JP6978996B2 - 接合セパレータの製造方法及び製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の金属プレートを溶接して形成される接合セパレータの製造方法及び製造装置に関する。

燃料電池セルは、アノード電極、固体高分子電解質膜及びカソード電極を積層した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）と、ＭＥＡを挟持するバイポーラ板（金属プレート）である一対のセパレータと、を備える。複数の燃料電池セルを積層した燃料電池スタックでは、一方の燃料電池セルのセパレータと、他方の燃料電池セルのセパレータとが接触し合う構造を採用することがある。このため、燃料電池スタックの製造工程では、２枚（複数）のセパレータを予め接合して接合セパレータを形成し、この接合セパレータとＭＥＡを交互に積層する。

例えば、特許文献１には、２枚のセパレータを接合して接合セパレータを製造する製造方法が開示されている。接合セパレータの製造では、２枚のセパレータが接触し合う面の所定箇所に対し、例えば、レーザによる溶接を実施して溶接部を形成している。

米国特許出願公開第２００６／００５４６６４号明細書

しかしながら、接合セパレータの製造では、レーザ溶接に伴って発生する熱により熱歪みが生じセパレータ側が反ってしまうことがある。セパレータに反りが生じると、燃料電池セル同士を精度よく積層することが難くなり、燃料電池セルの内部を流動する反応ガスや冷媒が漏れたり、ＭＥＡとセパレータとの接触面圧が不均一になる等の原因にもなる。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、複数のセパレータを溶接する際に、熱歪みにより生じる反りを抑制して接合セパレータを良好に製造することができる接合セパレータの製造方法及び製造装置を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明の第１の態様は、複数の金属プレートをレーザ溶接して形成される接合セパレータの製造方法であって、ベース部に積層状態で載置された少なくとも２枚の前記金属プレートを前記ベース部と押さえ部とで挟み込む固定工程と、前記固定工程後に、前記押さえ部に設けられた間隙を介して、レーザ光出射部から前記金属プレートにレーザ光を照射して前記２枚の金属プレートを互いに溶接する溶接工程と、前記溶接工程後に、前記ベース部と前記押さえ部との間に前記２枚の金属プレートを挟んだ状態で、前記間隙を介して押圧部材を進出させて前記レーザ光により溶接された領域を当該押圧部材により押圧する追いプレス工程と、を有する。

また、前記の目的を達成するために、本発明の第２の態様は、複数の金属プレートをレーザ溶接して接合セパレータを形成する製造装置であって、少なくとも２枚の前記金属プレートを積層状態で載置するベース部と、前記ベース部との間で前記２枚の金属プレートを挟み込む押さえ部と、前記ベース部と前記押さえ部との間に前記２枚の金属プレートを挟んだ状態で、前記押さえ部に設けられた間隙を介して、レーザ光を照射して前記２枚の金属プレートを互いに溶接するレーザ光出射部と、前記ベース部と前記押さえ部との間に前記２枚の金属プレートを挟んだ状態で、前記間隙を介して進出し、前記レーザ光により溶接された領域を押圧する押圧部材と、を有する。

上記の接合セパレータの製造方法及び製造装置は、レーザ光によるレーザ溶接後に、ベース部と押さえ部との間に２枚の金属プレートを挟んだ状態で、溶接された領域を押圧部材により押圧することで、溶接された領域に残る残留応力の分散を計り金属プレート自体の反りを効率よく矯正することができる。これにより接合セパレータは、燃料電池セルを精度よく積層させると共に、反応ガスや冷媒の漏れを抑制することが可能となり、また電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）とセパレータの接触面圧をより均一化させることができる。

本発明の一実施形態に係る接合セパレータを適用した燃料電池スタックの斜視図である。 燃料電池スタックの燃料電池セルを示す分解斜視図である。 接合セパレータを第２セパレータ側から臨んだ平面図である。 図３のＩＶ−ＩＶ線断面の接合セパレータと製造装置とを合わせて示す説明図である。 図５Ａは、従来の接合セパレータの製造方法におけるレーザ溶接時の熱の伝達を示す断面図である。図５Ｂは、従来の接合セパレータの製造方法における凝固収縮を示す断面図である。 接合セパレータの断面と製造装置の押圧部材とを合わせて示す説明図である。 図７Ａは、押圧部材が接合セパレータに接触した部分を拡大して示す断面図である。図７Ｂは、本発明の接合セパレータの製造方法における押圧部材の押圧時の作用を示す断面図である。 接合セパレータの製造方法の工程を示すフローチャートである。

以下、本発明について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

図１に示すように、本発明の一実施形態に係る燃料電池スタック１０は、単位燃料電池である燃料電池セル１２を水平方向（矢印Ａ方向）又は重力方向（矢印Ｃ方向）に複数積層した積層体１４を備える。燃料電池スタック１０は、例えば、図示しない燃料電池車両（燃料電池自動車）に搭載される。

積層体１４の積層方向（矢印Ａ方向）一端には、ターミナルプレート１６ａ、インシュレータ１８ａ及びエンドプレート２０ａが外方に向かって順に配置される。積層体１４の積層方向他端には、ターミナルプレート１６ｂ、インシュレータ１８ｂ及びエンドプレート２０ｂが外方に向かって順に配置される。エンドプレート２０ａ、２０ｂの各辺同士の間には、締め付け荷重を積層体１４に付与する連結バー２４が設けられる。

ターミナルプレート１６ａ、１６ｂは、中央部に積層方向外方に延在する端子部２２ａ、２２ｂを有している。なお、燃料電池スタック１０は、エンドプレート２０ａ、２０ｂを端板とする筐体内に積層体１４を収容する構成でもよい。

図２に示すように、燃料電池セル１２は、樹脂枠付きＭＥＡ２８と、樹脂枠付きＭＥＡ２８の一方面側に配置された第１金属セパレータ３０（以下、単に第１セパレータ３０という）と、樹脂枠付きＭＥＡ２８の他方面側に配置された第２金属セパレータ３２（以下、単に第２セパレータ３２という）とを備える。

また、燃料電池セル１２の長手方向である水平方向一端（矢印Ｂ１方向）側の上部には、樹脂枠付きＭＥＡ２８、第１セパレータ３０及び第２セパレータ３２の積層時に、互いに位置決めするための突片部２６がそれぞれ形成されている。また、燃料電池セル１２の長手方向の他端（矢印Ｂ２方向）側の下部には、樹脂枠付きＭＥＡ２８、第１セパレータ３０及び第２セパレータ３２の積層時に、互いに位置決めするための突片部２７がそれぞれ形成されている。突片部２６、２７の各々には、当該突片部２６、２７を貫通する貫通孔２６ａ、２７ａが形成されている。貫通孔２６ａ、２７ａは、共通のピン（不図示）を挿入することにより位置決めに利用される。

燃料電池セル１２の長手方向の一端部には、積層方向（矢印Ａ方向）に連通する酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、冷媒入口連通孔３６ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂがそれぞれ設けられる。酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、冷媒入口連通孔３６ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂは、鉛直方向（矢印Ｃ方向）に配列されている。酸化剤ガス入口連通孔３４ａは、反応ガスの一方である酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する。冷媒入口連通孔３６ａは、冷媒、例えば、水を供給する。燃料ガス出口連通孔３８ｂは、反応ガスの他方である燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。

燃料電池セル１２の長手方向の他端部には、積層方向に連通する燃料ガス入口連通孔３８ａ、冷媒出口連通孔３６ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３４ｂがそれぞれ設けられる。燃料ガス入口連通孔３８ａ、冷媒出口連通孔３６ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３４ｂは、鉛直方向に配列されている。燃料ガス入口連通孔３８ａは燃料ガスを供給する。冷媒出口連通孔３６ｂは冷媒を排出する。酸化剤ガス出口連通孔３４ｂは酸化剤ガスを排出する。なお、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂ、燃料ガス入口連通孔３８ａ、燃料ガス出口連通孔３８ｂ、冷媒入口連通孔３６ａ、冷媒出口連通孔３６ｂの配置や形状は、図示例に限定されず、要求される仕様に応じて適宜設計してよい。

燃料電池セル１２の樹脂枠付きＭＥＡ２８は、電解質膜・電極構造体２８ａ（以下、「ＭＥＡ２８ａ」という）と、ＭＥＡ２８ａの外周部に接合され当該外周部を周回する樹脂枠部材４６とを備える。さらに、ＭＥＡ２８ａは、電解質膜４０と、電解質膜４０の一方の面に設けられたアノード電極４２と、電解質膜４０の他方の面に設けられたカソード電極４４とを有する。なお、ＭＥＡ２８ａは、樹脂枠部材４６を用いることなく、電解質膜４０を外方に突出させてもよい。樹脂枠部材４６には枠状のフィルム部材を用いてもよい。

電解質膜４０は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜である固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜）が適用される。なお、電解質膜４０は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質を使用することができる。樹脂枠部材４６は、ＭＥＡ２８ａの周囲に設けられることで、電解質膜４０のコストを低減すると共に、ＭＥＡ２８ａと第１及び第２セパレータ３０、３２の接触圧を適切に調整する。

樹脂枠部材４６の矢印Ｂ１方向側の端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、冷媒入口連通孔３６ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂが設けられている。樹脂枠部材４６の矢印Ｂ２方向の端縁部には、燃料ガス入口連通孔３８ａ、冷媒出口連通孔３６ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３４ｂが設けられている。

樹脂枠部材４６は、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＰＡ（ポリフタルアミド）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＰＥＳ（ポリエーテルサルフォン）、ＬＣＰ（リキッドクリスタルポリマー）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、又はｍ−ＰＰＥ（変性ポリフェニレンエーテル樹脂）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）又は変性ポリオレフィンで構成される。

第１及び第２セパレータ３０、３２は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、或いはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属薄板をプレス成形することでプレート状に形成される。つまり第１及び第２セパレータ３０、３２は、本発明の金属プレートである。第１及び第２セパレータ３０、３２は、後述する製造方法によって、外周側の所定箇所が接合されて接合セパレータ３３に構成される。

第１セパレータ３０は、酸化剤ガスを流動させる酸化剤ガス流路４８を、樹脂枠付きＭＥＡ２８のカソード電極４４に対向する面３０ａに備える（図２中では、便宜的に、ＭＥＡ２８ａのカソード電極４４上に酸化剤ガスの流動方向を示す）。酸化剤ガス流路４８は、第１セパレータ３０の矢印Ｂ方向に延在する複数本の突条部４８ａ間に形成された直線状流路溝４８ｂ（又は波状流路溝）によって構成される。

酸化剤ガス流路４８は、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３４ｂに流体的に連通する。また、第１セパレータ３０の面３０ａの酸化剤ガス入口連通孔３４ａと酸化剤ガス流路４８との間には、複数個のエンボス部４９を有する入口バッファ部５０ａが設けられる。第１セパレータ３０の面３０ａの酸化剤ガス出口連通孔３４ｂと酸化剤ガス流路４８との間には、複数個のエンボス部４９を有する出口バッファ部５０ｂが設けられる。

第１セパレータ３０の面３０ａには、樹脂枠付きＭＥＡ２８に向かって一体で突出し、樹脂枠部材４６に接触してシールを形成する第１ビード部５１がプレス成形されている。第１ビード部５１は、酸化剤ガス流路４８、入口バッファ部５０ａ及び出口バッファ部５０ｂを囲む内側ビード部５１ａと、内側ビード部５１ａよりも外側で第１セパレータ３０の外周に沿って延在する外側ビード部５１ｂとを含む。内側ビード部５１ａ及び外側ビード部５１ｂは、酸化剤ガスが酸化剤ガス流路４８の外部へ流出するのを防止する。なお、第１セパレータ３０の突片部２６、２７は、外側ビード部５１ｂの外側から第１セパレータ３０の外方向に向かって突出している。

また、第１ビード部５１は、燃料ガス入口連通孔３８ａ、燃料ガス出口連通孔３８ｂ、冷媒入口連通孔３６ａ及び冷媒出口連通孔３６ｂの周囲をそれぞれ囲む複数の連通孔ビード部５２を有する。連通孔ビード部５２は、燃料ガスや冷媒が酸化剤ガス流路４８へ流入するのを防止する。

すなわち、第１セパレータ３０の全体的な形状としては、外周において平坦状に形成された第１プレート部５４と、第１プレート部５４からカソード電極４４に向かって突出する第１凸部５６とを有する（図４も参照）。第１凸部５６は、複数の突条部４８ａ、エンボス部４９、第１ビード部５１等からなり、第１セパレータ３０の厚み方向に沿った断面視で、台形状に形成されている。

図２及び図３に示すように、第２セパレータ３２は、燃料ガスを流動させる燃料ガス流路５８を、樹脂枠付きＭＥＡ２８のアノード電極４２に対向する面３２ａに備える。燃料ガス流路５８は、第２セパレータ３２の矢印Ｂ方向に延在する複数本の突条部５８ａ間に形成された直線状流路溝５８ｂ（又は波状流路溝）によって構成される。

燃料ガス流路５８は、燃料ガス入口連通孔３８ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂに流体的に連通する。第２セパレータ３２の面３２ａにおいて、燃料ガス入口連通孔３８ａと燃料ガス流路５８との間には、複数個のエンボス部５９を有する入口バッファ部６０ａが設けられる。また、第２セパレータ３２の面３２ａにおいて、燃料ガス出口連通孔３８ｂと燃料ガス流路５８との間には、複数個のエンボス部５９を有する出口バッファ部６０ｂが設けられる。

第２セパレータ３２の面３２ａには、樹脂枠付きＭＥＡ２８に向かって一体で突出し、樹脂枠部材４６に接触してシールを形成する第２ビード部６１がプレス成形されている。第２ビード部６１は、燃料ガス流路５８、入口バッファ部６０ａ及び出口バッファ部６０ｂを囲む内側ビード部６１ａと、内側ビード部６１ａよりも外側で第２セパレータ３２の外周に沿って延在する外側ビード部６１ｂとを含む。内側ビード部６１ａ及び外側ビード部６１ｂは、燃料ガスが燃料ガス流路５８の外部へ流出するのを防止する。なお、第２セパレータ３２の突片部２６、２７は、外側ビード部６１ｂの外側から第２セパレータ３２の外方向に向かって突出している。

また、第２ビード部６１は、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂ、冷媒入口連通孔３６ａ及び冷媒出口連通孔３６ｂの周囲をそれぞれ囲む複数の連通孔ビード部６２を有する。連通孔ビード部６２は、酸化剤ガスや冷媒が燃料ガス流路５８へ流入するのを防止する。

すなわち、第２セパレータ３２の全体的な形状としては、外周において平坦状に形成された第２プレート部６４と、第２プレート部６４からアノード電極４２に向かって突出する第２凸部６６とを有する（図４も参照）。第２凸部６６は、複数の突条部５８ａ、エンボス部５９、第２ビード部６１等からなり、第２セパレータ３２の厚み方向に沿った断面視で、台形状に形成されている。

互いに接合される第１セパレータ３０の面３０ｂと第２セパレータ３２の面３２ｂとの間には、冷媒入口連通孔３６ａと冷媒出口連通孔３６ｂとに流体的に連通する冷媒流路６８が形成される。冷媒流路６８は、酸化剤ガス流路４８が形成された第１セパレータ３０の他方面である裏面形状と、燃料ガス流路５８が形成された第２セパレータ３２の他方面である裏面形状とが重なり合って形成される。

第１及び第２セパレータ３０、３２の冷媒入口連通孔３６ａと冷媒流路６８の間には、冷媒入口連通孔３６ａから冷媒流路６８に冷媒を流入させるブリッジ部７０ａが形成されている。第１及び第２セパレータ３０、３２の冷媒出口連通孔３６ｂと冷媒流路６８の間には、冷媒流路６８から冷媒出口連通孔３６ｂに冷媒を流出させるブリッジ部７０ｂが形成されている。

接合セパレータ３３は、上記の第１セパレータ３０と第２セパレータ３２を積層して、レーザ溶接により溶接することで接合される。そのため、図３に示すように、接合セパレータ３３は、第１セパレータ３０と第２セパレータ３２が接合している箇所（以下、溶接部７４という）を有する。具体的には、溶接部７４は、接合セパレータ３３の外側を周回する一連の外周溶接部７６と、外周溶接部７６の内側で複数の反応ガス連通孔（酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂ、燃料ガス入口連通孔３８ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂ）を囲う反応ガス連通孔溶接部７８と、を含む。なお、溶接部７４は、外側ビード部６１ｂの外側をレーザ溶接してもよい。

外周溶接部７６は、外側ビード部５１ｂ、６１ｂの内側で、当該外側ビード部５１ｂ、６１ｂよりも一回り小さく形成されている。この外周溶接部７６により、第１及び第２セパレータ３０、３２の外周側の対向面（面３０ｂ、面３２ｂ）同士は、強固に接合され、第１セパレータ３０と第２セパレータ３２間を流動する冷媒の漏れが防止される。

複数の反応ガス連通孔溶接部７８は、反応ガス連通孔の周囲の第１及び第２セパレータ３０、３２の対向面（面３０ｂ、３２ｂ）をそれぞれ強固に接合している。反応ガス連通孔溶接部７８は、反応ガス連通孔から第１セパレータ３０と第２セパレータ３２の間（冷媒流路６８）に、反応ガスが流出することを防止する。

なお、燃料電池セル１２は、酸化剤ガスの経路に蓄積した反応生成水等を排出させるドレン連通孔、燃料ガスの経路に蓄積した反応生成水等を流動させるドレン連通孔、冷媒流路６８から空気を排出する空気抜き連通孔等を備え、この連通孔の周囲に溶接部７４を形成してもよい。すなわち、溶接部７４は、セパレータ３０、３２の連通孔の周囲を囲うように設けることができる。

上記の接合セパレータ３３を製造（溶接）する際には、図４に示す製造装置８０を使用する。この製造装置８０は、第１及び第２セパレータ３０、３２を積層した状態で固定するセパレータ固定部８２と、固定されたセパレータ３０、３２の溶接予定箇所にレーザを出射して溶接を行うレーザ光出射部８４と、各部８２、８４の動作を制御する制御部８５とを備える。なお図４中では、第１セパレータ３０の上側に第２セパレータ３２を重ねた状態でセパレータ固定部８２に固定してレーザ溶接を行う構成となっているが、第２セパレータ３２の上側に第１セパレータ３０を重ねた状態でレーザ溶接を行ってもよい。

さらに、セパレータ固定部８２は、ベース部８６と、ベース部８６と協働して第１及び第２セパレータ３０、３２を挟み込む押さえ部９０と、を有する。ベース部８６及び押さえ部９０は、伝熱性が高い材料により構成され、溶接時の熱の影響を緩和させる機能を有する。ベース部８６及び押さえ部９０を構成する材料は、特に限定されるものではないが、例えば、鉄、銅、銅合金等を適用するとよい。

ベース部８６は、プレート状に形成され、第１セパレータ３０を載置する載置面８６ａを上面に備える。載置面８６ａは、第１セパレータ３０の凹凸に対応した形状に形成されている。詳細には、載置面８６ａは、平坦状のベース部側平坦挟持面８８と、ベース部側平坦挟持面８８に対して所定の深さに形成されたベース部側凹部８９と、を有する。

ベース部側平坦挟持面８８には、第１セパレータ３０の載置状態で、当該第１セパレータ３０の凹凸のうち第１プレート部５４が配置される。ベース部側凹部８９には、第１セパレータ３０の載置状態で、第１プレート部５４から突出する第１凸部５６（酸化剤ガス流路４８を形成する突条部４８ａ、エンボス部４９及び第１ビード部５１）が挿入される。この挿入状態では、第１セパレータ３０の第１凸部５６の台形頂部と、ベース部側凹部８９の底面とがちょうど当接し合う。なお、第１凸部５６の台形頂部とベース部側凹部８９の底面との間には、隙間が形成されてもよい。

また、ベース部８６（セパレータ固定部８２）は、第１及び第２セパレータ３０、３２の突片部２６、２７を収容する図示しない位置決め部を有し、位置決め部は、貫通孔２６ａ、２７ａに挿入されるピンを備えるとよい。これにより、第１及び第２セパレータ３０、３２は、セパレータ固定部８２において相互に位置決めがなされた状態で積層される。

一方、押さえ部９０は、ベース部８６の上方に配置されて、ベース部８６に対向するプレート状に形成されている。押さえ部９０は、変位機構９２に接続されており、制御部８５の制御下に、ベース部８６に対して進退可能に構成されている。押さえ部９０は、ベース部８６に載置された第１及び第２セパレータ３０、３２に進出して接触し適度な押圧力を付与する。これにより、セパレータ固定部８２は、第１及び第２セパレータ３０、３２を挟み込んだ状態で強固に位置決め固定する。

押さえ部９０は、第１セパレータ３０に積層された第２セパレータ３２を押さえる押さえ面９０ａを下面に備える。押さえ面９０ａは、第２セパレータ３２の凹凸に対応した形状に形成されている。詳細には、押さえ面９０ａは、平坦状の押さえ部側平坦挟持面９４と、押さえ部側平坦挟持面９４に対して所定の深さに形成された押さえ部側凹部９５と、を有する。

押さえ部側平坦挟持面９４には、第１及び第２セパレータ３０、３２の挟持状態で、当該第２セパレータ３２の凹凸のうち第２プレート部６４が配置される。押さえ部側凹部９５には、挟持状態で、第２プレート部６４から突出する第２凸部６６（燃料ガス流路５８を形成する突条部５８ａ、エンボス部５９及び第２ビード部６１）が挿入される。この挿入状態では、第２セパレータ３２の第２凸部６６の台形頂部と、押さえ部側凹部９５の底面とがちょうど当接し合う。なお、第２凸部６６の台形頂部と押さえ部側凹部９５の底面との間には、隙間が形成されてもよい。

また、押さえ部９０は、レーザ溶接箇所に応じて、複数（図４中では４つ）のブロック９６（ブロック９６ａ〜９６ｄ）に分割されている。なお、特定の複数のブロック９６を１体で構成してもよい。複数のブロック９６は、変位機構９２の動作下に同時に又は異なるタイミングで変位する。一のブロック９６と他のブロック９６の間には、所定の間隔だけ離間した間隙９８が形成されている。

間隙９８は、第１及び第２セパレータ３０、３２の溶接部７４の形成ライン（図３参照）に沿って連続している。間隙９８は、第２セパレータ３２の面３２ａのうち溶接予定箇所を含む所定範囲を露出させる。間隙９８を構成する各ブロック９６の側壁は、押さえ部９０の厚み方向に沿った断面視で、ベース部８６に向かって徐々に幅狭となるテーパ状に形成されている。

レーザ光出射部８４は、接合セパレータ３３に形成される複数の溶接部７４（外周溶接部７６、４つの反応ガス連通孔溶接部７８）に対応して複数（５つ）設けられている。レーザ光出射部８４は、第１及び第２セパレータ３０、３２の溶接予定箇所に所定の周波数且つ高出力のレーザ光Ｌｉを出射して、第１及び第２セパレータ３０、３２をレーザ光Ｌｉにより加熱し溶融させる（溶込む）ことで溶接を行う。レーザ光出射部８４の構成は、特に限定されず周知のものを適用することができる。なお、製造装置８０は、１つのレーザ光出射部８４により複数の溶接部７４に順次溶接を行ってもよい。

複数のレーザ光出射部８４の各々は、出射部アクチュエータ９９に接続され、出射部アクチュエータ９９の動作下に、レーザ光Ｌｉを出射しながら各溶接部７４の周回ラインを移動する。出射部アクチュエータ９９は、制御部８５の制御指示に基づき、レーザ光出射部８４を移動させる。

図５Ａに示すように、第１及び第２セパレータ３０、３２においてレーザ光出射部８４によりレーザ光Ｌｉが照射された箇所は、第１及び第２セパレータ３０、３２が共に溶融して溶接部７４を形成する熱影響部１００となる。

ここで、熱影響部１００は、第２セパレータ３２の面３２ａから第１セパレータ３０の面３０ａに向かって徐々に幅狭に形成される。すなわち、レーザ溶接では、レーザ光出射部８４のレーザ光Ｌｉを直接受ける側である第２セパレータ３２の方が多く溶融し、第１セパレータ３０の方が少なく溶融する。また、第２セパレータ３２の面方向（延在方向）に沿った伝熱量が、第１セパレータ３０の面方向に沿った伝熱量よりも多くなる。なお、レーザ光出射部８４は、第１セパレータ３０の面３０ａに熱影響部１００が達しないようにレーザ光Ｌｉの出力及び移動速度を調整する。従って、熱影響部１００は第１セパレータ３０を貫通しない。

そのため、図５Ｂに示すように、従来の製造方法で製造された接合セパレータ２００は、レーザ溶接後に熱影響部１００が凝固収縮する際に、第１セパレータ３０と第２セパレータ３２とで変形量に違いが生じる。つまり、第２セパレータ３２が第１セパレータ３０よりも大きく収縮する熱歪みが生じることで、接合セパレータ２００は、溶接部７４の第１セパレータ３０側が凹形状となるように湾曲する（反る）。

上記のような湾曲の発生を抑えるために、本実施形態に係る製造装置８０は、レーザ溶接後に、追いプレス加工を実施するように構成されている。このため図６に示すように、製造装置８０は、熱影響部１００を押圧することで熱影響部１００に残る残留応力の分散を計る押圧部材１０２を複数備える。複数の押圧部材１０２は、レーザ光出射部８４のレーザ光Ｌｉの出射方向と同じ方向に進出し、押さえ部９０の間隙９８を通して第１及び第２セパレータ３０、３２を押圧する。押圧部材１０２の押圧時において、押圧部材１０２に対向する面（ベース部側平坦挟持面８８）は、第１及び第２セパレータ３０、３２を接触支持している。複数の押圧部材１０２は、制御部８５に動作が制御される押圧部材アクチュエータ１０３にそれぞれ接続されている。

押圧部材１０２は、出射部アクチュエータ９９及び押圧部材アクチュエータ１０３の動作下に、レーザ光出射部８４のレーザ溶接完了後にレーザ光出射部８４を移動させ、熱影響部１００に対向配置される。また、押圧部材１０２は、制御部８５の制御下に間隙９８を通過し熱影響部１００に向かって移動して、第２セパレータ３２の面３２ａから熱影響部１００及びその周辺部を押圧することで、押圧箇所の残留応力を分散させる。押圧部材１０２が熱影響部１００に接触して押圧する時間は、特に限定されず、瞬間的（短時間）にパンチすることが好ましいが、或いは多少時間をかけて徐々に押圧力を増す構成でもよい。

具体的には、押圧部材１０２は、第１及び第２セパレータ３０、３２の溶接部７４（図３参照）に対応する位置に設けられ、外周溶接部７６に対向する外側押圧部材１０４と、４つの反応ガス連通孔溶接部７８の各々に対向する４つの反応ガス連通孔押圧部材１０６とを含む。外側押圧部材１０４及び４つの反応ガス連通孔押圧部材１０６は、平面視で、溶接部７４の溶接ラインに沿うように角部が丸い枠状（筒状）に形成されている。また、押圧部材１０２を構成する壁部１０２ａは、押圧部材１０２の軸方向に沿った断面視で、上側（押圧部材アクチュエータ１０３との接続部）から下側（接合セパレータ３３に接触する先端面１０２ｂ）に向かって徐々に幅狭となるテーパ状に形成されている。

さらに、図７Ａに示すように、押圧部材１０２の先端面１０２ｂは、接合セパレータ３３（第２セパレータ３２）の面３２ａに対して平行となる平坦面に形成されている。先端面１０２ｂの幅ｃは、レーザ溶接時の熱影響部１００の幅よりも大きく設定されることが好ましい。

詳細には、レーザ溶接では、第１及び第２セパレータ３０、３２の厚みに応じてレーザ光Ｌｉの出力、移動速度及び照射範囲が設定され、このレーザ光Ｌｉの出力、移動速度及び照射範囲に伴い溶接部７４の幅が決まる。溶接部７４は、第１及び第２セパレータ３０、３２の溶融した溶融部位同士が混合し凝固することにより直接接合する部分として、熱影響部１００の中央部に形成される。この溶接部７４は、レーザ光Ｌｉの照射側（第２セパレータ３２）から第１セパレータ３０側に向けて突出する溶接ビードを呈する。

すなわち、熱影響部１００は、レーザ光Ｌｉの出射において溶接部７４の周囲を囲うように生じるので、溶接部７４の幅に応じて先端面１０２ｂの幅を設定することが可能である。具体的には、第２セパレータ３２の厚みをｔ、溶接部７４の幅をｂとした場合に、以下の式（１）、（２）によって先端面１０２ｂの幅ｃを設定する。式（１）、（２）により設定された先端面１０２ｂの幅ｃにより熱影響部１００を的確に押圧することができる。
ｂ＝ｔ×（１．０５〜１．１） …（１）
ｃ≒ｂ×１．３ …（２）

また、第１及び第２セパレータ３０、３２を押圧部材１０２が押圧する押圧力は、当該第１及び第２セパレータ３０、３２の残留応力の分散を図り塑性変形可能な値に設定される。つまり、押圧力は、第１及び第２セパレータ３０、３２の材料の降伏応力（又は０．２％耐力）以上に設定される。例えば、第１及び第２セパレータ３０、３２がＳＵＳ３１６Ｌにより構成される場合には、１７５ＭＰａ以上の圧力（面圧）で熱影響部１００を押圧するとよい。

図７Ｂに示すように、押圧部材１０２は、上記の条件の押圧力を第１及び第２セパレータ３０、３２に加えると、熱影響部１００の残留応力を効果的に分散させる。これにより反りの少ない第１及び第２セパレータ３０、３２を得ることができる。

本実施形態に係る接合セパレータ３３の製造装置８０は、基本的には以上のように構成されるものであり、以下、接合セパレータ３３の製造方法について説明する。接合セパレータ３３に製造される第１セパレータ３０と第２セパレータ３２は、互いに同じ材質によって構成されている。例えば、第１及び第２セパレータ３０、３２の材料としては、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、或いはその金属表面に防食用の表面処理を施したもの等があげられる。材質が同じであることで、溶接を容易に実施することができる。さらに、第１セパレータ３０と第２セパレータ３２は、互いに同じ板厚に設定されている。

図８に示すように、接合セパレータ３３の製造方法では、製造装置８０を使用して、積層工程、固定工程、溶接工程、追いプレス工程及び取出工程を順次実施する。

積層工程では、図示しない搬送装置（又はユーザの手動）により、第１セパレータ３０を搬送して、ベース部８６の載置面８６ａに第１セパレータ３０を載置する。載置後に、図示しない搬送装置（又はユーザの手動）により、第２セパレータ３２を搬送して、載置されている第１セパレータ３０上に第２セパレータ３２を載置して積層した状態を形成する。

この際、第１及び第２セパレータ３０、３２は、それぞれの突片部２６、２７がセパレータ固定部８２（ベース部８６）の位置決め部に配置されることで、相互位置決めがなされた状態で積層される。つまり、面３０ｂ、３２ｂに突出する突条部４８ａ、５８ａ同士の頂部が接触支持し合う配置となり、第１及び第２セパレータ３０、３２の間に冷媒流路６８が形成された状態で積層される。

固定工程では、積層工程により積層状態となった第１及び第２セパレータ３０、３２を、図４に示すように、ベース部８６と押さえ部９０とで挟み込むことで固定する。押さえ部９０は、制御部８５が変位機構９２（例えば、流体駆動のシリンダやモータ）の動作を制御することによりベース部８６と相対的に進出し、ベース部８６と協働して、第１及び第２セパレータ３０、３２を当該第１及び第２セパレータ３０、３２の面方向に移動不能とする押圧力を付与する。

溶接工程は、固定工程によりベース部８６と押さえ部９０により挟み込まれた第１及び第２セパレータ３０、３２に対し、間隙９８を通して、レーザ光出射部８４からレーザ光Ｌｉを出射して、第１及び第２セパレータ３０、３２を溶接する。ここで、溶接工程では、第１及び第２セパレータ３０、３２平面の内側の溶接予定箇所を先に溶接し、その後に外側の溶接予定箇所を溶接することが好ましい。

すなわち、図８に示すように、溶接工程では、反応ガス連通孔溶接部７８の溶接予定箇所をレーザ溶接する内側溶接工程を先に実施する。さらに溶接工程では、内側溶接工程の実施後に、外周溶接部７６の溶接予定箇所をレーザ溶接する外側溶接工程を実施する。なお、溶接工程は、外周溶接部７６と反応ガス連通孔溶接部７８の溶接予定箇所を同時に溶接する構成でもよい。

内側溶接工程では、制御部８５が出射部アクチュエータ９９の動作を制御して、反応ガス連通孔溶接部７８の溶接予定箇所に対向する４つのレーザ光出射部８４をそれぞれ移動させながら、レーザ光出射部８４からレーザ光Ｌｉを出射する。このレーザ光Ｌｉは、押さえ部９０の間隙９８を介して第１及び第２セパレータ３０、３２に至る。これにより、反応ガス連通孔（酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂ、燃料ガス入口連通孔３８ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂ）の周囲には、第１及び第２セパレータ３０、３２が溶融して熱影響部１００ａが生じ、溶融箇所が接合される。

また、外側溶接工程では、制御部８５が出射部アクチュエータ９９の動作を制御して、外周溶接部７６の溶接予定箇所に対向するレーザ光出射部８４を移動させながら、レーザ光出射部８４からレーザ光Ｌｉを出射する。これにより、第１及び第２セパレータ３０、３２の外周側（外側ビード部５１ｂ、６１ｂ）には、第１及び第２セパレータ３０、３２が溶融して熱影響部１００ｂが生じ、溶融箇所が接合される。

追いプレス工程は、溶接工程後に、第１及び第２セパレータ３０、３２の熱影響部１００を押圧部材１０２により短時間に押圧することで、熱影響部１００及びその周辺の残留応力を分散させる。なお、この追いプレス工程時も、固定工程による第１及び第２セパレータ３０、３２の固定を継続している。従って、押圧部材１０２は、ベース部側平坦挟持面８８が第１及び第２セパレータ３０、３２の押圧箇所の背面を接触支持している状態で押圧を行う。また追いプレス工程でも、第１及び第２セパレータ３０、３２の内側の熱影響部１００ａを先に押圧し、その後に外側の熱影響部１００ｂを押圧することが好ましい。

すなわち、図８に示すように、追いプレス工程では、反応ガス連通孔溶接部７８が形成される予定の熱影響部１００ａをプレスする内側追いプレス工程を先に実施する。さらに、内側追いプレス工程の実施後に、外周溶接部７６が形成される予定の熱影響部１００ｂをプレスする外側追いプレス工程を実施する。

内側追いプレス工程において、制御部８５は、出射部アクチュエータ９９によりレーザ光出射部８４を移動し、押圧部材アクチュエータ１０３により４つの反応ガス連通孔押圧部材１０６を４つの熱影響部１００ａにそれぞれ対向配置する。この後、制御部８５は、４つの反応ガス連通孔押圧部材１０６を間隙９８内にそれぞれ進出させ、反応ガス連通孔押圧部材１０６の先端面１０２ｂにより熱影響部１００ａ及びその周辺部を押圧（パンチ）する。この際、先端面１０２ｂは、設定した押圧力（金属プレートを構成する材料の降伏応力又は０．２％耐力以上の押圧力）を第２セパレータ３０に付与する。

図７Ａに示すように、第１及び第２セパレータ３０、３２は、溶接工程による金属プレートの溶融後に、溶接部７４（溶接ビード）が形成されると共に、凝固収縮の影響を受ける熱影響部１００が溶接部７４の周囲に生じる。内側追いプレス工程では、この凝固収縮によって生じる熱歪みに対して、図７Ｂに示すように、押圧部材１０２から熱影響部１００ａに上記の押圧力を付与する。これにより熱影響部１００ａの熱歪みによって発生した残留応力を分散させる共に、塑性変形を生じさせる。その結果、反応ガス連通孔溶接部７８及びその周辺は、金属プレート自体の反りが低減して、平坦に形成される。

また図８に戻り、内側追いプレス工程後の外側追いプレス工程において、制御部８５は、押圧部材アクチュエータ１０３により外側押圧部材１０４を熱影響部１００ｂに対向配置する。この対向配置後に、制御部８５は、外側押圧部材１０４を間隙９８内に進出させて、先端面１０２ｂにより熱影響部１００ｂ及びその周辺部を設定した押圧力で押圧する。これにより熱影響部１００ｂの熱歪みによって発生した残留応力を分散させると共に、塑性変形を生じさせる。その結果、外周溶接部７６及びその周辺でも、金属プレート自体の反りが低減して、平坦に形成される。

また、取出工程では、押圧部材１０２を退避させ、さらにベース部８６に対し押さえ部９０を相対的に上昇（離間）させることで、第１及び第２セパレータ３０、３２の固定を解除して接合セパレータ３３を取り出し可能とする。その後、図示しない搬送装置（又はユーザの手動）により、ベース部８６から接合セパレータ３３を取り出すことで、製造装置８０は、１つの接合セパレータ３３の製造方法を終了する。製造装置８０は、以上の工程を繰り返すことで、接合セパレータ３３を複数製造していく。

上記の接合セパレータ３３の製造方法及び製造装置８０の実施形態から把握し得る技術的思想について、以下に記載する。

接合セパレータ３３の製造方法及び製造装置８０は、レーザ光Ｌｉによる溶接工程後に、ベース部８６及び押さえ部９０との間に２枚の金属プレート（第１及び第２セパレータ３０、３２）を挟んだ状態で、溶接された領域（熱影響部１００）を押圧部材１０２により押圧する追いプレス工程を行うことで、熱影響部１００に残る残留応力の分散を計り金属プレート自体の反りを効率よく矯正することができる。すなわち反りの少ない金属プレートを得ることができる。特に、溶接した治具（セパレータ固定部８２）に挟んだ状態で矯正するので、別の矯正治具に移す必要がなく、効率及び矯正精度がよい。これにより接合セパレータ３３は、燃料電池セル１２を精度よく積層させると共に、反応ガスや冷媒の漏れを抑制することが可能となり、また電解質膜・電極構造体２８ａのセパレータの接触面圧をより均一化させることができる。

また、複数の金属プレートは、第１金属セパレータ３０と、第２金属セパレータ３２とからなる。このように接合セパレータ３３の製造方法及び製造装置８０は、２枚のセパレータ（第１及び第２金属セパレータ３０、３２）を接合する際に、より効果的に反りの発生を抑制することができる。

また、追いプレス工程では、金属プレート（第１及び第２セパレータ３０、３２）を構成する材料の降伏応力又は０．２％耐力以上の押圧力を、押圧部材１０２が付与する。このように設定された押圧力によって、押圧部材１０２は、溶接部７４における第１及び第２セパレータ３０、３２の接合状態（シール状態）を成立させつつ、接合セパレータ３３を確実に塑性変形させることができる。

また、接合セパレータ３３は、連通孔（酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂ、燃料ガス入口連通孔３８ａ、燃料ガス出口連通孔３８ｂ）を内側に有し、溶接工程では、連通孔の周囲を溶接する内側溶接工程を実施した後に、接合セパレータ３３の外周側を溶接する外側溶接工程を実施する。このように溶接工程において内側溶接工程、外側溶接工程を順に実施することで、接合セパレータ３３は、連通孔の周囲の溶接部７４を精度よく形成して、連通孔の流体の漏れを良好に防ぐことが可能となる。

また、接合セパレータ３３は、連通孔（酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂ、燃料ガス入口連通孔３８ａ、燃料ガス出口連通孔３８ｂ）を内側に有し、追いプレス工程では、連通孔の周囲の溶接された領域（熱影響部１００ｂ）を押圧する内側追いプレス工程を実施した後に、接合セパレータ３３の外周側の溶接された領域（熱影響部１００ｂ）を押圧する外側追いプレス工程を実施する。このように追いプレス工程において内側追いプレス工程、外側追いプレス工程を順に実施することで、接合セパレータ３３は、先に連通孔の周囲の熱影響部１００を塑性変形させることができる。すなわち、製造方法では、第１及び第２セパレータ３０、３２の溶接における歪みを内側から外側に逃がすように押圧を行うことで、一層精度よく溶接部７４を形成することが可能となる。

また、ベース部８６は、間隙９８に対応する箇所が平坦状に形成されている。これにより、ベース部８６は、追いプレス工程において押圧部材１０２の荷重を良好に受けて、押圧時に第１及び第２セパレータ３０、３２の不要な変形を防止することができる。またベース部８６は、溶接時の熱をスムーズに伝達することができ、溶接部７４の凝固を促進することができる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されず、発明の要旨に沿って種々の改変が可能である。例えば、接合セパレータ３３の製造方法及び製造装置８０は、３枚以上の金属プレート（セパレータ）を積層して少なくとも２枚の金属プレートに対して溶接工程を行った後、レーザ溶接により生じる熱影響部１００に対して追いプレス工程を行う構成とすることができる。或いは、３枚の金属プレート（セパレータ）を接合して構成される接合セパレータの製造方法及び製造装置、本発明を適用してもよい。

１０…燃料電池スタック １２…燃料電池セル
３０…第１セパレータ（第１金属セパレータ）
３２…第２セパレータ（第２金属セパレータ）
３３…接合セパレータ ３４ａ…酸化剤ガス入口連通孔
３４ｂ…酸化剤ガス出口連通孔 ３６ａ…冷媒入口連通孔
３６ｂ…冷媒出口連通孔 ３８ａ…燃料ガス入口連通孔
３８ｂ…燃料ガス出口連通孔 ７４…溶接部
７６…外周溶接部 ７８…反応ガス連通孔溶接部
８０…製造装置 ８４…レーザ光出射部
８６…ベース部 ９０…押さえ部
１００、１００ａ、１００ｂ…熱影響部 １０２…押圧部材
１０４…外側押圧部材 １０６…反応ガス連通孔押圧部材

Claims (7)

1. 複数の金属プレートをレーザ溶接して形成される接合セパレータの製造方法であって、
   ベース部に積層状態で載置された少なくとも２枚の前記金属プレートを前記ベース部と押さえ部とで挟み込む固定工程と、
   前記固定工程後に、前記押さえ部に設けられた間隙を介して、レーザ光出射部から前記金属プレートにレーザ光を照射して前記２枚の金属プレートを互いに溶接する溶接工程と、
   前記溶接工程後に、前記ベース部と前記押さえ部との間に前記２枚の金属プレートを挟んだ状態で、前記間隙を介して押圧部材を進出させて前記レーザ光により溶接された領域を当該押圧部材により押圧する追いプレス工程と、を有する
   接合セパレータの製造方法。
2. 請求項１記載の接合セパレータの製造方法において、
   前記複数の金属プレートは、第１金属セパレータと、第２金属セパレータとからなる
   接合セパレータの製造方法。
3. 請求項１又は２記載の接合セパレータの製造方法において、
   前記追いプレス工程では、前記金属プレートを構成する材料の降伏応力又は０．２％耐力以上の押圧力を、前記押圧部材が付与する
   接合セパレータの製造方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の接合セパレータの製造方法において、
   当該接合セパレータは、連通孔を内側に有し、
   前記溶接工程では、前記連通孔の周囲を溶接する内側溶接工程を実施した後に、前記接合セパレータの外周側を溶接する外側溶接工程を実施する
   接合セパレータの製造方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の接合セパレータの製造方法において、
   当該接合セパレータは、連通孔を内側に有し、
   前記追いプレス工程では、前記連通孔の周囲の溶接された領域を押圧する内側追いプレス工程を実施した後に、前記接合セパレータの外周側の溶接された領域を押圧する外側追いプレス工程を実施する
   接合セパレータの製造方法。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の接合セパレータの製造方法において、
   前記ベース部は、前記間隙に対応する箇所が平坦状に形成されている
   接合セパレータの製造方法。
7. 複数の金属プレートをレーザ溶接して接合セパレータを形成する製造装置であって、
   少なくとも２枚の前記金属プレートを積層状態で載置するベース部と、
   前記ベース部との間で前記２枚の金属プレートを挟み込む押さえ部と、
   前記ベース部と前記押さえ部との間に前記２枚の金属プレートを挟んだ状態で、前記押さえ部に設けられた間隙を介して、レーザ光を照射して前記２枚の金属プレートを互いに溶接するレーザ光出射部と、
   前記ベース部と前記押さえ部との間に前記２枚の金属プレートを挟んだ状態で、前記間隙を介して進出し、前記レーザ光により溶接された領域を押圧する押圧部材と、を有する
   製造装置。

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