用于制造燃料电池用歧管的方法

用于制造燃料电池用歧管的方法
【专利摘要】通过使各自具有焊接突起和焊接引导部的单个歧管注射成型，并经由振动焊接将注射成型的单个歧管结合来制造具有多层结构的燃料电池用歧管的方法包括：将上单个歧管的焊接突起和下单个歧管的焊接引导部布置成彼此接合，同时在彼此之间保持均匀的间隙，从而将多个单个歧管结合成上下堆叠的结构；向上按压下单个歧管；以及在左右方向上对上单个歧管施加振动，由此结合上下单个歧管。在上单个歧管的焊接突起中，纵向与单个歧管的振动方向不一致的非水平焊接突起具有可变的高度。
【专利说明】用于制造燃料电池用歧管的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于制造燃料电池用歧管的方法。更具体地，本发明涉及一种用于制造多个单个歧管堆叠和结合在一起的具有多层结构的燃料电池用歧管的方法。
【背景技术】
[0002]通常，燃料电池用歧管由许多内部路径(或流场)组成，包括用于将氢、空气和冷却剂供应至作为发电源的燃料电池组的入口路径和出口路径。
[0003]为了使这些内部路径一体化，具有内部路径的数种结构被堆叠和结合在一起。
[0004]图1是示出常规单个燃料电池用歧管的示意图，且图2是示出常规燃料电池用歧管的不意图。
[0005]通常，为将燃料电池用歧管10成型为多层结构，如图1所示制备各自在上下表面具有单个路径Ila的多个单个歧管11。将粘合剂施加到每个单个歧管11的路径加工表面(即，单个路径Ila形成于其上的上下表面)。单个歧管11压接在一起，并且当粘合剂固化时，去除暴露于歧管10外侧的粘合剂，由此形成图2所示的歧管10。
[0006]然而，上述用于制造燃料电池用歧管的方法存在很多问题。
[0007]首先，由于用于歧管和粘合剂的材料特性之间的差异，在实际车辆环境条件下，不同材料之间会发生体积变化的差异，这使粘合剂退化。结果，结合部分的气密完整度在长期操作时被破坏，导致歧管耐久性的劣化。如此，异物可能进入图2所示的歧管的内部路径12。
[0008]例如，异物可以包括沿冷却剂的流路移动的离子杂质，并且可能增加电导率，从而造成绝缘问题。这些杂质还可能阻塞内部路径12，从而造成性能的退化。
[0009]第二，尽管分布在歧管外表面上的粘合剂被去除，并且在压接后进行超声清洁，但是结合处的一些粘合剂材料在使用燃料电池的过程中可能会移位(dislodged)或分离，并且随着时间过去在内部路径12中逐渐造成累积。
[0010]第三，常规的燃料电池用歧管由环氧玻璃形成，并且由于材料的特性在高速旋转和低速移动不可避免的加工条件下进行制造。而且，由于歧管复杂多变的形状以及上述的加工条件，可能会花费20天或更长的时间来制造单个歧管。
[0011]因此，由于常规的燃料电池用歧管的内部路径需要较长的时间来加工，用于减小燃料电池重量的附加工序成本高昂。而且，即使制造时间不是问题，由于燃料电池歧管材料的高脆度，减少重量也会较难。
[0012]第四，由于环氧玻璃材料的特性，因吸收湿气，通过湿法制造燃料电池歧管是有问题的。因此，通过干法来制造歧管，这产生大量的细粉，可造成威胁工人的健康的有害环境。
[0013]上述在该【背景技术】部分公开的信息可用于增强对本公开背景的理解。

【发明内容】

[0014]本公开提供通过使各自具有焊接突起和焊接引导部的单个歧管注射成型，并经由振动焊接将注射成型的单个歧管结合来制造具有多层结构的燃料电池用歧管的方法。
[0015]根据本公开的第一方面，用于制造燃料电池用歧管的方法包括:将上单个歧管的焊接突起和下单个歧管的焊接引导部布置成彼此接合，同时在彼此之间保持均匀的间隙，从而将多个单个歧管结合成上下堆叠的结构；向上按压下单个歧管；以及在左右方向上对上单个歧管施加振动，由此结合上下单个歧管，其中在上单个歧管的焊接突起中，纵向与单个歧管的振动方向不一致的非水平焊接突起具有可变的高度。
[0016]在一个示意性实施方式中，当单个歧管的振动方向与非水平焊接突起的纵向之间的角度逐渐减小时，非水平焊接突起的高度从具有最大角度的一端向具有最小角度的另一端逐渐减小。
[0017]在另一个示意性实施方式中，在上单个歧管的焊接突起中，纵向与单个歧管的振动方向一致的水平焊接突起具有不变的恒定高度。
[0018]在又一个示意性实施方式中，在纵向的整个区域内关于上单个歧管的振动方向形成恒定角度的焊接突起具有不变的恒定高度。
[0019]以下将讨论本公开的其它方面和示意性实施方式。
[0020]应理解，本文使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语包括通常的机动车，例如，包括多功能运动车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商务车的客车，包括各种船只和船舶的水运工具，飞行器等等，并且包括混合动力车、电动车、插入式混合电动车、氢动力车和其它代用燃料车(例如，来源于石油以外的资源的燃料)。如本文所提到的，混合动力车是具有两种或多种动力源的车辆，例如，具有汽油动力和电动力的车辆。
[0021]以下讨论本公开的上述和其它特征。
【专利附图】

【附图说明】
[0022]现在将参考附图图示的本公开的某些示例性实施方式来详细地描述本公开的上述和其它特征，下文给出的这些实施方式仅仅用于示例说明，因此不是对本公开的限制，其中:
[0023]图1是示出常规单个燃料电池用歧管的示意图；
[0024]图2是示出常规燃料电池用歧管的示意图；
[0025]图3是示出根据本公开一个实施方式制造的燃料电池用歧管的示意图；
[0026]图4是示出图3中歧管的侧视图；
[0027]图5是示出根据本公开一个实施方式的用于制造燃料电池用歧管的方法的示意图；
[0028]图6是图5中部分A的放大视图；
[0029]图7是示出根据本公开一个实施方式的单个歧管的平面结构的示意图；
[0030]图8是示出根据本公开一个实施方式的在振动焊接过程中单个歧管的振动方向与焊接突起的纵向之间的关系的不意图；
[0031]图9是示出根据本公开一个实施方式的单个歧管中非水平焊接突起的沿纵向从一端到另一端的可变高度的图；并且
[0032]图10是示出根据本公开一个实施方式的通过焊接结合的歧管的截面结构的示意图。[0033]附图中提到的附图标记包括对下面进一步讨论的以下元件的参考:
[0034]100:歧管110:单个歧管
[0035]111:单个路径112:突出部
[0036]113:焊接突起113a:水平焊接突起
[0037]113b:弯曲成曲线形式的非水平焊接突起
[0038]113c:垂直于振动方向的非水平焊接突起
[0039]114:焊接引导部115:上单个歧管
[0040]116:下单个歧管
[0041]应当理解到，所附的附图并非必然是按比例的，其说明了本发明基本原理的各种示例性特征的一定程度上简化的代表。本文公开的本公开的具体设计特征，包括，例如，具体大小、方向、位置和形状将部分取决于具体的既定用途和使用环境。
[0042]在附图中，附图标记在几张图中通篇指代本公开的相同或等同部件。
【具体实施方式】
[0043]下面将详细地参照本公开的各个实施方式，其实施例图示在所附附图中，并在下文加以描述。尽管将结合示例性实施方式描述本公开，但应当理解，本说明书无意于将本公开局限于这些示例性实施方式。相反，本公开不仅要涵盖这些示例性实施方式，还要涵盖由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围内的各种替代形式、修改、等效形式和其它实施方式。
[0044]本公开提供一种用于制造燃料电池用歧管的方法，其中使构成歧管的单个歧管注射成型并通过振动焊接结合成多层结构。具体地，在注射成型过程中将可变高度施加于形成在单个歧管上的焊接突起，使得上单个歧管和下单个歧管气密地焊接在一起，而不考虑焊接突起的延伸路径或纵向，由此确保焊接强度并提闻耐久性。
[0045]图3示出具有多层结构的燃料电池用歧管，其中单个歧管堆叠在其中间。图4是图3的歧管的侧视图，其中单个歧管的突出部被部分放大。
[0046]如图3所示，通过堆叠和结合多个单个歧管110以形成多层结构来制造燃料电池用歧管100。
[0047]使用塑料材料来使单个歧管110注射成型，其中突出部112突出，以在上表面和/或下表面上形成多个单个路径111。如图4所示，焊接突起113或焊接引导部114形成在突出部112之上。
[0048]在单个歧管110的注射成型过程中，可以使焊接突起113和焊接引导部114与突出部112整体成型。换句话说，焊接突起113或焊接引导部114中的任何一个可以形成在单个歧管110的至少一个表面上，焊接突起113或焊接引导部114中的任何一个可以形成在单个歧管110的两个表面上，或者焊接突起113和焊接引导部114中的每个可以形成在单个歧管110的两个表面上。
[0049]如图4所示，焊接突起113从突出部112突出预定高度，并且焊接引导部114从突出部112凹入预定深度。
[0050]下文将描述两个单个歧管之间的振动焊接。
[0051] 图5示出根据本公开的用于制造燃料电池用歧管的方法，其中示出了使用振动和压力将上单个歧管和下单个歧管结合的工序。图6示出图5中放大的部分A，其中焊接突起以固定的间隔插入焊接引导部中。
[0052]上单个歧管和下单个歧管分别由附图标记115和116表示。
[0053]如图5所示，在本公开中，为制造歧管，上单个歧管115和下单个歧管116上下堆叠并使用通过振动和压力产生的摩擦热来结合在一起。
[0054]此处，当上下布置上单个歧管115和下单个歧管116时，上单个歧管115的焊接突起113以及下单个歧管116的焊接引导部114彼此以预定间隔进行布置，使得焊接突起113和焊接引导部114彼此接合，同时彼此之间保持均匀的间隙。然后，如图5所示，使用下夹具2向上按压下单个歧管116以附着到上单个歧管115，并且同时，通过使用上夹具I施加振动来使上单个歧管115在左右方向上(在该实施方式中是横向)重复地往复运动。
[0055]如此，当在向上按压下单个歧管116时上单个歧管115左右往复运动且振动时，在其间产生摩擦热。结果，焊接突起113和焊接引导部114通过摩擦热而熔融，并且上单个歧管115和下单个歧管116彼此结合。
[0056]当向上按压下单个歧管116时，底部的焊接引导部114移至顶部的焊接突起113，以去除焊接突起113与焊接引导部114之间的间隙，并且同时，当焊接突起113熔融时，上单个歧管115的突出部112和下单个歧管116的突出部112被焊接。结果，上单个歧管115和下单个歧管116彼此紧密地结合并连接。
[0057]同时，图7示出根据本公开的单个歧管的平面结构，其中在单个歧管的一个表面上设置突出部的延伸路径。也就是说，图7示出在单个歧管的一个表面上设置形成多个单个路径的突出部。
[0058]如图7所示，多个突出部112形成在单个歧管110上，以生成多个路线，由此提供预定的单个路径。
[0059]在突出部112上形成用于形成与突出部112相同路线的焊接突起113。焊接突起113a、113b以及113c形成在突出部112上。
[0060]图8示意性地示出在振动焊接过程中单个歧管的振动方向与焊接突起的延伸路径之间的关系，其中延伸路径为由通过单个歧管Iio的一个表面的焊接突起113a、113b和/或113c所形成的路径。
[0061]如图7和8所示，焊接突起113a、113b和113c可以被广泛地划分成在振动焊接过程中与单个歧管Iio的振动方向或往复运动方向一致的焊接突起113a，以及与单个歧管110的振动方向相反或不一致的焊接突起113b和113c。
[0062]此处，与单个歧管110的振动方向一致的焊接突起是指水平焊接突起113a，其中焊接突起的延伸路径或纵向与振动方向一致。与单个歧管110的振动方向不一致或不同的焊接突起是指非水平焊接突起113b和113c。
[0063]图7中由附图标记113a表示的焊接突起为水平焊接突起113a，其具有与单个歧管110的振动方向一致的路线或纵向，并且图7中所示为“与振动方向一致的焊接突起”的所有焊接突起具有与单个歧管110的振动方向一致的路线，例如水平焊接突起113a。
[0064]如此，在单个歧管110的振动焊接过程中水平焊接突起113a的纵向与振动方向一致。在朝向上焊接突起113按压下焊接引导部114的过程中，焊接突起113与焊接引导部114之间的间隙被去除，焊接突起113熔融，并且上下突出部112被焊接。因此，由于振动方向与焊接突起113a的纵向之间不匹配而引起的振动量减少不发生，因此可以保持焊接过程中所需的摩擦温度和熔融率。
[0065]相应地，水平焊接突起113a在纵向的整个区域内具有相同的高度。
[0066]图7中所示的非水平焊接突起113b具有与单个歧管110的振动方向不一致的路线或纵向，并且图7中所示为“与振动方向相反的焊接突起”的所有焊接突起具有与单个歧管110的振动方向不一致的路线，例如非水平焊接突起113b。
[0067]如此，在单个歧管110的振动焊接过程中非水平焊接突起113b的纵向与振动方向不一致，因此相比于纵向与振动方向一致的水平焊接突起，发生振动量的减少。因此，难以保持焊接过程中所需的摩擦温度和熔融率。
[0068]相应地，非水平焊接突起113b在纵向的整个区域内具有可变的高度。
[0069]如图7所示，焊接突起113b形成弯曲成曲线形式的路线，该曲线与单个歧管110的振动方向相反。如此，关于振动方向形成恒定的角度，使得在振动焊接的过程中，施加至焊接突起113b的振动方向和振动量根据纵向而变化。
[0070]相应地，根据施加至非水平焊接突起113b的纵向的每个点或每个区域的振动方向和振动量，可变地施加焊接突起的高度。结果，沿纵向可变地形成非水平焊接突起113b的高度。
[0071]在非水平的焊接突起113b的情况下，由于单个歧管110的振动方向与焊接突起的纵向之间的不同，在不规则的方向上施加振动。因此，相比于水平焊接突起113a，施加至非水平焊接突起113b的振动量减少。结果，相比于水平焊接突起，振动焊接过程中非水平焊接突起113b的摩擦温度和熔融率减少，这是由单个歧管110的振动方向与焊接突起的纵向之间的角度引起的。因此，根据焊接突起113b的纵向与单个歧管110的振动方向之间的角度而沿纵向可变地施加非水平焊接突起113b的高度。结果，焊接突起113b与焊接引导部114之间产生的摩擦热达到预定的摩擦温度，并且在振动焊接过程中提供适量的熔融树脂，从而提闻焊接质量。
[0072]相应地，由于使用具有可变高度的非水平焊接突起113b，可以防止在单个歧管110的振动方向和焊接突起113的纵向彼此不一致时造成的质量问题。例如，可以防止当焊接突起113和焊接引导部114之间的摩擦热低于预定的摩擦温度或者焊接突起的熔融率不足时造成的不完全结合。
[0073]在本公开中，当具有可变高度的非水平焊接突起113b施加至单个歧管110时，可以防止由振动方向与焊接突起的纵向之间的不匹配引起的质量问题，并且同时，通过气密焊接来保证焊接强度并提高耐久性。
[0074]图9中示出非水平焊接突起的沿纵向从一端到另一端的可变高度。
[0075]可以基于振动量和振动方向来选择非水平焊接突起113b的可变高度，该振动量和振动方向根据关于单个歧管110的振动方向在焊接突起的纵向的每个点出现的单个歧管的振动方向与非水平焊接突起的纵向之间的角度而变化。
[0076]例如，当单个歧管110的振动方向与非水平焊接突起113b的纵向之间的角度沿非水平焊接突起113b的纵向逐渐减小时,非水平焊接突起113b的高度可从一端向另一端减小，如图9所示。
[0077]非水平焊接突起113b在其纵向方向上关于单个歧管110的振动方向具有角度差，并且，在该实施方式中，在单个歧管Iio的振动方向与非水平焊接突起113b的纵向之间的角度逐渐减小的区域中，非水平焊接突起113b的高度可以从具有最大角度差的一端向具有最小角度差的另一端逐渐减小。
[0078]图7中的焊接突起113c包括在“与振动方向相反的焊接突起”中，并且该垂直于振动方向的非水平焊接突起113c关于振动方向具有约90°的角度，但是在纵向的整个区域内与振动方向垂直。相应地，以相同方式在焊接突起113c的整个区域内施加振动量和振动方向，因此焊接突起113c在焊接突起113c的纵向的整个区域内可具有相同的高度。
[0079]然而，在垂直于振动方向的非水平焊接突起113c的情况下，当施加与水平焊接突起113a相同的振动时，关于水平焊接突起113a施加最小量的振动，因此非水平焊接突起113c在单个歧管110的焊接突起113中具有相对大的高度。
[0080]也就是说，水平焊接突起113a在单个歧管110的焊接突起113中具有相对小的高度，并且在整个区域中垂直于振动方向的非水平焊接突起113c具有最大的高度。
[0081]同时，图10是示出通过焊接两个单个歧管然后堆叠另一个单个歧管而结合的歧管的截面结构的示意图。
[0082]在本公开中，构成歧管每一层的单个歧管110可以在两个表面上都具有焊接突起113和/或焊接引导部114。相应地，可以以上述方式通过振动焊接来将上单个歧管115和下单个歧管116彼此结合和连接，并且第一单个歧管117可以通过振动焊接结合至下单个歧管116的底部，以制造如图10(a)所示的具有三层结构的歧管。另外，如图10(b)所示，第二单个歧管118可以通过振动焊接结合至第一单个歧管117的底部，以制造具有4层结构的歧管。因此，可以以上述方式通过振动焊接来制造具有多层结构的歧管。
[0083]此外，如图10(c)所示，通过将两个单个歧管经由第一和第二振动焊接进行结合，然后将包括两个结合的单个歧管的两个多层歧管Ml和M2经由第三振动焊接进行结合，可以制造具有四层结构的歧管。
[0084]在上述方式中，通过重复的振动焊接堆叠和结合多个单个歧管和多层歧管，可以容易地制造具有多层结构的歧管。
[0085]如此，在本公开中，可以在多层歧管上额外地堆叠单个歧管或单独的多层歧管，然后通过振动焊接将其结合，由此增加设计的自由度。
[0086]此外，在本公开中，由于使用塑料材料代替环氧玻璃来使构成歧管的每个单个歧管注射成型，并且同时，形成振动焊接用的焊接突起、焊接引导部以及单个路径，因此可以减少歧管的制造时间并增加生产率。进一步，由于通过振动焊接而不使用粘合剂来制造具有结合结构的歧管，因此可以防止因温度变化的体积变化的差异而引起的耐久性的劣化，保证粘合性、耐久性以及气密性，并且防止异物进入单个路径，由此提高燃料电池的性能。
[0087]如上所述，根据本公开的用于制造燃料电池用歧管的方法具有以下优点。
[0088]1.由于通过振动焊接而不使用粘合剂来结合单个歧管，因相同材料的特性，与温度变化相应的体积变化是恒定的，这提高耐久性并且随着时间的过去在操作过程中不会导致异物的产生。
[0089]2.由于具有可变高度的非水平焊接突起施加于单个歧管，因此可以防止由单个歧管振动方向与焊接突起的纵向之间的不匹配引起的质量问题，并且同时，通过气密焊接来保证焊接强度并提高耐久性。[0090]3.由于在单个歧管的注射成型的同时形成单个路径，因此可以显著减少制造时间，由此降低大量生产的时间。
[0091]4.由于消除了用于加工路径的常规手动匹配和粘合工序，因此可以减少制造成本并防止产生细粉，从而提高工作环境的安全性。
[0092]5.可以保持歧管的最小厚度并减少重量，因此可以提高燃料电池的性能。
[0093]6.可以在多层歧管上额外地叠加单个歧管或单独的多层歧管，然后通过振动焊接进行结合，由此提高设计的自由度。
[0094]本公开参考其示例性实施方式进行了详细描述。然而，本领域技术人员能够理解，可以在不偏离本公开的原理和精神的情况下对这些实施方式进行各种改变，本发明的范围由权利要求及其等同方式限定。
【权利要求】
1.一种制造燃料电池用歧管的方法，所述方法包括: 将单个歧管的焊接突起和单个歧管的焊接引导部布置成彼此接合，同时在彼此之间保持均匀的间隙，从而将多个单个歧管结合成上下堆叠的结构； 按压单个歧管；以及 在左右方向上对另一单个歧管施加振动以结合两个单个歧管， 其中在所述单个歧管的焊接突起中，纵向与所述单个歧管的振动方向不一致的非水平焊接突起具有可变的高度。
2.如权利要求1所述的方法，其中当所述单个歧管的振动方向与所述非水平焊接突起的纵向之间的角度逐渐减小时，所述非水平焊接突起的高度从具有最大角度的一端向具有最小角度的另一端逐渐减小。
3.如权利要求1所述的方法，其中在所述单个歧管的焊接突起中，纵向与所述单个歧管的振动方向一致的水平焊接突起具有不变的恒定高度。
4.如权利要求1所述的方法，其中在所述非水平焊接突起中，在纵向的整个区域内关于所述单个歧管的振动方向形成恒定角度的焊接突起具有不变的恒定高度。
【文档编号】H01M8/04GK103872355SQ201310225931
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2013年5月2日 优先权日:2012年12月11日
【发明者】金悳焕, 金世勋, 琴荣范, 金泳兑, 李昌俊 申请人:现代自动车株式会社, 起亚自动车株式会社, 友信工业株式会社