JP5279462B2 - 燃料電池の外部マニホールド及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池の外部マニホールド及びその製造方法に関するものであって、特に、外部マニホールドの構成に改良を施すことにより、金型による一体成形を可能とした技術に係る。

燃料電池スタックの各単セル電池には、反応に必要な燃料（水素）と酸化剤（空気）及び冷却に必要な冷却水を均等に供給する必要があり、反応ガス・冷却水を分配・回収するためにマニホールドが設けられている。このマニホールドには、内部マニホールド方式と外部マニホールド方式がある。

このうち、外部マニホールド方式は、セパレータに設けたガス流通路をセパレータ端部まで延長して積層体側面に開口させ、別体の外部マニホールドを側面に設けて流通させている。この外部マニホールドを採用した燃料電池としては、例えば特許文献１に記載のものがある。

図４は、このような外部マニホールドを装着した燃料電池の一例を示す斜視図である。図中、符号１は、燃料電池の積層された各セルを前後から締め付けているエンドプレート、２は締め付けスタッドである。燃料電池の周囲の各面には、外部マニホールド３〜６がそれぞれ設けられている。

この外部マニホールドは、その内部を流れる物質によってそれぞれ異なるものであって、図の例では、燃料電池の上部に燃料入口外部マニホールド３、前面に酸化剤入口・冷却水出口外部マニホールド４、下部に燃料出口外部マニホールド５、背面に酸化剤出口・冷却水入口外部マニホールド６が設けられている。なお、各外部マニホールド３〜６の位置は、燃料電池の設置方向によって異なるので、必ずしも図示の位置に設けられるとは限らない。また、冷却水の循環方向や燃料・酸化剤の供給・排出方向によって、その入口と出口の組み合わせも図示のものに限らない。

更に、前記燃料入口外部マニホールド３には燃料入口３１が、酸化剤入口・冷却水出口外部マニホールド４には酸化剤入口４１と冷却水出口４２が、燃料出口外部マニホールド５には燃料出口５１が、酸化剤出口・冷却水入口外部マニホールド６には酸化剤出口６１と冷却水入口６２が設けられている。

外部マニホールド方式では、マニホールド内部に別部材の流配板を設置し、均一にガスや冷却水を分配する構造が用いられている。特許文献２には外部マニホールド内に開口部を有する蓋状構造物を設置し、ガスの配流の均一化を図る構成が開示されている。

図５は、このような従来の外部マニホールドの構成を、燃料入口外部マニホールド３を例に挙げて示すものである。この従来技術において、上面が開口した箱状の外部マニホールド３の一端には、その壁面を貫通するように燃料入口３１が設けられている。外部マニホールド３内には、燃料入口３１の延長上に断面コ字型の流配板３２が外部マニホールド３の底部との間で角筒状の流路（流配部３３）を形成するように設けられている。この流配板３２の上面には、複数の噴出口３４が形成され、これらの噴出口３４を通って、燃料入口３１から流入した燃料が外部マニホールド３内のマニホールド空間３５に均一に分配される。

特開２００８−４１４７５号公報 特開平９−１６１８２８号公報

ところで、前記のような従来技術の外部マニホールド３は、角筒状の流配部３３を形成するための流配板３２と、箱状をした外部マニホールド３とを別々の金型を使用してそれぞれ個別に成形し、その後、両者を接着することで製造されていた。しかし、このような従来技術では、外部マニホールド３と流配板３２との２部材構造となり、成形用の金型が２組以上必要となる上に、両者を接合する工程が必要となる問題があった。

しかも、前記のような従来技術は、燃料入口３１の口径に対して、流配板３２によって形成された流配部３３の断面積が大きいため、図６の（Ｂ）に示すように、燃料入口３１と流配板３２の拡大部コーナーにおいて剥離域を生じ、噴出口３４から流配部３３へ戻る渦流が発生してしまい、燃料を外部マニホールド３内に均一に分配することができない可能性があった。

本発明は上述した課題を解決するために提案されたものであり、部品点数を減らし、接合する後工程を必要とせず、均一な配流を実現する燃料電池の外部マニホールド及びその製造方法を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明の外部マニホールドは、内側にマニホールド空間が形成された上面開口型をした箱状の外部マニホールド本体と、この外部マニホールド本体の一壁面を水平方向から貫通して設けられた出入口と、前記出入口と同軸でかつ前記出入口の断面形状内に収まる断面形状の流配部を備え、前記出入口と流配部が、外部マニホールド本体の壁部を貫通する同一金型によって成形されていることを特徴とする。

また、本発明の外部マニホールドの製造方法は、上面開口型をした箱状の外部マニホールド本体の内面に沿った形状の上部金型と、外部マニホールド本体の外面に沿った形状の下部金型とを備えた上下分割型の金型と、これら上下の金型に対して水平方向から装着及び脱着される棒状のスライドコアとを使用し、前記上下の金型の接合状態において、上下の金型の間に上面開口型の外部マニホールド本体を形成する材料を注入する充填部を形成すると共に、この充填部内に上下の金型の水平方向からスライドコアを装着し、このスライドコアによって前記充填部内に外部マニホールド本体を貫通する出入口及び流配部となる材料の充填阻止部を形成し、この状態で前記金型内に材料を充填して成形することにより、内部にマニホールド空間が形成された上面開口型の外部マニホールド本体と、この外部マニホールド本体の壁面を貫通してマニホールド空間と外部マニホールド本体外部とを連通する出入口及び前記出入口と同軸でかつ前記出入口の断面形状内に収まる断面形状の流配部を一体に成形することを特徴とする。

本発明によれば、上下の金型及びスライドコアを使用することにより、上面開口型の外部マニホールド本体と、このマニホールド空間内に燃料ガス、酸化剤、あるいは冷却水を循環させる出入口、流配部、流配板、バッフル板などを一部材により一体成形することが可能になる。その結果、部品点数の削減及び別部品を接合する後工程が不要となり、外部マニホールドの製造が簡略化する。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

（１）第１実施形態
この第１実施形態は、本発明を図４に示す燃料電池の燃料入口外部マニホールド３に適用したものである。本実施形態において、上面開口型の外部マニホールド本体１０の外側壁面の１つには燃料出入口となる出入口１１が一体に成形されている。この出入口１１は、マニホールド本体１０の内側に形成されたマニホールド空間１２と流配部１３を介して連通している。

この流配部１３は、外部マニホールド本体１０の底面と一体に設けられた筒状の流配板１４の内部に形成されている。この流配部１３は、前記出入口１１と同軸でかつ前記出入口１１の断面形状内に収まる断面形状の流配部を備えている。筒状の流配板１４の上部には、流配部１３と前記マニホールド空間１２とを貫通する噴出口１５が設けられている。この噴出口１５は、外部マニホールド本体１０の上下方向に、噴出口１５の上方側が下方側よりも狭くならないような断面形状に形成されている。

次に、前記のような構成を有する外部マニホールドの製造方法を説明する。
外部マニホールドはポリプロピレンやポリカーボネート、ＰＰＳなどの熱可塑性樹脂やフェノール、エポキシなどの熱硬化性樹脂の材料が用いられ、射出成形や圧縮成形などにより成形される。使用する金型は、図１に示すように外部マニホールド本体１０の外面を形成する下部金型２１と外部マニホールド本体１０の内面を形成する上部金型２２、出入口１１の内面および流配部１３を形成するスライドコア２３の３個より構成される。出入口１１の断面形状内に流配部１３の断面形状が収まる形状とすることで、スライドコア２３は上部金型２２と下部金型２１に干渉することなく抜き挿しが可能となっている。

前記上下の金型２１，２２は、その接合状態において、上下の金型の間に上面開口型の外部マニホールド本体１０を形成する材料を注入する充填部が形成される。また、この充填部内に上下の金型２１，２２の水平方向からスライドコア２３を装着した場合に、このスライドコア２３によって前記充填部内に外部マニホールド本体１０を貫通する出入口１１及び流配部１３となる材料の充填阻止部が形成される。

前記上部金型２２の下面には、スライドコア２３の上面に当接する噴出口成形用凸部２６が一体に形成され、上下の金型内２１，２２の充填部内に材料を充填して成形する際に、この噴出口成形用凸部２５を材料の充填阻止部として、外部マニホールド本体１０内部のマニホールド空間１２と流配部１３とを連通する噴出口１５が形成される。

以上の構造により、外部マニホールド本体１０と外部マニホールド内側の流配部１３を１部材で構成することが可能となり、部品点数が削減できるとともに別部品を接合する後工程が省略でき、より安価にマニホールドを製造することが可能となる。また、図６（Ｂ）に示すように、流配部１３の断面積が出入口１１の断面積よりも大きい従来技術では、断面積が拡大したコーナー部で流体の剥離域を生じ、噴出口１５から流配部１３へ戻る渦流が発生してしまう。しかし、流配部１３の断面形状が出入口１１の断面形状に収まる構成とした本実施形態では、断面積の変化量が抑えられ、剥離域が小さくなり、噴出口１５からマニホールド空間１２内に流体を均一に配流することが可能になる。

（２）第２実施形態
図２を用いて第２実施形態の外部マニホールド本体１０の構造を示す。外部マニホールド本体１０の外側側面には出入口１１が一体成形され、この出入口１１の延長上に流配板１４内部の流配部１３が形成されている。この第２実施形態では、前記第１実施形態と異なり、流配板１４の端部、すなわち、流配部１３の延長上に流配部１３とマニホールド空間１２とを連通する噴出口１５が形成されている。この場合、噴出口１５の断面形状は、前記流配部の断面形状に収まるように設定されている。他の構成は、前記第１実施形態と同様である。

一方、第２実施形態では、上部金型２２に噴出口１５形成用の凸部２５を設けることはない。その代わりに、スライドコア２３の先端部に、噴出口１５形成用の凸部が設けられている。なお、第２実施形態で、噴出口１５の内径と流配部１３の内径を等しくすることで、流配部１３の先端がそのまま噴出口１５を兼ねており、スライドコア１３も流配部１３の形成部と噴出口１５の形成部とが同一径に設定されている。しかし、噴出口１５の径を流配部１３の径よりも小さくした場合には、それに応じて、スライドコア２３の先端部に小径の噴出口形成用の凸部を設ける。

このような構成を有する第２実施形態においても、外部マニホールド成形用の金型は、図２に示すようにマニホールドの外面を形成する下部金型２１とマニホールド内面を形成する上部金型２２、出入口の内面および流配部を形成するスライドコア２３の３個より構成される。この場合、前記のように出入口１１、流配部１３及び噴出口１５の断面形状を噴出口１５側（スライドコア２３の先端側）が出入口１１側の断面形状に収まるものとすることで、スライドコア２３を上部金型２２と下部金型２１に干渉することなく抜き挿しが可能となる。

（３）第３実施形態
図３を用いて第３実施形態の外部マニホールド本体の構造を示す。この第３実施形態では、第２実施形態における流配部１３を短くすると共に、マニホールド空間１２内にその底部から上方に垂直に伸びるバッフル板１６を形成したものである。このバッフル板１６は、第３実施形態では、流配部１３の軸線と直角に配置された１枚の板状の部材であるが、上部金型２２の抜き方向に対してアンダーカットが形成されることがないように、バッフル板１６における外部マニホールド本体の上部側が底部側と等しいか、底部側よりも小さく形成されている。

この第３実施形態では、上部金型２２の下面に、上部金型２２の肉厚内に向かって垂直方向に形成されたバッフル板成形用凹部２６を形成し、前記上下の金型２１，２２の接合状態において、上下の金型内の充填部とこれに連通した凹部２６内に材料を充填して成形することにより、外部マニホールド本体１０の内部に垂直のバッフル板１６を一体に形成する。

この構造により、噴出口１５から噴出した流体がバッフル板１６に衝突して分散されることにより、マニホールド空間１２全域に均等に流体を配分できる。また、前記各実施形態と同様に、外部マニホールドを１部材によって、しかも、一度の注型作業で製造することが可能になるので、製造工程の簡略化が図れる効果がある。

（４）他の実施形態
本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、次のような他の実施形態も包含する。

(a) 前記各実施形態では、外部マニホールド本体として、燃料入口マニホールドについて示したが、空気入口マニホールド、冷却水入口マニホールドについても同様の構造とすることが可能である。また、出口側の外部マニホールドに本発明を適用することもできる。

(b) 第１実施形態または第２実施形態の外部マニホールドに対して、第３実施形態に示したバッフル板を組み合わせることも可能である。バッフル板の数も、第３実施形態のような１個に限定されるものではなく、複数個設けたり、上部金型２２を上方に引き出すことができるオーバーヘッドが無い形状であれば、流体の分散性を考慮して、板状、柱状、筒状など種々の形状を採用することができる。

本発明による第１実施形態における外部マニホールド本体とその金型を示す図であって、（Ａ）は外部マニホールド本体の斜視図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ’線断面図、（Ｃ）はＡ−Ａ’線断面図である。 本発明による第２実施形態における外部マニホールド本体とその金型を示す図であって、（Ａ）は外部マニホールド本体の斜視図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ’線断面図、（Ｃ）はＡ−Ａ’線断面図である。 本発明による第３実施形態における外部マニホールド本体とその金型を示す図であって、（Ａ）は外部マニホールド本体の斜視図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ’線断面図、（Ｃ）はＡ−Ａ’線断面図である。 外部マニホールドを備えた燃料電池スタックの一例を示す斜視図である。 従来の燃料入口マニホールドを示す図であって、（Ａ）は外部マニホールド本体の斜視図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ’線断面図、（Ｃ）はＡ−Ａ’線断面図である。 第１実施形態と従来技術による燃料入口マニホールドの流配部と出入口の関係を示す断面図である。

符号の説明

１０…外部マニホールド本体
１１…出入口
１２…マニホールド空間
１３…流配部
１４…流配板
１５…噴出口
１６…バッフル板
２１…下部金型
２２…上部金型
２３…スライドコア
２５…噴出口形成用凸部
２６…バッフル板形成用凹部

Claims (8)

1. 内側にマニホールド空間が形成された上面開口型をした箱状の外部マニホールド本体と、この外部マニホールド本体の一壁面を水平方向から貫通して設けられた出入口と、前記出入口と同軸でかつ前記出入口の断面形状内に収まる断面形状の流配部を備え、
   前記出入口と流配部が、外部マニホールド本体の壁部を貫通する同一金型によって成形されていることを特徴とする燃料電池の外部マニホールド。
2. 前記外部マニホールド本体における周囲の壁面に囲まれたマニホールド空間内に、筒状の流配板が形成され、この流配板内に前記出入口と同軸の流配部が形成され、
   この筒状の流配板の外形は、流配板における前記外部マニホールド本体の上部側が底部側と等しいか、底部側よりも小さく形成され、
   前記外部マニホールド本体とこの流配板が同一金型によって一体に成形されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の外部マニホールド。
3. 前記筒状の流配板には、流配板内の流路とマニホールド空間とを貫通する噴出口が形成され、この噴出口は、外部マニホールド本体の上下方向に、噴出口の上方側が下方側よりも狭くならないように形成され、
   前記外部マニホールド本体と流配板、及びこの噴出口が同一金型によって成形されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池の外部マニホールド。
4. 前記筒状の流配板には、流配板内の流路とマニホールド空間とを貫通する噴出口が形成され、この噴出口は、前記出入口及び流配部と同軸で、かつ前記流路の断面形状内に収まる断面形状に形成されて、
   前記出入口、流配部及び噴出口が外部マニホールド本体の側方から挿入された同一金型で成形されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池の外部マニホールド。
5. 前記マニホールド空間内部に、外部マニホールド本体の底部から上面開口部に向かって垂直に突出したバッフル板が外部マニホールド本体と一体に形成され、このバッフル板における前記外部マニホールド本体の上部側が底部側と等しいか、底部側よりも小さく形成され、このバッフル板と外部マニホールド本体とが同一金型で成形されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池の外部マニホールド。
6. 上面開口型をした箱状の外部マニホールド本体の内面に沿った形状の上部金型と、外部マニホールド本体の外面に沿った形状の下部金型とを備えた上下分割型の金型と、これら上下の金型に対して水平方向から装着及び脱着される棒状のスライドコアとを使用し、
   前記上下の金型の接合状態において、上下の金型の間に上面開口型の外部マニホールド本体を形成する材料を注入する充填部を形成すると共に、この充填部内に上下の金型の水平方向からスライドコアを装着し、このスライドコアによって前記充填部内に外部マニホールド本体を貫通する出入口及び流配部となる材料の充填阻止部を形成し、
   この状態で前記金型内に材料を充填して成形することにより、内部にマニホールド空間が形成された上面開口型の外部マニホールド本体と、この外部マニホールド本体の壁面を貫通してマニホールド空間と外部マニホールド本体外部とを連通する出入口及び前記出入口と同軸でかつ前記出入口の断面形状内に収まる断面形状の流配部を一体に成形することを特徴とする燃料電池の外部マニホールドの製造方法。
7. 前記上部金型の下面に、スライドコアの上面に当接する噴出口成形用凸部を一体に形成し、上下の金型内の充填部内に材料を充填して成形する際に、この噴出口成形用凸部を材料の充填阻止部として、外部マニホールド本体内部のマニホールド空間と流配部とを連通する噴出口を成形することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池の外部マニホールドの製造方法。
8. 前記上部金型に、その内面から上部金型の肉厚内に向かって垂直方向に形成されたバッフル板成形用凹部を形成し、前記上下の金型の接合状態において、上下の金型内の充填部とこれに連通した凹部内に材料を充填して成形することにより、外部マニホールド本体の内部に垂直のバッフル板を一体に成形することを特徴とする請求項６または請求項７に記載の燃料電池の外部マニホールドの製造方法。

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