JP2025118183A - 燃料電池用膜電極構造体および燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】ガスの湿度交換を良好に行うことができる耐久性の高い燃料電池用膜電極構造体を提供する。
【解決手段】燃料電池用膜電極構造体は、電解質膜とその両側のガス拡散電極層とを有する膜電極接合体と、膜電極接合体が配置される内縁部を有する枠部材と、を備える。枠部材は、互いに重なり合う略板状の第１および第２枠部材を有し、電解質膜は、ガス拡散電極層の外縁よりも外側である非発電領域に延設され、第１および第２枠部材は、それぞれ非発電領域における電解質膜を挟持する第１および第２挟持部を有し、第１および第２挟持部には、平面視で互いに異なる位置に第１および第２挟持部を貫通する第１および第２貫通孔がそれぞれ設けられる。
【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池用膜電極構造体および燃料電池システムに関する。

近年、より多くの人が手ごろで信頼でき、持続可能かつ先進的なエネルギへのアクセスを確保できるようにするため、エネルギの効率化に貢献する燃料電池に関する技術開発が行われている。この種の燃料電池に用いられる発電セルに関する技術として、発電領域の外側でアノード側とカソード側のガスの湿度を交換するようにした発電セルが知られている（例えば特許文献１参照）。特許文献１記載の発電セルでは、カソード側のガス拡散層の周囲に、アノード側のガス拡散層に重ねて略板状の樹脂フレームを配置するとともに、樹脂フレームに複数の貫通孔を設け、複数の貫通孔を介してアノード側とカソード側のガスの湿度を交換するように膜電極構造体が構成される。

特開２０１７－１８３０３１号公報

しかしながら、上記特許文献１記載のように樹脂フレームに湿度交換のための複数の貫通孔を設けると、樹脂フレームの強度が低下し、十分な耐久性を得ることが難しい。

本発明の一態様である燃料電池用膜電極構造体は、電解質膜と、電解質膜の第１面に配置された第１ガス拡散電極層と、電解質膜の第１面の反対側の第２面に配置された第２ガス拡散電極層と、を積層して構成された膜電極接合体と、膜電極接合体が配置される開口を形成する内縁部を有する枠部材と、を備える。枠部材は、それぞれ内縁部を有するとともに、互いに重なり合う略板状の第１枠部材と第２枠部材とを有し、電解質膜は、第１ガス拡散電極層の外縁および第２ガス拡散電極層の外縁よりも外側である非発電領域に延設され、第１枠部材および第２枠部材は、それぞれ非発電領域における電解質膜を挟持する第１挟持部および第２挟持部を有し、第１挟持部および第２挟持部には、膜電極接合体の積層方向から視た平面視で、互いに異なる位置に第１挟持部を貫通する第１貫通孔および第２挟持部を貫通する第２貫通孔がそれぞれ設けられる。

本発明の他の態様は、上述した燃料電池用膜電極構造体を有する発電セルを積層して構成された燃料電池スタックを備える燃料電池システムであって、反応ガスはアノードガスであり、燃料電池スタックから流出したアノードガスを、燃料電池スタックに還流するガス還流部をさらに備える。

本発明によれば、膜電極構造体の十分な耐久性を確保しつつ、ガスの湿度交換を良好に行うことができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの要部構成を概略的に示す図。 図１の燃料電池システムに含まれる燃料電池スタックの全体構成を概略的に示す斜視図。 図２のIII-III線に沿った断面図。 図２の燃料電池スタックに含まれる電極アッセンブリの概略構成を示す斜視図。 図２の燃料電池スタックに含まれるセパレータの後面図。 図２の燃料電池スタックに含まれるセパレータの正面図。 図４のIV-IV線に沿った断面図。 図４の矢視VII図。 図７Ａの変形例を示す図。 図４の変形例を示す図。 図４の他の変形例を示す図。 図４のさらなる他の変形例を示す図。 図５Ａの変形例を示す図。 図１０のセパレータに対向する電極アッセンブリの後面図。

以下、図１～図１１を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システム５００の要部構成を概略的に示すブロック図である。燃料電池システム５００は、例えば車両に搭載され、車両駆動用の電力を発生する。図１に示すように、燃料電池システム５００は、複数の発電セルを積層して構成された燃料電池スタック１００と、燃料ガス給排部５１０と、酸化剤ガス給排部５２０と、冷却媒体給排部５３０とを有する。燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれぞれアノードガスおよびカソードガスと呼ぶこともある。

燃料ガス給排部５１０は、高圧の燃料ガスが貯留されたタンク５１１と、燃料ガスを吐出するインジェクタ５１２と、エジェクタ５１３とを有する。タンク５１１内の燃料ガスは、インジェクタ５１２、エジェクタ５１３および供給管路５１０ａを介して燃料電池スタック１００に供給される。燃料ガスは、水素を含むアノードガス（例えば水素ガス）である。燃料電池スタック１００からは、排出管路５１０ｂを介して、水分を含む燃料ガス（燃料排ガス）が排出される。エジェクタ５１３では、インジェクタ５１２から吐出された燃料ガスの流れによって生じる負圧により、循環管路５１０ｃを介して燃料排ガスが吸引される。これにより燃料電池スタック１００に燃料ガスが還流される。図示は省略するが、排出管路５１０ｂには気液分離器が介装され、気液分離器で、燃料排ガスに含まれる必要以上の水分が除去される。

酸化剤ガス給排部５２０は、酸化剤ガスを高圧に圧縮するコンプレッサ５２１を有する。コンプレッサ５２１で圧縮された酸化剤ガスは、供給管路５２０ａを介して燃料電池スタック１００に供給される。酸化剤ガスは、酸素を含むカソードガス（例えば空気）である。燃料電池スタック１００からは、排出管路５２０ｂを介して、水分を含む酸化剤ガス（酸化剤排ガス）が排出される。供給管路５２０ａの途中には、酸化剤ガスを加湿する加湿器５２２（点線）を設けてもよい。但し、本実施形態では、後述するように酸化剤ガスの加湿が促進されるため、加湿器５２２を省略することができる。

冷却媒体給排部５３０は、不図示のポンプを有し、ポンプから吐出された冷却媒体が供給管路５３０ａを介して燃料電池スタック１００に供給される。冷却媒体は、例えば水である。燃料電池スタック１００からは、排出管路５３０ｂを介して冷却媒体が排出される。排出された冷却媒体は、ラジエータでの熱交換により冷却され、供給管路５３０ａを介して燃料電池スタック１００に再び供給される。

図２は、燃料電池スタック１００の全体構成を概略的に示す斜視図である。以下では、便宜上、図示のように互いに直交する三軸方向を、前後方向、左右方向および上下方向と定義し、この定義に従い各部の構成を説明する。これらの方向は、車両の前後方向、左右方向および上下方向と同一であるとは限らない。例えば図１の前後方向は、車両の前後方向であってもよく、左右方向であってもよく、上下方向であってもよい。

図２に示すように、燃料電池スタック１００は、複数の発電セル１を前後方向に積層して構成されたセル積層体１０１と、セル積層体１０１の前後両端部に配置されたエンドユニット１０２とを有し、全体が略直方体形状を呈する。図示は省略するが、セル積層体１０１の周囲には、前面および後面が開放された略ボックス状のケースが配置される。ケースの前端面と前側のエンドユニット１０２およびケースの後端面と後側のエンドユニット１０２は、それぞれボルトを介して締結される。

発電セル１は、電解質膜と電極とを含む膜電極接合体を有する電極アッセンブリ２と、電極アッセンブリ２の前後両側に配置され、電極アッセンブリ２を挟持する前後一対のセパレータ３，３と、を有する。電極アッセンブリ２とセパレータ３とは、前後方向に交互に配置される。電極アッセンブリ２が、膜電極構造体（ＵＥＡ；Unitized Electrode Assembly）を構成する。なお、電極アッセンブリ２を、膜電極部材と呼ぶこともできる。

図３は、セル積層体１０１の左右方向中央部における要部断面図（図２のIII-III線に沿った断面図）である。図３に示すように、セパレータ３は、断面が波板状の前後一対の金属製の薄板である前プレート３Ｆと後プレート３Ｒとを有する。前プレート３Ｆは、上下左右方向に延在し、前面３Ｆａと後面３Ｆｂとを有する。後プレート３Ｒは、上下左右方向に延在し、前面３Ｒａと後面３Ｒｂとを有する。互いに対向する前プレート３Ｆの後面３Ｆｂと後プレート３Ｒの前面３Ｒａとは、外周縁部同士が溶接などにより接合される。これにより前プレート３Ｆと後プレート３Ｒとが一体に結合される。セパレータ３には耐腐食性に優れた導電性の材料が用いられ、例えばステンレス、チタン、チタン合金等を用いることができる。

前プレート３Ｆと後プレート３Ｒとによって囲まれたセパレータ３の内部、つまり前プレート３Ｆの後面３Ｆｂと後プレート３Ｒの前面３Ｒａとの間には、冷却媒体が流れる冷却流路ＰＡｗが形成される。冷却媒体の流れにより発電セル１の発電面が冷却される。電極アッセンブリ２に対向するセパレータ３の表面（前面３Ｆａおよび後面３Ｒｂ）は、電極アッセンブリ２との間にガス流路を形成するようにプレス成形などによって凹凸状に構成される。より詳しくは、前プレート３Ｆおよび後プレート３Ｒはそれぞれ前方および後方の電極アッセンブリ２に向けて突出する凸部３１と、凸部３１に連なって凹状に構成された凹部３２とを有する。

後側の凸部３１は、電極アッセンブリ２の前面２ａに、前側の凸部３１は、電極アッセンブリ２の後面２ｂに当接する。セル積層体１０１には、燃料電池スタック１００の組立時に前後方向に圧縮荷重Ｆが付与され、その状態で、セル積層体１０１の周囲のケースと前後のエンドユニット１０２とが締結される。したがって、燃料電池スタック１００の組立完了後には、燃料電池スタック１００に対する圧縮荷重Ｆが保持され、電極アッセンブリ２には、凸部３１を介して前後方向に所定の面圧が作用する。

電極アッセンブリ２の前面２ａとこの前面２ａに対向するセパレータ３の後プレート３Ｒとの間には、凹部３２により、燃料ガスが流れるアノード流路ＰＡａが形成される。電極アッセンブリ２の後面２ｂとこの後面２ｂに対向するセパレータ３の前プレート３Ｆとの間には、凹部３２により、酸化剤ガスが流れるカソード流路ＰＡｃが形成される。燃料ガスと酸化剤ガスとを区別せずに、これらを反応ガスと呼ぶことがある。

図４は、電極アッセンブリ２の概略構成を示す斜視図である。図４に示すように、電極アッセンブリ２は、略矩形状の接合体２０と、接合体２０を支持するフレーム２１とを有する。図２のＡ部の詳細図に示すように、接合体２０は、電解質膜２３と、電解質膜２３の前面２３ｆに設けられたアノード電極２４と、電解質膜２３の後面２３ｒに設けられたカソード電極２５とを有する。

電解質膜２３は、例えば固体高分子電解質膜であり、水分を含んだパーフルオロスルホン酸ポリマーの薄膜を用いることができる。フッ素系電解質膜に限らず、炭化水素系電解質膜を用いることもできる。

アノード電極２４は、電解質膜２３の前面２３ｆに形成され、電極反応の反応場となる電極触媒層２４１と、電極触媒層２４１の前面に設けられ、燃料ガスを拡散して供給するガス拡散層２４２とを有する。カソード電極２５は、電解質膜２３の後面２３ｒに形成され、電極反応の反応場となる電極触媒層２５１と、電極触媒層２５１の後面に設けられ、酸化剤ガスを拡散して供給するガス拡散層２５２とを有する。電極触媒層２４１，２５１とガス拡散層２４２，２５２との間に中間層（下地層）を設けることもできる。

電極触媒層２４１，２５１には、燃料ガスに含まれる水素と酸化剤ガスに含まれる酸素の電気化学反応を促進する触媒金属、プロトン伝導性を有する電解質（アイオノマーなど）、および電子伝導性を有するカーボン粒子等が含まれる。ガス拡散層２４２，２５２は、ガス透過性を有する導電性部材、例えばカーボン多孔質体により構成される。

アノード電極２４では、アノード流路ＰＡａを介して供給された燃料ガス（水素）が、触媒の作用によってイオン化され、電解質膜２３を通過してカソード電極側へ移動する。このとき生じた電子は、外部回路を通過し、電気エネルギとして取り出される。カソード電極２５では、カソード流路ＰＡｃを介して供給された酸化剤ガス（酸素）と、アノード電極２４から導かれた水素イオンおよびアノード電極２４から移動した電子とが反応し、水が生成される。生成された水（生成水と呼ぶ）は、電解質膜２３に適度な湿度を与え、余剰な水はガスの流れに沿って電極アッセンブリ２の外部へ排出される。カソード側の生成水は、電解質膜２３を介した逆拡散によってアノード側にも流れる。したがって、燃料ガスと酸化剤ガスの双方に生成水が含まれる。燃料ガスと酸化剤ガスには、凝縮水も含まれる。

図４に示すように、フレーム２１は、略矩形状を呈する薄板であり、絶縁性およびガス不透過性を有する樹脂やゴム等により構成される。一例を挙げると、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）やＰＰＳ（ポリフェニレンススフィド）などを構成材とすることができる。フレーム２１の中央部には、略矩形状の開口２１ａが形成され、開口２１ａの全体を覆うように接合体２０が設けられる。フレーム２１は、略矩形の外縁部２２１と内縁部２２２とを有する。外縁部２２１とは、フレーム２１の外縁とその周辺部をいい、内縁部２２２とは、フレーム２１の内縁（開口２１ａの縁）とその周辺部をいう。

図４の点Ｐは、開口２１ａの上下方向および左右方向の中間を通る中心点である。フレーム２１の開口２１ａの左側には、フレーム２１を前後方向に貫通する３つの貫通孔２０１～２０３が上下方向に並んで開口される。開口２１ａの右側には、フレーム２１を前後方向に貫通する３つの貫通孔２０４～２０６が上下方向に並んで開口される。貫通孔２０１～２０６は、便宜上、いずれも略矩形状として示すが、貫通孔２０１～２０６の形状および配置はこれに限らない。

図２に示すように、電極アッセンブリ２の前後のセパレータ３には、フレーム２１の貫通孔２０１～２０６に対応する位置に、セパレータ３を前後方向に貫通する貫通孔３０１～３０６がそれぞれ開口される。貫通孔３０１～３０６は、フレーム２１の貫通孔２０１～２０６にそれぞれ連通する。これら互いに連通する貫通孔２０１～２０６，３０１～３０６の集合により、セル積層体１０１を貫通して前後方向に延在する流路ＰＡ１～ＰＡ６（便宜上、矢印で示す）が形成される。流路ＰＡ１～ＰＡ６は、マニホールドと呼ばれることもある。流路ＰＡ１～ＰＡ６は、燃料電池スタック１００の外部のマニホールドに接続される。

図示は省略するが、セル積層体１０１の前後のエンドユニット１０２は、前後方向に重ねて配置された複数のプレートをそれぞれ有する。具体的には、エンドユニット１０２は、セル積層体１０１に隣接して配置されたターミナルプレートと、ターミナルプレートの前後方向外側に配置された絶縁プレートと、絶縁プレートの前後方向外側に配置されたエンドプレートと、を有する。

ターミナルプレートは、金属製の略矩形状の板状部材であり、セル積層体１０１で電気化学反応により生成された電力を取り出すための端子部を有する。絶縁プレートは、非導電性を有する樹脂製またはゴム製の略矩形状の板状部材であり、ターミナルプレートとエンドプレートとを電気的に絶縁する。エンドプレートは、金属製または高強度に構成された樹脂製の板状部材である。

後側のエンドユニット１０２は、反応ガスと冷却媒体とが通過するウェット側エンドユニットであり、前側のエンドユニット１０２は、反応ガスと冷却媒体とが通過しないドライ側エンドユニットである。後側のエンドユニット１０２には、セル積層体１０１の貫通孔２０１～２０６，３０１～３０６に対応する位置に、エンドユニット１０２を前後方向に貫通する複数の貫通孔１０２ａ～１０２ｆが開口される。貫通孔１０２ａ～１０２ｆは、便宜上、いずれも略矩形状として示すが、貫通孔１０２ａ～１０２ｆの形状はこれに限らない。

流路ＰＡ１，ＰＡ６（実線矢印）は、それぞれ燃料ガスの供給用および排出用の流路であり、貫通孔２０１，２０６には、それぞれ図１の供給管路５１０ａおよび排出管路５１０ｂが接続される。流路ＰＡ４，ＰＡ３（点線矢印）は、それぞれ酸化剤ガスの供給用および排出用の流路であり、貫通孔２０４，２０３には、それぞれ図１の供給管路５２０ａおよび排出管路５２０ｂが接続される。流路ＰＡ５，ＰＡ２（一点鎖線矢印）は、それぞれ冷却媒体の供給用および排出用の流路であり、貫通孔２０５，２０２には、それぞれ図１の供給管路５３０ａおよび排出管路５３０ｂが接続される。

セパレータ３の構成をより詳細に説明する。図５Ａは、セパレータ３の後面図（後方から見た図）であり、図５Ｂは、正面図（前方から見た図）である。すなわち、図５Ａは、電極アッセンブリ２の前面２ａのアノード電極２４に対向するセパレータ３（後プレート３Ｒ）の後面３Ｒｂ（図３）を示す図であり、図５Ｂは、電極アッセンブリ２の後面２ｂのカソード電極２５に対向するセパレータ３（前プレート３Ｆ）の前面３Ｆａ（図３）を示す図である。図中の領域ＡＲ１は、対向する電極アッセンブリ２の接合体２０で発電が行われる領域であり、アクティブ領域（発電領域）と呼ぶ。アクティブ領域ＡＲ１の外側（左右方向および上下方向の外側）の領域ＡＲ２は、発電が行われない領域であり、非アクティブ領域（非発電領域）と呼ぶ。

図５Ａに示すように、セパレータ３（後プレート３Ｒ）のアクティブ領域ＡＲ１には、一部の図示は省略するが、そのほぼ全域にわたって上下方向等間隔に、後方に向けて複数の凸部３１（図３）が突設される。複数の凸部３１はそれぞれ左右方向に延在し、上下方向に隣り合う凸部３１，３１の間に凹部３２（図３）が設けられる。複数の凹部３２と接合体２０の前面２ａとの間に、アノード流路ＰＡａが形成される。

図５Ｂに示すように、セパレータ３（前プレート３Ｆ）のアクティブ領域ＡＲ１には、一部の図示は省略するが、そのほぼ全域にわたって上下方向等間隔に、前方に向けて複数の凸部３１（図３）が突設される。複数の凸部３１はそれぞれ左右方向に延在し、上下方向に隣り合う凸部３１，３１の間に凹部３２（図３）が設けられる。複数の凹部３２と接合体２０の後面２ｂとの間に、カソード流路ＰＡｃが形成される。

図５Ａに示すように、セパレータ３（後プレート３Ｒ）の後面３Ｒｂには、プレス成形によって、フレーム２１に向けて後方に突出したシール用の複数のビード部、すなわちメタルビードシールが設けられる。複数のビード部は、後プレート３Ｒの周縁に沿って延在し、貫通孔３０１～３０６の全体を包囲する外側ビード部３３１と、外側ビード部３３１の内側において貫通孔３１１，３１６とアクティブ領域ＡＲ１とを包囲する内側ビード部３３２と、外側ビード部３３１と内側ビード部３３２との間で貫通孔３１２～３１５を個別に包囲する端部ビード部３３３とを有する。ビード部３３１～３３３の頂部は、電極アッセンブリ２（フレーム２１）の前面２ａに密接し、これにより貫通孔３１１からアノード流路ＰＡａおよび貫通孔３１６にかけて、燃料ガスが流れる密閉空間を形成する。シール性を高めるために、ビード部３３１～３３３の頂部にシール材を固着してもよい。

図５Ｂに示すように、セパレータ３（前プレート３Ｆ）の前面３Ｆａには、プレス成形によって、フレーム２１に向けて前方に突出したシール用の複数のビード部、すなわちメタルビードシールが設けられる。複数のビード部は、前プレート３Ｆの周縁に沿って延在し、貫通孔３０１～３０６の全体を包囲する外側ビード部３３４と、外側ビード部３３４の内側において貫通孔３１３，３１４とアクティブ領域ＡＲ１とを包囲する内側ビード部３３５と、外側ビード部３３４と内側ビード部３３５との間で貫通孔３１１，３１２，３１５、３１６を個別に包囲する端部ビード部３３６とを有する。ビード部３３４～３３６の頂部は、電極アッセンブリ２（フレーム２１）の後面２ｂに密接し、これにより貫通孔３１４からカソード流路ＰＡｃおよび貫通孔３１６にかけて、酸化剤ガスが流れる密閉空間を形成する。シール性を高めるために、ビード部３３４～３３６の頂部にシール材を固着してもよい。

図５Ａに示すように、アノード側の非アクティブ領域ＡＲ２は、内側ビード部３３２の内側における、貫通孔３１１，３１６とアクティブ領域ＡＲ１との間の燃料ガスが流れるガス流れ領域ＡＲ３を含む。セパレータ３には、このガス流れ領域ＡＲ３において、後方の電極アッセンブリ２に向けて略円筒形状の複数の突起部３３７が突設される。図５Ｂに示すように、カソード側の非アクティブ領域ＡＲ２は、内側ビード部３３５の内側における、貫通孔３１３，３１４とアクティブ領域ＡＲ１との間の酸化剤ガスが流れるガス流れ領域ＡＲ３を含む。セパレータ３には、このガス流れ領域ＡＲ３において、前方の電極アッセンブリ２に向けて略円筒形状の複数の突起部３３８が突設される。

このようにセパレータ３のガス流れ領域ＡＲ３には、電極アッセンブリ２に向けて複数の突起部３３７，３３８が設けられる。これにより、ガス流れ領域ＡＲ３において反応ガス（燃料ガス、酸化剤ガス）を上下方向に均等に流すことができる。このようなガス流れ領域ＡＲ３をバッファ領域と呼び、突起部３３７，３３８をバッファ部と呼ぶことがある。

燃料ガスは、貫通孔３１１から貫通孔３１６にかけて右方に流れ、酸化剤ガスは、貫通孔３１４から貫通孔３１３にかけて左方に流れる。したがって、燃料電池スタック１００は、燃料ガスと酸化剤ガスとが電極アッセンブリ２を介して対向して流れるクロスフロー型である。カソード側では水が生成されるため、アクティブ領域ＡＲ１を流れる酸化剤ガスは、生成水により加湿され、流れ方向（右方）にかけて湿度が徐々に高くなる。一方、カソード側からアノード側には、カソード側との湿度勾配により電解質膜２３を介して生成水が拡散する。このため、燃料ガスは逆拡散による生成水により加湿され、流れ方向（左方）にかけて湿度が徐々に高くなる。

したがって、アクティブ領域ＡＲ１の左端部近傍では、燃料ガスの湿度が酸化剤ガスの湿度よりも高くなり、右端部近傍では、酸化剤ガスの湿度が燃料ガスの湿度よりも高くなる。燃料ガスの湿度と酸化剤ガスの湿度とに差が生じると、電解質膜２３を介して湿度が高い方から低い方へ水分が移動し、湿度の差が小さくなる。このような湿度が変化する現象を湿度交換と呼ぶ。

ところで、上述した発電セル１において、反応ガスの湿度が低すぎると、電解質膜２３の乾燥によりプロトンの移動が抑制され、発電性能の低下をもたらす。反対に湿度が高すぎると、反応ガスの供給が抑制され、この場合にも発電性能の低下をもらす。そのため、発電セル１の発電性能を高めるためには、アノード側およびカソード側において反応ガスに適度な湿度が必要である。

この点に関し、フレーム２１のガス流れ領域ＡＲ３にフレーム２１を貫通する貫通孔を設け、貫通孔を介して燃料ガスと酸化剤ガスの湿度交換を行うように構成すると、湿度交換の領域がアクティブ領域ＡＲ１よりも拡大する。このため、低すぎずかつ高すぎない湿度分布となる範囲、つまり良好な湿度分布となる範囲が拡大し、発電性能を高めることができる。しかし、フレーム２１のガス流れ領域ＡＲ３に貫通孔を設けると、フレーム２１の強度が低下する。このため、フレーム２１の前後に差圧が作用するとともに圧縮荷重Ｆ（図３）が作用するような環境下において、電極アッセンブリ２の十分な耐久性を得られないおそれがある。そこで、十分な耐久性を確保しつつ、反応ガスの湿度交換を良好に行うことができるよう、本実施形態は以下のように膜電極構造体としての電極アッセンブリ２を構成する。

図６は、フレーム２１の内縁部２２２の近傍における電極アッセンブリ２の断面図（図４のVI-VI線に沿った断面図）である。図６の右方は、フレーム２１の外縁部２２１側であり、左方は中心点Ｐ側である。外縁部２２１側を外方、中心点Ｐ側を内方と呼ぶことがある。図６に示すように、電極アッセンブリ２のカソード側の電極触媒層２５１はアノード側の電極触媒層２４１よりも外方に延在し、電極触媒層２５１の右端（外縁２５１ａ）は電極触媒層２４１の右端（外縁２４１ａ）よりも右側に位置する。

電解質膜２３は、電極触媒層２４１，２５１よりも外方に延在し、電解質膜２３の右端（外縁２３ａ）は電極触媒層２４１，２５１の右端よりも右側に位置する。図４に点線で示すように、電解質膜２３は、電極アッセンブリ２の積層方向から見た平面視で全体が略矩形状を呈する。より詳しくは、電解質膜２３は、貫通孔２０１～２０６の左右方向内側のガス流れ領域ＡＲ３（図５Ａ，５Ｂ）を覆うように上下左右方向に延在し、電解質膜２３の外縁２３ａは、貫通孔２０１～２０６の左右方向内縁部の近傍に位置する。図６に示すように、アノード側のガス拡散層２４２の右端（外縁２４２ａ）とカソード側のガス拡散層２５２の右端（外縁２５２ａ）とは、電極触媒層２５１の外縁２５１ａと左右方向同一位置に位置する。したがって、電解質膜２３がアノード電極２４およびカソード電極２５よりも外方に突出する。

フレーム２１は、接着層２１０を介して接着される前後一対のフレーム、すなわち前フレーム２１１と後フレーム２１２により構成される。前フレーム２１１は、接着層２１０を介して電解質膜２３の前面２３ｆに接着される。前フレーム２１１の左端部（内縁部２２２）は、電極触媒層２４１の外縁２４１ａよりも左方（内方）に延在し、電極触媒層２４１と電解質膜２３との間に介装される。後フレーム２１２の左端部（内縁部２２２）は、電極触媒層２５１の外縁２５１ａよりも左方（内方）に延在し、電極触媒層２５１とガス拡散層２５２との間に介装される。前フレーム２１１の開口２１ａ（内縁）は後フレーム２１２の開口２１ａよりも左方（内方）に位置し、前フレーム２１１の内縁の内側（左側）に、フレーム２１を介さずにアノード電極２４と電解質膜２３とカソード電極２５とが重なり合ったアクティブ領域ＡＲ１が形成される。

電解質膜２３は、前フレーム２１１と後フレーム２１２との間に挟持される。ガス拡散層２４２，２５２の外方における電解質膜２３が挟持されるフレーム２１１，２１２の部位を挟持部２１５，２１６と呼ぶ。また、挟持部２１５，２１６により電解質膜２３が挟持される領域、つまりガス拡散層２４２，２５２の外縁２４２ａ、２５２ａから電解質膜２３の外縁２３ａまでの領域を、挟持領域ＡＲ４と呼ぶ。挟持領域ＡＲ４は、非アクティブ領域ＡＲ２に含まれ、その一部が、貫通孔２０１～２０６とアクティブ領域ＡＲ１との間のガス流れ領域ＡＲ３（図５Ａ，５Ｂ）に重なる。

前フレーム２１１および後フレーム２１２の挟持部２１５，２１６には、それぞれフレーム２１１，２１２を貫通する複数の貫通孔２１３，２１４が開口される。貫通孔２１３，２１４は、図４に示すように、開口２１ａの左右両側の挟持領域ＡＲ４のうち、右側の挟持領域ＡＲ４、すなわち貫通孔２０４～２０６の左側の挟持領域ＡＲ４の全域にわたって開口される。なお、図４には、便宜上、後フレーム２１２の一部の貫通孔２１４のみが示される。右側の挟持領域ＡＲ４に加え、または右側の挟持領域ＡＲ４に代えて、左側の挟持領域ＡＲ４の全域にわたって貫通孔２１３，２１４が開口されてもよい。

図７Ａは、貫通孔２１３，２１４の配置を示す電極アッセンブリ２の要部正面図（図４の矢視VII図）であり、電極アッセンブリ２の積層方向から見た平面視に相当する。図７Ａに示すように、フレーム２１の挟持領域ＡＲ４には、略矩形状の貫通孔２１３と貫通孔２１４とが、左右方向および上下方向に互い違いに配置される。換言すると、貫通孔２１３と貫通孔２１４とは、左右方向および上下方向において交互に配置される。したがって、貫通孔２１３，２１４は平面視で互いに重ならない。この場合、ガス拡散層２４２，２５２を、平面視で貫通孔２１３，２１４と重ねて設ける必要がないため、ガス拡散層を小型化することができ、コストを低減することができる。

このように貫通孔２１３，２１４を互い違いに設けることにより、フレーム２１の前面から後面にかけて貫通孔が平面視で重なって設けられる場合に比べ、フレーム全体の強度が向上する。これにより、電極アッセンブリ２の耐久性を高めることができる。また、フレーム２１の変形を抑えることができ、フレーム２１とセパレータ３のビード部３３１～３３３との間の十分なシール性能を維持できる。

図６は、酸化剤ガスの上流側（燃料ガスの下流側）における電極アッセンブリ２の断面図である。酸化剤ガスは、無加湿の状態でガス流れ領域ＡＲ３に供給される。これに対し、アクティブ領域ＡＲ１の通過後の燃料ガスは、逆拡散により加湿された後である。このため、燃料ガスの湿度は酸化剤ガスの湿度よりも高い。この場合、燃料ガスに含まれる水分が、図６の矢印Ａに示すように、貫通孔２１３、電解質膜２３および貫通孔２１４を介してカソード側に移動する。これにより、酸化剤ガスの湿度が上昇する一方、燃料ガスの湿度が低下し、燃料ガスと酸化剤ガスとで湿度交換が行われる。

一方、燃料ガスの上流側（酸化剤ガスの下流側）においては、生成水の発生に伴い酸化剤ガスの湿度が燃料ガスの湿度よりも高い。但し、燃料ガスは、循環管路５１０ｃ（図１）を介して加湿された状態でガス流れ領域ＡＲ３に供給されるため、酸化剤ガスの上流側におけるよりも、燃料ガスと酸化剤ガスとの湿度の差は小さい。このため、図４に示すように、左側の挟持領域ＡＲ４における貫通孔２１３，２１４を省略することができる。

貫通孔２１３，２１４の配置および形状は、図７Ａに示したものに限らない。例えば図７Ｂに示すように、貫通孔２１３，２１４を上下左右方向に互い違いに配置しつつ、上下左右方向に千鳥状に配置してもよい。貫通孔２１３，２１４は、矩形状以外、例えば円形状、楕円形状、矩形以外の多角形状であってもよい。

貫通孔２１３，２１４の開口面積を、挟持領域ＡＲ４の全域にわたって一定とするのではなく、反応ガスの流れ方向にかけて変化させるようにしてもよい。図８Ａは、その一例である電極アッセンブリ２の後面図（後方から視た図）である。図８Ａの例では、後フレーム２１２の酸化剤ガス供給用の貫通孔２０４からその左方の接合体２０にかけて複数の貫通孔２１４が開口される。これら貫通孔２１４の開口面積は、右方から左方にかけて、つまり酸化剤ガスの上流側から下流側にかけて徐々に小さくなる。したがって、右側の貫通孔２１４ａの開口面積は左側の貫通孔２１４ｂの開口面積よりも小さい。

なお、図８Ａには一部の貫通孔２１３のみを点線で示すが、前フレーム２１１にも、貫通孔２１４と同様、右方から左方にかけて開口面積が徐々に小さくなるように、かつ、貫通孔２１４と互い違いに複数の貫通孔２１３が開口される。図８Ａでは、フレーム２１の貫通孔２０４から開口２１ａにかけて貫通孔２１３，２１４を設けたが、貫通孔２０４～２０６の近傍は開口２１ａの近傍よりも酸化剤ガスの上流側となる。このため、貫通孔２０３～２０６から開口２１ａにかけて、つまり挟持領域ＡＲ４の全域にわたって、右方から左方にかけて開口面積が徐々に小さくなるように貫通孔２１３，２１４が設けられてもよい。

図８Ａの構成によれば、酸化剤ガスの上流側における、酸化剤ガスと燃料ガスとの湿度交換が促進される。これにより酸化剤ガスの上流側における酸化剤ガスの湿度の上昇の程度が大きくなるとともに、燃料ガスの湿度の低下の程度が大きくなる。その結果、良好な湿度分布となる範囲を拡大することができる。

図８Ｂは図８Ａの変形例を示す図である。図８Ｂの例では、フレーム２１の上下両端部の近傍から上下方向中央部にかけて、つまりフレーム２１の外方から内方にかけて、開口面積が徐々に小さくなるように貫通孔２１３，２１４が設けられる。貫通孔２１３は貫通孔２１４の左下方に位置するため、酸化剤ガスはガス流れ領域ＡＲ３を左方かつ下方に流れる。したがって、図８Ｂの例でも、貫通孔２１３，２１４は、酸化剤ガスの流れ方向にかけて（上端部の近傍から上下方向中央部にかけて）、開口面積が小さくなるように設けられる。これにより酸化剤ガスの上流側（燃料ガスの下流側）の湿度交換が促進され、良好な湿度分布となる範囲を拡大することができる。

以上では、挟持領域ＡＲ４のうち、フレーム２１の貫通孔２０４～２０６と開口２１ａとの間の領域に貫通孔２１３，２１４を設けたが、挟持領域ＡＲ４のうちの他の領域に、貫通孔２１３，２１４を設けてもよい。図９は、その一例である電極アッセンブリ２の後面図（後方から視た図）である。図９の例では、後フレーム２１２の上下方向に隣り合う貫通孔２０４，２０５の間に、複数の貫通孔２１４が設けられる。前フレーム２１１にも同様に、貫通孔２０４，２０５の間に、貫通孔１２４と互い違いに複数の貫通孔２１３が設けられる。

貫通孔２０４，２０５の間だけでなく、貫通孔２０５，２０６の間に、複数の貫通孔２１３，２１４を設けることもできる。貫通孔２０４，２０５の間だけでなく、図７Ａ～８Ｂと同様、貫通孔２０４～２０６と開口２１ａとの間の領域に貫通孔２１３，２１４を設けるようにしてもよい。図９では、電解質膜２３の外縁２３ａが、貫通孔２０１～２０６の外方に位置する。さらに電解質膜２３には、開口２１ａに加え、貫通孔２０１～２０６の位置および形状に対応して、打ち抜き加工等により開口２３１～２３６が設けられる。図９の構成によれば、貫通孔２１３，２１４が、図７Ａ～８Ｂのものよりも左右方向外方に位置するため、挟持領域ＡＲ４における湿度交換の範囲が左右方向に拡大する。これにより、良好な湿度分布となる範囲を拡大することができる。

以上では、セパレータ３のガス流れ領域ＡＲ３に略円筒形状の突起部３３７，３３８を設けてバッファ部を構成したが（図５Ａ，５Ｂ）、バッファ部の構成は上述したものに限らない。図１０は、他のバッファ部を有するセパレータ３の後面図（後方から見た図）である。図１０に示すように、セパレータ３（後プレート３Ｒ）の後面３Ｒｂには、アクティブ領域ＡＲ１の左右両側において、燃料ガスの流れ方向に沿って複数の細長の凸部３３９が突設される。

より詳しくは、左側の複数の凸部３３９は、燃料ガス供給用の貫通孔３１１からアクティブ領域ＡＲ１の入口（左端部）にかけて流路面積が徐々に拡大するように右方ないし右斜め下方に延在し、ガス流れ領域ＡＲ３が平面視で略台形状を呈する。さらに右側の凸部３３９は、アクティブ領域ＡＲ１の出口（右端部）から燃料ガス排出用の貫通孔３１６にかけて流路面積が徐々に狭くなるように右方ないし右斜め下方に延在し、ガス流れ領域ＡＲ３が平面視で略台形状を呈する。

同様に、セパレータ３（前プレート３Ｆ）の前面３Ｆａには、アクティブ領域ＡＲ１の左右両側において、酸化剤ガスの流れ方向に沿って複数の細長の凸部３４０が突設される。より詳しくは、右側の複数の凸部３４０は、酸化剤ガス供給用の貫通孔３１４からアクティブ領域ＡＲ１の入口（右端部）にかけて流路面積が徐々に拡大するように左方ないし左斜め下方に延在し、ガス流れ領域ＡＲ３が平面視で略台形状を呈する。さらに左側の凸部３４０は、アクティブ領域ＡＲ１の出口（左端部）から酸化剤ガス排出用の貫通孔３１３にかけて流路面積が徐々に狭くなるように左方ないし左斜め下方に延在し、ガス流れ領域ＡＲ３が平面視で略台形状を呈する。

図１１は、図１０のセパレータ３に対向する電極アッセンブリ２の正面図（後方から見た図）である。図１１に示すように、電極アッセンブリ２のフレーム２１には、アノード側（セパレータ３の後面側）のガス流れ領域ＡＲ３とカソード側（セパレータの前面側）のガス流れ領域ＡＲ３とが重なる領域（図１１にハッチングで示す領域ＡＲ３０）に、貫通孔２１３，２１４が開口される。この場合、電解質膜２３の右端部は、貫通孔２０４～２０６よりも所定長さΔＬだけ左方に位置する。これにより電解質膜２３を左右方向に短尺化することができ、コストを低減することができる。

本実施形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。
（１）燃料電池用膜電極構造体としての電極アッセンブリ２は、電解質膜２３と、電解質膜２３の前面２３ｆに配置されたアノード電極２４と、電解質膜２３の後面２３ｒに配置されたカソード電極２５と、を積層して構成された接合体２０と、接合体２０が配置される開口２１ａを形成する内縁部２２２を有するフレーム２１と、を備える（図３，４）。フレーム２１は、それぞれ内縁部２２２を有するとともに、互いに重なり合う略板状の前フレーム２１１と後フレーム２１２とを有する（図６）。電解質膜２３は、アノード電極２４の外縁２４１ａ，２４２ａおよびカソード電極２５の外縁２５１ａ，２５２ａよりも外側である非アクティブ領域ＡＲ２（非発電領域）に延設される（図６）。前フレーム２１１および後フレーム２１２は、それぞれ非アクティブ領域ＡＲ２における電解質膜２３を挟持する挟持部２１５，２１６を有する。挟持部２１５，２１６には、接合体２０の積層方向から視た平面視で、互いに異なる位置に挟持部２１５を貫通する貫通孔２１３および挟持部２１６を貫通する貫通孔２１４がそれぞれ設けられる（図６，７Ａ，７Ｂ）。

このように電解質膜２３を挟持する一対のフレーム２１１，２１２の互いに異なる位置に貫通孔２１３，２１４を開口することにより、非アクティブ領域ＡＲ２における電解質膜２３を介した湿度交換が可能なフレーム２１の強度が向上する。これにより電極アッセンブリ２の十分な耐久性を確保しつつ、燃料ガスと酸化剤ガスの湿度交換を良好に行うことができる。また、接合体２０のうち、電解質膜２３がアノード電極２４とカソード電極２５の外方に突出して挟持されるので、電極２４，２５を小型化することができ、コストを低減できる。

（２）貫通孔２１３および貫通孔２１４は、挟持部２１５，２１６に平面視で互い違いに設けられる（図７Ａ，７Ｂ）。これにより貫通孔２１３，２１４同士が平面視で重なって位置することがなく、電極アッセンブリ２の耐久性を向上できる。

（３）フレーム２１には、反応ガスが流れる貫通孔２０１，２０３，２０４，２０６が設けられる（図４）。非アクティブ領域ＡＲ２は、これら貫通孔２０１，２０３，２０４，２０６と、電解質膜２３とアノード電極２４とカソード電極２５とが積層されたアクティブ領域ＡＲ１（発電領域）と、の間における、反応ガスが流れるガス流れ領域ＡＲ３を含む（図５Ａ，５Ｂ）。貫通孔２１３、２１４は、ガス流れ領域ＡＲ３に設けられる（図６）。反応ガスの流れに応じて生成水が発生するため、反応ガスの流れ方向に沿って湿度が変化するが、ガス流れ領域ＡＲ３に貫通孔２１３，２１４が設けられることにより、湿度の差が大きい領域で湿度交換を良好に行うことができる。

（４）貫通孔２０１，２０３，２０４，２０６は、燃料ガスが流れる燃料ガス供給用および燃料ガス排出用の貫通孔２０１，２０６と酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス供給用および酸化剤ガス排出用の貫通孔２０４，２０３とを含む（図４）。ガス流れ領域ＡＲ３は、アノード側の貫通孔２０１，２０６とアクティブ領域ＡＲ１との間における燃料ガスが流れるガス流れ領域ＡＲ３（第１ガス流れ領域）と、カソード側の貫通孔２０４，２０３とアクティブ領域ＡＲ１との間における酸化剤ガスが流れるガス流れ領域ＡＲ３（第２ガス流れ領域）と、を含む（図５Ａ，５Ｂ）。貫通孔２１３，２１４は、平面視でこれらアノード側およびカソード側のガス流れ領域ＡＲ３が重なる領域ＡＲ３０に設けられる（図１１）。これにより電解質膜２３を小型化することができ、コストを低減することができる。

（５）貫通孔２１３，２１４は、それぞれガス流れ領域ＡＲ３に設けられた複数の貫通孔である（図８Ａ，８Ｂ）。これら複数の貫通孔２１３および複数の貫通孔２１４は、反応ガスの流れ方向にかけて開口面積が小さくなるように設けられる（図８Ａ，８Ｂ）。これにより、反応ガスの流れ方向の上流側における湿度交換が促進され、良好な湿度分布となる範囲を拡大することができる。

（６）フレーム２１には、反応ガスおよび冷却媒体が流れる複数の貫通孔２０１～２０６が設けられる（図４）。貫通孔２１３，２１４は、複数の貫通孔２０１～２０６のうち、隣り合って配置される一対の貫通孔２０４，２０５の間に設けられる（図９）。これにより、貫通孔２１３，２１４が、より左右方向外方に位置するため、挟持領域ＡＲ４における湿度交換の範囲が左右方向に拡大し、良好な湿度分布となる範囲を拡大することができる。

（７）ガス流れ領域ＡＲ３は、前フレーム２１１に面する燃料ガスの流れ方向と後フレーム２１２に面する酸化剤ガスの流れ方向とが互いに反対方向となるように形成される（図６）。つまりクロスフロー型として構成される。これにより、燃料ガスと酸化剤ガスの湿度の差が大きい領域に貫通孔２１３，２１４が設けられることになり、湿度交換を効果的に行うことができる。

（８）ガス流れ領域ＡＲ３は、燃料ガスの流れ方向上流側かつ酸化剤ガスの流れ方向下流側であり、電解質膜２３を挟んで左側のガス流れ領域ＡＲ３と、燃料ガスの流れ方向下流側かつ酸化剤ガスの流れ方向上流側であり、電解質膜２３を挟んで右側のガス流れ領域ＡＲ３と、を含む（図４，５Ａ，５Ｂ）。貫通孔２１３，２１４は、これらガス流れ領域ＡＲ３のうち、右側のガス流れ領域ＡＲ３に設けられず、左側のガス流れ領域ＡＲ３に設けられる（図４）。これにより、湿度交換用の貫通孔２１３，２１４を設ける領域が最小限に抑えられ、電極アッセンブリ２の十分な強度を保つことができる。

（９）燃料電池システム５００は、上述の電極アッセンブリ２を有する発電セル１を積層して構成された燃料電池スタック１００を備える（図１）。燃料電池システムは、燃料電池スタック１００から流出した燃料ガスを、燃料電池スタック１００に還流するガス還流部として、循環管路５１０ｃおよびエジェクタ５１３をさらに備える（図１）。これにより燃料ガスは、循環管路５１０ｃを介して加湿された状態で燃料電池スタック１００に供給されるため、酸化剤ガスの生成水により燃料ガスを積極的に加湿する必要がなく、燃料ガスの上流側の湿度交換のための貫通孔を省略することができる。

上記実施形態は種々の形態に変形することができる。以下、いくつかの変形例について説明する。上記実施形態では、枠部材としてのフレーム２１を構成する前フレーム２１１（第１枠部材）の挟持部２１５（第１挟持部）および後フレーム２１２（第２枠部材）の挟持部２１６（第２挟持部）に、貫通孔２１３（第１貫通孔）および貫通孔２１４（第２貫通孔）を、平面視で互いに重ならないように設けたが、第１貫通孔と第２貫通孔の一部が平面視で重なってもよい。この場合、挟持領域ＡＲ４の中央部等、比較的剛性が高い部位で、貫通孔の一部が重なることが好ましい。

上記実施形態（図４、６～９，１１）では、フレーム２１の開口２１ａの右側（酸化剤ガスの上流側かつ燃料ガスの下流側）に湿度交換のための貫通孔２１３，２１４を設けたが、この構成に代えて、またはこの構成に加え、開口２１ａの左側（酸化剤ガスの下流側かつ燃料ガスの上流側）に湿度交換のための貫通孔を設けてもよい。上記実施形態では、反応ガスが流れる連通孔としての貫通孔２０１，２０３，２０４，２０６をフレーム２１に設けた。より詳しくは、第１反応ガスとしての燃料ガスが流れる貫通孔２０１，２０６（第１連通孔）と、第２反応ガスとしての酸化剤ガスが流れる貫通孔２０３，２０４（第２連通孔）とを、フレーム２１に設けたが、これら連通孔の位置、個数、形状、配置は上述したものに限らない。

上記実施形態では、第１反応ガスを燃料ガス（アノードガス）、第２反応ガスを酸化剤ガス（カソードガス）としたが、第１反応ガスを酸化剤ガス、第２反応ガスを燃料ガスとしてもよく、第１反応ガスと第２反応ガスの構成は上述したものに限らない。上記実施形態（図９）では、フレーム２１に反応ガスおよび冷却媒体が流れる複数の貫通孔２０１～２０６（連通孔）が設けられるとともに、隣り合って配置される一対の貫通孔２０４，２０５（一対の連通孔）の間に貫通孔２１３，２１４を設けるようにしたが、隣り合って配置される他の一対の貫通孔の間に、湿度交換用の貫通孔２１３，２１４を設けるようにしてもよい。

上記実施形態では、電解質膜２３の前面２３ｆ（第１面）にアノード電極２４（第１ガス拡散電極層）を、後面２３ｒ（第２面）にカソード電極２５（第２ガス拡散電極層）を配置するようにしたが、前面２３ｆにカソード電極２５を、後面２３ｒにアノード電極２４を配置するようにしてもよい。

上記実施形態では、燃料電池スタック１００を車両に適用する例を説明したが、本発明の燃料電池用膜電極接合を有する燃料電池スタックは、航空機や船舶等の車両以外の移動体、ロボットの他、各種産業機械に適用することもできる。

以上の説明はあくまで一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、上述した実施形態および変形例により本発明が限定されるものではない。上記実施形態と変形例の１つまたは複数を任意に組み合わせることも可能であり、変形例同士を組み合わせることも可能である。

１ 発電セル、２ 電極アッセンブリ、２０ 接合体、２１ フレーム、２１ａ 開口、２３ 電解質膜、２３ｆ 前面、２３ｒ 後面、２４ アノード電極、２５ カソード電極、１００ 燃料電池スタック、２０１～２０６ 貫通孔、２１１ 前フレーム、２１２ 後フレーム、２１３，２１４ 貫通孔、２１４ａ，２１４ｂ 貫通孔、２１５，２１６ 挟持部、２２２ 内縁部、５００ 燃料電池システム、５１０ｃ 循環管路、５１３ エジェクタ、ＡＲ１ アクティブ領域、ＡＲ２ 非アクティブ領域、ＡＲ３ ガス流れ領域、ＡＲ３０ 領域

Claims (9)

1. 電解質膜と、該電解質膜の第１面に配置された第１ガス拡散電極層と、前記電解質膜の前記第１面の反対側の第２面に配置された第２ガス拡散電極層と、を積層して構成された膜電極接合体と、
   前記膜電極接合体が配置される開口を形成する内縁部を有する枠部材と、を備え、
   前記枠部材は、それぞれ前記内縁部を有するとともに、互いに重なり合う略板状の第１枠部材と第２枠部材とを有し、
   前記電解質膜は、前記第１ガス拡散電極層の外縁および前記第２ガス拡散電極層の外縁よりも外側である非発電領域に延設され、
   前記第１枠部材および前記第２枠部材は、それぞれ前記非発電領域における前記電解質膜を挟持する第１挟持部および第２挟持部を有し、
   前記第１挟持部および前記第２挟持部には、前記膜電極接合体の積層方向から視た平面視で、互いに異なる位置に前記第１挟持部を貫通する第１貫通孔および前記第２挟持部を貫通する第２貫通孔がそれぞれ設けられることを特徴とする燃料電池用膜電極構造体。
2. 請求項１に記載の燃料電池用膜電極構造体において、
   前記第１貫通孔および前記第２貫通孔は、前記第１挟持部および前記第２挟持部に前記平面視で互い違いに設けられることを特徴とする燃料電池用膜電極構造体。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池用膜電極構造体において、
   前記枠部材には、反応ガスが流れる連通孔が設けられ、
   前記非発電領域は、前記連通孔と、前記電解質膜と前記第１ガス拡散電極層と前記第２ガス拡散電極層とが積層された発電領域と、の間における、前記反応ガスが流れるガス流れ領域を含み、
   前記第１貫通孔および前記第２貫通孔は、前記ガス流れ領域に設けられることを特徴とする燃料電池用膜電極構造体。
4. 請求項３に記載の燃料電池用膜電極構造体において、
   前記連通孔は、第１反応ガスが流れる第１連通孔と第２反応ガスが流れる第２連通孔とを含み、
   前記ガス流れ領域は、前記第１ガス拡散電極層側の前記第１連通孔と前記発電領域との間における前記第１反応ガスが流れる第１ガス流れ領域と、前記第２ガス拡散電極層側の前記第２連通孔と前記発電領域との間における前記第２反応ガスが流れる第２ガス流れ領域と、を含み、
   前記第１貫通孔および前記第２貫通孔は、前記平面視で前記第１ガス流れ領域と前記第２ガス流れ領域とが重なる領域に設けられることを特徴とする燃料電池用膜電極構造体。
5. 請求項３に記載の燃料電池用膜電極構造体において、
   前記第１貫通孔および前記第２貫通孔は、前記ガス流れ領域に設けられた複数の第１貫通孔および複数の第２貫通孔であり、
   前記複数の第１貫通孔および前記複数の第２貫通孔は、前記反応ガスの流れ方向にかけて開口面積が小さくなるように設けられることを特徴とする燃料電池用膜電極構造体。
6. 請求項１または２に記載の燃料電池用膜電極構造体において、
   前記枠部材には、反応ガスおよび冷却媒体が流れる複数の連通孔が設けられ、
   前記第１貫通孔および前記第２貫通孔は、前記複数の連通孔のうち、隣り合って配置される一対の連通孔の間に設けられることを特徴とする燃料電池用膜電極構造体。
7. 請求項３に記載の燃料電池用膜電極接合体において、
   前記ガス流れ領域は、前記第１枠部材に面して流れる第１反応ガスの流れ方向と前記第２枠部材に面して流れる第２反応ガスの流れ方向とが互いに反対方向となるように形成されることを特徴とする燃料電池用膜電極構造体。
8. 請求項７に記載の燃料電池用膜電極構造体において、
   前記ガス流れ領域は、前記第１反応ガスの流れ方向上流側かつ前記第２反応ガスの流れ方向下流側であり、前記電解質膜を挟んで一方側のガス流れ領域と、前記第１反応ガスの流れ方向下流側かつ前記第２反応ガスの流れ方向上流側であり、前記電解質膜を挟んで他方側のガス流れ領域と、を含み、
   前記第１貫通孔および前記第２貫通孔は、前記一方側のガス流れ領域に設けられず、前記他方側のガス流れ領域に設けられることを特徴とする燃料電池用膜電極構造体。
9. 請求項３に記載の燃料電池用膜電極構造体を有する発電セルを積層して構成された燃料電池スタックを備える燃料電池システムであって、
   前記反応ガスはアノードガスであり、
   前記燃料電池スタックから流出したアノードガスを、前記燃料電池スタックに還流するガス還流部をさらに備えることを特徴とする燃料電池システム。