JP5971935B2 - 燃料電池スタック用マニホールドブロック - Google Patents
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Description
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。
前記マニホールドブロックは、気体と冷却水を通過させる複雑な内部流路として長く形成されている。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は、スタックモジュールの外側に設けられたマニホールドブロックが、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。
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によりブロックの形状を成形した後、外部及び内部流路に耐腐食性を向上させるための酸化層を形成して製造する方法が研究されている。
図1に示すように、膜電極接合体、気体拡散層、分離板、ガスケットなどの単位セル構成が積層されたスタックモジュール30の最外郭にエンドプレート31が組み立てられ、エンドプレート31の外側にはガスケット32を介してマニホールドブロック10が取り付けられる。
マニホールドブロック10の一側には冷却水が流入するインターフェース部14が結合され、インターフェース部14を介して流入する冷却水がマニホールドブロック内の冷却水流路11を通過した後、スタックモジュール30に供給され、スタックモジュール30から出た冷却水がインターフェース部を介して外部に排出される。
このようなインターフェース部14は、絶縁材質のプラスチックを素材として製作される。
図1に示すマニホールドブロック10で、冷却水流路11は所定角度で折曲した直線状であり、その内部には常に冷却水が満たされている。
このようにマニホールドブロック10の冷却水流路11に冷却水が満たされた状態では、スタックモジュール30で発生した高電圧電気が冷却水を通して外部に漏洩することがあり、漏洩した電気は、使用者や作業者に電気的なショックを与えることになる。
しかしながら、図1に示したマニホールドブロック10は、構成が簡単で、十分な大きさの冷却水流路の確保が可能であり、差圧を低減できる利点があるが、絶縁コーティングをする時、工程の作業リング境に応じてコーティングの品質にばらつきが生じ、コーティングの固まりにより表面の粗度が悪くなる問題がある。
また、初期には絶縁性能を満足するが、時間が経つにつれてコーティングが劣化して絶縁性がますます低下し、絶縁コーティングが破壊された後には電気的な腐食が発生する問題点がある。
前記冷却水流路の内側に挿入され、冷却水流路の内側面に密着されることにより、冷却水流路の内側面を電気絶縁するチューブ型の絶縁部材と、
前記冷却水流路の内側に挿入され、絶縁部材の内側面に密着されることにより、絶縁部材を固定及び保護する絶縁カバーと、
を含み、
前記絶縁カバーは、冷却水流路の内側に挿入された流路挿入部全体が2分割された構造を有し、分割された絶縁カバーが冷却水流路の両側からそれぞれ絶縁部材の内側に挿入されており、
前記分割された絶縁カバーが冷却水流路の内側に完全に挿入された状態で、分割された両側絶縁カバーの流路挿入部が互いにつながっていることを特徴とする。
前記絶縁カバーの端部に絶縁部材のフランジに接合されたフランジが形成されており、前記絶縁カバーのフランジと絶縁部材のフランジが互いに接合された状態でマニホールドブロックとスタックモジュールとの間に圧着介在された
ことを特徴とする。
バーが一体に形成されており、前記ボルトカバーがマニホールドブロックの締結部に重ね
合わせた状態でボルトが締結されており、ボルトカバーによりボルトとマニホールドブロ
ックとの間が絶縁されていることを特徴とする。
また、前記冷却水流路は四角状の断面を有するチューブ形状であり、所定角度で傾
斜するように折曲された直線状の流路形状を有することを特徴とする。
本発明は、電気絶縁性を向上させる燃料電池スタック用マニホールドブロックに関し、内部流路において、所定角度で折曲した直線状の冷却水流路に対して優れた電気絶縁性を確保できるように構成される。
特に、本発明のマニホールドブロックは、冷却水流路の形状に合わせて成形したゴム材質の絶縁部材を冷却水流路に挿入した後、前記絶縁部材を固定及び保護するための2分割されたプラスチック絶縁カバーを冷却水流路の両側から絶縁部材の内側に挿入することで、優れた絶縁性と絶縁耐久性を確保すると共に電気的な腐食を効果的に防止することに主な特徴がある。
また、図3は、本発明の実施例によるマニホールドブロック10における絶縁部材21と絶縁カバー23を示す分離斜視図であり、図4は、両側の2つの絶縁カバー23を組立配置した状態の斜視図であり、図5は、絶縁部材21と両側の2つの絶縁カバー23を組立配置した状態の斜視図である。
また、図6は、絶縁カバー23の背面斜視図であって、絶縁カバー23のフランジ24にシーリング突起26が形成されていることを示す図面である。
燃料電池車両に複数のスタックモジュール(例えば、上下に配置されるスタックモジュール)が搭載される場合、スタックモジュール30の外側に取り付けられたマニホールドブロック10は、各スタックモジュールに反応気体(空気、水素)と冷却水を均等に供給する。
また、本発明の実施例では、マニホールドブロック10の内部流路において、冷却水流路11は概略四角状の断面を有するチューブ形状であり、所定角度で傾斜するように折曲した直線状の流路形状を有する。
このような構造で冷却水流路11が絶縁されていない場合、スタックモジュール30で生成された高電圧電気が冷却水を通してアルミニウム材質のマニホールドブロック10を介して車両のシャシーに放電され、これは運転者や作業者に電気的な損傷を与える恐れがある。
先ず、冷却水流路11の形状と同じ形状を有する絶縁部材21を予め成形し、冷却水流路内に挿入して絶縁する。
この時、絶縁部材21は、マニホールドブロック10の冷却水流路11の内部に挿入され、冷却水流路の内側面に密着されるように冷却水流路の内部の表面形状と同じ形状で成形製作される部材であって、フッ素系、シリコン系、EPDMなどの絶縁性ゴム材質で製作される。
また、絶縁部材21は、前述したように、マニホールドブロック10の冷却水流路11の内側面に密着される流路形状を有し、両端部の末端にはスタックモジュール30の対応面(エンドプレートの対応面となる)とインターフェース部14の対応面にマッチングするフランジ22が形成された構造を有する。
このように絶縁部材21の両端部の末端に形成されるフランジ22は、マニホールドブロック10において、冷却水流路11の外郭周辺の全体を囲むように冷却水流路の形状に合わせて形成され、絶縁カバー23のフランジ24と接合された状態で、マニホールドブロック10の端面とエンドプレート31の端面、及びインターフェース部14の端面の間に圧着される。
この時、絶縁部材21をマニホールドブロック10の折曲した流路部の内側に通過させるために、絶縁部材の一端部にはリング21aを形成することが好ましいが、スタックモジュール30側から絶縁部材21を冷却水流路11の内部に挿入した後、リング21aを用いてインターフェース部14側に引き抜くようにする。
絶縁カバー23は、絶縁部材21を固定及び保護するために挿入されるもので、冷却水流路11内に挿入され、絶縁部材の内側面に密着する流路挿入部23a,23bを有するが、図2から図5に示すように、冷却水流路11の両端からそれぞれ挿入して組み立てるように、流路挿入部23a,23bが2分割された構造を有する。
絶縁カバー23の端部には、スタックモジュール30のエンドプレート31に直接接合されるフランジ24が形成され、絶縁カバー23のフランジ24は、絶縁部材21のフランジ22に接合される部分であって、絶縁部材21のフランジ22と絶縁カバー23のフランジ24は、エンドプレート31とマニホールドブロック10との間に圧着介在される部分である。
具体的には、スタックモジュール30のエンドプレート31との間にシーリング用ガスケット32を装着するための溝25が絶縁カバー23のフランジ24に形成され、マニホールドブロック10の絶縁カバー23がガスケット32を介した状態でスタックモジュール30のエンドプレート31に直接結合される。
しかし、この場合、鋳造工法の特性上、製作公差によりガスケットが装着される溝を一定の幅で形成しにくく、前記溝の不規則な幅(製作公差により1〜3mm程度の幅の偏差が存在)により、絶縁コーティングをする時、品質の確保が困難であった。
また、絶縁コーティングの後にも溝の角部分に電荷が集中するため、電気的にぜい弱な部分が存在した。
本発明ではプラスチック材質の絶縁カバー23にガスケット装着用溝25を成形して使用することにより、上述した従来の問題点を解決することができた。
このようにシーリング突起26がガスケット32の経路と一致するように突出形成されるため、スタックモジュール30との間に設けられたガスケット32が絶縁カバー23のフランジ24を押す場合、フランジ24のシーリング突起26が絶縁部材21のフランジ22を押して完全な気密性能が確保される。
また、絶縁カバー23の一側にはマニホールドブロック10のボルトを締結するための締結部を覆うボルトカバー27が一体に形成され、ボルトカバー27をマニホールドブロック10の締結部に重ね合せた後、ボルトを締結することにより、ボルトカバー27はボルトとマニホールドブロック10との間を絶縁する。
図7に示すように、マニホールドブロック10には冷却水流路11の他、反応気体の空気と水素を供給するための流路12,13が形成されているため、絶縁部材21を固定/保護するための絶縁カバー23の流路挿入部23c,23dを空気流路12及び水素流路13にも挿入して各流路の内側面に密着させる。
このように生成水が空気流路12と水素流路13に沿って排出されることにより、スタックモジュール30とマニホールドブロック10との間の電気的な通路が形成され、これは冷却水による漏洩電流に比べて一時的で、その量は微々たるものであるが、これも使用者や作業者に電気的な損傷を及ぼす恐れがある。
このようにして本発明によるマニホールドブロックでは、冷却水流路内に絶縁部材が挿入された後、前記絶縁部材を固定及び保護するための分割された絶縁カバーが冷却水流路の両側から絶縁部材の内側に挿入されることにより、優れた電気絶縁性を確保でき、電気的な腐食が効果的に防止されることになる。
11 冷却水流路
12 空気流路
13 水素流路
14 インターフェース部
21 絶縁部材
21a リング
22 フランジ
23 絶縁カバー
23a、23b、23c、23d 流路挿入部
24 フランジ
25 溝
26 シーリング突起
27 ボルトカバー
30 スタックモジュール
31 エンドプレート
32 ガスケット
Claims (9)
- 燃料電池スタックモジュールに結合され、気体流路と冷却水流路を有するマニホールドブロックであって、
前記冷却水流路の内側に挿入され、冷却水流路の内側面に密着されることにより、冷却水流路の内側面を電気絶縁するチューブ型の絶縁部材と、
前記冷却水流路の内側に挿入され、絶縁部材の内側面に密着されることにより、絶縁部材を固定及び保護する絶縁カバーと、
を含み、
前記絶縁カバーは、冷却水流路の内側に挿入された流路挿入部全体が2分割された構造を有し、分割された絶縁カバーが冷却水流路の両側からそれぞれ絶縁部材の内側に挿入されており、
前記分割された絶縁カバーが冷却水流路の内側に完全に挿入された状態で、分割された両側絶縁カバーの流路挿入部が互いにつながっていることを特徴とする燃料電池スタック用マニホールドブロック。 - 前記絶縁部材の両端部の末端に冷却水流路の外郭周辺の全体を囲むフランジが形成されており、
前記絶縁カバーの端部に絶縁部材のフランジに接合されたフランジが形成されており、前記絶縁カバーのフランジと絶縁部材のフランジが互いに接合された状態でマニホールドブロックとスタックモジュールとの間に圧着介在された
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池スタック用マニホールドブロック。 - 前記絶縁カバーのフランジには、スタックモジュールとの間にシーリング用ガスケットを装着するためのガスケット装着溝が形成されたことを特徴とする請求項2に記載の燃料電池スタック用マニホールドブロック。
- 前記絶縁カバーのフランジには、絶縁部材のフランジに圧着されたフランジ間の気密を維持するためのシーリング突起が突出形成されたことを特徴とする請求項2に記載の燃料電池スタック用マニホールドブロック。
- 前記絶縁部材のフランジには、絶縁カバーのフランジに圧着されたフランジ間の気密を維持するためのシーリング突起が突出形成されたことを特徴とする請求項2に記載の燃料電池スタック用マニホールドブロック。
- 前記シーリング突起は、絶縁カバーのフランジとスタックモジュールとの間に設けられるシーリング用ガスケットのラインに沿って長く突出形成されたことを特徴とする請求項4または5に記載の燃料電池スタック用マニホールドブロック。
- 前記絶縁カバーには、マニホールドブロックの気体流路に挿入されており、気体流路の内側面を覆う流路挿入部がさらに形成されたことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池スタック用マニホールドブロック。
- 前記絶縁カバーには、マニホールドブロックがボルト締結された締結部を覆うボルトカバーが一体に形成されており、前記ボルトカバーがマニホールドブロックの締結部に重ね合わせた状態でボルトが締結されており、ボルトカバーによりボルトとマニホールドブロックとの間が絶縁されていることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池スタック用マニホールドブロック。
- 前記冷却水流路は四角状の断面を有するチューブ形状であり、所定角度で傾斜するように折曲された直線状の流路形状を有することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池スタック用マニホールドブロック。
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