JP2022150046A - 燃料電池セルの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高い接着力でセパレータを樹脂部材に接着する。【解決手段】燃料電池セルの製造方法であって、レーザ照射工程と接着工程を有する。前記レーザ接着工程では、金属板と前記金属板の表面を覆う炭素膜とを有するセパレータの前記炭素膜にレーザを照射することによって、前記レーザの照射範囲内において前記炭素膜を除去して前記金属板を露出させる。前記接着工程では、前記金属板が露出した範囲の少なくとも一部を含む範囲で前記セパレータを樹脂部材に接着する。【選択図】図３

Description

本明細書に開示の技術は、燃料電池セルの製造方法に関する。

特許文献１に開示の燃料電池セルは、一対のセパレータの間に樹脂フレーム（樹脂シートともいう）が挟まれて固定された構造を有している。各セパレータは、樹脂フレームに接着されている。樹脂フレームは貫通孔を有しており、一対のセパレータが貫通孔を覆っている。貫通孔内に膜／電極接合体が配置されている。また、一方のセパレータの裏面（樹脂フレームに接着されている表面とは反対側の表面）には、ガスケットが接着されている。

特開２０１８－１２９２１３号公報

引用文献１の燃料電池セルでは、セパレータの表面が炭素膜に覆われている。すなわち、セパレータが、金属板とその表面を覆う炭素膜によって構成されている。このため、炭素膜が樹脂フレームやガスケット等の樹脂部材に接着されている。炭素膜に対して樹脂部材を接着する場合には、高い接着力で接着することは困難である。

また、セパレータを、表面に金属板が露出した構造（すなわち、表面が炭素膜に覆われていない構造）とすることもできる。この種のセパレータでは、セパレータの表面に汚れ（例えば、金属板を加工する際に用いる潤滑油等）が付着している場合がある。セパレータにレーザを照射することで金属板の表面の汚れを除去し、その後にセパレータを樹脂部材に接着することができる。しかしながら、セパレータ（すなわち、金属板）が光沢を有するため、レーザがセパレータ表面で反射し易く、セパレータにレーザが吸収され難い。
このため、セパレータの表面の汚れを十分に除去することが困難である。したがって、セパレータを樹脂部材に高い接着力で接着することが困難である。

以上に説明したように、従来の燃料電池セルでは、セパレータを樹脂部材に高い強度で接着することが困難である。このため、燃料電池セルで生じる圧力（各種のガスの圧力や冷媒の圧力）によってセパレータと樹脂部材の接着部が剥離し易いという問題がある。本明細書では、高い接着力でセパレータを樹脂部材に接着することが可能な燃料電池セルの製造方法を提案する。

本明細書が開示する燃料電池セルの製造方法は、レーザ照射工程と接着工程を有する。
前記レーザ照射工程では、金属板と前記金属板の表面を覆う炭素膜とを有するセパレータの前記炭素膜にレーザを照射することによって、前記レーザの照射範囲内において前記炭素膜を除去して前記金属板を露出させる。前記接着工程では、前記金属板が露出した範囲の少なくとも一部を含む範囲で前記セパレータを樹脂部材に接着する。

なお、炭素膜は、単体の炭素を含む膜であれば、どのような膜であってもよい。

レーザ照射工程では、レーザの照射範囲内の炭素膜を除去する。炭素膜はレーザを吸収し易い。したがって、レーザ照射工程では、照射範囲内の炭素膜が容易に温度上昇し、炭素膜を容易に除去することができる。また、炭素膜が温度上昇し易いので、金属板の表面に汚れが存在している場合には、炭素膜とともに汚れが除去される。このため、汚れが少ない状態で金属板を露出させることができる。このため、接着工程において、露出した範囲の金属板を樹脂部材に高い接着力で接着することができる。このように、この製造方法によれば、高い接着力でセパレータを樹脂部材に接着することができる。

燃料電池スタックの斜視図。 燃料電池セルの分解斜視図。 燃料電池セルの断面図（図４～６のＩＩＩ－ＩＩＩ線における断面図）。 セパレータ４０の表面４０ｂの平面図。 セパレータ５０の表面５０ａの平面図。 セパレータ４０の表面４０ａの平面図。 積層された燃料電池セルの断面図。 炭素膜を形成する工程の説明図。 レーザ照射工程の説明図。 樹脂フレーム接着工程の説明図。 樹脂フレーム接着工程の説明図。 炭素膜の有無による剥離強度の差を示すグラフ。 実施例２の樹脂フレーム接着工程の説明図。 実施例２の樹脂フレーム接着工程の説明図。 オフセットの有無による剥離強度の差を示すグラフ。 範囲４０ｓ、５０ｓの幅を拡大した場合の断面図。 実施例３のレーザ照射工程の説明図。 接触角と親水性の関係の説明図。 レーザインフルエンスと接触角の関係の説明図。 第４実施例の効果を示すグラフ。

本明細書が開示する電動車両の技術要素を、以下に列記する。なお、以下の各技術要素は、それぞれ独立して有用なものである。

本明細書が開示する一例の製造方法においては、前記樹脂部材が、貫通孔を有する樹脂フレームであってもよい。前記製造方法が、前記貫通孔内に膜／電極接合体を配置する工程をさらに有していてもよい。前記接着工程では、前記セパレータによって前記貫通孔を塞ぐように前記セパレータを前記樹脂フレームに接着してもよい。なお、セパレータの貫通孔内に膜／電極接合体を配置する工程は、接着工程の前に行ってもよいし、接着工程の後に行ってもよいし、接着工程と同時に行ってもよい。

この構成によれば、セパレータを樹脂フレームに高い接着力で接着することができる。

本明細書が開示する一例の製造方法においては、前記セパレータを前記樹脂フレームに接着するときに、前記セパレータと前記樹脂フレームの界面にガス流路が形成されてもよい。前記レーザ照射工程と前記接着工程を、・前記レーザの照射範囲が前記ガス流路から離れて配置されるとともに前記ガス流路に沿って伸びる、・前記セパレータを前記樹脂フレームに接着する接着範囲が前記ガス流路から離れて配置されるとともに前記ガス流路に沿って伸びる、・前記照射範囲の中心軸が前記接着範囲の中心軸よりも前記ガス流路に近い位置に配置される、という条件を満たすように実行してもよい。

この構成によれば、レーザの照射範囲の幅を狭くしても、接着箇所に高い接着強度を付与することができる。また、レーザの照射範囲の幅を狭くすることで、短時間でレーザ照射工程を行うことが可能となる。

本明細書が開示する一例の製造方法においては、前記セパレータを前記樹脂フレームに接着するときに、前記セパレータと前記樹脂フレームの界面にガス流路が形成されてもよい。前記接着工程では、金型によって前記セパレータを前記樹脂フレームに向けて加圧しながら加圧範囲を加熱することで、記加圧範囲内で前記セパレータを前記樹脂フレームに接着してもよい。前記レーザ照射工程と前記接着工程を、・前記レーザの照射範囲が前記ガス流路から離れて配置されるとともに前記ガス流路に沿って伸びる、・前記加圧範囲が前記ガス流路から離れて配置されるとともに前記ガス流路に沿って伸びる、・前記照射範囲の中心軸が前記加圧範囲の中心軸よりも前記ガス流路に近い位置に配置される、という条件を満たすように実行してもよい。

この構成によれば、レーザの照射範囲の幅を狭くしても、接着箇所に高い接着強度を付与することができる。また、レーザの照射範囲の幅を狭くすることで、短時間でレーザ照射工程を行うことが可能となる。

本明細書が開示する一例の製造方法においては、前記樹脂部材が、ガスケットであってもよい。前記セパレータが、前記炭素膜に覆われた第１表面と、前記第１表面の反対側に位置する第２表面を有していてもよい。前記レーザ照射工程では、前記第１表面に前記レーザを照射してもよい。前記接着工程では、前記第１表面を前記ガスケットに接着してもよい。前記製造方法が、貫通孔を有する樹脂フレームの前記貫通孔内に膜／電極接合体を配置する工程と、前記貫通孔を前記セパレータによって塞ぐように前記第２表面を前記樹脂フレームに接着する工程をさらに有していてもよい。

なお、貫通孔内に膜／電極接合体を配置する工程、及び、第２表面を樹脂フレームに接着する工程は、レーザ照射工程の前に行われてもよいし、レーザ照射工程の後に行われてもよいし、接着工程の後に行われてもよい。

この構成によれば、セパレータをガスケットに高い接着力で接着することができる。

本明細書が開示する一例の製造方法においては、前記レーザ照射工程におけるレーザフルエンスが１００ｍＪ／ｍｍ２以下であってもよい。前記接着工程では、前記照射範囲内の前記金属板の表面に接着硬化剤または接着促進剤を塗布した後に前記セパレータを前記樹脂部材に接着してもよい。

レーザ照射工程におけるレーザフルエンスを１００ｍＪ／ｍｍ２以下とすることで、照射範囲内の金属板の表面（すなわち、露出した表面）にポーラス組織を形成することができる。このため、照射範囲内の金属板の表面に接着硬化剤または接着促進剤を塗布すると、ポーラス組織に接着硬化剤または接着促進剤を浸透させることができる。このため、接着工程において、金属板の表面から接着硬化剤または接着促進剤に移動することを抑制でき、金属板を樹脂部材により適切に接着することができる。

本明細書が開示する一例の製造方法においては、前記レーザ照射工程において、炭素膜を除去する第１のレーザ照射を行った後、前記第１のレーザ照射を行った領域の一部または全部に対して、第１のレーザ照射よりもレーザインフルエンスの小さい第２のレーザ照射を行ってもよい。

この構成によれば、第２のレーザ照射範囲内の金属板の表面（すなわち、露出した表面）の親水性を低下させる（すなわち、撥水性を向上させる）ことができる。これにより、各燃料電池セルで生成される水による接着力の低下を抑制することができる。

本明細書が開示する一例の製造方法においては、前記第２のレーザ照射のレーザインフルエンスが１０～２０ｍＪ／ｍｍ２であってもよい。

この構成によれば、より好適に水による接着力の低下を抑制することができる。

図１に示す燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池セル１２の積層体により構成されている。図１を含む各図において、複数の燃料電池セル１２が積層された方向がｚ方向として示され、ｚ方向に直交する一方向がｘ方向として示され、ｘ方向及びｚ方向に直交する方向がｙ方向として示される。燃料電池スタック１０には、流路７１～７６が設けられている。流路７１～７６のそれぞれは、燃料電池スタック１０の端面からｚ方向に伸びている。流路７１は酸化剤ガス供給流路であり、流路７６は酸化剤ガス排出流路である。酸化剤ガス供給流路７１を介して各燃料電池セル１２に酸化剤ガス（本実施形態では酸素（Ｏ２））が供給される。各燃料電池セル１２を通過した酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出流路７６を介して燃料電池スタック１０の外部に排出される。流路７４は燃料ガス供給流路であり、流路７３は燃料ガス排出流路である。燃料ガス供給流路７４を介して各燃料電池セル１２に燃料ガス（本実施形態では水素（Ｈ２））が供給される。各燃料電池セル１２を通過した燃料ガスは、燃料ガス排出流路７３を介して燃料電池スタック１０の外部に排出される。各燃料電池セルに燃料ガスと酸化剤ガスが供給されることで、各燃料電池セル１２で発電が行われる。流路７５は冷媒供給流路であり、流路７２は冷媒排出流路である。冷媒供給流路７５を介して各燃料電池セル１２に冷媒が供給される。各燃料電池セル１２を通過した冷媒は、冷媒排出流路７２を介して燃料電池スタック１０の外部に排出される。燃料電池スタック１０内を流れる冷媒によって、各燃料電池セル１２が冷却される。

図２は、１つの燃料電池セル１２の分解斜視図である。図２に示すように、燃料電池セル１２は、膜／電極接合体（以下、ＭＥＡ（ｍｅｍｂｒａｎｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ）という）２０と、樹脂フレーム３０と、セパレータ４０と、セパレータ５０を有している。樹脂フレーム３０、セパレータ４０及びセパレータ５０のそれぞれは板形状を有しており、ｚ方向に積層されている。以下では、樹脂フレーム３０のセパレータ４０に近い方の表面を表面３０ａといい、その反対側の樹脂フレーム３０の表面を表面３０ｂという。また、以下では、セパレータ４０の樹脂フレーム３０に近い方の表面を表面４０ｂといい、その反対側のセパレータ４０の表面を表面４０ａという。また、以下では、セパレータ５０の樹脂フレーム３０に近い方の表面を表面５０ａといい、その反対側のセパレータ５０の表面を表面５０ｂという。樹脂フレーム３０の中央には、ｚ方向に樹脂フレーム３０を貫通する貫通孔３６が設けられている。ＭＥＡ２０は、貫通孔３６内に配置されている。セパレータ４０の表面４０ｂは、樹脂フレーム３０の表面３０ａに接着されている。セパレータ４０によって、貫通孔３６が覆われている。セパレータ５０の表面５０ａは、樹脂フレーム３０の表面３０ｂに接着されている。セパレータ５０によって、貫通孔３６が覆われている。このように、樹脂フレーム３０は、セパレータ４０とセパレータ５０の間に挟まれている。

樹脂フレーム３０、セパレータ４０及びセパレータ５０のそれぞれには、流路７１に対応する貫通孔７１ａ、流路７２に対応する貫通孔７２ａ、流路７３に対応する貫通孔７３ａ、流路７４に対応する貫通孔７４ａ、流路７５に対応する貫通孔７５ａ、及び、流路７６に対応する貫通孔７６ａが設けられている。ｚ方向に沿って燃料電池セル１２を平面視したときに、貫通孔７１ａ、７２ａ、７３ａと貫通孔７４ａ、７５ａ、７６ａの間に貫通孔３６（すなわち、ＭＥＡ２０）が配置されている。

樹脂フレーム３０は、絶縁性の部材である。図３に示すように、樹脂フレーム３０は、ｚ方向に積層された樹脂層３１、３２、３３を有している。樹脂層３１、３２、３３は、いずれも、絶縁性の樹脂（例えば、酸変性ポリプロピレン等）により構成されている。樹脂層３１は、高い剛性を有する。樹脂層３２、３３は、熱可塑性を有しており、軟化時に高い粘着性を発揮する。樹脂層３１は、樹脂層３２と樹脂層３３の間に挟まれている。後に詳述するが、樹脂層３２はセパレータ４０に接着されており、樹脂層３３はセパレータ５０に接着されている。

ＭＥＡ２０は、電解質膜２１、アノード層２２及びカソード層２３を有している。電解質膜２１は、固体高分子材料により構成されている。アノード層２２とカソード層２３は、電解質中に白金等の触媒を含む導電性粒子が拡散された材料等により構成されている。アノード層２２は、セパレータ４０に近い側の電解質膜２１の表面を覆っている。カソード層２３は、セパレータ５０に近い側の電解質膜２１の表面を覆っている。

セパレータ４０は、導電性の部材である。セパレータ４０は、金属板４１と、炭素膜４２、４３を有している。金属板４１は、チタン（Ｔｉ）またはチタン合金により構成されている。炭素膜４２は、樹脂フレーム３０及びＭＥＡ２０に近い側の金属板４１の表面を覆っている。炭素膜４３は、炭素膜４２とは反対側に位置する金属板４１の表面を覆っている。

セパレータ４０の一部は折れ曲がっており、これによってセパレータ４０の表面４０ｂに溝４４が設けられている。図４に示すように、溝４４は、貫通孔７４ａから貫通孔７３ａまで伸びている。図４の範囲６０は、セパレータ４０がＭＥＡ２０と対向する範囲（ｚ方向に沿って見たときにセパレータ４０がＭＥＡ２０と重複する範囲）を示している。溝４４は、範囲６０内を蛇行して伸びている。図３に示すように、セパレータ４０の表面４０ｂは、溝４４以外の部分で樹脂フレーム３０とＭＥＡ２０に接している。より詳細には、表面４０ｂは、溝４４以外の部分で樹脂フレーム３０の樹脂層３２とＭＥＡ２０のアノード層２２に接している。溝４４と樹脂フレーム３０とＭＥＡ２０によって囲まれた空間によって、燃料ガス流路７７が構成されている。燃料ガス流路７７は、セパレータ４０と樹脂フレーム３０の界面、及び、セパレータ４０とＭＥＡ２０の界面に沿って伸びている。燃料ガス供給流路７４（貫通孔７４ａ）内を流れる燃料ガスは、燃料ガス流路７７内に流入する。燃料ガスは、燃料ガス流路７７内を上流端から下流端まで流れた後に、燃料ガス排出流路７３（貫通孔７３ａ）へ排出される。

図３に示すように、表面４０ｂの一部の範囲４０ｓには、炭素膜４３が設けられていない。セパレータ４０は、範囲４０ｓにおいて、樹脂フレーム３０の樹脂層３２に接着されている。すなわち、範囲４０ｓ内の金属板４１は、樹脂フレーム３０の樹脂層３２に接着されている。図４に示すように、炭素膜４３が設けられていない範囲４０ｓは、表面４０ｂにおいて、セパレータ４０の外周縁に沿って設けられている。また、範囲４０ｓは、表面４０ｂにおいて、貫通孔７１ａ、７２ａ、７５ａ、７６ａを囲むように設けられている。図４に示す範囲４０ｓにおいてセパレータ４０は樹脂フレーム３０に接着されている。

セパレータ５０は、導電性の部材である。図３に示すように、セパレータ５０は、金属板５１と、炭素膜５２、５３を有している。金属板５１は、チタン（Ｔｉ）またはチタン合金により構成されている。炭素膜５２は、樹脂フレーム３０及びＭＥＡ２０に近い側の金属板５１の表面を覆っている。炭素膜５３は、炭素膜５２とは反対側に位置する金属板５１の表面を覆っている。

図３に示すように、セパレータ５０の一部は折れ曲がっており、これによってセパレータ５０の表面５０ａに溝５４が設けられている。図５に示すように、溝５４は、貫通孔７１ａから貫通孔７６ａまで伸びている。図５の範囲６２は、セパレータ５０がＭＥＡ２０と対向する範囲（ｚ方向に沿って見たときにセパレータ５０がＭＥＡ２０と重複する範囲）を示している。溝５４は、範囲６２内を蛇行して伸びている。図３に示すように、セパレータ５０の表面５０ａは、溝５４以外の部分で樹脂フレーム３０とＭＥＡ２０に接している。より詳細には、表面５０ａは、溝５４以外の部分で樹脂フレーム３０の樹脂層３３とＭＥＡ２０のカソード層２３に接している。溝５４と樹脂フレーム３０とＭＥＡ２０によって囲まれた空間によって、酸化剤ガス流路７８が構成されている。酸化剤ガス流路７８はセパレータ５０と樹脂フレーム３０の界面、及び、セパレータ５０とＭＥＡ２０の界面に沿って伸びている。酸化剤ガス供給流路７１（貫通孔７１ａ）内を流れる酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路７８内に流入する。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路７８内を上流端から下流端まで流れた後に、酸化剤ガス排出流路７６（貫通孔７６ａ）へ排出される。

図３に示すように、表面５０ａの一部の範囲５０ｓには、炭素膜５２が設けられていない。セパレータ５０は、範囲５０ｓにおいて、樹脂フレーム３０の樹脂層３３に接着されている。すなわち、範囲５０ｓ内の金属板５１は、樹脂フレーム３０の樹脂層３３に接着されている。図５に示すように、炭素膜５２が設けられていない範囲５０ｓは、表面５０ａにおいて、セパレータ５０の外周縁に沿って設けられている。また、範囲５０ｓは、表面５０ａにおいて、貫通孔７２ａ、７３ａ、７４ａ、７５ａを囲むように設けられている。図５に示す範囲５０ｓにおいてセパレータ５０は樹脂フレーム３０に接着されている。

図３に示すように、セパレータ４０の表面４０ａの一部の範囲４０ｔには、炭素膜４２が設けられていない。範囲４０ｔ内のセパレータ４０（すなわち、金属板４１）に、ガスケット４６が接着されている。図６に示すように、炭素膜４２が設けられていない範囲４０ｔは、表面４０ａにおいて、貫通孔７１ａ、７３ａ、７４ａ、７６ａを囲むように設けられている。また、範囲４０ｔは、表面４０ａにおいて、貫通孔７２ａ、７５ａと範囲６０（ＭＥＡ２０と重複する範囲）を含む範囲を囲むように設けられている。ガスケット４６は、範囲４０ｔに沿って設けられている。以下では、ガスケット４６のうち、貫通孔７２ａ、７５ａ及び範囲６０を含む範囲を囲むように設けられている部分を、ガスケット４６ａという。図７は、複数の燃料電池セル１２ａ、１２ｂをｚ方向に積層した状態を示している。燃料電池セル１２ａ、１２ｂを積層すると、燃料電池セル１２ｂのガスケット４６が燃料電池セル１２ａのセパレータ５０に接触する。これによって、ガスケット４６ａとセパレータ４０とセパレータ５０とによって囲まれた冷媒流路８０が形成される。図６に示すように、冷媒流路８０は、冷媒供給流路７５及び冷媒排出流路７２と繋がっている。冷媒供給流路７５から冷媒流路８０に冷媒が流入する。冷媒流路８０内を上流端から下流端まで流れた冷媒は、冷媒排出流路７２に排出される。

燃料電池セル１２を動作させるときには、燃料ガス流路７７に燃料ガスを流すとともに酸化剤ガス流路７８に酸化剤ガスを流す。これによって、ＭＥＡ２０に燃料ガスと酸化剤ガスが供給され、ＭＥＡ２０で発電が行われる。ＭＥＡ２０で発生した電力は、セパレータ４０とセパレータ５０によって外部に取り出される。すなわち、セパレータ４０とセパレータ５０は配線として機能する。セパレータ４０、５０の表面が炭素膜によって覆われているので、セパレータ４０、５０は高い導電性を有する。したがって、低損失で電力がＭＥＡ２０から外部に供給される。また、燃料電池セル１２を動作させるときには、冷媒流路８０に冷媒を流す。これによって、ＭＥＡ２０が冷却される。

次に、実施例１の燃料電池セル１２の製造方法について説明する。まず、プレス加工等によって、金属板４１に貫通孔７１ａ～７６ａ及び溝４４を形成する。同様に、プレス加工等によって、金属板５１に貫通孔７１ａ～７６ａ及び溝５４を形成する。次に、図８に示すように、金属板４１の表面全体を覆うように炭素膜４２、４３を形成する。同様に、金属板５１の表面全体を覆うように炭素膜５２、５３を形成する。ここでは、１０ｎｍ～１００ｎｍの厚みで炭素膜４２、４３、５２、５３を形成する。

（レーザ照射工程）
次に、図９に示すように、セパレータ４０の表面４０ｂの一部にレーザＬ（例えば、ＹＡＧレーザ）を照射することによって、レーザの照射範囲内の炭素膜４３を除去する。これによって、炭素膜４３が除去された範囲４０ｓを形成する。ここでは、レーザスポットを移動させることによって、範囲４０ｓを形成する。図４に示すように、範囲４０ｓは、溝４４（すなわち、流路７７）から離れた位置に形成される。表面４０ｂの一部の範囲（例えば、ＩＩＩ－ＩＩＩ線が位置する範囲）では、範囲４０ｓは溝４４（すなわち、流路７７）に沿って伸びるように形成される。なお、レーザの照射範囲の幅（すなわち、範囲４０ｓの幅）は、１～１０ｍｍとすることができる。炭素膜４３はレーザを吸収し易いので、レーザの照射範囲内でセパレータ４０が高温に加熱される。これによって、炭素膜４３が蒸発して除去される。また、金属板４１の表面に汚れ（例えば、潤滑油の残渣）が付着している場合には、炭素膜４３とともに汚れが蒸発する。したがって、範囲４０ｓ内に汚れがほとんど存在しない状態で金属板４１が露出する。同様に、セパレータ４０の表面４０ａの一部にレーザを照射することによってその照射範囲内の炭素膜４２を除去し、図３、６に示すように炭素膜４２が除去された範囲４０ｔを形成する。同様に、セパレータ５０の表面５０ａの一部にレーザを照射することによってその照射範囲内の炭素膜５２を除去し、図３、５に示すように炭素膜が除去された範囲５０ｓを形成する。図５に示すように、範囲５０ｓは、溝５４（すなわち、流路７８）から離れた位置に形成される。表面５０ａの一部の範囲（例えば、ＩＩＩ－ＩＩＩ線が位置する範囲）では、範囲５０ｓは溝５４（すなわち、流路７８）に沿って伸びるように形成される。

（セパレータ接着工程）
次に、図１０に示すように、樹脂フレーム３０の貫通孔３６内にＭＥＡ２０を配置した状態で、樹脂フレーム３０をセパレータ４０とセパレータ５０で挟み込む。ここでは、セパレータ４０の表面４０ｂを樹脂フレーム３０とＭＥＡ２０に接触させるとともに、セパレータ５０の表面５０ａを樹脂フレーム３０とＭＥＡ２０に接触させる。このように、セパレータ４０、５０によって樹脂フレーム３０の貫通孔３６を塞いだ状態で、セパレータ４０、５０を樹脂フレーム３０に接着する。すなわち、まず、図１０に示すように、セパレータ４０、樹脂フレーム３０及びセパレータ５０の積層体の一部を、金型９０、９２によって挟む。ここでは、積層体のうちの範囲４０ｓ、５０ｓを含む部分を金型９０、９２によって挟む。次に、金型９０、９２によって積層体を加圧しながら、その加圧された部分（すなわち、範囲４０ｓ、５０ｓを含む部分）を金型９０、９２を介して１５０～１８０℃に加熱する。すると、金型９０、９２の近傍において、樹脂層３２、３３が軟化する。その後、積層体を冷却すると、軟化していた樹脂層３２、３３が硬化する。これによって、図１１に示すように、樹脂層３２が接着範囲４０ｕ内でセパレータ４０に接着され、樹脂層３３が接着範囲５０ｕ内でセパレータ５０に接着される。接着範囲４０ｕ、５０ｕは、金型９０、９２によって加圧された加圧範囲である。接着範囲４０ｕは、流路７７から離れた位置に形成される。接着範囲４０ｕは、範囲４０ｓに沿って形成される。したがって、図４に示された範囲４０ｓと同様に、接着範囲４０ｕは表面４０ｂの一部の範囲（例えば、ＩＩＩ－ＩＩＩ線が位置する範囲）において、流路７７に沿って伸びるように形成される。図１１に示すように、接着範囲５０ｕは、流路７８から離れた位置に形成される。接着範囲５０ｕは、範囲５０ｓに沿って形成される。したがって、図５に示された範囲５０ｓと同様に、接着範囲５０ｕは表面５０ａの一部の範囲（例えば、ＩＩＩ－ＩＩＩ線が位置する範囲）において、流路７８に沿って伸びるように形成される。ここでは、図１１に示すように、範囲４０ｓよりも広い接着範囲４０ｕ内で樹脂層３２がセパレータ４０に接着される。このため、樹脂層３２は、範囲４０ｓ内の全域で金属板４１に接着される。レーザの照射によって範囲４０ｓ内の金属板４１の表面から汚れが除去されているので、樹脂層３２は金属板４１に高い接着力で接着される。また、範囲５０ｓよりも広い接着範囲５０ｕ内で樹脂層３３がセパレータ５０に接着される。このため、樹脂層３３は、範囲５０ｓ内の全域で金属板５１に接着される。レーザの照射によって範囲５０ｓ内の金属板５１の表面から汚れが除去されているので、樹脂層３３は金属板５１に高い接着力で接着される。

（ガスケット接着工程）
次に、図３に示すように、セパレータ４０の表面４０ａの範囲４０ｔにガスケット４６を接着する。ガスケット４６は、接着剤により接着されてもよいし、ガスケット４６を硬化するときにガスケット４６がセパレータ４０に接着されてもよい。レーザの照射によって範囲４０ｔ内の金属板４１の表面から汚れが除去されているので、ガスケット４６は金属板４１に高い接着力で接着される。ガスケット４６を接着することで、図３に示す燃料電池セル１２が完成する。

以上に説明したように、実施例１の製造方法によれば、セパレータ４０、５０を樹脂フレーム３０に高い接着力で接着することができ、ガスケット４６をセパレータ４０に高い接着力で接着することができる。なお、図１２は、実施例１の方法による接着箇所と比較例の方法による接着箇所の剥離強度を示している。実施例１の方法による接着箇所では、炭素膜４３を除去した範囲４０ｓでセパレータ４０が樹脂フレーム３０に接着されている。比較例の接着箇所では、炭素膜４３を除去しないでセパレータ４０が樹脂フレーム３０に接着されている（すなわち、炭素膜４３が樹脂フレーム３０に接着されている。）。図１２から明らかなように、実施例１の方法によれば、高い剥離強度を得ることができる。

なお、実施例１では、炭素膜を除去した範囲の略全域で金属板に樹脂部材を接着した。しかしながら、炭素膜を除去した範囲の少なくとも一部が接着箇所に含まれていれば、どのように接着が行われてもよい。例えば、炭素膜を除去した範囲の一部のみで接着が行われてもよい。

次に、実施例２の製造方法について説明する。実施例２の製造方法は、炭素膜４３、５２を除去する範囲４０ｓ、５０ｓが接着範囲４０ｕ、５０ｕに対してオフセットしている点で実施例１と異なる。その他については、実施例２は実施例１と等しい。

図１３は、実施例２のセパレータ接着工程を示している。図１３に示すように、実施例２では、範囲４０ｓ、５０ｓの中心軸Ｃ２、Ｃ３が、金型９０、９２によって積層体を挟む加圧範囲の中心軸Ｃ１よりもガス流路７７、７８に近い方向にずれている。金型９０、９２によって積層体を挟む加圧範囲は、炭素膜４３、５２が除去された範囲４０ｓ、５０ｓと部分的に重複している。この方法によれば、図１４に示すように、範囲４０ｓ、５０ｓが接着範囲４０ｕ、５０ｕよりもガス流路７７、７８に近い方向にオフセットした構成が得られる。すなわち、範囲４０ｓ、５０ｓの中心軸Ｃ２、Ｃ３が接着範囲４０ｕ、５０ｕの中心軸Ｃ１よりもガス流路７７、７８に近い方向にオフセットした構成が得られる。

実施例２の製造方法でも、炭素膜４３、５２が除去された範囲４０ｓ、５０ｓ内で樹脂フレーム３０がセパレータ４０、５０に接着されるので、高い接着力を得ることができる。また、このように範囲４０ｓ、５０ｓが接着範囲４０ｕ、５０ｕに対してガス流路７７、７８に近い方向にオフセットしていると、オフセットがない場合（図１１の場合）に比べて、高い接着強度が得られる。図１５は、範囲４０ｓが接着範囲４０ｕに対して燃料ガス流路７７側にオフセットしている場合（オフセットあり）としていない場合（オフセットなし）とで、燃料ガス流路７７内の圧力が増加したときの接着範囲４０ｕの剥離強度を測定した結果を示している。図１５に示すように、オフセットありではオフセットなしよりも高い剥離強度が得られた。このように、炭素膜を除去した範囲が接着範囲に対してガス流路に近い側にオフセットしていることでより高い接着強度が得られる。なお、図１６のように範囲４０ｓ、５０ｓの幅を広くすることでも、オフセットを用いる場合と同程度に高い接着強度が得られる。しかしながら、範囲４０ｓ、５０ｓの幅を広くする場合には、レーザを広い範囲に照射する必要があり、レーザ照射工程に長い時間がかかる。これに対し、図１４のようにオフセットを用いる構成では、範囲４０ｓ、５０ｓの幅（すなわち、レーザの照射範囲の幅）が狭いにもかかわらず、図１６の構成と同程度の接着強度が得られる。したがって、レーザ照射工程を短時間で行うことが可能であり、燃料電池セルをより効率的に製造することが可能となる。このように、実施例２の製造方法によれば、短時間で高い接着強度を有する燃料電池セルを製造することができる。

実施例３の製造方法は、レーザ照射工程においてレーザフルエンスを１００ｍＪ／ｍｍ２以下に制御する。また、セパレータ接着工程において、金属板の表面に接着硬化剤または接着促進剤を塗布する。

実施例３のレーザ照射工程では、レーザフルエンスを１００ｍＪ／ｍｍ２以下に制御する。このようにレーザフルエンスを制御すると、図１７に示すように、レーザを照射した範囲４０ｓ内の金属板４１の表面にＴｉＯｘ（酸化チタン）からなるポーラス組織４１ｐが形成される。同様に、範囲５０ｓ、４０ｔ内の金属板の表面にもポーラス組織が形成される。ここでは、厚みが１０ｎｍ～１０００ｎｍ程度のポーラス組織を形成する。

実施例３のセパレータ接着工程では、範囲４０ｓ、５０ｓ内の金属板４１、５１の表面に接着硬化剤または接着促進剤を塗布する。すると、接着硬化剤または接着促進剤がポーラス組織に浸透する。その後、実施例１または２と同様に金型９０、９２によって範囲４０ｓ、５０ｓを含む部分を加圧しながら加熱する。接着硬化剤と接着促進剤の粘土が低いので、接着硬化剤と接着促進剤は金型９０、９２による圧力によって押し出されて範囲４０ｓ、５０ｓの外へ移動し易い。しかしながら、実施例３のように範囲４０ｓ、５０ｓ内にポーラス組織が形成されていると、接着硬化剤または接着促進剤がポーラス組織に浸透するので、接着硬化剤または接着促進剤が範囲４０ｓ、５０ｓ内に留まり易い。このため、範囲４０ｓ、５０ｓ内でより高い接着力で接着を行うことができる。

実施例３のガスケット接着工程では、範囲４０ｔ内の金属板４１の表面に接着硬化剤または接着促進剤を塗布する。すると、接着硬化剤または接着促進剤がポーラス組織に浸透する。その後、実施例１または２と同様に範囲４０ｔ内にガスケット４６を接着する。この方法によれば、接着硬化剤または接着促進剤が範囲４０ｔ内に留まり易いので、範囲４０ｔ内でより高い接着力で接着を行うことができる。

なお、上述した実施例１、２において、接着硬化剤または接着促進剤を範囲４０ｓ、５
０ｓ、４０ｔ内に塗布してもよい。

実施例４はレーザ照射工程において実施例１～３と異なる。その他については、実施例４は実施例１～３のいずれかと等しい。

実施例４の製造方法は、レーザ照射工程において、炭素膜を除去する第１のレーザ照射を行った後、前記第１のレーザ照射を行った領域の一部または全部に対して、第１のレーザ照射よりもレーザインフルエンスの小さい第２の照射を行う。第１のレーザ照射と第２のレーザ照射で照射するレーザの種類は異なっていてもよい。また、対象領域（たとえば範囲４０ｓ）の全てに第１のレーザ照射を終えてから第２のレーザ照射を行ってもよいし、対象領域に第１のレーザ照射を行っている途中で、第１のレーザ照射が行われた部分に対して第２のレーザ照射を開始してもよい。

実施例４のレーザ照射工程では、先ずレーザインフルエンス１００ｍＪ／ｍｍ２程度で第１のレーザ照射を行った後、前記第１のレーザ照射を行った領域の一部または全部に対して、レーザインフルエンス１０～２０ｍＪ／ｍｍ２程度で第２のレーザ照射を行う。レーザインフルエンスは第２のレーザ照射では１０～２０ｍＪ／ｍｍ２が好ましいが、金属板４１の蒸発が著しく発生しない程度においては、この限りではない。また、第１のレーザ照射のレーザインフルエンスは、１００ｍＪ／ｍｍ２程度以上も以下も取り得る。たとえば、第４実施例では第２のレーザ照射には波長λ＝１０６０ ｎｍのＹｂファイバーレーザを想定しているが、吸収効率の異なるレーザにおいては、蒸発が発生しないレーザインフルエンスの範囲も異なる。

第１のレーザ照射により、実施例１で前述した通り、炭素膜４３はレーザを吸収し、レーザの照射範囲内でセパレータ４０が高温に加熱される。これによって、炭素膜４３が蒸発して除去され、金属板４１の表面に汚れ（例えば、潤滑油の残渣）が付着している場合には、炭素膜４３とともに汚れが蒸発する。したがって、範囲４０ｓ内に汚れがほとんど存在しない状態で金属板４１が露出する。この際、レーザインフルエンスが高い場合には金属板４１の成分まで蒸発し、金属板４１の成分の酸化物が再付着する虞がある。

酸化物の再付着により、範囲４０ｓ内のうち金属板４１の酸化物が付着した部分は親水性が高くなる。親水性は濡れ性ともいい、接触角を用いて評価される。接触角は図１８（ａ）（ｂ）に示す通り、壁面に付着した液滴の端辺周辺を球とみなした時に、液滴端辺を通る球の接線と壁面の成す角である。接触角は、親水性が高いと図１８（ａ）のαのように小さくなり、逆に親水性が低いと図１８（ｂ）のβのように大きくなる。親水性が低い性質を、撥水性が高いともいう。酸化物は分子構造が極性を有する為、親水性が高くなる。すなわち接触角が小さくなる。親水性が著しく高くなる（接触角が１０°以下程度）となると、水が接着範囲４０ｕにおいて、樹脂層３２とセパレータ４０の接着している界面に侵入し易くなり、剥離強度が低下する。同様の現象が範囲５０ｓ， ４０ｔにも発生する。水は、酸化剤ガス（実施例４では酸素（Ｏ２））と燃料ガス（実施例４では水素（Ｈ２））の反応によって各燃料電池セル１２内部で生成されるので、親水性が高くなる原因である酸化物の再付着には対策することが好ましい。

実施例４において、レーザインフルエンス１００ｍＪ／ｍｍ２程度で第１のレーザ照射を行った後、前記第１のレーザ照射を行った領域の少なくとも一部に対して、レーザインフルエンス１０～２０ｍＪ／ｍｍ２程度で第２のレーザ照射を行うことにより、金属板４１の蒸発は発生せずに溶融だけが発生し、表面の再付着物が除去される。

実施例４の効果のデータについて、図１９～２１を用いて説明する。

図１９は金属板４１の領域４０ｓ（５０ｓ， ４０ｔでも同じ）を再現した状況で、レーザ照射後の領域４０ｓの接触角とレーザインフルエンスとの関係を示した図である。この図によれば、レーザインフルエンス１０～２０ｍＪ／ｍｍ２において接触角は２０°以上であり親水性が低い。一方、レーザインフルエンスが２０ ｍＪ／ｍｍ２より大きい場合、接触角が１０°以下となり親水性が高いことが読み取れる。なお、レーザインフルエンスは１０ｍＪ／ｍｍ２より更に小さくなると、出力が不安定となる傾向がある。以上のことから、第２のレーザ照射に用いるレーザインフルエンスは１０～２０ｍＪ／ｍｍ２が好ましい。

図２０は、金属板４１の領域４０ｓ（５０ｓ， ４０ｔでも同じ）を再現した状況で、第１のレーザ照射のみを行った場合と、第１のレーザ照射を行った後に第２のレーザ照射を行った際の、第１のレーザ照射のレーザインフルエンスと、領域４０ｓの接触角の関係を示した図である。横軸には第１のレーザ照射のレーザインフルエンス、縦軸には接触角が示されている。また、第２のレーザ照射のレーザインフルエンスは１０ｍＪ／ｍｍ２で一定としている。この図によれば、第２のレーザ照射よりも大きいレーザインフルエンスで第１のレーザ照射を行った場合、第２のレーザ照射による親水性の低下の効果が少なからず確認できる。

以上、実施形態について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独あるいは各種の組み合わせによって技術有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの１つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。

燃料電池スタック：１０
燃料電池セル：１２
ＭＥＡ：２０
電解質膜：２１
アノード層：２２
カソード層：２３
樹脂フレーム：３０
樹脂層：３１～３３
セパレータ：４０
金属板：４１
炭素膜：４２～４３
ガスケット：４６
セパレータ：５０
金属板：５１
炭素膜：５２～５３
燃料ガス流路７７
酸化剤ガス流路７８
冷媒流路８０

Claims (8)

1. 燃料電池セルの製造方法であって、
   金属板と前記金属板の表面を覆う炭素膜とを有するセパレータの前記炭素膜にレーザを照射することによって、前記レーザの照射範囲内において前記炭素膜を除去して前記金属板を露出させるレーザ照射工程と、
   前記金属板が露出した範囲の少なくとも一部を含む範囲で前記セパレータを樹脂部材に接着する接着工程と、を有し、
   前記レーザ照射工程は、炭素膜を除去する第１のレーザ照射を行った後、
   前記第１のレーザ照射を行った領域の一部または全部に対して、第１のレーザ照射よりもレーザインフルエンスの小さい第２のレーザ照射を行うことを特徴とする、
   製造方法。
2. 前記第２のレーザ照射のレーザインフルエンスは１０～２０ ｍＪ／ｍｍ２である、
   請求項1の製造方法。
3. 前記樹脂部材が、貫通孔を有する樹脂フレームであり、
   前記貫通孔内に膜／電極接合体を配置する工程をさらに有し、
   前記接着工程では、前記セパレータによって前記貫通孔を塞ぐように前記セパレータを前記樹脂フレームに接着する、
   請求項１または請求項2の製造方法。
4. 前記セパレータを前記樹脂フレームに接着するときに、前記セパレータと前記樹脂フレームの界面にガス流路が形成され、
   前記レーザ照射工程と前記接着工程を、
   ・前記レーザの照射範囲が前記ガス流路から離れて配置されるとともに前記ガス流路に沿って伸びる、
   ・前記セパレータを前記樹脂フレームに接着する接着範囲が前記ガス流路から離れて配置されるとともに前記ガス流路に沿って伸びる、
   ・前記照射範囲の中心軸が前記接着範囲の中心軸よりも前記ガス流路に近い位置に配置される、
   という条件を満たすように実行する、
   請求項3の製造方法。
5. 前記セパレータを前記樹脂フレームに接着するときに、前記セパレータと前記樹脂フレームの界面にガス流路が形成され、
   前記接着工程では、金型によって前記セパレータを前記樹脂フレームに向けて加圧しながら加圧範囲を加熱することで、前記加圧範囲内で前記セパレータを前記樹脂フレームに接着し、
   前記レーザ照射工程と前記接着工程を、
   ・前記レーザの照射範囲が前記ガス流路から離れて配置されるとともに前記ガス流路に沿って伸びる、
   ・前記加圧範囲が前記ガス流路から離れて配置されるとともに前記ガス流路に沿って伸びる、
   ・前記照射範囲の中心軸が前記加圧範囲の中心軸よりも前記ガス流路に近い位置に配置される、
   という条件を満たすように実行する、
   請求項4の製造方法。
6. 前記樹脂部材が、ガスケットであり、
   前記セパレータが、前記炭素膜に覆われた第１表面と、前記第１表面の反対側に位置する第２表面を有し、
   前記レーザ照射工程では、前記第１表面に前記レーザを照射し、
   前記接着工程では、前記第１表面を前記ガスケットに接着し、
   貫通孔を有する樹脂フレームの前記貫通孔内に膜／電極接合体を配置する工程と、
   前記貫通孔を前記セパレータによって塞ぐように前記第２表面を前記樹脂フレームに接着する工程、
   をさらに有する、
   請求項1の製造方法。
7. 前記レーザ照射工程における前記第１のレーザ照射のレーザフルエンスが１００ｍＪ／ｍｍ２以下であり、
   前記接着工程では、前記照射範囲内の前記金属板の表面に接着硬化剤または接着促進剤を塗布した後に前記セパレータを前記樹脂部材に接着する、
   請求項１～6のいずれか一項の製造方法。
8. 前記レーザ照射工程では、前記照射範囲内の前記金属板の表面にポーラス組織を形成する、請求項7の製造方法。

Images