CN105210224A - 燃料电池的制造方法和制造装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够确保配置于燃料电池模块的密封构件的压缩量的燃料电池的制造方法和制造装置。本发明是一种燃料电池(100)的制造方法，该燃料电池(100)具有由多个燃料电池单元(30a)层叠而成的层叠体(30)，该燃料电池单元是利用一对分隔件(32a、32b)夹持将阳极(31b)和阴极(31c)接合于电解质膜(31a)的两侧而成的MEA(31)而成的，该制造方法具有：密封构件配置工序，在该密封构件配置工序中，层叠至少在邻接的燃料电池单元(30)之间涂覆有密封构件(70)的燃料电池单元而形成燃料电池模块；按压工序，在该按压工序中，在燃料电池单元的层叠方向上按压燃料电池模块，并利用密封构件形成密封部位，在按压工序中，通过对按压燃料电池模块的载荷进行控制，来控制燃料电池模块的层叠方向上的厚度。

Description

燃料电池的制造方法和制造装置
技术领域
本发明涉及一种燃料电池的制造方法和制造装置。
背景技术
燃料电池通过如下方式获得：将层叠了规定数量的燃料电池单元而成的燃料电池模块进一步层叠多个而形成层叠体，利用框体覆盖该层叠体的侧面，在层叠方向的两端配置板件并利用螺栓等进行紧固。构成燃料电池模块的燃料电池单元和燃料电池单元之间以及燃料电池模块彼此之间被密封，以使得在层叠体的内部流动的燃料、氧化剂以及冷却水不泄露。俯视观察燃料电池模块时，燃料电池模块的中央部是燃料气体、氧化剂流动以进行发电的部位，因为无法在该部位设置密封构件，所以将密封构件设置在燃料电池模块的外周部。
这样一来，因为密封构件只设置在燃料电池模块的外周部，所以设置有密封构件的外周部和未设置密封构件的中央部在模块的层叠方向上的厚度有时不均匀。如果模块的中央部的厚度和外周部的厚度存在差值，那么由于密封构件未被充分压缩而可能无法获得良好的密封性。因此，期望模块的厚度在中央部和外周部均匀。作为保持模块的厚度均匀的技术，存在这样的技术：例如在被分隔件夹持的膜电极接合体的外周且在膜电极接合体和分隔件之间配置间隔保持结构(所谓的间隔件)(参照专利文献1)。
专利文献1：日本特开2010-272474号公报
发明内容
发明要解决的问题
当欲像专利文献1那样利用间隔件来限制燃料电池模块的厚度时，在间隔件由于尺寸偏差而形成得比假定尺寸薄的情况下，模块的外周部为了与间隔件配合而与假定尺寸相比过度压扁。当对模块的外周部进行过度压扁并利用密封构件形成密封部位时，存在如下情况：即使对燃料电池模块只进行燃料电池所需那样的层叠，并且在层叠方向上的两端配置板件来进行夹压，中央部也无法被挤压到外周部的厚度，从而无法使燃料电池模块的厚度均匀。在这样的情况下，存在这样的问题：无法利用中央部的膨胀来充分压缩密封构件，无法获得良好的密封性。
因此，本发明为了解决上述课题而做成，其目的在于提供一种能够确保配置于燃料电池模块的密封构件的压缩量的燃料电池的制造方法和制造装置。
用于解决问题的方案
为了实现上述目的，本发明是一种燃料电池的制造方法，该燃料电池具有由多个燃料电池单元层叠而成的燃料电池模块，该燃料电池单元是利用一对分隔件夹持膜电极接合体而成的。本发明的燃料电池的制造方法具有：密封构件配置工序，在该密封构件配置工序中，在至少一个燃料电池单元和与该一个燃料电池单元邻接的其他燃料电池单元的两者之间相对的端面的外周部配置密封构件，并层叠燃料电池单元而形成燃料电池模块；按压工序，在该按压工序中，在燃料电池单元的层叠方向上按压燃料电池模块，并利用密封构件形成密封部位。本发明的燃料电池的制造方法的特征在于，通过对按压燃料电池模块的载荷进行控制，来控制燃料电池模块的层叠方向上的厚度。
另外，本发明的燃料电池的制造装置具有：密封构件配置部，其用于在至少一个燃料电池单元和与该一个燃料电池单元邻接的其他燃料电池单元的两者之间相对的端面的外周部配置密封构件；层叠部，其用于将配置有密封构件的燃料电池单元层叠而形成燃料电池模块；按压部，其用于在燃料电池单元的层叠方向上按压燃料电池模块；控制部，其用于至少控制按压部的动作。本发明的燃料电池的制造装置的特征在于，控制部通过控制按压部按压燃料电池模块的载荷，来控制燃料电池模块的层叠方向上的厚度。
附图说明
图1的(A)是表示本发明的实施方式1的燃料电池的制造方法的流程图，图1的(B)是表示燃料电池的制造方法的流程图，图1的(C)是详细表示该制造方法中的模块制造工序的流程图。
图2是表示该实施方式1的层叠体的组装工序中的密封构件配置工序的说明图。
图3是表示该实施方式1的层叠体的组装工序中的密封构件配置工序的说明图。
图4是表示该层叠体的按压工序的说明图。
图5是表示形成该层叠体(堆叠)时的说明图。
图6是表示形成该层叠体(堆叠)时的说明图。
图7是表示该实施方式1的燃料电池的立体图。
图8是表示该燃料电池的结构的分解立体图。
图9的(A)是沿着表示该燃料电池的单元构造的图8的9-9线的剖视图，图9的(B)是表示图9的(A)的变形例的剖视图。
图10是表示该燃料电池模块的俯视图。
图11是表示构成该燃料电池的层叠体的组装装置的概略立体图。
图12是表示利用夹具夹持住构成该层叠电池的层叠体的状态的立体图。
图13是表示利用按压部按压该燃料电池模块的情况和未按压的情况的说明图。
图14是说明通过对燃料电池模块进行按压而形成密封部位的说明图。
图15是说明通过对燃料电池模块进行按压而形成密封部位的说明图。
图16表示施加于该层叠体的载荷与层叠体的厚度之间的关系的图表。
图17是表示该层叠体的组装装置中的夹具构造的变形例的说明图。
图18是表示本发明的实施方式2的燃料电池模块的组装装置中的夹具构造的说明图。
图19是表示本发明的实施方式3的层叠体的组装装置中的夹具构造的说明图。
图20是表示实施方式3的该层叠体的组装装置中的夹具构造的变形例的说明图。
图21是表示实施方式3的该层叠体的组装装置中的夹具构造的变形例的说明图。
具体实施方式
以下，一边参照添付的附图，一边说明本发明的实施方式。另外，以下的记载并不对在权利要求书所记载的保护范围、用语的意思进行限定。另外，为了便于说明，将附图的尺寸比例放大，有时与实际的比例不同。
(实施方式1)
图1的(A)、图1的(B)是表示本发明的实施方式1的燃料电池的制造方法的时间图和流程图、图1的(C)是详细表示该制造方法中的模块制造工序的流程图。图2、图3是表示该实施方式1的层叠体的组装工序中的密封构件配置工序的说明图，图4是表示该层叠体的按压工序的说明图，图5和图6是表示形成该层叠体(堆叠)时的说明图。
概括地讲，本发明的燃料电池的制造方法具有：包含密封构件配置工序(参照图1的(A)、图2、图3)和按压工序(参照图1的(A)、图4)的模块的制造工序(参照图、图1的(B)的ST10)；组装工序(参照图1的(B)的ST30、图5以及图6)，在该组装工序中，层叠模块并进行紧固以形成堆。详细情况在后文描述。
图7是表示该实施方式的燃料电池的说明图，图8是表示该燃料电池的结构的分解立体图，图9的(A)是沿着表示该燃料电池的单体构造的图8的9-9线的剖视图，图9的(B)是表示图9的(A)的变形例的剖视图，图10是表示该燃料电池模块的俯视图。
参照图7～图10，实施方式1的燃料电池100具有燃料电池单元30，该燃料电池单元30是利用一对分隔件32a、32b夹持已在电解质膜31a的两侧接合有阳极31b和阴极31c而成的膜电极接合体(MembraneElectrodeAssembly以下称为MEA)31而成的。燃料电池单元30例如层叠8个单元左右而构成燃料电池模块40。燃料电池模块40层叠两块以上而构成层叠体50。实施方式1涉及如下工序：在燃料电池100的制造中，分别在MEA31和分隔件32a之间、MEA31和分隔件32b之间以及邻接的分隔件32a和分隔件32b之间配置密封构件70并施加按压载荷，从而形成密封部位。另外，在燃料电池模块40彼此之间，以密封构件80粘贴在板构件81的状态来配置密封构件80。在实施方式1中，在对配置有密封构件70、80的层叠体50进行按压而形成密封部位时，通过对按压层叠体50的载荷进行控制，来控制层叠体50的层叠方向上的厚度。以下进行详细描述。
首先，说明本实施方式的燃料电池100。如图8和图9的(A)所示，燃料电池100将利用氢气等阳极气体和氧气等阴极气体的反应来产生电动势的单位电池单元(燃料电池单元)30层叠规定数量而形成燃料电池模块40，再将燃料电池模块40层叠规定数量而形成层叠体50。但是，层叠体50并非必要的结构，能够由一个燃料电池模块构成。在层叠体50的两端配置有集电板34、绝缘板35以及端板36。
如图9的(A)所示，燃料电池单元30具有：MEA31、分别配置在MEA31的两面的分隔件32a、32b以及框体33。以下，将配置在MEA31的阳极侧的分隔件称作阳极分隔件32a，将配置在阴极侧的分隔件称作阴极分隔件32b。
如图9的(A)所示，MEA31具有例如作为供氢离子通过的高分子电解质膜的固体高分子电解质膜31a、阳极31b以及阴极31c。MEA31成为利用阳极31b和阴极31c从固体高分子电解质膜31a的两侧夹住固体高分子电解质膜31a而成的层叠结构。阳极31b具有电极催化剂层、防水层以及气体扩散层，并形成为薄板状。阴极31c具有电极催化剂层、防水层以及气体扩散层，并与阳极31b一样形成为薄板状。阳极31b和阴极31c这两者的电极催化剂层包含在导电性的载体上承载有催化剂成分的电极催化剂和高分子电解质。另外，阳极31b和阴极31c的气体扩散层例如由碳纤维纸或者碳纤维毡等形成。
分隔件32a、32b是利用模具将板厚较薄的导电性金属板成形为规定形状而形成的。如图9的(A)所示，分隔件32a、32b在有助于发电的活跃区域(与MEA接触的中央部分的区域)具有由凸部和凹部交替形成的波形状(所谓的波纹形状)32c。
在阳极分隔件32a的凸凹形状中，在与阳极21b接触那一侧的区域形成有用于使阳极气体流通的阳极气体流路37a。同样，在阴极分隔件32b的凸凹形状中，也在与阴极接触那一侧的区域形成有用于使阴极气体流通的阴极气体流路37b。另外，阳极分隔件32a在与阳极31b接触那一侧的相反侧的面上形成有供用于冷却燃料电池模块40的冷却水等冷却介质流动的冷却流路37c。同样，阴极分隔件32b在与阴极31c接触那一侧的相反侧的面上形成有供用于冷却燃料电池模块40的冷却水等冷却介质流动的冷却流路37c。
框体33是由具有电绝缘性的树脂等形成的长方形的板状构件。框体33用于保持MEA31的外周。
集电板34分别与层叠体50的两端接合。集电板34例如由像致密碳那样的不使气体透过的导电性构件形成。在集电板34上形成有突起部34a，以使由集电板34汇集的电力向外部输出的方式构成。
绝缘板35形成为由长方形构成的板状，配置在层叠体50的两端，将集电板34绝缘。
端板36例如由金属构成，成对地形成，在从两侧向一对绝缘板35施力的状态下承载一对绝缘板35。分隔件32a、32b、框体33、集电板34、绝缘板35、端板36以及后述的板构件81形成为由长方形构成的板状，在长度方向的一端以贯穿孔的方式形成有阴极气体供给口38a、介质供给口38b以及阳极气体供给口38c，并且在长度方向的另一端以贯穿孔的方式形成有阳极气体排出口38d、介质排出口38e以及阴极气体排出口38f。
张紧板39a、39b是对燃料电池单元30的层叠方向上的侧面中的相当于燃料电池单元30的长边的侧面进行覆盖的平板状构件。在张紧板39a、39b的单元的层叠方向上的两端设置有凸缘部，通过利用螺栓43等从两端将张紧板紧固于端板36而对燃料电池单元30加压。
张力引导件39c、39d是安装在与张紧板39a、39b正交的面上的截面为日文字状的构件。张力引导件39c、39d通过安装在图5、图6中的相当于燃料电池单元30的短边的侧面，从而防止燃料电池单元30的水平方向上的错位。
如图9的(A)所示，密封构件70配置在MEA31和阳极分隔件32a之间、MEA31和阴极分隔件32b之间以及邻接的阳极分隔件32a和阴极分隔件32b之间。密封构件70的材料并未特别限定，例如能够举出热固性树脂。
板构件81配置在邻接的燃料电池模块40和燃料电池模块40之间。在板构件81的两个面的外周部设置有密封构件80。密封构件80的材料并未特别限定，例如能够举出橡胶等弹性构件。
利用密封构件70将燃料电池模块40内供燃料流动的MEA31和阳极分隔件32a之间、供氧化剂流动的MEA31和阴极分隔件32b之间以及供冷却介质流动的分隔件32a和分隔件32b之间密封。另外，通过在燃料电池模块40彼此之间配置密封构件80，能够对在燃料电池模块40彼此之间流动的冷却介质进行密封。另外，在本说明书中，在构成燃料电池模块40的MEA31和阳极分隔件32a之间以及MEA31和阴极分隔件32b之间配置密封构件70的情况以及在邻接的燃料电池模块40彼此之间配置密封构件80的情况相当于在邻接的燃料电池单元各自的两者之间相对的端面的外周部配置密封构件。另外，密封构件的配置并不限于图9的(A)，如图9的(B)所示，通过在邻接的MEA31的框体33之间配置密封构件70，能够将燃料、氧化剂以及冷却介质密封。其原因在于，如图9的(B)所示，即使配置密封构件70，也能够将在燃料电池模块的内部流动的燃料、氧化剂以及冷却介质密封起来。
接着，针对本实施方式的层叠多个燃料电池模块而成的层叠体的组装装置进行说明。实施方式1的层叠体的组装装置200和装配装置300是燃料电池的制造装置的一部分，燃料电池的制造装置中的其他的装置结构是公知的结构，故此省略说明。图11是表示实施方式1的层叠体的组装装置的概略立体图，图12是表示利用夹具夹持住该燃料电池模块的状态的立体图。图13是表示利用按压部按压该层叠体的情况及未按压的情况的说明图。图14和图15是说明通过对燃料电池模块进行按压而形成密封部位的说明图。
层叠体50的组装装置200具有：涂覆部20(相当于密封构件配置部)，其用于涂覆密封构件70；层叠部90，其用于层叠MEA31、分隔件32a、32b以及板构件81并形成燃料电池模块40和层叠体50；按压部10，其针对燃料电池模块40从燃料电池单元30的层叠方向按压燃料电池模块40；控制部60，其用于至少控制按压部10的动作(参照图2～图4、图11)。
按压部10具有：按压夹具11，其沿着层叠体50的层叠方向靠近或远离，用于按压层叠体50；承接夹具12，其用于载置层叠体50，并用于承接被按压夹具11按压了的层叠体50。另外，按压部10具有：弹性构件13(相当于缓冲构件)，其与按压夹具11相连接；检测部14，其用于检测按压夹具11所施加的按压载荷；保持部15，其保持利用按压夹具11和承接夹具12按压层叠体50后的状态；按压构件16。
按压夹具11与用于产生使按压夹具11朝向承接夹具12移动的力的按压构件16的动作相联动，靠近或远离承接夹具12。按压夹具11具有比俯视观察层叠体50时的层叠体50的面积足够大的面积，在实施方式1中，按压面形成为平坦面。
承接夹具12用于载置MEA31、分隔件32a、32b，载置面形成为平坦面，以具有与按压夹具11的按压面相同的面积的方式形成。另外，在按压夹具11和承接夹具12的四个角形成有供连结螺栓17穿通的穿通孔，该连结螺栓17用于进行按压夹具11和承接夹具12的对位。
保持部15具有：连结螺栓17，其穿通被设置于按压夹具11和承接夹具12的穿通孔，并将按压夹具11和承接夹具12相连结；螺母18，其与连结螺栓17的螺纹部紧固。通过将螺母18紧固于连结螺栓17，来进行按压夹具11和承接夹具12的对位，从而进行按压夹具11和承接夹具12之间的间隔的调整以及间隔的保持。
弹性构件13用于防止在以规定的载荷按压层叠体50时过大的输入急剧输入到层叠体50而在层叠体50上产生裂纹等。另外，若当涂覆密封构件70并使其固化时存在温度变化，密封构件70产生收缩等而使施加于层叠体50的载荷变动，但通过设置弹性构件13来缓和由密封构件70的温度变化带来的载荷变化，能够防止由于应力集中而使层叠体50产生损伤等。
图17是表示实施方式1的层叠体的组装装置的夹具构造的变形例的说明图。如图4等所示，实施方式1的弹性构件13由盘簧构成，但能够由除盘簧以外的例如像图15所示那样的板簧13a构成。通过使用盘簧、板簧这样的结构，能够以简单的结构不使层叠体50破损地由密封构件70、80形成密封部位。
检测部14是用于对按压夹具11按压层叠体50的按压载荷进行检测的构件，在本实施方式中虽然使用负载传感器，但并不限于此。
另外，在燃料电池单元30中，构成MEA31的分隔件32a、32b如上所述具有凹凸状的所谓的波形状32c。在层叠燃料电池单元30而成的燃料电池模块中，因为图10所示的中央部41与发电部接触，所以不能涂覆密封构件70，密封构件70只涂覆在外周部42。因此，若密封构件70固化时施加载荷，则在涂覆有密封构件70的外周部42和未涂覆密封构件70的中央部41之间的交界处容易产生应力集中。与此相对，通过在作为发电部的中央部41设置波形状32c，使波形状32c与弹性构件13同样地吸收载荷，从而防止在中央部41和外周部42之间的交界处产生应力集中并防止层叠体50破损，能够利用按压载荷来进行层叠体50的厚度管理。
涂覆部20具有：涂覆机21；臂部22，其用于使涂覆机21沿着恒定方向移动；轨道23，其用于使臂部22在与涂覆机21移动方向交叉的方向上移动。
涂覆机21能够举出例如形成为枪形状的注入类型的设备，但并不限于此。涂覆机21可移动地安装于臂部22，通过使涂覆机21移动，而使涂覆机21位于构成层叠体50的MEA31、分隔件32a、32b的规定位置。涂覆机21的移动能够通过例如在涂覆机21上设置可旋转的辊，并在臂部22上设置构成涂覆机21的辊的路径的臂部轨道来实现，但并不限于此。
轨道23例如设置于组装装置200的侧壁，作为可供臂部22移动的路径而配置在与涂覆机21的移动方向不同的方向上。由此，只要使涂覆机21和臂部22移动，就能够使涂覆机21的移动方向和臂部22的移动方向相配合地将涂覆机21配置在MEA31、分隔件32a、32b的规定位置，以涂覆密封构件70。对于臂部22的移动而言，虽然也能够通过在臂部22上设置可旋转的臂部辊，并使臂部辊在轨道23上移动来实现，但并不限于此。
如图3所示，层叠部90由用于载置构成层叠体50的MEA31、分隔件32a、32b以及板构件81的机械臂构成。但是，除此之外，例如也能够人工进行层叠作业。
控制部60由CPU、RAM、ROM以及输入输出接口等构成，虽然可控制按压部10、涂覆部20以及层叠部50的动作，但是也能够以只控制按压部10的动作的方式构成。
用于形成层叠体的装配装置300具有：支承台110、基准台120(相当于夹持构件)、柱131、132、柱间隔调整夹具150、基准侧柱161、162、控制部180、施加载荷构件310(相当于夹持构件)以及按压构件320(相当于夹持构件)。基准台120设置在支承台110之上，在基准台120之上层叠燃料电池模块40、板构件81等燃料电池的结构零件。层叠的燃料电池的结构零件通过使柱131、132穿通介质供给口或者介质排出口的位置而实现定位和排列。基准侧柱161、162用于载置柱间隔调整夹具150。柱间隔调整夹具150用于调整柱131和柱132的间隔。施加载荷构件310和按压构件320由控制部180来控制，在将层叠体50、集电板34、绝缘板35以及端板36层叠起来的状态下，该施加载荷构件310和按压构件320与基准台120一起夹持燃料电池的结构零件，并施加按压载荷。在该状态下，安装张紧板39a、39b、张力引导件39c、39d，通过螺栓紧固而组装出燃料电池。
接着，说明本实施方式的层叠体的组装方法。实施方式1的层叠体的组装工序具有：密封构件配置工序，在该密封构件配置工序中，在构成层叠体50的分隔件32a的外周部42涂覆密封构件70，再层叠MEA31，然后层叠分隔件32b并涂覆密封构件70而形成燃料电池单元30，接着层叠多个燃料电池单元30而形成燃料电池模块40，在燃料电池模块40彼此之间配置密封构件80而形成层叠体50；按压工序，在该按压工序中，利用按压部10从单元30的层叠方向按压层叠体50。另外，在实施方式1中，针对燃料电池模块40由两个燃料电池单元30构成、层叠体50由两个燃料电池模块40构成的情况进行说明，但这只不过是一例，并不限于此。
对于模块的制造(图1的(B)的步骤ST10)而言，在密封构件配置工序中，首先，如图2所示，在组装装置200中，将构成燃料电池模块30的MEA31或者分隔件32a、32b载置于承接夹具12，通过在已载置完时的构件的上表面涂覆密封构件70而将密封构件70配置在分隔件32a之上(图1的(C)的步骤ST11)。在实施方式1中，将载置有阳极分隔件32a的情况作为一例。
接着，如图3所示，利用涂覆部20将配置有密封构件70的MEA31载置于分隔件32a，进而在MEA31之上载置已配置有密封构件70的阴极分隔件32b(图1的(C)的步骤ST12)。由此，形成燃料电池单元30。同样，又形成了1个单元的燃料电池单元30后，层叠用于构成燃料电池模块40的零件。
在该状态下，配置按压夹具11、弹性构件13、检测部14、保持部15以及按压构件16等构成零件并施加按压载荷(图1的(C)的步骤ST13)。如果施加载荷不在作为目标值的F的±10％以内(图1的(C)的步骤ST14：否(NO))，那么就调整施加载荷。如果施加载荷在F±10％以内(图1的(C)的步骤ST14：是(YES))，那么将螺母18拧紧于连结螺栓17，将燃料电池模块40的厚度固定，并使密封构件70固化(图1的(C)的步骤ST15)。另外，±10％的值是例示，也能够设定为其他的值。利用上述工序完成燃料电池模块40。当燃料电池模块40完成后，将其从组装装置200取下。
在接下来的工序中，为了确认模块是否毫无问题地完成，而进行泄露检查、绝缘电阻的检查(图1的(B)的步骤ST20)。如果在检查中存在问题(图1的(B)的步骤ST20：否(NO))，那么再一次进行模块的制造(图1的(B)的步骤ST10)。如果没有问题(图1的(B)的步骤ST20：是(YES))，那么进入层叠体(堆叠)50的制造。在层叠体的制造中，在装配装置300的柱131、132上放置端板36、绝缘板35、集电板34以及燃料电池模块40，在燃料电池模块40之上层叠在两面粘贴有密封构件80的板构件81。在本实施方式中，作为一例，燃料电池单元30由两个单元层叠而成，并准备两个燃料电池模块40。
两个燃料电池模块40层叠之后，在燃料电池模块40之上放置集电板34、绝缘板35以及端板36。然后，安装作为框体的张紧板39a、39b、张力引导件39c、39d并利用螺栓43紧固(图1的(B)的步骤ST30)。然后，针对层叠体50进行泄露检查、发电性能的确认，如果存在问题(图1的(B)的步骤ST40：否(NO))，那么再一次进行层叠体的载荷施加等(图1的(B)的步骤ST30)。如果在层叠体50的性能方面没有问题(图1的(B)的步骤ST40：是(YES))，那么就出货。
在这里，针对在使涂覆于燃料电池模块的密封构件固化时的载荷进行说明。图16是表示施加于层叠体的载荷和层叠体的层叠方向上的厚度之间的关系的说明图。从图16也可以明确的是，越对层叠体50施加载荷，层叠体50的厚度就越减少。
另外，如上所述，因为中央部41进行发电，所以不能向中央部41涂覆密封构件70，密封构件70只能涂覆在外周部42。
这样一来，密封构件70的涂覆部位限定于外周部42，因此，当解除按压夹具11的按压时，如图13～图15所示，就像燃料电池模块40的中央部41的厚度为H1、外周部42的厚度为H2那样出现在厚度上产生差值的现象。若考虑该现象，则按压层叠体50并使密封构件70固化时所施加的载荷(以下，记载为密封构件70的固化载荷)需要是例如在将端板36装配到层叠体50并从两侧夹压层叠体50时的夹压载荷以下。
其原因在于，在密封构件70的固化载荷比端板36的夹压载荷大的情况下(图16的a1是密封构件70的固化载荷、a2是堆叠时的夹压(装配)载荷的情况)，不能将中央部41压扁到在堆叠时涂覆有密封构件70的外周部42的厚度，不能消除中央部41的厚度(图12的b1)和外周部42的厚度(图12的b2)之差。
通过将密封构件70的固化载荷设为端板36的夹压载荷以下，能够防止外周部42被过度挤压，防止在堆叠时产生中央部41和外周部42之间的厚度差，从而能够可靠地形成密封部位。
另外，密封构件70的固化载荷除了设为端板36的夹压载荷以下之外，还能够设为燃料电池100的使用环境时(非发电时)的最低载荷以下。在燃料电池100的使用时，向燃料电池100的内部供给燃料、氧化剂以及冷却水，燃料电池100比装配端板36并被端板36夹压时膨胀。也就是说，燃料电池100的使用环境时的最低载荷变得比上述夹压时的载荷小。密封构件70需要在燃料电池100的使用环境状态下形成密封部位，因此，即使密封构件的固化载荷设为使用环境时的最低载荷以下，也能够防止产生模块40的中央部41和外周部42之间的厚度差，从而能够可靠地形成密封部位。
而且，除上述情况以外，密封构件70的固化载荷也能够设为在发电部41中分隔件32a、32b与MEA31接触的最低载荷以下。燃料电池100为了发电，为了能够利用分隔件32a、32b在MEA31的两面上形成供燃料和氧化剂流动的空间，需要至少使分隔件32a、32b与MEA31接触。虽然分隔件32a、32b与MEA31接触的最低载荷设为上述夹压载荷以下，也在燃料电池的使用环境时的最低载荷以下，但是能够使燃料电池发电。因此，即使密封构件70的固化载荷是分隔件32a、32b与MEA31接触的最低载荷以下，也能够在确保燃料电池的发电的同时，可靠地形成密封部位。
接着，说明实施方式1的发明的作用、效果。
为了密封燃料、氧化剂等而向层叠体50配置密封构件70、80时，因为无法配置在作为发电部的中央部41，所以将密封构件70、80配置在外周部42。如果不充分压扁密封构件70、80(尤其是密封构件80)，就不能形成密封部位，如果在中央部41和外周部42的厚度方面产生差值，那么就无法充分压扁密封构件。因此，在层叠燃料电池单元30并组装成燃料电池100时，为了形成密封部位，需要消除中央部41和外周部42之间的厚度差。但是，例如即使使用间隔件等来调整MEA31和分隔件32a、32b之间的间隔，有时也无法消除由偏差引起的中央部41和外周部42之间的厚度差。
与此相对，在实施方式1中，在利用按压部10按压层叠体50时，不是直接控制层叠体50的厚度，而是通过对按压层叠体50的按压载荷进行控制来控制层叠体50的厚度。因此，在实施方式1中，能够考虑在组装燃料电池100时的层叠体50的厚度等的偏差，能够以在中央部41和外周部42之间不产生厚度差的方式按压层叠体50，从而能够确保密封构件的压缩量并且使密封性良好。
另外，在按压工序中，按压层叠体50并使密封构件70固化时的按压载荷是在组装燃料电池100时利用施加载荷构件310和按压构件320夹压层叠体50的夹压载荷以下。因此，在形成燃料电池100时，如果利用端板36从层叠体50的两端进行夹压，那么能够将中央部41挤压到外周部42的厚度，能够使层叠体50的厚度均匀并且可靠地形成密封部位。
另外，在按压工序中，在按压层叠体50并使密封构件70固化时的按压载荷也能够设为燃料电池100的使用环境时(非发电时)的最低载荷以下。使用环境时的最低载荷为端板36的夹压载荷以下，因此，与上述一样，能够在燃料电池组装时和燃料电池的使用环境时将中央部41挤压到外周部42的厚度，从而能够可靠地形成密封部位。
另外，在按压工序中，按压层叠体50并使密封构件70固化时的按压载荷也能够设为分隔件32a、32b与MEA31接触的最低载荷以下。分隔件32a、32b与MEA31接触的最低载荷是端板36的夹压时以及燃料电池的使用环境时的载荷以下。因此，通过将上述按压载荷设为分隔件32a、32b与MEA31接触的最低载荷以下，能够在确保燃料电池100发电的同时，在燃料电池组装时和燃料电池100使用时也能够将中央部41压扁到外周部42的厚度并可靠地形成密封部位。
另外，构成为，在利用按压夹具11施加按压载荷时，利用由负载传感器等构成的检测部14来监测按压载荷，并且利用保持部15来对按压层叠体50后的状态进行保持。因此，能够可靠地防止向层叠体50施加多余的按压载荷，防止中央部41和外周部42之间产生厚度差，从而能够可靠地形成密封部位。
另外，如果按压夹具11使用由板簧13a等构成的弹性构件13并与保持部15一起对按压层叠体50后的状态进行保持，那么即使在密封构件70固化时由于温度变化而产生向层叠体50施加的载荷变动时，也能够缓和该载荷变动。于是，能够防止在层叠体50上产生应力集中并出现伤痕等。
另外，形成于分隔件32a、32b的凹凸的所谓的波形状32c能够作为像板簧那样的弹性构件发挥作用。因此，即使在为了使密封构件70固化而施加了按压载荷时，也能够防止在中央部41和外周部42之间的交界发生应力集中，并防止层叠体50的破损，从而能够利用按压载荷来进行层叠体50的厚度管理。
(实施方式2)
图18表示实施方式2的层叠体的组装装置的夹具构造的剖视图。在实施方式1中，利用按压夹具11这样的单一的夹具来按压层叠体50，但也能够以如下方式构成。
如图18所示，对于实施方式2中的燃料电池的组装装置200a而言，由按压夹具11a和环状的按压夹具11b构成按压夹具，该按压夹具11a用于按压层叠体50中的相当于发电部的中央部41，该按压夹具11b用于按压层叠体50中的比中央部41靠外侧的外侧部42。按压夹具11a所施加的载荷和按压夹具11b所施加的载荷能够通过例如调整与按压构件16相连接的弹性构件13b和弹性构件13c的弹簧常数而成为不同的载荷。另外，组装装置200a中的其他结构在设置用于分别检测按压夹具11a、11b的按压载荷的检测部14a、14b这方面以外，与实施方式1相同，故此省略说明。
采用实施方式2的层叠体50的组装装置200a，以对层叠体50的中央部41和外侧部42施加的载荷是分开施加的方式构成。因此，即使是层叠体50的面方向上的厚度尺寸的偏差非常大的情况，由于能够分开按压中央部41和外周部42，所以更容易消除中央部41和外周部42之间的厚度差而均匀化，从而能够可靠地形成密封部位。
(实施方式3)
图19是表示实施方式3的层叠体的组装装置的夹具构造的说明图。在实施方式1中，使用用于按压层叠体50的按压面是平坦面的按压夹具11来按压层叠体50，并使密封构件70固化，但按压夹具能够形成为以下那样的结构。
构成实施方式3的燃料电池模块的组装装置200b的按压夹具11c用于按压层叠体50的按压面不平坦，其具有用于按压相当于发电部的中央部41的发电部按压部11d和用于按压发电部按压部11d的外侧的外侧按压部11e。为了保证搭载有燃料电池100的汽车等在寒冷地区也能够使用，对于层叠体50而言，需要考虑即使在寒冷时也利用密封构件70形成密封部位的情况。与此相对，实施方式3的层叠体50的组装装置200b构成为，在按压夹具31c上，发电部按压部11d在外侧部按压部11e的层叠方向上具有台阶11f。图17的台阶11f的高度能够设为密封构件70的保证温度内的热收缩量，但并不限于此。
这样一来，考虑到密封构件70的由温度变化引起的收缩等，通过在按压夹具11c上设置台阶11f，即使在层叠体50的中央部41和外周部42之间的收缩量不同的情况下，也能够防止中央部41和外周部42之间的厚度差，从而可靠地形成密封部位。
另外，本发明并不只限于上述实施方式，能够在权利要求书的范围内进行各种变更。
图20、21是表示实施方式3的层叠体的组装装置中的夹具构造的变形例的说明图。在实施方式3中，说明了如下内容：通过在按压夹具11c上设置台阶11f，从而即使在密封构件70发生了热收缩的情况下也能够形成密封部位，但并不限于此。对于设置有台阶的按压夹具11g而言，能够将用于按压中央部41的发电部按压部11d的角部形成为曲面形状11h。通过将发电部按压部11d的角部形成为曲面形状11h，即使在按压时，层叠体50和曲面形状11h之间的接触面压力也不会过大，能够不在层叠体50上产生伤痕等地形成密封部位。
另外，对于考虑到密封构件70的由温度变化引起的热收缩等而设置的台阶11f，如图21所示，不仅能够设置于按压夹具，还能够设置于承接夹具。另外，在实施方式1至3中，层叠多个燃料电池单元而形成燃料电池模块，然后层叠多个燃料电池模块而构成了层叠体，但并不限于此，本发明也能够应用在将密封构件70配置于层叠多个燃料电池单元而成的单一的燃料电池模块而形成密封部位的情况。
另外，虽然在构成燃料电池模块40的MEA31和分隔件32a、32b之间，在中央部41的局部也存在构成MEA31的气体扩散层、分隔件32a、32b的波形状32c，但是在外周部42的局部就不存在这样的结构。因此，在按压燃料电池模块40并使密封构件等固化时，在外周部42中的距离中央部41较远的外周部42的宽度方向和距离中央部41较近的长度方向上，施加载荷时的挤压余量存在偏差，有可能对密封性产生影响。与此相对，在与图4的夹具11的宽度方向接触的部位，在夹具11上开设一些孔与泵连接，能够消除外周部42的长度方向和宽度方向的挤压余量的差值。通过设置这样的结构，能够消除或者减少在密封构件固化时中央部41和外周部42之间的挤压量的差值。
本申请基于2013年4月15日提出申请的日本特许出愿号2013-085251号，将该日本特许出愿的公开内容通过参照整体编入本说明书中。
附图标记说明
10按压部、
100燃料电池、
11、11a、11b、11c、11g按压夹具、
11d发电部按压部、
11e外侧按压部、
11f台阶、
11h曲面形状、
110支承台、
12承接夹具、
120基准台、
13、13b、13c弹性构件、
13a板簧、
131、132支承柱、
14、14a、14b、14c检测部、
15保持部、
150柱间隔调整夹具、
16按压构件、
161、162基准侧柱、
17连结螺栓、
18螺母、
20涂覆部、
200、200a、200b燃料电池模块的组装装置、
21涂覆机、
22臂部、
23轨道、
30燃料电池单元、
300层叠体的装配装置、
31膜电极接合体(MEA)、
31a固体高分子电解质膜、
31b阳极、
31c阴极、
310施加载荷构件、
32a、32b分隔件、
320按压构件、
33框体、
34集电板、
34a突起部、
35绝缘板、
38a阴极气体供给口、
38b介质供给口、
38c阳极气体供给口、
38d阳极气体排出口、
38e介质供给口、
38f阴极气体排出口、
36端板、
37a阳极气体流路、
37b阴极气体流路、
37c冷却介质流路、
39a、39b张紧板、
39c、39d张力引导件、
40燃料电池模块、
41中央部(发电部)、
42外侧部、
43螺栓、
50层叠体、
60、180控制部、
70、80密封构件、
81板构件、
90层叠部、
a1密封构件固化时的载荷、
a2燃料电池堆叠时的装配载荷、
b1堆叠时的厚度、
b2密封构件固化时的厚度、
H1施加按压载荷时中央部膨胀时的层叠方向厚度、
H2施加按压载荷时周边部的层叠方向厚度。

Claims (13)

1.一种燃料电池的制造方法，该燃料电池具有由多个燃料电池单元层叠而成的燃料电池模块，该燃料电池单元是利用一对分隔件夹持将阳极和阴极接合于电解质膜的两侧而成的膜电极接合体而成的，该燃料电池的制造方法的特征在于，该燃料电池的制造方法具有：
密封构件配置工序，在该密封构件配置工序中，在至少一个所述燃料电池单元和与该至少一个所述燃料电池单元相邻的其他所述燃料电池单元的两者之间相对的端面的外周部配置密封构件，并层叠所述燃料电池单元而形成所述燃料电池模块；
按压工序，在该按压工序中，在所述燃料电池单元的层叠方向上按压所述燃料电池模块，并利用所述密封构件形成密封部位，
在所述按压工序中，通过对按压所述燃料电池模块的载荷进行控制，来控制所述燃料电池模块的层叠方向上的厚度。
2.根据权利要求1所述的燃料电池的制造方法，其中
所述膜电极接合体具有通过电化学反应而产生能量的发电部，
在所述按压工序中，利用不同的压力按压所述发电部和比所述发电部靠外侧的外侧部。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池的制造方法，其中
该燃料电池的制造方法还具有装配工序，在该装配工序中，装配用于从所述燃料电池模块的层叠方向的两端夹持所述燃料电池模块的夹持构件以夹压所述燃料电池模块，
在所述按压工序中，利用在所述装配工序中夹压所述燃料电池模块时所施加的夹压载荷以下的载荷来按压所述燃料电池模块，并利用所述密封构件形成所述密封部位。
4.根据权利要求1或2所述的燃料电池的制造方法，其中
在所述按压工序中，在所述燃料电池可发电的状态下，利用非发电时施加于所述燃料电池模块的载荷以下的载荷来按压所述燃料电池模块，并利用所述密封构件形成所述密封部位。
5.根据权利要求1或2所述的燃料电池的制造方法，其中
在所述按压工序中，利用在所述燃料电池单元中所述分隔件与所述膜电极接合体接触的最低载荷以下的载荷来按压所述燃料电池模块，并利用所述密封构件形成所述密封部位。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的燃料电池的制造方法，其中，其具有：
保持部，其用于对按压所述燃料电池模块后的状态进行保持；
检测部，其用于对按压所述燃料电池模块的载荷进行检测，
在所述按压工序中，基于利用所述检测部检测出的所述燃料电池模块的按压载荷来调整所述按压载荷，并在利用规定的所述按压载荷按压所述燃料电池模块后的状态下，利用所述保持部保持所述状态。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的燃料电池的制造方法，其中，其具有：
保持部，其用于对按压所述燃料电池模块后的状态进行保持；
缓冲构件，其用于缓冲所述按压构件对所述燃料电池施加的载荷，
在所述按压工序中，使用所述缓冲构件和所述保持部来保持所述燃料电池模块的层叠方向上的厚度。
8.根据权利要求7所述的燃料电池的制造方法，其中
所述缓冲构件由板簧构成。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的燃料电池的制造方法，其中，
所述分隔件具有能弹性变形的弹性形状，
在所述按压工序中，通过使所述分隔件的所述弹性形状变形，从而缓和在利用所述密封构件形成所述密封部位时施加于所述燃料电池模块的载荷。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的燃料电池的制造方法，其中，
所述按压构件在用于按压所述燃料电池模块中的进行发电的发电部的发电部按压部和按压比所述发电部靠面方向的外侧的外侧按压部之间沿所述层叠方向设置有台阶。
11.根据权利要求10所述的燃料电池的制造方法，其中
所述发电部按压部和所述外侧按压部之间的所述台阶的高度等于所述密封构件产生了热收缩时的热收缩量。
12.根据权利要求10或11所述的燃料电池的制造方法，其中
在所述按压构件中，所述发电部按压部和所述外侧按压部之间的交界被成形为曲面。
13.一种燃料电池的制造装置，该燃料电池具有由多个燃料电池单元层叠而成的燃料电池模块，该燃料电池单元是利用一对分隔件夹持将阳极和阴极接合于电解质膜的两侧而成的膜电极接合体而成的，该燃料电池的制造装置的特征在于，该燃料电池的制造装置具有：
密封构件配置部，其用于在至少一个所述燃料电池单元和与该至少一个燃料电池单元相邻的其他所述燃料电池单元的两者之间相对的端面的外周部配置密封构件；
层叠部，其用于将配置有所述密封构件的所述燃料电池单元层叠而形成所述燃料电池模块；
按压部，其用于在所述燃料电池单元的层叠方向上按压所述燃料电池模块；
控制部，其用于至少控制所述按压部的动作，
所述控制部通过控制所述按压部按压所述燃料电池模块的载荷，来控制所述燃料电池模块的所述层叠方向上的厚度。
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