JP2021051857A - 燃料電池の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】溶接ビードに凹凸が発生することを抑制できる技術を提供する。【解決手段】一対のセパレータと前記一対のセパレータに隣接する膜電極拡散層接合体とを有する燃料電池の製造方法では、それぞれ、膜電極拡散層接合体に対向する面に、面方向に波打つように形成された複数の凸条部を有する一対のセパレータを用意し、一対のセパレータの凸条部同士を、断続的に複数の位置において、一度のレーザ照射で予め定めた長さをレーザ溶接することにより、一対のセパレータの間に冷却液を流すための流路を形成する溶接工程を含む。【選択図】図３

Description

本開示は、燃料電池の製造方法に関する。
燃料電池として、一対のセパレータと、膜電極拡散層接合体（ＭＥＧＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ｇａｓｓ−ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ−ｌａｙｅｒ Ａｓｓｅｍｂｌｙ））と、を備えるものが知られている。
特開２００９−９９２５８号公報
セパレータ間の電気抵抗を低減させるため、例えば、セパレータに対して接触抵抗を低減するための表面処理を施すことが考えられる。しかし、一般に、表面処理は煩雑な処理であり、製造コストが増加することも否めない。そこで、本願発明者らは、ＭＥＧＡに対応するセパレータ同士の領域を特許文献１のようにレーザ溶接することを検討した。ところが、溶接箇所においてレーザを線状に走査すると、溶接の開始点と終了点とでキーホール周辺の溶接プールに乱れが生じ、溶接ビードに凹凸が発生する。
本開示は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
（１）本開示の一形態によれば、一対のセパレータと前記一対のセパレータに隣接する膜電極拡散層接合体とを有する燃料電池の製造方法が提供される。この製造方法は、それぞれ、前記膜電極拡散層接合体に対向する面に、面方向に波打つように形成された複数の凸条部を有する前記一対のセパレータを用意し、前記一対のセパレータの前記凸条部同士を、断続的に複数の位置において、一度のレーザ照射で予め定めた長さをレーザ溶接することにより、前記一対のセパレータの間に冷却液を流すための流路を形成する溶接工程を含む。この形態の製造方法によれば、一度のレーザ照射で予め定めた長さをレーザ溶接することによって断続的にセパレータ同士を溶接するため、レーザを走査しつつ溶接箇所を溶接するよりも溶融プールが乱れることを抑制でき、溶接ビードに凹凸が発生することを抑制できる。
（２）上記形態の製造方法において、前記溶接工程に先立ち、前記一対のセパレータを重ねて押圧する押圧工程を備えてもよい。この形態の製造方法によれば、一対のセパレータを重ねて押圧し、セパレータ間の隙間を小さくしてから溶接を行うため、より効果的に溶接不良を抑制でき、溶接ビードに凹凸が発生することを抑制できる。
（３）上記形態の製造方法において、前記押圧工程では、前記溶接工程における前記溶接箇所に対応する箇所に溶接のための開口部を備えた加圧治具を用いて前記一対のセパレータを加圧し、前記溶接工程では、前記加圧治具によって加圧した状態で、前記開口部を通じてワンショットレーザ溶接を行ってもよい。この形態の製造方法によれば、加圧治具によって一対のセパレータを加圧し、一対のセパレータ間の隙間を小さくした状態でレーザ溶接を行えるため、燃料電池の厚みがばらつくことを抑制できる。
（４）上記形態の製造方法において、前記押圧工程では、前記開口部を通じて前記溶接箇所に対してポンチ処理を行ってもよい。この形態の製造方法によれば、溶接箇所に対してポンチを行うため、溶接箇所におけるセパレータ間の隙間をより効果的に小さくでき、燃料電池の厚みがばらつくことを抑制できる。
（５）上記形態の製造方法において、前記溶接工程において、前記流路に沿った方向における一溶接あたりの溶接長さは、前記流路方向に沿った方向に垂直な方向おける前記凸条部の幅よりも長くてもよい。この形態の製造方法によれば、溶接工程において、流路に沿った方向における溶接の長さは、流路に沿った方向に垂直な方向における凸条部の幅よりも長いため、少ない溶接点数で一対のセパレータ同士の接触抵抗を小さくすることができる。
なお、本開示は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、上記形態の製造方法で製造された燃料電池や、この燃料電池を含んで構成される燃料電池スタック等の態様で実現することが可能である。
燃料電池の説明図である。 図１をＩＩ−ＩＩラインで切断した断面模式図である。 燃料電池の製造方法の一例を示す工程図である。 溶接工程の説明図である。 溶接工程における溶接の長さの説明図である。 第２実施形態における、燃料電池の製造方法の一例を示す工程図である。 加圧治具の説明図である。 加圧治具の他の説明図である。 第３実施形態における、セパレータの押圧工程の説明図である。
Ａ．第１実施形態：
図１は、本開示の一実施形態における製造方法で製造される燃料電池１００の説明図である。図２は、図１をＩＩ−ＩＩラインで切断した断面模式図である。図１には互いに直行するｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を示している。ｘ軸は燃料電池１００の短手方向に沿った方向であり、ｙ軸は燃料電池１００の長手方向に沿った方向であり、ｚ軸は燃料電池１００の積層方向に沿った方向である。これらの軸は図２以降に示す軸に対応している。
燃料電池１００は、反応ガスとして水素と酸素の供給を受けて発電する固体高分子形の燃料電池である。図２に示すように、燃料電池１００は、膜電極拡散層接合体１０と、一対のセパレータ２０ａ、２０ｂとを備える。膜電極拡散層接合体１０は、膜電極接合体（ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ））１１と、ガス拡散層１２とを備える。膜電極拡散層接合体１０の周囲には樹脂シート１５が接合されている。
膜電極接合体１１は、電解質膜と、電解質膜の両面にそれぞれ隣接して形成された触媒層とを備える。電解質膜は湿潤状態において良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜である。電解質膜は、例えば、フッ素系樹脂のイオン交換膜によって構成される。触媒層は水素と酸素の化学反応を促進する触媒と、触媒を担持したカーボン粒子とを備える。
ガス拡散層１２は、膜電極接合体１１のそれぞれの触媒層側の面に隣接して設けられている。ガス拡散層１２は、電極反応に用いられる反応ガスを電解質膜の面方向に沿って拡散させる層であり、多孔質の拡散層用基材により構成されている。拡散層用基材としては、炭素繊維基材や黒鉛繊維基材、発砲金属など、導電性及びガス拡散性を有する多孔質の基材が用いられる。
一対のセパレータ２０ａ、２０ｂは、膜電極拡散層接合体１０に隣接して配置される。本実施形態では、セパレータ２０ａが膜電極拡散層接合体１０に隣接して配置され、セパレータ２０ｂがセパレータ２０ａに隣接して配置され、この順で配置された一組の膜電極拡散層接合体１０とセパレータ２０ａとセパレータ２０ｂとを複数重ねることで燃料電池スタックが構成される。なお、燃料電池スタックの両端部は、セパレータは１枚のみ配置される。
セパレータ２０ａ、２０ｂは例えば、ステンレス鋼やチタン、あるいはそれらの合金からなる金属板を凹凸形状にプレス成形することによって形成されている。セパレータ２０ａおよびセパレータ２０ｂはそれぞれ対向する面に、面方向に波打つように形成された複数の凸条部２１と凹条部２２とを有する。本実施形態において、セパレータ２０ａおよびセパレータ２０ｂは、両側の面に凸条部２１と凹条部２２とを有するが、片側の面のみに凸条部２１と凹条部２２とを有してもよい。面方向に波打つとは、本実施形態において、所定の周期のうねりが面方向に生じていることをいう。図１に示すように、凸条部２１および凹条部２２は、ｙ軸方向に沿って延びており、ｘ軸方向に交互に並んでいる。以下、セパレータ２０ａとセパレータ２０ｂとをまとめてセパレータ２０という。
膜電極拡散層接合体１０に対向する一対のセパレータ２０同士の間には、流路２３が形成される。より具体的には、セパレータ２０ａの凸条部２１とセパレータ２０ｂの凸条部２１同士が隣接するように複数の溶接部２４が溶接されて、セパレータ２０同士の間に波形状の流路２３が形成される。本実施形態において、セパレータ２０ａの凸条部２１とセパレータ２０ｂの凸条部２１とは対向して当接するように溶接される。溶接部２４は、セパレータ２０をｚ軸方向に沿って見たときにセパレータ２０ａとセパレータ２０ｂとの凸条部２１同士が重なる箇所である。
流路２３は、冷却液が流通する流路である。また、ガス拡散層１２とセパレータ２０との間には、反応ガスが流通するガス流路２５、２６が形成される。ガス流路２５、２６を流通する反応ガスが膜電極拡散層接合体１０で反応して、電極反応が起こる。
図３は、本実施形態における燃料電池の製造方法の一例を示す工程図である。本実施形態の燃料電池の製造では、まず、ステップＳ１００において一対のセパレータ２０を配置する。より具体的には、それぞれ、膜電極拡散層接合体１０に対向する面に、面方向に波打つように形成された複数の凸条部２１を有する一対のセパレータ２０ａ、２０ｂを用意し、セパレータ２０ａの凸条部２１とセパレータ２０ｂの凸条部２１同士が隣接し、流路２３を形成するように重ねて配置する。
次に、ステップＳ１１０において、溶接部２４の溶接を行う。より具体的には、一対のセパレータ２０の凸条部２１同士を、断続的に複数の溶接箇所においてレーザ溶接をする。本実施形態において、セパレータ２０ａ側から溶接を行うが、これに限らず、セパレータ２０ｂ側から溶接を行ってもよく、両側から溶接を行ってもよい。
図４は、溶接工程の説明図である。本実施形態ではレーザ光源３００から射出されたライン状のレーザ光の照射位置をガルバノスキャナ３１０によってｘ軸方向やｙ軸方向に変更しつつ、断続的に複数の位置に予め定めた長さをワンショットで溶接する。つまり、本実施形態では、溶接の形状が丸形状であるスポット溶接を連続して予め定められた長さ分溶接するのではなく、予め定められた長さを有する形状をビーム成形により１度のレーザ照射で溶接する。以下ではこのような溶接を「ワンショットレーザ溶接」ともいう。レーザ溶接は、例えば、１箇所の溶接部２４につき、３．５ｋｗで１．４ｍｓｅｃレーザを照射して行う熱伝導型の溶接である。
図５は、溶接工程における溶接の長さの説明図である。予め定めた長さである溶接の長さＬ１は、溶接処理において、ズレが許容できる長さである。ズレが許容できる長さとは、セパレータ２０ａとセパレータ２０ｂとを重ね合わせたときに、凸条部２１同士の少なくとも一部が重なり、一方の凸条部２１が他方の凹条部２２にはまり込まない長さである。長さＬ１は、例えば、２ｍｍ程度である。本実施形態では、流路２３に沿った方向（ｙ軸方向）における一溶接あたりの溶接の長さＬ１が、流路２３に沿った方向に垂直な方向（ｘ軸方向）における凸条部２１の幅Ｌ２よりも長くなるように溶接を行う。「凸条部２１の幅」とは、凸条部２１の先端面同士が重なる部分の内側の幅である。また、流路２３に沿った方向に垂直な方向（ｘ軸方向）における溶接幅の長さＬ３は、幅Ｌ２よりも短く、例えば、０．１ｍｍである。
最後に、ステップＳ１２０（図３）において、ステップＳ１１０で溶接した一対のセパレータ２０の上に膜電極拡散層接合体１０を載置する。より具体的には、膜電極拡散層接合体１０の周囲に接合された樹脂シート１５を、接着用樹脂を介して、セパレータ２０に熱接着する。
以上で説明した本実施形態の燃料電池の製造方法によれば、１度のレーザ照射で予め定められた長さをレーザ溶接することによって断続的にセパレータ２０同士を溶接するため、レーザを走査しつつ溶接箇所を溶接するよりも溶融プールが乱れることを抑制でき、溶接ビードに凹凸が発生することを抑制できる。また、セパレータ２０同士の間に隙間があった場合でも、熱伝導型のレーザ溶接であり、溶融プールの体積が増加するため、溶接するセパレータ２０の表面と溶融プールとが溶滴によって繋がる。そのため、溶接ビードに凹凸が発生することを抑制できる。この結果、溶接部２４に生じた凹凸によって生じる、ガス流路２５、２６内において反応ガスの流れの阻害を抑制できる。
また、流路２３に沿った方向における溶接の長さＬ１は、流路２３に沿った方向に垂直な方向における凸条部２１の幅Ｌ２、つまり流路２３の幅Ｌ２よりも長いため、少ない溶接箇所で一対のセパレータ２０同士の接触抵抗を小さくすることができる。なお、本実施形態では溶接の長さＬ１を凸条部２１の幅Ｌ２よりも長くしたが、セパレータ２０間に求められる接触抵抗に応じて、各寸法は任意に変更可能である。例えば、溶接箇所の形状は、円形や楕円であってもよい。
Ｂ．第２実施形態：
図６は、第２実施形態における、燃料電池の製造方法の一例を示す工程図である。第２実施形態の燃料電池の製造方法は、ステップＳ１００（図３）の後、つまり、ステップＳ１１０の溶接工程に先立ち、セパレータ２０同士を重ねて押圧する押圧工程を行う点が第１実施形態と異なり、他の工程は第１実施形態と同じである。第２実施形態の燃料電池の構成は、第１実施形態の燃料電池の構成と同一であるため、燃料電池の構成の説明は省略する。
第２実施形態では、ステップＳ１０５（図６）において、ステップＳ１００で重ねた一対のセパレータ２０を押圧する押圧処理をおこなう。より具体的には、例えば、加圧治具を用いて、一対のセパレータ２０を重ねて加圧して、セパレータ２０ａの凸条部２１とセパレータ２０ｂの凸条部２１との隙間を小さくする。
図７および図８は、本実施形態における加圧治具２００の説明図である。図７に示すように、加圧治具２００は、セパレータ２０の溶接箇所である溶接部２４に対応する箇所に、溶接のための開口部２０１を有している。また、図８に示すように、第２実施形態において、ステップＳ１１０（図６）の溶接処理は、加圧治具２００によってセパレータ２０同士を押圧したまま、開口部２０１からレーザ照射によって溶接を行う。
以上で説明した本実施形態の燃料電池の製造方法によれば、溶接工程に先立ち、セパレータ２０同士を重ねて加圧し、セパレータ２０間の隙間を小さくしてから溶接を行う。そのため、より効果的に溶接不良を抑制できるため、溶接ビードに凹凸が発生することを抑制できる。また、加圧治具２００によって加圧したまま、開口部２０１から溶接を行うことができる。そのため、一対のセパレータ２０間の隙間を小さくした状態でワンショットレーザ溶接を行えるため、燃料電池の厚みがばらつくことを抑制できる。
Ｃ．第３実施形態：
図９は、第３実施形態における、セパレータ２０の押圧工程の説明図である。第３実施
実施形態の燃料電池の製造方法は、ステップＳ１０５（図６）の押圧工程において、加圧治具２００の開口部２０１を通じて溶接箇所に対してポンチ処理を行う点が第２実施形態と異なり、他の工程は第２実施形態と同じである。第３実施形態の燃料電池の構成は、第１実施形態の燃料電池の構成と同一であるため、燃料電池の構成の説明は省略する。
第３実施形態では、ステップＳ１０５において、加圧治具２００を用いてセパレータ２０に圧力を加えながら、開口部２０１を通じて溶接部２４をポンチで加圧する。本実施形態では、図９に示すように、凹部を有する受け部材２１０をセパレータ２０ｂ側に配置し、凸部を有するポンチ部材２２０をセパレータ２０ａ側から押し当てて、全ての溶接部２４を同時に加圧する。なお、ポンチは同時に行うことに限られず、１箇所以上の溶接部２４毎に行ってもよい。ポンチで加工した後には、ステップＳ１１０において、ポンチした部分をレーザ溶接する。
以上で説明した本実施形態の燃料電池の製造方法によれば、押圧工程では、加圧治具２００の開口部２０１を通じて溶接部２４に対してポンチ処理を行うため、より効果的に、一対のセパレータ２０間の隙間を小さくすることができる。そのため、燃料電池の厚みがばらつくことを抑制できる。
Ｄ．その他の実施形態
（Ｄ１）上記実施形態において、ステップＳ１１０（図３）におけるワンショットレーザ溶接は、ガルバノスキャナ３１０を用いて断続的に複数の溶接箇所を溶接している。この代わりに、レーザ光源３００自体を移動させて、断続的に複数の溶接箇所を溶接してもよい。
（Ｄ２）第２実施形態において、ステップＳ１１０（図６）におけるワンショットレーザ溶接は、開口部２０１が設けられた加圧治具２００を用いて加圧を行いつつ溶接している。この代わりに、開口部２０１が設けられていない加圧治具２００を用いて押圧工程を行い、その後加圧治具２００を取り外して溶接工程を行ってもよい。
本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述した課題を解決するために、あるいは上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜削除することが可能である。
１０…膜電極拡散層接合体、１１…膜電極接合体、１２…ガス拡散層、１５…樹脂シート、２０、２０ａ、２０ｂ…セパレータ、２１…凸条部、２２…凹条部、２３…流路、２４…溶接部、２５、２６…ガス流路、１００…燃料電池、２００…加圧治具、２０１…開口部、２１０…受け部材、２２０…ポンチ部材、３００…レーザ光源、３１０…ガルバノスキャナ

Claims (5)

  1. 一対のセパレータと前記一対のセパレータに隣接する膜電極拡散層接合体とを有する燃料電池の製造方法であって、
    それぞれ、前記膜電極拡散層接合体に対向する面に、面方向に波打つように形成された複数の凸条部を有する前記一対のセパレータを用意し、
    前記一対のセパレータの前記凸条部同士を、断続的に複数の溶接箇所において、１度のレーザ照射で予め定めた長さをレーザ溶接することにより、前記一対のセパレータの間に冷却液を流すための流路を形成する溶接工程を含む、燃料電池の製造方法。
  2. 請求項１に記載の燃料電池の製造方法であって、
    前記溶接工程に先立ち、前記一対のセパレータを重ねて押圧する押圧工程を備える、燃料電池の製造方法。
  3. 請求項２に記載の燃料電池の製造方法であって、
    前記押圧工程では、前記溶接工程における前記溶接箇所に対応する箇所に溶接のための開口部を備えた加圧治具を用いて前記一対のセパレータを加圧し、
    前記溶接工程では、前記加圧治具によって加圧した状態で、前記開口部を通じてレーザ溶接を行う、燃料電池の製造方法。
  4. 請求項３に記載の燃料電池の製造方法であって、
    前記押圧工程では、前記開口部を通じて前記溶接箇所に対してポンチ処理を行う、燃料電池の製造方法。
  5. 請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の燃料電池の製造方法であって、
    前記溶接工程において、前記流路に沿った方向における一溶接あたりの溶接の長さは、前記流路に沿った方向に垂直な方向における前記凸条部の幅よりも長い、燃料電池の製造方法。
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