JP5223272B2

JP5223272B2 - 燃料電池用金属セパレータの溶接方法、および燃料電池用金属セパレータの溶接装置

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Publication number: JP5223272B2
Application number: JP2007229408A
Authority: JP
Inventors: 晋一平野; 強工藤; 宏和田林; 雅則岩本; 史朗米倉; 秀和矢野
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2007-09-04
Filing date: 2007-09-04
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2027-09-04
Also published as: JP2009064593A

Description

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

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が使用されている（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り、形成されている。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られる。組み合わせた金属セパレータの接合面同士は、一般的に、レーザ溶接により重ね溶接して接合されている。この場合において、空隙に起因する溶接欠陥の発生を防ぐために、接合面の間に隙間が生じないように接合面同士を密着させる必要がある。
特開２００２−３０５００５号公報

しかしながら、金属セパレータは薄肉のプレス成形品あるので、接合面同士の密着性が悪く隙間が生じ易い。また、レーザビームを照射する部位を直接押さえることはできず、その周辺部を押さえることしかできないので、レーザビームを照射する部位における接合面同士の密着性を十分に確保することは困難である。

そこで、本発明の目的は、金属セパレータの接合面同士の密着性を高めて、空隙に起因する溶接欠陥の発生を防止し得る、燃料電池用金属セパレータの溶接方法、および燃料電池用金属セパレータの溶接装置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方法は、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て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る。その後、前記空間部内を排気して負圧化して重ね合わせた前記接合面同士を大気圧によって密着させる工程を実施する。そして、密着させた前記接合面同士を重ね溶接する工程を実施する。前記流体流路が冷却水流路であり、前記冷却水流路に冷却水を流すために前記金属セパレータに形成された少なくとも２個のマニホールド孔のうちの一方のマニホールド孔を、記空間部を排気するための排気口として用い、他方のマニホールド孔を、溶接熱を逃がす気流を形成する気体を前記空間部に供給するための気体供給口として用いる。

また、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ることによって区画形成された流体流路となる空間部を排気する排気手段を有している。そして、密着させた前記接合面同士を重ね溶接する溶接手段を有している。前記流体流路が冷却水流路であり、前記冷却水流路に冷却水を流すために前記金属セパレータに形成された少なくとも２個のマニホールド孔のうちの一方のマニホールド孔を、前記空間部を排気するための排気口として用い、他方のマニホールド孔を、溶接熱を逃がす気流を形成する気体を前記空間部に供給するための気体供給口として用いる。

本発明によれば、組み合わせた金属セパレータ間に区画形成された流体流路となる空間部を排気して負圧化し、重ね合わせた接合面同士を大気圧によって密着させているので、重ね溶接する接合面同士の密着性を高めて、空隙に起因する溶接欠陥の発生を防止することができる。

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、図３は、燃料電池に形成される流路を模式的に説明する概略図である。なお、図３においては、接合面１５同士が密着していない状態で示されているが、これは、理解の容易のために、接合面１５同士の間に微小隙間が存在しやすいことを強調して表したものである。以下に説明する他の図面においても、接合面１５同士が密着していない状態で示されているものもあるが、同様の理由による。本発明によれば、接合面１５同士は密着した状態で重ね溶接されているので、図示したような接合面１５同士の間の隙間は存在し得ない。

図１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（図２を参照）を介して複数の単位電池（セル）３０を積層することにより構成される。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が備えられている。集電板２４、２５は、スタック２１とエンドプレート２２、２３との間に配置されている。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により締結され、締結による負荷荷重によりスタック２１に均一に面圧を加えている。

図２を参照して、単位電池３０は、電解質膜４０、燃料極５０および空気極６０を有しており、電解質膜４０は、これらの一対の電極５０、６０によって挟持されている。各電極５０、６０は、触媒層５１、６１と、ガス拡散層５２、６２とを含み、触媒層５１、６１の片面が電解質膜４０に接している。

上記燃料電池スタック２１において、金属セパレータ接合体１０は、積層される単位電池３０の間に配置され、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られる。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り、金属セパレータ接合体１０が形成される。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。

図２および図３を参照して、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凹部（溝部）が形成されており、たとえば、波形のエンボス形状を有している。図３に示すように、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Ｆ、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流路Ｗ（冷却水流路に相当する）となる。

金属セパレータ１１、１２は発生した電力を隣接する単位電池（セル）３０に伝える電気伝導体である必要があり、同時に耐食性を有する必要がある。また、締結部材２５の締め付け力に耐えうる強度も必要であり、金属セパレータ１１、１２の場合には、たとえば、ステンレス鋼やチタン等により形成される。金属セパレータ１１、１２のエンボス型は、たとえば、金属薄板を金型でプレス成型することにより成形される。

図４〜図６は、本発明に係る燃料電池用金属セパレータの溶接方法を模式的に示す概略図であり、図４は、金属セパレータ１１、１２の接合面１５同士を大気圧によって密着させる様子を示す概略図、図５は、溶接熱を逃がす気流Ｍが形成される様子を示す概略図、図６は、密着させた接合面１５同士を重ね溶接する様子を示す概略図である。また、図７は、金属セパレータ１１、１２に形成されているマニホールド孔８０を、空間部２０を排気するための排気口として用いる構造を示す概略図である。

図４〜図６を参照して、燃料電池用金属セパレータの溶接装置は、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同士を重ね合わせることによって区画形成された流体流路となる空間部２０を排気する排気手段１００（図５を参照）と、密着させた接合面１５同士を重ね溶接する溶接手段２００（図６を参照）と、を有している。本実施形態において、流体流路は、冷却水流路Ｗである。図７を参照して、冷却水流路Ｗに冷却水を流すために金属セパレータ１１、１２に形成されたマニホールド孔８０を、空間部２０を排気するための排気口として用いている。

図５を参照して、排気手段１００としては、たとえば、真空ポンプなどの排気装置を挙げることができる。排気装置１００の排気系１１０が、空間部２０に接続されている。

図６を参照して、溶接手段２００としては、たとえば、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、レーザビームを照射して溶接するレーザ溶接機などが好適に用いられる。図示する溶接手段２００には、一般的なワーク保持機構３００を配置している。ワーク保持機構３００は、接合面１５の図中下側に配置されるワーク受け治具３１０と、図中上側に配置されるワーク押さえ治具３２０と、を有している。ワーク押さえ治具３２０は筒体状の構造等を有し、レーザ溶接機のレーザビームの照射を遮らないような工夫が施されている。

一般的なワーク保持機構３００は、前述したように、レーザビームを照射する部位の周辺部を押さえることしかできないので、レーザビームを照射する部位における接合面１５の密着性を十分に確保することが難しい。そこで、本実施形態のように、重ね合わせた接合面１５同士を密着させる手段を講じている。逆に言えば、重ね合わせた接合面１５同士を密着させる手段を、現在使用している溶接装置に後付けすることが可能となっている。したがって、本実施形態の溶接装置は、既設の設備に組み込むことができ、適用範囲が広いというメリットがある。

図７（ａ）を参照して、図示例の金属セパレータ１１、１２は、その長手方向の両端部に２箇所ずつ、合計４箇所のマニホールド孔８０が形成されている。ただし、マニホールド孔８０の数はこれに限定されるものではなく、少なくとも２箇所に形成されていればよい。図示例では、４箇所のマニホールド孔８０のうちの１箇所を、空間部２０を排気するための排気口として用いている。マニホールド孔８０の使用例はこれに限定されるものではない。たとえば、すべてのマニホールド孔８０を排気口として用いてもよい。

図７（ｂ）を参照して、金属セパレータ１１、１２をセットする溶接治具６００は、排気口に適用するマニホールド孔８０に連通する排気通路６３０と、それぞれのマニホールド孔８０の周縁下部を支持するリング状の支持部６１０と、を有している。排気通路６３０に、排気装置１００の排気系１１０を接続する。マニホールド孔８０のそれぞれには、マニホールド孔８０の周縁上部を押さえるために、リング状の着座部６６０を備えるキャップ６７０が取り付けられる。キャップ６７０の頂部内面には、図において下側に伸びる突出部６４０を設けている。突出部６４０の下面には、中心凹部６５０を形成している。溶接治具６００に設けた係合ピン６２０を中心凹部６５０に差し込むことにより、キャップ６７０が溶接治具６００に対して位置決めされる。金属セパレータ１１、１２は、マニホールド孔８０の周縁が上下から、キャップ６７０の着座部６６０と溶接治具６００の支持部６１０とによって挟まれる。

キャップ６７０は、その着座部６６０と突出部６４０との間に、略リング状の空間９５が形成されている。排気口用のマニホールド孔８０に取り付けたキャップ６７０の空間９５が排気通路６３０と連通する。排気口として用いない他のマニホールド孔８０に取り付けたキャップ６７０の空間９５は、当該マニホールド孔８０を介して、金属セパレータ１１、１２間の空間部２０と連通している。

排気装置１００を作動させると、排気系１１０、排気通路６３０、および排気口用マニホールド孔８０を介して、金属セパレータ１１、１２間の空間部２０内が排気される。排気装置１００の作動に伴い、金属セパレータ１２の上に置いただけのキャップ６７０が、中心凹部６５０に差し込まれた係合ピン６２０にガイドされつつ下向きに吸引される。他のマニホールド孔８０に取り付けたキャップ６７０は、空間部２０に連通する空間９５内が排気されるので、同様に、下向きに吸引される。キャップ６７０の着座部６６０および溶接治具６００の支持部６１０がマニホールド孔８０の周縁に密着することによって、これらの間から吸気されることを防いでいる。

次に、本発明に係る燃料電池用金属セパレータの溶接方法を説明する。

まず、図４および図７に示すように、凹凸断面形状を有する一対の金属セパレータ１１、１２を、当該金属セパレータ１１、１２の接合面１５同士を重ね合わせ、流体流路となる空間部２０を区画形成するように組み合わせる。金属セパレータ１１、１２は、溶接治具６００上にセットする。溶接治具６００の係合ピン６２０を中心凹部６５０に差し込むようにキャップ６７０を嵌め、金属セパレータ１１、１２を、マニホールド孔８０の周縁の上下から、キャップ６７０の着座部６６０と溶接治具６００の支持部６１０とによって挟み込む。

次に、図４および図５に示すように、空間部２０内を排気して負圧化し、重ね合わせた接合面１５同士を大気圧Ｐによって密着させる。すなわち、排気装置１００を作動させ、排気系１１０、排気通路６３０、および排気口用マニホールド孔８０を介して、金属セパレータ１１、１２間の空間部２０内を排気する。これにより、金属セパレータ１１、１２間が負圧化Ｖされる。すると、金属セパレータ１１、１２の接合面１５同士は、複雑な保持機構を用いることなく、外部環境である大気圧Ｐにより押されて容易に密着する。また、キャップ６７０の着座部６６０および溶接治具６００の支持部６１０がマニホールド孔８０の周縁に密着し、これらの間からの吸気を防いでいる。

そして、図６に示すように、密着させた接合面１５同士を重ね溶接する。すなわち、密着した状態の接合面１５同士に、溶接手段２００であるレーザ溶接機のレーザビームを照射する。金属セパレータ１１、１２は薄肉のプレス成形品あるので、接合面１５同士の密着性が悪く隙間が生じ易いものの、重ね合わせた接合面１５同士を大気圧によって密着させることにより、レーザビームを照射する部位における接合面１５同士の密着性を高めることができる。したがって、金属セパレータ１１、１２間の空隙に起因する溶接欠陥の発生を防止して、接合面１５同士を良好に重ね溶接することができる。

本実施形態にあっては、溶接時においては、ワーク保持機構３００のワーク押さえ治具３２０によって、接合面１５同士を押圧し保持している。空間部２０を排気することによる金属セパレータ１１、１２間の負圧化Ｖと、接合面１５同士の押圧保持と、を併用することにより、接合面１５同士をより確実に密着させた状態で重ね溶接することができる。また、所望の部位の密着性を高品位に確保することができる。

金属セパレータ１１、１２間の負圧化Ｖを維持するために、排気装置１００を作動させたまま、溶接作業が実施されている。図５に示すように、溶接前における接合面１５同士の間、金属セパレータ１２と着座部６６０との間、あるいは金属セパレータ１１と支持部６１０との間などにおける極めて微小な隙間を通って、空気が空間部２０に流れ込むが、空間部２０を排気していることから、気流Ｍが形成されることになる。金属セパレータ１１、１２間の気体流動に伴って金属セパレータ１１、１２から矢印Ｈに示すように抜熱が生じ、溶接熱を効率良く外部に逃がすことができる。このため、製品の品質（主として、形状）に悪影響（変形など）を及ぼすことを防止することができる。なお、接合面１５同士の密着性が高まるのにあいまって、接合面１５間には、蓄熱あるいは断熱の効果を有する空気が存在しなくなる。これより、金属セパレータ１１、１２への溶接熱の蓄熱を回避できる。

このように本実施形態によれば、金属セパレータ１１、１２間の空隙に起因する溶接欠陥の発生を防止することができるとともに、金属セパレータ１１、１２への蓄熱を回避して製品の変形を防止することができる。この結果、製品の歩留まりが向上し、製造コストを低減することができる。

金属セパレータ１１、１２間の負圧化Ｖにより接合面１５同士を密着させる機構であるので、接合面１５を押し付ける構成に比べて、溶接装置は簡素な構造となる。これにより、溶接作業を開始するまでの段取りに要する時間の短縮を図ることができ、溶接装置の作製費やメンテナンス費用を低額に抑えることができる。これらを通しても、製造コストの低減に寄与し得る。

接合面１５同士の密着状態は、排気装置１００の排気系１１０に真空計あるいは負圧計を取り付け、絶対圧あるいはゲージ圧を観察することによって、簡単かつ短時間に確認できる。密着状態の確認ミスが減少するので、製品の歩留まりの向上に寄与し得る。

空間部２０を排気することによって溶接熱の抜熱を効率的に行い得るので、溶接治具６００の構成材料として熱伝導性の良い物質（例えば、銅）を必要以上に使用する必要がない。このため、溶接装置の費用の上昇を抑えることができる。また、熱伝導性の良い物質から形成した別部品を溶接治具６００に設ける必要もなく、溶接装置の機構の複雑化を招くことがなく、この点からも、溶接装置の費用の上昇を抑えることができる。

図８（ａ）（ｂ）は、金属セパレータ１１、１２に形成されているマニホールド孔８０を、空間部２０を排気するための排気口、および気体を空間部に供給するための気体供給口として用いる構造を示す概略図である。

上述した実施形態では、マニホールド孔８０を排気口としてのみ用いているが、本発明はこの場合に限定されるものではない。たとえば、少なくとも２個のマニホールド孔のうちの一方のマニホールド孔を、空間部２０を排気するための排気口として用い、他方のマニホールド孔を、溶接熱を逃がす気流を形成する気体を空間部２０に供給するための気体供給口として用いてもよい。

図８（ａ）に示される例にあっては、左側の２個のマニホールド孔８０を排気口として用い、右側の２個のマニホールド孔８０を気体供給口として用いている。左側の２個のマニホールド孔８０には、前述したキャップ６７０が取り付けられ、これらキャップ６７０の空間９５が排気通路６３０と連通する。右側の２個のマニホールド孔８０は、キャップ６７０が取り付けられておらず、大気開放されている。したがって、排気口用マニホールド孔８０に装着されたキャップ６７０の空間９５を排気すると、気体供給口用マニホールド孔８０から外気Ｇが吸引されて、金属セパレータ１１、１２間に気流が形成される。そして、金属セパレータ１１、１２間の気体流動に伴って金属セパレータ１１、１２から抜熱が生じ、溶接熱を逃がして製品の変形を防止することができる。

なお、溶接熱を逃がす気流の形成は、接合面１５の溶接途中のみならず、溶接後においても実施できる。溶接途中においては、接合面１５同士の密着状態を阻害しない範囲で、溶接熱を逃がす気流を形成する必要がある。排気装置１００の排気性能との関係においては、右側の２個のマニホールド孔８０に、吸引する外気Ｇの流量を制限する絞り機能を有するキャップを必要に応じて取り付けてもよい。

図８（ｂ）に示される例にあっても、同様に、左側の２個のマニホールド孔８０を排気口として用い、右側の２個のマニホールド孔８０を気体供給口として用いている。溶接熱を逃がす気流を形成する気体の温度は、周囲の環境温度よりも低いことが好ましい。金属セパレータ１１、１２からの抜熱の効率が高まるからである。そこで、右側の２個のマニホールド孔８０には、周囲の環境温度よりも低い温度の冷却気体Ｃを供給するパイプ（図示せず）が接続されたキャップ６７１を取り付けてある。

図９は、金属セパレータ１１、１２間に冷却気体Ｃによる気流Ｍを形成して抜熱する状態を説明する概略図である。

図９を参照して、金属セパレータ１１、１２間の冷却水の流路Ｗとなる空間部２０を排気装置１００により排気して、該金属セパレータ１１、１２間に気流Ｍを形成する。すると、金属セパレータ１１、１２間の気体流動に伴って金属セパレータ１１、１２から矢印Ｈに示すように抜熱が生じ、溶接熱を逃がすことになる。このとき、空間部２０に周囲の環境温度よりも低い温度の冷却気体Ｃを導入している。したがって、金属セパレータ１１、１２の冷却効率を向上させて製品の変形を防止することができる。また、金属セパレータ１１、１２の冷却効率を向上により、全体として溶接速度を向上させることができ、金属セパレータ１１、１２の生産性を向上させることができる。

以下、図１０から図１６を参照して、他の実施形態について説明する。

図１０は、弾性部材４００による金属セパレータ１１、１２の外周部の密閉保持状態を模式的に示す概略断面図である。

図１０を参照して、空間部２０を排気するときに、重ね合わせた接合面１５同士の間の隙間に連通するとともに大気開放された組み合わせた金属セパレータ１１、１２の外周部を、弾性変形可能な弾性部材４００によって密閉することが好ましい。

弾性部材４００としては、たとえば、天然ゴム材や合成ゴム材が挙げられ、弾性部材４００の当接側面には、金属セパレータ１１、１２の外周部を密着保持する凹部溝状の保持部４１０が形成されている。弾性部材４００の弾性変形により金属セパレータ１１、１２の外周部の形状に追従し易く、形状追従により金属セパレータ１１、１２の間の密閉性が向上する。

このように弾性部材４００により金属セパレータ１１、１２の外周部を密閉した状態で、金属セパレータ１１、１２間の空間部２０を排気することにより、初期の内部気体の漏れ量を低減して、金属セパレータ１１、１２間の負圧化Ｖの効率を高めることができる。金属セパレータ１１、１２間が負圧化Ｖされると、金属セパレータ１１、１２同士の接合面１５は、複雑な保持機構を用いることなく、外部環境である大気圧Ｐにより押されて容易に密着することになる。そして、密着状態の接合面１５に、溶接手段２００であるレーザ溶接機のレーザビームを照射することにより、金属セパレータ１１、１２間の空隙に起因する溶接欠陥の発生を防止して、接合面１５を良好に重ね溶接することができる。また、金属セパレータ１１、１２の外周部を弾性部材４００で密閉した状態で、金属セパレータ１１、１２間の空間部２０を排気することにより、排気量が限定されるので、排気装置１００を小型化することができる。

図１１は、弾性部材４００の付勢力により金属セパレータ１１、１２の端部を位置決めする状態を模式的に示す概略断面図である。

図１１を参照して、接合面１５を溶接するときに、組み合わせた金属セパレータ１１、１２の端部を位置決め基準としての位置決め部材（ロケートブロック）５００に突き当てて、組み合わせた金属セパレータ１１、１２を位置決めすることが好ましい。その際、位置決め部材５００と対向する部位に配した上記弾性部材４００が金属セパレータ１１、１２の端部を位置決め部材５００に突き当てる付勢手段として機能する。

弾性部材４００により強い付勢力Ｔを付与するため、弾性部材４００と固定側４５０との間にコイルバネなどの付勢部材４２０を設けてもよい。

図１２は、金属セパレータ１１、１２の排気操作の手順を示す概略図である。

図１２を参照して、組み合わせた金属セパレータ１１、１２に、負圧化すべき空間２０ａが、重ね合わせた接合面１５同士の間の隙間を介して空間部２０と連通して形成される場合において、空間２０ａ内を負圧化した後に、空間部２０内を負圧化して接合面１５同士を密着させることが好ましい。負圧化すべき空間２０ａは、流体流路を形成しない部位に形成される空間であり、金属セパレータ１１、１２の外周部を弾性部材４００によって保持する場合に形成される空間などが該当する。また、負圧化すべき空間２０ａは、組み合わせた金属セパレータ１１、１２の外周部に配置されている。

たとえば、組み合わせた金属セパレータ１１、１２の外周端部側の負圧化すべき空間２０ａをＡ部、内部側の空間部２０をＢ部、Ａ部とＢ部との間を密着が必要な接合面１５とした場合、金属セパレータ１１、１２の外周部を弾性部材４００で保持して金属セパレータ１１、１２間を密閉した後、まずＡ部を排気して負圧化Ｖし、次にＢ部を排気して負圧化Ｖするという手順で排気操作を行う。この手順により、接合面１５を確実に負圧化Ｖして密着させることができる。排気対象空間（Ａ部またはＢ部）を切り替えるバルブなどを排気装置１００に設けてある。

図１３は、クランプ機構３５０による金属セパレータ１１、１２の接合面１５の密着手順を示す概略図である。

空間部２０を排気するときには、重ね合わせた接合面１５同士を肉厚方向外方から押圧することが好ましい。弾性部材４００により金属セパレータ１１、１２の外周部を密閉する場合と同様に、金属セパレータ１１、１２間の負圧化Ｖの効率を高めることができ、排気装置１００を小型化することができるからである。前述した溶接手段２００のワーク保持機構３００を流用し、空間部２０を排気するときに、重ね合わせた接合面１５同士をワーク押さえ治具３２０によって肉厚方向外方から押圧することができる。

また、排気操作の手順に関しては、金属セパレータ１１、１２間の空間２０ａおよび空間部２０を外周部側から内部側へと順に排気して負圧化Ｖすることが好ましい。

そこで、重ね合わせた接合面１５同士のうち大気開放された組み合わせた金属セパレータ１１、１２の外周部に近接する側の部位のみを押圧し、組み合わせた金属セパレータ１１、１２の外周部側から内部側へ順に排気して接合面１５同士を密着させることが好ましい。

図１３を参照して、クランプ機構３５０を用いて、接合面１５を密着させている。クランプ機構３５０は、金属セパレータ１１、１２の接合面１５を下方から支持する突設したワーク受け治具３１０と、下方へ向けて突設したクランプ部３３０を有するワーク押さえ治具３４０と、からなっている。このクランプ機構３５０のクランプ部３３０により、Ｂ部の排気（負圧化）開始時に接合面１５の外周部側近傍を把持する。すると、接合面１５同士が外周部側から内部側へと徐々に負圧化Ｖされていくので、接合面１５の全面の密着性を高品位に確保することができる。また、所望の部位の密着性を高品位に確保することができる。溶接する際には、クランプ機構３５０のワーク押さえ治具３４０を後退させる。なお、ワーク受け治具３１０は、レーザ溶接する際の溶接治具６００と兼用することができる。

図１４は、溶接治具６００と金属セパレータ１１、１２とを密着させる負圧化を説明する概略図である。

組み合わせた金属セパレータ１１、１２を溶接治具６００上に載置し、空間部２０を排気するときには、溶接治具６００と組み合わせた金属セパレータ１１との間の隙間７０内を排気して負圧化し、組み合わせた金属セパレータ１１、１２を溶接治具６００に対して固定することが好ましい。

図１２および図１３では、金属セパレータ１１、１２の接合面１５同士を密着するための負圧化Ｖについて説明したが、図１４に示すように、レーザ溶接する際の溶接治具６００と、これに接触する金属セパレータ１１と、の間の燃料ガスの流路Ｆ（図３を参照）となる隙間７０を負圧化Ｖしてもよい。すなわち、溶接治具６００と金属セパレータ１１との間の隙間７０に排気装置１００の排気系１１０を接続し、該隙間７０を排気して負圧化Ｖすることにより、金属セパレータ１１を溶接治具６００に密着させることができる。金属セパレータ１２が下部に位置する場合には、溶接治具６００と金属セパレータ１２と、の間の酸素（空気）の流路Ｏとなる隙間７０を負圧化Ｖする。このように、金属セパレータ１１、１２間の空間部２０の負圧化Ｖと、下位側に位置する金属セパレータ１１または１２と溶接治具６００との間の隙間７０の負圧化Ｖとを併用することにより、接合面１５同士の密着性が確保され、かつ溶接治具６００上に金属セパレータ１１、１２が保持されるので、レーザ溶接を安定した状態で行うことができる。

図１５（ａ）は、嵌め合い構造を有する金属セパレータ１１、１２により形成された金属セパレータ接合体１０を示す平面図、図１５（ｂ）は図１５（ａ）の１５ｂ−１５ｂ線に沿う概略断面図である。図１６は、嵌め合い構造を有する金属セパレータ同士の相対的な位置を決める構造を示す斜視図である。

図１５に示す金属セパレータ１１、１２は、図１２に示した金属セパレータ１１、１２と同様に、負圧化すべき空間２０ａを備えている。負圧化すべき空間２０ａが、流体流路を形成しない部位に形成される点、および組み合わせた金属セパレータ１１、１２の外周部に配置されている点も同様である。ただし、図１５に示す金属セパレータ１１、１２にあっては、負圧化すべき空間は、一方の金属セパレータ１１または１２の外周部と他方の金属セパレータ１１または１２の外周部とが嵌まり合うことによって形成されている。

図示例では、金属セパレータ１１の外周縁部内に金属セパレータ１２の外周部が嵌合する構造を有している。ただし、これに限定されるものではなく、逆に、金属セパレータ１２の外周縁部内に金属セパレータ１１の外周部が嵌合する構造であっても構わない。

すなわち、図示例では、金属セパレータ１１の長手方向全長が金属セパレータ１２の長手方向全長よりも大きく形成され、金属セパレータ１１の幅方向の全幅が金属セパレータ１２の幅方向の全幅よりも大きく形成されている。そして、金属セパレータ１１の外周縁の内面には、金属セパレータ１２の外周エッジを当接させて保持する段差部１３が形成されている（図１６を参照）。この段差部１３に金属セパレータ１２の外周エッジを落とし込んで当接させることにより、金属セパレータ１１と金属セパレータ１２との相対的な位置が決められる。

このような嵌合構造において、幅方向の外側両端部に位置する空間２０ａを、その内側の空間部２０よりも先に排気して負圧化Ｖし、その後に内側の空間部２０を排気して負圧化Ｖする。図１２および図１３において説明したように、金属セパレータ１１、１２間を外周部側から内部側へと順に排気することができる。このような排気手順により、外側両端部の空間２０ａと、これらの内側の空間部２０との間に位置する接合面１５同士の密着性を容易かつ確実に確保することができる。また、このような金属セパレータ１１、１２の嵌合構造により、金属セパレータ１１、１２同士の位置決めを高精度で行うことができ、回転方向の位置ずれが発生しないので、性能に関わるガス流路や冷却水流路のずれを防止することができる。

以上説明したように、本実施形態に係る燃料電池用金属セパレータ１１、１２の溶接方法、およびこれを具現化した溶接装置によれば、組み合わせた金属セパレータ１１、１２間に区画形成された空間部２０を排気して負圧化Ｖし、大気圧Ｐによって金属セパレータ１１、１２が当接する接合面１５同士を密着させるので、複雑な保持機構を用いることなく、簡単な方法で、重ね溶接した接合面１５の密着性を確保して溶接欠陥の発生を防止することができる。また、空間部２０を排気することにより、組み合わせた金属セパレータ１１、１２間に気流Ｍが発生し、溶接熱を効率良く逃がして製品の変形を防止することができる。したがって、製品の歩留まりが向上し、製造コストを低減することができるものである。

流体流路が冷却水流路であり、冷却水流路に冷却水を流すために金属セパレータ１１、１２に形成されたマニホールド孔８０を、空間部２０を排気するための排気口として用いており、金属セパレータ１１、１２の構造上の特徴を活かした溶接方法および溶接装置を提供できる。

流体流路が冷却水流路であり、冷却水流路に冷却水を流すために金属セパレータ１１、１２に形成された少なくとも２個のマニホールド孔８０のうちの一方のマニホールド孔８０を、空間部２０を排気するための排気口として用い、他方のマニホールド孔８０を、溶接熱を逃がす気流を形成する気体を空間部２０に供給するための気体供給口として用いており、金属セパレータ１１、１２の構造上の特徴を活かした溶接方法および溶接装置を提供できる。さらに、溶接熱を逃がす気流Ｍを形成する気体を供給するので、溶接熱を効率良く逃がして製品の変形を防止することができる。

溶接熱を逃がす気流を形成する気体の温度を周囲の環境温度よりも低くすることによって、溶接熱をより一層効率良く逃がして、製品の変形を一層防止することができる。

空間部２０を排気するときに、重ね合わせた接合面１５同士の間の隙間に連通するとともに大気開放された組み合わせた金属セパレータ１１、１２の外周部を、弾性変形可能な弾性部材４００によって密閉してあるので、初期の内部気体の漏れ量を低減して、金属セパレータ１１、１２間の負圧化Ｖの効率を高めることができる。また、排気量が限定されるので、排気装置１００を小型化することができる。

接合面１５を溶接するときに、組み合わせた金属セパレータ１１、１２の端部を位置決め部材５００に突き当てて、組み合わせた金属セパレータ１１、１２を位置決めしているので、溶接作業を精度よく行うことができる。

空間部２０を排気するときに、重ね合わせた接合面１５同士を肉厚方向外方から押圧するので、弾性部材４００により金属セパレータ１１、１２の外周部を密閉する場合と同様に、金属セパレータ１１、１２間の負圧化Ｖの効率を高めることができ、排気装置１００を小型化することができる。

重ね合わせた接合面１５同士のうち大気開放された組み合わせた金属セパレータ１１、１２の外周部に近接する側の部位のみを押圧し、組み合わせた金属セパレータ１１、１２の外周部側から内部側へ順に排気して接合面１５同士を密着させるので、接合面１５同士が外周部側から内部側へと徐々に負圧化Ｖして、接合面１５の全面の密着性を高品位に確保することができる。

組み合わせた金属セパレータ１１、１２を溶接治具６００上に載置し、空間部２０を排気するときに、溶接治具６００と組み合わせた金属セパレータ１１、１２との間の隙間７０内を排気して負圧化し、組み合わせた金属セパレータ１１、１２を溶接治具６００に対して固定している。金属セパレータ１１、１２間の空間部２０の負圧化Ｖと、下位側に位置する金属セパレータ１１または１２と溶接治具６００との間の隙間７０の負圧化Ｖとを併用することにより、接合面１５同士の密着性が確保され、かつ溶接治具６００上に金属セパレータ１１、１２が保持されるので、レーザ溶接を安定した状態で行うことができる。

組み合わせた金属セパレータ１１、１２に、負圧化すべき空間２０ａが、重ね合わせた接合面１５同士の間の隙間を介して空間部２０と連通して形成される場合において、空間２０ａ内を負圧化した後に、空間部２０内を負圧化して接合面１５同士を密着させるので、組み合わせた金属セパレータ１１、１２の外周部側から内部側へ順に排気して接合面１５同士を密着させるので、接合面１５同士を確実に負圧化Ｖして密着させることができる。

負圧化すべき空間２０ａは、組み合わせた金属セパレータ１１、１２の外周部に配置されているので、空間部２０を区画形成する接合面１５同士のみならず、金属セパレータ１１、１２の全体を広範囲にわたって密着させることができる。

負圧化すべき空間２０ａは、一方の金属セパレータ１１、１２の外周部と他方の金属セパレータ１１、１２の外周部とが嵌まり合うことによって形成されているので、金属セパレータ１１、１２同士の位置決めを高精度で行うことができ、性能に関わるガス流路や冷却水流路のずれを防止することができる。

一方の金属セパレータ１１、１２の外周エッジを、他方の金属セパレータ１１、１２の外周部の内面に設けた段差部１３に当接させることによって、金属セパレータ１１、１２同士の相対的な位置を簡単に決めることができる。

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。燃料電池に形成される流路を模式的に説明する概略図である。金属セパレータの接合面同士を大気圧によって密着させる様子を示す概略図である。溶接熱を逃がす気流が形成される様子を示す概略図である。密着させた接合面同士を重ね溶接する様子を示す概略図である。金属セパレータに形成されているマニホールド孔を、空間部を排気するための排気口として用いる構造を示す概略図である。図８（ａ）（ｂ）は、金属セパレータに形成されているマニホールド孔を、空間部を排気するための排気口、および気体を空間部に供給するための気体供給口として用いる構造を示す概略図である。金属セパレータ間に冷却気体による気流を形成して抜熱する状態を説明する概略図である。弾性部材による金属セパレータの外周部の密閉保持状態を模式的に示す概略断面図である。弾性部材の付勢力により金属セパレータの端部を位置決めする状態を模式的に示す概略断面図である。金属セパレータの排気操作の手順を示す概略図である。クランプ機構による金属セパレータの接合面の密着手順を示す概略図である。溶接治具と金属セパレータとを密着させる負圧化を説明する概略図である。図１５（ａ）は、嵌め合い構造を有する金属セパレータにより形成された金属セパレータ接合体１０を示す平面図、図１５（ｂ）は図１５（ａ）の１５ｂ−１５ｂ線に沿う概略断面図である。嵌め合い構造を有する金属セパレータ同士の相対的な位置を決める構造を示す斜視図である。

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）、
１３段差部、
１５接合面、
２０空間部（流体流路、冷却水流路）
２０ａ負圧化すべき空間、
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、
７０溶接治具と組み合わせた金属セパレータとの間の隙間、
８０マニホールド孔、
９５空間、
１００排気装置（排気手段）、
２００レーザ溶接機（溶接手段）、
３００
３５０クランプ機構、
４００弾性部材、
５００位置決め部材、ロケートブロック（位置決め基準）、
６００溶接治具、
６３０排気通路、
Ｃ冷却気体（溶接熱を逃がす気流を形成する気体）、
Ｍ気流、
Ｐ大気圧、
Ｖ負圧化。

Claims

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て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る工程と、
前記空間部内を排気して負圧化して重ね合わせた前記接合面同士を大気圧によって密着させる工程と、
密着させた前記接合面同士を重ね溶接する工程と、
を有する燃料電池用金属セパレータの溶接方法であって、
前記流体流路が冷却水流路であり、
前記冷却水流路に冷却水を流すために前記金属セパレータに形成された少なくとも２個のマニホールド孔のうちの一方のマニホールド孔を、
前記空間部を排気するための排気口として用い、
他方のマニホールド孔を、
溶接熱を逃がす気流を形成する気体を前記空間部に供給するための気体供給口として用いる
ことを特徴とする燃料電池用金属セパレータの溶接方法。
溶接熱を逃がす気流を形成する気体の温度が周囲の環境温度よりも低い
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用金属セパレータの溶接方法。
前記空間部を排気するときに、
重ね合わせた前記接合面同士の間の隙間に連通するとともに大気開放された前記組み合わせた金属セパレータの外周部を、
弾性変形可能な弾性部材によって密閉する
ことを特徴とする請求項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方法。
前記接合面を溶接するときに、
前記組み合わせた金属セパレータの端部を位置決め基準に突き当てて、
前記組み合わせた金属セパレータを位置決めする
ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の燃料電池用金属セパレータの溶接方法。
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て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る工程と、
前記空間部内を排気して負圧化して重ね合わせた前記接合面同士を大気圧によって密着させる工程と、
密着させた前記接合面同士を重ね溶接する工程と、
を有する燃料電池用金属セパレータの溶接方法であって、
前記空間部を排気するときに、
重ね合わせた前記接合面同士の間の隙間に連通するとともに大気開放された前記組み合わせた金属セパレータの外周部を、
弾性変形可能な弾性部材によって密閉する
ことを特徴とする燃料電池用金属セパレータの溶接方法。
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て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る工程と、
前記空間部内を排気して負圧化して重ね合わせた前記接合面同士を大気圧によって密着させる工程と、
密着させた前記接合面同士を重ね溶接する工程と、
を有する燃料電池用金属セパレータの溶接方法であって、
前記接合面を溶接するときに、
前記組み合わせた金属セパレータの端部を位置決め基準に突き当てて、
前記組み合わせた金属セパレータを位置決めする
ことを特徴とする燃料電池用金属セパレータの溶接方法。
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て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る工程と、
前記空間部内を排気して負圧化して重ね合わせた前記接合面同士を大気圧によって密着させる工程と、
密着させた前記接合面同士を重ね溶接する工程と、
を有する燃料電池用金属セパレータの溶接方法であって、
前記空間部を排気するときに、
重ね合わせた前記接合面同士のうち大気開放された前記組み合わせた金属セパレータの外周部に近接する側の部位のみを肉厚方向外方から押圧し、
前記組み合わせた金属セパレータの前記外周部側から内部側へ順に排気して前記接合面同士を密着させる
ことを特徴とする燃料電池用金属セパレータの溶接方法。
前記組み合わせた金属セパレータを溶接治具上に載置し、
前記空間部を排気するときに、
前記溶接治具と前記組み合わせた金属セパレータとの間の隙間内を排気して負圧化し、
前記組み合わせた金属セパレータを前記溶接治具に対して固定する
ことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１つに記載の燃料電池用金属セパレータの溶接方法。
前記組み合わせた金属セパレータに、負圧化すべき空間が、重ね合わせた前記接合面同士の間の隙間を介して前記空間部と連通して形成される場合において、
前記空間内を負圧化した後に、
前記空間部内を負圧化して前記接合面同士を密着させる
ことを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１つに記載の燃料電池用金属セパレータの溶接方法。
前記負圧化すべき空間は、前記組み合わせた金属セパレータの外周部に配置されている
ことを特徴とする請求項９に記載の燃料電池用金属セパレータの溶接方法。
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て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る工程と、
前記空間部内を排気して負圧化して重ね合わせた前記接合面同士を大気圧によって密着させる工程と、
密着させた前記接合面同士を重ね溶接する工程と、
を有する燃料電池用金属セパレータの溶接方法であって、
前記組み合わせた金属セパレータに、負圧化すべき空間が、重ね合わせた前記接合面同士の間の隙間を介して前記空間部と連通して形成される場合において、
前記空間内を負圧化した後に、
前記空間部内を負圧化して前記接合面同士を密着させ、
前記負圧化すべき空間は、前記組み合わせた金属セパレータの外周部に配置され、一方の金属セパレータの外周部と他方の金属セパレータの外周部とが嵌まり合うことによって形成されている
ことを特徴とする燃料電池用金属セパレータの溶接方法。
前記一方の金属セパレータの外周エッジを、前記他方の金属セパレータの外周部の内面に設けた段差部に当接させることによって、
前記金属セパレータ同士の相対的な位置を決める
ことを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池用金属セパレータの溶接方法。
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ることによって区画形成された流体流路となる空間部を排気する排気手段と、
密着させた前記接合面同士を重ね溶接する溶接手段と、
を有する燃料電池用金属セパレータの溶接装置であって、
前記流体流路が冷却水流路であり、
前記冷却水流路に冷却水を流すために前記金属セパレータに形成された少なくとも２個のマニホールド孔のうちの一方のマニホールド孔を、
前記空間部を排気するための排気口として用い、
他方のマニホールド孔を、
溶接熱を逃がす気流を形成する気体を前記空間部に供給するための気体供給口として用いる
ことを特徴とする燃料電池用金属セパレータの溶接装置。
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ることによって区画形成された流体流路となる空間部を排気する排気手段と、
密着させた前記接合面同士を重ね溶接する溶接手段と、
を有する燃料電池用金属セパレータの溶接装置であって、
前記空間部を排気するときに、重ね合わせた前記接合面同士の間の隙間に連通するとともに大気開放された前記組み合わせた金属セパレータの外周部を密閉する弾性変形可能な弾性部材をさらに有する
ことを特徴とする燃料電池用金属セパレータの溶接装置。
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ることによって区画形成された流体流路となる空間部を排気する排気手段と、
密着させた前記接合面同士を重ね溶接する溶接手段と、
を有する燃料電池用金属セパレータの溶接装置であって、
前記接合面を溶接するときに、前記組み合わせた金属セパレータの端部を突き当てて、前記組み合わせた金属セパレータを位置決めする位置決め基準をさらに有する
ことを特徴とする燃料電池用金属セパレータの溶接装置。