燃料電池スタック並びにその製造方法
【課題】製品のコストアップを抑え、発電性能が高い燃料電池のスタック並びにその製造方法を提供する。
【解決手段】対の電極触媒層５Ａ、５Ｃで電解質膜４を挟んで構成した電解質膜電極積層体３をさらにその両側からガス流路８Ａ、８Ｃを画成する第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃで挟むことによって燃料電池セル２を構成し、積層された複数の燃料電池セル２を挟持する対の集電板１４を備え、この集電板１４を介して燃料電池セル２の起電力を取り出す燃料電池スタック１において、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４との接触部位の一部を互いに接合する。
【解決手段】対の電極触媒層５Ａ、５Ｃで電解質膜４を挟んで構成した電解質膜電極積層体３をさらにその両側からガス流路８Ａ、８Ｃを画成する第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃで挟むことによって燃料電池セル２を構成し、積層された複数の燃料電池セル２を挟持する対の集電板１４を備え、この集電板１４を介して燃料電池セル２の起電力を取り出す燃料電池スタック１において、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４との接触部位の一部を互いに接合する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタック並びにその製造方法に関し、特に、セパレータを金属板で
構成するのに好適な燃料電池スタック並びにその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を備え、この電解質膜を挟んで設けられる一対の電極のうちアノードに燃料ガスを供給するとともに、他方のカソードに酸化剤ガスを供給し、電解質膜の表面で生じる電気化学反応を利用して発電するものである。
【０００３】
１つの燃料電池セルは、一対の電極触媒層で電解質膜を挟んで構成する電解質膜電極積層体（ＭＥＡ）と、電解質膜電極積層体の両側にガス流路を画成するセパレータとを備える。
【０００４】
セパレータは燃料ガスあるいは酸化剤ガスを流通させるガス流路を画成するとともに、温調媒体を流通させる温調媒体流路を画成する。
【０００５】
また、セパレータは、各燃料電池セルの電極触媒層から出力を取り出す導電経路を兼ねるため、全体が導電性の材料で構成される。
【０００６】
燃料電池スタックは、必要とする出力電圧に相当する数の燃料電池セルが直列に積層されるとともに、積層方向の両端に対の集電板が配置されて、各燃料電池セルの発電出力が各集電板から取り出される。
【０００７】
従来、燃料電池用のセパレータは耐食性と導電性を兼ね備えたカーボン製のものが用いられてきたが、近年、金属製セパレータを用いて製品のコストダウンをはかるとともに、セパレータを薄肉化して出力密度を向上させる燃料電池構造が、例えば特許文献１〜４にあるように、種々提案されている。
【０００８】
特許文献１には、ステンレス鋼板の表面にクラッドされたチタン又はチタン合金による耐食被覆処理層を形成したセパレータが開示されている。
【０００９】
特許文献２には、ステンレス鋼板の表面に貴金属メッキ層からなる耐食被覆処理層が形成したセパレータが開示されている。
【００１０】
特許文献３には、ステンレス鋼板の表面にチタンコーティング層からなる耐食被覆処理層を形成したセパレータが開示されている。
【００１１】
特許文献４には、金属板の表面に貴金属メッキ層からなる耐食被覆処理層を形成したセパレータが開示されている。
【００１２】
特許文献５には、燃料電池スタックを加熱するヒータを備えるものが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００５−００２４１１号公報
【特許文献２】特開２００５−１９０９６８号公報
【特許文献３】特開２００５−２７６８０７号公報
【特許文献４】特開２００５−３１７４７９号公報
【特許文献５】特開２００４−１１１２００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、このような従来の燃料電池スタックにあっては、金属製セパレータと集電板が互いに接触する部位を持つため、この間の導電性または熱伝導性が低下し、発電性能が低下したり、ヒータ性能が低下する可能性があった。
【００１５】
また、金属製セパレータや集電板の表面に耐食被覆処理層が形成される場合、高価な貴金属の使用量が増え、製品のコストアップを招くという問題点があった。
【００１６】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、製品のコストアップを抑え、発電性能が高い燃料電池のスタック並びにその製造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】
【００１７】
本発明は、対の電極触媒層で電解質膜を挟んで構成した電解質膜電極積層体をさらにその両側からガス流路を画成する金属製セパレータで挟むことによって燃料電池セルを構成し、これら積層された複数の燃料電池セルを挟持する対の集電板を備え、この集電板を介して燃料電池セルの起電力を取り出す燃料電池スタック並びにその製造方法に適用する。
【００１８】
そして、セパレータと集電板との接触部位の少なくとも一部を互いに接合することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によると、パレータを集電板に接合する接合部によってセパレータと集電板の間の貫通電気抵抗を低減し、燃料電池スタックの発電性能を高められる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態を示す燃料電池スタックの斜視図。
【図２】同じく燃料電池スタックの側面図。
【図３】同じく燃料電池スタックの断面図。
【図４】同じく第一、第二セパレータの断面図。
【図５】同じく集電板と第一、第二セパレータの断面図。
【図６】同じく集電板と第一、第二セパレータの製造工程を示す図。
【図７】同じく集電板と第一、第二セパレータの斜視図。
【図８】同じく溶接面積割合と第一、第二セパレータと集電板の間の貫通電気抵抗の関係を示す特性図。
【図９】同じく面圧と第一、第二セパレータと集電板の間の貫通電気抵抗の関係を示す特性図。
【図１０】同じく電解質膜電極積層体の構成図。
【図１１】同じく集電板と電解質膜電極積層体の斜視図。
【図１２】同じく背面の表面粗さと第一、第二セパレータの貫通電気抵抗の関係を示す特性図。
【図１３】同じく集電板と第一、第二セパレータの断面図。
【図１４】同じく集電板と第一、第二セパレータの断面図。
【図１５】同じく燃料電池スタックの断面図。
【図１６】同じく集電板と第一、第二セパレータの斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の燃料電池スタック並びにその製造方法の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００２２】
図１は本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの斜視図であり、図２は燃料電池スタックの側面図である。図１、図２に示すように、燃料電池スタック１は、複数の燃料電池セル２を直列に積層するとともに、積層方向の両端に対の集電板１４と絶縁板１５とエンドプレート１６を配置して、複数本のタイロッド１３が各エンドプレート１６を引き寄せることにより各燃料電池セル２の積層方向に締め付け荷重が付与される。
【００２３】
なお、自動車に搭載される燃料電池にあっては、燃料電池スタック１は例えば３００〜４００個の燃料電池セル２が直列に積層される。
【００２４】
一方のエンドプレート１６にはカソードガス入口５１、温調媒体入口５２、アノードガス入口５３、カソードガス出口５４、温調媒体出口５５、アノード出口５６が開口し、これらに図示しない配管が接続される。
【００２５】
各集電板１４は、例えば銅板等のガス不透過な金属部材によって形成され、それぞれの出力端子１４Ａ、１４Ｂを介して燃料スタック１で生じた起電力が取り出される。
【００２６】
図３に示すように、燃料電池スタック１の両端部に配置される燃料電池セル２の第一、第二セパレータ（エンドセパレータ）７Ａ、７Ｃは各集電板１４に当接し、燃料電池スタック１の起電力が各集電板１４に導かれる。
【００２７】
各集電板１４と各エンドプレート１６の間に絶縁板１５が介装され、両者間が絶縁される。
【００２８】
なお、各エンドプレート１６が絶縁材で形成されている場合、絶縁板１５を廃止することが可能である。また、各エンドプレートを導電材で形成し、集電板の機能を持たせることも可能である。
【００２９】
燃料電池スタック１はその両端部で各集電板１４を加熱する対の電熱ヒータ１７を備える。ヒータ１７は図示しないリード線を介してコントローラに接続される。コントローラは燃料電池の冷間時起動等に各ヒータ１７を通電し、ヒータ１７の発熱によって集電板１４を加熱し、エンドセパレータ（第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃ）を速やかに昇温することで燃料電池スタック１の発電性能を速やかに高めるようになっている。
【００３０】
図３に示すように、単位ユニットとして設けられる燃料電池セル２は、一対の電極触媒層５Ａ、５Ｃで電解質膜４を挟んで構成した電解質膜電極積層体（ＭＥＡ）３と、電解質膜電極積層体３の両側にガス流路８Ａ、８Ｃを画成する第一、第二セパレータ（セパレータ）７Ａ、７Ｃとを備える。
【００３１】
電解質膜電極積層体３は、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜４を備え、この電解質膜４の反応領域の両面に各極の電極触媒層５Ａ、５Ｃを配置し、さらにこれらを挟持するように各極のガス拡散層６Ａ、６Ｃを配置して構成される。電極触媒層５Ａ、５Ｃは例えば白金または白金と他の金属からなる合金によって形成される。ガス拡散層６Ａ、６Ｃは例えばカーボンクロス、カーボンペーパ、あるいはカーボンフェルト等、ガス拡散性と導電性を有する材料によって構成される。
【００３２】
燃料電池は、電解質膜４を挟んで設けられる一方のアノードに燃料ガスを供給するとともに、他方のカソードに酸化剤ガスを供給することにより、電解質膜４の表面で下記の（１）、（２）式で表される反応がそれぞれ行われて発電する。
アノード反応：Ｈ2 → ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ− …（１）
カソード反応：２Ｈ＋ ＋ ２ｅ− ＋ （１／２）Ｏ2 → Ｈ2Ｏ …（２）
電解質膜電極積層体３の両側には電解質膜４の反応領域を囲む周辺領域にガスケットが配置され、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃはこのガスケット１８Ａ、１８Ｃを介して電解質膜電極積層体３を挟持する。
【００３３】
第一セパレータ７Ａとガス拡散層６Ａの間にアノードガスを導くガス流路８Ａが画成される。アノードガスとして例えば水素ガスを図示しない入口マニホールドからガス流路８Ａに導入し、このガス流路８Ａを通してガス拡散層６Ａに供給し、反応に利用されなかったガスを出口マニホールドに排出する。
【００３４】
第二セパレータ７Ｃとガス拡散層６Ｃの間にカソードガスを導くガス流路８Ｃが画成される。カソードガスとして例えば空気を入口マニホールドからガス流路８Ｃに導入して、ガス流路８Ｃを通してガス拡散層６Ｃに供給し、反応に利用されなかったガスを出口マニホールドに排出する。
【００３５】
第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの間には温調媒体を流通させる温調媒体流路９が画成される。温調媒体流路９は温調媒体として例えば冷却水を入口マニホールドから導入して第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの間を通して出口マニホールドに排出する。温調媒体は第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃを介して反応熱を吸収し、燃料電池スタック１を冷却する。
【００３６】
また、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの間にも図示しないガスケットが介装され、温調媒体の漏洩防止がはられる。
【００３７】
なお、温調媒体は、高い電気抵抗値を有することが望ましく、自動車に搭載される燃料電池にあっては、寒冷地でも凍結しない不凍液を用いる。
【００３８】
金属板からなる第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃは、燃料電池の作動条件や電池内環境を考慮して、例えば、ＳＵＳ３１６Ｌのステンレス鋼が使用される。
【００３９】
なお、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの基材は、これに限らず、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒの少なくとも一つ以上を主成分とするステンレス鋼であるか、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｐｂ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｗ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｓｎ、Ｆｅの単体もしくはこれらを主成分とする合金としても良い。
【００４０】
第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃは、流路等の形状を型彫りした金型により金属板をプレス成形することにより製作される。この金属板の厚さは、例えば、０．１〜１．０［ｍｍ］程度に設定される。
【００４１】
図４は第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃ単体の断面図である。第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃは波板状に形成され、ガス拡散層６Ａ、６Ｃに隣接する凸部２１と、隣接する燃料電池セル２のセパレータ７Ａ、７Ｃと隣接する凸部２２とが交互に並ぶように形成される。各凸部２１、２２の間に画成される各ガス流路８Ａ、８Ｃ、温調媒体流路９の流路幅は例えば、０．１〜５．０［ｍｍ］程度に設定される。
【００４２】
第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃは電解質膜電極積層体３に対峙する反応側表面２５と、その反対側の背面２６とを有し、各反応側表面２５によって各ガス流路８Ａ、８Ｃが画成される一方、背面２６によって温調媒体流路９が画成される。
【００４３】
ステンレス鋼を基材とする第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃは、各反応側表面２５のみに耐食被覆処理層２７を形成し、各背面２６には耐食被覆処理層を形成しないものとする。
【００４４】
反応側表面２５に施される耐食被覆処理層２７は、例えば金（Ａｕ）からなり、その厚さを５μｍ程度とする金メッキ層を形成し、燃料電池特有の強酸性環境、特に硫酸酸性環境での耐食性を確保する。
【００４５】
なお、反応側表面２５に施される耐食被覆処理層２７は、金メッキ層に限らず、耐食性向上のための、例えば、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、チタン（Ｔｉ）を用いたコーティングもしくは表面改質処理によって形成しても良い。
【００４６】
一方、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの各背面２６にはこの耐食被覆処理層が形成されず、その表層に酸化皮膜が形成される。隣接する燃料電池セル２の第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの背面２６同士を溶接部１０により接合する。この溶接部１０は電極触媒層５Ａ、５Ｃに挟まれる反応領域に形成される。
【００４７】
背面２６の表層に形成される酸化皮膜は、絶縁性を持つ被膜であるが、隣接する燃料電池セル２の第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの背面２６同士を溶接部１０により接合する。溶接部１０では第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃ間の接触電気抵抗が発生せず、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの貫通電気抵抗を低減し、燃料電池の発電性能を高められる。
【００４８】
金属板をプレス成形することにより形成される各凸部２１、２２は、平面状に延びるリブ平面部２１ａ、２２ａと、このリブ平面部２１ａ、２２ａの端部で円弧状に曲折するリブ角部２１ｂ、２２ｂを有する。
【００４９】
溶接部１０は、各ガス流路８Ａ、８Ｃを画成する溝底となるリブ平面部２１ａ同士を溶接する。
【００５０】
燃料電池スタック１の両端部に配置される燃料電池セル２の第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの背面２６を各集電板１４に対して接合する接合部として溶接部１１を備える。溶接部１１では第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと各集電板１４間の接触電気抵抗が発生せず、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと各集電板１４間の貫通電気抵抗を低減し、燃料電池スタック１の発電性能を高められるとともに、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと各集電板１４間の熱伝導抵抗を低減し、ヒータ１７の発熱によるエンドセパレータ（第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃ）の昇温を効率良く行うことができる。
【００５１】
図５に示すように、溶接部１１は、各ガス流路８Ａ、８Ｃを画成する溝底となるリブ平面部２１ａを集電板１４に溶接する。
【００５２】
集電板１４には第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃに対する対向面２９に温調媒体流路９を画成する複数の溝４１を形成する。温調媒体流路９は第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの各溝２３と集電板１４の溝４１の間に画成される。
【００５３】
集電板１４の溝４１の開口幅を第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの各溝２３の開口幅より小さく設定する。これにより、集電板１４の各溝４１の間に形成されるリブ平面部４２ａの幅ｗ４は、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの各溝２３の間に形成されるリブ平面部２１ａの幅ｗ３より大きく形成される。
【００５４】
第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの各溝２３の深さｄ２と集電板１４の各溝４１の深さｄ１の比は４：１〜１：２の間に設定する。例えば、ｄ１を０．３ｍｍ、ｄ２を０．４ｍｍとする。これにより、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４間を流れる温調媒体の流量が調整され、燃料電池スタック１の温度が適度に保たれる。
【００５５】
ヒータ１７はエンドプレート１６に形成された凹部４５に収められ、ヒータ１７の端面１７Ａは絶縁板１５に当接する。ヒータ１７と凹部４５と集電板１４の間に熱伝導材として目地埋め材を充填し、ヒータ１７まわりの熱接触抵抗を低減する。
【００５６】
ヒータ１７は複数に分割され、各ヒータ１７が溶接部１１と燃料電池セル２の積層方向について直線上に並ぶように配置される。絶縁板１５と集電板１４を介して各溶接部１１に対峙するように配置される。
【００５７】
第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃを互いに接合する方法または第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃを各集電板１４に接合する方法としては、アーク溶接、レーザ溶接、ティグ溶接、マグ溶接、ミグ溶接、プラズマ溶接、電子ビーム溶接など種々の溶接形態で実施できる。また、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃを集電板１４に接合する方法として、ロウ付けを行うことも可能である。
【００５８】
溶接部１１は、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃを各反応側表面２５側から加熱して第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃを各集電板１４に溶接する。溶接部１１は集電板１４に位置するその先端幅ｗ２が、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃに位置するその基端幅ｗ１より小さくなる。溶接部１１の溶接深さｈを大きく設定することにより、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４間の電気抵抗と熱伝導抵抗が低減される。
【００５９】
第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと前記集電板１４を溶接した後、溶接部１１およびその周辺部に熱処理を行うことにより、その表面に不働態皮膜２８を形成する。この熱処理を行う方法として、溶接後の第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４を炉内に入れて例えば８０℃〜２００℃の範囲で加熱する。なお、この熱処理をする方法としては、例えばレーザビームを照射する方法や他の加熱方法を用いても良い。
【００６０】
なお、不働態皮膜２８を形成する方法としては、他の加熱方法を用いても良い。
【００６１】
図６の（ａ），（ｂ），（ｃ）は、燃料電池スタック１の製造工程を示し、以下これについて説明する。
【００６２】
まず、図４の（ａ）に示すように、基材３１に耐食被覆処理層２７を形成した金属板３２を形成する。
【００６３】
次に、図４の（ｂ）に示すように、金属板３２をプレス成形して第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃを形成する。
【００６４】
次に、図４の（ｃ）に示すように、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの背面２６を集電板１４に溶接部１１により接合する。
【００６５】
このようにして第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃを集電板１４に一体化したアッセンブリが形成される。
【００６６】
なお、燃料電池スタック１の製造工程は、これに限らず、基材３１をプレス成型した後に、基材３１に耐食被覆処理層２７を形成しても良い。
【００６７】
以上のように構成されて、次に作用及び効果について説明する。
【００６８】
第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃにおいて電解質膜電極積層体３に対峙する反応側表面２５は、高温、高加湿、酸性雰囲気下における耐食性が要求される。これに対処して各反応側表面２５に酸化劣化しにくい耐食被覆処理層２７を形成することにより、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの基材となるステンレス鋼が保護され、十分な耐食性が確保される。耐食被覆処理層２７を介して各反応側表面２５の導電性が維持されることにより、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと電解質膜電極積層体３の接触電気抵抗が小さく保たれる。
【００６９】
溶接部１１は溶接時の熱影響により組織変化および応力の残留による耐食性低下が起こる。このため、カソード側の第二セパレータ７Ｃの反応側表面２５にあっては溶接部１１とその周辺部で耐食被覆処理層２７が損傷されるが、溶接部１１およびその周辺部に熱処理を行うことにより、その表面に不働態皮膜２８が形成され、溶接時に生じた組織変化および応力の残留による耐食性低下の影響を軽減する。
【００７０】
第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃにおいて温調媒体流路９を画成する背面２６は、上記反応側表面２５に比べて要求される耐食性が低い。これに対応して、各背面２６には耐食被覆処理層を形成しないため、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの両面２５、２６に耐食被覆処理層を形成する従来構造に比べて耐食被覆処理層２７を形成する工数が減るとともに、耐食被覆処理層２７に用いられる貴金属の使用量が減らされ、製品のコストダウンがはかれる。
【００７１】
各背面２６にはこの耐食被覆処理層が形成されないものの、この背面２６は燃料電池の作動中に温調媒体流路９を流れる冷却水（温調媒体）にさらされることにより、その表層に酸化皮膜が形成される不働態処理が行われ、その耐食性が高められる。
【００７２】
背面２６の表層に形成される酸化皮膜は、絶縁性の被膜であるが、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの背面２６を各集電板１４に溶接部１１により接合するため、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと各集電板１４間の電気抵抗を低減し、燃料電池スタック１の発電性能を高められる。
【００７３】
集電板１４に温調媒体流路９を画成する複数の溝４１を形成することにより、温調媒体流路９の断面積の設定自由度を拡大する。
【００７４】
集電板１４の各溝４１の間に形成されるリブ平面部４２ａの幅ｗ４を第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃのリブ平面部２１ａの幅ｗ３より大きく形成することにより、溶接時に集電板１４のリブ平面部４２ａに対するリブ平面部２１ａの位置に若干のズレが生じても、リブ平面部２１ａがリブ平面部４２ａに対峙し、両者間の溶接が確実に行われる。
【００７５】
なお、集電板１４の各溝４１を廃止しても温調媒体の流量が十分に確保される場合は、集電板１４の第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃに対峙する部位を平面状に形成しても良い。
【００７６】
氷点下雰囲気で燃料電池を起動させるとき、各燃料電池セル２において残存した水が凍結している場合、ガス拡散層９Ａ、９Ｃの多孔質部が氷によって塞がれ、ガス拡散性が阻害されると、供給した反応ガス量に相当する出力を取り出すことができない。各燃料電池セル２は自己発熱によって昇温するが、燃料電池スタック１の両端部に配置された各燃料電池セル２は熱容量の大きいエンドプレート１６等に自己発熱量が奪われるため、中央部の燃料電池セル２に比べて昇温が遅れる。
【００７７】
そこで、氷点下雰囲気で燃料電池を起動させる際、ヒータ１７を通電するとともに、燃料電池スタック１を発電させ、燃料電池スタック１の昇温を促す。
【００７８】
ヒータ１７の発熱は集電板１４を介して燃料電池スタック１の両端部に伝えられるが、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと各集電板１４を溶接部１１により接合するため、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと各集電板１４間の熱伝導抵抗が低減され、ヒータ１７の発熱が効率よくエンドセパレータ（第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃ）に伝えられ、燃料電池スタック１の全体が氷点以上に昇温するのに要する時間を短縮できる。
【００７９】
第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃは各ガス流路８Ａ、８Ｃを画成する溝底となるリブ平面部２１ａを集電板１４に溶接することにより、集電板１４との熱伝導抵抗が低減され、ヒータ１７の発熱によって燃料電池スタック１の両端部に配置されるガス拡散層９Ａ、９Ｃの昇温を効率良く行うことができる。また、溶接部１１が電解質膜電極積層体３から離れて相対的に腐食しにくい部位に形成されるため、溶接部１１によって耐食被覆処理層２７が損傷されても、腐食性能の低下を小さくに抑えられる。
【００８０】
ヒータ１７と溶接部１１が燃料電池セル２の積層方向について直線上に並ぶように配置することにより、ヒータ１７から燃料電池スタック１の両端部に配置される第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃへの伝熱経路を短縮し、各燃料電池セル２の昇温を効率良く行うことができる。
【００８１】
また、溶接部１１により第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと各集電板１４が一体化するため、両者の位置にズレが生じることが防止されるとともに、燃料電池スタック１の部品数を減らし、組み立て性を高められる。
【００８２】
（実施例１）
図７に示すように、前記第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃに各凸部２１、２２の大きさ、プレス後の反り形状等に応じて直線状のライン溶接部３５、点状のドット溶接部３６を任意に配置したものを実施例１とする。
【００８３】
第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃによって画成される各流路８Ａ、８Ｃ、９が直線状に延びている場合に各凸部２１と集電板１４が隙間なく接しているが、例えばサーペンタイン形状の場合に各凸部２１と集電板１４の間に隙間が部分的に生じる可能性がある。こうした第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの接触部分の分布状態に応じてライン溶接部３５、ドット溶接部３６を適宜組み合わせて配置する。
【００８４】
第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４の接触面積に対して溶接部１１の溶接面積（接合面積）が占める割合を溶接面積割合（接合面積割合）とすると、この溶接面積割合を５％以上に設定する。
【００８５】
溶接部１１は各リブ平面部２１ａの全域を接合することにより、各リブ平面部２１ａの間にて隙間腐食が生じることを抑えられる。
【００８６】
図８は第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４を所定の荷重で圧縮した状態で、溶接面積割合を変えて第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４の貫通電気抵抗を測定した実験結果を示す。この図８の特性図から、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４の接触電気抵抗は、溶接面積割合が０％となる溶接無しの状態で大きく、溶接面積割合が５％に達するまで急に低下し、溶接面積割合が５％を超えて１００％に達するまで緩やかに低下することがわかる。すなわち、溶接面積割合の５％がこの特性の変化点となる。したがって、溶接面積割合を５％に設定することにより、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４の貫通電気抵抗を十分に低減することと、溶接工数を少なくして生産性を高めることを両立できる。
【００８７】
図９は第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃ間の面圧を変化させて第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４の貫通電気抵抗を測定した実験結果を示す。図９において、ａの特性は第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４が溶接面積割合５０％で溶接されているもの、ｂの特性は第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４が溶接されていないものである。この図９の特性図から、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４が溶接されるものは、溶接されていないものに比べて抵抗を大幅に低減するとともに、面圧の変化に対する抵抗の変化が小さいことがわかる。
【００８８】
（実施例２）
第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４の間において電流密度が相対的に高い部位に第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４の溶接部１１を多く分布させたものを実施例２とする。
【００８９】
図１０は電解質膜電極積層体３の概略構成図である。図１０において、５９はガス流路８Ａの入口マニホールド、６０はガス流路８Ａの出口マニホールド、６１はガス流路８Ｃの入口マニホールド、６２はガス流路８Ｃの出口マニホールド、６３は温調媒体流路９の入口マニホールド、６４は温調媒体流路９の出口マニホールド、６５はガスケットである。
【００９０】
本実施例では、電流密度が電解質膜電極積層体３の反応面５７においてその中央部５７Ａでその周辺部５７Ｂより高くなることに対応して、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４の溶接部１１の分布密度を反応面中央部５７Ａに対峙する領域を反応面周辺部５７Ｂに対峙する領域より高くする。
【００９１】
これにより、反応面５７における電流密度の分布状況に対応して第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４間の導電性を高められ、燃料電池スタック１の起電力を効率良く取り出すことができる。
【００９２】
（実施例３）
図１１に示すように、集電板１４に電力を取り出す各ボス部６７を備え、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４の溶接部１１の分布密度をボス部６７に対峙する領域５７Ｃを反応面５７に対峙する他の領域より高くするものを実施例３とする。
【００９３】
複数のボス部６７は集電板１４の端面から突出し、エンドプレート１６を貫通して電池スタック１の起電力を取り出すようになっている。
【００９４】
この場合、電流密度が電解質膜電極積層体３の反応面５７においてボス部６７に対峙する領域５７Ｃで高くなる分布状況に対応して第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４間の導電性を高めることにより、燃料電池スタック１の起電力を効率良く取り出すことができる。
【００９５】
（実施例４）
前記第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの背面２６と前記集電板１４の対向面２９を酸性溶液で洗浄することにより表層の酸化皮膜を除去した後、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４を溶接したものを実施例４とする。
【００９６】
この場合、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの背面２６と集電板１４の対向面２９の酸化皮膜を除去して溶接することにより、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４間の接触電気抵抗を低減し、燃料電池スタック１の起電力を効率良く取り出すことができる。
【００９７】
（実施例５）
前記第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの背面２６の酸化皮膜と前記集電板１４の対向面２９の酸化皮膜をそれぞれ除去した後、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと前記集電板１４を溶接したものを実施例５とする。
【００９８】
本実施例における酸化皮膜を除去する方法は、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと前記集電板１４の基材を酸性溶液に浸漬し、基材自体に所定の電位をかけることで実施される。
【００９９】
この場合も、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの背面２６と集電板１４の対向面２９の酸化皮膜を除去して溶接することにより、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４間の接触電気抵抗を低減し、燃料電池スタック１の起電力を効率良く取り出すことができる。
【０１００】
（実施例６）
前記第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの背面２６と前記集電板１４の対向面２９の酸化皮膜を機械加工により削って除去した後、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと前記集電板１４を溶接したものを実施例６とする。
【０１０１】
第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの背面２６の表面粗さは温調媒体流路９に囲まれる部位では所定の表面粗さＸ−２（図１２参照）として導電性と熱伝導性を高める一方、ガスケットに対峙する部位では表面粗さをＸ−２より小さい値にしてシール性を高める構成とする。
【０１０２】
図１２は２つの金属Ｘ、Ｙからなる第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの背面２６の表面粗さを変化させて第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４の貫通電気抵抗を測定した実験結果を示す。これから金属Ｘ、Ｙの材料違いによる抵抗値の絶対差は存在するが、両金属Ｘ、Ｙにおいて表目粗さに対する抵抗値の感度がある。金属Ｘは表面粗さＸ−２にて抵抗値が最小となる。
【０１０３】
第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの背面２６と集電板１４の対向面２９の表面粗さを適度に高めることにより、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４の接触電気抵抗を有効に低減することができるとともに、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと各集電板１４間の接触熱抵抗を低減し、ヒータ１７の発熱によってエンドセパレータ（第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃ）の昇温を効率良く行うことができる。
【０１０４】
また、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの集電板１４に対する接触面の面粗度を例えばＲａ１．５程度に設定し、他の部位より粗くしても良い。
【０１０５】
（実施例７）
前記第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと前記集電板１４を所定の荷重で圧縮した状態で、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４を溶接したものを実施例７とする。
【０１０６】
溶接部１１から最も離れた反応エリアの任意の位置における第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４の貫通電気抵抗が所定値（例えば２００ｍΩｃｍ２）以下となるように溶接部１１を配置する。これにより、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４の貫通電気抵抗を有効に低下させることができるとともに、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと各集電板１４間の接触熱抵抗を低減し、ヒータ１７の発熱によってエンドセパレータ（第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃ）の昇温を効率良く行うことができる。
【０１０７】
（実施例８）
図１３に示すように、前記第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの前記集電板１４に対峙する背面２６に耐食被覆処理層７１を形成するものを実施例８とする。
【０１０８】
この場合、耐食被覆処理層７１によって第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの耐食性を高められるとともに、耐食被覆処理層７１として導電性の高い例えば金メッキ層を形成することにより、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４間の接触電気抵抗を有効に低減することができる。
【０１０９】
（実施例９）
図１４に示すように、前記集電板１４の前記第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃに対する対向面２９に耐食被覆処理層７２を形成するものを実施例９とする。
【０１１０】
この場合、集電板１４の耐食性を高められるとともに、耐食被覆処理層７２として導電性の高い例えば金メッキ層を形成することにより、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４間の接触電気抵抗を有効に低減することができる。
【０１１１】
（実施例１０）
常温雰囲気にてレーザビームを第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃを各反応側表面２５側に照射して溶接部１１を形成した後、耐食処理として、レーザビームを溶接部１１の表面および溶接部１１の周辺部に対して照射することにより、その照射部を８０℃〜２００℃の範囲で加熱し、その照射部に不働態皮膜２８を形成したものを実施例１０とする。
【０１１２】
この耐食処理として、溶接後にレーザビームをその出力を連続的に下げて照射し、その照射部に不働態皮膜２８を形成する。このようにレーザビームをその出力を変えて照射することにより溶接処理とその不働態皮膜２８を形成する熱処理が連続して行われ、この処理工数を削減できる。さらに、レーザビームにより照射範囲を溶接部１１とその周辺に限定しているため、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃへの熱影響を抑えられる。
【０１１３】
また、この耐食処理として、溶接後にレーザビームをその焦点範囲を連続的に広げて照射し、その照射部に不働態皮膜２８を形成しても良い。この場合、レーザビームをその焦点範囲を変えて照射することにより溶接処理とその不働態皮膜２８を形成する熱処理が連続して行われ、この処理工数を削減できる。さらに、レーザビームにより照射範囲を溶接部１１とその周辺部に限定しているため、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃへの熱影響を抑えられる。
【０１１４】
（実施例１１）
図１５に示す実施例は、単一のヒータ１７を各集電板１４とエンドプレート１６の間に介装し、各集電板１４にヒータ１７が収まる凹部４５が形成される一方、エンドプレート１６にヒータ１７が収まる凹部４６が形成されるものである。
【０１１５】
ヒータ１７は図１０に示す電解質膜電極積層体３の反応面中央部５７Ａに対峙するように配置され、ヒータ１７の発熱によってこの反応面中央部５７Ａの昇温を促すようになっている。
【０１１６】
（実施例１２）
図１６に示す実施例は、複数のヒータ１７を各集電板１４とエンドプレート１６の間に介装するものである。
【０１１７】
各ヒータ１７は各溶接部１１に対峙し、ヒータ１７と溶接部１１が燃料電池セル２の積層方向について直線上に並ぶように配置されることにより、ヒータ１７から燃料電池スタック１の両端部に配置される第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃへの伝熱経路を短縮し、各燃料電池セル２の昇温を効率良く行うことができる。
【０１１８】
本実施形態においては、以下に記載する効果を奏することができる。
【０１１９】
（ア）対の電極触媒層５Ａ、５Ｃで電解質膜４を挟んで構成した電解質膜電極積層体３をさらにその両側からガス流路８Ａ、８Ｃを画成する第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃで挟むことによって燃料電池セル２を構成し、積層された複数の燃料電池セル２を挟持する対の集電板１４を備え、この集電板１４を介して燃料電池セル２の起電力を取り出す燃料電池スタック１において、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃを集電板１４との接触部位の少なくとも一部を互いに接合する接合部（溶接部１１）を備える。このため、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと各集電板１４間の貫通電気抵抗を低減し、燃料電池スタック１の発電性能を高められる。
【０１２０】
（イ）集電板１４を加熱するヒータ１７を備え、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃを集電板１４に接合する。このため、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと各集電板１４間の電気抵抗を低減し、燃料電池スタック１の発電性能を高められるとともに、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと各集電板１４間の熱伝導抵抗を低減し、ヒータ１７の発熱によってエンドセパレータ（第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃ）の昇温を効率良く行うことができる。
【０１２１】
（ウ）第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃを集電板１４に溶接し、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４の接触面積に対する溶接面積割合を５％以上に設定する。このため、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの抵抗を低減し、燃料電池の発電性能を高められる。
【０１２２】
（エ）発電時に第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４の間において電流密度が相対的に高い部位に第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４の溶接部１１を多く分布させる。このため、電流密度の分布状況に対応して第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４の間の導電性を高められ、燃料電池スタック１の起電力を効率良く取り出すことができる。
【０１２３】
（オ）第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４の溶接部１１の分布密度を電解質膜電極積層体３の反応面中央部５７Ａに対峙する領域を反応面周辺部５７Ｂに対峙する領域より高くする。このため、電解質膜電極積層体３の反応面５７における電流密度の分布状況に対応して第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４間の導電性を高められ、燃料電池スタック１の起電力を効率良く取り出すことができる。
【０１２４】
（カ）集電板１４に電力を取り出すボス部６７を備え、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４の溶接部１１の分布密度をボス部６７に対峙する領域５７Ｃで他の領域より高くする。このため、集電板１４における電流密度の分布状況に対応して第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４間の導電性を高められ、燃料電池スタック１の起電力を効率良く取り出すことができる。
【０１２５】
（キ）第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃを加熱して集電板１４に溶接する。このため、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４の溶接を確実に行うことができる。
【０１２６】
（ク）第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの各ガス流路８Ａ、８Ｃを画成する溝底となるリブ平面部２１ａを集電板１４に溶接する。このため、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４との熱伝導抵抗を低減し、燃料電池スタック１の両端部に配置されるガス拡散層９Ａ、９Ｃの昇温を効率良く行うことができる。また、溶接部１１が電解質膜電極積層体３から離れて相対的に腐食しにくい部位に形成されることにより、溶接部１１によって耐食被覆処理層２７が損傷されても、腐食性能の低下を小さくに抑えられる。
【０１２７】
（ケ）集電板１４に温調媒体流路９を画成する溝４１を形成する。このため、温調媒体流路９の断面積の設定自由度が拡大し、両端部の燃料電池セル２の温度調整の最適化が可能となる。
【０１２８】
（コ）集電板１４の各溝４１の間に形成されるリブ平面部４２ａの幅ｗ４を第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの各溝２３の間に形成されるリブ平面部２１ａの幅ｗ３より大きく形成する。このため、溶接時に集電板１４のリブ平面部４２ａに対するリブ平面部２１ａの位置に若干のズレが生じても、リブ平面部２１ａがリブ平面部４２ａに対峙し、溶接が確実に行われる。
【０１２９】
（サ）第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの電解質膜電極積層体３に対峙する反応側表面２５に耐食被覆処理層２７を形成する。このため、耐食被覆処理層２７によって第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの耐食性を確保するとともに、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの背面２６に耐食被覆処理層２７を形成する工数を減らして製品のコストダウンがはかれる。第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃを集電板１４に接合したため、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃは耐食被覆処理層２７が形成されない背面２６と集電板１４間の電気抵抗を低減し、燃料電池スタック１の発電性能を高められる。
【０１３０】
（シ）金属製の第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４の間に温調媒体流路９を形成し、互いに対峙する第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの背面２６と集電板１４の対向面２９の少なくとも一方に耐食被覆処理層７１を形成する。このため、耐食被覆処理層７１によって第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４間の耐食性を高められるとともに、導電性の高い耐食被覆処理層７１を形成することにより、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４間の接触電気抵抗を低減することができる。
【０１３１】
（ス）第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃを加熱して集電板１４に溶接した後、少なくとも溶接部１１の表面に耐食処理を施す。このため、溶接部１１が形成されることによって耐食被覆処理層２７が損傷されるが、少なくとも溶接部１１の表面に耐食処理を施すことにより、ここに腐食が生じることを抑えられ、溶接部１１の腐食による金属イオンの溶出を防止できる。
【０１３２】
（セ）第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４同士を所定の荷重で圧縮した状態で両者を溶接する。このため、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと各集電板１４間の電気抵抗を低減し、燃料電池スタック１の発電性能を高められるとともに、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと各集電板１４間の接触熱抵抗を低減し、ヒータ１７の発熱によってエンドセパレータ（第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃ）の昇温を効率良く行うことができる。
【０１３３】
（ソ）第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの背面２６と集電板１４の対向面２９の少なくとも一方の表層の酸化皮膜を除去した後に両者を溶接する。このため、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４間の接触電気抵抗を低減することができる。
【０１３４】
（タ）第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの背面２６と集電板１４の対向面２９の少なくとも一方を酸性溶液で洗浄して酸化皮膜を除去した後に両者を溶接する。このため、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４間の接触電気抵抗を低減することができる。
【０１３５】
（チ）第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの背面２６と集電板１４の対向面２９の少なくとも一方を酸性溶液中で所定の電位をかけて酸化皮膜を除去した後に両者を溶接する。このため、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４間の接触電気抵抗を低減することができる。
【０１３６】
（ツ）第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの背面２６と集電板１４の対向面２９の少なくとも一方の酸化皮膜を削って除去した後に両者を溶接する。このため、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと各集電板１４間の電気抵抗を低減し、燃料電池スタック１の発電性能を高められるとともに、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと各集電板１４間の熱伝導抵抗を低減し、ヒータ１７の発熱によってエンドセパレータ（第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃ）の昇温を効率良く行うことができる。
【０１３７】
（テ）第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃを集電板１４に接合する接合部（溶接部１１）をヒータ１７と燃料電池セル２の積層方向について直線上に並ぶように配置する。このため、ヒータ１７から燃料電池スタック１の両端部に配置される第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃへの伝熱経路を短縮し、各燃料電池セル２の昇温を効率良く行うことができる。
【０１３８】
本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の
変更がなしうることは明白である。
【符号の説明】
【０１３９】
１ 燃料電池スタック
２ 燃料電池セル
３ 電解質膜電極積層体
４ 電解質膜
５Ａ、５Ｃ 電極触媒層
７Ａ、７Ｃ 第一、第二セパレータ
８Ａ、８Ｃ ガス流路
９ 温調媒体流路
１１ 溶接部（接合部）
１４ 集電板
１５ 絶縁板
１６ エンドプレート
１７ ヒータ
２５ 反応側表面
２６ 背面
２７ 耐食被覆処理層
２１ａ リブ平面部
４１ 溝
４２ａ リブ平面部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタック並びにその製造方法に関し、特に、セパレータを金属板で
構成するのに好適な燃料電池スタック並びにその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を備え、この電解質膜を挟んで設けられる一対の電極のうちアノードに燃料ガスを供給するとともに、他方のカソードに酸化剤ガスを供給し、電解質膜の表面で生じる電気化学反応を利用して発電するものである。
【０００３】
１つの燃料電池セルは、一対の電極触媒層で電解質膜を挟んで構成する電解質膜電極積層体（ＭＥＡ）と、電解質膜電極積層体の両側にガス流路を画成するセパレータとを備える。
【０００４】
セパレータは燃料ガスあるいは酸化剤ガスを流通させるガス流路を画成するとともに、温調媒体を流通させる温調媒体流路を画成する。
【０００５】
また、セパレータは、各燃料電池セルの電極触媒層から出力を取り出す導電経路を兼ねるため、全体が導電性の材料で構成される。
【０００６】
燃料電池スタックは、必要とする出力電圧に相当する数の燃料電池セルが直列に積層されるとともに、積層方向の両端に対の集電板が配置されて、各燃料電池セルの発電出力が各集電板から取り出される。
【０００７】
従来、燃料電池用のセパレータは耐食性と導電性を兼ね備えたカーボン製のものが用いられてきたが、近年、金属製セパレータを用いて製品のコストダウンをはかるとともに、セパレータを薄肉化して出力密度を向上させる燃料電池構造が、例えば特許文献１〜４にあるように、種々提案されている。
【０００８】
特許文献１には、ステンレス鋼板の表面にクラッドされたチタン又はチタン合金による耐食被覆処理層を形成したセパレータが開示されている。
【０００９】
特許文献２には、ステンレス鋼板の表面に貴金属メッキ層からなる耐食被覆処理層が形成したセパレータが開示されている。
【００１０】
特許文献３には、ステンレス鋼板の表面にチタンコーティング層からなる耐食被覆処理層を形成したセパレータが開示されている。
【００１１】
特許文献４には、金属板の表面に貴金属メッキ層からなる耐食被覆処理層を形成したセパレータが開示されている。
【００１２】
特許文献５には、燃料電池スタックを加熱するヒータを備えるものが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００５−００２４１１号公報
【特許文献２】特開２００５−１９０９６８号公報
【特許文献３】特開２００５−２７６８０７号公報
【特許文献４】特開２００５−３１７４７９号公報
【特許文献５】特開２００４−１１１２００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、このような従来の燃料電池スタックにあっては、金属製セパレータと集電板が互いに接触する部位を持つため、この間の導電性または熱伝導性が低下し、発電性能が低下したり、ヒータ性能が低下する可能性があった。
【００１５】
また、金属製セパレータや集電板の表面に耐食被覆処理層が形成される場合、高価な貴金属の使用量が増え、製品のコストアップを招くという問題点があった。
【００１６】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、製品のコストアップを抑え、発電性能が高い燃料電池のスタック並びにその製造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】
【００１７】
本発明は、対の電極触媒層で電解質膜を挟んで構成した電解質膜電極積層体をさらにその両側からガス流路を画成する金属製セパレータで挟むことによって燃料電池セルを構成し、これら積層された複数の燃料電池セルを挟持する対の集電板を備え、この集電板を介して燃料電池セルの起電力を取り出す燃料電池スタック並びにその製造方法に適用する。
【００１８】
そして、セパレータと集電板との接触部位の少なくとも一部を互いに接合することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によると、パレータを集電板に接合する接合部によってセパレータと集電板の間の貫通電気抵抗を低減し、燃料電池スタックの発電性能を高められる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態を示す燃料電池スタックの斜視図。
【図２】同じく燃料電池スタックの側面図。
【図３】同じく燃料電池スタックの断面図。
【図４】同じく第一、第二セパレータの断面図。
【図５】同じく集電板と第一、第二セパレータの断面図。
【図６】同じく集電板と第一、第二セパレータの製造工程を示す図。
【図７】同じく集電板と第一、第二セパレータの斜視図。
【図８】同じく溶接面積割合と第一、第二セパレータと集電板の間の貫通電気抵抗の関係を示す特性図。
【図９】同じく面圧と第一、第二セパレータと集電板の間の貫通電気抵抗の関係を示す特性図。
【図１０】同じく電解質膜電極積層体の構成図。
【図１１】同じく集電板と電解質膜電極積層体の斜視図。
【図１２】同じく背面の表面粗さと第一、第二セパレータの貫通電気抵抗の関係を示す特性図。
【図１３】同じく集電板と第一、第二セパレータの断面図。
【図１４】同じく集電板と第一、第二セパレータの断面図。
【図１５】同じく燃料電池スタックの断面図。
【図１６】同じく集電板と第一、第二セパレータの斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の燃料電池スタック並びにその製造方法の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００２２】
図１は本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの斜視図であり、図２は燃料電池スタックの側面図である。図１、図２に示すように、燃料電池スタック１は、複数の燃料電池セル２を直列に積層するとともに、積層方向の両端に対の集電板１４と絶縁板１５とエンドプレート１６を配置して、複数本のタイロッド１３が各エンドプレート１６を引き寄せることにより各燃料電池セル２の積層方向に締め付け荷重が付与される。
【００２３】
なお、自動車に搭載される燃料電池にあっては、燃料電池スタック１は例えば３００〜４００個の燃料電池セル２が直列に積層される。
【００２４】
一方のエンドプレート１６にはカソードガス入口５１、温調媒体入口５２、アノードガス入口５３、カソードガス出口５４、温調媒体出口５５、アノード出口５６が開口し、これらに図示しない配管が接続される。
【００２５】
各集電板１４は、例えば銅板等のガス不透過な金属部材によって形成され、それぞれの出力端子１４Ａ、１４Ｂを介して燃料スタック１で生じた起電力が取り出される。
【００２６】
図３に示すように、燃料電池スタック１の両端部に配置される燃料電池セル２の第一、第二セパレータ（エンドセパレータ）７Ａ、７Ｃは各集電板１４に当接し、燃料電池スタック１の起電力が各集電板１４に導かれる。
【００２７】
各集電板１４と各エンドプレート１６の間に絶縁板１５が介装され、両者間が絶縁される。
【００２８】
なお、各エンドプレート１６が絶縁材で形成されている場合、絶縁板１５を廃止することが可能である。また、各エンドプレートを導電材で形成し、集電板の機能を持たせることも可能である。
【００２９】
燃料電池スタック１はその両端部で各集電板１４を加熱する対の電熱ヒータ１７を備える。ヒータ１７は図示しないリード線を介してコントローラに接続される。コントローラは燃料電池の冷間時起動等に各ヒータ１７を通電し、ヒータ１７の発熱によって集電板１４を加熱し、エンドセパレータ（第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃ）を速やかに昇温することで燃料電池スタック１の発電性能を速やかに高めるようになっている。
【００３０】
図３に示すように、単位ユニットとして設けられる燃料電池セル２は、一対の電極触媒層５Ａ、５Ｃで電解質膜４を挟んで構成した電解質膜電極積層体（ＭＥＡ）３と、電解質膜電極積層体３の両側にガス流路８Ａ、８Ｃを画成する第一、第二セパレータ（セパレータ）７Ａ、７Ｃとを備える。
【００３１】
電解質膜電極積層体３は、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜４を備え、この電解質膜４の反応領域の両面に各極の電極触媒層５Ａ、５Ｃを配置し、さらにこれらを挟持するように各極のガス拡散層６Ａ、６Ｃを配置して構成される。電極触媒層５Ａ、５Ｃは例えば白金または白金と他の金属からなる合金によって形成される。ガス拡散層６Ａ、６Ｃは例えばカーボンクロス、カーボンペーパ、あるいはカーボンフェルト等、ガス拡散性と導電性を有する材料によって構成される。
【００３２】
燃料電池は、電解質膜４を挟んで設けられる一方のアノードに燃料ガスを供給するとともに、他方のカソードに酸化剤ガスを供給することにより、電解質膜４の表面で下記の（１）、（２）式で表される反応がそれぞれ行われて発電する。
アノード反応：Ｈ2 → ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ− …（１）
カソード反応：２Ｈ＋ ＋ ２ｅ− ＋ （１／２）Ｏ2 → Ｈ2Ｏ …（２）
電解質膜電極積層体３の両側には電解質膜４の反応領域を囲む周辺領域にガスケットが配置され、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃはこのガスケット１８Ａ、１８Ｃを介して電解質膜電極積層体３を挟持する。
【００３３】
第一セパレータ７Ａとガス拡散層６Ａの間にアノードガスを導くガス流路８Ａが画成される。アノードガスとして例えば水素ガスを図示しない入口マニホールドからガス流路８Ａに導入し、このガス流路８Ａを通してガス拡散層６Ａに供給し、反応に利用されなかったガスを出口マニホールドに排出する。
【００３４】
第二セパレータ７Ｃとガス拡散層６Ｃの間にカソードガスを導くガス流路８Ｃが画成される。カソードガスとして例えば空気を入口マニホールドからガス流路８Ｃに導入して、ガス流路８Ｃを通してガス拡散層６Ｃに供給し、反応に利用されなかったガスを出口マニホールドに排出する。
【００３５】
第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの間には温調媒体を流通させる温調媒体流路９が画成される。温調媒体流路９は温調媒体として例えば冷却水を入口マニホールドから導入して第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの間を通して出口マニホールドに排出する。温調媒体は第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃを介して反応熱を吸収し、燃料電池スタック１を冷却する。
【００３６】
また、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの間にも図示しないガスケットが介装され、温調媒体の漏洩防止がはられる。
【００３７】
なお、温調媒体は、高い電気抵抗値を有することが望ましく、自動車に搭載される燃料電池にあっては、寒冷地でも凍結しない不凍液を用いる。
【００３８】
金属板からなる第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃは、燃料電池の作動条件や電池内環境を考慮して、例えば、ＳＵＳ３１６Ｌのステンレス鋼が使用される。
【００３９】
なお、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの基材は、これに限らず、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒの少なくとも一つ以上を主成分とするステンレス鋼であるか、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｐｂ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｗ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｓｎ、Ｆｅの単体もしくはこれらを主成分とする合金としても良い。
【００４０】
第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃは、流路等の形状を型彫りした金型により金属板をプレス成形することにより製作される。この金属板の厚さは、例えば、０．１〜１．０［ｍｍ］程度に設定される。
【００４１】
図４は第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃ単体の断面図である。第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃは波板状に形成され、ガス拡散層６Ａ、６Ｃに隣接する凸部２１と、隣接する燃料電池セル２のセパレータ７Ａ、７Ｃと隣接する凸部２２とが交互に並ぶように形成される。各凸部２１、２２の間に画成される各ガス流路８Ａ、８Ｃ、温調媒体流路９の流路幅は例えば、０．１〜５．０［ｍｍ］程度に設定される。
【００４２】
第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃは電解質膜電極積層体３に対峙する反応側表面２５と、その反対側の背面２６とを有し、各反応側表面２５によって各ガス流路８Ａ、８Ｃが画成される一方、背面２６によって温調媒体流路９が画成される。
【００４３】
ステンレス鋼を基材とする第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃは、各反応側表面２５のみに耐食被覆処理層２７を形成し、各背面２６には耐食被覆処理層を形成しないものとする。
【００４４】
反応側表面２５に施される耐食被覆処理層２７は、例えば金（Ａｕ）からなり、その厚さを５μｍ程度とする金メッキ層を形成し、燃料電池特有の強酸性環境、特に硫酸酸性環境での耐食性を確保する。
【００４５】
なお、反応側表面２５に施される耐食被覆処理層２７は、金メッキ層に限らず、耐食性向上のための、例えば、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、チタン（Ｔｉ）を用いたコーティングもしくは表面改質処理によって形成しても良い。
【００４６】
一方、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの各背面２６にはこの耐食被覆処理層が形成されず、その表層に酸化皮膜が形成される。隣接する燃料電池セル２の第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの背面２６同士を溶接部１０により接合する。この溶接部１０は電極触媒層５Ａ、５Ｃに挟まれる反応領域に形成される。
【００４７】
背面２６の表層に形成される酸化皮膜は、絶縁性を持つ被膜であるが、隣接する燃料電池セル２の第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの背面２６同士を溶接部１０により接合する。溶接部１０では第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃ間の接触電気抵抗が発生せず、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの貫通電気抵抗を低減し、燃料電池の発電性能を高められる。
【００４８】
金属板をプレス成形することにより形成される各凸部２１、２２は、平面状に延びるリブ平面部２１ａ、２２ａと、このリブ平面部２１ａ、２２ａの端部で円弧状に曲折するリブ角部２１ｂ、２２ｂを有する。
【００４９】
溶接部１０は、各ガス流路８Ａ、８Ｃを画成する溝底となるリブ平面部２１ａ同士を溶接する。
【００５０】
燃料電池スタック１の両端部に配置される燃料電池セル２の第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの背面２６を各集電板１４に対して接合する接合部として溶接部１１を備える。溶接部１１では第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと各集電板１４間の接触電気抵抗が発生せず、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと各集電板１４間の貫通電気抵抗を低減し、燃料電池スタック１の発電性能を高められるとともに、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと各集電板１４間の熱伝導抵抗を低減し、ヒータ１７の発熱によるエンドセパレータ（第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃ）の昇温を効率良く行うことができる。
【００５１】
図５に示すように、溶接部１１は、各ガス流路８Ａ、８Ｃを画成する溝底となるリブ平面部２１ａを集電板１４に溶接する。
【００５２】
集電板１４には第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃに対する対向面２９に温調媒体流路９を画成する複数の溝４１を形成する。温調媒体流路９は第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの各溝２３と集電板１４の溝４１の間に画成される。
【００５３】
集電板１４の溝４１の開口幅を第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの各溝２３の開口幅より小さく設定する。これにより、集電板１４の各溝４１の間に形成されるリブ平面部４２ａの幅ｗ４は、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの各溝２３の間に形成されるリブ平面部２１ａの幅ｗ３より大きく形成される。
【００５４】
第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの各溝２３の深さｄ２と集電板１４の各溝４１の深さｄ１の比は４：１〜１：２の間に設定する。例えば、ｄ１を０．３ｍｍ、ｄ２を０．４ｍｍとする。これにより、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４間を流れる温調媒体の流量が調整され、燃料電池スタック１の温度が適度に保たれる。
【００５５】
ヒータ１７はエンドプレート１６に形成された凹部４５に収められ、ヒータ１７の端面１７Ａは絶縁板１５に当接する。ヒータ１７と凹部４５と集電板１４の間に熱伝導材として目地埋め材を充填し、ヒータ１７まわりの熱接触抵抗を低減する。
【００５６】
ヒータ１７は複数に分割され、各ヒータ１７が溶接部１１と燃料電池セル２の積層方向について直線上に並ぶように配置される。絶縁板１５と集電板１４を介して各溶接部１１に対峙するように配置される。
【００５７】
第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃを互いに接合する方法または第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃを各集電板１４に接合する方法としては、アーク溶接、レーザ溶接、ティグ溶接、マグ溶接、ミグ溶接、プラズマ溶接、電子ビーム溶接など種々の溶接形態で実施できる。また、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃを集電板１４に接合する方法として、ロウ付けを行うことも可能である。
【００５８】
溶接部１１は、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃを各反応側表面２５側から加熱して第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃを各集電板１４に溶接する。溶接部１１は集電板１４に位置するその先端幅ｗ２が、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃに位置するその基端幅ｗ１より小さくなる。溶接部１１の溶接深さｈを大きく設定することにより、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４間の電気抵抗と熱伝導抵抗が低減される。
【００５９】
第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと前記集電板１４を溶接した後、溶接部１１およびその周辺部に熱処理を行うことにより、その表面に不働態皮膜２８を形成する。この熱処理を行う方法として、溶接後の第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４を炉内に入れて例えば８０℃〜２００℃の範囲で加熱する。なお、この熱処理をする方法としては、例えばレーザビームを照射する方法や他の加熱方法を用いても良い。
【００６０】
なお、不働態皮膜２８を形成する方法としては、他の加熱方法を用いても良い。
【００６１】
図６の（ａ），（ｂ），（ｃ）は、燃料電池スタック１の製造工程を示し、以下これについて説明する。
【００６２】
まず、図４の（ａ）に示すように、基材３１に耐食被覆処理層２７を形成した金属板３２を形成する。
【００６３】
次に、図４の（ｂ）に示すように、金属板３２をプレス成形して第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃを形成する。
【００６４】
次に、図４の（ｃ）に示すように、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの背面２６を集電板１４に溶接部１１により接合する。
【００６５】
このようにして第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃを集電板１４に一体化したアッセンブリが形成される。
【００６６】
なお、燃料電池スタック１の製造工程は、これに限らず、基材３１をプレス成型した後に、基材３１に耐食被覆処理層２７を形成しても良い。
【００６７】
以上のように構成されて、次に作用及び効果について説明する。
【００６８】
第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃにおいて電解質膜電極積層体３に対峙する反応側表面２５は、高温、高加湿、酸性雰囲気下における耐食性が要求される。これに対処して各反応側表面２５に酸化劣化しにくい耐食被覆処理層２７を形成することにより、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの基材となるステンレス鋼が保護され、十分な耐食性が確保される。耐食被覆処理層２７を介して各反応側表面２５の導電性が維持されることにより、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと電解質膜電極積層体３の接触電気抵抗が小さく保たれる。
【００６９】
溶接部１１は溶接時の熱影響により組織変化および応力の残留による耐食性低下が起こる。このため、カソード側の第二セパレータ７Ｃの反応側表面２５にあっては溶接部１１とその周辺部で耐食被覆処理層２７が損傷されるが、溶接部１１およびその周辺部に熱処理を行うことにより、その表面に不働態皮膜２８が形成され、溶接時に生じた組織変化および応力の残留による耐食性低下の影響を軽減する。
【００７０】
第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃにおいて温調媒体流路９を画成する背面２６は、上記反応側表面２５に比べて要求される耐食性が低い。これに対応して、各背面２６には耐食被覆処理層を形成しないため、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの両面２５、２６に耐食被覆処理層を形成する従来構造に比べて耐食被覆処理層２７を形成する工数が減るとともに、耐食被覆処理層２７に用いられる貴金属の使用量が減らされ、製品のコストダウンがはかれる。
【００７１】
各背面２６にはこの耐食被覆処理層が形成されないものの、この背面２６は燃料電池の作動中に温調媒体流路９を流れる冷却水（温調媒体）にさらされることにより、その表層に酸化皮膜が形成される不働態処理が行われ、その耐食性が高められる。
【００７２】
背面２６の表層に形成される酸化皮膜は、絶縁性の被膜であるが、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの背面２６を各集電板１４に溶接部１１により接合するため、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと各集電板１４間の電気抵抗を低減し、燃料電池スタック１の発電性能を高められる。
【００７３】
集電板１４に温調媒体流路９を画成する複数の溝４１を形成することにより、温調媒体流路９の断面積の設定自由度を拡大する。
【００７４】
集電板１４の各溝４１の間に形成されるリブ平面部４２ａの幅ｗ４を第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃのリブ平面部２１ａの幅ｗ３より大きく形成することにより、溶接時に集電板１４のリブ平面部４２ａに対するリブ平面部２１ａの位置に若干のズレが生じても、リブ平面部２１ａがリブ平面部４２ａに対峙し、両者間の溶接が確実に行われる。
【００７５】
なお、集電板１４の各溝４１を廃止しても温調媒体の流量が十分に確保される場合は、集電板１４の第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃに対峙する部位を平面状に形成しても良い。
【００７６】
氷点下雰囲気で燃料電池を起動させるとき、各燃料電池セル２において残存した水が凍結している場合、ガス拡散層９Ａ、９Ｃの多孔質部が氷によって塞がれ、ガス拡散性が阻害されると、供給した反応ガス量に相当する出力を取り出すことができない。各燃料電池セル２は自己発熱によって昇温するが、燃料電池スタック１の両端部に配置された各燃料電池セル２は熱容量の大きいエンドプレート１６等に自己発熱量が奪われるため、中央部の燃料電池セル２に比べて昇温が遅れる。
【００７７】
そこで、氷点下雰囲気で燃料電池を起動させる際、ヒータ１７を通電するとともに、燃料電池スタック１を発電させ、燃料電池スタック１の昇温を促す。
【００７８】
ヒータ１７の発熱は集電板１４を介して燃料電池スタック１の両端部に伝えられるが、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと各集電板１４を溶接部１１により接合するため、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと各集電板１４間の熱伝導抵抗が低減され、ヒータ１７の発熱が効率よくエンドセパレータ（第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃ）に伝えられ、燃料電池スタック１の全体が氷点以上に昇温するのに要する時間を短縮できる。
【００７９】
第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃは各ガス流路８Ａ、８Ｃを画成する溝底となるリブ平面部２１ａを集電板１４に溶接することにより、集電板１４との熱伝導抵抗が低減され、ヒータ１７の発熱によって燃料電池スタック１の両端部に配置されるガス拡散層９Ａ、９Ｃの昇温を効率良く行うことができる。また、溶接部１１が電解質膜電極積層体３から離れて相対的に腐食しにくい部位に形成されるため、溶接部１１によって耐食被覆処理層２７が損傷されても、腐食性能の低下を小さくに抑えられる。
【００８０】
ヒータ１７と溶接部１１が燃料電池セル２の積層方向について直線上に並ぶように配置することにより、ヒータ１７から燃料電池スタック１の両端部に配置される第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃへの伝熱経路を短縮し、各燃料電池セル２の昇温を効率良く行うことができる。
【００８１】
また、溶接部１１により第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと各集電板１４が一体化するため、両者の位置にズレが生じることが防止されるとともに、燃料電池スタック１の部品数を減らし、組み立て性を高められる。
【００８２】
（実施例１）
図７に示すように、前記第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃに各凸部２１、２２の大きさ、プレス後の反り形状等に応じて直線状のライン溶接部３５、点状のドット溶接部３６を任意に配置したものを実施例１とする。
【００８３】
第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃによって画成される各流路８Ａ、８Ｃ、９が直線状に延びている場合に各凸部２１と集電板１４が隙間なく接しているが、例えばサーペンタイン形状の場合に各凸部２１と集電板１４の間に隙間が部分的に生じる可能性がある。こうした第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの接触部分の分布状態に応じてライン溶接部３５、ドット溶接部３６を適宜組み合わせて配置する。
【００８４】
第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４の接触面積に対して溶接部１１の溶接面積（接合面積）が占める割合を溶接面積割合（接合面積割合）とすると、この溶接面積割合を５％以上に設定する。
【００８５】
溶接部１１は各リブ平面部２１ａの全域を接合することにより、各リブ平面部２１ａの間にて隙間腐食が生じることを抑えられる。
【００８６】
図８は第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４を所定の荷重で圧縮した状態で、溶接面積割合を変えて第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４の貫通電気抵抗を測定した実験結果を示す。この図８の特性図から、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４の接触電気抵抗は、溶接面積割合が０％となる溶接無しの状態で大きく、溶接面積割合が５％に達するまで急に低下し、溶接面積割合が５％を超えて１００％に達するまで緩やかに低下することがわかる。すなわち、溶接面積割合の５％がこの特性の変化点となる。したがって、溶接面積割合を５％に設定することにより、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４の貫通電気抵抗を十分に低減することと、溶接工数を少なくして生産性を高めることを両立できる。
【００８７】
図９は第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃ間の面圧を変化させて第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４の貫通電気抵抗を測定した実験結果を示す。図９において、ａの特性は第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４が溶接面積割合５０％で溶接されているもの、ｂの特性は第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４が溶接されていないものである。この図９の特性図から、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４が溶接されるものは、溶接されていないものに比べて抵抗を大幅に低減するとともに、面圧の変化に対する抵抗の変化が小さいことがわかる。
【００８８】
（実施例２）
第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４の間において電流密度が相対的に高い部位に第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４の溶接部１１を多く分布させたものを実施例２とする。
【００８９】
図１０は電解質膜電極積層体３の概略構成図である。図１０において、５９はガス流路８Ａの入口マニホールド、６０はガス流路８Ａの出口マニホールド、６１はガス流路８Ｃの入口マニホールド、６２はガス流路８Ｃの出口マニホールド、６３は温調媒体流路９の入口マニホールド、６４は温調媒体流路９の出口マニホールド、６５はガスケットである。
【００９０】
本実施例では、電流密度が電解質膜電極積層体３の反応面５７においてその中央部５７Ａでその周辺部５７Ｂより高くなることに対応して、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４の溶接部１１の分布密度を反応面中央部５７Ａに対峙する領域を反応面周辺部５７Ｂに対峙する領域より高くする。
【００９１】
これにより、反応面５７における電流密度の分布状況に対応して第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４間の導電性を高められ、燃料電池スタック１の起電力を効率良く取り出すことができる。
【００９２】
（実施例３）
図１１に示すように、集電板１４に電力を取り出す各ボス部６７を備え、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４の溶接部１１の分布密度をボス部６７に対峙する領域５７Ｃを反応面５７に対峙する他の領域より高くするものを実施例３とする。
【００９３】
複数のボス部６７は集電板１４の端面から突出し、エンドプレート１６を貫通して電池スタック１の起電力を取り出すようになっている。
【００９４】
この場合、電流密度が電解質膜電極積層体３の反応面５７においてボス部６７に対峙する領域５７Ｃで高くなる分布状況に対応して第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４間の導電性を高めることにより、燃料電池スタック１の起電力を効率良く取り出すことができる。
【００９５】
（実施例４）
前記第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの背面２６と前記集電板１４の対向面２９を酸性溶液で洗浄することにより表層の酸化皮膜を除去した後、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４を溶接したものを実施例４とする。
【００９６】
この場合、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの背面２６と集電板１４の対向面２９の酸化皮膜を除去して溶接することにより、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４間の接触電気抵抗を低減し、燃料電池スタック１の起電力を効率良く取り出すことができる。
【００９７】
（実施例５）
前記第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの背面２６の酸化皮膜と前記集電板１４の対向面２９の酸化皮膜をそれぞれ除去した後、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと前記集電板１４を溶接したものを実施例５とする。
【００９８】
本実施例における酸化皮膜を除去する方法は、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと前記集電板１４の基材を酸性溶液に浸漬し、基材自体に所定の電位をかけることで実施される。
【００９９】
この場合も、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの背面２６と集電板１４の対向面２９の酸化皮膜を除去して溶接することにより、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４間の接触電気抵抗を低減し、燃料電池スタック１の起電力を効率良く取り出すことができる。
【０１００】
（実施例６）
前記第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの背面２６と前記集電板１４の対向面２９の酸化皮膜を機械加工により削って除去した後、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと前記集電板１４を溶接したものを実施例６とする。
【０１０１】
第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの背面２６の表面粗さは温調媒体流路９に囲まれる部位では所定の表面粗さＸ−２（図１２参照）として導電性と熱伝導性を高める一方、ガスケットに対峙する部位では表面粗さをＸ−２より小さい値にしてシール性を高める構成とする。
【０１０２】
図１２は２つの金属Ｘ、Ｙからなる第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの背面２６の表面粗さを変化させて第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４の貫通電気抵抗を測定した実験結果を示す。これから金属Ｘ、Ｙの材料違いによる抵抗値の絶対差は存在するが、両金属Ｘ、Ｙにおいて表目粗さに対する抵抗値の感度がある。金属Ｘは表面粗さＸ−２にて抵抗値が最小となる。
【０１０３】
第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの背面２６と集電板１４の対向面２９の表面粗さを適度に高めることにより、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４の接触電気抵抗を有効に低減することができるとともに、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと各集電板１４間の接触熱抵抗を低減し、ヒータ１７の発熱によってエンドセパレータ（第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃ）の昇温を効率良く行うことができる。
【０１０４】
また、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの集電板１４に対する接触面の面粗度を例えばＲａ１．５程度に設定し、他の部位より粗くしても良い。
【０１０５】
（実施例７）
前記第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと前記集電板１４を所定の荷重で圧縮した状態で、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４を溶接したものを実施例７とする。
【０１０６】
溶接部１１から最も離れた反応エリアの任意の位置における第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４の貫通電気抵抗が所定値（例えば２００ｍΩｃｍ２）以下となるように溶接部１１を配置する。これにより、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４の貫通電気抵抗を有効に低下させることができるとともに、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと各集電板１４間の接触熱抵抗を低減し、ヒータ１７の発熱によってエンドセパレータ（第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃ）の昇温を効率良く行うことができる。
【０１０７】
（実施例８）
図１３に示すように、前記第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの前記集電板１４に対峙する背面２６に耐食被覆処理層７１を形成するものを実施例８とする。
【０１０８】
この場合、耐食被覆処理層７１によって第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの耐食性を高められるとともに、耐食被覆処理層７１として導電性の高い例えば金メッキ層を形成することにより、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４間の接触電気抵抗を有効に低減することができる。
【０１０９】
（実施例９）
図１４に示すように、前記集電板１４の前記第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃに対する対向面２９に耐食被覆処理層７２を形成するものを実施例９とする。
【０１１０】
この場合、集電板１４の耐食性を高められるとともに、耐食被覆処理層７２として導電性の高い例えば金メッキ層を形成することにより、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４間の接触電気抵抗を有効に低減することができる。
【０１１１】
（実施例１０）
常温雰囲気にてレーザビームを第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃを各反応側表面２５側に照射して溶接部１１を形成した後、耐食処理として、レーザビームを溶接部１１の表面および溶接部１１の周辺部に対して照射することにより、その照射部を８０℃〜２００℃の範囲で加熱し、その照射部に不働態皮膜２８を形成したものを実施例１０とする。
【０１１２】
この耐食処理として、溶接後にレーザビームをその出力を連続的に下げて照射し、その照射部に不働態皮膜２８を形成する。このようにレーザビームをその出力を変えて照射することにより溶接処理とその不働態皮膜２８を形成する熱処理が連続して行われ、この処理工数を削減できる。さらに、レーザビームにより照射範囲を溶接部１１とその周辺に限定しているため、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃへの熱影響を抑えられる。
【０１１３】
また、この耐食処理として、溶接後にレーザビームをその焦点範囲を連続的に広げて照射し、その照射部に不働態皮膜２８を形成しても良い。この場合、レーザビームをその焦点範囲を変えて照射することにより溶接処理とその不働態皮膜２８を形成する熱処理が連続して行われ、この処理工数を削減できる。さらに、レーザビームにより照射範囲を溶接部１１とその周辺部に限定しているため、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃへの熱影響を抑えられる。
【０１１４】
（実施例１１）
図１５に示す実施例は、単一のヒータ１７を各集電板１４とエンドプレート１６の間に介装し、各集電板１４にヒータ１７が収まる凹部４５が形成される一方、エンドプレート１６にヒータ１７が収まる凹部４６が形成されるものである。
【０１１５】
ヒータ１７は図１０に示す電解質膜電極積層体３の反応面中央部５７Ａに対峙するように配置され、ヒータ１７の発熱によってこの反応面中央部５７Ａの昇温を促すようになっている。
【０１１６】
（実施例１２）
図１６に示す実施例は、複数のヒータ１７を各集電板１４とエンドプレート１６の間に介装するものである。
【０１１７】
各ヒータ１７は各溶接部１１に対峙し、ヒータ１７と溶接部１１が燃料電池セル２の積層方向について直線上に並ぶように配置されることにより、ヒータ１７から燃料電池スタック１の両端部に配置される第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃへの伝熱経路を短縮し、各燃料電池セル２の昇温を効率良く行うことができる。
【０１１８】
本実施形態においては、以下に記載する効果を奏することができる。
【０１１９】
（ア）対の電極触媒層５Ａ、５Ｃで電解質膜４を挟んで構成した電解質膜電極積層体３をさらにその両側からガス流路８Ａ、８Ｃを画成する第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃで挟むことによって燃料電池セル２を構成し、積層された複数の燃料電池セル２を挟持する対の集電板１４を備え、この集電板１４を介して燃料電池セル２の起電力を取り出す燃料電池スタック１において、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃを集電板１４との接触部位の少なくとも一部を互いに接合する接合部（溶接部１１）を備える。このため、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと各集電板１４間の貫通電気抵抗を低減し、燃料電池スタック１の発電性能を高められる。
【０１２０】
（イ）集電板１４を加熱するヒータ１７を備え、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃを集電板１４に接合する。このため、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと各集電板１４間の電気抵抗を低減し、燃料電池スタック１の発電性能を高められるとともに、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと各集電板１４間の熱伝導抵抗を低減し、ヒータ１７の発熱によってエンドセパレータ（第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃ）の昇温を効率良く行うことができる。
【０１２１】
（ウ）第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃを集電板１４に溶接し、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４の接触面積に対する溶接面積割合を５％以上に設定する。このため、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの抵抗を低減し、燃料電池の発電性能を高められる。
【０１２２】
（エ）発電時に第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４の間において電流密度が相対的に高い部位に第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４の溶接部１１を多く分布させる。このため、電流密度の分布状況に対応して第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４の間の導電性を高められ、燃料電池スタック１の起電力を効率良く取り出すことができる。
【０１２３】
（オ）第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４の溶接部１１の分布密度を電解質膜電極積層体３の反応面中央部５７Ａに対峙する領域を反応面周辺部５７Ｂに対峙する領域より高くする。このため、電解質膜電極積層体３の反応面５７における電流密度の分布状況に対応して第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４間の導電性を高められ、燃料電池スタック１の起電力を効率良く取り出すことができる。
【０１２４】
（カ）集電板１４に電力を取り出すボス部６７を備え、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４の溶接部１１の分布密度をボス部６７に対峙する領域５７Ｃで他の領域より高くする。このため、集電板１４における電流密度の分布状況に対応して第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４間の導電性を高められ、燃料電池スタック１の起電力を効率良く取り出すことができる。
【０１２５】
（キ）第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃを加熱して集電板１４に溶接する。このため、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４の溶接を確実に行うことができる。
【０１２６】
（ク）第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの各ガス流路８Ａ、８Ｃを画成する溝底となるリブ平面部２１ａを集電板１４に溶接する。このため、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４との熱伝導抵抗を低減し、燃料電池スタック１の両端部に配置されるガス拡散層９Ａ、９Ｃの昇温を効率良く行うことができる。また、溶接部１１が電解質膜電極積層体３から離れて相対的に腐食しにくい部位に形成されることにより、溶接部１１によって耐食被覆処理層２７が損傷されても、腐食性能の低下を小さくに抑えられる。
【０１２７】
（ケ）集電板１４に温調媒体流路９を画成する溝４１を形成する。このため、温調媒体流路９の断面積の設定自由度が拡大し、両端部の燃料電池セル２の温度調整の最適化が可能となる。
【０１２８】
（コ）集電板１４の各溝４１の間に形成されるリブ平面部４２ａの幅ｗ４を第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの各溝２３の間に形成されるリブ平面部２１ａの幅ｗ３より大きく形成する。このため、溶接時に集電板１４のリブ平面部４２ａに対するリブ平面部２１ａの位置に若干のズレが生じても、リブ平面部２１ａがリブ平面部４２ａに対峙し、溶接が確実に行われる。
【０１２９】
（サ）第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの電解質膜電極積層体３に対峙する反応側表面２５に耐食被覆処理層２７を形成する。このため、耐食被覆処理層２７によって第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの耐食性を確保するとともに、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの背面２６に耐食被覆処理層２７を形成する工数を減らして製品のコストダウンがはかれる。第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃを集電板１４に接合したため、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃは耐食被覆処理層２７が形成されない背面２６と集電板１４間の電気抵抗を低減し、燃料電池スタック１の発電性能を高められる。
【０１３０】
（シ）金属製の第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４の間に温調媒体流路９を形成し、互いに対峙する第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの背面２６と集電板１４の対向面２９の少なくとも一方に耐食被覆処理層７１を形成する。このため、耐食被覆処理層７１によって第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４間の耐食性を高められるとともに、導電性の高い耐食被覆処理層７１を形成することにより、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４間の接触電気抵抗を低減することができる。
【０１３１】
（ス）第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃを加熱して集電板１４に溶接した後、少なくとも溶接部１１の表面に耐食処理を施す。このため、溶接部１１が形成されることによって耐食被覆処理層２７が損傷されるが、少なくとも溶接部１１の表面に耐食処理を施すことにより、ここに腐食が生じることを抑えられ、溶接部１１の腐食による金属イオンの溶出を防止できる。
【０１３２】
（セ）第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４同士を所定の荷重で圧縮した状態で両者を溶接する。このため、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと各集電板１４間の電気抵抗を低減し、燃料電池スタック１の発電性能を高められるとともに、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと各集電板１４間の接触熱抵抗を低減し、ヒータ１７の発熱によってエンドセパレータ（第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃ）の昇温を効率良く行うことができる。
【０１３３】
（ソ）第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの背面２６と集電板１４の対向面２９の少なくとも一方の表層の酸化皮膜を除去した後に両者を溶接する。このため、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４間の接触電気抵抗を低減することができる。
【０１３４】
（タ）第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの背面２６と集電板１４の対向面２９の少なくとも一方を酸性溶液で洗浄して酸化皮膜を除去した後に両者を溶接する。このため、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４間の接触電気抵抗を低減することができる。
【０１３５】
（チ）第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの背面２６と集電板１４の対向面２９の少なくとも一方を酸性溶液中で所定の電位をかけて酸化皮膜を除去した後に両者を溶接する。このため、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと集電板１４間の接触電気抵抗を低減することができる。
【０１３６】
（ツ）第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃの背面２６と集電板１４の対向面２９の少なくとも一方の酸化皮膜を削って除去した後に両者を溶接する。このため、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと各集電板１４間の電気抵抗を低減し、燃料電池スタック１の発電性能を高められるとともに、第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃと各集電板１４間の熱伝導抵抗を低減し、ヒータ１７の発熱によってエンドセパレータ（第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃ）の昇温を効率良く行うことができる。
【０１３７】
（テ）第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃを集電板１４に接合する接合部（溶接部１１）をヒータ１７と燃料電池セル２の積層方向について直線上に並ぶように配置する。このため、ヒータ１７から燃料電池スタック１の両端部に配置される第一、第二セパレータ７Ａ、７Ｃへの伝熱経路を短縮し、各燃料電池セル２の昇温を効率良く行うことができる。
【０１３８】
本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の
変更がなしうることは明白である。
【符号の説明】
【０１３９】
１ 燃料電池スタック
２ 燃料電池セル
３ 電解質膜電極積層体
４ 電解質膜
５Ａ、５Ｃ 電極触媒層
７Ａ、７Ｃ 第一、第二セパレータ
８Ａ、８Ｃ ガス流路
９ 温調媒体流路
１１ 溶接部（接合部）
１４ 集電板
１５ 絶縁板
１６ エンドプレート
１７ ヒータ
２５ 反応側表面
２６ 背面
２７ 耐食被覆処理層
２１ａ リブ平面部
４１ 溝
４２ａ リブ平面部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対の電極触媒層で電解質膜を挟んで構成した電解質膜電極積層体をさらにその両側からガス流路を画成する金属製セパレータで挟むことによって燃料電池セルを構成し、これら積層された複数の燃料電池セルを挟持する対の集電板を備え、この集電板を介して燃料電池セルの起電力を取り出す燃料電池スタックにおいて、
前記セパレータと前記集電板との接触部位の少なくとも一部を互いに接合する接合部を備えたことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
前記集電板を加熱するヒータを備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記セパレータと前記集電板の接触面積に対して前記接合部の占める接合面積割合を５％以上に設定したことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
発電時に前記セパレータと前記集電板の間において電流密度が相対的に高い部位に前記接合部を多く分布させたことを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記接合部の分布密度を前記電解質膜電極積層体の反応面中央部に対峙する領域を反応面周辺部に対峙する領域より高くしたことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
前記集電板に電力を取り出すボス部を備え、前記接合部の分布密度をこのボス部に対峙する領域で他の領域より高くしたことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池スタック。
【請求項７】
前記接合部として前記セパレータを加熱して前記集電板に溶接した溶接部を備えたことを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載の燃料電池スタック。
【請求項８】
前記接合部として前記セパレータの前記ガス流路を画成する溝底となるリブ平面部を前記集電板に溶接した溶接部を備えたことを特徴とする請求項１から７のいずれか一つに記載の燃料電池スタック。
【請求項９】
前記集電板と前記セパレータの間に温調媒体を流通させる温調媒体流路を備え、前記集電板にこの温調媒体流路を画成する溝を形成したことを特徴とする請求項１から８のいずれか一つに記載の燃料電池スタック。
【請求項１０】
前記集電板の各溝の間に形成されるリブ平面部の幅ｗ４を前記セパレータの前記ガス流路を画成する各溝の間に形成されるリブ平面部の幅ｗ３より大きく形成したことを特徴とする請求項９に記載の燃料電池スタック。
【請求項１１】
前記セパレータの前記電解質膜電極積層体に対峙する反応側表面に耐食被覆処理層を形成したことを特徴とする請求項１から１０のいずれか一つに記載の燃料電池スタック。
【請求項１２】
前記セパレータと前記集電板の間に温調媒体流路を形成し、互いに対峙する前記セパレータの背面と前記集電板の対向面の少なくとも一方に耐食被覆処理層を形成したことを特徴とする請求項１から１０のいずれか一つに記載の燃料電池スタック。
【請求項１３】
前記接合部として前記セパレータを加熱して集電板に溶接する溶接部を備え、少なくともこの溶接部の表面に耐食処理を施したことを特徴とする請求項１から１２のいずれか一つに記載の燃料電池スタック。
【請求項１４】
前記接合部として前記セパレータと前記集電板同士を圧縮した状態で両者を溶接したことを特徴とする請求項１から１３のいずれか一つに記載の燃料電池スタック。
【請求項１５】
前記接合部として互いに対峙する前記セパレータの背面と前記集電板の対向面の少なくとも一方の表層の酸化皮膜を除去した後に両者を溶接したことを特徴とする請求項１から１４のいずれか一つに記載の燃料電池スタック。
【請求項１６】
前記接合部として互いに対峙する前記セパレータの背面と前記集電板の対向面の少なくとも一方を酸性溶液で洗浄して酸化皮膜を除去した後に両者を溶接したことを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池スタック。
【請求項１７】
前記接合部として互いに対峙する前記セパレータの背面と前記集電板の対向面の少なくとも一方を酸性溶液中で所定の電位をかけて酸化皮膜を除去した後に両者を溶接したことを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池スタック。
【請求項１８】
前記接合部として互いに対峙する前記セパレータの背面と前記集電板の対向面の少なくとも一方を削って酸化皮膜除去した後に両者を溶接したことを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池スタック。
【請求項１９】
前記集電板を加熱するヒータを備え、前記接合部を前記燃料電池セルの積層方向についてこのヒータと直線上に並ぶように配置したことを特徴とする請求項１から１８のいずれか一つに記載の燃料電池スタック。
【請求項２０】
対の電極触媒層で電解質膜を挟んで構成した電解質膜電極積層体をさらにその両側からガス流路を画成する金属製セパレータで挟むことによって燃料電池セルを構成し、積層された複数の燃料電池セルを挟持する対の集電板を備え、この集電板を介して燃料電池セルの起電力を取り出す燃料電池スタックの製造方法において、
前記セパレータを前記集電板との接触部位の少なくとも一部を互いに接合することを特徴とする燃料電池スタックの製造方法。
【請求項１】
対の電極触媒層で電解質膜を挟んで構成した電解質膜電極積層体をさらにその両側からガス流路を画成する金属製セパレータで挟むことによって燃料電池セルを構成し、これら積層された複数の燃料電池セルを挟持する対の集電板を備え、この集電板を介して燃料電池セルの起電力を取り出す燃料電池スタックにおいて、
前記セパレータと前記集電板との接触部位の少なくとも一部を互いに接合する接合部を備えたことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
前記集電板を加熱するヒータを備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記セパレータと前記集電板の接触面積に対して前記接合部の占める接合面積割合を５％以上に設定したことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
発電時に前記セパレータと前記集電板の間において電流密度が相対的に高い部位に前記接合部を多く分布させたことを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記接合部の分布密度を前記電解質膜電極積層体の反応面中央部に対峙する領域を反応面周辺部に対峙する領域より高くしたことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
前記集電板に電力を取り出すボス部を備え、前記接合部の分布密度をこのボス部に対峙する領域で他の領域より高くしたことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池スタック。
【請求項７】
前記接合部として前記セパレータを加熱して前記集電板に溶接した溶接部を備えたことを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載の燃料電池スタック。
【請求項８】
前記接合部として前記セパレータの前記ガス流路を画成する溝底となるリブ平面部を前記集電板に溶接した溶接部を備えたことを特徴とする請求項１から７のいずれか一つに記載の燃料電池スタック。
【請求項９】
前記集電板と前記セパレータの間に温調媒体を流通させる温調媒体流路を備え、前記集電板にこの温調媒体流路を画成する溝を形成したことを特徴とする請求項１から８のいずれか一つに記載の燃料電池スタック。
【請求項１０】
前記集電板の各溝の間に形成されるリブ平面部の幅ｗ４を前記セパレータの前記ガス流路を画成する各溝の間に形成されるリブ平面部の幅ｗ３より大きく形成したことを特徴とする請求項９に記載の燃料電池スタック。
【請求項１１】
前記セパレータの前記電解質膜電極積層体に対峙する反応側表面に耐食被覆処理層を形成したことを特徴とする請求項１から１０のいずれか一つに記載の燃料電池スタック。
【請求項１２】
前記セパレータと前記集電板の間に温調媒体流路を形成し、互いに対峙する前記セパレータの背面と前記集電板の対向面の少なくとも一方に耐食被覆処理層を形成したことを特徴とする請求項１から１０のいずれか一つに記載の燃料電池スタック。
【請求項１３】
前記接合部として前記セパレータを加熱して集電板に溶接する溶接部を備え、少なくともこの溶接部の表面に耐食処理を施したことを特徴とする請求項１から１２のいずれか一つに記載の燃料電池スタック。
【請求項１４】
前記接合部として前記セパレータと前記集電板同士を圧縮した状態で両者を溶接したことを特徴とする請求項１から１３のいずれか一つに記載の燃料電池スタック。
【請求項１５】
前記接合部として互いに対峙する前記セパレータの背面と前記集電板の対向面の少なくとも一方の表層の酸化皮膜を除去した後に両者を溶接したことを特徴とする請求項１から１４のいずれか一つに記載の燃料電池スタック。
【請求項１６】
前記接合部として互いに対峙する前記セパレータの背面と前記集電板の対向面の少なくとも一方を酸性溶液で洗浄して酸化皮膜を除去した後に両者を溶接したことを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池スタック。
【請求項１７】
前記接合部として互いに対峙する前記セパレータの背面と前記集電板の対向面の少なくとも一方を酸性溶液中で所定の電位をかけて酸化皮膜を除去した後に両者を溶接したことを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池スタック。
【請求項１８】
前記接合部として互いに対峙する前記セパレータの背面と前記集電板の対向面の少なくとも一方を削って酸化皮膜除去した後に両者を溶接したことを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池スタック。
【請求項１９】
前記集電板を加熱するヒータを備え、前記接合部を前記燃料電池セルの積層方向についてこのヒータと直線上に並ぶように配置したことを特徴とする請求項１から１８のいずれか一つに記載の燃料電池スタック。
【請求項２０】
対の電極触媒層で電解質膜を挟んで構成した電解質膜電極積層体をさらにその両側からガス流路を画成する金属製セパレータで挟むことによって燃料電池セルを構成し、積層された複数の燃料電池セルを挟持する対の集電板を備え、この集電板を介して燃料電池セルの起電力を取り出す燃料電池スタックの製造方法において、
前記セパレータを前記集電板との接触部位の少なくとも一部を互いに接合することを特徴とする燃料電池スタックの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−２１２６８４（Ｐ２０１２−２１２６８４Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１日（２０１２．１１．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１５０３０１（Ｐ２０１２−１５０３０１）
【出願日】平成２４年７月４日（２０１２．７．４）
【分割の表示】特願２００６−１３６９５２（Ｐ２００６−１３６９５２）の分割
【原出願日】平成１８年５月１６日（２００６．５．１６）
【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１１月１日（２０１２．１１．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年７月４日（２０１２．７．４）
【分割の表示】特願２００６−１３６９５２（Ｐ２００６−１３６９５２）の分割
【原出願日】平成１８年５月１６日（２００６．５．１６）
【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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