(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜の一方の面には、第１電極触媒層及び第１ガス拡散層を有する第１電極が設けられ、前記固体高分子電解質膜の他方の面には、第２電極触媒層及び第２ガス拡散層を有する第２電極が設けられるとともに、前記第１電極の平面寸法は、前記第２電極の平面寸法よりも大きな寸法に設定される長方形状の段差ＭＥＡと、
前記固体高分子電解質膜の外周を周回して設けられる長方形状の樹脂枠部材と、
を備える燃料電池用の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体であって、
前記樹脂枠部材は、前記第２電極側に膨出する内側膨出部を有し、
前記第２ガス拡散層の外周端部と前記内側膨出部の内周端部との間には、クリアランス部が形成される一方、
前記固体高分子電解質膜は、ロール状固体高分子電解質膜を切断して使用されるとともに、前記ロール状固体高分子電解質膜の巻き取り方向の膨潤・収縮の寸法変化が前記巻き取り方向に直交する幅方向の膨潤・収縮の寸法変化よりも大きく、
前記ロール状固体高分子電解質膜の前記巻き取り方向が、前記樹脂枠部材の短辺方向に一致することを特徴とする樹脂枠付き電解質膜・電極構造体。
【請求項２】
請求項１記載の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体において、前記第１電極は、燃料ガスが供給されるアノード電極である一方、
前記第２電極は、酸化剤ガスが供給されるカソード電極であり、
前記第１電極に供給される前記燃料ガスの供給圧力は、前記第２電極に供給される前記酸化剤ガスの供給圧力よりも大きな圧力に設定されることを特徴とする樹脂枠付き電解質膜・電極構造体。
【請求項３】
請求項１又は２記載の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体と長方形状のセパレータとを備える燃料電池であって、
前記セパレータは、前記樹脂枠部材の一方の短辺に隣接し、酸化剤ガスを前記樹脂枠付き電解質膜・電極構造体と該セパレータとの積層方向に流通させる酸化剤ガス入口連通孔を設けるとともに、
前記樹脂枠部材の他方の短辺に隣接し、前記酸化剤ガスを前記積層方向に流通させる酸化剤ガス出口連通孔を設けることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子電解質膜を第１電極及び第２電極で挟んだ長方形状の電解質膜・電極構造体と、前記固体高分子電解質膜の外周を周回する長方形状の樹脂枠部材とを備える燃料電池用の樹脂枠付き電解質膜・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）を備えている。アノード電極及びカソード電極は、それぞれ触媒層（電極触媒層）とガス拡散層（多孔質カーボン）とを有している。
【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。この発電セルは、所定の数だけ積層することにより、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】
電解質膜・電極構造体では、一方のガス拡散層が固体高分子電解質膜よりも小さな平面寸法に設定されるとともに、他方のガス拡散層が前記固体高分子電解質膜と同一の平面寸法に設定される、所謂、段差ＭＥＡを構成する場合がある。その際、比較的高価な固体高分子電解質膜の使用量を削減させるとともに、薄膜状で強度が低い前記固体高分子電解質膜を保護するために、外周に樹脂枠部材を組み込んだ樹脂枠付きＭＥＡが採用されている。
【０００５】
樹脂枠付きＭＥＡとして、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体が知られている。この燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体では、固体高分子電解質膜の一方の面には、第１電極が設けられ、前記固体高分子電解質膜の他方の面には、第２電極が設けられている。第１電極の平面寸法は、第２電極の平面寸法よりも大きな寸法に設定されるとともに、固体高分子電解質膜の外周を周回して、樹脂枠部材が設けられている。
【０００６】
樹脂枠部材は、内周基端部から第２電極側に膨出する薄肉状の内側膨出部を有し、前記内側膨出部には、電解質膜・電極構造体との当接部位を周回して接着剤が塗布される接着剤塗布部が設けられている。そして、樹脂枠部材の内周基端部には、第１電極の外周端部に樹脂材を含浸させることにより、前記第１電極と前記樹脂枠部材とが一体化された樹脂含浸部が設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１５−６０６２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、樹脂枠部材と電解質膜・電極構造体とを接合する際に、前記樹脂枠部材の内側膨出部と第２電極の外周端部との間には、クリアランス部（隙間）が発生し易い。
【０００９】
その際、樹脂枠部材には、温度によって寸法変化が発生する一方、固体高分子電解質膜は、湿度変化（固体高分子電解質膜が保持する水分量の変化）によって膨潤及び収縮する場合が多い。
【００１０】
特に、固体高分子電解質膜は、方向によって寸法の変化率が異なる場合がある。例えば、固体高分子電解質膜を連続して製膜する際、乾燥工程及び巻き取り工程で応力が発生している。このため、固体高分子電解質膜には、送り方向（巻き取り方向）とこれに直交する幅方向とで、強度特性に異方性が惹起されてしまう。従って、固体高分子電解質膜は、送り方向と幅方向とで膨潤及び収縮による寸法変化が異なっている。
【００１１】
これにより、樹脂枠部材の変形や固体高分子電解質膜の膨潤・収縮による寸法変化によって、前記固体高分子電解質膜が大きく引張されるおそれがある。このため、クリアランス部では、例えば、アノード電極への燃料ガスの供給圧力とカソード電極への酸化剤ガスの供給圧力との差圧により、固体高分子電解質膜が座屈するように変形し易いという問題がある。
【００１２】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、樹脂枠部材の寸法変化及び固体高分子電解質膜の寸法変化に影響されることがなく、簡単な構成で、前記固体高分子電解質膜の変形を良好に抑制することが可能な樹脂枠付き電解質膜・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】
【００１３】
本発明に係る燃料電池用の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体は、長方形状の段差ＭＥＡと、長方形状の樹脂枠部材とを備えている。段差ＭＥＡは、固体高分子電解質膜の一方の面に、第１電極触媒層及び第１ガス拡散層を有する第１電極が設けられ、前記固体高分子電解質膜の他方の面に、第２電極触媒層及び第２ガス拡散層を有する第２電極が設けられている。第１電極の平面寸法は、第２電極の平面寸法よりも大きな寸法に設定されている。樹脂枠部材は、固体高分子電解質膜の外周を周回して設けられている。
【００１４】
そして、樹脂枠部材は、第２電極側に膨出する内側膨出部を有し、第２ガス拡散層の外周端部と前記内側膨出部の内周端部との間には、クリアランス部が形成されている。一方、固体高分子電解質膜は、ロール状固体高分子電解質膜を切断して使用されるとともに、前記ロール状固体高分子電解質膜の巻き取り方向の膨潤・収縮の寸法変化が前記巻き取り方向に直交する幅方向の膨潤・収縮の寸法変化よりも大きく、前記ロール状固体高分子電解質膜の前記巻き取り方向が、樹脂枠部材の短辺方向に一致している。
【００１５】
また、第１電極は、燃料ガスが供給されるアノード電極である一方、第２電極は、酸化剤ガスが供給されるカソード電極であることが好ましい。その際、第１電極に供給される燃料ガスの供給圧力は、第２電極に供給される酸化剤ガスの供給圧力よりも大きな圧力に設定されることが好ましい。
【００１６】
さらに、本発明に係る燃料電池は、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体と長方形状のセパレータとを備えている。セパレータは、樹脂枠部材の一方の短辺に隣接し、酸化剤ガスを樹脂枠付き電解質膜・電極構造体と該セパレータとの積層方向に流通させる酸化剤ガス入口連通孔を設けている。セパレータは、樹脂枠部材の他方の短辺に隣接し、酸化剤ガスを積層方向に流通させる酸化剤ガス出口連通孔を設けている。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、固体高分子電解質膜は、ロール状固体高分子電解質膜の巻き取り方向と、樹脂枠部材の短辺方向とが一致している。このため、樹脂枠部材の寸法変化率の大きな方向と、固体高分子電解質膜の寸法変化率の小さな方向とが一致している。従って、樹脂枠部材は、温度変化によって長辺方向に比較的大きく寸法変化する際、固体高分子電解質膜は、湿度変化によって前記樹脂枠部材の前記長辺方向よりも該樹脂枠部材の短辺方向に大きく膨潤・収縮している。
【００１８】
これにより、クリアランス部において、固体高分子電解質膜には、樹脂枠部材の長辺方向に沿って大きな引張力が作用することがない。このため、樹脂枠部材の寸法変化及び固体高分子電解質膜の寸法変化に影響されることがなく、簡単な構成で、前記固体高分子電解質膜の変形を良好に抑制することが可能になる。従って、固体高分子電解質膜の機械的な劣化を確実に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態に係る樹脂枠付き電解質膜・電極構造体が組み込まれる固体高分子型発電セルの要部分解斜視説明図である。
【図２】前記発電セルの、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。
【図３】前記樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を構成する樹脂枠部材の要部断面説明図である。
【図４】前記樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の正面説明図である。
【図５】ロール状固体高分子電解質膜の斜視説明図である。
【図６】樹脂枠部材の内周面の各部位における固体高分子電解質膜のΔ含水量の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１及び図２に示すように、本発明の実施形態に係る樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０は、横長（又は縦長）の長方形状の固体高分子型発電セル（燃料電池）１２に組み込まれる。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が構成される。燃料電池スタックは、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。
【００２１】
発電セル１２は、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０を第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６で挟持する。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。
【００２２】
長方形状の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０は、長方形状の段差ＭＥＡ１０ａを備える。図２に示すように、段差ＭＥＡ１０ａは、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜）１８を有する。固体高分子電解質膜１８は、アノード電極（第１電極）２０及びカソード電極（第２電極）２２に挟持される。固体高分子電解質膜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。
【００２３】
カソード電極２２は、固体高分子電解質膜１８及びアノード電極２０よりも小さな平面寸法（外形寸法）を有する。なお、上記の構成に代えて、アノード電極２０は、固体高分子電解質膜１８及びカソード電極２２よりも小さな平面寸法を有するように構成してもよい。その際、アノード電極２０は、第２電極となり、カソード電極２２は、第１電極となる。
【００２４】
アノード電極２０は、固体高分子電解質膜１８の一方の面１８ａに接合される第１電極触媒層２０ａと、前記第１電極触媒層２０ａに積層される第１ガス拡散層２０ｂとを設ける。第１電極触媒層２０ａ及び第１ガス拡散層２０ｂは、同一の平面寸法を有するとともに、固体高分子電解質膜１８と同一（又は同一未満）の平面寸法に設定される。
【００２５】
カソード電極２２は、固体高分子電解質膜１８の面１８ｂに接合される第２電極触媒層２２ａと、前記第２電極触媒層２２ａに積層される第２ガス拡散層２２ｂとを設ける。第２電極触媒層２２ａは、第２ガス拡散層２２ｂの外周端部２２ｂｅから外方に突出しており、前記第２ガス拡散層２２ｂよりも大きな平面寸法を有するとともに、固体高分子電解質膜１８よりも小さな平面寸法に設定される。
【００２６】
なお、第２電極触媒層２２ａと第２ガス拡散層２２ｂとは、同一の平面寸法に設定されてもよく、前記第２電極触媒層２２ａは、前記第２ガス拡散層２２ｂよりも小さな平面寸法を有してもよい。
【００２７】
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、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、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。
【００２８】
第１ガス拡散層２０ｂは、多孔性と導電性を有するマイクロポーラス層２０ｂ（ｍ）と、カーボンペーパ又はカーボンクロス等のカーボン層２０ｂ（ｃ）とから形成される。第２ガス拡散層２２ｂは、マイクロポーラス層２２ｂ（ｍ）と、カーボンペーパ又はカーボンクロス等のカーボン層２２ｂ（ｃ）とから形成される。
【００２９】
第２ガス拡散層２２ｂの平面寸法は、第１ガス拡散層２０ｂの平面寸法よりも小さく設定される。第１電極触媒層２０ａ及び第２電極触媒層２２ａは、固体高分子電解質膜１８の両面に形成される。なお、マイクロポーラス層２０ｂ（ｍ）、２２ｂ（ｍ）は、必要に応じて用いればよく、不要にすることもできる。
【００３０】
樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０は、固体高分子電解質膜１８の外周を周回するとともに、アノード電極２０及びカソード電極２２に接合される樹脂枠部材２４を備える。なお、樹脂枠部材２４に代えて、均一な厚さを有する樹脂フィルムを用いてもよい。
【００３１】
樹脂枠部材２４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、又はｍ−ＰＰＥ（変性ポリフェニレンエーテル樹脂）等で構成される。樹脂枠部材２４は、さらに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で構成される。
【００３２】
図１及び図３に示すように、樹脂枠部材２４は、長方形の枠形状を有する。樹脂枠部材２４は、図２及び図３に示すように、内周基端部２４ｓから段部を介してカソード電極２２側に膨出する薄肉状に形成された内側膨出部２４ａを有する。内側膨出部２４ａは、内周基端部２４ｓから内方に所定の長さを有して延在し、固体高分子電解質膜１８の外周面部１８ｂｅを覆って配置される。内側膨出部２４ａは、内側角部にＲ（湾曲面）が設けられる内周長辺２４ａＢ１、２４ａＢ２と内周短辺２４ａＣ１、２４ａＣ２とを有する（図３参照）。
【００３３】
図３及び図４に示すように、内周長辺２４ａＢ１は、樹脂枠部材２４の長手方向（矢印Ｂ方向）に延在する内周の上辺であり、内周長辺２４ａＢ２は、前記樹脂枠部材２４の長手方向に延在する内周の下辺である。内周短辺２４ａＣ１は、樹脂枠部材２４の短手方向（矢印Ｃ方向）に延在する内周の一方の側辺であり、内周短辺２４ａＣ２は、前記樹脂枠部材２４の短手方向に延在する内周の他方の側辺である。
【００３４】
図２に示すように、内側膨出部２４ａと段差ＭＥＡ１０ａとの間には、充填室２５が設けられるとともに、前記充填室２５には、接着剤層２６が形成される。接着剤層２６には、接着剤として、例えば、液状シールやホットメルト剤が設けられる。なお、接着剤としては、液体や固体、熱可塑性や熱硬化性等に制限されない。
【００３５】
図４に示すように、第２ガス拡散層２２ｂの外周端部２２ｂｅと内側膨出部２４ａの内周長辺２４ａＢ１、２４ａＢ２及び内周短辺２４ａＣ１、２４ａＣ２との間には、それぞれ距離Ｓだけ離間して枠形状のクリアランス部ＣＬが形成される。クリアランス部ＣＬの幅寸法は、内周長辺２４ａＢ１、２４ａＢ２と内周短辺２４ａＣ１、２４ａＣ２とにおいて、それぞれ同一の距離Ｓに設定されているが、それぞれ異なる幅寸法に設定されてもよい。
【００３６】
本実施形態では、固体高分子電解質膜１８は、製膜ライン（図示せず）により連続して製造されている。製膜ラインでは、パーフルオロスルホン酸のポリマー溶液が供給され、前記ポリマー溶液が乾燥工程で乾燥処理された後、巻き取り工程でロール状に巻回され、ロール状固体高分子電解質膜１８Ｒが製造されている（図５参照）。
【００３７】
ロール状固体高分子電解質膜１８Ｒには、乾燥工程及び巻き取り工程で応力が発生しており、巻き取り方向（送り方向）（以下、ＭＤ方向ともいう）と、前記ＭＤ方向に直交する幅方向（以下、ＴＤ方向ともいう）との物性に異方性が生じている。具体的には、固体高分子電解質膜１８は、ＭＤ方向の膨潤・収縮の寸法変化が、ＴＤ方向の膨潤・収縮の寸法変化よりも大きい。
【００３８】
固体高分子電解質膜１８は、ロール状固体高分子電解質膜１８Ｒを所定の長さ毎に切断して使用される。後述するように、ロール状固体高分子電解質膜１８Ｒの巻き取り方向（ＭＤ方向）は、樹脂枠部材２４の短辺方向（矢印Ｃ方向）に一致する（図４参照）。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
第２セパレータ１６の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０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、矢印Ｂ方向に延在して設けられる。
【００４２】
第１セパレータ１４の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０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、矢印Ｂ方向に延在して形成される。燃料ガス流路３８を流通する燃料ガスの供給圧力は、酸化剤ガス流路３６を流通する酸化剤ガスの供給圧力よりも大きな圧力に設定される。段差ＭＥＡ１０ａでは、アノード電極２０とカソード電極２２との間に、反応ガス供給圧力の差による差圧（極間差圧）が惹起される。酸化剤ガスと燃料ガスとは、固体高分子電解質膜１８を挟んで対向して流通する（対向流）。
【００４３】
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。
【００４４】
図１及び図２に示すように、第１セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、この第１セパレータ１４の外周端部を周回して、第１シール部材４２が一体化される。第２セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、この第２セパレータ１６の外周端部を周回して、第２シール部材４４が一体化される。
【００４５】
図２に示すように、第１シール部材４２は、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１０を構成する樹脂枠部材２４に当接する第１凸状シール４２ａと、第２セパレータ１６の第２シール部材４４に当接する第２凸状シール４２ｂとを有する。第２シール部材４４は、第２凸状シール４２ｂに当接する面がセパレータ面に沿って平面状に延在する平面シールを構成する。なお、第２凸状シール４２ｂに代えて、第２シール部材４４に凸状シール（図示せず）を設けてもよい。
【００４６】
第１シール部材４２及び第２シール部材４４には、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材等の弾性を有するシール部材が用いられる。
【００４７】
このように構成される発電セル１２の動作について、以下に説明する。
【００４８】
先ず、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。
【００４９】
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方向に移動して段差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、段差ＭＥＡ１０ａのアノード電極２０に供給される。
【００５０】
従って、段差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。
【００５１】
次いで、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。
【００５２】
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、段差ＭＥＡ１０ａを冷却した後、冷却媒体出口連通孔３２ｂから排出される。
【００５３】
この場合、本実施形態では、図４に示すように、クリアランス部ＣＬは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａに近接し且つ矢印Ｃ方向に延在する短辺部位４６ａを有する。クリアランス部ＣＬは、矢印Ｂ方向に延在する上下一対の長辺部位４６ｂと、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに近接し且つ矢印Ｃ方向に延在する短辺部位４６ｃとを有する。
【００５４】
図６には、短辺部位４６ａ、長辺部位４６ｂ及び短辺部位４６ｃにおける固体高分子電解質膜１８のΔ含水量の関係が示されている。Δ含水量とは、発電開始時から発電終了時までの間において、固体高分子電解質膜１８が保持する水分量の最大値から最小値を引いた値である。これにより、酸化剤ガス入口連通孔３０ａに隣接する短辺部位４６ａは、最も環境変化（Δ含水量）が厳しく、前記短辺部位４６ａに配置される固体高分子電解質膜１８の部位は、他の部位に比べて膨潤・収縮による寸法変化が大きくなっている。
【００５５】
そこで、図４に示すように、固体高分子電解質膜１８のＭＤ方向と、前記固体高分子電解質膜１８のΔ含水量の最も少ない辺である短辺部位４６ｃとを一致させる。換言すれば、ロール状固体高分子電解質膜１８Ｒの巻き取り方向（ＭＤ方向）は、樹脂枠部材２４の短辺方向（矢印Ｃ方向）に一致している。
【００５６】
このように、固体高分子電解質膜１８は、膨潤・収縮による寸法変化が大きいＭＤ方向と、樹脂枠部材２４の寸法変化の小さな短辺方向とが一致している。従って、樹脂枠部材２４は、温度変化によって長辺方向に比較的大きく寸法変化する際、固体高分子電解質膜１８は、湿度変化によって前記樹脂枠部材２４の長辺方向よりも該樹脂枠部材２４の短辺方向に大きく膨潤・収縮している。
【００５７】
これにより、クリアランス部ＣＬにおいて、固体高分子電解質膜１８には、樹脂枠部材２４の長辺方向に沿って大きな引張力が作用することがない。このため、樹脂枠部材２４の寸法変化及び固体高分子電解質膜１８の寸法変化に影響されることがなく、簡単な構成で、前記固体高分子電解質膜１８の変形を良好に抑制することが可能になる。
【００５８】
特に、段差ＭＥＡ１０ａでは、アノード電極２０とカソード電極２２との間に、反応ガス供給圧力の差による差圧（極間差圧）が惹起されている。しかしながら、固体高分子電解質膜１８は、クリアランス部ＣＬにおいて、差圧により座屈するように変形すると確実に阻止することができる。従って、固体高分子電解質膜１８の機械的な劣化を確実に防止することが可能になるという効果が得られる。
【符号の説明】
【００５９】
１０…樹脂枠付き電解質膜・電極構造体    １０ａ…段差ＭＥＡ
１２…発電セル                          １４、１６…セパレータ
１８…固体高分子電解質膜                １８ｂｅ…外周面部
１８Ｒ…ロール状固体高分子電解質膜      ２０…アノード電極
２０ａ、２２ａ…電極触媒層              ２０ｂ、２２ｂ…ガス拡散層
２２ｂｅ…外周端部                      ２２…カソード電極
２４…樹脂枠部材                        ２４ａ…内側膨出部
２４ａＢ１、２４ａＢ２…内周長辺        ２４ａＣ１、２４ａＣ２…内周短辺
２６…接着剤層                          ３０ａ…酸化剤ガス入口連通孔
３０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔            ３２ａ…冷却媒体入口連通孔
３２ｂ…冷却媒体出口連通孔              ３４ａ…燃料ガス入口連通孔
３４ｂ…燃料ガス出口連通孔              ３６…酸化剤ガス流路
３８…燃料ガス流路                      ４０…冷却媒体流路
４２、４４…シール部材
【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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