JP2013023770A - 燃料電池スタック用マニホールドブロックの酸化層の形成装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】構造が複雑で経路の長いマニホールドブロックの流路において、全区間にわたって均一に酸化層を形成できる酸化層の形成装置及び方法を提供する。
【解決手段】酸化層の形成に必要な電解液が満たされた電解槽１と、電解槽の電解液中に入れたマニホールドブロック３と、電解液に酸化層の形成用の電源装置から電力を印加するための電極４，５と、電解液の内部に酸素を供給するための酸素供給装置１０と、を含み、電解液に接続される電極は、マニホールドブロックの各流路内部に挿入された電極を含み、マニホールドブロックの各流路内部に挿入される電極は絶縁チューブで被覆製作され、絶縁チューブには、内部の電極と流路内部に満たされた電解液との間を電気的に接続するホールが形成されたことを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池スタック用マニホールドブロックの酸化層の形成装置及び方法に係り、より詳しくは、複雑な構造を有し、経路の長いマニホールドブロックの流路において、全区間にわたって均一に酸化層を形成できる燃料電池スタック用マニホールドブロックの酸化層の形成装置及び方法に関する。

燃料電池は、燃料が持っている化学エネルギーを燃焼による熱ではなく、スタック内で電気化学的な反応により電気エネルギーに変換させる発電装置である。近年、車両を駆動させるための電力供給源として、高電力密度を有する高分子電解質膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）に対する研究が盛んになされている。

高分子電解質膜燃料電池は、水素イオンが移動する固体高分子電解質膜を中心に、膜の両側に電気化学反応が起こる触媒電極層が設けられた膜電極接合体、反応気体を均一に分布させ、発生した電気エネルギーを伝達する気体拡散層、反応気体及び冷却水を反応流路に沿って移動させる分離板、及び反応気体と冷却水の気密性と適正の締結圧を維持するためのガスケット及び締結機構を含んで構成される。
また、燃料電池スタックには、反応前後の気体と冷却水が燃料電池に流出または流入する一種の流路部材として、スタックの入口端の流路と出口端の流路を形成するマニホールドブロックが組み立てられる。

マニホールドブロックは、気体と冷却水を通過させる流路として複雑に長く形成されており、燃料電池車両に複数のスタックモジュールが搭載される場合には、スタックモジュールの外側に設けられ、各スタックモジュールに対して反応気体（空気、水素）と冷却水を均等に供給する役割をする。
このようなマニホールドブロックを製造する方法としては、アルミニウム鋳造工法が用いられ、ブロックを成形した後、その流路の外部及び内部に耐腐食性を向上させるための酸化層を形成する方法が研究されている。
マニホールドブロックの製造過程において酸化層を形成する方法としては、無機材料を主成分とした電解液中に、成形したマニホールドブロックを浸漬し、電気を印加して電気化学的に酸化層を形成する方法（ＰＥＯ：Ｐｌａｓｍａ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｏｒ Ａｎｏｄｉｚｉｎｇ）が挙げられる（例えば、特許文献１〜３参照）。

図１に、従来技術による酸化層の形成装置を示した。図１を参照して酸化層の形成方法を説明すると、電解液が満たされている電解槽１中にマニホールドブロック３を位置決めした後、マニホールドブロック３には正極を、電解液には負極を接続し、電解液の内部に酸素（空気）を供給してマニホールドブロック３の表面に酸化皮膜を形成する。
この時、酸化層の形成に必要な酸素を十分に供給するために電解槽１中には気泡発生装置２を設け、これによって作られた気泡を用いて多量の酸素を供給する。
しかしながら、このような従来の方法では、マニホールドブロックの外側部分及び流路内部の入口付近には酸化層を形成することができるが、流路内部の深部には酸化層を形成するための電力を印加し難いという問題がある。

また、流路内部の全区間にわたって酸化層を均一に形成するためには酸化反応に必要な酸素を全区間に十分に供給することが必要であるが、電解槽中に気泡発生装置を設置して気泡を発生したとしても流路内部への酸素供給は十分ではない。
したがって、酸化層の形成が進行するにつれて流路内部の電解液に存在する酸素が消耗され、これ以上酸化層を形成することができなくなり、これによって流路内部の入口付近には、ある程度の酸化層は形成されるが、その内側の流路には酸化層の形成が不十分となる。

図２は、酸化層が形成されない区間を説明するための簡略化した図面である。従来の方法では、例えば、図２に示した流路の全長（Ｌ）において、流路の入口部から入口幅（Ｂ）の２倍程度の長さ（２Ｂ）までは酸化層の形成が可能であるが、残り区間（Ｌ−（２×Ｂ＋２×Ｂ））では酸化層を形成することができない。
上記のとおり、複雑な構造で経路の長いマニホールドブロックでは、流路内部において、酸化層を形成できない区間が発生するため、これを解決する方案が必要である。

特表２００９−５２６１３０公報 特開２００９−７４１４４号公報 特開２０００−１２７６３９号公報

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、構造が複雑で経路の長いマニホールドブロックの流路において、全区間にわたって均一に酸化層を形成できる酸化層の形成装置及び方法を提供することにある。

上記目的を達成するためになされた本発明の燃料電池スタック用マニホールドブロックの酸化層の形成装置は、酸化層の形成に必要な電解液が満たされた電解槽と、電解槽の電解液中に入れたマニホールドブロックと、電解液に酸化層の形成用の電源装置から電力を印加するための電極と、電解液の内部に酸素を供給するための酸素供給装置と、を含み、電解液に接続される電極は、マニホールドブロックの各流路内部に挿入された電極を含むことを特徴とする。

マニホールドブロックの各流路内部に挿入される電極は絶縁チューブで被覆製作され、絶縁チューブには、内部の電極と流路内部に満たされた電解液との間を電気的に接続するホールが形成されることが好ましい。
また、酸素供給装置は、マニホールドブロックの各流路に個別に配置されるノズルを含み、ノズルは、空気との混合により気泡が形成された電解液が供給されて流路内部に放出するために設けられることが好ましい。
また、酸素供給装置は、電解液をポンピングして電解液供給管を介して供給するポンプと、空気供給管を介して空気を供給する空気供給装置と、電解液供給管及び空気供給管が連結され、ポンプにより供給される電解液と空気供給装置により供給される空気が混合される混合チャンバーと、混合チャンバーで空気との混合により気泡が形成された電解液を気泡供給管を介してマニホールドブロックの各流路内部に個別に供給するために設けられるノズルと、を含むことが好ましい。

上記目的を達成するためになされた本発明の燃料電池スタック用マニホールドブロックの酸化層の形成方法は、酸化層の形成に必要な電解液が満たされた電解槽の電解液中にマニホールドブロックを位置決めし、酸素供給装置により電解液の内部に酸素が供給されると共に、電解液とマニホールドブロックに酸化層の形成のために電源装置の電力を印加し、電解液に接続される電極をマニホールドブロックの各流路内部に挿入して流路内部の電解液に電力が印加されることを特徴とする。

マニホールドブロックの各流路内部に挿入される電極は、絶縁チューブで被覆されたものを用い、絶縁チューブに内部の電極と流路内部に満たされた電解液との間を電気的に接続するホールを形成することが好ましい。
また、電解液に酸化層の形成に必要な酸素を供給し、酸素供給装置のノズルをマニホールドブロックの各流路の入口部に個別に設置することにより、空気との混合により気泡が形成された電解液を各ノズルを介して流路内部に供給することが好ましい。

本発明による燃料電池スタック用マニホールドブロックの酸化層の形成装置及び方法によれば、マニホールドブロックの各流路に沿って長く挿入される電極と、各流路内部に個別に酸素を供給するための酸素供給装置を用いることにより、構造が複雑で経路の長いマニホールドブロックの流路内部に酸化層を形成するための十分な電力と酸素を提供でき、その結果、流路内部の全区間にわたって均一に酸化層を形成することができる。

従来技術による酸化層の形成装置を示す構成図である。 従来技術による問題点（酸化層が形成されない区間発生）を説明するための図面である。 本発明の実施例による酸化層の形成装置を示す構成図である。 本発明の実施例による酸化層の形成装置におけるマニホールドブロックの流路内部に電極が挿入された状態を示す斜視図である。 本発明の実施例による酸化層の形成装置におけるマニホールドブロックの流路の入口部に気泡供給管が設置された状態を示す斜視断面図である。 本発明の実施例による酸化層の形成装置におけるマニホールドブロックの流路内部に絶縁チューブで被覆された電極を挿入した様子を説明する分解図である。

以下、添付した図面を参照して本発明の実施例について詳細に説明する。
本発明は、燃料電池スタック用マニホールドブロックに、耐腐食性を向上させるための酸化層を形成する装置及び方法に関するものであって、形状が複雑で、経路の長いマニホールドブロックの流路内部において酸化層が形成されない区間が発生する従来の問題点を解決するために、マニホールドブロックの各流路内部に沿って挿入される電極と、流路毎に内部に酸素を供給するための酸素供給装置を設けたことに特徴がある。

図３は、本発明の実施例による酸化層の形成装置を示す全体構成図である。図４は、本発明の実施例による酸化層の形成装置における流路内部に挿入される電極、及びマニホールドブロックの流路内部に電極が挿入された状態を示す斜視図であり、図５は、マニホールドブロックの流路入口部に気泡供給管が設置された状態を示す斜視断面図である。図６は、本発明の実施例による酸化層の形成装置におけるマニホールドブロックの流路内部に絶縁チューブで被覆された電極を挿入した様子を説明する分解図である。
酸化層の形成装置は、酸化層の形成に必要な電解液が満たされた電解槽１と、電解槽１の電解液中に入れたマニホールドブロック３と、電解液に酸化層の形成のための電力を印加（電流印加）するための電極４、５と、電解液の内部に酸素（空気）を供給するための酸素供給装置１０とを主な構成とする。
ここで、電極４、５には、図面に示していない外部の電源装置が接続され、これによって、工程中、電源装置から電極４、５に酸化／還元反応に必要な電流が印加されるが、電流を印加する場合、酸化層を形成するための通常の電気化学反応のメカニズムにより、マニホールドブロック３（アルミニウム材質）の表面に酸化層が形成される。

このような酸化層の形成装置では、酸化層が形成されるマニホールドブロック３に正極の電極４を接続し、電解液に負極の電極５を接続するが、従来のように電解液に単に電極を挿入して負極に接続する場合、経路の長いマニホールドブロック３の流路内部で電解液を十分に負極化することができず、酸化層の形成が困難である。
したがって、本発明ではマニホールドブロック３の各流路内部に個別に挿入される負極の電極５（電解液に負極を接続するための電極）をさらに用い、これによって、流路内部の電解液にも酸化層の形成に必要な電力が十分に供給される。

流路内部に挿入される電極５は、図４に示したとおり、流路に沿って長く挿入される形状に製作され、また、マニホールドブロック３の流路が曲線流路形状を有するため、曲線流路に沿って挿入できる柔軟性（ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ）を有するワイヤー状に製作される。
この時、導電性材質の電極５をマニホールドブロック３の流路内部にそのまま挿入すると、負極の電極５と正極のマニホールドブロック３がショート（ｓｈｏｒｔ）してマニホールドブロック３の損傷をもたらし、また酸化反応の進行が遅くなる。
このため、電極５を絶縁材質の絶縁チューブ５ａで被覆製作し、また、絶縁チューブ５ａには内部の電極５と外部の電解液との間を電気的に接続するための複数のホール５ｂを形成する。

ホール５ｂは、絶縁チューブ５ａの長手方向に沿って一定間隔で形成されるが、この時、ホール５ｂの形状としては円形、矩形、星（ｓｔａｒ）形などがよく、ホール５ｂの大きさ及び個数はマニホールドブロック３に形成する酸化層の生成深さなどを考慮して調整することができる。
電解液が満たされた電解槽１中にマニホールドブロック３を位置決めした後、図４に示したとおり、マニホールドブロック３の流路内部に絶縁チューブ５ａで被覆された負極の電極５を挿入し、負極の電極５とマニホールドブロック３に接続した正極の電極４を用いて電源装置から電流を印加すると、マニホールドブロック３の表面に酸化層を形成することができる。
特に、各流路内部に挿入された電極５により流路の全区間にわたって均一に酸化層が形成されるため、従来の流路内部の内側に酸化層が形成されない問題を解決することができる。
また、本発明では、マニホールドブロック３の各流路内部に上述したワイヤー状の電極５を挿入すると共に、マニホールドブロック３の外部の電解液にも従来のように負極の電極（図３の「５」）を挿入して電力を印加する。これによって、マニホールドブロック３の外部及び流路内部の全体にわたって均一に酸化層が形成される。

一方、本発明では、電解液の内部に酸素（空気）を供給するための酸素供給装置１０が設置される。
酸素供給装置１０は、マニホールドブロック３の各流路内部に酸化層の形成に必要な酸素を十分に供給する。具体的には、複雑で、経路の長いそれぞれの流路内部に個別のノズルを介して酸素が含まれた気泡を供給するが、これによって、流路内部の全区間にわたって酸化層が効果的に生成される。
すなわち、電解槽１中に、酸素が含まれた気泡をマニホールドブロック３の各流路内部に個別に供給する複数のノズル１５を設置する。

この時、酸素供給装置１０は、電解液と空気を混合して気泡が含まれた電解液をそれぞれのノズル１５を介して流路内部に供給する方式で構成される。
さらに詳細に説明すると、図３に示したとおり、電解槽１中にマニホールドブロック３を固定するジグ８が設置され、このジグ８により固定されたマニホールドブロック３の各流路の入口部に複数のノズル１５が配置される。
各ノズル１５は、ジグ８に一体に設置された支持台９に装着され、支持台９から流路の内側に向かって気泡が含まれた電解液を放出するために、各ノズル１５の出口が各流路の内側に向かって設けられる。

また、電解槽１の内部には電解液をポンピングして圧送するポンプ１１が設置され、これと共にジグ８には混合チャンバー１３が設置され、ポンプ１１と混合チャンバー１３との間にはポンプ１１により圧送される電解液が混合チャンバー１３に供給される電解液供給管１１ａが接続される。
混合チャンバー１３には、電解槽１の外部の空気供給装置１２から空気供給管１２ａが連結され、これによって、空気供給装置１２から空気供給管１２ａを介して供給される空気が混合チャンバー１３に供給される。
また、混合チャンバー１３から気泡供給管１４を介してそれぞれのノズル１５に連結される。

結果的に、酸化層を形成する工程では、混合チャンバー１３内でポンプ１１により圧送された電解液と空気供給装置１２から供給された空気が互いに混合され、電解液と空気の混合物、すなわち気泡が含まれた電解液が気泡供給管１４を介して各ノズル１５に供給される。
各ノズル１５を介してマニホールドブロック３の流路内部に、酸素が含まれた気泡が供給される間、上述した電極４、５に電流を印加すると、流路の長さ及び形状に関わらず、流路内部の全区間にわたって均一な酸化層を形成することができる。

また、本発明の酸化層の形成装置は、混合チャンバー１３と複数のノズル１５をジグ８の所定の位置に装着して一体化した構成にしてもよく、この場合、マニホールドブロック３を電解槽１内のジグ８の所定の位置に装着さえすれば、別途の装置をセットする必要がなく、マニホールドブロック３をジグ８に装着後、直ちに酸化層形成工程を進行することができるため、生産性の増大を可能にする。
さらに、ノズル１５を介して流路の形状及び長さに応じて適量の電解液（気泡が含まれた電解液）が内部に供給されるノズル１５の出口の大きさ、ポンプ、及び空気供給装置の供給速度、チャンバーの大きさなどの設定と、噴射量の調節が可能なノズルを用いてもよい。
また、マニホールドブロック３をジグ８に装着すると、各流路内部に気泡が含まれた電解液を供給する各ノズルの位置及び噴射方向などが流路の位置及び形状に合わせて適切に設定される。

以上、本発明の具体的な実施例について詳細に説明したが、本発明は上記の実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲内で多様な形態への変更実施が可能である。

１ 電解槽
２ 気泡発生装置
３ マニホールドブロック
４ 電極（＋）
５ 電極（−）
５ａ 絶縁チューブ
５ｂ ホール
８ ジグ
９ 支持台
９ａ 電極挿入部
１０ 酸素供給装置
１１ ポンプ
１１ａ 電解液供給管
１２ 空気供給装置
１２ａ 空気供給管
１３ 混合チャンバー
１４ 気泡供給管
１５ ノズル
Ｂ 入口幅
Ｌ 全長

Claims (9)

1. 酸化層の形成に必要な電解液が満たされた電解槽と、
   前記電解槽の前記電解液中に入れたマニホールドブロックと、電解液に酸化層の形成用の電源装置から電力を印加するための電極と、
   前記電解液の内部に酸素を供給するための酸素供給装置と、を含み、
   前記電解液に接続される前記電極は、前記マニホールドブロックの各流路内部に挿入された前記電極を含むことを特徴とするマニホールドブロックの酸化層の形成装置。
2. 前記マニホールドブロックの各流路内部に挿入される前記電極は絶縁チューブで被覆製作され、前記絶縁チューブには、内部の前記電極と流路内部に満たされた前記電解液との間を電気的に接続するホールが形成されたことを特徴とする請求項１に記載のマニホールドブロックの酸化層の形成装置。
3. 前記絶縁チューブの前記ホールは、前記絶縁チューブの長手方向に沿って複数形成されたことを特徴とする請求項２に記載のマニホールドブロックの酸化層の形成装置。
4. 前記酸素供給装置は、前記マニホールドブロックの各流路に個別に配置されるノズルを含み、前記ノズルは、空気との混合により気泡が形成された前記電解液が供給されて流路内部に放出するために設けられたことを特徴とする請求項１に記載のマニホールドブロックの酸化層の形成装置。
5. 前記酸素供給装置は、
   前記電解液をポンピングして電解液供給管を介して供給するポンプと、
   空気供給管を介して空気を供給する空気供給装置と、
   前記電解液供給管及び前記空気供給管が連結され、前記ポンプにより供給される前記電解液と前記空気供給装置により供給される空気が混合される混合チャンバーと、
   前記混合チャンバーで空気との混合により気泡が形成された前記電解液を気泡供給管を介して前記マニホールドブロックの各流路内部に個別に供給するために設けられる前記ノズルと、
   を含むことを特徴とする請求項１または４に記載のマニホールドブロックの酸化層の形成装置。
6. 前記電解槽内に前記マニホールドブロックを固定するためのジグが設置され、前記ジグに固定された前記マニホールドブロックの各流路内部に向かって気泡が形成された前記電解液を個別に放出するために、前記混合チャンバーと前記ノズルが前記ジグの所定の位置に固定設置されたことを特徴とする請求項５に記載のマニホールドブロックの酸化層の形成装置。
7. 酸化層の形成に必要な電解液が満たされた電解槽の前記電解液中にマニホールドブロックを位置決めし、酸素供給装置により前記電解液の内部に酸素を供給すると共に、前記電解液と前記マニホールドブロックに酸化層の形成のために電源装置の電力を印加し、前記電解液に接続される電極を前記マニホールドブロックの各流路内部に挿入して流路内部の前記電解液に電力が印加されることを特徴とするマニホールドブロックの酸化層の形成方法。
8. 前記マニホールドブロックの各流路内部に挿入される前記電極は、絶縁チューブで被覆されたものを用い、前記絶縁チューブに内部の前記電極と流路内部に満たされた前記電解液との間を電気的に接続するホールを形成することを特徴とする請求項７に記載のマニホールドブロックの酸化層の形成方法。
9. 前記電解液に酸化層の形成に必要な酸素を供給し、前記酸素供給装置のノズルを前記マニホールドブロックの各流路の入口部に個別に設置することにより、空気との混合により気泡が形成された前記電解液を各ノズルを介して流路内部に供給することを特徴とする請求項７に記載のマニホールドブロックの酸化層の形成方法。

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