JPWO2014171260A1 - 燃料電池の製造方法及び製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池モジュールに配置されたシール部材の圧縮量を確保できる燃料電池の製造方法及び製造装置を提供する【解決手段】本発明は、アノード３１ｂとカソード３１ｃとを電解質膜３１ａの両側に接合したＭＥＡ３１が一対のセパレータ３２ａ、３２ｂによって挟持された燃料電池セル３０ａを複数積層した積層体３０を有する燃料電池１００の製造方法であって、少なくとも隣接する燃料電池セル３０の間にシール部材７０を塗布した燃料電池セルを積層して燃料電池モジュールを形成するシール部材配置工程と、燃料電池セルの積層方向において燃料電池モジュールを押圧し、シール部材によるシール部位を形成する押圧工程と、有し、押圧工程では、燃料電池モジュールを押圧する荷重を制御することによって燃料電池モジュールの積層方向における厚さを制御する。【選択図】図１４

Description

本発明は燃料電池の製造方法及び製造装置に関する。

燃料電池は、燃料電池セルを所定枚数積層した燃料電池モジュールをさらに複数積層して積層体とし、当該積層体の側面を筐体で覆い、積層方向の両端にプレートを配置してボルト等で締結することによって得られる。燃料電池モジュールを構成する燃料電池セルと燃料電池セルの間及び燃料電池モジュール同士の間は、積層体の内部を流れる燃料、酸化剤、及び冷却水が洩れないようにシールされている。燃料電池モジュールを平面視した際の中央部は、燃料ガスや酸化剤が流れて発電が起こる部位であり、当該部位にシール部材を設けることはできないため、シール部材は燃料電池モジュールの外周部に設けられる。

このように、シール部材は燃料電池モジュールの外周部にのみ設けられるため、シール部材が設けられた外周部とシール部材が設けられていない中央部とではモジュールの積層方向の厚さが均一とならない場合がある。モジュールにおける中央部の厚さと外周部の厚さに差が生じていると、シール部材が十分圧縮されないことによって良好なシール性が得られないおそれがある。そのため、モジュールの厚さは中央部と外周部とで均一になっていることが望まれる。モジュールの厚さを均一に保つ技術としては、例えばセパレータによって挟持された膜電極接合体の外周であって、膜電極接合体とセパレータとの間に間隔保持構造（いわゆるスペーサー）を配置する、といったものがある（特許文献１参照）。

特開２０１０−２７２４７４号公報

特許文献１のように燃料電池モジュールの厚さをスペーサーによって規制しようとすると、スペーサーが寸法バラつきによって想定よりも薄く形成された場合、モジュールの外周部はスペーサーに合わせて想定よりも過度に押し潰されてしまう。モジュールの外周部が過度に押し潰されてシール部材によるシール部位が形成されると、燃料電池モジュールを燃料電池に必要なだけ積層し、積層方向における両端にプレートを配置して挟圧しても、中央部は外周部の厚さまで潰れず、燃料電池モジュールの厚さを均一にできない場合がある。そのような場合には、中央部の膨らみによってシール部材が十分に圧縮されず、良好なシール性が得られない、といった問題がある。

そこで本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、燃料電池モジュールに配置されたシール部材の圧縮量を確保できる燃料電池の製造方法及び製造装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明は、膜電極接合体が一対のセパレータによって挟持された燃料電池セルを複数積層した燃料電池モジュールを有する燃料電池の製造方法である。本発明に係る燃料電池の製造方法は、少なくとも一の燃料電池セルと隣接する他の燃料電池セルとの間において対向する端面の外周部にシール部材を配置し、燃料電池セルを積層して燃料電池モジュールを形成するシール部材配置工程と、燃料電池セルの積層方向において燃料電池モジュールを押圧し、シール部材によるシール部位を形成する押圧工程と、を有する。本発明に係る燃料電池の製造方法では、燃料電池モジュールを押圧する荷重を制御することによって燃料電池モジュールの積層方向における厚さを制御することを特徴とする。

また、本発明に係る燃料電池の製造装置は、少なくとも一の燃料電池セルと隣接する他の燃料電池セルとの間において対向する端面の外周部にシール部材を配置するシール部材配置部と、シール部材が配置された燃料電池セルを積層して燃料電池モジュールを形成する積層部と、燃料電池セルの積層方向において燃料電池モジュールを押圧する押圧部と、少なくとも押圧部の動作を制御する制御部と、を有する。本発明に係る燃料電池の製造装置では、制御部が押圧部によって燃料電池モジュールを押圧する荷重を制御することによって積層方向における燃料電池モジュールの厚さを制御することを特徴とする。

図１（Ａ）は本発明の実施形態１に係る燃料電池の製造方法について示すタイムチャート、図１（Ｂ）は燃料電池の製造方法について示すフローチャート、図１（Ｃ）は同製造方法の中でもモジュール製造工程について詳細に示すフローチャートである。 同実施形態１に係る積層体の組み立て工程におけるシール部材配置工程を示す説明図である。 同実施形態１に係る積層体の組み立て工程におけるシール部材配置工程を示す説明図である。 同積層体の押圧工程を示す説明図である。 同積層体を形成する（スタッキングする）際を示す説明図である。 同積層体を形成する（スタッキングする）際を示す説明図である。 同実施形態１に係る燃料電池を示す斜視図である。 同燃料電池の構成を示す分解斜視図である。 図９（A）は同燃料電池のセル構造を示す図８の９−９線に沿う断面図、図９（B）は図９（A）の変形例を示す断面図である。 同燃料電池モジュールを示す平面図である。 同燃料電池を構成する積層体の組み立て装置を示す概略斜視図である。 同積層電池を構成する積層体を治具によって挟持した状態を示す斜視図である。 押圧部によって同燃料電池モジュールを押圧した場合と押圧していない場合とを示す説明図である。 燃料電池モジュールの押圧によるシール部位の形成について説明する説明図である。 燃料電池モジュールの押圧によるシール部位の形成について説明する説明図である。 同積層体に付加する荷重と積層体の厚さとの関係を示すグラフである。 同積層体の組み立て装置における治具構造の変形例を示す説明図である。 本発明の実施形態２に係る燃料電池モジュールの組み立て装置における治具構造を示す説明図である。 本発明の実施形態３に係る積層体の組み立て装置における治具構造を示す説明図である。 実施形態３に係る同積層体の組み立て装置における治具構造の変形例を示す説明図である。 実施形態３に係る同積層体の組み立て装置における治具構造の変形例を示す説明図である。

以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、以下の記載は特許請求の範囲に記載される技術的範囲や用語の意義を限定するものではない。また、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。

（実施形態１）
図１（Ａ）、図１（Ｂ）は本発明の実施形態１に係る燃料電池の製造方法について示すタイムチャート及びフローチャート、図１（Ｃ）は同製造方法の中でもモジュール製造工程について詳細に示すフローチャートである。図２、図３は同実施形態１に係る積層体の組み立て工程におけるシール部材配置工程を示す説明図、図４は同積層体の押圧工程を示す説明図、図５及び図６は同積層体を形成する（スタッキングする）際を示す説明図である。

本発明に係る燃料電池の製造方法は、概説すれば、シール部材配置工程（図１（Ａ）、図２、図３参照）及び押圧工程（図１（Ａ）、図４参照）を含むモジュールの製造（図、図１（Ｂ）のＳＴ１０参照）と、モジュールを積層し、締結してスタックを形成する組付け工程（図１（Ｂ）のＳＴ３０、図５及び図６参照）と、を有する。詳細については後述する。

図７は同実施形態に係る燃料電池を示す説明図、図８は同燃料電池の構成を示す分解斜視図、図９（Ａ）は同燃料電池のセル構造を示す図８の９−９線に沿う断面図、図９（Ｂ）は図９（Ａ）の変形例を示す断面図、図１０は同燃料電池モジュールを示す平面図である。

図７〜図１０を参照して実施形態１に係る燃料電池１００は、アノード３１ｂとカソード３１ｃとを電解質膜３１ａの両側に接合した膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ 以下、ＭＥＡと称する）３１が一対のセパレータ３２ａ、３２ｂによって挟持された燃料電池セル３０を有する。燃料電池セル３０は、例えば８セル程度積層されて燃料電池モジュール４０として構成される。燃料電池モジュール４０は、２以上積層されて積層体５０として構成される。実施形態１は燃料電池１００の製造の中でも、ＭＥＡ３１とセパレータ３２ａとの間、ＭＥＡ３１とセパレータ３２ｂとの間及び隣接するセパレータ３２ａとセパレータ３２ｂとの間にシール部材７０を配置して押圧荷重を加え、シール部位を形成する工程に関するものである。また、燃料電池モジュール４０同士の間には、シール部材８０がプレート部材８１に貼付された状態で配置される。実施形態１ではシール部材７０、８０を配置した積層体５０を押圧してシール部位を形成する際に、積層体５０を押圧する荷重を制御することによって積層体５０の積層方向の厚さを制御している。以下、詳述する。

まず、本実施形態に係る燃料電池１００について説明する。燃料電池１００は、図８及び図９（Ａ）に示すように水素等のアノードガスと酸素等のカソードガスの反応により起電力を生じる単位電池セル（燃料電池セル）３０を所定数だけ積層して燃料電池モジュール４０とし、燃料電池モジュール４０を所定数積層して積層体５０を形成している。しかし、積層体５０は必須の構成ではなく、一つの燃料電池モジュールによって構成することができる。積層体５０の両端には集電板３４、絶縁板３５及びエンドプレート３６を配置している。

燃料電池セル３０は、図９（Ａ）に示すようにＭＥＡ３１と、ＭＥＡ３１の両面にそれぞれ配置されるセパレータ３２ａ、３２ｂと、枠体３３と、を有する。以下、ＭＥＡ３１のアノード側に配置されるセパレータをアノードセパレータ３２ａと称し、カソード側に配置されるセパレータをカソードセパレータ３２ｂと称する。

ＭＥＡ３１は、図９（Ａ）に示すように例えば水素イオンを通す高分子電解質膜である固体高分子電解質膜３１ａと、アノード３１ｂと、カソード３１ｃと、を有する。ＭＥＡ３１は、アノード３１ｂとカソード３１ｃによって、固体高分子電解質膜３１ａをその両側から挟み込んだ積層構造となっている。アノード３１ｂは、電極触媒層、撥水層、ガス拡散層と、を有し、薄板状に形成されている。カソード３１ｃは、電極触媒層、撥水層、及びガス拡散層、を有し、アノード３１ｂと同様に薄板状に構成されている。アノード３１ｂ及びカソード３１ｃの電極触媒層は、導電性の担体に触媒成分が担持された電極触媒と高分子電解質を含んでいる。また、アノード３１ｂ及びカソード３１ｃのガス拡散層は、例えばカーボンペーパー、又はカーボンフェルト等から形成されている。

セパレータ３２ａ、３２ｂは、板厚の薄い導電性金属板を金型で所定形状に成形することにより形成される。セパレータ３２ａ、３２ｂは、図９（Ａ）に示すように、発電に寄与するアクティブ領域（ＭＥＡと接する中央部分の領域）に、凸部と凹部を交互に形成した波形状（いわゆるコルゲート形状）３２ｃを有する。

アノードセパレータ３２ａの凸凹形状の中でも、アノード２１ｂと接触側の領域にはアノードガスを流通させるためのアノードガス流路３７ａが形成される。同様に、カソードセパレータ３２ｂの凸凹形状の中でも、カソードとの接触側の領域にはカソードガスを流通させるためのカソードガス流路３７ｂが形成される。また、アノードセパレータ３２ａは、アノード３１ｂと接触する側とは反対側の面に燃料電池モジュール４０を冷却する冷却水などの冷却媒体を流す冷却流路３７ｃを形成している。同様に、カソードセパレータ３２ｂは、カソード３１ｃと接触する側とは反対側の面に燃料電池モジュール４０を冷却する冷却水などの冷却媒体を流す冷却流路３７ｃを形成している。

枠体３３は、電気絶縁性を有する樹脂等からなる長方形の板状部材である。枠体３３は、ＭＥＡ３１の外周を保持する。

集電板３４は、積層体５０の両端にそれぞれ接合される。集電板３４は、例えば緻密質カーボンのようなガスを透過させない導電性部材から形成されている。集電板３４には突起部３４ａが形成され、集電板３４で集電された電力を外部に取り出せるように構成されている。

絶縁板３５は、長方形からなる板状に形成し、積層体５０の両端に配置されて集電板３４を絶縁する。

エンドプレート３６は例えば金属からなり、対になって一対の絶縁板３５を両側から付勢した状態で担持する。セパレータ３２ａ、３２ｂ、枠体３３、集電板３４、絶縁板３５、エンドプレート３６、及び後述するプレート部材８１は、長方形からなる板状で形成し、長手方向の一端にカソードガス供給口３８ａ、媒体供給口３８ｂ、アノードガス供給口３８ｃを貫通孔で形成し、長手方向における他端にアノードガス排出口３８ｄ、媒体排出口３８ｅ、及びカソードガス排出口３８ｆを貫通孔で形成している。

テンションプレート３９ａ、３９ｂは、燃料電池セル３０の積層方向における側面の中でも燃料電池セル３０の長辺にあたる側面を覆う平板状部材である。テンションプレート３９ａ、３９ｂのセルの積層方向における両端にはフランジ部が設けられ、両端からエンドプレート３６にボルト４３等で締結することにより燃料電池セル３０が加圧される。

テンションガイド３９ｃ、３９ｄは、テンションプレート３９ａ、３９ｂと直交する面に取り付けられる断面がコの字状の部材である。テンションガイド３９ｃ、３９ｄが図５、図６における燃料電池セル３０の短辺にあたる側面に取付けられることによって、燃料電池セル３０の水平方向における位置ズレが防止される。

シール部材７０は、図９（Ａ）に示すように、ＭＥＡ３１とアノードセパレータ３２ａとの間、ＭＥＡ３１とカソードセパレータ３２ｂとの間、及び隣接するアノードセパレータ３２ａとカソードセパレータ３２ｂとの間に配置されている。シール部材７０の材料は特に限定されないが、例えば熱硬化性樹脂を挙げることができる。

プレート部材８１は、隣接する燃料電池モジュール４０と燃料電池モジュール４０との間に配置されている。プレート部材８１の両面外周部にはシール部材８０が設けられている。シール部材８０の材料は特に限定されないが、ゴムなどの弾性部材を挙げることができる。

シール部材７０によって燃料電池モジュール４０内において燃料が流れるＭＥＡ３１とアノードセパレータ３２ａとの間、酸化剤が流れるＭＥＡ３１とカソードセパレータ３２ｂとの間、及び冷却媒体が流れるセパレータ３２ａとセパレータ３２ｂとの間がシールされる。また、燃料電池モジュール４０同士の間にシール部材８０が配置されることによって、燃料電池モジュール４０同士の間を流れる冷却媒体のシールが行われる。なお、本明細書では燃料電池モジュール４０を構成するＭＥＡ３１とアノードセパレータ３２ａとの間及びＭＥＡ３１とカソードセパレータ３２ｂとの間にシール部材７０を配置すること、及び隣接する燃料電池モジュール４０同士の間にシール部材８０を配置することは、隣接する燃料電池セル同士の間において対向する端面の外周部にシール部材を配置することにあたる。また、シール部材の配置は図９（Ａ）に限定されず、図９（Ｂ）に示すように、隣接するＭＥＡ３１の枠体３３の間にシール部材７０を配置することによって燃料、酸化剤、及び冷却媒体をシールすることができる。図９（Ｂ）のようにシール部材７０を配置しても燃料電池モジュールの内部を流れる燃料、酸化剤、及び冷却媒体をシール出来るからである。

次に本実施形態に係る燃料電池モジュールを複数積層した積層体の組み立て装置について説明する。実施形態１に係る積層体の組み立て装置２００及び組付け装置３００は燃料電池の製造装置の一部であり、燃料電池の製造装置におけるその他の装置構成は公知のものであるため、説明を省略する。図１１は実施形態１に係る積層体の組み立て装置を示す概略斜視図、図１２は同燃料電池モジュールを治具によって挟持した状態を示す斜視図である。図１３は押圧部によって同積層体を押圧した場合と押圧していない場合とを示す説明図である。図１４及び図１５は燃料電池モジュールの押圧によるシール部位の形成について説明する説明図である。

積層体５０の組み立て装置２００は、シール部材７０を塗布する塗布部２０（シール部材配置部に相当）と、ＭＥＡ３１、セパレータ３２ａ、３２ｂ、及びプレート部材８１を積層して燃料電池モジュール４０及び積層体５０を形成する積層部９０と、燃料電池モジュール４０において燃料電池モジュール４０を燃料電池セル３０の積層方向から押圧する押圧部１０と、少なくとも押圧部１０の動作を制御する制御部６０と、を有する（図２〜図４、図１１参照）。

押圧部１０は、積層体５０の積層方向に接近離間し、積層体５０を押圧する押し治具１１と、積層体５０を載置し、押し治具１１によって押圧された積層体５０を受け止める受け治具１２と、を有する。また、押圧部１０は、押し治具１１に接続される弾性部材１３（緩衝部材に相当）と、押し治具１１が付加する押圧荷重を検出する検出部１４と、押し治具１１及び受け治具１２によって積層体５０が押圧された状態を保持する保持部１５と、押圧部材１６と、を有する。

押し治具１１は、押し治具１１を受け治具１２に向けて移動させる力を発生させる押圧部材１６の動きと連動し、受け治具１２に近接離間する。押し治具１１は積層体５０を平面視した際に積層体５０の面積よりも十分に大きい面積を有しており、実施形態１では押圧面がフラットに形成されている。

受け治具１２は、ＭＥＡ３１やセパレータ３２ａ、３２ｂを載置させ、載置面がフラットに形成され、押し治具１１の押圧面と同等の面積を有するように形成されている。また、押し治具１１及び受け治具１２の四隅には、押し治具１１と受け治具１２との位置合わせを行なう連結ボルト１７を挿通させる挿通穴が形成されている。

保持部１５は、押し治具１１と受け治具１２に設けられた挿通穴に挿通させて押し治具１１と受け治具１２とを連結する連結ボルト１７と、連結ボルト１７のネジ部に締結されるナット１８とを有する。連結ボルト１７にナット１８を締結することによって、押し治具１１と受け治具１２との位置合わせが行われ、押し治具１１と受け治具１２との間隔の調整及び間隔の保持が行われる。

弾性部材１３は、積層体５０を所定の荷重で押圧する際に積層体５０に急激に過大な入力が入って積層体５０に亀裂などが生じることを防止する。また、シール部材７０を塗布して硬化させる際に温度変化があるとシール部材７０が収縮などを起こして積層体５０に付加される荷重が変動するが、弾性部材１３を設けることによってシール部材７０の温度変化による荷重の変化を緩和し、応力集中によって積層体５０に傷等が発生することを防止できる。

図１７は実施形態１に係る積層体の組み立て装置における治具構造の変形例を示す説明図である。実施形態１において弾性部材１３は、図４等に示すようにコイルばねによって構成しているが、これに以外にも例えば図１５に示すように板バネ１３ａによって構成することができる。コイルばねや板バネのような構成を用いることによって、簡易な構成でありながら積層体５０を破損させることなくシール部材７０、８０によるシール部位を形成することができる。

検出部１４は、押し治具１１が積層体５０を押圧する押圧荷重を検知する部材であり、本実施形態ではロードセルを用いているがこれに限定されない。

また、燃料電池セル３０においてＭＥＡ３１を構成するセパレータ３２ａ、３２ｂは上記のように凹凸状のいわゆる波形状３２ｃを有する。燃料電池セル３０を積層した燃料電池モジュールにおいて図１０に示す中央部４１は発電部に当るため、シール部材７０を塗布することはできず、シール部材７０は外周部４２にのみ塗布される。そのため、シール部材７０を硬化させる際に荷重を付加すると、シール部材７０の塗布されている外周部４２とシール部材７０の塗布されていない中央部４１との境界には応力が集中しやすい。これに対し、発電部である中央部４１に波形状３２ｃを設けることによって、弾性部材１３と同様に波形状３２ｃに荷重を吸収させ、中央部４１と外周部４２の境界に応力が集中することを防止して積層体５０の破損を防止し、押圧荷重による積層体５０の厚さ管理を可能にすることができる。

塗布部２０は、塗布機２１と、塗布機２１を一定方向に移動させるアーム２２と、塗布機２１が移動する方向と交差する方向にアーム２２を移動させるレール２３と、を有する。

塗布機２１は、例えばガンの形状をしたインジェクションタイプのものを挙げることができるが、これに限定されない。アーム２２は、塗布機２１を移動可能に取り付け、塗布機２１を移動させることによって積層体５０を構成するＭＥＡ３１やセパレータ３２ａ、３２ｂの所定の位置に塗布機２１を位置づける。塗布機２１の移動は、例えば塗布機２１に回転可能なローラーを設け、アーム２２に塗布機２１のローラーの経路となるアームレールを設けることによって実現することができるが、これに限定されない。

レール２３は、例えば組み立て装置２００の側壁に設置され、アーム２２を移動可能にする経路として塗布機２１の移動方向と異なる方向に配置される。これによって、塗布機２１及びアーム２２を移動させれば、塗布機２１の移動方向とアーム２２の移動方向を組み合わせてＭＥＡ３１やセパレータ３２ａ、３２ｂにおける所定の位置に塗布機２１を配置してシール部材７０を塗布することができる。アーム２２の移動についても、アーム２２に回転可能なアームローラーを設け、アームローラーがレール２３を移動することによって実現することができるが、これに限定されない。

積層部９０は、図３に示すように積層体５０を構成するＭＥＡ３１、セパレータ３２ａ、３２ｂ、及びプレート部材８１を載置するハンドロボットから構成している。しかし、この他にも例えば人手によって積層作業を行うことができる。

制御部６０は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、及び入出力インターフェース等によって構成され、押圧部１０、塗布部２０、及び積層部５０の動作を制御するが、押圧部１０の動作のみを制御するように構成することができる。

積層体を形成する組付け装置３００は、支持台１１０と、基準台１２０（挟持部材に相当）と、柱１３１、１３２と、柱間隔調整治具１５０と、基準側柱１６１、１６２と、制御部１８０と、荷重付加部材３１０（挟持部材に相当）と、押圧部材３２０（挟持部材に相当）と、を有する。基準台１２０は支持台１１０の上に設置され、基準台１２０の上に燃料電池モジュール４０やプレート部材８１などの燃料電池の構成部品が積層される。積層される燃料電池の構成部品は媒体供給口または媒体排出口の位置に柱１３１、１３２が挿通され、位置決め及び整列がなされる。基準側柱１６１、１６２は柱間隔調整治具１５０を載置させる。柱間隔調整治具１５０は、柱１３１、と柱１３２の間隔を調整する。荷重付加部材３１０及び押圧部材３２０は、制御部１８０によって制御され、積層体５０や集電板３４、絶縁板３５及びエンドプレート３６を積層した状態で燃料電池の構成部品を基準台１２０と共に挟持し、押圧荷重を付与する。その状態でテンションプレート３９ａ、３９ｂやテンションガイド３９ｃ、３９ｄを取り付けてボルト締結することで燃料電池ができあがる。

次に本実施形態に係る積層体の組み立て方法について説明する。実施形態１に係る積層体の組み立て工程は、積層体５０を構成するセパレータ３２ａの外周部４２にシール部材７０を塗布して、ＭＥＡ３１を積層し、セパレータ３２ｂを積層してシール部材７０を塗布して燃料電池セル３０を形成し、燃料電池セル３０を複数積層して燃料電池モジュール４０を形成し、燃料電池モジュール４０同士の間にシール部材８０を配置して積層体５０を形成するシール部材配置工程と、セル３０の積層方向から押圧部１０によって積層体５０を押圧する押圧工程と、を有する。なお、実施形態１では燃料電池モジュール４０が２つの燃料電池セル３０から構成され、積層体５０が２つの燃料電池モジュール４０から構成される場合について説明するが、あくまで一例であり、これに限定されない。

モジュールの製造（図１（Ｂ）のステップＳＴ１０）において、シール部材配置工程では、まず、組み立て装置２００において図２に示すように燃料電池モジュール３０を構成するＭＥＡ３１またはセパレータ３２ａ、３２ｂとを受け治具１２に載置し、載置した際の部材の上面にシール部材７０を塗布することによってセパレータ３２ａ上に配置する（図１（Ｃ）のステップＳＴ１１）。実施形態１では一例としてアノードセパレータ３２ａを載置している。

次に、図３に示すように塗布部２０によってシール部材７０を配置したＭＥＡ３１をセパレータ３２ａに載置し、さらにＭＥＡ３１の上にシール部材７０を配置したカソードセパレータ３２ｂを載置する（図１（Ｃ）のステップＳＴ１２）。これにより燃料電池セル３０が形成される。同様にして燃料電池セル３０をもう１セル形成したら、燃料電池モジュール４０を構成する部品が積層される。

この状態で押し治具１１、弾性部材１３、検出部１４、保持部１５、及び押圧部材１６などの構成を配置して押圧荷重を付与する（図１（Ｃ）のステップＳＴ１３）。付与荷重が狙い値であるＦの±１０％以内にならなければ（図１（Ｃ）のステップＳＴ１４：ＮＯ）付与荷重を調整する。付与荷重がＦ±１０％以内になれば（図１（Ｃ）のステップＳＴ１４：ＹＥＳ）、連結ボルト１７にナット１８を締め付けて燃料電池モジュール４０の厚さを固定し、シール部材７０を硬化させる（図１（Ｃ）のステップＳＴ１５）。なお、±１０％の値は例示であって、他の値に設定することができる。上記工程によって燃料電池モジュール４０が完成する。燃料電池モジュール４０が完成したら、組み立て装置２００から取り外す。

次の工程ではモジュールが問題なく出来上がっているかを確認するために、リーク検査や絶縁抵抗の検査を行う（図１（Ｂ）のステップＳＴ２０）。検査で問題があれば（図１（Ｂ）のステップＳＴ２０：ＮＯ）モジュールの製造を再度行う（図１（Ｂ）のステップＳＴ１０）。問題がなければ（図１（Ｂ）のステップＳＴ２０：ＹＥＳ）、積層体（スタック）５０の製造に進む。積層体の製造では、組付け装置３００の柱１３１，１３２にエンドプレート３６、絶縁板３５、集電板３４及び燃料電池モジュール４０をセットし、燃料電池モジュール４０の上にシール部材８０が両面に貼付されたプレート部材８１を積層する。本実施形態では一例として燃料電池セル３０を２セル積層して燃料電池モジュール４０を２つ用意する。

燃料電池モジュール４０を２つ積層したら、その上に集電板３４、絶縁板３５、エンドプレート３６をセットする。そして、筐体であるテンションプレート３９ａ、３９ｂ、テンションガイド３９ｃ、３９ｄを取り付けてボルト４３で締結する（図１（Ｂ）のステップＳＴ３０）。。そして、積層体５０としてリーク検査や発電性能の確認を行ない、問題があれば（図１（Ｂ）のステップＳＴ４０：ＮＯ）積層体の荷重付与などを再度行う（図１（Ｂ）のステップＳＴ３０）。積層体５０の性能に問題がなければ（図１（Ｂ）のステップＳＴ４０：ＹＥＳ）出荷する。

ここで燃料電池モジュールに塗布したシール部材を硬化させる際の荷重について説明する。図１６は積層体に付加する荷重と積層体の積層方向における厚さとの関係を示す説明図である。図１６からもわかるように、積層体５０に荷重を付加すればする程、積層体５０の厚さは減少する。

また、上述したように、中央部４１では発電が行われるため、中央部４１にシール部材７０を塗布することはできず、シール部材７０は外周部４２にのみ塗布される。

このようにシール部材７０の塗布部位は外周部４２に限定されているため、押し治具１１による押圧を解除すると図１３〜図１５に示すように燃料電池モジュール４０の中央部４１の厚さがＨ１、外周部４２の厚さがＨ２といったように厚さに差が生じるという現象が起こる。このような現象を考慮すると、積層体５０を押圧してシール部材７０を硬化させる際に付加する荷重（以下、シール部材７０の硬化荷重と記載）は、例えば積層体５０にエンドプレート３６を組み付けて両側から挟圧する際の挟圧荷重以下にする必要がある。

シール部材７０の硬化荷重がエンドプレート３６による挟圧荷重よりも大きい場合には（図１６のａ１がシール部材７０の硬化荷重、ａ２がスタッキング時の挟圧（組付け）荷重の場合）、スタッキング時にシール部材７０が塗布された外周部４２の厚さまで中央部４１を押し潰すことができず、中央部４１の厚さ（図１２のｂ１）と外周部４２の厚さ（図１２のｂ２）の差を解消することができないためである。

シール部材７０の硬化荷重をエンドプレート３６による挟圧荷重以下とすることによって、外周部４２が過度に潰されることを防止してスタッキング時に中央部４１と外周部４２との厚さの差を防止し、シール部位を確実に形成することができる。

また、シール部材７０の硬化荷重は、エンドプレート３６による挟圧荷重以下の他に、燃料電池１００の使用環境時（非発電時）における最低荷重以下とすることができる。燃料電池１００の使用時には燃料電池１００の内部に燃料、酸化剤、および冷却水が供給されるため、燃料電池１００はエンドプレート３６を組付けて挟圧した時よりも膨張する。つまり、燃料電池１００の使用環境時における最低荷重は上記挟圧時の荷重よりも小さいことになる。シール部材７０は燃料電池１００の使用環境状態においてシール部位を形成している必要があるため、シール部材の硬化荷重を使用環境時の最低荷重以下とすることによっても、モジュール４０における中央部４１と外周部４２との厚さの差が生じることを防止して、シール部位を確実に形成することができる。

さらに、シール部材７０の硬化荷重は、上記以外にも発電部４１においてセパレータ３２ａ、３２ｂがＭＥＡ３１と接触する最低荷重以下とすることもできる。燃料電池１００が発電するためには、セパレータ３２ａ、３２ｂによってＭＥＡ３１の両面に燃料および酸化剤が流れる空間を形成できるように少なくともＭＥＡ３１にセパレータ３２ａ、３２ｂを接触させる必要がある。ＭＥＡ３１にセパレータ３２ａ、３２ｂが接触する最低荷重は上記挟圧荷重以下であり、燃料電池の使用環境時における最低荷重以下であるが、燃料電池を発電させることはできる。そのため、シール部材７０の硬化荷重をＭＥＡ３１にセパレータ３２ａ、３２ｂが接触する最低荷重以下とすることによっても燃料電池の発電を確保すると共にシール部位を確実に形成することが出来る。

次に実施形態１に係る発明の作用、効果について説明する。

燃料や酸化剤等をシールするために、積層体５０にシール部材７０、８０を配置する際は、発電部である中央部４１には配置できないため、外周部４２にシール部材７０、８０が配置される。シール部材７０、８０（特にシール部材８０）は十分に押し潰されなければシール部位が形成されず、中央部４１と外周部４２との厚さに差が生じていればシール部材が十分に押し潰されない。そのため、燃料電池セル３０を積層して燃料電池１００を組み立てる際にはシール部位が形成されるように中央部４１と外周部４２との厚さの差をなくす必要がある。しかし、例えばスペーサー等を用いてＭＥＡ３１とセパレータ３２ａ、３２との間の間隔を調整してもバラつきによって中央部４１と外周部４２との厚さの差を解消できない場合がある。

これに対し、実施形態１では積層体５０を押圧部１０によって押圧する際には、積層体５０の厚さではなく、積層体５０を押圧する押圧荷重を制御することによって積層体５０の厚さを制御するように構成している。そのため、実施形態１では燃料電池１００を組み立てる際の積層体５０の厚さ等のばらつきを考慮することができ、中央部４１と外周部４２との間で厚さに差が生じないように積層体５０を押圧することができ、シール部材の圧縮量を確保してシール性を良好にすることができる。

また、押圧工程において積層体５０を押圧してシール部材７０を硬化させる際の押圧荷重は、燃料電池１００を組み立てる際に積層体５０を荷重付加部材３１０及び押圧部材３２０によって挟圧する挟圧荷重以下としている。そのため、燃料電池１００を形成する際に積層体５０の両端からエンドプレート３６によって挟圧すれば、中央部４１を外周部４２の厚さまで潰すことができ、積層体５０の厚さを均一にしてシール部位を確実に形成することが出来る。

また、押圧工程において積層体５０を押圧してシール部材７０を硬化させる際の押圧荷重は燃料電池１００の使用環境時（非発電時）における最低荷重以下とすることもできる。使用環境時における最低荷重はエンドプレート３６による挟圧荷重以下であるため、上記と同様に燃料電池組み立て時及び燃料電池の使用環境時において中央部４１を外周部４２の厚さまで潰すことができ、シール部位を確実に形成することができる。

また、押圧工程において積層体５０を押圧してシール部材７０を硬化させる際の押圧荷重は、セパレータ３２ａ、３２ｂがＭＥＡ３１に接触する最低荷重以下とすることもできる。セパレータ３２ａ、３２ｂがＭＥＡ３１に接触する最低荷重は、エンドプレート３６による挟圧時及び燃料電池の使用環境時の荷重以下である。そのため、上記押圧荷重をＭＥＡ３１とセパレータ３２ａ、３２ｂとが接触する最低荷重以下とすることによって、燃料電池１００の発電を確保しつつ、燃料電池組み立て時および燃料電池１００の使用時にも中央部４１を外周部４２の厚さまで押し潰してシール部位を確実に形成することが出来る。

また、押し治具１１によって押圧荷重を付加する際にはロードセル等からなる検出部１４によって押圧荷重をモニタリングし、保持部１５によって積層体５０を押圧した状態を保持するように構成している。そのため、積層体５０に押圧荷重が過剰に付加されることを確実に防止して中央部４１と外周部４２との厚さの差を防止し、シール部位を確実に形成することが出来る。

また、押し治具１１に板バネ１３ａなどからなる弾性部材１３を用いて保持部１５と共に積層体５０を押圧した状態を保持すれば、シール部材７０の硬化時に温度変化によって積層体５０への荷重変動が生じた際にも当該荷重変動を緩和することができる。よって、積層体５０に応力集中が起こって傷等が発生することを防止できる。

また、セパレータ３２ａ、３２ｂに形成された凹凸のいわゆる波形状３２ｃは、板ばねのように弾性部材として機能させることができる。そのため、シール部材７０を硬化させるために押圧荷重を付加した際にも中央部４１と外周部４２の境界に応力が集中することを防止して積層体５０の破損を防止し、押圧荷重による積層体５０の厚さ管理を可能にすることができる。

（実施形態２）
図１８は実施形態２に係る積層体の組み立て装置における治具構造を示す断面図である。実施形態１では積層体５０を押し治具１１という単一の治具によって押圧したが、以下のように構成することもできる。

図１８に示すように、実施形態２に燃料電池の組み立て装置２００ａでは、積層体５０において発電部にあたる中央部４１を押圧する押し治具１１ａと中央部４１よりも外方にあたる外方部４２を押圧する環状の押し治具１１ｂとによって押し治具が構成されている。押し治具１１ａが付加する荷重と押し治具１１ｂが付加する荷重とは、例えば押圧部材１６に接続した弾性部材１３ｂと弾性部材１３ｃのばね定数を調整することによって異なる荷重にできる。なお、組み立て装置２００ａにおけるその他の構成は押し治具１１ａ、１１ｂの押圧加重をそれぞれ検出する検出部１４ａ、１４ｂが設けられる点以外については実施形態１と同様であるため、説明を省略する。

実施形態２に係る積層体５０の組み立て装置２００ａによれば、積層体５０における中央部４１と外方部４２に付加する荷重を別個に付加するように構成している。そのため、積層体５０の面方向における厚さ寸法のばらつきがより大きい場合であっても、中央部４１と外周部４２とを別個に押圧できることによって中央部４１と外周部４２との厚さの差をより容易に解消して均一化し、シール部位を確実に形成することが出来る。

（実施形態３）
図１９は実施形態３に係る積層体の組み立て装置における治具構造を示す説明図である。実施形態１では、積層体５０を押圧する押圧面が平坦な押し治具１１を使用して積層体５０を押圧し、シール部材７０を硬化させたが、押し治具は以下のような構成とすることができる。

実施形態３における燃料電池モジュールの組み立て装置２００ｂを構成する押し治具１１ｃは、積層体５０を押圧する押圧面が平坦ではなく、発電部に当る中央部４１を押圧する発電部押圧部１１ｄと、発電部押圧部１１ｄの外方を押圧する外方押圧部１１ｅとを有する。燃料電池１００を搭載する自動車などは寒冷地における使用も保証することがあるため、積層体５０については寒冷時においてもシール部材７０によってシール部位を形成することを考慮する必要がある。これに対し、実施形態３に係る積層体５０の組み立て装置２００ｂは、押し治具３１ｃに発電部押圧部１１ｄが外方部押圧部１１ｅの積層方向において段差１１ｆを有するように構成している。図１７における段差１１ｆの高さは、シール部材７０の保証温度内における熱収縮量とすることができるが、これに限定されない。

このようにシール部材７０の温度変化による収縮等を考慮して押し治具１１ｃに段差１１ｆを設けることによって、積層体５０における中央部４１と外周部４２との収縮量が異なるような場合においても中央部４１と外周部４２との厚さの差を防止し、シール部位を確実に形成することが出来る。

なお、本発明は上述した実施形態にのみ限定されず、特許請求の範囲において種々の変更が可能である。

図２０、２１は実施形態３の積層体の組み立て装置における治具構造の変形例を示す説明図である。実施形態３では押し治具１１ｃに段差１１ｆを設けることによって、シール部材７０が熱収縮した場合にもシール部位を形成できるようにしたと説明したが、これに限定されない。段差を設けた押し治具１１ｇについては、中央部４１を押圧する発電部押圧部１１ｄの角部を曲面形状１１ｈに形成することができる。発電部押圧部１１ｄの角部を曲面形状１１ｈに形成することによって、押圧の際にも積層体５０と曲面形状１１ｈとの接触面圧が過大にならず、積層体５０に傷等を生じさせることなくシール部位を形成することが出来る。

また、シール部材７０の温度変化による熱収縮等を考慮して設けた段差１１ｆは、図２１に示すように押し治具だけでなく、受け治具にも設けることができる。また、実施形態１から３では燃料電池セルを複数積層して燃料電池モジュールを形成し、燃料電池モジュールを複数積層して積層体を構成したが、これに限定されず、本発明は燃料電池セルを複数積層した単一の燃料電池モジュールにシール部材７０を配置してシール部位を形成する場合にも適用できる。

また、燃料電池モジュール４０を構成するＭＥＡ３１とセパレータ３２ａ、３２ｂの間の中でも中央部４１の部分にはＭＥＡ３１を構成するガス拡散層やセパレータ３２ａ、３２ｂの波形状３２ｃが存在するが、外周部４２の部分にはそのような構成が存在しない。そのため、燃料電池モジュール４０を押圧してシール部材などを硬化させる際に外周部４２の中でも中央部４１から比較的遠い外周部４２の短手方向と中央部４１から比較的近い長手方向とでは、荷重をかけた際のつぶれ代がばらつくことがあり、シール性に影響を与える可能性がある。これに対し、図４の治具１１の短手方向と接する部位には治具１１に一部穴を空けてポンプに接続し、外周部４２における長手方向と短手方向のつぶれ代の差を解消することができる。このような構成を設けることによって、シール部材硬化時における中央部４１と外周部４２との間のつぶれ量の差を解消もしくは低減させることができる。

本出願は、２０１３年４月１５日に出願された日本特許出願番号２０１３−０８５２５１号に基づいており、その開示内容は参照され、全体として組み込まれている。

１０ 押圧部、
１００ 燃料電池、
１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｇ 押し治具、
１１ｄ 発電部押圧部、
１１ｅ 外方押圧部、
１１ｆ 段差、
１１ｈ 曲面形状、
１１０ 支持台、
１２ 受け治具、
１２０ 基準台、
１３、１３ｂ、１３ｃ 弾性部材、
１３ａ 板バネ、
１３１、１３２ 支持柱、
１４、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ 検出部、
１５ 保持部、
１５０ 柱間隔調整治具、
１６ 押圧部材、
１６１、１６２ 基準側柱、
１７ 連結ボルト、
１８ ナット、
２０ 塗布部、
２００、２００ａ、２００ｂ 燃料電池モジュールの組み立て装置、
２１ 塗布機、
２２ アーム、
２３ レール、
３０ 燃料電池セル、
３００ 積層体の組付け装置、
３１ 膜電極接合体（ＭＥＡ）、
３１ａ 固体高分子電解質膜、
３１ｂ アノード、
３１ｃ カソード、
３１０ 荷重付加部材、
３２ａ、３２ｂ セパレータ、
３２０ 押圧部材、
３３ 枠体、
３４ 集電板、
３４ａ 突起部、
３５ 絶縁板、
３８ａ カソードガス供給口、
３８ｂ 媒体供給口、
３８ｃ アノードガス供給口、
３８ｄ アノードガス排出口、
３８ｅ 媒体供給口、
３８ｆ カソードガス排出口、
３６ エンドプレート、
３７ａ アノードガス流路、
３７ｂ カソードガス流路、
３７ｃ 冷却媒体流路、
３９ａ、３９ｂ テンションプレート、
３９ｃ、３９ｄ テンションガイド、
４０ 燃料電池モジュール、
４１ 中央部（発電部）、
４２ 外方部、
４３ ボルト、
５０ 積層体、
６０、１８０ 制御部、
７０、８０ シール部材、
８１ プレート部材、
９０ 積層部、
ａ１ シール部材硬化時の荷重、
ａ２ 燃料電池スタッキング時の組付け荷重、
ｂ１ スタッキング時の厚さ、
ｂ２ シール部材硬化時の厚さ、
Ｈ１ 押圧荷重付加時において中央部が膨らんだ際の積層方向厚さ、
Ｈ２ 押圧荷重付加時における周辺部の積層方向厚さ。

上記目的を達成する本発明は、膜電極接合体が一対のセパレータによって挟持された燃料電池セルを複数積層した燃料電池モジュールを有する燃料電池の製造方法である。本発明に係る燃料電池の製造方法は、少なくとも一の燃料電池セルと隣接する他の燃料電池セルとの間において対向する端面の外周部にシール部材を配置し、燃料電池セルを積層して燃料電池モジュールを形成するシール部材配置工程と、燃料電池セルの積層方向において燃料電池モジュールを押圧し、シール部材によるシール部位を形成する押圧工程と、を有する。本発明に係る燃料電池の製造方法では、燃料電池モジュールを押圧する荷重を制御することによって積層方向における燃料電池モジュールの厚さを制御することを特徴とする。

Claims (13)

1. アノードとカソードとを電解質膜の両側に接合した膜電極接合体が一対のセパレータによって挟持された燃料電池セルを複数積層した燃料電池モジュールを有する燃料電池の製造方法であって、
   少なくとも一の前記燃料電池セルと隣接する他の前記燃料電池セルとの間において対向する端面の外周部にシール部材を配置し、前記燃料電池セルを積層して前記燃料電池モジュールを形成するシール部材配置工程と、
   前記燃料電池セルの積層方向において前記燃料電池モジュールを押圧して前記シール部材によるシール部位を形成する押圧工程と、を有し、
   を有し、
   前記押圧工程では、前記燃料電池モジュールを押圧する荷重を制御することによって前記燃料電池モジュールの積層方向における厚さを制御することを特徴とする燃料電池の製造方法。
2. 前記膜電極接合体は、電気化学反応によってエネルギーを生成する発電部を有し、
   前記押圧工程では、前記発電部と前記発電部よりも外方の外方部とを異なる圧力で押圧する請求項１に記載の燃料電池の製造方法。
3. 前記燃料電池モジュールを積層方向における両端から前記燃料電池モジュールを挟持する挟持部材を組み付けて前記燃料電池モジュールを挟圧する組み付け工程と、をさらに有し、
   前記押圧工程では、前記組み付け工程において前記燃料電池モジュールを挟圧する際に付加する挟圧荷重以下の荷重によって前記燃料電池モジュール押圧して前記シール部材による前記シール部位を形成する請求項１または２に記載の燃料電池の製造方法。
4. 前記押圧工程では、前記燃料電池が発電可能な状態において非発電時に前記燃料電池モジュールに付加される荷重以下の荷重によって前記燃料電池モジュールを押圧して前記シール部材による前記シール部位を形成する請求項１または２に記載の燃料電池の製造方法。
5. 前記押圧工程では、前記燃料電池セルにおいて前記セパレータが前記膜電極接合体に接触する最低荷重以下の荷重によって前記燃料電池モジュールを押圧して前記シール部材による前記シール部位を形成する請求項１または２に記載の燃料電池の製造方法。
6. 前記燃料電池モジュールを押圧した状態を保持する保持部と、
   前記燃料電池モジュールを押圧する荷重を検出する検出部と、を備え、
   前記押圧工程では、前記検出部によって検出した前記燃料電池モジュールの押圧荷重に基づいて前記押圧荷重を調整し、前記燃料電池モジュールを所定の前記押圧荷重で押圧した状態で前記保持部により前記状態を保持する請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池の製造方法。
7. 前記燃料電池モジュールを押圧した状態を保持する保持部と、
   前記押圧部材による前記燃料電池への荷重を緩衝する緩衝部材と、を備え、
   前記押圧工程では、前記燃料電池モジュールの積層方向における厚さを前記緩衝部材および前記保持部を用いて保持する請求項１から６のいずれか１項に記載の燃料電池の製造方法。
8. 前記緩衝部材は、板ばねにより構成される請求項７に記載の燃料電池の製造方法。
9. 前記セパレータは弾性変形可能な弾性形状を有し、
   前記押圧工程では、前記セパレータの前記弾性形状を変形させることによって前記シール部材による前記シール部位を形成する際に前記燃料電池モジュールに付加される荷重を緩和する請求項１から８のいずれか１項に記載の燃料電池の製造方法。
10. 前記押圧部材は、前記燃料電池モジュールにおいて発電の起こる発電部を押圧する発電部押圧部と、前記発電部よりも面方向における外方を押圧する外方押圧部と、において前記積層方向に段差を設けている請求項１から９のいずれか１項に記載の燃料電池の製造方法。
11. 前記発電部押圧部と前記外方押圧部における前記段差は、前記シール部材が熱収縮した際の熱収縮量に等しい請求項１０に記載の燃料電池の製造方法。
12. 前記押圧部材において前記発電部押圧部と前記外方押圧部との境界は曲面に成形されている請求項１０または１１に記載の燃料電池の製造方法。
13. アノードとカソードとを電解質膜の両側に接合した膜電極接合体が一対のセパレータによって挟持された燃料電池セルを複数積層した燃料電池モジュールを有する燃料電池の製造装置であって、
    少なくとも一の前記燃料電池セルと隣接する他の前記燃料電池セルとの間において対向する端面の外周部にシール部材を配置するシール部材配置部と、
    前記シール部材が配置された前記燃料電池セルを積層して前記燃料電池モジュールを形成する積層部と、
    前記燃料電池セルの積層方向において前記燃料電池モジュールを押圧する押圧部と、
    少なくとも前記押圧部の動作を制御する制御部と、を有し、
    前記制御部は、前記押圧部が前記燃料電池モジュールを押圧する荷重を制御することによって前記積層方向における前記燃料電池モジュールの厚さを制御することを特徴とする燃料電池の製造装置。