JP5012395B2 - 燃料電池用セパレータ及び燃料電池用セパレータの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池用セパレータ及び燃料電池用セパレータの製造方法に関し、詳細には、２枚の金属板の溶接技術に関する。

例えば、高分子電解質膜の両面に水素と酸素を供給して起電力を発生させる燃料電池では、単位体積当たりの起電力をより一層高めるために、金属製の薄板をプレス加工して凹凸形状の流路を形成する、いわゆる薄板金属セパレータの開発がなされている。

通常、金属セパレータは、プレスマシン及び金型を用いたプレス成形にて金属板に凹凸形状を形成した後、これら金属板同士を重ね合わせてその外周縁部をレーザーなどで溶接することにより、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却水（冷媒）をそれぞれ流通させる燃料ガス流路、酸化剤ガス流路及び冷媒流路を形成している（例えば、特許文献１など参照）。
特開２００４−１２７６９９号公報

ところで、セパレータは、電解質膜に対して圧縮ゴムなどで形成されるシール部材を介在させて当該電解質膜の両側に配置されるが、レーザーの照射によって金属板同士を接合させた接合部にシール部材が対峙するのが一般的である。

接合部にシール部材を対峙させた場合、溶接面の面粗さによってシール部材が密着し難い部位が生じ、シール性能の低下が起こる可能性がある。また、接合部が反応ガス流路を流れる燃料ガス或いは酸化剤ガスと接触することによって腐食することも考えられ、耐食性低下の懸念も残る。

そこで、本発明は、シール性能の低下を防止することのできる燃料電池用セパレータ及び燃料電池用セパレータの製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池用セパレータは、セパレータ外周縁部を、凸条部同士が突き合わされることにより側面を開放した空隙部を内部に形成する突起部とし、その開放された側面から前記空隙部奥の凹条部が重ね合わされる部位を溶接したものであることを特徴としている。

本発明の燃料電池用セパレータによれば、溶接部がセパレータ外周縁部の側面を開放した空隙部奥の凹条部が重ね合わされる部位とされているので、シール部材と溶接部との接触が無く、溶接面の面粗さによってシール部材が密着しないことによるシール性能低下を無くせる。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

「燃料電池スタックの全体構成説明」
先ず、燃料電池スタックの全体構成について簡単に説明する。図１は燃料電池スタックの全体構成を示す斜視図、図２は燃料電池単セルの拡大断面図、図３は燃料電池スタックの断面図である。

本実施形態の燃料電池は、固体高分子電解質型燃料電池であり、例えば燃料電池自動車に搭載されるものである。なお、燃料電池は、自動車以外に用いられてもよい。

燃料電池スタック１は、図１に示すように、起電力を生じる単位電池としての燃料電池単セル１０を所定数だけ積層した積層電池の形態とされる。積層された燃料電池単セル１０は、スタック内部を貫通するタイロッド５により締結されている。燃料電池単セル１０は、それぞれ固体高分子型燃料電池として形成されており、各セルが１Ｖ程度の起電圧を生じる。

燃料電池単セル１０は、図２に示すように、高分子イオン交換膜である電解質膜１１と電極触媒層（触媒層）１２とガス拡散層１３とからなる膜電極接合体１４と、この膜電極接合体１４を２枚の金属板を貼り合わせて接合一体化した燃料電池用セパレータ（以下、単にセパレータという）１５とを有し、これらセパレータ１５で膜電極接合体１４を挟持した構成とされている。

電解質膜１１の両面には、電極触媒層１２がそれぞれ配置されている。また、電解質膜１１とその両面に配置された電極触媒層１２を挟持するようにガス拡散層１３が配置されている。そして、これら電解質膜１１と電極触媒層１２とガス拡散層１３からなる膜電極接合体１４を挟持するようにセパレータ１５が配置されている。膜電極接合体１４をセパレータ１５で挟持してなる燃料電池単セル１０は、燃料電池を構成する単位ユニットとなる。

燃料電池は、単位ユニットで使用されることは稀で、複数の単位ユニットが直列つなぎで使用される。セパレータ１５は、複数の単位ユニットを繋げ且つ温調媒体（冷却媒体）を流す仕様の燃料電池である場合、必ずプレート間の接触箇所が発生する。また、セパレータ１５と電解質膜１１との間には、シール部として機能するガスケット１６が介在されている。

電解質膜１１は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。電極触媒層１２は、一般的には、例えばポリエチレンフルオロエチレンと炭素材を含む撥水層と、白金が担持されたカーボンブラックからなる触媒層が重なった構造を有する。ガス拡散層１３は、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスや、カーボンペーパ、あるいはカーボンフエルトなど、充分なガス拡散性および導電性を有する部材によって構成される。

セパレータ１５は、充分な導電性と強度と耐食性とを有する材料によって形成される。例えば、カーボンよりも強度に優れ且つ薄肉化が用意なステンレス材料（SUS316）などの如き耐食性に優れた金属材料をプレス加工することにより形成される。さらに、セパレータ１５の表面には、耐食性や電気抵抗を向上させるため、金メッキのような表面処理が施される。セパレータ１５には、反応ガス流路である燃料ガス流路１７及び酸化剤ガス流路１８と、冷却媒体が流れる冷媒流路１９とが形成されている。

ガスケット１６は、例えばシリコーンゴム、ＥＰＤＭまたはフッ素ゴム等のゴム状弾性材料によって形成されている。ガスケット１６が接着される電解質膜１１の表裏には、弾性係数の大きい薄板材料からなる補強板７が配置されている。例えば、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレートのような薄板材からなる補強板７を電解質膜１１の表裏面に配置し、そこに例えば熱硬化型フッ素系あるいは熱硬化型シリコンのような液状シールによって接着したガスケット１６を設ける。

燃料電池スタック１は、前記した燃料電池単セル１０を多数積層してセル積層方向（燃料電池単セル積層方向）の両端に、集電板２、絶縁板３、エンドプレート４をこの順に配置して構成される。そして、燃料電池スタック１は、それら各部材をセル積層方向に締め付け、セル積層体の内部に貫通した貫通孔にタイロッド５を挿通し、そのタイロッド５の端部にナット７を螺合することにて締結される。タイロッド５は、剛性を備えた材料、例えば鋼等の金属材料によって形成され、燃料電池単セル１０同士の電気的短絡を防止するため、表面には絶縁処理をした構造とされている。

集電板２は、緻密質カーボンや銅板などガス不透過な導電性部材によって形成されている。絶縁板３は、ゴムや樹脂等の絶縁性部材によって形成されている。エンドプレート４は、剛性を備えた材料、例えば鋼等の金属材料によって形成されている。また、２枚の集電板２にはそれぞれ出力端子２Ａが設けられており、燃料電池スタック１で生じた起電力を外部へ出力可能となっている。

なお、燃料電池単セル１０の締結方法は、タイロッド５を燃料電池スタック１内部に貫通する方法の他に、燃料電池スタック１外部でエンドプレート４同士をタイロッド５により締め付ける機構としても良い。この他、図３に示すように、燃料電池スタック１のセル積層方向一端の第１エンドプレート４Ａと該第１エンドプレート４Ａのセル積層方向内側に設けた絶縁板３との間に、第２エンドプレート４Ｂが配置され、第１エンドプレート４Ａと第２エンドプレート４Ｂ間にバネ等の加圧装置６を設置し、これらエンドプレート４Ａ、４Ｂ間をタイロッド５によって締め付ける機構としても良い。

以上のように構成された燃料電池スタック１においては、燃料ガスは、一方のエンドプレート４に形成された燃料ガス入口孔２０からスタック内へと導入され、燃料ガス流路１７を流れた後、燃料ガス出口２１から排出される。酸化剤ガスは、同じく一方のエンドプレート４に形成された酸化剤ガス入口孔２２からスタック内へと導入され、酸化剤ガス流路１８を流れた後、酸化剤ガス出口孔２３から排出される。冷却媒体は、同じく一方のエンドプレート４に形成された冷媒入口孔２４からスタック内へと導入され、冷媒流路１９を流れた後、冷媒出口孔２５から排出される。

そして、アノード側電極に供給された燃料ガス（水素含有ガス）は、電極触媒層１２上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質膜１１を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は、集電板２の出力端子２Ａから外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスあるいは空気が供給されているため、水素イオン、電子および酸素ガスが反応して水が生成される。

「セパレータの詳細説明」
次に、セパレータ１５について詳細に説明する。図４は膜電極接合体とセパレータのシール部分を示す断面図、図５は２枚の金属板の貼り合わせ位置がずれた状態でレーザー溶接したときのセパレータ外周縁部の要部拡大断面図である。

本実施形態のセパレータ１５では、発電に寄与するアクティブ領域（膜電極接合体１４と接する中央部分の反応ガスが流れる領域）にプレス加工によって、各金属板１５Ａ、１５Ｂに凹条部２６と凸条部２７を交互に形成した凹凸形状（いわゆるコルゲート形状）を形成している。セパレータ１５は、この２枚の金属板１５Ａ、１５Ｂを互いの凹条部２６同士及び凸条部２７同士を重ね合わせてセパレータ外周縁部を溶接することで接合一体化されて形成される。そして、膜電極接合体１４と接する側の凹条部２６が反応ガス流路である燃料ガス流路１７または酸化剤ガス流路１８となり、凸条部２７同士が突き合われて形成される空洞部が冷媒流路１９となる。

そして、本実施形態のセパレータ１５では、セパレータ外周縁部が、前記凸条部２７同士が突き合わされることにより側面を開放した空隙部２８を内部に形成する突起部とされている。セパレータ外周縁部は、アクティブ領域に形成された凸条部２７と同じ高さであり、スタック積層によって圧縮されたガスケット１６のシール高さと同一高さとされている。このように、セパレータ外周縁部が圧縮後のガスケット１６のシール高さと同じ高さを有した突起部構造とすることで、セパレータ１５の剛性が高まり、かつガスケット１６の潰れ代が確保され、十分なシール性能を保持することができる。

溶接箇所は、通常ガスケット１６と接触する凹条部２６とされるが、本実施形態では、前記空隙部２８奥の凹条部２６が重ね合わされる部位（以下、溶接部２９という）とする。溶接には、例えばアーク溶接、レーザー溶接、ティグ溶接、マグ溶接、ミグ溶接、プラズマ溶接、電子ビーム溶接など種々の溶接手段が採用できるが、燃料電池セパレータ端部の狭い領域に対して高い溶接精度が要求されるためレーザー溶接が好ましい。溶接部２９は、レーザー照射により両金属板１５Ａ、１５Ｂの母材同士が溶けることで接合され、これら両金属板１５Ａ、１５Ｂの凹条部２６同士間が隙間無く密着接合する。このように、本実施形態では、溶接部２９がガスケット１６と接触する位置には設けられないため、溶接面粗さによるシール性能の低下が生じない。また、本実施形態では、溶接部２９が反応ガス（燃料ガスまたは酸化剤ガス）と接触しない位置とされているため、反応ガスによるセパレータ１５の浸食などが無く耐食性が確保される。

また、本実施形態では、金属板１５Ａ、１５Ｂの溶接時に位置ずれがあっても溶接欠陥発生が生じないように、セパレータ外周縁部の溶接部２９におけるシール部位となる凹条部２６から凸条部２７へと立ち上がる傾斜部３０の角Ｒ１が冷媒流路１９に向かって前記凹条部２６から凸条部２７へと立ち上がる傾斜部３１の角Ｒ２よりも大としている。

このようにすれば、例え図５に示すように、２枚の金属板１５Ａ、１５Ｂが位置ずれを生じていたとしてもレーザビームｈｖの強度ばらつきに影響されることなく溶接欠陥を無くすことができる。金属板１５Ａ、１５Ｂに位置ずれがある場合、従来の冷媒流路１９側の角Ｒ２と同じ小さなＲ形状にセパレータ外周縁部側の角Ｒ１をしたときには、レーザビームｈｖが照射されるビーム照射源側に突き出ている部位（角Ｒ１）に対してはレーザビームｈｖは当たり易く、これと反対側の部位に対してはレーザビームｈｖの強度が弱くなる。

そこで、本実施形態では、セパレータ外周縁部側の角Ｒ１を冷媒流路１９側の角Ｒ２よりも大とすることで、接合する両金属板１５Ａ、１５Ｂの接合部位２９に対するレーザビームｈｖの強度ばらつきが小さくなり、溶接欠陥を無くすことができる。

本実施形態の燃料電池用セパレータを製造するには、（１）カソードセパレータ及びアノードセパレータの外縁を所定の形状に切断する工程と、（２）各構成部品を所定の形状（凹凸形状）にプレス加工する成形工程と、（３）各構成部品のセパレータ外周縁部と、アノードガス用貫通孔の内端部と、カソードガス用貫通孔の内端部を溶接する溶接工程とからなる。

前記（３）の溶接工程では、先に説明したように、セパレータ外周縁部を突起部とすることで形成された空隙部２８奥の凹条部２６が重ね合わされる部位にレーザビームｈｖを照射して溶接する。

以上、本実施形態によれば、セパレータ外周縁部の空隙部２８からレーザビームｈｖを照射して凹条部２６が重ね合わされる部位が溶接されて溶接部２９となるため、溶接面の面粗さによってシール部材であるガスケット１６がシール部位（凹条部２６）に対して密着せずにシール性能が低下することが起こらない。したがって、本実施形態によれば、電解質膜１１とセパレータ１５間のシール性能を高めることができる。

また、本実施形態によれば、溶接部位２８が反応ガスと接触しないため、反応ガスとの接触により金属板１５Ａ、１５Ｂが浸食されることがなく、耐食性を高めることができる。

また、本実施形態によれば、セパレータ外周縁部を突起部形状としているため、この突起部によりセパレータ１５の剛性を高くすることができると共に、ガスケット１６の潰れ代を充分に確保することができる。

さらに、本実施形態によれば、セパレータ外周縁部側の角Ｒ１を冷媒流路１９側の角Ｒ２よりも大としているので、溶接部位２８に対するレーザビームｈｖの強度ばらつきを小さくでき、溶接欠陥を抑制することができる。

以上、本発明を適用した具体的な実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に制限されることなく種々の変更が可能である。

例えば、図７に示すように、セパレータ外周縁部の溶接部２９における凹条部２６から凸条部２７へと立ち上がる傾斜部３０の傾斜角度θ１（凹条部２６内側のなす角度）を、冷媒流路１９に向かって凹条部２６から凸条部２７へと立ち上がる傾斜部３１の傾斜角度θ２（凹条部２６内側のなす角度）よりも小さくする。

こうすることで、例え図７に示すように、２枚の金属板１５Ａ、１５Ｂが位置ずれを生じていたとしても、セパレータ外周縁部側の傾斜角度θ１が冷媒流路側の傾斜角度θ２より小さい分、セパレータ外周縁部側の傾斜部３０の角度が立ち上がり溶接部２９前方空間が広くなることから、レーザビームｈｖの強度ばらつきに影響されることなく溶接欠陥を無くすことができる。したがって、本実施形態によれば、溶接不良を無くすことができると共にシール性能も向上できる。

この他、図８及び図９に示すように、セパレータ外周縁部の両金属板１５Ａ、１５Ｂの端部と前記溶接部２９とを結んだ線Ｓ１、Ｓ２のなす角度α１を、前記溶接部２９に照射するレーザビームｈｖの広がり角度α２よりも大とする。

レーザビームｈｖの広がり角度α２は、ビームの種類により特有の広がり角度を有するが、レンズ３２から照射されて溶接部２９で焦点を結ぶスポット半径と入射角との積で表されることが一般的である。つまり、（レーザー広がり角度α２）＝（レーザー焦点でのスポット半径）×（レーザー頂角）の関係にある。

例えば、ＹＡＧレーザーのレーザー広がり角一般値は６であり、レーザースポット半径を０．２ｍｍと設定した場合、レーザー頂角は３０°と算出される。したがって、前記角度α１を３０°以上となるようにセパレータ外周縁部の両金属板１５Ａ、１５Ｂ間距離Ｈを設定することにより、レーザビームｈｖとセパレータ１５との干渉が回避される。

このように本実施形態によれば、レーザビームｈｖを照射して溶接部２９を溶接する際に、レーザビームｈｖとセパレータ１５の外周縁部が接触しないため、出力されたレーザビームｈｖの全てが溶接部２９に照射されることになり、溶接欠陥の発生を無くすことができる。

図１は燃料電池スタックの全体構成を示す斜視図である。 図２は燃料電池単セルの拡大断面図である。 図３は燃料電池スタックの断面図である。 図４は膜電極接合体とセパレータのシール部分を示す断面図である。 図５は２枚の金属板の貼り合わせ位置がずれた状態でレーザー溶接したときのセパレータ外周縁部の要部拡大断面図である。 図６はセパレータ外周縁部側の傾斜部の傾斜角度を冷媒流路側の傾斜部の傾斜角度よりも小さくしたときのセパレータの断面図である。 図７は図６に示すセパレータの２枚の金属板の貼り合わせ位置がずれた状態でレーザー溶接したときのセパレータ外周縁部の要部拡大断面図である。 図８はセパレータ外周縁部の両金属板端部と溶接部とを結んだ線のなす角度α１を前記溶接部に照射するレーザーの広がり角度α２よりも大としたときのセパレータ外周縁部の要部拡大断面図である。 図９はレーザビームの広がり角度を示す図である。

符号の説明

１…燃料電池スタック
１０…燃料電池単セル
１１…電解質膜
１２…電極触媒層（触媒層）
１３…ガス拡散層
１４…膜電極接合体
１５…セパレータ（燃料電池用セパレータ）
１５Ａ、１５Ｂ…金属板
１６…ガスケット（シール部材）
１７…燃料ガス流路（反応ガス流路）
１８…酸化剤ガス流路（反応ガス流路）
１９…冷媒流路
２６…凹条部
２７…凸条部
２８…セパレータ外周縁部に形成された空隙部
２９…溶接部
３０、３１…傾斜部

Claims (5)

1. 発電に寄与する領域に凹条部と凸条部を交互に形成した凹凸形状をなす金属板同士を貼り合わせることで反応ガス流路及び冷媒流路を形成した燃料電池用セパレータであって、
   セパレータ外周縁部は、前記凸条部同士が突き合わされることにより側面を開放した空隙部を内部に形成する突起部とされ、その開放された側面から前記空隙部奥の前記凹条部が重ね合わされる部位を溶接してなる
   ことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
2. 請求項１に記載の燃料電池用セパレータであって、
   前記冷媒流路は、凸条部同士が突き合わされて形成される空洞部からなり、
   前記セパレータ外周縁部の溶接部における前記凹条部から前記凸条部へと立ち上がる傾斜部の角Ｒ１が、前記冷媒流路に向かって前記凹条部から前記凸条部へと立ち上がる傾斜部の角Ｒ２よりも大である
   ことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
3. 請求項１に記載の燃料電池用セパレータであって、
   前記冷媒流路は、凸条部同士が突き合わされて形成される空洞部からなり、
   前記セパレータ外周縁部の溶接部における前記凹条部から前記凸条部へと立ち上がる傾斜部の傾斜角度θ１が、前記冷媒流路に向かって前記凹条部から前記凸条部へと立ち上がる傾斜部の傾斜角度θ２よりも小さい
   ことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
4. 請求項１から請求項３の何れか１項に記載の燃料電池用セパレータであって、
   前記セパレータ外周縁部の両金属板端部と前記溶接部とを結んだ線のなす角度α１を、前記溶接部に照射するレーザーの広がり角度α２よりも大とした
   ことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
5. 金属板に凹条部と凸条部を交互に形成して凹凸形状を形成した後、前記凹条部同士及び前記凸条部同士を重ね合わせて２枚の金属板を接合一体化して、前記凹条部を反応ガスが流れる反応ガス流路とし且つ前記凸条部同士が突き合わされて形成される空洞部を冷却媒体が流れる冷媒流路となす燃料電池用セパレータの製造方法において、
   セパレータ外周縁部を、前記凸条部同士が突き合わされることにより側面を開放した空隙部を内部に形成する突起部とし、その開放された側面から前記空隙部奥の前記凹条部が重ね合わされる部位にレーザーを照射して溶接する
   ことを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。

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