(57)【要約】【課題】拡散層セパレータ接合体を小型・軽量にするとともに、導電性を向上する。【解決手段】拡散層セパレータ接合体７は、燃料あるいは酸化剤を拡散させて単位セル１の電極に供給する拡散層３（４）と、拡散層３（４）に隣接して設置され前記燃料および前記酸化剤を分離する金属製のセパレータ５（６）と、を備え、拡散層３（４）とセパレータ５（６）がレーザー溶接により一体化されている。【選択図】　　図１
2004139829.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料あるいは酸化剤を拡散させて燃料電池の電極に供給する金属製の拡散層と、
前記拡散層に隣接して設置され前記燃料および前記酸化剤を分離する金属製のセパレータと、を備え、
前記拡散層と前記セパレータがレーザー溶接により一体化されていることを特徴とする拡散層セパレータ接合体。
【請求項２】
請求項１に記載の拡散層セパレータ接合体における前記拡散層と前記セパレータとをレーザー溶接する際には、前記セパレータ側から前記拡散層側に向けてレーザーを照射することを特徴とする拡散層セパレータ接合体の製造方法。
【請求項３】
電解質の両側に配置された電極の一方に燃料が供給され他方に酸化剤が供給されて発電を行う燃料電池であって、
前記各電極に隣接して設置され前記燃料あるいは前記酸化剤を拡散させて前記各電極に導く金属製の拡散層と、
前記各拡散層に隣接して設置され前記燃料および酸化剤を分離する金属製のセパレータと、を備えた燃料電池において、
隣接して配置された前記拡散層と前記セパレータがレーザー溶接により一体化されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池を複数積層して構成されたことを特徴とする燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、金属製拡散層と金属製セパレータからなる拡散層セパレータ接合体とその製造方法、および、この拡散層セパレータ接合体を備えた燃料電池、燃料電池スタックに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池には、例えば固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟み込み、さらに各電極の外側に金属製の拡散層を設け、さらに各拡散層の外側に金属製のセパレータを設けて単位燃料電池（単位セル）を構成したものがある。この種の燃料電池は、実際の使用に際しては、前記単位セルを複数積層して燃料電池スタック（以下、単にスタックという）とする場合が多い。
【０００３】
ところで、拡散層は機械的強度が弱く、単体では取り扱いにくい。また、単位セルおよびスタックを組み立てる場合に、前記拡散層と前記セパレータとを別体に取り扱うと、取り扱い部品点数が多くなって組み立て性が悪くなり、組み立ての際の管理項目も増えて煩雑である。
そこで、これらの不具合を解消するため、拡散層とセパレータを接合して一体化することが考えられている。例えば、拡散層とセパレータを接着剤で接着して一体化したり、クリップで挟んで一体化するなどが考えられている。
【０００４】
さらに、その後の工程においては、固体高分子電解質膜の両側に配置したアノード側セパレータとカソード側セパレータの端部同士をレーザー溶接で接合して単位セルを一体化する場合もある（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平８−２５５６１６号公報（段落番号［０００９］［００１０］）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、拡散層とセパレータを接着剤で接着して一体化する場合には、接着剤の塗布工程と接着剤を硬化させる接着剤硬化工程が必要で製造工程が多くなり、しかも、接着剤硬化工程では高温もしくは常温で数時間焼成する必要があり、生産性が悪い。
また、拡散層とセパレータをクリップで挟持して一体化する場合には、拡散層とセパレータの界面に発生する接触抵抗が発電時の抵抗過電圧の多くを占めるようになり、抵抗過電圧を低減するには面圧を上げなければならない。しかしながら、面圧を上げるためには単位セルおよびスタックの構造を剛体化しなければならなくなって、単位セルおよびスタックの大型化および重量化を招く。
【０００７】
そこで、この発明は、小型・軽量で、導電性に優れた拡散層セパレータ接合体とその製造方法、および、発電性能の高い燃料電池および燃料電池スタックを提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、燃料あるいは酸化剤を拡散させて燃料電池（例えば、後述する実施の形態における単位セル１）の電極に供給する金属製の拡散層（例えば、後述する実施の形態における拡散層３，４）と、前記拡散層に隣接して設置され前記燃料および前記酸化剤を分離する金属製のセパレータ（例えば、後述する実施の形態におけるセパレータ５，６）と、を備え、前記拡散層と前記セパレータがレーザー溶接により一体化されていることを特徴とする拡散層セパレータ接合体（例えば、後述する実施の形態における拡散層セパレータ接合体７）である。
このように構成することにより、拡散層とセパレータが一体化されて取り扱い易くなる。また、拡散層とセパレータがレーザー溶接により接合されているので、接合部の導電性が極めて高く、拡散層とセパレータ間の抵抗を小さくすることができる。さらに、面圧をかけずに抵抗を小さくすることができるので、拡散層セパレータ接合体を剛構造にする必要がない。
【０００９】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の拡散層セパレータ接合体における前記拡散層と前記セパレータとをレーザー溶接する際には、前記セパレータ側から前記拡散層側に向けてレーザーを照射することを特徴とする拡散層セパレータ接合体の製造方法である。
このように構成することにより、拡散層のガス拡散性能に悪影響を及ぼすことなく拡散層とセパレータをレーザー溶接で一体化することができる。また、レーザー溶接を採用したことで、拡散層セパレータ接合体の製造時間の短縮と連続生産が可能になる。
【００１０】
請求項３に係る発明は、電解質の両側に配置された電極の一方に燃料が供給され他方に酸化剤が供給されて発電を行う燃料電池であって、前記各電極に隣接して設置され前記燃料あるいは前記酸化剤を拡散させて前記各電極に導く金属製の拡散層（例えば、後述する実施の形態における拡散層３，４）と、前記各拡散層に隣接して設置され前記燃料および酸化剤を分離する金属製のセパレータ（例えば、後述する実施の形態におけるセパレータ５，６）と、を備えた燃料電池において、隣接して配置された前記拡散層と前記セパレータがレーザー溶接により一体化されていることを特徴とする燃料電池（例えば、後述する実施の形態における単位セル１）である。
このように構成することにより、拡散層とセパレータがレーザー溶接により接合されているので、接合部の導電性が極めて高く、拡散層とセパレータ間の抵抗を小さくすることができる。さらに、拡散層とセパレータの接合部に面圧をかけずに抵抗を小さくすることができるので、燃料電池を剛構造にする必要がない。また、拡散層とセパレータの接合にレーザー溶接を採用したことで、燃料電池の製造時間を短縮することができる。
【００１１】
請求項４に係る発明は、請求項３に記載の燃料電池を複数積層して構成されたことを特徴とする燃料電池スタック（例えば、後述する実施の形態におけるスタックＳ）である。
このように構成することにより、燃料電池スタックの高性能化および小型・軽量化を図ることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る拡散層セパレータ接合体およびその製造方法と、拡散層セパレータ接合体を備えた燃料電池および燃料電池スタックの一実施の形態を図１から図４の図面を参照して説明する。
図１は、燃料電池スタック（以下、スタックと略す）Ｓの縦断面図である。スタックＳは単位燃料電池（以下、単位セルという）１を多数積層して構成されている。
【００１３】
単位セル１は、固体高分子電解質膜の両側にアノード電極とカソード電極とを備えた膜電極接合体２と、膜電極接合体２の両側に配置されたアノード側拡散層３およびカソード側拡散層４と、アノード側拡散層３の外側に配置されたアノード側セパレータ５と、カソード側拡散層４の外側に配置されたカソード側セパレータ６と、から構成されている。
ここで、アノード側拡散層３とアノード側セパレータ５、および、カソード側拡散層４とカソード側セパレータ６はそれぞれ、予めレーザー溶接により接合され一体化されて拡散層セパレータ接合体７とされており、両拡散層セパレータ接合体７，７の間に膜電極接合体２が挟装されて単位セル１が組み立てられている。
【００１４】
アノード側拡散層３とカソード側拡散層４は、金属製（例えば、ステンレス、ハステロイ、インコネル、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｔｉなど）の多孔質体からなり、後述する燃料流路８、酸化剤流路９から供給される燃料ガスや酸化剤ガスを拡散して、膜電極接合体２のアノード電極あるいはカソード電極の全面に均一に供給する。
アノード側セパレータ５およびカソード側セパレータ６はいずれも金属製（例えば、ステンレス、ハステロイ、インコネル、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｔｉなど）で、金属板をプレス成形することにより平坦な山部と谷部が交互に連続する断面波形に形成されている。
そして、各セパレータ５，６の谷部外面がそれぞれ対応する拡散層３，４の表面に面接触し、この面接触部分においてレーザー溶接により接合されている。
【００１５】
アノード側の拡散層セパレータ接合体７におけるアノード側拡散層３とアノード側セパレータ５の間には燃料流路８が形成され、カソード側の拡散層セパレータ接合体７におけるカソード側拡散層４とカソード側セパレータ６の間には酸化剤流路９が形成されている。そして、燃料流路８に供給された燃料（例えば水素ガス）はアノード側拡散層３を流通し拡散されて膜電極接合体２のアノード電極に供給され、酸化剤流路９に供給された酸化剤（例えば酸素を含む空気）はカソード側拡散層４を流通し拡散されて膜電極接合体２のカソード電極に供給される。そして、アノード電極で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を透過してカソード電極まで移動し、カソード電極で酸素と電気化学反応を起こして発電する。
また、隣接する一対の単位セル１，１において互いに当接配置されるアノード側セパレータ５とカソード側セパレータ６との間には、冷却液流路１０が形成されており、冷却液流路１０を流れる冷却液によって単位セル１は冷却される。
【００１６】
次に、アノード側拡散層３とアノード側セパレータ５の溶接方法について、図２に示す溶接部の拡大図を参照して説明する。
一方の面にガス拡散性と導電性を上げるためのＣＴ層と接着剤としてのＣＮＶ層（いずれも図示を省略）が塗布されたアノード側拡散層３を用意し、このアノード側拡散層３においてＣＴ層およびＣＮＶ層が塗布されていない面の上にアノード側セパレータ５を載置する。そして、アノード側拡散層３とアノード側セパレータ５が面接触する部位において、アノード側セパレータ５の上方から図示しないレーザー照射装置によりアノード側セパレータ５にレーザービームを照射し、アノード側セパレータ５を局部的に溶融させる。このレーザーの照射による金属の溶融は、アノード側拡散層３の拡散性を保持するために、アノード側セパレータ５だけに留めるのが好ましい。
【００１７】
このようにすると、アノード側セパレータ５を局部的に溶融させて生じた溶融金属５ａの一部が、多孔質体からなるアノード側拡散層３に染み込んでいく。その後、レーザーの照射を停止して自然冷却することにより、アノード側セパレータ５に留まった溶融金属とアノード側拡散層３に染み込んだ溶融金属を固化させる。これにより、アノード側拡散層３とアノード側セパレータ５がスポット的に接合される。このスポット溶接部を、アノード側拡散層３とアノード側セパレータ５が面接触する部位に多数分散して設けることにより、アノード側拡散層３とアノード側セパレータ５は一体化される。なお、この実施の形態では生産性を上げるためにスポット溶接としたが、これに限るものではなく、シーム溶接にしてもよい。シーム溶接にすると接触面積を大きくすることができる。
カソード側拡散層４とカソード側セパレータ６の溶接も同様な方法で行う。
【００１８】
そして、このようにして製造されたアノード側の拡散層セパレータ接合体７とカソード側の拡散層セパレータ接合体７で膜電極接合体２を挟み込み、ホットプレスなどにより一体化することにより、単位セル１が製造される。
【００１９】
このように拡散層３，４とセパレータ５，６をレーザー溶接により一体化して拡散層セパレータ接合体７にすると、取り扱い易くなり、単位セル１あるいはスタックＳの組み立て等における作業性が向上する。
また、拡散層３，４とセパレータ５，６がレーザー溶接により接合されているので、接合部の導電性が極めて高く、拡散層３，４とセパレータ５，６間の抵抗を小さくすることができる。その結果、単位セル１およびスタックＳの性能が向上する。
さらに、面圧をかけずに抵抗を小さくすることができるので、拡散層セパレータ接合体７を剛構造にする必要がなく、拡散層セパレータ接合体７の小型・軽量化を図ることができる。これにより、単位セル１およびスタックＳも剛構造にする必要がなく、単位セル１およびスタックＳの小型・軽量化を図ることができる。
【００２０】
また、レーザー溶接を採用したことで、拡散層セパレータ接合体の製造時間の短縮と連続生産が可能になる。さらに、拡散層セパレータ接合体７の取り扱い易さも相俟って、単位セル１およびスタックＳの生産性が向上する。
また、この実施の形態では、セパレータ５，６側からレーザーを照射し、セパレータ５，６だけを溶融させ、拡散層３，４を溶融させないようにしているので、溶接により拡散層３，４の拡散性が損なわれることがない。したがって、拡散層３，４は良好な拡散性が確保される。
【００２１】
なお、この発明における拡散層セパレータ接合体７の製造に使用可能なレーザーとしては、ＹＡＧレーザーが微小溶接に好適であり、そのほか、気体（Ｈｅ−Ｎｅ、Ａｒ＋　、ＣＯ２）レーザー、固体（ルビー、ガラス）レーザー、液体（有機、色素）レーザー、半導体（ＧａＡｓ）レーザー等を用いることも可能である。
また、レーザー溶接に代えて、電子ビーム溶接やＴＩＧ溶接を用いることも可能である。
【００２２】
また、上述した実施の形態では、拡散層とセパレータをレーザー溶接する際に、セパレータ側からレーザーを照射したが、図３に示すように、拡散層側からレーザーを照射して拡散層を局部的に溶融し、この拡散層の溶融金属により拡散層とセパレータを溶接することも可能である。なお、図３は、アノード側拡散層３の溶融金属３ａでアノード側拡散層３とアノード側セパレータ５を溶接した場合における溶接部位の拡大図である。
【００２３】
また、上述した実施の形態では、断面波形のセパレータ５，６を用い、拡散層３，４とセパレータ５，６の間に形成された溝を燃料流路８あるいは酸化剤流路９としたが、拡散層３，４の内部に流路隔壁を設けて拡散層３，４の内部に燃料流路あるいは酸化剤流路が形成された拡散層３，４を用いる場合には、図４に示すように、セパレータ５，６は平板状のものを使用することができる。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明するように、請求項１に係る拡散層セパレータ接合体の発明によれば、拡散層とセパレータが一体化されて取り扱い易くなり、燃料電池および燃料電池スタックの組み立て等における作業性が向上する。
また、拡散層とセパレータがレーザー溶接により接合されているので、接合部の導電性が極めて高く、拡散層とセパレータ間の抵抗を小さくすることができる。
さらに、面圧をかけずに抵抗を小さくすることができるので、拡散層セパレータ接合体を剛構造にする必要がなく、その結果、拡散層セパレータ接合体の小型・軽量化を図ることができる。
【００２５】
請求項２に係る拡散層セパレータ接合体の製造方法の発明によれば、拡散層のガス拡散性能に悪影響を及ぼすことなく拡散層とセパレータをレーザー溶接で一体化することができるので、ガス拡散性に優れた拡散層セパレータ接合体を容易に製造することができる。
また、レーザー溶接を採用したことで、拡散層セパレータ接合体の製造時間の短縮と連続生産が可能になり、生産性が向上する。
【００２６】
請求項３に係る発明によれば、拡散層とセパレータがレーザー溶接により接合されているので、接合部の導電性が極めて高く、拡散層とセパレータ間の抵抗を小さくすることができ、その結果、燃料電池の性能を向上することができる。さらに、拡散層とセパレータの接合部に面圧をかけずに抵抗を小さくすることができるので、燃料電池を剛構造にする必要がなく、燃料電池の小型・軽量化を図ることができる。さらに、拡散層とセパレータの接合にレーザー溶接を採用したことで、燃料電池の製造時間を短縮することができ、生産性が向上する。
【００２７】
請求項４に係る発明によれば、燃料電池スタックの高性能化および小型・軽量化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る第１の実施の形態の拡散層セパレータ接合体を備えた燃料電池スタックの断面図である。
【図２】この発明に係る拡散層セパレータ接合体の製造方法を説明するための溶接部の拡大断面図である。
【図３】この発明に係る拡散層セパレータ接合体の製造方法を説明するための溶接部の拡大断面図である。
【図４】この発明に係る第２の実施の形態の拡散層セパレータ接合体を備えた単位燃料電池の断面図である。
【符号の説明】
１　単位セル（燃料電池）
３　アノード側拡散層
４　カソード側拡散層
５　アノード側セパレータ
６　カソード側セパレータ
７　拡散層セパレータ接合体
Ｓ　燃料電池スタック
【図１】
2004139829.tif 000003
【図２】
2004139829.tif 000004
【図３】
2004139829.tif 000005
【図４】
2004139829.tif 000006