(57)【要約】【課題】ガス拡散層の損傷を良好に抑制し得る燃料電池単セル及び燃料電池スタックを提供する。【解決手段】燃料電池単セルは、膜電極接合体とフレームとガス拡散層とセパレータとを備える。膜電極接合体は、電解質膜と、電解質膜の両面にそれぞれ配置された電極とを有する。フレームは、膜電極接合体の外周縁部を支持する。ガス拡散層は、膜電極接合体の両面にそれぞれ配置される。セパレータは、ガス拡散層にそれぞれ配置される。フレームは、膜電極接合体の外周縁部を膜電極接合体の一方の面から支持する。膜電極接合体の一方の面に配置されたガス拡散層は、膜電極接合体と、フレームの膜電極接合体を支持する支持部とを覆う。膜電極接合体の一方の面に配置されたガス拡散層に覆われた部分のフレームにおいて、フレームの内周側部分の厚みが、フレームの他の部分の厚みより薄い。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、前記電解質膜の両面にそれぞれ配置された電極と、を有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の外周縁部を支持するフレームと、
前記膜電極接合体の両面にそれぞれ配置されたガス拡散層と、
前記ガス拡散層にそれぞれ配置されたセパレータと、を備えた
燃料電池単セルであって、
前記フレームは、前記膜電極接合体の前記外周縁部を前記膜電極接合体の一方の面から支持しており、
前記膜電極接合体の前記一方の面に配置された前記ガス拡散層は、前記膜電極接合体と、前記フレームの前記膜電極接合体を支持する支持部と、を覆っており、
前記膜電極接合体の前記一方の面に配置された前記ガス拡散層に覆われた部分の前記フレームにおいて、前記フレームの内周側部分の厚みが、前記フレームの他の部分の厚みより薄い
ことを特徴とする燃料電池単セル。
【請求項２】
電解質膜と、前記電解質膜の両面にそれぞれ配置された電極と、を有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の外周縁部を支持する一対のフレームと、
前記膜電極接合体の両面にそれぞれ配置されたガス拡散層と、
前記ガス拡散層にそれぞれ配置されたセパレータと、を備えた
燃料電池単セルであって、
前記一対のフレームの一方は、前記膜電極接合体の前記外周縁部を前記膜電極接合体の一方の面から支持しており、
前記一対のフレームの他方は、前記膜電極接合体の前記外周縁部を前記膜電極接合体の他方の面から支持しており、
前記膜電極接合体の前記一方の面に配置された前記ガス拡散層は、前記膜電極接合体と、前記一対のフレームの一方の前記膜電極接合体を支持する支持部と、を覆っており、
前記膜電極接合体の前記他方の面に配置された前記ガス拡散層は、前記膜電極接合体と、前記一対のフレームの他方の前記膜電極接合体を支持する支持部と、を覆っており、
前記膜電極接合体の前記一方の面に配置された前記ガス拡散層に覆われた部分の前記一方のフレームにおいて、前記フレームの内周側部分の厚みが、前記フレームの他の部分の厚みより薄く、
前記膜電極接合体の前記他方の面に配置された前記ガス拡散層に覆われた部分の前記他方のフレームにおいて、前記フレームの内周側部分の厚みが、前記フレームの他の部分の厚みより薄い
ことを特徴とする燃料電池単セル。
【請求項３】
前記膜電極接合体の前記一方の面及び前記他方の面の少なくとも一方の面に配置された前記ガス拡散層に覆われた部分の前記フレームにおいて、前記フレームの厚みが前記フレームの内周端に向かって漸次減少する形状を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池単セル。
【請求項４】
前記膜電極接合体の前記一方の面及び前記他方の面の少なくとも一方の面に配置された前記ガス拡散層に覆われた部分の前記フレームにおいて、前記フレームの厚みが前記フレームの内周端に向かって段階的に減少する形状を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池単セル。
【請求項５】
前記膜電極接合体の前記一方の面及び前記他方の面の少なくとも一方の面に配置された前記ガス拡散層に覆われた部分の前記フレームにおいて、前記フレームが前記電解質膜側に斜面又は段差部を有することを特徴とする請求項３又は４に記載の燃料電池単セル。
【請求項６】
前記膜電極接合体の前記一方の面及び前記他方の面の少なくとも一方の面に配置された前記ガス拡散層に覆われた部分の前記フレームにおいて、前記フレームが前記ガス拡散層側に斜面又は段差部を有することを特徴とする請求項３又は４に記載の燃料電池単セル。
【請求項７】
前記膜電極接合体の前記一方の面及び前記他方の面の少なくとも一方の面に配置された前記ガス拡散層に覆われた部分の前記フレームにおいて、前記フレームが前記電解質膜側及び前記ガス拡散層側に斜面又は段差部を有することを特徴とする請求項３又は４に記載の燃料電池単セル。
【請求項８】
前記フレームが、前記膜電極接合体の前記外周縁部における前記電解質膜に配置された接着部を介して、前記膜電極接合体の前記外周縁部を支持しており、
前記電解質膜と前記接着部と前記フレームとが、下記の式（１）
Ｅａ＜Ｅｍ＜Ｅｆ・・・（１）
（式（１）中、Ｅａは接着部の弾性係数、Ｅｍは電解質膜の圧縮弾性係数、Ｅｆはフレームの弾性係数を示す。）で表される関係を満足する
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つの項に記載の燃料電池単セル。
【請求項９】
請求項１〜８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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池単セル及び燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、簡単な構成で、固体高分子電解質膜の損傷を良好に抑制することが可能な燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体が提案されている（特許文献１参照。）。
【０００３】
この燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体は、電解質膜・電極構造体と、樹脂製枠部材とを備えたものである。また、電解質膜・電極構造体は、それぞれ電極触媒層とガス拡散層とを有する第１電極及び第２電極が、固体高分子電解質膜の両側に設けられ、第１電極が、第２電極よりも外形寸法が小さく設定されている。さらに、樹脂製枠部材は、固体高分子電解質膜の外周を周回して設けられている。そして、樹脂製枠部材は、第１電極の外周側に突出して固体高分子電解質膜の外周縁部に当接する内周端部を有する。また、内周端部は、固体高分子電解質膜と第１電極の外周部との境界部位に配置される角部が、断面曲面形状に構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−９８１５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載された燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を作製する際には、カソード電極のガス拡散層と樹脂製枠部材とに跨がった樹脂含浸部を形成しているため、含浸させる際の圧力によりガス拡散層が損傷するおそれがある。
【０００６】
本発明は、このような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、ガス拡散層の損傷を良好に抑制し得る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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は、上記目的を達成するため鋭意検討を重ねた。その結果、ガス拡散層が膜電極接合体とフレームの支持部とを覆い、フレームがガス拡散層に覆われた部分におけるフレームの厚みが所定の関係を有する構成とすることにより、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。
【０００８】
すなわち、本発明の燃料電池単セルは、膜電極接合体と、フレームと、ガス拡散層と、セパレータとを備えたものである。膜電極接合体は、電解質膜と、電解質膜の両面にそれぞれ配置された電極とを有する。フレームは、膜電極接合体の外周縁部を支持する。ガス拡散層は、膜電極接合体の両面にそれぞれ配置される。セパレータは、ガス拡散層にそれぞれ配置される。そして、フレームは、膜電極接合体の外周縁部を膜電極接合体の一方の面から支持している。また、膜電極接合体の一方の面に配置されたガス拡散層は、膜電極接合体と、フレームの膜電極接合体を支持する支持部とを覆っている。さらに、膜電極接合体の一方の面に配置されたガス拡散層に覆われた部分のフレームにおいて、フレームの内周側部分の厚みが、フレームの他の部分の厚みより薄い。
【０００９】
また、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。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ガス拡散層が膜電極接合体とフレームの支持部とを覆い、フレームがガス拡散層に覆われた部分におけるフレームの厚みが所定の関係を有する構成とした。そのため、ガス拡散層にかかるせん断応力を小さくすることができる。その結果、ガス拡散層の損傷を良好に抑制し得る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。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１Ａは、本発明の一実施形態に係る燃料電池スタックを説明する斜視図であり、図１Ｂは、本発明の一実施形態に係る燃料電池スタックを説明する分解状態の斜視図である。
【図２】図２Ａは、本発明の一実施形態に係る燃料電池単セルを説明する斜視図であり、図２Ｂは、本発明の一実施形態に係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】図３Ａは、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池単セルの要部を説明する斜視図であり、図３Ｂは、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池単セルの要部を説明する分解状態の斜視図である。
【図４】図４は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池単セルの要部を説明する模式的な断面図である。
【図５】図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池単セルの要部を説明する模式的な断面図である。
【図６】図６は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池単セルの要部を説明する模式的な断面図である。
【図７】図７は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池単セルの要部を説明する模式的な断面図である。
【図８】図８Ａは、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池単セルの要部を説明する斜視図であり、図８Ｂは、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池単セルの要部を説明する分解状態の斜視図である。
【図９】図９は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池単セルの要部を説明する模式的な断面図である。
【図１０】図１０は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池単セルの要部を説明する模式的な断面図である。
【図１１】図１１は、本発明の第７の実施形態に係る燃料電池単セルの要部を説明する模式的な断面図である。
【図１２】図１２は、本発明の第８の実施形態に係る燃料電池単セルの要部を説明する模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の一実施形態に係る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。
【００１３】
（第１の実施形態）
図１Ａは、本発明の一実施形態に係る燃料電池スタックを説明する斜視図であり、図１Ｂは、本発明の一実施形態に係る燃料電池スタックを説明する分解状態の斜視図である。また、図２Ａは、本発明の一実施形態に係る燃料電池単セルを説明する斜視図であり、図２Ｂは、本発明の一実施形態に係る燃料電池単セルを説明する分解状態の斜視図である。さらに、図３Ａは、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池単セルの要部を説明する斜視図であり、図３Ｂは、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池単セルの要部を説明する分解状態の斜視図である。そして、図４は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池単セルの要部を説明する模式的な断面図である。つまり、図４は、図３Ａに示したセパレータを除いた燃料電池単セルのＩＶ−ＩＶ線に沿った模式的な断面図である。また、図４においては、フレームの内周側部分の近傍を図示している。
【００１４】
図１に示すように、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の形状を有している。なお、図１Ｂ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。
【００１５】
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がそれぞれ配置してある。また、燃料電池スタックＦＳは、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が設けてあり、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、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。
【００１６】
このようにして、燃料電池スタックＦＳは、図１Ａ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。
【００１７】
また、図２〜図４に示すように、燃料電池単セルＣは、膜電極接合体１と、フレーム３１と、ガス拡散層４１，４２と、セパレータ５１，５２とを備えている。そして、燃料電池単セルＣは、フレーム３１により外周縁部１ａを一方の面（図３中で上面）から支持された膜電極接合体１が、ガス拡散層４１，４２、セパレータ５１，５２により挟持された構造を有している。なお、フレーム３１とセパレータ５１，５２とは、いずれもほぼ同じ縦横寸法を有する。
【００１８】
なお、図示例の燃料電池単セルＣにおいては、フレーム３１が、膜電極接合体１の外周縁部１ａにおける電解質膜１０に配置された接着部２１を介して、膜電極接合体１の外縁部１ａを支持している。
【００１９】
また、一般に、ＭＥＡ（Membrane  Electrode Assembly)と呼ばれる膜電極接合体１は、固体高分子からなる電解質膜１０と、電極１１，１２（アノード・カソード）とを有している。そして、膜電極接合体１は、電解質膜１０が、電極１１，１２により挟持された構造を有している。
【００２０】
さらに、接着部２１は、例えば、樹脂部材などに適用可能な従来公知の接着剤の硬化物などによって形成されている。
【００２１】
また、フレーム３１は、特に限定されるものではないが、例えば、樹脂製のものを適用することができる。フレームを構成する樹脂は、絶縁性を有するものであり、例えば、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＳＰＳ（シンジオタクチックポリスチレン）、ＰＩ（ポリイミド）等が挙げられる。
【００２２】
さらに、ガス拡散層４１，４２は、例えば、カーボンペーパや多孔質体等からなるものを適用することができる。
【００２３】
また、セパレータ５１，５２は、例えば、表裏反転形状を有する金属製の板部材からなるものを適用することができる。このようなセパレータとしては、例えば、ステンレス製の板部材にプレス加工により適宜の形状を成形したものを挙げることができる。また、このようなセパレータは、少なくとも膜電極接合体に対応する部分が、断面凹凸形状に形成してある。さらに、このようなセパレータは、ガス拡散層に凸部を接触させるとともに、凹部とガス拡散層との間にガス流路を形成する。
【００２４】
そして、この膜電極接合体１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。
【００２５】
また、図１〜３に示すように、フレーム３１、セパレータ５１，５２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。
【００２６】
さらに、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。
【００２７】
また、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る。そして、シールプレートＰは、平面視において燃料電池単セルＣとほぼ同じ矩形板状で、かつ、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。
【００２８】
そして、図４に示すように、フレーム３１は、膜電極接合体１の外周縁部１ａにおける電解質膜１０に配置された接着部２１を介して、膜電極接合体１の外周縁部１ａを支持している。また、膜電極接合体１の一方の面（図４中で上面）に配置されたガス拡散層４１は、膜電極接合体１と、フレーム３１の膜電極接合体１を支持する支持部３１ａとを覆っている。さらに、膜電極接合体１の一方の面（図４中で上面）に配置されたガス拡散層４１に覆われた部分のフレーム３１において、フレーム３１の内周側部分の厚みが、フレーム３１の他の部分の厚みより薄い。なお、図示例では、ガス拡散層４１は、電極１１よりも外形寸法が大きく、相対的に厚みが薄い電極１１に接した位置から相対的に厚みが厚いフレーム３１に乗り上げている。また、図示例では、ガス拡散層４２は、電極１２よりも外形寸法が大きい。これにより、ガス拡散層の端部バリによる電解質膜の損傷を良好に抑制することができる。
【００２９】
また、膜電極接合体１の一方の面（図４中で上面）に配置されたガス拡散層４１に覆われた部分のフレーム３１において、フレーム３１の厚みがフレームの内周端３１ｂに向かって漸次減少する形状、いわゆる先細り形状を有する。
【００３０】
さらに、膜電極接合体１の一方の面（図４中で上面）に配置されたガス拡散層４１に覆われた部分のフレーム３１において、フレーム３１が電解質膜１０側及びガス拡散層４１側に斜面３１ｃ，３１ｃを有する。
【００３１】
本実施形態においては、ガス拡散層が膜電極接合体とフレームの支持部とを覆い、ガス拡散層に覆われた部分のフレームにおいて、フレームの内周側部分の厚みがフレームの他の部分の厚みより薄い構成とした。
【００３２】
上記構成とすることにより、ガス拡散層が配設された際に、フレームの内周側部分が変形して、ガス拡散層にかかるせん断応力を吸収するため、ガス拡散層にかかるせん断応力を小さくすることができる。その結果、ガス拡散層の損傷を良好に抑制し得る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。
【００３３】
また、本実施形態においては、膜電極接合体の外周縁部を膜電極接合体の一方の面のみからフレームが支持する構成としたため、後述する第５の実施形態と比較して、部品点数を削減することができるという利点がある。
【００３４】
さらに、本実施形態においては、膜電極接合体の一方の面に配置されたガス拡散層に覆われた部分のフレームにおいて、フレームの厚みがフレームの内周端に向かって漸次減少する形状を有する構成とした。この構成とすることにより、ガス拡散層が配設された際に、フレームの内周側部分がより先端側で変形し易い。これにより、フレームの内周側部分が変形して、ガス拡散層にかかるせん断応力を効果的に吸収するため、ガス拡散層にかかるせん断応力を小さくすることができる。その結果、ガス拡散層の損傷をより良好に抑制し得る。
【００３５】
また、本実施形態においては、膜電極接合体の一方の面に配置されたガス拡散層に覆われた部分のフレームにおいて、フレームが電解質膜側及びガス拡散層側に斜面を有する構成とした。なお、この斜面は減肉面であってもよい。この構成とすることにより、ガス拡散層のせん断長（図４において、符号Ｌ１は、本実施形態のせん断長を示す。）が大きくなる。つまり、本実施形態のせん断長Ｌ１は、ガス拡散層側に斜面を有しない後述する第３の実施形態のせん断長Ｌ３や第４の実施形態のせん断長Ｌ４と比較して大きくなる。そのため、せん断歪み量を小さくすることができる。その結果、ガス拡散層の損傷をより良好に抑制し得る。また、この構成とすることにより、燃料電池単セルの厚みを増加させることなく、電解質膜の変形入力が入る接着部の電極側の厚みを増加させることができるため、良好な剥離強度を得ることができる。さらに、この構成とすることにより、接着部の電極側の厚みを増加させることができるため、フレームと電解質膜との接触懸念部における電解質膜の熱や乾湿による変形を接着部によって吸収することができる。その結果、フレームと電解質膜との接触を良好に抑制し得る。
【００３６】
なお、接触懸念部は、接着部の厚みが薄い部分のうち、熱や乾湿による変形を最も受けやすい発電領域に近い部位であり、図４中においては、斜面３１ｃと水平面３１ｄとの境界部分３１ｅ近傍である。
【００３７】
さらに、本実施形態においては、電解質膜と接着部とフレームとが、下記の式（１）で表される関係を満足することが好ましい。この構成とすることにより、熱や乾湿による発生歪で接着部が主に変形するため、電解質膜の損傷をより良好に抑制し得る。
【００３８】
Ｅａ＜Ｅｍ＜Ｅｆ・・・（１）
（式（１）中、Ｅａは第１接着部の弾性係数、Ｅｍは電解質膜の圧縮弾性係数、Ｅｆはフレームの弾性係数を示す。）
【００３９】
（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単セルの要部を説明する模式的な断面図である。つまり、図５は、セパレータを除いた燃料電池単セルの図３Ａに示したＩＶ−ＩＶ線で示した部分と同じ部分の模式的な断面図である。また、図５においても、フレームの内周側部分の近傍を図示している。なお、本実施形態においては、第１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の実施形態と同一であるため詳細な説明を省略する。
【００４０】
図５に示すように、フレーム３１は、膜電極接合体１の外周縁部１ａにおける電解質膜１０に配置された接着部２１を介して、膜電極接合体１の外周縁部１ａを支持している。また、膜電極接合体１の膜の一方の面（図５中の上面）に配置されたガス拡散層４１は、膜電極接合体１と、フレーム３１の膜電極接合体１を支持する支持部３１ａとを覆っている。さらに、膜電極接合体１の一方の面（図５中で上面）に配置されたガス拡散層４１に覆われた部分のフレーム３１において、フレーム３１の内周側部分の厚みが、フレーム３１の他の部分の厚みより薄い。なお、図示例では、ガス拡散層４１は、電極１１よりも外形寸法が大きく、相対的に厚みが薄い電極１１に接した位置から相対的に厚みが厚いフレーム３１に乗り上げている。また、図示例では、ガス拡散層４２は、電極１２よりも外形寸法が大きい。これにより、ガス拡散層の端部バリによる電解質膜の損傷を良好に抑制することができる。
【００４１】
また、膜電極接合体１の一方の面（図５中で上面）に配置されたガス拡散層４１に覆われた部分のフレーム３１において、フレーム３１の厚みがフレームの内周端３１ｂに向かって漸次減少する形状、いわゆる先細り形状を有する。
【００４２】
さらに、膜電極接合体１の一方の面（図５中で上面）に配置されたガス拡散層４１に覆われた部分のフレーム３１において、フレーム３１がガス拡散層４１側に斜面３１ｃを有する。
【００４３】
本実施形態においては、ガス拡散層が膜電極接合体とフレームの支持部とを覆い、ガス拡散層に覆われた部分のフレームにおいて、フレームの内周側部分の厚みがフレームの他の部分の厚みより薄い構成とした。
【００４４】
上記構成とすることにより、ガス拡散層が配設された際に、フレームの内周側部分が変形して、ガス拡散層にかかるせん断応力を吸収するため、ガス拡散層にかかるせん断応力を小さくすることができる。その結果、ガス拡散層の損傷を良好に抑制し得る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。
【００４５】
また、本実施形態においては、膜電極接合体の外周縁部を膜電極接合体の一方の面のみからフレームが支持する構成としたため、後述する第６の実施形態と比較して、部品点数を削減することができるという利点がある。
【００４６】
さらに、本実施形態においては、膜電極接合体の一方の面に配置されたガス拡散層に覆われた部分のフレームにおいて、フレームの厚みがフレームの内周端に向かって漸次減少する形状を有する構成とした。この構成とすることにより、ガス拡散層が配設された際に、フレームの内周側部分がより先端側で変形し易い。これにより、フレームの内周側部分が変形して、ガス拡散層にかかるせん断応力を効果的に吸収するため、ガス拡散層にかかるせん断応力を小さくすることができる。その結果、ガス拡散層の損傷をより良好に抑制し得る。
【００４７】
また、本実施形態においては、膜電極接合体の一方の面に配置されたガス拡散層に覆われた部分のフレームにおいて、フレームがガス拡散層側に斜面を有する構成とした。なお、この斜面は減肉面であってもよい。この構成とすることにより、ガス拡散層のせん断長（図５において、符号Ｌ２は、本実施形態のせん断長を示す。）が大きくなる。つまり、本実施形態のせん断長Ｌ２は、ガス拡散層側に斜面を有しない後述する第３の実施形態のせん断長Ｌ３や第４の実施形態のせん断長Ｌ４と比較して大きくなる。そのため、せん断歪み量を小さくすることができる。その結果、ガス拡散層の損傷をより良好に抑制し得る。また、この構成とすることにより、フレームにおいて、図中上側のガス拡散層側からの荷重を受ける加圧面積に対して、電解質膜側へ荷重を逃がす接触面積を大きくすることができ、フレームの内周側部分の電解質膜への食い込みを抑制することができる。その結果、電解質膜の損傷をより良好に抑制し得る。さらに、この構成とすることにより、接着部の電極側の厚みを増加させることができる。そのため、フレームと電解質膜との接触懸念部における電解質膜の熱や乾湿による変形を接着部によって吸収することができる。その結果、フレームと電解質膜との接触を良好に抑制し得る。
【００４８】
なお、接触懸念部は、接着部の厚みが薄い部分のうち、熱や乾湿による変形を最も受けやすい発電領域に近い部位であり、図５中においては、内周端３１ｂ近傍である。
【００４９】
さらに、本実施形態においても、電解質膜と接着部とフレームとが、上記の式（１）で表される関係を満足することが好ましい。この構成とすることにより、熱や乾湿による発生歪で接着部が主に変形するため、電解質膜の損傷をより良好に抑制し得る。
【００５０】
（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単セルの要部を説明する模式的な断面図である。つまり、図６は、セパレータを除いた燃料電池単セルの図３Ａに示したＩＶ−ＩＶ線で示した部分と同じ部分の模式的な断面図である。また、図６においても、フレームの内周側部分の近傍を図示している。なお、本実施形態においては、第１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の実施形態と同一であるため詳細な説明を省略する。
【００５１】
図６に示すように、フレーム３１は、膜電極接合体１の外周縁部１ａにおける電解質膜１０に配置された接着部２１を介して、膜電極接合体１の外周縁部１ａを支持している。また、膜電極接合体１の膜の一方の面（図６中の上面）に配置されたガス拡散層４１は、膜電極接合体１と、フレーム３１の膜電極接合体１を支持する支持部３１ａとを覆っている。さらに、膜電極接合体１の一方の面（図６中で上面）に配置されたガス拡散層４１に覆われた部分のフレーム３１において、フレーム３１の内周側部分の厚みが、フレーム３１の他の部分の厚みより薄い。なお、図示例では、ガス拡散層４１は、電極１１よりも外形寸法が大きく、相対的に厚みが薄い電極１１に接した位置から相対的に厚みが厚いフレーム３１に乗り上げている。また、図示例では、ガス拡散層４２は、電極１２よりも外形寸法が大きい。これにより、ガス拡散層の端部バリによる電解質膜の損傷を良好に抑制することができる。
【００５２】
また、膜電極接合体１の一方の面（図６中で上面）に配置されたガス拡散層４１に覆われた部分のフレーム３１において、フレーム３１の厚みがフレームの内周端３１ｂに向かって漸次減少する形状、いわゆる先細り形状を有する。
【００５３】
さらに、膜電極接合体１の一方の面（図６中で上面）に配置されたガス拡散層４１に覆われた部分のフレーム３１において、フレーム３１が電解質膜１０側に斜面３１ｃを有する。
【００５４】
本実施形態においては、ガス拡散層が膜電極接合体とフレームの支持部とを覆い、ガス拡散層に覆われた部分のフレームにおいて、フレームの内周側部分の厚みがフレームの他の部分の厚みより薄い構成とした。
【００５５】
上記構成とすることにより、ガス拡散層が配設された際に、フレームの内周側部分が変形して、ガス拡散層にかかるせん断応力を吸収するため、ガス拡散層にかかるせん断応力を小さくすることができる。その結果、ガス拡散層の損傷を良好に抑制し得る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。
【００５６】
また、本実施形態においては、膜電極接合体の外周縁部を膜電極接合体の一方の面のみからフレームが支持する構成としたため、後述する第７の実施形態と比較して、部品点数を削減することができるという利点がある。
【００５７】
さらに、本実施形態においては、膜電極接合体の一方の面に配置されたガス拡散層に覆われた部分のフレームにおいて、フレームの厚みがフレームの内周端に向かって漸次減少する形状を有する構成とした。この構成とすることにより、ガス拡散層が配設された際に、フレームの内周側部分がより先端側で変形し易い。これにより、フレームの内周側部分が変形して、ガス拡散層にかかるせん断応力を効果的に吸収するため、ガス拡散層にかかるせん断応力を小さくすることができる。その結果、ガス拡散層の損傷をより良好に抑制し得る。
【００５８】
また、本実施形態においては、膜電極接合体の一方の面に配置されたガス拡散層に覆われた部分のフレームにおいて、フレームが電解質膜側に斜面を有する構成とした。なお、この斜面は減肉面であってもよい。この構成とすることにより、燃料電池単セルの厚みを増加させることなく、電解質膜の変形入力が入る接着部の電極側の厚みを増加させることができるため、良好な剥離強度を得ることができる。また、この構成とすることにより、接着部の電極側の厚みを増加させることができるため、フレームと電解質膜との接触懸念部における電解質膜の熱や乾湿による変形を接着部によって吸収することができる。その結果、フレームと電解質膜との接触を良好に抑制し得る。
【００５９】
なお、接触懸念部は、接着部の厚みが薄い部分のうち、熱や乾湿による変形を最も受けやすい発電領域に近い部位であり、図６中においては、斜面３１ｃと水平面３１ｄとの境界部分３１ｅ近傍である。
【００６０】
さらに、本実施形態においても、電解質膜と接着部とフレームとが、上記の式（１）で表される関係を満足することが好ましい。この構成とすることにより、熱や乾湿による発生歪で接着部が主に変形するため、電解質膜の損傷をより良好に抑制し得る。
【００６１】
（第４の実施形態）
図７は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池単セルの要部を説明する模式的な断面図である。つまり、図７は、セパレータを除いた燃料電池単セルの図３Ａに示したＩＶ−ＩＶ線で示した部分と同じ部分の模式的な断面図である。また、図７においても、フレームの内周側部分の近傍を図示している。なお、本実施形態においては、第１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の実施形態と同一であるため詳細な説明を省略する。
【００６２】
図７に示すように、フレーム３１は、膜電極接合体１の外周縁部１ａにおける電解質膜１０に配置された接着部２１を介して、膜電極接合体１の外周縁部１ａを支持している。また、膜電極接合体１の膜の一方の面（図７中の上面）に配置されたガス拡散層４１は、膜電極接合体１と、フレーム３１の膜電極接合体１を支持する支持部３１ａとを覆っている。さらに、膜電極接合体１の一方の面（図７中で上面）に配置されたガス拡散層４１に覆われた部分のフレーム３１において、フレーム３１の内周側部分の厚みが、フレーム３１の他の部分の厚みより薄い。なお、図示例では、ガス拡散層４１は、電極１１よりも外形寸法が大きく、相対的に厚みが薄い電極１１に接した位置から相対的に厚みが厚いフレーム３１に乗り上げている。また、図示例では、ガス拡散層４２は、電極１２よりも外形寸法が大きい。これにより、ガス拡散層の端部バリによる電解質膜の損傷を良好に抑制することができる。
【００６３】
また、膜電極接合体１の一方の面（図７中で上面）に配置されたガス拡散層４１に覆われた部分のフレーム３１において、フレーム３１の厚みがフレームの内周端３１ｂに向かって段階的に減少する形状、いわゆる段差部３１ｆを有する形状を有する。
【００６４】
さらに、膜電極接合体１の一方の面（図７中で上面）に配置されたガス拡散層４１に覆われた部分のフレーム３１において、フレーム３１が電解質膜１０側に段差部３１ｆを有する。
【００６５】
本実施形態においては、ガス拡散層が膜電極接合体とフレームの支持部とを覆い、ガス拡散層に覆われた部分のフレームにおいて、フレームの内周側部分の厚みがフレームの他の部分の厚みより薄い構成とした。
【００６６】
上記構成とすることにより、ガス拡散層が配設された際に、フレームの内周側部分が変形して、ガス拡散層にかかるせん断応力を吸収するため、ガス拡散層にかかるせん断応力を小さくすることができる。その結果、ガス拡散層の損傷を良好に抑制し得る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。
【００６７】
また、本実施形態においては、膜電極接合体の外周縁部を膜電極接合体の一方の面のみからフレームが支持する構成としたため、後述する第８の実施形態と比較して、部品点数を削減することができるという利点がある。
【００６８】
さらに、本実施形態においては、膜電極接合体の一方の面に配置されたガス拡散層に覆われた部分のフレームにおいて、フレームの厚みがフレームの内周端に向かって段階的に減少する形状を有する構成とした。この構成とすることにより、ガス拡散層が配設された際に、フレームの内周側部分がより先端側で変形し易い。これにより、フレームの内周側部分が変形して、ガス拡散層にかかるせん断応力を効果的に吸収するため、ガス拡散層にかかるせん断応力を小さくすることができる。その結果、ガス拡散層の損傷をより良好に抑制し得る。
【００６９】
また、本実施形態においては、膜電極接合体の一方の面に配置されたガス拡散層に覆われた部分のフレームにおいて、フレームの内周端側が電解質膜側に凹んだ状態の段差部を有する構成とした。なお、この段差部より内周側の水平面は減肉面であってもよい。この構成とすることにより、燃料電池単セルの厚みを増加させることなく、電解質膜の変形入力が入る接着部の電極側の厚みを増加させることができるため、良好な剥離強度を得ることができる。また、この構成とすることにより、接着部の電極側の厚みを増加させることができるため、フレームと電解質膜との接触懸念部における電解質膜の熱や乾湿による変形を接着部によって吸収することができる。その結果、フレームと電解質膜との接触を良好に抑制し得る。
【００７０】
なお、接触懸念部は、接着部の厚みが薄い部分のうち、熱や乾湿による変形を最も受けやすい発電領域に近い部位であり、図７中においては、段差部３１ｆ近傍である。
【００７１】
さらに、本実施形態においても、電解質膜と接着部とフレームとが、上記の式（１）で表される関係を満足することが好ましい。この構成とすることにより、熱や乾湿による発生歪で接着部が主に変形するため、電解質膜の損傷をより良好に低減し得る。
【００７２】
（第５の実施形態）
図８Ａは、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池単セルの要部を説明する斜視図であり、図８Ｂは、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池単セルの要部を説明する分解状態の斜視図である。そして、図９は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池単セルの要部を説明する模式的な断面図である。つまり、図９は、図８Ａに示したセパレータを除いた燃料電池単セルのＩＸ−ＩＸ線に沿った模式的な断面図である。また、図９においては、フレームの内周側部分の近傍を図示している。なお、本実施形態においては、第１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の実施形態と同一であるため詳細な説明を省略する。
【００７３】
図８に示すように、フレーム３２及び接着部２２は、特に限定されるものではないが、それぞれフレーム３１及び接着部２１と同様の構成とすることができる。なお、接着部２３は、フレーム３１とフレーム３２とを接着するためものである。図示例においては接着部２３は連続した構造を有しているが、これに限定されるものではない。
【００７４】
なお、接着部２２や接着部２３は、接着部２１と同一ないし同種材料からなるものを適用してもよく、異種材料からなるものを適用してもよい。接着層２１，２２，２３として、同一材料からなるものを適用すると、熱や乾湿による発生歪が同じように発生するため、発生歪を制御し易いという利点がある。
【００７５】
また、フレーム３２は、フレーム３１と同一ないし同種材料からなるものを適用してもよく、異種材料からなるものを適用してもよい。フレーム３１，３２として、同一材料からなるものを適用すると、熱や乾湿による発生歪が同じように発生するため、発生歪を制御し易いという利点がある。
【００７６】
図９に示すように、一対のフレームの一方のフレーム３１は、膜電極接合体１の外周縁部１ａにおける電解質膜１０に配置された接着部２１を介して、膜電極接合体１の外周縁部１ａを一方の面（図９中の上面）から支持している。また、一対のフレームの他方のフレーム３２は、膜電極接合体１の外周縁部１ａにおける電解質膜１０に配置された接着部２２を介して、膜電極接合体１の外周縁部１ａを他方の面（図９中の下面）から支持している。さらに、膜電極接合体１の一方の面（図９中の上面）に配置されたガス拡散層４１は、膜電極接合体１と、フレーム３１の膜電極接合体１を支持する支持部３１ａとを覆っている。また、膜電極接合体１の他方の面（図９中の下面）に配置されたガス拡散層４２は、膜電極接合体１と、フレーム３２の膜電極接合体１を支持する支持部３２ａとを覆っている。さらに、膜電極接合体１の一方の面（図９中で上面）に配置されたガス拡散層４１に覆われた部分のフレーム３１において、フレーム３１の内周側部分の厚みが、フレーム３１の他の部分の厚みより薄い。また、膜電極接合体１の他方の面（図９中で下面）に配置されたガス拡散層４２に覆われた部分のフレーム３２において、フレーム３２の内周側部分の厚みが、フレーム３２の他の部分の厚みより薄い。なお、図示例では、ガス拡散層４１，４２は、電極１１，１２よりも外形寸法が大きく、相対的に厚みが薄い電極１１，１２に接した位置から相対的に厚みが厚いフレーム３１，３２に乗り上げている。
【００７７】
また、膜電極接合体１の一方の面及び他方の面（図９中で上下面）に配置されたガス拡散層４１，４２にそれぞれ覆われた部分のフレーム３１，３２において、フレーム３１，３２の厚みがフレーム３１，３２の内周端３１ｂ，３２ｂに向かって漸次減少する形状、いわゆる先細り形状を有する。
【００７８】
さらに、膜電極接合体１の一方の面及び他方の面（図９中で上下面）に配置されたガス拡散層４１，４２にそれぞれ覆われた部分のフレーム３１，３２において、フレーム３１，３２各々が電解質膜１０側及びガス拡散層４１側に斜面３１ｃ，３２ｃを有する。
【００７９】
本実施形態においては、ガス拡散層が膜電極接合体とフレームの支持部とを覆い、ガス拡散層に覆われた部分のフレームにおいて、フレームの内周側部分の厚みがフレームの他の部分の厚みより薄い構成とした。
【００８０】
上記構成とすることにより、ガス拡散層が配設された際に、フレームの内周側部分が変形して、ガス拡散層にかかるせん断応力を吸収するため、ガス拡散層にかかるせん断応力を小さくすることができる。その結果、ガス拡散層の損傷を良好に抑制し得る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。
【００８１】
また、本実施形態においては、上述した第１の実施形態と比較して、燃料電池単セルのセパレータ以外の部分の強度を増加させることができるという利点がある。
【００８２】
さらに、本実施形態においては、膜電極接合体の一方の面及び他方の面に配置されたガス拡散層に覆われた部分のフレームにおいて、フレームの厚みがフレームの内周端に向かって漸次減少する形状を有する構成とした。この構成とすることにより、ガス拡散層が配設された際に、フレームの内周側部分がより先端側で変形し易い。これにより、フレームの内周側部分が変形して、ガス拡散層にかかるせん断応力を効果的に吸収するため、ガス拡散層にかかるせん断応力を小さくすることができる。その結果、ガス拡散層の損傷をより良好に抑制し得る。
【００８３】
また、本実施形態においては、膜電極接合体の一方の面及び他方の面に配置されたガス拡散層にそれぞれ覆われた部分のフレームにおいて、フレームが電解質膜側及びガス拡散層側に斜面を有する構成とした。なお、この斜面は減肉面であってもよい。この構成とすることにより、ガス拡散層のせん断長（図９において、符号Ｌ５は、本実施形態のせん断長を示す。）が大きくなる。つまり、本実施形態のせん断長Ｌ５は、ガス拡散層側に斜面を有しない後述する第７の実施形態のせん断長Ｌ７や第８の実施形態のせん断長Ｌ８と比較して大きくなる。そのため、せん断歪み量を小さくすることができる。その結果、ガス拡散層の損傷をより良好に抑制し得る。また、この構成とすることにより、燃料電池単セルの厚みを増加させることなく、電解質膜の変形入力が入る接着部の電極側の厚みを増加させることができるため、良好な剥離強度を得ることができる。さらに、この構成とすることにより、接着部の電極側の厚みを増加させることができるため、フレームと電解質膜との接触懸念部における電解質膜の熱や乾湿による変形を接着部によって吸収することができる。その結果、フレームと電解質膜との接触を良好に抑制し得る。
【００８４】
なお、接触懸念部は、接着部の厚みが薄い部分のうち、熱や乾湿による変形を最も受けやすい発電領域に近い部位であり、図９中においては、斜面３１ｃと水平面３１ｄとの境界部分３１ｅ近傍や斜面３２ｃと水平面３２ｄとの境界部分３２ｅ近傍である。
【００８５】
さらに、本実施形態においては、電解質膜と接着部とフレームとが、上記の式（１）で表される関係を満足することが好ましい。この構成とすることにより、熱や乾湿による発生歪で接着部が主に変形するため、電解質膜の損傷をより良好に抑制し得る。なお、接着部やフレームが異なる場合には、下記の式（２）で表される関係を満足することが好ましい。この構成とすることにより、熱や乾湿による発生歪で接着部が主に変形するため、電解質膜の損傷をより良好に抑制し得る。
【００８６】
Ｅａ’＜Ｅｍ＜Ｅｆ’・・・（２）
（式（２）中、Ｅａ’は異なる接着部の弾性係数のうちの大きい方又は同一の弾性係数、Ｅｍは電解質膜の圧縮弾性係数、Ｅｆ’は異なるフレームのうちの小さい方又は同一の弾性係数を示す。）
【００８７】
（第６の実施形態）
図１０は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池単セルの要部を説明する模式的な断面図である。つまり、図１０は、セパレータを除いた燃料電池単セルの図８Ａに示したＩＸ−ＩＸ線で示した部分と同じ部分の模式的な断面図である。また、図１０においても、フレームの内周側部分の近傍を図示している。なお、本実施形態においては、第５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５の実施形態と同一であるため詳細な説明を省略する。
【００８８】
図１０に示すように、一対のフレームの一方のフレーム３１は、膜電極接合体１の外周縁部１ａにおける電解質膜１０に配置された接着部２１を介して、膜電極接合体１の外周縁部１ａを一方の面（図１０中の上面）から支持している。また、一対のフレームの他方のフレーム３２は、膜電極接合体１の外周縁部１ａにおける電解質膜１０に配置された接着部２２を介して、膜電極接合体１の外周縁部１ａを他方の面（図１０中の下面）から支持している。さらに、膜電極接合体１の一方の面（図１０中の上面）に配置されたガス拡散層４１は、膜電極接合体１と、フレーム３１の膜電極接合体１を支持する支持部３１ａとを覆っている。また、膜電極接合体１の他方の面（図１０中の下面）に配置されたガス拡散層４２は、膜電極接合体１と、フレーム３２の膜電極接合体１を支持する支持部３２ａとを覆っている。さらに、膜電極接合体１の一方の面（図１０中で上面）に配置されたガス拡散層４１に覆われた部分のフレーム３１において、フレーム３１の内周側部分の厚みが、フレーム３１の他の部分の厚みより薄い。また、膜電極接合体１の他方の面（図１０中で下面）に配置されたガス拡散層４２に覆われた部分のフレーム３２において、フレーム３２の内周側部分の厚みが、フレーム３２の他の部分の厚みより薄い。なお、図示例では、ガス拡散層４１，４２は、電極１１，１２よりも外形寸法が大きく、相対的に厚みが薄い電極１１，１２に接した位置から相対的に厚みが厚いフレーム３１，３２に乗り上げている。
【００８９】
また、膜電極接合体１の一方の面及び他方の面（図１０中で上下面）に配置されたガス拡散層４１，４２にそれぞれ覆われた部分のフレーム３１，３２において、フレーム３１，３２の厚みがフレーム３１，３２の内周端３１ｂ，３２ｂに向かって漸次減少する形状、いわゆる先細り形状を有する。
【００９０】
さらに、膜電極接合体１の一方の面及び他方の面（図１０中で上下面）に配置されたガス拡散層４１，４２にそれぞれ覆われた部分のフレーム３１，３２において、フレーム３１，３２各々がガス拡散層４１，４２側に斜面３１ｃ，３２ｃを有する。
【００９１】
本実施形態においては、ガス拡散層が膜電極接合体とフレームの支持部とを覆い、ガス拡散層に覆われた部分のフレームにおいて、フレームの内周側部分の厚みがフレームの他の部分の厚みより薄い構成とした。
【００９２】
上記構成とすることにより、ガス拡散層が配設された際に、フレームの内周側部分が変形して、ガス拡散層にかかるせん断応力を吸収するため、ガス拡散層にかかるせん断応力を小さくすることができる。その結果、ガス拡散層の損傷を良好に抑制し得る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。
【００９３】
また、本実施形態においては、上述した第２の実施形態と比較して、燃料電池単セルのセパレータ以外の部分の強度を増加させることができるという利点がある。
【００９４】
さらに、本実施形態においては、膜電極接合体の一方の面及び他方の面に配置されたガス拡散層に覆われた部分のフレームにおいて、フレームの厚みがフレームの内周端に向かって漸次減少する形状を有する構成とした。この構成とすることにより、ガス拡散層が配設された際に、フレームの内周側部分がより先端側で変形し易い。これにより、フレームの内周側部分が変形して、ガス拡散層にかかるせん断応力を効果的に吸収するため、ガス拡散層にかかるせん断応力を小さくすることができる。その結果、ガス拡散層の損傷をより良好に抑制し得る。
【００９５】
また、本実施形態においては、膜電極接合体の一方の面及び他方の面に配置されたガス拡散層にそれぞれ覆われた部分のフレームにおいて、フレームがガス拡散層側に斜面を有する構成とした。なお、この斜面は減肉面であってもよい。この構成とすることにより、ガス拡散層のせん断長（図１０において、符号Ｌ６は、本実施形態のせん断長を示す。）が大きくなる。つまり、本実施形態のせん断長Ｌ６は、ガス拡散層側に斜面を有しない後述する第７の実施形態のせん断長Ｌ７や第８の実施形態のせん断長Ｌ８と比較して大きくなる。そのため、せん断歪み量を小さくすることができる。その結果、ガス拡散層の損傷をより良好に抑制し得る。また、この構成とすることにより、フレームにおいて、図中上側及び下側のガス拡散層側からの荷重を受ける加圧面積に対して、電解質膜側へ荷重を逃がす接触面積を大きくすることができ、フレームの内周側部分の電解質膜への食い込みを抑制することができる。その結果、電解質膜の損傷をより良好に抑制し得る。さらに、この構成とすることにより、接着部の電極側の厚みを増加させることができる。そのため、フレームと電解質膜との接触懸念部における電解質膜の熱や乾湿による変形を接着部によって吸収することができる。その結果、フレームと電解質膜との接触を良好に抑制し得る。
【００９６】
なお、接触懸念部は、接着部の厚みが薄い部分のうち、熱や乾湿による変形を最も受けやすい発電領域に近い部位であり、図１０中においては、内周端３１ｂ，３２ｂ近傍である。
【００９７】
さらに、本実施形態においても、電解質膜と接着部とフレームとが、上記の式（１）や（２）で表される関係を満足することが好ましい。この構成とすることにより、熱や乾湿による発生歪で接着部が主に変形するため、電解質膜の損傷をより良好に抑制し得る。
【００９８】
（第７の実施形態）
図１１は、本発明の第７の実施形態に係る燃料電池単セルの要部を説明する模式的な断面図である。つまり、図１１は、セパレータを除いた燃料電池単セルの図８Ａに示したＩＸ−ＩＸ線で示した部分と同じ部分の模式的な断面図である。また、図１１においても、フレームの内周側部分の近傍を図示している。なお、本実施形態においては、第５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５の実施形態と同一であるため詳細な説明を省略する。
【００９９】
図１１に示すように、一対のフレームの一方のフレーム３１は、膜電極接合体１の外周縁部１ａにおける電解質膜１０に配置された接着部２１を介して、膜電極接合体１の外周縁部１ａを一方の面（図１１中の上面）から支持している。また、一対のフレームの他方のフレーム３２は、膜電極接合体１の外周縁部１ａにおける電解質膜１０に配置された接着部２２を介して、膜電極接合体１の外周縁部１ａを他方の面（図１１中の下面）から支持している。さらに、膜電極接合体１の一方の面（図１１中の上面）に配置されたガス拡散層４１は、膜電極接合体１と、フレーム３１の膜電極接合体１を支持する支持部３１ａとを覆っている。また、膜電極接合体１の他方の面（図１１中の下面）に配置されたガス拡散層４２は、膜電極接合体１と、フレーム３２の膜電極接合体１を支持する支持部３２ａとを覆っている。さらに、膜電極接合体１の一方の面（図１１中で上面）に配置されたガス拡散層４１に覆われた部分のフレーム３１において、フレーム３１の内周側部分の厚みが、フレーム３１の他の部分の厚みより薄い。また、膜電極接合体１の他方の面（図１１中で下面）に配置されたガス拡散層４２に覆われた部分のフレーム３２において、フレーム３２の内周側部分の厚みが、フレーム３２の他の部分の厚みより薄い。なお、図示例では、ガス拡散層４１，４２は、電極１１，１２よりも外形寸法が大きく、相対的に厚みが薄い電極１１，１２に接した位置から相対的に厚みが厚いフレーム３１，３２に乗り上げている。
【０１００】
また、膜電極接合体１の一方の面及び他方の面（図１１中で上下面）に配置されたガス拡散層４１，４２にそれぞれ覆われた部分のフレーム３１，３２において、フレーム３１，３２の厚みがフレーム３１，３２の内周端３１ｂ，３２ｂに向かって漸次減少する形状、いわゆる先細り形状を有する。
【０１０１】
さらに、膜電極接合体１の一方の面及び他方の面（図１１中で上下面）に配置されたガス拡散層４１，４２にそれぞれ覆われた部分のフレーム３１，３２において、フレーム３１，３２各々が電解質膜１０側に斜面３１ｃ，３２ｃを有する。
【０１０２】
本実施形態においては、ガス拡散層が膜電極接合体とフレームの支持部とを覆い、ガス拡散層に覆われた部分のフレームにおいて、フレームの内周側部分の厚みがフレームの他の部分の厚みより薄い構成とした。
【０１０３】
上記構成とすることにより、ガス拡散層が配設された際に、フレームの内周側部分が変形して、ガス拡散層にかかるせん断応力を吸収するため、ガス拡散層にかかるせん断応力を小さくすることができる。その結果、ガス拡散層の損傷を良好に抑制し得る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。
【０１０４】
また、本実施形態においては、上述した第３の実施形態と比較して、燃料電池単セルのセパレータ以外の部分の強度を増加させることができるという利点がある。
【０１０５】
さらに、本実施形態においては、膜電極接合体の一方の面及び他方の面に配置されたガス拡散層にそれぞれ覆われた部分のフレームにおいて、フレームの厚みがフレームの内周端に向かって漸次減少する形状を有する構成とした。この構成とすることにより、ガス拡散層が配設された際に、フレームの内周側部分がより先端側で変形し易い。これにより、フレームの内周側部分が変形して、ガス拡散層にかかるせん断応力を効果的に吸収するため、ガス拡散層にかかるせん断応力を小さくすることができる。その結果、ガス拡散層の損傷をより良好に抑制し得る。
【０１０６】
また、本実施形態においては、膜電極接合体の一方の面及び他方の面に配置されたガス拡散層にそれぞれ覆われた部分のフレームにおいて、フレームが電解質膜側に斜面を有する構成とした。なお、この斜面は減肉面であってもよい。この構成とすることにより、燃料電池単セルの厚みを増加させることなく、電解質膜の変形入力が入る接着部の電極側の厚みを増加させることができるため、良好な剥離強度を得ることができる。また、この構成とすることにより、接着部の電極側の厚みを増加させることができるため、フレームと電解質膜との接触懸念部における電解質膜の熱や乾湿による変形を接着部によって吸収することができる。その結果、フレームと電解質膜との接触を良好に抑制し得る。
【０１０７】
なお、接触懸念部は、接着部の厚みが薄い部分のうち、熱や乾湿による変形を最も受けやすい発電領域に近い部位であり、図１１中においては、斜面３１ｃと水平面３１ｄとの境界部分３１ｅ近傍や斜面３２ｃと水平面３２ｄとの境界部分３２ｅ近傍である。
【０１０８】
さらに、本実施形態においても、電解質膜と接着部とフレームとが、上記の式（１）や（２）で表される関係を満足することが好ましい。この構成とすることにより、熱や乾湿による発生歪で接着部が主に変形するため、電解質膜の損傷をより良好に抑制し得る。
【０１０９】
（第８の実施形態）
図１２は、本発明の第８の実施形態に係る燃料電池単セルの要部を説明する模式的な断面図である。つまり、図１２は、セパレータを除いた燃料電池単セルの図８Ａに示したＩＸ−ＩＸ線で示した部分と同じ部分の模式的な断面図である。また、図１２においても、フレームの内周側部分の近傍を図示している。なお、本実施形態においては、第５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５の実施形態と同一であるため詳細な説明を省略する。
【０１１０】
図１２に示すように、一対のフレームの一方のフレーム３１は、膜電極接合体１の外周縁部１ａにおける電解質膜１０に配置された接着部２１を介して、膜電極接合体１の外周縁部１ａを一方の面（図１２中の上面）から支持している。また、一対のフレームの他方のフレーム３２は、膜電極接合体１の外周縁部１ａにおける電解質膜１０に配置された接着部２２を介して、膜電極接合体１の外周縁部１ａを他方の面（図１２中の下面）から支持している。さらに、膜電極接合体１の一方の面（図１２中の上面）に配置されたガス拡散層４１は、膜電極接合体１と、フレーム３１の膜電極接合体１を支持する支持部３１ａとを覆っている。また、膜電極接合体１の他方の面（図１２中の下面）に配置されたガス拡散層４２は、膜電極接合体１と、フレーム３２の膜電極接合体１を支持する支持部３２ａとを覆っている。さらに、膜電極接合体１の一方の面（図１２中で上面）に配置されたガス拡散層４１に覆われた部分のフレーム３１において、フレーム３１の内周側部分の厚みが、フレーム３１の他の部分の厚みより薄い。また、膜電極接合体１の他方の面（図１２中で下面）に配置されたガス拡散層４２に覆われた部分のフレーム３２において、フレーム３２の内周側部分の厚みが、フレーム３２の他の部分の厚みより薄い。なお、図示例では、ガス拡散層４１，４２は、電極１１，１２よりも外形寸法が大きく、相対的に厚みが薄い電極１１，１２に接した位置から相対的に厚みが厚いフレーム３１，３２に乗り上げている。
【０１１１】
また、膜電極接合体１の一方の面及び他方の面（図１２中で上下面）に配置されたガス拡散層４１，４２にそれぞれ覆われた部分のフレーム３１，３２において、フレーム３１，３２の厚みがフレーム３１，３２の内周端３１ｂ，３２ｂに向かって段階的に減少する形状を有する。
【０１１２】
さらに、膜電極接合体１の一方の面及び他方の面（図１２中で上下面）に配置されたガス拡散層４１，４２にそれぞれ覆われた部分のフレーム３１，３２において、フレーム３１，３２各々が電解質膜１０側に段差部３１ｆ，３２ｆを有する。
【０１１３】
本実施形態においては、ガス拡散層が膜電極接合体とフレームの支持部とを覆い、ガス拡散層に覆われた部分のフレームにおいて、フレームの内周側部分の厚みがフレームの他の部分の厚みより薄い構成とした。
【０１１４】
上記構成とすることにより、ガス拡散層が配設された際に、フレームの内周側部分が変形して、ガス拡散層にかかるせん断応力を吸収するため、ガス拡散層にかかるせん断応力を小さくすることができる。その結果、ガス拡散層の損傷を良好に抑制し得る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。
【０１１５】
また、本実施形態においては、上述した第４の実施形態と比較して、燃料電池単セルのセパレータ以外の部分の強度を増加させることができるという利点がある。
【０１１６】
さらに、本実施形態においては、膜電極接合体の一方の面及び他方の面に配置されたガス拡散層にそれぞれ覆われた部分のフレームにおいて、フレームの厚みがフレームの内周端に向かって段階的に減少する形状を有する構成とした。この構成とすることにより、ガス拡散層が配設された際に、フレームの内周側部分がより先端側で変形し易い。これにより、フレームの内周側部分が変形して、ガス拡散層にかかるせん断応力を効果的に吸収するため、ガス拡散層にかかるせん断応力を小さくすることができる。その結果、ガス拡散層の損傷をより良好に抑制し得る。
【０１１７】
また、本実施形態においては、膜電極接合体の一方の面及び他方の面に配置されたガス拡散層にそれぞれ覆われた部分のフレームにおいて、フレームの内周端側が電解質膜側に凹んだ状態の段差部を有する構成とした。なお、この段差部より内周側の水平面は減肉面であってもよい。この構成とすることにより、燃料電池単セルの厚みを増加させることなく、電解質膜の変形入力が入る接着部の電極側の厚みを増加させることができるため、良好な剥離強度を得ることができる。また、この構成とすることにより、接着部の電極側の厚みを増加させることができるため、フレームと電解質膜との接触懸念部における電解質膜の熱や乾湿による変形を接着部によって吸収することができる。その結果、フレームと電解質膜との接触を良好に抑制し得る。
【０１１８】
なお、接触懸念部は、接着部の厚みが薄い部分のうち、熱や乾湿による変形を最も受けやすい発電領域に近い部位であり、図１２中においては、段差部３１ｆ，３２ｆ近傍である。
【０１１９】
さらに、本実施形態においても、電解質膜と接着部とフレームとが、上記の式（１）で表される関係を満足することが好ましい。この構成とすることにより、熱や乾湿による発生歪で接着部が主に変形するため、電解質膜の損傷をより良好に低減し得る。
【０１２０】
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。
【符号の説明】
【０１２１】
ＦＳ  燃料電池スタック
Ｃ  燃料電池単セル
Ｍ  燃料電池モジュール
Ｐ  シールプレート
Ｈ１〜Ｈ６  マニホールド穴
Ｌ１〜Ｌ８  せん断長
１  膜電極構造体
１ａ  外周縁部
１０  電解質膜
１１，１２  電極
２１，２２  ２３  接着部
３１，３２  フレーム
３１ａ，３２ａ  支持部
３１ｂ，３２ｂ  内周端
３１ｃ，３２ｃ  斜面
３１ｄ，３２ｄ  水平面
３１ｅ，３２ｅ  境界部分
３１ｆ，３２ｆ  段差部
４１，４２  ガス拡散層
５１，５２  セパレータ
５６Ａ，５６Ｂ      エンドプレート
５７Ａ，５７Ｂ      締結板
５８Ａ，５８Ｂ      補強板
【図１】
2017174650.tif 000003
【図２】
2017174650.tif 000004
【図３】
2017174650.tif 000005
【図４】
2017174650.tif 000006
【図５】
2017174650.tif 000007
【図６】
2017174650.tif 000008
【図７】
2017174650.tif 000009
【図８】
2017174650.tif 000010
【図９】
2017174650.tif 000011
【図１０】
2017174650.tif 000012
【図１１】
2017174650.tif 000013
【図１２】
2017174650.tif 000014