JP6237263B2

JP6237263B2 - 燃料電池の製造方法

Info

Publication number: JP6237263B2
Application number: JP2014011266A
Authority: JP
Inventors: 庸男歳桃; 渡辺　英樹; 英樹渡辺; 宏和田林; 太小島; 田代　啓一; 啓一田代
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2014-01-24
Filing date: 2014-01-24
Publication date: 2017-11-29
Anticipated expiration: 2034-01-24
Also published as: JP2015138745A

Description

本発明は、燃料電池の製造方法に関する。

例えば、燃料電池の製造方法は、金属セパレータをプレス成型する工程、金属セパレータを溶接（接合）する工程、金属セパレータを表面処理する工程、金属セパレータが組み込まれたモジュールを組立てる工程、および、モジュールからスタックを組立てる工程を有する。そして、金属セパレータを溶接する工程においては、金属セパレータのアクティブエリア部、外周およびマニホールド部が溶接される。

アクティブエリア部は、膜電極接合体（ＭＥＡ：ｍｅｍｂｒａｎｅｅｌｅｃｔｒｏｄｅａｓｓｅｍｂｌｙ）の発電に寄与する領域に接する領域であり、燃料電池の電極の接触抵抗および発電性能を維持する観点から、溶接後の厚みが一定に維持されることが求められている。外周およびマニホールド部は、反応用ガス（燃料ガスおよび酸化剤ガス）および冷媒を流通させるための部位であり、反応用ガスおよび冷媒の漏出を防止する観点から、シール性を確保することが求められている。

一方、セパレータの形成からモジュールの組立てまでを連続的に実施することによって、良好な生産性を有する燃料電池の製造方法が、提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００５−１９０９４６号公報

しかし、金属セパレータは、プレス成型によって形成されており、スプリングバックの程度が部位によって異なっており、例えば、アクティブエリア部は、反りが発生して凸形状に膨らむため、金属セパレータを溶接する際の溶接品質を確保することが困難である。

外周およびマニホールド部は、曲線状の溶接部位と直線状の溶接部位が混在するため、アクティブエリア部と同様に溶接する場合、溶接時間（リードタイム）が長くなり、生産性を向上させることが困難である。

一方、特許文献１に記載の発明においては、接着剤によるセパレータの接合構造が適用されており、溶接による金属セパレータの接合構造に利用することは困難である。

本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、金属セパレータのアクティブエリア部、外周およびマニホールド部の溶接品質を確保しつつ良好な生産性を有する燃料電池の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明は、膜電極接合体の発電に寄与する領域に接するアクティブエリア部と反応用ガス（燃料ガスおよび酸化剤ガス）および冷媒を流通させるための部位であるマニホールド部が設けられた金属セパレータ同士を互いに溶接する溶接工程を有する燃料電池の製造方法である。前記溶接工程は、前記金属セパレータのアクティブエリア部を、溶接電極で挟持し、加圧しながら通電することによって抵抗溶接する第１溶接工程と、前記金属セパレータの外周およびマニホールド部を、エネルギー線を照射することによって溶接する第２溶接工程と、から成る。

本発明によれば、金属セパレータのアクティブエリア部の溶接は、加圧された状態で実施される。つまり、金属セパレータがプレス成型によって形成された場合であっても、アクティブエリア部は、スプリングバックによる反りが押圧によって矯正された状態で溶接されるため、溶接品質を確保することが容易であり、また、溶接後において金属セパレータを積層する際、アクティブエリア部が凸形状に膨らむことが防止され、燃料電池の電極の接触抵抗および発電性能を維持することが可能である。一方、金属セパレータの外周およびマニホールド部の溶接は、エネルギー線の照射によって実施されるため、曲線状の溶接部位と直線状の溶接部位が混在しても、高速での溶接が可能であり、溶接工程のリードタイムを短縮し、生産性を向上させることができ、また、連続的な溶接によって溶接品質（反応用ガスおよび冷媒の漏出を防止するシール性）を確保することが可能である。したがって、金属セパレータのアクティブエリア部、外周およびマニホールド部の溶接品質を確保しつつ良好な生産性を有する燃料電池の製造方法を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る燃料電池を説明するための分解斜視図である。図１に示される単セルを説明するための断面図である。図２に示される金属セパレータの溶接部位を説明するための平面図である。本発明の実施の形態に係る燃料電池の製造方法を説明するためのフローチャートである。図４に示される溶接工程を説明するためのフローチャートである。図５に示される第１溶接工程における金属セパレータの溶接部位を説明するための平面図である。第１溶接工程における金属セパレータの溶接部位の別の態様を説明するための平面図である。図５に示される第２溶接工程における金属セパレータの溶接部位を説明するための平面図である。第１溶接工程における抵抗溶接を説明するための斜視図である。第１溶接工程における抵抗溶接を説明するための断面図である。第２溶接工程における金属セパレータの固定を説明するための斜視図である。第２溶接工程に係るエネルギー線照射による溶接を説明するための斜視図である。第２溶接工程に係るエネルギー線照射による溶接を説明するための断面図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る燃料電池を説明するための分解斜視図である。

本発明の実施の形態に係る燃料電池１００は、例えば、固体高分子形燃料電池からなり、電源として利用される。固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）は、小型化、高密度化および高出力化が可能であり、搭載スペースが限定される車両などの移動体の駆動用電源としての適用が好ましく、特に、システムの起動および停止や出力変動が頻繁に発生する自動車用途が特に好ましい。この場合、車体中央部の座席下、後部トランクルームの下部、車両前方のエンジンルームに搭載することが可能である。車内空間およびトランクルームを広く取る観点からは、座席下の搭載が好ましい。

燃料電池１００は、図１に示されるように、スタック部１１０、締結板１３０、補強板１３５、集電板１４０、スペーサ１４５、エンドプレート１５０およびボルト１５５を有する。

スタック部１１０は、単セル１２０の積層体から構成される。単セル１２０は、後述するように、膜電極接合体およびセパレータを有する。

締結板１３０は、スタック部１１０の底面および上面に配置され、補強板１３５は、スタック部１１０の両側に配置される。締結板１３０および補強板１３５は、スタック部１１０の周囲を取り囲むケーシングを構成している。

集電板１４０は、緻密質カーボンや銅板などガス不透過な導電性部材から形成され、スタック部１１０で生じた起電力を出力するための出力端子が設けられており、単セル１２０の積層方向の両端（スタック部１１０の正面および背面）に配置される。

スペーサ１４５は、スタック部１１０の背面に配置される集電板１４０の外側に配置される。

エンドプレート１５０は、剛性を備えた材料、例えば鋼などの金属材料から形成され、スタック部１１０の正面に配置される集電板１４０の外側と、スペーサ１４５の外側とに配置される。エンドプレート１５０は、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷媒を流通させるために、燃料ガス導入口、燃料ガス排出口、酸化剤ガス導入口、酸化剤ガス排出口、冷媒導入口および冷媒排出口を有する。燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷媒は、水素ガス、酸素ガスおよび冷却水である。

ボルト１５５は、エンドプレート１５０、締結板１３０および補強板１３５を締結し、その締結力を単セル１２０の積層方向に作用させることで、内部に位置するスタック部１１０を押し圧状態に保持するために使用される。ボルト１５５の本数およびボルト孔の位置は、適宜変更することが可能である。締結機構は、螺合に限定されず、他の手段を適用することも可能である。

図２は、図１に示される単セルを説明するための断面図、図３は、図２に示される金属セパレータの溶接部位を説明するための平面図である。

単セル１２０は、膜電極接合体４０およびセパレータ５０，５５を有する。膜電極接合体４０は、高分子電解質膜２０、電極（アノード）として機能する触媒層３０、電極（カソード）として機能する触媒層３５、およびガス拡散層１０，１５を有する。

ガス拡散層１０は、セパレータ５０と触媒層３０との間に位置し、アノード側に供給される燃料ガスを分散し、触媒層３０に供給するために利用される。ガス拡散層１５は、セパレータ５５と触媒層３５との間に配置され、カソード側に供給される酸化剤ガスを分散さし、触媒層３５に供給するために利用される。

触媒層３０は、触媒成分と、触媒成分を担持する導電性の触媒担体と、高分子電解質とを含んでおり、水素の酸化反応が進行するアノード触媒層であり、高分子電解質膜２０の一方の側に配置される。触媒層３５は、触媒成分と、触媒成分を担持する導電性の触媒担体と、高分子電解質とを含んでおり、酸素の還元反応が進行するカソード触媒層であり、高分子電解質膜２０の他方の側に配置される。

高分子電解質膜２０は、アノード触媒層３０で生成したプロトンをカソード触媒層３５へ選択的に透過させる機能およびアノード側に供給される燃料ガスとカソード側に供給される酸化剤ガスとを混合させないための隔壁としての機能を有する。

セパレータ５０，５５は、単セルを電気的に直列接続する機能と、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷媒を互いに遮断する隔壁としての機能と、を有し、膜電極接合体４０と略同一形状であり、ステンレス鋼鈑にプレス加工を施すことで形成されている。なお、セパレータ５０は、隣接する別の単セル１２０のセパレータ５５に溶接され、セパレータ５５は、隣接する別の単セル１２０のセパレータ５０に溶接されている。

ステンレス鋼鈑は、複雑な機械加工を施しやすくかつ導電性が良好である点で好ましく、必要に応じて、耐食性の塗装を施すことも可能である。セパレータ５０，５５は、ステンレス鋼鈑から構成する形態に限定されず、ステンレス鋼鈑以外の金属材料、例えば、アルミニウム板やクラッド材を適用することも可能である。

セパレータ５０は、膜電極接合体４０のアノード側に配置されるアノードセパレータであり、触媒層３０に相対して配置され、また、アクティブエリア部５２およびマニホールド部６５を有する。アクティブエリア部５２は、膜電極接合体４０とセパレータ５０との間に位置する流路５３を構成する凹凸部が形成されている。流路５３は、燃料ガスを触媒層３５に供給するために利用される。マニホールド部６５は、燃料ガス通過用、酸化剤ガス通過用および冷媒通過用のマニホールド穴６６，６７，６８が配置される。なお、符号５９は、冷媒の流路を示している。

セパレータ５５は、膜電極接合体４０のカソード側に配置されるカソードセパレータであり、触媒層３５に相対して配置され、また、アクティブエリア部５７およびマニホールド部７５を有する。アクティブエリア部５７は、膜電極接合体４０とセパレータ５５との間に位置する流路５８を構成する凹凸部が形成されている。マニホールド部７５は、燃料ガス通過用、酸化剤ガス通過用および冷媒通過用のマニホールド穴７６，７７，７８が配置される。流路５８は、酸化剤ガスを触媒層３５に供給するために利用される。

なお、アクティブエリア部５２，５７は、膜電極接合体４０の発電に寄与する領域に接する領域である。また、符号８０および９０は、アクティブエリア部５２，５７の溶接部位および外周６０，７０の溶接部位を示している（図２参照）。

次に、高分子電解質膜２０および触媒層３０，３５の材質等を説明する。

高分子電解質膜２０は、パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーから構成されるフッ素系高分子電解質膜、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂膜、リン酸やイオン性液体等の電解質成分を含浸した多孔質状の膜を、適用することが可能である。パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーは、例えば、ナフィオン（登録商標、デュポン株式会社製）、アシプレックス（登録商標、旭化成株式会社製）、フレミオン（登録商標、旭硝子株式会社製）、Ｇｏｒｅｓｅｌｅｃｔシリーズ（登録商標、日本ゴア株式会社）等である。多孔質状の膜は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）から形成される。

高分子電解質膜２０の厚みは、特に限定されないが、強度、耐久性および出力特性の観点から５μｍ〜３００μｍが好ましく、より好ましくは１０〜２００μｍである。

アノード触媒層３０に用いられる触媒成分は、水素の酸化反応に触媒作用を有するものであれば、特に限定されない。カソード触媒層３５に用いられる触媒成分は、酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば、特に限定されない。

具体的な触媒成分は、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属、及びそれらの合金等から選択される。触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性などを向上させるために、少なくとも白金を含むものが好ましい。カソード触媒層およびアノード触媒層に適用される触媒成分は、同一である必要はなく、適宜選択することが可能である。なお、貴金属を含まない触媒を適用することも可能である。

触媒層３０，３５に用いられる触媒の導電性担体は、触媒成分を所望の分散状態で担持するための比表面積および集電体として十分な電子導電性を有しておれば、特に限定されないが、主成分がカーボン粒子であるのが好ましい。カーボン粒子は、例えば、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛から構成される。

触媒層３０，３５に用いられる高分子電解質は、少なくとも高いプロトン伝導性を有する材料であれば、特に限定されず、例えば、ポリマー骨格の全部または一部にフッ素原子を含むフッ素系電解質や、ポリマー骨格にフッ素原子を含まない炭化水素系電解質が適用可能である。触媒層３０，３５に用いられる高分子電解質は、高分子電解質膜２０に用いられる高分子電解質と同一であっても異なっていてもよいが、高分子電解質膜２０に対する触媒層３０，３５の密着性を向上させる観点から、同一であることが好ましい。

次に、本発明の実施の形態に係る燃料電池の製造方法を説明する。

図４は、本発明の実施の形態に係る燃料電池の製造方法を説明するためのフローチャートである。

本発明の実施の形態に係る燃料電池の製造方法は、図４に示されるように、プレス成型工程、溶接工程、防食処理工程、モジュール化工程、スタッキング工程、組立工程および性能検査工程を有する。

プレス成型工程においては、セパレータ素材が、セパレータ５０，５５の外面形状に対応する凹凸部が形成された成形型によって押圧されて、セパレータ５０，５５がプレス成型される。

溶接工程においては、セパレータ５０，５５のアクティブエリア部５２，５７、外周６０，７０およびマニホールド部６５，７５が互いに溶接される。これにより、アクティブエリア部５２，５７の溶接部位８０、外周６０，７０の溶接部位９０およびマニホールド部６５，７５の溶接部位９５が形成される。

防食処理工程は、脱脂および洗浄工程、酸化皮膜除去工程および硬質炭素皮膜形成工程を有する。脱脂および洗浄工程においては、例えば、適当な溶媒を用いて、セパレータ５０，５５表面が脱脂および洗浄され、そして、乾燥される。溶媒は、エタノール、エーテル、アセトン、イソプロピルアルコール、トリクロロエチレンなどである。酸化皮膜除去工程においては、例えば、イオンボンバード処理によって、セパレータ５０，５５表面に形成されている酸化皮膜が除去される。硬質炭素皮膜形成工程においては、例えば、スパッタリング処理によって、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ；Ｄｉａｍｏｎｄ−ＬｉｋｅＣａｒｂｏｎ）からなる硬質炭素皮膜層が形成される。

モジュール化工程においては、セパレータ５０，５５は、接着剤を利用して、別途用意された膜電極接合体４０と一体化され、その後、接着剤を加熱硬化することで、モジュールが形成される。モジュールは、複数の単セル１２０を有するように適宜構成される。なお、セパレータ５０，５５と膜電極接合体４０との一体化は、接着剤を利用する形態に限定されない。

スタッキング工程においては、例えば、モジュールを直列に数百枚積層して、スタック部１１０が組立てられる。この際、搭載姿勢における厚みが測定され、荷重調整用のスペーサが選択される。

組立工程においては、スタック部１１０に、締結板１３０、補強板１３５、集電板１４０、スペーサ１４５およびエンドプレート１５０を取り付け、ボルト１５５によって締結することで、燃料電池１００が組み立てられる。

性能検査工程においては、燃料電池１００のエージング運転（慣らし運転）を実施し、電池電圧の飽和値を測定することで、発電性能が検査される。

次に、溶接工程を詳述する。

図５は、図４に示される溶接工程を説明するためのフローチャート、図６は、図５に示される第１溶接工程における金属セパレータの溶接部位を説明するための平面図、図７は、第１溶接工程における金属セパレータの溶接部位の別の態様を説明するための平面図、図８は、図５に示される第２溶接工程における金属セパレータの溶接部位を説明するための平面図である。

溶接工程は、図５に示されるように、第１溶接工程、第２溶接工程および検査工程を有する。

第１溶接工程においては、セパレータ５０，５５のアクティブエリア部５２，５７を、溶接電極で挟持し、加圧しながら通電することによって抵抗溶接し、図６に示されるように、溶接部位８０が形成される。つまり、セパレータ５０，５５がプレス成型によって形成された場合であっても、アクティブエリア部５２，５７は、スプリングバックによる反りが押圧によって矯正された状態で溶接されるため、溶接品質を確保することが容易であり、また、溶接後においてセパレータ５０，５５を積層する際、アクティブエリア部５２，５７が凸形状に膨らむことが防止され、燃料電池１００の電極の接触抵抗および発電性能を維持することが可能である。

溶接部位８０は、シール性を必要としないため、連続的に形成する形態に限定されず、例えば、図７に示されるように、間欠的に形成することも可能である。

第２溶接工程においては、図８に示されるように、セパレータ５０，５５の外周６０，７０およびマニホールド部６５，７５が、エネルギー線を照射することによって溶接され、溶接部位９０，９５が形成される。セパレータ５０，５５の外周６０，７０およびマニホールド部６５，７５は、曲線状の溶接部位と直線状の溶接部位９０，９５が混在しているが、溶接は、エネルギー線の照射によって実施されるため、高速であり、溶接工程のリードタイムを短縮し、生産性を向上させることができ、また、連続的な溶接によって溶接品質（反応用ガス（燃料ガスおよび酸化剤ガス）および冷媒の漏出を防止するシール性）を確保することが可能である。

検査工程においては、溶接面の検査およびリークチェックが実施される。溶接面の検査は、目視検査や、超音波の反射を利用した非破壊検査である。リークチェックは、テストガスを閉鎖流路に供給し、漏出するテストガスの有無等によって、シール性を検査するために行われる。テストガスは、例えば、圧縮エアや、水素ガスである。

溶接工程は、上記のように、金属セパレータのアクティブエリア部、外周およびマニホールド部の溶接品質を確保しつつ良好な生産性を有する。

次に、第１溶接工程を詳述する。

図９および図１０は、第１溶接工程における抵抗溶接を説明するための斜視図および断面図である。

第１溶接工程における抵抗溶接は、例えば、図９に示されるシーム溶接機２００が適用され、加圧しながら通電することによって、セパレータ５０，５５のアクティブエリア部５２，５７が溶接され、溶接部位８０が形成される（図６参照）。

シーム溶接機２００は、載置台２０２、溶接電源部２０４、固定機構２１０、支持電極部２２０、可動電極部２３０および制御装置２４０を有する。

載置台２０２は、セパレータ５０，５５を載置するために使用される。溶接電源部２０４は、支持電極部２２０および可動電極部２３０に対して、電流を供給するために使用される。固定機構２１０は、ロケートピン２１２および固定治具２１４，２１６を有する。

ロケートピン２１２は、セパレータ５０，５５のマニホールド部６５，７５の冷媒通過用のマニホールド穴６８，７８に挿入され、セパレータ５０，５５を、マニホールド穴６８，７８を基準に位置決めするために使用される。固定治具２１４，２１６は、マニホールド部６５，７５をクランプし、セパレータ５０，５５を固定するために使用される。クランプする部位は、マニホールド部６５，７５に限定されず、アクティブエリア部５２，５７以外の部位を適宜適用することが可能である。

支持電極部２２０は、固定電極２２２（図１０参照）を有する。固定電極２２２は、セパレータ５０，５５のアクティブエリア部５２，５７に相対するように、載置台２０２に配置される溶接電極である。固定電極２２２の幅Ｗ_１は、セパレータ５０，５５のアクティブエリア部５２，５７の凹凸部の溝幅Ｗ_０より小さくなるように設定され、全部の溝に配置されている。

可動電極部２３０は、ローラ部２３２および加圧駆動部２３６を有する。ローラ部２３２は、複数の環状電極２３４（図１０参照）を有する。環状電極２３４は、支持電極部２２０の固定電極２２２と位置合わせされた溶接電極であり、その幅Ｗ_２は、セパレータ５０，５５のアクティブエリア部５２，５７の凹凸部の溝幅Ｗ_０より小さくなるように設定されている。なお、符号Ｈは、アクティブエリア部５２，５７の厚みを示している。

加圧駆動部２３６は、例えば、減速機構およびモータを備える駆動機構と、エアーシリンダおよびスプリングを組み合わせた押圧機構と、を有しており、ローラ部２３２（環状電極２３４）を回転させ、移動させながら、セパレータ５０，５５に対して押圧することが可能に構成されている。

制御装置２４０は、例えば、マイクロプロセッサ等から構成される制御回路を有し、溶接電源部２０４および加圧駆動部２３６を制御するために使用される。

次に、上記構成のシーム溶接機２００が適用される第１溶接工程を説明する。

まず、プレス成型されたセパレータ５０，５５が重ねられて、載置台２０２に配置される。この際、ロケートピン２１２が、マニホールド部６５，７５の冷媒通過用のマニホールド穴６８，７８に挿入されて、セパレータ５０，５５が位置決めされる。

そして、セパレータ５０，５５のマニホールド部６５，７５が、固定治具２１４，２１６によってクランプされ、セパレータ５０，５５が固定される。

次に、支持電極部２２０、可動電極部２３０のローラ部２３２に対する電流の供給が開始され、また、加圧駆動部２３６によって、ローラ部２３２を回転させ、移動させながら、支持電極部２２０に載置されたセパレータ５０，５５が押圧される。

支持電極部２２０の固定電極２２２は、セパレータ５０，５５のアクティブエリア部５２，５７に相対するように配置され、ローラ部２３２の環状電極２３４は、固定電極２２２と位置合わせされているため、アクティブエリア部５２，５７は、連続的に溶接される。

第１溶接工程においては、上記のように、環状電極２３４を回転させ、移動させながら、固定電極２２２によって支持されたアクティブエリア部５２，５７を加圧することによって、アクティブエリア部５２，５７が連続的に溶接されるため（図６参照）、高品位かつ高速の溶接が容易である。

また、固定電極２２２の幅Ｗ_１および環状電極２３４の幅Ｗ_２は、セパレータ５０，５５のアクティブエリア部５２，５７の凹凸部の溝幅Ｗ_０より小さいため、環状電極２３４は、固定電極２２２により支持された凹凸部の溝のみを、確実に押圧して溶接することが可能である。したがって、アクティブエリア部５２，５７の厚みＨ（図１０参照）は、全体に渡り一定に維持され、溶接されたアクティブエリア部５２，５７の平面度が確実に確保される。

固定電極２２２および環状電極２３４は、溶接される凹凸部の溝の各々に対応して配置されており、凹凸部の溝が一括して溶接されるため、生産性を向上させることが可能である。

なお、アクティブエリア部５２，５７を溶接する際、例えば、凹凸部の溝の配置パターンに対応し、環状電極２３４の全てあるいは一部に対する通電を適宜停止することにより、溶接部位８０の形成パターンを変えることも可能である（図７参照）。

次に、第２溶接工程を詳述する。

図１１は、第２溶接工程における金属セパレータの固定を説明するための斜視図、図１２および図１３は、第２溶接工程に係るエネルギー線照射による溶接を説明するための斜視図および断面図である。

第２溶接工程におけるエネルギー線は、レーザーであり、固定装置２５０およびレーザー溶接機２７０が適用される。

固定装置２５０は、図１１に示されるように、載置台２５１、マニホールド部固定治具２５４および外周押え治具２５８を有する。

載置台２５１は、パッド部２５２およびガイド部２５３を有し、アクティブエリア部５２，５７が溶接されたセパレータ５０，５５を載置するために使用される。パッド部２５２は、例えば、吸着パッドからなり、セパレータ５０，５５のアクティブエリア部５２，５７と相対するように位置決めされる。ガイド部２５３は、セパレータ５０，５５の外周６０，７０に当接して押さえることで、セパレータ５０，５５の外周６０，７０の固定を補助するために使用される。

マニホールド部固定治具２５４は、ロケートピン２５５およびクランプ２５６を有する。ロケートピン２５５は、３方向Ａ，Ｌ，Ｒに移動自在であり、セパレータ５０，５５のマニホールド部６５，７５の冷媒通過用のマニホールド穴６８，７８に挿入され、当該マニホールド穴６８，７８を基準に位置決めするために使用される。方向Ａは、アクティブエリア部５２，５７から離間する方向である。方向Ｌは、方向Ａと直交する方向である。方向Ｒは、方向Ａと直交する方向かつ方向Ｌに対して逆の方向である。クランプ２５６は、互いに離間自在に構成された複数のクランプ片を有し、燃料ガス通過用および酸化剤ガス通過用のマニホールド穴６６，７６および６７，７７に挿入され、マニホールド部６５，７５を固定するために使用される。

外周押え治具２５８は、セパレータ５０，５５の外周６０，７０に対応する枠体部２５９を有する。枠体部２５９は、外周６０，７０を押圧して固定するために使用される。

レーザー溶接機２７０は、図１２に示されるように、レーザー発振器２７２、加工ヘッド２８０、駆動装置２９０および制御装置２９５を有する。

レーザー発振器２７２は、例えば、ＹＡＧレーザー発振器であり、光学系、電源、制御系、冷却ガス循環系等を内蔵しており、発生させたレーザーは、光ファイバ２７４を利用して加工ヘッド２８０に供給される。制御系には、例えば、電力を変更することで発振出力を調整する出力調整ユニットが配置されている。レーザー発振器２７２は、半導体レーザーなどの他の固体レーザーや、炭酸ガスレーザー等のガスレーザーを、適宜適用することも可能である。

加工ヘッド２８０は、レーザーを走査させることによって連続溶接が可能であるガルバノヘッドであり、図１３に示されるように、コリメータ２８２、レーザー径調整部２８３、反射ミラー２８４、ガルバノスキャナ２８６および加工レンズ２８８を有する。

コリメータ２８２は、光ファイバ２７４から導入されるレーザーを平行光に変換するために使用される。レーザー径調整部２８３は、レーザー径を調整するための光学系であり、例えば、レーザー径がこの位置で減少するように調整すると、溶接部位におけるレーザー径は増加することとなる。反射ミラー２８４は、レーザー径調整部２８３を通過したレーザーを反射し、ガルバノスキャナ２８６に投射するために使用される折り返しミラーである。

ガルバノスキャナ２８６は、例えば、２軸式であり、２つのミラーおよびミラーを駆動するモータを有し、レーザーの反射方向を変化させることによって、レーザーを二次元方向に走査可能に構成されている。

加工レンズ２８８は、例えば、ｆθレンズからなり、ガルバノスキャナ２８６を反射したレーザーを、集光するために使用される。なお、符号２８９は、加工レンズ２８８を保護するための保護ガラスを示している。

駆動装置２９０は、複数のリニアガイド２９２，２９３を有し、加工ヘッド２８０を移動させて位置決めするために使用される。駆動装置２９０は、多軸（多関節型）のロボットによって構成することも可能である。

制御装置２９５は、例えば、マイクロプロセッサ等から構成される制御回路を有し、レーザー発振器２７２、加工ヘッド２８０および駆動装置２９０を制御するために使用される。

次に、上記構成の固定装置２５０およびレーザー溶接機２７０が適用される第２溶接工程を説明する。

まず、アクティブエリア部５２，５７が溶接されたセパレータ５０，５５が載置台２５１に配置される（図１１参照）。この際、マニホールド部固定治具２５４のロケートピン２５５が、セパレータ５０，５５のマニホールド部６５，７５の冷媒通過用のマニホールド穴６８，７８に挿入され、方向Ａ，Ｌ，Ｒに適宜移動させることによって、マニホールド穴６８，７８を基準に、セパレータ５０，５５が位置決めされる。

そして、マニホールド部固定治具２５４のクランプ２５６が、セパレータ５０，５５のマニホールド部６５，７５の燃料ガス通過用および酸化剤ガス通過用のマニホールド穴６６，７６および６７，７７に挿入され、クランプ２５６のクランプ片を適宜移動させることによって、マニホールド部６５，７５が固定される。一方、載置台２５１のパッド部２５２は、セパレータ５０，５５のアクティブエリア部５２，５７を吸引して固定する。

次に、外周押え治具２５８の枠体部２５９によって、セパレータ５０，５５の外周６０，７０が押圧されて、固定される。なお、載置台２５１のガイド部２５３は、外周６０，７０に当接して押さえることで、外周６０，７０の固定を補助する。

その後、レーザー溶接機２７０の加工ヘッド２８０が移動し、セパレータ５０，５５の外周６０，７０およびマニホールド部６５，７５の溶接のための所定位置に位置決めされる（図１２参照）。

レーザー発振器２７２からのレーザーは、光ファイバ２７４を通過して加工ヘッド２８０に導入される。レーザーは、コリメータ２８２、レーザー径調整部２８３、反射ミラー２８４、ガルバノスキャナ２８６、加工レンズ２８８および保護ガラス２８９を通過し（図１３参照）、セパレータ５０，５５の外周６０，７０およびマニホールド部６５，７５を走査することにより、セパレータ５０，５５の外周６０，７０およびマニホールド部６５，７５は、連続溶接され、溶接部位９０，９５が形成される（図８参照）。

第２溶接工程においては、上記のように、レーザーを走査することによって、外周６０，７０およびマニホールド部６５，７５が溶接されるため、高品位かつ高速の溶接が容易である。なお、加工ヘッド２８０の溶接位置は、一か所とすることに限定されず、例えば、レーザーの走査範囲に比較し、セパレータ５０，５５の外周６０，７０およびマニホールド部６５，７５のサイズが大き過ぎる場合、複数の溶接位置を設け、外周６０，７０およびマニホールド部６５，７５の溶接を、複数回に分割して実施することも可能である。

以上のように本実施の形態においては、金属セパレータのアクティブエリア部の溶接は、加圧された状態で実施される。つまり、金属セパレータがプレス成型によって形成された場合であっても、アクティブエリア部は、スプリングバックによる反りが押圧によって矯正された状態で溶接されるため、溶接品質を確保することが容易であり、また、溶接後において金属セパレータを積層する際、アクティブエリア部が凸形状に膨らむことが防止され、燃料電池の電極の接触抵抗および発電性能を維持することが可能である。一方、金属セパレータの外周およびマニホールド部の溶接は、エネルギー線の照射によって実施されるため、曲線状の溶接部位と直線状の溶接部位が混在しても、高速であり、溶接工程のリードタイムを短縮し、生産性を向上させることができ、また、連続的な溶接によって溶接品質（反応用ガス（燃料ガスおよび酸化剤ガス）および冷媒の漏出を防止するシール性）を確保することが可能である。したがって、金属セパレータのアクティブエリア部、外周およびマニホールド部の溶接品質を確保しつつ良好な生産性を有する燃料電池の製造方法を提供することができる。

外周およびマニホールド部の溶接のためのエネルギー線として、レーザーを適用する場合、高品位かつ高速の溶接が容易である。

アクティブエリア部の抵抗溶接として、シーム溶接を適用する場合、高品位かつ高速の溶接が容易である。また、溶接電極（固定電極および環状電極）の幅が、アクティブエリア部の凹凸部の溝幅より小さい場合、溶接電極は、凹凸部の溝のみを確実に押圧して溶接することが可能である。さらに、溶接電極（固定電極および環状電極）を、溶接される凹凸部の溝の各々に対応して配置する場合、凹凸部の溝が一括して溶接されるため、生産性を向上させることができる。

本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲で種々改変することができる。例えば、セパレータの外周およびマニホールド部の溶接は、セパレータのアクティブエリア部の溶接の後に実施する形態に限定されず、セパレータのアクティブエリア部の溶接の前に実施することも可能である。また、セパレータのアクティブエリア部の抵抗溶接は、シーム溶接を適用する形態に限定されない。さらに、セパレータの外周およびマニホールド部を溶接するためのエネルギー線は、レーザーに限定されない。

１０，１５ガス拡散層、
２０高分子電解質膜、
３０，３５触媒層、
４０膜電極接合体、
５０，５５セパレータ、
５２，５７アクティブエリア部、
５３，５８，５９流路、
６０，７０外周、
６５，７５マニホールド部、
６６，６７，６８，７６，７７，７８マニホールド穴
８０，９０，９５溶接部位、
１００燃料電池、
１１０スタック部、
１２０単セル、
１３０締結板、
１３５補強板、
１４０集電板、
１４５スペーサ、
１５０エンドプレート、
１５５ボルト、
２００シーム溶接機、
２０２載置台、
２０４溶接電源部、
２１０固定機構、
２１２ロケートピン、
２１４固定治具、
２２０支持電極部、
２２２固定電極（溶接電極）、
２３０可動電極部、
２３２ローラ部、
２３４環状電極（溶接電極）、
２３６加圧駆動部、
２４０制御装置、
２５０固定装置、
２５１載置台、
２５２パッド部、
２５３ガイド部、
２５４マニホールド部固定治具、
２５５ロケートピン、
２５６クランプ、
２５８外周押え治具、
２５９枠体部、
２７０レーザー溶接機、
２７２レーザー発振器、
２７４光ファイバ、
２８０加工ヘッド、
２８２コリメータ、
２８３レーザー径調整部、
２８４反射ミラー、
２８６ガルバノスキャナ、
２８８加工レンズ、
２８９保護ガラス、
２９０駆動装置、
２９２，２９３リニアガイド、
２９５制御装置、
Ａ，Ｌ，Ｒ方向、
Ｈ厚み、
Ｗ_０，Ｗ_１，Ｗ_２幅。

Claims

膜電極接合体の発電に寄与する領域に接するアクティブエリア部と反応用ガスおよび冷媒を流通させるための部位であるマニホールド部が設けられた金属セパレータ同士を互いに溶接する溶接工程を有し、
前記溶接工程は、
前記金属セパレータのアクティブエリア部を、溶接電極で挟持し、加圧しながら通電することによって抵抗溶接する第１溶接工程と、
前記金属セパレータの外周およびマニホールド部を、エネルギー線を照射することによって溶接する第２溶接工程と、
から成ることを特徴とする燃料電池の製造方法。
前記エネルギー線は、レーザー光であり、
前記第２溶接工程において、前記レーザー光を走査することによって、前記外周および前記マニホールド部が溶接されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の製造方法。
前記抵抗溶接は、シーム溶接であり、
前記溶接電極は、前記金属セパレータのアクティブエリア部を支持する固定電極と、前記固定電極に位置合わせされた環状電極と、を有し、
前記第１溶接工程において、前記環状電極を回転させ、移動させながら、前記固定電極によって支持された前記金属セパレータのアクティブエリア部を加圧および通電することによって、前記金属セパレータのアクティブエリア部が連続的に溶接される
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池の製造方法。
前記アクティブエリア部は、反応用ガスおよび冷媒の流路を構成する凹凸部を有し、
前記固定電極および前記環状電極の幅は、前記凹凸部の溝幅より小さく、
前記第１溶接工程において、溶接される前記凹凸部の溝が、前記固定電極および前記環状電極によって挟持されることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池の製造方法。
前記固定電極および前記環状電極は、溶接される前記凹凸部の溝の各々に対応して配置されており、
前記第１溶接工程において、前記環状電極を回転させ、移動させながら加圧および通電することによって、前記凹凸部の溝が一括して溶接されることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池の製造方法。