燃料电池堆的制造方法和制造装置与流程

本发明涉及一种燃料电池堆的制造方法和制造装置，其中，燃料电池堆具有层叠有多个发电单元的层叠体。

背景技术

例如，固体高分子型燃料电池具有膜电极组件(mea)，该膜电极组件(mea)在固体高分子电解质膜的两侧分别设置有电极。mea在其外周设置有用于防止燃料气体、冷却介质等泄漏的密封部件，并且通过被隔板(separator)夹持而构成发电单元。发电单元以如下燃料电池堆的形态被使用：为了得到所期望的电压，而通过层叠所需数量的发电单元来构成层叠体，并在该层叠体上安装端板等。

在燃料电池堆中，通过一组端板从层叠方向的两侧夹持层叠体，并通过紧固部件固定该端板彼此之间的距离，据此，对层叠体施加规定大小的紧固载荷。紧固载荷例如被设定为如下这样的适当的大小，即，能够使电极和隔板的接触电阻足够小或者能够使密封部件良好地弹性变形而提高密封性(例如，参照日本发明专利公开公报特开2012-185920号)。

在燃料电池堆的制造方法中，为了将紧固载荷设定为适当的大小，例如，将夹持层叠体的一组端板向彼此接近的方向按压，并且检测在该端板彼此之间施加于层叠体的载荷。而且，在保持该检测值成为对应于紧固载荷的设定值的大小时的端板的按压状态下安装紧固部件，来固定端板彼此的距离。

技术实现要素：

但是，在上述结构的层叠体中，密封部件彼此层叠的密封层叠部形成于外缘，并且，mea的电极彼此层叠的电极层叠部形成于比密封层叠部靠内侧的位置。因此，在经由端板按压整个层叠体时，施加在整个该层叠体的整体载荷，以彼此不同的大小被分配施加于密封层叠部和电极层叠部。尤其是，容易使施加在电极层叠部的电极载荷与整体载荷的差值大于施加在密封层叠部的密封载荷与整体载荷的差值。

在燃料电池堆中，在无法对电极层叠部施加适当大小的紧固载荷时，会产生所述接触电阻增大而端子电压下降、mea破损的担忧，因此，尤其优选，将施加于电极层叠部的紧固载荷设定为适当的大小。但是，在检测经由端板施加于整个层叠体的整体载荷，并使该检测值的大小对应于紧固载荷的设定值的上述方法中，实际上难以使施加于电极层叠部的紧固载荷为适当的大小。

本发明的主要目的在于提供一种燃料电池堆的制造方法，能够对层叠体的电极层叠部施加适当大小的紧固载荷。

本发明的另一个目的在于提供一种燃料电池堆的制造装置，能够对层叠体的电极层叠部施加适当大小的紧固载荷。

根据本发明的一实施方式，提供一种燃料电池堆的制造装置，用于制造燃料电池堆，该燃料电池堆具有层叠体和从所述层叠体的层叠方向上的两端侧按压所述层叠体而对所述层叠体施加紧固载荷的一组端板和紧固部件，其中，所述层叠体通过将多个具有膜电极组件和密封部件的发电单元层叠而形成有密封层叠部和电极层叠部，其中，所述膜电极组件在固体高分子电解质膜的两侧设置有电极，所述密封部件设置于所述膜电极组件的外周，所述密封层叠部为所述密封部件彼此层叠而成，所述电极层叠部为所述电极彼此层叠而成，所述燃料电池堆的制造装置具有：按压机构，其能够沿着所述层叠方向对包含有所述密封层叠部和所述电极层叠部的整个所述层叠体进行按压；整体载荷检测机构，在通过所述按压机构按压整个所述层叠体时，所述整体载荷检测机构检测施加于整个所述层叠体的整体载荷；和电极载荷检测机构，在通过所述按压机构按压整个所述层叠体时，所述电极载荷检测机构检测施加于所述电极层叠部的电极载荷。

该燃料电池堆的制造装置能够在通过按压机构按压由端板夹持之前的整个层叠体时，检测施加于整个该层叠体的整体载荷和施加于电极层叠部的电极载荷的双方。根据该检测结果，能够求得层叠体的整体载荷与电极载荷之间的关系，换而言之，能够求得电极载荷的大小相对于整体载荷的比例。

因此，即使在由一组端板夹持层叠体后，也能够基于上述的关系和经由端板施加于层叠体的整体载荷的检测结果，算出经由该端板施加于电极层叠部的电极载荷。设置紧固部件，以使得该电极载荷的算出结果成为与适当大小的紧固载荷对应的值，据此能够对电极层叠部施加适当大小的紧固载荷。

在上述的燃料电池堆的制造装置中，优选还具有选定机构，所述选定机构根据通过所述按压机构按压由所述端板夹持之前的所述层叠体时的所述电极载荷检测机构和所述整体载荷检测机构的检测结果，来选定垫板的厚度，其中，所述垫板介设于所述层叠体与所述端板之间用于调整施加于所述电极层叠部的所述紧固载荷的大小。

根据上述的检测结果可知，在设置有一组端板和紧固部件时，施加于整个层叠体的紧固载荷和施加于电极层叠部的紧固载荷之间的关系。通过基于该关系来选定垫板的厚度，能够更精确地设定实际施加于电极层叠部的紧固载荷的大小。

在上述的燃料电池堆的制造装置中，优选能够进行如下动作：一边通过所述电极载荷检测机构和所述整体载荷检测机构分别检测所述电极载荷和所述整体载荷，一边通过所述按压机构对由所述端板夹持之前的所述层叠体反复按压而使初期蠕变得到发展；在由一组所述端板夹持所述层叠体时，一边通过所述整体载荷检测机构检测经由该端板施加于所述层叠体的所述整体载荷，一边通过所述按压机构将所述端板向彼此接近的方向按压；在将用于保持一组所述端板彼此的距离的所述紧固部件设置到一组所述端板上的期间，实现以下状态：以使所述整体载荷的检测结果保持在规定大小的方式，通过所述按压机构按压所述端板。

在这种情况下，能够一边通过电极载荷检测机构检测实际施加于电极层叠部的电极载荷的大小，一边通过按压机构使初期蠕变得到发展。据此，能够把握在电极层叠部处的初期蠕变的准确的发展程度。此时，除了电极载荷之外，整体载荷也能够通过整体载荷检测机构进行检测，因此，能够求得电极载荷与整体载荷之间的关系。

另外，这样一来，能够通过按压机构将夹持初期蠕变得到发展的层叠体的一组端板向彼此接近的方向进行按压，并且，能够通过整体载荷检测机构检测经由端板施加于层叠体的整体载荷。

而且，按压机构能够保持由整体载荷检测机构检测到的整体载荷的检测结果成为规定大小时的端板的按压状态。在此，规定大小是指以下这样的值：判断为根据上述整体载荷与电极载荷之间的关系和整体载荷的检测结果而算出的电极载荷的算出结果成为与适当的紧固载荷对应的大小。因此，在该状态下，通过紧固部件对端板彼此的距离进行固定，能够得到电极层叠部被施加适当大小的紧固载荷的燃料电池堆。

根据本发明的另一实施方式，提供一种燃料电池堆的制造方法，该燃料电池堆具有层叠体和从所述层叠体的层叠方向上的两端侧按压所述层叠体而对所述层叠体施加紧固载荷的一组端板和紧固部件，其中，所述层叠体通过将多个具有膜电极组件和密封部件的发电单元层叠而形成有密封层叠部和电极层叠部，其中，所述膜电极组件在固体高分子电解质膜的两侧设置有电极，所述密封部件设置于所述膜电极组件的外周，所述密封层叠部为所述密封部件彼此层叠而成，所述电极层叠部为所述电极彼此层叠而成，该方法包括：载荷检测工序，在通过按压机构沿着层叠方向对包含有所述密封层叠部和所述电极层叠部的整个所述层叠体进行按压时，通过整体载荷检测机构检测施加于整个所述层叠体的整体载荷，并且通过电极载荷检测机构检测施加于所述电极层叠部的电极载荷；按压工序，由一组所述端板夹持所述层叠体，一边通过所述整体载荷检测机构检测经由该端板施加于所述层叠体的所述整体载荷，一边通过所述按压机构将所述端板向彼此接近的方向进行按压；和紧固工序，保持在所述按压工序的所述整体载荷的检测结果成为规定大小时的所述端板的按压状态，通过所述紧固部件固定所述端板彼此的距离，其中，所述规定大小是基于在所述载荷检测工序检测到的所述整体载荷与所述电极载荷之间的关系得到的。

根据该燃料电池堆的制造方法，能够根据载荷检测工序中的检测结果，求得层叠体的整体载荷与电极载荷之间的关系。因此，根据上述关系和通过按压工序得到的整体载荷的检测结果，能够算出经由端板而施加于电极层叠部的电极载荷。因此，在紧固工序中，以使该电极载荷的算出结果成为与适当大小的紧固载荷对应的值的方式设置紧固部件，据此能够得到电极层叠部被施加适当大小的紧固载荷的燃料电池堆。

在上述的燃料电池堆的制造方法中，优选还具有垫板选定工序，基于在所述载荷检测工序中得到的所述关系，通过选定机构来选定垫板的厚度，其中，所述垫板介设于所述层叠体与所述端板之间，用于调整施加于所述电极层叠部的所述紧固载荷的大小，在所述按压工序中，通过一组所述端板来夹持在所述垫板选定工序中选定的厚度的所述垫板和所述层叠体。

根据载荷检测工序中的检测结果可知，在设置一组端板和紧固部件时，施加于整个层叠体的紧固载荷和施加于电极层叠部的紧固载荷之间的关系。基于该关系，通过垫板选定工序来选定垫板的厚度，并将该垫板介设于端板与层叠体之间，能够更精确地设定实际施加于电极层叠部的紧固载荷的大小。

在上述的燃料电池堆的制造方法中，优选在所述载荷检测工序中，一边通过所述整体载荷检测机构和所述电极载荷检测机构检测所述整体载荷和所述电极载荷，一边通过所述按压机构沿着所述层叠方向反复按压整个所述层叠体，据此使初期蠕变得到发展。

在这种情况下，能够一边通过载荷检测工序检测实际施加于电极层叠部的电极载荷的大小，一边使初期蠕变得到发展，因此，能够把握在电极层叠部处的初期蠕变的准确的发展程度。其结果，能够对通过初期蠕变的进行而在层叠方向上收缩后的电极层叠部施加适当大小的紧固载荷，因此，能够有效地抑制紧固载荷随时间经过而减小(载荷泄力)。

上述的目的、特征及优点，通过参考附图对以下实施方式所做的说明可以被容易理解。

附图说明

图1是通过本实施方式所涉及的燃料电池堆的制造方法得到的燃料电池堆的立体图。

图2是图1的ii－ii向视的局部剖视图。

图3是说明使用本实施方式所涉及的燃料电池堆的制造装置的载荷检测工序的图。

图4是说明使用图3的燃料电池堆的制造装置的按压工序的图。

具体实施方式

下面，举例优选实施方式并参照附图来对本发明所涉及的燃料电池堆的制造方法和制造装置进行详细说明。

图1是通过本实施方式所涉及的燃料电池堆的制造方法(以下也简称为“制造方法”)而得到的燃料电池堆10的立体图。图2是图1的ii－ii向视的局部剖视图。燃料电池堆10具有层叠体14，该层叠体14为多个发电单元12沿水平方向(箭头a方向)或重力方向(箭头c方向)层叠的层叠体。

在层叠体14的层叠方向(箭头a方向)上的一端，从内向外顺次配置有绝缘体18a和端板20a(参照图2)。在层叠体14的层叠方向上的另一端，从内向外顺次配置有绝缘体18b、垫板(spacer)22和端板20b。

如图1所示，端板20a、20b具有长方形状，并且在各边之间配置有连接杆24。各连接杆24通过螺钉26将其两端固定于端板20a、20b的内表面。即，通过连接杆24和螺钉26(紧固部件)来固定端板20a、20b彼此之间的距离，据此，能够向多个层叠的发电单元12施加层叠方向(箭头a方向)上的紧固载荷。

发电单元12中，设置有树脂框部件28的膜电极组件(mea)30被隔板32夹持。隔板由金属、碳等导电性材料形成，密封部件34以围绕着该隔板的外周端部的方式设置。密封部件34例如由橡胶等具有弹性的材料形成。

mea30例如具有：固体高分子电解质膜(阳离子交换膜)40，其为全氟磺酸薄膜中含浸水而成；阳极电极42和阴极电极44，其夹持所述固体高分子电解质膜40。下面也将阳极电极42和阴极电极44总称为“电极”。

阴极电极44具有比固体高分子电解质膜40和阳极电极42小的平面尺寸(外形尺寸)。此外，也可以替代上述结构，而使阳极电极42构成为具有比固体高分子电解质膜40和阴极电极44小的平面尺寸。另外，也可以将阳极电极42、阴极电极44和固体高分子电解质膜40设定为相同的平面尺寸。

阳极电极42具有：与固体高分子电解质膜40的一方的表面接合的第1电极催化剂层42a；与第1电极催化剂层42a接合的第1气体扩散层42b。第1电极催化剂层42a和第1气体扩散层42b设定为相同的外形尺寸。

阴极电极44具有：与固体高分子电解质膜40的另一方的表面接合的第2电极催化剂层44a；与所述第2电极催化剂层44a接合的第2气体扩散层44b。第2电极催化剂层44a和第2气体扩散层44b设定为相同的(或不同的)外形尺寸。

第1电极催化剂层42a例如将于表面承载有白金合金的多孔质碳粒子均匀涂敷在第1气体扩散层42b的表面上而形成。第2电极催化剂层44a例如将于表面承载有白金合金的多孔质碳粒子均匀涂敷在第2气体扩散层44b的表面上而形成。第1气体扩散层42b和第2气体扩散层44b由碳纸、碳布等构成。

树脂框部件28为围绕固体高分子电解质膜40的外周，并且接合于阳极电极42和阴极电极44的框形状。此外，也可以在mea30中不设置树脂框部件28。

在将多个上述结构的发电单元12层叠的层叠体14的外缘形成有密封部件34彼此层叠的密封层叠部50。另外，在层叠体14的、比密封层叠部50靠内侧的位置形成有电极彼此层叠的电极层叠部52。

如图1所示，在端板20a、20b的主表面的大致中央位置分别设置有向层叠方向外侧延伸的端子部54。此外，端板20b侧的端子部未图示。端子部54分别贯通绝缘体18a、18b而与层叠体14电气连接。绝缘体18a、18b例如由聚碳酸酯(pc)、酚醛树脂等绝缘性材料构成。

垫板22由树脂构成，如后述那样，调整其厚度以向层叠体14施加适当的紧固载荷。

在燃料电池堆10的长边方向、即箭头b方向上的一端缘部设置有沿箭头a方向(层叠方向)彼此连通的、氧化剂气体入口连通孔56a、冷却介质入口连通孔(未图示)和燃料气体出口连通孔60b。氧化剂气体入口连通孔56a例如用于供给含氧气体等氧化剂气体，冷却介质入口连通孔用于供给冷却介质。燃料气体出口连通孔60b例如用于排出含氢气体等燃料气体。

在燃料电池堆10的箭头b方向上的另一端缘部设置有沿箭头a方向彼此连通的、燃料气体入口连通孔60a、冷却介质出口连通孔(未图示)和氧化剂气体出口连通孔56b。燃料气体入口连通孔60a用于供给燃料气体，冷却介质出口连通孔用于排出冷却介质，氧化剂气体出口连通孔56b用于排出氧化剂气体。

接着，一边参照图3和图4，一边对本实施方式所涉及的燃料电池堆的制造装置(以下，也简称为“制造装置”)70进行说明。制造装置70主要具有按压机构72、整体载荷检测机构74、电极载荷检测机构76和控制部78。

按压机构72例如由伺服压力机等压力机构构成，通过使按压板82以接近或远离保持座80的方式进退，能够对介设于该按压板82和保持座80之间的按压对象施加载荷。作为按压对象，如后述那样，举例为从保持座80侧开始按照端板20a、绝缘体18a和层叠体14的顺序层叠的第1层叠体84(参照图3)。另外，作为其他的按压对象，如后述那样，举例为将按压夹具88安装于第2层叠体86所形成的结构体，其中，第2层叠体86为将绝缘体18b、垫板22和端板20b进一步层叠于该第1层叠体84的层叠体(参照图4)。

按压夹具88形成为以下形状：例如即使为端子部突出的端板20b，也能够通过介设于该端板20b和按压板82之间，来通过该按压板82向第2层叠体86施加大致均等载荷的形状。

保持座80具有：基座90；介设于该基座90和所述按压对象之间的配置夹具92。配置夹具92例如形成为能够使端子部54突出的端板20a在水平方向上稳定地配置的形状。

整体载荷检测机构74例如由内置于按压机构72的测压元件(loadcell)构成，检测对按压于所述按压对象的按压板82所施加的载荷，并将检测结果向控制部78输出。也就是说，在将第1层叠体84或安装有按压夹具88的第2层叠体86作为按压对象的情况下，整体载荷检测机构74能够检测对包含有密封层叠部50和电极层叠部52的整个层叠体14所施加的整体载荷。

电极载荷检测机构76具有：固定部件94，其固定于按压板82的、面向所述按压对象的表面82a；可动板96，其相对于固定部件94可动；和多个测压元件98，其配置于固定部件94和可动板96之间。

固定部件94具有延伸部94a和外周被该延伸部94a包围的凹部94b，其中，延伸部94a在将第1层叠体84作为所述按压对象的情况下，以与层叠体14的密封层叠部50抵接的方式从按压板82的表面82a开始延伸。可动板96以能够在凹部94b的内部沿着延伸部94a的内壁面移动的方式设置，据此可动板96能够与层叠体14的电极层叠部52抵接。

测压元件98配置于凹部94b的底壁和可动板96之间，检测随着按压板82接近第1层叠体84，而对按压于电极层叠部52的可动板96所施加的载荷，并将检测结果向控制部78输出。也就是说，电极载荷检测机构76在由按压机构72按压整个第1层叠体84(层叠体14)时，能够检测施加于电极层叠部52的电极载荷。

上述整体载荷检测机构74和电极载荷检测机构76沿施加于按压板82的载荷的方向排列配置，据此，能够一起检测由按压机构72按压第1层叠体84时的整体载荷和电极载荷。

控制部78根据整体载荷检测机构74、电极载荷检测机构76等的检测结果等，能够控制按压机构72，以及能够进行计算。另外，控制部78包含有选定机构100而构成，该选定机构100根据所述检测结果，来选定适当的垫板22的厚度。

此外，制造装置70也可以还具有用于检测第1层叠体84的层叠方向上的位移量的位移传感器(未图示)。由位移传感器检测到的位移量也被发送至控制部78。

接着，对使用制造装置70的、本实施方式所涉及的制造方法进行说明。首先，将第1层叠体84设置于保持座80和按压板82之间。接着，如图3所示，通过按压机构72使按压板82向保持座80侧接近，据此，使电极载荷检测机构76的延伸部94a与密封层叠部50抵接，并且使可动板96与电极层叠部52抵接，来进行载荷检测工序。

在该载荷检测工序中，通过整体载荷检测机构74和电极载荷检测机构76一起检测施加于整个第1层叠体84(层叠体14)的整体载荷和施加于电极层叠部52的电极载荷，同时通过按压机构72使按压板82沿层叠方向反复进退。据此，反复按压整个第1层叠体84，来进行使初期蠕变(creep)得到发展的老化处理。

此时，能够基于实际施加于电极层叠部52的电极载荷，使初期蠕变得到发展。因此，例如，与基于整体载荷使初期蠕变得到发展的情况相比，能够一边准确地把握电极层叠部52处的初期蠕变的发展程度，一边进行老化处理。

另外，如上所述，在老化处理中，反复按压整个第1层叠体84，与此相应地能够得到多组由整体载荷检测机构74和电极载荷检测机构76检测到的检测结果。基于该多组检测结果，能够求得第1层叠体84中的整体载荷与电极载荷的大小的关系(实际的载荷关系)，换而言之，能够高精度地求得电极载荷的大小相对于整体载荷的比例。

接着，基于通过上述载荷检测工序得到的所述实际的载荷关系，通过选定机构100进行选定垫板22的厚度的选定工序。从所述实际的载荷关系能够知道，在设置端板20a、20b和紧固部件时，施加于整个层叠体14的紧固载荷和施加于电极层叠部52的紧固载荷之间的关系。根据该紧固载荷的关系，得到施加于电极层叠部52的紧固载荷成为适当的大小时的、施加于整个层叠体14的紧固载荷的计算设定值。通过预先求得与该计算设定值的大小对应的垫板22的适当的厚度，能够按照每个燃料电池堆10选定适当厚度的垫板22。据此，能够更精确地进行设定以使得实际施加于电极层叠部52的紧固载荷成为适当的大小。

接着，在通过按压机构72使按压板82向远离保持座80的方向移动了的状态下，在第1层叠体84上按照绝缘体18b、上述的选定工序中选定的厚度的垫板22和端板20b的顺序层叠而形成第2层叠体86。并且，在第2层叠体86的端板20b上安装按压夹具88。

接着，如图4所示，通过按压机构72使按压板82向保持座80侧接近，据此，使电极载荷检测机构76的可动板96等与按压夹具88抵接，来进行按压工序。即，在按压工序中，由一组端板20a、20b夹持层叠体14，并且一边通过整体载荷检测机构74检测经由该端板20a、20b施加于层叠体14的整体载荷，一边通过按压机构72将端板20a、20b向彼此接近的方向按压。

然后，在整体载荷的检测结果成为所述计算设定值时，保持按压机构72的按压状态，来进行通过紧固部件固定端板20a、20b彼此的距离的紧固工序。其结果，能够得到电极层叠部52被施加适当大小的紧固载荷的燃料电池堆10。

即，根据该制造方法和制造装置70，在通过按压机构72按压由端板20a、20b夹持之前的整个层叠体14时，能够检测施加于整个该层叠体14的整体载荷和施加于电极层叠部52的电极载荷的双方。根据该检测结果，能够求得层叠体14的整体载荷与电极载荷之间的实际的载荷关系。

因此，即使在通过端板20a、20b夹持层叠体14之后，也能够根据上述的关系和经由端板20a、20b施加于层叠体14的整体载荷的检测结果，算出经由该端板20a、20b施加于电极层叠部52的电极载荷。通过设置紧固部件，以使得该电极载荷的算出结果成为与适当大小的紧固载荷对应的值，据此能够将适当大小的紧固载荷施加于电极层叠部52。

另外，如上所述，由于能够把握电极层叠部52处的初期蠕变的准确的发展程度，因此，能够更精确地对因初期蠕变的发展而在层叠方向上收缩后的电极层叠部52施加适当大小的紧固载荷。据此，能够有效地抑制电极层叠部52中的紧固载荷随着时间经过而减小(载荷泄力)，进而能够较好地避免电极与隔板之间等的接触电阻增大、mea30破损。

此外，本发明并不局限于上述实施方式，能够在不脱离本发明的主旨的范围内进行各种变形。