JP7322813B2 - 燃料電池セルの製造方法 - Google Patents

Description

本明細書に開示の技術は、燃料電池セルの製造方法に関する。

特許文献１に開示の燃料電池セルは、金属板により構成されたセパレータを有している。電極部材を収容したフレームにセパレータが接着されることで、燃料電池セルが構成されている。

特開２０１５－１７３１０８号公報

セパレータにレーザを照射することで、セパレータの表面を改質する場合がある。例えば、セパレータにレーザを照射することで、セパレータ表面の汚れを除去する場合がある。このようにレーザをセパレータに照射すると、セパレータの表層部が溶融し、その後、凝固する。セパレータの表層部は凝固するときに収縮するため、セパレータに反りが生じる。従来は、レーザの照射によるセパレータの反り量を制御することは困難であり、反り量のばらつきは大きい。すなわち、レーザ照射工程後のセパレータの形状のばらつきが大きい。このため、セパレータを用いて燃料電池セルを製造するときに、不具合が生じる場合があった。本明細書では、レーザ照射工程においてセパレータに生じる反り量のばらつきを抑制することが可能なセパレータの製造方法を提案する。

本明細書が開示する燃料電池セル用のセパレータの製造方法は、長方形の板形状を有する金属板の表面にレーザの照射範囲が線状に伸びるようにレーザを照射する工程を有している。前記工程では、前記照射範囲が前記線状に伸びる方向における単位距離あたりにレーザによって付与されるエネルギーが高い高エネルギー領域と、前記エネルギーが低い低エネルギー領域とを前記照射範囲が有するようにレーザを照射する。前記高エネルギー領域が、互いから分離された第１領域、第２領域、第３領域、及び、第４領域を有している。前記第１領域と前記第２領域が、前記長方形が有する一対の長辺の一方に並行して伸びている。前記第３領域と前記第４領域が、前記一対の長辺の他方に並行して伸びている。前記一対の長辺に対して直交する方向に伸びる前記表面の中心線が、前記第１領域と前記第２領域の間、及び、前記第３領域と前記第４領域の間に位置している。

この製造方法では、４つの高エネルギー領域（第１領域～第４領域）にて高いエネルギーが付与されるように金属板の表面にレーザを照射する。すると、４つの高エネルギー領域で金属板に大きい反りが生じる。上記のように分散して配置された第１領域～第４領域で大きい反りを生じさせると、金属板全体で生じる反り量が安定し、レーザ照射工程後の金属板（すなわち、セパレータ）の形状が安定する。このように、この製造方法によれば、セパレータの反り量のばらつきを抑制することができる。

燃料電池スタックの斜視図。 燃料電池セルの分解斜視図。 燃料電池セルの断面図（図４、５のＩＩＩ－ＩＩＩ線における断面図）。 セパレータ４０の表面４０ｂの平面図。 セパレータ５０の表面５０ａの平面図。 セパレータ４０の製造方法の説明図。 セパレータ４０の製造方法の説明図。 実施例１のレーザ照射範囲４０ｔを示すセパレータ４０の表面４０ｂの平面図。 従来の製造方法で製造されたセパレータ４０の反り量を示す断面図。 従来の製造方法で製造されたセパレータ４０の反り量を示す断面図。 従来の製造方法で製造されたセパレータ４０の反り量を示す断面図。 実施例の製造方法で製造されたセパレータ４０の反り量を示す断面図。 セパレータ接着工程の説明図。 レーザのエネルギー線密度の説明図。 実施例２のレーザ照射範囲４０ｔを示すセパレータ４０の表面４０ｂの平面図。 従来の製造方法により製造されたセパレータ４０の反り量Ｓのばらつきを示すグラフ。 実施例３の製造方法により製造されたセパレータ４０の反り量Ｓのばらつきを示すグラフ。 反り修正工程の説明図。 反り修正工程におけるレーザ照射範囲４０ｕを示すセパレータ４０の表面４０ａの平面図。 反り修正工程と追加修正工程による反り量Ｓの低減を示すグラフ。

本明細書が開示する電動車両の技術要素を、以下に列記する。なお、以下の各技術要素は、それぞれ独立して有用なものである。

本明細書が開示する一例の製造方法においては、前記高エネルギー領域に、前記低エネルギー領域よりも高いエネルギー密度でレーザを照射してもよい。また、本明細書が開示する一例の製造方法においては、前記高エネルギー領域の幅が、前記低エネルギー領域の幅よりも広くてもよい。

これらのいずれの製造方法でも、高エネルギー領域に対して単位距離あたりにレーザによって付与されるエネルギーを、低エネルギー領域に対して単位距離あたりにレーザによって付与されるエネルギーよりも高くすることができる。

本明細書が開示する一例の製造方法においては、前記工程では、前記照射範囲が前記表面の外周縁に並行して環状に伸びるようにレーザを照射してもよい。

本明細書が開示する一例の製造方法においては、前記工程では、前記表面が凹状となるように前記金属板に反りが生じてもよい。前記製造方法は、前記金属板の前記表面に対する裏面の前記反りの頂部を含む範囲にレーザを照射する工程をさらに有していてもよい。

この製造方法によれば、セパレータに生じる反りを低減することができる。

本明細書が開示する一例の製造方法においては、前記裏面にレーザを照射する前記工程では、前記長辺に交差する方向に沿ってレーザの照射範囲が線状に伸びるようにレーザを照射してもよい。

この製造方法によれば、セパレータに生じる反りをより効果的に低減することができる。

本明細書が開示する一例の製造方法においては、前記金属板の前記裏面が、溝が形成された溝領域と、前記溝領域の周囲に配置された平坦領域を有していてもよい。前記裏面にレーザを照射する前記工程では、前記平坦領域にレーザを照射してもよい。

このように平坦領域にレーザを照射すればレーザが金属板に吸収され易いので、セパレータに生じる反りをより効果的に低減することができる。

図１に示す燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池セル１２の積層体により構成されている。図１を含む各図において、複数の燃料電池セル１２が積層された方向がｚ方向として示され、ｚ方向に直交する一方向がｘ方向として示され、ｘ方向及びｚ方向に直交する方向がｙ方向として示される。燃料電池スタック１０には、流路７１～７６が設けられている。流路７１～７６のそれぞれは、燃料電池スタック１０の端面からｚ方向に伸びている。流路７１は酸化剤ガス供給流路であり、流路７６は酸化剤ガス排出流路である。酸化剤ガス供給流路７１を介して各燃料電池セル１２に酸化剤ガス（本実施形態では酸素（Ｏ_２））が供給される。各燃料電池セル１２を通過した酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出流路７６を介して燃料電池スタック１０の外部に排出される。流路７４は燃料ガス供給流路であり、流路７３は燃料ガス排出流路である。燃料ガス供給流路７４を介して各燃料電池セル１２に燃料ガス（本実施形態では水素（Ｈ_２））が供給される。各燃料電池セル１２を通過した燃料ガスは、燃料ガス排出流路７３を介して燃料電池スタック１０の外部に排出される。各燃料電池セルに燃料ガスと酸化剤ガスが供給されることで、各燃料電池セル１２で発電が行われる。流路７５は冷媒供給流路であり、流路７２は冷媒排出流路である。冷媒供給流路７５を介して各燃料電池セル１２に冷媒が供給される。各燃料電池セル１２を通過した冷媒は、冷媒排出流路７２を介して燃料電池スタック１０の外部に排出される。燃料電池スタック１０内を流れる冷媒によって、各燃料電池セル１２が冷却される。

図２は、１つの燃料電池セル１２の分解斜視図である。図２に示すように、燃料電池セル１２は、膜／電極接合体（以下、ＭＥＡ（membrane electrode assembly）という）２０と、樹脂フレーム３０と、セパレータ４０と、セパレータ５０を有している。樹脂フレーム３０、セパレータ４０及びセパレータ５０のそれぞれは、ｘ方向に長い長方形の板形状を有している。樹脂フレーム３０、セパレータ４０及びセパレータ５０は、ｚ方向に積層されている。以下では、樹脂フレーム３０のセパレータ４０に近い方の表面を表面３０ａといい、その反対側の樹脂フレーム３０の表面を表面３０ｂという。また、以下では、セパレータ４０の樹脂フレーム３０に近い方の表面を表面４０ｂといい、その反対側のセパレータ４０の表面を表面４０ａという。また、以下では、セパレータ５０の樹脂フレーム３０に近い方の表面を表面５０ａといい、その反対側のセパレータ５０の表面を表面５０ｂという。樹脂フレーム３０の中央には、ｚ方向に樹脂フレーム３０を貫通する貫通孔３６が設けられている。ＭＥＡ２０は、貫通孔３６内に配置されている。セパレータ４０の表面４０ｂは、樹脂フレーム３０の表面３０ａに接着されている。セパレータ４０によって、貫通孔３６が覆われている。セパレータ５０の表面５０ａは、樹脂フレーム３０の表面３０ｂに接着されている。セパレータ５０によって、貫通孔３６が覆われている。このように、樹脂フレーム３０は、セパレータ４０とセパレータ５０の間に挟まれている。

樹脂フレーム３０、セパレータ４０及びセパレータ５０のそれぞれには、流路７１に対応する貫通孔７１ａ、流路７２に対応する貫通孔７２ａ、流路７３に対応する貫通孔７３ａ、流路７４に対応する貫通孔７４ａ、流路７５に対応する貫通孔７５ａ、及び、流路７６に対応する貫通孔７６ａが設けられている。ｚ方向に沿って燃料電池セル１２を平面視したときに、貫通孔７１ａ、７２ａ、７３ａと貫通孔７４ａ、７５ａ、７６ａの間に貫通孔３６（すなわち、ＭＥＡ２０）が配置されている。

樹脂フレーム３０は、絶縁性の部材である。図３に示すように、樹脂フレーム３０は、ｚ方向に積層された樹脂層３１、３２、３３を有している。樹脂層３１、３２、３３は、いずれも、絶縁性の樹脂（例えば、酸変性ポリプロピレン等）により構成されている。樹脂層３１は、高い剛性を有する。樹脂層３２、３３は、熱可塑性を有しており、軟化時に高い粘着性を発揮する。樹脂層３１は、樹脂層３２と樹脂層３３の間に挟まれている。樹脂層３２はセパレータ４０に接着されており、樹脂層３３はセパレータ５０に接着されている。

ＭＥＡ２０は、電解質膜２１、アノード層２２及びカソード層２３を有している。電解質膜２１は、固体高分子材料により構成されている。アノード層２２とカソード層２３は、電解質中に白金等の触媒を含む導電性粒子が拡散された材料等により構成されている。アノード層２２は、セパレータ４０に近い側の電解質膜２１の表面を覆っている。カソード層２３は、セパレータ５０に近い側の電解質膜２１の表面を覆っている。

セパレータ４０は、導電性の部材である。セパレータ４０は、金属板４１と、炭素膜４２、４３を有している。金属板４１は、チタン（Ｔｉ）またはチタン合金により構成されている。炭素膜４２は、樹脂フレーム３０及びＭＥＡ２０に近い側の金属板４１の表面を覆っている。炭素膜４３は、炭素膜４２とは反対側に位置する金属板４１の表面を覆っている。

セパレータ４０の一部は折れ曲がっており、これによってセパレータ４０の表面４０ｂに溝４４が設けられている。図４に示すように、溝４４は、貫通孔７４ａから貫通孔７３ａまで伸びている。図４の範囲６０は、セパレータ４０がＭＥＡ２０と対向する範囲（ｚ方向に沿って見たときにセパレータ４０がＭＥＡ２０と重複する範囲）を示している。溝４４は、範囲６０内を蛇行して伸びている。図３に示すように、セパレータ４０の表面４０ｂは、溝４４以外の部分で樹脂フレーム３０とＭＥＡ２０に接している。より詳細には、表面４０ｂは、溝４４以外の部分で樹脂フレーム３０の樹脂層３２とＭＥＡ２０のアノード層２２に接している。溝４４と樹脂フレーム３０とＭＥＡ２０によって囲まれた空間によって、燃料ガス流路７７が構成されている。燃料ガス流路７７は、セパレータ４０と樹脂フレーム３０の界面、及び、セパレータ４０とＭＥＡ２０の界面に沿って伸びている。燃料ガス供給流路７４（貫通孔７４ａ）内を流れる燃料ガスは、燃料ガス流路７７内に流入する。燃料ガスは、燃料ガス流路７７内を上流端から下流端まで流れた後に、燃料ガス排出流路７３（貫通孔７３ａ）へ排出される。

図３に示すように、表面４０ｂの一部の範囲４０ｓには、炭素膜４３が設けられていない。セパレータ４０は、範囲４０ｓにおいて、樹脂フレーム３０の樹脂層３２に接着されている。すなわち、範囲４０ｓ内の金属板４１は、樹脂フレーム３０の樹脂層３２に接着されている。図４に示すように、炭素膜４３が設けられていない範囲４０ｓは、表面４０ｂにおいて、貫通孔７１ａ、７２ａ、７５ａ、７６ａを囲むように設けられている。また、範囲４０ｓは、表面４０ｂにおいて、セパレータ４０の外周縁に並行するように設けられている。以下では、範囲４０ｓのうちのセパレータ４０の外周縁に並行している部分を、範囲４０ｓａという。範囲４０ｓａは、セパレータ４０の外周縁に並行して環状に伸びている。範囲４０ｓａは、溝４４及び貫通孔７１ａ～７６ａが設けられている範囲の全周を囲んでいる。図４に示す範囲４０ｓにおいてセパレータ４０は樹脂フレーム３０に接着されている。

セパレータ５０は、導電性の部材である。図３に示すように、セパレータ５０は、金属板５１と、炭素膜５２、５３を有している。金属板５１は、チタン（Ｔｉ）またはチタン合金により構成されている。炭素膜５２は、樹脂フレーム３０及びＭＥＡ２０に近い側の金属板５１の表面を覆っている。炭素膜５３は、炭素膜５２とは反対側に位置する金属板５１の表面を覆っている。

図３に示すように、セパレータ５０の一部は折れ曲がっており、これによってセパレータ５０の表面５０ａに溝５４が設けられている。図５に示すように、溝５４は、貫通孔７１ａから貫通孔７６ａまで伸びている。図５の範囲６２は、セパレータ５０がＭＥＡ２０と対向する範囲（ｚ方向に沿って見たときにセパレータ５０がＭＥＡ２０と重複する範囲）を示している。溝５４は、範囲６２内を蛇行して伸びている。図３に示すように、セパレータ５０の表面５０ａは、溝５４以外の部分で樹脂フレーム３０とＭＥＡ２０に接している。より詳細には、表面５０ａは、溝５４以外の部分で樹脂フレーム３０の樹脂層３３とＭＥＡ２０のカソード層２３に接している。溝５４と樹脂フレーム３０とＭＥＡ２０によって囲まれた空間によって、酸化剤ガス流路７８が構成されている。酸化剤ガス流路７８はセパレータ５０と樹脂フレーム３０の界面、及び、セパレータ５０とＭＥＡ２０の界面に沿って伸びている。酸化剤ガス供給流路７１（貫通孔７１ａ）内を流れる酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路７８内に流入する。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路７８内を上流端から下流端まで流れた後に、酸化剤ガス排出流路７６（貫通孔７６ａ）へ排出される。

図３に示すように、表面５０ａの一部の範囲５０ｓには、炭素膜５２が設けられていない。セパレータ５０は、範囲５０ｓにおいて、樹脂フレーム３０の樹脂層３３に接着されている。すなわち、範囲５０ｓ内の金属板５１は、樹脂フレーム３０の樹脂層３３に接着されている。図５に示すように、炭素膜５２が設けられていない範囲５０ｓは、表面５０ａにおいて、貫通孔７２ａ、７３ａ、７４ａ、７５ａを囲むように設けられている。また、範囲５０ｓは、表面５０ａにおいて、セパレータ５０の外周縁に並行するように設けられている。以下では、範囲５０ｓのうちのセパレータ５０の外周縁に並行している部分を、範囲５０ｓａという。範囲５０ｓａは、セパレータ５０の外周縁に並行して環状に伸びている。範囲５０ｓａは、溝５４及び貫通孔７１ａ～７６ａが設けられている範囲の全周を囲んでいる。図５に示す範囲５０ｓにおいてセパレータ５０は樹脂フレーム３０に接着されている。

燃料電池セル１２を動作させるときには、燃料ガス流路７７に燃料ガスを流すとともに酸化剤ガス流路７８に酸化剤ガスを流す。これによって、ＭＥＡ２０に燃料ガスと酸化剤ガスが供給され、ＭＥＡ２０で発電が行われる。ＭＥＡ２０で発生した電力は、セパレータ４０とセパレータ５０によって外部に取り出される。すなわち、セパレータ４０とセパレータ５０は配線として機能する。セパレータ４０、５０の表面が炭素膜によって覆われているので、セパレータ４０、５０は高い導電性を有する。したがって、低損失で電力がＭＥＡ２０から外部に供給される。

（金属板成形工程）
次に、実施例１のセパレータ４０の製造方法について説明する。まず、プレス加工等によって、金属板４１に貫通孔７１ａ～７６ａ及び溝４４を形成する。

（コーティング工程）
次に、図６に示すように、金属板４１の表面全体を覆うように炭素膜４２、４３を形成する。ここでは、１０ｎｍ～１００ｎｍの厚みで炭素膜４２、４３を形成する。

（レーザ照射工程）
次に、図７に示すように、セパレータ４０の表面４０ｂ（すなわち、炭素膜４３の表面）の一部にレーザＬ（例えば、ＹＡＧレーザ）を照射する。炭素膜４３はレーザを吸収し易いので、レーザの照射範囲内でセパレータ４０が高温に加熱される。このため、炭素膜４３が蒸発して除去される。これによって、炭素膜４３が除去された範囲４０ｓを形成する。ここでは、レーザスポットを移動させることによって、図４に示すように、範囲４０ｓを形成する。このように、範囲４０ｓは、レーザの照射範囲と一致する。また、金属板４１の表面に汚れ（例えば、潤滑油の残渣）が付着している場合には、炭素膜４３とともに汚れが蒸発する。したがって、範囲４０ｓ内に汚れがほとんど存在しない状態で金属板４１が露出する。

図８の範囲４０ｔ（ハッチングされた範囲）は、レーザ照射工程におけるレーザ照射範囲を示している。上述したように、レーザ照射範囲４０ｔは、図４の範囲４０ｓと一致する。以下では、レーザ照射範囲４０ｔのうちの表面４０ｂの外周縁に並行している部分を、レーザ照射範囲４０ｔａという。レーザ照射工程では、レーザのエネルギー密度（ｍＪ／ｍｍ^２）を位置によって変更する。図８に示すように、レーザ照射範囲４０ｔ内に、４つの高エネルギー領域４０ｔ１～４０ｔ４を設定する。高エネルギー領域４０ｔ１～４０ｔ４は、いずれも、レーザ照射範囲４０ｔａ（セパレータ４０の外周縁に並行している部分）に含まれている。以下では、レーザ照射範囲４０ｔの高エネルギー領域４０ｔ１～４０ｔ４以外の領域を、低エネルギー領域４０ｔ５という。レーザ照射工程では、高エネルギー領域４０ｔ１～４０ｔ４に対して低エネルギー領域４０ｔ５よりも高いエネルギー密度でレーザを照射する。例えば、高エネルギー領域４０ｔ１～４０ｔ４に対するエネルギー密度を、低エネルギー領域４０ｔ５に対するエネルギー密度の１．５倍以上のエネルギー密度とすることができる。例えば、高エネルギー領域４０ｔ１～４０ｔ４に対して３３ｍＪ／ｍｍ^２のエネルギー密度でレーザを照射し、低エネルギー領域４０ｔ５に対して１９ｍＪ／ｍｍ^２のエネルギー密度でレーザを照射することができる。なお、レーザのエネルギー密度は、レーザの出力（Ｗ）を変化させることで調整してもよいし、レーザの発振周波数を変化させることで調整してもよいし、レーザスポット径を変化させることで調整してもよいし、レーザスポットの移動速度を変化させることで調整してもよいし、レーザのパルス幅を変化させることで調整してもよい。高エネルギー領域４０ｔ１～４０ｔ４は、互いから分離されている。高エネルギー領域４０ｔ１、４０ｔ２は、長方形である表面４０ｂの一対の長辺４７ａ、４７ｂのうちの長辺４７ａに沿って伸びている。高エネルギー領域４０ｔ３、４０ｔ４は、長辺４７ｂに沿って伸びている。高エネルギー領域４０ｔ１は、高エネルギー領域４０ｔ３に対してＹ方向の位置に配置されている。高エネルギー領域４０ｔ２は、高エネルギー領域４０ｔ４に対してＹ方向の位置に配置されている。図８に示す中心線４８ａは長辺４７ａ、４７ｂに対して直交する方向に伸びる表面４０ａの中心線であり、中心線４８ｂは長辺４７ａ、４７ｂに対して平行に伸びる表面４０ａの中心線である。高エネルギー領域４０ｔ１、４０ｔ２は、中心線４８ａの両側に配置されている。すなわち、高エネルギー領域４０ｔ１と高エネルギー領域４０ｔ２の間に中心線４８ａが位置している。高エネルギー領域４０ｔ３、４０ｔ４は、中心線４８ａの両側に配置されている。すなわち、高エネルギー領域４０ｔ３と高エネルギー領域４０ｔ４の間に中心線４８ａが位置している。高エネルギー領域４０ｔ１、４０ｔ３は、中心線４８ｂの両側に配置されている。すなわち、高エネルギー領域４０ｔ１と高エネルギー領域４０ｔ３の間に中心線４８ｂが位置している。高エネルギー領域４０ｔ２、４０ｔ４は、中心線４８ｂの両側に配置されている。すなわち、高エネルギー領域４０ｔ２と高エネルギー領域４０ｔ４の間に中心線４８ｂが位置している。

レーザ照射工程でセパレータ４０にレーザを照射すると、レーザ照射範囲４０ｔ内で金属板４１の表層部が溶融し、その後、凝固する。金属板４１の溶融した部分は、凝固するときに収縮する。このため、金属板４１のレーザが照射された表面とその裏面との間で応力差が生じ、金属板４１（すなわち、セパレータ４０）に反りが生じる。より詳細には、レーザが照射された表面４０ｂが凹形状となり、その裏面である表面４０ａが凸形状となるようにセパレータ４０が反る。レーザ照射範囲４０ｔ全体に均一なエネルギー密度でレーザを照射する場合には、金属板４１全体に生じる応力のバランスによって、製造されるセパレータ４０ごとに発生する反り量が変化する。例えば、図９のように反り量Ｓが大きくなる場合や、図１０のように反り量Ｓが中程度となる場合や、図１１のように反り量Ｓが小さくなる場合がある。なお、反り量Ｓは、図９～１１に示すように、セパレータ４０を平面上に載置したときの最上部の高さである。このように、レーザ照射範囲４０ｔ全体に均一な密度でレーザを照射する場合には、レーザ照射工程後におけるセパレータ４０の形状のばらつきが大きい。これに対し、上記のように４つの高エネルギー領域４０ｔ１～４０ｔ４に高いエネルギー密度でレーザを照射すると、高エネルギー領域４０ｔ１～４０ｔ４で金属板４１が溶融して凝固する部分の深さ及び幅が大きくなる。その結果、図１２に示すように高エネルギー領域４０ｔ１～４０ｔ４に対応する範囲において主に反りが生じ、セパレータ４０全体に生じる反り量が安定する。したがって、レーザ照射工程後のセパレータ４０の形状にばらつきが生じ難い。

以上に説明したように、実施例１のセパレータ４０の製造方法によれば、セパレータ４０の反り量のばらつきを抑制することができる。また、セパレータ５０についても、上述したセパレータ４０と略同様の製造方法によって製造することで、反り量のばらつきを抑制することができる。次に、セパレータ４０、５０を使用して燃料電池セル１２を製造する方法について説明する。

（セパレータ接着工程）
燃料電池セル１２の製造工程では、上記の方法で製造されたセパレータ４０、５０を樹脂フレーム３０に接着する。セパレータ接着工程では、まず、図１３に示すように、樹脂フレーム３０の貫通孔３６内にＭＥＡ２０を配置した状態で、樹脂フレーム３０をセパレータ４０とセパレータ５０で挟み込む。ここでは、セパレータ４０の表面４０ｂを樹脂フレーム３０とＭＥＡ２０に接触させるとともに、セパレータ５０の表面５０ａを樹脂フレーム３０とＭＥＡ２０に接触させる。このように、セパレータ４０、５０によって樹脂フレーム３０の貫通孔３６を塞いだ状態で、セパレータ４０、５０を樹脂フレーム３０に接着する。すなわち、まず、図１３に示すように、セパレータ４０、樹脂フレーム３０及びセパレータ５０の積層体の一部を、金型９０、９２によって挟む。ここでは、積層体のうちの範囲４０ｓ、５０ｓを含む部分を金型９０、９２によって挟む。次に、金型９０、９２によって積層体を加圧しながら、その加圧された部分（すなわち、範囲４０ｓ、５０ｓを含む部分）を金型９０、９２を介して１５０～１８０℃に加熱する。すると、金型９０、９２の近傍において、樹脂層３２、３３が軟化する。その後、積層体を冷却すると、軟化していた樹脂層３２、３３が硬化する。これによって、樹脂層３２が範囲４０ｓ内でセパレータ４０（すなわち、金属板４１）に接着され、樹脂層３３が範囲５０ｓ内でセパレータ５０（すなわち、金属板５１）に接着される。レーザの照射によって範囲４０ｓ内の金属板４１の表面から汚れが除去されているので、樹脂層３２は金属板４１に高い接着力で接着される。レーザの照射によって範囲５０ｓ内の金属板５１の表面から汚れが除去されているので、樹脂層３３は金属板５１に高い接着力で接着される。以上の工程を実施することで、図３に示す燃料電池セル１２が完成する。セパレータ４０、５０の反り量のばらつきが少ないので、セパレータ接着工程を適切に実施することができる。また、セパレータ４０、５０の反り量のばらつきが少ないので、セパレータ４０、５０の搬送等でも不具合が生じ難い。したがって、高い良品率で燃料電池セル１２を製造することができる。

なお、高エネルギー領域と低エネルギー領域は、レーザのエネルギー線密度（ｍＪ／ｍｍ）により規定することができる。すなわち、レーザ照射範囲の中で、レーザのエネルギー線密度が高い領域が高エネルギー領域であり、レーザのエネルギー線密度が低い領域が低エネルギー領域である。レーザのエネルギー線密度は、レーザ照射範囲が線状に伸びている場合に、その伸びている方向の単位距離あたりにレーザによって付与されるエネルギーを意味する。例えば、図１４に示すようにレーザ照射範囲４０ｔがｘ方向に長く線状に伸びているとともにｙ方向に幅Ｗ（ｍｍ）を有している箇所では、エネルギー線密度はｘ方向において単位距離（１ｍｍ）の範囲内でレーザ照射範囲４０ｔ内に付与されるエネルギーを意味する。言い換えると、レーザのエネルギー線密度は、レーザのエネルギー密度（ｍＪ／ｍｍ^２）を幅方向（図１４ではｙ方向）に積分した値である。例えば、図１４において、レーザ照射範囲４０ｔ内に一様なエネルギー密度Ｅ（ｍＪ／ｍｍ^２）でレーザが照射された場合には、レーザのエネルギー線密度はＥ・Ｗ（ｍＪ／ｍｍ）である。実施例１では、レーザのエネルギー密度（ｍＪ／ｍｍ^２）を高エネルギー領域で低エネルギー領域よりも高くすることで、レーザのエネルギー線密度（ｍＪ／ｍｍ）を高エネルギー領域で低エネルギー領域よりも高くしている。レーザのエネルギー線密度（ｍＪ／ｍｍ）は、レーザ照射範囲の幅によって調整することも可能である。

実施例２では、高エネルギー領域の幅が、低エネルギー領域の幅よりも広い。また、実施例２では、高エネルギー領域と低エネルギー領域に同じエネルギー密度でレーザを照射する。その他については、実施例２は実施例１と等しい。

図１５に示すように、実施例２では、レーザ照射範囲４０ｔにおいて、高エネルギー領域４０ｔ１～４０ｔ４の幅ＷＨが、低エネルギー領域４０ｔ５の幅ＷＬよりも広い。例えば、幅ＷＨを幅ＷＬの１．５倍以上の幅とすることができる。例えば、幅ＷＨを４．６５ｍｍとし、幅ＷＬを２．６５ｍｍとすることができる。レーザ照射工程では、レーザ照射範囲４０ｔが図１５に示す分布となるようにレーザを照射する。また、実施例２では、高エネルギー領域４０ｔ１～４０ｔ４と低エネルギー領域４０ｔ５に同じエネルギー密度Ｅでレーザを照射する。したがって、高エネルギー領域４０ｔ１～４０ｔ４におけるエネルギー線密度は、Ｅ・ＷＨ（ｍＪ／ｍｍ）となり、低エネルギー領域４０ｔ５におけるエネルギー線密度は、Ｅ・ＷＬ（ｍＪ／ｍｍ）となる。すなわち、高エネルギー領域４０ｔ１～４０ｔ４には、低エネルギー領域４０ｔ５よりも高いエネルギー線密度でレーザが照射される。実施例２でも、実施例１と同様に、レーザ照射範囲４０ｔ内で炭素膜４３が除去されるとともに、レーザ照射範囲４０ｔ内で金属板４１の表層部が溶融して凝固する。高エネルギー領域４０ｔ１～４０ｔ４では低エネルギー領域４０ｔ５よりも幅が広い範囲で金属板４１の表層部が溶融して凝固する。このため、図１２に示すように高エネルギー領域４０ｔ１～４０ｔ４に対応する範囲において表面４０ｂが凹となるように大きい反りが生じる。このように、セパレータ４０が反ると、セパレータ４０全体に生じる反り量が安定し、レーザ照射工程後のセパレータ４０の形状にばらつきが生じ難い。

実施例３は、実施例１、２を組み合わせた製造方法である。実施例３では、高エネルギー領域４０ｔ１～４０ｔ４の幅を低エネルギー領域４０ｔ５の幅よりも広くし、かつ、レーザのエネルギー密度（ｍＪ／ｍｍ^２）を高エネルギー領域で低エネルギー領域よりも高くする。この製造方法でも、図１２に示すように反りが生じ、セパレータ４０で生じる反り量が安定する。したがって、レーザ照射工程後のセパレータ４０の形状のばらつきを抑制することができる。

図１６、１７は、従来の製造方法（すなわち、レーザ照射範囲４０ｔ全体の幅を一定とし、レーザ照射範囲４０ｔ全体に均一なエネルギー密度でレーザを照射する製造方法）によりセパレータ４０を製造した場合と、実施例３の製造方法によりセパレータ４０を製造した場合とのそれぞれについて、セパレータ４０に生じる反り量Ｓのばらつきを示している。図１６、１７から明らかなように、実施例３の製造方法によれば、反り量Ｓのばらつきを低減することができる。

以上、実施例１～３で説明したように、レーザのエネルギー線密度（ｍＪ／ｍｍ）を高エネルギー領域で低エネルギー領域よりも高くすることで、レーザ照射工程後のセパレータ４０の反り量のばらつきを抑制することができる。

実施例４の製造方法は、セパレータ４０のうち反り量が大きいものの形状を修正する反り修正工程を有している。反り修正工程は、実施例１～３のいずれかのレーザ照射工程を実行した後に実行される。レーザ照射工程を経たセパレータ４０の中で反り量が大きいセパレータ４０に対してのみ反り修正工程が実行される。反り修正工程では、図１８に示すように、セパレータ４０の表面４０ａ（すなわち、表面４０ｂに対する裏面）の一部にレーザＬを照射する。ここでは、セパレータ４０に生じている反りの頂部Ｐ（図１２、１８に示すように、表面４０ａにおいて最も突出している部分）を含む範囲にレーザＬを照射する。図１９は、反り修正工程においてレーザを照射するレーザ照射範囲４０ｕを示している。図１９に示すように、セパレータ４０の表面４０ａには、流路７７（図３、４参照）に対応する溝７９が存在する。また、溝７９が設けられた領域の周囲には、溝が存在しない平坦な領域８０が存在する。レーザ照射範囲４０ｕは、平坦な領域８０内に配置されている。上述したように、レーザ照射工程では、図１２に示すようにｘ－ｚ断面においてセパレータ４０が反るので、反りの頂部Ｐの稜線は表面４０ａにおいてｙ方向に直線状に伸びる。反り修正工程では、頂部Ｐの稜線に沿って、レーザ照射範囲４０ｕが図１９に示すようにｙ方向に線状に長く伸びるようにレーザを照射する。すなわち、ここでは、長辺４７ａ、４７ｂに直交する方向に沿ってレーザ照射範囲４０ｕが線状に伸びるようにレーザを照射する。表面４０ａにレーザＬを照射すると、レーザ照射範囲４０ｕ内で炭素膜４２が除去される。また、レーザ照射範囲４０ｕ内で金属板４１の表層部が溶融して凝固する。このとき、金属板４１の表面４０ａ側の表層部が収縮する。このため、頂部Ｐにおけるセパレータ４０の反り量が小さくなる。このように、反り修正工程によれば、セパレータ４０の反り量を少なくすることができる。反り量が大きいセパレータ４０に対して反り修正工程を行うことで、セパレータ４０の反り量のばらつきをさらに小さくすることができる。

なお、反り修正工程の後に頂部Ｐの周辺範囲４０ｖ（図１８参照）にレーザを照射する追加修正工程を実行してもよい。これによって、セパレータ４０の反り量をさらに低減することができる。図２０は、金属板成形工程後、レーザ照射工程後、反り修正工程後、及び、追加修正工程後のそれぞれのセパレータ４０の反り量を示している。図２０から明らかなように、反り修正工程によってセパレータ４０の反りが低減され、追加修正工程によってセパレータ４０の反りがさらに低減される。

なお、上述した実施例４では、反り量が大きいセパレータ４０に対してのみ反り修正工程を実施した。しかしながら、製造される全てのセパレータ４０に対して反り修正工程を実施してもよい。この構成によれば、各セパレータ４０の反り量を低減することができる。

なお、上述した実施例１～４では、金属板４１、５１の表面が炭素膜に覆われていたが、金属板４１、５１の表面が炭素膜に覆われていなくてもよい。すなわち、セパレータ４０、５０の表面全体に金属板４１、５１が露出していてもよい。このようなセパレータ４０、５０の製造工程でも、金属板４１、５１の表面の汚れを除去する目的で、金属板４１、５１に対してレーザが照射される場合がある。この場合に、上述した実施例１～４の技術を用いることで、セパレータ４０、５０の反り量のばらつきを抑制することができる。また、この場合、レーザによって汚れが除去された表面を樹脂フレームに高い接着力で接着することができる。

以上、実施形態について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独あるいは各種の組み合わせによって技術有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの１つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。

１０：燃料電池スタック
１２：燃料電池セル
２０：ＭＥＡ
３０：樹脂フレーム
４０：セパレータ
４０ｔ：レーザ照射範囲
４０ｔ１～４０ｔ４：高エネルギー領域
４０ｔ５：低エネルギー領域
４１：金属板
４２、４３：炭素膜
４７ａ、４７ｂ：長辺
５０：セパレータ

Claims (6)

1. 燃料電池セル用のセパレータの製造方法であって、
   長方形の板形状を有する金属板の表面にレーザの照射範囲が線状に伸びるようにレーザを照射する工程を有しており、
   前記工程では、前記照射範囲が前記線状に伸びる方向における単位距離あたりにレーザによって付与されるエネルギーが高い高エネルギー領域と、前記エネルギーが低い低エネルギー領域とを前記照射範囲が有するようにレーザを照射し、
   前記高エネルギー領域が、互いから分離された第１領域、第２領域、第３領域、及び、第４領域を有しており、
   前記第１領域と前記第２領域が、前記長方形が有する一対の長辺の一方に並行して伸びており、
   前記第３領域と前記第４領域が、前記一対の長辺の他方に並行して伸びており、
   前記一対の長辺に対して直交する方向に伸びる前記表面の中心線が、前記第１領域と前記第２領域の間、及び、前記第３領域と前記第４領域の間に位置しており、
   前記高エネルギー領域に、前記低エネルギー領域よりも高いエネルギー密度でレーザを照射する、製造方法。
2. 燃料電池セル用のセパレータの製造方法であって、
   長方形の板形状を有する金属板の表面にレーザの照射範囲が線状に伸びるようにレーザを照射する工程を有しており、
   前記工程では、前記照射範囲が前記線状に伸びる方向における単位距離あたりにレーザによって付与されるエネルギーが高い高エネルギー領域と、前記エネルギーが低い低エネルギー領域とを前記照射範囲が有するようにレーザを照射し、
   前記高エネルギー領域が、互いから分離された第１領域、第２領域、第３領域、及び、第４領域を有しており、
   前記第１領域と前記第２領域が、前記長方形が有する一対の長辺の一方に並行して伸びており、
   前記第３領域と前記第４領域が、前記一対の長辺の他方に並行して伸びており、
   前記一対の長辺に対して直交する方向に伸びる前記表面の中心線が、前記第１領域と前記第２領域の間、及び、前記第３領域と前記第４領域の間に位置しており、
   前記高エネルギー領域の幅が、前記低エネルギー領域の幅よりも広い、製造方法。
3. 燃料電池セル用のセパレータの製造方法であって、
   長方形の板形状を有する金属板の表面にレーザの照射範囲が線状に伸びるようにレーザを照射する工程を有しており、
   前記工程では、前記照射範囲が前記線状に伸びる方向における単位距離あたりにレーザによって付与されるエネルギーが高い高エネルギー領域と、前記エネルギーが低い低エネルギー領域とを前記照射範囲が有するようにレーザを照射し、
   前記高エネルギー領域が、互いから分離された第１領域、第２領域、第３領域、及び、第４領域を有しており、
   前記第１領域と前記第２領域が、前記長方形が有する一対の長辺の一方に並行して伸びており、
   前記第３領域と前記第４領域が、前記一対の長辺の他方に並行して伸びており、
   前記一対の長辺に対して直交する方向に伸びる前記表面の中心線が、前記第１領域と前記第２領域の間、及び、前記第３領域と前記第４領域の間に位置しており、
   前記工程では、前記照射範囲が前記表面の外周縁に並行して環状に伸びるようにレーザを照射する、製造方法。
4. 燃料電池セル用のセパレータの製造方法であって、
   長方形の板形状を有する金属板の表面にレーザの照射範囲が線状に伸びるようにレーザを照射する工程を有しており、
   前記工程では、前記照射範囲が前記線状に伸びる方向における単位距離あたりにレーザによって付与されるエネルギーが高い高エネルギー領域と、前記エネルギーが低い低エネルギー領域とを前記照射範囲が有するようにレーザを照射し、
   前記高エネルギー領域が、互いから分離された第１領域、第２領域、第３領域、及び、第４領域を有しており、
   前記第１領域と前記第２領域が、前記長方形が有する一対の長辺の一方に並行して伸びており、
   前記第３領域と前記第４領域が、前記一対の長辺の他方に並行して伸びており、
   前記一対の長辺に対して直交する方向に伸びる前記表面の中心線が、前記第１領域と前記第２領域の間、及び、前記第３領域と前記第４領域の間に位置しており、
   前記工程では、前記表面が凹状となるように前記金属板に反りが生じ、
   前記金属板の前記表面に対する裏面の前記反りの頂部を含む範囲にレーザを照射する工程をさらに有する、製造方法。
5. 前記裏面にレーザを照射する前記工程では、前記長辺に交差する方向に沿ってレーザの照射範囲が線状に伸びるようにレーザを照射する、請求項４の製造方法。
6. 前記金属板の前記裏面が、溝が形成された溝領域と、前記溝領域の周囲に配置された平坦領域を有し、
   前記裏面にレーザを照射する前記工程では、前記平坦領域にレーザを照射する、
   請求項４または５の製造方法。

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