JP6326970B2 - 燃料電池用セパレータの溶接装置および溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池用セパレータの溶接装置および溶接方法に関する。

燃料電池は、例えば、膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）とセパレータとを有する単セルの積層体を有する。セパレータは、隣接する別の単セルのセパレータに溶接されている。溶接部位は、反応用ガスおよび冷媒の流路を構成するための溝部であり、積層されたセパレータをクランプ治具によって圧締めした状態で溶接される。

しかし、セパレータの溝部の精度等にバラツキが存在する場合、溝部の位置ズレに基づいて穴あき等の溶接不良が発生する問題を有する。

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、良好な溶接品質を確保し得る燃料電池用セパレータの溶接装置および溶接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の一様相は、クランプ治具、加工ヘッド、第２セパレータ溶接位置検出手段、設定補正手段および第１セパレータ溶接位置検出手段を有する燃料電池用セパレータの溶接装置である。前記クランプ治具は、燃料電池用セパレータである第１セパレータおよび第２セパレータを積層された状態で圧締めする。前記加工ヘッドは、前記第１セパレータにおける反応用ガスおよび冷媒の流路を構成するための溝部に、レーザーを照射することによって、前記第１セパレータの前記溝部と、前記第２セパレータにおける反応用ガスおよび冷媒の流路を構成するための溝部とを溶接する。前記第２セパレータ溶接位置検出手段は、前記第１セパレータおよび前記第２セパレータを介して前記加工ヘッドの逆側に配置され、前記第２セパレータの前記溝部の溶接位置を検出する。前記設定補正手段は、前記第２セパレータ溶接位置検出手段によって検出される前記溶接位置に基づいて、前記レーザーの照射位置設定を補正する。前記第１セパレータ溶接位置検出手段は、前記加工ヘッドが位置する側に配置され、前記第１セパレータの溝部の溶接位置を検出する。そして、前記設定補正手段は、前記第１セパレータ溶接位置検出手段によって検出される前記溶接位置および前記第２セパレータ溶接位置検出手段によって検出される前記溶接位置に基づいて、前記第１セパレータの前記溝部における前記照射位置設定を補正する。

上記目的を達成するための本発明の別の一様相は、クランプステップ、溶接ステップ、第２セパレータ溶接位置検出ステップ、設定補正ステップおよび第１セパレータ溶接位置検出ステップを有する燃料電池用セパレータの溶接方法である。前記クランプステップにおいては、燃料電池用セパレータである第１セパレータおよび第２セパレータを積層された状態で、クランプ治具によって圧締めされる。前記溶接ステップにおいては、前記第１セパレータにおける反応用ガスおよび冷媒の流路を構成するための溝部に、加工ヘッドによってレーザーを照射することによって、前記第１セパレータの前記溝部と、前記第２セパレータにおける反応用ガスおよび冷媒の流路を構成するための溝部とが溶接される。前記第２セパレータ溶接位置検出ステップにおいては、前記第１セパレータおよび前記第２セパレータを介して前記加工ヘッドの逆側に配置される第２セパレータ溶接位置検出手段によって、前記第２セパレータの前記溝部の溶接位置が検出される。前記設定補正ステップにおいては、前記第２セパレータ溶接位置検出手段によって検出される前記溶接位置に基づいて、前記レーザーの照射位置設定が、設定補正手段によって補正される。前記第１セパレータ溶接位置検出ステップにおいては、前記加工ヘッドが位置する側に配置される第１セパレータ溶接位置検出手段によって、前記第１セパレータの溝部の溶接位置が検出される。そして、前記設定補正ステップにおいて、前記第１セパレータ溶接位置検出手段によって検出される前記溶接位置および前記第２セパレータ溶接位置検出手段によって検出される前記溶接位置に基づいて、前記照射位置設定が、前記設定補正手段によって補正される。

本発明の一様相に係る燃料電池用セパレータの溶接装置および別の一様相に係る溶接方法によれば、レーザーの照射位置設定は、検出される第２セパレータの溝部の溶接位置に基づいて、補正されるため、第２セパレータの溝部の位置ズレが存在していても、溶接不良が抑制される。また、第１セパレータの溝部の溶接位置を検出する第１セパレータ溶接位置検出手段を設けられているため、第１セパレータの溝部の溶接位置と第２セパレータの溝部の溶接位置とを比較することで、第１セパレータと第２セパレータとの間で生じている相対位置ズレ（積層ズレ）を確実に検出でき、これにより、検出された相対位置ズレ（積層ズレ）を考慮して、レーザーの照射位置設定を補正することで、溶接不良をさらに抑制することが可能である。したがって、良好な溶接品質を確保し得る燃料電池用セパレータの溶接装置および溶接方法を提供することが可能である。

本発明の実施の形態に係るセパレータを有す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溶接装置を説明するための側面図である。 図４に示される治具上板を説明するための平面図である。 図４に示される治具下板を説明するための平面図である。 図４に示される溶接位置検出手段を説明するための断面図である。 溶接位置検出手段によって取得される撮像データに基づいて検出される溝部の位置ズレの一例を説明するための断面図である。 溶接位置検出手段によって取得される撮像データに基づいて検出される溝部の位置ズレの別の一例を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態に係る溶接方法を説明するためのフローチャートである。 図１１に示されるＳ２０における第１セパレータ溶接位置検出およびＳ３０における第２セパレータ溶接位置検出における測定点を説明するための平面図である。 図１０に示されるＳ４０における補正量算出を説明するための平面図である。 プレス成形されたセパレータのスプリングバックを説明するための平面図である。 図１０に示されるＳ５０における積層不良を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態に係る変形例１を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態に係る変形例２を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態に係る変形例３を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態に係る変形例４を説明するための平面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。なお、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。

図１は、本発明の実施の形態に係るセパレータを有す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：Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）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、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、膜電極接合体とセパレータとを有する単セル１２０の積層体から構成される。セパレータは、後述されるように、隣接する別の単セルのセパレータに溶接されており、例えば、溶接部位は、反応用ガスおよび冷媒の流路を構成するための溝部であり、本実施の形態においては、良好な溶接品質が確保されている。

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、図２に示されるように、膜電極接合体４０および第１および第２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、第２セパレータ５５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、第１セパレータ５０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。

第１および第２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。

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。第１および第２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。

第１セパレータ５０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５１およびマニホールド部６５を有する（図３参照）。アクティブエリア部５１は、膜電極接合体４０の発電に寄与する領域の一方に接する領域であり、溝部５２を有する。溝部５２は、膜電極接合体４０と第１セパレータ５０との間に位置する流路５３を構成するための凹凸部を構成している（図２参照）。流路５３は、酸化剤ガスを触媒層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。

第２セパレータ５５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、図３に示されるように、アクティブエリア部５６およびマニホールド部７５を有する。アクティブエリア部５６は、膜電極接合体４０の発電に寄与する領域の他方に接する領域であり、溝部５７を有する。溝部５７は、膜電極接合体４０と第２セパレータ５５との間に位置する流路５８を形成するための凹凸部を構成している（図２参照）。流路５８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。なお、符号５９は、冷媒の流路を示している。

第２セパレータ５５は、隣接する別の単セル１２０の第１セパレータ５０に溶接され、第１セパレータ５０は、隣接する別の単セル１２０の第２セパレータ５５に溶接されている。具体的には、第１および第２セパレータ５０，５５は、マニホールド穴６６（７６），６７（７７），６８（７８）を取り囲んでいる溶接部位９６、外周６０，７０を延長している溶接部位９０、およびアクティブエリア部５１，５６に位置する溶接部位８０を有する（図３参照）。アクティブエリア部５１，５６に位置する溶接部位８０は、溝部５２，５７を接合するためのものであり、溝部５２，５７の中心に位置決めされる。

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）、Ｇｏｒｅ ｓｅｌｅｃｔ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ことが好ましい。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溶接装置を説明する。

図４は、本発明の実施の形態に係る溶接装置を説明するための側面図、図５は、図４に示される治具上板を説明するための平面図、図６は、図４に示される治具下板を説明するための平面図、図７は、図４に示される溶接位置検出手段を説明するための断面図、図８および図９は、溶接位置検出手段によって取得されるデータに基づいて検出される溝部の位置ズレの一例および別の一例を説明するための断面図である。

図４に示される溶接装置２００は、ワークである積層された第１および第２セパレータ５０，５５の溝部５２，５７同士をレーザーの照射によって溶接（接合）するために使用され、クランプ治具２１０、レーザー照射部２３０、溶接位置検出手段２４０，２５０およびコントローラ２６０を有する。

クランプ治具２１０は、第１および第２セパレータ５０，５５を積層された状態で圧締めするために使用され、上板２１２、下板２１４および押圧機構２２０を有する。

上板２１２は、第１セパレータ５０を押圧する押圧部材であり、図５に示されるように、スリット部２１３を有する。スリット部２１３は、第１セパレータ５０の溝部５２に位置合わせされている。したがって、アクティブエリア部５１の溝部５２は、上板２１２によって第１セパレータ５０を押圧した状態（第１セパレータ５０に上方に上板２１２が配置された状態）において、露出しており、視認可能である。したがって、第１セパレータ５０の溝部５２の溶接位置を容易に検出することが可能である。

下板２１４は、第２セパレータ５５を押圧する押圧部材であり、第１および第２セパレータ５０，５５が載置される受け台を兼ねており、図６に示されるように、透明部２１５を有する。透明部２１５は，透明樹脂やガラス等の光透過性の材料から構成されており、第２セパレータ５５のアクティブエリア部５６と位置合わせされている。したがって、第１および第２セパレータ５０，５５を下板２１４に載置した状態（第２セパレータ５５の下方に下板２１４が配置された状態）において、第２セパレータ５５の溝部５７は、視認可能である。したがって、第２セパレータの溝部５７の溶接位置を容易に検出することが可能である。なお、下板２１４は、必要に応じて、その全体を光透過性の材料から構成することも可能である。

押圧機構２２０は、アーム部２２２および突出部２２４を有する。アーム部２２２は、下板２１４に配置される。突出部２２４は、アーム部２２２の先端部に配置されて、上板２１２に当接自在に構成されており、上板２１２を介して、第１および第２セパレータ５０，５５を押圧することが可能である。

クランプ治具２１０は、第１および第２セパレータ５０，５５の周囲を取り囲むように１０基配置されているが（図６参照）、特にこの形態に限定されない。

レーザー照射部２３０は、加工ヘッド２３２、ロボットアーム２３４、光ファイバー２３６および本体部２３８を有する。

加工ヘッド２３２は、コリメータレンズ、ミラー、集光レンズ等が配置されている光学系を有しており、レーザーを走査可能に構成されている。レーザーは、例えば、ファイバーレーザーやＹＡＧレーザー（イットリウム・アルミニウム・ガーネットを用いた固体レーザー）である。

ロボットアーム２３４は、多軸式であり、その先端に加工ヘッド２３２が取り付けられており、例えば、教示作業によって与えられた動作経路のデータに従って、加工ヘッド２３２を移動させるために使用される。加工ヘッド２３２を移動させる手段は、ロボットアーム２３４を利用する形態に限定されない。

光ファイバー２３６は、レーザーの伝送路であり、本体部２３８から加工ヘッド２３２に向かって延長している。本体部２３８は、レーザーを生成し、光ファイバー２３６を介して、加工ヘッド２３２に伝送するために使用され、レーザー発振器を有する。

溶接位置検出手段２４０は、加工ヘッド２３２が位置する側に配置されており、図７に示されるように、第１セパレータ５０の溝部５２の溶接位置（溝部５２の中心）を検出するために使用される第１セパレータ溶接位置検出手段である。

溶接位置検出手段２４０は、溝部５２を撮像するカメラを有する。溝部５２の溶接位置は、カメラ２４０によって取得された撮像データに基づいて検出される。したがって、第１セパレータ５０の溝部５２の溶接位置を容易に検出することが可能である。なお、第１セパレータ５０の上方に位置する上板２１２は、溝部５２に位置合わせされたスリット部２１３を有するため、上板２１２は、カメラ２４０による溝部５２の撮像の障害とならない。

溶接位置検出手段２５０は、第１および第２セパレータ５０，５５を介して加工ヘッド２３２の逆側に配置され、第２セパレータ５５の溝部５７の溶接位置（溝部５７の中心）を検出するために使用される第２セパレータ溶接位置検出手段である（図７参照）。

溶接位置検出手段２５０は、溝部５７を撮像するカメラを有する。溝部５７の溶接位置は、カメラ２５０によって取得された撮像データに基づいて検出される。したがって、第２セパレータ５５の溝部５７の溶接位置を容易に検出することが可能である。なお、第２セパレータ５５の下方に位置する下板２１４は、第２セパレータ５５のアクティブエリア部５６と位置合わせされた透明部２１５を有するため、下板２１４は、カメラ２５０による溝部５７の撮像の障害とならない。

コントローラ２６０は、制御部２６２および記憶部２６４を有し、クランプ治具２１０、レーザー照射部２３０および溶接位置検出手段を制御するために使用される。

制御部２６２は、例えば、プログラムにしたがって各部の制御や各種の演算処理を実行するマイクロプロセッサ等から構成される制御回路を有する。溶接装置２００の各機能は、それに対応するプログラムを制御部２６２が実行することにより発揮される。

記憶部２６４は、各種プログラムおよび各種データを記憶するために使用され、ＲＯＭ（リードオンリーメモリー）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリー）、書き換え可能な不揮発性半導体メモリー（例えば、フラッシュメモリー）、ハードディスクドライブ装置等が適宜組み合わされて構成されている。

記憶されているプログラムは、溶接プログラム２６５および設定補正プログラム２６６を含んでいる。溶接プログラム２６５は、レーザー照射部２３０を制御し、レーザーの照射位置設定に基づき、第１および第２セパレータ５０，５５の溝部５２，５７同士をレーザーの照射によって溶接するためのプログラムである。設定補正プログラム２６６は、カメラ２４０，２５０によって取得される撮像データに基づいて検出される溝部５２，５７の溶接位置に基づいて、レーザーの照射位置設定を補正するプログラムである。

例えば、設定補正プログラム２６６は、制御部２６２により必要に応じて読み出され、設定補正プログラム２６６および設定補正プログラム２６６の実行に必要なデータを一時記憶する作業領域としてＲＡＭを使用して、実行処理される。つまり、制御部２６２は、レーザーの照射位置設定を補正する設定補正手段としての機能を有する。

例えば、図８に示されるように、レーザーの照射位置設定Ｐ_０と、検出された溝部５２，５７の溶接位置Ｐ_１，Ｐ_２とが一致しておらず、かつ、照射位置設定Ｐ_０から溶接位置Ｐ_１，Ｐ_２をそれぞれ減じた位置ズレΔＰ_１，ΔＰ_２が同一である場合、位置ズレΔＰ_１（ΔＰ_２）を補正量として、レーザーの照射位置設定が補正される。なお、カメラ２４０によって溶接位置が検出される溝部５２と、カメラ２５０によって溶接位置が検出される溝部５７とは、位置合せされているため、第１セパレータ５０の照射位置設定Ｐ_０および第２セパレータ５０，５５の照射位置設定Ｐ_０は、同一位置である。

また、図９に示されるように、照射位置設定Ｐ_０から溶接位置Ｐ_１，Ｐ_２をそれぞれ減じた位置ズレΔＰ_１，ΔＰ_２が異なる場合、位置ズレΔＰ_１およびΔＰ_２の平均値が、補正量として、レーザーの照射位置設定が補正される。例えば、位置ズレΔＰ_１が「０．０６ｍｍ」であり、位置ズレΔＰ_２が「０．０４ｍｍ」である場合、補正値は、「０．０５ｍｍ（＝（０．０６＋０．０４）／２）ｍｍ）に設定される。

溶接装置２００においては、上記のように、レーザーの照射位置設定は、検出される第２セパレータ５５の溝部５７の溶接位置に基づいて、補正されるため、第２セパレータ５５の溝部５７の位置ズレが存在していても、溶接不良が抑制される。したがって、良好な溶接品質を確保し得る燃料電池用セパレータの溶接装置を提供することが可能である。

なお、第１セパレータ５０の溝部５２の溶接位置と第２セパレータ５５の溝部５７の溶接位置とを比較することで、第１セパレータ５０と第２セパレータ５５との間で生じている相対位置ズレ（積層ズレ）を確実に検出できる。したがって、検出された相対位置ズレ（積層ズレ）を考慮して、レーザーの照射位置設定を補正することで、溶接不良をさらに抑制することが可能である。なお、相対位置ズレ（積層ズレ）は、第１セパレータ５０の溝部５２の位置ズレと第２セパレータ５５の溝部５７の位置ズレとの差である。

なお、符号Ｙは、溝部５２，５７の延長方向と直交する方向（横手方向）を示し、符号Ｚは、第１および第２セパレータ５０，５５の積層方向を示している。

溶接プログラム２６５および設定補正プログラム２６６は、個別のプログラムとして記載しているが、溶接プログラム２６５および設定補正プログラム２６６に対応する全ての機能を実現する１つのプログラムであってもよい。

次に、本発明の実施の形態に係る溶接方法を説明する。

図１０は、本発明の実施の形態に係る溶接方法を説明するためのフローチャート、図１１は、図１０に示されるＳ２０における第１セパレータ溶接位置検出およびＳ３０における第２セパレータ溶接位置検出における測定点を説明するための平面図、図１２は、図１０に示されるＳ４０における補正量算出を説明するための平面図、図１３は、プレス成形されたセパレータのスプリングバックを説明するための平面図、図１４は、図１０に示されるＳ５０における積層不良を説明するための断面図である。

なお、図９に示されるフローチャートにより示されるアルゴリズムは、記憶部２６４に溶接プログラム２６５および設定補正プログラム２６６として記憶されており、制御部２６２によって実行される。

まず、燃料電池用セパレータである第１および第２セパレータ５０，５５が積層された状態で、クランプ治具２１０によって圧締めされる（ステップＳ１０）。この際、第１および第２セパレータ５０，５５は、上板２１２および下板２１４の間に配置され、アーム部２２２の先端部に配置される突出部２２４が上板２１２に当接することにより、下板２１４によって支持される第１および第２セパレータ５０，５５が、上板２１２を介して押圧される。

そして、加工ヘッド２３２が位置する側に配置される第１セパレータ溶接位置検出手段であるカメラ２４０によって、第１セパレータ５０の溝部５２の溶接位置が検出される（ステップＳ２０）。

また、第１および第２セパレータ５０，５５を介して前加工ヘッド２３２の逆側に配置される第２セパレータ溶接位置検出手段であるカメラ２５０によって、第２セパレータ５５の溝部５７の溶接位置が検出される（ステップＳ３０）。カメラ２４０によって溶接位置が検出される溝部５２と、カメラ２５０によって溶接位置が検出される溝部５７とは、位置合せされている。

ステップＳ２０およびステップＳ３０においては、図１０に示されるように、測定点Ｍ_１，Ｍ_２において溶接位置が検出される（溶接位置が２個所で検出される）。なお、符号Ｘは、横手方向Ｙと直交する、溝部５２，５７の延長方向に沿った方向（長手方向）を示している。

次に、検出された溝部５２，５７の溶接位置に基づき、補正量が算出される（ステップＳ４０）。

第１および第２セパレータ５０，５５は、図１２において破線で示されるように、スプリングバックによって太鼓形状に変形する。そのため、第１および第２セパレータ５０，５５のアクティブエリア部５１，５６の角部に位置する測定点Ｍ_１における位置ズレΔＰ_１（ΔＰ_２）がＹ方向に「＋０．０４ｍｍ」であり、かつ、測定点Ｍ_１に係る溝部５２，５７のＸ方向の中央に位置する測定点Ｍ_２における位置ズレΔＰ_１（ΔＰ_２）がＹ方向に「＋０．０８ｍｍ」である場合、補正量は、図１１に示されるように、スプリングバックを考慮し、エリアＡ_１〜Ａ_１５毎に算出される。エリアＡ_１〜Ａ_１５は、アクティブエリア部５１，５６を、Ｙ方向に３分割かつＸ方向に５分割することにより構成される。

具体的には、測定点Ｍ_１が含まれるエリアＡ_１の補正量は、測定点Ｍ_１において検出された位置ズレΔＰ_１（ΔＰ_２）と同一の「＋０．０４ｍｍ」に設定される。測定点Ｍ_２が含まれるエリアＡ_３の補正量は、測定点Ｍ_２において検出された位置ズレΔＰ_１（ΔＰ_２）と同一の「＋０．０８ｍｍ」に設定される。エリアＡ_１とエリアＡ_３との間に位置するエリアＡ_２の補正量は、エリアＡ_１の補正量とエリアＡ_３の補正量との平均である「＋０．０６ｍｍ」に設定される。エリアＡ_２およびエリアＡ_４は、エリアＡ_３に関し対称であるため、エリアＡ_４の補正量は、エリアＡ_２の補正量と同一の「＋０．０６ｍｍ」に設定される。エリアＡ_１およびエリアＡ_５は、エリアＡ_３に関し対称であるため、エリアＡ_５の補正量は、エリアＡ_１の補正量と同一の「＋０．０４ｍｍ」に設定される。

エリアＡ_６〜_１０は、アクティブエリア部５１，５６の中央部（エリアＡ_１〜Ａ_５およびエリアＡ_１１〜Ａ_１５の間）に位置しており、スプリングバックの影響が乏しいため、その補正量は、全て「０」に設定される。

エリアＡ_１〜Ａ_５およびエリアＡ_１１〜Ａ_１５は、エリアＡ_６〜Ａ_１０に関し対称であるため、エリアＡ_１１〜Ａ_１５の補正量は、エリアＡ_１〜Ａ_５の補正量の正負に関する逆の値に、設定される。つまり、エリアＡ_１１、Ａ_１２、Ａ_１３、Ａ_１４およびＡ_１５の補正量は、それぞれ、「−０．０４ｍｍ」、「−０．０６ｍｍ」、「−０．０８ｍｍ」、「−０．０６ｍｍ」および「−０．０４ｍｍ」に設定される。

その後、第１セパレータ５０の溝部５２の位置ズレΔＰ_１と、第２セパレータ５５の溝部５７の位置ズレΔＰ_２との差である相対位置ズレ（積層ズレ）ΔＰ_３（図１４参照）に基づいて、溶接不良が生じるか否かが判断される（ステップＳ５０）。これにより、溶接不良が生じることが予想されるものを取り除くことによって、溶接不良を実質的に抑制することが可能である。

具体的には、相対位置ズレ（積層ズレ）ΔＰ_３が、所定値より大きい場合、溶接不良が生じると判断される。所定値は、溝部５２と溝部５７とが接しない値に設定される。これにより、溶接不良が生じるか否かを確実に容易に判断することが可能である。例えば、所定値は、０．２ｍｍであり、溶接不良が生じるか否かを、簡便に判断することが可能である。

そして、溶接不良であると判断される場合（ステップＳ５０：ＹＥＳ）、溝部５２，５７同士を溶接することは不可能であるため、プロセスは終了する。

一方、溶接不良でないと判断される場合は（ステップＳ５０：ＮＯ）、算出された補正量によって、レーザーの照射位置設定が補正され（ステップＳ６０）、そして、第１および第２セパレータ５０，５５の溝部５２，５７同士が、レーザーの照射によって溶接されると（ステップＳ７０）、プロセスは終了する。

ステップＳ７０において利用されるレーザーの照射位置設定は、上記のように、第２セパレータ５５の溝部５７の溶接位置に基づいて、補正される。したがって、第１および第２セパレータ５０，５５の溝部５２，５７の位置ズレが存在していても、溶接不良が抑制される。したがって、良好な溶接品質を確保し得る溶接方法を提供することが可能である。

なお、第１セパレータ５０の溝部５２の溶接位置と第２セパレータ５５の溝部５７の溶接位置とを比較することで、第１セパレー５０と第２セパレータ５５との間で生じている相対位置ズレ（積層ズレ）を確実に検出し、かつ、検出された相対位置ズレ（積層ズレ）を考慮して、レーザーの照射位置設定を補正しているため、溶接不良をさらに抑制することが可能である。

また、ステップＳ２０およびステップＳ３０において、複数箇所で溝部５２，５７の溶接位置が検出されており、溝部５２，５７の位置ズレの分布（バラツキ）を検出できるため、例えば、スプリングバックによって溝部５２，５７が変形（太鼓形状）している場合であっても、照射位置設定を良好に補正することが可能である。

なお、溶接が完了すると、プロセスは終了する。

次に、本発明の実施の形態に係る変形例１〜４を順次説明する。

図１５は、本発明の実施の形態に係る変形例１を説明するための断面図である。

溶接装置２００は、溶接位置検出手段２４０，２５０の両方を有する形態に限定されない。例えば、図１５に示されるように、必要に応じて溶接位置検出手段２４０を省略し、装置構成を簡略化することも可能である。なお、この場合、レーザーの照射位置設定は、溶接位置検出手段２５０によって検出される溶接位置のみに基づいて、補正される。

図１６は、本発明の実施の形態に係る変形例２を説明するための断面図である。

溶接位置検出手段２４０，２５０は、カメラによって構成する形態に限定されない。例えば、図１６に示されるように、第１および第２セパレータ５０，５５の溝部５２，５７に、検査光であるレーザーを照射する検査光照射部２４２，２５２と、レーザーの反射光を検出する光センサー２４４，２５４とによって構成することも可能である。

この場合、溝部５２，５７の溶接位置は、光センサー２４４，２５４によって取得された反射光データに基づいて検出される。つまり、第１および第２セパレータ５０，５５の溝部５２，５７の溶接位置を容易に検出することが可能である。なお、溶接位置検出手段２４０，２５０は、溶接位置を検出するための構成や原理が同一である形態に限定されない。

図１７は、本発明の実施の形態に係る変形例３を説明するための断面図である。

クランプ治具２１０の下板２１４は、第２セパレータ５５のアクティブエリア部５６と位置合わせされた透明部２１５を有する形態に限定されない。例えば、図１７に示されるように、必要に応じて、第２セパレータ５５の溝部５７に位置合わせされたスリット部２１６を設けることも可能である。この場合、下板２１４のスリット部２１６によって第２セパレータ５５の溝部５７が露出しており視認できるため、第２セパレータ５５の溝部５７の溶接位置を容易に検出することが可能である。

図１８は、本発明の実施の形態に係る変形例４を説明するための平面図である。

溝部５２，５７の溶接位置検出における測定点は、図１１に示される２個所Ｍ_１，Ｍ_２に限定されず、必要に応じて、１個所としたり、図１８に示されるように、９個所Ｍ_１〜Ｍ_９にしたりすることも可能である。

以上のように本実施の形態に係る燃料電池用セパレータの溶接装置および溶接方法においては、レーザーの照射位置設定は、検出される第２セパレータの溝部の溶接位置に基づいて、補正されるため、第２セパレータの溝部の位置ズレが存在していても、溶接不良が抑制される。したがって、良好な溶接品質を確保し得る燃料電池用セパレータの溶接装置および溶接方法を提供することが可能である。

第２セパレータの溝部の溶接位置は、第２セパレータの溝部を撮像するカメラや、第２セパレータの溝部に照射されたレーザーの反射光を検出する光センサーによって容易に検出することが可能である。

クランプ治具の第１押圧部材が第１セパレータの溝部に位置合されたスリット部を有する場合、第１セパレータの溝部が露出するため、第１押圧部材によるレーザーの照射に対する干渉が抑制される。また、クランプ治具の第２押圧部材が第２セパレータの溝部に位置合されたスリット部を有する場合、第２セパレータの溝部が露出し、視認できるため、第２セパレータの溝部の溶接位置が容易に検出される。さらに、クランプ治具の第２押圧部材が第２セパレータの溝部が配置されている領域に位置合わせされている透明部を有する場合も、第２セパレータの溝部が視認できるため、第２セパレータの溝部の溶接位置が容易に検出される。

第１セパレータの溝部の溶接位置を検出する第１セパレータ溶接位置検出手段をさらに設ける場合、第１セパレータの溝部の溶接位置と第２セパレータの溝部の溶接位置とを比較することで、第１セパレータと第２セパレータとの間で生じている相対位置ズレ（積層ズレ）を確実に検出できる。したがって、検出された相対位置ズレ（積層ズレ）を考慮して、レーザーの照射位置設定を補正することで、溶接不良をさらに抑制することが可能である。

第１セパレータの溝部の溶接位置は、第１セパレータの溝部を撮像するカメラや、第１セパレータの溝部に照射されたレーザーの反射光を検出する光センサーによって容易に検出することが可能である。

複数箇所で、第２セパレータの溝部の溶接位置を検出する場合、第１および第２セパレータの溝部の位置ズレの分布（バラツキ）を検出できるため、例えば、スプリングバックによって溝部が変形（太鼓形状）している場合であっても、照射位置設定を良好に補正することが可能である。

相対位置ズレ（積層ズレ）が所定値より大きい場合、溶接不良が生じると判断し、溶接不良が生じることが予想されるものを取り除く場合、溶接不良を実質的に抑制することが可能である。

前記所定値として、第１セパレータの溝部と第２セパレータの溝部とが接しない値に設定する場合、溶接不良が生じるか否かを確実に容易に判断することが可能である。

前記所定値を０．２ｍｍであると設定する場合、溶接不良が生じるか否かを、簡便に判断することが可能である。

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、第１および第２セパレータのアクティブエリア部の溝部の溶接に加えて、マニホールド穴を取り囲んでいる溶接部位や外周を延長している溶接部位に対しても適用可能に構成することも可能である。

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（第１および第２セパレータ）、
５１，５６ アクティブエリア部、
５２，５７ 溝部、
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 溶接装置、
２１０ クランプ治具、
２１２ 上板（第１押圧部材）、
２１３ スリット部、
２１４ 下板（第２押圧部材）、
２１５ 透明部、
２１６ スリット部、
２２０ 押圧機構、
２２２ アーム部、
２２４ 突出部、
２３０ レーザー照射部、
２３２ 加工ヘッド、
２３４ ロボットアーム、
２３６ 光ファイバー、
２３８ 本体部、
２４０ カメラ（第１セパレータ溶接位置検出手段）、
２４２ 検査光照射部（第１セパレータ溶接位置検出手段）、
２４４ 光センサー（第１セパレータ溶接位置検出手段）、
２５０ カメラ（第２セパレータ溶接位置検出手段）、
２５２ 検査光照射部（第２セパレータ溶接位置検出手段）、
２５４ 光センサー（第２セパレータ溶接位置検出手段）、
２６０ コントローラ、
２６２ 制御部（設定補正手段）、
２６４ 記憶部、
２６５ 溶接プログラム、
２６６ 設定補正プログラム、
Ａ_１〜Ａ_１５ アクティブエリア部の分割エリア、
Ｍ_１〜Ｍ_９ 測定点、
Ｐ_０ 照射位置設定、
Ｐ_１，Ｐ_２ 溶接位置、
ΔＰ_１，ΔＰ_２ 位置ズレ、
ΔＰ_３ 相対位置ズレ（積層ズレ）、
Ｘ 溝部の延長方向に沿った方向（長手方向）、
Ｙ 溝部の延長方向と直交する方向（横手方向）、
Ｚ 第１および第２セパレータの積層方向。

Claims (16)

1. 燃料電池用セパレータである第１セパレータおよび第２セパレータを積層された状態で圧締めするクランプ治具と、
   前記第１セパレータにおける反応用ガスおよび冷媒の流路を構成するための溝部に、レーザーを照射することによって、前記第１セパレータの前記溝部と、前記第２セパレータにおける反応用ガスおよび冷媒の流路を構成するための溝部とを溶接する加工ヘッドと、
   前記第１セパレータおよび前記第２セパレータを介して前記加工ヘッドの逆側に配置され、前記第２セパレータの前記溝部の溶接位置を検出する第２セパレータ溶接位置検出手段と、
   前記第２セパレータ溶接位置検出手段によって検出される前記溶接位置に基づいて、前記レーザーの照射位置設定を補正する設定補正手段と、
   前記加工ヘッドが位置する側に配置され、前記第１セパレータの溝部の溶接位置を検出する第１セパレータ溶接位置検出手段と、を有し、
   前記設定補正手段は、前記第１セパレータ溶接位置検出手段によって検出される前記溶接位置および前記第２セパレータ溶接位置検出手段によって検出される前記溶接位置に基づいて、前記第１セパレータの前記溝部における前記照射位置設定を補正することを特徴とする燃料電池用セパレータの溶接装置。
2. 前記第２セパレータ溶接位置検出手段は、前記第２セパレータの前記溝部を撮像するカメラを有し、
   前記第２セパレータの前記溝部の溶接位置は、前記カメラによって取得された撮像データに基づいて検出されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用セパレータの溶接装置。
3. 前記第２セパレータ溶接位置検出手段は、前記第２セパレータの前記溝部にレーザーを照射する検査光照射部と、前記レーザーの反射光を検出する光センサーと、を有し、
   前記第２セパレータの前記溝部の溶接位置は、前記光センサーによって取得された反射光データに基づいて検出されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用セパレータの溶接装置。
4. 前記クランプ治具は、前記加工ヘッドが位置する側に配置されて前記第１セパレータを押圧する第１押圧部材と、前記第２セパレータ溶接位置検出手段が位置する側に配置されて前記第２セパレータを押圧する第２押圧部材と、を有し、
   前記第１押圧部材は、前記第１セパレータの前記溝部に位置合されたスリット部を有し、
   前記第２押圧部材は、前記第２セパレータの前記溝部に位置合されたスリット部を有することを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の燃料電池用セパレータの溶接装置。
5. 前記クランプ治具は、前記加工ヘッドが位置する側に配置されて前記第１セパレータを押圧する第１押圧部材と、前記第２セパレータ溶接位置検出手段が位置する側に配置されて前記第２セパレータを押圧する第２押圧部材と、を有し、
   前記第１押圧部材は、前記第１セパレータの前記溝部に位置合されたスリット部を有し、
   前記第２押圧部材は、光透過性の材料から構成され、かつ前記第２セパレータの前記溝部が配置されている領域に位置合わせされている透明部を有することを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の燃料電池用セパレータの溶接装置。
6. 前記第１セパレータ溶接位置検出手段は、前記第１セパレータの前記溝部を撮像するカメラを有し、
   前記第１セパレータの前記溝部の溶接位置は、前記カメラによって取得された撮像データに基づいて検出されることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池用セパレータの溶接装置。
7. 前記第１セパレータ溶接位置検出手段は、前記第１セパレータの前記溝部にレーザーを照射する検査光照射部と、前記第１セパレータの前記溝部からの前記レーザーの反射光を検出する光センサーと、を有し、
   前記第１セパレータの溶接位置は、前記光センサーによって取得された反射光データに基づいて検出されることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池用セパレータの溶接装置。
8. 燃料電池用セパレータである第１セパレータおよび第２セパレータを積層された状態で、クランプ治具によって圧締めするクランプステップと、
   前記第１セパレータにおける反応用ガスおよび冷媒の流路を構成するための溝部に、加工ヘッドによってレーザーを照射することによって、前記第１セパレータの前記溝部と、前記第２セパレータにおける反応用ガスおよび冷媒の流路を構成するための溝部とを溶接する溶接ステップと、
   前記第１セパレータおよび前記第２セパレータを介して前記加工ヘッドの逆側に配置される第２セパレータ溶接位置検出手段によって、前記第２セパレータの前記溝部の溶接位置を検出する第２セパレータ溶接位置検出ステップと、
   前記第２セパレータ溶接位置検出手段によって検出される前記溶接位置に基づいて、前記レーザーの照射位置設定を、設定補正手段によって補正する設定補正ステップと、
   前記加工ヘッドが位置する側に配置される第１セパレータ溶接位置検出手段によって、前記第１セパレータの溝部の溶接位置を検出する第１セパレータ溶接位置検出ステップと、を有し、
   前記設定補正ステップにおいて、前記第１セパレータ溶接位置検出手段によって検出される前記溶接位置および前記第２セパレータ溶接位置検出手段によって検出される前記溶接位置に基づいて、前記照射位置設定が、前記設定補正手段によって補正される
   ことを特徴とする燃料電池用セパレータの溶接方法。
9. 前記第２セパレータ溶接位置検出手段は、前記第２セパレータの前記溝部を撮像するカメラを有し、
   前記第２セパレータ溶接位置検出ステップにおいて、前記第２セパレータの前記溝部の溶接位置は、前記カメラによって取得された撮像データに基づいて検出されることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池用セパレータの溶接方法。
10. 前記第２セパレータ溶接位置検出手段は、前記第２セパレータの前記溝部にレーザーを照射する検査光照射部と、前記レーザーの反射光を検出する光センサーと、を有し、
    前記第２セパレータ溶接位置検出ステップにおいて、前記第２セパレータの前記溝部の溶接位置は、前記光センサーによって取得された反射光データに基づいて検出されることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池用セパレータの溶接方法。
11. 前記第２セパレータ溶接位置検出ステップにおいて、複数箇所で、前記第２セパレータの前記溝部の溶接位置が検出されることを特徴とする請求項８〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータの溶接方法。
12. 前記第１セパレータ溶接位置検出手段は、前記第１セパレータの前記溝部を撮像するカメラを有し、
    前記第１セパレータ溶接位置検出ステップにおいて、前記第１セパレータの前記溝部の溶接位置は、前記カメラによって取得された撮像データに基づいて検出されることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池用セパレータの溶接方法。
13. 前記第１セパレータ溶接位置検出手段は、前記第１セパレータの前記溝部にレーザーを照射する検査光照射部と、前記第１セパレータの前記溝部からの前記レーザーの反射光を検出する光センサーと、を有し、
    前記第１セパレータ溶接位置検出ステップにおいて、前記第１セパレータの溶接位置は、前記光センサーによって取得された反射光データに基づいて検出されることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池用セパレータの溶接方法。
14. 前記第２セパレータ溶接位置検出手段によって検出される前記溶接位置と、前記第１セパレータ溶接位置検出手段によって検出される前記溶接位置と、の差である相対位置ズレに基づいて、溶接不良が生じるか否かを判断する判断ステップを、さらに有し、
    前記判断ステップにおいて、前記相対位置ズレが、所定値より大きい場合、溶接不良が生じると判断されることを特徴とする請求項８〜１３のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータの溶接方法。
15. 前記所定値は、前記第１セパレータの前記溝部と前記第２セパレータの前記溝部とが接しない値に設定されていることを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池用セパレータの溶接方法。
16. 前記所定値は、０．２ｍｍであることを特徴とする請求項１４又は請求項１５に記載の燃料電池用セパレータの溶接方法。