JP6923761B2 - 金属ガスケットの溶接箇所決定方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属ガスケットの溶接箇所決定方法に関する。金属ガスケットは、例えば、燃料電池などに用いられる。金属ガスケットの溶接箇所決定方法は、一対の金属ガスケットを溶接によって接合する溶接箇所を決定するものである。

燃料電池は、燃料電池セルを複数個積層したスタック構造を有する。燃料電池は、電解質膜の両面に一対の電極層を設けた反応電極部（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を有し、反応電極部の厚み方向両側にセパレータが積層される。反応電極部のカソード側には酸化ガス（空気）を供給し、アノード側には燃料ガス（水素）を供給する。これにより、水の電気分解の逆反応である電気化学反応によって電力を発生する。

積層された燃料電池セル内には、酸化ガス（空気）、燃料ガス（水素）、冷却水などの媒体流体のための流路が設けられる。流路は、例えば、セパレータによって形成される。セパレータは、例えば、鉄やアルミニウムなどの金属材料からなる一対の金属ガスケットを接合させたものである。一対の金属ガスケットの間や別の部材との間に、媒体流体のための流路を形成する。このような金属ガスケットは、双極板と呼ばれる。

特表２００６−５０４８７２号公報（以下、「特許文献１」）に示すように、金属ガスケット（双極板３，３´）には、開口（開口４，５ａ，５ｂ）が設けられる（特許文献１の段落［００４１］、［００４３］、図４参照）。開口の周囲は、シールビード（ビード配列７，７´）で囲まれて封止される。一方のビード配列７は、孔部８を介して（特許文献１の図５ａ、図５ｂ参照）、もう一方のビード配列７´はトンネル（ダクト２８）を介して（特許文献１の図６ａ、図６ｂ参照）、それぞれ外部と連絡する。これによって、金属ガスケットは、酸化ガス（空気）や燃料ガス（水素）、冷却水などの媒体流体を所望の経路に導く（特許文献１の［００５３］〜［００５６］参照）。

一対の金属ガスケットは、例えば、溶接によって接合される（特許文献１の段落［００３２］、［００５９］参照）。このとき、シールビードを相手部材に規定の圧力をもって密接させ、良好なシール性を確保するためには、横ずれが生じないように一対の金属ガスケットを溶接することが肝要である。金属ガスケット同士に横ずれが生ずると、シールビードが座屈して面圧の低下や抜け（以下、本明細書の全体を通じて「面圧抜け」と称する）が発生し、シール性が損なわれる。このため、溶接箇所と溶接箇所数とを慎重に決定する必要がある。

ところが、金属ガスケットは微細で複雑な形状であり、反応電極部などとともに積層されて締結されたとき、各部にどのような応力が加わるのかを解析することは容易ではない。このため、シールビードには、局所的に面圧抜けが発生することがある。面圧抜けの発生は、異種流体の混合を引き起こすため、防止することが求められる。

何らかの実験によって検証をしなければ、面圧抜けが発生していること自体も、その発生場所も突き止めることができない。また、面圧抜けの発生を発見することができたとしても、その対策のための追加の溶接をどこに施せばよいのかも定かではない。もちろん、面圧抜けが発生している場所の近傍に追加溶接をすればよいであろうことは容易に想像がつく。しかし、具体的に追加の溶接をすべき位置は必ずしも明らかでないし、スペース上の問題から、面圧抜けが発生している場所の近傍に追加の溶接をできないこともある。

本発明は、シールビードの面圧抜けを防止できる溶接箇所を見出すことを目的とする。

本発明の金属ガスケットの溶接箇所決定方法は、
開口の周囲を取り囲むシールビードと、接合面から突出する複数の構造物と、を有する一対の金属ガスケットの前記接合面を溶接によって接合し、
前記シールビードと相手部材との間に感圧媒体を介在させて、接合した前記一対の金属ガスケットを前記相手部材とともに積層して締結し、
締結を解いて取り出した前記感圧媒体に残る痕跡によって、前記シールビードの面圧抜け箇所を検出し、
前記複数の構造物のうち、前記面圧抜け箇所に最も近い第１構造物と、前記第１構造物に最も近い第２構造物とに四辺を接触させて取り囲む矩形領域内に、追加の溶接箇所を決定する
方法である。

本発明によれば、シールビードに面圧抜けが発生していることを検出し、これを防止するための追加の溶接箇所を見出すことができる。

実施形態の双極板（金属ガスケット）の平面図 シールビード及びトンネルの周辺構造を拡大して示す平面図 図２中のＡ−Ａ線断面図 （ａ）は感圧媒体に残る痕跡を例示する平面図、（ｂ）は痕跡の一部を拡大して示す平面図。

以下、実施形態を図面に基づいて説明する。
本実施形態は、燃料電池に用いられる金属ガスケットとしての双極板１１について、一対の双極板１１を接合するための溶接箇所を決定する溶接箇所決定方法である。より詳しくは、双極板１１に設けられているシールビード３１の面圧抜けを防止する溶接箇所を見出す方法に関する。

＜双極板（金属ガスケット）の構造＞
図１に示すように、双極板１１は、矩形形状を有する。双極板１１は、開口１２を有する。開口１２は、大小二つの矩形形状を組み合わせた形状を有する。反応電極部（不図示）などとともに双極板１１を積層させて締結した際、開口１２は、各種の流体を流通させるためのマニホールド（不図示）を形成する。

開口１２の周囲には、シールビード３１が二列並列に設けられる。説明の便宜上、開口１２に近い方をシールビード（第１シールビード）３１ａ、シールビード３１ａの外周側に位置する方をシールビード（第２シールビード）３１ｂとも表記する。シールビード３１（３１ａ，３１ｂ）には、複数個のトンネル５１が連結する。一対の双極板１１は、表裏がそっくり反転した形状を有する。一対の接合面１３を接合させることによって、シールビード３１の内部にキャビティ３２を形成し、トンネル５１の内部に連絡路５２を形成する（図３参照）。

図２及び図３に示すように、二列のシールビード３１（３１ａ，３１ｂ）は、開口１２に沿って接合面１３の裏面側から突出する。シールビード３１は、山形の断面形状を有し、頂部に平坦なシール面３３を有する。

複数個のトンネル５１は、接合面１３の裏面側から突出した構造物Ｓである。トンネル５１は、山形形状のシールビード３１の中腹部分に連絡し、キャビティ３２に連絡する連絡路５２を内部に形成する。第１トンネル５１ａは、開口１２に面して設けられ、開口１２と第１シールビード３１ａ内のキャビティ３２とを連絡させる。第２トンネル５１ｂは、第１シールビード３１ａと第２シールビード３１ｂを連結し、それぞれのキャビティ３２を連絡させる。第１トンネル５１ａと第２トンネル５１ｂとは直線上には並んでおらず、内部の連絡路５２が延びる方向と直交する方向にずれて配列される。

双極板１１は、更に、整流ビード７１を有する。整流ビード７１は、接合面１３の裏面側から突出した構造物Ｓである。整流ビード７１は、接合面１３の裏面側を流れる流体の流れを制御し、流速を均一化させる。

＜双極板（金属ガスケット）の溶接箇所決定方法＞
本実施形態の双極板の溶接箇所決定方法は、接合工程と、検出工程と、決定工程とを有する。接合工程では、一対の双極板１１の接合面１３を溶接によって接合する。検出工程では、シールビード３１に面圧抜けが発生した箇所を検出する。決定工程では、追加の溶接箇所を決定する。

（１）溶接工程
一対の双極板１１の位置を合わせて互いの接合面１３を接合させ、一対の双極板１１を溶接によって固定する。図２中、溶接した箇所を一次溶接箇所Ｗ１として示す。つまり、一次溶接箇所Ｗ１は、開口１２に面する複数個の第１トンネル５１ａの間の接合面１３に位置する。

一次溶接箇所Ｗ１で溶接することによって、一対の双極板１１がまったく横ずれなく接合されるのであれば、シールビード３１に面圧抜けは発生しない。この場合、追加の溶接は不要である。一方、接合された一対の双極板１１に横ずれが生ずる場合、その位置によっては、シールビード３１の座屈による面圧抜けが発生する可能性がある。本実施形態では、後述する検出工程において、面圧抜け発生の有無とその発生位置とを検出する。面圧抜けが発生する場合には、決定工程によって追加の溶接をし、面圧抜けの発生を防止する。

（２）検出工程
シールビード３１に面圧抜けが発生している箇所（以下「面圧抜け箇所Ｃ」とも呼ぶ）を検出する。
面圧抜け箇所Ｃを検出するためには、溶接によって接合させた一対の双極板１１を反応電極部（不図示）とともに複数組積層して締結する。この際、シールビード３１と相手部材との間に感圧紙などのような感圧媒体１０１（図４（ａ）（ｂ）参照）を挟み込んで介在させる。締結によって双極板１１に加える圧力は、双極板１１を用いた実際の製品、つまり燃料電池の製造に際して加える圧力と同等とする。これによって、シールビード３１は撓み、相手部材に密接してシール作用を生ずる。

双極板１１を含む積層物を積層させて締結した後、締結を解いて感圧媒体１０１を取り出す。シールビード３１が相手部材に規定の圧力をもって密接していた場合、感圧媒体１０１にはシールビード３１と相手部材との間の密接領域全体にわたって痕跡１０２が残る。痕跡１０２にかすれや抜け（総称して「抜け１０３」と呼ぶ）があれば、そこに面圧抜けが発生していると判断できる。痕跡１０２の抜け１０３は、例えば、画像検査装置により検出することができる。こうして、シールビード３１の面圧抜け箇所Ｃを検出する（図２及び図４（ｂ）参照）。

（３）決定工程
シールビード３１に面圧抜けが発生していることが検出された場合、面圧抜けを解消できる追加の溶接箇所を決定する。

追加の溶接箇所は、シールビード３１の面圧抜け箇所Ｃに最も近い構造物（第１構造物）Ｓと、第１構造物Ｓに最も近い構造物（第２構造物）Ｓとに四辺を接触させて取り囲む矩形領域Ｒ内の位置である。追加の溶接箇所は、矩形領域Ｒ内であればどこでもよく、溶接のし易さなどを考慮して位置を決めることができる。図２には、第１構造物Ｓ１、第２構造物Ｓ２、追加溶接をした箇所である追加溶接箇所Ｗ２が示され、矩形領域Ｒをハッチングで示す。

第２構造物Ｓ２は、第１構造物Ｓ１に最も近い構造物Ｓであるという以外に、特段の条件がない。一方、本実施形態では、第１構造物Ｓ１が開口１２に近い側の第１トンネル５１ａである場合、第１トンネル５１ａの間に一次溶接箇所Ｗ１が位置する関係上、第１トンネル５１ａを第２構造物Ｓ２とすると、元々ある一次溶接箇所Ｗ１に追加溶接箇所Ｗ２が重なる可能性が高い。そこで、第１構造物Ｓ１が第１トンネル５１ａである場合、第１シールビード３１ａを介して第１構造物Ｓ１とは反対側に位置する構造物Ｓを第２構造物Ｓ２とすることが望ましい。
説明の便宜上、一次溶接箇所Ｗ１と追加溶接箇所Ｗ２とを合わせて溶接箇所Ｗと呼ぶ。

本実施形態によれば、一次溶接箇所Ｗ１に溶接を施して接合した一対の双極板１１を検査し、シールビード３１の面圧抜けを検出した場合、検出した面圧抜け箇所Ｃに基づいて、面圧抜けを防止する追加溶接箇所Ｗ２を見出すことができる。

一対の双極板１１を溶接によって接合する実作業時には、一次溶接箇所Ｗ１と追加溶接箇所Ｗ２とを合わせた箇所を溶接箇所Ｗとし、ここに溶接を施す。これによって、シールビード３１の面圧抜けが防止され、シール性が確保される。その理由は、次の通りである。

シールビード３１は、その内部を流れる流体の流れ方向と直交する方向（左右方向）に座屈しやすい。このため、左右方向の両側に数多くの一次溶接箇所Ｗ１があれば、シールビード３１の座屈が抑制される。ところが、一次溶接箇所Ｗ１の数が増えれば増えるほど双極板１１の接合作業に手間がかかり、スペース上の問題から一次溶接箇所Ｗ１を設けにくい場所もある。そのため、一次溶接箇所Ｗ１を過剰に設定するわけにはいかない。

接合した一対の双極板１１を反応電極部（不図示）とともに複数組積層させて締結すると、思いもしない場所で、シールビード３１に面圧抜けが発生することが判明した。その原因は、双極板１１同士の間に横ずれが生ずるためと推察される。トンネル５１や整流ビード７１などの構造物Ｓがある領域は、他の領域よりも相対的に剛性が高い。そのため、垂直荷重をかけているにもかかわらず、局所的な剛性差から構造物Ｓを中心に捩るような力がその周囲に加わり、横ずれが生じると想像される。

本実施形態では、面圧抜け箇所Ｃを検出し（検出工程）、矩形領域Ｒ内に追加溶接箇所Ｗ２を決める（決定工程）。これにより、一対の双極板１１の間に生ずる横ずれを防止する。追加溶接によって横ずれが防止されるのは、矩形領域Ｒは、シールビード３１の面圧抜け箇所Ｃに最も近い第１構造物Ｓ１と、第１構造物Ｓ１に最も近い第２構造物Ｓ２とに四辺を接触させて取り囲む領域だからである。つまり、面圧抜け箇所Ｃに近い二つの構造物Ｓ１，Ｓ２の間の位置を追加溶接箇所Ｗ２とすることで、構造物Ｓ１，Ｓ２を中心とした双極板１１の間の横ずれが防止される。

図２は、開口１２に近い列に位置する第１トンネル５１ａのうちの一つが第１構造物Ｓ１となり、第１シールビード３１ａを介して第１構造物Ｓ１とは反対側に位置する第２トンネル５１ｂのうちの一つが第２構造物Ｓ２となった一例を示す。これに対して、第２トンネル５１ｂのうちの一つが第１構造物Ｓ１である場合には、別の第２トンネル５１ｂが第２構造物Ｓ２となり得る。また、面圧抜け箇所Ｃによっては、整流ビード７１が第１構造物Ｓ１又は第２構造物Ｓ２になることもあり得る。

以上、図面に基づいて実施形態を紹介した。実施に際しては、上記実施の形態に限らず、様々な変形や変更が可能である。

例えば、実施形態の一対の双極板１１では、開口１２に面して設けられた一群の第１トンネル５１ａと、第１トンネル５１ａよりも開口１２から離れた一群の第２トンネル５１ｂとが互い違いに配列される。決定工程では、第１トンネル５１ａのうちの一つを第１構造物Ｓ１とし、第２トンネル５１ｂのうちの一つを第２構造物Ｓ２として、二つの構造物Ｓ１，Ｓ２に四辺を接触させて取り囲む矩形領域Ｒ内に追加の溶接箇所を設ける。ここで、決定工程において矩形領域Ｒを定める二つの構造物Ｓ１，Ｓ２は、互い違いの交互配列を有する双極板１１に限定されない。決定工程は、選択した二つの構造物Ｓ１，Ｓ２に四辺を接触させて取り囲む矩形領域Ｒ内に追加の溶接箇所を設ければよい。

別の変形例として、決定工程は、図２に例示するような二列のシールビード３１ａ，３１ｂを有する双極板１１を対象とし、追加の溶接箇所を決定する工程に限らない。
その他、実施に際しては、あらゆる変形や変更が可能である。

１１ 双極板
１２ 開口
１３ 接合面
３１，３１ａ，３１ｂ シールビード
３２ キャビティ
３３ シール面
５１，５１ａ，５１ｂ トンネル
５２ 連絡路
７１ 整流ビード
１０１ 感圧媒体
１０２ 痕跡
１０３ 抜け
Ｃ 面圧抜け箇所
Ｒ 矩形領域
Ｓ，Ｓ１，Ｓ２ 構造物
Ｗ 溶接箇所
Ｗ１ 一次溶接箇所
Ｗ２ 追加溶接箇所

Claims (6)

1. 開口の周囲を取り囲むシールビードと、接合面から突出する複数の構造物と、を有する一対の金属ガスケットの前記接合面を溶接によって接合し、
   前記シールビードと相手部材との間に感圧媒体を介在させて、接合した前記一対の金属ガスケットを前記相手部材とともに積層して締結し、
   締結を解いて取り出した前記感圧媒体に残る痕跡によって、前記シールビードの面圧抜け箇所を検出し、
   前記複数の構造物のうち、前記面圧抜け箇所に最も近い第１構造物と、前記第１構造物に最も近い第２構造物とに四辺を接触させて取り囲む矩形領域内に、追加の溶接箇所を決定する、
   金属ガスケットの溶接箇所決定方法。
2. 前記シールビードは、
   内周側に位置する第１シールビードと、
   前記第１シールビードの外周側に位置する第２シールビードと、を有する、
   請求項１に記載の金属ガスケットの溶接箇所決定方法。
3. 前記複数の構造物は、前記接合面から突出した複数のトンネルを有する、
   請求項２に記載の金属ガスケットの溶接箇所決定方法。
4. 前記複数のトンネルは、
   前記開口と前記第１シールビードとを連絡する第１トンネルと、
   前記第１シールビードと前記第２シールビードとを連絡する第２トンネルと、を有する、
   請求項３に記載の金属ガスケットの溶接箇所決定方法。
5. 前記複数の構造物は、前記接合面の裏面側を流れる流体の流れを制御する整流ビードを有する、
   請求項１〜４のいずれかに記載の金属ガスケットの溶接箇所決定方法。
6. 前記第２構造物は、前記シールビードを介して前記第１構造物とは反対側に位置する、
   請求項１〜５のいずれかに記載の金属ガスケットの溶接箇所決定方法。
   

Images