CN105529479A - 多孔体流路的焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多孔体流路的焊接方法，良好地接合多孔体流路与遮蔽板。使上部电极(731)与多孔体流路(40)接触，使下部电极(733)与遮蔽板(45)接触，对多孔体流路(40)与遮蔽板(45)进行点焊，由此制造流路部件(50)。下部电极(733)对遮蔽板(45)的下压变形量小于上部电极(731)对多孔体流路的下压变形量(D)。

Description

多孔体流路的焊接方法

本申请主张基于2014年10月14日提交的申请号为2014-209810号的日本专利申请的优先权，并通过参照将其公开的全部内容并入本文中。

技术领域

本发明涉及多孔体流路。

背景技术

已知在燃料电池单体的内部夹着遮蔽板的结构。遮蔽板在歧管的附近配置于密封材料与多孔体流路之间。设置遮蔽板的目的在于供密封材料流动而进行遮蔽，以避免密封材料进入多孔体流路(JP2012-123949)。

发明内容

发明要解决的课题

在上述专利文献中，关于如何将遮蔽板组装于燃料电池单体并未进行充分的研究。本申请发明要解决课题是在上述现有技术的基础上提供一种在采用了将多孔体流路与遮蔽板接合的手法的情况下适合的接合方法。

用于解决课题的方案

本发明为了解决上述课题，能够作为以下的方式来实现。

根据本发明的一方式，提供如下的方法：使第一电极与多孔体流路接触，使第二电极与板材接触，通过上述第一及第二电极在上述板材的厚度方向对上述多孔体流路和上述板材沿加压而进行点焊。在该方法中，上述板材在被上述第二电极加压的方向上变形的变形量小于上述多孔体流路在被上述第一电极加压的方向上变形的变形量。根据该方式，能够抑制通过焊接形成的部件的厚度的偏差。该偏差被抑制是因为通过如上述那样控制变形量来抑制板材的变形。多孔体流路在构造上，点焊产生的变形难以对其他部位造成影响。由此，即使多孔体流路变形，与板材的变形相比也难以引起上述偏差。

在上述方式中，也可以是，上述第一电极的端面的面积小于上述第二电极的端面的面积。根据该方式，能够容易地实现上述方式。

在上述方式中，也可以是，上述多孔体流路的在执行上述点焊之前的状态下与上述板材面接触的部位通过上述点焊而被接合。根据该方式，由于焊接电流稳定，因此能够良好地执行焊接。

在上述方式中，也可以是，使上述第一电极与上述多孔体流路面接触而开始上述点焊。根据该方式，通过反复进行点焊，而能够抑制第一电极的端面变差。

在上述方式中，也可以是，上述板材是在组装为燃料电池单体时对密封材料进行遮蔽的遮蔽板。根据该方式，能够将多孔体流路与遮蔽板接合。

本发明可以通过上述以外的各种方式实现。例如，可以通过包含多孔体流路的焊接方法的燃料电池的制造方法等方式实现。

附图说明

图1是燃料电池的外观图。

图2是空气排出歧管附近的剖视图。

图3是表示多孔体流路的立体图。

图4是表示流路部件的制造工序图的概略的图。

图5是表示在原料上开有贯通孔的情况的图。

图6是对多孔体流路的制造工序进行说明的图。

图7是对多孔体流路的制造工序进行说明的图。

图8是对多孔体流路的制造工序进行说明的图。

图9是对多孔体流路的制造工序进行说明的图。

图10是对多孔体流路的制造工序进行说明的图。

图11是表示用于形成谷部的刃部的立体图。

图12是图10的12-12端面图。

图13是图10的13-13端面图。

图14是流路部件的俯视图。

图15是表示焊接系统的图。

图16是表示焊枪的焊接的情况的端面图。

图17是表示点焊后的情况的图。

图18是表示调查了焊接的条件与产生飞溅的关系的实验结果的曲线图。

图19是表示调查了焊接部的拉伸强度与按压力的关系的实验结果的曲线图。

图20是表示比较例的焊接的情况的图。

图21是表示比较例的焊接的情况的图。

具体实施方式

图1示意性地表示燃料电池100的外观。燃料电池100是汽车用的燃料电池。燃料电池100具备：多个发电单元20、接线板91、92、绝缘板93及端板95、96。接线板91、92配置于层叠的发电单元20的两侧，用于从发电单元20取出电力。绝缘板93配置于接线板91的外侧。端板95、96为了紧固连接发电单元20、接线板91、92、绝缘板93而配置于燃料电池100的两侧。

发电单元20、接线板91、绝缘板93及端板95分别具有多个开口部，连接上述开口部而形成歧管。具体而言，形成氢气供给歧管95a、空气供给歧管95b、氢气排出歧管95c、空气排出歧管95d、冷却水供给歧管95e、冷却水排出歧管95f。

图2是空气排出歧管95d附近的剖视图。如图2所示，发电单元20具备：膜电极气体扩散层接合体34、多孔体流路40、遮蔽板45、阴极侧隔板71、阳极侧隔板73及密封材料140。

膜电极气体扩散层接合体34是阴极扩散层、膜电极接合体、阳极扩散层的接合体。膜电极接合体是阴极电极、电解质膜、阳极电极的接合体。

多孔体流路40形成供从冷却水供给歧管95e供给的空气流动的流路。多孔体流路40由膨胀合金构成。密封材料140及遮蔽板45配置于多孔体流路40与阳极侧隔板73之间。密封材料140由粘接剂、热塑性树脂、橡胶等构成。密封材料140与阴极侧隔板71和阳极侧隔板73一起对空气、氢气、冷却水的泄漏进行密封。

遮蔽板45由不锈钢等形成，配置在多孔体流路40与密封材料之间。遮蔽板45与多孔体流路40接合。以下，将该接合体称为流路部件50。在密封材料140流动的情况下，遮蔽板45对流动的密封材料140进行遮蔽，防止其进入多孔体流路40。

图3是表示多孔体流路40的立体图。多孔体流路40具有反复连接基部410与连接部450的结构。基部410具备：第一倾斜部411、第二倾斜部412及平坦部415。

平坦部415是平板状的部位，被假想地分割为谷部417和山部419。连接部450连接某基部410包含的谷部417与其他基部410包含的山部419。由两个基部410和四个连接部450围成的空间形成网眼470。网眼470在组装为燃料电池100的一部分的状态下，作为流路发挥作用。

第一倾斜部411与谷部417连接，并相对于平坦部415倾斜。第二倾斜部412与山部419连接，并相对于平坦部415倾斜。

在第一倾斜部411与连接部450之间形成有空隙421。在第二倾斜部412与连接部450之间也形成有空隙421。空隙421与网眼470相同地在组装为燃料电池100的一部分的状态下，作为流路发挥作用。

如图3所示，对多孔体流路40定义XYZ轴。XY平面是由平坦部415形成的平面。Y方向是与第一倾斜部411和平坦部415的边界线平行的方向。Y方向也可称为与第二倾斜部412和平坦部415的边界线平行的方向。X方向是与Y方向正交的方向。Z方向是与XY平面正交的方向。

图4表示流路部件50的制造工序图的概略。首先，通过工序P510～P550的机床加工来制造多孔体流路40。作为多孔体流路40的制造，首先，如图5所示，在原料210上开宽度方向一列量的贯通孔421a(工序P510)，然后，通过辊340沿X方向输送原料210(工序P520)。

图5表示在原料210上开有贯通孔421a的情况。原料210是由不锈钢等形成的板材。贯通孔421a通过冲压装置进行的冲切而形成。贯通孔421a利用基于辊340的原料210的搬运(工序P520)而依次形成。贯通孔421a是通过后述的冲压形成而成为空隙421的部位。

以后，使用图6～图11进行说明。图6～图11是对刃部300进行说明的立体图。刃部300具备：上刃310、下刃320及模具330。另外，图6～图11为了简化图示而省略了模具330的图示。模具330用于形成第一倾斜部411和第二倾斜部412，关于该形成，与图12、图13一起进行说明。另外，在图6～图11中，为了简化图示而省略了贯通孔421a的图示。

在工序P520之后，如图7所示，进行冲压成型(工序P530)。具体而言，通过使上刃310下降，而使上刃310包含的凸部312的下表面与下刃320的上表面交叉，局部性地切断原料210。切断后的部位中的向Z轴方向下侧移动的部位成为谷部417，塑性变形的部位成为连接部450。随着连接部450的形成而划分出山部419。

凸部312与图5所示的谷部形成预定部417a及第一倾斜部预定部411a接触，在切断面S切断原料210。图5所示的第二倾斜部预定部412a是通过上述冲压成型而成为第二倾斜部412的部位。图5所示的山部预定部419a是通过上述冲压成型而成为山部419的部位。

在一块量的多孔体流路40的加工未完成的情况下(工序P540为“否”)，如图8所示，将上刃310和模具330(与图12、图13一起后述)沿Y轴方向进给预定量(工序P550)。然后，再次执行工序P510～P540。

图9表示再次执行工序P520的情况。图10表示再次执行工序P530的情况。图11表示再次执行工序P550的情况。通过再次的工序P530而形成的谷部417与通过上次的工序P530而形成的山部419一起形成平坦部415。

图12是图10的12-12端面图，是用于对第一倾斜部411的形成进行说明的图。如图12所示，上刃310包含的凹部311具备第一上侧倾斜面311a(在图6～图11中未图示)。刃部300包含的模具330具备第一下侧倾斜面331。第一下侧倾斜面331以与第一上侧倾斜面311a相对的方式配置。

在工序P530中，在使上刃310下降之前，使模具330与原料210接触。当上刃310下降时，一部分原料210即夹入第一上侧倾斜面311a与第一下侧倾斜面331的部位弯曲。该弯曲的部位成为第一倾斜部411。

图13是图10的13-13端面图，是用于对第二倾斜部412的形成进行说明的图。如图13所示，上刃310的凸部312具备第二上侧倾斜面312a。模具330具备第二下侧倾斜面332。第二下侧倾斜面332以与第二上侧倾斜面312a相对的方式配置。

由于凸部312具备第二上侧倾斜面312a，因此在凸部312与原料210开始接触的时刻，不会产生切断，而产生沿着第二上侧倾斜面312a的弯曲。此外，当上刃310下降时，产生切断，形成谷部417和第二倾斜部412。但是，在该时刻，谷部417和第二倾斜部412的成型不完全。此外，当上刃310下降直至到达停止位置时，谷部417与模具330接触，而被夹入凸部312和模具330。由此，成型出谷部417和第二倾斜部412。

当反复进行了预定次数的上述工序P510～P550，则完成一块量的多孔体流路40的加工(工序P540为“是”)。然后，如后述那样对多孔体流路40与遮蔽板45进行焊接(工序P560)，而制造流路部件50。

图14是流路部件50的俯视图。遮蔽板45沿着多孔体流路40的长边被焊接。本实施方式中的焊接部位是图14所示的六个焊接部P。

图15表示焊接系统700。焊接系统700具备：电源710、变压器720及焊枪730。

电源710具有定时器功能，对变压器720供电预定时间。变压器720向焊枪730供给二次电流。二次电流是通过将从电源710供给的电力的电压利用变压器720进行转换而生成的。焊枪730使用所供给的二次电流来实施点焊。

图16是表示焊接的情况的端面图。多孔体流路40以第一倾斜部411与遮蔽板45接触的方式置于遮蔽板45上。

如图16所示，第一倾斜部411以与其他第一倾斜部411一起形成同一平面的方式相对于平坦部415倾斜。由此，各第一倾斜部411与遮蔽板45面接触。第一倾斜部411及第二倾斜部412的倾斜为相互大致平行。

焊枪730具备上部电极731和下部电极733。上部电极731的前端附近为圆柱形状，其外径为1.5mm。由此，上部电极端面731a的面积为7.07mm²。下部电极733的前端附近为圆柱形状，其外径为3.0mm。由此，下部电极端面733a的面积为28.27mm²。

本实施方式的点焊的条件如下所述。将上部电极731向下部电极733进行加压的力(以下称为“按压力”)为50±3N，焊接电流为920±30A，通电时间为35±3毫秒，缓升/缓降时间为1.8毫秒。

在点焊时，在使上部电极731与第二倾斜部412接触的状态下，向下部电极733按压上部电极731。在上部电极731与第二倾斜部412接触的时刻焊接电流流过，由此开始第一倾斜部411与遮蔽板45的焊接。

图17表示点焊后的情况。如图17所示，第二倾斜部412由于按压力而变形直至与遮蔽板45接触。其结果是，第二倾斜部412也焊接于遮蔽板45。另一方面，遮蔽板45即使被焊接，也不怎么变形。作为其理由之一，可列举上部电极731的外径比下部电极733的外径细。

如上所述，点焊引起的遮蔽板45的变形小于点焊引起的多孔体流路40的变形。更详细而言，点焊引起的遮蔽板45的变形小于点焊引起的基部410的变形。本实施方式中的变形的大小由厚度方向的向内变形的距离(以下称为“下压变形量”)定义。厚度方向是遮蔽板45的厚度的方向，是图17的上下方向。向内是通过在焊接时接触的电极按压的方向。即，关于多孔体流路40的向内是图中的向下，关于遮蔽板45的向内是图中的向上。

基部410的下压变形量在图17中表示为距离D。基部410的下压变形量的测定可以通过关于成为焊接的对象的基部410对焊接前后的形状进行比较来实现，也可以如图17所示，通过与未焊接的其他基部410的厚度方向的高度进行比较来实现。

遮蔽板45的下压变形量能够通过测定与下部电极733接触的部位的变形量(由于微小，因此未图示)而测定。

另外，第一倾斜部411的焊接比第二倾斜部412的焊接更良好地被焊接，焊接后的拉伸强度强。这是因为，第一倾斜部411与遮蔽板45从焊接开始时接触，且其接触成为面接触，因此在第一倾斜部411与遮蔽板45之间焊接电流容易流过。

图18是表示调查了焊接的条件与产生飞溅的关系的实验结果的曲线图。曲线图的纵轴表示通电时间，横轴表示焊接电流。实验中的通电时间的误差为±0.1毫秒以下。实验中的焊接电流的误差为±2％。

如图18所示，在按压力为50N的情况下，在通电时间为50毫秒以上时或焊接电流为1050A以上时，会产生飞溅。如图18所示，在按压力为50N以下的情况下，在通电时间为50毫秒以下且焊接电流为1050A以下时，根据通电时间和焊接电流的值而不产生飞溅。

在上述说明的本实施方式中采用的值的情况下，如图18所示，不会产生飞溅。另外，“不产生飞溅”可以包含产生微量的飞溅的意思。微量是例如在制造上不会成为问题的程度的量。

如图18所示，在按压力为45.1N以上且小于50N的情况下，即便是在按压力为50N的情况下未产生飞溅的条件，有时也会产生飞溅。此外，如图18所示，按压力如为40.1N以上且小于45.1N，35.1N以上且小于40.1N，按压力为30.1N以上且小于35.1N那样，按压力越小而产生飞溅的条件越扩大。

图19是表示调查了焊接部的拉伸强度与按压力的关系的实验结果的曲线图。无论在哪个实验样本中，焊接电流都设定为920A，通电时间设定为35毫秒。

在该实验中，使按压力在40.1N～65.1N中以5N刻度变化。这是因为，在焊接电流为920A、通电时间为35毫秒的情况下，如与图18一起所说明那样，当按压力小于40.1N时会产生飞溅。

关于各按压力，准备五个样本，并以各样本为对象对焊接部P的拉伸强度进行了测定。曲线图所示的错误条对于各按压力表示“平均±3×标准偏差”的范围。按压力为45.1N、50.1N、55.1N的情况下，“平均-3×标准偏差”的值都为37N以上，能够确保充分的强度。如上所述，在本实施方式中，按压力被设定为50±3N。由此，根据本实施方式，能够确保充分的强度。

图20、图21表示比较例的焊接的情况。在该比较例中，如图20所示，使上部电极731与遮蔽板45接触，并使下部电极733与多孔体流路40接触。当这样实施焊接时，多孔体流路40经由遮蔽板45而承接上部电极731的下压。其结果是，如图21所示，多孔体流路40向厚度方向的外方(图的下方)较大地变形。另一方面，多孔体流路40由于与多孔体流路40接触的下部电极端面733a的面积较大，因此向厚度方向的内方几乎不变形。由此，多孔体流路40的下压变形量大致为零。

与此相对，由于与遮蔽板45接触的上部电极端面731a的面积较小，因此遮蔽板45被向上部电极731下压，向厚度方向的内方较大地变形。其结果是，遮蔽板45的下压变形量大于多孔体流路40的下压变形量。遮蔽板45的下压变形量在图21中表示为D’。

如此，当遮蔽板45被下压而变形时，在遮蔽板45上会产生折皱(未图示)。遮蔽板45的折皱会在流路部件50的厚度上引起偏差，甚至引起堆叠时的面压的偏差。其结果是，可能成为使发电性能下降的原因。

根据上述所说明的实施方式，至少能够得到以下的效果。

在实施方式的情况下，与上述比较例相比，通过抑制焊接引起的遮蔽板45的变形，而流路部件50的厚度的精度变得良好。其结果是，堆叠时的面压稳定，进而发电性能稳定。另外，即使某一个基部410因焊接而变形，该变形的影响也会被连接部450的变形吸收，而其他基部410几乎不变形。由此，基部410的变形几乎不会使流路部件50的厚度的精度变差。

通过抑制遮蔽板45的变形而即使较薄地形成遮蔽板45，流路部件50的厚度的精度也良好。例如，在上述比较例的情况下，为了抑制遮蔽板45的变形而采用的厚度为0.1mm，而在本实施方式中即使为0.05mm，厚度的精度也不会恶化。其结果是，能实现燃料电池的小型化、轻量化。

在焊接前的阶段，由于第一倾斜部411与遮蔽板45进行面接触，而多孔体流路40与遮蔽板45的接触面积与线接触或点接触的情况相比增大。其结果是，焊接电流稳定，能够良好地实施焊接。

上部电极731与第二倾斜部412面接触，因此上部电极731的端面难以损伤。其结果是，上部电极731的寿命变长。

即使对多孔体流路40进行焊接，在多孔体流路40的构造上流路也没有被封闭。由此，对气体流动几乎没有影响。

本发明不限于本说明书的实施方式或实施例、变形例，在不脱离其主旨的范围内能够以各种结构实现。例如，为了解决上述课题的一部分或全部，或者为了实现上述效果的一部分或全部，能够适当更换、组合在发明内容一栏记载的各方式中的技术特征所对应的实施方式的技术特征。而且，该技术特征在本说明书中只要未作为必须的结构进行说明，就可以适当删除。例如，例示有以下的情况。

只要能够使遮蔽板的下压变形量小于多孔体流路的下压变形量，可以通过任意的方法进行焊接。例如，可以使上部电极与下部电极的端面的面积相同并使多孔体流路的原料比遮蔽板的原料柔软，也可以形成为多孔体流路的刚性降低的形状。或者，也可以组合上述方法。

多孔体流路可以不具备第一倾斜部，也可以不具备第二倾斜部。

多孔体流路在点焊之前的状态下，可以相对于遮蔽板线接触或点接触。

多孔体流路的制造方法可以是任意的方法。例如，可以将第一倾斜部或第二倾斜部的形成作为与切断及谷部的形成的冲压成型(工序P530)不同的工序而实施。或者，一块量的多孔体流路的加工可以通过一次冲压加工来实现。此外，也可以通过冲压加工以外的加工，例如切削、铸造等进行制造。

焊接于多孔体流路的对象不限于遮蔽板，也可以对应于燃料电池的结构、制造方法的变化而将其他板材作为焊接的对象。

附图标记说明

20…发电单元

34…膜电极气体扩散层接合体

40…多孔体流路

45…遮蔽板

50…流路部件

71…阴极侧隔板

73…阳极侧隔板

91…接线板

93…绝缘板

95…端板

95a…氢气供给歧管

95b…空气供给歧管

95c…氢气排出歧管

95d…空气排出歧管

95e…冷却水供给歧管

95f…冷却水排出歧管

100…燃料电池

140…密封材料

210…原料

300…刃部

310…上刃

311…凹部

311a…第一上侧倾斜面

312…凸部

312a…第二上侧倾斜面

320…下刃

330…模具

331…第一下侧倾斜面

332…第二下侧倾斜面

340…辊

410…基部

411…第一倾斜部

411a…第一倾斜部预定部

412…第二倾斜部

412a…第二倾斜部预定部

415…平坦部

417…谷部

417a…谷部形成预定部

419…山部

419a…山部预定部

421…空隙

421a…贯通孔

450…连接部

470…网眼

700…焊接系统

710…电源

720…变压器

730…焊枪

731…上部电极

731a…上部电极端面

733…下部电极

733a…下部电极端面

S…切断面

P…焊接部

Claims (5)

1.一种焊接方法，使第一电极与多孔体流路接触，使第二电极与板材接触，通过所述第一电极及所述第二电极在所述板材的厚度方向上对所述多孔体流路和所述板材加压而进行点焊，

所述板材在被所述第二电极加压的方向上变形的变形量小于所述多孔体流路在被所述第一电极加压的方向上变形的变形量。

2.根据权利要求1所述的焊接方法，其中，

所述第一电极的端面的面积小于所述第二电极的端面的面积。

3.根据权利要求1或2所述的焊接方法，其中，

所述多孔体流路的在执行所述点焊之前的状态下与所述板材面接触的部位通过所述点焊而被接合。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的焊接方法，其中，

使所述第一电极与所述多孔体流路面接触而开始所述点焊。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的焊接方法，其中，

所述板材是在组装为燃料电池单体时对密封材料进行遮蔽的遮蔽板。