(57)【要約】【課題】従来の燃料電池用単セルでは、膜電極接合体と樹脂フレームとの接合部に応力集中が生じる可能性が残るという問題点があった。【解決手段】燃料電池スタックＳを構成する燃料電池用単セルＣであって、電解質膜１を電極層２，３で挟持した膜電極接合体Ｍと、膜電極接合体Ｍの周囲のフレームＦと、フレームＦ及び膜電極接合体Ｍとの間にガス流路Ｇを形成するセパレータ４と、少なくとも電解質膜１とフレームＦとの接合部を含む領域ＡＰを厚さ方向に拘束する接合部拘束手段と、前記接合部を含む領域ＡＰに対して厚さ方向に押圧力を付与する押圧力付与手段を備えた構成とし、電解質膜１の膨潤及び収縮や、アノード側とカソード側とのガスの差圧などが生じても、少なくとも電解質膜１とフレームＦとの接合部Ｐ２を含む領域ＡＰを充分に保持して応力集中を防ぐようにした。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数枚を積層して燃料電池スタックを構成する燃料電池用単セルであって、
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形成したフレームと、
フレーム及び膜電極接合体との間にガス流路を形成する一対のセパレータと、
膜電極接合体のうちの少なくとも電解質膜とフレームとの接合部を含む領域を厚さ方向に拘束する接合部拘束手段と、
前記接合部を含む領域に対して厚さ方向に押圧力を付与する押圧力付与手段を備えたことを特徴とする燃料電池用単セル。
【請求項２】
前記接合部拘束手段が、セパレータの一部、及び電極層の表面側に配置される多孔体により構成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用単セル。
【請求項３】
膜電極接合体とフレームとの接合部を、ガス流路のガス流れ方向に沿って有することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池用単セル。
【請求項４】
膜電極接合体とフレームとの接合部を、ガス流路のガス流れ方向に交差する方向に沿って有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池用単セル。
【請求項５】
前記接合部拘束手段を構成する多孔体が、金属製多孔体であることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の燃料電池用単セル。
【請求項６】
前記押圧力付与手段が、燃料電池スタックにおいて単セル同士の間に介装されるばね機構であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池用単セル。
【請求項７】
前記ばね機構のばね定数が、２０００Ｎ／ｃｍ以上であることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池用単セル。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池用単セルを積層して成ることを特徴とする燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数枚を積層して燃料電池スタックを構成する燃料電池用単セルに関し、とくに、周囲にフレームを有する膜電極接合体を備えた燃料電池用単セルに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種の燃料電池用単セルとしては、燃料電池及びその製造方法の名称で特許文献１に記載されているものがある。特許文献１に記載の燃料電池は、周囲に樹脂フレームを有する膜電極接合体（ＭＥＡ）を備えている。膜電極接合体は、電解質膜の一方の面に、カソード側の触媒層及び拡散層を積層すると共に、他方の面に、アノード側の触媒層及び拡散層を備えており、その周縁部を挟むように樹脂フレームが形成されている。
【０００３】
そして、燃料電池は、上記のフレーム及び膜電極接合体をカソード側及びアノード側のセパレータで挟持した構造になっている。この燃料電池は、複数枚を積層し、その積層方向に所定荷重を付与した状態にして燃料電池スタックを構成する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１４６８７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、この種の燃料電池用単セルでは、互いに異種材料である膜電極接合体と樹脂フレームとを一体化しているため、電解質膜の膨潤及び収縮や、アノード側とカソード側とのガスの差圧などによって膜電極接合体と樹脂フレームとの接合部に応力集中が生じると、膜電極接合体を破損するおそれがある。とくに、膜電極接合体において比較的弱い電解質膜を破損するおそれがある。
【０００６】
これに対して、特許文献１の燃料電池は、一対のセパレータによって膜電極接合体と樹脂フレームとの接合部を挟持した構造ではあるものの、厚さ方向において接合部を充分に拘束し得るものではなく、依然として接合部に応力集中が生じる可能性があることから、このような問題点を解決することが課題であった。
【０００７】
本発明は、上記従来の課題に着目して成されたもので、周囲にフレームを有する膜電極接合体を備えた燃料電池用単セルであって、少なくとも電解質膜とフレームとの接合部を含む領域に応力集中が生じるのを防ぐことができる燃料電池用単セルを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る燃料電池用単セルは、複数枚を積層して燃料電池スタックを構成する燃料電池用単セルであって、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形成したフレームと、フレーム及び膜電極接合体との間にガス流路を形成する一対のセパレータとを備えている。そして、上記単セルは、膜電極接合体のうちの少なくとも電解質膜とフレームとの接合部を含む領域を厚さ方向に拘束する接合部拘束手段と、前記接合部を含む領域に対して厚さ方向に押圧力を付与する押圧力付与手段を備えた構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の燃料電池用単セルは、接合部拘束手段により、膜電極接合体のうちの少なくとも電解質膜とフレームとの接合部を含む領域を厚さ方向に拘束すると共に、押圧力付与手段により、接合部を含む領域に対して厚さ方向に押圧力を付与することから、電解質膜の膨潤及び収縮や、アノード側とカソード側とのガスの差圧などが生じても、少なくとも電解質膜とフレームとの接合部を含む領域を保持するとともに変位を吸収して、同領域に応力集中が生じるのを防ぐことができ、その結果、膜電極接合体を保護し得る。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の燃料電池用単セルを備えた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】第１実施形態を説明する単セルの要部の断面図（Ａ）及び膜電極接合体の拡大図（Ｂ）である。
【図３】単セルの平面図である。
【図４】ばね機構のばね定数と発生応力低減率との関係を示すグラフである。
【図５】第２実施形態を説明する単セルの平面図（Ａ）及び単セルの要部の断面図（Ｂ）である。
【図６】図３に示す押圧力付与手段としてのばね機構を説明する斜視図である。
【図７】第３実施形態を説明する単セルの平面図（Ａ）及び単セルの要部の断面図（Ｂ）である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
〈第１実施形態〉
図１に示す燃料電池ＦＣは、矩形板状の燃料電池用単セル（以下、「単セル」とする。）Ｃを複数枚積層して成る積層体（燃料電池スタック）Ｓを備えている。この燃料電池ＦＣは、積層体Ｓの積層方向の一端部（図１Ｂ中で右側端部）に、集電板５４Ａ及びスペーサ５５を介してエンドプレート５６Ａが設けてあると共に、他端部に、集電板５４Ｂを介してエンドプレート５６Ｂが設けてある。また、燃料電池ＦＣは、積層体Ｓに対し、単セルＣの長辺側となる両面（図１Ｂ中で上下面）に、締結板５７Ａ，５７Ｂが設けてあると共に、短辺側となる両面に、補強板５８Ａ，５８Ｂが設けてある。
【００１２】
そして、燃料電池ＦＣは、各締結板５７Ａ，５７Ｂ及び補強板５８Ａ，５８ＢをボルトＢにより両エンドプレート５６Ａ，５６Ｂに連結する。これにより、燃料電池ＦＣは、図１（Ａ）に示すケース一体型構造となり、積層体Ｓをその積層方向に拘束・加圧して個々の単セル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。
【００１３】
上記の燃料電池ＦＣにおいて、積層体Ｓを構成する単セルＣは、図２に示すように、電
解質膜１を一対の電極層２，３で挟持した構造を有する膜電極接合体Ｍと、膜電極接合体Ｍの周囲に形成したフレームＦと、フレームＦ及び膜電極接合体Ｍとの間でガス流路Ｇ，Ｇを形成する一対のセパレータ４，４を備えている。
【００１４】
膜電極接合体Ｍは、いわゆるＭＥＡ（Membrane  Electrode Assembly)であって、固体高分子から成る電解質膜１をアノード側及びカソード側の電極層２，３で挟持したものである。フレームＦは、樹脂製であって、例えば射出成形により、膜電極接合体１と一体化してある。アノード側及びカソード側の電極層２，３については、後に詳しく述べる。
【００１５】
各セパレータ４，４は、例えばステンレス製であって、図１（Ｂ）に示すように、膜電極接合体Ｍに対応する中央領域が波形状に形成されている。このとき、セパレータ４は、波形状の断面が長辺方向に連続したものとなっていて、この波形状の断面によって膜電極接合体Ｍとの間に長辺方向に連続するガス流路Ｇ，Ｇを夫々形成する。
【００１６】
また、各セパレータ４は、例えばプレス加工により表裏反転形状に形成されている。したがって、各セパレータ４は、膜電極接合体Ｍ側となるセル内面側では、凸部により膜電極接合体Ｍに接触すると共に、凹部によりガス流路Ｇを形成している。セル外面側では、セル内面側の凸部及び凹部の部分が、逆に凹部及び凸部になっている。
【００１７】
膜電極接合体ＭのフレームＦ、及び各セパレータ４は、図３に示すように、両側の短辺に沿って、反応用ガス及び冷却用流体を夫々流通させるためののマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ３，Ｈ４〜Ｈ６を有している。反応用ガスは、アノードガス（水素含有ガス）とカソードガス（空気）であり、冷却用流体は一例として水である。
【００１８】
図３の左側に示す一方の短辺側において、各マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ３は、上側から、アノードガス供給用（Ｈ１）、冷却用流体排出用（Ｈ２）及びカソードガス排出用（Ｈ３）であり、積層方向に互いに連通して夫々の流路を形成する。また、図３の右側に示す他方の短辺側において、各マニホールド穴Ｈ４〜Ｈ６は、上側から、カソードガス供給用（Ｈ４）、冷却用流体供給用（Ｈ５）及びアノードガス排出用（Ｈ６）であり、積層方向に互いに連通して夫々の流路を形成する。これらのマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６は、上記構成に対し、流体の種類や供給及び排出の位置関係などを変更することが可能である。
【００１９】
また、セパレータ４とフレームＦの縁部同士の間や、マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６の周囲には、ガスシール（図示せず）が設けてある。単セルＣを複数枚を積層した状態では、単セルＣ同士すなわち隣接するセパレータ４同士の間にもガスシールを設ける。このガスシールは、個々の層間において、カソードガス、アノードガス及び冷却用流体の夫々の流通域を気密的に分離すると共に、その層間に所定の流体が流れるように、該当するマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６の周縁部の適当な箇所に開口を有する。
【００２０】
上記燃料電池ＦＣを構成する単セルＣにおいて、膜電極接合体Ｍの各電極層２，３は、図２（Ｂ）に示すように、電解質膜１側から、触媒層２Ａ，３Ａと、多孔質体から成る第１ガス拡散層２Ｂ，３Ｂと、金属多孔体から成る第２ガス拡散層２Ｃ，３Ｃを順に備えている。
【００２１】
第１ガス拡散層２Ｂ，３Ｂは、例えばカーボン材料で形成してある。この第１ガス拡散層２Ｂ，３Ｂは、具体的には、カーボン繊維のランダムな積層体をバインダで固め、ＰＴＦＥ等の撥水処理を施したものや、カーボンブラック等の凝集体をＰＴＦＥ等のバインダで焼結したものである。
【００２２】
第２ガス拡散層２Ｃ，３Ｃは、第１ガス拡散層を形成する多孔質体とは区別される金属多孔体であり、導電性を有する。この第２ガス拡散層２Ｃ，３Ｃには、鉄、ステンレス鋼、アルミニウム及びアルミニウム合金、クロム及びクロム合金、ニッケル及びニッケル合金、並びにマグネシウム及びマグネシウム合金のうちのいずれか１種類以上の金属を用いることができる。また、第２ガス拡散層２Ｃ，３Ｃは、具体的な形態として、金網、パンチングメタル、エッチングメタル、及びエキスパンドメタル等であり、この実施形態では、図（Ｂ）に示す如く金網である。
【００２３】
ここで、この実施形態の単セルＣにおける膜電極接合体Ｍは、図２に示すように、各層の端部が面内方向（図２で左右方向となる面に沿う方向）にずれた配置になっている。すなわち、電解質膜１の端部に対し、上側のアノード側の触媒層２Ａの端部は、内側（図２で左側）に位置している。下側のカソード側の触媒層３Ａの端部は、電解質膜１の端部と同じ位置である。
【００２４】
また、電解質膜１の端部に対し、アノード側の第１及び第２のガス拡散層２Ｂ，２Ｃの端部、並びにカソード側の第１及び第２のガス拡散層３Ｂ，３Ｃの端部は、外側（図２で右側）に位置し、且つ互いに同じ位置である。なお、アノード側及びカソード側は、上下逆でも構わない。フレームＦは、上記の如く各層の端部がずれている膜電極接合体Ｍに対して一体的に形成してある。
【００２５】
上記の単セルＣは、膜電極接合体Ｍ、フレームＦ及びセパレータ４に加えて、膜電極接合体Ｍのうちの少なくとも電解質膜１とフレームＦとの接合部を含む領域を厚さ方向に拘束する接合部拘束手段と、前記接合部を含む領域に対して厚さ方向に押圧力を付与する押圧力付与手段を備えている。
【００２６】
この実施形態の単セルＣは、膜電極接合体ＭとフレームＦとの接合部全体のうち、膜電極接合体Ｍのアクティブエリア（発電エリア）とフレームＦとの接合部に対して、接合部拘束手段及び押圧力付与手段を備えたものとなっている。膜電極接合体Ｍのアクティブエリアとは、少なくとも電解質膜１と両触媒層２Ａ，３Ａで構成されるエリアである。
【００２７】
したがって、この実施形態で対象となる接合部は、図２（Ｂ）に示すように、アノード側触媒層２ＡとフレームＦとの接合部Ｐ１と、電解質膜１及びカソード側触媒層３ＡとフレームＦとの接合部Ｐ２である。よって、接合部拘束手段は、両接合部Ｐ１，Ｐ２を含む領域ＡＰを厚さ方向に拘束する。また、押圧力付与手段は、両接合部Ｐ１，Ｐ２を含む領域ＡＰに対して厚さ方向に押圧力を付与する。
【００２８】
接合部拘束手段は、セパレータ４の一部、及び電極層２，３の表面側に配置される少なくとも一層の多孔体により構成されており、その多孔体が金属製多孔体である。具体的には、接合部拘束手段は、図２（Ａ）に示すセパレータ４のセル内面側の凸部４Ａと、両接合部Ｐ１，Ｐ２よりも外側に延出する第１及び第２のガス拡散層２Ｂ，２Ｃ，３Ｂ，３Ｃにより構成されている。第２のガス拡散層２Ｃ，３Ｃは、先述したように金属多孔体（金網）である。この実施形態では、第２のガス拡散層２Ｃ，３Ｃとともに第２のガス拡散層２Ｂ，３Ｂも接合部拘束手段を構成している。
【００２９】
また、押圧力付与手段は、積層体（燃料電池スタック）Ｓにおいて単セルＣ同士の間に介装されるばね機構５であり、ばね機構５のばね定数が、２０００Ｎ／ｃｍ以上であるものとしている。ばね機構５は、図２（Ａ）に示すように、基板５Ａに多数のばね機能部５Ｂを所定間隔で配列したものであって、前記押圧力付与手段と、単セルＣの積層方向に荷重を付与する手段を兼用している。なお、積層体Ｓにおいて、単セルＣ同士の間には冷却用流体の流路Ｒが形成される。
【００３０】
ばね機構５におけるばね機能部５Ｂは、例えば、基端を固定端とし且つ先端を自由端とした舌片状の板ばねである。そして、ばね機構５は、表裏反転形状であるセパレータ４のセル内面側の凸部４Ａ、すなわちセル外面側の凹部の底面に接触するばね機能部５Ｂを有し、これにより、押圧力付与手段として、両接合部Ｐ１，Ｐ２を含む領域ＡＰに対して厚さ方向に押圧力を付与する。
【００３１】
上記の構成を備えた単セルＣは、膜電極接合体ＭとフレームＦとの接合部全体のうちの最も弱い部分、すなわち少なくとも電解質膜１とフレームＦとの接合部Ｐ２を含む領域ＡＰに対して、接合部拘束手段及び押圧力付与手段を設けているので、電解質膜１の膨潤及び収縮や、アノード側とカソード側とのガスの差圧などが生じても、少なくとも電解質膜１とフレームＦとの接合部Ｐ２を含む領域ＡＰに応力集中が生じるのを防止することができる。
【００３２】
また、この実施形態の単セルＣでは、電解質膜１とフレームＦとの接合部Ｐ２だけでなく、膜電極接合体Ｍのアクティブエリア（発電エリア）とフレームＦとの接合部Ｐ１，Ｐ２における応力集中を防止している。
【００３３】
より具体的には、接合部拘束手段としてのセパレータ４の凸部４Ａと、第１及び第２のガス拡散層２Ｂ，２Ｃ，３Ｂ，３Ｃとにより、両接合部Ｐ１，Ｐ２を含む領域ＡＰを厚さ方向に拘束し、且つ、押圧力付与手段としてのばね機構５により前記領域ＡＰに対して厚さ方向に押圧力を付与しているので、電解質膜１の膨潤及び収縮や、アノード側とカソード側とのガスの差圧などが生じても、両接合部Ｐ１，Ｐ２を含む領域ＡＰを充分に保持して応力集中を防ぐことができ、その結果、膜電極接合体Ｍを保護し得るものとなる。
【００３４】
また、上記の単セルＣは、接合部拘束手段を、セパレータ４の一部、及び電極層２，３の表面側に配置される多孔体により構成したので、既存の構成部品を利用して、両接合部Ｐ１，Ｐ２を含む領域ＡＰの応力集中を防止する効果を得ることができ、製造コストの低減などにも貢献することができる。
【００３５】
さらに、上記の単セルＣは、接合部拘束手段を構成する多孔体が、金属製多孔体（第２ガス拡散層２Ｃ，３Ｃ）であるから、電極層２，３の表面の剛性が高められ、この金属多孔体に押圧力付与手段の押圧力を作用させるので、両接合部Ｐ１，Ｐ２を保持する機能のさらなる向上を実現することができる。
【００３６】
さらに、上記の単セルＣは、押圧力付与手段が、積層体Ｓにおいて単セルＣ同士の間（流路Ｒ）に介装されるばね機構５であるから、積層方向に荷重を付与する手段と押圧力付与手段とを共通の部品で構成することが可能となる。これにより、特別な部品を用いることなく、両接合部Ｐ１，Ｐ２を充分に保持して応力集中を防止する効果を得ることができ、製造コストの低減などにも貢献することができる。
【００３７】
さらに、上記の単セルＣは、図４に示すように、接合部Ｐ１，Ｐ２における発生応力を低減することができる。図４は、ばね機構５のばね定数と発生応力低減率との関係を示すグラフである。上記の単セルＣでは、ばね機構５のばね定数を２０００Ｎ／ｃｍ以上としている。これは、図４から明らかなように、ばね定数を２０００Ｎ／ｃｍ以上にすると、応力集中の感度（発生応力低減率の変化）が小さくなり、安定した保持機能が得られるからである。
【００３８】
そして、上記の単セルＣを積層して成る燃料電池スタック（積層体Ｓ）は、各単セルＣにおいて膜電極接合体Ｍが保護され、良好な発電性能を長期にわたって維持することができ、このほか、部品点数の削減や製造コストの低減などを実現することができる。
【００３９】
〈第２実施形態〉
図５及び図６は、本発明の第２実施形態を説明する図である。なお、以下実施形態において、第１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。
【００４０】
図５（Ａ）に示す単セルＣは、膜電極接合体Ｍとフレーム１との接合部Ｐを、図中矢印で示すガス流路のガス流れ方向に沿って有している。
【００４１】
この単セルＣは、図５（Ｂ）に示すように、接合部Ｐにおいて、膜電極接合体Ｍを形成する各層の端部が、第１実施形態とは異なり、電解質膜１の端部に対して、アノード側及びカソード側の触媒層２Ａ，３Ａの端部が内側（図５左側）に位置している。また、電解質膜１の端部に対して、第１及び第２のガス拡散層２Ｂ，２Ｃ，３Ｂ，３Ｃの端部が外側に位置している。なお、膜電極接合体Ｍとセパレータ４の周縁部同士の間は、シール材６により封止されている。
【００４２】
そして、この実施形態の単セルＣは、膜電極接合体Ｍのうちの少なくとも電解質膜１とフレームＦとの接合部Ｐ３と、触媒層２Ａ，３ＡとフレームＦとの接合部Ｐ４，Ｐ５を含む領域ＡＰを厚さ方向に拘束する接合部拘束手段と、前記接合部を含む領域に対して厚さ方向に押圧力を付与する押圧力付与手段を備えている。上記の接合部Ｐ３〜Ｐ５は、第１実施形態と同様に、膜電極接合体Ｍのアクティブエリア（発電エリア）とフレームＦとの接合部である。
【００４３】
接合部拘束手段は、セパレータ４の一部、及び電極層２，３の表面側に配置される金属製の多孔体により構成されている。具体的には、接合部拘束手段は、セパレータ４のセル内面側の凸部４Ａと、接合部Ｐ３〜Ｐ５よりも外側に延出する第１及び第２のガス拡散層２Ｂ，２Ｃ，３Ｂ，３Ｃにより構成されている。
【００４４】
ここで、積層時に隣接する単セルＣ同士の間、すなわち図５（Ｂ）中で隣接するセパレータ４，４同士の間には、冷却用流体の流路Ｒが形成されている。この流路Ｒにおける冷却用流体の流れ方向は、図５（Ａ）に示すガス流れ方向と同様で、図５（Ｂ）においては紙面垂直方向である。
【００４５】
また、押圧力付与手段は、積層体（燃料電池スタック）Ｓにおいて単セルＣ同士の間に介装されるばね機構１５である。このばね機構１５は、図６に示すように、基板１５Ａに、舌片状のばね機能部１５Ｂを縦横に配列したものである。また、ばね機構１５は、基板１５Ａの側部に、基板１５Ａに連続する延出部１５Ｃと、延出部１５Ｃに連続して上側及び下側に曲成したばね片１５Ｄ，１５Ｅとを所定間隔で有している。そして、ばね機構１５は、隣接するセパレータ４，４の間において、セル内面側の凸部４Ａの裏側となる凹部同士の間に、延出部１５Ｃ及び上下のばね片１５Ｄ，１５Ｅを配置している。
【００４６】
上記のばね機構１５は、積層体（燃料電池スタック）Ｓにおいて、単セルＣ同士の間（流路Ｒ）に介装することで、前記押圧力付与手段と、積層方向に荷重を付与する手段を兼用している。
【００４７】
また、ばね機構１５における延出部１５Ｃ及びばね片１５Ｄ，１５Ｅは、冷却用流体の流路Ｒにおいて、同流体の脇流れを抑制する。つまり、上記の流路Ｒは、アクティブエリアの両側に、前記凸部４Ａの裏側となる凹部同士の空間を有しているので、この空間に冷却用流体が流れ易くなって、いわゆる脇流れが生じ、アクティブエリアの冷却効率が低下するおそれがある。
【００４８】
これに対して、ばね機構１５は、延出部１５Ｃ及びばね片１５Ｄ，１５Ｅを障害物として上記空間に配置することで、冷却用流体が主にアクティブエリアに流れるようにしており、しかも、延出部１５Ｃ及びばね片１５Ｄ，１５Ｅを押圧力付与手段として接合部を含む領域ＡＰに対して厚さ方向に押圧力を付与している。
【００４９】
上記構成を備えた単セルＣは、ガス流路のガス流れ方向に沿って存在する膜電極接合体Ｍとフレーム１との接合部Ｐにおいて、電解質膜１の膨潤及び収縮や、アノード側とカソード側とのガスの差圧などが生じても、少なくとも電解質膜１とフレームＦとの接合部Ｐ３を含む領域ＡＰを充分に保持して応力集中を防ぐことができ、その結果、膜電極接合体Ｍを保護し得るものとなる。
【００５０】
また、単セルＣは、押圧力付与手段と積層方向に荷重を付与する手段とが共通のばね機構１５により構成されるので、特別な部品を用いることなく、接合部Ｐ３〜Ｐ５を充分に保持して応力集中を防止する効果を得ることができ、製造コストの低減などにも貢献することができる。
【００５１】
〈第３実施形態〉
図７（Ａ）に示す単セルＣは、膜電極接合体Ｍとフレーム１との接合部Ｐを、図中矢印で示すガス流路のガス流れ方向に交差する方向（図７で上下方向）に沿って有しており、図７（Ｂ）に示すように、第２実施形態と同様の基本構成を備えたものである。なお、図７（Ｂ）は、セパレータ４のセル内側面の凸部の位置での断面図である。したがって、図７（Ｂ）には表れないセル内側面の凹部によってガス流路が形成され、セパレータ４のセル外側には冷却用流体の流路Ｒが形成される。反応用ガスや冷却用流体の流れ方向は、図５（Ｂ）において左右方向である。
【００５２】
上記構成を備えた単セルＣは、先の実施形態と同様に、電解質膜１の膨潤及び収縮や、アノード側とカソード側とのガスの差圧などが生じても、少なくとも電解質膜１とフレームＦとの接合部Ｐ３を含む領域ＡＰを充分に保持して応力集中を防ぐことができ、その結果、膜電極接合体Ｍを保護し得るものとなる。また、単セルＣは、ばね機構１５の採用により、特別な部品を用いることなく、接合部Ｐ３〜Ｐ５を含む領域ＡＰを充分に保持して応力集中を防止する効果を得ることができ、しかも、製造コストの低減などにも貢献することができる。
【００５３】
本発明に係る燃料電池用単セルは、その構成が上記各実施形態のみ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で、各構成部位の細部を変更することが可能である。例えば、単セルは、各電極層を構成する層の数や材料を変更することができる。さらに、接合部拘束手段は、各実施形態では電極層の表面側を形成する多孔体を採用した場合を説明したが、電極層とは部材を用いることも可能である。さらに、押圧力付与手段にあっても、各実施形態に示したばね機構以外の部品を使用することができる。
【符号の説明】
【００５４】
Ｃ  燃料電池用単セル
Ｆ  フレーム
Ｇ  ガス流路
Ｍ  膜電極接合体
Ｐ，Ｐ１〜Ｐ５  接合部
Ｒ  冷却用流体の流路
Ｓ  積層体（燃料電池スタック）
１  電解質膜
２  アノード側の電極層
２Ａ，３Ａ  触媒層
２Ｂ，３Ｂ  第１ガス拡散層（接合部拘束手段）
２Ｃ，３Ｃ  第２ガス拡散層（接合部拘束手段：金属多孔体）
３  カソード側の電極層
４  セパレータ
４Ａ  セパレータの凸部（接合部拘束手段）
５，１５  ばね機構（押圧力付与手段）
【図１】
2015018659.tif 000003
【図２】
2015018659.tif 000004
【図３】
2015018659.tif 000005
【図４】
2015018659.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
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