(57)【要約】【課題】本発明は、２枚のセパレータを接合して一体化される燃料電池セパレータにおいて、良好な接合強度およびシール性を有する燃料電池セパレータを提供することを課題とする。【解決手段】燃料ガスの流路を形成する第１のセパレータと、酸化剤ガスの流路を形成する第２のセパレータの外縁部を溶接により接合して、燃料電池セパレータを構成する。この際に例えば、第１のセパレータおよび／または第２のセパレータの端部に封止材（高耐食性材料もしくは樹脂）を設置してから、両セパレータを外縁部で溶接する。この方法では、溶接時に生じる熱により、第１のセパレータと第２のセパレータの端部が封止材で密封される。従って両セパレータは、外縁部で接合される上、さらに端部で接着、封止されるため、接合強度および冷却媒体等のシール性の良好な燃料電池セパレータを得ることができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体流路を有する第１面部とその反対側の第２面部とを有する第１のセパレータと、流体流路を有する第３面部とその反対側の第４面部とを有する第２のセパレータとを、第２面部と第４面部を対向させて接合することにより構成される燃料電池用セパレータであって、
第１のセパレータと第２のセパレータは、それぞれの外縁部を溶接して、接合されることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
第１のセパレータと第２のセパレータは、それぞれの外縁部の全周を溶接して、接合されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
溶接による接合部よりも外側の領域に、第１のセパレータと第２のセパレータの間の隙間を埋める封止材が設置されることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池セパレータ。
【請求項４】
前記封止材は、第１のセパレータと第２のセパレータの外縁部の全周にわたり、前記溶接による接合部と隣接した領域であって、接合部よりも外側の領域に設置されることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池セパレータ。
【請求項５】
前記封止材は、高耐食性材料または樹脂で形成されることを特徴とする請求項３または４に記載の燃料電池セパレータ。
【請求項６】
第１および第２のセパレータは、金属製であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一つに記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項７】
流体流路を有する第１面部とその反対側の第２面部とを有する第１のセパレータと、流体流路を有する第３面部とその反対側の第４面部とを有する第２のセパレータとを、第２面部と第４面部を対向させて接合することにより構成される燃料電池用セパレータの製造方法であって、
第１のセパレータと第２のセパレータを外縁部で溶接するステップと、
溶接される接合部よりも外側の領域に封止材を設置するステップと、
を有することを特徴とする、燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項８】
第１のセパレータと第２のセパレータは、それぞれの外縁部の全周を溶接して、接合されることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項９】
前記第１のセパレータと第２のセパレータを外縁部で溶接するステップにおいて、一対の溶接用電極を、第１のセパレータと第２のセパレータから遠ざかる方向に、燃料電池セパレータの積層方向に対して傾けて、溶接が行われることを特徴とする請求項７または８に記載の燃料電池セパレータの製造方法。
【請求項１０】
流体流路を有する第１面部とその反対側の第２面部とを有する第１のセパレータと、流体流路を有する第３面部とその反対側の第４面部とを有する第２のセパレータとを、第２面部と第４面部を対向させて接合することにより構成される燃料電池用セパレータの製造方法であって、
第１のセパレータと第２のセパレータを接合する際に、外縁部近傍の両セパレータ間に封止材を配置するステップと、
外縁部を溶接するとともに、溶接によって発生する熱により、封止材を溶融させて固定化させるステップと、
を有することを特徴とする燃料電池セパレータの製造方法。
【請求項１１】
前記封止材は、高耐食性材料または樹脂で形成されることを特徴とする請求項７乃至１０のいずれか一つに記載の燃料電池セパレータの製造方法。
【請求項１２】
第１および第２のセパレータは、金属製であることを特徴とする請求項７乃至１１のいずれか一つに記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池セパレータおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子電解質型燃料電池は、イオン交換膜からなる電解質膜と、この電解質膜の一面に配置されたアノード電極および電解質膜の他面に配置されたカソード電極とからなる膜／電極組立体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、両電極にそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するための流路が形成されたセパレータとで構成され、通常はこれらのモジュールを複数層重ねてセル積層体として利用される。
【０００３】
ところで燃料電池内には各種流体（燃料ガス、酸化剤ガス、冷却媒体）を導入する必要があり、これらの流体を分離した状態でスタック内に確実に供給させると同時に、これらの流体がスタック内から外部にリークすることを防ぐ必要がある。そのため通常は、カソード側セパレータ−ＭＥＡ−アノード側セパレータ−シール材−の順に繰り返し積層させ、各流路の周囲にシール材を配置している。この場合、カソード側セパレータとアノード側セパレータ間に冷却媒体の流路が形成され、この２枚のセパレータ間にもシール材が配置されている。
【０００４】
さらに、構成部品数を削減して、スタックの組み立て効率を向上させるため、燃料ガスの流路を形成するメタルセパレータと、酸化剤ガスの流路を形成するメタルセパレータとを接合させて一体形成したセパレータが用いられる場合もある。このような一体化セパレータの場合、２枚のメタルセパレータの接合状態によっては、外部に流体がリークする可能性があるため、両者の接合流路部全体をロウ付けして、セパレータ同士を確実に接合させる方法が示されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−３０５００５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の方法では、燃料ガス流路用メタルセパレータと酸化剤ガス流路用メタルセパレータの接合面に予めロウ材を設置しておき、高温処理によって両者を接合するため、良好な接合強度が得られる。しかしながらこの方法では、ロウ材を燃料ガス流路用メタルセパレータと酸化剤ガス流路用メタルセパレータの接合面全領域に設置し、さらに１０００℃の高温炉で熱処理を行うことにより２枚のセパレータを接合させるため、コストおよび作業効率の面で問題がある。また係る方法ではセパレータ外端部についてはいかなる対処もされないが、この箇所は母材が露出した状態となるため、加湿されたガスからの凝集水分や、反応によって得られた水分あるいは冷却水等によって腐食が生じるという問題があった。
【０００６】
本発明はこのような課題に鑑みなされたものであり、２枚のセパレータを接合して一体形成される燃料電池セパレータにおいて、良好な接合強度およびシール性を有し、さらに外端部の耐食性が良好な燃料電池セパレータを提供することを目的とする。またこのような燃料電池セパレータを効率的に製作する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するため、本発明では、流体流路を有する第１面部とその反対側の第２面部とを有する第１のセパレータと、流体流路を有する第３面部とその反対側の第４面部とを有する第２のセパレータとを、第２面部と第４面部を対向させて接合することにより構成される燃料電池用セパレータであって、第１のセパレータと第２のセパレータは、それぞれの外縁部を溶接して、接合されることを特徴とする燃料電池セパレータが提供される。
【０００８】
本発明の燃料電池セパレータでは、第１のセパレータと第２のセパレータが外縁部で溶接されているため、接合強度の良好な一体化セパレータが提供される。
【０００９】
ここで、第１のセパレータと第２のセパレータは、それぞれの外縁部の全周を溶接して、接合されることが好ましい。これにより、さらに接合強度の良好な一体化セパレータが提供される。
【００１０】
本発明の燃料電池セパレータにおいては、溶接による接合部よりも外側の領域に、第１のセパレータと第２のセパレータの間の隙間を埋める封止材を設置することも可能である。また封止材は、第１のセパレータと第２のセパレータの外縁部の全周にわたり、前記溶接による接合部と隣接した領域であって、接合部よりも外側の領域に設置しても良い。このような封止材は、例えば高耐食性材料または樹脂で形成することができる。第１および第２のセパレータの端部の隙間を封止することにより、燃料電池セパレータのシール性が向上する。またセパレータ端部は、高耐食性材料または樹脂で被覆されるため、セパレータの耐食性を向上させることが可能となる。
【００１１】
さらに本発明では、流体流路を有する第１面部とその反対側の第２面部とを有する第１のセパレータと、流体流路を有する第３面部とその反対側の第４面部とを有する第２のセパレータとを、第２面部と第４面部を対向させて接合することにより構成される燃料電池用セパレータの製造方法であって、第１のセパレータと第２のセパレータを外縁部で溶接するステップと、溶接される接合部よりも外側の領域に封止材を設置するステップと、を有することを特徴とする、燃料電池セパレータの製造方法が提供される。
【００１２】
本発明の製造方法では、第１のセパレータと第２のセパレータが外縁部で溶接されるため、接合強度の良好な一体化セパレータが提供される。
【００１３】
ここで、第１のセパレータと第２のセパレータは、それぞれの外縁部の全周を溶接して、接合されることが好ましい。これにより、さらに接合強度の良好な一体化セパレータが提供される。
【００１４】
また、前記第１のセパレータと第２のセパレータを外縁部で溶接するステップにおいて、一対の溶接用電極を、第１のセパレータと第２のセパレータから遠ざかる方向に、燃料電池セパレータの積層方向に対して傾けて、溶接を行っても良い。これによりセパレータ端部の接合および封止をより確実に行うことが可能となる。
【００１５】
さらに本発明では、流体流路を有する第１面部とその反対側の第２面部とを有する第１のセパレータと、流体流路を有する第３面部とその反対側の第４面部とを有する第２のセパレータとを、第２面部と第４面部を対向させて接合することにより構成される燃料電池用セパレータの製造方法であって、第１のセパレータと第２のセパレータを接合する際に、外縁部近傍の両セパレータ間に封止材を配置するステップと、外縁部を溶接するとともに、溶接によって発生する熱により、封止材を溶融させて固定化させるステップと、を有することを特徴とする燃料電池セパレータの製造方法が提供される。なお、熱の他に圧力を加えることが好ましい。
【００１６】
本発明の方法では、外縁部の溶接ステップのみで、第１および第２のセパレータの接合と端部の封止を一度に行うことができ、接合強度およびシール性の良好な燃料電池セパレータを効率的に製作することができる。
【００１７】
本発明の燃料電池セパレータの製造方法において、封止材は、高耐食性材料または樹脂で形成されても良い。
【００１８】
なお第１および第２のセパレータは、金属製であっても良い。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の燃料電池セパレータでは、第１のセパレータと第２のセパレータが外縁部で接合されるため、良好な接合強度が得られる。また２枚のセパレータの端部を封止することにより、流体のリークをより効果的に抑止することができる。またセパレータ端部にセパレータ母材が露出されないため、セパレータの耐食性を向上させることができる。
【００２０】
また本発明の方法により、このような燃料電池セパレータを効率的に製作することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下図面により本発明の形態を説明する。
【００２２】
図１（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）には、それぞれ本発明の燃料電池セパレータに用いる第１のセパレータ（以降、第１のメタルセパレータという）１０Ａの表面図、裏面図およびＡ−Ａ断面図を示す。第１のメタルセパレータ１０Ａは、厚さが約０．２ｍｍ程度のステンレス鋼の薄板からなり、図１（Ａ）に示すようにその表面１１には複数の流路２０が形成されている。また第１のメタルセパレータ１０Ａのこの流路１２方向に沿ったひとつの端部には開口２２ａ、２２ｂ、２２ｃが形成され（以下「入口マニホールド」と称する）、対向する反対側の端部には開口２４ａ、２４ｂ、２４ｃ（以下「出口マニホールド」と称する）が形成されている。これらの開口２２ａ、２２ｂ、２２ｃ（および開口２４ａ、２４ｂ、２４ｃ）は、それぞれ、燃料ガス、冷却媒体および酸化剤ガスの通るマニホールドとして作用する。なお図１（Ａ）の例では中央の開口２２ｂ、２４ｂは、それぞれ冷却媒体用の入口マニホールド及び出口マニホールドに相当する。
【００２３】
入口マニホールドと流路２０、および出口マニホールドと流路２０の間には、流体の流れを均一化させるため、流路と同じ深さの整流部３０が設けられている。従ってマニホールドから流入する流体は、整流部３０で流路部の全長に広げられてから、流路部２０に導入され、出口側の整流部３０で出口マニホールドに回収され、出口マニホールドから流出される。整流部３０には流体の分散均一性を向上させるため、多数の突起等を設けても良い。
【００２４】
第１のメタルセパレータ１０Ａの裏面も、ほぼ同様の構造となっているが、この面は図１（Ｂ）に示すように、流路２０および整流部３０は開口２２ａ、２４ａと連通されている。第１のメタルセパレータ１０Ａの裏面の流路には燃料ガスが流される。
【００２５】
図２には、本発明の燃料電池セパレータに用いる第２のセパレータ（以降、第２のメタルセパレータという）１０Ｃの表面図を示す。第２のメタルセパレータ１０Ｃの表面の構造は、前述の第１のメタルセパレータ１０Ａとほぼ同様であるが、この表面においては、流路２０および整流部３０は開口２２ｃ、２４ｃと連通されている。第２のメタルセパレータ１０Ｃの表面の流路には酸化剤ガスが流される。一方、第２のメタルセパレータ１０Ｃの裏面の構造は、図１（Ａ）と同じ構造となっている。ただし、第２のメタルセパレータ１０Ｃの裏面には冷却媒体が流されるため、第１のメタルセパレータ１０Ａの表面と一体化された場合に冷却媒体用の通路が構成されるよう、流路２０の凹溝１９のピッチは図１（Ａ）の場合に比べて丁度１流路分だけオフセットされている。
【００２６】
図１（Ｃ）に示すように第１のメタルセパレータ１０Ａ（および第２のメタルセパレータ１０Ｃ）の流路は、断面ほぼ台形の凹溝で、第１のメタルセパレータ１０Ａの裏面１１ｂには係る流路１２の裏側に突出する凸部１９が形成されている。
【００２７】
このような第１のメタルセパレータ１０Ａおよび第２のメタルセパレータ１０Ｃは、その表面１１および裏面１１ｂの全面にニッケルなどのコーティングを被覆された前記ステンレス鋼板を、プレス成形などによって加工形成したものである。
【００２８】
通常、第１のメタルセパレータ１０Ａと第２のメタルセパレータ１０Ｃは、図１（Ａ）および図２の向きに、第２のメタルセパレータ１０Ｃが上になるようにスポット溶接またはロウ付け等により接合され、一体化される（このようなセパレータを以下「一体化セパレータ」１０Ｄと言う）。
【００２９】
本発明では、第１のメタルセパレータ１０Ａと第２のメタルセパレータ１０Ｃを外縁部全周にわたって溶接により接合するため、接合強度の良好な一体化セパレータ１０Ｄを形成することができる。
【００３０】
ここでメタルセパレータの外縁部とは、図１（Ａ）の上面図において、入口マニホールド、流路部および出口マニホールドで構成されるメタルセパレータ中央の加工領域の外側から、メタルセパレータの外端部までの領域をいう。また外縁部において、実際に第１のメタルセパレータ１０Ａと第２のメタルセパレータ１０Ｃが上記方法で接合された領域を接合部６５と称する。
【００３１】
本発明の別の態様では、第１のメタルセパレータ１０Ａと第２のメタルセパレータ１０Ｃを外縁部全周にわたる溶接により接合するとともに、接合部に隣接するメタルセパレータの端部４０に封止材６０を設置する。これにより一体化セパレータ内からの流体のリークを効果的に抑制することができる。
【００３２】
ここでメタルセパレータの端部４０とは、前述の接合部６５の外方側先端とメタルセパレータを取り囲む外端面との間の領域をいう。
【００３３】
このような本発明の燃料電池セパレータを製作する方法について説明する。
【００３４】
まず一方または両方のセパレータ１０Ａおよび／または１０Ｃの端部４０に、高耐食性のロウ材６０を設置する。この高耐食性ロウ材の設置は、例えばメッキ、ロウ材粉末を含む溶液への浸漬／乾燥、あるいはロウ材粉末を所定の位置に塗布すること等で行われる。なおロウ材としてはニッケル合金系の材料が好ましいが、耐食性の良好な材料であれば、これに限るものではない。次に図３に示すように、ロウ材６０を設置した第１のメタルセパレータ１０Ａおよび／または第２のメタルセパレータ１０Ｃの外縁部に溶接用電極５０を押し当て、通電させてメタルセパレータ同士を溶接する。この溶接時の熱により、予め設置されていたロウ材６０は設置部分で溶着する。従って接合部６５のみならずロウ材設置箇所においても両セパレータ１０Ａと１０Ｃ同士が接合され、接合強度が向上する。さらにセパレータのシール性も向上する。またセパレータ外端面はこのロウ材で被覆されるため、セパレータの耐食性も向上する。
【００３５】
なお上記のロウ材の代わりに樹脂を予め同様の箇所に塗布しておいても良い。この場合、溶接時の電極５０による押圧および熱によって、樹脂６０は外端面に押し出された状態で固化される。
【００３６】
このように本方法では、接合工程において、メタルセパレータ同士の接合部６５での接合に加えて、端部４０の封止および被覆を行うことが可能となる。通常セパレータ１０Ｄの外端部分は母材金属が露出されており、加湿されたガスからの凝集水分や、反応によって得られた水分あるいは冷却水等によって腐食される場合がある。しかし本発明の方法では、端部が高耐食性ロウ材または樹脂６０によって被覆されるため、セパレータの外端部分の耐食性が向上する。
【００３７】
本発明の燃料電池セパレータを製作する別の方法は、上述の方法において、封止材６０を設置した第１のメタルセパレータ１０Ａおよび／または第２のメタルセパレータ１０Ｃを接合する際の溶接方法に特徴がある。すなわちこの方法では、図４に示すように、各メタルセパレータ側の溶接用電極５０を第１および第２のメタルセパレータ１０Ａ、１０Ｃの端部に押し当てて溶接を行う。この場合、溶接用の２電極５０は、いずれもメタルセパレータから遠ざかる方向に傾けられ、メタルセパレータの積層方向に対して一定の角度だけ傾いていることに留意する必要がある。この方法では、溶接後のセパレータ端部は図４のように先端側で縮小するように変形した状態となる。従ってセパレータ端部の接合および封止をより確実に行うことが可能となる。
【００３８】
なおこの傾斜角は特に限定されるものではないが５゜程度であることが好ましく、特に２〜３゜程度であることが好ましい。５゜以上の角度では、溶接時に溶融物のセパレータ内方への飛散が顕著となるからである。
【００３９】
このような本発明の一体化セパレータ１０Ｄを用いて燃料電池スタックを構成することにより、冷却媒体の電池外へのリークが効果的に抑制され、安定な燃料電池の運転を行うことができる。また、セパレータ端部の腐食を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】第１のメタルセパレータの表面図、裏面図およびＡ−Ａ断面図である。
【図２】第２のメタルセパレータの表面図である。
【図３】本発明の方法により、第１のメタルセパレータと第２のメタルセパレータを接合したときの断面図である。
【図４】本発明の別の方法により、第１のメタルセパレータと第２のメタルセパレータを接合するときの断面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０Ａ  第１のメタルセパレータ
１０Ｃ  第２のメタルセパレータ
１０Ｄ  一体化セパレータ
１１    表面
１１ｂ  裏面
１２    流路
１９    凸部
２０    流路
２２ａ  開口（燃料ガス入口マニホールド）
２２ｂ  開口（冷却媒体ガス入口マニホールド）
２２ｃ  開口（酸化剤ガス入口マニホールド）
２４ａ  開口（燃料ガス出口マニホールド）
２４ｂ  開口（冷却媒体ガス出口マニホールド）
２４ｃ  開口（酸化剤ガス入口マニホールド）
３０    整流部
４０    端部
５０    溶接用電極
６０    封止材（ロウ材または樹脂）
６５    接合部。
【図１】
2007052993.tif 000003
【図２】
2007052993.tif 000004
【図３】
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【図４】
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