(57)【要約】【課題】セパレータの腐食抑制及び溶接不良の発生抑制の両立を図る燃料電池のセパレータ接合体を提供する。【解決手段】燃料電池のセパレータ接合体２０は、膜電極接合体１１のアノード側に配置された第１セパレータ３０における膜電極接合体１１に対向する側の第１面３５に、第１セパレータ３０の基材３０ａが露出された露出部３６が設けられている。膜電極接合体１１のカソード側に配置された第２セパレータ４０における膜電極接合体１１に対向する側の第２面４５の全体には、導電性粒子を含む被膜６０が設けられている。接合部２１は、第１セパレータ３０の露出部３６に対してレーザが照射されることにより形成されてなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極接合体と、金属板製の基材を有し、前記膜電極接合体のアノード側に配置された第１セパレータと、金属板製の基材を有し、前記膜電極接合体のカソード側に配置された第２セパレータと、を備えた単セルが複数積層された燃料電池スタックに適用され、前記単セルの積層方向において隣接する前記第１セパレータと前記第２セパレータとがレーザ溶接により互いに接合された接合部を有するセパレータ接合体において、
前記第１セパレータにおける前記膜電極接合体に対向する側の第１面には、前記第１セパレータの前記基材が露出された露出部が設けられており、
前記第２セパレータにおける前記膜電極接合体に対向する側の第２面の全体には、導電性粒子を含む被膜が設けられており、
前記接合部は、前記第１セパレータの前記露出部に対してレーザが照射されることにより形成されてなる、
燃料電池のセパレータ接合体。
【請求項２】
前記第１セパレータの前記第１面のうち前記膜電極接合体に当接される部分には、導電性粒子を含む被膜が設けられている、
請求項１に記載の燃料電池のセパレータ接合体。
【請求項３】
膜電極接合体と、金属板製の基材を有し、前記膜電極接合体のアノード側に配置された第１セパレータと、金属板製の基材を有し、前記膜電極接合体のカソード側に配置された第２セパレータと、を備えた単セルが複数積層された燃料電池スタックに適用され、前記単セルの積層方向において隣接する前記第１セパレータと前記第２セパレータとがレーザ溶接により互いに接合されたセパレータ接合体を製造する方法において、
前記第２セパレータにおける前記膜電極接合体に対向する側の面の全体に対して導電性粒子を含む被膜を形成する被膜形成工程と、
前記第１セパレータのうち、前記第１セパレータの前記基材が露出された露出部に対してレーザを照射することにより前記第１セパレータと前記第２セパレータとをレーザ溶接する溶接工程と、を備える、
燃料電池のセパレータ接合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池のセパレータ接合体及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形燃料電池は、複数の単セルを積層して構成された燃料電池スタックを備えている。単セルは、膜電極接合体と、同膜電極接合体を挟持する一対のセパレータとを有している。膜電極接合体のアノード側に配置されるセパレータ（以下、第１セパレータ）と膜電極接合体との間には、燃料ガスが供給される燃料ガス流路が形成されている。膜電極接合体のカソード側に配置されるセパレータ（以下、第２セパレータ）と膜電極接合体との間には、酸化ガスが供給される酸化ガス流路が形成されている。これらセパレータは、例えばステンレス鋼板などの金属板からなる基材を有している。こうした基材における膜電極接合体に対向する側の面の全体には、基材の耐食性及び導電性を高めるための被膜が形成されている（例えば、特許文献１参照）。また、同文献１に記載の燃料電池スタックは、第１セパレータと第２セパレータとの接触抵抗の低減を図るべく、単セルの積層方向において隣接する第１セパレータと第２セパレータとがレーザ溶接により互いに接合されたセパレータ接合体を備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−３１１０７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１に記載のセパレータ接合体の場合、第１セパレータと第２セパレータとをレーザ溶接する際に、基材を被覆する被膜の上からレーザが照射される。この場合、基材同士の溶接部分に被膜の一部が溶融して混入することで基材が腐食しやすくなるおそれがある。また、レーザ照射による局所的な被膜の蒸発、所謂アブレーションが生じることがある。この場合、レーザのエネルギが被膜の気化に使用されることで、基材同士の溶接に必要なエネルギが不足しやすくなり、溶接不良が発生するおそれがある。なお、こうした不都合は、ステンレス鋼板からなる基材を有するセパレータ同士が接合されたセパレータ接合体に限らず、その他の金属板製の基材を有するセパレータ同士が接合されるものにおいても同様にして生じる。
【０００５】
本発明の目的は、セパレータの腐食抑制及び溶接不良の発生抑制の両立を図ることのできる燃料電池のセパレータ接合体及び燃料電池のセパレータ接合体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】
【０００６】
上記目的を達成するための燃料電池のセパレータ接合体は、膜電極接合体と、金属板製の基材を有し、前記膜電極接合体のアノード側に配置された第１セパレータと、金属板製の基材を有し、前記膜電極接合体のカソード側に配置された第２セパレータと、を備えた単セルが複数積層された燃料電池スタックに適用され、前記単セルの積層方向において隣接する前記第１セパレータと前記第２セパレータとがレーザ溶接により互いに接合された接合部を有するものであり、前記第１セパレータにおける前記膜電極接合体に対向する側の第１面には、前記第１セパレータの前記基材が露出された露出部が設けられており、前記第２セパレータにおける前記膜電極接合体に対向する側の第２面の全体には、導電性粒子を含む被膜が設けられており、前記接合部は、前記第１セパレータの前記露出部に対してレーザが照射されることにより形成されてなる。
【０００７】
燃料電池の運転時において、膜電極接合体のカソード側は、アノード側に比べて高電位となる。そのため、膜電極接合体のカソード側に位置する第２セパレータには電位差による腐食が生じやすい。
【０００８】
この点、上記構成によれば、第２セパレータの第２面の全体に被膜が設けられているため、電位差による第２面の腐食を抑制することができる。
一方、第１セパレータと第２セパレータとが接合された接合部は、第１セパレータの露出部に対してレーザが照射されることにより形成される。このため、被膜に対してレーザが照射されることがなく、被膜へのレーザ照射に起因する溶接不良の発生を抑制することができる。
【０００９】
また、上記目的を達成するための燃料電池のセパレータ接合体は、前記第１セパレータの前記第１面のうち前記膜電極接合体に当接される部分には、導電性粒子を含む被膜が設けられていることが好ましい。
【００１０】
同構成によれば、膜電極接合体と第１セパレータとの接触抵抗の増大を抑制することができる。
また、上記目的を達成するための燃料電池のセパレータ接合体の製造方法は、膜電極接合体と、金属板製の基材を有し、前記膜電極接合体のアノード側に配置された第１セパレータと、金属板製の基材を有し、前記膜電極接合体のカソード側に配置された第２セパレータと、を備えた単セルが複数積層された燃料電池スタックに適用され、前記単セルの積層方向において隣接する前記第１セパレータと前記第２セパレータとがレーザ溶接により互いに接合されたセパレータ接合体を製造する方法であって、前記第２セパレータにおける前記膜電極接合体に対向する側の面の全体に対して導電性粒子を含む被膜を形成する被膜形成工程と、前記第１セパレータのうち、前記第１セパレータの前記基材が露出された露出部に対してレーザを照射することにより前記第１セパレータと前記第２セパレータとをレーザ溶接する溶接工程と、を備える。
【００１１】
同方法によれば、上記燃料電池のセパレータ接合体による作用効果に準じた作用効果を奏することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、セパレータの腐食抑制及び溶接不良の発生抑制の両立を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】燃料電池のセパレータ接合体の一実施形態について、当該燃料電池のセパレータ接合体を有する単セルを中心とした燃料電池スタックの拡大断面図。
【図２】同実施形態の燃料電池のセパレータ接合体を拡大して示す拡大断面図。
【図３】同実施形態の燃料電池のセパレータ接合体の製造過程を説明する図であって、（ａ）は、プレスされた基材を示す断面図、（ｂ）は、第１セパレータを示す断面図、（ｃ）は、第２セパレータを示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図１〜図３を参照して、一実施形態について説明する。
図１に示すように、固体高分子形燃料電池の燃料電池スタックは、膜電極接合体１１が第１セパレータ３０と第２セパレータ４０とにより挟持された単セル１０が複数積層された構造を有している。膜電極接合体１１は、固体高分子膜よりなる電解質膜１２と、電解質膜１２を挟持する一対の電極触媒層１３とを備えている。膜電極接合体１１と各セパレータ３０，４０との間には、炭素繊維からなるガス拡散層１４，１５が設けられている。
【００１５】
第１セパレータ３０は、例えばステンレス鋼板などの金属板材からなる基材３０ａを有しており、膜電極接合体１１のアノード側に配置されている。第１セパレータ３０には、それぞれ延在する第１凸部３１及び第１凹部３２が交互に並設されている。第１セパレータ３０の第１凸部３１の頂面（図１の上面）は、アノード側のガス拡散層１４に当接している。第１セパレータ３０の第１凹部３２とガス拡散層１４とで区画される部分は、例えば水素ガスなどの燃料ガスが流通するガス流路とされている。
【００１６】
第２セパレータ４０は、例えばステンレス鋼板などの金属板材からなる基材４０ａを有しており、膜電極接合体１１のカソード側に配置されている。第２セパレータ４０には、それぞれ延在する第２凸部４１及び第２凹部４２が交互に並設されている。第２セパレータ４０の第２凸部４１の頂面（図１の下面）は、カソード側のガス拡散層１５に当接している。第２セパレータ４０の第２凹部４２とガス拡散層１５とで区画される部分は、例えば空気などの酸化剤ガスが流通するガス流路とされている。
【００１７】
第１セパレータ３０の第１凸部３１の背面と、第２セパレータ４０の第２凸部４１の背面とにより区画される部分は、冷却水が流通する冷却流路とされている。
図１及び図２に示すように、第１セパレータ３０における膜電極接合体１１に対向する側の面（同図の上面であり、以下、第１面３５）のうち膜電極接合体１１に当接する第１凸部３１の頂面には、被膜５０が設けられている。被膜５０は、第１凸部３１の頂面に塗布された第１層５１と、第１層５１の上に塗布された第２層５２とからなる。また、第１セパレータ３０の第１面３５のうち、第１凸部３１の頂面以外の部分には被膜５０が設けられておらず、基材３０ａが露出している。なお、以降において、基材３０ａが露出している部分を露出部３６と称する。
【００１８】
第２セパレータ４０における膜電極接合体１１に対向する側の面（同図の下面であり、以下、第２面４５）には、被膜６０が設けられている。被膜６０は、第２面４５の全体に塗布された第１層６１と、第１層６１の上に塗布された第２層６２とからなる。
【００１９】
第１層５１，６１は、窒化チタンからなる導電性粒子とエポキシ樹脂からなる結合材とを有している。
第２層５２，６２は、グラファイト粒子とポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）樹脂からなる結合材とを有している。なお、ポリフッ化ビニリデンは熱可塑性樹脂であり、エポキシ樹脂は熱硬化性樹脂である。また、エポキシ樹脂の熱硬化温度は、ポリフッ化ビニリデン樹脂の融点よりも低い。
【００２０】
単セル１０の積層方向（図１の上下方向）において隣接する第１セパレータ３０と第２セパレータ４０とは、レーザ溶接により互いに接合されている。以降において、これら第１セパレータ３０と第２セパレータ４０とが接合されたものをセパレータ接合体２０と称する。
【００２１】
セパレータ接合体２０は、第１セパレータ３０の第１凹部３２と、第２セパレータ４０の第２凹部４２とがレーザ溶接により互いに接合された接合部２１を有している。接合部２１は、第１セパレータ３０の露出部３６のうち、第１凹部３２に対してレーザが照射されることにより形成されている。なお、接合部２１、所謂ナゲットと称される部分は、第２セパレータの第２面４５には到達していない。
【００２２】
次に、セパレータ接合体２０の製造方法について説明する。
まず、図３（ａ）に示すように、第１セパレータ３０の基材３０ａをプレス金型（図示略）によりプレスすることで、基材３０ａに第１凸部３１及び第１凹部３２を形成する。また、第２セパレータ４０の基材４０ａについても基材３０ａと同様の方法で第２凸部４１及び第２凹部４２を形成する。
【００２３】
次に、図３（ｂ）に示すように、基材３０ａの第１面３５のうち膜電極接合体１１に当接する部分、すなわち第１凸部３１の頂面に第１層５１を塗布する。続いて、第１層５１の上に第２層５２を塗布する。そして、第１層５１及び第２層５２を基材３０ａに熱圧着させる。こうして、第１セパレータ３０が製造される。
【００２４】
次に、図３（ｃ）に示すように、基材４０ａの第２面４５の全体に、第１層６１を塗布する。続いて、第１層６１のうち第２凸部４１の頂面に対応する部分の上に第２層６２を塗布する。そして、第１層６１及び第２層６２を基材４０ａに熱圧着させる。こうして第２セパレータ４０が製造される。
【００２５】
次に、図２に示すように、第１セパレータ３０の第１面３５とは反対側の背面と、第２セパレータ４０の第２面４５とは反対側の背面とを当接させる。この状態で、第１セパレータ３０側から露出部３６に対してレーザを照射して溶接する。これにより、第１セパレータ３０と第２セパレータ４０との間にレーザ溶接により互いに接合された接合部２１が形成される。このようにして、第１セパレータ３０と第２セパレータ４０とが接合されることで、セパレータ接合体２０が製造される。
【００２６】
本実施形態の作用及び効果について説明する。
（１）燃料電池のセパレータ接合体２０は、膜電極接合体１１のアノード側に配置された第１セパレータ３０における膜電極接合体１１に対向する側の第１面３５に、第１セパレータ３０の基材３０ａが露出された露出部３６が設けられている。膜電極接合体１１のカソード側に配置された第２セパレータ４０における膜電極接合体１１に対向する側の第２面４５の全体には、導電性粒子を含む被膜６０が設けられている。接合部２１は、第１セパレータ３０の露出部３６に対してレーザが照射されることにより形成されてなる。
【００２７】
燃料電池の運転時において、膜電極接合体１１のカソード側は、アノード側に比べて高電位となる。そのため、膜電極接合体１１のカソード側に位置する第２セパレータ４０には電位差による腐食が生じやすい。
【００２８】
この点、上記構成によれば、第２セパレータ４０の第２面４５の全体が被膜６０とされているため、電位差による第２面４５の腐食を抑制することができる。
一方、第１セパレータ３０と第２セパレータ４０とが接合された接合部２１は、第１セパレータ３０の露出部３６に対してレーザが照射されることにより形成される。このため、各被膜５０，６０に対してレーザが照射されることがなく、各被膜５０、６０へのレーザ照射に起因する溶接不良の発生を抑制することができる。
【００２９】
（２）第１セパレータ３０の第１面３５のうち膜電極接合体１１に当接される部分には、導電性粒子を含む被膜５０が設けられている。
こうした構成によれば、膜電極接合体１１と第１セパレータ３０との接触抵抗の増大を抑制することができる。
【００３０】
（３）燃料電池のセパレータ接合体２０の製造方法は、第２セパレータ４０における膜電極接合体１１に対向する第２面４５の全体に対して導電性粒子を含む被膜６０を形成する被膜形成工程を備える。さらに、第１セパレータ３０のうち、第１セパレータ３０の基材３０ａが露出された露出部３６に対してレーザを照射することにより第１セパレータ３０と第２セパレータ４０とをレーザ溶接する溶接工程を備える。
【００３１】
こうした方法によれば、上記作用効果（１）と同様な作用効果を奏することができる。
本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
【００３２】
・第１層５１，６１を構成する窒化チタンに代えて、炭化チタンや硼化チタンなどの他の導電性粒子を用いることもできる。
・第２層５２，６２を構成するグラファイト粒子に代えて、カーボンブラックなどの他端の導電性粒子を用いることもできる。
【００３３】
・第１セパレータ３０の第１面３５に被膜５０を設けず、第１面３５全体を露出部３６にすることもできる。
・第１セパレータ３０の第１面３５のうち接合部２１に対応する部分のみを露出部３６にし、同露出部３６以外の部分に被膜５０を設けることもできる。この場合、第１セパレータ３０の第１面３５のより広い範囲が被膜５０により被覆されることから、腐食を効果的に抑制することができる。
【００３４】
・第１セパレータの基材の材料及び第２セパレータの基材の材料をステンレス鋼以外の他の金属材料に変更することもできる。こうした金属材料としては、例えば、純チタンやチタン合金、アルミニウム合金、マグネシウム合金などを採用することもできる。
【符号の説明】
【００３５】
１０…単セル、１１…膜電極接合体、１２…電解質膜、１３…電極触媒層、１４…ガス拡散層、１５…ガス拡散層、２０…セパレータ接合体、２１…接合部、３０…第１セパレータ、３０ａ…基材、３１…第１凸部、３２…第１凹部、３５…第１面、３６…露出部、４０…第２セパレータ、４０ａ…基材、４１…第２凸部、４２…第２凹部、４５…第２面、５０…被膜、５１…第１層、５２…第２層、６０…被膜、６１…第１層、６２…第２層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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