JP2019115928A - ２つの金属材料間の溶接又は粉体の焼結にレーザーを用いる方法、ｐｅｍ燃料電池用バイポーラプレートの製造のための使用 - Google Patents
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Abstract
【課題】複雑な経路で行う必要のある溶接を容易にし、かつ溶接線の酸化を防ぐ方法の提供。【解決手段】２つの金属材料２，３を溶接する又は１種以上の粉体を焼結するための方法であって、以下の工程：ａ．レーザービームＦの１以上の発振波長において透明な中実プレート１０を、溶接されるべき金属材料間の１以上の接触ゾーン４又は１種以上の粉体の１以上の焼結ゾーンとレーザーＬとの間に配置する工程、ｂ．上記透明なプレートを通して、レーザービームを発振して、該１以上の接触ゾーンにおける該材料の溶接又は該１以上の焼結ゾーンにおける１種以上の粉体の焼結を行う工程、を含む方法。【選択図】図３
Description
本発明は、レーザーによる、金属材料間の溶接並びに１種以上の粉体の焼結の分野に関する。
本発明は、特に、複雑な経路を辿って行う必要のある金属部材間の溶接又は１種以上の粉体の焼結を容易にするとともに、溶接線／点又は焼結ゾーンの酸化を防ぐことを目的とする。
対象とされる主な用途は、波形又はリブ付き金属プレートの、峡部波形のレベル又は峡部波形の尖端部のレベルでの溶接に関するものであり、該プレートの波形又はリブは、溶接すると、流体循環用の密閉チャネルを内部に画定する。これらは、燃料電池又は高温電解槽のスタック、典型的にはプロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）のスタックの一部を構成するいわゆるバイポーラプレートとすることができる。
この主な用途、特にＰＥＭＦＣ用途に関連して説明するが、本発明は、集成すべき材料の連続性を生じさせることを目的として、１種以上の金属材料を加熱或いはさらには局所的に溶融するために高エネルギーレーザーを用いる任意の用途に適用される。
プロトン交換膜燃料電池ＰＥＭＦＣは、水素と酸素の触媒反応によって化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換する電気化学装置である。ＰＥＭ燃料電池は、複数のセルの直列のスタックを含む。各セルで発生する電圧は典型的には０．７Ｖ程度であるが、それらを積み重ねることによって、高レベルの供給電圧、例えば約１００Ｖ程度の供給電圧を発生させることができる。
さらに具体的には、ＰＥＭ燃料電池は、膜電極接合体すなわちＭＥＡを各々含む単位セル又は基本ユニットを含んでおり、ＭＥＡは燃料電池の電気化学的心臓部をなす。各ＭＥＡは、プロトンを選択的に透過させることができる電解質ポリマー膜と、この膜の両側でアノードとカソードを形成する触媒層とからなる。
このように、膜によってアノード区画とカソード区画とを分離することができる。触媒層は一般にカーボン凝集体に担持された白金ナノ粒子からなる。
ＭＥＡの両側には、電気伝導性を与えるとともに、反応ガスを均一に導入し、生成した水を除去するために、通常はグラファイト繊維（カーボンクロス、フェルトなど）からなるガス拡散層（カーボンクロス、フェルトなど）すなわちＧＤＬが配置される。
アノードでは、次式に示すように、触媒に吸着した水素の分解によってプロトンＨ＋と電子ｅ−が生成する。
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
プロトンは、ポリマー膜を透過して、カソードで酸素と反応する。カソードでのプロトンと酸素との反応によって、次式に示すように、水が生成し、熱を発生する。
Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ
Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ
上述の通り、ＰＥＭＦＣは、基本ユニットのスタック、したがって２枚のプレート間に配置された複数のＭＥＡを含むことがあり、これらのプレートは電流の通過及びガスの流れを担保する必要がある。この種のスタックでは、隣接する２つの基本ユニットは概して１枚の同じプレートによって分離され、その一方の面は第１のＭＥＡのカソード区画と接触し、他方の面は第２のＭＥＡのアノード区画と接触しており、さらに正確にいうとガス拡散層と接触している。このため、ＰＥＭＦＣのプレートは一般に「バイポーラプレート」と呼ばれる。
このように、バイポーラプレートは、以下に挙げる事項を含む幾つかの機能を果たす。
・収集した電流の輸送及び異なる基本ユニット間の電気的接続；
・ガス（Ｈ２、Ｏ２又は空気）の分配、及びその内部に設けられたチャネル及び／又はオリフィスを介しての、カソードで生成した水の除去；
・アノードとカソードの間の不透性分離；
・冷却液を流すことによるセルの温度調節；
・様々なユニットセルのアノードで生成した電子の収集；
・ＭＥＡの耐久性を確保するための機械的支持。
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・冷却液を流すことによるセルの温度調節；
・様々なユニットセルのアノードで生成した電子の収集；
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具体的には、コスト、全体的寸法及び性能の理由から、これらの機能は、ＰＥＭＦＣ用のバイポーラプレートが一般に金属で作られていることに反映されている。
さらに正確には、バイポーラプレートは、一般に、成形後に溶接又は接着などの手段によって互いに接合される２枚の薄い金属プレート又はシートからなる。
溶接又は接着工程では、これら２枚のシート間の接触を所定の圧力に維持する必要があり、溶接の場合には、溶接継手で起こり得る酸化を抑制するために不活性化を用いる必要がある。
図１は、この種のバイポーラプレート１であって、溝２０，３０；２１，３１がそれぞれ形成された２枚の同一の金属プレート２，３からなるバイポーラプレート１を示す。
これらのプレート２，３は、継手４によって組み立てられる。得られるアセンブリは、溝２０，３０によってそれぞれ水素Ｈ２及び酸素Ｏ２の循環用チャネル５，６が画定され、溝２１，３１は伝熱流体Ｃの循環用チャネル７を内部に画定する。
レーザー溶接は、燃料電池のバイポーラプレートの２枚の薄いプレート／シートを組み立てるための最も費用対効果の高い方法であると考えられている（非特許文献１）。
カプセル封入が十分に制御されていれば、これらのシートは重ね溶接される（非特許文献２）。米国特許第５０９６５１８号にも、このようなカプセル封入の必要性について記載されている。
カプセル封入が制御されていれば、高エネルギーレーザーのビームによって、どちらのプレートにも穿孔せずに、金属−金属接触面を融合させることができる。
これらのプレートのカプセル封入は様々な方法で行うことができ、シートの両側に一種の万力を形成するために外部圧力プレートが常用されたり、或いは負圧を生じさせてシート同士を把持してそれらを物理的に保持する。
図２は、圧力プレート８，９によるシート２，３のカプセル封入を伴うレーザー溶接Ｌを示す。
下側プレート８は基盤として機能し、その上に集成すべきシート２，３が配置される。
上側プレート９は、シート２，３を、それらの表面間の接触力を継手４が形成されるレベルに維持する圧力で挟持する。
図２から分かる通り、プレート９には、所要の継手ゾーン４に連続又はスポット溶接シームをもたらすため、レーザーＬのビームＦがアクセスできるように複数の貫通開口９０が設けられている。これらの継手ゾーンは、それらの形状及び／又はアクセスし易さが複雑になりかねない。継手ゾーンは、例えば、チャネル５，６，７間のガス供給用開口の周縁のゾーン又はシート２，３の外周縁のゾーンなどであることがある。
こうした金属と金属の接触を維持するために圧力プレート９を用いる溶接方法には、幾つかの短所がある。
第一に、定義上、圧力プレートは複数の貫通開口を設けて製造する必要がある。
この圧力プレートの厚さはレーザー装置の焦点距離によって制限されるので、これらの開口によって圧縮応力に不均一さが生じてしまい、その結果、状況（典型的には大面積バイポーラプレートの場合）によっては、集成すべき２枚のシートを溶接中に接触状態に保つ力が局所的に不十分になってしまうことがある。
さらに、これらの開口はできるだけ小さくしなければならないので、不活性化によって酸化を抑制するのが難しい。実際、圧力プレートの開口を通して不活性化ガスを送る不活性化システムは、従前、図２に矢印で示すように、溶接レーザーを支持するノズルに取り付けられている。そのため、開口を通してガスを送り込みにくいので、溶接部を不活性化するのは非常に困難である。
圧力プレートに形成される開口は、溶接装置の製造コストを増大させ、バイポーラプレートの様々な幾何形状、ひいては溶接されるべき種々の入り組んだ複雑なゾーンに対応した多数の設計を必要とする。
ある既存の代替案は、もっと局所的な把持、すなわち作成すべき各継手のレベルで局所的に接触を維持するための解決策を用いて、溶接を数工程で実施することからなる。この解決策には、集成すべきシートの全面を溶接して所望のバイポーラプレートを得るには、レーザービームの停止、並びに構成及び圧力プレートを変更するための介在が必要とされるという短所がある。
米国特許第７００９１３６号には、負圧によってプレート／シート間の接触を維持する方法が提案されている。すなわち、プレート同士の２つの境界面間に部分真空を生じさせるが、それらの内部空間は冷却液の回路を画定する。このような部分真空によって、２枚のプレート／シートをそれらの金属−金属接触面のレベルで互いに引き寄せ合うようにすることができる。プレート／シートは次いでレーザーによってこれらの接触面のレベルで互いに溶接される。この方法は、複数の貫通開口をもつ圧力プレートの短所をなくす限りにおいて、有益であると思われる。
しかし、実際には、バイポーラプレートの周縁部及び供給開口の位置にクランプ装置を設けずに、多数の穴を含むプレート／シート間に負圧を発生させること及びそれらを真空系に接続することは困難である。
さらに、成形後に、金属プレート／シートが数多くの内部機械応力を含み、バイポーラプレートの中央ゾーンで顕著な撓みを生じることが判明した。この顕著な撓みは、負圧の作用だけではなくすのが難しいことが判明した。
燃料電池に関しては、得られたバイポーラプレートを、想定される溶接部が局所的であるのと同様に、局所的に焼結される粉体で好適にコートしてもよい。これらの粉体は金属又はセラミックとし得る。例えば、特定の継手による酸化からバイポーラプレートを保護するためのコーティングを堆積させることが有益であることがある。不透性とするために、コーティングは緻密でなければならず、そのため焼結する必要がある。コーティングは金属でも、セラミック（ＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３）でもよい。
金属粉体の焼結の分野では、金属に基づく３次元（３Ｄ）部品の製造にレーザーを用いることが知られている。金属粉体の連続層での３Ｄプリンティングはレーザーによって実施される。このプロセスは、製造中に部品が溶融するのを避けるため、粉体を焼結させるチャンバー全体をアルゴン及び／又は窒素で不活性化することを含む。この装置は高価であり、必ずしもあらゆる種類の部品に適しているわけではない。
以上から明らかな通り、特に圧力プレート又は真空系を備える従前のレーザー溶接装置の短所を克服するために、燃料電池用、特にＰＥＭ燃料電池用のバイポーラプレートの溶接を実施するための解決策を改良することが必要とされている。
また、特にレーザーを用いて上述の金属プレートをコートするための、粉体の焼結のための解決策を改良することも必要とされている。
一般的には、金属−金属又は金属−セラミック接合部／継手を製造するための溶接／焼結解決策であって、実施が容易で、効果的で、安価で、かつ不活性化と両立し得るものを提案することが必要とされている。
本発明の目的は、これらのニーズに少なくとも部分的に応えることである。
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この目的のために、本発明は、２つの金属材料を溶接する又は１種以上の粉体を焼結するための方法であって、以下の工程：
ａ．レーザービームの１以上の発振波長において透明な中実プレートを、溶接されるべき金属材料間の１以上の接触ゾーン又は１種以上の粉体の１以上の焼結ゾーンとレーザーとの間に配置する工程、
ｂ．上記透明なプレートを通して、レーザービームを発振して、該１以上の接触ゾーンにおける該材料の溶接又は該１以上の焼結ゾーンにおける１種以上の粉体の焼結を行う工程
を含む方法に関する。
ａ．レーザービームの１以上の発振波長において透明な中実プレートを、溶接されるべき金属材料間の１以上の接触ゾーン又は１種以上の粉体の１以上の焼結ゾーンとレーザーとの間に配置する工程、
ｂ．上記透明なプレートを通して、レーザービームを発振して、該１以上の接触ゾーンにおける該材料の溶接又は該１以上の焼結ゾーンにおける１種以上の粉体の焼結を行う工程
を含む方法に関する。
このように、本発明は、溶接用又は焼結用レーザーの１以上の波長に対して透明で、そのビームを溶接又は焼結すべきゾーンに送ることができる、開口のないプレートに上記レーザーを通すことから基本的になる。
実施は簡単であるが、このような解決策に想到した者はいなかった。
この透明プレートは、溶接継手の酸化又は焼結すべき粉体の酸化を防ぐために不活性化ガスを循環させることができる閉じ込め容積を簡単かつ安価に作り出すことができる。
波形及び／又はリブ付きの金属シート／プレート同士の溶接に適用する場合、特に燃料電池用のバイポーラプレートの製造の場合、本発明は従前の方法に比べて幾多の長所を有しており、その中でも特に以下の点を挙げることができる。
・溶接されるべき各接触ゾーンにレーザービームを通すための複数の開口を作るための不透明圧力プレートの複雑な機械加工が不要になること；
・金属−金属接触を促進するのに最適な状態の応力が、溶接されるべきゾーンの近傍で、局所的に得られること；
・溶接経路又は幾何形状による制約を受けることなく、透明プレートを様々な幾何形状のプレート／シートに対して所望通り使用できること。
・溶接されるべき各接触ゾーンにレーザービームを通すための複数の開口を作るための不透明圧力プレートの複雑な機械加工が不要になること；
・金属−金属接触を促進するのに最適な状態の応力が、溶接されるべきゾーンの近傍で、局所的に得られること；
・溶接経路又は幾何形状による制約を受けることなく、透明プレートを様々な幾何形状のプレート／シートに対して所望通り使用できること。
好適な実施形態では、本方法は、工程ｂの前に、１以上の接触ゾーン又は１以上の焼結ゾーンを不活性化する工程ａ１をさらに含んでおり、不活性化は中性ガス、好ましくはアルゴン及び／又は窒素によって実施される。
好ましくは、工程ｂは、透明プレートに対して実質的に垂直なレーザービームによって実施される。
さらに好ましくは、工程ｂは、溶接されるべき１以上の接触ゾーン又は１以上の焼結ゾーンに対して実質的に垂直なレーザービームによって実施される。
使用される透明プレートに用いられる材料は、好適には、以下の材料：ガラス、ポリマー、吸収を制限するために任意的にドープされていてもよい（イッテルビウムドープ酸化スカンジウム）、透明セラミックから選択し得る。
２枚の金属プレート間の溶接の場合、本方法は、好ましくは、工程ｂの前、及び該当する場合には工程ａ１の前に、２枚の金属プレートに対して、溶接されるべき１以上の接触ゾーンにおいてそれらが当接するように圧力を加える工程ａ２を含む。
工程ｃの圧力の印加は、溶接されるべき２枚の金属プレートの一方と直接接触している透明プレートによって行うことができる。
好適には、金属プレート間の接触ゾーンによって画定されるチャネル内を不活性化ガスが循環する。
本発明は、また、燃料電池向け、特にプロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）向けのバイポーラプレートを製造するための上述の方法の使用に関する。
本発明は、最後に、プレート上に焼結コーティングを製造するための上述の方法の使用に関する。
本発明の他の利点及び特徴は、添付の図面と併せて、例示を目的として記載された本発明の詳細な説明を参照することによって、明らかになるであろう。
分かり易くするため、図１〜図５では、溶接装置及びＰＥＭ燃料電池のバイポーラプレートの構成要素で、従来技術と本発明で同じ構成要素には、同じ符号を用いた。
なお、従来技術及び本発明に係る様々な構成要素は、分かり易く示したもので、正確な縮尺によるものではない。
圧力プレートに関して言及される「上側」及び「下側」という用語は、溶接されるべきプレートが水平に配置され、レーザービームが垂直に配置される構成において考慮されるべきものである。
図１及び図２については、背景技術の欄で既に詳しく説明したので、以下では説明しない。
図３は、圧力プレート８，１０による、集成すべきシート２，３のカプセル封入を伴うレーザー溶接Ｌを示す。
下側プレート８は基盤として機能し、その上に集成すべきシート２，３が配置される。
中実な上側プレート１０は、シート２，３を、それらの表面間の接触力を継手４が形成されるレベルに維持する圧力で挟持する。
図３から分かる通り、本発明に係る中実プレート１０は、溶接レーザーＬの波長に対して透明である。そのため、従来技術のプレート９とは対照的に、この中実プレート１０には、輪郭のはっきりした複数の開口を設ける必要はない。
このように、所要の継手ゾーン４に連続又はスポット溶接シームをもたらすため、レーザーＬのビームＦはプレート１０の任意の箇所でプレート１０を透過することができる。これらの継手ゾーンは、それらの形状及び／又はアクセスし易さが複雑であってもよい。継手ゾーンは、例えば、チャネル５，６，７間のガス供給用開口の周縁のゾーン又はシート２，３の外周縁のゾーンなどであってもよい。
好適には、溶接中、レーザーＬのビームＦは、透明プレート１０及び溶接ゾーン４に対して垂直に向けられる。これによって、プレート１０に用いられる材料の屈折率に関する設計上の制約を回避することができ、ビームＦの方向の変化を避けることができる。
透明プレート１０は、ガラス、アクリル系のポリマー又はセレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）型のセラミックからなるものとし得る。セラミックは、レーザービーム光の吸収を制限するためにドープされていてもよい（イッテルビウムドープ酸化スカンジウム）。
プレート１０の屈折率は好適には１のオーダーである。
開口のない透明プレート１０は、基盤を形成するプレート８と共に、容易に気密にすることができる内部空間を画定できる。こうして、この空間には、図３に示すように、窒素又はアルゴンなどの不活性化ガスＧを充填することができる。溶接ゾーン４は、循環する不活性化ガスＧ中に完全に浸漬され、プレート２，３及び８，１０によって画定されるチャネル内に閉じ込められる。
図４は、本発明に係る開口のない透明プレート１０を用いる他の実施形態を示す。
プレート１０は容器１１を密閉し、不活性化ガスＧが注入される空間を形成する。
容器１１は、バイポーラプレート１と、焼結コーティング１２が得られるように該プレートの表面に堆積された金属粉体Ｐとを収容する。
レーザーＬのビームＦは、任意の箇所で透明プレート１０を透過して、焼結すべき粉体の非常に正確なゾーンの粉体に到達し、こうしてプレート１の表面に均一な焼結コーティング１２を得ることができる。
図５は、図４と同様の容器と本発明に係る開口のない透明プレート１０とから焼結金属部品を得る別の方法を示す。
レーザーＬのビームＦは、任意の箇所で透明プレート１０を透過して、焼結すべき粉体の非常に正確なゾーンで粉体Ｐに到達し、所望の形状の金属部品を得ることができる。
本発明の技術的範囲内で、本発明の他の変形及び利点を達成することができる。
例えば、バイポーラプレートを得るための溶接の実施に際して、レーザーの波長に対して透明なプレートは、２枚の金属プレートを溶接されるべきゾーンで接触状態に保つための圧力プレートとしても役立つが、透明プレートがこのような圧力を加える機能をもたず、この機能を他の手段で与えることも十分に想定される。
本発明は、以上の実施例に限定されるものではなく、特に、例示していない変形例において、例示した複数の例の特徴を組合せることができる。
Claims (10)
- ２つの金属材料（２，３）を溶接する又は１種以上の粉体（Ｐ）を焼結するための方法であって、以下の工程：
ａ．レーザービーム（Ｆ）の１以上の発振波長において透明な中実プレート（１０）を、溶接されるべき金属材料間の１以上の接触ゾーン（４）又は１種以上の粉体の１以上の焼結ゾーンとレーザー（Ｌ）との間に配置する工程、
ｂ．上記透明なプレートを通して、レーザービームを発振して、該１以上の接触ゾーンにおける該材料の溶接又は該１以上の焼結ゾーンにおける該１種以上の粉体の焼結を行う工程
を含む方法。 - 工程ｂの前に、該１以上の接触ゾーン又は該１以上の焼結ゾーンを不活性化する工程ａ１をさらに含んでおり、不活性化が中性ガス、好ましくはアルゴン及び／又は窒素によって実施される、請求項１に記載の方法。
- 工程ｂが、上記透明なプレートに対して実質的に垂直なレーザービームによって実施される、請求項１に記載の方法。
- 工程ｂが、溶接されるべき該１以上の接触ゾーン又は該１以上の焼結ゾーンに対して実質的に垂直なレーザービームによって実施される、請求項１に記載の方法。
- 使用される透明なプレートに用いられる材料が、以下の材料：ガラス、ポリマー、吸収を制限するために任意的にドープされていてもよい（イッテルビウムドープ酸化スカンジウム）、透明セラミックから選択される、請求項１に記載の方法。
- 工程ｂの前、及び該当する場合には工程ａ１の前に、２枚の金属プレートに対して、溶接されるべき該１以上の接触ゾーンにおいてそれらが当接するように圧力を加える工程ａ２をさらに含む、請求項１に記載の方法。
- 工程ｃの圧力の印加が、溶接されるべき２枚の金属プレートの一方と直接接触している透明なプレートによって行われる、請求項６に記載の方法。
- 金属プレート間の接触ゾーンによって画定されるチャネル内を不活性化ガスが循環する、請求項６に記載の方法。
- 請求項６に記載の方法を、燃料電池向け、特にプロトン交換膜燃料電池向けのバイポーラプレートの製造に、使用する方法。
- 請求項１に記載の方法を、プレート上での焼結コーティングの製造に使用する方法。
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