JP6875212B2

JP6875212B2 - ターミナルプレートの製造方法

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Publication number: JP6875212B2
Application number: JP2017122714A
Authority: JP
Inventors: 知勇芳住; 宏弥中路; 健浅井; 督和鈴木
Original assignee: Aisin Takaoka Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Aisin Takaoka Co Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-06-23
Filing date: 2017-06-23
Publication date: 2021-05-19
Anticipated expiration: 2037-06-23
Also published as: DE102018114235A1; CN109108456A; US20180375111A1; JP2019008952A; US10886541B2

Description

本発明は、ターミナルプレートの製造方法に関する。

燃料電池に用いられる集電を行うターミナルプレートとして、例えば、特許文献１に記載されているように、摩擦攪拌接合（以下、ＦＳＷ（ＦｒｉｃｔｉｏｎＳｔｉｒＷｅｌｄｉｎｇ）ともいう）によって、導電性プレートに端子が接合されたものが知られている。ＦＳＷとは、ワークに回転するプローブを挿入する際に発生する摩擦熱を利用して、２つのワークを接合する手法である。

特開２００９−２１２０２９号公報

しかし、導電性プレートと端子とが異なる材料で形成されており、両者の線膨張差が大きい場合、導電性プレートと端子との接合後に、導電性プレートに反りが発生するおそれがある。そのため、導電性プレートに反りが発生することを抑制可能な技術が望まれていた。

本発明は、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。
本発明の第１の形態によれば、ターミナルプレートの製造方法が提供される。この製造方法において、前記ターミナルプレートは、導電性プレートと、前記導電性プレートに接合され前記導電性プレートとは異なる材料で形成された端子であって、前記導電性プレートに接合される端部と前記導電性プレートから突出する突出部とを備える端子と、を備え、前記突出部が前記導電性プレートの平面方向において前記導電性プレートから突出するように前記導電性プレートと前記端子の前記端部とを重ね合わせる重ね合わせ工程と、前記重ね合わせ工程の後、前記導電性プレートと前記端子との重ね合わせ面の一部を押さえる押さえ工程と、押さえられた前記重ね合わせ面の前記一部を除く領域の少なくとも一部である接合領域を、重ね合わせ方向において前記端子側から、摩擦攪拌接合装置を用いた摩擦攪拌接合により接合する接合工程と、を備え、前記接合領域の寸法は、前記摩擦攪拌接合装置のプローブおよびショルダーの直径よりも大きく、前記押さえ工程では、前記接合領域に対応する位置に開口部を有する治具を用いて前記重ね合わせ方向から押さえを行い、前記接合工程では、前記治具の前記開口部を通じて前記摩擦攪拌接合を行う。本発明は、以下の形態としても実現できる。

（１）本発明の一形態によれば、ターミナルプレートの製造方法が提供される。このターミナルプレートは、導電性プレートと、前記導電性プレートに接合され前記導電性プレートとは異なる材料で形成された端子と、を備える。前記ターミナルプレートの製造方法は、前記導電性プレートと前記端子の端部とを重ね合わせる重ね合わせ工程と；前記重ね合わせ工程の後、前記導電性プレートと前記端子との重ね合わせ面の一部を押さえる押さえ工程と；押さえられた前記重ね合わせ面の前記一部を除く領域の少なくとも一部を摩擦攪拌接合により接合する接合工程と、を備える。この形態のターミナルプレートの製造方法によれば、重ね合わせ面が押さえられた状態でＦＳＷがなされるため、導電性プレートと端子との線膨張差が大きい場合であっても、重ね合わせ面が変位することを抑制できる。そのため、導電性プレートに反りが発生することを抑制できる。

（２）上記形態のターミナルプレートの製造方法において、前記押さえ工程では、治具を用いて重ね合わせ方向から押さえてもよい。この形態のターミナルプレートの製造方法によれば、簡易な構成で押さえ工程を行う事ができる。

（３）上記形態のターミナルプレートの製造方法において、前記押さえ工程では、前記重ね合わせ面の内の離間した２つの位置を摩擦攪拌接合により予め接合することによって押さえてもよい。この形態のターミナルプレートの製造方法によれば、簡易な構成で押さえ工程を行う事ができる。また、導電性プレートに反りが発生することを効果的に抑制できる。

（４）上記形態のターミナルプレートの製造方法において、前記押さえ工程では、前記重ね合わせ面を２以上に分割した分割領域の内の少なくとも一つの分割領域の少なくとも一部を摩擦攪拌接合により予め接合することによって押さえてもよい。この形態のターミナルプレートの製造方法によれば、簡易な構成で押さえ工程を行う事ができる。また、一度のＦＳＷによって変形する領域を低減することが出来るため、導電性プレートに反りが発生することを効果的に抑制できる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、この形態の製造方法で製造されたターミナルプレートや、このターミナルプレートを備えた燃料電池や燃料電池システム等の形態で実現することができる。

燃料電池スタックの平面図である。燃料電池スタックの斜視図である。ターミナルプレートの概略構造の説明図である。ターミナルプレートの概略構造を示す側面図である。ターミナルプレートの概略構造の説明図である。ターミナルプレートの製造方法のフローチャートである。押さえ工程におけるターミナルプレートの平面図である。押さえ工程におけるターミナルプレートの側面図である。第２実施形態における押さえ工程を示す図である。第３実施形態における押さえ工程を示す図である。第４実施形態における押さえ工程を示す図である。

Ａ．第１実施形態：
図１、２は、本実施形態のターミナルプレートの製造方法によって製造される燃料電池用のターミナルプレート１００が用いられる燃料電池スタック２００の概略図である。図１は、燃料電池スタック２００の平面図であり、図２は、燃料電池スタック２００の斜視図である。燃料電池スタック２００は、固体高分子形の燃料電池である。燃料電池スタック２００は、燃料電池セル１１を複数積層した積層体１０と、一対のターミナルプレート１００、１５０と、一対の絶縁プレート２０、２５と、エンドプレート３０と、プレッシャープレート４０と、マニホールド５０と、を有する。

積層体１０の積層方向（ｚ軸方向）の両端には、ターミナルプレート１００、１５０が配置されている。また、積層体１０の積層方向の両端はエンドプレート３０とプレッシャープレート４０とで挟持されている。ターミナルプレート１００とエンドプレート３０との間、ターミナルプレート１５０とプレッシャープレート４０の間には、絶縁プレート２０、２５がそれぞれ配置される。ターミナルプレート１００、１５０、絶縁プレート２０、２５、エンドプレート３０および、プレッシャープレート４０は板状部材である。

ターミナルプレート１００、１５０は、積層体１０から電力を取り出すために用いられる部材である。ターミナルプレート１００は、導電性プレート１１０と、導電性プレート１１０に接合された端子１２０とを備えている。ターミナルプレート１００、１５０の詳細な構成については後述する。

絶縁プレート２０、２５は、積層体１０を他の部材（例えばエンドプレート３０や、燃料電池スタック２００が取り付けられる車両のボディ（図示せず））から絶縁する部材である。エンドプレート３０とプレッシャープレート４０は、積層体１０に所望の面圧が掛かるように、積層方向（ｚ軸方向）の両端から加圧するための部材である。絶縁プレート２０、２５、エンドプレート３０および、プレッシャープレート４０における積層体１０と接する面の外形は、積層体１０の面方向（積層方向に垂直な面の方向（ｘｙ方向））の外形とほぼ一致するように形成されている。

絶縁プレート２０の端子１２０に対応する部位には、端子１２０の形状に対応した切欠部２１が形成されている。ターミナルプレート１００に対して、絶縁プレート２０を積層した際に、端子１２０は切欠部２１内に配置される。

マニホールド５０は、各燃料電池セル１１、ターミナルプレート１００、絶縁プレート２０、エンドプレート３０にそれぞれ設けられた貫通孔が積層体１０の積層方向（ｚ軸方向）に重なることで形成される。マニホールド５０は、反応ガスまたは冷却水が流通する。

図３は、ターミナルプレート１００の概略構造の説明図である。本実施形態において、端子１２０は、その端部１２１が、導電性プレート１１０の積層体１０とは反対側（−ｚ軸方向側）の面の上部（＋ｙ軸方向側）周縁に重なるように接合されており、積層方向（ｚ軸方向）に垂直な平面方向（特に、本実施形態では、＋ｙ軸方向）に突出している。本実施形態では、端子１２０は、導電性プレート１１０から突出した部分の＋ｙ軸方向の先端部が、＋ｚ軸方向に折り曲げられている。端子１２０の導電性プレート１１０から突出した部分は、端部１２１よりも幅（ｘ軸方向の長さ）が小さい。導電性プレート１１０は、マニホールド５０を構成する貫通孔５１を備える。

導電性プレート１１０と端子１２０とは、それぞれ異なる材料によって構成されている。本実施形態において、導電性プレート１１０はチタンで形成されている。端子１２０はアルミニウムで形成されている。導電性プレート１１０として、その他、例えば、金メッキを施した銅等を用いることができる。また、端子１２０として、その他、例えば、銅や、銀メッキを施したアルミ等を用いることができる。導電性プレート１１０を形成するチタンの線膨張係数（８．９μｍ／ｍ・℃）と、端子１２０を形成するアルミニウムの線膨張係数（２３．５μｍ／ｍ・℃）とは、約３倍の差があるため、導電性プレート１１０と端子１２０との接合後に冷却した場合、導電性プレート１１０の面内に反りが発生するおそれがある。

図４は、ターミナルプレート１００の概略構造を示す側面図である。図４では、＋ｘ軸方向からターミナルプレート１００を見た状態を表している。図４に示す領域Ａ１は、導電性プレート１１０と端子１２０との重ね合わせ面である。本実施形態において「重ね合わせ面」とは導電性プレート１１０および端子１２０における、それぞれ導電性プレート１１０と端子１２０とが重なり合っている面である。

図５は、ターミナルプレート１５０の概略構造の説明図である。本実施形態において、ターミナルプレート１５０は、端子１２０が導電性プレート１１０に一体的に形成されており、端子１２０の＋ｙ軸方向の先端部が、−ｚ軸方向に折り曲げられている。ターミナルプレート１５０は、例えば、全体がアルミニウムで形成されている。また、ターミナルプレート１００は、貫通孔５１を備えるが、ターミナルプレート１５０は、貫通孔５１を有さない。なお、ターミナルプレート１５０は、ターミナルプレート１００と同様に、別体の端子が導電性プレート１１０に重なるように接合されていてもよい。

図６は、本実施形態のターミナルプレート１００の製造方法のフローチャートである。まず、重ね合わせ工程が行われる（ステップＳ１００）。この重ね合わせ工程では、導電性プレート１１０と端子１２０の端部１２１とを重ね合わせる。次に、押さえ工程が行われる（ステップＳ１１０）。この押さえ工程では、導電性プレート１１０と端子１２０との重ね合わせ面の一部を押さえる。本実施形態では、治具を用いて重ね合わせ面である領域Ａ１の一部を押さえる。

図７、８は、治具３００を用いる押さえ工程を示す図である。図７は押さえ工程におけるターミナルプレート１００の平面図であり、図８は、押さえ工程におけるターミナルプレート１００の側面図である。本実施形態において、治具３００は、凹部３１０を有する部材である。治具３００は、凹部３１０内に端子１２０が収まるように端子１２０の上に配置され、重ねあわせ面である領域Ａ１の外周部分である領域Ａ２を重ねあわせ方向から端子１２０を介して押さえる。本実施形態における「重ねあわせ方向」とは、導電性プレート１１０と端子１２０とを重ね合わせる方向である。

治具３００は、接合領域Ｂ１に対応する位置に開口部３２０を有する。本実施形態における「接合領域」とは、重ね合わせ面（領域Ａ１）における、押さえ工程によって押さえている重ね合わせ面の一部（領域Ａ２）を除く領域の少なくとも一部をいう。

本実施形態において、治具３００は、例えば、３００Ｎ程度の力で重ね合わせ面の一部（領域Ａ２）を端子１２０を介して押さえる。この圧力の大きさは、例えば、製造後のターミナルプレート１００の面内平面度が０．０５程度になる圧力を、予め実験的に求めることで定めることができる。

最後に、接合工程が行われる（図６、ステップＳ１２０）。この接合工程では、押さえ工程（ステップＳ１１０）によって押さえられた導電性プレート１１０と端子１２０との重ね合わせ面の一部である、接合領域Ｂ１（図７に示す）を摩擦攪拌接合（ＦＳＷ）により接合する。本実施形態において、ＦＳＷを行うＦＳＷ装置は、例えば、ショルダーが１０ｍｍ程度で、プローブは直径５ｍｍ程度である。なお、ショルダーやプローブの上記寸法に加え、プローブの回転数等は、ＦＳＷ装置の仕様やＦＳＷがなされる導電性プレート１１０や端子１２０を形成する金属部材の材質等に応じて、任意に調整可能である。

以上で説明した本実施形態のターミナルプレート１００の製造方法によれば、重ね合わせ面が押さえられた状態でＦＳＷがなされるため、導電性プレート１１０と端子１２０との線膨張差が大きい場合であっても、重ね合わせ面が変位することを抑制できる。そのため、導電性プレート１１０に反りが発生することを抑制できる。また、本実施形態では、治具３００を用いて押さえ工程を行うため、簡易な構成で押さえ工程を行う事ができる。

Ｂ．第２実施形態：
第２実施形態のターミナルプレートの製造方法によって製造されるターミナルプレートは、第１実施形態のターミナルプレートの製造方法にて製造されるターミナルプレート１００（図３）と同一の形状であるため、ターミナルプレートの構成の説明は省略する。また、第２実施形態のターミナルプレートの製造方法は、第１実施形態のターミナルプレートの製造方法と押さえ工程および接合工程が異なるもののその他の工程は同様であるため、押さえ工程および接合工程について説明し、その他の工程の説明は省略する。

図９は、第２実施形態における押さえ工程を示す図である。図９は、押さえ工程におけるターミナルプレート１００の平面図である。本実施形態において、押さえ工程では、重ね合わせ面（領域Ａ１）の内の離間した２つの位置をＦＳＷにより予め接合することによって導電性プレート１１０と端子１２０とを押さえる。より具体的には、図９に示すように、領域Ａ１の両端の領域Ａ３をＦＳＷにより予め接合することによって導電性プレート１１０と端子１２０とを押さえる。接合工程では、領域Ａ１における、領域Ａ３の間の領域の少なくとも一部である、接合領域Ｂ２をＦＳＷにより接合する。

以上で説明した本実施形態のターミナルプレート１００の製造方法によれば、重ね合わせ面の内の離間した２つの位置をＦＳＷにより予め接合することによって押さえ工程を行うため、簡易な構成で押さえ工程を行う事ができる。また、重ね合わせ面の内の離間した２つの位置をＦＳＷにより予め接合するので、導電性プレート１１０に反りが発生することを効果的に抑制できる。

Ｃ．第３実施形態：
第３実施形態のターミナルプレートの製造方法によって製造されるターミナルプレートは、第１実施形態のターミナルプレートの製造方法にて製造されるターミナルプレート１００（図３）と同一の形状であるため、ターミナルプレートの構成の説明は省略する。また、第３実施形態のターミナルプレートの製造方法は、第１実施形態のターミナルプレートの製造方法と押さえ工程および接合工程が異なるもののその他の工程は同様であるため、押さえ工程および接合工程について説明し、その他の工程の説明は省略する。

図１０は、第３実施形態における押さえ工程を示す図である。図１０は、押さえ工程におけるターミナルプレート１００の平面図である。図１０に示すように、本実施形態において、押さえ工程では、重ね合わせ面（領域Ａ１）を２つに分割した分割領域Ｃ１、Ｃ２の一つの分割領域Ｃ１の少なくとも一部である領域Ａ４をＦＳＷにより予め接合することによって導電性プレート１１０と端子１２０とを押さえる。接合工程では、もう一つの分割領域Ｃ２の少なくとも一部である、接合領域Ｂ３をＦＳＷにより接合する。

以上で説明した本実施形態のターミナルプレート１００の製造方法によれば、重ね合わせ面を２つに分割した分割領域Ｃ１の一部である領域Ａ４をＦＳＷにより予め接合することによって押さえ工程を行うため、簡易な構成で押さえ工程を行う事ができる。また、一度のＦＳＷによって変形する領域を低減することができるため、導電性プレート１１０に反りが発生することを効果的に抑制できる。

Ｄ．第４実施形態：
第４実施形態のターミナルプレートの製造方法によって製造されるターミナルプレートは、第１実施形態のターミナルプレートの製造方法にて製造されるターミナルプレート１００（図３）と同一の形状であるため、ターミナルプレートの構成の説明は省略する。また、第４実施形態のターミナルプレートの製造方法は、第１実施形態のターミナルプレートの製造方法と押さえ工程および接合工程が異なるもののその他の工程は同様であるため、押さえ工程および接合工程について説明し、その他の工程の説明は省略する。

図１１は、第４実施形態における押さえ工程を示す図である。図１１は、押さえ工程におけるターミナルプレート１００の平面図である。図１１に示すように、本実施形態において、押さえ工程では、重ね合わせ面（領域Ａ１）を２つに分割した分割領域Ｃ１、Ｃ２の一つの分割領域Ｃ１の内の離間した２つの位置である領域Ａ５および、分割領域Ｃ１内の一部であり領域Ａ５の間の領域の一部である領域Ａ６をＦＳＷにより予め接合することによって導電性プレート１１０と端子１２０とを押さえる。

より具体的には、まず、押さえ工程において分割領域Ｃ１の両端の領域Ａ５をＦＳＷにより予め接合し、その後領域Ａ５の間である領域Ａ６をＦＳＷにより予め接合する。その後、接合工程において、もう一つの分割領域Ｃ２の両端の領域Ａ７をＦＳＷにより接合し、その後分割領域Ｃ２における、領域Ａ７の間の領域の一部である、接合領域Ｂ４をＦＳＷにより接合する。

以上で説明した本実施形態のターミナルプレート１００の製造方法によれば、第３実施形態と同様に、重ね合わせ面を２つに分割し、更に分割領域毎に、第２実施形態と同様の方法でＦＳＷを行うため、導電性プレート１１０に反りが発生することをより効果的に抑制できる。

Ｅ．他の実施形態：
上記実施形態において、押さえ工程および接合工程におけるＦＳＷは、端子１２０側から行っている。これに対して、ＦＳＷは、導電性プレート１１０側から行ってもよい。

また、上記第２実施形態、第３実施形態および第４実施形態に対して、第１実施形態を組み合わせてもよい。つまり、第１実施形態における治具３００を用いて導電性プレート１１０と端子１２０との重ね合わせ面の一部を重ねあわせ方向から押さえながら、押さえ工程や接合工程におけるＦＳＷを行ってもよい。

また、上記第３実施形態および第４実施形態において、重ね合わせ面を２つに分割して押さえ工程を行っている。これに対して、重ね合わせ面を３以上に分割して押さえ工程を行ってもよい。その際、３以上に分割した分割領域の内の一つの分割領域の一部をＦＳＷにより予め接合することによって押さえてもよいし、２以上の分割領域のそれぞれの一部をＦＳＷにより予め接合することによって押さえてもよい。

上記実施形態では、燃料電池用のターミナルプレートの製造方法について記載したが、本発明は燃料電池用のターミナルプレートに限らず、直列あるいは並列に接続された各種の電池の電力を集電するために用いる任意のターミナルプレートの製造方法にも適用できる。

本発明は、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形態中の技術的特徴は、上述した課題を解決するために、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。

１０…積層体
１１…燃料電池セル
２０、２５…絶縁プレート
２１…切欠部
３０…エンドプレート
４０…プレッシャープレート
５０…マニホールド
５１…貫通孔
１００、１５０…ターミナルプレート
１１０…導電性プレート
１２０…端子
１２１…端部
２００…燃料電池スタック
３００…治具
３１０…凹部
３２０…開口部
Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ａ５、Ａ６、Ａ７…領域
Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４…接合領域
Ｃ１、Ｃ２…分割領域

Claims

ターミナルプレートの製造方法であって、
前記ターミナルプレートは、
導電性プレートと、
前記導電性プレートに接合され前記導電性プレートとは異なる材料で形成された端子であって、前記導電性プレートに接合される端部と前記導電性プレートから突出する突出部とを備える端子と、を備え、
前記突出部が前記導電性プレートの平面方向において前記導電性プレートから突出するように前記導電性プレートと前記端子の前記端部とを重ね合わせる重ね合わせ工程と、
前記重ね合わせ工程の後、前記導電性プレートと前記端子との重ね合わせ面の一部を押さえる押さえ工程と、
押さえられた前記重ね合わせ面の前記一部を除く領域の少なくとも一部である接合領域を、重ね合わせ方向において前記端子側から、摩擦攪拌接合装置を用いた摩擦攪拌接合により接合する接合工程と、を備え、
前記接合領域の寸法は、前記摩擦攪拌接合装置のプローブおよびショルダーの直径よりも大きく、
前記押さえ工程では、前記接合領域に対応する位置に開口部を有する治具を用いて前記重ね合わせ方向から押さえを行い、
前記接合工程では、前記治具の前記開口部を通じて前記摩擦攪拌接合を行う、
製造方法。