JP6973121B2 - 燃料電池用セパレータの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池用セパレータの製造方法に関する。

燃料電池には、膜電極ガス拡散層接合体（MEGA: Membrane Electrode Gas Diffusion Layer Assembly）及びセパレータが含まれる。セパレータは、アノード側のセパレータプレートとカソード側のセパレータプレートを接合することにより製造される。セパレータプレート同士の接合手段としては、例えば溶接が知られている（例えば特許文献１参照）。

特開２００９−１８７７５７号公報

セパレータプレート同士が接合時に接触する接触面は、例えば製造時の誤差によって理想的な平坦面とはならず、例えば細かい凸凹、反り、及びうねりなどがあって、各セパレータプレートの間には隙間が生ずるおそれがある。このため、各セパレータプレートの隙間が大きい部分では接合が不十分となり、セパレータプレート同士の接合状態が不良となるおそれがある。セパレータプレート同士の接合状態が不良である場合、セパレータ同士の間の接触抵抗が増加するため、燃料電池の発電性能が低下するおそれがある。

そこで本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、セパレータプレート同士の接合状態を改善することができる燃料電池用セパレータの製造方法を提供することを目的とする。

本明細書に記載の燃料電池用セパレータの製造方法は、第１セパレータプレートと、前記第１セパレータプレートに接合される第１接合部の両側にそれぞれ隣接する第１凸部及び第２凸部が設けられた第２セパレータプレートとを、前記第１凸部及び前記第２凸部が前記第１セパレータプレートの反対側にそれぞれ突出するように重ね合わせる工程と、前記第１接合部が前記第１セパレータプレートに押し当てられるように、第１剛体及び第２剛体を前記第１凸部及び前記第２凸部にそれぞれ押し当てることより前記第１凸部及び前記第２凸部を前記第１セパレータプレートに向かって押圧する工程と、前記第１接合部を前記第１セパレータプレートに押し当てたまま、前記第１接合部を前記第１セパレータプレートに接合する工程とを含み、前記押圧する工程において、前記第１接合部は、前記第１接合部と前記第１凸部の間で屈曲した第１屈曲部が弾性変形するとともに、前記第１接合部と前記第２凸部の間で屈曲した第２屈曲部が弾性変形することにより前記第１セパレータプレートに押し当てられる方法である。

上記の製造方法では、前記第１接合部は、前記第１セパレータプレート側に突出するように湾曲していてもよい。

上記の製造方法では、前記第１セパレータプレートは、前記第１接合部に接合される第２接合部の両側にそれぞれ隣接する第３凸部及び第４凸部が設けられ、前記重ね合わせる工程において、前記第１セパレータプレートと前記第２セパレータプレートとを、前記第３凸部及び前記第４凸部が前記第２セパレータプレートとは反対側にそれぞれ突出するように重ね合わせ、前記接合する工程において、前記第１接合部を前記第２接合部に接合し、前記押圧する工程において、前記第２接合部が前記第１接合部に押し当てられるように、前記第３凸部及び前記第４凸部を前記第２セパレータプレートに向かって押圧し、前記第２接合部は、前記第２接合部と前記第３凸部の間で屈曲した第３屈曲部が弾性変形することにより前記第２セパレータプレートに押し当てられてもよい。

上記の製造方法では、前記押圧する工程において、前記第２接合部は、さらに、前記第２接合部と前記第４凸部の間で屈曲した第４屈曲部が弾性変形することにより前記第２セパレータプレートに押し当てられてもよい。

上記の製造方法では、前記押圧する工程において、前記第３凸部及び前記第４凸部に第３剛体及び第４剛体をそれぞれ押し当てることにより前記第３凸部及び前記第４凸部を押圧してもよい。

上記の製造方法では、前記第２接合部は、前記第２セパレータプレート側に突出するように湾曲していてもよい。

上記の製造方法では、前記第１接合部を前記第１セパレータプレートに接合する工程において、前記第１接合部を溶接により前記第１セパレータプレートに接合してもよい。

上記の製造方法では、前記第１接合部を前記第１セパレータプレートに接合する工程において、前記第１接合部をレーザ溶接により前記第１セパレータプレートに接合してもよい。

本発明によれば、セパレータプレート同士の接合状態を改善することができる。

燃料電池の単セルの一例を示す分解斜視図である。 燃料電池の一例を示す断面図である。 セパレータの製造方法の一例を示す工程図である。 実施例の製造方法における凸部を押圧する工程の一例を示す図である 比較例の製造方法におけるセパレータプレートを押圧する工程の一例を示す図である。 他の実施例におけるセパレータプレートの部分断面図である。 他の実施例におけるセパレータプレートの部分断面図である。

図１は、燃料電池の単セル２の一例を示す分解斜視図である。燃料電池は、例えば燃料電池車に用いられるが、その用途に限定はない。

燃料電池は、固体高分子形であり、複数の単セル２が積層された積層体を含んで構成される。また、燃料電池には、各単セル２を積層方向に貫通するカソード側入口マニホルド、カソード側出口マニホルド、アノード側入口マニホルド、アノード側出口マニホルド、冷却媒体入口マニホルド、及び冷却媒体出口マニホルドが設けられている。

カソード側入口マニホルドには、各単セル２に供給される酸化剤ガスが流れる。カソード側出口マニホルドには、各単セル２から排出された酸化剤オフガスが流れる。アノード側入口マニホルドには、各単セル２に供給される燃料ガスが流れる。アノード側出口マニホルドには、各単セル２から排出された燃料オフガスが流れる。冷却媒体入口マニホルドには、各単セル２に供給される冷却水などの冷却媒体が流れる。冷却媒体出口マニホルドには、各単セル２から排出された冷却媒体が流れる。

単セル２は、燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば空気中の酸素）が供給され、燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する。単セル２は、単セル２の積層方向に沿って配置されたＭＥＧＡ２０、フレーム２１、及びセパレータ１を有する。

ＭＥＧＡ２０には、膜電極接合体（MEA: Membrane Electrode Assembly）２００と、ＭＥＡ２００を挟持する一対のガス拡散層（GDL: Gas Diffusion Layer）２０１，２０２とが含まれる。符号Ｐは、ＭＥＡ２００の積層構造を示している。ＭＥＡ２００には、電解質膜２００ａと、電解質膜２００ａを挟持するアノード電極触媒層２００ｂ及びカソード電極触媒層２００ｃとが含まれる。

電解質膜２００ａは、例えば、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示すイオン交換樹脂膜を含む。このようなイオン交換樹脂膜としては、例えば、ナフィオン（登録商標）などの、イオン交換基としてスルホン酸基を有するフッ素樹脂系のものが挙げられる。

アノード電極触媒層２００ｂ及びカソード電極触媒層２００ｃは、それぞれ、触媒担持導電性粒子とプロトン伝導性電解質を含む、ガス拡散性を有する多孔質層として形成されている。例えば、アノード電極触媒層２００ｂ及びカソード電極触媒層２００ｃは、白金担持カーボンとプロトン伝導性電解質を含む分散溶液である触媒インクの乾燥塗膜として形成される。

アノード電極触媒層２００ｂには一方のガス拡散層２０１を介し燃料ガスが供給され、カソード電極触媒層２００ｃには他方のガス拡散層２０２を介し酸化剤ガスが供給される。ガス拡散層２０１，２０２は、例えば、カーボンペーパーなどの基材に撥水性のマイクロポーラス層を積層することにより形成される。なお、マイクロポーラス層としては、例えばＰＴＦＥ（polytetrafluoroethylene）などの撥水性樹脂とカーボンブラックなどの導電性材料などを含んで形成される。ＭＥＡ２００は、酸化剤ガス及び燃料ガスを用いた電気化学反応により発電する。

フレーム２１は、一例として矩形状の外形を有する樹脂シートにより構成される。フレーム２１の材料としては、例えばポリエチレンテレフタレート（PET: Polyethylene Terephthalate）系樹脂、シンジオタクチックポリスチレン（SPS; Syndiotactic Polystyrene）系樹脂、及びポリプロピレン（PP: Polypropylene）系樹脂などが挙げられる。フレーム２１は、枠形状を有し、中央部には矩形状の開口２１０が設けられている。

また、フレーム２１の端部には、厚み方向に貫通する貫通孔２１１〜２１６が設けられている。開口２１０は、ＭＥＧＡ２０に対応する位置に設けられ、その縁にはＭＥＡ２００の外周側の端部が接着層を介し接着される。これにより、ＭＥＡ２００はフレーム２１に固定される。

貫通孔２１１，２１５，２１４は、フレーム２１の一方の端部に設けられ、貫通孔２１３，２１６，２１２は、フレーム２１の他方の端部に設けられている。貫通孔２１１〜２１６は、セパレータプレート２３，２４の貫通孔２３１〜２３６，２４１〜２４６にそれぞれ重なる。

貫通孔２１１は、アノード側入口マニホルドの一部であり、単セル２の積層方向に沿って燃料ガスが流れる。貫通孔２１２は、アノード側出口マニホルドの一部であり、単セル２の積層方向に沿って燃料オフガスが流れる。

貫通孔２１３は、カソード側入口マニホルドの一部であり、単セル２の積層方向に沿って酸化剤ガスが流れる。貫通孔２１４は、カソード側出口マニホルドの一部であり、単セル２の積層方向に沿って酸化剤オフガスが流れる。

貫通孔２１６は、冷却媒体入口マニホルドの一部であり、単セル２の積層方向に沿って冷却媒体が流れる。貫通孔２１５は、冷却媒体出口マニホルドの一部であり、単セル２の積層方向に沿って冷却媒体が流れる。

セパレータ１は、一対のセパレータプレート２３，２４を含む。セパレータプレート２３，２４の一方は第１セパレータプレートの一例であり、セパレータプレート２３，２４の他方は第２セパレータプレートの一例である。なお、以下の説明では、便宜上、セパレータプレート２３を第１セパレータプレートとし、セパレータプレート２４を第２セパレータプレートとする。

セパレータプレート２３，２４は、例えば金属板などにより構成され、矩形状の外形を有する。セパレータプレート２３，２４は、例えばレーザ溶接により互いに接合され、セパレータプレート２４は接着剤によりフレーム２１に接着されている。このため、燃料電池内において、セパレータプレート２４は、そのセパレータプレート２４を含む単セル２のＭＥＧＡ２０のアノード側に配置され、セパレータプレート２３は、そのセパレータプレート２３を含む単セル２に隣接する他の単セル２のＭＥＧＡ２０のカソード側に配置される。

セパレータプレート２４は、厚み方向に貫通する貫通孔２４１〜２４６と、波板形状のアノード流路部２４０を有する。貫通孔２４１，２４５，２４４はセパレータプレート２４の一方の端部に設けられ、貫通孔２４３，２４６，２４２はセパレータプレート２４の他方の端部に設けられている。

ＭＥＧＡ２０側のアノード流路部２４０の面には、燃料ガスが流れる溝状の燃料ガス流路が形成されている。燃料ガス流路はガス拡散層２０１に対向し、燃料ガスは燃料ガス流路からガス拡散層２０１に供給される。アノード流路部２４０は、例えばプレス金型による曲げ加工により形成される。燃料ガス流路は、例えば直線状に形成されてもよいし、蛇行するように形成されてもよい。

また、セパレータプレート２３は、貫通孔２３１〜２３６と、波板形状のカソード流路部２３０を有する。貫通孔２３１，２３５，２３４はセパレータプレート２３の一方の端部に設けられ、貫通孔２３３，２３６，２３２はセパレータプレート２３の他方の端部に設けられている。

セパレータプレート２４側のカソード流路部２３０の面には、冷却媒体が流れる溝状の冷却媒体流路が形成され、隣接する他の単セル２側のカソード流路部２３０の他方の面には、酸化剤ガスが流れる溝状の酸化剤ガス流路が形成されている。酸化剤ガス流路は、隣接する他の単セル２のＭＥＧＡ２０のガス拡散層２０２に対向し、酸化剤ガスは酸化剤ガス流路からガス拡散層２０２に供給される。

カソード流路部２３０は、例えばプレス金型による曲げ加工により形成される。冷却媒体流路及び燃料ガス流路は、例えば直線状に形成されてもよいし、蛇行するように形成されてもよい。なお、セパレータプレート２３，２４は、金属に限定されず、例えばカーボン成型により形成されてもよい。また、セパレータプレート２３のカソード流路部２３０には、セパレータプレート２４に対向する面に、冷却媒体が流れる溝状の冷却媒体流路が形成されていてもよい。

貫通孔２３１，２４１は、アノード側入口マニホルドの一部であり、単セル２の積層方向に沿って燃料ガスが流れる。貫通孔２３２，２４２は、アノード側出口マニホルドの一部であり、単セル２の積層方向に沿って燃料オフガスが流れる。

貫通孔２４１，２４２は燃料ガス流路に接続されている。燃料ガスは、貫通孔２４１から燃料ガス流路を経由してＭＥＧＡ２０に供給される。また、燃料オフガスは、ＭＥＧＡ２０から燃料ガス流路を経由して貫通孔２４２に排出される。

貫通孔２３３，２４３は、カソード側入口マニホルドの一部であり、単セル２の積層方向に沿って酸化剤ガスが流れる。貫通孔２３４，２４４は、カソード側出口マニホルドの一部であり、単セル２の積層方向に沿って酸化剤オフガスが流れる。

酸化剤ガスは、貫通孔２３３から酸化剤ガス流路を経由してＭＥＧＡ２０に供給される。また、酸化剤オフガスは、ＭＥＧＡ２０から酸化剤ガス流路を経由して貫通孔２３４に排出される。

貫通孔２３６，２４６は、冷却媒体入口マニホルドの一部であり、単セル２の積層方向に沿って冷却媒体が流れる。貫通孔２３５，２４５は、冷却媒体出口マニホルドの一部であり、単セル２の積層方向に沿って冷却媒体が流れる。

冷却媒体は、貫通孔２３６から冷却媒体流路を経由して貫通孔２３５に流れ込む。これにより、冷却媒体は燃料電池を冷却する。

セパレータプレート２３，２４は、溶接ラインＬに沿ってレーザ溶接される。溶接ラインＬは、例えば、各貫通孔２３１〜２３６，２４１〜２４６の周囲と、アノード流路部２４０及びカソード流路部２３０内の周縁部（つまり発電部内）とにそれぞれ設定されている。さらに、溶接ラインＬは、アノード流路部２４０、カソード流路部２３０、及び貫通孔２３１〜２３４，２４１〜２４４を取り囲むように設定されている。なお、溶接ラインＬの設定に限定はなく、例えば、セパレータプレート２３，２４のシール性能を向上するため、または、セパレータプレート２３，２４同士を密着させることによりセパレータプレート２３，２４同士の接触抵抗を低減して発電性能を向上するために、上記以外の箇所にも溶接ラインＬが設定されてもよい。

セパレータプレート２３，２４は、レーザ溶接による接合状態を改善するため、溶接ラインＬに沿って凸部が設けられている。以下に、Ａ−Ａ線に沿った断面図を参照しながら、セパレータプレート２３，２４の構成を説明する。

図２は、燃料電池の一例を示す断面図である。断面図は、互いに隣接する２つの単セル２のＡ−Ａ線に沿った断面を示す。

ガス拡散層２０２は、フレーム２１の開口２１０内に位置する。ガス拡散層２０２の下部には、ＭＥＡ２００及びガス拡散層２０１が積層されている。ＭＥＡ２００は、一方の面にアノード電極触媒層２００ｂが形成されており、他方の面にカソード電極触媒層２００ｃが形成されている。カソード電極触媒層２００ｃの面積は電解質膜２００ａ及びアノード電極触媒層２００ｂの面積より小さいため、電解質膜２００ａの周縁領域２００ｓはカソード電極触媒層２００ｃから露出している。周縁領域２００ｓは、ＭＥＡ２００の上面を正面視した場合、カソード電極触媒層２００ｃの周囲を囲むように設けられている。

周縁領域２００ｓは、接着層２５を介してフレーム２１の開口２１０側の端部に接着されている。接着層２５は、例えば、紫外線硬化性または熱硬化性の樹脂などから形成される。このようにして、ＭＥＧＡ２０はフレーム２１に接着されている。

１つの単セル２のＭＥＧＡ２０及びフレーム２１と、その単セル２に隣接する他の単セル２のＭＥＧＡ２０及びフレーム２１との間には、一組のセパレータプレート２３，２４が挟まれている。符号Ｐ１，Ｐ２は、セパレータプレート２３，２４の溶接ラインＬに該当する位置（溶接箇所）を示す。溶接箇所Ｐ１は、互いに隣接する各単セル２のフレーム２１の間に位置し、溶接箇所Ｐ２は、互いに隣接する各単セル２のガス拡散層２０１とガス拡散層２０２の間に位置する。

セパレータプレート２４は、溶接箇所Ｐ１を含む接合部１０、凸部１１，１２、屈曲部１３〜１６、及び平坦部１７，１８が設けられ、溶接箇所Ｐ２を含む接合部５０、凸部５１，５２、屈曲部５３〜５６、及び平坦部５７が設けられている。また、セパレータプレート２３は、溶接箇所Ｐ１を含む接合部３０、凸部３１，３２、屈曲部３３〜３６、及び平坦部３７，３８が設けられ、溶接箇所Ｐ２を含む接合部６０、凸部６１，６２、屈曲部６３〜６６、及び平坦部６７が設けられている。

セパレータプレート２４の接合部１０とセパレータプレート２３の接合部３０は、レーザ溶接により互いに接合される。接合部１０，３０の表面は、略平坦であるが、後述するように、湾曲してもよい。なお、接合部１０は第１接合部の一例であり、接合部３０は第２接合部の一例である。

凸部１１，１２は、接合部１０の両側にそれぞれ隣接し、他方のセパレータプレート２３の反対側に突出している。このため、凸部１１，１２は、フレーム２１の下面に接触している。また、凸部３１，３２は、接合部３０の両側にそれぞれ隣接し、他方のセパレータプレート２４の反対側に突出している。このため、凸部３１，３２は、フレーム２１の上面に接触している。

なお、フレーム２１と接着されないセパレータプレート２３の凸部３１，３２は、互いに隣接する各単セル２のフレーム２１の間のシール性を向上するため、フレーム２１と接触する領域３１０，３２０が例えばゴムなどによりコーティングされると望ましい。また、例えばゴムなどにより領域３１０，３２０がコーティングされていなくても、フレーム２１が弾性を備えていれば、凸部３１，３２がフレーム２１に当接することにより、フレーム２１とセパレータプレート２３の間のシールが可能である。また、凸部１１，３１の間の隙間Ｓ２と凸部１２，３２の間の隙間Ｓ１には、例えば冷却媒体が流れてもよい。

屈曲部１４は、接合部１０と凸部１２の間に設けられ、凸部１２への押圧により弾性変形するように屈曲している。屈曲部１５は、接合部１０と凸部１１の間に設けられ、凸部１１への押圧により弾性変形するように屈曲している。各屈曲部１４，１５は、弾性変形することにより接合部１０を他方のセパレータプレート２３の接合部３０に押し当てる。なお、凸部１１，１２の一方は第１凸部の一例であり、凸部１１，１２の他方は第２凸部の一例である。また、屈曲部１４，１５の一方は第１屈曲部の一例であり、屈曲部１４，１５の他方は第２屈曲部の一例である。

屈曲部１３は、表面が略平坦である平坦部１７と凸部１２の間に設けられ、凸部１２への押圧により弾性変形するように屈曲している。屈曲部１６は、表面が略平坦である平坦部１８と凸部１１の間に設けられ、凸部１１への押圧により弾性変形するように屈曲している。各屈曲部１３，１６は、弾性変形することにより平坦部１７，１８を他方のセパレータプレート２３の平坦部３７，３８にそれぞれ押し当てる。

屈曲部３４は、接合部３０と凸部３２の間に設けられ、凸部３２への押圧により弾性変形するように屈曲している。屈曲部３５は、接合部３０と凸部３１の間に設けられ、凸部３１への押圧により弾性変形するように屈曲している。各屈曲部３４，３５は、弾性変形することにより接合部３０を他方のセパレータプレート２４の接合部１０に押し当てる。なお、凸部３１，３２の一方は第３凸部の一例であり、凸部３１，３２の他方は第４凸部の一例である。また、屈曲部３４，３５の一方は第３屈曲部の一例であり、屈曲部３４，３５の他方は第４屈曲部の一例である。

屈曲部３３は、表面が略平坦である平坦部３７と凸部３２の間に設けられ、凸部３２への押圧により弾性変形するように屈曲している。屈曲部３６は、表面が略平坦である平坦部３８と凸部３１の間に設けられ、凸部３１への押圧により弾性変形するように屈曲している。各屈曲部３３，３６は、弾性変形することにより平坦部３７，３８を他方のセパレータプレート２４の平坦部１７，１８にそれぞれ押し当てる。

また、セパレータプレート２４の接合部５０とセパレータプレート２３の接合部６０は、レーザ溶接により互いに接合される。接合部５０，６０の表面は、略平坦であるが、後述するように、湾曲してもよい。なお、接合部５０は第１接合部の一例であり、接合部６０は第２接合部の一例である。

凸部５１，５２は、接合部５０の両側にそれぞれ隣接し、他方のセパレータプレート２３の反対側に突出している。このため、凸部５１，５２は、ガス拡散層２０１の下面に接触している。また、凸部６１，６２は、接合部６０の両側にそれぞれ隣接し、他方のセパレータプレート２４の反対側に突出している。このため、凸部６１，６２は、ガス拡散層２０２の上面に接触している。

また、凸部５１，５２はアノード流路部２４０の一部であり、凸部６１，６２はカソード流路部２３０の一部である。凸部５１，５２に挟まれた溝部２４０ａは燃料ガス流路の一部であり、凸部６１，６２に挟まれた溝部２３０ａは酸化剤ガス流路の一部である。また、凸部５２，６２の間の隙間Ｓ３と凸部５１，６１の間の隙間Ｓ４は、冷却媒体の流路の一部である。

屈曲部５４は、接合部５０と凸部５２の間に設けられ、凸部５２への押圧により弾性変形するように屈曲している。屈曲部５５は、接合部５０と凸部５１の間に設けられ、凸部５１への押圧により弾性変形するように屈曲している。各屈曲部５４，５５は、弾性変形することにより接合部５０を他方のセパレータプレート２３の接合部６０に押し当てる。なお、凸部５１，５２の一方は第１凸部の一例であり、凸部５１，５２の他方は第２凸部の一例である。

屈曲部５３は、平坦部１８と凸部５２の間に設けられ、凸部５２への押圧により弾性変形するように屈曲している。屈曲部５６は、表面が略平坦面である平坦部５７と凸部５１の間に設けられ、凸部５１への押圧により弾性変形するように屈曲している。各屈曲部５３，５６は、弾性変形することにより平坦部１８，５７を他方のセパレータプレート２３の平坦部３８，６７にそれぞれ押し当てる。

屈曲部６４は、接合部６０と凸部６２の間に設けられ、凸部６２への押圧により弾性変形するように屈曲している。屈曲部６５は、接合部６０と凸部６１の間に設けられ、凸部６１への押圧により弾性変形するように屈曲している。各屈曲部６４，６５は、弾性変形することにより接合部６０を他方のセパレータプレート２４の接合部５０に押し当てる。なお、凸部６１，６２の一方は第３凸部の一例であり、凸部６１，６２の他方は第４凸部の一例である。

屈曲部６３は、平坦部３８と凸部６２の間に設けられ、凸部６２への押圧により弾性変形するように屈曲している。屈曲部６６は、表面が略平坦である平坦部６７と凸部６１の間に設けられ、凸部６１への押圧により弾性変形するように屈曲している。各屈曲部６３，６６は、弾性変形することにより平坦部３８，６７を他方のセパレータプレート２４の平坦部１８，５７にそれぞれ押し当てる。

次に、セパレータ１の製造方法について述べる。本例ではセパレータプレート２４の接合部１０とセパレータプレート２３の接合部３０を接合する場合を挙げるが、セパレータプレート２４の他の接合部５０とセパレータプレート２３の他の接合部６０を接合する場合でも以下の接合手法は同様に適用される。

図３は、セパレータ１の製造方法の一例を示す工程図である。図３において、図２と共通する構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。

符号Ｇ１で示されるように、セパレータプレート２３とセパレータプレート２４を重ね合わせる工程が行われる（ステップＳｔ１）。このとき、セパレータプレート２４は、凸部１１，１２が他方のセパレータプレート２３の反対側にそれぞれ突出するように重ね合わせられ、セパレータプレート２３は、凸部３１，３２が他方のセパレータプレート２４の反対側にそれぞれ突出するように重ね合わせられる。これにより、セパレータプレート２４の凸部１１，１２は、セパレータプレート２３の凸部３１，３２とそれぞれ対向する。

次に、符号Ｇ２で示されるように、セパレータプレート２４の凸部１１，１２をセパレータプレート２３に向かって押圧するとともに、セパレータプレート２３の凸部３１，３２をセパレータプレート２４に向かって押圧する工程が実行される（ステップＳｔ２）。

セパレータプレート２４の接合部１０は、凸部１１，１２の押圧により他方のセパレータプレート２３の接合部３０に押し当てられる。また、セパレータプレート２３の接合部３０は、凸部３１，３２の押圧により他方のセパレータプレート２４の接合部１０に押し当てられる。

このとき、セパレータプレート２４の接合部１０は、屈曲部１４，１５が弾性変形することにより他方のセパレータプレート２３の接合部３０に押し当てられ、セパレータプレート２３の接合部３０は、屈曲部３４，３５が弾性変形することにより他方のセパレータプレート２４の接合部１０に押し当てられる。なお、屈曲部１４，１５，３４，３５の作用については後述する。

また、セパレータプレート２４の凸部１１，１２は、押圧治具４１，４２がそれぞれ押し当てられることにより押圧され、セパレータプレート２３の凸部３１，３２は、押圧治具４３，４４がそれぞれ押し当てられることにより押圧される。押圧治具４１〜４４は、例えば、溶接ラインＬに沿って延びる略直方体形状の部材であり、セパレータ１の製造装置に移動自在に設けられている。

押圧治具４１，４２は、互いに一定の間隔ｄをおいて凸部１１，１２上に配置され、凸部１１，１２に適切な荷重Ｆｕをそれぞれ与える。また、押圧治具４３，４４は、互いに一定の間隔ｄをおいて凸部３１，３２上に配置され、凸部３１，３２に適切な荷重Ｆｄをそれぞれ与える。ここで、押圧治具４１〜４４は、押圧時に押圧治具４１〜４４が弾性変形することにより凸部１１，３１の間隔のばらつきと凸部１２，３２の間隔のばらつきが増加しないように、例えば、鉄鋼やステンレスなどの剛体により形成されていると望ましい。

なお、本工程では、必ずしも各押圧冶具４１〜４４をそれぞれ押圧方向に移動させる必要がなく、セパレータプレート２３，２４を挟んで対向する押圧治具４１，４３の一方を固定しておき、他方のみを移動させることにより凸部１１，３１を押圧してもよい。これと同様に、セパレータプレート２３，２４を挟んで対向する押圧治具４２，４４の一方を固定し、他方のみを移動させて凸部１２，３２を押圧してもよい。

次に、符号Ｇ３で示されるように、各接合部１０，３０を互いに押し当てたまま、接合部１０，３０同士をレーザ溶接する工程が行われる（ステップＳｔ３）。レーザ溶接は、レーザ出力装置４５からレーザ光４６を溶接ラインＬに沿って接合部１０，３０に照射することにより行われる。このとき、レーザ光４６は、押圧治具４１，４２の間隔ｄの隙間を通って接合部１０，３０に到達することができる。

このようにして、セパレータプレート２３，２４は互いに接合される。本例では、セパレータプレート２３，２４の接合手段にレーザ溶接を用いるため、レーザ溶接の高いパワー密度により十分な接合強度が可能であるが、これに限定されず、超音波溶接、電子ビーム溶接、アーク溶接、及び抵抗溶接などの他の溶接手段が用いられてもよい。また、このような溶接手段によりセパレータプレート２３，２４を容易に接合することが可能となるが、これに限定されず、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂による接着、ロウ付けによる接着、または冷間圧接などの溶接以外の接合手段が用いられてもよい。

次に、凸部１１，１２，３１，３２を押圧する工程について述べる。

図４は、実施例の製造方法における凸部１１，１２，３１，３２を押圧する工程の一例を示す図である。図４において、図２及び図３と共通する構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。

符号Ｇ１１は、凸部１１，１２，３１，３２が押圧される前のセパレータプレート２３，２４の断面を示し、符号Ｇ１２は、凸部１１，１２，３１，３２が押圧されたときのセパレータプレート２３，２４の断面を示す。なお、符号Ｈ，Ｈ’は押圧後の凸部１１，１２，３１，３２の高さ位置を示す。

また、図５は、比較例の製造方法におけるセパレータプレート２４ａ，２４ｂを押圧する工程の一例を示す図である。符号Ｇ１４は、比較例のセパレータプレート２３ａ，２４ａが押圧されたときの断面を示す。符号Ｇ１５は、比較例のセパレータプレート２３ａ，２４ａが押圧されたときにセパレータプレート２３ａ，２４ａの間に発生する、セパレータプレート２３ａ，２４ａの位置に応じた荷重（kg）の変化を示す。また、符号Ｇ１３は、実施例の製造方法において、凸部１１，１２，３１，３２が押圧されたときにセパレータプレート２３，２４の間に発生する、セパレータプレート２３，２４の位置に応じた荷重（kg）の変化を示す。

比較例のセパレータプレート２３ａ，２４ａには、実施例のセパレータプレート２３，２４のような凸部１１，１２，３１，３２は設けられておらず、実質的に平坦である。しかし、セパレータプレート２３ａ，２４ａの表面には製造時の誤差による細かい反りや凸凹が存在する。このため、押圧治具４１〜４４によりセパレータプレート２３ａ，２４ａの溶接箇所Ｐ１の両側を上下から押圧したとき、溶接箇所Ｐ１を含む領域９０，９１（接合部１０，３０に対応）が変形し隙間９２が生ずることがある。

例えばレーザ溶接の場合、接合条件によっても異なるが、溶接箇所Ｐ１に許容されるセパレータプレート２３ａ，２４ａの間隔は２５（μm）程度である。このため、隙間９２の大きさが、例えば２５（μm）を超える場合、溶接箇所Ｐ１が十分に接合されないおそれがある。

比較例のセパレータプレート２３ａ，２４ａは、符号Ｇ１５で示されるように、溶接箇所Ｐ１の両側に均一な荷重Ｆｕ，Ｆｄが加えられるため、溶接箇所Ｐ１に対して荷重が加わらない。このため、領域９０，９１の隙間９２を低減することは難しい。

これに対し、実施例のセパレータプレート２３，２４には、接合部１０，３０の両側にそれぞれ隣接する凸部１１，１２，３１，３２が設けられているため、押圧治具４１〜４４により凸部１１，１２，３１，３２がそれぞれ押圧されると、符号Ｇ１３で示されるように、各接合部１０，３０に荷重が加えられる。これは、各凸部１１，１２，３１，３２が、押圧治具４１〜４４から荷重Ｆｕ，Ｆｄを受けることにより接合部１０，３０に作用する力ｆを発生させるためである。

これにより、セパレータプレート２３，２４の溶接箇所Ｐ１には、比較例とは異なり、荷重が加えられるため、接合部１０，３０の隙間が低減される。なお、各押圧治具４１〜４４から加わる荷重Ｆｕ，Ｆｄは、凸部１１，１２，３１，３２の力ｆの作用点を高精度に溶接箇所Ｐ１に一致させるために均等であることが望ましい。

また、接合部１０，３０の互いの接触面には、例えば製造時の誤差によるうねりが溶接ラインＬに沿って存在することがある。また、凸部１１，１２，３１，３２及び押圧治具４１〜４４の互いの接触面にも、同様にうねりが存在することがある。

仮に屈曲部１４，１５，３４，３５がないとすると、凸部１１，１２，３１，３２を押圧したとき、うねりのため、接合部１０，３０の一部分が他方のセパレータプレート２４，２３に最初に接触した後は、さらに荷重を大きくしてもセパレータプレート２３，２４自体の剛性により、接合部１０，３０の他部分は他方のセパレータプレート２４，２３に接触することができず、接合部１０，３０の一部で隙間が生ずるおそれがある。

これに対し、セパレータプレート２３，２４には、接合部１０，３０と凸部１１，１２，３１，３２の間に屈曲部１４，１５，３４，３５が設けられており、凸部１１，１２，３１，３２が押圧される前後で屈曲部１４，１５，３４，３５は伸縮する。このため、凸部１１，１２，３１，３２がそれぞれ押圧されると、屈曲部１４，１５，３４，３５が弾性変形することにより溶接ラインＬに沿った全面にわたって接合部１０，３０同士が押し当てられる。

このため、接合部１０，３０同士をレーザ溶接により十分に接合することが可能となり、セパレータプレート２３，２４同士の接合状態が改善される。なお、凸部１１，１２，３１，３２の高さ位置は、押圧治具４１〜４４による押圧により符号Ｈ，Ｈ’の位置に変化するが、押圧の終了後、屈曲部１４，１５，３４，３５が弾性力により押圧前の状態に復元するため、元の位置に戻る。

また、上記の効果は、屈曲部１４，１５，３４，３５の少なくとも１つが設けられれば得られる。例えば、セパレータプレート２４には接合部１０の一方の側のみに屈曲部１４または屈曲部１５が設けられてもよいが、接合部１０の両側に屈曲部１４，１５が設けられた場合、各凸部１１，１２から接合部１０に加わる力ｆが屈曲部１４，１５の弾性力により均衡しやすいため、セパレータプレート２３とセパレータプレート２４の接合、及び押圧治具４１〜４４による押圧が終わった後、セパレータプレート２４のひずみが抑制される。

セパレータプレート２４のひずみが抑制されることにより、セパレータプレート２４を全体にわたって均一にＭＥＧＡ２０に接触させることができるため、セパレータプレート２４とＭＥＧＡ２０の間の接触抵抗が低減され、発電性能が向上する。これは、他方のセパレータプレート２３の屈曲部３４，３５についても同様である。

また、本例では、セパレータプレート２４だけでなく、他方のセパレータプレート２３にも屈曲部３４，３５が設けられているため、セパレータプレート２４側の押圧治具４１，４２の荷重Ｆｕとセパレータプレート２３側の押圧治具４３，４４の荷重Ｆｄを屈曲部３４，３５の弾性力により容易に均衡させることができる。このため、押圧治具４１〜４４による押圧が終わった後、押圧の終了に伴う反力により生じ得るセパレータプレート２３，２４の反りが抑制される。

本例において、各セパレータプレート２３，２４の接合部１０，３０は平坦面として形成されているが、以下に述べるように曲面として形成されてもよい。

図６は、他の実施例におけるセパレータプレート２３ｂ，２４ｂの部分断面図である。なお、図６において、図４と共通する構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。

セパレータプレート２４ｂには、他方のセパレータプレート２３ｂ側に突出するように湾曲した接合部１０ａと、接合部１０ａの両側にそれぞれ隣接する凸部１１ａ，１２ａと、凸部１１ａと接合部１０ａの間で屈曲した屈曲部１５ａとが設けられている。凸部１１ａ，１２ａは、他方のセパレータプレート２３ｂの反対側に突出するとともに湾曲している。

また、セパレータプレート２３ｂには、他方のセパレータプレート２４ｂ側に突出するように湾曲した接合部３０ａと、接合部３０ａの両側にそれぞれ隣接する凸部３１ａ，３２ａとが設けられている。凸部３１ａ，３２ａは、他方のセパレータプレート２４ｂの反対側に突出するとともに湾曲している。なお、凸部１２ａと接合部１０ａの間、及び凸部３１ａ，３２ａと接合部３０ａの間には屈曲部が設けられていない。

符号Ｇ２１は、凸部１１ａ，１２ａ，３１ａ，３２ａが押圧される前のセパレータプレート２３ｂ，２４ｂの断面を示し、符号Ｇ２２は、凸部１１ａ，１２ａ，３１ａ，３２ａが押圧されたときのセパレータプレート２３ｂ，２４ｂの断面を示す。

凸部１１ａ，１２ａ，３１ａ，３２ａが押圧される前、各セパレータプレート２４ｂ，２３ｂの接合部１０ａ，３０ａは、隙間８を介して対向し互いに接触していない。しかし、凸部１１ａ，１２ａ，３１ａ，３２ａが押圧されると、屈曲部１５ａが弾性変形することにより接合部１０ａは他方の接合部３０ａに押し当てられる。

このとき、接合部１０ａ，３０ａが他方のセパレータプレート２３ｂ，２４ｂに突出するように湾曲しており、接合部１０ａ，３０ａの曲面同士の接点は溶接箇所Ｐ１に一致するため、接合部１０ａ，３０ａ同士の接触面積は、接合部１０ａ，３０ａが平坦面である場合より小さくなる。これにより、押圧時に溶接箇所Ｐ１に加わる力が増加するため、レーザ溶接による接合部１０ａ，３０ａの接合強度が高まる。

なお、接合部１０ａ，３０ａの少なくとも一方が湾曲していれば、接合部１０ａ，３０ａ同士の接触面積を小さくできるため、上記の効果は同様に得られる。しかし、本例のように、接合部１０ａ，３０ａの両方が湾曲している場合、接合部１０ａ，３０ａの一方だけが湾曲している場合より、接触面積を小さくしやすい。

また、本例では、凸部１１ａ，１２ａ，３１ａ，３２ａも湾曲しているため、屈曲部１５ａが弾性変形しやすく、接合部１０ａ，３０ａ同士の密着性が高まる。

また、本例では、セパレータプレート２３ｂに屈曲部３４，３５が設けられていない。しかし、セパレータプレート２３ｂの接合部３０ａは、凸部３１ａ，３２ａが押圧されることにより他方のセパレータプレート２４ｂの接合部１０ａに押し当てられるため、上述したように、接合部１０ａ，３０ａの隙間が低減される。

また、図４に示された各セパレータプレート２３，２４には、それぞれ、凸部１１，１２，３１，３２が設けられているが、以下の例のように、一方のセパレータプレート２４だけに凸部１１，１２が設けられてもよい。

図７は、他の実施例におけるセパレータプレート２３ｃ，２４の部分断面図である。セパレータプレート２３ｃは、上記の実施例とは異なり、略平坦面を有し、凸部３１，３２が設けられていない。

符号Ｇ３１は、凸部１１，１２が押圧される前のセパレータプレート２３ｃ，２４の断面を示し、符号Ｇ３２は、凸部１１，１２が押圧されたときのセパレータプレート２３ｃ，２４の断面を示す。

凸部１１，１２が押圧される前、セパレータプレート２３ｃは基台４７上に載置されており、セパレータプレート２４は、凸部１１，１２が他方のセパレータプレート２３ｃの反対側に突出するようにセパレータプレート２３ｃに重ね合わせられている。凸部１１，１２は、押圧治具４１，４２から荷重Ｆｕが加わることにより押圧される。凸部１１，１２が押圧されると、セパレータプレート２４の接合部１０は他方のセパレータプレート２３ｃに押し当てられる。

このとき、接合部１０は、上記の実施例と同様に、屈曲部１４，１５が弾性変形することによりセパレータプレート２３ｃに押し当てられる。このため、上述したように、溶接ラインＬ上に沿って接合部１０とセパレータプレート２３ｃの間の隙間が低減される。したがって、接合部１０とセパレータプレート２３ｃをレーザ溶接により十分に接合することが可能となり、セパレータプレート２３ｃ，２４同士の接合状態が改善される。

上述した実施形態は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。

２ 単セル
２３，２３ａ〜２３ｃ セパレータプレート（第１セパレータプレート）
２４，２４ａ，２４ｂ セパレータプレート（第２セパレータプレート）
１０，１０ａ 接合部（第１接合部）
３０，３０ａ 接合部（第２接合部）
１１，１１ａ，１２，１２ａ 凸部（第１凸部、第２凸部）
３１，３１ａ，３２，３２ａ 凸部（第３凸部、第４凸部）
１４，１５，１５ａ 屈曲部（第１屈曲部、第２屈曲部）
３４，３５ 屈曲部（第３屈曲部、第４屈曲部）
４１〜４４ 押圧治具

Claims (8)

1. 第１セパレータプレートと、前記第１セパレータプレートに接合される第１接合部の両側にそれぞれ隣接する第１凸部及び第２凸部が設けられた第２セパレータプレートとを、前記第１凸部及び前記第２凸部が前記第１セパレータプレートの反対側にそれぞれ突出するように重ね合わせる工程と、
   前記第１接合部が前記第１セパレータプレートに押し当てられるように、第１剛体及び第２剛体を前記第１凸部及び前記第２凸部にそれぞれ押し当てることより前記第１凸部及び前記第２凸部を前記第１セパレータプレートに向かって押圧する工程と、
   前記第１接合部を前記第１セパレータプレートに押し当てたまま、前記第１接合部を前記第１セパレータプレートに接合する工程とを含み、
   前記押圧する工程において、前記第１接合部は、前記第１接合部と前記第１凸部の間で屈曲した第１屈曲部が弾性変形するとともに、前記第１接合部と前記第２凸部の間で屈曲した第２屈曲部が弾性変形することにより前記第１セパレータプレートに押し当てられることを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
2. 前記第１接合部は、前記第１セパレータプレート側に突出するように湾曲してい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の製造方法。
3. 前記第１セパレータプレートは、前記第１接合部に接合される第２接合部の両側にそれぞれ隣接する第３凸部及び第４凸部が設けられ、
   前記重ね合わせる工程において、前記第１セパレータプレートと前記第２セパレータプレートとを、前記第３凸部及び前記第４凸部が前記第２セパレータプレートとは反対側にそれぞれ突出するように重ね合わせ、
   前記接合する工程において、前記第１接合部を前記第２接合部に接合し、
   前記押圧する工程において、前記第２接合部が前記第１接合部に押し当てられるように、前記第３凸部及び前記第４凸部を前記第２セパレータプレートに向かって押圧し、前記第２接合部は、前記第２接合部と前記第３凸部の間で屈曲した第３屈曲部が弾性変形することにより前記第２セパレータプレートに押し当てられることを特徴とする請求項１または２の何れかに記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
4. 前記押圧する工程において、前記第２接合部は、さらに、前記第２接合部と前記第４凸部の間で屈曲した第４屈曲部が弾性変形することにより前記第２セパレータプレートに押し当てられることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
5. 前記押圧する工程において、前記第３凸部及び前記第４凸部に第３剛体及び第４剛体をそれぞれ押し当てることにより前記第３凸部及び前記第４凸部を押圧することを特徴とする請求項３または４に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
6. 前記第２接合部は、前記第２セパレータプレート側に突出するように湾曲していることを特徴とする請求項３乃至５の何れかに記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
7. 前記接合する工程において、前記第１接合部を溶接により前記第１セパレータプレートに接合することを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
8. 前記接合する工程において、前記第１接合部をレーザ溶接により前記第１セパレータプレートに接合す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。
   

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