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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-11-25
(45)【発行日】2022-12-05
(54)【発明の名称】発電セル及び樹脂枠付き電解質膜・電極構造体
(51)【国際特許分類】
H01M 8/0273 20160101AFI20221128BHJP
H01M 8/0258 20160101ALI20221128BHJP
H01M 8/1004 20160101ALI20221128BHJP
H01M 8/10 20160101ALN20221128BHJP
【ＦＩ】
H01M8/0273
H01M8/0258
H01M8/1004
H01M8/10 101
【請求項の数】
13
(21)【出願番号】P 2021054485
(22)【出願日】2021-03-29
(65)【公開番号】P2022151929
(43)【公開日】2022-10-12
【審査請求日】2021-11-29
(73)【特許権者】
【識別番号】000005326
【氏名又は名称】本田技研工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100077665
【弁理士】
【氏名又は名称】千葉 剛宏
(74)【代理人】
【識別番号】100116676
【弁理士】
【氏名又は名称】宮寺 利幸
(74)【代理人】
【識別番号】100191134
【弁理士】
【氏名又は名称】千馬 隆之
(74)【代理人】
【識別番号】100136548
【弁理士】
【氏名又は名称】仲宗根 康晴
(74)【代理人】
【識別番号】100136641
【弁理士】
【氏名又は名称】坂井 志郎
(74)【代理人】
【識別番号】100180448
【弁理士】
【氏名又は名称】関口 亨祐
(72)【発明者】
【氏名】小田 優
(72)【発明者】
【氏名】鹿野 嵩瑛
(72)【発明者】
【氏名】青木 智史
(72)【発明者】
【氏名】山脇 琢磨
【審査官】守安 太郎
(56)【参考文献】
【文献】特開２０２２－１４６４３４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１９－０７９７３６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１４－１８２９６７（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１３／１７１９３９（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｍ ８／０２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
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接合された樹脂枠部材とを有する樹脂枠付き電解質膜・電極構造体と、前記樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の一方面に積層された第１セパレータと、
前記樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の他方面に積層された第２セパレータと、
を備えた発電セルであって、
前記電解質膜・電極構造体は、電解質膜と、前記電解質膜の一方面に配置される第１電極と、前記電解質膜の他方面に配置され前記第１電極よりも平面寸法が大きい第２電極とを有し、
前記第１セパレータは、前記電解質膜・電極構造体の発電領域に対向して第１反応ガスを流すための第１反応ガス流路と、前記発電セルの厚み方向に貫通した第１連通孔と、前記第１反応ガス流路と前記第１連通孔とを連通する第１バッファ部とを有し、
前記第２セパレータは、前記電解質膜・電極構造体の前記発電領域に対向して第２反応ガスを流すための第２反応ガス流路と、前記発電セルの厚み方向に貫通した第２連通孔と、前記第２反応ガス流路と前記第２連通孔とを連通する第２バッファ部とを有し、
前記第１電極の外周部は、前記第１バッファ部よりも前記第１反応ガス流路側である内方に位置し、
前記第２電極の外周部は、前記樹脂枠付き電解質膜・電極構造体と前記第２セパレータとの積層方向において、前記樹脂枠部材と前記第２バッファ部との間に配置されている、発電セル。
【請求項2】
請求項１記載の発電セルにおいて、前記第２バッファ部の深さは、前記第１バッファ部の深さよりも深い、発電セル。
【請求項3】
請求項２記載の発電セルにおいて、前記第１バッファ部には、前記第２バッファ部に流れる前記第２反応ガスよりも高い圧力の前記第１反応ガスが流れる、発電セル。
【請求項4】
請求項１～３のいずれか１項に記載の発電セルにおいて、前記樹脂枠部材は、第１枠状シートと、前記第１枠状シートに接合された第２枠状シートとを有する、発電セル。
【請求項5】
請求項４記載の発電セルにおいて、前記第１電極は、前記電解質膜の一方面に配置された第１電極触媒層を有し、
前記第２電極は、前記電解質膜の他方面に配置された第２電極触媒層を有し、
前記電解質膜と前記第１電極触媒層と前記第２電極触媒層とにより触媒被覆膜が構成され、
前記触媒被覆膜の外周部における前記電解質膜と前記第１電極触媒層と前記第２電極触媒層とが、前記第１枠状シートの内周部と前記第２枠状シートの内周部とにより挟持されている、発電セル。
【請求項6】
請求項４記載の発電セルにおいて、前記第１電極は、前記電解質膜の一方面に配置された第１電極触媒層と、前記第１電極触媒層に重なる第１ガス拡散層とを有し、
前記第２電極は、前記電解質膜の他方面に配置された第２電極触媒層と、前記第２電極触媒層に重なり前記第１ガス拡散層よりも平面寸法が大きい第２ガス拡散層とを有し、
前記第１電極触媒層と前記第２電極触媒層とは平面寸法が互いに異なっており、
前記第１枠状シートの内周部は、前記電解質膜・電極構造体の外周部に重なる第１重なり部を有するとともに、前記第１電極触媒層と前記第２電極触媒層のうち大きい電極触媒層と前記第１ガス拡散層とにより挟持され、
前記第２枠状シートの内周部は、前記電解質膜・電極構造体の前記外周部に重なる第２重なり部を有するとともに、前記第１電極触媒層と前記第２電極触媒層のうち小さい電極触媒層と前記第２ガス拡散層とにより挟持されている、発電セル。
【請求項7】
請求項６記載の発電セルにおいて、前記第１枠状シートと前記第２枠状シートとは、接着層により接合されている、発電セル。
【請求項8】
請求項７記載の発電セルにおいて、前記第１枠状シートの内周部に設けられた前記接着層は、前記大きい電極触媒層に当接しており、
前記第２枠状シートの内周部に設けられた前記接着層は、前記小さい電極触媒層に当接している、発電セル。
【請求項9】
請求項１～３のいずれか１項に記載の発電セルにおいて、前記樹脂枠部材は、１枚の枠状シートによって構成されている、発電セル。
【請求項10】
請求項１～９のいずれか１項に記載の発電セルにおいて、前記第１反応ガス流路及び前記第２反応ガス流路の長さ方向における前記第２電極の前記第１電極よりも外方に突出する第１突出寸法は、前記第１反応ガス流路及び前記第２反応ガス流路の幅方向における前記第２電極の前記第１電極よりも外方に突出する第２突出寸法よりも大きい、発電セル。
【請求項11】
請求項１～１０のいずれか１項に記載の発電セルにおいて、前記第１バッファ部又は前記第２バッファ部は、ガイド流路用突起及びエンボスの一方又は両方を有する、発電セル。
【請求項12】
請求項１～１１のいずれか１項に記載の発電セルにおいて、前記樹脂枠部材の内周部と前記第１電極の外周部とが重なる重なり部は、前記第１反応ガス流路よりも外側に位置する、発電セル。
【請求項13】
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接合された樹脂枠部材とを有する樹脂枠付き電解質膜・電極構造体であって、前記電解質膜・電極構造体は、電解質膜と、前記電解質膜の一方面に配置される第１電極と、前記電解質膜の他方面に配置され前記第１電極よりも平面寸法が大きい第２電極とを有し、
前記第１電極は、前記電解質膜の一方面に配置された第１電極触媒層と、前記第１電極触媒層に重なる第１ガス拡散層とを有し、
前記第２電極は、前記電解質膜の他方面に配置された第２電極触媒層と、前記第２電極触媒層に重なり前記第１ガス拡散層よりも平面寸法が大きい第２ガス拡散層とを有し、
前記電解質膜と前記第１電極触媒層と前記第２電極触媒層とにより触媒被覆膜が構成され、
前記樹脂枠部材は、第１枠状シートと、前記第１枠状シートに接合された第２枠状シートとを有し、
前記触媒被覆膜の外周部における前記電解質膜と前記第１電極触媒層と前記第２電極触媒層とが、前記第１枠状シートの内周部と前記第２枠状シートの内周部とにより挟持されており、
前記樹脂枠部材は、前記触媒被覆膜に重ならない非重なり部を有し、
前記第１ガス拡散層の外周端は、前記非重なり部よりも内方に位置し、
前記第２ガス拡散層の外周部は、前記非重なり部に重なる、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、発電セル及び樹脂枠付き電解質膜・電極構造体に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の一方面にアノード電極が配置され、電解質膜の他方面にカソード電極が配置されてなる電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）と、ＭＥＡの両側にそれぞれ配置されたセパレータ（バイポーラ板）とを備えた燃料電池（発電セル）は公知である。通常、所定の数の発電セルが積層されることにより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車両（燃料電池電気自動車等）に組み込まれている。
【0003】
燃料電池では、電解質膜・電極構造体の発電領域に沿って反応ガスを流す反応ガス流路と、燃料電池の積層方向に沿って反応ガスを流す連通孔と、反応ガス流路と連通孔との間で反応ガスを流路幅方向に配流又は集流するためのバッファ部とが設けられる（例えば特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開２００６－１７２９２４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、アノード電極の外周部及びカソード電極の外周部がバッファ部に重なる位置に配置されている場合、アノード電極及びカソード電極が存在する箇所でのバッファ部の深さ（流路高さ）が制限され、圧力損失が大きくなり、発電領域でのガス分配が不均一となる。一方、バッファ部の深さの確保を優先すると、燃料電池の単セル当たりの厚みが増大する。
【0006】
本発明は、単セル当たりの厚みの増大を抑制しつつ、バッファ部での圧力損失の増大を抑制し、バッファ部の性能を高めることができる発電セル及び樹脂枠付き電解質膜・電極構造体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】
本発明の第１の態様は、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接合された樹脂枠部材とを有する樹脂枠付き電解質膜・電極構造体と、前記樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の一方面に積層された第１セパレータと、前記樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の他方面に積層された第２セパレータと、を備えた発電セルであって、前記電解質膜・電極構造体は、電解質膜と、前記電解質膜の一方面に配置される第１電極と、前記電解質膜の他方面に配置され前記第１電極よりも平面寸法が大きい第２電極とを有し、前記第１セパレータは、前記電解質膜・電極構造体の発電領域に対向して第１反応ガスを流すための第１反応ガス流路と、前記発電セルの厚み方向に貫通した第１連通孔と、前記第１反応ガス流路と前記第１連通孔とを連通する第１バッファ部とを有し、前記第２セパレータは、前記電解質膜・電極構造体の前記発電領域に対向して第２反応ガスを流すための第２反応ガス流路と、前記発電セルの厚み方向に貫通した第２連通孔と、前記第２反応ガス流路と前記第２連通孔とを連通する第２バッファ部とを有し、前記第１電極の外周部は、前記第１バッファ部よりも前記第１反応ガス流路側である内方に位置し、前記第２電極の外周部は、前記樹脂枠付き電解質膜・電極構造体と前記第２セパレータとの積層方向において、前記樹脂枠部材と前記第２バッファ部との間に配置されている、発電セルである。
【0008】
本発明の第２の態様は、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接合された樹脂枠部材とを有する樹脂枠付き電解質膜・電極構造体であって、前記電解質膜・電極構造体は、電解質膜と、前記電解質膜の一方面に配置される第１電極と、前記電解質膜の他方面に配置され前記第１電極よりも平面寸法が大きい第２電極とを有し、前記第１電極は、前記電解質膜の一方面に配置された第１電極触媒層と、前記第１電極触媒層に重なる第１ガス拡散層とを有し、前記第２電極は、前記電解質膜の他方面に配置された第２電極触媒層と、前記第２電極触媒層に重なり前記第１ガス拡散層よりも平面寸法が大きい第２ガス拡散層とを有し、前記電解質膜と前記第１電極触媒層と前記第２電極触媒層とにより触媒被覆膜が構成され、前記樹脂枠部材は、第１枠状シートと、前記第１枠状シートに接合された第２枠状シートとを有し、前記触媒被覆膜の外周部における前記電解質膜と前記第１電極触媒層と前記第２電極触媒層とが、前記第１枠状シートの内周部と前記第２枠状シートの内周部とにより挟持されており、前記樹脂枠部材は、前記触媒被覆膜に重ならない非重なり部を有し、前記第１ガス拡散層の外周端は、前記非重なり部よりも内方に位置し、前記第２ガス拡散層の外周部は、前記非重なり部に重なる、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体である。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、第１電極の外周部は第１バッファ部よりも第１反応ガス流路側である内方に位置し、第２電極の外周部は樹脂枠部材と第２バッファ部との間に配置されている。このため、第１バッファ部においては第１電極の外周部が重ならないため、第１バッファ部の深さ（流路高さ）を確保しやすい。従って、単セル当たりの厚みの増大を抑制しつつ、バッファ部での圧力損失の増大を抑制し、バッファ部の性能を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】本発明の実施形態に係る発電セルの分解斜視図である。
【図3】第２セパレータの平面図である。
【図4】他の態様（第１変形例）に係る発電セルの断面図である。
【図5】他の態様（第２変形例）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】
【0011】
図１に示すように、発電セル（燃料電池）１０は、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体（以下、「樹脂枠付きＭＥＡ１２」という）と、樹脂枠付きＭＥＡ１２の両側にそれぞれ配置されたセパレータ１４とを備える。発電セル１０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。
【0012】
複数の発電セル１０は、例えば、水平方向（矢印Ａ方向）又は重力方向（矢印Ｃ方向）に積層されるとともに、積層方向の締付荷重（圧縮荷重）が付与されて、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。
【0013】
発電セル１０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１８ａ、冷却媒体入口連通孔２０ａ及び燃料ガス出口連通孔１６ｂが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔１８ａ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２０ａは、冷却媒体を供給する。燃料ガス出口連通孔１６ｂ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１８ａ、冷却媒体入口連通孔２０ａ及び燃料ガス出口連通孔１６ｂは、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【0014】
発電セル１０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１６ａ、冷却媒体を排出する冷却媒体出口連通孔２０ｂ、及び酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口連通孔１８ｂが設けられる。燃料ガス入口連通孔１６ａ、冷却媒体出口連通孔２０ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔１８ｂは、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【0015】
発電セル１０では、樹脂枠付きＭＥＡ１２が金属製のセパレータ１４により挟持される。以下、樹脂枠付きＭＥＡ１２の一方面側に配設されたセパレータ１４を「第１セパレータ１４ａ」ともいい、樹脂枠付きＭＥＡ１２の他方面側に配設されたセパレータ１４を「第２セパレータ１４ｂ」ともいう。第１セパレータ１４ａ及び第２セパレータ１４ｂは、横長（又は縦長）の長方形状を有する。
【0016】
樹脂枠付きＭＥＡ１２は、電解質膜・電極構造体１２ａ（以下、「ＭＥＡ１２ａ」という）と、ＭＥＡ１２ａの外周部に接合されるとともに該外周部を周回する樹脂枠部材２２とを備える。
【0017】
図２に示すように、ＭＥＡ１２ａは、電解質膜２３と、電解質膜２３の一方の面に設けられたアノード電極２４と、電解質膜２３の他方の面に設けられたカソード電極２６とを有する。電解質膜２３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２３は、アノード電極２４及びカソード電極２６に挟持される。電解質膜２３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。樹脂枠部材２２は、その内周部がＭＥＡ１２ａの外周部に接合された平面形状が長方形の枠状の樹脂フィルム（サブガスケット）である。
【0018】
図１に示すように、樹脂枠部材２２、第１セパレータ１４ａ及び第２セパレータ１４ｂの矢印Ｂ方向の各々の一端部には、燃料ガス出口連通孔１６ｂ、酸化剤ガス入口連通孔１８ａ及び冷却媒体入口連通孔２０ａが設けられる。樹脂枠部材２２、第１セパレータ１４ａ及び第２セパレータ１４ｂの矢印Ｂ方向の各々の他端部には、燃料ガス入口連通孔１６ａ、酸化剤ガス出口連通孔１８ｂ及び冷却媒体出口連通孔２０ｂが設けられる。
【0019】
セパレータ１４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薄板の断面を波形にプレス成形して構成される。第１セパレータ１４ａと第２セパレータ１４ｂとは、外周を溶接、ろう付け、かしめ等により一体に接合され、接合セパレータ３２を構成する。互いに隣接する第１セパレータ１４ａと第２セパレータ１４ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔２０ａと冷却媒体出口連通孔２０ｂとに連通する冷却媒体流路４２が、矢印Ｂ方向に延在して形成される。
【0020】
第１セパレータ１４ａの樹脂枠付きＭＥＡ１２に向かう表面１４ａｓには、燃料ガス入口連通孔１６ａと燃料ガス出口連通孔１６ｂ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１４ａと樹脂枠付きＭＥＡ１２との間に形成される。燃料ガス流路３８は、ＭＥＡ１２ａの発電領域に対向して燃料ガスを流すための流路である。燃料ガス流路３８は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の流路用突起３８ａを有する。各流路用突起３８ａは波形状を有していてもよい。これらの流路用突起３８ａの間に、複数本の流路溝が形成される。
【0021】
第１セパレータ１４ａの表面１４ａｓには、燃料ガス入口連通孔１６ａと燃料ガス流路３８とを連通（連結）する第１入口バッファ部３９ａと、燃料ガス流路３８と燃料ガス出口連通孔１６ｂとを連通（連結）する第１出口バッファ部３９ｂとが設けられる。第１入口バッファ部３９ａは、燃料ガス入口連通孔１６ａから導入された燃料ガスを燃料ガス流路３８の幅方向に配流（分配）する。第１出口バッファ部３９ｂは、燃料ガス流路３８を通過した燃料ガスを、燃料ガス流路３８の幅方向に集め、燃料ガス出口連通孔１６ｂへと送る。
【0022】
第１入口バッファ部３９ａ及び第１出口バッファ部３９ｂは、それぞれ樹脂枠部材２２に向かって突出する複数の凸部５０を有する。図１において、複数の凸部５０は、複数の線状ガイド流路用突起５０ｔである。複数の凸部５０は、点状に分散配置された複数のエンボスであってもよい。以下では、第１入口バッファ部３９ａ及び第１出口バッファ部３９ｂを総称して「第１バッファ部３９」と呼ぶ場合がある。
【0023】
第１セパレータ１４ａの表面１４ａｓには、流体（燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体）の漏れを防止するための第１シールライン４４が第１セパレータ１４ａと一体に設けられる。第１シールライン４４は、第１セパレータ１４ａの外周部を周回する。第１シールライン４４は、樹脂枠部材２２に向かって膨出（突出）するとともに、樹脂枠部材２２に気密及び液密に当接する。
【0024】
第１シールライン４４は、複数のビードシール構造４５を有する。複数のビードシール構造４５は、燃料ガス流路３８を囲む波形状の周縁ビードシール４５ａと、連通孔１６ａ、１６ｂ、１８ａ、１８ｂ、２０ａ、２０ｂを個別に囲む複数の連通孔ビード部４５ｂとを有する。周縁ビードシール４５ａは、燃料ガス流路３８、燃料ガス入口連通孔１６ａ及び燃料ガス出口連通孔１６ｂを周回し且つこれらを連通させる。周縁ビードシール４５ａ及び連通孔ビード部４５ｂの平面形状はストレート形状であってもよい。
【0025】
図３に示すように、第２セパレータ１４ｂの樹脂枠付きＭＥＡ１２に向かう表面１４ｂｓには、酸化剤ガス入口連通孔１８ａと酸化剤ガス出口連通孔１８ｂとに連通する酸化剤ガス流路４０が設けられる。具体的に、酸化剤ガス流路４０は、第２セパレータ１４ｂと樹脂枠付きＭＥＡ１２との間に形成される。酸化剤ガス流路４０は、ＭＥＡ１２の発電領域に対向して酸化剤ガスを流すための流路である。酸化剤ガス流路４０は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の流路用突起４０ａを有する。各流路用突起４０ａは波形状を有していてもよい。これらの流路用突起４０ａの間に、複数本の流路溝が形成される。
【0026】
第２セパレータ１４ｂの表面１４ｂｓには、酸化剤ガス入口連通孔１８ａと酸化剤ガス流路４０とを連通（連結）する第２入口バッファ部４１ａと、酸化剤ガス流路４０と酸化剤ガス出口連通孔１８ｂとを連通（連結）する第２出口バッファ部４１ｂとが設けられる。第２入口バッファ部４１ａは、酸化剤ガス入口連通孔１８ａから導入された酸化剤ガスを酸化剤ガス流路４０の幅方向に配流（分配）する。第２出口バッファ部４１ｂは、酸化剤ガス流路４０を通過した酸化剤ガスを、酸化剤ガス流路４０の幅方向に集め、酸化剤ガス出口連通孔１８ｂへと送る。
【0027】
第２入口バッファ部４１ａ及び第２出口バッファ部４１ｂは、それぞれ樹脂枠部材２２に向かって突出する複数の凸部５２を有する。図３において、複数の凸部５２は、複数の線状ガイド流路用突起５２ｔである。複数の凸部５２は、点状に分散配置された複数のエンボスであってもよい。以下では、第２入口バッファ部４１ａ及び第２出口バッファ部４１ｂを総称して「第２バッファ部４１」と呼ぶ場合がある。
【0028】
第２セパレータ１４ｂの表面１４ｂｓには、流体の漏れを防止するため、この第２セパレータ１４ｂの外周部を周回する第２シールライン４６が第２セパレータ１４ｂと一体に設けられる。第２シールライン４６は、樹脂枠部材２２に向かって膨出するとともに、樹脂枠部材２２に気密及び液密に当接する。
【0029】
第２シールライン４６は、複数のビードシール構造４７を有する。複数のビードシール構造４７は、波形状の周縁ビードシール４７ａと、連通孔１６ａ、１６ｂ、１８ａ、１８ｂ、２０ａ、２０ｂを個別に囲む複数の連通孔ビード部４７ｂとを有する。周縁ビードシール４７ａは、酸化剤ガス流路４０、酸化剤ガス入口連通孔１８ａ及び酸化剤ガス出口連通孔１８ｂを周回し且つこれらを連通させる。周縁ビードシール４７ａ及び連通孔ビード部４７ｂの平面形状はストレート形状であってもよい。
【0030】
次に、図２を参照し、樹脂枠付きＭＥＡ１２の具体的な構造を説明する。
【0031】
アノード電極２４は、電解質膜２３の一方の面２３ａに接合される第１電極触媒層２４ａと、第１電極触媒層２４ａに積層される第１ガス拡散層２４ｂとを有する。第１ガス拡散層２４ｂの厚みは、第１電極触媒層２４ａの厚みよりも相当に厚い。カソード電極２６は、電解質膜２３の他方の面２３ｂに接合される第２電極触媒層２６ａと、第２電極触媒層２６ａに積層される第２ガス拡散層２６ｂとを有する。第２ガス拡散層２６ｂの厚みは、第２電極触媒層２６ａの厚みよりも相当に厚い。電解質膜２３と第１電極触媒層２４ａと第２電極触媒層２６ａとにより触媒被覆膜２７（ＣＣＭ：Ｃａｔａｌｙｓｔ Ｃｏａｔｅｄ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）が構成されている。カソード電極２６の平面寸法は、アノード電極２４の平面寸法よりも大きい。具体的にはカソード電極２６を構成する第２ガス拡散層２６ｂの平面寸法は、アノード電極２４を構成する第１ガス拡散層２４ｂの平面寸法よりも大きい。
【0032】
第１電極触媒層２４ａ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２４ｂの表面に一様に塗布されて形成される。第２電極触媒層２６ａ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２６ｂの表面に一様に塗布されて形成される。第１電極触媒層２４ａ及び第２電極触媒層２６ａの平面形状は、いずれも長方形である。
【0033】
第１電極触媒層２４ａの平面寸法は、第２電極触媒層２６ａの平面寸法よりも大きい。従って、第１電極触媒層２４ａの外周部は、当該外周部の全周に亘って、第２電極触媒層２６ａの外周端に対して外方に突出している。第１電極触媒層２４ａの平面寸法は、電解質膜２３の平面寸法と略同一である。第２電極触媒層２６ａの平面寸法は、電解質膜２３の平面寸法よりも小さい。従って、第２電極触媒層２６ａの外周端は、当該外周端の全周に亘って、電解質膜２３の外周端よりも内方に位置する。
【0034】
第１ガス拡散層２４ｂ及び第２ガス拡散層２６ｂ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１ガス拡散層２４ｂ及び第２ガス拡散層２６ｂの平面形状は、いずれも長方形である。第１ガス拡散層２４ｂの平面寸法は、電解質膜２３の平面寸法及び第１電極触媒層２４ａの平面寸法と略同一である。図示しないが、第１ガス拡散層２４ｂ及び第２ガス拡散層２６ｂの各々における電解質膜２３側の全面にはマイクロポーラス層が形成されている。
【0035】
樹脂枠部材２２は、２枚の枠状シート（樹脂シート）を有する。具体的には、樹脂枠部材２２は、第１枠状シート２２ａと、第１枠状シート２２ａに接合された第２枠状シート２２ｂとを有する。ＭＥＡ１２ａにおいて、樹脂枠部材２２の内周端（第１枠状シート２２ａの内周端２２ａｅ及び第２枠状シート２２ｂの内周端２２ｂｅ）よりも内側が、発電領域である。
【0036】
第１枠状シート２２ａ及び第２枠状シート２２ｂは樹脂材料により構成される。第１枠状シート２２ａ及び第２枠状シート２２ｂ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、ＰＩ（ポリイミド）等が挙げられる。
【0037】
第１枠状シート２２ａと第２枠状シート２２ｂとは、接着層２２ｃにより、第１枠状シート２２ａと第２枠状シート２２ｂの全周に亘って直接接合される。第１枠状シート２２ａと第２枠状シート２２ｂとは、平面寸法が互いに略同一に設定されている。第１枠状シート２２ａと第２枠状シート２２ｂとは、平面寸法が互いに異なっていてもよい。第１枠状シート２２ａと第２枠状シート２２ｂとは、厚みが互いに略同一に設定されている。第１枠状シート２２ａと第２枠状シート２２ｂとは、厚みが互いに異なっていてもよい。
【0038】
樹脂枠部材２２の内周部とアノード電極２４の外周部とが重なる重なり部５４（具体的には、第１枠状シート２２ａの内周部と第１ガス拡散層２４ｂの外周部とが重なる部位）は、燃料ガス流路３８を構成する流路用突起３８ａに設けられた段部３８ｓに重なる。段部３８ｓは、流路用突起３８ａのガス流れ方向（矢印Ｂ方向）の端部に設けられており、流路用突起３８ａの一般部３８ｎよりもベースプレート部１５ａからの突出高さが低い。一般部３８ｎは、段部３８ｓよりも内方の部分である。段部３８ｓは、第１ガス拡散層２４ｂの外周部を第２ガス拡散層２６ｂ側に向かって押さえている。
【0039】
アノード電極２４の外周部（第１電極触媒層２４ａの外周部及び第１ガス拡散層２４ｂの外周部）は、第１バッファ部３９よりも内方（燃料ガス流路３８側）に位置する。従って、第１バッファ部３９の凸部５０は、第１ガス拡散層２４ｂの外周部を介さずに、樹脂枠部材２２に直接当接している。
【0040】
一方、カソード電極２６の外周部（第２ガス拡散層２６ｂの外周部）は、樹脂枠付きＭＥＡ１２と第２セパレータ１４ｂとの積層方向において、樹脂枠部材２２と第２バッファ部４１との間に配置されている。従って、第２バッファ部４１の凸部５２は、第２ガス拡散層２６ｂに当接し、第２ガス拡散層２６ｂを支持している。酸化剤ガス流路４０を構成する流路用突起４０ａは、段部４０ｓを有する。段部４０ｓは、流路用突起４０ａのガス流れ方向（矢印Ｂ方向）の端部に設けられており、流路用突起４０ａの一般部４０ｎよりもベースプレート部１５ｂからの突出高さが低い。一般部４０ｎは、段部４０ｓよりも内方の部分である。段部４０ｓは、第２バッファ部４１の凸部５２よりも内方で、第２ガス拡散層２６ｂを第１ガス拡散層２４ｂ側に向かって押さえている。
【0041】
このように、第１ガス拡散層２４ｂの外周部が第１バッファ部３９よりも内方に位置し、第２ガス拡散層２６ｂの外周部が樹脂枠部材２２と第２バッファ部４１との間に位置している。第２バッファ部４１の深さＨ２（流路高さ）は、第１バッファ部３９の深さＨ１（流路高さ）よりも深い。すなわち、第２バッファ部４１の凸部５２の突出高さは、第１バッファ部３９の凸部５０の突出高さよりも高い。第１バッファ部３９の深さＨ１（凸部５０の突出高さ）は、燃料ガス流路３８の流路用突起３８ａの突出高さＴ１と同程度でもよく、あるいは突出高さＴ１と異なっていてもよい。第２バッファ部４１の深さＨ２（凸部５２の突出高さ）は、酸化剤ガス流路４０の流路用突起４０ａの突出高さＴ２よりも高い。なお、第２バッファ部４１の深さＨ２は、流路用突起４０ａの突出高さＴ２と同じであってもよい。
【0042】
触媒被覆膜２７の外周部における電解質膜２３と第１電極触媒層２４ａと第２電極触媒層２６ａとが、第１枠状シート２２ａの内周部と第２枠状シート２２ｂの内周部とにより挟持されている。
【0043】
第１枠状シート２２ａの内周部は、当該内周部の全周に亘って、ＭＥＡ１２ａの外周部に重なる第１重なり部２２ａｋを有する。第１枠状シート２２ａの内周端２２ａｅは、第１ガス拡散層２４ｂの外周端２４ｂｅよりも内方に位置する。第１枠状シート２２ａの内周部は、第１電極触媒層２４ａと第１ガス拡散層２４ｂとにより挟持されている。第１枠状シート２２ａの内周部に設けられた接着層２２ｃは、電解質膜２３の一方の面２３ａに当接している。
【0044】
第２枠状シート２２ｂの内周部は、ＭＥＡ１２ａの外周部に重なる第２重なり部２２ｂｋを有する。第２枠状シート２２ｂの内周端２２ｂｅは、第２ガス拡散層２６ｂの外周端２６ｂｅよりも内方に位置する。第２枠状シート２２ｂの内周部は、第２電極触媒層２６ａと第２ガス拡散層２６ｂとにより挟持されている。第２枠状シート２２ｂの内周部に設けられた接着層２２ｃは、電解質膜２３の他方の面２３ｂに当接している。
【0045】
樹脂枠部材２２は、触媒被覆膜２７に重ならない非重なり部２２ｆを有する。非重なり部２２ｆは、樹脂枠部材２２のうち、触媒被覆膜２７の外周端よりも外方の部分である。第１ガス拡散層２４ｂの外周端２４ｂｅは、樹脂枠部材２２の非重なり部２２ｆよりも内方（燃料ガス流路３８側）に位置する。一方、第２ガス拡散層２６ｂの外周部は、樹脂枠部材２２の非重なり部２２ｆに重なる。
【0046】
図３に示すように、第２ガス拡散層２６ｂの平面寸法は、第１ガス拡散層２４ｂの平面寸法よりも大きい。従って、第２ガス拡散層２６ｂの外周部は、当該外周部の全周に亘って、第１ガス拡散層２４ｂの外周端２４ｂｅに対して外方に突出している。図３において、第１突出寸法Ｌ１は、長方形状の発電セル１０（図１）の長手方向（燃料ガス流路３８及び酸化剤ガス流路４０の長さ方向；Ｂ方向）における第２ガス拡散層２６ｂの第１ガス拡散層２４ｂよりも外方に突出する長さである。第２突出寸法Ｌ２は、発電セル１０の短手方向（燃料ガス流路３８及び酸化剤ガス流路４０の幅方向；Ｃ方向）における第２ガス拡散層２６ｂの第１ガス拡散層２４ｂよりも外方に突出する長さである。第１突出寸法Ｌ１は、第２突出寸法Ｌ２よりも大きい。なお、第２突出寸法Ｌ２はゼロ（発電セル１０の短手方向における第１ガス拡散層２４ｂと第２ガス拡散層２６ｂの寸法が同じ）であってもよい。
【0047】
このように構成される発電セル１０の動作について、以下に説明する。
【0048】
図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔１８ａ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１６ａ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２０ａ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１８ａから第２セパレータ１４ｂの酸化剤ガス流路４０に導入され、矢印Ｂ方向に移動してＭＥＡ１２ａのカソード電極２６に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔１６ａから第１セパレータ１４ａの燃料ガス流路３８に導入され、燃料ガス流路３８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、ＭＥＡ１２ａのアノード電極２４に供給される。発電セル１０に供給される燃料ガスの圧力は、発電セル１０に供給される酸化剤ガスの圧力よりも高い。従って、第１バッファ部３９には、第２バッファ部４１に流れる酸化剤ガスよりも高い圧力の燃料ガスが流れる。
【0050】
ＭＥＡ１２ａでは、カソード電極２６に供給される酸化剤ガスと、アノード電極２４に供給される燃料ガスとが、第２電極触媒層２６ａ及び第１電極触媒層２４ａ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、図１において、カソード電極２６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１８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード電極２４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１６ｂ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２０ａに供給された冷却媒体は、第１セパレータ１４ａと第２セパレータ１４ｂとの間の冷却媒体流路４２に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、ＭＥＡ１２ａを冷却した後、冷却媒体出口連通孔２０ｂから排出される。
【0053】
本実施形態は、以下の作用効果を奏する。
【0054】
本実施形態では、図２に示すように、アノード電極２４の外周部は第１バッファ部３９よりも内方（燃料ガス流路３８側）に位置し、カソード電極２６の外周部は樹脂枠部材２２と第２バッファ部４１との間に配置されている。このため、第１バッファ部３９においてはアノード電極２４（第１ガス拡散層２４ｂ）の外周部が重ならないため、第１バッファ部３９の深さＨ１（流路高さ）を確保しやすい。従って、単セル当たりの厚みの増大を抑制しつつ、第１バッファ部３９での圧力損失の増大を抑制し、第１バッファ部３９の性能を高めることができる。
【0055】
第１バッファ部３９には、第２バッファ部４１に流れる酸化剤ガスよりも高い圧力の燃料ガスが流れる。このため、樹脂枠部材２２には、第１バッファ部３９側から第２バッファ部４１側に向かってガス差圧Ｐに基づく繰返し応力が作用する。この場合、樹脂枠部材２２は第２ガス拡散層２６ｂの外周部によって支持されるため、ガス差圧Ｐに基づく繰返し応力による樹脂枠部材２２の損傷を抑制することができる。また、樹脂枠部材２２の厚みをより薄くすることができる。
【0056】
樹脂枠部材２２は、第１枠状シート２２ａと、第１枠状シート２２ａに接合された第２枠状シート２２ｂとを有する。このような張り合わせ構造により、樹脂枠部材２２とアノード電極２４及びカソード電極２６との重なり部を薄くして接合による段差の拡大を抑制することができる。また、樹脂枠部材２２の強度を向上させることができる。
【0057】
触媒被覆膜２７の外周部における電解質膜２３と第１電極触媒層２４ａと第２電極触媒層２６ａとが、第１枠状シート２２ａの内周部と第２枠状シート２２ｂの内周部とにより挟持されている。このため、セパレータ１４に由来する鉄成分（Ｆｅコンタミ）が、触媒被覆膜２７の外端部を介して電解質膜２３（発電領域）に入り込むことを防止することができ、電解質膜２３の劣化を抑制することができる。
【0058】
樹脂枠部材２２の内周部とアノード電極２４の外周部とが重なる重なり部５４は、流路用突起３８ａの一般部３８ｎよりも低い段部３８ｓに重なる。このため、重なり部５４での局所的な面圧上昇を回避することができる。
【0059】
図４に示す態様（第１変形例）に係る発電セル１０Ａの樹脂枠付きＭＥＡ１２Ａにおいて、第１電極触媒層２４ａの外周部及び第２電極触媒層２６ａの外周部は、第１枠状シート２２ａの内周部と第２枠状シート２２ｂの内周部との間に配置されている。第１電極触媒層２４ａの外周部は、第１枠状シート２２ａの内周部と電解質膜２３の外周部との間に配置されている。第１枠状シート２２ａの内周部は、接着層２２ｃを介して第１電極触媒層２４ａの外周部に接合されている。第２電極触媒層２６ａの外周部は、第２枠状シート２２ｂの内周部と電解質膜２３の外周部との間に配置されている。第２枠状シート２２ｂの内周部は、接着層２２ｃを介して第２電極触媒層２６ａの外周部及び電解質膜２３の外周部（他方の面２３ｂ）に接合されている。従って、第２電極触媒層２６ａの外端面と電解質膜２３の外端面との間には接着層２２ｃが充填されている。
【0060】
図５に示す態様（第２変形例）に係る発電セル１０Ｂの樹脂枠付きＭＥＡ１２Ｂにおいて、樹脂枠部材６０は、１枚の樹脂製の枠状シート６２によって構成されている。枠状シート６２は、接着層２２ｃを介して電解質膜２３の外周部に接合されている。図５の態様によれば、樹脂枠部材６０の構造を簡素化することができる。
【0061】
上記の実施形態をまとめると以下のようになる。
【0062】
上記の実施形態は、電解質膜・電極構造体（１２ａ）と、前記電解質膜・電極構造体の外周部に接合された樹脂枠部材（２２）とを有する樹脂枠付き電解質膜・電極構造体（１２）と、前記樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の一方面に積層された第１セパレータ（１４ａ）と、前記樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の他方面に積層された第２セパレータ（１４ｂ）と、を備えた発電セル（１０）であって、前記電解質膜・電極構造体は、電解質膜と、前記電解質膜の一方面に配置される第１電極（２４）と、前記電解質膜の他方面に配置され前記第１電極よりも平面寸法が大きい第２電極（２６）とを有し、前記第１セパレータは、前記電解質膜・電極構造体の発電領域に対向して第１反応ガスを流すための第１反応ガス流路（３８）と、前記発電セルの厚み方向に貫通した第１連通孔（１６ａ、１６ｂ）と、前記第１反応ガス流路と前記第１連通孔とを連通する第１バッファ部（３９）とを有し、前記第２セパレータは、前記電解質膜・電極構造体の前記発電領域に対向して第２反応ガスを流すための第２反応ガス流路（４０）と、前記発電セルの厚み方向に貫通した第２連通孔（１８ａ、１８ｂ）と、前記第２反応ガス流路と前記第２連通孔とを連通する第２バッファ部（４１）とを有し、前記第１電極の外周部は、前記第１バッファ部よりも前記第１反応ガス流路側である内方に位置し、前記第２電極の外周部は、前記樹脂枠付き電解質膜・電極構造体と前記第２セパレータとの積層方向において、前記樹脂枠部材と前記第２バッファ部との間に配置されている、発電セルを開示している。
【0063】
前記第２バッファ部の深さ（Ｈ２）は、前記第１バッファ部の深さ（Ｈ１）よりも深い。
【0064】
前記第１バッファ部には、前記第２バッファ部に流れる前記第２反応ガスよりも高い圧力の前記第１反応ガスが流れる。
【0065】
前記樹脂枠部材は、第１枠状シート（２２ａ）と、前記第１枠状シートに接合された第２枠状シート（２２ｂ）とを有する。
【0066】
前記第１電極は、前記電解質膜の一方面に配置された第１電極触媒層（２４ａ）を有し、前記第２電極は、前記電解質膜の他方面に配置された第２電極触媒層（２４ａ）を有し、前記電解質膜と前記第１電極触媒層と前記第２電極触媒層とにより触媒被覆膜（２７）が構成され、前記触媒被覆膜の外周部における前記電解質膜と前記第１電極触媒層と前記第２電極触媒層とが、前記第１枠状シートの内周部と前記第２枠状シートの内周部とにより挟持されている。
【0067】
前記第１電極は、前記電解質膜の一方面に配置された第１電極触媒層（２４ａ）と、前記第１電極触媒層に重なる第１ガス拡散層（２４ｂ）とを有し、前記第２電極は、前記電解質膜の他方面に配置された第２電極触媒層（２６ａ）と、前記第２電極触媒層に重なり前記第１ガス拡散層よりも平面寸法が大きい第２ガス拡散層（２６ｂ）とを有し、前記第１電極触媒層と前記第２電極触媒層とは平面寸法が互いに異なっており、前記第１枠状シートの内周部は、前記電解質膜・電極構造体の外周部に重なる第１重なり部（２２ａｋ）を有するとともに、前記第１電極触媒層と前記第２電極触媒層のうち大きい電極触媒層と前記第１ガス拡散層とにより挟持され、前記第２枠状シートの内周部は、前記電解質膜・電極構造体の前記外周部に重なる第２重なり部（２２ｂｋ）を有するとともに、前記第１電極触媒層と前記第２電極触媒層のうち小さい電極触媒層と前記第２ガス拡散層とにより挟持されている。
【0068】
前記第１枠状シートと前記第２枠状シートとは、接着層（２２ｃ）により接合されている。
【0069】
前記第１枠状シートの内周部に設けられた前記接着層は、前記大きい電極触媒層に当接しており、前記第２枠状シートの内周部に設けられた前記接着層は、前記小さい電極触媒層に当接している。
【0070】
前記樹脂枠部材は、１枚の枠状シート（６２）によって構成されている。
【0071】
前記第１反応ガス流路及び前記第２反応ガス流路の長さ方向における前記第２電極の前記第１電極よりも外方に突出する第１突出寸法（Ｌ１）は、前記第１反応ガス流路及び前記第２反応ガス流路の幅方向における前記第２電極の前記第１電極よりも外方に突出する第２突出寸法（Ｌ２）よりも大きい。
【0072】
前記第１バッファ部又は前記第２バッファ部は、ガイド流路用突起（５０ｔ、５２ｔ）及びエンボスの一方又は両方を有する。
【0073】
前記樹脂枠部材の内周部と前記第１電極の外周部とが重なる重なり部５４は、前記第１反応ガス流路よりも外側に位置する。
【0074】
上記の実施形態は、電解質膜・電極構造体（１２ａ）と、前記電解質膜・電極構造体の外周部に接合された樹脂枠部材（２２）とを有する樹脂枠付き電解質膜・電極構造体（１２）であって、前記電解質膜・電極構造体は、電解質膜（２３）と、前記電解質膜の一方面に配置される第１電極（２４）と、前記電解質膜の他方面に配置され前記第１電極よりも平面寸法が大きい第２電極（２６）とを有し、前記第１電極は、前記電解質膜の一方面に配置された第１電極触媒層（２４ａ）と、前記第１電極触媒層に重なる第１ガス拡散層（２４ｂ）とを有し、前記第２電極は、前記電解質膜の他方面に配置された第２電極触媒層（２６ａ）と、前記第２電極触媒層に重なり前記第１ガス拡散層よりも平面寸法が大きい第２ガス拡散層（２６ｂ）とを有し、前記電解質膜と前記第１電極触媒層と前記第２電極触媒層とにより触媒被覆膜（２７）が構成され、前記樹脂枠部材は、第１枠状シート（２２ａ）と、前記第１枠状シートに接合された第２枠状シート（２２ｂ）とを有し、前記触媒被覆膜の外周部における前記電解質膜と前記第１電極触媒層と前記第２電極触媒層とが、前記第１枠状シートの内周部と前記第２枠状シートの内周部とにより挟持されており、前記樹脂枠部材は、前記触媒被覆膜に重ならない非重なり部（２２ｆ）を有し、前記第１ガス拡散層の外周端（２４ｂｅ）は、前記非重なり部よりも内方に位置し、前記第２ガス拡散層の外周部は、前記非重なり部に重なる、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を開示している。
【0075】
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】
【0076】
１０、１０Ａ…発電セル １２、１２Ａ…樹脂枠付き電解質膜・電極構造体
１２ａ…ＭＥＡ １４ａ…第１セパレータ
１４ｂ…第２セパレータ ２２…樹脂枠部材
２４…アノード電極 ２６…カソード電極
３９…第１バッファ部 ４１…第２バッファ部
１２ａ…ＭＥＡ １４ａ…第１セパレータ
１４ｂ…第２セパレータ ２２…樹脂枠部材
２４…アノード電極 ２６…カソード電極
３９…第１バッファ部 ４１…第２バッファ部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】