JP6844337B2

JP6844337B2 - メタルセパレータの反り矯正装置

Info

Publication number: JP6844337B2
Application number: JP2017045848A
Authority: JP
Inventors: 野畑　安浩; 安浩野畑
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-03-10
Filing date: 2017-03-10
Publication date: 2021-03-17
Anticipated expiration: 2037-03-10
Also published as: JP2018149551A

Description

本開示は、メタルセパレータの反り矯正装置に関する。

従来、超音波振動を加えることにより部材中の残留応力を除去する技術が知られている（例えば、特許文献１）。部材中の残留応力を除去することによって、部材の変形を抑制できる。

特開平４−０１８３０６号公報

しかし、従来技術では、既に部材が変形していた場合には、変形を矯正することができなかった。そこで、変形している部材を矯正できる技術が望まれている。

本開示は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
形態１：形態１によれば、一端部と他端部に反りを有するメタルセパレータの反り矯正装置が提供される。この反り矯正装置は、前記メタルセパレータに超音波振動を生じさせる超音波発生器と、前記超音波発生器によって超音波振動する反射板と、前記メタルセパレータが設置される際に、前記メタルセパレータの少なくとも前記一端部と前記他端部とを挟んで前記反射板と対向する押え板と、を備え、前記超音波発生器は、前記押え板と前記反射板との間に形成された前記反りを矯正する前の状態における前記メタルセパレータの厚み以上の隙間に前記メタルセパレータを配置した状態であって前記隙間が維持された状態で、前記押え板と前記反射板とを超音波振動させる。この形態によれば、一端部と他端部に反りを有するメタルセパレータに超音波を付与しメタルセパレータの残留応力を低減するとともに、メタルセパレータの一端部と他端部とを押え板と反射板とによって打撃することができる。したがって、既に変形（反り）しているメタルセパレータの変形を矯正することができる。また、この形態の反り矯正装置によれば、超音波発生器は、押え板と反射板との間に形成されたメタルセパレータの厚み以上の隙間にメタルセパレータを配置した状態で、押え板と反射板とを超音波振動させる。これにより、メタルセパレータが押え板と反射板とによって強く挟まれることを抑制できる。したがって、押え板と反射板とによってメタルセパレータに加えられる挟む力に起因してメタルセパレータが変形することを抑制できる。

本開示の一形態によれば、一端部と他端部に反りを有するメタルセパレータの反り矯正装置が提供される。この反り矯正装置は、前記メタルセパレータに超音波振動を生じさせる超音波発生器と、前記超音波発生器によって超音波振動する反射板と、前記メタルセパレータが設置される際に、前記メタルセパレータの少なくとも前記一端部と前記他端部とを挟んで前記反射板と対向する押え板と、を備える。前記超音波発生器は、前記押え板と前記反射板との間に形成された前記メタルセパレータの厚み以上の隙間に前記メタルセパレータを配置した状態で、前記押え板と前記反射板とを超音波振動させる。
この形態の反り矯正装置によれば、一端部と他端部に反りを有するメタルセパレータに超音波を付与しメタルセパレータの残留応力を低減するとともに、メタルセパレータの一端部と他端部とを押え板と反射板とによって打撃することができる。したがって、既に変形（反り）しているメタルセパレータの変形を矯正することができる。また、この形態の反り矯正装置によれば、超音波発生器は、押え板と反射板との間に形成されたメタルセパレータの厚み以上の隙間にメタルセパレータを配置した状態で、押え板と反射板とを超音波振動させる。これにより、メタルセパレータが押え板と反射板とによって強く挟まれることを抑制できる。したがって、押え板と反射板とによってメタルセパレータに加えられる挟む力に起因してメタルセパレータが変形することを抑制できる。

なお、本開示は、上記のメタルセパレータの矯正装置以外の種々の形態で実現することが可能であり、例えば、メタルセパレータの反り矯正方法やメタルセパレータの製造方法等の形態で実現することができる。

実施形態に係る反り矯正装置の模式図。メタルセパレータの模式図。メタルセパレータの反り矯正を説明するための図。

Ａ．実施形態
図１は、実施形態に係る反り矯正装置１００の模式図である。反り矯正装置１００は、一対の超音波付与機構１０ａ、１０ｂと、設置台２５上に配置された反射板２０と、制御部３０と、を備える。反り矯正装置１００は、一端部２０２と他端部２０４に反りを有するメタルセパレータ２００の反りを矯正する。一端部２０２と他端部２０４は、メタルセパレータ２００の長手方向において、流路ＳＰ（後述する図２）を挟む位置である。制御部３０は、反り矯正装置１００の各部（例えば、駆動部１３ａ、１３ｂと超音波発生器１２ａ、１２ｂ）を制御する。

超音波付与機構１０ａ、１０ｂは、押え板１１ａ、１１ｂと、超音波発生器１２ａ、１２ｂと、駆動部１３ａ、１３ｂと、を有する。超音波付与機構１０ａ、１０ｂは、反射板２０と、メタルセパレータ２００と、に超音波を付与する。

超音波発生器１２ａ、１２ｂは、超音波振動子（図示しない）を有し、押え板１１ａ、１１ｂと、反射板２０と、メタルセパレータ２００と、に超音波を付与する。これにより、押え板１１ａ、１１ｂと、反射板２０と、メタルセパレータ２００と、が超音波振動する。超音波発生器１２ａ、１２ｂは、押え板１１ａ、１１ｂと駆動部１３ａ、１３ｂとの間に配置されている。超音波発生器１２ａ、１２ｂが付与する超音波の波長は、メタルセパレータ２００の残留応力を低減できる波長に設定される。超音波の波長は、具体的には、１０キロヘルツから５０キロヘルツの範囲に含まれる波長であることが好ましく、１５キロヘルツから３０キロヘルツの範囲に含まれる波長であることがさらに好ましい。また、超音波発生器１２ａ、１２ｂの出力は、メタルセパレータ２００の反りの矯正が可能な出力であり、かつ、メタルセパレータ２００の流路ＳＰ（後述する図２）やシール部材を設置するための溝部ＳＬ（後述する図２）が損傷する出力より小さい出力になるように調整されている。

押え板１１ａ、１１ｂは、反り矯正装置１００にメタルセパレータ２００が設置された際に、メタルセパレータ２００の一端部２０２と他端部２０４とを挟んで反射板２０と対向するように配置されている。押え板１１ａ、１１ｂは、剛性を有する板状部材（例えば、ステンレス鋼等の金属板）であり、超音波発生器１２ａ、１２ｂから超音波が付与されることによって、超音波振動する。本実施形態では、押え板１１ａ、１１ｂのメタルセパレータ２００に対向する側の面は水平となっているが、形状はこれに限定されるものではない。例えば、押え板１１ａ、１１ｂは、メタルセパレータ２００の反りとは反対の側に反った形状を有していてもよい。

駆動部１３ａ、１３ｂは、超音波発生器１２ａ、１２ｂを介して押え板１１ａ、１１ｂに接続され、モータ等の駆動力（図示しない）によって駆動する。駆動部１３ａ、１３ｂは、押え板１１ａ、１１ｂと反射板２０とが対向する方向ＶＤに押え板１１ａ、１１ｂを移動させることによって、押え板１１ａ、１１ｂと反射板２０との距離を調整する。押え板１１ａ、１１ｂと反射板２０との距離は、隙間Ｇａを形成するように調整される。隙間Ｇａの大きさは、反りを矯正する前の状態におけるメタルセパレータ２００の厚みＴｈ以上であり、超音波振動がメタルセパレータ２００へ効率よく伝わる程度の大きさに設定されている。厚みＴｈは、反射板２０上に設置された際の、メタルセパレータ２００の上端部から反射板２０までの距離である。隙間Ｇａの大きさは、具体的には、厚みＴｈの１倍以上１．５倍未満の大きさであることが好ましい。隙間Ｇａの大きさは、目視もしくはセンサの検出信号に基づいてメタルセパレータ２００ごとに設定してもよく、制御部３０に予め記憶された大きさであってもよい。隙間Ｇａの大きさは、反り矯正装置１００によるメタルセパレータ２００の反りの矯正が開始されてから終了されるまで間、一定の大きさに維持される。

反射板２０は、メタルセパレータ２００よりも大きい剛性を有する板状部材（例えば、ステンレス鋼等の金属板）である。反射板２０は、超音波発生器１２ａ、１２ｂから超音波が付与されることによって超音波振動する。反射板２０は、メタルセパレータ２００が設置される側の面が水平となっているが、形状はこれに限定されるものではない。例えば、反射板２０は、メタルセパレータ２００の反りとは反対の側に反った形状を有していてもよい。

メタルセパレータ２００が反射板２０上に設置される際には、反射板２０と押え板１１ａ、１１ｂとの距離は隙間Ｇａより大きい状態となっている。メタルセパレータ２００が反射板２０上に設置された後に、押え板１１ａ、１１ｂは、隙間Ｇａが形成される位置まで駆動部１３ａ、１３ｂによって移動される。隙間Ｇａが形成された後に、超音波発生器１２ａ、１２ｂは、押え板１１ａ、１１ｂに超音波を付与する。つまり、超音波発生器１２ａ、１２ｂは、隙間Ｇａにメタルセパレータ２００を配置した状態で、押え板１１ａ、１１ｂと反射板２０とを超音波振動させる。これにより、メタルセパレータ２００の反りの矯正が開始される。

図２は、メタルセパレータ２００の模式図である。メタルセパレータ２００は、マニホールド形成部Ｍ１〜Ｍ６と、凹凸状の流路ＳＰと、溝部ＳＬと、を有する。マニホールド形成部Ｍ１〜Ｍ６は、メタルセパレータ２００の長手方向の両端部２０２、２０４側に形成されている。流路ＳＰは、メタルセパレータ２００の中央部に形成されている。流路ＳＰは、例えば、燃料ガスや酸化ガスを流通させるため流路である。溝部ＳＬは、シール部材を設置するための溝であり、流路ＳＰ及びマニホールド形成部Ｍ１〜Ｍ６の周囲に形成されている。図３において破線Ａ１、Ａ２によって囲まれた領域は、メタルセパレータ２００が反り矯正装置１００に設置された際に、押え板１１ａ、１１ｂが位置する場所である。メタルセパレータ２００は、例えば、燃料電池単セルの膜電極接合体を把持するセパレータや、燃料電池スタックのターミナルプレートにおける集電プレートを保護するためのセパレータである。

メタルセパレータ２００は、例えば、チタン鋼やステンレス鋼からなる薄板がプレス加工された部材である。メタルセパレータ２００は、プレス加工によって流路ＳＰや溝部ＳＬが形成された際に残留応力の不均衡が発生する。残留応力の不均衡が発生すると、メタルセパレータ２００の一端部２０２と他端部２０４とには、反りが発生する。

図３は、メタルセパレータ２００の反り矯正を説明するための図である。ここで、図３は、反り矯正装置１００における押え板１１ａの周辺の拡大図である。図３を用いてメタルセパレータ２００の反り矯正を説明すると共に、本実施形態の効果を説明する。

隙間Ｇａに配置されたメタルセパレータ２００は、反り矯正が開始されると反射板２０の超音波振動によって跳ね上げられ、押え板１１ａ、１１ｂと反射板２０とが対向する方向ＳＶに振動する。反射板２０によって跳ね上げられたメタルセパレータ２００は、一端部２０２と他端部２０４とが押え板１１ａ、１１ｂに衝突した後に、反射板２０へと落下する。反射板２０へと落下したメタルセパレータ２００は、反射板２０によって再び跳ね上げられる。したがって、メタルセパレータ２００は、押え板１１ａ、１１ｂと反射板２０とによって同時に打撃される。

メタルセパレータ２００に超音波が付与されることにより、メタルセパレータ２００の降伏応力が低下する。これにより、メタルセパレータ２００は、塑性変形が生じやすくなる。反り矯正装置１００（図１）は、超音波が付与さることで塑性変形が生じやすくなったメタルセパレータ２００を、押え板１１ａ、１１ｂと反射板２０とで打撃する。これにより、メタルセパレータの反りが低減される。

メタルセパレータ２００の一端部２０２と他端部２０４は、一対の超音波付与機構１０ａ、１０ｂと反射板２０とによって挟まれている。反り矯正装置１００は、メタルセパレータ２００の一端部２０２と他端部２０４とを同時に打撃するため、一方の端部（例えば、一端部２０２）の反りの矯正中に他方の端部（例えば、他端部２０４）を固定する必要がない。これにより、メタルセパレータ２００を反り矯正装置１００に取り付ける際の労力が低減される。また、メタルセパレータ２００が装置に固定される際に受ける外力によって損傷する可能性を低減できる。

メタルセパレータ２００は、超音波振動によって振動を繰り返す。メタルセパレータ２００は、振動の度に押え板１１ａ、１１ｂと反射板２０とに衝突するため１秒間に千回以上の衝撃を受ける。この衝撃によって、メタルセパレータ２００の残留応力が低減され、メタルセパレータ２００における残留応力の不均衡が低減される。したがって、反り矯正装置１００は、反りが矯正されたメタルセパレータ２００に反りが再び発生することを抑制できる。

以上のように、実施形態に係る反り矯正装置１００によれば、一端部２０２と他端部２０４にと反りを有するメタルセパレータ２００に超音波を付与するとともに、一端部２０２と他端部２０４とを同時に打撃することができる。したがって、既に変形（反り）しているメタルセパレータ２００を矯正することができる。

また、この反り矯正装置１００によれば、超音波発生器１２ａは、押え板１１ａ、１１ｂと反射板２０との間に形成されたメタルセパレータ２００の厚みＴｈ以上の隙間Ｇａにメタルセパレータ２００を配置した状態で、押え板１１ａ、１１ｂと反射板２０とを超音波振動させる。これにより、メタルセパレータ２００が押え板１１ａ、１１ｂと反射板２０とによって強く挟まれることを抑制できる。したがって、押え板１１ａ、１１ｂと反射板２０とによってメタルセパレータ２００に加えられる挟む力に起因してメタルセパレータ２００が変形することを抑制できる。また、挟む力に起因したメタルセパレータ２００の各構造（例えば、流路ＳＰ（図２）と溝部ＳＬ）の損傷を抑制できる。

本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施例中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０ａ、１０ｂ…超音波付与機構
１１ａ、１１ｂ…押え板
１２ａ、１２ｂ…超音波発生器
１３ａ、１３ｂ…駆動部
２０…反射板
２５…設置台
３０…制御部
１００…反り矯正装置
２００…メタルセパレータ
２０２…一端部
２０４…他端部
Ｇａ…隙間
Ｍ１〜Ｍ６…マニホールド形成部
ＳＬ…溝部
ＳＰ…流路

Claims

一端部と他端部に反りを有するメタルセパレータの反り矯正装置であって、
前記メタルセパレータに超音波振動を生じさせる超音波発生器と、
前記超音波発生器によって超音波振動する反射板と、
前記メタルセパレータが設置される際に、前記メタルセパレータの少なくとも前記一端部と前記他端部とを挟んで前記反射板と対向する押え板と、を備え、
前記超音波発生器は、前記押え板と前記反射板との間に形成された前記反りを矯正する前の状態における前記メタルセパレータの厚み以上の隙間に前記メタルセパレータを配置した状態であって前記隙間が維持された状態で、前記押え板と前記反射板とを超音波振動させる、
反り矯正装置。
請求項１に記載の反り矯正装置であって、
前記メタルセパレータは、ガスを流通させる流路部を有し、
前記一端部および前記他端部は、前記流路部を挟むように配置されており、
前記押え板は、前記メタルセパレータの前記流路部を挟んで前記反射板と対向することなく、前記一端部と前記他端部とを挟んで前記反射板と対向する、反り矯正装置。