WO2020121623A1

WO2020121623A1 - メタルビードシール及びその製造方法、燃料電池セルの製造方法

Info

Publication number: WO2020121623A1
Application number: PCT/JP2019/037400
Authority: WO
Inventors: 陽平佐野; 稔大島添
Original assignee: Nok株式会社
Priority date: 2018-12-11
Filing date: 2019-09-24
Publication date: 2020-06-18
Also published as: US20210111416A1; CN111684182A; JPWO2020121623A1

Abstract

シール面圧を均一とし、シール性が向上するメタルビードシールを提供する。金属製の基部２１に対し一体に設けられたシールビード３１であって、最大ビード幅ｗ１を有するビード幅最大部３７を有する平面曲線状の曲線部３５と、曲線部３５から連続する平面直線状の直線部３６であって、最小ビード幅ｗ２を有するビード幅最小部３８を有する直線部３６と、ビード幅最大部３７とビード幅最小部３８との間に位置するビード幅徐変部３９であって、最大ビード幅ｗ１から最小ビード幅ｗ２へビード幅が連続的に変化するビード幅徐変部３９と、を有するシールビード３１と、を有するメタルビードシール。

Description

メタルビードシール及びその製造方法、燃料電池セルの製造方法

　本発明は、メタルビードシール及びその製造方法と、燃料電池セルの製造方法に関する。

　燃料電池セルにおいてセパレータ間をシールするシール構造として、メタルビードシールが提案されている（例えば、特開２０１７－１３９２１８号公報）。

　図７（Ａ）、図７（Ｂ）に示すように、従来のメタルビードシール１は、金属製プレート１１に基部２１およびシールビード３１を一体に設けるとともに、シールビード３１にシールゴム５１を取り付けたものである。セル組立て時にビード高さ方向に圧縮されるシールビード３１に発生する反力と、セパレータの表面粗さ等に対するシールゴム５１の追従性とを利用して、シール性を発揮する。

　従来のメタルビードシール１において、シールビード３１に発生する反力の大きさは、主にビード断面形状によって決定される。しかし、シールライン形状（シールビードの平面形状）の影響も無視できない。

　そのため、同一断面であっても、シールラインにおける平面曲線状の曲線部（アール部）３５と、平面直線状の直線部３６とで、シールビード３１に発生する反力の大きさにばらつきが生じることがある。曲線部３５においては、特に曲率が小さくなる（アールが小さくなる）ほど、シールビード３１に発生する反力が大きくなり、シール面圧が高くなる傾向がある。

　したがって、シールビード３１に発生する反力の大きさのばらつきにより、シールラインの周上一部に低反力部が発生する。図８に直線部として示されるように、低反力部ではシール面圧が低下するため、シール性が低下することがある。

　本発明は、シール面圧を均一とし、シール性が向上するメタルビードシールとその製造方法を提供することを目的とする。

　本発明の第１の観点は、
　金属製の基部と、
　前記基部に対し一体に設けられたシールビードであって、
　　最大ビード幅を有するビード幅最大部を有する平面曲線状の曲線部と、
　　前記曲線部から連続する平面直線状の直線部であって、最小ビード幅を有するビード幅最小部を有する直線部と、
　　前記ビード幅最大部と前記ビード幅最小部との間に位置するビード幅徐変部であって、前記最大ビード幅から前記最小ビード幅へビード幅が連続的に変化するビード幅徐変部と、
　を有するシールビードと、
　を有するメタルビードシールである。

　本発明の第２の観点は、
　金属製の基部と、
　前記基部に対し一体に設けられたシールビードであって、
　　最小ビード高さを有するビード高さ最小部を有する平面曲線状の曲線部と、
　　前記曲線部から連続する平面直線状の直線部であって、最大ビード高さを有するビード高さ最大部を有する直線部と、
　　前記ビード高さ最小部と前記ビード高さ最大部との間に位置するビード高さ徐変部であって、前記最小ビード高さから前記最大ビード高さへビード高さが連続的に変化するビード高さ徐変部と、
　を有するシールビードと、
　を有するメタルビードシールである。

　本発明の第３の観点は、
　金属製の基部と、
　前記基部に対し一体に設けられたシールビードであって、
　　最大ビード幅を有するビード幅最大部を有する平面曲線状の曲線部と、
　　前記曲線部から連続する平面直線状の直線部であって、最小ビード幅を有するビード幅最小部を有する直線部と、
　　前記ビード幅最大部と前記ビード幅最小部との間に位置するビード幅徐変部であって、前記最大ビード幅から前記最小ビード幅へビード幅が連続的に変化するビード幅徐変部と、
　を有するシールビードと、
　を有するメタルビードシールの製造方法であって、
　前記ビード幅最大部、前記ビード幅最小部及び前記ビード幅徐変部に対応する幅の凹部を有するプレス型を準備し、
　平板状のプレートを前記プレス型でプレス形成する、
　メタルビードシールの製造方法である。

　本発明の第４の観点は、
　金属製の基部と、
　前記基部に対し一体に設けられたシールビードであって、
　　最小ビード高さを有するビード高さ最小部を有する平面曲線状の曲線部と、
　　前記曲線部から連続する平面直線状の直線部であって、最大ビード高さを有するビード高さ最大部を有する直線部と、
　　前記ビード高さ最小部と前記ビード高さ最大部との間に位置するビード高さ徐変部であって、前記最小ビード高さから前記最大ビード高さへビード高さが連続的に変化するビード高さ徐変部と、
　を有するシールビードと、
　を有するメタルビードシールの製造方法であって、
　前記ビード高さ最小部（４１）、前記ビード高さ最大部（４２）及び前記ビード高さ徐変部（４３）に対応するように、入れ子収容部（６７）の底面にシム（６８）を敷設したプレス型（６１）を準備し、
　平板状のプレート（１１）を前記プレス型（６１）でプレス形成する、
　メタルビードシールの製造方法である。

　　本発明の第５の観点は、
　上記のメタルビードシールを、燃料電池セルに組み込む、
　　燃料電池セルの製造方法である。

　　本発明のメタルビードシールとその製造方法によれば、シール面圧を均一とし、シール性が向上する。

（Ａ）は第１実施形態のメタルビードシールを示す平面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＣ－Ｃ線拡大断面図第１実施形態のメタルビードシールにおける圧縮量とシール面圧の関係を示すグラフ第１実施形態のメタルビードシールを形成するプレス金型の説明図（Ａ）は第２実施形態のメタルビードシールを示す平面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＤ－Ｄ線断面図第２実施形態のメタルビードシールにおける圧縮量とシール面圧の関係を示すグラフ第２実施形態のメタルビードシールを形成するプレス金型の説明図（Ａ）は従来技術のメタルビードシールを示す平面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＥ－Ｅ線拡大断面図従来技術のメタルビードシールにおける圧縮量とシール面圧の関係を示すグラフ

＜第１実施形態＞
　図１に示すように、第１実施形態のメタルビードシール１は、基部２１と、シールビード３１と、を有する。基部２１およびシールビード３１は、一体として、金属製プレート１１に設けられる。また、シールビード３１の相手部品１０１に対する接触部には、シールゴム５１が取り付けられる。メタルビードシール１を装着することにより、ビード高さ方向に圧縮されるシールビード３１に発生する反力と、相手部品の表面粗さ等に対するシールゴム５１の追従性とを利用して、シール性が発揮される。

　メタルビードシール１は、例えば、燃料電池セルに組み込まれ、燃料ガスや冷媒などをシールする燃料電池用シールとして用いられる。この場合、相手部品は、例えば、燃料電池セパレータ１０１である。また、メタルビードシール１は、厚み方向両側に配置される一対のセパレータ１０１Ａ，１０１Ｂの間に組み付けられる。そのため、メタルビードシール１は、第１のセパレータ１０１Ａに対面する第１のメタルビードシール１Ａと、第２のセパレータ１０１Ｂに対面する第２のメタルビードシール１Ｂとを組み合わせたものである。第１のメタルビードシール１Ａと第２のメタルビードシール１Ｂとはシール厚み方向に対称の形状および構造である。以下、第１のメタルビードシール１Ａについてのみ説明し、第２のメタルビードシール１Ｂについては説明を省略する。

　プレート１１は、例えば、鋼板板厚０．０５～０．２ｍｍでＨｖ３００以下の低剛性基材（ＳＵＳ３０４Ｌ等）よりなる。シールゴム５１は、例えば、厚み１００μｍ以下のシリコン、サイファル、ＥＰＤＭ、ＦＫＭまたはＰＩＢよりなる。シールゴム５１は、シールビード３１の全周に亙って帯状に設けられる。

　基部２１は、平面状であり、中抜き空間２２を有する枠状体である。
　シールビード３１は、基部２１の平面上一部をプレス加工により立体形状としたものである。シールビード３１は、枠状の基部２１の全周に亙って、無端状に形成される。
　シールビード３１は、いわゆるフルビードとして形成される。シールビード３１は、内周側の傾斜面状の側面（内周側側面）３２と、平面状の天面３３と、外周側の傾斜面状の側面（外周側側面）３４とで一体に形成される。シールビード３１は、中空で、かつ、幅方向対称の断面台形状である。

　シールビード３１は、基部２１の枠状に対応した、平面長方形状である。シールビード３１は、曲線部（アール部）３５と、直線部３６と、を有する。曲線部３５は、平面曲線状であり、シールビード３１の四隅それぞれに配置される。直線部３６は、平面直線状であり、シールビード３１の四辺それぞれに配置される。曲線部３５と直線部３６とは、シールビード３１の周上で交互に配置される。

　図１（Ａ）、図１（Ｂ）に示すように、曲線部３５は、ビード幅最大部３７を有する。ビード幅最大部３７は、周上でビード幅が最大となる最大ビード幅ｗ_１を有する。ビード幅最大部３７は、周上一定の長さ範囲Ｌ_１を有し、曲線部３５の全長（全角度）に亙って設けられる。
　直線部３６は、ビード幅最小部３８を有する。ビード幅最小部３８は、周上でビード幅が最小となる最小ビード幅ｗ_２を有する。ビード幅最小部３８は、周上一定の長さ範囲Ｌ_２を有し、直線部３６の長さ方向中央に設けられる。

　ビード幅最大部３７とビード幅最小部３８との間に、ビード幅徐変部３９が設けられる。ビード幅徐変部３９のビード幅は、ビード幅最大部３７における最大ビード幅ｗ_１からビード幅最小部３８における最小ビード幅ｗ_２へ、徐々に変化する。ビード幅徐変部３９は、周上一定の長さ範囲Ｌ_３を有し、直線部３６の長さ方向両端に設けられる。なお、ビード幅徐変部３９の一部は、曲線部３５に含まれても良い。
　シールビード３１の高さｈ_０は、シールビード３１の全周に亙って一定である。シールビード３１の天面３３の幅は、シールビード３１の全周に亙って一定である。

　以下、本実施形態のメタルビードシール１の作用効果を説明する。
　従来技術のように、シールビードの断面形状が周上で完全に同一である場合、圧縮時に発生する反力の大きさにばらつきが生じる。具体的には、平面曲線状の曲線部で反力が大きくなり、平面直線状の直線部で反力が小さくなる。

　これに対し、本実施形態のシールビード３１では、曲線部３５が最大ビード幅を有するビード幅最大部３７を有し、直線部３６が最小ビード幅を有するビード幅最小部３８を有し、ビード幅最大部３７およびビード幅最小部３８がビード幅徐変部３９を介してなだらかに接続される。
　したがって、曲線部３５で発生する反力の大きさは、従来技術に比べて小さくなる。また、直線部３６で発生する反力の大きさは、従来技術に比べて大きくなる。これは、高さｈ_０を一定として、ビード幅が大きいほど、発生する反力が小さくなり、ビード幅が小さいほど、発生する反力が大きくなることを意味する。その結果、図２のグラフに示すように、曲線部３５で発生する反力の大きさと直線部３６で発生する反力の大きさが互いに近似したものとなる。したがって、圧縮時にシールビード３１に発生する反力の大きさが可及的に均一化し、シール面圧が均一化し、シール性が向上する。

　以下、図３を参照して、第１実施形態のメタルビードシール１の製造方法を説明する。図３に示すように、プレス型６１を用いて、金属製プレート１１にシールビード３１を形成する。
　プレス型６１は、第１分割型（下型）６２と第２分割型（上型）６３を有する。平面状の金属製プレート１１にシールビード３１を形成するよう、プレス用凸部６５を有する入れ子６４が第１分割型６２に装着される。第２分割型６３には、凸部受けとしての凹部６６が設けられる。

　凸部６５の幅ｗ_１１および高さ_ｈ１１は、全周に亙って一定である。これに対し、凹部６６の幅ｗ_１２は、シールビード３１のビード幅最大部３７、ビード幅最小部３８およびビード幅徐変部３９の各幅に応じた幅を有する。すなわち、周上でビード幅最大部３７に対応する部分では、凸部６５の幅ｗ_１１はビード幅最大部３７の幅ｗ_１と同等である。周上でビード幅最小部３８に対応する部分では、凸部６５の幅ｗ_１１はビード幅最小部３８の幅ｗ_２と同等である。周上でビード幅徐変部３９に対応する部分では、凸部６５の幅ｗ_１１はビード幅徐変部３９と同様に徐々に変化する。

　本実施形態のプレス型６１を用いてプレート１１にシールビード３１を形成することにより、周上にビード幅最大部３７、ビード幅最小部３８およびビード幅徐変部３９を有するシールビード３１をプレス形成できる。

＜第２実施の形態＞
　図４（Ａ）、図４（Ｂ）を参照して、第２実施形態のメタルビードシール１について説明する。なお、第１実施形態と同様の構成については、詳細な説明を省略し、以下、第１実施形態と異なる点を中心に説明する。なお、図４（Ｂ）では、作図の都合上、シールゴム５１が省略されている。
　曲線部３５は、ビード高さ最小部４１を有する。ビード高さ最小部４１は、周上でビード高さが最小となる最小ビード高さｈ_１を有する。ビード高さ最小部４１は、周上一定の長さ範囲Ｌ_１を有し、曲線部３５の全長（全角度）に亙って設けられる。

　直線部３６は、ビード高さ最大部４２を有する。ビード高さ最大部４２は、周上でビード高さが最大となる最大ビード高さｈ_２を有する。ビード高さ最大部４２は、周上一定の長さ範囲Ｌ_２を有し、直線部３６の長さ方向中央に設けられる。

　ビード高さ最小部４１とビード高さ最大部４２との間に、ビード高さ徐変部４３が設けられる。ビード高さ徐変部４３のビード高さは、ビード高さ最小部４１における最小ビード高さｈ_１からビード高さ最大部４２における最大ビード高さｈ_２へと徐々に変化する。ビード高さ徐変部４３は、周上一定の長さ範囲Ｌ_３を有し、直線部３６の長さ方向両端に設けられる。なお、ビード高さ徐変部４３の一部は、曲線部３５に含まれても良い。
　シールビード３１の幅ｗ_０は、シールビード３１の全周に亙って一定である。

　以下、本実施形態のメタルビードシール１の作用効果を説明する。
　従来技術のように、シールビードの断面形状が周上で完全に同一である場合、圧縮時に発生する反力の大きさにばらつきが生じる。具体的には、平面曲線状の曲線部で反力が大きくなり、平面直線状の直線部で反力が小さなくなる。

　これに対し、本実施形態のシールビード３１では、曲線部３５が最小ビード高さを有するビード高さ最小部４１を有し、直線部３６が最大ビード高さを有するビード高さ最大部４２を有し、ビード高さ最小部４１およびビード高さ最大部４２がビード高さ徐変部４３を介してなだらかに接続される。
　したがって、曲線部３５で発生する反力の大きさは、従来技術に比べて小さくなる。一また、直線部３６で発生する反力の大きさは、従来技術に比べて大きくなる。これは、幅ｗ_０を一定として、ビード高さが小さいほど、発生する反力が小さくなり、ビード高さが大きいほど、発生する反力が大きくなることを意味する。その結果、図５のグラフに示すように、曲線部３５で発生する反力の大きさと直線部３６で発生する反力の大きさが互いに近似したものとなる。したがって、圧縮時にシールビード３１に発生する反力の大きさが可及的に均一化し、シール面圧が均一化し、シール性が向上する。

　以下、図６を参照して、第２実施形態のメタルビードシール１の製造方法を説明する。図６に示すように、プレス型６１を用いて、金属製プレート１１にシールビード３１を形成する。
　プレス型６１は、第１分割型（下型）６２と第２分割型（上型）６３を有する。平面状の金属製プレート１１にシールビード３１を形成するよう、プレス用凸部６５を有する入れ子６４が第１分割型６２に装着される。第２分割型６３には、凸部受けとしての凹部６６が設けられる。

　凸部６５の幅ｗ_１１および凹部６６の幅ｗ_１２は、全周に亙って一定である。これに対し、凸部６５の高さｈ_１１は、第１分割型６２の入れ子収容部６７の底面部におけるビード高さ最大部４２に対応する位置にシム６８を敷設することにより、シム６８を敷設した部分のみ型締め時における凸部６５の高さｈ_１１が高くなる。シム６８の厚みは、最小ビード高さｈ_１と最大ビード高さｈ_２の差分である。シム６８の厚みは、例えば、０．０５ｍｍである。これにより、例えば、シム６８を敷設しない部分の凸部６５の高さｈ_１１が０．６ｍｍである場合、シム６８を敷設した部分の凸部６５の高さｈ_１１は０．６５ｍｍとなる。

　本実施形態のプレス型６１を用いてプレート１１にシールビード３１を形成することにより、周上にビード高さ最小部４１、ビード高さ最大部４２およびビード高さ徐変部４３を有するシールビード３１をプレス形成できる。本実施形態は、特に、入れ子６４が面内で一定の高さを有する場合や、入れ子収容部６７が面内で一定の深さを有する場合に、好適に適用できる。

　第１実施形態は、ビード幅を調整することにより、反力を均一にする。第２実施形態は、ビード高さを調整することにより、反力を均一にする。更に、第１実施形態と第２実施形態とを同時に実施してもよい。

　１　メタルビードシール
１１　プレート
２１　基部
２２　中抜き空間
３１　シールビード
３２，３４　側面
３３　天面
３５　曲線部
３６　直線部
３７　ビード幅最大部
３８　ビード幅最小部
３９　ビード幅徐変部
４１　ビード高さ最小部
４２　ビード高さ最大部
４３　ビード高さ徐変部
５１　シールゴム
６１　プレス型
６２，６３　分割型
６４　入れ子
６５　凸部
６６　凹部
６７　入れ子収容部
６８　シム
１０１　セパレータ（相手部品）

Claims

　金属製の基部と、
　前記基部に対し一体に設けられたシールビードであって、
　　最大ビード幅を有するビード幅最大部を有する平面曲線状の曲線部と、
　　前記曲線部から連続する平面直線状の直線部であって、最小ビード幅を有するビード幅最小部を有する直線部と、
　　前記ビード幅最大部と前記ビード幅最小部との間に位置するビード幅徐変部であって、前記最大ビード幅から前記最小ビード幅へビード幅が連続的に変化するビード幅徐変部と、
　を有するシールビードと、
　を有するメタルビードシール。
　前記シールビードは、全周に亙って一定の高さを有する、
　請求項１に記載のメタルビードシール。
　前記曲線部は、最小ビード高さを有するビード高さ最小部を有し、
　前記直線部は、最大ビード高さを有するビード高さ最大部を有し、
　前記シールビードは、前記ビード高さ最小部と前記ビード高さ最大部との間に位置するビード高さ徐変部であって、前記最小ビード高さから前記最大ビード高さへビード高さが連続的に変化するビード高さ徐変部を有する、
　請求項１に記載のメタルビードシール。
　金属製の基部と、
　前記基部に対し一体に設けられたシールビードであって、
　　最小ビード高さを有するビード高さ最小部を有する平面曲線状の曲線部と、
　　前記曲線部から連続する平面直線状の直線部であって、最大ビード高さを有するビード高さ最大部を有する直線部と、
　　前記ビード高さ最小部と前記ビード高さ最大部との間に位置するビード高さ徐変部であって、前記最小ビード高さから前記最大ビード高さへビード高さが連続的に変化するビード高さ徐変部と、
　を有するシールビードと、
　を有するメタルビードシール。
　前記シールビードは、全周に亙って一定の幅を有する、
　請求項４に記載のメタルビードシール。
　前記シールビードと相手部品との間に配置されるシールゴムを更に有する、
　請求項１～５のいずれかに記載のメタルビードシール。
　請求項１又は２に記載のメタルビードシールの製造方法であって、
　前記ビード幅最大部、前記ビード幅最小部及び前記ビード幅徐変部に対応する幅の凹部を有するプレス型を準備し、
　平板状のプレートを前記プレス型でプレス形成する、
　メタルビードシールの製造方法。
　請求項４又は５に記載のメタルビードシールの製造方法であって、
　前記ビード高さ最小部、前記ビード高さ最大部及び前記ビード高さ徐変部に対応するように、入れ子収容部の底面にシムを敷設したプレス型を準備し、
　平板状のプレートを前記プレス型でプレス形成する、
　メタルビードシールの製造方法。
　前記入れ子収容部は、面内で一定の深さを有する、
　請求項８に記載のメタルビードシールの製造方法。
　請求項１～６のいずれかに記載のメタルビードシールを、燃料電池セルに組み込む、
　燃料電池セルの製造方法。