠付きＭＥＡ２１０」という）と、枠付きＭＥＡ２１０の両側に配置された第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６とを備える。なお、以下の説明において、第３実施形態の構成要素のうち特に言及しないものについては、第１実施形態の同一名称を付した構成要素と同様に構成されているものとする。
【００９６】
長方形状の枠付きＭＥＡ２１０は、電解質膜・電極構造体２１０ａ（以下、「ＭＥＡ２１０ａ」という）と、ＭＥＡ２１０ａの外周部に接合された枠部材２２４とを備える。ＭＥＡ２１０ａは、電解質膜１８と、電解質膜１８の一方の面１８ａに設けられたアノード電極２２０と、電解質膜１８の他方の面１８ｂに設けられたカソード電極２２２とを有する。第３実施形態では、アノード電極２２０が本発明の「第１電極」を構成し、カソード電極２２２が本発明の「第２電極」を構成する。電解質膜１８の外周端１８ｅは、ＭＥＡ２１０ａの厚さ方向から見て、カソード電極２２２の外周端２２２ｅと同じ位置にある。
【００９７】
アノード電極２２０は、電解質膜１８の一方の面１８ａに接合される第１電極触媒層２２０ａと、第１電極触媒層２２０ａに積層される第１ガス拡散層２２０ｂとを有する。アノード電極２２０には、第１枠状シート２４ａの内周端２４ａｅに対応する位置に段差部が設けられる。具体的に、アノード電極２２０は、第１枠状シート２４ａの内周部２４ａｎに重なる領域２２１ａと電解質膜１８に重なる領域２２１ｂとの間に、電解質膜１８に対して傾斜した傾斜領域２２１ｃを有する。従って、傾斜領域２２１ｃでは、第１電極触媒層２２０ａ及び第１ガス拡散層２２０ｂは、電解質膜１８に対して傾斜する。
【００９８】
アノード電極２２０において、第１枠状シート２４ａの内周部２４ａｎに重なる領域２２１ａの第１セパレータ１４側の面は、電解質膜１８に重なる領域２２１ｂの第１セパレータ１４側の面よりも、電解質膜１８から離間した位置にある。
【００９９】
カソード電極２２２は、電解質膜１８の他方の面１８ｂに接合される第２電極触媒層２２２ａと、第２電極触媒層２２２ａに積層される第２ガス拡散層２２２ｂとを有する。カソード電極２２２は、アノード電極２２０よりも大きい平面寸法に設定される。従って、カソード電極２２２の外周端２２２ｅは、全周に亘ってアノード電極２２０の外周端２２０ｅよりも外方に位置する。電解質膜１８は、カソード電極２２２と同じ平面寸法を有する。
【０１００】
カソード電極２２２は、第１枠状シート２４ａの内周部２４ａｎに重なる領域２２３ａから電解質膜１８の内方（領域２２３ｂ）に亘って、平坦状に形成される。
【０１０１】
カソード電極２２２の外周端２２２ｅは、全周に亘って第２枠状シート２４ｂの内周端２４ｂｅよりも外方に位置する。従って、カソード電極２２２の外周部２２２ｃは、ＭＥＡ２１０ａの厚さ方向からみて、全周に亘って第２枠状シート２４ｂの内周部と重なる重なり部２２２ｋを有する。
【０１０２】
第３実施形態において、厚さが同じ又は薄い方（内周が小さい方）の枠状シートである第１枠状シート２４ａは、カソード側（第２セパレータ１６側）に配置され、厚い方の枠状シートである第２枠状シート２４ｂは、アノード側（第１セパレータ１４側）に配置される。第１枠状シート２４ａの内周部２４ａｎは、アノード電極２２０の外周部２２０ｃとカソード電極２２２の外周部２２２ｃとの間に配置される。
【０１０３】
第１枠状シート２４ａと第２枠状シート２４ｂとは、全周に亘って第１の接着層２４ｅにより直接接合される。具体的に、第１枠状シート２４ａの外周部は、第１枠状シート２４ａの一方面に設けられた第１の接着層２４ｅにより、第２枠状シート２４ｂの一方面の全面に接合される。第１の接着層２４ｅは、第１枠状シート２４ａの一方面の外周部を周回する枠状に設けられる。第１の接着層２４ｅの内端２４ｅｎは、アノード電極２２０の外周端２２０ｅよりも外方且つ第２枠状シート２４ｂの内周端２４ｂｅよりも内方に位置する。
【０１０４】
第１枠状シート２４ａの内周部２４ａｎは、第２の接着層２４ｆにより電解質膜１８の外周部１８ｃのアノード電極２２０側の面１８ａに接合される。第１枠状シート２４ａの内周部２４ａｎは、第１枠状シート２４ａの他方面（第２枠状シート２４ｂとは反対側の面）に設けられた第２の接着層２４ｆにより、電解質膜１８の外周部１８ｃのアノード電極２２０側の面に接合される。
【０１０５】
第２枠状シート２４ｂの内周端２４ｂｅは、全周に亘ってアノード電極２２０の外周端２２０ｅよりも外方に位置する。従って、アノード電極２２０との外周端２２０ｅと第２枠状シート２４ｂの内周端２４ｂｅとの間には、全周に亘って隙間Ｇが形成される。
【０１０６】
上記のように、第３実施形態に係る枠付きＭＥＡ２１０及び発電セル２１２では、大きい方の電極（カソード電極２２２）の外周端２２２ｅは、全周に亘って、薄い方の枠状シート（第１枠状シート２４ａ）の内周端２４ａｅよりも外方に位置している。このため、カソード電極２２２の外周部２２２ｃにより、アノード電極２２０の外周端２２０ｅと第２枠状シート２４ｂの内周端２４ｂｅとの間に対応する第１枠状シート２４ａの部位（第１枠状シート２４ａのうち、第２枠状シート２４ｂに重ならない部位）が支持される。これにより、第３実施形態によっても、第１実施形態と同様に、アノード側から付加される反応ガスの差圧Ｐに対して枠部材２２４の変形を抑制し、枠部材２２４の耐久性を向上させることができる。その他、第３実施形態において、第１実施形態と同様の構成部分については、第１実施形態と同様の効果が得られる。
【０１０７】
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改変が可能である。
【符号の説明】
【０１０８】
１０ａ、１１０ａ、２１０ａ…電解質膜・電極構造体
１０、１１０、２１０…枠付き電解質膜・電極構造体
２４、２２４…枠部材                  ２４ａ…第１枠状シート
２４ｂ…第２枠状シート                ２４ｃ…接着層
Ｇ…隙間
【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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