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CN112620936A - 燃料电池的制造方法 - Google Patents

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CN112620936A
CN112620936A CN202010541492.0A CN202010541492A CN112620936A CN 112620936 A CN112620936 A CN 112620936A CN 202010541492 A CN202010541492 A CN 202010541492A CN 112620936 A CN112620936 A CN 112620936A
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fuel cell
pair
manufacturing
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CN202010541492.0A
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中村秀生
服部拓也
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Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Abstract

本发明的燃料电池的制造方法包括焊接工序，上述焊接工序将一对隔板的凸条部彼此断续地在多个位置通过一次激光照射进行预先决定好的长度的激光焊接，上述一对隔板分别在与膜电极扩散层接合体对置的面具有形成为在面方向上起伏的多个上述凸条部。

Description

燃料电池的制造方法
技术领域
本公开涉及燃料电池的制造方法。
背景技术
作为燃料电池，公知有具备一对隔板、和膜电极扩散层接合体(MEGA(MembraneElectrodeGass-diffusion-layerAssembly))的燃料电池。
为了减少隔板之间的电阻，例如，可以考虑对隔板实施用于减少接触电阻的表面处理。然而，一般来说，表面处理是繁琐的处理，从而也无法阻止制造成本增加。因而，本申请发明人们研究了将与MEGA对置并将隔板彼此重合的区域如日本特开2009-99258那样激光焊接。然而，若在焊接部位线状地扫描激光，则在焊接的开始点和结束点处在小孔周边的焊接熔池产生紊乱，从而在焊缝产生凹凸。
发明内容
本公开提供一种燃料电池的制造方法。
本公开的第1形态的燃料电池的制造方法包括焊接工序，上述焊接工序将一对隔板的重叠的凸条部彼此断续地在多个焊接部位进行激光焊接，上述一对隔板分别在与膜电极扩散层接合体对置的面具有形成为在面方向上起伏的多个上述凸条部。在各上述焊接部位通过一次激光照射进行预先决定好的长度的激光焊接。
根据本公开的第1形态，通过一次激光照射激光焊接预先决定好的长度，由此断续地将隔板彼此焊接，因此与边扫描激光边将焊接部位焊接相比，能够抑制熔池紊乱，从而能够抑制在焊缝产生凹凸。
也可以构成为：在上述第1形态的基础上，在上述焊接工序之前，还具备将上述一对隔板重叠并按压的按压工序。根据上述结构，在将一对隔板重叠并按压，从而减小隔板之间的缝隙后，进行焊接，因此能够更有效地抑制焊接不良，从而能够抑制在焊缝产生凹凸。
也可以构成为：在上述形态的基础上，在上述按压工序中，使用加压夹具来按压上述一对隔板。
也可以构成为：在上述形态的基础上，上述加压夹具在与上述焊接工序中的上述焊接部位对应的部位具备用于焊接的开口部。也可以构成为：在通过上述加压夹具按压上述一对隔板的状态下，经由上述开口部进行激光焊接。
根据上述结构，通过加压夹具对一对隔板进行加压，从而能够在减小一对隔板之间的缝隙的状态下进行激光焊接，因此能够抑制燃料电池的厚度不一致。
也可以构成为：在上述形态的基础上，在上述按压工序中，经由上述开口部对上述焊接部位进行冲压处理。根据上述结构，对焊接部位进行冲压，因此能够更有效地减小焊接部位处的隔板之间的缝隙，从而能够抑制燃料电池的厚度不一致。
也可以构成为：在上述形态的基础上，上述一对隔板配置为在上述一对隔板之间形成用于使冷却液流动的流路。也可以构成为：在上述焊接工序中，沿着上述流路的方向上的每一次激光照射的焊接的长度比与沿着上述流路的方向垂直的方向上的上述凸条部的宽度长。
根据上述结构，在焊接工序中，沿着流路的方向上的焊接的长度比与沿着流路的方向垂直的方向上的凸条部的宽度长，因此能够以较少的焊接点数减小一对隔板彼此的接触电阻。
也可以构成为：在上述形态的基础上，上述一对隔板分别在与上述膜电极扩散层接合体对置的面具有形成为在面方向上起伏的多个凹条部。也可以构成为：上述预先决定好的长度是使上述凸条部彼此的至少一部分重叠，一方上述隔板的上述凸条部的至少一部分与另一方上述隔板的上述凸条部的对应的一部分重叠，并且一方凸条部不嵌入另一方凹条部的长度。
也可以构成为：在上述形态的基础上，上述燃料电池具有上述一对隔板、和与上述一对隔板邻接的上述膜电极扩散层接合体。也可以构成为：通过进行上述激光焊接，从而在上述一对隔板之间形成用于使冷却液流动的流路。
本公开能够以各种方式实现，例如，能够以通过上述方式的制造方法制造的燃料电池、包括该燃料电池而构成的燃料电池组等形态来实现。
以下参考附图，对本发明的示例性实施例的特征、优点、以及技术和工业意义进行描述，在附图中，相同的附图标记表示相同的要素。
附图说明
图1是燃料电池的说明图。
图2是用II-II线将图1切断的剖面示意图。
图3是表示燃料电池的制造方法的一个例子的工序图。
图4是焊接工序的说明图。
图5是焊接工序中的焊接的长度的说明图。
图6是表示第2实施方式中的燃料电池的制造方法的一个例子的工序图。
图7是加压夹具的说明图。
图8是加压夹具的另一说明图。
图9是第3实施方式中的隔板的按压工序的说明图。
具体实施方式
A.第1实施方式
图1是通过本公开的一个实施方式中的制造方法制造的燃料电池100的说明图。图2是用II-II线将图1切断的剖面示意图。在图1中示出了相互正交的x轴、y轴、z轴。x轴是沿着燃料电池100的短边方向的方向，y轴是沿着燃料电池100的长边方向的方向，z轴是沿着燃料电池100的层叠方向的方向。这些轴与在图2以后示出的轴对应。
燃料电池100是接受作为反应气体的氢和氧的供给来发电的固体高分子型的燃料电池。如图2所示，燃料电池100具备膜电极扩散层接合体10、和一对隔板20a、20b。膜电极扩散层接合体10具备膜电极接合体(MEA(Membrane Electrode Assembly))11、和气体扩散层12。在膜电极扩散层接合体10的周围接合有树脂片15。
膜电极接合体11具备电解质膜、和与电解质膜的两面分别邻接而形成的催化剂层。电解质膜是在湿润状态下示出良好的质子传导性的固体高分子薄膜。电解质膜例如由氟类树脂的离子交换膜构成。催化剂层具备促进氢与氧的化学反应的催化剂、和担载催化剂的碳粒子。
气体扩散层12设置为与膜电极接合体11的每一个的催化剂层侧的面邻接。气体扩散层12是使用于电极反应的反应气体沿着电解质膜的面方向扩散的层，由多孔的扩散层用基材构成。作为扩散层用基材，能够使用碳纤维基材、石墨纤维基材、发泡金属等具有导电性和气体扩散性的多孔的基材。
一对隔板20a、20b与膜电极扩散层接合体10邻接配置。在本实施方式中，隔板20a与膜电极扩散层接合体10邻接配置，隔板20b与隔板20a邻接配置，通过重叠多个按照该顺序配置的一组膜电极扩散层接合体10、隔板20a以及隔板20b，从而构成燃料电池组。此外，燃料电池组的两端部仅配置一片隔板。
隔板20a、20b例如通过将由不锈钢、钛或者它们的合金构成的金属板冲压成型为凹凸形状而形成。隔板20a和隔板20b在彼此对置的面具有形成为在面方向上起伏的多个凸条部21和凹条部22。在本实施方式中，隔板20a和隔板20b在两侧的面具有凸条部21和凹条部22，但也可以仅在单侧的面具有凸条部21和凹条部22。在面方向上起伏在本实施方式中是指在面方向上产生规定的周期的波动。如图1所示，凸条部21和凹条部22沿着y轴方向延伸，并在x轴方向上交替排列。以下，将隔板20a和隔板20b统称为隔板20。
在与膜电极扩散层接合体10对置的一对隔板20彼此之间，形成流路23。更具体而言，以隔板20a的凸条部21与隔板20b的凸条部21彼此邻接的方式将多个焊接部24焊接，从而在隔板20彼此之间形成波形状的流路23。在本实施方式中，将隔板20a的凸条部21与隔板20b的凸条部21以对置并抵接的方式焊接。焊接部24是在沿着z轴方向观察隔板20时隔板20a与隔板20b的凸条部21彼此重叠的部位。
流路23是供冷却液流通的流路。另外，在气体扩散层12与隔板20之间形成供反应气体流通的气体流路25、26。在气体流路25、26中流通的反应气体在膜电极扩散层接合体10反应，从而发生电极反应。
图3是表示本实施方式中的燃料电池的制造方法的一个例子的工序图。在本实施方式的燃料电池的制造中，首先，在步骤S100中，配置一对隔板20。更具体而言，分别在与膜电极扩散层接合体10对置的面，准备具有形成为在面方向上起伏的多个凸条部21的一对隔板20a、20b，并重叠配置为隔板20a的凸条部21与隔板20b的凸条部21彼此邻接，从而形成流路23。
接下来，在步骤S110中，进行焊接部24的焊接。更具体而言，将一对隔板20的凸条部21彼此断续地在多个焊接部位激光焊接。在本实施方式中，从隔板20a侧进行焊接，但并不局限于此，可以从隔板20b侧进行焊接，也可以从两侧进行焊接。
图4是焊接工序的说明图。在本实施方式中，通过电流扫描仪310在x轴方向、y轴方向上变更从激光光源300射出的线状的激光的照射位置，并且断续地在多个位置一次焊接预先决定好的长度。即，在本实施方式中，不是使焊接的形状是圆形状的点焊连续而焊接出预先决定好的长度，而是通过光束成型以1次激光照射焊接具有预先决定好的长度的形状。以下，也将这样的焊接称为“一次激光焊接”。激光焊接例如是对1个部位的焊接部24以3.5kw照射1.4msec激光来进行的热传导型的焊接。
图5是焊接工序中的焊接的长度的说明图。作为预先决定好的长度的焊接的长度L1是在焊接处理中能够允许偏离的长度。能够允许偏离的长度是指在将隔板20a与隔板20b重合后，一方隔板20a、20b的凸条部21的至少一部分与另一方隔板20a、20b的凸条部21的对应的一部分重叠，并且一方凸条部21不嵌入另一方凹条部22的长度。长度L1例如是2mm左右。在本实施方式中，以沿着流路23的方向(y轴方向)上的每个焊接的焊接的长度L1比与沿着流路23的方向垂直的方向(x轴方向)上的凸条部21的宽度L2长的方式进行焊接。“凸条部21的宽度”是指凸条部21的前端面彼此重叠的部分的内侧的宽度。另外，与沿着流路23的方向垂直的方向(x轴方向)上的焊接宽度的长度L3比宽度L2短，例如是0.1mm。
最后，在步骤S120(图3)中，将膜电极扩散层接合体10载置于在步骤S110中进行了焊接的一对隔板20上。更具体而言，将与膜电极扩散层接合体10的周围接合的树脂片15经由粘合用树脂与隔板20热粘合。
根据以上说明的本实施方式的燃料电池的制造方法，通过对各焊接部位通过1次激光照射进行预先决定好的长度的激光焊接，从而将隔板20彼此焊接，因此与边扫描激光边将焊接部位焊接相比，能够抑制熔池紊乱，从而能够抑制在焊缝产生凹凸。另外，即使是在隔板20彼此之间存在缝隙的情况，由于是热传导型的激光焊接，并且熔池的体积增加，因此也通过溶滴将焊接的隔板20的表面与熔池相连。因此，能够抑制在焊缝产生凹凸。其结果是，能够抑制由在焊接部24产生的凹凸致使反应气体在气体流路25、26内的流动受到阻碍。
另外，沿着流路23的方向上的焊接的长度L1比与沿着流路23的方向垂直的方向上的凸条部21的宽度L2即流路23的宽度L2长，因此能够通过较少的焊接部位减小一对隔板20彼此的接触电阻。此外，在本实施方式中使焊接的长度L1比凸条部21的宽度L2长，但根据在隔板20之间要求的接触电阻条件，各尺寸能够任意地变更。例如，焊接部位的形状也可以是圆形、椭圆。
B.第2实施方式
图6是表示第2实施方式中的燃料电池的制造方法的一个例子的工序图。对于第2实施方式的燃料电池的制造方法而言，在步骤S100(图3)之后，即，在步骤S110的焊接工序之前，进行将隔板20彼此重叠并按压的按压工序这一点与第1实施方式不同，其他的工序与第1实施方式相同。第2实施方式的燃料电池的结构与第1实施方式的燃料电池的结构相同，因此省略燃料电池的结构的说明。
在第2实施方式中，在步骤S105(图6)中，进行按压在步骤S100中重叠的一对隔板20的按压处理。更具体而言，例如，使用加压夹具，将一对隔板20重叠并加压，从而减小隔板20a的凸条部21与隔板20b的凸条部21的缝隙。
图7和图8是本实施方式中的加压夹具200的说明图。如图7所示，加压夹具200在与作为隔板20的焊接部位的焊接部24对应的部位具有用于焊接的开口部201。另外，如图8所示，在第2实施方式中，对于步骤S110(图6)的焊接处理而言，保持通过加压夹具200按压隔板20彼此的状态不变，从开口部201通过激光照射进行焊接。
根据以上说明的本实施方式的燃料电池的制造方法，在焊接工序之前，将隔板20彼此重叠并加压，在减小隔板20之间的缝隙后进行焊接。因此，能够更有效地抑制焊接不良，从而能够抑制在焊缝产生凹凸。另外，能够保持通过加压夹具200加压的状态不变从开口部201进行焊接。因此，能够在减小一对隔板20之间的缝隙的状态下进行一次激光焊接，从而能够抑制燃料电池的厚度不一致。
C.第3实施方式
图9是第3实施方式中的隔板20的按压工序的说明图。对于第3实施方式的燃料电池的制造方法而言，在步骤S105(图6)的按压工序中，在通过加压夹具200的开口部201对焊接部位进行冲压处理这一点上与第2实施方式不同，其他的工序与第2实施方式相同。第3实施方式的燃料电池的结构与第1实施方式的燃料电池的结构相同，因此省略燃料电池的结构的说明。
冲压处理
在第3实施方式中，在步骤S105中，使用加压夹具200对隔板20施加压力，并且经由开口部201通过冲压加压焊接部24。在本实施方式中，如图9所示，将具有凹部的支承部件210配置于隔板20b侧，从隔板20a侧按压具有凸部的冲压部件220，并对所有的焊接部24同时加压。此外，冲压并不局限于同时进行，也可以对1个部位以上的焊接部24进行。在通过冲压进行加工之后，在步骤S110中，将冲压的部分激光焊接。
根据以上说明的本实施方式的燃料电池的制造方法，在按压工序中，经由加压夹具200的开口部201对焊接部24进行冲压处理，因此能够更有效地减小一对隔板20之间的缝隙。因此，能够抑制燃料电池的厚度不一致。
D.其他的实施方式
在上述实施方式中，步骤S110(图3)中的一次激光焊接使用电流扫描仪310断续地将多个焊接部位焊接，但也可以构成为：激光光源300直接照射焊接部位，使激光光源300本身移动，从而断续地将多个焊接部位焊接。
在上述实施方式中，步骤S110(图6)中的一次激光焊接使用设置有开口部201的加压夹具200进行加压并且焊接，但也可以构成为：使用未设置开口部201的加压夹具200进行按压工序，其后取下加压夹具200来进行焊接工序。
本公开并不局限于上述的实施方式，在不脱离其主旨的范围内，能够通过各种结构实现。例如为了解决上述的课题，或者为了实现上述的效果的一部分或者全部，与在发明的概要栏中记载的各方式中的技术特征对应的实施方式中的技术特征能够适当地进行替换、组合。另外，只要未将其技术特征说明为在本说明书中是必须的，就能够适当地删除。

Claims (8)

1.一种燃料电池的制造方法，其特征在于，
包括焊接工序，所述焊接工序将一对隔板的重叠的凸条部彼此断续地在多个焊接部位进行激光焊接，所述一对隔板分别在与膜电极扩散层接合体对置的面具有形成为在面方向上起伏的多个所述凸条部，其中，在各所述焊接部位通过一次激光照射进行预先决定好的长度的激光焊接。
2.根据权利要求1所述的燃料电池的制造方法，其特征在于，
在所述焊接工序之前，还具备将所述一对隔板重叠并按压的按压工序。
3.根据权利要求2所述的燃料电池的制造方法，其特征在于，
在所述按压工序中，使用加压夹具来按压所述一对隔板。
4.根据权利要求3所述的燃料电池的制造方法，其特征在于，
所述加压夹具在与所述焊接工序中的所述焊接部位对应的部位具备用于焊接的开口部；
在通过所述加压夹具按压所述一对隔板的状态下，经由所述开口部进行激光焊接。
5.根据权利要求4所述的燃料电池的制造方法，其特征在于，
在所述按压工序中，经由所述开口部对所述焊接部位进行冲压处理。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的燃料电池的制造方法，其特征在于，
所述一对隔板配置为在所述一对隔板之间形成用于使冷却液流动的流路；
在所述焊接工序中，沿着所述流路的方向上的每一次激光照射的焊接的长度比与沿着所述流路的方向垂直的方向上的所述凸条部的宽度长。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的燃料电池的制造方法，其特征在于，
所述一对隔板分别在与所述膜电极扩散层接合体对置的面具有形成为在面方向上起伏的多个凹条部；
所述预先决定好的长度是使所述凸条部彼此的至少一部分重叠，一方所述隔板的所述凸条部的至少一部分与另一方所述隔板的所述凸条部的对应的一部分重叠，并且一方凸条部不嵌入另一方凹条部的长度。
8.根据权利要求1所述的燃料电池的制造方法，其特征在于，
所述燃料电池具有所述一对隔板、和与所述一对隔板邻接的所述膜电极扩散层接合体；
通过进行所述激光焊接，从而在所述一对隔板之间形成用于使冷却液流动的流路。
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