WO2011158286A1 - 燃料電池、燃料電池の製造方法 - Google Patents

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WO2011158286A1
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fuel cell
separator
electrolyte membrane
convex portion
convex
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吉川大雄
中西淳二
川角明人
西田恒政
壷阪健二
齋藤丈明
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トヨタ自動車株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell sealing technique.
  • a fuel cell is configured, for example, by forming a gas diffusion layer on both surfaces of an electrolyte membrane / electrode assembly and sandwiching both ends with a separator.
  • various techniques have been developed to seal a reaction gas used for a fuel cell reaction in an electrolyte membrane / electrode assembly.
  • Patent Document 1 discloses a fuel cell in which a sealing member is provided between two separators at a peripheral edge between two opposing separators, and the sealing member and the separator are fitted together. According to such a configuration, it is possible to suppress a change in the seal pressure due to the variation in the size of the seal member and improve the seal performance.
  • Patent Document 1 is based on the premise that the fuel cell is fastened in the clamping direction with a relatively high fastening load in order to ensure sufficient sealing performance. Since the constituent members of the fuel cell need to have rigidity corresponding to the fastening load, when the fastening load increases, the cost and size of the fuel cell increase. Therefore, there is room for improvement in terms of reducing the fastening weight.
  • JP 2005-183221 A JP 2008-235159 A JP 2008-343383 A JP 2003-17093 A JP 2008-152943 A Special table 2008-525986 gazette JP 2005-19057 A
  • the problem to be solved by the present invention is to reduce the fastening load of the fuel cell.
  • the present invention has been made to solve at least a part of the problems described above, and can be realized as the following forms or application examples.
  • Application Example 1 A fuel cell in which a power generator including at least an electrolyte membrane and a separator are stacked, A convex portion formed to protrude in the stacking direction on one of the power generation body and the separator and a concave portion formed to be concave in the stacking direction on the other of the power generation body and the separator are fitted together,
  • a seal portion is provided for sealing a reaction gas used for an electrochemical reaction in the fuel cell between the power generator and the separator,
  • At least one of the convex portion and the concave portion is formed of a polymer material that expands due to moisture absorption.
  • At least one of the concave portion and the convex portion that seals the reaction gas is formed of a polymer material that expands due to moisture absorption.
  • the molecular material expands. Therefore, the adhesion between the concave portion and the convex portion is increased, and the sealing performance can be improved. As a result, it is possible to reduce the fastening load in the stacking direction of the fuel cells, which is necessary for ensuring the sealing performance.
  • Application Example 2 The fuel cell according to Application Example 1, wherein the sealing is performed by contacting the convex part and the concave part at least in a direction intersecting the stacking direction.
  • the fuel cell having such a configuration can perform sealing in a direction intersecting with the stacking direction, a large fastening load is not required to ensure sealing performance. That is, the fastening load can be reduced.
  • a gap is formed between the protruding tip of the convex portion and the bottom surface of the concave portion of the concave portion in a state where at least one of the convex portion and the concave portion formed of the polymer material is expanded by moisture absorption.
  • a gap exists between the tip of the protrusion of the protrusion and the bottom of the recess of the recess in a state where at least one of the protrusion and the recess is expanded by moisture absorption. Therefore, with the expansion of the polymer material, the tip of the convex portion and the bottom surface of the concave portion come into contact with each other, and no reaction force is generated in the direction in which the fitting relationship between the concave portion and the convex portion is eliminated. Therefore, the fastening load for suppressing the deformation in the stacking direction of the fuel cell due to the expansion of the polymer material is not necessary, and the fastening load can be reduced.
  • Application Example 4 The fuel cell according to any one of Application Example 1 to Application Example 3, wherein the convex portion has a cross-sectional area in a direction in which a tip side of a protruding base of the convex portion intersects the direction of the stacking.
  • Application Example 5 The fuel cell according to any one of Application Example 1 to Application Example 4, wherein the convex portion is formed in the power generation body and the concave portion is formed in the separator.
  • the convex portion is formed on the power generation body having a relatively thin thickness in the stacking direction, and the concave portion is formed on the separator having a relatively large thickness. Therefore, the concave portion can be easily formed.
  • the fuel cell having such a configuration is easy to manufacture as compared with the case where the concave portion is formed of a polymer material because the convex portion may be formed on a substantially flat power generator.
  • Application Example 7 The fuel cell according to Application Example 6, wherein the polymer material is an electrolyte, and the convex portion is integrally formed with the electrolyte membrane by the electrolyte.
  • the fuel cell having such a configuration can share the material between the electrolyte membrane and the polymer material, the number of members can be reduced. And since the convex part is integrally formed with the electrolyte membrane with the electrolyte, the generated water generated by the operation of the fuel cell easily reaches the convex part formed of the polymer material. As a result, the convex portion can be surely expanded by moisture absorption to ensure a sufficient sealing property.
  • Application Example 8 The fuel according to Application Example 6 or Application Example 7, further comprising an internal member having elasticity smaller than that of the polymer material in the shape of the convex portion so as to substantially follow the shape of the convex portion. battery.
  • the fuel cell having such a configuration may be formed of a material in which the shape of the convex portion is long-term use of the fuel cell. Even in this way, it is difficult to be deformed, so that the durability is improved.
  • Application Example 9 The fuel cell according to Application Example 8, wherein the internal member is formed of a shape memory member.
  • the fuel cell having such a configuration can change the shape of the internal member depending on the temperature, it is possible to realize the shape of the convex portion suitable for different scenes such as during manufacture and operation of the fuel cell.
  • the fuel cell having such a configuration can change the shape of the shape memory member depending on the temperature, it is possible to realize the shape of the recess suitable for different scenes such as during manufacture and operation of the fuel cell.
  • the fuel cell having such a configuration can seal not only between the concave portion of the separator and the convex portion of the power generator, but also between the protruding portion of at least one separator and the power generator. That is, sealing can be performed at two locations. Therefore, the sealing performance can be improved. Alternatively, the reliability of the seal can be improved.
  • Such a fuel cell can improve the strength of the convex portion.
  • a support member having elasticity smaller than that of the polymer material is a position where the convex portion is formed, and the inside of the electrolyte membrane or the surface where the convex portion of the electrolyte membrane is formed.
  • the fuel cell according to Application Example 7 provided on the surface opposite to the surface.
  • Such a fuel cell can improve the strength of the convex portion.
  • Application Example 14 The fuel cell according to any one of Application Example 1 to Application Example 13, wherein screw grooves that are fitted to each other are formed on a side surface of the convex portion and a side surface of the concave portion.
  • the convex portions or the concave portions formed on the power generation body are formed at different positions on both surfaces, so that the front and back of the power generation body can be easily distinguished.
  • the fuel cell having such a configuration can share the material between the electrolyte membrane and the polymer material, the number of members can be reduced.
  • Application Example 17 A fuel cell manufacturing method in which a power generator having at least an electrolyte membrane and a separator are laminated, the power generator having an outer peripheral portion formed only of the electrolyte membrane.
  • Such a manufacturing method secures a seal by inserting the electrolyte membrane into the recess of the separator by utilizing the property that the electrolyte membrane expands according to the moisture content. Therefore, it is not necessary to mold the electrolyte membrane into a convex shape that fits into the concave portion of the separator. As a result, the manufacturing process of the fuel cell can be simplified.
  • FIG. 5 is an explanatory view showing an example of a method for manufacturing the separator 50.
  • FIG. It is explanatory drawing which shows schematic structure of the fuel cell 120 of the gasket seal type as a comparative example. It is explanatory drawing which shows the specific example of the fastening weight reduction effect in the fuel cell.
  • FIG. 5 is an explanatory view showing a method for forming an electrolyte membrane 630 constituting the fuel cell 620.
  • FIG. It is explanatory drawing which shows schematic structure of the fuel cell 720 as a 6th Example. It is explanatory drawing which shows schematic structure of the fuel cell 820 as a 7th Example. It is explanatory drawing which shows schematic structure of the fuel cell 920 as a modification. It is explanatory drawing which shows schematic structure of the fuel cell 1020 as an 8th Example. It is explanatory drawing which looked at the fuel cell 1020 from the lamination direction. It is explanatory drawing which looked at the fuel cell 1020 from the direction orthogonal to the lamination direction.
  • FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a fuel cell 20 as a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 shows a part of a cross section in the stacking direction of members constituting the fuel cell 20.
  • this lamination direction is also simply referred to as a lamination direction
  • a direction orthogonal to the lamination direction is also referred to as an orthogonal direction.
  • the surface of the member constituting the fuel cell 20 that is orthogonal to the stacking direction is also referred to as a stacking surface.
  • the fuel cell 20 is a polymer electrolyte fuel cell.
  • the rated operating temperature of the fuel cell 20 of this embodiment is 70 to 90 ° C.
  • the fuel cell 20 includes an electrolyte membrane 30, an anode electrode 41, a cathode electrode 42, gas diffusion layers 43 and 44, and separators 50 and 60, and these are laminated.
  • the electrolyte membrane 30 is made of a solid polymer that exhibits proton conductivity in a wet state, and has a property of expanding due to moisture absorption.
  • PTFE Polytetrafluoroethylene
  • the electrolyte membrane 30 of this example has a property of expanding by about 10 to 15% in a sufficiently wet state as compared with a dry state.
  • the anode electrode 41 and the cathode electrode 42 are electrodes in which a catalyst is supported on a conductive carrier.
  • the anode electrode 41 and the cathode electrode 42 are laminated on both surfaces of the central portion of the electrolyte membrane 30.
  • the anode electrode 41 and the cathode electrode 42 include carbon particles supporting a platinum catalyst and an electrolyte that is the same as the polymer electrolyte that constitutes the electrolyte membrane 30.
  • the anode electrode 41 and the cathode electrode 42 together with the above-described electrolyte membrane 30 constitute an electrolyte membrane / electrode assembly (hereinafter also simply referred to as MEA).
  • the gas diffusion layers 43 and 44 are laminated at positions corresponding to the anode electrode 41 and the cathode electrode 42 on both surfaces of the MEA.
  • the gas diffusion layers 43 and 44 serve as a flow path for a reactive gas (fuel gas and oxidizing gas) used for an electrochemical reaction in the fuel cell 20 and collect current.
  • the gas diffusion layers 43 and 44 can be formed of a conductive member having gas permeability, for example, carbon paper, carbon cloth, metal mesh, foam metal, or the like. In this embodiment, carbon paper is used as the gas diffusion layers 43 and 44.
  • the gas diffusion layers 43 and 44 constitute a membrane electrode gas diffusion layer assembly (Membrane Electrode & Gas Diffusion Assembly, hereinafter, also simply referred to as MEGA) 45 together with the above-described MEA.
  • MEGA Membrane Electrode & Gas Diffusion Assembly
  • the laminated surface of the MEGA 45 has a rectangular shape.
  • the anode electrode 41, the cathode electrode 42, and the gas diffusion layers 43 and 44 are not laminated on the outer edge portion 31 of the electrolyte membrane 30 constituting the MEGA 45.
  • the thickness of the outer edge portion 31 in the stacking direction is approximately the same as the thickness of the portion of the MEGA 45 where the anode electrode 41, the cathode electrode 42, and the gas diffusion layers 43 and 44 are stacked (hereinafter also referred to as a power generation surface). They are formed to have the same thickness.
  • the outer edge portion 31 is formed over the entire outer edge of the laminated surface of the MEGA 45. Note that the thickness of the outer edge portion 31 may not be substantially the same as the thickness of the MEGA 45 on the power generation surface.
  • the outer edge 31 may have the same thickness as the electrolyte membrane 30 on the power generation surface.
  • the thickness of the outer edge portion 31 may be set to be approximately the same as the thickness of the MEGA 45 on the power generation surface when the outer edge portion 31 absorbs moisture and expands to the maximum extent.
  • the outer edge portion 31 is provided with convex portions 32 and 33 projecting in the stacking direction from the stack surface on both sides of the stack surface.
  • the convex portions 32 and 33 are formed of a polymer material that expands due to moisture absorption.
  • the same electrolyte as the electrolyte membrane 30 is used as the polymer material.
  • the convex parts 32 and 33 are integrally formed with the electrolyte membrane 30 by the electrolyte.
  • the convex portion 32 and the convex portion 33 are formed at the same position in the orthogonal direction.
  • the protrusions 32 and 33 have a shape in which at least a part of the tip side of the protrusion has a larger cross-sectional area in the direction intersecting the stacking direction than the protrusion-shaped protrusion root. More specifically, it has a shape in which the cross-sectional area in the direction intersecting the stacking direction is the maximum between the base of the protruding protrusion and the tip. What is necessary is just to set the length of the lamination direction of these convex parts 32 and 33 in the range less than the thickness of the separators 50 and 60, for example, it can be set to several hundred micrometers.
  • Separator 50, 60 is laminated on both sides of MEGA45.
  • the separators 50 and 60 function as reaction gas partition walls used in the electrochemical reaction in the fuel cell 20.
  • the separators 50 and 60 can be formed of a gas impermeable conductive member, for example, a member made of compressed carbon or stainless steel. In this embodiment, stainless steel is used as the separators 50 and 60.
  • the separators 50, 60 are provided with a plurality of groove portions 51, 61 recessed in the stacking direction at a predetermined pitch at positions corresponding to the power generation surface of the MEGA 45.
  • the groove 51 functions as a flow path for fuel gas containing hydrogen.
  • the fuel gas supplied to the groove 51 from a fuel gas supply manifold (not shown) formed on the other cross section of the separator 50 is supplied to the anode electrode 41 through the gas diffusion layer 43 and used for the electrochemical reaction. After that, the gas is discharged from a fuel gas discharge manifold (not shown) formed on the other cross section of the separator 50.
  • the groove 61 functions as a flow path for the oxidizing gas containing oxygen.
  • the oxidizing gas supplied from the oxidizing gas supply manifold (not shown) formed on the other cross section of the separator 60 to the groove portion 61 is supplied to the cathode electrode 42 through the gas diffusion layer 44 and used for the electrochemical reaction. After that, the gas is discharged from an oxidizing gas discharge manifold (not shown) formed on the other cross section of the separator 60.
  • the type of the separator is not particularly limited.
  • the separator may be of a type in which the laminated surface is formed flat and a communication hole serving as a reaction gas channel is provided inside.
  • the separators 50 and 60 are recessed in the stacking direction at positions corresponding to the outer peripheral portions of the stacked surfaces that contact the MEGA 45, specifically, the convex portions 32 and 33 of the electrolyte membrane 30.
  • Recesses 52 and 62 are provided.
  • the recesses 52 and 62 are formed as part of the separators 50 and 60.
  • the recesses 52 and 62 have a shape in which at least a part of the inner side in the stacking direction of the opening is larger than the opening of the recessed shape.
  • the separator 50 and the convex portion 32, and the separator 60 and the convex portion 33 are in contact with each other at the contact point CP.
  • the gap between the electrolyte membrane 30 and the separators 50 and 60 is sealed.
  • MEGA45 corresponds to the power generation body of a claim
  • the convex parts 32 and 33 and the recessed parts 52 and 53 correspond to the seal part of a claim.
  • the electrolyte membrane 30 since the electrolyte membrane 30 has a property of expanding due to moisture absorption, the protrusions 32 and 33 project from the laminated surface of the outer edge portion 31 so that the protrusions 32 and 33 absorb moisture and expand. As a result, a force that spreads in the orthogonal direction acts, so that the gap between the electrolyte membrane 30 and the separators 50 and 60 can be reliably sealed by the contact at the contact point CP. Further, when the electrolyte membrane 30 sufficiently absorbs moisture during operation of the fuel cell 20, the convex portions 32 and 33 are also greatly expanded. As a result, the sealing performance at the contact point CP is further improved.
  • the moisture absorption of the electrolyte membrane 30 is, for example, that generated water generated at the cathode electrode 42 moves to the electrolyte membrane 30 or that moisture contained in the oxidizing gas supplied to the groove 51 moves to the electrolyte membrane 30. Caused by.
  • a predetermined gap is secured between the tip portions of the convex portions 32 and 33 and the bottom surfaces of the concave portions 52 and 62.
  • the gap is large enough to secure the gap even when the convex portions 32 and 33 are expanded by moisture absorption.
  • the fuel cells 20 having such a configuration are stacked in a number corresponding to the required power, and are further sandwiched between terminals, insulators, and end plates disposed at both ends thereof to constitute a fuel cell stack.
  • the fuel cell stack is fastened with a predetermined fastening load in the stacking direction. With this fastening force, the electrode surface pressure necessary to reduce the contact resistance of the constituent members of the fuel cell 20 is ensured.
  • the MEGA 45 constituting the fuel cell 20 includes, for example, an electrolyte formed in a predetermined shape after laminating the electrolyte membrane 30 that does not have the convex portions 32 and 33, the anode electrode 41, the cathode electrode 42, and the gas diffusion layers 43 and 44.
  • This block can be formed by thermocompression bonding to a predetermined position of the outer edge portion 31 of the electrolyte membrane 30.
  • the separators 50 and 60 constituting the fuel cell 20 can be manufactured by press working. For example, as shown in FIG. 2A, first, a plate material as a material of the separator 50 is prepared, and as shown in FIG. 2B, a U-shaped recess is formed by pressing, and as shown in FIG. By pressing from both ends inward, the recesses 52 and 62 can be formed. However, cutting may be used or a combination of pressing and cutting may be used. In addition, the groove parts 51 and 61 of the separators 50 and 60 can also be formed by pressing or cutting.
  • the MEGA 45 and the separators 50 and 60 thus manufactured are stacked by fitting the convex portions 32 and 33 of the MEGA 45 into the concave portions 52 and 62 of the separators 50 and 60. Thus, the fuel cell 20 is completed.
  • the convex portions 32 and 33 among the convex portions 32 and 33 of the electrolyte membrane 30 and the concave portions 52 and 62 of the separators 50 and 60 that seal the reaction gas by the fitting structure expand due to moisture absorption. Since it is formed of a polymer material, when the convex portions 32 and 33 expand due to water generated in the operation of the fuel cell 20 and moisture contained in the oxidizing gas supplied to the MEGA 45 via the groove portion 51, The adhesion between the convex portions 32 and 33 and the concave portions 52 and 62 is increased, and the sealing performance can be improved. Therefore, it is possible to reduce the fastening load in the stacking direction of the fuel cells 20 necessary for ensuring the sealing performance. As a result, the rigidity of the fuel cell member can be reduced, contributing to cost reduction and resource saving of the fuel cell 20.
  • the fuel cell 20 can perform sealing by contacting the convex portions 32 and 33 and the concave portions 52 and 62 in the direction intersecting the stacking direction at the contact point CP, a large fastening load is required to ensure sealing performance. Do not need. That is, the fastening load can be reduced.
  • the positional relationship between the tip portions of the convex portions 32 and 33 and the bottom surfaces of the concave portions of the concave portions 52 and 62 has a gap even when the convex portions 32 and 33 expand due to moisture absorption.
  • the convex portions 32 and 33 and the concave portions 52 and 62 are fitted together. This is because when the convex portions 32 and 33 expand due to moisture absorption, the tip portions of the convex portions 32 and 33 and the bottom surfaces of the concave portions 52 and 62 come into contact with each other, so that the stacking direction, that is, the convex portions 32 and 33 This means that no reaction force is generated in the direction in which the fitting relationship with the recesses 52 and 62 is eliminated. As a result, the fastening load for suppressing the deformation in the stacking direction of the fuel cell 20 due to the expansion of the convex portions 32 and 33 is not necessary, and the fastening load can be reduced.
  • the convex portions 32 and 33 have a shape in which at least a part on the tip side of the convex base has a large cross-sectional area in a direction intersecting with the stacking direction. At least a part of the inner side of the concave opening has a shape with a large opening cross-sectional area. Therefore, once the convex portions 32 and 33 and the concave portions 52 and 62 are fitted together, the fitting relationship is difficult to be eliminated. For example, even if the gas pressure of the reaction gas is slightly increased, the convex portions 32 and 33 are not compressed by the gas pressure and the fitting relationship between the convex portions 32 and 33 and the concave portions 52 and 62 is not removed. Therefore, it is not necessary to apply an excessive fastening load in order to maintain the fitting relationship. That is, the fastening load of the fuel cell 20 can be reduced.
  • the convex portions 32 and 33 are formed integrally with the electrolyte membrane 30 by the electrolyte, the generated water generated by the operation of the fuel cell 20 easily reaches the convex portions 32 and 33. That is, the convex parts 32 and 33 can be expanded reliably, and the sealing performance between the convex parts 32 and 33 and the concave parts 52 and 62 can be sufficiently ensured.
  • the fuel cell 20 is formed by stacking the MEGA 45 and the separators 50 and 60 by fitting the convex portions 32 and 33 and the concave portions 52 and 62, the MEGA 45 and the separators 50 and 60 can be easily detached. . Therefore, when only some members of the fuel cell 20 are damaged or deteriorated, only the damaged parts can be easily replaced. For example, when the MEGA 45 is damaged, only the MEGA 45 can be replaced and the existing separators 50 and 60 can be stacked again. As a result, it contributes to cost reduction and resource saving. Moreover, the fuel cell 20 does not require a gasket or the like as a seal member.
  • the positional relationship between the two is uniquely determined by the convex portions 32 and 33 and the concave portions 52 and 62. Deviation can be suppressed. Furthermore, since the convex portions 32 and 33 are formed on the MEGA 45 having a small thickness, the handling performance of the MEGA 45 is improved when the fuel cell 20 is manufactured.
  • FIG. 3 shows a configuration of a gasket seal type fuel cell 120 as a comparative example.
  • the fuel cell 120 is configured by laminating separators 150 and 160 on both surfaces of the MEGA 145.
  • the fuel cell 120 includes a gasket 170 on the outer edge of the MEGA 145.
  • the end of the electrolyte membrane 130 is embedded in the gasket 170.
  • the gasket 170 has a convex portion 175 that protrudes with respect to the lamination surface on the separator 150 side.
  • the convex portion 175 sufficiently contacts the separator of the other fuel cell by the fastening force, thereby ensuring a seal.
  • FIG. 4 shows an example of the relationship between the fastening load and the electrode surface pressure in the fuel cell 20 as an example and the fuel cell 120 as a comparative example.
  • the electrode surface pressure is about 11% greater in the fuel cell 20.
  • the fastening load is received by the convex portion 175 of the gasket 170, so that the electrode surface pressure is reduced by that amount.
  • the protruding shape like the gasket 170 is obtained. This is because the electrode surface pressure is not reduced.
  • the result shown in FIG. 4 is that the fastening load necessary for securing the same electrode surface pressure is about 10% smaller in the fuel cell 20. This means that the fastening load necessary for ensuring the sealing performance is reduced by the various configurations described above.
  • a modification of the fuel cell 20 is shown as a fuel cell 220 in FIG. 5, the same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals as those in FIG.
  • the description of the same configuration as the fuel cell 20 of the fuel cell 220 will be omitted, and only the points different from the fuel cell 20 will be described.
  • the electrolyte membrane 230 of the MEGA 245 included in the fuel cell 220 includes an outer edge portion 231.
  • the convex portions 232 and 233 formed on both surfaces of the outer edge portion 231 are formed at different positions in the orthogonal direction.
  • the concave portions 252 and the concave portions 262 of the separators 250 and 60 fitted into the convex portions 232 and 233, respectively, are formed at positions corresponding to the convex portions 232 and 233.
  • the fuel cell 220 having such a configuration can easily distinguish the front and back of the MEGA 245 according to the positions where the convex portions 232 and 233 are formed. Further, since the outer edge portion 31 has a flat surface opposite to the position where the convex portions 232 and 233 are formed, the convex portions 232 and 233 are recessed from the flat surface side in the manufacturing stage of the fuel cell 220. The fuel cell 220 can be easily manufactured.
  • FIG. 6 shows a process chart of a method for manufacturing the fuel cell 220.
  • the MEGA 245 and the separators 250 and 260 are prepared (step S310).
  • the protrusions 232 and 233 are not formed on the electrolyte membrane 230 constituting the MEGA 245 prepared here.
  • the ionomer 235 (liquid-like one) is next placed at a position where the convex portions 232 and 233 of the MEGA 245 are formed, in other words, at a position corresponding to the concave portions 252 and 262 of the separator 250 and 260. (Electrolyte) is applied (step S320). This step is not essential. Once the ionomer 235 is applied, the MEGA 245 and the separators 250 and 260 are then stacked (step S330).
  • step S340 the wet and dry process is repeated (step S340).
  • the laminated MEGA 245 and separators 250 and 260 are set in a predetermined sealed environment.
  • the process is performed by repeating the process of changing the relative humidity RH of the sealed environment from 100% to 30% and the process of changing from 30% to 100%.
  • the range which changes relative humidity RH suitably.
  • the electrolyte membrane 230 of the MEGA 245 absorbs moisture and expands.
  • the electrolyte membrane 230 is dehumidified and contracts.
  • the electrolyte membrane 230 repeats expansion and contraction by repeating dry and wet.
  • the electrolyte membrane 230 gradually enters the recesses 252 and 262 of the separators 250 and 260, and finally, the projections 232 and 233 are formed on the electrolyte membrane 230.
  • the process of step S340 may be any process that changes the moisture content of the electrolyte membrane 230 from the low moisture side to the high moisture side at least once.
  • the electrolyte membrane 230 when the electrolyte membrane 230 can sufficiently enter the recesses 252 and 262 of the separators 250 and 260 by one expansion of the electrolyte membrane 230, the moisture content of the electrolyte membrane 230 is changed once from the low moisture side to the high moisture side. It may be changed.
  • the convex portions 232 and 233 are formed by utilizing the property of swelling due to moisture absorption of the electrolyte membrane 230. Therefore, it is not necessary to form the convex portions 232 and 233 in the manufacturing stage of the MEGA 245. . That is, since the forming process of the convex portions 232 and 233 can be omitted, the manufacturing process of the fuel cell 220 can be simplified. Moreover, in the step of stacking the MEGA 245 and the separators 250 and 260, the step of fitting the convex portions 232 and 233 of the MEGA 245 into the concave portions 252 and 262 of the separators 250 and 260 can be omitted. Can be simplified.
  • the ionomer 235 is applied to the position corresponding to the position where the convex portions 232 and 233 of the MEGA 245 are formed, it becomes easy to fill the gap between the concave portions 252 and 262 of the separators 250 and 260 and the convex portions 232 and 233 of the MEGA 245. As a result, the sealing performance between the concave portions 252 and 262 and the convex portions 232 and 233 can be improved. Alternatively, it is possible to reduce the number of times of repeating the wet and dry in step S340.
  • FIG. 7 shows a schematic configuration of a fuel cell 420 as a third embodiment.
  • the electrolyte membrane 430 of the MEGA 445 constituting the fuel cell 420 as the third embodiment is different from the first embodiment in that an inner member 471 is provided inside the outer edge portion 431.
  • the internal member 471 is a plate-like member that is less elastic than the electrolyte that forms the electrolyte membrane 430. In the cross section shown in FIG. 7, the internal member 471 is formed in a shape that substantially follows the convex shape of the convex portions 432 and 433 formed in the outer edge portion 431.
  • the internal member 471 is linearly formed over substantially the entire outer edge portion 431 in the orthogonal direction, and the convex shapes of the convex portions 432 and 433 at positions corresponding to the convex portions 432 and 433.
  • Convex shape portions 472 and 473 are formed following the above.
  • the convex portions 472 and 473 reach the inside of the convex portions 432 and 433.
  • the internal member 471 may be arranged in a convex shape only at positions corresponding to the convex portions 432 and 433.
  • the internal member 471 may be disposed on the power generation surface of the electrolyte membrane 430.
  • At least the internal member 471 on the power generation surface needs to have a mesh shape so as not to hinder the ionic conductivity of the electrolyte membrane 30.
  • Two or more internal members may be provided. For example, you may provide one each on the separator 250 side and the separator 260 side.
  • the inner member 471 By providing the inner member 471 with less elasticity than the electrolyte that is the material of the electrolyte membrane 30 in the shape of the protrusions 432 and 433 in the shape substantially following the shape of the protrusions 432 and 433 in this way, the passage of time. Even if the temperature rises, the protrusions 432 and 433 are difficult to creep, so that the durability of the seal structure can be improved. Further, if the internal member 471 is appropriately elastic, a force that spreads in the orthogonal direction acts on the convex portions 472 and 473 of the internal member 471.
  • the convex portions 432 and 433 are pressed against the side surfaces of the concave portions 252 and 262 of the separators 250 and 260 by the acting force of the convex portions 472 and 473. Therefore, the sealing performance between the convex portions 432 and 433 and the concave portions 252 and 262 can be improved.
  • the internal member 471 is made of a shape memory metal.
  • the shape memory metal is a titanium-nickel alloy, but is not particularly limited, and may be, for example, an iron-manganese-silicon alloy.
  • Specific shape memory metal compositions include, for example, Ag—Cd (44 to 49 at% Cd), Au—Cd (46.5 to 50 at% Cd), Cu—Al—Ni (14 to 14.5 wt% Al).
  • the shape of the internal member 471 may be a shape memory resin.
  • the material of the internal member 471 does not need to have shape memory characteristics, and may be any material that is less elastic than the electrolyte that is the material of the electrolyte membrane 30.
  • a resin such as PEN or PP may be used, or various metal materials may be used.
  • the internal member 471 has a shape in which the widths of the convex portions 472 and 473 in the orthogonal direction are relatively large in the rated operating temperature region of the fuel cell 420, so that the ambient temperature, that is, the environment when the fuel cell 420 is manufactured.
  • the shape memory characteristic has a shape in which the width in the orthogonal direction of the convex portions 472 and 473 is relatively small.
  • the convex portions 432 and 433 of the MEGA 445 are easily fitted into the concave portions 252 and 262 of the separators 250 and 260. As a result, the fuel cell 420 can be easily manufactured.
  • the width of the convex portions 472, 473 in the orthogonal direction is relatively large, so that the adhesion between the convex portions 432, 433 and the concave portions 252, 262 is increased, and the seal Can be improved.
  • the transformation point of the internal member 471 is set to a temperature that is higher and lower than the environmental temperature region at the time of manufacturing the fuel cell 20. This is because it is desirable that the sealing performance is improved even when the operation of the fuel cell 420 is started.
  • the shape memory characteristic of the internal member 471 is not limited to the above example.
  • the internal member 471 has a shape in which the width in the orthogonal direction of the convex portions 472 and 473 is relatively small in the rated operating temperature region of the fuel cell 420, and is near normal temperature, that is, when the fuel cell 420 is started up.
  • the shape memory characteristics may be such that the convex portions 472 and 473 have a relatively large width in the orthogonal direction.
  • the width in the orthogonal direction of the convex portions 472 and 473 is relatively large, so that the convex portions 432 and 433 and the concave portions 252 and 262 The adhesion between them increases, and the sealing performance can be sufficiently improved.
  • the width in the orthogonal direction of the convex portions 472, 473 is relatively small, and the effect of improving the sealing performance by the internal member 471 is reduced.
  • the electrolyte membrane 430 absorbs moisture. Is sufficient to ensure sufficient sealing performance.
  • the transformation point of the internal member 471 may be set in consideration of the relationship between the temperature of the electrolyte membrane 430 and the moisture absorption characteristics when the fuel cell 420 is started up.
  • the MEGA 455 constituting the fuel cell 420 can be manufactured as follows, for example. First, two electrolyte membranes and an internal member 471 are prepared, and the electrolyte membrane, the internal member 471, and the electrolyte membrane are laminated in this order and subjected to a hot press process to produce the outer edge portion 431. Then, the electrolyte membrane in which the anode electrode 41, the cathode electrode 42, and the gas diffusion layers 43 and 44 are laminated and the outer edge portion 431 are joined by a hot press process or the like, and the MEGA 455 is manufactured. The fuel cell 420 is completed when the MEGA 455 thus manufactured is laminated with the separators 250 and 260 in the same manner as in the first embodiment.
  • FIG. 8 A schematic configuration of a fuel cell 520 as a fourth embodiment is shown in FIG.
  • the same components as those in the first embodiment (FIG. 2) are denoted by the same reference numerals as those in FIG.
  • Separators 550 and 560 constituting the fuel cell 520 as the fourth embodiment are provided with concave portions 552 and 562 at positions corresponding to the convex portions 232 and 233 of the MEGA 245.
  • Shape memory members 553 and 563 are joined to the surface of the recesses 552 and 562 forming the recess and the surfaces of the separators 550 and 560 around the recesses 552 and 562, respectively.
  • the shape memory members 553 and 563 are made of a shape memory alloy.
  • a titanium-nickel alloy is used as the shape memory alloy, but the shape memory alloy is not particularly limited as in the case of the internal member 471 of the third embodiment.
  • the shape memory members 553 and 563 in the present embodiment have a shape in which the widths in the orthogonal direction of the openings of the shape memory members 553 and 563 are relatively small in the rated operating temperature region of the fuel cell 520, and are at normal temperature, that is, the fuel cell. In the environmental temperature region at the time of manufacture of 520, the shape memory characteristic has a shape in which the width of the opening in the orthogonal direction is relatively large.
  • the width of the opening of the shape memory members 553 and 563 in the orthogonal direction is relatively large. Therefore, the concave portions 552 and 562 follow the shape of the shape memory members 553 and 563, and the convex portions 232 and 233 of the MEGA 245 are easily fitted into the concave portions 552 and 562 provided with the shape memory members 553 and 563. As a result, the fuel cell 520 can be easily manufactured.
  • the width in the orthogonal direction of the openings of the shape memory members 553, 563 is relatively small, so that the recesses 552, 562 follow the shape of the shape memory members 553, 563,
  • the adhesion between the convex portions 232 and 233 and the shape memory members 553 and 563 is increased, and the sealing performance can be improved.
  • the shape memory members 553 and 563 only have to be bonded to the surface on which the concave portions 552 and 562 are formed.
  • the shape memory characteristics of the shape memory members 553 and 563 are not limited to the above example.
  • the shape memory members 553 and 563 have a shape in which the widths in the orthogonal direction of the openings of the shape memory members 553 and 563 are relatively large in the rated operating temperature region of the fuel cell 520, that is, near the normal temperature, that is, the fuel cell 520.
  • the opening may have a shape memory characteristic in which the width in the orthogonal direction is relatively small.
  • the width of the recesses 552, 562 in the orthogonal direction becomes relatively small when the fuel cell 520 is started up, so that the protrusions 232, 233 and the shape memory members 553, 563 The adhesion between them increases, and the sealing performance can be improved.
  • the width of the recesses 552 and 562 in the orthogonal direction is relatively large, and the effect of improving the sealing performance by the shape memory members 553 and 563 is reduced. Since it expands due to moisture absorption, a sufficient sealing property can be secured.
  • the transformation point of the shape memory members 553 and 563 may be set in consideration of the relationship between the temperature of the electrolyte membrane 230 and the moisture absorption characteristics when the fuel cell 520 is started up.
  • FIG. 9 shows a schematic configuration of a fuel cell 620 as a fifth embodiment.
  • the same components as those in the first embodiment (FIG. 2) are denoted by the same reference numerals as those in FIG.
  • Separators 650 and 660 constituting the fuel cell 620 as the fifth embodiment are provided with concave portions 652 and 662 at positions corresponding to the convex portions 632 and 633 of the electrolyte membrane 630 constituting the MEGA 645, respectively.
  • the separator 650 includes a protruding portion 655 that protrudes from the laminated surface of the separator 650 toward the separator 660 at a position corresponding to the concave portion 662 of the separator 660.
  • the protruding portion 655 is in contact with the convex portion 633 of the electrolyte membrane 630.
  • the separator 660 includes a protruding portion 665 that protrudes from the laminated surface of the separator 660 toward the separator 650 at a position corresponding to the recess 652 of the separator 650.
  • the protruding portion 665 is in contact with the convex portion 632 of the electrolyte membrane 630.
  • the shape of the convex portions 632 and 633 of the electrolyte membrane 630 constituting such a fuel cell 620 is obtained by subjecting the membrane-like electrolyte membrane 630 to hot pressing treatment from both sides with molding dies 680 and 690 as shown in FIG. Can be molded.
  • the mold 680 includes a concave portion 681 for forming the convex portion 632 and a convex portion 682 for forming the convex portion 633.
  • the mold 690 includes a convex portion 692 for forming the convex portion 632 and a concave portion 691 for forming the convex portion 633.
  • the shape of the recesses 681 and 691 is formed in accordance with the shape of the protrusions 632 and 633.
  • the convex portions 682 and 692 are formed with a length in the stacking direction that can press the electrolyte membrane 630 to the inside of the concave portions 681 and 691.
  • the electrolyte membranes of the first to fourth embodiments described above may be formed by the same method.
  • the convex portion 632.633 may be thermocompression bonded to the electrolyte block.
  • the protrusions 655 and 665 may be in contact with the electrolyte membrane 630.
  • the fuel cell 620 having such a configuration is sealed at two locations both between the electrolyte membrane 630 and the separator 650 and between the electrolyte membrane 630 and the separator 660.
  • sealing between the electrolyte membrane 630 and the separator 650 is performed at two places, between the convex portion 632 and the concave portion 652 and between the convex portion 633 and the protruding portion 655. Therefore, the sealing performance can be improved.
  • the seal can be secured at the other seal location, so the reliability of the seal is improved.
  • the cross-sectional shape of the projecting portions 655 and 665 in the stacking direction is not limited to the rectangular shape.
  • tip part of the protrusion parts 655 and 665 spread in the orthogonal direction may be sufficient. By doing so, since the sealability in the orthogonal direction can be improved, a large fastening load is not required to ensure the sealability at the protrusions 655 and 665. Further, only one of the separators 650 and 660 may include a protrusion.
  • FIG. 11 shows a schematic configuration of a fuel cell 720 as a sixth embodiment.
  • the same components as those in the first embodiment (FIG. 2) are denoted by the same reference numerals as those in FIG.
  • the MEGA 745 constituting the fuel cell 720 as the sixth embodiment is different from the first embodiment in that the MEGA 745 includes support members 737 and 738 that are less elastic than the convex portions 732 and 733 included in the electrolyte membrane 730 of the MEGA 745.
  • the support member 737 is disposed on the surface of the surface opposite to the surface of the electrolyte membrane 730 where the convex portion 733 is formed at the position where the convex portion 733 of the electrolyte membrane 730 is formed in the orthogonal direction.
  • the support member 738 is disposed on the surface of the surface opposite to the surface of the electrolyte membrane 730 on which the convex portions 732 are formed at the position where the convex portions 732 of the electrolyte membrane 730 are formed in the orthogonal direction.
  • the support member 738 is disposed adjacent to the cathode electrode 42 and the gas diffusion layer 44.
  • PP resin is used as the support members 737 and 738.
  • a resin such as PEN may be used, and various metal materials may be used.
  • the fuel cell 720 having such a configuration can improve the strength of the convex portions 732 and 733 by the support members 737 and 738.
  • the support member 738 is disposed adjacent to the cathode electrode 42 and the gas diffusion layer 44, it is possible to prevent the edges of the gas diffusion layer 44 and the like from biting into the electrolyte membrane 730 and damaging the electrolyte membrane 730. Can do.
  • the support members 737 and 738 may be disposed inside the electrolyte membrane 730 at positions where the convex portions 733 and 734 of the electrolyte membrane 730 are formed in the orthogonal direction.
  • the support members 737 and 738 may be disposed inside the convex portions 732 and 733. In this way, the strength of the convex portions 732 and 733 can be improved. As a result, since the convex portions 732 and 733 are difficult to creep, the durability of the seal structure can be improved.
  • FIG. 12 shows a schematic configuration of a fuel cell 820 as a seventh embodiment.
  • the same components as those in the first embodiment (FIG. 2) are denoted by the same reference numerals as those in FIG.
  • the fuel cell 820 as the seventh embodiment is different from the first embodiment in the configuration of the MEGA 845.
  • the material of the convex portions 832 and 833 formed on the outer edge portion 831 of the electrolyte membrane 830 is different from the material of the electrolyte membrane 830.
  • the convex portions 832 and 833 were used as the convex portions 832 and 833.
  • the protrusions 832 and 833 may be formed of a polymer material that expands due to moisture absorption.
  • the convex portions 832 and 833 are thermocompression bonded to the outer edge portion 831.
  • FIG. 13 shows a schematic configuration of a fuel cell 920 as a modification of the present embodiment.
  • the electrolyte membrane 930 constituting the MEGA 945 is formed only on the power generation surface.
  • a polymer member 931 formed of a polymer material that expands due to moisture absorption is disposed on the outer edge of the MEGA 945.
  • the polymer member 931 is thermocompression bonded to the MEGA 945.
  • Protrusions 932 and 933 are integrally formed on the polymer member 931 by using the same material as that of the 931.
  • the MEGA 945 and the polymer member 931 correspond to the power generator in the claims.
  • the convex portions constituting the fuel cell seal structure need not be formed as a part of the electrolyte membrane, and may be formed separately from the electrolyte membrane.
  • FIG. 14 shows a schematic configuration of a fuel cell 1020 as an eighth embodiment.
  • the description of the same configuration as that of the first embodiment will be omitted, and only differences from the first embodiment will be described.
  • FIG. 14 shows a part of a cross section in the stacking direction around the outer edge of the fuel cell 1020.
  • the central portion of the fuel cell 1020 that is, the power generation surface on which the anode electrode, the cathode electrode, and the like are stacked is not shown.
  • convex portions 1032 and 1033 are formed on the outer edge portion 1031 of the electrolyte membrane of the fuel cell 1020.
  • the separators 1050 and 1060 are formed with recesses 1052 and 1062.
  • Threaded grooves 1037 and 1038 are formed on the side surfaces on the outer side (opposite side of the power generation surface described above) of the surfaces forming the convex portions 1032 and 1033, respectively. Further, screw grooves 1057 and 1067 are formed on the outer side surfaces of the surfaces forming the recesses 1052 and 1062, respectively. The screw grooves 1037 and 1038 and the screw grooves 1057 and 1067 are formed in shapes that fit each other.
  • FIG. 14 shows a state in which the thread grooves 1037 and 1038 and the thread grooves 1057 and 1067 are fitted together and the separators 1050 and 1060 and MEGA are stacked.
  • the screw grooves 1037 and 1038 are formed on the inner side surfaces of the surfaces forming the convex portions 1032 and 1033, and the screw grooves 1057 and 1067 are formed on the inner side surfaces of the surfaces forming the concave portions 1052 and 1062. It is good also as a structure.
  • FIG. 15 shows the fuel cell 1020 viewed from the stacking direction.
  • the fuel cell 1020 of the present embodiment has a circular cross section in the orthogonal direction. Dotted lines in the figure indicate positions where the screw grooves 1037 and 1038 and the screw grooves 1057 and 1067 are fitted to each other.
  • An external manifold 1080 is provided at the outer edge of the fuel cell 1020.
  • the external manifold 1080 includes a manifold communicating with each of the fuel gas, the oxidizing gas, and the cooling water in the stacking direction and a hole communicating with the fuel cell 1020 (not shown).
  • the fuel cell 1020 is supplied and discharged with fuel gas, oxidizing gas, and cooling water.
  • FIG. 16 shows the fuel cell 1020 viewed from the orthogonal direction. This figure shows a state in which a plurality of fuel cells 1020 are stacked.
  • the external manifold 1080 provided in common to the outer edges of the plurality of fuel cells 1020 is fastened inward by a plurality of bands 1090 provided on the outer edges of the outer manifold 1080. With this fastening force, the sealing property between the external manifold 1080 and the fuel cell 1020 is ensured.
  • the fitting relationship is strengthened and the sealing performance is improved. Moreover, since these fitting relationships are not easily removed, the reliability of the seal can be improved. In other words, the fastening load of the fuel cell 1020 can be reduced. Furthermore, even if creep occurs in the convex portions 1032 and 1033, the fitting relationship is not easily released, so that the durability of the seal is improved.
  • the specifications (pitch, height, angle, etc.) of the screw grooves 1037, 1038 and the screw grooves 1057, 1067 take into account the gas pressure of the reaction gas of the fuel cell 1020, the water pressure of the cooling water, the pressure receiving area of the seal location, etc. What is necessary is just to set so that a required fastening torque may be set and the said fastening torque can be ensured.
  • the convex parts 1032 and 1033 may be configured to include a reinforcing material following the shape of the thread grooves 1037 and 1038 inside the vicinity of the surfaces of the thread grooves 1037 and 1038.
  • any reinforcing material may be used as long as it has less elasticity than the electrolyte that is the material of the screw grooves 1037 and 1038. If it carries out like this, the shape of the screw grooves 1037 and 1038 will become strong. As a result, sealing performance and durability can be improved. Moreover, the freedom degree of the design value of a fastening torque can be raised.
  • the uneven shape for sealing between the electrolyte membrane and the separator is not particularly limited. Another example of the uneven shape is shown in FIG. In this example, the cross-sectional shape in the stacking direction of the convex portion 1132 formed on the electrolyte membrane 1130 constituting the fuel cell 1120 is formed in a trapezoidal shape that spreads in an inversely tapered manner from the base of the convex shape toward the tip portion. .
  • the cross-sectional shape in the stacking direction of the concave portion 1152 of the separator 1150 is formed in a trapezoidal shape that follows the shape of the convex portion 1132, that is, a concave opening cross-sectional area increases from the opening portion toward the inside. . Even with such a concavo-convex shape, since the fitting relationship between the convex portion 1132 and the concave portion 1152 is difficult to be eliminated, the above-described effects resulting from this point are exhibited.
  • the cross-sectional shape in the stacking direction of the convex portion 1232 formed on the electrolyte membrane 1230 constituting the fuel cell 1220 is formed in a rectangular shape.
  • the cross-sectional shape in the stacking direction of the concave portion 1252 of the separator 1250 is formed in a shape following the shape of the convex portion 1232, that is, a rectangular shape. Even with such an uneven shape, the convex portion 1232 expands due to moisture absorption, and thus can be sealed in the orthogonal direction, so that the above-described effects resulting from this point are exhibited.
  • the electrolyte membrane 1330 of the MEGA 1345 constituting the fuel cell 1320 has the same thickness as the power generation surface and extends outward from the power generation surface.
  • a gasket 1331 is disposed on the outer edge of the MEGA 1345.
  • the end of the electrolyte membrane 1330 is embedded in the gasket 1331.
  • Convex portions 1332 and 1333 projecting in the stacking direction are formed on both surfaces of the gasket 1331 in the stacking direction.
  • the convex portions 1332 and 1333 are made of the same material as the gasket 1331 and are formed integrally with the gasket 1331.
  • the gasket 1331 is made of butyl rubber.
  • the MEGA 1345 and the gasket 1331 are integrally formed by forming a gasket 1331 by injection molding on the outer edge of the MEGA 1345.
  • the MEGA 1345 and the gasket 1331 correspond to the power generator in the claims.
  • the gasket 1331 may be an electrolyte membrane formed integrally with the electrolyte membrane 1330, as in the first embodiment.
  • concave portions 1352 and 1362 that are recessed in the stacking direction are formed at positions corresponding to the convex portions 1332 and 1333, respectively.
  • Polymer members 1337 and 1338 are joined to the surfaces forming the recesses 1352 and 1362, respectively.
  • the polymer members 1337 and 1338 are made of a polymer material having a property of expanding due to moisture absorption.
  • the polymer members 1337 and 1338 are made of the same electrolyte as the electrolyte membrane 1330.
  • the polymer members 1337 and 1338 may be disposed at least on the inner side surfaces of the recesses 1352 and 1362.
  • FIG. 20 Another specific example is shown in FIG. 20, the same reference numerals as those in FIG. 2 are assigned to the same components as those in the first embodiment (FIG. 2).
  • the fuel cell 1420 as a modified example, the description of the same configuration as that of the first embodiment will be omitted, and only differences from the first embodiment will be described.
  • the electrolyte membrane 1430 of the MEGA 1445 constituting the fuel cell 1420 includes an outer edge portion 1431 formed of an electrolyte as a part of the electrolyte membrane 1430 at the outer edge portion thereof.
  • Concave portions 1437 and 1438 that are recessed in the stacking direction are formed on both surfaces of the outer edge portion 1431 in the stacking direction.
  • the separators 1450 and 1460 are provided with convex portions 1456 and 1466 protruding in the stacking direction at positions corresponding to the concave portions 1437 and 1438.
  • the protrusions 1456 and 1466 are formed as a part of the separators 1450 and 1460, but may be joined to other members.
  • the convex portions 1456 and 1466 and the concave portions 1437 and 1438 are fitted together, and the seal between the electrolyte membrane 1430 and the separators 1450 and 1460 is secured.
  • the uneven shape in this seal structure is shown here as the shape shown in FIG.
  • the recessed parts 1437 and 1438 when the outer edge part 1431 is provided with a wave shape, it is also possible to utilize this wave as a recessed part.
  • both the concave shape and the convex shape for sealing may be formed of a polymer material having a property of expanding by moisture absorption.
  • the present invention is not limited to such an embodiment, and it is needless to say that the present invention can be implemented in various modes without departing from the gist of the present invention.
  • the present invention is not limited to the polymer electrolyte fuel cells shown in the embodiments, but can be applied to various fuel cells that are operated under conditions where moisture exists as a liquid, for example, direct methanol fuel cells. it can.
  • the present invention is applicable to various fuel cells that are operated under conditions where moisture exists as a liquid.
  • convex part 235 convex part 235 ... ionomer 471 ... internal member 472, 473 ... convex shape part 553, 563 ... shape memory member 655, 665 ... projection part 680, 690 ... mold 681, 691 ... concave part 682, 692 ... convex part 737 , 738 ... Holding member 931 ... Polymer member 1037, 1038 ... Screw groove 1057, 1067 ... Screw groove 1080 ... External manifold 1090 ... Band 1331 ... Gasket 1337, 1338 ... Polymer member 1437, 1438 ... Recess 1456, 1466 ... Convex part CP ... Contact Point

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Abstract

　燃料電池は、電解質膜を少なくとも備えた発電体と、セパレータとを積層して構成される。この燃料電池は、発電体及びセパレータの一方に積層の方向に突出して形成された凸部と、発電体及びセパレータの他方に積層の方向に凹んで形成された凹部とが嵌め合わされて、燃料電池の外周部において、発電体とセパレータとの間で、燃料電池における電気化学反応に供される反応ガスをシールするシール部を備える。この凸部及び凹部の少なくとも一方は、吸湿によって膨張する高分子材料で形成されている。シール部は、凸部及び凹部の少なくとも一方の吸湿によって膨張してシール性が高まるので、燃料電池の締結加重を低減することができる。

Description

燃料電池、燃料電池の製造方法
　本発明は、燃料電池のシール技術に関する。
　燃料電池は、例えば、電解質膜・電極接合体の両面にガス拡散層を形成し、その両端をセパレータで挟持して構成される。かかる燃料電池では、電解質膜・電極接合体での燃料電池反応に供される反応ガスをシールするために種々の技術が開発されている。例えば、下記特許文献１では、２つの対向するセパレータ間の周縁部において、２つのセパレータ間にシール部材を設け、当該シール部材とセパレータとを嵌め合い構造とした燃料電池を開示している。かかる構成によれば、シール部材のサイズのばらつきによるシール圧の変化を抑制し、シール性能を向上させることができる。
　しかしながら、特許文献１の技術では、十分なシール性能を確保するためには、比較的高い締結加重で燃料電池を挟持方向に締結することが前提となっていた。燃料電池の構成部材は、締結加重に応じた剛性を有する必要があるため、締結加重が大きくなると、燃料電池の高コスト化、大型化などを招くこととなる。したがって、締結加重を低減する点において改善の余地があった。
特開２００５－１８３２２１号公報 特開２００８－２３５１５９号公報 特開２００８－３４３８３号公報 特開２００３－１７０９３号公報 特開２００８－１５２９４３号公報 特表２００８－５２５９８６号公報 特開２００５－１９０５７号公報
　上述した問題を踏まえ、本発明が解決しようとする課題は、燃料電池の締結加重を低減することである。
　本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
［適用例１］電解質膜を少なくとも備えた発電体と、セパレータとを積層した燃料電池であって、
　前記発電体及び前記セパレータの一方に前記積層の方向に突出して形成された凸部と、前記発電体及び前記セパレータの他方に該積層の方向に凹んで形成された凹部とが嵌め合わされて、前記燃料電池の外周部において、前記発電体と前記セパレータとの間で、該燃料電池における電気化学反応に供される反応ガスをシールするシール部を備え、
　前記凸部及び前記凹部の少なくとも一方は、吸湿によって膨張する高分子材料で形成された
　燃料電池。
　かかる構成の燃料電池は、反応ガスをシールする凹部と凸部との少なくとも一方が、吸湿によって膨張する高分子材料で形成されているので、燃料電池の運転に伴い発生する生成水などによって、高分子材料が膨張する。したがって、凹部と凸部との密着性が増し、シール性を向上させることができる。その結果、シール性を確保するために必要な燃料電池の積層方向への締結加重を低減することができる。
［適用例２］前記凸部と前記凹部とは、少なくとも前記積層方向と交わる方向に接触することで、前記シールを行う適用例１記載の燃料電池。
　かかる構成の燃料電池は、積層方向と交わる方向でシールを行えるので、シール性を確保するために大きな締結加重を必要としない。すなわち、締結加重を低減することができる。
［適用例３］前記凸部の突出の先端と、前記凹部の凹みの底面との間には、前記高分子材料で形成された凸部及び凹部の少なくとも一方が吸湿によって膨張した状態で空隙を有する適用例２記載の燃料電池。
　かかる構成の燃料電池は、凸部及び凹部の少なくとも一方が吸湿によって膨張した状態で、凸部の突出の先端と凹部の凹みの底面との間に空隙が存在する。したがって、高分子材料の膨張に伴って、凸部の先端と凹部の底面とが接触し、凹部と凸部との嵌め合い関係が解消される方向に反力が発生するということがない。したがって、高分子材料の膨張による燃料電池の積層方向への変形を抑制するための締結加重が必要なくなり、締結加重を低減することができる。
［適用例４］適用例１ないし適用例３のいずれか記載の燃料電池であって、前記凸部は、該凸部の突出の付け根よりも先端側が、前記積層の方向と交わる方向の断面積が大きい形状を有し、前記凹部は、該凹部の開口部よりも内部側が、開口断面積が大きい形状を有する燃料電池。
　かかる構成の燃料電池は、凹部と凸部との嵌め合い関係が解消されにくいので、燃料電池の締結加重を低減することができる。
［適用例５］適用例１ないし適用例４のいずれか記載の燃料電池であって、前記凸部は、前記発電体に形成され、前記凹部は、前記セパレータに形成された燃料電池。
　かかる構成の燃料電池は、積層方向の厚みが相対的に薄い発電体に凸部を形成し、当該厚みが相対的に厚いセパレータに凹部が形成されるので、凹部の成形を行いやすい。
［適用例６］前記凸部は、前記高分子材料で形成された適用例５記載の燃料電池。
　かかる構成の燃料電池は、略平坦な発電体に凸部を形成すればよいので、凹部を高分子材で形成する場合と比べて製造が容易である。
［適用例７］適用例６記載の燃料電池であって、前記高分子材料は電解質であり、前記凸部は、前記電解質によって、前記電解質膜と一体的に形成された燃料電池。
　かかる構成の燃料電池は、電解質膜と高分子材料との間で材料を共通化することができるので、部材点数を減らすことができる。しかも、凸部が電解質によって電解質膜と一体的に形成されているので、燃料電池の運転に伴い発生する生成水が高分子材料で形成された凸部まで到達しやすい。その結果、凸部を吸湿によって確実に膨張させてシール性を十分に確保することができる。
［適用例８］更に、前記凸部の内部に、前記高分子材料よりも弾性が小さい内部部材を、該凸部の形状に略追随した形状で備えた適用例６または適用例７記載の燃料電池。
　かかる構成の燃料電池は、凸部の形状が燃料電池の長期使用とで》材料で形成されたてもよい。こうしても、によっても変形しにくいので、耐久性が向上する。
［適用例９］前記内部部材は、形状記憶部材で形成された適用例８記載の燃料電池。
　かかる構成の燃料電池は、温度によって内部部材の形状を変化させることができるので、燃料電池の製造時、運転時などの場面の違いに適した凸部の形状を実現することができる。
［適用例１０］前記セパレータの凹部の内径の側面に形状記憶部材が接合された適用例６ないし適用例９のいずれか記載の燃料電池。
　かかる構成の燃料電池は、温度によって形状記憶部材の形状を変化させることができるので、燃料電池の製造時、運転時などの場面の違いに適した凹部の形状を実現することができる。
［適用例１１］適用例５ないし適用例１０のいずれか記載の燃料電池であって、前記凹部が形成されたセパレータは、前記発電体の両面に積層される１対のセパレータであり、前記１対のセパレータの少なくとも一方は、他方のセパレータに形成された凹部に対応する位置に、該凹部に向かって突出する突出部を備え、前記突出部は、前記一方のセパレータと前記発電体との間で前記反応ガスをシールする燃料電池。
　かかる構成の燃料電池は、セパレータの凹部と、発電体の凸部との間でのシールに加えて、少なくとも一方のセパレータの突出部と発電体との間でもシールを行うことができる。つまり、２箇所でシールを行うことができる。したがって、シール性を向上させることができる。あるいは、シールの信頼性を向上させることができる。
［適用例１２］前記高分子材料よりも弾性が小さい支持部材を、前記凸部の内部に備えた適用例６ないし適用例１０のいずれか記載の燃料電池。
　かかる構成の燃料電池は、凸部の強度を向上させることができる。
［適用例１３］前記高分子材料よりも弾性が小さい支持部材を、前記凸部が形成された位置であって、前記電解質膜の内部、または、該電解質膜の該凸部が形成された面と反対側の面の表面に備えた適用例７記載の燃料電池。
　かかる構成の燃料電池は、凸部の強度を向上させることができる。
［適用例１４］前記凸部の側面と、前記凹部の側面とには、相互に嵌り合うネジ溝が形成された適用例１ないし適用例１３のいずれか記載の燃料電池。
　かかる構成の燃料電池は、凸部と凹部とがネジ構造によって嵌り合うので、嵌め合い関係が強固となり、シール性が向上する。しかも、凸部と凹部との嵌め合い関係が解消されにくくなるので、シールの信頼性を向上させることができる。
［適用例１５］適用例１ないし適用例１４のいずれか記載の燃料電池であって、前記発電体には、該発電体の両面に前記凸部または前記凹部が形成され、前記発電体の両側に積層されるセパレータの両方には、前記凸部または前記凹部と嵌め合わされる前記凹部または前記凸部が形成され、前記発電体の凸部または凹部は、該発電体の両面間で異なる位置に形成された燃料電池。
　かかる構成の燃料電池は、発電体に形成される凸部または凹部が、両面間で異なる位置に形成されるので、発電体の表裏の区別が容易となる。
［適用例１６］前記高分子材料は前記電解質である適用例１ないし適用例５のいずれか記載の燃料電池。
　かかる構成の燃料電池は、電解質膜と高分子材料との間で材料を共通化することができるので、部材点数を減らすことができる。
［適用例１７］電解質膜を少なくとも備えた発電体と、セパレータとを積層した燃料電池の製造方法であって、前記発電体であって、前記電解質膜のみで形成された外周部を有する発電体と、前記セパレータであって、該セパレータの外周部に前記積層の面に対して凹んだ凹部を備えたセパレータとを用意する第１の工程と、前記発電体と前記セパレータとを、前記発電体の外周部と前記凹部とが対向する位置関係で積層する第２の工程と、前記電解質膜の含水率を、低水分側から高水分側へ所定の範囲で少なくとも１回変化させて、前記電解質膜の吸湿による膨張を生じさせることで、該電解質膜を前記凹部に入り込ませて、該凹部において前記電解質膜と前記セパレータとの間のシールを確保する第３の工程とを備えた燃料電池の製造方法。
　かかる製造方法は、電解質膜が含水率に応じて膨張する性質を利用して、セパレータの凹部に電解質膜を入り込ませてシールを確保する。したがって、電解質膜をセパレータの凹部と嵌め合う凸部の形状に成形する必要がない。その結果、燃料電池の製造工程を簡素化することができる。
本発明の第１実施例としての燃料電池２０の概略構成を示す説明図である。 セパレータ５０の製造方法の一例を示す説明図である。 比較例としてのガスケットシールタイプの燃料電池１２０の概略構成を示す説明図である。 燃料電池２０における締結加重低減効果の具体例を示す説明図である。 変形例としての燃料電池２２０の概略構成を示す説明図である。 第２実施例としての燃料電池２２０の製造方法を示す工程図である。 第３実施例としての燃料電池４２０の概略構成を示す説明図である。 第４実施例としての燃料電池５２０の概略構成を示す説明図である。 第５実施例としての燃料電池６２０の概略構成を示す説明図である。 燃料電池６２０を構成する電解質膜６３０の成形方法を示す説明図である。 第６実施例としての燃料電池７２０の概略構成を示す説明図である。 第７実施例としての燃料電池８２０の概略構成を示す説明図である。 変形例としての燃料電池９２０の概略構成を示す説明図である。 第８実施例としての燃料電池１０２０の概略構成を示す説明図である。 燃料電池１０２０を積層方向から見た説明図である。 燃料電池１０２０を積層方向と直交する方向から見た説明図である。 変形例としての燃料電池１１２０の概略構成を示す説明図である。 変形例としての燃料電池１２２０の概略構成を示す説明図である。 変形例としての燃料電池１３２０の概略構成を示す説明図である。 変形例としての燃料電池１４２０の概略構成を示す説明図である。
　本発明の実施例について説明する。
　Ａ．第１実施例：
　図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池２０の概略構成を示す説明図である。図１は、燃料電池２０を構成する部材の積層方向の断面の一部を示している。以下、この積層方向を単に積層方向ともいい、積層方向と直交する方向を直交方向ともいう。また、燃料電池２０を構成する部材の、積層方向と直交する面を積層面ともいう。燃料電池２０は、固体高分子形燃料電池である。本実施例の燃料電池２０の定格運転温度は、７０～９０℃である。燃料電池２０は、図示するように、電解質膜３０、アノード電極４１、カソード電極４２、ガス拡散層４３，４４、セパレータ５０，６０を備え、これらが積層されて形成される。
　電解質膜３０は、湿潤状態でプロトン伝導性を示す固体高分子からなり、吸湿により膨張する性質を有している。本実施例では、この固体高分子として、ＰＴＦＥ（Polytetrafluoroethylene）を用いている。本実施例の電解質膜３０は、十分に湿潤した状態で、乾燥状態と比べて、１０～１５％程度膨張する性質を有している。アノード電極４１及びカソード電極４２は、導電性を有する担体上に触媒を担持させた電極である。このアノード電極４１及びカソード電極４２は、電解質膜３０の中央部の両面に積層される。本実施例においては、アノード電極４１及びカソード電極４２は、白金触媒を担持したカーボン粒子と、電解質膜３０を構成する高分子電解質と同質の電解質とを備えている。このようなアノード電極４１及びカソード電極４２は、上述の電解質膜３０と共に、電解質膜・電極接合体（Membrane Electrode Assembly、以下、単にＭＥＡともいう）を構成している。
　ガス拡散層４３，４４は、ＭＥＡの両面のうちの、アノード電極４１及びカソード電極４２に対応する位置に積層される。ガス拡散層４３，４４は、燃料電池２０における電気化学反応に供される反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の流路となると共に、集電を行なう。このガス拡散層４３，４４は、ガス透過性を有する導電性部材、例えば、カーボンペーパ、カーボンクロス、金属メッシュ、発泡金属などによって形成することができる。本実施例では、ガス拡散層４３，４４としてカーボンペーパを用いた。かかるガス拡散層４３，４４は、上述のＭＥＡと共に、膜電極ガス拡散層接合体（Membrane Electrode&Gas Diffusion Layer Assembly、以下、単にＭＥＧＡともいう）４５を構成している。本実施例では、ＭＥＧＡ４５の積層面は矩形形状である。
　かかるＭＥＧＡ４５を構成する電解質膜３０の外縁部３１には、アノード電極４１、カソード電極４２及びガス拡散層４３，４４は積層されていない。本実施例では、外縁部３１の積層方向の厚みは、ＭＥＧＡ４５のうちのアノード電極４１、カソード電極４２及びガス拡散層４３，４４が積層された部位（以下、発電面ともいう）の厚みと概ね同一の厚みとなるように形成されている。図示は省略するが、この外縁部３１は、ＭＥＧＡ４５の積層面の外縁の全体に亘って形成されている。なお、外縁部３１の厚みは、発電面におけるＭＥＧＡ４５の厚みと概ね同一でなくてもよい。例えば、外縁部３１の厚みは、発電面における電解質膜３０と同一の厚みであってもよい。あるいは、外縁部３１の厚みは、外縁部３１が吸湿して最大限膨張した際に、発電面におけるＭＥＧＡ４５の厚みと概ね同一の厚みとなるように設定してもよい。
　外縁部３１は、その積層面の両側に、当該積層面から積層方向に突出した凸部３２，３３を備えている。この凸部３２，３３は、吸湿によって膨張する高分子材料によって形成される。本実施例では、高分子材料として、電解質膜３０と同じ電解質を用いている。このように、電解質膜３０と凸部３２，３３とで材料を共通化すれば、部材点数を減らすことができ、燃料電池２０の製造を効率的に行える。また、凸部３２，３３は、電解質によって電解質膜３０と一体的に形成されている。本実施例においては、凸部３２と凸部３３とは、直交方向において、同一の位置に形成されている。この凸部３２，３３は、凸形状の突出の付け根と比べて、当該付け根よりも先端側の少なくとも一部が、積層方向と交わる方向の断面積が大きい形状を有している。より具体的には、凸形状の突出の付け根と先端との中間で、積層方向と交わる方向の断面積が最大となる形状を有している。この凸部３２，３３の積層方向の長さは、セパレータ５０，６０の厚み未満の範囲で設定すればよく、例えば、数百μｍとすることができる。
　セパレータ５０，６０は、ＭＥＧＡ４５の両面に積層される。セパレータ５０，６０は、燃料電池２０における電気化学反応に供される反応ガスの隔壁として機能する。セパレータ５０，６０は、ガス不透過な導電性部材、例えば、圧縮カーボンやステンレス鋼から成る部材によって形成することができる。本実施例においては、セパレータ５０，６０としてステンレス鋼を用いた。
　このセパレータ５０，６０は、ＭＥＧＡ４５の発電面に対応する位置に、積層方向に凹んだ溝部５１，６１を所定のピッチで複数備えている。この溝部５１は、水素を含有する燃料ガスの流路として機能する。セパレータ５０の他の断面に形成された燃料ガス供給マニホールド（図示は省略）から溝部５１に供給された燃料ガスは、ガス拡散層４３を介してアノード電極４１に供給され、電気化学反応に供された後、セパレータ５０の他の断面に形成された燃料ガス排出マニホールド（図示は省略）から排出される。溝部６１は、酸素を含有する酸化ガスの流路として機能する。セパレータ６０の他の断面に形成された酸化ガス供給マニホールド（図示は省略）から溝部６１に供給された酸化ガスは、ガス拡散層４４を介してカソード電極４２に供給され、電気化学反応に供された後、セパレータ６０の他の断面に形成された酸化ガス排出マニホールド（図示は省略）から排出される。なお、セパレータの形式は、特に限定するものではなく、例えば、積層面が平坦に形成され、内部に反応ガスの流路となる連通孔を備えたタイプであってもよい。
　また、セパレータ５０，６０は、その積層面のうちのＭＥＧＡ４５と接触する側の面の外周部、具体的には、電解質膜３０の凸部３２，３３に対応する位置に、積層方向に凹んだ凹部５２，６２を備えている。この凹部５２，６２は、セパレータ５０，６０の一部として形成されている。本実施例においては、凹部５２，６２は、凹形状の開口部と比べて、当該開口部よりも積層方向に内部側の少なくとも一部が、開口断面積が大きい形状を有している。この凹部５２，６２にＭＥＧＡ４５の凸部３２，３３が嵌め合わされることで、セパレータ５０と凸部３２、セパレータ６０と凸部３３とは、それぞれ接触箇所ＣＰで接触している。この接触箇所ＣＰでの接触により、電解質膜３０とセパレータ５０，６０との間がシールされる。なお、ＭＥＧＡ４５は、請求項の発電体に該当し、凸部３２，３３と凹部５２，５３とは、請求項のシール部に該当する。
　かかるシール構造において、電解質膜３０は、吸湿により膨張する性質を有しているので、外縁部３１の積層面から突出した凸部３２，３３には、凸部３２，３３が吸湿して膨張することにより、直交方向に広がろうとする力が作用するので、接触箇所ＣＰでの接触により、電解質膜３０とセパレータ５０，６０との間を確実にシールすることができる。また、燃料電池２０の運転時に電解質膜３０が十分に吸湿することによって、凸部３２，３３も大きく膨張することとなる。その結果、接触箇所ＣＰにおけるシール性がさらに向上する。なお、電解質膜３０の吸湿は、例えば、カソード電極４２で生成される生成水が電解質膜３０に移行することや、溝部５１に供給される酸化ガスに含まれる水分が電解質膜３０に移行することによって生じる。
　さらに、本実施例では、凸部３２，３３の先端部分と、凹部５２，６２の凹みの底面との間には、所定の空隙が確保されている。この空隙は、凸部３２，３３が吸湿によって膨張した状態でも空隙が確保できる大きさとなっている。
　かかる構成の燃料電池２０は、必要な電力に相当する数だけ積層され、さらに、その両端に配置したターミナル、インシュレータ、エンドプレートで挟持され、燃料電池スタックを構成する。燃料電池スタックは、積層方向に所定の締結加重で締結される。この締結力によって、燃料電池２０の構成部材の接触抵抗を低減するために必要な電極面圧が確保される。
　かかる構成の燃料電池２０の製造方法の具体例を以下に説明する。燃料電池２０を構成するＭＥＧＡ４５は、例えば、凸部３２，３３を有しない電解質膜３０、アノード電極４１、カソード電極４２、ガス拡散層４３，４４を積層した後に、所定の形状に成形された電解質のブロックを、電解質膜３０の外縁部３１の所定位置に熱圧着することで形成することができる。ただし、電解質膜３０の製造段階で、成形型などを用いて、凸部３２，３３を有する電解質膜３０を製造してもよい。
　燃料電池２０を構成するセパレータ５０，６０は、プレス加工により製造することができる。例えば、図２Ａに示すように、まず、セパレータ５０の材料となる板材を用意し、図２Ｂに示すように、プレス加工によってＵ字型の凹部を形成し、図２Ｃに示すように、板材の両端から内部方向にプレスすることによって、凹部５２，６２を形成することができる。ただし、切削加工を用いてもよいし、プレス加工と切削加工とを組み合わせて用いてもよい。なお、セパレータ５０，６０の溝部５１，６１も、プレス加工や切削加工などで成形することができる。
　こうして作製したＭＥＧＡ４５とセパレータ５０，６０とは、ＭＥＧＡ４５の凸部３２，３３をセパレータ５０，６０の凹部５２，６２に嵌め込むことによって積層される。こうして、燃料電池２０が完成する。
　かかる構成の燃料電池２０は、嵌め合い構造によって反応ガスをシールする電解質膜３０の凸部３２，３３とセパレータ５０，６０の凹部５２，６２とのうちの凸部３２，３３が吸湿によって膨張する高分子材料で形成されているので、燃料電池２０の運転に伴い発生する生成水や、溝部５１を介してＭＥＧＡ４５に供給される酸化ガスに含まれる水分によって、凸部３２，３３が膨張すると、凸部３２，３３と凹部５２，６２との密着性が増大し、シール性を向上させることができる。したがって、シール性を確保するために必要な燃料電池２０の積層方向への締結加重を低減することができる。その結果、燃料電池部材の剛性を低減することができ、燃料電池２０の低コスト化、省資源化に資する。
　また、燃料電池２０は、接触箇所ＣＰにおいて、凸部３２，３３と凹部５２，６２とが、積層方向と交わる方向に接触することでシールを行えるので、シール性を確保するために大きな締結加重を必要としない。すなわち、締結加重を低減することができる。
　また、燃料電池２０において、凸部３２，３３の先端部分と、凹部５２，６２の凹みの底面との間には、凸部３２，３３が吸湿によって膨張した状態でも空隙を有する位置関係で、凸部３２，３３と凹部５２，６２とが嵌め合わされる。このことは、凸部３２，３３が吸湿によって膨張した際に、凸部３２，３３の先端部分と、凹部５２，６２の底面とが接触して、積層方向、すなわち、凸部３２，３３と凹部５２，６２との嵌め合い関係が解消される方向に反力が発生しないことを意味している。その結果、凸部３２，３３の膨張による燃料電池２０の積層方向への変形を抑制するための締結加重が必要なくなり、締結加重を低減することができる。
　また、燃料電池２０において、凸部３２，３３は、凸形状の付け根よりも先端側の少なくとも一部が、積層の方向と交わる方向の断面積が大きい形状を有し、凹部５２，６２は、凹形状の開口部よりも内部側の少なくとも一部が、開口断面積が大きい形状を有する。したがって、一度、凸部３２，３３と凹部５２，６２とを嵌め合わせれば、当該嵌め合い関係が解消されにくい。例えば、反応ガスのガス圧が多少高くなっても、ガス圧に凸部３２，３３が圧迫されて凸部３２，３３と凹部５２，６２との嵌め合い関係が外れることがない。したがって、嵌め合い関係を維持するために過剰に締結加重を掛ける必要がない。つまり、燃料電池２０の締結加重を低減することができる。
　また、凸部３２，３３は、電解質によって電解質膜３０と一体的に形成されているので、燃料電池２０の運転に伴い発生する生成水が凸部３２，３３まで到達しやすい。すなわち、凸部３２，３３を確実に膨張させることができ、凸部３２，３３と凹部５２，６２との間のシール性を十分に確保することができる。
　また、燃料電池２０は、凸部３２，３３と凹部５２，６２とを嵌め合わせて、ＭＥＧＡ４５とセパレータ５０，６０とを積層するので、ＭＥＧＡ４５とセパレータ５０，６０とは、容易に脱着可能である。したがって、燃料電池２０の一部の部材のみが破損または劣化した場合に、破損した部品のみを容易に交換することができる。例えば、ＭＥＧＡ４５が破損した場合には、ＭＥＧＡ４５のみを交換して、既存のセパレータ５０，６０と積層し直すことができる。その結果、修理の低コスト化、省資源化に資する。しかも、燃料電池２０は、シール部材として、ガスケット等を必要としない。さらに、燃料電池２０の製造段階において、ＭＥＧＡ４５とセパレータ５０，６０とを積層する際に、両者の位置関係が凸部３２，３３と凹部５２，６２とによって一義的に定まるため、積層時の位置ずれを抑制することができる。さらに、厚みが薄いＭＥＧＡ４５に凸部３２，３３が形成されるので、燃料電池２０の製造時においてＭＥＧＡ４５のハンドリング性が向上する。
　上述した締結加重の低減効果について更に説明する。図３は、比較例としてのガスケットシールタイプの燃料電池１２０の構成を示している。図３において、燃料電池２０と同一の構成については、図１と同一の符号を付して説明を省略する。図示するように、燃料電池１２０は、ＭＥＧＡ１４５の両面にセパレータ１５０，１６０を積層して構成される。また、燃料電池１２０は、ＭＥＧＡ１４５の外縁部にガスケット１７０を備えている。電解質膜１３０の端部は、ガスケット１７０の内部に埋め込まれている。このガスケット１７０は、セパレータ１５０側が積層面に対して突出した凸部１７５を有している。かかる燃料電池１２０は、他の燃料電池（図示省略）と積層された際に、締結力によって凸部１７５が他の燃料電池のセパレータと十分に接触することによって、シールが確保される。
　図４は、実施例としての燃料電池２０と、比較例としての燃料電池１２０とにおける、締結加重と電極面圧との関係の一例を示している。図示するように、締結加重の値が同一であれば、電極面圧は、燃料電池２０の方が約１１％大きくなっている。これは、燃料電池１２０の構成では、締結加重をガスケット１７０の凸部１７５で受けることになるので、電極面圧がその分低減するが、燃料電池２０の構成では、ガスケット１７０のような突出形状がないので、電極面圧が低減することがないことに起因している。図４の結果は、逆に言えば、同一の電極面圧を確保するために必要な締結加重は、燃料電池２０の方が１０％程度小さくなっている。これは、上述した種々の構成によって、シール性の確保に必要な締結加重が低減されたことを意味している。
　かかる燃料電池２０の変形例を燃料電池２２０として図５に示す。図５においては、図１と同一の構成については、図１と同一の符号を付している。以下、燃料電池２２０について、燃料電池２０と同一の構成については説明を省略し、燃料電池２０と異なる点についてのみ説明する。燃料電池２２０が備えるＭＥＧＡ２４５の電解質膜２３０は、燃料電池２０と同様に、外縁部２３１を備えている。この外縁部２３１の両面に形成された凸部２３２，２３３は、直交方向において異なる位置に形成されている。また、この点に起因して、凸部２３２，２３３とそれぞれ嵌め合わされるセパレータ２５０，６０の凹部２５２と凹部２６２とは、凸部２３２，２３３に対応する位置に形成されている。
　かかる構成の燃料電池２２０は、凸部２３２，２３３の形成位置によって、ＭＥＧＡ２４５の表裏を容易に区別することができる。また、外縁部３１は、凸部２３２，２３３が形成された位置と反対側の面が平坦であるから、燃料電池２２０の製造段階において、平坦な面側から凸部２３２，２３３を凹部２５２，２６２へ嵌め込みやすく、燃料電池２２０の製造が容易となる。
　Ｂ．第２実施例：
　本発明の第２実施例について説明する。第２実施例は、燃料電池の製造方法のみが第１実施例と異なる。ここでは、第２実施例としての燃料電池の製造方法について、上述した燃料電池２２０の製造方法として説明する。燃料電池２２０の製造方法の工程図を図６に示す。図示するように、燃料電池２２０の製造方法では、まず、ＭＥＧＡ２４５とセパレータ２５０，２６０とを用意する（ステップＳ３１０）。ここで用意するＭＥＧＡ２４５を構成する電解質膜２３０には、この時点では、凸部２３２，２３３は形成されていない。
　ＭＥＧＡ２４５とセパレータ２５０，２６０とを用意すると、次に、ＭＥＧＡ２４５の凸部２３２，２３３を形成する位置、換言すれば、セパレータ２５０，２６０の凹部２５２，２６２に対応する位置にアイオノマ２３５（液体状の電解質）を塗布する（ステップＳ３２０）。なお、この工程は必須ではない。アイオノマ２３５を塗布すると、次に、ＭＥＧＡ２４５とセパレータ２５０，２６０とを積層する（ステップＳ３３０）。
　ＭＥＧＡ２４５とセパレータ２５０，２６０とを積層すると、次に、乾湿を繰り返す（ステップＳ３４０）。この工程は、本実施例においては、積層したＭＥＧＡ２４５及びセパレータ２５０，２６０を所定の密閉環境にセットする。そして、当該密閉環境の相対湿度ＲＨを１００％から３０％に変化させる工程と３０％から１００％に変化させる工程とを繰り返すことにより行う。なお、相対湿度ＲＨを変化させる範囲は、適宜設定すればよい。相対湿度ＲＨが高くなると、ＭＥＧＡ２４５の電解質膜２３０は吸湿して膨張する。一方、相対湿度ＲＨが低くなると、電解質膜２３０は放湿して収縮する。つまり、乾湿を繰り返すことによって、電解質膜２３０は膨張と収縮とを繰り返す。かかる操作によって、電解質膜２３０は次第にセパレータ２５０，２６０の凹部２５２，２６２に入り込んでいき、最終的に電解質膜２３０に凸部２３２，２３３が形成されることとなる。なお、電解質の膨張特性によっては、ステップＳ３４０の工程は、電解質膜２３０の含水率を低水分側から高水分側へ少なくとも１回変化させるものであればよい。すなわち、電解質膜２３０の１回の膨張によって、電解質膜２３０がセパレータ２５０，２６０の凹部２５２，２６２に十分に入り込める場合には、電解質膜２３０の含水率を低水分側から高水分側へ１回変化させることでもよい。
　かかる燃料電池２２０の製造方法は、電解質膜２３０の吸湿によって膨張する特性を利用して凸部２３２，２３３を形成するので、ＭＥＧＡ２４５の製造段階において凸部２３２，２３３を形成しておく必要がない。つまり、凸部２３２，２３３の成形工程を省略することができるので、燃料電池２２０の製造工程を簡略化することができる。しかも、ＭＥＧＡ２４５とセパレータ２５０，２６０とを積層する工程において、ＭＥＧＡ２４５の凸部２３２，２３３をセパレータ２５０，２６０の凹部２５２，２６２に嵌め込む工程を省略することができるので、燃料電池２２０の製造工程を簡略化することができる。
　また、ＭＥＧＡ２４５の凸部２３２，２３３を形成する位置に対応する位置にアイオノマ２３５を塗布するので、セパレータ２５０，２６０の凹部２５２，２６２とＭＥＧＡ２４５の凸部２３２，２３３との隙間を埋めやすくなる。その結果、凹部２５２，２６２と凸部２３２，２３３との間のシール性を向上させることができる。あるいは、上記ステップＳ３４０の乾湿を繰り返す回数を低減することができる。
　Ｃ．第３実施例：
　本発明の第３実施例について説明する。第３実施例としての燃料電池４２０の概略構成を図７に示す。図７においては、第１実施例（図２）と同一の構成については、図２と同一の符号を付している。以下、燃料電池４２０について、第１実施例と同一の構成については説明を省略し、第１実施例と異なる点についてのみ説明する。第３実施例としての燃料電池４２０を構成するＭＥＧＡ４４５の電解質膜４３０は、外縁部４３１の内部に、内部部材４７１を備える点が第１実施例と異なる。この内部部材４７１は、電解質膜４３０を形成する電解質よりも弾性が小さい板状の部材である。図７に示す断面において、内部部材４７１は、外縁部４３１に形成された凸部４３２，４３３の凸形状に概ね追随した形状に形成されている。
　本実施例では、内部部材４７１は、直交方向において、外縁部４３１の概ね全体に亘って直線的に形成され、さらに、凸部４３２，４３３に対応する位置において、凸部４３２，４３３の凸形状に追随して凸形状部４７２，４７３が形成されている。この凸形状部４７２，４７３は、凸部４３２，４３３の内部にまで達している。なお、内部部材４７１は、凸部４３２，４３３に対応する位置のみに凸形状で配置されてもよい。あるいは、内部部材４７１は、電解質膜４３０の発電面にも配置されていてもよい。この場合、少なくとも発電面における内部部材４７１は、電解質膜３０のイオン伝導性を阻害しないようにメッシュ形状とする必要がある。また、内部部材は、２つ以上であってもよい。例えば、セパレータ２５０側とセパレータ２６０側とに１つずつ設けてもよい。
　このように凸部４３２，４３３の内部に、電解質膜３０の材質である電解質よりも弾性が小さい内部部材４７１を、凸部４３２，４３３の形状に略追随した形状で備えることにより、時間の経過や温度の上昇によっても、凸部４３２，４３３がクリープしにくくなるので、シール構造の耐久性を向上させることができる。また、内部部材４７１に適度な弾性を持たせれば、内部部材４７１の凸形状部４７２，４７３には、直交方向に広がろうとする力が作用する。その結果、凸部４３２，４３３は、凸形状部４７２，４７３の作用力によって、セパレータ２５０，２６０の凹部２５２，２６２の側面に押しつけられることとなる。したがって、凸部４３２，４３３と凹部２５２，２６２との間のシール性を向上させることができる。
　本実施例では、内部部材４７１は、形状記憶金属によって構成される。形状記憶金属は、本実施例では、チタン－ニッケル合金を用いたが、特に限定するものではなく、例えば、鉄－マンガン－ケイ素合金などであってもよい。具体的な形状記憶金属の組成としては、例えば、Ａｇ－Ｃｄ（４４～４９ａｔ％Ｃｄ）、Ａｕ－Ｃｄ（４６．５～５０ａｔ％Ｃｄ）、Ｃｕ－Ａｌ－Ｎｉ（１４～１４．５ｗｔ％Ａｌ、３～４．５ｗｔ％Ｎｉ）、Ｃｕ－Ｓｎ（約１５ａｔ％Ｓｎ）、Ｃｕ－Ｚｎ（３８．５～４１．５ｗｔ％Ｚｎ）、Ｃｕ－Ｚｎ－Ｘ（Ｘ＝Ｓｉ，Ａｌ，Ｓｎ）、Ｆｅ－Ｐｔ（約２５ａｔ％Ｐｔ）、Ｍｎ－Ｃｕ（５～３５ａｔ％Ｃｕ）、Ｆｅ－Ｍｎ－Ｓｉ、Ｐｔ系合金、Ｃｏ－Ｎｉ－Ａｌ、Ｃｏ－Ｎｉ－Ｇａ、Ｎｉ－Ｆｅ－Ｇａ、Ｔｉ－Ｐｄ、Ｎｉ－Ｔｉ（～５５％Ｎｉ）などが知られている。ただし、内部部材４７１の材質は、形状記憶樹脂を用いてもよい。もとより、内部部材４７１の材質は、形状記憶特性を有している必要はなく、電解質膜３０の材質である電解質よりも弾性が小さいものであればよい。例えば、ＰＥＮやＰＰなどの樹脂でもよいし、種々の金属材料としてもよい。
　本実施例における内部部材４７１は、燃料電池４２０の定格運転温度領域において、凸形状部４７２，４７３の直交方向の幅が相対的に大きい形状となり、常温、すなわち、燃料電池４２０の製造時の環境温度領域において、凸形状部４７２，４７３の直交方向の幅が相対的に小さい形状となる形状記憶特性を有している。かかる形状記憶特性を有することにより、燃料電池４２０の製造段階において、ＭＥＧＡ４４５とセパレータ２５０，２６０とを積層する際には、凸形状部４７２，４７３の直交方向の幅が相対的に小さくなるので、ＭＥＧＡ４４５の凸部４３２，４３３をセパレータ２５０，２６０の凹部２５２，２６２に嵌め込みやすくなる。その結果、燃料電池４２０の製造が容易となる。しかも、燃料電池４２０の定格運転時には、凸形状部４７２，４７３の直交方向の幅が相対的に大きくなるので、凸部４３２，４３３と凹部２５２，２６２との間の密着性が増大し、シール性を向上させることができる。なお、内部部材４７１の変態点は、燃料電池２０の製造時の環境温度領域よりも高い温度、かつ、極力低い温度に設定することが望ましい。燃料電池４２０の運転の立ち上げ時においても、シール性が向上していることが望ましいからである。
　ただし、内部部材４７１の形状記憶特性は、上述の例に限られるものではない。例えば、内部部材４７１は、燃料電池４２０の定格運転温度領域において、凸形状部４７２，４７３の直交方向の幅が相対的に小さい形状となり、常温付近、すなわち、燃料電池４２０の運転の立ち上げ時の運転温度領域において、凸形状部４７２，４７３の直交方向の幅が相対的に大きい形状となる形状記憶特性を有していてもよい。かかる形状記憶特性を有することにより、燃料電池４２０の運転の立ち上げ時には、凸形状部４７２，４７３の直交方向の幅が相対的に大きくなるので、凸部４３２，４３３と凹部２５２，２６２との間の密着性が増大し、シール性を十分に向上させることができる。一方、燃料電池４２０の定格運転時には、凸形状部４７２，４７３の直交方向の幅が相対的に小さくなり、内部部材４７１によるシール性向上効果は小さくなるが、定格運転時には、電解質膜４３０が吸湿によって十分に膨張するので、十分なシール性を確保することができる。かかる場合、内部部材４７１の変態点は、燃料電池４２０の運転の立ち上げ時における電解質膜４３０の温度と吸湿特性との関係を考慮して設定するとよい。
　かかる構成の燃料電池４２０の製造方法の具体例を以下に説明する。燃料電池４２０を構成するＭＥＧＡ４５５は、例えば、以下のようにして作製することができる。まず、２つの電解質膜と、内部部材４７１とを用意し、電解質膜、内部部材４７１、電解質膜の順に積層して熱プレス処理を行い、外縁部４３１を作製する。そして、アノード電極４１とカソード電極４２とガス拡散層４３，４４とが積層された電解質膜と、外縁部４３１とを熱プレス処理などによって接合し、ＭＥＧＡ４５５を作製する。こうして作製したＭＥＧＡ４５５を、第１実施例と同様に、セパレータ２５０，２６０と積層すれば、燃料電池４２０が完成する。
　Ｄ．第４実施例：
　本発明の第４実施例について説明する。第４実施例としての燃料電池５２０の概略構成を図８に示す。図８においては、第１実施例（図２）と同一の構成については、図２と同一の符号を付している。以下、燃料電池５２０について、第１実施例と同一の構成については説明を省略し、第１実施例と異なる点についてのみ説明する。第４実施例としての燃料電池５２０を構成するセパレータ５５０，５６０は、ＭＥＧＡ２４５の凸部２３２，２３３に対応する位置に凹部５５２，５６２を備えている。この凹部５５２，５６２の凹みを形成する面と、この凹部５５２，５６２の周辺のセパレータ５５０，５６０の表面には、形状記憶部材５５３，５６３がそれぞれ接合されている。
　本実施例においては、形状記憶部材５５３，５６３は、形状記憶合金からなる。ここでは、形状記憶合金は、チタン－ニッケル合金を用いたが、第３実施例の内部部材４７１と同様に、特に限定するものではない。本実施例における形状記憶部材５５３，５６３は、燃料電池５２０の定格運転温度領域において、形状記憶部材５５３，５６３の開口部の直交方向の幅が相対的に小さい形状となり、常温、すなわち、燃料電池５２０の製造時の環境温度領域において、当該開口部の直交方向の幅が相対的に大きい形状となる形状記憶特性を有している。かかる形状記憶特性を有することにより、燃料電池５２０の製造段階において、ＭＥＧＡ２４５とセパレータ５５０，５６０とを積層する際には、形状記憶部材５５３，５６３の開口部の直交方向の幅が相対的に大きくなるので、形状記憶部材５５３，５６３の形状に凹部５５２，５６２が追随して、ＭＥＧＡ２４５の凸部２３２，２３３を、形状記憶部材５５３，５６３を備えた凹部５５２，５６２に嵌め込みやすくなる。その結果、燃料電池５２０の製造が容易となる。しかも、燃料電池５２０の定格運転時には、形状記憶部材５５３，５６３の開口部の直交方向の幅が相対的に小さくなるので、形状記憶部材５５３，５６３の形状に凹部５５２，５６２が追随すると共に、凸部２３２，２３３と形状記憶部材５５３，５６３との間の密着性が増大し、シール性を向上させることができる。なお、形状記憶部材５５３，５６３は、少なくとも凹部５５２，５６２を形成する面に接合されていればよい。また、形状記憶部材５５３，５６３の変態点は、燃料電池５２０の製造時の環境温度領域よりも高い温度、かつ、極力低い温度に設定することが望ましい。
　ただし、形状記憶部材５５３，５６３の形状記憶特性は、上述の例に限られるものではない。例えば、形状記憶部材５５３，５６３は、燃料電池５２０の定格運転温度領域において、形状記憶部材５５３，５６３の開口部の直交方向の幅が相対的に大きい形状となり、常温付近、すなわち、燃料電池５２０の運転の立ち上げ時の運転温度領域において、当該開口部の直交方向の幅が相対的に小さい形状となる形状記憶特性を有していてもよい。かかる形状記憶特性を有することにより、燃料電池５２０の運転の立ち上げ時には、凹部５５２，５６２の直交方向の幅が相対的に小さくなるので、凸部２３２，２３３と形状記憶部材５５３，５６３との間の密着性が増大し、シール性を向上させることができる。一方、燃料電池５２０の定格運転時には、凹部５５２，５６２の直交方向の幅が相対的に大きくなり、形状記憶部材５５３，５６３によるシール性向上効果は小さくなるが、定格運転時には、電解質膜２３０が吸湿によって膨張するので、十分なシール性を確保することができる。かかる場合、形状記憶部材５５３，５６３の変態点は、燃料電池５２０の運転の立ち上げ時における電解質膜２３０の温度と吸湿特性との関係を考慮して設定するとよい。
　Ｅ．第５実施例：
　本発明の第５実施例について説明する。第５実施例としての燃料電池６２０の概略構成を図９に示す。図９においては、第１実施例（図２）と同一の構成については、図２と同一の符号を付している。以下、燃料電池６２０について、第１実施例と同一の構成については説明を省略し、第１実施例と異なる点についてのみ説明する。第５実施例としての燃料電池６２０を構成するセパレータ６５０，６６０は、ＭＥＧＡ６４５を構成する電解質膜６３０の凸部６３２，６３３に対応する位置に凹部６５２，６６２をそれぞれ備えている。
　また、セパレータ６５０は、セパレータ６６０の凹部６６２に対応する位置に、セパレータ６５０の積層面からセパレータ６６０側に突出した突出部６５５を備えている。この突出部６５５は、電解質膜６３０の凸部６３３と当接している。同様に、セパレータ６６０は、セパレータ６５０の凹部６５２に対応する位置に、セパレータ６６０の積層面からセパレータ６５０側に突出した突出部６６５を備えている。この突出部６６５は、電解質膜６３０の凸部６３２と当接している。
　かかる燃料電池６２０を構成する電解質膜６３０の凸部６３２，６３３の形状は、図１０に示すように、膜状の電解質膜６３０を、成形型６８０，６９０によって、両面から熱プレス処理することによって成形することができる。この成形型６８０は、凸部６３２を形成するための凹部６８１と、凸部６３３を形成するための凸部６８２とを備えている。同様に、成形型６９０は、凸部６３２を形成するための凸部６９２と、凸部６３３を形成するための凹部６９１とを備えている。凹部６８１，６９１の形状は、凸部６３２，６３３の形状に合わせて成形されている。凸部６８２，６９２は、電解質膜６３０を凹部６８１，６９１の内部まで押し当てることができる積層方向の長さで形成されている。なお、上述の第１～第４実施例の電解質膜も、同様の手法で成形してもよい。ただし、凸部６３２．６３３は、第１実施例と同様に、電解質のブロックを熱圧着してもよい。この場合、突出部６５５，６６５は、電解質膜６３０と当接すればよい。
　かかる構成の燃料電池６２０は、電解質膜６３０とセパレータ６５０との間、電解質膜６３０とセパレータ６６０との間のいずれにおいても、２箇所でシールされる。例えば、電解質膜６３０とセパレータ６５０との間のシールは、凸部６３２と凹部６５２との間と、凸部６３３と突出部６５５との間との２箇所で行われる。したがって、シール性を向上させることができる。しかも、万一、２箇所のシール箇所のうちの１箇所でシールが解除されても、他方のシール箇所でシールを確保できるので、シールの信頼性が向上する。なお、突出部６５５，６６５の積層方向の断面形状は、矩形形状に限るものではない。例えば、突出部６５５，６６５の先端部が直交方向に広がった形状であってもよい。こうすれば、直交方向のシール性を向上させることができるので、突出部６５５，６６５でのシール性確保のために大きな締結加重を要しない。また、セパレータ６５０，６６０のうちの一方のみが突出部を備える構成であってもよい。
　Ｆ．第６実施例：
　本発明の第６実施例について説明する。第６実施例としての燃料電池７２０の概略構成を図１１に示す。図１１においては、第１実施例（図２）と同一の構成については、図２と同一の符号を付している。以下、燃料電池７２０について、第１実施例と同一の構成については説明を省略し、第１実施例と異なる点についてのみ説明する。第６実施例としての燃料電池７２０を構成するＭＥＧＡ７４５は、ＭＥＧＡ７４５の電解質膜７３０が備える凸部７３２，７３３よりも弾性が小さい支持部材７３７，７３８を備えている点が第１実施例と異なる。本実施例においては、この支持部材７３７は、直交方向における電解質膜７３０の凸部７３３が形成された位置の、凸部７３３が形成された電解質膜７３０の面と反対側の面の表面に配置されている。同様に、支持部材７３８は、直交方向における電解質膜７３０の凸部７３２が形成された位置の、凸部７３２が形成された電解質膜７３０の面と反対側の面の表面に配置されている。また、支持部材７３８は、カソード電極４２及びガス拡散層４４と隣接して配置されている。本実施例では、支持部材７３７，７３８として、ＰＰ樹脂を用いた。ただし、ＰＥＮなどの樹脂を用いてもよいし、種々の金属材料を用いてもよい。
　かかる構成の燃料電池７２０は、支持部材７３７，７３８によって、凸部７３２，７３３の強度を向上させることができる。しかも、支持部材７３８は、カソード電極４２及びガス拡散層４４と隣接して配置されているので、ガス拡散層４４等のエッジが電解質膜７３０に食い込んで電解質膜７３０を破損させることを抑制することができる。なお、支持部材７３７，７３８は、直交方向における電解質膜７３０の凸部７３３，７３４が形成された位置の、電解質膜７３０の内部に配置されてもよい。あるいは、支持部材７３７，７３８は、凸部７３２，７３３の内部に配置されても構わない。こうすれば、凸部７３２，７３３の強度を向上させることができる。その結果、凸部７３２，７３３がクリープしにくくなるので、シール構造の耐久性を向上させることができる。
　Ｇ．第７実施例：
　本発明の第７実施例について説明する。第７実施例としての燃料電池８２０の概略構成を図１２に示す。図１２においては、第１実施例（図２）と同一の構成については、図２と同一の符号を付している。以下、燃料電池８２０について、第１実施例と同一の構成については説明を省略し、第１実施例と異なる点についてのみ説明する。第７実施例としての燃料電池８２０は、ＭＥＧＡ８４５の構成が第１実施例と異なる。具体的には、ＭＥＧＡ８４５は、電解質膜８３０の外縁部８３１に形成された凸部８３２，８３３の材質が電解質膜８３０の材質と異なる。本実施例においては、凸部８３２，８３３として、水膨潤性ポリウレタンを用いた。ただし、凸部８３２，８３３は、吸湿によって膨張する高分子材で形成されていればよい。本実施例では、この凸部８３２，８３３は、外縁部８３１に熱圧着されている。
　また、本実施例の変形例としての燃料電池９２０の概略構成を図１３に示す。この例では、ＭＥＧＡ９４５を構成する電解質膜９３０は、発電面のみに形成されている。このＭＥＧＡ９４５の外縁部には、吸湿によって膨張する高分子材料で形成された高分子部材９３１が配置される。本実施例では、高分子部材９３１は、ＭＥＧＡ９４５に熱圧着されている。この高分子部材９３１には、９３１と同じ材質によって、凸部９３２，９３３が一体的に形成されている。かかるＭＥＧＡ９４５及び高分子部材９３１は、請求項の発電体に該当する。
　以上の説明からも明らかなように、燃料電池のシール構造を構成する凸部は、電解質膜の一部として形成される必要はなく、電解質膜と別体に構成されてもよい。
　Ｈ．第８実施例：
　本発明の第８実施例について説明する。第８実施例としての燃料電池１０２０の概略構成を図１４に示す。以下、燃料電池１０２０について、第１実施例と同一の構成については説明を省略し、第１実施例と異なる点についてのみ説明する。図１４は、燃料電池１０２０の外縁部の周辺の積層方向の断面の一部を示している。図１４では、燃料電池１０２０の中央部、すなわち、アノード電極、カソード電極などが積層された発電面は図示を省略している。図示するように、燃料電池１０２０の電解質膜の外縁部１０３１には、凸部１０３２，１０３３が形成されている。また、セパレータ１０５０，１０６０には、凹部１０５２，１０６２が形成されている。
　この凸部１０３２，１０３３を形成する面のうちの外側（上述の発電面と反対側）の側面には、ネジ溝１０３７，１０３８がそれぞれ形成されている。また、凹部１０５２，１０６２を形成する面のうちの外側の側面には、ネジ溝１０５７，１０６７がそれぞれ形成されている。ネジ溝１０３７，１０３８とネジ溝１０５７，１０６７とは、それぞれ相互に嵌り合う形状に形成されている。図１４では、このネジ溝１０３７，１０３８とネジ溝１０５７，１０６７とを嵌め合わせて、セパレータ１０５０，１０６０とＭＥＧＡとを積層した状態を示している。なお、ネジ溝１０３７，１０３８が凸部１０３２，１０３３を形成する面のうちの内側の側面に形成され、ネジ溝１０５７，１０６７が凹部１０５２，１０６２を形成する面のうちの内側の側面に形成された構成としてもよい。
　この燃料電池１０２０を積層方向から見た姿を図１５に示す。図示するように本実施例の燃料電池１０２０は、直交方向の断面が円形に形成されている。図中の一点鎖線は、ネジ溝１０３７，１０３８とネジ溝１０５７，１０６７とが相互に嵌り合う位置を示している。燃料電池１０２０の外縁部には、外部マニホールド１０８０が設けられる。この外部マニホールド１０８０は、燃料ガス、酸化ガス、冷却水のそれぞれについて、積層方向に連通するマニホールドと、燃料電池１０２０と連通する孔部とを備えており（図示省略）、このマニホールド及び連通孔によって、燃料電池１０２０に対して、燃料ガス、酸化ガス、冷却水の供給及び排出を行う。
　燃料電池１０２０を直交方向から見た姿を図１６に示す。この図では、燃料電池１０２０が複数積層された状態を示している。複数の燃料電池１０２０の外縁に共通して設けられた外部マニホールド１０８０は、外部マニホールド１０８０の外縁に設けられた複数のバンド１０９０によって、内側に向かって締結される。この締結力によって、外部マニホールド１０８０と燃料電池１０２０とのシール性が確保される。
　かかる構成の燃料電池１０２０は、凸部１０３２，１０３３と凹部１０５２，１０６２とが、それぞれネジ構造によって嵌り合うので、嵌め合い関係が強固となり、シール性が向上する。しかも、これらの嵌め合い関係が外れにくくなるので、シールの信頼性を向上させることができる。逆に言えば、燃料電池１０２０の締結加重を低減することができる。さらに、凸部１０３２，１０３３にクリープが生じても、嵌め合い関係が外れにくいので、シールの耐久性が向上する。
　ネジ溝１０３７，１０３８及びネジ溝１０５７，１０６７の仕様（ピッチ、高さ、角度等）は、燃料電池１０２０の反応ガスのガス圧、冷却水の水圧、シール箇所の受圧面積などを考慮して、必要な締め付けトルクを設定し、当該締め付けトルクを確保できるように設定すればよい。なお、凸部１０３２，１０３３は、ネジ溝１０３７，１０３８の表面付近の内部に、ネジ溝１０３７，１０３８の形状に追随した補強材を備える構成としてもよい。あるいは、ネジ溝１０３７，１０３８の表面にネジ溝１０３７，１０３８の形状に追随した補強材を貼り付ける構成としてもよい。補強材としては、ネジ溝１０３７，１０３８の材質である電解質よりも弾性が小さいものであればよい。こうすれば、ネジ溝１０３７，１０３８の形状が強固となる。その結果、シール性や耐久性を向上させることができる。また、締め付けトルクの設計値の自由度を高めることができる。
　Ｉ．変形例：
　上述した実施例の変形例について説明する。
　Ｉ－１．変形例１：
　電解質膜とセパレータとの間をシールする凹凸形状は、特に制限されるものではない。当該凹凸形状の他の例を図１７に示す。この例では、燃料電池１１２０を構成する電解質膜１１３０に形成された凸部１１３２の積層方向の断面形状は、凸形状の付け根から先端部に向かって逆テーパ状に広がる台形形状に形成されている。また、セパレータ１１５０の凹部１１５２の積層方向の断面形状は、凸部１１３２の形状に追随した形状、すなわち、凹形状の開口断面積が開口部から内部に向かって大きくなる台形形状に形成されている。かかる凹凸形状であっても、凸部１１３２と凹部１１５２との嵌め合い関係は解消されにくいので、この点に起因した上述の効果を奏する。
　また、当該凹凸形状の別の例を図１８に示す。この例では、燃料電池１２２０を構成する電解質膜１２３０に形成された凸部１２３２の積層方向の断面形状は、矩形形状に形成されている。また、セパレータ１２５０の凹部１２５２の積層方向の断面形状は、凸部１２３２の形状に追随した形状、すなわち、矩形形状に形成されている。かかる凹凸形状であっても、凸部１２３２が吸湿によって膨張することで、直交方向でシールすることができるので、この点に起因した上述の効果を奏する。
　Ｉ－２．変形例２：
　上述の実施形態においては、シール構造を構成する凸部と凹部とのうちの凸部が、吸湿によって膨張する性質を有する高分子材料によって形成される構成について示したが、凸部に代えて、または、加えて、凹部が当該高分子材料によって形成されてもよい。かかる構成の具体例を図１９に示す。図１９においては、第１実施例（図２）と同一の構成については、図２と同一の符号を付している。以下、変形例としての燃料電池１３２０について、第１実施例と同一の構成については説明を省略し、第１実施例と異なる点についてのみ説明する。
　燃料電池１３２０を構成するＭＥＧＡ１３４５の電解質膜１３３０は、発電面と同じ厚みで、発電面よりも外側に延長されている。かかるＭＥＧＡ１３４５の外縁部には、ガスケット１３３１が配置される。電解質膜１３３０の端部は、ガスケット１３３１の内部に埋め込まれている。このガスケット１３３１の積層方向の両面には、積層方向に突出した凸部１３３２，１３３３がそれぞれ形成されている。凸部１３３２，１３３３は、ガスケット１３３１と同一の材質であり、ガスケット１３３１と一体的に形成されている。本実施例では、ガスケット１３３１はブチルゴムからなる。本実施例では、ＭＥＧＡ１３４５とガスケット１３３１とは、ＭＥＧＡ１３４５の外縁部に射出成形によってガスケット１３３１を形成することによって、一体的に形成されている。このＭＥＧＡ１３４５とガスケット１３３１とは、請求項の発電体に該当する。なお、ガスケット１３３１は、第１実施例と同様に、電解質膜１３３０と一体的に形成された電解質膜であってもよい。
　このＭＥＧＡ１３４５の積層面の両面に積層されるセパレータ１３５０，１３６０には、凸部１３３２，１３３３に対応する位置に、積層方向に凹んだ凹部１３５２，１３６２がそれぞれ形成されている。この凹部１３５２，１３６２を形成する面には、高分子部材１３３７，１３３８がそれぞれ接合されている。高分子部材１３３７，１３３８は、吸湿によって膨張する性質を有する高分子材料からなる。本実施例では、高分子部材１３３７，１３３８には、電解質膜１３３０と同質の電解質を用いている。なお、高分子部材１３３７，１３３８は、少なくとも、この凹部１３５２，１３６２の内側側面に配置されていればよい。
　別の具体例を図２０に示す。図２０においては、第１実施例（図２）と同一の構成については、図２と同一の符号を付している。以下、変形例としての燃料電池１４２０について、第１実施例と同一の構成については説明を省略し、第１実施例と異なる点についてのみ説明する。
　燃料電池１４２０を構成するＭＥＧＡ１４４５の電解質膜１４３０は、その外縁部に電解質膜１４３０の一部として電解質で形成された外縁部１４３１を備えている。この外縁部１４３１の積層方向の両面には、積層方向に凹んだ凹部１４３７，１４３８がそれぞれ形成されている。また、セパレータ１４５０，１４６０には、凹部１４３７，１４３８に対応する位置に、積層方向に突出した凸部１４５６，１４６６を備えている。この凸部１４５６，１４６６は、セパレータ１４５０，１４６０の一部として形成されているが、他の部材と接合したものであってもよい。かかる凸部１４５６，１４６６と凹部１４３７，１４３８とが嵌め合わされて、電解質膜１４３０とセパレータ１４５０，１４６０とのシールが確保される。このシール構造における凹凸形状は、ここでは、図１７に示した形状として示している。なお、凹部１４３７，１４３８は、外縁部１４３１がうねり形状を備える場合には、このうねりを凹部として利用することも可能である。
　Ｉ－３．変形例３：
　上述した種々のシール構造は、任意に組み合わせて採用できることは勿論である。例えば、シールを行う凹形状と凸形状の両方が吸湿によって膨張する性質を有する高分子材料で形成されてもよい。
　Ｉ－４．変形例４：
　上述の実施形態では、凹凸形状によるシール構造が、ＭＥＧＡの積層面の両面で採用された例について示したが、片面のみに採用してもよい。
　以上、本発明の実施形態について説明したが、上述した実施形態における本発明の構成要素のうち、独立クレームに記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略、または、組み合わせが可能である。また、本発明はこうした実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を脱しない範囲において、種々なる態様で実施できることは勿論である。例えば、本発明は、実施例に示した固体高分子形燃料電池に限らず、水分が液体として存在する条件下で運転される種々の燃料電池、例えば、ダイレクトメタノール形燃料電池に適用することができる。
　本発明は、水分が液体として存在する条件下で運転される種々の燃料電池に適用可能である。
２０，１２０，２２０，４２０，５２０，６２０，７２０，８２０，９２０，１０２０，１１２０，１２２０，１３２０…燃料電池
　　３０，１３０，２３０，４３０，６３０，７３０，８３０，９３０，１１３０，１２３０，１３３０，１４３０…電解質膜
　　３１，２３１，４３１，８３１，１０３１，１４３１…外縁部
　　３２，２３２，４３２，６３２，７３２，８３２，９３２，１０３２，１１３２，１２３２，１３３２…凸部
　　３３，２３３，４３３，６３３，７３３，８３３，９３３，１０３３，１３３３…凸部
　　４１…アノード電極
　　４２…カソード電極
　　４３，４４…ガス拡散層
　　４５，１４５，２４５，４４５，６４５，７４５，８４５，９４５，１３４５，１４４５…ＭＥＧＡ
　　５０，１５０，２５０，５５０，６５０，１０５０，１１５０，１２５０，１３５０，１４５０…セパレータ
　　５１，１５１，２５１，５５１，６５１，１３５１，１４５１…溝部
　　５２，２５２，５５２，６５２，１０５２，１１５２，１２５２，１３５２…凹部
　　６０，１６０，２６０，５６０，６６０，１０６０，１３６０，１４６０…セパレータ
　　６１，１６１，２６１，５６１，６６１，１３６１，１４６１…溝部
　　６２，２６２，５６２，６６２，１０６２，１３６２…凹部
　　１７０…ガスケット
　　１７５…凸部
　　２３５…アイオノマ
　　４７１…内部部材
　　４７２，４７３…凸形状部
　　５５３，５６３…形状記憶部材
　　６５５，６６５…突出部
　　６８０，６９０…成形型
　　６８１，６９１…凹部
　　６８２，６９２…凸部
　　７３７，７３８…支持部材
　　９３１…高分子部材
　　１０３７，１０３８…ネジ溝
　　１０５７，１０６７…ネジ溝
　　１０８０…外部マニホールド
　　１０９０…バンド
　　１３３１…ガスケット
　　１３３７，１３３８…高分子部材
　　１４３７，１４３８…凹部
　　１４５６，１４６６…凸部
　　ＣＰ…接触箇所

Claims (17)

  1. 　電解質膜を少なくとも備えた発電体と、セパレータとを積層した燃料電池であって、
    　前記発電体及び前記セパレータの一方に前記積層の方向に突出して形成された凸部と、前記発電体及び前記セパレータの他方に該積層の方向に凹んで形成された凹部とが嵌め合わされて、前記燃料電池の外周部において、前記発電体と前記セパレータとの間で、該燃料電池における電気化学反応に供される反応ガスをシールするシール部を備え、
    　前記凸部及び前記凹部の少なくとも一方は、吸湿によって膨張する高分子材料で形成された
    　燃料電池。
  2. 　前記凸部と前記凹部とは、少なくとも前記積層方向と交わる方向に接触することで、前記シールを行う請求項１記載の燃料電池。
  3. 　前記凸部の突出の先端と、前記凹部の凹みの底面との間には、前記高分子材料で形成された凸部及び凹部の少なくとも一方が吸湿によって膨張した状態で空隙を有する請求項２記載の燃料電池。
  4. 　請求項１ないし請求項３のいずれか記載の燃料電池であって、
    　前記凸部は、該凸部の突出の付け根よりも先端側の少なくとも一部が、前記積層の方向と交わる方向の断面積が大きい形状を有し、
    　前記凹部は、該凹部の開口部よりも内部側の少なくとも一部が、開口断面積が大きい形状を有する
    　燃料電池。
  5. 　請求項１ないし請求項４のいずれか記載の燃料電池であって、
    　前記凸部は、前記発電体に形成され、
    　前記凹部は、前記セパレータに形成された
    　燃料電池。
  6. 　前記凸部は、前記高分子材料で形成された請求項５記載の燃料電池。
  7. 　請求項６記載の燃料電池であって、
    　前記高分子材料は電解質であり、
    　前記凸部は、前記電解質によって、前記電解質膜と一体的に形成された
    　燃料電池。
  8. 　更に、前記凸部の内部に、前記高分子材料よりも弾性が小さい内部部材を、該凸部の形状に略追随した形状で備えた請求項６または請求項７記載の燃料電池。
  9. 　前記内部部材は、形状記憶部材で形成された請求項８記載の燃料電池。
  10. 　前記セパレータの凹部の内径の側面に形状記憶部材が接合された請求項６ないし請求項９のいずれか記載の燃料電池。
  11. 　請求項５ないし請求項１０のいずれか記載の燃料電池であって、
    　前記凹部が形成されたセパレータは、前記発電体の両面に積層される１対のセパレータであり、
    　前記１対のセパレータの少なくとも一方は、他方のセパレータに形成された凹部に対応する位置に、該凹部に向かって突出する突出部を備え、
    　前記突出部は、前記一方のセパレータと前記発電体との間で前記反応ガスをシールする
    　燃料電池。
  12. 　前記高分子材料よりも弾性が小さい支持部材を、前記凸部の内部に備えた請求項６ないし請求項１０のいずれか記載の燃料電池。
  13. 　前記高分子材料よりも弾性が小さい支持部材を、前記凸部が形成された位置であって、前記電解質膜の内部、または、該電解質膜の該凸部が形成された面と反対側の面の表面に備えた請求項７記載の燃料電池。
  14. 　前記凸部の側面と、前記凹部の側面とには、相互に嵌り合うネジ溝が形成された請求項１ないし請求項１３のいずれか記載の燃料電池。
  15. 　請求項１ないし請求項１４のいずれか記載の燃料電池であって、
    　前記発電体には、該発電体の両面に前記凸部または前記凹部が形成され、
    　前記発電体の両側に積層されるセパレータの両方には、前記凸部または前記凹部と嵌め合わされる前記凹部または前記凸部が形成され、
    　前記発電体の凸部または凹部は、該発電体の両面間で異なる位置に形成された
    　燃料電池。
  16. 　前記高分子材料は前記電解質である請求項１ないし請求項５のいずれか記載の燃料電池。
  17. 　電解質膜を少なくとも備えた発電体と、セパレータとを積層した燃料電池の製造方法であって、
    　前記発電体であって、前記電解質膜のみで形成された外周部を有する発電体と、前記セパレータであって、該セパレータの外周部に前記積層の面に対して凹んだ凹部を備えたセパレータとを用意する第１の工程と、
    　前記発電体と前記セパレータとを、前記発電体の外周部と前記凹部とが対向する位置関係で積層する第２の工程と、
    　前記電解質膜の含水率を、低水分側から高水分側へ所定の範囲で少なくとも１回変化させて、前記電解質膜の吸湿による膨張を生じさせることで、該電解質膜を前記凹部に入り込ませて、該凹部において前記電解質膜と前記セパレータとの間のシールを確保する第３の工程と
    　を備えた燃料電池の製造方法。
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