(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・電極構造体を金属セパレータにより挟持した単位セルを備え、この単位セルが複数積層された積層体を箱状のケーシング内に収容する燃料電池スタックであって、
前記ケーシングは、前記積層体の積層方向の両端部に配置される一対の端板と、前記積層体の側部に配置される第１の板厚を有する金属板からなる一対一組の側板と、これら側板の両端部にスポット溶接される前記第１の板厚以上の第２の板厚を有する金属板からなる複数のヒンジ板と、前記一対の端板と前記複数のヒンジ板を連結する連結ピンと、を備え、
一対のスポット溶接用電極の内、一方のスポット溶接用電極の先端面が凹面を形成しており、この一方のスポット溶接用電極を前記ヒンジ板側に配置し、他方のスポット溶接用電極の先端面が凸面を形成しており、この他方のスポット溶接用電極を前記側板側に配置し、前記一対のスポット溶接用電極が前記ヒンジ板と前記側板を圧接した状態で通電することにより溶接している燃料電池スタック。
【請求項２】
前記側板と前記ヒンジ板は、板厚が２倍以上異なる請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記側板及び前記ヒンジ板は、ステンレスからなる請求項２記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記側板と前記ヒンジ板は、板厚が同じである請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記側板及び前記ヒンジ板は、高張力鋼からなる請求項４記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・電極構造体を金属セパレータにより挟持した単位セルが複数積層された積層体を箱状のケーシング内に収容する燃料電池スタックの製造方法であって、
前記ケーシングが前記積層体の周囲に対向配置されるように、前記積層体の側部に配置される第１の板厚を有する金属板からなる一対一組の側板と、これら側板の両端部にスポット溶接される前記第１の板厚以上の第２の板厚を有する金属板からなる複数のヒンジ板と、を用意する第１工程と、
前記側板の両端部に前記ヒンジ板を重ね合わせる第２工程と、
先端面が凹面を形成する一方の電極と先端面が凸面を形成する他方の電極からなる一対のスポット溶接用電極の内、前記一方の電極を前記ヒンジ板側に配置し、前記他方の電極を前記側板側に配置する第３工程と、
前記ヒンジ板と前記側板を前記一対のスポット溶接用電極で挟み塑性変形させる第４工程と、
前記一対のスポット溶接用電極が前記ヒンジ板と前記側板を押圧しつつ通電することにより溶接する第５工程と、を含む燃料電池スタックの製造方法。
【請求項７】
前記側板と前記ヒンジ板は、板厚が２倍以上異なる請求項６記載の燃料電池スタックの製造方法。
【請求項８】
前記側板及び前記ヒンジ板は、ステンレスからなる請求項７記載の燃料電池スタックの製造方法。
【請求項９】
前記側板と前記ヒンジ板は、板厚が同じである請求項６記載の燃料電池スタックの製造方法。
【請求項１０】
前記側板及び前記ヒンジ板は、高張力鋼からなる請求項９記載の燃料電池スタックの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックに関する。特に、常温作動する固体高分子型の燃料電池スタックの構造に関する。例えば、このような燃料電池スタックは電気自動車用電源として使用される。
【背景技術】
【０００２】
一般に、固体高分子型の燃料電池スタックは、電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・電極構造体を金属セパレータにより挟持した単位セルを備えており、この単位セルが複数積層された積層体を箱状ケーシング内に収容している。このような燃料電池スタックとして、金属セパレータを使用して小型化及び軽量化を図るとともに、各単位セルに所望の発電性能とシール性とを確保することを可能にする燃料電池スタックが発明されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１による燃料電池スタックは、複数の単位セルが積層された積層体を箱状ケーシング内に収容している。ケーシングは、第１及び第２エンドプレートと、４枚の側板と、前記４枚の側板の互いに近接する端部同士を連結する４つのアングル部材と、前記第１及び第２エンドプレートと前記４枚の側板とを連結する第１及び第２連結ピンと、を備えている。
【特許文献１】特開２００５−４４６８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図２９は、特許文献１による燃料電池スタックの斜視分解組立図である。本願の図２９は、特許文献１の図１に相当している。図２９において、燃料電池スタック１００は、複数の単位セル１２が水平方向（矢印Ａ方向）に積層された積層体１４を備えている。積層体１４の積層方向（矢印Ａ方向）の一端には、ターミナルプレート１６ａ、絶縁プレート１８及びエンドプレート２０ａが外方に向かって、順次、配設されている。積層体１４の積層方向の他端には、ターミナルプレート１６ｂ、絶縁性スペーサ部材２２及びエンドプレート２０ｂが外方に向かって、順次、配設されている。燃料電池スタック１００は、四角形に構成されるエンドプレート２０ａ・２０ｂを端板として含むケーシング２４により一体的に保持されている。
【０００５】
図２９において、各単位セル１２は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）３０と、電解質膜・電極構造体３０を挟持する薄板波形状の第１及び第２金属セパレータ３２・３４と、を備えている。電解質膜・電極構造体３０は固体高分子電解質膜４２を備えている。
【０００６】
図２９において、ケーシング２４は、端板であるエンドプレート２０ａ・２０ｂと、積層体１４の側部に配置される四つの側板６０ａ〜６０ｄと、側板６０ａ〜６０ｄの互いに近接する端部同士を連結する連結部材であるアングル部材（例えば、Ｌアングル）６２ａ〜６２ｄと、エンドプレート２０ａ・２０ｂと側板６０ａ〜６０ｄとを連結するそれぞれ長さの異なる連結ピン６４ａ・６４ｂとを備えている。
【０００７】
側板６０ａ〜６０ｄには、短手方向両端縁部にそれぞれ複数のねじ穴７４が形成されている。一方、アングル部材６２ａ〜６２ｄの各辺には、ねじ穴７４に対応して穴７６が形成されている。各穴７６に挿入される各ねじ７８がねじ穴７４に螺合することにより、アングル部材６２ａ〜６２ｄを介して側板６０ａ〜６０ｄ同士が固定される。これにより、ケーシング２４が構成されている。スペーサ部材２２は、ケーシング２４の内周で位置決めされるように所定の寸法に設定された矩形状を有している。スペーサ部材２２は、積層体１４の積層方向の長さ変動を吸収して、積層体１４に所望の締め付け荷重を付与可能にするために、板厚の厚さが調整される。
【０００８】
特許文献１による燃料電池スタックは、四つの側板６０ａ〜６０ｄの互いに近接する端部同士が、アングル部材６２ａ〜６２ｄでねじ止めにより固定されている。例えば、対向する一対の側板６０ａ・６０ｃの端部に屈曲するフランジ部を形成し、このフランジ部に設けられる雌ねじに対向する一対の側板６０ｂ・６０ｄの端部をねじ止めで固定することにより、アングル部材が不要となり、ケーシングの構成が簡易となる。更に、四つの側板６０ａ〜６０ｄの各両端部に、側板６０ａ〜６０ｄの板厚以上の板厚を有するヒンジ板をスポット溶接すれば、従来の構成を大きく変えることなく、ケーシングの小型化・軽量化が図れる。このような軽量化した燃料電池スタックは、電気自動車用電源と使用されるには特に好適である。
【０００９】
一般に、金属板同士を面方向に接合する場合は、抵抗溶接であるスポット溶接が多用されている。燃料電池スタックのケーシングは、軽量化と強度を実現するために、ステンレス板や高張力鋼板が使用されている。しかし、板厚の異なるステンレス板同士をスポット溶接する場合は、従来からのスポット溶接法では、スポット溶接部の密着度を増すことは困難であり、スポット溶接部の内部に空洞が発生したり、散りが発生して十分な接合強度を得ることが困難であるという問題がある。
【００１０】
スポット溶接に代えて、レーザ溶接や電子ビーム溶接が考えられるが、これらの溶接は一般に高価であり、製造コストを押し上げる要因となる。板厚の異なるステンレス板同士をスポット溶接する場合に、スポット溶接方法を工夫して、引張せん断力や繰り返しせん断荷重に対して十分な接合強度を得ることができれば、燃料電池スタックのケーシングとしては前述のとおり好ましく、スポット溶接の接合個所も少なくできるというメリットがある。そして、このことが本発明の課題と言ってよい。
【００１１】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、第１の板厚を有する金属板からなる対向する一対一組の側板と、これら側板の両端にスポット溶接される第１の板厚以上の第２の板厚を有する金属板からなるヒンジ板と、を有するケーシングを備える燃料電池スタックであって、前記スポット溶接個所が十分な接合強度を得ることが可能な燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者は、上記目的を満たすため、ケーシングを構成する一対の金属板の互いに重なり合う接合部同士を圧接する一対のスポット溶接用電極の内、少なくとも板厚の厚い金属板を押圧する一方のスポット溶接用電極の先端面が凹面を形成している溶接構造とし、以下のような新たな燃料電池スタックを発明した。
【００１３】
（１）  電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・電極構造体を金属セパレータにより挟持した単位セルを備え、この単位セルが複数積層された積層体を箱状のケーシング内に収容する燃料電池スタックであって、前記ケーシングは、前記積層体の積層方向の両端部に配置される一対の端板と、前記積層体の側部に配置される第１の板厚を有する金属板からなる一対一組の側板と、これら側板の両端部にスポット溶接される前記第１の板厚以上の第２の板厚を有する金属板からなる複数のヒンジ板と、前記一対の端板と前記複数のヒンジ板を連結する連結ピンと、を備え、一対のスポット溶接用電極の内、少なくとも一方のスポット溶接用電極の先端面が凹面を形成しており、この一方のスポット溶接用電極を前記第２の板厚を有する金属板からなるヒンジ板側に配置し、前記一対のスポット溶接用電極が前記ヒンジ板と前記側板を圧接した状態で通電することにより溶接している燃料電池スタック。
【００１４】
（１）の発明による燃料電池スタックは、電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・電極構造体を金属セパレータにより挟持した単位セルを備えている。そして、この単位セルが複数積層された積層体を箱状のケーシング内に収容している。ケーシングは、積層体の積層方向の両端部に配置される一対の端板を備えている。又、ケーシングは、積層体の側部に配置される第１の板厚を有する金属板からなる一対一組の側板を備えている。更に、ケーシングは、これら側板の両端部にスポット溶接される第１の板厚以上の第２の板厚を有する金属板からなる複数のヒンジ板を備えている。
【００１５】
ケーシングは、一対の端板と複数のヒンジ板を連結する連結ピンを更に備え、四角筒状に形成された一対一組の側板の両端部開口を塞ぐように、一対の端板が連結ピンを介してヒンジ板に連結される。このように、ケーシングは積層体を収容して組立てられる。側板の両端部にヒンジ板に代わるＬアングルをスポット溶接し、四角筒状に形成された一対一組のＬアングル付き側板と一対の端板とは、ねじ止めで相互に締結されることにより連結されてもよい。
【００１６】
ケーシング内には、積層体の積層方向の両端にターミナルプレートが配設されると共に、少なくとも一方のターミナルプレートと端板との間には、絶縁性スペーサ部材が介装されることが好ましく、積層体の積層方向の長さが変動しても、絶縁性スペーサ部材の厚さを調整するだけで、前記長さの変動を確実に吸収することができる。
【００１７】
一対一組の金属板からなる側板は、ケーシングを軽量化するためには、板厚を薄くすることが好ましいが、板厚を薄くすると曲げモーメントに対する強度が不足する。例えば、板厚の薄い金属板からなる側板は、プレス加工により凸条のリブを設けてもよく、曲げモーメントに対する強度不足を補うことができる。これらの側板にスポット溶接されるヒンジ板の板厚は、側板の板厚以上となっており、側板とヒンジ板は、それぞれ適宜な板厚が設定される。
【００１８】
ここで、一方の一対の側板同士は、同じ板厚であることに限定されない。同様に、他方の一対の側板同士は、同じ板厚であることに限定されない。積層体の周囲に対向配置される４枚の側板の内、３枚の側板が同じ板厚の薄板であって、１枚の側板が厚板であってもよい。例えば、底面となる側板を厚板の金属板としてもよい。本発明は、一方の金属板の板厚が他方の金属板の板厚以下である一対の金属板同士を、スポット溶接する場合に効果を発揮する。後述するように、第１の板厚を有する金属板と第２の板厚を有する金属板は、板厚が２倍以上異なっていてもよく、第１の板厚を有する金属板と第２の板厚を有する金属板は、板厚が同じであってもよい。
【００１９】
そして、（１）の発明による燃料電池スタックは、一対のスポット溶接用電極の内、少なくとも一方のスポット溶接用電極の先端面が凹面を形成している。そして、一方のスポット溶接用電極をヒンジ板側に配置し、一対のスポット溶接用電極がヒンジ板と側板を圧接した状態で通電することにより溶接している。
【００２０】
例えば、一方の一対の側板は、両端部が直角に折り曲げられるフランジ部を有し、このフランジ部に雌ねじが設けられる。そして、他方の一対の側板の両端部がねじ止めで締結される。フランジ部を有する一方の一対の側板が金属薄板であって、折り曲げ片であるフランジ部を有することが、ねじりや曲げモーメントに対する強度を得る上では好ましい。ヒンジ板は、一方の端部にカールされたタブ部を形成し、他方の端部に平坦部を形成している。そして、側板の長手方向の両端からタブ部が延出するように、平坦部が側板の長手方向の両端部にスポット溶接される。側板のタブ部と端板に形成されたタブ部に連結ピンが挿入されて、一対の端板と複数のヒンジ板が連結される。
【００２１】
ここで、金属板からなるヒンジ板と側板の両端部を圧接した状態で通電することにより溶接する一対のスポット溶接用電極の内、側板の板厚以上の板厚を有するヒンジ板を押圧する一方のスポット溶接用電極の先端面に凹面を形成することにより、重ね合わせた金属板間に電極から見て大面積の接触面を造り出すことができる。例えば、従来のスポット溶接用電極は一対の電極先端面は凸面を形成しており、重ね合わせた金属板間に電極から見て点状の接触面を造り出している。このような点状の接触面では接触面積が小さく、この小さな接触面に電流が集中するため、散りが発生する確率が高くなる。（１）の発明は、大面積の接触面で電流の過度な集中を抑えることができるため、散りの発生が抑制され、かつ溶融部の面積が拡大しているので溶接強度を高めることができる。そして、スポット溶接の接合個所も少なくできる。
【００２２】
又、（１）の発明による燃料電池スタックは、金属板からなるヒンジ板と側板をスポット溶接する一対のスポット溶接用電極の内、一方のスポット溶接用電極の先端面に形成されている凹面に溶接電流を分流させる溝を備えてもよい。例えば、この溝は凹面の底の中心を通る放射溝であってもよく、溶接電極をこの溝で分流するため、一対の電極間で複数箇所の溶融部が発生して成長し、成長後に一体化して、溶接ナゲットにする。そのため、散りは発生せず、溶接強度を更に高めることができる。又、放射溝であれば曲面を対称に分割可能であり、溶接電流をより均等に分流させることができる。
【００２３】
更に、先端面が凹面を形成する一方の電極と先端面が凸面を形成する他方の電極とからなる一対のスポット溶接用電極を用いて、板厚が同じである金属板同士をスポット溶接した試験片を疲労試験した結果、一対の電極先端面が凸面を形成している従来のスポット溶接用電極を用いてスポット溶接した試験片と比較して、せん断疲労強度において著しい改善が得られた。先端面が凹面と凸面を形成する一対のスポット溶接用電極を用いて、スポット溶接した試験片は、従来のスポット溶接による試験片と比較して、母材間すき間（シートセパレーション）が減少している結果から、溶融個所に作用する曲げモーメントが小さくなると推定される。
【００２４】
このように、（１）の発明による燃料電池スタックは、第１の板厚を有する金属板からなる対向する一対一組の側板と、これら側板の両端部にスポット溶接される第１の板厚以上の第２の板厚を有する金属板からなる複数のヒンジ板と、を備えるケーシングを備える燃料電池スタックであって、ヒンジ板と側板を圧接した状態で通電することにより溶接する一対のスポット溶接用電極の内、第２の板厚を有する金属板からなるヒンジ板を押圧する一方のスポット溶接用電極の先端面が凹面を形成しているので、ヒンジ板と側板とのシートセパレーションが減少し、繰り返し荷重によるせん断疲労強度を向上できる。
【００２５】
（２）  前記一対のスポット溶接用電極の内、他方のスポット溶接用電極の先端面が凸面を形成しており、この他方のスポット溶接用電極を前記側板側に配置し、前記一対のスポット溶接用電極が前記ヒンジ板と前記側板を圧接した状態で通電することにより溶接している（１）記載の燃料電池スタック。
【００２６】
（２）の発明による燃料電池スタックは、一対のスポット溶接用電極の内、他方のスポット溶接用電極の先端面が凸面を形成している。そして、他方のスポット溶接用電極を側板側に配置し、一対のスポット溶接用電極がヒンジ板と側板を圧接した状態で通電することにより溶接している。
【００２７】
このように、先端面が凹面を形成している一方の電極及び先端面が凸面を形成している他方の電極で構成される一対のスポット溶接用電極がヒンジ板と側板を圧接した状態で通電することにより溶接している。このようなスポット溶接において、加圧通電工程では、凹面の頂外周と凸面の外周が互いに押圧され、凹面側に塑性変形されると共に、重ね合わせた金属板間の頂外周で囲われた密着性に優れた面積の大きい接触円を造り出すことができる。次に、溶融工程では、熱溶融部分が凹部側に膨張可能となり、前記接触円の略中心から溶融径が拡大する。そして、凝固工程では、一般の溶接凝固収縮に発生するシートセパレーションが最小化の状態で溶融部が凝固していくことが確認された。そして、散りの発生が抑制される。
【００２８】
（３）  前記側板と前記ヒンジ板は、板厚が２倍以上異なる（１）又は（２）記載の燃料電池スタック。
【００２９】
（３）の発明による燃料電池スタックは、金属板からなる側板の第１の板厚と、金属板からなるヒンジ板の第２の板厚とが、２倍以上異なっている。
【００３０】
（４）  前記側板及び前記ヒンジ板は、ステンレスからなる（３）記載の燃料電池スタック。
【００３１】
（４）の発明による燃料電池スタックは、第１の板厚を有する金属板からなる側板、及び第２の板厚を有する金属板からなるヒンジ板が、ステンレスからなっている。
【００３２】
（５）  前記側板と前記ヒンジ板は、板厚が同じである（１）又は（２）記載の燃料電池スタック。
【００３３】
（５）の発明による燃料電池スタックは、金属板からなる側板の第１の板厚と、金属板からなるヒンジ板の第２の板厚とは、同じに異なっている。
【００３４】
（６）  前記側板及び前記ヒンジ板は、高張力鋼からなる（５）記載の燃料電池スタック。
【００３５】
（６）の発明による燃料電池スタックは、第１の板厚を有する金属板からなる側板、及び第２の板厚を有する金属板からなるヒンジ板は、高張力鋼からなっている。
【００３６】
（７）  電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・電極構造体を金属セパレータにより挟持した単位セルが複数積層された積層体を箱状のケーシング内に収容する燃料電池スタックの製造方法であって、前記ケーシングが前記積層体の周囲に対向配置されるように、前記積層体の側部に配置される第１の板厚を有する金属板からなる一対一組の側板と、これら側板の両端部にスポット溶接される前記第１の板厚以上の第２の板厚を有する金属板からなる複数のヒンジ板と、を用意する第１工程と、前記側板の両端部に前記ヒンジ板を重ね合わせる第２工程と、先端面が凹面を形成する一方の電極と先端面が凸面を形成する他方の電極からなる一対のスポット溶接用電極の内、前記一方の電極を前記ヒンジ板側に配置し、前記他方の電極を前記側板側に配置する第３工程と、前記ヒンジ板と前記側板を前記一対のスポット溶接用電極で挟み塑性変形させる第４工程と、前記一対のスポット溶接用電極が前記ヒンジ板と前記側板を押圧しつつ通電することにより溶接する第５工程と、を含む燃料電池スタックの製造方法。
【００３７】
（８）  前記側板と前記ヒンジ板は、板厚が２倍以上異なる（７）記載の燃料電池スタックの製造方法。
【００３８】
（９）  前記側板及び前記ヒンジ板は、ステンレスからなる（８）記載の燃料電池スタックの製造方法。
【００３９】
（１０）  前記側板と前記ヒンジ板は、板厚が同じである（７）記載の燃料電池スタックの製造方法。
【００４０】
（１１）  前記側板及び前記ヒンジ板は、高張力鋼からなる（１０）記載の燃料電池スタックの製造方法。
【発明の効果】
【００４１】
本発明による燃料電池スタックは、第１の板厚を有する金属板からなる対向する一対一組の側板と、これら側板の両端部にスポット溶接される第１の板厚以上の第２の板厚を有する金属板からなる複数のヒンジ板と、を備えるケーシングを備える燃料電池スタックであって、ヒンジ板と側板を圧接した状態で通電することにより溶接する一対のスポット溶接用電極の内、第２の板厚を有する金属板からなるヒンジ板を押圧する一方のスポット溶接用電極の先端面が凹面を形成しているので、重ね合わせた金属板間に電極から見て大面積の接触面を造り出すことができる。そして、溶融部の面積が拡大しているので溶接強度を高めることができ、スポット溶接の接合個所も少なくできる。更に、ヒンジ板と側板とのシートセパレーションが減少し、繰り返し荷重によるせん断疲労強度を向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【００４３】
図１は、本発明による燃料電池スタックの一実施形態を示す斜視分解組立図である。図２は、前記実施形態による燃料電池スタックの斜視外観図である。図３は、前記実施形態による燃料電池スタックに備わる金属板同士をスポット溶接する配置図であり、図３（Ａ）から図３（Ｃ）は、本発明によるスポット溶接の製造工程を順次示している。
【００４４】
図４は、本発明に係わる試験片の断面図であり、板厚が同じである一対の試験片を用いて、従来のスポット溶接による溶接メカニズムと本発明のスポット溶接による溶接メカニズムを比較している。図５は、本発明によるスポット溶接の試験片の断面図であり、板厚が異なる一対の試験片を用いて、従来のスポット溶接による溶融径と本発明のスポット溶接による溶融径とを比較している。図６は、前記板厚が異なる一対の試験片を用いて、従来のスポット溶接と本発明のスポット溶接の疲れ破壊を比較したグラフであり、図６の縦軸は、繰り返される引張せん断荷重を示し、図６の横軸は、繰り返し回数を対数目盛りで示している。
【００４５】
図７は、金属薄板である側板に金属厚板であるヒンジ板がスポット溶接された実機を用いて、従来のスポット溶接による疲労限度と本発明のスポット溶接による疲労限度を比較したグラフである。図８は、前記実機を用いて、本発明のスポット溶接による金属板の歪を測定する方法を表した図であり、図８（Ａ）は金属薄板である側板側から観た平面図、図８（Ｂ）は、図８（Ａ）の右側面図である。図９は、前記実機を用いて、従来のスポット溶接による疲労限度と本発明のスポット溶接による疲労限度を比較したグラフである。図１０は、従来のスポット溶接による散りの発生状態と本発明のスポット溶接による散りの発生状態を疲労破壊テスト品で比較した図である。
【００４６】
図１１は、本発明によりスポット溶接した一対の試験片のシートセパレーションと、従来技術によりスポット溶接した一対の試験片のシートセパレーションと、を対比した縦断面図である。図１２は、図１１の対比試験で得られた結果を示す棒グラフであり、図１２の縦軸は、シートセパレーション（ｍｍ）を示している。図１３は、本発明によるスポット溶接と従来技術によるスポット溶接の違いを得るために用いられる、一対の引張せん断試験片を示す外観図である。図１４は、図１３に示された一対の引張せん断試験片を試験する引張試験機の正面図である。
【００４７】
図１５は、板厚が同じである一対の引張せん断試験片に生成された溶融ナゲット径、及び一対の引張せん断試験片のシートセパレーションを示した図であり、図１５（Ａ）は、従来技術のスポット溶接による一対の引張せん断試験片の断面図、図１５（Ｂ）は、本発明のスポット溶接による一対の引張せん断試験片の断面図である。図１６は、図１３に示された一対の引張せん断試験片に貼付けられる歪ゲージの位置と歪方向を示した図である。図１７は、本発明による一対のスポット溶接用電極の先端形状と、従来技術による一対のスポット溶接用電極の先端形状と、を対比した縦断面図である。
【００４８】
図１８は、図１４に示された引張試験機を用いて、静的引張試験を行った結果を示すグラフであり、図１８の縦軸は引張荷重を示し、図１８の横軸は歪量を示している。又、図１８（Ａ）は、従来技術によるスポット溶接の引張荷重−歪曲線を示し、図１８（Ｂ）は、本発明によるスポット溶接の引張荷重−歪曲線を示している。
【００４９】
図１９は、図１８に示された引張荷重−歪曲線の要部を拡大したグラフであり、縦軸及び横軸のスケールを変えている。図１９（Ａ）は、従来技術によるスポット溶接の引張荷重−歪曲線を示し、図１９（Ｂ）は、本発明によるスポット溶接の引張荷重−歪曲線を示している。図２０は、板厚が同じである一対の引張せん断試験片を用いて、従来のスポット溶接による溶接メカニズムと本発明のスポット溶接による溶接メカニズムを比較している図であり、図２０（Ａ）は、従来のスポット溶接による前記一対の引張せん断試験片の断面図、図２０（Ｂ）は、本発明のスポット溶接による前記一対の引張せん断試験片の断面図である。
【００５０】
図２１は、本発明によるスポット溶接と従来技術によるスポット溶接の違いを得るために用いられる、一対の引張はく離試験片を示す外観図である。図２２は、図２１に示された一対の引張はく離試験片を試験する引張試験機の正面図である。
【００５１】
図２３は、図１３に示された一対の引張せん断試験片、又は図２１に示された一対の引張はく離試験片を用いて、従来のスポット溶接によるせん断疲労強度のデータと、本発明のスポット溶接によるせん断疲労強度のデータと、をプロットしたグラフである。図２３（Ａ）は、一対の引張せん断試験片を用いて、せん断疲労強度が試験されたグラフであり、図２３（Ｂ）は、一対の引張はく離試験片を用いて、せん断疲労強度が試験されたグラフである。
【００５２】
図２４は、図１３に示された一対の引張せん断試験片に貼付けられ、直交する２方向の歪量が測定される一対の歪ゲージの位置と歪方向を示した図である。図２５は、図２４に示された試験方法による引張方向の歪み量と、繰り返し荷重とをプロットしたグラフである。図２６は、図２４に示された試験方法による引張方向に直交する方向の歪み量と、繰り返し荷重とをプロットしたグラフである。
【００５３】
図２７は、従来のスポット溶接による一対の引張せん断試験片を用いて、図２４に示された試験方法による直交する２方向の歪波形が測定されたグラフ群である。図２８は、本発明のスポット溶接による一対の引張せん断試験片を用いて、図２４に示された試験方法による直交する２方向の歪波形が測定されたグラフ群である。
【００５４】
最初に、本発明による燃料電池スタックの構成を説明する。なお、図１の説明において、従来技術である図２９と重複する符号の構成品はその構造と作用を同じとするので説明を割愛する場合がある。
【００５５】
図１において、燃料電池スタック１０は、複数の単位セル１２が水平方向（矢印Ａ方向）に積層された積層体１４を備えている。積層体１４の積層方向（矢印Ａ方向）の一端には、ターミナルプレート１６ａ、絶縁プレート１８及びエンドプレート２０ａが外方に向かって、順次、配設されている。積層体１４の積層方向の他端には、ターミナルプレート１６ｂ、絶縁性スペーサ部材２２及びエンドプレート２０ｂが外方に向かって、順次、配設されている。燃料電池スタック１０は、四角形に構成されるエンドプレート２０ａ・２０ｂを端板として含むケーシング１１により一体的に保持されている。
【００５６】
図１において、ケーシング１１は、積層体１４の積層方向の両端部に配置される端板である一対のエンドプレート２０ａ・２０ｂを備えている。又、ケーシング１１は、積層体１４の周囲に対向配置される第１の板厚を有する金属板からなる一対の側板１ａ・１ｃと、第１の板厚を有する金属板からなる一対の側板１ｂ・１ｄを備えている。又、ケーシング１１は、側板１ａ〜１ｄの各両端部にスポット溶接される第１の板厚以上の第２の板厚を有する金属板からなる複数のヒンジ板１ａａ・１ａｂ・１ｂａ・１ｂｃ・１ｃａ・１ｃｃ・１ｄａ・１ｄｃ（以下、符号を省略する場合がある）を備えている。更に、ケーシング１１は、エンドプレート２０ａ・２０ｂと側板１ａ〜１ｄを連結するそれぞれ長さの異なる連結ピン６４ａ・６４ｂを備えている。
【００５７】
図１において、側板１ａは、両端部が直角に折り曲げられるフランジ部１０ａ・１１ａを有し、側板１ｃは、両端部が直角に折り曲げられるフランジ部１０ｃ・１１ｃを有している。側板１ａ・１ｃに複数の雌ねじが形成されている。一方、側板１ｂ・１ｄの各両端部には、前記雌ねじに重ね合わされる複数の穴が設けられ、ねじが前記雌ねじに締結されることにより、側板１ａ〜１ｄが相互に連結される（図２参照）。このように、ケーシング１１が構成される。
【００５８】
そして、四角筒状に形成された一対一組の側板１ａ〜１ｄの両端部開口を塞ぐように、一対のエンドプレート２０ａ・２０ｂが連結ピン６４ａ・６４ｂを介して連結されている（図２参照）。このように、ケーシング１１は積層体１４を収容して組立てられる。
【００５９】
図１において、積層体１４の積層方向の両端にターミナルプレート１６ａ・１６ｂが配設されると共に、一方のターミナルプレート１６ｂとエンドプレート２０ｂとの間には、絶縁性スペーサ部材２２が介装されており、積層体１４の積層方向の長さが変動しても、絶縁性スペーサ部材２２の厚さを調整するだけで、積層体１４の積層方向における長さの変動を確実に吸収することができる。
【００６０】
図１において、一対一組の側板１ａ〜１ｄは、ケーシング１１を軽量化するためには、板厚を薄くすることが好ましいが、板厚を薄くすると曲げモーメントに対する強度が不足する。例えば、板厚の薄い一対の側板１ａ〜１ｄは、プレス加工により複数の凸条のリブ１ｒ（図８参照）を設けてもよく、曲げモーメントに対する強度不足を補うことができる。
【００６１】
図１において、フランジ部１０ａ・１１ａ・１０ｃ・１１ｃを有する一方の一対の側板１ａ・１ｃが金属薄板であって、折り曲げ片であるこれらフランジ部を有することが、ねじりや曲げモーメントに対する強度を得る上では好ましい。複数のヒンジ板は、一方の端部にカールされたタブ部を形成し、他方の端部に平坦部を形成している。そして、側板１ａ〜１ｄの長手方向の両端からタブ部が延出するように、平坦部が側板の長手方向の両端部にスポット溶接されている。側板１ａ〜１ｄのタブ部とエンドプレート２０ａ・２０ｂに形成されたタブ部に各連結ピン６４ａ・６４ｂが挿入されて、一対のエンドプレート２０ａ・２０ｂと複数のヒンジ板が連結されている。
【００６２】
図１において、第１の板厚を有する金属板からなる一対の側板１ａ・１ｃに、各ヒンジ板１ａａ・１ａｂ・１ｃａ・１ｃｃをスポット溶接で接合するに当たり、一対の側板１ａ・１ｃにと各ヒンジ板１ａａ・１ａｂ・１ｃａ・１ｃｃを圧接した状態で通電することにより溶接する一対のスポット溶接用電極ｅ１・ｅ２の内、第１の板厚以上の第２の板厚を有する金属板からなる各ヒンジ板を押圧するスポット溶接用電極ｅ１の先端面が凹面５１を形成している（図３参照）。
【００６３】
図１において、第１の板厚を有する金属板からなる一対の側板１ｂ・１ｄに、各ヒンジ板１ｂａ・１ｂｃ・１ｄａ・１ｄｃをスポット溶接で接合するに当たり、一対の側板１ｂ・１ｄと各ヒンジ板１ｂａ・１ｂｃ・１ｄａ・１ｄｃを圧接した状態で通電することにより溶接する一対のスポット溶接用電極ｅ１・ｅ２の内、第１の板厚以上の第２の板厚を有する金属板からなる各ヒンジ板を押圧するスポット溶接用電極ｅ１の先端面が凹面５１を形成している（図３参照）。
【００６４】
又、図１において、第１の板厚を有する金属板からなる一対の側板１ａ・１ｃに、各ヒンジ板１ａａ・１ａｂ・１ｃａ・１ｃｃをスポット溶接で接合するに当たり、一対の側板１ａ・１ｃにと各ヒンジ板１ａａ・１ａｂ・１ｃａ・１ｃｃを圧接した状態で通電することにより溶接する一対のスポット溶接用電極ｅ１・ｅ２の内、第１の板厚を有する側板１ａ・１ｃを押圧するスポット溶接用電極ｅ２の先端面が凸面５２を形成している（図３参照）。なお、一対の側板１ｂ・１ｄも前記同様である。
【００６５】
図１及び図２に示された燃料電池スタックは、対向する一対一組の板厚の薄い金属板からなる側板と、これら側板の両端部にスポット溶接される板厚の厚い金属板からなるヒンジ板と、を備えるケーシングを備える燃料電池スタックであって、ヒンジ板と側板を圧接した状態で通電することにより溶接する一対のスポット溶接用電極の内、板厚の厚い金属板からなるヒンジ板を押圧する一方のスポット溶接用電極の先端面が凹面を形成しているので、重ね合わせた金属板間に電極から見て大面積の接触面を造り出すことができる。そして、溶融部の面積が拡大しているので溶接強度を高めることができ、スポット溶接の接合個所も少なくできる。このような小型化・軽量化した燃料電池スタックは、電気自動車用電源と使用されるには特に好適である。
【００６６】
次に、本発明によるスポット溶接の作用を説明する。
【００６７】
図３において、スポット溶接される一対の金属板として、金属薄板である側板１ｂと金属厚板であるヒンジ板１ｂａを例示しているが、これらに限定されるものではない。本発明は、一方の金属板の板厚が他方の金属板の板厚以下である一対の金属板同士を、スポット溶接する場合に効果を発揮する。例えば、第１の板厚を有する金属板からなる側板１ｂと、第２の板厚を有する金属板金属板からなるヒンジ板１ｂａは、板厚が２倍以上異なっていてもよく、側板１ｂとヒンジ板１ｂａは、板厚が同じであってもよい（図４参照）。
【００６８】
図３は、先端面が凹面５１を形成しているスポット溶接用電極ｅ１（以下、電極ｅ１と略称する）、及び先端面が凸面５２を形成しているスポット溶接用電極ｅ２（以下、電極ｅ２と略称する）で構成される一対の電極ｅ１・ｅ２で接合される一対の金属板の溶融プロセスを示している。
【００６９】
図３（Ａ）に示された加圧通電工程において、一対の電極ｅ１・ｅ２が重なり合わされたヒンジ板１ｂａと側板１ｂを圧接することにより、凹面５１の頂外周と凸面５２の外周が互いに押圧され、凹面５１側に塑性変形されると共に、重ね合わせたヒンジ板１ｂａと側板１ｂの頂外周で囲われた密着性に優れた面積の大きい接触円を造り出すことができる。
【００７０】
次に、図３（Ｂ）に示された溶融工程では、溶融部ｍが凹面５１側に膨張可能となり、前記接触円の略中心として溶融径が拡大する。そして、図３（Ｃ）に示された凝固工程では、一般の溶接凝固収縮に発生するシートセパレーションが最小化の状態で溶融部ｍが凝固していくことが確認された。そして、散りの発生が抑制される。
【００７１】
このように、本発明は、板厚の厚いヒンジ板と板厚の薄い側板を圧接した状態で通電することにより溶接する一対のスポット溶接用電極の内、板厚の厚い金属板を押圧する一方のスポット溶接用電極の先端面に凹面を形成することにより、重ね合わせた金属板間に電極から見て大面積の接触面を造り出すことができる。本発明は、大面積の接触面で電流の過度な集中を抑えることができるため、散りの発生が抑制され、かつ溶融部の面積が拡大しているので溶接強度を高めることができる。そして、スポット溶接の接合個所も少なくできる。
【００７２】
更に、先端面が凹面５１を形成する電極ｅ１と、先端面が凸面５２を形成する電極とからなる一対のスポット溶接用電極ｅ１・ｅ２を用いて（図３参照）、板厚が同じである金属板同士をスポット溶接した試験片を疲労試験した結果、一対の電極先端面が凸面を形成している従来のスポット溶接用電極を用いてスポット溶接した試験片と比較して、せん断疲労強度において著しい改善が得られた。
【００７３】
図４は、従来のスポット溶接による溶接メカニズムと本発明のスポット溶接による溶接メカニズムを比較している。図４において、上段の図４（Ａ１）〜図４（Ａ３）は、一対の電極先端面が凸面を形成している従来のスポット溶接用電極ｅ３・ｅ４を用いて、同じ板厚である側板１ｂとヒンジ板１ｂａをスポット溶接している。図４において、下段の図４（Ｂ１）〜図４（Ｂ３）は、本発明によるスポット溶接用電極ｅ１・ｅ２を用いて、同じ板厚である側板１ｂとヒンジ板１ｂａをスポット溶接している。なお、図４は、各スポット溶接用電極の加圧荷重を３５０ｋｇ、印加電流を８．５ｋＡ、通電時間を２ｃｙｃｌｅとしたときのシミュレーション結果である。
【００７４】
図４（Ａ１）と図４（Ｂ１）で対比されるように、図４（Ａ１）では、中心部の溶融部ｍからナゲットが成長するのに対し、図４（Ｂ１）では、一定半径の溶融部ｍからナゲットが成長する。又、図４（Ａ２）と図４（Ｂ２）で対比されるように、図４（Ａ２）では、側板１ｂとヒンジ板１ｂａとは電流密度分布が同じであるのに対し、図４（Ｂ２）では、電流密度分布は側板１ｂ側が高くなっている。更に、図４（Ａ３）と図４（Ｂ３）で対比されるように、図４（Ａ３）では、側板１ｂとヒンジ板１ｂａから同等に発熱しているのに対し、図４（Ｂ３）では、主に側板１ｂから発熱している。
【００７５】
以上の現象を要約すると、本発明によるスポット溶接用電極を用いた溶接では、通電の初期において、電極ｅ１の凹面５１と側板１ｂとの接触が外周方向で行われるため、ヒンジ板１ｂａ側の電流密度に比べ、側板１ｂ側の電流密度が高い状態となる。その結果、側板１ｂ側（電極ｅ２側）が優先的に発熱して、ナゲットが生成される。
【００７６】
後述する試験結果に示されるように、先端面が凹面と凸面を形成する一対のスポット溶接用電極を用いて、スポット溶接した試験片は、従来のスポット溶接による試験片と比較して、母材間すき間（シートセパレーション）が減少する結果となった。凹面側のスポット溶接用電極に配置される金属板が、凹字状に変形することにより、ナゲット拡大に伴うシートセパレーションが抑制されると考えられる。
【００７７】
図２０において、従来のスポット溶接による一対の引張せん断試験片ＴＳ１・ＴＳ２間のシートセパレーションＴｓは（図２０（Ａ）参照）、本発明スポット溶接による一対の引張せん断試験片ＴＳ１・ＴＳ２間のシートセパレーションＴｓ（図２０（Ｂ）参照）に比較して、大きくなっている。図２０（Ａ）と図２０（Ｂ）を比較すると、引張力Ｆを同じとするならば、溶融ナゲットｎに作用する曲げモーメントＭは、シートセパレーションＴｓに比例すると推定される。この曲げモーメントの差がせん断強度の差になって表れたと考えられる。
【００７８】
このように、本発明による燃料電池スタックは、第１の板厚を有する金属板からなる対向する一対一組の側板と、これら側板の両端部にスポット溶接される第１の板厚以上の第２の板厚を有する金属板からなる複数のヒンジ板と、を備えるケーシングを備える燃料電池スタックであって、ヒンジ板と側板を圧接した状態で通電することにより溶接する一対のスポット溶接用電極の内、第２の板厚を有する金属板からなるヒンジ板を押圧する一方のスポット溶接用電極の先端面が凹面を形成しているので、ヒンジ板と側板とのシートセパレーションが減少し、繰り返し荷重によるせん断疲労強度を向上できる。
【００７９】
次に、本発明によるスポット溶接の試験結果を説明する。
【００８０】
図５は、従来のスポット溶接による溶融径と、図３に示された本発明のスポット溶接による溶融径とを比較している。図５（Ａ）は、従来のスポット溶接により溶接された板厚が異なる一対の金属板の断面図であり、図５（Ｂ）は、本発明のスポット溶接により溶接された板厚が異なる一対の金属板の断面図である。なお、図５において、溶融径が比較できるようにスケールを配置している。
【００８１】
図５において、一対の金属板の材質は、実機と同じくＳＵＳ３０４とし、一対の金属板の板厚をそれぞれ、「０．６」ｍｍと「１．８」ｍｍとした。試験の結果、従来のスポット溶接による溶融径Ａは「４．４」ｍｍとなり、本発明のスポット溶接による溶融径Ｂは「５．８９」ｍｍとなり、溶融径が約３４％拡大する良い結果が得られた。又、最大引張せん断強度は、「５．６５」ｋＮから「６．２３」ｋＮに増加する良い結果が得られた。
【００８２】
図５に示された試験結果を得るに当たり、従来のスポット溶接は、先端面が互いに凸面を形成している一対の電極、又は先端面が互いに平面を形成している一対の電極の組合せの中から、最も散りの発生が少ないものを選定し、かつ、最大のナゲット径（溶融径）を形成させる条件で試験した。両者の溶接条件は、加圧荷重を２５０ｋｇとし、通電時間を「０．１６」秒とした。又、従来のスポット溶接の印加電流を８３００Ａとし、本発明のスポット溶接の印加電流を８５６０Ａとした。
【００８３】
次に、図５に示された一対の金属板に引張せん断力による繰り返し荷重を与えて、溶接個所の破壊までの繰り返し回数を求める疲れ試験の結果を図６に示す。図６のグラフにおいて、繰り返し荷重を変えて、従来の溶接個所と本発明の溶接個所の疲れ破壊に至る繰り返し回数をプロットした。図６の丸い記号は従来の溶接によるプロット点であり、図６の三角形の記号は本発明の溶接によるプロット点である。
【００８４】
図６の試験結果において、繰り返し回数１００００回近傍では、従来の溶接での繰り返し荷重は約２６００Ｎに対し、本発明の溶接での繰り返し荷重は約３６００Ｎとなった。又、繰り返し回数３５０００回近傍では、従来の溶接での繰り返し荷重は約２２００Ｎに対し、本発明の溶接での繰り返し荷重は約２９００Ｎとなった。このように、破断に至る繰り返し荷重が従来と本発明では、１.３〜１.４倍の開きがある好結果が得られた。
【００８５】
このように、本発明によるスポット溶接は、一打点での接合強度が向上したことから、実機におけるスポット溶接の打点数を削減することが考えられる。スポット溶接の打点数を削減することによって、燃料電池スタックの製造コストを低減することができる。例えば、単位セルが複数積層された積層体を箱状のケーシング内に収容する燃料電池スタックにおいては、一対の金属板におけるスポット溶接の打点数は、一対の金属板の引張せん断強度をスポット溶接一打点当たりの引張せん断強度で割り算して算出される。更に、安全率を見込んで、最終的に一対の金属板におけるスポット溶接の打点数が決められる。
【００８６】
図７は、特定の疲労繰り返し回数における１点スポット溶接の繰り返し振幅荷重Ｌａｌｔと、１点スポット溶接の平均荷重Ｌｍｅａｎから疲労限度の前記安全率を決定するグラフである。図６において、振幅荷重Ｌａｌｔ＝３７５０Ｎと平均荷重Ｌｍｅａｎ＝３７５０Ｎを結ぶ直線と、振幅荷重Ｌａｌｔ＝１７５０Ｎと平均荷重Ｌｍｅａｎ＝６２５０Ｎを結ぶ直線とで囲まれた範囲が安全領域となっている。
【００８７】
図７において、金属厚板であるヒンジ板１ｂａと金属薄板である側板１ｂを接合する場合に（図１参照）、従来のスポット溶接で安全領域に入るためには、２６打点必要であった。本発明のスポット溶接で安全領域に入るためには、２１打点でもよいことが確認できた。なお、図６において、従来のスポット溶接の打点数は×印で示し、本発明のスポット溶接の打点数は＊印で示している。
【００８８】
又、実部品（例えば、側板１ｂ、図１参照）を用いて、実荷重相当の繰り返し荷重を付与して繰り返し疲れ試験を行ない、その効果を調べた。図８は、このような繰り返し疲れ試験の方法を示している。図７において、板厚の薄い側板１ｂにおける１８点の溶接点ｓの近傍に一体一になるように歪ゲージｇを１８点貼り付けた。そして、側板１ｂの両端に１５ｋＮ〜２０ｋＮの引張せん断荷重を２００００回繰り返し、その歪量を測定した。
【００８９】
図９は、前記の測定条件で測定した結果を示した棒グラフであって、縦軸は歪量（με）を示し、横軸に測定点を示している。又、各測定点における左側の棒グラフは、引張せん断荷重を２００００回繰り返した時点の歪量を示し、各測定点における右側の棒グラフは、初回に引張せん断荷重を付与した時の歪量を示している。
【００９０】
図９の測定結果から、２１打点のスポット溶接点において、永久ひずみを生じるときの耐力は、０．２％を超える個所はなく、本発明のケーシングは、実用化において繰り返し荷重に耐えられる結果が得られた。
【００９１】
次に、従来のスポット溶接による散りの発生状態と、本発明のスポット溶接による散りの発生状態を比較してみた。図１０（Ａ）は、従来のスポット溶接による接合部の外観図であり、図１０（Ｂ）は、本発明のスポット溶接による接合部の外観図である。いずれの図も金属薄板を剥離している。図１０（Ａ）に示された従来のスポット溶接では、散りの発生が確認されたが、図１０（Ｂ）に示された本発明のスポット溶接では、散りの発生は確認されなかった。
【００９２】
一般に、スポット溶接が適切な溶接条件の場合、電極に挟まれた母材の接合部位が通電により抵抗発熱して溶融しナゲットを形成する。しかし、ナゲット形成時のバランスがくずれると、ナゲットを形成すべき溶融金属が接合部位から散逸し、散りが発生する。本発明によるスポット溶接は、接合強度が十分であることが確認されると共に、散りの発生が確認されなかったことから、溶接条件が適切であり、特に、電極の先端面の形状改良がスポット溶接の接合部の品質向上に寄与したと考えられる。
【００９３】
以上の試験は、実機と同じく、板厚が異なる一対の金属板を用いて、本発明によるスポット溶接が金属板同士の接合強度に寄与しているかを試験したものである。以上の試験では、溶融径の拡大に伴い、せん断強度が向上することが実証された。更に、板厚が同じである一対の試験片を用いて、本発明によるスポット溶接が金属板同士の疲労強度に寄与しているかを試験した。なお、以下の試験において、本発明による溶融ナゲット径と、従来技術による溶融ナゲット径とは、近似させるようにした。
【００９４】
図１１において、スポット溶接の加圧荷重と印加電流を変えて、本発明によるスポット溶接と従来技術によるスポット溶接のシートセパレーションの違いを調べた。図１１（Ａ１）〜図１１（Ａ３）は一対の試験片の各断面であり、従来技術による一対のスポット溶接用電極ｅ３・ｅ４（以下、電極ｅ３・ｅ４と略称する）により接合している。電極ｅ３・ｅ４の先端形状は、図１７（Ａ）に示されるように、試験片への当接径が６ｍｍのものを使用した。図１１（Ｂ１）〜図１１（Ｂ３）は一対の試験片の各断面であり、本発明による一対のスポット溶接用電極ｅ１・ｅ２（以下、電極ｅ１・ｅ２と略称する）により接合している。電極ｅ１・ｅ２の先端形状は、図１７（Ｂ）に示されるように、試験片への当接径が６ｍｍのものを使用した。なお、図１７において、一方の電極ｅ２・ｅ４の各外径Ｄｂ・Ｄａは、対向する他方の電極ｅ１・ｅ３の外径より若干小さくなっている。
【００９５】
図１１（Ａ１）と図１１（Ｂ１）は、加圧荷重＝２５０ｋｇ、印加電流を７．０ｋＡとしたときのシートセパレーションＴｓを対比している。図１１（Ａ２）と図１１（Ｂ２）は、加圧荷重＝３５０ｋｇ、印加電流を８．５ｋＡとしたときのシートセパレーションＴｓを対比している。図１１（Ａ３）と図１１（Ｂ３）は、加圧荷重＝４５０ｋｇ、印加電流を１０．０ｋＡとしたときのシートセパレーションＴｓを対比している。
【００９６】
図１２は、以上の溶接条件で通電時間が１４ｃｙｃｌｅ後のシートセパレーションＴｓを測定した結果である。図１２において、組になった棒グラフの内、左方の棒グラフは本発明による一対の電極ｅ１・ｅ２を用いた結果を示し、右方の棒グラフは従来技術による一対の電極ｅ３・ｅ４を用いた結果を示している。
【００９７】
図１２によれば、加圧荷重と印加電流を大きくすると、シートセパレーションＴｓがいずれも大きくなっていることが解かる。又、電極ｅ１・ｅ２を用いたシートセパレーションＴｓは、溶接条件に係らず、電極ｅ３・ｅ４を用いたシートセパレーションＴｓの半値以下になっていることが解かる。前述のとおり、凹面側のスポット溶接用電極に配置される金属板が、凹字状に変形することにより、ナゲット拡大に伴うシートセパレーションが抑制されると考えられる。
【００９８】
次に、スポット溶接部の静的引張試験の結果を説明する。試験片としては、スポット溶接部の強度評価によく用いられる一対の引張せん断試験片ＴＳ１・ＴＳ２を使用した（図１３参照）。引張せん断試験片ＴＳ１・ＴＳ２の材料は、５９０Ｎ高張力鋼板であり、板厚を１．６ｍｍとした。各引張せん断試験片ＴＳ１・ＴＳ２の長さＬ２×幅Ｗは、１２５ｍｍ×４０ｍｍとし、溶融ナゲットｎの中心から各引張せん断試験片ＴＳ１・ＴＳ２の縁までの距離Ｌ２を１０５ｍｍとした（図１３参照）。
【００９９】
静的引張試験には、図１４に示されるような一般的な引張試験機を用いた。溶融ナゲットｎの中心からチャッキング端までの各引張せん断試験片ＴＳ１・ＴＳ２の長さＬ１・Ｌ２を５０ｍｍとした（図１４参照）。
【０１００】
又、図１５（Ａ）において、一対の引張せん断試験片ＴＳ１・ＴＳ２に生成された溶融ナゲットｎの直径Ａは６．２４ｍｍであり、シートセパレーションＴａは０．１２３ｍｍである。図１５（Ｂ）において、一対の引張せん断試験片ＴＳ１・ＴＳ２に生成された溶融ナゲットｎの直径Ａは６．５１ｍｍであり、シートセパレーションＴａは０．０７５ｍｍである。スポット溶接部の静的引張試験においては、従来技術のスポット溶接と本発明のスポット溶接でのせん断強度を比較するにあたり、溶融ナゲット径が近似したものを用いた。
【０１０１】
図１６に示されるように、歪ゲージｇは、一対の引張せん断試験片ＴＳ１・ＴＳ２の各表面に貼り付けた。各歪ゲージｇは、溶融ナゲットｎの縁から約１ｍｍ離れた位置に取り付けた。一対の引張せん断試験片ＴＳ１・ＴＳ２には、図中矢印の方向に引張力Ｐが作用する（図１６参照）。各歪ゲージｇは、引張方向の歪量を測定する。図１５に示された溶融ナゲットｎは、図１７で示される各一対の電極ｅ１・ｅ２及びｅ３・ｅ４で生成されている。
【０１０２】
図１３から図１７に示された試験条件及び試験方法により、静的引張試験を行った結果が、図１８及び図１９に示されている。図１８及び図１９おいて、点線で示された引張荷重−歪曲線は、引張せん断試験片ＴＳ１側の変形を示し、実線で示された引張荷重−歪曲線は、引張せん断試験片ＴＳ２側の変形を示している（図１６参照）。
【０１０３】
図１８（Ａ）と図１８（Ｂ）を比較すると、破断（せん断）に至るまでの降伏における残留伸び量は、図１８（Ｂ）に示された本発明によるスポット溶接の方が大きいことが解かる。本発明によるスポット溶接は、塑性域が大きく塑性変形に耐えることができる。
【０１０４】
図１９（Ａ）と図１９（Ｂ）を比較すると、弾性域における歪量は、図１９（Ａ）に示された従来のスポット溶接の方が大きいことが解かる。そして、図１９に示された弾性域における歪量の違いは、シートセパレーションの差に起因していると考えられる。
【０１０５】
図２０において、溶融ナゲットｎと各引張せん断試験片ＴＳ１・ＴＳ２の接合部に働くせん断力Ｆは、一対の引張せん断試験片ＴＳ１・ＴＳ２間にシートセパレーションＴｓが介在しているので、溶融ナゲットｎを固定支持端とした曲げモーメントＭに変化する。この曲げモーメントＭの大きさは、シートセパレーションＴｓの大きさに比例すると考えられ、一対の引張せん断試験片ＴＳ１・ＴＳ２の各表面（歪ゲージｇの貼付け面）では、弾性域内では圧縮応力として作用する。そして、この圧縮応力の差が引張せん断試験片ＴＳ１・ＴＳ２の各表面での歪量の差となったと考えられる。このようなメカニズムから、シートセパレーションを少なくする本発明によるスポット溶接は、静的引張試験において、弾性域における歪量を少なくでき、せん断に至るまでの疲労強度を向上できる。
【０１０６】
次に、スポット溶接部のせん断疲れ試験の結果を説明する。試験片としては、一対の引張せん断試験片ＴＳ１・ＴＳ２（図１３参照）と、一対の引張はく離試験片ＣＴ１・ＣＴ２（図２１参照）を使用した。引張せん断試験片ＴＳ１・ＴＳ２の材料は、５９０Ｎ高張力鋼板であり、板厚を１．６ｍｍとした。せん断疲れ試験に使用された各引張せん断試験片ＴＳ１・ＴＳ２の長さＬ２×幅Ｗは、１５０ｍｍ×４０ｍｍとし、溶融ナゲットｎの中心から各引張せん断試験片ＴＳ１・ＴＳ２の縁までの距離Ｌ２を１３０ｍｍとした（図１３参照）。
【０１０７】
引張せん断試験片ＴＳ１・ＴＳ２を用いたせん断疲れ試験には、図１４に示されるような一般的な引張試験機を用いた。溶融ナゲットｎの中心からチャッキング端までの各引張せん断試験片ＴＳ１・ＴＳ２の長さＬ１・Ｌ２を７０ｍｍとした（図１４参照）。図１４に示された引張試験機を用いて、一対の引張せん断試験片ＴＳ１・ＴＳ２に異なる繰返し荷重を付与した。なお、引張試験機の繰り返し周期は２０Ｈｚとした。
【０１０８】
せん断疲れ試験には、従来のスポット溶接として、一対の引張せん断試験片ＴＳ１・ＴＳ２に生成された溶融ナゲットｎの直径Ａ＝６．２４ｍｍ、シートセパレーションＴａ＝０．１２３ｍｍであるものをサンプルとし（図１５（Ａ）参照）、本発明のスポット溶接として、一対の引張せん断試験片ＴＳ１・ＴＳ２に生成された溶融ナゲットｎの直径Ａ＝６．５１ｍｍ、シートセパレーションＴｂ＝０．０７５ｍｍであるものをサンプルとした（図１５（Ｂ）参照）。なお、従来のスポット溶接と本発明のスポット溶接の各電極先端形状は、静的引張試験で用いられたものを使用した（図１７参照）。
【０１０９】
一対の引張せん断試験片ＴＳ１・ＴＳ２を用いて、異なる繰返し荷重を付与して、破断に至るまでの繰返し数を求め、従来のスポット溶接と本発明のスポット溶接とのせん断疲労強度を比較した。次の表１は、その結果を示している。
【０１１０】
【表１】
0004795016.tif 000002
【０１１１】
図２１において、一対の引張はく離試験片ＣＴ１・ＣＴ２の材料は、５９０Ｎ高張力鋼板であり、板厚を１．６ｍｍとした。せん断疲れ試験に使用された各引張はく離試験片ＣＴ１・ＣＴ２の長さＬ２×幅Ｗは、１５０ｍｍ×５０ｍｍとし、溶融ナゲットｎの中心から、十字に交差する各引張はく離試験片ＣＴ１・ＣＴ２の縁までの距離Ｌ１を７５ｍｍとした。各引張はく離試験片ＣＴ１・ＣＴ２の端部には、図２２に示される、疲労試験機に取り付けられるためのねじ穴が設けられている。
【０１１２】
引張はく離試験片ＣＴ１・ＣＴ２を用いたせん断疲れ試験には、図２２に示されるような疲労試験機を用いた。図２２に示された疲労試験機を用いて、一対の引張はく離試験片ＣＴ１・ＣＴ２に異なる繰返し荷重を付与した。なお、疲労試験機の繰り返し周期は１０Ｈｚとした。
【０１１３】
又、引張はく離試験片ＣＴ１・ＣＴ２に生成される溶融ナゲットｎの直径及びシートセパレーションは、引張せん断試験片ＴＳ１・ＴＳ２と同じものとした（図１５参照）。更に、対比される一対のスポット溶接用電極の先端形状は、既に述べた形状と同じものである（図１７参照）。
【０１１４】
一対の引張はく離試験片ＣＴ１・ＣＴ２を用いて、異なる繰返し荷重を付与して、破断に至るまでの繰返し数を求め、従来のスポット溶接と本発明のスポット溶接とのはく離疲労強度を比較した。次の表２は、その結果を示している。
【０１１５】
【表２】
0004795016.tif 000003
【０１１６】
図２３に示されたＬＮ線図は、表１及び表２に示されたデータをプロットしたものである。ここで、ＬＮ線図とは、縦軸に繰返し荷重の内の最高荷重を取り、横軸に応力繰返し数を対数目盛りで取って、疲れ破壊に至る繰返し数を示したグラフである。図２３（Ａ）は、表１に示された、せん断疲労強度のグラフを示し、図２３（Ｂ）は、表２に示された、はく離疲労強度のグラフを示している。又、図２３において、丸形のプロットは従来のスポット溶接によるデータを示し、菱形のプロットは本発明のスポット溶接によるデータを示している。
【０１１７】
表１及び表２に示されたデータや図２３に示されたＬＮ線図から考察すると、せん断疲労強度における従来のスポット溶接との比較において、本発明のスポット溶接は約５倍の疲れ強度が得られた。しかし、はく離疲労強度における従来のスポット溶接との比較において、差異のないものとなった。
【０１１８】
次に、せん断疲れ試験中におけるスポット溶接部の歪量を測定した結果を説明する。試験片としては、一対の引張せん断試験片ＴＳ１・ＴＳ２を用いた（図１３参照）。引張せん断試験片ＴＳ１・ＴＳ２の材料は、５９０Ｎ高張力鋼板であり、板厚を１．６ｍｍとした。せん断疲れ試験に使用された各引張せん断試験片ＴＳ１・ＴＳ２の長さＬ２×幅Ｗは、１５０ｍｍ×４０ｍｍとし、溶融ナゲットｎの中心から各引張せん断試験片ＴＳ１・ＴＳ２の縁までの距離Ｌ２を１３０ｍｍとした（図１３参照）。
【０１１９】
引張せん断試験片ＴＳ１・ＴＳ２を用いたせん断疲れ試験には、図１４に示されるような一般的な引張試験機を用いた。溶融ナゲットｎの中心からチャッキング端までの各引張せん断試験片ＴＳ１・ＴＳ２の長さＬ１・Ｌ２を７０ｍｍとした（図１４参照）。図１４に示された引張試験機を用いて、一対の引張せん断試験片ＴＳ１・ＴＳ２に異なる繰返し荷重を付与した。なお、引張試験機の繰り返し周期は１０Ｈｚとした。
【０１２０】
せん断疲れ試験には、従来のスポット溶接として、一対の引張せん断試験片ＴＳ１・ＴＳ２に生成された溶融ナゲットｎの直径Ａ＝６．２４ｍｍ、シートセパレーションＴａ＝０．１２３ｍｍであるものをサンプルとし（図１５（Ａ）参照）、本発明のスポット溶接として、一対の引張せん断試験片ＴＳ１・ＴＳ２に生成された溶融ナゲットｎの直径Ａ＝６．５１ｍｍ、シートセパレーションＴｂ＝０．０７５ｍｍであるものをサンプルとした（図１５（Ｂ）参照）。更に、対比される一対のスポット溶接用電極の先端形状は、既に述べた形状と同じものである（図１７参照）。
【０１２１】
図２４に示されるように、第１の歪ゲージｇ１を一対の引張せん断試験片ＴＳ１・ＴＳ２の各表面に貼り付けた。各第１の歪ゲージｇ１は、溶融ナゲットｎの縁から約１ｍｍ離れた位置に取り付けた。一対の引張せん断試験片ＴＳ１・ＴＳ２には、図中矢印の方向に引張繰返し荷重Ｑが作用する（図２４参照）。各第１の歪ゲージｇ１は、引張繰返し荷重Ｑが作用する方向と平行する方向Ｌの歪量を測定する。更に、各第１の歪ゲージｇ１に対して、十字に交差するように、一対の第２の歪ゲージｇ２を各表面に貼り付けた。各第２の歪ゲージｇ２は、引張繰返し荷重Ｑが作用する方向と平行する方向Ｌと直交する方向Ｃの歪量を測定する。
【０１２２】
一対の引張せん断試験片ＴＳ１・ＴＳ２を用いて、異なる繰返し荷重を付与して、繰返し荷重を付与している間の方向Ｌと方向Ｃの歪量を測定し、従来のスポット溶接と本発明のスポット溶接と繰返し荷重の歪量を比較した。次の表３は、その結果を示している。なお、表３に示された繰返し荷重時の歪量とは、最高荷重時の歪値と最低荷重時の歪値との差となる絶対値であり、振幅する繰返し荷重時の前記絶対値の平均値となっている。
【０１２３】
【表３】
0004795016.tif 000004
【０１２４】
図２５は、表３で得られたデータを基に、引張繰返し荷重Ｑが作用する方向と平行する方向Ｌ（図２４参照）の歪量をプロットしたグラフである。図２５の縦軸は、歪量（με）を示し、横軸は繰り返し荷重の最高荷重（ｋＮ）を示している。図２６は、表３で得られたデータを基に、引張繰返し荷重Ｑが作用する方向と直交する方向Ｃ（図２４参照）の歪量をプロットしたグラフである。図２６の縦軸は、歪量（με）を示し、横軸は繰り返し荷重の最高荷重（ｋＮ）を示している。
【０１２５】
又、図２５及び図２６において、塗り潰された丸形のプロットは、従来のスポット溶接による引張せん断試験片ＴＳ２側の歪量を示し、中抜きの丸形のプロットは、従来のスポット溶接による引張せん断試験片ＴＳ１側の歪量を示している。塗り潰された四角形のプロットは、本発明のスポット溶接による引張せん断試験片ＴＳ２側の歪量を示し、中抜きの四角形のプロットは、本発明のスポット溶接による引張せん断試験片ＴＳ１側の歪量を示している。
【０１２６】
図２５及び図２６に示されるように、従来のスポット溶接は、本発明のスポット溶接に比べ、歪量も大きく、引張せん断試験片ＴＳ１側と引張せん断試験片ＴＳ２側との歪量の差（図中ＤＩＦ）も大きいものとなっている。
【０１２７】
図２７は、従来のスポット溶接による一対の引張せん断試験片ＴＳ１・ＴＳ２（図１３参照）に発生する、振幅する歪波形を示している。図２７の（Ａ）、（Ｃ）、（Ｅ）は、引張せん断試験片ＴＳ１側の歪波形を示し、図２７の（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）は、引張せん断試験片ＴＳ２側の歪波形を示している。又、図２７の（Ａ）と（Ｂ）は繰返し荷重が０.３〜３.０の場合の歪波形を示し、図２７の（Ｃ）と（Ｄ）は繰返し荷重が０.４〜４.０の場合の歪波形を示し、図２７の（Ｅ）と（Ｆ）は繰返し荷重が０.４〜４.０の場合の歪波形を示している（表３参照）。図２７において、上段の歪波形は、方向Ｌの歪量を測定する第１の歪ゲージｇ１による測定波形であり、下段の歪波形は、方向Ｃの歪量を測定する第２の歪ゲージｇ２による測定波形である（図２４参照）。
【０１２８】
図２８は、本発明のスポット溶接による一対の引張せん断試験片ＴＳ１・ＴＳ２（図１３参照）に発生する、振幅する歪波形を示している。図２８の（Ａ）、（Ｃ）、（Ｅ）は、引張せん断試験片ＴＳ１側の歪波形を示し、図２８の（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）は、引張せん断試験片ＴＳ２側の歪波形を示している。又、図２８の（Ａ）と（Ｂ）は繰返し荷重が０.３〜３.０の場合の歪波形を示し、図２８の（Ｃ）と（Ｄ）は繰返し荷重が０.４〜４.０の場合の歪波形を示し、図２８の（Ｅ）と（Ｆ）は繰返し荷重が０.４〜４.０の場合の歪波形を示している（表３参照）。図２８において、上段の歪波形は、方向Ｌの歪量を測定する第１の歪ゲージｇ１による測定波形であり、下段の歪波形は、方向Ｃの歪量を測定する第２の歪ゲージｇ２による測定波形である（図２４参照）。
【０１２９】
表３及び図２５から図２８に示された試験結果は、シートセパレーションの差異によるものと考えられる。セパレーションを大きくする従来のスポット溶接では、引張り荷重が作用したときに、曲げモーメントが大きく、溶融ナゲット近傍の歪量が大きくなる。又、スポット溶接される金属板同士の歪量の差も大きく、一方の金属板に歪みが偏る傾向となるため、せん断応力による疲労特性が悪くなると考えられる。一方、本発明のスポット溶接は、曲げモーメントが小さいのでスポット溶接される金属板同士の歪量の差も小さく、又、金属板同士の歪量の偏りが小さいため、せん断応力による疲労特性が良くなると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【０１３０】
【図１】本発明による燃料電池スタックの一実施形態を示す斜視分解組立図である。
【図２】前記実施形態による燃料電池スタックの斜視外観図である。
【図３】前記実施形態による燃料電池スタックに備わる金属板同士をスポット溶接する配置図である。
【図４】本発明に係わる板厚が同じである一対の試験片の断面図である。
【図５】本発明によるスポット溶接の試験片の断面図である。
【図６】板厚が異なる一対の試験片を用いて、従来のスポット溶接と本発明のスポット溶接の疲れ破壊を比較したグラフである。
【図７】実機を用いて、従来のスポット溶接による疲労限度と本発明のスポット溶接による疲労限度を比較したグラフである。
【図８】実機を用いて、本発明のスポット溶接による金属板の歪を測定する方法を表した図である。
【図９】実機を用いて、従来のスポット溶接による疲労限度と本発明のスポット溶接による疲労限度を比較したグラフである。
【図１０】従来のスポット溶接による散りの発生状態と本発明のスポット溶接による散りの発生状態を疲労破壊テスト品で比較した図である。
【図１１】本発明によりスポット溶接した一対の試験片のシートセパレーションと、従来技術によりスポット溶接した一対の試験片のシートセパレーションと、を対比した縦断面図である。
【図１２】図１１の対比試験で得られた結果を示す棒グラフである。
【図１３】本発明に係わる一対の引張せん断試験片を示す外観図である。
【図１４】前記一対の引張せん断試験片を試験する引張試験機の正面図である。
【図１５】板厚が同じである前記一対の引張せん断試験片の断面図である。
【図１６】前記一対の引張せん断試験片に貼付けられる歪ゲージの位置と歪方向を示した図である。
【図１７】本発明による一対のスポット溶接用電極の先端形状と、従来技術による一対のスポット溶接用電極の先端形状と、を対比した縦断面図である。
【図１８】図１４に示された引張試験機を用いて、静的引張試験を行った結果を示すグラフである。
【図１９】図１４に示された引張試験機を用いて、静的引張試験を行った結果を示すグラフである。
【図２０】本発明のスポット溶接に係わる前記一対の引張せん断試験片の断面図である。
【図２１】本発明に係わる一対の引張はく離試験片を示す外観図である。
【図２２】前記一対の引張はく離試験片を試験する引張試験機の正面図である。
【図２３】前記一対の引張せん断試験片、又は前記一対の引張はく離試験片を用いて、従来のスポット溶接によるせん断疲労強度のデータと、本発明のスポット溶接によるせん断疲労強度のデータと、をプロットしたグラフである。
【図２４】前記一対の引張せん断試験片に貼付けられ、直交する２方向の歪量が測定される一対の歪ゲージの位置と歪方向を示した図である。
【図２５】図２４に示された試験方法による引張方向の歪み量と、繰り返し荷重とをプロットしたグラフである。
【図２６】図２４に示された試験方法による引張方向に直交する方向の歪み量と、繰り返し荷重とをプロットしたグラフである。
【図２７】従来のスポット溶接による一対の引張せん断試験片を用いて、図２４に示された試験方法による直交する２方向の歪波形が測定されたグラフ群である。
【図２８】本発明のスポット溶接による一対の引張せん断試験片を用いて、図２４に示された試験方法による直交する２方向の歪波形が測定されたグラフ群である。
【図２９】従来技術による燃料電池スタックの斜視分解組立図である。
【符号の説明】
【０１３１】
１ａ・１ｃ  側板（一方の一対の金属板）
１ｂ・１ｄ  側板（他方の一対の金属板）
１ａａ・１ａｂ・１ｂａ・１ｂｃ・１ｃａ・１ｃｃ・１ｄａ・１ｄｃ  ヒンジ板
１０  燃料電池スタック
１１  ケーシング
１２  単位セル
１４  積層体
２０ａ・２０ｂ  エンドプレート（一対の端板）
３０  電解質膜・電極構造体
３２・３４  金属セパレータ
５１  凹面
５２  凸面
６４ａ・６４ｂ  連結ピン
ｅ１・ｅ２  電極（一対のスポット溶接用電極）
【図１】
0004795016.tif 000005
【図２】
0004795016.tif 000006
【図３】
0004795016.tif 000007
【図４】
0004795016.tif 000008
【図５】
0004795016.tif 000009
【図６】
0004795016.tif 000010
【図７】
0004795016.tif 000011
【図８】
0004795016.tif 000012
【図９】
0004795016.tif 000013
【図１０】
0004795016.tif 000014
【図１１】
0004795016.tif 000015
【図１２】
0004795016.tif 000016
【図１３】
0004795016.tif 000017
【図１４】
0004795016.tif 000018
【図１５】
0004795016.tif 000019
【図１６】
0004795016.tif 000020
【図１７】
0004795016.tif 000021
【図１８】
0004795016.tif 000022
【図１９】
0004795016.tif 000023
【図２０】
0004795016.tif 000024
【図２１】
0004795016.tif 000025
【図２２】
0004795016.tif 000026
【図２３】
0004795016.tif 000027
【図２４】
0004795016.tif 000028
【図２５】
0004795016.tif 000029
【図２６】
0004795016.tif 000030
【図２７】
0004795016.tif 000031
【図２８】
0004795016.tif 000032
【図２９】
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