(57)【要約】【課題】重ね合わせた金属セパレータ同士を溶接する際に、溶接箇所に隙間が生じることを防止するとともに溶接箇所を厚肉化することによって、金属セパレータに溶接不良が生じることを防止し、燃料電池の性能の低下が生じることを防止し得る燃料電池、燃料電池の製造装置、および燃料電池の製造方法を提供する。【解決手段】燃料電池スタックは、燃料電池に用いられる空気極金属セパレータ１０１ａと、空気極側金属セパレータに重ね合わせて配置された燃料極側金属セパレータ１０１ｂとが空気極側金属セパレータが燃料極側金属セパレータに押し込まれた溝形状の密着部１０３の周縁部１０４を折畳んで形成された折畳み部１０５で溶接された一対の金属セパレータ１００を有している。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に用いられる一の金属セパレータと、前記一の金属セパレータに重ね合わせて配置された他の金属セパレータとが前記一の金属セパレータが前記他の金属セパレータに押し込まれた溝形状の密着部の周縁部を折畳んで形成された折畳み部で溶接された一対の金属セパレータを有する燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の一対の金属セパレータと膜電極接合体とを交互に積層して構成された積層体を有し、前記密着部に前記積層体から流体が流出することを防止するシール部材が設けられた燃料電池。
【請求項３】
燃料電池に用いられる一の金属セパレータを前記一の金属セパレータに重ね合わせて配置した他の金属セパレータに対して押し込むことによって前記一の金属セパレータと前記他の金属セパレータとが密着した溝形状の密着部を形成する押し込み手段と、
前記密着部の周縁部を押圧して変形させることによって前記周縁部が折畳まれた折畳み部を形成する変形手段と、
前記折畳み部に対してレーザを照射することによって前記一の金属セパレータと前記他の金属セパレータとを溶接する溶接手段と、を有する燃料電池の製造装置。
【請求項４】
前記押し込み手段は、前記一の金属セパレータおよび前記他の金属セパレータを支持する第１の支持面を有し、
前記変形手段は、前記密着部を受ける受け部を有するとともに前記一の金属セパレータおよび前記他の金属セパレータを支持する第２の支持面を有する請求項３に記載の燃料電池の製造装置。
【請求項５】
前記変形手段は、前記密着部に進入自在に設けられ前記密着部の溝形状を保持する保持手段を有する請求項３または請求項４に記載の燃料電池の製造装置。
【請求項６】
前記溶接手段は、前記レーザを照射するレーザ照射部と、
前記一の金属セパレータおよび前記他の金属セパレータを長手方向の両端部から中心部に向けて前記レーザ照射部に対して凸状に湾曲させて固定する固定治具と、を有し、
前記固定治具に固定された前記一の金属セパレータおよび前記他の金属セパレータに対して前記長手方向に沿って前記レーザを照射する、請求項３〜５のいずれか１項に記載の燃料電池の製造装置。
【請求項７】
燃料電池に用いられる一の金属セパレータを前記一の金属セパレータに重ね合わせて配置した他の金属セパレータに対して押し込むことによって前記一の金属セパレータと前記他の金属セパレータとが密着した溝形状の密着部を形成する押し込み工程と、
前記密着部の周縁部を押圧して変形させることによって前記周縁部が折畳まれた折畳み部を形成する折畳み工程と、
前記折畳み部に対してレーザを照射することによって前記一の金属セパレータと前記他の金属セパレータとを溶接する溶接工程と、を有する燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池、燃料電池の製造装置、および燃料電池の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、流体を流通させる流路となる流路溝が形成された金属セパレータを備えている。金属セパレータは、薄板金属から構成しており、プレス成形によって流路溝を形成している。一般的に、燃料電池内において隣接して配置される金属セパレータは、重ね合わせた状態でレーザ溶接し、対にした状態で配置している。
【０００３】
レーザ溶接では、溶接不良が発生することを防止するために、溶接部材同士の間に隙間が生じることを防止する。溶接部材を上下の２方向からクランプ装置によって挟持し、溶接部材同士を密着させて隙間の発生を防止する方法が知られている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−１１１５４２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
金属セパレータのような薄板金属をレーザ溶接するにあたり、上記のクランプ装置による挟持のみでは、溶接強度を確保するために必要な範囲内に隙間の寸法を抑えることが困難であり、溶接不良を生じさせる虞がある。
【０００５】
また、薄板金属をレーザ溶接する場合には、溶接箇所の肉厚が薄くなるため、レーザを照射した溶接箇所の溶け落ち等の溶接不良が発生するという問題がある。
【０００６】
溶接不良が生じた金属セパレータを燃料電池に適用することによって、燃料電池の性能の低下が招かれる。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、燃料電池の製造技術に関し、重ね合わせた金属セパレータ同士を溶接する際に、溶接箇所に隙間が生じることを防止するとともに溶接箇所を厚肉化することによって、金属セパレータに溶接不良が生じることを防止し、燃料電池の性能の低下が生じることを防止し得る燃料電池、燃料電池の製造装置、および燃料電池の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、燃料電池に用いられる一の金属セパレータと、一の金属セパレータに重ね合わせて配置された他の金属セパレータとが溶接された金属セパレータである。一の金属セパレータが他の金属セパレータに押し込まれた溝形状の密着部の周縁部を折畳んで形成された折畳み部で一の金属セパレータと他の金属セパレータとを溶接している。
【０００９】
また、本発明は、上記の一対の金属セパレータと膜電極接合体とを交互に積層して構成された積層体を有した燃料電池である。そして、密着部に積層体から流体が流出することを防止するシール部材を設けている。
【００１０】
また、本発明は、燃料電池の製造装置であって、燃料電池に用いられる一の金属セパレータを一の金属セパレータに重ね合わせて配置した他の金属セパレータに対して押し込むことによって一の金属セパレータと他の金属セパレータとが密着した溝形状の密着部を形成する押し込み手段を有している。さらに、密着部の周縁部を押圧して変形させることによって周縁部が折畳まれた折畳み部を形成する変形手段と、折畳み部に対してレーザを照射することによって一の金属セパレータと他の金属セパレータとを溶接する溶接手段と、を有している。
【００１１】
また、本発明は、燃料電池の製造方法であって、燃料電池に用いられる一の金属セパレータを一の金属セパレータに重ね合わせて配置した他の金属セパレータに対して押し込むことによって一の金属セパレータと他の金属セパレータとが密着した溝形状の密着部を形成する押し込み工程を有している。さらに、密着部の周縁部を押圧して変形させることによって周縁部が折畳まれた折畳み部を形成する折畳み工程と、折畳み部に対してレーザを照射することによって一の金属セパレータと他の金属セパレータとを溶接する溶接工程と、を有している。
【発明の効果】
【００１２】
一の金属セパレータを他の金属セパレータに押し込んで形成された溝形状の密着部の周縁部を押圧して折畳み部を形成することによって、溶接箇所に隙間が生じることを防止するとともに溶接箇所を厚肉化した状態でレーザ溶接を行うことができる。このため、溶接不良が生じることを防止でき、燃料電池の性能が低下することを防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
【００１４】
図１は、燃料電池スタック１０を示す概略斜視図、図２は、燃料電池スタック１０を構成する単セル５０を簡略化して示す断面図、図３は、燃料電池の製造装置２００を簡略化して示す正面図、図４は、第１の成形型３１０の説明に供する断面図、図５は、第２の成形型３２０の説明に供する断面図、図６および図７は、押し込み型４００およびその要部を拡大して示す断面図、図８〜１０は、つぶし型５００およびその要部を拡大して示す断面図、図１１（Ａ）は、レーザ溶接方法の説明に供する平面図、図１１（Ｂ）は、図１１（Ａ）の矢印１１Ｂ方向から見た矢視図であり、レーザ溶接を行っている状態を示す図、
図１２（Ａ）は、図１１（Ａ）の矢印１３Ａ方向から見た矢視図、図１２（Ｂ）は、図１３（Ａ）の破線で示された要部を拡大して示す図、図１３は、図１１（Ａ）の矢印１１Ｂ方向から見た矢視図であり、一対の金属セパレータ１００のレーザ溶接後の状態を示す図、図１４（Ａ）〜（Ｃ）は、本実施形態の対比例の説明に供する図、１５（Ａ）および（Ｂ）は、密着部１０３へのガスケット１０６の配置方法の説明に供する要部の拡大図である。
【００１５】
図１および図２は、本発明の実施の形態である燃料電池の製造装置２００によって製造された一対の金属セパレータ１００を適用した燃料電池スタック１０（燃料電池に相当する）、および燃料電池スタック１０を構成する単セル５０（積層体に相当する）を示す。図３は、薄板金属のワーク１２０から一対の金属セパレータ１００を製造し、一対の金属セパレータ１００を用いて単セル５０および燃料電池スタック１０を製造する燃料電池の製造装置２００を示す。
【００１６】
図２および図３を参照して、燃料電池の製造送装置２００は、概説すれば、燃料電池に用いられる空気極側金属セパレータ１０１ａ（一の金属セパレータに相当する）を空気極側金属セパレータ１０１ａに重ね合わせて配置した燃料極側金属セパレータ１０１ｂ（他の金属セパレータに相当する）に対して押し込むことによって空気極側金属セパレータ１０１ａと燃料極側金属セパレータ１０１ｂとが密着した溝形状の密着部１０３を形成する押し込み型４００（押し込み手段に相当する）と、密着部１０３の周縁部１０４を押圧して変形させることによって周縁部１０４が折畳まれた折畳み部１０５を形成するつぶし型５００（変形手段に相当する）と、折畳み部１０５に対してレーザを照射することによって一の金属セパレータと他の金属セパレータとを溶接するレーザ溶接装置５５０（溶接手段に相当する）と、を有している。
【００１７】
押し込み型４００は、空気極側金属セパレータ１０１ａおよび燃料極側金属セパレータ１０１ｂを支持する第１の支持面４２１を有し、つぶし型５００は、密着部１０３を受ける受け部５２２を有するとともに空気極側金属セパレータ１０１ａおよび燃料極側金属セパレータ１０１ｂを支持する第２の支持面５２１を有している（図６、および図８をも参照）。つぶし型５００は、密着部１０３に進入自在に設けられ密着部１０３の溝形状を保持する保持治具５３０（保持手段に相当する）を有している（図８をも参照）。レーザ溶接装置５５０は、レーザを照射するレーザ照射部５５１と、空気極側金属セパレータ１０１ａおよび燃料極側金属セパレータ１０１ｂを長手方向の両端部ｅから中心部ｃに向けてレーザ照射部５５１に対して凸状に湾曲させて固定する固定治具５６０と、を有しており、固定治具５６０に固定された空気極側金属セパレータ１０１ａおよび燃料極側金属セパレータ１０１ｂに対して長手方向に沿ってレーザを照射する（図１１をも参照）。
【００１８】
燃料電池スタック１０は、空気極側金属セパレータ１０１ａと、空気極側金属セパレータ１０１ａに重ね合わせて配置された燃料極側金属セパレータ１０１ｂとが空気極側金属セパレータ１０１ａが燃料極側金属セパレータ１０１ｂに押し込まれた溝形状の密着部１０３の周縁部１０４を折畳んで形成された折畳み部１０５で溶接された一対の金属セパレータ１００を有している。燃料電池スタック１０は、一対の金属セパレータ１００と膜電極接合体６０とを交互に積層して構成された単セル５０を有し、密着部１０３に単セル５０から流体が流出することを防止するガスケット１０６（シール部材に相当する）を設けている（図２をも参照）。以下、本実施の形態について詳述する。
【００１９】
図１および図２を参照して、燃料電池スタック１０、単セル５０、および一対の金属セパレータ１００について説明する。
【００２０】
図１を参照して、燃料電池スタック１０は、燃料ガスと酸化剤ガスの反応によって起電力を生じる単位電池としての単セル５０を複数積層して構成している。燃料電池スタック１０の両端部には、燃料電池スタック１０において発電された電力を取り出す端子部材である集電板１１と、絶縁板１２と、エンドプレート１３と、を有している。
【００２１】
燃料電池スタック１０の内部を貫通した貫通孔（図示せず）にタイロッド１４を挿通し、そのタイロッド１４の端部を締結部材（図示せず）によって締結している。燃料電池スタック１０には、締結による加圧力を付与している。
【００２２】
燃料電池スタック１０の両端部に設けられたそれぞれのエンドプレート１３には、燃料電池スタック１０内に流体を流入させるための導入口１５ａ、１６ａ、１７ａ、および流通させた流体を排出する排出口１５ｂ、１６ｂ、１７ｂを設けている。燃料ガスは、燃料ガス導入口１５ａから流入させて燃料ガス排出口１５ｂから排出する。酸化剤ガスは、酸化ガス導入口１６ａから流入させて酸化ガス排出口１６ｂから排出する。冷却水は、冷却水導入口１７ａから流入させて冷却水排出口１７ｂから排出する。
【００２３】
図２を参照して、単セル５０は、膜電極接合体６０、膜電極接合体６０を挟持する空気極側金属セパレータ１０１ａおよび燃料極側金属セパレータ１０１ｂによって構成している。
【００２４】
膜電極接合体６０は、燃料極７０と、空気極８０と、電解質膜９０と、を有している。燃料極７０は、触媒層７１およびガス拡散層７２を備えている。空気極８０も同様に、触媒層８１およびガス拡散層８２を備えている。
【００２５】
空気極８０に隣接して配置された空気極側金属セパレータ１０１ａ、および燃料極７０に隣接して配置された燃料極側金属セパレータ１０１ｂは、薄板金属から構成している。空気極側金属セパレータ１０１ａは、プレス成形型３００によって成形された凹凸形状の流路溝１１０ａを有している（図４を参照）。同様に燃料極側金属セパレータ１０１ｂは、プレス成形型３００によって成形された凹凸形状の流路溝１１０ｂを有している（図５を参照）。
【００２６】
空気極側金属セパレータ１０１ａと燃料極側金属セパレータ１０１ｂとは、レーザ溶接によって、対にした状態で単セル５０内に配置している。
【００２７】
密着部１０３に配置されたガスケット１０６は、シリコンゴム等の弾性部材から構成している。ガスケット１０６の材質は特に限定されるものではなく、適宜変更することが可能である。ガスケット１０６は、膜電極接合体６０と一体にした状態で密着部１０３に配置する（図１５を参照）。
【００２８】
燃料極７０と燃料極側金属セパレータ１０１ｂの流路溝１１０ｂとの間に、水素を流通させるための燃料ガス流路（Ｈ）を形成する。空気極８０と空気極側金属セパレータ１０１ａの流路溝１１０ａとの間に、酸化剤ガスを流通させるための酸化剤ガス流路（Ｏ）を形成する。対にして配置された空気極側金属セパレータ１０１ａの流路溝１１０ａと燃料極側金属セパレータ１０１ｂの流路溝１１０ｂとの間に、冷却水が流れる冷却水流路（Ｗ）を形成する。
【００２９】
次に、単セル５０において電気を生じさせるために行う化学反応を説明する。
【００３０】
燃料極７０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。生成されたプロトンは、燃料極７０の触媒層７１に含まれる電解質および燃料極７０の触媒層７１が接触している電解質膜９０を通って、空気極８０の触媒層８１に到達する。燃料極７０の触媒層７１で生成した電子は、燃料極７０の触媒層７１、燃料極７０のガス拡散層７２、燃料極側金属セパレータ１０１ｂおよび外部回路（図示せず）を通って、空気極８０の触媒層８１に達する。そして、空気極８０の触媒層８１に達したプロトンおよび電子は空気極８０に供給されている酸化剤ガスに含まれる酸素と反応して水を生成する。単セル５０は、上記の化学反応を通して電気を生成する。
【００３１】
次に、図３を参照して、燃料電池の製造装置２００は、ロール部材に巻き付けて準備されたワーク１２０を供給するアンコイラー２１０と、アンコイラー２１０から供給されたワーク１２０のたわみを防止するたわみ防止治具２２０と、ワーク１２０に対して所定のプレス加工を実施し、金属セパレータ１０１ａ、１０１ｂを形成する成形機２３０と、金属セパレータ１０１ａ、１０１ｂの溶接作業や、金属セパレータ１０１ａ、１０１ｂと膜電極接合体６０との積層作業を行う処理部２４０と、燃料電池の製造装置２００の各部の動作を制御する制御部２５０と、を有している。なお、燃料電池の製造工程は、図中矢印方向に進行する。
【００３２】
ワーク１２０には、燃料電池用の金属セパレータの材料として公知であるステンレスを用いる。ステンレスは、厚さ寸法０．１ｍｍ程度の薄板状に準備し、ロール部材に巻き付けた状態で搬入する。ワーク１２０には、アルミ等を用いることも可能である。
【００３３】
たわみ防止治具２２０は、アンコイラー２１０と成形機２３０との間に配置する。支持部２２１と矯正ローラー２２２との間でワーク１２０を挟みこむことによって、ワーク１２０がたわむことを防止する。
【００３４】
成形機２３０は、プレス成形によって流路溝が予備成形されたワーク１２０に流路溝１１０ａ、１１０ｂを成形するプレス成形型３００と、密着部１０３を形成する押し込み型４００と、折畳み部１０５を形成するつぶし型５００と、を有している。
【００３５】
プレス成形型３００は、空気極側金属セパレータ１０１ａを成形する第１の成形型３１０と、燃料極側金属セパレータ１０１ｂを成形する第２の成形型３２０と、を有している。
【００３６】
第１の成形型３１０は、相対的に開閉自在に設けられた上型と下型とを有している（図４を参照）。
【００３７】
第１の成形型３１０は、型閉めによってワーク１２０に流路溝１１０ａを成形し、空気極側金属セパレータ１０１ａを形成する。
【００３８】
第２の成形型３２０は、相対的に開閉自在に設けられた上型と下型とを有している。上型には、ワーク１２０に流路溝１１０ｂを形成するための成形面とともに、ワーク１２０に押し込み用の溝部１０２を形成するための押し込み用凹部３２１を設けている。下型には、ワーク１２０に流路溝１１０ｂを形成するための成形面とともに、ワーク１２０に押し込み用の溝部１０２を形成するための押し込み用凸部３２２を設けている（図５を参照）。
【００３９】
第２の成形型３２０は、型閉めによってワーク１２０に流路溝１１０ｂを成形するとともに、ワーク１２０の一部を押し込み用凹部３２１に押し込むことによって押し込み用溝部１０２を成形し、燃料極側金属セパレータ１０１ｂを形成する。押し込み用溝部１０２を形成することによって、押し込み型４００による密着部１０３を形成する作業を迅速に行うことが可能になる。押し込み用溝部１０２の形成は、適宜省略することが可能である。
【００４０】
押し込み型４００は、相対的に開閉自在な押し込み用上型４１０と、押し込み用下型４２０とを有している（図６および図７を参照）。
【００４１】
押し込み用下型４２０は、押し込み用溝部１０２が形成された燃料極側金属セパレータ１０１ｂの外形形状に合致する形状に形成された第１の支持面４２１を有している。第１の支持面４２１には、押し込み用溝部１０２を配置するための受け部４２２を形成している。
【００４２】
押し込み用上型４１０は、空気極側金属セパレータ１０１ａを押し込み用溝部１０２に押し込むための押し込み部４１２と、空気極側金属セパレータ１０１ａの外形形状に合致する形状に形成された第１の保持面４１１と、を有している（図６および図７を参照）。
【００４３】
空気極側金属セパレータ１０１ａと燃料極側金属セパレータ１０１ｂとは、重ね合わせた状態で押し込み用上型４１０と押し込み用下型４２０との間に配置する。燃料極側金属セパレータ１０１ｂは、押し込み用下型４２０の第１の支持面４２１によって位置決めをして配置することができる。このため、位置決め作業を簡略化して行うことができ、密着部１０３を形成する作業の作業効率を向上させることができる。
【００４４】
凸形状に形成された押し込み部４１２は、型閉めによって空気極側金属セパレータ１０１ａを押圧する。空気極側金属セパレータ１０１ａを押し込み用溝部１０２に押し込むことによって、段差状に変形させる。空気極側金属セパレータ１０１ａが押し込まれた部位は、空気極側金属セパレータ１０１ａと燃料極側金属セパレータ１０１ｂとが密着する溝形状の密着部１０３を形成する。
【００４５】
第１の支持面４２１を燃料極側金属セパレータ１０１ｂの外形形状に合致した形状に形成し、第１の保持面４１１を空気極側金属セパレータ１０１ａの外形形状に合致した形状に形成しているため、流路溝１１０ａ、１１０ｂが押し込み型４００の型閉めによって押し潰されることを防止できる。
【００４６】
つぶし型５００は、開閉自在なつぶし用上型５１０と、つぶし用下型５２０と、を有している（図８を参照）。
【００４７】
つぶし用下型５２０は、密着部１０３が形成された燃料極側金属セパレータ１０１ｂの外形形状に合致する形状に形成された第２の支持面５２１を有している。第２の支持面５２１には、密着部１０３を配置するための受け部５２２を形成している（図８を参照）。
【００４８】
つぶし用上型５１０は、密着部１０３の周縁部１０４を押圧して変形させる押圧部５１２と、密着部１０３が形成された空気極側金属セパレータ１０１ａの外形形状に合致する形状に形成された第２の保持面５１１と、を有している（図８を参照）。
【００４９】
空気極側金属セパレータ１０１ａと燃料極側金属セパレータ１０１ｂとは、密着部１０３を形成した状態でつぶし用上型５１０とつぶし用下型５２０との間に配置する。燃料極側金属セパレータ１０１ｂは、つぶし用下型５２０の第２の支持面５２１によって、位置決めをして配置することができる。このため、位置決め作業を簡略化して行うことができ、折畳み部１０５を形成する作業の作業効率を向上させることができる。
【００５０】
つぶし型５００は、型閉めによって密着部１０３の周縁部１０４を押圧して変形させる。押圧された周縁部１０４は、折畳まれた状態となって、折畳み部１０５を形成する。折畳み部１０５を形成することによって、周縁部１０４を厚肉化させることができる（図１０を参照）。
【００５１】
第２の支持面５２１を燃料極側金属セパレータ１０１ｂの外形形状に合致した形状に形成し、第２の保持面５１１を空気極側金属セパレータ１０１ａの外形形状に合致した形状に形成しているため、流路溝１１０ａ、１１０ｂがつぶし型５００の型閉めによって押し潰されることを防止できる。
【００５２】
保持治具５３０は、密着部１０３に向けて進退移動自在に設けられたロケートピンから構成している。ロケートピンは、図示しない駆動手段によって密着部１０３内に進入させて配置する。
【００５３】
保持治具５３０は、保持部５３１によって折畳まれた周縁部１０４の変形を規制し、密着部１０３が押し潰されることを防止する（図１０を参照）。密着部１０３の溝形状が変形することを防止でき、密着部１０３の幅寸法ｗを確保することが可能になる。幅寸法ｗを確保することによって、密着部１０３にガスケット１０６を配置することが可能になる（図２、および図１５を参照）。
【００５４】
固定治具５６０は、密着部１０３が形成された空気極側金属セパレータ１０１ａおよび燃料極側金属セパレータ１０１ｂを載置する受け台５６１と、受け台５６１に対して空気極側金属セパレータ１０１ａおよび燃料極側金属セパレータ１０１ｂを固定するクランプ手段５７０と、を有している（図１１を参照）。
【００５５】
受け台５６１は、図１１（Ｂ）中に示されるように湾曲して形成された受け面５６２を備えている。クランプ手段５７０は、押し付けるようにして空気極側金属セパレータ１０１ａおよび燃料極側金属セパレータ１０１ｂを受け台５６１に固定する。
【００５６】
空気極側金属セパレータ１０１ａおよび燃料極側金属セパレータ１０１ｂは、受け面５６２の形状に沿って長手方向の両端部ｅから中心部ｃに向けてレーザ照射部５５１に対して凸状に湾曲させて配置する。図示例にあっては、クランプ手段５７０によってワーク１２０の四隅を固定しているが、固定する箇所は、特に限定されるものではなく、溶接作業を妨げることがない位置に適宜設定することができる。
【００５７】
折畳み部１０５は、薄板状の金属を押圧して形成している。このため、押圧力が十分でない場合には、スプリングバックが発生し、折畳み部１０５に隙間が生じる虞がある。
【００５８】
固定治具５６０は、空気極側金属セパレータ１０１ａおよび燃料極側金属セパレータ１０１ｂを湾曲させ、面方向に沿って折畳み部１０５を挟み込むようにして押し付け力を付与する（図１２を参照）。このため、スプリングバックが発生することを防止でき、折畳み部１０５における空気極側金属セパレータ１０１ａと燃料極側金属セパレータ１０１ｂとの密着性が低下することを防止できる。
【００５９】
空気極側金属セパレータ１０１ａおよび燃料極側金属セパレータ１０１ｂは、レーザ照射による熱を利用して溶接を行う。溶接した空気極側金属セパレータ１０１ａおよび燃料極側金属セパレータ１０１ｂが冷却すると、空気極側金属セパレータ１０１ａおよび燃料極側金属セパレータ１０１ｂには冷却による収縮が生じる。このため、溶接後、空気極側金属セパレータ１０１ａおよび燃料極側金属セパレータ１０１ｂには、長手方向に沿って反りが発生する場合がある。
【００６０】
固定治具５６０は、湾曲させた状態で空気極側金属セパレータ１０１ａおよび燃料極側金属セパレータ１０１ｂを固定する。このため、溶接後の空気極側金属セパレータ１０１ａおよび燃料極側金属セパレータ１０１ｂには、湾曲した形状を保持しようとする力が生じる。湾曲した形状を保持しようとする力と、冷却によって長手方向に生じる収縮力とを相殺させることによって、空気極側金属セパレータ１０１ａおよび燃料極側金属セパレータ１０１ｂに反りが発生することを防止できる（図１３を参照）。
【００６１】
再び図３を参照して、処理部２４０は、溶接して形成された一対の金属セパレータ１００および膜電極接合体６０を積層して、単セル５０を形成する。積層する際には、密着部１０３にガスケット１０６を配置する（図２、および図１５を参照）。
【００６２】
ガスケット１０６は、膜電極接合体６０と一体にした状態で密着部１０３に配置する。ガスケット１０６を配置する際、密着部１０３の溝形状を利用してガスケット１０６の位置決めを行うことができる。密着部１０３は、段差状にして形成されているため、ガスケットの位置決めを容易に行うことができ、さらに積層後に位置ずれが生じることを防止する。ガスケット１０６の位置決めとともに、膜電極接合体６０の面方向における積層位置を定めることができる。このため、ガスケット１０６の配置作業、および膜電極接合体６０の面方向における位置決め作業を容易に行うことができ、積層作業の作業効率を向上させることができる。
【００６３】
処理部２４０は、単セル５０をさらに複数積層し、所定の組み立て作業によって燃料電池スタック１０を製造する。
【００６４】
次に作用について説明する。
【００６５】
図６を参照して、空気極側金属セパレータ１０１ａおよび燃料極側金属セパレータ１０１ｂを押し込み型４００に配置する。燃料極側金属セパレータ１０１ｂには、第２の成形型３２０によって押し込み用溝部１０２および流路溝１１０ｂを予め形成している。空気極側金属セパレータ１０１ａには、第１の成形型３１０によって流路溝１１０ａを予め形成している。
【００６６】
燃料極側金属セパレータ１０１ｂを押し込み用下型４２０の第１の支持面４２１上に配置する。燃料極金属セパレータ１０１ｂの配置作業は、第１の支持面４２１によって位置決めして行う。
【００６７】
燃料極側金属セパレータ１０１ｂに重ね合わせて空気極側金属セパレータ１０１ａを配置する。燃料極側金属セパレータ１０１ｂの流路溝１１０ｂおよび空気極側金属セパレータ１０１ａの流路溝１１０ａを向かい合わせて配置する。
【００６８】
図７を参照して、押し込み型４００を型閉めする。凸形状に形成された押し込み部４１２は、型閉めによって空気極側金属セパレータ１０１ａを押圧して押し込み用溝部１０２に押し込んで段差状に変形させる。空気極側金属セパレータ１０１ａを押し込んだ部位には、空気極側金属セパレータ１０１ａと燃料極側金属セパレータ１０１ｂとが密着する溝形状の密着部１０３を形成する。
【００６９】
第１の支持面４２１および第１の保持面４１１は、流路溝１１０ａ、１１０ｂが型閉めによって押し潰されることを防止する。
【００７０】
図８を参照して、密着部１０３が形成された燃料極側金属セパレータ１０１ｂおよび空気極側金属セパレータ１０１ａをつぶし型５００に配置する。燃料極側金属セパレータ１０１ｂおよび空気極側金属セパレータ１０１ａの配置作業は、つぶし用下型５２０が備える第２の支持面５２１によって位置決めして行う。密着部１０３は、受け部５２２に配置する。
【００７１】
図９を参照して、つぶし型５００が備える保持治具５３０を、溝形状の密着部１０３に進入させて配置する。
【００７２】
図１０を参照して、つぶし型５００を型閉めする。つぶし型５００は、密着部１０３の周縁部１０４を押圧部５１２によって押圧して変形させる。押圧された周縁部１０４は、折畳まれた状態となって、折畳み部１０５を形成する。折畳み部１０５を形成することによって、周縁部１０４が厚肉化された状態になる。
【００７３】
第２の支持面５２１および第２の保持面５１１は、流路溝１１０ａ、１１０ｂが型閉めによって押し潰されることを防止する。
【００７４】
保持治具５３０は、保持部５３１によって折畳まれた周縁部１０４の変形を規制し、密着部１０３が押し潰されることを防止する。
【００７５】
図１１を参照して、固定治具５６０が備える受け台５６１に空気極側金属セパレータ１０１ａおよび燃料極側金属セパレータ１０１ｂを固定する。固定は、図中矢印ｃ方向からクランプ手段５７０によって押さえ付けて行う。
【００７６】
空気極側金属セパレータ１０１ａおよび燃料極側金属セパレータ１０１ｂは、受け面５６２の形状に沿って長手方向の両端部ｅから中心部ｃに向けてレーザ照射部５５１に対して凸状に湾曲して固定する。
【００７７】
図１２を参照して、空気極側金属セパレータ１０１ａおよび燃料極側金属セパレータ１０１ｂを湾曲させることによって、面方向に沿って折畳み部１０５を挟み込むようして押し付け力を付与し、折畳み部１０５の密着性を向上させる。
【００７８】
受け台５６１に空気極側金属セパレータ１０１ａおよび燃料極側金属セパレータ１０１ｂを固定した状態で折畳み部１０５に向けてレーザを照射する。レーザは、図中矢印ａで示される長手方向に沿って照射する。
【００７９】
レーザ照射によって、空気極側金属セパレータ１０１ａと、燃料極側金属セパレータ１０１ｂとが溶接された一対の金属セパレータ１００を形成する。
【００８０】
本実施形態にあっては、空気極側金属セパレータ１０１ａを燃料極側金属セパレータ１０１ｂに対して押し込むことによって溝形状の密着部１０３を形成している。さらに、密着部１０３の周縁部１０４を折畳むことによって厚肉化された折畳み部１０５を形成し、その折畳み部１０５に対してレーザを照射して溶接を行っている。金属セパレータ同士の間に隙間が生じることを防止し、さらに厚肉化された部位に対してレーザを照射して溶接を行うことができるため、溶接強度の低下やワークの溶け落ちのような溶接不良が生じることを防止できる。
【００８１】
図１３を参照して、クランプ手段５７０による拘束を解除し、溶接された一対の金属セパレータ１００を取り出す。湾曲形状を保持しようとする力（図中矢印ｋ）と、冷却によって長手方向に生じる収縮力（図中矢印ｓ）とを相殺させることによって、溶接された一対の金属セパレータ１００に反りが発生することを防止する。
【００８２】
図１４には、ワークを湾曲させて固定せずにレーザ溶接を行う対比例を示す。
【００８３】
対比例にあっては、ワーク６００の面方向に沿って折畳み部６０５に効率的に押し付け力を付与することができない。このため、折畳み部６０５においてスプリングバックが発生し、隙間が生じ得る（図１４（Ｂ）を参照）。隙間が生じることによって、溶接強度を確保することが困難になる。
【００８４】
湾曲させて固定せずにレーザ溶接を行っているため、溶接後のワーク６００には、湾曲形状を保持しようとする力が発生しない。このため、ワーク６００には、冷却による収縮力によって反りが発生し得る（図１４（Ｃ）を参照）。反りが発生したワーク６００を燃料電池に適用することによって、燃料電池の性能の低下が招かれる。
【００８５】
図１５（Ａ）および（Ｂ）を参照して、処理部２４０において、一対の金属セパレータ１００および膜電極接合体６０を積層し、単セル５０を形成する。
【００８６】
密着部１０３に、ガスケット１０６を配置するとともに、膜電極接合体６０を一対の金属セパレータ１００上に配置する。密着部１０３の溝形状を利用してガスケット１０６の位置決めをし、膜電極接合体６０の面方向における積層位置を定める。ガスケット１０６は、一対の金属セパレータ１００と膜電極接合体６０との間から外部へ流体が流出することを防止する。
【００８７】
膜電極接合体６０と一対の金属セパレータ１００とを積層して構成された単セル５０をさらに複数積層し、所定の組み立て作業によって燃料電池スタック１０を製造する。
【００８８】
上述したように、本実施形態にあっては、空気極側金属セパレータ１０１ａを燃料極側金属セパレータ１０１ｂに対して押し込むことによって溝形状の密着部１０３を形成している。さらに、密着部１０３の周縁部１０４を折畳むことによって厚肉化された折畳み部１０５を形成し、その折畳み部１０５に対してレーザを照射して溶接を行っている。金属セパレータ１０１ａ、１０１ｂ同士の間に隙間が生じることを防止し、さらに厚肉化された部位に対してレーザを照射して溶接を行うことができるため、溶接強度の低下やワークの抜け落ちのような溶接不良が生じることを防止できる。
【００８９】
燃料極側金属セパレータ１０１ｂを、押し込み用下型４２０の第１の支持面４２１によって位置決めして配置することができる。このため、位置決め作業を簡略化して行うことができ、密着部１０３を形成する作業の作業効率を向上させることができる。密着部１０３が形成された燃料極側金属セパレータ１０１ｂを、つぶし用下型５２０の第２の支持面５２１によって、位置決めをして配置することができる。このため、位置決め作業を簡略化して行うことができ、折畳み部１０５を形成する作業の作業効率を向上させることができる。
【００９０】
保持治具５３０は、保持部５３１によって折畳まれた周縁部１０４の変形を規制し、密着部１０３が押し潰されることを防止する。密着部１０３の溝形状が変形することを防止でき、密着部１０３の幅寸法ｗを確保することができる。幅寸法ｗを確保することによって、密着部１０３にガスケット１０６を配置することができる。
【００９１】
固定治具５６０は、空気極側金属セパレータ１０１ａおよび燃料極側金属セパレータ１０１ｂを湾曲させ、面方向に沿って折畳み部１０５を挟み込むようにして押し付け力を付与する。このため、スプリングバックが発生することを防止でき、折畳み部１０５における空気極側金属セパレータ１０１ａと燃料極側金属セパレータ１０１ｂとの密着性が低下することを防止できる。空気極側金属セパレータ１０１ａおよび燃料極側金属セパレータ１０１ｂに、湾曲した形状を保持しようとする力を生じさせることができる。湾曲した形状を保持しようとする力と、冷却によって長手方向に生じる収縮力とを相殺させることによって、空気極側金属セパレータ１０１ａおよび燃料極側金属セパレータ１０１ｂに反りが発生することを防止できる。
【００９２】
燃料電池に用いられる空気極側金属セパレータ１０１ａと、空気極金属セパレータ１０１ａに重ね合わせて配置された燃料極側金属セパレータ１０１ｂとが空気極側金属セパレータ１０１ａが燃料極側金属セパレータ１０１ｂに押し込まれた溝形状の密着部１０３の周縁部１０４を折畳んで形成された折畳み部１０５で溶接された一対の金属セパレータ１００を取得することができる。
【００９３】
ガスケット１０６の配置作業、および膜電極接合体６０の面方向における位置決め作業を容易に行うことができ、積層作業の作業効率を向上した単セル５０を取得することができる。
【００９４】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜改変することができる。
【００９５】
例えば、燃料極側金属セパレータ１０１ｂを空気極側金属セパレータ１０１ａに押し込むことによって、密着部を形成することも可能である。
【００９６】
折畳み部１０５は、周縁部１０４の全周にわたって形成する必要はなく、少なくともレーザを照射して溶接を行う部位に形成されていればよい。
【００９７】
押し込み手段は、型構造に形成されているが、これに限定されるものではない。重ね合わせた一方の金属セパレータを他方の金属セパレータに押し込むことによって、溝形状の密着部を形成し得る範囲において適宜変更することが可能である。例えば、円柱形状に形成された押し込み部材を、一方の金属セパレータから他方の金属セパレータに向けて押圧して押し込む構造を採用することが可能である。
【００９８】
変形手段は、型構造に形成されているが、これに限定されるものではない。押し込み手段によって形成された密着部を押圧することによって密着部の周縁部を変形させて折畳み形状を形成し得る範囲において適宜変更することが可能である。
【００９９】
実施形態では、保持治具５３０、および固定治具５６０を利用した形態によって説明を行っているが、保持治具５３０および固定治具５６０を利用せずに、一対の金属セパレータおよび燃料電池を製造する形態とすることも可能である。
【０１００】
燃料電池の製造装置２００は、ワークに対する流路溝の成形から、金属セパレータ同士の溶接までを連続した作業で実施する構成としているがこれに限定されるものではない。燃料電池に用いられる金属セパレータに密着部、および折畳み部を形成し、折畳み部においてレーザを照射することによって金属セパレータ同士を溶接することを目的とする範囲において、装置構成を適宜変更することが可能である。例えば、流路溝が予め成形された金属セパレータに対して密着部および折畳み部を形成し、溶接を行うことを目的とした装置構成とすることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】燃料電池スタックを示す概略斜視図である。
【図２】燃料電池スタックを構成する単セルを簡略化して示す断面図である。
【図３】燃料電池の製造装置を簡略化して示す正面図である。
【図４】第１の成形型の説明に供する断面図である。
【図５】第２の成形型の説明に供する断面図である。
【図６】押し込み型およびその要部を拡大して示す断面図である。
【図７】押し込み型およびその要部を拡大して示す断面図である。
【図８】つぶし型およびその要部を拡大して示す断面図である。
【図９】つぶし型およびその要部を拡大して示す断面図である。
【図１０】つぶし型およびその要部を拡大して示す断面図である。
【図１１】図１１（Ａ）は、レーザ溶接方法の説明に供する平面図、図１１（Ｂ）は、図１１（Ａ）の矢印１１Ｂ方向から見た矢視図である、
【図１２】図１２（Ａ）は、図１１（Ａ）の矢印１３Ａ方向から見た矢視図、図１２（Ｂ）は、図１２（Ａ）の破線で示された要部を拡大して示す図である。
【図１３】図１３は、図１１（Ａ）の矢印１１Ｂ方向から見た矢視図であり、一対の金属セパレータのレーザ溶接後の状態を示す図である。
【図１４】図１４（Ａ）〜（Ｃ）は、本実施形態の対比例の説明に供する図である。
【図１５】図１５（Ａ）および（Ｂ）は、密着部へのガスケットの配置方法の説明に供する要部の拡大図である。
【符号の説明】
【０１０２】
１０  燃料電池スタック（燃料電池）、
５０  単セル（積層体）、
６０  膜電極接合体、
７０  燃料極、
８０  空気極、
９０  電解質膜、
１００  一対の金属セパレータ、
１０１ａ  空気極側金属セパレータ（一の金属セパレータ）、
１０１ｂ  燃料極側金属セパレータ（他の金属セパレータ）、
１０２  押し込み用溝部、
１０３  密着部、
１０４  密着部の周縁部、
１０５  折畳み部、
１０６  ガスケット（シール部材）、
１１０ａ、１１０ｂ  流路溝、
１２０  ワーク、
２００  燃料電池の製造装置、
２１０  アンコイラー、
２２０  たわみ防止治具、
２２１  支持部、
２２２  矯正ローラー、
２３０  成形機、
２４０  処理部、
２５０  制御部、
３００  プレス成形型、
３１０  第１の成形型、
３２０  第２の成形型、
３２１  押し込み用凹部、
３２２  押し込み用凸部、
４００  押し込み型（押し込み手段）
４１０  押し込み用上型、
４１１  第１の保持面、
４１２  押し込み部、
４２０  押し込み用下型、
４２１  第１の支持面、
４２２、５２２  受け部、
５００  つぶし型（変形手段）、
５１０  つぶし用上型、
５１１  第２の保持面、
５１２  押圧部、
５２０  つぶし用下型、
５２１  第２の支持面、
５３０  保持治具（保持手段）、
５３１  保持部、
５５０  レーザ溶接装置（溶接手段）、
５５１  レーザ照射部、
５６０  固定治具、
５６１  受け台、
５６２  受け面、
５７０  クランプ手段、
ｅ  長手方向の両端部、
ｃ  長手方向の中心部、
ｗ  密着部の幅寸法、
Ｌ  レーザ。
【図１】
2010129459.tif 000003
【図２】
2010129459.tif 000004
【図３】
2010129459.tif 000005
【図４】
2010129459.tif 000006
【図５】
2010129459.tif 000007
【図６】
2010129459.tif 000008
【図７】
2010129459.tif 000009
【図８】
2010129459.tif 000010
【図９】
2010129459.tif 000011
【図１０】
2010129459.tif 000012
【図１１】
2010129459.tif 000013
【図１２】
2010129459.tif 000014
【図１３】
2010129459.tif 000015
【図１４】
2010129459.tif 000016
【図１５】
2010129459.tif 000017