JP2009064734A - 燃料電池用金属セパレータ、燃料電池スタック、および燃料電池用金属セパレータの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】平面度を良好に維持しつつ溶接により製造される燃料電池用金属セパレータを提供する。
【解決手段】複数重ね合わせた板状の金属セパレータ部材６１ａ，６１ｂの外周縁部を連続的に溶接してなる燃料電池用金属セパレータ６０であって、溶接にともなって金属セパレータ部材６１ａ，６１ｂの内部に生じる応力を緩和する応力緩和手段６２を外周縁部に有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池用金属セパレータ、燃料電池スタック、および燃料電池用金属セパレータの製造方法に関する。

近年、環境負荷の少ない電源として、燃料電池が注目されている。燃料電池は、酸素および水素の供給を受けて電力を生成するものである。

燃料電池用のセパレータは、たとえば、ステンレス鋼をプレス成形して形成される板状のセパレータ部材を、流体流路（たとえば、冷却水流路）となる空間部を区画形成するように重ね合わせて接合することにより製造される。

金属セパレータを製造する技術としては、下記の特許文献１に示すガスセパレータの製造方法が知られている。特許文献１に開示されているガスセパレータの製造方法は、一対のメタルプレートの間にプレート状のろう材を介在させた状態で、レーザ光を照射することによってろう材を溶融させ、メタルプレートを接合するものである。このような構成にすると、ろう材により一度のレーザ照射でメタルプレートが広範囲に接合されるため、レーザ光の照射による金属セパレータの熱変形を抑制することができる。
特開２００２−３０５００５号公報

しかしながら、上記ガスセパレータの製造方法では、一対のメタルプレートの間にプレート状のろう材が介在する。したがって、プレート状のろう材の製造およびセッティングといった工数の増加、あるいは、溶融したろう材が流路を防ぎ、冷却性能が低下するなどの問題がある。

本発明は、上述した問題を解決するためになされたものである。したがって、本発明の目的は、平面度を良好に維持しつつ溶接により製造される燃料電池用金属セパレータおよび燃料電池用金属セパレータの製造方法を提供することである。

また、本発明の他の目的は、平面度が良好に維持された燃料電池スタックを提供することである。

本発明の上記目的は、下記の手段によって達成される。

本発明の燃料電池用金属セパレータは、複数重ね合わせた板状の金属セパレータ部材の外周縁部を連続的に溶接してなる燃料電池用金属セパレータであって、溶接にともなって金属セパレータ部材の内部に生じる応力を緩和する応力緩和手段を外周縁部に有することを特徴とする。

本発明の燃料電池スタックは、上記燃料電池用金属セパレータが、膜電極接合体と交互に積層されてなることを特徴とする。

本発明の燃料電池用金属セパレータの製造方法は、複数重ね合わせた板状の金属セパレータ部材の外周縁部を連続的に溶接することにより燃料電池用金属セパレータを製造する燃料電池用金属セパレータの製造方法であって、溶接にともなって金属セパレータ部材の内部に生じる応力を緩和する応力緩和手段を外周縁部に形成することを特徴とする。

本発明の燃料電池用金属セパレータおよび燃料電池用金属セパレータの製造方法によれば、溶接にともなって金属セパレータ部材の内部に生じる応力が緩和されるため、燃料電池用金属セパレータをなす金属セパレータ部材の変形が抑制される。したがって、溶接により製造される燃料電池用金属セパレータの平面度を良好に維持することができる。

また、本発明の燃料電池スタックによれば、平面度が良好に維持された燃料電池用金属セパレータが積層されるため、気密性が維持される。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。なお、理解を容易にするために、図面には各構成要素が誇張して示されている。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックを説明するための斜視図である。

図１に示すとおり、本実施の形態の燃料電池スタック１００は、燃料ガス（水素）と酸化剤ガス（酸素）との反応により電力を生成する膜電極接合体（以下、ＭＥＡと称する）１０を、金属セパレータを介して複数積層することにより構成される。ＭＥＡ１０の積層体１１の両端部には、集電板２０、絶縁板３０、およびエンドプレート４０がそれぞれ配置され、これらがタイロッドボルト５０により連結されることによって、燃料電池スタック１００を構成している。

複数積層されるＭＥＡ１０には、積層体１１の内部を積層方向に貫通する内部マニホールドが設けられている。複数の内部マニホールドは、複数積層されるＭＥＡ１０および金属セパレータに設けられたマニホールド孔より構成され、燃料ガス、酸化剤ガス、および冷却水を金属セパレータに分配して供給し、また、各金属セパレータから集合して排出する。内部マニホールドを通じて、燃料ガス、酸化剤ガス、および冷却水のそれぞれを燃料電池スタック１００内部に流通させるために、一方のエンドプレート４０には、燃料ガス導入口４１ａ、燃料ガス排出口４１ｂ、酸化剤ガス導入口４２ａ、酸化剤ガス排出口４２ｂ、冷却水導入口４３ａ、および冷却水排出口４３ｂが設けられている。

次に、図２〜図４を参照して、本実施の形態における燃料電池用金属セパレータについて説明する。

図２は、図１に示す燃料電池スタックにおけるＭＥＡの積層体を説明するための分解斜視図であり、図３は、図２に示す積層体における金属セパレータを示す斜視図である。図４（Ａ）は、図３のIV−IV線に沿った断面図であり、図４（Ｂ）は、図３に示す金属セパレータにおける金属セパレータ部材の部分拡大図である。

図２に示すとおり、本実施の形態の燃料電池スタック１００は、ＭＥＡ１０が金属セパレータ６０を介して積層されることにより構成される。本実施の形態の金属セパレータ６０は、重ね合わされた２枚の板状の金属セパレータ部材６１ａ，６１ｂの外周縁部を接合してなるものであり、一対の金属セパレータ６０は、一のＭＥＡ１０を挟持している。

ＭＥＡ１０は、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を生成するものである。ＭＥＡ１０は、電解質膜１２と、電解質膜１２の一の面に形成される燃料極１３と、電解質膜１２の他の面に形成される空気極１４と、を有する。燃料極１３は、電解質膜１２の一の面に順次に形成される正極活物質層および正極側ガス拡散層を有し、空気極１４は、電解質膜１２の他の面に順次に形成される負極活物質層および負極側ガス拡散層を有する。また、本実施の形態の電解質膜１２には、長手方向の端部に複数のマニホールド孔１５が設けられている。なお、ＭＥＡ１０自体は、一般的な膜電極接合体であるため、ＭＥＡ１０を構成する各物質についての詳細な説明は省略する。

金属セパレータ６０は、一のＭＥＡ１０で生成された電力を隣接する他のＭＥＡ１０に伝達するとともに、ＭＥＡ１０に供給される流体の流路を形成するものである。金属セパレータ６０は、一のＭＥＡ１０の燃料極１３に当接する燃料極側金属セパレータ部材６１ａと、他のＭＥＡ１０の空気極１４に当接する空気極側金属セパレータ部材６１ｂと、を有する。燃料極側金属セパレータ部材６１ａと空気極側金属セパレータ部材６１ｂとは、相互に重ね合わされた状態で外周縁部を連続的にレーザ溶接することによって接合され、冷却水流路となる空間部を区画形成する。また、ＭＥＡ１０の積層体１１において、燃料極側金属セパレータ部材６１ａは、ＭＥＡ１０の燃料極１３に当接して燃料ガス流路となる空間部を区画形成し、空気極側金属セパレータ部材６１ｂは、ＭＥＡ１０の空気極１４に当接して酸化剤ガス流路となる空間部を区画形成する。

図３に示すとおり、本実施の形態の金属セパレータ６０は、切り欠き部６２、マニホールド孔６３、および凸条部（凹凸部）６４を有している。

切り欠き部６２は、応力緩和手段として、レーザ溶接にともなって金属セパレータ部材６１の内部に生じる応力を緩和するものである。切り欠き部６２は、直状部と円弧状の先端部とを有し、マニホールド孔６３および凸条部６４が設けられた領域を取り囲むように、金属セパレータ６０の外周縁部に所定間隔で複数設けられている。

マニホールド孔６３は、金属セパレータ６０の両端部に３個ずつ設けられ、内部マニホールドを通じて外部から供給される燃料ガス、酸化剤ガス、および冷却水をそれぞれ供給するとともに、外部に排出する。本実施の形態では、一対のマニホールド孔６３を通じて所定の流体（たとえば、冷却水）が空間部に流通するように、他の流体（たとえば、燃料ガスおよび酸化剤ガス）が流通するマニホールド孔は、周囲を溶接されてシール部が形成される。マニホールド孔６３の近傍には、マニホールド孔６３と連通する切り欠き部６２が設けられている。マニホールド孔６３近傍の切り欠き部６２は、マニホールド孔用応力緩和手段として、マニホールド孔６３の周囲の溶接にともなって金属セパレータ部材６１の内部に生じる応力を緩和する。

凸条部６４は、金属セパレータ部材６１の表面を流れる流体（冷却水、燃料ガス、または酸化剤ガス）の流路を形成するとともに、応力によって変形することにより応力を緩和するものである。凸条部６４は、中空状に形成されており、金属セパレータ部材６１の長手方向に対して傾斜するように金属セパレータ部材６１の表面に複数設けられている。このような凸条部６４は、たとえば、燃料極側金属セパレータ部材６１ａとＭＥＡ１０の燃料極１３とが区画形成する空間部において、燃料極１３に当接して燃料ガス流路を形成する。なお、流体の流れを阻害しないように、凸条部６４の傾斜角度は、矩形状の金属セパレータ部材６１の長辺に対して４５度以下であることが好ましい。

また、図４に示すとおり、本実施の形態において、金属セパレータ６０をなす２つの金属セパレータ部材６１のうち、レーザ光の照射を直接的に受けない下側の金属セパレータ（たとえば、空気極側金属セパレータ部材６１ｂ）には、溶接ビード（溶接線）６５に沿って断面円弧状の凸部６６が設けられている。凸部６６は、応力緩和手段として、金属セパレータ６０の外周縁部に沿って溶接ビード６５に対応するように設けられ、重ね合わされる上側の金属セパレータ部材６１ａの外周縁部に当接して、当該上側の金属セパレータ部材６１ａの外周縁部に張力を付与する。

このような切り欠き部６２、マニホールド孔６３、凸条部６４、および凸部６６を有する金属セパレータ部材６１は、ステンレス鋼、チタンなどの金属製の薄板をプレス加工することにより成形される。

以上のとおり構成される本実施の形態の金属セパレータ６０は、重ね合わされた２つの金属セパレータ部材６１のうち一方の金属セパレータ部材にレーザ光が照射されることにより溶接される。以下、図５を参照しつつ、本実施の形態における燃料電池用金属セパレータの製造方法について述べる。

図５（Ａ）に示すとおり、本実施の形態では、金属セパレータ６０の外周縁部に沿って、レーザ光７０のスポットが移動されることにより、２枚の金属セパレータ部材６１ａ，６１ｂが溶接される。本実施の形態では、溶接ビード６５が切り欠き部６２を迂回しつつ金属セパレータ６０の外周縁部に沿って形成されるように、レーザ光７０のスポットは切り欠き部６２を迂回しながら外周縁部を移動される。したがって、本実施の形態の金属セパレータ６０の金属ビード６５は、外周縁部に沿って直線的に延長される延長部と、円弧状の切り欠き部６２の先端部を迂回する円弧状の迂回部と、を有する。なお、レーザ光を照射することにより複数の金属セパレータを重ね溶接する技術自体は、たとえば、一般的なＹＡＧレーザ溶接技術であるため、詳細な説明は省略する。

レーザ光７０によって加熱溶融される金属セパレータ部材６１の内部には、金属セパレータ部材６１の温度変化にともなって内部応力（溶接応力）が発生する。このとき、外周縁部に設けられている切り欠き部６２の幅が内部応力によって変形して、溶接にともなって金属セパレータ部材６１に生じる応力を吸収する。また、流体流路を形成している中空状の凸条部６４も内部応力によって変形し、溶接にともなって金属セパレータ部材６１に生じる応力を吸収する。したがって、切り欠き部６２および凸条部６４が溶接にともなって金属セパレータ部材６１に生じる応力を緩和することにより、金属セパレータ部材６１自体の熱変形が抑制され、金属セパレータ６０の平面度が良好に維持される。

また、図５（Ｂ）に示すとおり、本実施の形態では、レーザ光７０のスポットが、下側の金属セパレータ部材６１ｂに設けられた断面円弧状の凸部６６の頂部と一致するように、上側の金属セパレータ部材６１ａの上部をレーザ光７０が移動する。レーザ光７０が直接的に照射される上側の金属セパレータ部材６１ａには、溶接部位の金属が溶融することに起因して金属セパレータ部材６１ａの溶接部位を収縮させる内部応力が発生する。一方、上述したとおり、上側の金属セパレータ部材６１ａには、下側の金属セパレータ部材６１ｂの断面円弧状の凸部６６が当接することにより、外力と合わせて凸部６６に当接する溶接部位の両端部が下方に撓むように（すなわち、溶接部位が断面円弧の凸部６６に倣って湾曲するように）張力が付与されている。このような張力は、内部応力と逆向きに作用する力であるため、張力と内部応力とが互いに打ち消し合うことによって内部応力が緩和される。したがって、断面円弧状の凸部６６がレーザ光の照射によって金属セパレータ部材６１に生じる内部応力を緩和することにより、金属セパレータ部材６１自体の熱変形が抑制され、金属セパレータ６０の平面度が良好に維持される。

以上のとおり、説明された本実施の形態は、以下の効果を奏する。

（ａ）本実施の形態の燃料電池用金属セパレータは、複数重ね合わせた板状の金属セパレータ部材の外周縁部を連続的に溶接してなる燃料電池用金属セパレータであって、溶接にともなって金属セパレータ部材の内部に生じる応力を緩和する切り欠き部を外周縁部に有する。したがって、溶接にともなって金属セパレータ部材の内部に生じる応力が緩和されるため、燃料電池用金属セパレータをなす金属セパレータ部材の変形が抑制される。その結果、溶接により製造される燃料電池用金属セパレータの平面度を良好に維持することができる。また、接着剤といった他の接合部材を必要とせず、他の接合部材を用いる場合と比較して、工数を削減することができ、接合に要する時間を短縮することができる。

（ｂ）燃料電池用金属セパレータの溶接ビードは、切り欠き部を迂回しつつ外周縁部に沿って形成されている。したがって、外周縁部に沿って直線的に形成される溶接ビードよりも、切り欠き部が金属セパレータの内側の領域に深く入るため、金属セパレータの内側の領域に発生する応力を解消することができる。また、溶接ビードが切り欠き部を迂回せずに切り欠き部よりも内側の領域に連続的に形成される場合と比較して、たとえば、冷却水流路となる空間部を確保することができるため、冷却性能が向上する。

（ｃ）切り欠き部の先端部は、円弧形状を有する。したがって、切り欠き部の先端部に応力が集中することが防止され、局部的な折れ曲がり変形を防止することができる。

（ｄ）本実施の形態の燃料電池用金属セパレータは、下側の金属セパレータ部材の外周縁部に沿って設けられ、重ね合わされる上側の金属セパレータ部材の外周縁部に当接することによって当該上側の金属セパレータ部材の外周縁部に張力を付与する凸部をさらに有する。したがって、溶接後に収縮の大きい上側の金属セパレータに、応力と逆向きの張力を予め付与することによって応力が緩和されるため、燃料電池用金属セパレータをなす金属セパレータ部材の変形が抑制される。その結果、溶接により製造される燃料電池用金属セパレータの平面度をより良好に維持することができる。

（ｅ）本実施の形態の燃料電池用金属セパレータは、金属セパレータ部材の表面に外周縁部に対して傾斜するように設けられ、当該金属セパレータ部材の表面に流体流路を形成するとともに、応力によって変形することにより応力を緩和する凸条部をさらに有する。したがって、溶接にともなって流体流路に生じる応力を緩和することができるため、流路の変形を防止することができる。その結果、溶接により製造される燃料電池用金属セパレータの平面度をより良好に維持することができる。

（ｆ）本実施の形態の燃料電池用金属セパレータは、燃料電池用金属セパレータに流体を供給または排出するマニホールド孔と、マニホールド孔の周囲に設けられ、当該マニホールド孔の周囲の溶接にともなって金属セパレータ部材の内部に生じる応力を緩和する切り欠き部と、をさらに有する。したがって、マニホールド孔の周囲の溶接にともなって生じる応力が緩和されるため、マニホールド孔周縁部の変形が防止される。その結果、溶接により製造される金属セパレータの平面度をより良好に維持することができる。

（ｇ）本実施の形態の燃料電池スタックは、上記燃料電池用金属セパレータが、ＭＥＡと交互に積層されてなる。したがって、平面度が良好に維持された金属セパレータが積層されるため、積層位置決め精度が向上されるとともに面圧のばらつきも抑制される。その結果、燃料電池スタックの気密性が維持される。

（ｈ）本実施の形態の燃料電池用金属セパレータの製造方法は、複数重ね合わせた板状の金属セパレータ部材の外周縁部を連続的に溶接することにより燃料電池用金属セパレータを製造する燃料電池用金属セパレータの製造方法であって、溶接にともなって金属セパレータ部材の内部に生じる応力を緩和する応力緩和手段を外周縁部に形成する。したがって、溶接にともなって金属セパレータ部材の内部に生じる応力が緩和されるため、燃料電池用金属セパレータをなす金属セパレータ部材の変形が抑制される。その結果、溶接により製造される燃料電池用金属セパレータの平面度を良好に維持することができる。また、接着剤といった他の接合部材を必要とせず、他の接合部材を用いる場合と比較して、工数を削減することができ、接合に要する時間を短縮することができる。

なお、上述した実施の形態では、マニホールド孔の周囲を溶接することによってシール部を形成した。しかしながら、たとえば、別途に設けられたシール部材を介在させることによって、マニホールド孔の周囲にシール部を形成してもよい。この場合、マニホールド孔近傍の切り欠き部は省略される。

（第２の実施の形態）
次に、図６を参照しつつ、本発明の第２の実施の形態について説明する。本実施の形態は、切り欠き部が位置決め手段として機能する実施の形態である。

図６に示すとおり、本実施の形態の金属セパレータ６０における切り欠き部６２は、位置決め用部材８０の突起部と係合することによって、ＭＥＡ１０とともに複数積層される金属セパレータ６０を位置決めする位置決め手段として機能する。なお、本実施の形態では、金属セパレータ６０と交互に積層されるＭＥＡ１０にも切り欠き部が設けられる。

より具体的には、図６（Ａ）に示すとおり、切り欠き部６２に対応する複数の突起部を備えた位置決め用部材８０が、ＭＥＡ１０とともに複数積層される金属セパレータ６０の外周縁部に複数（たとえば、３個）配置される。切り欠き部６２と位置決め用部材８０の突起部とが係合するように、金属セパレータ６０を位置決め用部材８０に突き当てることによって、複数積層される金属セパレータ６０およびＭＥＡ１０を精度よく位置決めすることができる。したがって、燃料電池スタックを精度よく組立てることができる。

また、本実施の形態と異なり、図６（Ｂ）に示すとおり、複数の位置決め用部材８０は、複数のマニホールド孔６３の内部に配置してもよい。

以上のとおり、説明された本実施の形態は、第１の実施の形態における効果に加えて、以下の効果を奏する。

（ｉ）切り欠き部は、位置決め用部材の突起部と係合することによって、積層される複数の燃料電池用金属セパレータを位置決めする位置決め手段として機能する。したがって、金属セパレータのより内側の領域、すなわち、電力が生成される反応面により近い位置を基準として、複数の金属セパレータおよびＭＥＡを位置決めすることができる。また、溶接による変形の少ない位置を利用して位置決めすることができる。その結果、金属セパレータおよびＭＥＡを精度よく積層することができ、燃料電池スタックの性能を向上することができる。

以上のとおり、第１および第２の実施の形態において、本発明の燃料電池用金属セパレータ、燃料電池スタック、および燃料電池用金属セパレータの製造方法を説明した。しかしながら、本発明は、その技術思想の範囲内において当業者が適宜に追加、変形、および省略することができることはいうまでもない。

たとえば、第１および第２の実施の形態では、応力緩和手段として、切り欠き部と凸部とが用いられた。しかしながら、応力緩和手段としては、切り欠き部および凸部のうち少なくとも一方が用いられればよく、たとえば、凸部は省略されてもよい。あるいは、第１の実施の形態において、切り欠き部が省略されてもよい。

また、第１および第２の実施の形態では、マニホールド孔用応力緩和手段として、マニホールド孔の近傍に切り欠き部が設けられた。しかしながら、マニホールド孔の周囲を取り囲むように凸部が設けられてもよい。

本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックを説明するための斜視図である。 図１に示す燃料電池スタックにおけるＭＥＡの積層体を説明するための分解斜視図である。 図２に示す積層体における金属セパレータを示す斜視図である。 図４（Ａ）は、図３のIV−IV線に沿った断面図であり、図４（Ｂ）は、図３に示す金属セパレータにおける金属セパレータ部材の部分拡大図である。 図２に示す燃料電池用金属セパレータの製造方法を説明するための図である。 本発明の第２の実施の形態において位置決め手段として機能する切り欠き部を説明するための図である。

符号の説明

１０ 膜電極接合体、
６０ 金属セパレータ、
６１ 金属セパレータ部材、
６２ 切り欠き部（応力緩和手段、位置決め手段）、
６３ マニホールド孔、
６４ 凸条部（凹凸部）、
６５ 溶接ビード（溶接線）、
６６ 凸部（応力緩和手段）、
７０ レーザ光、
８０ 位置決め用部材、
１００ 燃料電池スタック。

Claims (10)

1. 複数重ね合わせた板状の金属セパレータ部材の外周縁部を連続的に溶接してなる燃料電池用金属セパレータであって、
   溶接にともなって金属セパレータ部材の内部に生じる応力を緩和する応力緩和手段を外周縁部に有することを特徴とする燃料電池用金属セパレータ。
2. 前記応力緩和手段は、前記応力によって変形することにより前記応力を緩和する切り欠き部であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用金属セパレータ。
3. 前記燃料電池用金属セパレータの溶接線は、前記切り欠き部を迂回しつつ外周縁部に沿って形成されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用金属セパレータ。
4. 前記切り欠き部の先端部は、円弧形状を有することを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池用金属セパレータ。
5. 前記切り欠き部は、位置決め用部材の突起部と係合することによって、積層される複数の燃料電池用金属セパレータを位置決めする位置決め手段として機能することを特徴とする請求項２〜４のいずかれ１項に記載の燃料電池用金属セパレータ。
6. 前記応力緩和手段は、一の金属セパレータ部材の外周縁部に沿って設けられ、重ね合わされる他の金属セパレータ部材の外周縁部に当接することによって当該他の金属セパレータ部材の外周縁部に張力を付与する凸部であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用金属セパレータ。
7. 前記金属セパレータ部材の表面に外周縁部に対して傾斜するように設けられ、当該金属セパレータ部材の表面に流体流路を形成するとともに、前記応力によって変形することにより前記応力を緩和する凹凸部をさらに有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池用金属セパレータ。
8. 前記燃料電池用金属セパレータに流体を供給または排出するマニホールド孔と、
   前記マニホールド孔の周囲に設けられ、当該マニホールド孔の周囲の溶接にともなって前記金属セパレータ部材の内部に生じる応力を緩和するマニホールド孔用応力緩和手段と、をさらに有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池用金属セパレータ。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池用金属セパレータが、膜電極接合体と交互に積層されてなることを特徴とする燃料電池スタック。
10. 複数重ね合わせた板状の金属セパレータ部材の外周縁部を連続的に溶接することにより燃料電池用金属セパレータを製造する燃料電池用金属セパレータの製造方法であって、
    溶接にともなって金属セパレータ部材の内部に生じる応力を緩和する応力緩和手段を外周縁部に形成することを特徴とする燃料電池用金属セパレータの製造方法。

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