JP7040254B2 - A method for manufacturing a laminated joint of metal parts and a laminated joint of metal parts - Google Patents
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Description
本発明は、金属部品の積層接合体、および金属部品の積層接合体の製造方法に関する。 The present invention relates to a laminated joint of metal parts and a method for manufacturing a laminated joint of metal parts.
燃料電池のセルスタックは、電解質電極接合体を保持したセルフレームや、セパレータ等の金属部品を積層し、これら金属部品を溶接によって接合した積層接合体を有している(特許文献1を参照)。 The cell stack of a fuel cell has a cell frame holding an electrolyte electrode joint, a laminated joint in which metal parts such as a separator are laminated, and these metal parts are joined by welding (see Patent Document 1). ..
積層接合体を製造する場合には、積層される金属部品同士を組み付けるときの公差を吸収できることが必要である。また、積層される金属部品同士の間の接触性(面積やクリアランス)を管理することも必要である。 When manufacturing a laminated joint, it is necessary to be able to absorb the tolerance when assembling the metal parts to be laminated. It is also necessary to manage the contactability (area and clearance) between the metal parts to be laminated.
特許文献1には、金属部品を溶接によって接合することは開示されているものの、公差吸収や接触性の管理については開示されていない。
本発明の目的は、積層される金属部品の公差を吸収でき、金属部品同士の間の接触性の管理が容易な金属部品の積層接合体、および金属部品の積層接合体の製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a laminated joint of metal parts capable of absorbing tolerances of laminated metal parts and easy control of contact between metal parts, and a method for manufacturing a laminated joint of metal parts. There is something in it.
上記目的を達成するための本発明の金属部品の積層接合体は、積層される少なくとも2つの金属部品を有し、前記金属部品同士が接合された積層接合体である。前記金属部品のそれぞれは、変位起点を境界にして変位自在な可撓性を有する変位部を有している。少なくとも一方の前記変位部は、前記変位起点を境界にしてベース部に対して傾斜して伸びている板状の傾斜部を有している。前記一方の前記変位部によって発生するばね定数と他方の前記変位部によって発生するばね定数とが異なり、前記一方の前記変位部における前記傾斜部に対して前記他方の前記変位部が接触した状態において前記金属部品同士が接合されている。 The laminated joint of metal parts of the present invention for achieving the above object is a laminated joint having at least two metal parts to be laminated and the metal parts are joined to each other. Each of the metal parts has a displacement portion having flexibility that can be displaced with the displacement origin as a boundary. At least one of the displacement portions has a plate-shaped inclined portion extending inclined with respect to the base portion with the displacement starting point as a boundary. In a state where the spring constant generated by the one displacement portion and the spring constant generated by the other displacement portion are different, and the other displacement portion is in contact with the inclined portion in the one displacement portion. The metal parts are joined to each other.
上記目的を達成するための本発明の金属部品の積層接合体の製造方法は、積層される少なくとも2つの金属部品が接合された積層接合体を製造する方法である。まず、変位起点を境界にして変位自在な可撓性を有する変位部を有する少なくとも2つの前記金属部品であって、少なくとも一方の前記変位部が前記変位起点を境界にしてベース部に対して傾斜して伸びている板状の傾斜部を有する少なくとも2つの前記金属部品を準備する。そして、前記一方の前記変位部によって発生するばね定数と他方の前記変位部によって発生するばね定数とが異なり、前記一方の前記変位部における前記傾斜部に対して前記他方の前記変位部を接触させた状態において前記金属部品同士を接合する。 The method for manufacturing a laminated joint of metal parts of the present invention for achieving the above object is a method for manufacturing a laminated joint in which at least two metal parts to be laminated are joined. First, at least two of the metal parts having a displacement portion having flexibility that can be displaced with the displacement origin as a boundary, and at least one of the displacement portions is inclined with respect to the base portion with the displacement origin as a boundary. At least two said metal parts having a plate-shaped inclined portion extending from the ground are prepared. Then, the spring constant generated by the one displacement portion and the spring constant generated by the other displacement portion are different, and the other displacement portion is brought into contact with the inclined portion in the one displacement portion. In this state, the metal parts are joined to each other.
本発明によれば、積層される金属部品の公差を吸収でき、金属部品同士の間の接触性の管理が容易な金属部品の積層接合体、および金属部品の積層接合体の製造方法を提供できる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, it is possible to provide a laminated metal component laminated joint body that can absorb the tolerance of the laminated metal parts and easily control the contact property between the metal parts, and a method for manufacturing the laminated metal component laminated joint body. ..
以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、以下の説明は特許請求の範囲に記載される技術的範囲や用語の意義を限定するものではない。また、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the attached drawings. The following description does not limit the technical scope and the meaning of the terms described in the claims. In addition, the dimensional ratios in the drawings are exaggerated for convenience of explanation and may differ from the actual ratios.
図1A、図1B、図3、図4Aおよび図4Bを参照して、金属部品の積層接合体1は、概説すると、積層される少なくとも2つの金属部品10、20を有し、これら金属部品10、20同士が接合されている。金属部品10、20のそれぞれは、変位起点11、21を境界にして変位自在な可撓性を有する変位部12、22を有している。少なくとも一方の変位部12は、変位起点11を境界にしてベース部13に対して傾斜して伸びている板状の傾斜部14を有している。一方の変位部12によって発生するばね定数と他方の変位部22によって発生するばね定数とが異なっている。そして、金属部品の積層接合体1は、一方の変位部12における傾斜部14に対して他方の変位部22が接触した状態において、金属部品10、20同士が接合されている。一方の変位部12における傾斜部14と他方の変位部22とが接触した部位に、金属部品10、20同士がレーザー溶接によって接合された接合部位30を有している。以下、詳述する。
With reference to FIGS. 1A, 1B, 3, 4A and 4B, a laminated
なお、説明の便宜上、図1Aにおいて下方側に示される金属部品を第1金属部品10といい、上方側に示される金属部品を第2金属部品20という。また、「変位起点」および「変位部」について、第1金属部品10に関しては第1変位起点11および第1変位部12といい、第2金属部品20に関しては第2変位起点21および第2変位部22という。
For convenience of explanation, the metal part shown on the lower side in FIG. 1A is referred to as a
図1A、図3および図4Aに示すように、第1金属部品10は、中心孔15が形成されたリング形状を有している。内周縁部は、平坦なベース部13に対して図中上方に向けて傾斜している。第2金属部品20は、第1金属部品10と同様に、中心孔25が形成されたリング形状を有している。内周縁部は、平坦なベース部23に対して図中上方に向けて傾斜している。第1金属部品10および第2金属部品20は、板材をプレス成形することによって形成される。
As shown in FIGS. 1A, 3 and 4A, the
第1金属部品10および第2金属部品20の形成材料は特に限定されない。第1金属部品10および第2金属部品20は、第1変位部12および第2変位部22が可撓性を備え、レーザー溶接によって相互に接合することができる限りにおいて所望の形成材料を使用することができる。第1金属部品10および第2金属部品20の形成材料として、例えば、鉄、スレンレス、アルミニウムなどを挙げることができる。
The forming material of the
図4Aに示すように、第1金属部品10は、第1変位起点11を境界にして変位自在な第1変位部12を有している。第2金属部品20は、第2変位起点21を境界にして変位自在な第2変位部22を有している。第1変位部12は、第1変位起点11を境界にしてベース部13に対して傾斜して伸びている板状の傾斜部14を有している。第2変位部22は、第2変位起点21を境界にしてベース部23に対して傾斜して伸びている板状の傾斜部24を有している。
As shown in FIG. 4A, the
第1金属部品10および第2金属部品20の形成材料は同じであり、板厚も同じにしている。ただし、第1変位部12における第1変位起点11から端部14aまでの梁長L1と、第2変位部22における第2変位起点21から端部24aまでの梁長L2とを異ならせている。梁長L1、L2が長い側の変位部のばね定数は、梁長L1、L2が短い側の変位部のばね定数よりも小さい。このようにして、第1変位部12によって発生するばね定数と第2変位部22によって発生するばね定数とを異ならせている。梁長L1、L2の寸法を異ならせることによって、異なるばね定数を容易に設定することができる。
The forming materials of the
なお、第1金属部品10および第2金属部品20の形成材料を異ならせたり、板厚を異ならせたりすることによっても、第1変位部12によって発生するばね定数と第2変位部22によって発生するばね定数とを異ならせることができる。このため、梁長L1、L2を異ならせるのに加えて、形成材料を異ならせたり、板厚を異ならせたりすることができる。
It should be noted that even if the forming materials of the
第1変位部12および第2変位部22のうち、第1金属部品10および第2金属部品20を積層する方向に加圧するときに加圧前に比べて傾斜角が大きくなる方向に変位する側の変位部が、優先的に変位を発生させる優先変位部に設定されている。そして、優先変位部に設定された側の変位部のばね定数kpと、他側の変位部のばね定数koとの関係は、kp<k0である。
Of the
本実施形態においては、図4Aおよび図4Bに示すように、第2金属部品20の第2変位部22を優先変位部に設定している。第2変位部22は、第1金属部品10および第2金属部品20を積層する方向(図4Aおよび図4Bにおいて上下方向)に加圧するときに加圧前に比べて傾斜角θpが大きくなる方向に変位する。優先変位部に設定された側の第2変位部22のばね定数kpと、他側の第1変位部12のばね定数koとの関係は、kp<k0である。
In the present embodiment, as shown in FIGS. 4A and 4B, the
優先変位部に設定された側の第2変位部22の梁長L2は、他側の第1変位部12の梁長L1よりも長い寸法を有している。したがって、第2変位部22のばね定数kpと、第1変位部12のばね定数koとの関係は、kp<k0となる。
The beam length L2 of the
図4Aに示すように、優先変位部に設定された側の第2変位部22の傾斜角θpと、他側の第1変位部12の傾斜角θoとの関係は、θp≦θo(ただし、0度≦θp<90度)である。第2変位部22の傾斜角θpが0度、すなわち第2変位部22が傾斜部24を備えておらず、第2金属部品20は平坦な形状を有することができる。
As shown in FIG. 4A, the relationship between the inclination angle θp of the
第2変位起点21は、第1変位起点11に対して、第1金属部品10および第2金属部品20を積層する方向に交差する方向(図4Aおよび図4Bにおいて左右方向)にオフセットした位置に配置されている。優先変位部に設定された側の第2変位部22の梁長L2は、他側の第1変位部12の梁長L1よりも長い。したがって、第1金属部品10と第2金属部品20とを重ね合わせた状態においては、第1金属部品10と第2金属部品20との間には空間が形成され、第2変位部22の変形を許容する空間が確保される。
The second
図4Bに示すように、第1変位部12の傾斜部14に対して第2変位部22が接触した部位に、レーザー溶接機40からレーザー光41が照射される。レーザー光41は、第1変位部12の傾斜部14と第2変位部22とが面接触した範囲内において走査される。これによって、第1金属部品10と第2金属部品20とがレーザー溶接によって接合された接合部位30が形成される。
As shown in FIG. 4B, the
図2に示すように、優先変位部に設定された側の第2変位部22は、少なくとも1つの切欠き部50を有している。切欠き部50を設けることによって、いわゆる遊び部が第2変位部22に形成される。その結果、溶接歪を吸収することができる。特に、閉曲線溶接時における歪吸収を好適に行なうことができる。さらに、優先変位部に設定された第2変位部22のばね定数kpを低くすることができ、ばね定数kpの調整が容易になる。
As shown in FIG. 2, the
実施形態の作用を説明する。 The operation of the embodiment will be described.
図4A、図4B、図5Aおよび図5Bに示すように、第1金属部品10および第2金属部品20を積層し、積層方向に加圧する。第2金属部品20の第2変位部22が優先変位部に設定されている。第2変位部22のばね定数kpは、他側の第1変位部12のばね定数koよりも小さい(kp<ko)。積層方向への加圧によって、優先変位部である第2変位部22の端部24aが第1変位部12の傾斜部14に接触し、変形を開始する。積層方向への加圧に伴って、第1変位部12の傾斜部14も変形を開始し、第1変位部12の傾斜部14と第2変位部22の傾斜部24との間のクリアランスが小さくなる。
As shown in FIGS. 4A, 4B, 5A and 5B, the
このように、加圧時には、第2変位部22は、第1変位部12よりも優先的に撓み、変形に伴うばね力が付勢されて第1変位部12の傾斜部14に押し付けられる。この結果、積層される第1金属部品10および第2金属部品20の公差を吸収することができる。さらに、積層される第1金属部品10と第2金属部品20との間の接触性(面積やクリアランス)を管理することも容易になる。また、ばね力が付勢されているため、第1変位部12の傾斜部14に対する第2変位部22の保持が安定する。
In this way, at the time of pressurization, the
図5Aに矢印によって示すように、第1金属部品10および第2金属部品20を積層方向に加圧するとき、優先変位部に設定された側の第2変位部22は、加圧前に比べて傾斜角θpが大きくなる方向に変位する。したがって、第2変形部の板材には引っ張り力が作用する。第2変形部は、押し拡げられるように変形するため、第2変形部にしわが発生し難くなる。第1変位部12は、加圧前に比べて傾斜角θoが小さくなる方向に変位する。したがって、第1変位部12の板材には圧縮力が作用する。
As shown by an arrow in FIG. 5A, when the
そして、図4Bに示すように、第1変位部12と第2変位部22とが接触した部位にレーザー溶接機40からレーザー光41を照射し、第1金属部品10と第2金属部品20とを接合する。一般に、金属板同士をレーザー溶接する場合には、金属板同士の間のクリアランス制御が重要である。レーザー溶接は、抵抗溶接と異なり加圧工程を備えておらず、集光径が小さいことからエネルギーが集中し易い。このため、金属板同士の間のクリアランスが大きいと、溶け落ちボイド等の溶等欠陥が生じる。本実施形態では、第2変位部22はしわが発生することなく第1変位部12の傾斜部14にばね力によって押し付けられている。したがって、別途加圧機構などを設けることなく、レーザー溶接によって第1金属部品10と第2金属部品20との良好な接合品質を得ることができる。
Then, as shown in FIG. 4B, the
図5Aおよび図5Bに示すように、優先変位部に設定された側の第2変位部22の傾斜角θpは、第1変位部12の傾斜角θoと同等以下である(θp≦θo(ただし、0度≦θp<90度))。このため、第2変位部22の先端およびその付近が優先的に第1変位部12に接触する。この結果、第2変位部22は、変形に伴ってばね力が付勢されつつ、第1変位部12の傾斜部14に面接触する。
As shown in FIGS. 5A and 5B, the inclination angle θp of the
図5Cに示す対比例にあっては、優先変位部に設定された側の第2変位部22の傾斜角θpが第1変位部12の傾斜角θoよりも大きい。この対比例においては、第2変位部22は、十分に変形しないためばね力が不足し、第1変位部12の傾斜部14に点接触または線接触する。レーザー溶接するときのレーザーの照射範囲が著しく限定されるため、第1金属部品10と第2金属部品20との接合品質が低下する。
In the inverse proportion shown in FIG. 5C, the inclination angle θp of the
以上説明したように、本実施形態の金属部品の積層接合体1は、積層される少なくとも2つの第1金属部品10および第2金属部品20を有し、第1金属部品10および第2金属部品20同士が接合された積層接合体1である。第1金属部品10は、第1変位起点11を境界にして変位自在な可撓性を有する第1変位部12を有し、第2金属部品20も同様に、第2変位起点21を境界にして変位自在な可撓性を有する第2変位部22を有している。少なくとも一方の第1変位部12は、第1変位起点11を境界にしてベース部13に対して傾斜して伸びている板状の傾斜部14を有している。一方の第1変位部12によって発生するばね定数と他方の第2変位部22によって発生するばね定数とが異なり、第1変位部12における傾斜部14に対して第2変位部22が接触した状態において第1金属部品10および第2金属部品20同士が接合されている。
As described above, the
このように構成することによって、ばね定数が小さい方の第2変位部22は、ばね定数が大きい方の第1変位部12よりも優先的に撓み、変形に伴うばね力が付勢されて第1変位部12の傾斜部14に押し付けられる。この結果、積層される第1金属部品10および第2金属部品20の公差を組み付け時に吸収することができる。さらに、積層される第1金属部品10と第2金属部品20との間の接触性(面積やクリアランス)を管理することも容易になる。また、ばね力が付勢されているため、第1変位部12の傾斜部14に対する第2変位部22の保持が安定する。
With this configuration, the
第1変位部12における傾斜部14と第2変位部22とが接触した部位に、第1金属部品10および第2金属部品20同士がレーザー溶接によって接合された接合部位30を有している。
A
このように構成することによって、第2変位部22は第1変位部12の傾斜部14にばね力が付勢されて押し付けられている。したがって、別途加圧機構などを設けることなく、レーザー溶接によって第1金属部品10と第2金属部品20との良好な接合品質を得ることができる。
With this configuration, the
第1変位部12における第1変位起点11から端部14aまでの梁長L1と第2変位部22における第2変位起点21から端部24aまでの梁長L2を異ならせることによって、第1変位部12によって発生するばね定数と第2変位部22によって発生するばね定数とを異ならせている。
The first displacement by differentiating the beam length L1 from the first
このように構成することによって、梁長L1、L2の寸法を異ならせることによって、異なるばね定数kp、koを容易に設定することができる。 With this configuration, different spring constants kp and ko can be easily set by making the dimensions of the beam lengths L1 and L2 different.
第1変位部12および第2変位部22のうち、第1金属部品10および第2金属部品20を積層する方向に加圧するときに加圧前に比べて傾斜角(θp)が大きくなる方向に変位する側の変位部(第2変位部22)が、優先的に変位を発生させる優先変位部に設定されている。そして、優先変位部に設定された側の第2変位部22のばね定数kpと、他側の第1変位部12のばね定数koとの関係は、kp<koである。
Of the
このように構成することによって、優先変位部に設定された側の第2変位部22の板材には引っ張り力が作用する。第2変位部22は、押し拡げられるように変形するため、第2変位部22にしわが発生し難くなる。
With this configuration, a tensile force acts on the plate material of the
優先変位部に設定された側の第2変位部22の傾斜角θpと、他側の第1変位部12の傾斜角θoとの関係は、θp≦θo(ただし、0度≦θp<90度)である。
The relationship between the tilt angle θp of the
このように構成することによって、第2変位部22の先端(端部24a)およびその付近が優先的に第1変位部12に接触する。この結果、第2変位部22を、変形に伴うばね力を付勢しつつ、第1変位部12の傾斜部14への面接触を促進させることができる。
With this configuration, the tip (
第2変位起点21は、第1変位起点11に対して、第1金属部品10および第2金属部品20を積層する方向に交差する方向にオフセットした位置に配置されている。優先変位部に設定された側の第2変位部22の梁長L2は、他側の第1変位部12の梁長L1よりも長い。
The second
このように構成することによって、第1金属部品10と第2金属部品20とを重ね合わせた状態においては、第1金属部品10と第2金属部品20との間には空間が形成され、第2変位部22の変形を許容する空間を確保することができる。
With this configuration, in a state where the
優先変位部に設定された側の第2変位部22は、少なくとも1つの切欠き部50を有している。
The
このように構成することによって、いわゆる遊び部が第2変位部22に形成される。その結果、溶接歪を吸収することができる。さらに、優先変位部に設定された第2変位部22のばね定数kpを低くすることができ、ばね定数kpの調整が容易になる。
With this configuration, a so-called play portion is formed in the
本実施形態における金属部品の積層接合体1の製造方法は、積層される少なくとも2つの第1金属部品10および第2金属部品20が接合された積層接合体1を製造する方法である。変位起点(第1変位起点11、第2変位起点21)を境界にして変位自在な可撓性を有する変位部(第1変位部12、第2変位部22)を有する第1金属部品10および第2金属部品20を準備する。このとき、少なくとも一方の第1変位部12が第1変位起点11を境界にしてベース部13に対して傾斜して伸びている板状の傾斜部14を有するようにする。そして、一方の第1変位部12によって発生するばね定数と他方の第2変位部22によって発生するばね定数とが異なり、第1変位部12における傾斜部14に対して他方の変位部を接触させた状態において金属部品同士を接合する。
The method for manufacturing a
このように構成することによって、第1金属部品10および第2金属部品20の公差を吸収し、さらに、第1金属部品10と第2金属部品20との間の接触性(面積やクリアランス)を管理することも容易な金属部品の積層接合体1を製造することができる。
With this configuration, the tolerances of the
第1変位部12における傾斜部14と第2変位部22とが接触した部位において、第1金属部品10および第2金属部品20同士をレーザー溶接によって接合している。
At the portion where the
このように構成することによって、第2変位部22は第1変位部12の傾斜部14にばね力が付勢されて押し付けられているため、レーザー溶接によって第1金属部品10と第2金属部品20との良好な接合品質を得ることができる。
With this configuration, the
(金属部品の積層接合体2の変形例)
図6は、金属部品の積層接合体2の変形例を示す断面図である。
(Modification example of
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a modified example of the laminated
図6に示す変形例は、第1金属部品10および第2金属部品20を加圧する方向(図6において下方向)に第1変位部12および第2変位部22が伸びている。また、下方側に示される第1金属部品10の第1変位部12を優先変位部に設定している。これらの点において、第1金属部品10および第2金属部品20を加圧する方向(図5Aにおいて下方向)とは反対方向(図5Aにおいて上方向)に第1変位部12および第2変位部22が伸び、また、上方側に示される第2金属部品20の第2変位部22を優先変位部に設定した実施形態の金属部品の積層接合体1と相違している。
In the modified example shown in FIG. 6, the
この変形例においては、下方側に示される第1金属部品10の第1変位部12を優先変位部に設定している。第1変位部12は、第1金属部品10および第2金属部品20を積層する方向(図6において上下方向)に加圧するときに加圧前に比べて傾斜角θpが大きくなる方向に変位する。優先変位部に設定された側の第1変位部12のばね定数kpと、他側の第2変位部22のばね定数koとの関係は、kp<koである。
In this modification, the
優先変位部に設定された側の第1変位部12の梁長L1は、他側の第2変位部22の梁長L2よりも長い寸法を有している。したがって、第1変位部12のばね定数kpと、第2変位部22のばね定数koとの関係は、kp<koとなる。
The beam length L1 of the
優先変位部に設定された側の第1変位部12の傾斜角θpと、他側の第2変位部22の傾斜角θoとの関係は、θp≦θo(ただし、0度≦θp<90度)である。第1変位部12の傾斜角θpが0度、すなわち第1変位部12が傾斜部14を備えておらず、第1金属部品10は平坦な形状を有することができる。
The relationship between the tilt angle θp of the
第1変位起点11は、第2変位起点21に対して、第1金属部品10および第2金属部品20を積層する方向に交差する方向(図6において左右方向)にオフセットした位置に配置されている。優先変位部に設定された側の第1変位部12の梁長L1は、他側の第2変位部22の梁長L2よりも長い。したがって、第1金属部品10と第2金属部品20とを重ね合わせた状態においては、第1金属部品10と第2金属部品20との間には空間が形成され、第1変位部12の変形を許容する空間が確保される。
The first
このような変形例においても、上述した実施形態と同様の作用効果を奏する。 Even in such a modified example, the same action and effect as those of the above-described embodiment can be obtained.
(金属部品の積層接合体1、2の適用例)
金属部品の積層接合体1、2は、金属部品同士を積層する部位であれば広く適用することができ、特定の用途に限定されない。具体的な適用例として、例えば、燃料電池60において燃料ガスが流れるマニホールド部150を構成する部品を挙げることができる。
(Application example of
The
図7は、燃料電池60の要部を示す平面図、図8は、燃料電池60を示す分解斜視図、図9は、図8に示すセルユニット100の分解斜視図、図10は、図9に示すメタルサポートセルアッセンブリー110の分解斜視図、図11は、図9の11-11線に沿うメタルサポートセルアッセンブリー110の部分断面図である。図12A、図12B、図12Cは、燃料電池60のマニホールド部150を構成する金属部品に本発明を適用した実施形態を示す断面図である。なお、説明の便宜のため、XYZ直交座標系を図7~図11中に示す。X軸およびY軸は水平方向を示し、Z軸は上下方向に平行な軸を示している。
7 is a plan view showing a main part of the
図7~図12を参照して、図示する燃料電池60は、例えば、電解質として安定化ジルコニアなどの酸化物イオン導電体を用いた固体酸化物形燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)である。
With reference to FIGS. 7 to 12, the illustrated
図8に示すように、燃料電池60は、複数のセルユニット100を上下方向に積層して構成された燃料電池スタック60Sと、燃料電池スタック60Sの上方に積層される上部集電板106と、燃料電池スタック60Sの下方に積層される下部集電板107とを有している。上部集電板106、燃料電池スタック60S、および下部集電板107は、上部エンドプレート109と下部エンドプレート108とによって挟み込まれている。上部エンドプレート109および下部エンドプレート108のそれぞれは、カバー105にボルトによって締結されている。以下、図中にZ軸で示す燃料電池スタック60Sの上下方向を「積層方向」とも称する。以下、燃料電池60の主要な構成要素について説明する。
As shown in FIG. 8, the
[セルユニット100]
図9に示すように、セルユニット100は、メタルサポートセルアッセンブリー110と、電解質電極接合体111との間にガスが流通するための流路部121を区画形成するセパレータ120と、集電補助層140と、を順に積層して構成される。なお、メタルサポートセルアッセンブリー110と集電補助層140との間に両者を導通接触させる接点材を配置してもよいし、集電補助層140を省く構造としてもよい。
[Cell unit 100]
As shown in FIG. 9, the
セルユニット100は、アノードガスを流通させて供給および排出するためのマニホールド部150(図7を参照)と、マニホールド部150の周囲を封止してガスの流れを制限する複数のシール部160(図8、図9を参照)と、をさらに有する。なお、図示する燃料電池スタック60Sは、セルユニット100の外側(図9および図10の破線囲み部分)をカソードガスが自由に流通するオープンカソード構造として構成している。
The
図10および図11に示すように、メタルサポートセルアッセンブリー110は、長手方向Yに沿って複数(図示例では、2つ)並べて配置したメタルサポートセル(Metal-Supported Cell:MSC)110Mと、メタルサポートセル110Mの外周を保持するセルフレーム113と、を有する。
As shown in FIGS. 10 and 11, the metal
メタルサポートセル110Mは、電解質層111Eを両側から一対の電極であるアノード層111Aおよびカソード層111Cで挟持してなる電解質電極接合体111と、電解質電極接合体111を上下方向の一方側から支持する金属製のメタルサポート部112と、を有する。メタルサポートセル110Mは、電解質支持型セルや電極支持型セルに比べて機械的強度、急速起動性等に優れる。
The
[電解質電極接合体111]
図10および図11に示すように、電解質電極接合体111は、電解質層111Eを両側から一対の電極であるアノード層111Aおよびカソード層111Cで挟持して構成される。
[Electrolyte electrode joint 111]
As shown in FIGS. 10 and 11, the
電解質層111Eは、カソード層111Cからアノード層111Aに向かって酸化物イオンを透過させるものである。電解質層111Eは、酸化物イオンを通過させつつ、ガスと電子を通過させない。電解質層111Eの形成材料は、例えば、イットリア、酸化ネオジム、サマリウム、ガドリニウム、スカンジウム等をドープした安定化ジルコニアなどの固体酸化物セラミックスが挙げられる。
The
アノード層111Aは、燃料極であって、アノードガス(例えば水素)と酸化物イオンを反応させて、アノードガスの酸化物を生成するとともに電子を取り出す。アノード層111Aは、還元雰囲気に耐性を有し、アノードガスを透過させ、電気(電子およびイオン)伝導度が高く、アノードガスを酸化物イオンと反応させる触媒作用を有する。アノード層111Aの形成材料は、例えば、ニッケル等の金属、イットリア安定化ジルコニア等の酸化物イオン伝導体を混在させたものが挙げられる。
The
カソード層111Cは、酸化剤極であって、カソードガス(例えば空気に含まれる酸素)と電子を反応させて、酸素分子を酸化物イオンに変換する。カソード層111Cは、酸化雰囲気に耐性を有し、カソードガスを透過させ、電気(電子およびイオン)伝導度が高く、酸素分子を酸化物イオンに変換する触媒作用を有する。カソード層111Cの形成材料は、例えば、ランタン、ストロンチウム、マンガン、コバルト等からなる酸化物が挙げられる。
The
[メタルサポート部112]
図10および図11に示すように、メタルサポート部112は、電解質電極接合体111をアノード層111Aの側から支持するものである。メタルサポート部112によって電解質電極接合体111を支持することにより、電解質電極接合体111に面圧分布の偏りがわずかに生じた場合でも、曲げによる電解質電極接合体111の破損を抑制できる。メタルサポート部112は、ガス透過性および電子伝導性を有する多孔質の金属である。メタルサポート部112の形成材料は、例えば、ニッケルやクロムを含有する耐食合金や耐食鋼、ステンレス鋼などが挙げられる。
[Metal support unit 112]
As shown in FIGS. 10 and 11, the
[セルフレーム113]
図10および図11に示すように、セルフレーム113は、メタルサポートセル110Mを周囲から保持するものである。図10に示すように、セルフレーム113は、長手方向Yに沿って並べて配置された複数(図示例では、2つ)の開口部113Hを有する。セルフレーム113の開口部113Hには、メタルサポートセル110Mが配置される。メタルサポートセル110Mの外周は、セルフレーム113の開口部113Hの内縁に接合される。セルフレーム113は、図10に示すように、アノードガスが流通するアノードガス流入口113a、113b、113cおよびアノードガス流出口113d、113eを有している。セルフレーム113の形成材料は、例えば、表面に絶縁処理が施された金属が挙げられる。
[Cell frame 113]
As shown in FIGS. 10 and 11, the
[セパレータ120]
セパレータ120は、積層方向Zに隣り合うメタルサポートセル110M間に配置される。セパレータ120は、メタルサポートセル110Mの電解質電極接合体111と対向する領域に流路部121を有する。流路部121は、電解質電極接合体111との間にガスの流路を区画形成する凹凸形状を有している。図12Cにも示すように、メタルサポート部112に臨む流路部121(アノードガス用流路部121A)にはアノードガスAGが流れ、集電補助層140に臨む流路部121(カソードガス用流路部121C)にはカソードガスCGが流れる。
[Separator 120]
The
図9に示すように、セパレータ120の流路部121は、凹凸形状が短手方向Xに延在するように略直線状に形成されている。これにより、流路部121に沿って流れるガスの流れ方向は、短手方向Xである。セパレータ120は、アノードガスが流通するアノードガス流入口120a、120b、120cおよびアノードガス流出口120d、120eを有している。セパレータ120の形成材料は、例えば、金属が挙げられる。セパレータ120の流路部121以外の領域には、絶縁処理が施されている。
As shown in FIG. 9, the
[集電補助層140]
集電補助層140は、メタルサポートセル110Mとセパレータ120との間に配置され、カソードガスを通す空間を形成しつつ面圧を均等にして、メタルサポートセル110Mとセパレータ120との電気的な接触を補助する。集電補助層130は、金網状のエキスパンドメタルなどがあげられる。また、本特性や機能を他要素で持たせることができる場合、省くことも可能である。
[Current collector auxiliary layer 140]
The current collecting
[マニホールド部150]
図7に示すマニホールド部150は、図9に示すセルフレーム113のアノードガス流入口113a、113b、113c、アノードガス流出口113d、113e、セパレータ120のアノードガス流入口120a、120b、120c、アノードガス流出口120d、120eによって構成される。
[Manifold section 150]
The
[シール部160]
シール部160は、耐熱性およびシール性を有する材料から形成される。このような材料としては、例えば、バーミキュライト(蛭石)を主原料とするサーミキュライト(登録商標)が挙げられる。
[Seal part 160]
The sealing
図7、図12A、図12Bおよび図12Cに示すように、燃料電池スタック60Sは、電解質電極接合体111を保持するセルフレーム113と、電解質電極接合体111に供給されるアノードガスAGやカソードガスCGが流れる流路部121A、121Cを形成するセパレータ120とを交互に積層して構成される。積層方向は、図7の紙面に直交する方向または図12Aの上下方向である。図7に示すように、燃料電池スタック60Sは、アノードガスAGが流入する流入口67と、アノードガスAGが流出する流出口68と、カソードガスCGが流入する流入口70と、カソードガスCGが流出する流出口71とが形成されている。それぞれの流入口67、70および流出口68、71は、積層方向に伸びるマニホールド部に連通している。セパレータ120には、アノードガスAGをマニホールド部150からアノードガス用流路部121Aに導入する導入口64aが開口されている。
As shown in FIGS. 7, 12A, 12B and 12C, the
図12A、図12Bおよび図12Cには、アノードガスAGの流入口67に向けてアノードガスAGを流す供給側のマニホールド部150が示されている。金属部品の積層接合体2は、カソードガス用流路部121CとアノードガスAGが流れるマニホールド部150とをシールするためのシール部品として用いられる。このシール部品は、図6に示した変形例と同様の構造を有している。シール部品は、第1金属部品10の第1変位部12と第2金属部品20の第2変位部22とを接合することによって構成されている。第1金属部品10は、セパレータ120の図中上面側に取り付けられたクラッド材72の最表層に配置されている。クラッド材72の最下層の板材73はセパレータ120の上面に溶接接合され、中間層の接合材74を介して第1金属部品10が板材73に接合されている。第2金属部品20は、セパレータ120の図中下面側に溶接接合されたセルフレーム113である。
12A, 12B and 12C show a supply-
この適用例において、下方側に示される第1金属部品10の第1変位部12を優先変位部に設定している。第1変位部12は、第1金属部品10および第2金属部品20を積層する方向(図12A~図12Cにおいて上下方向)に加圧するときに加圧前に比べて傾斜角θpが大きくなる方向に変位する。優先変位部に設定された側の第1変位部12のばね定数kpと、他側の第2変位部22のばね定数koとの関係は、kp<koである。
In this application example, the
優先変位部に設定された側の第1変位部12の梁長L1は、他側の第2変位部22の梁長L2よりも長い寸法を有している。したがって、第1変位部12のばね定数kpと、第2変位部22のばね定数koとの関係は、kp<koとなる。
The beam length L1 of the
優先変位部に設定された側の第1変位部12の傾斜角θpと、他側の第2変位部22の傾斜角θoとの関係は、θp≦θo(ただし、0度≦θp<90度)である。第1変位部12の傾斜角θpが0度、すなわち第1変位部12が傾斜部14を備えておらず、第1金属部品10は平坦な形状を有することができる。
The relationship between the tilt angle θp of the
第1変位起点11は、第2変位起点21に対して、第1金属部品10および第2金属部品20を積層する方向に交差する方向(図12A~図12Cにおいて左右方向)にオフセットした位置に配置されている。優先変位部に設定された側の第1変位部12の梁長L1は、他側の第2変位部22の梁長L2よりも長い。したがって、第1金属部品10と第2金属部品20とを重ね合わせた状態においては、第1金属部品10と第2金属部品20との間には空間が形成され、第1変位部12の変形を許容する空間が確保される。
The first
この適用例において、第1変位部12における第1変位起点11は、第1金属部品10に積層される他の金属部品(つまりセパレータ120)の端部64bが接触することによって形成される。同様に、第2変位部22における第2変位起点21は、第2金属部品20に積層される他の金属部品(つまりセパレータ120)の端部64cが接触することによって形成される。このようにすることによって、第1変位起点11および第2変位起点21が明確に設定されるため、ばね定数kp、koを制御する精度を高めることができる。
In this application example, the first
図12Cに示すように、第2変位部22における傾斜部24は、マニホールド部150内においてアノードガスAGが流れる方向の上流側(図において下側)に向かって伸びた状態に配置されている。優先変位部に設定された側の第1変位部12も、第2変位部22における傾斜部24に接触して変形し、アノードガスAGが流れる方向の上流側に向かって伸びた状態となる。このため、第2変位部22および第1変位部12がアノードガスAGの流れによって下流側(図において上側)に変位したとしても、セパレータ120に形成された導入口64aを閉塞することがない。
As shown in FIG. 12C, the
第1金属部品10および第2金属部品20を積層する方向に加圧するときにおいて、第1変位部12および第2変位部22がアノードガスAGが流れる方向に沿って変位する範囲は、セパレータ120に形成された導入口64aを開放した状態とする範囲内としている。具体的には、第1変位部12および第2変位部22の積層方向の寸法hを、カソードガス用のディフューザー、カソードガス用流路部121Cの高さ、およびセパレータ120の板厚の合計寸法以下に設定している。このため、第1変位部12および第2変位部22を組み合わせたときに、セパレータ120に形成された導入口64aが閉塞されることがなく、アノードガスAGをマニホールド部150からアノードガス用流路部121Aに円滑に導入できる。
When the
そして、図12Cに示すように、第1変位部12と第2変位部22とが接触した部位にレーザー溶接機40からレーザー光41を照射し(図4Bを参照)、第1金属部品10と第2金属部品20とを接合する。接合部位30が形成される。第1変位部12はしわが発生することなく第2変位部22の傾斜部24にばね力によって押し付けられている。したがって、別途加圧機構などを設けることなく、レーザー溶接によって第1金属部品10と第2金属部品20との良好な接合品質を得ることができる。また、レーザー溶接によれば、曲線状の溶接部位が存在していても比較的高速に溶接することができる。また、レーザー溶接は連続的に溶接することができるため、良好なシール性を確保することができる。
Then, as shown in FIG. 12C, the
燃料電池スタック60Sにおいて、面内に弾性構造(ばね)を有する場合がある。この燃料電池スタックの場合には、弾性構造(ばね)のバネ力に抗して燃料電池スタックを加圧しなければならないため、燃料電池スタックの外周を溶接する工程と、マニホールド穴を溶接する工程とを分けて行なっている。この適用例によれば、簡易的なクランプによって第1変位部12と第2変位部22との接触性を確保することができるため、工程を分割する必要がない。この結果、設備投資を低減することができる。
The
以上説明したように、一方の第1変位部12における第1変位起点11および他方の第2変位部22における第2変位起点21は、第1金属部品10および第2金属部品20のそれぞれに積層される他の金属部品(つまりセパレータ120)の端部64b、64cが接触することによって形成される。
As described above, the first
このように構成することによって、第1変位起点11および第2変位起点21を明確に設定し、ばね定数kp、koを制御する精度を高めることができる。
With this configuration, the first
第1金属部品10および第2金属部品20は、燃料電池スタック60SにおいてアノードガスAGが流れるマニホールド部150を構成するシール部品に適用されている。一方の第2変位部22における傾斜部14、24は、マニホールド部150内においてアノードガスAGが流れる方向の上流側に向かって伸びた状態に配置されている。
The
このように構成することによって、第2変位部22および第1変位部12がアノードガスAGの流れによって下流側に変位したとしても、セパレータ120に形成された導入口64aを閉塞することがない。
With this configuration, even if the
第1変位部12および第2変位部22がアノードガスAGが流れる方向に沿って変位する範囲は、アノードガスAGをマニホールド部150から燃料電池スタック60Sのアノードガス用流路部121Aに導入する導入口64aを開放した状態とする範囲内である。
In the range in which the
このように構成することによって、第1変位部12および第2変位部22を組み合わせたときに、導入口64aが閉塞されることがなく、アノードガスAGをマニホールド部150からアノードガス用流路部121Aに円滑に導入できる。
With this configuration, when the
1、2 積層接合体、
10 第1金属部品(金属部品)、
11 第1変位起点(変位起点)、
12 第1変位部(変位部)、
13 ベース部、
14 傾斜部、
14a 端部、
15 中心孔、
20 第2金属部品(金属部品)、
21 第2変位起点(変位起点)、
22 第2変位部(変位部)、
23 ベース部、
24 傾斜部、
24a 端部、
25 中心孔、
30 接合部位、
40 レーザー溶接機、
41 レーザー光、
50 切欠き部、
60 燃料電池、
60S 燃料電池スタック、
64a 導入口、
64b、64c 他の金属部品の端部、
67 流入口、
68 流出口、
70 流入口、
71 流出口、
72 クラッド材、
73 板材、
74 接合材、
100 セルユニット、
111 電解質電極接合体、
113 セルフレーム、
120 セパレータ(他の金属部品)、
121 流路部、
121A アノードガス用流路部、
121C カソードガス用流路部、
150 マニホールド部、
L1、L2 梁長、
h 寸法、
kp ばね定数(優先変位部に設定された側の変位部のばね定数)、
ko ばね定数(他側の変位部のばね定数)、
θp 傾斜角(優先変位部に設定された側の変位部の傾斜角)、
θo 傾斜角(他側の変位部の傾斜角)。
1, 2 laminated joint,
10 First metal parts (metal parts),
11 First displacement starting point (displacement starting point),
12 First displacement part (displacement part),
13 base part,
14 Inclined part,
14a end,
15 Central hole,
20 Second metal parts (metal parts),
21 Second displacement starting point (displacement starting point),
22 Second displacement part (displacement part),
23 base part,
24 Inclined part,
24a end,
25 central hole,
30 Joint site,
40 laser welder,
41 Laser light,
50 notch,
60 fuel cell,
60S fuel cell stack,
64a inlet,
64b, 64c Ends of other metal parts,
67 inlet,
68 outlet,
70 inlet,
71 outlet,
72 clad material,
73 Board material,
74 Bonding material,
100 cell unit,
111 Electrolyte electrode junction,
113 cell frame,
120 Separator (other metal parts),
121 Channel,
121A Anode gas flow path,
121C Cathode gas flow path,
150 Manifold part,
L1, L2 beam length,
h dimension,
kp spring constant (spring constant of the displacement part on the side set in the priority displacement part),
ko Spring constant (spring constant of the displacement part on the other side),
θp tilt angle (tilt angle of the displacement portion on the side set in the priority displacement portion),
θo Tilt angle (tilt angle of the displacement part on the other side).
Claims (12)
前記金属部品のそれぞれは、変位起点を境界にして変位自在な可撓性を有する変位部を有し、
少なくとも一方の前記変位部は、前記変位起点を境界にしてベース部に対して傾斜して伸びている板状の傾斜部を有し、
前記一方の前記変位部によって発生するばね定数と他方の前記変位部によって発生するばね定数とが異なり、前記一方の前記変位部における前記傾斜部に対して前記他方の前記変位部が接触した状態において前記金属部品同士が接合されてなる、金属部品の積層接合体。 A laminated joint body having at least two metal parts to be laminated and the metal parts being joined to each other.
Each of the metal parts has a displacement portion having flexibility that can be displaced with the displacement origin as a boundary.
At least one of the displacement portions has a plate-shaped inclined portion extending inclined with respect to the base portion with the displacement starting point as a boundary.
In a state where the spring constant generated by the one displacement portion and the spring constant generated by the other displacement portion are different, and the other displacement portion is in contact with the inclined portion in the one displacement portion. A laminated joint of metal parts formed by joining the metal parts to each other.
前記優先変位部に設定された側の前記変位部のばね定数(kp)と、他側の前記変位部のばね定数(ko)との関係が
kp<ko
である、請求項1~4のいずれか1項に記載の金属部品の積層接合体。 Of the displacement portions of the metal parts, the displacement portion on the side that is displaced in the direction in which the inclination angle becomes larger than that before the pressurization when the metal parts are pressurized in the stacking direction is preferentially given. It is set in the priority displacement part that generates displacement,
The relationship between the spring constant (kp) of the displacement portion on the side set in the priority displacement portion and the spring constant (ko) of the displacement portion on the other side is kp <ko.
The laminated joint of metal parts according to any one of claims 1 to 4.
θp≦θo (ただし、0度≦θp<90度)
である、請求項5に記載の金属部品の積層接合体。 The relationship between the tilt angle (θp) of the displacement portion on the side set in the priority displacement portion and the tilt angle (θo) of the displacement portion on the other side is θp ≦ θo (however, 0 degree ≦ θp <90). Every time)
5. The laminated joint of metal parts according to claim 5.
前記優先変位部に設定された側の前記変位部における前記変位起点から端部までの梁長は、前記他側の前記変位部における前記変位起点から端部までの梁長よりも長い、請求項5または6に記載の金属部品の積層接合体。 The displacement starting point in the one displacement portion is arranged at a position offset in a direction intersecting the displacement starting point in the other displacement portion in the direction in which the metal parts are laminated.
The beam length from the displacement starting point to the end portion in the displacement portion on the side set to the priority displacement portion is longer than the beam length from the displacement starting point to the end portion in the displacement portion on the other side. 5 or 6 is a laminated joint of metal parts.
前記一方の前記変位部における前記傾斜部は、前記マニホールド部内において前記アノードガスが流れる方向の上流側に向かって伸びた状態に配置されている、請求項1~8のいずれか1項に記載の金属部品の積層接合体。 Each of the metal parts is applied to the parts constituting the manifold part through which the anode gas flows in the cell stack of the fuel cell.
The aspect according to any one of claims 1 to 8, wherein the inclined portion in the one displacement portion is arranged in a state of extending toward the upstream side in the direction in which the anode gas flows in the manifold portion. Laminated joint of metal parts.
変位起点を境界にして変位自在な可撓性を有する変位部を有する少なくとも2つの前記金属部品であって、少なくとも一方の前記変位部が前記変位起点を境界にしてベース部に対して傾斜して伸びている板状の傾斜部を有する少なくとも2つの前記金属部品を準備し、
前記一方の前記変位部によって発生するばね定数と他方の前記変位部によって発生するばね定数とが異なり、前記一方の前記変位部における前記傾斜部に対して前記他方の前記変位部を接触させた状態において前記金属部品同士を接合する、金属部品の積層接合体の製造方法。 It is a method of manufacturing a laminated joint body in which at least two metal parts to be laminated are joined.
At least two of the metal parts having a displacement portion having flexibility that can be displaced with the displacement origin as a boundary, and at least one of the displacement portions is inclined with respect to the base portion with the displacement origin as a boundary. Prepare at least two of the metal parts with elongated plate-like slopes.
A state in which the spring constant generated by the one displacement portion and the spring constant generated by the other displacement portion are different, and the other displacement portion is in contact with the inclined portion in the one displacement portion. A method for manufacturing a laminated joint of metal parts, wherein the metal parts are joined to each other.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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