(57)【要約】【課題】セパレータと電極拡散層との間の接触抵抗を抑えることができ、構成部材を減らし、組付け工数を減らすことができる燃料電池用セパレータと電極拡散層との接合方法を提供する。【解決手段】燃料電池用セパレータと電極拡散層との接合方法は、熱可塑性樹脂の第１セパレータ２０に炭素繊維のアノード側電極拡散層１５を重ね合わせ、このアノード側電極拡散層１５と第１セパレータ２０とに加圧力をかけ、アノード側電極拡散層１５を振動させて摩擦熱を発生させることにより、第１セパレータ２０にアノード側電極拡散層１５を溶着する。【選択図】　　　　図６
2004055271.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱可塑性樹脂のセパレータに炭素繊維の電極拡散層を重ね合わせ、
この電極拡散層とセパレータとに加圧力をかけ、
電極拡散層及びセパレータの一方を振動させて摩擦熱を発生させることにより、セパレータに電極拡散層を溶着することを特徴とする燃料電池用セパレータと電極拡散層との接合方法。
【請求項２】
前記加圧力を１０〜５０ｋｇｆ／ｃｍ２、前記振動の周波数を２４０Ｈｚとしたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池用セパレータと電極拡散層との接合方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質膜にアノード側電極及びカソード側電極を添わせ、これらを拡散層を介し両側から挟み込む燃料電池用セパレータと電極拡散層との接合方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、水の電気分解の逆の原理を利用し、水素と酸素とを反応させて水を得る過程で電気を得ることができる電池である。一般に、水素に燃料ガスを置き換え、酸素に空気や酸化剤ガスを置き換えるので、燃料ガス、空気、酸化剤ガスの用語を使用することが多い。
このような燃料電池としては、例えば、特開２０００−１２３８４８公報「燃料電池」が知られている。この公報の要部を次図に示して燃料電池について説明する。
【０００３】
図１２は従来の燃料電池を示す分解斜視図である。
燃料電池１００は、電解質膜１０１にアノード側電極１０２及びカソード側電極１０３を添わせ、これらをガスケット１０４，１０５を介して第１セパレータ１０６及び第２セパレータ１０７で挟むことでセルモジュールを構成する。
【０００４】
詳細には、第１セパレータ１０６の面１０６ａに燃料ガスの流路となる第１流路１０８が形成され、第２セパレータ１０７の面１０７ａに酸化剤ガスの流路となる第２流路１０９が形成され、各々中央の電解質膜１０１に燃料ガスと酸化剤ガスとを臨ませる構造である。
【０００５】
このセルモジュール１個で得る電気出力は比較的小さいので、このようなセルモジュールを多数個積層することで、所望の電気出力を得る。従って、第１・第２セパレータ１０６，１０７は隣のセルに燃料ガスや酸化剤ガスが洩れないようにする分離部材であることから「セパレータ」と呼ばれる。
【０００６】
第１セパレータ１０６は面１０６ａに燃料ガスのための流路１０８を備え、第２セパレータ１０７は面１０７ａに酸化剤ガスのための流路１０９を備えるが、ガスを効果的にアノード側電極１０２及びカソード側電極１０３に接触させる必要があり、そのために、流路１０８，１０９はごく浅い溝を多数本条設する必要がある。
【０００７】
そして、第１・第２セパレータ１０６，１０７は、流路１０８，１０９に燃料ガス又は酸化剤ガスを供給するために上部にそれぞれ燃料ガス供給孔部１１０ａ、酸化剤ガス供給孔部１１１ａを備え、下部にそれぞれ燃料ガス排出孔部１１０ｂ、酸化剤ガス排出孔部１１１ｂを備え、また、冷却水を通すための冷却水供給孔部１１２ａをそれぞれの上部に、冷却水排出孔部１１２ｂをそれぞれの下部に備える。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述した燃料電池は、通常アノード側電極と第１セパレータとの間にアノード側電極拡散層を備えるとともに、カソード側電極と第２セパレータとの間にカソード側電極拡散層を備える。
【０００９】
そして、第１セパレータにアノード側電極拡散層を合わせるために、一例として第１セパレータとアノード側電極拡散層との間にシール材を介在させている。また、第２セパレータにカソード側電極拡散層を合わせるために、一例として第２セパレータとカソード側電極拡散層との間にシール材を介在させている。
よって、第１セパレータ及びアノード側電極拡散層間の電気的な接触抵抗が増すとともに、第２セパレータ及びカソード側電極拡散層間の電気的な接触抵抗が増し燃料電池の出力が小さくなる虞がある。
【００１０】
また、第１セパレータとアノード側電極拡散層との間にシール材を介在させるとともに、第２セパレータとカソード側電極拡散層との間シール材を介在させる必要があるので、そのことが構成部材を減らす妨げになっていた。
【００１１】
加えて、第１セパレータとアノード側電極拡散層との間にシール材を組み付ける（一例として、塗布する）工数や、第２セパレータとカソード側電極拡散層との間にシール材を組み付ける（一例として、塗布する）工数が必要になり、そのことが組付け工数を減らす妨げになっていた。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、セパレータと電極拡散層との間の接触抵抗を抑えることができ、構成部材を減らし、組付け工数を減らすことができる燃料電池用セパレータと電極拡散層との接合方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１は、熱可塑性樹脂のセパレータに炭素繊維の電極拡散層を重ね合わせ、この電極拡散層とセパレータとに加圧力をかけ、電極拡散層及びセパレータの一方を振動させて摩擦熱を発生させることにより、セパレータに電極拡散層を溶着することを特徴とする。
【００１４】
熱可塑性樹脂のセパレータと電極拡散層とを摩擦熱で溶着して一体化することで、セパレータと電極拡散層との間の電気的な接触抵抗を抑えることができる。
また、熱可塑性樹脂のセパレータと電極拡散層とを一体化することで、セパレータと電極拡散層とを合わせるために従来必要とされていたシール材を除去することができる。セパレータと電極拡散層との間からシール剤を除去することで、構成部材を減らすことができる。
加えて、セパレータと電極拡散層との間にシール材を組み付ける（一例として、塗布する）組付け工数を減らすことができる。
【００１５】
請求項２は、加圧力を１０〜５０ｋｇｆ／ｃｍ２、前記振動の周波数を２４０Ｈｚとしたことを特徴とする。
【００１６】
本発明における圧力は、全てゲージ圧力である。
加圧力が１０ｋｇｆ／ｃｍ２未満では、第１、第２セパレータの接合面に十分な摩擦熱を発生させることが難しく、第１、第２セパレータを溶着させることができない。そこで、加圧力を１０ｋｇｆ／ｃｍ２以上に設定して第１、第２セパレータを溶着させるようにした。
【００１７】
一方、加圧力が５０ｋｇｆ／ｃｍ２を超えると、第１、第２セパレータの接合面に大きな摩擦熱が発生して第１、第２セパレータが過大に溶けてしまい、第１、第２セパレータの周縁からバリが発生する。
このため、第１、第２セパレータの周縁に発生したバリを除去する余分な工程が必要になる。そこで、加圧力を５０ｋｇｆ／ｃｍ２以下に設定して第１、第２セパレータの周縁からバリが発生することを防止するようにした。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図１は本発明に係る燃料電池用セパレータと電極拡散層との接合方法（第１実施形態）で接合した燃料電池の分解斜視図を示す。
燃料電池１０は、一例として電解質膜１２に固体高分子電解質を使用し、この電解質膜１２にアノード側電極１３及びカソード側電極１４を添わせ、アノード側電極１３側にアノード側電極拡散層１５を介してセパレータ１８を合わせるとともに、カソード側電極１４側にカソード側電極拡散層１６を介してセパレータ１８を合わせることによりセルモジュール１１を構成し、このセルモジュール１１を多数個積層した固体高分子型燃料電池である。
【００１９】
セパレータ１８は、第１セパレータ２０と、第２セパレータ３０とからなり、第１セパレータ２０の冷却水通路形成面２０ａと第２セパレータ３０の接合面３０ａを、一例として振動溶着で接合したものである。
【００２０】
このように、第１、第２セパレータ２０，３０を振動溶着することにより、第１セパレータ２０の冷却水通路用溝２１・・・を第２セパレータ３０で覆い、冷却水通路２２・・・（図２に示す）を形成する。
この冷却水通路２２・・・には、第１、第２セパレータ２０，３０の上端中央の冷却水供給孔部２３ａ，３３ａが連通するとともに、第１、第２セパレータ２０，３０の下端中央の冷却水排出孔部２３ｂ，３３ｂが連通する。
【００２１】
第１セパレータ２０は、燃料ガス通路形成面２０ｂ側に燃料ガス通路用溝２４・・・（図２に示す）を備え、燃料ガス通路形成面２０ｂにアノード側電極拡散層１５を重ね合わせた状態で、一例として振動溶着することで、燃料ガス通路用溝２４・・・をアノード側電極拡散層１５で塞いで燃料ガス通路２５・・・（図２に示す）を形成する。
この燃料ガス通路２５・・・に、第１、第２セパレータ２０，３０の上端左側の燃料ガス供給孔部２６ａ，３６ａを連通するとともに、第１、第２セパレータ２０，３０の下端右側の燃料ガス排出孔部２６ｂ，３６ｂを連通する。
【００２２】
第２セパレータ３０は、酸化剤ガス通路形成面３０ｂ側に酸化剤ガス通路用溝３７・・・を備え、酸化剤ガス通路形成面３０ｂにカソード側電極拡散層１６を重ね合わせた状態で、一例として振動溶着することで、酸化剤ガス通路用溝３７・・・をカソード側電極拡散層１６で塞いで酸化剤ガス通路３８・・・（図２に示す）を形成する。
この酸化剤ガス通路３８・・・に、第１、第２セパレータ２０，３０の上端右側の酸化剤ガス供給孔部２９ａ，３９ａを連通するとともに、第１、第２セパレータ２０，３０の下端左側の酸化剤ガス排出孔部２９ｂ，３９ｂを連通する。
【００２３】
第１、第２セパレータ２０，３０を構成する樹脂としては、一例として耐酸性を備えた熱可塑性樹脂に、天然黒鉛、人造黒鉛、ケッチェンブラック、アセチレンブラックなどを単独或いは混合配合し、炭素材料を６０〜９５ｗｔ％含んだ樹脂組成物が該当するがこれに限定するものではない。
【００２４】
なお、ケッチェンブラックは、導電性に優れたカーボンブラックで、一例としてケッチェン・ブラック・インターナショナル株式会社製（販売元；三菱化学株式会社）のものが該当するが、これに限るものではない。
第１、第２セパレータ２０，３０は、上記樹脂組成物を射出成形、加熱プレス成形又はロール成形などで成形したカーボンモールドセパレータである。
【００２５】
耐酸性を備えた熱可塑性樹脂としては、例えばエチレン・酢ビ（酢酸ビニル）共重合体、エチレン・エチルアクリレート共重合体、直鎖状低密度ポリエチレン、ポリフェニレンサルファイド、変性ポリフェニレンオキサイドなどが該当するが、これに限定するものではない。
【００２６】
アノード側電極拡散層１５は、例えばカーボン織布、カーボン不織布、カーボンマット、カーボンペーパの炭素繊維が該当するが、これに限定するものではない。
カソード側電極拡散層１６は、アノード側電極拡散層１５と同様に、例えばカーボン織布、カーボン不織布、カーボンマット、カーボンペーパの炭素繊維が該当するが、これに限定するものではない。
【００２７】
図２は図１の２−２線断面図である。
第１セパレータ２０は、図１に示すように略矩形状に形成した部材で、燃料ガス通路形成面２０ｂに燃料ガス通路用溝２４・・・を多数本条有し、この燃料ガス通路形成面２０ｂにアノード側電極拡散層１５を振動溶着することで、燃料ガス通路用溝２４・・・及びアノード側電極拡散層１５で燃料ガス通路２５・・・を形成し、冷却水通路形成面２０ａに冷却水通路用溝２１・・・を多数本条有する。
【００２８】
第２セパレータ３０は、図１に示すように略矩形状に形成した部材で、酸化剤ガス通路形成面３０ｂに酸化剤ガス通路用溝３７・・・を多数本条有し、この酸化剤ガス通路形成面３０ｂにカソード側電極拡散層１６を振動溶着することで、酸化剤ガス通路用溝３７・・・及びカソード側電極拡散層１６で酸化剤ガス通路３８・・・を形成するものである。
【００２９】
セパレータ１８は、第１セパレータ２０の冷却水通路形成面２０ａと、第２セパレータ３０の接合面３０ａとを振動溶着し、第１セパレータ２０の冷却水通路用溝２１を第２セパレータ３０の接合面３０ａで塞いで冷却水通路２２を形成したものである。
【００３０】
このように、熱可塑性樹脂の第１セパレータ２０とアノード側電極拡散層１５とを振動溶着で一体化することで、第１セパレータ２０とアノード側電極拡散層１５との間の電気的な接触抵抗を抑えることができる。
また、熱可塑性樹脂の第１セパレータ２０とアノード側電極拡散層１５とを一体化することで、第１セパレータ２０とアノード側電極拡散層１５とを合わせるために従来必要とされていたシール材を除去することができる。
【００３１】
また、熱可塑性樹脂の第２セパレータ３０とカソード側電極拡散層１６とを振動溶着で一体化することで、第２セパレータ３０とカソード側電極拡散層１６との間の電気的な接触抵抗を抑えることができる。
また、熱可塑性樹脂の第２セパレータ３０とカソード側電極拡散層１６とを一体化することで、第２セパレータ３０とカソード側電極拡散層１６とを合わせるために従来必要とされていたシール材を除去することができる。
【００３２】
加えて、熱可塑性樹脂の第１、第２セパレータ２０，３０を振動溶着してセパレータ１８を一体化するとともに、第１セパレータ２０の冷却水通路用溝２１を第２セパレータ３０の接合面３０ａで塞いで冷却水通路２２を形成した。
このように、第１、第２セパレータ２０，３０を振動溶着してセパレータ１８を一体化することで、第１、第２セパレータ２０，３０間の電気的な接触抵抗を抑えることができる。
また、第１、第２セパレータ２０，３０を振動溶着してセパレータ１８を一体化することで、従来必要とされていたシール材を第１、第２セパレータ２０，３０間から除去することができる。
【００３３】
図３は本発明に係る燃料電池用セパレータと電極拡散層との接合方法（第１実施形態）を実施する振動溶着装置を示す断面図である。
振動溶着装置４０は、基台４１に一定間隔をおいて左右の支柱４２，４２を立て、左右の支柱４２，４２の上端を左右の梁４３，４３に連結し、左右の支柱４２，４２にガイド４４，４４を介して昇降部材４５を昇降自在に取り付け、昇降部材４５と基台４１との間にエアシリンダ４６を配置し、シリンダ部４７を基台４１に連結するととともにピストンロッド４８を昇降部材４５に連結し、昇降部材４５に下サポート部４９を取り付け、左右の梁４３に振動発生機構５０を取り付け、振動発生機構５０の下部に下サポート部４９に対向するように上サポート部５１を取り付けたものである。
【００３４】
振動発生機構５０は、左右の梁４３にそれぞれ枠部材５２，５２を固定し、左右の枠部材５２，５２にそれぞれ固定電磁石部５３，５３を備え、左右の枠部材５２，５２にクロスメンバー５４を渡し、クロスメンバー５４に支持部５５を取り付けるとともに、この支持部５５を左右の固定電磁石部５３，５３間に配置し、支持部５５にスライド部材５６を左右方向に移動自在に取り付け、スライド部材５６の左右端にそれぞれ左右の移動電磁石部５７，５７を取り付けることにより、左移動電磁石部５７を左固定電磁石部５３に対向させるとともに、右移動電磁石部５７を右固定電磁石部５３に対向させたものである。
【００３５】
この振動溶着装置４０によれば、エアシリンダ４６のピストンロッド４８を進退することにより、昇降部材４５と一緒に下サポート部４９を昇降することができる。
一方、左右の固定電磁石部５３，５３及び左右の移動電磁石部５７，５７を通電することにより、スライダ部材５６と一緒に上サポート部５１を左右方向に振動することができる。
【００３６】
次に、燃料電池用セパレータと電極拡散層との接合方法を図４〜図１１に基づいて説明する。
先ず、第１セパレータにアノード側電極拡散層を振動溶着する例を図４〜図７に基づいて説明する。
図４（ａ）、（ｂ）は本発明に係る燃料電池用セパレータと電極拡散層との接合方法（第１実施形態）を説明する第１工程図である。
（ａ）において、振動溶着装置４０に備えたエアシリンダ４６のピストンロッド４８を後退させることにより、昇降部材４５と一緒に下サポート部４９をセット位置Ｈ１まで下降させる。これにより、下サポート部４９を上サポート部５１から離すことができる。
【００３７】
（ｂ）において、下サポート部４９と上サポート部５１との間に第１セパレータ２０及びアノード側電極拡散層１５を配置し、第１セパレータ２０及びアノード側電極拡散層１５を下サポート部４９のセット凹部５８に向けて矢印▲１▼の如く下降する。
【００３８】
図５（ａ）、（ｂ）は本発明に係る燃料電池用セパレータと電極拡散層との接合方法（第１実施形態）を説明する第２工程図である。
（ａ）において、下サポート部４９のセット凹部５８に第１セパレータ２０の冷却水通路形成面２０ａ側を収容するとともに、第１セパレータ２０の燃料ガス通路形成面２０ｂにアノード側電極拡散層１５を重ね合わせる。
次に、振動溶着装置４０（図４（ａ）に示す）に備えたエアシリンダ４６のピストンロッド４８を進出させることにより、昇降部材４５と一緒に下サポート部４９を矢印▲２▼の如く上昇させる。
【００３９】
（ｂ）において、下サポート部４９を加圧位置Ｈ２まで上昇することで、アノード側電極拡散層１５を上サポート部５１のセット凹部５９に収納するとともに、第１セパレータ２０及びアノード側電極拡散層１５に加圧力Ｐをかけることができる。
【００４０】
ここで、加圧力Ｐを、一例として１０〜５０ｋｇｆ／ｃｍ２とした。加圧力Ｐを１０〜５０ｋｇｆ／ｃｍ２とした理由は以下の通りである。
すなわち、加圧力Ｐが１０ｋｇｆ／ｃｍ２未満では、第１セパレータ２０の燃料ガス通路形成面２０ｂとアノード側電極拡散層１５に十分な摩擦熱を発生させることが難しく、第１セパレータ２０及びアノード側電極拡散層１５を溶着させることができない。
そこで、加圧力Ｐを１０ｋｇｆ／ｃｍ２以上に設定して第１セパレータ２０及びアノード側電極拡散層１５を溶着させるようにした。
【００４１】
一方、加圧力Ｐが５０ｋｇｆ／ｃｍ２を超えると、第１セパレータ２０の燃料ガス通路形成面２０ｂとアノード側電極拡散層１５に大きな摩擦熱が発生して燃料ガス通路形成面２０ｂとアノード側電極拡散層１５とが過大に溶けてしまい、第１セパレータ２０の周縁やアノード側電極拡散層１５の周縁からバリが発生する。
【００４２】
このため、第１セパレータ２０の周縁やアノード側電極拡散層１５の周縁に発生したバリを除去する余分な工程が必要になる。そこで、加圧力Ｐを５０ｋｇｆ／ｃｍ２以下に設定して第１セパレータ２０の周縁やアノード側電極拡散層１５の周縁からバリが発生することを防止するようにした。
【００４３】
図６（ａ），（ｂ）は本発明に係る燃料電池用セパレータと電極拡散層との接合方法（第１実施形態）を説明する第３工程図である。
（ａ）において、振動溶着装置４０の左右の固定電磁石部５３，５３及び左右の移動電磁石部５７，５７を通電することにより、スライダ部材５６と一緒に上サポート部５１を矢印▲３▼の如く左右方向に振動する。
【００４４】
なお、このときの振動周波数（周波数）は２４０Ｈｚである。２４０Ｈｚの振動周波数は比較的小物の振動溶着に適している。よって、振動周波数を２４０Ｈｚとすることで、比較的小物の部材である第１セパレータ２０及びアノード側電極拡散層１５を好適に振動溶着することができる。
【００４５】
（ｂ）において、上サポート部５１を矢印▲３▼の如く左右方向に振動することにより、アノード側電極拡散層１５を矢印▲３▼の如く振動させる。これにより、第１セパレータ２０の燃料ガス通路形成面２０ｂとアノード側電極拡散層１５とに摩擦熱を発生させる。
【００４６】
第１セパレータ２０を熱可塑性樹脂で形成したので、第１セパレータ２０の燃料ガス通路形成面２０ｂとアノード側電極拡散層１５とに摩擦熱を発生させることにより、第１セパレータ２０の燃料ガス通路形成面２０ｂとアノード側電極拡散層１５とを溶着することができる。
これにより、第１セパレータ２０の燃料ガス通路形成面２０ｂに形成した燃料ガス通路用溝２４・・・をアノード側電極拡散層１５で塞いで燃料ガス通路２５・・・を形成することができる。
【００４７】
図７は本発明に係る燃料電池用セパレータと電極拡散層との接合方法（第１実施形態）を説明する第４工程図である。
振動溶着装置４０に備えたエアシリンダ４６のピストンロッド４８（図４（ａ）参照）を後退させることにより、昇降部材４５と一緒に下サポート部４９を下降する。
下サポート部４９をセット位置Ｈ１まで下降させて、下サポート部４９を上サポート部５１から離し、振動溶着で一体化された第１セパレータ２０及びアノード側電極拡散層１５を振動溶着装置４０から取り出す。
【００４８】
次に、第２セパレータにカソード側電極拡散層を振動溶着する例を図８〜図９に基づいて説明する。
図８（ａ）、（ｂ）は本発明に係る燃料電池用セパレータと電極拡散層との接合方法（第１実施形態）を説明する第５工程図である。
（ａ）において、一体化した第１セパレータ２０及びアノード側電極拡散層１５（図７参照）を振動溶着装置４０から取り出した後、下サポート部４９と上サポート部５１との間に第２セパレータ３０及びカソード側電極拡散層１６を配置し、これらの部材３０，１６を下サポート部４９のセット凹部５８に向けて矢印▲４▼の如く下降する。
【００４９】
（ｂ）において、下サポート部４９のセット凹部５８に第２セパレータ３０の接合面３０ａ側を収容するとともに、第２セパレータ３０の酸化剤ガス通路形成面３０ｂにカソード側電極拡散層１６を重ね合わせる。
次に、振動溶着装置４０（図４（ａ）に示す）に備えたエアシリンダ４６のピストンロッド４８を進出させることにより、昇降部材４５と一緒に下サポート部４９を矢印▲５▼の如く上昇させる。
【００５０】
図９（ａ）、（ｂ）は本発明に係る燃料電池用セパレータと電極拡散層との接合方法（第１実施形態）を説明する第６工程図である。
（ａ）において、下サポート部４９を加圧位置Ｈ２まで上昇することで、カソード側電極拡散層１６を上サポート部５１のセット凹部５９に収納するとともに、第２セパレータ３０及びカソード側電極拡散層１６に加圧力Ｐをかけることができる。
【００５１】
ここで、加圧力Ｐを、一例として１０〜５０ｋｇｆ／ｃｍ２とした。加圧力Ｐを１０〜５０ｋｇｆ／ｃｍ２とした理由は、図５（ｂ）で説明した通りである。すなわち、加圧力Ｐが１０ｋｇｆ／ｃｍ２未満では、第２セパレータ３０の酸化剤ガス通路形成面３０ｂとカソード側電極拡散層１６に十分な摩擦熱を発生させることが難しく、第２セパレータ３０及びカソード側電極拡散層１６を溶着させることができない。
そこで、加圧力Ｐを１０ｋｇｆ／ｃｍ２以上に設定して第２セパレータ３０及びカソード側電極拡散層１６を溶着させるようにした。
【００５２】
一方、加圧力Ｐが５０ｋｇｆ／ｃｍ２を超えると、第２セパレータ３０の酸化剤ガス通路形成面３０ｂとカソード側電極拡散層１６に大きな摩擦熱が発生して酸化剤ガス通路形成面３０ｂとカソード側電極拡散層１６とが過大に溶けてしまい、第２セパレータ３０の周縁やカソード側電極拡散層１６の周縁からバリが発生する。
【００５３】
このため、第２セパレータ３０の周縁やカソード側電極拡散層１６との周縁に発生したバリを除去する余分な工程が必要になる。そこで、加圧力Ｐを５０ｋｇｆ／ｃｍ２以下に設定して第２セパレータ３０の周縁やカソード側電極拡散層１６の周縁からバリが発生することを防止するようにした。
【００５４】
この状態で、図４（ａ）に示す振動溶着装置４０の左右の固定電磁石部５３，５３及び左右の移動電磁石部５７，５７を通電することにより、スライダ部材５６と一緒に上サポート部５１を矢印▲６▼の如く左右方向に振動する。
【００５５】
このときの、振動周波数（周波数）は２４０Ｈｚである。
振動周波数を２４０Ｈｚとした理由は、図６（ａ）で説明した通りである。
すなわち、２４０Ｈｚの振動周波数は比較的小物の振動溶着に適している。よって、振動周波数を２４０Ｈｚとすることで、比較的小物の部材である第２セパレータ３０及びカソード側電極拡散層１６を好適に振動溶着することができる。
【００５６】
上サポート部５１を矢印▲６▼の如く左右方向に振動することにより、カソード側電極拡散層１６を矢印▲６▼の如く振動させる。これにより、第２セパレータ３０の酸化剤ガス通路形成面３０ｂとカソード側電極拡散層１６とに摩擦熱を発生させる。
【００５７】
ここで、第２セパレータ３０を熱可塑性樹脂で形成したので、第２セパレータ３０の酸化剤ガス通路形成面３０ｂとカソード側電極拡散層１６とに摩擦熱を発生させることにより、第２セパレータ３０の酸化剤ガス通路形成面３０ｂとカソード側電極拡散層１６とを溶着することができる。
これにより、第２セパレータ３０の酸化剤ガス通路形成面３０ｂに形成した酸化剤ガス通路用溝３７・・・をカソード側電極拡散層１６で塞いで酸化剤ガス通路３８・・・を形成することができる。
【００５８】
（ｂ）において、振動溶着装置４０に備えたエアシリンダ４６のピストンロッド４８（図４（ａ）参照）を後退させることにより、昇降部材４５と一緒に下サポート部４９を下降する。
これにより、下サポート部４９をセット位置Ｈ１まで下降させて、下サポート部４９を上サポート部５１から離し、振動溶着で一体化された第２セパレータ３０及びカソード側電極拡散層１６を振動溶着装置４０から取り出す。
【００５９】
次に、第１、第２セパレータを振動溶着する例を図１０〜図１１に基づいて説明する。
図１０（ａ）、（ｂ）は本発明に係る第１実施形態で得たセパレータ同士を溶着する例を示す第１工程図である。
（ａ）において、振動溶着で一体化した第２セパレータ３０及びカソード側電極拡散層１６を振動溶着装置４０から取り出した後、下サポート部４９と上サポート部５１との間に、振動溶着で一体化された第１セパレータ２０及びアノード側電極拡散層１５と、振動溶着で一体化された第２セパレータ３０及びカソード側電極拡散層１６とを配置し、これらの部材を下サポート部４９のセット凹部５８に向けて矢印▲７▼の如く下降する。
【００６０】
（ｂ）において、下サポート部４９のセット凹部５８にカソード側電極拡散層１６を収容するとともに、第２セパレータ３０の接合面３０ａに第１セパレータ２０の冷却水通路形成面２０ａを重ね合わせる。
次に、振動溶着装置４０（図４（ａ）に示す）に備えたエアシリンダ４６のピストンロッド４８を進出させることにより、昇降部材４５と一緒に下サポート部４９を矢印▲８▼の如く上昇させる。
【００６１】
図１１（ａ）、（ｂ）は本発明に係る第１実施形態で得たセパレータ同士を溶着する例を示す第２工程図である。
（ａ）において、下サポート部４９を加圧位置Ｈ２まで上昇することで、アノード側電極拡散層１５を上サポート部５１のセット凹部５９に収納するとともに、第１セパレータ２０の冷却水通路形成面２０ａと第２セパレータ３０の接合面３０ａとの合わせ面に加圧力Ｐをかけることができる。
【００６２】
ここで、加圧力Ｐを、一例として１０〜５０ｋｇｆ／ｃｍ２とした。加圧力Ｐを１０〜５０ｋｇｆ／ｃｍ２とした理由は、図５（ｂ）で説明した通りである。
すなわち、加圧力Ｐが１０ｋｇｆ／ｃｍ２未満では、第１セパレータ２０の冷却水通路形成面２０ａと第２セパレータ３０の接合面３０ａとに十分な摩擦熱を発生させることが難しく、冷却水通路形成面２０ａと接合面３０ａとを溶着させることができない。
そこで、加圧力Ｐを１０ｋｇｆ／ｃｍ２以上に設定して第１セパレータ２０の冷却水通路形成面２０ａと第２セパレータ３０の接合面３０ａとを溶着させるようにした。
【００６３】
一方、加圧力Ｐが５０ｋｇｆ／ｃｍ２を超えると、第１セパレータ２０の冷却水通路形成面２０ａと第２セパレータ３０の接合面３０ａとに大きな摩擦熱が発生して冷却水通路形成面２０ａと接合面３０ａとが過大に溶けてしまい、第１セパレータ２０の周縁や第２セパレータ３０の周縁からバリが発生する。
【００６４】
このため、第１セパレータ２０の周縁や第２セパレータ３０の周縁に発生したバリを除去する余分な工程が必要になる。そこで、加圧力Ｐを５０ｋｇｆ／ｃｍ２以下に設定して第１セパレータ２０の周縁や第２セパレータ３０の周縁からバリが発生することを防止するようにした。
【００６５】
この状態で、図４（ａ）に示す振動溶着装置４０の左右の固定電磁石部５３，５３及び左右の移動電磁石部５７，５７を通電することにより、スライダ部材５６と一緒に上サポート部５１を矢印▲９▼の如く左右方向に振動する。
【００６６】
このときの、振動周波数（周波数）は２４０Ｈｚである。
振動周波数を２４０Ｈｚとした理由は、図６（ａ）で説明した通りである。
すなわち、２４０Ｈｚの振動周波数は比較的小物の振動溶着に適している。よって、振動周波数を２４０Ｈｚとすることで、比較的小物の部材である第１、第２セパレータ２０，３０を好適に振動溶着することができる。
【００６７】
上サポート部５１を矢印▲９▼の如く左右方向に振動することにより、アノード側電極拡散層１５及び第１セパレータ２０を矢印▲９▼の如く振動させる。これにより、第１セパレータ２０の冷却水通路形成面２０ａと第２セパレータ３０の接合面３０ａとに摩擦熱を発生させる。
【００６８】
ここで、第１、第２セパレータ２０，３０を熱可塑性樹脂で形成したので、冷却水通路形成面２０ａと接合面３０ａとに摩擦熱を発生させることにより、第１セパレータ２０の冷却水通路形成面２０ａと第２セパレータ３０の接合面３０ａとを溶着することによりセパレータ１８を形成することができる。
この際、第１セパレータ２０の冷却水通路形成面２０ａに形成した冷却水通路用溝２１を第２セパレータ３０の接合面３０ａで塞いで冷却水通路２２を形成することができる。
【００６９】
（ｂ）において、振動溶着装置４０に備えたエアシリンダ４６のピストンロッド４８（図４（ａ）参照）を後退させることにより、昇降部材４５と一緒に下サポート部４９を下降する。
下サポート部４９をセット位置Ｈ１まで下降させて、下サポート部４９を上サポート部５１から離し、セパレータ１８と、このセパレータ１８に振動溶着で一体化されたアノード側電極拡散層１５及びカソード側電極拡散層１６とを振動溶着装置４０から取り出す。これにより、セパレータ１８の製造工程を完了する。
【００７０】
以上説明したように、第１実施形態の燃料電池用セパレータの製造方法によれば、熱可塑性樹脂の第１セパレータ２０に炭素繊維のアノード側電極拡散層１５を重ね合わせ、このアノード側電極拡散層１５と第１セパレータ２０とに加圧力Ｐをかけ、アノード側電極拡散層１５を振動させて摩擦熱を発生させることにより、第１セパレータ２０にアノード側電極拡散層１５を溶着することができる。
【００７１】
第１セパレータ２０とアノード側電極拡散層１５とを振動溶着で一体化することで、第１セパレータ２０とアノード側電極拡散層１５との間の電気的な接触抵抗を抑えることができる。
また、第１セパレータ２０とアノード側電極拡散層１５とを振動溶着で一体化することで、第１セパレータ２０とアノード側電極拡散層１５とを合わせるために従来必要とされていたシール材を除去することができる。
【００７２】
さらに、第１セパレータ２０とアノード側電極拡散層１５との間からシール剤を除去することで、構成部材を減らすことができる。
加えて、第１セパレータ２０とアノード側電極拡散層１５との間にシール材を組み付ける（一例として、塗布する）組付け工数を減らすことができる。
【００７３】
また、熱可塑性樹脂の第２セパレータ３０に炭素繊維のカソード側電極拡散層１６を重ね合わせ、このカソード側電極拡散層１６と第２セパレータ３０とに加圧力Ｐをかけ、カソード側電極拡散層１６を振動させて摩擦熱を発生させることにより、第２セパレータ３０にカソード側電極拡散層１６を溶着することができる。
【００７４】
第２セパレータ３０とカソード側電極拡散層１６とを振動溶着で一体化することで、第２セパレータ３０とカソード側電極拡散層１６との間の電気的な接触抵抗を抑えることができる。
さらに、第２セパレータ３０とカソード側電極拡散層１６とを振動溶着で一体化することで、第２セパレータ３０とカソード側電極拡散層１６とを合わせるために従来必要とされていたシール材を除去することができる。
【００７５】
また、第２セパレータ３０とカソード側電極拡散層１６との間からシール剤を除去することで、構成部材を減らすことができる。
加えて、第２セパレータ３０とカソード側電極拡散層１６との間にシール材を組み付ける（一例として、塗布する）組付け工数を減らすことができる。
【００７６】
さらに、熱可塑性樹脂の第１、第２セパレータ２０，３０を重ね合わせ、第１、第２セパレータ２０，３０に加圧力Ｐをかけ、第１セパレータ２０を振動させて摩擦熱を発生させることにより、第１、第２セパレータ２０，３０を溶着することができる。
【００７７】
第１、第２セパレータ２０，３０を振動溶着で一体化することで、第１セパレータ２０と第２セパレータ３０との間の電気的な接触抵抗を抑えることができる。
また、第１、第２セパレータ２０，３０を振動溶着で一体化することで、第１、第２セパレータ２０，３０を合わせるために従来必要とされていたシール材を除去することができる。
【００７８】
さらに、第１、第２セパレータ２０，３０間からシール材を除去することで構成部材を減らすことができる。加えて、第１、第２セパレータ２０，３０間にシール材を組み付ける（一例として、塗布する）組付け工数を減らすことができる。
【００７９】
次に、本発明に係る実施形態の方法で得たセパレータの抵抗過電圧について表１、表２に基づいて説明する。
先ず、表１について説明する。
【００８０】
【表１】
2004055271.tif 000003
【００８１】
第１実施例は、図４〜図７の方法で第１セパレータ２０とアノード側電極拡散層１５とを振動溶着で一体化し、さらに図８〜図９の方法で第２セパレータ３０とカソード側電極拡散層１６とを振動溶着で一体化し、第１、第２セパレータ２０，３０間に、通常のシール材を介在させたものである。
【００８２】
第１比較例は、第１セパレータ２０とアノード側電極拡散層１５との間に、通常のセパレータを介在させ、また第２セパレータ３０とカソード側電極拡散層１６との、通常のセパレータを介在させ、さらに第１、第２セパレータ２０，３０間に、通常のシール材を介在させたものである。
【００８３】
第１比較例と第１実施例との抵抗過電圧を以下の条件で測定した。
すなわち、セルモジュールの温度を８０℃に設定し、アノードガス（燃料ガス）として純Ｈ２を供給するとともに、カソードガス（酸化剤ガス）として空気を供給した。
【００８４】
なお、アノード側の燃料ガス温度を８０℃、カソード側の酸化剤ガス温度を８０℃とし、アノード側の燃料ガス圧力を５０ｋＰａ、カソード側の酸化剤ガス圧力を１００ｋＰａとした。この条件下において、電流密度が０．８８３Ａ／ｃｍ２の電流を流した。
【００８５】
この結果、第１実施例の抵抗過電圧を、第１比較例の抵抗過電圧と比較して、１セルモジュール当たり０．０１４Ｖ減らすことができた。
よって、第１実施例のように、第１セパレータ２０及びアノード側電極拡散層１５を振動溶着で一体化し、さらに第２セパレータ３０とカソード側電極拡散層１６とを振動溶着で一体化することにより、抵抗過電圧を減らして燃料電池の出力低下を防ぐことができることが分かる。
【００８６】
次いで、表２について説明する。
【００８７】
【表２】
2004055271.tif 000004
【００８８】
第２実施例は、図４〜図７の方法で第１セパレータ２０とアノード側電極拡散層１５とを振動溶着で一体化し、また図８〜図９の方法で第２セパレータ３０とカソード側電極拡散層１６とを振動溶着で一体化し、さらに図１０〜図１１の方法で第１セパレータ２０と第２セパレータ３０とを振動溶着で一体化したものである。
【００８９】
第１比較例は、表１で説明したように、第１セパレータ２０とアノード側電極拡散層１５との間に、通常のセパレータを介在させ、また第２セパレータ３０とカソード側電極拡散層１６との、通常のセパレータを介在させ、さらに第１、第２セパレータ２０，３０間に、通常のシール材を介在させたものである。
【００９０】
第１比較例と第２実施例との抵抗過電圧を以下の条件で測定した。
すなわち、セルモジュールの温度を８０℃に設定し、アノードガス（燃料ガス）として純Ｈ２を供給するとともに、カソードガス（酸化剤ガス）として空気を供給した。
【００９１】
なお、アノード側の燃料ガス温度を８０℃、カソード側の酸化剤ガス温度を８０℃とし、アノード側の燃料ガス圧力を５０ｋＰａ、カソード側の酸化剤ガス圧力を１００ｋＰａとした。この条件下において、電流密度が０．８８３Ａ／ｃｍ２の電流を流した。
【００９２】
この結果、第２実施例の抵抗過電圧を、第１比較例の抵抗過電圧と比較して、１セルモジュール当たり０．０４１Ｖ減らすことができた。
よって、第２実施例のように、第１セパレータ２０とアノード側電極拡散層１５とを振動溶着で一体化し、また第２セパレータ３０とカソード側電極拡散層１６とを振動溶着で一体化し、さらに第１セパレータ２０と第２セパレータ３０とを振動溶着で一体化することにより、抵抗過電圧を減らして燃料電池の出力低下を防ぐことができることが分かる。
【００９３】
次に、第２実施形態について説明する。
第１実施形態では、第１セパレータ２０とアノード側電極拡散層１５とを振動溶着装置４０を使用して溶着し、また第２セパレータ３０とカソード側電極拡散層１６とを振動溶着装置４０を使用して溶着し、さらに第１、第２セパレータ２０，３０を振動溶着装置４０を使用して溶着した例について説明したが、これに限らないで、例えば超音波溶着で溶着しても同様の効果を得ることができる。
ここで、超音波溶着とは、超音波振動子で発生した振動エネルギーを利用して、溶着することをいう。
【００９４】
第２実施形態の超音波溶着によれば、第１セパレータ２０とアノード側電極拡散層１５とを重ね合わせた後に第１セパレータ２０とアノード側電極拡散層１５とに加圧力をかけ、この状態で、超音波振動子で発生した振動エネルギーをホーンを介して第１セパレータ２０及びアノード側電極拡散層１５に与えて、第１セパレータ２０及びアノード側電極拡散層１５の重ね合わせ面に摩擦熱を発生させることにより、第１セパレータ２０及びアノード側電極拡散層１５を溶着することができる。
【００９５】
また、第２実施形態の超音波溶着によれば、第２セパレータ３０とカソード側電極拡散層１６とを重ね合わせた後に第２セパレータ３０とカソード側電極拡散層１６とに加圧力をかけ、この状態で、超音波振動子で発生した振動エネルギーをホーンを介して第２セパレータ３０及びカソード側電極拡散層１６に与えて、第２セパレータ３０及びカソード側電極拡散層１６の重ね合わせ面に摩擦熱を発生させることにより、第２セパレータ３０及びカソード側電極拡散層１６を溶着することができる。
【００９６】
さらに、第２実施形態の超音波溶着によれば、第１、第２セパレータ２０，３０を重ね合わせた後に第１、第２セパレータ２０，３０に加圧力をかけ、この状態で、超音波振動子で発生した振動エネルギーをホーンを介して第１、第２セパレータ２０，３０に与えて、第１、第２セパレータ２０，３０の重ね合わせ面に摩擦熱を発生させることにより、第１、第２セパレータ２０，３０を溶着することができる。
【００９７】
なお、前記第１、第２実施形態では、電解質膜１２として固体高分子電解質を使用した固体高分子型燃料電池１０について説明したが、これに限らないで、その他の燃料電池に適用することも可能である。
【００９８】
また、前記第１、第２実施形態では、第１セパレータ２０にアノード側電極拡散層１５を溶着する際に、アノード側電極拡散層１５を振動させる例について説明したが、アノード側電極拡散層１５に代えて第１セパレータ２０を振動させても同様の効果を得ることができる。
【００９９】
さらに、前記第１、第２実施形態では、第２セパレータ３０にカソード側電極拡散層１６を溶着する際に、カソード側電極拡散層１６を振動させる例について説明したが、カソード側電極拡散層１６に代えて第２セパレータ３０を振動させても同様の効果を得ることができる。
【０１００】
加えて、前記第１、第２実施形態では、第１、第２セパレータ２０，３０を溶着する際に、第１セパレータ２０を振動させる例について説明したが、第１セパレータ２０に代えて第２セパレータ３０を振動させても同様の効果を得ることができる。
【０１０１】
また、前記第１、第２実施形態では、第１セパレータ２０に冷却水通路用溝２１を形成し、第２セパレータ３０の接合面３０ａを平坦面とした例について説明したが、第１セパレータ２０を平坦面として第２セパレータ３０に冷却水通路用溝を形成することも可能である。
加えて、第１、第２セパレータ２０，３０のそれぞれに冷却水通路用溝を形成し、第１、第２セパレータ２０，３０を振動用着することにより、それぞれに冷却水通路用溝で冷却水通路を形成することも可能である。
【０１０２】
【発明の効果】
本発明は上記構成により次の効果を発揮する。
請求項１は、熱可塑性樹脂のセパレータと電極拡散層とを摩擦熱で溶着して一体化することで、セパレータと電極拡散層との間の電気的な接触抵抗を抑えることができる。
また、熱可塑性樹脂のセパレータと電極拡散層とを一体化することで、セパレータと電極拡散層とを合わせるために従来必要とされていたシール材を除去することができる。セパレータと電極拡散層との間からシール剤を除去することで、構成部材を減らすことができる。
加えて、セパレータと電極拡散層との間にシール材を組み付ける（一例として、塗布する）組付け工数を減らすことができる。
このように、構成部材を減らすとともに組付け工数を減らすことで、セパレータのコストを抑えることができる。
【０１０３】
請求項２は、加圧力を１０〜５０ｋｇｆ／ｃｍ２とし、振動の周波数を２４０Ｈｚとした。加圧力を１０ｋｇｆ／ｃｍ２以上に設定することで、第１、第２セパレータを溶着させることができる。
また、加圧力を５０ｋｇｆ／ｃｍ２以下に設定することで、第１、第２セパレータが過大に溶けることを防止することができる。これにより、第１、第２セパレータの周縁からバリが発生することを防止して、バリの除去作業を除去することができるので、生産性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池用セパレータと電極拡散層との接合方法（第１実施形態）で接合した燃料電池の分解斜視図
【図２】図１の２−２線断面図
【図３】本発明に係る燃料電池用セパレータと電極拡散層との接合方法（第１実施形態）を実施する振動溶着装置を示す断面図
【図４】本発明に係る燃料電池用セパレータと電極拡散層との接合方法（第１実施形態）を説明する第１工程図
【図５】本発明に係る燃料電池用セパレータと電極拡散層との接合方法（第１実施形態）を説明する第２工程図
【図６】本発明に係る燃料電池用セパレータと電極拡散層との接合方法（第１実施形態）を説明する第３工程図
【図７】本発明に係る燃料電池用セパレータと電極拡散層との接合方法（第１実施形態）を説明する第４工程図
【図８】本発明に係る燃料電池用セパレータと電極拡散層との接合方法（第１実施形態）を説明する第５工程図
【図９】本発明に係る燃料電池用セパレータと電極拡散層との接合方法（第１実施形態）を説明する第６工程図
【図１０】本発明に係る第１実施形態で得たセパレータ同士を溶着する例を示す第１工程図
【図１１】本発明に係る第１実施形態で得たセパレータ同士を溶着する例を示す第２工程図
【図１２】従来の燃料電池を示す分解斜視図
【符号の説明】
１０…燃料電池、１５…アノード側電極拡散層（電極拡散層）、１６…カソード側電極拡散層（電極拡散層）、１８…セパレータ、２０…第１セパレータ（セパレータ）、３０…第２セパレータ（セパレータ）、Ｐ…加圧力。
【図１】
2004055271.tif 000005
【図２】
2004055271.tif 000006
【図３】
2004055271.tif 000007
【図４】
2004055271.tif 000008
【図５】
2004055271.tif 000009
【図６】
2004055271.tif 000010
【図７】
2004055271.tif 000011
【図８】
2004055271.tif 000012
【図９】
2004055271.tif 000013
【図１０】
2004055271.tif 000014
【図１１】
2004055271.tif 000015
【図１２】
2004055271.tif 000016