セパレータ
【課題】溶接されるセパレータ間の接触抵抗を低減し、かつ作業の高速化が可能なセパレータを提供する。
【解決手段】アノードセパレータ２０Ａとカソードセパレータ２０Ｂとを、互いに溶接して接合したセパレータである。当該セパレータは、アノードセパレータ２０Ａおよびカソードセパレータ２０Ｂの互いに溶接される溶接部２６の形状に対応して突出して形成された突状電極部６３Ａ，６３Ｂを表面に有する１対の回転可能な電極ローラ６１Ａ，６１Ｂによって、前記アノードセパレータおよびカソードセパレータの原材である２枚のワークＷ１，Ｗ２を重ねて両面側から挟んで一方向へ移動させつつ、前記突状電極部６３Ａ，６３Ｂに電流を印加して当該突状電極部６３Ａ，６３Ｂにより挟持した前記２枚のワークＷ１，Ｗ２を溶接して形成される。
【解決手段】アノードセパレータ２０Ａとカソードセパレータ２０Ｂとを、互いに溶接して接合したセパレータである。当該セパレータは、アノードセパレータ２０Ａおよびカソードセパレータ２０Ｂの互いに溶接される溶接部２６の形状に対応して突出して形成された突状電極部６３Ａ，６３Ｂを表面に有する１対の回転可能な電極ローラ６１Ａ，６１Ｂによって、前記アノードセパレータおよびカソードセパレータの原材である２枚のワークＷ１，Ｗ２を重ねて両面側から挟んで一方向へ移動させつつ、前記突状電極部６３Ａ，６３Ｂに電流を印加して当該突状電極部６３Ａ，６３Ｂにより挟持した前記２枚のワークＷ１，Ｗ２を溶接して形成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セパレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池では、電解質膜の両面に電極を設けた膜電極接合体の両面にアノードセパレータとカソードセパレータを重ね、これらを複数積層した積層体を、外部から保持して固定することで燃料電池スタックを形成する。燃料電池では、互いに重なるアノードセパレータとカソードセパレータの接触抵抗を低減させることが有効であり、このための方法として、アノードセパレータとカソードセパレータを低融点合金等により接合する方法が挙げられる（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１１４４４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上述の特許文献１による方法では、低融点合金を溶融させるためにセパレータを加熱処理する必要があり、作業時間がかかる。
【０００５】
本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、両セパレータ間の接触抵抗を低減可能であり、かつ作業の高速化が可能なセパレータ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】
【０００６】
上記目的を達成する本発明に係るセパレータは、高分子電解質膜のアノード側に配置されるアノードセパレータとカソード側に配置されるカソードセパレータとを、互いに溶接して接合したセパレータである。当該セパレータは、前記アノードセパレータおよびカソードセパレータの互いに溶接される溶接部の形状に対応して突出して形成された突状電極部を表面に有する１対の回転可能な電極ローラによって、前記アノードセパレータおよびカソードセパレータの原材である２枚のワークを重ねて両面側から挟んで一方向へ移動させつつ、前記突状電極部に電流を印加して当該突状電極部により挟持した前記２枚のワークを溶接して形成される。
【発明の効果】
【０００７】
上記のように構成した本発明に係るセパレータは、セパレータの互いに溶接される溶接部の形状に対応して突出して形成された突状電極部を有する電極ローラにより、２枚のワークを溶接して形成されるため、ワークの幅方向が同時に溶接される。したがって、溶接された両セパレータ間の接触抵抗が低減するとともに、セパレータ製造時の作業の高速化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本実施形態に係るセパレータを用いた燃料電池スタックを示す側面図である。
【図２】同燃料電池を示す平面図である。
【図３】同燃料電池スタックの部分拡大断面図である。
【図４】本実施形態に係るセパレータの１つを示す平面図である。
【図５】本実施形態に係るセパレータ溶接装置の全体を示す概略図である。
【図６】同製造装置のセパレータ成形部を示す斜視図である。
【図７】同製造装置のセパレータ溶接部を示す斜視図である。
【図８】図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿う部分断面図である。
【図９】セパレータ溶接部の外周面を展開した部分平面図である。
【図１０】本実施形態に係るセパレータ溶接方法のフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。なお、理解を容易にするために、図面によっては各構成要素が誇張して示されている。
【００１０】
図１は、本実施形態に係るセパレータを用いた燃料電池スタックを示す側面図、図２は、同燃料電池を示す平面図、図３は、同燃料電池スタックの部分拡大断面図、図４は、本実施形態に係るセパレータの１つを示す平面図である。
【００１１】
本実施形態に係るセパレータを用いた燃料電池スタック１は、図１〜３に示すように、燃料ガス（水素）と酸化剤ガス（酸素）との反応により起電力を生じる単セル２を所定数だけ積層されている。
【００１２】
積層された単セル２の両端には、集電板３およびエンドプレート４を配置し、締結手段５によってこれらを保持することにより燃料電池スタック１を構成する。締結手段５は、単セル２の積層方向に延在し、両エンドプレート４の側面にボルト６により締結される固定梁７であり、エンドプレート４の周囲に複数設けられる。なお、締結手段５はこの形態に限定されず、例えば単セル２の積層方向に延在する締結ボルトや、クランプ等を用いてもよい。
【００１３】
一方のエンドプレート４には、燃料電池スタック１内部において燃料ガス、酸化剤ガス、および冷却水のそれぞれを流通させるために、燃料ガス導入口８、燃料ガス排出口９、酸化剤ガス導入口１０、酸化剤ガス排出口１１、冷却水導入口１２、および冷却水排出口１３が形成されている。
【００１４】
単セル２は、図３に示すように、膜電極接合体１９と、膜電極接合体１９の両側に配置されるセパレータ２０とを有している。なお、膜電極接合体１９のアノード側に配置されるセパレータ２０をアノードセパレータ２０Ａと称し、カソード側に配置されるセパレータ２０をカソードセパレータ２０Ｂと称する。
【００１５】
膜電極接合体１９は、固体高分子電解質膜を、その両側から燃料極（アノード電極）と空気極（カソード電極）とによって挟み込んだ積層構造を有している。固体高分子電解質膜としては、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体膜などを使用することができる。燃料極および空気極のそれぞれは、触媒層およびガス拡散層を含んでいる。
【００１６】
セパレータ２０は、流路溝を形成するために、凹凸形状を有している。膜電極接合体１９の両面のそれぞれにセパレータ２０を配置することにより、燃料ガスを流通させるための燃料ガス流路２１、酸化剤ガスを流通させるための酸化剤ガス流路２２、および冷却水を流通させるための冷却水流路２３を形成している。セパレータ２０は、本実施形態では金属製の原材をプレス成形することにより成形しており、例えばステンレス製である。したがって、セパレータ２０の流路は、プレス成形により形成される。燃料ガスは、燃料ガス導入口８から導入され、セパレータ２０の燃料ガス流路２１を流れ、燃料ガス排出口９から排出される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入口１０から導入され、セパレータ２０の酸化剤ガス流路２２を流れ、酸化剤ガス排出口１１から排出される。冷却水は、冷却水導入口１２から導入され、セパレータ２０の冷却水流路２３を流れ、冷却水排出口１３から排出される。
【００１７】
セパレータ２０には、図４に示すように、燃料ガス導入口８、燃料ガス排出口９、酸化剤ガス導入口１０、酸化剤ガス排出口１１、冷却水導入口１２、および冷却水排出口１３に対応して、複数の導入マニホールド２５ａおよび排出マニホールド２５ｂ（導入マニホールド２５ａおよび排出マニホールド２５ｂを総じてマニホールド２５と称する。）が設けられている。導入マニホールド２５ａおよび排出マニホールド２５ｂは、流路２１，２２または２３に連通する。セパレータ２０は、これらのマニホールド２５からそれぞれの流路２１，２２または２３へ特定の媒体を流入、排出させるために、特定のマニホールド以外のマニホールド２５の回りが、シール材２４により封止されている。
【００１８】
アノードセパレータ２０Ａおよびカソードセパレータ２０Ｂは、図４において一点鎖線で示すように、縁部に環状に形成される外周溶接線２６Ａ（溶接部）と、燃料ガスおよび酸化ガス用の導入マニホールド２５ａおよび排出マニホールド２５ｂの周囲を囲む開口溶接線２６Ｂ（溶接部）とによって互いに溶接されている。外周溶接線２６Ａには、曲率半径Ｒ＝４ｍｍの屈曲部２７Ａが形成され、開口溶接線２６Ｂには、曲率半径Ｒ＝２ｍｍの屈曲部２７Ｂが形成される。
【００１９】
シール材２４は、セパレータ２０および膜電極接合体１９のそれぞれの間を密封するとともに、接合する機能を有している。シール材２４には、例えば熱硬化性樹脂が用いられる。熱硬化性樹脂には、例えばフェノール樹脂、エポキシ樹脂または不飽和ポリエステル等が使用できる。
【００２０】
エンドプレート４は、絶縁材からなるが、セパレータ２０および膜電極接合体１９で構成される積層体１４との間に他の絶縁部材が配置されれば、絶縁材でなくてもよい。
【００２１】
次に、本実施形態に係るセパレータ溶接装置について説明する。
【００２２】
図５は、本実施形態に係るセパレータ溶接装置の全体を示す概略図、図６は、同製造装置のセパレータ成形部を示す斜視図、図７は、同製造装置のセパレータ溶接部を示す斜視図、図８は、図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿う部分断面図、図９は、セパレータ溶接部の外周面を展開した部分平面図である。
【００２３】
本セパレータ溶接装置３０は、図５に示すように、アノードセパレータ２０Ａを成形するアノード成形ライン３１Ａと、カソードセパレータ２０Ｂを成形するカソード成形ライン３１Ｂと、セパレータを溶接するセパレータ溶接部６０と、セパレータ２０を切断するセパレータ切断部７０とを備えている。
【００２４】
アノード成形ライン３１Ａおよびカソード成形ライン３１Ｂは、いずれも、ワーク供給部３２と、セパレータ成形部４０と、セパレータ矯正部５０とを有している。
【００２５】
ワーク供給部３２には、セパレータ２０の原材であるワークＷが巻回されたセパレータロール３３が設けられており、セパレータロール３３から第１，第２ワークＷ１，Ｗ２をセパレータ成形部４０へ供給する。第１，第２ワークＷ１，Ｗ２の両側の縁部には、位置決め用のパイロット孔Ｈが一定間隔に並んで形成されている。
【００２６】
セパレータ成形部４０は、図６に示すように、表面にセパレータ２０の形状が刻まれた対の成形ローラ４１Ａ，４１Ｂを有しており、それぞれのライン３１Ａ，３１Ｂで、ワーク供給部３２から供給された第１，第２ワークＷ１，Ｗ２に、アノードセパレータ２０Ａおよびカソードセパレータ２０Ｂの形状をプレス成形する。
【００２７】
一方の成形ローラ４１Ａの表面には、両側の縁部に周方向に並ぶ絶縁性のパイロットピン４２が複数形成されている。また、他方の成形ローラ４１Ｂの表面には、両側の縁部に周方向に並ぶ嵌合孔４３が複数形成されている。パイロットピン４２および嵌合孔４３は、第１，第２ワークＷ１，Ｗ２のパイロット孔Ｈと同間隔（同ピッチ）で形成されている。したがって、両成形ローラ４１Ａ，４１Ｂにより第１，第２ワークＷ１，Ｗ２を挟持した際に、パイロットピン４２がパイロット孔Ｈを貫通して嵌合孔４３に嵌合することで、前記ワークＷを成形ローラ４１Ａ，４１Ｂに対して位置決めできる。
【００２８】
セパレータ矯正部５０は、成形ローラ４１により成形された第１，第２ワークＷ１，Ｗ２の形状を矯正するための矯正ローラ５１Ａ，５１Ｂを有している。矯正ローラ５１Ａ，５１Ｂの表面には、成形ローラ４１Ａ，４１Ｂと同様にセパレータ２０の形状が刻まれている。なお、矯正ローラ５１Ａ，５１Ｂの表面の形状は、第１，第２ワークＷ１，Ｗ２の形状を矯正できるのであれば必ずしもセパレータ２０の形状が刻まれていなくてもよく、例えばセパレータ２０の形状が部分的に刻まれていたり、または全く形状が刻まれていなくてもよい。
【００２９】
また、矯正ローラ５１Ａ，５１Ｂの表面には、成形ローラ４１Ａ，４１Ｂと同様にパイロットピン（不図示）および嵌合孔（不図示）が複数形成されている。したがって、両矯正ローラ５１Ａ，５１Ｂにより第１，第２ワークＷ１，Ｗ２を挟持した際に、パイロットピンがパイロット孔Ｈを貫通して嵌合孔に嵌合することで、ワークＷ１，Ｗ２を矯正ローラ５１Ａ，５１Ｂに対して位置決めできる。
【００３０】
セパレータ溶接部６０は、図５，７〜９に示すように、アノードセパレータ２０Ａの形状が成形された第１ワークＷ１と、カソードセパレータ２０Ｂの形状が成形された第２ワークＷ２とを、互いに重ねて加圧する一対の回転可能な電極ローラ６１Ａ，６１Ｂを有している。電極ローラ６１Ａ，６１Ｂは、油圧シリンダー等の押圧手段６２に連結されて、第１，第２ワークＷ１，Ｗ２を所望の圧力で押圧することができる。
【００３１】
各々の電極ローラ６１Ａ，６１Ｂの表面には、セパレータ２０の溶接線２６に対応する位置で突出して形成された突状電極部６３Ａ，６３Ｂが形成されている。各々の電極ローラ６１Ａ，６１Ｂの突状電極部６３Ａ，６３Ｂは、第１，第２ワークＷ１，Ｗ２を挟むように、互いに対応する位置に形成されている。
【００３２】
また、各々の電極ローラ６１Ａ，６１Ｂの表面には、第１，第２ワークＷ１，Ｗ２の面形状に対応して突出して形成された非導電性の押さえ部６４Ａ，６４Ｂが設けられている。押さえ部６４Ａ，６４Ｂは、例えば樹脂により形成される。放熱性各々の電極ローラ６１Ａ，６１Ｂの押さえ部６４Ａ，６４Ｂは、第１，第２ワークＷ１，Ｗ２を挟むように、互いに対応する位置に形成されている。押さえ部６４Ａ，６４Ｂは、突状電極部６３Ａ，６３Ｂの近傍に設けられることが好ましく、本実施形態では、電極ローラ６１Ａ，６１Ｂの表面において突状電極部６３Ａ，６３Ｂから所定間隔Ｘだけ離隔しての両側を挟むように形成されている。間隔Ｘは、本実施形態では、０．１ｍｍ〜０．３ｍｍ程度で設定されており、溶接時の熱を放熱する機能を果たす。電極ローラ６１Ａ，６１Ｂは、外部の電流供給部６６に接続されており、突状電極部６３Ａ，６３Ｂに電流を印加することが可能となっている。
【００３３】
電極ローラ６１Ａ，６１Ｂの表面には、突状電極部６３Ａ，６３Ｂおよび押さえ部６４Ａ，６４Ｂが形成される部位と異なる表面部位に、樹脂製の絶縁材６５が貼り付けられている。
【００３４】
電極ローラ６１Ａ，６１Ｂの表面には、成形ローラ４１Ａ，４１Ｂと同様にパイロットピン６７および嵌合孔６８が複数形成されている。したがって、両電極ローラ６１Ａ，６１Ｂにより第１，第２ワークＷ１，Ｗ２を挟持した際に、パイロットピン６７がパイロット孔Ｈを貫通して嵌合孔６８に嵌合することで、ワークＷを電極ローラ６１Ａ，６１Ｂに対して位置決めできる。
【００３５】
また、本実施形態に係る溶接装置３０は、電流供給部６６および押圧手段６２が接続される制御部６９を有しており、押圧手段６２による押圧力、電流供給部６６の出力および周波数を任意に制御可能となっている。
【００３６】
次に、本実施形態に係るセパレータ溶接方法について説明する。
【００３７】
図１０は、本実施形態に係るセパレータ溶接方法のフロー図である。
【００３８】
まず、ワーク供給部３２のセパレータロール３３から、第１，第２ワークＷ１，Ｗ２を引き出して、セパレータ成形部４０に供給する（ワーク供給工程）。
【００３９】
次に、ワーク供給部３２の成形ローラ４１Ａ，４１Ｂにより、第１，第２ワークＷ１，Ｗ２に、アノードセパレータ２０Ａおよびカソードセパレータ２０Ｂの形状をプレス成形する（セパレータ成形工程）。このとき、成形ローラ４１Ａ，４１Ｂのパイロットピン４２が第１，第２ワークＷ１，Ｗ２のパイロット孔Ｈを貫通して嵌合孔４３に嵌合することで、第１，第２ワークＷ１，Ｗ２が成形ローラ４１Ａ，４１Ｂに対して位置決めされる。これにより、第１，第２ワークＷ１，Ｗ２においてアノードセパレータ２０Ａおよびカソードセパレータ２０Ｂの形状を正確な位置にプレス成形できる。このときのプレス成形精度は、例えば±０．００３ｍｍ以内である。成形された第１，第２ワークＷ１，Ｗ２は、セパレータ矯正部５０に搬送される。
【００４０】
次に、セパレータ矯正部５０の矯正ローラ５１Ａ，５１Ｂにより、第１，第２ワークＷ１，Ｗ２におけるアノードセパレータ２０Ａおよびカソードセパレータ２０Ｂの形状を矯正する（セパレータ矯正工程）。これにより、セパレータ成形工程におけるプレス加工において、表裏の伸び量（残留応力）の相違によって生じた反りを、矯正することができる。セパレータ矯正工程においても、矯正ローラ５１Ａ，５１Ｂのパイロットピンが第１，第２ワークＷ１，Ｗ２のパイロット孔Ｈを貫通して嵌合孔に嵌合することで、第１，第２ワークＷ１，Ｗ２が矯正ローラ５１Ａ，５１Ｂに対して位置決めされる。これにより、第１，第２ワークＷ１，Ｗ２におけるアノードセパレータ２０Ａおよびカソードセパレータ２０Ｂの形状を正確に矯正できる。矯正された第１，第２ワークＷ１，Ｗ２は、セパレータ溶接部６０に搬送される。なお、このセパレータ矯正工程において、第１，第２ワークＷ１，Ｗ２の反りを完全に矯正しなくてもよく、反りを残した状態で、次のセパレータ溶接工程へ搬出してもよい。
【００４１】
次に、セパレータ溶接部６０において、第１ワークＷ１と第２ワークＷ２をシーム溶接する（セパレータ溶接工程）。セパレータ溶接工程では、第１ワークＷ１と第２ワークＷ２を重ねて１対の電極ローラ６１Ａ，６１Ｂの間に一方向から送り込む。両電極ローラ６１Ａ，６１Ｂは、制御部６９によって、加圧力、電流出力および周波数が制御されつつ、第１，第２ワークＷ１，Ｗ２を突状電極部６３Ａ，６３Ｂおよび押さえ部６４Ａ，６４Ｂにより挟持する。これにより、第１，第２ワークＷ１，Ｗ２の外周溶接線２６Ａおよび開口溶接線２６Ｂが、搬送方向の一方側から連続的に溶接される。このとき、両電極ローラ６１Ａ，６１Ｂにより第１，第２ワークＷ１，Ｗ２を加圧しつつパイロットピン６７が第１，第２ワークＷ１，Ｗ２のパイロット孔Ｈを貫通して嵌合孔６８に嵌合するため、第１，第２ワークＷ１，Ｗ２が、両電極ローラ６１Ａ，６１Ｂに対して位置決めされる。これにより、第１，第２ワークＷ１，Ｗ２の正確な位置を溶接することができる。このパイロット孔Ｈは、セパレータ成形工程にも用いられていることから、プレス成形精度と同程度の±０．００３ｍｍ以内の溶接精度が可能となる。また、セパレータ成形工程（さらには、セパレータ矯正工程）に用いるパイロット孔Ｈを用いて位置決めするため、更なるパイロット孔を設けることなしに位置決めが可能である。
【００４２】
溶接の際には、突状電極部６３Ａ，６３Ｂの近傍に設けられる押さえ部６４Ａ，６４Ｂが、第１，第２ワークＷ１，Ｗ２と接する。押さえ部６４Ａ，６４Ｂは、第１，第２ワークＷ１，Ｗ２に形成される溝部に嵌合し、押さえ部６４Ａ，６４Ｂの側面Ｓが、溝部を構成する側壁Ｔに当接する。これにより、セパレータが押さえ部６４Ａ，６４Ｂに対して位置決めされて、外周溶接線２６Ａおよび開口溶接線２６Ｂを精度よく突状電極部６３Ａ，６３Ｂに位置決めできる。
【００４３】
また、押さえ部６４Ａ，６４Ｂが、第１，第２ワークＷ１，Ｗ２を両側から押圧して挟持するため、第１ワークＷ１と第２ワークＷ２の間の隙間が抑制される。さらに、溶接部も突状電極部６３Ａ，６３Ｂにより押圧されるため、第１ワークＷ１と第２ワークＷ２の間の隙間がさらに抑制される。一般的に、溶接時に許容できる板材間の隙間は、接合する板厚の１０％程度であり、ワークＷの板圧を０．１ｍｍとすれば、隙間を０．０１ｍｍ以下に抑える必要がある。これに対し、本実施形態では、上述のように第１ワークＷ１と第２ワークＷ２の間の隙間が抑制されるため、セパレータ成形工程において生じるワークＷのうねりの影響による溶接精度の低下、および第１，第２ワークＷ１，Ｗ２の隙間への溶融金属の溶け落ちによる品質劣化を抑えることが可能となる。
【００４４】
また、両電極ローラ６１Ａ，６１Ｂの表面には、絶縁材６５が設けられているため、突状電極部６３Ａ，６３Ｂ以外での短絡を防止することができる。
【００４５】
この後、互いに溶接された第１，第２ワークＷ１，Ｗ２は、セパレータ切断部７０に搬送され、切断刃や打ち抜きポンチ等で切断または打ち抜かれて、アノードセパレータ２０Ａおよびカソードセパレータ２０Ｂが接合されたセパレータ２０が完成する。
【００４６】
次に、本実施形態の効果について説明する。
【００４７】
通常のシーム溶接やレーザ溶接では、溶接線に沿って一筆書きのように溶接を行うため、溶接速度はいずれも２ｍ／分程度であり、シーム溶接とレーザ溶接で溶接速度の差は見られない。しかし、本実施形態に係るセパレータ溶接方法で用いられるシーム溶接では、溶接線２６に対応する形状で刻まれた突状電極部６３Ａ，６３Ｂが表面に設けられた電極ローラ６１Ａ，６１Ｂを用い、突状電極部６３Ａ，６３Ｂの加圧力、電流の出力および周波数を制御することで、第１，第２ワークＷ１，Ｗ２を一方向から流すだけで溶接することができる。したがって、溶接を高速化するとともに、第１，第２ワークＷ１，Ｗ２を溶接してセパレータ２０の内部抵抗を低減させることができる。溶接時間の一例として、通常のシーム溶接やレーザ溶接では、セパレータ１枚で約１分掛かるところ、本セパレータ溶接方法では、約０．５分で溶接することが可能となる。
【００４８】
また、上述した通常のシーム溶接では、例えば屈曲部２７Ａ，２７Ｂの曲率が大きい（曲率半径Ｒが小さい）場合には、溶接することができないが、本実施形態によれば、このような通常のシーム溶接では溶接できない形状であっても溶接することができる。これにより、セパレータ２０の形状設計自由度が向上する。
【００４９】
また、例えばレーザ溶接を用いる際には、ワークを固定するための冶具が必要であるが、レーザを照射するために溶接部上を固定することができない。したがって、ベースとなる板材にワークを設置し、このワークの外周溶接線の外側、内側、および開口溶接線の内側を固定するそれぞれの固定冶具を磁石等によりベースに対して固定して、レーザ溶接を行う方法がある。このようなレーザ溶接では、溶接の前にワークを固定する際に要する段取り時間が生じ、さらに設備コストも掛かる。これに対し、本実施形態では、突状電極部６３Ａ，６３Ｂにより直接的に溶接部（外周溶接線２６Ａ、開口溶接線２６Ｂ）を加圧できるため、上述のような固定冶具を必要とせず、溶接前の段取り時間を設けることなしに溶接可能であり、作業性に優れる。また、固定冶具が必要ないために、設備コストおよびランニングコストを低減できる。
【００５０】
また、レーザ溶接では、溶接精度は±０．０１ｍｍ程度であるが、本実施形態では、上述したように±０．００３ｍｍの溶接精度を実現でき、高精度かつ高品位な溶接が可能となる。
【００５１】
また、セパレータ成形工程におけるプレス加工において、ワークＷを逆反り方向（第１，第２ワークＷ１，Ｗ２の互いに接する側を凹形状とする方向）に反るように成形しておくことで、セパレータ溶接工程におけるシーム溶接によって面歪を抑制することができる。すなわち、シーム溶接はワークＷを加圧するため、これを利用してプレス加工により生じた面歪を矯正する方向へ加圧を行うことで、矯正できる。さらに、溶接熱による焼鈍効果も加わるため、プレス加工ほどの強大な加圧力を必要とせずに、セパレータ溶接部６０（押圧手段６２）で発生可能な加圧力で形状を矯正できる。
【００５２】
また、本実施形態では、制御部６９により電流供給部６６および押圧手段６２を制御するため、電極ローラ６１Ａ，６１Ｂの回転とともに変化する溶接部位に応じて、最適な溶接条件で溶接することが可能である。すなわち、変化する溶接部位に応じて、押圧手段６２を制御することで面圧を最適に維持し、電流供給部６６を制御することで溶接に最適な出力および周波数を確保できる。
【００５３】
また、制御部６９により押圧手段６２の押圧力を制御することで、セパレータ成形工程で生じた面歪を矯正しつつ溶接することが可能である。これにより、セパレータ２０の厚みのばらつきが抑制されて、燃料電池として積層した際の精度をも向上させることができる。
【００５４】
また、レーザ溶接では、通常、溶接による歪を分散させるために、レーザの照射位置をワークＷの幅方向へ交互に移動させつつ溶接するが、一方側を溶接すると他方側のワーク間の隙間が大きくなり、固定冶具による隙間の矯正が困難となって、セパレータの精度が低下する。これに対し、本実施形態では、幅のある電極ロール６１Ａ，６１Ｂを用いて第１，第２ワークＷ１，Ｗ２の幅方向を同時に接合するため、このような問題を解消でき、セパレータ２０の製品精度を向上させることができる。
【００５５】
なお、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種々改変することができる。例えば、溶接部位が外周溶接線２６Ａおよび開口溶接線２６Ｂ以外に設けられてもよい。また、押さえ部６４Ａ，６４Ｂや絶縁材６５が設けられなくてもよい。また、押さえ部を樹脂ではなく、銅等の伝熱性の高い金属に、樹脂等の絶縁材料を被覆して形成してもよい。このようにすれば、溶接時の熱を押さえ部から良好に放熱することが可能となる。
【符号の説明】
【００５６】
１ 燃料電池スタック、
２ 単セル、
１９ 膜電極接合体、
２０Ａ アノードセパレータ、
２０Ｂ カソードセパレータ、
２６Ａ 外周溶接線（溶接部）、
２６Ｂ 開口溶接線（溶接部）、
３０ セパレータ溶接装置、
３２ ワーク供給部、
３３ セパレータロール、
４０ セパレータ成形部、
４１Ａ，４１Ｂ 成形ローラ、
５０ セパレータ矯正部、
６０ セパレータ溶接部、
６１Ａ，６１Ｂ 電極ローラ、
６２ 押圧手段、
６３Ａ，６３Ｂ 突状電極部、
６４Ａ，６４Ｂ 押さえ部、
６５ 絶縁材、
６６ 電流供給部、
６７ パイロットピン、
６８ 嵌合孔、
６９ 制御部、
Ｒ 曲率半径、
Ｓ 側面、
Ｔ 側壁、
Ｗ 前記ワーク、
Ｗ１ 第１ワーク、
Ｗ２ 第２ワーク、
Ｘ 間隔。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セパレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池では、電解質膜の両面に電極を設けた膜電極接合体の両面にアノードセパレータとカソードセパレータを重ね、これらを複数積層した積層体を、外部から保持して固定することで燃料電池スタックを形成する。燃料電池では、互いに重なるアノードセパレータとカソードセパレータの接触抵抗を低減させることが有効であり、このための方法として、アノードセパレータとカソードセパレータを低融点合金等により接合する方法が挙げられる（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１１４４４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上述の特許文献１による方法では、低融点合金を溶融させるためにセパレータを加熱処理する必要があり、作業時間がかかる。
【０００５】
本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、両セパレータ間の接触抵抗を低減可能であり、かつ作業の高速化が可能なセパレータ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】
【０００６】
上記目的を達成する本発明に係るセパレータは、高分子電解質膜のアノード側に配置されるアノードセパレータとカソード側に配置されるカソードセパレータとを、互いに溶接して接合したセパレータである。当該セパレータは、前記アノードセパレータおよびカソードセパレータの互いに溶接される溶接部の形状に対応して突出して形成された突状電極部を表面に有する１対の回転可能な電極ローラによって、前記アノードセパレータおよびカソードセパレータの原材である２枚のワークを重ねて両面側から挟んで一方向へ移動させつつ、前記突状電極部に電流を印加して当該突状電極部により挟持した前記２枚のワークを溶接して形成される。
【発明の効果】
【０００７】
上記のように構成した本発明に係るセパレータは、セパレータの互いに溶接される溶接部の形状に対応して突出して形成された突状電極部を有する電極ローラにより、２枚のワークを溶接して形成されるため、ワークの幅方向が同時に溶接される。したがって、溶接された両セパレータ間の接触抵抗が低減するとともに、セパレータ製造時の作業の高速化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本実施形態に係るセパレータを用いた燃料電池スタックを示す側面図である。
【図２】同燃料電池を示す平面図である。
【図３】同燃料電池スタックの部分拡大断面図である。
【図４】本実施形態に係るセパレータの１つを示す平面図である。
【図５】本実施形態に係るセパレータ溶接装置の全体を示す概略図である。
【図６】同製造装置のセパレータ成形部を示す斜視図である。
【図７】同製造装置のセパレータ溶接部を示す斜視図である。
【図８】図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿う部分断面図である。
【図９】セパレータ溶接部の外周面を展開した部分平面図である。
【図１０】本実施形態に係るセパレータ溶接方法のフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。なお、理解を容易にするために、図面によっては各構成要素が誇張して示されている。
【００１０】
図１は、本実施形態に係るセパレータを用いた燃料電池スタックを示す側面図、図２は、同燃料電池を示す平面図、図３は、同燃料電池スタックの部分拡大断面図、図４は、本実施形態に係るセパレータの１つを示す平面図である。
【００１１】
本実施形態に係るセパレータを用いた燃料電池スタック１は、図１〜３に示すように、燃料ガス（水素）と酸化剤ガス（酸素）との反応により起電力を生じる単セル２を所定数だけ積層されている。
【００１２】
積層された単セル２の両端には、集電板３およびエンドプレート４を配置し、締結手段５によってこれらを保持することにより燃料電池スタック１を構成する。締結手段５は、単セル２の積層方向に延在し、両エンドプレート４の側面にボルト６により締結される固定梁７であり、エンドプレート４の周囲に複数設けられる。なお、締結手段５はこの形態に限定されず、例えば単セル２の積層方向に延在する締結ボルトや、クランプ等を用いてもよい。
【００１３】
一方のエンドプレート４には、燃料電池スタック１内部において燃料ガス、酸化剤ガス、および冷却水のそれぞれを流通させるために、燃料ガス導入口８、燃料ガス排出口９、酸化剤ガス導入口１０、酸化剤ガス排出口１１、冷却水導入口１２、および冷却水排出口１３が形成されている。
【００１４】
単セル２は、図３に示すように、膜電極接合体１９と、膜電極接合体１９の両側に配置されるセパレータ２０とを有している。なお、膜電極接合体１９のアノード側に配置されるセパレータ２０をアノードセパレータ２０Ａと称し、カソード側に配置されるセパレータ２０をカソードセパレータ２０Ｂと称する。
【００１５】
膜電極接合体１９は、固体高分子電解質膜を、その両側から燃料極（アノード電極）と空気極（カソード電極）とによって挟み込んだ積層構造を有している。固体高分子電解質膜としては、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体膜などを使用することができる。燃料極および空気極のそれぞれは、触媒層およびガス拡散層を含んでいる。
【００１６】
セパレータ２０は、流路溝を形成するために、凹凸形状を有している。膜電極接合体１９の両面のそれぞれにセパレータ２０を配置することにより、燃料ガスを流通させるための燃料ガス流路２１、酸化剤ガスを流通させるための酸化剤ガス流路２２、および冷却水を流通させるための冷却水流路２３を形成している。セパレータ２０は、本実施形態では金属製の原材をプレス成形することにより成形しており、例えばステンレス製である。したがって、セパレータ２０の流路は、プレス成形により形成される。燃料ガスは、燃料ガス導入口８から導入され、セパレータ２０の燃料ガス流路２１を流れ、燃料ガス排出口９から排出される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入口１０から導入され、セパレータ２０の酸化剤ガス流路２２を流れ、酸化剤ガス排出口１１から排出される。冷却水は、冷却水導入口１２から導入され、セパレータ２０の冷却水流路２３を流れ、冷却水排出口１３から排出される。
【００１７】
セパレータ２０には、図４に示すように、燃料ガス導入口８、燃料ガス排出口９、酸化剤ガス導入口１０、酸化剤ガス排出口１１、冷却水導入口１２、および冷却水排出口１３に対応して、複数の導入マニホールド２５ａおよび排出マニホールド２５ｂ（導入マニホールド２５ａおよび排出マニホールド２５ｂを総じてマニホールド２５と称する。）が設けられている。導入マニホールド２５ａおよび排出マニホールド２５ｂは、流路２１，２２または２３に連通する。セパレータ２０は、これらのマニホールド２５からそれぞれの流路２１，２２または２３へ特定の媒体を流入、排出させるために、特定のマニホールド以外のマニホールド２５の回りが、シール材２４により封止されている。
【００１８】
アノードセパレータ２０Ａおよびカソードセパレータ２０Ｂは、図４において一点鎖線で示すように、縁部に環状に形成される外周溶接線２６Ａ（溶接部）と、燃料ガスおよび酸化ガス用の導入マニホールド２５ａおよび排出マニホールド２５ｂの周囲を囲む開口溶接線２６Ｂ（溶接部）とによって互いに溶接されている。外周溶接線２６Ａには、曲率半径Ｒ＝４ｍｍの屈曲部２７Ａが形成され、開口溶接線２６Ｂには、曲率半径Ｒ＝２ｍｍの屈曲部２７Ｂが形成される。
【００１９】
シール材２４は、セパレータ２０および膜電極接合体１９のそれぞれの間を密封するとともに、接合する機能を有している。シール材２４には、例えば熱硬化性樹脂が用いられる。熱硬化性樹脂には、例えばフェノール樹脂、エポキシ樹脂または不飽和ポリエステル等が使用できる。
【００２０】
エンドプレート４は、絶縁材からなるが、セパレータ２０および膜電極接合体１９で構成される積層体１４との間に他の絶縁部材が配置されれば、絶縁材でなくてもよい。
【００２１】
次に、本実施形態に係るセパレータ溶接装置について説明する。
【００２２】
図５は、本実施形態に係るセパレータ溶接装置の全体を示す概略図、図６は、同製造装置のセパレータ成形部を示す斜視図、図７は、同製造装置のセパレータ溶接部を示す斜視図、図８は、図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿う部分断面図、図９は、セパレータ溶接部の外周面を展開した部分平面図である。
【００２３】
本セパレータ溶接装置３０は、図５に示すように、アノードセパレータ２０Ａを成形するアノード成形ライン３１Ａと、カソードセパレータ２０Ｂを成形するカソード成形ライン３１Ｂと、セパレータを溶接するセパレータ溶接部６０と、セパレータ２０を切断するセパレータ切断部７０とを備えている。
【００２４】
アノード成形ライン３１Ａおよびカソード成形ライン３１Ｂは、いずれも、ワーク供給部３２と、セパレータ成形部４０と、セパレータ矯正部５０とを有している。
【００２５】
ワーク供給部３２には、セパレータ２０の原材であるワークＷが巻回されたセパレータロール３３が設けられており、セパレータロール３３から第１，第２ワークＷ１，Ｗ２をセパレータ成形部４０へ供給する。第１，第２ワークＷ１，Ｗ２の両側の縁部には、位置決め用のパイロット孔Ｈが一定間隔に並んで形成されている。
【００２６】
セパレータ成形部４０は、図６に示すように、表面にセパレータ２０の形状が刻まれた対の成形ローラ４１Ａ，４１Ｂを有しており、それぞれのライン３１Ａ，３１Ｂで、ワーク供給部３２から供給された第１，第２ワークＷ１，Ｗ２に、アノードセパレータ２０Ａおよびカソードセパレータ２０Ｂの形状をプレス成形する。
【００２７】
一方の成形ローラ４１Ａの表面には、両側の縁部に周方向に並ぶ絶縁性のパイロットピン４２が複数形成されている。また、他方の成形ローラ４１Ｂの表面には、両側の縁部に周方向に並ぶ嵌合孔４３が複数形成されている。パイロットピン４２および嵌合孔４３は、第１，第２ワークＷ１，Ｗ２のパイロット孔Ｈと同間隔（同ピッチ）で形成されている。したがって、両成形ローラ４１Ａ，４１Ｂにより第１，第２ワークＷ１，Ｗ２を挟持した際に、パイロットピン４２がパイロット孔Ｈを貫通して嵌合孔４３に嵌合することで、前記ワークＷを成形ローラ４１Ａ，４１Ｂに対して位置決めできる。
【００２８】
セパレータ矯正部５０は、成形ローラ４１により成形された第１，第２ワークＷ１，Ｗ２の形状を矯正するための矯正ローラ５１Ａ，５１Ｂを有している。矯正ローラ５１Ａ，５１Ｂの表面には、成形ローラ４１Ａ，４１Ｂと同様にセパレータ２０の形状が刻まれている。なお、矯正ローラ５１Ａ，５１Ｂの表面の形状は、第１，第２ワークＷ１，Ｗ２の形状を矯正できるのであれば必ずしもセパレータ２０の形状が刻まれていなくてもよく、例えばセパレータ２０の形状が部分的に刻まれていたり、または全く形状が刻まれていなくてもよい。
【００２９】
また、矯正ローラ５１Ａ，５１Ｂの表面には、成形ローラ４１Ａ，４１Ｂと同様にパイロットピン（不図示）および嵌合孔（不図示）が複数形成されている。したがって、両矯正ローラ５１Ａ，５１Ｂにより第１，第２ワークＷ１，Ｗ２を挟持した際に、パイロットピンがパイロット孔Ｈを貫通して嵌合孔に嵌合することで、ワークＷ１，Ｗ２を矯正ローラ５１Ａ，５１Ｂに対して位置決めできる。
【００３０】
セパレータ溶接部６０は、図５，７〜９に示すように、アノードセパレータ２０Ａの形状が成形された第１ワークＷ１と、カソードセパレータ２０Ｂの形状が成形された第２ワークＷ２とを、互いに重ねて加圧する一対の回転可能な電極ローラ６１Ａ，６１Ｂを有している。電極ローラ６１Ａ，６１Ｂは、油圧シリンダー等の押圧手段６２に連結されて、第１，第２ワークＷ１，Ｗ２を所望の圧力で押圧することができる。
【００３１】
各々の電極ローラ６１Ａ，６１Ｂの表面には、セパレータ２０の溶接線２６に対応する位置で突出して形成された突状電極部６３Ａ，６３Ｂが形成されている。各々の電極ローラ６１Ａ，６１Ｂの突状電極部６３Ａ，６３Ｂは、第１，第２ワークＷ１，Ｗ２を挟むように、互いに対応する位置に形成されている。
【００３２】
また、各々の電極ローラ６１Ａ，６１Ｂの表面には、第１，第２ワークＷ１，Ｗ２の面形状に対応して突出して形成された非導電性の押さえ部６４Ａ，６４Ｂが設けられている。押さえ部６４Ａ，６４Ｂは、例えば樹脂により形成される。放熱性各々の電極ローラ６１Ａ，６１Ｂの押さえ部６４Ａ，６４Ｂは、第１，第２ワークＷ１，Ｗ２を挟むように、互いに対応する位置に形成されている。押さえ部６４Ａ，６４Ｂは、突状電極部６３Ａ，６３Ｂの近傍に設けられることが好ましく、本実施形態では、電極ローラ６１Ａ，６１Ｂの表面において突状電極部６３Ａ，６３Ｂから所定間隔Ｘだけ離隔しての両側を挟むように形成されている。間隔Ｘは、本実施形態では、０．１ｍｍ〜０．３ｍｍ程度で設定されており、溶接時の熱を放熱する機能を果たす。電極ローラ６１Ａ，６１Ｂは、外部の電流供給部６６に接続されており、突状電極部６３Ａ，６３Ｂに電流を印加することが可能となっている。
【００３３】
電極ローラ６１Ａ，６１Ｂの表面には、突状電極部６３Ａ，６３Ｂおよび押さえ部６４Ａ，６４Ｂが形成される部位と異なる表面部位に、樹脂製の絶縁材６５が貼り付けられている。
【００３４】
電極ローラ６１Ａ，６１Ｂの表面には、成形ローラ４１Ａ，４１Ｂと同様にパイロットピン６７および嵌合孔６８が複数形成されている。したがって、両電極ローラ６１Ａ，６１Ｂにより第１，第２ワークＷ１，Ｗ２を挟持した際に、パイロットピン６７がパイロット孔Ｈを貫通して嵌合孔６８に嵌合することで、ワークＷを電極ローラ６１Ａ，６１Ｂに対して位置決めできる。
【００３５】
また、本実施形態に係る溶接装置３０は、電流供給部６６および押圧手段６２が接続される制御部６９を有しており、押圧手段６２による押圧力、電流供給部６６の出力および周波数を任意に制御可能となっている。
【００３６】
次に、本実施形態に係るセパレータ溶接方法について説明する。
【００３７】
図１０は、本実施形態に係るセパレータ溶接方法のフロー図である。
【００３８】
まず、ワーク供給部３２のセパレータロール３３から、第１，第２ワークＷ１，Ｗ２を引き出して、セパレータ成形部４０に供給する（ワーク供給工程）。
【００３９】
次に、ワーク供給部３２の成形ローラ４１Ａ，４１Ｂにより、第１，第２ワークＷ１，Ｗ２に、アノードセパレータ２０Ａおよびカソードセパレータ２０Ｂの形状をプレス成形する（セパレータ成形工程）。このとき、成形ローラ４１Ａ，４１Ｂのパイロットピン４２が第１，第２ワークＷ１，Ｗ２のパイロット孔Ｈを貫通して嵌合孔４３に嵌合することで、第１，第２ワークＷ１，Ｗ２が成形ローラ４１Ａ，４１Ｂに対して位置決めされる。これにより、第１，第２ワークＷ１，Ｗ２においてアノードセパレータ２０Ａおよびカソードセパレータ２０Ｂの形状を正確な位置にプレス成形できる。このときのプレス成形精度は、例えば±０．００３ｍｍ以内である。成形された第１，第２ワークＷ１，Ｗ２は、セパレータ矯正部５０に搬送される。
【００４０】
次に、セパレータ矯正部５０の矯正ローラ５１Ａ，５１Ｂにより、第１，第２ワークＷ１，Ｗ２におけるアノードセパレータ２０Ａおよびカソードセパレータ２０Ｂの形状を矯正する（セパレータ矯正工程）。これにより、セパレータ成形工程におけるプレス加工において、表裏の伸び量（残留応力）の相違によって生じた反りを、矯正することができる。セパレータ矯正工程においても、矯正ローラ５１Ａ，５１Ｂのパイロットピンが第１，第２ワークＷ１，Ｗ２のパイロット孔Ｈを貫通して嵌合孔に嵌合することで、第１，第２ワークＷ１，Ｗ２が矯正ローラ５１Ａ，５１Ｂに対して位置決めされる。これにより、第１，第２ワークＷ１，Ｗ２におけるアノードセパレータ２０Ａおよびカソードセパレータ２０Ｂの形状を正確に矯正できる。矯正された第１，第２ワークＷ１，Ｗ２は、セパレータ溶接部６０に搬送される。なお、このセパレータ矯正工程において、第１，第２ワークＷ１，Ｗ２の反りを完全に矯正しなくてもよく、反りを残した状態で、次のセパレータ溶接工程へ搬出してもよい。
【００４１】
次に、セパレータ溶接部６０において、第１ワークＷ１と第２ワークＷ２をシーム溶接する（セパレータ溶接工程）。セパレータ溶接工程では、第１ワークＷ１と第２ワークＷ２を重ねて１対の電極ローラ６１Ａ，６１Ｂの間に一方向から送り込む。両電極ローラ６１Ａ，６１Ｂは、制御部６９によって、加圧力、電流出力および周波数が制御されつつ、第１，第２ワークＷ１，Ｗ２を突状電極部６３Ａ，６３Ｂおよび押さえ部６４Ａ，６４Ｂにより挟持する。これにより、第１，第２ワークＷ１，Ｗ２の外周溶接線２６Ａおよび開口溶接線２６Ｂが、搬送方向の一方側から連続的に溶接される。このとき、両電極ローラ６１Ａ，６１Ｂにより第１，第２ワークＷ１，Ｗ２を加圧しつつパイロットピン６７が第１，第２ワークＷ１，Ｗ２のパイロット孔Ｈを貫通して嵌合孔６８に嵌合するため、第１，第２ワークＷ１，Ｗ２が、両電極ローラ６１Ａ，６１Ｂに対して位置決めされる。これにより、第１，第２ワークＷ１，Ｗ２の正確な位置を溶接することができる。このパイロット孔Ｈは、セパレータ成形工程にも用いられていることから、プレス成形精度と同程度の±０．００３ｍｍ以内の溶接精度が可能となる。また、セパレータ成形工程（さらには、セパレータ矯正工程）に用いるパイロット孔Ｈを用いて位置決めするため、更なるパイロット孔を設けることなしに位置決めが可能である。
【００４２】
溶接の際には、突状電極部６３Ａ，６３Ｂの近傍に設けられる押さえ部６４Ａ，６４Ｂが、第１，第２ワークＷ１，Ｗ２と接する。押さえ部６４Ａ，６４Ｂは、第１，第２ワークＷ１，Ｗ２に形成される溝部に嵌合し、押さえ部６４Ａ，６４Ｂの側面Ｓが、溝部を構成する側壁Ｔに当接する。これにより、セパレータが押さえ部６４Ａ，６４Ｂに対して位置決めされて、外周溶接線２６Ａおよび開口溶接線２６Ｂを精度よく突状電極部６３Ａ，６３Ｂに位置決めできる。
【００４３】
また、押さえ部６４Ａ，６４Ｂが、第１，第２ワークＷ１，Ｗ２を両側から押圧して挟持するため、第１ワークＷ１と第２ワークＷ２の間の隙間が抑制される。さらに、溶接部も突状電極部６３Ａ，６３Ｂにより押圧されるため、第１ワークＷ１と第２ワークＷ２の間の隙間がさらに抑制される。一般的に、溶接時に許容できる板材間の隙間は、接合する板厚の１０％程度であり、ワークＷの板圧を０．１ｍｍとすれば、隙間を０．０１ｍｍ以下に抑える必要がある。これに対し、本実施形態では、上述のように第１ワークＷ１と第２ワークＷ２の間の隙間が抑制されるため、セパレータ成形工程において生じるワークＷのうねりの影響による溶接精度の低下、および第１，第２ワークＷ１，Ｗ２の隙間への溶融金属の溶け落ちによる品質劣化を抑えることが可能となる。
【００４４】
また、両電極ローラ６１Ａ，６１Ｂの表面には、絶縁材６５が設けられているため、突状電極部６３Ａ，６３Ｂ以外での短絡を防止することができる。
【００４５】
この後、互いに溶接された第１，第２ワークＷ１，Ｗ２は、セパレータ切断部７０に搬送され、切断刃や打ち抜きポンチ等で切断または打ち抜かれて、アノードセパレータ２０Ａおよびカソードセパレータ２０Ｂが接合されたセパレータ２０が完成する。
【００４６】
次に、本実施形態の効果について説明する。
【００４７】
通常のシーム溶接やレーザ溶接では、溶接線に沿って一筆書きのように溶接を行うため、溶接速度はいずれも２ｍ／分程度であり、シーム溶接とレーザ溶接で溶接速度の差は見られない。しかし、本実施形態に係るセパレータ溶接方法で用いられるシーム溶接では、溶接線２６に対応する形状で刻まれた突状電極部６３Ａ，６３Ｂが表面に設けられた電極ローラ６１Ａ，６１Ｂを用い、突状電極部６３Ａ，６３Ｂの加圧力、電流の出力および周波数を制御することで、第１，第２ワークＷ１，Ｗ２を一方向から流すだけで溶接することができる。したがって、溶接を高速化するとともに、第１，第２ワークＷ１，Ｗ２を溶接してセパレータ２０の内部抵抗を低減させることができる。溶接時間の一例として、通常のシーム溶接やレーザ溶接では、セパレータ１枚で約１分掛かるところ、本セパレータ溶接方法では、約０．５分で溶接することが可能となる。
【００４８】
また、上述した通常のシーム溶接では、例えば屈曲部２７Ａ，２７Ｂの曲率が大きい（曲率半径Ｒが小さい）場合には、溶接することができないが、本実施形態によれば、このような通常のシーム溶接では溶接できない形状であっても溶接することができる。これにより、セパレータ２０の形状設計自由度が向上する。
【００４９】
また、例えばレーザ溶接を用いる際には、ワークを固定するための冶具が必要であるが、レーザを照射するために溶接部上を固定することができない。したがって、ベースとなる板材にワークを設置し、このワークの外周溶接線の外側、内側、および開口溶接線の内側を固定するそれぞれの固定冶具を磁石等によりベースに対して固定して、レーザ溶接を行う方法がある。このようなレーザ溶接では、溶接の前にワークを固定する際に要する段取り時間が生じ、さらに設備コストも掛かる。これに対し、本実施形態では、突状電極部６３Ａ，６３Ｂにより直接的に溶接部（外周溶接線２６Ａ、開口溶接線２６Ｂ）を加圧できるため、上述のような固定冶具を必要とせず、溶接前の段取り時間を設けることなしに溶接可能であり、作業性に優れる。また、固定冶具が必要ないために、設備コストおよびランニングコストを低減できる。
【００５０】
また、レーザ溶接では、溶接精度は±０．０１ｍｍ程度であるが、本実施形態では、上述したように±０．００３ｍｍの溶接精度を実現でき、高精度かつ高品位な溶接が可能となる。
【００５１】
また、セパレータ成形工程におけるプレス加工において、ワークＷを逆反り方向（第１，第２ワークＷ１，Ｗ２の互いに接する側を凹形状とする方向）に反るように成形しておくことで、セパレータ溶接工程におけるシーム溶接によって面歪を抑制することができる。すなわち、シーム溶接はワークＷを加圧するため、これを利用してプレス加工により生じた面歪を矯正する方向へ加圧を行うことで、矯正できる。さらに、溶接熱による焼鈍効果も加わるため、プレス加工ほどの強大な加圧力を必要とせずに、セパレータ溶接部６０（押圧手段６２）で発生可能な加圧力で形状を矯正できる。
【００５２】
また、本実施形態では、制御部６９により電流供給部６６および押圧手段６２を制御するため、電極ローラ６１Ａ，６１Ｂの回転とともに変化する溶接部位に応じて、最適な溶接条件で溶接することが可能である。すなわち、変化する溶接部位に応じて、押圧手段６２を制御することで面圧を最適に維持し、電流供給部６６を制御することで溶接に最適な出力および周波数を確保できる。
【００５３】
また、制御部６９により押圧手段６２の押圧力を制御することで、セパレータ成形工程で生じた面歪を矯正しつつ溶接することが可能である。これにより、セパレータ２０の厚みのばらつきが抑制されて、燃料電池として積層した際の精度をも向上させることができる。
【００５４】
また、レーザ溶接では、通常、溶接による歪を分散させるために、レーザの照射位置をワークＷの幅方向へ交互に移動させつつ溶接するが、一方側を溶接すると他方側のワーク間の隙間が大きくなり、固定冶具による隙間の矯正が困難となって、セパレータの精度が低下する。これに対し、本実施形態では、幅のある電極ロール６１Ａ，６１Ｂを用いて第１，第２ワークＷ１，Ｗ２の幅方向を同時に接合するため、このような問題を解消でき、セパレータ２０の製品精度を向上させることができる。
【００５５】
なお、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種々改変することができる。例えば、溶接部位が外周溶接線２６Ａおよび開口溶接線２６Ｂ以外に設けられてもよい。また、押さえ部６４Ａ，６４Ｂや絶縁材６５が設けられなくてもよい。また、押さえ部を樹脂ではなく、銅等の伝熱性の高い金属に、樹脂等の絶縁材料を被覆して形成してもよい。このようにすれば、溶接時の熱を押さえ部から良好に放熱することが可能となる。
【符号の説明】
【００５６】
１ 燃料電池スタック、
２ 単セル、
１９ 膜電極接合体、
２０Ａ アノードセパレータ、
２０Ｂ カソードセパレータ、
２６Ａ 外周溶接線（溶接部）、
２６Ｂ 開口溶接線（溶接部）、
３０ セパレータ溶接装置、
３２ ワーク供給部、
３３ セパレータロール、
４０ セパレータ成形部、
４１Ａ，４１Ｂ 成形ローラ、
５０ セパレータ矯正部、
６０ セパレータ溶接部、
６１Ａ，６１Ｂ 電極ローラ、
６２ 押圧手段、
６３Ａ，６３Ｂ 突状電極部、
６４Ａ，６４Ｂ 押さえ部、
６５ 絶縁材、
６６ 電流供給部、
６７ パイロットピン、
６８ 嵌合孔、
６９ 制御部、
Ｒ 曲率半径、
Ｓ 側面、
Ｔ 側壁、
Ｗ 前記ワーク、
Ｗ１ 第１ワーク、
Ｗ２ 第２ワーク、
Ｘ 間隔。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜のアノード側に配置されるアノードセパレータとカソード側に配置されるカソードセパレータとを、互いに溶接して接合したセパレータであって、
前記アノードセパレータおよびカソードセパレータの互いに溶接される溶接部の形状に対応して突出して形成された突状電極部を表面に有する１対の回転可能な電極ローラによって、前記アノードセパレータおよびカソードセパレータの原材である２枚のワークを重ねて両面側から挟んで一方向へ移動させつつ、前記突状電極部に電流を印加して当該突状電極部により挟持した前記２枚のワークを溶接したことを特徴とするセパレータ。
【請求項１】
高分子電解質膜のアノード側に配置されるアノードセパレータとカソード側に配置されるカソードセパレータとを、互いに溶接して接合したセパレータであって、
前記アノードセパレータおよびカソードセパレータの互いに溶接される溶接部の形状に対応して突出して形成された突状電極部を表面に有する１対の回転可能な電極ローラによって、前記アノードセパレータおよびカソードセパレータの原材である２枚のワークを重ねて両面側から挟んで一方向へ移動させつつ、前記突状電極部に電流を印加して当該突状電極部により挟持した前記２枚のワークを溶接したことを特徴とするセパレータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−１８２１４０（Ｐ２０１２−１８２１４０Ａ）
【公開日】平成２４年９月２０日（２０１２．９．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１００１５２（Ｐ２０１２−１００１５２）
【出願日】平成２４年４月２５日（２０１２．４．２５）
【分割の表示】特願２００８−３４８４９（Ｐ２００８−３４８４９）の分割
【原出願日】平成２０年２月１５日（２００８．２．１５）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月２０日（２０１２．９．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年４月２５日（２０１２．４．２５）
【分割の表示】特願２００８−３４８４９（Ｐ２００８−３４８４９）の分割
【原出願日】平成２０年２月１５日（２００８．２．１５）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
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