JP7243417B2 - メタルサポートセル接合体の形成方法 - Google Patents

Description

本発明は、メタルサポートセル接合体の形成方法に関する。

固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＳＯＦＣ）は、電解質として安定化ジルコニアなどの酸化物イオン導電体を用いた燃料電池である。特許文献１に開示されているように、ＳＯＦＣにおけるメタルサポートセル接合体は、メタルサポートセル（Ｍｅｔａｌ－Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ Ｃｅｌｌ：ＭＳＣ）と、メタルサポートセルの外周を保持する金属製のセルフレームと、を有する。メタルサポートセルは、触媒電極層と電解質層とを有する発電体の背面を金属支持体によって支持している。メタルサポートセルにおける金属支持体の外周にセルフレームを配置し、金属支持体とセルフレームとをレーザー接合することによって、メタルサポートセル接合体が形成される。特許文献１には、溶接部のガスシール性および接合強度を向上させるため、メタルサポートセルの金属支持体の外周部をプレスして緻密化し、セルフレームを溶接している。

一対の基板間の気密性を高めるために、硝子ペーストを用いることが一般的に行われている。一方の基板に硝子ペーストを溜める溝を設け、硝子ペーストにレーザーを照射して、一対の基板を固着させる技術が知られている（特許文献２を参照）。

欧州特許出願公開第１２７８２５９号明細書 国際公開第２００５／１２２６４５

メタルサポートセルの金属支持体とセルフレームとをレーザー接合するとき、接合強度を高めるために入熱量を高くすると、レーザーが金属支持体を突き抜ける可能性がある。レーザーが金属支持体を突き抜けると、金属支持体に穴が形成されてしまい、その穴からガスがリークしてしまう。

金属支持体とセルフレームとの間に硝子ペーストを塗布する場合には、金属支持体とセルフレームとの間のシール性を確保することはできる。しかしながら、溶融したガラスが発電領域に流出する可能性がある。ガラスが発電領域に流出すると、発電性能を低下させてしまう。

硝子ペーストを溜める溝を形成しても、金属支持体とセルフレームとの間のシール性の確保と、接合強度の確保との両者を十分に両立させることができない。

そこで、本発明の目的は、メタルサポートセルの金属支持体とセルフレームとの間のシール性の確保と、接合強度の確保との両者を両立させることが可能な、メタルサポートセル接合体の形成方法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は、触媒電極層と電解質層とを有する発電体の背面を金属支持体によって支持したメタルサポートセルにおける前記金属支持体の外周に金属製のセルフレームを配置し、前記金属支持体と前記セルフレームとをレーザー接合するメタルサポートセル接合体の形成方法である。この形成方法において、前記金属支持体と前記セルフレームとの間に硝子ペーストを塗布して両者を位置決め配置すると共に、前記セルフレームの前記発電体側であって前記硝子ペーストが存在しない部位にレーザーを照射して、前記金属支持体を取り囲むように前記硝子ペーストの内側の全周に渡って周形状に設けられる内側接合部を形成することを特徴とする。

本発明によれば、メタルサポートセルの金属支持体とセルフレームとの間のシール性の確保と、接合強度の確保との両者を両立させることが可能な、メタルサポートセル接合体の形成方法を提供できる。

本発明の実施形態に係るメタルサポートセル接合体の形成方法の手順を示す概略フローチャートである。 メタルサポートセル接合体を形成しているよう様子を模式的に示す断面図である。 変形例１において、メタルサポートセル接合体を形成しているよう様子を模式的に示す断面図である。 変形例２において、メタルサポートセルの反りに応じて溶接ビードの始点を変えるよう様子を模式的に示す平面図である。 メタルサポートセルの反りに拘わらず溶接ビードの始点を固定した対比例を模式的に示す平面図である。 メタルサポートセルの反りを示す図であって、メタルサポートセルの反りがカソード側に凸となる形態を示す図である。 メタルサポートセルの反りを示す図であって、メタルサポートセルの反りがアノード側に凸となる形態を示す図である。 溶接パターン（順番と向き）を変更している具体例を模式的に示す平面図である。 図６Ａに続けて、溶接パターンを変更している具体例を模式的に示す平面図である。 図６Ｂに続けて、溶接パターンを変更している具体例を模式的に示す平面図である。 図６Ｃに続けて、溶接パターンを変更している具体例を模式的に示す平面図である。 図６Ｄに続けて、溶接パターンを変更している具体例を模式的に示す平面図である。 図６Ｅに続けて、溶接パターンを変更している具体例を模式的に示す平面図である。 図６Ａに示した各溶接ビードが交差する点を表す図である。 図６Ｂに示した各溶接ビードが交差する点を表す図である。 図６Ｃに示した各溶接ビードが交差する点を表す図である。 図６Ｄに示した各溶接ビードが交差する点を表す図である。 図６Ｅに示した各溶接ビードが交差する点を表す図である。 図６Ｆに示した各溶接ビードが交差する点を表す図である。 変形例３において、外側接合部を形成する溶接ビードを蛇行形状に形成した様子を模式的に示す平面図である。 本発明のメタルサポートセル接合体の形成方法を具現化する溶接装置を示す概略構成図である。 溶接装置の作動を説明するための概略フローチャートである。

以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、以下の説明は特許請求の範囲に記載される技術的範囲や用語の意義を限定するものではない。また、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、本発明の実施形態に係るメタルサポートセル接合体１０の形成方法の手順を示す概略フローチャートである。図２は、メタルサポートセル接合体１０を形成しているよう様子を模式的に示す断面図である。

図１および図２を参照して、メタルサポートセル接合体１０は、触媒電極層２１Ａ、２１Ｃと電解質層２１Ｅとを有する発電体２１の背面を金属支持体２２によって支持したメタルサポートセル２０における金属支持体２２の外周に金属製のセルフレーム３０を配置し、金属支持体２２とセルフレーム３０とをレーザー接合して形成される。金属支持体２２は、セルフレーム３０を接合する外周端部が緻密質であり、他の部位は多孔質である。また、電解質層２１Ｅも緻密質である。

図１のフローチャートを参照して、メタルサポートセル接合体１０の形成方法において、メタルサポートセル２０の金属支持体２２とセルフレーム３０との間にシール材として周知の硝子ペースト４０を塗布する（ステップＳ１）。

メタルサポートセル２０およびセルフレーム３０の両者を溶接装置にセットする（Ｓ２）。このとき、メタルサポートセル２０およびセルフレーム３０の両者を位置決めし、配置する。

メタルサポートセル２０およびセルフレーム３０を互いに押し付けて密着させる（Ｓ３）。

セルフレーム３０の発電体２１側であって硝子ペースト４０が存在しない部位にレーザーを照射し、金属支持体２２とセルフレーム３０とを接合して内側接合部５０を形成する（Ｓ４）。本明細書においては、発電体２１に近い側を内側、遠い側を外側と定義する。内側接合部５０は金属支持体２２を取り囲むように周形状に形成される。

次に、内側接合部５０の外周にレーザーを照射し、硝子ペースト４０を溶融させ、金属支持体２２とセルフレーム３０とを接合して外側接合部６０を形成する（Ｓ５）。外側接合部６０は内側接合部５０を取り囲むように周形状に形成される。図２に示すように、内側接合部５０を形成する溶接ビード５１と、その外側に、外側接合部６０を形成する溶接ビード６１とが形成される。

セルフレーム３０の発電体２１側であって硝子ペースト４０が存在しない部位にレーザーを照射して内側接合部５０を形成することによって、内側接合部５０を硝子ペースト４０に対するダムとして機能させ、その後のレーザー溶接によって溶融される硝子ペースト４０が発電体２１に流れ込むことを防止できる。発電性能の低下を抑えつつ、メタルサポートセル２０の金属支持体２２とセルフレーム３０とをレーザー接合できる。これによって、メタルサポートセル２０の金属支持体２２とセルフレーム３０との間のシール性の確保と、接合強度の確保との両者を両立させることが可能となる。

内側接合部５０の外周にレーザーを照射して外側接合部６０を形成することによって、入熱量を比較的大きく設定したとしても、硝子ペースト４０を溶融させるために熱が使われる。このため、電解質層２１Ｅを破損するほど深いビードが形成されない。溶接接合とガラス接合とによって、メタルサポートセル２０の金属支持体２２とセルフレーム３０との間を高気密にガスシールできる。これによって、メタルサポートセル２０の金属支持体２２とセルフレーム３０との間のシール性の確保と、接合強度の確保との両者を両立させることが可能となる。

内側接合部５０を形成するときのレーザー照射強度は、外側接合部６０を形成するときのレーザー照射強度に対して、小さくする、同じにする、または大きくすることができる。

内側接合部５０を形成するときのレーザー照射強度を外側接合部６０を形成するときのレーザー照射強度に対して小さくすることによって、内側接合部５０を形成するときの入熱量を比較的小さくして、電解質層２１Ｅを破損するほどの深いビードが形成されることを防止できる。

図２を参照して、メタルサポートセル接合体１０について説明する。

ＳＯＦＣにおけるメタルサポートセル接合体１０は、メタルサポートセル２０と、メタルサポートセル２０の外周を保持する金属製のセルフレーム３０と、を有する。

メタルサポートセル２０は、電解質層２１Ｅを両側から一対の触媒電極層２１Ａ、２１Ｃであるアノード層２１Ａおよびカソード層２１Ｃで挟持してなる発電体２１（電解質電極接合体とも称される）と、発電体２１を上下方向の一方側から支持する金属支持体２２と、を有する。メタルサポートセル２０は、電解質支持型セルや電極支持型セルに比べて機械的強度、急速起動性等に優れる。

電解質層２１Ｅは、カソード層２１Ｃからアノード層２１Ａに向かって酸化物イオンを透過させるものである。電解質層２１Ｅは、酸化物イオンを通過させつつ、ガスと電子を通過させない。電解質層２１Ｅの形成材料は、例えば、イットリア、酸化ネオジム、サマリウム、ガドリニウム、スカンジウム等をドープした安定化ジルコニアなどの固体酸化物セラミックスが挙げられる。

アノード層２１Ａは、燃料極であって、アノードガス（例えば水素）と酸化物イオンを反応させて、アノードガスの酸化物を生成するとともに電子を取り出す。アノード層２１Ａは、還元雰囲気に耐性を有し、アノードガスを透過させ、電気（電子およびイオン）伝導度が高く、アノードガスを酸化物イオンと反応させる触媒作用を有する。アノード層２１Ａの形成材料は、例えば、ニッケル等の金属、イットリア安定化ジルコニア等の酸化物イオン伝導体を混在させたものが挙げられる。

カソード層２１Ｃは、酸化剤極であって、カソードガス（例えば空気に含まれる酸素）と電子を反応させて、酸素分子を酸化物イオンに変換する。カソード層２１Ｃは、酸化雰囲気に耐性を有し、カソードガスを透過させ、電気（電子およびイオン）伝導度が高く、酸素分子を酸化物イオンに変換する触媒作用を有する。カソード層２１Ｃの形成材料は、例えば、ランタン、ストロンチウム、マンガン、コバルト等からなる酸化物が挙げられる。

金属支持体２２は、発電体２１をアノード層２１Ａの側から支持するものである。金属支持体２２によって発電体２１を支持することにより、発電体２１に面圧分布の偏りがわずかに生じた場合でも、曲げによる発電体２１の破損を抑制できる。金属支持体２２は、ガス透過性および電子伝導性を有する多孔質の金属である。金属支持体２２の形成材料は、例えば、ニッケルやクロムを含有する耐食合金や耐食鋼、ステンレス鋼などが挙げられる。

セルフレーム３０は、メタルサポートセル２０を周囲から保持するものである。セルフレーム３０は、メタルサポートセル２０が配置される開口部３１を有する。セルフレーム３０の形成材料は、例えば、表面に絶縁処理が施された金属が挙げられる。

（変形例１）
図３は、変形例１において、メタルサポートセル接合体１０を形成しているよう様子を模式的に示す断面図である。

変形例では、内側接合部５０および外側接合部６０を３本以上の溶接ビード５１、６１、６２によって形成した点において、内側接合部５０および外側接合部６０を２本の溶接ビード５１、６１によって形成した実施形態と相違する。内側接合部５０を形成する溶接ビード５１と、その外側に、外側接合部６０を形成する２つの溶接ビード６１、６２（第１溶接ビード６１、第２溶接ビード６２）とが形成される。第１溶接ビード６１は、内側接合部５０を取り囲むように周形状に形成され、第２溶接ビード６２は、第１溶接ビード６１を取り囲むように周形状に形成される。

内側接合部５０および外側接合部６０を３本以上の溶接ビード５１、６１、６２によって形成する場合には、セルフレーム３０の発電体２１側である内側から外側に順にレーザーを照射し、かつ、レーザー照射による入熱量を外側に向かうにつれて大きくする。

メタルサポートセル２０やセルフレーム３０は、薄板から形成されているために変形しやすい。このため、内側から外側に向けてレーザーを照射させることによって、歪みを外に逃がすことができる。

入熱量を外側に向かうにつれて大きくする比率は適宜選択できるが、一例を挙げると次のとおりである。全体の入熱量を１とした場合、内側接合部５０を形成する溶接ビード５１において「０．２」、外側接合部６０を形成する第１溶接ビード６１において「０．３」、第２溶接ビード６２において「０．５」である。第１溶接ビード６１における入熱量を急激に大きくすると、大きな歪が生じ易い。このため、第１溶接ビード６１における入熱量は、内側接合部５０を形成するときの入熱量よりも若干大きい程度にするのが良い。入熱量の比に応じて、ビード幅の比は、合計の幅を１とした場合、内側接合部５０を形成する溶接ビード５１において「０．２」、外側接合部６０を形成する第１溶接ビード６１において「０．３」、第２溶接ビード６２において「０．５」である。

なお、図示例では、内側接合部５０を１つの溶接ビード５１によって形成しているが、２本以上の溶接ビードによって形成することができる。この場合においても、セルフレーム３０の発電体２１側である内側から外側に順にレーザーを照射し、かつ、レーザー照射による入熱量を外側に向かうにつれて大きくする。

（変形例２）
図４Ａは、変形例２において、メタルサポートセル２０の反りに応じて溶接ビード７０の始点を変えるよう様子を模式的に示す平面図、図４Ｂは、メタルサポートセル２０の反りに拘わらず溶接ビード７０の始点７１を固定した対比例を模式的に示す平面図である。

図４Ｂを参照して、対比例においては、メタルサポートセル２０の反りに拘わらず溶接ビード７０の始点７１を固定している。図において右辺におけるほぼ中央部に始点７１を設定している。この始点７１から溶接ビード７０が反時計回りに一筆書きのように形成される。レーザーの照射は始点７１に戻ってくる。したがって、始点７１と終点とが同じ位置となる。

このように溶接ビード７０を形成すると、溶接ビード７０によって囲まれた矩形形状の内部にメタルサポートセル２０の歪が溜まってしまう。

これに対して、図４Ａを参照して、変形例２においては、メタルサポートセル２０の反りに応じて溶接ビード７０の始点７１を変え、メタルサポートセル２０とセルフレーム３０とを置いたときに接点となる部分を溶接ビード７０の始点７１としている。図示例では、各辺におけるほぼ中央部に始点７１を設定している。この始点７１から矢印によって示され両側に向けて溶接ビード７０が形成される。一つの辺における溶接ビード７０の形成が終了すると、次の辺の始点７１に向けて溶接装置が移動される。溶接ビード７０の始点７１の変更は、内側接合部５０を形成する溶接ビード、外側接合部６０を形成する溶接ビードのいずれにも適用可能である。

このように溶接ビード７０を形成すると、メタルサポートセル２０の歪を外側に逃がすことができ、溶接ビード７０によって囲まれた矩形形状の内部に歪が溜まることがない。このため、メタルサポートセル接合体１０を図示しないセパレータを介して積層するときに、メタルサポートセル接合体１０とセパレータとを均一に接触させることができる。

次に、メタルサポートセル２０の反りに応じて溶接ビード７０の始点７１を変える具体例について説明する。

図５Ａおよび図５Ｂは、メタルサポートセル２０の反りを示す図であって、図５Ａはメタルサポートセル２０の反りがカソード側に凸となる形態を示し、図５Ｂはメタルサポートセル２０の反りがアノード側に凸となる形態を示している。図６Ａ～図６Ｆは、メタルサポートセル２０の反り方向、メタルサポートセル２０の反りがカソード側またはアノード側のいずれの側に凸であるのか、および頂点の位置の３つの要素に応じて、溶接パターン（順番と向き）を変更している具体例を模式的に示す平面図である。図６Ａ～図６Ｆにおいて、点線は頂点を表し、紙面手前がカソード側を表し、＃（シャープ）を付した番号は溶接の順番を表している。

メタルサポートセル２０の反り方向は、メタルサポートセル２０の長辺方向、短辺方向、および斜め方向となる場合がある。また、メタルサポートセル２０の反りは、図５Ａに示すようにカソード側に凸となる場合と、図５Ｂに示すようにアノード側に凸となる場合とがある。これらの組み合わせは下記の表１に示すとおりである。表１には、該当する図６Ａ～図６Ｆの番号を記す。

メタルサポートセル２０の反りを測定し、メタルサポートセル２０の反り方向、メタルサポートセル２０の反りがカソード側またはアノード側のいずれの側に凸であるのか、および頂点の位置の３つの要素を抽出する。反りは、本件出願人による特許６０５１８５１号の技術を適用することによって検出できる。

そして、抽出した３つの要素に応じて、溶接パターン（順番と向き）を変更する。

図６Ａに示される形態は、メタルサポートセル２０の反り方向が「長辺方向」であり、メタルサポートセル２０の反りが「カソード側に凸」である。メタルサポートセル２０とセルフレーム３０とを置いたときには、図において上辺と下辺とが接点となる。したがって、この部分を溶接ビード７０の始点７１とする。まず、右辺の上端から下端まで溶接ビード７０を形成し（矢印＃１）、次に、左辺の上端から下端まで溶接ビード７０を形成する（矢印＃２）。次に、上辺の右端から左端まで溶接ビード７０を形成し（矢印＃３）、下辺の右端から左端まで溶接ビード７０を形成する（矢印＃４）。

図６Ｂに示される形態は、メタルサポートセル２０の反り方向が「長辺方向」であり、メタルサポートセル２０の反りが「アノード側に凸」である。メタルサポートセル２０とセルフレーム３０とを置いたときには、点線によって表される頂点が接点となる。したがって、この部分を溶接ビード７０の始点７１とする。まず、右辺について、頂点の部分（始点７１）から上端まで溶接ビード７０を形成し（矢印＃１）、頂点の部分（始点７１）から下端まで溶接ビード７０を形成する（矢印＃２）。次に、左辺について、頂点の部分（始点７１）から上端まで溶接ビード７０を形成し（矢印＃３）、頂点の部分（始点７１）から下端まで溶接ビード７０を形成する（矢印＃４）。上辺について、メタルサポートセル２０とセルフレーム３０とを置いたときには接点は生じないが、メタルサポートセル２０の歪を外側に逃がす観点から、中央部分を始点７１として右端まで溶接ビード７０を形成し（矢印＃５）、中央部分（始点７１）から左端まで溶接ビード７０を形成する（矢印＃６）。下辺についても上辺と同様に、中央部分を始点７１として右端まで溶接ビード７０を形成し（矢印＃７）、中央部分（始点７１）から左端まで溶接ビード７０を形成する（矢印＃８）。

図６Ｃに示される形態は、メタルサポートセル２０の反り方向が「短辺方向」であり、メタルサポートセル２０の反りが「カソード側に凸」である。メタルサポートセル２０とセルフレーム３０とを置いたときには、図において右辺と左辺とが接点となる。したがって、この部分を溶接ビード７０の始点７１とする。まず、上辺の右端から左端まで溶接ビード７０を形成し（矢印＃１）、次に、下辺の右端から左端まで溶接ビード７０を形成する（矢印＃２）。次に、右辺の上端から下端まで溶接ビード７０を形成し（矢印＃３）、左辺の上端から下端まで溶接ビード７０を形成する（矢印＃４）。

図６Ｄに示される形態は、メタルサポートセル２０の反り方向が「短辺方向」であり、メタルサポートセル２０の反りが「アノード側に凸」である。メタルサポートセル２０とセルフレーム３０とを置いたときには、点線によって表される頂点が接点となる。したがって、この部分を溶接ビード７０の始点７１とする。まず、上辺について、頂点の部分（始点７１）から右端まで溶接ビード７０を形成し（矢印＃１）、頂点の部分（始点７１）から左端まで溶接ビード７０を形成する（矢印＃２）。次に、下辺について、頂点の部分（始点７１）から右端まで溶接ビード７０を形成し（矢印＃３）、頂点の部分（始点７１）から左端まで溶接ビード７０を形成する（矢印＃４）。右辺について、メタルサポートセル２０とセルフレーム３０とを置いたときには接点は生じないが、メタルサポートセル２０の歪を外側に逃がす観点から、中央部分を始点７１として上端まで溶接ビード７０を形成し（矢印＃５）、中央部分（始点７１）から下端まで溶接ビード７０を形成する（矢印＃６）。左辺についても右辺と同様に、中央部分を始点７１として上端まで溶接ビード７０を形成し（矢印＃７）、中央部分（始点７１）から下端まで溶接ビード７０を形成する（矢印＃８）。

図６Ｅに示される形態は、メタルサポートセル２０の反り方向が「斜め方向」であり、メタルサポートセル２０の反りが「カソード側に凸」である。メタルサポートセル２０とセルフレーム３０とを置いたときには、図において左上角部および左下角部が接点となる。したがって、この部分を溶接ビード７０の始点７１とする。まず、左辺の上端から下端まで溶接ビード７０を形成し（矢印＃１）、次に、上辺の左端から右端まで溶接ビード７０を形成する（矢印＃２）。次に、下辺の左端から右端まで溶接ビード７０を形成し（矢印＃３）、右辺の上端から下端まで溶接ビード７０を形成する（矢印＃４）。

図６Ｆに示される形態は、メタルサポートセル２０の反り方向が「斜め方向」であり、メタルサポートセル２０の反りが「アノード側に凸」である。メタルサポートセル２０とセルフレーム３０とを置いたときには、点線によって表される頂点が接点となる。したがって、この部分を溶接ビード７０の始点７１とする。まず、左辺の下端から上端まで溶接ビード７０を形成し（矢印＃１）、次に、上辺の右端から左端まで溶接ビード７０を形成する（矢印＃２）。次に、右辺の上端から下端まで溶接ビード７０を形成し（矢印＃３）、下辺の左端から右端まで溶接ビード７０を形成する（矢印＃４）。

図７Ａ～図７Ｆは、図６Ａ～図６Ｆのそれぞれに示した各溶接ビード７０が交差する点を黒丸によって表した図である。

図７Ａ～図７Ｆを参照して、図６Ａ～図６Ｆのそれぞれに示した各溶接ビード７０は、互いに一点以上において交差している。

このように、すべての溶接ビード７０を互いに一点以上において交差させることによって、ガスリークが生じることがない。

（変形例３）
図８は、変形例３において、外側接合部６０を形成する溶接ビード６５を蛇行形状に形成した様子を模式的に示す平面図である。

図８を参照して、外側接合部６０を形成する溶接ビード６５を蛇行形状に形成することができる。

このようにすることによって、単位面積当たりの熱入力を増やし、硝子ペースト４０をより流動化させることができる。溶接接合とガラス接合とによって、メタルサポートセル２０の金属支持体２２とセルフレーム３０との間をより一層高気密にガスシールできる。

変形例３においては、外側接合部６０を形成する複数本の溶接ビード６５、６６が形成され、内側の溶接ビード６６よりも外側の溶接ビード６５の方の屈曲度を大きくしている。

このようにすることによって、外側の溶接ビード６５ほど単位面積当たりの熱入力を増やし、硝子ペースト４０をより広範囲に流動化させることができる。溶接接合とガラス接合とによって、メタルサポートセル２０の金属支持体２２とセルフレーム３０との間をより一層高気密にガスシールできる。

（メタルサポートセル接合体１０）
上述したメタルサポートセル接合体１０の形成方法によって作製してなるメタルサポートセル接合体１０は、メタルサポートセル２０の金属支持体２２とセルフレーム３０との間のシール性の確保と、接合強度の確保との両者を両立させたものとなる。

（溶接装置２００）
図９は、本発明のメタルサポートセル接合体１０の形成方法を具現化する溶接装置２００を示す概略構成図である。

図９を参照して、溶接装置２００は、メタルサポートセル２０の金属支持体２２と、セルフレーム３０とをレーザー接合し、メタルサポートセル接合体１０を形成するために使用される。メタルサポートセル２０およびセルフレーム３０の両者は、溶接装置２００に位置決めされて配置される。溶接装置２００は、クランプ治具２１０、レーザー照射部２３０、溶接位置検出部２４０およびコントローラ２６０を有する。

クランプ治具２１０は、メタルサポートセル２０およびセルフレーム３０を互いに押し付けて密着させるために使用され、下板２１４、および押圧機構２２０を有する。下板２１４は、メタルサポートセル２０およびセルフレーム３０が載置される受け台を兼ねている。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、セルフレーム３０をメタルサポートセル２０の金属支持体２２に対して押圧することが可能である。

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。

溶接位置検出部２４０は、加工ヘッド２３２が位置する側に配置されており、セルフレーム３０の溶接位置（内側接合部５０および外側接合部６０を形成する位置）を検出するために使用される。溶接位置検出部２４０は、メタルサポートセル２０およびセルフレーム３０を撮像するカメラを有する。溶接位置は、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。したがって、内側接合部５０を形成する位置、外側接合部６０を形成する位置を容易に検出することが可能である。

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部２４０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および溶接位置補正プログラム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、メタルサポートセル２０の金属支持体２２とセルフレーム３０と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。溶接位置補正プログラム２６６は、カメラによって取得される撮像データに基づいて、レーザーの照射位置設定を補正するプログラムである。

メタルサポートセル２０の反りは予め検出されており、記憶部２６４は、メタルサポートセル２０の反りに関するデータを記憶している。制御部２６２は、下板２１４に配置されたメタルサポートセル２０の反りに関するデータを読み出す。記憶されているプログラムは、メタルサポートセル２０の反り方向、メタルサポートセル２０の反りがカソード側またはアノード側のいずれの側に凸であるのか、および頂点の位置の３つの要素に応じて、溶接パターン（順番と向き）を決定するプログラムを含んでいる。

図１０は、溶接装置２００の作動を説明するための概略フローチャートである。

まず、メタルサポートセル２０およびセルフレーム３０の両者が、溶接装置２００に位置決めされて配置される（ステップＳ１０）。

溶接位置検出部２４０によって、内側接合部５０を形成するための溶接位置を検出し（ステップＳ２０）、外側接合部６０を形成するための溶接位置を検出する（ステップＳ３０）。

制御部２６２は、下板２１４に配置されたメタルサポートセル２０の反りに関するデータを記憶部２６４から読み出す（ステップＳ４０）。さらに、メタルサポートセル２０の反り方向、メタルサポートセル２０の反りがカソード側またはアノード側のいずれの側に凸であるのか、および頂点の位置の３つの要素に応じて、溶接パターン（順番と向き）を決定する（ステップＳ５０）。

クランプ治具２１０を作動させ、メタルサポートセル２０およびセルフレーム３０を互いに押し付けて密着させる（ステップＳ６０）。

内側接合部５０を形成するための溶接位置に加工ヘッド２３２を移動させる。決定した溶接パターン（順番と向き）に応じてレーザー溶接を行い、内側接合部５０を形成する（ステップＳ７０）。

次に、外側接合部６０を形成するための溶接位置に加工ヘッド２３２を移動させる。決定した溶接パターン（順番と向き）に応じてレーザー溶接を行い、外側接合部６０を形成する（ステップＳ８０）。

溶接が完了すると、プロセスは終了する。

１０ メタルサポートセル接合体、
２０ メタルサポートセル、
２１ 発電体、
２１Ａ アノード層（触媒電極層）、
２１Ｃ カソード層（触媒電極層）、
２１Ｅ 電解質層、
２２ 金属支持体、
３０ セルフレーム、
３１ 開口部、
４０ 硝子ペースト、
５０ 内側接合部、
５１ 溶接ビード、
６０ 外側接合部、
６１ 第１溶接ビード（溶接ビード）、
６２ 第２溶接ビード（溶接ビード）、
６５、６６，７０溶接ビード、
７１ 始点、
２００ 溶接装置、
２１０ クランプ治具、
２２０ 押圧機構、
２３０ レーザー照射部、
２４０ 溶接位置検出部、
２６０ コントローラ。

Claims (8)

1. 触媒電極層と電解質層とを有する発電体の背面を金属支持体によって支持したメタルサポートセルにおける前記金属支持体の外周に金属製のセルフレームを配置し、前記金属支持体と前記セルフレームとをレーザー接合するメタルサポートセル接合体の形成方法において、
   前記金属支持体と前記セルフレームとの間に硝子ペーストを塗布して両者を位置決め配置すると共に、前記セルフレームの前記発電体側であって前記硝子ペーストが存在しない部位にレーザーを照射して、前記金属支持体を取り囲むように前記硝子ペーストの内側の全周に渡って周形状に設けられる内側接合部を形成することを特徴とするメタルサポートセル接合体の形成方法。
2. 前記内側接合部の外周にレーザーを照射して外側接合部を形成する、請求項１に記載のメタルサポートセル接合体の形成方法。
3. 前記内側接合部を形成するときのレーザー照射強度を、前記外側接合部を形成するときのレーザー照射強度に対して小さくする、請求項２に記載のメタルサポートセル接合体の形成方法。
4. 前記内側接合部および前記外側接合部は３本以上の溶接ビードによって形成され、前記セルフレームの前記発電体側である内側から外側に順にレーザーを照射し、かつ、レーザー照射による入熱量を外側に向かうにつれて大きくする、請求項２または３に記載のメタルサポートセル接合体の形成方法。
5. 前記メタルサポートセルの反りに応じて溶接ビードの始点を変え、
   前記メタルサポートセルと前記セルフレームとを置いたときに接点となる部分を溶接ビードの始点とする、請求項１～４のいずれか１項に記載のメタルサポートセル接合体の形成方法。
6. すべての溶接ビードを互いに一点以上において交差させる、請求項５に記載のメタルサポートセル接合体の形成方法。
7. 前記外側接合部を形成する溶接ビードを蛇行形状に形成する、請求項２に記載のメタルサポートセル接合体の形成方法。
8. 前記外側接合部を形成する複数本の溶接ビードが形成され、内側の溶接ビードよりも外側の溶接ビードの方の屈曲度を大きくする、請求項７に記載のメタルサポートセル接合体の形成方法。

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