JP2014194877A

JP2014194877A - 燃料電池関連部品及びその製造方法

Info

Publication number: JP2014194877A
Application number: JP2013070504A
Authority: JP
Inventors: Ryosuke Kumagai; 亮佑熊谷; Atsushi Ozeki; 敦史尾関; Yukifumi Yamamoto; 享史山本
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2013-03-28
Filing date: 2013-03-28
Publication date: 2014-10-09
Anticipated expiration: 2033-03-28
Also published as: JP6112932B2

Abstract

【課題】貫通孔の周囲においてレーザー溶接痕を対称に形成することにより、貫通孔が歪んだ形状になることを防止してその貫通孔を流れる流体の乱れを抑制することができる燃料電池関連部品を提供すること。
【解決手段】セパレータ及び燃料極フレームにおいて、各貫通孔４０ａ周囲の溶接部位にレーザー溶接痕１１０が形成されている。レーザー溶接痕１１０は、２本の分割レーザー溶接痕１１１ａ，１１１ｂにより構成される。各分割レーザー溶接痕１１１ａ，１１１ｂは全体として貫通孔４０ａを包囲する閉回路形状をなし、貫通孔４０ａの中心に対して点対称となる２箇所で交差している。
【選択図】図５

Description

本発明は、燃料電池に用いられる複数枚の板状ワークを積層配置し、それら板状ワーク同士をレーザー溶接することで製造される燃料電池関連部品及びその製造方法に関するものである。

従来より、燃料電池として、例えば固体電解質層（固体酸化物層）を備えた固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell ；ＳＯＦＣ）が知られている。この燃料電池は、発電の最小単位である燃料電池セルを複数積層してなる燃料電池セルスタックを備えている。燃料電池セルは、空気極、燃料極及び固体電解質層を有して構成され、発電反応により電力を発生する。また、燃料電池セルスタックには、燃料電池セルに加えて、コネクタプレート、セパレータ等が設けられ、それらが複数個ずつ積層されている。

コネクタプレートは、ステンレスなどの導電性材料によって形成されており、燃料電池セルの厚み方向の両側に一対配置される。各コネクタプレートにより板厚方向での燃料電池セル間の導通が確保される。また、セパレータは、鉄やアルミニウムなどの金属材料によって形成されており、矩形状の開口部を中央に有する略矩形枠状をなしている。セパレータは、燃料電池セル間において、反応ガス（酸化剤ガスや燃料ガス）が供給される空気室や燃料室を区画するための仕切り板として機能する。そして、セパレータの開口部の内側に燃料電池セルが配置されている。

上述したように燃料電池セルスタックは、コネクタプレート、セパレータなどの金属製の板状部材を複数積層して製造されており、金属製板状部材の接合は、レーザー溶接によって行われている。また、燃料電池セルスタックにおいて、反応ガスの供給通路や排出通路を構成する複数の貫通孔がコネクタプレートやセパレータなどに形成されており、それら貫通孔の気密性を確保するために、各貫通孔の周囲に沿って閉回路形状にレーザー溶接が行われる。

特許文献１には、２枚の板状ワークを保持し、各ワークの外周部に沿って閉回路形状に溶接するための溶接用治具装置が開示されている。特許文献１の溶接用治具装置では、板状ワークを配置する第１治具部材と、板状ワークの形状に対応した開口部が形成されるとともに、第１治具部材と板状ワークの外周端部を挟持する第２治具部材と、第２治具部材の開口部内に配置され、板状ワークを押え付ける第３治具部材とを備える。なお、第３治具部材は、ネジなどの固定部材を用いて第１治具部材に固定される。溶接用治具装置において、第２治具部材の開口部の内壁面と、第３治具部材の外壁面との間に隙間を設け、その隙間を介して板状ワークの溶接部位が露出されるようになっている。

そして、溶接用治具装置を用いて２枚の板状ワークをレーザー溶接する場合、閉回路形状の溶接部位に沿ってレーザーが照射される。ここでは、図１１に示すように、貫通孔２００の周囲において溶接部位の気密性を確実に確保するため、閉回路形状のレーザー溶接痕２０１には、始点Ｓ１及び終点Ｅ１間にオーバーラップ領域Ｒ１が設けられている。従来では、１回のレーザー溶接によって閉回路形状のレーザー溶接痕２０１が形成されており、レーザー溶接痕２０１のオーバーラップ領域Ｒ１としては、例えば閉回路の半分程度の長さにわたって確保されている。従って、レーザー溶接痕２０１の始点Ｓ１及び終点Ｅ１は互いに離れた位置となる。

特開２０１１−１６１４５０号公報

ところが、上述したレーザー溶接を行う場合には、図１１に示されるように、レーザー溶接痕２０１における始点Ｓ１と終点Ｅ１との間のオーバーラップ領域Ｒ１は、閉回路形状の溶接部位において一方の側（図１１では右側）に偏って配設される。このため、レーザー溶接痕２０１のオーバーラップ領域Ｒ１は、レーザー溶接による熱歪みが大きくなっていると考えられる。また、燃料電池セルスタックにおいて、被レーザー溶接物であるセパレータは、１００μｍ程度の薄いシート状の部材である。このため、レーザー溶接時には、セパレータが熱歪みの大きな箇所に向かって牽引され、貫通孔が歪んだ形状になってしまうことが考えられる。この場合、燃料電池セルスタックにおいて、セパレータの貫通孔内に反応ガスなどの流体が流れるときには、不均一な乱れが発生し、結果として電池性能に悪影響を及ぼしてしまうといった問題が生じる。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、貫通孔の周囲においてレーザー溶接痕を対称に形成することにより、貫通孔が歪んだ形状になることを防止してその貫通孔を流れる流体の乱れを抑制することができる燃料電池関連部品を提供することにある。また、別の目的は、上記燃料電池関連部品を製造するのに好適な燃料電池関連部品の製造方法を提供することにある。

そして上記課題を解決するための手段（手段１）としては、１つ以上の貫通孔を有する複数枚の板状ワークを積層配置し、前記貫通孔の周囲に形成されるレーザー溶接痕が閉じた経路となるよう閉回路形状の溶接部位に沿って前記板状ワーク同士をレーザー溶接することで製造される燃料電池関連部品であって、前記レーザー溶接痕は、複数本の分割レーザー溶接痕により構成されるとともに、前記分割レーザー溶接痕は全体として前記貫通孔を包囲する閉回路形状をなし、かつ互いに前記貫通孔の中心に対して点対称となる複数箇所で交差していることを特徴とする燃料電池関連部品がある。

従って、手段１に記載の発明によると、貫通孔の周囲において、複数本の分割レーザー溶接痕によって閉回路形状をなすレーザー溶接痕が形成されている。これら分割レーザー溶接痕は、互いに貫通孔の中心に対して点対称となる複数箇所で交差しているので、溶接部位における熱歪みが貫通孔の中心に対して対称となる。このため、燃料電池関連部品において、熱歪みに起因する力が釣り合うことにより、貫通孔が歪んだ形状になることが防止される。この結果、貫通孔内に反応ガスなどの流体が流れるときに従来のような不均一な乱れが抑制され、電池性能への悪影響を回避することができる。

板状ワークにおいて、複数本の分割レーザー溶接痕が平面視で対称な位置に設けられていてもよい。この場合、溶接部位における熱歪みが板状ワークにおける対称な位置で発生するため、各貫通孔が歪んだ形状になることを防止することができ、各板状ワークを確実に溶接することができる。

分割レーザー溶接痕の端部は、閉回路形状の外側に曲がっているとともに、その曲がった端部には、分割レーザー溶接痕同士が所定角度で交差するオーバーラップ領域が設けられていてもよい。このようにすると、貫通孔の周囲において溶接部位が確実に閉じた形状となるため、燃料電池関連部品において、貫通孔の周囲の気密性を確実に確保することができる。

燃料電池関連部品を構成する板状ワークとしては、コネクタプレート、フレーム部材、セパレータなどを挙げることができる。燃料電池で用いられるセパレータは、厚さが５００μｍ以下であり強度が弱いため、レーザー溶接による歪みが生じ易いが、本発明のように貫通孔の中心に対して点対称となるように複数箇所でレーザー溶接痕を交差させることで、貫通孔が歪んだ形状になることを防止することができる。

また、上記課題を解決するための別の手段（手段２）としては、手段１に記載の燃料電池関連部品を製造する製造方法であって、前記閉回路形状の溶接部位における一部を露呈させる第１開口部を有する第１治具部材と固定治具部材との間に複数枚の前記板状ワークを挟み込んだ状態で固定した後、前記第１治具部材における前記第１開口部に沿って前記溶接部位にレーザーを照射して溶接する第１の溶接工程と、前記閉回路形状の溶接部位において、少なくとも前記第１開口部による溶接部位以外の溶接部位を露呈させる第２開口部を有する第２治具部材を前記第１治具部材に代えて前記固定治具部材に装着した後、前記第２治具部材における前記第２開口部に沿って前記溶接部位にレーザーを照射して溶接する第２の溶接工程とを含むことを特徴とする燃料電池関連部品の製造方法がある。

手段２に記載の発明によると、第１の溶接工程と第２の溶接工程とによって、レーザー溶接を２回に分けて行うことにより、貫通孔の周囲における閉回路形状の溶接部位に沿って板状ワーク同士が溶接される。この場合、各板状ワークに形成されるレーザー溶接痕は、複数本の分割レーザー溶接痕により構成される。また、分割レーザー溶接痕が全体として貫通孔を包囲する閉回路形状となるようにレーザー溶接痕を形成することができる。また、第１治具部材の第１開口部や第２治具部材の第２開口部の形状及び配置により、貫通孔の中心に対して点対称となる複数箇所で各分割レーザー溶接痕の端部を交差させることができる。

一実施の形態における燃料電池を示す概略斜視図。図１のＡ−Ａ線断面図。燃料電池セルを示す概略断面図。セパレータにおけるレーザー溶接痕を示す平面図。貫通孔の周囲のレーザー溶接痕を示す拡大平面図。溶接システムの概略構成を示す構成図。溶接治具装置を示す上面図。第１治具部材における第１開口部を示す拡大断面図。別の実施の形態におけるレーザー溶接痕を示す説明図。別の実施の形態におけるレーザー溶接痕を示す説明図。従来技術におけるレーザー溶接痕を示す説明図。

以下、本発明を燃料電池に具体化した一実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。

図１，図２に示されるように、本実施の形態の燃料電池１は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。燃料電池１は、発電の最小単位である燃料電池セル１１を複数積層してなる燃料電池セルスタック１０を備えている。燃料電池セルスタック１０は、縦１８０ｍｍ×横１８０ｍｍ×高さ８０ｍｍの略直方体状をなしている。また、燃料電池セルスタック１０は、同燃料電池セルスタック１０を厚さ方向に貫通する８つの貫通孔４０を有している。なお、燃料電池セルスタック１０の四隅にある４つの貫通孔４０に締結ボルト４１を挿通させ、燃料電池セルスタック１０の下面から突出する締結ボルト４１の下端部分にナット（図示略）を螺着させる。また、残り４つの貫通孔４０にガス流通用締結ボルト４２を挿通させ、燃料電池セルスタック１０の上面及び下面から突出するガス流通用締結ボルト４２の両端部分にナット４３を螺着させる。その結果、燃料電池セルスタック１０において複数の燃料電池セル１１が固定される。

図２，図３に示されるように、燃料電池１は、燃料電池セル１１と、集電体６６と、コネクタプレート５１，６０とを積層配置することによって構成されている。燃料電池セル１１は、空気極フレーム５２、絶縁フレーム５３、セパレータ５４、燃料電池セル本体５５及び燃料極フレーム５６を順番に積層することによって構成されている。

コネクタプレート５１，６０は、耐熱性及び導電性に優れたステンレス鋼などの金属材料によって略矩形板状に形成され、燃料電池セル１１の上端部及び下端部に配置されている。コネクタプレート５１，６０の厚さは、０．８ｍｍ程度である。コネクタプレート５１，６０は、燃料電池セル１１内にガス流路を形成するとともに、隣接する燃料電池セル１１同士を導通させるようになっている。詳述すると、隣接する燃料電池セル１１同士の間に位置するコネクタプレート５１，６０は、いわゆるインターコネクタとなり、隣接する燃料電池セル１１同士を区画するようになっている。なお、本実施の形態のコネクタプレート６０は、下側に隣接する燃料電池セル１１のコネクタプレート５１を兼ねている。また、燃料電池セルスタック１０の上端部に配置されたコネクタプレート５１は上側エンドプレート１２となり、燃料電池セルスタック１０の下端部に配置されたコネクタプレート６０は下側エンドプレート１３となっている。両エンドプレート１２，１３は、燃料電池セルスタック１０を挟持しており、燃料電池セルスタック１０から出力される電流の出力端子となっている。なお、エンドプレート１２，１３となるコネクタプレート５１，６０は、インターコネクタとなるコネクタプレート５１，６０よりも肉厚になっている。

図２，図３に示される空気極フレーム５２は、厚さが１ｍｍ程度であり、ステンレスなどの導電性材料によって略矩形枠状に形成されている。よって、空気極フレーム５２の中央部には、同空気極フレーム５２を厚さ方向に貫通する矩形状の開口部６１が設けられている。また、絶縁フレーム５３は、厚さ０．５ｍｍのマイカシートによって略矩形枠状に形成されている。よって、絶縁フレーム５３の中央部には、同絶縁フレーム５３を厚さ方向に貫通する矩形状の開口部６３が設けられている。さらに、燃料極フレーム５６は、厚さが２ｍｍ程度であり、ステンレス鋼などの金属材料によって略矩形枠状に形成されている。よって、燃料極フレーム５６の中央部には、同燃料極フレーム５６を厚さ方向に貫通する矩形状の開口部６２が設けられている。

本実施の形態のセパレータ５４は、１００μｍ程度の厚さの金属箔（金属板）によって形成された金属製セパレータである。金属製セパレータは、主として鉄を主成分とする金属材料によって形成され、３重量％のアルミニウムを含んでいる。そして、セパレータ５４の表面にはアルミナの被膜が形成されている。また、セパレータ５４は、厚さ方向に貫通する矩形状の開口部６４を中央部に有する略矩形枠状をなしている。さらに、セパレータ５４は、銀を含むロウ材を用いて燃料電池セル本体５５（固体電解質層８１）の外周部にロウ付けされている。

本実施の形態の燃料電池セル本体５５は、固体電解質層８１、空気極８２及び燃料極８３を備え、発電反応により電力を発生するようになっている。固体電解質層８１は、例えばイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）などのセラミック材料によって形成され、厚さ０．０１ｍｍの矩形板状をなしている。また、固体電解質層８１は、セパレータ５４の下面に固定されるとともに、セパレータ５４の開口部６４を塞ぐように配置されている。固体電解質層８１は、酸素イオン伝導性固体電解質体として機能するようになっている。

空気極８２は、固体電解質層８１の上面の中央部に貼付され、燃料電池セルスタック１０に供給された空気（酸化剤ガス）に接するようになっている。一方、燃料極８３は、固体電解質層８１の下面全体に貼付され、同じく燃料電池セルスタック１０に供給された燃料ガスに接するようになっている。即ち、空気極８２及び燃料極８３は、固体電解質層８１の両側に配置されている。空気極８２は、セパレータ５４の開口部６４内に配置され、セパレータ５４と接触しないようになっている。また、燃料極８３は、ニッケルとイットリア安定化ジルコニアとの混合物（Ｎｉ−ＹＳＺ）によって形成され、厚さ０．８ｍｍの平面視矩形状をなしている。

なお、本実施の形態の燃料電池セル１１では、燃料極フレーム５６の開口部６２、及びコネクタプレート６０等により、セパレータ５４の下方に燃料室１５が形成されるようになっている。燃料室１５内には、固体電解質層８１及び燃料極８３が収容されている。また、本実施の形態の燃料電池セル１１では、コネクタプレート５１、空気極フレーム５２の開口部６１、及び、絶縁フレーム５３の開口部６３等により、セパレータ５４の上方に空気室１６が形成されるようになっている。そして、空気極８２の表面側には、ニッケル合金等の金属材料からなる集電体６６が設置されるようになっている。その結果、空気極８２及びコネクタプレート５１は、集電体６６を介して電気的に接続されるようになる。

さらに、図２に示されるように、燃料電池セルスタック１０は、各燃料電池セル１１の燃料室１５に燃料ガスを供給する燃料供給経路７０と、燃料室１５から燃料ガスを排出する燃料排出経路７１とを備えている。燃料供給経路７０は、ガス流通用締結ボルト４２の中心部において軸方向に沿って延びる燃料供給孔７２と、燃料供給孔７２及び燃料室１５を連通させる燃料供給横孔７３とによって構成されている。また、燃料排出経路７１は、ガス流通用締結ボルト４２の中心部において軸方向に沿って延びる燃料排出孔７４と、燃料排出孔７４及び燃料室１５を連通させる燃料排出横孔７５とによって構成されている。よって、燃料ガスは、燃料供給孔７２及び燃料供給横孔７３を順番に通過して燃料室１５に供給され、燃料排出横孔７５及び燃料排出孔７４を順番に通過して燃料室１５から排出される。

また、燃料電池セルスタック１０は、各燃料電池セル１１の空気室１６に空気を供給する空気供給経路（図示略）と、空気室１６から空気を排出する空気排出経路（図示略）とを備えている。空気供給経路は、燃料供給経路７０と略同様の構造を有しており、ガス流通用締結ボルト４２の中心部において軸方向に沿って延びる空気供給孔（図示略）と、空気供給孔及び空気室１６を連通させる空気供給横孔（図示略）とによって構成されている。また、空気排出経路は、燃料排出経路７１と略同様の構造を有しており、ガス流通用締結ボルト４２の中心部において軸方向に沿って延びる空気排出孔（図示略）と、空気排出孔及び空気室１６を連通させる空気排出横孔（図示略）とによって構成されている。よって、空気は、空気供給孔及び空気供給横孔を順番に通過して空気室１６に供給され、空気排出横孔及び空気排出孔を順番に通過して空気室１６から排出される。

燃料電池セルスタック１０において、空気極フレーム５２、燃料極フレーム５６、セパレータ５４、コネクタプレート５１，６０などの平板状の金属部材（板状ワーク）は、レーザー溶接によって各々接合されている。図４には、セパレータ５４側から見た燃料極フレーム５６との溶接部位を示している。

図４に示されるように、セパレータ５４には中央部の開口部６４（貫通孔）に加えて、縁部に複数の貫通孔４０ａが形成されている。空気極フレーム５２、燃料極フレーム５６及びコネクタプレート５１，６０にも、同じ位置に複数の貫通孔４０ａが形成されている（図３参照）。各貫通孔４０ａは、締結ボルト４１やガス流通用締結ボルト４２を挿通させる貫通孔４０（図１及び図２参照）の一部を構成するものであり、円形状の貫通孔と楕円形状の貫通孔とを含む。

図４に示されるように、セパレータ５４の外周部には、燃料極フレーム５６との接合するために、レーザー溶接によるレーザー溶接痕１００が形成されている。さらに、セパレータ５４における各貫通孔４０ａの周囲にも、レーザー溶接によるレーザー溶接痕１１０が形成されている。外周部に形成されるレーザー溶接痕１００は、複数本（本実施の形態では４本）の分割レーザー溶接痕１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃ，１０１ｄにより構成されるとともに、それらは全体として閉回路形状をなしている。

図４及び図５に示されるように、各貫通孔４０ａの周囲に形成される各レーザー溶接痕１１０は、２本の分割レーザー溶接痕１１１ａ，１１１ｂにより構成されるとともに、それらは全体として貫通孔４０ａを包囲する閉回路形状をなしている。さらに、レーザー溶接痕１１０における分割レーザー溶接痕１１１ａ，１１１ｂは、互いに貫通孔４０ａの中心に対して点対称となる２箇所で交差している。また、セパレータ５４や燃料極フレーム５６において、レーザー溶接痕１１０の分割レーザー溶接痕１１１ａ，１１１ｂは、平面視で対称な位置に設けられている。

レーザー溶接痕１１０の各分割レーザー溶接痕１１１ａ，１１１ｂの端部は、閉回路形状の外側に曲がっているとともに、その曲がった端部には、分割レーザー溶接痕１１１ａ，１１１ｂ同士が所定角度（例えば４５°程度の角度）で交差するオーバーラップ領域Ｒ１が設けられている。

また、図４に示されるように、セパレータ５４の外周部に形成されるレーザー溶接痕１００においても、分割レーザー溶接痕１０１ａ〜１０１ｄの端部には、分割レーザー溶接痕同士が所定角度で交差するオーバーラップ領域Ｒ１が設けられている。これらオーバーラップ領域Ｒ１の溶接痕（分割レーザー溶接痕１０１ａ〜１０１ｄの端部）は、閉回路形状に対して内側に曲がっている。このように、オーバーラップ領域Ｒ１の溶接痕を曲げて分割レーザー溶接痕１０１ａ〜１０１ｄ，１１１ａ，１１１ｂの端部を確実に交差させることにより、閉回路形状をなす溶接部位の気密性が確保される。これにより、貫通孔４０ａから溶接部位を介して反応ガス等の漏れが生じないようになっている。

なお、図示しないがコネクタプレート５１，６０等にも燃料極フレーム５６などの他の部材と接合するために、レーザー溶接によるレーザー溶接痕１００，１１０が同様に形成されている。

上記のように構成した燃料電池１において、例えば、その燃料電池１を稼働温度に加熱した状態で、燃料供給経路７０から燃料室１５に燃料ガスを導入するとともに、空気供給経路から空気室１６に空気を供給する。その結果、燃料ガス中の水素と空気中の酸素とが固体電解質層８１を介して反応（発電反応）し、空気極８２を正極、燃料極８３を負極とする直流の電力が発生する。なお、本実施の形態の燃料電池セルスタック１０は、燃料電池セル１１を複数積層して直列に接続しているため、空気極８２に電気的に接続される上側エンドプレート１２が正極となり、燃料極８３に電気的に接続される下側エンドプレート１３が負極となる。

次に、燃料電池１の製造方法を説明する。

先ず、燃料電池セル１１を、従来周知の手法に従って形成する。具体的には、燃料極８３となるグリーンシート上に固体電解質層８１となるグリーンシートを積層し、焼成する。さらに、固体電解質層８１上に空気極８２の形成材料を印刷した後、焼成する。この時点で、燃料電池セル本体５５が形成される。

次に、ステンレスや鉄などの所定の金属材料からなる金属板を打ち抜くことにより、コネクタプレート５１，６０、空気極フレーム５２、燃料極フレーム５６及びセパレータ５４を形成する。また、マイカシートを所定形状に形成することにより、絶縁フレーム５３を形成する。具体的には、市販のマイカシート（マイカと成形用樹脂との複合体からなるシート）を切断して他の部材（空気極フレーム５２や燃料極フレーム５６など）と略同じ形状に形成する。

次に、セパレータ５４と燃料極フレーム５６とをレーザー溶接により接合する。このレーザー溶接は図６に示す溶接システム１２０を用いて行われる。本実施の形態の溶接システム１２０は、溶接治具装置１２１と、溶接治具装置１２１の上方に配置されるレーザー照射装置１２２と、溶接治具装置１２１を載置してその溶接治具装置１２１を水平方向に二次元的に移動させるＸ−Ｙテーブル１２３とを備えている。

本実施の形態の溶接治具装置１２１は、貫通孔４０ａを有する複数枚の板状ワーク（セパレータ５４や燃料極フレーム５６）を積層状態で保持し、貫通孔４０ａの周囲に形成されるレーザー溶接痕１００，１１０が閉じた経路となるよう閉回路形状の溶接部位に沿って板状ワーク同士を溶接するための治具装置である。

図６及び図７に示されるように、本実施の形態の溶接治具装置１２１は、第１治具部材１３１と、第２治具部材１３２と、第１治具部材１３１及び第２治具部材１３２を交互に装着可能に構成された固定治具部材１３３とを備える。固定治具部材１３３は、第１治具部材１３１または第２治具部材１３２との間にセパレータ５４及び燃料極フレーム５６を挟み込んだ状態で固定する。固定治具部材１３３には、第１治具部材１３１及び第２治具部材１３２のうち、いずれかの外周部をクランプするクランプ構造１３５が設けられている。クランプ構造１３５は、各治具部材１３１，１３２の外周部における各コーナー部及び各辺の中間点となる位置に対応して８箇所に設けられている。また、各治具部材１３１，１３２の外周部には、各コーナー部及び各辺の中間点となる位置に、クランプ構造１３５によってクランプされる凹部１３６がそれぞれ設けられている。さらに、各治具部材１３１，１３２の中央部には、作業者が手で持つための取っ手３７が設けられている。

第１治具部材１３１は、矩形板状に形成された治具部材であり、閉回路形状の溶接部位における一部を露呈させる第１開口部１４１を有する。第２治具部材１３２は、矩形板状に形成された治具部材であり、閉回路形状の溶接部位において、少なくとも第１開口部１４１による溶接部位以外の溶接部位を露呈させる第２開口部１４２を有する。つまり、第１治具部材１３１の第１開口部１４１は、閉回路形状のレーザー溶接痕１００，１１０を構成する一方の分割レーザー溶接痕１０１ａ，１０１ｃ，１１１ａを形成するための開口部であり、第２治具部材１３２の第２開口部１４２は、他方の分割レーザー溶接痕１０１ｂ，１０１ｄ，１１１ｂを形成するための開口部である。

図８に示されるように、第１治具部材１３１に形成される第１開口部１４１は、レーザーＬ１の照射側となる上側に向けて徐々に開口面積が大きくなるようテーパー状に形成されている。第２治具部材１３２に形成される第２開口部１４２も同様に、レーザーＬ１の照射側となる上側に向けて徐々に開口面積が大きくなるようテーパー状に形成されている。

そして、上記溶接治具装置１２１を用いてセパレータ５４と燃料極フレーム５６とを溶接する場合には、先ず第１治具部材１３１を用いた溶接工程を行う。具体的には、固定治具部材１３３上において、セパレータ５４と燃料極フレーム５６とを位置合わせした状態で積層配置する。さらに、第１治具部材１３１を固定治具部材１３３にセットした後、クランプ構造１３５によって第１治具部材１３１の外周部をクランプすることで、第１治具部材１３１と固定治具部材１３３との間にセパレータ５４及び燃料極フレーム５６を挟み込んだ状態で固定する。

その後、レーザー照射装置１２２を用い、所定の照射条件（例えば、出力が０．３ｋＷ、ビーム径が０．０６ｍｍ程度）にてレーザーＬ１を照射する。なお、レーザー照射装置１２２としては、例えば炭酸ガスレーザーやファーバーレーザーなどの照射装置が用いられる。また、このレーザーＬ１の照射時において、Ｘ−Ｙテーブル１２３を水平方向に移動させることにより、第１治具部材１３１における第１開口部１４１に沿ってセパレータ５４の溶接部位にレーザーＬ１を照射してセパレータ５４と燃料極フレーム５６とをレーザー溶接する（第１の溶接工程）。

次いで、クランプ構造１３５によるクランプを解除して第１治具部材１３１を固定治具部材１３３から取り外し、その第１治具部材１３１の代わりに第２治具部材１３２を固定治具部材１３３に装着する。その後、レーザー照射装置１２２からレーザーＬ１を照射するとともに、Ｘ−Ｙテーブル１２３を水平方向に移動させることで、第２治具部材１３２における第２開口部１４２に沿ってセパレータ５４の溶接部位にレーザーＬ１を照射してセパレータ５４と燃料極フレーム５６とをレーザー溶接する（第２の溶接工程）。この後、クランプ構造１３５によるクランプを解除して第２治具部材１３２を固定治具部材１３３から取り外す。さらに、レーザー溶接により接合されたセパレータ５４及び燃料極フレーム５６（燃料電池関連部品）を固定治具部材１３３から取り出す。

以上のようにレーザー溶接工程を２回に分けて行うことにより、図４に示されるようなレーザー溶接痕１００，１１０がセパレータ５４及び燃料極フレーム５６に形成される。

その後、燃料極フレーム５６等を接合したセパレータ５４を、ロウ付けによって燃料電池セル本体５５の固体電解質層８１に対して固定する。具体的には、固体電解質層８１とセパレータ５４とのそれぞれにロウ材を配置した後、大気雰囲気下で、例えば８５０〜１１００℃で加熱することでロウ材を溶融させて、固体電解質層８１とセパレータ５４とを接合する。

また、上記と同様の溶接治具装置１２１を用いたレーザー溶接工程を行い、燃料極フレーム５６の裏面側にコネクタプレート６０をレーザー溶接する。さらに、コネクタプレート６０（５１）や空気極フレーム５２などもレーザー溶接によって同様に接合する。

その後、上記のように接合したコネクタプレート５１、空気極フレーム５２、セパレータ５４、燃料電池セル本体５５、燃料極フレーム５６等や絶縁フレーム５３を複数積層して一体化することにより、燃料電池セルスタック１０を形成する。そして、燃料電池セルスタック１０の四隅にある４つの貫通孔４０に締結ボルト４１を挿通させ、燃料電池セルスタック１０の下面から突出する締結ボルト４１の下端部分にナット（図示略）を螺着させる。また、残り４つの貫通孔４０にガス流通用締結ボルト４２を挿通させ、燃料電池セルスタック１０の上面及び下面から突出するガス流通用締結ボルト４２の両端部分にナット４３を螺着させる。その結果、燃料電池セルスタック１０において各燃料電池セル１１が固定され、燃料電池１が完成する。

従って、本実施の形態によれば以下の効果を得ることができる。

（１）本実施の形態では、セパレータ５４や燃料極フレーム５６等を溶接するレーザー溶接痕１１０は、２本の分割レーザー溶接痕１１１ａ，１１１ｂにより構成されており、それら分割レーザー溶接痕１１１ａ，１１１ｂは互いに貫通孔４０ａの中心に対して点対称となる複数箇所で交差している。このようなレーザー溶接痕１１０を形成する場合、溶接部位における熱歪みが貫通孔４０ａの中心に対して対称となる。このため、セパレータ５４において、熱歪みに起因する力が釣り合うことにより、貫通孔４０ａが歪んだ形状になることが防止される。この結果、貫通孔４０ａ内に反応ガスが流れるときに従来のような不均一な乱れが抑制され、電池性能への悪影響を回避することができる。

（２）本実施の形態では、セパレータ５４において、各分割レーザー溶接痕１１１ａ，１１１ｂが平面視で対称な位置に設けられている。この場合、溶接部位における熱歪みがセパレータ５４における対称な位置で発生するため、各貫通孔４０ａが歪んだ形状になることを防止することができ、セパレータ５４を確実に溶接することができる。

（３）本実施の形態の場合、レーザー溶接痕１１０を構成する分割レーザー溶接痕１１１ａ，１１１ｂの端部は、閉回路形状の外側に曲がっているとともに、その曲がった端部には、分割レーザー溶接痕同士が所定角度で交差するオーバーラップ領域Ｒ１が設けられている。このようにすると、貫通孔４０ａの周囲において溶接部位が確実に閉じた形状となるため、燃料電池セルスタック１０において各貫通孔４０（４０ａ）の周囲の気密性を確実に確保することができる。

（４）本実施の形態では、被レーザー溶接物となる板状ワークとして、厚さが１００μｍ程度のセパレータ５４を含んでいる。このセパレータ５４は強度が弱いため、レーザー溶接による歪みが生じ易いが、本実施の形態のように貫通孔４０ａの中心に対して点対称となるように複数箇所で分割レーザー溶接痕１１１ａ，１１１ｂを交差させることで、貫通孔４０ａが歪んだ形状になることを防止することができる。

（５）本実施の形態の場合、レーザーＬ１の溶接部位にある分割レーザー溶接痕１１１ａ，１１１ｂがなだらかな曲線形状となっているので、レーザー溶接をスムーズに行うことができ、溶接部位を均一な強度で接合することができる。

なお、本発明の各実施の形態は以下のように変更してもよい。

・上記実施の形態において、各貫通孔４０ａの周囲に形成されるレーザー溶接痕１１０は、２本の分割レーザー溶接痕１１１ａ，１１１ｂにより構成されていたが、３本以上の複数本の分割レーザー溶接痕によって構成されるものであってもよい。例えば、図９に示されるレーザー溶接痕１６０のように、３本の分割レーザー溶接痕１６１ａ，１６１ｂ，１６１ｃにより構成されるものでもよいし、図１０に示されるレーザー溶接痕１６２のように、４本の分割レーザー溶接痕１６３ａ，１６３ｂ，１６３ｃ，１６３ｄにより構成されるものでもよい。図９の分割レーザー溶接痕１６１ａ〜１６１ｃや図１０の分割レーザー溶接痕１６３ａ〜１６３ｄも、上記実施の形態と同様に、互いに貫通孔４０ａの中心に対して点対称となる複数個所で交差している。具体的には、図９のレーザー溶接痕１６０において、分割レーザー溶接痕１６１ａ〜１６１ｃの端部には、分割レーザー溶接痕同士が所定角度で交差するオーバーラップ領域Ｒ１が設けられている。そして、このレーザー溶接痕１６０におけるオーバーラップ領域Ｒ１は、貫通孔４０ａの中心に対して１２０°の角度間隔で設けられている。また、図１０のレーザー溶接痕１６２において、分割レーザー溶接痕１６３ａ〜１６３ｄの端部には、分割レーザー溶接痕同士が所定角度で交差するオーバーラップ領域Ｒ１が設けられている。そして、このレーザー溶接痕１６２におけるオーバーラップ領域Ｒ１は、貫通孔４０ａの中心に対して９０°の角度間隔で設けられている。

図９や図１０のようにレーザー溶接痕１６０，１６２を形成した場合でも、熱歪みに起因する力が釣り合うことにより、貫通孔４０ａが歪んだ形状になることが防止される。この結果、貫通孔４０ａ内に反応ガスが流れるときに従来のような不均一な乱れが抑制され、電池性能への悪影響を回避することができる。また、各分割レーザー溶接痕１６１ａ〜１６１ｃ，１６３ａ〜１６３ｄがなだらかな曲線形状となっているので、レーザー溶接をスムーズに行うことができ、溶接部位を均一な強度で接合することができる。

・上記実施の形態では、セパレータ５４及び燃料極フレーム５６などの板状ワークに形成される各貫通孔４０ａは円形状や楕円形状であったが、三角形状や四角形状の多角形状の貫通孔であってもよい。この場合、それら各貫通孔の形状に合わせて、その周囲に形成されるレーザー溶接痕の形状を適宜変更してもよい。

・上記実施の形態では、中央に開口部６４，６２（貫通孔）を有する略矩形枠状のセパレータ５４及び燃料極フレーム５６において、外周部に位置する溶接部位に沿ってレーザー溶接するものであったが、これに限定されるものではない。例えば、セパレータ５４及び燃料極フレーム５６において、外周部に加えて内周部に位置する溶接部位に沿ってレーザー溶接してもよい。

・上記実施の形態では、セパレータ５４及び燃料極フレーム５６などの２枚の板状ワークをレーザー溶接するものであったが、３枚以上の板状ワークを同時にレーザー溶接してもよい。

・上記各実施の形態において、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を構成する部品（燃料電池関連部品）に本発明を適用するものであったが、他の燃料電池を構成する部品に本発明を適用してもよい。

次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した実施の形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。

（１）手段１において、前記貫通孔は、流体を通過させる貫通孔であることを特徴とする燃料電池関連部品。

（２）技術的思想（１）において、前記流体は、燃料電池の反応ガスであることを特徴とする燃料電池関連部品。

（３）手段１において、複数枚の前記板状ワークのうちのいずれかは、厚さが５００μｍ以下のセパレータであることを特徴とする燃料電池関連部品。

（４）手段１において、複数枚の前記板状ワークは、中央に貫通孔を有する枠状に形成され、複数枚の前記板状ワークの外周部及び内周部に位置する前記溶接部位に沿ってレーザー溶接することを特徴とする燃料電池関連部品。

４０ａ…貫通孔
５１，６０…板状ワークとしてのコネクタプレート
５２…板状ワークとしての空気極フレーム
５４…板状ワークとしてのセパレータ
５６…板状ワークとしての燃料極フレーム
１１０，１６０，１６２…レーザー溶接痕
１１１ａ，１１１ｂ，１６１ａ〜１６１ｃ，１６３ａ〜１６３ｄ…分割レーザー溶接痕
１２１…溶接治具装置
１３１…第１治具部材
１３２…第２治具部材
１３３…固定治具部材
１４１…第１開口部
１４２…第２開口部
Ｌ１…レーザー
Ｒ１…オーバーラップ領域

Claims

１つ以上の貫通孔を有する複数枚の板状ワークを積層配置し、前記貫通孔の周囲に形成されるレーザー溶接痕が閉じた経路となるよう閉回路形状の溶接部位に沿って前記板状ワーク同士をレーザー溶接することで製造される燃料電池関連部品であって、
前記レーザー溶接痕は、複数本の分割レーザー溶接痕により構成されるとともに、前記分割レーザー溶接痕は全体として前記貫通孔を包囲する閉回路形状をなし、かつ互いに前記貫通孔の中心に対して点対称となる複数箇所で交差している
ことを特徴とする燃料電池関連部品。
前記板状ワークにおいて、複数本の前記分割レーザー溶接痕が平面視で対称な位置に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池関連部品。
前記分割レーザー溶接痕の端部は、前記閉回路形状の外側に曲がっているとともに、その曲がった端部には、前記分割レーザー溶接痕同士が所定角度で交差するオーバーラップ領域が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池関連部品。
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池関連部品を製造する製造方法であって、
前記閉回路形状の溶接部位における一部を露呈させる第１開口部を有する第１治具部材と固定治具部材との間に複数枚の前記板状ワークを挟み込んだ状態で固定した後、前記第１治具部材における前記第１開口部に沿って前記溶接部位にレーザーを照射して溶接する第１の溶接工程と、
前記閉回路形状の溶接部位において、少なくとも前記第１開口部による溶接部位以外の溶接部位を露呈させる第２開口部を有する第２治具部材を前記第１治具部材に代えて前記固定治具部材に装着した後、前記第２治具部材における前記第２開口部に沿って前記溶接部位にレーザーを照射して溶接する第２の溶接工程と
を含むことを特徴とする燃料電池関連部品の製造方法。