(57)【要約】【課題】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。【解決手段】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、第２金属部品２０を有し、金属部品同士が接合された積層接合体である。金属部品のそれぞれは、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と、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とを有する。少なくとも一方の第１変位部は、第１変位起点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。一方の第１変位部によって発生するばね定数ｋｏと他方の第２変位部によって発生するばね定数ｋｐとが異なり、一方の第１変位部における傾斜部に対して他方の第２変位部が接触した状態において金属部品同士が接合される。【選択図】図４Ａ
2019192398.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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って、
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。
【請求項２】
前記一方の前記変位部における前記傾斜部と前記他方の前記変位部とが接触した部位に、前記金属部品同士がレーザー溶接によって接合された接合部位を有する、請求項１に記載の金属部品の積層接合体。
【請求項３】
前記一方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と前記他方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を異ならせることによって、前記一方の前記変位部によって発生するばね定数と前記他方の前記変位部によって発生するばね定数とを異ならせた、請求項１または２に記載の金属部品の積層接合体。
【請求項４】
前記一方の前記変位部における前記変位起点および前記他方の前記変位部における前記変位起点は、前記金属部品のそれぞれに積層される他の金属部品の端部が接触することによって形成される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の金属部品の積層接合体。
【請求項５】
前記金属部品のそれぞれの前記変位部のうち、前記金属部品同士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前記変位部が、優先的に変位を発生させる優先変位部に設定され、
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。
【請求項６】
前記優先変位部に設定された側の前記変位部の傾斜角（θｐ）と、前記他側の前記変位部の傾斜角（θｏ）との関係が
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。
【請求項７】
前記一方の前記変位部における前記変位起点は、前記他方の前記変位部における前記変位起点に対して、前記金属部品同士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、
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。
【請求項８】
前記優先変位部に設定された側の前記変位部は、少なくとも１つの切欠き部を有する、請求項５〜７のいずれか１項に記載の金属部品の積層接合体。
【請求項９】
前記金属部品のそれぞれは、燃料電池のセルスタックにおいてアノードガスが流れるマニホールド部を構成する部品に適用され、
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。
【請求項１０】
前記金属部品におけるそれぞれの前記変位部が前記アノードガスが流れる方向に沿って変位する範囲は、前記アノードガスを前記マニホールド部から前記セルスタックのアノードガス用流路部に導入する導入口を開放した状態とする範囲内である、請求項９に記載の金属部品の積層接合体。
【請求項１１】
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って、
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。
【請求項１２】
前記一方の前記変位部における前記傾斜部と前記他方の前記変位部とが接触した部位において、前記金属部品同士をレーザー溶接によって接合する、請求項１１に記載の金属部品の積層接合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−１３８７４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【発明の効果】
【０００９】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１Ａ】積層される少なくとも２つの金属部品を示す斜視図である。
【図１Ｂ】金属部品の積層接合体を示す斜視図である。
【図２】図１に破線によって囲まれた部分を拡大して示す斜視図である。
【図３】２つの金属部品を積層した状態を示す縦断面図である。
【図４Ａ】図２の要部を示す縦断面図である。
【図４Ｂ】金属部品同士が接合された積層接合体の要部を示す縦断面図である。
【図５Ａ】実施形態の作用の説明に使用する図４Ａに相当する断面図である。
【図５Ｂ】実施形態の作用の説明に使用する図４Ｂに相当する断面図である。
【図５Ｃ】対比例を示す断面図である。
【図６】金属部品の積層接合体の変形例を示す断面図である。
【図７】燃料電池の要部を示す平面図である。
【図８】燃料電池を示す分解斜視図である。
【図９】図８に示すセルユニットの分解斜視図である。
【図１０】図９に示すメタルサポートセルアッセンブリーの分解斜視図である。
【図１１】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の部分断面図である。
【図１２Ａ】燃料電池のマニホールド部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。
【図１２Ｂ】同適用例を示す断面図である。
【図１２Ｃ】同適用例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
実施形態の作用を説明する。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
（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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
（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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
［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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
［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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
［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。
【００７１】
［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。
【００７２】
［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。
【００７３】
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。
【００７４】
［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。
【００７５】
［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。
【００７６】
［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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【符号の説明】
【００９４】
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）。
【図１Ａ】
2019192398.tif 000003
【図１Ｂ】
2019192398.tif 000004
【図２】
2019192398.tif 000005
【図３】
2019192398.tif 000006
【図４Ａ】
2019192398.tif 000007
【図４Ｂ】
2019192398.tif 000008
【図５Ａ】
2019192398.tif 000009
【図５Ｂ】
2019192398.tif 000010
【図５Ｃ】
2019192398.tif 000011
【図６】
2019192398.tif 000012
【図７】
2019192398.tif 000013
【図８】
2019192398.tif 000014
【図９】
2019192398.tif 000015
【図１０】
2019192398.tif 000016
【図１１】
2019192398.tif 000017
【図１２Ａ】
2019192398.tif 000018
【図１２Ｂ】
2019192398.tif 000019
【図１２Ｃ】
2019192398.tif 000020