JP2010129289A - 燃料電池用金属セパレータの溶接装置、および燃料電池用金属セパレータの溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶接治具に対する溶接部位の密着性を高め、かつ、溶接治具の過度の温度上昇を抑えることによって、金属セパレータの溶接部位における溶け込み深さ寸法のバラツキを低減し得る燃料電池用金属セパレータの溶接装置および燃料電池用金属セパレータの溶接方法を提供する。
【解決手段】
燃料電池用金属セパレータ１１、１２の溶接装置１００は、一対の金属セパレータの接合面１５同士を重ね合わせた溶接部位１６を保持する保持部１２１を備える溶接治具１１０と、溶接治具に設けられ溶接部位を吸引する気流Ｓを形成する吸引機１６０と、溶接部位を溶接接合するための溶接機１７０と、を有する。そして、吸引機が形成する気流によって、溶接部位を保持部に吸着させるとともに溶接治具を冷却する。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池用金属セパレータの溶接装置、および燃料電池用金属セパレータの溶接方法に関する。

燃料電池用のセパレータとして、金属製の基材を適用した金属セパレータを使用したものがある（特許文献１参照）。金属セパレータは、金属製基材としての例えばステンレス鋼をプレス成形することによって、形成している。一対の金属セパレータは、接合面同士を重ね合わせ、流体流路（例えば、冷却水流路）となる空間部を区画形成するように組み合わせている。接合面同士を重ね合わせた溶接部位は、溶接治具に保持した状態で、溶接接合している。溶接部位の溶接には、一般的に、レーザ溶接を適用している。
特開２００２−３０５００５号公報

金属セパレータは薄肉のため熱容量が小さく、溶接部位が溶接治具に密着していないと、溶接時に発生する熱が蓄積されて温度が上昇し易い。溶接部位の温度が過度に上昇すると、溶接部位の溶け込み深さが大きくなる。このため、溶け込み深さ寸法のバラツキを許容値以内に抑えることが難しくなる。

溶接治具の温度が過度に上昇した場合にも、同様に、溶接部位の温度が過度に上昇し、溶接部位の溶け込み深さが大きくなる。このため、溶け込み深さ寸法のバラツキを許容値以内に抑えることが難しくなる。

本発明の目的は、溶接治具に対する溶接部位の密着性を高め、かつ、溶接治具の過度の温度上昇を抑えることによって、金属セパレータの溶接部位における溶け込み深さ寸法のバラツキを低減し得る燃料電池用金属セパレータの溶接装置および燃料電池用金属セパレータの溶接方法を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る燃料電池用金属セパレータの溶接装置は、燃料電池用の一対の金属セパレータの接合面同士を重ね合わせた溶接部位を保持する保持部を備える溶接治具と、溶接治具に設けられ溶接部位を吸引する気流を形成する吸引手段と、溶接部位を溶接接合するための溶接手段と、を有する。そして、吸引手段が形成する気流によって、溶接部位を保持部に吸着させるとともに溶接治具を冷却する。

上記目的を達成するための本発明に係る燃料電池用金属セパレータの溶接方法は、まず、燃料電池用の一対の金属セパレータの接合面同士を重ね合わせた溶接部位を、溶接治具の保持部に保持する。溶接治具に設けられた吸引手段によって、溶接部位を吸引する気流を形成する。そして、形成した気流によって、溶接部位を保持部に吸着させるとともに溶接治具を冷却しながら、溶接手段によって溶接部位を溶接接合する。

本発明によれば、燃料電池用の一対の金属セパレータの接合面同士を重ね合わせた溶接部位を吸引する気流を形成して、溶接部位を保持部に吸着させるとともに溶接治具を冷却しながら、溶接部位を溶接する。したがって、溶接治具に対する溶接部位の密着性を高め、かつ、溶接治具の過度の温度上昇を抑えることができ、金属セパレータの溶接部位の温度が過度に上昇することを抑えて、溶接部位における溶け込み深さ寸法のバラツキを低減することができる。

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。

図１は、燃料電池スタック２１を模式的に示す概略図、図２は、燃料電池スタック２１を構成する単位電池３０および金属セパレータ１１、１２の構成を模式的に示す要部断面図である。

図１および図２を参照して、燃料電池スタック２１は、金属セパレータ接合体１０を介して複数の単位電池（セル）３０を積層することによって構成している。スタック２１の積層方向の両端には、一対のエンドプレート２２、２３を備えている。集電板２４、２５は、スタック２１とエンドプレート２２、２３との間に配置している。集電板２４、２５は、スタック２１で発電された電力を取り出す端子部材である。エンドプレート２２、２３は、スタック２１、集電板２４、２５およびエンドプレート２２、２３を貫通するタイロッドなどの締結部材２６によって締結している。締結による負荷荷重によって、スタック２１に均一に面圧を加えている。

単位電池３０は、電解質膜４０、燃料極５０および空気極６０を有している。一対の電極５０、６０によって、電解質膜４０を挟持している。各電極５０、６０は、触媒層５１、６１と、ガス拡散層５２、６２とを含んでいる。触媒層５１、６１の片面が電解質膜４０に接している。

燃料電池スタック２１は、金属セパレータ接合体１０を、積層される単位電池３０の間に配置している。金属セパレータ接合体１０は、一の単位電池３０の燃料極５０に当接する燃料極側金属セパレータ１１と、他の単位電池３０の空気極６０に当接する空気極側金属セパレータ１２と、を有している。一対の金属セパレータ接合体１０は、一の単位電池３０を挟持している。燃料極側金属セパレータ１１と空気極側金属セパレータ１２とは、接合面１５同士を重ね合わせ、流体流路となる空間部を区画形成するように組み合わせている。組み合わせた金属セパレータ１１、１２の接合面１５同士をレーザ溶接により重ね溶接することによって、金属セパレータ接合体１０を形成している。一般的に、最外周の接合面１５同士のみを溶接接合している。なお、以下の説明では、燃料極側金属セパレータ１１および空気極側金属セパレータ１２を、単に、「金属セパレータ１１、１２」と言う。

単位電池３０では、以下のような電気化学的反応が進行する。まず、燃料極５０に供給された燃料ガスに含まれる水素は、触媒粒子により酸化され、プロトンおよび電子となる。次に、生成したプロトンは、燃料極５０の触媒層５１に含まれる電解質、さらに燃料極５０の触媒層５１が接触している電解質膜４０を通って、空気極６０の触媒層６１に達する。また、燃料極５０の触媒層５１で生成した電子は、燃料極５０の触媒層５１、燃料極５０のガス拡散層５２、金属セパレータ１１および外部回路を通って、空気極６０の触媒層６１に達する。そして、空気極６０の触媒層６１にともに達したプロトンおよび電子は、空気極６０に供給されている酸化剤ガスに含まれる酸素と反応し水を生成する。このような電気化学的反応を通して、燃料電池は、電気を外部に取り出すことが可能となる。

金属セパレータ１１、１２は、電解質膜４０の全面にわたって燃料ガスと空気が一様に接触して流れるようにする機能を有する。そのため、金属セパレータ１１、１２には燃料ガスや空気が全体に行きわたるように流体流路となる溝部を形成している。溝部は、例えば、波形のエンボス形状を有している。金属セパレータ１１と電解質膜４０との間は燃料ガスが流れる流路Ｈ、金属セパレータ１２と電解質膜４０との間は空気が流れる流路Ｏ、金属セパレータ１１と金属セパレータ１２との間は冷却水が流れる冷却水流路Ｗとなる。金属セパレータ１１、１２は、例えば、ステンレスやアルミニウムなどから形成している。流体流路となる溝部は、金属薄板を金型でプレス成型することによって成形している。

図３は、本発明に係る燃料電池用金属セパレータの溶接装置１００の概略構成を示す断面図、図４（Ａ）（Ｂ）は、溶接治具１１０の保持部１２１の形状例を示す断面図、図５（Ａ）は、金属セパレータ１１、１２の溶接部位１６を吸引する気流Ｓを形成する前の状態を示す断面図、図５（Ｂ）は、金属セパレータ１１、１２の溶接部位１６を吸引する気流Ｓによって溶接部位１６が溶接治具１１０の保持部１２１に吸着した状態を示す断面図である。

図３を参照して、燃料電池用金属セパレータの溶接装置１００は、概説すれば、燃料電池用の一対の金属セパレータ１１、１２の接合面１５同士を重ね合わせた溶接部位１６を保持する保持部１２１を備える溶接治具１１０と、溶接治具１１０に設けられ、溶接部位１６を吸引する気流Ｓを形成することによって、溶接部位１６を保持部１２１に吸着させるとともに溶接治具１１０を冷却するための吸引機１６０（吸引手段に相当する）と、溶接部位１６を溶接接合するための溶接機１７０（溶接手段に相当する）と、を有している。図３には、最外周の接合面１５同士を溶接接合する状態を示している。以下、詳述する。

溶接治具１１０は、保持部１２１が突出するように設けられた下治具１２０と、下治具１２０に対して相対的に開閉自在に設けられた上治具１３０と、下治具１２０と上治具１３０とを相対的に締め付ける磁力を生じさせる電磁石１４０と、を有している。

下治具１２０には、複数の吸引穴１５１、１５２を形成している。溶接部位１６を保持部１２１に吸着させることができ、かつ、溶接治具１１０を冷却することができる限りにおいて、吸引穴１５１、１５２を形成する位置や個数は限定されるものではない。図示例では、保持部１２１の頂面に開口する吸引穴１５１や、保持部１２１以外の下治具１２０の上面に開口する吸引穴１５２を形成している。また、吸引穴１５１、１５２の径は、同一径でもよいし、形成する位置ごとに異なる径でもよい。それぞれの吸引穴１５１、１５２は、下治具１２０の内部に形成した吸引室１５３に連通している。

上治具１３０には、下治具１２０の保持部１２１に向けて伸びる押さえ部１３１を形成している。押さえ部１３１は、保持部１２１との間で溶接部位１６の周辺部を押さえる。下治具１２０と上治具１３０とを締め付けても、治具１１０の仕上げ精度との関係上、押さえ部１３１と金属セパレータ１２との間、および保持部１２１と金属セパレータ１１との間には、微小な隙間が存在している。したがって、押さえ部１３１と金属セパレータ１２との間を空気が流通すること、および保持部１２１と金属セパレータ１１との間を空気が流通することは阻害されない。なお、押さえ部１３１の押さえ面や保持部１２１の頂面に、空気を流通させるための微小溝を形成してもよい。

図示する溶接治具１１０にあっては、上治具１３０の凹所および下治具１２０の凹所によって、溶接部位１６以外を収容する収容室１５４を区画形成している。重ね合わされた金属セパレータ１１、１２の端部は収容室１５４内に連通している。また、金属セパレータ１１、１２間の冷却水流路Ｗとなる空間部に連通する図示しないマニホールドも収容室１５４内に連通している。上治具１３０と下治具１２０との合わせ面には、微小隙間を封止するＯリングなどのシール部材１５５を配置している。上治具１３０と下治具１２０との合わせ面の微小隙間を通って空気が吸引されることを防止して、溶接部位１６を吸引する気流Ｓを好適に形成するためである。

吸引機１６０としては、例えば、真空ポンプなどを挙げることができる。吸引機１６０の吸引配管１６１を、下治具１２０の吸引室１５３に接続している。

溶接機１７０としては、細かな部位である金属セパレータ１１、１２の接合面１５同士を溶接するため、レーザビームＬを照射して溶接するレーザ溶接機を挙げることができる。レーザビームＬの照射を遮らないように、上治具１３０の押さえ部１３１の上部を傾斜面に形成している。

下治具１２０と上治具１３０との開閉動作を行う図示しない治具駆動装置、吸引機１６０、およびレーザ溶接機１７０は、コントローラ１８０に接続している。コントローラ１８０は、溶接装置１００全体の制御を司り、治具駆動装置、吸引機１６０、およびレーザ溶接機１７０のそれぞれの作動を制御する。

図４（Ａ）（Ｂ）を参照して、溶接治具１１０の保持部１２１は、溶接部位１６の形状に合致した平面または湾曲面を備えていることが好ましい。保持部１２１に対する溶接部位１６の密着性を高めることによって、溶接部位１６から保持部１２１への熱伝導を向上させ、溶接部位１６の抜熱を促進するためである。図４（Ａ）に示す例では、溶接部位１６が平面形状であるので、保持部１２１は、溶接部位１６の形状に合致した平面１２２ａを備えている。図４（Ｂ）に示す例では、溶接部位１６が湾曲形状であるので、保持部１２１は、溶接部位１６の形状に合致した湾曲面１２２ｂを備えている。

次に、本実施形態の作用を説明する。

下治具１２０と上治具１３０とを相対的に開いた状態で、重ね合わせた一対の金属セパレータ１１、１２を、下治具１２０にセットする。接合面１５同士を重ね合わせた溶接部位１６を、保持部１２１に保持する。下治具１２０と上治具１３０とを閉じ、電磁石１４０の磁力によって、下治具１２０と上治具１３０とを締め付ける。図５（Ａ）に示すように、金属セパレータ１１、１２は、溶接部位１６以外が収容室１５４内に位置する。重ね合わされた金属セパレータ１１、１２の端部は収容室１５４内に連通し、冷却水流路Ｗとなる空間部に連通するマニホールドも収容室１５４内に連通する。

次いで、吸引機１６０を作動させ、下治具１２０の吸引室１５３を真空引きする。図５（Ｂ）に示すように、真空引きに伴って吸引室１５３および収容室１５４が負圧化し、雰囲気の空気は、押さえ部１３１と金属セパレータ１１、１２との間を通って、収容室１５４内に流入する。収容室１５４内の空気は、下治具１２０の上面に開口する吸引穴１５２から吸引室１５３に流れるとともに、保持部１２１と金属セパレータ１１との間を通って、保持部１２１の頂面に開口する吸引穴１５１から吸引室１５３に流れる。このような空気の流れは、溶接部位１６を吸引する気流Ｓとなる。溶接部位１６を吸引する気流Ｓを形成することによって、溶接部位１６を保持部１２１に吸着させることができる。溶接部位１６を吸引する気流Ｓは、溶接治具１１０の吸引穴１５１、１５２内を流れる間に、溶接治具１１０を冷却する機能を発揮する。

吸引機１６０を作動させたままレーザ溶接機１７０を作動させ、レーザビームＬを照射して溶接部位１６を溶接接合する。

このように、溶接部位１６を吸引する気流Ｓを形成して、溶接部位１６を保持部１２１に吸着させるとともに溶接治具１１０を冷却しながら、溶接部位１６を溶接接合する。溶接治具１１０に対する溶接部位１６の密着性が高まるため、溶接時に発生する熱の溶接治具１１０への熱伝導が向上する。さらに、溶接部位１６を吸引する気流Ｓを利用して溶接治具１１０を冷却しているので、溶接治具１１０の過度の温度上昇を抑えることができる。溶接部位１６から溶接治具１１０への熱伝導の向上と、溶接治具１１０の冷却性の向上とがあいまって、金属セパレータ１１、１２の溶接部位１６の温度が過度に上昇することを抑えることができる。その結果、溶接部位１６における溶け込み深さ寸法のバラツキを低減することができる。また、溶接治具１１０に対する溶接部位１６の密着性が高まり、溶接面の撓みが減少することによって、安定した溶接が可能となる。

燃料電池スタック２１を構成するときには、シール部材が、溶接部位１６に接触している。溶接部位１６における溶け込み深さ寸法のバラツキを低減できることから、シール部材を圧縮して得られる反力は、定められた強さとなる。したがって、燃料ガスや酸化剤ガスを十分にシールすることができる。

溶接治具１１０の温度が低下するまで待機したのでは、金属セパレータ接合体１０の生産性が低下してしまう。本実施形態では溶接治具１１０の温度が低下するまで待つことなく、安定した溶接を連続的に行うことができることから、金属セパレータ接合体１０の生産性も向上する。

保持部１２１は、溶接部位１６の形状に合致した平面１２２ａまたは湾曲面１２２ｂを備えているので、保持部１２１に対する溶接部位１６の密着性がさらに高まる。溶接時に発生する熱の溶接治具１１０への熱伝導がさらに向上するので、金属セパレータ１１、１２の溶接部位１６の温度が過度に上昇することを抑えて、溶接部位１６における溶け込み深さ寸法のバラツキを一層低減することができる。溶接面の撓みがさらに減少することによって、より安定した溶接が可能となる。

金属セパレータ１１、１２間の冷却水流路Ｗとなる空間部が収容室１５４に連通している。図５（Ｂ）に示すように、溶接部位１６を吸引する気流Ｓを形成することによって、空間部内が排気され、金属セパレータ１１、１２間が負圧化する。金属セパレータ１１、１２の接合面１５同士は大気圧によって押されて容易に密着するので、接合面１５同士間の空隙に起因する溶接欠陥の発生をも防止することもできる。

以上説明したように、本実施形態の溶接装置１００および溶接手順によれば、溶接部位１６を吸引する気流Ｓを形成して、溶接部位１６を保持部１２１に吸着させるとともに溶接治具１１０を冷却しているので、溶接治具１１０に対する溶接部位１６の密着性を高め、かつ、溶接治具１１０の過度の温度上昇を抑えることができる。したがって、金属セパレータ１１、１２の溶接部位１６の温度が過度に上昇することを抑えて、溶接部位１６における溶け込み深さ寸法のバラツキを低減することができる。

保持部１２１は溶接部位１６の形状に合致した平面１２２ａまたは湾曲面１２２ｂを備えているので、保持部１２１に対する溶接部位１６の密着性がさらに高まり、溶接部位１６における溶け込み深さ寸法のバラツキを一層低減することができる。

さらに、接合面１５同士を大気圧によって密着させることができ、接合面１５同士間の空隙に起因する溶接欠陥の発生をも防止することもできる。

（変形例）
図６は、燃料電池用金属セパレータ１１、１２の溶接装置１００の変形例を示す断面図である。なお、図３と共通する部材には同一の符号を付し、その説明は省略する。

吸引機１６０を作動させたときに、重ね合わされた金属セパレータ１１、１２の端部が、吸引穴１５１、１５２の気流Ｓによって吸引されて変形し、保持部１２１と金属セパレータ１１、１２との間に向かう通路が狭められたり、塞がれたりする虞がある。この場合には、溶接部位１６を吸引する気流Ｓを十分に得ることができず、溶接治具１１０に対する溶接部位１６の密着性が損なわれてしまう。

そこで、図６に示すように、溶接治具１１０は、気流Ｓを形成するための通路１９１を、金属セパレータ１１、１２と溶接治具１１０との間に形成する通路形成手段１９０を備えていることが好ましい。金属セパレータ１１、１２の端部に変形が生じた場合であっても、溶接部位１６を吸引する気流Ｓを十分に確保して、溶接治具１１０に対する溶接部位１６の密着性を高めることができるからである。通路形成手段１９０は、例えば、下治具１２０に部分的に設けたＯリング１９２や、下治具１２０に部分的に形成した溝などから構成することができる。Ｏリング１９２や溝を設けることによって、溶接部位１６を吸引する気流Ｓを形成するための通路１９１を、金属セパレータ１１と溶接治具１１０との間に形成することが可能となる。

図７は、燃料電池用金属セパレータ１１、１２の溶接装置１００の他の変形例の下治具１２０を示す断面図である。なお、図３と共通する部材には同一の符号を付し、その説明は省略する。

溶接部位１６を吸引する気流Ｓを利用して溶接治具１１０を冷却するのに加えて、下治具１２０に冷却水が循環するウォータジャケット１９５を付加してもよい。溶接治具１１０の温度、ひいては金属セパレータ１１、１２の溶接部位１６の温度を所望の温度範囲内にコントロールし易くなり、溶接部位１６における溶け込み深さ寸法のバラツキをより一層低減することができるからである。

燃料電池スタックを模式的に示す概略図である。 燃料電池スタックを構成する単位電池および金属セパレータの構成を模式的に示す要部断面図である。 本発明に係る燃料電池用金属セパレータの溶接装置の概略構成を示す断面図である。 図４（Ａ）（Ｂ）は、溶接治具の保持部の形状例を示す断面図である。 図５（Ａ）は、金属セパレータの溶接部位を吸引する気流を形成する前の状態を示す断面図、図５（Ｂ）は、金属セパレータの溶接部位を吸引する気流によって溶接部位が溶接治具の保持部に吸着した状態を示す断面図である。 燃料電池用金属セパレータの溶接装置の変形例を示す断面図である。 燃料電池用金属セパレータの溶接装置の他の変形例の下治具を示す断面図である。

符号の説明

１０ 金属セパレータ接合体、
１１ 燃料極側金属セパレータ（金属セパレータ）、
１２ 空気極側金属セパレータ（金属セパレータ）、
１５ 接合面、
１６ 溶接部位、
２１ 燃料電池スタック、
３０ 単位電池、
４０ 電解質膜、
５０ 燃料極、
６０ 空気極、
１００ 燃料電池用金属セパレータの溶接装置、
１１０ 溶接治具、
１２０ 下治具、
１２１ 保持部、
１２２ａ 平面、
１２２ｂ 湾曲面、
１３０ 上治具、
１５１、１５２ 吸引穴、
１５３ 吸引室、
１５４ 収容室、
１６０ 吸引手段、
１７０ 溶接機、
１９０ 通路形成手段、
１９１ 気流を形成するための通路、
１９２ Ｏリング、
Ｓ 溶接部位を吸引する気流。

Claims (4)

1. 燃料電池用の一対の金属セパレータの接合面同士を重ね合わせた溶接部位を保持する保持部を備える溶接治具と、
   前記溶接治具に設けられ、前記溶接部位を吸引する気流を形成することによって、前記溶接部位を前記保持部に吸着させるとともに前記溶接治具を冷却するための吸引手段と、
   前記溶接部位を溶接接合するための溶接手段と、を有する燃料電池用金属セパレータの溶接装置。
2. 前記保持部は、前記溶接部位の形状に合致した平面または湾曲面を備えている請求項１に記載の燃料電池用金属セパレータの溶接装置。
3. 前記溶接治具は、前記気流を形成するための通路を、前記金属セパレータと前記溶接治具との間に形成する通路形成手段を備えている請求項１または請求項２に記載の燃料電池用金属セパレータの溶接装置。
4. 燃料電池用の一対の金属セパレータの接合面同士を重ね合わせた溶接部位を、溶接治具の保持部に保持する工程と、
   前記溶接治具に設けられた吸引手段によって、前記溶接部位を吸引する気流を形成して、前記溶接部位を前記保持部に吸着させるとともに前記溶接治具を冷却しながら、溶接手段によって前記溶接部位を溶接接合する工程と、を有する燃料電池用金属セパレータの溶接方法。

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